JP2006191796A - 電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための電流制御回路および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流制約付き電源であってもよい電源から負荷および電池へ供給される電流を制御するための電流制御回路を提供する。
【解決手段】電流制限制御回路は、プログラムされる電流制限に従って、電源によって負荷に供給される電流を制限する。負荷電流が測定され、入力充電器制御回路は、測定された負荷電流と、電池に供給されるようにプログラムされる電池電流との間の差に基づいて、電池への電流の大きさを制御し、その結果、負荷電流と電池電流との合計がプログラムされる電流制限内に維持されるようにする。
【選択図】図２

Description

技術分野
この開示は一般に、電流制約付き電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための電流制御回路および方法論に関する。特に、この開示は、電源から引込まれる総電流が予め定められた制限内に維持されるように、負荷電流に基づいて電池充電電流を制御するための電流制御回路および方法論に関する。

背景
たとえばラップトップコンピュータ、ＰＤＡ、デジタルカメラ、およびＭＰ３プレイヤーなどの携帯用電子機器に電力を供給するために、充電式電池が一般に使用される。そのような携帯用電子機器の多くは、たとえば電源アダプタ、ＵＳＢ、ファイアワイヤ、およびイーサネット（登録商標）などの外部電源に機器が接続されるたびに電池を充電するための回路を含む。たとえば、ＵＳＢはそれ自体が、機器に直接に電力を供給し、電池を充電するために使用され得る。ＵＳＢ規格に従って、ＵＳＢホストまたはＵＳＢを動力源とするハブは、公称５Ｖの電源から５００ｍＡ程度の電流を供給する。ＵＳＢは電流制約付き電源として公知である。

図１は、電力を負荷に与え、電池を充電するための、携帯用ＵＳＢ装置に組入れられる回路トポロジーを示す概略図である。図１に示されるように、ＵＳＢリニア充電器２は概して、電池４に直接に電流制約付き電力を与え、システム負荷６は電池４と並列に繋がれる。このトポロジーはＵＳＢ電流制約を維持するが、ＵＳＢ入力電圧から電池電圧への実質的な電圧降下が存在するという点で効率を犠牲にしている。負荷６が電池４に直接に繋がれるので、電池電圧が非常に低いか、または電池４が上がっている場合には、アプリケーションを動かすために負荷６に印加される十分な電圧がないことになる。システム負荷６への電圧入力は電池電圧であり、システム負荷６によって引込まれる電流は、電池電圧によって分割される、負荷６に必要な電力に等しい。これは、たとえ負荷６および電池４に与えられる外部電源が存在するとしても当てはまる。なぜなら、電池は負荷６に印加される電圧を要求するからである。電池４が十分に放電されるとき、いかなる負荷が電池に接続され得る前にも、数分間の充電が必要であろう。さらに、多くの電池または携帯型のアプリケーションは、５００ｍＡのＵＳＢ規格を超える可能性のあるピーク電流を有する。負荷６のピーク電流がＵＳＢ規格を超えるときには、電流制約付き電源からＵＳＢリニア充電器２への入力電流は適切に制御される必要がある。

本明細書に記載される主題は上記の欠点に対処するが、上記の欠点に限定されるものではない。

概要
この開示は、電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための電流制御回路および方法論を記載する。１つの局面では、電源から負荷への電流を制限するための電流制限はプログラム（プリセット）されてもよい。負荷電流は好ましくは測定され、電池への電流の大きさは、測定された負荷電流と電池に供給されるようにプログラムされる電池電流との間の差に基づいて制御されてもよく、その結果、負荷電流と電池電流との合計が
プログラムされる電流制限内であるようにする。別の局面では、電池への電流の大きさは、負荷電流と電池電流との合計がプログラムされる電流制限内であるように、測定された負荷電流の関数で制御される。

１つの実施例では、電源は電流制約付き電源であり、プログラムされる電流制限は電流制約付き電源が電流を供給する容量に従って決定される。たとえば、電源はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）電源であってもよく、負荷および電池はＵＳＢを動力源とする装置を構成してもよい。

別の実施例では、負荷および電池電圧は好ましくは監視される。負荷電圧が電池電圧より降下するとき、電池は電流を負荷に与えてもよい。

さらに別の実施例では、電流を負荷および電池に供給するための追加の電源の存在が検出されてもよい。追加の電源の存在が検出されるとき、追加の電源が電流を負荷および電池に供給することを可能にするために、電源からの負荷電流および電池電流は切られる。追加の電源は負荷に接続されてもよく、負荷から電力が電池に与えられる。

さらに別の実施例では、電源および負荷を相互接続する回路経路があり、電池は電池充電電流を制御するための回路を介して回路経路に接続されて、電池電圧が回路経路上の電圧を要求することを防ぐ。

電源が電流制約付き電源であるとき、電池充電電流の大きさは、負荷電流と電池電流との合計がプログラムされる電流制限内であるように、測定された負荷電流に基づいて制御されてもよい。電源が電流制約付きでないとき、プログラムされる大きさと等価の大きさの電池充電電流が電池に与えられる。

この開示のさらなる局面および利点は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかとなり、以下の詳細な説明の中には、この開示を実施するために意図される最良の形態を単に示すことによって、この開示の例示的な実施例のみが示され、記載される。理解されるように、この開示は他のおよび異なる実施例が可能であり、そのいくつかの詳細はさまざまな明らかな点で修正が可能であり、すべてはこの開示から逸脱することはない。したがって、図面および記載は本来例示的なものとしてみなされるべきであり、制限的なものとしてみなされるべきではない。

ここにクレームされる主題の例は添付の図面の図に示され、そこでは参照番号が同様の要素を指す。

詳細な説明
図２は、電流制約付き電源から負荷および電池への電流を制御するための電流制御回路の１つの実施例を示す。この実施例は、電池を動力源とするアプリケーションを電流制約付き電源から提供する一体化された電池充電器およびパワーマネージャに関する。この考え方は、このような電流制約付き電源から電力を供給されるアプリケーション負荷が存在する際に電池充電電流を最大にするというものである。この実施例において設計される基本的な動作は、好ましくは、電流制約付き電源からの電流を一定および設定可能に維持することである。さらに、この実施例は、残量が少ないか、または上がっている電池が存在する際にアプリケーション負荷の動作を可能にする。

