(57)【要約】【課題】  トリクル予備充電、及び／またはトリクル放電が可能なバッテリ充電回路を提供する。【解決手段】  バッテリを充電する回路構成、及びシステムが提供される。一実施例は、完全な導通状態、及び制御可能な導通状態を有する少なくとも１つのスイッチと、状態の検知が可能であるスイッチ制御回路とを備える。スイッチ制御回路は、検知された状態の少なくとも一部に基づいて、スイッチの導通状態を制御可能な少なくとも１つの制御信号を更に生成することが可能である。【選択図】  図２Ａ
2005278395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
完全な導通状態、及び制御可能な導通状態を有する少なくとも１つのスイッチと、
状態を検知することが可能であるスイッチ制御回路とを備え、
前記スイッチ制御回路が、前記スイッチの前記導通状態を前記検知された状態の少なくとも一部に基づいて制御可能な、少なくとも１つの制御信号を更に生成することが可能である
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記スイッチが、前記バッテリに対する充電電流を制御するための充電スイッチを備え、
前記検知された状態が、前記バッテリに関するトリクル充電状態を有し、
前記充電スイッチは、それによってトリクル充電電流が電源から前記バッテリに対して流れることを可能にする前記制御可能な導通状態に入るために、前記トリクル充電状態であることを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記充電スイッチは、それによって前記トリクル充電電流より大きい最大限の充電電流が前記電源から前記バッテリに対して流れることを可能にする前記完全な導通状態に入るために、前記トリクル充電状態でないことを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記スイッチが、接続されたバッテリから供給される放電電流を制御するための放電スイッチを備え、
前記検知された状態が故障状態を有し、
前記放電スイッチは、それによってトリクル放電電流が前記バッテリから流れることを可能にする前記制御可能な導通状態に入るために、前記故障状態であることを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
放電スイッチは、それによって前記トリクル放電電流より大きい最大限の放電電流が前記バッテリから流れることを可能にする前記完全な導通状態に入るために、前記故障状態でないことを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記故障状態であることは、前記バッテリから供給された放電電流レベルが故障電流しきい値より大きいか否かによって検知される
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記スイッチ制御回路が、バッテリの電流レベルを表すアナログ信号を受信すると共に、前記バッテリの前記電流レベルを表すデジタル信号を提供するためのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を備え、
前記制御器が、前記デジタル信号を受信すると共に、デジタル出力制御信号をデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）に提供するように構成され、
前記ＤＡＣが、前記デジタル出力制御信号を前記スイッチに提供する
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの充電式バッテリセルを備えるバッテリパックと、
完全な導通状態、及び制御可能な導通状態を有する少なくとも１つのスイッチと、
状態を検知することが可能であるスイッチ制御回路と、
前記スイッチ制御回路が、前記スイッチの前記導通状態を前記検知された状態の少なくとも一部に基づいて制御可能な、少なくとも１つの制御信号を更に生成することが可能である
ことを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記スイッチが、前記少なくとも１つのバッテリセルに対する充電電流を制御するための充電スイッチを備え、
前記検知された状態が、前記バッテリに関するトリクル充電状態を有し、
前記充電スイッチは、それによってトリクル充電電流が電源から前記少なくとも１つのバッテリセルに対して流れることを可能にする前記制御可能な導通状態に入るために、前記トリクル充電状態であることを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記充電スイッチは、それによって前記トリクル充電電流より大きい最大限の充電電流が前記電源から前記少なくとも１つのバッテリセルに対して流れることを可能にする前記完全な導通状態に入るために、前記トリクル充電状態でないことを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記スイッチが、前記少なくとも１つのバッテリセルから供給される放電電流を制御するための放電スイッチを備え、
前記検知された状態が故障状態を有し、
前記放電スイッチは、それによってトリクル放電電流が前記少なくとも１つのバッテリセルから流れることを可能にする前記制御可能な導通状態に入るために、前記故障状態であることを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
放電スイッチは、それによって前記トリクル放電電流より大きい最大限の放電電流が前記少なくとも１つのバッテリセルから流れることを可能にする前記完全な導通状態に入るために、前記故障状態でないことを表す前記制御信号に応答する
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記故障状態であることは、前記バッテリから供給された放電電流レベルが故障電流しきい値より大きいか否かによって検知される
