半导体装置、电池组及便携式终端的制作方法

半导体装置、电池组及便携式终端的制作方法
【专利摘要】一种半导体装置、电池组及便携式终端，在CPU的高速时钟动作时高精度地计算从电池能提供的最大电量。半导体装置(10、30)具有测定电池(11)的电压的电压测定部(106)、测定电池的充电电流及放电电流的电流测定部(104)、数据处理控制部(100)和电流检测部(105)。在由电流检测部检测出放电电流(Id)超过预定的阈值(Ith)时，电压测定部和电流测定部能够测定电池的电压及放电电流。数据处理控制部根据电压测定部对应于电流检测部的检测而测定的电压测定值(Vb)和电流测定部对应于电流检测部的检测而测定的电流测定值(Ib)，推定电池的内部阻值(R)，根据推定值计算能从电池提供的最大电量(Pmax)。
【专利说明】半导体装置、电池组及便携式终端

【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体装置、电池组及便携式终端，尤其涉及有效应用于监视电池的 状态的半导体装置的技术。

【背景技术】
[0002] 近年来，作为搭载于笔记本电脑等便携式终端的内部电路（PC系统）中的CPU(包 括GPU)，具备可变频率功能的CPU在日益增加，以便取得消耗电力与运算性能与可靠性（寿 命）的平衡。所谓可变频率功能，在通常时通过将CPU的时钟频率设定为比较低的值（通 常时钟动作），能够实现低功耗，并且抑制CPU的温度上升，抑制CPU的可靠性的下降，而在 应用的CPU资源请求增加时，通过将CPU的时钟频率设定为比较高的值（高速时钟动作）， 能够提1?运算性能。
[0003] 在CPU进行高速时钟动作时，在笔记本电脑没有连接AC适配器的情况下，CPU进行 高速时钟动作所需要的电力全部从电池（组合了多个二次电池单元得到的组电池）提供。 另一方面，在笔记本电脑连接了AC适配器的情况下，CPU进行高速时钟动作所需要的电力 从AC适配器和电池双方提供。这是因为将AC适配器的最大电力设定得小于进行高速时钟 动作时所需要的最大电力，以便实现轻量化、低功耗化及低成本化。另外，在高速时钟动作 时作为AC适配器的不足量的电力而从电池获取的电力，通过在通常时钟动作时利用AC适 配器对电池充电而得到补充。
[0004] 如上所述，与有无连接AC适配器无关，CPU进行高速时钟动作都需要来自电池的 电力供给。因此，CPU进行高速时钟动作的期间和高速时钟动作时的时钟频率，是根据电池 能够提供的电量确定的。例如，具备可变频率功能的CPU构成为能够选择比通常时钟动作 时的时钟频率高的多个时钟频率，作为高速时钟动作时的时钟频率，并根据此时的电池能 够提供的电量选择最佳的时钟频率。
[0005] 另一方面，搭载于笔记本电脑等便携式终端中的电池的状态，由和电池一起搭载 于电池组中的电池监视系统进行监视。通常，电池监视系统构成为包括电池控制IC(FGIC: Fuelgauge1C)、用于检测电池的充电电流及放电电流作为电压信息的检测电阻器、充电 控制用的MOS晶体管、放电控制用的MOS晶体管、及晶闸管和熔断器等的保护电路。电池控 制IC例如构成为包括微型控制器，实现电池的余量管理功能和充电控制用/放电控制用 MOS晶体管的控制功能、电池的保护功能等。例如，电池控制IC根据电池的充电电流及放 电电流和电池电压的检测结果，生成表示电池状态的信息，并通知给便携式终端的内部电 路。关于表示电池状态的信息，例如有充满电容量FCC(FullChargeCapacity)、电池的余 量RC(RemainingCapacity)、和电池的充电状态S0C(StateofCharge)等。关于电池控制 IC的现有示例，例如有专利文献1?3公开的示例。
[0006] 在安装了具备上述可变频率功能的CPU的笔记本电脑的电池组中所搭载的电池 控制1C，除了上述表示电池状态的信息以外，还根据电池的放电电流和电池电压的测定结 果，生成从电池能够提供给内部电路的最大电量的信息。最大电量的信息被随时（例如1 秒钟1次）通知给笔记本电脑的PC系统（内部电路），如前面所述被用来确定高速时钟动 作时的时钟频率和高速时钟动作的期间。
[0007]【现有技术文献】
[0008]【专利文献】
[0009]【专利文献1】日本特开2010-34016号公报
[0010]【专利文献2】日本特开2003-79059号公报
[0011]【专利文献3】日本特开2001 - 51029号公报


【发明内容】

[0012] 具备可变频率功能的CPU需要更准确的最大电量的信息，以便按照最佳的时钟频 率进行最佳期间的高速时钟动作。最大电量例如是根据在施加给PC系统的电源电压不低 于保证PC系统的动作的最低动作电压的范围内从电池能够提供的最大电流、和上述最低 动作电压计算出的。
[0013] 通常，二次电池单元的内部阻抗根据放电电流值而变化，因而在放电电流变化时， 电池的输出电压变化，导致施加给PC系统的电源电压也变化。因此，为了得到准确的最大 电量，必须在PC系统的CPU实际进行高速时钟动作时计测放电电流及电池电压，根据其计 测结果推定内部阻抗，根据推定出的内部阻抗的值求出最大电流Imax。
[0014] 但是，在高速时钟动作过程中计测放电电流及电池电压并非易事。关于其理由 可以列举如下：高速时钟动作的期间比较短约为l〇ms，以及高速时钟动作的产生没有规律 性，而且不具备从PC系统向电池组侧（电池控制IC)通知从通常时钟动作向高速时钟动作 的切换的功能。因此，在现有的电池控制IC中，难以判别PC系统是否在以高速时钟动作模 式进行动作，并且在进行高速时钟动作的较短期间中难以准时计测放电电流及电池电压。 为了解决这种问题，也可以考虑使PC系统侧具备仅在预定期间中进行高速时钟动作的功 能的方法，但是这种功能将徒劳地增加耗电，并且需要PC系统侧的规格变更，因而不是合 适之举。另外，上述专利文献1?3公开的结构完全没有考虑准时测定意外产生的短时间 的大电流和电池电压的情况。
[0015] 下面说明用于解决这种问题的手段等，其它问题和新的特征在本说明书的记述及 附图中得以明确。
[0016] 将本申请所公开的实施方式中的代表性方式的概要简单说明如下。