この実施例では、電流制約付き電源はＵＳＢであってもよい。図１に示される電流制御回路１０は、携帯用の電池を動力源とするＵＳＢアプリケーションにおいて作動するよう
に設計されるＵＳＢパワーマネージャおよびリチウムイオン電池充電器として機能するが、それらの機能に限定されるものではない。電流制御回路１０は単一のチップ上に形成されてもよく、それらの携帯用の電池を動力源とするアプリケーションに組入れられてもよい。

電流制御回路１０は、利用可能な電源に負荷４０を向け、電流制約付き電源からの任意の利用可能な残余の電流を用いて電池５０を充電するように構成されてもよい。この実施例では、ＵＳＢ（Ｖ_BUS）、電源アダプタＡＣ、および電池５０は、負荷４０が利用可能な電源であり得る。ＵＳＢが存在するとき、回路１０はＵＳＢ電源を回路経路７０を介して直接に負荷４０に接続する。ＵＳＢと電源アダプタＡＣとの両方が存在するとき、回路は電源としてＵＳＢに取って代わるように電源アダプタＡＣを選択してもよい。これらの負荷４０への直接的な接続は、以下に記載される負荷電圧の増加および効率の向上に繋がる。

ＵＳＢホストまたはＵＳＢを動力源とするハブは、公称５Ｖの電源から５００ｍＡ程度の電流を供給する。可能な限り高い入力電圧で負荷４０を動かすことは、回路経路７０からの電流引込みを最小にし、電池充電のための電流をより多く残す。この実施例における電流制御回路１０は、電池５０が必要でないとき、たとえば、電池５０が充電されている間、電池電圧が低いとき、または電池５０が上がっているか、もしくは欠落しているときに、回路経路７０から電池５０を切り離すトポロジーを有する。ＵＳＢ電源電圧（電池電圧ではない。図１参照。）で負荷４０を動かす効率が向上することは、５００ｍＡのＵＳＢの供給の中に電池５０を充電するための電流がより多く残されることを意味する。電池５０は回路経路７０の中に存在しないが、負荷４０がＵＳＢまたは電源アダプタＡＣに繋がれるので、たとえ電池５０の残量が少ないか、または上がっている場合でも、負荷４０は電力を供給されることができる。同じ理論が、フル充電される電池５０に適用される。以下（理想ダイオード機能）に説明されるように、ＵＳＢまたは電源アダプタが取外されない限り、フル充電される電池５０であっても回路経路７０の中にはない。

電流制御回路１０は、変化する負荷条件のもとで電池を充電しながら、ＵＳＢ電流が制限されることを維持する独自の電流制御スキームを実現する。この電流制御スキームでは、電流制御回路１０は負荷４０への電流を監視し、応答して、制限されるＵＳＢ電流内に回路１０への入力電流を維持するように充電する電池のための電流を増加または減少させる。

図２を参照して、電流制御回路１０は入力端子１２を含んでもよく、それは端子１２へ制約付き電流を与えるＵＳＢ電源Ｖ_BUSに接続される。出力端子１４は、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSから、またはＵＳＢ電源が存在しないときには電池１６から、負荷４０へ制御される電力を与えるために使用される。出力端子１４は、さらに、ＵＳＢ電源が存在しないときに電池５０を充電するための入力として使用されることができるが、電源アダプタＡＣからの電力はショットキーダイオード７８などの一方向電流装置を介して端子に与えられる。入力端子１２および出力端子１４は、回路経路７０によって相互接続される。入力端子１２、および電池５０が接続される電池端子１６は回路経路７６によって相互接続される。電池端子１６は、電池５０を充電するときには出力として、電池電力を出力端子１４に供給するときには入力として使用されることができる。電池５０の一例はリチウムイオン電池である。

電流制御回路１０は、入力端子１２と出力端子１４との間に設けられるＦＥＴ２４を含む電流制限コントローラ２２を含む。電流制限コントローラ２２は、負荷４０への出力電流Ｉ_OUTを入力電流制限Ｉ_CL内に制限するために、ＦＥＴ２４を制御するために構成されてもよい。入力電流制限Ｉ_CLは、たとえば、外部抵抗器（図示せず）によってプログラム
されてもよい。たとえば、入力電流制限Ｉ_CLは、ＵＳＢ規格に従って、５００ｍＡに設定されてもよい。この例では、電流制限コントローラ２２は負荷４０のための出力電流Ｉ_OUTを５００ｍＡに制限し得る。電流制限コントローラ２２は好ましくは、出力電流Ｉ_OUTを測定して（出力電流Ｉ_OUTを検出して）、出力電流Ｉ_OUTを電流制限Ｉ_CL内に制限するように、測定された（検出された）電流を使用するための電流測定ユニット（図２には図示されないが、図４を参照）を含むか、または電流測定ユニットに結合される。

電流制御回路１０は、さらに、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSを起点とする経路から電池５０を切り離すことのできる入力充電器コントローラ３０を含む。したがって、電池５０は回路経路７０上の電圧を要求しない（図１参照）。入力充電器コントローラ３０は、測定された出力電流Ｉ_OUTを回路経路７０上で受取るように電流制限コントローラ２２に結合されてもよい。応答して、入力充電器コントローラ３０は、入力端子１２ｂと電池端子１６との間に接続されるＦＥＴ３５を制御して、電池５０を充電するために電池充電電流Ｉ_BATの大きさを増加または減少させる。この実施例では、入力充電器コントローラ３０は、測定された出力電流Ｉ_OUTと、電池５０へ供給されるようにプログラムされる電池電流Ｉ_BATとの間の差に基づいて、電池充電電流Ｉ_BATを制御する。電池充電電流Ｉ_BATは、出力電流Ｉ_OUTと電池充電電流Ｉ_BATとの合計（総電流Ｉ_OUT＋Ｉ_BAT）が入力電流制限Ｉ_CL内に維持されるように、制御される。要約すると、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSから充電するときに、電池充電電流Ｉ_BATは結局、プログラムされる電流制限Ｉ_CLまたはプログラムされる充電電流のうちの小さいほうになる。したがって、入力電流制限を超えることは決してないことになる。

