JP2009055755A - 二次電池保護用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】相互に影響する検出項目については、互いの検出出力に結果に応じて他の検出項目の検出レベルを変化させるようにして、二次電池に与えるダメージを少なくすると共に、二次電池の性能を十分に引き出すことができるようにした二次電池保護用半導体装置を提供する。
【解決手段】二次電池の充電電圧が第１電圧以上になった場合に過充電検出信号を出力して充電制御用トランジスタをオフして二次電池の保護を行う二次電池保護用半導体装置において、温度検出回路２１を設け、温度検出回路２１が所定の温度以上であることを検出した場合にハイレベルの温度検出信号をＰＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートに印加してオフにし、前記第１電圧より低い第２電圧で過充電検出信号を出力するようにした。これにより、過充電保護がより確実に行えるようになり、しかも二次電池の性能を十分に引き出すことが可能になった。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯電子機器などに用いるバッテリパックに内蔵されているリチウムイオン電池などの二次電池を、異常状態から保護するための保護用半導体装置とそれを用いたバッテリパックおよび各種電子機器に関するものである。

近年普及している携帯電話やノートパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の様々な電子機器では、電源として取扱が簡便なバッテリパックが広く用いられている。

バッテリパックは１つ乃至複数個の二次電池を１つのパッケージに格納したもので、二次電池としてはリチウムイオン電池、リチウムポリマ電池、あるいはニッケル水素電池など高容量のものが用いられている。高容量の電池は、内部に保持しているエネルギー量が極めて大きいため、過充電、過放電、過電流を行った場合は発熱し、時には発火に至ることもある。

そのため、二次電池を過充電、過放電、充電過電流、放電過電流、短絡電流、および異常過熱などから保護する保護用半導体装置がバッテリパック内に収められ、上記保護が必要な場合は、二次電池と充電器あるいは負荷装置との接続を遮断して発熱、発火を防ぐと共に二次電池の劣化を防止している。

保護用半導体装置は、過充電、過放電、充電過電流、放電過電流、短絡電流、および過熱などを検出するために、それぞれ専用の検出回路を備えている。各検出回路は、保護動作が必要なレベルの異常を検出すると、それぞれ検出信号を出力し、二次電池と充電器あるいは負荷装置との間に設けられているスイッチ手段（充電制御用トランジスタ，放電制御用トランジスタ）をオフして、接続を遮断する。

特に過熱保護に関しての従来技術としては特開２００７−１２４７７５号公報（特許文献１）に開示されているような方法がある。図６は、上記特許文献１の図１に記載されている二次電池保護装置と二次電池２を内蔵する電池パック（バッテリパック）３の構成図である。

同図に示すように、特許文献１における二次電池保護装置（図中、点線の枠）は、制御回路１１、過充電を検出する過充電検出回路１２、過放電を検出する過放電検出回路１３、過電流を検出する過電流検出回路１４、過熱を検出する過熱検出回路１５、温度を計測する温度センサ１６、放電を制御する放電制御用トランジスタＱ１、充電を制御する充電制御用トランジスタＱ２、放電制御用トランジスタＱ１と充電制御用トランジスタＱ２のそれぞれの寄生ダイオードＤ１とＤ２を備えている。また電池パック（バッテリパック）３は、上述した二次電池保護回路と二次電池２を備えている。

同図に示す二次電池保護装置の動作を簡単に説明すると、過充電検出回路１２、過放電検出回路１３、過電流検出回路１４からの出力信号が制御回路１１に入力される。制御回路１１はこれら各検出回路の出力信号から何らかの異常が発生したことを検知すると、該異常が発生している検出回路からの出力に応じて、放電制御用トランジスタＱ１と充電制御用トランジスタＱ２をオン／オフ制御し、二次電池２を保護する。

また、過熱検出回路１５が、温度センサ１６により検出した温度を参照して過熱状態であることを検出した場合にも、放電制御用トランジスタＱ１か充電制御用トランジスタＱ２をオン／オフ制御して、二次電池２および放電制御用トランジスタＱ１と充電制御用トランジスタＱ２を保護するようにしている。

このときの過熱を検出する対象は、二次電池本体、または放電制御用トランジスタＱ１と充電制御用トランジスタＱ２、もしくはその両方である。なお、過充電検出回路、過放電検出回路、過電流検出回路に加えて、短絡電流を検出する短絡検出回路を設ける構成については、例えば、特開２００６−１２１９００号公報（特許文献２）を参照されたい。

特開２００７−１２４７７５号公報 特開２００６−１２１９００号公報

上記従来の二次電池保護回路では、過充電検出回路１２、過放電検出回路１３、過電流検出回路１４、および過熱検出回路１５のそれぞれにおける検出レベルは、検出項目毎に他の検出項目との関連はなく独立に設定されていた。制御回路１１はこれらの各検出回路からの出力結果をそれぞれ単独に評価して、放電制御用トランジスタＱ１と充電制御用トランジスタＱ２をオン／オフ制御していた。

