JP3149955B2 - ディスクドライブ電源管理システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、コンピュータの電源管理システム、とりわ
け、ラップトップコンピュータ等のバッテリー寿命の管
理に関する。

背景技術 ラップトップコンピュータのバッテリーの寿命の管理
は、それをうまく動作させるために重要である。このよ
うな装置では、サイズや重さについて限度があるので、
大型のバッテリーが望ましくないことは容易に理解され
よう。このため、現在の技術動向は、サイズや重さが比
較的小さいバッテリーを使用し、バッテリーの寿命を延
ばして動作時間を長くするように管理する方向に向かっ
ている。

ここで重要な問題となっているのは、最も電力消費の
大きいラップトップコンピュータの部品、例えばハード
ディスクドライブの電力消費を管理する直接の手段を、
コンピュータの製造業者がもっていないことである。一
般的に使用される再充電可能なニッケルカドミウムバッ
テリーは、放電するにつれ電圧が徐々に低下し、その後
放電点（discharge point）に近づくと、突然、電圧の
急激な低下が起こるという特性を示す。比較的単調なゆ
っくりとした放電は、コンピュータに使用するには望ま
しい特性であるが、放電曲線（discharge curve）の屈
折点が接近すると、突然電圧が失われて、予期せずコン
ピュータの動作が停止してしまう事態がいつ発生しても
おかしくないことになる。この結果、コンピュータのユ
ーザーは、コンピュータの誤動作や、重要な作業の最中
にコンピュータが動作停止してデータが破壊されたり失
われたりすることを経験することになる。このような訳
で、コンピュータの適正な動作のためには、バッテリー
を、その放電曲線における急な電圧降下の部分に至るま
で使用するのは避けられなければならない。これを実行
するため、バッテリー電圧モニタが備えられており、こ
れがバッテリーの放電曲線における急な電圧降下の部分
が差し迫っていることを警告する。コンピュータの製造
業者は、トリップ（TRIP）電圧VLとして、ユーザーが無
効にできない動作停止手続きに入る命令を呼び出し、コ
ンピュータのデータを保護するとともに動作を停止させ
るようにするだけの、十分なパワーがバッテリーに残る
ような余裕のある電圧値を選択している。

動作を続けるのに十分な電気がバッテリーに残ってい
るときに、見かけ上の、或いは過渡的な事象によるこの
タイプの動作停止が起こるのは、好ましくない事態であ
ることは明らかである。ハードディスクドライブが、ま
さにこのような事態を引き起こすことは既に例証されて
いる。

ハードディスクドライブは、その起動状態において、
ディスクを起動するエネルギーを必要とするため、最大
の電力を消費する。正常な状態では、スピンモータが起
動命令を受け取ったとき、モータに供給される電流が最
大となるが、これは逆起電力が生じていないためであ
る。起動時においては、モータ電流に対する抵抗となる
のは、巻線抵抗、飽和インダクタンス、制御回路及び配
線での電圧降下のみである。

このようにモータを起動することによって、最短の時
間で必要なモータの動作速度を得ることができ、特に、
コンタクト−スタート−ストップ型（CONTACT−START−
STOP TYPES）のディスクドライブにおいては、これは望
ましい起動方法である。しかし、このようにして生じる
モータ電流は大変大きなものとなるので、コンピュータ
バッテリーの電圧が、瞬間的にコンピュータの電圧モニ
タのトリップ電圧を下回り、コンピュータの動作を停止
させるパワーダウンシーケンスPOWER DOWN SEQUENCE）
を始動させることになる。

電力消費を節約するためのスリープモード（SLEEP MO
DE）」に入ってしまうことによって、必要のないディス
クドライブの動作停止が頻繁に起こることは通例となっ
ている。ディスクドライブを使用する必要がある場合、
ディスクドライブが回転を開始すると、サージ電流がそ
のピーク時に、バッテリーの内部抵抗を通して影響を与
えて、瞬間的にコンピュータに供給される電圧を（VLを
下回るまで）低下させ、低電圧モニタがトリップし、そ
れによってバッテリーが放電点に達していないにも関わ
らず動作停止モードを始動させてしまうのである。この
ように、「スリープモード」のような電源管理技術にお
いては、誤動作によるトリップの方がむしろ起こりやす
い程である。

