JP3874150B2 - 二次電池保護回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次電池保護回路に関し、過充電と過放電の保護回路としてリチュウム（Ｌｉ）イオン電池とともに電池パックに搭載されるものに利用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯型の電子機器に用いられる二次電池としてＬｉイオン二次電池がある。このＬｉイオン二次電池は、充電電圧を４．１Ｖもしくは４．２Ｖ以上にしてはならないとされており、これ以上の過充電を行うと金属Ｌｉが析出して事故につながる。また、過放電を行うと繰り返し充放電使用回数が極端に悪くなる。このため、過充電や過放電を検出すると、電池と機器本体とを切り離すパワーＭＯＳＦＥＴ等からなる保護用のスイッチが設けられる。このようなＬｉイオン二次電池に関しては、日経マグロウヒル社、１９９５年１１月２０日付「日経エレクトロニクス」第１００頁〜第１１７頁がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｌｉイオン二次電池の技術進展に伴い、上限の充電電圧は４．５Ｖ程度まで高くすることが可能になってきている。更に、５Ｖ程度まで高くすることも可能になるものと推測される。例えば、上記二次電池（セル）を４個直列形態に接続すると、充電時には２０Ｖ程度までも高くなる。このような電池電圧を高くした場合、５Ｖ系の電源電圧で動作するＭＯＳＦＥＴに比べて高耐圧化したＭＯＳＦＥＴを用いることが必要になる。このような高耐圧のＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、素子自体のサイズが大きくなって半導体集積回路のレイアウト面積が増大してしまう。このようにサイズの増大に加えて、高耐圧ＭＯＳＦＥＴで電圧比較動作のためのオペアンプを構成すると、高耐圧ＭＯＳＦＥＴのペア性を確保するのが難しく、オペアンプ自体のオフセットが大きくなりって測定精度が悪くなるという問題が生じる。
【０００４】
この発明の目的は、簡単な構成で、しかも安定的に高い精度で動作する二次電池保護回路を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、複数個の二次電池を直列接続して、上記複数個の二次電池に対応した高い電池電圧を形成する二次電池の保護回路であって、電流電圧変換回路において複数個のＭＯＳＦＥＴを直列接続してそれぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担し、かつ、上記電池電圧に対応した電流信号を形成し、電圧緩和回路において上記直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの相互接続点における電圧がゲートに印加された複数のＭＯＳＦＥＴを用い、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担しつつ、上記電圧電流変換回路で形成された電流を伝え、電流電圧変換回路において上記電流信号をＭＯＳＦＥＴのゲート耐圧電圧以下の低電圧の電圧信号に変換し、上記電流電圧変換回路を通した電圧を測定して上記二次電池の過電圧状態又は過放状態のいずれか少なくとも１つを検出する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例の基本的回路図が示されている。同図の各回路素子は、公知のＭＯＳ集積回路の製造技術によって、二次電圧保護回路を構成する図示しない他の回路素子とともに単結晶シリコンのような１個の半導体基板上において形成される。本願添付の図面において、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴは、そのチャンネル部分に矢印を付することによってＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴと区別されている。
【０００７】
この実施例における二次電池は、Ｌｉイオン電池のセルを４個直列に接続して、１つのセル当たりの端子電圧の４倍の高い電圧を得るようにするものである。上記直列形態にされるセルの端子電圧Ｖ１〜Ｖ４のそれぞれは、電池容量を増加させるために２個以上の複数のセルをそれぞれ並列に接続するようにしてもよい。この実施例では５Ｖ系の電源電圧で動作する、いわゆる通常のＭＯＳＦＥＴを用いつつ、前記充電時を含んだ上記高い電池電圧ＢＡＴ（＋）〜ＢＡＴ（−）の高電圧を検出するできるよう次のような工夫が行われるものである。
【０００８】
上記各セルの端子電圧Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ外部端子Ｐ１〜Ｐ５を通して二次電池保護回路を構成する半導体集積回路に供給される。つまり、端子Ｐ１は、二次電池のマスナス電圧ＢＡＴ（−）を供給するものであり、保護回路の基準電圧ＶＳＳとして入力される。また、端子Ｐ５は、二次電池のプラス電圧ＢＡＴ（＋）を供給するものであり、かかる端子Ｐ１とＰ５間には、上記４個のセルを直列接続して加算された電圧Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４のような高い電圧が印加される。
【０００９】
この実施例では、上記のような高電圧の他に、各セル電圧が端子Ｐ２〜Ｐ４を通して入力されるものであり、各セルの電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４のそれぞれは、充電時でも５Ｖまでしかならない。つまり、個々のセルでみた場合には、前記５Ｖ系の電源電圧で動作するＭＯＳＦＥＴを用いて電圧検出を行うようにすることができる。そこで、この実施例では、個々のセル毎に電圧検出を行うようにするものである。
【００１０】
端子Ｐ５とＰ４では、電圧Ｖ４に対応したセルの電圧電流変換回路が設けられる。この電圧電流変換回路は、ゲートとドレインとが接続されたダイオード形態のＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２の直列回路と、上記２つのＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２のうち、正電圧側のＭＯＳＦＥＴＱ１とソース及びゲートが接続されたＰチャンネル型の電流出力用ＭＯＳＦＥＴＱ３から構成される。上記各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ３は、それぞれ電気的に独立したウェル領域に形成されるものであり、それぞれのウェル領域（基板ゲート）はソースと接続されることによって、基板効果の影響を受けないようにされる。。
【００１１】
上記の２つのＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２は、同じサイズのＭＯＳＦＥＴにより構成される。それ故、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２の直列回路では、上記電圧Ｖ４を１／２ずつに分圧した電圧を形成して同じ電流が流れる。ＭＯＳＦＥＴＱ３も上記ＭＯＳＦＥＴＱ１及びＱ２と同じサイズのＭＯＳＦＥＴで構成される。このＭＯＳＦＥＴＱ３のソースとゲートは、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とソースとゲートにそれぞれ接続されて、ＭＯＳＦＥＴＱ１と電流ミラー形態にされるものであるので上記ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れる電流と同じ電流をドレインから出力させる。
【００１２】
このＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電圧は、上記端子Ｐ４からみると前記のようにＶ４／２のような小さな電圧になるが、かかるドレイン電流を受ける回路の基準電圧として、二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）とすると、電圧Ｖ１〜Ｖ３が加算された高い電圧に変わりは無い。そこで、上記ＭＯＳＦＥＴＱ３もＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２と同等の標準的なＭＯＳＦＥＴで構成しつつ、そのゲート絶縁破壊を防止するために、次のような電圧緩和回路が設けられる。
【００１３】
電圧緩和回路は、上記各端子Ｐ４〜Ｐ２から供給されるセル電圧Ｖ３〜Ｖ１を利用するものである。つまり、端子Ｐ４、Ｐ３及びＰ２の電圧がそれぞれゲート供給されたＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５及びＱ６を設け、これらのＭＯＳＦＥＴＱ４〜Ｑ６を上記出力ＭＯＳＦＥＴＱ３に直列接続する。これにより、ＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電圧は、ＭＯＳＦＥＴＱ１のドレイン電圧とほぼ等しくなるとともに、個々のＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５、Ｑ６のゲート絶縁膜には上記セル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１からそれぞれのしきい値電圧を差し引いた電圧しか印加されず、上記のような通常のＭＯＳＦＥＴを用いてもゲート絶縁膜が破壊されてしまうことはない。
【００１４】
上記動作を定量的に説明すると次の通りとなる。上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２のＭＯＳサイズ（Ｗ／Ｌ）を同じくし、それぞれのソース−ドレイン電流ＩＤＳは同じであるから、それぞれのゲート，ソース間電圧ＶＧＳも等しくなる。したがって、ＭＯＳＦＥＴＱ３のゲート電圧は、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４／２となり、そのゲート−ソース間電圧ＶＧＳ（ＶgsQ3）は、Ｖ４／２となる。
【００１５】
上記電圧Ｖ４／２の電圧がＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２のしきい値電圧よりも大きいとき、ＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ３のソース−ドレイン電流ＩＤＳ（ＩdsQ3) で決まり、飽和領域で動作すると、次式（１）により求められる。
ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ3−ＶthQ3）2 ・・・・・（１）
【００１６】
電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ４についは、飽和領域で動作するとすると、それに流れる電流ＩdsQ4は、次式（２）により求められる。同様に、ＭＯＳＦＥＴＱ５、Ｑ６も次式（３）（４）により求められる。
ＩdsQ4＝ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ4−ＶthQ4）2 ・（２）
ＩdsQ5＝ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ5−ＶthQ5）2 ・（３）
ＩdsQ6＝ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ6−ＶthQ6）2 ・（４）
【００１７】
上記式（２）より、ＭＯＳＦＥＴ４のＶgsQ4は、次式（５）となる。この式（５）から、Ｗ／Ｌを大きくすることで、ＶgsQ4≒ＶthQ4となる。このことは、ＶgsQ5とＶthQ5、ＶgsQ6とＶthQ6についても同様である。
ＶgsQ4＝√〔（２・ＩdsQ3）／（μＣox（Ｗ／Ｌ））〕＋ＶthQ4 ・・（５）
【００１８】
したがって、電圧緩和回路では、ＭＯＳＦＥＴＱ４〜Ｑ６のドレイン電圧は、セル電圧Ｖ３、Ｖ２、Ｖ１に対応した電圧となって、それぞれが電圧分担を行うようになるので、前記のようにゲート絶縁破壊を防止することができる。
【００１９】
上記終端のＭＯＳＦＥＴＱ６のドレインは電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ７のソースに接続される。このＭＯＳＦＥＴＱ７のゲート及びドレインは、二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）が接続される端子Ｐ１からの基準電圧が供給される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ７は、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１と同じサイズのＭＯＳＦＥＴから構成され、かつゲートとドレインとが上記基準電圧に接続される。したがって、上記出力ＭＯＳＦＥＴＱ３で形成された電流が電圧緩和用のＭＯＳＦＥＴＱ４〜Ｑ６を通してＭＯＳＦＥＴＱ７に供給される。
【００２０】
上記のようにＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ３に流れる電流は等しいから、上記ＭＯＳＦＥＴＱ７には、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１と同じ電流が流れてその両端には上記ＭＯＳＦＥＴＱ１と同じＶ４／2 の電圧が形成される。つまり、上記端子Ｐ５とＰ４の電圧Ｖ４は、基準電圧に対してＶ４／２のような低電圧に変換される。
【００２１】
端子Ｐ４とＰ３の間のセル電圧Ｖ３、端子Ｐ３とＰ２の間のセル電圧Ｖ２、及び端子Ｐ２とＰ１の間のセル電圧Ｖ１に対しても上記ＭＯＳＦＥＴＱ〜Ｑ３と同様な電圧電流変換回路が設けられる。そして、上記電圧Ｖ１は上記二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）を基準電圧とするものであるので、その電流出力を行うＭＯＳＦＥＴは、直接に電流電圧変換回路を構成する前記ＭＯＳＦＥＴＱ７と同様なＭＯＳＦＥＴに接続される。他の電圧電流変換回路の出力ＭＯＳＦＥＴには、それぞれの電圧に対応して前記同様な２ないし１個の電圧緩和用ＭＯＳＦＥＴを介して、電流電圧変換回路を構成する前記ＭＯＳＦＥＴＱ７と同様なＭＯＳＦＥＴにそれぞれ接続される。
【００２２】
上記電流電圧変換回路では、各セル電圧Ｖ１〜Ｖ４の１／２の電圧Ｖ１／２〜Ｖ４／２が形成され、それが電池選択回路により１つが選ばれて電圧２倍化回路に供給され、上記電圧Ｖ１〜Ｖ４に対応したアナログ電圧として出力される。上記電池選択回路は、各電圧Ｖ１／２〜Ｖ４／２を順次に切り替えて出力させるものであり、電圧２倍化回路では順次切り替えられる電圧を２倍して出力させる。上記出力されたアナログ電圧は、後述するような電圧比較回路で所定の電圧と比較さて、過充電状態又は過放電状態にならないように保護回路の制御信号を形成するものである。
【００２３】
上記電圧２倍化回路は、それぞれの電圧を上記セル電圧Ｖ１〜Ｖ４に対応させるものであり、使い勝手を良くすることを考慮したものであり、必須のものではない。上記電圧２倍化回路を含む保護回路は、特に制限されないが、オペアンプを用いた増幅回路で電圧利得を２倍に設定したもので構成できる。このような電池選択回路や電圧２倍化回路の動作電圧は、約５Ｖのような低電圧とされる。上記プラス電圧ＢＡＴ（＋）の電圧を内部降圧回路に供給され、かかる降圧回路において、上記約５Ｖのように内部降圧された低電圧が形成される。
【００２４】
