(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ端子（＋Ｂａｔｔ）の電圧、保護回路の充放電端子（５０、６０）の電圧、および充電電流または放電電流の大きさに依存して負荷電流スイッチを開閉する制御論理（６）とともに、少なくとも１つの再充電可能電池（１）を備え、この制御論理（６）が過電圧検出器（ＯＶＤ）を備え、この過電圧検出器（ＯＶＤ）は、前記充放電端子の電圧が前記保護回路によって決定されるような電気的強度に依存する電圧制限に達したときに、制御信号（Ｆ３）を生成し、この制御信号が、負荷電流スイッチと直列の可溶性リンク（１１）を介して前記バッテリ端子に接続する短絡スイッチ（１２）を閉じるバッテリ用充放電保護回路であって、
前記負荷電流スイッチ（１０［１：ｎ］）と前記可溶性リンク（１１［１：ｎ］）を備える直列回路が定格電流の分数１／ｎに対して設計され、さらにｎ個のそのような直列回路が並列接続で分路され、前記短絡スイッチがｎ個のスイッチ・セグメント（１２［１：ｎ］）を備え、その各スイッチ・セグメントが、前記負荷電流スイッチと前記直列回路ｘ（ｘ＝１、２、．．．ｎ）の可溶性リンクのノードと反対側のバッテリ接続（Ｃｏｍ）との間に結合され、前記過電圧検出器（ＯＶＤ）が、スイッチ・セグメント（１２［１：ｎ］）ごとに順次連続して、別個の制御信号（Ｆ３［１：ｎ］）を生成し、および前記保護回路の充放電端子（５０、６０）に並列に半導体スイッチ（７、８）が配置され、前記所定電圧制限に達したときに、前記過電圧検出器（ＯＶＤ）がこの半導体スイッチを導電性を有するように切り換えることを特徴とする充放電保護回路。
【請求項２】
前記過電圧検出器（ＯＶＤ）は、入力電圧として、前記充放電端子（５０、６０）の電圧を受け取ることを特徴とする、請求項１に記載の保護回路。
【請求項３】
前記スイッチ・セグメント（１２）のための前記制御信号（Ｆ３）を生成する、少なくとも前記制御論理（６）の回路部品が、補助電圧源、特に充電されたバッファ・コンデンサ（２）から電源電圧（＋ＶＨ）を受け取ることを特徴とする、請求項１または２に記載の保護回路。
【請求項４】
前記補助電圧源は、バッファ・コンデンサ（２）を備え、このバッファ・コンデンサ（２）が半導体スイッチ（４）を介して前記バッテリ電圧に充電され、前記バッテリ電圧が所定の値より下に低下するとき、または、前記電圧制限を超えると同時に前記過電圧検出器（ＯＶＤ）が制御信号を生成するとき、前記半導体スイッチ（４）が開くことを特徴とする、請求項３に記載の保護回路。
【請求項５】
前記補助電圧源は、バッファ・コンデンサ（２）であり、このバッファ・コンデンサが、電荷ポンプを介して、前記制御論理（６）の最大許容可能ゲート電圧まで充電されることを特徴とする、請求項３に記載の保護回路。
【請求項６】
前記過電圧検出器（ＯＶＤ）は、前記所定電圧制限に達したときに第２の安定状態に切り換わる双安定フリップ・フロップ回路（２６）を備  えることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の保護回路。
【請求項７】
前記過電圧検出器の後にクロック発生器（ＣＬＫ）および少なくともｎ段のシフト・レジスタ（ＳＲ）が続き、前記所定電圧制限に達したときに、前記スイッチ・セグメント（１２）のための前記制御信号（Ｆ３）を、このシフト・レジスタの段が順次に供給することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の保護回路。
【請求項８】
前記短絡スイッチの各スイッチ・セグメント（１２）は、電圧検出器（ＳＴ）と関連しており、このスイッチ・セグメントの電圧が関連したヒューズ・セグメント（１１）の溶断のためになくなったときに、この電圧検出器がそれの出力から信号を出力し、および、前記電圧検出器の出力がクロック発生器（ＣＬＫ）を備える論理回路に結合され、さらに、この論理回路は、前記電圧制限を超えたときに、前のスイッチ・セグメントの電圧検出器が出力信号を出力するときだけに、次の並んだスイッチ・セグメントのための前記制御信号（Ｆ３）を生成することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の保護回路。
