(57)【要約】【課題】充電電流の温度依存性が小さい低コストの充電用定電流回路と、その充電用定電流回路を用いた過充電防止機能を備えた充電装置を提供する。【解決手段】ベースとエミッタとコレクタとベースとがそれぞれ接続される同極性の第１のトランジスタと第２のトランジスタと、第１のトランジスタのベースに一端を順方向に接続するダイオードと、ダイオードの他端と当該第１のトランジスタのエミッタとの間に直列に接続される第１の抵抗素子と、第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースとの接続点に一端を接続する第２の抵抗素子と、を備え、第１のトランジスタのベース・エミッタ間電圧の温度変化をダイオードの温度変化で打ち消す。【選択図】図１
2012060697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同極性の第１のトランジスタと第２のトランジスタと、
ダイオードと、
第１と第２の抵抗素子を、備え、
上記第１のトランジスタのベースと上記第２のトランジスタのエミッタ、上記第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースが、それぞれ接続され、
上記ダイオードと第１の抵抗素子は、上記第１のトランジスタのベースとエミッタ間に直列に配列され、上記ダイオードは上記第１のトランジスタのベースの素性と極性が一致する向きに接続され、
上記第２の抵抗素子は、その一端が上記第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースとの接続点に接続された充電用定電流回路。
【請求項２】
同極性の第１のトランジスタと第２のトランジスタと、
ダイオードと、
第１と第２の抵抗素子を、備え、
上記第１のトランジスタのベースと上記第２のトランジスタのエミッタ、上記第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースが、それぞれ接続され、
上記ダイオードと第１の抵抗素子は、上記第１のトランジスタのベースとエミッタ間に直列に配列され、上記ダイオードは上記第１のトランジスタのベースの素性と極性が一致する向きに接続され、
上記第２の抵抗素子は、その一端が上記第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースとの接続点に接続された充電用定電流回路であって、
上記第１のトランジスタのエミッタと上記第２の抵抗素子の他端との間に充電用電源が接続され、
上記第２のトランジスタのエミッタと上記第２の抵抗素子の他端との間に被充電用二次電池が接続されることを特徴とする充電用定電流回路。
【請求項３】
請求項１又は２に記載した充電用定電流回路において、
上記ダイオードは、ショットキィダイオードであることを特徴とする充電用定電流回路。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載した充電用定電流回路において、
上記第２のトランジスタは、ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする充電用定電流回路。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載した充電用定電流回路と、
一方の入力端子を上記被充電二次電池に接続し、他方の入力端子を基準電圧源に接続するコンパレータを備え、
上記コンパレータの出力端子と上記第２の抵抗素子の他端とが接続されることを特徴とする充電装置。
【請求項６】
請求項５に記載した充電装置において、
上記充電用電源と上記コンパレータの出力端子との間に直列に接続される第３の抵抗素子と、順方向に接続される発光ダイオードと、を備え、
上記発光ダイオードで充電表示を行うことを特徴とする充電装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載した充電装置において、
上記コンパレータと上記基準電圧源とが、汎用のリセットＩＣで構成されることを特徴とする充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、二次電池を充電するために用いる充電用定電流回路と、その充電用定電流回路を用いて二次電池を定電流で急速に充電する充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を短時間に充電する方法として、被充電電池の電圧が低い時は定電流（ＣＣ：Constant Current）で、充電が進み被充電電池の電圧が規定値以上になると定電圧（ＣＶ：Constant Voltage）で充電するＣＣ/ＣＶ方式がよく知られている。図６に、ＣＣ/ＣＶ方式の代表的な充電装置６００の機能構成を示す。
【０００３】
充電装置６００は、電流制御回路６０、電圧制御回路６１、電流制御と電圧制御を切り替える選択回路６２、パストランジスタ６３、逆流防止ダイオード６４、電流検出用抵抗６５、を備える。選択回路６２は、充電初期においては電流制御回路６０を機能させて被充電二次電池３を定電流で充電し、充電後期においては電圧制御回路６１を機能させて被充電二次電池を定電圧で充電するように切り替える。このＣＣ/ＣＶ方式の充電装置６００は、被充電二次電池３の急速充電に極めて有用であるが、回路構成が複雑で高価である。
