JP5912513B2 - 充電回路およびそれを利用した電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池を充電する充電回路に関する。

携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、ノート型パーソナルコンピュータ、ポータブルオーディオプレイヤをはじめとする電池駆動デバイスは、充電可能な２次電池とともに、それを充電するための充電回路を内蔵する。充電回路には、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからＵＳＢケーブルを介して供給された直流電圧（バス電圧）にもとづいて２次電池を充電するものが存在する。

図１は、本発明者らが検討したＵＳＢホストアダプタからの直流電圧によって充電可能な電子機器の構成を示すブロック図である。電子機器１ｒは、ホストアダプタ１０２とＵＳＢケーブル１０４を介して接続される。電子機器１ｒは、電池２、マイコン４、起動管理ＩＣ７、ＵＳＢチャージャ検出ＩＣ（Integrated Circuit）６ｒ、システム電源５、充電回路１００を備える。

マイコン４は、電子機器１ｒ全体を制御するホストプロセッサである。システム電源５は、電池電圧Ｖｂａｔを昇圧、または降圧し、電子機器１ｒの各ブロックに対する複数の電源電圧を生成する。マイコン４には、システム電源５により生成される電源電圧ＶＤＤが供給される。

起動管理ＩＣ７は、電子機器１ｒがシャットダウンした状態において、起動の契機となるイベントを検出すると、所定のシーケンスにしたがってシステム電源５に各ブロックに対する電源電圧ＶＤＤを生成させ、またマイコン４に所定の処理を実行させる。起動管理ＩＣ７の機能はマイコン４に実装される場合もある。

充電回路１００ｒは、ＵＳＢホストアダプタ（ホストバスアダプタ、ホストコントローラともいう）１０２から供給される直流電圧ＶＢＵＳにもとづいて電池２を充電する。

ホストアダプタ１０２には、いくつかの種類が存在する。ＵＳＢのBattery Charging Specification Rev. 1.2では、チャージャの種類として、ＳＤＰ（Standard Downstream Port）、ＤＣＰ（Dedicated Charging Port）、ＣＤＰ（Charging Downstream Port）が定義されている。そしてホストアダプタ１０２が供給できる電流（電流容量）は、チャージャの種類に応じて規定されている。具体的には、ＤＣＰ、ＣＤＰでは１５００ｍＡ、ＳＤＰでは、ＵＳＢのバージョンに応じて１００ｍＡ、５００ｍＡ、９００ｍＡのように規定されている。

充電回路１００ｒが電池２を充電する際に、電池２に供給される充電電流ＩＣＨＧが増大し、充電回路１００ｒの入力電流ＩＶＢＵＳがホストアダプタ１０２の電流容量を超えると、ホストアダプタ１０２から供給される直流電圧ＶＢＵＳがドロップする。そこで充電回路１００ｒは、その入力電流ＩＶＢＵＳを、ホストアダプタ１０２の種類に応じて所定値以下に制限可能に構成される。

ホストアダプタの種類は、ＵＳＢポートのうち信号ラインＤ＋、Ｄ−の状態（プルアップ、プルダウン、オープンの組み合わせ）に応じて判定可能となっている。ＵＳＢチャージャ検出ＩＣ６ｒは、ホストアダプタ１０２が接続されると、信号ラインＤ＋、Ｄ−の電気的状態に応じてホストアダプタ１０２の種類を判定する。

マイコン４、ＵＳＢチャージャ検出ＩＣ６ｒ、充電回路１００ｒは、Ｉ^２Ｃ（Inter IC）バスなどの内部バス８を介して接続されている。マイコン４は、ＵＳＢチャージャ検出ＩＣ６ｒからホストアダプタ１０２の種類を示すデータＤ１を読み出し、充電回路１００ｒの内部レジスタＲ１に、データＤ１と、ホストアダプタ１０２の種類に応じた電流の制限値を示すデータＤ２を書き込む。

フェイルセーフのために、レジスタＲ１には、初期値として最小の１００ｍＡに対応するデータが格納される。したがってホストアダプタ１０２が接続された直後、充電回路１００は１００ｍＡをその入力の上限値として電池２を充電する。その後、ホストアダプタ１０２の種類の判定が完了し、レジスタＲ１のデータＤ２が更新されると、入力電流の制限値が高められ、より高速な充電が可能となる。

特開２００６−６０９７７号公報 特開２００６−３０４５００号公報

実際に市販されているホストアダプタ１０２は、ＤＣＰ、ＣＤＰであっても、必ずしも１５００ｍＡの電流容量を有しているとは限らず、それよりも小さな電流容量しか有していないものも存在する。図１の電子機器１ｒにおいて、ＵＳＢチャージャ検出ＩＣ６ｒによってホストアダプタ１０２の種類がＤＣＰであると判定されると、充電回路１００ｒの入力電流の制限値は１５００ｍＡに設定される。このとき、ホストアダプタ１０２の実際の電流容量が６００ｍＡ程度しかないにもかかわらず、充電回路１００ｒの入力電流が１５００ｍＡとなると、バス電圧ＶＢＵＳがドロップする。

バス電圧ＶＢＵＳが、充電回路１００ｒの動作保証電圧（ＵＶＬＯ電圧）以下にドロップすると、システムがシャットダウンする。そしてふたたびＵＳＢチャージャ検出ＩＣ６ｒによるホストアダプタ１０２の種類の判定がなされ、充電回路１００ｒの入力電流の制限値が再び１５００ｍＡに設定される。そして充電が再開されると、再びバス電圧ＶＢＵＳがドロップし、システムがシャットダウンする。

