JP5526185B2 - 低ドロップアウト電圧レギュレータおよびブースト・レギュレータのための共通制御ループを有するバッテリ充電装置 - Google Patents

Description

本発明はバッテリ充電装置に関し、具体的には、二つの異なる充電モードの間でスムースな移行を提供するバッテリ充電装置に関する。

現在、より高い性能の電源回路の必要性が増加しており、これが電圧レギュレータ・デバイスの進展をもたらした。例えば、携帯電話、ページャ、ラップトップ、カメラ・レコーダおよびその他のモバイル・バッテリで動作する機器で使用する場合のように、多くの低電圧応用製品では、低ドロップアウト（LDO）電圧レギュレータを使用することが要求される。

一般的に、LDO電圧レギュレータは、その入力と出力の電圧差が低く、きちんと規定され、安定したDC電圧を供給することができる。通常、電気回路に所要電力を与えるため、LDO電圧レギュレータを構成する。LDO電圧レギュレータは、典型的には、誤差増幅器と、例えば電力トランジスタのようなパス・デバイスとを持つ。これら二つの構成部品は直列に接続される。誤差増幅器はLDO電圧レギュレータの入力端子に接続され、パス・デバイスはLDO電圧レギュレータの出力端子に接続される。その結果、パス・デバイスは外部負荷を駆動することができる。しかしながら、LDO電圧レギュレータは、充電されるバッテリの電圧が増加するとその効率を失い、LDO電圧レギュレータでの入力−出力電圧差が低下する。

電子デバイスにDC電流を供給するために一般的に使用するもう一つのレギュレータはブースト・レギュレータである。それは、少なくとも２個の半導体スイッチと少なくとも１個のエネルギー蓄積素子とを含むスイッチィング・モード電源回路の類である。ブースト・レギュレータは、その入力DC電圧より高い出力DC電圧を供給することができ、充電されるバッテリの電圧がより高い場合、バッテリ充電動作に特に便利である。

LDO電圧レギュレータとブースト・レギュレータとの性質を組み合わせ、これらの二つの形式のレギュレータ間の同時スムース切替動作で、入力電圧より高い出力電圧を供給できるようなバッテリ充電デバイスを持つことは、望ましいことである。

一つの実施形態では、本発明は、二つの異なるモードでバッテリを充電し、充電電流を殆ど一定に保持しながら二つのモード間を移行するという、デュアル・モード充電器である。デュアル・モード充電器には、制御回路、ブースト回路および低ドロップアウト回路を含む。ブースト回路は制御回路と通信し、入力ソースから入力電流を受信する。ブースト回路は、デュアル・モード充電器がブースト・モードで動作できるようにする。低ドロップアウト回路は制御回路およびブースト回路と通信する。低ドロップアウト回路はバッテリに充電電流を出力し、デュアル・モード充電器が低ドロップアウト・モードで動作できるようにする。制御回路は入力電流と充電電流とを監視し、ブースト回路と低ドロップアウト回路とを同時に制御する。また、制御回路は、デュアル・モード充電器が低ドロップアウト・モードからブースト・モードに切替える間、充電電流を一定に保持する。

もう一つの実施形態では、本発明は、制御回路と、制御回路と通信するブースト回路と、制御回路およびブースト回路と通信する低ドロップアウト回路とを備えるデュアル・モード充電器である。低ドロップアウト回路はバッテリに充電電流を出力する。制御回路はブースト回路と低ドロップアウト回路とを同時に制御する。デュアル・モード充電器は、充電電流を一定に保持しながらブースト回路と低ドロップアウト回路との間で充電動作を切替える。

更にもう一つの実施形態では、本発明はデュアル・モード充電器を使用してバッテリを充電する方法である。本方法には、デュアル・モード充電器を低ドロップアウト・モードで動作可能にすることと、バッテリに充電電流を出力することと、バッテリの電圧を充電アダプタの電圧と比較することと、もしバッテリの電圧が充電アダプタの電圧とほぼ等しい場合、充電電流を一定に保持しながら低ドロップアウト・モードからブースト・モードにデュアル・モード充電器を切替えることとを備える。

