(57)【要約】【課題】充電電池電流の負荷電流依存性低減を提供する。【解決手段】本システムは、充電式電池６と、供給レギュレータ２に接続された直流電源１とを備え、供給レギュレータは、出力電圧を調整し、出力電流を直流電源の最大許容出力電流をわずかに下回るように制限し、供給レギュレータの出力はポータブルデバイスの動作を提供し、電圧はポータブルデバイスに必要な供給電圧レベルに対応し、出力は充電式電池を充電する電池充電器５の電力入力と、コンデンサの第１の端子と、電圧比較器７の第１の入力とにさらに接続され、コンデンサは、第２の端子が接地され、電池充電器は、充電式電池を出力で充電し、動作がデジタル制御装置８によって制御され、デジタル制御装置では、入力が電圧比較器の出力に接続され、出力は電池充電器に接続され、電圧比較器は、第２の入力として基準電圧を有し、基準電圧を供給レギュレータの出力電圧と比較する。【選択図】図１
2009284753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、前記デバイスの電池を充電する方法であって、
（１）直流電源、供給レギュレータ、１つまたは複数の充電式電池、デジタル制御ユニットによって制御される電池充電器、電圧比較器、およびコンデンサを提供するステップと、
（２）予め定義されたデフォルトの電流レベルまで電池を充電するために充電電流を設定するステップと、
（３）定義済みの時間間隔で処理フローを遅らせるステップと、
（４）前記ポータブルデバイスおよび前記電池充電器の入力での電圧が定義済みのしきい値電圧より低いか否かを検査し、低い場合はステップ（５）に進み、そうでない場合はステップ（７）に進むステップと、
（５）前記充電電流がゼロであるか否かを検査し、ゼロの場合はステップ（３）に進み、そうでない場合はステップ（６）に進むステップと、
（６）前記充電電流を減少させ、次いでステップ（３）に進むステップと、
（７）前記充電電流が前記予め定義されたデフォルトの電流レベルより小さいか否かを検査し、小さい場合はステップ（８）に進み、そうでない場合はステップ（３）に進むステップと、
（８）前記充電電流を増加させ、次いでステップ（３）に進むステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記遅延時間は１００マイクロ秒程度の大きさである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記直流電源は最大許容電流限度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記直流電源はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記直流電源はＦｉｒｅｗｉｒｅ／ＩＥＥＥ１３９４ポートである、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記直流電源は電流制限されたウォールブリックである、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記供給レギュレータは、前記直流電源の前記最大許容電流限度をわずかに下回る最大出力電流を許容する、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記デジタル制御が、前記充電電流がゼロであるか否かの前記検査を実行して、結果を前記デジタル制御ユニットに送信する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記デジタル制御は、前記充電電流が前記予め定義されたデフォルトの電流レベルより小さいか否かの前記検査を実行し、結果を前記デジタル制御ユニットに送信する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記供給レギュレータ、前記１つまたは複数の充電式電池、前記電池充電器、前記デジタル制御ユニット、および前記電圧比較器は、前記ポータブルデバイスに一体化される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記供給レギュレータはリニアレギュレータである、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記供給レギュレータは切替式レギュレータである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記デジタル制御は、前記ポータブルデバイスの前記動作に必要な電流が前記電池の前記充電電流に優先するように、前記電池充電器を制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
ポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、前記デバイスの電池を充電するシステムであって、
充電式電池と、
その出力で供給レギュレータに接続された直流電源とを備え、
前記供給レギュレータは、その出力電圧を調整し、その出力電流を前記直流電源の最大許容出力電流をわずかに下回るように制限し、前記供給レギュレータの前記出力は前記ポータブルデバイスの前記動作を提供し、その電圧は前記ポータブルデバイスに必要な供給電圧レベルに対応し、前記出力は前記充電式電池を充電する電池充電器の電力入力と、コンデンサの第１の端子と、電圧比較器の第１の入力とにさらに接続され、
