JP2014007955A

JP2014007955A - 充電方式

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Publication number: JP2014007955A
Application number: JP2013207407A
Authority: JP
Inventors: Bruno Ferrario; フェラリオ，ブルーノ
Original assignee: ADVANCED ANALOGIC TECH Inc; Advanced Analogic Technologies Inc
Current assignee: ADVANCED ANALOGIC TECH Inc; Advanced Analogic Technologies Inc
Priority date: 2006-10-21
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2014-01-16
Also published as: WO2008067059A3; JP2010508004A; TWI368380B; EP2090140B1; JP5492562B2; TW200828728A; KR101395948B1; US20080094042A1; EP2090140A4; KR20090080094A; US20140055101A1; US9071055B2; US8493036B2; WO2008067059A2; EP2090140A2

Abstract

【課題】充電エネルギーを提供し、充電及び放電動作を制御するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】モバイルデバイスは制限された電源を有する。携帯電話又はデジタルカメラにおけるカメラフラッシュ動作のような幾つかの場合において、高輝度の照明を提供するのに必要とされる電力はかなりのものであり、バッテリ電圧レベルを超えることがある。白色ＬＥＤ（発光ダイオード）のような光源にバースト電力又は連続的な大電力を供給するために、モバイルデバイスは通常、必要な電力を供給することができるエネルギー貯蔵部として機能する電荷蓄積部を利用している。このような電荷蓄積部の１つがスーパーキャパシタであり、これは放電及び再充電によって必要な電力を繰返し供給することができる。本発明の種々の実施形態は、充電エネルギーを提供し、充電及び放電動作を制御するための装置及び方法を含む。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、一般にモバイルデバイスにおける電力管理に関し、より具体的には、ショート・フラッシュＬＥＤに電力を供給するパルスを生成するために充電駆動装置が用いられる、モバイルデバイスにおける特定の用途でのエネルギー蓄積に関する。

白色ＬＥＤは、バックライト、懐中電灯（ｔｏｒｃｈ）及びカメラのフラッシュ用途向けに人気のある選択肢であり、家庭用電子デバイスの製造業者は、リチウムイオン又はポリマーバッテリのようなバッテリ上で作動するモバイル・システム内の白色ＬＥＤに電力を供給するために充電駆動装置を採用している。このような用途においては、白色光照明は高輝度であることが必要とされ、現在では１画像当たりにメガピクセルを超えるほど画像の解像度が高くなるのに伴って、更に明るい白色光照明が必要とされている。従って、ほとんどの用途においては、複数の白色ＬＥＤを組み合わせて共に作動させ、より高輝度の照明を生成するようにされる。しかしながら、白色ＬＥＤの強度は変動する可能性があり、組み合わされたときにこれらの色が均質な白色ではない場合がある。これは、白色ＬＥＤの順方向電流特性がこれらの全てにおいて厳密に同じではないことに起因する。

例えばフラッシュ作動中、白色ＬＥＤは、十分に明るい照明を生じさせるために少なくとも２Ａのフラッシュ電流と、バッテリからのほぼ１Ａに制限される電流ドレインとを必要とする場合がある。リチウムイオン又はポリマーバッテリは、フラッシュ作動中に約１．５−２Ａの制限された電流ピークを生じ、このような電流はバッテリを速く放電させる。電流は、電圧の増大に伴って比例的に高くなるので、従って、白色ＬＥＤではより高い電圧が必要とされる。しかしながら、バッテリから電流が引き出されるにつれて、これらの内部抵抗が大きくなり、これに伴ってこれらの電圧が低下する。作動させるためには、白色ＬＥＤは、十分な光強度を維持して、暗い状態が続くのを実質的に回避するために約３．０Ｖレベルを上回る電圧を必要とする場合がある。フル充電されたリチウムイオン又はポリマーバッテリは、４．２Ｖの標準出力を供給し、該出力は、バッテリの放電するにつれて３．０Ｖまで急速に降下する。白色ＬＥＤがバッテリから直接的に作動され、電圧が降下した場合、光強度は低下し、色の差異がより強くなる。従って、通常は、より厳密な電流制御と最小レベルの作動電圧とが必要とされる。

瞬間的な高エネルギー源を設けることによってこのような電流要件をサポートするために、ブースト・コンバータ及びエネルギー蓄積装置が開発されてきた。例えば、ブースト・コンバータは、電圧を増大させ、他の場合ではバッテリをスタックすることが実際的ではない場合にセルの数の低減を可能にする。一般に、ブースト・コンバータは、場合によってはスイッチングモード電源とみなされる電圧ステップアップコンバータである。一般的なブースト・コンバータ回路は、２つ又はそれ以上のスイッチ（例えばトランジスタ及びダイオードなど）及び１つのバッテリ、並びにインダクタとキャパシタとの組み合わせからなる１つ又はそれ以上のフィルタを含む。図１Ａは、例示的なブースト・コンバータ回路を示す。このように、ブースト・コンバータは効率的ではあるが、これらの回路は典型的にはフラッシュ電流源の外部にあり、コイルのような嵩高の素子を含むので、回路基板の全体のコスト及びサイズが増大することになる。更に、ブースト・コンバータ（又はスイッチング・レギュレータ又は電荷ポンプ）は、電荷蓄積に基づくものではなく、白色ＬＥＤの順電圧（ＶＦ）と、関連するバッテリから供給される電圧との間の電圧比に応じて、フラッシュ電流の２倍の電流を供給するようなバッテリを必要とする可能性がある。図１Ｂは、ブースト・コンバータの挙動のグラフ図であり、フラッシュ電流及びブースト・コンバータ出力電圧のグラフを含む。図示のように、電流はフラッシュ状態においてオーバーシュートし、フラッシュ状態が終わると低下し、フラッシュ状態中に３Ａを超える電流供給を必要とする。

