電池保護回路及び電池保護装置、並びに電池パック
【課題】過放電状態と過充電状態での二次電池の充電を禁止でき、且つデバイスサイズを小さくできる、電池保護回路を提供すること。
【解決手段】複数のセル２００Ｈ，２００Ｌを有する二次電池を保護する電池保護回路であって、各セルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬを出力する基準電源４１Ｈ，４１Ｌと、セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力する論理和回路４４と、基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬのいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力する否定論理積回路４５と、論理和回路４４の出力と否定論理積回路４５の出力との論理和に基づいて、二次電池の充電の許否を制御する制御回路４６とを備える、電池保護回路。
【解決手段】複数のセル２００Ｈ，２００Ｌを有する二次電池を保護する電池保護回路であって、各セルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬを出力する基準電源４１Ｈ，４１Ｌと、セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力する論理和回路４４と、基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬのいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力する否定論理積回路４５と、論理和回路４４の出力と否定論理積回路４５の出力との論理和に基づいて、二次電池の充電の許否を制御する制御回路４６とを備える、電池保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護回路及び電池保護装置に関する。また、該電池保護装置を内蔵する電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、二次電池の充電を禁止する機能を備える電源装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。図９は、特許文献１の図１０に示される電源装置の回路ブロック図である。この電源装置は、直列接続された二次電池１０１，１１５のそれぞれの電池電圧をＭＯＳトランジスタのしきい値電圧を利用して監視するものである。論理和発生回路１２０は、二次電池１０１の電池電圧がＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６のしきい値電圧以下の場合又は二次電池１１５の電池電圧がＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１８のしきい値電圧以下の場合、二次電池１０１又は１１５が「過放電状態」であるとして、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ５０４をオフする。これにより、ＦＥＴ−Ｂ１１１がオフするため、充電器１０８から二次電池１０１，１１５への充電電流が遮断される。
【０００３】
一方、充放電制御回路１０２は、二次電池１０１と１１５との直列回路の両端電圧を監視し、その両端電圧が「過充電状態」時には、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５０５をオンする。これにより、上記同様に、ＦＥＴ−Ｂ１１１がオフするため、充電器１０８から二次電池１０１，１１５への充電電流が遮断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２５００７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、図９の回路では、トランジスタ１１６，１１８のゲートが二次電池１０１，１１５との接続端子に直接接続されているので、静電気耐量が脆弱である。したがって、静電気耐量を向上させるために、ゲート面積の拡大など、デバイスサイズを大きくしなければならない。また、二次電池１０１，１１５の充電を禁止するための出力段回路が、過放電状態のときに使用するトランジスタ５０４と過充電状態のときに使用するトランジスタ５０５の２つ存在するため、デバイスサイズが大きくなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、過放電状態と過充電状態での二次電池の充電を禁止でき、且つデバイスサイズを小さくできる、電池保護回路及び電池保護装置の提供を目的とする。また、該電池保護装置を内蔵する電池パックの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る電池保護回路は、
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護回路であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する第２の判定回路と、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記二次電池の充電の許否を制御する制御回路とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池保護装置は、
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護装置であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する第２の判定回路と、
前記二次電池の充電の許否を制御する充電制御トランジスタと、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記充電制御トランジスタを制御する制御回路とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、該電池保護装置と前記二次電池とを内蔵するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、過放電状態と過充電状態での二次電池の充電を禁止でき、且つデバイスサイズを小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である保護ＩＣ９０，保護モジュール回路８０及び電池パック１００の構成図である。
【図２】保護ＩＣ９０の詳細なブロック図である。
【図３】Ｈセル側基準電源４１ＨとＬセル側基準電源４１Ｌの回路図である。
【図４】Ｈセル側過充電検出回路４２ＨとＬセル側過充電検出回路４２Ｌの回路図である。
【図５】Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈの回路図である。
【図６】Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌの回路図である。
【図７】バイアス源回路５２の回路図である。
【図８】レベルシフト回路４８の回路図である。
【図９】特許文献１の図１０に示される電源装置の回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。図１は、本発明の一実施形態である保護ＩＣ９０，保護モジュール回路８０及び電池パック１００の構成図である。電池パック１００は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池２００を保護する電池保護装置である保護モジュール回路８０を、二次電池２００と共に内蔵する。保護モジュール回路８０は、外部負荷３００及び／又は充電器４００が接続され得る入出力端子５，６と二次電池２００の両極が接続され得る端子３，４との間の電源経路９（９ａ，９ｂ）の導通／遮断を切り替えるＦＥＴ１，２と、ＦＥＴ１，２の切り替え動作を制御する保護ＩＣ９０とを備える。入出力端子５，６は、二次電池２００から外部負荷３００に給電するための給電端子である。二次電池２００は、２つのセル２００Ｈとセル２００Ｌとが直列に接続された構成を有する。
【００１３】
電池パック１００は、外部負荷３００に、内蔵されたり、外付けされたりする。外部負荷３００は、例えば、人が携帯可能な電子機器や電気機器である。その具体例として、音楽やビデオ等のプレーヤー、ヘッドセット、携帯電話などの無線通信機能を備えた通信端末装置、ＰＤＡやモバイルパソコン等の情報端末装置、カメラ、ゲーム機などが挙げられる。
【００１４】
ＦＥＴ１，２は、二次電池２００の負極側端子４と負側入出力端子６との間の負側電源経路９ｂの導通／遮断の切り替えが可能なように直列に接続されたスイッチング素子である。ＦＥＴ１は、電源経路９を遮断する第１の遮断手段であり、ＦＥＴ２は、電源経路９を遮断する第２の遮断手段である。より詳細には、ＦＥＴ１は、電源経路９を充電方向に流れる二次電池２００の充電電流の遮断／導通を切り替え可能な第１の切替手段であり、ＦＥＴ２は、充放電経路９を放電方向に流れる二次電池２００の放電電流の遮断／導通を切り替え可能な第２の切替手段である。充電制御用ＦＥＴ１がオン状態で二次電池２００の充電が許可され、オフ状態で二次電池２００の充電が禁止される。また、放電制御用ＦＥＴ２がオン状態で二次電池２００の放電が許可され、オフ状態で二次電池２００の放電が禁止される。
