电池充电方法、电池充电电路和有电池的便携式电子仪器

摘要

本发明提供一种电池充电方法、电池充电电路和有电池的便携式电子仪器。在锂电池等二次电池的充电方法、电池充电电路和具有该电池及充电电路的便携式电子仪器中，可靠地降低恒定电压电路的控制晶体管所消耗的电力，减小对该控制晶体管所要求的允许损失。串联使用带电流限制功能的恒定电压直流电源和具有差动比较电路的可以变更电流限制值的恒定电压电路对电池进行充电，根据电池的充电状态，在以带电流限制功能的恒定电压直流电源的电流限制值的电流进行充电的期间之后，设置以比该电流限制值小的恒定电压电路的电流限制值进行充电的期间。另外，通过差动比较电路的电流源的电流值与该差动比较电路的差动输出的比较而检测电池的充电状态。

说明书

技术领域

本发明涉及将锂电池等可以再充电的二次电池进行充电的方法、充电电路和具有该电池及充电电路的便携式电子仪器。

背景技术

在手机、PHS(Personal Handy Phone)终端、PDA(PersonalDigital Assistant)、电脑等便携式电子仪器中经常使用放电特性优异的可以再充电的锂电池等二次电池。

以往，在作为二次电池使用锂电池的便携式电子仪器中，在充电初期，利用恒定电流控制进行充电，在其后期则利用恒定电压控制进行充电(例如，参见专利文献1)。

在现有的便携式电子仪器中，具有供给AC(直流)适配器的直流电压进行恒定电流控制的恒定电流控制电路和进行恒定电压控制的恒定电压控制电路。在充电的初期状态，先控制恒定电流控制电路的恒定电流控制晶体管以恒定电流对电池进行充电。通过该恒定电流充电而电池电压上升到指定值时，从恒定电流控制切换到恒定电压控制电路的恒定电压控制，控制恒定电压控制晶体管以一定的电压对电池进行充电，在充电到额定电压时，充电控制即告结束。

【专利文献1】

特开平8-106926号公报

发明内容

(发明要解决的课题)

但是，在现有的充电控制的方法中，将恒定电流控制中的恒定电流值抑制低到与电池的初期充电电流的特性一致时，充电需要很长的时间。另外，快速进行从恒定电流充电向恒定电压充电的切换时，可以缩短充电时间，但是，从切换的时刻开始，由于与电池的充电电压之差将流过比该时刻所允许的值大的电流。

另外，恒定电流、恒定电压控制晶体管兼串联稳压器的功能，所以，适配器的直流电压与电池电压的差值电压和充电电流之积将引起发生大的热损失。为了能耐该热损失，必须使用更大的允许损失的控制晶体管。

因此，本发明的目的旨在提供将适配器作为带电流限制功能的恒定电压直流电源、通过使用可以改变电流限制值的恒定电压电路对电池进行充电并适时地改变电流限制值缩短电池的充电时间、同时可靠地降低恒定电压电路的控制晶体管所消耗的电力从而可以减小该控制晶体管所要求的允许损失的电池充电方法、电池充电电路和具有该电池及充电电路的便携式电子仪器。

(解决课题的手段)

本发明1所述的电池充电方法的特征在于：从以电源限制电流值Ilim进行电流限制、以第1电压V1进行恒定电压控制的直流电源通过具有差动比较电路的可以改变电流限制值的以比上述电源限制电流值Ilim大的第1电流值Icl3进行电流控制、以比上述第1电压V1低的第2电压V2进行恒定电压控制的恒定电压控制部以上述电源限制电流值Ilim的充电电流对电池进行充电，由上述差动比较电路将上述电池的充电电压Vbat和与上述第2电压V2对应的参照电压Vref1进行差动比较，在上述充电电压Vbat从比上述参照电压Vref1低的状态上升到上述差动比较电路进行线性动作的状态时，就从上述差动比较电路发生与恒定电压控制信号Scv不同的差动比较输出Smod，利用上述差动比较输出Smod将上述电流限制值从上述第1电流值Icl3变更为比上述电源限制电流值Ilim小的第2电流值Icl4。

