JP2004336934A

JP2004336934A - 電子機器の電源装置

Info

Publication number: JP2004336934A
Application number: JP2003131726A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Numazaki; 祥久沼崎
Original assignee: Denso Wave Inc
Current assignee: Denso Wave Inc
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】主電池と充電可能な副電池を備えた電源装置において、電源を副電池に切り換えた後にまだ主電池に残っているエネルギーを有効利用する。
【解決手段】主電池が放電して負荷である電子機器が動作し得る最低電圧又はそれに少しの余裕を持たせた電圧値以下に低下した場合には、主電池からの電源供給を停止し代わって副電池から電子機器に電源を供給する。それと同時に、主電池の電圧を昇圧して副電池を充電する。主電池から副電池への充電は、副電池が過充電にならないように制御しながら、充電回路が動作可能な最低の入力電圧値に主電池の電圧が低下するまで継続する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主電池と充電可能な副電池とを備えた電子機器用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯型コンピュータ、携帯型バーコード読取装置、電子手帳、携帯型ナビゲーション装置等の携帯用電子機器では、従来より通常駆動用の主電池と、主電池が消耗あるいは取り外された時にメモリや内部時計を維持するための副電池とを備えた電源装置が使用されている。
【０００３】
図３は、このような電源装置の回路構成の一例である。電源装置１０は、主電池１１と副電池１２の二つの電池を備える。制御回路１３は、主電池１１の電圧を常時監視し、その電圧が負荷である電子機器１４を動作させるのに十分な通常の使用状態においてはアナログスイッチＳＷ１０をＯＦＦする。これにより主電池１１よりダイオードＤ１０を通って負荷である電子機器１４に電源が供給される。副電池１２は、充電可能な二次電池で、常時、主電池１１より抵抗Ｒ１１、ダイオードＤ１１を介して充電を受けている。
【０００４】
主電池１１が消耗し、あいは電池取り外しにより出力電圧が所定値以下に低下すると、制御装置１３はアナログスイッチＳＷ１０をＯＮする。この状態では副電池１２の電圧が主電池１１の電圧より高くなっているため、負荷である電子機器１４には副電池１２よりアナログスイッチＳＷ１０、ダイオードＤ１２を通って電源が供給される。
【０００５】
その後、副電池１２が完全放電する前に主電池１１が新しい電池と交換されれば前述の通常の使用状態に戻る。電池交換がなされない場合は、副電池１２が完全放電した時点で電子機器１４は動作停止する。
【０００６】
以上は、主電池と副電池とを備えた電源装置の動作の一例であるが、この他にも、このような電源装置における主電池と副電池との切り換え回路、切り換えロジック等については、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０８−１１５２６９号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平０７−２４１０４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような主電池と副電池とを備えた電源装置についての従来の各種提案は、主電池から副電池への切り換えタイミング、切り換え時に電子機器内メモリの内容が破壊されたか否かの判定ロジック、副電池への充電回路等のみを問題としていて、消耗して切り換えられた主電池の残存エネルギーを有効に利用する観点からの提案は見受けられない。
【００１０】
主電池から副電池への切り換えは、主電池が完全放電した後で行なわれるのではなく、電子機器が動作しなくなる電圧よりも、例えば数十ミリボルト〜百数十ミリボルト程度上回った電圧で行なわれる。従って、切り換えられた後でも、主電池には完全放電した状態と比べると、まだ相当のエネルギーが残っているのでこれを有効に利用することが望ましい。
【００１１】
特に、主電池の交換がなされずに、副電池が完全放電するまで使い切るような使い方が行なわれる場合には、この主電池に残っているエネルギーを有効に利用することができれば、電子機器の動作継続時間を長くすることができる。
【００１２】