[0017] 即，本半导体装置具有：电压测定部，用于测定所述电池的电压；电流测定部，用 于测定所述电池的充电电流及放电电流；数据处理控制部，根据所述电压测定部及所述电 流测定部的测定结果，生成表示电池的状态的状态信息；以及电流检测部。在由所述电流检 测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，所述电压测定部和所述电流测定部能够 进行所述电压及所述放电电流的测定。所述数据处理控制部根据所述电压测定部对应于所 述电流检测部的检测而测定出的电压测定值、和所述电流测定部对应于所述电流检测部的 检测而测定出的电流测定值，推定所述电池的内部阻值，根据所推定的推定值计算能够从 所述电池提供的最大电量。
[0018] 将根据本申请所公开的实施方式中的代表性方式得到的效果简单说明如下。
[0019] 即，根据本半导体装置，能够在CPU的高速时钟动作时高精度地计算从电池能够 提供的最大电量。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1是示例搭载了包括实施方式1的电池控制IC的电池组的便携式终端的图。
[0021] 图2是表示电流检测部的内部结构例的图。
[0022] 图3是表示电流检测部的动作例的时序图。
[0023] 图4是表示电流检测部的内部结构的另一例的图。
[0024] 图5是用于说明最大电量Pmax的计算方法的图。
[0025] 图6是表示实施方式1的电池控制IC的处理流程的图。
[0026] 图7是有关实施方式1的电池控制IC进行的最大电量Pmax的计算的时序图。
[0027] 图8是示例搭载了包括实施方式2的电池控制IC的电池组的便携式终端的图。
[0028] 图9是表示实施方式2的电流检测部的内部结构例的图。
[0029] 图10是表示实施方式2的电池控制IC的动作例的时序图。

【具体实施方式】
[0030] 1.实施方式的概要
[0031] 首先，说明本申请所公开的代表性实施方式的概要。在有关代表性实施方式的概 要说明中，附加括弧进行参照的附图中的参照标号只不过是示例包含在带有该标号的构成 要素的概念中的要素。
[0032] [1](由不同于电流测定部的电流检测部检测放电电流的大幅增加，并测定在放电 电流增加的状态下的电池电压和放电电流的FGIC)
[0033] 本申请的代表性实施方式涉及的、用于监视电池11的状态的半导体装置10、30 具有下述的结构。本半导体装置具有：电压测定部106,测定所述电池的电压；电流测定部 105,测定所述电池的充电电流及放电电流；以及数据处理控制部100,根据所述电压测定 部及所述电流测定部的测定结果la、lb、Va、Vb，生成表示电池的状态的状态信息。本半导 体装置还具有电流检测部1〇5、305,用于检测所述放电电流是否超过预定的阈值。在由所述 电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，所述电压测定部和所述电流测定 部能够进行所述电压及所述放电电流的测定。所述数据处理控制部根据所述电压测定部对 应于所述电流检测部的检测而测定出的电压测定值Vb、和所述电流测定部对应于所述电流 检测部的检测而测定出的电流测定值Ib，推定所述电池的内部阻值R，根据该推定值计算 从所述电池能够提供的最大电量Pmax。
[0034] 根据本半导体装置，能够容易测定在作为电池的放电电流而产生了大电流时的电 池电压和放电电流，能够高精度地推定产生大电流时的电池的内部阻值。因此，从电池能够 提供的最大电量的计算精度提高。
[0035] [2](在放电电流增加时降低A/D转换器的分辨能力并测定放电电流）
[0036] 在项1的半导体装置中，所述电流测定部包括ΛΣ方式的A/D转换电路1041。所 述A/D转换电路的分辨能力对应于所述电流检测部的检测而下降。
[0037] 根据本半导体装置，能够在产生大电流的期间完成放电电流的测定。并且，由于不 需要另外设置用于测定产生大电流时的放电电流的A/D转换电路，因而能够抑制半导体装 置的电路规模的增大。
[0038] [3](在放电电流增加时使充电控制用晶体管导通）
[0039] 项1或者2的半导体装置30还具有控制部303,用于控制串联连接于所述电池和 外部装置20之间的电力供给路径中的充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND。所 述控制部通过使所述充电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的充电。并且，所述控制部 通过使所述放电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的放电。另外，在所述电池的放电过 程中，在由所述电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，所述控制部在使 所述放电控制用晶体管导通的状态下，还使所述充电控制用晶体管导通。
[0040] 根据本半导体装置，当在放电时产生了大电流时，在电池和外部装置之间的电力 供给路径中不再产生晶体管的主体二极管1段量的顺时针压降，因而能够增加放电时的供 电量。并且，根据本半导体装置，因所述电力供给路径中的晶体管的主体二极管的寄生电阻 成分而引起的压降减小，因而从电池能够输出的最大电流增大，能够进一步增大最大电量。
[0041] [4](电流检测部的结构：比较检测电阻器之间的电压和基准电压的比较器电路）
[0042] 在项1?3中任意一项的半导体装置10、30中，所述电流检测部包括比较器电路 1052,将对应于所述放电电流的检测电压（Vs)和对应于所述预定的阈值（Ith)的基准电压 (Vth)进行比较。
[0043]根据本半导体装置，能够容易判定所述放电电流是否超过所述预定的阈值。
[0044] [5](电流检测部的结构：根据比较器电路的比较结果生成中断信号的信号生成 电路）
