(57)【要約】  携帯型電子デバイスに電力を供給するように適合され、また、さらに、電力源が存在しない場合に携帯型電子デバイスを動作させ、かつ／または充電するための出力直流電圧を提供するように適合された高出力電池を備えた、携帯型で、かつ、軽量の電力変換器である。有利には、電力変換器は、極端に小型のデバイスとしてパッケージされた変換器回路ならびに高出力電池を備えており、また、さらに、携帯型電子デバイスの電池を再充電により複数回にわたって充電するように構成されている。変換器は、さらに、入力電力が接続されると変換器電池を充電するように構成された充電回路を備えることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジングの中に配置された、交流電圧または直流電圧のいずれかを受け取り、かつ、変換された直流出力電圧を出力に提供するように構成された入力を有する電力変換器回路と、
前記ハウジングの中に配置された、前記入力に電圧が提供されていない場合に前記出力に直流電圧を提供するように構成された電池と
を備えた電力変換器であって、前記電池が、携帯型電子デバイスに電気的に結合され、前記携帯型電子デバイスを動作させるか、あるいは充電するように構成され、前記電池が、最大１５ワットの電力を生成し、かつ、少なくとも０．７５ワット／立法インチの電力密度を生成するように構成された電力変換器。
【請求項２】
少なくとも１．０ワット／立法インチの電力密度を有する、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記電力密度が少なくとも１．２ワット／立法インチである、請求項２に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記電力変換器電池が最大１０ワットの連続電力を生成するように構成され、また、前記ハウジングが約１３．３３立方インチ未満の体積を有する、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記電池が最大５ワットの電力を連続的に生成するように構成され、また、前記ハウジングが約６．６７立方インチ未満の体積を有する、請求項４に記載の電力変換器。
【請求項６】
少なくとも１．０ワット／立法インチの電力密度を有する、請求項４に記載の電力変換器。
【請求項７】
少なくとも１．０ワット／立法インチの電力密度を有する、請求項５に記載の電力変換器。
【請求項８】
前記ハウジングが約６．４８立方インチ未満の体積を有する、請求項６に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記ハウジングが約４．４６立方インチ未満の体積を有する、請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１０】
前記直流出力電圧が選択可能である、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１１】
前記直流出力電圧の値を確立するように構成された取外し可能プログラム・モジュールをさらに備えた、請求項１０に記載の電力変換器。
【請求項１２】
前記取外し可能プログラム・モジュールが、前記携帯型電子デバイスに機械的および電気的に結合されるように構成されたチップ・コネクタを備えた、請求項１１に記載の電力変換器。
【請求項１３】
前記電池が、前記電池の充電を必要とすることなく、前記携帯型電子デバイスの電池を少なくとも２回、完全に充電するように構成された、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１４】
前記電圧が前記入力に提供されると前記電池を充電するように構成された充電回路をさらに備えた、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項１５】
前記電圧が前記入力に供給されると前記充電回路が前記電池を自動的に充電する、請求項１４に記載の電力変換器。
【請求項１６】
前記電池が使用者交換可能電池である、請求項１３に記載の電力変換器。
【請求項１７】
前記電池が使用者交換可能電池である、請求項１１に記載の電力変換器。
【請求項１８】
前記電池がアルカリ電池またはリチウム・イオン電池からなる、請求項１６に記載の電力変換器。
【請求項１９】
