JP2007507994A

JP2007507994A - 電源装置

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Publication number: JP2007507994A
Application number: JP2006530039A
Authority: JP
Inventors: ヴォールウィンデン，コール
Original assignee: NXP USA Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2007-03-29
Also published as: TW200524246A; WO2005039015A1; EP1671410A1; US7482781B2; CN1860657A; EP1521344A1; CN1860657B; KR20060089223A; US20070063674A1

Abstract

特に、携帯型無線通信装置の能動回路のための電源装置である。電源装置は、直流電圧を、第１の端子（３）に接続されている負荷（２）に供給し、そして第２の端子（５）に接続のための充電可能バッテリ（４）と、当該バッテリ（４）を充電し且つ電力を負荷（２）に供給する電圧発生器（６）とを備える。電源は、電圧発生器（６）から負荷（２）への電流の供給を制御するように電圧発生器（６）から第１の端子（３）への電流の供給を制御するように電圧発生器（６）から第１の端子（３）への電流の供給を制御し、且つ第１の端子（３）から電圧発生器（６）への電流の逆流を阻止する第１の制御手段（２０，１６）と、電圧発生器（６）から第１の制御手段（２０，１６）を介してバッテリ（４）へ及びバッテリから負荷（２）への電流の供給を制御するように電流を第１の端子（３）と第２の端子（５）との間で供給することを制御する第２の制御手段（２１）とを含む。制御手段（２０，１６；２１）は、高インピーダンス状態（２６）、低インピーダンス状態（２６）及び、制御されたインピーダンス状態（２９，３２）のいずれかを選択的に与える。第１の制御手段（２０，１６）は、電圧発生器（６）と第１の端子（３）との間に直列接続され、電圧発生器（６）から第１の端子（３）への電流の供給を制御し且つ第１の端子（３）から電圧発生器（６）への電流の逆流を阻止する第１の電界効果トランジスタ（２１）を備える。

Description

［発明の分野］
本発明は、直流電圧を負荷に供給する電源装置であって、充電可能バッテリと、当該バッテリを充電し且つ電力を負荷に供給する電圧発生器とを備える電源装置に関する。

［発明の背景］
充電可能バッテリは、ユーザ装置、特に、例えば、携帯電話器のような無線通信装置を給電するため多くの環境で用いられている。電圧発生器を備える充電器が、バッテリを充電するため設けられている。充電器は、例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＤＣトランスフォーマの形式を取り得る。

充電器は、多くの場合、バッテリを充電することができるばかりでなく、バッテリを充電しながらユーザ装置を用いることができるように接続されているバッテリ付きの当該ユーザ装置に接続可能である。しかしながら、バッテリが完全に放電される場合問題が生じる。それは、充電器がバッテリに接続されそして充電を開始するとき、ユーザ装置に現れる供給電圧は、バッテリが一部分充電されてしまうまでユーザ装置が機能するためには低すぎ、そして不便な程長時間低すぎた状態のままであるからである。これは、携帯電話器のケースにおいては、例えば、ユーザが緊急呼び出しをすることを望むとき遅延が分のオーダである場合、特に問題となる場合がある。

電圧発生器により供給された電圧及び電流を制御する複数の制御回路を設け、且つバッテリを充電する並列経路を設けることは可能である。しかしながら、これらの制御回路は、実質的に追加のコストを含むことになる。

完全に放電したバッテリが存在する際にでも電圧発生器がユーザ装置に給電することを可能にする制御回路を有する電源を、そのような「デッド・バッテリ能力（ｄｅａｄｂａｔｔｅｒｙｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）」無しの電圧供給と比べてより小さいコストで又は追加のコスト無しで提供することが望ましい。

［発明の概要］
本発明は、添付の特許請求の範囲に記載された電源装置及び携帯型通信装置を提供する。

［好適な実施形態の詳細な説明］
図１は、携帯型無線通信装置、この例では、携帯型無線電話器１を示す。携帯型無線電話器１は、能動的信号処理を含む通信モジュール、メモリ、及び電圧を負荷２の端子３に印加する電源により給電される当該負荷２を形成する音声回路を備える。電源は、端子５に接続され、電力を負荷２に携帯型無線電話器１の正常な使用中に供給する充電可能バッテリ４を含む。