しかしながら、検出項目によっては、他の検出項目に影響する場合がある。特に二次電池２の温度が高い場合は、過充電検出の電圧検出レベルを低く設定した方が二次電池２に与えるダメージを小さくすることができる。

また、放電制御用トランジスタＱ１と充電制御用トランジスタＱ２の温度が高い場合は、充電および放電時の過電流検出のレベルを下げた方がよい。逆に、温度が低い場合は、充電および放電時の過電流検出のレベルを上げることができる。

本発明は、上述した実情を考慮してなされたものであって、相互に影響する検出項目については、互いの検出出力に結果に応じて他の検出項目の検出レベルを変化させるようにして、二次電池に与えるダメージを少なくすると共に、二次電池の性能を十分に引き出すことができるようにした二次電池保護用半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような構成を採用した。
ａ）本発明では、二次電池の過充電、過放電、充電過電流、放電過電流、短絡電流、または過熱の内、少なくとも複数の項目の値を検出し、該検出した値を項目毎に予め決められた検出レベルと比較し、その比較結果に基づいて前記二次電池に直列に接続された放電制御用トランジスタと充電制御用トランジスタをオン／オフ制御して、前記二次電地を保護する二次電池保護用半導体装置において、前記複数の検出項目の内、所定の検出項目の値を検出し、その検出出力に応じて、他の検出項目の前記検出レベルを変更するようにした。これによりきめ細かい保護が可能となった。

ｂ）また、上記二次電池保護用半導体装置において、少なくとも、充電中の二次電池の電圧が予め決められた第１電圧以上であることを検出した場合に過充電検出信号を出力する過充電検出回路と、前記過充電検出信号に応じて前記二次電池の充電を停止する制御回路と、前記二次電池、または／および前記放電制御用トランジスタと充電制御用トランジスタの温度を検出する温度検出回路を備え、前記温度検出回路が所定の温度以上であることを検出した場合に、前記過充電検出回路が、充電中の前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以上の場合に前記過充電検出信号を出力するようにした。これにより、過充電保護がより確実に行えるようになり、しかも二次電池の性能を十分に引き出すことができるようになった。

ｃ）また、上記二次電池保護用半導体装置において、少なくとも、充電中の二次電池の電圧が予め決められた第１電圧以上であることを検出した場合に過充電検出信号を出力する過充電検出回路と、前記過充電検出信号に応じて前記充電制御用トランジスタをオフして前記二次電池の充電を停止する制御回路と、前記二次電池、または／および、前記放電制御用トランジスタと充電制御用トランジスタの温度を検出する温度検出回路を備え、前記温度検出回路が所定の温度以上を検出した場合に、前記温度検出回路の出力信号に応じて前記充電制御用トランジスタをオフして前記二次電池の充電を停止する第１モードと、前記温度検出回路が所定の温度以上であることを検出した場合に、前記過充電検出回路が、充電中の前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以上の場合に前記過充電検出信号を出力し、該過充電検出信号に応じて前記充電制御用トランジスタをオフして前記二次電池の充電を停止するようにした第２モードを備え、切換信号（外部端子から印加する信号、所定の電圧レベルを生成する回路構成あるいは設定手段により生成される信号）に応じて、前記第１モードと前記第２モードのいずれか一方を選択するようにした。これにより、二次電池保護用半導体装置の用途が広がった。

ｄ）さらに、上記の如き二次電池保護用半導体装置を用いたバッテリパック、該バッテリパックを用いた電子機器により、過熱を考慮した過充電保護を確実に行なえる応用機器を実現できる。

本発明によれば、二次電池の過充電、過放電、充電過電流、放電過電流、短絡電流、または過熱の複数の検出項目の内、所定の検出項目の値に応じて、他の検出項目の検出レベルを変更するようにしたので、きめ細かい保護ができるようになった。

また、本発明によれば、二次電池もしくは充放電制御用トランジスタが高温時は、過充電検出を行う電池電圧のレベルを所定の電圧だけ下げるようにしたので、過充電保護をより確実に行えるようになり、しかも二次電池の性能を十分に引き出すことができるようにした。

また、本発明によれば、切換信号により第１モードを選択した場合は、温度検出信号と、過充電検出信号のどちらが出力されても充電制御用ＮＭＯＳトランジスタをオフして充電を停止することができ、第２モードを選択した場合は、温度検出信号だけで充電停止をすることはできないが、温度検出信号に応じて過充電検出回路の検出レベルを変えて、高温時にはより低い電圧で過充電検出信号を出力できるようにしたので、バッテリパックの使用条件に合わせて、最適な保護モードを選択することができるようになった。