[0045] 在项4的半导体装置中，所述电流检测部还具有信号生成电路1053、3053,在所述 检测电压超过所述基准电压的状态持续了预定期间（TD)时，输出用于指示执行测定的中 断信号（VINT)。所述电压测定部和所述电流测定部根据所述中断信号开始测定。
[0046] 根据本半导体装置，能够防止错误地检测起因于噪声等的瞬间的电流增加。
[0047] [6](电流检测部的结构：在比较器电路的前段中设置的电平移位+增益调整电 路）
[0048] 在项5的半导体装置中，所述电流检测部还具有放大部1051、1054,将所述检测电 压的信号电平放大并提供给所述比较器电路。
[0049] 根据本半导体装置，能够进一步减小用于生成放电电流的检测电压的检测电阻器 的阻值，该检测电阻器串联连接于所述电池和外部装置之间的电力供给路径中。
[0050] [7](电池组）
[0051] 本申请的代表性实施方式涉及的电池组1、3具有：组电池11，由多个二次电池单 元Celll?CellM构成；第1端子PBl和第2端子PB2,用于将所述组电池与外部装置连接； 以及充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND，串联连接于所述第1端子和所述组电 池之间的电力供给路径中。所述电池组还具有：检测电阻器Rs，串联连接于所述第2端子 和所述组电池之间的电力供给路径中；以及电池控制IC10、30,监视所述组电池的状态，并 且控制所述充电控制用晶体管和所述放电控制用晶体管的导通及截止。所述电池控制IC 具有：电压测定部106,用于测定所述组电池的输出电压Vbat;以及电流测定部104,用于根 据所述检测电阻器的两端的电压Vs，测定所述组电池的放电电流和充电电流Id。所述电 池控制IC还具有：数据处理控制部100,根据所述电压测定部和所述电流测定部的测定结 果，生成表示电池的状态的状态信息；电流检测部105、305,用于检测检测电阻器的两端的 电压是否超过预定的阈值电压Vth;以及控制部103、303,用于控制所述充电控制用晶体管 和所述放电控制用晶体管。在由所述电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值 时，所述电压测定部和所述电流测定部能够进行所述输出电压及所述放电电流的测定。所 述数据处理控制部根据所述电压测定部对应于所述电流检测部的检测而测定出的电压测 定值V2、和所述电流测定部对应于所述电流检测部的检测而测定出的电流测定值12,推定 所述电池的内部阻值，根据该推定值计算从所述组电池能够提供的最大电量Pmax。
[0052] 根据本电池组，能够提供从电池能够供给的最大电量的计算精度比较高的电池 组。
[0053] [8](电池组：在放电电流增加时降低A/D转换器的分辨能力并测定放电电流）
[0054] 在项7的电池组中，所述电流测定部包括ΛΣ方式的A/D转换电路1041。所述 A/D转换电路的分辨能力对应于所述电流检测部的检测而下降。
[0055] 根据本电池组，能够在产生大电流的期间完成放电电流的测定。并且，由于不需要 另外设置用于测定产生大电流时的放电电流的A/D转换电路，因而能够抑制电池控制IC的 电路规模的增大，能够抑制电池组的成本增加。
[0056] [9](电池组：在放电电流增加时使充电控制用晶体管导通）
[0057] 在项7或者8的电池组中，所述控制部通过使所述充电控制用晶体管导通，并且使 所述放电控制用晶体管截止，能够进行所述电池的充电，通过使所述充电控制用晶体管截 止，并且使所述放电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的放电。在所述电池的放电过程 中，在由所述电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，所述控制部在使所 述放电控制用晶体管导通的状态下，还使所述充电控制用晶体管导通。
[0058] 根据本电池组，能够提供当放电时在产生大电流时的电力损失较小、而且能够得 到更大的最大电量的电池组。
[0059] [10](搭载了电池组的便携式终端）
[0060] 本申请的代表性实施方式涉及的便携式终端200、201具有：项7?9中任意一项 所述的电池组；以及内部电路20,包括CPU22,能够通过来自所述组电池的供电而进行动 作。所述内部电路构成为能够切换以下模式：通常时钟动作模式，所述CPU以第1时钟频率 Π进行动作；高速时钟动作模式，所述CPU以比所述第1时钟频率高的第2时钟频率f2、 f2_l?€2_11进行动作。在所述CPU以所述高速时钟动作模式进行动作时，所述内部电路根 据由所述半导体装置计算出的所述最大电量确定所述第2时钟频率的大小。
[0061] 根据本便携式终端，内部电路根据由电池控制IC高精度地计算出的最大电量确 定高速时钟动作模式的时钟信号的频率，因而能够进一步提高CPU的运算性能。
[0062] [11](当在第1测定模式的测定过程中检测出大电流时，以第2测定模式测定电池 电压和放电电流的FGIC)
[0063] 本申请的代表性实施方式涉及的、用于监视电池11的状态的半导体装置10、30具 有下述的结构。本半导体装置具有：电压测定部106,用于测定所述电池的电压Vbat;以及 电流测定部104,用于测定所述电池的充电电流及放电电流Id。所述半导体装置还具有：数 据处理控制部101，用于根据所述电压测定部及所述电流测定部的测定结果，生成表示电池 的状态的状态信息；以及电流检测部1〇5、305,用于检测所述放电电流是否超过预定的阈 值（Ith)。所述电压测定部及所述电流测定部具有第1测定模式（通常测定模式）和第2 测定模式（大电流测定模式）。所述电压测定部在以所述第1测定模式测定所述输出电压 时，在由所述电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，以所述第2测定模 式测定所述输出电压。所述电流测定部在以所述第1测定模式测定所述放电电流时，在由 所述电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，以所述第2测定模式测定所 述放电电流。数据处理控制部根据由电压测定部和电流测定部以第1测定模式测定出的第 1电压测定值Va和第1电流测定值la、以及由电压测定部和电流测定部以第2测定模式测 定出的第2电压测定值Vb和第2电流测定值Ib,推定所述电池的内部阻值，根据该推定值 计算从所述电池能够提供的最大电量Pmax。