電源はまた、携帯型無線電話器１の端子７に接続され充電可能バッテリ４を充電し、且つ必要ならば、負荷２を給電し得る電圧発生器形式の充電器６を備える。典型的には、充電器６は、ＡＣ／ＤＣコンバータであるが、しかしそれは、代替として、例えば、ＤＣ／ＤＣトランスフォーマであり得る。充電器６は、電力を、接続された接続点９への充電経路８に沿ってバッテリ４に供給する。なお、接続点９は、電流検知抵抗１０を介してバッテリ４と接続されている。接続点９はまた、負荷端子３にブロッキング制御構成要素１１を介して接続されており、そのブロッキング制御構成要素１１の機能は以下で説明される。以下で説明する制御構成要素及び他の制御構成要素は、マイクロコントローラ・ユニット（ＭＣＵ）１２の制御下で動作する。

充電器端子７は、クランプ制御構成要素１３を介して接続点１４に直列に接続された充電経路８に接続されている。次いで、充電経路８は、充電制御構成要素１５、逆電流ブロッキング制御構成要素１６及び電流検知抵抗１７を直列に含む。

これら制御構成要素は、ディスクリート（個々）の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、この例では、一方向性ＦＥＴである。ダイオードの記号により示されるように、ＦＥＴは、逆電圧を受けたときでさえ寄生電流を流すことを可能にする。

動作において、充電器６の接続が切られた場合、充電可能バッテリ４は、電力を、電流検知抵抗１０と、ＭＣＵ１２により導通状態にバイアスされているブロッキング制御構成要素１１とを介して端子３及び負荷２に供給する。

充電器６が接続されているとき、正常の充電条件で、充電器６は、電力を、充電経路８を介して接続点９に供給する。なお、充電電流は、ＭＣＵ１２により充電制御構成要素１５を介して、検知された電圧及び電流に依存して制御される。

充電器６が、給電する前に端子７に接続され、次いで電力が印加される場合、端子７の電圧が、過大である場合がある。この条件は、ＭＣＵ１２によりモニタリングされ、そしてクランプ制御構成要素１３を介して調整される。

充電器６が、依然端子７に接続されてバッテリ４を充電している間に電源プラグを抜かれた（消勢された）場合、ＭＣＵ１２は、逆電流ブロッキング制御構成要素１６を非導通状態に切り替えて、充電器６への逆電流の流れを阻止する。

バッテリ４が、低い充電状態にある場合、充電器６は、負荷２の能動回路を動作させるに十分な電力を供給することができる。しかしながら、バッテリ４の充電の状態が低すぎる場合、バッテリ４が少なくとも一部分充電されてしまうまで、充電器６は、端子３の電圧を負荷２の能動回路を動作させるに十分なレベルまで上昇させることができない。この充電可能バッテリ４が少なくとも一部分充電されるには、５〜６分かかる場合があり、その間電話器は使用可能では無い。従って、供給経路１８が、充電経路８と並列に設けられて、充電器６が電力を端子３及び負荷２に直接供給することを可能にする。ブロッキング制御構成要素１９は、並列経路１８に直列に接続され、そしてＭＣＵ１２は、通常、ブロッキング制御構成要素１９を非導通状態に、且つブロッキング制御構成要素１１を導通状態に維持し、それにより充電器６からの電力供給及び充電電流は、充電経路８に沿って通り、そして制御構成要素１５から１７により制御される。しかしながら、ＭＣＵ１２がバッテリ電圧が低すぎることを検知したとき、ＭＣＵ１２は、ブロッキング制御構成要素１９を導通状態に且つブロッキング制御構成要素１１を非導通状態にし、それにより充電器６は、電力を端子３及び負荷２に供給経路１８に沿って供給し、そしてバッテリ４は、当該バッテリ４が依然放電している間に端子３の電圧を引き下げないように端子３からその接続を切られる。

図１に示される電源装置は、充電器６がデッド状態のバッテリ４の場合又はバッテリ４が取り外された状態である場合負荷２に給電することを可能する基本機能を果たすが、しかしそれは、５個のディスクリートの制御構成要素を必要とし、それは、コストを電話器に追加し、その上、これらの構成要素は、回路ボード上のスペースを占有し、それは更に、デッド状態のバッテリ動作のコストを増大する。

本発明の実施形態の電源装置は、デッド状態のバッテリ動作のできない電話器での構成要素の数と匹敵するより少数の構成要素を用いて、デッド状態又は欠けているバッテリ動作を提供することができ、それにより、デッド状態又は欠けているバッテリ動作の特徴は、実質的に諸経費（ｏｎ−ｃｏｓｔ）を含まない。