【００１５】
ＦＥＴ１，２は、例えば、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴである。ＦＥＴ１は、その寄生ダイオード１ａの順方向が二次電池２００の放電方向になる向きで負極側端子４と負側入出力端子６との間に配置され、ＦＥＴ２は、その寄生ダイオード２ａの順方向が二次電池２００の充電方向になる向きで負極側端子４と負側入出力端子６との間に配置される。なお、ＦＥＴ１，２は、コレクタエミッタ間に図示の向きにダイオードが構成されたバイポーラトランジスタに置き換えてもよいし、ＩＧＢＴなどの半導体素子に置き換えてもよい。
【００１６】
保護ＩＣ９０は、二次電池２００から給電されて二次電池２００を保護する集積回路である。保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００を過充電から保護する動作（過充電保護動作）、二次電池２００を過放電から保護する保護動作（過放電保護動作）、二次電池２００を充電する方向に過電流が流れることを防止する充電過電流保護動作、二次電池２００を放電する方向に過電流が流れることを防止する放電過電流保護動作を行う。これらの保護動作は、各保護動作の所定の作動条件が成立した場合に、行われる。
【００１７】
保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の過充電保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ１をオフする。これにより、ＦＥＴ２のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００が過充電されることを防止できる。
【００１８】
例えば、保護ＩＣ９０の検出器２１は、保護ＩＣ９０のＶＤＤ端子とＶＢＬ端子との間の電圧を検出することによって、二次電池２００を構成する上側のセル２００Ｈの電池電圧（セル電圧）を監視し、保護ＩＣ９０のＶＢＬ端子とＶＳＳ端子との間の電圧を検出することによって、二次電池２００を構成する下側のセル２００Ｌの電池電圧（セル電圧）を監視している。ＶＤＤ端子は、正側入出力端子５と二次電池２００のセル２００Ｈの正極側端子３との間の正側電源経路９ａに、正側電源経路９ａに接続された抵抗Ｒ１と負側電源経路９ｂに接続されたキャパシタＣ１との接続点を介して接続される。ＶＢＬ端子は、セル２００Ｈの負極とセル２００Ｌの正極との間の接続点に接続される。ＶＳＳ端子は、負側電源経路９ｂに接続される。
【００１９】
セル２００Ｈのセル電圧は、ＶＢＬ端子基準で検出される正極側端子３の端子電圧（言い換えれば、ＶＢＬ端子基準で検出されるＶＤＤ端子の端子電圧）に相当する。また、セル２００Ｌのセル電圧は、負極側端子４基準で検出されるＶＢＬ端子の端子電圧（言い換えれば、ＶＳＳ端子基準で検出されるＶＢＬ端子の端子電圧）に相当する。
【００２０】
検出器２１は、所定の過充電検出電圧（しきい値電圧）を超えるセル電圧をセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方について検知することにより、二次電池２００のセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方の過充電が検出されたとして、過充電検出信号を出力する。過充電検出信号を検知した充電制御用論理回路２５は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＣＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、充電制御用ＦＥＴ１をオフする。これにより、二次電池２００のセル２００Ｈ，２００Ｌが過充電されることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の過充電検出電圧を超えるセル電圧が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２１】
また、保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の過放電保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ２をオフする。これにより、ＦＥＴ１のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００が過放電されることを防止できる。
【００２２】
例えば、検出器２１は、所定の過放電検出電圧（しきい値電圧）未満のセル電圧をセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方について検知することにより、二次電池２００のセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方の過放電が検出されたとして、過放電検出信号を出力する。過放電検出信号を検知した放電制御用論理回路２４は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＤＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、放電制御用ＦＥＴ２をオフする。これにより、二次電池２００のセル２００Ｈ，２００Ｌが過放電されることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の過放電検出電圧未満のセル電圧が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２３】
また、保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の充電過電流保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ１をオフする。これにより、ＦＥＴ２のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００を充電する方向の過電流（充電過電流）が流れることを防止できる。
【００２４】
例えば、検出器２１は、保護ＩＣ９０のＶ−端子とＶＳＳ端子との間の電圧を検出することによって、負側入出力端子６と負極側端子４との間の電圧である負側端子間電圧Ｐ−を監視している。Ｖ−端子は、充電制御用ＦＥＴ１と負側入出力端子６との間の負側電源経路９ｂにおいて、負側入出力端子６に接続される。また、負側端子間電圧Ｐ−は、負極側端子４に対する負側入出力端子６の端子電圧に相当する。
【００２５】
検出器２１は、所定の充電過電流検出電圧（しきい値電圧）以下の負側端子間電圧Ｐ−を検知することにより、負側入出力端子６に流れる異常電流として充電過電流が検出されたとして、充電過電流検出信号を出力する。充電過電流検出信号を検知した充電制御用論理回路２５は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＣＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、充電制御用ＦＥＴ１をオフする。これにより、保護ＩＣ９０の動作モードは、電源経路９に異常電流が流れることを防止する異常電流防止モードとして、充電制御用ＦＥＴ１がオフされた状態の充電過電流防止モードに移行し、二次電池２００に充電過電流が流れることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の充電過電流検出電圧以下の負側端子間電圧Ｐ−が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２６】
ここで、充電制御用ＦＥＴ１が少なくともオンしている状態で、二次電池２００を充電する充電電流が流れることにより負側端子間電圧Ｐ−が低下するのは、充電制御用ＦＥＴ１のオン抵抗による電圧降下が生ずるからである。また、放電制御用ＦＥＴ２がオンしていれば、放電制御用ＦＥＴ２のオン抵抗による電圧降下分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が低下し、放電制御用ＦＥＴ２がオフしていれば、放電制御用ＦＥＴ２の寄生ダイオード２ａによる電圧降下分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が低下する。
【００２７】
また、保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の放電過電流保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ２をオフする。これにより、ＦＥＴ１のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００を放電する方向の過電流（放電過電流）が流れることを防止できる。
【００２８】
