充電回路およびそれを用いた電子機器
【課題】過電圧保護機能を備えた充電回路を提供する。
【解決手段】外部電源２１０からの電源電圧Ｖｄｄにもとづいて電池２２０を充電する充電回路２００ａにおいて、充電トランジスタＴｒ１は、外部電源２１０から電池２２０への経路上に設けられる。充電制御回路１００ａは、半導体基板上に集積化され、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節して、電池２２０に供給する充電電流Ｉｃｈｇを調節する。電圧調節回路１１０は、外部電源２１０から充電制御回路１００ａの電源端子１０４への電力供給の経路上に設けられ、必要な電圧降下を生成する。電流調節回路２０は、電池２２０の電圧が、所定の電圧値に近づくように、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節する。クランプ回路１０は、充電制御回路１００ａの電源端子１０４の電圧を、所定のクランプ電圧以下にクランプする。
【解決手段】外部電源２１０からの電源電圧Ｖｄｄにもとづいて電池２２０を充電する充電回路２００ａにおいて、充電トランジスタＴｒ１は、外部電源２１０から電池２２０への経路上に設けられる。充電制御回路１００ａは、半導体基板上に集積化され、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節して、電池２２０に供給する充電電流Ｉｃｈｇを調節する。電圧調節回路１１０は、外部電源２１０から充電制御回路１００ａの電源端子１０４への電力供給の経路上に設けられ、必要な電圧降下を生成する。電流調節回路２０は、電池２２０の電圧が、所定の電圧値に近づくように、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節する。クランプ回路１０は、充電制御回路１００ａの電源端子１０４の電圧を、所定のクランプ電圧以下にクランプする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの電源電圧にもとづいて、２次電池を充電する充電回路に関し、特にその過電圧保護技術に関する。
【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】
電池がリチウムイオン電池などの２次電池である場合、電子機器には充電回路が内蔵されることになる。この充電回路は、外部からのＡＣアダプタなどから供給される電圧供給を受け、電池に充電電流を供給する。たとえば、特許文献１には、関連技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１９９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、充電回路に外部から与えられる電圧は、常に一定であるとは限らず、電子機器に非対応のＡＣアダプタや、その他の電源回路から、非常に高い電圧が供給される場合がある。外部から供給される電圧が、充電回路の耐圧を超える電圧である場合、充電動作に支障を来すばかりでなく、充電回路や電池、電子機器の信頼性に影響を及ぼす可能性がある。
【０００６】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、過電圧保護機能を備えた充電回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、外部電源からの電源電圧にもとづいて電池を充電する充電回路に関する。この充電回路は、外部電源から電池への充電経路上に設けられた充電トランジスタと、充電トランジスタのオン状態を調節して、電池に供給する充電電流を調節する充電制御回路と、外部電源から充電制御回路の電源端子への電力供給の経路上に設けられ、電圧降下を生成する電圧調節回路と、を備える。充電制御回路は、当該充電制御回路の電源端子の電圧を、所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路と、電池の電圧が、所定の電圧値に近づくように、充電トランジスタのオン状態を調節する電流調節回路と、を含む。
【０００８】
この態様によると、充電制御回路の耐圧に応じてクランプ電圧を設定し、充電制御回路の内部にクランプ回路を内蔵することにより、電源電圧として過電圧が印加されても、電圧調節回路によって電圧降下が発生するため、電源端子に、クランプ電圧を超える電圧が印加されるのを防止することができる。
【０００９】
ある態様において、電圧調節回路は、抵抗であってもよい。この場合、充電制御回路の外部に、電圧調節回路として１素子を追加すればよいため、回路規模を大きくすることなく、過電圧保護を実現することができる。
【００１０】
ある態様において、電圧調節回路は、外部電源から充電制御回路の電源端子へ至る電力供給の経路上に設けられた保護トランジスタと、保護トランジスタの外部電源に接続される端子および保護トランジスタの制御端子間に設けられた抵抗と、を含んでもよい。クランプ回路は、保護トランジスタの制御端子の電圧を、所定のしきい値電圧以下にクランプすることにより、充電制御回路の電源端子の電圧を、クランプ電圧以下にクランプしてもよい。
この場合、外部電源から電源端子に流れる電流の大部分は、保護トランジスタに流れるため、抵抗での電力消費を小さく抑えることができ、定格電力の小さな、安価な抵抗素子を利用することが可能となる。
【００１１】
ある態様において、保護トランジスタは、エミッタが充電制御回路の電源端子側に接続され、コレクタが外部電源側に接続されたＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、抵抗は、コレクタおよび保護トランジスタの制御端子であるベース間に設けられてもよい。
【００１２】
ある態様において、充電回路は、保護トランジスタの制御端子および固定電圧端子間に設けられたキャパシタをさらに備えてもよい。この場合、キャパシタと抵抗が時定数回路を構成するため、外部電源からの電源電圧が急激に上昇した場合でも、充電制御回路に印加される電圧の上昇の速度を緩和することができ、より安全な回路保護が実現できる。
【００１３】
ある態様において、クランプ回路は、充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、外部電源から電池に供給される充電電流を遮断してもよい。この場合、過電圧状態において、充電機能を停止することにより、より安全な回路保護が実現できる。
【００１４】
ある態様において、充電回路は、外部電源から電池への充電電流の経路上に設けられた充電停止スイッチをさらに備えてもよい。クランプ回路は、充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、充電停止スイッチをオフしてもよい。
【００１５】
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、外部電源からの電源電圧にもとづいて電池を充電する上述のいずれかの態様の充電回路と、を備える。
【００１６】
この態様によると、外部電源からの電源電圧が過電圧である場合にも、電池や充電回路を安定に動作させることができる。
【００１７】
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】
【００１８】
本発明に係る充電回路によれば、過電圧保護機能を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る充電回路およびクランプ回路について、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、以下の説明において、電圧信号、電流信号あるいは抵抗、容量などに付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値あるいは抵抗値、容量値を表すものとして用いることとする。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る充電回路２００ａおよび電子機器１０００全体の構成を示す回路図である。
電子機器１０００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１０００は、充電回路２００ａ、電池２２０を備える。電子機器１０００は、その他に、図示しない電源回路や、ＤＳＰ、液晶パネルをはじめ、その他のアナログ、デジタルを備える。
【００２１】
電池２２０は、リチウムイオンやＮｉＣｄ（ニッケルカドミウム）電池などの２次電池であり、その電池電圧Ｖｂａｔが、電子機器１０００のその他の回路ブロックへと供給される。
【００２２】