図２において、図１の構成要素と類似している構成要素は、類似の参照番号を有する。充電器端子７は、接続点９に充電経路８を介して接続される。負荷端子３は、接続点９に直接接続される。ＭＣＵ１２は、充電経路８に直列であるクランプ及び充電制御構成要素２０を介して充電経路８の電流及びそれに印加される電圧を制御し、逆電流が、逆電流ブロッキング制御構成要素１６により制御される。ブロッキング及び充電制御構成要素２１は、バッテリ端子５と接続点９との間で電流検知抵抗１０と直列に接続される。

充電クランプ及び充電制御構成要素２０及びバッテリ・クランプ及び充電制御構成要素２１は、ＭＣＵ１２により制御されて、高インピーダンス非導通状態、又は低インピーダンス導通状態、又はそれらのインピーダンスがそれらの構成要素が供給する電流の大きさを制御するように検知された電流及び／又は電圧変数の関数として制御される制御されたインピーダンス状態を与える。

動作において、充電器６がその接続が切られた場合、バッテリ４は、電力を、ＭＣＵ１２により導通状態にバイアスされているブロッキング制御構成要素２１と電流検知抵抗１０とを介して端子３及び負荷２に供給する。

充電器６が接続されるとき、正常の充電条件で、充電器６は、充電経路８を介して接続点９に供給し、充電電流は、ＭＣＵ１２により充電制御構成要素２０及び２１を介して、検知された電圧及び電流に依存して制御される。負荷２の代わりにバッテリ４に印加される電流の比率が、充電制御構成要素２１により制御される。

充電器６は、給電される前に端子７に接続され、次いで電力が印加される場合、端子７の電圧は、ＭＣＵ１２によりクランプ制御構成要素２０を介して調整される。

バッテリ４が低い充電状態にある場合、充電器６は、負荷２の能動回路を動作させるに十分な電力を供給することができる。しかしながら、バッテリ４の充電状態が低すぎる場合、バッテリ端子５と接続点９との間に直列に接続されたブロッキング及び充電制御構成要素２１は、ＭＣＵ１２により非導通状態にされ、それにより充電器６は、電力を端子３及び負荷２に供給し、バッテリ４は、当該バッテリ４が全く放電された場合端子３の電圧を引き下げないように接続点９からその接続を切られる。バッテリ４が、当該バッテリ４の電力供給が十分である場合充電器６が電力を負荷２に供給している間でさえ、充電経路８を介して充電することができる。ＭＣＵ１２は、ブロッキング及び充電制御構成要素２１を中間のインピーダンス状態に置き、それにより接続点９及び負荷端子３の電圧は、バッテリ端子５の電圧より高い。

バッテリ４がフル充電より少ないバッテリ電圧まで部分的に充電されたとき、電話器は、バッテリ４が充電している間に充電経路８を介して充電器６から供給される電力により用いることができる。ＭＣＵ１２は、クランプ及び充電制御構成要素２０及びブロッキング及び充電制御構成要素２１を中間の制御されたインピーダンス状態、又は十分に導通の状態に、電源条件に従って置き、それにより充電器６は、適切な電流をバッテリ４及び負荷２の両方に供給する。

本発明の一実施形態において、バッテリ４がフルの充電に到達したとき、ＭＣＵ１２は、充電器６を負荷２及びバッテリ４からその接続を切り離すようにクランプ及び充電制御構成要素２０をその非導通状態に置く。

本発明の別の実施形態において、バッテリ４は、充電器６が接続されている状態でフルの充電状態にあるとき、ＭＣＵ１２は、バッテリ４を電話器の使用中にそのフルに充電された状態のままであるようにバッテリ４を負荷２及び充電器６からその接続を切り離すようにブロッキング及び充電制御構成要素２１をその非導通状態に置く。

制御構成要素１６及び２０は、ＦＥＴであることが好ましく、そして一方向性ＦＥＴであることが好ましい。しかしながら、制御構成要素２０は、双方向性ＦＥＴであってもよい。また、ブロッキング制御構成要素１６がダイオードであることも可能である。制御構成要素２１は、一方向性ＦＥＴであることが好ましい。