【０００４】
特許文献１に、電流制御と電圧制御を１つの制御系で行うＣＣ/ＣＶ方式の充電装置が開示されている。この充電装置は、充電装置６００よりも構成が簡単であるが、極めて低価格な充電装置にはコストが高く採用が難しい。
【０００５】
二次電池の最も簡便な充電回路としては、逆流防止ダイオードと電流制限抵抗の直列回路が用いられる。２つの素子のみで構成されるこの充電回路は最も安価である。しかし、急速充電しようとして電流制限抵抗を小さくすると充電初期に極めて大きな電流が流れ、電流制限抵抗が発熱すると共に二次電池の寿命を損ねる。一方、電流制限抵抗を大きくすると充電に長時間を要する。
【０００６】
そこで、被充電二次電池の電圧に拘らず、常に一定の電流で充電する定電流回路を単独に用いるのも有用である。図７に、従来の充電用定電流回路７００を示す。
【０００７】
充電用定電流回路７００は、第１のトランジスタ７１、第２のトランジスタ７２、第１の抵抗素子７３、第２の抵抗素子７４、を備える。第１のトランジスタ７１のベースと第２のトランジスタ７２のエミッタ、第１のトランジスタ７１のコレクタと第２のトランジスタ７２のベースがそれぞれ接続され、第１の抵抗素子７３は第１のトランジスタ７１のベースとエミッタ間に直列に接続され、第２の抵抗素子７４の一端は、第１のトランジスタ７１のコレクタと第２のトランジスタ７２のベースの接続点に接続される。
【０００８】
第１のトランジスタ７１のエミッタに充電用電源４の正電圧が、第２の抵抗素子７４の他端に充電用電源４の負電圧が供給され、第２のトランジスタ７２のコレクタに被充電二次電池３の正電圧が、第２の抵抗素子７４の他端に被充電二次電池３の負電圧が供給される。
【０００９】
第１の抵抗素子７３の端子間電圧が第１のトランジスタ７１をオンにすると、第２のトランジスタ７２がオフするので、充電用定電流回路７００は式（１）で与えられる充電電流ICHで被充電二次電池３を充電する。式（１）から明らかなように充電電流ICHは充電用電源４の電圧に依存しない。
【００１０】
【数１】
2012060697.tif 000003
【００１１】
ここで、VBEは第１のトランジスタ７１のベース・エミッタ間電圧、R73は第１の抵抗素子７３の抵抗値である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−３１２４２６号公報
【特許文献２】特開２００９−１３１１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の充電用定電流回路７００は、回路構成が簡単で低コストであるが、VBEが温度によって変化するので周囲温度によって充電電流値が変わってしまう。また、充電用定電流回路７００のみで充電装置を構成した場合、被充電二次電池が満充電になった後も充電電流が流れ続け、二次電池を過充電状態にしてしまう。被充電二次電池がリチウムイオン電池の場合、過充電状態で電池が破裂する恐れもある。
【００１４】
この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、充電電流の温度依存性が小さい低コストの充電用定電流回路と、その充電用定電流回路を用いた過充電防止機能を備えた充電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】
【００１５】
この発明の充電用定電流回路は、同極性の第１のトランジスタと第２のトランジスタと、ダイオードと、第１と第２の抵抗素子を備える。第１のトランジスタのベースと第２のトランジスタのエミッタ、第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースが、それぞれ接続され、ダイオードと第１の抵抗素子は、第１のトランジスタのベースとエミッタ間に直列に配列され、ダイオードは第１のトランジスタのベースの素性と極性が一致する向きに接続され、第２の抵抗素子は、その一端が第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースとの接続点に接続される。
【００１６】
また、この発明の充電装置は、上記したこの発明の充電用定電流回路と、一方の入力端子を被充電二次電池に接続し、他方の入力端子を基準電圧源に接続するコンパレータを備え、そのコンパレータの出力端子が第２の抵抗素子の他端に接続される。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の充電用定電流回路は、第１のトランジスタのベース・エミッタ間電圧VBEの温度変化を、ダイオードの順方向降下電圧の温度変化が打ち消す方向に働く。従って、充電電流の温度変化を小さくすることができる。また、この発明の充電装置は、その充電電流の温度変化の小さい充電用定電流回路を用いて二次電池の過充電を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の充電用定電流回路１の回路構成例を示す図。
