JP2006203369A - 電圧−周波数変換装置、電圧−周波数変換装置の基準電圧発生方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】周期的なデジタルノイズが外乱要因となる場合であっても、良好な電圧−周波数変換精度を保持する。
【解決手段】コンデンサが充電を行うための可変電流源と、前記コンデンサが充電を行うための前記可変電流源の電流量を、第1電圧及び第2電圧の差電圧に応じた電流量に調整する電流量調整部と、前記コンデンサの一端側に発生する充電電圧と基準電圧との大小を比較する比較部と、前記充電電圧が前記基準電圧を超えたときの前記比較部の比較結果に応じて、前記コンデンサの充電電圧を放電させる放電部と、を有し、前記比較部から前記第1電圧及び前記第2電圧の差電圧に応じた周波数信号を得る電圧−周波数変換装置であって、前記基準電圧を変動させる基準電圧変動部、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】コンデンサが充電を行うための可変電流源と、前記コンデンサが充電を行うための前記可変電流源の電流量を、第1電圧及び第2電圧の差電圧に応じた電流量に調整する電流量調整部と、前記コンデンサの一端側に発生する充電電圧と基準電圧との大小を比較する比較部と、前記充電電圧が前記基準電圧を超えたときの前記比較部の比較結果に応じて、前記コンデンサの充電電圧を放電させる放電部と、を有し、前記比較部から前記第1電圧及び前記第2電圧の差電圧に応じた周波数信号を得る電圧−周波数変換装置であって、前記基準電圧を変動させる基準電圧変動部、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、例えば二次電池に充電されている残量電圧を検出するために好適である、電圧−周波数変換装置、電圧−周波数変換装置の基準電圧発生方法に関する。
===従来の電圧−周波数変換装置の構成===
<<<全体構成>>>
図3を参照しつつ、従来の電圧−周波数変換装置の一構成例について説明する。図3は、従来の電圧−周波数変換装置の一構成例を示す回路ブロック図である。
<<<全体構成>>>
図3を参照しつつ、従来の電圧−周波数変換装置の一構成例について説明する。図3は、従来の電圧−周波数変換装置の一構成例を示す回路ブロック図である。
図3に示す電圧−周波数変換装置100は、誤差増幅器102、可変電流源104、基準電圧源106、コンパレータ108、コンデンサ110、スイッチ素子112、制御ロジック回路114を有するものである。
誤差増幅器102は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)が印加され、当該電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電位(誤差)に応じた出力電圧を発生するものである。即ち、誤差増幅器102は、当該電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差が大きい程、大きい出力電圧を発生する。
可変電流源104から発生する電流量は、誤差増幅器102の出力電圧に応じて制御される。即ち、可変電流源104は、誤差増幅器102の出力電圧が大きい程、大きい電流を発生する。可変電流源104及びコンデンサ110は、電源VDDと接地との間に直列接続されており、コンデンサ110は、可変電流源104から発生する電流を充電することとなる。即ち、コンデンサ110は、可変電流源104から発生する電流が大きい程、急速な充電を行うことが可能となり、一方、可変電流源104から発生する電流が小さい程、低速な充電を行うことが可能となる。
コンパレータ108は、コンデンサ110の非接地側の一端に現れる充電電圧と、基準電圧源106から発生する一定の基準電圧VREFとを比較するものである。図3においては、コンパレータ108の+(非反転入力)端子にはコンデンサ110の充電電圧が印加され、コンパレータ108の−(反転入力)端子には基準電圧VREFが印加されている。そのため、コンパレータ108は、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFより小さい場合にはローレベルを出力し、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFを超えた場合にはハイレベルを出力する。即ち、コンパレータ108は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧に応じた周波数信号を出力することとなる。
スイッチ素子112は、コンデンサ110と並列接続されている。尚、スイッチ素子112としては、バイポーラトランジスタやMOSFET等を採用することができる。