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記スイッチ制御回路が、前記少なくとも１つのバッテリセルの電流レベルを表すアナログ信号を受信すると共に、前記少なくとも１つのバッテリセルの前記電流レベルを表すデジタル信号を提供するためのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を備え、
前記制御器が、前記デジタル信号を受信すると共に、デジタル出力制御信号をデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）に提供するように構成され、
前記ＤＡＣが、前記デジタル出力制御信号を前記スイッチに提供する
ことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
バッテリに関するトリクル充電状態、またはトリクル放電状態の内の少なくとも１つを検知する処理と、
前記バッテリが、トリクル充電電流を受け取ることか、またはトリクル放電電流を生成することの内の１つを可能にするために、少なくともスイッチの導通状態を制御する処理と
を有することを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記バッテリが、制御可能なトリクル放電電流を生成することを可能にするために、
前記放電スイッチの導通状態を飽和する導通範囲に制御する処理
を更に有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記バッテリが、制御可能なトリクル充電電流を受け取ることを可能にするために、
前記充電スイッチの導通状態を飽和する導通範囲に制御する処理
を更に有することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、バッテリ充電回路に関すると共に、更に特に、トリクル予備充電、及び／またはトリクル放電が可能なバッテリ充電回路に関するものである。本発明に関する実用性は、携帯用電子機器、例えばラップトップコンピュータ、ＰＤＡ、携帯電話、及び／またはあらゆるタイプの充電式バッテリを備える電子機器に関するバッテリ充電システムにおいて発見されることができる。
【背景技術】
【０００２】
本願は、２００４年３月２５日に出願されると共に、それの全体の開示が参照されることによりここに組み込まれた米国の仮特許出願60/556,254号に対する優先権を主張する。
【０００３】
充電式バッテリ、特にリチウムイオンバッテリは、消耗したバッテリにストレスを加えることを回避するために、徹底的に放電された状態から予備充電（回復充電）することを必要とする。充電式バッテリが徹底的に放電されると共に、セル電圧がしきい値電圧“VUV”より下がる場合、それは大きな充電電流を用いて直接充電できない。その代りに、予備充電モードが必要とされる。予備充電モードにおいては、バッテリ電圧が電圧“VUV”より大きく充電されるまで小さな充電電流が使用され、その後で、それは、通常モード、すなわち更に大きな充電電流によって充電されることができる。リチウムイオンバッテリに関して、しきい値電圧“VUV”は、バッテリタイプ及び製造業者に応じて、１つのセルあたり約２．４［Ｖ］〜３．０［Ｖ］である。予備充電電流は、約１０［ｍＡ］〜１００［ｍＡ］である。しかしながら、通常充電の電流は、バッテリ容量に応じて、数百ミリアンペアから１アンペアであり得る。
【０００４】
図１Ａは、リチウムイオン充電式バッテリに関する充電プロファイル５０を描写する。バッテリ電圧が“VUV”より高いとき、バッテリは、定電流（ＣＣ）充電モードに入ると共に、大きな定電流がバッテリを充電するために使用される（バッテリ容量が増加するのと同様にバッテリ電圧も増加する)。バッテリ電圧が過電圧（通常、リチウムイオン（LiIon）バッテリに関しては約４．２［Ｖ］）を表す“VOV”に増加するとき、そのバッテリは、定電圧（ＣＶ）充電モードに入る。このモードにおいて、充電器は“VOV”で電圧を維持する。充電電流が減少して所定の最小値、例えば５０［ｍＡ］になるとき、充電行為は終了される。ＣＶ充電モードの間、充電器は、電圧を正確に“VOV”（±０．００５［Ｖ］以内）に調整しなければならず、さもなければ、充電電流は、バッテリ容量を増大させることに伴って次第に減少することはないであろう。例えば、もし充電している出力が“VOV”より大きい場合、その場合に、リチウムイオンバッテリの安全問題を提起するかもしれないバッテリの過充電が発生する可能性がある。
【０００５】
予備充電を実施するための従来の回路１０が図１Ｂにおいて示される。抵抗器１４に直列に接続された予備充電ＭＯＳＦＥＴ１２が、予備充電のために使用される。予備充電される時、充電ＦＥＴ１６がターンオフし、予備充電ＦＥＴ１８がターンオンする。従って、予備充電電流は、直列抵抗器１４“Rpre”によって分割された、充電器入力電圧“VPACK+”と合計のセル電圧“Vcell”との間の電圧差異「“VPACK+”−“Vcell”」によっておおよそ決定される。ＡＣアダプタが与えられると共に、“VPACK+”がセル電圧“Vcell”より高くなるとき、各セルの初期電圧に基づいて充電または予備充電が始まることになる。もし、いずれかのセルにおける電圧がしきい値電圧“VUV”より低い場合、バッテリパックは予備充電モードになる。他の場合は、通常の充電が実行されることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
当業者は、図１の回路１０が、バッテリパック２２の各々のセル（セル１、セル２、・・・セル４）の電圧及び電流状態を監視する回路構成を有するバッテリモニタＩＣ２０を備えるということを認識する。そのような回路構成は、各バッテリ電圧をサンプリングするために、スイッチネットワーク２４を備えることができる。予備充電ＭＯＳＦＥＴ１２の動作を制御するために、従来の回路１０は、スイッチ３０によって一定の基準電圧２８（“VUV”)を各セルを横断する電圧と比較する比較器３６を備える。
【０００７】
しかしながら、図１において描写された接続形態の１つの欠点は、高価で、かつＰＣＢ領域を増加させる余分なパワーＭＯＳＦＥＴ（すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１２）、及び抵抗器１４が必要とされることである。更に、この接続形態によって、より低いセル電圧がより大きな予備充電電流に帰着する。同様に、予備充電電流はセル電圧の増加と共に減少し、予備充電を終了するには更に長い時間がかかる。