この実施例では直列形態の個々のセル毎に、過充電状態又は過放電状態を検出するものであるので、信頼性の高い保護動作を実現できるものである。つまり、複数の二次電池セルを直列接続した場合には、充電や放電が個々のセルに均一して行われるものではなく、例えば放電動作では二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）に近いセルＶ１〜Ｖ４の順に減り方が大きいことが知られている。このような個々のセルの電圧を検出することにより、信頼性の高い保護動作を実現することができる。
【００２５】
この実施例では、上記のような電池片減り対策回路として電圧Ｖ４を形成するセルに対応した端子Ｐ５とＰ４間には、ダミー負荷として３個の並列接続のＭＯＳＦＥＴＱ１０〜Ｑ１２を接続し、電圧Ｖ３を形成するセル対応した端子Ｐ４とＰ３間にはダミー負荷として２個の並列接続のＭＯＳＦＥＴＱ２０とＱ２１を接続し、電圧Ｖ２を形成するセル対応した端子Ｐ３とＰ２間にはダミー負荷として１個のＭＯＳＦＥＴＱ３０を接続し、電圧Ｖ１〜Ｖ４を形成するセルの放電に合わせるようにするものである。
【００２６】
図２には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例では、実際の半導体集積回路での電池電圧検出動作を考慮して、各端子Ｐ１〜Ｐ５にはそれに接続されるＭＯＳＦＥＴの静電破壊を防止するための抵抗Ｒ５〜Ｒ１が接続される。また、上記電池電圧検出回路の動作の有効／無効を制御する活性化回路が設けられる。そして、各セル電圧Ｖ１〜Ｖ４が低下した場合でも安定的に動作するようなリーク電流を流す抵抗Ｒ６〜Ｒ９が設けられる。他の構成は、前記図１に示した回路と同様であるのでその説明は省略する。
【００２７】
上記保護抵抗Ｒ１〜Ｒ５は、拡散抵抗又はポリシリコン抵抗により構成されて約１ＫΩ程度の抵抗値にされて、その寄生ダイオードとともに上記二次電池保護回路が形成される半導体集積回路装置の実装基板上への組み立てや、運搬時等におけるハンドリングによる静電気の放電経路を形成するものである。
【００２８】
上記活性化回路は、高耐圧のＭＯＳＦＥＴＱ８とＱ９より構成され、分圧回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに供給される電圧を切り替える。つまり、信号／Ｃ１のロウレベル（ＢＡＴ（−））によりＭＯＳＦＥＴＱ８をオン状態にさせると、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートはドレイン側電圧が与えられて、前記のようなダイオード形態とされて分圧回路としての動作を行う。これに対して、上記信号／Ｃのハイレベル（ＢＡＴ（＋））によりＭＯＳＦＥＴＱ８をオフ状態にして、信号Ｃの上記ロウレベルによりＭＯＳＦＥＴＱ９をオン状態にさせると、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧がＭＯＳＦＥＴＱ１のソース電圧と等しくなって、かかるＭＯＳＦＥＴＱ２をオフ状態にする。
【００２９】
この結果、上記のようなセル電圧Ｖ４を１／２ずつに分圧するという分圧動作が停止されて、出力ＭＯＳＦＥＴＱ３を含めて端子Ｐ５からの電流消費が停止される。同様に、前記片減り対策回路でのリーク電流も停止されるものである。この活性化回路は、上記のようにＢＡＴ（＋）〜ＢＡＴ（−）の制御信号／ＣとＣで動作する高耐圧ＭＯＳＦＥＴであるが、単なるスイッチとして用いているので、前記のようなペア性にバラツキがあっても問題ない。
【００３０】
抵抗Ｒ６〜Ｒ９は、各セルの電圧Ｖ４〜Ｖ１が低下し、ＭＯＳＦＥＴＱ７等のゲート，ソース間に印加される電圧が減少して、回路の動作が不安定になるのを防止するものであり、これらの抵抗Ｒ６に発生するリーク電流によって、上記電圧緩和回路、電流電圧変換回路等の動作の安定化を図るものであり、精度に影響を与えない程度の高い抵抗値にされる。上記二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）には、約２０ｍΩ程度の小さい抵抗値の検出抵抗が挿入され、放電電流又は充電電流の検知に用いられる。この検知抵抗に流れる電流によって、ＢＡＴ（−）から見たＶ１〜Ｖ４の電圧が変動して見えるが、変動幅がＰＮ接合のしきい値電圧（Ｖｆ）以内であれば、測定精度に影響を与えず問題ない。
【００３１】
図３には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図２の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路及び電池片減り回路を構成すＭＯＳＦＥＴのそれぞれが、低しきい値電圧のものが用いられる。回路そのものは、前記図２の実施例と同様であるので、その説明を省略する。この実施例では、使用するＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧が低くさせるものであるので、電池電圧Ｖ１〜Ｖ４が低い電圧まで精度の高い測定を可能にすることができるものとなる。
【００３２】
図４には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図２の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路がそれぞれ異なるものである。
【００３３】
この実施例の電圧電流変換回路は、２つのＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２により構成される。つまり、前記図２の実施例のＭＯＳＦＥＴＱ３が省略される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２に流れる電流を直接検出電流として取り出すように工夫されたものである。このように分圧回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２に流れる電流を取り出すために、電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴがＱ４が組み合わされる。上記ＭＯＳＦＥＴＱ４は、低しきい値電圧のＭＯＳＦＥＴとされて、そのゲートに上記端子Ｐ４に対応した電圧が印加され、そのソースが上記ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに接続される。
【００３４】
前記図２の実施例では、活性化回路により電圧電流変換回路が動作状態にされるときには、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートとドレインとは共に端子Ｐ４からの電圧が供給されるが、この実施例ではＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートには端子Ｐ４からの電圧が供給され、ドレインには端子Ｐ４の電圧が電圧緩和回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ４のゲート，ソース間の低しきい値電圧分だけレベルシフトされて供給される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ４を低しきい値電圧とすることにより、ＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間電圧の減少を小さく抑えることができ、その結果前記図２のＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２と同等の動作を行わせることができる。これにより、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２の直列回路で形成された電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ４を通して、他の電圧緩和用のＭＯＳＦＥＴＱ５、Ｑ６を通して次に説明する電流電圧変換回路に伝えられる。
【００３５】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２等に対応して設けらる電圧電流変換回路も前記セル電圧Ｖ４に設けられたＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２及び電圧緩和用ＭＯＳＦＥＴＱ４と同様な構成の回路が用いられる。セル電圧Ｖ１には、前記のように電圧緩和ＭＯＳＦＥＴは必要ないので、直接に次の電流電圧変換回路に伝えられる。
【００３６】
この実施例の電流電圧変換回路は、上記電圧Ｖ４に対応した電圧を形成する回路として、ＭＯＳＦＥＴＱ４０〜Ｑ４５から構成される。ＭＯＳＦＥＴＱ４０とＱ４１は、Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴであり、電流ミラー回路を構成する。前記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２とで形成された電流ｉは、上記電流ミラー回路を通して前記内部降圧回路で形成された電源電圧ＶＣＣ（５Ｖ）にソースが印加されたＰチャンネル型の電流ミラー回路のＭＯＳＦＥＴＱ４２とＱ４３に供給され、かかる電流ミラーＭＯＳＦＥＴＱ４２とＱ４３を介してＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ４４とＱ４５に上記電流ｉと同じ電流ｉが流れるようにされる。これらのＭＯＳＦＥＴＱ４４とＱ４５は上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２と同じサイズとされ、同じくゲートとドレインとはそれぞれ接続されている。この結果、ＭＯＳＦＥＴＱ４４とＱ４５により、上記セル電圧Ｖ４と同じ電圧Ｖ４を得るようにすることができる。
【００３７】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１に対応した電流も、前記ＭＯＳＦＥＴＱ４０〜Ｑ４５と同様な電流電圧変換回路により、上記と同様な電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１を形成することができる。これらの変換電圧Ｖ１〜Ｖ４は、電池選択回路を通してアナログ出力とされる。この実施例では、図２又は図３のような電圧２倍化回路は省略できる。
【００３８】
図５には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図４の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路が異なるものである。
【００３９】
この実施例の電圧電流変換回路は、１つのＭＯＳＦＥＴＱ２により構成される。つまり、前記図４の実施例のＭＯＳＦＥＴＱ１が省略される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ１を省略してＭＯＳＦＥＴＱ２のソースを端子Ｐ５に対応した電圧を印加し、前記同様に電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴがＱ４が組み合わされてセル電圧Ｖ１に対応した電圧がＭＯＳＦＥＴＱ２のソース−ドレインに印加されて電流信号が形成される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ４は、前記同様に低しきい値電圧のＭＯＳＦＥＴとされて、そのゲートに上記端子Ｐ４に対応した電圧が印加され、そのソースが上記ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに接続される。
【００４０】
この実施例ではＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートとソース間には端子Ｐ５とＰ４間のセル電圧Ｖ４が電圧緩和回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ４のゲート，ソース間の低しきい値電圧分だけ差し引いた電圧が供給され、上記ＭＯＳＦＥＴＱ４の低しきい値電圧は定電圧と見做せるから、ＭＯＳＦＥＴＱ２にはセル電圧Ｖ４に対応した電流が流れるものとなる。これにより、ＭＯＳＦＥＴＱ２で形成された電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ４を通して、他の電圧緩和用のＭＯＳＦＥＴＱ５、Ｑ６を通して電流電圧変換回路に伝えられる。
【００４１】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２等に対応して設けらる電圧電流変換回路も前記セル電圧Ｖ４に設けられたＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２及び電圧緩和用ＭＯＳＦＥＴＱ４と同様な構成の回路が用いられる。セル電圧Ｖ１には、前記のように電圧緩和ＭＯＳＦＥＴは必要ないので、直接に次の電流電圧変換回路に伝えられる。
【００４２】
この実施例の電流電圧変換回路も、基本的には前記図４の回路と同様であるが、電流ミラー回路を介した電流ｉが流れるＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ４５は、前記電圧電流変換回路のＭＯＳＦＥＴＱ２に対応して１つが設けられる。このＭＯＳＦＥＴＱ４５は上記ＭＯＳＦＥＴＱ２と同じサイズとされているので、上記セル電圧Ｖ４とほぼ同じ電圧を得ることができる。厳密には上記ＭＯＳＦＥＴＱ２には、セル電圧Ｖ４から電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ４の低しきい値電圧Ｖth分だけ差し引いた電圧ｖ４（Ｖ４−Ｖth）が供給されるので、出力される電圧もそれに対応した電圧となる。
【００４３】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１に対応した電流も、前記ＭＯＳＦＥＴＱ４０〜Ｑ４５と同様な回路構成の電流電圧変換回路により、上記と同様なセル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１と同様な電圧ｖ３、ｖ２及びｖ１を形成することができる。これらの変換された電圧は、電池選択回路を通してアナログ出力とされる。
【００４４】
図６には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図５の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路及び電池片減り回路を構成すＭＯＳＦＥＴのそれぞれが、低しきい値電圧のものが用いられる。ただし、電流電圧変換回路を構成するＮチャンネル型の電流ミラー回路とＰチャンネル型の電流ミラー回路は、降圧された５Ｖで安定的に動作するものであるので、通常のしきい値電圧のＭＯＳＦＥＴが用いられる。回路そのものは、前記図５の実施例と同様であるので、その説明を省略する。この実施例では、使用するＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧が低くさせるものであるので、電池電圧Ｖ１〜Ｖ４が低い電圧まで精度の高い測定を可能にすることができるものとなる。
【００４５】
図７には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記のような各セル毎の電圧を入力するものに代え、二次電池のマスナス電圧ＢＡＴ（−）を供給する端子Ｐ１と、二次電池のプラス電圧ＢＡＴ（＋）を供給する端子Ｐ５が設けられ、かかる端子Ｐ１とＰ５間の前記４個のセルを直列接続して加算された電圧Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４のような高い電圧を直接的に判定する。この実施例では、図面が複雑になるのを防ぐためにＭＯＳＦＥＴに付され回路記号を前記実施例で用いたものと重複して用いていることに注意されたい。同図の各ＭＯＳＦＥＴは、それと同じ回路記号が付された前記実施例のＭＯＳＦＥＴとは別個の回路機能を持つものである。
