(57)【要約】【課題】二次電池を過放電、過充電から保護する際に、回路損失の小さい簡易な構成で半導体充放電デバイスの熱破壊を防止し、充放電電流の検出及び電流方向の検出を確実に行える。【解決手段】過放電検出回路１３及び過充電検出回路１４により過放電及び過充電を検出し、放電過電流検出回路１５及び充電過電流検出回路１６により放電過電流及び充電過電流を検出する。放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２は、それぞれが独立してオン、オフに制御される並列スイッチ素子であって、二次電池１０の充放電経路に互いに直列に介装されている。放電過電流検出回路１５及び充電過電流検出回路１６は、二次電池１０に流れる電流方向を検出し、それらの検出結果に基づいて放電制御回路１１及び充電制御回路１２により放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２及び充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２の一部をオフに制御する。【選択図】図１
2008283743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の放電電流を制御する第１の半導体デバイス及び前記二次電池の充電電流を制御する第２の半導体デバイスと、
前記第１の半導体デバイス及び前記第２の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、
前記二次電池の過放電状態を検出する過放電検出回路及び前記二次電池の過充電状態を検出する過充電検出回路と、
前記二次電池が過放電状態にあるときに前記第１の半導体デバイスによる電圧ドロップにより充電電流を検出する過放電時充電電流検出手段及び前記二次電池が過充電状態にあるときに前記第２の半導体デバイスによる電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段と、
を有し、
前記第１の半導体デバイスと前記第２の半導体デバイスは、それぞれが独立してオン、オフに制御される複数の並列スイッチ素子から構成されるとともに、前記二次電池の充放電電流経路に対して互いに逆向きにして直列に介装され、
前記制御回路は、前記過放電検出回路で過放電状態を検出していないときに前記第１の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過放電検出回路で過放電状態を検出している間に前記過放電時充電電流検出手段で検出された充電電流に応じて前記第１の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御し、前記過充電検出回路が過充電状態を検出していないときに前記第２の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過充電検出回路で過充電状態を検出している間に前記過充電時放電電流検出手段で検出された放電電流に応じて前記第２の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御することを特徴とする二次電池保護装置。
【請求項２】
前記過充電時放電電流検出手段及び前記過放電時充電電流検出手段は、それぞれ通常状態における前記二次電池の放電過電流を検出する放電過電流検出回路及び充電過電流を検出する充電過電流検出回路からなることを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
【請求項３】
前記放電過電流検出回路及び前記充電過電流検出回路は、前記第１の半導体デバイスと前記第２の半導体デバイスからなる直列回路の両端電圧によりそれぞれ放電電流及び充電電流を検出することを特徴とする請求項２記載の二次電池保護装置。
【請求項４】
前記放電過電流検出回路及び前記充電過電流検出回路は、前記直列回路の一端が基準電位に接続され、他端の電位のみを検出することを特徴とする請求項３記載の二次電池保護装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記過充電検出回路が過充電状態を検出しているときに前記第１の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過放電時充電電流検出手段が前記充電電流を検出すると前記第２の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部を所定期間だけオンに制御することを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
【請求項６】
前記制御回路は、前記過放電検出回路が過放電状態を検出しているときに前記第２の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過放電時充電電流検出手段が前記放電電流を検出すると前記第１の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部を所定期間だけオンに制御することを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
【請求項７】
前記第１の半導体デバイス及び前記第２の半導体デバイスは、複数のＭＯＳ半導体スイッチの並列回路によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池保護装置。
【請求項８】
二次電池の放電電流を制御する第１の半導体デバイス及び前記二次電池の充電電流を制御する第２の半導体デバイスと、
前記第１の半導体デバイス及び前記第２の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、
前記二次電池の過放電状態を検出する過放電検出回路及び前記二次電池の過充電状態を検出する過充電検出回路と、
前記二次電池が過放電状態にあるときに前記第１の半導体デバイスによる電圧ドロップにより充電電流を検出する過放電時充電電流検出手段及び前記二次電池が過充電状態にあるときに前記第２の半導体デバイスによる電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段と、
が構成された半導体集積回路装置において、
前記第１の半導体デバイスと前記第２の半導体デバイスは、それぞれが独立してオン、オフに制御される複数の並列スイッチ素子から構成されるとともに、前記二次電池の充放電電流経路に対して互いに逆向きにして直列に介装され、
