JP2008157837A - Battery residual capacity detector and portable terminal device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置およびこれを用いた携帯端末装置に関する。 The present invention relates to a battery remaining amount detection device that detects a remaining battery amount of a secondary battery, and a portable terminal device using the same.
携帯電話端末などの携帯機器では、充電可能な電池として二次電池が用いられている。携帯電話端末では、逐次、電池電圧を測定し、その測定値に基づいて電池残量テーブルを参照し、電池残量を推定して表示している。 In mobile devices such as mobile phone terminals, secondary batteries are used as rechargeable batteries. In the cellular phone terminal, the battery voltage is sequentially measured, and the remaining battery level table is referred to based on the measured value, and the remaining battery level is estimated and displayed.
なお、動作電源として電池を使用する機器において電池電圧の変動を検出する際の分解能を向上させた電池残量検出装置が提案されている(特許文献1参照)。
近年、携帯電話端末の使用可能時間を増やすために、二次電池に終止電圧の低いものを用いる機種が出現している。このような端末においては、二次電池から効率よく電力を引き出すためにスイッチング電源が用いられる。特に、二次電池の低い電圧出力に対応して、スイッチング電源は昇降圧型のものを用い、二次電池の電圧が低くなった場合は昇圧して使用する。 In recent years, in order to increase the usable time of a mobile phone terminal, a model using a secondary battery having a low end voltage has appeared. In such a terminal, a switching power supply is used to efficiently draw power from the secondary battery. In particular, the switching power supply is a step-up / step-down type corresponding to the low voltage output of the secondary battery, and when the voltage of the secondary battery becomes low, it is boosted and used.
従来の携帯電話端末では、二次電池の電圧および消費電流を測定し、この測定結果に基づいて電池の残量表示を行なっている。しかし、昇降圧型のスイッチング電源を使用した場合、同じアプリケーションを動作させていても降圧から昇圧に切り替わると二次電池からの消費電流が増えてしまうので、スイッチング電源の動作モードに応じて電池残量表示の参照テーブルを変える必要が生じ、複雑になる。また、二次電池からの消費電流が増えると、電流測定用抵抗の両端電圧の範囲が拡大してしまう。これは、測定用のAD変換器の要求される精度の不足や装置コストの増大を招来する。 In the conventional mobile phone terminal, the voltage and current consumption of the secondary battery are measured, and the remaining amount of the battery is displayed based on the measurement result. However, when using a buck-boost type switching power supply, the current consumption from the secondary battery increases when switching from step-down to step-up even if the same application is operating. It becomes necessary to change the reference table of the display, which is complicated. Further, when the current consumption from the secondary battery increases, the range of the voltage across the current measurement resistor is expanded. This leads to a lack of accuracy required for the AD converter for measurement and an increase in apparatus cost.
本発明はこのような背景においてなされたものであり、昇降圧型のスイッチング電源を使用した場合にも、比較的簡単な装置構成で測定精度不足や装置コスト増を招来することなく電池残量の検出が行える電池残量検出装置およびこれを用いた携帯端末装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in this background. Even when a buck-boost type switching power supply is used, the remaining battery level can be detected with a relatively simple device configuration without incurring insufficient measurement accuracy or increasing device cost. It is an object of the present invention to provide a remaining battery level detection device and a portable terminal device using the same.
本発明による電池残量検出装置は、二次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置であって、二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、電流測定用抵抗を用いて電流測定を行う電流測定回路と、二次電池から前記電流測定用抵抗を介して電源の供給を受ける昇降圧型のスイッチング電源と、昇圧動作および降圧動作の動作状態を確認する手段と、前記動作状態に応じて前記電流測定用抵抗の抵抗値を切り替えるスイッチ手段と、前記電圧測定回路および前記電流測定回路の測定結果を電池残量値に変換する変換手段とを備えたことを特徴とする。 A battery remaining amount detecting device according to the present invention is a battery remaining amount detecting device that detects a remaining battery amount of a secondary battery, and uses a voltage measuring circuit that measures the voltage of the secondary battery and a current measuring resistor to measure current. A current measurement circuit for performing measurement, a step-up / step-down switching power supply that receives power supply from the secondary battery via the current measurement resistor, means for confirming the operation state of the step-up operation and the step-down operation, and the operation state In response to this, it comprises switch means for switching the resistance value of the current measurement resistor, and conversion means for converting the measurement result of the voltage measurement circuit and the current measurement circuit into a remaining battery value.
