(57)【要約】【課題】バックコンバータ１１７及びバッテリ充電器５０４と一体化した容量性分圧器を備えた電圧変換器５０１を提供する。【解決手段】変換器は、４つのキャパシタ、スイッチ回路Ｑ１〜Ｑ４、インダクタＬ及び制御装置５０３を備える。これらのキャパシタは、入力ノード１０１と基準ノードＧＮＤとの間にキャパシタループを形成し、スイッチ回路により制御されるフライキャパシタＣ２を備える。スイッチ回路は、第１の出力ノード１０５に第１の出力電圧ＶＯＵＴ１を供給するため入力電圧ＶＩＮを半減し、かつ、インダクタを介して第１の出力電圧を第２の出力電圧ＶＯＵＴ２に変換するため、ＰＷＭ信号により制御される。制御装置は、第２の出力電圧を調節するＰＷＭ信号を制御するとともに、第１の出力ノードを所定の最大バッテリ電圧レベルと所定の最小バッテリ電圧レベルの間に保つために、入力電圧を制御する電圧制御信号ＶＣを与える。バッテリ充電経路は、基準ノードに結合され、バッテリ充電モードはバッテリ電圧によって決まる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準ノードと第１の出力ノードとの間に結合され、前記第１の出力ノードが第１の出力電圧を発生する第１のキャパシタと、
入力ノードと前記基準ノードあるいは前記第１の出力ノードのいずれかの間に結合される第２のキャパシタと、
第１及び第２の端部を有する第３のキャパシタと、
パルス幅変調信号の第１の状態において、前記第３のキャパシタの前記第１及び第２の端部を前記基準ノードと前記第１の出力ノードをそれぞれ結合し、かつ、前記パルス幅変調信号の第２の状態において、前記第３のキャパシタの前記第１及び第２の端部を前記第１の出力ノードと前記入力ノードをそれぞれ結合するスイッチ回路と、
前記第３のキャパシタの前記第１の端部に結合する第１の端部と、第２の出力電圧を供給する第２の出力ノードを形成する第２の端部とを有するインダクタと、
前記基準ノードと前記第２の出力ノードとの間の第４のキャパシタと、
前記第２の出力電圧を所定の電流レベルに調節するため、前記第１及び第２の状態の間の前記パルス幅変調信号のデューティサイクルを制御し、前記１の出力ノードを所定の最小バッテリ電圧レベルと所定の最大バッテリ電圧レベルの間に保つために、前記入力ノードに供給された入力電圧の電力を制御する電圧制御信号を与える制御装置とからなる電圧変換器。
【請求項２】
前記制御装置は、前記出力電圧を感知する入力と、前記パルス幅変調信号を供給する出力とを有するレギュレータと、
前記パルス幅変調信号を受信する入力と、前記パルス幅変調信号の前記デューティサイクルに基づき前記スイッチ回路を制御する出力を有するスイッチ駆動回路からなることを特徴とする請求項１記載の電圧変換器。
【請求項３】
前記電圧制御信号を受信する入力と、前記入力ノードに電源電圧を供給する出力を有する外部電源を更に備え、
前記外部電源は、前記電圧制御信号に基づき電源電圧の電圧レベルを制御することを特徴とする請求項１記載の電圧変換器。
【請求項４】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間に結合されるバッテリ充電経路であって、前記バッテリ充電経路を通るバッテリ電圧及び充電電流を決定するために前記制御装置へ提供される少なくとも１つのセンスノードを有する前記バッテリ充電経路を更に備え、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルと前記所定の最大バッテリ電圧レベルの間にある場合、前記制御装置は、前記充電電流を一定レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１記載の電圧変換器。
【請求項５】
前記バッテリ充電経路は、前記バッテリ充電経路内に結合された前記第１の出力ノードとバッテリノードとの間に結合される抵抗器からなり、前記第１の出力ノード及び前記バッテリノードは、前記制御装置のそれぞれの入力に結合されることを特徴とする請求項４記載の電圧変換器。
【請求項６】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間に結合されるバッテリ充電経路であって、前記バッテリ充電経路を通るバッテリ電圧及び充電電流を決定するために前記制御装置へ提供される少なくとも１つのセンスノードを有する前記バッテリ充電経路を更に備え、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最大バッテリ電圧レベルの場合、前記制御装置は、前記バッテリ電圧を前記所定の最大バッテリ電圧レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１記載の電圧変換器。
【請求項７】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間に結合されるバッテリ充電経路であって、前記バッテリ充電経路を通るバッテリ電圧及び充電電流を決定するために前記制御装置へ提供される少なくとも１つのセンスノードを有する前記バッテリ充電経路と、
前記制御装置の制御出力に結合された制御入力を有する前記バッテリ充電経路内に結合された電流制御装置を更に備え、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルを下回る場合、前記制御装置は、前記充電電流をトリクル充電レベルに保つように前記電流制御装置を制御する一方で、前記第１の出力電圧を前記所定の最小バッテリ電圧レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１記載の電圧変換器。
【請求項８】
前記電流制御装置は、前記トリクル充電レベルを調節する線形モードで作動する電界効果トランジスタを含むことを特徴とする請求項７記載の電圧変換器。
【請求項９】
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルと前記所定の最大バッテリ電圧レベルの間にある場合、前記制御装置は、前記充電電流を一定レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートし、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最大バッテリ電圧レベルの場合、前記制御装置は、前記バッテリ電圧を前記所定の最大バッテリ電圧レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項７記載の電圧変換器。
【請求項１０】
基準ノードと第１の出力ノードとの間に結合され、前記第１の出力ノードが第１の出力電圧を発生する第１のキャパシタと、
入力ノードと前記基準ノードあるいは第１の出力ノードのいずれかとの間に結合される第２のキャパシタと、
第１及び第２の端部を有する第３のキャパシタと、
パルス幅変調信号の第１の状態において、前記第３のキャパシタの前記第１及び第２の端部を前記基準ノードと前記第１の出力ノードとそれぞれ結合し、かつ、前記パルス幅変調信号の第２の状態において、前記第３のキャパシタの前記第１及び第２の端部を前記第１の出力ノードと前記入力ノードとそれぞれ結合するスイッチ回路と、
前記第３のキャパシタの前記第１の端部に結合され第１の端部と、第２の出力電圧を供給する第２の出力ノードを形成する第２の端部とを有するインダクタと、
前記第２の出力ノードと前記基準ノードとの間に結合される第４のキャパシタと、
前記第２の出力電圧を所定の電出力流に調節するため、前記第１及び第２の状態の間で前記パルス幅変調信号のデューティサイクルを制御し、前記１の出力電圧を所定の最小バッテリ電圧レベルと所定の最大バッテリ電圧レベルの間に保つために、前記入力ノードに供給された入力電圧の電力を制御する電圧制御信号を与える制御装置とからなる一体型バックコンバータ・キャパシタ分圧器、
前記入力モードに供給された電源電圧を受け取り、前記電圧制御信号を外部に与える電源コネクタ、及び
前記第１及び第２の出力電圧を受け取り、電子デバイスの機能を奏する機能回路からなる電子デバイス。
【請求項１１】
前記電源コネクタとインターフェースするコネクタを有する外部電源を更に備え、
前記外部電源は、前記電圧制御信号を受信し、前記電圧源を提供することを特徴とする請求項１０記載の電子デバイス。
【請求項１２】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間に結合されたバッテリ充電経路内に結合された充電バッテリを更に備え、
