(57)【要約】【課題】  どのような外部電源においても適用が可能であり、高効率で温度上昇が抑制される充電器を提供する。【解決手段】  充電器２は、スイッチ素子５と同期整流器３とインダクタ６とコンデンサ７とからなるスイッチング式の降圧コンバータと、充電制御素子８と、定電流制御用検出抵抗９と、制御回路１６とを有し、外部電源１より直流電力が供給される。この充電器２は、外部電源１の電圧とバッテリ１０の電圧との差が充電制御素子８を駆動できる十分な電圧であるとき、充電制御素子８の両端に印加される電圧が充電制御素子８の両端電圧、すなわちソース・ドレイン間の電圧を駆動可能な最小電圧となるように降圧コンバータの出力電圧を制御する。この構成により、充電制御素子における電力損失を最小限にし、発熱量を低減することのできる充電器が得られる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源から電力が供給される直流電圧変換器と、
前記直流電圧変換器を電源としてバッテリに充電電流を供給する充電制御素子と、
前記充電制御素子の両端電圧が前記充電制御素子を駆動可能な最小の電圧となるように前記直流電圧変換器の出力電圧を制御するとともに、前記バッテリに所定の充電電流が流れるように前記充電制御素子を駆動する制御回路とを備えた充電器。
【請求項２】
前記直流電圧変換器は、前記外部電源に一端が接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子の他端に一端が接続され他端が接地された整流器と、前記スイッチ素子の他端に一端が接続され他端が前記直流電圧変換器の出力端となるインダクタとからなる降圧コンバータからなり、
前記制御回路は前記スイッチ素子のオンオフ動作のデューティ比を変化させることにより、前記直流電圧変換器の出力電圧を制御する請求項１記載の充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバッテリ駆動の各種電子機器内に設けられ、外部電源から電力が供給され、バッテリの充電を行う充電器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、バッテリを有する携帯機器等の電子機器に設けられる充電器には、急速かつ高効率な充電機能が要求されている。
【０００３】
従来、充電器としては、図２に示すような回路構成の装置が用いられていた。図２において、充電器１９は、電流制限機能を有する外部電源１７より電力が供給されており、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる逆流防止用スイッチ素子４と、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる充電制御素子８と、定電流制御用検出抵抗９と、制御回路１８とから構成されている。制御回路１８は、外部電源検出回路１１と、充電制御素子制御回路１３と、充電電流とバッテリ電圧とを検出する充電検出回路１４とで構成される。
【０００４】
外部電源１７から供給された直流電流は、逆流防止用スイッチ素子４、充電制御素子８および定電流制御用検出抵抗９を介してバッテリ１０を充電する。逆流防止用スイッチ素子４は外部電源検出回路１１によって制御される。具体的には、逆流防止用スイッチ素子４は外部電源１７から電力供給されることによるバッテリ１０への充電動作中はオン状態となる。また、外部電源１７からの電力供給がない場合にはバッテリ１０からの放電電流が逆流しないようにオフ状態となる。したがって、以下に示す充電器１９の充電動作説明においては、逆流防止用スイッチ素子４はオン状態である。
【０００５】
図４は、外部電源１７の出力特性Ｘと充電器１９の出力特性Ｙを示したものである。図４に示すように、外部電源１７は所定の電圧Ｖａを出力する定電圧出力機能と、出力電流を所定値Ｉａに制限をかける電流制限機能とを有している。
【０００６】
また、充電制御素子８は、充電制御素子制御回路１３から与えられるゲート電圧が変化することによってソース−ドレイン間のインピーダンスが制御され、次の３つの状態をとる。第１の状態はオン状態である。また、第２の状態は、バッテリ１０への充電電流が定電流制御用検出抵抗９に流れることによってその両端に生じる電圧を充電検出回路１４によって検出し、定電流制御用検出抵抗９での電圧降下が、一定値となるように制御される定電流化状態である。このときに流れる定電流制御された充電電流がＩｃである。さらに、第３の状態は、バッテリ１０の電圧を充電検出回路１４で検出し、バッテリ１０の電圧を所定値Ｖｃに安定化するように制御される定電圧化状態である。図４では、充電器の定電流化状態と定電圧化状態を示し、斜線部が充電器による電力損失Ｚを意味する。