この構成により、昇降圧型のスイッチング電源が昇圧動作を行っているか、降圧動作を行っているかによって電流測定用抵抗の抵抗値が切り替えられる。これにより、電流測定用抵抗の両端電圧の範囲の拡大を抑制することができる。 With this configuration, the resistance value of the current measurement resistor is switched depending on whether the step-up / step-down switching power supply is performing a step-up operation or a step-down operation. Thereby, expansion of the range of the both-ends voltage of the resistance for current measurement can be suppressed.
本発明によれば次のような効果が得られる。 According to the present invention, the following effects can be obtained.
昇降圧型スイッチング電源の動作モードにあわせて電流測定用抵抗値を切り換えることにより、降圧動作時と昇圧動作時で電流測定用抵抗の両端電圧の変動を抑制することができる。その結果、終止電圧の低い二次電池を用いる場合でも、電池残量表示用のテーブルを複雑化する必要がなくなる。電流測定回路にAD変換器を用いる場合、AD変換器の精度を上げたり個数を増加させたりする必要がなく、それによる装置コスト増を回避することができる。また、そのリニアリティ特性が良いところでAD変換を行うことができる。 By switching the current measurement resistance value according to the operation mode of the step-up / step-down switching power supply, it is possible to suppress fluctuations in the voltage across the current measurement resistance during the step-down operation and the step-up operation. As a result, even when a secondary battery with a low end voltage is used, it is not necessary to complicate the battery remaining amount display table. When an AD converter is used for the current measuring circuit, it is not necessary to increase the accuracy or increase the number of AD converters, thereby avoiding an increase in device cost. Also, AD conversion can be performed where the linearity characteristic is good.
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下では携帯電話端末を例として説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, a mobile phone terminal will be described as an example.
まず、本実施の形態における携帯電話端末の構成について説明する。図1は携帯端末の電源に関連した主要部のブロック図を示している。 First, the configuration of the mobile phone terminal in the present embodiment will be described. FIG. 1 shows a block diagram of main parts related to the power source of the portable terminal.
この携帯電話端末は、終止電圧が従来よりも低いところまで使用できる二次電池101を用いる。電圧測定回路102は、この二次電池101の電圧を測定する。電流測定回路103は、電流測定用抵抗A104の両端の電圧を測定する。この測定値は抵抗値に基づいて電流値に換算される。このように、電圧測定回路102および電流測定回路103は、本質的には、いずれもAD(アナログデジタル)変換器を用いて電圧値を測定するものであり、同一のAD変換器を切り替えて用いることも可能である。
This mobile phone terminal uses a
CPU115は、電圧測定回路102および電流測定回路103を制御したり、データの演算(電流測定回路103の測定電圧の電流値への変換を含む)を行ったりするためのプロセッサ(中央処理装置)である。メモリ116は、CPU115が処理するための処理プログラム116aや、後述する参照テーブル116bを含む各種データを記憶したり、CPU115の作業用領域や一時記憶領域を提供する。表示部117は、CPU115によって制御され、電池残量表示を含む携帯電話端末の各種の情報を表示画面上に表示する。
