JP4004058B2 - 携帯型端末の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯型端末に使用している電池を充電する充電器及び携帯型端末の電源装置に関し、特にリチウムイオン電池の充電を適切に行うための充電器及び電池交換を適切に行うための携帯型端末の電源装置に関する。

近年、素子の小型化、ＬＳＩの高集積化、ＣＰＵの高性能化が進み、携帯電話、パソコン通信、インターネット等、通信設備が充実したことにより、ノート型パソコン、ハンディターミナル、モバイルコンピュータ等の携帯型端末の市場が拡大している。このような携帯型端末は電池駆動となり、電池交換を前提としての運用が多く、充電器による予備電池の充電が必ず必要となる。

携帯型端末の電池としては、近年、リチウムイオン電池の使用が急激に広がっている。リチウムイオン電池は、重量エネルギー密度がニカド・ニッケル水素電池の約３倍、体積エネルギー密度で約２倍となり、小形で軽量の高容量の電池であり、様々な携帯機器に使用されている。またリチウムイオン電池は、３．６ボルトを発生する電池セルを基本単位とし、携帯型端末が必要とする電源電圧に応じたセル数だけ円筒形や角形のパッケージに収納している。例えば２セルであれば７．２ボルト、３セルであれば１０．８ボルトとなる。
特開昭５６−１１９９８３号公報 特開平１０−１３６５８６号公報

しかしながら、携帯型端末の種類によってリチウムイオン電池で使用している電池セル数が異なり、各端末専用の充電器を持っているのが実情であり、携帯型端末が増えると充電器も合わせて増え、使い分けが煩雑になる問題がある。また従来の充電器は、電池が挿入されていない状態においても、ＡＣアダプタを接続した状態で内部回路が動作し、無駄な電力を消費している。更にリチウムイオン電池は、過放電となった際に電池出力をカットオフする保護回路を内蔵している。このカットオフ状態にあっては、専用の端子から電池外部に電池異常信号（バッテリィアラーム信号）を出力している。

リチウムイオン電池のカットオフ状態は、外部から電圧を加えてやることで解除できる。しかし、カットオフ状態となっているリチウムイオン電池を充電器に接続してもカットオフの解除はできない。これはカットオフによって電池電圧が得られず、また電池異常信号は充電器から見ると電池未接続と同じ信号状態であることによる。このため充電器にカットオフ状態となっているリチウムイオン電池を接続しても、電池未接続となり、充電電圧は供給されないためにカットオフを解除できない。

そこで従来はマイクロスイッチにより電池接続を検出して電圧を印加したり、定期的な電圧印加を行う必要があり、充電器の回路構成が複雑化する問題があった。更に、リチウムイオン電池を使用した携帯型端末にあっては、サスペンド状態で電池を交換するが、電池を取り外した状態で装置のサスペンドを保持するため、使い捨てタイプとなるリチウム電池等の補助電池を設けている。このため、補助電池についても定期的あるいは電池容量不足時に電池を交換する必要がある。しかし、補助電池の交換は、たまにしか行わないために、電池を準備していなかったり、不慣れなために交換に手間がかかる。更に、補助電池を交換可能な構造で装置に収納しなければならないため、その分、装置構造が複雑化し、携帯型端末としての小型軽量化がしにくい。

したがって本発明は、セル数が異なっても充電でき、使用していない状態での無駄な電力消費を防止し、更に、電池のカットオフ解除を簡単な回路できるリチウムイオン電池の充電器を提供する。

また本発明は、電池交換に必要な補助電池を不要とする携帯型端末の電源装置を提供する。

本発明の充電器は、外部電源の供給状態で、電池に内蔵した電池セルの数に応じた充電電圧を出力する充電回路と、電池の接続を検出した際に充電回路から電池への接続経路に設けたスイッチユニットをオンして電池を充電する充電制御ユニットとを備えた充電器であって、充電制御ユニットに、スイッチユニットがオフしている非充電状態で検出した電池の出力電圧に基づいて電池セル数を判定するセル判定ユニットと、セル判定ユニットで判定した電池セル数に合わせて充電回路の出力電圧を決定する電圧決定ユニットとを設けたことを特徴とする。

ここで充電回路は、電圧決定ユニットからの信号により出力電圧を変更可能なＤＣ／ＤＣコンバータを使用する。また電池はリチウムイオン電池である。このように充電開始前に、接続した電池の電圧からセル数を判断して充電電圧を決めるため、電池セル数の異なる電池であっても、同じ充電器を使用して充電でき、電池を使用する携帯型端末が増加しても必要とする充電器の種類を減らすことができる。

また本発明の充電器は、外部電源の供給状態で、電池に内蔵した電池セルの数に応じた充電電圧を出力する充電回路と、電池の接続を検出した際に充電回路から電池への接続経路に設けたスイッチユニットをオンして電池を充電する充電制御ユニットと、更に外部電源の供給状態で、充電制御ユニットに規定の電源電圧を印加して動作させる内部電源回路とを備えた充電器であって、外部電源の供給を検出する外部電源検出回路と、電池の接続を検出する電池接続検出回路と、外部電源検出回路および電池接続検出回路の検出信号から、外部電源の供給と電池接続の両方を検出した場合は電源回路を動作して充電制御ユニットに電源を供給させ、外部電源の供給と前記電池の接続の少なくともいずれか一方しか検出しない場合は電源回路を停止状態として充電制御回路への電源供給を停止する電源制御回路とを設けたことを特徴とする。

