JP3553078B2 - バッテリ駆動装置のための保護スイッチ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、一般に再充電可能バッテリに関し、さらに詳しくは、再充電可能バッテリのためのバッテリ過電圧保護回路に関する。
発明の背景
双方向無線機，セルラ電話およびコンピュータなどの複雑な電子装置は、電子部がより小型でより効率的な統合体に組み込まれるに従って、ますます携帯に便利になる。同時に、携帯装置に電力を供給するためにより品質の良いバッテリ・システムに対する需要が高まる。セルラ電話および携帯用コンピュータなどの高出力を必要とする装置のためには、再充電可能なバッテリ・システム、特にニッケル−カドミウムおよびニッケル金属水素化物バッテリ・システムが最も経済的な選択肢である。しかし、バッテリを用いることにより、このような装置の設計者には、興味深い課題が提示される。すなわち、調整電源の恩恵を受けずに、装置がある特定の電圧ではなく、入力された電圧範囲で動作しなければならないということである。また、バッテリ電圧は、装置のさまざまな下位システムがオン／オフするために変化し続ける。そのため、電子部のバイアス電圧がたえず変化する間、一貫して装置を動作させることが問題になる。
もちろん、バッテリ電圧を調整するための手段および知識は、装置にもバッテリ自身にも存在する。生のバッテリ電圧（raw battery voltage）を装置のために安定した電圧に変換する一体型線形電圧調節器を利用することができる。しかし、線形調節器は、動作時間が市場における重大な特徴となることを考えると、装置の非常に低電流な下位システム以外には、極端に効率が悪い。モード切換式調節器は、バッテリ電圧を調整するためのより効率的な手段となりうるが、価格と複雑性のために、低電流の下位システムに用いることができない。従って、携帯電子機器の設計者は、充電中に完全な放電状態からピーク電圧まで100％も変化するバッテリ電圧に対処しなければならない。
再充電には１時間以上かかるので、バッテリの再充電中に装置が動作することができるようにすると便利である。その結果、装置は充電器の電圧にさらされる。前述のように、最適な充電に必要なピーク電圧はきわめて高くなることがある。バッテリの動作電圧範囲で装置を効率的に動作させるための解決策は、充電器のピーク電圧が印加されても装置が不可逆的な損傷を受けないようにすることである。これは特に、無線周波数電力増幅器が生のバッテリ電圧の両端に直接接続されることが多いハンドヘルド通信装置において当てはまる。聡明なバッテリ・システムの設計者ならば、１つの妥協案として充電時間を犠牲にして、装置を保護するために充電器の電圧を制限することでこれを避ける。しかし、第三者のバッテリ充電器メーカーは、このような制約に気づかないことが多く、装置に損傷を与える可能性のある充電器を製造販売してしまう。これが起こると、ユーザは、充電器が問題を起こしたことに気づかずに、装置が故障していると思ってしまう。
装置が過剰な充電器電圧にさらされる別のケースは、リチウム−イオン型バッテリを用いた結果起こる。このようなセルをベースにしたバッテリは、エネルギ密度においてニッケル型システムより優れた利点を持ち、動作時間の延長，重量の軽減またはこれら両方を組み合わせた長所をユーザに与える。しかし、これらのセルは電圧に影響を受けやすく、安全上の理由から一定の安全閾値電圧を超えて充電してはならない。確実に安全を維持するためには、セルと直列に安全スイッチを設けて、必要に応じて充電電流を中断することが必要である。安全スイッチは、セル電圧に応答して、セル電圧が安全閾値電圧に到達すると安全スイッチを起動する回路により制御される。リチウム・イオン・バッテリ用に設計された充電器においては、これは滅多に起こらない。しかし、リチウム・イオン・バッテリを使用するためだけの目的で新しい充電器を買いたがらない顧客が多いということを考えると、リチウム・イオン・バッテリが既存のニッケル型システム充電器で充電できるように設計されたら便利である。ニッケル型システムで充電されるリチウム・イオン・バッテリの安全スイッチは、再充電サイクルのたびにオフになる。これは、リチウム・イオン・バッテリの安全閾値電圧が同じ用途のためのニッケル・バッテリが充電中に得られる電圧の約2/3であるためである。安全スイッチがオフになると、ニッケル型システム充電器は定電流規制を維持しようとしてその出力電圧を上げる。セルと安全スイッチが装置と並列の直列構造を形成するので、最大充電器電圧が、バッテリが給電中の装置に印加される。
