JP4197189B2 - 電力供給のための回路および動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、全般的には電池充電器に関し、特にコンピュータデータバスの一体型パワーノードなどの容量が制限されている電源を含む種々の電源から携帯通信機器の電池を充電する方法および装置に関する。このようなコンピュータデータバスの一つとして、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス：ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ）が挙げられるであろう。

昨今のコンピューティングおよび情報革命に伴って、携帯電話、携帯情報端末（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ（ＰＤＡ））、デジタルページャ、およびワイヤレス電子メール機器などの携帯電子機器が広く普及してきている。通常これらの携帯機器は、電池充電器を使用して外部電源から定期的に再充電しなければならない内部電池から電力の供給を受ける。電池充電器は一般に、標準的なＡＣ電源コンセントから電力を受け取り、電池を再充電するために、その交流電力を直流低電圧に変換する。

またこれらの携帯機器の電池充電器は一般に、電池の充電を管理するのに「電池充電コントローラ」を採用している。このような電池充電コントローラは、
・充電式電池への電圧および電流レベルの調節、
・携帯機器のメインプロセッサへのステータス信号の提供または１つ以上のステータスＬＥＤ（発光ダイオード：ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）の作動、
・過電流保護、不足電圧保護、逆極性保護、および過熱保護などの保護回路の提供、および
・充電源の取り外し時に電池の消耗を最小限にするため電池充電コントローラ自身をシャットオフ
などの機能を提供する。

例えば、リチウムイオン電池パックは、満充電ができるように、何度も充電、再充電できるように、安全に動作させることができるように、比較的厳密なアルゴリズムに従って充電しなければならない。この充電アルゴリズムは一般に、以下のように進行する。

１．第一段階では、あらゆる深刻な不足電圧状態または過放電状態に対処する。この予備充電段階の間、電池電圧は、電池電圧が非常に低い状態または電池切れの状態から、大抵通常の充電電流の１／１０の割合で徐徐に上げられる。

２．次に、電池は、電池の両端間の電圧がその設計レベル（例えば、４．２ＶＤＣ）に到達するまで一定の電流レベルで充電される。この時点では、電池は、全容量の４０から７０％にしかならないであろう。その後、
３．電池の充電は、電池が満充電されるまで一定の電圧レベル（例えばここでも４．２ＶＤＣ）で続けられる。このモードでは、電池に流れる電流は時間とともに降下するであろう。充電電流が最初の充電率の１０％または電池の製造元によって定められたあるその他の制限まで降下したとき、充電はストップする。

リチウム電池では、トリクル充電ができないため、充電はこの時点でストップしなければならない。過充電はセルを損傷させて、リチウム金属を析出し有害となる可能性があるであろう。

したがって、リチウム電池は、ほとんどの場合それらの特定の充電パラメータ用に設計された電池充電コントローラとともに使用される。

残念なことに、ほとんどの電池充電コントローラは、大容量電源から一定の電圧で引き出すように設計されており、その電圧は、これらの電池充電コントローラから電流が要求されたときはそれ程低下しないであろう。これは、容量が制限されている電源を使用しようとする場合、問題である。外部機器に電力を提供するのに、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス：ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ）バスなどのいくつかのコンピュータデータバスを使用することができるが、このような電源は非常に便利である一方で、その容量は限られている。

今日利用できるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）およびラップトップコンピュータの大半は、標準部品として１つ以上のＵＳＢポートを備えている。ＵＳＢポートは、毎秒１２メガビットおよび１．５メガビットの速度でデータ通信をサポートしたり、ＰｎＰ（プラグ・アンド・プレイ：Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｌａｙ）インストールソフトウェアをサポートしたり、ホットプラギング（すなわち、ＰＣが稼動中に機器を接続したり、取り外したりすることができる）をサポートするように設計されている。したがって、ＵＳＢポートは、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、プリンタ、およびスキャナをＰＣに接続するためのインターフェースとして使用されることが多い。

加えてＵＳＢポートは、接続される外部機器に限られた電力を供給する働きをする。標準的なＵＳＢの仕様では、「高電力」ＵＳＢポートは、４．７５〜５．２５ＶＤＣの供給電圧および少なくとも５００ｍＡ（「５単位」と言うことが多い）の供給電流を提供するよう作動することが必要とされる。「低電力」ＵＳＢポートの仕様では、４．４０〜５．２５ＶＤＣの供給電圧および１００ｍＡ（「１単位」という）の電流が必要とされる。

ＵＳＢポートは、多くの理由から携帯機器の電源としてごく当たり前の選択であると考えられるであろう。まず、ＵＳＢポートは、充電される電池の電圧（多くの携帯機器が２．５〜４．５ＶＤＣの電池電圧を備えている）に非常に近いかわずかに上回ることが多い直流低電圧源を供給する。また、多くの携帯機器は、データまたはソフトウェアをコンピュータまたはラップトップコンピュータにアップロードしたり、コンピュータまたはラップトップコンピュータからダウンロードしたりする（「同期化」ということが多い）ように動作することもできる。したがって、図１のシステム図に示されているように、多くの携帯機器にはドッキングクレードルが搭載されている。ドッキングクレードル１０がパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１４のＵＳＢポート１２にＵＳＢケーブル単体およびコネクタ１６を介して接続されており、これは実に簡単なシステムである。携帯機器１８をドッキングクレードル１０にセットしさえすれば、ＰＣ１４への電気的接続が生じる。

ＵＳＢポート１２が十分な電力を備えている場合は、携帯機器１８に充電電力を供給するのに、別のＡＣ充電器を使用するよりもＵＳＢポート１２を使用する方が理にかなっている。例えば、
１．ＡＣ充電器に大きな直流コンデンサまたはインダクタが組み込まれていない場合は、電気雑音は、ＡＣ充電器よりもＵＳＢ電源の方が少なくなる。
２．ＡＣ充電器は、重たい変圧器または高価なスイッチング電源のどちらかを必要とするが、ＵＳＢ電力を使用する場合にはそのどちらとも必要ではなくなる。
３．ＵＳＢ電源の実装においては、ドッキングクレードル１０をＰＣ１４に接続するのに使用されるケーブルおよびコネクタ１６を、電力およびデータ双方の伝達に使用することができるため、物理的に新たな部品は全く必要とされないであろう。これとは対照的に、ＵＳＢデータケーブルとは物理的に別の部品としてＡＣ電源が提供されなければならないであろう。
４．ＡＣ電源には世界規格がなく、あるＡＣ電源では、入力として１２０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣが必要とされ、３、４．５、６、７．５、または９ＶＤＣ出力が提供され、多数の異なる可能なコネクタおよび極性のうち一つが用いられるようにすることもできる。旅行者がＡＣ電源を家に忘れると、適当な代替品を見つけることができない可能性がある。

これとは対照的に、ＵＳＢ規格は広く受け入れられているため、自身のモバイル機器にＵＳＢコネクタが装備されていれば、旅行をしても充電源を見つけられる機会はずっと多くなるであろう。

したがって、携帯機器を充電するのにＵＳＢ電力を使用することは明らかに望ましいことであろう。しかし残念なことに、上記のように、ＵＳＢポートは限られた電力しか提供できない。この問題は、図２のブロック図を考えれば明らかになる。この想定では、携帯機器１８および電池充電コントローラ２０はＵＳＢポート１２に並列に接続され、充電状態のときには携帯機器１８がＵＳＢポート１２から電力を引き出すようにコントロールスイッチ２２が切り替えられるであろう。電池２４が電池充電コントローラ２０によって満充電され、ＵＳＢポート１２の電力が移ったとき、コントロールスイッチ２２はその後、携帯機器１８が電池２４から電力を引き出すように切り替えられる。このタイプの回路は、ある状況においては働くかもしれないが、電源が限られた容量しか備えていない場合には受け入れられない。

ＵＳＢカード１２から携帯機器１８および電池充電コントローラ２０に同時に電力を供給しようとすると、過大な負荷がＵＳＢカード１２にかかる可能性が高い。ＵＳＢカード１２への過大な負荷は、電池２４が適切に充電されなかったり、回復不可能な損傷を受けたり、または携帯機器１８が不安定に動作したり、損傷を受けたりなど、多くの望ましくない問題を招き得る不足電圧状態または低電流状態に結果としてなる可能性がある。

