(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の両端の電圧を受け、かかる電池電圧で動作させられる二次電池保護回路であって、
上記電池電圧の過電圧又は過放電を検出する電圧検出回路と、
かかる電圧検出回路から一方のレベルが出力されている間に計数動作を行うカウンタを含み、かかる分周カウンタの出力を受けて所定の時間設定に対応した計数値になると出力信号を形成するタイマー回路と、
上記タイマー回路の出力信号により一方のレベルに安定し、上記電圧検出回路から他方のレベルが出力されること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電流経路に直列に挿入された過放電又は過充電保護スイッチとを含むことを特徴とする二次電池保護回路。
【請求項２】
上記分周カウンタは、電圧検出回路が他方のレベルによりリセット状態にされ、その計数動作のオーバーフロー信号が計数パルスの入力部に設けられたゲートを閉じるように制御して計数動作を停止させる回路が付加されるものであることを特徴とする請求項１の二次電池保護回路。
【請求項３】
上記保護回路は、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請求項１又は請求項２の二次電池保護回路。
【請求項４】
上記保護回路及びスイッチは過放電保護用のものであり、かかるスイッチには過充電保護用のスイッチが直列形態に接続され、かかる過充電保護用のスイッチは、それに対応した保護回路によりスイッチ制御されるものであることを特徴とする請求項３の二次電池保護回路。
【発明の詳細な説明】
【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、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イオン二次電池は、所定の電圧以下に放電させられると、繰り返し充放電回数が極端に悪くなってしまう。このような過放電の判定にあたっては、図２に示すように、電池電圧ＶＣＣが放電動作を停止させるべき終止電圧に近くなると、その電圧マージンが小さくなり、急激な負荷変動、言い換えるならば負荷に対する過電流が流れると、電池の持つ内部インピーダンスにより一時的に電池電圧ＶＣＣが終止電圧以下となり、放電電圧そのものが終止電圧以下になったと誤った判定されて実質的に放電能力が実力以下に低くされてしまう。
【０００４】
この発明の目的は、実質的な放電能力を向上と安全性を図り、使い勝手を良くした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、二次電池の保護回路において、電池電圧の過電圧又は過放電を電圧検出回路で検出し、かかる検出信号が過充電又は過放電状態のときに対応した一方のレベルにされている間に計数動作を行う分周カウンタを有するタイマー回路を設け、その計数出力が所定の時間設定に対応した計数値になると出力信号を形成し、かかる出力信号によりによりラッチ回路を一方のレベルに安定させ、上記電圧検出回路の検出信号が他方のレベルが出力されることにより上記ラッチ回路を他方のレベルに反転させ、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過放電保護スイッチをオフ状態にし、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過放電保護スイッチオン状態にさせる。
【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のうち、過放電保護用に向けられた一実施例の回路図が示されている。同図の各回路素子は、後述する他の保護回路とともに公知の半導体集積回路の製造技術により、１個の半導体基板上において形成される。特に制限されないが、保護すべき電池はＬｉイオン二次電池である。
【０００７】
スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１は、過放電を禁止するためのものである。このようなスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１をオフ状態にして放電動作を停止させるか否かの過放電の判定にあたっては、前記の図２を用いて説明したように、電池電圧ＶＣＣが放電動作を停止させるべき終止電圧に近くなると、その電圧マージンが小さくなり、急激な負荷変動、言い換えるならば負荷に対する過電流が流れると、電池の持つ内部インピーダンスにより一時的に電池電圧ＶＣＣが終止電圧以下となり、誤って放電電圧そのものが終止電圧以下になったと判定されてしまう。
【０００８】
このような誤動作を防止して、電池の有する終止電圧まで放電動作を継続できるようにするため、言い換えるならば、実質的な電池寿命を長くするために、次のようなタイマー回路が設けられる。電圧比較回路ＣＯＭＰ４は、後述するような抵抗回路で形成された分圧電圧ＶＣＣ／Ｎと、かかる分圧電圧との関係で上記終止電圧に対応させた基準電圧Ｖ４とを比較し、電池電圧ＶＣＣが終止電圧以下になったときに、ロウレベルの検出信号を形成する。この検出信号は、上記のような一時的な過電流にも応答して形成される。
【０００９】
この検出信号により直ちに過放電保護のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１をオフ状態にさせるのではなく、タイマー回路により設定された一定期間継続して上記検出信号が形成されるか否かが判定される。タイマー回路は、内蔵の発振回路により形成された発振パルスを分周カウンタに供給することより時間信号を形成する。上記分周カウンタは、上記電圧比較回路の出力信号がリセット端子に供給されており、正常時には強制的にリセット状態にされている。
【００１０】
