(57)【要約】【課題】高容量で放電終止電圧の低い電池を主電池として用いた場合に、補助電池を常時充電可能として、補助電池の劣化を抑え、補助電池の機能を発揮させるための低コストで簡単な構成の充電システムを有する電池駆動式電子装置の提供を目的とする。【解決手段】ニッケル酸正極または合金負極を有する主電池１と、主電池１の電圧を昇圧する昇圧回路２と、昇圧回路２の出力を供給されて動作する負荷回路４と、主電池１からの電力供給が停止しても動作が維持される被保護回路７と、昇圧回路２の出力を供給されて動作する充電回路５と、充電回路５の出力に接続されて被保護回路７に電源供給するための補助電池６とを備える。【選択図】図１
2007252050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル酸正極または合金負極を有する主電池と、
前記主電池の電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路の出力が供給されて動作する負荷回路と、
前記主電池から前記負荷回路への電力供給が停止しても動作が維持される被保護回路と、
前記昇圧回路の出力が供給されて動作する充電回路と、
前記充電回路の出力に接続されて前記被保護回路に電源供給するための補助電池と、を備えた電池駆動式電子装置。
【請求項２】
前記充電回路は、降圧型電源回路と逆流防止用のダイオードとの直列回路により構成された請求項１記載の電池駆動式電子装置。
【請求項３】
前記充電回路は、前記昇圧回路の出力電圧と前記主電池の電圧とを比較し、高い方の電圧を選択する選択回路と、前記選択回路の出力に接続された降圧型電源回路とを有する請求項１記載の電池駆動式電子装置。
【請求項４】
前記選択回路は、前記昇圧回路の出力にアノードが接続されたダイオードと、前記主電池にアノードが接続されたダイオードとを有し、前記両ダイオードのカソードを出力とするよう構成された請求項３記載の電池駆動式電子装置。
【請求項５】
前記主電池の電圧が所定値以上か否かを判定する電圧判定回路を備え、
前記選択回路は、前記電圧判定回路が前記主電池の電圧が所定値以上と判定したとき、前記主電池の電圧を選択するよう構成された請求項３記載の電池駆動式電子装置。
【請求項６】
前記昇圧回路は、前記電圧判定回路の判定結果または前記選択回路の出力に基づいて、動作、停止、または出力電圧を調整するよう構成された請求項５記載の電池駆動式電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子装置におけるメモリのバックアップや時計機能のための補助電池を有する電池駆動式電子装置に関し、特に低電圧化するリチウムイオン電池を主電池として１セル分の電圧で駆動する電池駆動式電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池駆動式電子装置に用いられている主電池であるリチウムイオン電池の使用電圧範囲は、上限である充電終止電圧が４．２Ｖであり、下限である放電終止電圧が３．０Ｖであった。ここで、充電終止電圧とは二次電池の充電完了時の端子電圧であり、これ以上の充電は過充電状態となって二次電池の特性劣化の原因となる。放電終止電圧とは二次電池の放電終了時の端子電圧であり、これ以上の放電は過放電状態となって二次電池の特性劣化の原因となる。このようなリチウムイオン電池を電力源として用いた携帯電話やデジタルカメラなどの電子装置においては、前記の使用電圧範囲に合わせて各部品が動作するよう設計されている。主電池であるリチウムイオン電池からの電力供給が断たれた場合でも動作する必要のあるメモリのバックアップや時計機能を維持するための補助電池は、通常時においては主電池であるリチウムイオン電池から、例えばシリーズレギュレータのような降圧型電源回路で構成された充電回路によって充電されている。補助電池の充電電圧は３．０〜３．２Ｖが一般的である。
【０００３】
一方、携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器の高性能化に伴い、携帯機器における動作システムでの消費電流は増加傾向にある。主電池であるリチウムイオン電池にも高容量化が求められており、電池材料の検討が進められている。例えば、特許文献１には、電池材料の変更によって従来のリチウムイオン電池より高容量の電池が示されている。この高容量の電池は放電終止電圧が従来のリチウムイオン電池より低下するため、この高容量で放電終止電圧が低下する電池と、昇降圧コンバータとを組み合わせた電池駆動式電子装置が、特許文献１に開示されている。図５は、このような高容量化電池と従来のリチウムイオン電池の放電特性の一例を示す図である。図５において、ラインＡは前記の高容量化電池であり、ラインＢは従来のリチウムイオン電池の放電特性をそれぞれ示している。
