JP5548238B2 - ２つのユニットで構成された電力システムおよび充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、携帯式電子機器と機能拡張装置のような２つのユニットを結合するコネクタの電力端子の数を削減する技術に関し、さらには一方のユニットが搭載する電池で他方のユニットが搭載する電池を充電する技術に関する。

携帯式電子機器には、ノートブック型パーソナル・コンピュータ（ノートＰＣ）、タブレット端末、およびスマートフォンなどが存在する。ノートＰＣはすべての作業に適応できる高度な機能を備えており、マウスおよびキーボードなどを入力デバイスとして多量のデータを入力する作業に適しているが、タブレット端末に比べて消費電力が大きかったりサイズおよび重量の点で持ち運びに不便であったりする。

これに対してタブレット端末やスマートフォンはノートＰＣに比べて機能が簡素化されているが、タッチスクリーンを通じてインターネット・サイトや動画を閲覧したり、アプリケーションを実行したりする用途には便利である。したがってユーザは用途に応じてノートＰＣとタブレット端末を使い分けている。このような状況下で本発明の出願人は非特許文献１に示すように、タブレット端末とノートＰＣを１つのシステムとして統合したIdeaPad U1 Hybrid （IdeaPadは登録商標）という名称のハイブリッド型ＰＣを発表している。

ハイブリッド型ＰＣは、ディスプレイ部がノートＰＣの本体に対して着脱できるように構成されている。ディスプレイ部は本体から分離した単体の状態ではタブレット端末として機能し、本体に装着されたときは本体と共にノートＰＣとして機能する。以下、ハイブリッド型ＰＣにおけるディスプレイ部をタブレット・ユニットといい、キーボードやディスプレイ支持部を含むその他の部分をベース・ユニットということにする。

特許文献１は、それぞれがプロセッサを備える２つのコンピュータ・システムで構成されたハイブリッド・コンピュータを開示する。一方のシステムは、高度な機能のハードウェアおよびソフトウェアを備えており消費電力が大きいが、他方のシステムはその逆になるように構成されている。特許文献２は、ノートＰＣと機能拡張装置が結合された状態でのＡＣ／ＤＣアダプタの出力電力を定格電力未満にする技術を開示する。同文献は、機能拡張装置に接続されたＡＣ／ＤＣアダプタからノートＰＣのシステム負荷、ノートＰＣの充電器、機能拡張装置のシステム負荷、および機能拡張装置の充電器に電力を供給することを記載している。特許文献３は、ノートＰＣに装着されたサブバッテリィでメイン・バッテリィを充電する技術を開示する。

米国特許出願公開第２０１０／００８８５３１号明細書 特開２００９−３０１２８１号公報 特開２０１０−１０４１２５号公報

レノボ、"２つの脳を持つハイブリッド式ノートＰＣを発表"、［online］、２０１０年１月７日、［２０１２年４月１２日検索］、インターネット〈URL:http://www.computerworld.jp/topics/600/UMPC%EF%BC%8F%E3%83%8D%E3%83%83%E3%83%88%E3%83%96%E3%83%83%E3%82%AF/171429/%E3%83%AC%E3%83%8E%E3%83%9C%E3%80%81%E2%80%9C2%E3%81%A4%E3%81%AE%E8%84%B3%E2%80%9D%E3%82%92%E6%8C%81%E3%81%A4%E3%83%8F%E3%82%A4%E3%83%96%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83%89%E5%BC%8F%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%88PC%E3%82%92%E7%99%BA%E8%A1%A8/index/rss〉

ハイブリッド型ＰＣでは、タブレット・ユニットとベース・ユニットに搭載するデバイスにさまざまな形態がある。図１０は、従来のハイブリッド型ＰＣの電力系統の構成を示す機能ブロック図である。タブレット・ユニット１０は、システム・デバイス１３および電池ユニット１７を搭載し、ベース・ユニット２０は電池ユニット２７を搭載するがシステム・デバイスを搭載しない。

タブレット・ユニット１０をベース・ユニット２０に結合して、コネクタ１９とコネクタ２９を接続したときの電力の供給経路は以下のとおりである。まず、ベース・ユニット２０の電源ジャック２１にＡＣ／ＤＣアダプタ２２を接続したときは、ＡＣ／ＤＣアダプタ２２は電力経路３１でタブレット・ユニット１０のシステム・デバイス１３に電力を供給し、さらに、充電器１５に電力を供給して電池ユニット１７を充電する。

またＡＣ／ＤＣアダプタ２２は、電力経路３２で充電器２５に電力を供給して電池ユニット２７を充電する。つぎに移動先で使用するために、ＡＣ／ＤＣアダプタ２２が電源ジャック２１からはずれたときは、電池ユニット２７が電力経路３３でシステム・デバイス１３に電力を供給する。また、電池ユニット２７の残容量がなくなったときは電池ユニット１７が電力経路３５でシステム・デバイス１３に電力を供給する。このようにベース・ユニット２０はタブレット・ユニット１０に対して、電池ユニット２７からは電力ライン２２を利用しＡＣ／ＤＣアダプタ２２からは電力ライン２４を利用して電力を供給している。

図１１は、従来の他のハイブリッド型ＰＣの電力系統の構成を示す機能ブロック図である。タブレット・ユニット５０は、システム・デバイス５３および電池ユニット５７、５８を搭載し、ベース・ユニット６０はシステム・デバイス６３を搭載するが電池ユニットを収納しない。タブレット・ユニット５０とベース・ユニット６０を結合してコネクタ５９とコネクタ６９を接続したときの電力の供給経路は以下のとおりである。