前記バッテリ充電経路は、前記バッテリ充電経路のバッテリ電圧と充電電流を決定する前記制御装置により感知される少なくとも１つのセンスノードを含み、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルと前記所定の最大バッテリ電圧レベルの間にある場合、前記制御装置は、前記充電電流を一定レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１０記載の電子デバイス。
【請求項１３】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間に結合されたバッテリ充電経路内に結合された充電バッテリを更に備え、
前記バッテリ充電経路は、前記バッテリ充電経路のバッテリ電圧と充電電流を決定する前記制御装置により感知される少なくとも１つのセンスノードを含み、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最大バッテリ電圧レベルの場合、前記制御装置は、前記バッテリ電圧を前記所定の最大バッテリ電圧レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１０記載の電子デバイス。
【請求項１４】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間に結合されたバッテリ充電経路内に結合された充電バッテリを更に備え、
前記バッテリ充電経路は、前記バッテリ充電経路のバッテリ電圧と充電電流を決定する前記制御装置により感知される少なくとも１つのセンスノードを含み、
前記制御装置の制御出力に結合された制御入力を有する前記バッテリ充電経路に結合された電流制御装置を更に備え、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルを下回る場合、前記制御装置は、前記充電電流をトリクル充電レベルに保つために前記電流制御装置を制御する一方で、前記第１の出力電圧を前記所定の最小バッテリ電圧レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１０記載の電子デバイス。
【請求項１５】
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルと前記所定の最大バッテリ電圧レベルの間にある場合、前記制御装置は、前記充電電流を一定レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートし、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最大バッテリ電圧レベルの場合、前記制御装置は、前記バッテリ電圧を前記所定の最大バッテリ電圧レベルに保つように前記電圧制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１４記載の電子デバイス。
【請求項１６】
基準ノードに対する入力ノードに入力電圧を供給する工程、
前記入力ノード、前記基準ノード、及び、第１の出力電圧を発生する第１の出力ノードの間にキャパシタループを結合する工程、
前記入力ノードと前記第１の出力ノードの間で充電され、前記第１の出力ノードと基準ノードの間で放電されるフライキャパシタの結合を、パルス幅変調信号のデューティサイクルに基づき切り換える工程、
前記パルス幅変調信号の前記デューティサイクルに基づいて、前記第１の出力ノードと前記基準ノードの間でインダクタの第１の端部を選択的に切り換える工程、
第２の出力電圧を発生する第２の出力ノードに、前記インダクタの前記第２の端部を結合する工程、
前記第２の出力電圧を所定のレベルに調節するため、前記パルス幅変調信号の前記デューティサイクルを制御する工程、及び
前記第１の出力電圧を所定の最小バッテリ電圧レベルと所定の最大バッテリ電圧レベルの間に保つように前記入力電圧の電圧レベルを制御する工程からなる、入力電圧を制御して前記入力電圧を第１及び第２の出力電圧へ変換する方法。
【請求項１７】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間のバッテリ充電経路内に結合されたバッテリノードのバッテリ電圧を検出する工程、
前記バッテリ充電経路を通る充電電流を検出する工程を更に含み、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルと前記所定の最大バッテリ電圧レベルの間にある場合、前記入力電圧の電圧レベルを制御する前記工程は、前記バッテリ充電経路を通る定充電電流を保つために前記入力電圧を制御する工程を含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間のバッテリ充電経路内に結合されたバッテリノードのバッテリ電圧を検出する工程を更に含み、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最大バッテリ電圧レベルの場合、前記入力電圧の電圧レベルを制御する前記工程は、前記バッテリ電圧を前記所定の最大バッテリ電圧レベルに保つように前記入力電圧を制御する工程を含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間のバッテリ充電経路内に電流制御装置を結合する工程、
前記バッテリ充電経路のバッテリノードのバッテリ電圧を検出する工程、
前記バッテリ充電経路を通る充電電流を検出する工程を更に含み、
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルを下回る場合、前記入力電圧の電圧レベルを制御する前記工程は、前記第１の出力電圧を前記所定の最小バッテリ電圧レベルに保つように前記入力電圧を制御する工程、及び
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルを下回る場合、前記バッテリ充電経路にトリクル充電電流を供給するように前記電流制御装置を制御する工程を含む請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記バッテリ電圧が、前記所定の最小バッテリ電圧レベルと前記所定の最大バッテリ電圧レベルの間にある場合、前記入力電圧の電圧レベルを制御する前記工程は、前記バッテリ充電経路を通る一定充電電流を保つように前記入力電圧を制御する工程、及び
前記バッテリ電圧が、前記所定の最大バッテリ電圧レベルの場合、前記入力電圧の電圧レベルを制御する前記工程は、前記バッテリ電圧を前記所定の最大バッテリ電圧レベルに保つように前記入力電圧を制御する工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記キャパシタループを結合する工程は、前記第１の出力ノードと前記基準ノードの間に第２のキャパシタを結合する工程と、
第３のキャパシタの第１の端部を前記入力ノードに結合し、前記第３のキャパシタの前記第２の端部を前記第１の出力ノードまたは基準ノードのうちの１つに結合する工程とを含み、
前記フライキャパシタの結合を切り換える工程は、前記フライキャパシタを、前記パルス幅変調信号の第１の状態においては前記入力ノードと前記第１の出力ノードとの間に、前記パルス幅変調信号の第２の状態においては前記第１の出力ノードと前記基準ノードとの間に切り替え可能に結合する工程を含み、
インダクタの第１の端部を選択的に切り換える前記工程は、前記インダクタの前記第１の端部を前記フライキャパシタの前記第２の端部に結合する工程を含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００７年８月１日提出の米国特許仮出願番号60/953,254に基づき、その利益を主張するものであり、その全てを参照することにより本明細書の一部とする。また、本願は、２００８年６月３日提出の米国特許仮出願番号61/058,434に基づき、その利益を主張するものであり、その全てを参照することにより本明細書の一部とする。また、本願は、少なくとも一人の共通の発明者が同時に出願し、同一の出願人による「バックコンバータ・容量性分圧器一体型の電圧変換器」という名称の出願に関連するものであり、その全てを参照することにより本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００２】
