特開 2024-123705 ショート検出回路及び保護回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024123705

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】ショート検出回路及び保護回路

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/52 20200101AFI20240905BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

G01R31/52

G01R19/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023031331

(22)【出願日】2023-03-01

(71)【出願人】

【識別番号】320012037

【氏名又は名称】ラピステクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀田 知宏

【テーマコード（参考）】

2G014

2G035

【Ｆターム（参考）】

2G014AA03

2G014AB61

2G035AB03

2G035AC02

2G035AC19

2G035AD03

2G035AD10

2G035AD23

2G035AD56

(57)【要約】

【課題】ショート検出回路において、低コストでショート検出電流を変更可能とする。
【解決手段】ショート検出回路は、電池セルの端子間ショートを検出する機能を有する。ショート検出回路は、電池セルに流れる電流を検出するための電流検出抵抗に生じる検出電圧と、閾値電圧とを比較するコンパレータと、閾値電圧を生成する閾値電圧生成回路と、を含む。閾値電圧生成回路は、可変抵抗回路と、可変抵抗回路に定電流を供給する電流源と、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池セルの端子間ショートを検出するショート検出回路であって、
電池セルに流れる電流を検出するための電流検出抵抗に生じる検出電圧と、閾値電圧とを比較するコンパレータと、
前記閾値電圧を生成する閾値電圧生成回路と、
を含み、
前記閾値電圧生成回路は、
可変抵抗回路と、
前記可変抵抗回路に定電流を供給する電流源と、
を含む
ショート検出回路。

【請求項2】

前記可変抵抗回路は、
直列接続された複数の抵抗素子と
前記複数の抵抗素子の各々に並列接続された複数のトランジスタと、
を含む請求項１に記載のショート検出回路。

【請求項3】

前記可変抵抗回路における抵抗設定値が格納されたレジスタと、
前記レジスタに格納された前記抵抗設定値に応じて前記複数のトランジスタを選択的にオン状態とするデコーダと、
を更に含む請求項２に記載のショート検出回路。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のショート検出回路と、
前記電池セルに流れる電流が通過する電流経路上に設けられ、前記コンパレータの出力に応じてオン状態となるトランジスタと、
を含む保護回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

開示の技術は、ショート検出回路及び保護回路に関する。

【背景技術】

【0002】

電子機器の端子間ショートを検出する技術として以下の技術が知られている。特許文献１には、スイッチング素子の主電流を検出する電流検出抵抗として直列接続の第１の電流検出抵抗及び第２の電流検出抵抗を有し、第１の電流検出抵抗が短絡の場合、比較器がＬレベルの信号を出力し、第２の電流検出抵抗が短絡の場合には、他の比較器がＬレベルの信号を出力するように構成された回路が記載されている。

【0003】

特許文献２には、直流電源から供給される電圧を、半導体素子をオンオフさせて負荷に供給する回路の異常検出回路であって、負荷に供給する電圧と第２の基準電圧とを比較して負荷の短絡を検出する短絡検出回路を備えた回路が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－９７３４０号公報

【特許文献2】特開２００７－６６１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電池パックの正極端子と負極端子がショートした場合、電池セルに大電流が流れ、電池セルが損傷するおそれがある。したがって、電池パックにおける端子間ショートを検出した場合に、電池セルに流れる電流を遮断する機能が不可欠である。電池パックにおける端子間ショートを検出するショート検出回路の構成として、電池セルに流れる電流を検出する電流検出抵抗に生じる検出電圧と閾値電圧とを比較するコンパレータと、閾値電圧を生成する閾値電圧生成回路とを含むものが想定される。閾値電圧生成回路の構成として、抵抗素子と、抵抗素子に電流を供給する電流源とを含み、抵抗素子に電流源からの電流を供給することにより発生する電圧を閾値電圧として使用するものが想定される。

【0006】

上記したショート検出回路の構成によれば、閾値電圧の設定は電流源から供給される電流によって行うことになる。電池パックにおいて端子間ショートが発生したものとして検出すべき電流（以下、ショート検出電流と称する）の精度を高めるためには、電流源から供給される電流の精度を高める必要がある。電流源から供給される電流の精度を高めるためには、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）素子より素子サイズが大きいバイポーラ素子を用いて電流源を構成することが好ましい。アプリケーションによってはショート検出電流を変更可能としておくことが求められる。ショート検出電流を変更可能とするために、電流源から供給される電流の大きさを可変とすることが考えられる。しかしながら、この場合、電流源は、電流供給能力が異なる複数のバイポーラ素子を備えている必要があり、供給電流のバリエーションの規模に応じて必要なバイポーラ素子の数が増加する。その結果、レイアウト面積が大きくなり、コストアップを招く。