代替案として、図３に示すように電池２４および携帯機器１８を、双方が電池充電コントローラ２０によって給電されるように配置することができるであろう。このような設計は、携帯機器１８および電池２４によって併せて引き出される総電力を減らす一方で、多くの他の問題が存在する。その問題とは、
１．最も重要なことであるが、依然としてＵＳＢポート１２から引き出される総電力に対する制御がない。
２．携帯機器１８によって引き出される電力が、慎重に設計された電池充電コントローラ２６の保護充電メカニズムを乱し得る。
３．携帯機器１８および電池２４が有能電力を得ようと独断的に競い合うため、互いの動作に悪影響を及ぼす可能性がある。利用可能な電圧が降下しすぎたり、不十分な電流しか利用できなかったりすると、一方の機器が不安定に動作したり、共に動作しなくなったりする可能性がある。
４．電源投入時、電池２４が過放電状態にある場合、携帯機器１８への電圧は過放電状態の電池レベルに引き下げられるであろう。通常携帯機器１８は、そのような低電圧レベルでは動作不可能であろう。
５．電池２４および携帯機器１８に供給されなければならない電流が、何らかの方法で電池充電コントローラ２０または外部半導体によって消費されてしまう。消費される電力が大きいほど、電池充電コントローラ２０（または電池充電コントローラ２０によって駆動される外部半導体）は大きくなってしまう。一般に、半導体の電力消費能力はその表面積によって変わり、したがって電力消費が２倍になると、半導体の表面積は４倍に増えてしまう。

ＵＳＢ電源および携帯機器１８で動作するように設計される新たな専用電池充電コントローラを開発することはできるであろうが、それは高価で複雑なソリューションとなるであろう。各電池充電コントローラは、携帯機器１８と電池２４との特定の組み合わせに適すように設計されなければならないであろう。何故なら、双方の部品の消費電力の要件を考慮に入れなければならなくなるからである。

このため、非常に具体的な用途向けに新たな電池充電コントローラを設計する必要なく、ＵＳＢポートなどの標準的なコンピュータデータバスが、携帯機器１８およびそれに関連する電池充電回路２０に電力を同時に供給することができる方法および装置が必要とされている。この設計には、電池充電回路の厳密な動作パラメータ、携帯機器の物理的に限られた基板領域、および設計の信頼性と複雑性に対する考慮がなされなければならない。

したがって、本発明の目的は、標準的な電池充電コントローラを標準的なコンピュータのデータポートおよびその他の電源から供給することができる新規な方法および装置を提供することであり、先行技術の欠点の少なくとも一つをなくしたり緩和したりするものである。

本発明の一態様は、充電式電池に接続される出力を有する半導体スイッチと、外部電源から電力を受け取り、出力電力を携帯機器および該半導体スイッチの入力に供給する電池充電コントローラであって、該電池充電コントローラの電流出力が制御可能である該電池充電コントローラと、該電池充電コントローラの両端間の電圧降下を測定し、該電圧降下が大きすぎる場合に、該充電式電池に供給される電流量を減少させるように該半導体スイッチを調節することによって、該電池充電コントローラの両端間の該電圧降下に対応する電圧検出回路とを含む電池充電回路であって、これにより該電池充電コントローラによって消費される総電力が制御され、該携帯機器がその動作に必要な電力を受け取り、該充電式電池が付加的な有能電力をすべて受け取る電池充電回路として広く定義される。

本発明の別の態様は、該外部電源に接続され、電池および携帯機器を充電し、最大電流設定を有する電池充電コントローラと、該電池充電コントローラの両端間の電圧降下を検出し、該電池充電コントローラによって消費される電力が所定のレベルを下回るように、該電池への電流を調節する調節回路とを含む、電池充電回路として定義される。

本発明のさらに別の態様は、外部電源を介して携帯機器の電池を充電する方法であって、該方法は、電池充電コントローラの入力を、該外部電源に接続するステップと、該電池充電コントローラの出力を、該携帯機器および半導体スイッチの入力に並列接続するステップと、該半導体スイッチの出力を、該電池に接続するステップと、該電池充電コントローラの電流出力を制御するステップと、該電池充電コントローラの両端間の電圧降下を測定するステップと、該電圧降下が大きすぎる場合に、該充電式電池に供給される電流量を減少させるように該半導体スイッチを調節して、該電池充電コントローラの両端間の該電圧降下に対応するステップとを含み、これにより該電池充電コントローラによって消費される総電力が制御され、該携帯機器がその動作に必要な電力を受け取り、充電式電池があらゆる付加的な有能電力を受け取る方法として定義される。

本発明のさらに別の態様は、携帯機器および半導体スイッチの入力に、電力を並列に提供する電池充電コントローラの両端間の電圧降下を測定する手段と、該電池充電コントローラの電流出力を制御する手段と、該電圧降下が大きすぎる場合に、該充電式電池に供給される電流量を減少させるように該半導体スイッチを調節して、該電池充電コントローラの両端間の電圧降下に対応する手段とを含む電源回路であって、これにより該電池充電コントローラによって消費される総電力が制御され、該携帯機器がその動作に必要な電力を受け取り、該充電式電池があらゆる付加的な有能電力を受け取る電源回路として定義される。

上述のように、容量に制限のある電源から携帯機器１８および充電式電池２４双方に電力を供給することができる効果的な設計が現在ない。

当該分野の多くの問題を克服する回路を、図４にブロック図として示す。この図は、標準的な電池充電コントローラ２０の周辺の電池充電回路構造を示す。本発明の本実施形態においては、電池充電コントローラ２０が外部電源（Ｖ_ＢＵＳ）から電力を受け取り、携帯機器１８および単数または複数の充電式電池２４に並列に給電するが、電池２４への給電は半導体スイッチＱ１を介して行なわれる。半導体スイッチＱ１を通る電流の流れの制御は、電圧検出回路３０によって調節される。この回路は、電池充電コントローラ２０の両端間の電圧降下を測定し、電圧降下が大きすぎる場合に、半導体スイッチＱ１から電池２４への電流の流れを減少させる。

電圧検出回路３０によって、回路の総電力消費量を推測することができる。何故なら電池充電コントローラ２０の電流出力は制御可能であり、電力は電圧降下と電流との積であるからである。当該分野で周知の電池充電コントローラ２０のほとんどには、何らかの最大電流制御が備わっている。以下に説明する例示的実施形態においては、例えば、電池充電コントローラ２０の最大電流出力は単に外部抵抗Ｒ１を介して設定されるが、当然その電流出力は、多くのその他の方法（例えば、プログラム可能としたり、特定用途向けとしたり、何らかのアナログ入力信号またはデジタル入力信号の形式を介して設定したりする）で制御することもできるであろう。

また以下に記述する実施形態においては、電圧検出回路３０自体が、演算増幅器（オペアンプ）を介して提供される。したがって、図４に示すように、電池充電コントローラ２０の両端間の電圧降下は、単に電池充電コントローラ２０の入力および出力における電圧を比較して測定することができるであろう。あるいは、オペアンプの一入力は、電池充電コントローラ２０の出力から取ることができ、もう一つの入力は、電池充電コントローラ２０へのＶ_ＢＵＳの入力をエミュレートするか、何らかの方法で測定するかして、基準電圧Ｖ_ＲＥＦとすることができよう。

したがって、電池充電コントローラ２０の両端間の電圧降下を監視し、該コントローラが提供する可能性のある最大電流を知ることで、総電力が分かる。この情報を用いて電池２４への電力を調節すれば、電池充電コントローラ２０によって消費される総電力を制御することもできる。

またこの回路は電池２４が利用できる電力を調節するので、携帯機器１８がその動作に必要な電力を受け取り、充電式電池２４は余剰容量を利用できるときにのみ電力を受け取ることを確実にするようにこの回路を設計することができる。

したがって、消費される総電力は、ＵＳＢポート１２から利用できる電力の制限内、および電池充電コントローラ２０が消費できる電力の範囲内にとどまるように調節することもできる。これにより、携帯機器１８および電池２４双方に供給するのに十分な電力を消費することができる新たな大きい電池充電コントローラ２０を設計する必要はなく、電池充電コントローラ２０は、「既製品」を使用することができる。またこれにより、電池充電コントローラ２０または外部駆動素子を物理的に小さくすることができる。

