(57)【要約】【課題】入力電力、及びアクティブシステム及び／又はバッテリーへ伝送される電力の両方のフィードバック制御を有する電力管理システムが持つ従来の欠点を解決すること。【解決手段】電力管理システムは、負荷へ伝送される第１出力電圧を調整するとともに、バッテリーへ伝送される第２出力電圧を調整する。電力管理システムは、第１出力電圧を負荷の動作電圧を示す第１電圧基準と比較し、その結果、第１誤差信号を生成する誤差増幅器を備える。電力管理システムは、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを調整することによって第１出力電圧及び第２出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、第１誤差信号に基づきデューティサイクルを制御する誤差生成器を備える。第１出力電圧が第１基準電圧よりも低い場合、誤差生成器は、第１誤差信号に基づきデューティサイクル及びバッテリーの充電電流を減少させる。【選択図】図１
2013120604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷へ伝送される第１出力電圧を、負荷の動作電圧を示す第１電圧基準と比較し、その結果、第１誤差信号を生成するように動作する誤差増幅器と、
バッテリーへ接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを調整することによって、第１出力電圧と、前記バッテリーへ伝送される第２出力電圧とを調整するように動作するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記誤差増幅器と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの間に接続され、かつ前記第１誤差信号に基づき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御するように動作する誤差生成器とを備え、
前記第１出力電圧が前記第１電圧基準よりも低い場合、前記誤差生成器は、前記第１出力電圧が前記第１電圧基準へ上昇するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクル及び前記バッテリーの充電電流を前記第１誤差信号に基づいて減少させる電力管理システム。
【請求項２】
前記誤差生成器に接続され、かつ入力電流を検出し、前記入力電流と電流制限の差を示す第２誤差信号を生成し、前記第２誤差信号に基づき、固定電流に前記入力電流を固定するように動作する入力電流制限制御回路をさらに備え、
前記誤差生成器は、さらに前記第２誤差信号に基づきＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御し、
前記入力電流が前記電流制限を超えた場合、前記誤差生成器は、前記第２誤差信号に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを減少させ、前記第２出力電圧を制御する請求項１に記載の電力管理システム。
【請求項３】
前記電流制限は、前記電力管理システムの適正要件に基づいて制御器によって事前設定される請求項２に記載の電力管理システム。
【請求項４】
前記第１出力電圧が前記第１電圧基準よりも低い場合、前記入力電流制限制御回路は、前記第１誤差信号に基づき前記電流制限を減少させる請求項２に記載の電力管理システム。
【請求項５】
前記入力電流制限制御回路は、電源へ接続可能であり、
前記電源は、ユニバーサル・シリアル・バスポート電源であり、
前記負荷は、アクティブシステムである請求項２に記載の電力管理システム。
【請求項６】
前記第２出力電圧を前記バッテリーの充電電圧を示す第２電圧基準と比較し、その結果、第３誤差信号を生成するように動作するバッテリー電圧制御ループをさらに備え、
前記誤差生成器は、さらに前記第３誤差信号に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御し、
前記第２出力電圧が前記第２電圧基準を超えた場合、前記誤差生成器は、前記第２出力電圧が前記第２電圧基準へ降下するように、前記第３誤差信号に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを減少させる請求項１に記載の電力管理システム。
【請求項７】
前記バッテリー電圧制御ループの誤差増幅器に接続されるＤ／Ａコンバータは、前記バッテリー電圧制御ループでの比較のために、前記第２電圧基準をデジタル形式からアナログ信号へ変換するように動作する請求項６に記載の電力管理システム。
【請求項８】
前記誤差増幅器に接続されるＤ／Ａコンバータは、前記電力管理システムでの比較のために、前記第１電圧基準をデジタル形式からアナログ信号へ変換するように動作する請求項１に記載の電力管理システム。
【請求項９】
前記誤差生成器と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの間に接続されるパルス変調器をさらに備え、
前記パルス変調器は、駆動信号を生成し、前記誤差生成器から受信される出力信号に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを調整するように動作する請求項１に記載の電力管理システム。
【請求項１０】
前記駆動信号は、パルス幅変調信号である請求項９に記載の電力管理システム。
【請求項１１】
前記誤差生成器は、補償端末を介して補償ネットワークにさらに接続され、
前記誤差生成器は、前記補償端末における電圧を降下させ、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを減少させる請求項１に記載の電力管理システム。
【請求項１２】
前記誤差生成器は、前記第１誤差信号によって制御される第１スイッチを備え、
前記第１スイッチのドレインは、前記補償端末と電流生成器の間に接続され、
前記第１出力電圧が前記第１電圧基準よりも低い場合、前記第１誤差信号は、前記補償端末における電圧を降下させるために、前記電流生成器から低下する請求項１１に記載の電力管理システム。
【請求項１３】
負荷へ伝送される第１出力電圧を、前記負荷の動作電圧を示す第１電圧基準と比較し、その結果、第１誤差信号を生成するステップと、