前記コンデンサは、その第２の端子が接地され、
前記電池充電器は、前記充電式電池をその出力で充電し、その動作がデジタル制御装置によって制御され、
前記デジタル制御装置では、入力が前記電圧比較器の出力に接続され、前記出力は前記電池充電器に接続され、
前記電圧比較器は、第２の入力として基準電圧を有し、前記基準電圧を前記供給レギュレータの前記出力電圧と比較する、
システム。
【請求項１５】
前記直流電源は最大許容電流限度を有する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記直流電源はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記直流電源はＦｉｒｅｗｉｒｅ／ＩＥＥＥ１３９４ポートである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記直流電源は電流制限されたウォールブリックである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記供給レギュレータ、前記１つまたは複数の充電式電池、前記電池充電器、前記デジタル制御ユニット、前記コンデンサ、および前記電圧比較器は、前記ポータブルデバイスに一体化される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
システム容量は前記コンデンサと置き換わる、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２１】
前記供給レギュレータは、前記直流電源の前記最大許容電流限度をわずかに下回る最大出力電流を許容する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２２】
前記供給レギュレータはリニアレギュレータである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２３】
前記供給レギュレータは切替式レギュレータである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２４】
２つ以上の充電式電池が配置される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２５】
前記デジタル制御は、前記ポータブルデバイスの前記動作に必要な電流が前記電池の充電電流に優先するように、前記電池充電器を制御する、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には電池駆動型モバイルデバイスに関し、より具体的には、たとえばユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートのように制限された電流のみを提供する電源から、これらのモバイル電子デバイスを充電することに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）などの電池駆動型ポータブル電子デバイスは、非常に普及しつつある。
モバイルデバイスの電池は、通常、標準のＡＣコンセントから電力を受け取り、その電力を直流低電圧に変換するバッテリ充電器を使用して、外部電源によって定期的に再充電されなければならない。
【０００３】
電池の充電は、電池の充電を管理するバッテリ充電コントローラによってしばしば制御される。このことは、バッテリ充電コントローラの設計者が、制限された容量のみを有するユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートなどの電源に取り組むときに、このような電源からの電力が電池の充電に使用されるだけでなく、同時にポータブルデバイスの動作にも使用される場合、設計者にとって課題となっている。
【０００４】
現在利用可能なパーソナルコンピュータ（ＰＣ）およびラップトップコンピュータの大多数は、標準の構成要素として１つまたは複数のＵＳＢポートを備えている。ＵＳＢポートは、データ通信の他、接続されたデバイスに、制限された範囲で電力を供給することができる。いわゆる高出力ＵＳＢポートは、少なくとも５００ｍＡの最大電流を供給することができ、低出力ＵＳＢポートは、通常１００ｍＡの電流を供給することができる。ポータブルデバイスが、ＵＳＢポートによって、または制限された電流容量を有する別の電源によって供給された電力の大部分を、それ自体の動作用に少なくとも一時的に消費し、同時に電池が再充電用の電力を必要とする場合、問題が発生する。このような電源の過電流の状況は、どのような場合でも回避されなければならない。
【０００５】
ＵＳＢポートなどを通したポータブルデバイスの電池の充電を扱う、周知の特許または特許公報がある。