エネルギー蓄積装置は、ブースト・コンバータとは異なり、電荷蓄積に基づいており、バッテリの代わりの白色ＬＥＤ用の電源として用いられる（バッテリの方は、電荷蓄積用の電源として用いられる）。電荷は、経時的にバッテリから電流を引き出すことによって蓄積することができる。高出力放電を伴う、電荷蓄積に基づくタイプの高エネルギー蓄積装置は、「スーパーキャパシタ」として知られている。スーパーキャパシタは、直列の２つのキャパシタ素子で構成された電荷蓄積装置であり、フラッシュ及び懐中電灯照明のような高出力用途において必要とされるバースト電力を供給できるエネルギー貯蔵部として作動する。スーパーキャパシタは、充電及び再充電を繰返し行い、放電動作間に急速に再充電して瞬間的に高い放電電流を供給するように設計されている。
図２は、フラッシュ用途で用いられるスーパーキャパシタを備えた充電回路を示す。別の回路は、図３に示すように、スーパーキャパシタとブースト・コンバータとの組み合わせを含むことができる。このようなスーパーキャパシタの１つは、オーストラリア国シドニー所在のＣＡＰ−ＸＸＩｎｃ．から供給されており、１０ｍＦから２．８Ｆまでの高い静電容量を示し、高いエネルギー密度をもたらす。従って、スーパーキャパシタは、この回路においては、フラッシュ・エネルギー・パルスを与えるのに必要な電荷量（すなわち白色ＬＥＤによって必要とされるバースト電力）を蓄積するのに用いられる。電荷は、経時的にバッテリから電流を引き出すことによってスーパーキャパシタ内に蓄積することができ、電流が低すぎる場合には、充電時間が長くなり、恐らくはフラッシュ動作を急速に連続させるのに妥当な時間よりも長くなるであろう。実際に、スーパーキャパシタを急速に再充電／充電するためには高電流が費やされ、１又はそれ以上のフラッシュ動作後にはバッテリパワーは使い果たされるので、利用可能な充電電流はかなり小さくなり、結果として比較的長い充電時間となる可能性がある。

図２及び図３の両方において分かるように、スーパーキャパシタは、中間にセンタータップを備えた直列の２つのキャパシタを含む。本質的に、この設計は、電荷不均衡の問題を引き起こし、この理由により、両方のキャパシタの両端間の電圧を等しくして電荷の均衡をもたらすための電荷均衡化レジスタのペアが存在する。スーパーキャパシタはまた、漏洩を生じる問題があり、時間が経過すると電荷放出を引き起こす結果となる。

本発明は、前述のような問題に関する所見に部分的には基づいており、用途に応じて、本発明の種々の実施形態が、充電エネルギーを提供するため並びに充放電動作を制御するための装置及び方法を提供することにある。一般に、充電回路の種々の実施はスーパーキャパシタを使用することができ、その固有の問題に対して他の方式で補償することができる。他の実施は、カメラ用フラッシュ又は他の動作の充電−放電サイクルを可能にするのに好適な構成でキャパシタペアを使用することができる。前述の嵩高で高コストの複雑な設計に対する実施可能な代替形態として、これらの実施は、集積回路又は幾つかのディスクリート素子を使用し、これらは通常は、小さく、安価で、且つ充電−放電動作の制御において効率的である。

一実施形態によれば、充電エネルギーを提供するための装置は、正リード及び負リードを有するバッテリと、直列の第１及び第２キャパシタ素子とこれらの間のセンタータップとを有する電荷蓄積部と、正リードと負リードとの間の第１及び第２充電パスとを含むことができる。第１充電パスは、第１キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断し、第２充電パスは、第２キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断する。この実施形態において、電荷蓄積部は、第１及び第２充電パスをそれぞれ介して間接的にプラス及びマイナスリードに接続され、プラス及びマイナスリードから電荷蓄積部を分離するようにする。電荷蓄積部は、スーパーキャパシタとして、又は直列の２つのキャパシタで構成することができる。更に、第１及び第２充電パスは、任意の所与の時点で、これらの一方が閉じられて、充電電流がバッテリから第１又は第２キャパシタ素子の一方に流れるように、開状態と閉状態との間で切り換えられるように適合することができる。充電動作中のある時点で、例えば、相互導電又は過熱を回避するために、或いは充電が完了したときに両方の充電パスを開に切り換えてもよい。その反面、２つのパスを流れる電流に不均衡が存在する場合、パスの一方が対応するキャパシタ素子を実際に低電流で放電している状態で両方の充電パスを同時に閉じて、充電が放電を上回るようにすることができる。言い換えれば、第１及び第２充電パスは、電源（例えばバッテリ）から第１及び第２キャパシタ素子の一方又は同時に両方に流れるあらゆる充電電流を「オン」に切り換え、又は「オフ」に切り換え、或いは調整するように制御可能である。