本発明の利点は、それらの典型的な実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになるであろうが、その説明は、次の添付の図面に関連して考察される。

本発明のブロック図である。 本発明の回路図である。 本発明の一つの実施形態による、本発明の詳細な回路図である。 本発明の動作を示す、異なる電圧と電流のグラフである。 本発明の動作を示す、異なる電圧と電流のグラフである。 本発明の動作を示す、異なる電圧と電流のグラフである。 本発明の一つの実施形態による、バッテリの充電動作のフローチャートである。

要求に応じて、本発明の詳細な実施形態について本明細書で開示する。理解されなければならないことであるが、開示する実施形態は、色々の別の形式およびそれらの組合せで実装できる可能性のある本開示の単なる典型的な例である。本明細書で使用するように、単語“典型的な”は、説明、見本、モデルおよびパターンとして役に立つ実施形態を参照するために、拡張して使用される。図は必ずしも拡大縮小される必要はなく、幾つかの特徴は、特別な構成部品の詳細を示すため、誇張されたり、または最小にされたりする可能性がある。他の事例では、周知の構成部品、システム、材料または方法については、本開示を曖昧にすることをさけるため、詳細に説明されていない。従って、本明細書で開示する特定の構造的および機能的詳細は、制限するものとしてではなく、単に、本特許請求範囲のための基礎として、また、当開示を様々に採用するため当事業者に教示する代表的な基礎として、解釈されるべきである。

本発明は、バッテリの電圧レベルに依存して、二つの異なるモードでバッテリを充電する、柔軟なデュアル・モード・バッテリ充電器を提供し、これらの二つのモード間でスムースな移行を行い、前記移行の間、充電電流は比較的一定に保持されている。より低いバッテリ・レベルでは、デュアル・モード・バッテリ充電器はＬＤＯ充電器としてバッテリを充電し、バッテリ電圧がアダプタ電圧に非常に近い場合は、前記充電器はその動作モードをＬＤＯモードからブースト・モードに移行し、ブースト充電器としてバッテリを充電する。一つはＬＤＯ充電器のため、一つはブースト充電器のためというように二つの独立した制御回路を使用する代わりに、この柔軟なバッテリ充電器は、ＬＤＯ充電器とブースト充電器との動作を制御するため一つの共通の制御回路を使用する。共通制御回路のため、一つの動作モードから他の動作モードへの切替動作はスムースで緩やかである。切替動作は自動的であり、アダプタ電圧とバッテリ電圧間の差でトリガされる。

図１は、本発明による、柔軟なバッテリ充電器１００のブロック図である。前記バッテリ充電器１００は、（ブースト・レギュレータとしても知られている）ブースト充電器１０２、（ＬＤＯレギュレータとしても知られている）ＬＤＯ充電器１０４および切替制御ユニット１０６を持つ。また、バッテリ充電器１００には、入力電流を測定するためのアダプタ抵抗１１２と、充電電流を測定するためのバッテリ抵抗１１４とを具備していても良い。切替制御ユニット１０６は、ブースト充電器１０２とＬＤＯ充電器１０４との両方の動作を制御する。切替制御ユニット１０６は、アダプタ１１０であることができる電流ソースからの入力電流と、バッテリ１０８に流れる充電電流とを監視する。ブースト充電器１０２は入力電圧を受信し、ＬＤＯ充電器１０４はバッテリ１０８へ充電電流を出力する。バッテリ充電器１００は、最初、ＬＤＯ充電モードでバッテリ１０８を充電する。バッテリ１０８の電圧が増加する場合、バッテリ１０８に供給する充電電流を保持するため、切替制御ユニット１０６はＬＤＯ充電器１０４の動作を増加させる。バッテリ１０８の電圧が増加し続けるので、切替制御ユニット１０６はブースト充電器１０２をオンにして、ブースト充電モードでバッテリ１０８を充電する。切替制御ユニット１０６は、監視ポートｉｃｈｍを通してバッテリ１０８の電圧と、監視ポートｉａｃｐを通してアダプタ１１０からの電圧とを監視する。