制御ロジック回路114は、コンパレータ108の出力と接続されており、スイッチ素子112のオンオフを制御するものである。即ち、制御ロジック回路114は、コンパレータ108の出力がハイレベルとなってからの一定期間、スイッチ素子112をオンする。この一定期間、コンデンサ110は、スイッチ素子112を介して放電を行うこととなる。
===従来の電圧−周波数変換装置の動作===
図3及び図6を参照しつつ、電圧−周波数変換装置100の動作について説明する。図6は、電圧−周波数変換装置100において、コンデンサ110の一端に現れる充電電圧と、コンパレータ108から出力される周波数信号との関係を示す波形図である。尚、コンデンサ110の充電電圧が上昇する度合い(傾斜)は、可変電流源104から供給される電流の大きさに応じて異なる。即ち、コンデンサ110の充電電圧が上昇する際の傾斜は、可変電流源104から供給される電流が小さくなる程、破線→実線→一点鎖線へと緩やかとなる方向へ変化することとなる。周波数信号A、B、Cは、破線、実線、一点鎖線の充電電圧に1対1に対応して発生する信号である。
図3及び図6を参照しつつ、電圧−周波数変換装置100の動作について説明する。図6は、電圧−周波数変換装置100において、コンデンサ110の一端に現れる充電電圧と、コンパレータ108から出力される周波数信号との関係を示す波形図である。尚、コンデンサ110の充電電圧が上昇する度合い(傾斜)は、可変電流源104から供給される電流の大きさに応じて異なる。即ち、コンデンサ110の充電電圧が上昇する際の傾斜は、可変電流源104から供給される電流が小さくなる程、破線→実線→一点鎖線へと緩やかとなる方向へ変化することとなる。周波数信号A、B、Cは、破線、実線、一点鎖線の充電電圧に1対1に対応して発生する信号である。
先ず、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧がVAである場合、可変電流源104は電流IAを発生し、コンデンサ110は当該電流IAが供給されて破線の如く充電を行う。尚、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFより小さい状態の場合、コンパレータ108の出力はローレベルである。その後、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFを超えた場合、コンパレータ108の出力はハイレベルとなる。制御ロジック回路114は、コンパレータ108の出力がハイレベルとなってからの一定期間、スイッチ素子112をオンする。即ち、コンデンサ110のための放電経路が形成される。従って、コンデンサ110はスイッチ素子112を介して破線の如く直ちに放電を行う。尚、制御ロジック回路114がスイッチ素子112をオンする一定期間は、コンデンサ110が放電を完了するために要する期間であって、コンデンサ110の容量等を考慮して制御ロジック回路114内に予め定められるものである。そして、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFより小さくなった場合、コンパレータ108の出力は再びローレベルとなる。従って、コンパレータ108は、破線の充電電圧に対して周波数信号Aを出力する。
次に、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧がVB(<VA)となった場合、可変電流源104は電流IB(<IA)を発生し、コンデンサ110は当該電流IBが供給されて実線の如く充電を行う。尚、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFより小さい状態の場合、コンパレータ108の出力はローレベルである。その後、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFを超えた場合、コンパレータ108の出力はハイレベルとなる。制御ロジック回路114は、コンパレータ108の出力がハイレベルとなってからの一定期間、スイッチ素子112をオンする。従って、コンデンサ110はスイッチ素子112を介して実線の如く直ちに放電を行う。そして、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFより小さくなった場合、コンパレータ108の出力は再びローレベルとなる。従って、コンパレータ108は、実線の充電電圧に対して周波数信号Bを出力する。