電圧レベルを下げて電子デバイスの効率を向上させるためには、入力電圧の低減は、しばしば求められるものであり、有利である。例えば、最も一般に使用されるノート型コンピュータ用のＡＣ-ＤＣアダプタは、ＡＣ電圧をおよそ１９ボルト（Ｖ）のＤＣ電圧に変換する。既存の大部分のノート型コンピュータ用の電力系においては、ＡＣ-ＤＣアダプタがプラグ接続されている場合には、バッテリの充電に加えて、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス・プロセッシング・ユニット（ＧＰＵ）或いはメモリ等の、異なる電気機器に電力を供給するための、低い電圧供給レベルを生成する下流側変換器に直接使用される１９Ｖのアダプタ出力電圧が供給される。しかし、１９Ｖの入力電圧レベルを用いる電子デバイスに必要とされる様々な低減電圧レベルを生成するために使用される下流側変換器を最適化することは難しい。ＡＣ-ＤＣアダプタから出力される電圧は低減されるかもしれないが、それに伴い、同じ電力レベルを供給するために電流が増加してしまうと考えられる。増加した電流容量は、ＡＣ-ＤＣアダプタの物理的サイズを増加し、更に、増加した電流容量を扱う電線の内径を増大させる。増加したＡＣ-ＤＣアダプタの出力電流は、効率を低下させる。効率は、充電バッテリを用いたバッテリ駆動式電子デバイスには特に重要である。また、充電バッテリが設けられる場合、バッテリの充電に十分な電圧を確保するために、電圧がそのバッテリ電圧以下に低減しない場合がある。ＡＣ-ＤＣアダプタにその出力電圧レベルを制御するフィードバック制御信号を与え、出力電圧レベルはバッテリ充電とシステムバス電圧の供給の双方に使用される、という１つの解決策が提案される。しかし、低電圧出力を用いたこの提案の解決策では、同じ電力レベルを供給するためにはＡＣ-ＤＣアダプタの電流出力を増加させる必要があり、効率を下げる結果となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一実施形態に係る電圧変換器は、バックコンバータ及びバッテリ充電器と一体化した容量性分圧器を備えた電圧変換器を提供する。変換器は、４つのキャパシタ、スイッチ回路、インダクタ及び制御装置を備える。これらのキャパシタは、入力ノードと基準ノードとの間にキャパシタループを形成し、スイッチ回路により制御されるフライキャパシタを備える。スイッチ回路は、第１の出力ノードに第１の出力電圧を供給するため入力電圧を半減し、かつ、インダクタを介して第１の出力電圧を第２の出力電圧に変換するため、ＰＷＭ信号により制御される。制御装置は、第２の出力電圧を所定の電圧レベルに調節するためＰＷＭ信号のデューティサイクルを制御するとともに、第１の出力ノードを所定の最大バッテリ電圧レベルと所定の最小バッテリ電圧レベルの間に保つために、入力電圧を制御する電圧制御信号を与える。
【０００４】
バッテリ充電経路を、第１の出力ノードと基準ノードとの間に設けてもよく、このバッテリ充電経路はバッテリ充電経路を通るバッテリ電圧及び充電電流を決定する制御装置へ提供される少なくとも１つのセンスノードを有する。制御装置は、バッテリ電圧に応じたトリクル充電モード、定電流充電モード、定電圧充電モードのうちの１つにおいて動作する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の利点、特徴及び効果をより理解するため、以下の説明及び添付の図面を参照する。
【図１】図１は、具体的実施例に係る同期コンバータを併用した容量性分圧器を有する電圧変換器の概略ブロック図である。
【図２】図２は、図１の電圧変換器を含む電源回路の概略ブロック図である。
【図３】図３は、図１の電圧変換器を内蔵した電子デバイスの簡略ブロック図である。
【図４】図４は、図２の電源回路を内蔵した電子デバイスの簡略ブロック図である。
【図５】図５は、電圧変換器を含み、バッテリ充電器併用機能を備える別の電源回路の概略ブロック図である。
【図６】図６は、図５の電源回路を内蔵した電子デバイスの簡略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下の説明は、具体的用途及びその要件の範囲内で当業者が本発明を行い、用いることができるよう提示される。しかし、好適な一実施形態の様々な変形例が当業者に明らかとなれば、ここに定義される一般原理が別の実施形態に適用される場合がある。従って、本発明は、ここに示され説明される特定の実施形態に限定するものではないが、本願明細書中に開示される原理及び新規特徴と一致する広い範囲のものであると認められるものである。
【０００７】
図１は、具体的実施例に係る同期バックコンバータ１１７を併用したキャパシタ分圧器を有する電圧変換器１００の概略ブロック図である。電圧変換器１００は、入力ノード１０１とアース（ＧＮＤ）などの基準ノードとの間に直列に接続された４つの電子スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を備える。図示した実施形態において、Ｐチャネルデバイス、他の種類のFET、他の種類のトランジスタといった他種の電子スイッチも考えられるが、電子スイッチＱ１〜Ｑ４は、それぞれＮ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）として構成される。Ｑ４は、入力ノード１０１に接続されるドレインと、第１の中間ノード１０３に接続されるソースを有する。Ｑ３は、中間ノード１０３に接続されるドレインと、出力電圧ＶＯＵＴ１を発生する第１の出力ノード１０５に接続されるソースを有する。Ｑ２は、出力ノード１０５に接続されるドレインと、第２の中間ノード１０７に接続されるソースを有する。Ｑ１は、中間ノード１０７に接続されるドレインと、ＧＮＤに接続されるソースを有する。第１のキャパシタＣ１は、ノード１０５とＧＮＤとの間に接続され、第２の“フライ”キャパシタＣ２は、中間ノード１０３と１０７との間に接続され、第３のキャパシタＣ３は、入力ノード１０１とノード１０５との間に接続され、第４のキャパシタＣＡは、入力電圧ＶIＮをフィルタリングするためにノード１０１とＧＮＤとの間に接続されるものとして示される。パルス幅変調（ＰＷＭ）制御装置１１１は、ゲート駆動信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４を、スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４のゲートにそれぞれ供給する。ＶＩＮ及びＶＯＵＴ１は、ＰＷＭ制御装置１１１のそれぞれの入力に供給されるものとして示されている。
【０００８】
ＰＷＭ制御装置１１１により制御されるスイッチＱ１〜Ｑ４及びキャパシタC１〜C３を一括して、ＶＯＵＴ１の電圧レベルを発達させるためにＶＩＮの電圧を分圧するスイッチドキャパシタ回路網を形成する。ＰＷＭ制御装置１１１は、各ＰＷＭサイクルの第１部の間は、スイッチＱ２及びＱ４をオフにしながらスイッチＱ１及びＱ３をオンにし、各ＰＷＭサイクルの第２部の間は、スイッチＱ２及びＱ４をオンにしながらスイッチＱ１及びＱ３をオフにするように信号Ｐ１〜Ｐ４をアサートする。スイッチドキャパシタ回路網のＰWMデューティサイクルＤは、５０％又は５０％近くであり、ＶＯＵＴ１の電圧は、ＶＩＮの電圧レベルのおよそ半分に収束するため、スイッチドキャパシタ回路網はキャパシタ分圧器とも称される。一例としては、従来の構成においては、スイッチＱ１及びＱ３は、およそ５０％の割合でオン／オフが切り替えられ、スイッチＱ２及びＱ４は、およそ５０％の割合でオフ／オンが切り替えられる。しかし、ＶＯＵＴ１がまだＶＩＮの電圧のおよそ半分残ったままである一方で、デューティサイクルＤは、５０％から比較的相当量逸れる場合があることに留意されたい。これは、以下に説明するように、一体化された同期バックレギュレータ１１７の電圧出力の調節にも有利である。 
【０００９】
更に、電圧変換器１００は、１つの端子が中間ノード１０７に接続され、別の端子が第２の出力電圧ＶＯＵＴ２を発生する第２の出力ノード１１３に接続されたインダクタＬを備える。出力フィルタキャパシタＣＯは、出力ノード１１３とＧＮＤとの間に接続される。信号グラウンド、パワー・グラウンド、シャーシ・グラウンドなど、いずれにも同じ「ＧＮＤ」の表記を用いるが、このような異種の接地ノードを用いることが好ましい。キャパシタＣＯとインダクタＬを一括して、中間ノード１０７に接続されるインダクタ−キャパシタ（ＬＣ）回路を形成する。ＰＷＭ制御装置１１１に制御されるスイッチＱ１、Ｑ２、インダクタＬ及びキャパシタＣＯを一括して、同期バックレギュレータ１１７を形成する。電圧ＶＯＵＴ１は、ＶＯＵＴ２の電圧レベルを発達させるために用いられるバックレギュレータ１１７に入力電圧を供給する。ＰＷＭ制御装置１１１は、星印「*」が乗法を示すところのＶＯＵＴ２＝Ｄ*ＶＯＵＴ１となるようにデューティサイクルＤを発生させる所定の電圧にＶＯＵＴ２を調節するために、スイッチＱ１〜４の起動を切り換える。図示した実施形態において、ＶＯＵＴ２は、ＰＷＭ信号をゲート駆動回路１１４に供給するＰＷＭ制御装置１１１内において、レギュレータ１１２にフィードバックされる。ゲート駆動回路１１４は、スイッチＱ１〜４の作動をそれぞれ制御するため、ＰＷＭ信号をゲート駆動信号Ｐ１〜Ｐ４に変換する。
