JP5139012B2 - 電源管理回路および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、２つの電圧を比較する電圧比較回路に関する。

近年の携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型パーソナルコンピュータなどのさまざまな電子機器には、デジタル信号処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、あるいは、液晶パネル、その他のアナログ、デジタル回路など、多くの電子回路が搭載される。電源として電池が搭載される電池駆動型の電子機器においては、機器内部の各電子回路は、電池からの電池電圧によって動作する。

電子機器には、ＡＣアダプタやＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポートなどの外部電源からの電源供給を受け、電池の残量が少なくても、あるいは電池が装着されていなくても動作可能なものがある。この場合、外部電源からの電圧と、電池からの電圧のいずれによって電子機器を動作させるかを制御するための電源管理回路（パワーマネージメントＩＣ）が設けられる。電池がリチウムイオン電池などの二次電池の場合、電源管理回路には、外部電源からの電圧によって電池を充電する機能が設けられる。電源管理回路は、外部電源からの電圧と電池電圧を比較し、その比較結果に応じていずれの電圧を負荷に供給するかを制御する。

特開平９−２１９９３５号公報 特開平３−４９４１８号公報 特開昭６１−８６７７号公報

外部電源からの電圧と電池電圧を比較する電圧比較回路について考察する。一般的なコンパレータは、電源電圧付近にヘッドルーム（無効電圧領域）が存在し、正確な電圧比較が行えない。したがって、電圧比較回路自体の電源を外部電源または電池電圧のいずれかから供給する場合、外部電源の電圧と電池電圧をコンパレータで直接比較することは難しい。もし、外部電源の電圧と電池電圧の電圧レベルを低下させるために、抵抗分圧を利用する場合、抵抗値のばらつきによって電圧比較の判定条件や精度が悪化するという問題がある。なおこのような問題は電源管理回路に限らず、一般的な電圧比較回路にも発生する。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安定した電圧比較が可能な電圧比較回路の提供にある。

本発明のある態様は、第１電圧と第２電圧を比較する電圧比較回路に関する。この電圧比較回路は、第１電圧と固定電圧の間に直列に設けられた抵抗および定電流源と、一方の入力端子に第２電圧を、他方の入力端子に抵抗と定電流源の接続点の電圧を受けるコンパレータと、を備える。

抵抗には定電流源により生成される電流に比例した電圧降下ΔＶが発生する。したがってコンパレータの他方の入力端子には、第１電圧Ｖ１を電圧降下ΔＶ分だけシフトした電圧Ｖ１−ΔＶ（またはＶ１＋ΔＶ）が入力される。したがってコンパレータは電圧（ΔＶ１−ΔＶ）と第２電圧Ｖ２を比較することにより安定した電圧比較が実現できる。

コンパレータの電源電圧を、第１電圧としてもよい。

コンパレータは反転入力端子に抵抗と定電流源の接続点の電圧を受け、非反転入力端子に第２電圧を受けてもよい。

本発明の別の態様は、電源管理回路である。この電源管理回路は、外部電源が接続される第１端子と、電池が接続されるの第２端子と、第１端子に印加された外部電源からの電圧と電池からの電池電圧の一方を第１電圧として、他方を第２電圧として、電圧比較を行う上述の電圧比較回路と、外部電源からの電圧と、電池からの電池電圧のいずれかを、電圧比較回路の出力信号にもとづいて選択する選択回路と、選択回路により選択された電圧を、外部の負荷回路へと出力する出力端子と、を備える。

電圧比較回路は、外部電源からの電圧を第１電圧として、電池からの電池電圧を第２電圧として受け、コンパレータは外部電源からの電圧を電源として受け、その反転入力端子に電池からの電池電圧を、その非反転入力端子に抵抗と定電流源の接続点の電圧を受けてもよい。

電源管理回路は、外部電源からの電圧を利用して電池を充電する充電制御部をさらに備えてもよい。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、電池と、外部電源が着脱可能なアダプタ端子と、上述の電源管理回路と、電源管理回路の出力端子に接続される負荷回路と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、２つの電圧を高精度で比較できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