本发明2所述的电池充电方法的特征在于：在根据本发明1所述的电池充电方法中，上述差动比较输出Smod根据与上述差动比较电路使用的电流源41的电流值I0关联的电流值同上述差动比较的一方的电流I1的比较而输出。

本发明3所述的电池充电电路是从以电源限制电流值Ilim进行电流限制、以第1电压V1进行恒定电压控制的直流电源供给电力的电池充电电路，其特征在于：具有设置在向电池进行充电的充电路径中的由恒定电压控制信号Scv控制的控制晶体管22、由使用电流源41的差动比较电路将与上述电池的充电电压Vbat成正比的电压和参照电压Vref1进行差动比较而输出上述恒定电压控制信号Scv以使上述充电电压Vbat成为比上述第1电压V1低的第2电压V2的同时根据差动比较的一方的电流I1发生差动比较输出Smod的恒定电压控制电路40、将上述电池的充电电流与电流限制值可以变更设定的设定为比上述电源限制电流值Ilim大的第1电流值Icl3的电流限制值进行比较并在上述充电电流超过上述电流限制值时抑制上述恒定电压控制信号Scv的电流限制信号发生电路50，从上述恒定电压控制电路40发生差动比较信号Smod时，就将上述电流限制值从上述第1电流值Icl3设定变更为比上述电源限制电流值Ilim小的第2电流值Icl4。

本发明4所述的电池充电电路的特征在于：在根据本发明3所述的电池充电电路中，上述恒定电压控制电路40将与上述电流源41的电流成正比的信号和与上述差动比较的电流I1成正比的信号进行比较，发生上述差动比较输出Smod。

本发明5所述的电池充电电路的特征在于：在根据本发明4所述的电池充电电路中，使与上述电流源41的电流成正比的信号或与上述差动比较的电流I2成正比的信号中的至少一方具有偏移。

本发明6所述的便携式电子仪器的特征在于：具有可以充电的电池和根据本发明3～5中的任一权项所述的电池充电电路。

附图说明

图1是本发明实施方式的全体结构图。

图2是图1中的恒定电压控制电路和电流限制信号发生电路的结构图。

图3是表示电池的输入电压、充电电压、充电电流的时间经过的图。

图4是在控制特性上表示电池的充电状态的变化的图。

图5是模式地表示各状态时的控制晶体管的损失的图。

符号说明

10-AC适配器；11-交流电源；20-便携式电子仪器；21-锂电池；22-控制晶体管；23、24-电阻；25-NPN晶体管；26-电流检测电阻；27-串联地插入的二极管；30-充电控制IC芯片；40-恒定电压控制电路；41、47-恒定电流源；42、43-差动晶体管；46、48-反射镜电路的输入输出侧晶体管；50-电流限制信号发生电路；51-运算放大器；52、54、56-电阻；55-可变电阻；57-比较器；58-NMOS晶体管；60-限制电流值指令电路；Vad-适配器输出直流电压；Ilim-适配器限制电流值；Ichg-充电电流；Vbat-电池电压；Scv-恒定电压控制信号；Slim-电流限制信号；Smod-差动比较输出；CL1～CL4-第1～第4限制电流值指令值；Icl1、Icl2-第1、第2预备充电电流值；Icl3、Icl4-第1、第2电流值；V1～V5-第1～第5电压。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的电池充电方法、电池充电电路和具有电池的便携式电子仪器的实施方式。