例えば、検出器２１は、所定の放電過電流検出電圧（しきい値電圧）以上の負側端子間電圧Ｐ−を検知することにより、負側入出力端子６に流れる異常電流として放電過電流が検出されたとして、放電過電流検出信号を出力する。放電過電流検出信号を検知した放電制御用論理回路２４は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＤＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、放電制御用ＦＥＴ２をオフする。これにより、保護ＩＣ９０の動作モードは、電源経路９に異常電流が流れることを防止する異常電流防止モードとして、放電制御用ＦＥＴ２がオフされた状態の放電過電流防止モードに移行し、二次電池２００に放電過電流が流れることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の放電過電流検出電圧以上の負側端子間電圧Ｐ−が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２９】
ここで、放電制御用ＦＥＴ２が少なくともオンしている状態で、二次電池２００を放電する放電電流が流れることにより負側端子間電圧Ｐ−が上昇するのは、放電制御用ＦＥＴ２のオン抵抗による電圧上昇が生ずるからである。また、充電制御用ＦＥＴ１がオンしていれば、充電制御用ＦＥＴ１のオン抵抗による電圧上昇分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が上昇し、充電制御用ＦＥＴ１がオフしていれば、充電制御用ＦＥＴ１の寄生ダイオード１ａによる電圧上昇分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が上昇する。
【００３０】
次に、保護ＩＣ９０内の、検出器２１，放電制御用論理回路２４及び充電制御用論理回路２５について詳細に説明する。図２は、保護ＩＣ９０の詳細なブロック図である。
【００３１】
保護ＩＣ９０は、複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源回路を備えている。図２には、この基準電源回路の構成要素として、Ｈセル側基準電源４１Ｈ及びＬセル側基準電源４１Ｌが例示されている。
【００３２】
Ｈセル側基準電源４１Ｈは、セル２００Ｈのセル電圧から一定の基準電圧ＶＲＥＦＨを生成して出力する。Ｌセル側基準電源４１Ｌは、セル２００Ｌのセル電圧から一定の基準電圧ＶＲＥＦＬを生成して出力する。Ｈセル側基準電源４１ＨとＬセル側基準電源４１Ｌは、セル電圧を降圧して、一定の基準電圧を生成する。例えば、トランジスタをダイオード接続した回路によって、セル電圧を降圧した一定の基準電圧が生成できる。
【００３３】
また、保護ＩＣ９０は、複数のセルのセル電圧のいずれかが第１の所定値を超えているとき充電を禁止する信号を出力し、複数のセルのセル電圧のいずれもが第１の所定値を超えていないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路を備えている。図２には、この第１の判定回路の構成要素として、抵抗Ｒ３〜Ｒ６と、Ｈセル側過充電検出回路４２Ｈと、Ｌセル側過充電検出回路４２Ｌと、論理和回路４４とが例示されている。第１の判定回路は、二次電池２００の電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）を電源電圧として動作する。
【００３４】
Ｈセル側過充電検出回路４２Ｈは、セル２００Ｈのセル電圧の抵抗Ｒ３，Ｒ４による分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えているとき、充電を禁止する信号を出力し（検出信号ＯＶＣＨがハイレベル）、分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えていないとき、充電を許可する信号を出力する（検出信号ＯＶＣＨがローレベル）。Ｌセル側過充電検出回路４２Ｌは、セル２００Ｌのセル電圧の抵抗Ｒ５，Ｒ６による分圧電圧ＶＢＬが基準電圧ＶＲＥＦＬを超えているとき、充電を禁止する信号を出力し（検出信号ＯＶＣＬがハイレベル）、分圧電圧ＶＢＬが基準電圧ＶＲＥＦＬを超えていないとき、充電を許可する信号を出力する（検出信号ＯＶＣＬがローレベル）。論理和回路４４は、Ｈセル側過充電検出回路４２Ｈの出力信号とＬセル側過充電検出回路４２Ｌの出力信号との論理和を出力する。
【００３５】
このような回路構成によって、論理和回路４４は、セル２００Ｈ，２００Ｌのセル電圧のいずれかが第１の所定値を超えているとき充電を禁止する信号を出力でき、セル２００Ｈ，２００Ｌのいずれもが第１の所定値を超えていないとき充電を許可する信号を出力できる。
【００３６】
また、保護ＩＣ９０は、上述の基準電源回路によってセル電圧毎に生成されて出力された複数の基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、それらの複数の基準電圧のいずれもが第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する、第２の判定回路を備えている。図２には、この第２の判定回路の構成要素として、Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈと、Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌと、否定論理積回路４５とが例示されている。第２の判定回路は、二次電池２００の電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）を電源電圧として動作する。
【００３７】
Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈは、基準電圧ＶＲＥＦＨが第２の所定値未満であるとき、充電を禁止する信号を出力し（論理信号ＳＨがローレベル）、基準電圧ＶＲＥＦＨが第２の所定値未満でないとき、充電を許可する信号を出力する（論理信号ＳＨがハイレベル）。Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌは、基準電圧ＶＲＥＦＬが第２の所定値未満であるとき、充電を禁止する信号を出力し（論理信号ＳＬがローレベル）、基準電圧ＶＲＥＦＬが第２の所定値未満でないとき、充電を許可する信号を出力する（論理信号ＳＬがハイレベル）。否定論理積回路４５は、Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈの出力信号とＬセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌの出力信号との否定論理積を出力する。
【００３８】
このような回路構成によって、否定論理積回路４５は、基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬのいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力でき、基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬのいずれもが第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力できる。
【００３９】
また、保護ＩＣ９０は、上述の第１の判定回路の出力と第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、二次電池の充電の許否を制御する制御回路を備えている。図２には、この制御回路として、制御回路４６が例示されている。制御回路４６は、論理和回路４４の出力信号と否定論理積回路４５の出力信号との論理和として、論理和信号ＣＯＵＴＬを出力する論理和回路４７を備えている。
【００４０】
したがって、上述の、基準電源回路と、第１の判定回路と、第２の判定回路と、制御回路とを備える保護ＩＣ９０によれば、過放電状態と過充電状態で二次電池の充電を禁止でき、且つ保護ＩＣのデバイスサイズを小さくできる。例えば、セル２００Ｈ，２００Ｌの電極が接続されるＶＤＤ，ＶＢＬ，ＶＳＳの各端子にトランジスタのゲートが直接接続される構造ではないので、静電気に強く、静電気耐量を向上させるためにゲートサイズ等のサイズを大きくする必要がない。また、上述の第１の判定回路の出力と第２の判定回路の出力との「論理和」に基づいて、二次電池の充電の許否を制御するので、過放電状態のときと過充電状態のときの充電禁止回路をまとめることができるため、デバイスサイズを小さくできる。例えば、図９に示されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ５０４は、少なくとも不要となる。また、基準電源回路は、保護ＩＣにもともと存在するリソースを再利用できるので、新たな回路を設ける必要がなく、面積縮小効果が高い。
【００４１】
ところで、制御回路４６は、論理和回路４７から出力された論理和信号ＣＯＵＴＬに基づいて、ＣＯＵＴ端子に外部接続される充電制御用ＦＥＴ１（図１参照）を駆動する駆動回路を備えている。図２には、この駆動回路の構成要素として、レベルシフト回路４８と、ＣＭＯＳインバータ５１とが例示されている。
【００４２】
レベルシフト回路４８は、ＶＳＳ端子電圧をローレベルとしＶＤＤ端子電圧をハイレベルとする論理和信号ＣＯＵＴＬを、Ｖ−端子電圧をローレベルとしＶＤＤ端子電圧をハイレベルとする論理信号ＣＯＵＴＬＬに、論理を反転させずに電圧変換する。論理信号ＣＯＵＴＬＬがローレベルのとき、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ４９がオンするので、充電制御用ＦＥＴ１がオンする（充電許可）。論理信号ＣＯＵＴＬＬがハイレベルのとき、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５０がオンするので、充電制御用ＦＥＴ１はオフする（充電禁止）。