[0064]根据本半导体装置，能够容易测定在作为电池的放电电流而产生了大电流时的电 池电压和放电电流，能够高精度地推定产生大电流时的电池的内部阻值。因此，从电池能够 提供的最大电量的计算精度提高。
[0065] [12](在放电电流增加时降低A/D转换器的分辨能力并测定放电电流）
[0066]在项11的半导体装置中，所述电流测定部包括ΛΣ方式的A/D转换电路1041。 所述A/D转换电路在所述第2测定模式时的A/D转换的分辨能力低于在所述第1测定模式 时的A/D转换的分辨能力。
[0067] 根据本半导体装置，能够在产生大电流的期间完成放电电流的测定。并且，由于不 需要另外设置用于测定产生大电流时的放电电流的A/D转换电路，因而能够抑制半导体装 置的电路规模的增大。
[0068] [13](在放电电流增加时使充电控制用晶体管导通）
[0069] 项10或者12的半导体装置30还具有控制部303,用于控制串联连接于所述电池 和外部装置之间的电力供给路径中的充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND。所 述控制部通过使所述充电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的充电，通过使所述放电 控制用晶体管导通，能够进行所述电池的放电。在所述电池的放电过程中，在由所述电流检 测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，所述控制部在使所述放电控制用晶体管 导通的状态下，还使所述充电控制用晶体管导通。
[0070] 根据本半导体装置，当在放电时产生了大电流时，在电池和外部装置之间的电力 供给路径中不再产生晶体管的主体二极管1段量的顺时针压降，因而能够增加放电时的供 电量。并且，根据本半导体装置，因所述电力供给路径中的晶体管的主体二极管的寄生电阻 成分而引起的压降减小，因而能够从电池输出的最大电流增大，能够进一步增大最大电量。
[0071] 2.实施方式的详细情况
[0072] 进一步详细说明实施方式。另外，在说明用于实施发明的方式的所有附图中，对具 有相同功能的要素标注相同的标号，并省略其重复说明。
[0073] 《实施方式1》
[0074] 图1是示例便携式终端的图，该便携式终端搭载了包括实施方式1的电池控制IC 的电池组。
[0075] 该图所示的便携式终端200例如是笔记本电脑，其构成为包括系统板（BD_SYS) 2 和电池组（PAC_BAT)1。
[0076] 系统板2构成为在印制基板等安装基板上形成有用于实现作为笔记本电脑的功 能的内部电路（SYS) 20和多个外部端子。在该图中，关于多个外部端子代表性地示例了接 受外部电源VIN_EX的供电的外部电源端子Pl、用于连接电池组1的高电位侧电源端子P2 和低电位侧电源端子P3、用于与电池组1进行通信的输入输出端子PIO。
[0077] 内部电路20能够通过通过高电位侧电源端子P2和低电位侧电源端子P3从电池 组1供给的电力而进行动作。在从高电位侧电源端子P2到内部电路20的电力供给路径中， 存在配线电阻和外部端子的接触电阻等寄生的电阻成分，在该图中将该电阻成分图示为参 照标号Rsys。并且，在外部电源端子Pl与外部电源（例如AC适配器）VIN_EX连接的情况 下，内部电路20也能够通过从外部电源VIN_EX通过二极管21供给的外部电力而进行动 作。另外，从外部电源VIN_EX供给的外部电力如上所述提供给内部电路20,并且根据需要 也提供给电池组1，被用于组电池11的充电。
[0078] 内部电路20例如构成为包括CPU(包括GPU) 22、大容量的RAM(RandomAccess Memory，随机存取存储器）23、SSD(FlashSolidStateDrive，闪存的固态硬盘）24等多个 半导体部件。
[0079]CPU22具备前述的可变频率功能。即，CPU22构成为能够切换以时钟频率Π进行 动作的通常时钟动作模式、和以比时钟频率Π高的时钟频率f2进行动作的高速时钟动作 模式。例如，内部电路20在通常时设定为通常时钟动作模式，通过使CPU22以比较低的时 钟频率Π进行动作，能够实现低功耗，并且抑制CPU22的温度上升，抑制CPU22的可靠性的 下降。另一方面，在应用的CPU资源请求增加时，内部电路20设定为高速时钟动作模式，通 过使CPU22以比通常时钟动作模式时的时钟频率Π高的时钟频率f2进行动作，能够提高 运算性能。但是，在提高CPU22的时钟频率时，CPU22的芯片温度有可能上升而导致可靠性 下降，因而将CPU22以高速时钟动作模式进行动作的期间设定为较短期间，例如设为最长 约10ms。另外，在想要使CPU22连续以高速时钟动作模式进行动作的情况下进行这样的控 制：在基于高速时钟动作模式的动作期间经过了IOms时，暂且恢复为通常时钟动作模式， 然后在确认到CPU的芯片温度下降到安全的范围后，再次转为高速时钟动作。
[0080]CPU22以高速时钟动作模式进行动作的期间和高速时钟动作模式时的时钟频率 f2,是根据从组电池11能够提供给内部电路20的最大电量Pmax确定的。例如，CPU22构 成为能够选择比通常时钟动作模式时的时钟频率Π高的多个时钟频率f2_l?f2_n(η为 2以上的整数），作为高速时钟动作模式时的时钟频率f2。在转为高速时钟动作模式时，根 据从电池组1通知的最大电量Pmax，从时钟频率f2_l?f2_n中选择最佳的时钟频率，将所 选择的时钟频率的时钟信号CLK提供给CPU22。例如，在最大电量Pmax较大的情况下，选择 更1?的时钟频率，在最大电量Pmax较小的情况下，选择偏低的时钟频率。另外，关于最大电 量Pmax的详细情况在后面进行说明。
