JP4980911B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、各種の電子機器に組み込まれる電源システムに関するものである。

携帯電話やＰＤＡなどの携帯端末やノートブックパソコンなどの電子機器は、携帯性を確保するためにバッテリーなどの電源により電力の供給を受ける。この電源として、充電可能な二次電池が多く用いられているが、近い将来、高分子固体電解質型などの燃料電池が用いられるであろう。

ここで、これらの電子機器の機能は種々に拡張され、要求される電力も上昇する傾向にある。一方で、動作時間の確保のためには消費電力の低減も必要である。このように、電子機器の機能向上と、消費電力の削減という相反する課題を解決する必要がある。

文献１（特開２００４−８８８５３号公報）は電子機器の消費電力の低減のために、供給する電力の適切な管理を行う電源システムを開示する。

第１６図は、文献１に開示されている電源システムのブロック図である。

負荷回路１０６に電力を供給する電源システム１００は、次の要素を備えている。充電可能な二次電池などの電力供給源１０１が電力を供給する。負荷回路１０６は、電子機器の動作を実現する各種の電子部品やＩＣや表示パネルなどを含む、電力供給が必要な全ての電子回路である。電力供給源１０１には電源端子１０２が設けられており、電源端子１０２はスイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４に接続される。制御部１０５は、このスイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４のいずれを使用するかを選択する。制御部１０５により選択されたレギュレータの出力を介して、負荷回路１０６には電力が供給される。

ここで、電力供給源１０１は、一定の出力電圧を有するのに対して、負荷回路１０６は、回路構造や電子部品によって動作電圧の値が異なることが多く、電力供給源１０１の出力電圧を降圧させた上で負荷回路に供給する必要がある。このため、電圧の降圧を行うスイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４が設けられている。

スイッチングレギュレータ１０３とシリーズレギュレータ１０４は、第１７図に示されるように消費電流に対して異なる効率特性を有する。第１７図はスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの効率特性図である。

スイッチングレギュレータ１０４は、第１７図に示されるように、消費電流の小さい領域では消費電流の増加に伴って効率が向上し、一定の消費電流以上では効率が飽和する効率特性を持つ。これに対して、シリーズレギュレータ１０４は、第１７図に示されるように、消費電流の変化にかかわらず一定の効率を有する効率特性を有している。このため、負荷回路１０６での消費電流が小さい間は、シリーズレギュレータ１０４が選択され、消費電流が一定値以上と場合は、スイッチングレギュレータ１０３が選択される。これにより、消費電流の変化に合わせて、負荷回路に電力が供給される。

しかしながら、負荷回路１０６での消費電流が大きくなると、電源端子１０２の出力電圧が低下する。負荷回路１０６の消費電流が大きくなることで、電圧のドロップが生じることが原因で、このような電源端子１０２の出力電圧の低下が生じる。このような出力電圧の低下により、負荷回路１０６が誤動作を起こす問題も生じる。特に、電力供給源１０１が燃料電池の場合には、より大きな電圧低下が生じる。

あるいは、この出力電圧の低下のマージンを含んだ電力供給源１０１を搭載した場合には、負荷回路１０６での必要な消費電流が小さいにもかかわらず高い電圧を供給することになり、電源システム１００の消費電力が不要に増加する。更には、スイッチングレギュレータ１０３やシリーズレギュレータ１０４の入力電圧と出力電圧との差分が大きくなり、降圧に必要な電圧量が大きくなってしまう。これにより、負荷回路１０６のみでなくスイッチングレギュレータ１０３やシリーズレギュレータ１０４で損失される消費電力も増加する問題がある。

以上により、従来の技術における電源システムは、次の問題点を有している。

一つには、負荷回路１０６に対する適切な電力供給ができないことで電源システムでの不要な消費電力が発生する問題があった。この不要な消費電力により、電子機器の動作時間が減少する問題もあった。

更に、電圧降下による誤動作に起因して、電子機器の動作信頼性が低下する問題があった。
特開２００４−８８８５３号公報

そこで本発明は、電子機器の負荷回路の消費電流の変化に応じて、適切な電圧の電力を供給して誤動作の発生を防止し、電源システムでの不要な消費電力発生を防止して電子機器の動作時間を延ばす電源システムを提供することを目的とする。

第１の発明に係る電源システムは、負荷回路に電力を供給する電源システムであって、出力電圧の異なる複数の電源端子を有し、複数の電源端子を介して電力を供給する電力供給源と、複数の電源端子を入力端子として出力端子を有し、入力端子のいずれかを選択して出力端子に電気的接続する電源端子選択部と、電源端子選択部の出力端子に接続され、電圧を変圧する複数の変圧部と、複数の変圧部のいずれかを選択する変圧部選択部を備える。

この構成により、電源端子と変圧部の組み合わせによる種々の電力供給路を形成でき、負荷回路の必要電力の変化に適切に対応した電力を供給できる。この変化に対応した電力供給により、電圧降下による負荷回路の誤動作を防止し、不要な消費電力も削減できる。

第２の発明に係る電源システムでは、電源端子選択部と変圧部選択部での選択処理を制御する制御部を更に備える。

この構成により、電源端子と変圧部の選択が容易に行われる。

第３の発明に係る電源システムでは、制御部は、負荷回路の消費電流を計測する消費電流計測部を有し、消費電流計測部の計測結果に応じて電源端子選択部と変圧部選択部の選択処理を制御する。

この構成により、負荷回路の消費電流がリアルタイムに計測される。消費電流の変化から判断される必要電力の変化に対応した最適な電力供給路が形成される。この結果、負荷回路の状態を的確に把握した上での電力供給が実現されるので、誤動作の防止、消費電力の削減が実現される。

