特許 6152241 電力システム、携帯式電子機器および電力の供給方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6152241

(24)【登録日】2017年6月2日

(45)【発行日】2017年6月21日

(54)【発明の名称】電力システム、携帯式電子機器および電力の供給方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20170612BHJP

   H02J 7/10 20060101ALI20170612BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20170612BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/00 B

   H02J7/00 302A

   H02J7/10 B

   H02J7/34 D

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-89019(P2014-89019)

(22)【出願日】2014年4月23日

(65)【公開番号】特開2015-208188(P2015-208188A)

(43)【公開日】2015年11月19日

【審査請求日】2015年1月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】505205731

【氏名又は名称】レノボ・シンガポール・プライベート・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100106699

【弁理士】

【氏名又は名称】渡部 弘道

(74)【代理人】

【識別番号】100132595

【弁理士】

【氏名又は名称】袴田 眞志

(72)【発明者】

【氏名】織田大原 重文

(72)【発明者】

【氏名】永多 望

【審査官】 安井 雅史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２６０９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２３７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−３４０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−５５８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−５２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−４９１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２９１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０００６８５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−８８２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５８８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−１３７２６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ １／２６− １／３２

Ｈ０２Ｊ ７／００− ７／１２

７／３４− ７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

携帯式電子機器が搭載する負荷に電力を供給する電力システムであって、
電池と、
前記電池の出力電圧を昇圧して前記負荷に電力供給をすることが可能なスイッチング素子と、
前記負荷の入力電圧が第１の閾値以上のときに前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止する停止モードと、該停止モードより待機電力が大きく前記入力電圧が前記第１の閾値未満のときに前記停止モードから移行するアクティブ・モードを備え、前記入力電圧が前記第１の閾値より小さい第２の閾値未満のときに前記スイッチング素子を昇圧動作させ前記第２の閾値以上のときに前記昇圧動作を停止するスイッチング・コントローラと、
前記昇圧動作を停止するときに前記スイッチング素子を経由しないで前記電池から前記負荷に電力を供給することが可能な直接放電回路とを有し、
前記アクティブ・モードにおいて電圧ディップが発生したときに前記スイッチング・コントローラが、前記入力電圧が前記第２の閾値未満になったときに前記昇圧動作を実行させて前記直接放電回路を停止し、前記入力電圧が前記第２の閾値以上になったときに前記昇圧動作を停止して前記直接放電回路を動作させる電力システム。

【請求項2】

前記スイッチング素子と前記スイッチング・コントローラが同期整流式のスイッチング・レギュレータを構成する請求項１に記載の電力システム。

【請求項3】

前記スイッチング・レギュレータがＡＣ／ＤＣアダプタが供給する電力で前記電池を充電することが可能な充電昇圧器である請求項２に記載の電力システム。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力システムを搭載する携帯式電子機器。

【請求項5】

電池から電力の供給を受ける負荷とスイッチング・レギュレータと前記負荷と前記電池を接続するバイパス・スイッチとを含む携帯式電子機器において、前記負荷に電力を供給する方法であって、
前記負荷の入力電圧が第１の閾値以上のときに前記スイッチング・レギュレータが停止モードに移行するステップと、
前記入力電圧が第１の閾値未満のときに前記スイッチング・レギュレータが、前記停止モードより待機電力が大きいアクティブ・モードに移行するステップと、
前記アクティブ・モードにおいて電圧ディップが発生したときに、前記スイッチング・レギュレータが、前記入力電圧が前記第１の閾値より小さい第２の閾値未満になったときに昇圧動作を実行し、前記入力電圧が前記第２の閾値以上になったときに前記昇圧動作を停止するステップと、
前記昇圧動作の実行と停止に伴って前記バイパス・スイッチがオン／オフ動作をするステップと
を有する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電池で動作する携帯式電子機器が搭載する電力システムに関し、さらには電池が保有する電気量を効率よく負荷に放電する電力システムに関する。

【背景技術】

【0002】

リチウム・イオン電池のような充電式の電池には放電終止電圧が存在する。満充電状態から放電電圧が放電終止電圧に低下するまでに放電する電気量が、その時点における当該電池の容量ということになる。ノートブック型パーソナル・コンピュータ、タブレット端末、またはスマートフォンのような携帯式電子機器では電池の電力をＤＣ／ＤＣコンバータに供給する。

