JP2007089276A

JP2007089276A - 充電回路

Info

Publication number: JP2007089276A
Application number: JP2005273358A
Authority: JP
Inventors: Nobuhito Yoshida; 信人吉田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【構成】充電電圧回路１０は、トランジスタＴＲ１を含み、外部電源に基づく充電電流は、トランジスタＴＲ１によってバッテリ１６に供給される。トランジスタＴＲ１によって供給される充電電流量は、外部電源が接続されたとき制御回路２２によって０．２ＣＡに設定され、この後にバッテリ１６の電圧値が３．０Ｖに達したとき制御回路２２によって１．０ＣＡに設定され、バッテリ１６の電圧値が４．２Ｖに達したとき制御回路２２によって０．２ＣＡに設定される。この後にバッテリ１６の電圧値が４．２Ｖに達すると、トランジスタＴＲ１は制御回路２２によって不能化される。
【効果】０．２ＣＡに従う予備充電と１．０ＣＡに従う急速充電と０．２ＣＡに従う擬似的な定電圧充電とによって、回路構成が簡略化され的確な充電動作が可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、充電回路に関し、特にたとえば外部電源から供給される電流によってバッテリを充電する、充電回路に関する。

従来のこの種の装置の一例が、特許文献１に開示されている。この従来技術によれば、バッテリ電圧が第１の電圧Ｖ１に達するまでは定電流充電が行われる。バッテリ電圧が第１の電圧Ｖ１に達すると、充電動作が定電流充電からパルス充電に変更される。パルス充電では、立ち上がり時の電圧値が第１の電圧Ｖ１を示すパルス電圧が用いられ、立ち下り時のバッテリの電圧値がサンプルされる。サンプルされた電圧値が設定電圧値ＶＡに達すると、充電動作がパルス充電から定電圧充電に変更される。電圧値は、第１の電圧よりも小さい第２の電圧Ｖ２に設定される。これによって、バッテリの過充電を防止しつつ、バッテリを急速に充電することができる。
特開平６−１１３４７４号公報[H02J 7/04]

しかし、従来技術では、定電流充電，パルス充電および定電圧充電を行う必要があるため、回路構成が複雑化するという問題がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、簡単な回路構成で的確な充電動作を実現できる、充電回路を提供することである。

請求項１の発明に従う充電回路(10)は、外部電源に基づく充電電流をバッテリに供給する供給手段(TR1)、外部電源が接続されたとき供給手段によって供給される充電電流量を第１量に設定する第１設定手段(S3)、第１設定手段の設定の後にバッテリの電圧値が第１閾値に達したとき供給手段によって供給される充電電流量を第１量よりも大きい第２量に設定する第２設定手段(S9)、バッテリの電圧値が第１閾値よりも大きい第２閾値に達したとき供給手段によって供給される充電電流量を第１量に設定する第３設定手段(S13)、および第３設定手段の設定の後にバッテリの電圧値が第２閾値に達したとき供給手段を不能化する不能化手段(S17)を備える。

外部電源に基づく充電電流は、供給手段によってバッテリに供給される。供給手段によって供給される充電電流量は、外部電源が接続されたとき第１設定手段によって第１量に設定され、第１設定手段の設定の後にバッテリの電圧値が第１閾値に達したとき第２設定手段によって第２量に設定され、そしてバッテリの電圧値が第２閾値に達したとき第３設定手段によって第１量に設定される。ここで、第２量は第１量よりも大きく、第２閾値は第１閾値よりも大きい。第３設定手段の設定の後にバッテリの電圧値が第２閾値に達すると、供給手段は不能化手段によって不能化される。

外部電源が接続された当初の充電電流量を第２量よりも少ない第１量に設定することで、予備的な充電が実現される。これによって、バッテリの過放電時における過大な電流の供給に起因するバッテリの発熱と特性との劣化が回避される。

