(57)【要約】【課題】充電保護回路の動作に必要な２次電池の消費を低減する。【解決手段】第１の端子と第２の端子と第３の端子と第１のトランジスターと第２のトランジスターと第１の抵抗とを含み、第１の端子は２次電池のプラス端子が接続される端子であり、第２の端子は２次電池の充電に使用される電流を供給する回路が接続される端子であり、第３の端子は２次電池のマイナス端子が接続される端子であり、第１のトランジスターのゲート端子は、第２のトランジスターのドレイン端子に接続され、第１のトランジスターのソース端子は、第２の端子に接続され、第１のトランジスターのドレイン端子は、第１の端子に接続され、第２のトランジスターのゲート端子は、第１の端子に接続され、第２のトランジスターのソース端子は、第３の端子に接続され、第１の抵抗は、第２の端子と第１のトランジスターのゲート端子に接続されていることを特徴とする。【選択図】図１
2012244829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端子と、
第２の端子と、
第３の端子と、
第１のトランジスターと、
第２のトランジスターと、
第１の抵抗と、を含み、
前記第１の端子は２次電池のプラス端子が接続される端子であり、
前記第２の端子は前記２次電池の充電に使用される電流を供給する回路が接続される端子であり、
前記第３の端子は前記２次電池のマイナス端子が接続される端子であり、
前記第１のトランジスターのゲート端子が前記第２のトランジスターのドレイン端子に接続され、
前記第１のトランジスターのソース端子が前記第２の端子に電気的に接続され、
前記第１のトランジスターのドレイン端子が前記第１の端子に電気的に接続され、
前記第２のトランジスターのゲート端子が前記第１の端子に電気的に接続され、
前記第２のトランジスターのソース端子が前記第３の端子に電気的に接続され、
前記第１の抵抗が前記第２の端子及び前記第１のトランジスターのゲート端子に電気的に接続されていることを特徴とする２次電池の充電保護回路。
【請求項２】
前記第２のトランジスターは、第３のトランジスターと第４のトランジスターとが電気的に縦列接続して構成され、
前記第３のトランジスター又は前記第４のトランジスターの少なくともひとつが、ソース端子とドレイン端子との間に並列に設けられた電気的な接続を有しないことを特徴とする請求項１に記載の２次電池の充電保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次電池の保護装置並びに保護機能を有する２次電池パックに関するものであり、特に２次電池の充電保護回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２次電池として、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの各種電池が開発され使用されている。これらの２次電池は、充電装置に接続して充電を行うことで、繰り返し使用することができる。また、これらの２次電池は、２次電池単体で提供される場合もあれば、筐体などに収納された２次電池パックとして提供される場合もある。しかしながら、これら２次電池の中には、過充電や過放電により、性能が著しく低下したり、場合によっては破裂を引き起こしたりするものもある。このため、２次電池の使用においては２次電池の過充電並びに過放電などを防止するため保護装置若しくは保護回路が必要とされる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、２次電池電圧が０Ｖ近傍の所定の電圧未満である否かの判定を行う判定回路部と、充電禁止信号を生成する保護回路とを有し、２次電池電圧が所定の電圧未満であると判定回路部が判定したときに保護回路が充電禁止信号を生成することで、瞬時に充電禁止電池の有無を検出することができるようにした２次電池の保護用半導体装置について記載されている。特許文献１に記載されている回路を図６に示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４２０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した２次電池の保護用半導体装置では、２次電池の電池電圧を抵抗により分圧して充電禁止電圧の判定を行うため、絶えず２次電池側の電流が消費されてしまうという問題がある。また、抵抗素子に加え、レベルシフト回路を使用しているため、構成が複雑で回路規模が大きくなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した課題若しくは問題の少なくともひとつを解決するためになされたものであり、以下の適用例若しくは実施形態として実現することが可能である。尚、以下の記載においてトランジスターの動作についてオン／オフという記載をすることがあるが、これはゲートに与えられる電圧により制御され、オンはトランジスターのソースとドレインとの間に流れる電流が所定量以上である状態を示し、オフはソースとドレインとの間に流れる電流が所定量よりも小さい状態若しくは流れない状態を示すものとする。また、オン／オフの境目となるゲート電圧をゲート閾値と記載する。
