(57)【要約】【課題】対象電圧の極性を正確に判別する。【解決手段】電圧極性判別回路(1)は、積分回路(10)と、スイッチ(SW0)と、時間計測回路(12)とを備える。積分回路(10)は、積分回路(10)の入力電圧(Vin)の最大値より大きい,または,最小値より小さい入力オフセット電圧(Vosa)を有する演算増幅回路(100)を用いて構成されている。スイッチ(SW0)は、積分回路(10)への入力電圧(Vin)を、極性判別対象の電圧(Rinの両端電圧),または,第1の基準電圧(GND)に切り替える。時間計測回路(12)は、積分回路(10)の出力電圧(V10)が設定電圧に到達するまでの時間を計測し、この計測結果に基づいて積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する。【選択図】図１
2010197204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積分回路(10)と、
前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)を、極性判別対象の電圧,または,第１の基準電圧(GND)に切り替えるスイッチ(SW0)と、
前記積分回路(10)の出力電圧(V10)が設定電圧に到達するまでの時間を計測し、この計測結果に基づいて前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する時間計測回路(12,22)と、
を備え、
前記積分回路(10)は、
前記積分回路(10)の入力電圧(Vin)の最大値より大きい,または,最小値より小さい入力オフセット電圧(Vosa)を有する演算増幅回路(100)を用いて構成されている、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項２】
請求項１において、
前記時間計測回路(12)は、
前記積分回路(10)の出力電圧(V10)と第２の基準電圧(VH)とを比較しその比較結果を出力する比較回路(101)と、
前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が切り替えられたときから前記比較回路(101)の出力電圧(V11)が反転するまでの時間(Tosa,Tch,Tdis)を計測し、この計測結果に基づいて前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する判定回路(102)と、
を含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項３】
請求項２において、
前記判定回路(102)は、
前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が切り替えられたときから前記比較回路(101)の出力電圧(V11)が反転するまでの時間(Tosa,Tch,Tdis)を計測するタイマを含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項４】
請求項３において、
前記判定回路(102)は、
前記タイマの計測結果を記憶する記憶回路をさらに含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項５】
請求項４において、
前記判定回路(102)は、
前記計測結果を比較する演算回路をさらに含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項６】
請求項１において、
前記時間計測回路(12)は、
前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が前記第１の基準電圧(GND)に切り替えられたときから前記積分回路(10)の出力電圧(V10)が第２の基準電圧(VH)に到達するまでの時間(Tosa)と、前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が前記極性判別対象の電圧に切り替えられたときから前記積分回路(10)の出力電圧(V10)が第２の基準電圧(VH)に到達するまでの時間(Tch,Tdis)と、を比較することによって、前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項７】
請求項１において、
前記時間計測回路(22)は、
前記積分回路(10)の出力電圧(V10)と前記第２の基準電圧(VH)とを比較しその比較結果を出力する第１の比較回路(101)と、
前記積分回路(10)の出力電圧(V10)と第３の基準電圧(VL)とを比較しその比較結果を出力する第２の比較回路(202)と、
前記第１の比較回路(101)の出力電圧(V11)の反転，前記第２の比較回路(202)の出力電圧(V22)の反転に応答してセット，リセットされる電圧(V23)を出力する論理回路(203)と、
前記論理回路(203)の出力を設定値(2N)まで計測するカウンタ(204)と、
前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が切り替えられたときから前記カウンタ(204)による計測値が前記設定値(2N)に至るまでの時間(Tosn,Tchn,Tdisn)を計測し、この計測結果に基づいて前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する判定回路(205)と、