ここで電源制御回路は、外部電源検出回路と電池接続検出回路の検出信号の論理積を出力するアンド回路である。このように本発明の充電器は、ＡＣアダプタの接続による外部電源の供給状態で電池が接続されていなければ、充電制御ユニットの内部電源回路を停止状態とし、スタンバイ状態での無駄な電力の消費を防ぐ。

更に、本発明は、外部電源の供給状態で、電池に内蔵した電池セルの数に応じた充電電圧を出力する充電回路と、電池の接続を検出した際に充電回路から電池への接続経路に設けたスイッチユニットをオンして電池を充電する充電制御ユニットとを備えた充電器であって、電池の未接続を検出した際に、電池の過放電によるカットオフ状態を解除する解除電圧を出力するカットオフ解除回路を設けたことを特徴とする。このカットオフ解除回路は、充電回路の出力にソースを接続した第１ＦＥＴスイッチと、第１ＦＥＴスイッチのドレインにソースを接続し、ドレインを電池に接続し、充電制御ユニットによりオン、オフ制御される第２ＦＥＴスイッチと、電池の未接続時に第１ＦＥＴスイッチをオンし、オフ状態にある第２ＦＥＴスイッチの寄生ダイオードを介して電池にカットオフ解除用の充電電圧を供給するスイッチ制御回路とを備える。

このスイッチ制御回路は、電池から出力される電池異常信号（バッテリィアラーム信号）と電池接続検出時に充電制御ユニットから出力されるスイッチオン信号を入力したオア回路である。このため本発明の充電器の電池接続端子には、常にＦＥＴスイッチの寄生ダイオードを通る経路で充電電圧が印加されており、充電器に過放電による保護回路の動作でカットオフ状態にある電池を充電器に接続すると、電池に電圧が印加されてカットオフが解除され、簡単な回路でカットオフ解除ができる。

更に本発明は、充電可能な電池から電源供給を受け、装置のメイン回路ユニットに安定化した電源を供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、補助電源から電源供給を受け、前記電池を取り外した際に動作してメイン回路ユニットに電源を供給してバックアップする第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた携帯型端末の電源装置であって、補助電源として、第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧により充電されるコンデンサを接続したことを特徴とする。この補助電源として接続したコンデンサは、電気二重層コンデンサを使用する。このように補助電池に換えてメイン側の電源により充電されるコンデンサを接続したことで、補助電池の交換が不要となり、携帯型端末の小形軽量化に繋がる。

また電気二重層コンデンサは、小形でありながら、ファラドオーダの大容量をもっており、補助電源として十分なバックアップ時間を確保できる。

以上説明してきたように本発明によれば、充電器に電池パックを接続すると、接続した電池パックの電圧からセル数を判断して充電電圧を自動的に決めるため、セル数の異なる電池パックであっても同じ充電器を使用して充電でき、電池を使用する携帯型端末の数が増加しても、必要とする充電器の種類を減らすことができる。

またＡＣアダプタにより外部電源が供給された状態で電池パックが接続されていないスタンバイ状態については、充電制御部に対する電源供給を停止することで、充電器のスタンバイ状態での無駄な電力の消費を防ぐことができる。

更に、過放電保護動作により電池出力をカットオフ状態とした電池パックを充電器に接続した際に、充電経路にアンド接続した２つのＦＥＴスイッチの一方につき電池異常信号によりオンし、他方のスイッチはその寄生ダイオードを利用して充電電圧をカットオフ状態にある電池パックに印加することで自動的にカットオフ状態を解除することができ、マイクロスイッチによる電気接続の検出や定期的な電圧印加等を必要とせず、簡単な回路によって過放電保護によりカットオフ状態にある電池パックを解除して充電を開始できる。

更に、電池を電源として使用する携帯型端末装置の電源装置について、電池交換時にサスペンド状態とするメイン回路ユニットをバックアップする補助電源として、メイン側の電源により充電されるコンデンサを使用し、この補助電源用のコンデンサをＤＣ／ＤＣコンバータで安定化してバックアップ電源として電池交換時に供給するようにしたことで、補助電源に使用していた補助電池そのもの及びその交換を不要とし、携帯型端末装置の小型軽量化を更に図ることができる。

図１は本発明による充電器の第１実施形態の回路ブロック図である。図１において、本発明の充電器１０は、ＡＣアダプタ１４のプラグ１６をＡＣ電源のコンセントに接続することで使用される。充電器１０に対しては端子１５−１，１５−２，１５−３によって、充電器対象となる電池パック１２が接続される。電池パック１２はリチウムイオン電池を使用しており、複数のリチウムイオン電池セルを内蔵した例えば円筒形のパッケージ構造を持っている。

