(57)【要約】【課題】再充電可能な素子を有効に保護することができる手段を提供する。【解決手段】充電器および再充電リチウムイオン電池のような充電可能な素子とを併用するための保護回路は、充電可能な素子の両端間に並列に結合された閾値オン電圧を有する分路調整器と、充電器と充電可能な素子との間に直列に結合された温度依存抵抗器、例えば正温度係数装置とを備えている。温度依存抵抗器は、分路調整器に熱的および電気的に結合され、分路調整器を流れる電流がこの調整器のオーム加熱によりこの調整器の故障を生じるレベルよりも小さい所定のレベルに達する場合、第１の可変抵抗器は、この電流を制限する。【選択図】図５
2009183141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電可能な素子と併用するための保護システムであって、
前記充電可能な素子の過充電状態を検出する検出手段と、
前記検出手段に応じて、前記過充電状態が生じる場合、前記充電可能な素子を分路する分路手段と、
前記分路手段に応じて、前記分路手段が前記充電可能な素子を分路する場合、前記充電可能な素子に流れる電流を制限する保護手段とを備えていることを特徴とする保護システム。
【請求項２】
前記検出手段が、フォトカプラの送信素子および前記再充電可能な素子の最大動作電圧よりも大きくない閾値電圧を有する電圧依存抵抗性素子を含み、
前記分路手段が前記フォトカプラの受信素子を含み、かつ
充電動作中、電圧依存抵抗性素子に流れる電流が、前記再充電可能な素子の過充電を生じさせる所定のレベルに達する場合、前記送信素子が、付勢され、かつ前記受信素子に同様に前記保護手段を付勢し、前記再充電可能な素子に流れる電流を制限する前記充電可能な素子を分路させることを特徴とする請求項１の保護システム。
【請求項３】
前記保護手段がヒューズを含み、かつ前記電圧依存抵抗性素子がツェナーダイオードを含むことを特徴とする請求項２の保護システム。
【請求項４】
前記保護手段が正温度係数（ＰＴＣ）装置を含み、かつ前記電圧依存素子がツェナーダイオードを含むことを特徴とする請求項２の保護システム。
【請求項５】
前記検出手段が過電圧状態を検出する過電圧検出手段を含み、
前記分路手段が前記過電圧検出手段によって付勢可能な電力ＭＯＳＦＥＴトランジスタを含み、
前記過電圧検出手段が、前記再充電可能な素子が所定のレベルに達していることを検出する場合、充電動作中、前記過電圧検出手段が、前記電力ＭＯＳＦＥＴトランジスタを付勢し、前記再充電可能な素子を分路し、それによって前記再充電可能な素子に流れる電流を制限する前記保護手段を付勢することを特徴とする請求項１の保護システム。
【請求項６】
前記検出手段が過電圧状態を検出する過電圧検出手段を含み、
前記分路手段が、前記過電圧検出手段によって付勢できるサイリスタを含み、
前記保護手段が、充電器と前記再充電可能な素子との間に接続されたヒューズを含み、
前記過電圧検出手段が、前記再充電可能な素子が所定のレベルに達していることを検出する場合、充電動作中、前記過電圧検出手段が、前記サイリスタを付勢し、前記再充電可能な素子を分路し、それによって前記充電器を前記再充電可能な素子から切り離すように前記ヒューズを切断させることを特徴とする請求項１の保護システム。
【請求項７】
前記保護手段が、前記サイリスタと前記再充電可能な素子との間に接続された第２のヒューズをさらに含むことを特徴とする請求項６の保護システム。
【請求項８】
前記ヒューズの各々が、切れる前に前記再充電可能な素子を分路する際に所定の遅延を有することを特徴とする請求項６の保護システム。
【請求項９】
充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路であって、
前記充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する分路調整器を備え、前記分路調整器が、
閾値オン電圧を有するトランジスタスイッチと、
前記充電可能な素子の両端間の電圧が前記閾値オン電圧に達する場合、前記トランジスタスイッチを付勢するように構成される制御回路とを含み、前記制御回路が、第１および第２の電圧検出回路を含み、前記第１の電圧検出回路が比較的低い漏れであり、かつ前記第２の電圧検出回路が比較的正確であり、前記充電可能な素子の両端間の電圧が前記閾値オン電圧に近い場合、前記第１の電圧検出回路が前記第２の電圧検出回路を付勢するように構成され、かつ前記充電可能な素子の両端間の電圧が前記閾値オン電圧に達する場合、前記第２の電圧検出回路が前記トランジスタスイッチを付勢するように構成されることを特徴とする保護回路。
【請求項１０】
充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路であって、
前記充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する分路調整器を備え、前記分路調整器が、
閾値オン電圧を有するトランジスタスイッチと、
前記充電可能な素子の両端間の電圧が前記閾値オン電圧に達する場合、前記トランジスタスイッチを付勢するように構成される制御回路とを含み、前記制御回路が、前記トランジスタスイッチの付勢ゲートに結合された出力を有する演算増幅器と、前記演算増幅器出力に結合された電圧クランプ素子とを含み、前記クランプ素子が前記付勢ゲート電圧を有効にクランプすることを特徴とする保護回路。
【請求項１１】
充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路であって、
前記充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する分路調整器を備え、前記分路調整器が、
熱補償電圧特性を有するトランジスタスイッチを含むことを特徴とする保護回路。
【請求項１２】
充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路であって、
前記充電可能な素子の両端間に並列に結合するための第１および第２の端子を有する過電圧分路調整器を備え、前記分路調整器が、前記充電可能な素子の選択最大作動電圧に近い閾値オン電圧を有する第１のトランジスタと、
前記充電器および前記充電可能な素子間に直列に結合するために構成された第１および第２の端子を有する不足電圧保護回路とを含み、前記不足電圧保護回路が、前記充電可能な素子の選択最少作動電圧に近い閾値オン電圧を有する第２のトランジスタスイッチを含むことを特徴とする保護回路。
【請求項１３】
充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路であって、
前記充電可能な素子の両端間に並列に結合するための第１および第２の端子を有する過電圧分路調整器を備え、前記分路調整器が、前記充電可能な素子の選択最大作動電圧に近い閾値オン電圧を有するＭＯＳＦＥＴスイッチと、比較的高い抵抗の逆電流本体ダイオードとを含むことを特徴とする保護回路。
【請求項１４】
充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路であって、
前記充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有し、閾値オン電圧を有する分路調整器と、
前記分路調整器に熱的および電気的に結合された第１の可変抵抗器とを備え、前記第１の可変抵抗器が、前記充電器に直列に結合する第１の端子および前記充電可能な素子に直列に結合する第２の端子とを有し、
電流が前記分路調整器を故障させるのに十分なレベルに達する前に過電圧あるいは過電流状態中前記第１の可変抵抗器が前記分路調整器を流れる電流を制限することを特徴とする保護回路。
【請求項１５】
保護回路および充電可能な素子の組合せにおいて、
前記充電可能な素子に並列に結合された電圧調整器であって、前記電圧調整器が閾値オン電圧を有することと、
前記充電可能な素子に直列に結合された可変抵抗器とを備え、
前記可変抵抗器が、前記電流が前記電圧調整器を故障させるのに十分なレベルに達する前に過電圧あるいは過電流状態中前記電圧調整器を流れる電流を制限することを特徴とする組合せ。
【請求項１６】
充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路であって、
前記充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する分路調整器であって、前記分路調整器が閾値オン電圧を有することと、
前記分路調整器に熱的および電気的に結合され、前記充電器に直列に結合するための第１の端子および前記充電可能な素子に直列に結合するための第２の端子を有する第１の正温度係数（ＰＴＣ）装置と、
前記分路調整器と直列に結合された第２のＰＴＣ装置とを備え、
前記第１のＰＴＣ装置が、第１の遷移温度に加熱される場合、比較的低い抵抗から比較的高い抵抗に切り換え、
前記第２のＰＴＣ装置が、第１の遷移温度よりも高い第２の遷移温度に加熱される場合、比較的低い抵抗から比較的高い抵抗に切り換えることを特徴とする保護回路。
【請求項１７】
保護回路および電池の組合せにおいて、前記電池が正端子および負端子を有し、前記保護回路が、
トランジスタスイッチがオンである場合、前記電池が負荷を通して放電するように前記電池と直列に結合されるトランジスタスイッチと、
前記トランジスタスイッチに熱的結合され、かつ第１および第２の端子を有する温度依存抵抗器であって、前記第１の端子が正電池端子に結合されることと、
前記温度依存抵抗器の前記第２の端子に結合された第１の端子と、前記負電池端子に結合された第２の端子とを有する固定抵抗器とを備え、それぞれの温度依存抵抗器および固定抵抗器が、それによって互いに直列におよび前記電池と並列に結合され、
前記トランジスタスイッチが、前記温度依存抵抗器の前記第２の端子および前記固定抵抗器の第１の端子に分圧器構成で結合された付勢ゲートを有することを特徴とする組合せ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願データ）
本出願は、１９９８年４月１５日に出願された出願第０９／０６０，８６３号の一部継続およびこれによって教示および開示する全てに対して参照によって完全に組み込まれる１９９９年３月２５日に出願された仮出願第６０／１２６，９５２号の一部継続である。
【０００２】
本発明は、一般的に過電圧保護システムおよび過電流保護システムに、より詳細には再充電可能電池のような再充電可能な素子を過電圧あるいは過電流状態から保護する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
再充電可能な電池パックのような再充電可能な素子を保護する電気回路は周知である。しかしながら、このような再充電可能な素子、特に、再充電可能なリチウム電池は、作動電圧が安全限度を超える場合、危険であり得る。
【０００４】
例えば、図１は、充電の最大安全レベルを超える充電を保持することを可能にされた共通リチウム電池パック（例えば、無線電話器のために使用される）のための典型的な充電曲線、すなわち電池の両端間の電圧対時間を示す。図１に示されるように、この曲線は３つの一般的な領域に分割されてもよい。
【０００５】
第１の領域は、電圧Ｖが４．５ボルトよりも小さい領域によって示されている。この領域では、電池は安全レベルに充電する。電池の温度は、６０℃〜７０℃以下にあり、電池内部の圧力は３バール以下にある。
【０００６】
第２の領域は、電圧が４．５ボルト〜５．３ボルトである領域によって示される。充電がこの領域にある場合、電池は、危険モードで作動し始める。この温度は、７０℃以上に上昇し、電池内部の圧力は３バール〜１０バールの範囲に上昇する。このわずかに増加された電圧レベルでさえ、電池は爆発さえするかもしれない。
【０００７】
第３の領域は、電圧が５．３ボルトを超える領域によって示される。この段階で、内部劣化を受け、爆発あるいは燃焼するかもしれない電池を救うにはあまり遅い。特に、“完全充電”状態の電池は、より危険であり、放電状態の電池よりも爆発に受けやすい。
【０００８】
特に、リチウム電池が充電動作中電池の作動モードで作動することを保証するために、次の３つの条件の少なくとも１つが満たさなければならない：１）温度＜６０℃、２）圧力＜３バール、あるいは３）電圧＜４．５ボルト。
【０００９】
この目的の方へ、再充電可能なリチウムイオン電池パックには、過剰電圧あるいは電流に対してさらされている状態からの保護を行うように電池と直列の“スマート”電子回路が装備されている。このようなスマート保護回路は、電池パックの過充電によって引き起こされた不足電圧状態からも守ることができる。
【００１０】
例として、再充電可能なリチウム電池パックのための従来の“スマート”保護回路２１は図２に示されている。特に、第１および第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ２０および２２は、１つあるいはそれ以上の電池２４と直列に置かれる。ＭＯＳＦＥＴスイッチ２０および２２は、電池２４の両端間の電圧および電流を監視する制御回路２６によってスイッチオンあるいはオフされる。通常動作では、ＭＯＳＦＥＴスイッチ２０および２２は、電流が電池２４の充電あるいは放電のためにどちらかの方向に流れることができるように制御回路２６によってスイッチ“オン”される。しかしながら、電池２４の両端間電圧あるいは電流のいずれかはそれぞれの閾値レベルを超える場合、制御回路２６は、ＭＯＳＦＥＴ２０および２２をスイッチオフし、それによって回路２１を開く。制御回路２６は、充電源２８の両端間の電圧レベルおよび電流レベルも監視し、何時それぞれのＭＯＳＦＥＴ２０および２２をオンにスイッチバックすることが安全であるかを決定する。
