JP2006320077A

JP2006320077A - Ｕｓｂ機器給電回路

Info

Publication number: JP2006320077A
Application number: JP2005138655A
Authority: JP
Inventors: Tokuji Yoshida; 篤司吉田
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】 USB機器に対して過大な電力を供給する。
【解決手段】 USBのVBUSに接続されるUSB機器に対するUSB機器給電回路において、VBUSから充電されUSB機器に放電するための複数の電気二重層コンデンサC1，C2を備える。スイッチS1〜S5は、充電時には複数の電気二重層コンデンサをVBUSに対して並列接続し、放電時にはVBUSに対して複数の電気二重層コンデンサを直列接続して過大電圧を生成するように切り換える。コンパレータP1は、所定の電気二重層コンデンサの電圧と基準電圧とを比較してスイッチS1〜S5を作動させる。これにより、USB機器の出力が低いときはVBUSからUSB機器に給電し、USB機器の出力がVBUS出力に近づくと過大電圧を給電するように切り換える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ユニバーサルシリアルバス（USB）に接続されるUSB機器の給電回路に関する。

周知のように、USBの電流容量は規格上500ｍＡと規定されている。しかし、このように電流容量が規定された電源からの出力では駆動電力が不足するような機器をUSBに接続したいといったニーズが存在する。

従来、この種のニーズに応えるための多くの技術がが知られている。その１は、電気二重層コンデンサに所定容量まで充電して、その出力を上記500ｍＡ以下の電流とともにハードディスク装置へ出力するようにした技術である（例えば、特許文献１参照）。

その２は、電流制限抵抗を通して蓄電器を充電し、一定電圧充電以降は充電ゲートをＯＮにして電流制限を解除して充電し、充電電圧が一定電圧になると送電ゲートをＯＮにしてストレージデバイス等への電力供給を開始することにより、規格超電流検出のための抵抗やDC／DCコンバータを不要化した技術である（例えば、特許文献２参照）。

その３は、入力電源に余裕がある場合、余剰の入力電力によ二次電池を充電しておき、入力電力を本体部に出力して電力が不足するとき、二次電池に充電された電力を入力電源に加算して、又は入力電源を二次電池に充電された電力に切り換えて本体部に電力を供給する技術である（例えば、特許文献３参照）。

特開2001-202144（第１頁、図２）特開2004-086647（第３、６頁、図１）特開2004-151908（第１頁、図１）

上述した第１の従来技術ではコンデンサの電流を入力電流に加え、また第３の従来技術では二次電池の電力を入力電力に加えるものの、コンデンサないしは二次電池は一式のみであるので、結果として得られる電力は高々入力電力の４倍程度に留まるという問題点がある。

これでは、例えばUSBのビデオバス（VBUS）から給電を受けるオーディオ機器においては、オーディオ入力信号の強弱に応答して瞬時に通常の電力の９倍程度もの大電力を必要とすることがあるが、上述の技術では、このような需要に応えることができない。

そこで、本発明の第１の目的は、USBから給電を受けるUSB接続機器に対して過大な電力を供給できるUSB機器給電回路を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、連続過大入力に対応できるUSB機器給電回路を提供することにある。これは、例えばオーディオ入力信号では、過大な信号が連続するという特徴があるが、このような場合にも対応できるようにしたものである。

本発明のUSB機器給電回路は、USBのVBUSに接続されるUSB機器（図２の４）に対するUSB機器給電回路において、VBUSから充電されUSB機器に放電するための複数の電気二重層コンデンサ（図２のC1，C2）と、充電時には複数の電気二重層コンデンサをVBUSに対して並列接続し、放電時にはVBUSに対して複数の電気二重層コンデンサを直列接続して過大電圧を生成するように切り換える複数のスイッチ（図２のS1〜S5）と、所定の電気二重層コンデンサの電圧と基準電圧とを比較して複数のスイッチを作動させるコンパレータ（図２のP1）と、USB機器の出力が低いときはVBUSからUSB機器に給電し、USB機器の出力がVBUS出力に近づくと過大電圧をUSB機器に給電するように切り換える高電圧切換回路（図１の２）とを備えたことを特徴とする。