ベース・ユニット６０の電源ジャック６１にＡＣ／ＤＣアダプタ６２を接続したときは、ＡＣ／ＤＣアダプタ６２が電力経路７１でタブレット・ユニット５０のシステム・デバイス５３に電力を供給し、さらに、充電器５５に電力を供給して電池ユニット５７、５８を充電する。またＡＣ／ＤＣアダプタ６２は、電力経路７２でシステム・デバイス６３に電力を供給する。つぎにＡＣ／ＤＣアダプタ６２が電源ジャック６１からはずれたときは、電池ユニット５７、５８が電力経路７３、７４でシステム・デバイス５３に電力を供給し、さらに電力経路７５でシステム・デバイス６３に電力を供給する。

ここで、ベース・ユニットに電池ユニットとシステム・デバイスを搭載する新しいハイブリッド型ＰＣを開発しようとすればその電力系統は、図１０のベース・ユニット２０にシステム・デバイスを追加したり、図１１のベース・ユニット６０に電池ユニットを追加したりすることが考えられる。ベース・ユニットのシステム・デバイスはコネクタを経由してタブレット・ユニットのシステム・デバイスと接続する必要がある。新しいハイブリッド型ＰＣに図１０、図１１の電力系統を採用する場合には、ベース・ユニットのコネクタに、電池ユニットの電力ライン、ＡＣ／ＤＣアダプタの電力ライン、およびシステム・デバイスの信号ラインが接続され端子数が増大して実装が困難になるという問題が生じてくる。

さらにハイブリッド型ＰＣでは、ベース・ユニットとタブレット・ユニットを結合した状態で持ち運び、ＡＣ／ＤＣアダプタを使用できない移動先でタブレット・ユニットだけを使用することがある。この場合、タブレット・ユニットの電池ユニットが放電すると、タブレット・ユニットは使用できなくなる。しかし、ベース・ユニットの電池ユニットに電気量が残っている場合にその電気量をタブレット・ユニットで利用できれば都合がよいが、図１０の電力系統では、ベース・ユニット２０の電池ユニット２７からタブレット・ユニット１０の充電器１５に電力を供給する電力経路が存在しない。

そこで本発明の目的は、相互に結合および分離が可能な第１のユニットと第２のユニットで構成される電力システムにおいて、両者を接続するコネクタの端子数を削減することにある。さらに、本発明の目的は、そのような電力システムにおいて、第２のユニットが搭載する電池ユニットで第１のユニットが搭載する電池ユニットを充電できるようにすることにある。さらに本発明の目的は第２のユニットが搭載する電池の電気量を第１のユニットのアベイラビリティを高めるために有効に活用することにある。さらに本発明の目的は、そのような電力システムにおいて電力を供給する方法を提供することにある。さらに本発明の目的はそのような電力システムを搭載した電子機器を提供することにある。

電力システムは、相互の結合および分離が可能な第１のユニットと第２のユニットで構成される。第１のユニットと第２のユニットは、結合状態で持ち運んで使用される電子機器を構成するようにしてもよい。また、分離状態で第１のユニットがタブレット端末装置を構成し、結合状態で第１のユニットが表示装置として機能するノートブック型コンピュータを構成するようにしてもよい。あるいは、第１のユニットがノートブック型コンピュータで、第２のユニットが機能拡張装置となるように構成してもよい。

第１のユニットは第１のシステム・デバイスと、電力端子を含む第１のコネクタとを有する。第２のユニットは、電力端子を含み第１のユニットと結合したときに第１のコネクタに接続する第２のコネクタと、電力端子を通じて第１のシステム・デバイスに電力を供給することが可能な第２の電池と、電力端子を通じて外部電源の電力を第１のシステム・デバイスに供給することが可能な外部電源回路とを有する。

外部電源回路は、第１のユニットおよび第２のユニットの外部に存在する直流または交流の電力源から電力の供給を受ける回路とすることができる。一例では外部電源回路にＡＣ／ＤＣアダプタが接続される。このような構成によれが、第１のシステム・デバイスには、第２の電池または外部電源回路から共通の電力端子を通じて電力の供給をすることができるため、独立した別々の電力ラインで電力を供給していた従来の方式に比べて第１のコネクタと第２のコネクタの端子数を減らすことができる。

一例では、第１のユニットは、第１のシステム・デバイスに電力を供給することが可能な第１の電池を有する。そして外部電源回路が共通の電力端子を通じて第１の電池に充電電力を供給するように構成することができる。第２の電池は共通の電力端子を通じて第１の電池に充電電力を供給するように構成することができる。このような構成によれば、第２の電池の電気量を有効に利用して第１のユニットの電池駆動によるアベイラビリティを高めることができる。

一例では第２のユニットが第２のシステム・デバイスを有する。そして第２の電池が第１のシステム・デバイスおよび第２のシステム・デバイスに電力を供給している間に第２の電池の出力電圧が所定値よりも低下したときに第１の電池が第１のシステム・デバイスおよび第２のシステム・デバイスに電力を供給するように構成することができる。

第２の電池の出力電圧は第１の電池の出力電圧よりも常に高くなるように維持することができる。第１のコネクタと第２のコネクタが、第１のシステム・デバイスと第２のシステム・デバイスを相互に接続する信号端子を備えるようにしてもよい。第１のユニットが分離状態で第１のシステム・デバイスに電力を供給しさらに第１の電池に充電電力を供給する外部電源回路を有するようにしてもよい。

本発明により、相互の結合および分離が可能な第１のユニットと第２のユニットで構成される電力システムにおいて、両者を接続するコネクタの端子数を削減することができた。さらに、本発明により、そのような電力システムにおいて、第２のユニットが搭載する電池ユニットで第１のユニットが搭載する電池ユニットを充電できるようにすることができた。さらに本発明により、第２のユニットが搭載する電池の電気量を第１のユニットのアベイラビリティを高めるために有効に活用することができた。さらに本発明により、そのような電力システムにおいて電力を供給する方法を提供することができた。さらに本発明により、そのような電力システムを搭載した電子機器を提供することができた。