この電力調節メカニズムを用いると、携帯機器１８と電池２４との間で電力を競合することはない。電池２４は、利用可能な電力が、携帯機器１８が必要とするよりも多い場合にのみ電力を受け取る。これはリチウムセルなどの電池の充電要件とおそらく矛盾していると思われる。しかし、この充電要件に適合するように回路のパラメータを簡単に設計し直すこともできる。

上記のように、電池充電コントローラは、特定の電池または電池類に適応するように通常設計される。例えば、リチウム電池は以下の３つのフェーズで充電される。
１．過放電状態を解決し、
２．電池がある電圧レベルに到達するまで定電流で充電し、その後
３．充電電流があるポイントに降下するまで定電圧で充電する。

最初の過放電状態の処理時、比較的少ない電流（通常、充電電流の１／１０）が電池に提供される。したがって本発明の回路は、電池がこの非常におだやかな電力要件をおおよそ阻まれないように設計される。

定電流充電フェーズでは、最大量の電力が引き出されるが、このフェーズの間充電電流が調節されても、繰り返し印加されても、リチウムセルは損害を受けない。したがって、本発明の回路によって最も変わったのはこのフェーズである。このフェーズの間携帯機器１８が頻繁に使用されている場合には、電池２４の充電が長くなることが唯一の悪影響であろう。

定電圧充電フェーズの間、最大電流は定電流フェーズのときよりも少なく、電池２４が満充電になっていくにつれて降下し続ける。さらに重要なことは、このフェーズ中電池２４の電圧が一定で最大レベルのままであることであり、したがって定電圧フェーズの間、電池充電コントローラ２０に消費される総電力は定電流フェーズの間よりも低くなる。

以下にさらに詳細に説明するように、電圧検出回路３０は、満充電の電圧レベルに到達したときに、半導体スイッチＱ１を飽和するように設計される（すなわち、半導体スイッチＱ１は、すべてのポイントにおいて電流の流れを制限しない）。

電力消費の時間変化を図５に示す。４つの曲線、Ｖ_ＢＡＴと表示されている電池２４の電圧、Ｉ_{ＣＨＡＲＧＥ}と表示されている充電電流、Ｖ_ＤＲＯＰと表示されている電池充電コントローラ２０の両端間の電圧降下、およびＰＢＣＣと表示されている総消費電力がこの図に示されている。留意すべきは、Ｖ_ＤＲＯＰはＶ_ＢＡＴと逆に変化し、電池充電コントローラ２０によって消費される電力は、Ｉ_{ＣＨＡＲＧＥ}とＶ_ＤＲＯＰとの積であることである。

明らかに、調節フェーズの間、電池電圧Ｖ_ＢＡＴは低く、よってＶ_ＤＲＯＰは高くなる。一方、Ｉ_{ＣＨＡＲＧＥ}もこのフェーズの間低い（最大充電電流Ｉ_{ＭＡＸＣＨＡＲＧＥ}の約１／１０）ため、総消費電力は多くない。

定電流フェーズの間、充電電流はＩ_{ＭＡＸＣＨＡＲＧＥ}まで上昇するが、電池電圧Ｖ_ＢＡＴは電池が充電されるのに従って降下するため、電池充電コントローラ２０によって消費電力はこのフェーズの進行中降下する。

定電圧フェーズが開始されるとき、電池電圧は満充電レベルＶ_{ＦＵＬＬＣＨＡＲＧＥ}に達しており、よってＶ_ＤＲＯＰは最小である。このフェーズの進行中Ｉ_{ＣＨＡＲＧＥ}が降下するにつれて、消費電力も降下し続ける（再度留意すべきは、消費電力はＩ_{ＣＨＡＲＧＥ}とＶ_ＤＲＯＰとの積である）。

よって明らかに、最大電力レベルは定電流フェーズの間に引き出される。上記のように、このフェーズの間電池２４の充電を安全に繰り返すことができるため、電池２４への電流制限はこのフェーズの間に可能となる。

またこの回路は、電池２４を携帯機器１８から絶縁するので、ユーザは、携帯機器１８を非常に速く立ち上げることができる。電池充電コントローラ２０が過放電状態の電池２４を調節しようとするときに、電池２４および携帯機器１８が接続されていると、携帯機器１８の電圧は過放電状態の電池２４のレベルまで引き下げられてしまうであろう。通常この電圧レベルでは低すぎて携帯機器１８は適切に動作することができない。本発明の回路を用いれば、電池２４および携帯機器１８は、Ｑ１によって絶縁される。電池２４が過放電状態にあっても、依然として携帯機器１８には適切に動作するのに十分高い電圧が見られるであろう。

携帯機器１８の起動時間は、電池充電コントローラ２０自体の有効時間によって制限される。この起動の典型的な数値は、電池充電コントローラ２０１の種類によって変わり得るが、１ｍＳ〜４ｍＳである。

したがって、図４の回路を使用することにより、コンピュータデータバスおよび容量が制限されている類似の電源は、携帯機器および放電状態の電池に電力を同時に供給することができる。

本発明の多くの異なる実施形態を以下に説明する。それぞれの実施形態では、非常に少数の単純で信頼性のある部品が使用されている。したがって、全体として、本発明は、安価で、信頼性があり、携帯機器の最小限の基板スペースしかとらない効果的なソリューションを提供する。

（基本実装）
図６は、４つの主要な部品、ＮＣＰ１８００電池充電コントローラ５０、電池充電コントローラ５０の外部駆動素子として働く半導体Ｑ２、演算増幅器（オペアンプ）５２、および充電式電池２４への電流を制御するＭＯＳＦＥＴ（金属酸化シリコン電界効果トランジスタ：ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）Ｑ３を使用する充電回路の電気概略図を示す。

ＮＣＰ１８００電池充電コントローラ５０は、当該分野で周知の標準的な単一セルリチウムイオン電池充電コントローラである。この機器が提供する最大電流は、ピンＩＳＥＬとグランドとの間の抵抗によって調節される。この場合、３つの抵抗Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４が、異なる動作条件の最大電流レベルを設定するのに使用される。デフォルト条件では、１００ｍＡ（低電力ＵＳＢ）のみを利用することができ、これにより抵抗Ｒ２の値が決まる。機器が高電力ＵＳＢ電源にプラグインされたことが検出されると、ＭＯＳＦＥＴＱ４のゲートに電圧が印加され、抵抗Ｒ２およびＲ３の抵抗によってＩＳＥＬとグランドとの間の抵抗が設定される。

同様に、回路の電力源がさらに多くの利用可能電力（例えば、ＡＣプラグインアダプタまたはカーアダプタ）を有していることが検出されると、ＭＯＳＦＥＴＱ５に電圧が印加され、並列するＲ２とＲ４との間の抵抗によってＩＳＥＬとグランドとの間の抵抗が設定される。携帯機器１８自体またはドッキングクレードル１０は、図６の回路を通常含んでいるであろうから、このような大容量電源でも動作可能なはずである。

抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、および駆動トランジスタＱ２の特定のパラメータおよび値を確定する際、設計者の手助けとなるであろうＮＣＰ１８００電池充電コントローラ５０の製造元アプリケーションノートを利用することができる。

この回路の電圧検出部は、抵抗Ｒ５、Ｒ６、およびコンデンサＣ１とともにオペアンプ５２によって提供される。この回路は、Ｑ２のコレクタ側の電圧を監視し（分圧器Ｒ５およびＲ６を介して）、該電圧を基準レベル（この場合には、Ｖ_ＲＥＦ＝＋３．３Ｖ）と比較する。Ｑ２のコレクタ側の電圧が降下すると、Ｑ２の両端間の電圧降下が増え、Ｑ２によって消費されてしまう電力が増える。消費されてしまう電力を減らすため、オペアンプ５２が、Ｑ３を通る電流をそのドレインソース間抵抗を増やして制限する。