従って、ニッケル型バッテリ・システムと、さらに詳しくは、リチウム・イオン・バッテリの両方において、バッテリを再充電する際に受電器により生成される過剰電圧から接続された装置を保護することが必要である。このような手段はバッテリ・パック内に内蔵して、バッテリをどのような充電器でも使用できるようにすべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による過電圧保護回路を含むバッテリ・パックの概略図である。
第２図は、保護回路の第１代替実施例を示す概略回路図である。
第３図は、保護回路の第２代替実施例を示す概略回路図である。
第４図は、保護回路の第３代替実施例を示す概略回路図である。
好適な実施例の詳細な説明
仕様書は、本発明の新規と見なされる特徴を定義する請求項で締めくくられるが、本発明は以下の説明と図面とを関連づけて考察することにより、さらに良く理解されるものと信じられる。図面においては、同様の参照番号が繰り返し用いられる。
第１図を参照して、ここにはバッテリ・パック10,充電器12および電力を供給される装置14が図示される。バッテリ・パック10は、少なくとも１つのセル16と、保護スイッチ28と、バッテリ電圧および充電器電圧に応答する制御回路26と、バッテリ・セル16がリチウム・イオン・タイプのものである場合は安全スイッチ49とによって構成される。装置に供給される放電電流は、セル16から矢印52の方向に正の装置接触20を通って流れ、負の装置接触24を通って帰還する。セル16は、電流が充電器から矢印54の方向に、正の充電器接触18を通って流れ、負の充電器接触22を通って充電器に帰還すると再充電される。充電器接触18または22のいずれか一方は、電流が充電方向のみに流れ、充電器接触を通じてセルを放電することを防ぐためにダイオード19などの遮断装置を備えることがある。
保護スイッチ28は、ソース46,ドレイン48およびゲート50を有するＰチャネル・エンハンスメント・モードMOSFET44によって構成され、ソース46は正の充電器接触18に、ドレイン48はバッテリ・セル16の正の端子15に、ゲート50は比較器出力を有する制御回路26の出力に接続される。すなわち、出力は、高電圧レベルと低電圧レベルとの間で切り替えられる。保護スイッチ28が電流をバッテリ・パック10内に流すと、制御回路26の出力がプルアップ抵抗64を通じて電流を引き込み、電圧を生成してMOSFET44を最も抵抗の低い状態にする。すなわちこれが「オン」である。制御回路26が保護スイッチ28を起動すると、電流はプルアップ抵抗64を通り制御回路26へ、そしてMOSFET44のゲート50に流れ込むのをやめて、それによりMOSFET44からバイアスを除去して、非常に抵抗の高い状態にする。すなわちこれが「オフ」である。この効果は、あたかも電気接触が壊れたようであり、そのために、電流および充電器電圧がバッテリ・セル16と装置14とに印加されなくなる。
バッテリ・セル16としてリチウム・イオン・セルを用いる実施例においては、安全スイッチ49がＮチャネル・エンハンスメント・モードMOSFET47によって構成され、バッテリ・セル16と直列に、バッテリ・セルの負の端子17と負の接触22,24との間に配置される。MOSFET47のゲート55は、抵抗51とキャパシタ53とによって形成される遅延回路を通じて制御回路26の出力に接続されるので、MOSFET47は保護スイッチ28がオンまたはオフに対応する状態に切り替わるとすぐにオンまたはオフになる。MOSFETを安全スイッチ49として用いる場合の利点は、装置14が依然として固有ダイオード58により動作することができるということである。この固有ダイオード58は、MOSFET製造の副産物であり、このような装置では周知の特徴である。放電電流は、MOSFET47がオフのときもダイオード58を流れる。スイッチ49がオフのとき、充電器10は、その出力電圧を上げることにより充電を続けようとする。保護スイッチ28がないと、装置14は壊れてしまうことがある。
制御回路26は、反転入力31,非反転入力35および出力36を有する比較器30として構成される演算増幅器によって構成される。電圧基準レッグ33は演算増幅器の非反転入力35に安定した電圧を供給するためのものであり、分圧器レッグ37は演算増幅器の反転入力31に充電器電圧に比例した電圧を供給するためのものである。電圧基準レッグ33は、演算増幅器の非反転入力35と負の充電器接触22との間に接続された電圧基準32と、演算増幅器の非反転入力35のと正の充電器接触18との間に接続された電圧基準バイアス抵抗34とによって構成される。ここでは、正の充電器接触18に接続されて図示されるが、電圧基準バイアス抵抗34は、電圧基準32をバイアスするために充分な電流がそこを流れ安定した電圧を生成する限り、任意の充分に正の値が高い電圧に接続することもできる。
