JP2005537776A

JP2005537776A - 予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源

Info

Publication number: JP2005537776A
Application number: JP2004569698A
Authority: JP
Inventors: マーズ，ピエール; ポール，ジョージ・ロンギ
Original assignee: CAP−XX LIMITED
Current assignee: CAP−XX LIMITED
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-12-08

Abstract

セルラー式電話のＧＰＲＳモジュール（２）の形をとった通信モジュールのための電源（１）を提供する。このモジュールは、予め定められた期間中に高電力を必要とする。電源（１）は、この実施例において約３．６ボルトの電源電圧をモジュール（２）に提供するためのバッテリモジュール（３）を含む。モジュール（３）は、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供する。単一のスーパーキャパシタ（４）の形をとった超容量性デバイスが、モジュール（３）に並列接続されて、第１の電圧が電源電圧の約９０％よりも上に維持されるように、予め定められた期間中にモジュール（２）に第２の電流を提供する。すなわち、第１の電圧は、約３．２４ボルトよりも上に維持される。

Description

発明の分野
この発明は、電源に関し、特に、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源に関する。

この発明は、主に、セルラー式電話用のＧＰＲＳ通信モジュールと併用するために開発されており、以下において、この適用例を参照して説明する。しかしながら、この発明が、その特定の使用分野に限定されず、たとえばＧＳＭモジュールか、モビテックス（Mobitex）モジュールか、ＰＣＭＣＩＡカードか、Compact Flash（登録商標）カードか、ノート型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、もしくはタブレット（Tablet）コンピュータ用の通信カードまたは通信機器か、デスクトップ型もしくは他のコンピュータ等の無線ＬＡＮ機器か、あるいは他の無線機器等の通信モジュールを含む、他のパルス電源負荷にも適することを認識されるであろう。

背景
公知のモバイル通信モジュール、たとえばＧＰＲＳモジュールは、セルラー式電気通信ハンドセットで用いられる。これらのモジュールは、要求される通信標準に従った情報の処理および送信を可能にするようにまとまって機能する多数の集積回路を含む。ＧＰＲＳ電話ハンドセットの場合、情報は通常、音声データであるが、非音声データも同様に送信される。他の適用例、たとえばラップトップ型コンピュータにおける専用の通信カードの場合、情報は通常、音声データ以外のものである。

ＧＰＲＳモジュール内に一般に含まれる回路は、送信されるべきデータに応答して変調信号を提供するためのデジタル信号プロセッサ、搬送波信号を提供するためのＲＦ発振器、および、搬送波信号と変調信号とを結合して伝送信号を生じるためのミキサーである。この伝送信号はＲＦパワーアンプに提供され、このＲＦパワーアンプは、アンテナを駆動して、この信号を基地局に無線で送信する。

この通信モジュールには一般に、１つのリチウムイオンバッテリもしくはリチウムポリマーバッテリを含むか、または、並列接続された多数のこのようなバッテリを含むバッテリモジュールから、電力が提供される。バッテリは、概念上、通信モジュールに約３．６Ｖのゼロ電流電圧を提供するが、この電圧は、放電サイクルの間にわたって約４．２Ｖから３．０Ｖの間で変動する。場合により、バッテリモジュールが、バッテリによって提供される電流を制限するための保護回路を含むことがある。いずれの場合も、バッテリモジュールが有限の出力インピーダンスを含むことから、通信モジュールへの電力の供給は、ゼロ電流電圧未満の電圧に置かれる。

ＧＰＲＳ信号に対する通信標準の結果、２つの別個の電力消費モードを有する通信モジュールが生じる。これらの電力消費モードは、データの送信または受信が生じない待機モードまたは低電力モードと、データの送信または受信が生じる高電力モードとである。高電力モード中に、モジュールの電力消費は、そのタイミングおよび持続期間が標準において設定されたパルスに集中される。ＧＰＲＳクラス１０の場合、パルスは１．１５ｍｓｅｃの持続期間を有し、３．４５ｍｓｅｃのギャップにより分離される。

高電力モードにおいて、消費電力の増大は、主として、ＲＦパワーアンプがアンテナを
駆動するように活性化するか、またはアンテナが受信した信号を増幅することによって生じる。一般に通信モジュールは、送信中に、バッテリモジュールから約１〜２Ａｍｐを消費して、アンテナを約２ワットで駆動する。しかしながら、パワーアンプが一般に約４０％から６０％の効率を有するため、通信モジュールは、約３．３から５ワットを消費する。一般に通信モジュールは、受信中に、バッテリモジュールから約０．１〜０．３Ａｍｐを消費する。

通信機器、特に、セルラー式電話ハンドセット等のモバイル通信機器に対する設計制約は、バッテリの充電から次の充電までの期間を最大化しつつ、ハンドセットのサイズを最小化するように強く強いられる。このことは、バッテリが、できるだけ高いエネルギ密度を有するべきであることを示唆する。しかしながら、この種のバッテリは、一般に高い時定数を有しているため、機器の高電力モード中に、特にパルス中に所望の電圧および電流を提供する能力が損なわれる。したがって、より一般的な妥協案は、より低い出力密度を許容しつつ、より短い時定数を得るというものである。

この問題に対する部分的な解決策では、高電力モード中にバッテリを補助するための並列タンタルキャパシタのバンクを使用することが公知である。何らかのわずかな利点が得られるものの、この解決策は通常、これらのキャパシタのコストおよび嵩高さにより、妥当なものではない。

無線ＬＡＮ、ＰＣＭＣＩＡカード等のための無線通信機器の設計は、体積、ピーク消費電力、およびコストを同様に最小化しながら所望の機能を達成するように強いられる。機能の増大およびより広い帯域幅の通信に対する需要は、ＰＣＢの「面積」および実装体積を非常に重要視する。

本明細書全体にわたる先行技術の議論は、このような先行技術が、当該分野において周知であることまたは全般知識の一部を形成することの容認として捉えられるべきではない。

発明の概要
この発明の目的は、先行技術の欠点の少なくとも１つを克服もしくは改良するか、または有用な代替案を提供することである。

この発明の第１の局面に従い、予め定められた期間に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧を提供するためのバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電源はさらに、
バッテリモジュールに並列接続されて、第１の電圧が電源電圧の約９０％よりも上に維持されるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供するための超容量性（supercapacitive）デバイスを含む。

実施例によっては、電源が、通信モジュール以外の回路にも電源を提供する。

この発明の第２の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧を提供するためのバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流
を提供し、この電源はさらに、
バッテリモジュールに並列接続されて、予め定められた期間中における第１の電圧の変動が電源電圧の約５％未満であるように、通信モジュールに第２の電流を提供するための超容量性デバイスを含む。

好ましくは、第１の電圧は、電源電圧の約９２％よりも上で維持される。より一層好ましくは、第１の電圧は、電源電圧の約９５％よりも上で維持される。

また好ましくは、バッテリモジュールは、リチウムイオンバッテリを含み、概念上の電源電圧は、約３．６Ｖである。

好ましい形態において、超容量性デバイスは、単一のスーパーキャパシタである。より好ましくは、スーパーキャパシタは、約３８０ｍＦのキャパシタンスと、約１００ｍΩ未満のＥＳＲとを有する。より一層好ましくは、スーパーキャパシタは、直列接続された２つの超容量性セルと、セルを収容するためのパッケージと、それぞれのセルに接続されてパッケージから延びる２つの端子とを含む。

好ましくは、通信モジュールは、
データに応答して第１の信号を生成するためのプロセッサと、
搬送波信号を提供するためのＲＦ発振器と、
第１の信号で搬送波信号を変調して伝送信号を生成するためのミキサーと、
伝送信号に応答して、予め定められた期間中に無線送信機を駆動して伝送信号を送信するためのパワーアンプとを含む。

また好ましくは、通信モジュールは、ＧＰＲＳモジュールである。他の実施例において、通信モジュールは、ＧＳＭまたはモビテックスモジュールである。

好ましい形態において、通信モジュールは、モバイル電気通信モジュールである。より好ましくは、通信モジュールは、ＧＰＲＳモジュールまたはＧＳＭモジュールである。しかしながら、他の実施例において、通信モジュールは、以下の機器、すなわち、ＰＣＭＣＩＡカード、Compact Flash（登録商標）カード、ノート型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、タブレットコンピュータ、または無線ＬＡＮ機器のうちの１つの一部である。

好ましくは、予め定められた期間に通信モジュールが必要とする電力は、実質的に均一な中間電力需要により分離される、高電力需要の周期パルスを含む。より好ましくは、中間需要は、高電力需要の持続期間の約３倍にわたって持続する。

