JP2009122934A - コネクタを備える電源 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷電流による出力電圧の変動を著しく小さく制限しながら、コネクタに外部負荷が接続されたかどうかを確実に安定して判定する。
【解決手段】コネクタを備える電源は、外部負荷が脱着自在に連結されるコネクタ３と、このコネクタ３に接続されてコネクタ３に電源電力を出力する電源回路１と、この電源回路１とコネクタ３との間に接続されて、コネクタ３の外部負荷の接続を判定する接続判定回路２とを備える。接続判定回路２は、電源回路１からコネクタ３の方向に電流を流すように接続してなるダイオード４と、このダイオード４と並列に接続している検出スイッチ５と、この検出スイッチ５をオンオフに切り変えてダイオード４の電圧降下を検出する制御回路６とを備える。この電源は、制御回路６が、検出スイッチ５をオンオフに切り変えてダイオード４の電圧降下の変化電圧値を検出し、検出される変化電圧の大小からコネクタ３の接続状態を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力を出力するコネクタを備える電源に関し、とくに、コネクタに外部負荷が接続されたかどうかを判定する接続判定回路を備える電源に関する。

コネクタを備える電源は、コネクタに外部負荷が接続されたかどうかを判定して、種々の処理ができる。たとえば、コネクタに外部負荷が接続されない状態では、省電力モードに切り換えて無駄な電力消費を削減し、あるいは出力電圧を遮断して安全性を向上できる。従来の電源回路は、コネクタに外部負荷が接続されたかどうかを検出スイッチで物理的に検出している。検出スイッチは、コネクタの近傍に配設されて、コネクタに連結される接続プラグでオンオフに切り変えられる。検出スイッチを設ける構造は、部品コストが高くなるばかりでなく、信頼性に欠ける欠点がある。それは、機械的な可動部分のあるスイッチの耐久性が、可動部分のない電子回路に比較して短くなるからである。また、検出スイッチは、外部負荷のみでなく、検出スイッチを切り換える応力が作用して誤動作することがあることも信頼性を低下させる原因となる。この欠点を解消するために、外部負荷の接続を電流を検出して電気的に判定する回路が開発されている。（特許文献１参照）
特開２００７−２０６０１２号公報

特許文献１の回路図を図１に示す。この電源回路は、電源９０と負荷９１との間に、電圧降下発生用抵抗９２とスイッチング用トランジスタ９３を直列に接続している。電圧降下発生用抵抗９２は、スイッチング用トランジスタ９３よりも電源９０に近い側に接続している。電圧降下発生用抵抗９２で降圧された電圧を出力電圧として検出し、この検出電圧から負荷９１のショート異常やオープン異常を判定する。

この電源回路は、負荷電流が大きくなるにしたがって、電圧降下発生用抵抗の電圧降下が大きくなるので、負荷電流によって出力電圧が変化する。このため、出力電圧で外部負荷が接続されたかどうかを判定できる。しかしながら、この回路は、負荷電流が増加するにしたがって負荷の供給電圧が変動する欠点がある。電源回路において、出力電圧を安定化して出力することは極めて大切な特性である。とくに、負荷電流が変動して出力電圧を安定化する安定化回路を内蔵する電源回路にあっては、安定化回路からの出力電圧をいかに定電圧に保持できても、出力側に接続している電圧降下発生用抵抗で電圧が変動するのでは安定化を実現できない。このため、負荷電流によって出力電圧が変動する特性は、電源としての電気特性を著しく低下させる。

負荷電流が大きくなって出力電圧を低下する割合を小さくするには、電圧降下発生用抵抗の電気抵抗を小さくする必要がある。ただ、電圧降下発生用抵抗の電気抵抗を小さくすると、電流に対する電圧降下発生用抵抗の電圧降下が小さくなる。このため、電圧降下発生用抵抗の電圧降下を増幅率の高いアンプで増幅して検出する必要があり、回路構成が複雑になる。また、小さい電圧降下を大きく増幅して電流を判定するので、雑音の影響を受けやすく、正確に判定するのが難しくなる欠点もある。