次に、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧がVC(<VB)となった場合、可変電流源104は電流IC(<IB)を発生し、コンデンサ110は当該電流ICが供給されて一点鎖線の如く充電を行う。尚、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFより小さい状態の場合、コンパレータ108の出力はローレベルである。その後、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFを超えた場合、コンパレータ108の出力はハイレベルとなる。制御ロジック回路114は、コンパレータ108の出力がハイレベルとなってからの一定期間、スイッチ素子112をオンする。従って、コンデンサ110はスイッチ素子112を介して一点鎖線の如く直ちに放電を行う。そして、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREFより小さくなった場合、コンパレータ108の出力は再びローレベルとなる。従って、コンパレータ108は、一点鎖線の充電電圧に対して周波数信号Cを出力する。
以上より、電圧−周波数変換装置100は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧を、当該差電圧に対応する周波数信号に変換することとなる。
===電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の適用例===
電圧−周波数変換装置100は、例えば二次電池に充電されている残量電圧等を求めるための装置として採用することができる。
電圧−周波数変換装置100は、例えば二次電池に充電されている残量電圧等を求めるための装置として採用することができる。
図4は、二次電池を内蔵するバッテリーパックを示す概略構成図である。図4において、バッテリーパック200は、二次電池201、検出抵抗202、マイクロコンピュータ203(又はロジック集積回路でもよい)等を内蔵している。二次電池201及び検出抵抗202は、二次電池201を電源として用いる電子機器と電気接続される+端子と−端子との間に直列接続される。二次電池201が充電又は放電を行うことによって、検出抵抗202はその両端に電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)を発生することとなる。例えば、バッテリーパック200が電子機器に装着された場合、二次電池201は当該電子機器に電源を与えるために放電を行い、検出抵抗202のa方向(紙面上方向)に向かって放電電流が流れる。即ち、二次電池201が放電を行う場合、電圧VIN(+)は電圧VIN(−)より低くなる。更に、二次電池201の放電量が少ない程、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧は大きくなる。一方、バッテリーパック200が充電器(不図示)に装着された場合、二次電池201は充電を行い、検出抵抗202のb方向(紙面下方向)に向かって充電電流が流れる。即ち、二次電池201が充電を行う場合、電圧VIN(+)は電圧VIN(−)より高くなる。更に、二次電池201の充電量が多い程、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧は大きくなる。
上記の電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)は、二次電池201が放電を行っている際の残量電圧や、二次電池201が充電を行っている際の充電電圧を求めるための基となる電圧情報として、マイクロコンピュータ203に供給される。マイクロコンピュータ203は、電圧−周波数変換装置100を内蔵している。そして、マイクロコンピュータ203は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の大小と、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧と、を考慮した周波数信号を得ることができる。更に、マイクロコンピュータ203は、得られた周波数信号に対して適宜のプログラム処理を実行し、二次電池201が電子機器に装着されている際の残量電圧や当該残量電圧の使用可能時間、充電中の充電電圧等を算出することができる。
特開2002−107428
図5は、電圧−周波数変換装置の入出力特性を示す特性図である。尚、図5において、横軸は誤差増幅器102に入力される電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧[V]を示し、縦軸はコンパレータ108から出力される周波数信号[Hz]を示している。そして、上記の電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧と周波数信号とは、理想的には実線の如く比例関係を有することとなる。