外部電源２１０は、電子機器１０００に接続され、商用交流電圧を直流電圧に変換するＡＣアダプタや、車載バッテリ等の電圧を、降圧するＤＣ／ＤＣコンバータなどであり、電子機器１０００に接続される。外部電源２１０は、充電回路２００ａに対して、直流の電源電圧Ｖｄｃを供給する。
【００２３】
充電回路２００ａは、外部電源２１０からの電源電圧Ｖｄｃにもとづいて電池２２０を充電する。充電回路２００ａは、充電トランジスタＴｒ１、充電制御回路１００ａ、電圧調節回路１１０およびその他の回路素子を備える。
【００２４】
充電トランジスタＴｒ１は、外部電源２１０から電池２２０への充電経路上に設けられる。本実施の形態において、充電経路は、充電トランジスタＴｒ１、充電制御回路１００ａの第２電流制御端子１０８、電池端子１０２を介して電池２２０に至る経路である。充電トランジスタＴｒ１は、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタであって、エミッタが外部電源２１０に接続されている。充電トランジスタＴｒ１のエミッタおよびベース間には、第２抵抗Ｒ２が接続される。また、充電トランジスタＴｒ１のベースおよび固定電圧端子である接地端子間には、充電制御トランジスタＴｒ２が接続される。充電制御トランジスタＴｒ２は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、コレクタが充電トランジスタＴｒ１のベースに、エミッタが接地端子に接続される。
【００２５】
充電制御回路１００ａは、半導体基板上に集積化され、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節して、電池２２０に供給する充電電流Ｉｃｈｇを調節する。充電制御回路１００ａは、入出力用の端子として、電池端子１０２、電源端子１０４、第１電流制御端子１０６、第２電流制御端子１０８を備える。
【００２６】
電池端子１０２には、電池２２０が接続され、第２電流制御端子１０８には、充電トランジスタＴｒ１のコレクタが接続される。第１電流制御端子１０６からは、充電トランジスタＴｒ１のオンの程度を制御する制御電圧Ｖｃｎｔが出力される。この制御電圧Ｖｃｎｔは、充電制御トランジスタＴｒ２のベースに入力される。電源端子１０４は、充電制御回路１００ａ自体の電源端子であって、電源電圧Ｖｄｄが供給される。以下、説明の混乱を避けるため、必要に応じて外部電源２１０からの電源電圧を外部電源電圧Ｖｄｃ、第１電流制御端子１０６に供給される電源電圧を、内部電源電圧Ｖｄｄとして区別する。
【００２７】
本実施の形態において、電圧調節回路１１０は、電圧制御抵抗Ｒ１を含み、外部電源２１０から充電制御回路１００ａの電源端子１０４への電力供給の経路上に設けられる。電圧調節回路１１０には、動作に応じて必要な電圧降下が発生し、外部電源電圧Ｖｄｃが、内部電源電圧Ｖｄｄに降圧される。電圧制御抵抗Ｒ１の抵抗値は、たとえば１００Ω程度に設計する。
【００２８】
充電制御回路１００ａは、クランプ回路１０、電流調節回路２０、その他の回路素子を備える。電流調節回路２０をはじめとする充電制御回路１００ａの内部の回路は、内部電源電圧Ｖｄｄを電源として動作する。
【００２９】
たとえば、充電制御回路１００ａは、外部電源２１０から外部電源電圧Ｖｄｃとして５Ｖ程度の電圧を供給された状態において、電池２２０を安定に充電するように構成される。ところが、外部電源２１０として、本来予期しないデバイスが接続され、外部電源電圧Ｖｄｃとして５Ｖを大きく超える、たとえば３０Ｖ程度の過電圧が印加される状況も想定される。充電制御回路１００ａは、こうした過電圧から回路素子を保護するための過電圧保護回路を内蔵している。
【００３０】
クランプ回路１０は、充電制御回路１００ａの電源端子１０４の電圧Ｖｄｄを、所定のクランプ電圧Ｖｃｌｍｐ以下にクランプする過電圧保護回路として機能する。クランプ電圧Ｖｃｌｍｐは、充電制御回路１００ａの半導体製造プロセスによって決まる耐圧に応じて設定すればよい。一般に高耐圧プロセスは、集積化の観点で不利であるため、信頼性を満たした上で、なるべく耐圧の低いプロセスを選択することが望ましい。この点から、通常動作時に想定される外部電源電圧Ｖｄｃ＝５Ｖよりも、若干高い電圧値に設定するのが望ましい。たとえば、充電制御回路１００ａは、外部電源電圧Ｖｄｃ＝５Ｖに対して、2Ｖ高い、７Ｖ耐圧のプロセスで設計してもよい。クランプ回路１０のクランプ電圧Ｖｃｌｍｐは、充電制御回路１００ａの耐圧に応じて設定すればよく、たとえば、７Ｖよりも低い６．８Ｖ程度に設定する。
【００３１】
電流調節回路２０は、電池２２０の電圧Ｖｂａｔが、所定の電圧値に近づくように、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節し、充電電流Ｉｃｈｇを制御する。電流調節回路２０は、誤差増幅器２２、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４を含む。第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４は、電池端子１０２に現れる電池電圧Ｖｂａｔを分圧し、Ｖｂａｔ×Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）で与えられる帰還電圧Ｖｆｂを、誤差増幅器２２の反転入力端子へと出力する。誤差増幅器２２の非反転入力端子には、所定の基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。誤差増幅器２２の出力端子は、第１電流制御端子１０６を介して充電制御トランジスタＴｒ２のベースに接続され、充電制御電圧Ｖｃｎｔを出力する。充電制御電圧Ｖｃｎｔによって、充電制御トランジスタＴｒ２のオンの程度が制御されると、充電制御トランジスタＴｒ２のコレクタ電流が変化して、第２抵抗Ｒ２における電圧降下が変化する。その結果、充電トランジスタＴｒ１のベースエミッタ間電圧が変化し、充電トランジスタＴｒ１のオンの程度が調節される。
【００３２】
充電制御回路１００ａの第２電流制御端子１０８、電池端子１０２の間には、充電停止スイッチＭ３、第５抵抗Ｒ５が直列に設けられる。充電トランジスタＴｒ１に流れる充電電流Ｉｃｈｇは、充電停止スイッチＭ３および第５抵抗Ｒ５を介して、電池２２０へと供給される。
【００３３】
本実施の形態において、クランプ回路１０は、充電制御回路１００ａの電源端子１０４の内部電源電圧Ｖｄｄをクランプしている状態において、すなわち、外部電源２１０から供給される外部電源電圧Ｖｄｃが上昇した状態において、外部電源２１０から電池２２０に供給される充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。具体的には、外部電源２１０から電池２２０への充電電流Ｉｃｈｇの経路上に設けられた充電停止スイッチＭ３をオフすることにより、充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。
【００３４】
以上のように構成された充電回路２００の動作について説明する。外部電源２１０から通常の外部電源電圧Ｖｄｃ＝５Ｖ程度が供給されると、クランプ回路１０のクランプ機能は働かず、充電制御回路１００ａは通常の充電機能を実行する。誤差増幅器２２は、その反転入力端子と非反転入力端子の電圧が等しくなるように、すなわちＶｆｂ＝Ｖｒｅｆが成り立つように、充電トランジスタＴｒ１のベース電圧、すなわちオン状態を調節し、電池２２０に適切な充電電流Ｉｃｈｇを供給する。
【００３５】
いま、外部電源２１０から、外部電源電圧Ｖｄｃとして３０Ｖ程度の過電圧が印加されたとする。このとき、電源端子１０４の内部電源電圧Ｖｄｄは、外部電源電圧Ｖｄｃの上昇にともなって上昇しようとするが、クランプ回路１０は、内部電源電圧Ｖｄｄをクランプし、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ以上に上昇しないように機能する。電圧調節回路１１０である電圧制御抵抗Ｒ１には、外部電源電圧Ｖｄｃ＝３０Ｖと、内部電源電圧Ｖｄｄ＝Ｖｃｌｍｐの差に相当する電圧降下が発生する。
【００３６】
本実施の形態に係る充電回路２００ａによれば、充電制御回路１００ａの耐圧に応じてクランプ電圧Ｖｃｌｍｐを設定し、充電制御回路１００ａの内部にクランプ回路１０を内蔵することにより、電源電圧Ｖｄｃとして過電圧が印加されても、電圧調節回路１１０によって電圧降下が発生するため、電源端子１０４に、クランプ電圧Ｖｄｃを超える電圧が印加されるのを防止することができる。
【００３７】
また、クランプ回路１０は、内部電源電圧Ｖｄｄをクランプした状態で、充電停止スイッチＭ３をオフして、充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。過電圧状態において、充電機能を停止することにより、より安全な回路保護が実現できる。