【図２】充電用定電流回路１のトランジスタを逆極性にした充電用定電流回路１′の回路構成例を示す図。
【図３】この発明の充電装置１００の回路構成例を示す図。
【図４】この発明の充電装置２００の回路構成例を示す図。
【図５】充電装置２００のトランジスタを逆極性にした充電装置２００′の回路構成例を示す図。
【図６】従来の充電装置６００の回路構成を示す図。
【図７】従来の充電用定電流回路７００の回路構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００２０】
〔充電用定電流回路〕
図１に、この発明の充電用定電流回路１の回路構成例を示す。充電用定電流回路１は、従来の充電用定電流回路７００と対比してダイオード１cを備える点のみが異なる。定電流回路として動作する点は、充電用定電流回路７００と同じである。
【００２１】
ダイオード１cは、第１のトランジスタ１bのベースとエミッタとの間に、第１の抵抗素子１dと共に直列に接続される。ダイオード１cの向きは、第１のトランジスタ１bのベースの素性と極性が一致する向きで接続される。このベースの素性と極性が一致する向きについては後述する。
【００２２】
ダイオード１cが接続されることで、充電電流ICHの温度変化を小さくすることができる。充電電流ICHは式（２）で表せる。
【００２３】
【数２】
2012060697.tif 000004
【００２４】
ここで、R1dは第１の抵抗素子１dの抵抗値、VBEは第１のトランジスタのベース・エミッタ間電圧、VDはダイオード１cの順方向電圧降下である。式（２）から、VBE＞VDである必要がある。この条件より、ダイオード１cには順方向の電圧降下が低いショットキィダイオードが好適である。
【００２５】
充電電流ICHの温度変化は式（３）で表せる。
【００２６】
【数３】
2012060697.tif 000005
【００２７】
VBEの温度係数は約−２mv/℃、ショットキィダイオードの温度係数は約−1.2mV/℃である。従って、ダイオード１cを接続することによって充電電流ICHの温度変化は、ダイオード１cが接続されない従来の充電用定電流回路の約40％に減少する。
【００２８】
なお、図１の第１と第２のトランジスタは、ＰＮＰトランジスタを用いた例で示したが、この種の回路は逆極性のＮＰＮトランジスタに置き換えることが可能である。図２に、ＮＰＮトランジスタを用いた充電用定電流回路１′の回路構成例を示す。また、第１の抵抗素子１dとダイオード１cの位置を置き換えても、充電用定電流回路１，１′の動作に変わりはない。
【００２９】
つまり、この発明の充電用定電流回路は、第１のトランジスタ１b,１ｂ′のベースと第２のトランジスタ１a,１a′のエミッタ、第１のトランジスタ１b,１ｂ′のコレクタと第２のトランジスタ１a,１a′のベースが、それぞれ接続され、ダイオード１cと第１の抵抗素子１dは、第１のトランジスタ１b,１ｂ′のベースとエミッタ間に直列に配列され、ダイオード１cは第１のトランジスタ１b,１ｂ′のベースの素性と極性が一致する向きに接続され、第２の抵抗素子１eは、その一端が第１のトランジスタ１b,１ｂ′のコレクタと第２のトランジスタ１a,１a′のベースとの接続点に接続される。そして、第１のトランジスタ１b,１ｂ′のエミッタと第２の抵抗素子１eの他端との間に充電用電源４が接続され、第２のトランジスタ１a,１a′のエミッタと第２の抵抗素子１eの他端との間に被充電二次電池３が接続される。
【００３０】
ここで、ダイオード１cのベースの素性と極性が一致する向きとは、第１のトランジスタ１dをＰＮＰトランジスタで構成した場合、ダイオード１cのカソード（Ｎ）を第１のトランジスタ１dのベースに向けることである。また、第１のトランジスタ１dをＮＰＮトランジスタで構成した場合、ダイオード１cのアノード（Ｐ）を第１のトランジスタ１dのベースに向けることである。
〔充電装置〕
図３にこの発明の充電装置１００の回路構成例を示す。充電装置１００は、上記した充電用定電流回路１と過充電検出回路２とで構成される。過充電検出回路２は、コンパレータ２aと、基準電圧源２bと、を備える。
【００３１】
コンパレータ２aの非反転入力端子（＋）は被充電二次電池３の正電極に接続され、反転入力端子（−）は基準電圧源２bに接続される。コンパレータ２aの出力端子は、第２の抵抗素子１eの他端に接続される。
【００３２】
充電の初期状態では、被充電二次電池３の電圧Ｖ3は、基準電圧Vrefよりも低いのでコンパレータ２aの出力電圧は充電用電源４の負電圧である。よって、充電用定電流回路１は充電流ICHを生成して被充電二次電池３を充電する。
【００３３】
被充電二次電池３が充電され続けるとその電圧Ｖ3が上昇し、基準電圧Vrefより大きくなると、コンパレータ２aの出力電圧は反転して充電用電源４の正電圧に変化する。すると、第２のトランジスタ１aが遮断され、充電電流ICHの供給は停止する。基準電圧Vrefを、被充電二次電池３の過充電防止電圧に設定して置くことで、被充電二次電池３の過充電を防止することができる。
【００３４】