前記制御回路は、前記過放電検出回路で過放電状態を検出していないときに前記第１の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過放電検出回路で過放電状態を検出している間に前記過放電時充電電流検出手段で検出された充電電流に応じて前記第１の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御し、前記過充電検出回路が過充電状態を検出していないときに前記第２の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過充電検出回路で過充電状態を検出している間に前記過充電時放電電流検出手段で検出された放電電流に応じて前記第２の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御することを特徴とする半導体集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池などの二次電池を保護する二次電池保護装置及び半導体集積回路装置、特に二次電池の充放電電流を制御する半導体デバイスの熱破壊を防止する二次電池保護装置及び半導体集積回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池などの二次電池を収納した電池パックには、二次電池を過放電及び過充電から保護する保護回路が集積化されて収容されている。図６は、従来の電池パックに収容された二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図であり、電池パック１が充電器２に接続された状態を示している。
【０００３】
電池パック１には、二次電池１０の放電制御用の半導体デバイスである放電ＦＥＴＱ１及び充電制御用の半導体デバイスである充電ＦＥＴＱ２と、放電ＦＥＴＱ１及び充電ＦＥＴＱ２のオン（ＯＮ）、オフ（ＯＦＦ）をそれぞれ制御する放電制御回路１０１及び充電制御回路１０２と、二次電池１０の過放電を検出する過放電検出回路１０３及び二次電池の過充電を検出する過充電検出回路１０４と、通常状態での二次電池１０の放電過電流を検出する放電過電流検出回路１０５が設けられている。Ｄｐ１，Ｄｐ２は放電ＦＥＴＱ１、充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードであり、Ｓ１，Ｓ２はソース、Ｄ１，Ｄ２はドレイン、Ｇ１，Ｇ２はゲートである。
【０００４】
また、電池パック１には、二次電池１０のプラス（＋）側とマイナス（−）側の出力端子が設けられており、これらの出力端子は、二次電池１０の充電時には充電器２の充電回路２０からの充電電流が入力される入力端子となる。
【０００５】
次に、上記構成の二次電池保護装置の動作について説明する。図７は、二次電池１０の充電制御特性を示す図であって、二次電池１０の電池電圧と充電電流（縦軸）を時刻の経過（横軸）とともに示している。ここでは、過充電検出電圧を４．３Ｖ、過充電解除電圧を４．０Ｖ、また過放電検出電圧を２．５Ｖ、過放電解除電圧を２．８Ｖとして説明する。
【０００６】
電池パック１に充電器２が接続されると、充電器２は二次電池１０の電池電圧を判断し、所定の電圧より低下している場合には、二次電池１０に対し図７に示すように定電流充電及び定電圧充電を行う。図７に示すように、正常な充電器２により４．２Ｖで定電圧充電される場合は、二次電池１０は過充電状態にはならない。しかし、故障した充電器などが接続されて、４．２Ｖを超えた電圧で充電し続けるとき、４．３Ｖの過充電電圧が検出されて過充電保護動作が実行される。
【０００７】
図８は、従来の二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、放電ＦＥＴＱ１のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２のゲート電圧、過充電検出電圧（過充電検出信号）、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２のソースＳ１−Ｓ２間の電圧（Ｓ１−Ｓ２電圧信号）、電池パックの状態、及び二次電池１０の電圧（電池電圧）の関係を示している。
【０００８】
過充電検出回路１０４は、二次電池１０が過充電されないように電池電圧を監視している。検出電圧が予め設定された過充電検出電圧（４．３Ｖ）より低い場合、過充電検出回路１０４は出力信号をＬ（ＬＯＷ）レベルにして、電池状態が通常状態であることを充電制御回路１０２に通知する。通常状態であれば、充電制御回路１０２は充電ＦＥＴＱ２のゲートＧ２をＨ（ＨＩＧＨ）レベルにして、充電ＦＥＴＱ２をオンにして充電電流を通電させる。過充電検出回路１０４が過充電検出電圧より高い電池電圧を検出したとき（時刻ｔ１）、過充電検出回路１０４からの出力信号をＨレベルにして、過充電状態であることを充電制御回路１０２に通知する。過充電状態では、充電制御回路１０２は充電ＦＥＴＱ２のゲートＧ２をＬレベルにし、充電ＦＥＴＱ２をオフにして充電電流を切断させる。これにより、二次電池１０は過充電保護状態となる。
【０００９】
その後、二次電池１０から故障した充電器２などが外され、負荷が接続されると、放電電流が流れ始める。そして、過充電検出回路１０４が過充電解除電圧（４．０Ｖ）より低い電池電圧を検出するとき（時刻ｔ２）、過充電検出回路１０４は出力信号をＬレベルにして過充電状態が解除されたことを充電制御回路１０２に通知する。これを受けて、充電制御回路１０２は充電ＦＥＴＱ２をオンにする。これにより、二次電池１０は通常状態に復帰する。
【００１０】
ここで、図８のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、（Ｓ２の電位）−（Ｓ１の電位）＝（Ｓ２の電位）−ＧＮＤ（０Ｖ）＝（Ｓ２の電位）であり、最初は少しマイナスで、充電ＦＥＴＱ２がオフになった直後に（電池電圧）−（充電電圧）となる。
【００１１】
図９は、従来の二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、放電ＦＥＴＱ１のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２のゲート電圧、過放電検出電圧（過放電検出信号）、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２のソースＳ１−Ｓ２間の電圧（Ｓ１−Ｓ２電圧信号）、電池パックの状態、及び二次電池１０の電圧（電池電圧）の関係を示している。
【００１２】