The
この端末は、異なる電圧値で動作する複数の回路群を備えている。本実施の形態では、2.8V系電源で動作する回路群108と、1.5V系電源で動作する回路群111と、3.3V系電源で動作する回路群114を有する。回路群108は、2.8V系電圧出力のLDO群107から電源の供給を受ける。LDOはLow Drop Outの略であり、直流の入力電圧を安定化して出力するシリーズレギュレータ(またはリニア電圧レギュレータ)である。回路群111は、1.5V系電圧出力のLDO群110から電源の供給を受ける。二次電池101の消費効率を上げるためLDO群110の前段には降圧型DCDC109を配置している。
This terminal includes a plurality of circuit groups that operate at different voltage values. The present embodiment includes a
回路群114は3.3V系電圧出力のLDO群113から電源の供給を受ける。二次電池101からの消費効率を上げ、二次電池出力が低い電圧になるまで動作させるため、LDO群113の前段に昇降圧型DCDC112を配置している。
The
本実施の形態では、電流測定用抵抗A104に対して並列接続される電流測定用抵抗B105を設けている。この電流測定用抵抗B105にはスイッチ(SW)106を直列接続している。このスイッチ106は、昇降圧型DCDC112の動作状態を表すDCDC−MODE信号118に応じてON/OFFが制御される。すなわち、スイッチ106は、昇降圧型DCDC112が降圧動作ならOFFし、昇圧動作ならONする。スイッチ106がONしたとき電流測定用抵抗A104に対して電流測定用抵抗B105が並列接続された状態となる。すなわち、電流測定回路103が測定する電流測定用抵抗の抵抗が2本の抵抗の並列合成抵抗となり、スイッチ106のON時には抵抗値が低下するように機能する。
In the present embodiment, a current measuring resistor B105 connected in parallel to the current measuring resistor A104 is provided. A switch (SW) 106 is connected in series to the current measuring resistor B105. The
次に、図1の携帯電話端末の動作について脱明する。まず、電池残量表示の動作について説明する。 Next, the operation of the mobile phone terminal of FIG. First, the operation of the battery remaining amount display will be described.
回路群108、回路群111、回路群114が動作すると、二次電池101から電流測定用抵抗A104を通って電流が消費される。CPU115、メモリ116、表示部117は、図上、これらの回路群とは別個に示しているが、実際にはこれらの回路群の一部である。
When the
CPU115は、電圧測定回路102のAD変換により二次電池101の電圧をデジタル値で測定し、その結果をメモリ116に格納する。また、CPU115は電流測定回路103のAD変換により、二次電池101から消費される電流を電流測定用抵抗A104の両端に発生する電位差より測定し、その測定結果(デジタル値)をメモリ116に格納する。このとき、昇圧の有無にかかわらず電圧値を電流値に変換するために用いる抵抗値は電流測定用抵抗A104の抵抗値である。CPU115は得られた二次電池101の電圧と消費電流のデータとを、メモリ116に予め格納して用意されていた参照テーブル(データテーブル)と照らし合わせて電池残量を予測して、表示部117へ電池残量表示を行なう。
The
なお、二次電池101に充電を行うための充電回路は図示省略している。
Note that a charging circuit for charging the
ここで、本発明をより良く理解するために抵抗B105およびスイッチ106がない場合の動作について簡単に説明する。
Here, in order to better understand the present invention, the operation without the
図2に示すように、電池電圧が高いところでは昇降圧型DCDC112は、降圧DCDCとして動作し、3.3V系LDO群113に電源供給を行なう。このとき、昇降圧型DCDC112は、Vin × Iin=η(Vout × Iout)となり、降圧すなわちVin>Voutであるので、Iin<Ioutとなる。
As shown in FIG. 2, when the battery voltage is high, the step-up / step-down
ここでηはDCDCの効率で、η≦1である。Iinが小さいということは、電池の消費が少ないことを意味するので、二次電池101の電圧の減少は緩やかである。CPU115は、電圧測定回路102および電流測定回路103より得られたデータを、電池電圧の緩やかな減少に従った参照テーブルに照らし合わせて表示部117に電池の残量表示を行なう。
Here, η is the efficiency of DCDC, and η ≦ 1. When Iin is small, it means that the battery consumption is low, so the voltage decrease of the