Ｖｅｓｅｌｉｃらの米国特許第７，０３４，５０３号は、ポータブル通信デバイスを充電するのに便利な電源として、ＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）ポートなどの、コンピュータデータバスと一体の電源ノードを提案している。残念ながら、ＵＳＢポートは電力容量が制限されており、そのため一般に、安定した、高容量の入力を受け取るように設計されている電池充電コントローラ（ＢＣＣ）との互換性がない。この発明は、標準のＢＣＣ設計に安定化回路を追加することによって、ＵＳＢポートなどの外部電源のパラメータに適応する電池充電回路を提供する。この安定化回路は、ＢＣＣへの電圧を、予め設定された最小値（ＢＣＣ用の低圧遮断レベル）を上回る値に保ちながら、ＢＣＣから引き出される電流を最大にする。ＢＣＣへの電圧が降下し始めると、安定化回路は引き出される電流を低減させるので、電圧は上昇し、ＢＣＣの動作範囲内にとどまる。
【０００６】
Ｆｉｓｃｈｅｒらの米国特許第６，９４６，８１７号は、処理デバイス、充電式電池、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インタフェース、および充電サブシステムを含むモバイル通信デバイスに電力供給し、充電するシステムを開示する。充電式電池は、処理デバイスに電力を供給するように構成される。ＵＳＢインタフェースは、ＵＳＢケーブルを通してＵＳＢポートに接続するように構成される。充電サブシステムは、ＵＳＢインタフェースに結合されて、ＵＳＢインタフェースから受け取った電力を使用して、充電式電池を充電するように構成される。
【０００７】
ＤｉＧｉｏｖａｎｎａらの米国特許出願公開第２００６／０２４４４２２号は、ベースによって使用される電源のタイプを決定するステップと、電源充電モジュールに充電速度を伝達するステップと、ある充電速度で電源に電力を供給するステップとを含む、電源を充電する方法および装置を開示する。一実施形態では、スキャナは、ベースからの伝達に基づいてその充電速度を調節することにより、専用の外部電源からまたはＵＳＢを通して電力を受け取るクレードルから再充電することができる。
【０００８】
さらに、Ｓｈｅｒｍａｎの米国特許第６，５０７，１７２号は、電池式ハンドヘルドデバイスおよび他のポータブルデバイスが、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートを通してホストデバイス、パワードハブ、またはバスパワードハブに接続される場合、主に、電池式のデバイスで使用して、電池式のデバイス内で１つまたは複数の電池を充電することを意図する、ユニバーサルシリアルバスを備えた電池充電器を開示する。電池充電器は、ＵＳＢ仕様において設定されたユニバーサルシリアルバスの電流供給限度に準拠するために、１つまたは複数の電流限度を含む。ユニバーサルシリアルバスの任意の電圧および電流限度が、単一セルのリチウムイオン電池などの電池式のデバイスにおいて電池を充電するために使用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，０３４，５０３号
【特許文献２】米国特許第６，９４６，８１７号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／０２４４４２２号
【特許文献４】米国特許第６，５０７，１７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の主要な目的は、制限された電流容量を有する電源からポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、これらのデバイスの電池を充電する方法およびシステムを達成することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、発明されたシステムの完全なデジタル制御を達成することである。
本発明のさらなる目的は、使用する電源の許容電流限度の超過を回避することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、ポータブルデバイスを実行するのに必要な電流を充電電流に優先させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的に従って、ポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、これらのデバイスの電池を充電する方法が達成されている。発明された方法は、最初に、直流電源、供給レギュレータ、１つまたは複数の充電式電池、デジタル制御ユニットによって制御される電池充電器、電圧比較器、およびコンデンサを提供するステップ１と、予め定義されたデフォルトの電流レベルまで電池を充電するために充電電流を設定するステップ２と、定義済みの時間間隔で処理フローを遅らせるステップ３とを含む。次のステップは、前記ポータブルデバイスおよび前記電池充電器の入力での電圧が定義済みのしきい値電圧より低いか否かを検査し、低い場合はステップ（５）に進み、そうでない場合はステップ（７）に進むステップ４と、前記充電電流がゼロであるか否かを検査し、ゼロの場合はステップ（３）に進み、そうでない場合はステップ（６）に進むステップ５と、前記充電電流を減少させ、次いでステップ（３）に進むステップ６とを含む。最後のステップは、前記充電電流が前記予め定義されたデフォルトの電流レベルより小さいか否かを検査し、小さい場合はステップ（８）に進み、そうでない場合はステップ（３）に進むステップ７と、前記充電電流を増加させ、次いでステップ（３）に進むステップ８とを含む。