【０００８】
更に、抵抗器１４の値は一般的に固定されると共に、最大及び最小の予備充電電流も同様に一般的に固定され、異なるバッテリパックの要求に適合するために調節されることができない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、完全な導通状態、及び制御可能な導通状態を有する少なくとも１つのスイッチと、状態を検知することが可能であるスイッチ制御回路とを備え、前記スイッチ制御回路が、前記スイッチの前記導通状態を前記検知された状態の少なくとも一部に基づいて制御可能な、少なくとも１つの制御信号を更に生成することが可能であることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の詳細な説明は、好ましい実施例、及び使用方法に対して生成された参照と共に進行することになるが、本発明は、これらの好ましい実施例、及び使用方法に制限されることを意図していないことが、当業者によって認識されることになる。それどころか、本発明は、広い有効範囲の発明であると共に、添付の請求項で説明されるものとして制限されることのみを意図している。
【００１１】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明の進行、及び同等の符号が同等の物を描写する図面の参照によって明白になる。
【００１２】
図２Ａは、本発明による１つの典型的なトリクル予備充電接続形態１００を描写する。この実施例において、２個のＦＥＴ（充電ＦＥＴ“CHG_FET”、及び放電ＦＥＴ“DSG_FET”）が使用されることができる。この実施例において、充電ＦＥＴ１０４、及び放電ＦＥＴ１０２は、描写される方法で、かつ当該技術において理解されるように、直列に背中合わせに配置されることができる。トリクル予備充電モードにおいて、放電ＦＥＴ１０２はオフ（導通しない）で良いが、しかし、充電ＦＥＴ（“CHG_FET”）がオンである（導通する）場合、電流は、そのボディダイオードを通じてバッテリセルにまだ移動することができる。もし“CHG_FET”がオフである場合、その場合に、電流は、バッテリセルから流れないか、またはバッテリセルに対して流れない。
【００１３】
この接続形態１００は、２個のＭＯＳＦＥＴのそばに、定電圧ダイオードＤ１ １１０、放電ドライバ１０６、充電ドライバ１０８、及び基準電流源Ｉｒｅｆ １１２を同様に備えることができる。充電ドライバ１０８、及び放電ドライバ１０６は、それぞれ、個別の比較器を備えることができる。通常の充電モードにおいて、スイッチＫ１、及びスイッチＫ２（１１４、及び１１６）は、切り替え位置２に設定される。この切り替え位置において、充電ドライブ（駆動）電圧“CHG”は、充電ＦＥＴ１０４を完全にターンオンするように作用する相対的基準電圧“CHG-REF”におおよそ等しい段階へ駆動される。従って、基準電圧“CHG-REF”は、充電ＦＥＴ装置１０４のターンオンの要求に従って選択される。
【００１４】
トルク予備充電モードにおいて、スイッチＫ１、及びスイッチＫ２は、切り替え位置１に設定されることができる。ＡＣアダプタが適用されるとき、“VPACK+”電圧は上昇することができる。充電ＦＥＴ１０４は、充電ドライバ１０８によって、充電ＦＥＴ１０４が可変抵抗として働くと共に、トリクル充電電流がスイッチ１０４を通じて流れることを意味する飽和状態に駆動される。充電ドライバ１０８は、無理に電圧“Vc”を、ダイオードＤ１ １１０及び基準電流源Ｉｒｅｆ １１２によって設定されることができる“Vd”に等しくするために、充電ＦＥＴ（“CHG_FET”）１０４を調整するように構成されることができる。
【００１５】
“Vc”は、スイッチの間の電圧として得られる。“Vc”は、比較器の（−）端子への入力として設定されることができ、一方“Vd”（Ｉｒｅｆ及びＤ１によって設定される）は、（＋）端子への入力として設定されることができる。出力信号“CHG”は、「“Vd”−“Vc”」である。“Vc”がおおよそ“Vd”に等しい間、増幅器の利得は、充電ＦＥＴを飽和領域で作動させるのに十分に大きな出力信号が生成されるように選択されることができる。従って、充電ドライバ１０８は、トリクル予備充電期間の間に、固定信号（“Vd”）を“Vc”と比較するために動作するように構成されることができる。
【００１６】
順方向バイアス状態において、ダイオードＤ１の直流電流は次式によって与えられる。
Iref=Al*IS1*(exp(Vd1/Vt)-1) 
ここで、“A1”はダイオードＤ１の接合領域であり、“IS1”はダイオードＤ１ユニットの逆飽和電流であり、“Vd1=Vd-Vcell”はダイオードＤ１を横断する電圧降下であると共に“Vt”はダイオードのしきい値電圧である。
【００１７】
ＦＥＴ１０２のボディダイオード内のＤＣ電流は次式によって与えられる。
Ipch=A2*IS2*(exp(Vd2/Vt)-1) 
ここで、“A2”はボディダイオードの接合領域であり、“IS2”はボディダイオードユニットの逆飽和電流であり、“Vd2=Vc-Vcell”はＦＥＴボディダイオードを横断する電圧降下である。
【００１８】
“IS1”、及び“IS2”は、選択された半導体素子のタイプによって決定され、当該技術において良く理解されている。
【００１９】
もし、“Vd”、及び“Vc”が実質的に等しいように強要される場合、その場合に、トリクル予備充電電流は、基準電流“Iref”と比例すると共に、次式によって与えられる。
Ipch = A2/A1*(IS2/IS1)*Iref
【００２０】
好ましくは、本発明によってそれは必要とされないが、充電ＦＥＴ及び放電ＦＥＴのボディダイオードの接合領域“A2”は、低いターンオン抵抗、及び高い電流要求のために、一般的に大きく、一方、ダイオードＤ１の接合領域“A1”は、ダイ領域を節約するために非常に小さい。従って、“A2>>A1”であるので、小さい電流“Iref”（１０マイクロアンペア）が、大きな電流“Ipch”（１０〜１００ミリアンペア）を制御するために使用されることができる。
【００２１】