上記の装置において、第１及び第２充電パスの各々は、それぞれ第１及び第２キャパシタ素子と直列のスイッチペアを含むことができ、一方のスイッチは第１及び第２キャパシタ素子のそれぞれ一方の前（上流）に配置され、他方のスイッチは後（下流）に配置される。第１及び第２充電パスの各々はまた、スイッチと直列にレジスタを含むことができる。１つの例において、レジスタは、センタータップに取り付けられ、第１及び第２充電パスによって共有される。別の例において、第１及び第２充電パスの各々が固有のレジスタを有する。更に、スイッチは、全てトランジスタとすることができ、或いは、スイッチのうちの２つをトランジスタとし、スイッチのうちの２つをダイオードとすることができる。トランジスタは通常、バイポーラ、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＪＦＥＴ（接合型ＦＥＴ）、又はＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物ＦＥＴ）であり、トランジスタのうちの２つはＮＰＮ又はＮチャネルであり、他の２つはＰＮＰ又はＰチャネルである。他の例において、第１及び第２充電パスの各々は更に、スイッチと直列に電流源を含み、或いは電流源は、スイッチと直列で両方に共通であってもよい。更に別の例において、第１及び第２充電パスは、スイッチと直列にそれらの両方に共通の電圧レギュレータを含むことができる。上記の装置は、どのように構成されようとも、ＩＣ（集積回路）内で又はＩＣにおける機能ブロックとして具現化することができ、このようなＩＣは、フラッシュカメラ及び／又はムービーカメラのようなモバイルデバイスで用いるように適合することができる。

別の実施形態によれば、負荷に充電エネルギーを提供するための装置は、光源のような負荷と、光源と直列の電流シンク又は他の電流制御装置と、正リード及び負リードを有するバッテリと、直列の第１及び第２キャパシタ素子とこれらの間のセンタータップとを有し、充電エネルギーを受け取るように光源及び電流シンクが両端間に作動可能に結合された電荷蓄積部と、正リードから負リードまで横断する第１及び第２充電パスとを含むことができる。上述のように、第１充電パスは、第１キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断し、第２充電パスは、第２キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断する。同様に、電荷蓄積部は、第１及び第２充電パスをそれぞれ介して間接的にプラス及びマイナスリードに接続されて、プラス及びマイナスリードから電荷蓄積部を分離して電荷蓄積部が光源に充電エネルギーを供給すると同時に電荷蓄積部を充電できるようにする。更に、第１及び第２充電パスの各々は、充電電流をバッテリから第１又は第２キャパシタ素子の一方に別個に通すように適合される。作動時には、充電エネルギーはバースト電力を含むことができる。この実施形態において、電流シンクは、負荷が受け取る充電エネルギーを制限するように適合される。前述のように、負荷は、フラッシュ、ムービー又は懐中電灯動作に適合された１つ又はそれ以上の白色ＬＥＤ（発光ダイオード）を含む光源とすることができる。この実施形態は、ＩＣ（集積回路）又はＩＣにおける機能ブロックとすることができ、このようなＩＣは、フラッシュカメラ及び／又はムービーカメラのようなモバイルデバイスでの使用に適合させることができる。

更に別の実施形態によれば、充電エネルギーを制御可能に提供するための装置は、正リード及び負リードを有するバッテリと、直列の第１及び第２キャパシタ素子とこれらの間のセンタータップとを有する電荷蓄積部と、正リードと負リードとの間にある第１及び第２充電パスとを含むことができ、第１充電パスは、第１キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断し、第２充電パスは、第２キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断する。この場合もまた、電荷蓄積部は、第１及び第２充電パスをそれぞれ介して間接的にプラス及びマイナスリードに接続さ、プラス及びマイナスリードから電荷蓄積部を分離するようにする。

この実施形態において、第１及び第２充電パスは各々、開閉切り換え制御を提供するように適合されたスイッチ制御入力を有し、任意の所与の時点で、第１及び第２充電パスの一方が閉鎖され、充電電流がバッテリから第１又は第２キャパシタ素子の一方に流すことができるようになる。前述のように、切り換えられるパスは、一定の条件下では同時に両方とも閉鎖又は解放することができる。特に、作動中のいずれかの時点で、例えば充電が完了したときに又は過熱を回避するために、両方の充電パスを開放に切り換えることができ、例えば両方の充電パスを流れる電流に不均衡が存在する場合には、両方の充電パスを同時に閉鎖することができる。

一例において、この装置は更に、第１及び第２充電パス各々のスイッチ制御入力を１つずつアサートするように適合された制御ループを含むことができ、制御ループは、基準電圧入力と充電感知のサンプルを受け取るように適合された感知入力とを有するコンパレータを含む。この場合、コンパレータは更に、基準電圧と充電電流サンプルとの間の比較に基づいて充電電流を制御するようにアクティブにされた出力を含む。

この比較は、充電されているキャパシタ両端の電圧に対して、又は充電状態を識別することができる他の何らかの量に対して行うことができる点に留意されたい。更に、基準は、スーパーキャパシタの充電状態を評価するためにどのような物理的実体が感知されているかに応じて、電圧以外のもの（電圧、電流×時間など）とすることができる。更に、コンパレータは、充電されたキャパシタを基準電圧に保つために充電デューティ・サイクルを調節する増幅器（図面中のＥ／Ａはエラー増幅器を表す）で置き換えることができる。また、スイッチを使用せずに充電パスの一方又は両方に制御を及ぼすことができる点に留意されたい。例えば、電流源は、幾つかのステップ又は連続的な方式で電流を調節するための制御入力を有することができる。

制御ループは更に、第１及び第２充電パスの各々についてのサンプル電流入力と、第１又は第２充電パスのスイッチ制御入力に協働可能に結合されたスイッチ制御入力と、出力とを有する、マルチプレクサを含むことができる。マルチプレクサは、アサート又はネゲートされたスイッチ制御に基づいて、コンパレータの充電感知入力にサンプル電流を供給する第１及び第２充電パスについてのサンプル電流入力を切り換えるように適合される。各々が各充電パスを制御する２つの制御ループが存在してもよい点に留意されたい。２つの制御パス（「オン」又は「オフ」）は、コントローラを多重化するのではなく、並列で用いることができる。別の例において、本装置は、コンパレータと該コンパレータに応答してスイッチ制御入力を１つずつアサートするように適合された波源とを含む、制御回路を含む。