このように、図１の電子機器１ｒでは、ホストアダプタ１０２の電流容量が仕様よりも低い場合に、充電とシャットダウンを繰り返すループに陥るという問題が生ずる。このループによって、ホストアダプタ１０２が接続されているにもかかわらず、電池２の充電が一向に進まなくなる。なお以上の考察を本発明の分野における共通の一般知識の範囲として捉えてはならない。さらに言えば、上記考察自体が、本出願人がはじめて想到したものである。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、仕様よりも電流容量が小さいホストアダプタが接続された場合に、電池を確実に充電可能な充電回路の提供にある。

本発明のある態様は、充電回路に関する。充電回路は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからの直流電圧を受けるＵＳＢポートと、ホストアダプタの種類に応じて設定される電流制限値を示すデータを格納するレジスタと、直流電圧にもとづいて定電流モードまたは定電圧モードで電池を充電する充電部であって、その入力電流が、レジスタに格納されるデータが示す電流制限値以下に制限されるように構成された充電部と、直流電圧を所定の下限しきい値電圧と比較し、直流電圧が下限しきい値電圧を下回るとアサートされる低電圧検出信号を生成する低電圧検出回路と、低電圧検出信号がアサートされると、レジスタのデータを、直前の電流制限値より低い電流制限値に更新するロジック回路と、を備える。

この態様によると、ホストアダプタの電流容量が仕様よりも低い場合に直流電圧が低下すると、充電回路が自らの入力電流の制限値を低下させる。入力電流の制限値がホストアダプタの実際の電流容量付近まで低下すると、直流電圧がドロップしなくなる。その結果、充電とシャットダウンを繰り返すループを抑制でき、その後は、電池を安定かつ継続的に充電することができる。なお、レジスタは、充電回路に集積化されてもよいし、別のＩＣに集積化されてもよい。

ロジック回路は、低電圧検出信号がアサートされるたびに、レジスタのデータを、直前の電流制限値よりも１段階低い電流制限値に更新してもよい。この態様によれば、電流制限値を、ホストアダプタの実際の電流容量を超えない範囲で、もっとも高い値に設定することができる。

ホストアダプタの種類に応じて設定される初期状態の電流制限値が、電流制限値の最小値より高い場合に、レジスタに格納されるデータが、最小値まで低下すると、ホストアダプタにもとづく充電を停止してもよい。
この場合、ホストアダプタ自体の故障あるいは不良が疑われるため、充電を停止することにより、電子機器を好適に保護できる。

ある態様の充電回路は、ＵＳＢポートにホストアダプタが接続されると、ＵＳＢポートの電気的状態にもとづきホストアダプタの種類を判定し、レジスタにホストアダプタの種類に応じて設定される電流制限値を示すデータを格納するＵＳＢチャージャ検出器をさらに備えてもよい。充電回路はひとつの半導体チップに一体集積化されてもよい。
この態様によると、ＵＳＢチャージャ検出器を充電回路に内蔵することにより、充電回路自身がホストアダプタの種類を判定し、外部のマイコンを介在せずに、判定結果をレジスタに格納できる。したがって電池が深く放電されてマイコンが動作しない状態であっても、ホストアダプタがＤＣＰあるいはＣＤＰである場合には急速充電が可能となり、従来よりも短時間でシステム全体が動作可能となる。

ＵＳＢチャージャ検出器は、低電圧検出信号がアサートされるたびに、ホストアダプタの種類を再判定してもよい。

レジスタは、ホストアダプタの種類を示すデータを格納してもよい。

充電回路は、レジスタに格納されるデータに、外部のプロセッサがアクセスするためのインタフェース回路をさらに備えてもよい。

本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は、電池と、電池を充電する上述のいずれかの態様の充電回路と、を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、仕様よりも電流容量が小さいホストアダプタが接続された場合に、電池を確実に充電できる。

本発明者らが検討したＵＳＢホストアダプタからの直流電圧によって充電可能な電子機器の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る充電回路を備える電子機器の構成を示す回路図である。 電池電圧ＶＢＡＴとＤＣ／ＤＣコンバータが生成するシステム電圧ＶＳＹＳの関係を示す図である。 ＰＷＭコントローラの構成例を示す回路図である。 図２の充電回路の動作を示すタイムチャートである。 第２の実施の形態に係る充電回路の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る充電回路１００を備える電子機器１の構成を示す回路図である。電子機器１は、たとえば携帯電話端末や、ＰＤＡ、ノート型ＰＣなどの電池駆動型の情報端末機器である。電子機器１は、充電回路１００、電池２、マイコン４、システム電源５、起動管理ＩＣ７、ＵＳＢトランシーバ９、を備える。

電池２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの２次電池であり電池電圧ＶＢＡＴを出力する。電池電圧ＶＢＡＴは、満充電状態で４．２Ｖ程度となる。電子機器１には、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタ１０２がＵＳＢケーブル１０４を介して着脱可能となっている。充電回路１００は、直流電圧ＶＢＵＳを受け、それにもとづいて電池２を充電する。直流電圧ＶＢＵＳは、定格５Ｖである。

マイコン４は、電子機器１全体を制御するホストプロセッサである。システム電源５は、電池電圧Ｖｂａｔを昇圧、または降圧し、電子機器１の各ブロックに対する複数の電源電圧を生成する。マイコン４には、システム電源５により生成される電源電圧ＶＤＤが供給される。

