JP4439443B2

JP4439443B2 - 直流電圧変換機能を含む電子機器、および直流電圧変換回路

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Publication number: JP4439443B2
Application number: JP2005200588A
Authority: JP
Inventors: 善康中島; 哲風間; 秀行元山; 真一吉本; 耕一横田; 浩山田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: EP1742322A3; JP2007020338A; US7629712B2; EP1742322A2; US20070008663A1

Description

本発明は、直流電圧変換機能を含む電子機器に関し、特に、１つの直流電源電圧を複数の直流供給電圧に変換する直流電圧変換回路を含む電子機器に関する。

モバイル・ノート型パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）においては、長時間バッテリ稼動のための電源効率の向上、ＰＣの小型化、軽量化および薄型化のための基板の小型化のための部品実装面積の低減に対するニーズがある。しかし、使用しているＩＣ、例えばＣＰＵ／チップセット／グラフィック・チップ等）は、消費電力低減のために低電圧化の傾向があり、ＩＣ毎に必要な供給電圧が異なるので必要な供給電圧の数が増加する傾向がある。

松村によって１９９９年２月１２日に公開された特開平１１−４１８２５号公報（Ａ）には、その負荷消費電力に応じて電源の切替を行う電源切替装置が記載されている。電源切替装置は、携帯機器に搭載したバッテリと、少なくとも一つ以上の定電圧手段とを有する。電源切替装置において、バッテリ電圧より低い直流電圧を生成する直流電圧変換手段と、バッテリ電圧と、直流電圧変換手段で生成した直流電圧とを切り替えて定電圧手段の入力に電力供給をする切替手段と、消費電力が大きい主駆動状態時に直流電圧変換手段で生成した直流電圧に切り替え、また消費電力が小さい待機状態時にバッテリ電圧に切り替えるように切替手段を制御する制御手段と、を備える。
特開平１１−４１８２５号公報

それぞれスイッチング素子、ダイオード、キャパシタおよびインダクタからなる複数のＤＣ−ＤＣ変換器を含む直流電圧変換回路は周知である。ＤＣ−ＤＣ変換器は、例えば、マキシムインテグイレーテッドプロダクツ社（Maxim Integrated Products, Inc.）によってウェブページ上で公開されている文献“DC-DC Converter Tutorial”、Oct 19, 2000（http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN710.pdf）に、およびオンセミコンダクタ社（ON Semiconductor）によってウェブページ上で公開されている文献“Understanding the Output Current Capability of DC-DC Buck Converters”、April, 2003-Rev.0（http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8117-D.PDF）に開示されている（２００５年７月６日検索）。ここで、これらの文献を参照により組み込む。
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN710.pdf http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8117-D.PDF

必要な供給電圧の数のＤＣ−ＤＣ（ＤＤＣ）変換器を直流電源電圧に並列に接続すると、一般的には電圧変換の効率が低くなる。一方、必要な供給電圧の数のＤＣ−ＤＣ（ＤＤＣ）変換器を直流電源電圧に縦列に接続すると、変換効率は高くなるが、直流電源電圧を変換する第１段の変換器の許容電流が大きくなるのでその変換器の大きさが大きくなり、ＰＣの小型化するには望ましくない。

本発明の目的は、各電圧変換器の負荷電流に応じて直流電源の電圧を効率良くより低い電圧に変換する電圧変換回路を実現することである。

本発明の別の目的は、各電圧変換器の実際の負荷電流または推定した負荷電流に応じて直流バッテリ電源の電圧を効率良くより低い電圧に変換する電圧変換回路を実現することである。

本発明の特徴によれば、電源から第１の直流供給電圧の供給を受ける電子機器は、その第１の直流供給電圧を、その第１の直流供給電圧より低い第２の直流供給電圧に変換する第１の直流電圧変換器と、その第１の直流供給電圧とその第２の直流供給電圧のいずれか一方を、その第２の直流供給電圧より低い第３の直流供給電圧に変換する第２の直流電圧変換器と、その電源のその第１の直流供給電圧とその第１の直流電圧変換器のその第２の直流供給電圧のいずれか一方を、制御信号に従ってその第２の直流電圧変換器の入力電圧端子に供給するスイッチと、そのスイッチにその制御信号を供給する切換え制御手段と、その第２の直流供給電圧とその第３の直流供給電圧をそれぞれ利用する複数の構成要素と、を具える。その切換え制御手段は、その第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、その第２の直流電圧変換器の負荷電流が所定の閾値より大きいと推定される状態に実質的に対応する場合に、その第１の直流供給電圧をその第２の直流電圧変換器のその入力電圧端子に供給し、その第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、その第２の直流電圧変換器の負荷電流がその所定の閾値以下と推定される状態に実質的に対応する場合に、その第２の直流供給電圧をその第２の直流電圧変換器のその入力電圧端子に供給するよう、そのスイッチを設定する制御信号を、その制御信号として供給する。

本発明は、また、電子機器に使用可能な電圧変換回路に関する。

本発明によれば、電圧変換器のサイズを大きくすることなく、各電圧変換器の実際の負荷電流または推定した負荷電流に応じて直流バッテリ電源の電圧を効率良くより低い電圧に変換する電圧変換回路を実現することができる。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図面において、同様のコンポーネントには同じ参照番号が付されている。