前記電池がリチウム・イオン電池またはリチウム・ポリマー電池からなる、請求項１７に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年７月１３日に出願した、ＭＡＣ  ＷＩＴＨ  ＩＮＴＥＧＲＡＬ  ＢＡＴＴＥＲＹという名称の米国仮出願第６０／８３０，７８３号、および、同じく、２００６年７月１４日に出願した、ＭＡＣ  ＷＩＴＨ  ＩＮＴＥＧＲＡＬ  ＢＡＴＴＥＲＹという名称の米国仮出願第６０／８３０，８２６号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、携帯型電力変換器を対象としており、より詳細には、ＰＤＡ、携帯電話、ＭＰ３プレーヤ、計算デバイス、ディジタル・カメラ、ゲーム・デバイス、等を始めとする携帯型電子デバイスに電力を供給するのに適した携帯型電力変換器を対象としている。
【背景技術】
【０００３】
電力変換器は、従来、電池で動作する様々なデバイスを充電し、かつ／またはそれらを動作させるために使用されている。ＰＤＡ、携帯電話、ＭＰ３プレーヤ、ディジタル・カメラ、計算デバイス、ゲーム・デバイス、等を始めとする携帯型電子デバイスに電力を供給するように適合された特定の電力変換器は、通常、交流入力電圧または直流入力電圧のいずれか、またはそれらの両方を受け取り、受け取った入力電圧を直流出力電圧に変換するように構成されている。直流出力電圧は、Ａｒｉｚｏｎａ州Ｓｃｏｔｔｓｄａｌｅ在所の、本発明の譲受人であるＭｏｂｉｌｉｔｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．がｉＴｉｐｓ（商標）として市場に出しているチップなどの交換可能プログラミング・モジュールを使用して確立することができる選択可能な値を有することができる。これらの電力変換器は、自動車、航空機および壁面電源を始めとする利用可能な様々な電力源から携帯型電子デバイスに電力を供給するのに非常に適している。使用者に必要なことは、交換可能プログラミング・モジュールと共に、単一の電力変換器と、直流出力電圧を確立し、かつ、適切な携帯型電子デバイスに電力を供給するのに適した１つまたは複数のプログラミング・モジュールとを持ち運ぶことのみである。
【発明の要約】
【０００４】
場合によっては電力源から離れ、しかもその携帯型電子デバイスの電池が使い果たされることもある移動体の使用者を始めとする使用者に、より一層の利便性を提供するように適合された改良型携帯型電力変換器が提供されることが望ましい。
【０００５】
本発明によれば、携帯型電子デバイスに電力を供給し、かつ／または充電するように適合され、また、さらに、電力源を利用することができない場合に携帯型電子デバイスを動作させ、かつ／または充電するための出力直流電圧を提供するように適合された高出力電池を備えた携帯型電力変換器としての技術的な利点が達成される。有利には、高出力電池を備えた電力変換器は、極端に小型で、かつ、軽量のデバイスとしてパッケージされており、また、さらに、携帯型電子デバイスの電池を再充電により複数回にわたって充電するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】好ましい一実施形態による単一の入力および一体型電池を有する小型電力変換器を示す斜視図である。
【図２】交流入力電圧または直流入力電圧のいずれかを受け取るように構成された代替実施形態の斜視図である。
【図３】図１に示されているデバイスのための変換器回路の略ブロック図である。
【図４】一体型電池を充電するための一体型充電器を備えた、図１の実施形態のための代替変換器回路の略ブロック図である。
【図５】同じく直流電圧入力を備えることができる、高出力電池を備えたもう１つの電気回路の電気ブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態の詳細な電気略図である。
【図７】図６のバック変換器の詳細略図である。
【図８】図６の制御回路の詳細略図である。
【図９】図６の交流／直流変換器の詳細略図である。
【図１０】図６のＳＥＰＩＣ変換器の詳細略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１を参照すると、図３に示されているように、入力コネクタ１２で交流電圧を受け取り、かつ、変換された電圧を直流電圧として出力１４に提供するように構成された小型携帯型電力変換器が斜視図で全体的に１０で示されている。図１には、さらに、変換器の両側に１つずつ配置され、全体的に１８で示されているハウジングの透明部分を介して見ることができる複数の電池１６が示されている。
【０００８】
