JPWO2016013451A1 - 充電回路およびそれを利用した電子機器、充電器 - Google Patents

充電回路およびそれを利用した電子機器、充電器 Download PDF

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Abstract

充電回路１００は、多セルの二次電池２を充電する。降圧チャージャ１０、昇圧チャージャ１２は、バス電圧ＶＢＵＳを受け、二次電池２を充電する。ＰＤコントローラ２０は、ＵＳＢポートＰ１にＰＤ（Power Delivery）規格に準拠したホストアダプタ１０２が接続されたことを検出し、ホストアダプタ１０２とのネゴシエーションにより、バス電圧ＶＢＵＳおよび充電電流を決定する。チャージャ検出器２２は、ＵＳＢポートＰ１にＢＣ（Battery Charging）規格に準拠したホストアダプタ１０２が接続されたことを検出し、ＵＳＢポートＰ１の電気的状態にもとづきホストアダプタ１０２の種類を判定する。充電回路１００は、ホストアダプタが準拠する規格およびサポートするプロファイルにもとづいて、昇圧チャージャ１２と降圧チャージャ１０を切りかえる。

Description

本発明は、二次電池を充電する充電回路に関する。
携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、ノート型パーソナルコンピュータ、ポータブルオーディオプレイヤをはじめとする電池駆動デバイスは、充電可能な二次電池とともに、それを充電するための充電回路を内蔵する。充電回路には、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからＵＳＢケーブルを介して供給された直流電圧にもとづいて二次電池を充電するものが存在する。
現在、モバイル機器に搭載される充電回路は、USB Battery Charging Specificationと呼ばれる規格（以下、ＢＣ規格という）に準拠したものとなっている。ホストアダプタには、いくつかの種類が存在する。ＢＣ revision 1.2規格においては、チャージャの種類として、ＳＤＰ（Standard Downstream Port）、ＤＣＰ（Dedicated Charging Port）、ＣＤＰ（Charging Downstream Port）が定義されている。そしてホストアダプタが供給できる電流（電流容量）は、チャージャの種類に応じて規定されている。具体的には、ＤＣＰ、ＣＤＰでは１５００ｍＡ、ＳＤＰでは、ＵＳＢのバージョンに応じて１００ｍＡ、５００ｍＡ、９００ｍＡのように規定されている。
ＵＳＢを利用した次世代の二次電池充電の方式、システムとして、USB Power Deliveryと呼ばれる規格（以下、ＰＤ規格という）が策定されている。ＰＤ規格では、供給可能な電力がＢＣ規格の７．５Ｗから、最大１００Ｗまで大幅に増大する。具体的にはＰＤ規格では、ＵＳＢバス電圧として、５Ｖより高い電圧（具体的には、１２Ｖ、２０Ｖ）の供給が許容されており、充電電流も、ＢＣ規格よりも大きな量（具体的には、２Ａ，３Ａ、５Ａ）の供給が許容される。
特開２０１３−１９８２６２号公報 特開２００６−６０９７７号公報 特開２００６−３０４５００号公報
ＢＣ規格からＰＤ規格への過渡期においては、ＢＣ規格のみに準拠したホストアダプタと、ＰＤ規格に準拠したものが混在する環境が想定される。多セルのリチウムイオンを搭載する電子機器では、９Ｖ以上の直流電圧が必要とされる。したがってＰＤ規格のホストアダプタが用意される環境ではリチウムイオン電池を充電可能であるが、ＢＣ規格のバス電圧５Ｖでは、二次電池を充電できないという問題が生ずる。
本発明のある態様は係る状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、ホストアダプタがＢＣ規格およびＰＤ規格のいずれに準拠する状況においても、二次電池を充電可能な充電回路の提供にある。
本発明のある態様は、多セルの二次電池を充電する充電回路に関する。充電回路は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからＵＳＢポートに供給されるバス電圧を受け、二次電池を充電する降圧チャージャと、バス電圧を受け、二次電池を充電する昇圧チャージャと、ＵＳＢポートにＰＤ（Power Delivery）規格に準拠したホストアダプタが接続されたことを検出し、ホストアダプタとのネゴシエーションにより、バス電圧および充電電流を決定するＰＤコントローラと、ＵＳＢポートにＢＣ（Battery Charging）規格に準拠したホストアダプタが接続されたことを検出し、ＵＳＢポートの電気的状態にもとづきホストアダプタの種類を判定するチャージャ検出器と、を備える。充電回路は、ホストアダプタが準拠する規格およびサポートするプロファイルにもとづいて、昇圧チャージャと降圧チャージャが切りかえ可能に構成される。