を含み、
前記電圧極性判別回路は、
前記論理回路(203)の出力(V23)に応答して前記積分回路(10)の出力電圧(V10)を初期化する初期化回路(21)をさらに備える、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項８】
請求項７において、
前記初期化回路(21)は、
前記論理回路(203)の出力(V23)に応じて導通,または,非導通状態になり、前記積分回路(10)の出力電圧(V10)を前記第３の基準電圧(VL)に設定するスイッチ(SW2)を含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項９】
請求項７において、
前記判定回路(205)は、
前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が切り替えられたときから前記カウンタ(204)による計測値が前記設定値(2N)に至るまでの時間(Tosn,Tchn,Tdisn)を計測するタイマを含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１０】
請求項９において、
前記判定回路(205)は、
前記タイマの計測結果を記憶する記憶回路をさらに含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記判定回路(205)は、
前記計測結果を比較する演算回路をさらに含む、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１２】
請求項７において、
前記判定回路(205)は、
前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が前記第１の基準電圧(GND)に切り替えられたときから前記カウンタ(204)による計測値が前記設定値(2N)に至るまでの時間(Tosn)と、前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が前記極性判別対象の電圧に切り替えられたときから前記カウンタ(204)による計測値が前記設定値(2N)に至るまでの時間(Tchn,Tdisn)と、を比較することによって、前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１３】
請求項４または１０において、
前記記憶回路は、アップカウンタ,または,ダウンカウンタである、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１４】
請求項１において、
前記演算増幅回路(100)は、
差動入力段の一対のトランジスタのサイズに差をつけることによって前記入力オフセット電圧(Vosa)を発生させる、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１５】
請求項１において、
前記演算増幅回路(100)は、
差動入力段の一対のトランジスタに接続される電流源の電流量に差をつけることによって前記入力オフセット電圧(Vosa)を発生させる、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１６】
請求項１において、
前記演算増幅回路(100)は、
反転入力端子または非反転入力端子のいずれかに前記積分回路(10)の入力電圧(Vin)の最大値より大きい,または,最小値より小さいバイアス電圧が印加される、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【請求項１７】
請求項１において、
前記極性判別対象の電圧は、
所定の電源に直列接続された検知抵抗(Rin)の両端電圧である、
ことを特徴とする電圧極性判別回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は対象電圧の極性を判別する回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯型電子機器は、充電可能な二次電池により駆動され、その多くのものは、二次電池の残容量を表示する機能を備えたLSIを搭載している。このLSIは、電荷量または電流の検出を行い、充電時には、放電後の電池容量に検出された電荷量を加算し、放電時には、充電後の電池容量に検出された電荷量を減算する。この加算と減算の判断は、電池が充電状態にあるのか，放電状態にあるのかという充放電電流の極性の判別によって行われる。以下に、この充放電電流の極性判別の従来例について説明する。
【０００３】
まず、電荷量または電流を検出するために、二次電池と負荷または充電器に直列に接続する検知抵抗が使用される。この検知抵抗は、自身による消費および電圧降下による負荷への影響を抑えるため、数十mΩのものが用いられる。
【０００４】