また本明細書において、電圧信号、電流信号、あるいは抵抗に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは抵抗値を表すものとする。

図１は、実施の形態に係る電源管理回路１００を備える電子機器２００の構成を示す回路図である。電子機器２００は、たとえば携帯電話端末や、ＰＤＡ、ノート型ＰＣなどの電池駆動型の情報端末機器である。電子機器２００は、電源管理回路１００、電池１１０、アダプタ端子１１４、負荷１１２を備える。

電池１１０は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの２次電池であり電池電圧Ｖｂａｔを出力する。アダプタ端子１１４は、外部電源２１０が着脱可能な端子であり、外部電源２１０からの電圧（以下、外部電圧という）Ｖｅｘｔを受ける。電源管理回路１００は、外部電圧Ｖｅｘｔおよび電池電圧Ｖｂａｔを受け、いずれかを選択して負荷１１２に供給するとともに、外部電圧Ｖｅｘｔを利用して電池１１０を充電する。負荷１１２は、図示しない電源回路や、ＤＳＰ、液晶パネルをはじめ、その他のアナログ回路、デジタル回路を含む。

電源管理回路１００は、電圧比較回路１０、選択回路２０、充電制御部３０を備え、半導体基板上に機能ＩＣとして集積化される。電源管理回路１００はアダプタ端子１０２に外部電圧Ｖｅｘｔを、電池端子１０４に電池電圧Ｖｂａｔを受ける。電圧比較回路１０は、外部電圧Ｖｅｘｔと電池電圧Ｖｂａｔを比較し、比較結果を示す制御信号Ｓ１を選択回路２０へと出力する。選択回路２０は電圧比較回路１０による比較結果、すなわち制御信号Ｓ１にもとづいて、外部電圧Ｖｅｘｔと電池電圧Ｖｂａｔのいずれかを選択し、出力端子１０６を介して負荷１１２へと出力する。充電制御部３０は外部電圧Ｖｅｘｔを用いて電池１１０を充電する。

選択回路２０は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、ＮＯＴゲート２２を含む。第１スイッチＳＷ１は出力端子１０６アダプタ端子１０２の間に設けられ、第２スイッチＳＷ２は出力端子１０６と電池端子１０４の間に設けられる。第１スイッチＳＷ１には制御信号Ｓ１が、第２スイッチＳＷ２にはＮＯＴゲート２２により反転された制御信号Ｓ１が入力されている。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２はハイレベルが入力されるとオン状態となる。すなわち選択回路２０は、制御信号Ｓ１がハイレベルのとき第１スイッチＳＷ１がオンとなって外部電圧Ｖｅｘｔを選択し、制御信号Ｓ１がローレベルのとき第２スイッチＳＷ２がオンとなって電池電圧Ｖｂａｔを選択する。選択回路２０の構成は特に限定されず、一般的なマルチプレクサを用いてもよい。

電圧比較回路１０は、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、出力端子Ｐ３、定電流源１２、コンパレータ１４、抵抗Ｒ１、プルダウン抵抗Ｒ２を備え、第１端子Ｐ１に入力された第１電圧Ｖ１と、第２端子Ｐ２に入力された第２電圧Ｖ２を比較する。第１端子Ｐ１には外部電圧Ｖｅｘｔが、第２端子Ｐ２には電池電圧Ｖｂａｔが入力されている。つまり、図１においてＶ１＝Ｖｅｘｔ、Ｖ２＝Ｖｂａｔである。

抵抗Ｒ１および定電流源１２は、第１電圧Ｖ１が印加される第１端子Ｐ１と固定電圧（接地電圧）が印加される接地端子間に直列に設けられる。定電流源１２は、所定の定電流Ｉｃ１を生成し、抵抗Ｒ１に流す。その結果、抵抗Ｒ１には、電圧降下ΔＶ（＝Ｉｃ１×Ｒ１）が発生する。抵抗Ｒ１の抵抗値および定電流Ｉｃ１の値は、電圧降下ΔＶが０．１Ｖ程度となるように設定する。