【0007】

開示の技術は、上記した点に鑑みてなされたものであり、ショート検出回路において、低コストでショート検出電流を変更可能とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

開示の技術に係るショート検出回路は、電池セルの端子間ショートを検出するショート検出回路であって、電池セルに流れる電流を検出するための電流検出抵抗に生じる検出電圧と、閾値電圧とを比較するコンパレータと、前記閾値電圧を生成する閾値電圧生成回路と、を含む。前記閾値電圧生成回路は、可変抵抗回路と、前記可変抵抗回路に定電流を供給する電流源と、を含む。

【0009】

開示の技術に係る保護回路は、上記のショート検出回路と、前記電池セルに流れる電流が通過する電流経路上に設けられ、前記コンパレータの出力に応じてオン状態となるトランジスタと、を含む。

【発明の効果】

【0010】

開示の技術によれば ショート検出回路において、低コストでショート検出電流を変更することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】開示の技術の実施形態に係る電池パックの構成の一例を示す図である。

【図2】開示の技術の実施形態に係るショート検出回路の構成の一例を示す図である。

【図3】コンパレータの入出力を示す図である。

【図4】比較例に係るショート検出回路の構成の一例を示す図である。

【図5】開示の技術の他の実施形態に係るショート検出回路の構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、開示の技術の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与し、重複する説明は省略する。

【0013】

図１は、開示の技術の実施形態に係る電池パック１の構成の一例を示す図である。電池パック１は、電池セル２と保護回路１０とを有する。保護回路１０は、電池パック１の正極端子３と負極端子４との端子間ショートを検出した場合に電池セル２に流れる電流を遮断する機能を有する。これより、端子ショートに起因する電池セル２の損傷を回避することが可能となる。保護回路１０は、ショート検出回路２０と、電流検出抵抗１１と、トランジスタ１２と、を含んで構成されている。

【0014】

電流検出抵抗１１は、一端がトランジスタ１２のソースに接続されるとともにショート検出回路２０のＩＳＰ端子２１に接続され、他端が電池セル２の負極に接続されるとともにショート検出回路２０のＩＳＭ端子２２に接続されている。トランジスタ１２は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）であり、ドレインが電池パック１の負極端子４に接続され、ソースが電流検出抵抗１１の一端に接続され、ゲートがショート検出回路２０の出力端子２３に接続されている。トランジスタ１２及び電流検出抵抗１１は電池セル２に流れる電流Ｉ_Ｓが通過する電流経路上に設けられている。

【0015】

ショート検出回路２０は、電池パック１における端子間ショートを検出する機能を有する。ショート検出回路２０は、半導体基板に設けられた集積回路であってもよい。図２はショート検出回路の構成の一例を示す図である。ショート検出回路２０は、閾値電圧生成回路２４及びコンパレータ２９を有する。

【0016】

コンパレータ２９は、電流検出抵抗１１に電流Ｉ_Ｓが流れることによって電流検出抵抗１１に生じる検出電圧Ｖ_Ｓと、閾値電圧生成回路２４によって生成される閾値電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較する。コンパレータ２９は、電流検出抵抗１１に生じる検出電圧Ｖ_Ｓのレベルが閾値電圧Ｖ_ｒｅｆのレベルよりも高い場合にローレベルの出力信号Ｓ_ＯＵＴを出力し、電流検出抵抗１１に生じる検出電圧Ｖ_Ｓのレベルが閾値電圧Ｖ_ｒｅｆのレベルよりも低い場合にハイレベルの出力信号Ｓ_ＯＵＴを出力する。

【0017】

コンパレータ２９は、非反転入力が閾値電圧生成回路２４の電圧出力ノードｎ１に接続され、反転入力がＩＳＰ端子２１を介して電流検出抵抗１１の一端に接続されている。コンパレータ２９の出力は出力端子２３を介してトランジスタ１２のゲートに接続されている。トランジスタ１２は、コンパレータ２９の出力信号Ｓ_ＯＵＴがハイレベルである場合、すなわち、電流検出抵抗１１に生じる検出電圧Ｖ_Ｓのレベルが閾値電圧Ｖ_ｒｅｆのレベルよりも低い場合にオン状態となる一方、コンパレータ２９の出力信号Ｓ_ＯＵＴがローレベルである場合、すなわち、電流検出抵抗１１に生じる検出電圧Ｖ_Ｓのレベルが閾値電圧Ｖ_ｒｅｆのレベルよりも高い場合にオフ状態となる。