一実施形態において、スイッチの代わりに制御入力が、キャパシタに流入する電流のレベル、又は電荷がどれだけ移動するかを制御する。更に、電流源を共有できるので、制御ループが両方の充電パスを同時に制御することができ、各充電パスを制御するために２つの独立した制御ループが存在することができる。同様に、各キャパシタを異なる電圧にまで充電するために、２つの独立した電圧レギュレータが存在してもよい。この電圧は、制御ループなしで設定することができ、又はキャパシタの充電電圧をアプリケーションが必要とするどのような電圧にも調節する（例えば白色ＬＥＤに流入する電流を正確に２００ｍａに制御する）ように制御ループによって制御することができる。従って、制御ループは、キャパシタの充電ではなく出力電流を制御することができる（充電を感知するのではなく出力電流を感知する場合、考察してきた制御方法のいずれもそのようにすることができる）。

更に本発明の目的によれば、充電エネルギーを制御可能に提供するための方法は、バッテリのような電源を、装置内部に組み込まれ又は装置の外部に装着された正及び負リードに接続する段階と、直列の第１及び第２キャパシタ素子とこれらの間のセンタータップとを有する電荷蓄積部を設ける段階と、正リードと負リードとの間にあり、第１キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断する第１充電パスと第２キャパシタ素子及びセンタータップを介して横断する第２充電パスとを設ける段階と、を含むことができる。このような方法は更に、第１及び第２充電パスをそれぞれ介して間接的にプラス及びマイナスリードに電荷蓄積部を接続し、プラス及びマイナスリードから電荷蓄積部を分離するようにする段階と、第１及び第２充電パスの各々において、開閉切り換え制御を導入するように適合されたスイッチ制御入力を設け、任意の所与の時点で第１及び第２充電パスの一方が閉鎖されて、充電電流がバッテリから第１又は第２キャパシタ素子の両方に同時ではなく一方に流れることができるようにする段階を含むことができる。一方、各々が各充電パスを制御する２つの制御ループが存在してもよい。２つの制御パス（「オン」又は「オフ」）は、コントローラを多重化する代わりに並列で用いることができる。

一例において、本方法は更に、例えば一度に一方のパス、又は実質的に同時に（並列の２つの感知回路）両方のパスの充電状態を感知する段階を含む。第１及び第２充電パスの各々において充電状態（例えば充電電流、電圧又は時間）が判定される。基準電圧又は他の基準値に基づいて、本方法は、スイッチ制御入力の各々の状態をアサートからネゲートに及びその逆に切り換えるかどうか（或いは、より多い／少ない電流又はより長い／短い時間を提供するかどうか）を決定する。状態の切り換えは、第１及び第２充電パスの一方における充電電流のサンプル又は他の充電状態の指標が、基準電圧と実質的に整合したときに行われる。制御は、「より多くの電流」／「より少ない電流」又は「より長い時間」／「より短い時間」といった、開いた／閉じたスイッチ以外とすることができる点に留意されたい。言い換えれば、制御は、状態変化、又はステップ或いは連続的なアップ−ダウン調節を伴うことができる。

本発明のこれら及び他の実施形態、特徴、態様、並びに利点は、以下で説明する本明細書の説明、添付の請求項、及び添付図面からより良く理解されるであろう。
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付図面は、本発明の種々の態様を例証し、本明細書と併せてその原理を説明するのに役立つ。好都合である場合、同じ参照符号は図面全体を通して同じ又は類似の要素を示すのに用いられる。

ブースト・コンバータを有する従来の回路である。フラッシュ電流及びブースト・コンバータ出力電圧のグラフを含む、ブースト・コンバータの挙動のグラフである。フラッシュ用途で用いられるスーパーキャパシタを有する充電回路を示す図である。スーパーキャパシタとブースト・コンバータとの組み合わせを示す図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。充電サイクルを制御するためのスイッチを有する充電回路の実装の図である。スイッチの代用としてのトランジスタ及び／又はダイオードを有する充電回路の実施形態の図である。スイッチの代用としてのトランジスタ及び／又はダイオードを有する充電回路の実施形態の図である。スイッチの代用としてのトランジスタ及び／又はダイオードを有する充電回路の実施形態の図である。スイッチの代用としてのトランジスタ及び／又はダイオードを有する充電回路の実施形態の図である。スイッチの代用としてのトランジスタ及び／又はダイオードを有する充電回路の実施形態の図である。ＩＣにおける上記の回路の２つの可能な実装を示す図である。白色ＬＥＤのためのエネルギー貯蔵部として働く電荷蓄積部の実施例の図である。白色ＬＥＤのためのエネルギー貯蔵部として働く電荷蓄積部の実施例の図である。負荷電流あり及びなしの場合の、充電プロセス中の経時的な電圧出力（バッテリ出力）及びバッテリ電流のグラフである。充電周波数が１Ｈｚ及び０．０５Ｈｚ及びバッテリ電流限界が０．５Ａの場合の充電プロセス中の経時的な電圧出力（バッテリ出力）及びバッテリ電流のグラフである。電流負荷が２００ｍＡの場合のムービー動作中の出力電圧及び負荷電流のグラフである。ループ制御回路を有する充電回路を示す図である。ループ制御回路を有する充電回路を示す図である。充電回路の付加的な実施形態を示す図である。充電回路の付加的な実施形態を示す図である。充電回路の付加的な実施形態を示す図である。充電回路の付加的な実施形態を示す図である。