本発明の第１の効果は、複数の電気二重層コンデンサを直列接続できる手段を設けたため、USB接続機器に対して過大な電力を供給できるようになったということである。

本発明の第２の効果は、レベル保持回路を設けたため、USB接続機器における連続過大入力に対応できるということである。

本発明のUSB機器給電回路は、VBUSから充電されUSB機器に放電するための複数の電気二重層コンデンサと、充電時には複数の電気二重層コンデンサをVBUSに対して並列接続し、放電時にはVBUSに対して複数の電気二重層コンデンサを直列接続して過大電圧を生成するように切り換える複数のスイッチと、所定の電気二重層コンデンサの電圧と基準電圧とを比較して複数のスイッチを作動させるコンパレータと、USB機器の出力が低いときはVBUSからUSB機器に給電し、USB機器の出力がVBUS出力に近づくと過大電圧をUSB機器に給電するように切り換える高電圧切換回路とを備える。

複数のスイッチは、Ｎ個の電気二重層コンデンサの上下に配される各Ｎ個の上端スイッチおよび下端スイッチと、Ｎ個の電気二重層コンデンサを直列接続するための（Ｎ−１）個の連結スイッチとから成る。そして、所定の電気二重層コンデンサの電圧が基準電圧以下のときは、各上端スイッチは当該電気二重層コンデンサの上端を充電抵抗経由でVBUSに接続し、各下端スイッチは当該電気二重層コンデンサの下端を接地し、各連結スイッチはオフとなる。

一方、所定の電気二重層コンデンサの電圧が基準電圧を超えると、第１番目の下端スイッチは当該電気二重層コンデンサの下端をVBUSに接続し、第１番以外の下端スイッチはオフとなり、各連結スイッチは前後の電気二重層コンデンサの上端と下端を接続し、第Ｎ番以外の上端スイッチはオフとなり、第Ｎ番の上端スイッチは当該電気二重層コンデンサの上端を高電圧切換回路に接続する。

次に、本発明のUSB機器給電回路の実施例について図面を参照して説明する。図１を参照すると、本実施例は、USBのVBUSに接続されるオーディオ機器であって、高電圧生成回路１と高電圧切換回路２とレベル保持回路３と音声増幅回路４とスピーカ５とから成る。

音声増幅回路４はオーディオ入力信号を増幅してスピーカ５を鳴動させる。高電圧生成回路１は、USBのVBUSから電源の供給を受けて、音声増幅回路４へ供給するための高電圧を生成する。高電圧切換回路２は、通常はVBUSを出力しているが、音声増幅回路４の出力が所定の大きさになると、高電圧生成回路１が生成している高電圧に切り換えて出力する。レベル保持回路３は、高電圧切換回路２の出力を所定の時間だけ保持する。

図２は、高電圧生成回路１の詳細図であり、２つの電気二重層コンデンサC1，C2と、２つのバイパスコンデンサC3，C4と、５つのアナログスイッチ（以下、「スイッチ」と記す）S1〜S5と、コンパレータP1と、２つの充電抵抗R1，R2と、３つの分圧抵抗R3，R4，R5と、ツェナーダイオードZDとで構成されている。

一端がVBUSに接続された充電抵抗R1は、スイッチS1を経て、並列接続された電気二重層コンデンサC1とバイパスコンデンサC3の上端に接続され、並列接続コンデンサの下端はスイッチS2に接続されている。スイッチS1，S2はコンパレータP1の出力によって切り換えられる。電気二重層コンデンサは、一般のコンデンサに比べて出力インピーダンスが高いことが知られているので、電気二重層コンデンサC1，C2にそれぞれバイパスコンデンサC3，C4を並列接続することによって電流応答を高めている。電気二重層コンデンサの等価回路は、図３のように表すことができる。

コンパレータP1の出力が低レベルの場合は、図２に示すように、スイッチS1は充電抵抗R1を並列接続コンデンサの上端へ導き、スイッチS2は並列接続コンデンサの下端を接地する。一方、コンパレータP1の出力が高レベルの場合は、スイッチS1は充電抵抗R1をどこへも接続せず、スイッチS2は並列接続コンデンサの下端をVBUSと接続する。

充電抵抗R2，スイッチS3，電気二重層コンデンサC2，バイパスコンデンサC4，スイッチS4も上述の充電抵抗R1，スイッチS1，電気二重層コンデンサC1，バイパスコンデンサC3，スイッチS2による直列接続体と同構成である。ただし、スイッチS4は、コンパレータP1の出力が高レベルの場合に並列接続コンデンサの下端をどこへも接続しない。