【００１０】
外部電源１１６は、入力電圧ＶＩＮをノード１０１に調達するために使われる電源電圧ＤＣＶを供給する。図示した実施形態において、外部電源１１６は、取り外し可能であり、かつ、電源電圧ＤＣＶを電圧変換器１００に運ぶために、機械的かつ電気的に相互インターフェースするよう構成された、相互嵌合コネクタ１１８及び１１９を用いて接続される。具体的に図示はしないが、コネクタ１１８及び１１９は、一般に、ＧＮＤ信号も伝達する。
【００１１】
動作時において、ＶＯＵＴ２の電圧レベルは、ＰＷＭ制御装置１１１のレギュレータ１１２により、所定の電圧レベルに調節される。特に、レギュレータ１１２は、フィードバック回路（図示せず）或いはその他の手段を介して直接的に、または、（例えば、中間ノード１０７等を介すように）間接的にＶＯＵＴ２の電圧レベルを感知又は検知し、かつＰＷＭ信号のデューティサイクルＤを制御し、ゲートドライバ１１４は、ＶＯＵＴ２の電圧レベルを所定の電圧レベルに調節するため、ＰＷＭデューティサイクルＤに基づきスイッチＱ１及びＱ２を制御する、Ｐ１及びＰ２信号を順に制御する。更に、図示した実施形態において、信号Ｐ１は「コピー」されるか信号Ｐ３と同一にされ、信号Ｐ２はＰ４信号と同一にされ、つまりＰ１＝Ｐ３かつＰ２＝Ｐ４とされる。一実施形態において、例えば、信号線Ｐ１及びＰ３は、直接共に結合あるいは接続され、信号線Ｐ２及びＰ４は、直接共に結合あるいは接続される。あるいは、Ｐ１信号は、Ｐ３信号を供給するために選択的に緩衝され、Ｐ２信号は、Ｐ４信号を供給するために選択的に緩衝される。このように、ＰＷＭ制御装置１１１は、バックレギュレータの動作に伴ってＶＯＵＴ２の電圧レベルを調節するＰ１及びＰ２信号を制御し、キャパシタ分圧器の操作のために、信号Ｐ１及びＰ２はそれぞれ信号Ｐ３及びＰ４にコピーされる。
【００１２】
以下に、キャパシタ分圧器の機能を構築する工程を説明する。Ｑ２及びＱ４がオンでＱ１及びＱ３がオフの場合、キャパシタＣ２はＶＩＮとＶＯＵＴ１との間に接続され、ＶＣ１及びＶＣ２がそれぞれキャパシタＣ１及びＣ２の電圧である場合に、ＶＣ１+ＶＣ２＝ＶＩＮとなるように充電される。Ｑ２及びＱ４がオフでＱ１及びＱ３がオンの場合、キャパシタＣ２はＶＯＵＴ１とＧＮＤとの間に接続され、ＶＣ１＝ＶＣ２となるように放電される。この工程が適切な頻度で繰り返されることから、ＶＣ１+ＶＣ２＝ＶＩＮ及びＶＣ１＝ＶＣ２のどちらの方程式も、ＶＣ１＝ＶＣ２＝１/２ＶＩＮを満たす。キャパシタ分圧器にとって最も効率的なデューティサイクルＤは、およそ５０％である。とはいえ、デューティサイクルＤが少なくとも４０％〜６０％の範囲の間など５０％から逸れた場合でも、電圧変換器１００はまだ高効率で作動する。このように、デューティサイクルＤが５０％から比較的大きく逸れたにしても、正確にＶＯＵＴ１の約２分の１でなくてもよい所望の電圧レベルにＶＯＵＴ２が調節される一方で、ＶＯＵＴ１はＶＩＮの電圧の約２分の１のままである。従って、キャパシタＣ２は、その充電及び放電のために、ＰＷＭ信号の一状態ではノード１０１及び１０５間、及びＰＷＭ信号の別の状態ではノード１０５及びＧＮＤ間でそれぞれ切り換えられるフライキャパシタとして作動する。
【００１３】
電圧変換器１００のキャパシタ分圧器は、従来型のバックコンバータの構成と比較して、ＶＯＵＴ１を介しての電力の調達により高効率である。ＶＯＵＴ１でのキャパシタ分圧器出力はインダクタを有さず、インダクタのコア損失やコイル銅損がない。キャパシタ分圧器のスイッチＱ１〜Ｑ４（例えばＭＯＳＦＥＴ）は、ゼロ電圧ターンオフで作動し、総スイッチング損失が比較的低くなるように、各スイッチはＶＩＮの半分のみを受ける。通常のバックコンバータにおいては、スイッチは総入力電圧ＶＩＮに晒され、従ってスイッチング損失も大きい。更に、電子スイッチの導通損失は他の損失に比べ顕著であることから、スイッチのオン抵抗を低減することにより、スイッチング損失の増加という通常の懸念もなく、導通損失を低減できる。例えば、オン抵抗は、複数のスイッチを並列に接続して低減してもよい。これが従来のバックコンバータの構成に試される場合、ＲＤＳＯＮ（オンにしたときのドレイン-ソース間抵抗）がスイッチシリコンダイ面積の増加により低減されると、それに伴って制御端末電荷（ゲート電荷）が増加する。その結果、ＲＤＳＯＮを低減することにより、従来のバックコンバータのスイッチング損失の増加は、導通損失の低減と相殺される。この構成の別の利点は、同量の電力を送るのに、高電流レベルで低電圧を供給する別のアダプタと比べ、より高電圧とより少ない電流を供給することで、外部電源１１６が物理的に小さく作製され得る点にある。
【００１４】
一実施形態において、ＶＩＮはおよそ１９ボルト（Ｖ）であり、ＶＯＵＴ１はおよそ９．５Ｖであり、ＶＯＵＴ２はおよそ５Ｖである。バックコンバータ１１７のために、９．５Ｖの「入力」電圧レベルを５Ｖに調節された電圧に変換するＰＷＭ信号のデューティサイクルＤ、ひいては、Ｐ１及びＰ２信号は、およそ５３％である。デューティサイクルＤは、負荷条件等により幾分か変化する。スイッチＱ１及びＱ２に使用されるデューティサイクルＤは複写され、スイッチＱ３及びＱ４のデューティサイクルとして使用されるため、この同一のデューティサイクルＤはキャパシタ分圧器に使用される。デューティサイクルＤは５３％から幾分か変化するが、５０％に十分近いレベルのままである。いずれの場合にも、デューティサイクルＤが５０％から著しく逸れたとしても、ＶＯＵＴ２が５Ｖに調節される一方で、ＶＯＵＴ１はＶＩＮのおよそ半分のままである。
【００１５】
別の実施形態において、ＶＩＮはおよそ２０ボルト（Ｖ）であり、ＶＯＵＴ１はおよそ１０Ｖであり、ＶＯＵＴ２はおよそ５Ｖである。この場合のデューティサイクルＤは、およそ５０％である。ただし、ＰＷＭ制御装置１１１は、ＶＯＵＴ２を５Ｖに調節するようスイッチＱ１及びＱ２のデューティサイクルＤを制御し、同一のデューティサイクルＤが、前述のように、スイッチＱ３及びＱ４に複写される。キャパシタＣ１、Ｃ３及びＣＡは、キャパシタＣＡ及びＣ３のいずれか１つが省略できる代替的な実施形態を可能にするキャパシタループを形成することを更に留意されたい。一実施形態において、ＶＩＮは、ＰＷＭ制御装置１１１に電力を与える初期電圧源を提供し、一旦調節がされると、ＶＯＵＴ２は電力の供給に使用される。この場合、ＶＯＵＴ２は、感知はされないが、ＰＷＭ制御装置１１１に直接供給される。
【００１６】
図２は、電圧変換器１００を含む電源回路２００の概略ブロック図である。電圧変換器１００は、ＰＷＭ制御装置１１１がＶＯＵＴ１及びＶＯＵＴ２電圧を受け、制御信号Ｐ１〜Ｐ４をスイッチＱ１〜Ｑ４のゲートにそれぞれ供給する図１に示す構成と略同一に構成される。同様に、キャパシタＣ１〜Ｃ３及びＣＡが配設され、接続される。しかし、前述のように、キャパシタループを完成させるために、キャパシタＣ３或いはＣＡのいずれか１つ又は双方が含まれても良い。ＰＷＭ制御装置１１１がＶＯＵＴ２の電圧を調節するためスイッチＱ１及びＱ２のデューティサイクルＤを制御し、フライキャパシタＣ２をノード１０１と１０５との間、或いは、ノード１０５とＧＮＤとの間に切り替え可能に接続することによる容量性開閉動作を用いてＶＯＵＴ１が発生される操作は、ほぼ同様である。図示した実施形態において、外部電源１１６の出力は、電源電圧ＤＣＶを、コネクタ１１８及び１１９を通し、且つ、一対の断路スイッチＳ１及びＳ２を通して、ＶＩＮ信号を発生するノード１０１に供給する。断路スイッチＳ１及びＳ２は、更に以下に説明するように、外部電源１１６から電源回路２００へ電力を選択的に接続するように設けられる。感知回路２０８は、スイッチＳ１の動作を制御する。ノード１０１はバッテリ充電器２０３の入力に更に接続され、バッテリ充電器２０３は、ノード２０５において充電バッテリパック２０７の端子に更に接続される出力を有する。スイッチＳ３は、動作モードに従ってＶＯＵＴ１を駆動するバッテリパック２０７を選択的に接続するため、ノード２０５と１０５との間に接続される。バッテリ検出回路２０６は、バッテリパック２０７の存在を検知し、それを示すバッテリ検出信号ＢＤをＰＷＭ制御装置１１１へアサートする。ＰＷＭ制御装置１１１は、外部電源モード又はバッテリ電源モードのいずれかを含む動作モードを決定し、スイッチＳ３を制御するように信号Ｂをアサートする。
【００１７】