前記第１誤差信号に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御するステップと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを調整することによって、前記第１出力電圧と、バッテリーへ伝送される第２出力電圧を調整するステップとを有し、
前記第１出力電圧が前記第１電圧基準よりも低い場合、前記第１出力電圧が前記第１電圧基準へ上昇するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクル及び前記バッテリーの充電電流は、前記第１誤差信号に基づいて減少させられる電力管理方法。
【請求項１４】
入力電流を検出するステップと、
前記入力電流と電流制限の差を示す第２誤差信号を生成するステップと、
前記第２誤差信号に基づき固定電流に前記入力電流を固定するステップと、
前記第２誤差信号に基づき前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御するステップとを有し、
前記入力電流が前記電流制限を超える場合、前記ＤＣコンバータのデューティサイクルは、前記第２出力電圧を制御するために、前記第２誤差信号に基づき減少させられる請求項１３に記載の電力管理方法。
【請求項１５】
前記電流制限は、制御器によって事前設定される請求項１４に記載の電力管理方法。
【請求項１６】
前記第１出力電圧が前記第１電圧基準よりも低い場合、前記電流制限は前記第１誤差信号に基づき減少させられる請求項１４に記載の電力管理方法。
【請求項１７】
前記第２出力電圧を前記バッテリーの充電電圧を示す第２電圧基準と比較し、その結果、第３誤差信号を生成するステップと、
前記第３誤差信号に基づき前記ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御するステップとをさらに有し、
前記第２出力電圧が前記第２電圧基準を超える場合、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルは、前記第２出力電圧が前記第２電圧基準に降下するように、前記第３誤差信号に基づき減少させられる請求項１３に記載の電力管理方法。
【請求項１８】
前記第２出力電圧を第２電圧基準と比較するステップは、前記第２電圧基準をデジタル形式からアナログ信号へ変換するステップをさらに有する請求項１７に記載の電力管理方法。
【請求項１９】
前記第１出力電圧を第１電圧基準と比較するステップは、前記第１電圧基準をデジタル形式からアナログ信号へ変換するステップをさらに有する請求項１３に記載の電力管理方法。
【請求項２０】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルは、補償端末における電圧の降下によって減少させられる請求項１３に記載の電力管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１１年１２月８日に発明の名称を“Power Management System”として出願された米国仮出願第６１／５６８５９６号の優先権を主張する。前記出願を引用することにより、その全てが本明細書に組み込まれる。
【０００３】
ユニバーサル・シリアル・バス(ＵＳＢ)ポートは、最新のポータブル電子システム製品において提供されており、アクティブシステム(active system)、及び充電式バッテリー(rechargeable battery)へ同時に電力を供給するために使用される。ポータブル電子システムは、電力管理システムを有し、電力管理システムは、ＵＳＢポートの過剰電圧状態(over-voltage condition)を防ぐために、ＵＳＢポートからアクティブシステム及び充電式バッテリーへの入力電流を制御する。１つの従来の解決方法は、入力電流を固定するために、誤差増幅器(error amplifier)及び電力制御回路によって構成されるシングルステージ電流制御ループ(single stage current control loop)を使用することである。しかし、シングルステージ電流制御ループの大きな電流制限のマージン(large current limit margin)のために、電力利用率(power utilization)は低い。さらに、いくつかの場合において、ＵＳＢポートは、アクティブシステム及び充電式バッテリーの両方を充電するのに十分な電力をもち合わせていないこともあり得る。結果として、アクティブシステムは、充電式バッテリーを充電している間、正常な動作ができない可能性が有り得る。他の従来の解決方法は、アクティブシステム及び充電式バッテリーへ伝送される電流を含む全電源電流と、電力閾値信号(power threshold)とを比較することである。しかし、この方法は、より多くの構成要素(例えば、全電源電流を検出するための検出抵抗)を必要とし、電力管理システムのコストが増加してしまう。その上、全電源電流を使用した比較結果は、アクティブシステムがより多くの電力を必要になった時に正しく示さないことがあり、アクティブシステムと充電式バッテリーとの間のバランスがうまく制御できなくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明に係る実施形態は、入力電力、及びアクティブシステム及び／又はバッテリーへ伝送される電力の両方のフィードバック制御を有する電力管理システムが持つ前述の欠点を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態において、電力管理システムが提供される。電力管理システムは、負荷へ伝送される第１出力電圧を調整するとともに、バッテリーへ伝送される第２出力電圧を調整する。電力バッテリーシステムは、第１出力電圧を、負荷の動作電圧を示す第１電圧基準と比較し、その結果、第１誤差信号を生成するように動作する誤差増幅器と、バッテリーへ接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを調整することによって、第１出力電圧及び第２出力電圧を調整するように動作するＤＣ／ＤＣコンバータと、誤差増幅器とＤＣ／ＤＣコンバータの間に接続され、第１誤差信号に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御するように動作する誤差生成器とを備え、第１出力電圧が第１電圧基準よりも低い場合、誤差生成器は、第１出力電圧が第１電圧基準へ上昇するように、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクル及びバッテリーの充電電流を第１誤差信号に基づいて減少させる。