この発明の第３の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧を提供するためのバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電源はさらに、
バッテリモジュールに並列接続されて、第１の電圧と電源電圧との差が約３００ｍＶ未満であるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供するための超容量性デバイスを含む。

この発明の第４の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧を提供するためのバッテリモジュールを含み、バッテリモジ
ュールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電源はさらに、
バッテリモジュールに並列接続されて、予め定められた期間中における第１の電圧の変動が約２００ｍＶ未満であるように、通信モジュールに第２の電流を提供するための超容量性デバイスを含む。

好ましくは、バッテリモジュールは、リチウムイオンバッテリまたはリチウムポリマーバッテリを含み、電源電圧は、約３．６Ｖである。より好ましくは、第１の電圧と電源電圧との差は、約２５０ｍＶ未満である。

バッテリモジュールは、好ましい形態において、
バッテリ電圧を提供するための充電式バッテリと、
両端に電源電圧が提供される２つの端子と、
バッテリと端子との間に配置されてバッテリから消費される電流を制限するための保護回路とを含む。

他の実施例において、バッテリモジュールはバッテリを備える。

また好ましくは、通信モジュールは、ＧＰＲＳモジュールである。他の実施例において、通信モジュールは、モビテックスモジュールまたは３Ｇモジュールである。

好ましくは、回路は、バッテリから消費されるピーク電流を制限する。より好ましくは、回路は、予め定められた期間中にバッテリから消費される平均電流も制限する。

また好ましくは、バッテリモジュールは、予め定められた出力インピーダンスを有し、超容量性デバイスは、その出力インピーダンス未満である、予め定められたＥＳＲを含む。バッテリモジュールがバッテリを含む実施例において、出力インピーダンスは、バッテリの内部抵抗の総和に等しい。

好ましい形態において、超容量性デバイスの体積は、約２．７ｃｃ未満である。より好ましくは、超容量性デバイスは、１．５ｃｃ未満の実装体積を有する単一のスーパーキャパシタである。

この発明の第５の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧Ｖ_SVを提供するためのバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、Ｖ_SV未満である第１の電圧ｖ_sにおいて第１の電流ｉ_bを提供し、この電源はさらに、
予め定められた等価直列抵抗Ｒ_Sを有してバッテリモジュールに並列接続された超容量性デバイスを含み、スーパーキャパシタは、予め定められた期間の全体にわたり、（Ｖ_SV−ｖ_s）≦Ｒ_S・（ｉ_b＋ｉ_s）となるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供する。

好ましくは、バッテリモジュールは、バッテリを含む。より好ましくは、バッテリは、リチウムイオンバッテリであり、Ｖ_SVは約３．６Ｖである。より一層好ましくは、（Ｖ_SV−ｖ_s）は、約３００ｍＶ未満である。しかしながら、他の実施例において、（Ｖ_SV−ｖ_s）は、約２５０ｍＶ未満である。

好ましくは、超容量性デバイスは、複数の超容量性セルを有する単一のスーパーキャパシタを含む。より好ましくは、セルは直列接続される。より一層好ましくは、セルは、同一パッケージ内に収容される。しかしながら、他の実施例において、セルは別個のパッケージ内に収容される。

この発明の第６の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
或る出力インピーダンスを有し、かつ、通信モジュールに電源電圧を提供するバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電源はさらに、
バッテリモジュールに並列接続されて、出力インピーダンス未満である等価直列抵抗を有する超容量性デバイスを含み、超容量性デバイスは、第１の電圧が予め定められたしきい値に、または予め定められたしきい値よりも上に維持されるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供する。

好ましくは、しきい値は、電源電圧の約９０％である。より好ましくは、しきい値は、電源電圧の約９２％である。より一層好ましくは、しきい値は、電源電圧の約９５％である。

また好ましくは、しきい値は、電源電圧よりも約３００ｍＶ小さい。より好ましくは、しきい値は、電源電圧よりも約２５０ｍＶ小さい。より一層好ましくは、しきい値は、電源電圧よりも約２００ｍＶ小さい。

好ましい形態において、バッテリモジュールは１つのバッテリを含み、超容量性デバイスは、スーパーキャパシタを含む。しかしながら、他の実施例において、バッテリモジュールは、電気的に接続された複数のバッテリを含み、超容量性デバイスは、電気的に接続された複数のスーパーキャパシタを含む。

好ましくは、バッテリモジュールは、バッテリと、間に第１の電圧が提供される２つの端子と、バッテリおよび端子の間に配置されて第１の電流を制限するための保護回路とを含む。より好ましくは、第１の電流は、瞬間的なピーク値に制限される。より一層好ましくは、第１の電流は、予め定められた期間中に平均値に制限される。

この発明の第７の局面に従い、交互に高電力消費モードと低電力消費モードとになるモバイルＧＰＲＳ通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧を提供するためのバッテリモジュールと、
バッテリモジュールに並列接続されたスーパーキャパシタとを含み、スーパーキャパシタは、１００ｍΩ未満の等価直列抵抗と、３００ｍＦ以上のキャパシタンスと、２．７ｃｃ未満の体積とを有する。

この発明の第８の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧を提供するための供給レールを含み、供給レールは、予め定められた期間中に、電源電圧以下である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電源はさらに、
バッテリモジュールに並列接続されて、予め定められた期間中における第１の電圧の変動が、電源電圧の約５％未満であるように、通信モジュールに第２の電流を提供するための超容量性デバイスを含む。

好ましくは、供給レールは、バッテリモジュールに接続される。しかしながら、他の実施例において、供給レールは調整電源に接続される。

この発明の第９の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源が提供される。この電源は、
通信モジュールに電源電圧を提供するための供給レールを含み、供給レールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電源はさらに、
供給レールに並列接続されて、予め定められた期間中における第１の電圧の変動が約２００ｍＶ未満であるように、通信モジュールに第２の電流を提供するための超容量性デバイスを含む。

より好ましくは、予め定められた期間中における第１の電圧の変動は、約１５０ｍＶ未満である。

この発明の第１０の局面に従い、パワーアンプ回路と、出力信号を提供する発振器回路とに電力を同時に供給するための電源が提供される。これらの回路は集合的に、予め定められた期間中に高電力を必要とし、パワーアンプ回路は、これらの期間中に、時間間隔の空いた高電力のパルスを必要とし、この電源は、
回路に電源電圧を提供するための供給レールを含み、供給レールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電源はさらに、
供給レールに並列接続されて、出力信号の変動が減じられるように、予め定められた期間中における第１の電圧の変動を減じるための超容量性デバイスを含む。

この発明の第１１の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールを有する無線電気通信機器が提供される。この電気通信機器は、
或る出力インピーダンスを有し、かつ、通信モジュールに電源電圧を提供するバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、この電気通信機器はさらに、
バッテリモジュールに並列接続されて、出力インピーダンス未満である等価直列抵抗を有する超容量性デバイスを含み、超容量性デバイスは、第１の電圧が予め定められたしきい値以上に維持されるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供する。

この発明の第１２の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールを有する無線電気通信機器が提供される。この電気通信機器は、
或る出力インピーダンスを有する供給レールを含み、供給レールは、通信モジュールに電源電圧を提供し、供給レールは、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供し、電気通信機器は、
バッテリモジュールに並列接続されて、出力インピーダンス未満である等価直列抵抗を有する超容量性デバイスを含み、超容量性デバイスは、第１の電圧が予め定められたしきい値以上に維持されるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供する。

好ましくは、無線電気通信機器は、セルラー式電話用のハンドセットである。より好ま
しくは、通信モジュールは、ＧＰＲＳモジュール、ＧＳＭモジュール、またはモビテックスモジュールである。しかしながら、他の実施例において、電気通信機器は、ＰＣＭＣＩＡカードもしくは Compact Flash（登録商標）カード、または、このようなカードを含む、ノート型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、タブレットコンピュータ、もしくは無線ＬＡＮ機器である。

この発明の第１３の局面に従い、予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールを有する無線電気通信機器が提供される。この電気通信機器は、
通信モジュールに電源電圧Ｖ_SVを提供するためのバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、Ｖ_SV未満である第１の電圧ｖ_sにおいて第１の電流ｉ_bを提供し、この電気通信機器はさらに、
予め定められた等価直列抵抗Ｒ_Sを有してバッテリモジュールに並列接続された超容量性デバイスを含み、スーパーキャパシタは、予め定められた期間の全体にわたって（Ｖ_SV−ｖ_s）≦Ｒ_S・（ｉ_b＋ｉ_s）であるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供する。