ここで、図６の電池パック１に図示しない負荷装置が接続されると、二次電池１０は負荷へ電力を供給すべく放電状態となり、過放電検出回路１０３は、二次電池１０が過放電にならないように電池電圧を監視する。検出電圧が予め設定された過放電検出電圧（２．５Ｖ）より高い場合、過放電検出回路１０３は出力信号をＬレベルにして、電池状態が通常状態であることを放電制御回路１０１に通知する。通常状態であれば、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１のゲートＧ１をＨレベルにして、放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。過放電検出回路１０３が過放電検出電圧より低い電池電圧を検出したとき（時刻ｔ１）、過放電検出回路１０３からの出力信号をＨレベルにして、過放電状態であることを放電制御回路１０１に通知する。過放電状態では、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１のゲートＧ１をＬレベルにし、放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。これにより、二次電池１０は過放電保護状態となる。
【００１３】
その後、二次電池１０から負荷装置が外されて充電器２が接続されると、充電電流が流れ始める。そして、過放電検出回路１０３が過放電解除電圧（２．８Ｖ）より高い電池電圧を検出するとき（時刻ｔ２）、過放電検出回路１０３は出力信号をＬレベルにして過放電状態が解除されたことを放電制御回路１０１に通知する。これを受けて、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１をオンにする。これにより、二次電池１０は通常状態に復帰する。
【００１４】
ここで、図９のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、上述のように（ソースＳ２の電位）であり、最初は少しプラスで、放電ＦＥＴＱ１がオフになった直後に電池電圧となる。
【００１５】
また、放電時、二次電池１０を異常負荷あるいは負荷短絡による過電流から保護するため、放電過電流検出回路１０５は、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２に流れる電流を電圧値に変換して監視している。検出電圧が予め設定された過電流検出電圧より低い場合、放電過電流検出回路１０５は通常状態であることを放電制御回路１０１に通知する。通常状態では、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１をオンにして放電電流を通電させる。放電過電流検出回路１０５が過電流検出電圧より高い電圧を検出した場合は、放電過電流検出回路１０５は過電流状態であることを放電制御回路１０１に通知する。過電流状態では、放電制御回路１０１は放電ＦＥＴＱ１をオフにして放電電流を切断させる。これにより、二次電池１０は過電流保護状態となる。
【００１６】
図１０は、従来の二次電池保護装置の充放電制御動作を示す図である。図１１は、従来の二次電池保護装置の充放電制御動作における電流経路を示す図であり、放電ＦＥＴＱ１と充電ＦＥＴＱ２に流れる電流の経路を示している。同図では、それぞれ（Ａ）が通常時の充放電電流経路、（Ｂ）が過充電保護時の放電電流経路、（Ｃ）が過放電保護時の充電電流経路を示している。
【００１７】
図１１（Ｂ）に示す放電電流は、図８の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの過充電保護状態において、充電ＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤｐ２を経由して流れ、放電する。このため、寄生ダイオードＤｐ２の順方向電圧による損失が発生して熱となり、半導体集積回路装置（ＩＣ）を過熱させる。そして、大電流で放電した場合には、半導体が熱破壊することがある。
【００１８】
また、図１１（Ｃ）に示す充電電流は、図９の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの過放電保護状態において、放電ＦＥＴＱ１の寄生ダイオードＤｐ１を経由して流れ、充電する。このため、同様に寄生ダイオードＤｐ１の順方向電圧による損失が発生して熱となり、半導体を過熱させる。そして、大電流で充電した場合には、同様に半導体が熱破壊することがある。
【００１９】
いま、規定値以上の充放電電流が所定時間以上連続して流れた場合に、放電ＦＥＴＱ１、充電ＦＥＴＱ２をオンさせるようにすれば、寄生ダイオードＤｐ１，Ｄｐ２に流れる電流を抑えて半導体の熱破壊を防止できる。そこで、直列接続された放電ＦＥＴと充電ＦＥＴの電流経路に電流検出用抵抗を接続して、充放電電流を検出するようにした二次電池の保護装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００２０】
また、過充電状態で充電ＦＥＴＱ２をオフにしているときに放電を検知すると、充電ＦＥＴＱ２をオンにし、過放電で放電ＦＥＴＱ１をオフにしているときに充電を検知すると、放電ＦＥＴＱ１をオンにすることで、同様に半導体の熱破壊を防止することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、放電を検知するのはオンしている放電ＦＥＴの放電電流による電圧ドロップからであり、充電を検知するのはオンしている充電ＦＥＴの充電電流による電圧ドロップからである。
【特許文献１】特開２００２−２０４５３４号公報（段落番号［００１７］〜［００３０］、図１）
【特許文献２】特開平１０−２９０５３０号公報（段落番号［００１５］〜［００２９］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記のように構成された従来の二次電池保護装置では、常時電流検出を行うことで意図した方向以外の電流が流れた場合にのみ速やかにスイッチを切断できる。これによって、ダイオードを用いるよりも電力損失を抑えることが可能である。
【００２２】
ところが、電力損失を抑えるために双方向スイッチは非常に低抵抗に作られており、フルオン状態のＭＯＳ型のスイッチ素子ではオン抵抗が数ｍΩ〜数十ｍΩ以下と低い。例えば１Ａの電流であってもスイッチ両端に生じる電位差は数ｍＶ〜数十ｍＶ以下と非常に小さい。したがって、充放電ＦＥＴの充放電電流の電圧ドロップを検出する場合には、電圧ドロップの量が小さいので電流方向の検出も非常に難しくなる。
【００２３】
また、接地電位ではない２点間（ＦＥＴのソース電位とドレイン間）での電位差を測定するので、回路構成が複雑になるという問題点がある。