【０００７】
［適用例１］
本適用例にかかる２次電池の充電保護回路は、第１の端子と、第２の端子と、第３の端子と、第１のトランジスターと、第２のトランジスターと、第１の抵抗と、を含み、前記第１の端子は２次電池のプラス端子が接続される端子であり、前記第２の端子は前記２次電池の充電に使用される電流を供給する回路が接続される端子であり、前記第３の端子は前記２次電池のマイナス端子が接続される端子であり、前記第１のトランジスターのゲート端子が前記第２のトランジスターのドレイン端子に接続され、前記第１のトランジスターのソース端子が前記第２の端子に電気的に接続され、前記第１のトランジスターのドレイン端子が前記第１の端子に電気的に接続され、前記第２のトランジスターのゲート端子が前記第１の端子に電気的に接続され、前記第２のトランジスターのソース端子が前記第３の端子に電気的に接続され、前記第１の抵抗が前記第２の端子及び前記第１のトランジスターのゲート端子に電気的に接続されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、第１の端子及び第３の端子に接続される２次電池の電圧値により該２次電池に対する充電の停止を制御することができる。
【０００９】
第１のトランジスターにおけるゲート・ソース間の電圧は第１の抵抗の電圧降下により決定される電圧であり、第１の抵抗に流れる電流は第１の抵抗の抵抗値と第２のトランジスターのコンダクタンスで決まる値となる。２次電池の電圧が所定の電圧よりも高い場合は、第２のトランジスターのコンダクタンスが大きいため第１の抵抗に流れる電流量が該所定の電圧における電流量よりも大きくなる。これにより、第１のトランジスターにおけるゲート・ソース間の電圧を第１のトランジスターのゲート閾値よりも高く維持することができ、第１のトランジスターのソース・ドレイン間に所定以上の電流が流れ２次電池に対する充電を行うことができる。該所定以上の電流とは、２次電池に充電可能な電流のことである。
【００１０】
２次電池の電圧が所定の電圧以下になると第２のトランジスターのコンダクタンスの低下若しくは第２のトランジスターのオフにより第２の端子と第３の端子との間に流れる電流量が減少する。第１の抵抗を流れる電流量が減少することで第１のトランジスターのゲート・ソース間の電圧が低くなり、第１のトランジスターのコンダクタンスが低下する。これにより第１のトランジスターのソース・ドレイン間に２次電池に充電可能な電流が流れなくなり、２次電池に対する充電が停止される。
【００１１】
上述した動作となることから、充電を停止させたいときの２次電池の電圧に合わせて第１のトランジスター、第２のトランジスター及び第１の抵抗の特性を調整することで、２次電池が所定の電圧になったときに２次電池に対する充電の停止をすることができる充電保護回路を構成することができる。また、２次電池の電圧を分圧により測定するものでないことから、２次電池の電流消費を低減することができる。
【００１２】
［適用例２］
上記適用例にかかる２次電池の充電保護回路において、前記第２のトランジスターは、第３のトランジスターと第４のトランジスターとが電気的に縦列接続して構成され、前記第３のトランジスター又は前記第４のトランジスターの少なくともひとつが、ソース端子とドレイン端子との間に並列に設けられた電気的な接続を有しないことが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、第２のトランジスターが、第３のトランジスター及び第４のトランジスターで構成され、少なくともひとつのトランジスターのソース端子とドレイン端子間との間に並列に設けられた電気的な接続を有しないことで、第３のトランジスター及び第４のトランジスターの双方がバイパスされて第２のトランジスターのコンダクタンスの構成に関わらなくなることを防ぐことができる。
【００１４】
尚、コンダクタンスの調整は、第３のトランジスター及び第４のトランジスターのそれぞれのチャネル長及びチャネルの断面積を変えることで行うことができる。ゲート電圧として同じ電圧を与えた場合に、第３のトランジスターのコンダクタンスと第４のトランジスターのコンダクタンスが同じになるようにしてもよく、異なるようにしても構わない。また、第２のトランジスターの構成は、２個のトランジスターに限られたものではなく、３つ以上のトランジスターで構成されることでもよい。このようにすることで、第２のトランジスターとしてのコンダクタンスの値の選択の幅を更に広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態における充電保護回路の一例を示す図。