ハイブリッド型ＰＣ１００の外形を示す斜視図である。 タブレット型ＰＣ１００の電力系統を示す機能ブロック図である。 結合状態におけるＡＣ／ＤＣアダプタ２５２からの給電経路を説明する図である。 結合状態においてＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されたときのベース・ユニット１１０とタブレット・ユニット１２０の動作を説明するフローチャートである。 ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が充電するときの電池ユニット１６５、２６５の電圧プロファイルの一例を示す図である。 結合状態における電池ユニット２６５からの給電経路を説明する図である。 結合状態における電池ユニット１６５からの給電経路を説明する図である。 結合状態においてＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されないときのベース・ユニット１１０とタブレット・ユニット１２０の動作を説明するフローチャートである。 電池ユニット１６５、２６５が放電するときの電圧プロファイルの一例を示す図である。 従来のハイブリッド型ＰＣの電力系統の構成を示す機能ブロック図である。 従来の他のハイブリッド型ＰＣの電力系統の構成を示す機能ブロック図である。

図１は、ハイブリッド型ＰＣ１００の外形を示す斜視図である。ハイブリッド型ＰＣ１００は、相互に物理的な分離および結合が可能な筐体で形成されたタブレット・ユニット１２０とベース・ユニット１１０で構成されている。図１（Ａ）は、タブレット・ユニット１２０とベース・ユニット１１０が結合して構成するタブレット型ＰＣ１００を示し、図１（Ｂ）は分離したときのベース・ユニット１１０を示し、図１（Ｃ）は分離したときのタブレット・ユニット１２０を示す。以後適宜、図１（Ａ）の状態を結合状態といい、図１（Ｂ）、（Ｃ）の状態を分離状態ということにする。

タブレット・ユニット１２０は、筐体の表面にディスプレイとタッチ・センサで構成されたタッチスクリーン１０５を備え、筐体の内部には分離状態でタブレット端末として機能するシステム・デバイスを搭載する。ベース・ユニット１１０は、ヒンジ１１１で相互に結合されたシステム筐体１０１と支持部材１０３で構成されている。タブレット・ユニット１２０はイジェクト・スイッチ１１３を操作してユーザが支持部材１０３に対して着脱することができる。

システム筐体１０１は上面に入力デバイスとなるキーボード１０７およびタッチパッド１０９、図示しないＵＳＢ、外部ディスプレイおよびイーサネット（登録商標）などの外部コネクタ、ＡＣ／ＤＣアダプタを接続する電源ジャックが設けられている。システム筐体１０１の表面に取り付けられているこれらのデバイスを表面デバイスということにする。システム筐体１０１は内部にシステム・デバイスを搭載する。

一例では、タブレット・ユニット１２０には消費電力が小さくて簡素な機能のプロセッサを含むシステム・デバイスを搭載し、システム筐体１０１には、消費電力が大きくて高度な機能のプロセッサを含むシステム・デバイスを搭載することができる。そして、結合状態では常にシステム筐体１０１に搭載するシステム・デバイスを使用したり、負荷の大きさに応じて自動的にタブレット・ユニット１２０のシステム・デバイスとシステム筐体１０１のシステム・デバイスを切り換えて使用したりするように構成することができる。

システム・デバイスの他の例では、タブレット・ユニット１２０にＣＰＵ、メイン・メモリ、チップセット、無線モジュールおよびＳＳＤなどを搭載し、システム筐体１０１にはＣＰＵおよびメイン・メモリを搭載しないで、タブレット・ユニット１２０の機能を補完する周辺装置である表面デバイスとそれらのコントローラおよびＨＤＤ、ＯＤＤなどのディスク・ドライブを搭載することができる。さらに他の例では、システム筐体１０１には表面デバイスだけを搭載し、システム・デバイスはすべてタブレット・ユニット１２０に搭載することができる。なお本発明の適用にあたって、タブレット・ユニット１２０とシステム筐体１０１に搭載するシステム・デバイスの態様はここで例示して説明した範囲に限定するものではない。

図２は、タブレット型ＰＣ１００の電力系統を示す機能ブロック図である。最初にタブレット・ユニット１２０について説明する。電源ジャック１５１とシステム・デバイス１６１の間には、ＦＥＴ１５３、１５５および電流センス抵抗１５７が直列に接続されている。電流センス抵抗１５７とＦＥＴ１５５の接続部は、電力ライン１７７およびＦＥＴ１７３を経由してコネクタ１７５の電力端子に接続されている。電流センス抵抗１５７とシステム・デバイス１６１の接続部と電池ユニット１６５の間には、ＦＥＴ１６７、１６９、１７１が直列に接続されている。

電流センス抵抗１５７とシステム・デバイス１６１の接続部はさらに充電器１６３の入力に接続されている。充電器１６３の出力は、ＦＥＴ１６９とＦＥＴ１７１の接続部に接続されている。システム・デバイス１６１は、信号ライン１７９でコネクタ１７５の信号端子に接続されている。なお図２において、ＭＰＵ１５９、２５９と他のデバイスとの接続は記載を省略している。

電源ジャック１５１は、分離状態のときにＡＣ／ＤＣアダプタ１５２を接続することができる。電源ジャック１５１は、結合状態のときには、ベース・ユニット１１０に隠れてＡＣ／ＤＣアダプタ１５２を接続できない位置に配置されている。ＡＣ／ＤＣアダプタ１５２は、商用電源から受け取った電力をシステム・デバイス１６１に供給し、さらに充電器１６３に供給して電池ユニット１６５を充電する。

システム・デバイス１６１は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、メイン・メモリ、チップセット、無線モジュールおよびＳＳＤなどで構成されている。充電器１６３は、同期整流方式でスイッチング動作をするＦＥＴ、平滑回路を構成するリアクトルおよびコンデンサ、出力電圧および出力電流を計測するセンス抵抗などで構成されている。充電器１６３は、定電流定電圧制御（ＣＣＣＶ）方式で動作し、自ら測定した出力電流または出力電圧を設定された充電パラメータに一致させるように動作して電池ユニット１６５を充電する。