第４の発明に係る電源システムでは、制御部は、負荷回路の動作種類を認識する動作認識部を有し、動作認識部で認識された動作種類に応じて電源端子選択部と変圧部選択部の選択処理を制御する。

この構成により、認識した負荷回路における動作の種類から、負荷回路における必要電力が容易に推定される。

第５の発明に係る電源システムでは、動作認識部は、動作入力を受け付ける入力受付部を有し、制御部は入力受付部の受付結果に応じて電源端子選択部と変圧部選択部の選択処理を制御する。

この構成により、負荷回路の動作種類が、容易且つ確実に認識される。

第６の発明に係る電源システムでは、電力供給源は、充電可能な二次電源を含む。

この構成により、携帯端末やノートブックパソコンなどの携帯型の電子機器に最適な電源システムが実現される。

第７の発明に係る電源システムでは、電力供給源は、燃料電池を含む。

この構成により、充電が不要な携帯型の電子機器に最適な電源システムが実現される。

第８の発明に係る電源システムでは、電力供給源は、直列接続された複数の内部電源セルを含み、複数の電源端子は複数の内部電源セルの異なる接続点に接続されている。

この構成により、異なる電圧値をもつ複数の電源端子が、簡単に形成される。

第９の発明に係る電源システムでは、複数の内部電源セルの内、高電圧側に接続される内部電源セルのサイズが、低電圧側に接続される内部電源セルのサイズよりも大きい。

この構成により、電力供給源の定格電圧や定格電流を変えることなく電力供給源が小型化される。結果として、負荷回路の必要電力の変化に対応した電力供給を行う電源システムが小型化される。

第１０の発明に係る電源システムでは、複数の変圧部は入力電圧に対して出力電圧を降下させる降圧型変圧部であって、消費電流に対する効率特性の異なる降圧型変圧部を含む。

この構成により、電力供給源からの電力供給において、負荷回路に必要な異なる電圧に対応した電力供給が実現される。

第１１の発明に係る電源システムでは、複数の降圧型変圧部は、消費電流に対して依存する効率特性を有する降圧型変圧部と、消費電流に対して非依存の効率特性を有する降圧型変圧部を含む。

この構成により、バリエーションに富んだ電力供給路が形成される。この豊富なバリエーションの電力供給路により、負荷回路の必要電力の様々な変化にも柔軟に対応した電力供給が実現され、消費電力の削減や電子機器の信頼性の向上が実現される。

第１２の発明に係る電源システムでは、複数の降圧型変圧部は、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータを含む。

この構成により、変化する消費電流の値に応じて、効率特性のよいレギュレータが選択され、負荷回路の必要電力に適切に対応した電力供給が可能となる。

第１３の発明に係る電源システムでは、複数の降圧型変圧部は、スイッチングレギュレータとリニアレギュレータを含む。

この構成により、変化する消費電流の値に合わせて、効率特性のよいレギュレータを選択でき、負荷回路の必要電力に適切に対応した電力供給が可能となる。

第１４の発明に係る電源システムは、負荷回路に電力を供給する電源システムであって、出力電圧の異なる第一電源端子と第二電源端子を有し、第一電源及び第二電源を介して電力を供給する電力供給源と、第一電源端子と第二電源端子を入力端子として出力端子を有し、入力端子のいずれかを選択して出力端子に接続する電源端子選択部と、電源端子選択部に接続されるスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータと、スイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの一方を選択する変圧部選択部を備え、第一電源端子の出力電圧は第二電源端子の出力電圧よりも高い。

この構成により、負荷回路の必要電力の変化に対応して、出力電圧の異なる電源端子と、効率特性の異なるレギュレータを様々に組み合わせた電力供給路が形成される。この複数の電力供給路により、必要電力に応じた電力供給が行われ、電子機器の動作時間の延長と動作信頼性の向上が実現される。

第１５の発明に係る電源システムでは、電源端子選択部と、変圧部選択部の選択処理を制御する制御部を更に備える。

この構成により、必要な電源端子と変圧部が容易に選択される。

第１６の発明に係る電源システムでは、制御部は、負荷回路の消費電流を計測する消費電流計測部を有し、消費電流計測部での計測結果が第一の電流値未満では、第二電源端子とシリーズレギュレータを選択する制御信号を出力し、計測結果が第一の電流値以上かつ第二の電流値未満では、第一電源端子とシリーズレギュレータを選択する制御信号を出力し、第二の電流値以上では、第一電源端子とスイッチングレギュレータを選択する制御信号を出力する。

この構成により、負荷回路の消費電流の変化がリアルタイムに計測される。この計測結果に従って出力電圧の異なる電源端子と効率特性の異なるレギュレータを的確に組み合わされる。結果として、消費電流の変化に対応した電力供給が可能となる。

本発明によれば、バッテリーの電力供給源に設けられた出力電圧の異なる複数の電源端子と、効率特性の異なる複数の変圧部の組み合わせにより、負荷回路での消費電流に対応した電力供給路が形成される。この形成された電力供給路により、必要とされる電力の大きさに合わせた電力供給が行われる。

この必要電力に合わせた電力供給により、電源システム１での不要な消費電力が削減される。消費電力の低減により、電子機器の動作時間が延長され、携帯型の電子機器のユーザビリティが高まる。

また、消費電力の低減により、電力供給源２が小型化されるので、電子機器のポータビリティが向上する。

更に、必要電力に合わせた電力供給によって消費電流の増加に伴う電圧降下が防止されるので、負荷回路１０での誤動作が防止される。

以上の、消費電力の削減と誤動作の防止により、電子機器の動作時間の延長と、電子機器の動作信頼性の向上が両立する。

これらの効果は、近年の機能拡張の激しい電子機器において有効である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
第１図は、本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図である。