図２Ｂは、本発明による１つの典型的なトリクル放電接続形態２００を描写する。この実施例は、基準電流源１１２、及びダイオード１１０が放電ＭＯＳＦＥＴ側に接続されるということを除けば、図２Ａで描写される接続形態１００と類似している。トリクル放電期間の間、充電ＭＯＳＦＥＴ１０４はオフで良いと共に、放電電流はボディダイオードを通じて流れる。接続形態２００の動作は、他の点では図２Ａを参照して上述される。
【００２２】
図３Ａは、本発明による別の典型的なトリクル予備充電接続形態３００を描写する。この実施例において、充電ＦＥＴ、及び放電ＦＥＴは、（図２Ａで示されたような）背中合わせの代わりに、直列に向かい合わせで配置されることができる。図２Ｂの実施例は、同様に定電圧ダイオードＤ１ ３１０を備えることができると共に、この実施例において、充電ＦＥＴドライバ３０６は、スイッチＫ１、及びスイッチＫ２によって制御されることができる。
【００２３】
通常の充電モードにおいて、スイッチＫ１、及びスイッチＫ２は、切り替え位置２に設定されることができ、従って、充電ＦＥＴゲート電圧は、充電ＦＥＴ３０２を完全にターンオンするように作用することができる“CHG_REF”に駆動される。トリクル予備充電モードにおいて、放電ＦＥＴ３０４はオフで良いと共に、スイッチＫ１、及びスイッチＫ２は、切り替え位置１に設定されることができる。この場合、充電ＦＥＴドライバ３０６は、無理に電圧“Vc”を“Vd”に実質的に等しくするために、充電ＦＥＴ３０２を調整するように動作することができる。
【００２４】
順方向バイアス状態において、ダイオードＤ１のＤＣ電流は、次式によって与えられる。
Iref=A1*IS1*(exp(Vdl/Vt)-1) 
ここで、“A1”はダイオードＤ１の接合領域であり、“IS1”はダイオードＤ１ユニットの逆飽和電流であり、“Vd1=(VPAK+) -Vd”は、ダイオードＤ１を横断する電圧降下であると共に、“Vt”はダイオードのしきい値電圧である。
【００２５】
放電ＦＥＴのボディダイオード内のＤＣ電流は、次式によって与えられる。
Ipch=A2*IS2*(exp(Vd2/Vt)-1) 
ここで、“A2”はボディダイオードの接合領域であり、“IS2”はボディダイオードユニットの逆飽和電流であり、“Vd1=(VPACK+) -Vc”が放電ＦＥＴのボディダイオードを横断する電圧降下である。
【００２６】
“IS1”、及び“IS2”は、選択された半導体素子のタイプによって決定され、当該技術において良く理解されている。
【００２７】
もし、“Vd”、及び“Vc”が無理に等しくされる場合、その場合に、トリクル予備充電電流は、次式によって与えられる。
Ipch=A2/A1*(IS2/IS1)*Iref
【００２８】
図３Ｂは、本発明による１つの典型的なトリクル放電接続形態４００を描写する。この実施例は、基準電流源３１２、及びダイオード３１０が放電ＭＯＳＦＥＴ３０４側に接続されるということを除けば、図３Ａで描写される接続形態３００と類似している。トリクル放電期間の間、充電ＭＯＳＦＥＴ３０２はオフで良いと共に、放電電流はボディダイオードを通じて流れることができる。接続形態４００の動作は、他の点では図３Ａを参照して上述される。
【００２９】
トリクル予備充電処理をスピードアップするために、トリクル予備充電電流“Ipch”は、セル電圧に基づいて容易に調整されることができる。セル電圧をより高くする程、より大きいトリクル予備充電電流が、基準電流“Iref”をプログラミングすることによって設定される。当該技術において良く理解されているように、図４におけるプログラム可能な基準電流源は、セル電圧に基づいて基準電流を発生させるように構成されることができる。
【００３０】
更に、別の典型的なトリクル予備充電接続形態５００が図４において描写される。この典型的実施例において、充電ＦＥＴ５０４、及び放電ＦＥＴ５０２は、描写される方法で、かつ当該技術において理解されるように、直列に背中合わせに配置されることができる。トリクル予備充電モードにおいて、放電ＦＥＴ５０２はオフ（導通しない）で良いが、しかし、充電ＦＥＴ（“CHG_FET”）がオンである（導通する）場合、電流は、そのボディダイオードを通じてバッテリセルにまだ移動することができる。もし“CHG_FET”がオフである場合、その場合に、電流は、バッテリセルから流れないか、またはバッテリセルに対して流れない。
【００３１】
この実施例は、同様に、基準抵抗器Ｒ１、放電ドライバ５０６、充電ドライバ５０８、及び基準電流源Ｉｒｅｆ５１２を備えることができる。充電ドライバ５０８、及び放電ドライバ５０６は、個別の比較器を備えることができる。普通の充電モードにおいて、スイッチＫ１、及びスイッチＫ２（５１８、及び５２０）は、切り替え位置１に設定されることができる。この切り替え位置において、充電ドライブ（駆動）電圧“CHG”は、充電ＦＥＴ５０４を完全にターンオンするように作用することができる相対的基準電圧“CHG-REF”におおよそ等しい段階へ駆動されることができる。従って、基準電圧“CHG-REF”は、充電ＦＥＴ装置５０４のターンオンの要求に従って選択されることができる。
【００３２】
トリクル充電（すなわち、トリクル予備充電）が必要とされるとき、スイッチＫ１、及びスイッチＫ２は、ノード２に接続されることができる。比較器５０８への入力は、この場合、“Rsens (+)”を横断する電圧、及び（Ｉｒｅｆ５１２によって生成された）“R1”を横断する電圧降下である。比較器５０８の利得は、抵抗器Ｒ１を横断する“Iref1”からの電圧降下が、検知抵抗器Ｒｓｅｎｓを横断するトリクル充電電流“Ipch”からの電圧降下におおよそ等しくなるように、大きく（例えば８０［ｄＢ］に）なるように選択されることができる。
【００３３】
トリクル予備充電電流は、次式によって与えられる。
Ipch=Iref1*R1/Rsens; 
ここで、“Iref1”はプログラム可能な電流の基準源である。通常、Ｒｓｅｎｓは、非常に小さく（例えば、１０〜２０ミリオームの等級）、一方Ｒ１は、１０オームの等級になるように選択されることができる。従って、Ｒｓｅｎｓに対するＲ１の比率は、非常に大きくなることができると共に、従って、“Ｒ１／Ｒｓｅｎｓ”の大きな利得のせいで、小さな基準電流“Iref1”が比較的大きなトリクル予備充電電流を生成するために使用されることができる。
【００３４】