【０００７】
図５は、充電器の充電動作によるバッテリ１０の電圧Ｖｂおよびバッテリ１０への充電電流Ｉｂの時間変化と、充電制御素子８の両端電圧Ｖｙの時間変化とを表す動作波形図である。以下に、図２に示す先行技術の充電器の動作を図５の充電動作波形図を用いて説明する。
【０００８】
まず、期間Ｔ１１はバッテリ１０を急速に充電する期間である。この期間Ｔ１１では、外部電源１７の電流制限機能を利用して、バッテリ１０が定電流Ｉａで充電される。このとき、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる充電制御素子８はオン状態となっている。またこのとき、バッテリ電圧Ｖｂは時間の経過とともに上昇していく。このとき充電制御素子８のソース・ドレイン間の電圧は、バッテリ１０に流れる定電流ＩａとＭＯＳのＯＮ抵抗で決定される。
【０００９】
次に、期間Ｔ１２は充電制御素子８が定電流制御用検出抵抗９での電圧降下に基づき充電制御素子制御回路１３によって制御され、充電制御素子８が定電流制御素子として動作する定電流化状態にあり、バッテリ１０が定電流Ｉｃで充電される期間である。この期間Ｔ１２はバッテリ電圧がＶd以上Ｖc未満となる区間である。この期間Ｔ１２では、バッテリ１０の過電圧保護のために、期間Ｔ１１での定電流Ｉａの値よりも小さく設定された電流Ｉｃで定電流充電される。バッテリ電圧Ｖｂはさらに上昇する。このとき充電制御素子８のソース・ドレイン間の電圧は、外部電源１７とバッテリ電圧１０の電位差で決定される。
【００１０】
最後に、期間Ｔ１３はバッテリ１０の電圧を充電検出回路１４で検出し、充電制御素子制御回路１３に伝達することによって、充電制御素子８が定電圧制御素子として動作する定電圧化状態にある期間である。この期間Ｔ１３では、バッテリ１０電圧ＶｂがＶｃと等しくなったことを検出し、バッテリの電圧Ｖｂを一定電圧Ｖｃに保持している。そして充電電流Ｉｂが徐々に少なくなる。すなわち、期間Ｔ１２および期間Ｔ１３では、充電器１９はシリーズレギュレータとして動作する。
【特許文献１】特許第３３１２４２２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のような先行技術の充電器において、図５に示すように充電制御素子８が充電電流を制御する際に、充電制御素子８の両端電圧すなわち、ソース・ドレイン間の電圧が駆動可能な約０.２〜０.３Vより十分大きいことから、大きな電力損失が発生し、充電中の発熱量増加に伴う表面温度上昇による周辺機器への悪影響を与えるおそれがある。これを抑えるためには、充電電流値を大きく設定できず、充電時間が長くなるという問題があった。
【００１２】
そこで、充電時間短縮のために、充電初期には、充電制御素子８をオン状態にして充電電流制御を行わず、外部電源１７の電流制限機能を利用して大きな電流で充電を行うことにより、充電時間の短縮を図っていた。そのため、特定の外部電源以外の外部電源を利用することができないという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、充電制御素子の発熱を少なくして周辺機器への悪影響を抑えつつ、充電電流を大きくして充電時間を短縮することができる充電器を提供することである。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、電流制限機能を有する外部電源を使用する必要がなく、充電時間を短縮することができる充電器を提供することである。
【００１５】
また、本発明のさらに他の目的は、高効率な充電器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の充電器は、外部電源から電力が供給される直流電圧変換器と、直流電圧変換器を電源としてバッテリに充電電流を供給する充電制御素子と、充電制御素子の両端電圧を検出する電圧検出回路によって、充電制御素子の両端電圧が駆動可能な最小の電圧となるように直流電圧変換器の出力電圧を制御するとともに、バッテリに所定の充電電流が流れるように充電制御素子を駆動する機能を備えている。