【００４６】
上記端子Ｐ１とＰ５に、それぞれ保護抵抗Ｒ５、Ｒ１が設けられると共に、端子Ｐ５からの電圧は活性化回路を構成するスイッチＭＯＳＦＥＴを介して電圧電流変換回路に伝えられる。電圧電流変換回路は、上記のような高電圧による各ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜破壊を防止するために、それぞれのゲートとドレインとが接続されたＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ１０が直列形態に接続される。これにより、上記端子電圧Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４は、８個のＭＯＳＦＥＴにより分担され、前記のように充電時での電圧が上限の２０Ｖまで上昇しても、１つのＭＯＳＦＥＴには１／８のせいぜい２．５Ｖ程度しか印加されない。
【００４７】
この実施例では、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とゲート及びソースが接続されたＭＯＳＦＥＴＱ３で電流ミラー構成として、ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れる電流と同じ電流をＭＯＳＦＥＴＱ３に流すようにする。同様に、ＭＯＳＦＥＴＱ２とＱ４を接続して上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２の２個分の分圧電圧、言い換えるならば、上記Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４（＝Ｖ）を１／４にした各セル電圧に相当する電圧に対応した電流を上記２つのＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４で形成する。
【００４８】
上記ＭＯＳＦＥＴＱ４で形成された電流信号は、上記ゲート絶縁破壊を防止するために設けられたＭＯＳＦＥＴＱ５〜Ｑ１０の相互接続点の電圧がゲートに印加された電圧緩和回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４を通して電流電圧変変換回路に伝えられる。電流電圧変換回路は、前記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２に対応した２つのＭＯＳＦＥＴＱ１５とＱ１６が設けられ、上記のようにそれと同じ電流が電圧緩和回路を通して供給されることにより、上記電圧Ｖ／４を形成するものである。
【００４９】
回路形式的には、上記電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４も上記電圧電流変換回路のＭＯＳＦＥＴＱ３やＱ４と同様に、上記分圧回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２及びＱ５〜Ｑ１０と接続されているが、上記電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ１０と、上記電流電圧変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１５とＱ１６は、消費電流を小さくするために、例えばチャンネル長が長くされてそのコンダクタンスを小さして小さな電流しか流さないようにされる。これに対して、電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４は、上記ＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４で形成された電流を損失なく伝えるよう、例えばチャンネル長が短くされて無視できる程度のオン抵抗値しか持たない。原理的にはＭＯＳＦＥＴＱ４を電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴに置き換えることも可能である。
【００５０】
図８には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図７の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路のみが示されている。
【００５１】
この実施例では、ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２がペアとされ、そのうちＭＯＳＦＥＴＱ１が低しきい値電圧又はディプレッション型ＭＯＳＦＥＴとされる。同様に、電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０、ＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４、Ｑ５’とＱ６’と電流電圧変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１５とＱ１６も同様である。また、電圧電流変換回路において、電流信号を形成する回路は、ＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４に加えて、同様な関係にあるＭＯＳＦＥＴＱ５’とＱ６’とが追加される。電池電圧Ｖの１／２の電圧を上記ＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４、Ｑ５’、Ｑ６’とで電流信号に変換する。
【００５２】
この実施例では、使用するＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧が低くさせるもの、あるいはディプレッションＭＯＳＦＥＴであるので、電池電圧Ｖ１〜Ｖ４が低い電圧まで精度の高い測定を可能にすることができるものとなる。上記ディプレッションＭＯＳＦＥＴは抵抗と見做せるので、これらのＭＯＳＦＥＴを抵抗素子に置き換えることも可能である。上記のように電池電圧Ｖの１／２に対応した電圧を電流信号に変換するので、電圧緩和回路は１つのＭＯＳＦＥＴＱ１１により構成することができる。
【００５３】
図９には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の更に他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに端子Ｐ４の電圧を印加し、ソースには約１００ＭΩのような高抵抗を介して端子Ｐ５の電圧を印加する。これにより、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１のしきい値電圧が参照電圧とされて、セル電圧Ｖ４がそれ以下になるとＭＯＳＦＥＴＱ１がオフ状態となって電流が流れなくなる。
【００５４】
上記のようなＭＯＳＦＥＴＱ１の検出電流は、上記ゲートに印加される電圧より低い各セル電圧がゲートに印加されたＭＯＳＦＥＴＱ２、Ｑ３からなる電圧緩和回路を介して電流電圧変換回路に供給される。電流電圧変換回路では、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１の検出電流がＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５からなる電流ミラー回路で形成した電流をディプレョン型のＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ６に流して、それでの電圧降下をＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ７のゲート，ソース間に印加して電流値を小さくして定電流源としてのＭＯＳＦＥＴＱ８に供給する。
【００５５】
ＭＯＳＦＥＴＱ８は、ゲートに定電圧ＶＢが印加されることにより上記のように定電流を流すものであり、ＭＯＳＦＥＴＱ６とＱ７は、ＭＯＳＦＥＴＱ６がディプレッション型ＭＯＳＦＥＴ、言い換えるならば、抵抗として作用することにより検出電流を低減させる。つまり、低消費電流とするために、ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れる電流を高抵抗Ｒ６より低減せさた上で、上記ＭＯＳＦＥＴＱ６とＱ７で更に低減させてＭＯＳＦＥＴＱ８との間で流れる電流を極く小さな電流にする。
【００５６】
上記セル電圧Ｖ４の低下によって、ＭＯＳＦＥＴＱ１の電流が低減し、上記ＭＯＳＦＥＴＱ７とＱ８の電流差が逆転するとロウレベルの出力電圧が形成されてナンドゲート回路Ｇに伝えられる。上記他のセル電圧も、上記同様な電圧電流変換回路、電圧緩和回路及び電流電圧変換回路により上記のような電圧信号に変換されてゲート回路Ｇに入力される。したがって、上記４つのセル電圧Ｖ１〜Ｖ４のうち、いずれか１つでもＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧に対応した参照電圧以下になると、ゲート回路Ｇからハイレベルの検出信号ＯＵＴが形成される。
【００５７】
電池片減り対策回路も、上記電圧電流変換回路に対応してＭＯＳＦＥＴＱ７とソースに設けられ高抵抗Ｒ７からなるダミー負荷回路が、セルの直列接続位置に対応して高い電圧側から順に３個、２個及び１個の順で設けられる。
【００５８】
図１０には、この発明に係る二次電池保護回路の一実施例の全体回路図が示されている。同図において、点線で囲まれた部分に形成された各回路は、公知の半導体集積回路の製造技術により、単結晶シリコンのような１つの半導体基板上において形成される。
【００５９】
特に制限されないが、電池はＬｉイオン二次電池である。かかる電池を構成するセル毎の電圧Ｖ１〜Ｖ４が、端子Ｐ１〜Ｐ５を介して保護回路を構成する半導体集積回路装置ＩＣに供給され、そのうち端子Ｐ１とＰ５から供給される電池電圧を降圧した電圧が動作電圧として利用される。上記セル電圧Ｖ４に対応した二次電池の正極側の電極は、そのまま正側の電池パック端子＋に接続される。
【００６０】
上記セル電圧Ｖ１に対応した負極側の電極と負側の電池パック端子−との間には、保護用のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２とが直列形態に接続される。スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１は放電保護のスイッチであり、スイッチＭＯＳＦＥＴＱ２は充電保護用のスイッチである。かかるスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２のソースは基板（チャンネル）に接続される。それ故、ドレインとチャンネル間のＰＮ接合が寄生ダイオードＤ１とＤ２として、上記スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２にそれぞれ並列形態に設けられる。これらのＭＯＳＦＥＴは、それぞれが単体の素子により構成される。
【００６１】
上記半導体集積回路装置ＩＣにおいて、端子Ｐ１〜Ｐ５を介して供給される各セル電圧Ｖ１〜Ｖ４は、前記実施例のような電池電圧検出回路に供給されて前記のような電圧変換が行われる。この電圧変換された電圧は、アナログ出力とされて、電圧比較回路ＣＯＭＰ１の一方の入力端子＋に供給される。かかる電圧比較回路ＣＯＭＰ１の他方の入力端子−には、図示しない基準電圧発生回路で形成された基準電圧Ｖ１が供給される。この電圧検出回路ＣＯＭＰ１の検出信号は、ラッチ回路ＬＴ１のリセット端子Ｒに供給される。上記ラッチ回路ＬＴ１の出力信号Ｑは、セット状態のときにハイレベルにされ、リセット状態のときにロウレベルにされる。この出力信号Ｑは、端子Ｐ７介して上記充電保護のスイッチであるＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに供給される。
【００６２】
特に制限されないが、上記電池電圧検出回路で形成されたアナログ出力は、電圧比較回路ＣＯＭＰ２の一方の入力端子−に供給される。かかる電圧比較回路ＣＯＭＰ２の他方の入力端子＋には、図示しない基準電圧発生回路で形成された基準電圧Ｖ２が供給される。この電圧比較回路ＣＯＭＰ２の出力信号は、オア（論理和）ゲート回路Ｇ１を通して上記ラッチ回路ＬＴ１のセット端子Ｓに供給される。上記基準電圧Ｖ２は、電池の充電動作を指示する規定の電圧に対応したものとされる。つまり、セル電圧が上記規定の基準電圧Ｖ２より低下すると、電圧比較回路ＣＯＭＰ２の出力信号がハイレベルに変化し、上記ラッチ回路ＬＴ１をセットし、かかるラッチ回路ＬＴ１の出力信号Ｑにより上記過充電保護のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２をオン状態にさせる。
【００６３】
この実施例では、誤って過電圧されたとき、上記電圧比較回路ＣＯＭＰ１がこれを検出し、上記ラッチ回路ＬＴ１をリセットして上記過充電保護のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２をオフ状態にさせる。本願発明においては、上記スイッチＭＯＳＦＥＴＱ２は過充電によって、上記Ｌｉが析出されてしまうことによる発熱等により事故を防ぐためであり、それに負荷をつなげて放電させることには何ら問題ないし、むしろ放電させて正常状態に戻すことが望ましいことに着目し、次のような負荷接続を検出する機能が付加される。
【００６４】
上記スイッチＭＯＳＦＥＴＱ２の出力側、言い換えるならば、電池パック端子−の電位がＶＭが端子Ｐ８を介して半導体集積回路ＩＣの内部に取り込まれ、電圧比較回路ＣＯＭＰ３の入力端子＋に供給される。この電圧比較回路ＣＯＭＰ３の他方の入力端子−には、基準電圧Ｖ３が供給される。この基準電圧Ｖ３は、上記寄生ダイオードＤ２の順方向電圧Ｖｆを検出するための比較的低い電位にされる。
【００６５】
上記過充電によりラッチ回路ＬＴ１がリセットされてしまい、その結果ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフ状態にされた状態で、電池パック端子＋と−との間に負荷（電気機器）を接続させると、上記のような過電圧状態では上記ＭＯＳＦＥＴＱ２と直列形態に接続された過放電保護用はスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１がオン状態であるために、端子Ｔ２を基準にした回路の接地電位に対して寄生ダイオードＤ２を介して電池の負極側に電流が流れ込んで、上記電池パック端子−の電位が上記寄生ダイオードＤ２の順方向電圧Ｖｆだけ浮き上がる。
【００６６】
上記電圧比較回路ＣＯＭＰ３は、上記のような放電経路が形成されたこと、言い換えるならば、電池パック端子＋と−の間に負荷としての電子機器が接続されて、上記電池パック端子−の電位の浮き上がりを端子Ｐ８からの電圧ＶＭにより検出し、その出力信号をロウレベルからハイレベルに変化させる。これにより、オアゲート回路Ｇ１を介して上記リセット状態のラッチ回路ＬＴ１がセット状態に反転させられるために、その出力信号Ｑがロウレベルからハイレベルに変化して上記ＭＯＳＦＥＴＱ２が再びオン状態になり、上記負荷に対して電流供給を行うようにすることができる。このような負荷の接続による放電動作によって、自動的に過充電状態も開放されて電圧比較回路ＣＯＭＰ１の出力もロウレベルに復帰する。上記抵抗Ｒ７は、端子Ｐ５での静電破壊防止等のために付加されているが、省略してもよい。
【００６７】