さらに、内蔵された寄生ダイオードを用いて電流検出を行う場合、基板分離用の不純物拡散領域の電位がダイオード順方向電位まで下がり、半導体集積回路基板や電源回路に余分な電流が生じるおそれがあった。特に、双方向スイッチをオンオフする制御回路が同一の半導体回路基板に作り込まれた装置では、回路部への電流廻り込みによって電源変動やラッチアップなどの誤動作が生じるおそれもあった。
【００２４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、回路損失の小さい簡易な構成で半導体が熱破壊するのを防止でき、また充放電電流の検出及び電流方向の検出を確実に行える二次電池保護装置及び半導体集積回路装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明では上記課題を解決するために、二次電池の放電電流を制御する第１の半導体デバイス及び前記二次電池の充電電流を制御する第２の半導体デバイスと、前記第１の半導体デバイス及び前記第２の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、前記二次電池の過放電状態を検出する過放電検出回路及び前記二次電池の過充電状態を検出する過充電検出回路と、前記二次電池が過放電状態にあるときに前記第１の半導体デバイスによる電圧ドロップにより充電電流を検出する過放電時充電電流検出手段及び前記二次電池が過充電状態にあるときに前記第２の半導体デバイスによる電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段と、を有し、前記第１の半導体デバイスと前記第２の半導体デバイスは、それぞれが独立してオン、オフに制御される複数の並列スイッチ素子から構成されるとともに、前記二次電池の充放電電流経路に対して互いに逆向きにして直列に介装され、前記制御回路は、前記過放電検出回路で過放電状態を検出していないときに前記第１の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過放電検出回路で過放電状態を検出している間に前記過放電時充電電流検出手段で検出された充電電流に応じて前記第１の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御し、前記過充電検出回路が過充電状態を検出していないときに前記第２の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過充電検出回路で過充電状態を検出している間に前記過充電時放電電流検出手段で検出された放電電流に応じて前記第２の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御することを特徴とする二次電池保護装置が提供される。
【００２６】
また、本発明では上記課題を解決するために、二次電池の放電電流を制御する第１の半導体デバイス及び前記二次電池の充電電流を制御する第２の半導体デバイスと、前記第１の半導体デバイス及び前記第２の半導体デバイスのオン、オフを制御する制御回路と、前記二次電池の過放電状態を検出する過放電検出回路及び前記二次電池の過充電状態を検出する過充電検出回路と、前記二次電池が過放電状態にあるときに前記第１の半導体デバイスによる電圧ドロップにより充電電流を検出する過放電時充電電流検出手段及び前記二次電池が過充電状態にあるときに前記第２の半導体デバイスによる電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段と、が構成された半導体集積回路装置において、前記第１の半導体デバイスと前記第２の半導体デバイスは、それぞれが独立してオン、オフに制御される複数の並列スイッチ素子から構成されるとともに、前記二次電池の充放電電流経路に対して互いに逆向きにして直列に介装され、前記制御回路は、前記過放電検出回路で過放電状態を検出していないときに前記第１の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過放電検出回路で過放電状態を検出している間に前記過放電時充電電流検出手段で検出された充電電流に応じて前記第１の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御し、前記過充電検出回路が過充電状態を検出していないときに前記第２の半導体デバイスをオンにするとともに、前記過充電検出回路で過充電状態を検出している間に前記過充電時放電電流検出手段で検出された放電電流に応じて前記第２の半導体デバイスの前記並列スイッチ素子のうち一部をオン、その他をオフに制御することを特徴とする半導体集積回路装置が提供される。
【００２７】
このような二次電池保護装置及び半導体集積回路装置では、過放電時充電電流検出手段及び過充電時放電電流検出手段により、充放電電流経路に互いに直列に介装された放電制御用の半導体デバイスと充電制御用の半導体デバイスに流れる電流を検出する際に、それらの半導体デバイスを構成する並列スイッチ素子のうち一部をオンに制御することによって、内蔵ダイオードを用いないで、オン抵抗を高く設定するようにした。これによって、回路損失が小さく、簡易な構成で半導体デバイスの熱破壊が防止でき、充放電電流の検出及び電流方向の検出が容易になる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の二次電池保護装置では、放電制御用の半導体デバイスと充電制御用の半導体デバイスに流れる電流を検出する際に、内蔵ダイオードを用いないで電力損失を抑えることができる。また、電力損失を抑えることができるため、発熱を小さくして半導体デバイスが熱破壊するのを防止できる。内蔵された寄生ダイオードを用いないため基板分離用の不純物拡散領域の電位がダイオード順方向電位まで下がらないため基板や電源に余分な電流が生じない。
【００２９】
特に、充放電制御用の半導体デバイスとこの半導体デバイスをオンオフ制御する制御回路とが同一のチップに作り込まれた半導体集積回路装置では、制御回路部などへの電流廻り込みを小さくして、電源変動やラッチアップなどによる誤動作を抑えることができる。さらに、並列スイッチ素子の一部をオンさせることにより、高いオン抵抗の状態にすることができ、微小電流であっても電流方向を高い精度で容易に検出できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図であって、電池パック１には充電回路２０を備えた充電器２が接続された状態を示している。
【００３１】