他の種類のＦＥＴ、他の種類のトランジスタなどの他種の電子スイッチも考えられるが、断路スイッチＳ１及びＳ２はＰ型ＭＯＳＦＥＴとして示される。スイッチＳ１及びＳ２は、共通ドレインに背中合せの構成で接続されるものとして示される。外部電源１１６が最初にコネクタ１１８及び１１９を介して接続される場合、感知回路２０８は電圧ＤＣＶを検出し、著しい突入電流を避けるために徐々にスイッチＳ１をオンにする。一実施形態において、感知回路２０８は、外部電源を感知する抵抗-容量（ＲＣ）回路等を備える。スイッチＳ１がオンである一方で、スイッチＳ２の内部ダイオードは順バイアスであり、バッテリ充電器２０３はノード１０１を介して外部電源の存在を検知する。図示した実施形態において、バッテリ充電器２０３は、ＤＣＶが外部電源モードでＶＩＮの供給源となるように、スイッチＳ２をオンにするように信号Ａをアサートする。外部電源がもはや利用できない場合には、バッテリ充電器２０３はスイッチＳ２をオフにし、断路する。ＰＷＭ制御装置１１１は、ノード１０１を介してＤＣＶの存在と、ＢＤ信号を介してバッテリパック２０７の存在を検知し、動作モーとを決定する。バッテリ電源モードにおいて、ＰＷＭ制御装置１１１は、Ｂ信号を介してスイッチＳ３をオンにし、外部電源モードにおいては、ＰＷＭ制御装置１１１はスイッチＳ３をオフにする。バッテリ電源モードにおいて電源を入れる場合、ＰＷＭ回路１１１は、最初にノード２０５を介してバッテリパック２０７から電力を得ることができる。前述のように、一旦ＶＯＵＴ２が調節され、図示するようにＰＷＭ制御装置１１１に直接供給される場合、ＶＯＵＴ２は、通常動作中にＰＷＭ制御装置１１１に電力を供給する。スイッチＳ３は簡略化して示されているが、ＦＥＴ又はＭＯＳＦＥＴ等のようなトランジスタとして実装されてもよい。
【００１８】
一実施形態において、バッテリパック２０７は、８．４Ｖ〜１２．６Ｖの範囲のバッテリ電圧を有する３つ積み重ったリチウムイオン（Ｌｉ-ｉｏＮ）バッテリを備える。他のバッテリの構成と電圧が（特定の構成の非充電式バッテリを含む）考えられる。図示はしないが、バッテリ充電器２０３は、電源電圧ＤＣＶをバッテリパック２０７に充電するための、充電電圧及び充電電流に変換する個別のバックコンバータ等を備える。バッテリパック２０７は、１つ以上のバッテリを備え、ノード２０５とＧＮＤとの間に接続される。バッテリパック２０７は代替電源を設けているため、外部電源１１６は選択的に取り外しができる。
【００１９】
外部電源１１６が電源電圧ＤＣＶを供給できる場合、スイッチＳ１及びＳ２は、ノード１０１に電圧ＶＩＮを発生する電力を供給するため、オンになる。スイッチＳ３は開放され、バッテリ充電器２０３によりバッテリパック２０７が充電される。上記に述べたように、電圧変換器１００は、ＰＷＭ制御装置１１１が、ＶＯＵＴ２の電圧を所定の電圧レベルに調節し、かつ、ＶＩＮの電圧のおよそ半分であるＶＯＵＴ１の電圧を発生するキャパシタ分圧器を操作するＰ１〜Ｐ４信号を制御するという、前述と同様の方法で作動する。外部電源１１６が利用できない場合、バッテリ充電器２０３との接続を絶つためスイッチＳ１及びＳ２を開放するかオフにし、一次電源としてバッテリパック２０７の電圧がＶＯＵＴ１に供給されるようスイッチＳ３を閉鎖するかオンにする。この場合、ＰＷＭ制御装置１１１は、前述のように、ＶＯＵＴ２の電圧を調節するためにスイッチＳ１及びＳ２のみを（それぞれ信号Ｐ１及びＰ２を介して）制御し、スイッチＳ３及びＳ４をオフに保つように、Ｐ３及びＰ４信号はアサートされない。ＶＯＵＴ２を所望の電圧レベルに調節するために、スイッチＳ１及びＳ２のデューティサイクルＤが（外部電源が利用できる場合と比較して）著しく広いデューティサイクル範囲を有し得るように、バッテリパック２０７は比較的広い電圧範囲（例えば、８Ｖ〜１７Ｖ）を有してもよいことに留意されたい。しかし、この場合、スイッチＳ３及びＳ４はオフのままであり、作動されない。
【００２０】
電源回路２００のキャパシタ分圧器は、電圧変換器１００の上記説明と同様の方法で、従来型のバックコンバータの構成よりも高い効率でＶＯＵＴ１を介して電力を供給する。繰り返すが、ＶＯＵＴ１でのキャパシタ分圧器出力はインダクタを有さず、インダクタのコア損失やコイル銅損がない。キャパシタ分圧器のスイッチＱ１〜Ｑ４は、ゼロ電圧ターンオフで作動し、総スイッチング損失が比較的低くなるように、各スイッチはＶＩＮの半分のみを受ける。更に、電子スイッチの導通損失は他の損失に比べ顕著であることから、スイッチのオン抵抗（ＲＤＳＯＮ）を低減することにより（例えば、総オン抵抗を低減するために複数のスイッチを並列に接続する）、スイッチング損失の増加という通常の懸念もなく、導通損失を低減できる。この構成の別の利点は、既存のＡＣ-ＤＣアダプタ（例えば、ノート型コンピュータ用１９Ｖアダプタ）が、高効率動作を達成するために高アダプタ出力電圧が低減される外部電源１１６として使用できる点にある。
【００２１】
図３は、電圧変換器１００を内蔵した電子デバイス３００の簡略ブロック図である。電子デバイス３００は、外部電源１１６から電力を受け取る電圧変換器１００と、電圧変換器１００から電力を受け取る機能回路３０２を備える。機能回路３０２は、電子デバイス３００の一次機能を実行する一次回路を表す。外部電源１１６は、コネクタ１１８及び１１９を介して電源電圧ＤＣＶを供給するものであり、コネクタ１１９は電子デバイス３００に備え付けられるもとして示されている。当業者には明らかなように、接続時においては、電源電圧ＤＣＶは、コネクタ１１８及び１１９を介して入力電圧ＶＩＮを電圧変換器１００に供給する。外部電源１１６が電力を供給できる場合、電圧変換器１００は、ＶＯＵＴ１及びＶＯＵＴ２出力電圧を機能回路３０２に供給する。この場合、外部電源１１６は唯一の電源である。
【００２２】
電子デバイス３００は、外部電源に依存するあらゆる種類の小型電子デバイスを表す。一実施形態において、電子デバイス３００は、外部電源１１６がＡＣソケット（図示せず）にプラグ接続するＡＣ-ＤＣアダプタである、ＡＣ駆動装置等である。別の実施形態において、電子デバイス３００は自動車に使用され、外部電源１１６は、利用可能な１２Ｖ直電源（例えば、シガレット・ライター）にプラグ接続する自動車用アダプタである。いずれの場合にも、外部電源１１６は、所望の出力電圧レベルＶＯＵＴ１又はＶＯＵＴ２のいずれかより高い電圧レベルでＤＣＶを供給する。電圧変換器１００は、高入力電圧を、比較的高効率である電子デバイス３００の機能回路３０２に適した低出力電圧レベルＶＯＵＴ１又はＶＯＵＴ２に変換する。
【００２３】
図４は、電源回路２００及び機能回路４０２を内蔵した電子デバイス４００の簡略ブロック図である。電源回路２００及び機能回路４０２は、電子デバイス４００内のプリント回路基板（ＰＣＢ）４０１に備え付けられるもとして示されている。機能回路４０２は、電子デバイス４００の一次機能を実行する一次回路を表す。電子デバイス４００がノート型コンピュータ等といったコンピュータ・システムである場合、ＰＣＢ４０１は、マザーボード、或いは、コンピュータ内の他の適切なＰＣＢを表す。バッテリ挿入口４０３は、当業者には明らかなように、バッテリパック２０７を受け入れ、保持するために設けられる。バッテリパック２０７は、バッテリ挿入口４０３に挿入された際に、対応するバッテリノード４０７を電気的に結合させる幾つかの端子４０５を有する。前述のように、充電電流を受け取るため、或いは、１つのバッテリ（或いは複数のバッテリ）から電力を供給するために、少なくともノード４０７の１つがバッテリノード２０５と接続される。図面は簡略化されており、図示した構成に限定するものではなく、あらゆるタイプのバッテリインターフェースが考えられる。一実施形態において、バッテリパック２０７は、前述のように充電式である。代替的な実施形態においては、バッテリパック２０７は非充電式であるが、当業者には明らかなように、単に交換式バッテリである。充電式でない場合は、バッテリ充電器２０３は設けられないか、でなければ、バッテリの種類を検知して充電機能を実行させないように構成される。また、バッテリパック２０７は、代替的には、外部アクセスを介する着脱式とするよりは、電子デバイス４００と一体化されてもよい（例えば、ＭＰ３又はメディアプレイヤー等のバッテリ一体化構造）。
【００２４】
電子デバイス４００は、電子デバイス３００の説明と同様の方法で電源電圧ＤＣＶを供給する、外部電源１１６のコネクタ１１８とインターフェースする同様のコネクタ１１９を備える。一実施形態において、外部電源１１６はＡＣ-ＤＣアダプタである。当業者には明らかなように、接続時においては、電力の供給、及び／又は、バッテリパック２０７の充電のために、電源電圧ＤＣＶは、入力電圧ＶＩＮをコネクタ１１８及び１１９を介して電源回路２００に供給する。電源回路２００は、前述のように、電子デバイス４００の機能回路４０２に電力を供給するために、ＶＯＵＴ１及びＶＯＵＴ２出力電圧を供給する。外部電源１１６が利用できない場合、バッテリパック２０７は、十分に充電されていれば電力を供給する。