なお、電源システム１は種々の電子機器に搭載される。この電子機器は、携帯電話、ＰＤＡ、ノートブックパソコンなどの、携帯性が要求される電子機器である。

まず、実施の形態１における電源システム１の全体構成について説明する。

電子機器の機能を実現する負荷回路１０に電力を供給する電源システム１は、次の要素を備えている。

電力供給源２は、負荷回路１０に、電力を供給する。電力供給源２には、バッテリが用いられ、電子機器の携帯性を確保するために、充電可能な二次電池や充電不要の燃料電池などが用いられる。電力供給源２には、複数の電源端子３、４が設けられ、電源端子３と電源端子４は、異なる出力電圧を有する。

電源端子３、４は、電源端子選択部５に接続され、電源端子選択部５は、制御部９の制御に従い電源端子３と電源端子４のいずれかを選択する。選択された電源端子３、４を介して、複数の変圧部６、７に電力供給源２から電力が供給される。複数の変圧部６、７は電源端子選択部５の出力が接続され、入力電圧を変圧して負荷回路１０に出力する。このとき、変圧部選択部８は、制御部９の制御に従い、変圧部６と変圧部７のいずれかを選択する。制御部９は、電源端子選択部５と変圧部選択部８の選択処理を制御する。なお、複数の変圧部６、７は、その効率特性が互いに異なる。

電源端子選択部５と変圧部選択部８により、出力電圧の異なる複数の電源端子３、４と、効率特性の異なる複数の変圧部６、７との組み合わせが決定される。この組み合わせで形成された電力供給路は、それぞれ異なる電力特性を有する。

なお、負荷回路１０は、電子機器の機能を実現するための、電子部品、プリント基板、回路網、ＩＣやＬＳＩなどの集積回路、表示パネル、入力装置などの電力供給を必要とする種々の要素を含む。

次に、各部の詳細について説明する。

まず、電力供給源２と電源端子３、４について説明する。

電力供給源２は、複数の電源端子３、４を有している。携帯端末やノートブックパソコンなどの電子機器に好適に用いられるために、電力供給源２には、充電可能な二次電池や、燃料電池が用いられる。なお、複数の電源端子３、４は、それぞれ異なる出力電圧を有している。

ここで、第３図（ａ）、第３図（ｂ）に示される構成により、複数の電源端子３、４は、異なる出力電圧を有することができる。第３図（ａ）、第３図（ｂ）は、本発明の実施の形態１における電力供給源２の内部ブロック図である。

電力供給源２は、第３図に示されるように直列接続された複数の内部電源セル１４を含んでいる。個々の内部電源セル１４は、各々一定の出力電圧を有しており、これら複数の内部電源セル１４が直列接続されて、ある所定の出力電圧を持つ電力供給源２が構成される。電源端子３、４は、直列接続された内部電源セル１４の異なる接続点に接続されている。第３図（ａ）に示されるように、電源端子３は先端に配置された内部電源セル１４の出力点に接続されており、電源端子４は中間に配置された内部電源セル１４の出力点に接続されている。これにより、電源端子３は電源端子４よりその出力電圧が高くなる。

なお、低電圧側に配置される内部電源セル１４に対して、高電圧側に配置される内部電源セル１４に必要とされる出力電流は小さい。これは、低電圧側に配置される内部電源セル１４に必要な出力電流は、電源端子４と電源端子３の出力電流の総和であるのに対して、高電圧側に配置される内部電源セル１４に必要な出力電流は、電源端子３の出力電流で済むからである。この結果、高電圧側に配置される内部電源セル１４のサイズは、低電圧側に配置される内部電源セル１４のサイズよりも小さくてよい。

このため、第３図（ｂ）に示されるように、高電圧側に配置される内部電源セル１５のサイズは、低電圧側に配置される内部電源セル１４よりも小型化できる。結果として、電力供給源２が小型化される。

第４図は、本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図である。

第４図では、変圧部６の例として第１降圧型変圧部１６が示され、変圧部７の例として第２降圧型変圧部１７が示されている。

これらの降圧型変圧部は、その効率特性が各々異なるものが用いられる。第４図に示される第１降圧型変圧部１６と、第２降圧型変圧部１７は、消費電流に対して異なる効率特性を有している。効率特性の異なる第一降圧型変圧部１６と第二降圧型変圧部１７が設けられることで、負荷回路１０の消費電流の変化に応じた電力供給が可能となる。

第５図は、本発明の実施の形態１における第１降圧型変圧部１６と第２降圧型変圧部１７の効率特性図である。第１降圧型変圧部１６は、消費電流が所定値未満では、消費電流の増加に伴って増加する効率特性を有し、消費電流が所定値以上では効率が一定に飽和する効率特性を有している。これに対して、第２降圧型変圧部１７は、消費電流の変化にかかわらず一定の値を持つ効率特性を有している。この第１降圧型変圧部１６の効率特性を有する降圧型変圧部には、スイッチングレギュレータが用いられる。これに対して第２降圧型変圧部１７の効率特性を有する降圧型変圧部には、シリーズレギュレータやリニアレギュレータなどが用いられる。

第６図、第７図は、本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図である。第６図には、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１を含む構成が示されている。第７図には、同様に、スイッチングレギュレータ２０と、リニアレギュレータ２２を含む構成が示されている。

第８図は、本発明の実施の形態１におけるスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの効率特性図である。第８図から明らかなように、スイッチングレギュレータ２０は、消費電流が所定値未満では、消費電流の増加に伴って効率が増加し、消費電流が所定値以上では効率が一定に飽和する効率特性を有している。これに対してシリーズレギュレータ２１は、消費電流の変化にかかわらず一定の値を持つ効率特性を有している。なお、リニアレギュレータ２２は、シリーズレギュレータ２１と同等の効率特性を有する。このように、効率特性の異なるスイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１が設けられることで、電源システム１は、相互に補完しあう効率特性を有する。