この発明の第１４の局面に従い、電気通信システムが提供される。この電気通信システムは、
少なくとも１つの基地局と、
第１１、第１２、および第１３の局面の１つ以上の複数の電気通信モジュールとを含み、電気通信モジュールは、基地局と選択的に無線で通信する。

この発明の第１５の局面に従い、予め定められた電流限界まで電源電流を提供するための電源を含むコンピューティング装置のためのカードが提供される。このカードは、
基板と、
基板上に実装されて電源からパルス電力を消費するための電気的負荷とを含み、この負荷は、予め定められた電流限界よりも大きなピーク電流を必要とし、このカードはさらに、
基板に実装されて、負荷に並列接続されて、ソース電流が予め定められた電流限界よりも下に確実に抑制されるようにする超容量性デバイスを含む。

一実施例において、電荷蓄積デバイスはスーパーキャパシタである。好ましくは、スーパーキャパシタは、７００ｍｍ²未満のフットプリントを含む。より一層好ましくは、スーパーキャパシタは、外部の回路にスーパーキャパシタを接続することを可能にするための複数の端子を含み、これらの端子はフットプリントを超えて延びる。

一実施例において、スーパーキャパシタは、基板に対して垂直な、２．３ｍｍ未満の高さ（Ｈ）を含む。

一実施例において、電荷蓄積デバイスのＥＳＲは、約１１５ｍΩ未満である。

一実施例において、電荷蓄積デバイスのキャパシタンスは、９０ｍＦよりも大きい。

この発明の第１６の局面に従い、負荷のための電源が提供される。この電源は、
負荷に電圧を提供するための電圧レールと、
予め定められたフットプリントおよび予め定められたＥＳＲを有して、負荷に並列接続されたレールに接続するための超容量性デバイスとを含み、予め定められたフットプリントと予め定められたＥＳＲとの商は、約４ｍｍ²／ｍΩよりも大きい。

一実施例において、商は、約５ｍｍ²／ｍΩよりも大きい。或る実施例では、商は、約
１０ｍｍ²／ｍΩよりも大きく、また或る実施例では、商は、６６ｍｍ²／ｍΩよりも大きい。

この発明の第１７の局面に従い、負荷用の電源が提供される。この電源は、
負荷に電圧を提供するための電圧レールと、
予め定められたキャパシタンスおよび予め定められたフットプリントを有して、負荷に並列接続されたレールに接続するための超容量性デバイスとを含み、予め定められたキャパシタンスと予め定められたフットプリントとの商は、約０．１５ｍＦ／ｍｍ²よりも大きい。

一実施例において、商は、約０．５ｍＦ／ｍｍ²よりも大きい。実施例によっては、商が、約１ｍＦ／ｍｍ²よりも大きいものもある。

この発明の第１８の局面に従い、負荷用の電源が提供される。この電源は、
負荷に電圧を提供するための電圧レールと、
予め定められた体積および予め定められたＥＳＲを有して、負荷に並列接続されたレールに接続するための超容量性デバイスとを含み、予め定められた体積と予め定められたＥＳＲとの商は、約６ｍｍ³／ｍΩよりも大きい。

一実施例において、商は、約２０ｍｍ³／ｍΩよりも大きい。他の実施例において、商は、約１００ｍｍ³／ｍΩよりも大きい。

一実施例において、スーパーキャパシタは、２．３ｍｍ未満の高さを有する。

この発明の第１９の局面に従い、負荷用の電源が提供される。この電源は、
負荷に電圧を提供するための電圧レールと、
予め定められたキャパシタンスおよび予め定められた体積を有して、負荷に並列接続されたレールに接続するための超容量性デバイスとを含み、予め定められたキャパシタンスと予め定められた体積との商は、約０．０９ｍＦ／ｍｍ³よりも大きい。

一実施例において、商は、約０．５ｍＦ／ｍｍ³よりも大きい。他の実施例において、商は、約２ｍＦ／ｍｍ³よりも大きい。

この発明の第２０の局面に従い、負荷用の電源が提供される。この電源は、
負荷に電圧を提供するための電圧レールと、
予め定められた時定数および予め定められたフットプリントを有して、負荷に並列接続されたレールに接続するための超容量性デバイスとを含み、予め定められた時定数と予め定められたフットプリントとの商は、約１５μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きい。

一実施例において、商は、４０μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きい。他の実施例において、商は、約１２０μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きい。

この発明の第２１の局面に従い、負荷電流を消費する負荷に、予め定められた電流限界を有する電源電流を提供する電源を接続するためのインターフェイスが提供され、このインターフェイスは、
電源に接続された入力端子と、
負荷に接続された出力端子と、
入力端子または出力端子に並列接続されて、予め定められた電流限界未満に電源電流を
維持しながら、予め定められた電流限界を負荷電流が一時的に超えることを可能にするための超容量性デバイスとを含む。

この発明の第２２の局面に従い、電源が提供される。この電源は、
負荷電流を消費する負荷に対し、予め定められた電流限界までの電源電流を提供する供給レールと、
供給レールまたは負荷に並列接続されて、予め定められた電流限界未満に電源電流を維持しながら、予め定められた電流限界を負荷電流が一時的に超えることを可能にするための超容量性デバイスとを含む。

一実施例において、超容量性デバイスは、０．０３ｍｓｅｃパルスに対して１０％以上の実効キャパシタンスを有する。好ましくは、超容量性デバイスは、１ｍｓｅｃパルスに対して３５％以上の実効キャパシタンスを有する。より好ましくは、超容量性デバイスは、１０ｍｓｅｃパルスに対して５５％以上の実効キャパシタンスを有する。

この発明の第２３の局面に従い、超容量性デバイスが提供される。この超容量性デバイスは、
対向しかつ間隔を空けて配置された少なくとも２つの電極と、
予め定められたフットプリントを有する、電極および電解質を収容するためのパッケージと、
パッケージから延びて、電極との外部における電気的接続を可能にするための少なくとも２つの端子とを含み、デバイスは、予め定められたＥＳＲを有し、予め定められたフットプリントと予め定められたＥＳＲとの商は、約４ｍｍ²／ｍΩよりも大きい。

一実施例において、商は、約５ｍｍ²／ｍΩよりも大きい。或る実施例では、商は、約１０ｍｍ²／ｍΩよりも大きく、また或る実施例では、商は、６６ｍｍ²／ｍΩよりも大きい。

この発明の第２４の局面に従い、超容量性デバイスが提供される。この超容量性デバイスは、
対向しかつ間隔を空けて配置された少なくとも２つの電極と、
予め定められたフットプリントを有する、電極および電解質を収容するためのパッケージと、
パッケージから延びて、電極との外部における電気的に接続を可能にするための少なくとも２つの端子とを含み、デバイスは、予め定められたキャパシタンスを有し、予め定められたキャパシタンスと予め定められたフットプリントとの商は、約０．１５ｍＦ／ｍｍ²よりも大きい。

一実施例において、商は、約０．５ｍＦ／ｍｍ²よりも大きい。実施例によっては、商が、約１ｍＦ／ｍｍ²よりも大きいものがある。

この発明の第２５の局面に従い、超容量性デバイスが提供される。この超容量性デバイスは、
対向しかつ間隔を空けて配置された少なくとも２つの電極と、
予め定められた体積を有する、電極および電解質を収容するためのパッケージと、
パッケージから延びて、電極との外部における電気的接続を可能にするための少なくとも２つの端子とを含み、デバイスは、予め定められたＥＳＲを有し、予め定められた体積と予め定められたＥＳＲとの商は、約６ｍｍ³／ｍΩよりも大きい。

この発明の第２６の局面に従い、超容量性デバイスが提供される。この超容量性デバイスは、
対向しかつ間隔を空けて配置された少なくとも２つの電極と、
予め定められた体積を有する、電極および電解質を収容するためのパッケージと、
パッケージから延びて、電極との外部における電気的接続を可能にするための少なくとも２つの端子とを含み、デバイスは、予め定められたキャパシタンスを有し、予め定められたキャパシタンスと予め定められた体積との商は、約０．０９ｍＦ／ｍｍ³よりも大きい。

この発明の第２７の局面に従い、超容量性デバイスが提供される。この超容量性デバイスは、
対向しかつ間隔を空けて配置された少なくとも２つの電極と、
予め定められたフットプリントを有する、電極および電解質を収容するためのパッケージと、
パッケージから延びて、電極との外部における電気的接続を可能にするための少なくとも２つの端子とを含み、デバイスは、予め定められた時定数を有し、予め定められた時定数と予め定められたフットプリントとの商は、約１５μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きい。