また、検知抵抗に流れる電流は、携帯型電子機器の消費電流や充電電流に依存し、一般には、消費電流および充電電流とも数A程度の大きさである。上記の場合、例えば、検知抵抗を20mΩ、最大充電電流を−6.25A(−符号は、充電時の電流の方向を表す)、最大消費電流を＋6.25A(＋符号は、放電時の電流の方向を表す)とすると、検知抵抗の両端に現れる電圧は、±125mVとなる。従来の充放電判別回路では、この入力電圧を差動増幅回路によって増幅し,または,演算増幅回路を用いた積分回路によって電荷を積算する方法が用いられているが、これらの差動増幅回路や演算増幅回路には、通常、製品ごとに±数mVの範囲内でばらつく入力オフセット電圧が存在する。この入力オフセット電圧は、例えば、±1mVとすると、検知抵抗に流れる電流の±50mAに相当する。従来の充放電判別回路では、例えば−6.25A〜−50mA,および,＋50mA〜＋6.25Aを測定範囲としていた。
【０００５】
以下、従来の充放電判別回路について、図面を参照しながら説明する。
【０００６】
図8は、従来の充放電判別回路3の構成を示す図である。この充放電判別回路3は、積分回路30と、初期化回路31と、比較回路301,302と、カウンタ303,304とを備えている。積分回路30には、入力オフセット電圧Vosを小さくしようとして設計された演算増幅回路300を用いている。初期化回路31は、初期化電圧Vcを出力する電圧源と、積分回路30に用いられているコンデンサC1の一端を初期化電圧VcにするスイッチSW3とを備えている。比較回路301は、積分回路30の出力電圧V30と基準電圧VHとを比較する。カウンタ303は、スイッチSW3が非導通になり初期化電圧Vcから切り離されたときから比較回路301の出力V31が反転したときまでを計測する。比較回路302は、積分回路30の出力電圧V30と基準電圧VLとを比較する。カウンタ304は、スイッチSW3が非導通になり初期化電圧Vcから切り離されたときから比較回路302の出力V32が反転したときまでを計測する。積分回路30は、演算増幅回路300の出力端子dと反転入力端子bとの間にコンデンサC1が並列に接続され、また、反転入力端子bと端子aとの間に抵抗R1が接続され、さらに、非反転入力端子cに基準電圧GNDが接続されている。
【０００７】
次に、上記のように構成された従来の充放電判別回路3の動作について図9を参照しながら説明する。
【０００８】
二次電池と基準電圧GNDとの間に接続された検知抵抗Rinに充放電電流が流れ、その両端に入力電圧Vinが現れる。このとき積分回路30の出力電圧V30は、
【数１】
2010197204.tif 000003
となり、時間tに対する傾きは、
【数２】
2010197204.tif 000004
で表される。
【０００９】
図9では、入力オフセット電圧Vos＞0の場合について、入力電圧Vin＞Vos(充電)のときと、入力電圧Vin＜−Vos(放電)のときの各電圧波形を示している。
【００１０】
まず、充電状態で、入力オフセット電圧Vos＞0,かつ,入力電圧Vin＞Vosのとき、積分回路30の出力電圧V30の傾きは[数2]より、
【数３】
2010197204.tif 000005
となり、図9(b)が示すように、時間tが増加すると、積分回路30の出力電圧V30は減少する。よって、出力電圧V30は、初期電圧Vcから基準電圧GNDに到達し、基準電圧VLと比較する比較回路302の出力V32が反転する(図9(d))ことによって充電状態と判別する。
【００１１】
次に、放電状態で、入力オフセット電圧Vos＞0,かつ,入力電圧Vin＜−Vosのとき、積分回路30の出力電圧V30の傾きは[数2]より、
【数４】
2010197204.tif 000006
となり、図9(b)が示すように、時間tが増加すると、積分回路30の出力電圧V30は増加する。よって、出力電圧V30は、初期電圧Vcから基準電圧Vddに到達し、基準電圧VHと比較する比較回路301の出力V31が反転する(図9(c))ことによって放電状態と判別する。
【００１２】
したがって、入力電圧Vinが、
【数５】
2010197204.tif 000007
の範囲において、充放電電流の極性を正しく判別することができる。
【００１３】
また、入力オフセット電圧Vos＜0の場合についても、[数5]と同じ結果が得られるので、ここでは説明を省略する。
【非特許文献１】トランジスタ技術編集部編,「電池応用ハンドブック」,CQ出版社,2005年,p.165,図2-4-5
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら上記従来の充放電判別回路3では、積分回路30に用いられる演算増幅回路300に意図しない入力オフセット電圧Vosが存在するため、入力電圧Vinの条件によっては、積分回路30の出力電圧V30の状態が変化せず、充放電電流の極性判別が不能となる問題と、正確に判別できない入力電圧範囲が存在するという2つの問題があった。
【００１５】
1つ目の問題は、入力電圧Vinと入力オフセット電圧Vosが等しいとき、[数1]において、初期電圧Vcから基準電圧VLまでの時間,および,初期化電圧Vcから基準電圧VHまでの時間をともにTcで表すと、
【数６】
2010197204.tif 000008
となり、比較回路301,302の出力電圧V31,V32のいずれもが反転せず、充放電電流の極性を判別できないことがあり得る。
【００１６】
2つ目の問題は、入力電圧Vinと入力オフセット電圧Vosの条件によっては充放電電流の極性を誤判別する場合があることである。
【００１７】
ここでは、入力オフセット電圧Vos＞0の場合について、入力電圧Vinの電圧範囲ごとに積分回路30の出力電圧V30の傾きを調べることによって、従来の充放電判別回路3の判別結果と比較する。