また、バッテリの電圧が第１閾値に達すると、第２閾値に従う急速充電が実行される。この急速充電によってバッテリの電圧値が第２閾値に達すると、充電電流量は第２量よりも少ない第１量に変更され、バッテリの電圧値は充電電流量の減少によって低下する。第１量に従う充電によって定電圧充電が擬似的に実行され、バッテリの電圧値が再度第２閾値に達すると、充電電流の供給が停止される。この結果、バッテリが満充電状態となる。

第１量に従う予備充電と第２量に従う急速充電と第１量に従う擬似的な定電圧充電とによって、的確な充電動作が可能となる。また、擬似的な定電圧充電のために回路を追加する必要がなく、さらに、従来技術のような定電圧回路および電流検出回路を準備する必要がないため、回路構成が簡略化できる。

請求項２の発明に従う充電回路は、請求項１に従属し、バッテリはリチウムイオン型またはリチウムポリマー型である。

請求項３の発明に従う形態電子機器は、請求項１ないし２のいずれかに記載の充電回路を備える。

請求項４の発明に従う充電制御プログラムは、外部電源に基づく充電電流をバッテリに供給する供給手段を備える充電回路のプロセサ(22)に、外部電源が接続されたとき供給手段によって供給される充電電流量を第１量に設定する第１設定ステップ(S3)、第１設定ステップの設定の後にバッテリの電圧値が第１閾値に達したとき供給手段によって供給される充電電流量を第１量よりも大きい第２量に設定する第２設定ステップ(S9)、バッテリの電圧値が第１閾値よりも大きい第２閾値に達したとき供給手段によって供給される充電電流量を第１量に設定する第３設定ステップ(S13)、および第３設定ステップの設定の後にバッテリの電圧値が第２閾値に達したとき供給手段を不能化する不能化ステップ(S17)を実行させる。

この発明によれば、第１量に従う予備充電と第２量に従う急速充電と第１量に従う擬似的な定電圧充電とによって、回路構成が簡略化され的確な充電動作が可能となる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１を参照して、この実施例の充電回路１０は携帯電話機やＰＤＡのような携帯電子機器に設けられ、充電電流切換回路１４を含む。外部電源１２は、充電電流切換回路１４に形成された抵抗Ｒ１の一方端に接続される。

抵抗Ｒ１の他方端はＰ型ＭＯＳ−ＦＥＴであるトランジスタＴＲ１（以下“トランジスタＴＲ１”）のソースとオペアンプＯＰ１の反転入力端子とに接続され、オペアンプＯＰ１の出力端子はトランジスタＴＲ１のゲートに接続される。抵抗Ｒ２の一方端は抵抗Ｒ１の一方端に接続され、抵抗Ｒ２の他方端はＮ型ＭＯＳ−ＦＥＴであるトランジスタＴＲ２（以下“トランジスタＴＲ２”）のドレインとオペアンプＯＰ１の非反転入力端子とに接続される。抵抗Ｒ３の一方端は基準電位面と接続され、抵抗Ｒ３の他方端にトランジスタＴＲ２のソースが接続され、トランジスタＴＲ２のゲートはオペアンプＯＰ２の出力端子に接続される。オペアンプＯＰ２の反転入力端子はトランジスタＴＲ２のソースに接続され、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子に基準電圧源１４ａが接続される。スイッチＳＷの一方端はトランジスタＴＲ２のソースに接続され、スイッチＳＷの他方端は基準電位面に接続される。なお、スイッチＳＷの初期状態はオフであり、スイッチＳＷは制御回路２２によってオン／オフされる。

また、トランジスタＴＲ１のドレインは基準電位面に接続された負極を有するリチウムイオン型のバッテリ１６の正極に接続される。バッテリ１６の正極は電圧検出回路１８を形成する抵抗Ｒ４の一方端に接続される。抵抗Ｒ４の他方端はオペアンプＯＰ３の反転入力端子および抵抗Ｒ５の一方端に接続され、抵抗Ｒ５の他方端は基準電位面に接続される。オペアンプＯＰ３の非反転入力端子は基準電圧源１８ａに接続され、オペアンプＯＰ３の出力端子は制御回路２２に接続される。