【００１１】
当業者によって理解されているように、スマート保護回路２１は、従来の電池パックの全費用に関して実現するのに比較的複雑であり、高価である。さらに、ＭＯＳＦＥＴ２０および２２の両端間の直列抵抗は、比較的高く、それによって充電源２８および電池２４の両方の効率を減少させる。特に、ＭＯＳＦＥＴ２０および２２の両方は、この回路が開いている場合、すなわち保護回路２１の複雑さ、コストおよび全直列抵抗を増加させる反対方向にバイアスされたそれぞれの本体ダイオード２３および２５を介して電流がどちらかの方向に流れることを防止するために必要とされる。さらに、ＭＯＳＦＥＴ２０および２２は、突然の高電圧（あるいは不適切な高電圧充電器の使用）にさらされている状態である場合に故障にさらされているために、例えば、各電池と直列に使用される正温度係数（“ＰＴＣ”）再設定可能ヒューズのような電池２４の二次保護がなお必要とされる。
【００１２】
背景情報によって、抵抗効果の正温度係数を示す装置は、周知であり、セラミック材料、例えば、チタン酸バリウムあるいは導電ポリマー組成に基づいてもよい。このような導電ポリマー組成は、ポリマー成分およびその中に分散された粒状導電充填剤を含む。低温で、組成は比較的低い固有抵抗を有する。しかしながら、組成が、例えば高電流状態からオーム加熱のために高温にさらされる場合、組成の固有抵抗は、しばしば数オーダーの大きさだけ増加させるかあるいは“スイッチ”する。低固有抵抗から高固有抵抗へのこの遷移は生じる温度は、スイッチング温度Ｔｓと呼ばれる。この装置がこの装置のスイッチング温度Ｔｓ以下に冷める場合、この装置は低固有抵抗に戻る。したがって、直列限流器として使用される場合、ＰＴＣ装置は、そのスイッチング温度に加熱される場合に高固有抵抗に“トリップ”し、それによってこの回路を流れる電流を減少させ、次にＴｓ以下に冷める場合低固有抵抗に自動的に“リセット”し、それによって過電流状態が治められた後この回路を流れる全電流を回復する点で“再設定可能”と呼ばれる。
【００１３】
この用途では、用語“ＰＴＣ”は、少なくとも２．５の値のＲ１４および／または少なくとも１０の値のＲ１００を有する組成を示すために使用され、この組成は少なくとも６の値のＲ３０を有するべきであることが好ましい、ここで、Ｒ１４は、１４℃範囲の終わりおよび開始の固有抵抗の比、Ｒ１００は、１００℃範囲の終わりおよび始めの固有抵抗の比、Ｒ３０は、３０℃範囲の終わりおよび始めの固有抵抗の比である。通常、本発明の装置で使用され、これらの最少値よりも非常に大きい組成は固有抵抗の増加を示す。
【００１４】
適当な導電ポリマー組成は、特許文献１（van Konynenburgら）、特許文献２（Foutsら）、特許文献３（Auら）、特許文献４（Deepら）、特許文献５（van Konynenburgら）、特許文献６（Evansら)、特許文献７（Baigrieら）、特許文献８（Chandlerら）、特許文献９（Chuら）、特許文献１０（Chuら）、特許文献１１（Chandlerら）、および特許文献１２（Wartenbergら）および同時係属米国特許出願第０８／７９８，８８７号（１９９７年２月１０日出願されたTothら）に開示されている。これらの特許および出願の各々の開示は、開示する全てを参照してここに組み込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第４，２３７，４４１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，５４５，９２６号明細書
【特許文献３】米国特許第４，７２４，４１７号明細書
【特許文献４】米国特許第４，７７４，０２４号明細書
【特許文献５】米国特許第４，９３５，１５６号明細書
【特許文献６】米国特許第５，０４９，８５０号明細書
【特許文献７】米国特許第５，２５０，２２８号明細書
【特許文献８】米国特許第５，３７８，４０７号明細書
【特許文献９】米国特許第５，４５１，９１９号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，５８２，７７０号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，７０１，２８５号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，７４７，１４７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図３Ａを参照すると、クローバー型保護回路３１も周知である。特に、スイッチ素子３０は電池２４の両端間に並列に置かれている。このスイッチ３０は、電池２４の両端間の電圧および電流を監視する制御回路２６によって開閉される。通常動作では、スイッチ３０は開いたままである。しかしながら、電池２４の両端間の電圧あるいは電流のいずれかがそれぞれの閾値を超える場合、制御回路３６は、スイッチ３０を閉じ、それによって電池２４の両端間の回路を短絡する。
【００１７】
図３Ｂは、スイッチ素子が閉じられる場合、スイッチ素子３０を通る電流対電圧曲線３５を示している。特に、電流は、特定の電力サージの特性および持続時間に応じて迅速に比較的高レベルに達する。この目的のために、第１の過電流素子３２は、スイッチ素子３０が充電素子２８からの連続電流から保護するのに役立つようにスイッチ素子３０と充電素子２８との間に備えられてもよい。同様に、第２の過電流素子３４は、電池２４を保護するためにスイッチ素子３０と電池２４との間に備えられてもよい。しかしながら、過電流素子３２および３４の結合された直列抵抗は電池パスの両端間で望ましくない。
【００１８】
図４Ａは、代替の過電圧保護クランプ回路４１を示す。特に、ツェナーダイオードのような電圧クランプ素子４０は、電池２４と並列にスイッチ素子３０の代わりに使用される。過電圧状態では、クランプ素子４０は電池２４の両端間の電圧を制限する。
【００１９】
図４Ｂは、クランプ回路４１のための電流対電圧曲線４５を示す。クローバー回路３１の場合のように、クランプ４０を通る電流は、特定の電圧スパイクの特性および持続時間に応じて比較的高レベルに迅速に達することができる。さらに、限流素子（図４に図示せず）の配置は、クランプ４０および／または電池２４を過剰電流から保護できる。特に、クランプ素子４０は、例えば、ツェナーダイオードの場合のように比較的高い電流漏れを有し、電池２４にこの電池の電荷を時間にわたって失わせる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
（発明の開示）
ここに開示された１つの態様によれば、充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路は、充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する分路調整器を含み、この分路調整器は閾値オン電圧を有する。温度依存抵抗器は、分路調整器に熱的および電気的に結合され、この抵抗器は、充電器に直列に結合する第１の端子および充電可能な素子に直列に結合する第２の端子を有する。
【００２１】
好ましい実施例では、抵抗器は、所定の遷移温度に加熱される場合、比較的低抵抗から比較的高抵抗へ切り換える正温度係数装置である。この装置の遷移温度は、過電圧状態で分路調整器を流れる電流が装置を分路調整器の故障以前の遷移温度に加熱するのに十分なオーム熱発生を分路調整器に生じるように選択される。
【００２２】
ここに開示された本発明の他の態様によれば、充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路の分路調整器トランジスタスイッチを制御する制御回路は、第１および第２の電圧検出回路を含んでいる。第１の電圧検出回路は、比較的低い漏れであり、充電可能な素子の両端間の電圧がトランジスタスイッチの閾値オン電圧に近い場合、第２の電圧検出回路を付勢するように構成される。第２の電圧検出回路は、比較的正確で、充電可能な素子の両端間の電圧が閾値オン電圧に近い場合、トランジスタスイッチを付勢するように構成される。
【００２３】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路の分路調整器トランジスタスイッチを制御する制御回路は、トランジスタスイッチの付勢ゲートに結合された出力を有する演算増幅器と、演算増幅器出力に結合された電圧クランプ素子とを含み、クランプ素子は付勢ゲート電圧を有効にクランプする。
【００２４】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、充電可能な素子を過充電から保護する分路調整器は、熱補償電圧特性を有するトランジスタスイッチを含む。
【００２５】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路は、充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する過電圧分路調整器と、充電器と充電可能な素子との間に直列に結合するために構成された第１および第２の端子を有する不足電圧保護回路とを含んでいる。好ましい実施例では、過電圧分路調整器は、充電可能な素子の選択最大動作電圧に近い閾値オン電圧を有する第１のトランジスタスイッチを含む。不足電圧保護回路は、充電可能な素子の選択最小動作電圧に近い閾値オン電圧を有する第２のトランジスタスイッチを含む。
【００２６】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路は、充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する過電圧分路調整器を含み、分路調整器は、充電可能な要素の選択最大作動電圧に近い閾値オン電圧を有するＭＯＳＦＥＴスイッチスイッチと、比較的高い抵抗の逆電流本体ダイオードとを含む。
【００２７】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路は、充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する過電圧分路調整器を含み、分路調整器は、電流が正バイアスされる場合順方向に、あるいは負バイアスされる場合逆方向に流れてもよいチャネルを有するトランジスタスイッチを含む。特に、トランジスタスイッチは、順方向に流れる電流が比較的低い抵抗に立ち向かい、逆方向に流れる電流が比較的高い抵抗に立ち向かうように構成される。
【００２８】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、充電器および充電可能な素子と併用するための保護回路は、充電可能な素子の両端間に並列に結合する第１および第２の端子を有する過電圧分路調整器を含み、この分路調整器は、閾値オン電圧を有する。第１の正温度係数（ＰＴＣ）装置は、分路調整器に熱的および電気的に結合され、この第１のＰＴＣ装置は、充電器に直列に結合する第１の端子および充電可能な素子に直列に結合する第２の端子を有する。第２のＰＴＣ装置は、分路調整器と直列に結合され、第１のＰＴＣ装置の遷移温度は第２のＰＴＣ装置の遷移温度よりも低い。
【００２９】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、保護回路が、正端子および負端子を有する電池と組合わせて備えられ、この保護回路は、トランジスタスイッチがオンである場合に電池が負荷を通して放電されるように電池と直列に結合されるトランジスタスイッチを含む。温度依存抵抗器はトランジスタスイッチに熱的に結合され、この温度依存抵抗器は、正電池端子に結合された第１の端子を有する。温度依存抵抗器の第２の端子に結合された第１の端子および負電池端子に結合された第２の端子を有する固定抵抗器は、それぞれの温度依存抵抗器および固定抵抗器が互いに直列におよび電池と並列に結合されるように備えられる。トランジスタスイッチは、分圧器構成で温度依存抵抗器の第２の端子および固定抵抗器の第１の端子に結合された付勢ゲートを有する。
【００３０】
好ましい実施例では、温度依存抵抗器は、電池の過電圧状態では、トランジスタスイッチを流れる電流がトランジスタスイッチのケーシング故障の前に温度依存抵抗器を遷移温度に加熱するのに十分なオーム熱を発生するように選択された遷移温度で比較的低い抵抗から比較的高い抵抗へ切り換える。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】典型的な再充電可能なリチウム電池の充電曲線を示す。
【図２】再充電可能な電池パックと直列に一対のトランジスタ素子を使用する“スマート”過電圧保護回路の概略図である。
【図３Ａ】再充電可能な電池パックと並列に電圧制御短絡回路スイッチを使用する“クローバー”保護回路の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａのクローバー回路の電流対電圧関係を示す。
【図４Ａ】再充電可能な電池パックと並列にツェナーダイオード電圧クランプを使用する電圧クランプ回路の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａのクランプ回路の電流対電圧関係を示す。