本発明は、かかる観点からなされたものでその目的は、副電池に切り換えた後の主電池にまだ残っているエネルギーを副電池に移し、電子機器を動作させるエネルギーとして有効利用することができる電源装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、主電池と、充電可能な副電池と、負荷である電子機器と前記主電池との間に接続された第１のアナログスイッチと、前記電子機器と前記副電池との間に接続された第２のアナログスイッチと、制御回路と、該制御回路からの動作指令信号を受けて前記主電池の電圧を昇圧して前記副電池に充電する充電回路とを備えた電源回路である。そして、前記制御回路は、前記主電池の電圧が第１の電圧値より高い時には前記第１のアナログスイッチをＯＮし、前記第２のアナログスイッチはＯＦＦさせ、反対に前記主電池の電圧が前記第１の電圧値より低い時には前記第１のアナログスイッチをＯＦＦし、前記第２のアナログスイッチはＯＮさせ、更に、前記主電池の電圧が前記第１の電圧値よりも小さい第２の電圧値より高く且つ前記副電池の電圧が第３の電圧値より低い時に前記充電回路に前記動作指令信号を送るように構成されていることを特徴とする電源装置である。
【００１４】
このような構成によれば、主電池の電圧が第１の電圧値より低下した時には副電池から負荷である電子機器に電源が供給されると同時に、主電池の電圧が第１の電圧値より小さい第２の電圧値より高い間は、副電池を過充電にしない範囲で主電池の残存エネルギーが副電池に移されて有効に利用される効果を奏する。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、前記第１のアナログスイッチに代えて、ダイオードをアノードを前記主電池側にカソードを前記電子機器側にして接続したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置である。
【００１６】
このような構成によれば、主電池の電圧が第１の電圧値より低下した時には副電池から負荷である電子機器に電源が供給されると同時に、主電池の電圧が第１の電圧値より小さい第２の電圧値より高い間は、副電池を過充電にしない範囲で主電池の残存エネルギーが副電池に移されて有効に利用される効果を奏する。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、前記第１の電圧値を、負荷である電子機器が動作し得る最低の電圧又はそれに少しの余裕を持たせた電圧値に設定し、前記第２の電圧値を前記充電回路が前記主電池の電圧を昇圧して前記副電池に充電できる最低の入力電圧値に設定し、前記第３の電圧値を前記副電池が過充電と判断される電圧に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置である。
【００１８】
このような構成によれば、主電池の電圧が十分に高い間は主電池から電子機器に電源が供給され、主電池の電圧が低下した場合には副電池から電源供給がなされる。更に、主電池の電圧が、充電回路が充電可能な最低入力電圧を上回っている間は、副電池が過充電とならない範囲で、主電池の残存エネルギーが昇圧されて副電池に移されて有効に利用される効果を奏する。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、前記制御回路の電源を、前記主電池と副電池の何れか高い電圧を出力する方の電池から供給するように構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電源装置である。
【００２０】
このような構成によれば、主電池、副電池とも完全放電するまでは、制御回路は正常に動作可能である。また、主電池、副電池ともに完全放電した後に、主電池が新しい電池に交換された場合も、主電池を電源として正常に動作を再開することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明は、前記充電回路は、昇圧回路と抵抗とダイオードとを直列に接続した回路で構成されており、昇圧回路は前記制御回路からの前記動作指令信号が入力されている間のみ動作するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電源装置である。
【００２２】
このような構成によれば、副電池への充電電流の大きさが制限されて過電流の流入が防止されると共に、電流の逆流も防止される。また、昇圧回路は制御回路からの動作指令信号が入力されている間のみ動作するので、副電池が過充電か否かを制御回路で判断して動作指令信号を制御することで、副電池の過充電を防止することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態の電源装置１は、主電池２、副電池３、制御回路４、充電回路５、第１、第２のアナログスイッチＳＷ１、ＳＷ２、キャパシタＣ１を備えて構成される。