電池パック１は、二次電池１０と、二次電池１０の放電電流を制御する放電制御用の半導体デバイスである放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２及び二次電池１０の充電電流を制御する充電制御用の半導体デバイスである充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２と、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２のオン、オフを制御する放電制御回路１１及び充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のオン、オフを制御する充電制御回路１２と、二次電池１０の過放電状態を検出する過放電検出回路１３及び二次電池１０の過充電状態を検出する過充電検出回路１４と、通常状態での放電過電流を検出する放電過電流検出回路１５及び充電過電流を検出する充電過電流検出回路１６を備えている。
【００３２】
放電過電流検出回路１５は、二次電池１０が過充電状態にあるときに充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２による電圧ドロップにより放電電流を検出する過充電時放電電流検出手段を備えている。また、充電過電流検出回路１６は、二次電池１０が過放電状態にあるときに放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２による電圧ドロップにより充電電流を検出する過放電時充電電流検出手段を備えている。これらの過放電時充電電流検出手段及び過充電時放電電流検出手段によって、充放電電流の電流経路に互いに直列に介装された放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２との間のＳ１−Ｓ２電圧を検出することによって、二次電池１０の充放電電流経路における電流方向を検出する。そして、放電制御回路１１及び充電制御回路１２は、その検出結果に応じて放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２及び充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のオン、オフを制御する。
【００３３】
Ｄｐ１１，Ｄｐ１２は放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２の寄生ダイオードであり、Ｄｐ２１，Ｄｐ２２は充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２の寄生ダイオードである。Ｓ１，Ｓ２はソース、Ｄ１，Ｄ２はドレイン、Ｇ１，Ｇ２はゲートである。
【００３４】
また、電池パック１には、二次電池１０のプラス（＋）側とマイナス（−）側の出力端子が設けられており、これらの出力端子は、二次電池１０の充電時には充電器２の充電回路２０からの充電電流が入力される入力端子となる。
【００３５】
過放電検出回路１３は、二次電池１０の電池電圧が電池特性から決められた過放電電圧以下に低下すると、過放電状態であることを放電制御回路１１に通知する。過充電検出回路１４は、二次電池１０の電池電圧が電池特性から決められた過充電電圧以上に高くなると、過充電状態であることを充電制御回路１２に通知する。
【００３６】
放電過電流検出回路１５は、放電時に異常負荷あるいは負荷短絡による放電過電流から二次電池１０及び回路素子を保護するため、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２を流れる電流を監視する。このとき、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２を流れる電流は、前述のＳ１−Ｓ２電圧として検出する。そして、放電過電流検出電圧（正値のしきい値電圧）より高い電圧を検出すると、放電過電流状態であることを放電制御回路１１に通知する。
【００３７】
放電制御回路１１は、過放電検出回路１３と放電過電流検出回路１５の出力に基づいて、並列スイッチ素子である放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２のゲート電圧を独立してＨレベルあるいはＬレベルに変化させ、それぞれのドレインＤ１とソースＳ１間を通電状態あるいは切断状態に制御する。但し、充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２がオフしている過充電保護状態では、放電電流が充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２の寄生ダイオードＤｐ２１，Ｄｐ２２を経由して流れるので放電過電流を正確に検出できないため、放電過電流検出回路１５の出力は放電電流検出信号として扱う。
【００３８】
充電過電流検出回路１６は、充電時に異常な充電器などによる充電過電流から二次電池１０及び回路素子を保護するため、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２を流れる電流を監視する。このとき、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２を流れる電流は、同様にＳ１−Ｓ２電圧として検出する。そして、充電過電流検出電圧（負値のしきい値電圧）より低い電圧を検出すると、充電過電流状態であることを充電制御回路１２に通知する。
【００３９】
充電制御回路１２は、過充電検出回路１４と充電過電流検出回路１６の出力に基づいて、並列スイッチ素子である充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のゲート電圧を独立してＨレベルあるいはＬレベルに変化させ、それぞれのドレインＤ２とソースＳ２間を通電状態あるいは切断状態に制御する。但し、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２がオフしている過放電保護状態では、充電電流が放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２の寄生ダイオードＤｐ１１，Ｄｐ１２を経由して流れるので充電過電流を正確に検出できないため、充電過電流検出回路１６の出力は充電電流検出信号として扱う。
【００４０】
次に、上記構成の二次電池保護装置の充放電制御動作について説明する。ここでは、過充電検出電圧を４．３Ｖ、過充電解除電圧を４．０Ｖ、過放電検出電圧を２．５Ｖ、過放電解除電圧を２．８Ｖ、放電過電流に対するしきい値電圧を０．１５Ｖ、充電過電流に対するしきい値電圧を−０．１５Ｖ、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２及び充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のオン抵抗を２５ｍΩとして説明する。
【００４１】
