第12回　リチウムイオン電池保護ICってなに？（その1）

皆さんこんにちは、日清紡マイクロデバイスの講師Sです。前回までの2回にわたって電源監視ICというテーマで、マイコンの電源がマイコンの正常動作の動作範囲外になった場合にマイコンにリセットをかける電源監視ICや、マイコンからの定期信号を監視して信号が途切れた場合にマイコンのプログラム動作が異常と判断してマイコンをリセットするウォッチドッグタイマーICなどを取り上げて説明しました。
今回はリチウムイオン電池パック内に搭載されて電池の過充電や過放電、充電/放電電流の過電流を監視するリチウムイオン電池保護ICについて説明したいと思います。リチウムイオン電池も電源のひとつであり、また監視方法も電源監視ICと同様に電圧コンパレータを使用して監視対象の電圧を電圧検出抵抗で分圧して基準電圧と比較するという方法を用いていますので、電源監視ICに続くテーマとして取り上げました。
なお、前回第11回記事の「おわりに」で、第12回は電源監視ICの最終回としてリチウムイオン電池保護ICを取り上げると紹介しましたが、分量が多いため2回分の記事にするため表題のテーマ名に変更しています。

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リチウムイオン電池について

本題に入る前にまずリチウムイオン電池について簡単に紹介し、そのあと、保護ICの必要性について説明したいと思います。
リチウムイオン電池は旭化成で発明され、ソニーが1991年に「リチウムイオン電池」と命名して最初に商品化した二次電池です。従来の二次電池に比べて重量エネルギー密度、体積エネルギー密度ともに3倍以上あり、小型、軽量化が可能なうえ、従来の二次電池が1個で1.2Vの電圧しか取り出せなかったのに対して3倍の電圧が得られる高性能な電池です。このような特徴によって、携帯電話、スマートフォン、タブレット、ノートパソコンなど幅広い用途に使用されています。
このようにリチウムイオン電池は非常に高性能な反面、使い方を誤り、過充電や過放電状態になると、また過電流が流れると電池が劣化するだけでなく、電池の発熱、発火、爆発を引き起こすというような非常に危険な面を持ち合わせています。その対策のひとつとしてリチウムイオン電池は過充電や過放電などを防止する保護機構を組み込んだリチウムイオン電池パックとしてしか使用することができないようになっています。なお、電池パックに組み込む電池単体のことを電池セルと呼びます。

 

リチウムイオン電池パックの構成

●電池パックの構成

図1にリチウムイオン電池パックの最小限の構成を示します。リチウムイオン電池パックはリチウムイオン電池セル、保護IC、充電電流/放電電流を電圧に変換して保護ICで監視するための高精度な電流検出抵抗( RSENSE )、保護ICが異常を検出したときに保護ICからの信号（ COUT、DOUT ）を受けて、電池セルへの充電電流、また電池セルからの放電電流を通電状態から遮断するための2つのNch-MOS-FETで構成されています。Nch-MOS-FETはON抵抗が非常に小さい専用のICですが、寄生的にボディーダイオードが存在しますので、1個では充電電流か放電電流かのどちらか一方向の電流しか遮断することができません。そこで、
図1に示すように2個のNch-MOS-FETを、それぞれのボディーダイオードが逆方向になるように配置して使用します。
逆に2個使うことで、例えば充電中に過充電を検出するとCOUT側のNch-MOS-FETがOFFして充電方向の電流が遮断されますが、ボディーダイオードを介して放電方向の電流を流すことは可能ですので過充電からの復帰に寄与することができます。
そのほか、保護ICのVDD端子とV-端子は電池パックの端子に直接つながっていますので、ESD保護（静電気破壊対策）のためそれぞれの端子に抵抗R1、R2が挿入されています。これらの抵抗は充電器逆接続時の電流制限の役割も担っています。また保護ICのVDD端子とVSS端子間には保護ICの電源電圧安定化のためのコンデンサーC1 が取り付けられています。