電流制御回路１０は、さらに、理想ダイオード３６を含み、その実現例はたとえばリニアーテクノロジーコーポレイション（Linear Technology Corporation）によって製造される、商業的に利用可能なＬＴＣ４４１３デュアル理想ダイオード集積回路において周知であり、これはその対応するデータシートに記載され、引用によって本明細書に援用される。出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下するとき、理想ダイオード３６は伝導を開始し、出力電圧Ｖ_OUTが回路経路７４を介して電池電圧Ｖ_BATより降下することを防ぐことになる。理想ダイオード３６は、さらに、出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより大きいとき、負荷４０から電池５０へ逆方向に伝導することを防ぐ。理想ダイオード３６を介して負荷４０に電力を供給する（負荷を直接電池に接続するのではなく）利点は、ＵＳＢ電源Ｖ_BUS（または電源アダプタＡＣ）が存在し、電池がフル充電されるときに、出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下するまでは電池がフル充電されたままであることである。

さらに、抵抗器８０および８２を介して、たとえば電源アダプタＡＣなどの外部電源の存在を検出するためのヒステリシス比較器が存在する。比較器６２の正の入力は、壁端子１８を介して電源アダプタＡＣに接続され、抵抗器８０および８２によって分割される電圧を与えられる。比較器６２は、分割された電圧とその負の入力に印加される１Ｖの電圧（この例の場合）とを比較する。分割された電圧が１Ｖより大きい場合、比較器６２の出力はロジックハイとなり、その結果、電源アダプタＡＣの存在が検出されることになる。

図２に従って、電源アダプタＡＣは、負荷４０および電池５０に電流を供給するように負荷４０に接続され得る。電源アダプタＡＣから電池５０を充電するために、出力充電器コントローラ３２は好ましくは、回路経路７２を介して出力端子１４および電池端子１６を接続するように設けられる。電源アダプタＡＣの存在が検出されるとき、出力充電器コントローラ３２が起動して、出力端子１４および電池端子１６を接続するようにＦＥＴ３４を制御し、これは電源アダプタＡＣが電池５０および負荷４０に電力を供給することを可能にする。電源アダプタＡＣの存在が検出されるとき、他方では、電流制限コントローラ２２および入力充電器コントローラ３０がディスエーブルされて、出力端子１４から入力端子１２への逆方向の伝導、および電池端子１６から入力端子１２への逆方向の伝導をそれぞれ防ぐ。

なお、ＦＥＴ３４は、電池５０から負荷４０へ電力を与えるように理想ダイオード機能を達成するために使用されてもよい。言い換えると、出力充電器コントローラ３２は、出力電圧Ｖ_OUTおよび電池電圧Ｖ_BATを監視し、出力端子１４および電池端子１６を接続して、出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下するときに電池１６から負荷１４へ電力を供給するようにＦＥＴ３４を制御するために構成されてもよい。

動作時において、電流制御回路１０は、電流制限コントローラ２２によって制限される入力電流制限Ｉ_CLを用いて、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSから負荷４０に電力を供給することと、電池５０を充電することとが同時に行われることをイネーブルする。電流制限コントローラ２２は出力電流Ｉ_OUTを測定する。出力電流Ｉ_OUTが電流制限Ｉ_CLを超える場合、電流制限コントローラ２２は出力電流Ｉ_OUTを電流制限Ｉ_CL内に制限するようにＦＥＴ２４を制御する。このような電流制限動作を用いて、出力電圧Ｖ_OUTは降下することになる。出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下するとき、理想ダイオード３６は電池５０から負荷４０へ電力を伝導し始めて、出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧より降下することを防ぐ。

入力充電器コントローラ３０は、測定された出力電流Ｉ_OUTを電流制限コントローラ２２から受取り、測定された出力電流と、電池５０に供給されるようにプログラムされる電池充電電流との間の差を得る。得られる差に基づいて、入力充電器コントローラ３０は電池電流Ｉ_BATを制御してもよい。測定された電流Ｉ_OUTの大きさに従って、入力充電器コントローラ３０は、総電流Ｉ_OUTおよびＩ_BATが電流制限Ｉ_CLを超えないという条件で、電池充電電流Ｉ_BATを増加または減少させる。

この例のために、電流制限Ｉ_CLが５００ｍＡであり、かつプログラムされる電池充電電流が５００ｍＡであると仮定する。測定される負荷４０への出力電流Ｉ_OUTが２００ｍＡであるとき、充電電流Ｉ_BATは３００ｍＡになる。測定される負荷４０への出力電流Ｉ_OUTが５００ｍＡであるとき、出力電流Ｉ_OUTと充電電流Ｉ_BATとの合計が５００ｍＡという電流制限Ｉ_CLを超えないように、充電電流Ｉ_BATは０になる。それに対して、測定される負荷４０への出力電流Ｉ_OUTが０であると、最大の５００ｍＡの充電電流Ｉ_BATが利用可能である。

電源アダプタＡＣがＵＳＢ装置に接続されるとき、入力充電器コントローラ３０および電流制限コントローラ２２はディスエーブルされる一方で、出力充電器コントローラは電源アダプタＡＣから電池１６への電力を出力端子１４から与えるようにイネーブルされる。このとき、出力端子１４は電池５０のための入力端子として機能する。したがって、電池５０を充電するために、出力端子１４および回路経路７２を介して、電力が電池５０に供給される。さらに、入力充電器コントローラ３０および電流制限コントローラ２２がディスエーブルされるので、ＦＥＴ２４および３５を介して出力端子１４から入力端子１２へ戻る逆方向の伝導経路はない。