【0003】

ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を所定の出力電圧に変換してデバイスに電力を供給する。近年、小型の携帯式電子機器では、直列に接続する電池セルの数が１個ないし２個程度まで減少しており、電池が出力する定格電圧が低下してきている。ＤＣ／ＤＣコンバータには、入力電圧に対して許容最低電圧が設定されており、電池の出力電圧が許容最低電圧より低下したときは電池からの電力供給を停止する必要がある。

【0004】

特許文献１は、電池電圧が低下したときにＤＣ／ＤＣ変換回路に供給する電源の電圧を一定にする電源制御回路の発明を開示する。同文献には、電池電圧が高い時は動作を停止させた昇圧型ＤＣ−ＤＣ変換回路をスルーで通過させて降圧型ＤＣ／ＤＣ変換回路に電力を供給し、電池電圧が低下したときに昇圧型ＤＣ−ＤＣ変換回路を動作させて常時動作する降圧型ＤＣ−ＤＣ変換回路に電力を供給することにより電池を放電終了電圧まで放電させることを記載している。

【0005】

特許文献２は、電池使用時間の長時間化を可能にする電池駆動式電子装置の発明を開示する。同文献には、電池を入力とする降圧型コンバータと昇圧型コンバータをカスケード接続した昇降圧コンバータにおいて、電池電圧に応じて昇圧型コンバータと降圧型コンバータのいずれか一方を停止するか双方を停止することを記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平８−１４０２８６公報

【特許文献2】特開２００３−４７２３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

電池の定格電圧が低下してくると、ＤＣ／ＤＣコンバータの許容最低電圧を維持するためには放電終止電圧が到来する前に放電を停止する必要があるため、電池が保有する電気量を有効に活用できなくなる。特許文献１の発明も特許文献２の発明もともに、電池の出力電圧を昇圧して負荷の入力電圧を維持しながら放電終止電圧まで放電させることができる。しかし、特許文献１に記載の電源制御回路では、昇圧型ＤＣ／ＤＣ変換回路を停止させたときに形成される電池から降圧型ＤＣ／ＤＣ変換回路までのスルー回路が、昇圧型ＤＣ／ＤＣ変換回路のチョークコイルＬ２とダイオードＤ２を含むため、電池の放電時に電圧降下と電力損失が発生する。さらに、充電器は昇圧型ＤＣ／ＤＣ変換回路とは別に設けている。

【0008】

また、特許文献２に記載の電子装置では、昇圧型コンバータと降圧型コンバータをともに停止したときに形成される電池と負荷の直結回路に、インダクタとダイオードが挿入されているため、電池の放電時に電圧降下と電力損失が生じる。プロセッサを搭載する携帯式電子機器の負荷は短時間だけ急激に増大する性質があるため電圧ディップが発生する。電圧ディップが発生した場合にも負荷の電圧を確実に維持するためには、電池電圧が比較的高いタイミングで昇圧型コンバータを動作させる必要がある。特許文献１の発明も特許文献２の発明も電圧ディップに対応するために、昇圧型コンバータを電圧ディップが発生しない時間帯でも連続的に動作させる必要があるためそこでのスイッチング損失や抵抗損失が発生する。

【0009】

そこで、本発明の目的は、電池の出力電圧が低下したときに負荷の入力電圧を維持しながら電池を放電終止電圧まで放電させることができる電力システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、負荷の入力電圧を維持しながら昇圧動作の時間を短くして電池を放電終止電圧まで放電させることができる電力システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、簡単な回路で構成した電力システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、電力損失の少ない電力システム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携帯式電子機器およびそのような電力システムによる電力の供給方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明にかかる電力システムの一の態様では、負荷に電力を供給する充電式の電池と、電池の出力電圧を昇圧して負荷に電力を供給することが可能な昇圧器と、昇圧器を経由しないで電池から負荷に電力を供給することが可能な直接放電回路とを有する電力システムを提供する。この構成により、電池の出力電圧が高いときは昇圧器を経由しないで電力の供給ができる直接放電回路から電力を供給して昇圧器の動作を停止できるため、昇圧器で発生する電力損失を抑制することができる。また、電池の出力電圧が低下したときは、昇圧放電回路から電力を供給して負荷の入力電圧を維持することができるため、電池を放電終止電圧まで放電させることができる。

