JP4673252B2 - 電池充電回路、携帯電子機器、及び半導体集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、電池を充電可能な電池充電回路、携帯電子機器、及び半導体集積回路に関する。

携帯電話機、パーソナル・ハンディホン・システム（ＰＨＳ）端末、パーソナル・デジタル・アシスタンス（ＰＤＡ）、及びパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）等の携帯電子機器には、放電特性が優れており、再充電可能なリチウム電池等の二次電池がよく用いられている。

電池を充電する電池充電回路として、電源を電池に供給するための充電ＯＮ／ＯＦＦ手段と、この充電ＯＮ／ＯＦＦ手段と電池間に接続され、電池の放電を防止する逆流防止手段とを有する電池充電回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１１９８６７号公報

しかしながら、逆流防止手段としてｐチャネル型のＭＯＳトランジスタ（以下、「ｐＭＯＳトランジスタ」）等の寄生ダイオードを有する素子を使用する場合、電池に印加される電圧が増加し、電池の電圧が満充電電圧付近である場合に定格値を超える電圧が電池に印加される恐れがある。定格値を超える電圧が印加されることにより、現在主流のリチウムイオン電池等においては、最悪の場合発火に至ることとなる。

上記問題点を鑑み、本発明は、電池の電圧が満充電電圧付近である場合に、電池に定格値を超える電圧が印加されることを回避可能な電池充電回路、携帯電子機器、及び半導体集積回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、直流電源と接続して使用される電池充電回路であって、前記直流電源と電池との間の充電経路に設けられ、前記直流電源からの直流電圧を電圧制御し、充電電圧として出力する制御トランジスタと、前記充電経路に設けられ、前記充電電圧を前記電池に出力するとともに、前記電池から前記直流電源に向けて電流が逆流したときに非導通状態となる逆流防止トランジスタと、前記電池への充電開始時に前記逆流防止トランジスタを導通させ、前記充電開始から一定時間経過後に前記制御トランジスタを導通させる充電制御回路とを備える電池充電回路であることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に係る充電制御回路において、前記電池の電圧を検出し、前記電池の電圧が所定値以下となるように前記制御トランジスタの導通度を制御する第１制御回路と、前記充電経路に流れる電流の進行方向を検出し、前記直流電源から前記電池に向けて電流が流れる場合には前記逆流防止トランジスタを導通させ、前記電池から前記直流電源に向けて電流が流れる場合には前記逆流防止トランジスタを非導通とする第２制御回路とを更に備えることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、第１又は第２の特徴に係る充電制御回路において、前記充電制御回路は、前記充電開始から一定時間経過後に、前記第２制御回路に対し、前記逆流防止トランジスタを非導通とすることを許可することを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、充電可能な電池と、第１〜３のいずれかの特徴に係る充電制御回路とを備える携帯電子機器であることを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、直流電源と、電池と、前記直流電源と電池との間の充電経路に設けられ、前記直流電源からの直流電圧を電圧制御し、充電電圧として出力する制御トランジスタとに接続して使用される半導体集積回路であって、前記充電経路に設けられ、前記充電電圧を前記電池に出力するとともに、前記電池から前記直流電源に向けて電流が逆流したときに非導通状態となる逆流防止トランジスタと、前記電池への充電開始時に前記逆流防止トランジスタを導通させ、前記充電開始から一定時間経過後に前記制御トランジスタを導通させる充電制御回路とを備える半導体集積回路であることを要旨とする。

本発明によれば、電池の電圧が満充電電圧付近である場合に、電池に定格値を超える電圧が印加されることを回避可能な電池充電回路、携帯電子機器、及び半導体集積回路を提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態における図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

（電池充電回路）
本発明の実施形態に係る電池充電回路１は、図１に示すように、直流電源２及び充電可能な電池３に接続して使用される。直流電源２は例えばＡＣアダプタであり、図示を省略する商用交流電源からの交流電力を変換し、５．５Ｖ程度の直流電圧Ｖａｄｐとして出力する。電池３としては例えばリチウムイオン電池等の充電可能な電池が使用できる。

まず、電池充電回路１の概略構成について説明する。電池充電回路１は、制御トランジスタＴｒ１、逆流防止トランジスタＴｒ２、方向検出回路２１、第１制御回路２０、第２制御回路２２、充電制御回路１１、及びタイマ回路１２を備える。