さらに、バッテリ１６の正極は電圧検出回路２０を形成する抵抗Ｒ６の一方端に接続される。抵抗Ｒ６の他方端はオペアンプＯＰ４の反転入力端子および抵抗Ｒ７の一方端に接続され、抵抗Ｒ７の他方端は基準電位面に接続される。オペアンプＯＰ４の非反転入力端子は基準電圧源２０ａに接続され、オペアンプＯＰ４の出力端子は制御回路２２に接続される。

以上のように構成された充電回路１０は、従来必要であった定電圧回路および電流検出回路を含まない。これによって、回路構成が簡略化される。

充電電流切換回路１４に形成された基準電圧源１４ａは、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子に基準電圧を印加し、オペアンプＯＰ２の反転入力端子には抵抗Ｒ３の端子電圧が印加される。オペアンプＯＰ２は、基準電圧源１４ａから印加された基準電圧と抵抗Ｒ３の端子電圧との差分によって規定される出力電圧をトランジスタＴＲ２のゲートに印加する。

トランジスタＴＲ２のゲート電圧が上昇すると、トランジスタＴＲ２のドレイン電流が増大し、これによって、ドレイン電圧が降下する。逆に、トランジスタＴＲ２のゲート電圧が降下すると、トランジスタＴＲ２のドレイン電流が減少し、これによって、ドレイン電圧が上昇する。こうして、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子電圧がトランジスタＴＲ２によって制御される。

また、オペアンプＯＰ１の反転入力端子には外部電源１２および抵抗Ｒ１によって規定される電圧が印加される。オペアンプＯＰ１は、反転入力端子に印加された電圧と非反転入力端子に印加された電圧との差分によって規定される出力電圧をトランジスタＴＲ１のゲートに印加する。

トランジスタＴＲ１のゲート電圧が低下すると、トランジスタＴＲ１のドレイン・ソース間のオン抵抗が減少し、これによって、トランジスタＴＲ１のドレイン電流が増大する。逆に、トランジスタＴＲ１ゲート電圧が上昇すると、トランジスタＴＲ１のドレイン・ソース間のオン抵抗が上昇し、これによって、トランジスタＴＲ１のドレイン電流が減少する。こうして、バッテリ１６へ導通する電流量つまり充電電流量（充電電流値）がトランジスタＴＲ１によって制御される。

オペアンプＯＰ１が制御回路２２によって停止されたとき、トランジスタＴＲ１は不能化される。この結果、バッテリ１６への充電電流の供給が停止される。つまり、オペアンプＯＰ１が不能化状態のときは、スイッチＳＷのオン／オフに関わらずバッテリ１６に供給される充電電流量が０．０ＣＡを示す。

オペアンプＯＰ１が制御回路２２によって起動されかつスイッチＳＷがオフのときは、オペアンプＯＰ１の出力電圧の降下によってトランジスタＴＲ２のドレイン電流が減少し、トランジスタＴＲ１のゲート電圧はＨレベル電圧を示す。このとき、トランジスタＴＲ１の充電電流量は０．２ＣＡとなる。つまり、オペアンプＯＰ１が起動されかつスイッチＳＷがオフのときは、バッテリ１６に供給される充電電流量がトランジスタＴＲ１によって０．２ＣＡに制御される。ここで、０．２ＣＡに制御されたときの充電を“予備充電”または“補充電”と定義する。外部電源１２が接続されたときの充電が予備充電であり、後述する急速充電の後の充電が補充電である。

