JP6224505B2

JP6224505B2 - 電源回路、電源システム、および携帯端末装置

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Publication number: JP6224505B2
Application number: JP2014080768A
Authority: JP
Inventors: 龍介川野; 石原　隆子; 隆子石原; 弘小泉; 和彦高河原; 一善小野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: JP2015202012A

Description

本発明は、電源回路、電源システム、および携帯端末装置に関し、例えば微弱なアナログ信号を扱う携帯端末装置に搭載される電源回路に関する。

近年、人体等に身に着けて使用する小型の携帯端末装置（以下、「ウエアラブル機器」と称する。）が増えつつある。ウエアラブル機器としては、例えば内蔵したセンサによって検知した脈拍や体温、血圧等の微弱なバイタル信号を電気信号に変換し、無線によって送信するものが知られている。

このようなウエアラブル機器においては、装置の小型化および軽量化のために、内蔵するバッテリ（電池）を小さくすることが重要である。しかしながら、一般的に、電池を小型化すると電池容量も小さくなってしまい、ウエアラブル機器の駆動時間が短くなる等の問題があった。

そこで、従来は、小型の電池と昇圧回路を組み合わせた電源システムをウエアラブル機器に搭載することが多かった。例えば、非特許文献１には、コイン電池と昇圧回路を組み合わせた電源システムを搭載したウエアラブル機器が開示されている。具体的に、非特許文献１に記載されているような電源システムでは、例えば図７のように、スイッチングレギュレータ等の昇圧回路によって一旦電池電圧を昇圧し、その昇圧した電圧を所望の電圧まで降圧して内部回路に供給することで、少ない電池容量を補っていた。

C. Park, P. H. Chou, Y. Bai, R. Matthews, and A. Hibbs, "An ultra-wearable, wireless, low power ECG monitoring system," in Proc.IEEE Biomedical Circuit System Conf., London, U.K., Nov. 2006, pp.241-244.

しかしながら、スイッチングレギュレータ等から構成される昇圧回路は、チョッパー回路等によってスイッチング動作を行うため、スイッチングのオン・オフ動作に伴って広帯域の信号成分を含むスパイクノイズが発生する。このようなスパイクノイズは、例えば電源ラインを介して電源供給先の回路に伝播するため、特に微弱な電気信号（アナログ信号）を扱うウエアラブル機器にとって誤動作の原因となる。

また、ウエアラブル機器の内部回路は、安定動作が保証される電圧範囲よりも電源電圧が低下した場合、誤動作等により回路動作が不安定になる虞がある。しかしながら、従来の昇圧回路を採用した電源システムは、電池電圧が低下してもその低下分を昇圧回路によって補填して内部回路の電源電圧を一定に保つという思想に基づいて設計されているため、実際に内部回路の電源電圧が低下した場合の対策について十分に考慮されているとは言い難かった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、電源供給先の回路の安定性を損なうことなく、安定した電源供給が可能な電源回路を実現することにある。

本発明に係る電源回路は、電圧が供給される入力端子と、入力電圧を降圧して出力する
リニアレギュレータと、前記入力端子に供給された電圧を監視する監視部と、前記監視部
による監視結果に基づいて、前記入力端子に供給された電圧が基準値よりも低くなったこ
とを検出する検出部と、前記リニアレギュレータに対する前記入力電圧の供給を制御する
制御部とを有し、前記基準値は、第１基準値と前記第１基準値よりも低い第２基準値とを含み、前記検出部は、前記入力端子に供給された電圧が前記第１基準値よりも低くなったら第１検出結果を前記レギュレータの出力電圧が供給される回路に通知するとともに、前記入力端子に供給された電圧が前記第２基準値よりも低くなったら第２検出結果を前記制御部に対して通知し、前記制御部は、前記第２検出結果に基づいて、前記リニアレギュレータに対する前記入力電圧の供給と遮断を制御することを特徴とする。

本発明に係る電源システムは、上記電源回路と、起電力を発生する電力発生装置とを備え、前記電源回路は、前記電力発生装置の出力電圧を前記入力端子に入力することを特徴とする。

上記電源システムにおいて、前記電力発生装置は二次電池を含んで構成されてもよい。

上記電源システムにおいて、前記電力発生装置は、化学エネルギー以外のエネルギーに基づいて電力を発生させる発電部と、前記発電部によって発生した電力を蓄え、蓄えた電力に応じた電圧を出力する蓄電部とを含んで構成されてもよい。

上記電源システムにおいて、前記発電部は、太陽光発電装置、振動発電装置、温度差発電装置、ワイヤレス給電装置、および電気二重層キャパシタのいずれか一つを含んで構成されてもよい。