たとえばＵＳＢ電源Ｖ_BUSまたは電源アダプタＡＣなどの入力電源がＵＳＢ装置から取外されるとき、出力電圧Ｖ_OUTは電池電圧Ｖ_BATより降下することになる。そうすると、理想ダイオード３６が起動し、ダイオードの順方向伝導は出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下することを防ぐ。したがって、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSおよび電源アダプタＡＣが利用可能でないとき、電力が電池５０から負荷４０に供給される。

電流制御回路の別の実施例が以下に記載される。この実施例では、回路への入力電流は制限状態を維持され、プログラム可能であり、プログラムされる充電電流から独立している。この実施例における回路は、出力電流Ｉ_OUTの関数で回路への入力電流を制御するために構成され得る。

図３は、この実施例に従う例示的な電流制御を説明するための高レベル概略図である。（図３に示される構成は、図２の電流制御コントローラ２２と入力充電器コントローラ３０との間を結合およびプログラミングするために使用されてもよい。）電流制限は、電流制約付き電源において必要な制限（図３では電流制限Ｉ_CL）に基づいてプログラムされる。電池充電電流もバッテリレートまたは所望の最大の充電レート（図３ではプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHG）に基づいてプログラムされる。プログラムされる電流制限Ｉ_CLは、電池充電電流のためのプログラムされる充電電流Ｉ_CHGから独立した、電流制約付き電源からの電流のための電流制限として機能することが可能である。電流制御回路が電源アダプタＡＣのような外部電源から電力を供給されるときには、プログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGが電流制限として機能する。

電源アダプタＡＣが存在せず、電力がたとえばＵＳＢ電流制約付き電源から供給されるとき、スイッチ９０はダイオード９２のアノードをダイオード９４のアノードに接続する。（Ｉ_CL−Ｉ_OUT）がプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGより小さいとき、実際の電池充電電流Ｉ_BATは（Ｉ_CL−Ｉ_OUT）に等しい。それに対して、（Ｉ_CL−Ｉ_OUT）がプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHG以上のとき、実際の電池充電電流Ｉ_BATはプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGに等しい。しかしながら、負荷への出力電流Ｉ_OUTが０であるときでさえ、実際の電池充電電流Ｉ_BATは、（たとえプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGの大きさが電流制限Ｉ_CLの大きさより大きいとしても）電流制限Ｉ_CLより大きくなり得ない。

出力電流Ｉ_OUTと実際の電池充電電流Ｉ_BATとの合計が、ＵＳＢ規格を満たすために、ＵＳＢ電流制約付き電源からの入力電流に等しいか、または入力電流より小さく、かつ電池充電電流Ｉ_BATが電流制限Ｉ_CL−出力電流Ｉ_OUTに等しいので、電流制約付き電源からの入力電流は電流制限Ｉ_CLに等しい。電源アダプタＡＣが存在するとき、スイッチ９０はダイオード９２のアノードをダイオード９４のアノードから切断し、たとえプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGが電流制限Ｉ_CLより大きいとしても、実際の電池充電電流Ｉ_BATはプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGに等しくなる。電源アダプタＡＣがＵＳＢ電流制約付き電源より多くの電力を有するので、電流制限Ｉ_CLはもはや必要なく、上記に記載されるように、プログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGによって取って代わられる。

図３に示される電流制御は、電池充電電流および入力電流の制限を独立して制御することを可能にする。この充電電流および入力電流の制限の独立した制御によって、電流制御回路は、電流制限Ｉ_CLおよび電池充電電流Ｉ_CHGを設定するために実行中にプログラミング抵抗器を変更することなく、異なる電流レベルで２つの独立した電源（たとえば、ＵＳＢ電流制約付き電源および電源アダプタ）から充電する能力を与えられる。

図４は、図３に示される電流制御を実現する電流制御回路の例示的な構成を示す。図２に記載されるように、図４に示される電流制御回路１００は、２つの異なる回路経路を介して負荷１０８に電力を与えるために構成されてもよい。１つの経路は、入力端子１０２から出力端子１０４への回路経路１１２である。別の経路は、電池端子１０６から出力端子１０４への回路経路１１６である。

なお、簡潔にするために図４は電源アダプタＡＣから電力を受取るためのトポロジーを示していない。しかしながら、図２に示されるように、図４に示されるトポロジーは電源アダプタＡＣから電力を受取るように容易に修正され得ることが当業者によって認識される。

電流制御回路１００は、電流制限コントローラ２００、電池充電器３００、電流コントローラ４００、および理想ダイオード５００を含んでもよい。電流制限コントローラ２０
０は、負荷１０８への出力電流Ｉ_OUTを測定することによって、プログラムされる電流制限Ｉ_CL（図３参照）内に回路経路１１２上の電流を制限するために構成されてもよい。電池充電器２００は、電流制限Ｉ_CLおよび測定された負荷電流Ｉ_OUTに基づいて、電池１１０への電池充電電流Ｉ_BATを制御するために構成される。電流制限Ｉ_CLおよび電池充電電流Ｉ_CHGは、たとえば、外部抵抗器によってそれぞれプログラムされ得る。電流コントローラ４００は、以下に記載されるように、電流制限Ｉ_CLおよびプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGを発生させてもよい。図４における電流制限Ｉ_CLおよびプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGは、負荷１０８および電池１０６に実際に供給される電流と比較すると、縮小された電流であることが当業者によって認識される。したがって、図４では、電流制限Ｉ_CLは、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSが電力を回路に供給しているときに、出力電流Ｉ_OUT（回路１００への入力電流Ｉ_IN）を制限するための基準電流として使用される一方で、プログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGも、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSまたは電源アダプタＡＣのいずれかが電力を回路に供給しているときに、電池充電電流Ｉ_BATを制御するための基準電流として使用される。

