CN103326414A - 具备充电***的半导体装置 - Google Patents

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Abstract

具备充电***的半导体装置。本发明的课题是提供具备将过充电防止电路中的蓄电单元的电力消耗抑制为零的充电***的半导体装置。作为解决手段，在该具备充电***的半导体装置中，充电***具备：发电单元，其供给电力；蓄电单元，其对发电单元的电力进行蓄电；开关单元，其设置在用于将发电单元的电力充入至蓄电单元的充电路径上；比较器，其由发电单元的电力驱动，对参照电压与蓄电单元的蓄电电压进行比较；以及电平转换器，其设置在比较器与开关单元之间，对比较器的判定结果进行电压电平转换而从发电电压转换到蓄电电压，并传递给开关单元。

Description

具备充电***的半导体装置
技术领域
本发明涉及具备将发电单元的发电电力充入至蓄电单元的***的半导体装置，更具体地讲，涉及防止蓄电单元的过充电的过充电防止电路。
背景技术
图7是以往的具备充电***的半导体装置的电路图。具有作为发电单元的太阳能电池11、作为蓄电单元的二次电池12、作为逆流防止电路的二极管13、电压检测电路14以及开关单元15。电压检测电路14和开关单元15构成过充电防止电路。
在从太阳能电池11到二次电池12的充电路径中连接逆流防止二极管13，将开关单元15与太阳能电池11并联连接。
由二次电池12驱动的电压检测电路14对二次电池12的电压进行监视，当达到过充电电压时，接通开关单元，使太阳能电池短路，防止过充电。在电压检测电路14没有检测到过充电时，根据太阳能电池11的发电而对二次电池12进行充电。通过逆流防止二极管13的动作，防止从二次电池12到太阳能电池11的逆流（例如参照专利文献1）。
【专利文献1】日本特开平10-336914号公报
然而，在以往的具备充电***的半导体装置中，由于通过二次电池12来对电压检测电路14进行驱动，因此存在二次电池12的功耗变大的问题。虽然未图示，但为了延长电池的寿命，正在对通过二次电池12来驱动的负载电路进行以极低功耗来动作的设计，在电压检测电路14中消耗额外的电力是致命的缺点。
而且，由于在充电路径中设置有逆流防止二极管13，因此在充电时产生与逆流防止二极管的正向电压相应的电压损失，使充电效率变差。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的目的是提供一种具备将二次电池12的电力消耗抑制为零、并且充电效率良好的充电***的半导体装置。
为了解决以往的问题，本发明的具备充电***的半导体装置具备：发电单元，其供给电力；蓄电单元，其对发电单元的电力进行蓄电；开关单元，其设置在用于将发电单元的电力充入至蓄电单元的充电路径上；比较器，其由发电单元的电力驱动，对参照电压与蓄电单元的蓄电电压进行比较；以及电平转换器，其设置在比较器与开关单元之间，对比较器的判定结果进行电压电平转换而从发电电压转换到蓄电电压，并传递给开关单元。
根据本发明，能够将蓄电单元的电力消耗抑制为零，因此能够减小二次电池的功耗，并且能够使充电效率良好。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的具备充电***的半导体装置的框图。
图2是本发明的第一实施方式的具备充电***的半导体装置的框图。
图3是本发明的第一实施方式的具备充电***的半导体装置的过充电防止电路的动作说明图。
图4是第一实施方式的过充电防止电路的恒压输出单元的一例。
图5是第一实施方式的过充电防止电路的比较器、电平转换器的一例。
图6是第一实施方式的过充电防止电路的恒压输出单元的动作说明图。
图7是以往的具备充电***的半导体装置的框图。
图8是本发明的第二实施方式的具备充电***的半导体装置的框图。
图9是本发明的第二实施方式的具备充电***的半导体装置的动作说明图。
标号说明：
1     发电单元
2     蓄电单元
3     比较器
4     电平转换器
5     开关单元
6     恒压输出单元