【図５】本発明の一態様による好ましい二次保護回路の簡略ブロック図および回路図である。
【図６】本発明の一態様による好ましい二次保護回路の簡略ブロック図および回路図である。
【図７】本発明の一態様による好ましい二次保護回路の簡略ブロック図および回路図である。
【図８】本発明の一態様による好ましい二次保護回路の簡略ブロック図および回路図である。
【図９】本発明の一態様による好ましい二次保護回路の簡略ブロック図および回路図である。
【図１０】本発明の一態様による好ましい二次保護回路の簡略ブロック図および回路図である。
【図１１】再充電可能な充電パックと直列にＰＴＣ装置および並列に電圧調整器を含む本発明の他の実施例による他の好ましい過電圧、過電流一次保護回路の簡略ブロック図である。
【図１２】調整器に熱的に結合されたＰＴＣ装置を有する図１１の保護回路の概略図である。
【図１３】図１１および図１２の保護回路の好ましい変形の概略図である。
【図１４】本発明の他の態様による保護回路の好ましい電流‐電圧関係を示す。
【図１５】本発明の他の態様による保護回路の好ましい電流‐電圧関係を示す。
【図１６】本発明の他の態様による保護回路の好ましい電流‐電圧関係を示す。
【図１７】好ましい保護回路のための好ましい熱補償電圧特性を示す。
【図１８】図１２から図１３の保護回路の熱モデル回路図である。
【図１９】過電圧状態中図１２〜図１３の回路のそれぞれの調整器およびＰＴＣ装置を通して消費される電力を示す。
【図２０】再充電可能な電池パックとともに使用された好ましい過電圧、過電流保護回路の概略図である。
【図２１】図２０の保護回路の代替の好ましい実施例である。
【図２２】図２０の回路の簡略ブロック図である。
【図２３】低漏れ付勢回路を使用する図２０の回路の他の代替の好ましい実施例の簡略ブロック図である。
【図２４】本発明のさらにもう一つの態様による過電圧保護回路および過電流保護回路の両方を含む他の好ましい保護回路の概略図である。
【図２５】図２０の調整器ＭＯＳＦＥＴ素子の本体ダイオードを示す概略図である。
【図２６】図２５のＭＯＳＦＥＴの本体ダイオードと直列に抵抗の付加を示す概略図である。
【図２７】図２６の保護回路の付加直列抵抗を有する分路調整器として使用するための好ましいＭＯＳＦＥＴの断面図である。
【図２８】本発明のさらにもう一つの態様による逆電池放電を防止する際に使用するための代替の好ましい半導体装置を示す。
【図２９】逆電池放電を防止する際に使用するための他の代替の好ましい半導体装置を示す。
【図３０】図２８および図２９の装置のための好ましい電流‐電圧曲線を示す。
【図３１】他の好ましい過電圧保護回路の簡略概略図である。
【図３２】図３１の回路の電流‐電圧関係を示す。
【図３３】図３１の回路の電流‐電圧関係を示す。
【図３４】さらにもう一つの好ましい過電圧保護回路の簡略概略図である。
【図３５】図３４の回路の電流‐電圧関係を示す。
【図３６】さらにもう一つの好ましい過電圧保護回路の簡略概略図である。
【図３７】図３６の電流‐電圧関係を示す。
【図３８】図３６の電流‐電圧関係を示す。
【図３９】好ましい３つの端子保護回路の簡略概略図である。
【図４０】図３９の３つの端子保護装置の他の実施例の簡略概略図である。
【図４１】図３９の３つの端子保護装置の他の実施例の簡略概略図である。
【図４２】図３９の３つの端子保護装置の他の実施例の簡略概略図である。
【図４３】電池の過放電を防止する従来の過放電保護回路の簡略概略図である。
【図４４】本発明のさらにもう一つの態様による好ましい過放電保護回路の簡略概略図である。
【図４５】調整器の内部を示すために一部が切り取られたＰＴＣチップに熱的におよび電気的に結合されたＭＯＳＦＥＴを含む好ましい３端子保護装置の側面図である。
【図４６】図５の装置のそれぞれの最上部側および最下部側の透視図である。
【図４７】図５の装置のそれぞれの最上部側および最下部側の透視図である。
【図４８】図４５の装置の組み立て中複数のＰＴＣ装置に切断するために断面化されたＰＴＣ材料のシートの透視図である。
【図４９】図５の３端子装置のための射出成形されたハウジングの製造の際に使用するための好ましいリードフレームの透視図である。
【図５０】図４９のリードフレーム上に形成された複数の成形ハウジングの透視図である。
【図５１】カバーなしの図４０から図５０に示された工程により形成されたハウジングに設置された図４５の３端子装置の透視図である。
【図５２】カバ付きの図４０から図５０に示された工程により形成されたハウジングに設置された図４５の３端子装置の透視図である。
【図５３】図４５の装置の３端子装置のための射出成形されたハウジングの製造の際に使用するための第１の他の好ましいリードフレームの透視図である。
【図５４】図５３のリードフレーム上に形成された複数の成形されたハウジングの透視図である。
【図５５】図４５の装置の３端子装置のための射出成形されたハウジングの製造の際に使用するための第２の好ましいリードフレームの透視図である。
【図５６】図５４あるいは図５５に示された工程による形成されたハウジングに設置された図４５の３端子装置の透視図である。
【図５７】図４５の好ましい３端子保護装置の他の実施例の側面図である。
【図５８】図５７の装置の最下部側の透視図である。
【図５９】他の好ましい３端子保護回路を再充電可能な電池パックに取り付ける開口で構成された可撓性プリント回路板（“ｐｃ板”）の一部の立面透視図である。
【図６０】開口を通してｐｃ板の下側に固定されたＰＴＣ装置に取り付けられたＭＯＳＦＥＴ調整器装置を示す可撓性ｐｃ板の立面透視図である。
【図６１】図５９のｐｃ板の下側の立面透視図である。
【図６２】図６１のｐｃ板の一部が切り取られた側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
当業者に明らかであるように、本発明の他の態様および長所は以下に明らかになる。
【００３３】
ここに教示された本発明の好ましい実施例は、異なる実施例の同じ素子は、例示を容易にするために同じ参照番号で示される添付図面の図において、例として示され、限定して示されていない。
【００３４】
ここに開示された本発明の第１の態様によれば、充電動作中、危険な動作モードに過充電される再充電可能な電池を保護する保護システムが装備される。図５〜図１０の実施例の保護システムは、バックアップシステムとして使用されてもよく、通常、電池の充電を監視するスマート電力回路とともに使用される。一般的には、この保護システムは、電池そのものに組み込むことができるかあるいはパックエレクトロニクスの一部としてあるいは充電器の一部として使用できる。
【００３５】
図５〜図７は、本発明のこの態様による基本回路実施例を示す。図５では、例えば、４．５ボルトの最大作動電圧を有するリチウム電池のような再充電可能な電池１は、並列回路を形成する４．１ボルトツェナーダイオード２のような電圧依存抵抗性素子に並列に結合される。並列回路は、ＰＴＣ装置、熱ヒューズあるいはバイメタルブレーカのような保護素子３と直列に結合される。保護素子３は、保護素子３の付勢を加速するためにツェナーダイオード２に熱的に結合されるのが好ましい。充電器５およびスマート回路６の並列回路は、電池１およびツェナーダイオード２の並列組合せと直列に接続される。充電器５は電源（図示せず）にも接続される。本実施例では、保護素子３は電池１およびツェナーダイオード２の並列回路と直列に接続されるので、故障電流の全量は、保護素子３に流れ、したがって保護素子はより速く付勢される。
【００３６】
図６および図７は、付加保護素子４の使用を含む図５の実施例の変形を示す。
【００３７】
上記の実施例では、ツェナーダイオード２の電力消費は１〜４ワットの大きな値であるので、電力消費は保護素子３の有効な熱的支援のトリッピングを生じ得る。保護素子３およびツェナーダイオード２は熱結合を改善するためにハイブリット化されてもよい。
【００３８】
定電流ＤＣ充電器５（一般にケースである）が使用される場合、電流は、電池の低内部抵抗のために電池１を充電し始める。スマート回路が動作できない場合、電池電圧が４．３ボルトに達するや否や、小さい電流は電圧を４．３ボルトに保持するツェナーダイオード２に方向転換される。充電電流がより高くなる場合、ツェナーダイオード２の差動抵抗は、電池１にわたって４．３ボルトの定電圧を保持するために段々多くの電流を受け入れることによって減少する。この場合、ツェナーダイオード２は、暴走モードにあり、ツェナーダイオードは加熱される。ツェナーダイオードによって消費される熱は、保護素子トリップをより速くするので、電池１を危険な作動モードに過充電することを避ける。
【００３９】
定電圧充電器が電源５として使用される場合、図５〜図７は上記のように同様に作動する。
【００４０】
図８は、フォトカプラ７が使用される本発明の他の実施例を示している。フォトカプラ７は、フォトトランジスタ８のような受信素子およびＬＥＤ（発光ダイオード）９のような送信素子を含む。図８に示されるように、再充電可能な電池１は、第１の並列回路を形成するために例えば３ボルトの定格を有するツェナーダイオード２およびＬＥＤ７の直列結合に並列に結合される。ヒューズ、ＰＴＣ装置あるいはＰＴＣ装置あるいはバイメタルブレーカのような保護素子３は、第１の並列回路と直列に結合される。フォトトランジスタ８は、第２の並列回路を形成するために保護素子３および第１の並列回路の結合と並列に結合される。充電器５およびスマート回路６の並列回路は、第２の並列回路と並列に結合される。充電器５は電源（図示せず）にも接続される。
【００４１】
図８の実施例は、前述のような原理と同様な原理により作動する。通常の状態の下で、ツェナーダイオード２の電流はＬＥＤ９を照らすのに十分でない。しかしながら、故障が生じる場合、例えば、高圧充電器が使用される場合、ツェナーダイオード２の電流は、増加し、したがって順に電池１を分路するフォトカプラ７を付勢する。
【００４２】
図９は、さらにもう一つの好ましい実施例保護回路を示す。本実施例では、再充電可能な電池１は、過電圧検出装置、すなわちテルコムセミコンダクタ社によって製造されたモデルナンバーＴＣ５４ＶＮ（例えばパッケージＳＯＴ２３Ｂ‐３あるいはＳＯＴ８９‐３）のような過充電検出装置１０と並列に結合される。電池１および検出装置１０の並列回路は、ヒューズ、熱ヒューズあるいはＰＴＣ装置であってもよい保護素子１１と並列に結合される。電池１、検出装置１０および保護素子１１の結合は、モトローラのＭＴＤ３０５５ＥＬ（ＶＬ）、ケース３６９Ａ‐１０のような電力ＭＯＳＦＥＴトランジスタ１２と並列に結合される。スマート回路６および充電器５の並列回路は電池１に並列に結合される。充電器５は電源（図示せず）にも接続される。
【００４３】
ＭＯＳＦＥＴ１２は、抵抗器１３によってバイアスされ、トランジスタ１４を介して検出装置１０によって駆動される。検出装置１０は、基準ツェナーダイオード１６に電流を供給する定電流発生器１５を含む。ツェナーダイオード１６の電圧は、比較器として抵抗器１８および１９に接続された演算増幅器１７を使用して電池電圧と比較される。電池電圧が４．５ボルトに達する場合、比較器１７は、トランジスタ１４をターンオフし、次にＭＯＳＦＥＴ１２をターンオンする正電圧を出力する。これによって電池１は分路される。したがって、高電流は保護素子１１に流れる。ヒューズ（例えば、ファネルによるＡＶＸ‐Ｋｙｏｃｅｒａ）が保護素子１１として使用される場合、ヒューズは、切れ、電池１を切り離すので、電池が爆発するのを防止する。ＰＴＣ装置がヒューズの代わりに保護素子１１として使用される場合、ＰＴＣは、トリップし、高電流を低漏れ電流に減らすので、電池が爆発することを防止する。
【００４４】
通常状態の下では、スマート回路６が適切に機能する場合、電池電圧はツェナーダイオード１６の電圧以下である。したがって、比較器１７は、トランジスタ１４をターンオンし、電力ＭＯＳＦＥＴ１２をそのオフ状態にさせる負電圧を出力する。
【００４５】
図９の実施例では、定電流充電器は危険なしで使用されてもよい。電池１の最大充電電流が２Ｃ（ここで、Ｃはメーカによって指定された電流容量である）であると仮定すると、充電電流が２Ｃを超える場合、ヒューズは切れ、電池１を充電器５から切り離す。しかしながら、充電電流が２Ｃ内にあるが充電電圧が４．５ボルトよりも高い場合、検出装置１０は、故障を検出し、電池１を分路し、ヒューズを切る。
【００４６】
定電圧充電器は、図９の実施例においても危険なしに使用されてもよい。充電器５の電圧が非常に高く、２Ｃよりも高い充電電流が誘起される場合、ヒューズは、切れ、電池が爆発することを防止する。一方、充電電流が２Ｃよりも小さいが電池の両端間の電圧が充電器５の高圧のために４．５ボルトよりも大きい場合、過電圧検出装置１０は、電池を分路し、ヒューズを切ることによってこの装置の役割を演じる。ＰＴＣ装置がヒューズの代わりに使用される場合、ＰＴＣ装置は、トリップするので、電池を保護する。
【００４７】
図９の実施例では、全構成要素（すなわち、保護素子、過充電検出装置、抵抗器および電力ＭＯＳＦＥＴは、好ましくは表面取り付け装置（ＳＭＤ）である。
【００４８】