電流コントローラ４００は、さらに、測定された出力電流Ｉ_OUTおよびプログラムされる電流制限Ｉ_CLに基づいて電池充電器３００を制御し、その結果、出力電流Ｉ_OUTと電池充電電流との合計がプログラムされる電流制限Ｉ_CL内であることを維持するように電池充電電流Ｉ_BATが制御される。上記に説明されるように、理想ダイオード５００は好ましくは、出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下するときに電池１１０から負荷１０８へ電力を与えるために構成される。理想ダイオード５００は、さらに、電池を過充電し得るであろう、電池１１０の方に向けられる逆方向の伝導を防ぐことが可能である。

電流コントローラ４００では、電流源４０４は電流制限Ｉ_CLを発生させるようにプログラムされる。「プログラムされる」という用語は、この開示全体を通して、設計者によって電流の大きさを予め定められることを意味する。電流コントローラ４００は、トランジスタ４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを含む電流ミラー４０２を含む。電流ミラー４０２は、プログラムされる電流制限Ｉ_CLに等価の出力電流Ｉ_CL1およびＩ_CL2をトランジスタ４０２ｂ、４０２ｃからそれぞれ発生させる。コピー電流制限Ｉ_CL2は電流制限コントローラ２００に与えられ、電流制限Ｉ_CL2は、電流制限コントローラのための基準電圧を定める接地基準抵抗器２１２に与えられて、出力電流Ｉ_OUT（入力電流Ｉ_IN）を電流制限Ｉ_CL内に制限する。

電流制限コントローラ２００は、１／１０００の比率の電流をそれぞれ伝導するように大きさが決められる、トランジスタ２０２ａおよび２０２ｂを含む電流ミラー２０２を含み、トランジスタ２０２ａのドレインは増幅器２０４の反転入力およびトランジスタ２０６のソースに接続される。トランジスタ２０２ｂのドレインは増幅器の非反転入力および出力端子１０４に接続される。トランジスタ２０６のゲートは、トランジスタ２０２ａ、２０２ｂのドレイン電圧が確実に等しくなるように増幅器２０４の出力によって制御され、その結果、それらのトランジスタにおける出力インピーダンスの不整合エラーを最小にする。トランジスタ２０６のドレインは、抵抗器２０８を介して接地に接続される。

トランジスタ２０２ｂは大きなパワーデバイスであり、トランジスタ２０２ｂは出力電流Ｉ_OUTを検出するための（または出力電流Ｉ_OUTの測定のための）検出装置として機能するように設計される、上記パワーデバイスの縮小されたバージョンである。トランジスタ２０２ａを介する電流は抵抗器２０８に与えられ、抵抗器２０８において電圧が発生し、増幅器２１０の正の入力に印加される。この電圧は出力電流Ｉ_OUTに比例する。抵抗器２１２において電流制限Ｉ_CL2によって発生する基準電圧は、増幅器２１０の負の入力に印加される。増幅器２１０はそれらの電圧を比較し、トランジスタ２０２ａおよび２０２ｂのゲート電圧をサーボするためにそれらの電圧間の差を増幅する。トランジスタ２０２ａ
（検出装置）を介する電流がより大きくなり、その電流によって発生する電圧が電流Ｉ_CL2に対応する基準電圧を超え始めると、サーボループはトランジスタ２０２ａおよび２０２ｂのゲート電圧を減少させることなる。したがって、トランジスタ２０２ｂ（パワーデバイス）は出力電流Ｉ_OUTを一定に維持することができ、つまり、出力電流Ｉ_OUT（または入力電流Ｉ_IN）を電流制限Ｉ_CL内に制限することができる。

電流コントローラ４００の説明に戻って、コントローラは、出力電流Ｉ_OUTに対応する電圧を電流制限コントローラ２００の抵抗器２０８から与えられる。その電圧は、電流ミラー４１６を構成するトランジスタ４１６ａ、４１６ｂのゲートを制御するために使用される。電流ミラー４１６は、出力電流Ｉ_OUTに比例する電流Ｉ_Oを発生させるために設けられる。トランジスタ４１６ａのドレインは、トランジスタのゲート電圧をサーボするために基準電圧が発生される接地抵抗器４１８に接続される。抵抗器４１８において発生する電圧は増幅器４１４の正の入力に与えられ、抵抗器２０８において発生する電圧は増幅器の負の入力に与えられる。増幅器４１４はそれらの電圧を比較して、トランジスタ４１６ａ、４１６ｂのゲート電圧を制御する。

電池１１０への電池充電電流Ｉ_BATは、たとえば外部抵抗器によってプログラムされ得る。電流コントローラ４００では、電流源４１０は電池充電電流Ｉ_BATを発生させるためのプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGを発生させるようにプログラムされる。このプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGは電流制限Ｉ_CLから独立して設定されることができ、その大きさは電流制限Ｉ_CLの大きさより大きいか、または小さいことが可能である（図３参照）。電流コントローラ４００は、トランジスタ４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃを有する電流ミラー４１２を含む。トランジスタ４１２ｂ、４１２ｃは、プログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGと等価のコピー電流Ｉ_CHG1およびＩ_CHG2を出力する。

トランジスタ４１６ｂからの電流Ｉ_Oは、プログラムされる電池充電電流Ｉ_CHG2と合計される。電流制限Ｉ_CLのコピーである電流制限Ｉ_CL1は、トランジスタ４２０ａ、４２０ｂを有する電流ミラー４２０によって、電流Ｉ_CHG2と電流Ｉ_Oとの合計から減算される。結果として生じる電流（Ｉ_CHG2＋Ｉ_O−Ｉ_CL1）は、電流ミラー４２２を構成するトランジスタ４２２ａ、４２２ｂによってミラーされ、他のプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHG1から減算される。残余の電流Ｉ_D＝（Ｉ_CHG1−（Ｉ_CHG2＋Ｉ_O−Ｉ_CL1））は次いで、ダイオード４２４を介して流れ、電池充電器３００において電池充電電流Ｉ_BATを設定するために基準として使用される。