7     钳位电路
31、32     PMOS晶体管
33、34     NMOS晶体管
35         电流源
41         NMOS晶体管
42         电阻
43、44     反相器
51、52     NMOS晶体管
53、54     寄生二极管
61         基准电压电路
62         放大器
63         泄放电阻
64         输出驱动器
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在实施方式的说明中，作为前提条件，进行设高电位侧为接地电位、发电单元1发出负电压、蓄电单元2对负电压进行蓄电的状况下的说明。即，电压高、电压上升的描述表示电压的绝对值小，电压低、电压下降的描述表示电压的绝对值大。
<第一实施方式>
图1示出本发明的第一实施方式的具备充电***的半导体装置的框图。第一实施方式的充电***具备：发电单元1；蓄电单元2；在充电路径上设置的开关单元5；由发电电压VGEN驱动并输出恒压V1的恒压输出单元6；由发电电压VGEN驱动并对恒压V1和蓄电电压VSTO进行比较的比较器3；以及根据需要将比较器3的输出转换成蓄电电压VSTO的电压电平并输出到开关单元5的控制端子的电平转换器4。
对恒压输出单元6的动作进行说明。图6示出恒压输出单元6的输出波形。从t0过一会儿，由发电电压VGEN输出负电压，此时恒压V1输出与发电电压VGEN相同的电压。在t3的时刻，发电电压VGEN达到过充电防止电压VLIM，此后即使发电电压VGEN输出负电压，恒压V1也维持原来的过充电防止电压VLIM的电压电平。
在与蓄电电压VSTO相比恒压V1高时，比较器3输出低电平，在与蓄电电压VSTO相比恒压V1低时，比较器3输出高电平。
电平转换器4根据需要，将发电电压VGEN电平转换成蓄电电压VSTO电平，在比较器3的输出不定时，输出低电平。
当在控制端子中输入高电平的信号VSW时，开关单元5导通充电路径，当在控制端子中输入低电平的信号VSW时，开关单元5切断充电路径。
图3是图1所示的过充电防止电路的动作说明图。该图示出随着时间从t0至t5，发电单元1发出负电压，电压下降的样子。
在t0～t1的期间，恒压V1比蓄电电压VSTO高，根据比较器3的判定，向开关单元5的控制端子输入低电平的信号VSW，充电路径被切断，成为非充电状态（逆流防止状态）。
在t1～t2的期间，恒压V1比蓄电电压VSTO低，根据比较器3的判定，向开关单元5的控制端子输入高电平的信号VSW，充电路径被导通。
但是，由于蓄电电压VSTO与发电电压VGEN的差的绝对值|VSTO-VGEN|小于在开关单元5的导通电阻上产生的电压VRON，因此不会流过充电电流，是非充电状态。
在t2～t3的期间，发电电压VGEN比蓄电电压VSTO低，蓄电电压VSTO与发电电压VGEN的差的绝对值|VSTO-VGEN|超过在开关单元5的导通电阻上产生的电压VRON，因此会流过充电电流。即，成为蓄电单元2被充电的充电状态。
在t3的时刻，发电电压VGEN达到过充电防止电压VLIM，此后恒压V1维持过充电防止电压VLIM的电压电平。
在t4的时刻，被充电的蓄电电压VSTO达到恒压V1，根据比较器3的判定，向开关单元5的控制端子输入低电平的信号VSW，充电路径被切断，成为非充电状态（过充电防止状态）。
图2示出开关单元5的具体的一例，对开关单元5和电平转换器4进行详细说明。
开关单元5由NMOS晶体管51和NMOS晶体管52构成，该NMOS晶体管51的背栅端子和一个扩散端子连接到蓄电电压VSTO，该NMOS晶体管52的背栅端子和一个扩散端子连接到发电电压VGEN，另一个扩散端子连接到NMOS晶体管51的另一个扩散端子。这样连接时，形成以NMOS晶体管51的另一个扩散端子作为阴极端子，以背栅端子作为阳极端子的寄生二极管53。同样，形成以NMOS晶体管52的另一个扩散端子作为阴极端子，以背栅端子作为阳极端子的寄生二极管54。寄生二极管53、54在发电单元1与蓄电单元2之间以彼此相反的方向连接，因此发电电压VGEN和蓄电电压VSTO不会经由寄生二极管53、54而导通。在MOS晶体管的导通电阻上产生的电压VRON小于二极管的正向电压，因此能够使充电效率良好。
