JP4202956B2

JP4202956B2 - バッテリ式電気器具のための電源管理

Info

Publication number: JP4202956B2
Application number: JP2004087906A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・ルイス・デンシャム・Ｉｉｉ; ヴラド・ミハイル・ポプエスク−スタネスティ; コンスタンティン・スピリドン
Original assignee: オーツーマイクロ，インコーポレーテッド
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2005278303A

Description

本発明は、バッテリ式デバイスのための電源管理に関するものであり、より詳細には、携帯デバイスに関連したバッテリ充電コントローラによって制御される外部ＡＣ／ＤＣアダプタを備えているような電源管理構成に関するものである。

現存のバッテリ充電構成は、２つの個別の構成および実施態様に区分される。すなわち、ＡＣアダプタと、バッテリ充電構成と、に区分される。

ＡＣアダプタは、現時点では、２つの構成を有している。

１）６０Ｈｚの構成。
低コストの変圧器であって、全波整流器と、フィルタリング用キャパシタと、を備えている。変圧器の巻線は、通常、高抵抗値を有している。そのため、準一定な電流源となる。

２）高周波数の構成。
旅行用のＡＣアダプタとして普及しているものであって、通常は、＞１００ＫＨｚという高周波数のものとされている。同じインピーダンス成分に関しては、無効インピーダンスが周波数の直接的関数である（Ｘ１＝２ｐｆＬ、Ｘｃ＝１／２ｐｆＣ）ことにより、ＬおよびＣは、周波数の比率に従って小さくなる。例えば、６００，０００Ｈｚと６０Ｈｚとにおいて比較すれば、インダクタの大きさは、６０／６００，０００という比、すなわち、１／１０，０００＝０．０００１倍となる。このような旅行用のＡＣアダプタは、高周波数スイッチモード電源（Switch Mode Power Supply，ＳＭＰＳ）を有して構成されている。よって、利点は、小型化および軽量性であって旅行者には好都合である。しかしながら、他のタイプのアダプタよりもコストが高くなる。

今日使用されている大部分のアダプタは、ＰＷＭ回路と、制御された出力を生成するためのコントローラ（電力スイッチと、例えばバックやフライバックやブーストやブリッジや他のタイプのコンバータ構成といったようなＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を備えている）と、である。

一般に、例えばノートブック型コンピュータや携帯電話やＰＤＡといったようなシステムにおけるバッテリ充電器を使用することによって、システムに対しての、バッテリ充電および／または電源供給が制御されている。バッテリ充電器は、通常、次のような３つの主要構成を有している。

１）単純スイッチ型のアダプタ充電器
これは、単一の電子スイッチを使用することによって、バッテリに対してアダプタを直接的に接続する。この場合、最終的な充電電圧に到達すれば、スイッチがオフとされる。比較的安価ではあるものの、このタイプの充電回路においては、一定電流のＡＣアダプタを使用しなければならない。このようなアダプタは、通常は重いものであって、６０Ｈｚタイプのものである。

２）一次型の制御装置
固定された出力電圧の生成が、制御素子内において過剰の入力電圧を消費することにより、開発された。このため、通常は、５０％あるいはそれ以下といったような効率となる。浪費される電力は、制御装置内において消費され、小さくかつ密に詰め込まれた製品内において、温度を上昇させる。さらに、浪費される電力は、製品の所有者にとって最重要事項であるバッテリ寿命を、かなり短くしてしまう。消費し尽くしたバッテリを有した製品の利点は、運動器具の高価な部材くらいでしかない。一次型の制御装置の利点は、単純さと低コストとである。欠点は、バッテリ寿命が短いことと、内部が高温になることと、である。

３）スイッチモード型の制御装置
上述したように、この手法においては、スイッチモード電源を使用しており、入力電圧をバッテリ充電電圧へと効率的（９０〜９５％）に変換する。定電流モードと定電圧モードとの切換といったように、最適の充電アルゴリズムを適用することができる。このタイプの構成の利点は、高速充電、高効率、および、様々なアダプタや様々なバッテリ組成に対しての応用可能性（汎用性）、である。しかしながら、一次型制御装置よりもコストが高いことである。