【０００６】
他の実施形態では、電力管理方法が提供される。電力管理方法は、負荷へ伝送される第１出力電圧を調整し、バッテリーへ伝送される第２出力電圧を調整する。前記方法は、第１出力電圧を、負荷の動作電圧を示す第１電圧基準と比較し、その結果、第１誤差信号を生成するステップと、第１誤差信号に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを制御するステップと、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを調整することによって、第１出力電圧及び第２出力電圧を調整するステップとを有し、第１出力電圧が第１電圧基準よりも低い場合、第１出力電圧が第１電圧基準へ上昇するように、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクル及びバッテリーの充電電流は、第１誤差信号に基づいて減少させられる。
【０００７】
前記実施形態は、以下の図が添付されている場合、以下の説明を考慮してより容易に理解されよう。ここで、同一の符号は同一の構成要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る一実施形態における電力管理システムを示すブロック図である。
【図２】本発明に係る一実施形態における電力管理システムの例を示す詳細な回路図である。
【図３】本発明に係る一実施形態における電力管理システムの他の例を示す詳細な回路図である。
【図４】本発明に係る一実施形態における入力電流制限制御回路の他の例を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における入力電流制限制御回路のさらなる他の例を示すブロック図である。
【図６】本発明に係る一実施形態における誤差生成器の例を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る一実施形態におけるシステム優先度を制御するための方法の例を示すフローチャートである。
【図８】本発明に係る一実施形態における入力電流を制御するための方法の例を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る一実施形態におけるバッテリー電圧を制御するための方法の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態の詳細が、添付の図に示される例とともに説明される。本発明は、実施形態と関連して説明されるが、それらが本発明をこれらの実施形態に限定する意図がないことは、理解されるべきである。反対に、本発明は、添付の特許請求の範囲で定められる本発明の趣旨及び範囲内に属する置換、改良及び等価なものを含むことが意図される。
【００１０】
さらに、以下の本発明の実施形態の詳細な説明において、多数の特定な詳細が、本発明の理解のために説明される。しかし、当業者は、それらの特定の詳細を必要とすることなしに本発明を実施することが可能であることを理解する。他の例において、本発明の実施形態の態様を不明確にしないように、周知な方法、手順、構成要素及び回路は、その詳細が説明されない。
【００１１】
図１は、本発明に係る実施形態における電力管理システム１０を示すブロック図である。電力管理システム１０は、電源１２から電力を受信し、負荷１６に電力を供給する。電源１２は、ユニバーサル・シリアル・バス(ＵＳＢ)ポート電源などの様々な形を取り得る。電流ＩＩＮは、電源１２から入力ライン１４を介して電力管理システム１０へ流れる。電力管理システム１０は、電流センサ１１１と、減算器１１３と、誤差増幅器１１６と、電流制御ユニット、例えば線形電流制御ユニット１１８と、電力コンバータ、例えばスイッチモードＤＣ／ＤＣコンバータ１１９とを備える。電流センサ１１１は、入力電流ＩＩＮを検出するために入力ライン１４に接続され、入力電流ＩＩＮの大きさを示す検出信号ＳＥＮを生成する。減算器１１３は、検出信号ＳＥＮから、所定の電流制限ＩＬＩＭを示す電流基準信号ＲＥＦを減算し、その結果、誤差信号１１５を生成するために、電流センサ１１１に接続される。誤差増幅器１１６は、誤差信号１１５を増幅し、増幅誤差信号１１７を出力するために、減算器１１３に接続される。図１に示すように、減算器１１３、誤差増幅器１１６、線形電流制御ユニット１１８、及びスイッチモードＤＣ／ＤＣコンバータ１１９は、ともにデュアルステージ電流制御ループ(dual stage current control loop)を構成する。デュアルステージ電流制御ループを使用することによって、線形電流制御ユニット１１８及びスイッチングモードＤＣ／ＤＣコンバータ１１９の両方が、増幅誤差信号１１７により制御されることができる。さらに具体的には、増幅誤差信号１１７に基づき、線形電流制御ユニット１１８は、入力電流ＩＩＮを固定し、スイッチングモードＤＣ／ＤＣコンバータ１１９は、その出力電圧を調整し、負荷１６へ適切に電力が供給される。
【００１２】
有利な点として、電力管理システム１０は、従来のシングルステージ電流制御ループではなくデュアルステージ電流制御ループを採用し、入力電流ＩＩＮを固定し、出力電圧を調整する。デュアルステージ電流制御ループを使用することによって、電力管理システム１０は、改善された過渡応答、及び個々が独立に動作する電流ループと比較し正確さを有する。
【００１３】
図２は、本発明に係る実施形態における電力管理システム２０の例を図示した詳細な回路図である。図２は、図１と合わせて説明される。図１内で同一のラベルが付けられた構成要素は、類似の機能を持つ。
【００１４】
電力管理システム２０は、入力電流制限制御回路２１及び電力コンバータ２２を備える。入力電流制限制御回路２１は、電源１２に接続され、入力電流ＩＩＮを検出し、入力電流ＩＩＮと所定の電流制限ＩＬＩＭの差を示す誤差信号２１０を生成し、選択的に、誤差信号２１０に基づき固定電流ＩＩＮ’に入力電流ＩＩＮを固定するように動作する。入力電流制限制御回路２１は、入力ライン１４(例えば、ＵＳＢユーストリームポートの電圧バス(ＶＢＵＳ)電力ライン)の過剰電流状態を防ぐ。電力コンバータ２２は、入力電流制限制御回路２１に接続され、固定電流ＩＩＮ’及び誤差信号２１０を受信し、アクティブシステム１９などの負荷へ伝送される第１出力電圧を調整し、誤差信号２１０に基づきバッテリー１８へ伝送される第２出力電圧を調整する。図２においてバッテリー１８は、スイッチ１７を経由して電力コンバータ２２に接続されているが、他の実施形態においてバッテリー１８は、直接電力コンバータ２２に連結されてもよい。