【0011】

昇圧器は、スイッチング動作をする整流素子と整流素子をスイッチング制御するスイッチング・コントローラとを含む同期整流式のスイッチング・レギュレータで構成することができる。同期整流式のスイッチング・レギュレータは電力源の位置によって昇圧動作または降圧動作をするため、ＡＣ／ＤＣアダプタが電力源のときに降圧動作をして電池を充電することができる。したがって、電力システムは充電器と昇圧器を個別に設ける必要がないため、素子の数を減らすことができる。直接放電回路は、整流素子に連動して動作するバイパス・スイッチを含むように構成することができる。

【0012】

そして、負荷の入力電圧が第１の閾値以上のときにバイパス・スイッチがオン状態に移行し、スイッチング・コントローラは動作を停止することができる。その結果、電圧ディップが発生しても負荷の入力電圧が低下することがないほど電池の出力電圧が高いときはスイッチング・コントローラを停止して待機電力を低減することができる。スイッチング・コントローラは負荷の入力電圧が第１の閾値より低い第２の閾値未満のときにスイッチング動作をして電池の出力電圧を昇圧することができる。この構成により負荷の入力電圧に電圧ディップが発生しても、スイッチング・レギュレータが一時的に昇圧動作をして入力電圧の低下を防ぎ、電圧ディップが消滅したときは再び直接放電回路から電力を供給することができる。

【0013】

その結果、直接放電回路から電力供給をしている時間だけ、スイッチング・レギュレータが昇圧動作をする時間が短くなるため、スイッチング・レギュレータの動作による電力損失を抑制することができる。スイッチング・コントローラは、整流素子をスイッチング制御している間、バイパス・スイッチをオフ状態に制御して短絡電流を阻止することができる。電力システムは、ノートＰＣ、タブレット端末、およびスマートフォンのような携帯式電子機器に搭載することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明により、電池の出力電圧が低下したときに負荷の入力電圧を維持しながら電池を放電終止電圧まで放電させることができる電力システムを提供することができた。さらに本発明により、負荷の入力電圧を維持しながら昇圧動作の時間を短くして電池を放電終止電圧まで放電させることができる電力システムを提供することができた。さらに本発明により、簡単な回路で構成した電力システムを提供することができた。さらに本発明により、電力損失の少ない電力システム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携帯式電子機器およびそのような電力システムによる電力の供給方法を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】電力システム１０の基本的な構成を説明するための機能ブロック図である。

【図2】電力システム１０の一例を説明するための機能ブロック図である。

【図3】電力システム１０の動作を説明するためのフローチャートである。

【図4】スイッチング・コントローラ１０７の動作状態、ＦＥＴ１３５の動作状態、電力システム１００の動作状態、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の許容電圧の関係を説明するための図である。

【図5】電力システム１０が電圧ディップに対応して入力電圧を維持する様子を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、電力システム１０の基本的な構成を説明するための機能ブロック図である。電力システム１０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、またはスマートフォンのような携帯式電子機器に搭載することができる。ただし電力システム１０は、充電式の電池１７が保有する電気量を放電終止電圧まで使う必要がある携帯式電子機器全般に適用することができる。

【0017】

電力システム１０は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１、負荷１３、充電昇圧器１５、直接放電回路１９、および電池１７を含んでいる。ＡＣ／ＤＣアダプタ１１は、交流電圧を所定の直流電圧に変換して、外部電源経路５１で負荷１３にシステム電力を供給し、充電経路５３で充電昇圧器１５に充電電力を供給する。負荷１３は携帯式電子機器を構成するプロセッサ、ディスプレイ、および記憶装置などのデバイスで、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１または電池１７から電力の供給を受けて動作する。負荷１３は、短時間だけ急激に消費電力が増加することがある。

【0018】

負荷１３は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１の出力電圧を所定の電圧に変換するコンバータで代表させることができる。ここでは負荷１３が電力を消費している状態の電力システム１０の動作を説明する。負荷１３は、入力電圧Ｖｉが許容最大電圧と許容最低電圧の範囲で正常に動作する。電池１７は放電するときに満充電状態の電圧から放電終止電圧までセル電圧Ｖｂが低下する。ここに、放電終止電圧はそれ以上放電すると劣化が著しく進行するために放電を終了する電圧で電池の保護の視点から定めている。許容最低電圧が、電池１７の放電終止電圧から直接放電回路１９と電池１７が放電する経路のインピーダンスによる電圧降下を引いた値よりも低い場合には、電池１７から負荷１３に直接電力を供給する限り放電終止電圧まで放電することができない。