【特許文献１】特開２００３−４７２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
正極にニッケル酸、負極にシリコンや錫等の合金を用いた電池は、従来の正極コバルト酸、負極グラファイトの電池に比べ高容量となるが、その材料特性から放電終止電圧が２．５Ｖ程度となり、電池電圧の低下は避けられない。このような放電終止電圧の低い電池を主電池として用いた場合、使い方によっては電圧が低い状態で繰り返し使われる可能性があり、従来の降圧型電源回路で構成された充電回路では、補助電池を充電できない場合がある。
【０００５】
また、補助電池はその使用目的から常時充電をしておくものであり、主電池からの電力供給が断たれるような異常時において使用されるものである。そのため、補助電池はサイクル劣化特性より、容量特性を優先して設計されるものが多い。例えば、主電池として使うリチウムイオン電池は５００サイクルで容量維持率が８０％以上であるものが多いが、バックアップ用の補助電池は数１０サイクル程度で容量維持率が８０％を割るものが多い。このような補助電池を長く充電しないで放置すると、メモリバックアップに必要な電圧が確保できなくなる上に、１回の充電で１サイクル進むことになる。このため、通常時においてサイクル劣化が進行し、必要な時に容量が確保できずメモリの記憶状態が当初の設計時間まで保持されないといった、本来の機能を果たさなくなる危険性がある。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、携帯電話やデジタルカメラなどのリチウムイオン電池１セル分の電圧で動作する電池駆動式電子装置において、リチウムイオン電池がニッケル酸正極または合金負極を備え、高容量だが放電終止電圧の低い電池を主電池として用いた場合に、補助電池を常時充電可能として補助電池の劣化を抑え、補助電池の機能を確実に発揮させることのできる低コストで簡単な充電システムを有する電池駆動式電子装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明における第１の観点の電池駆動式電子装置は、
ニッケル酸正極または合金負極を有する主電池と、
前記主電池の電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記昇圧回路の出力が供給されて動作する負荷回路と、
前記主電池から前記負荷回路への電力供給が停止しても動作が維持される被保護回路と、
前記昇圧回路の出力が供給されて動作する充電回路と、
前記充電回路の出力に接続されて前記被保護回路に電源供給するための補助電池と、を備えている。このように構成された電池駆動式電子装置は、補助電池が常時充電可能状態に維持されて補助電池の劣化が抑えられ、補助電池としての機能を確実に発揮できる構成となる。
【０００８】
また、本発明の第２の観点の電池駆動式電子装置は、前記第１の観点における前記充電回路が降圧型電源回路と逆流防止用のダイオードとの直列回路により構成されている。このように構成された電池駆動式電子装置は、補助電池を信頼性高く確実に充電できる構成となる。
【０００９】
また、本発明の第３の観点の電池駆動式電子装置は、前記第１の観点における前記充電回路が、前記昇圧回路の出力電圧と前記主電池の電圧とを比較し、高い方の電圧を選択する選択回路と、前記選択回路の出力に接続された降圧型電源回路とを有するよう構成されている。このように構成された電池駆動式電子装置は、補助電池を確実に常時充電できる構成となる。
【００１０】
また、本発明の第４の観点の電池駆動式電子装置において、前記第３の観点における前記選択回路は、前記昇圧回路の出力にアノードが接続されたダイオードと、前記主電池にアノードが接続されたダイオードとを有し、前記両ダイオードのカソードを出力とするよう構成されている。このように構成された電池駆動式電子装置は、補助電池を常時充電可能状態として補助電池の劣化を抑え、補助電池の機能が確実に発揮できる構成となる。
【００１１】
また、本発明の第５の観点の電池駆動式電子装置は、前記第３の観点における前記主電池の電圧が所定値以上か否かを判定する電圧判定回路を備え、
