(57)【要約】【課題】  ＵＳＢインターフェースに接続されている他の周辺機器で使用しているＶｂｕｓの電流値を気にすることなく、しかも充電電流を十分大きく取ることができるようにする。【解決手段】  ＵＳＢインターフェースのＶｂｕｓを電源として二次電池ＢＡＴの充電を行う。充電電流制御素子Ｍ４は、Ｖｂｕｓから二次電池ＢＡＴへの充電電流をオン、オフするスイッチング素子である。抵抗Ｒ３、Ｒ４は、Ｖｂｕｓの電圧を検出する。演算増幅回路ＡＭＰ３は、電圧の検出値と規準電圧Ｖｒ３とを比較して、Ｖｂｕｓの電圧が大きいときは、Ｈレベル信号を出力して充電電流制御素子Ｍ４をオンにし、Ｖｂｕｓから二次電池ＢＡＴへ充電電流を流す。【選択図】    図１
2007060778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＵＳＢインターフェースのＶｂｕｓを電源として二次電池の充電を行う充電装置において、
前記Ｖｂｕｓから前記二次電池への充電電流をオン、オフするスイッチング素子と、
前記Ｖｂｕｓの電圧を検出する第１電圧検出回路と、
前記電圧の検出値と予め設定された第１基準値とを比較する第１比較手段と、
前記比較に基づいて前記スイッチング素子を制御して前記二次電池の充電を行う第１制御手段と、
を備えていることを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記第１比較手段は演算増幅回路であり、当該演算増幅回路に入力する電圧は前記Ｖｂｕｓの電圧と第１基準値となる基準電圧とをそれぞれ同じ所定の比率で分圧した電圧としている、ことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記電圧の検出値と第２基準値とを比較する第２比較手段と、
前記Ｖｂｕｓから前記二次電池への充電電流を検出する電流検出回路と、
前記電圧の検出値が前記第２基準値以下のときには、前記電流検出回路の検出に基づいて前記スイッチング素子を制御して前記Ｖｂｕｓから前記二次電池への充電電流を一定に制御する定電流充電を行う第２制御手段と、
前記二次電池の充電電圧を検出する第２電圧検出回路と、
前記第１電圧検出回路の電圧の検出値と前記第２基準値とを比較する第３比較手段と、
前記第１電圧検出回路の電圧の検出値が前記第２基準値より大きいときには前記スイッチング素子を制御して前記二次電池の充電電圧を一定に制御する定電圧充電を行う第３制御手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＵＳＢインターフェースのＶｂｕｓから電源を供給して充電を行う二次電池の充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの携帯機器に内蔵されている二次電池の充電には商用交流電源であるＡＣ１００Ｖの電源を整流し、ＤＣ−ＤＣコンバータで所望の電圧に変換した直流電源を用いている。このため、ＡＣアダプタの小型化、軽量化が困難であり、携帯機器と一緒に持ち運ぶことが困難であった。
そこで、充電器の小型化軽量化を実現するため、近年パーソナルコンピュータのシリアルバスとして広く採用されているＵＳＢ（Universal Serial Bus）インターフェースのＶｂｕｓ端子から供給されているＤＣ５Ｖ電源を用いて、二次電池の充電を行う充電器が使用されるようになっている。特許文献１の技術はこのような例の１つであるが、これは単にＶｂｕｓの出力電圧を携帯電話の電源ラインに接続しているものである。
しかしながら、Ｖｂｕｓから供給可能な電流はトータルで５００ｍＡという制限がある。ＵＳＢインターフェースにはＵＳＢハブなどを介して多数の周辺機器が接続でき、各々の周辺機器でＶｂｕｓからの電源を使用している可能性があるため、二次電池の充電電流にまわせる電流は通常５００ｍＡ以下の電流となる。よって、特許文献１に開示の技術では、充電電流を取りすぎるとＶｂｕｓの電圧が低下してしまい、周辺機器が誤動作をするなどの問題が発生する不具合がある。