電池パック１２に収納されている複数のリチウムイオン電池セルは、１セル当り３．６ボルトの電池電圧を発生する。本発明の充電器１０で充電可能な電池パック１２としては、この実施形態にあってはリチウムイオン電池セルを２セルまたは３セル収納した電池パック１２を対象とする。２セルを収納した電池パック１２の公称電池電圧は７．２ボルトとなり、また３セルを収納した電池パック１２の公称電池電圧は１０．８ボルトとなる。

充電器１０の端子１５−１はプラス端子であり、端子１５−２はマイナス端子であり、更に端子１５−３は電池パック１２から出力される電池異常信号（バッテリィアラーム信号）Ｅ１の入力端子である。電池異常信号Ｅ１は電池パック１２に内蔵した保護回路において、過放電あるいは過充電を検出したときに出力される。即ち電池パック１２が正常に電池電圧を発生した状態では電池異常信号はＨレベルにあり、過放電または過充電の異常が検出されると電池異常信号はＬレベルの異常出力状態となる。更に電池パック１２で過放電または過充電の異常検出が行われた場合には、内蔵しているスイッチ素子の動作により電池出力をカットオフ状態とする。

充電器１０には充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、ＦＥＴスイッチ２０、充電制御ユニット２２、内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４、電池接続検出回路２６及び電池電圧検出回路２８が設けられる。充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、ＡＣアダプタ１４からの直流入力電圧を電池パック１２の充電に必要な充電電圧Ｖ１に変換して出力する。この場合、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の充電電圧Ｖ１は、充電制御ユニット２２からの充電電圧制御信号Ｅ４によって、電池パック１２の２セルまたは３セルに対応した充電電圧に切換制御される。

電池パック１２が３セルとなる公称電池電圧１０．８ボルトの場合、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は充電電圧Ｖ１として例えばＶ１＝１２．３ボルトを出力する。また電池パック１２が２セルの場合で公称電池電圧７．２ボルトの場合には、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は充電電圧Ｖ１として例えばＶ１＝８．２ボルトを出力する。もちろん、これら２セルまたは３セルに対応した充電電圧Ｖ１は公称電池電圧に対し所定比率だけ高い電圧であれば良く、必要に応じて適宜の充電電圧が定められる。

充電制御ユニット２２はＡＣアダプタ１４による外部からの電源供給状態で内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４からの電源電圧Ｖ２を受けて動作する。この動作状態で充電器１０に対する電池パック１２の接続を検出すると、そのときの電池電圧からセル数を判定し、セル数に対応した充電電圧を決定して電圧制御信号Ｅ４により充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の充電電圧Ｖ１を制御し、続いてＦＥＴスイッチ２０を制御信号Ｅ５によりオンし、電池パック１２の充電を開始する。このため充電制御ユニット２２には、セル判定ユニット３０と電圧決定ユニット３２の機能が設けられている。

セル判定ユニット３０は電池電圧検出回路２８で検出した電池パック１２の電池電圧から２セルであるか３セルであるかを判定する。電圧決定ユニット３２はセル判定ユニット３０による電池パック１２のセル数の判定結果に基づき、２セルであれば充電電圧Ｖ１＝８．２ボルト、３セルであれば充電電圧Ｖ１＝１２．３ボルトとなるように、電圧制御信号Ｅ４によって充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御する。

電池接続検出回路２６は、充電器１０に電池パック１２を接続した時の電池異常信号Ｅ１の状態から電池接続の有無を検出している。即ち充電器１０に接続する電池パック１２は、通常時、内部の保護回路が動作していない状態で電池異常信号Ｅ１は正常を示すＨレベル状態となっており、電池接続検出回路２６は電池パック１２からの異常検出信号Ｅ１のＨレベル状態を検出して電池接続を認識し、電池接続検出信号Ｅ２を充電制御ユニット２２に出力する。

この電池接続検出回路２６からの電池接続検出信号Ｅ２を受けて、充電制御ユニット２２は電池パック１２の充電器１０の接続を認識し、セル判定ユニット３０による電池電圧に基づくセル数の判定、判定したセル数による充電電圧の電池決定ユニット３２による決定を行って充電制御を開始することになる。ここで、充電制御ユニット２２、電池電圧検出回路２８及び電池接続検出回路２６は、専用のマイクロプロセッサにより実現される。

図２は図１の充電器１０で充電する電池パック１２の一例である。電池パック１２はリチウムイオン電池４０を内蔵しており、この例では公称電池電圧は３．６ボルトのリチウムイオン電池セル４２−１，４２−２，４２−３の３つを直列接続しており、これによって公称電池電圧は１０．８ボルトとなっている。リチウムイオン電池４０に対しては、プラス端子３４−１よりアンド接続したＭＯＳ型のＦＥＴスイッチ４４，４６を介して充電ラインがプラス側に接続され、またマイナス端子３４−２から電池マイナス側に信号ラインが接続されている。