制御トランジスタＴｒ１及び逆流防止トランジスタＴｒ２のそれぞれとしては、ｐＭＯＳトランジスタが使用されている。制御トランジスタＴｒ１は、直流電源２から電池３への充電経路に設けられ、電池３の電圧（以下、「電池電圧」）Ｖｂａｔが所定値、例えば４．２Ｖ以下となるように直流電源２からの直流電圧Ｖａｄｐを電圧制御し、充電電圧Ｖｃｈｇとして出力する。

逆流防止トランジスタＴｒ２は、直流電源２から電池３への充電経路に設けられ、充電電圧Ｖｃｈｇを電池３に出力するとともに、電池３から直流電源２に向けて電流が逆流したときに非導通状態となる。

第１制御回路２０は、電池電圧Ｖｂａｔを検出し、電池電圧Ｖｂａｔが例えば４．２Ｖ以下となるように制御トランジスタＴｒ１の導通度を制御する。方向検出回路２１は、充電経路に流れる電流の進行方向を検出する。第２制御回路２２は、方向検出回路２１が逆流を検出したときに逆流防止トランジスタＴｒ２を非導通とする。

充電制御回路１１は、電池３への充電開始時に、逆流防止トランジスタＴｒ２を導通させ、逆流防止トランジスタＴｒ２を導通させてから一定時間経過後に制御トランジスタＴｒ１を導通させる。タイマ回路１２は、充電制御回路１１により制御され、逆流防止トランジスタＴｒ２を強制的に導通（以下、「強制オン」）させた時点からの経過時間を計時する。なお、タイマ回路１２としては、例えば外部からのクロック信号をカウントするカウンタを使用できる。

以下に、電池充電回路１の構成を詳細に説明する。

制御トランジスタＴｒ１は、ソースが直流電源２に接続され、バックゲートとソースが互いに接続されている。逆流防止トランジスタＴｒ２は、ソースが制御トランジスタＴｒ１のドレインに接続され、バックゲートとドレインが互いに接続されている。

逆流防止トランジスタＴｒ２のソースを構成するｐ型半導体領域とバックゲートを構成するｎ型半導体領域のｐｎ接合によって寄生ダイオードが構成される。したがって、逆流防止トランジスタＴｒ２が非導通状態である場合、充電電圧Ｖｃｈｇが０．７Ｖ程度持ち上がることとなる。

しかしながら、上述したように充電開始時に逆流防止トランジスタＴｒ２を導通させ、充電開始から一定時間経過後に制御トランジスタＴｒ１を導通させることで、寄生ダイオードが働かなくなり、充電電圧Ｖｃｈｇが０．７Ｖ程度持ち上がることを回避している。

次に、第１制御回路２０について詳細に説明する。第１制御回路２０は、定電圧制御回路３０、インバータ１３、ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ（以下、「ｎＭＯＳトランジスタ」）Ｔｒ３、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ（以下、「ｎｐｎトランジスタ」）Ｑ１、及び抵抗Ｒ１を備える。

インバータ１３は、充電制御回路１１の出力とｎＭＯＳトランジスタＴｒ３のゲートとの間に接続される。定電圧制御回路３０の入力は、電池３の一端に接続される。ｎＭＯＳトランジスタＴｒ３は、ソースが接地され、バックゲートとドレインが互いに接続されている。抵抗Ｒ１は、一端が直流電源２に接続される。ｎｐｎトランジスタＱ１は、コレクタが抵抗Ｒ１の他端に接続され、ベースがｎＭＯＳトランジスタＴｒ３のドレイン及び定電圧制御回路３０の出力に接続され、エミッタが接地されている。ｎｐｎトランジスタＱ１のコレクタと抵抗Ｒ１との接続ノードには、制御トランジスタＴｒ１のゲートが接続される。

したがって、ｎｐｎトランジスタＱ１の導通度によって抵抗Ｒ１に流れる電流が制御され、制御トランジスタＴｒ１のゲート電圧が制御される。定電圧制御回路３０は、電池電圧Ｖｂａｔを検知し、電池電圧Ｖｂａｔが所定値（例えば４．２Ｖ）となるようにｎｐｎトランジスタＱ１の導通度を制御する。

インバータ１３は、充電制御回路１１からの第１制御信号ＣＨＧ１を反転する。第１制御信号ＣＨＧ１は、充電動作時に制御トランジスタＴｒ１を導通状態とするために用いられる。

ｎＭＯＳトランジスタＴｒ３は、インバータ１３の出力信号に応じて導通する。すなわち、ｎＭＯＳトランジスタＴｒ３は、インバータ１３の出力信号がハイレベルである場合は導通し、インバータ１３の出力信号がローレベルである場合は非導通となる。