電池ユニット１６５は、直列に３個接続されたリチウム・イオン電池セル、保護回路、およびＭＰＵなどで構成されている。タブレット・ユニット１２０に対して電池ユニット１６５は内部電源となり、ベース・ユニット１１０およびＡＣ／ＤＣアダプタ１５２は外部電源となる。電池ユニット１６５は外部電源が停止したときに、システム・デバイス１６１、２６１に電力を供給する。

ＭＰＵ１５９は、タブレット・ユニット１２０の電力および温度などを、システム・デバイス１６１から独立した環境でファームウェアを実行して監視および制御する。ＭＰＵ１５９は、タブレット・ユニット１２０とベース・ユニット１１０の結合状態、電池ユニット１６５の残容量、ＡＣ／ＤＣアダプタ１５２の接続状態などを監視してＦＥＴ１５３、１５５、１６７、１６９、１７１、１７３の動作を制御する。

ＭＰＵ１５９は、時間帯やネットワークを通じて行われる管理者からの指示によりＡＣ／ＤＣアダプタ１５２による電力供給を停止して商用電源のピーク・シフトをする際にＦＥＴ１５３をオフにする。ＭＰＵ１５９は、システム・デバイス１６１に電池ユニット１６５またはベース・ユニット１１０から電力を供給する際にＦＥＴ１５５をオフにして、ＡＣ／ＤＣアダプタ１５２に電圧が印加されないようにする。

ＭＰＵ１５９はＡＣ／ＤＣアダプタ１５２の出力電力を定格容量以内に抑えるために、電流センス抵抗１５７の両端の電圧を測定してシステム・デバイス１６１と充電器１６３の合計の消費電力を計算し、必要に応じてタブレット・ユニット１２０を省電力モードに遷移させる。ＭＰＵ１５９は、電力ライン１７７が接続されるコネクタ１７５の電力端子の電圧、機械的なスイッチ、またはＭＰＵ２５９との通信などにより分離状態か結合状態かを判断する。ＭＰＵ１５９は分離状態であると判断したときはＦＥＴ１７３をオフにし、結合状態であると判断したときはオンにする。

ＭＰＵ１５９は通信用のバスで電池ユニット１６５に接続されている。ＭＰＵ１５９は、電池ユニット１６５から受け取った充電パラメータを充電器１６３に設定したり充電状態を監視したりして、電池ユニット１６５の充電を制御する。ＭＰＵ１５９は、充電器１６３が定電流動作するときの充電パラメータを変更することで充電電力を制御することができる。ＭＰＵ１５９は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１５２の電力またはベース・ユニット１１０の電力で電池ユニット１６５を充電する際にＦＥＴ１７１をオフにする。ＭＰＵ１５９は、結合状態のときに電池ユニット２６５からシステム・デバイス１６１に電力を供給する際に、ＦＥＴ１６７、１６９をオフにして電池間の循環電流を抑制する。

コネクタ１７５は、同一の規格の複数の端子で構成されている。端子には信号ライン１７９が接続される複数の信号端子および電力ライン１７７が接続される複数の電力端子が割り当てられている。電力端子は電流容量の不足を補うために一例として、電力ライン１７７の最大電流が３Ａのときに、端子１個の定格容量を１Ａとし安全のために実際に流す電流を５０％まで低減すると、２本の電力ライン１７７に対する端子の数が２本×（３Ａ／０．５Ａ）で１２個となる。

つぎに、ベース・ユニット１１０について説明する。電源ジャック２５１とシステム・デバイス２６１の間には、ＦＥＴ２５３、２５５および電流センス抵抗２５７が直列に接続されている。ＦＥＴ２５５と電流センス抵抗２５７の接続部は、充電器２６３の入力および電力ライン２７７とＦＥＴ２７３を経由してコネクタ２７５の電力端子に接続されている。電池ユニット２６５と、ＦＥＴ２７３と電流センス抵抗２５７の接続部にはＦＥＴ２６７、２６９、２７１が直列に接続されている。充電器２６３の出力は、ＦＥＴ２６９とＦＥＴ２７１の接続部に接続されている。システム・デバイス２６１は、信号ライン２７９でコネクタ２７５の信号端子に接続されている。

電源ジャック２５１は、分離状態および結合状態のいずれの場合もＡＣ／ＤＣアダプタ２５２を接続することができる。結合状態では、タブレット型ＰＣ１００にとってＡＣ／ＤＣアダプタ２５２だけが外部電源になって、ベース・ユニット１１０のシステム・デバイス２６１、充電器２６３、およびタブレット・ユニット１２０のシステム・デバイス１６１、充電器１６３に電力を供給する。

システム・デバイス２６１は、前述のとおりさまざまな構成にすることができる。一例としてベース・ユニット１１０は分離状態では機能しないように構成することができる。その場合、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２はシステム・デバイス２６１に電力を供給しないで、充電器２６３にだけ電力を供給する。あるいはベース・ユニット１１０に外部ディスプレイを接続してシステム・デバイス２６１が分離状態でも機能するようにしてもよい。この場合は、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２は分離状態でもシステム・デバイス２６１と電池ユニット２６５に電力を供給する。

充電器２６３は、充電器１６３と同じ構成で電池ユニット２６５を充電する。電池ユニット２６５は、直列に接続された４個のリチウム・イオン電池セル、保護回路、およびＭＰＵなどで構成されている。ベース・ユニット１１０に対して電池ユニット２６５は内部電源となり、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２および電池ユニット１６５は外部電源となる。この例では、電池ユニット２６５の出力電圧が電池ユニット１６５の出力電圧よりも１セル分だけ高くなっている。電池ユニット２６５は充電器１６３、システム・デバイス１６１、２６１に電力を供給する。