この態様によると、ホストアダプタから、二次電池の満充電電圧よりも高いバス電圧が供給し得る状況においては、降圧チャージャを利用し、二次電池の満充電電圧よりも低いバス電圧しか供給されない状況においては、昇圧チャージャを利用することにより、ＰＤ規格とＢＣ規格が混在する環境下においても、多セルの二次電池を充電することができる。
（i）ＢＣ規格に準拠したホストアダプタが接続されたとき、もしくは、（ii）ＰＤ規格に準拠したホストアダプタが接続され、かつ当該ホストアダプタが、昇圧せずに多セルの二次電池を充電可能なバス電圧のプロファイルをサポートしないとき、昇圧チャージャが選択されてもよい。
これにより、バス電圧に応じて適切なチャージャを選択できる。
ある態様の充電回路は、昇圧チャージャの出力端子と二次電池の間に、メイン充電経路と並列に設けられたトリクル充電経路をさらに備えてもよい。
二次電池の過放電状態またはデッドバッテリ状態において、昇圧チャージャがイネーブルとなってもよい。充電回路は、トリクル充電経路を介したトリクル充電により、二次電池を過放電状態またはデッドバッテリ状態から復帰させてもよい。
トリクル充電経路は、昇圧チャージャの出力端子と二次電池の端子の間に直列に設けられたダイオードおよび抵抗を含んでもよい。
充電回路は、メイン充電経路上に設けられ、トリクル充電経路を介した充電中にオフとなるスイッチをさらに備えてもよい。
充電回路は、昇圧チャージャの出力端子とメイン充電経路の間に設けられた第２ダイオードをさらに備えてもよい。これにより電池から昇圧チャージャへの電流の逆流を防止できる。
本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は、多セルの二次電池と、二次電池を充電する上述のいずれかの充電回路と、を備えてもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わ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。
本発明のある態様によれば、ホストアダプタがＢＣ規格およびＰＤ規格のいずれに準拠する状況においても、多セルの二次電池を充電できる。
実施の形態に係る充電回路を備える電子機器の全体を示すブロック図である。 図１の充電回路の構成を示すブロック図である。 ＵＳＢチャージャ検出器の構成例を示す回路図である。 昇圧チャージャの構成例を示す回路図である。 降圧チャージャの構成例を示す回路図である。 図２の充電回路のフローチャートである。 第１変形例に係る電子機器のブロック図である。
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と接続された状態」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、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その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、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図１は、実施の形態に係る充電回路１００を備える電子機器１の全体を示すブロック図である。電子機器１は、たとえば携帯電話端末、タブレット端末、ノート型ＰＣ（Personal Computer）、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどの電池駆動型の情報端末機器である。電子機器１は、二次電池２、マイコン４、システム電源６、ＵＳＢトランシーバ（ＵＳＢ ＰＨＹ）８および充電回路１００を備える。
二次電池２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池であり電池電圧ＶＢＡＴを出力する。二次電池２は多セル（２セル以上）であり、電池電圧ＶＢＡＴは、満充電状態で９Ｖ程度となる。以下、満充電時の電池電圧をＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬと記す。電子機器１のＵＳＢポートＰ１には、ＵＳＢケーブル１０４を介してＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタ１０２が着脱可能となっている。