図１は、従来技術に基づく、携帯型デバイスのための電源管理構成を示している。このシステムは、携帯型デバイス（１０）を具備している。携帯型デバイス（１０）は、１つまたは複数のバッテリ（３０）と、１つまたは複数の能動システム（１８，２０，および／または，２２）と、を備えている。これら能動システム（１８，２０，２２）は、ＡＣ／ＤＣアダプタ（１２）に対して接続されている。アダプタ（１２）は、バッテリを充電する目的と、接続されているすべてのシステムに対して電力を供給する目的と、の双方のために、制御された電力を供給するように動作する。バッテリ充電回路（１４）は、例えばバッテリ充電電流やバッテリ電圧やおよび／またはアダプタ（１２）からの利用可能電力に基づいて、バッテリ（３０）に対して、制御された電力（電圧および／または電流が制御された電力）を供給するために、設けられている。図１Ａには、従来技術によるバッテリ充電回路（１４）が、ブロック図で示されている。当業者であれば理解されるように、充電器は、一般に、複数のエラーアンプ（３４）を備えている。これらエラーアンプ（３４）は、バッテリの電圧および／または電流を観測し、バッテリの電圧および／または電流が所定しきい値を超える場合には、エラー信号を生成する。さらに、エラーアンプを設けることによって、入力電力の利用可能度を観測して、アダプタ（１２）からの利用可能電力を超える場合には、エラー信号を生成することができる。充電器（１４）は、さらに、ＰＷＭ生成源およびコントローラ（３６）を備えている。エラーアンプによって生成されたエラー信号は、コントローラ（３６）によって受領され、ＰＷＭ生成源の負荷サイクルが調節される。ＰＷＭ信号が、電力スイッチおよびＤＣ／ＤＣコンバータ（３８）に対して供給され、これにより、バッテリの充電のための、制御されたＤＣ電源が生成される。

同様に、ＡＣ／ＤＣアダプタ（１２）は、ＰＷＭ生成源およびコントローラ（３６）を備えており、さらに、電力スイッチおよびＤＣ／ＤＣコンバータを備えており、これにより、制御された出力電力を供給する。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。

したがって、本発明は、ＡＣ／ＤＣアダプタがバッテリ充電コントローラによって制御されるようになっている電源管理構成を提供する。例示としての実施形態においては、充電コントローラは、フィードバック制御信号を生成するためのエラーアンプを備え、一方、ＡＣ／ＤＣアダプタは、フィードバック制御信号を受領することによって、アダプタ内に付設されているＰＷＭ生成源の負荷サイクルを調節し得るよう構成されている。すなわち、この例示としての実施形態においては、ＰＷＭ生成源およびコントローラを、また、電力スイッチやＤＣ／ＤＣコンバータをも、充電回路内に設置する必要がない。これにより、電源構成を経済的なものとすることができる。また、従来型のバッテリ充電器における発熱部分を、外部ＡＣ／ＤＣアダプタへと、移すことができる。

システムに関する例示としての一実施形態は、携帯式エレクトロニクスデバイスのための電源管理構成とされており、この電源管理構成は、再充電可能なバッテリと、バッテリ電圧および／またはバッテリ充電電流を代理するフィードバック信号を生成する回路を有した充電コントローラと、を備えた携帯式エレクトロニクスデバイスを、具備している。この電源管理構成は、さらに、ＡＣ電源からＤＣ電源信号を生成するための外部ＡＣ／ＤＣアダプタであるとともに、ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成源と、コントローラと、を備えている、外部ＡＣ／ＤＣアダプタを具備している。コントローラは、フィードバック信号を受領することによってＰＷＭ信号の負荷サイクルを調節しこれによりＤＣ電源信号の電圧値および／または電流値を調節する。

他の例示としての実施形態においては、本発明は、ＡＣ／ＤＣアダプタであって、ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成源と；外部の携帯式エレクトロニクスデバイスによって生成されたフィードバック信号を受領するコントローラと；ＤＣ電源信号を生成するためのＤＣ／ＤＣコンバータ回路と；を具備しているＡＣ／ＤＣアダプタを提供する。コントローラは、フィードバック信号に基づいてＰＷＭ信号の負荷サイクルを調節し、これにより、ＤＣ電源信号の電圧値および／または電流値が調節されるようになっている。

以下の詳細な説明は、いくつかの好ましい実施形態およびそれらの使用方法を例にとって行われるけれども、本発明が、それら好ましい実施形態や使用方法に限定されるものでないことは、当業者には自明であろう。本発明は、幅広い範囲を有したものであり、特許請求の範囲によってのみ規定されるものである。