起動管理ＩＣ７は、電子機器１がシャットダウンした状態において、起動の契機となるイベントを検出すると、所定のシーケンスにしたがってシステム電源５に各ブロックに対する電源電圧ＶＤＤを生成させ、またマイコン４に所定の処理を実行させる。

ＵＳＢトランシーバ９は、ホストアダプタ１０２との間で、信号線Ｄ＋、Ｄ−を介してデータの送受信を行う。

充電回路１００は、ＵＳＢケーブル１０４と接続されるＵＳＢポート（ＶＢＵＳ、ＤＰ、ＤＭ、ＩＤ、ＧＮＤ）と、ＵＳＢチャージャ検出器６０、コントロールロジック６２、充電部６４、レジスタ６６、インタフェース回路６８、ＯＶＰ（Over Voltage Protection）回路１４、ＵＶＬＯ（Under Voltage LockOut）回路１８、レギュレータ３８を備え、ひとつの半導体チップに一体集積化されている。また充電回路１００は、ＵＳＢポートの直流電圧ＶＢＵＳを電源として動作可能に構成される。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部のインダクタやキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。

ＵＳＢポートのＶＢＵＳ端子には、ホストアダプタ１０２からの直流電圧（バス電圧、バスパワーともいう）ＶＢＵＳが供給される。ＤＰ端子、ＤＭ端子は、ＵＳＢケーブルの信号ラインＤ＋、Ｄ−と接続される。ＩＤ端子は本実施の形態では使用されない。ＧＮＤ端子は、ＧＮＤラインと接続される。

ＵＳＢチャージャ検出器６０は、ＵＳＢポートにホストアダプタ１０２が接続されると、ＵＳＢポートの信号ラインＤ＋、Ｄ−の電気的状態にもとづき、ホストアダプタ１０２の種類を判定し、判定結果を示すデータＳ１をコントロールロジック６２に送信する。

ＵＶＬＯ回路１８は、直流電圧ＶＢＵＳが、充電回路１００が動作可能なしきい値電圧ＶＵＶＬＯ以上か否かを判定する。トランジスタＭ１２のドレインは、ステータス端子ＵＳＢＯＫと接続され、そのゲートには、ＵＶＬＯ回路１８による判定結果に応じた電圧が入力される。ＵＳＢＯＫ端子は、直流電圧ＶＵＳＢが正常であるときローレベル、過電圧状態または低電圧状態においてハイインピーダンスとなる。充電回路１００の外部に設けられるマイコン４は、ステータス端子ＵＳＢＯＫの状態を参照することにより、直流電圧ＶＵＳＢが電子機器１に供給されているか否かを判定できる。

ＯＶＰ回路１４は、直流電圧ＶＢＵＳが所定のしきい値電圧ＶＯＶＰ以下か否かを判定する。ＶＢＵＳ＞ＶＯＶＰのとき過電圧保護がかかり、トランジスタＭ１３がオフする。

レギュレータ３８は、ＶＩＮ端子の電圧ＶＩＮを受け、所定レベルに安定化された電圧ＶＲＥＧを生成する。電圧ＶＲＥＧは、充電回路１００の内部のいくつかのブロック、たとえばコントロールロジック６２に供給される。

コントロールロジック６２は、充電回路１００を制御するロジック回路である。コントロールロジック６２には、レジスタ６６が設けられる。レジスタ６６は充電回路１００の動作に必要な種々のデータが格納される。本実施の形態において、レジスタ６６は少なくとも、（１）ＵＳＢチャージャ検出器６０により判定されたホストアダプタ１０２の種類を示すデータ（ＵＳＢＣＨＧＤＥＴ［２：０］）と、（２）判定されたホストアダプタ１０２の種類に応じて設定される電流制限値を示すデータ（ＩＵＳＳＥＴ［１：０］）と、を格納する。たとえば電流制限値ＩＭＡＸと、それに対応するデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］は以下のように対応付けられる。
ＩＭＡＸ＝１００ｍＡのとき、ＩＵＳＳＥＴ［１：０］＝００ｈ
ＩＭＡＸ＝５００ｍＡのとき、ＩＵＳＳＥＴ［１：０］＝０１ｈ
ＩＭＡＸ＝９００ｍＡのとき、ＩＵＳＳＥＴ［１：０］＝０２ｈ
ＩＭＡＸ＝１５００ｍＡのとき、ＩＵＳＳＥＴ［１：０］＝０３ｈ
充電回路１００の起動、再起動時には、ＩＵＳＳＥＴ［１：０］は初期値"００ｈ"にセットされる。

充電部６４は、バス電圧ＶＢＵＳにもとづいて、定電流モードまたは定電圧モードで電池２を充電する。充電部６４は、その入力電流ＩＶＢＵＳが、レジスタ６６に格納されるデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］が示す電流制限値ＩＭＡＸを超えないように構成される。

インタフェース回路６８は、レジスタ６６に格納されるデータに、外部のプロセッサ４がアクセスするために設けられる。たとえば充電回路１００とマイコン４はＩ^２Ｃバスで接続される。

本実施の形態において、充電部６４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０およびリニアチャージャ５０を備える。ＶＩＮ端子に外付けされる平滑用キャパシタは、充電部６４への入力電圧ＶＩＮを安定化する。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、入力電圧ＶＩＮを降圧し、システム電圧ＶＳＹＳを生成する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、スイッチングトランジスタＭ１、同期整流トランジスタＭ２、インダクタＬ１、出力キャパシタＣ１、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ３２、入力電流制限回路３４、バックゲートコントローラ３６を備える。