第１図のように、ディスクの起動手続きにおいて、バ
ッテリーに充電された電気が残り少なくなった（バッテ
リーの内部抵抗は増加する）場合、若しくはバッテリー
が低温下で使用されている（第２図に示すように、やは
り内部抵抗が大きくなる）場合には、コンピュータ内部
のモニタがトリップすることがある。その上、このよう
なバッテリーの利用可能な電圧（容量）は、セルの電圧
を放電速度の関数としてプロットした第３図（ここでＣ
はセルのAhで示される容量）にみられるように、低温下
では一般に低下し（高温下でもやはり低下する）、モー
タの起動時に利用可能な電圧を更に低下させることにな
る。

この問題を解決する手段としては、１つには内部抵抗
の小さい大型のバッテリーを使用することであるが、こ
れは前記のように、コンピュータのサイズや重さを大き
くしてしまう点が好ましくない。もう１つ手段は、ディ
スクドライブに常に動作させておくことによって起動サ
イクルに入ることを避ける方法であるが、これもバッテ
リー寿命を延ばすことに関して好ましくない効果があ
る。

発明の要約 本発明によれば、コンピュータは、ハードディスクド
ライブと、電源電圧が選択された電圧VLより低下すると
コンピュータを動作停止の状態にする、バッテリー電圧
モニタのような手段とを有する。ハードディスクドライ
ブには、VLよりも高いトリップ点として設定された第１
の予め定められた閾値電圧V1と、V1よりも高いトリップ
点として設定された第２の予め定められた閾値電圧V2と
を有する、独自の設定が可能な電圧モニタが備えられて
いる。

モータ電流が制御回路によって制限されているため、
ハードディスクドライブの起動時に、コンピュータのバ
ッテリーの供給する電圧値が閾値電圧V1を下回ることは
ない。これに加えて、起動時のモータ電流の制御によ
り、バッテリーがコンピュータに供給する電圧値が、閾
値電圧V2を上回ることもない。本システムに従えば、起
動時において、モータ電流を適当な高いレベルに安定的
に保ち、一方バッテリーからコンピュータに供給される
電圧値は、コンピュータが動作停止となるレベルである
VLを下回ることはないのである。

図の簡単な説明 第１図は、上記のように、バッテリーの内部抵抗を縦
軸に、充電状態を横軸にとったグラフである。

第２図は、上記のように、フルに充電したバッテリー
の内部抵抗を縦軸に、その温度を横軸にとったグラフで
ある。

第３図は、上記のように、様々な温度におけるセルの
放電速度と電圧値との関係である。

第4a図は、上記の従来技術のよる場合と、本発明に従
った場合の、ディスクドライブモータ起動時のモータ電
流を縦軸に、時間を横軸にとったグラフである。

第4b図は、上記の従来技術のよる場合と、本発明に従
った場合の、ディスクドライブ起動時のバッテリーの電
圧値を縦軸に、時間を横軸にとったグラフである。

第５図は、本発明の回路の配線図である。

好的な実施例の説明 本発明の原理を、第４図を参照しつつ述べる。第4A図
に示されているように、起動時にディスクドライブモー
タに供給される電流を制御しない場合は、電流は図の27
に示すレベルまで著しい上昇を示し、そのときモータ電
流は最大となり、その後モータが通常の動作速度に近づ
くまで電流は減少してゆき、モータが通常の動作速度で
回転するときの第２の低い電流のレベル28に至る。これ
に対応するバッテリーの供給する電圧のレベルは、前述
の高い電流値と相互関係があり、第4B図の26に示すレベ
ルとなる。モータの電流が増加することにより、バッテ
リーの供給する電圧が低下しトリップ電圧VL（図の25）
より低くなると、コンピュータが動作を続けるのに実際
に十分な充電がバッテリーになされているのにも関らず
（モータの起動電流が非常に大きい場合を除く）、コン
ピュータが動作停止してしまう。本発明は、第４図に示
すようにモータ電流を制限する。電流が図の21に示す点
に達し、供給される電圧がこれに対応して第4B図の22に
示すVLを上回るV1に達すると、モータ電流は減少して、
バッテリーの供給する電圧がV2のレベル（V1より高い）
まで上昇する。ここにおいて、モータ電流は再び増加
し、バッテリーの供給する電圧は図の点23に示すV1まで
低下し、モータが通常の動作速度に達するまでこれが繰
り返される。このようにして、モータ電流が継続して調
整され、トリップ電圧VLでトリップすることなく可能な
限りの加速度をモータに与えるのである。