この発明の第２８の局面に従い、超容量性デバイスが提供される。この超容量性デバイスは、
対向しかつ間隔を空けて配置された少なくとも２つの電極と、
電極および電解質を収容するためのパッケージと、
パッケージから延びて、電極との外部における電気的接続を可能にするための少なくとも２つの端子とを含み、デバイスにより与えられる実効キャパシタンスは、予め定められた時定数を有し、予め定められた時定数と予め定められたフットプリントとの商は、約１５μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きい。

文脈が明らかに要求しない限り、説明および請求項の全体における「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」等の語は、排他的または網羅的な意味とは対照的な包含的な意味に、すなわち、「含んでいるが、それらに限定されない」という意味に解釈されるべきである。

次に、同じ参照符号が同様の要素を示す添付の図面において、限定ではなく例示としてのみ、この発明の実施例を説明する。この開示における「或る１つの」または「１つの」実施例に対する言及が、必ずしも同一の実施例に対するものである必要はなく、このような言及が、少なくとも１つを意味することに注意されるべきである。

実施例の詳細な説明
図１を参照すると、セルラー式電話ＧＰＲＳモジュール２の形をとった通信モジュールのための電源１が概略的に示される。このモジュールは、予め定められた期間中に高電力を必要とする。電源１は、この実施例において約３．６ボルトの電源電圧をモジュール２に提供するためのバッテリモジュール３を含む。モジュール３は、予め定められた期間中に、電源電圧未満である第１の電圧において第１の電流を提供する。単一のスーパーキャパシタ４の形をとった超容量性デバイスは、モジュール３に並列接続されて、第１の電圧が電源電圧の約９０％よりも上に維持されるように、予め定められた期間中にモジュール２に第２の電流を提供する。すなわち、第１の電圧は、約３．２４ボルトよりも上に維持される。

モジュール２は、セルラー式電話のためのハンドセット５の一部であり、ともに統合されて表面実装され、かつ、必要とされる機能を実行する多くの電子回路を含む。はっきりさせるために、回路の一部を概略的に示す。より具体的に、モジュール２は、入力バス８上で中継されるデータ信号に応答して出力バス９上に変調信号を提供するためのデジタル信号プロセッサ７により制御される中間周波数段を含む。線１１上に搬送波信号を提供するためのＲＦ発振器１０が含まれる。バス９および線１１は、ミキサー１２に変調信号および搬送波信号を提供し、ミキサー１２はそれらに応答して、ＧＰＲＳ標準に準拠する８ＰＳＫ信号を生成し、この信号は線１３上に提供される。

他の実施例において、モジュール２は、ラップトップ型もしくは他のコンピュータ、または独立型の通信ハンドセットのいずれであるにせよ、無線個人用携帯型情報端末（ＰＤＡ）または他の無線機器の一部である。さらなる実施例において、モジュール２は、ＧＰＲＳとは異なる無線通信標準に合致する。このような標準の例には、ＧＳＭ、モビテックス、３Ｇ等が含まれる。

線１３上の８ＰＳＫ信号は、パワーアンプ１４に対する入力を形成する。この増幅器は、入力に応答して、アンテナ１５を駆動するための出力信号を提供する。この出力信号は、標準において設定された電力レベルにあり、一般に約４から５ワットである。

ほとんどのデジタル電気通信標準におけるように、ＧＰＲＳ標準に従ったデータの送信は、送信が生じずかつ規定された期間により分離される、規定された持続期間を有する一連の送信パルスを含む。ＧＰＲＳ信号に関し、送信パルスは、０．５７７、１．１５４、または２．３０８ｍｓｅｃの持続期間を有し、中間期間はそれぞれ、４．０３９、３．４６２、または２．３０８ｍｓｅｃの持続期間を有する。パルス中および中間期間中に、ハンドセット５内に収容された回路の電力消費は、それぞれ高電力消費モードおよび低電力消費モードを取る。高電力消費モードにおいて消費電力のレベルが上昇するのは、主として増幅器１４のパルス動作によるものである。しかしながら、最も大きな可能性として、他の回路が同時に活性化するときにも消費電力のレベルは上昇する。

一例として、典型的なハンドセットは、低電力消費モード中に約０．５ワットを用い、高電力消費モード中に約４．５ワットを用いる。異なる製造業者によるハンドセット間で何らかの変動が生じることが認識されるであろう。

アンテナ１５は、入来する信号も受信する。図面に示していないが、これらの信号は、ＲＦ受信増幅器の入力に渡されて増幅された後に、復調のために入力ミキサーに渡される。発振器１０または他の同様の発振器は、ミキサー１２に搬送波信号を提供して、復調が生じるようにする。したがって、データの転送におけるときと同様に、かなりの活動および電力消費が生じる。しかしながら、データを受信する場合、モジュール３から消費される一般的な電流は、送信中に必要とされる１から２Ａｍｐとは対照的に、約０．３Ａｍｐである。

ハンドセット５が待機モードにあるとき、すなわち、送信モードまたは受信モードにないとき、電力の要件は最小となる。一般にハンドセットは、待機モードにあるとき、約０．０５から０．１Ａｍｐを消費する。

ほとんどのデジタル回路は、最終的にバッテリにより供給を受けるか、または他の電源により供給を受けるかに関わらず、供給レールからの定電圧と、変化する電源電流とに対して設計される。しかしながら、「待機電流」と「高電力消費」電流との間の数桁の差により、低電圧リプルと、その電圧リプルを抑制するための回路のコストとの間に最良の妥協案を打ち出すことは難しい。待機電流がほとんどの時間にわたって消費され、かつ、機器が高電力消費モードを取るときに短い時間期間にのみピーク電流が消費されることにより、このことはさらに増長される。しかしながら、本発明者らは、負荷に並列接続された超容量性デバイス、多くは単一の超容量性デバイスを含むことにより、先行技術の欠点を改善できることを発見した。

この実施例において、ハンドセット５は、このハンドセットから遠隔のセルラー基地局２１と無線で通信する。他の実施例において、ハンドセットは、局２１の代わりに、または局２１に加え、他のモバイル機器と通信する。局２１とハンドセット５との通信が双方向であることも認識されるであろう。

局２１は、間隔を空けて配置された、複数の同様の基地局（図示せず）と、基地局を介して互いに選択的に無線で通信する複数のハンドセットとを含む、より大きなセルラーネットワークの一部である。

局２１は、ハンドセット５が提供する無線信号を受信するためのアンテナ２２を含む。この信号は、パワーアンプ２３に渡され、増幅された信号は次に、線２４上でミキサー２５に提供される。ローカルＲＦ発振器２６は、標準により規定されかつ発振器１０が提供した信号の周波数に対応する周波数で搬送波信号を生成し、この信号を線２７を介してミキサー２５に供給する。ミキサー２５から結果的に得られる信号は、バス２８上に出力されて、デジタル信号プロセッサ２９を含むＩＦ受信段に渡される。プロセッサ２９は次に、この信号を用いて、バス８上に元々提供されたデータの再構築または表現を行なう。

この実施例において、モジュール３は、ハンドセット５から離れているがハンドセット５と着脱可能な態様で機械的に相互接続され得る筐体（図示せず）に内蔵される。モジュール３はまた、筐体がハンドセット５と相互接続されているときにモジュール２の相補的な接点３６と電気的に係合するための端子３５も含む。

他の実施例において、モジュール３は、ハンドセットの筐体内に収容された他の回路と統合される。

モジュール３は、並列接続され、かつ、端子３５において３．６ボルトの電源電圧を提供するための２つのリチウムイオンバッテリ３７および３８を含む。他の実施例では１つのバッテリのみが用いられるが、さらなる実施例では、３つ以上のバッテリが用いられる。主として高いエネルギ密度のため、携帯用機器にとってはバッテリが好ましいエネルギ蓄積手段であるが、実施例によっては、モジュール３がバッテリ以外のエネルギ蓄積手段を含むことも認識されるであろう。たとえば、燃料バッテリ、キャパシタ、および他のエネルギ蓄積デバイス等の手段が、単独でまたは組合わせて含まれる。