また電池セル１２には保護用制御回路４８が設けられている。保護用制御回路４８は、リチウムイオン電池セル４２−１〜４２−３のそれぞれの電池電圧を検出するため、抵抗５０，５２，５４それぞれを介して電池電圧が入力している。

ＦＥＴスイッチ４４は過充電検出でオフするスイッチである。即ち、ＮチャネルＦＥＴスイッチ４４はＰチャネルのＭＯＳＦＥＴであり、ドレインとゲート間に抵抗４９を接続し、更にゲートは抵抗５１を介して反転用ＰチャネルのＭＯＳＦＥＴ４３のソースに接続する。通常時に制御信号Ｅ１２がＨレベルなってＭＯＳＦＥＴはハイインピーダンス状態にあり、このためＦＥＴスイッチ４４は抵抗４９によるバイアスでオンしている。過放電検出時に制御信号Ｅ１２がＬレベルになるとＭＯＳＦＥＴ４３がオンし、ＦＥＴスイッチ４５はオフとなる。

ＦＥＴスイッチ４６は過放電検出でオフするスイッチである。即ち、ＦＥＴスイッチ４６はＰチャネルのＭＯＳＦＥＴであり、通常時に制御信号Ｅ１３がＬレベルにあるとオンし、過放電検出時に制御信号Ｅ１２がＨレベルになるとオフする。保護用制御回路４８による過充電保護は、充電中にリチウムイオン電池セル４２−１〜４２−３の各電池電圧を監視しており、いずれかの電池セルの電圧が例えば４．２５±０．０６ボルト以上となったとき過充電と判断し、ＦＥＴスイッチ４４を制御信号Ｅ１２によりオフする。

即ち通常時、制御信号Ｅ１２はＨレベルとなってＦＥＴスイッチ４４をオンしているが、過放電を検出すると制御信号Ｅ１２はＬレベルとなってＦＥＴスイッチ４４をオフする。ＦＥＴスイッチ４６をオフした過充電保護の解除条件は、自己放電あるいは放電によって全てのリチウムイオン電池セル４２−１〜４２−３の電圧が例えば４．０５±０．１１ボルトまで低下した時である。

次に保護用制御回路４８による過放電保護動作を説明する。過放電保護動作は、リチウムイオン電池セル４２−１〜４２−３のいずれかが例えば２．４０±０．１０ボルトまで低下した時に過放電と判断し、制御信号Ｅ１３によってＦＥＴスイッチ４６をオフする。制御信号Ｅ１３は通常時、ＬレベルとなってＦＥＴスイッチ４６をオンしており、過放電を検出するとＨレベルとなってＦＥＴスイッチ４６をオフする。

この過放電保護の解除条件は、全てのリチウムイオン電池セル４２−１〜４２−３の電圧が例えば３．１０±０．１５ボルトに回復した時であり、これは外部からの電圧印加により解除することができる。即ち過放電保護状態にあっては、ＦＥＴスイッチ４４はオン、ＦＥＴスイッチ４６はオフとなっているが、端子３４−１，３４−２間に外部より電圧を加えると、オフ状態となっているＦＥＴスイッチ４６の寄生ダイオード４７を通ってリチウムイオン電池４０に充電電流が流れ、これによってリチウムイオン電池セル４２−１〜４２−３の電圧が例えば３．１０±０．１５ボルトに回復することで、過充電保護によるカットオフ状態を解除することができる。

また保護用制御回路４８は過充電または過放電を検出してカットオフ動作を行った際に、端子３４−３に対し電池異常信号Ｅ１を出力する。この電池異常信号Ｅ１は通常時Ｈレベルとなり、過放電または過充電を検出した異常時にはＬレベルとなる。このような本発明が充電対象とする電池パック１２としては、例えば三洋電気株式会社製のリチウムイオン電池３ＵＲ１８６５０等を使用することができる。

図３は、図１の充電器１０に使用している充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の回路ブロック図である。充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８はチョッパ回路で構成している。即ち入力端子６６，６８に続いて入力コンデンサ７０が設けられ、インダクタンス７２と直列にスイッチ素子を内蔵した制御回路７４を接続している。またインダクタンス７２に対しては整流用のツェナダイオード７６が分岐接続され、ツェナダイオード７６の出力側に平滑コンデンサ７８とダミー負荷となる抵抗８０を接続し、出力端子８２，８４より一定の充電電圧を出力するようにしている。

制御回路７４はＣＯＮＴ端子（制御端子）、ＶＳＳ端子、ＶＯＵＴ端子、ＯＮ／ＯＦＦ端子、及びＳＥＴ端子を有する。このうちＳＥＴ端子に対しては、制御端子８５より充電電圧を切換設定するための制御信号Ｅ４が加えられる。

図４は、図３の制御回路７４の回路ブロック図である。この制御回路７４は制御ＩＣとして提供されており、インバータスイッチとして動作するＭＯＳ−ＦＥＴ８８、ＶＯＵＴ端子９０からの出力電圧を分圧する抵抗９４，９６、制御回路７４のオン，オフを制御するためのＭＯＳ−ＦＥＴ９８、基準電圧源１０４、誤差を検出する誤差増幅器１０２、誤差に応じたパルス周波数信号に変調するＰＦＭ制御回路１０６、インバータを用いたドライバ１０８で構成される。

