JP2006271175A

JP2006271175A - 電源装置

Info

Publication number: JP2006271175A
Application number: JP2005089778A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Fukuhara; 由久福原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】充電時間が短く効率の良い小型化された電源装置を提供することを課題とする。
【解決手段】バッテリへの充電を行う充電制御手段（４）と、電源電圧を負荷回路が必要とする電源電圧に変換する負荷電圧制御手段（５）と、充電制御手段及び負荷電圧制御手段の制御周波数を決定する発振手段（６，７）とを有し、発振手段は、充電動作モード又は負荷回路動作モードに応じて制御周波数を変化させることを特徴とする電源装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関するものである。

図５は、従来の充電制御手段２０４と負荷電圧制御手段２０５を備えた電源装置を示す図である。充電制御手段２０４と負荷電圧制御手段２０５は別々の集積回路２１３及び２１１に入っており、各々の制御手段に適した制御周波数を各々の発振回路２１２及び２０６で決定していた。

また、下記の特許文献１（図１）は、携帯型コンピュータに電力を供給する電源装置において、携帯型コンピュータの負荷状態に基づいてスイッチング周波数を切替える切替手段を備えたことを特徴とする。

特開平１０−２４８２４４号公報（図１）

しかしながら、さらなる集積化により充電制御手段２０４と負荷電圧制御手段２０５を一体化しようとすると、制御周波数を決定する発振回路を各々備えなければならず、部品点数の増加とピン数増加という欠点があった。また、発振回路を１つとした場合、どちらかの周波数に固定されてしまうので、充電制御手段２０４に適した制御周波数では、負荷電圧制御手段２０５の効率が悪化したり、負荷電圧制御手段２０５に適した制御周波数にすると充電制御手段２０４の部品の大型化を招いてしまったり、大型部品を使用しない場合は充電電流を小さくしなければならない、という欠点があった。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、充電時間が短く効率の良い小型化された電源装置を提供することにある。

本発明の電源装置は、バッテリへの充電を行う充電制御手段と、電源電圧を負荷回路が必要とする電源電圧に変換する負荷電圧制御手段と、前記充電制御手段及び前記負荷電圧制御手段の制御周波数を決定する発振手段とを有し、前記発振手段は、充電動作モード又は負荷回路動作モードに応じて前記制御周波数を変化させることを特徴とする。

充電動作モードのときにはバッテリの許容する大充電電流を流して充電時間を短くできるように制御周波数を設定し、負荷回路動作モードのときには動作時間が長くて高効率になるように制御周波数を設定することができる。また、充電制御手段と負荷電圧制御手段とで発振手段を共用することができるので、充電時間が短く効率の良い小型化された電源装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による電源装置を表す図である。同図において１は負荷回路１０の電源であるところのバッテリ、２はバッテリ１への充電電源及び負荷回路１０の電源であるところのＡＣ（交流）アダプタ、３はバッテリ１とＡＣアダプタ２の電源供給を切り換えるＤＣ（直流）電源電圧切換手段、４はＡＣアダプタ２から供給されるＤＣ電源からバッテリ１に適した充電電流を制御する充電制御手段、５はＤＣ電源電圧切換手段３より供給されるＤＣ電源電圧を負荷回路１０が必要とするＤＣ電源電圧に変換する負荷電圧制御手段、６は充電制御手段４と負荷電圧制御手段５の制御周波数を決定する発振回路、７は充電制御手段４の動作モードと負荷電圧制御手段５の動作モードで発振回路６が決定する制御周波数を切り換える周波数切換手段、８は装置全体の制御を司る制御部、９は操作部、１１は充電制御手段４と負荷電圧制御手段５と発振回路６を集積化した集積回路である。

発振回路６は、充電制御手段４と負荷電圧制御手段５の制御周波数の信号を生成する。充電制御手段４と負荷電圧制御手段５は、発振回路６が生成した制御周波数の信号を基にその制御周波数で制御を行う。周波数切換手段７は、充電動作モード又は負荷回路動作モードに応じて発振回路６が生成する信号の周波数を切り換える。