図４の実施例において、トリクル予備充電モードの間、放電ＦＥＴは完全にターンオンされ得ると共に、それによって“VPACK+”とバッテリパック電圧との間のダイオードの順方向バイアスによる電圧降下を除去する。このモードにおいて、スイッチＫ４ ５１４、及びスイッチＫ３ ５１６は、切り替え位置１に設定されることができ、それにより、（上述された方法で）放電ＦＥＴを完全にターンオンするように、放電ＦＥＴを放電基準電圧で駆動する。
【００３５】
更に、図５を参照すると、通常の放電モードにおいて、スイッチＫ３、及びスイッチＫ４は、それぞれノード１に接続されることができる。この方法において、放電ＦＥＴドライバは、バッファとして構成されると共に、放電ＦＥＴを完全にターンオンするように駆動されることができる。トリクル放電モードにおいて、スイッチＫ３、及びスイッチＫ４は、ノード２に接続されることができる。抵抗器Ｒ２を横断する“Iref2”からの電圧降下は、ドライバの高利得のせいで、検知抵抗器Ｒｓｅｎｓを横断する電圧降下におおよそ等しくなることができる。
【００３６】
従って、トリクル放電電流は、次式によって与えられる。
Idsg=Iref2*R2/Rsens 
ここで、“Iref2”はプログラム可能な電流の基準源である。通常、Ｒｓｅｎｓは非常に小さく、従って、Ｒｓｅｎｓに対するＲ２の比率は、非常に大きくなることができると共に、従って、“Ｒ２／Ｒｓｅｎｓ”の大きな利得のせいで、小さな基準電流“Iref2”が比較的大きなトリクル放電電流を発生させるために使用されることができる。放電の間、電流方向が反転されるので、検知抵抗器Ｒｓｅｎｓを横断する電圧降下、及びＲ２を横断する電圧降下は反転された極性を有することができる。従って、極性反転回路５２２は、Ｒｓｅｎｓを横断する電流の極性を反転させるために提供されることができる。
【００３７】
この実施例において、トリクル充電の間、放電ＦＥＴは完全にターンオンされることができる。従って、“VPACK+”とバッテリパック電圧との間のダイオードの順方向バイアスによる電圧降下が除去される。同様に、トリクル放電の間、充電ＦＥＴは、バッテリパック電圧と“VPACK+”との間のダイオードの順方向バイアスによる電圧降下を除去するために、完全にターンオンされることができる。
【００３８】
本発明において、一度ＭＯＳＦＥＴ、及びダイオードが固定されれば、“Ipch”は、プログラム可能な電流源（Ｉｒｅｆ）１１２、電流源（Ｉｒｅｆ）３１２、電流源（Ｉｒｅｆ）５１０及び／または電流源（Ｉｒｅｆ）５１２によって更に調整されることができる。プログラム可能な電流源のための１つの典型的な回路接続形態が、図５において描写される。図５の回路は、当該技術において良く理解されている比率ｄのカレントミラーによって電流“Iref”を生成するように構成されることができる。言うまでもなく、プログラム可能な基準電流源は、当該技術において良く知られていると共に、図５の回路に加えて、様々な方法で実現されることができる。
【００３９】
１つの典型的なトリクル予備充電、及びトリクル放電接続形態６００が、図６において描写される。この実施例において、充電ＦＥＴ６０４、及び放電ＦＥＴ６０２は、描写される方法で、かつ当該技術において理解されるように、直列に背中合わせに配置されるか、または代わりに上述のように、直列に向かい合わせで配置されることができる。この典型的実施例において、以下で更に十分に説明されるように、デジタル／アナログ変換回路（ＤＡＣ）６１６は、ＦＥＴ駆動電圧を生成するために使用されることができる。
【００４０】
この実施例は、アナログ／デジタル変換回路（ＡＤＣ）６１４、制御器６１２、及びアナログ／デジタル変換回路（ＤＡＣ）６１６を有することができる制御ループを備える。検知抵抗器Ｒｓｅｎｓ６１８を横断して検知された電流は、ＡＤＣ６１４によって受信されることができる。ＡＤＣは、順々に、検知電流を表しているデジタル信号を生成することができると共に、それらの信号を制御器６１２に送信することができる。動作中、もし抵抗器Ｒｓｅｎｓ６１８を流れる電流が、所定のしきい値より小さい場合、制御器６１２は、対応するＦＥＴ駆動電圧を増加させるために、データをＤＡＣ６１６に送ることができる。他の場合、制御器６１２は、検知電流と所定の電流との間の差異がおおよそ等しくなるまで、ＦＥＴ駆動電圧を減少させるために、データをＤＡＣ６１６に送ることができる。この実施例のこれらの動作特性は、以下で更に十分に説明される。
【００４１】
通常の充電モードまたは放電モードにおいて、ＤＡＣ６１６は機能を無効にされることができると共に、充電ＦＥＴ６０４、及び放電ＦＥＴ６０２は導通している。この実施例において、ＤＡＣ６１６は、例えば、描写された“DAC_EN”信号を利用することによって、制御可能に機能を有効にされるか、及び／または機能を無効にされることが可能である。充電ＦＥＴドライバ６０８は、充電ＦＥＴ６０４のゲートを、充電ＦＥＴ６０４を完全にターンオンすることができる“CHG_REF”値に駆動することができる。放電ＦＥＴドライバ６０６は、放電ＦＥＴ６０２のゲートを、放電ＦＥＴ６０２を完全にターンオンすることができる“DSG_REF”値に駆動することができる。充電ＦＥＴドライバ６０８、及び放電ＦＥＴドライバ６０６は、例えば、“CHG_EN”信号及び“DSG_EN”信号を利用することによって、それぞれ制御可能に機能を有効にされるか、及び／または機能を無効にされることができる。
【００４２】
トリクル放電モードにおいて、スイッチＫ１（６２０）は、ノード１に接続されることができる。放電ドライバ６０６は、機能を、放電ドライバ６０６の出力に関してハイインピーダンスを生成するように作用することができる無効な状態（例えば、“DSG_EN”が“ロー（low）状態”）にされることができる。放電ＦＥＴ６０２の導通状態は、ＤＡＣ６１６、及び制御器６１２によって制御されることができる。このように、放電ＦＥＴ６０２、検知抵抗器Ｒｓｅｎｓ６１８、ＡＤＣ６１４、制御器６１２、及びＤＡＣ６１６は、制御ループを構成することができる。制御器に予めプログラムされることができるように、放電ＦＥＴ６０２のターンオン抵抗（導通抵抗）を制御することによって、本実施例は、トリクル放電電流を目標値に調整することが可能である。前の実施例において上述されたように、放電ＦＥＴ６０２のターンオン抵抗は、そのゲート駆動電圧を調整することによって調整されることができる。
【００４３】