【００１７】
この構成によれば、電圧検出回路の検出する充電制御素子の両端電圧が充電制御素子を駆動可能な最小の電圧となるように直流電圧変換器の出力電圧を制御するので、充電制御素子の電力損失を最小にし、その発熱を最小限に抑えることができる。したがって、充電制御素子によって制御される充電電流を増加させることが可能となる。その結果、比較的大きな充電電流も充電制御素子によって制御された状態でバッテリに流すことができ、充電時間を短縮することができる。また、大きな充電電流の制御を充電制御素子で行うので、電流制限機能を有する外部電源を使用する必要がなくなる。
【００１８】
上記の充電器においては、直流電圧変換器は、例えば、外部電源に一端が接続されたスイッチ素子と、スイッチ素子の他端に一端が接続され他端が接地された整流器と、スイッチ素子の他端に一端が接続され他端が直流電圧変換器の出力端となるインダクタとからなる降圧コンバータからなる。この降圧コンバータは、スイッチング制御回路でスイッチ素子のオンオフ動作のデューティ比を変化させ出力電圧の制御を行う。
【００１９】
ここで、電圧検出回路において充電制御素子の両端電圧を検出し、充電制御素子が駆動可能な電位差である場合には、スイッチング制御回路でスイッチ素子及び、同期整流器を交互にオンオフ動作させることによって充電制御素子が駆動可能な最小の電圧となるように、直流電圧変換器の出力電圧を制限する。
【００２０】
この構成によれば、スイッチング式の降圧コンバータを使用し、前記充電制御素子での電力損失を最小限にするため高効率である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の充電器は、充電制御に直流電圧変換手段、例えばスイッチング式の降圧コンバータを充電素子の両端電圧を制御することに用いることで、高効率で発熱量が少ないという優れた効果を有する。また制御回路内に充電電流制御素子の両端電圧を制御し、充電電流の制御を行うシステムを有するため、電圧・電流制限機能を有さない外部電源の利用が可能となり、様々な外部電源からの充電が可能となる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の充電器に係る好適な実施の形態について添付の図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る実施の形態１の充電器の構成を示す回路図である。図１において、充電器２は、特に電流制限機能が必要とされない外部電源１より電力が供給されている。この充電器２は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる逆流防止用スイッチ素子４と、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子５と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴからなる同期整流器３と、インダクタ６と、コンデンサ７と、充電制御素子８と、定電流制御用検出抵抗９と、制御回路１６とから構成されている。制御回路１６は、外部電源検出回路１１と、電圧検出回路１２と、充電制御素子制御回路１３と、充電電流およびバッテリ電圧を検出する充電検出回路１４と、スイッチング制御回路１５とで構成される。
【００２４】
逆流防止用スイッチ素子４は、外部電源検出回路１１によって制御され、外部電源１から電力供給されることによるバッテリ１０への充電動作中はオン状態となり、外部電源１からの電力供給がない場合にはバッテリ１０からの放電電流が逆流しないようにオフ状態となる。したがって、以下に示す充電器２の充電動作説明においては、逆流防止用スイッチ素子４は常にオン状態にある。
【００２５】
ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子５と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴからなる同期整流器３と、インダクタ６と、コンデンサ７とは、スイッチング式の降圧コンバータを構成している。降圧コンバータは、スイッチ素子５と同期整流器３とが交互にオンオフ動作することにより、インダクタ６を介してコンデンサ７から直流電力を出力する。同期整流器３とスイッチ素子５とのオンオフ動作が周期的に繰り返されている時、その１周期に占めるスイッチ素子５のオン時間の割合（以下、この割合をデューティ比と記述する。）を調整することにより、降圧コンバータの出力電圧を制御することができる。