【0018】

閾値電圧生成回路２４は、可変抵抗回路２６と、可変抵抗回路２６に電流を供給する電流源２５とを有する。可変抵抗回路２６は、直列接続された複数の抵抗素子２７と、複数の抵抗素子２７に対応して設けられた複数のＮチャネル型のトランジスタ２８とを含んで構成されている。図２には、４つの抵抗素子２７及び４つのトランジスタ２８が例示されているが、抵抗素子２７及びトランジスタ２８の数は適宜増減することが可能である。複数の抵抗素子２７の抵抗値は互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

【0019】

トランジスタ２８の各々は、ドレインが対応する抵抗素子２７の一端に接続され、ソースが対応する抵抗素子２７の他端に接続されている。すなわちトランジスタ２８の各々は、対応する抵抗素子２７に並列接続されている。複数のトランジスタ２８は、ゲートに供給されるデコード信号Ｓ_Ｃによって選択的にオン状態とされる。トランジスタ２８がオン状態となることで、対応する抵抗素子２７の両端がショート状態となる。複数のトランジスタ２８のうちオン状態とするものを選択することによって、可変抵抗回路２６における合成抵抗値Ｒ_Ｏを設定することができる。デコード信号Ｓ_Ｃは、ショート検出回路２０の外部から供給されてもよいし、ショート検出回路２０の内部で生成されたものであってもよい。

【0020】

複数の抵抗素子２７が直列接続されて構成される直列抵抗回路は、一端が電流源２５に接続され、他端がＩＳＭ端子２２を介して電池セル２の負極に接続されている。可変抵抗回路２６と電流源２５との接続ノードが、閾値電圧Ｖ_ｒｅｆが出力される電圧出力ノードｎ１とされている。電圧出力ノードｎ１からは、電流源２５から供給される電流と、可変抵抗回路２６の合成抵抗値Ｒ_Ｏによって定められる閾値電圧Ｖ_ｒｅｆ（＝Ｉ_ｒｅｆ×Ｒ_Ｏ）が出力される。I_ｒｅｆは、電流源２５から供給される電流の電流値である。すなわち、閾値電圧Ｖ_ｒｅｆは、可変抵抗回路２６の合成抵抗値Ｒ_Ｏに応じたレベルに設定される。

【0021】

以下において、ショート検出回路２０におけるショート検出の態様について説明する。電池パック１において端子間ショートが生じていない正常時においては、検出電圧Ｖ_Ｓのレベルが閾値電圧Ｖ_ｒｅｆのレベルよりも低くなるので、コンパレータ２９の出力信号Ｓ_ＯＵＴはハイレベルとなる。したがって、トランジスタ１２はオン状態となり、電池パック１において充放電が可能となる。一方、電池パック１において端子間ショートが発生すると、トランジスタ１２及び電流検出抵抗１１を通過する電流経路上に大電流が流れる。これにより電流検出抵抗１１に生じる検出電圧Ｖ_Ｓが上昇する。検出電圧Ｖ_Ｓのレベルが閾値電圧Ｖ_ｒｅｆのレベルよりも高くなると、コンパレータ２９の出力信号Ｓ_ＯＵＴはハイレベルからローレベルに遷移する。これにより、トランジスタ１２がオフ状態となり、電池セル２に流れる電流が遮断される。その結果、電池セル２への大電流の流入が防止され、電池セル２の損傷を回避することができる。

【0022】

本実施形態に係るショート検出回路２０によれば、電池セル２（トランジスタ１２及び電流検出抵抗１１を通過する電流経路）に流れる電流Ｉ_Ｓが、下記の（１）式を満たす場合に、端子間ショートが発生したものとして検出される。なお、（１）式において、Ｒ_Ｏは可変抵抗回路２６の合成抵抗値、Ｉ_ｒｅｆは電流源２５から供給される電流の電流値、Ｒ_Ｓは電流検出抵抗１１の抵抗値である。
Ｉ_Ｓ≧Ｒ_Ｏ×Ｉ_ｒｅｆ／Ｒ_Ｓ ・・・（１）