ＭＰＵ２５９は、ベース・ユニット１１０の電力および温度などを、システム・デバイス２６１から独立した環境でファームウェアを実行して監視および制御する。ＭＰＵ２５９は、ＭＰＵ１５９と通信することができる。ＭＰＵ２５９は、タブレット・ユニット１２０とベース・ユニット１１０の結合状態、電池ユニット２６５の残容量、およびＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の接続状態などを監視してＦＥＴ２５３、２５５、２６７、２６９、２７１、２７３の動作を制御する。ＭＰＵ２５９は、電力ライン２７７が接続されるコネクタ２７５の電力端子の電圧、機械的なスイッチ、またはＭＰＵ１５９との通信などにより分離状態か結合状態かを判断する。ＭＰＵ２５９は分離状態であると判断したときはＦＥＴ２７３をオフにし、結合状態であると判断したときはオンにする。

ＭＰＵ２５９は、商用電源のピーク・シフトをする際にＦＥＴ２５３をオフにする。ＭＰＵ２５９は、システム・デバイス２６１に電池ユニット１６５または電池ユニット２６５から電力を供給する際にＦＥＴ２５５をオフにしてＡＣ／ＤＣアダプタ２５２に電圧が印加されないようにする。ＭＰＵ２５９は電流センス抵抗２５７の両端の電圧を測定し、さらにＭＰＵ１５９から受け取ったシステム・デバイス１６１の消費電力と電池ユニット１６５の充電電力の情報に基づいてベース・ユニット１１０の動作モードを制御し、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の出力電力を定格容量以内に抑える。

ＭＰＵ２５９は通信用のバスで電池ユニット２６５に接続され、残容量を取得してＭＰＵ１５９に通知したり、充電パラメータを取得して充電器２６３に設定したりする。ＭＰＵ２５９は、電池ユニット２６５から受け取った充電パラメータを充電器２６３に設定したり充電状態を監視したりして、電池ユニット２６５の充電を制御する。ＭＰＵ１５９は、充電器２６３が定電流動作するときの充電パラメータを変更することで充電電力を制御することができる。

ＭＰＵ２５９は、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２で電池ユニット２６５を充電する際にＦＥＴ２７１をオフにする。ＭＰＵ２５９は、結合状態のときに電池ユニット１６５からシステム・デバイス２６１に電力を供給する際に、ＦＥＴ２６７、２６９をオフにして電池間の循環電流を抑制する。コネクタ２７５はコネクタ１７５に対応する複数の電力端子と信号端子を備え、結合状態でコネクタ１７５に接続される。コネクタ１７５、２７５に設けることができる端子の数は、タブレット・ユニット１２０の物理的な大きさにより制約を受ける。信号ライン１７９、２７９の信号線の数が増えるとコネクタ１７５、２７５の端子が不足してくる場合があり、システム・デバイス２６１の構成に影響を与える。

図３は、結合状態におけるＡＣ／ＤＣアダプタ２５２からの給電経路を説明する図で、図４は、結合状態においてＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されたときのベース・ユニット１１０とタブレット・ユニット１２０の動作を説明するフローチャートである。ブロック５０１では、分離状態で電源ジャック１５１、２５１にはＡＣ／ＤＣアダプタ１５２、２５２が接続されていない。

ベース・ユニット１１０のＦＥＴ２５３、２６７、２６９、２７１がオンし、ＦＥＴ２５５、２７３がオフして電池ユニット２６５はシステム・デバイス２６１に電力を供給している。また、タブレット・ユニット１２０のＦＥＴ１５３、１６７、１６９、１７１がオンし、ＦＥＴ１５５、１７３がオフして電池ユニット１６５がシステム・デバイス１６１に電力を供給している。つづいて、ユーザはタブレット・ユニット１２０をベース・ユニット１１０に装着する。

ブロック５０３で、ＭＰＵ１５９、２５９はそれぞれ結合状態か分離状態かを判断する。分離状態のときはブロック５２１でそれぞれが分離状態での動作を継続し、結合状態のときはブロック５０５に移行する。ブロック５０５でＭＰＵ２５９はＦＥＴ２７３をオンにしてタブレット・ユニット１２０へ給電できる状態に移行する。さらにＭＰＵ２５９は電源ジャック２５１の電圧を検出してＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されたか否かを判断する。

ＭＰＵ１５９は、コネクタ１７５の電力端子の電圧で外部電源としてのベース・ユニット１１０が接続されたか否かを判断する。ＭＰＵ１５９、２５９が外部電源の接続を検出しないときは、図８のブロック６０３に移行し、検出したときはブロック５０９に移行する。ブロック５０９でＭＰＵ２５９はＦＥＴ２５５をオンにし、ＭＰＵ１５９はＦＥＴ１７３をオンにする。ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２は、図３の電力経路３０１でシステム・デバイス２６１に電力を供給し、電力経路３０５でシステム・デバイス１６１に電力を供給する。

ここで、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の定格容量とシステム・デバイス１６１、２６１の消費電力および電池ユニット１６５、２６５の充電電力の関係および充電の順序を説明する。ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の定格容量は過大にならないように、システム・デバイス１６１、２６１および電池ユニット１６５、２６５のそれぞれの最大消費電力の合計よりも小さく、システム・デバイス１６１とシステム・デバイス２６１のそれぞれの最大消費電力の合計よりも大きくなるように選定している。

ＭＰＵ２５９は結合状態のときに、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の定格容量とシステム・デバイス１６１、２６１の合計の消費電力の差の電力を電池ユニット１６５、２６５の充電電力に充当する。さらに、ＭＰＵ２５９は分離状態になったときにタブレット・ユニット１２０が電池ユニット１６５で動作するときのアベイラビリティを高めるために、電池ユニット１６５の充電を電池ユニット２６５の充電よりも優先させる。