【００３８】
また、回路構成としても、充電制御回路１００ａにクランプ回路１０を内蔵し、電圧制御抵抗Ｒ１を追加するのみで実現できるため、回路部品点数の増大を招くことなく、好適に過電圧保護を実現することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る充電回路２００ｂの構成を示す回路図である。以下、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４０】
図１の充電回路２００ａは、電圧調節回路１１０として、抵抗素子を用いていた。その結果、過電圧印加時の、電圧制御抵抗Ｒ１における消費電力が大きくなる場合があった。たとえば、外部電源電圧Ｖｄｃ＝３０Ｖ、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ＝７の場合、２３Ｖの電圧降下が発生するため、抵抗値を１００Ωとした場合、２３２／１００≒５Ｗ程度の消費電力が発生する。したがって、電圧制御抵抗Ｒ１として、定格電力が５Ｗ以上の素子を選ぶ必要がある。定格電力の大きな抵抗素子は、部品の大きさやコストの観点から、使用を避けたい場合もある。以下で説明する第２の実施の形態に係る充電回路２００ｂは、定格電力の大きな抵抗素子の使用を望まない場合に有効である。
【００４１】
本実施の形態において、電圧調節回路１１０は、保護トランジスタＴｒ３、第６抵抗Ｒ６を含む。保護トランジスタＴｒ３は、外部電源２１０から充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ａへ至る電力供給の経路上に設けられる。保護トランジスタＴｒ３は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、エミッタが充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ａ側に接続され、コレクタが外部電源２１０側に接続される。第６抵抗Ｒ６は、保護トランジスタＴｒ３の制御端子であるベースと、保護トランジスタＴｒ３の外部電源２１０に接続される端子であるコレクタとの間に設けられる。
【００４２】
保護トランジスタＴｒ３のベースは、充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ｂに接続される。本実施の形態において、クランプ回路１０は、保護トランジスタＴｒ３のベース電圧を、所定のしきい値電圧Ｖｔｈ以下にクランプすることにより、充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ａの電圧Ｖｄｄを、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ以下にクランプする。本実施の形態では、しきい値電圧Ｖｔｈと、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐの間には、Ｖｃｌｍｐ＝Ｖｔｈ−Ｖｆが成り立つ。ここでＶｆは、保護トランジスタＴｒ３のベースエミッタ間ダイオードの順方向電圧である。
【００４３】
また、保護トランジスタＴｒ３のベースと、接地端子間には、キャパシタＣ１が設けられる。
【００４４】
以上のように構成された充電回路２００ｂの動作を説明する。外部電源２１０により、外部電源電圧Ｖｄｃとして、過電圧が印加されると、電圧調節回路１１０のコレクタ電圧が上昇し、これにともない、ベース電圧、すなわち電源端子１０４ｂの電圧も上昇する。クランプ回路１０は、電源端子１０４ｂの電圧が、しきい値電圧Ｖｔｈを超えないようにクランプするため、内部電源電圧Ｖｄｄは、Ｖｃｌｍｐ（＝Ｖｔｈ−Ｖｆ）以下にクランプされる。
【００４５】
このとき、第６抵抗Ｒ６に流れる電流は、保護トランジスタＴｒ３のコレクタ電流の１／ｈｆｅとなる。ここでｈｆｅは、保護トランジスタＴｒ３の電流増幅率である。つまり、第２の実施の形態では、第６抵抗Ｒ６に流れる電流は、第１の実施の形態の電圧制御抵抗Ｒ１に流れる電流に比べて、非常に小さくなる。その結果、第６抵抗Ｒ６として、電圧制御抵抗Ｒ１の抵抗値の数十倍から１００倍程度の抵抗値とすることができる。このとき、過電圧状態で第６抵抗Ｒ６で消費される電力は、第１の実施の形態の電圧制御抵抗Ｒ１で消費される電力の数十分の１〜１００分の１程度まで減少する。
【００４６】
その結果、第６抵抗Ｒ６の定格電力を低くすることができ、回路設計の自由度を上げることができる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る充電回路２００ｂでは、第６抵抗Ｒ６とキャパシタＣ１がＣＲ時定数回路を形成する。したがって、外部電源電圧Ｖｄｃが急激に上昇した場合においても、その上昇に対して、電源端子１０４ａ、１０４ｂの電圧の上昇が遅れるため、クランプ回路１０の動作速度が遅い場合であっても、確実に充電制御回路１００ｂに供給される内部電源電圧Ｖｄｄがクランプ電圧を超えるのを防止することができる。
【００４８】
次に、第１、第２の実施の形態に係る充電回路２００ａ、２００ｂにクランプ回路として利用される過電圧保護の構成について説明する。
【００４９】
図３は、第１、第２の実施の形態においてクランプ回路１０として使用される過電圧保護回路５０の構成を示す回路図である。過電圧保護回路５０は、半導体集積回路に内蔵され、本半導体集積回路の電源端子１０４ａに供給される電源電圧Ｖｄｄを、所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路である。
【００５０】
過電圧保護回路５０は、基準電圧源５２、コンパレータ５４、第１クランプ回路５６、第２クランプ回路５８、第１スイッチＭ１、第２スイッチＭ２、電流電圧変換回路６０を含む。
【００５１】
第１クランプ回路５６、第１スイッチＭ１は、充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ｂと接地端子間に、直列に設けられる。第１クランプ回路５６はアノードが電源端子１０４ｂ側に、カソードが接地端子側に接続された複数のダイオードを含む。第１スイッチＭ１は、ソースが第１クランプ回路５６に接続されたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴである。
【００５２】
基準電圧源５２は、バンドギャップレギュレータなどであって、所定の基準電圧Ｖｒｅｆを生成し、コンパレータ５４の非反転入力端子に印加する。第７抵抗Ｒ７、第８抵抗Ｒ８は、電源端子１０４ｂの電圧Ｖｄｄ’を分圧し、コンパレータ５４の反転入力端子に印加する。
【００５３】
コンパレータ５４は、反転入力端子に印加された電源端子１０４ｂの電源電圧Ｖｄｄ’に応じた電圧Ｖｄｄ’’を、基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、比較結果に応じて、第１スイッチＭ１のオンオフを制御する。本実施の形態において、コンパレータ５４は、Ｖｄｄ’’＞Ｖｒｅｆのときローレベルとなる比較信号Ｖｃｍｐを出力する。第１スイッチＭ１は、比較信号Ｖｃｍｐがローレベルのときオン、ハイレベルのときオフとなる。
【００５４】
電流電圧変換回路６０は、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１を含む経路に流れる電流Ｉｘを、電圧Ｖｘに変換する。電流電圧変換回路６０は、変換して得られた電圧Ｖｘが、所定のしきい値電圧を超えると、半導体集積回路の機能の一部を停止する。第１、第２の実施の形態では、充電機能を停止する場合について説明した。
【００５５】
電流電圧変換回路６０は、第１トランジスタＱ１〜第４トランジスタＱ４、第９抵抗Ｒ９を含む。第１トランジスタＱ１は、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１と直列に、同一電流経路上に設けられる。第２〜第４トランジスタＱ２〜Ｑ４は、第１トランジスタＱ１とカレントミラー接続される。第２〜第４トランジスタＱ２〜Ｑ４よって複製された電流Ｉｘ’は、一端の電位が固定された第９抵抗Ｒ９に流され、Ｖｘ＝Ｒ９×Ｉｘ’の電圧が生成される。
【００５６】
電圧Ｖｘは、エミッタ接地された第５トランジスタＱ５のベースに入力される。第１０抵抗Ｒ１０は、第５トランジスタＱ５のコレクタと、電源端子１０４ｂの間に設けられる。電圧Ｖｘが、しきい値電圧を超えて、第５トランジスタＱ５がオンすると、インバータ６２の出力はハイレベルとなる。インバータ６２の出力信号は、半導体集積回路の機能の一部を停止するために利用される。第１、第２の実施の形態では、インバータ６２の出力信号は、充電停止スイッチＭ３のゲートに供給される信号として利用された。