図２は、本発明の実施形態による、バッテリ充電器１００の回路図２００である。制御器２０２は、ＬＤＯ回路２０６とブースト回路２０４との動作を制御する。ＬＤＯ回路２０６はＬＤＯ充電器１０４に対応し、ブースト回路２０４はブースト充電器１０２に対応する。ＬＤＯ回路２０６とブースト回路２０４とは異なる破線で線引きされ、制御器２０２は、ＬＤＯ回路２０６とブースト回路２０４の両方により部分的に占められており、二つの充電器が制御器２０２を共有しているということを象徴している。制御器２０２は単一チップ・デバイスとして実装されても良く、また、ブースト充電器１０２およびＬＤＯ充電器１０４と一緒に同じチップに実装されても良い。制御器２０２はイネーブル・ポイントＥＮを通して有効になり、ＬＤＯ充電器１０４とブースト充電器１０２との動作を同時に制御する。ＬＤＯ充電器１０４の電力トランジスタの制御は、電圧Ｖｐｂを通して制御器２０２により行われる。ブースト充電器１０２の“切替動作”の制御は、切替えポイントＬＸを通して制御器２０２によって行われる。

図３は、本発明の一つの実施形態による、バッテリ充電器１００の詳細な回路図３００である。バッテリ充電器１００は、ｅｎｂポイント３０２（図２でＥＮとして図示）を通して有効になる。バッテリ充電器１００が有効になる前、ｐｂポイント３２０はｉａｃｐポイント３１８に短絡され、ＬＤＯ充電器１０４はＯＦＦ条件にとどまり、バッテリ１０８に流れる充電電流Ｉｃｈａｒｇｅは、図４に示すように、ゼロである。

バッテリ充電器１００が有効になった後、入力電流が抵抗Ｒｓａｄｐ１１２を通して流れ、電流‘Ｖ（ｉａｃｐ、ｉａｃｍ）／Ｒｓａｄｐ’は電流検知増幅器３０４を通過する。電流検知増幅器３０４から結果として生じる電圧は、誤差増幅器３０８で、プリセット・アダプタ電流制限値３２８と比較され、誤差増幅器３０８からの出力電圧は，図２に示すＰＭＯＳ ＦＥＴ ＭＰ１を制御するＶｐｂを駆動する。

また、電圧Ｖｐｂ３２０は誤差増幅器３１０の出力によっても影響を受ける。Ｒｓｂａｔ１１４が検知する充電電流は電流検知増幅器３０６を通過し、結果として生じる電圧は、誤差増幅器３１０でプリセット充電電流制限値３３０と比較される。図４、５および６から見ることができるように、バッテリ電圧Ｖｉｃｈｍが充電とともに増加する（図５）ので、電圧Ｖｐｂは減少し（図６）、一方、充電電流Ｉｃｈａｒｇｅ（図４）は実質的に一定に保持される。

バッテリがしばらく充電され、バッテリ電圧Ｖｉｃｈｍがアダプタの電圧Ｖｉａｃｐとほぼ同じ電圧に増加した後は、Ｖｐｂは連続して減少し、これはバッテリ１０８を充電するのにもはや効果的でないであろう。この時点で、バッテリ充電器１００のブースト・モードが優位に立ち始める。Ｖｐｂが、所定のレベル、例えば０．８Ｖより低いので、比較器３１４の出力は実効的にパルス幅変調（ＰＷＭ）信号になり、このＰＷＭ信号はＮＭＯＳ ＦＥＴ３２６を制御し、これはブースト充電器１０２に対してスイッチのように働く。比較器３１４は、入力Ｖｐｂおよびランプ信号発生器３１２が生成したランプ信号を受け取る。

バッテリ電圧Ｖｉｃｈｍは充電プロセスの間は増加する。バッテリ電圧Ｖｉｃｈｍが充電電圧のプリセット終点３３２に達すると、誤差増幅器３１０の出力はＶｐｂ３２０を増加する。Ｖｐｂ３２０が増加するにつれて、充電電流Ｉｃｈａｒｇｅは減少する。もしＶｐｂ３２０が、図６に示すように、（０．８Ｖより高い）ランプ範囲を超えて増加すると、充電プロセスは停止する。