【００１８】
Vos＞0のとき、積分回路30の出力電圧V30は、
【数７】
2010197204.tif 000009
その傾きは、
【数８】
2010197204.tif 000010
で表される。
【００１９】
Vin＞Vos,すなわち,充電のとき、
【数９】
2010197204.tif 000011
となり、従来の充放電判別回路3の判別結果は、充電を示し、正しい結果となる。
【００２０】
0＜Vin＜Vos,すなわち,充電のとき、
【数１０】
2010197204.tif 000012
となり、従来の充放電判別回路3の判別結果は、放電を示し、誤った結果となる。
【００２１】
Vin＜0のとき,すなわち,放電のとき、
【数１１】
2010197204.tif 000013
となり、従来の充放電判別回路3の判別結果は、放電を示し、正しい結果となる。
【００２２】
Vos＜0のときも同様に、積分回路30の出力電圧V30は、
【数１２】
2010197204.tif 000014
その傾きは、
【数１３】
2010197204.tif 000015
で表される。
【００２３】
Vin＞0,すなわち,充電のとき、
【数１４】
2010197204.tif 000016
となり、従来の充放電判別回路3の判別結果は、充電を示し、正しい結果となる。
【００２４】
−Vos＜Vin＜0,すなわち,放電のとき、
【数１５】
2010197204.tif 000017
となり、従来の充放電判別回路3の判別結果は、充電を示し、誤った結果となる。
【００２５】
Vin＜−Vosのとき,すなわち,放電のとき、
【数１６】
2010197204.tif 000018
となり、従来の充放電判別回路3の判別結果は、放電を示し、正しい結果となる。
【００２６】
図10は、入力オフセット電圧Vos＞0であり、入力電圧Vinが、0＜Vin＜Vosの充電状態と、Vin＜0の放電状態のときの従来の充放電判別回路3の動作例である。積分回路30の出力電圧V30が充電状態,放電状態の両方において基準電圧VHに達しており、比較回路301,302の一方の出力V31のみが反転しており、充電状態において誤判別している。
【００２７】
図11は、入力オフセット電圧Vosと入力電圧Vinの入力電圧範囲に対する従来の充放電判別回路3の判別結果の正誤を示す図である。図11より明らかなように、従来の充放電判別回路3は、入力電圧範囲に対して、誤判別する範囲が存在している。
【００２８】
以上のように、従来の充放電判別回路3は、積分回路30に用いられる演算増幅回路300の入力オフセット電圧Vosによって、比較回路301,302の出力電圧V31,V32のいずれもが反転せず充放電電流の極性を判別できないことがあり、さらに、入力電圧範囲の中で、充放電電流の極性を誤判別する場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
電圧極性判別回路(1)は、積分回路(10)と、スイッチ(SW0)と、時間計測回路(12)とを備える。前記積分回路(10)は、前記積分回路(10)の入力電圧(Vin)の最大値より大きい,または,最小値より小さい入力オフセット電圧(Vosa)を有する演算増幅回路(100)を用いて構成されている。スイッチ(SW0)は、前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)を、極性判別対象の電圧，または，第１の基準電圧(GND)に切り替える。時間計測回路(12)は、前記積分回路(10)の出力電圧(V10)が設定電圧に到達するまでの時間を計測し、この計測結果に基づいて前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する。
【００３０】
上記電圧極性判別回路(1)においては、積分回路(10)に用いられる演算増幅回路(100)の入力オフセット電圧(Vosa)を積分回路(10)の入力電圧(Vin)の絶対値より大きくしているので、入力電圧(Vin)の範囲は、入力オフセット電圧(Vosa)より小さな連続的な範囲で、入力電圧(Vin)の極性,すなわち,極性判別対象の電圧の極性を正確に判別することができる。また、入力電圧(Vin)と入力オフセット電圧(Vosa)が等しい状態とはならないため、必ず入力電圧(Vin)の極性,すなわち,極性判別対象の電圧の極性を判別することができる。
【００３１】
好ましくは、前記時間計測回路(22)は、第１の比較回路(101)と、第２の比較回路(202)と、論理回路(203)と、カウンタ(204)と、判定回路(205)とを含む。第１の比較回路(101)は、前記積分回路(10)の出力電圧(V10)と前記第２の基準電圧(VH)とを比較しその比較結果を出力する。第２の比較回路(202)は、前記積分回路(10)の出力電圧(V10)と第３の基準電圧(VL)とを比較しその比較結果を出力する。論理回路(203)は、前記第１の比較回路(101)の出力電圧(V11)の反転，前記第２の比較回路(202)の出力電圧(V22)の反転に応答してセット，リセットされる電圧(V23)を出力する。カウンタ(204)は、前記論理回路(203)の出力を設定値(2N)まで計測する。判定回路(205)は、前記スイッチ(SW0)により前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)が切り替えられたときから前記カウンタ(204)による計測値が前記設定値(2N)に至るまでの時間(Tosn,Tchn,Tdisn)を計測し、この計測結果に基づいて前記積分回路(10)への入力電圧(Vin)の極性を判別する。また、前記電圧極性判別回路は、前記論理回路(203)の出力(V23)に応答して前記積分回路(10)の出力電圧(V10)を初期化する初期化回路(21)をさらに備える。