【0019】

充電昇圧器１５は、アクティブ・モードと停止モードのいずれかの動作モードに移行するスイッチング・レギュレータで構成することができる。充電昇圧器１５は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力を供給するときは、電池１７の充電状態に応じてアクティブ・モードまたは停止モードに設定される。アクティブ・モードに設定された充電昇圧器１５は充電動作をして、充電経路５３を使って電池１７を充電する。停止モードに設定された充電昇圧器１５は完全に動作を停止する。

【0020】

充電昇圧器１５は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力を供給しないときに、負荷の入力電圧Ｖｉ、または充電昇圧器１５の出力電圧Ｖｓの大きさに応じてアクティブ・モードまたは停止モードに移行する。アクティブ・モードに移行した充電昇圧器１５は、入力電圧Ｖｉまたは出力電圧Ｖｓが所定値まで低下したときだけスイッチング動作（昇圧動作）をしてセル電圧Ｖｂを昇圧する。充電昇圧器１５は、入力電圧Ｖｉを所定値に維持しながら、昇圧放電経路５５を使って負荷１３に電力を供給する。また、アクティブ・モードに移行した充電昇圧器１５は、入力電圧Ｖｉまたは出力電圧Ｖｓが所定値以上のときにスイッチング動作を停止する。充電昇圧器１５は、アクティブ・モードでスイッチング動作を停止するときにはスイッチング動作の開始のために待機しているため、停止モードのときより待機電力が増加する。

【0021】

直接放電回路１９は、電池１７と負荷１３を直接接続するスルー・モードと遮断するブロック・モードのいずれかに設定される。直接放電回路１９は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力を供給するときにブロック・モードに設定され、ＡＣ／ＤＣアダプタが電力を供給しないときに充電昇圧器１５の動作に連動してスルー・モードまたはブロック・モードに設定される。直接放電回路１９は、スルー・モードに設定されたときに直接放電経路５７で負荷１３に電力を供給し、ブロック・モードに設定されたときに、昇圧動作をする充電昇圧器１５またはＡＣ／ＤＣアダプタ１１に短絡電流が流れることを阻止する。

【0022】

図２は、電力システム１０の構成の一例を説明するための機能ブロック図である。ＡＣ／ＤＣアダプタ１１は、携帯式電子機器の筐体の内部に収納する内蔵タイプまたは筐体にコネクタで接続する外置きタイプのいずれでもよい。スイッチング・コントローラ１０７、ハイサイドのＦＥＴ１０９、ローサイドのＦＥＴ１１１、リアクトル１１３、および平滑コンデンサ１１５、１３１はスイッチング・レギュレータを構成し図１の充電昇圧器１５に相当する。ＦＥＴ１０９、１１１は電流を一定の方向に流す整流素子（スイッチング素子）に相当し、リアクトル１１３はＦＥＴ１０９、１１１の動作に対応して電源のエネルギーを蓄積および放出する受動素子に相当し、平滑コンデンサ１１５、１１３は電圧を安定させるフィルタ素子に相当する。

【0023】

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７は、入力電圧Ｖｉを所定の安定した電圧に変換して携帯式電子機器を構成するデバイスに電力を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７は、図１の負荷１３に相当する。電池ユニット１２５は、図１の電池１７、保護回路、制御回路、および入出力回路などで構成している。電池ユニット１２５は、携帯式電子機器の筐体のベイに装着するスマート・バッテリィ規格の電池パックでもよい。本明細書では、電池１７としてリチウム・イオン電池を例示して説明するが、本発明は放電終止電圧が存在するすべての充電式電池に適用することができる。

【0024】

ＡＣ／ＤＣアダプタ１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の間には、ＦＥＴ１０３、１０５、センス抵抗１３３が直列に接続されている。センス抵抗１３３の両端は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の入力電流を検出するために、スイッチング・コントローラ１０７に接続されている。ＡＣ／ＤＣアダプタ１１とＦＥＴ１０３の間には、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１の電圧を検出する電圧検出装置（ＶＤ）１０１が接続されている。

