(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電圧を受け電池を充電する充電制御回路であって、
外部電源から外部電圧を受ける入力端子と、
前記電池が接続されるとともに、電池電圧を検出するための電池端子と、
前記電池電圧と所定の満充電電圧の誤差に応じた誤差電圧を生成するアンプと、
前記アンプからの誤差電圧を受け、フィードバックにより前記電池電圧が前記満充電電圧と一致するように前記電池に充電電流を供給して充電する充電ドライバと、
を備え、
前記アンプは前記電池電圧が前記満充電電圧と一致した後、再充電のタイミングを検出するために、前記電池電圧を所定の再充電検出電圧と比較するコンパレータとして機能することを特徴とする充電制御回路。
【請求項２】
前記アンプは、
前記電池の電圧を、切りかえ可能な第１、第２分圧比によって分圧して検出電圧を生成する分圧回路と、
前記分圧回路からの前記検出電圧と、所定の基準電圧とが入力された差動増幅器と、
を含み、
前記差動増幅器の出力信号は、前記電池を充電するとき、フィードバックのために前記充電ドライバに出力されるとともに、再充電のタイミングを検出するとき、前記電池電圧と前記再充電検出電圧の比較結果として利用されることを特徴とする請求項１に記載の充電制御回路。
【請求項３】
電池と、
外部電源が着脱可能なアダプタ端子と、
前記電池を充電する請求項１または２に記載の充電制御回路と、
を備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次電池を充電する充電制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型パーソナルコンピュータなどのさまざまな電子機器には、デジタル信号処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）や、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、あるいは、液晶パネル、その他のアナログ、デジタル回路など、多くの電子回路が搭載される。電源として電池が搭載される電池駆動型の電子機器においては、機器内部の各電子回路は、電池からの電池電圧によって動作する。
【０００３】
近年では、再充電が可能なリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの２次電池が利用される。２次電池の充電動作は、一般に以下のプロセスを経る。すなわち、電池電圧が低い状態では予備充電を行い、電池電圧がある程度大きくなると充電電流をフィードバックし、充電電流が一定となるように充電を行い（定電流充電）、電池電圧が満充電状態に近づくと電池電圧をフィードバックし、電池電圧が所定の基準電圧（満充電電圧）と一致するように充電を行う（定電圧充電）。電池電圧が基準電圧と一致すると、フル充電が検出され、充電動作が停止する。充電完了後、電池の消耗にともなって電池電圧が所定のしきい値電圧（再充電検出電圧）まで低下すると、再充電が開始される（再充電検出）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７８５３号公報
【特許文献２】特開２００４−１８７４５２号公報
【特許文献３】特開２００５−１６８１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の充電プロセスを実行するために、電池には充電制御回路が接続される。図３は、充電制御部３０の構成例を示す回路図である。図３の回路図は、定電圧充電および再充電検出を行うブロックのみを示している。充電制御部３０はアダプタ端子１０２に外部電源からの外部電圧Ｖｅｘｔを受ける。電池端子１０４には電池１１０が接続される。検出端子１０５は電池１１０の電池電圧Ｖｂａｔをモニタするための端子である。電池電圧Ｖｂａｔは、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１によって分圧比αで分圧され、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１が生成される。電池端子１０４、検出端子１０５は単一の端子として形成してもよい。
【０００６】