ブロック５１１でＭＰＵ１５９は、電池ユニット１６５を充電する必要があるか否かを判断する。充電の必要がないときはブロック５１５に移行し、充電の必要があるときはブロック５１３でＭＰＵ１５９は、ＦＥＴ１７１をオフにし充電器１６３に充電パラメータを設定して、図３の電力経路３０７で充電電力を供給して電池ユニット１６５を充電する。このときＭＰＵ１５９は、ＭＰＵ２５９から受け取ったＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の定格容量およびシステム・デバイス２６１の消費電力と電流センス抵抗１５７の電圧を検出して測定したシステム・デバイス１６１の消費電力に基づいて、充電パラメータを設定する。充電が終了するとＭＰＵ１５９は、充電器１６３の動作を停止してＦＥＴ１７１をオンにする。

ブロック５１５でＭＰＵ２５９は、電池ユニット２６５の充電が必要か否かを判断する。充電の必要がないときはブロック５０３に戻り、充電の必要があるときはブロック５１７に移行する。ブロック５１７でＭＰＵ１５９は、ＭＰＵ１５９と通信して、システム・デバイス１６１の消費電力および充電器１６３の充電電力を取得し、さらにシステム・デバイス２６１の消費電力を取得して、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の定格電力に電池ユニット２６５を充電する余裕があるか否かを判断する。

システム・デバイス１６１、２６１の消費電力および電池ユニット１６５の充電電力の合計が一定値以上大きい場合は、電池ユニット２６５を充電する余裕がないためブロック５０３に戻る。充電が可能な場合はブロック５１９でＭＰＵ２５９はＦＥＴ２７１をオフにする。さらにＭＰＵ２５９は、許容される充電電力になるように充電器２６３に充電パラメータを設定して電池ユニット２６５を充電しブロック５０３に戻る。ＭＰＵ２５９は充電が終了するとＦＥＴ２７１をオンにする。このとき図３の電力経路３０３で充電電力が供給される。

ＭＰＵ２５９は、定期的にＭＰＵ１５９と通信してＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の余裕を計算し、充電パラメータを変更することができる。電池ユニット１６５の充電電力は、充電が進行するにともなって小さくなる。システム・デバイス１６１、２６１の消費電力の合計が一定だとすれば、ＭＰＵ２５９は時間と共により大きな電流で充電するように充電パラメータを設定することができる。

このときの、電池ユニット１６５、２６５の電圧プロファイルの一例を図５に示す。図５において、電池ユニット２６５は４個の電池セルが直列に接続され、電池ユニット１６５は３個の電池セルが直列に接続されているため、両者の出力電圧には１セル分だけ差がある。電池ユニット２６５、１６５のそれぞれの充放電に関するパラメータは、満充電となって充電を終了する電圧が１６．８Ｖ、１２．６Ｖで、ハイバネーションに遷移する電圧が１３．３Ｖ、９．９Ｖで、シャットダウンする電圧が１０．８Ｖ、８．１Ｖである。

時刻ｔ０で電池ユニット１６５の電圧は、シャットダウン電圧まで低下し、電池ユニット２６５の電圧はハイバネーション電圧まで低下している。時刻ｔ１では、最初に電池ユニット１６５の充電が開始されて電圧が上昇する。このとき、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２は、システム・デバイス１６１、２６１に電力を供給することができる。時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の定格電力に余裕がないため、ＭＰＵ２５９は電池ユニット２６５を充電しない。時刻ｔ２で電池ユニット１６５の充電電力が低下してＡＣ／ＤＣアダプタ２５２の定格電力に余裕がでてくるとＭＰＵ２５９は電池ユニット２６５の充電を開始する。

時刻ｔ３で、電池ユニット１６５の充電が終了しＡＣ／ＤＣアダプタ２５２は電池ユニット１６５に、より大きな充電電力を供給する。その後時刻ｔ４で電池ユニット２６５の充電が終了すると、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２がシステム・デバイス１６１、２６１に電力を供給しながら電池ユニット１６５、２６５は満充電状態を維持する。

つぎに、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されていないときの動作を説明する。図６は、結合状態における電池ユニット２６５からの給電経路を説明する図で、図７は、結合状態における電池ユニット１６５からの給電経路を説明する図で、図８は、結合状態においてＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されないときのベース・ユニット１１０とタブレット・ユニット１２０の動作を説明するフローチャートである。

ブロック６０３でＭＰＵ１５９はコネクタ１７５の電力端子に電圧が印加されたことを検出するとＦＥＴ１７３をオンにする。さらに、ＭＰＵ１５９は、ＭＰＵ２５９と通信してＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されていないことを確認する。ＭＰＵ１５９は、コネクタ１７５の電力端子に、電池ユニット２６５が電圧を印加していると判断すると、ＦＥＴ１６７、１６９をオフにする。

ここで、結合状態でかつＡＣ／ＤＣアダプタ２５２が接続されていないときの給電方法について説明する。この場合タブレット型ＰＣ１００に対する電力源は電池ユニット１６５、２６５だけになる。分離状態でのタブレット・ユニット１２０のアベイラビリティを高めるためには分離するときに電池ユニット１６５にできるだけ多くの電気量を蓄積しておくことが望ましい。したがって、ＭＰＵ１５９、２５９は最初に電池ユニット２６５を放電し、つづいて電池ユニット１６５を放電するようにＦＥＴおよび充電器を制御する。そして、必要に応じて電池ユニット２６５の電力で電池ユニット１６５を充電する。

ブロック６０５では、電池ユニット２６５の出力電圧がハイバネーション電圧に到達するまで、電池ユニット２６５がシステム・デバイス１６１、２６１に図６の電力経路４０１、４０３で電力を供給する。ブロック６０７でＭＰＵ１５９は、電池ユニット１６５から充電要求がある場合に充電器１６３に充電パラメータを設定し、ＦＥＴ１６７、１６９をオンにし、ＦＥＴ１７１をオフにして充電する。このとき図６の電力経路４０５で電池ユニット２６５が電池ユニット１６５に充電電力を供給する。充電が終了するとＭＰＵ１５９は、ＦＥＴ１６７、１６９をオンにする。