 
※電流検出方法（RSENSE/FETのON抵抗）

図1では電流検出にRSENSE抵抗を使用する例を示していますが、Nch-MOS-FETのON抵抗を電流検出と兼用する方法もあります。ON抵抗を利用する方法はRSENSE抵抗を使わないのでコスト的にはメリットがありますが、ON抵抗は電源電圧変動、温度変動、個体差ばらつきがあるため、高精度の過電流検出には不向きです。最近のスマートフォンのような大電流を扱いつつ、高精度な電流保護を求める用途にはRSENSEで電流検出を行なっています。

 

リチウムイオン電池保護ICの内部回路と機能動作概要

図2に保護ICの内部回路を非常に単純化したイメージ図を示します。
電池電圧の過充電を検出するVD1、過放電を検出するVD2の監視回路は第10回電源監視ICで説明した回路と同様に電圧コンパレータ、基準電圧源、電池電圧を基準電圧源の電圧と比較するための分圧抵抗で構成されています。また放電電流の過電流を検出するVD3、充電電流の過電流を検出するVD4はRSENSEで電流を電圧変換した電圧と基準電圧を比較しています。VD1とVD4によってCOUT信号が生成され充電電流を導通/遮断するNch-MOS-FETにつながっています。VD2、VD3によってDOUT信号が生成され放電電流を導通/遮断するNch-MOS-FETにつながっています。
それぞれのコンパレータには遅延回路がついています。電源監視ICの遅延回路はマイコンへのリセット信号幅を生成するための遅延回路ですが、保護ICの遅延回路は遅延時間内の過渡的な短い時間の異常状態はノイズ成分として除去するためのものです。

 

 
 
●保護ICの基本機能

リチウムイオン電池保護ICにおける、基本の検出機能は4つです。

1. 過充電検出機能

電池セル電圧を電圧コンパレータVD1で監視します。電池電圧が正常範囲ではCOUT端子はVDDレベルで、COUT側のNch-MOS-FETはONしており、充電可能状態です。
充電器によって充電中に電池セル電圧が過充電検出電圧を超えると、VD1コンパレータが反転、COUT出力がVDDレベルからV-レベルに遷移しNch-MOS-FETがOFFします。　
充電経路を遮断して充電電流をとめ、電池セル電圧増加を防ぎます。

2. 過放電検出機能

電池セル電圧を電圧コンパレータVD2で監視します。電池電圧が正常範囲ではDOUT端子はVDDレベルで、DOUT側のNch-MOS-FETはONしており、放電可能状態です。
電池セル電圧が過放電検出電圧を下回ると、VD2コンパレータが反転、DOUT出力がVDDレベルからVSSレベルに遷移しNch-MOS-FETがOFFします。　
放電経路を遮断して放電電流をとめ、さらに消費電流を低減するスタンバイ状態に入ることで電池セル電圧のさらなる低下を防ぎます。

3. 放電過電流検出機能

放電電流をRSENSE抵抗で電圧に変換し、電圧コンパレータVD3で監視します。
その電圧が放電過電流検出電圧を超えると、VD3コンパレータが反転、DOUT出力がVDDレベルからVSSレベルに遷移しNch-MOS-FETがOFFし、放電電流を遮断します。

4. 充電過電流検出機能

充電電流をRSENSE抵抗で電圧に変換し、電圧コンパレータVD4で監視します。
その電圧が充電過電流検出電圧を超えると、VD4コンパレータが反転、COUT出力がVDDレベルからV-レベルに遷移しNch-MOS-FETがOFFし、充電電流を遮断します。

 
●その他の機能
短絡検出機能

電池パックの電極間が金属のようなもので短絡した場合を想定した保護機能です。検出方法は放電過電流と同じですが電流検出レベルは短絡電流相当の高い電流に設定されており、1ms以内の短時間でDOUT側のNch-MOS-FETをOFFして短絡電流遮断を行ないます。