本発明の他の特徴点や利点は、添付図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。添付図面においては、同様の部材に対して、同じ符号が付されている。

図２は、本発明の一例による電源管理構成をブロック図で示している。図１の従来技術による電源管理構成の場合と同様に、図２の構成においては、システム（１０）は、ＡＣ／ＤＣアダプタ（３２）によって電力が供給されている。しかしながら、例示としてのこの実施形態においては、アダプタ（３２）は、フィードバック型のものとされていて、充電器に関連した複数のエラーアンプによって生成された１つまたは複数のフィードバック制御信号を受領することができる。よって、この実施形態においては、充電器は、複数のエラーアンプを備えるだけで良い。この場合の充電器は、充電コントローラ（２４）として一般化されている。充電コントローラ（２４）は、複数のエラーアンプを備えている。これらエラーアンプは、バッテリの電圧および／または電流を観測し、バッテリの電圧および／または電流が所定しきい値を超える場合には、エラー信号を生成する。さらに、エラーアンプを設けることによって、入力電力の利用可能度を観測し、能動システムの電力要求とバランスさせつつバッテリの充電要求に基づいて、エラー信号を生成することができる。これらエラー信号は、一般に、ここではフィードバック制御信号（２６）を形成し、ＰＷＭ生成源の負荷サイクルを調節するために使用される。そのようなバッテリ充電器構成の一例は、本出願人による“Voltage Mode, High Accuracy Battery Charger” と題する米国特許出願シリアル番号第０９／９４８，８２８号明細書であって現在は米国特許第６，４９８，４６１号明細書として許可されている文献に記載されている。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。この文献においては、複数のフィードバック制御信号が、バッテリ電圧やバッテリ充電電流やＤＣ電源からの利用可能電力に関して生成されて、ＰＷＭ生成源の負荷サイクルの調節に供され、これにより、バッテリに対して供給される電力が調節される。他の充電構成は、当該技術分野においては周知であり、そのようなすべてのバッテリ充電回路のほとんどは、本発明の充電コントローラ（２４）と互換的かつ同等の回路である。

上述したように、従来技術によるスイッチモード電源（ＳＷＰＳ）型のＡＣ／ＤＣアダプタは、ＰＷＭ回路（生成源およびコントローラ）と、電力スイッチおよびＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、を備えており、これにより、制御されたＤＣ電源が生成される。この実施形態においては、ＡＣ／ＤＣアダプタのＰＷＭコントローラが、充電コントローラ（２４）によって生成されたフィードバック情報を受領するために使用されており、これにより、ＤＣ出力が調節されるようになっている。

図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、携帯型システム（１０）に関連した充電コントローラ（２４）と、本発明によるアダプタ（３２）との間の通信を容易とするための、例示としての通信構成を示している。図３Ａにおいては、アダプタ（３２’）は、充電コントローラによって生成されるシリアル制御信号（２６’）を受領するためのシリアル通信インターフェース（３８）（例えば、ＲＳ２３２、ＲＳ４３４、Firewire、ＵＳＢ、等）を備えているものとして、構成されている。この実施形態においては、充電コントローラによって生成されたフィードバック信号は、シリアル通信データへと変換されて、アダプタ（３２’）へと送出される。図３Ｂにおいては、制御信号（２６”）は、エラーアンプによって生成されたアナログ信号であり、そのため、アダプタ（３２”）内には、適切なアナログインターフェース（例えば、バッファ）が設けられている。図３Ｃにおいては、個別の制御信号ラインを使用しておらず、電力ライン上において、フィードバック信号（２６''' ）を変調している。この実施形態においては、アダプタ（３２''' ）とシステム（１０’）との双方が、変調／復調回路（４２，４４）を有したものとして構成されており、これにより、電力ライン上に重畳されるフィードバック信号（２６''' ）を生成し得るものとされている。

以上のように、本発明は、バッテリを充電する目的のためにおよび／または携帯式デバイスに対して電力を供給する目的のために制御された電力を生成するに際して、従来のようにバッテリ充電回路に付随した電力回路を使用するのではなく、ＡＣ／ＤＣアダプタ内に既に存在していた電力回路を使用するような電源管理構成を提供する。有利には、複数の電力スイッチにかかるコストを節約できるとともに、電気器具内において電力を消費しなくて済む。付加的なコントローラにかかるコストを省略することができる。嵩高い電力スイッチを設ける必要がないことにより、電気器具内において、プリント回路基板のためのスペースを節約することができる。付加的には、最適の充電アルゴリズムを実施することができて、フル充電までに要するバッテリ充電時間を短縮することができる。当業者であれば、本発明に対して様々な変形を行い得ることを理解されるであろう。当業者には自明であるようなそのようなすべての変形は、特許請求の範囲によってのみ規定される本発明の精神および範囲内に属するものであると見なされる。