第５図に示されるように、バッテリー10はコンピュー
タ11、そして上記のようにハードディスクドライブ用の
スピンモータ12に電圧を供給する。装置にはMICRO LINE
AR社製のML2377が使用されており（U1）、このデバイス
にはマルチプレクサU1A、A/DコンバータU1B、D/Aコンバ
ータU1C及びオペアンプU1Dが備えられている。ディスク
ドライブでモニタされているバッテリー10の電圧は、マ
ルチプレクサU1Aの入力端に与えられ、そこからの出力
信号はA/DコンバータU1Bの入力端に与えられる。バッテ
リー10の電圧は、分圧器を通してマルチプレクサU1Aに
与えられるのである。A/DコンバータU1Bの出力信号は、
マイクロプロセッサU3の入力／出力データバスに与えら
れる。マイクロプロセッサの出力信号は、D/Aコンバー
タU1Cの入力／出力データバスに与えられ、その出力信
号もまたオペアンプU1Dの入力端に与えられる。オペア
ンプU1Dの出力信号は、スピンモータの三相巻線に接続
されているモータ制御器U2に供給される。モータ制御器
U2の出力端は、マルチプレクサU1Aの入力端に接続され
ている。整流信号は、モータ制御器U2からマイクロプロ
セッサU3に与えられ、一方、モータ制御信号は、逆にマ
イクロプロセッサU3からモータ制御器U2に与えられる。

第５図のような装置の動作においては、マルチプレク
サU1A、A/DコンバータU1B、D/AコンバータU1C及びオペ
アンプU1DからなるデバイスU1は、ディスクドライブへ
供給される電圧の読み取りと、アナログの電流制御電圧
のスピンモータ12への提供とを同時に実行するのに使用
されている。マイクロプロセッサU3は、A/DコンバータU
1Bから供給される情報を読み取り、電源電圧のレベルが
V1より低下したか否かを判断する。次に、スピンモータ
12への電流制御電圧が、実際のスピンモータの回転速度
を決定する働きをするD/AコンバータU1Cに書き込まれた
データによって、予め定められた方法で減少させられ
る。

スピンモータ制御器U2は、モータ12の回転速度の制御
のためのフェーズロックループを有する。このスピンモ
ータ制御器U2はシーケンサも有し、これは、従来技術と
同様にスピンモータの巻線を整流する半導体スイッチを
制御するものである。

スピンモータの起動時12に、制御器U2はシーケンサを
進めて、予め定められたシーケンスに従ってモータ12を
回転させるべく、スピンモータの巻線をオンにする。モ
ータが反対向きに回転していることが検知された場合
は、シーケンサが、モータ12を正しい向きに回転させる
特別なルーチンに入るようにスイッチする。モータ12
が、モータ制御器U2が逆起電力を検出するだけの十分な
速度に達したならば、制御器U2は、スピンモータ12を整
流する予め定められたシーケンスのパルスを発生させ
る。

モータ制御器には、モータ制御ループからの電流制御
エラー電圧と共に真の制御電流を求めて、スピンモータ
の整流回路に与えられる、オペアンプからの電流制御電
圧を計算する回路がある。

起動時の動作状態においては、モータ電流が増加し、
そのためにディスクドライブでモニタされるバッテリー
10の電圧は低下する。このとき、マイクロプロセッサU3
は、A/DコンバータU1Bによってバッテリーからの電圧供
給をモニタする。電圧供給レベルがV1まで低下した場合
は、マイクロプロセッサはD/AコンバータU1Cに命令を送
り、直ちにモータを回転させる電圧を低下させる。この
ことは、バッテリー10の供給する電圧をV1を超えるレベ
ルに上昇させるまでモータ電流を減少させる働きをす
る。バッテリー10の電圧がV1以上になると、コンピュー
タへのリセット命令は発生しない。