バッテリ３７および３８と端子３５との間に、バッテリ内における所望しない電流を防止するための保護回路３９が配置される。この実施例において、回路３９は、バッテリから消費され得る許容電流の上限を設ける。他の実施例において、回路３９は、予め定められた期間にわたり、平均電流が予め規定されたしきい値を超えることも防止する。これらの処置は、過電流の状態でバッテリに損傷を与える危険性を最小限にするように行なわれる。いくつかの場合において、このような過電流の状態が生じた場合、回路３９は、バッテリからの電流の供給を遮断する。しかしながら、他の実施例において、電流は単に制限される。

バッテリ３７および３８の放電サイクルにわたり、ゼロ電流または電源電圧は漸進的に低下する。典型的なリチウムイオンバッテリの場合、バッテリが完全に充電されると電源電圧は約４．２ボルトになり、バッテリが実質的に消費されると約２．９ボルトになる。

この実施例において、バッテリの妥当な動作上の放電寿命の期間中に、第１の電圧が電源電圧の予め定められた割合以上に確実に維持されるように、超容量性デバイスが選択される。このことは、高電力モード中に生じる第１の電圧の変動を減じる効果も有する。

反対に、他の実施例では、やはりバッテリの妥当な動作上の放電寿命の期間中に、高電力モード中に生じる第１の電圧の変動を減じるように超容量性デバイスが選択される。このことは、第１の電圧と電源電圧との差がより厳密に抑制され得るという利点も有する。

スーパーキャパシタ４は、約２９ｍｍ×１８ｍｍ×３ｍｍの概算寸法を含み、約１．５ｃｃの総体積を提供する。このスーパーキャパシタ４はまた、約３８０ｍＦのキャパシタンスと約７０ｍΩのＥＳＲとを有する。約０．２４ｍＦ／ｍｍ³である、単位体積当たりのキャパシタンスは、タンタルキャパシタが提供するキャパシタンスよりも２〜３桁大きい。

次に、この発明の一実施例により提供される、性能の改善を示す図３から図５を参照する。より具体的に、図３は、高電力消費モードで作動中のＧＰＲＳモジュール２に供給を行なうモジュール３についての電圧および電流の波形の掃引線である。この実施例において、バッテリモジュールは、６００ｍＡｍｐ・ｈｏｕｒｓの容量と、約２５０ｍΩの内部抵抗とを有するＬｉイオンバッテリを含む。図３における上方の掃引線４１は、端子３５における電圧を表わし、下方の掃引線４２は、バッテリから消費される電流を表わす。これらの結果については、端子３５に並列接続された超容量性デバイスが存在しないことを認識されるであろう。すなわち、図３は先行技術の構成の１つを表わす。

バッテリモジュール３は、図示される高電力消費モードにおいて、負荷電流がバッテリから消費されるのに伴い、約３．１３ボルトの電圧をモジュール２に提供する。すなわち、バッテリ３の有限出力インピーダンス、すなわち内部抵抗により、電源電圧が、確実に概念上のバッテリ電圧未満になるようにする。さらに、この高電力消費期間中において、参照番号４３により表示される、規定された間隔期間が存在し、ここで増幅器１４は約２Ａｍｐを消費する。間隔期間４３が開始すると、バッテリ電圧は、約５１０ｍＶだけ急速に下がり、その後、この間隔期間の全体にわたり、初期電圧よりも約５５１ｍＶだけ低い電圧まで、一層漸進的に下がる。間隔期間４３の終了時に、バッテリ電圧は初期電圧まで戻るが、バッテリの時定数によって何らかの遅延が生じる。

対応する掃引線４５および４６が図４に提示されるが、この場合、バッテリモジュールは、４７０μＦの８個のタンタルキャパシタに並列接続される。すなわち、各々が約０．１３ｃｃの実装体積と、ＰＣＢ上に実装されたときのデバイス間の間隔を見込んだ約１．５ｃｃの総体積とを有するこれらのデバイスにより、約３．７６ｍＦの総キャパシタンスが提供される。これは、約０．００２５ｍＦ／ｍｍ³である、単位体積当たりのキャパシタンスに等しい。

タンタルキャパシタが用いられる場合、図４に示すように、対応する間隔期間４３の間に、端子３５において提供された電圧が急速に下がった後、僅かに遅い速度で、初期電圧よりも３９１ｍＶだけ低い電圧まで一定の割合で減少することが分かる。その時点で、増幅器１４は伝送電流を消費するのを止め、バッテリはキャパシタの充電を開始する。この充電は、次の間隔期間４３の開始前にのみ生じる。図３の場合におけるように、バッテリから消費されたピーク電流は、約２Ａｍｐから約１．５Ａｍｐまで下がる。通信モジュールが消費した電流の残りは、タンタルキャパシタから供給される。

したがって、８個のタンタルキャパシタを用いることにより、バッテリに対して補助が行なわれない場合に生じるよりも約１６０ｍＶ良好な電圧において、間隔期間４３中に供給される最小電圧が維持される。キャパシタの費用およびこれらのキャパシタが占める多大な空間と比べたとき、僅かなこの利点は、概して、このようなキャパシタが使用されないか、または、費用もしくは実装が重要な設計の要因ではない適用例においてのみ使用されるということを確信させるのに十分なものである。

タンタルキャパシタが、全部合わせた多大な実装体積にもかかわらず、間隔期間４３中にバッテリを十分に補助するには不十分なエネルギ蓄積量しか有していないことが、掃引線４５および４６から明らかである。並列接続されたより多くのキャパシタを配置するこ
とにより、このことを克服することが可能だが、この容量を提供する量産原価が、一般には販売上容認し得ないものとなり、電源によっては、関連する電子機器内の体積の制約、または関連する回路基板上のフットプリントの制約により、単に物理的に不可能となる。

対応する掃引線４７および４８が図５に提示されているが、この場合、バッテリモジュール３は、スーパーキャパシタ４に並列接続されている。掃引線から明らかなように、間隔期間４３の開始時にバッテリ電圧に僅かな減少があるものの、これらの間隔期間中に著しい電圧の減衰はない。なぜなら、スーパーキャパシタ４が、この間隔期間の持続期間にわたってピーク負荷を送出するのに必要とされるエネルギを蓄積するのに十分なキャパシタンスを有するためである。負荷の間における電圧降下は、バッテリのみの場合、５５１ｍＶから３０２ｍＶだけ減少し、スーパーキャパシタに並列接続されたバッテリの場合、２４９ｍＶまで減少する。加えて、高電力消費のパルス列中の端子３５における電圧の変化量は、５５１ｍＶから１４０ｍＶまで減少する。

間隔期間４３と間隔期間４３との間の期間において、バッテリ電圧は、図３および図４の構成に対する場合における電圧よりも僅かに低くなる。このことは、スーパーキャパシタに対して必要とされる充電電流によるものである。バッテリが、より多くの定電流ドレインとともにより効果的に作動する場合、スーパーキャパシタの使用が有利となる。

加えて、スーパーキャパシタのＥＳＲが低いため、この受動素子には、極めて低いＩ²Ｒの損失のみが生じる。

スーパーキャパシタ４の使用は、費用有効性および空間有効性の高い態様でモジュール２に対する負荷変動率の著しい改善をもたらす。負荷変動率の改善は、ほとんどの適用例にとって有利であり、この実施例では、さらなる利点を生じる。特に、増幅器が間隔期間４３においてピーク電流を消費し、それによって端子３５における電圧を次第に引き下げる場合、このことは、モジュール３内の他の回路が利用することのできる電源電圧も下げる。このことから、発振器１０が生じた搬送波信号の周波数が、電源電圧の変化に応じた変動の影響を強く受けやすいことが、本発明者らにより判明した。影響の大きさはより小さいものの、同様のことがミキサー１２の出力信号にも当てはまる。

上述の実施例ではバッテリモジュールにより提供された既存の電源レールに並列接続されたスーパーキャパシタを用いることにより、先行技術の方法によって提供されたものよりも搬送波信号の周波数の変動を減じるように、レールが維持される。

搬送波信号の周波数の変動は、受信端における位相エラーとして現われる。図６に示される８ＰＳＫの変調方式に関し、受信機における位相エラーの影響を示す。位相エラーが増大するにつれて、受信機の、元のデータを効果的に再構築する能力が下がる。すなわち、電源レールの調整不良による位相エラーは、モジュール２により実施されている送信のビット誤り率を最終的に悪化させる。したがって、ここで認識されるように、この発明の好ましい実施例を用いることにより、バッテリの実効的な寿命の全体にわたり、ビット誤り率を下げることができる。