図１０を参照すると、さらにもう一つの好ましい実施例では、リチウムイオン電池のような再充電可能な電池１は、テルコムセミコンダクタ社によるモデルナンバーＴＣ５４ＶＣのような代替の過充電検出装置２７と並列に結合される。検出装置２７は、定電流発生器１５と、ツェナーダイオード１６と、抵抗器１８および１９と、演算増幅器１７と、ｐ形電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ１と、ｎ形ＦＥＴＱ２とを含む。電池１および検出装置２７の並列回路は、第１の保護素子９９の直列に結合される。検出装置２７の出力は、抵抗器Ｒ１を介してサイリスタ（ＳＣＲ）４３を対して制御を行う。第２の保護素子９８は、第１の保護素子９９、サイリスタ４３、検出装置２７および電池１の並列回路と直列に接続される。充電器５は全回路に接続されるべきである。充電器５は電源（図示せず）にも接続される。好ましい実施例では、２つの保護素子９９および９８の各々は、リトルヒューズ社から市販されているＳＭＤシロビロヒューズ２Ａのような遅延機能を有するヒューズであってもよい。
【００４９】
このようなヒューズは、一般的には切れる前に高電流の発生の際に約２０ｍｓの遅延を有する。高電流がこの時間持続期間内に見えなくなる場合、ヒューズは切れない。さらに、Ｒ１は、２２ｋΩの抵抗値を有するＳＭＤ抵抗器であってもよい。サイリスタ４３の例は、ＳＴマイクロエレクトロニクス（フランス）から市販されているＳＴ１２２０‐６００Ｂサイリスタであってもよい。通常状態の下では、充電器５は、４．３Ｖの調整電圧を供給し、２アンペアの電流を保護素子９９および９８を介して電池１に供給する。検出電圧Ｖｄは、比較器として演算増幅器１７を使用して基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。この場合、検出電圧Ｖｄは基準電圧Ｖｒｅｆ以下である。したがって、比較器１７は、トランジスタＱ２をターンオンする正電圧を出力すると同時にトランジスタＱ１をオフのままにする。抵抗器Ｒ１を流れる電流は全然ないので、サイリスタ４３は付勢されなく、通常充電動作が実行される。
【００５０】
故障のある充電器、すなわち例えば１２Ｖ充電器のような高圧定格を有する充電器が使用される場合、ＶｄがＶｒｅｆを超えた後、電池電圧Ｖｂａｔは、４．３Ｖを超える。このような場合、比較器１７は、トランジスタＱ１をターンオンすると同時にトランジスタＱ２はオフである。これによって、電流は、抵抗器Ｒ１を通ってサイリスタ４３のゲートに流れる。したがって、サイリスタ４３は、付勢され、電池１および充電器５を短絡する。結果として、高電流は、電池１および充電器５から、サイリスタ４３を通ってアースに取り出される。高電流によって、保護素子９９および９８は切れるので、（故障のある）充電器５を電池１から切り離す。保護素子９９および９８の遅延機能は、有利なことには非常に短い時間だけ続く電池の誤った短絡を防止する。
【００５１】
特に、ここに開示され、記載された他の発明および発明態様の好ましい実施例は、主にスタンドアロン保護回路あるいは調整器回路に向けられる、すなわち図５〜図１０の前述された好ましい実施例を有する場合であるように二次バックアップとしてスマートカードに向けられない。
【００５２】
ここに開示され、記載された他の発明および発明態様の例示を容易にするために、好ましい過電圧、過電流保護回路３７の基本素子は図１１に示される。特に、電圧調整器（例えば、電圧制御ＭＯＳＦＥＴスイッチ）３９は、電池２４と並列に置かれる。ＰＴＣ装置３８は、調整器３９と充電素子２８との間に備えられる。ＰＴＣ装置は、電池２４と直列にある。
【００５３】
図１２を参照すると、調整器３９は、好ましくは矢印４８に示されるようにＰＴＣ装置３８に熱的に結合される。過電圧状態では、調整器３９は、電池２４の両端間の電圧を制限し、電力を調整器３９を通過する電流の形で消費する。この電流は、ＰＴＣ装置３８に伝導される熱を調整器で発生し、ＰＴＣ装置の温度をＰＴＣ装置のスイッチングあるいは“トリップ”温度に増加させる。この点で、ＰＴＣ装置３８は、相応して調整器３９を通過する電流を実質的に減少させる抵抗を迅速に増加させ、回路３７の熱平衡は、過電圧状態が終わるまで、最終動作点を決定する。この時点で、調整器３９は伝導電流を停止し、ＰＴＣ装置は、この装置のトリップ温度以下に冷やし、それによって回路３７をこの装置の通常の作動状態に回復する。
【００５４】
当業者に明らかなように、ＰＴＣ装置３８は、図１３の他の保護回路実施例３７′に示されるように、電池充電回路のアース経路に同様に配置されてもよい。ここにより詳細に説明されているように、実施例３７と３７′との間の設計選択は、ＰＴＣ装置３８と調整器３９との間の熱リンク４８がいかに物理的に明らかにされるか次第である。
【００５５】
どちらの実施例３７あるいは３７′においても、ＰＴＣ装置３８は、電池２４の急な充電あるいは放電によって引き起こされる過電流から保護するのにも役立つ。特に、万一電流の急な上昇があるならば、ＰＴＣ装置３８は、トリップし、実質的にこの電流に抑えるまで消費電力の急なサージからの急速なオーム加熱を受ける。
【００５６】
重要なことには、電池２４の有効な充電および放電を行うために、ＰＴＣ装置３８の直列抵抗および調整器３９の漏れは好ましくは最少にされる。
【００５７】
特に、保護回路実施例３７および３７′の分路調整器３９は、図４Ｂの曲線４５によって示された電流‐電圧関係を受けるように予想される。しかしながら、低ソース抵抗に対する大きなサージ電圧は、充電器あるいは電池端子２４の両端間に加えられる場合、分路調整器３９は過負荷にされ、多分完全に破壊される。
【００５８】
この目的の方へ、従来の回路は、一般的にはシリコン分路調整器のための低サージ定格機能によって特徴付けられる。しかしながら、本発明の他の態様によれば、分路調整器は、調整器の電力消費要求を制限するために、すなわち電池保護回路のための調整器を最適化するために特定の有利な電流‐電圧関係を有するように構成できる。
【００５９】
保護回路分路調整器のための３つの代替の好ましい電流‐電圧特性は図１４〜図１６に示される。
【００６０】
図１４では、電流Ｉが選択最大電流レベルＩ ｌｉｍに達する場合、Ｉ‐Ｖ曲線４２１は平坦域４２２を得る。換言すると、特定の設計の最大電流制限Ｉ ｌｉｍを超えない限り、調整器装置は、所与の過負荷に耐えるように設計される。特に、所与の調整器設計のための最大電流および対応する電圧を制限することによって、消費されるのに必要とされる電力はそれによって制限できる。
【００６１】
より複雑な回路は、プリセット電圧Ｖｔでトリガされる第２の電流制限を導入することによって電力消費をさらに減らすために使用できる。この目的の方へ、図１５では、曲線４２３の初期部は曲線４２１と同様である。電流がＩ ｌｉｍ１に達する場合、平坦域４２２と同様な平坦域４２４に達する。しかしながら、電圧レベルは一定のＩ ｌｉｍ１で増加し、それによって分路調整器の電力消費要求を増加させ、電流レベルはトリガ電圧Ｖｔで減少する。電圧レベルがプリセットＶｔに達した場合、電流ＩはＩ ｌｉｍ１からより低い電流レベルＩ ｌｉｍ２（４２５）に低下する。この電流の低下は有利なことには分路調整器の電力消費要求を減少させる。
【００６２】
図１６は、比較的高電流で分路調整器のための電力消費要求を減少させる好ましいＩ‐Ｖ関係のさらにもう一つの実施例を示す。初期の傾斜４２６は、平坦域に達するより以前曲線４２１および４２３と同様である。しかしながら、電圧基準がＩ ｍａｘに対応する値に達する場合、分路調整器素子は、平坦域４２７によって示された低電圧／高電流モードにラッチする。Ｉｍａｘで、分路調整器のＩ‐Ｖ特性は、電圧降下をＩｍａｘのＶｏｎに維持するように設計製作される。この減少された電圧レベルで、分路調整器は曲線４２８によって示されるようにより高い電流レベルを処理できる。
【００６３】
図１２〜１３の保護回路実施例３７および３７′をさらに参照して図１７を参照すると、調整器３９のスイッチング電圧は温度の関数としても実現できる。特に、温度‐電圧曲線４９によって示される特性のような調整器３９の熱補償電圧特性を実現することは望ましいかもしれない。特に、温度‐電圧曲線４９に続くスイッチング特性を有する調整器３９によって、スイッチング電圧は、電池２４の予想使用温度よりもかなり低く設定できる。
【００６４】
例えば、ある安全使用温度、例えば８０℃以上で、温度‐電圧曲線４９を実現することによって、電池２４の安全使用温度を超える場合、電池２４は、調整器３９を通して放電できる。換言すると、調整器３９は、過電圧および過電流状態のための保護器と同様に受動過温度保護器の役目を果たす。
【００６５】
当業者によって理解されるように、ここに開示され、記載された好ましい調整器実施例の全てでない多数が図１４〜図１７に示された電圧特性の少なくとも１つを含むように設計あるいは実現できる。
【００６６】
図１８は、ＲＣ回路として示すことができる図１２〜図１３の保護回路のための等価熱回路モデルを示す。
【００６７】
特に、ＰＴＣ装置（例えば、ＰＴＣ装置３８）に対して、温度Ｔは、下記の式から決定できる。
（１）
2009183141.tif 000003
ここで、
2009183141.tif 000004
はエネルギー／単位時間（電力）、ｍは質量、
Ｃｐは比熱、およびＴａは周囲温度である。
並列ＲＣ回路に関して、この回路の両端間の電圧Ｖは、下記のようになる。
（２）
2009183141.tif 000005
ここで、Ｉはこの回路への電流である。
Ｃは容量であり、Ｒは抵抗である。
（１）
2009183141.tif 000006
ここで、
2009183141.tif 000007
はエネルギー／単位時間（電力）、ｍは質量、
Ｃｐは比熱、ｋは熱抵抗、およびＴａは周囲温度である。
【００６８】
式（１）および（２）を比較すると、ｄＥ／ｄｔは電流Ｉと同じであり、ＴはＶと同じであり、ＭＣｐは容量Ｃに同じであり、ｋはコンダクタンスＩ／Ｒと同じである。
（２）
2009183141.tif 000008
ここで、Ｉはこの回路への電流、Ｃは容量、およびＲは抵抗である。
【００６９】
図１８の熱モデルを参照すると、容量５２は、調整器装置３９の熱容量（ｍＣｐ）ｒｅｇを示し、抵抗５４は、調整器‐周囲熱経路の熱抵抗Ｒθ（Ｒｅｇ−Ａｍｂｉｅｎｔ）を示し、調整器で消費される電力Ｐｄ（ｒｅｇ）は電流源４６によって示される。特に、熱容量は、どれくらのエネルギーが調整器３９の温度を増加させるのに必要であるかを決定する、すなわち熱質量が大きくなればなるほど、益々温度を上げるのに必要とされるエネルギーが大きくなる。熱抵抗は、いかに有効に熱が消費できるかを決定する。より大きい熱抵抗は、熱がより低い抵抗の場合ほど有効に周囲に消費されないことを意味する。
【００７０】
同様に、容量６０は、ＰＴＣ装置３８の熱容量（ｍＣｐ）ＰＴＣを示し、ＰＴＣ‐周囲熱経路の熱抵抗Ｒθ（ＰＴＣ−Ａｍｂｉｅｎｔ）を示し、ＰＴＣ装置に消費される電力Ｐｄ（ＰＴＣ）は電流源４７によって示される。
【００７１】
電力が調整器３９で消費される場合、熱容量の温度あるいは“電圧”は増加する。熱抵抗Ｒθ（Ｒｅｇ−Ａｍｂｉｅｎｔ）は、熱を周囲に伝導し、調整器３９の温度が漠然と増加することを防止する。この点で、周囲の熱抵抗が低くなればなるほど、益々調整器素子の温度上昇が低くなる。
【００７２】
同様に、熱のいくらかは、調整器３９から調整器３９とＰＴＣ装置３８との間の熱抵抗Ｒθ（ＰＴＣ−Ａｍｂｉｅｎｔ）５６を通してＰＴＣ装置３８に伝導される。この熱リンクは、調整器３９の温度が増加するとＰＴＣ装置の温度上昇を生じる。一旦ＰＴＣ装置３８がこの装置のスイッチング温度に達すると、ＰＴＣ装置３８はトリップし、調整器３８の電力を制限する。したがって、調整器３９の温度増加を制限するために、ＰＴＣ装置３８は、できるだけ速くこの装置のスイッチング温度に達することが望ましい。この目的の方へ、ＰＴＣ装置３８と調整器３９との間の熱抵抗はできるだけ小さくされるべきである。
【００７３】
調整器３９の温度上昇は、比較的低いスイッチング温度を有するＰＴＣ装置を使用することによっても制限できるので、調整器３９が過電圧状態あるいは過電流状態に加熱し始める場合ＰＴＣ装置３８は比較的迅速にトリップする。さらに、ＰＴＣ装置３８の質量を減少させることによって、ＰＴＣ装置の熱容量６８は減少され、熱はＰＴＣ装置３８に伝達されるとき、この装置の温度はより迅速に増加する。図１８の回路モデルから観測できるように、ＰＴＣの熱容量をできるだけ小さくすることが好ましい。例えば、教示する全てに対して参照してここに完全に組み込まれるChandlerらのために発行された米国特許第５，８０１，６１２号は、好ましい低温起動の比較的低い質量のＰＴＣ材料を開示する。
【００７４】
図１９に示されるのは、過電圧状態中図１２〜図１３の保護回路で消費される電力のグラフ図である。
【００７５】
所定の閾値電圧６３以下で、無視できる電力は調整器３９あるいはＰＴＣ装置３８のいずれかによって消費される、すなわち電池回路は、通常の作動電圧以内で作動されるかあるいは充電される。しかしながら、万一電圧が閾値最大値以上に上昇する場合、調整器３９は、電流を伝達し、曲線６４によって示される熱を消費する。ＰＴＣ装置３８は、調整器３９から伝導される熱による温度を増加するので、ＰＴＣ装置３８は、この装置のスイッチング温度に達し、曲線６６によって示された大量の電力を消費し始める。ＰＴＣ装置３８は、より多くの電力を消費し、より少ない電流が、それに相応してより少ない電力を消費する調整器３９を通過する。曲線６８によって示された過電圧状態中消費された全電力は比較的不変のままである。
【００７６】
図２０は、それぞれ電池２４と直列のＰＴＣ装置６２および並列の分路調整器５０を含む好ましい過電圧、過電流保護回路６９を示す。矢印７１によって示されるように、レイケムモデルＶＴＰ２１０のＰＴＣ装置であってもよいＰＴＣ装置６２は分路調整器５０に熱的結合される。分路調整器５０は、全て単一シリコン装置上に形成された、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５１と、演算増幅器コントローラ５３と、精度基準電圧５５と、分圧器７５とを含む。