【0023】

本実施形態に係るショート検出回路２０によれば、可変抵抗回路２６における合成抵抗値Ｒ_Ｏの設定を変えることで、閾値電圧Ｖ_ｒｅｆを変化させることが可能であり、これによって電池パック１において端子間ショートが発生したものとして検出すべき電流（以下、ショート検出電流という）の大きさを可変とすることができる。例えば、可変抵抗回路２６を構成する抵抗素子２７の抵抗値をそれぞれ１ＭΩ、電流検出抵抗１１の抵抗値Ｒ_Ｓを１ｍΩ、電流源２５から供給される電流の電流値Ｉ_ｒｅｆを１００ｎＡと仮定する。この場合において、可変抵抗回路２６を構成する４つのトランジスタ２８のうちの３つをオン状態とした場合、Ｒ_Ｏ＝１ＭΩとなり、（１）式よりショート検出電流は１００Ａとなる。一方、可変抵抗回路２６を構成する４つのトランジスタ２８のうちの２つをオン状態とした場合、Ｒ_Ｏ＝２ＭΩとなり、（１）式よりショート検出電流は２００Ａとなる。図３は、上記した２つの場合におけるコンパレータ２９の入出力を示す図である。

【0024】

以上のように、開示の技術の実施形態に係るショート検出回路２０は、電池セル２の端子間ショートを検出する機能を有する。ショート検出回路２０は、電池セル２に流れる電流Ｉ_Ｓを検出するための電流検出抵抗１１に生じる検出電圧Ｖ_Ｓと、閾値電圧Ｖ_ｒｅｆとを比較するコンパレータ２９と、閾値電圧Ｖ_ｒｅｆを生成する閾値電圧生成回路２４と、を含む。閾値電圧生成回路２４は、可変抵抗回路２６と、可変抵抗回路２６に電流を供給する電流源２５と、を含む。

【0025】

本実施形態に係るショート検出回路２０によれば、可変抵抗回路２６における合成抵抗値Ｒ_Ｏの設定を変えることで、閾値電圧Ｖ_ｒｅｆを変化させることが可能であり、これによって、ショート検出電流の大きさを可変とすることができる。本実施形態に係るショート検出回路２０によれば、ショート検出電流を可変とするために、電流源２５から供給される電流の大きさを可変とすることが不要である。仮に、電流源２５から供給される電流の大きさを可変とする場合には、ショート検出電流のバリエーションの規模に応じて電流源２５を構成するバイポーラ素子の数が増加する。その結果、レイアウト面積が大きくなり、コストアップを招く。本実施形態に係るショート検出回路２０によれば、ショート検出電流のバリエーションの規模が大きくなった場合でも、電流源２５を構成するバイポーラ素子の数を増加させることを要しないので、低コストでショート検出電流を変更可能とすることができる。

【0026】

図４は、比較例に係るショート検出回路２０Ｘの構成の一例を示す図である。比較例に係るショート検出回路２０Ｘは、閾値電圧生成回路２４Ｘが、供給電流が可変である可変電流源３１Ａ、３１Ｂ及び抵抗値が固定である抵抗素子３０を含む点が、開示の技術の実施形態に係るショート検出回路２０と異なる。抵抗素子３０の抵抗値をＲ_Ｏとした場合、比較例に係るショート検出回路２０Ｘにおいても、開示の技術の実施形態に係るショート検出回路２０と同様、電池セル２に流れる電流Ｉ_Ｓが、上記（１）式を満たす場合に端子間ショートが発生したものとして検出される。

【0027】

比較例に係るショート検出回路２０Ｘによれば、可変電流源３１Ａ及び３１Ｂからの供給電流の設定を変えることで、閾値電圧Ｖ_ｒｅｆを変化させることが可能であり、これによってショート検出電流を可変とすることができる。例えば、比較例に係るショート検出回路２０Ｘにおいて、抵抗素子３０の抵抗値を１ＭΩ、電流検出抵抗１１の抵抗値Ｒ_Ｓを１ｍΩ、可変電流源３１Ａ、３１Ｂから供給される電流の電流値Ｉ_ｒｅｆを１００ｎＡとした場合、ショート検出電流は（１）式より１００Ａとなる。一方、可変電流源３１Ａ、３１Ｂから供給される電流の電流値Ｉ_ｒｅｆを２００ｎＡとした場合、ショート検出電流は（１）式より２００Ａとなる。