次に電池電圧が下がってきて、3.3V系LDO群113が安定した出力電圧を出せる境界付近では、昇降圧型DCDC112は昇圧と降圧を行ったり来たりする動作となる。
Next, when the battery voltage drops and the boundary where the 3.3
さらに電池電圧が下がった場合、昇降圧型DCDC112は昇圧動作のみとなる。昇圧動作の時、昇降圧型DCDC112では、Vin<Voutであるため、Iin>Ioutとなる。同じ回路が動作していても(すなわち昇降圧型DCDC112の負荷の消費電力が変化していなくても)、昇降圧型DCDC112が降圧型で動作しているのか昇圧型で動作しているのかで、二次電池101からの消費電流は異なる。昇圧型で動作する場合、電池の消費電流が増えるので、二次電池101の電圧の減少は降圧型のときより急激になる。CPU115は電圧測定回路102および電流測定回路103より得られたデータを、電池電圧の急激な減少に従った参照テーブルに照らし合わせて表示部117に電池の残量表示を行なう必要がある。
When the battery voltage further decreases, the step-up / step-down
そのため、従来の動作では、昇降圧型DCDC112の動作モードに応じた参照テーブルを参照するには、CPU115は昇降圧型DCDC112がどのモードで動作しているかを知っている必要があり、また回路群108、111、114の動作パターンが多くなると、CPU115が参照する電池残量表示用の参照テーブルの数も増えるため場合分けも複雑になる。さらに昇降圧型DCDC112が昇圧型で動作していると二次電池101からの消費電流が増えるため、電流測定用抵抗A104の両端の電圧降下も大きくなり、電流測定回路103の必要なAD変換範囲の増加に対応してAD変換の精度を上げる等の工夫が必要となり、装置のコストアップにつながる。
Therefore, in the conventional operation, in order to refer to the reference table corresponding to the operation mode of the step-up / step-down
本実施の形態では、電流測定用抵抗B105を追加して、昇降圧型DCDC112が昇圧型で動作している時にSW106がONすることにより、昇圧動作の有無にかかわらず電流測定回路103で測定される電圧値が変わらないように、昇圧動作時に電流測定用抵抗A104に電流測定用抵抗B105を並列接続して抵抗値を小さくし、この並列抵抗の両端の電位差を電流測定回路103にて測定するようにした。電流が増える分、並列抵抗値を小さくするので、電流測定回路103のデータは、昇降圧型DCDC112の動作モードに依存しなくなり、電池残量表示用の参照テーブルを昇圧動作時用に増やす必要がなくなる。また並列抵抗の電位差は変わらないため、電流測定回路103のAD変換の測定可能範囲を拡大したり、その精度を上げたりする必要がなくなる。
In the present embodiment, the current measurement resistor B105 is added, and the
図3は、図1内に示した昇降圧型DCDC112の内部構成をその周辺部とともに示した図である。電圧測定回路102、電流測定回路103等は図示省略してある。
FIG. 3 is a view showing the internal configuration of the step-up / step-down
昇降圧型DCDC112は集積回路により構成され、モード信号出力端子DCDC−MODE、電源入力端子、コイル35の接続端子、出力電圧端子を有する。
The step-up / step-down
出力電圧端子の出力電圧Voutは、ドライバ制御部10がFET(電圧効果トランジスタ)31〜34(Tr1〜Tr4)およびコイル35からなる出力回路を制御することにより得られる。Tr1のドレインは電流測定用抵抗A,Bを介して二次電池101の電源入力端子に接続され、そのソースはコイル35の一端に接続される。Tr2のドレインはTr1のソースに接続され、ソースは接地される。Tr4のドレインはコイル35の他端に接続され、ソースは出力電圧端子に接続される。Tr3のドレインはTr3のドレインに接続され、ソースは接地される。Tr1〜Tr4のゲートは、後述するような態様によりドライバ制御部10により制御される。
The output voltage Vout at the output voltage terminal is obtained when the
ドライバ制御部10は、発振器(OSC)11の発振出力と、出力電圧制御信号16と、動作状態信号20とを受けて動作する。具体的には、次のような動作となる。
(1)降圧時(VBAT>Vout):Tr1とTr2がスイッチング動作、Tr3はOFF、Tr4はONとなる。
(2)昇圧時(VBAT<Vout):Tr1はON、Tr2はOFF、Tr3とTr4がスイッチング動作となる。
(3)昇降圧時(VBAT≒Vout):Voutが一定になるように降圧動作および昇圧動作が反復する。
The
(1) During step-down (VBAT> Vout): Tr1 and Tr2 are switched, Tr3 is OFF, and Tr4 is ON.