まず、過放電検出時の充電動作及び通常放電への復帰動作について説明する。
図２は、実施の形態に係る二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、放電ＦＥＴＱ１１のゲート電圧、放電ＦＥＴＱ１２のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のゲート電圧、過放電検出信号（過放電検出電圧）、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のＳ１−Ｓ２電圧、電池パックの状態、充電過電流検出信号、及び二次電池１０の状態を示している。なお、初期の状態は、電池パックの状態が負荷接続となっているように、図１において、充電器２の代わりに図示しない負荷装置が接続されている。
【００４２】
過放電検出回路１３は、二次電池１０が過放電にならないように電池電圧を監視している。２．５Ｖの過放電検出電圧より高い電池電圧のときは、過放電検出回路１３の出力信号をＬレベルにして、放電制御回路１１に対して二次電池１０が通常放電の状態であることを通知する。通常放電の状態であれば、放電制御回路１１は放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２をオンにして放電電流を通電させる。
【００４３】
通常の使用状態では、負荷装置は二次電池１０が過放電状態となる前に装置自身で放電を中止するため、過放電は検出されない。ところが、負荷装置の故障などにより過放電状態になっても放電し続けた場合に、電池電圧が２．５Ｖの過放電検出電圧より低くなる（時刻ｔ１）。そのとき、過放電検出回路１３からは出力信号をＨレベルにして、過放電状態であることを放電制御回路１１に通知する。放電制御回路１１では、過放電検出信号を受けると放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２をオフにし、二次電池１０の放電が進まないように放電電流を遮断させる。これにより、充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のソースＳ２には二次電池１０の正電圧がかかり、過放電状態である二次電池１０は、その放電が禁止された保護状態となる。
【００４４】
ここで、図２のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、図９の場合と同様に「ソースＳ２の電位」であり、最初は少しプラスで、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２がオフになった直後に、二次電池１０の電池電圧となる。
【００４５】
二次電池保護装置から故障した負荷装置などが取り外され、充電器２が接続されると二次電池１０に充電電流が流れて、Ｓ１−Ｓ２電圧が−０．６Ｖまで低くなる。これは、二次電池１０がオフ状態の放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２の寄生ダイオードＤｐ１１，Ｄｐ１２を通して充電されるため、少しの充電電流に対しても、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２の寄生ダイオードＤｐ１１，Ｄｐ１２の順方向電圧降下が生じることによって、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２のソースＳ１に対し充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のソースＳ２の電圧が低下するからである。このとき、Ｓ１−Ｓ２電圧がしきい値電圧（−０．１５Ｖ）より低い電圧であるため、時刻ｔ２には充電過電流検出回路１６でその電圧を検出すると、充電過電流検出信号をＨレベルに変更して、過電流が流れている旨を放電制御回路１１に通知する。
【００４６】
放電制御回路１１では、充電過電流検出信号を受けると放電ＦＥＴＱ１２だけをオンにする（時刻ｔ３）。このとき、オン状態の放電ＦＥＴＱ１２によって、Ｓ１−Ｓ２電圧は負電位で一定電圧以上の大きさとなり、充電過電流検出回路１６による電流方向の検出が持続的に可能となる。こうした充電動作の継続によって二次電池１０が過放電状態から抜けると（時刻ｔ４）、充放電可能な通常充電のモードに戻って、電流方向にかかわらず２つの放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２をともにオンにする（時刻ｔ５）。
【００４７】
上述のようにして放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２がオンに固定された後、時刻ｔ６で外した充電器２に代えて時刻ｔ７で再び負荷装置を接続することで、通常放電状態に復帰する。
次に、過充電検出時の放電動作及び通常充電への復帰動作について説明する。
【００４８】
図３は、実施の形態に係る二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。ここでは、充電ＦＥＴＱ２１のゲート電圧、充電ＦＥＴＱ２２のゲート電圧、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２のゲート電圧、過充電検出信号（過充電検出電圧）、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２と充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のＳ１−Ｓ２電圧、電池パックの状態、放電過電流検出信号、及び二次電池１０の状態を示している。
【００４９】
二次電池保護装置に故障した充電器２などが接続された場合に、二次電池１０の電池電圧が４．２Ｖを超えても過剰な充電電流が通電し続けた状態が継続し、電池電圧が４．３Ｖの過充電検出電圧より高くなる（時刻ｔ１）と、過充電検出回路１４からは出力信号をＨレベルにして、過充電状態であることを充電制御回路１２に通知する。充電制御回路１２では、過充電検出信号を受けると充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２をオフにし、二次電池１０の充電がこれ以上進まないように充電電流を遮断する。これにより、二次電池１０はその充電が禁止された保護状態となる。
【００５０】
ここで、図３のタイムチャートにおいて、Ｓ１−Ｓ２電圧は、（Ｓ２の電位）−（Ｓ１の電位）＝（Ｓ２の電位）−ＧＮＤ（０Ｖ）＝（Ｓ２の電位）であり、最初は少しマイナスで、充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２がオフになった直後に（電池電圧）−（充電電圧）となる。