本発明のこの実施形態の動作が、ここで、図面の図３及び図４を参照してより詳細に説明されるであろう。図３における制御構成要素１６、２０及び２１の等価回路図により示されるように、図３は、それら制御構成要素１６、２０及び２１の異なる動作状態を表すため図４で用いられる単純化された記号を示す。従って、非導通状態の制御構成要素２２は、単一のＦＥＴ２３の場合単一の開いたスイッチとして、又はデュアルＦＥＴ２４の場合デュアルの開いたスイッチとして表される。完全に導通状態の制御構成要素２５は、単一のＦＥＴ２６の場合単一の閉じたスイッチとして、又はデュアルＦＥＴ２７の場合デュアルの閉じたスイッチとして表される。電圧の調整状態の制御構成要素２８は、単一のＦＥＴ２９の場合電圧を制限する記号、又はデュアルＦＥＴ３０の場合閉じたスイッチと直列の電圧を制限する記号とにより表される。電流の調整状態の制御構成要素３１は、単一のＦＥＴ３２の場合矢印、又はデュアルＦＥＴ３３の場合閉じたスイッチと直列の矢印により表される。

図４は、接続された充電器無し場合に対する制御構成要素２０、１６及び２１の動作状態と、負荷が低電流消費の条件で動作しているときバッテリを充電しながら負荷に供給することが可能である、接続された低電力充電器の場合に対する制御構成要素２０、１６及び２１の動作状態と、負荷が高電流消費の条件で動作しているときでさえバッテリを充電しながら負荷に供給することが可能である、接続された高電力充電器の場合に対する制御構成要素２０、１６及び２１の動作状態とを示す。動作状態は、接続されたバッテリが無い条件と、電気を使い切った（「デッド状態」）バッテリの条件と、低いがしかし正常な未充電条件におけるバッテリの条件と、充電器が「トップオフ（ｔｏｐ−ｏｆｆ）」条件で供給することになるフル充電に近いバッテリの条件と、フルのバッテリの条件とに関して示される。

充電器６が接続されないとき、ＭＣＵ１２は、制御構成要素１６及び２０の両方を非導通状態に置き、そして制御構成要素２１を、負荷２が用いられていない場合非導通状態（Ａ）にか、又は負荷２が用いられている場合導通状態（Ｂ）にかのいずれかの状態に置く。

低電力の又は高電力の充電器６が接続されるとき、ＭＣＵ１２は、充電クランプ及び充電制御構成要素２０を電圧クランプ状態に置き、そして逆電流ブロッキング制御構成要素１６を導通状態に置く。接続されたバッテリ４が無い場合（Ｃ）、ＭＣＵ１２は、制御構成要素２１を非導通状態に置く。バッテリ４が接続される場合（Ｄ）、ＭＣＵ１２は、制御構成要素２１を電流の調整された状態に置いて、「トリクル（ｔｒｉｃｋｌｅ）」電流を伝導させて、依然バッテリ４をゆっくりとはいえ充電しながら、負荷２がフルの電圧で動作することを可能にする。

低電力の充電器６が、接続された少なくとも部分的に充電されたバッテリ４と接続されるとき、ＭＣＵ１２は、制御構成要素２０を電流調整された状態に置き、逆電流ブロッキング制御構成要素１６が正常な低いバッテリに対して導通状態であり（Ｅ）、そして電流は、バッテリ４がフル充電に近いとき、「トップオフ（ｔｏｐ−ｏｆｆ）」中に制御構成要素２０により低減される（Ｇ）。それぞれの場合、制御構成要素２１が、導通状態となり、それによりバッテリ４は、負荷２が充電器６から供給された電力の下で動作している間に充電することができる。バッテリ４がフル（完全）に充電されるとき（Ｉ）、ＭＣＵ１２は、制御構成要素２０及び逆電流ブロッキング制御構成要素１６を非導通状態に置き、制御構成要素２１が、導通状態となり、それによりバッテリ４が負荷２に供給する。

高電力の充電器６が、接続された少なくとも一部分充電されたバッテリ４と接続されるとき、ＭＣＵ１２は、正常な低バッテリ（Ｆ）に対して、制御構成要素２０を電流調整状態に置き、且つ逆電流ブロッキング制御構成要素１６を導通状態に置き、そして電流は、バッテリ４がフル充電に近いとき（Ｈ）、制御構成要素２１により「トップオフ」中に低減される。そのバッテリ４がフル充電に近い場合、制御構成要素２０は、電圧が調整された状態にある。バッテリ４がフルに充電されるとき（Ｊ）、ＭＣＵ１２は、制御構成要素２１を非導通状態に置き、制御構成要素２１は、電圧調整状態にあり、そして逆電流ブロッキング制御構成要素１６が、導通状態にあり、それにより充電器６は、負荷２に供給し、そしてバッテリ４の充電を保持する。