また、本発明によれば、過熱を考慮した過充電保護を確実に行なえるバッテリパックや各種電子機器などの応用機器が得られる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１−Ａは、本発明に係る二次電池保護用半導体装置を備えたバッテリパック１０の構成図であり、図１−Ｂは、図１−Ａにおける保護用半導体装置２０のブロック構成図である。

図１−Ａに示すように、バッテリパック１０は、二次電池保護用半導体装置（図では保護用半導体装置）２０、二次電池１１、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２、抵抗Ｒ１１で構成されると共に、プラス端子１２とマイナス端子１３を備えている。プラス端子１２とマイナス端子１３には、充電器／負荷装置（充電器もしくは負荷装置）５０が接続されている。なお、ダイオードＤ１１とＤ１２は、それぞれ放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１と充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２の寄生ダイオードである。

また、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１を制御するための端子Ｄout、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２を制御するための端子Ｃout、放電過電流および充電過電流を検出するための電流検出端子Ｖ−、電源端子Ｖdd、および接地端子Ｖssを備えている。

二次電池１１のプラス端子は、保護用半導体装置２０の電源端子Ｖddとバッテリパック１０のプラス端子１２に接続されている。

二次電池１１のマイナス端子は、保護用半導体装置２０の接地端子Ｖssと放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１の一端に接続されている。放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１の他端は充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２の一端に接続され、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２の他端はバッテリパック１０のマイナス端子１３に接続されている。

放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートは保護用半導体装置２０の出力端子Ｄoutに、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートは保護用半導体装置２０の出力端子Ｃoutに接続されている。

抵抗Ｒ１１は保護用半導体装置２０の電流検出端子Ｖ−とバッテリパック１０のマイナス端子１３間に接続されている。なお、接地端子Ｖssに対する電流検出端子Ｖ−の電位は、放電時はプラス電圧であり、充電時はマイナス電圧となる。

保護用半導体装置２０は、図１−Ｂに示すように、過充電を検出する過充電検出回路２０２、過放電を検出する過放電検出回路２０３、過電流（充電過電流，放電過電流）を検出する過電流検出回路２０４、短絡電流を検出する短絡検出回路２０５、過熱を検出する過熱検出回路２０６と、これらの各検出回路からの出力信号に応じて放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１と充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のオン／オフ制御を行う信号（Ｃout，Ｄout）を出力する制御回路２０１から構成される。

図２は、本発明の第１の実施例における保護用半導体装置２０の過充電検出回路２０２と制御回路２０１の一部を示す回路図である。

同図に示すように、本実施例に係る過充電検出回路は、温度検出回路２１、コンパレータ２２、リファレンス電圧Ｖr1、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３で構成されている。

また、制御回路は、遅延回路２３と２４、Ｄ−ＦＦ（Ｄ型フリップフロップ）２５、２入力ノア回路２６、コンパレータ２７、４入力ノア回路２８、２入力ノア回路２９、およびリファレンス電圧Ｖr2で構成されている。

温度検出回路２１は所定の温度以上を検出すると、温度検出回路２１の出力信号である温度検出信号をハイレベルにする回路で、従来から用いられている回路が使用できるので詳細な回路構成は省略する。

抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３は直列接続され電源端子Ｖddと接地端子Ｖss間に接続されている。抵抗Ｒ２２には並列にＰＭＯＳトランジスタＭ２１が接続され、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートには温度検出回路２１からの温度検出信号が印加されている。

抵抗Ｒ２１とＲ２２の接続ノードからは電圧ＶＡが出力され、コンパレータ２２の非反転入力に接続されている。コンパレータ２２の反転入力にはリファレンス電圧Ｖr1が印加されている。コンパレータ２２の出力は過充電検出信号であり、制御回路を構成している遅延回路２３と遅延回路２４の入力に接続されている。

遅延回路２３の出力はＤ−ＦＦ２５のクロック入力端子ＣＫに接続されている。遅延回路２４の出力は２入力ノア回路２９の第１入力に接続され、２入力ノア回路２９の出力はＤ−ＦＦ２５のリセット入力端子Ｒに接続されている。Ｄ−ＦＦ２５のデータ入力端子Ｄは電源端子Ｖddに接続され、Ｄ−ＦＦ２５の出力端子Ｑは過充電禁止信号（過充電検出時に充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオフするための信号）Ｖdet1であり、２入力ノア回路２６の第１入力に接続されている。２入力ノア回路２６の第２入力には、充電過電流禁止信号（充電過電流検出時に充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオフするための信号）Ｖdet4が接続され、２入力ノア回路２６の出力は端子Ｃoutに接続されている。