【００２４】
主電池２は、通常の使用状態において負荷である電子機器６に電源を供給する電池であり、例えばアルカリ電池である。副電池３は充電可能な電池であって、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等が使用される。この副電池３は、主電池２が放電して出力電圧が低下したり取り外された場合に、主電池２に代わって電子機器６に電源を供給するためのものである。
【００２５】
アナログスイッチＳＷ１は、電源装置１の出力端子である出力ノードＮｏｕｔと主電池２との間に接続されており、制御回路４からの信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。出力ノードＮｏｕｔには、負荷である電子機器６が接続される。
【００２６】
アナログスイッチＳＷ２は、副電池３と出力ノードＮｏｕｔとの間に接続されており、制御回路４からの信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００２７】
キャパシタＣ１は、出力ノードＮｏｕｔと接地Ｖｅｅとの間に接続されている。アナログスイッチＳＷ１とＳＷ２とが切り換わる瞬間に、電子機器６への供給電圧が瞬間的に低下するのを防止するためのものである。
【００２８】
充電回路５は、副電池３を充電するための回路である。この充電回路５は、昇圧回路７、抵抗器Ｒ１０、ダイオードＤ３とが直列に接続された回路構成となっている。昇圧回路７は、主電池２を電源としてその電圧を昇圧する回路であって、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路、チャージポンプ回路等で構成される。ただし、この昇圧回路７は制御回路４から出力される動作指令信号ＥＮＡがハイレベル（以下、Ｈレベルという）の場合にのみ昇圧動作を行なう回路である。昇圧された電圧は、抵抗器Ｒ１０、ダイオードＤ３を通って副電池３を充電する。抵抗器Ｒ１０は充電電流を制限するためのものであり、ダイオードＤ３は副電池３から昇圧回路７への電流の逆流を防止するためのものである。
【００２９】
次に制御回路４は、基準電圧生成回路８、コンパレータＣＯ１〜ＣＯ３、インバータ回路Ｑ１、２入力ＡＮＤ回路Ｑ２、抵抗器Ｒ１〜Ｒ９、ダイオードＤ１、Ｄ２とにより構成される。
【００３０】
ダイオードＤ１、Ｄ２のアノードはそれぞれ主電池２、副電池３に接続され、カソードは共通に接続されている。このカソード共通接続線は制御回路４の電源供給線であり、前記基準電圧生成回路８、コンパレータＣＯ１〜ＣＯ３、インバータ回路Ｑ１、２入力ＡＮＤ回路Ｑ２に電源を供給する。即ち、制御回路４内の各回路には、主電池２、副電池３の何れか高い方の電圧が供給される。このように構成されていることにより、主電池２が放電により電圧低下した場合や取り外された場合には、副電池３から電源が供給される。主電池２、副電池３ともに完全放電した後に、主電池２が新しい電池に交換された場合には、主電池２より電源が供給されて再起動することが可能である。
【００３１】
基準電圧生成回路８は、例えば、バンドギャップ基準電圧生成回路であって、電源電圧に依存しない基準電圧Ｖｓを生成する。基準電圧生成回路８の出力端子と接地Ｖｅｅとの間には、抵抗器Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５からなる分圧回路と、抵抗器Ｒ６、Ｒ７からなる分圧回路とが接続されている。
【００３２】
コンパレータＣＯ１とインバータ回路Ｑ１とは、アナログスイッチＳＷ１とＳＷ２との切り換え制御を行なうためのものである。コンパレータＣＯ１の非反転入力端子には、主電池２の電圧Ｖ１を抵抗器Ｒ１、Ｒ２で分圧した電圧（Ｖ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））が、反転入力端子には基準電圧Ｖｓを抵抗器Ｒ３と抵抗器Ｒ４、Ｒ５で分圧した（Ｖｓ・（Ｒ４＋Ｒ５）／（Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５））がそれぞれ入力されている。
従って、
Ｖ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＞Ｖｓ・（Ｒ４＋Ｒ５）／（Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５）
即ち、

が成立する場合に、コンパレータＣＯ１の出力はＨレベルとなる。
【００３３】