上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りである。すなわち、
（１） 複数個の二次電池を直列接続して、上記複数個の二次電池に対応した高い電池電圧を形成する二次電池の保護回路であって、電流電圧変換回路において複数個のＭＯＳＦＥＴを直列接続してそれぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担し、かつ、上記電池電圧に対応した電流信号を形成し、電圧緩和回路において上記直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの相互接続点における電圧がゲートに印加された複数のＭＯＳＦＥＴを用い、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担することにより格別な高耐圧化を施すことなくそのゲート絶縁破壊を防止し、上記電流を受ける電流電圧変換回路において上記電流信号をＭＯＳＦＥＴのゲート耐圧電圧以下の低電圧の電圧信号に変換し、上記電流電圧変換回路を通した電圧を測定して上記二次電池の過電圧状態又は過放状態のいずれか少なくとも１つを簡単な回路で検出することができるという効果が得られる。
【００６８】
（２） 上記電圧電流変換回路として、複数の二次電池の各電池電圧が両端に印加され、ゲートとドレインが接続されて上記電池電圧に対応した電流を流すようにされた２つのＭＯＳＦＥＴと、上記２つのＭＯＳＦＥＴのうちのいずれか１つのＭＯＳＦＥＴとゲート及びソースが共通接続された電流出力用ＭＯＳＦＥＴとを用いることにより、格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく各電池電圧に対応した電流信号を形成することができるという効果が得られる。
【００６９】
（３） 上記電圧緩和回路として、上記各二次電池の相互接続点の電位がゲートに印加され、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴと直列形態に接続されるＭＯＳＦＥＴを用いることにより、上記形成された電流信号を格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることない電簡単な回路により取り出すことができるという効果が得られる。
【００７０】
（４） 上記電圧電流変換回路を上記直列形態に接続された各電池電圧に対応した複数の電流出力用ＭＯＳＦＥＴを設け、上記電圧緩和回路を複数の電池電圧のうち２個以上の電池電圧が加算されるものに設け、上記電流電圧変換回路を上記各電池電圧に対応した複数の電流出力用ＭＯＳＦＥＴに対応した複数個を設けることにより、格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく簡単な回路で各電池電圧（セル）に対応した電圧検出が可能になるという効果が得られる。
【００７１】
（５） 上記複数個の電流電圧変換回路の出力電圧を、電池選択回路を通して１つを選択して出力させることにより、判定回路の簡素化を図ることができるという効果が得られる。
【００７２】
（６） 上記電圧電流変換回路として、複数の二次電池の各電池電圧の一方の電圧がソース側に印加され、ゲートとドレインが接続された第１ＭＯＳＦＥＴと、上記各電池電圧の他方の電圧がゲートに印加され、そのソースが上記ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続された第２ＭＯＳＦＥＴを用い、上記第２のＭＯＳＦＥＴを上記電圧緩和回路も兼ねるようにすることにより、回路の簡素化を図ることができるという効果が得られる。
【００７３】
（７） 上記第１ＭＯＳＦＥＴには、同じサイズでゲートとドレインが接続されたＭＯＳＦＥＴを更に直列に接続することにより、各ＭＯＳＦＥＴに印加される電圧をセル電圧の１／２ずつ分担させることができるという効果が得られるから、素子破壊に対する信頼性を高くすることができるという効果が得られる。
【００７４】
（８） 上記電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、各電池電圧の一方の電圧にゲートとドレインが供給されるＭＯＳＦＥＴは、活性化信号によりスイッチ制御されるＭＯＳＦＥＴにより、上記各電池電圧の一方の電圧と他方の電圧とを選択的に印加し、上記電圧電流変換回路の動作が上記活性化信号に対応して動作状態と非動作状態に切り替え可能にすることにより、保護動作が必要なときにのみ回路を動作させることができるので消費電流を低減させることができるという効果が得られる。
【００７５】
（９） 上記各電池電圧は、複数の二次電池が均等に消耗するよう電流を流すダミー負荷回路を設けて電池片減り対策回路が設けることにより、二次電池セル単位での電圧保護動作を効果的に行うようにすることができるという効果が得られる。
【００７６】
（１０） 上記分圧回路は、第１のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴと、上記第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴとが一対として分圧電圧を形成し、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴも上記分圧回路に対応して上記第１と第２のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴが対として構成することにより、各セル電圧の低電圧領域までの動作を可能にすることができるという効果が得られる。
【００７７】
（１１） 上記電圧電流変換回路として、複数個の二次電池に対応した高い電池電圧が両端に印加され、ゲートとドレインとが接続されることによってダイオード接続された複数のＭＯＳＦＥＴからなる分圧回路と、上記分圧電圧がゲートとソース間に印加されて電流信号に変換して出力する電流出力用ＭＯＳＦＥＴを用い、上記電圧緩和回路として上記分圧回路で形成された分圧電圧がゲートに印加された直列形態のＭＯＳＦＥＴを用いることにより、外部端子数を削減しつつ格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく電池電圧に対応した電流信号を形成することができるという効果が得られる。
【００７８】
（１２） 上記電圧電流変換回路として、複数の二次電池の各電池電圧の一方の電圧が抵抗を介してソースに印加され、ゲートに上記各電池電圧の他方の電圧が印加されて各電池電圧に対応した電流を流すようにされたＭＯＳＦＥＴを用い、上記電圧緩和回路として、上記ゲートが接続された電圧よりも低い各二次電池の相互接続点の電位がゲートに印加され、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴと直列形態に接続されるＭＯＳＦＥＴを用いることにより、回路の簡素化が図られるとともに上記ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧を検出電圧として利用できるから電圧比較回路が不要にできるという効果が得られる。
【００７９】
（１３） 上記電流電圧変換回路を通した電圧に基づき、上記過電圧状態を検出する第１の電圧検出回路と、上記二次電池の負荷側の負極端子側の電位を受け、その浮き上がりを検出する第２の電圧検出回路と、上記第１の電圧検出回路の検出信号により一方のレベルに安定し、上記第２の電圧検出回路の検出信号により他方のレベルに反転させられるラッチ回路と、上記ラッチ回路の一方のレベルでの安定状態における出力信号によりオフ状態にされ、上記他方のレベルでの安定状態における出力信号によりオン状態にされ、かつ上記二次電池の負極側の電流経路に直列に挿入された過充電保護スイッチと、上記過充電保護スイッチの両端に設けられ、充電動作時の電流方向とは逆方向に電流を流すようにされた一方向性素子とを更に設けることにより、高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく、かつ使い勝手のよい保護回路を構成することができるという効果が得られる。
【００８０】
（１４） 上記二次電池保護回路を、電池パックとしてリチュウムイオン電池と一体的に組み込むことにより、高い信頼性で使い勝手のよい二次電池を得ることができるという効果が得られる。
【００８１】
以上本発明者よりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、電池セルを直列接続する数は、それが用いられる携帯用電子機器等の負荷回路に対応して設定されればよい。過充電状態を防止するための各セル電圧は、４．３Ｖ程度に制限するというように安全性を高めるためのマージンを持たせたものであってもよい。前記電池電流経路に設けられた保護回路を構成するスイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴの他にバイポーラ型トランジスタや他のスイッチ素子を用いるようにしてもよい。上記ＭＯＳＦＥＴの場合には、ドレインとソース間の寄生ダイオードを利用することができるが、このような寄生ダイオードが無いときには、それと同等な電流を流すようなダイオードを各スイッチに並列的に設けるようにすればよい。
【００８２】
前記電圧変換回路で形成された電圧が充電すべき電圧まで低下したことを検出し、それを携帯電子装置等に警告信号として伝える等の端子を設けるようにするものであってもよい。この発明は、二次電池保護回路として広く利用することができる。
【００８３】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、複数個の二次電池を直列接続して、上記複数個の二次電池に対応した高い電池電圧を形成する二次電池の保護回路であって、電流電圧変換回路において複数個のＭＯＳＦＥＴを直列接続してそれぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担し、かつ、上記電池電圧に対応した電流信号を形成し、電圧緩和回路において上記直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの相互接続点における電圧がゲートに印加された複数のＭＯＳＦＥＴを用い、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担することにより格別な高耐圧化を施すことなくそのゲート絶縁破壊を防止し、上記電流を受ける電流電圧変換回路において上記電流信号をＭＯＳＦＥＴのゲート耐圧電圧以下の低電圧の電圧信号に変換し、上記電流電圧変換回路を通した電圧を測定して上記二次電池の過電圧状態又は過放状態のいずれか少なくとも１つを簡単な回路で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るこの発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例を示す基本的回路図である。
【図２】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例を示す具体的回路図である。
【図３】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図４】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図５】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図６】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図７】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図８】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図９】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の更に他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図１０】図１０には、この発明に係る二次電池保護回路の一実施例を示す全体回路図である。
【符号の説明】
Ｑ１〜Ｑ３０…ＭＯＳＦＥＴ、Ｒ１〜Ｒ７…抵抗、ＬＴ１，ＬＴ２…ラッチ回路、Ｇ１〜Ｇ３…論理ゲート回路、ＩＶ１…インバータ回路、ＣＯＭＰ１〜ＣＰＭＰ４…電圧比較回路、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード。
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次電池保護回路に関し、過充電と過放電の保護回路としてリチュウム（Ｌｉ）イオン電池とともに電池パックに搭載されるものに利用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯型の電子機器に用いられる二次電池としてＬｉイオン二次電池がある。このＬｉイオン二次電池は、充電電圧を４．１Ｖもしくは４．２Ｖ以上にしてはならないとされており、これ以上の過充電を行うと金属Ｌｉが析出して事故につながる。また、過放電を行うと繰り返し充放電使用回数が極端に悪くなる。このため、過充電や過放電を検出すると、電池と機器本体とを切り離すパワーＭＯＳＦＥＴ等からなる保護用のスイッチが設けられる。このようなＬｉイオン二次電池に関しては、日経マグロウヒル社、１９９５年１１月２０日付「日経エレクトロニクス」第１００頁〜第１１７頁がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｌｉイオン二次電池の技術進展に伴い、上限の充電電圧は４．５Ｖ程度まで高くすることが可能になってきている。更に、５Ｖ程度まで高くすることも可能になるものと推測される。例えば、上記二次電池（セル）を４個直列形態に接続すると、充電時には２０Ｖ程度までも高くなる。このような電池電圧を高くした場合、５Ｖ系の電源電圧で動作するＭＯＳＦＥＴに比べて高耐圧化したＭＯＳＦＥＴを用いることが必要になる。このような高耐圧のＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、素子自体のサイズが大きくなって半導体集積回路のレイアウト面積が増大してしまう。このようにサイズの増大に加えて、高耐圧ＭＯＳＦＥＴで電圧比較動作のためのオペアンプを構成すると、高耐圧ＭＯＳＦＥＴのペア性を確保するのが難しく、オペアンプ自体のオフセットが大きくなりって測定精度が悪くなるという問題が生じる。
【０００４】
この発明の目的は、簡単な構成で、しかも安定的に高い精度で動作する二次電池保護回路を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、複数個の二次電池を直列接続して、上記複数個の二次電池に対応した高い電池電圧を形成する二次電池の保護回路であって、電流電圧変換回路において複数個のＭＯＳＦＥＴを直列接続してそれぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担し、かつ、上記電池電圧に対応した電流信号を形成し、電圧緩和回路において上記直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの相互接続点における電圧がゲートに印加された複数のＭＯＳＦＥＴを用い、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担しつつ、上記電圧電流変換回路で形成された電流を伝え、電流電圧変換回路において上記電流信号をＭＯＳＦＥＴのゲート耐圧電圧以下の低電圧の電圧信号に変換し、上記電流電圧変換回路を通した電圧を測定して上記二次電池の過電圧状態又は過放状態のいずれか少なくとも１つを検出する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例の基本的回路図が示されている。同図の各回路素子は、公知のＭＯＳ集積回路の製造技術によって、二次電圧保護回路を構成する図示しない他の回路素子とともに単結晶シリコンのような１個の半導体基板上において形成される。本願添付の図面において、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴは、そのチャンネル部分に矢印を付することによってＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴと区別されている。