ところで、マイクロコンピュータ203(又はロジック集積回路)は、自走又は他走のクロック信号に同期して演算動作を実行するものである。また、図4の場合、電圧−周波数変換装置100は、上記の如くマイクロコンピュータ203に内蔵されて動作するものである。そのため、電圧−周波数変換装置100内のコンパレータ108の出力である周波数信号の周波数と、マイクロコンピュータ203で使用するクロック信号の周波数とが所定の関係を有した場合、前者の周波数信号は後者のクロック信号からの干渉(デジタルノイズ)を受けることとなる。上記の所定の関係としては、例えば、前者の周波数信号の周波数が後者のクロック信号の周波数の整数倍となる場合等が挙げられる。これは、周波数信号の周波数がコンデンサ110の充電電圧に応じて一義的な一定周波数となることに起因する。前者の周波数信号が後者のクロック信号からの干渉を受けた場合、コンパレータ108が出力する周波数信号の周波数は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧の変化に応答せずに一定となってしまう。即ち、電圧−周波数変換装置100は、クロック信号からの干渉を受けることによって、周波数信号の変化が抑制される不感帯を有してしまうこととなる。この結果、電圧−周波数変換装置100の実際の入出力特性は、一点鎖線に示す如く、本来あるべき実線の入出力特性から外れたものとなってしまう問題があった。
尚、電圧−周波数変換装置100がクロック信号と干渉する問題は、当該電圧−周波数変換装置100がマイクロコンピュータ203やロジック集積回路等に内蔵されている場合に限って発生するものではない。例えば、電圧−周波数変換装置100と、所定周波数のクロック信号を用いる回路等(集積回路、ディスクリート回路)とが各々独立して設けられている場合であっても、クロック信号が電圧−周波数変換装置100に対して外乱要因となる設計環境であるならば、上記の干渉問題は発生し得る。
そして、電圧−周波数変換装置100の入出力特性が図5の一点鎖線の如くなった場合、マイクロコンピュータ203は、例えばバッテリーパック200が電子機器に装着された場合の二次電池201の残量電圧として、本来の残量電圧よりも多い残量電圧を求めてしまうこととなる。この場合、マイクロコンピュータ203が二次電池201の残量電圧を電子機器内のディスプレイ等に表示させたとしても、二次電池201の残量電圧があたかも十分残存しているような表示状態から、二次電池201の残量電圧がいきなりゼロとなって電子機器がシャットダウンすることがあり、使用者に多大な迷惑をかける問題があった。
そこで、本発明は、周期的なデジタルノイズが外乱要因となる場合であっても、良好な電圧−周波数変換精度を保持できる電圧−周波数変換装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための発明は、コンデンサが充電を行うための可変電流源と、前記コンデンサが充電を行うための前記可変電流源の電流量を、第1電圧及び第2電圧の電位差に応じた電流量に調整する電流量調整部と、前記コンデンサの一端側に発生する充電電圧と基準電圧との大小を比較する比較部と、前記充電電圧が前記基準電圧を超えたときの前記比較部の比較結果に応じて、前記コンデンサの充電電圧を放電させる放電部と、を有し、前記比較部から前記第1電圧及び前記第2電圧の差電圧に応じた周波数信号を得る電圧−周波数変換装置であって、前記基準電圧を変動させる基準電圧変動部、を備えたことを特徴とする。
また、コンデンサが充電を行うための可変電流源と、前記コンデンサが充電を行うための前記可変電流源の電流量を、第1電圧及び第2電圧の電位差に応じた電流量に調整する電流量調整部と、前記コンデンサの一端側に発生する充電電圧と基準電圧との大小を比較する比較部と、前記充電電圧が前記基準電圧を超えたときの前記比較部の比較結果に応じて、前記コンデンサの充電電圧を放電させる放電部と、を有し、前記比較部から前記第1電圧及び前記第2電圧の差電圧に応じた周波数信号を得る電圧−周波数変換装置の基準電圧発生方法であって、前記基準電圧を予め定められた電圧の範囲内で周期的に変動させる、ことを特徴とする。
本発明によれば、電圧−周波数の変換精度を向上させることが可能となる。
本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。
===電圧−周波数変換装置の構成===
<<<全体構成>>>
図1を参照しつつ、本発明にかかる電圧−周波数変換装置の一構成例について説明する。図1は、本発明にかかる電圧−周波数変換装置の一構成例を示す回路ブロック図である。尚、図1の構成の中で図3と同一の構成については、同一番号を記すとともに説明を省略することとする。
<<<全体構成>>>
図1を参照しつつ、本発明にかかる電圧−周波数変換装置の一構成例について説明する。図1は、本発明にかかる電圧−周波数変換装置の一構成例を示す回路ブロック図である。尚、図1の構成の中で図3と同一の構成については、同一番号を記すとともに説明を省略することとする。