オペアンプＯＰ１が起動されかつスイッチＳＷがオンのときは、スイッチＳＷを介して得られる電圧（０Ｖ）がオペアンプＯＰ２の反転入力端子に印加される。すると、オペアンプＯＰ２の出力電圧つまりトランジスタＴＲ２のゲート電圧が上昇し、トランジスタＴＲ２のドレイン電流が増大し、これによって、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子電圧が減少する。

オペアンプＯＰ１は、Ｌレベル電圧をトランジスタＴＲ１のゲートに印加する。トランジスタＴＲ１を流れる充電電流量は、オペアンプＯＰ１によって印加されたＬレベル電圧に応じて１．０ＣＡとなる。つまり、オペアンプＯＰ１が起動されかつスイッチＳＷがオンのときは、バッテリ１６に供給される充電電流量がトランジスタＴＲ１によって１．０ＣＡに制御される。ここで、１．０ＣＡに制御されたときの充電を“急速充電”と定義する。

電圧検出回路１８に形成された基準電圧源１８ａは、基準電圧をオペアンプＯＰ３の非反転入力端子に印加し、オペアンプＯＰ３の反転入力端子には抵抗Ｒ５の端子電圧が印加される。オペアンプＯＰ３は、コンパレータとして機能し、反転入力端子の電圧が非反転入力端子に印加される基準電圧以下ならば制御回路２２に向けてＨレベルを示す比較結果を出力し、反転入力端子の電圧が非反転入力端子に印加される基準電圧より高いならば制御回路２２に向けてＬレベルを示す比較結果を出力する。制御回路２２は、オペアンプＯＰ３からの比較結果がＨレベルのときバッテリ１６の電圧値が４．２Ｖ以上であると判断し、オペアンプＯＰ３からの比較結果がＬレベルのときバッテリ１６の電圧値が４．２Ｖより低いと判断する。

電圧検出回路２０に形成された基準電圧源２０ａは、基準電圧をオペアンプＯＰ４の非反転入力端子に印加し、オペアンプＯＰ４の反転入力端子には抵抗Ｒ７の端子電圧が印加される。オペアンプＯＰ４は、コンパレータとして機能し、反転入力端子の電圧が非反転入力端子に印加される基準電圧以下ならば制御回路２２に向けてＨレベルを示す比較結果を出力し、反転入力端子の電圧が非反転入力端子に印加される基準電圧より高いならば制御回路２２に向けてＬレベルを示す比較結果を出力する。制御回路２２は、オペアンプＯＰ４からの比較結果がＨレベルのときバッテリ１６の電圧値が３．０Ｖ以上であると判断し、オペアンプＯＰ４からの比較結果がＬレベルのときバッテリ１６の電圧値が３．０Ｖより低いと判断する。

この実施例の充電制御処理について、図２に示すフロー図を用いて説明する。なお、図２に示すフロー図に対応する制御プログラムは、図示しないフラッシュメモリなどの記憶デバイスに記憶される。

図２によれば、ステップＳ１で、外部電源１２が接続されるまで待機する。この時点で、スイッチＳＷはオフ状態にある。外部電源１２が接続されると、ステップＳ３で、オペアンプＯＰ１を起動する。これに応じてトランジスタＴＲ１が起動される。この結果、０．２ＣＡの充電電流がバッテリ１６に供給される。つまり、外部電源１２が接続された当初の充電電流量を１．０ＣＡよりも少ない０．２ＣＡに設定することで、予備的な充電が実現される。これによって、バッテリの過放電時における過大な電流の供給に起因するバッテリの特性の発熱と劣化とが回避される。

ステップＳ５では、バッテリ１６の電圧値が４．２Ｖ以上であるか否かをオペアンプＯＰ３の比較結果に基づいて判別する。オペアンプＯＰ３の比較結果がＨレベルであればバッテリ１６は満充電であると判断し、ステップＳ１７に進む。一方、オペアンプＯＰ３の比較結果がＬレベルであればバッテリ１６を充電すべくステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、バッテリ１６の電圧値が３．０Ｖ以上であるか否かをオペアンプＯＰ４の比較結果に基づいて判別する。オペアンプＯＰ４の比較結果がＬレベルであれば予備充電を継続し、オペアンプＯＰ４の比較結果がＨレベルであればバッテリ１６に急速充電すべくステップＳ９に進む。