【0025】

ＶＤ１０１の出力はスイッチング・コントローラ１０７に接続されている。ＦＥＴ１０５とセンス抵抗１３３の間には、グランドとの間に平滑コンデンサ１３１が接続されている。センス抵抗１３３とＤＣ／ＤＣコンバータ１２７との間には、グランドとの間に直列にスイッチング・コントローラ１０７が出力電圧Ｖｓを検出するための分圧抵抗１３３ａ、１３３ｂが接続されている。

【0026】

分圧抵抗１３３ａ、１３３ｂの接続部は、スイッチング・コントローラ１０７に接続されている。スイッチング・コントローラ１０７は、出力電圧Ｖｓをフィードバック電圧として検出する。ラインの電圧降下が小さいため昇圧動作をするスイッチング・コントローラ１０７の出力電圧Ｖｓと入力電圧Ｖｉはほぼ同じ値として扱うことができる。ＦＥＴ１０５とセンス抵抗１３３の間には、グランドとの間にＦＥＴ１０９、１１１が直列に接続されている。スイッチング・コントローラ１０７は、ＦＥＴ１０９とＦＥＴ１１１を同期整流方式でスイッチング動作させて、昇圧動作（放電動作）または降圧動作（充電動作）をする。同期整流方式では、ＦＥＴ１０９とＦＥＴ１１１が、同時にオフする期間が重なるようにしながら交互にオン／オフ状態が切り換わる。

【0027】

ＦＥＴ１０９、１１１の接続部と電池ユニット１２５との間には、直列にリアクトル１１３、センス抵抗１１７、ＦＥＴ１２３が接続されている。センス抵抗１１７の両端は、充電電流を検出するために、スイッチング・コントローラ１０７に接続されている。リアクトル１１３とセンス抵抗１１７の間には、グランドとの間に平滑コンデンサ１１５が接続されている。センス抵抗１１７とＦＥＴ１２３との間には、グランドとの間に直列にスイッチング・コントローラ１０７が出力電圧Ｖｃを検出するための分圧抵抗１１９ａ、１１９が接続されている。分圧抵抗１１９ａ、１１９ｂの接続部はスイッチング・コントローラ１０７に接続されている。スイッチング・コントローラ１０７は、出力電圧Ｖｃをフィードバック電圧として検出する。ラインの電圧降下が小さいため出力電圧Ｖｃとセル電圧Ｖｂはほぼ同じ値として扱うことができる。

【0028】

スイッチング・コントローラ１０７は、ＦＥＴ１０９、１１１のオン／オフ周期を一例としてＰＷＭ方式で制御する。昇圧動作のときは、ＦＥＴ１１１のオン期間が長くなるほどリアクトル１１３により多くのエネルギーが蓄積されて出力電圧Ｖｓが高くなる。降圧動作のときは同様にＦＥＴ１０９のオン期間が長くなるほどリアクトル１１３により多くのエネルギーが蓄積されて出力電圧Ｖｃが高くなる。

【0029】

リアクトル１１３は、昇圧動作および降圧動作のいずれでもエネルギーの蓄積と放出を繰り返す。スイッチング・コントローラ１０７には、昇圧動作の設定値（昇圧電圧）と降圧動作の設定値（充電電圧および充電電流）が設定される。スイッチング・コントローラ１０７は昇圧動作のときに出力電圧Ｖｓを昇圧電圧に維持するために、分圧抵抗１３３ａ、１３３ｂが検出する出力電圧Ｖｓを参照してスイッチング動作のデューティを調整する。スイッチング・コントローラ１０７は、降圧動作のときに出力電圧Ｖｃを充電電圧に維持するために、分圧抵抗１１９ａ、１１９ｂが検出する出力電圧Ｖｃを参照してスイッチング動作のデューティを調整する。スイッチング・コントローラ１０７は、降圧動作のときに定電圧定電流方式でＦＥＴ１０９、１１１をスイッチング制御して電池ユニット１２５を充電する。

【0030】

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の入力端子と電池ユニット１２５の出力端子は、ＦＥＴ１３５で接続されている。ＦＥＴ１３５は、図１の直接放電回路１９に相当する。ＦＥＴ１３５は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力を供給する間は、充電コントローラ１５１によりオフ状態に制御される。ＦＥＴ１３５は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力を供給しない間はスイッチング・コントローラ１０７により制御される。