次に図２を参照すると、直流入力電圧を受け取るよう適合された入力２２と、交流入力電圧を受け取るように適合された入力２４の一対の入力を有する小型携帯型電力変換器を備えた本発明の代替実施形態が２０で示されている。変換器２０は、図５に示されているように、選択可能な直流出力電圧を２６に提供するように構成された出力２６を備えている。有利には、小型携帯型電力変換器１０および２０の各々は、電池および電子変換器回路のすべてが極めて微小なハウジングの中にパッケージされ、それにより極めて高い電力密度を実現している高出力電池を有している。
【０００９】
本発明によれば、電力変換器自体が携帯型であり、好ましくは電力を供給すべき典型的な携帯型電子デバイスの１／２のサイズであるよう、変換器回路と共に微小なハウジングの中に密閉された高出力で、かつ、軽量の電池、たとえばリチウム・イオン電池またはリチウム・ポリマー電池などを電力変換器が備えている点で技術的な利点が達成される。たとえば変換器は、ＰＤＡのサイズにすることができる。さらに、電池は、その電池自体の充電を必要とすることなく、多数回にわたって携帯型電子デバイスの電池を充電し、携帯型で、かつ、小型のデバイスを使用して、同じデバイスを繰返し充電し、または複数のデバイスを充電する能力を移動体使用者に提供するように構成される。さらに、電池は、充電回路によって電力源が提供されると、自動的に充電される。この高出力で、かつ、小型の電力変換器は、軽量で、他の携帯型電子デバイスと共に便利に持ち運ぶことができるため、いつでも、どこででも真の電力が使用者に提供される。
【００１０】
たとえば、好ましい一実施形態では、電力変換器は、入力電力または電池のいずれかを電力源として最大５ワットの連続電力を提供するように構成することができ、ハウジングは、少なくとも０．７５ワット／立法インチの電力密度を実現するべく、たとえば１．１０×２．０５×３．０インチの寸法を有する６．８０立法インチ未満の体積を有しており、また、その重量は３．５００２オンスであり、動作温度は７５℃未満である。例示的一実施形態では、電力密度は、１立法インチ当たり少なくとも１ワットであり、したがってパッケージは、約５立法インチの体積を有している。好ましい一実施形態では、ハウジングの体積が４．４６立法インチになるよう、そのサイズを０．９８×１．８×２．５３インチにすることができ、それにより１立法インチ当たり１．１２ワットの電力密度を実現することができる。ハウジングの重量は３．５オンス未満、動作温度は７５℃未満である。これらの寸法および電力は、何ら制限されるものではない。
【００１１】
もう１つの好ましい実施形態では、電力変換器は、最大１５ワットの連続電力を提供することができる。本発明は、少なくとも０．７５ワット／立法インチ、好ましくは少なくとも１．０ワット／立法インチの電力密度を提供することが大いに望ましく、かつ、有利である。例示的一実施形態では、電力変換器は、最大１０ワットの連続電力を提供しており、０．７５ワット／立法インチの電力密度を実現する約１３．３３立法インチ未満の体積を有している。重量は８オンス未満であり、動作温度は７５℃未満である。また、ハウジングは、７立法インチ未満の体積を有することも可能であり、たとえば６．４８立法インチの体積を実現するべく１．０９×１．９９×２．９７インチの寸法を有することができ、それにより１０ワットの連続出力電力に対して１立法インチ当たり少なくとも１．２３ワットの電力密度が得られる。重量は７オンス未満であり、７５℃未満で動作する。
【００１２】
体積、電力密度、重量および充電性は、外出中に電力を必要とする使用者に多くの技術的な利点を提供する本発明の有利な特徴の一部である。さらに、出力電圧を選択することができるため、携帯型電子デバイスを適切に動作させるために必要な適切な出力電圧および／または電流、および／または携帯型電子デバイスの電池を充電するために必要な適切な出力電圧および／または電流を提供することができる。
【００１３】
次に図３を参照すると、電力変換器１０の中に具体化することができる回路１５の一電気ブロック図が示されている。注目すべきことには、直列に構成された一対の電池１６が、これらの電池によって提供される電圧を１９で示されている携帯型電子デバイスの入力電圧要求事項に釣り合った適切な電圧に昇圧させるために適した昇圧回路３０に結合されている。電池１６は、必要に応じて充電することも、あるいは廃棄することも可能である。帰還回路３２は、たとえば電池が消耗するときなど、電池１６の電圧が時間と共に変化し、あるいは低下するようなことがあっても、昇圧回路３０によってデバイス１９に適切な出力電圧が提供されるように構成されている。交流入力電圧を直流電圧に変換している回路１５は、図に示されているように、交流−直流変換器に典型的に使用されている従来のフライ・バック・トポロジーであってもよい。スイッチＳＷ１は、入力１２から引き出される直流電圧によってデバイス１９に電力が供給される場合に閉じるが、電池１６によってデバイス１９に電力が供給されると閉じる。