コンパレータ１４は、一方の入力端子（反転入力端子）に第２電圧Ｖ２を受ける。また、他方の入力端子（非反転入力端子）に抵抗Ｒ１と定電流源１２の接続点の電圧Ｖ３を受ける。接続点の電圧Ｖ３は、
Ｖ３＝Ｖ１−ΔＶ＝Ｖ１−Ｒ１×Ｉｃ１
で与えられる。

実施の形態では、コンパレータ１４の電源を、第１電圧Ｖ１としている。コンパレータ１４の出力はプルダウン抵抗Ｒ２によってプルダウンされている。

以上のように構成された電源管理回路１００の動作を説明する。以下、電源管理回路１００の動作を、
（１）アダプタ端子１１４に外部電源２１０が接続され、外部電圧Ｖｅｘｔが供給された状態
（２）アダプタ端子１１４に外部電源２１０が接続されない状態
の２つに分けて説明する。

（１）アダプタ端子１１４に外部電源２１０が接続された状態
電圧比較回路１０のコンパレータ１４には、電源電圧が供給され、電圧比較が可能な状態となる。コンパレータ１４から出力される制御信号Ｓ１は、Ｖ１−ΔＶ＞Ｖ２のときハイレベル、Ｖ１−ΔＶ＜Ｖ２のときローレベルとなる。言い換えれば、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２の差電圧（Ｖ１−Ｖ２）が、ΔＶより大きいか小さいかが判定される。

たとえば、外部電圧Ｖｅｘｔが定格の５Ｖであり、電池電圧Ｖｂａｔが３．２Ｖ〜４．２Ｖ程度で変動する場合、制御信号Ｓ１はハイレベルとなって外部電圧Ｖｅｘｔが負荷１１２に供給される。反対に外部電源２１０から供給される外部電圧Ｖｅｘｔが４Ｖ程度まで低下した場合、制御信号Ｓ１はローレベルとなり、電池電圧Ｖｂａｔが負荷１１２に供給される。

（２）アダプタ端子１１４に外部電源２１０が接続されない状態
この場合、コンパレータ１４に電源電圧が供給されないため、電圧比較は行われず、コンパレータ１４の出力はローレベルとなる。仮にコンパレータ１４の出力がオープンとなっても、プルダウン抵抗Ｒ２によって制御信号Ｓ１がローレベルにプルダウンされ、第２スイッチＳＷ２がオンして電池電圧Ｖｂａｔが負荷１１２へと供給される。

電圧比較回路１０の効果は、以下の考察によってさらに明らかとなる。
いま図１の電圧比較回路１０を用いずに、第１電圧Ｖ１、第２電圧Ｖ２を抵抗分圧して電圧比較を行う場合を考える。第１電圧Ｖ１をα倍、第２電圧Ｖ２をβ倍して比較する場合、Ｖ１×αと、Ｖ２×βが比較される。つまり、コンパレータの出力は、Ｖ１×α＞Ｖ２×βのときハイレベル、Ｖ１×α＜Ｖ２×βのときローレベルとなる。もし、分圧抵抗のばらつきによって、αやβの値が変化すると、判定条件が変わってしまう。

これに対して、実施の形態に係る電圧比較回路１０は、第１電圧Ｖ１をΔＶだけシフトした電圧と、第２電圧Ｖ２とを比較するため、抵抗Ｒ１の抵抗値や定電流Ｉｃ１が変動しても、ΔＶは必ず０以上の値をとることから、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２の比較条件（大小関係）は保たれるため、判定条件が変わることはない。

また、コンパレータ１４の電源電圧としてレベルシフトされる第１電圧Ｖ１を利用し、さらに、コンパレータ１４の出力に着目すると、Ｖ１−ΔＶ＞Ｖ２のときの論理値が、電源電圧が供給されずにコンパレータ１４が動作不能であるときの論理値と一致するように、第１電圧Ｖ１をレベルシフトした電圧Ｖ３を反転入力端子に、第２電圧Ｖ２を非反転入力端子に入力した。
その結果、外部電源２１０が接続されない場合に、コンパレータ１４を動作させることなく選択回路２０を制御できるため、回路の消費電力を低減することができる。