誤差増幅器２は、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１と基準電圧Ｖｒｅｆの誤差を増幅し、誤差電圧Ｖｅｒｒを生成する。充電ドライバ５０は誤差電圧Ｖｅｒｒにもとづき、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１が基準電圧Ｖｒｅｆと一致するようにフィードバックによって電池１１０を充電する。つまり、満充電電圧ＶｆｕｌｌはＶｒｅｆ／αで与えられる。
【０００７】
また、電池電圧Ｖｂａｔは、抵抗Ｒ１２、Ｒ１３によって分圧比βで分圧され、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２が生成される。コンパレータＣＭＰ１は第２検出電圧Ｖｄｅｔ２としきい値電圧Ｖｔｈを比較し、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２がしきい値電圧Ｖｔｈまで低下すると、所定レベルの検出信号Ｓ１０を出力する。検出信号Ｓ１０がハイレベルとなると、急速充電を開始する。つまり再充電検出電圧ＶｒｃｈはＶｔｈ／βで与えられる。
【０００８】
図３の回路の場合、抵抗Ｒ１０〜Ｒ１３の抵抗値のばらつきにより分圧比α、βが変動したり、誤差増幅器２やコンパレータＣＭＰ１の入力オフセット電圧がばらついたりすると、満充電電圧Ｖｆｕｌｌや再充電検出電圧Ｖｒｃｈが相関無く変動することになる。たとえば満充電電圧Ｖｆｕｌｌは４．２Ｖ、再充電検出電圧Ｖｒｃｈは４Ｖの場合、分圧比や入力オフセット電圧が変動すると大小関係が逆転し、満充電検出、再充電検出が正確に行えない可能性がある。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、満充電電圧と再充電検出電圧を精度よく設定するための技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、外部電圧を受け電池を充電する充電制御回路に関する。充電制御回路は、外部電源から外部電圧を受ける入力端子と、電池が接続されるとともに、電池電圧を検出するための電池端子と、電池電圧と所定の満充電電圧の誤差に応じた誤差電圧を生成するアンプと、アンプからの誤差電圧を受け、フィードバックにより電池電圧が満充電電圧と一致するように電池に充電電流を供給して充電する充電ドライバと、を備える。アンプは電池電圧が満充電電圧と一致した後、再充電のタイミングを検出するために、電池電圧を所定の再充電検出電圧と比較するコンパレータとして機能する。
【００１１】
この態様によると、定電圧充電中と、再充電検出中で、単一のアンプを共有することにより、満充電電圧と再充電検出電圧を、相対的に精度よく設定できる。
【００１２】
アンプは、電池の電圧を、切りかえ可能な第１、第２分圧比によって分圧して検出電圧を生成する分圧回路と、分圧回路からの検出電圧と、所定の基準電圧とが入力された差動増幅器と、を含んでもよい。差動増幅器の出力信号は、電池を充電するとき、フィードバックのために充電ドライバに出力されるとともに、再充電のタイミングを検出するとき、電池電圧と再充電検出電圧の比較結果として利用されてもよい。
【００１３】
本発明の別の態様は、電子機器である。この電子機器は、電池と、外部電源が着脱可能なアダプタ端子と、上述の充電制御回路と、を備える。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、満充電電圧と再充電検出電圧を相対的に精度よく設定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１７】
本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００１８】
また本明細書において、電圧信号あるいは抵抗に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値あるいは抵抗値を表すものとする。
【００１９】
図１は、実施の形態に係る電源管理回路１００を備える電子機器２００の構成を示す回路図である。電子機器２００は、たとえば携帯電話端末や、ＰＤＡ、ノート型ＰＣなどの電池駆動型の情報端末機器である。電子機器２００は、電源管理回路１００、電池１１０、アダプタ端子１１４、負荷１１２を備える。
【００２０】