制御器６１２は、ＤＡＣ６１６の動作を制御するための回路構成を備えることができる。この中のあらゆる実施例に使用されるように、“回路構成”は、例えば、ハードウェアに組み込まれている回路構成、プログラム可能な回路構成、状態機械回路構成（state machine circuitry）、及び／またはプログラム可能な回路構成によって実行される命令を格納するファームウェアを、個々に、またはあらゆる組み合わせで備えることができる。制御器６１２は、１つ以上の集積回路を備えることができる。この中のあらゆる実施例に使用されるように、“集積回路”は、例えば、半導体集積回路チップのような、半導体素子、及び／またはマイクロ電子デバイスを意味する。図６において示されないが、この実施例は、同様に、次のタイプのメモリ、すなわち半導体ファームウェアメモリ、プログラマブルメモリ、不揮発性メモリ、読取専用メモリ、電気的にプログラム可能なメモリ、ランダムアクセスメモリ、フラッシュメモリ、磁気ディスクメモリ、及び／または光ディスクメモリの内の１つ以上を有することができるメモリを備えることができる。その上、あるいは代りに、メモリは、他の、及び／または、後で開発されたタイプのコンピュータ可読メモリを備えることができる。機械可読ファームウェアプログラム命令は、メモリに格納されることができる。以下に説明されるように、これらの命令は、制御器６１２によってアクセスされると共に実行されることができ、これらの命令は、制御器６１２、及び／またはこの実施例において備えられることができる他の回路によって実行されるものとしてこの中で説明された動作を実行する制御器６１２に帰着することができる。
【００４４】
この実施例において、制御器６１２は、所望のトリクル放電電流値“Idt”を表す１つ以上のデータビットを生成することが可能である。これを受けて、制御器６１２は、Ｒｓｅｎｓ６１８を横断して検知されることができる実際の電流に基づく所望のトリクル放電電流を達成するために、連続的動作、及び／または再帰的動作を実行することが可能である。例えば、もし、所望のトリクル放電電流が“Itd”に設定される場合、制御器６１２は、適切なデータビットを生成するために、逐次近似レジスタ（ＳＡＲ）方法を実行することが可能である。ＳＡＲ方法は、最初に“DAC MSB”（最上位ビット）を“ハイ（high）状態”に設定する処理と、その場合にＲｓｅｎｓ６１８を横断する電流を測定する処理とを有することができる。もし、検知抵抗器６１８を流れる電流（“Isen”）が“Itd”より大きい場合、その場合に、制御器６１２は“DAC MSB”を“ロー（low）状態”に設定することができ、他の場合は、制御器６１２は、“DAC MSB”を“ハイ（high）状態”に維持することができる。
【００４５】
制御器６１２は、その場合に第２のＭＳＢビットを“ハイ（high）状態”に設定すると共に、その場合にＲｓｅｎｓを流れる電流を測定することができる。もし、“Itd > Isen”である場合、第２のＭＳＢビットは“ロー（low）状態”に設定されることができ、他の場合は、このビットは“ハイ（high）状態”にされることができる。“DAC LSB”が設定されるまで、この逐次近似は継続することができる。従って、実行可能な命令は、メモリ（図示せず）に格納されることができると共に、制御器６１２は、動作、例えばＳＡＲ方法を実行するために、それらの命令にアクセスすることができる。もし、“Itd”が与えられたバッテリパックのために固定される場合、その場合に、メモリに格納される命令も、同様に固定されることができる。トリクル放電が必要とされるときはいつでも、制御器６１２は、所望のトリクル放電を生成するために、ＤＡＣ６１６を制御することが可能であり、従って、バッテリパックは、“Itd”を外部負荷に供給することが可能である。適切なトリクル放電電流を生成する制御コードは、メモリにセーブされることができると共に、次のトリクル放電動作のために、制御器６１２によって評価されることができる。もしトリクル放電電流が調整される必要がある場合、ここに示された制御ループは、それ相応に“Idt”を増加するか、または減少するために使用されることができる。トリクル放電モードの間、充電ドライバ６０８は、機能を有効にされ得るか、または機能を無効にされ得る。その差異は、それぞれ、トリクル放電電流が充電ＦＥＴを通じて流れるか、またはそのボディダイオードを通じて流れるということである。
【００４６】
トリクル充電モードにおいて、スイッチＫ１は、ノード２に接続される。充電ドライバ６０８は、機能を無効（“CHG_EN”が“ロー（low）状態”）にされることができる。充電ＦＥＴ６０４の導通状態は、ＤＡＣ６１６、及び制御器６１２によって制御されることができる。このモードにおいて、充電ＦＥＴ６０４、検知抵抗器Ｒｓｅｎｓ６１８、ＡＤＣ６１４、制御器６１２、及びＤＡＣ６１６は、制御ループを構成することができる。充電ＦＥＴ６０４のターンオン抵抗を制御することによって、本実施例は、トリクル充電電流を目標値に調整することが可能である。予備充電電流は、多くの場合固定値である。このモードにおいて、本実施例は、例えば上記のＳＡＲ方法を使用することにより“Ipch”を生成すると共に、この制御コードをメモリにセーブすることができる。トリクル予備充電電流に関して、その値は、上限から下限までの範囲において変化することができ、従って制御コードは上限と下限の範囲の間で“Ipch”を変更するように構成されることができ、従ってトリクル充電電流がそれ相応に調整されることを可能にする。トリクル充電モードの間、放電ドライバ６０６も、同様に、機能を有効にされ得るか、または機能を無効にされ得る。その差異は、それぞれ、トリクル充電電流が放電ＦＥＴを通じて流れるか、またはそのボディダイオードを通じて流れるということである。
【００４７】
図１Ａから、我々は、予備充電期間、及び定電圧（ＣＶ）充電期間の間に、充電電流が制御される必要があるかもしれないということを知る。従来の回路において、追加の予備充電ＦＥＴが、予備充電電流を制御するのに必要とされる。そのような従来の回路において、ＣＶ充電は、充電電圧を“Vov”に正確に調整するための充電器に完全に依存しなければならず、その場合に、充電電流は次第に減少することになる。
【００４８】