図７は、本発明の実施形態による、バッテリの充電動作のフローチャート７００である。バッテリが本発明のデュアル・モード充電器に接続された後、デュアル・モード充電器はＬＤＯモードでバッテリを充電する（ステップ７０２）。バッテリがデュアル・モード充電器に接続されている間、バッテリの電圧は常にチェックされている（ステップ７０４）。バッテリの電圧がアダプタ電圧に非常に近い場合、デュアル・モード充電器はブースト・モードでバッテリを充電し始める（ステップ７０６）。デュアル・モード充電器の充電モードがＬＤＯモードからブースト・モードに移行する間は、充電電流は一定を保持する。バッテリをブースト・モードで充電する間（ステップ７０８）、バッテリの電圧は、例えば充電電圧の最終であるプリセット値と比較される（ステップ７１０）。バッテリの電圧がプリセット値より小さい間は、バッテリはブースト・モードで充電されることを続ける（ステップ７０８）。バッテリの電圧がプリセット値に達すると、充電動作は停止する（ステップ７１２）。

動作では、ユーザは、アダプタ１１０に接続したバッテリ充電器１００を、充電を使い切ったバッテリ１０８に接続する可能性がある。最初、バッテリ充電器１００は、バッテリの電圧がアダプタ１１０の電圧とほぼ同じ電圧に増加するまで、ＬＤＯ充電器としてバッテリを充電するであろうが、次に、バッテリ充電器１００は、バッテリ１０８が充電電圧のプリセット終点に達するまでブースト充電器１０２として動作し始める。本発明である共通制御ループのため、ＬＤＯ充電器１０４として動作することからブースト充電器として動作することへの切替えは、スムースであり、緩やかであり、そして自動的である。

本方法は何も必要としないし、本特許請求範囲の全ての可能な実施形態を示し教示することは、経済的に禁止的である。それ故に、上記の実施形態は、本開示の原理を明確に理解するために示した実装の単なる典型的な図である。本特許請求項の範囲から逸脱すること無しに、上記で説明した実施形態に変形、修正および組合せを行うことが可能である。そのような変形、修正および組合せは全て、本開示の範囲および以下の特許請求範囲により、本明細書に含まれる。

１００ バッテリ充電器
１０２ ブースト充電器（ブースト・レギュレータ）
１０４ ＬＤＯ充電器（ＬＤＯレギュレータ）
１０６ 切替制御ユニット
１０８ バッテリ
１１０ アダプタ
１１２ アダプタ抵抗
１１４ バッテリ抵抗
２００ バッテリ充電器の回路図
２０２ 制御器
２０４ ブースト回路
２０６ ＬＤＯ回路
３００ バッテリ充電器の詳細な回路図
３０２ ｅｎｂポイント
３０４ 電流検知増幅器
３０６ 電流検知増幅器
３０８ 誤差増幅器
３１０ 誤差増幅器
３１２ ランプ生成器
３１４ 比較器
３１６ 誤差増幅器
３１８ ｉａｃｐポイント
３２０ ｐｂポイント
３２２ 切替えポイント
３２４ ＰＷＭ信号
３２６ ＮＭＯＳ ＦＥＴ
３２８ プリセット・アダプタ電流制限値
３３０ プリセット充電電流制限値
３３２ 充電電圧のプリセット終点
７００ フローチャート
７０２ ＬＤＯモードでバッテリを充電
７０４ バッテリの電圧はアダプタ電圧に非常に近いか？
７０６ 充電電流を一定に保持しながら充電モードをブースト・モードに移行
７０８ ブースト・モードでバッテリを充電
７１０ バッテリの電圧がプリセット値に達したか？
７１２ 充電動作を停止

Claims (9)