[0081] 电池组1构成为包括组电池11、电池控制IC10、充电控制用晶体管MNC、放电控制 用晶体管MND、检测电阻器Rs和多个外部端子。在该图中，关于电池组1的外部端子，代表 性地示例了电池组1的高电位侧电源端子PBl和低电位侧电源端子PB2、用于与系统板2进 行通信的输入输出端子ΡΒΙ0。
[0082] 高电位侧电源端子PBl和低电位侧电源端子PB2是用于将组电池11与外部装置 (系统板2上的内部电路20)电连接的端子。高电位侧电源端子PBl与系统板2上的高电 位侧电源端子P2连接，低电位侧电源端子PB2与系统板2上的低电位侧电源端子P3连接。
[0083] 组电池11设于高电位侧电源端子PBl和低电位侧电源端子PB2之间，例如是将能 够进行充电及放电的多个单电池单元Celll?Cellm(m为2以上的整数）串联连接而构成 的。单电池单元Celll?Cellm是锂离子二次电池，但没有特殊限定。通过增加被串联连 接的单电池单元的个数，能够使组电池11高压化。并且，通过将被串联连接的多个单电池 单元组并联连接，能够使组电池11大容量化。另外，在该图中，关于组电池11示例了单电 池单元为多个的情况，但在系统板2的功耗较小的情况下，也可以是仅使用一个单电池单 元的结构。
[0084] 另外，用参照标号ND2表述组电池11的正侧电极所连接的节点，用参照标号Vbat 表述提供给节点ND2的组电池11的输出电压。
[0085] 充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND根据从电池控制IClO输出的控 制信号来控制导通及截止。充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND是能够进行大 电流输出的晶体管，例如是IGBT或大功率MOS晶体管等。在该图中作为一例，示例了用N沟 道型的大功率MOS晶体管构成充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND的情况。充 电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND以各自的漏极电极（主体二极管的阴极侧） 相对的方式被串联连接于高电位侧电源端子PBl和节点ND2之间。充电控制用晶体管MNC 和放电控制用晶体管MND能够实现组电池11与外部装置（系统板2)之间的电连接及切断。 例如，通过使充电控制用晶体管MNC导通，能够进行组电池11的充电。此时，放电控制用晶 体管可以导通，也可以截止。在放电控制用晶体管MND截止的情况下，从外部电源VIN_EX 通过系统板2中的二极管21、放电控制用晶体管MND的主体二极管DMD和充电控制用晶体 管MNC，向组电池11提供充电电流。并且，通过使放电控制用晶体管MND导通，能够进行组 电池11的放电。此时，充电控制用晶体管MNC可以导通，也可以截止。在充电控制用晶体 管MNC截止的情况下，从组电池11通过充电控制用晶体管MNC的主体二极管DMC和放电控 制用晶体管MND，向内部电路20提供放电电流Id。另外，在该图中，因存在于电池组1的高 电位侧电源端子PBl和节点ND2之间的电力供给路径中的配线电阻和外部端子的接触电阻 等而产生的寄生的电阻成分，被图示为电阻Rbat。
[0086] 检测电阻器Rs将在组电池11输入输出的电流（充电电流及放电电流）检测为电 压。例如，检测电阻器Rs配置在组电池11的负侧电极所连接的节点NDsn和低电位侧电源 端子PB2所连接的节点NDsp之间。检测电阻器Rs的两端的电压被检测为充电电流或者放 电电路的信息，并输入电池控制IC10。
[0087] 电池控制IClO监视组电池11的状态，并且控制组电池11的充电及放电的执行和 停止。电池控制IClO是利用公知的CMOS集成电路的制造技术形成于如一个单晶硅那样的 半导体基板上的单片的微型控制器，但没有特殊限定。具体地讲，电池控制IClO具备这样 的功能：通过监视组电池11的放电电流，检测内部电路20中的CPU22切换为高速时钟动作 模式的情况。另外，电池控制IClO具备这样的功能：测定高速时钟动作模式时的组电池11 的输出电压Vbat和放电电流Id，根据这些测定值推定组电池11的内部阻值，并根据该推定 值计算最大电量Pmax。下面，详细说明电池控制IClO的结构。
[0088] 电池控制IClO构成为包括数据处理控制部100、栅极控制部（GATE_CNT) 103、选择 部（SEL) 107、电压测定部（V_MES) 106、电流测定部（I_MES) 104、和电流检测部（I_SEN) 105。
[0089] 选择部107按照来自数据处理控制部100的指示，选择电压的测定对象。例如，选 择部107输入各个单电池单元Celll?CellM的输出电压，并选择输出任意一个电压。电 压测定部106测定由选择部107选择的电压VSEL。电压测定部106例如构成为包括A/D转 换器1061。A/D转换器1061通过以预定的转换周期（例如每8ms)将由选择部121选择的 电压VSEL转换为数字值，实现电压测定。A/D转换器1061例如是ΛΣ方式的A/D转换电 路。电压测定部106还根据各个单电池单元Celll?CellM的输出电压的测定值，计算组 电池11的输出电压Vbat。例如，通过将被串联连接的全部单电池单元Celll?CellM的输 出电压的测定值相加，计算组电池11的输出电压Vbat。电压测定部106的测定结果被存储 在寄存器部102内的预定的寄存器中。另外，关于向寄存器部102的数据存储，电压测定部 106可以直接进行存取，也可以通过运算部101来进行。
[0090] 电流测定部104进行组电池11的充电电流及放电电流的测定。电流测定部104 例如构成为包括A/D转换器1041，A/D转换器1041通过以预定的转换周期将检测电阻器Rs 的两端的电压转换为数字值，实现电流测定。电流测定部104还包括库仑计数器，通过由库 仑计数器对充电电流及放电电流的测定值进行积分，生成充电/放电电荷量的信息。电流 测定部104例如是△Σ方式的A/D转换电路，其分辨能力能够变更。电流测定部104的A/ D转换器1041被控制成使其分辨能力根据来自电流检测部105的中断信号VINT而下降，详 细情况在后面进行说明。电流测定部104的测定结果被存储在寄存器部102内的预定的寄 存器中。另外，关于向寄存器部102的数据存储，电流测定部104可以直接进行存取，也可 以通过运算部101来进行。