なお、電源端子と変圧部は３以上であってもよい。

第２図には、４つの電源端子３、４、１１、１２を持ち、３つの変圧部６、７、１３を持つ構成が示されている。電源端子や変圧部が、多く設けられることで、より多くの電力供給路の組み合わせが形成され、電力供給が細かに制御される。

次に、制御部９について説明する。

制御部９は、電源端子選択部５での選択処理と、変圧部選択部８での選択処理の制御を行う。電源端子選択部５は、電源端子３、４のいずれかを選択し、変圧部選択部８は変圧部６、７のいずれかを選択する（あるいは、変圧部選択部８は、第１降圧型変圧部１６と第２降圧型変圧部１７のいずれかを選択する。もしくは、変圧部選択部８は、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１のいずれかを選択する）。制御部９は、これらの選択における制御信号を生成し、出力する。

例えば、第４図に示される電源システム１では、次の４通りの選択制御信号を生成し、出力する。すなわち、（電源端子３、第１降圧型変圧部１６）、（電源端子３、第２降圧型変圧部１７）、（電源端子４、第１降圧型変圧部１６）、（電源端子４、第２降圧型変圧部１７）の４通りの選択制御信号を生成して、いずれかを出力する。もちろん、第２図に示されるように電源端子と変圧部が３以上ある場合には、選択制御信号の種類は増加する。

選択制御信号は、負荷回路１０での消費電流の計測や、負荷回路１０での処理動作の負荷量を基準に生成される。あるいは、外部からのユーザー入力に応じて選択制御信号が生成される。ここで、制御部９は、プログラマブルに動作するプロセッサにより実装されてもよい。プロセッサに実装された場合には、外部からの入力や、あらかじめ定められたプログラムにより選択制御信号が生成される。

また、制御部９は、負荷回路１０の動作手順に合わせて選択制御信号を生成する。

例えば、動作開始時は消費電流が少なく、次いで消費電流が増加してピークとなり、最後は消費電流が減少する動作手順の場合に、制御部９は、この動作手順に合わせて選択制御信号を生成して出力する。

制御部９は、負荷回路１０での消費電流に関する情報に基づいて、複数の電源端子と複数の変圧部の最適な組み合わせを決定する。制御部９は、この決定した結果を選択制御信号として、電源端子選択部５と変圧部選択部８に出力する。電源端子選択部５と変圧部選択部８は、この選択制御信号に基づいて実際に電源端子と変圧部を選択して、電力供給路を形成する。負荷回路１０は、この形成された電力供給路を介して、電力の供給を受ける。

このとき、制御部９が用いる負荷回路１０の消費電流に関する情報は、負荷回路１０の構成や、負荷回路１０が備えられる電子機器の種類による。

次に、電源端子選択部５と変圧部選択部８について説明する。

電源端子選択部５は、電源端子３、４のいずれかを選択して、選択された電源端子３あるいは電源端子４を出力端子に接続する。ここで、電源端子３と電源端子４はそれぞれ出力電圧が異なる。電源端子３の出力電圧は、電源端子４の出力電圧よりも高い。このため、例えば負荷回路１０での消費電流が多いため高い出力電圧が必要な場合は、電源端子選択部５は、電源端子３を選択する。このとき、電源端子選択部５は、制御部９から出力される制御信号に従って、電源端子３を選択する。

変圧部選択部８は、制御部９からの制御信号に従って複数の変圧部６、７のいずれかを選択する。あるいは第４図に示される電源システムでは、変圧部選択部８は、第１降圧型変圧部１６と第２降圧型変圧部１７のいずれかを選択する。もしくは第６図に示される電源システム１では、変圧部選択部８は、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１のいずれかを選択する。更に、第７図に示される電源システム１では、変圧部選択部８は、スイッチングレギュレータ２０とリニアレギュレータ２２のいずれかを選択する。

このとき、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１のように、複数の変圧部は、それぞれ異なる効率特性を有する。更に、電源端子３と電源端子４もそれぞれの出力電圧が異なる。このため、電源端子と変圧部の組み合わせの種類により、負荷回路１０に供給される電力は異なる。このため、電源システム１は、負荷回路１０での消費電流の変化に合わせて電力を供給できる。

なお、変圧部選択部８は、変圧部６、７の出力を選択して負荷回路１０への出力としてもよい。あるいは、変圧部選択部８は、変圧部６、７のいずれかのみを動作状態にして、残りを非動作状態にしてもよい。後者の場合には、変圧部選択部８からの制御信号が各変圧部のイネーブル端子に入力することで、動作と非動作が切り替えられる。

また、電源端子選択部５と変圧部選択部８と制御部９は、第１図に示されるように、別個に設けられてもよく、その全てあるいは一部が同一回路や同一装置で構成されてもよい。また、電源端子選択部５、制御部９、変圧部選択部８、変圧部６、７の全て、もしくは一部がＩＣやＬＳＩなどの集積回路で構成されてもよい。集積回路で構成された場合には、電源システム１はより小型化、薄型化される。

また、電源端子選択部５はセレクタやマルチプレクサで構成されてもよく、トランジスタスイッチで構成されてもよい。

次に、電源システム１の動作について説明する。第６図に示されている電源システム１に基づいて説明する。

電力供給源２に設けられた電源端子３は、電源端子４よりも高い出力電圧を有している。変圧部としてスイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１が設けられ、それぞれの消費電流に対する効率特性は第８図に示されるとおりである。なお、シリーズレギュレータ２１がリニアレギュレータ２２となった場合でも同じである。

制御部９は、負荷回路１０での消費電流の情報を受けとる。例えば、制御部９は、負荷回路１０での電流計測の結果を受けとる。制御部９は、負荷回路１０での消費電流の情報を基に、電源端子選択部５と変圧部選択部８での選択に関する選択制御信号を生成する。