【００５７】
第２クランプ回路５８および第２スイッチＭ２は直列に接続され、第１スイッチＭ１から接地端子に至る経路と並列の経路に配置される。より具体的には、第２クランプ回路５８および第２スイッチＭ２は、第１スイッチＭ１のゲートと接地端子の間に、直列に接続される。また、第１スイッチＭ１のゲートソース間には、プルアップ抵抗Ｒ１１が設けられる。第２スイッチＭ２は、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、ソースが接地され、ドレインが第２クランプ回路５８に接続される。
【００５８】
ここで、基準電圧源５２は、電源端子１０４ａに供給される電源電圧Ｖｄｄによって動作するため、電源電圧Ｖｄｄが低い場合には、所定の基準電圧Ｖｒｅｆが出力不能な状態となる場合がある。基準電圧源５２は、このような場合に、ハイレベルとなる低電圧検出信号ＶＬＯＷを出力するように構成される。低電圧検出信号ＶＬＯＷは、第２スイッチＭ２のゲートに印加される。その結果、第２スイッチＭ２は、低電圧検出信号ＶＬＯＷがハイレベルの期間、すなわち、所定の基準電圧Ｖｒｅｆが生成されない期間、オンとなる。
【００５９】
以上のように構成された過電圧保護回路５０の動作を説明する。
電源端子１０４ａに印加される電源電圧Ｖｄｄおよび電源端子１０４ｂに印加される電源電圧Ｖｄｄ’が、通常の動作電圧の場合、Ｖｄｄ’’＜Ｖｒｅｆが成り立つため、第１スイッチＭ１はオフとなり、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１を含む経路には電流が流れず、クランプ機能は働かない。
【００６０】
過電圧状態において、電源端子１０４ａに印加される電源電圧Ｖｄｄおよび電源端子１０４ｂに印加される電源電圧Ｖｄｄ’が上昇すると、コンパレータ５４から出力される比較信号Ｖｃｍｐがローレベルとなり、第１スイッチＭ１がオン状態となる。このとき、第１スイッチＭ１および第１クランプ回路５６を含む経路に電流Ｉｘが流れ、第１クランプ回路５６によって、電源端子１０４ｂの電圧Ｖｄｄ’が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ以下にクランプされる。このときのしきい値電圧Ｖｔｈは、Ｖｔｈ≒Ｖｆ×２＋ＶｄｓＭ１＋ＶｃｅＱ１で与えられる。ここで、Ｖｆは、第１クランプ回路５６のダイオードの順方向電圧、ＶｄｓＭ１は、第１スイッチＭ１のドレインソース間電圧、ＶｃｅＱ１は、第１トランジスタＱ１のコレクタエミッタ間電圧である。
【００６１】
電源端子１０４ｂの電圧Ｖｄｄ’がクランプされると、電源端子１０４ａの電圧Ｖｄｄは、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ＝Ｖｔｈ−Ｖｆ以下にクランプされる。ここでＶｆは、保護トランジスタＴｒ３のベースエミッタ間電圧である。その結果、コンパレータ５４や基準電圧源５２に印加される電源電圧Ｖｄｄは、クランプ電圧以下に抑えられるため、回路保護が実現される。
【００６２】
また、このとき、電流Ｉｘが、電流電圧変換回路６０によって電圧Ｖｘに変換され、Ｖｘ＞Ｖｆとなると、第５トランジスタＱ５がオンし、インバータ６２の出力信号によって、過電圧保護回路５０が内蔵される半導体集積回路の機能の一部が停止される。
【００６３】
さらに、本実施の形態によれば、外部電源２１０からの外部電源電圧Ｖｄｃが、０Ｖ付近から急激に上昇した場合にも、好適に回路保護を実現することができる。外部電源電圧Ｖｄｃが、０Ｖ付近の場合、基準電圧源５２は基準電圧Ｖｒｅｆを生成することができず、また、コンパレータ５４自体も電圧比較を行うことができない。
【００６４】
この状態において、基準電圧源５２はハイレベルの低電圧検出信号ＶＬＯＷを出力しているため、第２スイッチＭ２がオンとなる。その結果、第１クランプ回路５６、プルアップ抵抗Ｒ１１、第２クランプ回路５８、第２スイッチＭ２を含む経路がアクティブとなり、クランプ回路として機能する。したがって、急激に外部電源電圧Ｖｄｃが上昇した場合においても、電源端子１０４ｂの電源電圧Ｖｄｄ’ならびに電源端子１０４ａの電源電圧Ｖｄｄを確実にクランプすることができる。
【００６５】
なお、外部電源電圧Ｖｄｃがある程度上昇して、基準電圧源５２により所定の基準電圧Ｖｒｅｆが生成されるようになると、第２スイッチＭ２がオフし、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１を含む経路でのクランプ動作へと移行する。
【００６６】
以上、実施の形態にもとづき、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ないことはいうまでもなく、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ことはいうまでもない。
【００６７】
実施の形態でＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタは、必要に応じて適宜置き換えることが可能である。また、ＭＯＳＦＥＴのＮチャンネルとＰチャンネル、あるいはバイポーラトランジスタのＮＰＮ型とＰＮＰ型も、適宜置換してもよい。
【００６８】
また、実施の形態では、充電トランジスタＴｒ１や充電制御トランジスタＴｒ２が充電制御回路１００の外部に設けられる場合について説明したが、これらを充電制御回路１００の内部に設けてもよい。したがって、いずれの回路素子を半導体集積回路の内部に形成するかは、使用する半導体プロセスや、回路に要求される仕様などに応じて適宜変更可能である。
【００６９】
また、本実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施の形態に係る充電回路および電子機器全体の構成を示す回路図である。
【図２】第２の実施の形態に係る充電回路の構成を示す回路図である。
【図３】第１、第２の実施の形態においてクランプ回路として使用される過電圧保護回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０ クランプ回路、 ２０ 電流調節回路、 １００ 充電制御回路、 １０４ 電源端子、 １１０ 電圧調節回路、 ２００ 充電回路、 ２００ａ 充電回路、 ２００ｂ 充電回路、 ２１０ 外部電源、 ２２０ 電池、 １０００ 電子機器、 Ｔｒ１ 充電トランジスタ、 Ｔｒ３ 保護トランジスタ、 Ｍ１ 第１スイッチ、 Ｍ２ 第２スイッチ、 Ｍ３ 充電停止スイッチ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの電源電圧にもとづいて、２次電池を充電する充電回路に関し、特にその過電圧保護技術に関する。
【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】
電池がリチウムイオン電池などの２次電池である場合、電子機器には充電回路が内蔵されることになる。この充電回路は、外部からのＡＣアダプタなどから供給される電圧供給を受け、電池に充電電流を供給する。たとえば、特許文献１には、関連技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１９９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、充電回路に外部から与えられる電圧は、常に一定であるとは限らず、電子機器に非対応のＡＣアダプタや、その他の電源回路から、非常に高い電圧が供給される場合がある。外部から供給される電圧が、充電回路の耐圧を超える電圧である場合、充電動作に支障を来すばかりでなく、充電回路や電池、電子機器の信頼性に影響を及ぼす可能性がある。
【０００６】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、過電圧保護機能を備えた充電回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、外部電源からの電源電圧にもとづいて電池を充電する充電回路に関する。この充電回路は、外部電源から電池への充電経路上に設けられた充電トランジスタと、充電トランジスタのオン状態を調節して、電池に供給する充電電流を調節する充電制御回路と、外部電源から充電制御回路の電源端子への電力供給の経路上に設けられ、電圧降下を生成する電圧調節回路と、を備える。充電制御回路は、当該充電制御回路の電源端子の電圧を、所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路と、電池の電圧が、所定の電圧値に近づくように、充電トランジスタのオン状態を調節する電流調節回路と、を含む。