これに対して、特許文献２に開示の技術はＵＳＢインターフェースの電源供給を利用した充電器の例である。図３は、この充電器を説明する回路図である。図３に示す充電器は、ＵＳＢインターフェースを介して信号を送受信するデータ通信部１０１、バッテリ１０６を充電するバッテリ充電制御回路１０２、Ｖｂｕｓの電圧を充電電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ１０３、Ｖｂｕｓの電力をデータ通信用と充電用とに振り分けを行う分配回路１０４、及びこれらの回路を集中的に制御するマイコン１０５などを備えている。分配回路１０４は、データ通信部１０１の動作時にはＶｂｕｓの電源をデータ通信部１０１に供給し、データ通信部１０１が非動作時にはＶｂｕｓの電源をバッテリ充電制御回路１０２に供給するようにして、Ｖｂｕｓから取り出す電流を平均化している。さらに、分配回路１０４はデータ通信時にＶｂｕｓの余剰電力を二次電池の充電に供給するようにもしている。
【特許文献１】特開２０００−２０１２０４公報
【特許文献２】特開２００１−２０２１６３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献２の技術によっても、ＵＳＢインターフェースに接続されている全ての周辺機器で使用しているＶｂｕｓの電流値を把握してはいないため、二次電池の充電にまわせる電流値がどのくらいあるのかは分からない。そのため、充電電流の最大値はＶｂｕｓの制限電流よりかなり少ない電流値に設定せざるを得なく、充電に時間が掛かってしまうという不具合がある。
また、Ｖｂｕｓの制限電流よりかなり少ない電流値に設定しているにもかかわらず、ＵＳＢインターフェースに接続されている他の周辺機器で使用されている電流が極めて大きい場合や、他の周辺機器が動作を開始したため急にＶｂｕｓの電流が増加した場合など、充電電流と合せるとＶｂｕｓの電流規格を超えてしまう場合がある不具合もある。
さらに、Ｖｂｕｓの電流規格をオーバーすると、Ｖｂｕｓの電圧規格の下限電圧である４.４Ｖ以下まで低下してしまう可能性があり、Ｖｂｕｓの電圧が４.４Ｖ以下になると、ＵＳＢインターフェースに接続されている周辺機器が誤動作を発生するという不具合もあった。
そこで、本発明の目的は、ＵＳＢインターフェースに接続されている他の周辺機器で使用しているＶｂｕｓの電流値を気にすることなく、しかも充電電流を十分大きく取ることができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の発明は、ＵＳＢインターフェースのＶｂｕｓを電源として二次電池の充電を行う充電装置において、前記Ｖｂｕｓから前記二次電池への充電電流をオン、オフするスイッチング素子と、前記Ｖｂｕｓの電圧を検出する第１電圧検出回路と、前記電圧の検出値と予め設定された第１基準値とを比較する第１比較手段と、前記比較に基づいて前記スイッチング素子を制御して前記二次電池の充電を行う第１制御手段と、を備えていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の充電装置において、前記第１比較手段は演算増幅回路であり、当該演算増幅回路に入力する電圧は前記Ｖｂｕｓの電圧と第１基準値となる基準電圧とをそれぞれ同じ所定の比率で分圧した電圧としている、ことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の充電装置において、前記電圧の検出値と第２基準値とを比較する第２比較手段と、前記Ｖｂｕｓから前記二次電池への充電電流を検出する電流検出回路と、前記電圧の検出値が前記第２基準値以下のときには、前記電流検出回路の検出に基づいて前記スイッチング素子を制御して前記Ｖｂｕｓから前記二次電池への充電電流を一定に制御する定電流充電を行う第２制御手段と、前記二次電池の充電電圧を検出する第２電圧検出回路と、前記第１電圧検出回路の電圧の検出値が前記第２基準値より大きいときには前記スイッチング素子を制御して前記二次電池の充電電圧を一定に制御する定電圧充電を行う第３制御手段と、をさらに備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によれば、Ｖｂｕｓ電圧を監視して、Ｖｂｕｓ電圧が第１基準値以下に低下しない範囲では必要十分な電流値を二次電池の充電電流に振り向けるようにできるので、充電時間の短縮が図れる。また、Ｖｂｕｓ電圧を監視して充電電流を制御するため、ＵＳＢインターフェースに接続された他の周辺装置の動作状況を監視する必要が無くなり、前述した分配回路も不要となる。
請求項２に記載の発明によれば、演算増幅回路の電源にＶｂｕｓ電圧が使用できるようになるので、昇圧用のコンバータ等が不要となる。