コンパレータ２７の非反転入力は電流検出端子Ｖ−に接続され、反転入力にはリファレンス電圧Ｖr2が印加されている。さらに、コンパレータ２７の出力は４入力ノア回路２８の第１入力に接続されている。

ノア回路２８の第２入力には過放電禁止信号（過放電検出時に放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１をオフするための信号）Ｖdet2が、第３入力には放電過電流禁止信号（放電過電流検出時に放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１をオフするための信号）Ｖdet3が、第４入力には短絡禁止信号（短絡検出時に放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１をオフするための信号）Shortが接続されている。これらの信号は、基本的には第１入力と同様に、電流検出端子Ｖ−とそれぞれの信号に対応するリファレンス電圧をコンパレータで比較することによって得られる。ノア回路２８の出力は２入力ノア回路２９の第２入力に接続されると共に、端子Ｄoutに接続されている。

二次電池１１の電圧は直列抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３で分圧され抵抗Ｒ２１とＲ２２の接続ノードから電圧ＶＡとして出力される。抵抗Ｒ２２に並列にＰＭＯＳトランジスタＭ２１が接続されているので、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１がオフの場合の電圧ＶＡoffは、
ＶＡoff＝Ｖdd(Ｒ２２＋Ｒ２３)／(Ｒ２１＋Ｒ２２＋Ｒ２３) ・・・(式１)
となる。また、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１がオンの場合の電圧ＶＡonは、
ＶＡon＝Ｖdd×Ｒ２３／(Ｒ２１＋Ｒ２３) ・・・・・・・・・・・(式２)
となる。

温度検出回路２１は、二次電池１１、または放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１と充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２、または二次電池１１と両トランジスタの温度を検出し、検出温度が所定の温度未満の場合は温度検出信号としてローレベルを出力し、所定の温度以上になるとハイレベルの信号を出力する。

その結果、温度検出回路２１が低温を検出している場合は、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートはローレベルなのでＰＭＯＳトランジスタＭ２１はオンとなる。すなわち、この状態での電圧ＶＡは上記（式２）に示すＶＡon電圧である。

温度検出回路２１が高温を検出すると、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートはハイレベルになるのでＰＭＯＳトランジスタＭ２１はオフとなり、電圧ＶＡは上記（式１）に示すＶＡoff電圧に変化する。

上記の（式１）および（式２）から分かるように、二次電池１１の電圧Ｖddが同じであれば、ＶＡoff＞ＶＡonであるから、温度検出回路２１が高温を検出すると電圧ＶＡは高くなる。

言い換えると、電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1と同じになる時の二次電池１１の電圧Ｖddは、温度検出回路２１が高温を検出した場合の方が低くなる。

コンパレータ２２は、電圧ＶＡとリファレンス電圧Ｖr1を比較し、電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1を超えると出力をハイレベルに変化させ、過充電検出信号を出力するので、温度検出回路２１が高温を検出した場合の方が、低い電池電圧Ｖddで過充電検出信号を出力するようになる。

遅延回路２３は入力信号がローレベルからハイレベルに変化した場合に、入力信号を時間td1だけ遅延させ、入力信号がハイレベルからローレベルに変化した場合は遅延を行わない。逆に、遅延回路２４は入力信号がハイレベルからローレベルに変化した場合に、入力信号を時間td2だけ遅延させ、入力信号がローレベルからハイレベルに変化した場合は遅延を行わない。

図３は、図２の回路図の動作を説明するためのタイミングチャートである。
同図において、CMPoutはコンパレータ２２の出力信号、DELAY1outは遅延回路２３の出力信号、DELAY2outは遅延回路２４の出力信号、FF1_QはＤ−ＦＦ２５の出力端子Ｑの出力信号であり、過充電禁止信号Ｖdet1でもある。FF1_RはＤ−ＦＦ２５のリセット入力端子Ｒの入力信号である。

図３に示すように、時刻ｔ１以前は、電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1未満であり、コンパレータ２２の出力CMPoutはローレベルとなっている。このため、遅延回路２４の出力DELAY2outもローレベルなので、２入力ノア回路２９の出力FF1_Rはハイレベルとなっており、Ｄ−ＦＦ２５をリセットしている。

この結果、Ｄ−ＦＦ２５の出力端子Ｑの出力である過充電禁止信号Ｖdet1はローレベルとなっている。また、充電過電流禁止信号Ｖdet4は異常が無ければローレベルなので、２入力ノア回路２６の出力はハイレベルとなり、端子Ｃoutはハイレベルを出力する。この結果、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２はオンしている。