【０００８】
この態様によると、充電制御回路の耐圧に応じてクランプ電圧を設定し、充電制御回路の内部にクランプ回路を内蔵することにより、電源電圧として過電圧が印加されても、電圧調節回路によって電圧降下が発生するため、電源端子に、クランプ電圧を超える電圧が印加されるのを防止することができる。
【０００９】
ある態様において、電圧調節回路は、抵抗であってもよい。この場合、充電制御回路の外部に、電圧調節回路として１素子を追加すればよいため、回路規模を大きくすることなく、過電圧保護を実現することができる。
【００１０】
ある態様において、電圧調節回路は、外部電源から充電制御回路の電源端子へ至る電力供給の経路上に設けられた保護トランジスタと、保護トランジスタの外部電源に接続される端子および保護トランジスタの制御端子間に設けられた抵抗と、を含んでもよい。クランプ回路は、保護トランジスタの制御端子の電圧を、所定のしきい値電圧以下にクランプすることにより、充電制御回路の電源端子の電圧を、クランプ電圧以下にクランプしてもよい。
この場合、外部電源から電源端子に流れる電流の大部分は、保護トランジスタに流れるため、抵抗での電力消費を小さく抑えることができ、定格電力の小さな、安価な抵抗素子を利用することが可能となる。
【００１１】
ある態様において、保護トランジスタは、エミッタが充電制御回路の電源端子側に接続され、コレクタが外部電源側に接続されたＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、抵抗は、コレクタおよび保護トランジスタの制御端子であるベース間に設けられてもよい。
【００１２】
ある態様において、充電回路は、保護トランジスタの制御端子および固定電圧端子間に設けられたキャパシタをさらに備えてもよい。この場合、キャパシタと抵抗が時定数回路を構成するため、外部電源からの電源電圧が急激に上昇した場合でも、充電制御回路に印加される電圧の上昇の速度を緩和することができ、より安全な回路保護が実現できる。
【００１３】
ある態様において、クランプ回路は、充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、外部電源から電池に供給される充電電流を遮断してもよい。この場合、過電圧状態において、充電機能を停止することにより、より安全な回路保護が実現できる。
【００１４】
ある態様において、充電回路は、外部電源から電池への充電電流の経路上に設けられた充電停止スイッチをさらに備えてもよい。クランプ回路は、充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、充電停止スイッチをオフしてもよい。
【００１５】
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、外部電源からの電源電圧にもとづいて電池を充電する上述のいずれかの態様の充電回路と、を備える。
【００１６】
この態様によると、外部電源からの電源電圧が過電圧である場合にも、電池や充電回路を安定に動作させることができる。
【００１７】
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】
【００１８】
本発明に係る充電回路によれば、過電圧保護機能を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る充電回路およびクランプ回路について、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、以下の説明において、電圧信号、電流信号あるいは抵抗、容量などに付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値あるいは抵抗値、容量値を表すものとして用いることとする。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る充電回路２００ａおよび電子機器１０００全体の構成を示す回路図である。
電子機器１０００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１０００は、充電回路２００ａ、電池２２０を備える。電子機器１０００は、その他に、図示しない電源回路や、ＤＳＰ、液晶パネルをはじめ、その他のアナログ、デジタルを備える。
【００２１】
電池２２０は、リチウムイオンやＮｉＣｄ（ニッケルカドミウム）電池などの２次電池であり、その電池電圧Ｖｂａｔが、電子機器１０００のその他の回路ブロックへと供給される。
【００２２】
外部電源２１０は、電子機器１０００に接続され、商用交流電圧を直流電圧に変換するＡＣアダプタや、車載バッテリ等の電圧を、降圧するＤＣ／ＤＣコンバータなどであり、電子機器１０００に接続される。外部電源２１０は、充電回路２００ａに対して、直流の電源電圧Ｖｄｃを供給する。
【００２３】
充電回路２００ａは、外部電源２１０からの電源電圧Ｖｄｃにもとづいて電池２２０を充電する。充電回路２００ａは、充電トランジスタＴｒ１、充電制御回路１００ａ、電圧調節回路１１０およびその他の回路素子を備える。
【００２４】
充電トランジスタＴｒ１は、外部電源２１０から電池２２０への充電経路上に設けられる。本実施の形態において、充電経路は、充電トランジスタＴｒ１、充電制御回路１００ａの第２電流制御端子１０８、電池端子１０２を介して電池２２０に至る経路である。充電トランジスタＴｒ１は、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタであって、エミッタが外部電源２１０に接続されている。充電トランジスタＴｒ１のエミッタおよびベース間には、第２抵抗Ｒ２が接続される。また、充電トランジスタＴｒ１のベースおよび固定電圧端子である接地端子間には、充電制御トランジスタＴｒ２が接続される。充電制御トランジスタＴｒ２は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、コレクタが充電トランジスタＴｒ１のベースに、エミッタが接地端子に接続される。
【００２５】
充電制御回路１００ａは、半導体基板上に集積化され、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節して、電池２２０に供給する充電電流Ｉｃｈｇを調節する。充電制御回路１００ａは、入出力用の端子として、電池端子１０２、電源端子１０４、第１電流制御端子１０６、第２電流制御端子１０８を備える。
【００２６】
電池端子１０２には、電池２２０が接続され、第２電流制御端子１０８には、充電トランジスタＴｒ１のコレクタが接続される。第１電流制御端子１０６からは、充電トランジスタＴｒ１のオンの程度を制御する制御電圧Ｖｃｎｔが出力される。この制御電圧Ｖｃｎｔは、充電制御トランジスタＴｒ２のベースに入力される。電源端子１０４は、充電制御回路１００ａ自体の電源端子であって、電源電圧Ｖｄｄが供給される。以下、説明の混乱を避けるため、必要に応じて外部電源２１０からの電源電圧を外部電源電圧Ｖｄｃ、第１電流制御端子１０６に供給される電源電圧を、内部電源電圧Ｖｄｄとして区別する。
【００２７】
本実施の形態において、電圧調節回路１１０は、電圧制御抵抗Ｒ１を含み、外部電源２１０から充電制御回路１００ａの電源端子１０４への電力供給の経路上に設けられる。電圧調節回路１１０には、動作に応じて必要な電圧降下が発生し、外部電源電圧Ｖｄｃが、内部電源電圧Ｖｄｄに降圧される。電圧制御抵抗Ｒ１の抵抗値は、たとえば１００Ω程度に設計する。
【００２８】
充電制御回路１００ａは、クランプ回路１０、電流調節回路２０、その他の回路素子を備える。電流調節回路２０をはじめとする充電制御回路１００ａの内部の回路は、内部電源電圧Ｖｄｄを電源として動作する。
【００２９】
たとえば、充電制御回路１００ａは、外部電源２１０から外部電源電圧Ｖｄｃとして５Ｖ程度の電圧を供給された状態において、電池２２０を安定に充電するように構成される。ところが、外部電源２１０として、本来予期しないデバイスが接続され、外部電源電圧Ｖｄｃとして５Ｖを大きく超える、たとえば３０Ｖ程度の過電圧が印加される状況も想定される。充電制御回路１００ａは、こうした過電圧から回路素子を保護するための過電圧保護回路を内蔵している。
【００３０】
クランプ回路１０は、充電制御回路１００ａの電源端子１０４の電圧Ｖｄｄを、所定のクランプ電圧Ｖｃｌｍｐ以下にクランプする過電圧保護回路として機能する。クランプ電圧Ｖｃｌｍｐは、充電制御回路１００ａの半導体製造プロセスによって決まる耐圧に応じて設定すればよい。一般に高耐圧プロセスは、集積化の観点で不利であるため、信頼性を満たした上で、なるべく耐圧の低いプロセスを選択することが望ましい。この点から、通常動作時に想定される外部電源電圧Ｖｄｃ＝５Ｖよりも、若干高い電圧値に設定するのが望ましい。たとえば、充電制御回路１００ａは、外部電源電圧Ｖｄｃ＝５Ｖに対して、2Ｖ高い、７Ｖ耐圧のプロセスで設計してもよい。クランプ回路１０のクランプ電圧Ｖｃｌｍｐは、充電制御回路１００ａの耐圧に応じて設定すればよく、たとえば、７Ｖよりも低い６．８Ｖ程度に設定する。