电平转换器4输出以下2个***的信号：将输入的发电电压VGEN电平的信号转换成蓄电电压VSTO电平后的信号VSW1、以及未进行电平转换的原发电电压VGEN电平的信号VSW2。信号VSW1输入到NMOS晶体管51的栅极端子，信号VSW2输入到NMOS晶体管52的栅极端子。
如图2所示构成的开关单元5和电平转换器4如下所述地进行动作。
从t0到t1的期间是逆流防止状态，信号VSW1和信号VSW2成为低电平。由于信号VSW1的低电平要被电平转换器4进行电平转换，因此是蓄电电压VSTO，另一方面，由于信号VSW2的低电平不进行电平转换，因此是发电电压VGEN。此时，最低电压是蓄电电压VSTO，由于NMOS晶体管51的栅极端子和连接到蓄电单元侧的扩散端子均为蓄电电压VSTO，因此能够可靠地使NMOS晶体管51截止。虽然NMOS晶体管52的栅极端子为低电平，但由于是高于蓄电电压VSTO的发电电压VGEN，因此不能保证可靠地使NMOS晶体管52截止。但是，由于NMOS晶体管51截止，因此对整体动作不会有问题。
从t1到t4的期间是使开关单元5导通的期间，信号VSW1和信号VSW2为高电平。信号VSW1和信号VSW2与有无进行电平转换无关地输出接地电压VDD。由于接地电压VDD是最高电压，因此能够使NMOS晶体管51、52都可靠地导通。
从t4到t5的期间是过充电防止状态，信号VSW1和信号VSW2成为低电平。由于信号VSW1的低电平要被电平转换器4进行电平转换，因此是蓄电电压VSTO，另一方面，信号VSW2的低电平不进行电平转换，因此是发电电压VGEN。此时，最低电压为发电电压VGEN，NMOS晶体管52的栅极端子和连接到发电单元侧的扩散端子均为发电电压VGEN，因此能够可靠地使NMOS晶体管52截止。虽然NMOS晶体管51的栅极端子为低电平，但由于是比发电电压VGEN高的蓄电电压VSTO，因此不能保证可靠地使NMOS晶体管51截止。但是，由于NMOS晶体管52截止，因此对整体动作不会有问题。
最后，对比较器3、电平转换器4、恒压输出单元6的电路结构举出一例。
图4示出恒压输出单元6的电路结构的一例。恒压输出单元6例如由基准电压电路61、放大器62、泄放电阻63、输出驱动器64构成。对基准电压电路61的输出电压与泄放电阻的比进行调整，以使输出电压成为过充电防止电压VLIM。在这样构成的恒压输出单元6中，在发电电压VGEN低于恒压输出V1、即过充电防止电压VLIM时，成为V1=VLIM，在发电电压VGEN高于过充电防止电压VLIM时，成为V1=VGEN，能够实现所希望的动作。
图5示出比较器3、电平转换器4的电路结构的一例。在比较器3中，例如在差动对中具有PMOS晶体管31、32，在差动对的负载电路中具有NMOS晶体管33、34，作为偏置电流源具有电流源35。在电平转换器4中，例如在由NMOS晶体管41、电阻42构成的源极接地级接收比较器3的输入，通过反相器43、44对其输出进行波形整形。反相器43由接地电压VDD和蓄电电压VSTO驱动，输出低电平为蓄电电压VSTO的信号VSW1，反相器44由接地电压VDD和发电电压VGEN驱动，输出低电平为发电电压VGEN的信号VSW2。
电阻42作为初始电压固定单元来进行动作，不限于电阻，也可以使用耗尽型晶体管。
根据上述内容，在第一实施方式的充电***中，能够提供具有如下所述的充电***的半导体装置：该充电***将蓄电单元的电力消耗抑制为零，具备过充电防止功能，充电效率良好。
另外，在实施方式的说明中，作为前提条件进行了设高电位侧为接地电位、发电单元1发出负电压、蓄电单元2对负电压进行蓄电的状况下的说明，但低电位侧为接地电位、发电单元1发出正电压、蓄电单元2对正电压进行蓄电的情况也属于本发明的范围。
<第二实施方式>
图8示出本发明的第二实施方式的具备充电***的半导体装置的框图。第二实施方式的充电***具备发电单元1、蓄电单元2、比较器3、电平转换器4、开关单元5、钳位电路7。