コンパレータ２７の反転入力には正のリファレンス電圧Ｖr2が印加されている。前記したように充電時の電流検出端子Ｖ−の電位はマイナスであるから、コンパレータ２７の出力はローレベルである。また、充電中なので、過放電禁止信号Ｖdet2、放電過電流禁止信号Ｖdet3、短絡禁止信号Shortはいずれもローレベルである。その結果、４入力ノア回路２８の出力はハイレベルとなるので、端子Ｄoutはハイレベルとなり、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１もオンしている。

なお、２入力ノア回路２９の第２入力には４入力ノア回路２８の出力が接続されているので、充電時は通常ハイレベルとなっている。

時刻ｔ１で電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1を超え過充電状態が発生すると（上述したように、このとき温度検出回路２１が高温を検出していると、より低い電池電圧で過充電状態となる）、コンパレータ２２の出力CMPoutがローレベルからハイレベルに変化する。すると、遅延回路２４の出力DELAY2outは直ぐにハイレベルに変化するので、ノア回路２９の出力FF1_Rはローレベルとなり、Ｄ−ＦＦ２５のリセット状態を解除する。

コンパレータ２２の出力信号CMPoutは遅延回路２３で遅延時間td1だけ遅れてＤ−ＦＦ２５のクロック入力端子ＣＫに印加される。Ｄ−ＦＦ２５のデータ入力端子Ｄは電源Ｖddに接続されているので、出力端子ＱVdet1はクロック入力端子ＣＫがローレベルからハイレベルに変化するタイミングに同期してハイレベルに変化する。この信号は２入力ノア回路２６で反転され、端子Ｃoutをローレベルにする。

端子Ｃoutは、前記したように、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートに接続されているので、ローレベルの端子Ｃoutにより充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオフにして、二次電池１１と充電器５０との接続を遮断し充電を停止する。

充電が停止して、二次電池１１の電圧が低下するか、または温度が低下して温度検出信号がローレベルに戻り、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１がオンになり、時刻ｔ２で電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1未満まで低下すると、コンパレータ２２の出力CMPoutがハイレベルからローレベルに戻る。すると遅延回路２３DELAY1outの出力も直ぐにローレベルに戻り、Ｄ−ＦＦ２５のクロック入力端子ＣＫをハイレベルからローレベルに変化させるが、このときは、出力端子ＱVdet1は変化しない。

遅延回路２４はコンパレータ２２の出力信号を遅延時間td2だけ遅延させて、２入力ノア回路２９の第１入力をローレベルにするので、２入力ノア回路２９の出力FF1_RはハイレベルとなりＤ−ＦＦ２５をリセットするので、出力端子ＱVdet1はローレベルに戻る。この信号は２入力ノア回路２６の出力をハイレベルにするので、端子Ｃoutはハイレベルに戻り、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオンにして充電を再開する。

なお、コンパレータ２２の入力にはヒステリシス電圧を設けているので、充電を再開する時の電圧ＡＶの電圧はリファレンス電圧Ｖr1よりやや低い電圧である。

上記のように、本発明の第１の実施例によれば、二次電池１１、もしくは充放電制御用トランジスタＭ１１とＭ１２が高温時は、過充電検出を行う電池電圧のレベルを所定の電圧だけ下げるようにしたので、過充電保護をより確実に行えるようになった。

図４は、本発明の第２の実施例である温度検出回路と過充電検出回路、および制御回路の一部を示す回路図である。

本実施例では、第１の実施例である図２の回路に、温度検出回路２１の出力信号である温度検出信号を処理するための制御回路として、遅延回路３０、遅延回路３１、２入力ノア回路３２、３入力アンド回路３３、Ｄ−ＦＦ３４、２入力アンド回路３５が追加され、さらに２入力ノア回路２６を３入力ノア回路３６に変更している。なお、図２と同じ回路要素には同じ符号を付けてある。

温度検出回路２１の出力は、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートに加えて、遅延回路３０と３１の入力にも接続されている。遅延回路３０の出力は３入力アンド回路３３の第２入力に接続されている。

３入力アンド回路３３の第１入力には切換信号が接続され、第３入力にはＤ−ＦＦ２５の出力端子ＱＢ(Ｑバー)が接続されている。なお、切換信号は、外部端子から印加するようにしてもよいし、所定の電圧レベルの切換信号が印加される構成あるいは設定手段を保護用半導体装置に設けておくようにしてもよい。３入力アンド回路３３出力はＤ−ＦＦ３４のクロック入力端子ＣＫに接続されている。

遅延回路３１の出力は２入力ノア回路３２の第１入力に接続されている。２入力ノア回路３２の第２入力には４入力ノア回路２８の出力が接続されている。２入力ノア回路３２出力はＤ−ＦＦ３４のリセット入力端子Ｒに接続されている。