バッテリモジュール以外の電源が用いられる他の実施例においても、この発明の適用は有利である。なぜなら、この発明により、電源から消費されたピーク電流が、少なくとも短期間にわたり、その電源がレギュレータであるか否かに関係なく電源電圧を損なわずに信頼可能な態様で供給することのできる容認可能なピーク電流を超え得るようにするためである。このことは、電源で作動し、かつ、最大電流を定格とする内部のレギュレータを有する通信モジュールで生じる。モジュール内の多数のサブ回路が高電流を同時に必要とする場合、供給過剰状態へとレギュレータを作動させるか、または代替的に、仕様よりも
下のレベルまで電源電圧を降下させて、ビット誤り率を悪化させること等によってモジュールの機能を低下させると十分であることが考えられる。通信モジュールに関し、ピーク電流が仕様を上回る期間は、多くの場合はごく短く、時間的に十分な間隔が空いていることが、本発明者により認識された。

ここで理解されているように、図１の実施例は、以下の１つ以上により、誤り率を低下させる。

１．間隔期間４３中において、モジュール３が提供した電圧の変動を、モジュール２のゼロ電流電源電圧の予め定められたしきい値未満まで抑制すること。好ましくは、そのしきい値は、約５％であり、より好ましくは約３％である。

２．モジュール２に提供された電圧を、モジュール２のゼロ電流電源電圧の予め定められたしきい値よりも上に維持すること。好ましくは、しきい値は、約９０％であるが、より好ましくは約９２％であり、最も好ましくは約９５％である。

３．間隔期間４３中に、モジュール３により提供された電圧の変動を、予め定められたしきい値未満に抑制すること。好ましくは、そのしきい値は、約２００ｍＶである。

４．電源の出力インピーダンス未満のＥＳＲを有するスーパーキャパシタを用いること。電源がバッテリである場合、ＥＳＲは、そのバッテリの内部抵抗未満である。

５．スーパーキャパシタが十分なエネルギの蓄積を確実に生じるようにし、それによってピーク負荷中の電圧の減衰が、スーパーキャパシタのＥＳＲの降下未満になるようにすること。すなわち、電圧の減衰が、スーパーキャパシタのＥＳＲ×ピーク負荷電流未満になるようにする。

６．利用可能なキャパシタンスに対し、小体積のスーパーキャパシタを設けること。

７．低ＥＳＲを有するスーパーキャパシタを設けること。より好ましくは、ＥＳＲは１００ｍΩ未満である。より好ましくは、ＥＳＲは７０ｍΩ未満である。

上述の５番を表現するための代替的な態様を以下に示す。予め定められた期間中に高電力を必要とする通信モジュールのための電源は、
通信モジュールに電源電圧Ｖ_SVを提供するためのバッテリモジュールを含み、バッテリモジュールは、予め定められた期間中に、Ｖ_SV未満である第１の電圧ｖ_sにおいて第１の電流ｉ_bを提供し、この電源はさらに、
予め定められた等価直列抵抗Ｒ_Sを有してバッテリモジュールに並列接続された超容量性デバイスを含み、スーパーキャパシタは、予め定められた期間中にわたって（Ｖ_SV−ｖ_s）≦Ｒ_S・（ｉ_b＋ｉ_s）であるように、予め定められた期間中に通信モジュールに第２の電流を提供するものとして規定される。

好ましくは、バッテリモジュールはバッテリを含む。より好ましくは、バッテリはリチウムイオンバッテリであり、Ｖ_SVは約３．６Ｖである。より一層好ましくは、（Ｖ_SV−ｖ_s）は、約３００ｍＶ未満である。しかしながら、他の好ましい実施例において、（Ｖ_SV−ｖ_s）は、約２５０ｍＶ未満である。

電源５１の形をとった、この発明の代替的な一実施例を図７に開示する。図７において、対応する特徴は、対応する参照番号によって表示される。この実施例において、電源５１は、バッテリモジュールではなく、レギュレータ５３から発出する供給レール５２を含
む。このレギュレータは、ラップトップ型コンピュータまたはデスクトップ型コンピュータ（図示せず）用のＰＣＭＣＩＡカードに実装されている。

レギュレータ５３は、カード自体の設計パラメータによって主に制限される、指定された電流容量を有する。すなわち、本線電源が利用可能である間、利用可能な領域の僅かな部分にのみレギュレータが割当てられるため、或る一定のしきい値の平均消費電力を効果的に調整することができる。モジュール２におけるように、レギュレータの負荷は、低電力消費モードと高電力消費モードとの間でパルス化されて、所望の無線送信を行なう。先行技術の電源の設計に関し、レギュレータは一般に、ピーク期間中に適切に作動することが難しい。しかしながら図７の実施例では、スーパーキャパシタ４を含むことにより、レギュレータ５３上のピーク負荷が減り、それによってレギュレータが設計パラメータ内で作動できるようにする。

この発明の実施例は、単位体積当たりのＥＳＲが低く、かつ、キャパシタンスが高いスーパーキャパシタを利用する。この高い効率により、ハンドセットまたは他の通信機器内における効果的な実装が可能になる。この要因は、携帯型機器の設計および受容において最高となる。この要因はまた、空間効率の上昇および性能の改善によって他の構成要素がより大きな体積を有することを可能にするのに伴い、通信モジュールを含むＰＣカードおよび他の構成要素の設計を助ける。

図８は、この発明の実施例で用いるのに適した、シングルセルスーパーキャパシタ６１の上面図である。このスーパーキャパシタは、周辺の４つの端縁６３、６４、６５、および６６により規定された、ほぼ矩形の上面６２を含む。長いほうの端縁６３および６５は、スーパーキャパシタ６１の、約３９ｍｍである長手方向の長さ「Ｌ₁」を規定し、短いほうの端縁６４および６６は、スーパーキャパシタ６１の、約１７ｍｍである横方向の幅「Ｗ₁」を規定する。図８において、Ｌ₁およびＷ₁は、それぞれ線６７および６８により示される。スーパーキャパシタ６１はまた、端縁６４および６６のそれぞれから外側に長手方向に延びて、スーパーキャパシタを周辺の回路に電気的に接続することのできる端子６９および７０も含む。端子の長手方向の範囲を考慮すると、スーパーキャパシタ６１の長手方向の長さ「Ｌ₂」は、約４２．５ｍｍである。図８において、Ｌ₂は、線７１により示される。

スーパーキャパシタ６１は、同じ寸法を有するが下向きである点で面６２と同様の底面（図示せず）を含む。この底面は、使用時に、スーパーキャパシタが実装されている回路基板（図示せず）の付近に近接するか、または回路基板に接する。加えて、端子６９および７０は、使用時に、回路基板上のそれぞれの接点にはんだ付けされるか、または電気的に接続されて、他の構成要素との電気的接続に影響に作用する。

スーパーキャパシタ６１は、隣接する端縁６３から６６の間において、理想的には直交する交差部分を有して示されているが、通常の製造状況下では、たとえば丸くなった角部等の何らかの変形がここから必然的に生じ、実質的に垂直な端縁等が示されているにすぎない。

Ｌ₁とＷ₁との積は、スーパーキャパシタ６１のフットプリントに対する定量化を行なう。そして、このフットプリントは、スーパーキャパシタが実装されるべき回路基板上でスーパーキャパシタが必要とする最小面積であり、上で言及した製造上の通常の変動に適応しなければならない。一般に、このようなフットプリントは、基板の設計者によって規定され、Ｌ₁およびＷ₁の両方が設定される。他の実施例では、面積が指定されてＬ₁および／またはＷ₁がスーパーキャパシタの製造により求められるため、設計上のより多くの柔軟性が提供される。

スーパーキャパシタ６１は、３９ｍｍ×１７ｍｍ、すなわち約６６３ｍｍ²のフットプリントを含む。しかしながら、回路基板の設計者の中には、フットプリント内において、端子６９および７０が占める回路基板の面積を含む者もある。この場合、スーパーキャパシタ６１は、４２．５ｍｍ×１７ｍｍ、すなわち約７２２．５ｍｍ²のフットプリントを含む。便宜上、端子を除外したスーパーキャパシタ６１のフットプリントを、「フットプリント」と呼び、端子を含むスーパーキャパシタのフットプリントを、「総フットプリント」と呼ぶ。

スーパーキャパシタ６１は、面６２に対して垂直に測定されたスーパーキャパシタの最大高さである、高さ「Ｈ」（図示せず）を有する。実際に、この高さは、スーパーキャパシタ６１が実装されるべき回路基板に対して垂直に測定される。梱包の観点から見たスーパーキャパシタの体積は、フットプリント（または総フットプリント）と高さとの積であるが、これは、スーパーキャパシタが取って代わった実際の体積よりも僅かに大きいことが考えられる。