ある観点からみれば、実施の形態において第１電圧Ｖ１である外部電圧Ｖｅｘｔは、第２電圧Ｖ２である電池電圧Ｖｂａｔよりも通常高いことが想定される電圧である。つまり電圧レベルが高いと想定される第１電圧Ｖ１をコンパレータ１４の電源電圧として利用するとともに、第１電圧Ｖ１をレベルシフトして第２電圧Ｖ２と比較することにより、コンパレータ１４の電源電圧に近いヘッドルームの利用を回避できるため、正確な電圧比較が可能となる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、第１電圧Ｖ１のみをシフトする場合を説明したが、第２電圧Ｖ２を第１電圧Ｖ１と同様にレベルシフトしてもよい。

また実施の形態では電圧比較回路１０を電源管理回路１００に用いる場合を説明したが、その他の電圧比較処理に利用してもよい。電圧比較処理によっては、第１電圧Ｖ１をシフトした電圧Ｖ３を非反転入力端子に入力し、第２電圧Ｖ２を反転入力端子に入力してもよい。また各信号の論理レベルの設定は一例であり、適宜反転して回路構成を変更してもよい。実施の形態では接地電圧（０Ｖ）を基準とする回路について説明したが、負電源を基準とする回路に適用してもよい。

実施の形態に係る電源管理回路を備える電子機器の構成を示す回路図である。

符号の説明

１００…電源管理回路、１０２…アダプタ端子、１０４…電池端子、１０６…出力端子、１０…電圧比較回路、１２…定電流源、１４…コンパレータ、Ｒ１…抵抗、Ｒ２…プルダウン抵抗、Ｐ１…第１端子、Ｐ２…第２端子、Ｐ３…出力端子、２０…選択回路、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、２２…ＮＯＴゲート、３０…充電制御部、１１０…電池、１１２…負荷、１１４…アダプタ端子、２００…電子機器、２１０…外部電源、Ｖ１…第１電圧、Ｖ２…第２電圧、Ｖｅｘｔ…外部電圧、Ｖｂａｔ…電池電圧。

Claims (6)

1. 外部電源が接続される第１端子と、
   電池が接続される第２端子と、
   前記第１端子に印加された前記外部電源からの電圧である第１電圧と、前記電池からの電池電圧である第２電圧を比較する電圧比較回路と、
   前記外部電源からの電圧と、前記電池からの電池電圧のいずれかを、前記電圧比較回路の出力信号にもとづいて選択する選択回路と、
   を備え、
   前記電圧比較回路は、
   前記第１電圧と固定電圧の間に順に直列に設けられた抵抗および定電流源と、
   その電源端子に前記第１電圧が供給され、一方の入力端子に前記第２電圧を、他方の入力端子に前記抵抗と前記定電流源の接続点の電圧を受けるコンパレータと、
   を含み、
   前記抵抗と前記定電流源の接続点の電圧は、前記第１電圧を、前記抵抗の抵抗値と前記定電流源の電流値にもとづいた電位差分、低電位側にレベルシフトした電圧であることを特徴とする電源管理回路。
2. 前記コンパレータは、反転入力端子に前記抵抗と前記定電流源の接続点の電圧を受け、非反転入力端子に前記第２電圧を受けることを特徴とする請求項１に記載の電源管理回路。
3. 前記選択回路により選択された電圧を外部へと出力する出力端子をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電源管理回路。
4. 前記外部電源からの電圧を利用して前記電池を充電する充電制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電源管理回路。
5. 前記電圧比較回路は、前記コンパレータの出力をプルダウンするプルダウン抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電源管理回路。
6. 電池と、
   外部電源が着脱可能なアダプタ端子と、
   請求項１から５のいずれかに記載の電源管理回路と、
   前記電源管理回路の出力端子に接続される負荷回路と、
   を備えることを特徴とする電子機器。

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