【００２５】
電子デバイス４００は、例えば、あらゆるタイプの携帯情報端末（ＰＤＡ）、パソコン（ＰＣ）、携帯用コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、ノート型コンピュータ等、携帯電話、パーソナルメディアデバイス、ＭＰ３プレーヤー、携帯メディアプレーヤー等といった、モバイル機器、携帯機器、携帯端末を含むあらゆるタイプのバッテリ駆動式電子デバイスを表す。電源回路２００は、ノート型コンピュータ等の電源電圧の供給に特に有利である。一実施形態において、ノート型コンピュータの共通電圧レベルは、ノート型パソコンのバッテリーを充電する電力を供給するために使用される１９Ｖである。図のように、ＶＩＮ（又はＤＣＶ）が１９Ｖであると、１７Ｖまでの電圧範囲を有するバッテリパック２０７の充電に好都合である。しかし、多くの下流側電圧変換器（図示せず）は、１９Ｖといった高電圧レベルではあまり効率よく作動しない。スイッチＱ１〜Ｑ４及びキャパシタＣ１〜Ｃ３（及び／又は、キャパシタＣＡ）を採用したキャパシタ分圧器の機能は、９．５ＶのＶＯＵＴ１、又は、ＶＩＮの電圧のおよそ半分に低減した電圧レベルを提供する。９．５Ｖの電圧レベルは、中央処理装置（ＣＰＵ、図示せず）、グラフィックス・プロセッシング・ユニット（ＧＰＵ、図示せず）或いは記憶装置（図示せず）等といったホストコンピュータ機器に電力を供給する変換器に電力を提供するためにより適している。更に、バックコンバータ１１７は、ＶＯＵＴ１の電圧（例えば、９．５Ｖ）を、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）制御装置（図示せず）やユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ、図示せず）等に電力供給に好都合な５Ｖといった、その他のコンピュータ構成部品に適した電圧レベルに変換するために有用である。
【００２６】
電圧変換器１００を含む電源回路２００は、既存の電源回路と比べ改良された総合システム効率もまた提供する一方で、コンピュータなどを含む多くの電子デバイスに役立つ電圧レベルを提供する。スイッチドキャパシタ回路の下半分の一体型バックコンバータが、その他の装置の構成部品に好都合な調節された電圧レベル（例えば、５Ｖ）を供給するのに対し、電圧変換器１００のキャパシタ分圧器部は、より高い電圧レベル（例えば、１９Ｖ、９.５Ｖ）を供給する。更に、外部電源１１６は、前述のように、低減された電流でより高い電圧レベルを供給することから、物理的に小さく作ることができる。
【００２７】
図５は、電圧変換器５０１を含み、バッテリ充電器併用機能を備える別の電源回路５００の概略ブロック図である。電圧変換器５０１は、電圧変換器１００と類似しており、略同一の方法で接続された電子スイッチＱ１〜Ｑ４、キャパシタＣＯ，Ｃ１，Ｃ２、ＣＡ及びインダクタＬを含む。キャパシタＣ３は、図示した実施形態においては省略される。一方、キャパシタＣ１，Ｃ３及びＣＡは、前述のように、キャパシタループ構造を形成し、キャパシタＣ３及びＣＡのいずれか１つ、或いは、両方が含まれる場合、スイッチドキャパシタの動作及び機能は実質的に類似している。ＰＷＭ制御装置１１１は、更に後述するように、ＰＷＭ制御及びバッテリ充電制御機能を内蔵するＰＷＭ制御装置５０３と置き換えられる。例えば、図に示すように、ＰＷＭ制御装置５０３は、レギュレータ１１２とゲート駆動回路１１４を備え、レギュレータ１１２はＶＯＵＴ２を感知・調節し、前述と同様の方法で駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を発生させるゲート駆動回路１１４にＰＷＭを提供する。更に、ＰＷＭ制御装置５０３は、電源回路５００のバッテリ充電、動作モード及びその他の制御機能を制御するバッテリ充電・モード制御回路５０４を含む。ＰＷＭ制御装置５０３に制御されるスイッチＱ１及びＱ２、インダクタＬ及びキャパシタＣＯを一括して、前述と同様の方法でスイッチドキャパシタ機能と組み合わせられる同期バックレギュレータ１１７を形成する。バッテリ検出回路２０６は、前述と同様の方法で、バッテリパック２０７の接続を感知し、バッテリ検出信号ＢＤをＰＷＭ制御装置５０３へアサートするものとして示される。
【００２８】
外部電源１１６は、相互嵌合コネクタ５０７及び５０８を介して接続される別の外部電源５０５と置き換えられる。外部電源５０５は、外部電源１１６と同様の方法でＤＣＶを供給するＧＤＮ端子及び電力端子を含む３つの端子を備えるが、外部電源５０５はＰＷＭ制御装置５０３から電力制御（ＶＣ）信号を受信する制御入力を更に備える。更に後述するように、ＰＷＭ制御装置５０３は、外部電源５０５に電源電圧ＤＣＶの電圧レベルを調節させるようにＶＣ信号をアサートし、ＶＩＮとＶＯＵＴ１の電圧レベルを順に調節する。電源電圧ＤＣＶは、ＤＣＶとノード５０９との間に直列で接続される電流端子を有する断路スイッチＳ１及びＳ２を通して供給される。スイッチＳ１は、前述と同様の方法で、感知回路２０８により制御される。スイッチＳ２は、ＰＷＭ制御装置５０３から与えられる信号Ａにより制御される。スイッチＳ１及びＳ２は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ（その他のタイプの電子スイッチも使用できるが）として示され、電源回路２００の説明と実質的に同様の方法で作動する。電流感知抵抗器Ｒ１は、ノード１０１と５０９との間に接続され、両ノード１０１及び５０９は、対応するＰＷＭ制御装置５０３の入力に接続される。
【００２９】
ＶＯＵＴ１を発生する出力ノード１０５もまた、前述と同様の方法で電子回路により高い電圧源を供給するシステム・バス・ノードを形成する。フィルタキャパシタＣＳＢは、システム・バス・ノードをフィルタリングするため、システム・バス・ノードとＧＮＤとの間に接続される。バッテリ充電電流感知抵抗器Ｒ２は、ノード１０５と、バッテリパック２０７が接続されている場合にバッテリ電圧ＶＢＡＴＴを発生するノード５０５との間に接続される。バッテリパック２０７を通った充電電流は、ＩＣＨＡＲＧＥとして示される。スイッチＳ３（Ｐ型ＭＯＳＦＥＴとしてもまた示されるが、その他のスイッチのタイプも考えられる）は、ノード５０５と、バッテリパック２０７の端子に接続されるノード２０５との間に接続される電流端子を有する。スイッチは、ＰＷＭ制御装置５０３から与えられる信号Ｂにより制御される。フィルタキャパシタＣＢは、ノード５０５とＧＮＤとの間に接続され、ＶＢＡＴＴをフィルタリングする。出力ノード１０５、１１３及びノード５０５は、ＰＷＭ制御装置５０３の対応する入力に接続される。この場合、ＰＷＭ制御装置５０３は、それぞれスイッチＳ２及びＳ３を制御する制御信号Ａ及びＢをアサートする。ノード１０５からＲ２を通過しノード５０５へ、そしてスイッチＳ３を通過し、ノード２０５、バッテリパック２０７を通過したＧＮＤへの電気流路は、バッテリ充電経路と称される。抵抗器Ｒ２は、ＰＷＭ制御装置５０３がＲ２を越えて電圧を感知しＩＣＨＡＲＧＥを測定する、感知抵抗器である。代替的電流感知技術が知られており、また予測される。
【００３０】
この場合、ＰＷＭ制御装置５０３は、ＰＷＭ制御装置１１１のＰＷＭ制御機能と、バッテリ充電器２０３において説明されたバッテリ充電制御機能を内蔵する。しかし、ＰＷＭ制御装置５０３は、個別のバッテリ充電器を備えていない。その代わりとして、キャパシタ分圧器の出力が採用され、ノード１０５でＶＯＵＴ１を介してバッテリパック２０７を充電する。これは、個別のバッテリ充電器と対応する回路を取り除くことにより、著しい利点を提供する。ＰＷＭ制御装置５０３は、ノード１１３を介してＶＯＵＴ２の電圧を監視し、電圧変換器１００と電源回路２００の説明と同様の方法でデューティサイクルＤを制御することにより（Ｑ１／Ｑ３及びＱ２／Ｑ４の切り替え）、ＶＯＵＴ２の電圧を所定の電圧レベルに調節する。ＰＷＭ制御装置５０３は、電流感知抵抗器Ｒ１を超えて電圧を監視することにより、ＶＩＮの電圧レベルと、外部電源５０５を介してノード１０１に供給される電流を監視する。更に、ＰＷＭ制御装置５０３は、ノード１０５を介してＶＯＵＴ１の電圧を、ノード５０５を介してバッテリ電圧ＶＢＡＴＴを、バッテリ充電電流感知抵抗器Ｒ２を越した電圧を介して（或いは、ＶＯＵＴ１とＶＢＡＴＴの電圧差により）バッテリ充電電流ＩＣＨＡＲＧＥを監視する。更に、ＰＷＭ制御装置５０３は、電圧制御信号ＶＣを介してＤＣＶ信号の電圧レベルを制御する。