モータ12の回転速度が上昇するにつれ、バッテリー10
の供給する電圧は増加する傾向があり、モータ電流は、
スピンモータ12の逆起電力のため低下する。モータ12を
流れる電流を高いレベルに保持して起動時間を短縮する
ために、バッテリー10の供給する電圧がV2のレベルに達
したときにモータ電流が増加して、電圧をV1のレベルま
で低下させる。このようなモータ電流の調整は、起動が
進行する間、必要なだけ繰り返すことができる。

バッテリー10の供給電圧がV2を超えた場合は、マイク
ロプロセッサU3は、適当な積分時間の後、D/Aコンバー
タに命令を送り出力電圧を増加させて、スピンモータの
電流を、例えばバッテリー10が十分充電されているとき
に起動時間を最小にできるように予め定められた、最大
値まで増加させることができる。

バッテリー10が放電点に近づいているときは、本シス
テムによれば、従来技術による場合よりも起動に長い時
間がかかることに気づかれるであろう。（バッテリー10
がフルに充電されている場合は、内部抵抗が小さいため
（第１図参照）、電圧のレベルはV1まで低下しない。こ
のため、マイクロプロセッサU3は電流を減少させること
はなく、起動に必要な時間を長くすることもない。）こ
のことは、第４図において線50、52に示されており、線
50は、本システムを使用した場合の起動（RPMの時間軸
に沿った変化）であり（RPM最大となる時間がT2に示さ
れている）、このようなシステムを使用しない場合の起
動を示す線52（RPM最大となる時間がT1に示されてい
る），と比較して示されている。しかし、不必要なとき
も必要なときも動作停止となるような、非常に好ましく
ない事態は避けることができる。その上、ディスクを起
動して動作速度まで立ち上げるのに必要な全エネルギー
は、主として回転の慣性によるものなので、起動時間を
長くしてもエネルギー消費が著しく増加することはな
い。従って、消費される全エネルギーは、従来のディス
クドライブが消費するのと概ね同程度となる。

上記に関して、極性を必要に応じて反転させることも
でき、このとき、例えば電圧または電流に関する「大き
い」と「小さい」、「高い」と「低い」、「〜を上回
る」と「〜を下回る」、「増加」と「減少」といった言
葉が、それぞれ同じことを表すように、入れ替えて使用
されることは理解されよう。

トリップ点V1及びV2は互いに近い値に選択され、この
場合、制御システムは閉ループレギュレータに類似した
ものとなることが示されている。

本システムの利点を更に述べれば、スピンモータを、
上記のモータ制御回路による電流制限を利用し得るよう
に設計することによって、バッテリーがフルに充電され
ている場合、スピンモータの巻線を損なうことなく起動
時間を短縮できるということがある。

マイクロプロセッサを利用したシステムを用いること
による利点がいくつかある。例えば、V1及びV2の設定
は、予め定めた条件に応じて、ダイナミックに調節でき
る。その上、マイクロプロセッサを利用したシステム
は、外部の事象がディスクドライブに及ぼす影響により
電圧の供給が突然停止することや、過渡電流を排除し
て、不必要な動作停止を防ぎ、スピンモータの電源制御
素子の好ましくない過渡的な動作を抑えることができ
る。また、起動時において、一本の巻線を用いて静的試
験を実施して利用可能なバッテリー電圧を決定し、その
後にモータ電流制御値を前もって設定するための起動シ
ーケンスを始動させることができる。

この他に、低電圧用に最適化された特別なスピンモー
タを用いたときに、フルに充電されたバッテリーが提供
する高い電圧によってモーターが損われたり、不適当な
動作を起こすことがある。上記の回路では、マイクロプ
ロセッサが自動的に高電圧モードに切り替えることによ
って、スピンモータの電流を最適値に調節することがで
きる。

フロントページの続き (72)発明者 ユーテニック、マイケル・アール アメリカ合衆国コロラド州80503・ニウ ォット・ペパーツリードライブ 6858 (72)発明者 フォルク、スティーブン・ビー アメリカ合衆国コロラド州80304・ボウ ルダー・ノーウッドコート 3805 (56)参考文献 特開 平２−198074（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−95814（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−40265（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−325389（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−42255（ＪＰ，Ｕ)