具体的には、消費電流が非常に小さい期間では、制御部９は、出力電圧の低い電源端子４と、消費電流の小さい期間に効率特性のよいシリーズレギュレータ２１（リニアレギュレータ２２）を選択する選択制御信号を生成する。この選択処理により、負荷回路１０やスイッチングレギュレータ２０などでの不要な消費電力が削減される。

次に、負荷回路１０での消費電流が上昇した場合、制御部９は、出力電圧の高い電源端子３とシリーズレギュレータ２１（リニアレギュレータ２２）を選択する選択制御信号を生成する。更に消費電流が増加した場合には、制御部９は、電源端子３とスイッチングレギュレータ２０を選択する選択制御信号を生成する。この選択処理により、消費電流が増加した負荷回路１０に対して十分な電力を供給でき、負荷回路１０は、誤り無く動作する。

以上のように、出力電圧の異なる複数の電源端子と効率特性の異なる複数の変圧部が、負荷回路１０の消費電流に応じて、適宜組み合わされることで、電源システム１での不要な消費電力が削減され、電子機器の動作時間が長くなる。更に、負荷回路１０は誤り無く動作する。

結果として、電子機器のユーザビリティと信頼性が向上する。

（実施の形態２）
実施の形態２における電源システム１について、第９図と第１０図を用いて説明する。実施の形態２では、制御部９が負荷回路１０での消費電流を測定した上で、選択制御を実行する電源システム１について説明する。

第９図は、本発明の実施の形態２における電源システムのブロック図、第１０図は、本発明の実施の形態２におけるスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの効率特性図である。

なお、スイッチングレギュレータ２０は、変圧部の一例として示されており、スイッチングレギュレータ２０のみでなく、第１０図に示されるような消費電流の変化により効率が変化する効率特性を有する他の変圧部や降圧型変圧部であってもよい。同様に、シリーズレギュレータ２１も変圧部の一例として示されており、第１０図に示されるように消費電流の変化に無関係に一定の効率特性を有する他の変圧部や降圧型変圧部であってもよい。また、シリーズレギュレータ２１の代わりにリニアレギュレータ２２が用いられてもよい。

また、これら以外の効率特性を有する別の変圧部や降圧型変圧部が用いられてもよく、変圧部が３以上であってもよい。更に、第９図では電源端子が２つ設けられた構成が示されているが、３以上設けられてもよい。

第９図に示される電源システム１では、制御部９が消費電流計測部３０を有しており、消費電流計測部３０での計測結果に応じて、電源端子選択部５と変圧部選択部８での選択が決定される。

消費電流計測部３０は、負荷回路１０に流れる消費電流を計測する。負荷回路１０に接続される線路に抵抗３１が設けられ、抵抗３１の入力端と出力端に接続された素子３２により、抵抗３１に流れる電流が計測される。この抵抗３１に流れる電流値が、負荷回路１０での消費電流の値に対応する。これにより、消費電流計測部３０で負荷回路１０における消費電流が計測される。

計測された電流値の結果は、選択決定部３３に出力される。選択決定部３３は、入力された消費電流の計測結果に基づき、電源端子部５と変圧部選択部８に対して選択制御信号を出力する。このとき、計測結果と任意に定められた所定の閾値との比較結果に対応して、電源端子と変圧部の組み合わせが決定される。なお、選択決定部３３は、選択制御信号の生成と出力の機能を有するブロックであり、独立したブロックであってもよく、制御部９に包含されていてもよい。

次に、消費電流計測部３０での計測結果に基づいた選択処理について、第１０図を用いて説明する。ここで、閾値として第一の電流値と第二の電流値が定められている。第二の電流値は、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１との効率曲線の交点付近に設けられ、第一の電流値は第二の電流値より低い電流値を持つ位置に設けられる。

まず、消費電流計測部３０で計測された消費電流の値が第一の電流値未満の場合は、負荷回路１０が必要とする電力は小さい。このため、出力電圧の低い電源端子４が選択される。第一の電流値未満では、スイッチングレギュレータ２０よりも、シリーズレギュレータ２１の効率特性が高いので、シリーズレギュレータ２１が選択される。

この選択処理により、電源システム１での不要な消費電力が削減される。

次に、消費電流計測部３０で計測された消費電流の値が、第一の電流値以上で第二の電流値未満の場合は、負荷回路１０が必要とする電力は中程度である。このため、出力電圧の高い電源端子３が選択される。同様に、第一の電流値以上第二の電流値未満の領域では、スイッチングレギュレータ２０よりシリーズレギュレータ２１の効率特性が高いので、シリーズレギュレータ２１（もしくはリニアレギュレータ２２）が選択される。

この選択処理により、負荷回路１０の消費電流値に応じた電力が供給される。

更に負荷回路１０での消費電流が増加し、消費電流計測部３０での計測結果が第二の電流値以上である場合には、負荷回路１０が必要とする電力は高い。このため出力電圧の高い電源端子３が選択される。同様に、第二の電流値以上で効率特性の高いスイッチングレギュレータ２０が選択される。

この選択処理により、負荷回路１０に対して十分な電力が供給される。このため、消費電流の増加に伴う電圧降下が防止され、負荷回路１０は、誤り無く動作する。

以上の様に、制御部９が負荷回路１０での消費電流を計測する消費電流計測部３０が備えられることで、電源システム１での不要な消費電力が削減され、電子機器の動作時間が延長される。更に、消費電流の増加により生じていた電圧降下による負荷回路１０の誤動作も防止される。すなわち、動作時間の確保と電子機器の動作信頼性の向上が両立される。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における電源システムについて、第１１図から第１３図を用いて説明する。