(2) During boosting (VBAT <Vout): Tr1 is ON, Tr2 is OFF, and Tr3 and Tr4 are switched.
(3) During step-up / step-down (VBAT≈Vout): The step-down operation and the step-up operation are repeated so that Vout becomes constant.
出力電圧制御信号16は、出力電圧Voutを直列抵抗14,15で分圧して得られる電圧を基準電圧Refと比較する比較器12により生成される。動作状態信号20は、直列抵抗14,15で分圧して得られる電圧と、入力電圧VBATを直列抵抗18,19で分圧して得られる電圧とを比較する比較器17により生成される。すなわち、昇降圧型DCDC112の現在の動作状態は、実質的にVBATとVoutの電位差に基づいて判断される。
The output voltage control signal 16 is generated by the
動作状態信号20は、この例では、降圧時に低レベル、昇圧時に高レベルとなり、昇降圧時には低レベルと高レベルで変化する。フィルタ21は昇降圧動作時の動作状態信号20の変化を取り除くよう機能する。
In this example, the operating
フィルタ21の出力22はレベル変換用の出力バッファ23(ここではFET)を介して、ドレイン出力24により昇降圧型DCDC112の動作モードを表すDCDC−MODE信号118として出力される。このDCDC−MODE信号118によりスイッチ106がON/OFF制御される。
An
図3の構成では、電流測定用抵抗の切り替え用のスイッチの制御をハードウエアで行なうので、ソフトウエアの負担が少なくすることができる。 In the configuration of FIG. 3, since the switch for switching the current measuring resistor is controlled by hardware, the burden on software can be reduced.
図4に、フィルタ21の内部構成例を示す。このフィルタ21は、多段接続された複数のDフリップフロップ(DFF)41〜44、AND回路45、NOR回路46、およびJKフリップフロップ47により構成されている。このフィルタ21は、図5のタイミング図に示すように、降圧時および低圧時には動作状態信号20をそのまま出力し、昇降圧動作時には、昇降圧動作の前の状態を(電池が消費されている方向なら降圧を、充電されている方向なら昇圧を)保持するよう、動作する。
FIG. 4 shows an internal configuration example of the
図6(a)は本発明を適用しない場合の電流測定回路103に接続された抵抗に流れる電流および両端電圧を表したグラフを示す。このグラフの縦軸は抵抗の両端電圧、横軸は電流を示している。V0/I0=抵抗Aの抵抗値の関係がある。図6(b)は、本実施の形態においてスイッチ106がOFFのときとONのときの電流測定回路103に接続された抵抗に流れる電流および両端電圧を表したグラフG1,G2である。図6(a)のグラフは図6(b)のスイッチ106がOFFの場合のグラフG1に相当する。図6(b)のグラフG2はスイッチ106のON時に対応し、2本の並列抵抗の合成値が元の抵抗値より低下するため、電流がI1(>I0)に達するまで両端電圧は電圧値Voを超えない。したがって、電流値がI1を超えてもAD変換器の測定可能範囲を拡大する必要はない。
FIG. 6A is a graph showing the current flowing through the resistor connected to the
図7に本実施の形態において用いる参照テーブル116b(図1)の構成例を示す。この参照テーブル116bは、測定された電圧値および電流値の組み合わせに対して、対応する電池残量値を対応づけたデータテーブルである。この参照テーブル116bは、DCDC−MODEの値(LかH)に関わらず、1つのテーブルで足りる。 FIG. 7 shows a configuration example of the reference table 116b (FIG. 1) used in the present embodiment. This reference table 116b is a data table in which the corresponding battery remaining value is associated with the combination of the measured voltage value and current value. This reference table 116b suffices as a single table regardless of the DCDC-MODE value (L or H).