図１の構成において、操作部９、制御部８により、充電動作モードが選択された場合には、ＡＣ入力はＡＣアダプタ２によりＤＣ電源電圧に変換される。そのＤＣ電源電圧は充電制御手段４に供給され、充電制御手段４は発振回路６が決定した制御周波数によりバッテリ１に適した充電電流が流れるように制御し、バッテリ１は充電される。一方、操作部９、制御部８により、負荷回路動作モードが選択された場合には、バッテリ１あるいはＡＣアダプタ２のいずれかのＤＣ電源電圧がＤＣ電源電圧切換手段３によりに切り換えられ、負荷電圧制御手段５に供給される。負荷電圧制御手段５は発振回路６が決定した制御周波数により負荷回路１０に必要なＤＣ電源電圧を供給するよう制御し、負荷回路１０が動作する。

充電制御手段４に求められるのは、バッテリ１が許容する最大充電電流を流して充電時間を短くすることである。バッテリ１が許容する最大充電電流は一般的に１Ｃ（Ｃはバッテリ容量［ｍＡｈ］）であり負荷回路１０の各負荷電流に比べてかなり大きく、制御周波数が効率優先の周波数の場合は、定格電流の大きい大型部品を使用せざるを得ないが、充電時はバッテリ１を消費しないので効率は重要視されないので、定格の小さい小型部品を使用できる制御周波数を選択することが可能である。

一方、負荷電圧制御手段には、バッテリ１選択時の動作時間をできるだけ延ばすために効率が高いことが求められる。充電電流と比較すると負荷回路１０の各負荷電流はかなり小さいので、効率優先の制御周波数の場合でも定格電流の小さい小型部品を使用できる。

上記特徴を利用して、充電動作モードが選択された場合には、周波数切換手段７により充電制御手段４がバッテリ１が許容する最大充電電流を流して充電時間を短くできる制御周波数へ切り換え、負荷回路動作モードが選択された場合には、周波数切換手段７により負荷電圧制御手段５の効率が高い制御周波数へ切り換える。

以上のように充電動作モード時と負荷回路動作モード時で制御周波数を切り換えて変化させることで、充電時間の短い高効率な小型の電源装置を提供することができる。

本実施形態によれば、充電制御手段４の動作モードと負荷電圧制御手段５の動作モードで制御周波数を切り換えるので、充電制御手段動作時には小型部品でも充電電流を大きくして充電時間が短くなる制御周波数を選択し、負荷電圧制御手段動作時には、効率優先の制御周波数を選択でき、充電時間が短く効率の良い小型化された電源装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態による電源装置を表す図である。同図において１０１は負荷回路１１０の電源であるところのバッテリ、１０２はバッテリ１０１への充電電源及び負荷回路１１０の電源であるところのＡＣアダプタ、１０３はバッテリ１０１とＡＣアダプタ１０２の電源供給を切り換えるＤＣ電源電圧切換手段、１０４はＡＣアダプタ１０２から供給されるＤＣ電源からバッテリ１０１に適した充電電流を制御する充電電流制御スイッチングレギレータ、１０５はＤＣ電源電圧切換手段１０３より供給されるＤＣ電源電圧を負荷回路１１０が必要とするＤＣ電源電圧に変換する負荷電圧制御スイッチングレギレータ、１０６は充電電流制御スイッチングレギレータ１０４と負荷電圧制御スイッチングレギレータ１０５のスイッチング周波数を決定する発振回路、１０６Ｒ及び１０６Ｃは発振回路１０６の発振周波数を決定するタイミング抵抗及びタイミングコンデンサ、１０７は充電電流制御スイッチングレギレータ１０４の動作モードと負荷電圧制御スイッチングレギレータ１０５の動作モードでスイッチング周波数を切り換える周波数切換手段、１０８は装置全体の制御を司る制御部、１０９は操作部、１１１は充電電流制御スイッチングレギレータ１０４と負荷電圧制御スイッチングレギレータ１０５と発振回路１０６を集積化した集積回路である。