【００１４】
本発明の目的に従って、ポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、そのデバイスの電池を充電するシステムが達成されている。発明されたシステムは、最初に、充電式電池と、その出力で供給レギュレータに接続された直流電源とを備え、前記供給レギュレータは、その出力電圧を調整し、その出力電流を前記直流電源の最大許容出力電流をわずかに下回るように制限し、供給レギュレータの出力はポータブルデバイスの動作を提供し、その電圧はポータブルデバイスに必要な供給電圧レベルに対応し、出力は前記充電式電池を充電する電池充電器の電力入力と、コンデンサの第１の端子と、電圧比較器の第１の入力とにさらに接続される。さらに、このシステムでは、前記コンデンサは、その第２の端子が接地され、前記電池充電器は、前記充電式電池をその出力で充電し、その動作がデジタル制御装置によって制御され、前記デジタル制御装置では、入力が前記電圧比較器の出力に接続され、前記電圧比較器は、第２の入力として基準電圧を有し、前記基準電圧を前記供給レギュレータの出力電圧と比較する。
【００１５】
この説明の重要な部分を形成する添付の図面では、以下の内容を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の好ましい実施形態の概略ブロック図である。
【図２】制限された電流容量を有する電源からポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、これらのデバイスの電池を充電するために発明された方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
好ましい実施形態は、たとえばユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポートのように制限された電流容量を有する電源からポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、これらのデバイスの電池を充電する方法およびシステムを開示する。それぞれがそれ自体の電池充電システムを有する２つ以上の分離されたポータブルデバイスを、本発明がサポートできることを理解されたい。
【００１８】
ＵＳＢポートは通常、１００ｍＡまたは５００ｍＡを供給し、現在では５００ｍＡよりさらに大きい電流を有するＵＳＢポートが利用可能である。充電電流とシステム電流、すなわちポータブルデバイスの動作に必要な電流との合計が電源の電流容量を超える場合、ポータブルデバイスへの出力電圧が降下し始め、ポータブルデバイスの動作は危うくなる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態は、システム電流を測定し、２つの電流の合計が電源からの最大許容電流を超えないように充電電流を調節する（たとえば、減少させる）。この手法は、システム電流を充電電流より優先させる。
【００２０】
図１に、本発明の好ましい実施形態の概略ブロック図を示す。システム電圧ノードＶＳＹＳＴＥＭ、すなわちポータブルデバイスの動作を提供するための電圧は、供給レギュレータ２によって制御される。このレギュレータは、たとえば電流限度を有するリニアレギュレータ（ＬＤＯ）または電流限度を有する切替式レギュレータ（バック、ブースト、バックブーストタイプ）でよい。ＶＳＹＳＴＥＭの電圧レベルは、ポータブルデバイスの動作に必要な電圧レベルによって規定される。この供給レギュレータ２は、好ましい実施形態ではＵＳＢバスである電流源１の最大電流をわずかに下回る電流限度を有する電流制限回路を組み込んでいる。本発明は、ポータブルデバイスを同時に充電および実行するための、電流需要に近接する最大電流限度を有する任意の他の電源、たとえばＦｉｒｅｗｉｒｅ／ＩＥＥＥ１３９４ポートまたは電流が制限されたウォールブリックに適用可能であることを理解されたい。好ましい実施形態では、電源１を除く、本発明のすべての構成要素２〜８は、発明されたシステムによってサポートされるポータブルデバイスに一体化される。本発明が、構成要素のすべてまたは一部がデバイスに一体化されない実施形態に適用可能であることは明らかである。
【００２１】
さらに、フィルタリングおよびデカップリング用に、ＶＳＹＳＴＥＭノードに存在するシステム容量４がなければならない。必要な容量のために、システムの既存の容量が（再）使用されるか、新規なコンデンサ４が追加される。本発明が、電流レベルをＩＣＨに設定するときに電流に作用し、ＶＳＹＳＴＥＭをＶｔｒｉｐと比較する比較器７として電圧に反作用するので、このシステム容量４は、電流と電圧との間に関係を確立する。コンデンサでのシステムノードは、入力電流（調整器からの）と出力電流（ＩＣＨおよびＩＳＹＳＴＥＭ）との間に加算点を確立する。
【００２２】
充電が行われるとき、電流はノードＶＳＹＳＴＥＭからシステム負荷３、すなわちポータブルデバイスの動作負荷に供給され、充電器５を通してポータブルデバイスの電池６に供給される。通常、このような用途には、リチウムイオン電池が使用される。電池は取外し可能である場合も、そうでない場合もある。
【００２３】