【００７７】
特に、ＭＯＳＦＥＴ５１は、電池２４の両端間の電圧が指定された閾値レベルに達したことを検出する際にＭＯＳＦＥＴ５１のゲートを付勢する電圧信号を出力する演算増幅器５３によって制御される（すなわちターンオンあるいはターンオフされる）。この目的の方へ、演算増幅器５３の正端子は、電池２４と並列の一対の抵抗器を含む分圧器７５に結合される。演算増幅器５３の負端子は、今度は電池２４の負（アース）端子に接続される精度基準電圧５５に結合される。電圧ブリッジ（すなわち、抵抗器５７および５９）をある大きさに作ることによって、上部電圧閾値が決定される。好ましい実施例では、抵抗器５７および５９は精度確度のために整えられる。
【００７８】
電池２４の両端間の電圧が閾値レベルに上昇する場合、ＭＯＳＦＥＴ５１のゲートは付勢される。電流はＭＯＳＦＥＴ５１を通して伝達し始めるので、電池２４の両端間の電圧は制限され、それによって電圧をクランプする。ＭＯＳＦＥＴ５１のゲートは、出力電圧レベルを保持するように調整される。前述されるように、ＭＯＳＦＥＴ５１を通過する電流は、同様にＰＴＣ装置６２を加熱するシリコン分路調整器５０を加熱する。ＰＴＣ装置６２はこの装置のスイッチング温度に達するや否や、この回路を横切る、したがって分路調整器を横切る電流は実質的に抑えられる。これは分路調整器５０によって発生された熱を減らし、それによってこの回路６９は、ＰＴＣ装置６２によって抑えられた電流および分路調整器５０によってクランプされた電圧でこの回路の熱平衡で最終的に作動する。電圧は分路調整器５０によってクランプされるために、電流レベルは迅速に上昇できる。調整器を通る電流および電圧を制御する好ましい技術は、他の好ましい実施例とともに下記に開示され、記載される。
【００７９】
図２１は、保護回路６９′の代替の好ましい実施例を示し、これにおいて演算増幅器・電圧基準５５は、ＭＯＳＦＥＴ５１および電圧ブリッジ７５と別個のシリコン装置７２上に形成される。例えば、適当な結合基準５５および演算増幅器コントローラは、リニアテクノロジー社によるＬＴＣ１５４１モデルコントローラである。
【００８０】
図２２を参照すると、調整器回路６９（あるいは６９′）は、実際は、ＭＯＳＦＥＴ５１を駆動し、電池２４の両端間の電圧を調整する精度クランプ装置である。もちろん、電圧基準５５は、動作に対して若干量の電流を要する。当業者によって理解されるように、基準５５の精度があればあるだけ、益々その動作に対する電流がより多く必要である。電流量は典型的な用途、例えばマイクロアンプ範囲ではなお比較的小さい。これは特に、分路調整器５０は電圧レベルが調整器の通常作動範囲を超える場合にだけ付勢されるという点で関心がある。
【００８１】
図２３を参照すると、精度電圧基準５５を作動するのに必要とされる漏れ電流を最少にするために、他の付勢回路８０は、第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ８１を介して調整器制御回路５５／５３を選択的に付勢するために使用されてもよい。特に、付勢回路８０は、分路調整器５０を使用するよりもあまり正確でない電圧検出手段（図示せず）を使用するが、その代わりに非常に低い漏れ電流を有する。電池セル２４の両端間の電圧が最大許容レベルに近づくレベルに達する場合だけ、付勢回路８０はＭＯＳＦＥＴスイッチ８１をターンオンし、それによって調整器制御回路５５／５３を付勢する。電池回路は、ほぼ常に最大許容電圧以下で作動しているために、精度電圧基準５５の比較的高い漏れは問題でない。
【００８２】
これまで記載された方法および装置は、過電圧あるいは過電流の状態から保護する目的のためのものであった。しかしながら、再充電電池セルのような再充電可能な素子を、不足電圧状態から、すなわち過放電のために保護することが望ましいこともあり得る。
【００８３】
この目的の方へ、図２４は、充電器１０１と再充電可能な電池１２４との間で使用される好ましい過電圧保護回路あるいは不足電圧保護回路１００を示す。この保護回路１００は、一般に不足電圧保護回路１０３と並列に接続された過電圧保護回路１０２を含む。過電圧保護回路１０２は、電池１２４との直列のＰＴＣ装置１０４と、電池１２４との並列の分路調整器１０５とを含む。分路調整器１０５は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１１４を駆動する演算増幅器コントローラ１１０を含む。演算増幅器１１０は、その正入力１２８で分圧器構成の抵抗器１０６および１０８に接続される。抵抗器１０６および１０８は、電池充電器１０１とセル１２４のハイ端子およびロー端子との間にＰＴＣ装置１０４に続いて直列に接続される。演算増幅器１１０の負入力１２６は、不足電圧保護回路１０３の比較器１２０の負入力端子１３０に結合される。基準電圧１４０は、それぞれの負入力端子１２６および１３０をアースに結合する。
【００８４】
演算増幅器１１０の出力はＭＯＳＦＥＴ１１４のゲートに接続される。ＭＯＳＦＥＴ１１４のドレイン端子およびソース端子は、電池１２４および充電器１０１のそれぞれのハイ電位およびロー電位に接続される。不足電圧保護回路１０３の比較器１２０は、その正入力１３２で分圧器構成の抵抗器１１６および１１８に接続される。抵抗器１１６および１１８は、充電器１０１および電池１２４のハイ端子およびロー端子間に直列に接続される。比較器１２０の出力は、そのソース端子およびドレイン端子が電池１２４のロー（アース）端子の両端間に直列に接続される。
【００８５】
演算増幅器１１０は、その正入力とその負入力との電位差を監視し、それに相応して出力を駆動する。演算増幅器の場合、その正入力の電圧が負入力の電圧よりも大きいならば、演算増幅器はハイに駆動される。正入力の電圧が負入力の電圧よりも低い場合、演算増幅器の出力はローに駆動される。負入力は精度電圧基準１４０に接続される。抵抗器１０６および１０８は、設計者が過電圧制限を選択できる分圧器ブリッジを備える。
【００８６】
好ましい実施例では、抵抗器１０６および１０８は、電池１２４の両端間の電圧が指定された閾値に達した場合、正入力１２８の電圧を基準電圧に等しくするように選択される。過電圧故障状態中、電池１２４の両端間の電圧は、閾値を超え、演算増幅器１１０の正入力の電圧は電圧基準１４０よりも高くなる。演算増幅器１１０は、その正の入力端子１２８と負の入力端子１２６とのこの電圧差を増幅し、ＭＯＳＦＥＴ１１４をスイッチオンするその出力端子１３４に増幅信号を供給する。
【００８７】
ＭＯＳＦＥＴ１１４が電流を伝達すると、電池１２４の両端間の電圧は、クランプされ、有効に降下される。演算増幅器１１０の正入力１２８の電圧は、出力１３４を減少させるようにそれに相応して減少させる。演算増幅器１１０の出力１３４の減少によって、ＭＯＳＦＥＴ１１４の経路内の抵抗ＲＤＳ‐オン（有効的には可変抵抗器である）は増加する。ＲＤＳのこの増加は、同様に演算増幅器１１０の正入力の電圧を強制的に増加させる。ＭＯＳＦＥＴ１１４のゲートを駆動する出力電圧が、抵抗器１０８の両端間の電圧が電圧基準１４０に等しくなるような平衡に達するまで、入力１２８に見られる電圧のこの交互の減少および増加が続く。
【００８８】
過電圧状態の場合、ＭＯＳＦＥＴ１１４はオンであり、分路調整器１０５は、ＰＴＣ装置１０４に熱的に伝達されるエネルギーを消費する。前述されるように、ＰＴＣ装置１０４の温度がこの装置のトリップ温度に達する場合、装置の抵抗は、著しく増加し、それによってＭＯＳＦＥＴ１１４に流れる電流を抑える。したがって、電力消費は、分路調整器１０５とＰＴＣ装置１０４との間で共有され、ＭＯＳＦＥＴ１１４は、過度の温度による故障から保護する。
【００８９】
不足電圧回路保護１０３は、過電圧保護回路１０２の方法と幾分同様に作動する。比較器１２０の負入力１３０は電圧基準１４０に接続される。比較器１２０の正入力は、抵抗器１１６および１１８を含み、セル１２４の両端間の電圧を監視し、有効的に不足電圧制限を設定する分圧器ブリッジに接続される。比較器１２０の出力１３８は、負荷と直列に接続されるＮチャネルＦＥＴトランジスタ１２２のゲートを駆動する。
【００９０】
通常動作中、セル１２４の両端間の電圧は、不足電圧制限以上であり、比較器１２０の正入力ピン１３２の電圧は電圧基準よりも大きい。したがって、比較器１２０の出力１３８はハイに駆動され、トランジスタ１２２はオンであり、電池１２４が負荷を通して放電できる。電池１２４の電圧が予め選択された不足電圧制限以下に降下する場合、比較器１２０の出力１３８はローに駆動され、トランジスタ１２２はターンオフし、電池１２４は負荷から切り離される。電池１２４の充電は、いま不足電圧保護を非作動にするのに必要である。一旦電池の両端間の電圧が不足電圧制限以上に上昇すると、トランジスタ１２２は、オンに戻し、放電が可能にされる。
【００９１】
演算増幅器１１０の出力は、過電圧故障中ハイに駆動され、したがってＮチャネルＦＥＴ１１４をターンオンする。ＮチャネルＦＥＴは記載されているが、故障中低出力を供給し、ＰチャネルＦＥＴのゲートを駆動する演算増幅器を使用することができる。同様に、不足電圧中低出力電圧を供給し、負荷と直列に接続されたハイ側のＰチャネルＦＥＴのゲートを駆動させる比較器を使用することもできる。演算増幅器１１０、比較器１２０およびＭＯＳＦＥＴ１１４および１２２の構成は適応性がある。さらに電池パック設計者は、自由に過電圧および不足電圧の制限を選択でき、いかなる用途も満たす。
【００９２】
電池充電回路の場合、逆電池充電あるいは逆充電発生を避けることが望ましい。望ましくない電流が電池を充電するのに必要な方向と反対方向に流れる場合、逆電池充電が生じる。逆電流は、充電回路の効率を減少させるだけでなく、電池に対する損傷もまた生じる。好ましい保護回路６９の長所は、この回路の電流制限特性が有害な逆電流の流れを抑えることにも役立つということである。
【００９３】
図２５を参照すると、分路調整器ＭＯＳＦＥＴ５１によって通過するいかなる逆電流の発生もその本体ダイオード１４８を通して伝達される。特に、十分な逆電流の通過は、ダイオード１４８を通る熱経路を形成し、それによって電流によって消費される電力により分路調整器装置５０のオーム加熱を発生する。上記に詳述されるように、ＰＴＣ装置はこの装置のスイッチング温度に達し、トリップするまで、熱は、熱経路（矢印１５４によって示される）を通して分路調整器５０からＰＴＣ装置６２に伝達され、それによって逆電流でほぼ抑える。
【００９４】
万一付加保護が、例えば本体ダイオード１４８を通る大きな電力消費が望ましくない状態に対して望まれる場合、他のダイオード抵抗１５２（図２６に示される）は、逆電流を伝達する場合に熱を発生するために本体ダイオード１４８（すなわち、ＭＯＳＦＥＴシリコン内にある）と直列であるのが好ましい。発生された付加熱は、単に本体ダイオード１４８に頼らないで、重要なことはＰＴＣ装置６２をトリップするのに多くの電力を消費するダイオード１４８を必要としないでＰＴＣ装置６２の熱経路を形成するのに役立つ。実際は、ダイオード抵抗１５２を通る抵抗性経路は、信頼性およびＭＯＳＦＥＴ５１の予想寿命を延ばすことができる。さらに、抵抗１５２は、本体ダイオード１４８のみよりも速く熱を発生でき、ＰＴＣ装置６２の熱経路はより迅速に発生される。
【００９５】
図２７は、分路調整器として図２６の保護回路の付加直列抵抗と併用するための好ましいＭＯＳＦＥＴ１７０の断面図である。ＭＯＳＦＥＴ１７０は、そのチャネル１６４が熱を発生するように設計される。特に、ＰＴＣ装置１５６は、リードフレーム１５８によってＮ形シリコン１６６に結合される。図１６のダイオード／抵抗器結合１４８および１５２は、ダイオードの抵抗がトランジスタの本体経路によって決定できるｐ‐ｎ接合として実現できる。本体経路をより抵抗性にするために、この経路はより長くされる。本体経路抵抗を増加させるために、本体コンタクト１６０はチャネル１６４から離れて置かれる。本体‐ドレインダイオードが順方向にバイアスされる場合、装置１７０のそれぞれのソース端子およびドレイン端子の構成を有する場合のように、Ｐドリフト領域１６８は、電流を伝達する場合、加熱する。
【００９６】
従来のＭＯＳＦＥＴのダイオードに追加された抵抗がない場合、熱がＰＴＣ装置をトリップするように発生される前に順方向にバイアスされたダイオードはパッケージを破壊できる。より抵抗性のダイオードを使用することによって、より多くの熱は、逆電流を別の方向に伝達する熱経路を形成するように必要に応じて発生できる。より抵抗性のダイオード構成はより高い破壊点を与えるが、いくつかの実施例では、熱経路はより迅速に生成できる。“スマート”半導体装置よりも優れた付加長所は、故障後ＰＴＣ装置は可能性のある有害な電流の流れを阻止するためになお適所にあるということである。
【００９７】
開示された本発明のさらにもう一つの態様によれば、図２８および図２９は、逆電池放電から保護する、すなわちチャネル電流を“逆”方向の許容レベルに制限するが、“順”方向に小さいオーム抵抗を示す好ましい半導体装置を示す。
【００９８】
より詳細には、図２８は、ＪＦＥＴ領域４５４に接続された上部コンタクト４５１および下部コンタクト４５２を有する拡散構造４５０を示す。上部コンタクトは、金属コンタクトあるいはオームコンタクトに接続されている。上部コンタクト４５１は、下部コンタクト４５２に対して正にバイアスされる場合、大きな電流は、ＪＦＥＴ領域４５４を通して流れる。この正バイアスは図３０の曲線セグメント４５８として示される。電圧が逆にされる（すなわち、下部コンタクト４５２に対する負上部コンタクト４５１）場合、ＪＦＥＴ領域４５４を通過する電流は最初はオーム動作を有する。