Ｄ−ＦＦ３４のデータ入力端子Ｄは電源端子Ｖddに接続され、出力端子Ｑは３入力ノア回路３６の第１入力に接続されている。なお、出力端子Ｑからは過熱禁止信号THdetが出力されている。Ｄ−ＦＦ３４の出力端子ＱＢは２入力アンド回路３５の第１入力に接続されている。

３入力ノア回路３６の第２入力はＤ−ＦＦ２５の出力端子Ｑに、第３入力は充電過電流禁止Ｖdet4が接続され、出力は端子Ｃoutに接続されている。２入力アンド回路３５の第２入力には遅延回路２３の出力が接続され、出力はＤ−ＦＦ２５のクロック入力端子ＣＫに接続されている。

遅延回路３０は遅延回路２３と同様、入力信号がローレベルからハイレベルに変化した場合にのみ入力信号を遅延し、その遅延時間は時間td3である。また、遅延回路３１は遅延回路２４と同様、入力信号がハイレベルからローレベルに変化した場合にのみ入力信号を遅延し、その遅延時間は時間td4である。

図５は、図４の回路図の動作を説明するためのタイミングチャートである。
３入力アンド回路３３の第１入力に接続された切換信号は、温度検出回路２１が温度検出信号を出力した際に充電を停止する第１モードと、温度検出回路２１が温度検出信号を出力した際に過充電検出回路の電池電圧検出レベルを変更する第２モードとの切換を行うための信号である。

この切換信号がハイレベルの場合は第１モードを選択し、ローレベルの場合は第２モードを選択する。温度検出信号は温度検出回路２１の出力信号であり、所定の温度以上を検出した場合はハイレベルとなる。

DELAY3outは遅延回路３０の出力信号、DELAY4outは遅延回路３１の出力信号である。FF2_CKはＤ−ＦＦ３４のクロック入力端子ＣＫの入力信号、FF2_QはＤ−ＦＦ３４の出力端子Ｑの出力信号、FF2_QBはＤ−ＦＦ３４の出力端子ＱＢの出力信号、FF2_RはＤ−ＦＦ３４のリセット入力端子Ｒの入力信号である。またFF1_QBはＤ−ＦＦ２５の出力端子ＱＢの出力信号である。

電圧Ｖr1はリファレンス電圧、電圧Ｖr1’はコンパレータ２２の出力がハイレベルからローレベルに変化する時のリファレンス電圧で、リファレンス電圧Ｖr1よりコンパレータ２２の入力ヒステリシス電圧分低い電圧である。

＜第１モードの説明＞
３入力アンド回路３３の第１入力に接続された切換信号がハイレベルすなわち第１モードの場合で時刻ｔ１以前の状態は、温度検出回路２１の検出温度が低く温度検出信号がローレベルになっている。温度検出信号がローレベルなのでＰＭＯＳトランジスタＭ２１はオンである。また、電圧ＶＡはリファレンス電圧Ｖr1未満の状態である。

この状態では、２入力ノア回路３２の第１入力はローレベルなので、２入力ノア回路３２の出力はハイレベルとなり、Ｄ−ＦＦ３４をリセットしている。そのためＤ−ＦＦ３４の出力端子ＱTHdetはローレベルで、出力端子ＱＢはハイレベルである。

出力端子ＱＢがハイレベルであるからアンド回路３５のゲートは開いている。アンド回路３５のゲートが開いている状態では、過充電検出回路の制御回路部分は図２と全く同じになるので、Ｄ−ＦＦ２５の出力端子ＱVdet1もローレベルである。また、充電過電流検出信号Ｖdet4もローレベルなので、３入力ノア回路３６の出力はハイレベルとなり、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオンしている。

もちろんこの状態では、図２で説明したよう４入力ノア回路２８の出力もハイレベルとなっており、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１もオンしている。

時刻ｔ１で温度検出信号がハイレベルとなる。すると、遅延回路３１の出力DELAY4outは直ぐにハイレベルに変化する。２入力ノア回路３２の第２入力は前記したようにハイレベルであるから、２入力ノア回路３２の出力FF2_RはローレベルとなりＤ−ＦＦ３４のリセット状態を解除する。

また、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１はオフとなるので、電圧ＶＡは所定の電圧だけ上昇する。上昇してもリファレンス電圧Ｖr1未満であれば、コンパレータ２２の出力は変化しない。

遅延時間td3が経過すると、遅延回路３０の出力DELAY3outがローレベルからハイレベルに変化する。３入力アンド回路３３の第１入力と第３入力はハイレベルであるから、遅延回路３０の出力がハイレベルに変化すると３入力アンド回路３３の出力FF2_CKがローレベルからハイレベルに変化する。