0V 充電可否選択

保護ICには、過放電検出電圧を下回った電池が、さらに所定の電圧まで下がった場合に再充電を許容する保護ICと、再充電を禁止する保護ICがあり、対象となるリチウムイオン電池の種類に合わせていずれかを選択することができます。
保護ICの電源は電池パック内の電池ですから、その電圧が0Vになると、保護ICは動作しなくなりますが、充電電流の導通/遮断を制御するCOUT信号だけは電池パックの端子電圧で動作しています。なおDOUT側のNch-MOS-FETはソース電圧もゲート電圧も0VですのでOFF状態ですが、ボディーダイオードを介しての充電は可能です。

 
0V充電可：

0Vまで放電しきったセルに対しても充電が可能です。電池電圧が0Vの時にCOUT出力がVDD＝VSS電位になりますが、COUT側のNch-MOS-FETのソース電位がV-ですので、Nch-MOS-FETはONして充電が可能になります。

 
0V充電禁止：

過放電検出電圧を下回ったセル電圧が、所定の電圧まで下がった場合には充電ができません。電池電圧が0Vの時にCOUT出力がV-電位になり、COUT側のNch-MOS-FETがOFFします。

 
過充電、過放電検出状態からの復帰

過充電検出状態や過放電検出状態からの復帰には自動復帰タイプとラッチタイプの2種類の方式が用意されており、いずれかを選択することが可能です。
自動復帰タイプは電池電圧が過充電や過放電電圧から回復すると保護ICがNch-MOS-FETをOFFからONにして、充電あるいは放電が可能となるタイプになります。
一方ラッチタイプは電池電圧が過充電や過放電電圧から回復してもそれだけでは通常状態へ復帰しません。過充電検出からの復帰には充電器をはずして一旦負荷を接続、また過放電検出からの復帰には充電器の接続が必要です。

 

保護ICと充電器の充電制御

●リチウムイオン電池の充電制御

充電器は単なるACアダプタだけのようなものではなく、また保護ICがリチウムイオン電池への充電制御を担っているわけではありません。充電器には充電制御回路あるいは充電制御ICが搭載されていており、リチウムイオン電池セルの種類に合わせた充電終止電圧まで最適な充電電流で充電するように制御されています。したがって、過充電や充電過電流状態にならないように充電器の充電制御回路と電池パック内の保護ICによって二重に保護されていることになります。
リチウムイオン電池の一般的な充電制御方式による充電時の充電電流と充電電圧のイメージを図3に示しています。図では電池セルが過放電状態から充電する場合を示しています。

 

 
 
① 予備充電

過放電状態から復帰するまではOFFしている放電制御側のNch-MOS-FETのボディーダイオードを介しての充電ですので、充電電流は絞られています。

② CC充電( 定電流充電 )

過放電から復帰するとNch-MOS-FETがONしていますので、リチウムイオン電池にとって過電流とならない範囲の一定の電流で充電を行ないます。これが急速充電です。

③ CV充電( 定電圧充電 )

電池電圧が充電終止電圧に近くなったことを検出して充電終止電圧による定電圧充電に切り替わり、充電電流が設定電流以下になると充電を停止します。
このような充電を CC（Constant Current）／ CV（Constant Voltage）充電と言います。

 
●リチウムイオン電池、保護IC、充電器の組み合わせ

余談になりますが、リチウムイオン電池セルはその種類によって少しずつ特性が異なっており、電池パックの保護ICは電池セルに合わせて特性が合わせ込まれています。同様にその電池パック用の充電器も急速充電電流や充電終止電圧など、電池パックに搭載されたリチウム電池セルや保護ICの特性に合わせ込まれています。電池パックと充電器は1セットであり、これがいわゆる『純正』と表現される組み合わせです。
電池パック内の保護ICで保護されていますが、過充電や充電過電流が発生する恐れがある純正でない充電器の使用は避けなければなりません。

 