留意すべきは、Ｖ_ＲＥＦが単にＶ_ＢＵＳおよび電圧レギュレータから提供されてもよいことである。レギュレータが定出力電圧を提供するのに対して、Ｖ_ＢＵＳは範囲が広く、これを使えば設計が難しくなるので、Ｖ_ＢＵＳではなくＶ_ＲＥＦが、オペアンプ５２への入力として使用される。抵抗Ｒ５およびＲ６の値は、Ｖ_ＢＵＳ値をＶ_ＲＥＦ値に合わせる必要性だけのために設置されている。

また、留意すべきは、コンデンサＣ１が変動を均らしたり、振動を防いだりするためにこの回路に含まれていることである。

上述のように、この回路によって、携帯機器１８および電池２４の電力の引き出しの合計がＱ２の電力容量を超えることなく、携帯機器１８はＱ２を介して電力を引き出すことができる。携帯機器１８が電力を引き出すとき、Ｑ２のコレクタ側の電圧は降下し、Ｑ３を流れる電流はリニアモードで抑制される。

電力消費は、最悪の想定に備えて設計されなければならない。例えば、最大設計パラメータが以下のように、
・０．８５Ａまで利用可能であり、
・入力電圧が６Ｖまでになり得、また、
・電池２４の予備充電（図５に示すように、最高充電電流が電池に伝達される地点）が、３．０Ｖで完了する場合、
外部駆動素子Ｑ２によって消費されることになる電力は、（６Ｖ−３Ｖ）＊０．８５Ａ＝２．５５Ｗとなる（留意すべきは、このような素子を使用しない回路においては、この全電力は電池充電コントローラ５０によって消費されるであろう）。

この外部駆動素子Ｑ２は、そこを流れる電流によって生成された熱を消費する必要がある。消費される電力が大きいほど、このパス素子の物理的なサイズを大きくする必要があり、一般に機器が必要とする表面積は消費される電力の二乗で増大する。つまり、電力が２倍になれば、４倍の表面積のトランジスタが要求される。トランジスタのサイズは規格化されているため、この回路の最適な実施形態は、１．６Ｗまでの消費が可能なＳＯＴ−２３（またはスーパＳＯＴ−６）パッケージを利用するように設計される。この次のサイズはＳＯＴ−２２３であり、２倍の電力消費に対応し、かなり大きいものである。

上記のように、電池２４への電力の抑制は、電流が常に携帯機器１８のニーズを満たし、残りの電流すべて（入力電流と携帯機器１８への電流との差）が電池２４に伝達されるように行なわれる。例えば回路が、高電力ＵＳＢポート（５００ｍＡが利用可能）およびＢｌａｃｋｂｅｒｒｙ（商標）ハンドヘルド機器などの携帯機器１８に接続されると仮定する。Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙはスリープ状態になると、０．３ｍＡ〜０．７ｍＡしか必要としないので、利用可能な電流の残り（４９９．３ｍＡ〜４９９．７ｍＡ）が電池２４に提供される。Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙは、ハウスキーピングジョブを行なうために定期的に行なうウェイクアップをすると、それによっておよそ３０ｍＡ〜７０ｍＡを引き出す。この時点で、電池２４は４３０ｍＡ〜４７０ｍＡを受け取る。Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙが、あるデータを受け取ったり、転送したり、またはある他のタスクを行なうときに、この分析が生じる。それぞれのケースにおいて、電池２４への電力は動的に自動調節される。

利用可能であるのが制限電力の場合、高電力を消費する部品を遮断し、電力をプロセッサ用にのみ保存することも望ましい。このことは、図６に示すように、単にプロセッサおよび携帯機器１８のメモリをＱ２に接続し、その他の高電力消費物をＱ３の電池側に接続する事によって容易に達成される。その結果、制限電流源（１００ｍＡの低電力ＵＳＢなど）で動作していて、バイブレータ（通常１２０ｍＡ）またはバックライト（通常１５０ｍＡ）などの過剰電流部品がターンオンされている場合は、Ｑ２からの電圧出力は降下し始め、Ｑ３はそのＲｄｓ抵抗を増加させ、プロセッサが必要とする電流を保存するであろう。

（詳細な実装）
図７Ａから７Ｃに示される設計では、図６と同じ基本回路が使用されているが、さらに利点を提供するいくつかの素子が加えられている。これらの利点には以下のことが含まれる。
・電池レベルをわずかに上回る入力電圧で電池を充電することができること。
・電池が電池切れ状態または存在しないときの携帯機器１８のスタートアップが、図６のスタートアップとは異なること。
・外部電源からの入力グリッチの処理が改良されていること。
・この実装で使用される電池充電コントローラの製造元の指示に反して、ＶＣＣピンおよびＩＮピンは、電圧の逆漏れおよび電池充電コントローラにおいて起こる可能性があるラッチアップ問題を避けるため別々に給電されること。

本発明の本実施形態の具体的な設計パラメータを以下のようにまとめることができる。
１．定電流、定電圧充電機能（リチウムイオン電池の充電の要求に応じて）。
２．１００ｍＡ、５００ｍＡ、および７５０ｍＡ電源から電流を選択。
３．充電式電池２４が、電池電圧低下状態、電池切れ状態、または存在しないときの、携帯機器１８の動作。
４．電池２４が存在しないか、または電池切れ状態の場合の、１００ｍＳ未満での携帯機器１８のスタートアップおよび動作。
５．ＵＳＢの動作サスペンドモード（システムは５００μＡ未満しか引き出してはならない）への準拠。
６．５．８Ｖ超から最低１０Ｖまでの過電圧保護。
７．電池コネクタ上の短絡保護。
８．携帯機器１８がその安全な動作のために必要な低入力電圧で充電を可能にすること。
９．Ｄ＋ライン上のプルアップ抵抗の３．３Ｖ〜３．６Ｖの範囲の電圧。
１０．Ｄ＋ライン上のプルアップ抵抗への該電圧の接続および非接続手段を提供すること。
１１．電池の存在表示。
１２．電池充電コントローラのステータスを提供すること。

本発明のこの詳細な実装の概要は、以下の通りである。

図７Ａ−７Ｃの回路は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のｂｑ２４０２０リチウムイオン電池充電コントローラを中心に展開されており、このコントローラは図７ＣでＵ９０９と表示されている。この電池充電コントローラは、リチウムイオンセルの充電に必要な定電流モードおよび定電圧モードを提供し、プログラム可能な電流制限を外部からサポートする。このコントローラのＵＶＬＯ（低電圧ロックアウト閾値：ｕｎｄｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｏｃｋ−ｏｕｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）は、ＰＦＩ／ＰＦＯ（Ｕ９０８）コンパレータ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＴＰＳ３１０３Ｅ１５）によって基準値が提供され、その閾値は、ＶＢＵＳ入力の分圧抵抗によって設定される。またＵ９０８は、最低１００ｍＳにおけるＵ９０９の最初のスタートアップ動作を保証するのに使用される。これは、電池電圧低下／電池切れまたは電池がない状態で動作しているときエニュメレーションを行なう手段を提供する。過電圧保護（ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ（ＯＶＰ））は、Ｕ９１２によって提供され、約５．８Ｖに設定される。コントローラが電流をシステムに伝達しているかどうかを表す充電ステータスは、電池充電コントローラＵ９０９によって提供される。Ｄ＋プルアップ抵抗の電圧は、Ｕ９０１（低電圧ドロップアウトレギュレータ、東光ＴＫ７１７３３ＳＣＬ）およびＱ９０７を介するそのスイッチング機能によって提供される。また同電圧は、外部電力がＶＢＵＳを介して利用できるときにのみ使用される部品（Ｕ９０６、Ｕ９０５など）の電源投入に使用される。

コンパレータＵ９０５（ＬＭＣ７１１１Ａ）およびＭＯＳＦＥＴＱ９０８は、電池電圧低下／電池切れまたは電池がない状態で動作しているときにシステム電圧を上昇させるのに使用される。またこの閉ループは、電池切れおよび電池電圧低下状態ではシステムへの電流を「抑制」する。これは、Ｌ＿ＢＡＴの電圧が降下する（システム負荷によって）とき、Ｕ９０５が作動しＱ９０８をターンオフし、多くの電流をシステムに流す（電池からは遠ざけて）ため生じる。