本発明は、一つには、携帯電話又はデジタルカメラにおけるカメラフラッシュ動作のような一部の場合においては、高輝度の照明を提供するために相当な電力が必要とされ、バッテリ容量及び電圧レベルを超える可能性があるという知見に基づいている。従って、白色ＬＥＤ又は他の光源に対してバースト電力又は連続的に高出力を供給するために、モバイルデバイスは通常、必要な電力を供給することができるエネルギー貯蔵部として機能する電荷蓄積部を採用している。しかしながら、ブースト・コンバータのような充電回路は、嵩高で高価である可能性があり、直列のキャパシタペア又は前述のスーパーキャパシタのようなエネルギー蓄積装置は、特別な補償を必要とする何らかの欠点を内在的に持っている可能性がある。その反面、スーパーキャパシタのような電荷蓄積装置、或いは直列に接続されたキャパシタペアでさえもセンタータップを有しており、有利なことに、実質的な電荷の均衡及び良好な充電−再充電性能を達成する目的で利用することができる。具体的には、キャパシタ素子間の電荷均衡を維持するために電荷を再分配させる代わりに、バッテリから直接利用可能な同じ電圧を使用して、一度に１つのキャパシタ素子又は両方同時に（各々別個の経路を通じて）各キャパシタ素子内の電荷を充電し、周期的にリフレッシュするようにセンタータップを用いることができる。更に、充電回路は、電荷ポンプ及びブースト・コンバータの一方又は両方がなくても実施することができることが分かった。

その結果として、本発明による充電回路の可能性のある実施には、充電−再充電動作を管理するための電荷蓄積部及び制御回路を含む。制御回路は、スーパーキャパシタ又はキャパシタペアの充電−再充電を制御するために半導体スイッチ、電圧レギュレータ、電流源、及び制御ループ回路のうちの１つ又はそれ以上を様々に組み合わせて含むことができる。このような制御回路は、ディスクリート素子を用いて、或いは好ましくは単一のＩＣ（集積回路）で、又は複合ＩＣ内の機能的構成単位として実施することができる。更に、制御回路は、ブースト・コンバータ又は電荷ポンプと関連付けられる外部素子なしで実施することができ、これにより空間が節約されコストが低減される。

これらの実施において、スーパーキャパシタは、キャパシタペアと比べてより優れたエネルギー密度及び幾何学的特性を示すことができ、及び白色ＬＥＤのような光源にバースト電力を供給するのにより好適なエネルギー貯蔵部となることができるので、キャパシタペアよりも好ましいことが多い。よって、スーパーキャパシタ及びキャパシタペアは電荷蓄積部として互換的に用いることができるが、この優先性、並びに便宜性及び単純さに起因して、以下の種々の実施形態の説明においては、ほとんどの場合スーパーキャパシタに言及している。

図４Ａは、充電回路の１つの可能な実施形態を示す。図示のように、充電回路１０は、電圧源リード２６と接地リード２８との間に接続されたバッテリ２２を含む。リードは、導体、接続ポイント、レール、その他を含むあらゆる接続手段として広義にみなすことができる点に留意されたい。この充電回路においては、４つのスイッチＳＷ１−４とスーパーキャパシタ２４とが存在する。４つのスイッチは、ダイオード、トランジスタ（ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＪＦＥＴ（接合型ＦＥＴ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物ＦＥＴ）又はバイポーラ）、或いはスイッチ機能を果たすことができるディスクリート又は別の方式の他の素子で構成することができ、以下で説明するように、これらは接地リード及び電圧源リード（レール）の分離を必要とする。スーパーキャパシタ２４は、それぞれスイッチＳＷ３及びＳＷ２を介して電圧源リードと接地リードとの間に接続される。スーパーキャパシタ２４は、２つのキャパシタ素子Ｃ１、Ｃ２及びセンタータップ２０を有する。残りの２つのスイッチＳＷ１及びＳＷ４は、電圧源リード２６と接地リード２８との間に直列に接続される。これらのスイッチＳＷ１及びＳＷ４は、その直列接続ポイント２０’でスーパーキャパシタのセンタータップ２０に接続され、或いはセンタータップ２０に直接接続することができる。

作動中、４つのスイッチは、一度にＳＷ１−ＳＷ２及びＳＷ３−ＳＷ４それぞれ１つのペアをオン／オフ切り換えされ、センタータップ２０を共有する２つの別個の導電パスが形成され、その一方がキャパシタ素子Ｃ１を通り、他方がキャパシタ素子Ｃ２を通る。具体的には、スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオン（閉状態）にされると、電流は、電圧源リードからスイッチＳＷ１、センタータップ２０、キャパシタ素子Ｃ１及びスイッチＳＷ２を通って接地リードに流れることによりＣ２を充電し、スイッチＳＷ３及びＳＷ４がオンにされると、電流は、スイッチＳＷ３、キャパシタ素子Ｃ１、センタータップ２０、及びスイッチＳＷ４を通って流れる。２つのスイッチペアは実質的に排他的に作動し、任意の所与の時点で一方のペアがオンになると他方はオフである。２つの導電パスの各々は、それぞれのキャパシタ素子がフル充電されるまでオンのままとすることができ、又は部分充電の間オンのままで、両方のキャパシタ素子がフル充電されるまで２つのパスの間を往来することができる。これは、電荷リフレッシュサイクル中にも同様に当てはまる。有利なことに、他の外部素子は必要とされない。

図４Ｂの回路は、上記の実施形態の変形形態であり、電流制限レジスタが付加されている。電流制限機能及び場合によってはＲＣ時定数（すなわち充電時間）の変更を除けば、この充電回路１２の動作原理は他の点について同様であり、同様の利点をもたらす。図４Ｃにおいては、図示の充電回路１３は、レジスタがパスの異なる部分に配置されていること以外は、図４Ｂの回路とほとんどの点で同様である。例えば、このような回路又はＩＣのレイアウトが物理的に達成しやすい場合には、前者よりもこの構成の方を選択することができる。図４Ｄの回路では、両方のパスによって共有される１つのレジスタＲ３のみが存在する。２つのパスは実質的に排他的に作動するので、両方のパスに同じ部品Ｒ３を用いることが可能である。このレジスタ部及び設置コストの節約は、より良好な製品可用性にもつながる（なぜなら、構成要素が少なくなるほど、ＭＴＢＦ（平均故障間隔）が長くなり、ＭＴＴＲ（平均修復時間）がより短くなるため）。