請求項３に記載の発明によれば、従来から用いられている定電流−定電圧充電方式にわずかな回路要素などを付加するだけで、充電時間を短縮し、分配回路も不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明を実施するための最良の一形態について説明する。
図１は、本実施形態である充電装置の回路図である。この充電装置はＰＣなどの電子機器に搭載される。図１において、ＢＡＴは二次電池であり、符号１０は二次電池ＢＡＴの充電回路を含む半導体装置であり、符号２０はＵＳＢ（Universal Serial Bus）インターフェースのＶｂｕｓ電源である。
半導体装置１０は、定電流（ＣＣ）充電制御を行うための基準電圧電源Ｖｒ１、演算増幅回路ＡＭＰ１、制御トランジスタＭ１、及びＩ−Ｖ変換回路１と、定電圧（ＣＶ）充電制御を行うための基準電圧電源Ｖｒ２、演算増幅回路ＡＭＰ２、制御トランジスタＭ２、及び電池電圧検出回路２と、Ｖｂｕｓの電圧が所定の電圧まで低下した場合に充電電流を制限する制御を行うための基準電圧電源Ｖｒ３、演算増幅回路ＡＭＰ３、及び制御トランジスタＭ３と、を備えている。
制御トランジスタＭ１〜Ｍ３はＮＭＯＳトランジスタで構成され、これらは直列接続されており、抵抗Ｒ１を介して半導体装置１０の端子Ｔ１に接続されている。また、制御トランジスタＭ３のソースは接地されている。
また、二次電池ＢＡＴの充電電流を検出するための抵抗Ｒ２と、ＰＭＯＳトランジスタで構成された充電電流制御素子Ｍ４とが二次電池ＢＡＴと直列接続され、ＶｂｕｓとＧＮＤとの間に接続されている。充電電流制御素子Ｍ４はＶｂｕｓから二次電池ＢＡＴに流れる充電電流をオン、オフするスイッチング素子である。
【０００７】
ＵＳＢインターフェース電源２０のＶｂｕｓラインは、端子Ｔ１及び充電電流制御素子Ｍ４のドレインに接続され、ＧＮＤラインは接地されている。充電電流制御素子Ｍ４のゲートは半導体装置１０の端子Ｔ２に接続され、抵抗Ｒ１と制御トランジスタＭ１のドレインの交点に接続されている。
抵抗Ｒ２の両端は半導体装置１０の端子Ｔ３と端子Ｔ４とにそれぞれ接続されており、抵抗Ｒ２の電流はＩ−Ｖ変換回路１に入力され、定電流充電制御時に用いる電圧に変換される。Ｉ−Ｖ変換回路１はＶｂｕｓから２次電池ＢＡＴに流れる充電電流の電流値を検出する電流検出回路となる。また、端子４の電位は電池電圧検出回路２にも入力されており、定電圧充電制御時に用いる電圧を生成する。
二次電池ＢＡＴのマイナス側は接地され、また、半導体装置の端子Ｔ５に接続されている。
演算増幅回路ＡＭＰ１の非反転入力端子（プラス端子）には基準電圧Ｖｒ１が、反転入力端子（マイナス端子）にはＩ−Ｖ変換回路１の出力電圧が入力されている。また、演算増幅回路ＡＭＰ１の出力端子は制御トランジスタＭ１のゲートに接続されている。
演算増幅回路ＡＭＰ２の非反転入力端子（プラス端子）には基準電圧Ｖｒ２が、反転入力端子（マイナス端子）には電池電圧検出回路２の出力電圧が入力されている。また、演算増幅回路ＡＭＰ２の出力端子は制御トランジスタＭ２のゲートに接続されている。
演算増幅回路ＡＭＰ３の非反転入力端子（プラス端子）には端子Ｔ１を介してＶｂｕｓ電圧が、反転入力端子（マイナス端子）には基準電圧Ｖｒ３が入力されている。また、演算増幅回路ＡＭＰ３の出力端子は制御トランジスタＭ３のゲートに接続されている。
【０００８】
ＵＳＢインターフェースの物理的仕様は図２に示すようにＶｂｕｓと呼ばれる１本の電源ラインと、１本のＧＮＤライン、および２本の信号線Ｄ＋とＤ−で構成されている。ＵＳＢインターフェースのＶｂｕｓの規格は出力電流が５００ｍＡ、電圧規格は４.４Ｖ〜５.２５Ｖと定められている。すなわちＶｂｕｓの電圧が電圧規格範囲内であればＵＳＢインターフェースに接続されている周辺機器の動作は保証される。そこで、Ｖｂｕｓの電圧を監視し、この電圧が下限電圧の４.４Ｖを保証できる範囲で二次電池の充電を行うようにしている。
すなわち、Ｖｂｕｓの電圧が基準電圧Ｖｒ３より高い場合は、演算増幅回路ＡＭＰ３の出力はＨレベルとなり制御トランジスタＭ３をオンにする。このとき、二次電池ＢＡＴの充電電圧が低く、電池電圧検出回路２で検出された充電電圧が基準電圧Ｖｒ２より低いときは、演算増幅回路ＡＭＰ２の出力はＨレベルとなるので、制御トランジスタＭ２をオンにする。つまり、この条件での充電は、抵抗Ｒ２の電圧降下を検出して出力電圧を生成するＩ−Ｖ変換回路１の出力電圧が、基準電圧Ｖｒ１の電圧と同じ電圧を出力する電流が抵抗Ｒ２に流れるように第２比較手段、第２制御手段となる演算増幅回路ＡＭＰ１が制御トランジスタＭ１のゲート電圧を制御する定電流充電となる。