ここで基準電圧源１０４に対してはＳＥＴ端子９５により図１に示した充電制御ユニット２２からの制御信号Ｅ４が入力され、基準電圧を切り替えることによって２セルまたは３セルに対応した充電電圧の切替えができる。更に端子１００に対し外部から制御信号を加えることで、ＭＯＳ−ＦＥＴ９８のオン，オフにより制御回路７４の起動と停止を制御することができる。

図３の充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８にあっては、外部制御によらず入力端子６６，６８に対するＡＣアダプタ１４からの電源供給により端子１００に制御電圧を加えてＭＯＳ−ＦＥＴ９８をオンするセルフ起動型としている。

図５は、図１の充電器１０の充電制御ユニット２２による制御処理のフローチャートである。図１の充電器１０による電池パック１２の充電に際しては、まずＡＣアダプタ１４のプラグ１６をＡＣコンセントに差し込むことで充電器１０に対し外部より電源供給を行った状態とし、この状態で充電しようとする電池パック１２も充電器１０に接続する。電池パック１２を充電器１０に接続すると、電池パック１２から出力されている電池異常信号Ｅ１は正常を示すＨレベルにあり、この電池異常信号Ｅ１のＨレベルを電池接続検出回路２６で検出し、充電制御ユニット２２に電気接続検出信号Ｅ２を出力する。

したがって図５の充電制御処理にあっては、電池パック１２を接続すると、ステップＳ１でまず電池接続の有無をチェックし、正常に電池接続信号Ｅ２が得られれば電池接続ありと判断し、ステップＳ２に進み、そのとき電池電圧検出回路２８により検出されている電池パック１２の電池電圧に応じた電池電圧検出信号Ｅ３を読み込む。

次にステップＳ３で電池電圧が９ボルト以上か否かチェックする。ここで図１の充電制御ユニット２２に設けたセル判定ユニット３２には、例えば図６に示すような電池電圧に対するセル判定の閾値電圧が予め設定されている。２セル電池の電圧範囲は例えば６．０〜８．４ボルトであり、また３セル電池の電圧範囲は９．０〜１２．４ボルトであることから、２セル電池と３セル電池を判定するための閾値電圧として例えば９ボルトを設定している。このため図５のステップＳ３で電池電圧が９ボルト以上であれば、ステップＳ４に進み、３セル電池パックと判定し、ステップＳ５で３セル用の充電電圧例えばＶ１＝１２．３ボルトを設定する。

そしてステップＳ６で図１のＦＥＴスイッチ２０のオンにより充電制御を行う。この充電制御処理にあっては充電中における電池電圧を監視しており、例えば規定の充電電圧に電池電圧が回復すると、ステップＳ７で充電終了を判断し、一連の処理を終了する。この充電中と充電終了については、例えば図示しない表示灯により充電中と充電終了を示すことになる。このように図１の本発明による充電器１０にあっては、セル数の異なる電池パック１２であっても、充電器１０において自動的に電池パック１２のセル数を判定して、対応した充電電圧により充電することができ、携帯型端末の種類が増えても同じように充電器の数が増えてしまうことを防止する。

尚、図１の実施形態にあっては、電池パック１２のセルとして２セルと３セルを例に取るものであったが、更に１セルであっても良いし、更には４セル以上の適宜のセル数であっても良いことはもちろんである。

図７は、本発明による充電器の第２実施形態の回路ブロック図である。この第２実施形態にあっては、電池パックに充電を行っていないスタンバイ状態でＡＣアダプタからの外部電源の供給による電力消費を低減するようにしたことを特徴とする。充電器１０はＡＣアダプタ１４により外部から電源供給を受けており、充電時には端子１５−１，１５−２，１５−３に電池パック１２を接続する。充電器１０には充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、ＦＥＴスイッチ２０、充電制御ユニット２２、内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４、電池接続検出回路２６及び電池電圧検出回路２８が設けられている。

このような充電器１０の回路構成は図１の第１実施形態の充電器１０と基本的に同じになる。これに加えて図７の第２実施形態の充電器１０にあっては、新たに外部電源検出回路１１０とアンド回路１１２を設けている。外部電源検出回路１１０はＡＣアダプタ１４からの電源供給を検出して、外部電源検出信号Ｅ７をアンド回路１１２に出力する。アンド回路１１２は更に電池接続検出回路２６からの電池接続検出信号Ｅ３を入力しており、外部電源検出信号Ｅ７と電池接続検出信号Ｅ３の論理積を取ることによって制御信号Ｅ８を内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に出力する。

図８は、図７におけるアンド回路１１２の入出力の論理表である。この論理表において電池接続検出信号Ｅ３は、電池接続の検出でＨレベル、電池接続を検出しない状態でＬレベルとなる。また外部電源検出信号Ｅ７は外部電源の検出でＨレベルとなり、外部電源を検出しない状態でＬレベルとなる。このためアンド回路１１２からの内部電源制御信号Ｅ８は、外部電源の検出と電池接続の検出の両方が行われたときＨレベルとなって、内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４をオンする。