図４Ｅから図４Ｈまでは、上記設計の別の変形形態であり、それぞれ電流源（又はシンク、例えばレジスタ）ＣＳ１−２、ＣＳ３−４、ＣＳ５が充電パスに（スイッチＳＷ１−４と直列に）付加されている。これらの各々の実装において、電流源は、それぞれの充電パス内に配置されているので、その位置に関係なくスーパーキャパシタを充電するのに利用可能なバッテリ電流のレベルを制限する。例えば、図４Ｅに示されるように、電流源ＣＳ１は、スイッチＳＷ１、Ｃ２及びスイッチＳＷ２と直列にされている。別の実施例は、図４Ｇに示されるように、バッテリと直列の１つの電流源ＣＳ５を使用する（電圧源リードに挿入される）。この構成においては、電流源は一度に１つのパスで両方のパスによって共有される。バッテリ電流を制限又は調整するための別の方法は、図４Ｈに示されるように電圧レギュレータ５０を使用することによるものである。

代替の実施形態において、図５Ａに示すように、充電回路１４は、汎用のスイッチＳＷ３及びＳＷ２の代用となる２つのダイオードＤ１及びＤ２を含む。作動中、スイッチＳＷ１又はＳＷ４のうちのいずれかがオンにされると、これらの両端間の電圧降下は実質的にゼロである（スイッチデバイスの種類に応じて、ゼロよりも幾らか大きいことがある）。また、スイッチＳＷ１がオン（閉）にされたときには、キャパシタ部分Ｃ１が充電されているか否かに関わらず、ダイオードＤ１に逆バイアスがかかり、スイッチＳＷ４がオン（閉）にされたときには、ダイオードＤ２に逆バイアスがかかる。これらの条件が存在するためには、接続ポイント３０及び３２に対する上記の電圧源レール及び接地レールの分離を維持する必要がある。

ダイオードＤ１及びＤ２にそれぞれ逆バイアスが交互にかかるかを更に説明するために、第１にキャパシタ部分Ｃ１及びＣ２のいずれも充電されていないと仮定し、第２にこれらが充電されていると仮定する。第１のケースにおいて、ＳＷ１がオンにされ、Ｃ１が充電されていない場合、ダイオードＤ１の両端間の電圧は実質的にゼロで又はＳＷ１両端間の電圧降下に等しく、同様に、ＳＷ４がオンにされると、ダイオードＤ２の両端間の電圧は実質的にゼロで又はＳＷ４の両端間の電圧降下に等しい。スイッチＳＷ１、ＳＷ４の両端間のそれぞれのオン電圧が、対応するダイオードＤ１、Ｄ２の順方向バイアス電圧よりも低い場合、ダイオードは導電することができない。従って、スイッチ及びダイオード素子は、この条件が存在できるように選択される。第２のケースにおいて、ＳＷ１がオンにされ、Ｃ１が充電されている場合、キャパシタ部分Ｃ１の両端間の電圧は、電圧源リード２６及びセンタータップ２０に対して正であり、絶対値としては、バッテリ電圧からＳＷ１の両端間の電圧降下を差し引いたものに等しい。言い換えれば、ポイント３０における電圧は、電圧源リードにおける電圧よりも高い（すなわちレール電圧よりも高い）。従って、ダイオードＤ１には逆バイアスがかかり、ＳＷ１がオフにされＳＷ４がオンにされるまで継続されることになる。前述のように、この条件は、電圧源リード２６からポイント３０が分離されているだけで可能にされる。更に第２のケースにおいて、ＳＷ４がオンにされ、Ｃ２が充電されている場合、キャパシタ部分Ｃ２の両端間の電圧は接地リード２８及びセンタータップ２０に対して負であり、絶対値としては、バッテリ電圧からＳＷ４の両端間の電圧降下を差し引いたものに等しい。言い換えれば、ポイント３３における電圧は、接地電圧よりも低い。従って、ダイオードＤ２には逆バイアスがかかり、ＳＷ４がオフにされＳＷ１がオンにされるまで継続されることになる。前述と同様に、この条件は、接地リード２８からポイント３３が分離されているだけで可能にされる。前述のように、この手法は、充電回路１４が、バッテリからの電荷のどのような実質的な損失もなしに、独立して各々のキャパシタ素子を充電及びリフレッシュすることを可能にする。

図５Ｂに示された充電回路１５は、上記の回路の変形形態である。この実施において、トランジスタＴ１及びＴ４がスイッチＳＷ１及びＳＷ４の代用としてあり、トランジスタＴ３及びＴ２がダイオードＤ１及びＤ２の代用としてある。図示のように、４つのトランジスタは、適切なゲート・バイアスを加えた、ＮチャネルＦＥＴ、ＪＦＥＴ、又はＭＯＳＦＥＴ（或いは適切なベース・レベル制御を有するＮＰＮバイポーラ）とすることができる。作動中、トランジスタＴ１がターンオンされているときには、トランジスタＴ３がオフ状態に維持され、又はトランジスタＴ４がターンオンされているときにはトランジスタＴ２がオフ状態に維持される。このようにして、前述のように電圧源レール２６及び接地レール２８から適切に分離されていることによって、各キャパシタ素子Ｃ１及びＣ２を一度に１つのキャパシタ素子ずつ順番に充電することができる。ちなみに、両方のキャパシタ素子が実質的にフル充電されたときには、ポイント３０と３２との間の電圧は、バッテリ電圧の２倍からＴ１及びＴ４のオン電圧を差し引いたものである。