より具体的には、ＵＳＢポートＰ１のＶＢＵＳ端子には、ホストアダプタ１０２からの直流電圧（バス電圧、バスパワーともいう）ＶＢＵＳが供給される。ＤＰ端子、ＤＭ端子は、ＵＳＢケーブルのデータ線Ｄ＋、Ｄ−と接続される。ＩＤ端子は本実施の形態では使用されない。ＧＮＤ端子は、ＧＮＤラインと接続される。
また、電子機器１のアダプタポートＰ２には、ＡＣアダプタ１０６を介してＤＣ電圧ＶＤＣが入力可能となっている。ＤＣ電圧ＶＤＣの定格は、満充電電圧ＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬより高い電圧、たとえば１２Ｖである。
充電回路１００は、バス電圧ＶＢＵＳもしくはＤＣ電圧ＶＤＣを受け、いずれか一方を利用して、二次電池２を充電する。
マイコン４は、電子機器１全体を制御するホストプロセッサである。無線通信端末の場合、ベースバンドプロセッサやアプリケーションプロセッサがマイコン４に相当する。
システム電源６は、電池電圧Ｖｂａｔを昇圧または降圧し、電子機器１の各ブロックに対する複数の電源電圧を生成する。マイコン４には、システム電源６により生成される電源電圧ＶＤＤが供給される。
起動管理ＩＣ７は、電子機器１がシャットダウンした状態において、起動の契機となるイベントを検出すると、所定のシーケンスにしたがってシステム電源６に各ブロックに対する電源電圧ＶＤＤを生成させ、またマイコン４に所定の処理を実行させる。
ＵＳＢトランシーバ８は、ホストアダプタ１０２との間で、信号線Ｄ＋、Ｄ−を介してデータの送受信を行う。
以上が電子機器１の構成の概要である。続いて実施の形態に係る充電回路１００の構成を説明する。
図２は、図１の充電回路１００の構成を示すブロック図である。充電回路１００は、ＵＳＢポートＰ１、アダプタポートＰ２に加えて、降圧チャージャ１０、昇圧チャージャ１２、ＰＤコントローラ２０、ＵＳＢチャージャ検出器２２、ＵＶＬＯ回路３０、ＯＶＰ回路３２を備える。
ＶＢＵＳ端子、ＤＰ端子、ＤＭ端子は図１のＵＳＢポートＰ１と接続される。ＶＢＵＳ端子にはバス電圧ＶＢＵＳが入力され、ＤＰ端子、ＤＭ端子はデータ線Ｄ＋、Ｄ−と接続される。
降圧チャージャ１０は、バス電圧ＶＢＵＳを受け、メイン充電経路１４を介して二次電池２を充電可能に構成される。降圧チャージャ１０は、リニア電源を用いたリニアチャージャであってもよいし、降圧型のスイッチングコンバータを用いたスイッチングチャージャであってもよい。
昇圧チャージャ１２は、バス電圧ＶＢＵＳを受け、メイン充電経路１４を介して二次電池２を充電する。昇圧チャージャ１２は、昇圧型のスイッチングコンバータを用いたスイッチングチャージャである。メイン充電経路１４と昇圧チャージャ１２の間には、逆流防止用の第２ダイオードＤ２を挿入することが望ましい。
降圧チャージャ１０、昇圧チャージャ１２はそれぞれ、定電流充電（ＣＣ：Constant Current）モードおよび定電圧充電（ＣＶ：Constant Voltage）モードが切りかえ可能であり、二次電池２の状態に応じてモードが選択される。
ＰＤコントローラ２０は、ＵＳＢポートＰ１にＰＤ（Power Delivery）規格に準拠したホストアダプタ（以下、１０２ａ）が接続されたか否かを判定する。そしてＰＤコントローラ２０は、データ線Ｄ＋、Ｄ−を利用したホストアダプタ１０２ａとのネゴシエーションにより、バス電圧ＶＢＵＳおよびバス電流ＩＢＵＳを決定する。
ＰＤ規格では、充電回路１００およびホストアダプタ１０２がそれぞれ、少なくともひとつのプロファイルをサポートする。以下、プロファイルを例示する。
ＰＲＯＦＩＬＥ１： ５Ｖ＠２Ａ
ＰＲＯＦＩＬＥ２： ５Ｖ＠２Ａ，１２Ｖ＠１．５Ａ
ＰＲＯＦＩＬＥ３： ５Ｖ＠２Ａ，１２Ｖ＠３Ａ
ＰＲＯＦＩＬＥ４： ５Ｖ＠２Ａ，１２Ｖ＠３Ａ，２０Ｖ＠３Ａ
ＰＲＯＦＩＬＥ５： ５Ｖ＠２Ａ，１２Ｖ＠５Ａ，２０Ｖ＠５Ａ
いずれのプロファイルをサポートする場合であっても、最低限、ＶＢＵＳ＝５Ｖ、ＩＢＵＳ＝２Ａは保証されている。ＰＤコントローラ２０はホストアダプタ１０２ａとのネゴシエーションにより、充電回路１００とホストアダプタ１０２双方がサポートするバス電圧ＶＢＵＳおよびバス電流ＩＢＵＳの組み合わせを判定する。
またＵＳＢチャージャ検出器２２は、ＵＳＢポートＰ１にＢＣ（Battery Charging）規格に準拠したホストアダプタ（以下、１０２ｂ）が接続されたか否かを判定し、またＵＳＢポートＰ１の電気的状態にもとづき、ホストアダプタ１０２ｂの種類を判定する。