図２の構成において、操作部１０９、制御部１０８により、充電動作モードが選択された場合には、ＡＣ入力はＡＣアダプタ１０２によりＤＣ電源電圧に変換される。そのＤＣ電源電圧は充電電流制御スイッチングレギレータ１０４に供給され、充電電流制御スイッチングレギレータ１０４は発振回路１０６が決定したスイッチング周波数によりバッテリ１０１に適した充電電流が流れるように制御し、バッテリ１０１は充電される。一方、操作部１０９、制御部１０８により、負荷回路動作モードが選択された場合には、バッテリ１０１あるいはＡＣアダプタ１０２のいずれかのＤＣ電源電圧がＤＣ電源電圧切換手段１０３によりに切り換えられ、負荷電圧制御スイッチングレギレータ１０５に供給される。負荷電圧制御スイッチングレギレータ１０５は発振回路１０６が決定したスイッチング周波数により負荷回路１１０に必要なＤＣ電源電圧を供給するよう制御し、負荷回路１１０が動作する。

図３は、スイッチングレギレータのスイッチング周波数対効率を表した図である。スイッチング周波数が高くなると効率が悪化する。近年、バッテリ駆動装置に求められる低消費電力化を実現するために負荷回路の低電圧化が進んでおり、低電圧でも効率が高い同期整流型のスイッチングレギレータが多く採用されているが、この同期整流型スイッチングレギレータは、これが顕著に表れ、スイッチング周波数が高くなると顕著に効率が悪化する。

図４は、一般的なスイッチングレギレータ回路と各部品の電流波形を表す図である。Ｖｉは入力電圧、Ｖｏは出力電圧である。スイッチＳＷは、スイッチング周波数ｆでオン／オフが制御される。電流Ｉ_SWは、スイッチＳＷを流れる電流である。電流Ｉ_Dは、ダイオードＤｉを流れる電流である。電流Ｉ_Lは、コイルＬを流れる電流である。電流Ｉ_Cは、コンデンサＣを流れる電流である。この回路のおいてスイッチング電流振幅ΔＩは以下の式で求められる。

上記式（１）よりスイッチング電流振幅ΔＩはスイッチング周波数ｆに反比例し、スイッチング周波数ｆが大きいとスイッチング電流振幅ΔＩが小さくなることがわかる。

充電電流制御スイッチングレギレータ１０４に求められるのは、バッテリ１０１が許容する最大充電電流を流して充電時間を短くすることである。バッテリ１０１が許容する最大充電電流は一般的に１Ｃ（Ｃはバッテリ容量［ｍＡｈ］）であり負荷回路１１０の各負荷電流の２〜５倍程度とかなり大きい。したがって、小型化のためには少しでも各部品に流れる電流を小さくするためにスイッチング電流振幅ΔＩを小さくする必要がある。上記式（１）よりＬ値とスイッチング周波数ｆを大きくすればスイッチング電流振幅ΔＩを小さくすることができるが、Ｌ値を大きくすると定格電流値が小さくなってしまうので、小型部品を使用することができない。一方、スイッチング周波数ｆを高くすれば、図３のように効率が悪化するが、充電時はバッテリ１０１を消費しないので効率は重要視されないので、問題なく小型部品を使用できる。

負荷電圧制御スイッチングレギレータ１０５には、バッテリ１０１選択時の動作時間をできるだけ延ばすために効率が高いことが求められる。充電電流と比較すると負荷回路１１０の各負荷電流は１／５〜１／２とかなり小さいので、効率優先のためスイッチング周波数を小さくしても定格電流の小さい小型部品を使用できる。