図１Ａおよび１Ｂは、例えばノートブック型パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）のような電子機器に用いられる従来の２つのＤＣ−ＤＣ電圧変換器（ＤＤＣ）を並列および縦列に固定的に接続した直流電圧変換回路１００および１０２の接続配置をそれぞれ示している。従来の直流電圧変換回路１００および１０２では、必要な供給電圧の数のＤＣ−ＤＣ電圧変換器が設けられる。これらの図では、説明を簡単にするために３．３Ｖおよび１．５Ｖの２つの供給電圧だけが示されている。図１Ａでは、その電子機器の直流バッテリ電源１０に対して電圧変換器２および３が並列に接続されている。図１Ｂでは、その電子機器の直流バッテリ電源１０に対して電圧変換器２１および３１が直列に接続されている。図１Ａおよび１Ｂにおけるバッテリ電源１０の出力電圧を変換する電圧変換器２、２１の電圧変換効率をＥｄｄｃ２とする。図１Ａにおけるバッテリ電源１０の出力電圧を変換する電圧変換器３の電圧変換効率をＥｄｄｃ１１とする。図１Ｂにおける電圧変換器２１の出力電圧を変換する電圧変換器３１の電圧変換効率をＥｄｄｃ１２とする。従って、図１Ｂにおける電圧変換器３１の供給電圧１．５Ｖの端子における負荷電流に対する直流電圧変換回路１０２の電圧変換効率は、Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２となる。

図１Ａの直流電圧変換回路１００では、バッテリ電源１０の高い直流電圧と電子機器内の各ＩＣチップまたはデバイスの公称電圧（例えば、１．５Ｖ、２．５Ｖ）との間の電圧差が大きいので電圧変換における損失が大きい。バッテリ電源１０は、例えば９〜１２Ｖの電圧範囲で変動する。図１Ｂの直流電圧変換回路１０２では、電圧変換器２１は、電圧変換器３１の負荷電流に対応する電流分をも流すためにその許容電流を大きくする必要があり、従って電圧変換器２１のサイズが大きくなる。

図２は、バッテリ電源１０から電圧変換器３によって直流電源電圧を変換して所要の低い供給電圧を得る場合と、バッテリ電源１０から中間の電圧変換器２１を介して電圧変換器３１によって電圧変換器２１の供給電圧を変換してその所要の低い供給電圧を得る場合とにおける、負荷電流に対する電圧変換効率の変化を示している。この場合、電圧変換器３の入力電圧Ｖｉｎは、例としてバッテリ電源１０の電圧下限の９Ｖおよび電圧上限の１２Ｖであり、電圧変換器３１の入力電圧Ｖｉｎは電圧変換器２１の出力供給電圧３．３Ｖであり、電圧変換器３および３１のその所要の低い供給電圧Ｖｏｕｔは１．５Ｖである。図２から、図１Ａのように高いバッテリ電源電圧９Ｖまたは１２Ｖを１つの電圧変換器３で変換して低い供給電圧１．５Ｖを生成するのは、図１Ｂのように電圧変換器２１の中間供給電圧３．３Ｖを電圧変換器３１で変換して低い供給電圧１．５Ｖを生成するよりも、電圧変換効率が低いことが分かる。一般的に、変換前と変換後の電圧の差が大きいほど電圧変換効率が低下する。しかし、図１Ｂの電圧変換器２１の許容電流は電圧変換器３１の分だけ増加し、図１Ａの電圧変換器２に比べてコイル等の部品の寸法が大きくまたは高さが高くなり、図１Ｂの電圧変換器２１は、特にノードブック型ＰＣのような薄型の電子機器には使えない。

発明者たちは、電子機器に使用すべき部品実装の寸法の高さなどの問題を生じることなく、直流バッテリ電源１０の電圧の各コンポーネントの公称電圧への変換効率を向上する必要があると認識した。発明者たちは、図２において、負荷電流が小さい場合には電圧３．３Ｖから電圧１．５Ｖを生成し、負荷電流が大きい場合には電源電圧９〜１２Ｖから電圧１．５Ｖを生成すると、電圧変換器２１のサイズが小さくて済むと認識した。

図３は、本発明の実施形態による直流電圧変換回路１１０または１１２を含む、例えばノートブック型ＰＣのような電子機器の構成を示している。図３の電子機器は、直流バッテリ電源１０、直流電圧を供給する交流電源アダプタ１１、ＰＭＵ／ＡＳＩＣ１６、および直流電圧変換回路１１０または１１２を具え、さらに、その他のコンポーネント（構成要素）として、例えばＣＰＵ６１、メモリ制御部６２、ＩＯ制御部６３、オーディオ装置６４、ＵＳＢポート６５、メモリ６６、グラフィック制御部６７、有線ＬＡＮカード６８、無線ＬＡＮカード６９、ＰＣカード制御部７０、ＬＣＤ７１、ＨＤＤ７２、ＬＡＮ接続部（ＣＮ）７３およびカード・スロット７４を具えている。ＰＭＵ／ＡＳＩＣ１６は、電源マイコン機能を含んでいる。この場合、直流電圧変換回路１１０または１１２は、電圧５Ｖ、３．３Ｖ、２．５Ｖおよび１．５Ｖをそれぞれ供給電圧Ｖｏｕｔとする直流電圧変換器（ＤＤＣ）２０、２２、３０および３２を有する。直流電圧変換器２０、２２、３０および３２は、周知の形態で、スイッチング素子、平滑キャパシタおよびインダクタを含んでいる。ＰＭＵ／ＡＳＩＣ１６は、バッテリの充電および放電などの管理およびキーボード制御機能（キーボード接続は図示せず）を含んでいる。