【００９９】
逆バイアスは図３０の曲線セグメント４５７として示される。逆電流が増加するとき、領域４５５と４５６間のｐｎ接合は益々逆バイアスになる。逆バイアスは、空乏層領域を形成し、ＪＦＥＴ領域４５４を通る電流の流れをさらに妨害する。この制限は、逆電流の最大値を処理しやすいレベルに制限する電流の流れである。
【０１００】
図２９は、ＪＦＥＴ領域４６４に接続された上部コンタクト４６１および下部コンタクト４６２を有するトレンチ構造４６０を示す。上部コンタクトは、金属、あるいはオームコンタクト４６３に接続されている。上部コンタクト４６１が下部コンタクト４６２に対して正にバイアスされる場合、大きな電流がＪＦＥＴ領域４６４を流れる。この正バイアスは図３０の曲線セグメント４５８として示される。電圧が逆にされる（下部コンタクト４６２に対して負の上部コンタクト４６１）場合、ＪＦＥＴ領域４６４を通過する電流は最初はオーム動作を有する。逆バイアスは、図３０の曲線セグメント４６７として示されている。逆電流が増加すると、ゲート効果は、トレンチチャネル４６５内に空乏領域を生じる。この空乏領域は、この領域４５４を通って流れる電流を妨害し、逆電流の最大値を処理しやすいレベルに制限する。
【０１０１】
さらに図１６を参照すると、限流ＰＴＣ装置６２および分路調整器５０は、電池セル２４が過充電することあるいは過電圧状態にさらされることを保護するように直列に作動する。過電圧状態が生じる場合、過度の電力は、この装置のいかなる損傷あるいは短絡も避けるように分路装置５０（特にＭＯＳＦＥＴ５１）から別の方向へ消費されねばならない。
【０１０２】
特に、電池２４を保護するために、分路調整器装置５０は、ＰＴＣ装置６２がトリップするまで、著しい電流サージに耐えることができなければならない。この露出を最少にする１つの前述の方式は、比較的低い温度にトリップするＰＴＣ装置６２を設計することにある。しかしながら、ＰＴＣ装置６２は、内部オーム加熱によるトリッピングなしに電池の通常動作（すなわち、充電あるいは放電）中十分な電流伝達を可能にしなければならない。
【０１０３】
通常、高電力あるいは高電圧に耐える必要がない保護回路の装置を使用できることによって、あまり高価でない装置を使用できるかあるいはあまりトポロジー（すなわち、“シリコン”）を必要としない回路が使用されてもよい。
【０１０４】
ここに記載されているように、電流が調整器に流れ込むとき、調整器は、ＰＴＣ装置を加熱し、ＰＴＣ装置の抵抗を上昇し、調整器の電流を制限する。調整器およびＰＴＣ装置の電流は、それぞれの装置の電力消費がＰＴＣ装置の抵抗対温度（すなわち、“Ｒ（Ｔ）”）曲線の急峻部上にＰＴＣ装置を保持するのに十分（例えば、レイケムのＶＴＰ２１０ＰＴＣ装置を使用する場合に１〜１．５ワット）であるような値に安定化する。この技術は、過電流状態を減じるのに比較的小さい間調整器に対する損傷を防止するのに適切である。
【０１０５】
しかしながら、電流が大きな値に達することができるより高電力の過渡事象に対して、ＰＴＣ装置をトリップするのを助けるように調整器からの熱に対する遅延は、熱がＰＴＣ装置に流れ込むための熱時定数によって決定される。この遅れにより、調整器のシリコンは、ＰＴＣ装置がトリップする前に調整器が多分損傷し得る非常に高温に達することができる。調整器シリコンが電流の大きなサージを処理するのにサイズを増加できるが、これはこの装置に著しいコストを加える。
【０１０６】
図３１は、分路調整器１８２およびＰＴＣ装置１８４を使用する電池１８０のための保護回路を示す。この装置は並列であるので、電池１８０および分路１８２の両端間の電圧は同じでなければならない。理想状態と違って、実際には、この装置のクランプ領域は、図３２に示されるように、絶対的に垂直であり得ない。電流が調整器に流れる場合、調整器の両端間の電圧は小さい△Ｖを増加させなければならない。この小さい△Ｖは電池１８０の両端間にも現れるので、電池１８０は、充電し、いくらかの電流を電源１８６から引き出すように試みる。この付加された電流は、ＰＴＣ装置１８４を流れ、ＰＴＣ装置１８４をトリップするのを助ける。△Ｖが大きくなればなるほど、益々電池１８０に流れ込む電流は大きくなるのでＰＴＣ装置１８４は熱リンク１８８を介してより速くトリップする。
【０１０７】
過渡状態の場合、電池１８０は、電池１８０の内部抵抗に等しい直列抵抗を有する電圧源（あるいは非常に大きいキャパシタ）として考えることができる。電圧源（あるいはキャパシタ）は、過渡が生じる前に電池１８０の電圧に等しい。例として、電池が０．１Ωの内部インピーダンスを有する場合、電池は、電圧が１Ｖの△Ｖだけ増加されるならばＰＴＣ装置を通して１０の付加アンペアを得る。調整器を通る電流は、より高圧でＩ‐Ｖ曲線（図３２）上の電流である。より高圧で、全電流は、電池１８０が全然ない状態でよりも非常に速くトリップするＰＴＣ装置１８４を通って増加する。
【０１０８】
クランプ領域の浅い傾斜を有する調整器を有することは、過渡状態の下ではシリコンを保護するが、ゆっくりと移動する故障中電池１８０の性能に負の影響を及ぼす。電圧をゆっくりと増加させることによって、電池１８０は、“電荷を少しずつ漏らすこと”ができ、電池両端間の大きな△Ｖは、電圧が増加するときは存在しないので、電圧が非常にゆっくりと増加される場合、問題が生じる。電池電圧は、調整器はＰＴＣ装置を加熱し、トリップするのに十分な電流を伝達するまで、調整器のＩ‐Ｖ曲線を辿る。しかしながら、いくつかの場合、余分の電圧増加は、電池性能を受容できないように減少させるかあるいは電池１８０を損傷する。実際には、最適の性能に関しては、Ｉ‐Ｖ特性は、電池１８０が“電荷を少しずつ漏らすこと”により過充電を防止するためにできるだけ急峻でなければならない。
【０１０９】
したがって、２つの要求があるように思える。一方、ゆっくり移動する故障は、通常非常に急峻なクランプ領域を必要とする。理想的には、解決策は、図３３に示されるようなＩ‐Ｖ特性を有する装置を製造することにある。ゆっくり上昇する電圧に対する場合のように低電流故障事象の場合、この装置はクランプの役を果たし、電圧がクランプ電圧を過ぎて増加することを防止する。ＰＴＣ装置をトリップさせるために装置を通って必要とされる最小電流は急峻部１９０上に存在する。低電位電流を有するゆっくり移動する故障の場合、この装置は、非常に急峻なクランプ領域１９０を有するクランプと丁度同じように作動する。より大きな電流を有する故障の場合、クランプは、この電流を設定値１９２に制限し、電圧が増加することを可能にする。取り付けられた電池の場合、この電圧の増加は、大きな電流を電池から得て、ＰＴＣ装置をトリップするのを助ける。一旦ＰＴＣ装置がトリップされると、電池および保護装置の両端間の電圧は減少され、電池および得ることができる装置の両端間の最大電圧は、急峻部１９０の電圧である。特に、ＰＴＣをトリップするのに必要である最小電流は曲線の急峻部にあるので、保持される過電圧状態を得ることができない。
【０１１０】
図３４の好ましい保護回路では、演算増幅器２００は、その正入力およびその負入力２０２および２０４間のそれぞれの電位差を監視し、それに相応して出力２０６を駆動する。その正入力２０２の電圧が負の入力２０４の電圧よりも大きい場合、演算増幅器出力２０６はハイに駆動される。正入力２０２の電圧が負入力２０４の電圧よりも低い場合、演算増幅器２００の出力２０６はローに駆動される。負入力は電圧基準に接続される。抵抗器２１０および２１２は、設計者が電池２２２のためのいかなる過電圧制限も選択できる分圧器ブリッジを与える。
【０１１１】
特に、演算増幅器２００は、ＦＥＴ２１４のゲート電圧を調整し、この装置は当然にクランプＩＶ特性を有する。図３５は、ｎチャネルＦＥＴのための一群のＩｄ‐Ｖｄｓ特性を示す。図示されるように、Ｖｇｓは、クランプ性能を得るために垂直傾斜２１６に沿って調整できる。ゲート‐ソース電圧に応じて、ドレイン電流は、特定のドレイン‐ソース間の電圧でいかなる値も取り得る。
【０１１２】
所望の特性を得るために、ＦＥＴ２１４のゲート２０６の電圧は、設定値を超えないように設定できる。これは、例えば、図３６に示されるように、ゲート電圧をクランプすることによって行うことができる。
【０１１３】
特に、図３６は、ツェナーダイオード２２０が出力２０６とアース間に取り付けられることを除いて図３４と同じ回路を示す。ツェナーダイオード２２０を導入することによって、ＦＥＴ２１４のゲートの電圧は制限される。ツェナーダイオード２２０は、ＦＥＴ２１４のゲート電圧を有効にクランプし、電池２２２の両端間の電圧が増加でき、より多くの電流を電池２２２に向ける。図３７に示されるように、Ｖｇｓは、クランプ性能を得ておよび／またはこの電圧を２０６にクランプするので、ＦＥＴは飽和で作動する。
【０１１４】
この方式のキーは、この回路が実際に電力を電池セルに向け、ＦＥＴ２１４から離れたところに向けることにある。このような方式は、いくつかの構成では電池２２２は設定された持続時間２０６から若干の付加電圧および／または電流を容易に吸収できることを認識する。付加電圧および／または電流を吸収することによって、ＦＥＴは保護される。ＦＥＴ２１４の減少された性能要求のために、あまり高価でないＦＥＴあるいはあまり空間を取らないＦＥＴを使用できる。
【０１１５】
電池２２２と直列のＰＴＣ装置２２４は、より高電流も確認する。より高電流はＰＴＣ装置２２４にさらされるので、ＰＴＣ装置は、より迅速にトリップし、有利なことには電力を消費する。このように電池はより高電圧および電流にさらされているが、ＰＴＣ装置は、電池２２２は電池を損傷し得るいかなる電力レベルにもさらされる前に電力を消費するようにトリップする。単に、電池２２２によって見られるいかなる高電流もＰＴＣ装置２２４も通過する。これらのより高電流は、電池２２２がいかなる有害な電力レベルにもさらされる前にＰＴＣ装置をトリップする。
【０１１６】
図３７に示されたＩ‐Ｖ特性は１つの構成を示しているが、他の最適化は、さらに垂直部２２６の後さえＩ‐Ｖ特性を変えることによって得ることができる。可能なＩ‐Ｖ特性は図３８に示される。クランプ領域後の電流を減少させることによって、この装置に消費される電力は、過渡事象中に減少され、更なるシリコンサイズ減少を生じ得る。
【０１１７】
上記の方式は、電池２２２がＰＴＣ装置がトリップする前にいくつかの付加電流および電圧レベルに耐えることができるという事実を利用する。ここに開示された任意の実施例におけるように、電池２２２が極端な電圧および／または電流レベルあるいは調整器の故障によって引き起こされた有害な電力レベルにさらされないことを保証するために熱ヒューズあるいは通常のヒューズは電池を分離するために使用できる。
【０１１８】
図３９を参照すると、好ましい電池保護回路は、通常ＭＯＳＦＥＴ調整器スイッチ２３２と熱的に結合されるＰＴＣ装置２３６を含む３端子電池保護装置２２９で具体化される。特に、保護装置２２９の第１の端子２３１は、外部充電源あるいは放電負荷（図示せず）の正リードに、ＰＴＣ装置２３６の入力端子に結合する。保護装置２２９の第２の端子２３３は、ＰＴＣ装置２３６の出力端子およびＭＯＳＦＥＴ調整器２３２のドレイン端子の両方を電池（図示せず）の正端子に結合する。保護回路２２９の第３の端子２３５は、電池の負端子を調整器２３２のソースおよび充電源あるいは放電負荷のアース端子に結合する。
【０１１９】
矢印２３４によって示されるように、調整器２３２のドレイン端子は、ＰＴＣ装置２３６の熱リンクおよび電気リンクの両方を形成する。例えば、ボンドワイヤあるいはソルダボンドのようなヒューズ２３０は、電池の保護の最後の対策を行うために第２の端子２３３と直列に置かれている。
【０１２０】
ここに開示された本発明のさらにもう一つの態様をよりよく示す目的のために、装置２２９の変形は次に記載されている。
【０１２１】
図４０および図４１を参照すると、ヒューズ２３０の代わりに（ヒューズ２３０に加えて）、付加装置２３７は、万一調整器２３２が故障し、回路を短絡する場合、更なる保護を行うようにＭＯＳＦＥＴ２３２と直列に加えることができる。特に、付加あるいは“並列”のＰＴＣ装置２３７は、ＭＯＳＦＥＴ調整器２３２のソース（図４０）あるいはドレイン（図４１）のいずれかに結合されてもよい。この好ましい実施例では、並列ＰＴＣ２３７装置は、電流が通過する前にトリップするように構成され、調整器２３２は、調整器２３２を故障させ、回路を短絡させるのに十分なオーム熱を発生する。
【０１２２】
並列ＰＴＣ装置２３７は、装置２２９によって保護される電池２２２によって見られる経路抵抗を増加させないけれども、万一並列ＰＴＣ装置２３７が過度の温度熱のために誤ってトリップし、その他電池２２２の通常動作中に故障し開放するとしたら、調整器２３２は、電池２２２の両端間にもはや結合されない。この発生の機会を最少にする１つの方式は、直列ＰＴＣ装置２３６が並列ＰＴＣ装置２３７の前にトリップすることを保証するために並列ＰＴＣ装置２３７が“直列”ＰＴＣ装置２３６よりも高い遷移温度（すなわち、より高い閾値トリップ電流）を有することである。このシナリオでは、並列ＰＴＣ装置２３７は、直列ＰＴＣ装置２３６がトリップした後、電流２２２から調整器２３２を通る更なる放電を防止することに関して保護の役目をなお演じる。
【０１２３】