スイッチングトランジスタＭ１、同期整流トランジスタＭ２、インダクタＬ１、出力キャパシタＣ１の構成は、一般的であるため説明を省略する。バックゲートコントローラ３６は、電池からＵＳＢポートに向かって電流が逆流しないように、スイッチングトランジスタＭ１のバックゲートの接続先を制御する。

ＰＷＭコントローラ３２は、システム電圧ＶＳＹＳが目標電圧と一致するようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成し、当該パルス信号にもとづいて、スイッチングトランジスタＭ１、同期整流トランジスタＭ２を相補的にスイッチングする。ＰＷＭコントローラ３２は、電圧モード、平均電流モード、ピーク電流モード、ヒステリシス制御など、公知の回路を利用すればよく、その構成は限定されない。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が生成したシステム電圧ＶＳＹＳは、後段のリニアチャージャ５０に供給される。システム電圧ＶＳＹＳは、図示しないその他の負荷へと供給されてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、システム電圧ＶＳＹＳの目標電圧を、電池２の電圧ＶＢＡＴに応じて変化させる。図３は、電池電圧ＶＢＡＴとＤＣ／ＤＣコンバータ３０が生成するシステム電圧ＶＳＹＳの関係を示す図である。具体的には、電池電圧ＶＢＡＴが所定のしきい値Ｖｘ（たとえば３Ｖ）より低いとき、システム電圧ＶＳＹＳの目標値を、しきい値電圧Ｖｘより所定の電圧幅ΔＶ（１００ｍＶ）高い値（Ｖｘ＋ΔＶ）に設定する。また、電池電圧ＶＢＡＴが所定のしきい値（３Ｖ）より高いとき、システム電圧ＶＳＹＳの目標値を、電池電圧ＶＢＡＴより所定の電圧幅ΔＶ（１００ｍＶ）高い値（ＶＢＡＴ＋ΔＶ）に設定する。

入力電流制限回路３４は、入力電流ＩＶＢＵＳが電流制限値ＩＭＡＸを超えないように、ＰＷＭコントローラ３２が生成するパルス信号のデューティ比を調節する。たとえばトランジスタＭ１３には、入力電流ＩＶＢＵＳに比例した電圧降下Ｖｓが発生する。入力電流制限回路３４は、この電圧降下Ｖｓが、電流制限値ＩＭＡＸに応じた制限値ＶＩＭＡＸを超えないように、パルス信号のデューティ比を調節する。なお、入力電流制限回路３４の構成は特に限定されず、公知のＤＣ／ＤＣコンバータやリニアレギュレータにおける入力電流の制限回路を用いればよい。

図４は、ＰＷＭコントローラ３２の構成例を示す回路図である。
図４のＰＷＭコントローラ３２は、電圧モードの変調器を有する。充電回路１００のＲＥＧＩＮＶ端子には、システム電圧ＶＳＹＳがフィードバックされる。ＥＲＲＩＮＶ端子には、システム電圧ＶＳＹＳを分圧した電圧ＶＳＹＳ’がフィードバックされる。

ＰＷＭコントローラ３２は、出力が共通にカップリングされた誤差増幅器ＥＡ１、ＥＡ２を備える。誤差増幅器ＥＡ１は、システム電圧ＶＳＹＳ’と、所定の基準電圧ＶＲＥＦの誤差を増幅する。電圧源４０は、システム電圧ＶＳＹＳを電圧幅ΔＶ低い電圧にシフトする。誤差増幅器ＥＡ２は、シフトされた電圧ＶＳＹＳ−ΔＶと、電池電圧ＶＢＡＴの誤差を増幅する。電池電圧ＶＢＡＴがしきい値Ｖｘより低い領域では、誤差増幅器ＥＡ１が支配的となり、電池電圧ＶＢＡＴがしきい値Ｖｘより高い領域では、誤差増幅器ＥＡ２が支配的となる。したがって、誤差増幅器ＥＡ１、ＥＡ２により生成されるフィードバック電圧ＶＦＢは、ＶＢＡＴ＞Ｖｘの領域では、電圧ＶＳＹＳ−ΔＶが電池電圧ＶＢＡＴと近づくように調節され、ＶＢＡＴ＜Ｖｘの領域では、電圧ＶＳＹＳ’が基準電圧ＶＲＥＦと近づくように調節される。オシレータ４２は、所定の周波数の三角波またはのこぎり波の周期電圧ＶＯＳＣを生成する。ＰＷＭコンパレータ４４は、周期電圧ＶＯＳＣとフィードバック電圧ＶＦＢを比較し、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。ドライバ４６は、ＰＷＭ信号にもとづいて、スイッチングトランジスタＭ１および同期整流トランジスタＭ２をスイッチングする。

このＰＷＭコントローラ３２によれば、電池電圧ＶＢＡＴとシステム電圧ＶＳＹＳを、図３に示す関係に保つことができる。なお上述したように、ＰＷＭコントローラ３２の構成は図４の電圧モードの変調器には限定されず、平均電流モード、ピーク電流モードなどを採用してもよい。