上記特徴を利用して、充電動作モードが選択された場合には、周波数切換手段１０７により、充電電流制御スイッチングレギレータ１０４がバッテリ１０１の許容する最大充電電流を流して充電時間を短くできるようにスイッチング周波数を高くし、負荷回路動作モードが選択された場合には、周波数切換手段１０７により負荷電圧制御スイッチングレギレータ１０５の効率が高くなるようスイッチング周波数を低くする。

周波数切換手段１０７は抵抗内蔵トランジスタと抵抗のみで構成されているので、小型で安価である。

以上のように充電動作モード時と負荷回路動作モード時でスイッチング周波数を切り換えることで、充電時間の短い高効率な小型の電源装置を提供することができる。

また、充電時にはスイッチング周波数を高くしてスイッチング電流振幅ΔＩを小さくしているので、スイッチングノイズが小さくなりノイズ抑制部品が不要となるのでより小型の電源装置を提供することができる。

本実施形態によれば、充電動作モード動作時と負荷回路動作モード時のスイッチング周波数を切り換えることにより、充電動作モード時には小型部品でも充電電流を大きくして充電時間が短くなるスイッチング周波数を選択し、負荷回路動作モード時には効率優先のスイッチング周波数を選択でき、充電時間が短く効率の良い小型化された電源装置を提供することができる。また、充電電流のスイッチング電流波高値を小さくする周波数を選択するので、ノイズレベルが小さくノイズ対策部品も不要になり、より小型化された電源装置を提供することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態による電源装置を表す図である。本発明の第２の実施形態による電源装置を表す図である。スイッチング周波数対効率を表す図である。スイッチングレギレータ回路と各部品の電流波形を表す図である。従来例の電源装置を表す図である。

符号の説明

１，１０１，２０１バッテリ
２，１０２，２０２ＡＣアダプタ
３，１０３，２０３ＤＣ電源電圧切換手段
４，２０４充電制御手段
５，２０５負荷電圧制御手段
６，１０６，２０６，２１２発振回路
７，１０７周波数切換手段
８，１０８，２０８制御部
９，１０９，２０９操作部
１０，１１０，２１０負荷回路
１１，１１１，２０４，２１１集積回路
１０４充電電流制御スイッチングレギレータ
１０５負荷電圧制御スイッチングレギレータ
１０６Ｒタイミング抵抗
１０６Ｃタイミングコンデンサ

Claims

バッテリへの充電を行う充電制御手段と、
電源電圧を負荷回路が必要とする電源電圧に変換する負荷電圧制御手段と、
前記充電制御手段及び前記負荷電圧制御手段の制御周波数を決定する発振手段とを有し、
前記発振手段は、充電動作モード又は負荷回路動作モードに応じて前記制御周波数を変化させることを特徴とする電源装置。
前記充電制御手段は充電電流を制御する充電電流制御スイッチングレギレータであり、前記負荷電圧制御手段は負荷電圧を制御する負荷電圧制御スイッチングレギレータであり、前記制御周波数は前記充電電流制御スイッチングレギレータ及び前記負荷電圧制御スイッチングレギレータのスイッチング周波数であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記負荷電圧制御手段は、前記バッテリの電源電圧を基に前記変換を行うことができることを特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
さらに、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣアダプタを有し、
前記充電制御手段は、ＡＣアダプタから供給される直流電圧を基に前記バッテリへの充電を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
さらに、前記ＡＣアダプタ又は前記バッテリから供給される直流電源電圧のいずれかを切り換えて出力するＤＣ電源電圧切換手段とを有し、
前記負荷電圧制御手段は、前記ＤＣ電源電圧切換手段が出力する直流電源電圧を基に前記変換を行うことを特徴とする請求項４記載の電源装置。
前記発振手段は、前記制御周波数の信号を生成する発振回路と、充電動作モード又は負荷回路動作モードに応じて前記発振回路が生成する信号の周波数を切り換える周波数切換手段とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置。
前記制御周波数は、前記充電動作モードのときには高く、前記負荷回路動作モードのときには低いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電源装置。