これに対し電池接続検出及びまたは外部電源検出の少なくともいずれか一方が行われていないＬレベル入力が１つでもあるときは、内部電源制御信号Ｅ８はＬレベルとなり、内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４をオフとしている。このためＡＣアダプタ１４から外部電源を供給したまま電池パックの充電は行っていないスタンバイ状態において、アンド回路１１２によって内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４はオフとなり、このため充電制御ユニット２２に対する電源電圧Ｖ２は供給されず、充電制御ユニット２２はその動作を停止している。

このため、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８に対する起動制御信号Ｅ５もＬレベルでオフとしている。ここで内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、図３の第１実施形態と同じ回路構成を持っているが、制御回路７４のＯＮ／ＯＦＦ端子１００はＶＯＵＴ端子９０に共通接続されておらず、このＯＮ／ＯＦＦ端子１００に対し図７のアンド回路１１２からの制御信号Ｅ８が加えられ、この制御信号Ｅ８がＬレベルであればＭＯＳＦＥＴ９８がオフとなり、またＰＦＭ制御回路１０６もその動作を停止し、結果として内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は動作を停止し、電源電圧Ｖ２は出力されていない。

このように図７の第２実施形態の充電器１０にあっては、電池パック１２を接続していないスタンバイ状態にあっては、内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の動作を停止することで充電制御ユニット２２による電力消費をなくし、スタンバイ状態での消費電力を抑えることができる。

図９は、本発明における充電器１０の第３実施形態の回路ブロック図である。この第３実施形態にあっては、過放電保護により検出出力をカットオフした状態の電池パックを充電器に接続した際に、自動的にカットオフ状態を解除できるようにしたことを特徴とする。充電器１０はＡＣアダプタ１４により外部電源の供給を受け、端子１５−１〜１５−３に対し充電しようとする電池パック１２を接続する。

充電器１０には充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、充電制御ユニット２２、内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ２４、電池接続検出回路２６、電池電圧検出回路２８が設けられている。このような充電器１０の構成は基本的に図７の第２実施形態と同じである。これに加えて第３実施形態の充電器１０にあっては、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から端子１５−１の電池パック１２における接続側の充電ラインにＮチャネルＭＯＳＦＥＴを使用したＦＥＴスイッチ２０とＦＥＴスイッチ１１４をアンド接続している。ＦＥＴスイッチ２０は、図１の第１実施形態及び図７の第２実施形態と同じであり、充電時に充電制御ユニット２２からの制御信号Ｅ５のＨレベルによりオンとなり、充電完了よるＬレベルでオフとなるスイッチである。

実際には、図９のように、ドレインとゲート間にバイアス用の抵抗２１を接続し、ゲートを抵抗１２４を介してＰチャネルのＭＯＳＦＥＴ１２２のソースに接続している。ＭＯＳＦＥＴ１２２のゲートには充電制御ユニット２２より制御信号Ｅ５１が与えられる。制御信号Ｅ５１は電池接続の検出時にＨレベルとなってＭＯＳＦＥＴ１２２をオフし、このとき制御信号Ｅ５もＨレベルとなってＦＥＴスイッチ２０はオンする。

また制御信号Ｅ５１は電池未接続の検出時にはＬレベルとなってＭＯＳＦＥＴ１２２をオンし、このとき制御信号Ｅ５はＬレベルとなってＦＥＴスイッチ２０はオフする。ＦＥＴスイッチ１１４は新たに設けられたスイッチであり、ＡＣアダプタ１４による電源供給がない状態で電池パック１２を接続した際の電池パック１２からの電池電圧が充電器１０の回路に流れて消費されることを阻止するために設けている。

即ちＡＣアダプタ１４からの電源供給がない状態で電池パック１２を接続すると、電池パック１２から出力される電池異常信号Ｅ１が正常状態を示すＨレベル状態となっており、電池接続検出回路２６による電池接続の検出に基づいてＦＥＴスイッチ２０がオンとなる。このとき充電制御ユニット２２は動作していないが、Ｈレベル状態の電池異常信号Ｅ１は電池接続検出回路２６及び充電制御ユニット２２を経由してそのまま制御信号Ｅ５１となってＭＯＳＦＥＴ１２２をオフし、従って電池異常信号Ｅ１によってＦＥＴスイッチ２０が直接的にオンされることになる。

この場合、ＦＥＴスイッチ２０しか設けていないと、電池パック１２からの電池電圧が入力側に供給され電力が消費される。そこで電池パック１２のカットオフ状態を含む電池未接続時にオンとなるＦＥＴスイッチ１１４を設け、電池パック１２からの電池電圧が入力供給されて消費されることを防止する。またＦＥＴスイッチ１１４はＰチャネルのＭＯＳＦＥＴを使用しており、ゲートに対する制御信号Ｅ１０がＨレベルのときオフし、Ｌレベルのときオンする。