本発明において、予備充電機能は、余分な予備充電ＦＥＴなしで実現されることができる。更に、予備充電プロセスをスピードアップするために、予備充電電流“Ipch”は、セル電圧に基づいて容易に調整されることができる。セル電圧を更に高くする程、更に大きい予備充電電流が、図２Ａ、図３Ａ、及び図４を参照してこの中に説明されたような基準電流“Iref”、または図６において説明された制御ループアプローチをプログラミングすることによって供給されることができる。
【００４９】
有利に、この中の多数の実施例において示されたトリクル予備充電電流の制御が、トリクル予備充電回路構成がセル電圧に基づいてトリクル充電電流を生成することが可能であるＣＶ期間の間に利用されることができる。この方法において、ＣＶ充電電流の逓減は、充電器の調整された電圧“Vov”に依存することを必要としない。従って、有利に、本開示は、高価で正確な電圧調整充電器の必要性を取り除くことができるいくつかの実施例を提供する。確かに、簡単なＡＣアダプタが、リチウムイオンバッテリを充電するために使用されることができる。ＣＶ充電期間内という理由で充電器さえもが定電圧を“Vov”に維持することはできないが、しかし、充電電流は、予めプログラムされたセル電圧に基づいて決定されるトリクル電流値に制限される。そのため、過充電が発生することがない。この充電電流の制限は、（所望の“VUV”に対する電流の限界を実際に観察された電流の少し上側に設定することによって）補助的な過電圧保護として、及び／または、（正確な所望の“VUV”が獲得されるまで、充電電流を調整することによって）主要な過電圧保護として使用されることができる。
【００５０】
同様に、有利に、本発明に基づいたトリクル放電は、バッテリパックに対する更に良い短絡保護を提供することができる。従来のバッテリパックにおいて、放電ＦＥＴは、放電を可能にするために完全にターンオンするか、もしくは放電を無効にするために完全にターンオフするかのいずれかを実行することができる。バッテリパックがシステムの外、例えばシェルフの上に置かれたとき、その場合に、バッテリパックがシステムに接続される場合はいつでも、システムに電力を供給することに備えて準備するために、放電ＦＥＴはオン状態に維持されることができる。この場合、もし“VPACK+”端子の短絡のような異常な何かが起こる場合、バッテリを順々に損傷することになる巨大な電流がバッテリから引き出される可能性がある。代りに、従来のバッテリパックにおいて、短絡状態からバッテリを保護するために、放電ＦＥＴはオフ状態に維持されることができる。しかし、これは、バッテリパックがシステムに接続されるとき、バッテリがシステムに電力を供給することを阻止することになる。この問題を克服するために、いくつかの従来のバッテリパックは、放電ＦＥＴをターンオンすることをバッテリに裏で通知する機械的な方法を提供することができる。これは、顧客にとって都合が悪いことをもたらすと共に、バッテリパックの価格、及び／またはサイズを同様に増加する可能性がある。ここに示された少なくとも１つの実施例によれば、そのバッテリがシステムの外にあるとき、バッテリパックは、トリクル放電モードで配置されることができる。トリクル放電電流値は、バッテリパックがシステムに接続されるとき、そのシステムに埋め込まれた制御器に電力を供給するのに十分に大きな量、例えば１００［ｍＡ］に選ばれることができる。その場合に、システムに埋め込まれた制御器は、バッテリが存在することを検知すると共に、通常の放電モードにおいて動作するようにバッテリに通知することになる。電流を所定のトリクル放電値、例えば１００［ｍＡ］に制限する放電ＦＥＴによって、“VPACK+”の短絡の間でも高い電流サージは阻止されることができる。
【００５１】
ここに示されたトリクル放電接続形態、及びトリクル充電接続形態は、複数のバッテリシステムにおいて同様に利用されることができる。複数のバッテリパックが同時に放電するとき、それらは更に多くの電力をシステムに供給することができる。複数のバッテリパックは、効率を増加するために、並列状態で一緒に接続されることができるので、これはバッテリの内部インピーダンスを同様に減少することができる。しかしながら、強制的な規制は、もし複数のバッテリパックが同時に放電する場合、それらの複数のバッテリが正確に同じ電圧を有していなければならないことを要求する可能性がある。そうでなければ、もし２つのバッテリパックが非常に小さな電圧差異（例えば、１０［ｍＶ］）を有しているとしても、バッテリに接続された電力バスの非常に小さな抵抗（例えば、２ミリオーム）が原因で、その場合に、大電流（この例では５アンペア）が、より高い電圧のバッテリパックからより低い電圧のバッテリパックに流れる可能性がある。
【００５２】
実際上、複数のバッテリパックが同じ電圧を有するように維持することは困難であり、同様に、放電電流によってバッテリパック電圧が異なる可能性があるので、バッテリ電圧を監視するためにたとえ非常に正確なＡＤＣを用いたとしても、２つのバッテリパックが同じ電圧であるか否かを決定するのは困難である。多数の実施例を参照してここに示されたトリクル放電動作は、複数のバッテリパックの問題を解決することが可能である。一例として、システムは、２つのバッテリパック、パックＡ及びパックＢを備える。初めにパックＡの電圧がパックＢの電圧より高いということを仮定する。
【００５３】
パックＡは、最初にシステムに電力を供給するために放電すると共に、パックＡの電圧は徐々に下降する。パックＢの放電ＦＥＴは、パックＢの放電機能を無効にするためにオフで良い。パックＡの電圧がパックＢの電圧と同じ電圧まで下降したとき、本発明は、パックＢを、トリクル充電モード、またはトリクル放電モードのいずれにも設定することができる。もし、パックＢがトリクル充電モードでその機能を有効にされる場合、放電ＦＥＴは、完全にターンオンされることができると共に、充電ＦＥＴは、飽和する導通範囲で動作するように制御されることができる。この方法において、充電ＦＥＴは、電流制限抵抗器として使用されることができる。パックＢがトリクル放電モードでその機能を有効にされる場合、充電ＦＥＴは、完全にターンオンされることができると共に、放電ＦＥＴは、飽和する導通範囲で動作するように制御されることができる。この方法において、放電ＦＥＴは、電流制限抵抗器として使用されることができる。加えられた安全に関して、図６の接続形態６００を参照すると、トリクル充電動作部及び／またはトリクル放電動作部は、充電ＦＥＴ及び／または放電ＦＥＴの等価抵抗を増加させるために充電ＦＥＴ及び放電ＦＥＴを飽和する導通範囲で動作させることによって、比較的小さな電流値を生成するように制御されたセットである。