表１は、この発明の実施例と併用するのに適した、炭素二重層スーパーキャパシタの形をとった超容量性デバイスの多数の例を含む。シングルセルスーパーキャパシタは、そのそれぞれのモデル名の最初の数字として「１」を含み、２．２５ボルトの動作電圧を有する。このモデル名は、本願の共同出願人によってデバイスに適用されたものである。

図９は、２つのセル（図示せず）を有するスーパーキャパシタ７５の形をとったマルチセルスーパーキャパシタの上面図であり、ここでは、対応する特徴が、対応する参照番号によって記されている。スーパーキャパシタ７５の端子６９および７０はいずれも、端縁６６から長手方向に延び、第３の端子７６は、端縁６４から反対方向の長手方向に延びる。端子７６は、２つのセル間の接続に対する、外部からの電気的アクセスを提供して、主に、それらのセルの両端の電圧の平衡を保つ。スーパーキャパシタ７５についてのＬ₁、Ｌ₂、およびＷ₁は、それぞれ２８．５ｍｍ、３２．５ｍｍ、および１７ｍｍである。

表１は、この発明の実施例とともに用いるのに適した、炭素二重層スーパーキャパシタの形をとった超容量性デバイスの多数の例を含む。モデル番号は、本願の共同出願人によってデバイスに割当てられたものである。マルチセルスーパーキャパシタは、そのそれぞれのモデル名における最初の数字として「２」を含み、４．５ボルトの動作電圧を有する。

上の表において、第２列は、それぞれのスーパーキャパシタの動作電圧を指し、第３列、第４列、および第５列はそれぞれ、ミリメートルで表示された、Ｌ₁、Ｗ₁、およびＨの値を指す。第６列は、ｍｍ²表示のフットプリントを提示するための、Ｌ₁とＷ₁との単なる積である。総フットプリントが要求される場合、Ｌ₁よりもＬ₂が用いられる。第７列は、スーパーキャパシタの実装体積を提示し、第８列は、スーパーキャパシタについてのＥＳＲを含む。提示された値は公称値であり、通常の製作公差により、同様のデバイス間で変動する。

これらのスーパーキャパシタは、この発明の実施例に適する。なぜなら、これらのスー
パーキャパシタが、所定のフットプリントおよび所定の実装体積に対して相対的に高いキャパシタンスと低いＥＳＲとを達成するためである。一例として、図１０を参照する。図１０は、上述の表に記載されたスーパーキャパシタに関し、キャパシタンスおよびＥＳＲがともにフットプリントに対して正規化されたときの、それぞれのＥＳＲの逆数に対するキャパシタンスのプロットを提示する。すなわち、ｘ軸は、フットプリント／ＥＳＲ（Ｅ_fpと呼ばれる）であり、ｍｍ²／ｍΩで表示され、ｙ軸は、キャパシタンス／フットプリント（Ｃ_fpと呼ばれる）であり、ミリファラド（ｍｍ²で表示される。上述のスーパーキャパシタに関し、（Ｅ_fp＋Ｃ_fp）^0.5は、約４よりも大きい。しかしながら好ましくは、（Ｅ_fp＋Ｃ_fp）^0.5は、約５よりも大きい。図９から注目されるように、スーパーキャパシタの中には、約１０よりも大きな（Ｅ_fp＋Ｃ_fp）^0.5を提供するものもあり、また或る場合、（Ｅ_fp＋Ｃ_fp）^0.5は、約６６よりも大きい。

フットプリントではなく総フットプリントが用いられる場合、上述の数字はそれに応じて再び計算される。

この発明の或る実施例の設計では、ＥＳＲがより重要な設計の要件であり、この発明のまた或る実施例の設計では、キャパシタンスがより重要な設計の要件であることを、当業者は認識するであろう。このことは、用いられるバッテリまたは他の電源の出力インピーダンス、負荷の入力インピーダンス、および負荷のパルス特性を含む多数の要因に依存する。

ＥＳＲが実施例に対してより重要な設計の要件である場合、この要件は、Ｅ_fpを約４ｍｍ²／ｍΩよりも大きく、より好ましくは約５ｍｍ²／ｍΩよりも大きく選択することにより、最良の態様で満たされる。或る実施例において、Ｅ_fpは、約１０ｍｍ²／ｍΩよりも大きく、また或る実施例において、Ｅ_fpは、６６ｍｍ²／ｍΩよりも大きい。

キャパシタンスが実施例に対してより重要な設計の要件である場合、この要件は、Ｃ_fpを約０．１５ｍＦ／ｍｍ²よりも大きく、より好ましくは約０．５ｍＦ／ｍｍ²よりも大きく選択することにより、最良の態様で満たされる。実施例によっては、Ｃ_fpが、約１ｍＦ／ｍｍ²よりも大きいものがある。

この発明の実施例の中には、スーパーキャパシタのフットプリントだけでなく、高さにも厳しい制約が存在するものがある。たとえば、ＰＣＭＣＩＡカードで用いるための実施例について、カード自体の高さは単に約５ｍｍであるが、他の構成要素が収容されると、この高さは、スーパーキャパシタに対して約２．３ｍｍ未満の無歪み余裕（headroom）しか残さない。経験する電流および電圧の負荷に対し、所定の体積に対する相対的に高いキャパシタンスと相対的に低いＥＳＲとを提供することが必要とされる。このことは、上記の表のスーパーキャパシタで見受けられるもの等の特性を有するスーパーキャパシタを選択することにより、この発明の実施例によって達成され得る。

図１１は、表１のスーパーキャパシタのすべてについての、ｍｍ³／ｍΩで表示された単位体積当たりのＥＳＲの逆数（Ｅ_volと呼ばれる）に対する、ｍＦ／ｍｍ³で表示された単位体積当たりのキャパシタンス（Ｃ_volと呼ばれる）のプロットを提示する。すべてのスーパーキャパシタが、６ｍｍ³／ｍΩよりも大きなＥ_volを提供し、或るスーパーキャパシタは、約２０ｍｍ³／ｍΩよりも大きなＥ_volを提供し、また或るスーパーキャパシタは、約１００ｍｍ³／ｍΩよりも大きなＥ_volを提供する。Ｃ_volに関し、すべてのスーパーキャパシタは少なくとも０．０９ｍＦ／ｍｍ³を提供するが、或るスーパーキャパシタは約０．５ｍＦ／ｍｍ³よりも大きなものを提供する。また或るスーパーキャパシタに関し、Ｃ_volは、約２ｍＦ／ｍｍ³よりも大きい。

図１２は、図１１に類似しており、２．３ｍｍ未満の厚さを有する表１のスーパーキャパシタのみについての、対応するデータを示す。これらのデバイスは、ＰＣＭＣＩＡカードで用いるのに特に適しており、この発明の１つ以上の局面に従い、負荷の特性に依存して一般に作動し得る。すなわち、電源によって供給される電流を、その容認可能な最大限度内に抑制する一方で、負荷（ＰＣＭＣＩＡカードまたはそのカード内の構成要素、たとえばＧＳＭ通信モジュール）が、容認可能な最大限度よりも大きくかつ短い持続期間の最大電流を、周期的、断続的等の態様で消費することを可能にする。

次に図１３を参照する。図１３では、表１のスーパーキャパシタに関し、フットプリントに対して正規化されたときの、μｓｅｃ／ｍｍ²で表わされたそれぞれのＲＣ時定数（Ｔ_fpと呼ばれる）のプロットを示す。この発明で企図される負荷に関し、約１５μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きなＴ_fpを有する超容量性デバイスが、最も良く用いられることが分かっている。実施例の中には、Ｔ_fpが４０μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きいものがある。さらに別の実施例において、Ｔ_fpは、約１２０μｓｅｃ／ｍｍ²よりも大きい。