実施の形態３における電源システムは、電力を供給する負荷回路の動作内容に応じて、電源端子と変圧部の組み合わせを制御して適切な電力供給を行い、動作時間の確保と動作の信頼性の両立を実現する。

第１１図は、本発明の実施の形態３における電源システムのブロック図である。なお、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１が変圧部の例として示されているが、これら以外の変圧部でもよく、効率特性の相違する複数の変圧部が設けられればよい。シリーズレギュレータ２１はリニアレギュレータ２２に置き換えられてもよい。

なお、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１は、第８図に示される効率特性を有する。すなわち、スイッチングレギュレータ２０は、消費電流の増加に伴って効率が増加し、一定の消費電流以上では効率の増加が飽和する効率特性を有する。一方、シリーズレギュレータ２１は、消費電流にかかわらず一定の効率を保つ効率特性を有する。また、電源端子３の出力電圧は電源端子４の出力電圧よりも高い。

なお、電源端子と変圧部は第２図に示されるように３個以上設けられてもよい。

第１１図の電源システム１では、制御部９は、負荷回路１０での動作種類を認識する動作認識部４０を備えている。動作認識部４０は、負荷回路１０で実行される動作の種類に関する情報を受けて、動作の種類を識別する。負荷回路１０では種々の動作が実行されるが、異なる動作が実行される際には、動作開始の開始信号や割り込み信号が、負荷回路１０の動作処理を制御するプロセッサに出力される。動作認識部４０は、これらの開始信号や割り込み信号を監視して負荷回路１０での動作の種類を認識する。

次いで、動作認識部４０は、認識された動作種類に応じて必要となる電力を判断する。選択決定部３３は、動作認識部４０の判断結果に基づいて、電源端子と変圧部の組み合わせを決定し、組み合わせ情報を含む選択制御信号を、電源端子選択部５と変圧部選択部８に出力する。

例えば、電子機器がノートブックパソコンであり、負荷回路１０で行われる主な動作が、「キーボードからのキー入力」、「文字列の編集」、「動画の再生」の３種類であるとする。このとき、「キーボードからのキー入力」はその処理に必要となる電力は小さい。「文字列の編集」に必要となる電力は、「キーボードからのキー入力」よりも大きいが、「動画の再生」よりも小さく、「動画の再生」に必要となる電力がもっとも大きい。

ここで、「キーボードからのキー入力」の動作が開始された場合には、キー入力を通知する信号が発生する。動作認識部４０は、この信号の監視により、「キーボードからのキー入力」の動作状態を認識する。このとき、「キーボードからのキー入力」の動作に必要な電力は小さい。このため、動作認識部４０は、選択決定部３３に対して、電源端子４とシリーズレギュレータ２１との選択の組み合わせを指示する。出力電圧の低い電源端子４と、消費電流の小さい領域で効率特性の高いシリーズレギュレータ２１が組み合わされた電力供給路により、電源システム１での不要な消費電力が削減される。

次に、「文字列の編集」の動作が開始される場合には、編集ソフトの起動割り込み信号が発生する。動作認識部４０は、この割り込み信号を監視して「文字列の編集」の動作開始を認識する。ここで、「文字列の編集」に必要な電力は中程度であるので、動作認識部４０は、選択決定部３３に対して電源端子４とシリーズレギュレータ２１との組み合わせを指示する。この指示を受けて、選択決定部３３は、電源端子選択部５に対して電源端子３を選択する選択制御信号を出力し、変圧部選択部８に対してシリーズレギュレータ２１を選択する選択制御信号を出力する。

次に、「動画の再生」の動作が開始される場合には、外部要求に係る信号が発生するため、動作認識部４０はこの要求信号を監視して、「動画の再生」の動作開始を認識する。「動画の再生」の動作は、もっとも高い電力を必要とするため、動作認識部４０は、電源端子３とスイッチングレギュレータ２０との組み合わせを、選択決定部３３に指示する。この指示に基づき、選択決定部３３は、電源端子選択部５に対して電源端子３を選択する選択制御信号を出力し、変圧部選択部８に対してスイッチングレギュレータ２０を選択する選択制御信号を出力する。この制御により、電力供給源２から負荷回路１０に対して電源端子３とスイッチングレギュレータ２１とが接続された電力供給路が形成される。この電力供給路により、高い電力を必要とする「動画の再生動作」に対する、十分な電力供給が可能となる。結果として、消費電流増加に起因する電圧降下による負荷回路１０の誤動作も防止される。

次に、第１２図を用いて別の構成を有する電源システムについて説明する。

第１２図は、本発明の実施の形態３における電源システムのブロック図である。第１２図では、第１１図の構成に加えて、負荷回路１０に対して動作要求を行う動作入力部４２〜４４と、動作認識部内部４０に入力受付部４１が設けられた構成が示されている。

負荷回路１０に含まれる動作回路４５への動作要求は、外部からの要求やプログラムからの要求により行われる。例えば、外部からのキー入力による要求や、内部プログラムの割り込み要求などがある。動作入力部４２〜４４は、これらの要求に従い動作回路４５への動作要求を実行する。

例えば、動作入力部４２は、外部からのキー入力に従い動作回路４５へ動作要求を行う。動作入力部４３は、プログラムからの割り込みに従い動作回路４５へ動作要求を行う。動作入力部４４は、エラー発生信号に従い動作回路４５へ動作要求を行う。これらの動作要求により動作回路４５が必要とする電力は、それぞれの動作によって相違する。

入力受付部４１は、動作入力部４２〜４４が出力する要求信号を動作回路４５と共に受け付けて、動作回路４５で必要となる電力を判別する。例えば、動作入力部４２の要求により動作する場合には必要電力が小さく、動作入力部４４の要求により動作する場合には必要電力が大きい。これらの必要電力を、動作入力部４２〜４４からの信号で判断する。