ステップＳ９ではスイッチＳＷをオンする。これに応じて、トランジスタＴＲ２のドレイン電流が増大し、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子に印加される電圧が降下する。オペアンプＯＰ１の出力電圧つまりトランジスタＴＲ１のゲート電圧はＬレベルに低下し、この結果、バッテリ１６に供給される充電電流が０．２ＣＡから１．０ＣＡに変更される。

ステップＳ１１では、バッテリ１６の電圧値が４．２Ｖ以上であるか否かを判別する。つまり、バッテリ１６が一旦満充電になるまで急速充電を行う。バッテリ１６の電圧値が４．２Ｖに達すると、急速充電から補充電に切り換えるべくステップＳ１３に進む。具体的には、オペアンプＯＰ３の比較結果がＨレベルを示すまで急速充電を行い、オペアンプＯＰ３の比較結果がＨレベルを示すと、スイッチＳＷをオフする。これに応じて、トランジスタＴＲ２のドレイン電流が減少し、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子に印加される電圧は上昇する。オペアンプＯＰ１の出力電圧つまりトランジスタＴＲ１のゲート電圧は上昇し、これによって、バッテリ１６に供給される充電電流量が０．２ＣＡに低下する。こうして、バッテリ１６への補充電が再開される。

ステップＳ１５では、バッテリ１６の電圧値が４．２Ｖに再び達したか否か判断する。具体的には、オペアンプＯＰ３の比較結果がＨレベルを示すまで擬似的な定電圧充電を行い、オペアンプＯＰ３の比較結果がＨレベルを示すと、ステップＳ１７で、バッテリ１６は満充電であると判断し、オペアンプＯＰ１を停止する。こうして、バッテリ１６への充電が完了する。

３．０Ｖ未満の電圧値を示すバッテリ１６を充電する場合について、図３および図４を用いて説明する。図３によれば、外部電源１２が接続されると、電圧検出回路１８はバッテリ１６の電圧値を検出する。検出された電圧値は４．２Ｖ未満であるので、制御回路２２によってオペアンプＯＰ１が起動され、予備充電が開始される。予備充電期間中では、バッテリ１６の電圧値は図３に示す要領で増加し、充電電流量は０．２ＣＡを示す（図４参照）。

次に、バッテリ１６の電圧値が３．０Ｖに達し、オペアンプＯＰ４の比較結果がＨレベルを示すと、制御回路２２はスイッチＳＷをオンする。これによって、急速充電が開始される。急速充電期間中では、バッテリ１６の電圧値は図３に示す要領で増加し、充電電流量は１．０ＣＡを示す（図４参照）。

バッテリ１６の電圧値が４．２Ｖに達し、オペアンプＯＰ３の比較結果がＨレベルを示すと、制御回路２２はスイッチＳＷをオフする。この結果、図４に示すように充電電流量は１．０ＣＡから０．２ＣＡに変更され、０．２ＣＡを示す充電電流がバッテリ１６に供給される。このような擬似的な定電圧充電期間中では、バッテリ１６の電圧値は図３に示す要領で増加する。

バッテリ１６に供給される充電電流量が１．０ＣＡから０．２ＣＡに減少されることによって、バッテリ１６の電圧値は低下する。このとき、オペアンプＯＰ３の比較結果はＨレベルからＬレベルに立ち下がる。したがって、バッテリ１６を満充電にすべく、０．２ＣＡに従う擬似的な定電圧充電によって充電電流がバッテリ１６に供給される。

バッテリ１６の電圧値が４．２Ｖに再び達し、オペアンプＯＰ３の比較結果がＨレベルを示すと、制御回路２２はオペアンプＯＰ１を停止し、充電が完了する。なお、充電電流量は０．０ＣＡを示す（図４参照）。