ブロック６０９で、ＭＰＵ２５９は電池ユニット２６５の出力電圧を監視して、残容量があるか否かを判断する。残容量がないと判断したときは、ブロック６１１でＦＥＴ２６７、２６９をオフにして電池ユニット２６５の放電を停止する。ブロック６１３でＭＰＵ１５９は電力ライン１７７の電圧を検出してベース・ユニット１１０からの電力供給が停止したことを検出するとＦＥＴ１７１をオンにする。電池ユニット１６５は図７の電力経路４１１、４１３でシステム・デバイス１６１、２６１に電力を供給する。ＦＥＴ２６９がオフになってからＦＥＴ１７１がオンになるまでの間は、ＦＥＴ１７１のボディ・ダイオードで電力を供給するため、システム・デバイス１６１、２６１に対する電圧低下は許容値以内に収まる。

ブロック６１５では、ＭＰＵ１５９は電池ユニット１６５の出力電圧がハイバネーション電圧まで低下するとＭＰＵ１５９はそれをＭＰＵ２５９に通知する。そして、ＭＰＵ１５９、２５９は、システム・デバイス１６１、１６３をハイバネーション状態に遷移させる。タブレット・ユニット１２０およびベース・ユニット１１０がともにハイバネーション状態に遷移すると、ブロック６１７でＭＰＵ１５９はＦＥＴ１６７，１６９をオフにして電池ユニット１６５の放電を停止し、ブロック５０３に戻る。

このときの、電池ユニット１６５、２６５の電圧プロファイルの一例を図９に示す。図９において、電池ユニット１６５、２６５の充放電に関するパラメータは図５と同じである。時刻ｔ０で電池ユニット１６５はほとんど放電して出力電圧がシャットダウン電圧まで低下し、電池ユニット２６５は満充電状態で出力電圧が充電終了電圧まで上昇している。

時刻ｔ１で、電池ユニット２６５がシステム・デバイス１６１、２６１に電力を供給し、さらに電池ユニット１６５を充電する。時刻ｔ２では電池ユニット２６５の出力電圧がハイバネーション電圧まで低下するが、さらに電池ユニット１６５から給電することができるため、タブレット・ユニット１２０およびベース・ユニット１１０はいずれもハイバネーション状態には遷移しない。

時刻ｔ１での電池ユニット１６５の残容量が多かったり、システム・デバイス１６１、２６１の消費電力が少なかったりする場合は、時刻ｔ２の前に電池ユニット１６５は満充電になって出力電圧が充電終了電圧になる。時刻ｔ３では電池ユニット１６５の出力電圧がハイバネーション電圧まで低下し、ＭＰＵ１５９、２５９はそれぞれタブレット・ユニット１２０、ベース・ユニット１１０をハイバネーション状態に遷移させる。時刻ｔ１において、電池ユニット１６５が満充電または残容量が多い状態であれば、充電電力量が少なくなるため時刻ｔ１から時刻ｔ２までの電池ユニット２６５による給電時間は長くなる。

本実施の形態におけるコネクタ１７５、２７５は、図１０のように電池ユニット２７から給電する電力ライン２２とＡＣ／ＤＣアダプタから給電する電力ライン２４を統合することで、一例として電力端子を１２個だけ減らすことができる。したがって、削減分を信号端子として利用できるため、システム・デバイス２６１のさまざまな態様に適応することができるようになる。

また、図３の電力ライン２７７に対して電池ユニット２６５とＡＣ／ＤＣアダプタ２５２を、いわゆるワイヤードＯＲとして接続したため、端子数の削減と同時に電池ユニット２６５による電池ユニット１６５の充電も実現することができた。電池ユニット１６５を電池ユニット２６５で充電することで、ＡＣ／ＤＣアダプタ２５２を接続できない環境で使用するときに、タブレット・ユニット１６５の電池駆動による動作時間を長くすることができる。

たとえば、タブレット・ユニット１２０を使用中に電池ユニット１６５の残容量が低下したときに、ベース・ユニット１１０に装着して充電することで継続して使用することができるようになる。これまでハイブリッドＰＣを例示して本発明の実施形態を説明してきたが、本発明はノートＰＣとその機能を拡張するドッキング・ステーションの組み合わせ、充電器および電池を搭載する電池ユニットとノートＰＣの組み合わせに適用することもできる。また、ノートＰＣに限らずスマートフォンまたはタブレット端末とそれに結合して使用する機能拡張装置の組み合わせに適用することもできる。本実施の形態では充電電力の制御、ＦＥＴの制御およびＡＣ／ＤＣアダプタの出力電力の制御をＭＰＵで実現する例を示したが、本発明は充電器を含むディスクリート回路で同じ制御を実現することもできる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

１００ ハイブリッド型ＰＣ
１１０ ベース・ユニット
１２０ タブレット・ユニット
１７５、２７５ コネクタ
１５１、２５１ 電源ジャック

Claims (20)