【0031】

電池ユニット１２５は、一例としてＳＭバスで充電コントローラ１５１に接続されている。充電コントローラ１５１はスイッチング・コントローラ１０７に接続されている。充電コントローラ１５１は、スイッチング・コントローラ１０７を経由してＡＣ／ＤＣアダプタ１１の出力電圧を監視する。充電コントローラ１５１はＳＭバスを通じて、定期的に電池ユニット１２５からセル電圧Ｖｂ、電池セルが蓄積している電気量およびスイッチング・コントローラ１０７に設定する設定値などの情報を取得する。

【0032】

スイッチング・コントローラ１０７は、アクティブ・モードまたは停止モードのいずれかで動作する。アクティブ・モードに設定されたスイッチング・コントローラ１０７は、出力電圧Ｖｓ、Ｖｃの値に応じてスイッチング動作をしたりスイッチング動作を停止したりすることができる。充電コントローラ１５１は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力を供給する間、スイッチング・コントローラ１０７をアクティブ・モードまたは停止モードに設定する。スイッチング・コントローラ１０７は、アクティブ・モードで昇圧動作をしないときは、停止モードのときと同様にＦＥＴ１０９、１１１のスイッチング動作を停止するが、アクティブ・モードではスイッチング・コントローラ１０７が待機電力を消費する。

【0033】

これに対し停止モードのときのスイッチング・コントローラ１０７は、ウェイクする回路を除いてほとんどの機能が停止するため待機電力をほとんど消費しない。充電コントローラ１５１は、電池ユニット１２５から充電要求があったときに、スイッチング・コントローラ１０７をアクティブ・モードに設定し、充電電流および充電電圧を設定してただちに充電動作をさせる。充電コントローラ１５１は、電池ユニット１２５から充電停止要求があると、充電コントローラ１５１を停止モードに設定する。充電コントローラ１５１は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１の出力電圧に応じてＦＥＴ１０３、１０５、１２３、１３５の動作を制御する。

【0034】

図３は、電力システム１０の動作を説明するフローチャートで、図４は、スイッチング・コントローラ１０７の動作状態、ＦＥＴ１３５の動作状態、電力システム１０の動作状態およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の許容電圧の関係を説明するための図である。図４で縦軸はＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の入力電圧Ｖｉまたは電池ユニット１２５のセル電圧Ｖｂを示している。

【0035】

ここでは電池ユニット１２５が１個分のセル電圧Ｖｂを出力する場合を例示するが、複数の電池セルが直列に接続されているときのセル電圧Ｖｂは、それらを合成した電圧を意味するものとする。Ｖ１は電池ユニット１２５の満充電電圧で一例として１セル当たり４．２Ｖ〜４．３５Ｖである。Ｖ２はＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力を供給しないときに、スイッチング・コントローラ１０７がアクティブ・モードに移行する電圧（アクティブ化電圧）で一例において３．５Ｖとしている。

【0036】

Ｖ３は、スイッチング・コントローラ１０７が昇圧動作をするときの設定電圧（昇圧電圧）で、一例において３Ｖとしている。ここでは昇圧電圧Ｖ３をＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の許容最低電圧に一致させる例を示しているが、許容最低電圧は昇圧電圧Ｖ３より小さくてもよい。ただし、昇圧電圧Ｖ３を許容最低電圧よりも大きくするだけ、スイッチング・コントローラ１０７がスイッチング動作をする時間が長くなって損失が多くなる。

【0037】

Ｖ４は電池セルの放電終止電圧で、一例として２．５Ｖ〜２．７５Ｖである。なお、電池ユニット１２５が実装する電池セルが直列に複数個接続されている場合は、Ｖ１〜Ｖ４の値はそれぞれ電池セルの個数倍になる。ブロック２０１で、電力システム１０にはＡＣ／ＤＣアダプタ１１からＤＣ／ＤＣコンバータ１２７に電力を供給している。ブロック２０２で、充電コントローラ１５１は最初に、スイッチング・コントローラ１０７を停止モードに設定していると想定する。充電コントローラ１５１はＡＣ／ＤＣアダプタ１１の出力電圧を検出して、ＦＥＴ１０３、１０５をオン状態に制御し、ＦＥＴ１２３、１３５をオフ状態に制御する。