ここでは、直流電源としてバッテリ電源１０を使用する場合について説明するが、本発明の実施形態は、直流電源として交流電源アダプタ１１を使用する場合についても適用できる。

図３において、直流電圧変換器２０は、ＰＣカード制御部７０およびＨＤＤ７２に供給電圧５Ｖを供給する。直流電圧変換器２２は、ＰＭＵ／ＡＳＩＣ１６、ＩＯ制御部６３、オーディオ装置６４、有線ＬＡＮカード６８、無線ＬＡＮカード６９、ＰＣカード制御部７０、ＬＣＤ７１、ＨＤＤ７２およびカード・スロット７４に供給電圧３．３Ｖを供給する。直流電圧変換器３０は、メモリ制御部６２、メモリ６６およびグラフィック制御部６７に供給電圧２．５Ｖを供給する。直流電圧変換器３２は、ＣＰＵ６１、メモリ制御部６２およびＩＯ制御部６３に供給電圧１．５Ｖを供給する。

図４は、本発明の実施形態による、直流電圧変換回路１１０および切換え制御器１２の構成を示している。

図４において、直流電圧変換回路１１０は、バッテリ電源１０の出力端子に接続され電圧３．３Ｖを供給電圧Ｖｏｕｔとする直流電圧変換器２２と、バッテリ電源１０および直流電圧変換器２２のそれぞれの出力端子にスイッチ（ＳＷ）４０を介して接続され電圧１．５Ｖを供給電圧Ｖｏｕｔとする直流電圧変換器３２と、を含んでいる。切換え制御器１２の動作条件は、ユーザによってハードウェア回路スイッチを用いてまたはユーザによってアプリケーションに従って手動で設定される。切換え制御器１２は、ハードウェア回路スイッチまたはアプリケーション等から各設定信号を受け取ってスイッチ４０に切換え制御信号ＣＴＲＬを供給する。切換え制御器１２は図３のＰＭＵ／ＡＳＩＣ１６内の機能に対応する。

バッテリ電源１０の直流供給電圧（９〜１２Ｖ）の出力端子と直流電圧変換器２２の直流供給電圧（３．３Ｖ）の出力端子とは、導体１２２および１２４を介してスイッチ４０のそれぞれの入力端子に接続されている。直流電圧変換回路１１０および切換え制御器１２は、典型的には１枚のプリント回路基板ＰＣＢ上に実装される。導体１２２および１２４はプリント基板内の導体で形成することができるが、導体１２２および１２４のうちの少なくとも一方はプリント基板上の導体とは異なる別個の導電性ワイヤであってもよい。それによって、プリント基板上の回路素子の密集および基板内層数（例えば６層基板）の制限によって基板内に電源用の充分な面積および幅の低インピーダンスの導体箔パターンが形成できない場合であっても、プリント基板上の回路配置の設計が容易になる。

スイッチ４０は、切換え制御器１２からの制御信号ＣＴＲＬに従って、バッテリ電源１０の電源電圧端子（例えば、１２Ｖ）または電圧変換器２２の供給電圧端子（例えば、３．３Ｖ）のいずれかを切り換えて選択して電圧変換器３２の入力電圧端子に接続する。電圧変換器３２は、その入力電圧に応じてスイッチング動作を制御して、入力電圧を調整して所定の供給電圧１．５Ｖを出力として供給する。手動で設定されたハードウェア・スイッチ（図示せず）またはアプリケーション（メモリ６６に格納されたアプリケーションに従って動作するＣＰＵ６１の機能）等によって、電子機器の各構成要素の動作状態が、電圧変換器３２の供給電圧端子の負荷電流が所定の電流閾値（例えば、０．５Ａ）を超えないと推定される状態に対応する場合に、電圧変換器３２の入力電圧端子を電圧変換器２２の出力電圧端子（３．３Ｖ）に切り換えて接続し、電子機器の各構成要素の動作状態が、電圧変換器３２の供給電圧端子の負荷電流が所定の電流閾値（例えば、０．５Ａ）を超えると推定される状態に対応する場合に、電圧変換器３２の入力電圧端子をバッテリ電源１０の電源電圧端子（９Ｖまたは１２Ｖ）に切り換えて接続するように、切換え制御器１２の動作条件を設定する。