【００５１】
二次電池保護装置から故障した充電器２などが取り外され、負荷装置が接続されると二次電池１０から負荷装置に放電電流が流れる。そして、最初は充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２の寄生ダイオードＤｐ２を通して放電するため、少しの放電電流に対しても、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２のソースＳ１に対し充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のソースＳ２の電圧が充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２の寄生ダイオードＤｐ２の順方向電圧降下により＋０．６Ｖまで高くなる。このＳ１−Ｓ２電圧が放電過電流についてのしきい値電圧（＋０．１５Ｖ）より高い電圧であるので、時刻ｔ２で放電過電流検出回路１５がその電圧を検出すると、放電過電流検出信号をＨレベルに変更して、過電流が流れている旨を充電制御回路１２に通知する。
【００５２】
充電制御回路１２では、放電過電流検出信号を受けると充電ＦＥＴＱ２２だけをオンにする（時刻ｔ３）。このとき、オン状態の充電ＦＥＴＱ２２によって、Ｓ１−Ｓ２電圧は正電位で一定電圧以上の大きさとなり、放電過電流検出回路１５による電流方向の検出が持続的に可能となる。こうした放電動作の継続によって二次電池１０が過充電状態から抜けると（時刻ｔ４）、充放電可能な通常放電のモードに戻って、電流方向にかかわらず２つの充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２をともにオンにする（時刻ｔ５）。
【００５３】
上述のようにして充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２がオンに固定された後、時刻ｔ６で外した負荷装置に代えて時刻ｔ７で充電器２を再び接続することで、通常充電状態に復帰する。
次に、上記構成の二次電池保護装置の充放電電流経路に対して互いに逆向きにして直列に介装された並列スイッチ回路（双方向スイッチ）について説明する。
【００５４】
図４は、双方向スイッチを構成する各ＦＥＴに流れる充電電流の経路を示す図である。
従来の双方向スイッチでは、図１１（Ｃ）に示すように、そこに流れる充電電流の大きさが、すべて放電ＦＥＴＱ１の寄生ダイオードＤｐ１によって規定されていた。これに対して、並列に接続された放電電流制御用の放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２は、それぞれのゲートが分けて引き出されているから、放電制御回路１１によってその一部の放電ＦＥＴＱ１２のみをオンに制御することができる。
【００５５】
すなわち、二次電池１０の放電電流を制御する双方向スイッチのオン抵抗を下げるために、それぞれが独立して放電制御回路１１によりオン、オフに制御される放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２が並列に接続されている。過放電検出時には、充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２は、充電制御回路１２によって図４に示すようにともにオンに制御されて、オンしている放電ＦＥＴＱ１１を流れる充電電流Ｉが、充電ＦＥＴＱ２１とＱ２２の並列回路で充電電流Ｉａと充電電流Ｉｂにそれぞれ分岐する。したがって、この場合に充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２のゲート端子は共通であってもよい。
【００５６】
なお、図４では２つの放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２を示しているが、実際には充電電流経路のオン抵抗が並列素子数によって変わるため、所望の抵抗値となるように並列素子数を調整し、それぞれのゲート端子を共通とすることもできる。
【００５７】
このように、過放電時に並列接続された放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２を全てオフするのではなく、電流方向を確認した後、一部の放電ＦＥＴＱ１２だけをオン状態にする。そして、この放電ＦＥＴＱ１２のオン抵抗を寄生ダイオードＤｐ１２の直流換算抵抗値よりも低くしておけば、充電電流による電力損失が内蔵ダイオード使用時よりも小さくなる。
【００５８】
同様のことが、過充電時の充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２についても適用できる。ただし、一般的にはダイオードは順方向降下電圧Ｖｆになるまでほとんど電流は流れないため、順方向降下電圧Ｖｆ以下ではどのようなサイズのＦＥＴであっても内蔵ダイオードよりオン抵抗が低いが、電流に対してあまりにもオン抵抗が高いとＦＥＴのオン抵抗と所望電流によって生じる降下電圧によってソース・ドレイン電圧が順方向降下電圧Ｖｆ以上に上昇してしまう。そこで、実際には、電力損失だけでなく寄生電流を防ぐ目的で、所望の充電電流（あるいは放電電流）で内蔵ダイオードがオンしないようＦＥＴのオン抵抗と所望電流によって生じる降下電圧が内蔵ダイオードの順方向降下電圧Ｖｆに到達しないようなオン抵抗に調整する必要がある。
【００５９】
以上のように、放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２、あるいは充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２の一部のみをオン状態とすれば、全部がオン状態の場合に比べてオン抵抗は高く設定でき、微小電流であってもＳ１の電圧とＳ２の電圧の電位差が大きく電流検出が正確にできる。ここでは、充放電ＦＥＴともにそれぞれ２つずつを並列接続したが、３つ以上であってもよい。
【００６０】
次に、本発明の半導体集積回路装置について説明する。
図５は、半導体集積回路装置内の双方向スイッチを構成する回路部分を示す基板断面図である。
【００６１】
Ｐ型半導体基板（Ｐｓｕｂ）３０は、たとえばシリコン半導体基板からなり、主面上にはＮウェル領域（Ｎｗｅｌｌ）３１，３２が互いに隣接して形成され、その裏面が接地されている。このうち、一方のＮウェル領域３１の内部には、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２の基板領域となるＰベース領域（Ｐｂａｓｅ）３３，３４が、それぞれ図の左右方向に離間する位置に選択的に形成されている。他方のＮウェル領域３２の内部には、その他の二次電池保護装置を構成する回路素子が形成されている。