図１は、携帯型無線電話器の既知の電源装置の概略図である。図２は、一例として与えられる本発明の一実施形態に従った携帯型無線電話器の電源装置の概略図である。図３は、異なる機能状態における、図２の電源装置の制御構成要素を表す表記を示す図である。図４は、図３の表記を用いて、図２の電源装置の異なる動作条件における当該電源装置の制御構成要素の機能状態を示す図である。

Claims

直流電圧を、第１の端子（３）に接続されている負荷（２）に供給する電源装置であって、
第２の端子（５）に接続する充電可能なバッテリ（４）と、
前記バッテリ（４）を充電し、電力を前記負荷（２）に供給する電圧発生器（６）と、を備える電源装置において、
前記電圧発生器（６）から前記負荷（２）への電流の供給を制御するように前記電圧発生器（６）から前記第１の端子（３）への電流の供給を制御し、且つ前記第１の端子（３）から前記電圧発生器（６）への電流の逆流を阻止する第１の制御手段（２０，１６）と、
前記電圧発生器（６）から前記第１の制御手段（２０，１６）を介して前記バッテリ（４）へ及び前記バッテリから前記負荷（２）への電流の供給を制御するように前記第１の端子（３）と前記第２の端子（５）との間での電流の供給を制御する第２の制御手段（２１）と
を備える電源装置。
前記第１及び第２の制御手段（２０，１６；２１）が、高インピーダンス状態（２３）、低インピーダンス状態（２６）、及び制御されたインピーダンス状態（２９，３２）のいずれかを選択的に与えるよう構成され、
前記制御されたインピーダンス状態（２９，３２）が、前記第１及び第２の制御手段（２０，１６；２１）のそれぞれにより供給される電流の大きさを制御する
請求項１記載の電源装置。
前記第２の制御手段（２１）が、前記第２の端子（５）に低いバッテリ電圧が存在することに応答して、前記低いバッテリ電圧より大きい制御された電圧を前記第１の端子（３）に印加するよう前記制御されたインピーダンス状態を前記第１の端子（３）と前記第２の端子（５）との間に与える請求項２記載の電源装置。
前記制御手段（２０，１６；２１）は、フル充電より小さいバッテリ電圧に応答して、前記電圧発生器（６）が電流を前記バッテリ（４）及び前記負荷（２）の両方に供給するように前記制御されたインピーダンス状態を与える請求項２又は３記載の電源装置。
前記第１の制御手段（２０，１６）は、フル充電に実質的に等しいバッテリ電圧に応答して、前記電圧発生器（６）を前記バッテリ（４）及び前記負荷（２）からその接続を切るように前記高インピーダンス状態を与える請求項２から４のいずれか一項に記載の電源装置。
前記第２の制御手段（２１）は、フル充電に実質的に等しいバッテリ電圧に応答して、前記バッテリ（４）を前記電圧発生器（６）及び前記負荷（２）からその接続を切るように前記高インピーダンス状態を与える請求項２から４のいずれか一項に記載の電源装置。
前記制御手段が、
電界効果トランジスタと、
前記高インピーダンス状態、前記低インピーダンス状態、及び前記制御されたインピーダンス状態のいずれかを選択的に与えるよう前記電界効果トランジスタを制御する手段とを備える請求項２から６のいずれか一項に記載の電源装置。
前記第１の制御手段（２０，１６）が、
前記電圧発生器（６）と前記第１の端子（３）との間に直列に接続され、前記電圧発生器（６）から前記第１の端子（３）への電流の供給を制御する複数の前記電界効果トランジスタのうちの少なくとも１つの電界効果トランジスタ（２１）と、
前記電圧発生器（６）と前記第１の端子（３）との間に直列に接続され、前記第１の端子（３）から前記電圧発生器（６）への電流の逆流を阻止する第２の構成要素（１６）と
を備える請求項７記載の電源装置。
前記第２の構成要素（１６）が、複数の前記電界効果トランジスタのうちの第２の電界効果トランジスタを備える請求項８記載の電源装置。
通信モジュールと、
電力を前記負荷としての前記通信モジュールに供給するための請求項１から９のいずれか一項に記載の電源装置と
を備える携帯型無線通信装置。