図４２に示されるように、付加された並列ＰＴＣ装置に対して、ＭＯＳＦＥＴ調整器２３２は、好ましくは並列ＰＴＣ装置２３７の付加抵抗なしに経路２３９を介する電池経路の両端間の電圧を検出するように構成させるのが好ましい。
【０１２４】
次にここに開示された本発明のさらにもう一つの態様を参照すると、リチウムイオン電池が過放電されることが防止されるべきであることは通常公知である。図４３は、電池４７２の過放電を防止するために使用される典型的な従来の回路４７１を示す。特に、ゲート抵抗を有するＦＥＴ４７１は、電池４７２および負荷４７４と直列に接続される。一旦プレセットロー電池電圧に到達されると、ＦＥＴ４７１は自動的にターンオフし、それによって電池４７２は負荷４７４の両端間に更なる放電することを防止する。しかしながら、電池放電工程中、ＦＥＴ４７１は、許容限界以上にその温度を増加させてもよい比較的高電力消費にさらされる。特に、この熱応力は、過放電保護回路４７０が故障し得るようにＦＥＴ４７１を損傷し得る。
【０１２５】
図４４を参照すると、過充電の場合にも保護を行う好ましい過放電保護回路４８０は、電池４８２および負荷４８３と直列のＦＥＴ装置４８１を使用する。特に、ＦＥＴ４８１は、負荷４８３の出力に結合されたそのソース端子および電池４８２の負端子と結合されたそのドレイン端子４８９を有する。電池４８２の正端子は、負荷４８５の入力に結合されるので、ＦＥＴ４８１がオンである場合、電池４８２は負荷４８３を通して放電する。
【０１２６】
ＰＴＣ装置４８４は、それぞれの電池４８２および負荷４８３と並列に逆放電保護回路４８０に挿入される。ＦＥＴ装置４８１のゲート端子は、分圧器構成でＰＴＣ装置４８４および抵抗器４８５に結合される。ＰＴＣ装置４８４および抵抗器４８５のそれぞれの（低温）抵抗は、電圧が電池４８２の全放電レベル以上にとどまっている限り、ＦＥＴ装置４８１のゲート端子４８７に見られる電圧が装置をオンに保持するような大きさにされる。１つの好ましい実施例では、典型的な再充電可能なリチウム電池パックの場合、ＰＴＣ装置４８４の低温抵抗は、約１０キロオームに選択され、抵抗器４８５の値は１メガオームである。
【０１２７】
ここに開示された発明のこの態様によれば、ＰＴＣ装置４８４は、電池４８２の過放電の場合ＦＥＴ装置４８１の故障からの更なる保護としてＦＥＴ装置４８１に熱的に結合される。ＰＴＣ装置４８４、したがってＦＥＴ装置４８１の両端間の電圧は特にＦＥＴ装置４８１を故障させるかもしれないレベルに近づくので、ＰＴＣ装置４８４を流れる電流は、装置４８４をこの装置のトリップ温度に十分加熱する。一旦ＰＴＣ装置４８４がこの装置の高抵抗状態にトリップすると、この装置４８４の両端間の電圧は、ＦＥＴ装置４８１の閾値ゲート温度以下のレベルに直ちに低下し、ＦＥＴをターンオフさせる。
【０１２８】
好ましい実施例では、ＰＴＣ装置４８４、ＦＥＴ装置４８１および抵抗器４８５は、ＦＥＴ装置４８１の故障が過充電状態によって引き起こされた上昇電流により可能である十分前にＰＴＣ装置４８４が高抵抗にトリップし、ＦＥＴ装置４８１を遮断するような大きさにされる。例として、再充電可能な電池の保護のために使用される好ましい実施例では、ＰＴＣ装置４８４は、約１０キロオームの抵抗値（トリップされない）を有し、抵抗器４８３は約１メガオームの値を有する。特に、保護回路４８０は、抵抗器４８４および４８５の比を変えることによって、いろいろの構成およびＦＥＴ特性に対して最適化できる。
【０１２９】
ここに開示された本発明の他の態様によれば、再充電可能な電池保護装置およびこの装置の製造および組み立てのための好ましい方法が次に説明される。
【０１３０】
図４５〜図４７を参照すると、好ましい３端子電池保護装置２４０は、ＭＯＳＦＥＴ調整器２４４に熱的および電気的に結合するＰＴＣチップ２４２を含む。
【０１３１】
ＰＴＣチップ２４２は、第１の側面を被覆する第１の金属電極層２４８および第２の（反対側）側面を被覆する第２の金属電極層２５０を有するＰＴＣ材料２４６の層を含む。金属電極層２４８および２５０は、絶縁膜２４９および２５１でそれぞれ被覆される。絶縁膜２５１の一部はＰＴＣチップ２４２の一端で見当たらなく、保護パッケージ２４０の第１の端子２６２を形成する金属電極層２５０の一部を露出する。矩形窓２５２が、第１の端子２６２からチップの反対側の端部に近接する絶縁膜２４９に備えられ、調整器２４４がハンダボンド２５３によって取り付けられる金属電極層２４８の一部をさらす。
【０１３２】
図１６の保護回路６９によれば、調整器２４４は、単一シリコンダイ２５４上に組み込まれたＭＯＳＦＥＴスイッチおよび精度制御回路を含む。このダイ２５４は、ＭＯＳＦＥＴスイッチのドレイン端子に電気的に結合されるヒートシンク２５６に取り付けられる。ヒートシンク２５６は、同様にハンダボンド２５３を介してＰＴＣチップ２４２の金属電極層２４８に電気的および熱的に結合される。ヒートシンク２５６は、調整器２４４から離れて、電極端子２６２の反対側のＰＴＣチップ２４２の端部の上を延びる外部リード２５８にも電気的に結合される。ＭＯＳＦＥＴスイッチのソース端子は、リード２５８に隣接する調整器２４４から離れて、リード２５８と同様に延びる第２の外部リード２５９に電気的に接続される。リード２５８および２５９は保護装置２４０のそれぞれの第２および第３の端子を形成する。
【０１３３】
保護装置が再充電可能な電池（図示せず）とともに使用される場合、第１の端子２６２は、電池充電装置あるいは放電負荷装置の正端子に結合されている。第２の端子２５８は、電池の正端子に結合され、第３の端子２５９は、電池パックの負端子および電池充電装置あるいは放電負荷装置の負端子の両方に結合されている。この装置の場合、電気経路は、金属電極層２５０、ＰＴＣ材料２４６、金属電極層２４８、ハンダボンド２５３、およびヒートシンク２５６をそれぞれ介して第１の端子２６２からパッケージ２４０の第２の端子２５８に形成される。ＭＯＳＦＥＴチャネルが付勢される場合（すなわち、過電圧状態中）、電気経路は、金属電極層２５０、ＰＴＣ材料２４６、金属電極層２４８、ハンダボンド２５３、ヒートシンク２５６、およびＭＯＳＦＥＴスイッチチャネルをそれぞれ介して第１の端子２６２から第３の端子２５９にも形成される。
【０１３４】
装置２４０の組み立てのために調整器２４４をＰＴＣチップ２４２の金属電極２４８に取り付けることは、ＰＴＣチップ２４２を製造するための公知の工程に容易に組み込まれてもよい。特に、ＰＴＣ材料２４６は、所望の性能特性、例えば導電率、トリッピング温度等に従って構成され、次に、さらに所望の特性、例えば熱質量に依存する所望の厚さのシートに形成される。金属電極層２４８および２５０は、ＰＴＣ材料２４６のシートのそれぞれの上部表面および下部表面上に押し付けられる例えば、ニッケル、銅あるいは合金の薄い薄片シートとして備えられる。絶縁膜層２４９および２５０は、それぞれの金属層２４８および２５０の上にシルクスクリーニングされる。この層は選択的にフォトマスクされ、次に露光される。未露光材料マスキング材料は、次にＰＴＣチップ２４２のためのそれぞれの電極端子として使用される金属層の一部を露光するために取り除かれる。
【０１３５】
次に、このシートは、選択された寸法の複数のＰＴＣチップ２４２に切断される。好ましいＰＴＣ装置製造工程および方法のより特定の詳細は、教示する全てに対して参照してここに完全に組み込まれる米国特許第５，８５２，３９７号および米国特許第５，８３１，１５０号に開示されている。
【０１３６】
前述の製造工程のマスキングステップの一部として、絶縁膜層２４９の窓２５２は、いかなる適当な形状もそれぞれのＰＴＣチップ２４２に形成されてもよい。例として、図４８は、金属電極層２４８および絶縁膜２４９が接触させられた点のＰＴＣ材料２４６のシート２７０を示す。パターン２７１は、それぞれの個別のチップ２４２の分離のためのシート２７０に示されている。窓２５２は、金属電極層２４８の一部を露出するために各ＰＴＣチップ２４２の絶縁膜２４９に形成される。窓２５２は、事実、調整器装置２４４を取り付けるそれぞれのパッド位置である。
【０１３７】
この目的のために、ハンダ材料２５３は、各窓２５２の露出金属電極層２４８上に付着され、調整器装置２４０のそれぞれのヒートシンク２５６はハンダ材料２５３上に配置されている。ＰＴＣシート２７０は、次にハンダ材料２５３をリフローするのに十分な熱にさらされる。窓２５２は、好ましくは、リフロー工程中、それぞれのヒートシンク２５６は窓２５２内に“自己センタリング”する。一旦リフロー工程が行われると、個別装置２４０は、ライン２７１に沿ってシート２７０から切断される。当業者に明らかなように、製造工程の上記に列挙された順序は、ただ１つの可能な方式であり、他のシーケンスは、ここに教示された発明の概念から逸脱しないで交互に使用されてもよい。例として、ハンダリフローを行うことより前にシートから個別の調整器装置２４０を切断することは望ましいかもしれない。
【０１３８】
図４９および図５０を参照すると、射出成形工程を使用することによる３端子装置２４０のためのハウジングを製造する好ましい工程は下記の通りである。
【０１３９】
例えば、銅、ニッケルあるいはアルミニウムのような可撓性導電金属から製造されたリードフレーム３００は、射出成形機（図示せず）の中へ前進されるように構成される一対の平行フレームエッジ３０２および３０３を含む。間隔をあけられた穴３１０は、リードフレーム３００の整列（あるいは位置合わせ）のためのフレームエッジに沿って設けられる。それぞれのフレームエッジ３０２および３０３は、フレームエッジ３０２および３０３の両方を均等に間隔をかけ、リードフレーム３００を均等に間隔をあけられた反復部３０５に分割するのに役立つ間隔をあけられた交差支持部材３０１によって分離される。
【０１４０】
リードフレーム３００と同じ可撓性金属から製造されるのが好ましい第１のタブ３０４は、フレームエッジ３０２から各反復部３０５に延びる。同様に、好ましくはリードフレーム３００と同じ可撓性でも作られている金属第２および第３のタブ３０６および３０８は、フレームエッジ３０３から各反復部３０５へ互いにほぼ平行に延びる。特に、それぞれのタブ３０４、３０６および３０８は、３端子保護装置２４０のための射出成形されたハウジング３１４のバルク組み立てを可能にするパターンで構成される。タブ３０４、３０６および３０８は、好ましくは、いろいろのサイズおよび形状の電気端子を形成するように弾性であり、可撓性である。
【０１４１】
図５０で分かるように、装置ハウジング３１４は、リードフレーム３００の各反復部３０５のタブ３０４、３０６および３０８の周りに形成され、各タブ３０４および３０８の末端部はハウジング３１４の中で露出される。公知の射出成形技術によれば、複数の装置ハウジングは同時に形成されてもよい。射出工程より前に、タブ３０４、３０６および３０８の末端部は、仕上げされたハウジング３１４に置かれた装置２４０と電気接触を行うためのそれぞれの端部を最適に位置決めするようにクリンプされてもよいしあるいは曲げられてもよい。このような曲げあるいはクリンピングもハウジング３１４の端壁に強度を加えることにも役立つかもしれない。
【０１４２】
図５１を参照すると、一旦ハウジング３１４が十分固定すると、それぞれのフレームエッジ３０２および３０３、および交差支持部材３０１は取り除かれ、組み立てられた３端子装置２４０は各ハウジング３１４の中に置かれる。特に、装置２４０は、第１、第２および第３の端子２６２、２５８および２５９は、タブ３０４、３０６および３０８の露出末端とそれぞれ電気接触を行う。一方、ＰＴＣチップ２４２および調整器装置２４４は、同じ機能性を得るために各ハウジング３１４に置くことができる。端子２６２、２５８および２５９は、（例えば、ハンダボンドによって）それぞれのタブ３０４、３０６および３０８に結合されてもよいしあるいは機械的接触が当てにされてもよい。しかしながら、機械接触がそれぞれの電気接続のために当てにされる場合、タブ３０４、３０６および３０８は、それぞれの端子２６２、２５８および２５９に対してバイアスされた内部ばね力を与えるのに十分な弾性であるべきである。
【０１４３】
図５２で分かるように、非導電カバー３１５は、次に成形され、その他、装置２４０の固定および分離の両方を行うようにハウジング３１４の開口の上に結合される。ハウジング３１４は、好ましくは、装置２４０をぴったりと合うように収納するようなサイズにされる。しかしながら、重要なことには、正確に作動するために加熱される場合、ＰＴＣチップ２４２は膨張することができなければならないので（例えば最高約１０％）、ハウジングはあまりにも限定してはいけなく、その他圧縮力をこの装置２４０に加える。
【０１４４】
一旦装置２４０が、それぞれのハウジング３１４に密封されると、タブ３０４、３０６および３０８はそれぞれのリードになる、すなわち、タブ３０４は、電池充電装置あるいは放電負荷装置の正端子に結合するために構成され、タブ３０６は、電池の正端子に結合するために構成され、かつタブ３０８は、電池の負端子およびそれぞれの充電装置あるいは放電負荷装置の負端子の両方に結合するために構成される。タブ３０４、３０６および３０８の可撓性によって、充電装置あるいは放電負荷に取り付けるための電気コネクタと同様にそれぞれの正負電池端子（例えば、スポット溶接によって）に容易に取り付ける。
【０１４５】
他の実施例では、装置２４０は、ハウジング３１４に置かれるよりもむしろ絶縁材とともにはめ込まれる。所望の性能特性に応じて、選択されたはめ込む材料は、熱伝導あるいは断熱のいずれかであるべきである。
【０１４６】