图1是本发明实施方式的由具有电池和电池充电电路的便携式电子仪器20和AC适配器10构成的全体结构图，图2是表示本发明的恒定电压控制电路40和电流限制信号发生电路50的具体电路的图。图3是对与充电时间对应的输入电压、电池电压(即，充电电压)、充电电流表示电池的充电状态的图。图4是使用以适配器限制电流值Ilim进行电流限制、以第1电压V1进行恒定电压控制的直流电源(即，AC适配器)的特性和以可以变更的电流限制值进行电流限制、以比第1电压V1低的第2电压V2进行恒定电压控制的恒定电压控制部的特性说明电池的充电状态的变化的图。另外，图5是模式地表示各状态时的控制晶体管的损失的图。

在图1中，AC适配器10将商用交流电源11的交流电力变换，将指定的适配器输出直流电压Vad作为第1电压V1(例如，5.5V)而输出，并用适配器限制电流值Ilim(例如600mA)对该输出电流进行电流限制。

手机等的便携式电子仪器20供给AC适配器10的直流电压Vad。该直流电压Vad通过作为控制晶体管的PMOS晶体管22供给锂电池21。串联地插入的二极管27是为了防止逆流而设置的，顺向电压降小的肖脱基势垒二极管最合适。另外，串联地插入的电阻26是充电电流检测用的低电阻。电池21的端电压作为充电电压Vbat、电流检测电阻26的电压降作为降落电压ΔV供给充电控制IC芯片30。另外，电阻23、24和NPN晶体管25用于接收恒定电压控制信号Scv而控制上述控制晶体管22的导通度。

充电控制IC芯片30中，包含恒定电压控制电路40、电流限制信号发生电路50和限制电流值指令电路60。恒定电压控制电路40将电池电压Vbat与内部的第1基准电压Vref1进行差动比较，发生恒定电压控制信号Scv，用以将电池电压Vbat充电到指定的第2电压V2(例如，4.2V)。另外，电池电压Vbat从低的电压逐渐地上升，在成为比第2电压V2低若干的低的第3电压(例如，约4.0V)时，就发生差动比较输出Smod，供给限制电流值指令电路60。

限制电流值指令电路60由逻辑电路构成，除了差动比较输出Smod外，还输入电池电压Vbat，与这些输入相应地发生第1预备充电电流值Icl1(例如，50mA)、第2预备充电电流值Icl2(例如，150mA)、第1电流值Icl3(例如，700mA)、第2电流值Icl4(例如，300mA)等第1～第4限制电流指令值CL1～CL4，供给电流限制信号发生电路50。第1电流值Icl3比适配器限制电流值Ilim越大越好，极端地说，可以无限大。

电流限制信号发生电路50将降落电压ΔV与该时刻的限制电流指令值CL1～CL4进行比较，在降落电压ΔV达到限制电流指令值CL1～CL4时，发生电流限制信号Silm，供给恒定电压控制电路40，抑制恒定电压控制信号Scv。这样，就将充电电流Ichg限制为与限制电流指令值CL1～CL4相应的值。

这些恒定电压控制电路40、电流限制信号发生电路50及电流限制值指令电路60以直流电压Vad作为工作电源。肖脱基势垒二极管27在适配器10从便携式电子仪器20上卸下来时阻止向各电路供给电源。

在图2中，恒定电压控制电路40由恒定电流值10的第1恒定电流源41和第1基准电压Vref1(例如1.2V)加到基极上的作为PNP晶体管的第1差动晶体管42与将电池电压Vbat分压后的检测电压加到基极上的作为PNP晶体管的第2差动晶体管43的晶体管差动对形成差动比较电路。该晶体管差动对的第2差动晶体管43的基极上在电池21的电池电压Vbat为某一指定的第2电压V2(例如4.2V)时加上与第1基准电压Vref1相等的检测电压。分压电阻44、45的电阻值就是按照这样的要求设定的。

第2差动晶体管43的输出是恒定电压控制信号Scv。另一方面，第1差动晶体管42的输出供给作为电流反射镜电路的输入侧的集电极与基极连接的NPN晶体管46。另外，恒定电流值I0/2的恒定电流源47与作为电流反射镜电路的输出侧的基极和NPN晶体管46的基极连接的NPN晶体管48串联连接，从该连接点输出差动比较输出信号Smod。