分圧器レッグ37は、負の充電器接触22と演算増幅器の反転入力31との間に接続された第１抵抗38と、演算増幅器の反転入力31の間および保護スイッチ28の両端に夾叉型（straddling configuration）に接続された１対の対向ダイオード40,42の陰極の共通ノード41とに接続された第２抵抗36によって構成される。ダイオード40の陽極は、保護スイッチのソース46に接続され、ダイオード42の陽極は保護スイッチのドレインに接続される。演算増幅器の出力39は、第１比較器出力となり、安全スイッチ49の遅延抵抗51と、駆動トランジスタ57とに接続される。駆動トランジスタ57は、第２比較器出力を供給して保護スイッチ28を制御し、好ましくはＮチャネルMOSFETであるが、NPN型バイポーラ・トランジスタ程度の効果があればよい。
夾叉ダイオード40,42は、安全スイッチ49が含まれるバッテリ・パックと共に用いられ、バッテリ・セル16は、リチウム・イオン型または最大充電電圧を有するその他の種類である。ニッケル型バッテリ・システムにおいては、抵抗36はダイオード40の代わりに保護スイッチのソース46に接続してもよい。装置接触20,24を通じてバッテリを充電する充電器があるので、このような充電器により充電されるリチウム・イオン・バッテリは、バッテリ・セル16が安全閾値電圧に到達すると充電電流を中断しなければならない。ダイオード42がなく抵抗36が保護スイッチMOSFET44のソース46に接続される場合は、保護スイッチ28がオフになると、電圧は保護スイッチMOSFET44の固有ダイオード43を通じて分圧器レッグ37に依然として印加される。このため、固有ダイオード43の順方向バイアス電圧誤差により、演算増幅器の反転入力31に印加される電圧が低下する。次に制御回路26がすべてのスイッチを再びオンにして、このサイクルが繰り返され、回路をオンとオフの間で発振させる。ダイオード40,42が図示されるように配置されると、同じ誤差を持つ電圧が、すなわちダイオードの順方向バイアス電圧がいずれか一方のダイオードに印加されるので、この条件は排除される。バッテリが充電器接触18,22を通じて充電された場合、保護スイッチ28がオフになると充電器接触18,22は充電器12が充電を続けようとした場合により高い電圧を提供する。バッテリが装置接触20,24を通じて充電される場合、安全スイッチ49がオフになると、装置接触20,24から同じ誤差を持つ電圧が、あたかも充電器接触18,22からのように分圧器レッグ37に印加される。
バッテリ・パックがどのように動作するかを説明するために、第１図を参照して、バッテリ・セル16の両端の電圧が臨界電圧より低いと想定する。ニッケル型システムにおいては、臨界電圧とは装置が損傷を起こさずに耐えることのできる最大電圧である。リチウム・イオン型システムにおいては、臨界電圧とは、セルの安全閾値電圧であり、１セルにつき約4.3ボルトである。分圧器抵抗38,36は、バッテリ電圧が臨界電圧より低いときに、演算増幅器の反転入力31に供給される電圧が演算増幅器の非反転入力35に供給される電圧基準32の電圧より低くなるように選択される。その結果、演算増幅器の出力39は、以前に定義されたように高電圧になる。これにより保護スイッチ28がオンになり、リチウム・イオン型バッテリでは、安全スイッチ49もオンになる。この間に、すべてのスイッチがオンになるので、充電器12によりセル16に印加される電圧は、装置14に印加される電圧と同じになる。
バッテリ／充電器電圧が臨界電圧に到達すると、分圧器レッグ37抵抗36,38の値は、演算増幅器の反転入力31の電圧が、基準電圧32により演算増幅器の非反転入力35に供給される電圧を少し超えるような値となる。その結果、演算増幅器の出力39は非常に低電圧に切り替わり、これを「低」と呼ぶ。またすべてのスイッチがオフになる。リチウム・イオン型バッテリの場合は、保護スイッチ28がオフになった後で、安全スイッチ49がオフになる。保護スイッチ28がオフになると、充電器接触18,20の両端の電圧は、充電器12の最大出力電圧まで上がり、ダイオード40を通じて分圧器抵抗36,38に印加され、演算増幅器の出力39は低にとどまり、すべてのスイッチはオフのままになる。