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、負荷電流による出力電圧の変動を著しく小さく制限しながら、コネクタに外部負荷が接続されたかどうかを確実に安定して判定できるコネクタを備える電源を提供することにある。

本発明のコネクタを備える電源は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
コネクタを備える電源は、外部負荷が脱着自在に連結されるコネクタ３と、このコネクタ３に接続されてコネクタ３に電源電力を出力する電源回路１と、この電源回路１とコネクタ３との間に接続されて、コネクタ３の外部負荷の接続を判定する接続判定回路２とを備える。接続判定回路２は、電源回路１からコネクタ３の方向に電流を流すように接続してなるダイオード４と、このダイオード４と並列に接続している検出スイッチ５と、この検出スイッチ５をオンオフに切り変えてダイオード４の電圧降下を検出する制御回路６とを備える。この電源は、制御回路６が、検出スイッチ５をオンオフに切り変えてダイオード４の電圧降下の変化電圧値を検出し、検出される変化電圧の大小からコネクタ３の接続状態を判定する。

本発明の請求項２の電源は、ダイオード４を、ショットキーバリヤダイオードとしている。また、本発明の請求項３の電源は、コネクタ３を、ＵＳＢコネクタ３Ａとしている。さらにまた、本発明の請求項４の電源は、制御回路６が、コネクタ３に出力される電圧を検出してダイオード４の電圧降下を検出している。

さらに、本発明の請求項５の電源は、電源回路１を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０としている。さらにまた、本発明の請求項６の電源は、電源回路１がＤＣ／ＤＣコンバータ１０で、制御回路６が、コネクタ３に外部負荷が接続されない状態を検出して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を所定の周期で省電力モードに切り換えている。

本発明の電源は、負荷電流による出力電圧の変動を著しく小さく制限しながら、コネクタに外部負荷が接続されたかどうかを確実に安定して判定できる特徴がある。それは、本発明の電源が、電源回路とコネクタとの間に、コネクタの外部負荷の接続を判定する接続判定回路を接続して、この接続判定回路を、電源回路からコネクタの方向に電流を流すように接続してなるダイオードと、このダイオードと並列に接続している検出スイッチと、この検出スイッチをオンオフに切り変えてダイオードの電圧降下を検出する制御回路とで構成し、制御回路でもって、検出スイッチをオンオフに切り変えてダイオードの電圧降下の変化電圧値を検出し、検出される変化電圧の大小からコネクタの接続状態を判定するからである。

本発明の電源は、検出スイッチをオフに切り換える状態でダイオードの両端に電圧降下が発生する。ダイオードの電流に対する順方向電圧（Ｖf）の変化特性を図３に示す。この図に示すように、ダイオードの順方向電圧（Ｖf）は、電流が極めて小さい微少電流範囲にあっては、電流によって急激に大きくなるが、電流がある範囲から大きくなる定格電流範囲においては、ほとんど変化しない。このため、ダイオードと並列に接続しているスイッチをオフに切り換えて、負荷電流が全てのダイオードに流れる状態において、ダイオードの順方向電圧（Ｖf）がそれほど大きくなることはない。また、電流が定格電流まで増加してもほとんど変化しない。定格電流におけるダイオードの順方向電圧（Ｖf）は約０．６Ｖと極めて小さく、ショットキーバリヤダイオードにあっては、順方向電圧（Ｖf）が約０．３Ｖ〜０．４Ｖとさらに小さくなる。このため、本発明の電源は、検出スイッチをオフに切り換える状態における出力電圧の低下を極めて小さくできる。検出スイッチをオンに切り換える状態では、ダイオードによる出力電圧の低下はない。したがって、検出スイッチをオンオフに切り変えて変化する電圧変動を小さくできる。ただ、外部負荷が接続されない状態では電流が流れないので、検出スイッチをオフに切り換える状態でダイオードの電圧降下はほとんど０Ｖとなり、外部負荷を接続する状態ではダイオードの順方向電圧（Ｖf）となるので、検出スイッチをオフに切り換える状態と、検出スイッチをオンに切り換える状態での電圧降下を検出して、この電圧降下の大きさからコネクタに外部負荷が接続されたかどうかを確実に判定できる。