在恒定电压控制电路40中，晶体管差动对在两差动晶体管42、43的基极电压相等时(Vbat＝V2)它们的电流I1、I2相等(I1＝I2＝I0/2)。但是，电池电压Vbat低，从而第2差动晶体管43的基极电压比第1差动晶体管42的基极电压低时，第2差动晶体管43完全导通，其电流I2大(I2＝I0)。这时，第1差动晶体管42和电流反射镜电路的输入输出侧晶体管46、48完全不导通(I1＝0)，差动比较输出Smod处于高电平(H)。

在电池电压Vbat逐渐地升高直至达到与第2电压V2接近的第3电压V3(例如4.0V)时，晶体管差动对的两晶体管42、43进入线性工作区域。这里，线性工作是指第1、第2差动晶体管42、43的一方完全导通、而另一方脱离不导通的状态、而电流源41的电流I0分流到两差动晶体管42、43中的工作状态。

通过进入该线性工作区域，电流源41的恒定电流I0根据该工作状态按电流I1、I2分配给两个晶体管42、43。第1差动晶体管42的电流I1开始流动而反射镜电路的输出侧晶体管48导通时，差动比较输出Smod成为低电平(L)。

另外，电流反射镜电路的输入输出侧晶体管46、48的尺寸等通过设置指定的比率(1∶n)，可以使动作值偏移。该偏移也可以通过使第2恒定电流源47的电流值不同而赋予。

该晶体管差动对的两个晶体管42、43进入线性工作区域的第3电压V3，设定为与从AC适配器10的电流限制工作状态转移到恒定电压控制电路40的恒定电压工作状态的时刻或者此前的时刻的电池电压Vbat对应。

在图2中，在电流限制信号发生电路50中，降落电压ΔV的下侧电位输入运算放大器51的非反相输入端子(+)，降落电压ΔV的上侧电位通过电阻52、PNP晶体管53和电阻54而接地。并且，电阻52与PNP晶体管53的连接点的电位输入运算放大器51的反相输入端子(-)。这样，在电阻54上就可以得到与降落电压ΔV成正比的指定的电压k·ΔV(k是系数)。如果使电阻52与电阻54的电阻值相等，则系数k就为1。

另一方面，在第2基准电压Vref2与地之间，串联连接根据限制电流值指令电路60的第1～第4电流值指令CL1～CL4而电阻值按照该指令值CL1～CL4而变更的可变电阻55和电阻56。这样，在电阻56上就可以得到与指令值CL1～CL4相应的电压。

在比较器57中，电阻54的电压(即降落电压ΔV)与电阻56的电压(即指令值CL1～CL4)进行比较，在降落电压ΔV超过这时的指令值时，其输出就反转为高电平。比较器57的输出加到栅极上的NMOS晶体管58连接在第2差动晶体管43的集电极与地之间。这样，在比较器57的输出成为高电平时，恒定电压控制信号Scv就受到抑制，进行电流限制。

下面参照图3～图5说明上述结构的本发明的充电动作。在本发明中，电池的充电动作按照由适配器限制电流值Ilim(600mA)进行电流限制、由第1电压V1(5.5V)进行恒定电压控制的AC适配器10和由比第1电压V1低的第2电压V2(4.2V)进行恒定电压控制、由各种电流值进行电流限制的便携式电子仪器内的恒定电压控制部的双方的特性进行。

在电池充电时，电池电压Vbat为低的值时，限制电流值指令电路60根据电池电压Vbat小于第5电压(＝2.5V)而输出第1指令值CL1(＝50mA)。在第1预备充电期间①中，充电电流Ichg的降落电压ΔV与指令值CL1进行比较，比较结果的电流限制信号Slim供给恒定电压控制电路40，抑制恒定电压控制信号Scv。这样，恒定电压控制电路40就控制上述控制晶体管22，使充电电流Ichg限制为第1预备充电电流值Icl1。在第1预备充电期间①中，流过第1预备充电电流值Icl1，电池电压Vbat逐渐地向第5电压V5(＝2.5V)上升。