電気二重層コンデンサC2とバイパスコンデンサC4の並列接続の上端の電圧（充電電圧）は、分圧抵抗R5，R6で分圧されてコンパレータP1の一端（プラス端子）に導かれる。コンパレータP1の他端（マイナス端子）には、VBUSが分圧抵抗R5とツェナーダイオードZDとによって分圧された電圧（基準電圧）が供給されている。

コンパレータP1は、充電電圧が基準電圧より低い場合はコンパレータP1の出力が低レベルの場合に該当し、スイッチ５〜９は図２に示すとおりの接続となる。この場合、スイッチS5はオフであり、並列接続コンデンサC1，C3と並列接続コンデンサC2，C4は、図４に示すように、それぞれ充電抵抗R1，R2を介してVBUSと接地との間に並列接続状態となっている。

一方、充電電圧が基準電圧より高い場合はコンパレータP1の出力が高レベルの場合に該当する。この場合、スイッチS5はオンであり、並列接続コンデンサC1，C3と並列接続コンデンサC2，C4は、図５に示すように、VBUSに対して直列接続状態となり、高電圧を高電圧切換回路２とレベル保持回路３へ供給する。

図７は、高電圧切換えを説明するために必要な範囲で、図１に示した実施例における高電圧生成回路１以外の部分、すなわち高電圧切換回路２とレベル保持回路３と音声増幅回路４の詳細を示す。

図７を参照すると、高電圧切換回路２はコンパレータP２とスイッチS６とを備えている。コンパレータP２は、音声増幅回路４の第２段アンプの出力と、VBUSを２つのダイオードD1，D2でシフトダウンさせた電圧（VBUS−）とを比較し、この出力をレベル保持回路３に出力する。スイッチS６は、レベル保持回路３を経たコンパレータP２の出力によってオン／オフ制御して、高電圧生成回路１からの高電圧を接続／遮断する。

音声増幅回路４の第２段アンプの出力がVBUS−より低い場合には、スイッチS6はオフであり、この場合、音声増幅回路４の第２段アンプには、VBUSに近い電圧が供給される。しかし、音声増幅回路４の第２段アンプの出力がVBUS−より高くなると、スイッチS6は高電圧生成回路１からの高電圧を接続して音声増幅回路４の第２段アンプに供給する。

レベル保持回路３は、一般的にオーディオ入力信号は同レベルの信号が連続することから、その連続すると予測される時間だけコンパレータP２の出力を保持してスイッチS6に供給する。

次に、以上のように構成された本実施例の動作を説明する。USBのVBUSから本オーディオ装置に給電されているとき、高電圧生成回路１のコンパレータP1が充電電圧と基準電圧とを比較している。前者が低いことを検出している間は、スイッチS1〜S5は図２に示すとおりに作動し、２組のコンデンサ並列接続体は図３に示すとおりに並列接続される。この結果、充電抵抗R1，R2経由で電気二重層コンデンサC1，C2へ並列に充電が行われる。

充電が進行して、充電電圧が基準電圧以上になり、コンパレータP1がそれを検出すると、この信号でスイッチS1〜S5を図２に示すのと逆に切り替えて、２組のコンデンサ並列接続体は図４に示すとおりに直列接続される。この結果、ここではVBUSの電圧の３倍の高電圧が生成される。

高電圧切換回路２において、音声増幅回路４の第２段アンプの出力がVBUS−より低い場合には、スイッチS6がオフであるため、音声増幅回路４の第２段アンプには、VBUSに近い電圧が供給される。音声増幅回路４としては、これで十分であり、スピーカ５にとっても問題ない。

しかし、オーディオ入力信号が強まり、音声増幅回路４の第２段アンプの出力がVBUS−より高くなると、音声増幅回路４はより強力なパワーをスピーカ５に供給することが必要となってくる。そこで、スイッチS6はオン状態となり、高電圧生成回路１からの高電圧を取り込んで音声増幅回路４に供給する。これにより、音声増幅回路４へVBUSの３倍の電圧を供給でき、音声増幅回路４は最大９倍の電力での出力が可能になる。

このとき、バイパスコンデンサC3，C4によって、音声増幅回路４への電流のレギュレーションを良くすることができる。すなわち、急峻な電源供給は電気二重層コンデンサC1，C2に比べてより低インピーダンスのバイパスコンデンサC3，C4から行い、急峻な電流が流れた後の遅い電流供給は電気二重層コンデンサC1，C2から行うのである。図６は、この様子を示す図である。