本発明の請求項２の電源は、ダイオードをショットキーバリヤダイオードとするので、出力電圧をより電圧変化の少ない状態に安定化できる。それは、ショットキーバリヤダイオードの順方向電圧（Ｖf）が極めて小さいからである。

また、本発明の請求項３の電源は、コネクタをＵＳＢコネクタとする。この電源は、規格化されたＵＳＢコネクタを特別な形状とすることなく、規格化されたＵＳＢコネクタを使用して外部負荷の接続を確実に判定できる。

さらにまた、本発明の請求項４の電源は、コネクタに出力される電圧を検出してダイオードの電圧降下を検出する。この電源は、簡単な電圧検出回路でダイオードの電圧降下を検出できる。このため、制御回路を簡単な回路構成として、外部負荷の接続を確実に判定できる。

また、本発明の請求項５の電源は、電源回路をＤＣ／ＤＣコンバータとする。ＤＣ／ＤＣコンバータは出力電圧を安定化するフィードバック回路を備えるので、ＤＣ／ＤＣコンバータで安定化された出力電圧を、負荷電流によって変動させることなく外部負荷に電力を供給できる。

また、本発明の請求項６の電源は、電源回路をＤＣ／ＤＣコンバータとし、制御回路でもってコネクタに外部負荷が接続されない状態を検出して、ＤＣ／ＤＣコンバータを所定の周期で省電力モードに切り換える。この電源は、外部負荷が接続されない状態ではＤＣ／ＤＣコンバータを省電力モードにできるので無駄な電力消費を少なくできる。また、所定の周期でＤＣ／ＤＣコンバータを省電力モードに切り換えるので、外部負荷が接続されると、外部負荷の接続を検出してＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に切り換えできる。すなわち、外部負荷が接続されるとＤＣ／ＤＣコンバータを動作モードとして、外部負荷が接続されない状態では省電力モードにできる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのコネクタを備える電源を例示するものであって、本発明は電源を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２の電源は、電池７を内蔵する携帯式電源である。この携帯式電源は、外部負荷をＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、ＩＣプレーヤなどの電子機器として、これ等の電子機器に電力を供給して、内蔵電池を緊急充電するのに使用される。ただ、本発明は、電源を携帯式電源には特定しない。本発明の電源は、コネクタを介して外部負荷を接続して、外部負荷に電力を供給する全ての電源に使用できる。

図２の電源は、外部負荷を脱着自在に連結するためのコネクタ３と、このコネクタ３に接続されてコネクタ３に電源電力を出力する電源回路１と、この電源回路１とコネクタ３との間に接続されて、コネクタ３の外部負荷の接続を判定する接続判定回路２とを備える。

コネクタ３は、電源電力を出力するコネクタである。コネクタ３は、ＵＳＢコネクタ３Ａである。ＵＳＢコネクタ３Ａは、種々の電子機器を外部負荷として接続して電力を供給できる。ただし、コネクタには、ＵＳＢコネクタに代わって、外部負荷を接続する全てのコネクタとすることもできる。図の電源は、充電できる電池７を内蔵するので、この電池７に電力を供給して充電するＡＣアダプタを接続する入力コネクタ８も備えている。

電源回路１は、入力コネクタ８から入力される電力で電池７を充電する充電回路１１と、充電回路１１で充電される電池７と、この電池７の電圧を調整して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１０を内蔵する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、出力電圧を安定化してコネクタ３に出力する。充電回路１１は、入力コネクタ８から入力される電力で電池７を定電流、または定電流定電圧充電して満充電する。充電できる電池をニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とする電源は、充電回路で定電流充電して電池を満充電し、電池をリチウムイオン電池とする電源は、充電回路で定電流定電圧充電して電池を満充電する。