【００３２】
上記電圧極性判別回路(2)においては、積分回路(10)に用いられる演算増幅回路(100)の入力オフセット電圧(Vosa)を積分回路(10)の入力電圧(Vin)の絶対値より大きくしているので、入力電圧(Vin)の範囲は、入力オフセット電圧(Vosa)より小さな連続的な範囲で、入力電圧(Vin)の極性,すなわち,極性判別対象の電圧の極性を正確に判別することができる。また、入力電圧(Vin)と入力オフセット電圧(Vosa)が等しい状態とはならないため、必ず入力電圧(Vin)の極性,すなわち,極性判別対象の電圧の極性を判別することができる。
【００３３】
さらに、時間の計測を、カウンタでクロック数を計測することにより行うシステムであっても、全入力電圧範囲において、極性を正確に判別することができる。
【００３４】
好ましくは、前記極性判別対象の電圧は、所定の電源に直列接続された検知抵抗(Rin)の両端電圧である。このようにすれば、検知抵抗(Rin)に流れる電流の極性を判別することもできる。
【発明の効果】
【００３５】
上記電圧極性判別回路によれば、全入力電圧範囲において、入力電圧(Vin)の極性,すなわち,極性判別対象の電圧の極性を正確に判別することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
（第1の実施形態）
図1は、第1の実施形態による充放電判別回路1の構成図である。充放電判別回路1は、スイッチSW0と、積分回路10と、初期化回路11と、時間計測回路12とを備えている。
【００３８】
積分回路10は、演算増幅回路100と、コンデンサC1と、抵抗R1とを含む。コンデンサC1は、演算増幅回路100の出力端子dと反転入力端子bとの間に接続されている。抵抗R1は、演算増幅回路100の反転入力端子bとスイッチSW0との間に接続されている。演算増幅回路100の非反転入力端子cは基準電圧GNDに接続されている。演算増幅回路100は、入力電圧範囲外のレベルの入力オフセット電圧Vosaを有する。ここで、入力電圧範囲外とは、積分回路10の入力電圧Vinの最大値より大きい,または,最小値より小さい領域である。入力オフセット電圧Vosaは、入力電圧Vinの入力電圧範囲外のレベルに設定するのが望ましいが、入力電圧Vinの発生頻度が少ない最大値または最小値に近い領域に設定してもかまわない。
【００３９】
スイッチSW0は、演算増幅回路100の反転入力端子bの接続先を入力端子aまたは基準電圧GNDに切り替える。入力端子aは二次電池の負極と検知抵抗Rinとの間のノードに接続されている。
【００４０】
初期化回路11はスイッチSW1を含む。スイッチSW1は、演算増幅回路100の出力端子dと反転入力端子bとの間にコンデンサC1と並列に接続されている。
【００４１】
時間計測回路12は、比較回路101と、判定回路102とを含む。比較回路101は、積分回路10の出力電圧V10と基準電圧VHとを比較しその結果を出力する。判定回路102は、スイッチSW0により反転入力端子bの接続先が入力端子aまたは基準電圧GNDに切り替えられたときから比較回路101の出力電圧V11が反転するまでの時間(TdisまたはTch)を計測する。
【００４２】
次に、上記のように構成された充放電判別回路1の動作について図2を参照しながら説明する。ここでは、動作の理解を簡単にするために、一定電流の場合,すなわち,入力電圧Vinとして一定の場合、および、入力オフセット電圧Vosa＞0の場合を例に説明する。
【００４３】
まず、スイッチSW0を基準電圧GND(＝0V)側に切り替え、図2(a)のように入力電圧Vin＝0Vとし、充放電判別の基準時間を測定する。このとき積分回路10の出力電圧V10は、基準電圧GNDから基準電圧VHに達する。この時間をTosaとすると、
【数１７】
2010197204.tif 000019
が成り立つ。[数17]より、時間Tosaは、
【数１８】
2010197204.tif 000020
で表され、この時間Tosaが経過すると比較回路101の出力電圧V11が図2(c)のように反転する。この時間Tosaが、充放電の極性を判別する基準時間として用いられる。
【００４４】
次に、スイッチSW0を入力端子a側に切り替え、充電または放電の状態に対応した時間を測定する。このとき、二次電池の充電と放電によって極性が異なった入力電圧Vinが印加される。
【００４５】
二次電池を充電している場合、電流が電池の正極に流れ込み、電池の負極から基準電圧GND(＝0V)を通り流れ出すため、入力電圧Vin＞0Vである(図2(a)充電)。このときの積分回路10の出力電圧V10は、基準電圧GNDから基準電圧VHまでの時間をTchとすると(図2(b)充電)、入力オフセット電圧Vosaを入力電圧範囲より大きく(Vosa＞Vin)しているので、充電時の入力電圧範囲(0V＜Vin＜Vosa)に対して、
【数１９】
2010197204.tif 000021
が成り立つ。[数19]より、時間Tchは、
【数２０】