【図２】第１実施形態における充電保護回路の変形例を示す図。
【図３】第１実施形態における充電保護回路の変形例を示す図。
【図４】第１実施形態における充電保護回路の変形例を示す図。
【図５】第２実施形態における充電保護回路の一例を示す図。
【図６】先行技術における回路を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１に、充電保護回路１０、２次電池２０及び充電回路３０を示す。充電保護回路１０は、第１のトランジスター１１、第２のトランジスター１２、第１の抵抗１３、第１の端子１４、第２の端子１５及び第３の端子１６を含む。充電回路３０からの充電電流は、第２の端子１５から供給される。尚、図１において、２次電池２０によって動作する負荷回路の記載は省略した。充電保護回路１０は、２次電池２０が所定の電圧以下になった場合に２次電池２０に対する充電を停止するための保護回路である。
【００１８】
第１のトランジスター１１は、ソース端子が第２の端子１５に、ドレイン端子が第１の端子１４に、ゲート端子が第２のトランジスター１２のドレイン端子に接続されている。第２のトランジスター１２は、ソース端子が第３の端子１６に、ドレイン端子が第１のトランジスター１１のゲート端子に、ゲート端子が第１の端子１４に接続されている。また、第１の抵抗１３は、一方が第２の端子１５及び第１のトランジスター１１のソース端子に、他方が第１のトランジスター１１のゲート端子及び第２のトランジスター１２のドレイン端子に接続されている。
【００１９】
２次電池２０の電圧が第２のトランジスター１２のゲート閾値よりも高い状態においては、第２の端子１５と第３の端子１６との間に第１の抵抗１３及び第２のトランジスター１２を介して電流が流れる。２次電池２０の電圧がより高いほど第２のトランジスター１２のコンダクタンスがより高くなり、より多くの電流が流れるようになる。第２の端子１５と第３の端子１６との間により多くの電流が流れると第１のトランジスター１１のゲート・ソース間の電圧降下がより大きくなることで第１のトランジスター１１のコンダクタンスが高くなり、第１の端子１４と第２の端子１５との間に２次電池２０を充電するために必要な電流をより多く流すことができる。
【００２０】
しかしながら、図示しない付加回路による２次電池２０の消耗が進み２次電池の電圧が所定の電圧（第１の電圧）以下に低下すると第２のトランジスター１２のゲート電圧が下り、第２の端子１５と第３の端子１６との間に流れる電流量は低下する。これに伴い、第１の抵抗１３による電圧降下が小さくなる。該電圧降下が第１のトランジスター１１のゲート閾値以下となると第１のトランジスター１１がオフになり、第１の端子１４と第２の端子１５との間に２次電池２０を充電するために必要な電流が流れなくなる。これにより、２次電池２０の充電を停止することができる。
【００２１】
上記した所定の電圧（第１の電圧）は、充電保護回路１０の仕様として規定されるものと考えてよい。２次電池２０が上述した第１の電圧となったときに第１のトランジスター１１がオフとなるように第１のトランジスター１１、第２のトランジスター１２及び第１の抵抗１３の特性を調整することで、充電保護回路１０を用いて２次電池２０の電圧が第１の電圧以下となった場合に充電の停止を行うことができ、２次電池２０の充電保護を行うことができる。第２のトランジスター１２のゲート閾値は、第１の電圧よりも低い値である。
【００２２】
上述したように、充電保護回路１０は、２次電池２０の電圧が所定の電圧（第１の電圧）よりも高い場合は２次電池２０に対する充電を可能にし、２次電池２０の電圧が所定の電圧（第１の電圧）よりも低い場合は２次電池２０に対する充電を不可能にする。これにより、２次電池２０の電圧値が低いときの充電により発生すると考えられる２次電池２０の発熱若しくは発火の危険を回避することができる。また、２次電池２０の電圧をチェックするために、２次電池２０の電圧を抵抗により分圧して測定することをしていないことから、２次電池２０の電流消費を低減することができる。
【００２３】