【０００７】
この実施例における二次電池は、Ｌｉイオン電池のセルを４個直列に接続して、１つのセル当たりの端子電圧の４倍の高い電圧を得るようにするものである。上記直列形態にされるセルの端子電圧Ｖ１〜Ｖ４のそれぞれは、電池容量を増加させるために２個以上の複数のセルをそれぞれ並列に接続するようにしてもよい。この実施例では５Ｖ系の電源電圧で動作する、いわゆる通常のＭＯＳＦＥＴを用いつつ、前記充電時を含んだ上記高い電池電圧ＢＡＴ（＋）〜ＢＡＴ（−）の高電圧を検出するできるよう次のような工夫が行われるものである。
【０００８】
上記各セルの端子電圧Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ外部端子Ｐ１〜Ｐ５を通して二次電池保護回路を構成する半導体集積回路に供給される。つまり、端子Ｐ１は、二次電池のマスナス電圧ＢＡＴ（−）を供給するものであり、保護回路の基準電圧ＶＳＳとして入力される。また、端子Ｐ５は、二次電池のプラス電圧ＢＡＴ（＋）を供給するものであり、かかる端子Ｐ１とＰ５間には、上記４個のセルを直列接続して加算された電圧Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４のような高い電圧が印加される。
【０００９】
この実施例では、上記のような高電圧の他に、各セル電圧が端子Ｐ２〜Ｐ４を通して入力されるものであり、各セルの電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４のそれぞれは、充電時でも５Ｖまでしかならない。つまり、個々のセルでみた場合には、前記５Ｖ系の電源電圧で動作するＭＯＳＦＥＴを用いて電圧検出を行うようにすることができる。そこで、この実施例では、個々のセル毎に電圧検出を行うようにするものである。
【００１０】
端子Ｐ５とＰ４では、電圧Ｖ４に対応したセルの電圧電流変換回路が設けられる。この電圧電流変換回路は、ゲートとドレインとが接続されたダイオード形態のＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２の直列回路と、上記２つのＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２のうち、正電圧側のＭＯＳＦＥＴＱ１とソース及びゲートが接続されたＰチャンネル型の電流出力用ＭＯＳＦＥＴＱ３から構成される。上記各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ３は、それぞれ電気的に独立したウェル領域に形成されるものであり、それぞれのウェル領域（基板ゲート）はソースと接続されることによって、基板効果の影響を受けないようにされる。。
【００１１】
上記の２つのＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２は、同じサイズのＭＯＳＦＥＴにより構成される。それ故、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２の直列回路では、上記電圧Ｖ４を１／２ずつに分圧した電圧を形成して同じ電流が流れる。ＭＯＳＦＥＴＱ３も上記ＭＯＳＦＥＴＱ１及びＱ２と同じサイズのＭＯＳＦＥＴで構成される。このＭＯＳＦＥＴＱ３のソースとゲートは、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とソースとゲートにそれぞれ接続されて、ＭＯＳＦＥＴＱ１と電流ミラー形態にされるものであるので上記ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れる電流と同じ電流をドレインから出力させる。
【００１２】
このＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電圧は、上記端子Ｐ４からみると前記のようにＶ４／２のような小さな電圧になるが、かかるドレイン電流を受ける回路の基準電圧として、二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）とすると、電圧Ｖ１〜Ｖ３が加算された高い電圧に変わりは無い。そこで、上記ＭＯＳＦＥＴＱ３もＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２と同等の標準的なＭＯＳＦＥＴで構成しつつ、そのゲート絶縁破壊を防止するために、次のような電圧緩和回路が設けられる。
【００１３】
電圧緩和回路は、上記各端子Ｐ４〜Ｐ２から供給されるセル電圧Ｖ３〜Ｖ１を利用するものである。つまり、端子Ｐ４、Ｐ３及びＰ２の電圧がそれぞれゲート供給されたＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５及びＱ６を設け、これらのＭＯＳＦＥＴＱ４〜Ｑ６を上記出力ＭＯＳＦＥＴＱ３に直列接続する。これにより、ＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電圧は、ＭＯＳＦＥＴＱ１のドレイン電圧とほぼ等しくなるとともに、個々のＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５、Ｑ６のゲート絶縁膜には上記セル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１からそれぞれのしきい値電圧を差し引いた電圧しか印加されず、上記のような通常のＭＯＳＦＥＴを用いてもゲート絶縁膜が破壊されてしまうことはない。
【００１４】
上記動作を定量的に説明すると次の通りとなる。上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２のＭＯＳサイズ（Ｗ／Ｌ）を同じくし、それぞれのソース−ドレイン電流ＩＤＳは同じであるから、それぞれのゲート，ソース間電圧ＶＧＳも等しくなる。したがって、ＭＯＳＦＥＴＱ３のゲート電圧は、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４／２となり、そのゲート−ソース間電圧ＶＧＳ（ＶgsQ3）は、Ｖ４／２となる。
【００１５】
上記電圧Ｖ４／２の電圧がＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２のしきい値電圧よりも大きいとき、ＭＯＳＦＥＴＱ３のドレイン電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ３のソース−ドレイン電流ＩＤＳ（ＩdsQ3) で決まり、飽和領域で動作すると、次式（１）により求められる。
ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ3−ＶthQ3）2 ・・・・・（１）
【００１６】
電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ４についは、飽和領域で動作するとすると、それに流れる電流ＩdsQ4は、次式（２）により求められる。同様に、ＭＯＳＦＥＴＱ５、Ｑ６も次式（３）（４）により求められる。
ＩdsQ4＝ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ4−ＶthQ4）2 ・（２）
ＩdsQ5＝ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ5−ＶthQ5）2 ・（３）
ＩdsQ6＝ＩdsQ3＝１／２・μＣox（Ｗ／Ｌ）（ＶgsQ6−ＶthQ6）2 ・（４）
【００１７】
上記式（２）より、ＭＯＳＦＥＴ４のＶgsQ4は、次式（５）となる。この式（５）から、Ｗ／Ｌを大きくすることで、ＶgsQ4≒ＶthQ4となる。このことは、ＶgsQ5とＶthQ5、ＶgsQ6とＶthQ6についても同様である。
ＶgsQ4＝√〔（２・ＩdsQ3）／（μＣox（Ｗ／Ｌ））〕＋ＶthQ4 ・・（５）
【００１８】
したがって、電圧緩和回路では、ＭＯＳＦＥＴＱ４〜Ｑ６のドレイン電圧は、セル電圧Ｖ３、Ｖ２、Ｖ１に対応した電圧となって、それぞれが電圧分担を行うようになるので、前記のようにゲート絶縁破壊を防止することができる。
【００１９】
上記終端のＭＯＳＦＥＴＱ６のドレインは電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ７のソースに接続される。このＭＯＳＦＥＴＱ７のゲート及びドレインは、二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）が接続される端子Ｐ１からの基準電圧が供給される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ７は、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１と同じサイズのＭＯＳＦＥＴから構成され、かつゲートとドレインとが上記基準電圧に接続される。したがって、上記出力ＭＯＳＦＥＴＱ３で形成された電流が電圧緩和用のＭＯＳＦＥＴＱ４〜Ｑ６を通してＭＯＳＦＥＴＱ７に供給される。
【００２０】
上記のようにＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ３に流れる電流は等しいから、上記ＭＯＳＦＥＴＱ７には、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１と同じ電流が流れてその両端には上記ＭＯＳＦＥＴＱ１と同じＶ４／2 の電圧が形成される。つまり、上記端子Ｐ５とＰ４の電圧Ｖ４は、基準電圧に対してＶ４／２のような低電圧に変換される。
【００２１】
端子Ｐ４とＰ３の間のセル電圧Ｖ３、端子Ｐ３とＰ２の間のセル電圧Ｖ２、及び端子Ｐ２とＰ１の間のセル電圧Ｖ１に対しても上記ＭＯＳＦＥＴＱ〜Ｑ３と同様な電圧電流変換回路が設けられる。そして、上記電圧Ｖ１は上記二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）を基準電圧とするものであるので、その電流出力を行うＭＯＳＦＥＴは、直接に電流電圧変換回路を構成する前記ＭＯＳＦＥＴＱ７と同様なＭＯＳＦＥＴに接続される。他の電圧電流変換回路の出力ＭＯＳＦＥＴには、それぞれの電圧に対応して前記同様な２ないし１個の電圧緩和用ＭＯＳＦＥＴを介して、電流電圧変換回路を構成する前記ＭＯＳＦＥＴＱ７と同様なＭＯＳＦＥＴにそれぞれ接続される。
【００２２】
上記電流電圧変換回路では、各セル電圧Ｖ１〜Ｖ４の１／２の電圧Ｖ１／２〜Ｖ４／２が形成され、それが電池選択回路により１つが選ばれて電圧２倍化回路に供給され、上記電圧Ｖ１〜Ｖ４に対応したアナログ電圧として出力される。上記電池選択回路は、各電圧Ｖ１／２〜Ｖ４／２を順次に切り替えて出力させるものであり、電圧２倍化回路では順次切り替えられる電圧を２倍して出力させる。上記出力されたアナログ電圧は、後述するような電圧比較回路で所定の電圧と比較さて、過充電状態又は過放電状態にならないように保護回路の制御信号を形成するものである。
【００２３】
上記電圧２倍化回路は、それぞれの電圧を上記セル電圧Ｖ１〜Ｖ４に対応させるものであり、使い勝手を良くすることを考慮したものであり、必須のものではない。上記電圧２倍化回路を含む保護回路は、特に制限されないが、オペアンプを用いた増幅回路で電圧利得を２倍に設定したもので構成できる。このような電池選択回路や電圧２倍化回路の動作電圧は、約５Ｖのような低電圧とされる。上記プラス電圧ＢＡＴ（＋）の電圧を内部降圧回路に供給され、かかる降圧回路において、上記約５Ｖのように内部降圧された低電圧が形成される。
【００２４】
この実施例では直列形態の個々のセル毎に、過充電状態又は過放電状態を検出するものであるので、信頼性の高い保護動作を実現できるものである。つまり、複数の二次電池セルを直列接続した場合には、充電や放電が個々のセルに均一して行われるものではなく、例えば放電動作では二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）に近いセルＶ１〜Ｖ４の順に減り方が大きいことが知られている。このような個々のセルの電圧を検出することにより、信頼性の高い保護動作を実現することができる。
【００２５】
この実施例では、上記のような電池片減り対策回路として電圧Ｖ４を形成するセルに対応した端子Ｐ５とＰ４間には、ダミー負荷として３個の並列接続のＭＯＳＦＥＴＱ１０〜Ｑ１２を接続し、電圧Ｖ３を形成するセル対応した端子Ｐ４とＰ３間にはダミー負荷として２個の並列接続のＭＯＳＦＥＴＱ２０とＱ２１を接続し、電圧Ｖ２を形成するセル対応した端子Ｐ３とＰ２間にはダミー負荷として１個のＭＯＳＦＥＴＱ３０を接続し、電圧Ｖ１〜Ｖ４を形成するセルの放電に合わせるようにするものである。
【００２６】
図２には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例では、実際の半導体集積回路での電池電圧検出動作を考慮して、各端子Ｐ１〜Ｐ５にはそれに接続されるＭＯＳＦＥＴの静電破壊を防止するための抵抗Ｒ５〜Ｒ１が接続される。また、上記電池電圧検出回路の動作の有効／無効を制御する活性化回路が設けられる。そして、各セル電圧Ｖ１〜Ｖ４が低下した場合でも安定的に動作するようなリーク電流を流す抵抗Ｒ６〜Ｒ９が設けられる。他の構成は、前記図１に示した回路と同様であるのでその説明は省略する。
【００２７】
上記保護抵抗Ｒ１〜Ｒ５は、拡散抵抗又はポリシリコン抵抗により構成されて約１ＫΩ程度の抵抗値にされて、その寄生ダイオードとともに上記二次電池保護回路が形成される半導体集積回路装置の実装基板上への組み立てや、運搬時等におけるハンドリングによる静電気の放電経路を形成するものである。
【００２８】
上記活性化回路は、高耐圧のＭＯＳＦＥＴＱ８とＱ９より構成され、分圧回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに供給される電圧を切り替える。つまり、信号／Ｃ１のロウレベル（ＢＡＴ（−））によりＭＯＳＦＥＴＱ８をオン状態にさせると、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートはドレイン側電圧が与えられて、前記のようなダイオード形態とされて分圧回路としての動作を行う。これに対して、上記信号／Ｃのハイレベル（ＢＡＴ（＋））によりＭＯＳＦＥＴＱ８をオフ状態にして、信号Ｃの上記ロウレベルによりＭＯＳＦＥＴＱ９をオン状態にさせると、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲート電圧がＭＯＳＦＥＴＱ１のソース電圧と等しくなって、かかるＭＯＳＦＥＴＱ２をオフ状態にする。
【００２９】