コンパレータＵ９０７は、電池の存在のステータス表示を提供する。

電池コネクタ短絡保護は、充電器を有効にする機能を備えるＮＡＮＤ回路（Ｕ９０６）であり、したがって短絡が存在すると自動的に電池充電コントローラＵ９０９を無効にする。電池充電コントローラＵ９０９は、電池電圧が内部閾値を下回ると自動的に充電を再スタートさせ、またＶＣＣの供給がなくなると自動的にスリープモードに入る。

（動作原理）
図７Ａ−７Ｃの回路の入力および出力を以下のようにまとめることができることを留意されたい。

入力電圧であるＶＢＵＳは、Ｑ９０４ａを介して電池充電コントローラＵ９０９のＵＳＢ入力ピンに伝えられる。Ｑ９０４は、ＯＶＰに使用され、Ｕ９１２（３．０Ｖ電圧低下検出器、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社ＬＭＳ３３４６０）によって制御される。Ｕ９１２の入力電圧は、分圧抵抗Ｒ９３７およびＲ９２５＋Ｒ９２６を介して提供される。ＶＢＵＳ／（Ｒ９３７＋Ｒ９２５＋Ｒ９２６）＊（Ｒ９２５＋Ｒ９２６）＜３．０Ｖの間、Ｕ９１２のオープンドレイン出力がＱ９０４を飽和状態に保ち、約５．８Ｖ超のＯＶＰが提供される。

電池充電コントローラＵ９０９へのＵＳＢ入力が存在する間、１００ｍＡおよび５００ｍＡの電流制限がＣＨＲＧ＿Ｂ（ＣＨＲＧ＿Ｂ＝ＬＯＷは１００ｍＡを提供し、ＣＨＲＧ＿Ｂ＝ＨＩＧＨは５００ｍＡを提供する）によって選択され得る。抵抗Ｒ９４１が、デフォルトでＬＯＷの論理レベルをＵ９０９のＩＳＥＴ２入力に設定し、したがってデフォルトで１００ｍＡ電流制限を可能にする。これは、電池電圧低下／電池切れまたは電池がない状態で動作しているときに、システムをＵＳＢ仕様に準拠させるため重要である。ＵＳＢ機器は、機器が５００ｍＡにエニュメレーションする（ホストＵＳＢがこれをサポートする場合）まで１００ｍＡでの動作に制限される。

抵抗Ｒ９４０は、デフォルトのＬＯＷ入力レベルをＱ９０５ａのゲートに提供し、リセットモードの間はＱ９０５ａの飽和状態をなくし（ＯＦＦ）、したがってＱ９０４ｂのゲート電圧をＱ９０５ａのソースレベルに（ＶＢＵＳ電圧のレベルに）設定し、電池充電コントローラＵ９０９コントローラのＡＣ入力にＶＢＵＳを向かわせないようにする。抵抗Ｒ９３２およびＲ９３６は、Ｑ９０４のプルアップ抵抗である。

７５０ｍＡの充電電流（非ＵＳＢ電源に使用される）は、ＣＨＲＧ＿Ａ＝ＨＩＧＨと設定することによって選択され、この設定によってＱ９０５ａを飽和状態（ＯＮ）に設定し、次にＱ９０４ｂも飽和状態（ＯＮ）に設定し、ＶＢＵＳ電圧を電池充電コントローラＵ９０９のＡＣ入力に向かわせることができる。Ｕ９０９へのＡＣ入力が、ＵＳＢ入力のオーバライド（ＡＣ入力電圧が１．５Ｖを超えると、充電入出力経路がＡＣ入力にデフォルト設定される）を提供するため、このとき充電電流はＲ９３９抵抗値によって調節される。

コンデンサＣ９２５は、ＶＢＵＳ電圧の高速過渡応答の間、Ｑ９０４ｂが、そのゲート−ドレイン間の寄生容量（ゲート−ドレイン間の静電容量が、ソースにプルアップされると、ＲＣ時間でゲートを充電するであろう）のために導通してしまうのを防ぐために使用され、Ｑ９０４ｂを飽和状態に保ちながらＶＢＵＳレベルでのゲートの急速充電を可能にする。抵抗９３５は、Ｑ９０５ａがその指定された制限を超えないようにＣ９２５の放電電流を制限するのに使用される。Ｒ９３３は、電池充電コントローラＵ９０９へのＡＣ入力のフローティングを防ぐプルダウン抵抗である。Ｃ９２６およびＣ９２７は、入力バイパスコンデンサである。ＵＳＢの突入電流仕様に準拠させるために、総入力容量を１０μＦ未満に保つことが重要である。

システムがＶＢＵＳから引き出す総電流は、サスペンドモード時で５００μＡを超えてはならない。これは主に、動作ＯＦＦモードでの電池充電コントローラＵ９０９の非常に低い動作電流（通常＜１００μＡ）によって達成される。Ｑ９０５ｂは、電池充電コントローラＵ９０９が電流を電池２４および／または携帯機器１８に伝達していないときに、ＬＢＡＴ電圧ブースタを無効にするのに使用される。これはＱ９０５ｂがＵ９０５の正の入力を短絡させることによって行われ、Ｕ９０５は、その出力によってＱ９０８を飽和状態（ＯＮ）に駆動させる。

Ｕ９０６ｂは、ＣＨＲＧ＿ＦＬＧフラグのインバータとして使用され、該フラグをシステムの残りのソフトウェアおよびハードウェアに適合させる。Ｒ９３１は、ＣＨＲＧ＿ＦＬＧオープンドレイン出力のプルアップ抵抗である。

プロセッサスーパバイザＵ９０８は、２つの機能を有する。このＰＦＩ（パワーフェイル入力：ｐｏｗｅｒ ｆａｉｌ ｉｎｐｕｔ）の入力レベルは、分圧抵抗Ｒ９３７＋Ｒ９２５およびＲ９２６によって設定されるので、ＶＢＵＳが３．３Ｖ（または、電圧電池低下／電池切れまたは電池がない状態で動作しているときＵ９０５およびＱ９０８によって設定されるＬＢＡＴ電圧値）まで降下すると、該入力レベルはＵ９０８の内部基準と一致し、そのオープンドレイン出力（パワーフェイルアウトプット：ｐｏｗｅｒ ｆａｉｌ ｏｕｔｐｕｔ―ＰＦＯ）をＧＮＤに向かわせる。これは、Ｕ９０５の正の入力ノードをＧＮＤに向かわせ、Ｑ９０８を飽和状態（ＯＮ）にすることになる。この設定の回路機構は、ＬＢＡＴブースト回路の低電圧ロックアウト（Ｕｎｄｅｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｌｏｃｋ Ｏｕｔ（ＵＶＬＯ）閾値を作り出す。Ｕ９０９は、２．５Ｖに至るまで動作可能であり、そのステータスフラグに、実際には行なっていないにもかかわらず（電池２４は、２．５Ｖ未満では内部接続しない）システムへの電流伝達を表示させるので、これは重要である。このような状況では、Ｕ９０５／Ｑ９０８が、電池２４を非接続にし、また電池充電コントローラＵ９０９が十分な電流を伝達していると判断することによって、ＬＢＡＴ電圧を設定値に維持しようとするので、システムがリセット（設定最小ＬＢＡＴ値よりも低い電池電圧レベルの場合）されることになる。

Ｕ９０８の第二の機能は、Ｕ９０９−ＣＥ入力ピンへのスタートアップオーバライドであり、それによって最低１００ｍＳでシステムに電力が提供され、システムが起動しＵＳＢ−ＢＵＳ上で適切にエニュメレーションする。これは、ＶＢＵＳが２．５Ｖに到達し１００ｍＳより多く経つ前に、ＲＥＳＥＴオープンドレイン出力をＧＮＤに保つことによって達成される。これにより、その時間の間電池充電コントローラＵ９０９は有効に保たれる。

Ｕ９０６ａは、ＣＨＲＧ＿ＥＮのＮＡＮＤゲート機能を提供し、電池コネクタ上に短絡を生じさせる。短絡した電池は、ハードウェアにおいて電池充電コントローラＵ９０９を無効にする。ＶＢＡＴ上に電圧を有するときに、ＣＨＲＧ＿ＥＮの制御ラインは、電池充電コントローラＵ９０９を有効にしたり無効にしたりすることができよう（ＣＨＲＧ＿ＥＮ＝ＨＩＧＨのとき、Ｕ９０８のＭＲ入力ピンを引き下げることによって電池充電コントローラＵ９０９を有効にさせるであろう）。Ｒ９２１は、電池とＵ９０６ａの入力とを隔てているので、電力がＵ９０６のＶＣＣに存在しないときＵ９０６の入力および出力がＨＩＺ（高インピーダンス：ｈｉｇｈ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）であっても電流ドレインは最大４２μＡに制限される。