簡略な方法として、例えば、ＣＰＵ６１等の上で動作する動作監視アプリケーションによって電子機器の各構成要素の動作状態を監視し、それぞれの動作状態に応じた状態信号を切換え制御器１２に供給し、切換え制御器１２はそのような状態信号に従って上述の制御信号ＣＴＲＬをスイッチ４０に供給してもよい。この場合、例えば、電圧変換器３２の供給電圧端子の負荷電流のレベルが所定の電流閾値（例えば、０．５Ａ）を超えないと推定される状態に対応する、電子機器が休止状態か電子機器上の低負荷の予め定めたアプリケーションが動作状態および予め定めた利用状態（例えば、ＰＣカードの利用なし）のとき、切換え制御器１２は、そのような電圧変換器３２の推定低負荷状態を表す状態信号を動作監視アプリケーションから受け取って、電圧変換器３２の入力電圧端子を電圧変換器２２の出力電圧端子に切り換えて接続する制御信号ＣＴＲＬをスイッチ４０に供給してもよい。一方、電圧変換器３２の供給電圧端子の負荷電流のレベルが所定の電流閾値を超えると推定される状態に対応する、それ以外の高負荷の予め定めたアプリケーションの動作状態または予め定めた利用状態（例えば、ＰＣカードの利用）のとき、切換え制御器１２は、そのような電圧変換器３２の推定高負荷状態を表す状態信号を動作監視アプリケーションから受け取って、電圧変換器３２の入力電圧端子をバッテリ電源１０の電源電圧端子に切り換えて接続する制御信号ＣＴＲＬをスイッチ４０に供給してもよい。また、例えば、同様に電子機器の構成要素の動作状態を監視して、上述のような電圧変換器３２の低負荷状態に対応する、電子機器が休止状態にあって電子機器上で動作監視アプリケーション以外のアプリケーションが動作していない状態にあるとき、切換え制御器１２は、そのような状態を表す状態信号を動作監視アプリケーションから受け取って、電圧変換器３２の入力電圧端子を電圧変換器２２の出力電圧端子に切り換えて接続する制御信号ＣＴＲＬをスイッチ４０に供給し、一方、上述のような電圧変換器３２の高負荷状態に対応するそれ以外の、ユーザによっていずれかのアプリケーションが動作状態にあるとき、切換え制御器１２はそのような状態を表す状態信号を動作監視アプリケーションから受け取って、電圧変換器３２の入力電圧端子をバッテリ電源１０の電源電圧端子に切り換えて接続する制御信号ＣＴＲＬをスイッチ４０に供給してもよい。この場合、アプリケーションの起動の検出の方法として、アプリケーションを起動するユーザによるキー若しくはハードウェア・スイッチまたは表示画面内のソフトウェア・スイッチ若しくはアイコンの操作に応答して、その起動を表す状態信号を切換え制御器１２に供給してもよい。あるいは、電子機器の筐体にハードウェア・スイッチを設けておき、アプリケーションを起動する前にユーザによってそのスイッチを操作させて、その操作を表す状態信号を切換え制御器１２に供給してもよい。

図５は、切換え制御器１２の切換え制御信号ＣＴＲＬによってスイッチ４０が切り換えられる場合における電圧変換器３２の供給電圧端子（１．５Ｖ）の負荷電流に対する直流電圧変換回路１１０の電圧変換効率の変化を示している。電圧変換器３２の負荷電流が０．５Ａ以下の場合は、電圧変換器３２は電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを１．５Ｖに変換するので電圧変換効率Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２は約７５〜８５％である。ここで、電圧変換効率Ｅｄｄｃ２は、図２の最高効率に近い９０％と近似されている。一方、電圧変換器３２の負荷電流が０．５Ａより大きい場合は、電圧変換器３２はバッテリ電源１０の出力電圧１２Ｖを１．５Ｖに変換するので電圧変換効率Ｅｄｄｃ１１は約８０〜９０％である。負荷電流は推定値なので、電圧変換器３２に過剰な電流が実際に流れるのを防止するために、所定の電流閾値は、電圧変換効率Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２とＥｄｄｃ１１の曲線の交点より幾分か低く、例えば効率３％分だけ低く設定したほうがよい。電圧変換器２２は、所定の電流閾値０．５Ａより大きいその負荷電流における電圧変換に関与しないので電圧変換器２２のサイズは大きくせずに済む。

図６は、図４の構成を変形したものであり、本発明の別の実施形態による、直流電圧変換回路１１０および切換え制御器１４の構成を示している。この場合、切換え制御器１４は、図３の電子機器のシステムの各コンポーネントの動作状態を表す信号を受け取って、その信号を処理して制御信号ＣＴＲＬをスイッチ４０に供給する。

図７は、切換え制御器１４によって実行されるスイッチ４０に供給する制御信号ＣＴＲＬを決定するためのフローチャートである。

切換え制御器１４によって用いられる図２のグラフを近似したテーブル、即ち、入力電圧としてのバッテリ電源１０の出力電圧９〜１２Ｖ（例えば１０Ｖ）に対して複数の負荷電流値に対する直流電圧変換器２２の電圧変換効率を近似的に表すテーブル（図示せず）と、入力電圧としてのバッテリ電源１０の出力電圧９〜１２Ｖ（例えば１０Ｖ）および直流電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖに対して、選択された複数の負荷電流値に対する直流電圧変換器３２の電圧変換効率を近似的に表すテーブル（図示せず）とが、例えばＰＭＵ１６内のフラッシュメモリに予め格納されている。また、ＣＰＵ６１、ＩＯデバイス（例えば、ＰＣカード制御部７０、有線ＬＡＮカード６８、無線ＬＡＮカード６９）、オーディオ装置６４等の各コンポーネントの動作状態、即ち、非活動状態、アイドル、活動状態、最大電流状態およびスリープ割合と、消費電流値との関係を表す別のテーブルが、例えばＰＭＵ１６内のフラッシュメモリに予め格納されている。切換え制御器１４は、そのテーブルを用いてそれぞれのコンポーネントの動作状態に対応するそのコンポーネントの推定消費電流の値を決定する。

図８は、公称電圧３．３Ｖおよび１．５Ｖの各コンポーネントの動作状態と推定消費電流との関係を示すテーブル１および２を例示している。テーブル１は、公称電圧３．３Ｖの有線ＬＡＮカード６８、無線ＬＡＮカード６９、ＰＣカード制御部７０およびオーディオ装置６４の各動作状態における消費電流を示している。テーブル２は、公称電圧１．５ＶのＣＰＵ６１の各動作状態における消費電流を示している。