更に、ｎＭＯＳトランジスタＴｒ３が導通状態である場合、ｎｐｎトランジスタＱ１は非導通状態となり、ｎｐｎトランジスタＱ１は定電圧制御回路３０によって導通度が制御される。

また、ｎｐｎトランジスタＱ１が非導通状態である場合、制御トランジスタＴｒ１のゲートには抵抗Ｒ１を介してハイレベルの電圧が印加され、制御トランジスタＴｒ１は非導通状態となる。ｎｐｎトランジスタＱ１が導通状態である場合、制御トランジスタＴｒ１のゲートにはｎｐｎトランジスタＱ１の導通度に応じた電圧が印加される。

この結果、第１制御信号ＣＨＧ１がローレベルである場合、制御トランジスタＴｒ１は非導通状態となり、第１制御信号ＣＨＧ１がハイレベルである場合は定電圧制御回路３０によって制御トランジスタＴｒ１が制御されることとなる。

次に、方向検出回路２１の構成について詳細に説明する。方向検出回路２１は、電流検出抵抗Ｒ３及びコンパレータ３１を備える。電流検出抵抗Ｒ３は、逆流防止トランジスタＴｒ２のドレインと電池３の一端との間に接続される。コンパレータ３１は、非反転入力（＋）が電流検出抵抗Ｒ３の一端に接続され、反転入力（−）が電流検出抵抗Ｒ３の他端に接続される。

充電経路に流れる電流の進行方向が順流方向、すなわち直流電源２から電池３へ向かう方向である場合、電流検出抵抗Ｒ３で発生する電圧降下により、非反転入力（＋）の電位が反転入力（−）の電位よりも高くなる。このため、充電経路に流れる電流の進行方向が順流方向であるとき、コンパレータ３１の出力信号Ｖｃｎｔはハイレベルとなる。

これに対して充電経路に流れる電流の進行方向が逆流方向、すなわち電池３から直流電源２へ向かう方向である場合、電流検出抵抗Ｒ３で発生する電圧降下により、反転入力（−）の電位が非反転入力（＋）の電位よりも高くなる。したがって、充電経路に流れる電流の進行方向が逆流方向であるとき、コンパレータ３１の出力信号Ｖｃｎｔはローレベルとなる。

次に、第２制御回路２２の構成について詳細に説明する。第２制御回路２２は、インバータ１４、ｎｐｎトランジスタＱ２、抵抗Ｒ２、及びｎｐｎトランジスタＱ３を備える。

インバータ１４は、充電制御回路１１の出力とｎｐｎトランジスタＱ２のベースとの間に接続される。ｎｐｎトランジスタＱ２は、コレクタが逆流防止トランジスタＴｒ２のゲートに接続され、エミッタが接地される。抵抗Ｒ２は、逆流防止トランジスタＴｒ２のドレインに一端が接続される。ｎｐｎトランジスタＱ３は、コレクタが抵抗Ｒ２の他端に接続され、ベースがコンパレータ３１の出力に接続され、エミッタが接地される。また、ｎｐｎトランジスタＱ２，Ｑ３のそれぞれのコレクタは、互いに接続されるとともに、逆流防止トランジスタＴｒ２のゲートに接続される。

インバータ１４は、充電制御回路１１からの第２制御信号ＣＨＧ２を反転する。第２制御信号ＣＨＧ２は、充電開始時に逆流防止トランジスタＴｒ２を強制オンするために用いられる。

ｎｐｎトランジスタＱ２は、インバータ１４の出力信号に応じて導通する。すなわち、ｎｐｎトランジスタＱ２は、インバータ１４の出力信号がハイレベルである場合に導通し、インバータ１４の出力信号がローレベルである場合に非導通状態となる。

ｎｐｎトランジスタＱ２が導通すると、逆流防止トランジスタＴｒ２のゲート電圧がローレベルとなり、逆流防止トランジスタＴｒ２が導通する。これに対してインバータ１４の出力信号がローレベルである場合、ｎｐｎトランジスタＱ２は非導通状態となるため、逆流防止トランジスタＴｒ２は抵抗Ｒ２及びｎｐｎトランジスタＱ３によって制御される。

ｎｐｎトランジスタＱ３は、コンパレータ３１の出力信号Ｖｃｎｔがハイレベルである場合に導通し、逆流防止トランジスタＴｒ２のゲート電圧をローレベルとする。この結果、逆流防止トランジスタＴｒ２は導通状態となる。