第２図を参照して、第１図に図示されたバッテリ・パック10の第１代替実施例が示される。この実施例においては、保護スイッチ28は、第１図のＰチャネル・エンハンスメント・モードMOSFET44の代わりに、少なくとも１つのバイポーラ・トランジスタ、好ましくは２つのトランジスタを備える。ここではトランジスタ70,72と示される。バイポーラ・トランジスタ70のエミッタ74は、正の充電器接触18に接続され、コレクタ76はバッテリ・セル16と正の装置接触20とに接続される。バイポーラ・トランジスタ70のベース78は、バイポーラ・トランジスタ72のエミッタ80に接続される。トランジスタ72のコレクタ82は、トランジスタ70のコレクタに接続される。同一の極性すなわちPNPまたはNPNを有する２つのバイポーラ・トランジスタのこのような配列は、当技術では「ダーリントン構造（darlington configuration）」と呼ばれる。この構造では、有効トランジスタは、エミッタ74,コレクタ76およびベース84を有する。有効トランジスタのベース84は、駆動トランジスタ57に接続される。第２図の実施例は第１図のプルアップ抵抗64を必要としないことを理解されたい。
第１図および第２図において、保護スイッチ28は接触18と20との間に電気的に結合され、これらがバッテリ・パック10の最も正の値が高い側を定義する。この線路は、「高側」とも呼ばれる。充電器12からの電流が、最初は高側線路を介してバッテリ・パック10に入り、セル16に行き、接触22,24により定義される線路により充電器12に帰還する。この第２の線路は、正の値が電気的に最も低く、「低側」と呼ばれる。従って、第１図および第２図の実施例は高側構造（high side configuration）に配列される。
これとは逆に、第３図および第４図では、第１図および第２図に示される保護スイッチは、低側構造（low side configuration）に電気的に結合される。特に第３図においては、MOSFET、特にＮチャネルMOSFET60は、接触22,24の間に置かれたソース62とドレイン68とに電気的に結合される。ゲート66は、制御回路26と演算増幅器30の出力と、抵抗64および安全スイッチ49（バッテリ・セル16がリチウム・イオン型である場合）とに電気的に結合される。第４図においても同様に、保護スイッチ28は、低側構造に接続され、少なくとも１つのNPN型バイポーラ・トランジスタである。ただし、ここでは第２図に示されるダーリントン構造の２つのトランジスタ70,72として図示され、有効トランジスタを生成する。保護スイッチ28の低側構造を採用する実施例においては、リチウム・イオン・セルと共に用いられる夾叉ダイオード40,42が、その陽極が共通ノードを形成する分圧器抵抗38と、保護スイッチ28をまたぐその陰極との間に接続され、抵抗36は正の充電接触に接続される。
本発明の好適な実施例が図示および説明されたが、本発明はこれに限定されないことは明白である。添付の請求項により定義されるように、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、数多くの修正，変更，変形，置換および等価物が当業者には可能であろう。

Claims (14)

1. 充電電流を受け取る正の接触および前記充電電流を返送する負の接触を有する充電器接触と、装置に電流を供給して前記装置に電力を供給する正の接触および前記装置から電流を受け取る負の接触を有する装置接触とを備える再充電可能バッテリ・パックであって、前記の装置接触手段を通じて前記装置に電力を供給しながら前記の充電接触手段を通じて再充電される前記再充電可能バッテリ・パックにおいて、
   所定の上限閾値充電電圧を有する少なくとも１つのリチウム・バッテリ・セルと、
   前記の充電接触手段と前記少なくとも１つのセルとの間に直列に電気的に接続された保護スイッチ手段と、
   前記少なくとも１つのバッテリ・セルと前記負の装置接触との間に直列に電気的に接続された前記スイッチ手段と、
   前記安全スイッチ手段に接続され前記少なくとも１つのセルの電圧に応答して前記安全スイッチ手段を起動する第１比較器出力と、前記保護スイッチ手段に接続され前記少なくとも１つのセルの電圧に応答して前記保護スイッチ手段を起動する第２比較器出力とを有する制御回路手段と
   を備える再充電可能バッテリ・パック。
2. 前記保護スイッチ手段が、ソース、ドレインおよびゲートを有するエンハンスメント・モードMOSFETを備え、
   前記ソースが前記の充電接触に電気的に接続され、前記ドレインが前記少なくとも１つのバッテリ・セルに電気的に接続され、前記ゲートが前記制御回路手段の前記第２比較器出力に電気的に接続される