このような充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の充電ラインにアンド接続した２つのＦＥＴスイッチ１１４，２０のうち、外部電源が供給されていない状態での電池パック１２の接続による電力消費を防止するために設けたＦＥＴスイッチ１１４を利用して、過放電保護で電池出力をカットオフ状態にしている電池パック１２を充電器１０に接続したときのカットオフの解除動作を自動的に行う。

この電池パック１２のカットオフ解除のため、新たにオア回路１１６が設けられる。オア回路１１６には電池パック１２からの電池異常信号Ｅ１が入力される。またオア回路１１６には充電制御ユニット２２より制御信号Ｅ９が入力される。制御信号Ｅ９は未接続検出でＨレベルとなってＦＥＴスイッチ１１４をオフし、電池接続の検出でＬレベルとなってＦＥＴスイッチ１１４をオンする信号である。このためオア回路１１６、ＦＥＴスイッチ２０，１１４によって第３実施形態のカットオフ解除回路１１５が構成される。

次に図９の充電器１０の動作を説明する。ＡＣアダプタ１４からの電源供給を受けたスタンバイ状態の充電器１０に過放電保護動作により電池出力をカットオフしている電池パック１２を接続すると、電池パック１２からの電池異常信号Ｅ１がＬレベルとなっているため、オア回路１１６からの制御信号Ｅ１０もＬレベルとなり、ＦＥＴスイッチ１１４がオンする。

このため充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８からの充電電圧Ｖ１は、ＦＥＴスイッチ１１４及びオフ状態にあるＦＥＴスイッチ２０の寄生ダイオード１２０を通って電池パック１２に印加される。このとき電池パック１２は図２に示したように、ＦＥＴスイッチ４４がオン、ＦＥＴスイッチ４６が過放電保護のためオフとなっており、端子３４−１〜３４−２間に充電電圧Ｖ１が印加されると、オン状態にあるＦＥＴスイッチ４４及びオフ状態にあるＦＥＴスイッチ４６の寄生ダイオード４７を通ってリチウムイオン電池４０に充電電圧が印加される。

この充電電圧の印加によってリチウムイオン電池セル４２−１〜４２−３の各電池電圧が例えば３．１０±０．１５ボルトに回復したときに、保護用制御回路４８の制御信号Ｅ１３がＨレベルからＬレベルに戻ってＦＥＴスイッチ４６をオフからオンし、カットオフが解除される。電池パック１２のカットオフが解除されると、電池異常検出信号Ｅ１はそれまでのＬレベルから正常を示すＨレベルに戻り、充電器１０の電池接続検出回路２６が電池接続検出信号Ｅ３を充電制御ユニット２２に出力し、これにより充電制御ユニット２２はＭＯＳＦＥＴ１２２にＨレベルの制御信号Ｅ５を出力してオフし、ＦＥＴスイッチ２０がオンする。

同時にオア回路１１６にＬレベルの制御信号Ｅ９を出力し、制御信号Ｅ１０はＬレベルを維持することでＦＥＴスイッチ１１４もオンを継続し、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１８からのカットオフが解除された電池パック１２に対する充電が開始される。このときの充電制御ユニット２２による充電制御処理は、図５のフローチャートに示した第１実施形態の場合と例えば同じになる。

このように図９の第３実施形態の充電器１０によれば、過放電により内部保護回路が動作して電池出力をカットオフした状態の電池パック１２であっても、充電器１０にマイクロスイッチ等による電池接続の検出や一定周期で電池パックに電圧を印加するような特別な構成を設ける必要がなく、極めて簡単な回路構成によって、保護動作を行っている電池パック１２のカットオフ状態を解除することができる。

図１０は、本発明の充電器により充電された電池パック１２を使用する携帯型端末を例に取った本発明における電源装置の実施形態の回路ブロック図である。携帯型端末装置２００は、本発明の充電器１０により充電が完了した電池パック１２を装着して使用する。電池パック１２からの電池電圧は、メイン用ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２でメイン回路ユニット２０４に対応した規定の電源電圧例えば５ボルトに変換され、ダイオード２１８を介して供給されている。

このような電池パック１２及びメイン用ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２で構成される携帯型端末装置２００の電源ユニットに対しては、電池パック１２の交換時にメイン回路ユニット２０４をサスペンド状態に維持するための電源供給をバックアップするバックアップ用の補助電源ユニットが設けられる。この補助電源ユニットとして本発明にあっては、補助電源用コンデンサ２１２をバックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４の入力に接続し、この補助電源用コンデンサ２１２に対してはダイオード２１６を介してメイン用ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧による充電を行っている。

バックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、メイン回路ユニット２０４及びバックアップ回路ユニット２１０に対し電源供給を行っている。バックアップ回路ユニット２１０は電池パック１２を取り外した際に動作し、メイン回路ユニット２０４をサスペンド状態とする。補助電源用コンデンサ２１２としては、スーパーキャパシタとして知られた大容量の電気二重層コンデンサを使用する。