図７を参照すると、ステップ７０２において、切換え制御器１４は、ＣＰＵ６１を周期的にポーリングして、例えばＣＰＵ動作状態およびＩＯデバイス（例えばＰＣカード制御部７０）の接続状態等のシステム動作状態の変化の有無を検知する。ステップ７０４において、システム動作状態が変化したかどうかを判定する。それが変化していないと判定された場合は、手順はステップ７０２に戻る。

それが変化したと判定された場合は、ステップ７０６において、切換え制御器１４は、ＣＰＵ６１に対して割り込みを行って電子機器のシステムの各コンポーネントの動作状態を表す情報を取得する。具体的には、切換え制御器１４は、各デバイスと電源マイコンとしてのＰＭＵ／ＡＳＩＣ１６とへ問い合わせることによって、ＣＰＵ６１、ＩＯデバイス（例えば、ＰＣカード制御部７０、ＬＡＮカード６８、６９）、オーディオ装置６４等の動作状態を収集する。その動作状態は、例えば、デバイスの非活動状態、アイドル、活動状態および最大電流状態のいずれかであり、またＣＰＵのスリープ状態の割合である。

ステップ７０８において、切換え制御器１４は、その取得した各コンポーネントの動作状態に基づいて、図８に例示された各コンポーネントの動作状態における消費電流を表すテーブルに従って電圧変換器２２および３２の供給電流を推定する。そのために、例えば、或るコンポーネントのアイドル状態における電流値と現在の動作状態における電流値の間の差の値を求め、その差の値をアイドル状態における電流値に加算または減算してもよい。そのようにして、関係する全てのデバイスの現在の電流を推定する。

例えば、図８のテーブル１において、電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを使用する有線ＬＡＮカード６８のアイドル状態における消費電流は推定値３０ｍＡであり、ＰＣカード７４のアイドル状態における消費電流は推定値３０ｍＡである。ここで、電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを使用する全てのコンポーネントのアイドル状態における仮の消費電流の和の推定値を例えば１Ａとする。一方、有線ＬＡＮカード６８の現在の動作状態を、推定電流５６０ｍＡの活動状態とし、ＰＣカード７４の現在の動作状態を最大電流１．０３Ａの状態とし、供給電圧３．３Ｖを使用するその他のコンポーネントの現在の動作状態をアイドル状態であるとする。この場合、図８のテーブル１を参照すると、供給電圧３．３Ｖを使用する全てのコンポーネントの現在の状態における消費電流の和の推定値は、１Ａ（全コンポーネントのアイドル状態）＋０．５Ａ（有線ＬＡＮカードの電流差）＋１Ａ（ＰＣカードの電流差）＝２．５Ａとなる。

例えば、図８のテーブル２において、電圧変換器３２の供給電圧１．５Ｖを使用するＣＰＵ６１のアイドル状態においてスリープ期間の割合は９８％より大きくなり、推定消費電流は推定値１００ｍＡである。ＣＰＵ６１は、スリープ期間においてＣＰＵクロックが停止しＣＰＵ動作も停止している。また、ＣＰＵ６１のスリープ期間の割合が９０％より大きく９８％以下では推定消費電流は３００ｍＡであり、スリープ期間の割合が７０％より大きく９０％以下では推定消費電流は６００ｍＡであり、スリープ期間の割合が５０％より大きく７０％以下では推定消費電流は１Ａであり、スリープ期間の割合が０％より大きく５０％以下では推定消費電流は２Ａである。

電圧変換器３２の供給電圧１．５Ｖを使用するコンポーネントがＣＰＵ６１のみであり、ＣＰＵ６１の現在の動作状態がスリープ期間割合８０％の状態であったとすると、図８のテーブル２からＣＰＵ６１の推定消費電流は６００ｍＡである。

ステップ７１０において、切換え制御器１４は、図２のグラフを近似したテーブルに従ってその推定したコンポーネントの消費電流に基づいて１段構成における電圧変換器３２のバッテリ電源１０の電圧（例えば１０Ｖ）に対する電圧変換効率Ｅｄｄｃ１１を推定する。

第１の例として、電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを使用する全てのコンポーネントのアイドル状態における合計消費電流が１Ａであるとし、負荷電流に対する電圧変換効率を表すテーブル（図示せず）からその消費電流に対する電圧変換器２２の電圧変換効率Ｅｄｄｃ２を約９０％とする。電圧変換器３２の供給電圧１．５Ｖを使用する全てのコンポーネントのアイドル状態における合計消費電流が１００ｍＡであるとすると、図２のグラフを近似したテーブルからその消費電流に対する電圧変換器３２の電圧変換効率Ｅｄｄｃ１１は約５０％と近似できる。

第２の例として、電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを使用する全てのコンポーネントのそれぞれの動作状態における合計消費電流を２．５Ａであるとし、負荷電流に対する電圧変換効率を表すテーブル（図示せず）からその消費電流に対する電圧変換器２２の電圧変換効率を約９１％とする。電圧変換器３２の供給電圧１．５Ｖを使用する全てのコンポーネントのそれぞれの動作状態における合計消費電流を６００ｍＡであるとし、図２のグラフを近似したテーブル（図示せず）からその消費電流に対する電圧変換器３２の変換効率Ｅｄｄｃ１１を約８５％と近似できる。