本発明に係る携帯端末装置は、上記電源システムと、前記リニアレギュレータの出力電圧を電源として動作する内部回路とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、電源供給先の回路の安定性を損なうことなく、安定した電源供給が可能となる。

本発明の実施形態１に係る電源回路を備えた携帯端末装置の構成を示す図である。電力発生装置２の第１の具体例を示す図である。電力発生装置２の第２の具体例を示す図である。本発明の実施形態２に係る電源回路を備えた携帯端末装置の構成を示す図である。検出部２３の第１の具体例を示す図である。検出部２３の第２の具体例を示す図である。従来の電源回路を備えた携帯端末装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

≪実施の形態１≫
図１に、本発明の実施形態１に係る電源回路を備えた携帯端末装置の構成を示す。
携帯端末装置１００は、例えば人体に取り付けられ、生体情報（バイタル信号）を検知
し、外部装置等に無線で送信するウエアラブル機器である。

携帯端末装置１００は、例えば、電力発生装置２と、電源回路１と、内部回路３と、図示されない各種のセンサ等を含んでいる。

上記センサは、例えば携帯端末装置１００を身に着けた人体から各種のバイタル信号を検出し、夫々のバイタル信号を電気信号（アナログ信号）に変換して内部回路３に入力する。上記センサによって検出されるバイタル信号は、例えば、心拍、脈拍、呼吸、血圧、筋電、眼電、心電、皮膚電位、および脳波等である。

内部回路３は、上記センサから入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、必要に応じて各種の信号処理を行い、図示されないアンテナを介して外部装置に送信する。内部回路３は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、信号処理回路、ＭＣＵ等のプログラム処理装置、およびＲＦ回路等を含んで構成される。
なお、アンテナを介した無線通信の規格等に特に制限はない。

電力発生装置２および電源回路１は、携帯端末装置１００内の上記センサや内部回路３等に電源を供給する一つの電源システムを構成している。
先ず、電力発生装置２について説明する。電力発生装置２は、起電力を発生する装置である。図２および図３に、電力発生装置２の具体例を示す。

図２は、電力発生装置２の第１の具体例を示す図である。同図に示されるように、電力発生装置２は、例えば電池２０を含んで構成される。電池２０は、例えば、ボタン型の一次電池（リチウム電池等）や、充電が可能な二次電池（リチウムイオン電池等）等である。なお、電池２０は、一つの電池セルから構成されていてもよいし、複数の電池セルが直列または並列に接続された組電池から構成されていてもよく、電池２０の構造や種類等に特に制限はない。電池２０の電池電圧ＶＢＡＴは、電源回路１の入力端子ＰＩＮに供給される。

図３は、電力発生装置２の第２の具体例を示す図である。同図に示されるように、電力発生装置２は、例えば、発電部２１と蓄電部２０とから構成される。

発電部２１は、化学エネルギー以外の外部エネルギーＥＸ＿ＥＮＧに基づいて電力を発生させる発電装置から構成される。発電部２１を構成する発電装置としては、太陽光発電装置、振動発電装置、および温度差発電装置等のエネルギーハーベスティング技術（環境発電技術）によって発電する装置や、ワイヤレス給電装置、電気二重層キャパシタ等を例示することができる。なお、発電部２１は、上記において例示した発電装置等の少なくとも１つ含んでいればよく、例えば上述した発電装置を複数含んで構成されていてもよい。

蓄電部２０は、発電部２１において発生した電力を蓄え、蓄えた電力に応じた電圧ＶＢＡＴを出力する。蓄電部２０は、例えば、発電部２１の電力に基づいて充電可能にされる二次電池（例えばリチウムイオン電池等）や大容量キャパシタ等を含んで構成される。

次に電源回路１について説明する。
電源回路１は、電力発生装置２から出力される電池電圧ＶＢＡＴに基づいて、内部回路３の電源電圧ＶＣＣを生成する。図１に示されるように、電源回路１は、入力端子ＰＩＮ、リニアレギュレータ１０、制御部１１、監視部１２、および検出部１３等を含んで構成される。

入力端子ＰＩＮは、電力発生装置２の電池電圧ＶＢＡＴを入力する。
リニアレギュレータ１０は、後述する制御部１１を介して入力された電池電圧ＶＢＡＴを降圧し、一定の電圧を生成する安定化電源回路である。リニアレギュレータ１０は、例えば、入出力電位差の小さい低飽和型のリニアレギュレータ（ＬＤＯ：ＬｏｗＤｒｏｐＯｕｔ）である。リニアレギュレータ１０は、例えば４．４Ｖ〜３．５Ｖ程度の電池電圧ＶＢＡＴから３．０Ｖの電源電圧ＶＣＣを生成し、内部回路３に供給する。