図５Ｃに示された充電回路は、トランジスタの種類及びゲート制御バイアス以外は上記の回路（図５Ｂ）の構造及び動作と同様である。この実施において、４つのトランジスタのうちの２つ、Ｔ１及びＴ３は、ＰチャネルＦＥＴ又はＭＯＦＥＴ（或いは適切なベース・レベル制御を有するＰＮＰバイポーラ）とすることができる。図５Ｄは、この充電回路の動作を説明するのに提供される。図示のように、各充電フェーズにおいては、キャパシタ素子Ｃ１及びＣ２のうちの異なる１つが充電されている。フェーズ（１）において、トランジスタＴ３は、そのバイアス（ポイント３０がレール電圧よりも高い）のために浮動素子であり、オフ状態に維持される。このフェーズにおいては、キャパシタ素子Ｃ２が充電されている。フェーズ（２）において、トランジスタＴ２は、そのバイアス（ポイント３３が接地よりも低い）のために浮動素子であり、オフ状態に維持される。このフェーズにおいては、キャパシタ素子Ｃ１が充電されている。両方のフェーズでは同様に、ソースバイアスがレール電圧／接地よりも高い／低いという点で、一方の素子が浮動素子である。これは、素子がこのようなレール／接地分離を可能にするように設計及び製作された場合にのみ可能である。

図５Ｅに示された充電回路もまた上記の回路の変形形態であり、トランジスタＴ１及びＴ４はそれぞれＰチャネル及びＮチャネルであり、ダイオードＤ１及びＤ２がそれぞれトランジスタＴ３及びＴ２の代用である。作動中、Ｔ１がオンにされキャパシタ素子Ｃ２が充電されているときにはＤ１がオフであり、Ｔ４がオンにされキャパシタ素子Ｃ１が充電されているときにはＤ２がオフである。

図６は、ＩＣにおける上記の回路の２つの可能な実施を示す。選択肢（１）及び（２）が示すように、充電回路４０／４２はＩＣ上に実質的に含められ、外部素子は数が限定され、バッテリ２２、バッテリの両端間のキャパシタ４６、ＬＥＤ３４及びスーパーキャパシタ２４を含む。バッテリの両端間のキャパシタ４６は、回路からの電流サージ（又はピーク電流）要求を処理するために設けられた別のエネルギー貯蔵部である。例証として、選択肢（１）が示すように、充電回路４０はより高電圧用途のブースト・コンバータを含み、この場合、回路はまた、ブーストコンバータコイル４４も含む。

図７Ａは、白色ＬＥＤのような負荷に対するエネルギー貯蔵部として機能する得電荷蓄積部を示す図である。図示の回路においては、電荷蓄積部としてキャパシタ素子のペアＣ１及びＣ２（スーパーキャパシタ２４）が用いられている。この電荷蓄積部は、ＬＥＤ３４に作動可能に結合され、適切に充電されていると仮定すると、フラッシュ動作のためのバースト電力、或いは、懐中電灯又はムービー動作のための連続的な（低）電力を供給する。フラッシュ電流は、例えば２Ａ又はそれ以上の電流レベルに適合された電流シンク（例えばレジスタ３６）を通って流れる。電流シンク又はレジスタ３６は、白色ＬＥＤの両端間の順電圧降下がスーパーキャパシタ２４の両端間の全電圧よりも小さいので必要とされる（電流シンクはその差を小さくする）。フラッシュ電流シンク３４は、充電サイクル、従ってキャパシタ素子Ｃ１及びＣ２（スーパーキャパシタ２４）から独立しているので、キャパシタ素子を充電するための充電回路は点線で示される。実際には、このようなフラッシュ動作を実行中に電荷のリフレッシュを行うことができるが、フラッシュ動作のためには十分なレベルの電荷が必要とされる。更に、充電回路は、上記で示した種々の方式で構成することができ、点線の構成を他の構成のいずれかと置き換えることが可能である。

図７Ｂは、ムービー動作に用いられる場合の上記の回路の変形形態を示す。ここでもまた、白色ＬＥＤへの充電エネルギー供給が充電サイクルから独立しているので、充電回路は点線で示されており、該充電回路は多数の構成で実施することができる。ムービー動作において、電流シンク３６は、例えば２００ｍＡの範囲にあり、電流シンク回路３６は、充電又は電荷リフレッシュ・プロセスの間に、例えば−２．７５Ｖと＋２．７５Ｖ（すなわち＋Ｖbattery−Ｖon(T3+T4)と−Ｖbattery＋Ｖon(T1+T2)）との間で浮動することになる。

本発明の実施形態に従って構成される充電回路の動作を更に例証するために、図８Ａは、負荷電流ありとなしの場合の、充電プロセスの間の経時的な電圧出力（バッテリ出力）及びバッテリ電流のグラフを示す。出力電圧は、バッテリ電圧に対して１Ａの負荷電流について経時的に解析される。図８Ｂは、充電周波数が１Ｈｚ及び０．０５Ｈｚ、バッテリ電流限界０．５Ａの場合の充電プロセス中の経時的な電圧出力及びバッテリ電流のグラフを示す。更に、図８Ｃは、例えば電流負荷２００ｍＡの場合のムービー動作中の出力電圧及び負荷電流のグラフを示す。