【００３１】
電流調節回路２０は、電池２２０の電圧Ｖｂａｔが、所定の電圧値に近づくように、充電トランジスタＴｒ１のオン状態を調節し、充電電流Ｉｃｈｇを制御する。電流調節回路２０は、誤差増幅器２２、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４を含む。第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４は、電池端子１０２に現れる電池電圧Ｖｂａｔを分圧し、Ｖｂａｔ×Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）で与えられる帰還電圧Ｖｆｂを、誤差増幅器２２の反転入力端子へと出力する。誤差増幅器２２の非反転入力端子には、所定の基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。誤差増幅器２２の出力端子は、第１電流制御端子１０６を介して充電制御トランジスタＴｒ２のベースに接続され、充電制御電圧Ｖｃｎｔを出力する。充電制御電圧Ｖｃｎｔによって、充電制御トランジスタＴｒ２のオンの程度が制御されると、充電制御トランジスタＴｒ２のコレクタ電流が変化して、第２抵抗Ｒ２における電圧降下が変化する。その結果、充電トランジスタＴｒ１のベースエミッタ間電圧が変化し、充電トランジスタＴｒ１のオンの程度が調節される。
【００３２】
充電制御回路１００ａの第２電流制御端子１０８、電池端子１０２の間には、充電停止スイッチＭ３、第５抵抗Ｒ５が直列に設けられる。充電トランジスタＴｒ１に流れる充電電流Ｉｃｈｇは、充電停止スイッチＭ３および第５抵抗Ｒ５を介して、電池２２０へと供給される。
【００３３】
本実施の形態において、クランプ回路１０は、充電制御回路１００ａの電源端子１０４の内部電源電圧Ｖｄｄをクランプしている状態において、すなわち、外部電源２１０から供給される外部電源電圧Ｖｄｃが上昇した状態において、外部電源２１０から電池２２０に供給される充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。具体的には、外部電源２１０から電池２２０への充電電流Ｉｃｈｇの経路上に設けられた充電停止スイッチＭ３をオフすることにより、充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。
【００３４】
以上のように構成された充電回路２００の動作について説明する。外部電源２１０から通常の外部電源電圧Ｖｄｃ＝５Ｖ程度が供給されると、クランプ回路１０のクランプ機能は働かず、充電制御回路１００ａは通常の充電機能を実行する。誤差増幅器２２は、その反転入力端子と非反転入力端子の電圧が等しくなるように、すなわちＶｆｂ＝Ｖｒｅｆが成り立つように、充電トランジスタＴｒ１のベース電圧、すなわちオン状態を調節し、電池２２０に適切な充電電流Ｉｃｈｇを供給する。
【００３５】
いま、外部電源２１０から、外部電源電圧Ｖｄｃとして３０Ｖ程度の過電圧が印加されたとする。このとき、電源端子１０４の内部電源電圧Ｖｄｄは、外部電源電圧Ｖｄｃの上昇にともなって上昇しようとするが、クランプ回路１０は、内部電源電圧Ｖｄｄをクランプし、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ以上に上昇しないように機能する。電圧調節回路１１０である電圧制御抵抗Ｒ１には、外部電源電圧Ｖｄｃ＝３０Ｖと、内部電源電圧Ｖｄｄ＝Ｖｃｌｍｐの差に相当する電圧降下が発生する。
【００３６】
本実施の形態に係る充電回路２００ａによれば、充電制御回路１００ａの耐圧に応じてクランプ電圧Ｖｃｌｍｐを設定し、充電制御回路１００ａの内部にクランプ回路１０を内蔵することにより、電源電圧Ｖｄｃとして過電圧が印加されても、電圧調節回路１１０によって電圧降下が発生するため、電源端子１０４に、クランプ電圧Ｖｄｃを超える電圧が印加されるのを防止することができる。
【００３７】
また、クランプ回路１０は、内部電源電圧Ｖｄｄをクランプした状態で、充電停止スイッチＭ３をオフして、充電電流Ｉｃｈｇを遮断する。過電圧状態において、充電機能を停止することにより、より安全な回路保護が実現できる。
【００３８】
また、回路構成としても、充電制御回路１００ａにクランプ回路１０を内蔵し、電圧制御抵抗Ｒ１を追加するのみで実現できるため、回路部品点数の増大を招くことなく、好適に過電圧保護を実現することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る充電回路２００ｂの構成を示す回路図である。以下、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４０】
図１の充電回路２００ａは、電圧調節回路１１０として、抵抗素子を用いていた。その結果、過電圧印加時の、電圧制御抵抗Ｒ１における消費電力が大きくなる場合があった。たとえば、外部電源電圧Ｖｄｃ＝３０Ｖ、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ＝７の場合、２３Ｖの電圧降下が発生するため、抵抗値を１００Ωとした場合、２３２／１００≒５Ｗ程度の消費電力が発生する。したがって、電圧制御抵抗Ｒ１として、定格電力が５Ｗ以上の素子を選ぶ必要がある。定格電力の大きな抵抗素子は、部品の大きさやコストの観点から、使用を避けたい場合もある。以下で説明する第２の実施の形態に係る充電回路２００ｂは、定格電力の大きな抵抗素子の使用を望まない場合に有効である。
【００４１】
本実施の形態において、電圧調節回路１１０は、保護トランジスタＴｒ３、第６抵抗Ｒ６を含む。保護トランジスタＴｒ３は、外部電源２１０から充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ａへ至る電力供給の経路上に設けられる。保護トランジスタＴｒ３は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、エミッタが充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ａ側に接続され、コレクタが外部電源２１０側に接続される。第６抵抗Ｒ６は、保護トランジスタＴｒ３の制御端子であるベースと、保護トランジスタＴｒ３の外部電源２１０に接続される端子であるコレクタとの間に設けられる。
【００４２】
保護トランジスタＴｒ３のベースは、充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ｂに接続される。本実施の形態において、クランプ回路１０は、保護トランジスタＴｒ３のベース電圧を、所定のしきい値電圧Ｖｔｈ以下にクランプすることにより、充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ａの電圧Ｖｄｄを、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ以下にクランプする。本実施の形態では、しきい値電圧Ｖｔｈと、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐの間には、Ｖｃｌｍｐ＝Ｖｔｈ−Ｖｆが成り立つ。ここでＶｆは、保護トランジスタＴｒ３のベースエミッタ間ダイオードの順方向電圧である。
【００４３】
また、保護トランジスタＴｒ３のベースと、接地端子間には、キャパシタＣ１が設けられる。
【００４４】
以上のように構成された充電回路２００ｂの動作を説明する。外部電源２１０により、外部電源電圧Ｖｄｃとして、過電圧が印加されると、電圧調節回路１１０のコレクタ電圧が上昇し、これにともない、ベース電圧、すなわち電源端子１０４ｂの電圧も上昇する。クランプ回路１０は、電源端子１０４ｂの電圧が、しきい値電圧Ｖｔｈを超えないようにクランプするため、内部電源電圧Ｖｄｄは、Ｖｃｌｍｐ（＝Ｖｔｈ−Ｖｆ）以下にクランプされる。
【００４５】
このとき、第６抵抗Ｒ６に流れる電流は、保護トランジスタＴｒ３のコレクタ電流の１／ｈｆｅとなる。ここでｈｆｅは、保護トランジスタＴｒ３の電流増幅率である。つまり、第２の実施の形態では、第６抵抗Ｒ６に流れる電流は、第１の実施の形態の電圧制御抵抗Ｒ１に流れる電流に比べて、非常に小さくなる。その結果、第６抵抗Ｒ６として、電圧制御抵抗Ｒ１の抵抗値の数十倍から１００倍程度の抵抗値とすることができる。このとき、過電圧状態で第６抵抗Ｒ６で消費される電力は、第１の実施の形態の電圧制御抵抗Ｒ１で消費される電力の数十分の１〜１００分の１程度まで減少する。