監視部１２は、入力端子ＰＩＮに供給された電池電圧ＶＢＡＴを監視し、監視結果ＶＭを出力する。監視部１２は、例えば、抵抗ラダー回路やＡ／Ｄ変換回路等によって実現される。例えば、監視部１２を抵抗ラダー回路によって実現した場合、監視結果ＶＭは、例えば電池電圧ＶＢＡＴを抵抗分圧した電圧となる。一方、監視部１２をＡ／Ｄ変換回路によって実現した場合、監視結果ＶＭは、例えば電池電圧ＶＢＡＴに応じたデジタル値（デジタル信号）となる。

検出部１３は、監視部１２による監視結果ＶＭに基づいて、入力端子ＰＩＮに供給された電池電圧ＶＢＡＴが所定の基準値よりも低くなったことを検出し、検出信号ＤＴを有効にする。

ここで、上記所定の基準値は、例えば内部回路３の安定動作を保証する最低の電源電圧ＶＣＣをリニアレギュレータ１０が生成するために必要な電池電圧ＶＢＡＴの下限値に基づいて決定される。例えば、内部回路３の安定動作を保証する電源電圧ＶＣＣの電圧範囲が“４．０Ｖ〜３．０Ｖ”である場合に、リニアレギュレータ１０が“３．０Ｖ”を生成するのに必要な電池電圧ＶＢＡＴの下限値が“３．４Ｖ”であれば、上記基準値は例えば“３．４Ｖ”となる。これによれば、電池電圧ＶＢＡＴが“３．４Ｖ”よりも低下すると、検出信号ＤＴが有効になる。

検出部１３の具体的な構成は、電池電圧ＶＢＡＴの低下を検出することができる構成であれば、特に制限されない。例えば、検出部１３をアナログ回路で実現する場合には、抵抗ラダー回路から成る監視部１２から出力された監視結果ＶＭ（電池電圧ＶＢＡＴを抵抗分圧した電圧）と、上記基準値に応じた電圧とを比較するアナログコンパレータ回路によって検出部１３を実現すればよい。一方、検出部１３をデジタル回路で実現する場合には、Ａ／Ｄ変換回路から成る監視部１２のＡ／Ｄ変換結果（監視結果）ＶＭと上記基準値に応じたデジタル値との一致を検出するデジタル回路によって検出部１３を実現すればよい。

制御部１１は、検出部１３による検出結果に基づいて、リニアレギュレータ１０に対する電池電圧ＶＢＡＴの供給と遮断を制御する。具体的に、制御部１１は、検出部１３の検出信号ＤＴが無効（ネゲート）にされているときは、入力端子ＰＩＮに供給された電池電圧ＶＢＡＴを入力電圧としてリニアレギュレータ１１に供給し、検出部１３の検出信号ＤＴが有効（アサート）にされたら、リニアレギュレータ１１に対する電池電圧ＶＢＡＴの供給を遮断する。

例えば、制御部１１は、入力端子ＰＩＮとリニアレギュレータ１０の入力端子との間に直列に接続されたトランジスタ（例えば、オン抵抗の小さいＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等）と、検出信号ＤＴに基づいて上記トランジスタのオン・オフを制御する駆動回路とを含んで構成される。

以上の構成を有する電源回路１によれば、内部回路３の電源電圧ＶＣＣは以下のように制御される。例えば、電池２０の充電容量が十分な状態（例えば電池電圧ＶＢＡＴが４．４Ｖ〜３．５Ｖ程度）では、制御部１１がリニアレギュレータ１０に対して電池電圧ＶＢＡＴを供給する。これにより、リニアレギュレータ１０によって一定の電圧（例えば３．０Ｖ）が生成され、電源電圧ＶＣＣとして内部回路３に供給される。その後、電池２０の充電容量が徐々に減少し、電源電圧ＶＢＡＴが上記基準値（例えば３．４Ｖ）より低くなると、検出信号ＤＴが有効にされ、制御部１１はリニアレギュレータ１０に対する電池電圧ＶＢＡＴの供給を遮断する。これにより、内部回路３に対する電源電圧ＶＣＣの供給が停止され、内部回路３は動作を停止する。

以上、実施の形態１に係る電源回路１によれば、内部回路３に供給する電源電圧を生成する回路として、従来のスイッチングレギュレータ等の代わりにリニアレギュレータ１０を用いるので、スイッチング動作に起因するスパイクノイズが発生せず、バイタル信号のような微弱なアナログ信号を扱う内部回路３の誤動作を防止することができる。