ステップ７１２において、切換え制御器１４は、供給電圧３．３Ｖおよび１．５Ｖを使用するコンポーネントのそれぞれの推定合計消費電流に基づいて、２段構成における電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを入力電圧とする電圧変換器３２の電圧変換効率Ｅｄｄｃ１２を推定する。２段構成における電圧変換器２２の電圧変換効率Ｅｄｄｃ２は、１段構成の場合とほぼ等しいと仮定してもよい。

上述の第１の例では、図２のグラフを参照すると、電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを入力とした場合において、電圧変換器３２の供給電圧１．５Ｖを使用する全てのコンポーネントのアイドル状態における負荷電流０．１Ａに対する電圧変換器３２の電圧変換効率Ｅｄｄｃ１２は約７８％である。従って、その負荷電流０．１Ａに対する２段構成の電圧変換器２２および３２の電圧変換効率の積は、Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２＝約９０％×約７８％＝約７０％である。

上述の第２の例では、図２のグラフを参照すると、電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖを入力とした場合において、電圧変換器３２の供給電圧１．５Ｖを使用する全てのコンポーネントの或る動作状態における負荷電流６００ｍＡに対する電圧変換器３２の電圧変換効率Ｅｄｄｃ１２は約９２％である。従って、その負荷電流６００ｍＡに対する２段構成の電圧変換器２２および３２の電圧変換効率の積は、Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２＝約９１％×約９２％＝約８３．７％である。

ステップ７１４において、切換え制御器１４は、電圧変換器２２および３２の電圧変換効率の積Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２と電圧変換器３２のみの変換効率Ｅｄｄｃ１１とを比較し、電圧変換効率の高い構成の接続形態を選択すべきであると判断する。その変換効率の積Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２が単一の変換効率Ｅｄｄｃ１１より大きいと判定された場合は、電圧変換器２２の供給電圧を電圧変換器３２の入力に供給する２段構成とすべきである。その積Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２が単一の変換効率Ｅｄｄｃ１１以下であると判定された場合は、バッテリ電源１０の供給電圧を電圧変換器３２の入力に供給する１段構成とすべきである。

上述の第１の例では、２段構成の電圧変換器２２および３２の電圧変換効率の積Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２は約７０％であり、１段構成の電圧変換器３２の単一の変換効率Ｅｄｄｃ１１は約５０％である。従って、この場合、２段構成を取るほうが電圧変換効率がよい。

上述の第２の例では、２段構成の電圧変換器２２および３２の電圧変換効率の積Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２は約８３．７％であり、１段構成の電圧変換器３２の単一の変換効率Ｅｄｄｃ１１は約８５％である。従って、この場合、１段構成を取るほうが電圧変換効率がよい。

ステップ７１６において、切換え制御器１４は、現在のスイッチ４０の状態と上述の効率の良い構成にための選択すべきスイッチ４０の状態とを比較して、スイッチ４０を切り換えるべきかどうかを判定する。切り換えるべきであると判定された場合は、ステップ７１８において、切換え制御器１４は、スイッチ４０を、現在の状態から必要なスイッチ４０の状態へと切り換える。切り換えるべきでないと判定された場合は、手順はステップ７０２に戻る。負荷電流は推定値なので、電圧変換器３２に過剰な電流が実際に流れるのを防止するために、２段構成の電圧変換器２２および３２の電圧変換効率の積Ｅｄｄｃ２×Ｅｄｄｃ１２が、１段構成の電圧変換器３２の単一の変換効率Ｅｄｄｃ１１より所定値以上、例えば３％以上高い場合に２段構成を選択し、それ以外では１段構成を選択するようにしてもよい。

図９は、本発明のさらに別の実施形態による、直流電圧変換回路１１０および切換え制御器１６（図４、６の１２、１４に対応）の構成を示している。

図９において、直流電圧変換器２２の供給電圧３．３Ｖの端子のコンポーネント負荷電流を検出する電流検出器５２と、直流電圧変換器３２の供給電圧１．５Ｖの端子のコンポーネント負荷電流を検出する電流検出器５３と、が設けられている。電流検出器５２および５３の電流検出値は切換え制御器１６の各入力に供給される。この場合、切換え制御器１６は、推定負荷電流に基づいて動作する図４の切換え制御器１２とは異なり、図２、５のグラフを近似した負荷電流に対する電圧変換効率を表すテーブル（図示せず）から直流電圧変換器３２の検出負荷電流に基づいて切換え制御信号ＣＴＲＬを生成する。代替構成として、切換え制御器１６は、図８のテーブルに従って求めた各コンポーネントの推定負荷電流に基づいて動作する図６の切換え制御器１４とは異なり、電流検出器５２および５３によって検出した直流電圧変換器２２および３２の負荷電流値に基づいてその負荷電流値に対するそれぞれの電圧変換効率を表すテーブル（図示せず）からそれぞれの電圧変換効率を求めて比較し制御信号ＣＴＲＬを生成する。

以上説明した本発明の実施形態によれば、電圧変換器２２のサイズを大きくすることなく、各電圧変換器２２および３２の推定のまたは検出した負荷電流に応じて直流バッテリ電源１０の電圧を、効率良く低い供給電圧３．３Ｖおよび１．５Ｖに変換することができる。

この実施形態では、電圧変換器２２および３２の１段構成と２段構成のみを説明したが、本発明は、さらに図３の電圧変換器２０および３０等を含む３段以上の段構成における接続選択のためのスイッチの切り換え制御にも適用できることは明らかである。この場合、電圧変換効率を比較すべき電圧変換器の組み合わせおよび電圧変換効率が増える。