入力電流制限回路３４は、たとえば誤差増幅器ＥＡ３で構成される。誤差増幅器ＥＡ３には、入力電流ＩＶＢＵＳに応じた検出電圧Ｖｓと、電流制限値ＩＭＡＸに応じた電圧ＶＩＭＡＸの誤差を増幅する。誤差増幅器ＥＡ３の出力端子は、誤差増幅器ＥＡ１、ＥＡ２の出力端子と共通に接続される。この構成では、ＶｓがＶＩＭＡＸより十分低い領域では、誤差増幅器ＥＡ３はフィードバック電圧ＶＦＢに影響を及ぼさない。ＶｓがＶＩＭＡＸに近づくと、ＶｓがＶＩＭＡＸを超えないように、フィードバック電圧ＶＦＢが調節される。

図２に戻る。リニアチャージャ５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０により生成されたシステム電圧ＶＳＹＳを受け、電池２を充電する。リニアチャージャ５０は、出力トランジスタＭ３、リニアチャージャ５２、バックゲートコントローラ５４を備える。出力トランジスタＭ３は、ＳＹＳＴＥＭ端子と、ＶＢＡＴ端子の間に設けられる。リニアチャージャ５２は、出力トランジスタＭ３のゲート電圧を制御することにより、出力トランジスタＭ３のインピーダンスを調節する。具体的にはリニアチャージャ５２は、電池電圧ＶＢＡＴが低い状態では、定電流モードで動作し、充電電流が一定となるように出力トランジスタＭ３のインピーダンスを調節する。電池電圧ＶＢＡＴが満充電レベルに近づくと定電圧モードで動作し、電池電圧ＶＢＡＴが一定となるように出力トランジスタＭ３のインピーダンスを調節する。

バックゲートコントローラ５４は、出力トランジスタＭ３のバックゲートを介して、電池２から電流が逆流しないように、出力トランジスタＭ３のバックゲートの接続先を制御する。バックゲートコントローラ５４は公知の技術を用いればよく、その構成は特に限定されない。

以上が充電回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。

図５は、図２の充電回路１００の動作を示すタイムチャートである。初期状態（ｔ＜ｔ０）において電池２は、システムが動作不能なレベルまで深く放電しており、電子機器１はシャットダウンしている。時刻ｔ０に、電子機器１にホストアダプタ１０２が接続されると、バス電圧ＶＢＵＳが供給される。

バス電圧ＶＢＵＳが供給されることにより、充電回路１００の内部の回路ブロックはすべて動作可能となる。そしてＵＳＢチャージャ検出器６０は直ちにホストアダプタ１０２の種類を判定し、種類を示すデータＵＳＢＣＨＧＤＥＴ［２：０］と、その種類に応じて規定される電流制限値ＩＭＡＸを示すデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］をレジスタ６６に格納する。

電流制限値ＩＭＡＸが更新されず、初期値１００ｍＡを持続する場合、破線で示すように電池電圧ＶＢＡＴの充電速度は遅くなる。これに対して充電回路１００では、ホストアダプタ１０２が、ＤＣＰあるいはＣＤＰである場合、システム全体がシャットダウンしていても、電流制限値ＩＭＡＸは、初期値の１００ｍＡから、より大きな値、たとえば１５００ｍＡに高められる。その結果、充電部６４による急速充電が可能となり、電池電圧ＶＢＡＴが短時間でシステムの起動可能電圧（ＶＵＶＬＯ＿ＢＡＴ）に達する（時刻ｔ２）。

その後、起動管理ＩＣ７が起動の契機となるイベント（たとえば電子機器１の電源オン）を検出すると、システムが起動し、時刻ｔ３にシステムの起動が完了すると、マイコン４が動作可能になる。

上述のようにレジスタ６６に格納されるデータは、マイコン４から参照可能となっている。したがってマイコン４は、ＵＳＢポートに接続されるホストアダプタ１０２の種類を知ることができる。マイコン４は、ホストアダプタ１０２がＳＤＰである場合には、ＵＳＢトランシーバ９に対して、ホストアダプタ１０２との通信を指示する。これにより、ホストアダプタ１０２のバージョンが、ＵＳＢ１．２、ＵＳＢ２．０、ＵＳＢ３．０のいずれであるかを判定できる。ＳＤＰの場合、ＵＳＢ１．２、ＵＳＢ２．０、ＵＳＢ３．０それぞれで、電流制限値ＩＭＡＸは、１００ｍＡ、５００ｍＡ、９００ｍＡと規定される。マイコン４は、ＵＳＢのバージョンに応じた電流制限値ＩＵＳＳＥＴ［１：０］をレジスタ６６に書き込むことができる。

また、充電回路１００は以下の利点も有する。
もしＤＣ／ＤＣコンバータ３０を省略して、入力電圧ＶＩＮがリニアチャージャ５０に供給されるとする。この場合、ＶＩＮ＝５Ｖ、ＶＢＡＴ＝４．２Ｖとすれば、出力トランジスタＭ３において０．８Ｖもの電圧降下が発生し、電力損失が大きくなる。これに対して、充電回路１００によれば、第１直流電圧ＶＤＣ、第２直流電圧ＶＵＳＢのいずれが供給される場合であっても、それをシステム電圧ＶＳＹＳに降圧して、リニアチャージャ５０に供給するため、高効率で電池２を充電することができる。具体的には、ＶＩＮ＝５Ｖ、ＶＳＹＳ＝４．３Ｖとすれば、出力トランジスタＭ３の電圧降下は０．１Ｖとなり、電力損失を低減することができる。