【請求項９】
前記半導体スイッチおよび／または前記スイッチ・セグメントは、直列に接続されて並列制御される２個の単一スイッチを備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の保護回路。
【請求項１０】
コンデンサを除いて、全ての回路部品がチップ上に集積化されることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の保護回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリ端子の電圧、保護回路の充放電端子の電圧、および充電電流または放電電流の大きさに依存して負荷電流スイッチを開閉する制御論理と共に、少なくとも１つの再充電可能電池を備える再充電可能バッテリ用の充放電保護回路に関する。その場合、その制御論理は過電圧検出器を備え、この過電圧検出器は、保護回路によって決定されるような電気的強度に依存する電圧制限に達した時、制御信号を生成する。この制御信号によって、可溶性リンクと直列に接続された負荷電流スイッチを介してバッテリ端子に接続する短絡スイッチが閉じられる。
【０００２】
【従来の技術】
そのような回路は、こちらの側のＤＥ−Ａ１０１０３３３６２から知られていると思われ、これを特に参照する。特に、この回路は、単一のリチウム・イオン電池と移動電話の電子回路の間に配置することができる。適切に決定された電圧制限に達するときに、短絡スイッチが閉じるので、この回路は、最悪の場合に本質的に必要とされるよりも著しく低い電気的強度で、好都合な価格で生産することができる。結果として生じる短絡電流は、可溶性リンクを間違いなく破壊するので、電池は危険な可充電から保護される。しかし、他の全ての回路要素と異なり、可溶性リンクは厳格な公差を持つ定格電流で非常に確実に応答しなけれならないので、可溶性リンクをＩＣ上に集積化することができないか、または高いコストでのみ可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、可溶性リンクを含んで単一チップに集積化することができる上記のタイプの保護回路を作るという要求に基づいている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
定格電流の分数１／ｎに対して負荷電流スイッチおよび可溶性リンクを備える直列回路を設計し、さらにｎ個のそのような直列回路が並列接続で分路に作られ、短絡スイッチがｎ個のスイッチ・セグメントから成り、その各スイッチ・セグメントが、負荷電流スイッチと直列回路ｘ（ｘ＝１、２、．．．ｎ）の可溶性リンクのノードと反対側のバッテリ接続との間に結合され、過電圧検出器が、スイッチ・セグメントｘごとに順次連続して、別個の制御信号を生成し、および保護回路の充放電端子に並列に半導体スイッチが配置され、所定の電圧制限に達したときに、過電圧検出器がこの半導体スイッチを伝導性を有するように切り換えることで、この課題は独創的に解決される。
【０００５】
したがって、本発明の中心的な概念は、過電圧の場合にヒューズ・セグメントが確実に破壊され、この破壊が第１のヒューズ・セグメントから最後のヒューズ・セグメントに順次に進行する条件を作ることである。これは、負荷電流スイッチ、可溶性リンク、および短絡スイッチの機能を、並列に配列されたＴ形部分に分割することで達成され、そのＴ形部分の各々は定格電流の小部分だけのために設計されており、その結果、容易に集積化されるヒューズ・セグメントの各々が定格電流のそれぞれの分数部分だけを流すようになる。ヒューズ・セグメントの順次的な溶断がもはや保証されないような過度に大きな過電圧による前に、保護回路全体またはそれの制御論理が破壊されないことが、この場合に重要なことである。識別された過電圧を直ちに短絡する半導体スイッチで、このことは処理される。
【０００６】