接続判定回路２は、電源回路１からコネクタ３の方向に電流を流すように接続してなるダイオード４と、このダイオード４と並列に接続している検出スイッチ５と、この検出スイッチ５をオンオフに切り変えてダイオード４の電圧降下を検出する制御回路６とを備える。

ダイオード４は、ショットキーバリヤダイオードである。ショットキーバリヤダイオードは、順方向電圧（Ｖf）が小さく、検出スイッチ５をオンオフに切り変える状態での出力電圧の変動を小さくできる。ただ、ダイオードは、ショットキーバリヤダイオードには特定せず、全てのダイオードを使用できる。さらに、このダイオードと並列に接続されるＦＥＴの寄生ダイオードを使用することもできる。

検出スイッチ５は、制御回路６でオンオフに制御されるスイッチである。図の電源の検出スイッチ５はＦＥＴである。ただし、検出スイッチには、ＦＥＴに代わってトランジスタやリレー等、制御回路６でオンオフに制御できる全てのスイッチを使用できる。ただし、本発明の電源は、この検出スイッチ５をオンオフに切り変えてダイオード４の電圧降下を検出して外部負荷の接続を判定するので、検出スイッチ５には、オン状態における電圧降下がダイオード４の順方向電圧（Ｖf）よりも小さいものが使用される。

制御回路６は、検出スイッチ５をオンオフに切り変えてダイオード４の電圧降下の変化電圧値を検出し、検出された変化電圧の大小からコネクタ３の接続状態を判定する。図の制御回路６は、検出スイッチ５をオンオフに切り変えて、コネクタ３に出力される電圧を検出してダイオード４の電圧降下を検出する。ダイオード４の電圧降下は、電源回路１の出力電圧とコネクタ３側の電圧との差であるから、電源回路１の出力電圧が一定ないしほぼ一定であれば、コネクタ３に出力される電圧を検出してダイオード４の電圧降下を検出できる。とくに、本発明の電源は、検出スイッチ５をオンオフに切り変えて、ダイオード４の電圧降下の差電圧から外部負荷の接続を判定するので、ダイオード４の電圧降下の差は、コネクタ３に出力される電圧の差電圧となる。つまり、検出スイッチ５をオンオフに切り変える状態で、コネクタ３に出力される電圧の差は、ダイオード４の電圧降下の差電圧となる。したがって、制御回路６は、検出スイッチ５をオンオフに切り変えて、コネクタ３に出力される電圧の差を検出して、ダイオード４の電圧降下の差を検出できる。

図４は、外部負荷を接続する状態と、接続しない状態で検出スイッチ５をオンオフに切り変えて、コネクタ３に出力される電圧が変化する状態を示している。コネクタ３に外部負荷が接続される状態（電流が流れる状態）で、検出スイッチ５がオフに切り換えられるとコネクタ３への出力電圧は低下する。それは、電源回路１の出力電圧が、ダイオード４の電圧降下である順方向電圧（Ｖf）に相当して低下するが、外部負荷を接続する状態では、ダイオード４に順方向に電流が流れて、順方向電圧（Ｖf）は無負荷の状態にくらべて大きくなる。たとえば、ショットキーバリヤダイオードにあっては、定格電流における順方向電圧（Ｖf）が０．３Ｖ〜０．４Ｖとなるので、コネクタ３に出力される電圧は、電源回路１の出力電圧よりも０．３Ｖ〜０．４Ｖ低くなる。この状態で、検出スイッチ５をオンにすると、検出スイッチ５による電圧降下は無視できる程度に小さく、コネクタ３に出力される電圧は電源電圧まで上昇する