1. バッテリを充電するためのデュアル・モード充電器であって、
   制御回路と、
   制御回路と通信して入力ソースから入力電流を受信するブースト回路と、
   制御回路およびブースト回路と通信する低ドロップアウト回路とを備え、
   前記ブースト回路はデュアル・モード充電器をブースト・モードで動作させ、
   前記低ドロップアウト回路は、充電電流を前記バッテリに出力するとともに、デュアル・モード充電器を低ドロップアウト・モードで動作させ、
   制御回路は、前記入力電流と前記充電電流とを監視し、前記入力電流と前記充電電流とに基づいて決定される内部電圧に従ってブースト回路と低ドロップアウト回路とを同時に制御し、デュアル・モード充電器が低ドロップアウト・モードからブースト・モードに切替える間は充電電流を一定に保持し、
   前記内部電圧は、第一の端子における電圧であり、前記第一の端子は、前記入力電流を検知するための第一の電流検知増幅器の出力と第一の電流制限値とが入力される第一の誤差増幅器の出力端子と、前記充電電流を検知するための第二の電流検知増幅器の出力と第二の電流制限値とが入力される第二の誤差増幅器の出力端子とに接続されていることを特徴とするデュアル・モード充電器。
2. 入力ソースとブースト回路との間に配置した第一の抵抗と、バッテリと低ドロップアウト回路との間に配置した第二の抵抗とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のデュアル・モード充電器。
3. 制御回路には
   ランプ信号を生成するためのランプ信号発生器と、
   ランプ信号を前記内部電圧と比較し、比較の結果に基づきパルス幅変調信号を生成するための比較器とを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のデュアル・モード充電器。
4. バッテリを充電するためのデュアル・モード充電器であって、
   制御回路と、
   制御回路と通信するブースト回路と、
   制御回路およびブースト回路と通信する低ドロップアウト回路とを備え、
   前記ブースト回路は、入力電流ソースから入力電流を受信し、
   前記低ドロップアウト回路は、充電電流をバッテリに出力し、
   制御回路は、前記入力電流と前記充電電流とを監視し、前記入力電流と前記充電電流とに基づいて決定される内部電圧に従ってブースト回路と低ドロップアウト回路とを同時に制御し、デュアル・モード充電器は、充電電流を一定に保持しながらブースト回路と低ドロップアウト回路との間で充電動作を切替え、
   前記内部電圧は、第一の端子における電圧であり、前記第一の端子は、前記入力電流を検知するための第一の電流検知増幅器の出力と第一の電流制限値とが入力される第一の誤差増幅器の出力端子と、前記充電電流を検知するための第二の電流検知増幅器の出力と第二の電流制限値とが入力される第二の誤差増幅器の出力端子とに接続されていることを特徴とするデュアル・モード充電器。
5. 制御回路がブースト回路を制御するためパルス幅変調信号を生成する
   ことを特徴とする請求項４に記載のデュアル・モード充電器。
6. 前記内部電圧が所定のレベル以下に低下する場合、制御回路はパルス幅変調信号を生成することを特徴とする請求項５に記載のデュアル・モード充電器。
7. バッテリの電圧が入力電圧と同じである場合、制御回路は充電動作をブースト回路に切替えることを特徴とする請求項４に記載のデュアル・モード充電器。
8. デュアル・モード充電器を使用してバッテリを充電する方法であって、
   充電アダプタから入力電流を受信するステップと、
   デュアル・モード充電器を低ドロップアウト・モードで動作させるステップと、
   充電電流をバッテリに出力するステップと、
   バッテリの電圧を充電アダプタの電圧と比較するステップと、
   もしバッテリの電圧が充電アダプタの電圧とほぼ同じ電圧であるなら、充電電流を一定に保持しながら、前記入力電流と前記充電電流とに基づいて決定される内部電圧に従ってデュアル・モード充電器を低ドロップアウト・モードからブースト・モードに切替えるステップとを備え、
   前記内部電圧は、第一の端子における電圧であり、前記第一の端子は、前記入力電流を検知するための第一の電流検知増幅器の出力と第一の電流制限値とが入力される第一の誤差増幅器の出力端子と、前記充電電流を検知するための第二の電流検知増幅器の出力と第二の電流制限値とが入力される第二の誤差増幅器の出力端子とに接続されていることを特徴とするバッテリを充電する方法。
9. バッテリの電圧を充電電圧の最終と比較するステップと、
   デュアル・モード充電器がバッテリの充電を停止するステップとを更に備えることを特徴とする請求項８に記載のバッテリを充電する方法。

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