前記選択回路が、前記電圧判定回路が前記主電池の電圧が所定値以上と判定したとき、前記主電池の電圧を選択するよう構成されている。このように構成された電池駆動式電子装置は、補助電池を常時充電可能状態として補助電池の劣化を抑え、補助電池の機能を確実に発揮でき、低コストで簡単な充電システムを構築することができる。
【００１２】
さらに、本発明の第６の観点の電池駆動式電子装置は、前記第５の観点における前記昇圧回路が、前記電圧判定回路の判定結果または前記選択回路の出力に基づいて、動作、停止、または出力電圧を調整するよう構成されている。このように構成された電池駆動式電子装置は、補助電池が常時充電可能状態に維持されて補助電池の劣化が抑えられ、補助電池としての機能を確実に発揮できる構成となる。
【００１３】
上記のように構成された本発明の電池駆動式電子装置は、主電池の電圧によらず、降圧型電源構成の充電回路の入力が補助電池の電圧より安定して高くなるため、補助電池の充電を確実に行なうことができる構成となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の電池駆動式電子装置によれば、従来において主電池として用いられていたコバルト酸正極、グラファイト負極のリチウムイオン電池から、高容量化されたニッケル酸正極、合金負極のリチウムイオン電池へ置き換わった時に、補助電池の充電を確実に行なうことができる充電システムを構築できる。
また、本発明によれば、補助電池の劣化を確実に防止することができ、被保護回路である常時給電が必要な時計やメモリなどの機能を確実に維持することができる構成となる。
さらに、負荷回路のための昇圧回路を利用して補助電池の充電を行う構成であるため、補助電池のための専用昇圧回路を必要とせず、低コストで被保護回路に対して確実に電力を供給することができる構成となるとともに、昇圧回路を動作させるための電力も省くことが可能となり、主電池の駆動時間を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の電池駆動式電子装置に係る好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る第１の実施形態における電池駆動式電子装置の回路図である。図１において、１は主電池であるリチウムイオン電池であり、ニッケル酸正極または合金負極を持ち、コバルト酸正極、グラファイト負極で構成される電池よりも放電終止電圧が低下する特性を有する。例えば、第１の実施形態における電池駆動式電子装置において用いた主電池１であるリチウムイオン電池の使用電圧範囲は、上限である充電終止電圧が４．２Ｖであり、下限である放電終止電圧が２．５Ｖであった。昇圧回路２は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）を介して接続された外部機器、ＧＰＳ（Global Positioning System）、デジタルテレビチューナーなど３Ｖ以上の電圧を要求する負荷回路４に主電池１から電源を供給するために設けられた回路である。図示はしないが、昇圧回路２には、ブーストコンバータと呼ばれる昇圧型スイッチングレギュレータや、昇圧チャージポンプなどの電源回路が用いられる。３は平滑コンデンサであり、昇圧回路２の出力電圧を平滑して出力する。ＵＳＢを介して接続された外部機器、ＧＰＳ、デジタルテレビチューナーなどの負荷回路４には、昇圧回路２から電源電圧が供給される。昇圧回路２の平滑された出力は充電回路５に入力されている。この充電回路５は、逆流防止用ダイオード５０、抵抗５１、トランジスタ５２、及びツェナーダイオード５３を有して構成されている。充電回路５の出力は補助電池６に入力される。被保護回路７は、メモリや時計などのように、主電池１からの電力供給が断たれた場合でも補助電池６からの電力供給により動作する回路である。
【００１７】
充電回路５の抵抗５１とトランジスタ５２とツェナーダイオード５３はシリーズレギュレータを構成し、逆流防止用ダイオード５０を介して入力される昇圧回路２の出力電圧を降圧する。また、逆流防止用ダイオード５０は、昇圧回路２の出力電圧と補助電池６の電圧が逆転した場合に備えて挿入されている。
【００１８】
以上のように構成された本発明の第１の実施形態における電池駆動式電子装置について、主電池１の電圧が放電終止電圧の２．５Ｖ近くまで低下した場合の動作について以下に説明する。
【００１９】
主電池１に接続された昇圧回路２によって、例えば３．５Ｖに昇圧された出力は、平滑コンデンサ３によって平滑され、負荷回路４に電力供給される。同時に、昇圧回路２の出力は充電回路５に入力される。充電回路５は、逆流防止用ダイオード５０を介して入力される３．２Ｖ程度の電圧を３Ｖに降圧し、安定化されて補助電池６を充電する。