【００６２】
Ｎウェル領域３１内のＰベース領域３３には、Ｐ+拡散領域３５とＮ+拡散領域３６が選択的に形成され、Ｐ+拡散領域３５がＭＯＳＦＥＴＱ１の基板取出電極とされ、Ｎ+拡散領域３６はソースＳ１とされている。同様に、Ｐベース領域３４には、Ｐ+拡散領域３７とＮ+拡散領域３８が選択的に形成され、Ｐ+拡散領域３がＭＯＳＦＥＴＱ２の基板取出電極とされ、Ｎ+拡散領域３８はソースＳ２とされている。また、Ｎウェル領域３１には、それぞれＰベース領域３３，３４に隣接してＮ+拡散領域３９，４０が形成され、そこからＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２のドレインＤ１，Ｄ２が取り出されて、互いに共通に接続されている。さらに、Ｎ+拡散領域３７と３９に挟まれた中間領域、及びＮ+拡散領域３８と４０に挟まれた中間領域には、それぞれゲート絶縁膜４１，４２を介してｎ形にドーピングされたポリシリコン膜などのゲート電極４３，４４が形成されている。
【００６３】
ここで、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２は、ソースＳ１，Ｓ２及びドレインＤ１，Ｄ２が共にＰ型半導体基板３０から分離された構造となっている。そのため、寄生ダイオードＤｐ１，Ｄｐ２がＰベース領域３３，３４とＮウェル領域３１との接合面に存在し、寄生ダイオードＤｐ３がＮウェル領域３１とＰ型半導体基板３０との接合面に存在することになる。
【００６４】
次に、上記構成の半導体集積回路装置の従来装置との相違点について説明する。
この半導体集積回路装置では、双方向スイッチを構成するｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２は、図５の前後方向に重なる形で、ゲート電極４３，４４がそれぞれ複数形成され、それぞれのゲート電極４３，４４からゲートＧ１，Ｇ２が取り出されている。そして、片方のＭＯＳＦＥＴ（放電ＦＥＴ）Ｑ１のソースを接地（ＧＮＤ）基準として、もう一方のＭＯＳＦＥＴ（充電ＦＥＴ）Ｑ２のソースに、充電時には負電位を与えて充電電流を流し、放電時には正電位を与えて放電電流を流すようにしている。
【００６５】
こうした双方向スイッチでは、図３に示すような過充電検出時にＭＯＳＦＥＴＱ１をオンにして、ＭＯＳＦＥＴＱ２の一部をオンにすることができる。また、図２に示すような過放電検出時にＭＯＳＦＥＴＱ２をオンにして、ＭＯＳＦＥＴＱ１の一部をオンにすることができる。従来のものでは、過充電検出時に放電電流を流すとき、ＭＯＳＦＥＴＱ２を完全にオフにしていたため、ＭＯＳＦＥＴＱ２側のＰベース領域３４からＮウェル領域３１に寄生ダイオードＤｐ２を介して電流が流れる。同様に、過放電検出時に充電電流を流すとき、ＭＯＳＦＥＴＱ１を完全にオフしていたために、Ｎウェル領域３１は負電位になって、ＭＯＳＦＥＴＱ１側のＰベース領域３３からＮウェル領域３１に寄生ダイオードＤｐ１を介して電流が流れる。そして、いずれの場合にも同時にＮウェル領域３１からＰベース領域３４に電流が注入される。
【００６６】
すなわち、この半導体集積回路装置は、過充電あるいは過放電が検出されたとき、双方向スイッチのうち従来は完全にオフにしていたＭＯＳＦＥＴを、わずかだけオンにする構成となっているから、寄生ダイオードＤｐ１，Ｄｐ２に電流を流さないで、充放電電流を流すことができる。したがって、制御回路が同一チップに一体化され、Ｎウェル領域３１，３２が形成されるＰ型半導体基板３０に充分な分離領域が形成できなくても、二次電池保護装置の隣接する回路部への寄生電流を防止することができ、ラッチアップや電圧低下などの誤動作が起きにくい。
【００６７】
以上のように、この二次電池保護装置では、寄生ダイオードＤｐ１，Ｄｐ２に電流を流さない状態で、双方向スイッチの通過電流の大きさと方向を検出することができる。したがって、Ｎウェル領域３１−Ｐベース領域３３，３４の接合面、及びＮウェル領域３１−Ｐ型半導体基板３０の接合面に、常にダイオード順方向降下電圧Ｖｆ以上の大きさで電圧が印加されないため、Ｐ型半導体基板３０内で双方向スイッチに近接して形成されたＮウェル領域３２には、回路誤動作の元になる不要電荷が注入されず、確実な過電流保護動作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態に係る二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態に係る二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。
【図３】実施の形態に係る二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。
【図４】双方向スイッチを構成する各ＦＥＴに流れる充電電流の経路を示す図である。
【図５】半導体集積回路装置内の双方向スイッチを構成する回路部分を示す基板断面図である。
【図６】従来の電池パックに収容された二次電池保護装置の回路構成を示すブロック図である。
【図７】二次電池の充電制御特性を示す図である。
【図８】従来の二次電池保護装置の過充電保護動作を示すタイムチャートである。
【図９】従来の二次電池保護装置の過放電保護動作を示すタイムチャートである。
【図１０】従来の二次電池保護装置の充放電制御動作を示す図である。
【図１１】従来の二次電池保護装置の充放電制御動作における電流経路を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  電池パック
２  充電器
１０  二次電池
１１  放電制御回路
１２  充電制御回路
１３  過放電検出回路
１４  過充電検出回路
１５  放電過電流検出回路
１６  充電過電流検出回路
２０  充電回路
Ｄｐ１１，Ｄｐ１２  放電ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２の寄生ダイオード
Ｄｐ２１，Ｄｐ２２  充電ＦＥＴＱ２１，Ｑ２２の寄生ダイオード
Ｑ１１，Ｑ１２  放電ＦＥＴ
Ｑ２１，Ｑ２２  充電ＦＥＴ
【図１】
2008283743.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008283743.tif 000008
【図７】
2008283743.tif 000009
【図８】
2008283743.tif 000010
【図９】
2008283743.tif 000011
【図１０】
2008283743.tif 000012
【図１１】
2008283743.tif 000013