図1に示す電圧−周波数変換装置300は、誤差増幅器102(電流量調整部)、可変電流源104、基準電圧変動部302、コンパレータ108(比較部)、コンデンサ110、スイッチ素子112、制御ロジック回路114を有するものである。図1の構成が図3の構成と異なるのは、一定の基準電圧VREFを発生する基準電圧源106に代えて、一定周期ごとに変動を繰り返す基準電圧VREF′を発生する基準電圧変動部302を備えたことである。尚、スイッチ素子112及び制御ロジック回路114は本発明の放電部に相当する。
コンパレータ108は、コンデンサ110の非接地側の一端に現れる充電電圧と、基準電圧変動部302から発生する所謂一定周期ごとに変動を繰り返す基準電圧VREF′とを比較することとなる。図1においては、コンパレータ108の+(非反転入力)端子にはコンデンサ110の充電電圧が印加され、コンパレータ108の−(反転入力)端子には基準電圧VREF′が印加されている。そのため、コンパレータ108は、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREF′より小さい場合にはローレベルを出力し、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREF′を超えた場合にはハイレベルを出力する。即ち、コンパレータ108は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧と基準電圧VREF′とに応じた周波数信号を出力することとなる。
<<<基準電圧変動部の構成>>>
基準電圧変動部302は、第1基準電圧源304、第2基準電圧源306、第1コンデンサ308、第2コンデンサ310、第1スイッチ素子312(TG1)、第2スイッチ素子314(TG2)、第3スイッチ素子316(TG3)、タイミング制御回路318を有する。ここで、第1基準電圧源304は電圧V1を発生するものである。第2基準電圧源306は電圧V2(<電圧V1)を発生するものである。第1コンデンサ308の容量値は第2コンデンサ310の容量値より大きく設定されている。第1スイッチ素子312は、電圧V1が発生する第1基準電圧源304の非接地側の一端と、充放電電圧が発生する第2コンデンサ310の非接地側の一端との間に接続される。第2スイッチ素子314は、電圧V2が発生する第2基準電圧源306の非接地側の一端と、第2コンデンサ310の非接地側の一端との間に接続される。第3スイッチ素子316は、充放電電圧が発生する第1コンデンサ308の非接地側の一端と、第2コンデンサ310の非接地側の一端との間に接続される。そして、第1コンデンサ308の非接地側の一端に発生する充放電電圧が、基準電圧VREF′としてコンパレータ108の−端子に印加されることとなる。タイミング制御回路318は、第1コンデンサ308の一端に発生する充放電電圧が電圧V1及び電圧V2の間で周期的に変化するように、第1スイッチ素子312、第2スイッチ素子314、第3スイッチ素子316をスイッチング制御するものである。特に、スイッチ制御回路318は、マイクロコンピュータ203から供給されるクロック信号に基づいて、第1スイッチ素子312、第2スイッチ素子314、第3スイッチ素子316を各々予め定められたタイミングでオンオフするための制御信号を発生可能とするハードウエアロジックが予め内部に形成されているものとする。そして、タイミング制御回路318によるタイミング制御に従って、第1スイッチ素子312及び第2スイッチ素子314は第1周期T1において相補的にオンオフし、第3スイッチ素子316は第2周期T2(<第1周期T1)においてオンオフする。尚、これらの第1乃至第3スイッチ素子312、314、316としては、バイポーラトランジスタやMOSFET等を採用することができる。
基準電圧変動部302は、第1基準電圧源304、第2基準電圧源306、第1コンデンサ308、第2コンデンサ310、第1スイッチ素子312(TG1)、第2スイッチ素子314(TG2)、第3スイッチ素子316(TG3)、タイミング制御回路318を有する。ここで、第1基準電圧源304は電圧V1を発生するものである。第2基準電圧源306は電圧V2(<電圧V1)を発生するものである。第1コンデンサ308の容量値は第2コンデンサ310の容量値より大きく設定されている。第1スイッチ素子312は、電圧V1が発生する第1基準電圧源304の非接地側の一端と、充放電電圧が発生する第2コンデンサ310の非接地側の一端との間に接続される。第2スイッチ素子314は、電圧V2が発生する第2基準電圧源306の非接地側の一端と、第2コンデンサ310の非接地側の一端との間に接続される。