【００２０】
以上のように、放電終止電圧が３Ｖ以下になる主電池１を３Ｖ以下の状態で使い続けた場合であっても、昇圧回路２によって３Ｖ以上の電圧を常時発生させて、充電回路５に入力している。このため、充電回路５の入力は補助電池６の電圧を下回ることが無い。このように構成することにより、常時安定して補助電池６の充電を行うことができ、主電池１からの電力供給が断たれた場合には、補助電池６から被保護回路７への電力を十分に確保し、予め設定していた所定時間供給することができる。
【００２１】
尚、第１の実施形態の電池駆動式電子装置の構成において、逆流防止ダイオード５０と、抵抗５１、トランジスタ５２及びツェナーダイオード５３を有して構成された降圧型電源回路とは直列に接続されていれば順序が入れ替わっても同様の効果を発揮する。
【００２２】
［第２の実施形態］
図２は、本発明に係る第２の実施形態における電池駆動式電子装置の回路図である。図２において、図１に示した電池駆動式電子装置と同じ構成要素には同じ番号を付し、その説明は省略する。図２に示した第２の実施形態の電池駆動式電子装置が図１に示した電池駆動式電子装置と異なる点は、昇圧回路および充電回路の構成である。第２の実施形態においては、図１の昇圧回路２および充電回路５と区別するために、昇圧回路２ａおよび充電回路５ａとして説明する。
第２の実施形態の昇圧回路２ａは、昇圧型スイッチングレギュレータのように出力制御回路が含まれており、出力電圧を検出して出力電圧が所定の目標値となるように負帰還制御するため、負荷回路４が必要とする所定の目標出力電圧を出力できる構成である。しかし、主電池１の電圧が昇圧回路２ａの目標出力電圧より十分高くなると、昇圧回路２ａが昇圧動作を停止して、昇圧回路２ａの出力電圧は主電池１の電圧に追従して上昇する。充電回路５ａが第１の実施形態の充電回路５と異なる点は、アノードを主電池１に接続されたダイオード５４が、逆流防止用ダイオード５０とカソード同士を接続された構成となっている点である。即ち、ダイオード５４と逆流防止用ダイオード５０は、ＯＲ回路を構成しており、主電池１の電圧と昇圧回路２ａの出力電圧の高い方を選択して出力する。したがって、第２の実施形態の電池駆動式電子装置の構成においては、主電池１の電圧が昇圧回路２ａの目標出力電圧より十分高くて昇圧回路２ａが昇圧動作を停止している場合や、昇圧回路２ａが故障している場合において、主電池１の高い電圧が充電回路５ａに印加され、補助電池６への充電動作が確実に行われる。
【００２３】
以上のように構成された第２の実施形態の電池駆動式電子装置は、充電回路５ａにおいてシリーズレギュレータを構成するトランジスタ５２のコレクタには、主電池１の電圧あるいは昇圧回路２ａの出力電圧の高い方の電圧が選択されて入力され、補助電池６への充電を安定的に行うことが可能な構成となる。
【００２４】
［第３の実施形態］
図３は、本発明に係る第３の実施形態における電池駆動式電子装置の回路図である。図３において、図２に示した第２の実施形態の電池駆動式電子装置と同じ構成要素には同じ番号を付し、その説明は省略する。図３に示した第３の実施形態の電池駆動式電子装置が第２の実施形態の電池駆動式電子装置と異なる点は、充電回路の構成であり、第２の実施形態の充電回路５ａと区別するために充電回路５ｂとして説明する。図３の充電回路５ｂが図２の充電回路５ａと異なる点は、主電池１の電圧を所定値と比較し、その比較結果を出力する電圧判定回路５５と、電圧判定回路５５の出力に基づいて、トランジスタ５２のコレクタに主電池１を入力するか、あるいは昇圧回路２ａの出力電圧を入力するかを選択する選択回路５６とを、逆流防止用ダイオード５０とダイオード５４とにより構成されたＯＲ回路の代わりに設けた点である。
【００２５】
以上のように構成された第３の実施形態の電池駆動式電子装置は、主電池１の電圧が所定値（例えば３．５Ｖ）以上の場合、充電回路５ｂは昇圧回路２ａによる昇圧出力を必要としないので、主電池１の電圧が選択されて、充電回路５ｂに入力される。一方、主電池１の電圧が所定値より低い場合には、昇圧回路２による昇圧出力を選択して、その昇圧出力が充電回路５ｂに入力される。
図３において、電圧判定回路５５は、基準電圧を出力する基準電圧源と、基準電圧と主電池１の電圧とを比較する比較器とにより構成される。選択回路５６は、電圧判定回路５５の比較器の出力によりオンオフするトランジスタ等のスイッチ回路で簡単に構成できる。
【００２６】