リチウムイオン電池保護ICの特性

では、保護ICに必要とされる特性はどのようなものでしょうか。
スマートフォンは年々高機能、高性能化がすすみ、スマートフォンの消費する電力は増加の一途を辿っています。電池の使用時間が短くならないように搭載される電池も大容量化されています。一方、電池が大容量化すれば、充電にかかる時間も長くなりますが、にもかかわらず、逆にさらなる充電時間の短縮が求められています。

●過充電検出電圧の高精度化による電池使用可能時間の拡大

保護ICの過充電検出電圧と図3で説明した充電制御における充電終止電圧との関係を示したのが図4です。充電終止電圧は保護ICの過充電設定電圧と重ならないように設定する必要があります。図4からわかるように過充電検出電圧が高精度な場合には充電制御における充電終止電圧を高く設定できますので、電池容量が増え、電池の使用可能時間が長くなります。

 
 
●過電流検出の高精度化による急速充電時間の短縮

充電時間短縮のための急速充電電流の増加によるRSENSE抵抗での発熱を抑えるためにRSENSE抵抗が増々小さくなり、RSENSE抵抗で電流電圧変換した過電流検出電圧も10mV程度になります。過充電検出の場合と同様に保護ICの過電流検出精度が高精度になれば充電制御での急速充電電流設定値を高く設定することができます。

●消費電流の低減

検出精度の高精度化の他に消費電流も保護ICにとっては重要な特性になります。保護ICの電源は電池セルなので、保護ICの消費電流を抑える必要があります。そのために保護ICの内部ではノイズ等による誤動作防止のための検出遅延や解除遅延時間を生成する発振回路やカウンターは検出/解除時のみ動作させるなどの工夫がなされています。
特に保護ICが過放電検出すると放電電流を遮断するだけでなく保護IC自身もすべての電圧監視、電流監視機能を停止させ消費電流が0.1uA( 0.1uA以下 )のスタンバイ状態に移行することで電池電圧のそれ以上の低下を防いでいます。保護ICにはCMOSロジック回路で構成することによって電流を消費しない充電器接続検出回路が設けられており、充電器を接続することでスタンバイ状態から復帰し電圧監視、電流監視機能を再開することができます。過放電検出機能だけはスタンバイ状態に移行せず監視を継続させることで電池セル電圧が過放電から回復することを監視して、電圧監視、電流監視を再開する保護ICもあります。
ただし、電池セルの電圧が保護ICの正常動作電圧範囲の下限を下回るまで低下すると、先に説明した0V充電可否選択によって復帰できるかどうかが決まります。

 

おわりに

リチウムイオン電池は小型、軽量、高性能な反面、使い方を誤ると非常に危険です。そのため、二重三重に保護されており、その中で保護ICは電池パックの中に電池セルと一体となって組み込まれており、その意味で保護ICはリチウムイオン電池を使う上でなくてはならない存在、リチウムイオン電池を守る最後の砦と言えるのではないでしょうか？
今回は携帯電話やスマートフォンなどの用途に使用される電池パックに搭載される電池セルが1個（1セル）の場合を例にして、過充電、過放電、過電流を検出すると充電電流や放電電流の経路を遮断するという保護ICの基本的な機能を説明し、また電池使用可能時間の拡大や充電時間の短縮には保護ICの高精度化が必要なことにも触れました。
さて、ノートパソコンのような用途では電池セル1個の電圧では足りないため電池セルを直列に接続して使用します。充電器は個別の電池セル毎に充電するのではなく直列接続した電池にまとめて充電することになります。1セル電池の場合には充電器の充電制御でも過充電を防止できますが、電池セルが直列につながっている場合には充電器の充電制御回路は個々の電池セルの電圧を直接制御することができません。このような多セル電池の電池パックに搭載される保護ICには多セル特有の保護機能が必要になってきます。
次回はこのような1セル電池以外の保護ICについて説明したいと思います。

 
最後まで読んでいただきありがとうございました。
 

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