この信号すなわち３入力アンド回路３３の出力信号により過熱禁止信号THdetであるＤ−ＦＦ３４の出力端子Ｑがハイレベルになる。また、出力端子ＱＢはローレベルとなる。過熱禁止信号THdetがハイレベルになると３入力ノア回路３６の出力はローレベルとなるので、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオフして充電を停止する。

なお、出力端子ＱＢがローレベルとなると、２入力アンド回路３５の第１入力がローレベルとなるので、過充電検出信号が出力されてもＤ−ＦＦ２５のクロック入力端子ＣＫに信号は伝わらないので、Ｄ−ＦＦ２５と３４から同時にＶdet１信号とTHdet信号が出力されることは無い。

時刻ｔ２で温度検出信号がローレベルに戻ると、遅延時間td4経過後、遅延回路３１の出力DELAY4outはローレベルに戻る。すると、２入力ノア回路３２の出力FF2_Rはハイレベルとなり、Ｄ−ＦＦ３４をリセット状態に戻すので、出力端子Ｑ(THdet)はローレベルに戻る。

すると、３入力ノア回路３６の出力はハイレベルになり、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオンして充電を再開する。すなわち、温度検出回路２１が過熱を検出すると充電を停止し、温度が下がると充電を再開する。

なお、温度検出回路２１の検出温度にはヒステリシスを持たせてあり、過熱を検出する温度より解除する時の検出温度を少し低くしてある。

時刻ｔ３で、電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1を超えると、コンパレータ２２の出力CMPoutがローレベルからハイレベルに変化する。この後、時刻ｔ４で電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1未満に戻るまでの動作は、図２の説明と同じなので、動作説明は省略する。

ただし、充電を禁止している間は、Ｄ−ＦＦ２５の出力端子ＱＢがローレベルとなっており、この信号が３入力アンド回路３３の第３入力に接続されているので、このとき温度検出信号が出ても、Ｄ−ＦＦ３４のクロック入力端子ＣＫには伝わらないので、Ｄ−ＦＦ２５と３４から同時にＶdet１信号とTHdet信号が出力されることは無い。

＜第２モードの説明＞
時刻ｔ５で切換信号がローレベルになると、第２モードになる。

時刻ｔ６で温度検出信号がローレベルからハイレベルに変化する。しかし、この変化はＤ−ＦＦ３４のリセットを解除するが、３入力アンド回路３３の第１入力が切換信号によってローレベルになっているので、Ｄ−ＦＦ３４のクロック入力端子ＣＫに伝わらないのでＤ−ＦＦ３４の出力端子Ｑは変化しない。すなわち、第２モードでは、温度検出信号だけでは充電停止を行うことはできない。しかし、電圧ＶＡは所定の電圧だけ上昇しているので、二次電池１１の電圧が時刻ｔ３時点より低い電圧でもリファレンス電圧Ｖr1に等しくなる。

時刻ｔ７で電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1を超えるとコンパレータ２２の出力CMPoutがローレベルからハイレベルに変化する。この後、時刻ｔ８での電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1未満に戻るまでの動作も、図２の説明と同じなので、動作説明は省略する。

時刻ｔ９で温度検出信号がハイレベルからローレベルに変化する。すると、遅延時間td4経過後、Ｄ−ＦＦ３４のリセット端子Ｒがハイレベルに戻り、Ｄ−ＦＦ３４はリセット状態になるが、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２と放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１１のオン／オフ動作には影響を与えない。ただし、ＰＭＯＳトランジスタＭ２１がオンするので、電圧ＡＶが所定の電圧低下し、過充電検出の電池電圧検出レベルを高くする。

時刻ｔ１０で電圧がリファレンス電圧Ｖr1を超えるとコンパレータ２２がローレベルからハイレベルに変化する。この後、時刻ｔ１１での電圧ＶＡがリファレンス電圧Ｖr1未満に戻るまでの動作も、図２の説明と同じなので、動作説明は省略する。

上記のように本発明の第２の実施例によれば、切換信号により第１モードを選択した場合は、温度検出回路２１の出力信号と、過充電検出回路の出力信号のどちらか一方が出力されても充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１２をオフして充電を停止することができ、第２モードを選択した場合は、温度検出回路２１の出力信号だけで充電停止をすることはできないが、温度検出回路２１の出力信号に応じて過充電検出回路の検出レベルを変えて、高温時にはより低い電圧で過充電検出信号を出力できるようにしたので、バッテリパックの使用条件に合わせて、最適なモードを選択することができるようになった。

上記実施例では、温度検出回路の温度検出信号により、過充電検出レベルを変更した例を示したが、より一般的には、複数の検出項目の内、一の検出項目の検出値により他の検出項目の検出レベルを変更することも可能である。これにより、より多様なきめ細かい仕様が可能になる。