さらに、図３に示すように、電池電圧ＶＢＡＴがしきい値電圧Ｖｘより高い領域では、システム電圧ＶＳＹＳを電池電圧ＶＢＡＴに追従させることにより、出力トランジスタＭ３の電圧降下を、電圧幅ΔＶに保つことができる。その結果、電池２を高効率で充電することができる。

充電回路１００の別の利点は、比較技術との対比によって明確となる。比較技術においては、リニアチャージャ５０を省略し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって直接電池２を充電する。比較技術では、出力トランジスタＭ３における電力損失が存在しないため、効率の観点で優れている。ところが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力であるシステム電圧ＶＳＹＳが電池電圧ＶＢＡＴと等しくなるため、電池電圧ＶＢＡＴが非常に低い状況（たとえば１．５Ｖ）において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が生成するシステム電圧ＶＳＹＳも低くなる。つまり、高効率充電と引き換えに、負荷に十分な電源電圧を供給できなくなる。

これに対して、実施の形態に係る充電回路１００では、電池電圧ＶＢＡＴがしきい値Ｖｘより低い領域においては、システム電圧ＶＳＹＳを（Ｖｘ＋ΔＶ）に安定化する。これにより、電池２を充電しつつも、負荷に十分な電源電圧を供給することができる。

以上、本発明のある態様について、第１の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、充電部６４を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とリニアチャージャ５０で構成したが、本発明はそれに限定されない。たとえばリニアチャージャ５０を省略してＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって直接電池２を充電してもよい。この場合、システム電圧ＶＳＹＳを負荷に供給できなくなるが、電池２を急速充電可能という利点は享受できる。
またＤＣ／ＤＣコンバータ３０を省略して、リニアチャージャ５０はバス電圧ＶＢＵＳにもとづいて電池２を充電してもよい。この場合、効率は悪化するが、電池２を急速充電可能という利点は享受できる。

（第２の実施の形態）
続いて、第２の実施の形態に係る充電回路１００を説明する。第２の実施の形態では、ホストアダプタ１０２の電流容量がその仕様よりも小さい場合においても、電池２を確実に充電する技術が提供される。第２の実施の形態に係る充電回路１００は、図２の充電回路１００と同様に構成され、第１の実施の形態の特徴も有している。

上述のように、ＵＶＬＯ回路１８は、バス電圧ＶＢＵＳを所定の下限しきい値電圧ＶＵＶＬＯと比較する。ＵＶＬＯ回路１８は、バス電圧ＶＢＵＳが下限しきい値電圧ＶＵＶＬＯを下回るとアサートされる低電圧検出信号Ｓ２を生成する。つまり低電圧検出信号Ｓ２は、ホストアダプタ１０２の電流容量が小さいときに、バス電圧ＶＢＵＳがドロップしたことを検出する。ホストアダプタ１０２の電流容量不足に起因するバス電圧ＶＢＵＳのドロップの検出は、ＵＶＬＯ回路１８とは別に設けられたコンパレータによって検出してもよい。コントロールロジック６２は、低電圧検出信号Ｓ２がアサートされると、レジスタ６６のデータＵＶＬＯ＿ＤＥＴに、電圧ドロップが発生したことを示す値"１"を格納する。低電圧検出信号Ｓ２がアサートされないときには、データＵＶＬＯ＿ＤＥＴには"０"が格納される。

本実施の形態において、レジスタ６６には、現在の電流制限値を示すデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］に加えて、直前の電流制限値を示すデータＬＡＳＴ＿ＩＵＳＳＥＴ［１：０］が格納される。

充電回路１００は、低電圧検出信号Ｓ２がアサートされると、一旦リセットされ、再起動される。充電回路１００の各ブロックは、再起動後に、予め定められた所定のシーケンスを実行する。つまりＵＳＢチャージャ検出器６０は、低電圧検出信号Ｓ２がアサートされるたびに、ホストアダプタ１０２の種類を再判定することになる。ただし、レギュレータ３８のみは動作状態を持続し、したがって電圧ＶＲＥＧはもとの電圧レベルを維持し続け、レジスタ６６に格納されるデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］、ＬＡＳＴ＿ＩＵＳＳＥＴ［１：０］、ＵＳＢＣＨＧＤＥＴ［２：０］、ＵＶＬＯ＿ＤＥＴは再起動後も維持される。

再起動後におけるデータＵＶＬＯ＿ＤＥＴが"１"であることは、再起動前において、入力電流の超過によるバス電圧ＶＢＵＳのドロップが発生したことを示す。このときコントロールロジック６２は、レジスタ６６のデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］を、データＬＡＳＴ＿ＩＵＳＳＥＴ［１：０］が示す直前の電流制限値よりも低い新たな電流制限値に更新する。

本実施の形態では、制限電流値ＩＭＡＸは、１００ｍＡ、５００ｍＡ、９００ｍＡ、１５００ｍＡの４ステップで切換可能となっている。コントロールロジック６２は、低電圧検出信号Ｓ２がアサートされると、レジスタ６６のデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］に、ＬＡＳＴ＿ＩＵＳＳＥＴ［１：０］−１を格納する。これにより、新たな電流制限値ＩＭＡＸは、直前の電流制限値ＩＭＡＸよりも１段階低い値に更新される。