2010197204.tif 000022
で表され、この時間Tchが経過すると比較回路101の出力電圧V11が反転する(図2(c)充電)。このとき時間Tchは時間Tosaよりも長くなる。
【００４６】
二次電池を放電している場合、電流が電池の正極から基準電圧GND(＝0V)を通り電池の負極に流れるため、入力電圧Vin＜0Vである(図2(a)放電)。このときの積分回路10の出力電圧V10は、基準電圧GNDから基準電圧VHまでの時間をTdisとすると(図2(b)放電)、入力オフセット電圧Vosaを入力電圧範囲より大きく(Vosa＞Vin)しているので、放電時の入力電圧範囲(−Vosa＜Vin＜0V)に対して、
【数２１】
2010197204.tif 000023
が成り立つ。[数21]より、時間Tdisは、
【数２２】
2010197204.tif 000024
で表され、この時間Tdisが経過すると比較回路101の出力電圧V11が反転する(図2(c)放電)。このとき時間Tdisは時間Tosaよりも短くなる。
【００４７】
したがって、入力電圧Vinの入力電圧範囲(−Vosa＜Vin＜Vosa)において、
【数２３】
2010197204.tif 000025
の関係が成り立つ。ゆえに、最初に、または定期的あるいは不定期的に時間Tosaを計測しておき、次に時間TdisまたはTchを計測し時間Tosaと比較することにより、充放電の状態を判別することが可能となる。
【００４８】
この比較は、判定回路102において、それぞれの時間Tosa,Tdis,Tchの計測結果をレジスタなどの記憶回路に保持し、時間Tosaに対する減算などの演算によって行われる。判定回路102として、時間Toasの計測結果がセットされたダウンカウンタによって処理されてもよい。なお、この処理は、充放電判別回路1の外部にあるマイクロコンピュータや、専用の演算回路によって行われてもよい。
【００４９】
以上、本実施形態によると、積分回路10に用いられる演算増幅回路100にもたせる入力オフセット電圧Vosaを入力電圧Vinより大きくしているので、入力電圧Vinは、−Vosa＜Vin＜Vosaの連続的な範囲で、充放電電流の極性を正確に判別することができる。また、入力電圧値Vinと入力オフセット電圧値VosをVin＜Vosaの条件を満たし,かつ,適当な差をつけることによって、Vin＝Vosaの状態とはならないため、必ず比較回路101の出力電圧V11は反転し、充放電電流の極性を判別することができる。
【００５０】
なお、本実施形態では、入力電圧Vinに対する積分回路10の出力電圧V10の基準電圧VHに到達する時間を比較することにより、充放電電流の極性を判別した例を示したが、基準時間を設定し、その時間に到達した積分回路10の出力電圧V10のレベルを測定し、入力電圧Vin＝0Vのときの積分回路10の出力電圧V10のレベルと比較することによっても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
(第2の実施形態)
図3は、第2の実施形態による充放電判別回路2の構成図である。充放電判別回路2は、スイッチSW0と、積分回路10と、初期化回路21と、時間計測回路22とを備えている。
【００５２】
積分回路10は、演算増幅回路100と、コンデンサC1と、抵抗R1とを含む。コンデンサC1は、演算増幅回路100の出力端子dと反転入力端子bとの間に接続されている。抵抗R1は、演算増幅回路100の反転入力端子bとスイッチSW0との間に接続されている。演算増幅回路100の非反転入力端子cは基準電圧GNDに接続されている。演算増幅回路100は、入力電圧範囲外のレベルの入力オフセット電圧Vosaを有する。ここでも、第1の実施形態と同様に、入力電圧範囲外とは、積分回路10の入力電圧Vinの最大値より大きい,または,最小値より小さい領域である。入力オフセット電圧Vosaは、入力電圧Vinの入力電圧範囲外のレベルに設定するのが望ましいが、入力電圧Vinの発生頻度が少ない最大値または最小値に近い領域に設定してもかまわない。
【００５３】
スイッチSW0は、演算増幅回路100の反転入力端子bの接続先を入力端子aまたは基準電圧GNDに切り替える。入力端子aは二次電池の負極と検知抵抗Rinとの間のノードに接続されている。
【００５４】
時間計測回路22は、比較回路101,202と、論理回路203と、カウンタ204と、判定回路205とを含む。比較回路101は、積分回路10の出力電圧V10と基準電圧VHとを比較しその結果を出力する。比較回路202は、積分回路10の出力電圧V10と基準電圧VLとを比較しその結果を出力する。論理回路203は、比較回路101の出力電圧V11と比較回路202の出力電圧V22を入力とし、電圧V23を出力する。論理回路203の出力電圧V23は、電圧V11の立ち下がり(Vdd→0)に応答してリセットされ(V23=0V)、電圧V22の立ち下がり(Vdd→0)に応答してセットされる(V23=Vdd)。カウンタ204は、論理回路203の出力電圧V23を設定値まで計測する。判定回路205は、スイッチSW0により反転入力端子bの接続先が入力端子aまたは基準電圧GNDに切り替えられたときからカウンタ204の計測値が設定値に至るまでの時間を計測し充放電電流の極性を判別する。
【００５５】