電池１１０は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの２次電池であり電池電圧Ｖｂａｔを出力する。アダプタ端子１１４は、ＡＣアダプタやＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの外部電源２１０が着脱可能な端子であり、外部電源２１０からの電圧（以下、外部電圧という）Ｖｅｘｔを受ける。電源管理回路１００は、外部電圧Ｖｅｘｔを利用して電池１１０を充電する。また電源管理回路１００は電池電圧Ｖｂａｔを所定の電圧に昇圧もしくは降圧して安定化させ、負荷１１２に供給する。負荷１１２は図示しないＤＳＰ、液晶パネルをはじめ、その他のアナログ回路、デジタル回路を含む。
【００２１】
電源管理回路１００は、充電制御部３０、ステートマシン６０、電源回路６２を含む。アダプタ端子１０２には外部電圧Ｖｅｘｔが印加されるとともに、電池端子１０４には電池１１０が接続される。検出端子１０５は電池電圧Ｖｂａｔをモニタするために設けられる。電池端子１０４、検出端子１０５は共通の端子としてもよい。ステートマシン６０は電源管理回路１００の動作モードを管理、制御する。電源回路６２はスイッチングレギュレータやリニアレギュレータを含み、電池電圧Ｖｂａｔまたは外部電圧Ｖｅｘｔのいずれかを選択、安定化し、負荷１１２に出力する。
【００２２】
充電制御部３０は、外部電圧Ｖｅｘｔを受け電池１１０を充電する。充電制御部３０は電池１１０を急速充電するモード（急速充電モード）、定電流充電するモード（定電流充電モード）、定電圧充電するモード（定電圧充電モード）、電池電圧Ｖｂａｔが再充電検出電圧Ｖｒｃｈ（＝４．０Ｖ）まで低下したことを検出するモード（再充電検出モード）のいずれかで動作する。各モードはステートマシン６０によって制御される。
【００２３】
充電制御部３０は、入力端子３２に外部電圧Ｖｅｘｔを受ける。電池端子３４は、電池１１０が接続されるとともに、電池電圧Ｖｂａｔを検出するために設けられる。充電制御部３０は、アンプ４０、充電ドライバ５０を含む。アンプ４０は定電流充電モードにおいて、電池電圧Ｖｂａｔと満充電電圧Ｖｆｕｌｌ（＝４．２Ｖ）の誤差に応じた誤差電圧Ｖｅｒｒを生成する。
【００２４】
充電ドライバ５０はアンプ４０からの誤差電圧Ｖｅｒｒを受け、フィードバックにより電池電圧Ｖｂａｔが満充電電圧Ｖｕｌｌと一致するように電池１１０に充電電流Ｉｃｈｇを供給して充電する。充電ドライバ５０は、一端が電池１１０側に接続され、他端が外部電源２１０側に接続された出力トランジスタ（不図示）を含んでもよい。この場合、出力トランジスタのゲート（ベース）に誤差電圧Ｖｅｒｒに応じた電圧を印加し、出力トランジスタのオン抵抗を制御することにより充電状態が調節される。
【００２５】
ただし、充電ドライバ５０は、このようなリニアレギュレータ形式に限定されず、スイッチングレギュレータ形式でもよい。スイッチングレギュレータの場合、誤差電圧Ｖｅｒｒを三角波もしくはのこぎり波状の周期電圧でスライスし、パルス幅変調された信号を生成し、この信号にもとづいてスイッチング素子のオン、オフを制御する。充電ドライバ５０はこのほか、公知のさまざまな回路を利用できる。
【００２６】
本実施の形態においてアンプ４０は、定電圧充電モードにおいて誤差増幅器として機能するとともに、電池電圧Ｖｂａｔが満充電電圧Ｖｆｕｌｌと一致した後、再充電開始のタイミングを検出するための再充電検出モードにおいて、電池電圧Ｖｂａｔを所定の再充電検出電圧Ｖｒｃｈと比較するコンパレータとして機能する。
【００２７】
ステートマシン６０は、定電圧充電モードにおいてハイレベル、再充電検出モードにおいてローレベルとなるイネーブル信号ＥＮを、アンプ４０および充電ドライバ５０へと出力する。充電ドライバ５０はイネーブル信号ＥＮがローレベルのとき、すなわち、アンプ４０がコンパレータとして機能する再充電検出モードの間、オフ状態となる。このときフィードバック経路が遮断され、アンプ４０の出力が再充電の検出信号Ｓ１０として利用される。
【００２８】
図２は、図１のアンプ４０の構成を示す回路図である。アンプ４０は、分圧回路４２、第１差動増幅器ＡＭＰ１、第２差動増幅器ＡＭＰ２を含む。分圧回路４２は、電池電圧Ｖｂａｔを分圧して、検出電圧Ｖｄｅｔを生成する。分圧回路４２の分圧比は、充電制御部３０のモードに応じて、２値で切りかえられる。具体的には、定電圧充電モードにおいて第１分圧比αに、再充電検出モードにおいて第２分圧比βに設定される。つまり検出電圧Ｖｄｅｔは、定電圧充電モードにおいてＶｄｅｔ＝α×Ｖｂａｔとなり、再充電検出モードにおいてＶｄｅｔ＝β×Ｖｂａｔとなる。