コンパレータＣＯ１の出力は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されたアナログスイッチＳＷ２のゲートに接続されているので、アナログスイッチＳＷ２はＯＦＦする。一方、同じくＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されたアナログスイッチＳＷ１のゲートには、コンパレータＣＯ１の出力信号をインバータ回路Ｑ１で反転した信号が加えられているので、コンパレータＣＯ１の出力がＨレベルの時にはロウレベル（以下、Ｌレベルという）信号が加わり、アナログスイッチＳＷ１はＯＮする。
【００３４】
このように、主電池２の電圧Ｖ１が、（１）式を満たす高い電圧である間は、アナログスイッチＳＷ１はＯＮ、アナログスイッチＳＷ２はＯＦＦし、電子機器６には主電池２から電源が供給される。
【００３５】
反対に、

となるまで主電池２の電圧Ｖ１が低下すると、コンパレータＣＯ１の出力はＬレベルとなる。この時は、アナログスイッチＳＷ１はＯＦＦ、アナログスイッチＳＷ２はＯＮし、電子機器６には副電池３から電源が供給される。
【００３６】
（１）式又は（２）式の右辺の値が、請求項３に記載した第１の電圧値である。この第１の電圧値は、負荷である電子機器６が動作し得る最低の電圧又はそれに少しの余裕を持たせた電圧値になるように、基準電圧Ｖｓ及び各抵抗器の値を調整しておく。
【００３７】
コンパレータＣＯ２、ＣＯ３と２入力ＡＮＤ回路Ｑ２とは、動作指令信号ＥＮＡを生成するための回路である。コンパレータＣＯ２の非反転入力端子には、コンパレータＣＯ１の非反転入力端子と同じ電圧（Ｖ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））が入力されている。一方、反転入力端子には基準電圧Ｖｓを抵抗器Ｒ３、Ｒ４と抵抗器Ｒ５とで分圧した電圧（Ｖｓ・Ｒ５）／（Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５））が入力されている。
従って、
Ｖ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＞Ｖｓ・Ｒ５／（Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５）
即ち、
Ｖ１＞Ｖｓ（Ｒ１＋Ｒ２）Ｒ５／（Ｒ２（Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５））（３）式
が成立する場合に、コンパレータＣＯ２の出力はＨレベルとなる。
【００３８】
この（３）式の右辺の値が、請求項３に記載した第２の電圧値である。この第２の電圧値は、充電回路５が主電池２の電圧Ｖ１を昇圧して副電池３に充電することが可能な最低の入力電圧値に一致するように各定数を決めておく。
【００３９】
他方、コンパレータＣＯ３の反転入力端子には、副電池３の電圧Ｖ２を抵抗器Ｒ８、Ｒ９で分圧した電圧（Ｖ２・Ｒ９／（Ｒ８＋Ｒ９））が、非反転入力端子には基準電圧Ｖｓを抵抗器Ｒ６、Ｒ７で分圧した電圧（Ｖｓ・Ｒ７／（Ｒ６＋Ｒ７））がそれぞれ入力されている。
【００４０】
従って、
Ｖ２・Ｒ９／（Ｒ８＋Ｒ９）＜Ｖｓ・Ｒ７／（Ｒ６＋Ｒ７）
即ち、
Ｖ２＜Ｖｓ（Ｒ８＋Ｒ９）Ｒ７／（Ｒ９（Ｒ６＋Ｒ７））（４）式
が成立する場合に、コンパレータＣＯ２の出力はＨレベルとなる。
【００４１】
この（４）式の右辺の値が、請求項３に記載した第３の電圧値である。この第３の電圧値は、副電池３が過充電と判断される電圧値に一致するように各定数を決めておく。
【００４２】
コンパレータＣＯ２とＣＯ３の出力は、２入力ＡＮＤ回路Ｑ２に入力されており、２入力ＡＮＤ回路Ｑ２の出力信号である動作指令信号ＥＮＡは、コンパレータＣＯ２とＣＯ３の出力が共にＨレベルの場合のみＨレベルとなる。即ち、動作指令信号ＥＮＡは、主電池２の電圧Ｖ１が第２の電圧値よりも高く、且つ、副電池３の電圧Ｖ２が第３の電圧値よりも低い場合のみＨレベルになる。第２の電圧値、第３の電圧値は前記のように調整されているので、結局、充電回路５は、副電池３が過充電状態ではなく、且つ、主電池２の電圧Ｖ２が昇圧回路７が動作可能な入力電圧以上である場合にのみ充電動作を行なうように構成されていることになる。
【００４３】
以上のような構成と動作により、本実施形態の電源装置１は、主電池２の電圧が電子機器６が動作し得る最低の電圧又はそれに少しの余裕を持たせた電圧値以上である場合には、主電池２より電子機器６に電源が供給される。その間、副電池３の電圧が過充電電圧以下であれば、充電回路５が動作して主電池２を電源として副電池３に充電が行なわれる。
【００４４】