【００１４】
次に図４を参照すると、図に示されているように、スイッチＳＷ４が開いているときは並列に構成され、あるいはスイッチＳＷ４が閉じているときは直列に構成され、さらに、交流入力電圧が入力１２に提供されると自動的に充電されるように構成された電池１６を備えた、電力変換器１０に使用することができる回路４０の代替電気ブロック図が示されている。マイクロコントローラ４２は、デバイス１９に電力を引き渡す際の電池電圧、温度および出力電流の一次検出およびモニタリングを提供している。交流入力電圧が存在している場合、スイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３が閉じ、したがってデバイス１９に出力直流電圧が提供され、また、それと同時に電池が充電される。個別チャネル充電および直列放電が提供される。適切な出力電圧を提供するために、放電の間、電池によって提供される電圧が昇圧される。
【００１５】
次に図５を参照すると、高出力電池１６を備えた変換器回路の好ましい一実施形態の電気ブロック図が５０で示されている。高出力電池１６は、たとえば、大量の電力を蓄積し、また、電力密度が高いリチウム・イオン電池またはリチウム・ポリマー電池からなっており、また、軽量である。交流電圧が入力２４に提供されると、スイッチＳＷ１およびＳＷ２が閉じる。これらのスイッチが閉じている間、デバイス１９および電池１６の両方が充電される。回路５０は、さらに、直流入力電圧を受け取り、かつ、共通ノードＮに提供し、また、５２で示されている共通出力回路に供給するように構成された直流入力３２を備えている。充電器／電力経路管理回路５４は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２を制御するように構成されており、したがって入力２２または２４のいずれかに入力電圧が提供されていない場合、回路５４によってスイッチが開く。昇圧回路５６は、回路５４によって提供される直流電圧を必要に応じて昇圧し、携帯型電子デバイス１９の充電および／または動作に適した直流出力電圧を２６に提供している。帰還回路５８は、図に示されているように、昇圧回路５６によって２６に提供される出力電圧の関数として昇圧回路５６を調整している。
【００１６】
図３、図４および図５に示されているすべての回路を参照すると、帰還回路は、それぞれ、個々の昇圧回路を制御し、変換器回路出力２６に提供される直流出力電圧を選択的に確立するように構成された交換可能デバイス・コネクタ・チップなどの交換可能プログラミング・コンポーネントを備えることができる。既に指摘したように、適切な直流出力電圧を使用者が確立することができ、また、携帯型電子デバイス１９に接続し、かつ、動作させるための適切な機械的インタフェースを同じく使用者が確立することができるよう、Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．によって提供されるｉＴｉｐｓ（商標）などの交換可能プログラミング・チップ・コネクタを利用することができる。高出力電池バックアップを有する小型電力変換器に統合されたこの追加電圧プログラミング機能によれば、電力源を利用することができない場合に、異なるデバイスに電力を供給する柔軟性を必要とする移動体使用者に独自の解決法が提供される。本発明は、電池バックアップを備えた電力変換器以上のものである。それは、小型デバイスを備え、電力密度が高く、軽量であり、また、電力が存在している場合に自動的に電池を充電し、かつ、電力源が存在していない場合にオン・デマンドで電力を提供する解決法である。
【００１７】
次に図６を参照すると、本発明の好ましい例示的一実施形態の詳細な略図が示されており、同様の参照数表示は同様の構成要素を表している。電池１６は、ＮＣＳ  １４００ｍＡｈ電池であってもよく、また、変換器６０は、最大８Ｗの連続直流電力を生成することができる。ほとんどのポリマーＬｉ−イオン／Ｌｉ−イオン電池は、同じ充電特性を有している。この実施形態では、電池は、温度、過電圧および過電流をモニタするあらゆる保護回路を備えていることが仮定されている。また、電池パックは、燃料ゲージを備えることも可能である。