また、電源回路１によれば、電池電圧ＶＢＡＴが上記基準値まで低下したら内部回路３に対する電源供給を停止するので、内部回路３に規格値以下の電源電圧が供給されることを防ぐことができる。これにより、規格値以下の電源電圧が内部回路３に供給されることによって引き起こされる内部回路３の誤動作等を防止することができる。

すなわち、本発明に係る電源回路１によれば、電源供給先の回路の安定性を損なうことなく、安定した電源供給が可能となる。特に、ウエアラブル機器等のような微弱なアナログ信号を扱う回路を搭載したシステムの電源回路として有効である。

≪実施の形態２≫
図４に、実施の形態２に係る電源回路を備えた携帯端末装置の構成を示す。同図に示される電源回路４は、電池電圧ＶＢＡＴが所定の基準値よりも低下したことの検出結果を制御部１１のみならず内部回路３にも通知する点において、実施の形態１に係る電源回路１と相違し、その他の点は電源回路１と同様である。なお、電源回路４において、電源回路１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

携帯端末装置１０１において、電源回路３は、実施の形態１に係る電源回路１の検出部１３の代わりに検出部２３を備える。

検出部２３は、監視部１２による監視結果ＶＭに基づいて、電池電圧ＶＢＡＴが所定の基準値よりも低下したことを検出するとともに、その検出信号ＤＴ１を内部回路３に通知した後に、検出信号ＤＴ２を制御部１１に通知する。制御部１１は、検出信号ＤＴ２に基づいて、実施の形態１と同様にリニアレギュレータ１０に対する電池電圧ＶＢＡＴの供給と遮断を切り替える。通知を受けた内部回路３は、例えば、必要に応じて電源が遮断される前に必要な処理を行う。

上記のように電池電圧ＶＢＡＴが低下したことを段階的に内部回路３と制御部１１に通知することにより、内部回路３に対して電源遮断が行われることを事前に通知することが可能となる。以下に検出部２３の具体的な構成例を示す。

図５は、検出部２３の第１の構成例を示す図である。
同図に示されるように、検出部２３は、電池電圧ＶＢＡＴと基準値ＶＲＥＦ１とを比較する比較回路１３１と、電池電圧ＶＢＡＴと基準値ＶＲＥＦ２とを比較する比較回路１３２とを備える。比較回路１３１による比較結果は、検出信号ＤＴ１として内部回路３に入力され、比較回路１３２による比較結果は、検出信号ＤＴ２として制御部１１に入力される。なお、比較回路１３１と比較回路１３２とは、上述した検出部１３のように、アナログコンパレータ回路によって実現してもよいし、デジタル回路によって実現してもよく、その具体的な回路構成に特に制限はない。

ここで、基準値ＶＲＥＦ１は、基準値ＶＲＥＦ２よりも大きい値とする。例えば、基準値ＶＲＥＦ１を“３．５Ｖ”とし、基準値ＶＲＥＦ２を“３．４Ｖ”とした場合を考える。電池２０の満充電時に例えば４．４Ｖ程度あった電池電圧ＶＢＡＴが徐々に低下し、３．５Ｖよりも低くなると、比較回路１３１が検出信号ＤＴ１を出力し、内部回路３に通知される。その後、電池電圧ＶＢＡＴが更に低下し、３．４Ｖよりも低くなると、比較回路１３２が検出信号ＤＴ２を出力し、制御部１１に通知する。制御部１１は、検出信号ＤＴ２に応じてレギュレータ１０に対する電池電圧ＶＢＡＴの供給を停止し、内部回路３は電源電圧ＶＣＣの供給が遮断され、動作を停止する。

以上のように、図５に示す検出部２３によれば、電源遮断を行う前に、内部回路３に対して電源遮断が行われることを事前に通知することができるので、内部回路３は、電源が遮断される前に必要な処理を行うことが可能となる。例えば、検出信号ＤＴ１を受けた内部回路３が、実行中の演算処理に係るデータ等をフラッシュメモリ等の不揮発性の記憶装置に退避させることで、電源遮断によって必要なデータが失われることを防止することができる。

また、検出信号ＤＴ１を受けた内部回路３が、電池２０の容量が減ってきたことを液晶ディスプレイ等の表示装置に表示したり、音声で出力したりすることにより、ユーザに通知することができる。これにより、内部回路３の電源が遮断される前に、ユーザに対して電池の交換等を促すことができる。