Ｒ９２４は、ホストプロセッサのリセット時にＵ９０６ａにデフォルトでＬＯＷの入力レベルを提供する。Ｒ９２０は、ＣＨＲＧ＿ＦＬＧのプルアップ抵抗であり、電池充電コントローラＵ９０９が有効化される時間の間のみＣＨＲＧ＿ＦＬＧを有効にする。

Ｕ９０７は、電池パックからのＢＡＴ＿ＩＤ入力を監視することによって電池の存在を示す表示器を形成する。その出力は、ＢＡＴ＿ＩＤ抵抗が存在しそのプルアップ抵抗がＢＡＴ＿ＣＨＫ信号によって提供されるときはいつでもＨＩＧＨ論理レベルであろう。

低ドロップアウトレギュレータＵ９０１（東光ＴＫ７１７３３ＳＣＬ）は、ＵＳＢデータラインのプルアップ抵抗へ調節済み３．３Ｖを供給し、また充電器回路の種々の部品および外部電源が取り付けられていることを示す（ＥＸＴ＿ＰＷＲ＿ＣＤ）表示器へ３．３Ｖの供給を提供する。Ｕ９０１は、逆バイアス保護、過電流保護、内蔵の熱シャットダウン保護、および内蔵の短絡保護を有する。

Ｕ９０１は、電力をＵ９０６、Ｕ９０８、およびＵ９０５に提供し、３．３Ｖをプルアップ抵抗に提供し、システムへＶＢＵＳが存在することを表示（ＥＸＴ＿ＰＷＲ＿ＣＤ）するのにも使用される。Ｒ９０４は、システムの入力ピンへの電流を制限するのに使用される。Ｃ９１５は入力パイパスコンデンサであり、Ｃ９２２は出力フィルタリングコンデンサである。Ｃ９１０は、ＲＦ回路に由来するＲＦノイズをフィルタするのに使用され、Ｃ９１２は、内部基準のバイパスコンデンサである。

Ｑ９０７は、ＵＳＢ＿ＶＰＵ電圧を切り替えるのに使用され、ＵＳＢバス上でのソフトエニュメレーションを可能にする。Ｒ９０９は、デフォルトでＯＦＦ状態をＰ−ＦＥＴに提供し、Ｒ９０５は、ＵＳＢ＿ＳＦＴＣＮ制御ラインの高速放電を提供する（ＲＳＴまたは電池が存在しないときのサスペンド開始時）。

Ｕ９０４は、ＵＳＢトランシーバチップに供給電圧を提供する（これは、当該分野で既知の標準的な電圧レギュレータである）。Ｕ９０４は、ＶＢＵＳが存在するときに有効とされ、ＶＢＵＳがＯＦＦになると電力を自動的に遮断する。Ｃ９２１およびＣ９１３は、出力フィルタコンデンサである。Ｕ９０４は、コストを節約するために任意で取り外すことができる。その場合はＲ９４２が、ＵＳＢのトランシーバチップに電力を供給するために装着されなければならない。トランシーバチップがＵＳＢのサスペンド電流要件に合致しない場合は、Ｕ９０４のみが必要となる（この機器は、Ｄ＋／Ｄ−ラインの応答のみを調べることによってサスペンド状態からウェイクアップすることができる）。

Ｕ９０５およびＱ９０８は、ＶＢＵＳが存在しないときはＬ＿ＢＡＴ＝ＶＢＡＴに維持するのに主に使用され、ＶＢＵＳが存在し（充電器がシステムに電流を伝達している間）、電池電圧が３．６Ｖ未満のときはＬ＿ＢＡＴを少なくとも３．６Ｖに保つのに主に使用される。またこれらは、総電力消費を２つ（電池充電コントローラのメインパス素子とＱ９０８との間）に分配するのに使用され、完全電池電圧レベルでの高充電電流を可能にする。

この回路機構の別の重要な機能は、電池が電池電圧低下／電池切れまたは電池が存在しないときに、適切なＵＳＢエニュメレーションを可能にすることであり、これは、電池が存在しないかまたは電池切れのときにシステムを１５ｍＳ以内にウェイクアップさせることによって可能となる。Ｕ９０９が調節された電流を全て伝達すると、Ｕ９０５／Ｑ９０８は、Ｑ９０８のドレイン−ソース間抵抗を変えることによって、事前に調節しておいた最低電圧をＬ＿ＢＡＴ（この場合には、３．５Ｖ）に維持する。

Ｕ９０５の正の入力は基準として使用され、またＲ９３４およびＲ９１３によって設定される。Ｃ９２４は、Ｑ９０８がＬ＿ＢＡＴの電圧の増加を要求する（必要であれば）までに電池充電コントローラＵ９０９が全てのプログラムされた電流を伝達できるようにＬＢＡＴの低速起動を可能にする。分圧抵抗Ｒ９１６およびＲ９１５は、Ｒ９１４がＱ９０８のゲートにプルダウン抵抗を提供する間「最低電圧」をＬ＿ＢＡＴに設定するのに使用される。

Ｕ９０７は、電池の存在を表示するシステムを提供する。Ｒ９２７およびＲ９２９は、基準を設定するのに使用され、Ｒ９２８は、Ｕ９０７のオープンドレイン出力に対するプルアップ抵抗である。ＢＡＴ＿ＩＤは、Ｕ９０７の負の入力に伝えられ、それに従ってＮＯ＿ＢＡＴ＿Ｎが設定される。

この回路の部品の好ましい値を、図７Ａ−７Ｃに示す。無論、これらの値は用途および設計パラメータによって変わる。

（ソフトウェアの実施形態）
上述の電子ハードウェアだけを使用するのではなく、本発明はまた、デジタル信号プロセッサ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ））、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ））、特定用途向け集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ（ＡＳＩＣ））、および類似のものなどのプログラム可能な機器を含むハードウェアおよびソフトウェア部品の組み合わせを使用して実装されてもよい。このような実施形態は、図８のフローチャートに示すように実装することができよう。

上述の実施形態のように、この方法は、携帯または同類の電子機器のあらゆる充電式電池を充電するのに使用することができよう。本発明は容量に制限のある電源に最も有用であるが、いかなる外部電源でも使用することができよう。

図８に示すように、本発明の方法はステップ９０で始まる。該ステップでは、好ましくはＵＳＢケーブルおよびコネクタ１６と携帯機器１８を支えるクレードル１０とを介して電池充電コントローラ２０の入力を外部電源に接続する。ステップ９２で、電池充電コントローラ２０の出力は携帯機器１８および半導体スイッチＱ１の入力に並列に接続され、ステップ９４で、該半導体スイッチＱ１の出力は充電式電池２４に接続される。

次に、ステップ９６で、電池充電コントローラ２０の電流出力は何らかの方法で制御される。これは上記のように種々の方法で実行されてもよく、例えば適切な信号を電池充電コントローラ２０の電流制御入力に送るのに、マイクロコントローラのＤＡＣ（デジタルアナログ変換器：ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ ａｎａｌｏｇｕｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の出力を使用することができる。

その後ステップ９８で、電池充電コントローラ２０の両端間の電圧降下が測定される。このタスクもまた、種々の方法で実行することができよう。例えば、多くのマイクロコントローラには、この機能の実行に使用することができる一体型ＡＤＣ（アナログデジタル変換器：ａｎａｌｏｇｕｅ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が備えられている。

ステップ９６で電流が制御され、ステップ９８で電池充電コントローラ２０の両端間の電圧降下が測定されるため、この手法によって、電池充電コントローラ２０の電力消費がどれ位であるかを導き出すことができる。したがって、本発明の方法は、ステップ１００で電池充電コントローラ２０の両端間の電圧降下に応じて半導体スイッチＱ１を調節し、電圧降下が大きすぎる場合に充電式電池２４に供給される電流量を減少させることによって電力消費を制御することができる。