【００１８】
変換器６０に取り付けられたデバイス１９が存在している場合、約０．２Ｃすなわち２８０ｍＡの定電流を使用して、電池電圧が４．２Ｖに到達するまで電池１６を充電することができる。電池が４．２Ｖに到達すると、次に充電を定電圧に切り換えることができ、また、電流を４０ｍＡ以下まで徐々に減少させることができる。総充電時間は、約５時間になる。この充電時間の間、携帯型電子デバイス１９が利用することができる電流を約５７０ｍＡに制限することができる。
【００１９】
取り付けられたデバイス１９が存在していない場合、充電速度は、電池電圧が４．２Ｖに到達するまで約０．６Ｃすなわち８５０ｍＡにすることができる。電池１６が４．２Ｖに到達すると、次に充電を定電圧に切り換えることができ、また、電流を４０ｍＡ以下まで徐々に減少させることができる。これにより、充電時間は、約２時間になる。
【００２０】
ＭＳＰ４３０マイクロコントローラ４２は、外部センサを使用して電池温度を連続的にモニタし、また、充電電流および充電電圧を連続的にモニタしている。マイクロコントローラ４２は、さらに、デバイス１９などの負荷が取り付けられたことを確認するためにユニットをモニタしている。負荷が取り付けられると、マイクロコントローラ４２はデバイス１９に優先権を与え、電池１６への充電電流を小さくする。
【００２１】
次に図７を参照すると、バック変換器６２が示されている。交流／直流変換回路６４からの最大開回路電圧は、６．４２Ｖにすることができる。バック変換器６２は、電池１６を充電することができるよう、変換器回路６４からの電圧を４．２Ｖに逓降している。ＭＳＰ４３０は、電池電圧およびバック変換器の入力を常にモニタし、電池１６を調整している。ＭＳＰ４３０のスイッチング周波数は、１７３ｋＨｚにすることができる。これは、５ビットの分解能に基づいている。抵抗器Ｒ１１は電池充電電流を知覚しており、一方、電池電圧は抵抗器Ｒ６ノードで知覚される。
【００２２】
トランジスタＱ１、Ｑ４および関連する抵抗器は、交流／直流変換器６４からチップ１９へのパス・スルーとして作用している。トランジスタＱ２、Ｑ５およびＱ６は、チップ１９への電力源として電池１６を使用する際のパス・スルーとして作用している。
【００２３】
次に図８を参照すると、ＬＤＯ８０は、ＭＳＰ４３０  ４２のＶＣＣピンおよびすべての回路に３．３Ｖを提供している。回路Ｕ５は、交流／直流変換器６４からの電池電流知覚の信号ならびに負荷知覚の信号を比較し、ＭＳＰ４３０に情報を提供している。上で言及したように、電池１６を充電している間に携帯型電子デバイス１９が取り付けられると、ＭＳＰ４３０は、電池充電電流を約０．２Ｃの標準速度まで小さくし、デバイス１９に優先権を与えて最大５７０ｍＡの電流を提供する。
【００２４】
４つの二色ＬＥＤ  Ｄ４〜Ｄ７は、２５〜１００％の充電状態および放電状態を消費者が目視することができる情報を提供している。ＭＳＰ４３０は、電池燃料ゲージ７０からの情報を処理し、処理した情報に基づいてＬＥＤを駆動している。ＭＳＰ４３０は、燃料ゲージと同じ機能を実行する能力を有しているため、必ずしも燃料ゲージを備える必要はない。
【００２５】
次に図９を参照すると、交流／直流変換器６４の詳細な電気略図が示されている。次に図１０を参照すると、ＳＥＰＩＣ変換器１００が示されている。図に１０２で示されているＬＴＣ１６１９デバイスは、ＳＥＰＩＣ変換器として構成された低電圧ＰＷＭ変換器である。この回路は、チップへの放電のための電力源として、また、交流／直流調整のための電圧知覚および電流知覚のための電力源として電池１６が利用される場合に適用される。交流源が変換器６４に提供されると、交流／直流変換器６４によって電力が供給される電圧および電流知覚演算増幅器６６および６８を除き、すべての回路は電池によって電力が供給される。
【００２６】
以上、本発明について、好ましい特定の一実施形態に関連して説明したが、本出願を読めば、多くの変形形態および改変が当業者には明らかであろう。したがって添付の特許請求の範囲は、従来技術の観点から、このようなあらゆる変形形態および改変を包含するべく、可能な限り広義に解釈されるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2009544264.tif 000013
2009544264.tif 000014
2009544264.tif 000015