これに対して、コネクタ３に外部負荷が接続されない状態で、検出スイッチ５がオフに切り換えられると、コネクタ３への出力電圧はほとんど低下しない。それは、電源回路１の出力電圧が、ダイオード４の電圧降下である順方向電圧（Ｖf）に相当して低下するが、外部負荷を接続しない状態では、ダイオード４にほとんど電流が流れず、順方向電圧（Ｖf）が極めて小さくなるからである。したがって、検出スイッチ５をオフに切り換えても、コネクタ３の電圧はほとんど低下しない。この状態で、検出スイッチ５をオンにすると、コネクタ３に出力される電圧は電源電圧まで上昇するが、検出スイッチ５をオフにする状態でも、コネクタ３に出力される電圧はほとんど低下しないので、検出スイッチ５をオンオフに切り変えて、コネクタ３の電圧はほとんど変化しない。

したがって、制御回路６は、検出スイッチ５をオンからオフに切り変えてコネクタ３の電圧が大きく低下すると、いいかえると、検出スイッチ５をオフに切り換えて、ダイオード４の電圧降下が大きくなると、コネクタ３に外部負荷が接続されたと判定する。また、検出スイッチ５をオンからオフに切り変えて、コネクタ３の電圧が低下しないと、外部負荷が接続されないと判定する。

さらに、図の電源は、電源回路１の出力側にＤＣ／ＤＣコンバータ１０を省電力モードに切り換える省電力モード切換回路１２を設けている。省電力モード切換回路１２は、コネクタ３に外部負荷を接続されない状態を検出すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を所定の周期で省電力モードに切り換える。この省電力モード切換回路１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力側とアースとの間に接続しているツェナーダイオード１３とコンデンサー１４からなる直列回路と、この直列回路のツェナーダイオード１３とコンデンサー１４との接続点をベースに入力している入力トランジスタ１５とこの入力トランジスタ１５のコレクタにベースを接続しているスイッチングトランジスタ１６とを備える。

ツェナーダイオード１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧よりも小さい電圧で降伏する電気特性を有する。入力トランジスタ１５は、入力抵抗１７を介してツェナーダイオード１３とコンデンサー１４との接続点にベースを接続している。入力抵抗１７の電気抵抗と、コンデンサー１４の静電容量の時定数は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作状態と省電力モードに切り換える周期を特定する。入力抵抗１７の電気抵抗を大きくして、コンデンサー１４の静電容量を大きくすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作状態と省電力モードに切り換える周期は長くなる。入力トランジスタ１５は、負荷抵抗１８を介して電源２０に接続され、スイッチングトランジスタ１６は、ベース抵抗１９を介してベースを入力トランジスタ１５のコレクタに接続している。この省電力モード切換回路１２は、スイッチングトランジスタ１６が”Ｈｉｇｈ”の信号を出力して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を省電力モードとし、”Ｌｏｗ”を出力して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作モードとする。