【００３１】
バッテリパック２０７の通常のバッテリ電圧は、最小バッテリ電圧と最大バッテリ電圧の間の範囲にある。しかし、充電バッテリは、著しく放電され、通常の最小バッテリ電圧以下の電圧を有する場合があることがわかる。それでも、著しく放電されたバッテリを充電することが望まれる。バッテリパック２０７の電圧が最小バッテリ電圧のレベルを下回る際に、スイッチＳ３が完全にオンであるならば、ＶＯＵＴ１（及び、システム・バス）の電圧は、（電源回路５００により電力供給される電子デバイスの不具合に起こす可能性がある）望まない結果に起因して、最小レベルまで引き下げられるかもしれない。その代わりとして、トリクル充電モード中に実際のバッテリ電圧以上のＶＯＵＴ１を許容する一方で、トリクル充電（或いは、比較的低い電流又は「トリクル」電流レベル）を提供するために、スイッチＳ３は、その線形範囲でＰＷＭ制御装置５０３により制御される。特に、ＰＷＭ制御装置５０３は、外部電源５０５が通常の最小バッテリ電圧の２倍にあたる最小電圧レベルの２倍でＤＣＶをアサートするように、ＶＣ信号をアサートする。ＶＩＮもまた最小電圧レベルの２倍の電圧レベルを有するように、スイッチＳ１及びＳ２はオンになる。電子スイッチＱ１〜Ｑ４により切り替えられるキャパシタＣ１、Ｃ２及びＣＡのキャパシタ分圧機能により、ＶＯＵＴ１は、通常の最小バッテリ電圧レベルであるＶＩＮの電圧の２分の１となる。従って、トリクル充電モード中にＶＢＡＴＴが最小値を下回っても、ＶＯＵＴ１は最小バッテリ電圧レベルに維持される。トリクル充電電流は、一定である必要がないことに留意されたい。一実施形態において、バッテリ電圧が最小バッテリ電圧レベルに向かって上昇するにしたがい、トリクル充電電流レベルは上昇する。しかし、ＰＷＭ制御装置５０３のデューティサイクルＤは、いかなる値であれ、調節された電圧レベルにＶＯＵＴ２を維持ため必要とされる。
【００３２】
充電バッテリパック２０７の電圧が最小電圧レベルまで上昇した場合（トリクル充電の結果として）、ＰＷＭ制御装置５０３は、速い速度でバッテリパック２０７を充電するために、比較的高い定電流を送る定電流充電モードに切り替える。定電流充電モードにおいては、ＰＷＭ制御装置５０３は、ＩＣＨＡＲＧＥ及びＶＢＡＴＴを監視し、ＩＣＨＡＲＧＥを定電流充電レベルに維持するために電圧制御信号ＶＣを介してＶＩＮの電圧レベルを調節する。バッテリパック１０７が定電流で充電されている間は、ＶＯＵＴ１は最小バッテリ電圧レベルと最大バッテリ電圧レベルの間にある。ＶＢＡＴＴの電圧は定電流充電モード中に上昇するので、ＶＯＵＴ１が上昇する一方で、ＶＯＵＴ２がその調節されたレベルに維持されるようスイッチングデューティサイクルＤは減少する。ＶＢＡＴＴが最大バッテリ電圧レベルに達した際には、ＰＷＭ制御装置５０３は、ＶＢＡＴＴを一定レベル（最大バッテリ電圧レベル）に維持するためにＰＷＭ制御装置５０３がＤＣＶの電圧を制御する定電圧充電モードに切り替える。ＶＢＡＴＴが最大レベルに達した際には、充電電流が、ＶＢＡＴＴを一定に維持するために必要ないかなる値にも変化する（例えば、減少する）ことが好ましい。
【００３３】
一具体的実施例において、ＶＢＡＴＴで測定されたバッテリパック２０７の通常電圧範囲は、最小電圧レベル８．４Ｖと最大電圧レベル１２．６Ｖとの間である。また、ＶＯＵＴ２の公称レベル又は目標水準は、およそ５Ｖである。この場合、トリクル充電モードでＶＢＡＴＴが８．４Ｖであるか、それを下回る場合、ＰＷＭ制御装置５０３は、ＶＯＵＴ１が約８．４Ｖ或いはそれよりやや高くなるように、ＤＣＶを最小レベルの２倍又は約１６．８Ｖに制御する。また、ＰＷＭ制御装置５０３は、デューティサイクルＤがおよそ６０％となるように、ＶＯＵＴ２を５Ｖに調節する。定電流充電モードにおいてＶＢＡＴＴが８．４Ｖ〜１２．６Ｖの間である場合、ＰＷＭ制御装置５０３は、ＩＣＨＡＲＧＥの定電流充電レベルを維持するために、ＤＣＶの電圧を制御する。通常ＶＢＡＴＴは定電流充電モード中に上昇するため、ＰＷＭ制御装置５０３は、ＶＯＵＴ２を５Ｖに維持する最適な量の分のＤＣＶを増やし、デューティサイクルＤを減らす。定電圧充電モードでＶＢＡＴＴが最大レベルの１２．６Ｖに達した場合、ＰＷＭ制御装置５０３はＶＢＡＴＴを１２．６Ｖに維持するためＤＣＶを制御する。一般に、ＤＣＶは、バッテリ電圧の約２倍、又は、約２５．２Ｖに維持される。定電圧モード中にＶＯＵＴ１が約１２．６Ｖか、それを少々超える程度に維持されるため、デューティサイクルＤは、ＶＯＵＴ２を５Ｖに維持するため約４０％まで減少する。このように、トリクル・定電流・定電圧バッテリ充電モード中のデューティサイクルＤの範囲は、４０〜６０％の間である。キャパシタ分圧器に最も効果的なデューティサイクルは５０％（ＤＣＶが２０Ｖで、ＶＯＵＴ１が１０Ｖの場合）であるが、全体的効率は、４０〜６０％のデューティサイクルの範囲内においても、比較的高いままである。
【００３４】
ＰＷＭ制御装置５０３はバッテリ充電器２０３の上記説明と同様の方法で、ＤＣＶを検出し、かつスイッチＳ２を制御し、ＰＷＭ制御装置１１１の上記説明と同様の方法で、ＢＤ信号を介してバッテリパック２０７を検知する。ＰＷＭ制御装置５０３は、外部電源モードとバッテリ電源モードの間の動作モードを制御し、外部電源５０５とバッテリパック２０７の両方が検知された場合には、バッテリ充電機能を制御する。外部電源５０５が電力を供給し、バッテリパック２０７が接続されていない場合、ＶＯＵＴ１が完全に充電されたバッテリの電圧より低くなるように、ＶＩＮの電圧レベルをＰＷＭ信号のデューティサイクルの適正レベルの５０％にするよう指令することができる。このようにすれば、理論的にはキャパシタ分圧器の効率を最大にできるはずである。しかし、ＶＯＵＴ１がバッテリ電圧以下である一方で、完全に充電されたバッテリパック２０７がノード２０５に接続される場合、ＰＷＭ制御装置５０３により直ちに解消される一時的接続によりスイッチＳ３の内部ダイオードは順バイアスとなる。
【００３５】
一実施形態において、外部電源５０５がＤＣＶを供給し、バッテリパック２０７が検知されない場合、ＰＷＭ制御装置５０３は、５０％のデューティサイクルを達成するいかなる値にするよりも、ＤＣＶを最大バッテリ電圧レベルにするよう命令する。その後バッテリパック２０７が検知された場合、ＰＷＭ制御装置５０３は、ＶＢＡＴＴの電圧を監視しながらスイッチＳ３をオンにし始め、それに従い、適切な電圧レベルとバッテリ充電モード（前述したトリクル充電モード、定電流充電モード、定電圧充電モードのうちの１つ）に移行するため、ＶＣ信号を介してＶＩＮを調整する。バッテリパック２０７なしで最大バッテリ電圧レベルで作動する事は、スイッチドキャパシタ回路にとって必ずしも最適なスイッチング効率ではないが（例えば、５０％より４０％においては）、幾つかの利点があることに留意されたい。第１に、完全に充電されたバッテリのバッテリ接続問題が避けられる。第２に、外部電源５０５がより高い電圧レベルで作動し、同じ電力レベルで外部電力を供給するため電流レベルを低減し、より高い動作効率を達成する。第３に、同じ電力レベルを送るために高電圧及び低減した電流でＶＯＵＴ１を作動することで、より高いアダプタ動作効率も達成する。
【００３６】
ＰＷＭ制御装置５０３は、定電流充電モード中に、所定のデフォルト電流レベル（例えば、４アンペア（Ａ））でバッテリパック２０７を充電する。代替的な実施形態において、バッテリ検出回路２０６は、「ダンプ」バッテリパックと「スマート」バッテリパックを結合するスマートバッテリ検出回路（図示せず）に置き換えられる。スマートバッテリ検出回路が、通常のバッテリ又はダンプバッテリパックを感知した場合、操作は非充電のままである。スマートバッテリパックが検知された場合、当業者には明らかなように、スマートバッテリ検出回路は、特定の充電電流及び／又は電圧レベルを決定するために、スマートバッテリパックからＰＷＭ制御装置５０３へ特定の充電情報を運ぶ。例えば、スマートバッテリパックは、定電流充電３．８Ａと、最大電圧２５Ｖの指令が出せる。
【００３７】
電源回路５００のキャパシタ分圧器は、電源回路２００の説明と同様の方法で、従来のバックコンバータの構成と比較して、ＶＯＵＴ１を介して電力を調達するのにより高効率である。繰り返すが、ＶＯＵＴ１でのキャパシタ分圧器出力はインダクタを有さず、インダクタのコア損失やコイル銅損がない。キャパシタ分圧器のスイッチＱ１〜Ｑ４は、ゼロ電圧ターンオフで作動し、総スイッチング損失が比較的低くなるように、各スイッチはＶＩＮの半分のみに晒される。更に、電子スイッチの導通損失は他の損失に比べ顕著であることから、スイッチのオン抵抗を低減することにより（例えば、オン抵抗を低減するために複数のスイッチを並列に接続する）スイッチング損失の増加という通常の懸念もなく、導通損失を低減できる。この構成の別の利点は、同量の電力を送るのに、高電流レベルで低電圧を供給する別のアダプタと比べ、より高電圧とより少ない電流を供給することで、外部電源５０５が物理的に小さく作製され得る点にある。