従来技術による電源管理回路を示すブロック図である。従来技術によるバッテリ充電回路を示すブロック図である。本発明の例示としての電源管理構成を示すブロック図である。本発明の例示としてのＡＣ／ＤＣアダプタ構成を示すブロック図である。本発明の例示としてのＡＣ／ＤＣアダプタ構成を示すブロック図である。本発明の例示としてのＡＣ／ＤＣアダプタ構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０携帯型システム（携帯式エレクトロニクスデバイス）
１８能動システム
２０能動システム
２２能動システム
２４充電コントローラ
２６フィードバック制御信号
２６’ シリアル制御信号
２６” 制御信号
２６''' フィードバック信号
３０バッテリ
３２ＡＣ／ＤＣアダプタ
３２’ アダプタ
３２” アダプタ
３２''' アダプタ
３４エラーアンプ
３６ＰＷＭ生成源およびコントローラ
３８電力スイッチおよびＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims

携帯式エレクトロニクスデバイスのための電源管理構成であって、
再充電可能なバッテリと、バッテリ充電電力を代理するフィードバック信号を生成する回路を有した充電コントローラと、を備えた携帯式エレクトロニクスデバイスと；
ＡＣ電源からＤＣ電源信号を生成するための外部ＡＣ／ＤＣアダプタであるとともに、ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成源と、前記フィードバック信号を受領することによって前記ＰＷＭ信号を調節しこれにより前記ＤＣ電源信号の電力を調節するコントローラと、を備えている、外部ＡＣ／ＤＣアダプタと；
を具備し、
前記外部ＡＣ／ＤＣアダプタと前記充電コントローラとのうち、前記外部ＡＣ／ＤＣアダプタだけが、前記ＰＷＭ生成源を備えていることを特徴とする電源管理構成。
請求項１記載の電源管理構成において、
前記携帯式エレクトロニクスデバイスが、さらに、シリアルデータインターフェースを備えており、前記フィードバック信号をシリアルデータとして生成するものとされ、
前記外部ＡＣ／ＤＣアダプタが、さらに、前記シリアルデータを受領するためのシリアル通信インターフェースを備えていることを特徴とする電源管理構成。
請求項１記載の電源管理構成において、
前記フィードバック信号が、アナログ信号とされていることを特徴とする電源管理構成。
請求項１記載の電源管理構成において、
前記携帯式エレクトロニクスデバイスが、さらに、前記フィードバック信号を前記ＤＣ電源信号上へと変調して重畳させるための変調回路を備え、
前記外部ＡＣ／ＤＣアダプタが、さらに、前記フィードバック信号を復調させ得るよう、前記ＤＣ電源信号に対して接続された復調回路を備えていることを特徴とする電源管理構成。
請求項１記載の電源管理構成において、
前記充電コントローラが、さらに、前記携帯式エレクトロニクスデバイスに関する電力要求とバッテリ充電電流に関する電力要求とを代理するフィードバック信号を生成するための回路を有していることを特徴とする電源管理構成。
ＤＣ信号出力を供給するためのアダプタであって、
ＰＷＭ生成源と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を具備し、
前記ＰＷＭ生成源が、外部デバイスの充電コントローラの複数のエラーアンプの中の１つのアナログフィードバック信号の受領に応答して、ＰＷＭ信号を生成するものであり、
前記アナログフィードバック信号が、前記外部デバイスの電力状況を代理するものであり、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記ＰＷＭ信号を受領することによりそのＰＷＭ信号に応答して前記ＤＣ信号出力を調節し得るように構成されていることを特徴とするアダプタ。
請求項６記載のアダプタにおいて、
前記ＰＷＭ生成源が、前記アナログフィードバック信号に応答して前記ＰＷＭ信号を調節することを特徴とするアダプタ。
請求項６記載のアダプタにおいて、
前記外部デバイスの前記電力状況が、前記外部デバイスのバッテリの電力状況であることを特徴とするアダプタ。
請求項８記載のアダプタにおいて、
前記バッテリの前記電力状況が、そのバッテリの電圧値であることを特徴とするアダプタ。
請求項８記載のアダプタにおいて、
前記バッテリの前記電力状況が、そのバッテリの充電電流値であることを特徴とするアダプタ。
請求項６記載のアダプタにおいて、
前記外部デバイスの前記電力状況が、前記外部デバイス内の少なくとも１つの能動システムに関しての電力要求であることを特徴とするアダプタ。
エレクトロニクスデバイスであって、
複数のエラーアンプを備えた充電コントローラを具備し、
前記複数のエラーアンプの各々が、前記エレクトロニクスデバイスの電力状況を代理するアナログフィードバック信号を生成し得るよう構成され、
アダプタが、ＰＷＭ生成源を備え、
このＰＷＭ生成源が、前記アナログフィードバック信号の受領に応答して、ＰＷＭ信号を生成するものであり、これにより、前記アダプタからのＤＣ信号出力を調節するようになっていることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１２記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