第２電圧検出回路となる電池電圧検出回路２から出力された電圧が基準電圧Ｖｒ２と同じ電圧になると、第３比較手段、第３制御手段となる演算増幅回路ＡＭＰ２の出力はＨレベルから低下し、制御トランジスタＭ２のゲート電圧を制御して、電池電圧検出回路２から出力された電圧が基準電圧Ｖｒ２を超えないように充電電流を減少させる。すると、抵抗Ｒ２の電圧降下が小さくなり、Ｉ−Ｖ変換回路１の出力電圧は基準電圧Ｖｒ１の電圧より低下するので、演算増幅回路ＡＭＰ１の出力はＨレベルとなり制御トランジスタＭ１をオンにする。すなわち定電圧制御に移行する。
【０００９】
次に、Ｖｂｕｓの電圧が基準電圧Ｖｒ３と同じ電圧の場合を説明する。この状態は前述の定電流充電を行っているときにＵＳＢインターフェースに他の周辺装置が接続された場合や、既に接続されていた周辺機器が動作を開始して消費電流が増えた場合などが想定できる。
Ｖｂｕｓの電圧は第１電圧検出回路となる抵抗Ｒ３、Ｒ４でＶｂｕｓの電圧を分圧して検出することができる。Ｖｂｕｓの電圧が基準電圧Ｖｒ３の電圧とほぼ等しい電圧まで低下すると、第１比較手段、第１制御手段となる演算増幅回路ＡＭＰ３の出力はＨレベルから低下し、制御トランジスタＭ３のゲート電圧を下げ、ドレイン電流を制限する。すると、端子２を介して充電電流制御素子Ｍ４のゲート電圧を上昇させるので充電電流を減少させることができる。前述の定電流充電を行っていた場合は、充電電流が減少すると、Ｉ−Ｖ変換回路１の出力電圧が低下するので演算増幅回路ＡＭＰ１の出力はＨレベルとなり制御トランジスタＭ１をオンにする。また、前述の定電圧充電を行っていた場合でも、充電電流が減少すると二次電池ＢＡＴの電圧が低下するので、演算増幅回路ＡＭＰ２の出力がＨレベルとなり制御トランジスタＭ２をオンにする。結局、Ｖｂｕｓの電圧が基準電圧Ｖｒ３の電圧とほぼ等しい電圧まで低下すると、いままでの充電モードに関わり無く、演算増幅回路ＡＭＰ３と制御トランジスタＭ３による充電制御に切り換り、充電電流をいままでより少なくなるように制御することになる。なお、Ｖｂｕｓの電圧が基準電圧Ｖｒ３の電圧を下回った場合は、演算増幅回路ＡＭＰ３の出力はＬレベルとなり、制御トランジスタＭ３をオフにする。すると、端子Ｔ２の電圧はＶｂｕｓ電圧と同じになり、充電電流制御素子Ｍ４をオフして充電電流を完全にカットし、Ｖｂｕｓからの電流負担を少なくすることができる。
なお、基準電圧Ｖｒ３の電圧は、Ｖｂｕｓの電圧規格の下限値である４.４Ｖとしてもよいが、多少余裕を見て４.８Ｖ前後に設定するのが望ましい。
さらに、図１の回路では演算増幅回路ＡＭＰ３の入力にはＶｂｕｓ電圧と基準電圧Ｖｒ３を直接入力しているが、もちろん、両入力電圧を同じ比率で分圧した電圧を入力しても構わない。このように、分圧した電圧を入力した場合は、演算増幅回路ＡＭＰ３の電源としてＶｂｕｓの電圧を直接用いることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータのような昇圧回路が不用となり、回路の小型化、軽量化を図ることができる。
【００１０】
以上のように、本実施形態の充電装置によれば、Ｖｂｕｓ電圧を監視して、Ｖｂｕｓ電圧が所定の電圧以下に低下しない範囲では、必要十分な電流量を二次電池の充電電流に振り向けることができるようにしたので、充電時間の短縮が図れる。
また、Ｖｂｕｓ電圧を監視して充電電流を制御するため、ＵＳＢインターフェースに接続された他の周辺装置の動作状況を監視する必要が無くなり、前述の従来技術で説明した分配回路も不要となる。
このように、従来の定電流−定電圧充電方式の回路に少ない回路要素を追加するだけで、ＵＳＢインターフェースに接続された他の周辺装置に対する誤動作の心配がなく、しかも充電時間が短い充電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である充電装置の回路図である。
【図２】ＵＳＢインターフェースの物理的仕様を説明する説明図である。
【図３】従来の充電器を説明する回路図である。
【符号の説明】
【００１２】
１  Ｉ−Ｖ変換回路、２  電池電圧検出回路、Ｒ３、Ｒ４  抵抗、ＡＭＰ１、ＡＭＰ２、ＡＭＰ３  演算増幅回路、Ｍ４  充電電流制御素子、ＢＡＴ  ２次電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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