ホストアダプタ１０２の電流容量が仕様より小さい場合、レジスタ６６に格納される電流制限値は徐々に低下していく。ホストアダプタの種類に応じた初期状態の電流制限値ＩＭＡＸが、電流制限値ＩＭＡＸの最小値（１００ｍＡ）より高い場合、つまり、コントロールロジック６２がＤＣＰあるいはＣＤＰである場合に、レジスタ６６に格納されるデータＩＵＳＳＥＴ［１：０］が最小値１００ｍＡまで低下すると、そしてコントロールロジック６２は、ホストアダプタ１０２にもとづく充電を停止する。ＤＣＰあるいはＣＤＰのホストアダプタ１０２であるにもかかわらず、その電流容量が１００ｍＡ程度である場合は、故障あるいは不良が疑われるため、充電を停止することにより、充電回路１００やその他の部品が保護される。

以上が第２の実施の形態に係る充電回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。図６は、第２の実施の形態に係る充電回路１００の動作を示すタイムチャートである。時刻ｔ０に、電子機器１にホストアダプタ１０２が接続されると、バス電圧ＶＢＵＳが供給され、ＶＩＮ端子の電圧が上昇する。またレギュレータ３８によって電圧ＶＲＥＧが生成される。

時刻ｔ１にはＵＳＢチャージャ検出器６０がホストアダプタ１０２の種類の判定を開始する。判定期間中は、レジスタ６６のデータＩＵＳＳＥＴ[１：０]は初期値の００ｈに設定される。また入力電圧ＶＩＮが所定レベルに上昇した後、コントロールロジック６２は時刻ｔ２にＤＣＤＣ＿ＣＴＲＬ信号をアサートし、ＰＷＭコントローラ３２が動作を開始する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が昇圧動作を開始すると、システム電圧ＶＳＹＳが上昇し、それとともに入力電流ＩＶＢＵＳが流れ始める。このとき入力電流ＩＶＢＵＳは、電流制限値ＩＭＡＸの初期値１００ｍＡに制限される。時刻ｔ３にＵＳＢチャージャ検出器６０によってホストアダプタ１０２の種類が判定される。ホストアダプタ１０２がＤＣＰあるいはＣＤＰであるとき、レジスタ６６のデータＩＵＳＳＥＴ[１：０]は１５００ｍＡに対応する０３ｈとなる。あわせてデータＬＡＳＴ＿ＩＵＳＳＥＴ［１：０］にも０３ｈが書き込まれる。

そうすると入力電流ＩＶＢＵＳの制限値が１５００ｍＡとなり、入力電流ＩＶＢＵＳが増大する。このとき、ホストアダプタ１０２の電流容量が１５００ｍＡよりも小さいと、バス電圧ＶＢＵＳがドロップする。バス電圧ＶＢＵＳがしきい値電圧ＶＵＶＬＯ以下にドロップすると、低電圧検出信号Ｓ２がアサートされ、充電回路１００が一旦リセットされる。レジスタ６６のＵＶＬＯ＿ＤＥＴには１が格納される。

充電回路１００がリセットされるとＤＣＤＣ＿ＣＴＲＬ信号がネゲートされ、ＰＷＭコントローラ３２が停止し、入力電流ＩＶＢＵＳはゼロとなる。するとバス電圧ＶＢＵＳはもとのレベルに戻り、低電圧検出信号Ｓ２は再びネゲートされる（時刻ｔ４）。

低電圧検出信号Ｓ２がネゲートされると、充電回路１００の起動シーケンスが開始する。すなわち、コントロールロジック６２は、ＵＳＢチャージャ検出器６０に、ホストアダプタ１０２の種類の再判定を指示する。また所定時間経過後の時刻ｔ５にコントロールロジック６２がＤＣＤＣ＿ＣＴＲＬ信号をアサートすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の昇圧動作が開始し、入力電流ＩＶＢＵＳが流れ始める。このときＵＳＢチャージャ検出器６０は判定中であるため、入力電流ＩＶＢＵＳの制限値は１００ｍＡである。

時刻ｔ６にＵＳＢチャージャ検出器６０によりホストアダプタ１０２の種類が判定される。判定された種類がＤＣＰあるいはＣＤＰである場合、レジスタ６６のデータＵＶＬＯ＿ＤＥＴが１であれば、今回の電流制限値ＩＭＡＸは、前回の電流制限値１５００ｍＡより１段階小さい９００ｍＡに設定される。これは、ＩＵＳＳＥＴ［１：０］にＬＡＳＴ＿ＩＵＳＳＥＴ［１：０］−１＝０２ｈを格納することで実現される。

電流制限値の更新により、入力電流ＩＶＢＵＳが９００ｍＡまで増大する。このとき、ホストアダプタ１０２の電流容量が９００ｍＡ以上であれば、それ以降、バス電圧ＶＢＵＳの大きなドロップは生じなくなり、安定して電池２を充電することができる。

もし、ホストアダプタ１０２の電流容量が９００ｍＡよりも小さければ、同じシーケンスを繰り返し、電流制限値が５００ｍＡに低減される。５００ｍＡでもバス電圧ＶＢＵＳが低下する場合、充電回路１００は充電を停止する。

このように、第２の実施の形態に係る充電回路１００によれば、仕様よりも電流容量が小さいホストアダプタが接続された場合に、充電とシャットダウンを繰り返すループを抑制でき、可能な限り大きな入力電流で、電池を安定かつ継続的に充電することができる。