図8に、図3の構成の変形例に係る、携帯端末の電源に関連した主要部のブロック図を示す。図3の構成では、DCDC−MODE信号118で直接的にスイッチ106を制御したが、図8の構成ではCPU115を介してスイッチ106の制御が行われる。この例では、CPU115のポート115aを用いて制御を行っている。他の構成は図3の構成と同じなので、重複した説明は省略する。LDO群107へはポートの電源電圧と同じものから供給する。図8の携帯端末の動作は図3の動作と実質的には同じである。なお、図8では、ポート115aがSW116(FET1個)のみを制御する例を示したが、並列抵抗とSWの組をさらに追加して、複数のSWを個別に制御するようにしてもよい。どのSWをONさせるかは、CPU115が把握できる現在の動作モードとDCDC−MODEの値とに応じて決定することができる。例えば抵抗Aに対して並列抵抗B,C,Dを個別のSWで選択的に接続する場合、昇圧時かつ通話時に抵抗BをON、昇圧時かつTV動作時に抵抗CをON、昇圧時かつゲーム動作時に抵抗DをON、とするような制御が可能となる。
FIG. 8 shows a block diagram of a main part related to the power source of the mobile terminal according to a modification of the configuration of FIG. In the configuration of FIG. 3, the
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but various modifications and changes other than those mentioned above can be made.
10…ドライバ制御部、12…比較器、14,15…直列抵抗、16…出力電圧制御信号、17…比較器、18,19…直列抵抗、20…動作状態信号、21…フィルタ、22…出力、23…出力バッファ、35…コイル、45AND回路、46…NOR回路、47…フリップフロップ、101…二次電池、102…電圧測定回路、103…電流測定回路、104…電流測定用抵抗A、105…電流測定用抵抗B、106…スイッチ、107…LDO群、108…回路群、109…降圧型DCDC、110…LDO群、111…回路群、112…昇降圧型DCDC、113…LDO群、114…回路群、115a…ポート、116…メモリ、116a…処理プログラム、116b…参照テーブル、117…表示部、118…DCDC−MODE信号
DESCRIPTION OF
Claims (4)
二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、
電流測定用抵抗を用いて電流測定を行う電流測定回路と、
二次電池から前記電流測定用抵抗を介して電源の供給を受ける昇降圧型のスイッチング電源と、
昇圧動作および降圧動作の動作状態を確認する手段と、
前記動作状態に応じて前記電流測定用抵抗の抵抗値を切り替えるスイッチ手段と、
前記電圧測定回路および前記電流測定回路の測定結果を電池残量値に変換する変換手段と
を備えたことを特徴とする電池残量検出装置。 A battery level detection device for detecting the remaining battery level of a secondary battery,
A voltage measuring circuit for measuring the voltage of the secondary battery;
A current measurement circuit that performs current measurement using a current measurement resistor;
A step-up / step-down switching power supply that receives power supply from the secondary battery via the current measurement resistor;
Means for confirming the operating state of the step-up operation and step-down operation;
Switch means for switching a resistance value of the current measuring resistor according to the operating state;
A battery remaining amount detecting device comprising: a conversion unit that converts measurement results of the voltage measuring circuit and the current measuring circuit into a battery remaining value.
前記電池残量検出装置は、
二次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置であって、
二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、
電流測定用抵抗を用いて電流測定を行う電流測定回路と、
二次電池から前記電流測定用抵抗を介して電源の供給を受ける昇降圧型のスイッチング電源と、
昇圧動作および降圧動作の動作状態を確認する手段と、
前記動作状態に応じて前記電流測定用抵抗の抵抗値を切り替えるスイッチ手段と、
前記電圧測定回路および前記電流測定回路の測定結果を電池残量値に変換する変換手段と
を備えたことを特徴とする携帯端末装置。 A battery remaining amount detection device, and a display unit for displaying the battery remaining amount obtained by the conversion unit,
The battery remaining amount detecting device is
A battery level detection device for detecting the remaining battery level of a secondary battery,
A voltage measuring circuit for measuring the voltage of the secondary battery;
A current measurement circuit that performs current measurement using a current measurement resistor;
A step-up / step-down switching power supply that receives power supply from the secondary battery via the current measurement resistor;
Means for confirming the operating state of the step-up operation and step-down operation;
Switch means for switching a resistance value of the current measuring resistor according to the operating state;
A portable terminal device comprising: conversion means for converting the measurement results of the voltage measurement circuit and the current measurement circuit into a battery remaining value.
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