要するに、０．２ＣＡに従う予備充電と１．０ＣＡに従う急速充電と０．２ＣＡに従う擬似的な定電圧充電とによって、的確な充電動作が可能となる。また、擬似的な定電圧充電のために回路を追加する必要がなく、さらに、従来技術のような定電圧回路および電流検出回路を準備する必要がないため、回路構成が簡略化できる。

なお、この実施例では、リチウムイオン型のバッテリを用いて説明しているが、リチウムイオン型のバッテリに代えてリチウムポリマー型のバッテリを用いるようにしてもよい。

また、この実施例では、外部電源として１．０ＣＡの供給能力を持つ電源を採用し、これによって、充電回路の発熱をできる限り抑えるようにしている。しかし、発熱を考慮する必要がないならば、１．０ＣＡを上回る供給能力を持つ電源を外部電源として採用し、基準電圧面（アース）とスイッチＳＷの他方端との間に抵抗を介挿すればよい。

さらに、この実施例では、基準電圧源１４ａ，１８ａおよび２０ａの各々は単独で回路に構成されるように説明したが、これに限らず、基準電圧源を１つに共用し、この基準電圧源からオペアンプＯＰ２，オペアンプＯＰ３およびオペアンプＯＰ４の非反転入力端子に印加するように構成することも可能である。

図１は、この発明の一実施例の構成を示すブロック図である。図２は、図１実施例における充電制御動作を示すフロー図である。図３は、図１実施例に適用されるバッテリ電圧の充電動作を示す図解図である。図４は、図１実施例に適用される充電電流の動作を示す図解図である。

符号の説明

１０ … 充電電圧回路
１２ … 外部電源
１４ … 充電電流切換回路
１６ … バッテリ
１８，２０ … 電圧検出回路
２２ … 制御回路
１４ａ，１８ａ，２０ａ … 基準電圧
ＯＰ１〜４ … オペアンプ
Ｒ１〜Ｒ７ … 抵抗
ＴＲ１，ＴＲ２ … トランジスタ

Claims

外部電源に基づく充電電流をバッテリに供給する供給手段、
前記外部電源が接続されたとき前記供給手段によって供給される充電電流量を第１量に設定する第１設定手段、
前記第１設定手段の設定の後に前記バッテリの電圧値が第１閾値に達したとき前記供給手段によって供給される充電電流量を前記第１量よりも大きい第２量に設定する第２設定手段、
前記バッテリの電圧値が前記第１閾値よりも大きい第２閾値に達したとき前記供給手段によって供給される充電電流量を前記第１量に設定する第３設定手段、および
前記第３設定手段の設定の後に前記バッテリの電圧値が前記第２閾値に達したとき前記供給手段を不能化する不能化手段を備える、充電回路。
バッテリはリチウムイオン型またはリチウムポリマー型である、請求項１または２記載の充電回路。
請求項１ないし２のいずれかに記載の充電回路を備える、携帯電子機器。
外部電源に基づく充電電流をバッテリに供給する供給手段を備える充電回路のプロセサに、
前記外部電源が接続されたとき前記供給手段によって供給される充電電流量を第１量に設定する第１設定ステップ、
前記第１設定ステップの設定の後に前記バッテリの電圧値が第１閾値に達したとき前記供給手段によって供給される充電電流量を前記供給手段によって供給される充電電流量を前記第１量よりも大きい第２量に設定する第２設定ステップ、
前記バッテリの電圧値が前記第１閾値よりも大きい第２閾値に達したとき前記供給手段によって供給される充電電流量を前記第１量に設定する第３設定ステップ、および
前記第３設定ステップの設定の後に前記バッテリの電圧値が前記第２閾値に達したとき前記供給手段を不能化する不能化ステップを実行させる、充電制御プログラム。