在该充电期间①的期间，对AC适配器10加了电流限制，所以，第1电压V1供给便携式电子仪器20。第1电压V1与电池电压Vbat的差值电压(V1-Vbat)分散地加到控制晶体管22、肖脱基势垒二极管27和电流检测电阻26上。用于加到肖脱基势垒二极管27和电流检测电阻26上的电压很小，所以，为了简单起见而忽略不计时，则控制晶体管22消耗的电力就是差值电压(V1-Vbat)与第1预备充电电流值Icl1的乘积，如图5(a)所示，肖脱基势垒二极管27所消耗的电力即使最大时也就是275mW。

在电池电压Vbat达到第5电压V5时，限制电流值指令电路60就输出第2指令值CL2(＝150mA)。在第2预备充电期间②中，恒定电压控制电路40控制上述控制晶体管22，使充电电流Ichg限制为第2预备充电电流值Icl2。第2预备充电电流值Icl2流过电池21，电池电压Vbat逐渐地向第4电压V4(＝3.3V)上升。

在该充电期间②的期间，由于仍然对AC适配器10加了电流限制，所以，第1电压V1供给便携式电子仪器20。与充电期间①一样进行计算时，控制晶体管22消耗的电力就是差值电压(V1-Vbat)与第2预备充电电流值Icl2的乘积，最大时如图5(b)所示也就是450mW。

在电池电压Vbat达到第4电压V4时，电池21的预备充电期间①②即告结束，接着就进入以更大的电流值进行充电的第1恒定电流充电期间③。向该第1恒定电流充电期间③的转移，是通过限制电流值指令电路60检测到电池电压Vbat已达到第4电压V4时输出第3指令值CL3(＝700mA)而进行的。

在电池充电开始时，电池电压Vbat不太低、而是大于第5电压V5或者大于第4电压V4时，当然就不进行第1预备充电或第1、第2预备充电。

在第1恒定电流充电期间③中，第3指令值CL3设定为大于作为AC适配器10的电流限制值的适配器限制电流值Ilim和电池电压Vbat未达到恒定电压控制电路40进行恒定电压动作的第2电压V2，所以，由AC适配器10起适配器限制电流值Ilim的电流限制动作。另外，控制晶体管22处于完全导通的状态。

通过AC适配器l0进行电流限制动作，其直流电压Vad成为控制晶体管22的导通电阻的电压降、肖脱基势垒二极管27的电压降和电流检测电阻26的电压降之和的电压α与电池电压Vbat相加的电压。因此，直流电压Vad随以适配器限制电流值Ilim的充电而引起的电池电压Vbat的上升而上升。

在第1恒定电流充电期间③中，设电压α为0.2V，假定例如其全部加到了控制晶体管22上了，控制晶体管22所消耗的电力也是电压α与适配器限制电流值Ilim的乘积，如图5(c)所示，只不过为120mW。

在第1恒定电流充电期间③进行充电，电池电压Vbat接近比第2电压V2略低的第3电压V3(约4.0V)时，差动对的第1、第2差动晶体管42、43就进入线性工作区域。在进入线性工作区域以前的电池电压Vbat低的期间，第1差动晶体管42处于截止状态，相反，第2差动晶体管43处于完全导通状态，电流源41的恒定电流I0全部流过第2差动晶体管43(I2＝I0)。

第1、第2差动晶体管42、43进入线性工作区域时，电流源41的恒定电流I0与两个差动晶体管的基极定位相应地以电流I1、I2分配给两个差动晶体管42、42。第1差动晶体管42的电流I1流入电流反射镜电路的输入侧晶体管46，使与该电流反射镜比(n∶1)相应的电流流入其输出侧晶体管48。