本発明に係る二次電池保護用半導体装置をバッテリパックに組み込んだり、該バッテリパックを携帯電話，ノートパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等に組み込むことにより、過熱時にも過充電保護をより確実に行えかつ二次電池の性能を十分に引き出せ、取扱が簡便なバッテリパックや電子機器を実現することができる。

本発明に係る二次電池保護用半導体装置を内蔵するバッテリパックの構成図である。 本発明に係る二次電池保護用半導体装置の構成図である。 本発明の第１の実施例における充電過電圧検出回路と制御回路の一部を示す回路図である。 図２の回路図の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２の実施例における温度検出回路と充電過電圧検出回路、および制御回路の一部を示す回路図である。 図３の回路図の動作を説明するためのタイミングチャートである。 従来技術を説明するための二次電池保護装置の構成図である。

符号の説明

２、１１：二次電池
３：電池パック（バッテリパック）
１０：バッテリパック
１１，２０１：制御回路
１２，２０２：過充電検出回路
１３，２０３：過放電検出回路
１４，２０４：過電流検出回路
２０５：短絡検出回路
１５，２０６：過熱検出回路
１６，２０７：温度センサ
２０：保護用半導体装置
２１：温度検出回路
２２，２７：コンパレータ
２３，２４，３０，３１：遅延回路
２５，３４：Ｄ−ＦＦ（Ｄ型フリップフロップ）
２６，２９：２入力ノア回路
２８：４入力ノア回路
３２：２入力オア回路
３３：３入力アンド回路
３５：２入力アンド回路
３６：３入力ノア回路
Ｑ１，Ｍ１１：放電制御用ＮＭＯＳトランジスタ
Ｑ２，Ｍ１２：充電制御用ＮＭＯＳトランジスタ
Ｍ２１：ＰＭＯＳトランジスタ
Ｖr1，Ｖr1’：リファレンス電圧
Ｒ１１，Ｒ２１〜Ｒ２３，Ｒ３１〜Ｒ３３：抵抗

Claims (6)

1. 二次電池の過充電、過放電、充電過電流、放電過電流、短絡電流、または過熱の内、少なくとも複数の項目の値を検出し、該検出した値を項目毎に予め決められた検出レベルと比較し、その比較結果に基づいて前記二次電池に直列に接続された放電制御用トランジスタと充電制御用トランジスタをオン／オフ制御して、前記二次電地を保護する二次電池保護用半導体装置において、
   前記複数の検出項目の内、所定の検出項目の値を検出し、その検出出力に応じて、他の検出項目の前記検出レベルを変更するようにしたことを特徴とする二次電池保護用半導体装置。
2. 請求項１記載の二次電池保護用半導体装置において、
   少なくとも、充電中の二次電池の電圧が予め決められた第１電圧以上であることを検出した場合に過充電検出信号を出力する過充電検出回路と、
   前記過充電検出信号に応じて前記二次電池の充電を停止する制御回路と、
   前記二次電池、または／および前記放電制御用トランジスタと充電制御用トランジスタの温度を検出する温度検出回路を備え、
   前記温度検出回路が所定の温度以上であることを検出した場合に、前記過充電検出回路が、充電中の前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以上の場合に前記過充電検出信号を出力するようにしたことを特徴とする二次電池保護用半導体装置。
3. 請求項１記載の二次電池保護用半導体装置において、
   少なくとも、充電中の二次電池の電圧が予め決められた第１電圧以上であることを検出した場合に過充電検出信号を出力する過充電検出回路と、前記過充電検出信号に応じて前記充電制御用トランジスタをオフして前記二次電池の充電を停止する制御回路と、前記二次電池、または／および、前記放電制御用トランジスタと充電制御用トランジスタの温度を検出する温度検出回路を備え、
   前記温度検出回路が所定の温度以上を検出した場合に、前記温度検出回路の出力信号に応じて前記充電制御用トランジスタをオフして前記二次電池の充電を停止する第１モードと、
   前記温度検出回路が所定の温度以上であることを検出した場合に、前記過充電検出回路が、充電中の前記二次電池の電圧が前記第１電圧より低い第２電圧以上の場合に前記過充電検出信号を出力し、該過充電検出信号に応じて前記充電制御用トランジスタをオフして前記二次電池の充電を停止するようにした第２モードを備え、
   切換信号に応じて、前記第１モードと前記第２モードのいずれか一方を選択するようにしたことを特徴とする二次電池保護用半導体装置。
4. 前記切換信号は、外部端子から印加する信号、所定の電圧レベルを生成する回路構成あるいは設定手段により生成される信号であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池保護用半導体装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の二次電池保護用半導体装置を用いたことを特徴とするバッテリパック。
6. 請求項５に記載のバッテリパックを用いたことを特徴とする電子機器。

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