この結果、上記のようなセル電圧Ｖ４を１／２ずつに分圧するという分圧動作が停止されて、出力ＭＯＳＦＥＴＱ３を含めて端子Ｐ５からの電流消費が停止される。同様に、前記片減り対策回路でのリーク電流も停止されるものである。この活性化回路は、上記のようにＢＡＴ（＋）〜ＢＡＴ（−）の制御信号／ＣとＣで動作する高耐圧ＭＯＳＦＥＴであるが、単なるスイッチとして用いているので、前記のようなペア性にバラツキがあっても問題ない。
【００３０】
抵抗Ｒ６〜Ｒ９は、各セルの電圧Ｖ４〜Ｖ１が低下し、ＭＯＳＦＥＴＱ７等のゲート，ソース間に印加される電圧が減少して、回路の動作が不安定になるのを防止するものであり、これらの抵抗Ｒ６に発生するリーク電流によって、上記電圧緩和回路、電流電圧変換回路等の動作の安定化を図るものであり、精度に影響を与えない程度の高い抵抗値にされる。上記二次電池のマイナス電圧ＢＡＴ（−）には、約２０ｍΩ程度の小さい抵抗値の検出抵抗が挿入され、放電電流又は充電電流の検知に用いられる。この検知抵抗に流れる電流によって、ＢＡＴ（−）から見たＶ１〜Ｖ４の電圧が変動して見えるが、変動幅がＰＮ接合のしきい値電圧（Ｖｆ）以内であれば、測定精度に影響を与えず問題ない。
【００３１】
図３には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図２の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路及び電池片減り回路を構成すＭＯＳＦＥＴのそれぞれが、低しきい値電圧のものが用いられる。回路そのものは、前記図２の実施例と同様であるので、その説明を省略する。この実施例では、使用するＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧が低くさせるものであるので、電池電圧Ｖ１〜Ｖ４が低い電圧まで精度の高い測定を可能にすることができるものとなる。
【００３２】
図４には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図２の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路がそれぞれ異なるものである。
【００３３】
この実施例の電圧電流変換回路は、２つのＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２により構成される。つまり、前記図２の実施例のＭＯＳＦＥＴＱ３が省略される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２に流れる電流を直接検出電流として取り出すように工夫されたものである。このように分圧回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２に流れる電流を取り出すために、電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴがＱ４が組み合わされる。上記ＭＯＳＦＥＴＱ４は、低しきい値電圧のＭＯＳＦＥＴとされて、そのゲートに上記端子Ｐ４に対応した電圧が印加され、そのソースが上記ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに接続される。
【００３４】
前記図２の実施例では、活性化回路により電圧電流変換回路が動作状態にされるときには、ＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートとドレインとは共に端子Ｐ４からの電圧が供給されるが、この実施例ではＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートには端子Ｐ４からの電圧が供給され、ドレインには端子Ｐ４の電圧が電圧緩和回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ４のゲート，ソース間の低しきい値電圧分だけレベルシフトされて供給される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ４を低しきい値電圧とすることにより、ＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間電圧の減少を小さく抑えることができ、その結果前記図２のＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２と同等の動作を行わせることができる。これにより、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２の直列回路で形成された電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ４を通して、他の電圧緩和用のＭＯＳＦＥＴＱ５、Ｑ６を通して次に説明する電流電圧変換回路に伝えられる。
【００３５】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２等に対応して設けらる電圧電流変換回路も前記セル電圧Ｖ４に設けられたＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２及び電圧緩和用ＭＯＳＦＥＴＱ４と同様な構成の回路が用いられる。セル電圧Ｖ１には、前記のように電圧緩和ＭＯＳＦＥＴは必要ないので、直接に次の電流電圧変換回路に伝えられる。
【００３６】
この実施例の電流電圧変換回路は、上記電圧Ｖ４に対応した電圧を形成する回路として、ＭＯＳＦＥＴＱ４０〜Ｑ４５から構成される。ＭＯＳＦＥＴＱ４０とＱ４１は、Ｎチャンネル型ＭＯＳＦＥＴであり、電流ミラー回路を構成する。前記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２とで形成された電流ｉは、上記電流ミラー回路を通して前記内部降圧回路で形成された電源電圧ＶＣＣ（５Ｖ）にソースが印加されたＰチャンネル型の電流ミラー回路のＭＯＳＦＥＴＱ４２とＱ４３に供給され、かかる電流ミラーＭＯＳＦＥＴＱ４２とＱ４３を介してＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ４４とＱ４５に上記電流ｉと同じ電流ｉが流れるようにされる。これらのＭＯＳＦＥＴＱ４４とＱ４５は上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２と同じサイズとされ、同じくゲートとドレインとはそれぞれ接続されている。この結果、ＭＯＳＦＥＴＱ４４とＱ４５により、上記セル電圧Ｖ４と同じ電圧Ｖ４を得るようにすることができる。
【００３７】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１に対応した電流も、前記ＭＯＳＦＥＴＱ４０〜Ｑ４５と同様な電流電圧変換回路により、上記と同様な電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１を形成することができる。これらの変換電圧Ｖ１〜Ｖ４は、電池選択回路を通してアナログ出力とされる。この実施例では、図２又は図３のような電圧２倍化回路は省略できる。
【００３８】
図５には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図４の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路が異なるものである。
【００３９】
この実施例の電圧電流変換回路は、１つのＭＯＳＦＥＴＱ２により構成される。つまり、前記図４の実施例のＭＯＳＦＥＴＱ１が省略される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ１を省略してＭＯＳＦＥＴＱ２のソースを端子Ｐ５に対応した電圧を印加し、前記同様に電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴがＱ４が組み合わされてセル電圧Ｖ１に対応した電圧がＭＯＳＦＥＴＱ２のソース−ドレインに印加されて電流信号が形成される。上記ＭＯＳＦＥＴＱ４は、前記同様に低しきい値電圧のＭＯＳＦＥＴとされて、そのゲートに上記端子Ｐ４に対応した電圧が印加され、そのソースが上記ＭＯＳＦＥＴＱ２のドレインに接続される。
【００４０】
この実施例ではＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートとソース間には端子Ｐ５とＰ４間のセル電圧Ｖ４が電圧緩和回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ４のゲート，ソース間の低しきい値電圧分だけ差し引いた電圧が供給され、上記ＭＯＳＦＥＴＱ４の低しきい値電圧は定電圧と見做せるから、ＭＯＳＦＥＴＱ２にはセル電圧Ｖ４に対応した電流が流れるものとなる。これにより、ＭＯＳＦＥＴＱ２で形成された電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ４を通して、他の電圧緩和用のＭＯＳＦＥＴＱ５、Ｑ６を通して電流電圧変換回路に伝えられる。
【００４１】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２等に対応して設けらる電圧電流変換回路も前記セル電圧Ｖ４に設けられたＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２及び電圧緩和用ＭＯＳＦＥＴＱ４と同様な構成の回路が用いられる。セル電圧Ｖ１には、前記のように電圧緩和ＭＯＳＦＥＴは必要ないので、直接に次の電流電圧変換回路に伝えられる。
【００４２】
この実施例の電流電圧変換回路も、基本的には前記図４の回路と同様であるが、電流ミラー回路を介した電流ｉが流れるＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ４５は、前記電圧電流変換回路のＭＯＳＦＥＴＱ２に対応して１つが設けられる。このＭＯＳＦＥＴＱ４５は上記ＭＯＳＦＥＴＱ２と同じサイズとされているので、上記セル電圧Ｖ４とほぼ同じ電圧を得ることができる。厳密には上記ＭＯＳＦＥＴＱ２には、セル電圧Ｖ４から電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ４の低しきい値電圧Ｖth分だけ差し引いた電圧ｖ４（Ｖ４−Ｖth）が供給されるので、出力される電圧もそれに対応した電圧となる。
【００４３】
他のセル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１に対応した電流も、前記ＭＯＳＦＥＴＱ４０〜Ｑ４５と同様な回路構成の電流電圧変換回路により、上記と同様なセル電圧Ｖ３、Ｖ２及びＶ１と同様な電圧ｖ３、ｖ２及びｖ１を形成することができる。これらの変換された電圧は、電池選択回路を通してアナログ出力とされる。
【００４４】
図６には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図５の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路及び電池片減り回路を構成すＭＯＳＦＥＴのそれぞれが、低しきい値電圧のものが用いられる。ただし、電流電圧変換回路を構成するＮチャンネル型の電流ミラー回路とＰチャンネル型の電流ミラー回路は、降圧された５Ｖで安定的に動作するものであるので、通常のしきい値電圧のＭＯＳＦＥＴが用いられる。回路そのものは、前記図５の実施例と同様であるので、その説明を省略する。この実施例では、使用するＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧が低くさせるものであるので、電池電圧Ｖ１〜Ｖ４が低い電圧まで精度の高い測定を可能にすることができるものとなる。
【００４５】
図７には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記のような各セル毎の電圧を入力するものに代え、二次電池のマスナス電圧ＢＡＴ（−）を供給する端子Ｐ１と、二次電池のプラス電圧ＢＡＴ（＋）を供給する端子Ｐ５が設けられ、かかる端子Ｐ１とＰ５間の前記４個のセルを直列接続して加算された電圧Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４のような高い電圧を直接的に判定する。この実施例では、図面が複雑になるのを防ぐためにＭＯＳＦＥＴに付され回路記号を前記実施例で用いたものと重複して用いていることに注意されたい。同図の各ＭＯＳＦＥＴは、それと同じ回路記号が付された前記実施例のＭＯＳＦＥＴとは別個の回路機能を持つものである。
【００４６】
上記端子Ｐ１とＰ５に、それぞれ保護抵抗Ｒ５、Ｒ１が設けられると共に、端子Ｐ５からの電圧は活性化回路を構成するスイッチＭＯＳＦＥＴを介して電圧電流変換回路に伝えられる。電圧電流変換回路は、上記のような高電圧による各ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜破壊を防止するために、それぞれのゲートとドレインとが接続されたＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ１０が直列形態に接続される。これにより、上記端子電圧Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４は、８個のＭＯＳＦＥＴにより分担され、前記のように充電時での電圧が上限の２０Ｖまで上昇しても、１つのＭＯＳＦＥＴには１／８のせいぜい２．５Ｖ程度しか印加されない。
【００４７】
この実施例では、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とゲート及びソースが接続されたＭＯＳＦＥＴＱ３で電流ミラー構成として、ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れる電流と同じ電流をＭＯＳＦＥＴＱ３に流すようにする。同様に、ＭＯＳＦＥＴＱ２とＱ４を接続して上記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２の２個分の分圧電圧、言い換えるならば、上記Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４（＝Ｖ）を１／４にした各セル電圧に相当する電圧に対応した電流を上記２つのＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４で形成する。
【００４８】
上記ＭＯＳＦＥＴＱ４で形成された電流信号は、上記ゲート絶縁破壊を防止するために設けられたＭＯＳＦＥＴＱ５〜Ｑ１０の相互接続点の電圧がゲートに印加された電圧緩和回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４を通して電流電圧変変換回路に伝えられる。電流電圧変換回路は、前記ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２に対応した２つのＭＯＳＦＥＴＱ１５とＱ１６が設けられ、上記のようにそれと同じ電流が電圧緩和回路を通して供給されることにより、上記電圧Ｖ／４を形成するものである。
【００４９】