以上、本発明のある態様について、第２の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

第２の実施の形態の電流制限値の更新の技術は、第１の実施の形態とは別の技術、たとえば図１の充電回路１００ｒと組み合わせてもよい。

また第２の実施の形態においても、充電部６４の構成は限定されず、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のみ、あるいはリニアチャージャ５０のみとしてもよい。

第１、第２の実施の形態では、充電回路１００が電子機器に内蔵される場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。たとえば充電回路１００は、電池が内蔵される電子機器とは別の筐体にパッケージングされたＵＳＢ充電器に搭載されてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…電子機器、２…電池、４…マイコン、５…システム電源、６…ＵＳＢチャージャ検出ＩＣ、７…起動管理ＩＣ、１００…充電回路、１０２…ホストアダプタ、１４…ＯＶＰ回路、１８…ＵＶＬＯ回路、３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３２…ＰＷＭコントローラ、３４…入力電流制限回路、３６…バックゲートコントローラ、５０…リニアチャージャ、６０…ＵＳＢチャージャ検出器、６２…コントロールロジック、６４…充電部、６６…レジスタ、６８…インタフェース回路。

Claims (9)

1. ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからの直流電圧を受けるＵＳＢポートと、
   前記ホストアダプタの種類に応じて設定される電流制限値を示すデータを格納するレジスタと、
   前記直流電圧にもとづいて定電流モードまたは定電圧モードで電池を充電する充電部であって、その入力電流が、前記レジスタに格納されるデータが示す電流制限値以下に制限されるように構成された充電部と、
   前記直流電圧を所定の下限しきい値電圧と比較し、前記直流電圧が前記下限しきい値電圧を下回るとアサートされる低電圧検出信号を生成する低電圧検出回路と、
   前記低電圧検出信号がアサートされると、前記レジスタのデータを、直前の電流制限値より低い電流制限値に更新するロジック回路と、
   を備え、
   前記ロジック回路は、前記低電圧検出信号がアサートされるたびに、前記レジスタのデータを、直前の電流制限値よりも１段階低い電流制限値に更新することを特徴とする充電回路。
2. 前記ホストアダプタの種類に応じて設定される初期状態の電流制限値が、前記電流制限値の最小値より高い場合に、前記レジスタに格納されるデータが、前記最小値まで低下すると、前記ホストアダプタにもとづく充電を停止することを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
3. ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからの直流電圧を受けるＵＳＢポートと、
   前記ホストアダプタの種類に応じて設定される電流制限値を示すデータを格納するレジスタと、
   前記直流電圧にもとづいて定電流モードまたは定電圧モードで電池を充電する充電部であって、その入力電流が、前記レジスタに格納されるデータが示す電流制限値以下に制限されるように構成された充電部と、
   前記直流電圧を所定の下限しきい値電圧と比較し、前記直流電圧が前記下限しきい値電圧を下回るとアサートされる低電圧検出信号を生成する低電圧検出回路と、
   前記低電圧検出信号がアサートされると、前記レジスタのデータを、直前の電流制限値より低い電流制限値に更新するロジック回路と、
   を備え、
   前記ホストアダプタの種類に応じて設定される初期状態の電流制限値が、前記電流制限値の最小値より高い場合に、前記レジスタに格納されるデータが、前記最小値まで低下すると、前記ホストアダプタにもとづく充電を停止することを特徴とする充電回路。
4. 前記ＵＳＢポートにホストアダプタが接続されると、前記ＵＳＢポートの電気的状態にもとづき前記ホストアダプタの種類を判定し、前記レジスタに前記ホストアダプタの種類に応じて設定される電流制限値を示すデータを格納するＵＳＢチャージャ検出器をさらに備え、ひとつの半導体チップに一体集積化されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の充電回路。
5. 前記ＵＳＢチャージャ検出器は、前記低電圧検出信号がアサートされるたびに、前記ホストアダプタの種類を再判定することを特徴とする請求項４に記載の充電回路。
6. ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ホストアダプタからの直流電圧を受けるＵＳＢポートと、
   前記ホストアダプタの種類に応じて設定される電流制限値を示すデータを格納するレジスタと、
   前記直流電圧にもとづいて定電流モードまたは定電圧モードで電池を充電する充電部であって、その入力電流が、前記レジスタに格納されるデータが示す電流制限値以下に制限されるように構成された充電部と、
   前記直流電圧を所定の下限しきい値電圧と比較し、前記直流電圧が前記下限しきい値電圧を下回るとアサートされる低電圧検出信号を生成する低電圧検出回路と、
   前記低電圧検出信号がアサートされると、前記レジスタのデータを、直前の電流制限値より低い電流制限値に更新するロジック回路と、
   前記ＵＳＢポートにホストアダプタが接続されると、前記ＵＳＢポートの電気的状態にもとづき前記ホストアダプタの種類を判定し、前記レジスタに前記ホストアダプタの種類に応じて設定される電流制限値を示すデータを格納するＵＳＢチャージャ検出器と、
   を備え、ひとつの半導体チップに一体集積化され、
   前記ＵＳＢチャージャ検出器は、前記低電圧検出信号がアサートされるたびに、前記ホストアダプタの種類を再判定することを特徴とする充電回路。
7. 前記レジスタは、前記ホストアダプタの種類を示すデータを格納することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の充電回路。
8. 前記レジスタに格納されるデータに、外部のプロセッサがアクセスするためのインタフェース回路をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の充電回路。
9. 電池と、
   前記電池を充電する請求項１から８のいずれかに記載の充電回路と、
   を備えることを特徴とする電子機器。

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