コンパレータ３１の出力信号Ｖｃｎｔがローレベルである場合、すなわち電池３からの逆流が発生した場合には、ｎｐｎトランジスタＱ３は非導通状態となり、抵抗Ｒ２からのハイレベルの電圧が逆流防止トランジスタＴｒ２のゲートに印加される。この結果、逆流防止トランジスタＴｒ２は非導通状態となる。

＜充電制御回路の制御フロー例＞
次に、充電制御回路１１について詳細に説明する。充電制御回路１１は、図２に示すようなシーケンスで充電動作を制御する。

ステップＳ１００において、充電制御回路１１は、直流電源２が電池充電回路１に接続されたことを検知する。直流電源２が電池充電回路１に接続された旨は、例えば、電池充電回路１の外部のＣＰＵ（図示省略）によって通知される。

ステップＳ１０１において、充電制御回路１１は、第２制御信号ＣＨＧ２を用いて逆流防止トランジスタＴｒ２を強制オンする。

ステップＳ１０２において、充電制御回路１１は、逆流防止トランジスタＴｒ２を強制オンした時点からの経過時間を、タイマ回路１２に計時させる。

ステップＳ１０３において、充電制御回路１１は、タイマ回路１２が一定時間Ｔ１を計時するまで待ち状態となる。タイマ回路１２が一定時間Ｔ１を計時した場合、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４において、充電制御回路１１は、第１制御信号ＣＨＧ１を用いて制御トランジスタＴｒ１を導通させる。

ステップＳ１０５において、充電制御回路１１は、タイマ回路１２が一定時間Ｔ２を計時するまで待ち状態となる。タイマ回路１２が一定時間Ｔ２を計時した場合、ステップＳ１０６に移行する。

ステップＳ１０６において、充電制御回路１１は、第２制御信号ＣＨＧ２を用いて逆流防止トランジスタＴｒ２に対する強制オンを解除する。

＜電池充電回路の充電動作例＞
次に、図３に示すタイミングチャートを参照して、電池充電回路１の充電動作開始時の動作について詳細に説明する。

時刻ｔ１において、直流電源２が電池充電回路１に接続され、電池３への充電が開始される。制御回路は、直流電源２が接続されたことを検知すると、図３（ｂ）に示すように、第２制御信号ＣＨＧ２をハイレベルからローレベルに立ち下げる。この結果、逆流防止トランジスタＴｒ２が導通状態となる。

時刻ｔ１から一定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ２において、充電制御回路１１は、図３（ａ）に示すように、第１制御信号ＣＨＧ１をローレベルからハイレベルに立ち上げる。第１制御信号ＣＨＧ１がハイレベルになると、制御トランジスタＴｒ１が導通状態となる。制御トランジスタＴｒ１が導通状態になると、直流電圧Ｖａｄｐが制御トランジスタＴｒ１及び逆流防止トランジスタＴｒ２を介して電流検出抵抗Ｒ３に印加される。

この結果、電流検出抵抗Ｒ３からの電流が電池３に供給されるとともに、図３（ｃ）に示すように、時刻ｔ３においてコンパレータ３１の出力信号Ｖｃｎｔがハイレベルとなる。

時刻ｔ１から一定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ４において、充電制御回路１１は、第２制御信号ＣＨＧ２をローレベルからハイレベルに立ち上げる。この結果、逆流防止トランジスタＴｒ２の強制オンが解除されるので、第２制御回路２２が逆流発生時に逆流防止トランジスタＴｒ２を非導通とすることが可能な状態となる。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態によれば、電池３の充電開始時に、制御トランジスタＴｒ１を導通させる前に逆流防止トランジスタＴｒ２を導通させることで、逆流防止トランジスタＴｒ２の寄生ダイオードを動作させないようにすることが可能となる。したがって、充電開始時に、電池電圧Ｖｂａｔが既に満充電電圧付近となっている場合に、電池３に定格値を超える電圧が印加されることを防止できる。

（携帯電子機器）
上述した電池充電回路１及び電池３は、図４に示すように、携帯電子機器１００に実装可能である。図４の例においては、携帯電子機器１００と直流電源２は、ケーブル１０１を介して接続されている。

なお、携帯電子機器として携帯電話機又はＰＨＳ端末を例示しているが、ＰＤＡ、ノートＰＣ、携帯型ミュージックプレイヤー、又は携帯型ゲーム機器等であってもかまわない。

（半導体集積回路）
上述した逆流防止トランジスタＴｒ２、方向検出回路２１、第１制御回路２０、第２制御回路２２、充電制御回路１１、及びタイマ回路１２は、図５に示すように、半導体チップ（図示省略）上にモノリシックに集積化して半導体集積回路５０として構成可能である。