【００２９】
分圧回路４２は、電池電圧Ｖｂａｔが印加される端子４４と接地端子間に直列に設けられた第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２を含む。第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２の接続点の電圧が、検出電圧Ｖｄｅｔとして後段の第１差動増幅器ＡＭＰ１に出力される。第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２の少なくとも一方が、可変抵抗として構成される。図２では第２抵抗Ｒ２が可変抵抗であり、抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、スイッチＳＷ２０を含んで構成される。スイッチＳＷ２０は抵抗Ｒ２２と並列に設けられており、スイッチＳＷ２０がオンとなると抵抗Ｒ２２がバイパスされ、第２抵抗Ｒ２の実効的な抵抗値がＲ２１となり、スイッチＳＷ２０がオフすると、その実効的な抵抗値はＲ２１＋Ｒ２２となる。つまり、スイッチＳＷ２０のオン、オフに対応して第２抵抗Ｒ２の抵抗値が変化し、分圧回路４２の分圧比が切りかえられる。定電圧充電モードにおいてイネーブル信号ＥＮがハイレベルとなるとスイッチＳＷ２０はオンとなり、再充電検出モードにおいてイネーブル信号ＥＮがローレベルとなるとスイッチＳＷ２０はオフとなる。
【００３０】
図２の分圧回路４２を用いた場合、第１分圧比αは、α＝Ｒ２１／（Ｒ１＋Ｒ２１）で与えられ、第２分圧比βは、β＝（Ｒ２１＋Ｒ２２）／（Ｒ１＋Ｒ２１＋Ｒ２２）で与えられる。
【００３１】
第１差動増幅器ＡＭＰ１の一方の入力端子には検出電圧Ｖｄｅｔが入力され、他方の入力端子には所定の基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。基準電圧Ｖｒｅｆは図示しないバンドギャップリファレンス回路により生成される。第１差動増幅器ＡＭＰ１により生成される誤差電圧Ｖｅｒｒは差動信号であり、定電圧充電モードにおいて、フィードバックのために充電ドライバ５０に出力される。また、再充電検出モードにおいて、差動の誤差電圧Ｖｅｒｒは、電池電圧Ｖｂａｔと再充電検出電圧Ｖｒｃｈの比較結果として利用される。
【００３２】
図２の回路では、第１差動増幅器ＡＭＰ１の後段に第２差動増幅器ＡＭＰ２が設けられる。第２差動増幅器ＡＭＰ２はシングルエンドの出力を有しており、第１差動増幅器ＡＭＰ１から出力される差動の誤差電圧Ｖｅｒｒを受け、２つの信号の差を増幅し、ハイレベルまたはローレベルの検出信号Ｓ１０を生成する。検出信号Ｓ１０によって、検出電圧Ｖｄｅｔが基準電圧Ｖｒｅｆまで低下したことがステートマシン６０に通知される。ステートマシン６０は、検出電圧Ｖｄｅｔが基準電圧Ｖｒｅｆまで低下すると、再充電を開始するために、定電圧充電モードもしくは定電流充電モードに遷移する。
【００３３】
第２差動増幅器ＡＭＰ２はイネーブル端子を有しており、ステートマシン６０からのイネーブル信号ＥＮにもとづいて、オン、オフが制御される。第２差動増幅器ＡＭＰ２は、定電圧充電モードにおいてイネーブル信号ＥＮがハイレベルとなるとオフ状態となり、再充電検出モードにおいてイネーブル信号ＥＮがローレベルとなるとオン状態となる。第２差動増幅器ＡＭＰ２は、電池電圧Ｖｂａｔと再充電検出電圧Ｖｒｃｈとの比較により使用され、定電圧充電モード中は不要であるため、イネーブル機能を設けてシャットダウンすることにより消費電流を低減できる。
【００３４】
以上のように構成された充電制御部３０の動作を説明する。
ステートマシン６０は急速充電モード、定電流充電モードを経て、定電圧充電モードに遷移する。定電圧充電モードにおいてイネーブル信号ＥＮがハイレベルとなり、充電ドライバ５０がオン状態に設定されるとともに、アンプ４０の第２差動増幅器ＡＭＰ２がオフ状態に設定される。また分圧回路４２の分圧比はαに設定され、Ｖｄｅｔ＝Ｖｂａｔ×αとなる。第１差動増幅器ＡＭＰ１および充電ドライバ５０を含むループによって、Ｖｄｅｔ＝Ｖｒｅｆが成り立つように、すなわちＶｂａｔ＝Ｖｒｅｆ／αが成り立つようにフィードバックがかかる。
【００３５】