【0028】

ショート検出電流の精度を高めるためには、ＭＯＳ素子より素子サイズが大きいバイポーラ素子を用いて可変電流源３１Ａ、３１Ｂを構成することが好ましい。しかしながら、可変電流源３１Ａ、３１Ｂにおける供給電流のバリエーションの規模に応じてバイポーラ素子の数が増加する。その結果、レイアウト面積が大きくなり、コストアップを招く。一方、開示の技術の実施形態に係るショート検出回路２０によれば、電流源２５から供給される電流の大きさを可変とすることが不要であるため、低コストでショート検出電流を変更可能とすることができる。ショート検出電流を可変とするために、比較例に係るショート検出回路２０Ｘにおいては、可変電流源３１Ａ、３１Ｂを構成するために２０個のバイポーラ素子を要するところ、開示の技術の実施形態に係るショート検出回路２０によれば、４個のバイポーラ素子によって電流源２５を構成することが可能である。すなわち、開示の技術の実施形態に係るショート検出回路２０によれば、比較例に係るショート検出回路２０Ｘに対してレイアウト面積を２９％程度削減することが可能である。

【0029】

［第２の実施形態］
図５は、開示の技術の第２の実施形態に係るショート検出回路２０Ａの構成の一例を示す図である。第２の実施形態に係るショート検出回路２０Ａは、可変抵抗回路２６がデコーダ４０及びレジスタ４１を含む点が、上記した第１の実施形態に係るショート検出回路２０と異なる。すなわち、ショート検出回路２０Ａは、可変抵抗回路２６を構成する複数のトランジスタ２８の各々のゲートに供給されるデコード信号Ｓ_Ｃを、ショート検出回路２０Ａの内部で生成するものである。

【0030】

トランジスタ２８の各々は、ゲートがデコーダ４０に接続されている。トランジスタ２８の各々は、デコーダ４０から供給されるデコード信号Ｓ_Ｃによって選択的にオン状態とされる。トランジスタ２８がオン状態となることで、対応する抵抗素子２７の両端がショート状態となる。複数のトランジスタ２８のうちオン状態とするものを選択することによって、可変抵抗回路２６における合成抵抗値Ｒ_Ｏを設定することができる。

【0031】

レジスタ４１には合成抵抗値Ｒ_Ｏの設定値（又はショート検出電流の設定値）が格納される。レジスタ４１に格納される設定値は、ショート検出回路２０Ａの外部から書き換えることが可能である。デコーダ４０はレジスタ４１に格納された設定値に応じたデコード信号Ｓ_Ｃをトランジスタ２８に供給する。本実施形態に係るショート検出回路２０Ａによれば、レジスタ４１に格納される設定値によって、ショート検出電流を設定することが可能である。

【0032】

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
電池セルの端子間ショートを検出するショート検出回路であって、
電池セルに流れる電流を検出するための電流検出抵抗に生じる検出電圧と、閾値電圧とを比較するコンパレータと、
前記閾値電圧を生成する閾値電圧生成回路と、
を含み、
前記閾値電圧生成回路は、
可変抵抗回路と、
前記可変抵抗回路に定電流を供給する電流源と、
を含む
ショート検出回路。

【0033】

（付記２）
前記可変抵抗回路は、
直列接続された複数の抵抗素子と
前記複数の抵抗素子の各々に並列接続された複数のトランジスタと、
を含む付記１に記載のショート検出回路。

【0034】

（付記３）
前記可変抵抗回路における抵抗設定値が格納されたレジスタと、
前記レジスタに格納された前記抵抗設定値に応じて前記複数のトランジスタを選択的にオン状態とするデコーダと、
を更に含む付記２に記載のショート検出回路。

【0035】

（付記４）
付記１から付記３のいずれか１つに記載のショート検出回路と、
前記電池セルに流れる電流が通過する電流経路上に設けられ、前記コンパレータの出力に応じてオン状態となるトランジスタと、
を含む保護回路。

【符号の説明】

【0036】

１ 電池パック
２ 電池セル
３ 正極端子
４ 負極端子
１０ 保護回路
１１ 電流検出抵抗
１２ トランジスタ
２０、２０Ａ、２０Ｘ ショート検出回路
２１ ＩＳＰ端子
２２ ＩＳＭ端子
２３ 出力端子
２４、２４Ｘ 閾値電圧生成回路
２５ 電流源
２６ 可変抵抗回路
２７ 抵抗素子
２８ トランジスタ
２９ コンパレータ
３０ 抵抗素子
３１Ａ、３１Ｂ 可変電流源
４０ デコーダ
４１ レジスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】