回路形式的には、上記電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４も上記電圧電流変換回路のＭＯＳＦＥＴＱ３やＱ４と同様に、上記分圧回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２及びＱ５〜Ｑ１０と接続されているが、上記電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ１０と、上記電流電圧変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１５とＱ１６は、消費電流を小さくするために、例えばチャンネル長が長くされてそのコンダクタンスを小さして小さな電流しか流さないようにされる。これに対して、電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴＱ１１〜Ｑ１４は、上記ＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４で形成された電流を損失なく伝えるよう、例えばチャンネル長が短くされて無視できる程度のオン抵抗値しか持たない。原理的にはＭＯＳＦＥＴＱ４を電圧緩和回路のＭＯＳＦＥＴに置き換えることも可能である。
【００５０】
図８には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、前記図７の実施例回路の変形例を示すものであり、電圧電流変換回路、電流緩和回路、電流電圧変換回路のみが示されている。
【００５１】
この実施例では、ＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２がペアとされ、そのうちＭＯＳＦＥＴＱ１が低しきい値電圧又はディプレッション型ＭＯＳＦＥＴとされる。同様に、電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ５とＱ６、Ｑ７とＱ８、Ｑ９とＱ１０、ＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４、Ｑ５’とＱ６’と電流電圧変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴＱ１５とＱ１６も同様である。また、電圧電流変換回路において、電流信号を形成する回路は、ＭＯＳＦＥＴＱ３とＱ４に加えて、同様な関係にあるＭＯＳＦＥＴＱ５’とＱ６’とが追加される。電池電圧Ｖの１／２の電圧を上記ＭＯＳＦＥＴＱ３、Ｑ４、Ｑ５’、Ｑ６’とで電流信号に変換する。
【００５２】
この実施例では、使用するＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧が低くさせるもの、あるいはディプレッションＭＯＳＦＥＴであるので、電池電圧Ｖ１〜Ｖ４が低い電圧まで精度の高い測定を可能にすることができるものとなる。上記ディプレッションＭＯＳＦＥＴは抵抗と見做せるので、これらのＭＯＳＦＥＴを抵抗素子に置き換えることも可能である。上記のように電池電圧Ｖの１／２に対応した電圧を電流信号に変換するので、電圧緩和回路は１つのＭＯＳＦＥＴＱ１１により構成することができる。
【００５３】
図９には、この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の更に他の一実施例の具体的回路図が示されている。この実施例は、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートに端子Ｐ４の電圧を印加し、ソースには約１００ＭΩのような高抵抗を介して端子Ｐ５の電圧を印加する。これにより、Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ１のしきい値電圧が参照電圧とされて、セル電圧Ｖ４がそれ以下になるとＭＯＳＦＥＴＱ１がオフ状態となって電流が流れなくなる。
【００５４】
上記のようなＭＯＳＦＥＴＱ１の検出電流は、上記ゲートに印加される電圧より低い各セル電圧がゲートに印加されたＭＯＳＦＥＴＱ２、Ｑ３からなる電圧緩和回路を介して電流電圧変換回路に供給される。電流電圧変換回路では、上記ＭＯＳＦＥＴＱ１の検出電流がＭＯＳＦＥＴＱ４、Ｑ５からなる電流ミラー回路で形成した電流をディプレョン型のＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ６に流して、それでの電圧降下をＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴＱ７のゲート，ソース間に印加して電流値を小さくして定電流源としてのＭＯＳＦＥＴＱ８に供給する。
【００５５】
ＭＯＳＦＥＴＱ８は、ゲートに定電圧ＶＢが印加されることにより上記のように定電流を流すものであり、ＭＯＳＦＥＴＱ６とＱ７は、ＭＯＳＦＥＴＱ６がディプレッション型ＭＯＳＦＥＴ、言い換えるならば、抵抗として作用することにより検出電流を低減させる。つまり、低消費電流とするために、ＭＯＳＦＥＴＱ１に流れる電流を高抵抗Ｒ６より低減せさた上で、上記ＭＯＳＦＥＴＱ６とＱ７で更に低減させてＭＯＳＦＥＴＱ８との間で流れる電流を極く小さな電流にする。
【００５６】
上記セル電圧Ｖ４の低下によって、ＭＯＳＦＥＴＱ１の電流が低減し、上記ＭＯＳＦＥＴＱ７とＱ８の電流差が逆転するとロウレベルの出力電圧が形成されてナンドゲート回路Ｇに伝えられる。上記他のセル電圧も、上記同様な電圧電流変換回路、電圧緩和回路及び電流電圧変換回路により上記のような電圧信号に変換されてゲート回路Ｇに入力される。したがって、上記４つのセル電圧Ｖ１〜Ｖ４のうち、いずれか１つでもＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧に対応した参照電圧以下になると、ゲート回路Ｇからハイレベルの検出信号ＯＵＴが形成される。
【００５７】
電池片減り対策回路も、上記電圧電流変換回路に対応してＭＯＳＦＥＴＱ７とソースに設けられ高抵抗Ｒ７からなるダミー負荷回路が、セルの直列接続位置に対応して高い電圧側から順に３個、２個及び１個の順で設けられる。
【００５８】
図１０には、この発明に係る二次電池保護回路の一実施例の全体回路図が示されている。同図において、点線で囲まれた部分に形成された各回路は、公知の半導体集積回路の製造技術により、単結晶シリコンのような１つの半導体基板上において形成される。
【００５９】
特に制限されないが、電池はＬｉイオン二次電池である。かかる電池を構成するセル毎の電圧Ｖ１〜Ｖ４が、端子Ｐ１〜Ｐ５を介して保護回路を構成する半導体集積回路装置ＩＣに供給され、そのうち端子Ｐ１とＰ５から供給される電池電圧を降圧した電圧が動作電圧として利用される。上記セル電圧Ｖ４に対応した二次電池の正極側の電極は、そのまま正側の電池パック端子＋に接続される。
【００６０】
上記セル電圧Ｖ１に対応した負極側の電極と負側の電池パック端子−との間には、保護用のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２とが直列形態に接続される。スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１は放電保護のスイッチであり、スイッチＭＯＳＦＥＴＱ２は充電保護用のスイッチである。かかるスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２のソースは基板（チャンネル）に接続される。それ故、ドレインとチャンネル間のＰＮ接合が寄生ダイオードＤ１とＤ２として、上記スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１とＱ２にそれぞれ並列形態に設けられる。これらのＭＯＳＦＥＴは、それぞれが単体の素子により構成される。
【００６１】
上記半導体集積回路装置ＩＣにおいて、端子Ｐ１〜Ｐ５を介して供給される各セル電圧Ｖ１〜Ｖ４は、前記実施例のような電池電圧検出回路に供給されて前記のような電圧変換が行われる。この電圧変換された電圧は、アナログ出力とされて、電圧比較回路ＣＯＭＰ１の一方の入力端子＋に供給される。かかる電圧比較回路ＣＯＭＰ１の他方の入力端子−には、図示しない基準電圧発生回路で形成された基準電圧Ｖ１が供給される。この電圧検出回路ＣＯＭＰ１の検出信号は、ラッチ回路ＬＴ１のリセット端子Ｒに供給される。上記ラッチ回路ＬＴ１の出力信号Ｑは、セット状態のときにハイレベルにされ、リセット状態のときにロウレベルにされる。この出力信号Ｑは、端子Ｐ７介して上記充電保護のスイッチであるＭＯＳＦＥＴＱ２のゲートに供給される。
【００６２】
特に制限されないが、上記電池電圧検出回路で形成されたアナログ出力は、電圧比較回路ＣＯＭＰ２の一方の入力端子−に供給される。かかる電圧比較回路ＣＯＭＰ２の他方の入力端子＋には、図示しない基準電圧発生回路で形成された基準電圧Ｖ２が供給される。この電圧比較回路ＣＯＭＰ２の出力信号は、オア（論理和）ゲート回路Ｇ１を通して上記ラッチ回路ＬＴ１のセット端子Ｓに供給される。上記基準電圧Ｖ２は、電池の充電動作を指示する規定の電圧に対応したものとされる。つまり、セル電圧が上記規定の基準電圧Ｖ２より低下すると、電圧比較回路ＣＯＭＰ２の出力信号がハイレベルに変化し、上記ラッチ回路ＬＴ１をセットし、かかるラッチ回路ＬＴ１の出力信号Ｑにより上記過充電保護のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２をオン状態にさせる。
【００６３】
この実施例では、誤って過電圧されたとき、上記電圧比較回路ＣＯＭＰ１がこれを検出し、上記ラッチ回路ＬＴ１をリセットして上記過充電保護のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ２をオフ状態にさせる。本願発明においては、上記スイッチＭＯＳＦＥＴＱ２は過充電によって、上記Ｌｉが析出されてしまうことによる発熱等により事故を防ぐためであり、それに負荷をつなげて放電させることには何ら問題ないし、むしろ放電させて正常状態に戻すことが望ましいことに着目し、次のような負荷接続を検出する機能が付加される。
【００６４】
上記スイッチＭＯＳＦＥＴＱ２の出力側、言い換えるならば、電池パック端子−の電位がＶＭが端子Ｐ８を介して半導体集積回路ＩＣの内部に取り込まれ、電圧比較回路ＣＯＭＰ３の入力端子＋に供給される。この電圧比較回路ＣＯＭＰ３の他方の入力端子−には、基準電圧Ｖ３が供給される。この基準電圧Ｖ３は、上記寄生ダイオードＤ２の順方向電圧Ｖｆを検出するための比較的低い電位にされる。
【００６５】
上記過充電によりラッチ回路ＬＴ１がリセットされてしまい、その結果ＭＯＳＦＥＴＱ２がオフ状態にされた状態で、電池パック端子＋と−との間に負荷（電気機器）を接続させると、上記のような過電圧状態では上記ＭＯＳＦＥＴＱ２と直列形態に接続された過放電保護用はスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１がオン状態であるために、端子Ｔ２を基準にした回路の接地電位に対して寄生ダイオードＤ２を介して電池の負極側に電流が流れ込んで、上記電池パック端子−の電位が上記寄生ダイオードＤ２の順方向電圧Ｖｆだけ浮き上がる。
【００６６】
上記電圧比較回路ＣＯＭＰ３は、上記のような放電経路が形成されたこと、言い換えるならば、電池パック端子＋と−の間に負荷としての電子機器が接続されて、上記電池パック端子−の電位の浮き上がりを端子Ｐ８からの電圧ＶＭにより検出し、その出力信号をロウレベルからハイレベルに変化させる。これにより、オアゲート回路Ｇ１を介して上記リセット状態のラッチ回路ＬＴ１がセット状態に反転させられるために、その出力信号Ｑがロウレベルからハイレベルに変化して上記ＭＯＳＦＥＴＱ２が再びオン状態になり、上記負荷に対して電流供給を行うようにすることができる。このような負荷の接続による放電動作によって、自動的に過充電状態も開放されて電圧比較回路ＣＯＭＰ１の出力もロウレベルに復帰する。上記抵抗Ｒ７は、端子Ｐ５での静電破壊防止等のために付加されているが、省略してもよい。
【００６７】
上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りである。すなわち、
（１） 複数個の二次電池を直列接続して、上記複数個の二次電池に対応した高い電池電圧を形成する二次電池の保護回路であって、電流電圧変換回路において複数個のＭＯＳＦＥＴを直列接続してそれぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担し、かつ、上記電池電圧に対応した電流信号を形成し、電圧緩和回路において上記直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの相互接続点における電圧がゲートに印加された複数のＭＯＳＦＥＴを用い、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担することにより格別な高耐圧化を施すことなくそのゲート絶縁破壊を防止し、上記電流を受ける電流電圧変換回路において上記電流信号をＭＯＳＦＥＴのゲート耐圧電圧以下の低電圧の電圧信号に変換し、上記電流電圧変換回路を通した電圧を測定して上記二次電池の過電圧状態又は過放状態のいずれか少なくとも１つを簡単な回路で検出することができるという効果が得られる。
【００６８】
（２） 上記電圧電流変換回路として、複数の二次電池の各電池電圧が両端に印加され、ゲートとドレインが接続されて上記電池電圧に対応した電流を流すようにされた２つのＭＯＳＦＥＴと、上記２つのＭＯＳＦＥＴのうちのいずれか１つのＭＯＳＦＥＴとゲート及びソースが共通接続された電流出力用ＭＯＳＦＥＴとを用いることにより、格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく各電池電圧に対応した電流信号を形成することができるという効果が得られる。
【００６９】
（３） 上記電圧緩和回路として、上記各二次電池の相互接続点の電位がゲートに印加され、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴと直列形態に接続されるＭＯＳＦＥＴを用いることにより、上記形成された電流信号を格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることない電簡単な回路により取り出すことができるという効果が得られる。
【００７０】
（４） 上記電圧電流変換回路を上記直列形態に接続された各電池電圧に対応した複数の電流出力用ＭＯＳＦＥＴを設け、上記電圧緩和回路を複数の電池電圧のうち２個以上の電池電圧が加算されるものに設け、上記電流電圧変換回路を上記各電池電圧に対応した複数の電流出力用ＭＯＳＦＥＴに対応した複数個を設けることにより、格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく簡単な回路で各電池電圧（セル）に対応した電圧検出が可能になるという効果が得られる。
【００７１】
（５） 上記複数個の電流電圧変換回路の出力電圧を、電池選択回路を通して１つを選択して出力させることにより、判定回路の簡素化を図ることができるという効果が得られる。
【００７２】
（６） 上記電圧電流変換回路として、複数の二次電池の各電池電圧の一方の電圧がソース側に印加され、ゲートとドレインが接続された第１ＭＯＳＦＥＴと、上記各電池電圧の他方の電圧がゲートに印加され、そのソースが上記ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続された第２ＭＯＳＦＥＴを用い、上記第２のＭＯＳＦＥＴを上記電圧緩和回路も兼ねるようにすることにより、回路の簡素化を図ることができるという効果が得られる。
【００７３】
（７） 上記第１ＭＯＳＦＥＴには、同じサイズでゲートとドレインが接続されたＭＯＳＦＥＴを更に直列に接続することにより、各ＭＯＳＦＥＴに印加される電圧をセル電圧の１／２ずつ分担させることができるという効果が得られるから、素子破壊に対する信頼性を高くすることができるという効果が得られる。
【００７４】