半導体集積回路５０は、直流電圧Ｖａｄｐが印加される端子５１と、第１制御回路２０からの出力電圧が印加される端子５２と、充電電圧Ｖｃｈｇが印加される端子５３と、電池電圧Ｖｂａｔが印加される端子５４とを備えている。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。

上述した実施形態においては、第１制御回路２０が、インバータ１３とｎＭＯＳトランジスタＴｒ３を備える一例を説明したが、ｎＭＯＳトランジスタＴｒ３に代えてｐＭＯＳトランジスタを使用し、インバータ１３を不要とする構成であっても良い。あるいは、ｎＭＯＳトランジスタＴｒ３に代えてｎｐｎトランジスタを使用しても良い。

また、第２制御回路２２が、インバータ１４とｎｐｎトランジスタＱ２を備える一例を説明したが、ｎｐｎトランジスタＱ２に代えてｐｎｐ型のバイポーラトランジスタを使用し、インバータ１４を不要とする構成であっても良い。あるいは、ｎｐｎトランジスタＱ２に代えてｎＭＯＳトランジスタを使用しても良い。

更に、第２制御回路２２が、コンパレータ３１の出力に接続されたｎｐｎトランジスタＱ３を備える一例を説明したが、ｎｐｎトランジスタＱ３に代えてｎＭＯＳトランジスタを使用しても良い。

このように本発明は、ここでは記載していない様々な実施形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施形態に係る電池充電回路の構成例を示す回路ブロック図である。 本発明の実施形態に係る充電制御回路の制御フローを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る電池充電回路の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態に係る携帯電子機器の構成例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る半導体集積回路の構成例を示す回路ブロック図である。

符号の説明

１…電池充電回路
２…直流電源
３…電池
１１…充電制御回路
１２…タイマ回路
１３，１４…インバータ
２０…第１制御回路
２１…方向検出回路
２２…第２制御回路
３１…コンパレータ
５０…半導体集積回路
５１〜５４…端子
１００…携帯電子機器
１０１…ケーブル
Ｑ１〜Ｑ３…ｎｐｎトランジスタ
Ｒ１，Ｒ２…抵抗
Ｒ３…電流検出抵抗
Ｔｒ１…制御トランジスタ
Ｔｒ２…逆流防止トランジスタ
Ｔｒ３…ｎＭＯＳトランジスタ

Claims (5)

1. 直流電源と接続して使用される電池充電回路であって、
   前記直流電源と電池との間の充電経路に設けられ、前記直流電源からの直流電圧を電圧制御し、充電電圧として出力する制御トランジスタと、
   前記充電経路に設けられ、前記充電電圧を前記電池に出力するとともに、前記電池から前記直流電源に向けて電流が逆流したときに非導通状態となる逆流防止トランジスタと、
   前記電池への充電開始時に前記逆流防止トランジスタを導通させ、前記充電開始から一定時間経過後に前記制御トランジスタを導通させる充電制御回路
   とを備えることを特徴とする電池充電回路。
2. 前記電池の電圧を検出し、前記電池の電圧が所定値以下となるように前記制御トランジスタの導通度を制御する第１制御回路と、
   前記充電経路に流れる電流の進行方向を検出し、前記直流電源から前記電池に向けて電流が流れる場合には前記逆流防止トランジスタを導通させ、前記電池から前記直流電源に向けて電流が流れる場合には前記逆流防止トランジスタを非導通とする第２制御回路
   とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電池充電回路。
3. 前記充電制御回路は、前記充電開始から一定時間経過後に、前記第２制御回路に対し、前記逆流防止トランジスタを非導通とすることを許可することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池充電回路。
4. 充電可能な電池と、請求項１〜３のいずれかに記載の電池充電回路とを備えることを特徴とする携帯電子機器。
5. 直流電源と、電池と、前記直流電源と電池との間の充電経路に設けられ、前記直流電源からの直流電圧を電圧制御し、充電電圧として出力する制御トランジスタとに接続して使用される半導体集積回路であって、
   前記充電経路に設けられ、前記充電電圧を前記電池に出力するとともに、前記電池から前記直流電源に向けて電流が逆流したときに非導通状態となる逆流防止トランジスタと、
   前記電池への充電開始時に前記逆流防止トランジスタを導通させ、前記充電開始から一定時間経過後に前記制御トランジスタを導通させる充電制御回路
   とを備えることを特徴とする半導体集積回路。

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