【００１５】
図２の例では、入力電流制限制御回路２１は、電流センサ２１２、誤差増幅器２１５、及び線形電流制御ユニット２１１を有する。電流センサ２１２は、入力電流ＩＩＮを検出し、入力電流ＩＩＮを示す検出信号ＶＩ＿ＳＥＮＳＥを生成するために、入力ライン１４に接続される。誤差増幅器２１５は、検出信号ＶＩ＿ＳＥＮＳＥを所定の電流制限ＩＬＩＭを示す電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｉと比較し、その結果、誤差信号２１０を生成するために、電流センサ２１２に接続される。電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｉは、異なる適正要件に基づき制御器(図示せず)によって事前設定することができる。誤差増幅器２１５は、図１の誤差増幅器１１６と同様の制御を行う。電流センサ２１２、誤差増幅器２１５、線形電流制御ユニット２１１及び電力コンバータ２２は、ともにデュアルステージ電流制御ループを構成する。デュアルステージ電流制御ループを使用することによって、線形電流制御ユニット２１１及び電力コンバータ２２の両方が、誤差信号２１０により制御されることが可能である。
【００１６】
線形電流制御ユニット２１１は、誤差信号２１０を受信するために誤差増幅器２１５に接続され、電流ＩＩＮを受信するために入力ライン１４にも接続される。線形電流制御ユニット２１１は、選択的に、誤差信号２１０に基づき固定電流ＩＩＮ’に入力電流ＩＩＮを固定する。さらに具体的には、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭを超える場合、入力電流ＩＩＮは、電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｉにより定められる電流制限ＩＬＩＭ(例えば、固定電流ＩＩＮ’は電流制限ＩＬＩＭと等しい)に固定される。線形電流制御ユニット２１１のスイッチ(図示せず)は、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭを超えない場合、全てオンとなり、入力電流ＩＩＮは電力コンバータ２２へ、固定(例えば、電流ＩＩＮ’は入力電流ＩＩＮと等しく)されることなく伝送される。一般的には、電力管理システム２０が正常な動作状態で動作している場合では、誤差信号２１０は、ゼロ(例えば、ＩＩＮ＝ＩＩＮ’＝ ＩＬＩＭ)である。もし、過剰電流状態(例えば、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭを超える状態)が存在すると、誤差信号２１０は、正の値をとる。
【００１７】
電力コンバータ２２は、電流ＩＩＮ’を受信するために線形電流制御ユニット２１１に接続され、誤差信号２１０を受信するために誤差増幅器２１５にも接続される。電力コンバータ２２は、誤差増幅器２２１、誤差増幅器２２３、誤差生成器２２７、パルス変調器２２９、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３０を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータは、バックコンバータ(buck converter)、又は、例えば、ブースト(boost)、バックブースト(buck-boost)、及び他の回路構成などのその他の当該分野で知られている制御可能な電源で有り得る。図２の例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０は、バックコンバータであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルは、少なくとも次の３つのフィードバックループを介して、パルス変調器２２９により制御される。
（１）誤差増幅器２２１を中心に構成されるバッテリー電圧制御ループ
（２）誤差増幅器２２３を中心に構成されるシステム優先制御ループ(system priority control loop)
（３）誤差増幅器２１５を中心に構成されるデュアルステージ電流制御ループ
【００１８】
バッテリー電圧制御ループでは、誤差増幅器２２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０の変換電圧出力２０２の電圧を電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖと比較し、その結果、誤差信号２２５を生成する。図２の例において、電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖは、バッテリー１８へ伝送が許される最大充電電圧に等しい。より具体的には、電力管理システム２０が正常な動作状態で動作している場合、誤差信号２２５はゼロである(例えば、変換電圧出力２０２の電圧が電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖに等しい)。この場合では、変換電圧出力２０２は、一定の最大充電電圧(例えば、電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖ)でバッテリー１８を充電する。もし、過剰電圧状態(例えば、変換電圧出力２０２が基準電圧ＶＲＥＦ＿Ｖを超える状態)が存在する場合、誤差信号２２５は、正の値を取る。すると、これは比較端末ＣＯＭＰにおける電圧を降下するように動作し(図６がこの動作の詳細な説明を提供する)、それによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを減少させる。その結果、変換電圧出力２０２は、電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖへ降下し、一定電圧充電モードでバッテリー１８を充電する。
【００１９】