より具体的にはＵＳＢチャージャ検出器２２は、ＵＳＢポートＰ１にホストアダプタ１０２が接続されると、ＵＳＢポートＰ１のデータ線Ｄ＋、Ｄ−の電気的状態にもとづき、ホストアダプタ１０２の種類（ＳＤＰ、ＤＣＰ、ＣＤＰのいずれか）を判定し、昇圧チャージャ１２による充電電流の上限値を決定する。
ＰＤコントローラ２０およびＵＳＢチャージャ検出器２２により生成されたデータは、図示しないレジスタに書き込まれ、あるいは、昇圧チャージャ１２、降圧チャージャ１０に通知される。ＵＳＢチャージャ検出器２２は、決定された充電電流の上限を示す設定データＩＳＥＴ１を、昇圧チャージャ１２に通知する。同様に、ＰＤコントローラ２０は、決定された充電電流の上限を示す設定データＩＳＥＴ２を、降圧チャージャ１０に通知する。
ＵＶＬＯ回路３０は、バス電圧ＶＢＵＳが、充電回路１００が動作可能なしきい値電圧ＶＵＶＬＯ以上か否かを判定する。トランジスタＭ１２のドレインは、ステータス端子ＵＳＢＯＫと接続され、そのゲートには、ＵＶＬＯ回路３０による判定結果に応じた電圧が入力される。ＵＳＢＯＫ端子は、バス電圧ＶＢＵＳが正常であるときローレベル、過電圧状態または低電圧状態においてハイインピーダンスとなる。充電回路１００の外部に設けられるマイコン４は、ステータス端子ＵＳＢＯＫの状態を参照することにより、直流電圧ＶＵＳＢが電子機器１に供給されているか否かを判定できる。
ＯＶＰ（Over Voltage Protection）回路３２は、バス電圧ＶＢＵＳが所定のしきい値電圧ＶＯＶＰ以下か否かを判定する。ＶＢＵＳ＞ＶＯＶＰのとき過電圧保護がかかり、トランジスタＭ１３がオフする。
また、ＰＤコントローラ２０、ＵＳＢチャージャ検出器２２のいずれか一方、あるいはその他の図示しない検出器により、ＡＣ端子に対するＤＣ電圧ＶＤＣの供給の有無が監視される。
充電回路１００は、ホストアダプタ１０２が準拠する規格（すなわちＰＤ規格であるか、ＢＣ規格であるか）およびサポートするプロファイルにもとづいて、昇圧チャージャ１２と降圧チャージャ１０が切りかえ可能に構成される。
具体的には、（i）ＢＣ規格に準拠したホストアダプタ１０２ａが接続されたとき、もしくは、（ii）ＰＤ規格に準拠したホストアダプタ１０２ｂが接続され、かつ当該ホストアダプタ１０２ｂが、昇圧せずに多セルの二次電池２を充電可能なバス電圧ＶＢＵＳ（本実施の形態では９Ｖ以上）のプロファイルをサポートしないとき、昇圧チャージャ１２が選択される。
一方、それ以外の場合、すなわち（iii）ＰＤ規格に準拠したホストアダプタ１０２ｂが接続され、かつ当該ホストアダプタ１０２ｂが、昇圧せずに多セルの二次電池２を充電可能なバス電圧ＶＢＵＳ（本実施の形態では９Ｖ以上）のプロファイルをサポートするとき、降圧チャージャ１０が選択される。
以下、降圧チャージャ１０と昇圧チャージャ１２の切りかえ制御の一例を説明する。降圧チャージャ１０が選択される状態を、降圧チャージ状態φ１、昇圧チャージャ１２が選択される状態を昇圧チャージ状態φ２と記す。
１． 降圧チャージ状態φ１
降圧チャージャ１０の入力端子とＶＢＵＳ端子とを結ぶ経路上には、第１スイッチＳＷ１が、降圧チャージャ１０の入力端子とＡＣ端子とを結ぶ経路上には、第２スイッチＳＷ２が設けられる。
ＰＤコントローラ２０は、ＡＣ端子にＡＣアダプタ１０６からのＤＣ電圧ＶＤＣが供給されるとき、第２スイッチＳＷ２をオン、第１スイッチＳＷ１をオフする。この場合、ＡＣアダプタ１０６からのＤＣ電圧ＶＤＣを利用して二次電池２が充電される。
またＰＤコントローラ２０は、ＡＣ端子にＡＣアダプタ１０６からのＤＣ電圧ＶＤＣが供給されておらず、ＶＢＵＳ端子にホストアダプタ１０２からのバス電圧ＶＢＵＳが供給されており、かつバス電圧ＶＢＵＳが満充電電圧ＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬより高いときに、第１スイッチＳＷ１をオン、第２スイッチＳＷ２をオフする。この場合、ホストアダプタ１０２からのバス電圧ＶＢＵＳを利用して二次電池２が充電される。
降圧チャージャ１０には、イネーブル端子ＥＮが設けられる。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、バス電圧ＶＢＵＳを分圧し、降圧チャージャ１０のイネーブル端子ＥＮに供給する。降圧チャージャ１０は、イネーブル端子ＥＮの電圧が、所定のしきい値より高いときにイネーブル（動作可能）となる。
２． 昇圧チャージ状態φ２
第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２がいずれもオフのとき、昇圧チャージャ１２は、バス電圧ＶＢＵＳを利用して二次電池２を充電する。
昇圧チャージャ１２にも、イネーブル端子ＥＮが設けられる。昇圧チャージャ１２のイネーブル端子ＥＮには、ＰＤコントローラ２０からの制御信号Ｓ１と、降圧チャージャ１０からの制御信号Ｓ２がＯＲゲート１３を介して入力される。