初期化回路21はスイッチSW2を含む。スイッチSW2は、演算増幅回路100の出力端子dと反転入力端子bとの間にコンデンサC1と並列に接続されている。スイッチSW2は、論理回路203の出力電圧V23に応答して導通状態/非導通状態を切り替える。
【００５６】
次に、上記のように構成された充放電判別回路2の動作について、図4を参照しながら説明する。ここでも、動作の理解を簡単にするために、一定電流の場合,すなわち,入力電圧Vinとして一定値、および、入力オフセット電圧Vosa＞0の場合を例に説明する。
【００５７】
まず、スイッチSW0を基準電圧GND(＝0V)側に切り替え、図4(a)のように入力電圧Vin＝0Vとし、充放電判別の基準時間を測定する。このとき積分回路10の出力電圧V10は、図4(b)に示すように基準電圧VLから基準電圧VHに達する。この時間をTosaとすると、
【数２４】
2010197204.tif 000026
が成り立つ。[数24]より、時間Tosaは、
【数２５】
2010197204.tif 000027
で表され、この時間Tosaが経過すると比較回路101の出力電圧V11が図4(c)のように反転する(Vdd→0)。これに応答して論理回路203の出力電圧V23が図4(e)のようにリセットされ(V23＝0V)、初期化回路21のスイッチSW2が導通する。これによりコンデンサC1が放電し、積分回路10の出力電圧V10が基準電圧VLに到達する(図4(b))。この基準電圧VHから基準電圧VLに達する時間をTrstとすると、
【数２６】
2010197204.tif 000028
が成り立つ。[数26]より、時間Trstは、
【数２７】
2010197204.tif 000029
で表され、この時間Trstが経過すると比較回路202の出力電圧V22が図4(d)のように反転する(Vdd→0)。これに応答して論理回路203の出力電圧V23が図4(e)のようにセットされ(V23＝Vdd)、初期化回路21のスイッチSW2が非導通となる。これにより再び積分回路10の出力電圧V10が基準電圧VLから基準電圧VHに到達する。以降は、設定回数までの繰り返しである。
【００５８】
積分回路10の出力電圧V10の1周期の時間は、
【数２８】
2010197204.tif 000030
であるので、設定回数を2のN乗回とすると、設定回数までの時間Tosnは(図4(f))、
【数２９】
2010197204.tif 000031
となる。
【００５９】
時間の計測を、カウンタでクロック数を計測することにより行うシステムの場合、クロックとのタイミングのずれによる最大1クロック分の時間の誤差を含む(図4(g))。すなわち、
【数３０】
2010197204.tif 000032
となるが、
【数３１】
2010197204.tif 000033
となるように設定回数を設定すると、クロックの1周期Tclkの影響が小さくなり、精度を向上させることができる。この時間Tosnを充放電の極性を判別する基準時間として用いる。
【００６０】
次に、スイッチSW0を入力端子a側に切り替えた場合、二次電池の充電と放電によって極性が異なった入力電圧Vinが印加される。
【００６１】
これら充電および放電の場合において、回路動作は図4と同様であり、充電のときと放電のときで測定時間が異なるだけであるので、充放電時の図は省略する。
【００６２】
二次電池が放電しているときの時間をTdisn，充電しているときの時間をTchnとすると、放電のときは図4のTosnがTdisnに、充電のときは図4のTosnがTchnに置き換わる。
【００６３】
よって、クロックによる誤差を含めると、
放電の場合は、
【数３２】
2010197204.tif 000034
充電の場合は、
【数３３】
2010197204.tif 000035
となり、
【数３４】
2010197204.tif 000036
の関係が成り立つ。
【００６４】
したがって、最初に、または定期的あるいは不定期的に時間Tosnを計測しておき、次に時間TdisnまたはTchnを計測し時間Tosnと比較することにより、充放電の状態を正確に判別することが可能となる。
【００６５】
この比較は、判定回路205において、それぞれの時間Tosn,Tdisn,Tchnの計測結果をレジスタなどの記憶回路に保持し、時間Tosnに対する減算などの演算によって行われる。判定回路205として、時間Tosnの計測結果がセットされたダウンカウンタによって処理されてもよい。なお、この処理は、充放電判別回路2の外部にあるマイクロコンピュータや、専用の演算回路によって行われてもよい。
【００６６】
以上、本実施形態によると、時間の計測を、カウンタでクロック数を計測することにより行うシステムであっても、全範囲の充放電電流に対して極性を正確に判別することができる。また、入力電圧値Vinと入力オフセット電圧値VosをVin＜Vosaの条件を満たし,かつ,適当な差をつけることによって、Vin＝Vosaの状態とはならないため、必ず比較回路101,202の出力電圧V11,V22は反転し、充放電電流の極性を判別することができる。
【００６７】