システム優先制御ループでは、誤差増幅器２２３は、制限バス２０１の電圧ＶＩＮ’を電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎと比較し、その結果、誤差信号２２６を生成する。図２の例において、電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎは、アクティブシステム１９が正常に動作するために必要な最小システム電圧に等しい。さらに具体的には、電力管理システム２０が正常な動作状態で動作している場合、誤差信号２２６はゼロである(例えば、制限バス２０１の電圧ＶＩＮ’が電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎに等しい)。もし不足電圧状態(例えば、制限バス２０１の電圧ＶＩＮ’が基準電圧ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎよりも低い状態)が存在する場合、誤差信号２２６は正の値を取る。すると、これは端末ＣＯＭＰにおける電圧を下げるように動作し(図６がこの動作の詳細な説明を提供する)、それによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを減少させる。その結果、電力コンバータ２２は、誤差信号２２６に基づきバッテリー１８の充電電流を削減、又はカットオフする。電源１２によって提供される電力の総量が固定されるので、バッテリー１８及びアクティブシステム１９へ伝送される電力は、バランスを保つ。バッテリー１８の充電電流の減少のため、アクティブシステム１９へ伝送される電圧ＶＩＮ’は、電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎに上昇し、アクティブシステム１９に電力が適切に供給される。
【００２０】
従って、システム優先制御ループを使用することによって、アクティブシステム１９には、その正常な動作の確保が優先される。アクティブシステム１９がより大きな電力を要求する場合、バッテリー１８の充電電流は、その結果アクティブシステム１９の要求に応じて減少させられる。必要であれば、バッテリー１８は、充電動作を停止し、アクティブシステム１９へ電力を供給することもできる。この場合では、アクティブシステム１９は、バッテリー１８及び制限バス２０１の両方により電力の供給を受けることができる。
【００２１】
いくつかの例では、バッテリー１８は、その最大充電電圧を示す電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖを提供し、そしてそれはデジタル形式で有り得る。これにより、誤差増幅器２２１に接続されたデジタル−アナログ(Ｄ／Ａ)コンバータ(図示せず)が提供され、上述されたように誤差増幅器２２１での比較のために、ＶＲＥＦ＿Ｖをアナログ信号へ変換する。同様に、アクティブシステム１９は、その最小システム電圧を示す電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎを提供し、そしてそれはデジタル形式で有り得る。これにより、誤差増幅器２２３へ接続されるＤ／Ａコンバータ(図示せず)が提供され、上述されたように誤差増幅器２２３での比較のために、ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎをアナログ信号へ変換する。代わりにＶＲＥＦ＿Ｖ及びＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎは、当該分野で周知の他のプログラム可能な回路(図示せず)によって、生成されてもよい。
【００２２】
デュアルステージ電流制御ループでは、上述したように、誤差増幅器２１５は、検出信号ＶＩ＿ＳＥＮＳＥを、所定の電流制限ＩＬＩＭを示す電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｉと比較し、その結果、誤差信号２１０を生成する。もし過剰電流状態(例えば、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭ
を超える状態)が存在すれば、誤差信号２１０は正の値を取る。すると、これは端末ＣＯＭＰにおける電圧を下げるように動作し(図６がこの動作の詳細な説明を提供する)、それによって、誤差信号２１０に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを減少させ、変換電圧出力２０２が一定に保たれる。結果として、変換電圧出力２０２は、入力電流ＩＩＮが変化したとしても、一定を保つ。
【００２３】
図２の例において、誤差生成器２２７は、誤差信号２１０、誤差信号２２５、及び誤差信号２２６を受信し、出力信号２２８をパルス変調器２２９へ出力する。より具体的には、上述したように、電力管理システム２０が正常な動作状態で動作している場合、誤差信号２１０、２２５及び２２６は、ゼロであるはずである。一方、もし過剰電流状態、過剰電圧状態、又は不足電圧状態が存在すれば、誤差信号２１０、２２５及び２２６のうち１つが正の値を取るはずである。すると、誤差生成器２２７は、端末ＣＯＭＰにおける電圧を降下させるように動作し(図６がこの動作の詳細な説明を提供する)、それによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを減少させる。
【００２４】
例示としてかつ限定せず、不足電圧状態のみが存在する場合を考えてみる。例えば、変換電圧出力２０２の電圧が電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖと等しく、電圧ＶＩＮ’が電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎより低く、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭに等しい場合である。つまり、誤差信号２１０及び２２５は、ゼロであり、誤差信号２２６は正の値を取る。誤差生成器２２７は、誤差信号２２６がパルス変調器２２９を通過するようにする。誤差信号２２６に基づき、誤差生成器２２７の出力信号２２８の電圧(例えば、端末ＣＯＭＰにおける電圧)が降下し、それによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを減少させる。誤差生成器２２７は、端末ＣＯＭＰを介して比較ネットワーク２０３へ接続され、またパルス変調器２２９を制御し、パルス幅変調(ＰＷＭ)信号などの駆動信号を生成し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを調整するために使用することができる。
【００２５】