[0091] 栅极控制部103按照来自数据处理控制部100的指示，生成用于控制充电控制用 晶体管MNC和放电控制用晶体管MND的导通及截止的控制信号。另外，如图1所示，也可以 构成为栅极控制部103直接驱动充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND，还可以构 成为，在电池控制IClO的外部设置预驱动电路，该预驱动电路根据从栅极控制部103输出 的控制信号，驱动充电控制用晶体管MNC和放电控制用晶体管MND。
[0092] 数据处理控制部100进行电池控制IClO中的各功能部分的总括性控制，并且进行 各种运算。另外，数据处理控制部100通过未图示的外部接口电路，与系统板2中的内部电 路20之间进行数据的发送及接收。具体地讲，数据处理控制部100利用程序处理装置来实 现，该程序处理装置构成为包括按照程序执行运算和控制的CPU、存储有所述程序的非易失 性的存储部（掩模ROM和闪存等）、用于存储运算结果等的易失性的存储部（RAM)等。
[0093] 在图1中，关于数据处理控制部100代表性地图示了：作为功能实现单元的运算部 (APR) 101，用于实现数据处理控制部100的运算功能和控制功能；寄存器部（REG) 102,由在 数据处理控制部100的运算及控制中使用的各种寄存器构成。在寄存器部102中存储有检 测电阻器Rs的阻值、寄生电阻Rsys和Rbat的阻值、充电控制用/放电控制用晶体管MNC和 MND的导通阻值及主体二极管DMC和DMD的顺时针电压、以及最低保证电压Vmin等各种参 数。并且，在寄存器部102中也存储了如前面所述的电压测定部106和电流测定部104的 测定结果。
[0094] 运算部101根据由电流测定部104测定出的充电电流值和放电电流值、由电压测 定部106测定出的单电池单元Celll?Cellm的电压进行各种运算，由此生成表示组电池 11的状态的信息。所生成的这些信息通过输入输出端子PBIO被发送给系统板2内的内部 电路20。具体地讲，关于电池的状态信息，运算部101生成充满电容量FCC、电池的余量RC 和电池的充电状态SOC等，并且生成最大电量Pmax的信息。向内部电路20发送最大电量Pmax的定时是根据来自内部电路20的请求而确定的，例如每隔1秒钟发送最大电量Pmax 的信息。另外，关于最大电量Pmax的具体计算方法在后面进行说明。
[0095] 电流检测部105判定放电电流Id是否超过预定的阈值电流Ith。
[0096] 图2表示电流检测部105的内部结构例。该图所示的电流检测部105A构成为包 括差分放大器（AMP) 1051、比较器电路（CMP) 1052、输出信号生成部（DLY) 1053。差分放大 器1051将通过电池控制IClO的外部端子Psp、Psn输入的检测电压（检测电阻器Rs的两 端的电压）Vs放大并进行输出。例如，在设差分放大器1051的放大率为100倍时，将根据 流向2ι?Ω的检测电阻器Rs的500mA的放电电流Id而产生的ImV的检测电压Vs放大为 IOOmV并进行输出。比较器电路1052将由差分放大器1051放大后的电压Vsa和对应于阈 值电流Ith的阈值电压Vth进行比较，并输出比较结果VCMP。例如，在电压Vsa低于阈值电 压Vth的情况下，将比较结果VCMP的信号电平设为低电平，在电压Vsa高于阈值电压Vth 的情况下，将比较结果VCMP的信号电平设为高电平。阈值电流Ith是用于判别内部电路20 的CPU22以高速时钟动作模式进行动作、还是以通常时钟动作模式进行动作的基准值。例 如，将阈值电流Ith设定成比CPU22以通常时钟动作模式进行动作时的放电电流的假定值 大、而且比CPU22以高速时钟动作模式进行动作时的放电电流的假定值小的值。阈值电压 Vth是对应阈值电流Ith而设定的基准电压。在由比较器电路1052检测出放电电流Id超 过阈值电流Ith时，输出信号生成部1053生成中断信号VINT。例如，在放电电流Id超过阈 值电流Ith的状态持续达预定期间TD以上时，输出信号生成部1053生成中断信号VINT。
[0097] 图3是表示电流检测部的动作例的时序图。如该图所示，假设在CPU22以通常时 钟动作模式进行动作时流过放电电流la。在时刻tl，由于噪声等的影响，在放电电流瞬间 超过阈值电流Ith时，比较器电路1052的比较结果VCMP反转（例如从低电平变化为高电 平）。在这种情况下，由于比较结果VCMP成为高电平的期间不足预定期间TD，因而输出信 号生成部1053不生成中断信号VINT。然后，在时刻t2，CPU22从通常时钟动作模式切换为 高速时钟动作模式，在放电电流超过阈值电流Ith时，比较器电路1052的比较结果VCMP再 次成为高电平。并且，在比较结果VCMP成为高电平的状态经过了预定期间TD的时刻t3,输 出信号生成部1053生成中断信号VINT。假设中断信号VINT是单脉冲状的信号，但没有特 殊限定。
[0098] 通过如图3所示构成电流检测部105,比较器电路1052能够容易判定放电电流Id 是否超过阈值电流Ith。并且，在放电电流Id超过阈值电流Ith的状态持续了预定期间时， 输出信号生成部1053生成中断信号VINT，因而能够防止错误地检测起因于噪声等的瞬间 的放电电流的增加。另外，通过在比较器电路1052的前段设置放大部（输出信号生成部 1053)，能够减小检测电阻器Rs的阻值，能够降低在检测电阻器Rs产生的损失。
[0099] 另外，在检测电阻器Rs的一端与接地节点连接的情况下，电流检测部105也能够 采用图4的电路结构。如该图所示，在检测电阻器Rs的一端所连接的节点NDsn与接地节 点连接的情况下，将检测电阻器Rs的另一端所连接的节点NDsp的电压通过放大部（电平 移位及增益调整电路（LV/AMP)) 1054输入比较器电路1052。由此，能够得到与前述图3的 结构相同的效果。