以上説明した実施形態は典型例として挙げたに過ぎず、その各実施形態の構成要素を組み合わせること、その変形およびバリエーションは当業者にとって明らかであり、当業者であれば本発明の原理および請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱することなく上述の実施形態の種々の変形を行えることは明らかである。

以上の実施例を含む実施形態に関して、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）第１の直流供給電圧を供給する直流電源と、
前記第１の直流供給電圧を、前記第１の直流供給電圧より低い第２の直流供給電圧に変換する第１の直流電圧変換器と、
前記第１の直流供給電圧と前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、前記第２の直流供給電圧より低い第３の直流供給電圧に変換する第２の直流電圧変換器と、
前記直流電源の前記第１の直流供給電圧と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、制御信号に従って前記第２の直流電圧変換器の入力電圧端子に供給するスイッチと、
前記スイッチに前記制御信号を供給する切換え制御手段と、
前記第２の直流供給電圧と前記第３の直流供給電圧をそれぞれ利用する複数の構成要素と、
を具えることを特徴とする、電子機器。
（付記２）前記切換え制御手段は、前記第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流が所定の閾値より大きいと推定される状態に実質的に対応する場合に、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給し、前記第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流が前記所定の閾値以下と推定される状態に実質的に対応する場合に、前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう、前記スイッチを設定する制御信号を、前記制御信号として供給するものであることを特徴とする、付記１に記載の電子機器。
（付記３）前記制御信号は、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流について、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流供給電圧に変換しさらに前記第２の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に変換する第１の推定電圧変換効率のほうが、前記第１の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に直接変換する第２の推定電圧変換効率より所定値以上高いとき、前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう前記スイッチを設定するものであることを特徴とする、付記１に記載の電子機器。
（付記４）前記切換え制御手段は、前記第２の直流電圧変換器の前記第３の直流供給電圧を使用する前記電子機器の或る構成要素の動作状態を検出し、前記或る構成要素の動作状態に対応する前記或る構成要素の推定消費電流に基づいて、前記第１の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に直接変換する前記第２の直流電圧変換器の第１の推定電圧変換効率と、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流供給電圧に変換しさらに前記第２の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に変換する前記第１と第２の直流電圧変換器の第２の推定電圧変換効率と、を求め、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流について、前記第１の推定電圧変換効率のほうが前記第２の推定電圧変換効率より所定値以上高い場合に前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう前記スイッチを設定するような前記制御信号を生成するものであることを特徴とする、付記１または３に記載の電子機器。
（付記５）前記制御信号は、前記第２の直流電圧変換器の実際の検出負荷電流が所定の閾値より大きいとき、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給し、前記第２の直流電圧変換器の実際の検出負荷電流が前記所定の閾値より小さいとき、前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう前記スイッチを設定するものであることを特徴とする、付記１に記載の電子機器。
（付記６）前記制御信号は、前記第２の直流電圧変換器の実際の検出負荷電流について、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流供給電圧に変換しさらに前記第２の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に変換する第１の電圧変換効率のほうが、前記第１の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に直接変換する第２の電圧変換効率より充分高いとき、前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう前記スイッチを設定するものであることを特徴とする、付記１に記載の電子機器。
（付記７）直流電源の第１の直流供給電圧を、前記第１の直流供給電圧より低い第２の直流供給電圧に変換する第１の直流電圧変換器と、
前記第１の直流供給電圧または前記第２の直流供給電圧を、前記第２の直流供給電圧より低い第３の直流供給電圧に変換する第２の直流電圧変換器と、
前記直流電源の前記第１の直流供給電圧と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、制御信号に従って前記第２の直流電圧変換器の入力電圧端子に供給するスイッチと、
前記スイッチに前記制御信号を供給する切換え制御手段と、
を具えることを特徴とする、直流電圧変換回路。
（付記８）前記直流電圧変換回路はプリント基板上に実装されており、
前記直流電源の前記第１の直流供給電圧を供給する端子と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧を供給する端子のうちの少なくとも一方の端子は、別個の導電性ワイヤを介して前記スイッチの入力端子に接続されていることを特徴とする、付記７に記載の直流変換回路。

図１Ａおよび１Ｂは、ノートブック型パーソナル・コンピュータのような電子機器に用いられる従来の２つのＤＣ−ＤＣ電圧変換器を並列および縦列に固定的に接続した直流電圧変換回路の接続配置をそれぞれ示している。図２は、バッテリ電源から電圧変換器によって直流電源電圧を変換して所要の低い供給電圧を得る場合と、バッテリ電源から中間の電圧変換器を介して電圧変換器によって電圧変換器の供給電圧を変換して所要の低い供給電圧を得る場合とにおける、負荷電流に対する変換効率の変化を示している。図３は、本発明の実施形態による直流電圧変換回路を含む電子機器の構成を示している。図４は、本発明の実施形態による、直流電圧変換回路および切換え制御器の構成を示している。図５は、切換え制御信号ＣＴＲＬによってスイッチが切り換えられる場合における電圧変換器の負荷電流に対する電圧変換器の電圧変換効率の変化を示している。図６は、本発明の別の実施形態による、直流電圧変換回路および切換え制御器の構成を示している。図７は、切換え制御器によって実行されるスイッチに供給する制御信号ＣＴＲＬを決定するためのフローチャートである。図８は、公称電圧の各コンポーネントの動作状態と推定消費電流との関係を示すテーブルを示している。図９は、本発明のさらに別の実施形態による、直流電圧変換回路および切換え制御器の構成を示している。