いくつかの場合では、１つ以上の正常でない状態が同時に発生することもあり得る。例示としてかつ限定せず、不足電圧状態と過剰電流状態の両方が同時に存在する場合を考えてみる。例えば、変換電圧出力２０２の電圧が電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖに等しく、電圧ＶＩＮ’が電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎより低く、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭを超える場合である。つまり、誤差信号２２５はゼロであり、誤差信号２１０及び２２６が正の値を取る。誤差生成器２２７は、誤差信号２１０と誤差信号２６０の和をとり、誤差信号の総和を取得する。誤差信号の総和に基づき、出力信号２２８の電圧(例えば、端末ＣＯＭＰにおける電圧)が降下し、それによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを減少させる。実際の動作では、１つの誤差信号の存在がデューティサイクルを下げ、他の誤差信号を素早くゼロに戻させ、正常でない状態が重なるのは、ほんの短時間である。
【００２６】
有利な点として、電力管理システム２０は、デュアルステージ電流制御ループを採用し、入力電流ＩＩＮとアクティブシステム１９及び／又はバッテリー１８へ伝送される電力の両方を制御する。さらに、電力コンバータ２２は、バッテリー電圧制御ループ及びシステム優先制御ループを利用し、アクティブシステム１９及びバッテリー１８の正常な動作を確保する。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態に基づく電力管理システムの他の例を示す詳細な回路図である。図３は、図２と合わせて説明される。図２内で同一のラベルが付けられた構成要素は、類似の機能を持つ。
【００２８】
図３の例では、電力コンバータ３２は、誤差増幅器２２１、誤差生成器２２７、パルス変調器２２９、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３０を備え、これは図２でのものと同様の動作をする。電力コンバータ３２は、誤差増幅器３２３をさらに含み、該誤差増幅器３２３は、図２の誤差増幅器２２３と同様の動作をし、システム優先制御ループを構成する。誤差増幅器３２３は、制限バス２０１の電圧ＶＩＮ’を電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎと比較し、その結果、誤差信号３２６を生成する。誤差増幅器２１５と誤差増幅器３２３の間に接続される電流制限調整ユニット３１６は、誤差信号３２６を受信し、誤差信号３２６に基づき電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｉを調整する。より具体的には、不足電圧状態(例えば、制限バス２０１の電圧ＶＩＮ’が電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎよりも低い状態)が存在する場合、誤差信号３２６は正の値を取る。その後、電流制限調整ユニット３１６は、電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｉを下げる。これは減少電流制限ＩＬＩＭ’を示す。すると、入力電流ＩＩＮは、新たな電流制限ＩＬＩＭ’を超え、誤差信号２１０は正の値を取る。誤差生成器２２７は、誤差信号２１０をパルス変調器２２９に通過させる。誤差信号２１０に基づき、端末ＣＯＭＰにおける電圧は下がり、それによってＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のデューティサイクルを減少させる。その結果、電力コンバータ２２は、バッテリー１８の充電電流を削減、又はカットオフする。電源１２により提供される電力の総量が固定されるので、バッテリー１８及びアクティブシステム１９へ伝送される電力は、バランスを保つ。バッテリー１８の充電電流減少のため、アクティブシステム１９へ伝送される電圧ＶＩＮ’は、電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎに上げられ、アクティブシステム１９へ適切に電力が供給される。
【００２９】
従って、誤差増幅器３２３を中心に構成されるシステム優先制御ループを使用することによって、アクティブシステム１９には、その正常な動作の確保が優先される。もしアクティブシステム１９がさらに電力を要求する場合、バッテリー１８の充電電流は、その結果、アクティブシステム１９の要求に合うように削減される。必要な場合では、バッテリー１８は、充電動作を停止し、アクティブシステム１９への電力供給を開始してもよい。この場合では、アクティブシステム１９は、バッテリー１８及び制限バス２０１の両方から電力を供給を受けることができる。
【００３０】
図４は、図２又は図３のシステムで使用することが可能な入力電流制限制御回路４１の他の例を示すブロック図である。図４は、図２及び図３と合わせて説明される。図２及び３内で同一のラベルが付けられた構成要素は、類似の機能を持つ。電流センサ２１２は、入力電流ＩＩＮを検出し、検出信号ＩＳＥＮを生成する。検出信号ＩＳＥＮは、入力電流ＩＩＮと類似の波形を有しているが、大きさが小さい。電流センサ２１２に接続される電流基準４１３は、電流制限ＩＲＥＦを提供する。電流基準４１３は、異なる適正要件に基づき制御器(図示せず)によって事前設定することが可能である。図４に示すように、誤差信号ＩＥＲＲは、検出信号ＩＳＥＮ及び電流制限ＩＲＥＦに基づき(例えば、ＩＥＲＲ＝ＩＳＥＮ−ＩＲＥＦ)生成される。電流誤差増幅器４１５は、誤差信号ＩＥＲＲをグランドと比較し、入力電流ＩＩＮと電流制限ＩＲＥＦの差を示す誤差信号２１０を生成する。選択的に、線形電流制御ユニット２１１は、誤差信号２１０に基づき入力電流ＩＩＮを固定電流ＩＩＮ’に固定する。誤差信号２１０は、さらに、電力コンバータ２２(図４に図示せず)に適用され、出力電圧の調整、及び負荷への適切な電力提供を行う。
【００３１】