選択決定部３３は、電源端子と変圧部の組み合わせを決定し、決定した結果を選択制御信号として、電源端子選択部５と変圧部選択部８に出力する。

この選択処理により、電源システム１は、負荷回路１０に必要な電力を無駄なく供給でき、電源システム１での不要な消費電力が削減される。また、負荷回路１０に、十分な電力が供給されることで、負荷回路１０は、誤り無く動作する。

なお、電源端子３、４の選択とスイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１の選択処理は、第１１図において説明された処理と同様である。また、スイッチングレギュレータ２０とシリーズレギュレータ２１は変圧部の一例として示されており、これら以外であってもよい。シリーズレギュレータ２１は、リニアレギュレータ２２でもよい。また、第２図に示されるように、３以上の電源端子や変圧部が設けられてもよい。

次に、第１３図を用いて別の構成を有する電源システムについて説明する。第１３図は本発明の実施の形態３における電子機器のブロック図である。第１３図においては、電源システムが電子機器に搭載されて、一体となった構成が示されている。制御部９は、負荷回路１０と一体に構成されている。

第１３図に示される電源システム１は、外部プログラムや内部プログラムなどからの動作入力により、制御部９が動作種類を認識した上で、動作種類に対応する電力供給を実現する電源端子と変圧部の組み合わせを選択する。

負荷回路１０は、外部からの動作要求を受け付けるキーボードインターフェース５１、通信インターフェース５２、表示インターフェース５３、及びこれら全体を制御するプロセッサ５０、ならびに制御部９と専用回路５８を含んでいる。これら以外にも必要に応じて、負荷回路１０は、バスインターフェースやメモリコントローラなどを含む。

キーボード５４、無線部５５、表示部５６は、それぞれ外部からの動作要求を行うブロックである。キーボードインターフェース５１は、キーボード５４からの動作要求を受け付ける。通信インターフェース５２は、無線部５５からの動作要求を受け付ける。表示インターフェース５３は、表示部５６からの動作要求を受け付ける。

これらの動作要求を受け付けたキーボードインターフェース５１は、その受付信号を制御部９に出力する。制御部９は、この受付信号により、負荷回路１０で実行される動作内容を認識する。次いで、制御部９は動作内容の認識により、必要な電力を判断して、電源端子と変圧部の最適な選択を決定する。

必要な電力が低いと判断された場合は、出力電圧の低い電源端子４とシリーズレギュレータ２１が選択される。この選択により、電源システム１での不要な消費電力が削減される。

必要な電力が中程度と判断された場合は、出力電圧の高い電源端子３とシリーズレギュレータ２１が選択される。この選択により、電圧降下の無い適切な電力供給が実現される。

必要な電力が高いと判断された場合は、電源端子３とスイッチングレギュレータ２０が選択される。この選択により、電圧降下の無い電力供給が行われ、負荷回路１０での誤動作が防止される。

以上のように、外部入力に対応するインターフェースが出力する要求信号や割り込み信号を基に、最適な電力供給路が選択されることで、電子機器の動作時間が延長され、電子機器の動作信頼性も高まる。

なお、第１３図に示される外部入力やインターフェースのみでなく、音声出力やデータ記録などの様々な動作要求を基に、電力供給が制御されることも好適である。また、より多数の電源端子や変圧部が備えられることで、電力供給路の数が増加する。この結果、動作種類の個数のそれぞれに対応した電力供給が実現される。但し、電源システム１の回路規模とのバランスが考慮される必要がある。

このように負荷回路１０での動作の種類の認識に基づいて、負荷回路１０で必要となる電力が容易に推定される。また、この推定された電力に対応する電力供給路が、適切に形成される。

この動作の種類を基に供給する電力を切り替える電源システムでは、動作の種類から必要電力を推定する処理があらかじめ設定されておいてもよく、プログラマブルに設定されてもよい。また、制御部９が、必要電力と電力供給路の関係を示すテーブルを有しておくことも好適である。このテーブルに基づいて、電力供給路が容易に決定される。また、テーブルは、事後的に書き換え可能としておくことも好適である。

次に、実施の形態１から実施の形態３で説明された電源システム１が、電子機器に適用される場合について説明する。

ここで、電子機器としては携帯端末やノートブックパソコンなどが好適に含まれる。

第１４図は、本発明の実施の形態３における携帯端末の正面図であり、第１５図は、本発明の実施の形態３におけるノートブックパソコンの斜視図である。

第１４図に示される携帯端末６０は、携帯電話やＰＤＡなどの携帯端末である。携帯端末６０は、その携帯性を確保するために、バッテリを含む電源システム１を内蔵している。携帯端末６０は、キー入力の処理や通話動作、メール動作、コンテンツのダウンロード、静止画や動画の再生表示などの機能を有している。これらの動作のそれぞれは、異なる電力を必要とする。このため、計測された消費電流や、認識された動作種類の情報に基づいて、必要となる電力が判断される。この判断された必要電力を供給する電力供給路が、複数の電源端子と複数の変圧部の組み合わせにより形成される。

同様に、第１５図に示されるノートブックパソコン６１は、電源システム１を内蔵している。ノートブックパソコン６１は、文字列の編集、音声や画像の再生、インターネット接続などの機能を有している。これらの機能は異なる電力を必要とする。このため、計測された消費電流や、認識された動作種類の情報に基づいて、必要となる電力が判断される。この判断された必要電力を供給する電力供給路が、複数の電源端子と複数の変圧部の組み合わせにより形成される。