電流Ｉ_Dは、電池充電電流Ｉ_BATを制御するように電池充電器のための基準電圧を定める、電池充電器３００の接地基準抵抗器３０２に与えられる。電池充電器３００は、この例の場合、１／１０００の比率の電流をそれぞれ伝導するように大きさが決められる、トランジスタ３０４ａおよび３０４ｂを有する電流ミラー３０４を含む。トランジスタ３０４ｂは大きなパワーデバイスであってもよく、トランジスタ３０４ａはトランジスタ３０４ｂから電池１１０へ流れる電池電流Ｉ_BATを検出するための検出装置として機能する、上記パワーデバイスの縮小されたバージョンであってもよい。トランジスタ３０４ｂのドレインは電池を充電するために回路経路１１４を介して電池１１０に結合され、増幅器３０６の非反転入力に結合される。電池１１０のフル充電される端子電圧に対応する基準電圧ＲＥＦは、増幅器３０６の負の入力に印加される。たとえば、リチウムイオン電池は４．２Ｖというフル充電される端子電圧を有する。増幅器３０６は、ダイオード３１４を介してトランジスタ３０４ａ、３０４ｂのゲート電圧を制御するための電圧制御増幅器であり、その結果、電池電圧Ｖ_BATがたとえば４．２Ｖというフル充電される端子電圧に到達すると、電池充電電流Ｉ_BATを低減する。

トランジスタ３０４ａのドレインは、検出される電池充電電流Ｉ_BATが供給される接地
抵抗器３０８に接続される。抵抗器３０８においてその検出される電流によって発生する電圧は、増幅器３１０の正の入力に印加される。電流Ｉ_Dに対応する基準電圧は増幅器の負の入力に印加される。この例では、抵抗器３０２および３０８の比率は５０：１である。増幅器３１０はそれらの電圧を比較し、それらの電圧間の増幅される差をトランジスタ３０４ａ、３０４ｂのゲートに与えて、電池充電電流Ｉ_BATの大きさを制御する。より詳しくは、増幅器３１０は、抵抗器３０８の電圧が抵抗器３０２の電圧に等しくなるまで、ダイオード３１２を介してトランジスタ３０４ａ、３０４ｂのゲート電圧を引上げるか、または引下げる。

電流Ｉ_Dは電池充電電流Ｉ_BATに比例する。

Ｉ_D＝Ｉ_CHG1−（Ｉ_CHG2＋Ｉ_O−Ｉ_CL1）∝Ｉ_BAT
Ｉ_CHG1＝Ｉ_CHG2、Ｉ_CHG＞Ｉ_CL−Ｉ_OかつＩ_CL＝Ｉ_CL1であれば、Ｉ_D＝（Ｉ_CL−Ｉ_O）
Ｉ_DがＩ_BATに比例し、Ｉ_OがＩ_OUTに比例し、かつＩ_IN＝Ｉ_BAT＋Ｉ_Oであれば、
Ｉ_IN＝Ｉ_BAT＋Ｉ_O∝（Ｉ_CL−Ｉ_O）＋Ｉ_O∝Ｉ_CL
言い換えると、電流コントローラ４００は、出力電流Ｉ_OUTと電池充電電流Ｉ_BATとの合計が電流制限Ｉ_CL内であるように、電池充電電流Ｉ_BATを制御するために以下の処理を数学的に行なってもよい。

Ｉ_CL−Ｉ_OUT＜Ｉ_CHGであれば、Ｉ_BAT＝Ｉ_CL−Ｉ_OUT
Ｉ_CL−Ｉ_OUT≧Ｉ_CHGであれば、Ｉ_BAT＝Ｉ_CHG
Ｉ_CL−Ｉ_OUT＞Ｉ_BATであるとき上記の条件に基づいて、電池充電器３００は、総入力電流Ｉ_INが制限され、出力端子１０４の出力電流Ｉ_OUTから独立しているように見えるように、電池充電電流Ｉ_BATの大きさを制御する。

さらに、回路経路１１６は電力を負荷１０８に与えるために使用される。この実施例では、順方向電圧がショットキーダイオードまたは標準的なダイオードよりはるかに低いという点で、この経路は理想ダイオードに近いものになり得る。この低い順方向降下は、標準的なダイオードよりもはるかに効率を向上させることができ、したがってより長い電池の寿命を可能にする。理想ダイオード５００は、電池端子１０６と出力端子１０４との間に接続されるＰＭＯＳパワーデバイス５０２を含んでもよい。装置５０２のゲートは、ＰＭＯＳパワーデバイス５０２の電圧を５０ｍＶに調整するように構成される増幅器５０４によって制御される。

動作時において、電流制御回路１００は、電流制御コントローラ２００によって制限される入力電流制御Ｉ_CLを用いて、ＵＳＢ電源Ｖ_BUSから負荷１０８に電力を供給することと、電池１１０を充電することとが同時に行われることをイネーブルする。電流制限コントローラ２００は、トランジスタ２０２ａおよび抵抗器２０８によって、出力電流Ｉ_OUTを検出および測定する。測定された電流と電流制限Ｉ_CLとの比較によって、出力電流Ｉ_OUTが電流制限Ｉ_CLを超えることが明らかになる場合、電流制限コントローラ２００は次いで、トランジスタ２０２ａ、２０２ｂのゲート電圧を制御して、出力電流Ｉ_OUTを電流制限Ｉ_CLによって規定される大きさの範囲内に制限する。このような電流制限動作を用いて、出力電圧Ｖ_OUTは降下し得る。出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下するとき、理想ダイオード５００は、電池１１０から負荷１０４へ電力を伝導し始めて、出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧より降下することを防ぐ。

電流コントローラ４００は、測定された出力電流Ｉ_OUTから発生する基準電圧を受取り、出力電流Ｉ_OUTに比例する電流Ｉ_Oを発生させる。電流制限Ｉ_CL−電流Ｉ_Oがプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGより小さい場合、電流コントローラ４００は、電池充電電流Ｉ_BATがＩ_CL−Ｉ_OUTに等しくなるように、基準電流Ｉ_Dを電池充電器３００に与える。基準電
流Ｉ_Dは電池充電電流Ｉ_BATに比例する。それに対して、電流制限Ｉ_CL−出力電流Ｉ_OUTが電池充電電流Ｉ_CHG以上の場合、電池充電器３００は、実際の電池充電電流Ｉ_BATがプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGによって規定される大きさを有するように、電池充電電流Ｉ_BATを制御する。