【0038】

充電コントローラ１５１は、電池ユニット１２５から電池セルの充電状態を示す情報を定期的に取得して、充電が必要だと判断したときにＦＥＴ１２３をオン状態に制御し、スイッチング・コントローラ１０７をアクティブ・モードに設定する。充電コントローラ１５１は、さらにスイッチング・コントローラ１０７に充電電圧および充電電流を設定して充電動作を開始させる。充電コントローラ１５１は、満充電に到達するとスイッチング・コントローラ１０７を停止モードに設定する。

【0039】

ブロック２０３でＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力の供給を停止する。停止の瞬間、スイッチング・コントローラ１０７は、アクティブ・モードまたは停止モードのいずれかに設定されている。また、電池ユニット１２５のセル電圧Ｖｂは、満充電電圧Ｖ１から放電終止電圧Ｖ４までのいずれかの値である。ＶＤ１０１の出力を検出したスイッチング・コントローラ１０７は、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１が電力の供給を停止したことを認識する。ブロック２０４でスイッチング・コントローラ１０７は出力電圧Ｖｓがアクティブ化電圧Ｖ２より大きいと判断したときは、ブロック２０５でＦＥＴ１３５をオン状態に設定する。

【0040】

その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７に対する電力源が、ＡＣ／ＤＣアダプタ１１から電池ユニット１２５に切り換わる。ＦＥＴ１３５がオン状態に制御されるまでの過渡的な期間は、ＦＥＴ１３５の寄生ダイオードが電流を流してＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の入力電圧Ｖｉを維持する。スイッチング・コントローラ１０７が、出力電圧Ｖｓがアクティブ化電圧Ｖ２より小さいと判断したときは、ブロック２１１に移行する。

【0041】

ブロック２０６でスイッチング・コントローラ１０７は停止モードに移行する。ブロック２０７ではこの状態で、電池ユニット１２５がＦＥＴ１３５を経由して電力を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７に電力を供給する間、スイッチング・コントローラ１０７が停止してリアクトル１１３に電流が流れないため、電力損失および電圧降下を抑制することができる。ＦＥＴ１３５を経由した電池ユニット１２５からＤＣ／ＤＣコンバータ１２７への放電を直接放電という。

【0042】

直接放電をしている間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の負荷が短い周期で急激に増加したときにはその間だけ電池ユニット１２５のセル電圧Ｖｂが内部抵抗で低下し、さらに電池ユニット１２５内部のＦＥＴやヒューズおよびＦＥＴ１３５などＤＣ／ＤＣコンバータ１２７までの経路の抵抗で、入力電圧Ｖｉに一時的に電圧が低下する電圧ディップが発生する。アクティブ化電圧Ｖ２は、昇圧電圧Ｖ３に対して電圧ディップが発生しても昇圧電圧Ｖ３を維持できるだけのマージンを含めて設定する。したがって、入力電圧Ｖｉがアクティブ化電圧Ｖ２に低下するまでは、負荷の変動で電圧ディップが発生したときにスイッチング・コントローラ１０７が昇圧動作をしなくても、入力電圧ＶｉはＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の許容最低電圧未満に低下しない。

【0043】

ブロック２０９で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２７の入力電圧Ｖｉがアクティブ化電圧Ｖ３未満になったことを検出したスイッチング・コントローラ１０７はアクティブ・モードに移行する。アクティブ・モードに移行したスイッチング・コントローラ１０７は出力電圧Ｖｓが、昇圧電圧Ｖ３未満になったときだけスイッチング動作をする。

【0044】

出力電圧Ｖｓが昇圧電圧Ｖ３未満になるのは、セル電圧Ｖｂが高い間は電圧ディップが発生したときだけである。スイッチング・コントローラ１０７は、出力電圧Ｖｓが昇圧電圧Ｖ３未満になったことを検出したときは、ＦＥＴ１０９、１１１をスイッチング動作させて昇圧動作をする。このとき、ＦＥＴ１１１がオン状態でＦＥＴ１０９がオフ状態のときに流れる電流によるエネルギーがリアクトル１１３に蓄積される。つぎに、ＦＥＴ１０９がオン状態でＦＥＴ１１１がオフ状態のときは、リアクトル１１３が放出するエネルギーによる誘導起電力が電池ユニット１２５のセル電圧Ｖｂに重畳されて、電池ユニット１２５のセル電圧Ｖｂが昇圧電圧Ｖ３まで昇圧されＤＣ／ＤＣコンバータ１２７に電力を供給する。昇圧動作をするスイッチング・コントローラ１０７を経由した電池ユニット１２５からＤＣ／ＤＣコンバータ１２７への放電を昇圧放電という。