[0100] 如上所述，由电流检测部105生成的中断信号VINT被输入电压测定部106和电流 测定部104。下面，详细说明电压测定部106和电流测定部104的动作。
[0101] 电压测定部106在通常时（CPU22的通常时钟动作模式时），定期执行各个单电池 单元Celll?CellM的输出电压的测定和组电池11的输出电压Vbat的计算。并且，电压 测定部106在定期的测定动作基础上，还进行以中断信号VINT为触发的测定动作。例如， 在输出了中断信号VINT时，电压测定部106执行各个单电池单元Celll?CellM的输出电 压的测定和组电池11的输出电压Vbat的计算处理，将此时的输出电压Vbat的测定结果存 储在寄存器部102中。另外，如前面所述，CPU22以高速时钟动作模式进行动作的期间比较 短为10ms，因而当在该期间中不能完成全部单电池单元Celll?CellM的输出电压的测定 的情况下，利用下述的方法测定组电池11的输出电压Vbat。例如，在输出中断信号VINT之 前的通常时钟动作模式时，由选择部107选择输出电压最小的单电池单元，电压测定部106 仅测定被选择单电池单元的输出电压。并且，把将该测定值乘以M倍（被串联连接的单电 池单元的个数倍）得到的值作为高速时钟动作模式时的电压测定值Vb。由此，能够在高速 时钟动作模式的较短期间中测定组电池11的输出电压Vbat。
[0102] 电流测定部104在通常时定期执行充电及放电电流的测定。并且，电流测定部104 在定期的测定动作基础上，还进行以中断信号VINT为触发的测定动作。具体地讲，在输出 了中断信号VINT时，电流测定部104暂且停止在通常时定期执行的测定动作，降低A/D转 换的分辨能力并执行新的电流测定。例如，当在电流测定部104以ISbit(比特）的A/D转 换的分辨能力进行电流测定时输出了中断信号VINT时，电流测定部104将A/D转换的分辨 能力变更为例如13bit并进行电流测定。由此，例如假设通常时的电流测定时间为250ms， 在输出了中断信号VINT后的电流测定时间达到约8ms(通常时间的约三十分之一），电流 测定时间被缩短。即，根据电流测定部104,能够在CPU22以高速时钟动作模式进行动作的 期间内完成电流测定。如前面所述，CPU22以高速时钟动作模式进行动作的期间比较短约 为10ms，因而如果进行与通常时钟动作模式时相同的较高分辨能力的A/D转换，将有可能 不能在高速时钟动作模式的期间内完成电流测定。并且，如果为了测定高速时钟动作模式 的放电电流而另外设置低分辨能力的A/D转换器，将导致电池控制IClO的电路规模增大。 因此，通过如电流测定部104那样在高速时钟动作模式时降低A/D转换的分辨能力，能够在 高速时钟动作模式的期间内完成电流测定，而且不需另外设置低分辨能力的△ΣΑ/D转换 电路。
[0103] 下面，具体说明由电池控制IClO进行的最大电量Pmax的计算方法。
[0104] 如前面所述，最大电量Pmax是从组电池11能够向内部电路20提供的最大的电 量，能够根据在内部电路20的电源电压不低于最低动作电压的范围内从组电池11能够提 供的最大电流和上述最低动作电压计算出来。下面，对此进行详细说明。
[0105] 图5是用于说明最大电量Pmax的计算方法的图。在该图中简略图示了从组电池 11到内部电路20的电力供给路径。并且，在该图中，将构成组电池11的被串联连接的单电 池单元Celll?CellM视为一个单电池单元进行图示，并且将单电池单元Celll?CellM 的单元总电压表述为VCELL，将单电池单元Celll?CellM的内部总阻值表述为RCELL。另 夕卜，在该图中，Id表示组电池11的放电电流。另外，在该图中，假设在系统板2侧的电流路 径中设置的电阻Rl包含由配线电阻和外部端子的接触电阻等构成的寄生电阻Rsys，假设 在电池组1侧的电流路径中设置的电阻R2不仅包含由配线电阻和外部端子的接触电阻等 构成的寄生电阻Rbat，而且也包含放电控制用晶体管的导通电阻。另外，在该图中，无视基 于充电控制用晶体管MNC的主体二极管DMC的压降。
[0106] 如图5所示，在从组电池11向内部电路20提供电力时，从组电池11的正侧电极 (节点ND2)朝向内部电路20的高电位侧的电源供给端子（节点ND1)流过放电电流Id。此 时，施加给内部电路20的电源电压Vsys(节点NDl的电压）能够用（式1)表示。
[0107] 【数学式1】
[0108]Vsys=VCELL-I(R1+R2+RCELL)…（式 1)
[0109] 另外，内部电路20的电源电压Vsys不会低于保证内部电路20的动作的最低动作 电压Vmin，因而（式2)成立。
[0110]【数学式2】

【权利要求】
1. 一种半导体装置，用于监视电池的状态，该半导体装置具有： 电压测定部，用于测定所述电池的电压； 电流测定部，用于测定所述电池的充电电流及放电电流； 数据处理控制部，根据所述电压测定部及所述电流测定部的测定结果，生成表示电池 的状态的状态信息；以及 电流检测部，用于检测所述放电电流是否超过预定的阈值， 在由所述电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，所述电压测定部和 所述电流测定部能够进行所述电压及所述放电电流的测定， 所述数据处理控制部根据所述电压测定部对应于所述电流检测部的检测而测定出的 电压测定值、和所述电流测定部对应于所述电流检测部的检测而测定出的电流测定值，推 定所述电池的内部阻值，根据所推定的推定值计算从所述电池能够提供的最大电量。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中， 所述电流测定部包括△ 2方式的A/D转换电路， 所述A/D转换电路的分辨能力对应于所述电流检测部的检测而下降。