【００２６】
図３は、充電器の充電動作によってバッテリ１０の電圧Ｖｂおよびバッテリ１０への充電電流Ｉｂの時間変化と、充電制御素子の両端電圧Ｖｘの時間変化を表す動作波形図である。以下に、本発明の実施の形態１による充電器２の充電動作を、図３に示す動作波形図を用いて説明する。
【００２７】
図３の期間Ｔ１は、充電器２は定電流化状態にあり、電流値Ｉａでバッテリ１０を定電流充電する期間である。このとき、充電制御素子８は、充電検出回路１４により検出された充電電流の値に基づき、充電制御素子制御回路１３によって制御され、定電流動作する。バッテリ電圧Ｖｂは徐々に上昇していく。また制御回路１６における電圧検出回路１２で充電制御素子８の両端電圧Ｖｘを検出し、充電制御素子８の両端電圧Ｖｘ、すなわちソース・ドレイン間電圧を駆動可能な最小の電圧（一定値）となるようにスイッチング制御回路１５を制御する。これによって、充電制御素子８で損失する電力を最小限にし、充電制御素子８の発熱を最小限にすることができる。充電時間短縮のためには、充電器２の熱的負担の許容される範囲内で、期間Ｔ１の電流値Ｉａは大きく設定することが望ましい。また高効率な電力変換特性を有する降圧コンバータを用い、充電制御素子８での電力損失を最小とすることにより、電流値Ｉａを大きく設定でき、充電時間を短くすることが可能となる。この期間Ｔ１は、充電が進んでバッテリ１０の電圧Ｖｂが電圧値Ｖｄに至るまでの期間であり、バッテリ電圧Ｖｂが電圧値Ｖｄに至ると期間Ｔ２へ移行する。
【００２８】
期間Ｔ２では、充電器２が定電圧化状態にあり、充電制御素子８は、充電検出回路１４によって検出されたバッテリ電圧の値に基づき、充電制御素子制御回路１３によって制御され、定電圧動作することでバッテリ電圧Ｖｂは電圧値Ｖｃに制限されながら充電される。このとき、充電電流Ｉｂは徐々に減少していく。またスイッチング制御回路１５は、前述のＴ１の期間と同様に充電制御素子８の両端電圧、すなわちソース・ドレイン間の電圧が駆動可能な最小の電圧（一定値）となるようにデューティ比を制御する。やがてバッテリ１０の電圧が満充電電圧に近い値になり、完全に満充電電圧に達した時点で充電を終了する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る充電器は、スイッチング式の降圧コンバータを用い、充電制御素子の両端電圧、すなわちソース・ドレイン間の電圧が駆動可能な最小電圧となるように制御することによって、高効率で充電時間が短く、電流制限機能を有さない外部電源が使用可能な充電器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１の充電器の構成を示す回路図である。
【図２】充電器の先行技術の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態１における充電器の動作を示す充電電流Ｉｂと充電電圧（バッテリ電圧）Ｖｂと充電制御素子の両端電圧Ｖｘの波形図である。
【図４】先行技術における外部電源と充電器の出力特性を示す特性図である。
【図５】充電器の先行技術の動作を示す充電電流Ｉｂと充電電圧（バッテリ電圧）Ｖｂと充電制御素子の両端電圧Ｖｙの波形図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    外部電源（電流制限機能なし）
２    充電器（本発明の充電器）
３    同期整流器
４    逆流防止用スイッチ素子
５    スイッチ素子
６    インダクタ
７    コンデンサ
８    充電制御素子
９    定電流制御用検出抵抗
１０    バッテリ
１１    外部電源検出回路
１２    電圧検出回路
１３    充電制御素子制御回路
１４    充電検出回路
１５    スイッチング制御回路
１６    制御回路（本発明の制御回路）
１７    外部電源（電流制限機能あり）
１８    制御回路（先行技術の制御回路）
１９    充電器（先行技術の充電器）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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