第３の実施の形態の電池駆動式電子装置の構成は、前述の第２の実施形態の電池駆動式電子装置のようなＯＲ回路を用いる場合より、スイッチ素子を用いた選択回路５６での電圧降下が小さくなる。このため、主電池１の使用電圧範囲がさらに低くなった場合にも充電回路５ｂに十分な電圧を印加でき、補助電池６の充電動作が確実に行われる。
また、昇圧回路２ａは、電圧判定回路５５の判定結果または選択回路５６の出力に基づいて、動作、停止、または出力電圧を調整するよう構成してもよい。例えば、電圧判定回路５５の判定結果が主電池１の電圧が所定値（例えば３．５Ｖ）未満の場合、昇圧回路２ａが動作して所定電圧を出力し、主電池１の電圧が所定値（例えば３．５Ｖ）以上の場合、昇圧回路２ａはその動作を停止もしくはその入出力間を短絡状態にすることによって主電池１の電圧が負荷回路４及び充電回路５ｂに入力される。さらに、昇圧回路２ａにおいては、電圧判定回路５５の判定結果または選択回路５６の出力に基づいて、予め決めた所定値の電圧を出力するよう出力電圧が調整されるよう構成されている。
［第４の実施形態］
図４は、本発明に係る第４の実施形態における電池駆動式電子装置の回路図である。図４において、図１に示した第１の実施形態の電池駆動式電子装置と同じ構成要素には同じ番号を付し、その説明は省略する。図４に示した第４の実施形態の電池駆動式電子装置が第１の実施形態の電池駆動式電子装置と異なる点は、負荷回路と被保護回路の構成であり、第１の実施形態の負荷回路４と区別するためにＣＰＵ４ａ、第１の実施形態の被保護回路７と区別するためにメモリ７ａとする。他の主電池１、昇圧回路２、出力コンデンサ３、充電回路５及び補助電池６は、第１の実施形態の電池駆動式電子装置と同じ構成であり、動作も同様である。
第４の実施形態は、本発明の電池駆動式電子装置の具体的な一例を示したものである。動作中のＣＰＵ４ａはメモリ７ａの間でデータの送受信を行っている。動作時において高速演算処理を担うＣＰＵ４ａの消費電力は大きく、使用電圧範囲の低下した主電池１から昇圧回路２を介して電力供給されている。一方、演算結果（データ）を記憶したメモリ７ａは、主電池１からの電力供給が断たれた場合でも、記憶したデータを保持する必要がある。本発明のように昇圧回路２の出力から充電回路５を介して充電される補助電池６は、常時充電されており、主電池１からの電力供給が断たれた場合においても、メモリ７ａは記憶したデータを保持することができる。そして、主電池１の入れ替え作業が終わると、継続して演算処理することが可能である。
尚、本発明の電池駆動式電子装置の負荷回路と被保護回路は上記のようなＣＰＵとメモリに限定されるものではない。また、本発明の構成においては、上記のＣＰＵとメモリのように、負荷回路と被保護回路との間で信号の送受信が行われるような関連性を有する装置に限定されるものでもない。本発明の要諦は、使用電圧範囲の低下した主電池に対して昇圧回路を介した電力供給を必要とする負荷回路と、主電池の状態にかかわらず常時動作するために、補助電池からの電力供給が必要な被保護回路がある場合において、その昇圧回路出力を電力源とする充電回路によって補助電池への充電を行う構成にすることである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明にかかる電池駆動式電子装置は、放電終止電圧が低い主電池が搭載される各種電子機器において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電池駆動式電子装置の回路図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る電池駆動式電子装置の回路図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る電池駆動式電子装置の回路図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る電池駆動式電子装置の回路図。
【図５】リチウムイオン電池の放電特性図。
【符号の説明】
【００２９】
１  主電池
２  昇圧回路
３  平滑コンデンサ
４  負荷回路
５  充電回路
６  補助電池
７  被保護回路
５０  逆流防止ダイオード
５１  抵抗
５２  トランジスタ
５３  ツェナーダイオード
５４  ダイオード
５５  電圧判定回路
５６  選択回路
【図１】
2007252050.tif 000003
【図２】
2007252050.tif 000004
【図３】
2007252050.tif 000005
【図４】
2007252050.tif 000006
【図５】
2007252050.tif 000007