ＰＤコントローラ２０は、ホストアダプタ１０２がＰＤ規格に準拠しているが、ＶＢＵＳ＝５Ｖしかサポートしていないときには、制御信号Ｓ１をアサート（たとえばハイレベル）とする。
また降圧チャージャ１０は、それ自身が二次電池２を充電不能である場合に、制御信号Ｓ２をアサートする。降圧チャージャ１０が二次電池２を充電不能である状態とは、バス電圧ＶＢＵＳが満充電電圧ＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬより低い状態、降圧チャージャ１０自身に故障や不良が発生した状態などが想定される。昇圧チャージャ１２は、制御信号Ｓ１、Ｓ２の少なくとも一方がアサートされるとイネーブルとなる。
充電回路１００は、昇圧チャージャ１２の出力端子と二次電池２の間に、メイン充電経路１４と並列に設けられたトリクル充電経路１６をさらに備える。トリクル充電経路１６はたとえば直列に接続された抵抗Ｒ３および逆流防止用の第１ダイオードＤ１を含む。
充電回路１００は、二次電池２の過放電状態またはデッドバッテリ状態において、昇圧チャージャ１２がイネーブルとなり、トリクル充電経路１６を介したトリクル充電が可能となっている。これにより、二次電池２は、過放電状態、デッドバッテリ状態から復帰可能となっている。
メイン充電経路１４は、スイッチＳＷ３を含む。スイッチＳＷ３は、トリクル充電経路１６を介した充電中にオフとなり、メイン充電経路１４を介した充電中にオンとなる。たとえばスイッチＳＷ３は、降圧チャージャ１０により生成される制御信号Ｓ３に応じて制御される。
図３は、ＵＳＢチャージャ検出器２２の構成例を示す回路図である。ＵＳＢチャージャ検出器２２は、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、検出回路４０、タイミング制御部４２、インタフェース回路４４を含む。
スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２は、ＵＳＢポートＰ１側のＤ＋端子、Ｄ−端子を、検出回路４０に接続する第１状態と、ＵＳＢトランシーバ８と接続する第２状態が切りかえる。ＵＳＢチャージャ検出器２２により、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２はホストアダプタ１０２の種類を判定するとき第１状態となり、判定が終了すると第２状態となる。第２状態では検出回路４０はＵＳＢトランシーバ８から切り離される。
検出回路４０は、第１状態においてＵＳＢポートＰ１を経由してホストアダプタ１０２と接続され、ＢＣ１．２規格に準拠するホストアダプタ１０２を検出し、その種類（ＤＣＰ、ＣＤＰ、ＳＤＰ）を判定する。タイミング制御部４２は、ＢＣ１．２規格の検出シーケンスを満たすように設計されたシーケンサや、判定結果を格納するメモリ、設定データＩＳＥＴ１の値を決定するロジック回路などを含む。インタフェース回路４４は、決定された設定データＩＳＥＴ１を昇圧チャージャ１２に通知するインタフェースである。
図４は、昇圧チャージャ１２の構成例を示す回路図である。昇圧チャージャ１２は、コントローラ集積回路（ＩＣ）５０および外付けのインダクタＬ１１、ダイオードＤ１１、トランジスタＭ１１、キャパシタＣ１１、Ｃ１２を備える。
インダクタＬ１１は、コントローラＩＣ５０のＳＷ１端子、ＳＷ２端子の間に接続される。システム（ＳＹＳＴＥＭ）端子には、キャパシタＣ１１が接続される。ダイオードＤ１１は、インダクタＬ１１とＳＹＳＴＥＭ端子の間に設けられる。キャパシタＣ１２はＢＡＴＴＥＲＹ＋端子と接続される。トランジスタＭ１１は、ＳＹＳＴＥＭ端子とＢＡＴＴＥＲＹ＋端子の間に設けられ、図２のメイン充電経路１４のスイッチＳＷ３に対応する。トランジスタＭ１１は、後述する降圧チャージャ１０のコントロールＩＣ７０により制御される。
ＳＹＳＴＥＭ端子の電圧は、コントローラＩＣ５０のＶＦＢ（フィードバック）端子に入力される。トランジスタＭ１３は、ＰＧＮＤ端子とＶＦＢ端子の間に設けられる。トランジスタコントローラＩＣ５０は、ＶＢＵＳ端子に供給されるバス電圧を電源として動作する。レベルシフタ５６は、バス電圧ＶＢＵＳをレベルシフトする。ＶＢＵＳＬＩＭ（ＶＢＵＳ電流制限）端子には、抵抗Ｒ１１を介してバス電圧ＶＢＵＳが入力される。ＯＣＰ（過電流保護）回路５８は、抵抗Ｒ１１に生ずる電圧降下ＶＲ１１にもとづいて、過電流状態を検出する。レギュレータ６２は、電圧ＶＢＵＳＬＩＭを受け、所定の電圧レベルに安定化する。安定化された電圧は、コントローラＩＣ５０内の各回路ブロックに電源として供給される。