上記電圧比較回路ＣＯＭＰ４により、電池電圧ＶＣＣが終止電圧以下にされたと判定されたなら、その間検出信号がロウレベルにされて分周カウンタのリセットが解除されて、上記発振パルスの計数動作を行う。分周カウンタの計数出力は、デコーダを構成するゲート回路Ｇ３に供給され、ここで設定された時間に相当する計数動作の判定が行われる。上記計数値に達する前に上記電池電圧ＶＣＣがもとの状態に復帰すると、リセット信号が発生されて分周カウンタは計数途中でリセット状態にされる。したがって、上記デコーダでの計数設定を負荷変動を校了して比較的長い時間に設定すれば、かかる負荷変動に対応して電池電圧ＶＣＣが一時的に終止電圧以下にされても無視される。
【００１１】
上記負荷変動は、かかる電池パックが使用される電子機器に搭載される各種電子回路に対応して種々である。例えば、モータドライバを搭載した電子機器では、そのモータの性能に対応してモータ起動時に要する時間が判っているので、かかる負荷が接続される電池パックに搭載されるタイマー回路においては、それよりも長い時間に設定される。このように負荷に応じて、電池電圧が一時的に低下する時間がさまざまであるので、上記デコーダを構成するゲート回路Ｇ３の入力と、分周カウンタの出力との間は、特に制限されないが、マスタースライス方式により負荷に合わせて、言い換えるならば、電池パックの用途に合わせてプログラマブルに設定可能にされる。
【００１２】
上記のような時間設定の自由度をより高くするために、言い換えるならば、保護用のＩＣを形成した後でも設定可能にするために、ポリシリコン層等からなるヒューズに電流を流して選択的に切断するような回路を搭載し、その選択的な切断により時間設定を行うようにしてもよい。あるいは、時間設定用の外部端子を設けておいて、かかる外部端子にハイレベル／ロウレベルを供給することにより時間設定を行うようにしてもよい。
【００１３】
上記タイマー回路は、上記電圧比較回路ＣＯＭＰ４の出力信号とその遅延信号とを論理回路に供給して、上記遅延時間内での出力信号を無効にする回路にすることも考えられる。しかしながら、このような回路においては、遅延信号を形成するために比較的大きな時定数回路を半導体集積回路に形成しなければならず、キャパシタ等の外付部品点数が増加してしまう等の問題がある。キャパシタを内蔵させると、設定時間が固定化されてしまい複数種類の保護用ＩＣを用意しなければならなくなる。
【００１４】
上記デコーダの出力信号は、特に制限されないが、ラッチ回路ＬＴ２のクロック端子ＣＫに供給される。このラッチ回路ＬＴ２の入力には、定常的にハイレベルの電源電圧ＶＣＣが供給されており、上記クロックＣＫが入力された時点でセット状態にされる。このラッチ回路ＬＴ２の出力信号Ｑは、上記セット状態によりハイレベルに変化し、ドライバとしてのインバータ回路ＩＶ１と外部端子Ｔ３を介して過放電保護のスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートをロウレベルにし、かかるスイッチＭＯＳＦＥＴＱ１をオフ状態にさせる。上記ラッチ回路ＬＴ２のリセット端子Ｒには、上記電圧比較回路ＣＯＭＰ４の出力信号が供給され、充電動作によりＶＣＣが終止電圧以上に回復すると、リセット状態にされる。上記ラッチ回路ＬＴ２がリセットされるまでの充電電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ１がオフ状態であるで、ドレインとソース間の寄生ダイオードＤ１を介して流れるようにされる。
【００１５】
上記分周カウンタでの電流消費を低減させるために、分周カウンタのキャリー信号により入力部に設けられたゲート回路Ｇ２がゲートを閉じるよう制御される。これにより、発振パルスが分周カウンタに入力されることが停止させられる。つまり、電池電圧ＶＣＣが終止電圧以下になって分周カウンタが最大計数動作を行うと、それ以後の無駄な計数動作が停止させられるので、消費電流の削減を図ることができる。
【００１６】
図３には、この発明に係る二次電池保護回路の他の部分の一実施例の回路図が示されている。Ｌｉイオン電池の両端の電圧は、保護回路を構成する半導体集積回路装置ＩＣの端子Ｔ１とＴ２に供給され、動作電圧ＶＣＣとしても利用される。上記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。
【００１７】
上記二次電池の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は上記図１で説明した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。
【００１８】
上記半導体集積回路装置ＩＣにおいて、端子Ｔ１とＴ２の両端の電池電圧ＶＣＣは、直列抵抗Ｒ１〜Ｒ６により分圧され、特に制限されないが、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点における分圧電圧は、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は、第１の電圧検出回路を構成する。かかる第１の電圧検出回路の検出信号は、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Ｔ４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。
【００１９】
特に制限されないが、抵抗Ｒ４とＲ５の接続点における分圧電圧は、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、分圧電圧（電池電圧）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。
【００２０】
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。
【００２１】
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Ｔ５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。上記電圧比較回路ＣＯＭＰ３は、第２の電圧検出回路を構成する。
【００２２】
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。