（８） 上記電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、各電池電圧の一方の電圧にゲートとドレインが供給されるＭＯＳＦＥＴは、活性化信号によりスイッチ制御されるＭＯＳＦＥＴにより、上記各電池電圧の一方の電圧と他方の電圧とを選択的に印加し、上記電圧電流変換回路の動作が上記活性化信号に対応して動作状態と非動作状態に切り替え可能にすることにより、保護動作が必要なときにのみ回路を動作させることができるので消費電流を低減させることができるという効果が得られる。
【００７５】
（９） 上記各電池電圧は、複数の二次電池が均等に消耗するよう電流を流すダミー負荷回路を設けて電池片減り対策回路が設けることにより、二次電池セル単位での電圧保護動作を効果的に行うようにすることができるという効果が得られる。
【００７６】
（１０） 上記分圧回路は、第１のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴと、上記第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴとが一対として分圧電圧を形成し、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴも上記分圧回路に対応して上記第１と第２のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴが対として構成することにより、各セル電圧の低電圧領域までの動作を可能にすることができるという効果が得られる。
【００７７】
（１１） 上記電圧電流変換回路として、複数個の二次電池に対応した高い電池電圧が両端に印加され、ゲートとドレインとが接続されることによってダイオード接続された複数のＭＯＳＦＥＴからなる分圧回路と、上記分圧電圧がゲートとソース間に印加されて電流信号に変換して出力する電流出力用ＭＯＳＦＥＴを用い、上記電圧緩和回路として上記分圧回路で形成された分圧電圧がゲートに印加された直列形態のＭＯＳＦＥＴを用いることにより、外部端子数を削減しつつ格別な高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく電池電圧に対応した電流信号を形成することができるという効果が得られる。
【００７８】
（１２） 上記電圧電流変換回路として、複数の二次電池の各電池電圧の一方の電圧が抵抗を介してソースに印加され、ゲートに上記各電池電圧の他方の電圧が印加されて各電池電圧に対応した電流を流すようにされたＭＯＳＦＥＴを用い、上記電圧緩和回路として、上記ゲートが接続された電圧よりも低い各二次電池の相互接続点の電位がゲートに印加され、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴと直列形態に接続されるＭＯＳＦＥＴを用いることにより、回路の簡素化が図られるとともに上記ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧を検出電圧として利用できるから電圧比較回路が不要にできるという効果が得られる。
【００７９】
（１３） 上記電流電圧変換回路を通した電圧に基づき、上記過電圧状態を検出する第１の電圧検出回路と、上記二次電池の負荷側の負極端子側の電位を受け、その浮き上がりを検出する第２の電圧検出回路と、上記第１の電圧検出回路の検出信号により一方のレベルに安定し、上記第２の電圧検出回路の検出信号により他方のレベルに反転させられるラッチ回路と、上記ラッチ回路の一方のレベルでの安定状態における出力信号によりオフ状態にされ、上記他方のレベルでの安定状態における出力信号によりオン状態にされ、かつ上記二次電池の負極側の電流経路に直列に挿入された過充電保護スイッチと、上記過充電保護スイッチの両端に設けられ、充電動作時の電流方向とは逆方向に電流を流すようにされた一方向性素子とを更に設けることにより、高耐圧化を施したＭＯＳＦＥＴを用いることなく、かつ使い勝手のよい保護回路を構成することができるという効果が得られる。
【００８０】
（１４） 上記二次電池保護回路を、電池パックとしてリチュウムイオン電池と一体的に組み込むことにより、高い信頼性で使い勝手のよい二次電池を得ることができるという効果が得られる。
【００８１】
以上本発明者よりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、電池セルを直列接続する数は、それが用いられる携帯用電子機器等の負荷回路に対応して設定されればよい。過充電状態を防止するための各セル電圧は、４．３Ｖ程度に制限するというように安全性を高めるためのマージンを持たせたものであってもよい。前記電池電流経路に設けられた保護回路を構成するスイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴの他にバイポーラ型トランジスタや他のスイッチ素子を用いるようにしてもよい。上記ＭＯＳＦＥＴの場合には、ドレインとソース間の寄生ダイオードを利用することができるが、このような寄生ダイオードが無いときには、それと同等な電流を流すようなダイオードを各スイッチに並列的に設けるようにすればよい。
【００８２】
前記電圧変換回路で形成された電圧が充電すべき電圧まで低下したことを検出し、それを携帯電子装置等に警告信号として伝える等の端子を設けるようにするものであってもよい。この発明は、二次電池保護回路として広く利用することができる。
【００８３】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、複数個の二次電池を直列接続して、上記複数個の二次電池に対応した高い電池電圧を形成する二次電池の保護回路であって、電流電圧変換回路において複数個のＭＯＳＦＥＴを直列接続してそれぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担し、かつ、上記電池電圧に対応した電流信号を形成し、電圧緩和回路において上記直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの相互接続点における電圧がゲートに印加された複数のＭＯＳＦＥＴを用い、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担することにより格別な高耐圧化を施すことなくそのゲート絶縁破壊を防止し、上記電流を受ける電流電圧変換回路において上記電流信号をＭＯＳＦＥＴのゲート耐圧電圧以下の低電圧の電圧信号に変換し、上記電流電圧変換回路を通した電圧を測定して上記二次電池の過電圧状態又は過放状態のいずれか少なくとも１つを簡単な回路で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るこの発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例を示す基本的回路図である。
【図２】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の一実施例を示す具体的回路図である。
【図３】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図４】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図５】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図６】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図７】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図８】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図９】この発明に係る二次電池保護回路に設けられる電池電圧検出回路の更に他の一実施例を示す具体的回路図である。
【図１０】図１０には、この発明に係る二次電池保護回路の一実施例を示す全体回路図である。
【符号の説明】
Ｑ１〜Ｑ３０…ＭＯＳＦＥＴ、Ｒ１〜Ｒ７…抵抗、ＬＴ１，ＬＴ２…ラッチ回路、Ｇ１〜Ｇ３…論理ゲート回路、ＩＶ１…インバータ回路、ＣＯＭＰ１〜ＣＰＭＰ４…電圧比較回路、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード。
Claims (14)
- 複数個の二次電池を直列接続して、上記複数個の二次電池に対応した高い電池電圧を形成する二次電池に設けられる二次電池保護回路であって、
複数個のＭＯＳＦＥＴが直列接続されることによって、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担し、かつ、上記電池電圧に対応した電流信号を形成する電圧電流変換回路と、
上記直列接続された複数のＭＯＳＦＥＴの相互接続点における電圧がゲートに印加される複数のＭＯＳＦＥＴを用い、それぞれのゲート絶縁膜に印加される電圧を相互に分担しつつ、上記電圧電流変換回路で形成された電流を伝える電圧緩和回路と、
上記電圧緩和回路を通した電流を受け、ＭＯＳＦＥＴのゲート耐圧電圧以下の低電圧の電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
上記電流電圧変換回路を通した電圧を測定して上記二次電池の過電圧状態又は過放状態のいずれか少なくとも１つを検出する電圧測定回路を備えてなることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項１において、
上記電圧電流変換回路は、
複数の二次電池の各電池電圧が両端に印加され、ゲートとドレインが接続されて上記電池電圧に対応した電流を流すようにされた２つのＭＯＳＦＥＴと、
上記２つのＭＯＳＦＥＴのうちのいずれか１つのＭＯＳＦＥＴとゲート及びソースが共通接続された電流出力用ＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項１において、
上記電圧緩和回路は、
上記各二次電池の相互接続点の電位がゲートに印加され、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴと直列形態に接続されるＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項３において、
上記電圧電流変換回路は、
上記直列形態に接続された各電池電圧に対応した複数の電流出力用ＭＯＳＦＥＴを備え、
上記電圧緩和回路は、複数の電池電圧のうち、２個以上の電池電圧が加算されるものに設けられるものであり、
上記電流電圧変換回路は、上記各電池電圧に対応した複数の電流出力用ＭＯＳＦＥＴに対応した複数個が設けられるものであることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項４において、
上記複数個の電流電圧変換回路の出力電圧は、電池選択回路を通して１つが選ばれて出力されるものであることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項２において、
上記電圧電流変換回路は、
複数の二次電池の各電池電圧の一方の電圧がソース側に印加され、ゲートとドレインが接続された第１ＭＯＳＦＥＴと、
上記各電池電圧の他方の電圧がゲートに印加され、そのソースが上記ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続された第２ＭＯＳＦＥＴからなり、
上記第２のＭＯＳＦＥＴは上記電圧緩和回路も兼ねるものであることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項６において、
上記第１ＭＯＳＦＥＴには、同じサイズでゲートとドレインが接続されたＭＯＳＦＥＴが更に直列に接続されるものであることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項２ないし請求項７のいずれかにおいて、
上記電圧電流変換回路を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、各電池電圧の一方の電圧にゲートとドレインが供給されるＭＯＳＦＥＴは、活性化信号によりスイッチ制御されるＭＯＳＦＥＴにより、上記各電池電圧の一方の電圧と他方の電圧とが選択的に印加されて、上記電圧電流変換回路の動作が上記活性化信号に対応して動作状態と非動作状態に切り替え可能にされるものであることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項８において、
上記各電池電圧は、複数の二次電池が均等に消耗するよう電流を流すダミー負荷回路からなる電池片減り対策回路が設けられるものであることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項２において、
上記分圧回路は、第１のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴと、上記第１のしきい値電圧よりも低い第２のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴとが一対とされて分圧電圧を形成するものであり、
上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴも上記分圧回路に対応して上記第１と第２のしきい値電圧を持つＭＯＳＦＥＴが対とされて構成されることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項１において、
上記電圧電流変換回路は、
複数個の二次電池に対応した高い電池電圧が両端に印加され、ゲートとドレインとが接続されることによってダイオード接続された複数のＭＯＳＦＥＴからなる分圧回路と、上記分圧電圧がゲートとソース間に印加されて電流信号に変換して出力する電流出力用ＭＯＳＦＥＴからなり、
上記電圧緩和回路は、上記分圧回路で形成された分圧電圧がゲートに印加された直列形態のＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項１において、
上記電圧電流変換回路は、
複数の二次電池の各電池電圧の一方の電圧が抵抗を介してソースに印加され、ゲートに上記各電池電圧の他方の電圧が印加されて各電池電圧に対応した電流を流すようにされたＭＯＳＦＥＴからなり、
上記電圧緩和回路は、
上記ゲートが接続された電圧よりも低い各二次電池の相互接続点の電位がゲートに印加され、上記電流出力用ＭＯＳＦＥＴと直列形態に接続されるＭＯＳＦＥＴからなることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項１ないし請求項１２のいずれかにおいて、
上記電流電圧変換回路を通した電圧に基づき、上記過電圧状態を検出する第１の電圧検出回路と、
上記二次電池の負荷側の負極端子側の電位を受け、その浮き上がりを検出する第２の電圧検出回路と、
上記第１の電圧検出回路の検出信号により一方のレベルに安定し、上記第２の電圧検出回路の検出信号により他方のレベルに反転させられるラッチ回路と、
上記ラッチ回路の一方のレベルでの安定状態における出力信号によりオフ状態にされ、上記他方のレベルでの安定状態における出力信号によりオン状態にされ、かつ上記二次電池の負極側の電流経路に直列に挿入された過充電保護スイッチと、
上記過充電保護スイッチの両端に設けられ、充電動作時の電流方向とは逆方向に電流を流すようにされた一方向性素子とを更に備えてなることを特徴とする二次電池保護回路。 - 請求項１３において、
上記二次電池保護回路は、電池パックとしてリチュウムイオン電池と一体的に組み込まれるものであることを特徴とする二次電池保護回路。
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