システム負荷電流ＩＳＬと充電電流ＩＣＨの合計が供給レギュレータ２の電流限度を超える場合、ＩＣＨおよびＩＳＹＳＴＥＭによって容量から引き出される電流よりも容量に流入する電流が少ない（制限されている）ので、ＶＳＹＳＴＥＭノードでの電圧はその公称電圧レベルより下に降下し始める。ＶＳＹＳＴＥＭノードの公称電圧レベルを下回る定義済みのしきい値電圧ＶＴＲＩＰで、電圧レベルＶＳＹＳＴＥＭをしきい値電圧ＶＴＲＩＰと比較する比較器７は、ＶＳＹＳＴＥＭノード電圧の電圧降下を充電器５のデジタル制御８に示す。充電器５を制御するデジタル制御ユニットは、しきい値電圧ＶＴＲＩＰを下回る電圧ＶＳＹＳＴＥＭの電圧降下の指示を受け取った後、電圧ＶＳＹＳＴＥＭがしきい値電圧ＶＴＲＩＰを上回る電圧レベルに達するまで充電電流ＩＣＨを減少させる。比較器７がデジタル制御ユニット８に、ＶＳＹＳＴＥＭ電圧がしきい値電圧ＶＴＲＩＰより高いことを示した後、デジタル制御ユニット８は、供給レギュレータ２の電流限度が達せられ、ＶＳＹＳＴＥＭ電圧が再び降下するまで、充電器５を通して充電電流ＩＣＨを増加させる。
【００２４】
システム電流ＩＳＬが供給レギュレータ２に設定された電流限度を超えない限り、充電電流ＩＣＨの周期的な減少／増加により、ＶＳＹＳＴＥＭ電圧は比較器しきい値電圧ＶＴＲＩＰの周辺に定まる。この場合、充電電流ＩＣＨは、すでにゼロまで低減され、必然的にさらに降下する。本発明の意図は、システム負荷電流ＩＳＬが充電電流ＩＣＨに優先することである。
【００２５】
図２に、制限された電流容量を有する電源からポータブルデバイスに動作用の電力を供給すると同時に、これらのデバイスの電池を充電するために発明された方法のフローチャートを示す。
【００２６】
図２のステップ２０は、開始手順、すなわち充電を可能にする手順を示す。次のステップ２１では、充電電流ＩＣＨは、デジタル制御ユニット８によって定義済みのデフォルトレベルＩＣＨ＿ＤＥＦに設定される。定義済みのデフォルトレベルＩＣＨ＿ＤＥＦは、最大許容充電電流を超えない任意の電流であることができる。次のステップ２２は、充電電流の調整を安定させるための時間遅延を含む。時間遅延なしでは、充電電流は１回の突入で完全に上昇または下降することになる。遅延によって、このステップアップ／ステップダウンの挙動が制御される。したがって、ＶＳＹＳＴＥＭでの電圧は、平衡状態でスムーズに定まる。すなわち、入力電流は合計ノードで出力電流に対応する。遅延は１マイクロ秒から数１００マイクロ秒程度であることができる。遅延はデジタル制御に組み込まれ、システムを安定させる。
【００２７】
ステップ２３は、電圧レベルＶＳＹＳＴＥＭがしきい値電圧ＶＴＲＩＰより低いか否かの検査を示す。好ましい実施形態では、この検査は比較器２３によって行われ、比較器はデジタル出力を生成する。さらに、好ましい実施形態では、ステップ２３の電圧比較を除いて、すべてのステップがデジタル的に行われることに留意されたい。
【００２８】
ＶＳＹＳＴＥＭがＶＴＲＩＰ以上の場合、処理フローはステップ２４に進む。好ましい実施形態では、ＶＴＲＩＰの値はＶＳＹＳＴＥＭの公称レベルをわずかに下回る。
ステップ２４は、別の検査、すなわち実際の充電電流ＩＣＨが定義済みのデフォルトの充電電流ＩＣＨ＿ＤＥＦより小さいか否かの検査を示す。実際の充電電流ＩＣＨがデフォルトの充電電流ＩＣＨ＿ＤＥＦより小さい場合、処理フローはステップ２５に進み、実際の充電電流ＩＣＨを増加させる。好ましい実施形態では、この増加はデジタル制御ユニット８によって制御される。次いで、処理フローはステップ２２に戻る。
【００２９】
ステップ２４の検査の結果で、ＩＣＨがデフォルトの充電電流ＩＣＨ＿ＤＥＦより小さくない場合、処理フローはステップ２２に直接戻る。好ましい実施形態では、ＩＣＨとＩＣＨ＿ＤＥＦとの間の比較はデジタル的に行われる。これらは、充電電流用のデジタル制御設定（ベクトル）である。ステップ２３の検査の結果、ＶＳＹＳＴＥＭがＶＴＲＩＰより小さい場合、処理フローはステップ２６に進む。
【００３０】
ステップ２６は、別の検査、すなわち実際の充電電流ＩＣＨがゼロであるか否かの検査を示す。実際の充電電流ＩＣＨがゼロでない場合、処理フローはステップ２７に進み、実際の充電電流ＩＣＨを減少させる。好ましい実施形態では、この減少はデジタル制御ユニット８によって制御される。次いで、処理フローはステップ２２に戻る。
【００３１】
本発明を要約すると、本発明の重要点として、システム負荷電流の間接測定が比較器およびコンデンサ４を使用して行われるということに留意されたい。
したがって、システム負荷電流ＩＳＬを直接に感知する必要はない。さらに、発明されたシステムのすべての制御が、デジタル制御ユニット８によってデジタル的に行われることに留意されたい。
【００３２】
本発明をその好ましい実施形態を参照して詳細に説明したが、当業者には、形状および詳細の様々な変更を、本発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されよう。
【符号の説明】
【００３３】
１  電源
２  供給レギュレータ
３  システム負荷
４  システム容量
５  充電器
６  電池
７  比較器
８  デジタル制御ユニット
【図１】
2009284753.tif 000003
【図２】
2009284753.tif 000004
【外国語明細書】
2009284753000001.pdf