電気二重層コンデンサは、直径が７〜２０ミリ程度で厚さが１．４〜２．２ミリと小さいが、その静電容量が例えば０．１０ファラド〜２．０ファラドと極めて大容量のコンデンサである。このように十分な容量を持つ電気二重層コンデンサを補助電源用コンデンサ２１２に使用することで、電池パック１２の交換時に必要なメイン回路ユニット２０４のサスペンド状態を例えば数分程度維持することができる。

図１１は、図１０の電気二重層コンデンサを用いた補助電源用コンデンサ２１２のサスペンド状態での電圧低下の時間変化である。まず補助電源用コンデンサ２１２はメイン用ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧５ボルトによる充電を受けて、バックアップ開始時刻ｔ１では５ボルトであり、バックアップ開始に伴うバックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４による出力電圧５ボルトへの変換による電力消費で時間と共に補助電源用コンデンサ２１２の電圧は減少する。

この補助電源用コンデンサ２１２の電圧の減少に対して、バックアップ回路ユニット２１０及びメイン回路ユニット２０４に対するバックアップ電源電圧は、バックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４により５ボルトに安定化されており、変化することはない。バックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、入力電圧が１ボルトに低下するまで５ボルトの安定化出力を維持する回路機能を備えている。

したがって図１１において、補助電源用コンデンサ２１２の電圧が時刻ｔ２で１ボルトに下がると、バックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４による５ボルトの出力電圧の保証はできなくなり、これがバックアップ終了時刻となる。補助電源用コンデンサ２１２にスーパーキャパシタとして知られた大容量の電気二重層コンデンサを使用した場合、バックアップ開始時刻ｔ１から終了時刻ｔ２までのバックアップ時間Ｔは、Ｔ＝５〜６分程度を確保することができる。この程度のバックアップ時間が得られれば、携帯型端末装置２００の電池パック１２を取り外して充電済みの新たな電池パックに交換する十分な時間が確保できる。

図１２は、補助電源に使い捨て型のリチウム電池等の補助電池２０６を使用した比較例としての携帯型端末装置２００である。この補助電池２０６を使用した携帯型端末装置２００にあっては、電池パック１２を交換する際には補助電池２０６の電池電圧をバックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８により安定化し、バックアップ回路２１０によりメイン回路ユニット２０４のサスペンド状態を維持するためのバックアップ電源の供給が行われる。

しかしながら、図１２の補助電池２０６を用いた携帯型端末装置２００にあっては、電池パック１２の交換を繰り返すことで補助電池２０６も消耗し、半年あるいは１年といった一定期間ごとに補助電池２０６を交換しなければならない。また携帯型端末装置２００は、補助電池２０６についても電池パック１２と同様な交換可能とするための着脱自在な収納部と蓋を持った構造を必要とする。

これに対し図１０の本発明の補助電源用コンデンサ２１２を用いた携帯型端末装置２００にあっては、図１２の補助電池２０６を使用した場合のような電池交換や補助電池２０６のための着脱自在な装置の構造が不要となり、補助電源用コンデンサ２１２はバックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１等と共に電源ユニットの回路基盤に固定的に実装するだけで済み、この結果、補助電源を全く意識することなく携帯型端末装置２００の電池パック１２の交換を行うことができ、補助電池２００のような交換に必要な構造を持たない分、携帯型端末装置２００の小型軽量化を図ることができる。

尚、本発明は上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なわない適宜の変形を含む。また、本発明は上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

本発明の第１実施形態の回路ブロック図 図１の電池パックの回路ブロック図 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの回路図 図３の制御回路の回路ブロック図 図１の充電制御処理のフローチャート 図１のセル数と電池電圧の対応関係の説明図 本発明の第２実施形態の回路ブロック図 図７におけるアンド回路の入出力特性の説明図 本発明の第３実施形態の回路ブロック図 本発明の携帯型端末電源装置のブロック図 電池取外し時の図１０のバックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータによる出力電圧のタイムチャート 従来の携帯型端末電源装置のブロック図

符号の説明

１０：充電器
１２：電池
１４：ＡＣアダプタ
１８：充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０：ＦＥＴ−ＳＷ
２２：充電制御部
２４：内部電源用ＤＣ／ＤＣコンバータ
２６：電池接続検出回路
２８：電池電圧検出回路
４８：保護用制御回路
１１０：外部電源検出回路
２０２：メイン用ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０４：メイン回路
２０６：補助電池
２０８，２１４：バックアップ用ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１０：バックアップ回路
２１２：補助電源用コンデンサ

Claims (2)

1. 充電可能な電池から電源供給を受け、装置のメイン回路ユニットに安定化した電源を供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   補助電源から電源供給を受け、前記電池を取り外した際に動作して前記メイン回路ユニットに電源を供給してバックアップする第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   を備えた携帯型端末の電源装置に於いて、
   前記補助電源として、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧により充電されるコンデンサを接続したことを特徴とする携帯型端末の電源装置。
   
2. 請求項１に記載の携帯型端末の電源装置に於いて、
   前記コンデンサは、電気二重層コンデンサであることを特徴とする携帯型端末の電源装置。

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