図２に示したのは、充電保護回路１０に２次電池２０からの電流の逆流を防止するためのダイオード１７を付加した充電保護回路６０である。図３に示したのは、第１の抵抗１３をディプレッションタイプの第３のトランジスター１８に置き換えた場合の充電保護回路７０である。また、図４に示したのは、図示しない付加回路からの制御により２次電池２０の充電を停止するためのスイッチ（第４のトランジスター１９）を付加した充電保護回路８０である。第４のトランジスター１９は、第１のトランジスター１１と第２のトランジスター１２との間に設けられ、図示しない付加回路から出力される制御信号５０によりオン、オフの制御が行われる。第４のトランジスター１９がオフになると第１のトランジスター１１がオフになり２次電池２０の充電が停止する。充電保護回路６０、充電保護回路７０及び充電保護回路８０は、それぞれ本発明の変形例のひとつである。また、図１では、第１のトランジスター１１をＰＭＯＳトランジスター、第２のトランジスター１２をＮＭＯＳトランジスターとして示しているが、第１のトランジスター１１をＮＭＯＳトランジスター、第２のトランジスター１２をＰＭＯＳトランジスターとなるように回路を構成してもよい。本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において広く変形及び適用が可能である。尚、図１及び図６以外の図においては、充電回路３０の記載を省略した。図示はないが、第２の端子１５及び第３の端子１６には充電回路３０が接続されているものとする。
【００２４】
（第２実施形態）
本実施形態の説明において、第１実施形態の説明で用いた図１を流用する。構成要素の接続状態は第１実施形態と同じであるので、その説明を省略する。本実施形態は、第２のトランジスター１２がオフになることで、第１のトランジスター１１がオフになり、２次電池２０の充電に必要な電流の流れを停止させるものである。上述した第１の電圧と第２のトランジスター１２のゲート閾値とが同じ値のときにおける動作となる。
【００２５】
本実施形態においては、２次電池２０の電圧が第２のトランジスター１２のゲート閾値よりも高いときは、第１の抵抗１３による電圧降下が第１のトランジスター１１のゲート閾値よりも高い電圧に維持されるように、第１のトランジスター１１、第２のトランジスター１２及び第１の抵抗１３の特性が調整されている。２次電池２０の電圧が第１の電圧よりも高いときは、第１の端子１４と第２の端子１５との間に２次電池２０の充電に必要な電流が流れる。
【００２６】
２次電池２０の電圧が第１の電圧以下となると第２のトランジスター１２はオフになる。これにより第２の端子１５と第３の端子１６との間に流れる電流が減少し、第１の抵抗１３による電圧降下が小さくなり、第１のトランジスター１１のゲート・ソース間電圧がゲート閾値以下となり第１のトランジスターがオフになる。これにより第１の端子１４と第２の端子１５との間に２次電池２０の充電に必要な電流が流れなくなり２次電池２０への充電が停止する。
【００２７】
上述したように、充電保護回路１０は、２次電池２０の電圧が第２のトランジスター１２のゲート閾値よりも高い場合は２次電池２０に対する充電を可能にし、２次電池２０の電圧が第２のトランジスター１２のゲート閾値よりも低い場合は２次電池２０に対する充電を不可能にする。これにより、２次電池２０の電圧値が低いときの充電により発生すると考えられる２次電池２０の発熱若しくは発火の危険を回避することができる。また、２次電池２０の電圧をチェックするために、２次電池２０の電圧を抵抗により分圧して測定することをしていないことから、２次電池２０の電流消費を低減することができる。
【００２８】
（第３実施形態）
本実施形態の説明にあたっても、上述した実施形態と同様の構成については同じ符号を付した図を用い、その説明を省略する。図５に、充電保護回路９０と２次電池２０とを示す。
【００２９】
図５に示すように、充電保護回路９０における第２のトランジスター１２は、第３のトランジスター４０と複数の第４のトランジスター４１とから形成される。第４のトランジスター４１は、ソース端子とドレイン端子とが配線４２によって接続されている。本実施形態は、第３のトランジスター４０及び第４のトランジスター４１のゲート閾値が、上述した第１の電圧よりも低い場合のものである。充電保護回路９０は、２次電池２０の電圧が第１の電圧になったときに第１のトランジスター１１をオフにする機能を必要とする。
【００３０】
図５で示した状態は、すべての第４のトランジスター４１は配線４２により電気的にバイパスされた状態にあり、第１の抵抗１３と第３のトランジスター４０のコンダクタンスで決まる電流が第２の端子１５と第３の端子１６との間に流れる。しかしながら、製造のバラツキにより仕様通りの特性が得られず、この状態において２次電池２０の電圧が第１の電圧になったときに第１の抵抗１３による電圧降下が第１のトランジスター１１のゲート閾値よりも高く２次電池２０に対する充電が停止できない場合が発生する可能性がある。
【００３１】