流入输出侧晶体管48的电流为零的期间，与恒定电流源47的连接点的电位即差动比较输出Smod总是处于高电平。电流流过输出侧晶体管48时，差动比较输出Smod就反转为低电平。

限制电流值指令电路60检测到差动比较输出Smod成为低电平时，就将指令值从第3指令值CL3(700mA)变更为第4指令值CL4(300mA)。通过向指令值CL4的变更，电流限制信号Slim从电流限制信号发生电路50供给恒定电压控制电路40，由控制晶体管22以第2电流值Icl4(300mA)进行电流限制动作。这样，就开始了第2恒定电流充电期间④。这时，AC适配器10就解除电流限制动作，其直流电压Vad再次恢复为第1电压V1。

在本发明中，根据用于进行恒定电压控制的差动比较电路的工作状态的变化进行从第1恒定电流充电期间③向第2恒定电流充电期间④的切换时刻的检测。因此，可以正确地检测恒定电压控制电路40进行恒定电压控制的时刻或此前的时刻。

在该充电期间④的期间，由于对AC适配器10加了电流限制，所以，第1电压V1供给便携式电子仪器20。与充电期间①②一样进行计算时，则控制晶体管22所消耗的电力就是差值电压(V1-Vbat)与第2电流值Icl4的乘积，最大时如图5(d)所示，为450mW。这和充电期间②时的消耗电力相同。

在充电期间④中进行第2恒定电流充电时，在充电进行到充电电流Ichg小于第2电流值Icl4时，就自动地进行恒定电压充电控制。

然而，作为电池21本身的充电控制，通过顺序进行第1预备充电、第2预备充电和第1恒定电流充电，如本发明那样，就不必设置使充电电流Ichg减小的第2恒定电流充电期间④。

但是，考虑不进行第2恒定电流充电的情况(设为期间④′)时，在第1恒定电流充电期间③结束而转移为恒定电压控制电路40的恒定电压控制时，充电电流Ichg流过与此前的值基本上相同的电流(约600mA)，同时，由于AC适配器10的直流电压Vad未加电流限制，所以，成为第1电压V1(参见由图3所虚线表示的特性)。因此，在期间④′中，在控制晶体管22中，如图5(e)所示，损失了第1电压V1与电池电压Vbat的差值电压(V1-Vbat)同电流(约600mA)的乘积的消耗电力(约900mW)。

在该期间④′的损失比其他期间①②的损失大，有可能将控制晶体管22击穿。为了避免击穿，作为控制晶体管22，必须使用大的允许损失的晶体管。在本发明中，解决了这样的问题，在特别是图示的使用大的充电电流的高容量电池的充电中，效果特别大。

另外，从第3充电期间③向第4充电期间④的切换，在AC适配器10的恒定电流充电结束而转移到恒定电压控制电路40的恒定电压控制的时刻或此前的时刻进行，是根据缩短充电时间和防止控制晶体管22击穿的方面所要求的。

简单地检测电池电压Vbat或充电电流Ichg，难于正确地检测切换点。在本发明中，通过利用用于进行恒定电压控制的电流差动电路的工作状态的变化状况，可以正确地并且使用很少的附加电路实现从恒定电流充电向恒定电压控制的转移时刻或此前的时刻。

(发明效果)

按照本发明，串联使用带电流限制功能的恒定电压直流电源和可以变更电流限制值的恒定电压电路对电池进行充电，根据电池的充电状态，通过在以带电流限制功能的恒定电压直流电源的电流限制值的电流进行充电的期间之后设置以比该电流限制值小的恒定电压电路的电流限制值进行充电的期间，可以缩短电池的充电时间，同时可以减小对恒定电压电路的控制晶体管所要求的允许损失。

另外，通过差动比较电路的电流源的电流值与该差动比较电路的差动输出的比较而检测用于使恒定电压电路的电流限制值小于恒定电压直流电源的电流限制值的电池的充电状态，可以不减小充电时间的缩短效果并且可以可靠地降低恒定电压电路的控制晶体管所消耗的电力。