但し、この出力を続けると電気二重層コンデンサC1，C2の電荷が減り電圧が下がるので出力できる電力は下がる。しかし、瞬時の最大オーディオ入力信号をカバーするのには十分になるような電気二重層コンデンサC1，C2の静電容量を用いることにより使用感を上げる。

コンパレータP2の出力は、レベル保持回路３におけるＣＲ時定数による放電作用により急変しない。これにより、一旦コンパレータP2へ大入力があれば、立て続けに同様の入力があることを想定して、オーディオ出力（音声増幅回路４の第２段アンプの出力）が下がってもスイッチS6を直ぐにはオフとしないようにしている。この結果、オーディオ出力を高品質に維持することができる。コンパレータP2の出力が所定のレベル以下にまで降下すれば、音声増幅回路４へはVBUSが供給される。

なお、以上の実施例は、USBのVBUSから電源供給を受けるオーディオ機器について説明したが、USBのVBUSの代わりに電池や太陽電池による駆動によって、より大きな最大出力を得るオーディオ装置への適用も可能である。
［産業上の利用可能性］
本発明の活用例として、インターネットに接続するパソコンとつないで会話を行う端末への使用が考えられる。また、太陽電池を用いて何らかのトリガにより一時的に大音量で警告音などを発する装置への適用も考えられる。

本発明のUSB機器給電回路の一実施例を示すブロック図図１における高電圧生成回路の詳細図電気二重層コンデンサの等価回路を示す図図２の高電圧生成回路における充電時のコンデンサの接続を示す図図２の高電圧生成回路における高電圧生成時のコンデンサの接続を示す図電気二重層コンデンサとバイパスコンデンサの協働動作を示す図本発明のオーディオ機器における高電圧切換えを説明するための図

符号の説明

１高電圧生成回路
２高電圧切換回路
３レベル保持回路
４音声増幅回路
５スピーカ
C1，C2 電気二重層コンデンサ
C3，C4 バイパスコンデンサ
D1，D2 ダイオード
P1，P2 コンパレータ
R1，R2 充電抵抗
R3〜R4 分圧抵抗
S1〜S6 スイッチ

Claims

USBのVBUSに接続されるUSB機器に対するUSB機器給電回路において、
前記VBUSから充電され前記USB機器に放電するための複数の電気二重層コンデンサと、
前記充電時には前記複数の電気二重層コンデンサを前記VBUSに対して並列接続し、前記放電時には前記VBUSに対して前記複数の電気二重層コンデンサを直列接続して過大電圧を生成するように切り換える複数のスイッチと、
所定の電気二重層コンデンサの電圧と基準電圧とを比較して前記複数のスイッチを作動させるコンパレータと、
前記USB機器の出力が低いときは前記VBUSから前記USB機器に給電し、前記USB機器の出力が前記VBUS出力に近づくと前記過大電圧を前記USB機器に給電するように切り換える高電圧切換回路とを備えたことを特徴とするUSB機器給電回路。
前記複数のスイッチは、Ｎ個の電気二重層コンデンサの上下に配される各Ｎ個の上端スイッチおよび下端スイッチと、Ｎ個の電気二重層コンデンサを直列接続するための（Ｎ−１）個の連結スイッチとから成り、
前記所定の電気二重層コンデンサの電圧が基準電圧以下のときは、
前記各上端スイッチは当該電気二重層コンデンサの上端を充電抵抗経由で前記VBUSに接続し、前記各下端スイッチは当該電気二重層コンデンサの下端を接地し、前記各連結スイッチはオフとなり、
前記所定の電気二重層コンデンサの電圧が基準電圧を超えると、
第１番目の前記下端スイッチは当該電気二重層コンデンサの下端を前記VBUSに接続し、第１番以外の前記下端スイッチはオフとなり、前記各連結スイッチは前後の電気二重層コンデンサの上端と下端を接続し、第Ｎ番以外の前記上端スイッチはオフとなり、第Ｎ番の上端スイッチは当該電気二重層コンデンサの上端を前記高電圧切換回路に接続することを特徴とする請求項１に記載のUSB機器給電回路。
前記高電圧切換回路の出力を前記USB機器の大出力が持続すると予測される時間だけ保持して、その出力により前記高電圧切換回路における切換えを制御するレベル保持回路を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のUSB機器給電回路。
前記電気二重層コンデンサにバイパスコンデンサを並列接続したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のUSB機器給電回路。
前記USB機器はオーディオ機器であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のUSB機器給電回路。