図5,図6,図7は、第1の実施形態および第2の実施形態に係わる演算増幅回路100の入力オフセット電圧Vosaを実現する例である。図5は、演算増幅回路によく用いられる差動入力段の一対のトランジスタのサイズに差をつけて入力オフセット電圧をもたせた例である。ここでは、差動入力段の一方のトランジスタを並列に複数接続する(MP1,MP3)ことによりトランジスタのサイズに差をつけている。図6は、演算増幅回路によく用いられる電流源の電流量に差をつけて入力オフセット電圧をもたせた例である。ここでは、電流源としてカレントミラーを構成する一対のトランジスタの一方を並列に複数接続する(MN1,MN3)ことによりトランジスタのサイズに差をつけ、電流量に差をつけている。図5および図6では、一般的な演算増幅回路を用いて説明したが、折り返しカスコード差動増幅回路等の他の差動または演算増幅回路であっても同様の効果が得られるのはいうまでもない。図7は、バイアス電圧を印加することによる入力オフセット電圧をもたせた演算増幅回路を示す図である。
【００６８】
なお、第1および第2の実施形態では、演算増幅回路100の非反転入力側に入力オフセット電圧Vosaをもたせたが、反転入力側に入力オフセット電圧Vosaをもたせ、所望の動作を得るようにしても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００６９】
また、第1および第2の実施形態では、演算増幅回路100に入力オフセット電圧Vosaをもたせているが、バイアス電圧を印加しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００７０】
さらに、第1および第2の実施形態では、二次電池を用いた充放電判別の例で説明しているが、一般の電源とした電流検知での電流極性の判別に使用しても本実施形態と同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、二次電池を搭載した携帯電話，デジタルカメラ，ゲーム機などの携帯型電子機器等に有用である。また、電流検出器等にも応用可能である。たとえば、二次電池によって電力が供給される電子機器の消費電流や電荷量,および,二次電池の充電時の充電電流や積算電荷量を検出し、二次電池の残容量を検出または推定するシステムにおいてその充放電電流の極性を判別する回路として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第1の実施形態による充放電判別回路を示す図である。
【図２】(a)は充放電判別回路への入力電圧波形図,(b)は積分回路の出力電圧波形図,(c)は比較回路の出力電圧波形図である。
【図３】第2の実施形態による充放電判別回路を示す図である。
【図４】(a)は充放電判別回路への入力電圧波形図,(b)は積分回路の出力電圧波形図,(c)および(d)は比較回路の出力電圧波形図,(e)は論理回路の出力電圧波形図,(f)はカウンタの出力電圧波形図,(g)はクロック波形図である。
【図５】差動入力段の一対のトランジスタのサイズに差をつけて入力オフセット電圧をもたせた演算増幅回路を示す図である。
【図６】電流源の電流量に差をつけて入力オフセット電圧をもたせた演算増幅回路を示す図である。
【図７】バイアス電圧による入力オフセット電圧をもたせた演算増幅回路を示す図である。
【図８】従来の充放電判別回路を示す図である。
【図９】従来の充放電判別回路への入力電圧が入力オフセット電圧より大きい場合の電圧波形図であり、(a)は充放電判別回路への入力電圧波形図,(b)は積分回路の出力電圧波形図,(c)は比較回路の出力電圧波形図,(d)は比較回路の出力電圧波形図である。
【図１０】従来の充放電判別回路への入力電圧が入力オフセット電圧より小さい場合の電圧波形図であり、(a)は充放電判別回路への入力電圧波形図,(b)は積分回路の出力電圧波形図,(c)は比較回路の出力電圧波形図,(d)は比較回路の出力電圧波形図である。
【図１１】従来の充放電判別回路の入力オフセット電圧と入力電圧の入力範囲に対する充放電電流の極性判別結果の正誤を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
1,2,3…充放電判別回路
10,30…積分回路
11,21,31…初期化回路
12,22…時間計測回路
100,300…演算増幅回路
101,202,301,302…比較回路
102,205…判定回路
203…論理回路
204,303,304…カウンタ
C1…コンデンサ
R1,Rin…抵抗
SW0,SW1,SW2,SW3…スイッチ
GND…(第1の)基準電圧
VH…(第2の)基準電圧
VL…(第3の)基準電圧
Vdd…(第4の)基準電圧
Vin…入力電圧
Vos,Vosa…入力オフセット電圧
Vc…初期化電圧
CLK…クロック入力電圧
V10,V30…積分回路の出力電圧
V11,V22,V31,V32…比較回路の出力電圧
V23…論理回路の出力電圧
V24…カウンタの出力電圧
a…充放電判別回路の入力端子
b…演算増幅回路の反転入力端子
c…演算増幅回路の非反転入力端子
d…演算増幅回路の出力端子
【図１】
2010197204.tif 000037
【図２】
2010197204.tif 000038
【図３】
2010197204.tif 000039
【図４】
2010197204.tif 000040
【図５】
2010197204.tif 000041
【図６】
2010197204.tif 000042
【図７】
2010197204.tif 000043
【図８】
2010197204.tif 000044
【図９】
2010197204.tif 000045
【図１０】
2010197204.tif 000046
【図１１】
2010197204.tif 000047