なお、コンパレータ２aの非反転入力端子（＋）に被充電二次電池３の正電極、反転入力端子（−）に基準電圧源２bを接続する例で説明したが、非反転入力端子（＋）に基準電圧源２bの負電極、反転入力端子（−）に被充電二次電池３の負電極を接続しても、コンパレータ２aは同じ動作をする。つまり、コンパレータ２aの一方の入力端子に被充電二次電池３を接続し、他方の入力端子に基準電圧源２bを接続すれば良い。
〔充電装置の変形例〕
図４に、充電装置１００を変形した充電装置２００の回路構成例を示す。充電装置２００は、第２のトランジスタ１aをＰＭＯＳトランジスタ２０に、過充電検出回路２をリセットＩＣ３０に置き換えたものである。また、充電状態を表示する目的で発光ダイオード２２が付加されている。
【００３５】
ＰＭＯＳトランジスタ２０のソースとドレイン間に並列に接続されるボディダイオード２０aは、ＭＯＳトランジスタの構造上備わる寄生ダイオードである。ボディダイオード２０aの電流経路はダイオード１cによってブロックされる。また、ＰＭＯＳトランジスタ２０のゲートには電流が流れない。従って、充電装置２００は充電装置１００よりも電力効率を向上させることができ、回路設計も容易になる。
【００３６】
リセットＩＣ３０は、ボルテージディテクタＩＣとも称される汎用ＩＣであり、超小型で且つ安価なものである。充電装置１００の過充電検出回路２を、リセットＩＣ３０に置き換えることで、過充電検出回路２をディスクリート部品で構成するよりも充電装置２００を小型で且つ低コストで作ることができる。
【００３７】
リセットＩＣ３０は、例えばSNT-4Aと称されるパッケージ仕様によれば、1.2mmW×1.6mmL×0.5mmHの大きさである。具体例を示して充電装置２００の動作を説明する。
【００３８】
リセットＩＣ３０の基準電圧源３０bの基準電圧Vrefを4.3V、リセットＩＣ３０の出力段はオープンドレインのＮＭＯＳトランジスタ３０cで構成されるものとする。充電用電源４の出力電圧は5.5Vの直流電源、被充電二次電池３は公称3.7V/480mAhのリチウムポリマー電池を用いる。このリチウムポリマー電池の満充電相当電圧は例えば4.3Vである。充電用定電流回路１のダイオード１cには、250mA通電時の順方向電圧降下が0.4Vのショットキィダイオードを用いる。電流制限抵抗である第１の抵抗素子１dは例えば１Ωとする。
【００３９】
充電の初期状態においては、被充電二次電池３の電圧は基準電圧Vref（4.3V）よりも低いので、コンパレータ３０aの出力電圧は充電用電源４の正電圧である。よって、リセットＩＣ３０の出力段を構成するＮＭＯＳトランジスタ３０cはＯＮ状態であり、ＰＭＯＳトランジスタ２０もＯＮ状態である。この時、被充電二次電池３は約200mAの充電電流ICHで充電される。また、発光ダイオード２２は、抵抗２１を介して充電用電源４から電流が供給されるので点灯し、充電中であることを表示する。
【００４０】
充電が進むと被充電二次電池３の電圧は上昇し、基準電圧Vref（4.3V）よりも高くなる。すると、コンパレータ３０aの出力電圧は充電用電源４の負電圧に変化する。コンパレータ３０aの出力電圧が充電用電源４の負電圧に変化すると、ＮＭＯＳトランジスタ３０cはＯＦＦ状態になる。ＮＭＯＳトランジスタ３０cがＯＦＦ状態になると、第２の抵抗素子１eの他端の電圧は充電用電源４の正電圧に近い電圧に変化するので、ＰＭＯＳトランジスタ２０がＯＦＦ状態になって充電電流ICHは遮断される。同時に発光ダイオード２２は、電流が供給されなくなり消灯する。
【００４１】
なお、充電装置２００は、充電用定電流回路１で説明したのと同じように逆極性のトランジスタで構成することが可能である。図５に、逆極性のトランジスタを用いて構成した充電装置２００′の回路構成例を示す。動作は、極性が逆転しているだけで充電装置２００と同じである。
【００４２】
なお、ＰＭＯＳトランジスタ２０とリセットＩＣ３０を組み合わせた例を説明したが、充電装置１００（図３）の第２トランジスタをＭＯＳトランジスタに置き換えても良い。
また、発光ダイオード２２とリセットＩＣ３０を組み合わせた例で説明したが、充電装置１００（図３）のコンパレータ２aの出力端子に発光ダイオード２２のカソードを接続するようにしても良い。つまり、充電用電源４とコンパレータの出力端子との間に直列に接続される第３の抵抗素子２１と、順方向に接続される発光ダイオード２２を備えることで、充電表示を行うことが可能である。
【００４３】
以上説明したように、この発明の充電用定電流回路１は、充電電流の温度依存性を小さく且つ低コスト化することができる。また、この発明の充電装置１００は、その充電電流の温度変化の小さい充電用定電流回路を用いて二次電池の過充電を防止することができる。また、汎用のリセットＩＣを用いたこの発明の充電装置２００は、更に小型で且つ低コストな充電装置とすることができる。
【図１】
2012060697.tif 000006
【図２】
2012060697.tif 000007
【図３】
2012060697.tif 000008
【図４】
2012060697.tif 000009
【図５】
2012060697.tif 000010
【図６】
2012060697.tif 000011
【図７】
2012060697.tif 000012