電源アダプタＡＣがＵＳＢ装置に接続される場合、電流制限コントローラ２００はディスエーブルされてもよい。したがって、たとえプログラムされる電池充電電流Ｉ_CHGの大きさが電流制限Ｉ_CLの大きさより大きいとしても、電池充電器３００は、プログラムされる電池充電電流Ｉ_CHG（図３参照）によって規定される大きさを有する電池充電電流Ｉ_BATを出力する。

電源アダプタＡＣが接続されないとき、電流制限Ｉ_CLは５００ｍＡであり、かつプログラムされる電池充電電流は３００ｍＡであると仮定する。測定される負荷１０８への出力電流Ｉ_OUTが３００ｍＡであるとき、実際の充電電流Ｉ_BATは２００ｍＡになる（なぜなら、Ｉ_CL−Ｉ_OUT＜Ｉ_CHGであれば、Ｉ_BAT＝Ｉ_CL−Ｉ_OUTであるからである）。測定される負荷１０８への出力電流Ｉ_OUTが１００ｍＡであるとき、充電電流Ｉ_BATは３００ｍＡになる（なぜなら、Ｉ_CL−Ｉ_OUT≧Ｉ_CHGであれば、Ｉ_BAT＝Ｉ_CHGであるからである）。電源アダプタＡＣの存在が検出されるとき、電池充電電流Ｉ_BATは、プログラム電池充電電流Ｉ_CHGに等しい３００ｍＡになる。

他方で、電流制限Ｉ_CLは２００ｍＡであり、かつプログラムされる電池充電電流は５００ｍＡであると仮定する。測定される負荷１０８への出力電流Ｉ_OUTが１５０ｍＡであるとき、実際の充電電流Ｉ_BATは５０ｍＡになる（なぜなら、Ｉ_CL−Ｉ_OUT＜Ｉ_CHGであれば、Ｉ_BAT＝Ｉ_CL−Ｉ_OUTであるからである）。測定される負荷１０８への出力電流Ｉ_OUTが０であるとき、充電電流Ｉ_BATは２００ｍＡになる（なぜなら、Ｉ_CL−Ｉ_OUT＜Ｉ_CHGであれば、Ｉ_BAT＝Ｉ_CL−Ｉ_OUTであるからである）。電源アダプタＡＣの存在が検出されるとき、電池充電電流Ｉ_BATは、プログラム電池充電電流Ｉ_CHGに等しい５００ｍＡになる。なぜなら、プログラム電池充電電流Ｉ_CHGは電流制限Ｉ_CLとして機能するからである。

たとえばＵＳＢ電源Ｖ_BUSまたは電源アダプタＡＣなどの入力電源がＵＳＢ装置から取外されるとき、出力電圧Ｖ_OUTは電池電圧Ｖ_BATより降下することになる。次いで、理想ダイオード５００はイネーブルされ、ダイオードの順方向伝導は出力電圧Ｖ_OUTが電池電圧Ｖ_BATより降下することを防ぐ。

実施例を記載してきたが、上記の教示の観点から修正および変形が当業者によってなされ得ることが注目される。したがって、特許請求の範囲および等価物によって規定されるように、この開示の範囲および精神の範囲内である、開示される特定の実施例において変更がなされ得ることが理解されるべきである。

電力を負荷に与え、電池を充電するための、携帯用ＵＳＢ装置に組入れられる概略的な回路トポロジーの一例の図である。 この開示の１つの実施例に従う電流制御回路の例示的な構成の図である。 この開示の別の実施例に従う電流制御を説明する概略図である。 図３に示される電流制御を実現する電流制御回路の例示的な構成の図である。

符号の説明

１０ 電流制御回路
４０ 負荷
５０ 電池

Claims (24)