1. 相互の結合および分離が可能な第１のユニットと第２のユニットで構成される電力システムであって、
   前記第１のユニットが、
   第１のシステム・デバイスと、
   電力端子を含む第１のコネクタとを有し、
   前記第２のユニットが、
   電力端子を含み前記第１のユニットと結合したときに前記第１のコネクタに接続する第２のコネクタと、
   前記電力端子を通じて前記第１のシステム・デバイスに電力を供給することが可能な第２の電池と、
   前記電力端子を通じて、所定の電圧を出力する外部電源の電力を前記第１のシステム・デバイスに前記所定の電圧で供給することが可能な外部電源回路と
   を有する電力システム。
2. 前記第１のユニットが、
   前記第１のシステム・デバイスに電力を供給することが可能な第１の電池と、
   前記第１の電池を充電する充電器とを有し、
   前記外部電源回路は前記電力端子を通じて前記充電器に前記所定の電圧で充電電力を供給することが可能な請求項１に記載の電力システム。
3. 前記第２の電池は前記電力端子を通じて前記第１のシステム・デバイスと前記充電器に前記第２の電池の出力電圧で電力を供給することが可能な請求項２に記載の電力システム。
4. 前記第２のユニットが前記第２の電池から電力の供給を受けることが可能な第２のシステム・デバイスを有し、
   前記第２の電池が前記第１のシステム・デバイスおよび前記第２のシステム・デバイスに電力を供給している間に前記第２の電池の出力電圧が所定値よりも低下したときに前記第１の電池が前記第１のシステム・デバイスおよび前記第２のシステム・デバイスに電力を供給することが可能な請求項２または請求項３に記載の電力システム。
5. 前記電力システムにおいて、常に前記第２の電池の出力電圧は前記第１の電池の出力電圧よりも高くなるように維持されている請求項４に記載の電力システム。
6. 前記第１のコネクタが信号ラインで前記第１のシステム・デバイスに接続された信号端子を含み、前記第２のコネクタが信号ラインで前記第２のシステム・デバイスに接続された信号端子を含む請求項４または請求項５に記載の電力システム。
7. 前記第１のユニットが分離状態で前記第１のシステム・デバイスに電力を供給しさらに前記第１の電池に充電電力を供給する外部電源回路を有する請求項２から請求項６のいずれかに記載の電力システム。
8. 前記第１のユニットと前記第２のユニットが結合状態で持ち運んで使用される電子機器を構成する請求項１から請求項７のいずれかに記載の電力システム。
9. 分離状態で前記第１のユニットがタブレット端末装置を構成し、結合状態で前記第１のユニットが表示装置として機能するノートブック型コンピュータを構成する請求項１から請求項８のいずれかに記載の電力システム。
10. 前記第１のユニットが、ノートブック型コンピュータで、前記第２のユニットが機能拡張装置である請求項１から請求項９のいずれかに記載の電力システム。
11. 電力端子を備える第１のコネクタと第１のシステム・デバイスを含む第１のユニットと、電力端子を備え前記第１のコネクタに接続が可能な第２のコネクタを含む第２のユニットで構成され、前記第１のユニットと前記第２のユニットの結合および分離が可能な電子機器であって、前記第２のユニットが、
    結合時に前記電力端子を通じて前記第１のシステム・デバイスに電力を供給することが可能な第２の電池と、
    結合時に前記電力端子を通じて、所定の電圧を出力する外部電源の電力を前記第１のシステム・デバイスに前記所定の電圧で供給することが可能な外部電源回路と
    を有する電子機器。
12. 前記第２のユニットが第２のシステム・デバイスを有し、
    前記第１のコネクタが前記第１のシステム・デバイスに接続された信号端子を備え、前記第２のコネクタが前記第２のシステム・デバイスに接続された信号端子を備えている請求項１１に記載の電子機器。
13. 前記第１のユニットが前記第１のシステムに電力を供給することが可能な第１の電池と、
    前記第１の電池を充電する充電器とを有し、
    前記第１のコネクタと前記第２のコネクタが接続されたときに前記第２の電池は前記電力端子を通じて前記第１のシステム・デバイスと前記充電器に前記第２の電池の出力電圧で電力を供給することが可能な請求項１１または請求項１２に記載の電子機器。
14. 前記第２の電池は前記第１の電池よりも直列に接続された電池セルの数が多い請求項１３に記載の電子機器。
15. 前記外部電源回路は、前記第１のシステム・デバイスと前記第２のシステム・デバイスに電力を供給しながら、前記第１の電池を優先して前記第１の電池と前記第２の電池を充電する請求項１３または請求項１４に記載の電子機器。
16. 前記外部電源回路から電力を供給しないときに、前記第２の電池は前記第１のシステム・デバイスと前記第２のシステム・デバイスに電力を供給しながら前記第１の電池を充電し、前記第２の電池の残容量が低下したときに前記第１の電池が前記第１のシステム・デバイスと前記第２のシステム・デバイスに電力を供給する請求項１３から請求項１５のいずれかに記載の電子機器。
17. 電力端子を備える第１のコネクタと第１のシステム・デバイスを含む第１のユニットと、電力端子を備え前記第１のコネクタに接続が可能な第２のコネクタと第２の電池を含む第２のユニットで構成され、前記第１のユニットと前記第２のユニットの分離および結合が可能な電力システムにおいて、電力を供給する方法であって、
    前記第１のユニットと前記第２のユニットを結合して前記第１のコネクタと前記第２のコネクタを接続するステップと、
    前記第２の電池が前記電力端子を通じて前記第１のシステム・デバイスに電力を供給するステップと、
    前記第２のユニットに所定の電圧で電力を供給する外部電源から前記電力端子を通じて前記第１のシステム・デバイスに前記所定の電圧で電力を供給するステップと
    を有する方法。
18. 前記第１のユニットが前記第１のシステム・デバイスに電力を供給することが可能な第１の電池と該第１の電池を充電する充電器を含み、
    前記外部電源が前記電力端子を通じて前記充電器に前記所定の電圧で充電電力を供給しながら前記第１のシステム・デバイスに電力を供給するステップと、
    前記外部電源が電力を供給しないときに、前記第２の電池が前記電力端子を通じて前記第１のシステム・デバイスと前記充電器に前記第２の電池の出力電圧で電力を供給するステップと
    を有する請求項１７に記載の方法。
19. 前記第２の電池の放電が終了したのちに前記第１の電池が前記第１のシステム・デバイスに電力を供給するステップを有する請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２のユニットが第２のシステム・デバイスを有し、
    前記外部電源および前記第２の電池が電力を供給しないときに前記第１の電池が前記電力端子を通じて前記第２のシステム・デバイスに電力を供給するステップを有する請求項１８または請求項１９に記載の方法。
    

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