ＳＷ１端子は、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの入力に相当する。入力スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２は、ＶＢＵＳＬＩＭ端子とＳＷ１端子の間に設けられ、負荷スイッチ６０により制御される。入力スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２は、昇圧チャージャ１２による動作中はオンであり、非動作中、あるいは過電流保護時にはオフとなる。
スイッチングトランジスタＭ１２は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子である。オシレータ５２は、クロック信号ＣＫを生成する。コントローラＩＣ５０は、クロック信号ＣＫと同期してスイッチングトランジスタＭ１２を制御する。
基準電圧制御回路５４は、ＵＳＢチャージャ検出器２２からの設定データＩＳＥＴ１に怖じた基準電圧ＶＲＥＦを生成する。比較器６６は、フィードバック電圧ＶＦＢを受け、電圧レベルを判定する。充電コントローラ６４は、基準電圧ＶＲＥＦが示す電流量を上限として二次電池２が充電されるように、パルス変調された信号ＳＰＷＭ１を生成する。ドライバ段６８は、パルス信号ＳＰＷＭ１に応じてスイッチングトランジスタＭ１２をスイッチングする。たとえば基準電圧制御回路５４は、定電力（ＣＰ：Constant Power）モードと、定電圧（ＣＶ：Constant Voltage）モードが切りかえ可能であってもよい。あるいは基準電圧制御回路５４は、定電流（ＣＣ：Constant Current）モードをサポートしてもよい。
以上が昇圧チャージャ１２の構成例である。コントローラＩＣ５０としては、ローム社から市販されるＢＤ８６６８＃＃（＃＃は派生品番を表す）などを利用することができる。
図５は、降圧チャージャ１０の構成例を示す回路図である。コントローラＩＣ７０および外付けのインダクタＬ２１、スイッチングトランジスタＭ２１、同期整流トランジスタＭ２２、キャパシタＣ１１は、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを構成する。キャパシタＣ１１、Ｃ１２、トランジスタＭ１１は、図４の昇圧チャージャ１２と共有される。
チャージポンプ７６は、二次電池２の電圧を昇圧する。ＡＣ検出制御回路７８は、ＡＣＰＷＲ端子の電圧と、ＥＮ（ＡＣＤＥＴ）端子の電圧にもとづいて、ＡＣアダプタ１０６の有無を判定する。インタフェース回路８０は、ＡＣＯＫ端子から判定結果を示す制御信号Ｓ３を出力する。レギュレータ８２は、ＥＮ端子がハイレベルであるときアクティブとなり、ＡＣＰＷＥＲ端子の電圧を安定化する。安定化された電圧は、ドライバ段８６等に電源として供給される。
抵抗Ｒ２２は、二次電池２への充電経路上に設けられる。抵抗Ｒ２２の両端は、コントローラＩＣ７０のバッテリ電流検出端子（ＳＲＰ／ＳＲＮ）と接続される。バッテリ入力電流検出回路７２は、抵抗Ｒ２２の電圧降下にもとづいて、二次電池２への入力電流つまり充電電流を検出する。
抵抗Ｒ２１は、ＡＣ端子から降圧ＤＣ／ＤＣコンバータに流れ込む電流の経路上に設けられる。抵抗Ｒ２１の両端はコントローラＩＣ７０のＡＣ入力電流検出端子（ＡＣＰ／ＡＣＮ）と接続される。ＡＣ入力電流検出回路７４は、抵抗Ｒ２１の電圧降下にもとづいて、入力電流を検出する。
ドライバ制御回路８４は、バッテリ入力電流検出回路７２およびＡＣ入力電流検出回路７４の検出結果にもとづいて、パルス変調された信号ＳＰＷＭ２を生成する。ドライバ段８６は、パルス信号ＳＰＷＭ２に応じて、トランジスタＭ２１、Ｍ２２をスイッチングする。
以上が降圧チャージャ１０の構成例である。コントローラＩＣ７０としては、ローム社から市販されるＢＤ９９９５０＃＃などを利用することができる。
以上が充電回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図６は、図２の充電回路１００のフローチャートである。
はじめにＡＣアダプタ１０６の有無が判定され（Ｓ１００）、ＡＣアダプタ１０６が検出されると（Ｓ１００のＹ）、降圧チャージャ１０による充電が開始される（Ｓ１０８）。
ＡＣアダプタ１０６が検出されないとき（Ｓ１００のＮ）、ＵＳＢホストアダプタ１０２の有無が判定される（Ｓ１０２）。ホストアダプタ１０２が検出されないときには、処理Ｓ１００に戻り（Ｓ１０２のＮ）、ホストアダプタ１０２、ＡＣアダプタ１０６の検出処理（Ｓ１００、Ｓ１０２）が継続される。