   請求項１記載の再充電可能バッテリ・パック。
3. 前記エンハンスメント・モードMOSFETが、Ｐチャネル型であり、且つ前記の充電接触と前記少なくとも１つのバッテリ・セルとの間で高側構造に電気的に接続される請求項２記載の再充電可能バッテリ・パック。
4. 前記エンハンスメント・モードMOSFETが、Ｎチャネル型であり、且つ前記の充電接触手段と前記少なくとも１つのセルとの間で低側構造に接続される請求項２記載の再充電可能バッテリ・パック。
5. 前記保護スイッチ手段が、エミッタ、コレクタおよびベースを有するバイポーラ・トランジスタを備え、
   前記エミッタが前記の充電接触手段に電気的に接続され、前記コレクタが前記少なくとも１つのセルに電気的に接続され、前記ベースが前記制御回路手段の前記第２比較器出力に電気的に接続される
   請求項１記載の再充電可能バッテリ・パック。
6. 前記バイポーラ・トランジスタが、PNP型であり、且つ前記の充電接触と前記少なくとも１つのバッテリ・セルとの間に高側構造に電気的に接続される請求項５記載の再充電可能バッテリ・パック。
7. 前記バイポーラ・トランジスタが、NPN型であり、且つ前記の充電接触と前記少なくとも１つのバッテリ・セルとの間に低側構造に電気的に接続される請求項５記載の再充電可能バッテリ・パック。
8. 前記保護スイッチ手段が、エミッタ、コレクタおよびベースを有する１つの実効的トランジスタを生成するダーリントン構造に配列された１対のバイポーラ・トランジスタを備え、
   前記エミッタが前記の充電接触手段に電気的に接続され、前記コレクタが前記少なくとも１つのセルに電気的に接続され、前記ベースが前記制御回路手段の前記第２比較器出力に電気的に接続される
   請求項１記載の再充電可能バッテリ・パック。
9. 前記１対のバイポーラ・トランジスタが、PNP型であり、且つ前記の充電接触と前記少なくとも１つのバッテリ・セルとの間に高側構造に電気的に接続される請求項８記載の再充電可能バッテリ・パック。
10. 前記１対のバイポーラ・トランジスタが、NPN型であり、且つ前記の充電接触手段と前記少なくとも１つのセルとの間に低側構造に電気的に接続される請求項８記載の再充電可能バッテリ・パック。
11. 前記制御回路が、
    反転入力、非反転入力および出力を有し、これら前記入力の相対電圧レベルに基づき比較器動作を行う比較器手段であって、前記出力が前記第１比較器出力を提供する比較器手段と、
    前記比較器手段の前記非反転入力に基準電圧を提供する電圧基準手段と、
    前記バッテリ・パックの電圧に比例する電圧を前記比較器手段の前記反転入力に提供する分圧器手段と
    を備える請求項１記載の再充電可能バッテリ・パック。
12. 前記電圧基準手段が、
    前記比較器手段の非反転入力と前記負の接触との間に接続された電圧基準と、
    前記電圧基準にバイアス電流を提供し、且つ前記比較器手段の前記非反転入力と正の電圧との間に接続されたバイアス抵抗と
    を備える請求項１記載の再充電可能バッテリ・パック。
13. 前記保護スイッチ手段が、高側構造に接続され、
    前記分圧器手段が、
    それぞれ陽極および陰極を有する第１および第２ダイオードであって、前記第１ダイオードの陽極が前記正の充電接触に接続され、前記第２ダイオードの陽極が前記少なくとも１つのセルの前記正の端子に接続され、前記第１および第２ダイオードのそれぞれの前記陰極が共通ノードに接続される、前記第１および第２ダイオードと、
    前記比較器手段の前記反転入力と前記少なくとも１つのセルの前記負の端子との間に接続された第１抵抗と、
    前記比較器手段の前記反転入力と前記共通ノードとの間に接続された第２抵抗と
    を備える請求項12記載の再充電可能バッテリ・パック。
14. 前記安全スイッチ手段が、
    ゲートと、前記少なくとも１つのバッテリ・セルに接続されたドレインと、前記負の装置接触に接続されたソースとを有するＮチャネル・エンハンスメント・モードMOSFETと、
    前記Ｎチャネル・エンハンスメント・モードMOSFETの前記ゲートと前記負の装置接触との間に接続されたキャパシタと、
    前記Ｎチャネル・エンハンスメント・モードMOSFETの前記ゲートと前記制御回路の前記第１比較器出力との間に接続された抵抗と
    を備える請求項１記載の再充電可能バッテリ・パック。

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