このような場合に、複数ある配線４２のいずれかを切断することにより、切断した配線４２に並列に接続された第４のトランジスター４１による抵抗値を第２の端子１５と第３の端子１６との間に付加することができ、２次電池２０が第１の電圧になったときの第２のトランジスター１２としてのコンダクタンスを低減させることができる。これにより第２の端子１５と第３の端子１６との間を流れる電流量が減り、２次電池２０が第１の電圧になったときの第１の抵抗１３の電圧降下を第１のトランジスター１１のゲート閾値よりも小さくすることが可能となる。
【００３２】
複数ある第４のトランジスター４１は、同じゲート電圧を与えたときのコンダクタンスが同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、１／２、１／４、・・・となるように製造することでもよい。尚、本実施形態においては第３のトランジスター４０に並列接続した配線を設定しなかったが、第３のトランジスター４０に並列接続した配線を設け第４のトランジスター４１のいずれかに配線４２を設けないようにしてもよい。いずれにしても、製造のバラツキが好適に解決できるように設定されることが好ましい。
【００３３】
（第４実施形態）
本実施形態は、第２のトランジスター１２におけるゲート閾値を上述した第１の電圧とする場合のものである。本実施形態の説明において、第３実施形態の説明で用いた図５を流用する。構成要素の接続状態は第３実施形態と同じであるので、その説明を省略する。尚、本実施形態において特に説明を行っていない事項に関しては、第３実施形態と同様とする。本実施形態における充電保護回路９０は、２次電池２０の電圧が第１の電圧になったときに第２のトランジスター１２をオフにする機能を必要とする。
【００３４】
図５で示している状態は、第３のトランジスター４０のゲート閾値が第２のトランジスター１２のゲート閾値となり、該ゲート閾値が第１の電圧と同じである場合のものである。第３のトランジスター４０は並列接続された配線を有しない。従って、第４のトランジスター４１により第２のトランジスター１２としてのゲート閾値の調整を行うためには、第３のトランジスター４０のゲート閾値は第４のトランジスター４１のゲート閾値よりも低い必要がある。
【００３５】
第３のトランジスター４０のゲート閾値よりも高い電圧のときに２次電池２０に対する充電を停止したい場合は、第４のトランジスター４１を用いる。複数の第４のトランジスター４１は、それぞれが異なるゲート閾値を持つように形成されている。このため、２次電池２０の電圧によっては、複数の第４のトランジスター４１において、オンとなるもの若しくはオフとなるものが存在する。従って、上述した第１の電圧と同じゲート閾値を有する所定の第４のトランジスター４１の配線４２を切断することで、所定の第４のトランジスター４１のゲート閾値を第２のトランジスター１２におけるゲート閾値とすることができる。これにより、２次電池２０の電圧が第１の電圧になったときに２次電池２０への充電を停止することが可能な充電保護回路９０を形成することができる。尚、配線４２にスイッチを持たせ、該スイッチをオン／オフすることにより配線４２の導通を制御できるようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態においては、第３のトランジスター４０のゲート閾値を複数の第４のトランジスター４１のゲート閾値よりも低い設定としたが、複数の第４のトランジスター４１の中にゲート閾値が最小のものを設けてもよい。この場合、第３のトランジスター４０が並列に接続される配線を有し、ゲート閾値が最小となる第４のトランジスター４１は配線４２を有しないことになる。これは、本実施形態における変形例にすぎない。
【００３７】
以上、本発明の実施形態の説明を行ったが、本発明を適用することで、２次電池の電圧が下がったときに、充電の停止を行うときの２次電池の電圧値の設定を正確に行うことができ、かつ、２次電池の電圧の測定に抵抗による分圧を用いないことから２次電池の消耗を低減することができる。尚、上記したが、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…充電保護回路、１１…第１のトランジスター、１２…第２のトランジスター、１３…第１の抵抗、１４…第１の端子、１５…第２の端子、１６…第３の端子、１７…ダイオード、１８…第３のトランジスター、１９…第４のトランジスター、２０…２次電池、３０…充電回路、４０…第３のトランジスター、４１…第４のトランジスター、４２…配線、５０…制御信号、６０…充電保護回路、７０…充電保護回路、８０…充電保護回路、９０…充電保護回路。
【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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【図６】
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