【００４６】
その結果、第６抵抗Ｒ６の定格電力を低くすることができ、回路設計の自由度を上げることができる。
【００４７】
また、本実施の形態に係る充電回路２００ｂでは、第６抵抗Ｒ６とキャパシタＣ１がＣＲ時定数回路を形成する。したがって、外部電源電圧Ｖｄｃが急激に上昇した場合においても、その上昇に対して、電源端子１０４ａ、１０４ｂの電圧の上昇が遅れるため、クランプ回路１０の動作速度が遅い場合であっても、確実に充電制御回路１００ｂに供給される内部電源電圧Ｖｄｄがクランプ電圧を超えるのを防止することができる。
【００４８】
次に、第１、第２の実施の形態に係る充電回路２００ａ、２００ｂにクランプ回路として利用される過電圧保護の構成について説明する。
【００４９】
図３は、第１、第２の実施の形態においてクランプ回路１０として使用される過電圧保護回路５０の構成を示す回路図である。過電圧保護回路５０は、半導体集積回路に内蔵され、本半導体集積回路の電源端子１０４ａに供給される電源電圧Ｖｄｄを、所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路である。
【００５０】
過電圧保護回路５０は、基準電圧源５２、コンパレータ５４、第１クランプ回路５６、第２クランプ回路５８、第１スイッチＭ１、第２スイッチＭ２、電流電圧変換回路６０を含む。
【００５１】
第１クランプ回路５６、第１スイッチＭ１は、充電制御回路１００ｂの電源端子１０４ｂと接地端子間に、直列に設けられる。第１クランプ回路５６はアノードが電源端子１０４ｂ側に、カソードが接地端子側に接続された複数のダイオードを含む。第１スイッチＭ１は、ソースが第１クランプ回路５６に接続されたＰチャンネルＭＯＳＦＥＴである。
【００５２】
基準電圧源５２は、バンドギャップレギュレータなどであって、所定の基準電圧Ｖｒｅｆを生成し、コンパレータ５４の非反転入力端子に印加する。第７抵抗Ｒ７、第８抵抗Ｒ８は、電源端子１０４ｂの電圧Ｖｄｄ’を分圧し、コンパレータ５４の反転入力端子に印加する。
【００５３】
コンパレータ５４は、反転入力端子に印加された電源端子１０４ｂの電源電圧Ｖｄｄ’に応じた電圧Ｖｄｄ’’を、基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、比較結果に応じて、第１スイッチＭ１のオンオフを制御する。本実施の形態において、コンパレータ５４は、Ｖｄｄ’’＞Ｖｒｅｆのときローレベルとなる比較信号Ｖｃｍｐを出力する。第１スイッチＭ１は、比較信号Ｖｃｍｐがローレベルのときオン、ハイレベルのときオフとなる。
【００５４】
電流電圧変換回路６０は、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１を含む経路に流れる電流Ｉｘを、電圧Ｖｘに変換する。電流電圧変換回路６０は、変換して得られた電圧Ｖｘが、所定のしきい値電圧を超えると、半導体集積回路の機能の一部を停止する。第１、第２の実施の形態では、充電機能を停止する場合について説明した。
【００５５】
電流電圧変換回路６０は、第１トランジスタＱ１〜第４トランジスタＱ４、第９抵抗Ｒ９を含む。第１トランジスタＱ１は、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１と直列に、同一電流経路上に設けられる。第２〜第４トランジスタＱ２〜Ｑ４は、第１トランジスタＱ１とカレントミラー接続される。第２〜第４トランジスタＱ２〜Ｑ４よって複製された電流Ｉｘ’は、一端の電位が固定された第９抵抗Ｒ９に流され、Ｖｘ＝Ｒ９×Ｉｘ’の電圧が生成される。
【００５６】
電圧Ｖｘは、エミッタ接地された第５トランジスタＱ５のベースに入力される。第１０抵抗Ｒ１０は、第５トランジスタＱ５のコレクタと、電源端子１０４ｂの間に設けられる。電圧Ｖｘが、しきい値電圧を超えて、第５トランジスタＱ５がオンすると、インバータ６２の出力はハイレベルとなる。インバータ６２の出力信号は、半導体集積回路の機能の一部を停止するために利用される。第１、第２の実施の形態では、インバータ６２の出力信号は、充電停止スイッチＭ３のゲートに供給される信号として利用された。
【００５７】
第２クランプ回路５８および第２スイッチＭ２は直列に接続され、第１スイッチＭ１から接地端子に至る経路と並列の経路に配置される。より具体的には、第２クランプ回路５８および第２スイッチＭ２は、第１スイッチＭ１のゲートと接地端子の間に、直列に接続される。また、第１スイッチＭ１のゲートソース間には、プルアップ抵抗Ｒ１１が設けられる。第２スイッチＭ２は、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、ソースが接地され、ドレインが第２クランプ回路５８に接続される。
【００５８】
ここで、基準電圧源５２は、電源端子１０４ａに供給される電源電圧Ｖｄｄによって動作するため、電源電圧Ｖｄｄが低い場合には、所定の基準電圧Ｖｒｅｆが出力不能な状態となる場合がある。基準電圧源５２は、このような場合に、ハイレベルとなる低電圧検出信号ＶＬＯＷを出力するように構成される。低電圧検出信号ＶＬＯＷは、第２スイッチＭ２のゲートに印加される。その結果、第２スイッチＭ２は、低電圧検出信号ＶＬＯＷがハイレベルの期間、すなわち、所定の基準電圧Ｖｒｅｆが生成されない期間、オンとなる。
【００５９】
以上のように構成された過電圧保護回路５０の動作を説明する。
電源端子１０４ａに印加される電源電圧Ｖｄｄおよび電源端子１０４ｂに印加される電源電圧Ｖｄｄ’が、通常の動作電圧の場合、Ｖｄｄ’’＜Ｖｒｅｆが成り立つため、第１スイッチＭ１はオフとなり、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１を含む経路には電流が流れず、クランプ機能は働かない。
【００６０】
過電圧状態において、電源端子１０４ａに印加される電源電圧Ｖｄｄおよび電源端子１０４ｂに印加される電源電圧Ｖｄｄ’が上昇すると、コンパレータ５４から出力される比較信号Ｖｃｍｐがローレベルとなり、第１スイッチＭ１がオン状態となる。このとき、第１スイッチＭ１および第１クランプ回路５６を含む経路に電流Ｉｘが流れ、第１クランプ回路５６によって、電源端子１０４ｂの電圧Ｖｄｄ’が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ以下にクランプされる。このときのしきい値電圧Ｖｔｈは、Ｖｔｈ≒Ｖｆ×２＋ＶｄｓＭ１＋ＶｃｅＱ１で与えられる。ここで、Ｖｆは、第１クランプ回路５６のダイオードの順方向電圧、ＶｄｓＭ１は、第１スイッチＭ１のドレインソース間電圧、ＶｃｅＱ１は、第１トランジスタＱ１のコレクタエミッタ間電圧である。
【００６１】
電源端子１０４ｂの電圧Ｖｄｄ’がクランプされると、電源端子１０４ａの電圧Ｖｄｄは、クランプ電圧Ｖｃｌｍｐ＝Ｖｔｈ−Ｖｆ以下にクランプされる。ここでＶｆは、保護トランジスタＴｒ３のベースエミッタ間電圧である。その結果、コンパレータ５４や基準電圧源５２に印加される電源電圧Ｖｄｄは、クランプ電圧以下に抑えられるため、回路保護が実現される。
【００６２】
また、このとき、電流Ｉｘが、電流電圧変換回路６０によって電圧Ｖｘに変換され、Ｖｘ＞Ｖｆとなると、第５トランジスタＱ５がオンし、インバータ６２の出力信号によって、過電圧保護回路５０が内蔵される半導体集積回路の機能の一部が停止される。
【００６３】
さらに、本実施の形態によれば、外部電源２１０からの外部電源電圧Ｖｄｃが、０Ｖ付近から急激に上昇した場合にも、好適に回路保護を実現することができる。外部電源電圧Ｖｄｃが、０Ｖ付近の場合、基準電圧源５２は基準電圧Ｖｒｅｆを生成することができず、また、コンパレータ５４自体も電圧比較を行うことができない。
【００６４】
この状態において、基準電圧源５２はハイレベルの低電圧検出信号ＶＬＯＷを出力しているため、第２スイッチＭ２がオンとなる。その結果、第１クランプ回路５６、プルアップ抵抗Ｒ１１、第２クランプ回路５８、第２スイッチＭ２を含む経路がアクティブとなり、クランプ回路として機能する。したがって、急激に外部電源電圧Ｖｄｃが上昇した場合においても、電源端子１０４ｂの電源電圧Ｖｄｄ’ならびに電源端子１０４ａの電源電圧Ｖｄｄを確実にクランプすることができる。
【００６５】
なお、外部電源電圧Ｖｄｃがある程度上昇して、基準電圧源５２により所定の基準電圧Ｖｒｅｆが生成されるようになると、第２スイッチＭ２がオフし、第１クランプ回路５６および第１スイッチＭ１を含む経路でのクランプ動作へと移行する。
【００６６】