ホストアダプタ１０２が検出されると（Ｓ１０２のＹ）、ＰＤ規格に準拠しているか否かが判定される（Ｓ１０４）。そしてホストアダプタ１０２がＰＤ規格に準拠していない場合（Ｓ１０４のＮ）、言い換えればＢＣ規格に準拠している場合には、昇圧チャージャ１２による充電が開始される（Ｓ１１０）。
ホストアダプタ１０２がＰＤ規格に準拠している場合（Ｓ１０４のＹ）、プロファイル判定が行われる（Ｓ１０６）。そしてホストアダプタ１０２が満充電電圧ＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬ（＝９Ｖ）以上のプロファイルをサポートしている場合には（Ｓ１０６のＹ）、降圧チャージャ１０による充電が開始される（Ｓ１０８）。ホストアダプタ１０２が満充電電圧ＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬ（＝９Ｖ）以上のプロファイルをサポートしない場合（Ｓ１０６のＮ）、昇圧チャージャ１２による充電が開始される（Ｓ１１０）。
以上が充電回路１００の動作である。
この充電回路１００は、ホストアダプタ１０２から二次電池２の満充電電圧ＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬよりも高いバス電圧ＶＢＵＳが供給し得る状況においては、降圧チャージャ１０を利用し、二次電池２の満充電電圧ＶＢＡＴ＿ＦＵＬＬよりも低いバス電圧ＶＢＵＳしか供給されない状況においては、昇圧チャージャ１２を利用する。これにより、ＰＤ規格とＢＣ規格が混在する環境下において、多セルの二次電池２を充電することができる。より詳しくは、ＰＤ規格による高速充電が可能な場合には、二次電池２を短時間で充電できる。またホストアダプタ１０２がＰＤ規格に準拠していない場合、あるいは準拠していてもＶＢＵＳ＝５Ｖしか供給されない場合においても、昇圧チャージャ１２を用いて二次電池２を確実に充電できる。
本発明者は、昇圧チャージャ１２の代わりに、充電機能を有さない一般的な昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータを設け、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの出力とバス電圧ＶＢＵＳを選択的に、降圧チャージャ１０の入力端子に供給する回路（以下、比較技術という）についても検討した。しかしながら比較技術では、５Ｖのバス電圧ＶＢＵＳが供給されたときに、昇圧チャージャ１２と降圧チャージャ１０の双方において電力損失が発生してしまう。これに対して実施の形態に係る充電回路１００によれば、充電機能を有する昇圧チャージャ１２を設けたことにより、電力損失を低減できる。
またトリクル充電経路１６を設け、デッドバッテリ状態あるいは過放電状態においては、昇圧チャージャ１２からトリクル充電経路１６を経由したトリクル充電を行うことにより、二次電池２を復帰させることができる。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この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み合わ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。以下、こうした変形例について説明する。
（第１の変形例）
図７は、第１変形例に係る電子機器のブロック図である。電子機器１ａのアダプタポートＰ２には、無線給電により発生する直流電圧ＶＤＣが供給される。具体的にはアダプタポートＰ２には、受信コイル１１０、整流回路１１２、無線給電制御ＩＣ１１４が接続される。受信コイル１１０は、図示しない送信コイルからの無線電力信号を受ける。整流回路１１２は、無線電力信号に応じて受信コイル１１０に誘導される電流を整流、平滑化する。整流回路１１２は、ダイオードブリッジ回路および平滑キャパシタを含む。あるいは整流回路１１２は、同期整流回路（Ｈブリッジ回路）および平滑キャパシタを含む。無線給電制御ＩＣ１１４は、整流回路１１２からの直流電圧を受け、所定の電圧レベルに安定化された直流電圧ＶＤＣを生成し、アダプタポートＰ２に供給する。なおダイオードブリッジ回路あるいは同期整流回路は、無線給電制御ＩＣ１１４に集積化されてもよい。無線給電は、ＷＰＣ（Wireless Power Consortium）が策定したＱｉ（チー）規格に準拠してもよい。あるいはＰＭＡ（Power Matters Alliance）が策定した規格に準拠してもよい。
（第２の変形例）
あるいはアダプタポートＰ２は必須ではなく省略してもよい。
（第３の変形例）