以上の省電力モード切換回路１２は以下の動作をして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作モードと省電力モードに所定の周期（例えば、動作モード１〜５秒と省電力モード１〜１０秒）で切り換える。
最初は、電源２０のＶccによってスイッチングトランジスタ１６がオンに制御される。オン状態のスイッチングトランジスタ１６は、コレクタの電圧が低下して”Ｌｏｗ”を出力する。”Ｌｏｗ”信号はＤＣ／ＤＣコンバータ１０に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は動作状態となる。動作状態になったＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、安定化された電圧を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０から出力される電圧でツェナーダイオード１３が降伏する。降伏したツェナーダイオード１３はコンデンサー１４を充電して、コンデンサー１４の電圧を上昇させる。コンデンサー１４の電圧が上昇するにしたがって、入力トランジスタ１５のベース電流が増加する。ベース電流が増加して、入力トランジスタ１５がオンに切り換えられる。入力トランジスタ１５がオンになる時間は、コンデンサー１４の静電容量と入力抵抗１７の電気抵抗で特定される。入力トランジスタ１５がオンになると、コレクタの電圧が低下し、スイッチングトランジスタ１６のベース電流が減少して、スイッチングトランジスタ１６がオフに切り換えられる。オフ状態になったスイッチングトランジスタ１６は、コレクタ電圧が上昇して”Ｈｉｇｈ”を出力する。スイッチングトランジスタ１６から出力される”Ｈｉｇｈ”信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に入力されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を省電力モードに切り換える。その後、コンデンサー１４が入力抵抗１７で放電されて電圧が低下する。コンデンサー１４の電圧が低下すると、入力トランジスタ１５がオフに切り換えられる。入力トランジスタ１５がオフになると、スイッチングトランジスタ１６がオンに切り換えられる。オン状態のスイッチングトランジスタ１６は”Ｌｏｗ”を出力して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作モードに切り換える。以下、この状態を繰り返して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は所定の周期で動作モードと、省電力モードに切り換えられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、制御回路６によっても制御され、コネクタ３に外部負荷が接続される状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作モードに保持する。制御回路６は、コネクタ３に外部負荷が接続されないことを検出すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を所定の周期で動作モードと省電力モードに切り換えて、無駄な電力消費を削減する。

従来の電源の回路図である。 本発明の一実施例にかかるコネクタを備える電源のブロック図である。 ダイオードの電流に対する順方向電圧（Ｖf）の変化特性を示すグラフである。 検出スイッチをオンオフに切り変えて出力電圧が変化する状態を示すグラフである。

符号の説明

１…電源回路
２…接続判定回路
３…コネクタ ３Ａ…ＵＳＢコネクタ
４…ダイオード
５…検出スイッチ
６…制御回路
７…電池
８…入力コネクタ
１０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１…充電回路
１２…省電力モード切換回路
１３…ツェナーダイオード
１４…コンデンサー
１５…入力トランジスタ
１６…スイッチングトランジスタ
１７…入力抵抗
１８…負荷抵抗
１９…ベース抵抗
２０…電源
９０…電源
９１…負荷
９２…電圧降下発生用抵抗
９３…スイッチング用トランジスタ

Claims (6)

1. 外部負荷が脱着自在に連結されるコネクタ(3)と、このコネクタ(3)に接続されてコネクタ(3)に電源電力を出力する電源回路(1)と、この電源回路(1)とコネクタ(3)との間に接続されて、コネクタ(3)の外部負荷の接続を判定する接続判定回路(2)とを備え、
   前記接続判定回路(2)は、電源回路(1)からコネクタ(3)の方向に電流を流すように接続してなるダイオード(4)と、このダイオード(4)と並列に接続している検出スイッチ(5)と、この検出スイッチ(5)をオンオフに切り変えてダイオード(4)の電圧降下を検出する制御回路(6)とを備え、
   制御回路(6)が、検出スイッチ(5)をオンオフに切り変えてダイオード(4)の電圧降下の変化電圧値を検出し、検出された変化電圧の大小からコネクタ(3)の接続状態を判定するコネクタを備える電源。
2. 前記ダイオード(4)がショットキーバリヤダイオードである請求項１に記載されるコネクタを備える電源。
3. 前記コネクタ(3)がＵＳＢコネクタ(3A)である請求項１に記載されるコネクタを備える電源。
4. 前記制御回路(6)が、コネクタ(3)に出力される電圧を検出してダイオード(4)の電圧降下を検出する請求項１に記載されるコネクタを備える電源。
5. 前記電源回路(1)がＤＣ／ＤＣコンバータ(10)である請求項１に記載されるコネクタを備える電源。
6. 前記電源回路(1)がＤＣ／ＤＣコンバータ(10)で、前記制御回路(6)はコネクタ(3)に外部負荷が接続されない状態を検出して、ＤＣ／ＤＣコンバータ(10)を所定の周期で省電力モードに切り換える請求項１に記載されるコネクタを備える電源。

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