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気的システムと、 スピンモータと、 前記電気的システムに接続されると共に、前記電気的シ
   ステムに与えられる電圧が第１レベルを下回ったときに
   前記電気的システムを動作停止にさせる機能を与える手
   段と、 前記電気的システムと前記スピンモータに接続されると
   共に、前記スピンモータが動作回転速度まで加速されて
   いる間に前記電気的システムに与えられる電圧が前記第
   １レベルより大きい第２レベルを常に上回るように前記
   スピンモータの電流を制限するための手段とを有するこ
   とを特徴とするバッテリーを電源とするコンピュータに
   使用される電気の管理装置。
2. 【請求項２】前記電気的システムに接続されると共に、
   前記電気的システムに与えられる電圧が前記第２レベル
   より大きい第３レベルに達するときに、前記スピンモー
   タの前記電流を増加して前記スピンモータの加速を更に
   増加させるための手段を更に有することを特徴とする請
   求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】前記スピンモータがディスクドライブモー
   タであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】前記制限するための手段が、マイクロプロ
   セッサを有することを特徴とする請求項２に記載の装
   置。
5. 【請求項５】前記電気的システムがバッテリーを電源と
   することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】前記制限するための手段が、 前記マイクロプロセッサに接続された電圧センサと、 出力端を前記スピンモータに接続して使用されるアンプ
   とを更に有することを特徴とする請求項４に記載の装
   置。
7. 【請求項７】バッテリー電圧を検知する電圧センサと、 ディスクドライブモータと、 動作回転速度まで前記ディスクドライブモータを加速す
   る間に、前記電圧センサが前記バッテリー電圧が第１レ
   ベルに達したことを示しているのに反応して、前記ディ
   スクドライブモータに流れる電流を制限し、前記電流が
   前記バッテリー電圧を前記第１レベルを上回るように常
   に保つように、前記電圧センサ及び前記ディスクドライ
   ブモータとに接続して使用される電流制御器と、 前記バッテリーを電源とするコンピュータを有し、 前記コンピュータが、 前記バッテリー電圧が前記第１レベルより小さい前記第
   ２レベルを下回ったことに反応して動作を停止させる電
   圧モニタを有することを特徴とするディスクドライブシ
   ステム。
8. 【請求項８】前記電流制御器が、前記電圧センサが前記
   バッテリー電圧が前記第１レベルに達したことを示して
   いるのに反応して、前記ディスクドライブモータが加速
   したままで、前記バッテリー電圧が上昇するように、電
   流をゼロでない大きさまで減少させることを特徴とする
   請求項７に記載のシステム。
9. 【請求項９】前記ディスクドライブモータが加速してい
   る間に、前記電流制御器が、前記電圧センサが前記バッ
   テリー電圧が前記第１レベルより大きい第３レベルに上
   昇したことを示しているのに反応して、電流を増加さ
   せ、それによって前記ディスクドライブモータの加速度
   を増加させることを特徴とする請求項８に記載のシステ
   ム。
10. 【請求項１０】前記電流制御器が、 前記バッテリーから前記ディスクドライブモータへ電力
    を供給するべく、前記ディスクドライブモータに接続し
    て使用されるアンプと、 前記アンプから前記ディスクドライブモータへの電力供
    給を制御する、前記電圧センサ及び前記アンプに接続し
    て使用されるマイクロプロセッサとを有することを特徴
    とする請求項９に記載のシステム。
11. 【請求項１１】コンピュータシステム及びディスクドラ
    イブの電源となるバッテリーの電圧をモニタする過程
    と、 前記バッテリーの電圧が第１レベルを下回ったことに反
    応して前記コンピュータの動作を停止する過程と、 前記バッテリーから電流を供給して、前記ディスクドラ
    イブのモータを加速する過程と、 前記モータが動作回転速度まで加速される間に、前記バ
    ッテリーの電圧が、前記第１レベルより大きい第２レベ
    ルまで低下したことに反応して、前記モータを加速させ
    つつ前記バッテリーの電圧を前記第２レベルを上回るよ
    うに常に維持するような大きさまで、前記モータの電流
    を減少させる過程とを有することを特徴とする前記バッ
    テリーの電圧の制御方法。
12. 【請求項１２】前記モータの前記電流を減少させたの
    ち、前記バッテリーの電圧が前記第２レベルより大きい
    第３レベルまで上昇したことに反応して、前記モータの
    前記電流を増加させて、前記モータの加速度を増加させ
    る過程を更に有することを特徴とする請求項11に記載の
    方法。