【００４３】
図３〜８は、図２に例示した回路構成の具体例である。トランジスタ等の各回路要素間の接続関係の説明については、図から明らかなため、省略又は簡略する。また、各図のトランジスタ記号において、ゲートの線が１本のトランジスタは、エンハンスメント型を表し、ゲートの線が２本のトランジスタは、デプレッション型を表す。
【００４４】
図３は、Ｈセル側基準電源４１ＨとＬセル側基準電源４１Ｌの回路図である。Ｈセル側基準電源４１Ｈは、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１とエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２とを備え、トランジスタＭ１のゲート及びソースとトランジスタＭ２のゲート及びドレインとが共通に接続されている。トランジスタＭ１のドレインは、ＶＤＤ端子に接続され、トランジスタＭ２のソースは、ＶＢＬ端子に接続される。図３の構成により、トランジスタＭ１のソースとトランジスタＭ２のドレインとの接続点から、セル２００Ｈのセル電圧から生成された一定の基準電圧ＶＲＥＦＨが出力される。
【００４５】
Ｌセル側基準電源４１Ｌについても、Ｈセル側基準電源４１Ｈと同様の構成である。したがって、図３の構成により、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ３のソースとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ４のドレインとの接続点から、セル２００Ｌのセル電圧から生成された一定の基準電圧ＶＲＥＦＬが出力される。
【００４６】
図４は、Ｈセル側過充電検出回路４２ＨとＬセル側過充電検出回路４２Ｌの回路図である。過充電検出回路４２Ｈ，４２Ｌは、ＶＳＳ端子とＶＤＤ端子との間の電位差である電源電圧ＶＤＤで動作するコンパレータである。非反転入力端子に分圧電圧ＶＢＨ，ＶＢＬが入力され、反転入力端子に基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬが入力される。したがって、図４の構成により、過充電検出回路４２Ｈは、分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えているとき、充電を禁止する信号を出力し（信号ＯＶＣＨがハイレベル）、分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えていないとき、充電を許可する信号が出力する（信号ＯＶＣＨがローレベル）。過充電検出回路４２Ｌについても同様である。
【００４７】
図５は、Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈの回路図である。立ち上がり検出回路４３Ｈは、ゲートに基準電圧ＶＲＥＦＨが入力されるＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ５と、バイアス源回路５２によって生成されたバイアス電圧信号ＮＢＩ（図７参照）が入力されるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ６とを備える。
【００４８】
図７は、バイアス源回路５２の回路図である。二次電池２００のセル２００Ｈの正極とセル２００Ｌの負極との間の両端電圧（電源電圧ＶＤＤ）がＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ１２のしきい値電圧を超えると、トランジスタＭ１２はオンする。トランジスタＭ１２のオンにより、カレントミラー（Ｍ１６，Ｍ１７）が動作するため、ダイオード接続されたトランジスタＭ１８に一定の順方向電圧がバイアス電圧ＮＢＩとして発生する。電源電圧ＶＤＤが更に大きくなると、抵抗Ｒ７の両端電圧がトランジスタＭ１４のしきい値電圧を超えることにより電流制限回路（Ｒ７，Ｍ１４）が動作するため、トランジスタＭ１５がオフする。これにより、カレントミラー（Ｍ１６，Ｍ１７）の動作が停止する。これにより、バイアス電圧ＮＢＩは０Ｖになる。
【００４９】
したがって、図５において、セル２００Ｈのセル電圧が過放電状態の低電圧であるとき、バイアス電圧ＮＢＩによりトランジスタＭ６がオンするため、論理信号ＳＨがローレベルになる（充電を禁止する信号が出力される）。一方、セル２００Ｈのセル電圧が過放電状態のときよりも高い正常電圧のとき、基準電圧ＶＲＥＦＨは所期の一定の目標値まで立ち上がっている一方で、バイアス電圧ＮＢＩは０Ｖのため、論理信号ＳＨがハイレベルになる（充電を許可する信号が出力される）。なお、基準電圧ＶＲＥＦＨの目標値は、電源電圧ＶＤＤからトランジスタＭ５のしきい値電圧を引いた電圧よりも低い値である。
【００５０】
図６は、Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌの回路図である。セル２００Ｌのセル電圧が過放電状態の低電圧であるとき、バイアス電圧ＮＢＩによりトランジスタＭ１１がオンし、且つバイアス電圧ＰＢＩによりトランジスタＭ７，Ｍ１０がオンしているので、論理信号ＳＬがローレベルになる（充電を禁止する信号が出力される）。一方、セル２００Ｌのセル電圧が過放電状態のときよりも高い正常電圧のとき、基準電圧ＶＲＥＦＬは所期の一定の目標値まで立ち上がっている一方で、バイアス電圧ＮＢＩがトランジスタＭ１１のしきい値電圧未満となり、電位差（ＶＤＤ−ＰＢＬ）がトランジスタＭ７のしきい値電圧未満となる。これにより、トランジスタＭ８，Ｍ９はオンし、トランジスタＭ７，Ｍ１０，Ｍ１１はオフするため、論理信号ＳＬがハイレベルになる（充電を許可する信号が出力される）。
【００５１】
図８は、レベルシフト回路４８の回路図である。レベルシフト回路４８は、エンハンスメント型ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ１９と、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２０と、抵抗Ｒ８と、反転回路５３とを備える。論理和信号ＣＯＵＴＬがローレベルのとき、論理信号ＣＯＵＴＬＬがローレベルとなり（充電許可）、論理和信号ＣＯＵＴＬがハイレベルのとき、論理信号ＣＯＵＴＬＬがハイレベルとなる（充電禁止）。二次電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）がＭＯＳトランジスタのしきい値電圧で決定される動作下限電圧未満になると、二次電池２００で駆動している回路（論理和回路４４，４７、否定論理積回路４５等）は動作不能となるため、ＣＯＵＴＬの出力論理は（ＶＤＤ−ＶＳＳ）に対して不定値となる。しかしながら、充電器４００（図１参照）の電圧（ＶＤＤ−Ｖ−）で動作するレベルシフト回路４８ではＣＯＵＴＬの不定値はハイレベルと認識されるため、レベルシフト回路４８は、ハイレベルの論理信号ＣＯＵＴＬＬを出力する。これにより、充電制御用ＦＥＴ１をオフできる。このように、二次電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）が動作下限電圧未満になっても、充電禁止状態は継続される。
【００５２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。
【００５３】
例えば、二次電池２００を構成するセルの直列数が２つの場合を例示したが、３つ以上ある場合も同様に考えることができる。また、例えば、充電制御用ＦＥＴ１と放電制御用ＦＥＴ２は、図示の配置位置を互いに置換してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１ 充電制御用ＦＥＴ
１ａ 寄生ダイオード
２ 放電制御用ＦＥＴ
２ａ 寄生ダイオード
３ 正極側端子
４ 負極側端子
５ 正側入出力端子
６ 負側入出力端子
９ａ 正側電源経路
９ｂ 負側電源経路
４６ 制御回路
４８ レベルシフト回路
５１ ＣＭＯＳインバータ
５２ バイアス源回路
５３ ＣＭＯＳインバータ
８０ 保護モジュール回路
９０ 保護ＩＣ
１００ 電池パック
２００ 二次電池
２００Ｈ，２００Ｌ セル
３００ 外部負荷
４００ 充電器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護回路及び電池保護装置に関する。また、該電池保護装置を内蔵する電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、二次電池の充電を禁止する機能を備える電源装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。図９は、特許文献１の図１０に示される電源装置の回路ブロック図である。この電源装置は、直列接続された二次電池１０１，１１５のそれぞれの電池電圧をＭＯＳトランジスタのしきい値電圧を利用して監視するものである。論理和発生回路１２０は、二次電池１０１の電池電圧がＰチャネルＭＯＳトランジスタ１１６のしきい値電圧以下の場合又は二次電池１１５の電池電圧がＮチャネルＭＯＳトランジスタ１１８のしきい値電圧以下の場合、二次電池１０１又は１１５が「過放電状態」であるとして、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ５０４をオフする。これにより、ＦＥＴ−Ｂ１１１がオフするため、充電器１０８から二次電池１０１，１１５への充電電流が遮断される。