図５は、図２又は３で使用可能な入力電流制限制御回路５１のさらなる他の例を示すブロック図である。図５は、図２及び図３と合わせて説明される。図２及び３内で同一のラベルが付けられた構成要素は、類似の機能を持つ。入力電流制限制御回路５１は、抵抗５０７、増幅器５１１、誤差増幅器５１３、３つのトランジスタ５０１、５０３及び５０９を備える。図５の例では、トランジスタ５０１、５０３及び５０９は、Ｎチャネル金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(ＮＭＯＳＦＥＴ)で有り得る。トランジスタ５０１及びトランジスタ５０９は、実質的に、同じドレイン−ソース間電圧を有し、それらは実質的にお互い適合する(どんな差異も重要ではない)。トランジスタ５０１、トランジスタ５０３、トランジスタ５０９及び増幅器５１１は、共に電流ミラーを構成し、それらは、トランジスタ５０３のソースにおいて、入力電流ＩＩＮを受信し、検出信号ＩＳＥＮを出力する。検出信号ＩＳＥＮは、入力電流ＩＩＮの波形と類似の波形を有しているが、大きさが小さい。検出信号ＩＳＥＮは、抵抗５０７に渡って電圧ＶＩ＿ＳＥＮＳＥを生成する。誤差増幅器５１３は、入力電流ＩＩＮを示す検出信号ＶＩ＿ＳＥＮＳＥを所定の電流制限ＩＬＩＭを示す電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｉを比較し、その結果、誤差信号５１５を生成する。誤差信号５１５は、(線形電流制御ユニットとして機能する)トランジスタ５０９へ送られ、選択的に、入力電流ＩＩＮを固定電流ＩＩＮ’に固定する。誤差信号５１５は、電力コンバータ２２(図５に図示せず)にも加えられ、出力電圧を調整し、適切に負荷に電力を供給する。
【００３２】
図６は、図２又は図３のシステムで使用が可能な誤差生成器２２７の例を示したブロック図である。例示としてかつ限定せず、図６は図２と組み合わせて説明される。図２内で同一のラベルが付けられた構成要素は、類似の機能を持つ。誤差生成器２２７は、誤差増幅器２１５(図６に図示せず)から誤差信号２１０を受信し、誤差増幅器２２１(図６に図示せず)から誤差信号２２５を受信し、誤差増幅器２２３(図６に図示せず)から誤差信号２２６を受信する。誤差信号２１０、２２５、及び２２６は、それぞれトランジスタ６０３、６０５及び６０７のゲートに加えられる。トランジスタ６０３、６０５及び６０７のドレインは、共に端末ＣＯＭＰと電流生成器６０１の間に接続される。さらに具体的には、上述したように、電力管理システム２０(図６に図示せず)が正常な動作状態で動作している場合、誤差信号２１０、２２５及び２２６は、ゼロであり、端末ＣＯＭＰにおける電圧(例えば、出力信号２２８の電圧)は、最大値を取る。しかし、過剰電流状態、過剰電圧状態又は不足電圧状態が存在する場合、誤差信号２１０、２２５及び２２６の１つは、正の値を取り、電流生成器６０１から電流を低下(sink)させる働きをする。つまり、誤差生成器２２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０(図６に図示せず)のデューティサイクルを減少させるために、端末ＣＯＭＰにおける電圧を降下させる。
【００３３】
例示としてかつ限定せず、不足電圧状態のみが存在することを考えてみる。例えば、変換電圧出力２０２の電圧が電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖと等しく、電圧ＶＩＮ’が電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎよりも低く、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭに等しいときである。つまり、誤差信号２１０及び２２５は、ゼロであり、誤差信号２２６は正の値を取る。従って、トランジスタ６０３及び６０５は、オフであり、トランジスタ６０７は、オンである。誤差信号２２６は、電流生成器６０１から電流を低下させるように働く。よって、誤差生成器２２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０(図６に図示せず)のデューティサイクルを減少させるために、端末ＣＯＭＰにおける電圧を降下させる。
【００３４】
いくつかの場合では、１つ以上の正常でない状態が同時に生じる可能性もある。例示としてかつ限定せず、不足電圧状態と過剰電流状態の両方が存在する場合を考える。例えば、変換電圧出力２０２の電圧が電圧基準ＶＲＥＦ＿Ｖに等しく、電圧ＶＩＮ’が電圧基準ＶＲＢＵＳ＿ｍｉｎより低く、入力電流ＩＩＮが電流制限ＩＬＩＭを超過する場合である。従って、誤差信号２２５はゼロであり、誤差信号２１０及び２２６は正の値を取る。その結果、トランジスタ６０５は、オフであり、トランジスタ６０３及び６０７は、オンである。誤差信号２１０及び誤差信号２２６は、電流生成器６０１から電流を低下させるように働く。つまり、誤差生成器２２７は、端末ＣＯＭＰにおける電圧を降下させる。誤差生成器２２７は、誤差信号２１０と２２６の和をとることができ、誤差信号の総和を取得する。誤差信号の総和に基づき、端末ＣＯＭＰにおける電圧は降下し、それによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０(図６に図示せず)のデューティサイクルを減少させる。
【００３５】
図７は、本発明に係る実施形態においてシステム優先度を制御するための方法７００の例を示したフローチャートである。図２及び３を参照して説明されるが、これらの実施形態に限定するものではない。
【００３６】
ブロック７０２において、負荷、例えばアクティブシステム１９へ伝送される第１出力電圧は、負荷の動作電圧を示す第１電圧基準と比較される。その結果、第１誤差信号、例えば、誤差信号２２６又は３２６が生成される。さらに具体的には、電力管理システム(例えば、電力管理システム２０)が正常な動作状態で動作している場合、第１誤差信号はゼロである(例えば、第１出力電圧が、第１電圧基準と等しい)。不足電圧状態(例えば、第１出力電圧が第１電圧基準より低い状態)が存在する場合、第１誤差信号は正の値を取る。ブロック７０４において、ＤＣ／ＤＣコンバータ(例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０)のデューティサイクルは、第１誤差信号に基づき制御される。例えば、第１出力電圧が第１電圧基準よりも低い場合、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルは、第１誤差信号に基づき減少させられる。ブロック７０６へ進むと、第１出力電圧及びバッテリー、例えばバッテリー１８へ伝送される第２出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを調整することによって調整される。
【００３７】