図示しない満充電検出回路によって満充電が検出されると、ステートマシン６０は再充電検出モードに遷移する。ステートマシン６０はイネーブル信号ＥＮをローレベルとし、充電ドライバ５０をオフ状態にしてフィードバックループを遮断するとともに、アンプ４０の第２差動増幅器ＡＭＰ２を動作状態とする。さらに分圧回路４２の分圧比はβに設定される。第１差動増幅器ＡＭＰ１からの差動誤差電圧Ｖｅｒｒは、検出電圧Ｖｄｅｔと基準電圧Ｖｒｅｆの大小関係に応じて定まる。第２差動増幅器ＡＭＰ２は、差動誤差電圧Ｖｅｒｒにもとづいて、検出電圧Ｖｄｅｔと基準電圧Ｖｒｅｆの大小関係を判定し、検出信号Ｓ１０を生成する。Ｖｄｅｔ＜Ｖｒｅｆとなると、すなわちＶｂａｔ＜Ｖｒｅｆ／βとなると、検出信号Ｓ１０がハイレベルとなって、ステートマシン６０は定電圧充電モードに遷移する。
【００３６】
本実施の形態に係る充電制御部３０の効果は、図３との対比によってより明確となる。図３の回路では誤差増幅器２とコンパレータＣＭＰ１それぞれに入力オフセット電圧が発生し、さらに各入力オフセット電圧は独立に相関無く発生する。したがって、満充電電圧Ｖｆｕｌｌと再充電検出電圧Ｖｒｃｈの大小関係が反転するおそれがある。満充電電圧Ｖｆｕｌｌと再充電検出電圧Ｖｒｃｈを高精度に設定するためには、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１側と、抵抗Ｒ１２、Ｒ１３側の両方にトリミング機構を設け、あるいは基準電圧Ｖｒｅｆとしきい値電圧Ｖｔｈを独立に調節する必要があるため、回路規模が増大し、またトリミングに関連する製造コストが増加するという問題があった。
【００３７】
これに対して実施の形態に係る充電制御部３０では、単一の第１差動増幅器ＡＭＰ１を利用しているため、回路面積を削減できる。また、定電圧充電時の誤差増幅および再充電検出時の電圧比較は、共通の入力オフセット電圧の影響を受けるため、満充電電圧Ｖｆｕｌｌと再充電検出電圧Ｖｒｃｈの大小関係には影響しにくいという利点がある。
【００３８】
また実施の形態の充電制御部３０では、共通の分圧回路４２を設けて分圧比を切りかえる。その結果、分圧回路４２内の抵抗値のばらつきは、満充電電圧Ｖｆｕｌｌと再充電検出電圧Ｖｒｃｈの両方に影響するため相関が保たれる。分圧回路４２にトリミング機構を設ける場合、トリミング処理が一度で済むためコストを削減できる。言い換えれば、満充電電圧Ｖｆｕｌｌがその目標値に近づくようにトリミングを行えば、自動的に再充電検出電圧Ｖｒｃｈをその目標値に近づけることができる。
【００３９】
上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４０】
実施の形態では、分圧回路４２の分圧比を切りかえる場合を説明したが、分圧比を一定として基準電圧Ｖｒｅｆを満充電電圧Ｖｆｕｌｌと再充電検出電圧Ｖｒｃｈに対応する２値で切りかえてもよい。この場合も、満充電電圧Ｖｆｕｌｌと再充電検出電圧Ｖｒｃｈの大小関係を保つことができる。
【００４１】
実施の形態ではアンプ４０を第１差動増幅器ＡＭＰ１、第２差動増幅器ＡＭＰ２の２つの増幅器で構成したが、本発明はこれに限定されない。第１差動増幅器ＡＭＰ１をシングルエンドの差動増幅器で構成した場合、第２差動増幅器ＡＭＰ２を省略できる。
【００４２】
実施の形態において各信号の論理レベルの設定は一例であり、適宜反転して回路構成を変更してもよい。
【００４３】
実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態に係る電源管理回路を備える電子機器の構成を示す回路図である。
【図２】図１のアンプの構成を示す回路図である。
【図３】実施の形態と対比される充電制御部の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００…電源管理回路、１０２…アダプタ端子、１０４…電池端子、１０５…検出端子、３０…充電制御部、３２…入力端子、４０…アンプ、４２…分圧回路、４４…端子、５０…充電ドライバ、６０…ステートマシン、６２…電源回路、１１０…電池、１１２…負荷、１１４…アダプタ端子、２００…電子機器、２１０…外部電源、Ｖｅｘｔ…外部電圧、Ｖｂａｔ…電池電圧、Ｒ１…第１抵抗、Ｒ２…第２抵抗、ＡＭＰ１…第１差動増幅器、ＡＭＰ２…第２差動増幅器。
【図１】
0005014933.tif 000002
【図２】
0005014933.tif 000003
【図３】
0005014933.tif 000004