【０００３】
一方、充放電制御回路１０２は、二次電池１０１と１１５との直列回路の両端電圧を監視し、その両端電圧が「過充電状態」時には、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５０５をオンする。これにより、上記同様に、ＦＥＴ−Ｂ１１１がオフするため、充電器１０８から二次電池１０１，１１５への充電電流が遮断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２５００７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、図９の回路では、トランジスタ１１６，１１８のゲートが二次電池１０１，１１５との接続端子に直接接続されているので、静電気耐量が脆弱である。したがって、静電気耐量を向上させるために、ゲート面積の拡大など、デバイスサイズを大きくしなければならない。また、二次電池１０１，１１５の充電を禁止するための出力段回路が、過放電状態のときに使用するトランジスタ５０４と過充電状態のときに使用するトランジスタ５０５の２つ存在するため、デバイスサイズが大きくなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、過放電状態と過充電状態での二次電池の充電を禁止でき、且つデバイスサイズを小さくできる、電池保護回路及び電池保護装置の提供を目的とする。また、該電池保護装置を内蔵する電池パックの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る電池保護回路は、
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護回路であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する第２の判定回路と、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記二次電池の充電の許否を制御する制御回路とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池保護装置は、
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護装置であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する第２の判定回路と、
前記二次電池の充電の許否を制御する充電制御トランジスタと、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記充電制御トランジスタを制御する制御回路とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、該電池保護装置と前記二次電池とを内蔵するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、過放電状態と過充電状態での二次電池の充電を禁止でき、且つデバイスサイズを小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である保護ＩＣ９０，保護モジュール回路８０及び電池パック１００の構成図である。
【図２】保護ＩＣ９０の詳細なブロック図である。
【図３】Ｈセル側基準電源４１ＨとＬセル側基準電源４１Ｌの回路図である。
【図４】Ｈセル側過充電検出回路４２ＨとＬセル側過充電検出回路４２Ｌの回路図である。
【図５】Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈの回路図である。
【図６】Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌの回路図である。
【図７】バイアス源回路５２の回路図である。
【図８】レベルシフト回路４８の回路図である。
【図９】特許文献１の図１０に示される電源装置の回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。図１は、本発明の一実施形態である保護ＩＣ９０，保護モジュール回路８０及び電池パック１００の構成図である。電池パック１００は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池２００を保護する電池保護装置である保護モジュール回路８０を、二次電池２００と共に内蔵する。保護モジュール回路８０は、外部負荷３００及び／又は充電器４００が接続され得る入出力端子５，６と二次電池２００の両極が接続され得る端子３，４との間の電源経路９（９ａ，９ｂ）の導通／遮断を切り替えるＦＥＴ１，２と、ＦＥＴ１，２の切り替え動作を制御する保護ＩＣ９０とを備える。入出力端子５，６は、二次電池２００から外部負荷３００に給電するための給電端子である。二次電池２００は、２つのセル２００Ｈとセル２００Ｌとが直列に接続された構成を有する。
【００１３】
電池パック１００は、外部負荷３００に、内蔵されたり、外付けされたりする。外部負荷３００は、例えば、人が携帯可能な電子機器や電気機器である。その具体例として、音楽やビデオ等のプレーヤー、ヘッドセット、携帯電話などの無線通信機能を備えた通信端末装置、ＰＤＡやモバイルパソコン等の情報端末装置、カメラ、ゲーム機などが挙げられる。
【００１４】
ＦＥＴ１，２は、二次電池２００の負極側端子４と負側入出力端子６との間の負側電源経路９ｂの導通／遮断の切り替えが可能なように直列に接続されたスイッチング素子である。ＦＥＴ１は、電源経路９を遮断する第１の遮断手段であり、ＦＥＴ２は、電源経路９を遮断する第２の遮断手段である。より詳細には、ＦＥＴ１は、電源経路９を充電方向に流れる二次電池２００の充電電流の遮断／導通を切り替え可能な第１の切替手段であり、ＦＥＴ２は、充放電経路９を放電方向に流れる二次電池２００の放電電流の遮断／導通を切り替え可能な第２の切替手段である。充電制御用ＦＥＴ１がオン状態で二次電池２００の充電が許可され、オフ状態で二次電池２００の充電が禁止される。また、放電制御用ＦＥＴ２がオン状態で二次電池２００の放電が許可され、オフ状態で二次電池２００の放電が禁止される。
【００１５】
ＦＥＴ１，２は、例えば、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴである。ＦＥＴ１は、その寄生ダイオード１ａの順方向が二次電池２００の放電方向になる向きで負極側端子４と負側入出力端子６との間に配置され、ＦＥＴ２は、その寄生ダイオード２ａの順方向が二次電池２００の充電方向になる向きで負極側端子４と負側入出力端子６との間に配置される。なお、ＦＥＴ１，２は、コレクタエミッタ間に図示の向きにダイオードが構成されたバイポーラトランジスタに置き換えてもよいし、ＩＧＢＴなどの半導体素子に置き換えてもよい。
【００１６】
保護ＩＣ９０は、二次電池２００から給電されて二次電池２００を保護する集積回路である。保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００を過充電から保護する動作（過充電保護動作）、二次電池２００を過放電から保護する保護動作（過放電保護動作）、二次電池２００を充電する方向に過電流が流れることを防止する充電過電流保護動作、二次電池２００を放電する方向に過電流が流れることを防止する放電過電流保護動作を行う。これらの保護動作は、各保護動作の所定の作動条件が成立した場合に、行われる。
【００１７】
保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の過充電保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ１をオフする。これにより、ＦＥＴ２のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００が過充電されることを防止できる。
【００１８】
例えば、保護ＩＣ９０の検出器２１は、保護ＩＣ９０のＶＤＤ端子とＶＢＬ端子との間の電圧を検出することによって、二次電池２００を構成する上側のセル２００Ｈの電池電圧（セル電圧）を監視し、保護ＩＣ９０のＶＢＬ端子とＶＳＳ端子との間の電圧を検出することによって、二次電池２００を構成する下側のセル２００Ｌの電池電圧（セル電圧）を監視している。ＶＤＤ端子は、正側入出力端子５と二次電池２００のセル２００Ｈの正極側端子３との間の正側電源経路９ａに、正側電源経路９ａに接続された抵抗Ｒ１と負側電源経路９ｂに接続されたキャパシタＣ１との接続点を介して接続される。ＶＢＬ端子は、セル２００Ｈの負極とセル２００Ｌの正極との間の接続点に接続される。ＶＳＳ端子は、負側電源経路９ｂに接続される。
【００１９】
セル２００Ｈのセル電圧は、ＶＢＬ端子基準で検出される正極側端子３の端子電圧（言い換えれば、ＶＢＬ端子基準で検出されるＶＤＤ端子の端子電圧）に相当する。また、セル２００Ｌのセル電圧は、負極側端子４基準で検出されるＶＢＬ端子の端子電圧（言い換えれば、ＶＳＳ端子基準で検出されるＶＢＬ端子の端子電圧）に相当する。
【００２０】