【0045】

スイッチング・コントローラ１０７は、ＰＷＭ方式でスイッチング周期を制御して、出力電圧Ｖｓを昇圧電圧Ｖ３まで昇圧する。スイッチング・コントローラ１０７は、スイッチング動作をしている間、ＦＥＴ１３５をオフ状態に制御する。スイッチング・コントローラ１０７は，出力電圧Ｖｓが昇圧電圧Ｖ３に到達すると、スイッチング動作を停止するとともに、ＦＥＴ１３５をオン状態に制御する。電池ユニット１２５のセル電圧Ｖｂが、アクティブ化電圧Ｖ２から昇圧電圧Ｖ３まで低下する間は、電圧ディップの発生に応じてスイッチング・コントローラ１０７がＦＥＴ１３５を制御しながら昇圧動作と停止を繰り返す。これを電力システム１０からみると、昇圧放電と直接放電が繰り返されていることになる。

【0046】

このときの様子を図５に示す。図５は、直接放電を継続したと仮定したときに電圧ディップが発生して出力電圧Ｖｓが昇圧電圧Ｖ３より低下する時間ｔの間だけ、スイッチング・コントローラ１０７が昇圧動作をして、出力電圧Ｖｓを昇圧電圧Ｖ３まで昇圧する様子を示している。電池ユニット１２５のセル電圧Ｖｂがアクティブ化電圧Ｖ２から昇圧電圧Ｖ３に低下するまでの間は、スイッチング・コントローラ１５はアクティブ・モードに移行しているにもかかわらず、電圧ディップが発生しない多くの時間帯ではスイッチング動作を停止して直接放電で電力供給する。

【0047】

ＦＥＴ１３５を設けない場合は、セル電圧Ｖｂがアクティブ化電圧Ｖ２まで低下した以降は、電圧ディップの対策のためにスイッチング・コントローラ１０７が連続的に昇圧動作をすることになる。昇圧放電ではスイッチング・コントローラ１０７のスイッチング損失やリアクトル１１３での電力損失が発生するが、直接放電ではそのような損失が発生しないため、入力電圧Ｖｉを維持しながらできるだけ直接放電の時間を長くすることは有利である。

【0048】

ＦＥＴ１３５は、ＦＥＴ１０９、１１１のスイッチング動作に連動してオフ状態とオン状態を繰り返すことになる。ブロック２１３ではこのようにして昇圧放電と直接放電が発生する。ブロック２１５で出力電圧Ｖｓが昇圧電圧Ｖ３未満に到達すると、スイッチング・コントローラ１０７は自動的に連続した昇圧動作をする。スイッチング・コントローラ１０７それに応じてＦＥＴ１３５を連続してオフ状態に制御しブロック２１７で電力システム１０は完全な昇圧放電を行う。

【0049】

ブロック２１９で電池コントローラ１５１は、電池ユニット１２５から受け取った残容量やセル電圧Ｖｂなどから、電池ユニット１２５が放電終止電圧Ｖ４に到達したと判断する。ブロック２２１で、電池コントローラ１５１は、システムに電力供給を停止することを通知して、スイッチング・コントローラ１０７を停止モードに設定する。

【0050】

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。

【符号の説明】

【0051】

１０ 電力システム
１１ ＡＣ／ＤＣアダプタ
１３ 負荷
１５ 充電昇圧器
１７ 充電式の電池
１９ 直接放電回路
５１ 外部電源経路
５３ 充電経路
５５ 昇圧放電経路
５７ 直接放電経路
Ｖｉ 負荷の入力電圧
Ｖｂ セル電圧
Ｖｓ 昇圧動作のときの充電昇圧器１５の出力電圧
Ｖｃ 降圧動作のときの充電昇圧器１５の出力電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】