符号の説明

１０直流バッテリ電源
１２切換え制御器
２２、３２直流電圧変換器
４０スイッチ

Claims

電源から第１の直流供給電圧の供給を受ける電子機器であって、
前記第１の直流供給電圧を、前記第１の直流供給電圧より低い第２の直流供給電圧に変換する第１の直流電圧変換器と、
前記第１の直流供給電圧と前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、前記第２の直流供給電圧より低い第３の直流供給電圧に変換する第２の直流電圧変換器と、
前記電源の前記第１の直流供給電圧と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、制御信号に従って前記第２の直流電圧変換器の入力電圧端子に供給するスイッチと、
前記スイッチに前記制御信号を供給する切換え制御手段と、
前記第２の直流供給電圧と前記第３の直流供給電圧をそれぞれ利用する構成要素と、
を具え、
前記切換え制御手段は、
前記第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流が所定の閾値より大きいと推定される状態に実質的に対応する場合に、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給し、
前記第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流が前記所定の閾値以下と推定される状態に実質的に対応する場合に、前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう、
前記スイッチを設定する制御信号を、前記制御信号として供給するものである
ことを特徴とする、電子機器。
電源から第１の直流供給電圧の供給を受ける電子機器であって、
前記第１の直流供給電圧を、前記第１の直流供給電圧より低い第２の直流供給電圧に変換する第１の直流電圧変換器と、
前記第１の直流供給電圧と前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、前記第２の直流供給電圧より低い第３の直流供給電圧に変換する第２の直流電圧変換器と、
前記電源の前記第１の直流供給電圧と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、制御信号に従って前記第２の直流電圧変換器の入力電圧端子に供給するスイッチと、
前記スイッチに前記制御信号を供給する切換え制御手段と、
前記第２の直流供給電圧と前記第３の直流供給電圧をそれぞれ利用する構成要素と、
を具え、
前記制御信号は、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流について、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流供給電圧に変換しさらに前記第２の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に変換する第１の推定電圧変換効率のほうが、前記第１の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に直接変換する第２の推定電圧変換効率より所定値以上高いとき、前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう前記スイッチを設定するものである
ことを特徴とする、電子機器。
電源から第１の直流供給電圧の供給を受ける電子機器であって、
前記第１の直流供給電圧を、前記第１の直流供給電圧より低い第２の直流供給電圧に変換する第１の直流電圧変換器と、
前記第１の直流供給電圧と前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、前記第２の直流供給電圧より低い第３の直流供給電圧に変換する第２の直流電圧変換器と、
前記電源の前記第１の直流供給電圧と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、制御信号に従って前記第２の直流電圧変換器の入力電圧端子に供給するスイッチと、
前記スイッチに前記制御信号を供給する切換え制御手段と、
前記第２の直流供給電圧と前記第３の直流供給電圧をそれぞれ利用する構成要素と、
を具え、
前記切換え制御手段は、
前記第２の直流電圧変換器の前記第３の直流供給電圧を使用する前記電子機器の或る構成要素の動作状態を検出し、
前記或る構成要素の動作状態に対応する前記或る構成要素の推定消費電流に基づいて、前記第１の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に直接変換する前記第２の直流電圧変換器の第１の推定電圧変換効率と、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流供給電圧に変換しさらに前記第２の直流供給電圧を前記第３の直流供給電圧に変換する前記第１と第２の直流電圧変換器の第２の推定電圧変換効率と、を求め、
前記第２の直流電圧変換器の負荷電流について、前記第１の推定電圧変換効率のほうが前記第２の推定電圧変換効率より所定値以上高い場合に前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう前記スイッチを設定するような前記制御信号を生成するものである
ことを特徴とする、電子機器。
電源の第１の直流供給電圧を、前記第１の直流供給電圧より低い第２の直流供給電圧に変換する第１の直流電圧変換器と、
前記第１の直流供給電圧または前記第２の直流供給電圧を、前記第２の直流供給電圧より低い第３の直流供給電圧に変換する第２の直流電圧変換器と、
前記電源の前記第１の直流供給電圧と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧のいずれか一方を、制御信号に従って前記第２の直流電圧変換器の入力電圧端子に供給するスイッチと、
前記スイッチに前記制御信号を供給する切換え制御手段と、
を具え、
前記切換え制御手段は、
前記第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流が所定の閾値より大きいと推定される状態に実質的に対応する場合に、前記第１の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給し、
前記第３の直流供給電圧を利用する構成要素の動作状態が、前記第２の直流電圧変換器の負荷電流が前記所定の閾値以下と推定される状態に実質的に対応する場合に、前記第２の直流供給電圧を前記第２の直流電圧変換器の前記入力電圧端子に供給するよう、
前記スイッチを設定する制御信号を、前記制御信号として供給するものである
ことを特徴とする、直流電圧変換回路。
前記直流電圧変換回路はプリント基板上に実装されており、
前記直流電源の前記第１の直流供給電圧を供給する端子と前記第１の直流電圧変換器の前記第２の直流供給電圧を供給する端子のうちの少なくとも一方の端子は、別個の導電性ワイヤを介して前記スイッチの入力端子に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の直流変換回路。