次に、図１４を参照する。図１４では、所定のパルス幅に対する超容量性デバイスの実効キャパシタンス（Ｃ_eff）のプロットが示される。そのパルス中に、通信モジュールは、超容量性デバイスを含む電源からの実質的な定電流を必要とする。Ｃ_effは、超容量性デバイスに対する公称ＤＣキャパシタンスの割合として表わされる。この特定の例において、超容量性デバイスは、モデル名ＧＷ２０９Ｄを有しかつ１２０ｍＦの公称ＤＣキャパシタンスを有する、表１のスーパーキャパシタである。パルス幅が狭くなるにつれてＣ_effが下がることに注目されるべきである。ＧＰＲＳ信号を例にとると、スーパーキャパシタが負荷に電流を供給する期間は、送信パルス中であり、これは、０．５７７、１．１５４、または２．３０８ｍｓｅｃの持続期間を有する。Ｃ_effに対して決定的な期間は、送信パルス中である。図１４に提示した例に関しては、所定のパルス幅に対し、Ｃ_effは、約３０％よりも依然として大きい。表１の他のスーパーキャパシタに対しても同様の結果が得られる。したがって、このスーパーキャパシタが、
・単位体積当たりの高キャパシタンス、
・単位フットプリント当たりの高キャパシタンス、
・通信モジュールで一般に使用されるパルス幅に対する高い実効キャパシタンス、
・単位フットプリント当たりの低ＥＳＲ、
・単位体積当たりの低ＥＳＲ、および
・単位フットプリント当たりの高時定数
を提供することが分かった。

単位体積または単位フットプリント当たりの高キャパシタンスの組合せは、スーパーキャパシタが経験するパルス幅に対する高い実効キャパシタンスと組合わせると、特に有利である。

表１に記載したスーパーキャパシタはすべて、その内容がこの明細書において相互参照により援用されるＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＡＵ０１／０１６１３号に開示された方法に従って形成された、炭素二重層スーパーキャパシタである。このスーパーキャパシタは、封止されたパッケージ内で積み重ねられた、炭素被覆アルミニウムシート電極の１つ以上の対を含む。スーパーキャパシタの高さに対する設計上の制約がある場合、可能であれば、被覆電極のできるだけ多くの対を使用することが、発明者により認識されている。上で言及した特許出願から理解されるように、スタック内の代替電極が互いに電気的に接続されて、パッケージから延びるそれぞれの端子に接続される。この発明においてより多くの数の電極の対を使用することは、所定のフットプリントおよび体積に対するキャパシタンスを最大にしかつＥＳＲを最小にする効果を有する。

表１で言及したスーパーキャパシタはすべて、そのそれぞれの筐体内に少なくとも１対の電極を有する。しかしながら、一般的な対の数は、３から６個である。他の実施例において、特に高さの要件が許す場合、７つ以上の対の電極を有する超容量性デバイスが用いられる。

この明細書においてその開示内容が相互参照により援用される、ＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＡＵ９９／０１０８１号は、重量測定および容積測定のＦＯＭを教示している。なぜなら、スーパーキャパシタは、被覆の厚さと同じ大きさの次数の直径を有する炭素粒子を含む被覆を用いることにより、改良されるためである。発明者は、薄い被覆が、本願で開示されたこの発明の実施例の性能の利点に寄与することを認識している。すなわち、薄い被覆は、
・所定のパッケージの高さ内における１つ以上の追加の電極の対に対する余地、
・絶対的かつ容量測定の意味におけるＥＳＲの低下、
・ＤＣキャパシタンスの向上、および
・パルス応答の向上
を提供する。

この発明の実施例は、５０ミクロン未満の厚さ、好ましくは約３６ミクロン未満の厚さの、電極上の被覆を用いる。ＧＰＲＳ信号に関する実施例に関し、厚さが約１４ミクロン未満の、電極上の被覆が用いられる。しかしながら、実施例の中には、厚さが約６ミクロン未満の被覆が用いられる。

この発明の実施例によって提供されるもの等の、より良好な負荷の調整は、実行時間（runtime）の増大、より低いビット誤り率、より少ない位相エラー等を含む多くの利点を提供する。特に図１は、ビット誤り率（Bit Error Rate（ＢＥＲ））を求めるために、受信されたデータと送信されたデータとの比較を示す。負荷の調整が改善されることにより、発振器回路および変調回路の性能が向上し、それによって位相エラーを減らし、それによってＢＥＲを下げる。これにより、モジュール２における位相エラーが仕様を超える前に、より長いバッテリの実行時間が可能になり、すなわち、バッテリのより多くの放電を可能にする。

この明細書の教示から、他の実施例において、電源５１が、コンピュータ内に配置され、かつこのコンピュータが無線ＬＡＮと通信することを可能にする無線通信カードに関連付けられていることを当業者は認識するであろう。コンピュータは、或る実施例ではデスクトップ型コンピュータであるが、また或る実施例ではラップトップ型コンピュータまたは他のコンピュータが用いられる。

特定の例を参照してこの発明を説明してきたが、この発明が他の多くの形態で実現され得ることを当業者は認識するであろう。

この発明に従った電源を含むセルラー式電話のハンドセットの概略図である。図１の電源の拡大概略図である。高電力消費モードで作動しているＧＰＲＳモジュールに供給を行なうバッテリモジュールについての電圧および電流の波形の掃引線を示す図である。図３のバッテリモジュールが８個の４７０Ｆのタンタルキャパシタに並列接続された場合における、そのバッテリモジュールについての、対応する電圧および電流の波形の掃引線を示す図である。図３のバッテリモジュールが７０ｍΩのＥＳＲを有する１つの３８０ｍＦスーパーキャパシタに並列接続された場合における、そのバッテリモジュールについての、対応する電圧および電流の波形の掃引線を示す図である。８ＰＳＫ変調方式についての位相図である。この発明の別の実施例に従った電源の概略図である。この発明の電源で用いるのに適したシングルセルスーパーキャパシタの上面図である。この発明の電源で用いるのに適したマルチセルスーパーキャパシタの上面図である。この発明の実施例で用いられる複数のスーパーキャパシタについてのプロットを示す図であり、このプロットは、スーパーキャパシタについての、キャパシタンスとＥＳＲとの両方がフットプリントに対して正規化されたときのキャパシタンスとＥＳＲの逆数とを有する。この発明の実施例で用いられる複数のスーパーキャパシタについてのプロットを示す図であり、このプロットは、スーパーキャパシタについての、キャパシタンスとＥＳＲとの両方が実装体積に対して正規化されたときのキャパシタンスとＥＳＲの逆数とを有する。２．３ｍｍ未満の高さを有するスーパーキャパシタにのみについての、図１１と同様のプロットを示す図である。この発明の実施例で用いられる複数のスーパーキャパシタについてのプロットを示す図であり、このプロットは、スーパーキャパシタについての、フットプリントに対して正規化されたときのＲＣ時定数を有する。超容量性デバイスが曝されるパルス幅の範囲に対する、このデバイスにより提供される実効キャパシタンスのプロットを示す図である。

Claims

負荷電流を消費する負荷に対し、予め定められた電流限界までの電源電流を提供する供給レールと、
供給レールまたは負荷に並列接続されて、予め定められた電流限界未満に電源電流を維持しながら、予め定められた電流限界を負荷電流が一時的に超えることを可能にするための超容量性デバイスとを備える、電源。
超容量性デバイスは、０．０３ｍｓｅｃパルスに対して１０％以上の実効キャパシタンスを有する、請求項１に記載の電源。
超容量性デバイスは、１ｍｓｅｃパルスに対して３５％以上の実効キャパシタンスを有する、請求項１に記載の電源。
超容量性デバイスは、１０ｍｓｅｃパルスに対して５５％以上の実効キャパシタンスを有する、請求項１に記載の電源。
負荷のための電源であって、
負荷に電圧を提供するための電圧レールと、
予め定められたフットプリントおよび予め定められたＥＳＲを有して、負荷に並列接続されたレールに接続するための超容量性デバイスとを備え、予め定められたフットプリントと予め定められたＥＳＲとの商は、約４ｍｍ²／ｍΩよりも大きい、電源。
商は、約５ｍｍ²／ｍΩよりも大きい、請求項５に記載の電源。
商は、約１０ｍｍ²／ｍΩよりも大きい、請求項５に記載の電源。
商は、約６６ｍｍ²／ｍΩよりも大きい、請求項１に記載の電源。
負荷のための電源であって、
負荷に電圧を提供するための電圧レールと、
予め定められた体積および予め定められたＥＳＲを有して、負荷に並列接続されたレールに接続するための超容量性デバイスとを備え、予め定められた体積と予め定められたＥＳＲとの商は、約６ｍｍ³／ｍΩよりも大きい、電源。
商は、約２０ｍｍ³／ｍΩよりも大きい、請求項９に記載の電源。
商は、約１００ｍｍ³／ｍΩよりも大きい、請求項１０に記載の電源。
スーパーキャパシタは、２．３ｍｍ未満の高さを有する、請求項９に記載の電源。
電圧レールは、バッテリ電源により供給を受ける、請求項９に記載の電源。
電圧レールは、調整電源により供給を受ける、請求項９に記載の電源。