これらのグラフ及び上記の充電回路の実施例を考慮すると、幾つかの付加的な所見を得ることができる。例えば、回路トポロジーはかならずしも電荷ポンプを含む必要はなく、スーパーキャパシタの充電は、スーパーキャパシタが電圧源及び接地レールから分離されている（すなわちスーパーキャパシタが浮動している）状態では、バッテリから直接行うことができる点に留意されたい。更に、入力から出力にバケツリレーするフライング（入力及び出力間で切り換えられる）キャパシタ電荷は存在しない。従って、電流源を用いて、入力ノイズを最小にする制御された定常入力（バッテリ）電流でスーパーキャパシタを充電することができる。

更に、１回限りのエネルギー・バースト事象であるフラッシュ動作においては、特に充電時間は秒単位であるので、充電周波数は重要ではない。必要なのは適切に充電されたスーパーキャパシタだけである。どれほど速く充電状態が切り換えられるとしても、制限されたバッテリ電流は、数秒単位の時間を要する充電又は電荷リフレッシュをもたらすことになる。ムービー（懐中電灯）動作において、充電周波数は、負荷を維持する能力並びに出力リップルに影響を与えることになる（例えば図８Ｂ及び図８Ｃ参照）。可聴範囲にわたるノイズ・フィルタリングを考慮することにより、周波数の選択が影響を受ける可能性がある。

前述のように、キャパシタ素子は、各々を完全に充電することができ、又はフル充電に達するまでキャパシタ素子間で交互に切り換えをするサイクルで部分的に充電することができる。後者を実施するために、電圧レギュレータを充電パスの前に配置することができ、又は図９Ａ及び図９Ｂに示されるようにループ制御回路が付加される。本質的に、図９Ａの回路において、キャパシタ電圧が各充電サイクル中に感知され、これが増幅器５４に対する基準電圧入力と比較されて、電流供給部が調節される。電流供給部ＣＳ６は、電流源、又は１つの可変レジスタ若しくは直列又は並列構成で接続するためのスイッチを備えた幾つかのレジスタとすることができる。或いは、図９Ｂの回路図は、制御信号「φ」及びその相補的な制御信号「φ／」（“／”は上バーを表すものとする）を得るための回路部分５４、５６、５８、６０を提供し、方形波によりスイッチングデューティ・サイクルが制御される。このように両方の構成において、あらゆる所与の時点でパスのうちの一方のみがマルチプレクサ５０により感知される。しかしながら、各々が各充電パスを制御する２つの制御ループが存在してもよい点に留意されたい。コントローラを多重化する代わりに、２つの制御パス（「オン」又は「オフ」）を並列に用いることができる。この実施例においては、基準電圧（ＲＥＦ）が切り換えポイントを決定し、ひいては充電（バッテリ）電流レベルを調節することになる。

図１０Ａ−図１０Ｄは、トランジスタの代用のレジスタを有する別の実施形態を示す。図示のように、レジスタの配置は、電力損失及び／又は電荷損失を招く可能性がある。更に、これらの影響を低減するために、レジスタの両端間にスイッチを接続することができる。異なる実施形態において、レジスタは、電流源及び／又はトランジスタで置き換えることができ、充電パスをターン「オン」／「オフ」するスイッチは、既に例示したように電流源、トランジスタ又はダイオードで置き換えることができる点に留意されたい。トランジスタは、レジスタと同様にその物理的寸法及び／又はそのバイアスによって制限された電流を伝導することになる。電流源は、連続的又は段階的な調節を伴う制御入力を有することができる（従って、スイッチの必要性が排除される）。

要約すると、本発明は、本発明の幾つかの好ましい形態に関して詳細に説明してきたが、他の形態も実施可能である。従って、添付の請求項の技術的思想及び範囲は、本明細書に包含される好ましい形態の説明に限定されるものではない。

２０：センタータップ
２２：バッテリ
２４：スーパーキャパシタ
２６：電圧源リード
２８：接地リード
３４：ＬＥＤ
３６：電流シンク
５２：マルチプレクサ

Claims

充電エネルギーを制御可能に提供するための装置であって、
正リード及び負リードを有する電源と、
センタータップを有する容量回路アセンブリに関連する電荷蓄積部と、
第１の正スイッチおよび第１の負スイッチを含み、かつ前記正リードおよび前記負リードの間に配置される第１の充電パスとを備え、前記第１の充電パスは、前記容量回路アセンブリの第１の部分を横断し、前記第１の正スイッチおよび前記第１の負スイッチは、前記第１の充電パスに割り当てられ、前記装置は、さらに、
第２の正スイッチおよび第２の負スイッチを含み、かつ前記正リードおよび前記負リードの間に配置される第２の充電パスを備え、前記第２の充電パスは、前記容量回路アセンブリの第２の部分を横断し、前記第２の正スイッチおよび前記第２の負スイッチは、前記第２の充電パスに割り当てられ、前記第１および第２の充電パスの各々は、電圧レギュレータに作動的に結合され、充電電流制御を与えるように適用される入力を有する、装置。
前記容量回路アセンブリは、直列に結合された第１のキャパシタ素子および第２のキャパシタ素子を含む、請求項１に記載の装置。
前記センタータップは、前記第１のキャパシタ素子および前記第２のキャパシタ素子の間に実装される、請求項２に記載の装置。
前記第１のキャパシタ素子および前記センタータップは、前記第１の正スイッチおよび前記第１の負スイッチの間に配置される、請求項３に記載の装置。
前記第１の充電パスは、前記第１のキャパシタ素子および前記センタータップを横断するが、前記第２のキャパシタ素子は横断しない、請求項４に記載の装置。
前記第２のキャパシタ素子および前記センタータップは、前記第２の正スイッチおよび前記第２の負スイッチの間に配置される、請求項３に記載の装置。
前記第２の充電パスは、前記第２のキャパシタ素子および前記センタータップを横断するが、前記第１のキャパシタ素子は横断しない、請求項６に記載の装置。