与第一实施方式的不同点在于，由于构成为通过钳位电路7来防止过充电，因此将发电电压VGEN直接输入到比较器3。即，不需要恒压输出单元6。而且，开关单元5能够仅由NMOS晶体管51构成。
图9是第二实施方式的充电***的动作说明图。
示出随着时间从t0推进到t4，发电单元1发电出负电压，电压下降的样子。电压VA是比较器3的最低动作电压。
在t0～t1的期间，由于发电电压VGEN比电压VA高，因此比较器3不能进行动作，比较器3的输出变成不定。此时，电平转换器4输出低电平，NMOS晶体管51截止。
在t1～t2的期间，由于发电电压VGEN比电压VA低，因此比较器3开始动作。此时，由于发电电压VGEN比蓄电电压VSTO高，因此根据比较器3的判定，电平转换器4输出低电平，NMOS晶体管51截止。
因此，在t0～t2的期间，由于NMOS晶体管51截止，因此不会从蓄电单元2向发电单元1流过逆流电流。
在t2～t3的期间，由于发电电压VGEN比蓄电电压VSTO低，因此根据比较器3的判定，NMOS晶体管51导通。但是，蓄电电压VSTO与发电电压VGEN的差的绝对值|VSTO-VGEN|小于在NMOS晶体管51的导通电阻上产生的电压VRON，因此不流过充电电流，成为非充电状态。
在t3～t4的期间，发电电压VGEN比蓄电电压VSTO低，蓄电电压VSTO与发电电压VGEN的差的绝对值|VSTO-VGEN|超过在NMOS晶体管51的导通电阻上产生的电压VRON，因此会流过充电电流。即，成为蓄电单元2被充电的充电状态。
此处，对电平转换器4的动作进行说明。在图8中，将比较器3的输出端子作为N1，将电平转换器4的输出端子作为N3。在t0～t2的期间，为了使NMOS晶体管51截止，电平转换器4有必要输出低电平。因此，电平转换器4在被输入不定电平时，不得不输出低电平。另外，由于蓄电电压VSTO比发电电压VGEN低，因此为了使NMOS晶体管51截止，通过电平转换器4将比较器3的输出转换成蓄电电压VSTO的电压电平。
此处，由于比较器3由发电电力驱动，因此能够抑制蓄电电力的电力消耗。
通过如上所述构成，第二实施方式的充电***能够提供具备将蓄电单元的电力消耗抑制为零且充电效率良好的充电***的半导体装置。

Claims (5)

1.一种具备充电***的半导体装置，其特征在于，所述充电***具备：
发电单元，其供给电力；
蓄电单元，其对所述发电单元的电力进行蓄电；
开关单元，其设置在用于将所述发电单元的电力充入至所述蓄电单元的充电路径上；
比较器，其由所述发电单元的电力驱动，对参照电压与所述蓄电单元的蓄电电压进行比较；以及
电平转换器，其设置在所述比较器与所述开关单元之间，对所述比较器的判定结果进行电压电平转换而从所述发电单元的发电电压转换到所述蓄电电压，并传递给所述开关单元。
2.根据权利要求1所述的具备充电***的半导体装置，其特征在于，
所述参照电压是所述发电单元的发电电压。
3.根据权利要求1所述的具备充电***的半导体装置，其特征在于，
所述参照电压是恒压输出单元输出的恒压。
4.根据权利要求3所述的具备充电***的半导体装置，其特征在于，
在所述恒压输出单元中，
在所述发电电压低于过充电防止电压时，所述恒压是与所述发电电压相同电平的电压，
在所述发电电压是所述过充电防止电压以上时，所述恒压是与所述过充电防止电压相同电平的电压。
5.根据权利要求3或4所述的具备充电***的半导体装置，其特征在于，
所述开关单元由第一MOS晶体管和第二MOS晶体管构成，其中，
所述第一MOS晶体管的背栅端子和一个扩散端子连接到所述蓄电单元侧，
所述第二MOS晶体管的背栅端子和一个扩散端子连接到所述发电单元侧，另一个扩散端子连接到所述第一MOS晶体管的另一个扩散端子，
所述电平转换器具有：
第一输出端子，其根据所述判定结果来输出接地电压或者所述蓄电电压；以及
第二输出端子，其根据所述判定结果来输出接地电压或者所述发电电压，
所述第一输出端子与所述第一MOS晶体管的栅极端子连接，
所述第二输出端子与所述第二MOS晶体管的栅极端子连接。
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