主電池２が放電により電子機器６が動作し得る最低電圧又はそれに少しの余裕を持たせた電圧以下に低下すると、主電池２からの電源供給は停止し、代わって副電池３から電子機器６に電源が供給されるようになる。それと並行して、主電池２から副電池３への充電が、副電池３を過充電にしないようにして行なわれる。この主電池２から副電池３への充電は、充電回路５が動作可能な最低の入力電圧値に主電池２の電圧Ｖ２が低下するまで継続される。従って、主電池２に残っているエネルギーは副電池３に移され、電子機器６の電源として有効に活用されることになる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図２を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の電源装置１ａが、第１の実施形態の図１に示した電源装置１と異なる点は、第１のアナログスイッチＳＷ１をダイオードＤ４に置き換えた点のみである。従って、前記図１と同一の構成要素には同一符号が付してある。ダイオードＤ４は、アノードを主電池２側に、カソードを負荷である電子機器６側にして接続してある。
【００４６】
本実施形態の電源装置１ａの場合も、第１の実施形態の電源装置１の場合と同様に、主電池２の電圧が前記第１の電圧値より高いときは、主電池２より電子機器６に電源が供給される。そして、その間に副電池３は充電回路５により充電される。主電池２が放電してその電圧が第１の電圧値より低くなると、第２のアナログスイッチＳＷ２がＯＮして、副電池３からも電源が供給される。この状態では、通常、副電池３の電圧の方が主電池２の電圧よりも高いため、副電池３のみから電源が供給される。
【００４７】
また、主電池２の電圧が前記第２の電圧値よりも高く、且つ、副電池３の電圧が前記第３の電圧値よりも低い間は、主電池２の電圧が昇圧回路７にて昇圧されて副電池３に充電される。これにより、第１の実施形態の場合と同様に、主電池２に残ったエネルギーが副電池３に移され、電子機器６を動作させる電源エネルギーとして有効に活用される効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電源装置の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る電源装置の回路図である。
【図３】従来技術に係る図１相当図である。
【符号の説明】
図面中、１は電源装置、２は主電池、３は副電池、４は制御回路、５は充電回路、６は電子機器、７は昇圧回路、８は基準電圧生成回路、ＥＮＡは動作指令信号、Ｄ１〜４はダイオード、Ｒ１〜１０は抵抗器、ＳＷ１は第１のアナログスイッチ、ＳＷ２は第２のアナログスイッチを示す。

Claims

主電池と、充電可能な副電池と、負荷である電子機器と前記主電池との間に接続された第１のアナログスイッチと、前記電子機器と前記副電池との間に接続された第２のアナログスイッチと、制御回路と、該制御回路からの動作指令信号を受けて前記主電池の電圧を昇圧して前記副電池に充電する充電回路とを備えた電源装置であって、前記制御回路は、前記主電池の電圧が第１の電圧値より高い時には前記第１のアナログスイッチをＯＮし、前記第２のアナログスイッチはＯＦＦさせ、反対に前記主電池の電圧が前記第１の電圧値より低い時には前記第１のアナログスイッチをＯＦＦし、前記第２のアナログスイッチはＯＮさせ、更に、前記主電池の電圧が前記第１の電圧値よりも小さい第２の電圧値より高く且つ前記副電池の電圧が第３の電圧値より低い時に前記充電回路に前記動作指令信号を送るように構成されていることを特徴とする電源装置。
前記第１のアナログスイッチに代えて、ダイオードをアノードを前記主電池側にカソードを前記電子機器側にして接続したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記第１の電圧値は、前記負荷である電子機器が動作し得る最低の電圧又はそれに少しの余裕を持たせた電圧値であり、前記第２の電圧値は前記充電回路が前記主電池の電圧を昇圧して前記副電池に充電できる最低の入力電圧値であり、前記第３の電圧値は前記副電池が過充電と判断される電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
前記制御回路の電源を、前記主電池と副電池の何れか高い電圧を出力する方の電池から供給するように構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電源装置。
前記充電回路は、昇圧回路と抵抗とダイオードとを直列に接続した回路で構成されており、昇圧回路は前記制御回路からの前記動作指令信号が入力されている間のみ動作するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電源装置。