過電圧検出器が、入力電圧として、充放電端子の電圧を受け取るのが適切である（請求項２）。基本的に、過電圧検出器は、負荷電流スイッチが前の過電圧による過電流のために開いているので、開いた負荷電流スイッチの並列回路を介した電圧も入力電圧として受け取るかもしれない。
【０００７】
スイッチ・セグメントのための制御信号を生成する、少なくとも制御論理の回路部品が、補助電圧源から、特に充電されたバッファ・コンデンサから、電源電圧を受け取るのが適切である（請求項３）。これによって、外部過電圧が半導体スイッチによって短絡されたとき、または外部過電圧が非常に大きくて制御論理の他の意図された部分の破壊につながった場合に、保護回路の機能が保護される。
【０００８】
過電圧検出器は、所定電圧制限に達したときに第２の安定状態に切り換わる双安定フリップ・フロップ回路を特に備えることができる（請求項６）。その結果、所定の電圧制限に達したときに、その間に簡単に、短絡スイッチのスイッチ・セグメントが順次に閉じ始める。
【０００９】
過電圧検出器は、少なくともｎ段のシフト・レジスタが後に続くクロック発生器を備えることができ、所定電圧制限に達したときに、短絡スイッチのスイッチ・セグメントのための制御信号を、このシフト・レジスタが順次に出力する（請求項７）。
【００１０】
制御信号を生成するこの方法の代替えとして、短絡スイッチの各スイッチ・セグメントが電圧検出器と関連し、このスイッチ・セグメントの電圧が関連したヒューズ・セグメントの溶断のためになくなったときに、この電圧検出器がそれの出力において信号を供給することが可能であり、それによって、電圧検出器の出力がクロック発生器を備える論理回路に結合され、さらに、この論理回路は、電圧制限を超えたときに、前のスイッチ・セグメントの電圧検出器が出力信号を出力するときだけに、次の並んだスイッチ・セグメントのための制御信号を生成する（請求項６）。当業者は十分に理解するように、特に、適切な数の連続的に接続されかつ互いに結合されたフリップ・フロップで、または適切な数の短いシフト・レジスタで、論理回路を実現することができる。シフト・レジスタを使用すると、制御信号は互いに直ぐ後に続かないで、クロック発生器の周波数およびシフト・レジスタの段数で決定される短い遅れを持つので、ヒューズ・セグメントの前の溶断で生じた電流経路が冷えることができるようになるという利点がこの例にはある。
【００１１】
低い電気的強度しか実現できない低コスト技術でもこれらの部品を実現できるようにするために、特に、半導体スイッチおよび／または短絡スイッチのスイッチ・セグメントは、直列接続され並列制御される単一スイッチを２個備えることができる（請求項９）。
【００１２】
コンデンサを除いて、全ての回路部品がチップ上に集積化されることが好ましい（請求項１０）。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による保護回路の実施形態を図面で模式的に簡単化して示す。
図１に示す保護回路は、Ｌｉイオン電池１の端子と２つの充放電端子５０および６０との間に集積回路として位置し、急傾斜の電圧増加に対する保護としてフィルタ・コンデンサ４０が、この充放電端子に並列接続されている。保護回路は、外部接続Ｃｏｍ、＋Ｂａｔｔ、および  Ｏｕｔ、並びに＋ＶＨを有する。＋ＶＨはバッファ・コンデンサ２を介して基準電位Ｃｏｍと接続されている。バッファ・コンデンサ２は、通常、半導体スイッチ４（ダイオードとして示す）を介してバッテリ電圧に充電されている。この電源電圧が低下した場合、半導体スイッチ４が開き、バッファ・コンデンサ２が、線５を介して、集積回路の基本的な部分にしばらくの間電力を供給する。半導体スイッチ４の代わりに充電ポンプ回路を使用することもできる。この場合、充電ポンプ回路は、集積回路の技術で要求されるような意図された最大ゲート電圧までバッファ・コンデンサ２を充電する。
【００１４】
電流感知抵抗ＲSENSEが、複数の並列結合された直列回路を備える回路配列と直列に、Ｏｕｔと＋Ｂａｔｔの間に、配置されている。この並列結合された直列回路各々が、今度は、負荷電流スイッチ１０1、１０2、．．．１０nおよび集積化された可溶性リンク１１1、１１2、．．．１１nを備える。負荷電流スイッチ１０Xと可溶性リンク１１Xの間の各接続ノードは、それ自体の短絡スイッチ１２1、１２2、．．．１２nを介して基準電位Ｃｏｍに接続されている。