1. 電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための電流制御回路であって、
   プログラムされる電流制限内に前記電源から前記負荷への電流を制限するために構成される電流制限制御回路と、
   負荷電流を測定するために構成される負荷電流測定回路と、
   前記負荷電流測定回路に結合され、測定される負荷電流と、前記電池に供給されるようにプログラムされる電池電流との間の差に基づいて、前記電池への電流の大きさを制御するために構成されて、その結果、前記負荷電流と前記電池電流との合計が前記プログラムされる電流制限内であるようにする入力充電器制御回路とを含む、電流制御回路。
2. 前記電源は電流制約付き電源であって、
   前記プログラムされる電流制限は、前記電流制約付き電源が電流を供給する容量に従って決定される、請求項１に記載の電流制御回路。
3. 前記電源はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）電源であって、
   前記負荷および電池は、ＵＳＢを動力源とする装置を構成する、請求項２に記載の電流制御回路。
4. 前記負荷の電圧および前記電池の電圧を監視し、負荷電圧が電池電圧より降下するときに電流を前記負荷に与えるように前記電池をイネーブルするために構成される電圧監視回路をさらに含む、請求項１に記載の電流制御回路。
5. 電流を前記負荷および電池に供給するための追加の電源の存在を検出するための検出器をさらに含み、
   前記電流制限制御回路は、さらに、前記電源からの前記負荷電流を切るために構成され、前記入力充電器制御回路は、さらに、前記追加の電源の存在が検出されるときに、前記追加の電源が前記電流を前記負荷および電池に供給することを可能にするために、前記電源からの前記電池電流を切るために構成される、請求項１に記載の電流制御回路。
6. 前記電流制限制御回路を介して前記電源および前記負荷を相互接続するための第１の回路経路と、
   前記入力充電器制御回路を介して前記電源および前記電池を相互接続するための第２の回路経路と、
   出力充電器制御回路、前記第１の回路経路および前記第２の回路経路を介して前記負荷および前記電池を相互接続するための第３の回路経路とをさらに含み、前記出力充電器制御回路は、前記追加の電源の検出に応答して、前記負荷および前記電池を接続するために構成され、
   前記追加の電源は前記負荷に接続される、請求項５に記載の電流制御回路。
7. 出力充電器制御回路は、さらに、前記負荷の電圧および前記電池の電圧を監視し、負荷電圧が電池電圧より降下するときに前記第３の回路経路を介して電流を前記負荷に与えるように前記電池をイネーブルするために構成される、請求項５に記載の回路。
8. 前記電源および負荷を相互接続する回路経路をさらに含み、
   前記電池は、電池電圧が前記回路経路上の電圧を要求することを防ぐように、前記入力充電器制御回路を介して前記回路経路に接続される、請求項１に記載の回路。
9. 電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための電流制御回路であって、
   プログラムされる電流制限内に前記電源から前記負荷への電流を制限するために構成さ
   れる電流制限制御回路と、
   負荷電流を測定するために構成される負荷電流測定回路と、
   前記負荷電流測定回路に結合され、測定される負荷電流の関数で前記電池への電流の大きさを制御するために構成されて、その結果、前記負荷電流と電池電流との合計が前記プログラムされる電流制限内であるようにする入力充電器制御回路とを含む、電流制御回路。
10. 前記入力充電器制御回路は、最大の電池電流を設定する、前記測定される負荷電流およびプログラムされる電池電流に基づいて、前記電池電流の大きさを制御するために構成される、請求項９に記載の電流制御回路。
11. 前記電源は制限付き電流容量電源であって、
    前記プログラムされる電流制限は、前記制限付き電流源が電流を供給する容量に従って決定され、
    前記プログラムされる電池電流は前記電池の充電レートに従って決定される、請求項１０に記載の電流制御回路。
12. 前記電源はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）電源であって、
    前記負荷および電池は、ＵＳＢを動力源とする装置を構成する、請求項１１に記載の電流制御回路。
13. 前記入力充電器制御回路は、前記プログラムされる電流制限と前記測定される負荷電流との間の差を求め、応答して、前記差が前記プログラムされる電池電流より小さいときに前記電池電流を低減するために構成される、請求項１０に記載の電流制御回路。
14. 前記差を得るために、前記入力充電器制御回路は、前記測定される負荷電流と前記プログラムされる電池電流との合計から前記プログラムされる電流制限を減算し、前記プログラムされる電池電流から減算の結果を減算するために構成される、請求項１３に記載の電流制御回路。
15. 前記入力充電器制御回路は、前記差が前記プログラムされる電池電流の大きさ以上のときに、前記プログラムされる電池電流に対応する大きさを有する前記電池電流を前記電池に供給するために構成される、請求項１３に記載の電流制御回路。
16. 前記電池の電圧を監視し、電池電圧が予め定められた電圧に到達するときに前記電池電流を低減するために構成される電池電圧監視回路をさらに含む、請求項９に記載の電流制御回路。
17. 前記負荷の電圧および前記電池の電圧を監視し、負荷電圧が電池電圧より降下するときに電流を前記負荷に与えるように前記電池をイネーブルするために構成される負荷電圧監視回路をさらに含む、請求項９に記載の電流制御回路。
18. 電流を前記負荷および電池に供給するための追加の電源の存在を検出するための検出器をさらに含み、
    負荷電流制限回路は、さらに、前記電源からの前記負荷電流を切るために構成され、電池電流制御回路は、さらに、前記追加の電源の存在が検出されるときに、前記追加の電源が前記電流を前記負荷および電池に供給することを可能にするために、前記電源からの前記電池電流を切るために構成される、請求項１０に記載の電流制御回路。
19. 前記入力充電器制御回路は、さらに、前記追加の電源の存在が検出されるときに、前記
    プログラムされる電池電流に対応する大きさを有する前記電池電流を供給するために構成される、請求項１８に記載の電流制御回路。
20. 前記プログラムされる電池電流の大きさは、プログラムされる電流制限の大きさとは異なるように設定される、請求項１９に記載の電流制御回路。
21. 前記電源および負荷を相互接続する回路経路をさらに含み、
    前記電池は、電池電圧が前記回路経路上の電圧を要求することを防ぐように、前記入力充電器制御回路を介して前記回路経路に接続される、請求項９に記載の回路。
22. 電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための電流制御回路であって、
    プログラムされる電流制限内に前記電源から前記負荷への電流を制限するために構成される電流制限制御回路と、
    負荷電流の大きさを測定するために構成される負荷電流測定回路と、
    電池充電電流のためのプログラムされる大きさおよび測定される負荷電流の大きさに基づいて、前記電源から前記電池への電流を制御するために構成される入力充電器制御回路とを含み、
    前記電源が、電流を供給する容量が制限される電流制約付き電源であるとき、前記入力充電器制御回路は、前記測定される負荷電流に基づいて前記電池充電電流の大きさを制御して、その結果、負荷電流と電池電流との合計が前記プログラムされる電流制限内であるようにし、
    前記電源がこのような電流制約付き電源ではないとき、前記入力充電器制御回路は前記プログラムされる大きさと等価の大きさを有する前記電池充電電流を前記電池に与える、電流制御回路。
23. 電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための方法であって、
    前記電源から前記負荷への電流を制限するように電流制限をプログラムするステップと、
    負荷電流を測定するステップと、
    測定される負荷電流と、前記電池に供給されるようにプログラムされる電池電流との間の差に基づいて、前記電池への電流の大きさを制御して、その結果、前記負荷電流と前記電池電流との合計がプログラムされる電流制限内であるようにするステップとを含む、方法。
24. 電源から負荷および電池に供給される電流を制御するための方法であって、
    前記電源から前記負荷への電流を制限するように電流制限をプログラムするステップと、
    負荷電流を測定するステップと、
    測定される負荷電流の関数で前記電池への電流の大きさを制御して、前記負荷電流と電池電流との合計がプログラムされる電流制限内であるようにするステップとを含む、方法。

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