図８は、本発明に係る実施形態における入力電力を制御するための方法８００の例を示したフローチャートである。図２及び３を参照して説明されるが、これらの実施形態に限定するものではない。
【００３８】
ブロック８０２において、入力電流、例えば入力電流ＩＩＮが検出される。ブロック８０４において、第２誤差信号、例えば誤差信号２１０が生成され、それは、入力信号と電流制限の差を示す。さらに具体的には、電力管理システム(例えば、電力管理システム２０)が正常な動作状態で動作している場合、第２誤差信号はゼロである(例えば、入力電流が電流制限に等しい)。過剰電流状態(例えば、入力電流が電流制限を超える状態)が存在する場合、第２誤差信号は、正の値を取る。図２の例において、電流制限は、異なる適正要件に基づき制御器によって事前設定することができる。図３の例において、電流制限は、第１誤差信号に基づき調節されることが可能である。例えば、第１出力電圧が第１電圧基準よりも低い場合、電流制限は、第１誤差信号に基づき減少させられる。すると、入力電流が新たな電流制限を超過し、第２誤差信号が正の値を取る。ブロック８０６において、入力電流は、選択的に、第２誤差信号に基づき固定電流に固定される。例えば、入力電流が電流制限を超える場合(例えば、第２誤差信号が正の値を取る場合)、入力電流は、電流制限に固定される。ブロック８０８へ進むと、ＤＣ／ＤＣコンバータ(例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０)のデューティサイクルは、第２誤差信号に基づき制御される。例えば、入力電流が電流制限を超過する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルは、第２出力電圧を制御するために、第２誤差信号に基づき減少させられる。
【００３９】
図９は、本発明に係る実施形態におけるバッテリー電圧を制御するための方法９００の例を示すフローチャートである。図２及び３を参照して説明されるが、これらの実施形態に限定するものではない。
【００４０】
ブロック９０２において、バッテリー、例えばバッテリー１８へ伝送される第２出力電圧は、バッテリーの充電電圧を示す第２電圧基準と比較される。その結果、第３誤差信号、例えば、誤差信号２２５が生成される。さらに具体的には、電力管理システム(例えば、電力管理システム２０)が正常な動作状態で動作している場合、第３誤差信号はゼロである(第２出力電圧が第２電圧基準に等しい)。過剰電圧状態(第２出力電圧が第２電圧基準を超過する状態)が存在する場合、第３誤差信号は正の値を取る。ブロック９０４において、ＤＣ／ＤＣコンバータ(例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０)のデューティサイクルは、第３誤差信号に基づき制御される。例えば、第２出力電圧が第２電圧基準を超過する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルは、第２出力電圧が第２電圧基準に降下するように、第３誤差信号に基づき減少させられる。
【００４１】
有利な点として、本発明に係る実施形態において、電力管理システムにより／においてデュアルステージ電流制御ループが採用され、入力電流及び、アクティブシステム及び／又はバッテリーに伝送される電力の両方を制御する。デュアルステージ電流制御ループを使用することによって、電力管理システムは、改善された過渡応用を有し、それぞれ独立に電流ループが働くシステムと比べ正確さを有する。さらに、本発明に係る実施形態において、バッテリー電圧制御ループ及びシステム優先制御ループは、アクティブシステム及びバッテリーの正常な動作を確保する。一実施形態では、誤差増幅器２２３又は３２３を中心に構成されるシステム優先制御ループは、アクティブシステムへ伝送される電圧と、最小システム電圧を比較し、その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティサイクルを減少させる。従って、バッテリーの充電電流を減らすことによって、クティブシステムが優先されることを確実にするためにアクティブシステムがより多くの電力を要求するとき、電力管理システム及びその方法は、正確に監視をする。
【００４２】
前述の記載及び図は、本発明の実施形態を示すが、様々な付加、改良、及び置換が添付の特許請求の範囲内で定められる本発明の根幹となる趣旨及び範囲を逸脱することなく可能であることが理解される。当業者であれば、本発明が様々な形態、構造、構成、割合、材料、構成要素及び部品の変更や、その他の態様で本発明の実施が可能であることが理解できる。そして、それは、本発明の原則から逸脱することのない範囲において、特定の環境や動作条件へ個別に適応される。明細書において記載された実施形態は、記載したあらゆる点において考慮されるべきであり、添付の請求項及びそれと法的に均等なものによって示される本発明の範囲を制限するものではなく、上述の記載へ限定するものでもない。
【符号の説明】
【００４３】
１１１  電流センサ
１１３  減算器
１１５  誤差信号
１１６  誤差増幅器
１１７  増幅誤差信号
１１８  線形電流制御ユニット
１１９  コンバータ
２０１  制限バス
２０２  変換電圧出力
２０３  比較ネットワーク
２１０  誤差信号
２１１  線形電流制御ユニット
２１２  電流センサ
２１５、２２１，２２３  誤差増幅器
２２５、２２６  誤差信号
２２７  誤差生成器
２２８  出力信号
２２９  パルス変調器
２３０  コンバータ
２６０  誤差信号
３１６  電流制限調整ユニット
３２３  誤差増幅器
３２６  誤差信号
４１３  電流基準
４１５  電流誤差増幅器
５０１、５０３  トランジスタ
５０７  抵抗
５０９  トランジスタ
５１１  増幅器
５１３  誤差増幅器
５１５  誤差信号
６０１  電流生成器
６０３、６０５、６０７  トランジスタ
【図１】
2013120604.tif 000003
【図２】
2013120604.tif 000004
【図３】
2013120604.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2013120604.tif 000008
【図７】
2013120604.tif 000009
【図８】
2013120604.tif 000010
【図９】
2013120604.tif 000011
【外国語明細書】
2013120604000001.pdf