【００１５】
もしＬｉイオン電池の電圧が所定の公差範囲の外にあれば、一点短鎖線のブロック６内に簡単化された形で示す制御論理が、一般に知られている手段を使用して、差動増幅器Ｄ１およびＤ２によりバッテリ不足電圧信号ＵＶおよびバッテリ過電圧信号ＯＶを生成する。さらに、制御論理は、最大充電電流または最大放電電流に達したときにそれぞれ、ＲSENSE両端間の電圧降下から差動増幅器Ｄ３およびＤ４により、出力信号ＯＣＤ、ＯＣＣをそれぞれ生成する。差動増幅器Ｄ１からＤ４の出力信号ＵＶ、ＯＶ、ＯＣＣ，およびＯＣＤは、ＯＲゲートＯＤに結合され、このＯＲゲートＯＤが、既述の各場合に全ての負荷電流スイッチ１０1から１０nを開く出力信号Ｆ１を供給する。
【００１６】
電圧ＶOUTは同時に過電圧検出器ＯＶＤの入力に加えられ、過電圧の場合には、この過電圧検出器ＯＶＤが誤り信号Ｆ２を生成する。誤り信号Ｆ２は、また、ＣｏｍとＯｕｔの間に直列に接続されている２つの半導体スイッチ７と８を同時に閉じ、ＯＲゲートＯＤを介して負荷電流スイッチ１０1から１０nを開くための誤り信号Ｆ１を生成し、さらにクロック発生器ＣＬＫを作動させる。クロック発生器ＣＬＫに結合されているシフト・レジスタＳＲが、順次に誤り信号Ｆ３［１：ｎ］を出力して短絡スイッチ１２1から１２nを連続して閉じる。この結果、ヒューズ１１1から１１nは次々にとぶようになるので、数ミリ秒から数百ミリ秒後に、Ｌｉイオン電池１はＯｕｔから切り離される。少なくとも最後のヒューズ１１nがとんでしまうまで、必要があれば、制御論理６はバッファ・コンデンサ２で給電される。
【００１７】
図２は、過電圧検出器の実施形態を示す。外部接続の名称は図１のものと一致している。第１のトリガ要素２１と抵抗器２２を含む直列回路、並びに第２のトリガ要素２３と第２の抵抗器２４を含む直列回路が、ＯｕｔとＣｏｍの間に配置されている。トリガ回路２１、２３は、背中合せに配線されたツェナー・ダイオードと逆電流ダイオードの直列接続として象徴的に例示されているに過ぎない。正方向または負方向で所定の電圧制限を超えると、対応するトリガ要素が導通になり、それと共に、それぞれの次のＭＯＳトランジスタＴ１またはＴ２が導通になり、これによって、今度は、それぞれ、次のシュミット・トリガＳＴ１、ＳＴ２が「０」つまり「Ｌ」に設定される。シュミット・トリガの出力は、インバータＩを介してＮＡＮＤゲート２５の入力と結合される。ＮＡＮＤゲートの出力は、今度、Ｄフリップ・フロップ２６のクロック入力と接続される。Ｄフリップ・フロップ２６のＤ入力は、通常、「１」つまり「Ｈ」である。したがって、ＯＲゲート２５からインパルスがクロック入力に到達するときに、フリップ・フロップ２６の出力Ｑは「Ｈ」になる。したがって、過電圧検出器は、双安定フリップ・フロップのように動作する。出力信号「Ｈ」は、信号Ｆ２を表す。
【００１８】
図３は、図１に示すようにシフト・レジスタＳＲが結合された状態のクロック発生器ＣＬＫを示す。クロック発生器ＣＬＫは、信号Ｆ２がスタート入力ＥＮに加えられたときに起動し、その出力からクロック・パルスｃｌｋを供給する。このクロック・パルスはシフト・レジスタＳＲのクロック入力に加えられる。同時に、シフト・レジスタは、信号入力ＸＲで信号Ｆ２を受け取り、また、Ｄ入力で信号「１」つまり「Ｈ」を受け取る。シフト・レジスタＳＲは、信号Ｆ３［１：ｎ］に等しいＱ1、Ｑ2、．．．Ｑnを出力し、すなわち、クロック信号に従って「Ｌ」から「Ｈ」に順次に切り換わり、これによって、スイッチ・セグメント１２1から１２nを閉じるために引き続く制御信号を順次に出力する。
【００１９】
図４は、保護回路の第２の実施形態のブロック図を示す。第２の実施形態は図１の実施形態と同様な配列を有するが、短絡スイッチ１２1から１２nで取り出された電圧Ｖ1からＶn-1は選択され、それから図１のシフト・レジスタＳＲに置き換わる論理回路ＬＳに供給されるので、図１の配列とは異なる。