検出器２１は、所定の過充電検出電圧（しきい値電圧）を超えるセル電圧をセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方について検知することにより、二次電池２００のセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方の過充電が検出されたとして、過充電検出信号を出力する。過充電検出信号を検知した充電制御用論理回路２５は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＣＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、充電制御用ＦＥＴ１をオフする。これにより、二次電池２００のセル２００Ｈ，２００Ｌが過充電されることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の過充電検出電圧を超えるセル電圧が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２１】
また、保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の過放電保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ２をオフする。これにより、ＦＥＴ１のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００が過放電されることを防止できる。
【００２２】
例えば、検出器２１は、所定の過放電検出電圧（しきい値電圧）未満のセル電圧をセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方について検知することにより、二次電池２００のセル２００Ｈと２００Ｌの少なくとも一方の過放電が検出されたとして、過放電検出信号を出力する。過放電検出信号を検知した放電制御用論理回路２４は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＤＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、放電制御用ＦＥＴ２をオフする。これにより、二次電池２００のセル２００Ｈ，２００Ｌが過放電されることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の過放電検出電圧未満のセル電圧が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２３】
また、保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の充電過電流保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ１をオフする。これにより、ＦＥＴ２のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００を充電する方向の過電流（充電過電流）が流れることを防止できる。
【００２４】
例えば、検出器２１は、保護ＩＣ９０のＶ−端子とＶＳＳ端子との間の電圧を検出することによって、負側入出力端子６と負極側端子４との間の電圧である負側端子間電圧Ｐ−を監視している。Ｖ−端子は、充電制御用ＦＥＴ１と負側入出力端子６との間の負側電源経路９ｂにおいて、負側入出力端子６に接続される。また、負側端子間電圧Ｐ−は、負極側端子４に対する負側入出力端子６の端子電圧に相当する。
【００２５】
検出器２１は、所定の充電過電流検出電圧（しきい値電圧）以下の負側端子間電圧Ｐ−を検知することにより、負側入出力端子６に流れる異常電流として充電過電流が検出されたとして、充電過電流検出信号を出力する。充電過電流検出信号を検知した充電制御用論理回路２５は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＣＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、充電制御用ＦＥＴ１をオフする。これにより、保護ＩＣ９０の動作モードは、電源経路９に異常電流が流れることを防止する異常電流防止モードとして、充電制御用ＦＥＴ１がオフされた状態の充電過電流防止モードに移行し、二次電池２００に充電過電流が流れることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の充電過電流検出電圧以下の負側端子間電圧Ｐ−が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２６】
ここで、充電制御用ＦＥＴ１が少なくともオンしている状態で、二次電池２００を充電する充電電流が流れることにより負側端子間電圧Ｐ−が低下するのは、充電制御用ＦＥＴ１のオン抵抗による電圧降下が生ずるからである。また、放電制御用ＦＥＴ２がオンしていれば、放電制御用ＦＥＴ２のオン抵抗による電圧降下分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が低下し、放電制御用ＦＥＴ２がオフしていれば、放電制御用ＦＥＴ２の寄生ダイオード２ａによる電圧降下分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が低下する。
【００２７】
また、保護ＩＣ９０は、例えば、二次電池２００の放電過電流保護動作の作動条件が成立した場合、ＦＥＴ２をオフする。これにより、ＦＥＴ１のオンオフ状態にかかわらず、二次電池２００を放電する方向の過電流（放電過電流）が流れることを防止できる。
【００２８】
例えば、検出器２１は、所定の放電過電流検出電圧（しきい値電圧）以上の負側端子間電圧Ｐ−を検知することにより、負側入出力端子６に流れる異常電流として放電過電流が検出されたとして、放電過電流検出信号を出力する。放電過電流検出信号を検知した放電制御用論理回路２４は、所定の遅延時間の経過を待って、保護ＩＣ９０のＤＯＵＴ端子から“Ｌ”レベルの信号を出力することによって、放電制御用ＦＥＴ２をオフする。これにより、保護ＩＣ９０の動作モードは、電源経路９に異常電流が流れることを防止する異常電流防止モードとして、放電制御用ＦＥＴ２がオフされた状態の放電過電流防止モードに移行し、二次電池２００に放電過電流が流れることを防止できる。なお、所定の遅延時間は、所定の放電過電流検出電圧以上の負側端子間電圧Ｐ−が検出器２１によって検出されてからの時間である。
【００２９】
ここで、放電制御用ＦＥＴ２が少なくともオンしている状態で、二次電池２００を放電する放電電流が流れることにより負側端子間電圧Ｐ−が上昇するのは、放電制御用ＦＥＴ２のオン抵抗による電圧上昇が生ずるからである。また、充電制御用ＦＥＴ１がオンしていれば、充電制御用ＦＥＴ１のオン抵抗による電圧上昇分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が上昇し、充電制御用ＦＥＴ１がオフしていれば、充電制御用ＦＥＴ１の寄生ダイオード１ａによる電圧上昇分を含んで負側端子間電圧Ｐ−が上昇する。
【００３０】
次に、保護ＩＣ９０内の、検出器２１，放電制御用論理回路２４及び充電制御用論理回路２５について詳細に説明する。図２は、保護ＩＣ９０の詳細なブロック図である。
【００３１】
保護ＩＣ９０は、複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源回路を備えている。図２には、この基準電源回路の構成要素として、Ｈセル側基準電源４１Ｈ及びＬセル側基準電源４１Ｌが例示されている。
【００３２】
Ｈセル側基準電源４１Ｈは、セル２００Ｈのセル電圧から一定の基準電圧ＶＲＥＦＨを生成して出力する。Ｌセル側基準電源４１Ｌは、セル２００Ｌのセル電圧から一定の基準電圧ＶＲＥＦＬを生成して出力する。Ｈセル側基準電源４１ＨとＬセル側基準電源４１Ｌは、セル電圧を降圧して、一定の基準電圧を生成する。例えば、トランジスタをダイオード接続した回路によって、セル電圧を降圧した一定の基準電圧が生成できる。
【００３３】
また、保護ＩＣ９０は、複数のセルのセル電圧のいずれかが第１の所定値を超えているとき充電を禁止する信号を出力し、複数のセルのセル電圧のいずれもが第１の所定値を超えていないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路を備えている。図２には、この第１の判定回路の構成要素として、抵抗Ｒ３〜Ｒ６と、Ｈセル側過充電検出回路４２Ｈと、Ｌセル側過充電検出回路４２Ｌと、論理和回路４４とが例示されている。第１の判定回路は、二次電池２００の電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）を電源電圧として動作する。
【００３４】
Ｈセル側過充電検出回路４２Ｈは、セル２００Ｈのセル電圧の抵抗Ｒ３，Ｒ４による分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えているとき、充電を禁止する信号を出力し（検出信号ＯＶＣＨがハイレベル）、分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えていないとき、充電を許可する信号を出力する（検出信号ＯＶＣＨがローレベル）。Ｌセル側過充電検出回路４２Ｌは、セル２００Ｌのセル電圧の抵抗Ｒ５，Ｒ６による分圧電圧ＶＢＬが基準電圧ＶＲＥＦＬを超えているとき、充電を禁止する信号を出力し（検出信号ＯＶＣＬがハイレベル）、分圧電圧ＶＢＬが基準電圧ＶＲＥＦＬを超えていないとき、充電を許可する信号を出力する（検出信号ＯＶＣＬがローレベル）。論理和回路４４は、Ｈセル側過充電検出回路４２Ｈの出力信号とＬセル側過充電検出回路４２Ｌの出力信号との論理和を出力する。