【００５４】
前の例において、パックＡが放電していると共に、パックＢが遊休状態であるので、それらの測定された電圧値が等しい可能性があるとしても、実際のパックＡの電圧は、パックＢの電圧よりも高くなる。もしこれが起こる場合、パックＡは、パックＢを充電することができる。しかしながら、充電電流は、（もし、我々がパックＢをトリクル充電モードに設定した場合）充電ＦＥＴの抵抗によって制限されるか、または（もし、我々がパックＢをトリクル放電モードに設定した場合）放電ＦＥＴの抵抗によって制限される。制限された電流は、例えば制御器６１２によって実行された制御コードによって決定される。
【００５５】
本発明において、この充電電流は、パックＢに備えられたＡＤＣによって監視されることができる。パックＡとパックＢとの間の電圧差異が減少するので、パックＡからパックＢに対する充電電流も同様に減少する。充電電流が所定値より小さく、例えば１０［ｍＡ］のとき、制御器は、パックＢを、トリクル充電モードまたはトリクル放電モードから、完全放電モードに切り替えることができる。
【００５６】
従って、ここに、従来の接続形態と比較して、より多くの柔軟性、より少ない構成要素、及び予備充電を終了するためのより高い効率を提供する、プログラム可能なトリクル予備充電の回路及び接続形態、及び／またはトリクル放電の回路及び接続形態が開示された。スイッチ（Ｋ１、Ｋ２、及び／または、Ｋ３、及びＫ４）は、バッテリモニタＩＣによって、ここに示された少なくとも一実施例のプログラム可能なトリクル充電回路を、（徹底的に放電されるとトリクル充電モードを必要とする）バッテリセルの充電のレベルに基づいてトリクル予備充電モード、または通常の充電モードに設定するように制御されることができると理解されるべきである。更に、ここに描写された接続形態は、個別部品を用いるか、及び／またはＩＣに統合されるか、及び／または両方の組み合わせを用いることによって実施されることができると理解されるべきである。
【００５７】
本発明は、充電式バッテリを使用する電池あらゆる携帯用電子機器（ポータブルコンピュータ、携帯電話、PDA等）に適応させられることができる。これを受けて、ここに描写された接続形態は、携帯用電子機器のためのバッテリパックに統合されることができる。ここに使用される“バッテリパック”は、少なくとも１つのバッテリセルを備えるバッテリとして定義されることができる。バッテリパックは、１つ以上の再充電可能なリチウムイオンセルを備えることができる。バッテリパックは、バッテリパックの制御可能な充電、及び／または放電、及び／または動作を容易にするために、ここに描写されると共に説明されるような、１つ以上の電子部品を同様に備えることができる。
【００５８】
当業者は、本開示の精神、及び範囲からはずれずに実行されることができると共に、請求項によってのみ制限される多数の修正を認識する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】リチウムイオンバッテリに関する典型的な充電プロファイルを表現した図である。
【図１Ｂ】従来のバッテリ予備充電回路である。
【図２Ａ】本発明に基づいた１つの典型的なトリクル予備充電接続形態である。
【図２Ｂ】本発明に基づいた１つの典型的なトリクル放電接続形態である。
【図３Ａ】本発明に基づいた別の典型的なトリクル予備充電接続形態である。
【図３Ｂ】本発明に基づいた別の典型的なトリクル放電接続形態である。
【図４】本発明に基づいた別の典型的なトリクル予備充電接続形態である。
【図５】典型的なプログラム可能な電流源である。
【図６】典型的なトリクル予備充電、及びトリクル放電接続形態である。
【符号の説明】
【００６０】
１０    予備充電を実施するための従来の回路
１２    予備充電ＭＯＳＦＥＴ
１４    抵抗器
１６    充電ＦＥＴ
１８    予備充電ＦＥＴ
２０    バッテリモニタＩＣ
２２    バッテリパック
２４    スイッチネットワーク
３０    スイッチ
３６    比較器
５０    充電プロファイル
１００    トリクル予備充電接続形態
１０２    放電ＦＥＴ
１０４    充電ＦＥＴ
１０６    放電ドライバ
１０８    充電ドライバ
１１０    定電圧ダイオードＤ１
１１２    基準電流源Ｉｒｅｆ
１１４    スイッチＫ１
１１６    スイッチＫ２
２００    トリクル放電接続形態
２１０    電流源（Ｉｒｅｆ）
３００    トリクル予備充電接続形態
３０２    充電ＦＥＴ
３０４    放電ＦＥＴ
３０６    充電ＦＥＴドライバ
３１０    ダイオード
３１２    基準電流源
４００    トリクル放電接続形態
５００    トリクル予備充電接続形態
５０２    放電ＦＥＴ
５０４    充電ＦＥＴ
５０６    放電ドライバ
５０８    充電ドライバ
５１２    基準電流源Ｉｒｅｆ
５１４    スイッチＫ４
５１６    スイッチＫ３
５１８    スイッチＫ１
５２０    スイッチＫ２
５２２    極性反転回路
６００    トリクル放電接続形態
６０２    放電ＦＥＴ
６０４    充電ＦＥＴ
６０６    放電ＦＥＴドライバ
６０８    充電ＦＥＴドライバ
６１２    制御器
６１４    アナログ／デジタル変換回路（ＡＤＣ）
６１６    デジタル／アナログ変換回路（ＤＡＣ）
６１８    検知抵抗器Ｒｓｅｎｓ
６２０    スイッチＫ１
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2005278395.tif 000006
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2005278395.tif 000008
【図４】
2005278395.tif 000009
【図５】
2005278395.tif 000010
【図６】
2005278395.tif 000011
【外国語明細書】
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