以上、実施の形態にもとづき、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ないことはいうまでもなく、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ことはいうまでもない。
【００６７】
実施の形態でＭＯＳＦＥＴとバイポーラトランジスタは、必要に応じて適宜置き換えることが可能である。また、ＭＯＳＦＥＴのＮチャンネルとＰチャンネル、あるいはバイポーラトランジスタのＮＰＮ型とＰＮＰ型も、適宜置換してもよい。
【００６８】
また、実施の形態では、充電トランジスタＴｒ１や充電制御トランジスタＴｒ２が充電制御回路１００の外部に設けられる場合について説明したが、これらを充電制御回路１００の内部に設けてもよい。したがって、いずれの回路素子を半導体集積回路の内部に形成するかは、使用する半導体プロセスや、回路に要求される仕様などに応じて適宜変更可能である。
【００６９】
また、本実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１の実施の形態に係る充電回路および電子機器全体の構成を示す回路図である。
【図２】第２の実施の形態に係る充電回路の構成を示す回路図である。
【図３】第１、第２の実施の形態においてクランプ回路として使用される過電圧保護回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０ クランプ回路、 ２０ 電流調節回路、 １００ 充電制御回路、 １０４ 電源端子、 １１０ 電圧調節回路、 ２００ 充電回路、 ２００ａ 充電回路、 ２００ｂ 充電回路、 ２１０ 外部電源、 ２２０ 電池、 １０００ 電子機器、 Ｔｒ１ 充電トランジスタ、 Ｔｒ３ 保護トランジスタ、 Ｍ１ 第１スイッチ、 Ｍ２ 第２スイッチ、 Ｍ３ 充電停止スイッチ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電源からの電源電圧にもとづいて電池を充電する充電回路であって、
前記外部電源から前記電池への充電経路上に設けられた充電トランジスタと、
前記充電トランジスタのオン状態を調節して、前記電池に供給する充電電流を調節する充電制御回路と、
前記外部電源から前記充電制御回路の電源端子への電力供給の経路上に設けられ、電圧降下を生成する電圧調節回路と、
を備え、
前記充電制御回路は、
当該充電制御回路の電源端子の電圧を、所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路と、
前記電池の電圧が、所定の電圧値に近づくように、前記充電トランジスタのオン状態を調節する電流調節回路と、
を含むことを特徴とする充電回路。
【請求項２】
前記電圧調節回路は、抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
【請求項３】
前記電圧調節回路は、
前記外部電源から前記充電制御回路の電源端子へ至る電力供給の経路上に設けられた保護トランジスタと、
前記保護トランジスタの前記外部電源に接続される端子および前記保護トランジスタの制御端子間に設けられた抵抗と、
を含み、
前記クランプ回路は、前記保護トランジスタの制御端子の電圧を、所定のしきい値電圧以下にクランプすることにより、前記充電制御回路の電源端子の電圧を、前記クランプ電圧以下にクランプすることを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
【請求項４】
前記保護トランジスタは、エミッタが前記充電制御回路の電源端子側に接続され、コレクタが前記外部電源側に接続されたＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、
前記抵抗は、前記保護トランジスタのコレクタおよび制御端子であるベース間に設けられることを特徴とする請求項３に記載の充電回路。
【請求項５】
前記保護トランジスタの制御端子および固定電圧端子間に設けられたキャパシタをさらに備えることを特徴とする請求項３または４に記載の充電回路。
【請求項６】
前記クランプ回路は、前記充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、前記外部電源から前記電池に供給される充電電流を遮断することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の充電回路。
【請求項７】
前記外部電源から前記電池への充電電流の経路上に設けられた充電停止スイッチをさらに備え、
前記クランプ回路は、前記充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、前記充電停止スイッチをオフすることを特徴とする請求項６に記載の充電回路。
【請求項８】
電池と、
外部電源からの電源電圧にもとづいて前記電池を充電する請求項1から７のいずれかに記載の充電回路と、
を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１】
外部電源からの電源電圧にもとづいて電池を充電する充電回路であって、
前記外部電源から前記電池への充電経路上に設けられた充電トランジスタと、
前記充電トランジスタのオン状態を調節して、前記電池に供給する充電電流を調節する充電制御回路と、
前記外部電源から前記充電制御回路の電源端子への電力供給の経路上に設けられ、電圧降下を生成する電圧調節回路と、
を備え、
前記充電制御回路は、
当該充電制御回路の電源端子の電圧を、所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路と、
前記電池の電圧が、所定の電圧値に近づくように、前記充電トランジスタのオン状態を調節する電流調節回路と、
を含むことを特徴とする充電回路。
【請求項２】
前記電圧調節回路は、抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
【請求項３】
前記電圧調節回路は、
前記外部電源から前記充電制御回路の電源端子へ至る電力供給の経路上に設けられた保護トランジスタと、
前記保護トランジスタの前記外部電源に接続される端子および前記保護トランジスタの制御端子間に設けられた抵抗と、
を含み、
前記クランプ回路は、前記保護トランジスタの制御端子の電圧を、所定のしきい値電圧以下にクランプすることにより、前記充電制御回路の電源端子の電圧を、前記クランプ電圧以下にクランプすることを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
【請求項４】
前記保護トランジスタは、エミッタが前記充電制御回路の電源端子側に接続され、コレクタが前記外部電源側に接続されたＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、
前記抵抗は、前記保護トランジスタのコレクタおよび制御端子であるベース間に設けられることを特徴とする請求項３に記載の充電回路。
【請求項５】
前記保護トランジスタの制御端子および固定電圧端子間に設けられたキャパシタをさらに備えることを特徴とする請求項３または４に記載の充電回路。
【請求項６】
前記クランプ回路は、前記充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、前記外部電源から前記電池に供給される充電電流を遮断することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の充電回路。
【請求項７】
前記外部電源から前記電池への充電電流の経路上に設けられた充電停止スイッチをさらに備え、
前記クランプ回路は、前記充電制御回路の電源端子の電圧をクランプした状態において、前記充電停止スイッチをオフすることを特徴とする請求項６に記載の充電回路。
【請求項８】
電池と、
外部電源からの電源電圧にもとづいて前記電池を充電する請求項1から７のいずれかに記載の充電回路と、
を備えることを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−３０６６６３（Ｐ２００７−３０６６６３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３０４５３（Ｐ２００６−１３０４５３）
【出願日】平成１８年５月９日（２００６．５．９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月９日（２００６．５．９）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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