【００３５】
このような回路構成によって、論理和回路４４は、セル２００Ｈ，２００Ｌのセル電圧のいずれかが第１の所定値を超えているとき充電を禁止する信号を出力でき、セル２００Ｈ，２００Ｌのいずれもが第１の所定値を超えていないとき充電を許可する信号を出力できる。
【００３６】
また、保護ＩＣ９０は、上述の基準電源回路によってセル電圧毎に生成されて出力された複数の基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、それらの複数の基準電圧のいずれもが第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する、第２の判定回路を備えている。図２には、この第２の判定回路の構成要素として、Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈと、Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌと、否定論理積回路４５とが例示されている。第２の判定回路は、二次電池２００の電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）を電源電圧として動作する。
【００３７】
Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈは、基準電圧ＶＲＥＦＨが第２の所定値未満であるとき、充電を禁止する信号を出力し（論理信号ＳＨがローレベル）、基準電圧ＶＲＥＦＨが第２の所定値未満でないとき、充電を許可する信号を出力する（論理信号ＳＨがハイレベル）。Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌは、基準電圧ＶＲＥＦＬが第２の所定値未満であるとき、充電を禁止する信号を出力し（論理信号ＳＬがローレベル）、基準電圧ＶＲＥＦＬが第２の所定値未満でないとき、充電を許可する信号を出力する（論理信号ＳＬがハイレベル）。否定論理積回路４５は、Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈの出力信号とＬセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌの出力信号との否定論理積を出力する。
【００３８】
このような回路構成によって、否定論理積回路４５は、基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬのいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力でき、基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬのいずれもが第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力できる。
【００３９】
また、保護ＩＣ９０は、上述の第１の判定回路の出力と第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、二次電池の充電の許否を制御する制御回路を備えている。図２には、この制御回路として、制御回路４６が例示されている。制御回路４６は、論理和回路４４の出力信号と否定論理積回路４５の出力信号との論理和として、論理和信号ＣＯＵＴＬを出力する論理和回路４７を備えている。
【００４０】
したがって、上述の、基準電源回路と、第１の判定回路と、第２の判定回路と、制御回路とを備える保護ＩＣ９０によれば、過放電状態と過充電状態で二次電池の充電を禁止でき、且つ保護ＩＣのデバイスサイズを小さくできる。例えば、セル２００Ｈ，２００Ｌの電極が接続されるＶＤＤ，ＶＢＬ，ＶＳＳの各端子にトランジスタのゲートが直接接続される構造ではないので、静電気に強く、静電気耐量を向上させるためにゲートサイズ等のサイズを大きくする必要がない。また、上述の第１の判定回路の出力と第２の判定回路の出力との「論理和」に基づいて、二次電池の充電の許否を制御するので、過放電状態のときと過充電状態のときの充電禁止回路をまとめることができるため、デバイスサイズを小さくできる。例えば、図９に示されたＰチャネルＭＯＳトランジスタ５０４は、少なくとも不要となる。また、基準電源回路は、保護ＩＣにもともと存在するリソースを再利用できるので、新たな回路を設ける必要がなく、面積縮小効果が高い。
【００４１】
ところで、制御回路４６は、論理和回路４７から出力された論理和信号ＣＯＵＴＬに基づいて、ＣＯＵＴ端子に外部接続される充電制御用ＦＥＴ１（図１参照）を駆動する駆動回路を備えている。図２には、この駆動回路の構成要素として、レベルシフト回路４８と、ＣＭＯＳインバータ５１とが例示されている。
【００４２】
レベルシフト回路４８は、ＶＳＳ端子電圧をローレベルとしＶＤＤ端子電圧をハイレベルとする論理和信号ＣＯＵＴＬを、Ｖ−端子電圧をローレベルとしＶＤＤ端子電圧をハイレベルとする論理信号ＣＯＵＴＬＬに、論理を反転させずに電圧変換する。論理信号ＣＯＵＴＬＬがローレベルのとき、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ４９がオンするので、充電制御用ＦＥＴ１がオンする（充電許可）。論理信号ＣＯＵＴＬＬがハイレベルのとき、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５０がオンするので、充電制御用ＦＥＴ１はオフする（充電禁止）。
【００４３】
図３〜８は、図２に例示した回路構成の具体例である。トランジスタ等の各回路要素間の接続関係の説明については、図から明らかなため、省略又は簡略する。また、各図のトランジスタ記号において、ゲートの線が１本のトランジスタは、エンハンスメント型を表し、ゲートの線が２本のトランジスタは、デプレッション型を表す。
【００４４】
図３は、Ｈセル側基準電源４１ＨとＬセル側基準電源４１Ｌの回路図である。Ｈセル側基準電源４１Ｈは、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ１とエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２とを備え、トランジスタＭ１のゲート及びソースとトランジスタＭ２のゲート及びドレインとが共通に接続されている。トランジスタＭ１のドレインは、ＶＤＤ端子に接続され、トランジスタＭ２のソースは、ＶＢＬ端子に接続される。図３の構成により、トランジスタＭ１のソースとトランジスタＭ２のドレインとの接続点から、セル２００Ｈのセル電圧から生成された一定の基準電圧ＶＲＥＦＨが出力される。
【００４５】
Ｌセル側基準電源４１Ｌについても、Ｈセル側基準電源４１Ｈと同様の構成である。したがって、図３の構成により、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ３のソースとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ４のドレインとの接続点から、セル２００Ｌのセル電圧から生成された一定の基準電圧ＶＲＥＦＬが出力される。
【００４６】
図４は、Ｈセル側過充電検出回路４２ＨとＬセル側過充電検出回路４２Ｌの回路図である。過充電検出回路４２Ｈ，４２Ｌは、ＶＳＳ端子とＶＤＤ端子との間の電位差である電源電圧ＶＤＤで動作するコンパレータである。非反転入力端子に分圧電圧ＶＢＨ，ＶＢＬが入力され、反転入力端子に基準電圧ＶＲＥＦＨ，ＶＲＥＦＬが入力される。したがって、図４の構成により、過充電検出回路４２Ｈは、分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えているとき、充電を禁止する信号を出力し（信号ＯＶＣＨがハイレベル）、分圧電圧ＶＢＨが基準電圧ＶＲＥＦＨを超えていないとき、充電を許可する信号が出力する（信号ＯＶＣＨがローレベル）。過充電検出回路４２Ｌについても同様である。
【００４７】
図５は、Ｈセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｈの回路図である。立ち上がり検出回路４３Ｈは、ゲートに基準電圧ＶＲＥＦＨが入力されるＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ５と、バイアス源回路５２によって生成されたバイアス電圧信号ＮＢＩ（図７参照）が入力されるＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ６とを備える。
【００４８】
図７は、バイアス源回路５２の回路図である。二次電池２００のセル２００Ｈの正極とセル２００Ｌの負極との間の両端電圧（電源電圧ＶＤＤ）がＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ１２のしきい値電圧を超えると、トランジスタＭ１２はオンする。トランジスタＭ１２のオンにより、カレントミラー（Ｍ１６，Ｍ１７）が動作するため、ダイオード接続されたトランジスタＭ１８に一定の順方向電圧がバイアス電圧ＮＢＩとして発生する。電源電圧ＶＤＤが更に大きくなると、抵抗Ｒ７の両端電圧がトランジスタＭ１４のしきい値電圧を超えることにより電流制限回路（Ｒ７，Ｍ１４）が動作するため、トランジスタＭ１５がオフする。これにより、カレントミラー（Ｍ１６，Ｍ１７）の動作が停止する。これにより、バイアス電圧ＮＢＩは０Ｖになる。
【００４９】