また図１の電子機器１は、ＵＳＢをデータ伝送に使用することを前提としたが本発明はそれには限定されず、ＵＳＢを充電のみに利用してもよい。この場合ＵＳＢトランシーバ８は省略してもよい。
（第４の変形例）
実施の形態では、充電回路１００が電子機器に内蔵される場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。たとえば充電回路１００は、二次電池２が内蔵される電子機器１とは別の筐体にパッケージングされたＵＳＢ充電器に搭載されてもよい。
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
１…電子機器、２…二次電池、４…マイコン、６…システム電源、７…起動管理ＩＣ、８…ＵＳＢトランシーバ、１００…充電回路、１０２…ホストアダプタ、１０４…ＵＳＢケーブル、１０６…ＡＣアダプタ、Ｐ１…ＵＳＢポート、Ｐ２…アダプタポート、１０…降圧チャージャ、１２…昇圧チャージャ、１４…メイン充電経路、１６…トリクル充電経路、２０…ＰＤコントローラ、２２…ＵＳＢチャージャ検出器、３０…ＵＶＬＯ回路、３２…ＯＶＰ回路、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ。
本発明は２次電池の充電技術に利用可能である。

Claims (9)

  1. 多セルの二次電池を充電する充電回路であって、
    ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからＵＳＢポートに供給されるバス電圧を受け、前記二次電池を充電する降圧チャージャと、
    前記バス電圧を受け、前記二次電池を充電する昇圧チャージャと、
    前記ＵＳＢポートにＰＤ（Power Delivery）規格に準拠したホストアダプタが接続されたことを検出し、前記ホストアダプタとのネゴシエーションにより、バス電圧および充電電流を決定するＰＤコントローラと、
    前記ＵＳＢポートにＢＣ（Battery Charging）規格に準拠したホストアダプタが接続されたことを検出し、前記ＵＳＢポートの電気的状態にもとづき前記ホストアダプタの種類を判定するチャージャ検出器と、
    を備え、
    ホストアダプタが準拠する規格およびサポートするプロファイルにもとづいて、昇圧チャージャと降圧チャージャが切りかえ可能に構成されたことを特徴とする充電回路。
  2. （i）ＢＣ規格に準拠したホストアダプタが接続されたとき、もしくは、（ii）ＰＤ規格に準拠したホストアダプタが接続され、かつ当該ホストアダプタが、昇圧せずに前記多セルの二次電池を充電可能なバス電圧のプロファイルをサポートしないとき、前記昇圧チャージャが選択されることを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
  3. 前記昇圧チャージャの出力端子と前記二次電池の間に、メイン充電経路と並列に設けられたトリクル充電経路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の充電回路。
  4. 前記二次電池の過放電状態またはデッドバッテリ状態において、前記昇圧チャージャがイネーブルとなり、
    前記充電回路は、前記トリクル充電経路を介したトリクル充電により、前記二次電池を過放電状態またはデッドバッテリ状態から復帰させることを特徴とする請求項３に記載の充電回路。
  5. 前記トリクル充電経路は、前記昇圧チャージャの出力端子と前記二次電池の端子の間に直列に設けられたダイオードおよび抵抗を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の充電回路。
  6. メイン充電経路上に設けられ、前記トリクル充電経路を介した充電中にオフとなるスイッチをさらに備えることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の充電回路。
  7. 前記昇圧チャージャの出力端子とメイン充電経路の間に設けられた第２ダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の充電回路。
  8. Ｎ（Ｎは２以上の整数）セルの二次電池と、
    前記二次電池を充電する請求項１から７のいずれかに記載の充電回路と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
  9. 二次電池を充電する請求項１から７のいずれかに記載の充電回路を備えることを特徴とする充電器。
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