当業者に明らかであるように、射出成形ハウジング３１４は、プラスティックあるいはセラミックスのようないろいろの非導電材料から交互に形成できる。選択材料の特性ならびにハウジングの寸法（すなわち厚さ）は、他の要因の中でコスト、有用性、“成形可能性”（射出された後、材料がいかに速く固化されるか）、強度および熱伝導率のような要因に基づいて選択されるべきである。このような設計の考慮すべき事柄や問題は装置設置要件および再作業要件も含む。しかしながら、ハウジング材料は、装置２４０のＰＴＣチップ２４２のトリップ特性を著しく妨害しない。
【０１４７】
特に、前述のように、トリップ時間は、一旦故障状態が装置を通して用いられると装置が高抵抗状態に切り換えるのにかかる時間量である。パッケージ材料があまり低い熱導電率を有する場合、ＰＴＣ２４２は、通常の作動状態の下では加熱してもよく、望ましくない（“迷惑なこと”）トリッピングを生じさせる。一方、パッケージ材料は、あまりにも高い熱導電率を有する材料から作られる場合、ＰＴＣ装置２４２は、過電圧状態あるいは過電流状態であまりにもゆっくりとトリップしてもよい。
【０１４８】
ハウジング材料および寸法の選択は、予測用途あるいは装置２４０が作動している環境も考慮に入れるべきである。設計の考慮すべき事柄や問題は、一般的には予測電圧および電流作動状態、サージ電流定格、通常の充電／放電中の最大内部電池パック作動温度、および予測周囲作動温度の範囲を含む。
【０１４９】
３端子装置２４０の１つの一般的な長所は、この装置は電池パックに熱的に結合でき、それによって過温度保護も行うということである。この装置２４０がハウジング３１４に置かれた場合、電池パックから装置２４０への温度熱路を得ることができることも考慮に入れなければならない。
【０１５０】
図５３〜図５５は、射出成形工程によって３端子装置２４０のためのハウジングを製造する前述の工程で使用するための代替のリードフレーム構成３２０および３２０′を示している。
【０１５１】
リードフレーム３００のように特に図５３を参照すると、リードフレーム３２０は、好ましくは、例えば、銅あるいはアルミニウムのような可撓性の導電材料から作られる。フレーム３２０は、前進穴３３０を介して射出成形機（図示せず）に前進されるように構成される一対の平行フレームエッジ３２２および３２３を含む。それぞれのフレームエッジ３２２および３２３は、フレームエッジ３２２および３２３を均等に間隔をあけ、リードフレーム３２０を均等に間隔をあけられた交番するセクション３２５ａおよび３２５ｂに分割することの両方に役立つ均等に間隔をかけられた交差支持部材によって分離される。特に、セクション部分３２５ａおよび３２５ｂは各々の左右対称形である。
【０１５２】
セクション３２５ａでは、それぞれ、第１の導電タブ３２４は、フレームエッジ３２２から延び、第２の導電タブ３２６はフレームエッジ３２３から延び、第３の導電タブ３２８は交差支持部材３２１から延びる。セクション３２５ｂでは、タブ３２４はフレームエッジ３２３から延び、タブ３２６はフレームエッジ３２２から延びる。特に、導電タブ３２８は、交差支持部材３２１からさらに延びる。特に、リードフレーム３２０では、あらゆる他の交差支持部材３２１は、隣接セクション３２５ａおよび３２５ｂのためのそれぞれのタブ３２８に取り付け、残りのあらゆる他の交差支持部材３２１は付属装置を全然有しない。
【０１５３】
図５５も参照すると、第２の代替の好ましいリードフレーム３２０′では、それぞれのセクション３２５′は左右対称形ではなく、連続して反復する。換言すると、あらゆる交差支持部材３２１′は単一隣接セクション３２５′のためのタブ３２８を支持することを除いて全くリードフレーム３２０と同様である。
【０１５４】
リードフレーム上のタブ３０４、３０６および３０８のように、タブ３２４、３２６および３２８は、好ましくはリードフレーム３２と同じ可撓性金属で作られている。特に、それぞれのタブ３０４、３０６および３０８は、３端子保護装置２４０のための射出成形ハウジングのバルク組み立てを可能にするパターンで構成される。タブ３２４、３２６および３２８は、好ましくはいろいろのサイズおよび形状の電気端子を形成するように弾性であり、可撓性である。
【０１５５】
図５４および図５５で分かるように、装置ハウジング３４４は、リードフレーム３２０の各セクション３２５ａおよび３２５ｂのタブ３２４、３２６および３２８の周りに形成され、タブ３２４、３２６および３２８の末端部はハウジング３３４内に露出される。射出工程より前に、タブ３２４、３２６および３２８の末端部は、仕上げられたハウジング３３４の中に置かれた装置２４０と電気接触するためのそれぞれの端部を最適に位置決めるようにクリンプされてもよいしあるいは曲げられてもよい。特に、タブ３２８の末端部３２９は、成形ハウジング３３４の“底部”壁は、本物の端部（図５４および図５４で擬似で示されている）を除いて全てケースに入れるので、電気的に分離するようにクリンプされる。ハウジングのように、このような曲げあるいはクリンピングも、ハウジング３３４のそれぞれの端壁および底部壁に強度を加えることに役立ち得る。
【０１５６】
特に、完成されたハウジング３３４は、リードフレーム３２０あるいは３２０′が使用されるかどうかにかかわらず同じである。すなわち取り除かれたそれぞれのフレームエッジ３２２および３２３ならびに交差支持部材３２１を有する完成されたハウジング３３４は図５６に示される。当業者によって理解されるように、ハウジング３３４とハウジング３１４との差異は、装置２４０のアース（あるいは負）端子２５９に結合されたタブリード３２８が端部からの代わりにハウジング３３４の側面から延びる。この代替のハウジング形状は、３端子装置２４０が再充電可能な電池パックに取り付けることができるように可撓性を可能にする。
【０１５７】
図５７〜図５８は、前述の３端子保護装置２４０の代替の好ましい実施例３４０を示す。保護装置２４０のように、保護装置３４０は、ＭＯＳＦＥＴ調整器３４４に熱的および電気的に結合されるＰＴＣチップ３４２を含む。ＰＴＣチップ３４２は、第１の側面を覆う第１の金属電極層３４８および第２の（すなわち対向する）側面を覆う第２の金属電極層３５０を有するＰＴＣ材料３４６の層を含む。金属電極層３４８および３５０は、それぞれ絶縁膜３４９および３５１で被覆されている。
【０１５８】
装置２４０におけるように、絶縁膜３５１の一部は、ＰＴＣチップ３４２の一方の端で欠けていて、保護パッケージ３４０の第１の端子３４１を形成する金属電極層３５０の一部を露出する。装置２４０におけるのと違って、絶縁膜３５１の一部は、ＰＴＣチップ３４２の他方の端部でも欠けていて、装置３４０の第２の端子３６１を形成する金属電極層３４８のバイア３６３の一部を露出する。矩形窓３５２は、チップの第２の端子３６１と同じ端部に近接する絶縁膜３４９に備えられ、調整器３４４がハンダボンド３５３によって取り付けられる金属電極層３４８の一部を露出する。
【０１５９】
装置２４０における調整器２４４と同様に、調整器３４４は、単一シリコンダイ３５４上に組み込まれたＭＯＳＦＥＴスイッチおよび精度制御回路を含む。ダイ３５４は、ＭＯＳＦＥＴスイッチのドレイン端子に電気的に結合されるヒートシンク３４３に取り付けられる。このヒートシンク３４３は、同様にハンダボンド３５３を介してＰＴＣチップ３４２の金属電極層３４８に電気的および熱的に結合される。ＭＯＳＦＥＴスイッチのソース端子は、調整器３４４から離れて延びる外部リード３４５に電気的に結合され、外部リード３４５は保護装置３４０の第３の端子を形成する。
【０１６０】
保護装置３４０が再充電可能な電池パック（図示せず）とともに使用した場合、第１の端子３４１は、電池充電装置あるいは放電負荷装置の正端子に結合される。第２の端子３６１は、電池の正端子に結合され、第３の端子３４５は、電池の負端子および電池充電装置あるいは放電負荷装置の負端子の両方に結合される。この装置の場合、電気経路は、金属電極層３５０、ＰＴＣ材料３４６および金属電極層３４８を介して第１の端子３４１から第２の端子３６１に形成される。ＭＯＳＦＥＴチャネルは付勢される（すなわち、過電圧状態中）場合、電気経路は、金属電極層３５０、ＰＴＣ材料３４６、金属電極層３４８、ハンダボンド３５３、ヒートシンク３４３、およびＭＯＳＦＥＴスイッチチャネルをそれぞれ介して第１の端子３４１から第３の端子３４５にも形成される。
【０１６１】
図５９〜図６２を参照すると、ここに提供された本発明のさらにもう一つの態様によれば、可撓性プリント回路板（“ｐｃ板”）３５０には、ｐｃ板３５０の第１の側面３５６上に取り付けられたＭＯＳＦＥＴ調整器３５４をｐｃ板３５０の第２の（下にある）側面３５８に取り付けられたＰＴＣチップ３５２に取り付ける開口３５１が装備される。
【０１６２】
図６２で最もよく分かるように、ＰＴＣチップは、第１の側面を覆う第１の金属電極層３７０およびＰＴＣ層３７１の第２（すなわち、対向する）側面を覆う第２の金属電極層３７２を有するＰＴＣ材料３７１の層を含む。金属電極層３７０および３７２は、それぞれの絶縁膜層３７７および３７８で被覆される。開口３５１の下にある絶縁膜３７７の一部は、調整器３５４のヒートシーク３９６がハンダボンド３５７によって取り付けられる金属電極層３７０の一部を露出するために欠けている。
【０１６３】
絶縁層３７７の別の部分は、ＰＴＣチップ３５２の一方の端部に近接して取り除かれ、ｐｃ板表面３５８上の第１の導電リード３６０に結合される金属電極層３７０の別の部分を露出する。ＰＴＣチップ３５２の対向する端部で、金属経路３８２は、金属電極層３７２を金属層３７０と同じ側面上の小さい電極領域３９４に結合する。ギャップ３８０は、電極領域３９４を金属層３７０から電気的に分離する。電極領域３９４は、ｐｃ板表面３５８上の第２の導電リード３６２に結合される。このように、ＰＴＣチップ３５２は、一方の端部の表面リード３６０に対する電極３７０のボンドおよび他方の端部の表面リード３６２に対する電極３９４のボンドによってｐｃ板表面３５８に固定される。
【０１６４】
調整器は、第１および第２のリード３５５および３９２によってｐｃ板３５０の第１の側面３５６に固定される。特に、リード３５５は、ｐｃ基板側３５６上の第１のボンドパッド３９０に、リード３５８は、ｐｃ基板側３５６上の第２のボンドパッド３９１に、それぞれ結合される。ボンドパッド３９０は、ｐｃボンド表面３５６上の第１の導電リード３６４に電気的に結合される。このように、調整器装置は、結合リード３５５および３９２の両方によってｐｃ板表面３５６にならびにヒートシンク３９６間のハンダボンド３５７をＰＴＣチップ３５２に固定される。特に、リード３５５はＭＯＳＦＥＴスイッチ３９８のソース端子にも結合される。
【０１６５】
再充電可能な電池パック（図示せず）に取り付けられる場合、ｐｃ板リード３６２は、電池充電装置あるいは放電負荷装置の正端子に結合するために構成される。ｐｃ板リード３６０は、電池の正端子に結合するために構成され、ｐｃ板リード３６４は、電池の負端子および電池充電装置あるいは放電負荷装置の両方に結合するために構成される。電気経路は、金属電極層３７２、ＰＴＣ材料３７１、および金属電極層３７０をそれぞれ介してリード３６２から第２の端子リード３６０に形成される。ＭＯＳＦＥＴチャネルが付勢される（すなわち、過電圧状態中）場合、電気経路は、金属電極層３７２、ＰＴＣ材料３７１、金属電極層３７０、ハンダボンド３５７、ヒートシンク３９６、ＭＯＳＦＥＴスイッチチャネルおよびソース端子３９８、およびリード３５５をそれぞれ介してリード３６２からリード３６４にも形成される。
【０１６６】
図５９〜図６２の実施例の１つの長所は、ＰＴＣチップ３５２が電池パックケーシングに直接容易に取り付けられ、ＰＴＣチップ３５２が過温度状態から（すなわち電池パックケーシングから伝導加熱によって）電池パックの保護を行うことを可能にすることである。
【０１６７】
再充電可能な素子の過温度、過電流および／または過温度の保護を行う好ましい回路、装置および方法は、当業者に明らかなように、図示され、説明されが、多数の修正および用途はここにおける本発明の概念から逸脱しないで可能である。
【０１６８】
例として、前述された好ましい実施例は、主に３端子装置実施例に向けられるが、ここに開示された本発明は複数の異なる番号付けられた端子およびピン幾何学的形状でも具体化されてもよいことが当業者に直ぐに明らかである。
【０１６９】
さらに、前述された好ましい実施例は、通常保護回路およびシステムに向けられるが、本発明の概念は、電圧調整器回路、例えば電池充電器システムとしても使用されてもよい。当業者によって理解されるように、前述された保護回路に使用されたＰＴＣ装置は、必ず電圧調整器用途においてトリッピングおよびリセットするいつもの温度に調整する必要がある。
【符号の説明】
【０１７０】
１  電池、２  ツェナーダイオード、３  保護素子、４  付加保護素子、５  充電器、６  スマート回路、７  フォトカプラ、８  フォトトランジスタ、１０  過電流検出装置、１１  保護素子。
【図１】
2009183141.tif 000009
【図２】
2009183141.tif 000010
【図３Ａ】
2009183141.tif 000011
【図３Ｂ】
2009183141.tif 000012
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2009183141.tif 000014
【図５】
2009183141.tif 000015
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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