さらに、再充電可能なバッテリを具備し、
バッテリ充電モードにおいては、前記充電コントローラが、前記アダプタからの前記ＤＣ信号出力を前記バッテリに対して供給することを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１２記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記複数のエラーアンプが、前記エレクトロニクスデバイスの前記電力状況を代理する信号を関連しきい値と比較し得るよう構成され、
前記充電コントローラが、前記電力状況と前記関連しきい値との間の差に応答したフィードバック信号を供給することを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１２記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記充電コントローラが、シリアルデータインターフェースを備え、
前記フィードバック信号が、シリアルデータ信号を含有するものとされていることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１２記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記充電コントローラが、アナログインターフェースを備え、
前記フィードバック信号が、アナログ信号を含有するものとされていることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１２記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記充電コントローラが、前記フィードバック信号を前記ＤＣ信号出力上へと変調して重畳させるための変調回路を備えていることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１２記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記外部デバイスの前記電力状況が、前記外部デバイスの再充電可能バッテリの電力状況であることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１８記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記再充電可能バッテリの前記電力状況が、そのバッテリの電圧値であることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１８記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記再充電可能バッテリの前記電力状況が、そのバッテリの充電電流値であることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
請求項１２記載のエレクトロニクスデバイスにおいて、
前記外部デバイスの前記電力状況が、前記外部デバイス内の少なくとも１つの能動システムに関しての電力要求であることを特徴とするエレクトロニクスデバイス。
アダプタからのＤＣ電源信号を調節するための方法であって、
前記アダプタに対して接続された外部デバイスの電力状況を観測し；
前記アダプタに対して、前記外部デバイスの前記電力状況を代理するような、前記外部デバイスの充電コントローラの複数のエラーアンプの中の１つからのアナログフィードバック信号を供給し；
前記アダプタにより生成されるＰＷＭ信号を、前記アダプタによって受領された前記アナログフィードバック信号に応答させて調節し；
前記アダプタにより供給される前記ＤＣ電源信号を、前記ＰＷＭ信号に応答させて調節する；
ことを特徴とする方法。
請求項２２記載の方法において、
前記外部デバイスの前記電力状況を、前記外部デバイスの再充電可能バッテリの電力状況とすることを特徴とする方法。
請求項２３記載の方法において、
前記再充電可能バッテリの前記電力状況を、そのバッテリの電圧値とすることを特徴とする方法。
請求項２３記載の方法において、
前記再充電可能バッテリの前記電力状況を、そのバッテリの充電電流値とすることを特徴とする方法。
請求項２２記載の方法において、
前記外部デバイスの前記電力状況を、前記外部デバイス内の少なくとも１つの能動システムに関しての電力要求とすることを特徴とする方法。
請求項２２記載の方法において、
前記フィードバック信号を、アナログ信号を含有したものとすることを特徴とする方法。
請求項２２記載の方法において、
前記フィードバック信号を、シリアルデータ信号を含有したものとすることを特徴とする方法。
ＡＣ／ＤＣアダプタであって、
ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ生成源と；
外部の携帯式エレクトロニクスデバイスによって生成されたフィードバック信号を受領するコントローラと；
ＤＣ電源信号を生成するためのＤＣ／ＤＣコンバータ回路と；
を具備し、
前記コントローラが、前記フィードバック信号に基づいて前記ＰＷＭ信号を調節し、これにより、前記ＤＣ電源信号の電力値が調節されるようになっていることを特徴とするＡＣ／ＤＣアダプタ。