したがって、図５において、セル２００Ｈのセル電圧が過放電状態の低電圧であるとき、バイアス電圧ＮＢＩによりトランジスタＭ６がオンするため、論理信号ＳＨがローレベルになる（充電を禁止する信号が出力される）。一方、セル２００Ｈのセル電圧が過放電状態のときよりも高い正常電圧のとき、基準電圧ＶＲＥＦＨは所期の一定の目標値まで立ち上がっている一方で、バイアス電圧ＮＢＩは０Ｖのため、論理信号ＳＨがハイレベルになる（充電を許可する信号が出力される）。なお、基準電圧ＶＲＥＦＨの目標値は、電源電圧ＶＤＤからトランジスタＭ５のしきい値電圧を引いた電圧よりも低い値である。
【００５０】
図６は、Ｌセル側基準電源立ち上がり検出回路４３Ｌの回路図である。セル２００Ｌのセル電圧が過放電状態の低電圧であるとき、バイアス電圧ＮＢＩによりトランジスタＭ１１がオンし、且つバイアス電圧ＰＢＩによりトランジスタＭ７，Ｍ１０がオンしているので、論理信号ＳＬがローレベルになる（充電を禁止する信号が出力される）。一方、セル２００Ｌのセル電圧が過放電状態のときよりも高い正常電圧のとき、基準電圧ＶＲＥＦＬは所期の一定の目標値まで立ち上がっている一方で、バイアス電圧ＮＢＩがトランジスタＭ１１のしきい値電圧未満となり、電位差（ＶＤＤ−ＰＢＬ）がトランジスタＭ７のしきい値電圧未満となる。これにより、トランジスタＭ８，Ｍ９はオンし、トランジスタＭ７，Ｍ１０，Ｍ１１はオフするため、論理信号ＳＬがハイレベルになる（充電を許可する信号が出力される）。
【００５１】
図８は、レベルシフト回路４８の回路図である。レベルシフト回路４８は、エンハンスメント型ＰチャネルＭＯＳトランジスタＭ１９と、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳトランジスタＭ２０と、抵抗Ｒ８と、反転回路５３とを備える。論理和信号ＣＯＵＴＬがローレベルのとき、論理信号ＣＯＵＴＬＬがローレベルとなり（充電許可）、論理和信号ＣＯＵＴＬがハイレベルのとき、論理信号ＣＯＵＴＬＬがハイレベルとなる（充電禁止）。二次電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）がＭＯＳトランジスタのしきい値電圧で決定される動作下限電圧未満になると、二次電池２００で駆動している回路（論理和回路４４，４７、否定論理積回路４５等）は動作不能となるため、ＣＯＵＴＬの出力論理は（ＶＤＤ−ＶＳＳ）に対して不定値となる。しかしながら、充電器４００（図１参照）の電圧（ＶＤＤ−Ｖ−）で動作するレベルシフト回路４８ではＣＯＵＴＬの不定値はハイレベルと認識されるため、レベルシフト回路４８は、ハイレベルの論理信号ＣＯＵＴＬＬを出力する。これにより、充電制御用ＦＥＴ１をオフできる。このように、二次電池電圧（ＶＤＤ−ＶＳＳ）が動作下限電圧未満になっても、充電禁止状態は継続される。
【００５２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。
【００５３】
例えば、二次電池２００を構成するセルの直列数が２つの場合を例示したが、３つ以上ある場合も同様に考えることができる。また、例えば、充電制御用ＦＥＴ１と放電制御用ＦＥＴ２は、図示の配置位置を互いに置換してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１ 充電制御用ＦＥＴ
１ａ 寄生ダイオード
２ 放電制御用ＦＥＴ
２ａ 寄生ダイオード
３ 正極側端子
４ 負極側端子
５ 正側入出力端子
６ 負側入出力端子
９ａ 正側電源経路
９ｂ 負側電源経路
４６ 制御回路
４８ レベルシフト回路
５１ ＣＭＯＳインバータ
５２ バイアス源回路
５３ ＣＭＯＳインバータ
８０ 保護モジュール回路
９０ 保護ＩＣ
１００ 電池パック
２００ 二次電池
２００Ｈ，２００Ｌ セル
３００ 外部負荷
４００ 充電器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護回路であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する、第２の判定回路と、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記二次電池の充電の許否を制御する制御回路とを備えることを特徴とする、電池保護回路。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記論理和を出力する論理和回路と、
前記論理和に基づいて、前記二次電池の充電の許否を制御する充電制御トランジスタを駆動する駆動回路とを含む、請求項１に記載の電池保護回路。
【請求項３】
前記駆動回路は、
前記論理和をレベルシフトするレベルシフト回路を含み、
前記レベルシフト回路は、前記第１の判定回路と前記第２の判定回路と前記論理和回路の電源電圧が所定の下限電圧未満のとき、前記充電制御トランジスタをオフにする論理を出力する、請求項２に記載の電池保護回路。
【請求項４】
前記基準電源は、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池保護回路。
【請求項５】
前記第１の判定回路は、前記基準電圧に基づいて、前記セル電圧が前記第１の所定値を超えるか否かについて判定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池保護回路。
【請求項６】
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護装置であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する第２の判定回路と、
前記二次電池の充電の許否を制御する充電制御トランジスタと、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記充電制御トランジスタを制御する制御回路とを備えることを特徴とする、電池保護装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電池保護装置と前記二次電池とを内蔵する電池パック。
【請求項１】
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護回路であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する、第２の判定回路と、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記二次電池の充電の許否を制御する制御回路とを備えることを特徴とする、電池保護回路。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記論理和を出力する論理和回路と、
前記論理和に基づいて、前記二次電池の充電の許否を制御する充電制御トランジスタを駆動する駆動回路とを含む、請求項１に記載の電池保護回路。
【請求項３】
前記駆動回路は、
前記論理和をレベルシフトするレベルシフト回路を含み、
前記レベルシフト回路は、前記第１の判定回路と前記第２の判定回路と前記論理和回路の電源電圧が所定の下限電圧未満のとき、前記充電制御トランジスタをオフにする論理を出力する、請求項２に記載の電池保護回路。
【請求項４】
前記基準電源は、デプレッション型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電池保護回路。
【請求項５】
前記第１の判定回路は、前記基準電圧に基づいて、前記セル電圧が前記第１の所定値を超えるか否かについて判定する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電池保護回路。
【請求項６】
複数のセルを有する二次電池を保護する電池保護装置であって、
前記複数のセルのセル電圧からセル電圧毎に生成した基準電圧を出力する基準電源と、
前記セル電圧のいずれかが第１の所定値を超えるとき充電を禁止する信号を出力し、前記セル電圧のいずれもが前記第１の所定値を超えないとき充電を許可する信号を出力する、第１の判定回路と、
前記基準電圧のいずれかが第２の所定値未満であるとき充電を禁止する信号を出力し、前記基準電圧のいずれもが前記第２の所定値未満でないとき充電を許可する信号を出力する第２の判定回路と、
前記二次電池の充電の許否を制御する充電制御トランジスタと、
前記第１の判定回路の出力と前記第２の判定回路の出力との論理和に基づいて、前記充電制御トランジスタを制御する制御回路とを備えることを特徴とする、電池保護装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電池保護装置と前記二次電池とを内蔵する電池パック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２２２８６５（Ｐ２０１２−２２２８６５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３１６４（Ｐ２０１１−８３１６４）
【出願日】平成２３年４月４日（２０１１．４．４）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月４日（２０１１．４．４）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
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