【００２３】
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Ｔ５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Ｔ５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。
【００２４】
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）  二次電池の保護回路において、電池電圧の過電圧又は過放電を電圧検出回路で検出し、かかる検出信号が過充電又は過放電状態のときに対応した一方のレベルにされている間に計数動作を行う分周カウンタを有するタイマー回路を設け、その計数出力が所定の時間設定に対応した計数値になると出力信号を形成し、かかる出力信号によりによりラッチ回路を一方のレベルに安定させ、上記電圧検出回路の検出信号が他方のレベルが出力されることにより上記ラッチ回路を他方のレベルに反転させ、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過放電保護スイッチをオフ状態にし、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過放電保護スイッチオン状態にさせるとにより、過渡的な放電電圧の低下に応答せず実質的な放電能力を向上させることができるという効果が得られる。
【００２５】
（２）  上記分周カウンタを、電圧検出回路が他方のレベルによりリセット状態にし、その計数動作のオーバーフロー信号が計数パルスの入力部に設けられたゲートを閉じるように制御して計数動作を停止させることにより、分周カウンタでの無駄な電流消費を抑えることができるという効果が得られる。
【００２６】
（３）  上記保護回路は、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ことにより、実質的な放電能力を向上させせつつ、使い勝手を良くすることができるという効果が得られる。
【００２７】
（４）  上記保護回路及びスイッチは過放電保護用のものであり、かかるスイッチには過充電保護用のスイッチを直列形態に接続し、かかる過充電保護用のスイッチを、それに対応した保護回路によりスイッチ制御させることにより、実質的な放電能力を向上と、安全性を確保しつつ、使い勝手を良くすることができるという効果が得られる。
【００２８】
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、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。
【００２９】
上記電圧検出回路は、前記のような電圧比較回路を用いるもの他、例えば寄生ダイオードＤ２の順方向電圧に対応した電池パックの負極端子−の浮き上がりを検出するものは、ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧を利用するものであってもよい。つまり、寄生ダイオードＤ２の順方向電圧より低いしきい値電圧を持つようにされたＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴのゲートに上記端子５の電圧ＶＭ供給し、ソースに電池の負極電位に対応した回路の接地電位を供給し、かかるＭＯＳＦＥＴのドレインからオン状態／オフ状態に対応したロウレベル／ハイレベルの検出信号を形成し、それをインバータ回路で反転させて上記セット信号に用いるようにしてもよい。
【００３０】
電圧比較回路に供給される基準電圧は、共通化された１つの定電圧であってもよい。これを基準にして、電池電圧ＶＣＣを分圧抵抗回路により分圧し、その分圧比の設定により、上記過充電、ラッチ回路のセットをさせる規定電圧、放電動作を停止させる終止電圧のそれぞれに対応した分圧電圧を形成するようにすればよい。この発明は、過充電の保護を行う必要のある各種二次電池保護回路として広く利用することができる。
【００３１】
【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、二次電池の保護回路において、電池電圧の過電圧又は過放電を電圧検出回路で検出し、かかる検出信号が過充電又は過放電状態のときに対応した一方のレベルにされている間に計数動作を行う分周カウンタを有するタイマー回路を設け、その計数出力が所定の時間設定に対応した計数値になると出力信号を形成し、かかる出力信号によりによりラッチ回路を一方のレベルに安定させ、上記電圧検出回路の検出信号が他方のレベルが出力されることにより上記ラッチ回路を他方のレベルに反転させ、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過放電保護スイッチをオフ状態にし、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過放電保護スイッチオン状態にさせるとにより、過渡的な放電電圧の低下に応答せず実質的な放電能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る二次電池保護回路のうち過放電保護用に向けられた一実施例を示す回路図である。
【図２】上記スイッチＭＯＳＦＥＴＱ１を制御する保護回路の動作を説明するための特性図である。
【図３】この発明に係る二次電池保護回路のうち過充電保護用に向けられた他の保護回路の一実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
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、Ｑ１〜Ｑ２…ＭＯＳＦＥＴ、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード。
【図１】
0003597618.tif 000002
【図２】
0003597618.tif 000003
【図３】
0003597618.tif 000004