この方法では、電池充電コントローラ２０によって消費される総電力が制御され、携帯機器１８はその動作に必要な電力を受け取り、充電式電池２４は付加的な有能電力をすべて受け取る。

このアルゴリズムを実行するのに必要とされるソフトウェアコードのバランスは、当業者にとっては容易なものであろう。

本発明の方法ステップは、外部プログラム呼び出しまたは当該分野で周知のその他の技術によって他のプログラムのコードと一体化され、サブルーチンとして実装されるオブジェクトコードまたはソースコードなど、種々のフォーマットで格納される実行可能な一連の機械コードによる実施形態であってもよい。

本発明がハードウェアの実施形態であっても、これを集積回路の組み立てに使用されるハードウェアディベロップメント言語（ＨＤＬコード）などのソフトウェアフォームに符号化することができよう。このＨＤＬまたは類似のコードは、コンピュータディスケット、ＣＤ−Ｒｏｍ、ランダムアクセスメモリ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＡＭ））、および読出し専用メモリ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ（ＲＯＭ））などの任意の電子記憶手段に格納することができよう。同様に、ソフトウェアコードを表す電気信号もまた通信網を介して伝送されてもよい。

（オプションおよび代替案）
本発明の具体的な実施形態を示し、説明してきたが、本発明の真の範囲および精神から逸脱することなく変更および修正をこのような実施形態に加えてもよいことは明らかである。例えば、
１．本発明の回路は、従来のＡＣ電源（「ブリック」と呼ぶことが多い）、ＵＳＢポートなどのコンピュータデータバス、外部電池パック、ラップトップ型電源、および自動車および航空機のＤＣコンセントを含むあらゆる種類の電源と使用することができるであろう。
２．ポータブルラップトップコンピュータ、携帯情報端末（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ（ＰＤＡ））、携帯電話、ワイヤレス電子メールおよびページング装置を含むあらゆる種類の電気器具を、このような回路を用いて充電することができるであろう。
３．一つまたは複数のリチウムイオンセル、ニッケルカドミウムセル、またはその他のタイプのセルを含むあらゆる種類の充電式電池を使用することができよう。

さらに、このような実装は、本明細書中の教示から当業者に明らかになるであろうし、また本発明から逸脱するものではない。

本発明は、種々の電源から携帯通信機器の電池を充電する方法および装置を提供する。

本発明のこれらの特徴およびその他の特徴は、添付の図面を参照する以下の記述からさらに明らかになるであろう。
図１は、当該分野で周知の方法の携帯電子機器に接続されるパーソナルコンピュータの物理的な配置を示す。 図２は、電力が並列に供給される電池充電回路および携帯機器の電気ブロック図を示す。 図３は、双方とも電池充電コントローラから電力を供給される電池および携帯機器の電気ブロック図を示す。 図４は、本発明の詳細な実施形態における電池充電回路の概略図を示す。 図５は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン電池の充電に関する電圧曲線、電流曲線、および電力曲線のタイミング図を示す。 図６は、本発明の簡単な実施形態における電池充電回路の概略電気図を示す。 図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃは、本発明の詳細な実施形態における電池充電回路の概略電気図を示す。 図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃは、本発明の詳細な実施形態における電池充電回路の概略電気図を示す。 図７Ａ、７Ｂ、および７Ｃは、本発明の詳細な実施形態における電池充電回路の概略電気図を示す。 図８は、本発明の一実施形態における電池充電回路を動作させる方法のフローチャートを示す。

Claims (41)