3. 根据权利要求2所述的半导体装置，其中， 所述半导体装置还具有控制部，用于控制串联连接于所述电池和外部装置之间的电力 供给路径中的充电控制用晶体管和放电控制用晶体管， 所述控制部通过使所述充电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的充电，通过使所 述放电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的放电，在所述电池的放电过程中，在由所述 电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，在使所述放电控制用晶体管导通 的状态下，还使所述充电控制用晶体管导通。
4. 根据权利要求2所述的半导体装置，其中， 所述电流检测部包括比较器电路，将对应于所述放电电流的检测电压和对应于所述预 定的阈值的基准电压进行比较。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置，其中， 所述电流检测部还具有信号生成电路，在所述检测电压超过所述基准电压的状态持续 了预定期间时，输出用于指示执行测定的中断信号， 所述电压测定部和所述电流测定部根据所述中断信号开始测定。
6. 根据权利要求5所述的半导体装置，其中， 所述电流检测部还具有放大部，将所述检测电压的信号电平放大并提供给所述比较器 电路。
7. -种电池组，具有： 组电池，由多个二次电池构成； 第1端子和第2端子，将所述组电池与外部装置连接； 充电控制用晶体管和放电控制用晶体管，串联连接于所述第1端子和所述组电池之间 的电力供给路径中； 检测电阻器，串联连接于所述第2端子和所述组电池之间的电力供给路径中；以及 电池控制1C，监视所述组电池的状态，并且控制所述充电控制用晶体管和所述放电控 制用晶体管的导通及截止， 所述电池控制IC具有： 电压测定部，用于测定所述组电池的输出电压； 电流测定部，用于根据所述检测电阻器的两端的电压，测定所述组电池的放电电流和 充电电流； 数据处理控制部，根据所述电压测定部和所述电流测定部的测定结果，生成表示电池 的状态的状态信息； 电流检测部，用于检测所述检测电阻器的两端的电压是否超过预定的阈值电压；以及 控制部，用于控制所述充电控制用晶体管和所述放电控制用晶体管， 在由所述电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，所述电压测定部和 所述电流测定部能够进行所述输出电压及所述放电电流的测定， 所述数据处理控制部根据所述电压测定部对应于所述电流检测部的检测而测定出的 电压测定值、和所述电流测定部对应于所述电流检测部的检测而测定出的电流测定值，推 定所述电池的内部阻值，根据所推定的推定值计算从所述组电池能够提供的最大电量。
8. 根据权利要求7所述的电池组， 所述电流测定部包括A I：方式的A/D转换电路， 所述A/D转换电路的分辨能力对应于所述电流检测部的检测而下降。
9. 根据权利要求8所述的电池组，其中， 所述控制部通过使所述充电控制用晶体管导通并且使所述放电控制用晶体管截止，能 够进行所述电池的充电，通过使所述充电控制用晶体管截止并且使所述放电控制用晶体管 导通，能够进行所述电池的放电，在所述电池的放电过程中，在由所述电流检测部检测出所 述放电电流超过所述预定的阈值时，在使所述放电控制用晶体管导通的状态下，还使所述 充电控制用晶体管导通。
10. -种便携式终端，具有： 权利要求7所述的电池组；以及 内部电路，包括CPU，能够通过来自所述组电池的供电而进行动作， 所述内部电路构成为能够切换以下模式：通常时钟动作模式，所述CPU以第1时钟频率 进行动作；和高速时钟动作模式，所述CPU以比所述第1时钟频率高的第2时钟频率进行动 作，在所述CPU以所述高速时钟动作模式进行动作时，所述内部电路根据由所述数据处理 控制部计算出的所述最大电量确定所述第2时钟频率的大小。
11. 一种半导体装置，用于监视电池的状态，该半导体装置具有： 电压测定部，用于测定所述电池的输出电压； 电流测定部，用于测定所述电池的充电电流及放电电流； 数据处理控制部，根据所述电压测定部及所述电流测定部的测定结果，生成表示电池 的状态的状态信息；以及 电流检测部，用于检测所述放电电流是否超过预定的阈值， 所述电压测定部及所述电流测定部具有第1测定模式和第2测定模式， 所述电压测定部在以所述第1测定模式测定所述输出电压时，在由所述电流检测部检 测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，以所述第2测定模式测定所述输出电压， 所述电流测定部在以所述第1测定模式测定所述放电电流时，在由所述电流检测部检 测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，以所述第2测定模式测定所述放电电流， 所述数据处理控制部根据由所述电压测定部和所述电流测定部以所述第1测定模式 测定出的第1电压测定值和第1电流测定值、以及由所述电压测定部和所述电流测定部以 所述第2测定模式测定出的第2电压测定值和第2电流测定值，推定所述电池的内部阻值， 根据所推定的推定值计算从所述电池能够提供的最大电量。
12. 根据权利要求11所述的半导体装置，其中， 所述电流测定部包括△ 2方式的A/D转换电路， 所述A/D转换电路在所述第2测定模式时的A/D转换的分辨能力低于在所述第1测定 模式时的A/D转换的分辨能力。
13. 根据权利要求12所述的半导体装置，其中， 所述半导体装置还具有控制部，控制串联连接于所述电池和外部装置之间的电力供给 路径中的充电控制用晶体管和放电控制用晶体管， 所述控制部通过使所述充电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的充电，通过使所 述放电控制用晶体管导通，能够进行所述电池的放电，在所述电池的放电过程中，在由所述 电流检测部检测出所述放电电流超过所述预定的阈值时，在使所述放电控制用晶体管导通 的状态下，还使所述充电控制用晶体管导通。
【文档编号】H01M10/48GK104425850SQ201410415775
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】鹈饲俊贵, 永户秀和 申请人:瑞萨电子株式会社