【００２０】
この論理回路ＬＳは、制御信号Ｆ３［１：ｎ］を順次に供給し、さらに図５に示されている。論理回路ＬＳは、図４の電圧または信号と名付けられるものを受け取る。また、論理回路ＬＳは、スイッチ・セグメント１２1から１２nごとに、各スイッチで取り上げられた電圧Ｖ1からＶn-1と、シュミット・トリガとして図示される電圧検出器ＳＴと、スイッチ要素の数に等しい数のいくつかのＤフリップ・フロップＤＦＦ1からＤＦＦnとをそれぞれ含む。図１のものよりも高い周波数で動作するのが好ましいクロック発生器ＣＬＫは、前のように信号Ｆ２で起動され、クロック信号ｃｌｋをＤＦＦ1のクロック入力に出力する。誤り信号Ｆ２はＤフリップ・フロップの全ての入力ＸＲに同時に加えられて、Ｄフリップ・フロップをイネーブルにするので、第１のクロック・パルスＣＬＫはＤＦＦ1の出力Ｑを強制的に「１」にし、それによって、スイッチ・セグメント１２1を閉じる第１の制御信号Ｆ３［１］を生成する。スイッチ・セグメント１２1自体のヒューズ・セグメント１１1が依然として完全な状態のままである限り、電圧Ｖ１は＞０Ｖ（一般には、０．５から１．５Ｖ）である。したがって、対応する電圧検出器は、出力信号「１」を供給する。スイッチ・セグメントが閉じた後短い時間でヒューズ１１1がとんだとき、電圧はＶ１＜０．５Ｖに切り換わる。電圧検出器の出力信号は「０」になる。次のインバータＩは、その中から外に、ＡＮＤゲートＵ1の第２の入力のための「１」を生成する。第１の入力に信号Ｆ３［１］が加えられるので、その結果、ＡＮＤゲートＵ1の出力も「１」に切り換わる。この出力は、次のフリップ・フロップＤＦＦ2のＤ入力に結合される。このフリップ・フロップＤＦＦ2は、対応するやり方で、クロック信号ｃｌｋの次の立上りを制御信号Ｆ３［２］等に供給する。
【００２１】
さらなる改良（図面には示さない）は、各々のフリップ・フロップＤＦＦを、短いシフト・レジスタ、例えば、３つの連続した適切に結合されたＤフリップ・フロップと取り替えることからなる。このようにして、それぞれのスイッチ要素の電圧ＶXがそれぞれのヒューズ要素の溶断によって電圧検出器の切換え閾値よりも下に降下した後で、例えば３クロック・サイクルの時間遅れの後に、各制御信号が生成されるようになる。この時間遅れの間に、直前にとんだヒューズ要素の電流経路は冷える。この方法により、物理的に近接して配置された隣の、まだ完全な状態のままであるヒューズ要素の応答特性に遡及的な影響が及ぼないようにする。
【００２２】
一方で、溶けて無くなる前の金属、一般には、アルミニウムが固まるとき、このヒューズ要素の電流経路が再び導通するようなことがあれば、このことは、前と同じやり方で、それ自体の電圧検出器で識別されて、このヒューズ要素の新しい溶断が始まる。これによって、回路全体の保護機能の信頼性が増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のブロック図である。
【図２】図１の過電圧検出器の簡単化された回路図である。
【図３】図１のクロック発生器およびシフト・レジスタの簡単化された回路図である。
【図４】第２の実施形態のブロック図である。
【図５】図４の論理回路の簡単化された回路図である。
【符号の説明】
１  再充電可能電池
２  バッファ・コンデンサ
４、７、８  半導体スイッチ
６  制御論理
１０  負荷電流スイッチ
１１  可溶性リンク（ヒューズ・セグメント）
１２  短絡スイッチ（スイッチ・セグメント）
２６  双安定フリップ・フロップ
５０、６０  充放電端子
＋Ｂａｔｔ  バッテリ端子
ＯＶＤ  過電圧検出器
Ｆ３  制御信号
Ｃｏｍ  反対側のバッテリ接続
＋ＶH  電源電圧
ＣＬＫ  クロック発生器
ＳＲ  シフト・レジスタ
ＳＴ  電圧検出器
【図１】
0003927092.tif 000002
【図２】
0003927092.tif 000003
【図３】
0003927092.tif 000004
【図４】
0003927092.tif 000005
【図５】
0003927092.tif 000006