以上の電源システム１を内蔵した携帯端末６０やノートブックパソコン６１などの電子機器は、その動作時間を長くでき、動作信頼性も高めることができる。

以上のように、本発明の実施の形態３における電源システムは、電子機器での動作種類の認識を基に、最適な電力供給を実現する。この最適な電力供給により、電源システム１での不要な消費電力が削減され、電圧降下を起因とする誤動作が防止される。結果として、電子機器の動作時間の延長と信頼性の向上が両立される。

なお、燃料電池は、消費電流の増加に伴う電圧降下を起こしやすいが、本発明の電源システムにより、この電圧降下にも対応できる。このため、燃料電池を用いる電子機器にとっても、最適な電源システムが構築される。

本発明は、例えば携帯端末やノートブックパソコンなどの電子機器に内蔵される電源システムであって、電子機器の動作時間の延長と動作信頼性を向上する電源システムの分野等において好適に利用できる。

本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図 本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図 （ａ）本発明の実施の形態１における電力供給源２の内部ブロック図、（ｂ）本発明の実施の形態１における電力供給源２の内部ブロック図 本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図 本発明の実施の形態１における第１降圧型変圧部１６と第２降圧型変圧部１７の効率特性図 本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図 本発明の実施の形態１における電源システムのブロック図 本発明の実施の形態１におけるスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの効率特性図 本発明の実施の形態２における電源システムのブロック図 本発明の実施の形態２におけるスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータの効率特性図 本発明の実施の形態３における電源システムのブロック図 本発明の実施の形態３における電源システムのブロック図 本発明の実施の形態３における電子機器のブロック図 本発明の実施の形態３における携帯端末の正面図 本発明の実施の形態３におけるノートブックパソコンの斜視図 従来の技術における電源システムのブロック図 従来の技術における電源システムのブロック図

Claims (8)

1. 負荷回路に電力を供給する電源システムであって、
   出力電圧の異なる複数の電源端子を有し、前記複数の電源端子を介して電力を供給する電力供給源と、
   前記複数の電源端子のいずれかを選択する電源端子選択部と、
   前記電源端子選択部に接続されて、電圧を変圧し、消費電力に依存する第１の効率特性を有する第１の降圧型変圧部と、消費電力に依存しない第２の効率特性を有する第２の降圧型変圧部とを有する複数の変圧部と、
   前記複数の変圧部のいずれかを選択する変圧部選択部と、
   前記電源端子選択部と前記変圧部選択部での選択処理を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記負荷回路の消費電流を計測する消費電流計測部を有し、前記消費電流計測部により計測された計測結果を参照して、前記第１の効率特性と前記第２の効率特性のうち、前記計測結果に、より適合する効率特性を選び、前記第１の降圧型変圧部と前記第２の降圧型変圧部のうち、選ばれた効率特性を有する降圧型変圧部を選択することにより、前記電源端子選択部と前記変圧部選択部とに、前記複数の電源端子と前記複数の変圧部との最適な組み合わせを選択させる電源システム。
2. 負荷回路に電力を供給する電源システムであって、
   出力電圧の異なる複数の電源端子を有し、前記複数の電源端子を介して電力を供給する電力供給源と、
   前記複数の電源端子のいずれかを選択する電源端子選択部と、
   前記電源端子選択部に接続されて、電圧を変圧し、消費電力に依存する第１の効率特性を有する第１の降圧型変圧部と、消費電力に依存しない第２の効率特性を有する第２の降圧型変圧部とを有する複数の変圧部と、
   前記複数の変圧部のいずれかを選択する変圧部選択部と、
   前記電源端子選択部と前記変圧部選択部での選択処理を制御する制御部とを備え、
   前記動作認識部は、動作入力を受け付ける入力受付部を有し、前記動作認識部は、前記入力受付部からのキー入力信号と、割り込み信号と、外部要求に係る信号とを監視し、監視された信号が、前記キー入力信号、前記割り込み信号及び前記外部要求信号のいずれであるかにより、前記制御部は、前記電源端子選択部と前記変圧部選択部の選択処理を制御する電源システム。
3. 前記電力供給源は、充電可能な二次電源を含む請求項１または２記載の電源システム。
4. 前記電力供給源は、燃料電池を含む請求項１または２記載の電源システム。
5. 前記電力供給源は、直列接続された複数の内部電源セルを含み、前記複数の電源端子は前記複数の内部電源セルの異なる接続点に接続されている請求項１または２記載の電源システム。
6. 前記複数の内部電源セルの内、高電圧側に接続される内部電源セルのサイズが、低電圧側に接続される内部電源セルのサイズよりも小さい請求項５記載の電源システム。
7. 前記第１の降圧型変圧部はスイッチングレギュレータであり、前記第２の降圧型変圧部はシリーズレギュレータである請求項１または２記載の電源システム。
8. 負荷回路に電力を供給する電源システムであって、
   出力電圧の異なる第一電源端子と第二電源端子を有し、前記第一電源及び前記第二電源を介して電力を供給する電力供給源と、
   前記第一電源端子と前記第二電源端子のいずれかを選択する電源端子選択部と、
   前記電源端子選択部に接続されるスイッチングレギュレータとシリーズレギュレータと、
   前記スイッチングレギュレータと前記シリーズレギュレータの一方を選択する変圧部選択部を備え、前記第一電源端子の出力電圧は前記第二電源端子の出力電圧よりも高く、
   前記電源端子選択部と、前記変圧部選択部の選択処理を制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、前記負荷回路の消費電流を計測する消費電流計測部を有し、前記消費電流計測部での計測結果が第一の電流値未満では、前記第二電源端子と前記シリーズレギュレータを選択する制御信号を出力し、前記計測結果が第一の電流値以上かつ第二の電流値未満では、前記第一電源端子と前記シリーズレギュレータを選択する制御信号を出力し、前記第二の電流値以上では、前記第一電源端子と前記スイッチングレギュレータを選択する制御信号を出力する電源システム。

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