1. 充電式電池に接続される出力を有する半導体スイッチであって、前記充電式電池を携帯機器から絶縁するように構成可能な半導体スイッチと、
   外部電源から電力を受け取る電池充電コントローラであって、前記電池充電コントローラは、前記携帯機器に、かつ、前記半導体スイッチを介して前記充電式電池に、出力電力を供給し、前記電池充電コントローラの電流出力は制御可能であり、前記携帯機器は、前記出力電力の部分であって、動作に必要な部分を受け取り、前記充電式電池は、前記半導体スイッチを介して前記出力電力の残りの部分を受け取る、電池充電コントローラと、
   前記電池充電コントローラの電圧降下を測定する電圧検出回路であって、前記電圧検出回路は、前記電圧降下が大きすぎる場合に、前記充電式電池に供給される電流の量を減少させるように前記半導体スイッチを調節することによって、前記電池充電コントローラの前記電圧降下に応答し、前記調節することは、前記電池充電コントローラによって消費される総電力を制御する、電圧検出回路と
   を備える、電池充電回路。
2. 前記電池充電コントローラは、前記携帯機器および前記半導体スイッチに供給電流を伝達する外部駆動半導体をさらに含み、これにより、負荷電流が前記電池充電コントローラではなく前記外部駆動半導体を流れる、請求項１に記載の電池充電回路。
3. 前記電圧検出回路は、演算増幅器を含む、請求項２に記載の電池充電回路。
4. 前記電圧検出回路は、
   前記電池充電コントローラの出力からの電圧信号および基準電圧信号を受け取る演算増幅器であって、前記半導体スイッチを流れる電流を減少させることによって前記基準電圧未満の前記電圧信号に応答する演算増幅器を含む、請求項３に記載の電池充電回路。
5. 前記電圧検出回路は、前記電池充電コントローラの出力上の電圧を基準電圧と比較する演算増幅器を含む、請求項３に記載の電池充電回路。
6. 前記携帯機器の低電力重要部品が前記電池充電コントローラから給電され、前記携帯機器の高電力非重要部品が前記充電式電池から給電される、請求項２に記載の電池充電回路。
7. 前記低電力重要部品は、メモリおよびマイクロプロセッサのうちの少なくとも一つを含む、請求項６に記載の電池充電回路。
8. 前記高電力非重要部品は、バックライトシステムおよびバイブレータのうちの少なくとも一つを含む、請求項６に記載の電池充電回路。
9. 前記外部駆動半導体は、トランジスタを含む、請求項２に記載の電池充電回路。
10. 前記演算増幅器は、前記電池充電コントローラからの前記電圧信号を縮小する分圧器をさらに含み、前記基準電圧信号は比例して縮小される、請求項４に記載の電池充電回路。
11. 前記外部電源は、パワーノードを有するコンピュータデータバスを含む、請求項１０に記載の電池充電回路。
12. 前記コンピュータデータバスは、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）である、請求項１１に記載の電池充電回路。
13. 前記電池充電コントローラが提供する最大電流は、グランドへの外部抵抗によって制限される、請求項２に記載の電池充電回路。
14. 前記電池充電コントローラが提供する最大電流は、外部抵抗と半導体スイッチとの複数のセットによって制限され、前記電池充電コントローラが変動電流レベルを提供するように制御されることを可能にする、請求項１３に記載の電池充電回路。
15. 前記半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化シリコン電界効果トランジスタ：ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む、請求項１４に記載の電池充電回路。
16. 調節回路は、前記演算増幅器の出力をグランドに連結するコンデンサをさらに含み、それにより前記演算増幅器の出力の変動を均す、請求項１５に記載の電池充電回路。
17. 外部電源に接続される電池充電コントローラであって、前記電池充電コントローラは、電池および携帯機器に出力電力を供給し、最大電流設定を有し、前記携帯機器は、前記出力電力の部分であって、動作に必要な部分を受け取り、前記電池は、前記携帯機器と前記電池とを絶縁するように構成可能なスイッチを介して、前記出力電力の残りの部分を受け取る、電池充電コントローラと、
    前記電池充電コントローラの電圧降下を検出する調節回路であって、前記調節回路は、前記電池充電コントローラによって消費される電力が所定のレベルを下回り続けるように、前記電池への電流を調節し、前記調節回路は、前記スイッチを含む、調節回路と
    を備える、電池充電回路。
18. 外部電源を介して携帯機器の電池を充電する方法であって、前記方法は、
    電池充電コントローラの入力を前記外部電源に接続するステップと、
    前記電池充電コントローラの出力を前記携帯機器および半導体スイッチの入力に並列接続するステップであって、前記半導体スイッチは、前記携帯機器と前記電池とを絶縁するように構成可能である、ステップと、
    前記電池充電コントローラが、前記携帯機器に、かつ、前記半導体スイッチを介して前記電池に、出力電力を供給するように、前記半導体スイッチの出力を前記電池に接続するステップであって、前記携帯機器は、前記出力電力の部分であって、動作に必要な部分を受け取り、前記電池は、前記半導体スイッチを介して前記出力電力の残りの部分を受け取る、ステップと、
    前記電池充電コントローラの電流出力を制御するステップと、
    前記電池充電コントローラの電圧降下を測定するステップと、
    前記電圧降下が大きすぎる場合に、前記電池に供給される電流の量を減少させるように前記半導体スイッチを調節することによって、前記電池充電コントローラの前記電圧降下に応答するステップであって、前記調節することは、前記電池充電コントローラによって消費される総電力を制御する、ステップと
    を包含する、方法。
19. 携帯機器に、かつ、半導体スイッチを介して充電式電池に、出力電力を並列に提供する電池充電コントローラの電圧降下を測定する手段であって、前記半導体スイッチは、前記携帯機器と前記充電式電池とを絶縁するように構成可能である、手段と、
    前記電池充電コントローラの電流出力を制御する手段と、
    前記電圧降下が大きすぎる場合に、前記充電式電池に供給される電流の量を減少させるように前記半導体スイッチを調節することによって、前記電池充電コントローラの電圧降下に応答する手段であって、前記調節することは、前記電池充電コントローラによって消費される総電力を制御する、手段と
    を備える、電源回路であって、
    前記携帯機器は、前記出力電力の部分であって、動作に必要な部分を受け取り、前記充電式電池は、前記半導体スイッチを介して前記出力電力の残りの部分を受け取る、電源回路。
20. 外部ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ポートから電力を受け取り、携帯機器に、かつ、スイッチを介して充電式電池に、出力電力を供給するように構成されている電池充電コントローラであって、前記スイッチは、前記携帯機器を前記充電式電池から絶縁するように構成可能であり、前記電池充電コントローラは、前記携帯機器および前記充電式電池が前記ＵＳＢポートから利用可能な所定の最大電流を超える電流を生じないように前記出力電力を制限するようにさらに構成されている、電池充電コントローラと、
    前記電池充電コントローラの電圧降下を測定するように構成されている電圧検出回路であって、前記電圧検出回路は、前記携帯機器が、動作するのに必要とされる前記出力電力の所定の量を受け取り、かつ、前記充電式電池が、前記電池充電コントローラから利用可能な前記出力電力の残量を前記スイッチを介して受け取るように、前記スイッチを介して前記充電式電池に供給される電流の量を制御することによって前記電池充電コントローラの前記電圧降下に応答するように構成されている、電圧検出回路と
    を備える、電池充電回路。
21. 前記電池充電コントローラによって制御される外部駆動半導体であって、前記外部駆動半導体は、前記ＵＳＢポートから前記携帯機器および前記充電式電池へと供給電流を伝達するように動作可能であり、前記供給電流は、前記電池充電コントローラではなく前記外部駆動半導体を流れる、外部駆動半導体をさらに備える、請求項２０に記載の電池充電回路。
22. 前記電圧検出回路は、演算増幅器を含む、請求項２１に記載の電池充電回路。
23. 前記電圧検出回路は、
    前記電池充電コントローラからの電圧信号を基準電圧信号と比較するように構成されている演算増幅器であって、前記充電式電池への前記電流を低減することによって、前記電圧信号が前記基準電圧信号よりも少なくなるような電圧差に応答するようにさらに構成されている演算増幅器を含む、請求項２２に記載の電池充電回路。
24. 前記電圧検出回路は、前記電池充電コントローラの前記出力上の電圧を基準電圧と比較するための演算増幅器を含む、請求項２２に記載の電池充電回路。
25. 前記携帯機器の低電力重要部品が前記電池充電コントローラから給電され、前記携帯機器の高電力非重要部品が前記充電式電池から給電される、請求項２１に記載の電池充電回路。
26. 前記低電力重要部品は、メモリおよびマイクロプロセッサのうちの少なくとも一つを含む、請求項２５に記載の電池充電回路。
27. 前記高電力非重要部品は、バックライトシステムおよびバイブレータのうちの少なくとも一つを含む、請求項２５に記載の電池充電回路。
28. 前記外部駆動半導体は、トランジスタを含む、請求項２１に記載の電池充電回路。
29. 前記演算増幅器は、前記電池充電コントローラからの前記電圧信号を縮小する分圧器をさらに含み、前記基準電圧信号が比例して縮小される、請求項２３に記載の電池充電回路。
30. 前記電池充電コントローラから生じ得る前記所定の最大電流は、グランドへの外部抵抗によって制限される、請求項２１に記載の電池充電回路。
31. 前記電池充電コントローラと前記充電式電池との間で連結される半導体スイッチであって、前記充電式電池に供給される前記電流の量を制限するために、前記電圧検出回路によって制御される半導体スイッチをさらに含む、請求項２０に記載の電池充電回路。
32. 前記電池充電コントローラは、前記ＵＳＢポートの電流限界に依存して前記所定の最大電流を設定するように構成され得る、請求項２０に記載の電池充電回路。
33. 前記ＵＳＢポートから利用可能な前記所定の最大電流は、低電力ＵＳＢに対しては約１００ｍＡに設定され得、高電力ＵＳＢポートに対しては約５００ｍＡに設定され得る、請求項３２に記載の電池充電回路。
34. 前記電池充電コントローラは、非ＵＳＢソースから電力を受け取るようにさらに構成される、請求項２０に記載の電池充電回路。
35. 前記電池充電コントローラは、電力が前記ＵＳＢポートから受け取られるか、または非ＵＳＢソースから受け取られるかに依存して前記所定の最大電流を設定するように構成され得る、請求項３４に記載の電池充電回路。
36. 前記非ＵＳＢソースは、ＡＣプラグインアダプタである、請求項３４に記載の電池充電回路。
37. 前記非ＵＳＢソースは、自動車と共に用いるためのＤＣ／ＤＣアダプタである、請求項３４に記載の電池充電回路。
38. 前記電池充電コントローラは、電力が低電力ＵＳＢポート、高電力ＵＳＢポートまたは非ＵＳＢソースから受け取られるかに依存して前記所定の最大電流を複数の電流制限のうちの一つに設定するように構成され得る、請求項３４に記載の電池充電回路。
39. ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ポートにより供給される電力を利用して携帯機器用充電式電池を充電する方法であって、前記方法は、
    前記ＵＳＢポートから電力を受け取ることと、
    スイッチを介して前記充電式電池に、かつ、前記携帯機器に、前記受け取られた電力を供給することであって、前記スイッチは、前記充電式電池を前記携帯機器から絶縁するように構成可能であり、前記充電式電池および前記携帯機器が前記ＵＳＢポートから利用可能な所定の最大電流量を超える電流を生じないように、前記供給される電力が制限される、ことと、
    前記携帯機器が前記供給された電力のうちの動作に必要な所定の量を受け取り、かつ、前記充電式電池が前記供給された電力の残量を前記スイッチを介して受け取るように、前記充電式電池へ供給される電流の量を制御することと
    を含む、方法。
40. 前記受け取られた電力を前記充電式電池および前記携帯機器へ供給するために利用される回路の電圧降下を測定することと、
    前記充電式電池へ供給される前記電流の量を、前記測定された電圧降下の関数として制御することと
    をさらに含む、請求項３９に記載の方法。
41. ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）ポートにより供給される電力を利用して携帯機器用充電式電池を充電するためのシステムであって、前記システムは、
    前記ＵＳＢポートから電力を受け取る手段と、
    スイッチを介して前記充電式電池に、かつ、前記携帯機器に、前記受け取られた電力を供給する手段であって、前記スイッチは、前記充電式電池を前記携帯機器から絶縁するように構成可能であり、前記充電式電池および前記携帯機器が前記ＵＳＢポートから利用可能な所定の最大電流量を超える電流を生じないように、前記供給される電力が制限される、手段と、
    前記携帯機器が前記供給された電力のうちの動作に必要な所定の量を受け取り、かつ、前記充電式電池が前記供給された電力の残量を前記スイッチを介して受け取るように、前記充電式電池へ供給される電流の量を制御する手段と
    を備える、システム。

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