次に、検出部２３の第２の構成例を図６に示す。
同図に示される検出部２３は、電池電圧ＶＢＡＴと基準値ＶＲＥＦとを比較する比較回路１３０と、比較回路１３０の比較結果を所定時間だけ遅らせて出力する遅延回路１３３とを備える。比較回路１３０による比較結果は、検出信号ＤＴ１として内部回路３に入力され、遅延回路１３３の出力信号は、検出信号ＤＴ２として制御部１１に入力される。

遅延回路１３３による遅延時間は、電源が遮断される前に内部回路３側で必要な処理を行うのに十分な時間であればよく、特に制限はない。例えば、内部回路３が実行中の演算処理に係るデータを不揮発性の記憶装置に退避するのに十分な遅延時間があればよい。

図６に示す検出部２３によれば、前述の図５に示した検出部と同様に、電池電圧ＶＢＡＴが低下したことを段階的に内部回路３と制御部１１に通知することができるので、電源が遮断される前に内部回路３側で必要な処理を行うことが可能となる。

以上、実施の形態２に係る電源回路によれば、電源が遮断される前に内部回路３側で必要な処理を行うことが可能となり、内部回路３の動作の安定性を更に向上させることが可能となる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、実施の形態２において、検出部２３が２つの検出信号ＤＴ１、ＤＴ２を出力する構成を例示したが、これに限定されず、内部回路３の電源遮断が行われる前に、内部回路３に検出結果を通知できる構成であればよい。例えば、実施の形態１に係る検出部１３のように一つの検出信号ＤＴを生成し、検出信号ＤＴを内部回路３と制御部１１の双方に入力する。制御部１１は、検出信号ＤＴが入力されてから所定時間の経過後に、レギュレータ１０に対する電池電圧ＶＢＡＴの供給を停止する。なお、上記所定時間は、電源が遮断される前に、内部回路３側で必要な処理を行うのに十分な時間であればよい。
これによれば、内部回路３の電源遮断が行われる前に、内部回路３側に検出結果を通知することができる。

また、実施の形態１、２に係る電源回路１、４をウエアラブル機器に搭載する場合を例示したが、これに限られず、微弱なアナログ信号を扱う回路を備えたシステムであれば、広く適用することができる。

１００、１０１…携帯端末装置、１…電源回路、２…電力発生装置、３…内部回路、１０…リニアレギュレータ、１１…制御部、１２…監視部、１３、２３…検出部、ＤＴ、ＤＴ１、ＤＴ２…検出信号、ＶＣＣ…電源電圧、ＰＩＮ…入力端子、ＶＢＡＴ…電池電圧、ＶＭ…監視結果（モニタ電圧）、２０…電池、２１…発電部、２２…蓄電部、ＥＸ＿ＥＮＧ…外部エネルギー、１３０、１３１、１３２…比較回路、１３３…遅延回路。

Claims

電圧が供給される入力端子と、
入力電圧を降圧して出力するリニアレギュレータと、
前記入力端子に供給された電圧を監視する監視部と、
前記監視部による監視結果に基づいて、前記入力端子に供給された電圧が基準値よりも低くなったことを検出する検出部と、
前記リニアレギュレータに対する前記入力電圧の供給を制御する制御部とを有し、
前記基準値は、第１基準値と前記第１基準値よりも低い第２基準値とを含み、
前記検出部は、前記入力端子に供給された電圧が前記第１基準値よりも低くなったら第１検出結果を前記レギュレータの出力電圧が供給される回路に通知するとともに、前記入力端子に供給された電圧が前記第２基準値よりも低くなったら第２検出結果を前記制御部に対して通知し、
前記制御部は、前記第２検出結果に基づいて、前記リニアレギュレータに対する前記入力電圧の供給と遮断を制御する
ことを特徴とする電源回路。
請求項１に記載の電源回路と、
起電力を発生する電力発生装置とを備え、
前記電源回路は、前記電力発生装置の出力電圧を前記入力端子に入力する、
ことを特徴とする電源システム。
請求項２に記載の電源システムにおいて、
前記電力発生装置は、二次電池を含む
ことを特徴とする電源システム。
請求項２に記載の電源システムにおいて、
前記電力発生装置は、
化学エネルギー以外のエネルギーに基づいて電力を発生させる発電部と、
前記発電部によって発生した電力を蓄え、蓄えた電力に応じた電圧を出力する蓄電部と、を含む
ことを特徴とする電源システム。
請求項４に記載の電源システムにおいて、
前記発電部は、太陽光発電装置、振動発電装置、温度差発電装置、ワイヤレス給電装置、および電気二重層キャパシタのいずれか一つを含む
ことを特徴とする電源システム。
請求項２乃至５のいずれか一項に記載の電源システムと、
前記リニアレギュレータの出力電圧を電源として動作する内部回路とを含む
ことを特徴とする携帯端末装置。