【００３８】
電源回路５００には、付加的な効果と利点がある。バッテリ充電制御とＶＯＵＴ２ＰＷＭ制御は、単一の制御装置内に統合される。ＰＷＭ制御装置５０３は、ＶＯＵＴ１及びＶＯＵＴ２の電圧に基づき、デューティサイクルＤを発生させる。ＰＷＭ制御装置５０３は、ＶＣ信号を発生させ、バッテリ充電状態に基づき外部電源５０５に送り返す。システム費用全体を削減し、電力密度を増加させるために、電力段部品は減らされる。追加バッテリ充電器（バッテリ充電器２０３）が取り除かれ、よって追加インダクタが回路から取り除かれる。それに代わって、システム・バスを供給する効果的なＶＯＵＴ１出力がバッテリパック２０７の充電に使用される。
【００３９】
図６は、電源回路５００と機能回路６０２を内蔵した電子デバイス６００の簡略ブロック図である。電源回路５００及び機能回路６０２は、電子デバイス４００の説明と同様の方法で、電子デバイス６００内のＰＣＢ６０１に備え付けられるもとして示されている。機能回路６０２は、電子デバイス６００の一次機能を実行する一次回路を表す。電子デバイス６００がノート型コンピュータ等のコンピュータ・システムである場合、ＰＣＢ６０１は、マザーボード、或いは、コンピュータ内の他の類似したＰＣＢであってもよい。電子デバイス６００は、バッテリパック２０７を受け入れ、保持する同様のバッテリ挿入口６０３を備えており、電子デバイス４００の説明と同様に、バッテリパック２０７は、バッテリ挿入口６０３に挿入された際に、対応するバッテリノード４０７を電気的に結合させる同様の端子４０５を有する。前述のように、充電電流を受け、電力を供給するために、少なくともノード４０７の１つがバッテリノード２０５と接続される。図面は簡略化されており、図示した構成に限定するものではなく、あらゆるタイプのバッテリインターフェースが考えられる。一実施形態において、バッテリパック２０７は、前述のように充電式である。代替的な実施形態においては、バッテリパック２０７は非充電式であるが、当業者には明らかなように、単に交換式バッテリである。また、バッテリパック２０７は、代替的には、外部アクセスを介する着脱式とするよりは、電子デバイス６００と一体化されてもよい（例えば、ＭＰ３又はメディアプレイヤー等のバッテリ一体化構造）。
【００４０】
外部電源５０５及び電子デバイス６００は、電源電圧ＤＣＶを電源回路５００に供給し、電力制御信号ＶＣを外部電源５０５に運ぶための相互嵌合コネクタ５０７及び５０８を備える。一実施形態において、外部電源５０５は、はＡＣ-ＤＣアダプタである。接続時においては、電源電圧ＤＣＶは、電源回路５００に入力電圧ＶＩＮを供給し、ＰＷＭ制御装置５０３は、前述のように、ＶＣ信号を介して電源電圧ＤＣＶの電圧レベルを制御する。電源回路５００は、前述のように、電子デバイス６００の機能回路６０２に電力を供給するため、ＶＯＵＴ１及びＶＯＵＴ２出力電圧を供給する。外部電源５０５が利用できない場合、バッテリパック２０７は、十分に充電されていれば電力を供給する。電子デバイス６００は、例えば、あらゆるタイプの携帯情報端末（ＰＤＡ）、パソコン（ＰＣ）、携帯用コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、ノート型コンピュータ等、携帯電話、パーソナルメディアデバイス、ＭＰ３プレーヤー、携帯メディアプレーヤー等といった、モバイル機器、携帯機器、携帯端末を含むあらゆるタイプのバッテリ駆動式電子デバイスを表す。
【００４１】
電源回路５００は、ノート型コンピュータ等の電源電圧の供給に特に有利である。キャパシタ分圧器出力ＶＯＵＴは、バッテリの充電と、固定電圧に調節された電源電圧をバックコンバータに供給するために使用される。キャパシタ分圧器の出力電圧は、ＶＣフィードバック信号に基づき外部電源５０５により調節される。フィードバックＶＣ信号は、バッテリパック２０７の存在と充電状況により決定される。キャパシタ分圧器及びバックコンバータのデューティサイクルＤは、バックコンバータの出力電圧を、５Ｖ或いはその他適切な電圧レベル等の所望の電圧レベルに調節するといった方法で制御される。電力システムバスの電圧は、バッテリ電圧範囲内でのみ変化する。ＰＷＭ調節機能は、従来のバックコンバータと比べ低コストであるバッテリ充電機能と組み合わせられる。電源回路５００は、高電力変換効率を提供し、電子デバイス６００の温度管理に利点をもたらす。外部電源５０５のサイズは縮小され、配線要求が緩和される。特に、サイズを縮小し、更に小さい内径或いは定価格の電線を可能とする低減出力電流としながら、外部電源５０５の出力電圧は増やされる。ＶＯＵＴ１の低電圧レベルは、ＣＰＵ（図示せず）、ＧＰＵ（図示せず）或いは記憶装置（図示せず）等といったホストコンピュータ機器に電力を供給する変換器に電力を供給するためにより適している。更に、バックコンバータ１１７は、ＶＯＵＴ１の電圧を、ＨＤＤ制御装置（図示せず）やＵＳＢ（図示せず）等に適した５Ｖのような、その他のコンピュータ構成部品により適した電圧レベルに変換するために有用である。
【００４２】
以上本発明を特定の好適なバージョンを参照して詳細に説明してきたが、その他のバージョン及び変形例も可能であり、予測される。例えば、ＰＷＭ制御装置１１１及び５０３は、個別の回路、集積回路上に一体化されたもの、一体化された回路、或いは、双方の組み合わせを用いて提供されてもよい。また、ＰＷＭ制御装置１１１及び５０３は、アナログ又はデジタルＰＷＭ制御装置として提供されてもよい。以下の請求項に定義された本発明の概念及び範囲を逸脱することなく、本発明と同様の目的を提供するため、その他の構成を設計し、改良する根拠として開示された構想と具体的実施例が容易に使用できることは、当業者にとって好ましい。
【符号の説明】
【００４３】
１００、５０１  電圧変換器
１０１  入力ノード
１０３  第１の中間ノード
１０５  第１の出力ノード
１０７  第２の中間ノード
１１１、５０３  パルス幅変調（ＰＷＭ）制御装置
１１２  レギュレータ
１１３  第２の出力ノード
１１４  ゲート駆動回路
１１６、５０５  外部電源
１１７  同期バックコンバータ
１１８、１１９、５０７、５０８、５０７Ａ、５０７Ｂ  相互嵌合コネクタ
２００、５００  電源回路
２０３  バッテリ充電器
２０５  バッテリノード
２０６  バッテリ検出回路
２０７  充電バッテリパック
２０８  感知回路
３００、４００、６００  電子デバイス
３０２、４０２、６０２  機能回路６０２
４０１、６０１  プリント回路基板（ＰＣＢ）
４０３、６０３  バッテリ挿入口
４０５  端子
４０７  バッテリノード
５０４  バッテリ充電・モード制御回路
５０９  ノード
Ａ、Ｂ  制御信号
ＢＤ  バッテリ検出信号
Ｃ１  第１のキャパシタ
Ｃ２  第２の“フライ”キャパシタ
Ｃ３  第３のキャパシタＣ３
ＣＡ  第４のキャパシタ
ＣＯ  出力フィルタキャパシタ
ＣＢ  フィルタキャパシタ
ＣＳＢ  フィルタキャパシタ
ＤＣＶ  電源電圧
ＧＮＤ  アース
ＩＣＨＡＲＧ  充電電流
Ｌ  インダクタ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４  ゲート駆動信号
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４  電子スイッチ
Ｒ１  電流感知抵抗器
Ｒ２  充電電流感知抵抗器
Ｓ１、Ｓ２、  断路スイッチ
Ｓ３、Ｓ４  スイッチ
ＶＣ  電力制御信号
ＶＩＮ  入力電圧
ＶＢＡＴＴ  バッテリ電圧
ＶＯＵＴ１  第１の出力電圧
ＶＯＵＴ２  第２の出力電圧
ＳＹＳＴＥＭ ＢＵＳ  システム・バス
【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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【国際調査報告】
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2010521943.tif 000010
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