第3スイッチ素子316は、充放電電圧が発生する第1コンデンサ308の非接地側の一端と、第2コンデンサ310の非接地側の一端との間に接続される。そして、第1コンデンサ308の非接地側の一端に発生する充放電電圧が、基準電圧VREF′としてコンパレータ108の−端子に印加されることとなる。タイミング制御回路318は、第1コンデンサ308の一端に発生する充放電電圧が電圧V1及び電圧V2の間で周期的に変化するように、第1スイッチ素子312、第2スイッチ素子314、第3スイッチ素子316をスイッチング制御するものである。特に、スイッチ制御回路318は、マイクロコンピュータ203から供給されるクロック信号に基づいて、第1スイッチ素子312、第2スイッチ素子314、第3スイッチ素子316を各々予め定められたタイミングでオンオフするための制御信号を発生可能とするハードウエアロジックが予め内部に形成されているものとする。そして、タイミング制御回路318によるタイミング制御に従って、第1スイッチ素子312及び第2スイッチ素子314は第1周期T1において相補的にオンオフし、第3スイッチ素子316は第2周期T2(<第1周期T1)においてオンオフする。尚、これらの第1乃至第3スイッチ素子312、314、316としては、バイポーラトランジスタやMOSFET等を採用することができる。
第1スイッチ素子312及び第3スイッチ素子316は、第1コンデンサ308の一端に現れる基準電圧VREF′を電圧V2側から電圧V1側へ上昇させるための充電用の第1スイッチ回路として機能する。一方、第2スイッチ素子314及び第3スイッチ素子316は、第1コンデンサ308の一端に現れる基準電圧VREF′を電圧V1側から電圧V2側へ下降させるための放電用の第2スイッチ回路として機能する。
===電圧−周波数変換装置の動作===
<<<基準電圧変動部の動作>>>
図1及び図2を参照しつつ、基準電圧変動部302が周期的に変動する基準電圧VREF′を発生する動作について説明する。図2は、電圧−周波数変換装置の動作を示すタイムチャートである。尚、図2において、第1乃至第3スイッチ素子312、314、316を表すTG1乃至TG3のハイレベルは、第1乃至第3スイッチ素子312、314、316のオン状態を示しており、一方、TG1乃至TG3のローレベルは、第1乃至第3スイッチ素子312、314、316のオフ状態を示している。
<<<基準電圧変動部の動作>>>
図1及び図2を参照しつつ、基準電圧変動部302が周期的に変動する基準電圧VREF′を発生する動作について説明する。図2は、電圧−周波数変換装置の動作を示すタイムチャートである。尚、図2において、第1乃至第3スイッチ素子312、314、316を表すTG1乃至TG3のハイレベルは、第1乃至第3スイッチ素子312、314、316のオン状態を示しており、一方、TG1乃至TG3のローレベルは、第1乃至第3スイッチ素子312、314、316のオフ状態を示している。
先ず、基準電圧変動部302の定常状態において、第1スイッチ素子312がオフするとともに第2スイッチ素子314がオンした場合、第2コンデンサ310の非接地側の一端に発生する電圧は高い電圧V1から低い電圧V2へ変化する。そのため、第1スイッチ素子312がオフ且つ第2スイッチ素子314がオンしているT1/2期間において、第3スイッチ素子316が第2周期T2で繰り返しオンするごとに、第1コンデンサ308の充電電圧が第2コンデンサ310の容量値分ずつ当該第2コンデンサ310へ移動する。この結果、第1コンデンサ308の非接地側の一端に発生する基準電圧VREF′は、第3スイッチ素子316がオンするごとに、電圧V1側から電圧V2側へ階段状に下降することとなる。
次に、基準電圧変動部302の定常状態において、第1スイッチ素子312がオンするとともに第2スイッチ素子314がオフした場合、第2コンデンサ310の非接地側の一端に発生する電圧は低い電圧V2から高い電圧V1へ変化する。そのため、第1スイッチ素子312がオン且つ第2スイッチ素子314がオフしているT1/2期間において、第3スイッチ素子316が第2周期T2で繰り返しオンするごとに、第2コンデンサ310の充電電圧が当該第2コンデンサ310の容量値分ずつ第1コンデンサ308へ移動する。この結果、第1コンデンサ308の非接地側の一端に発生する基準電圧VREF′は、第3スイッチ素子316がオンするごとに、電圧V2側から電圧V1側へ階段状に上昇することとなる。
タイミング制御回路318による第1乃至第3スイッチ素子312、314、316のスイッチ制御に従って、第1コンデンサ308の非接地側の一端からは、電圧V1及び電圧V2の間で、第1周期T1単位で下降と上昇を繰り返す基準電圧VREF′が発生することとなる。つまり、基準電圧VREF′は基準電圧VREFとは異なり一定値ではなくなる。
尚、本実施形態において、第1周期T1と第2周期T2は「T1=8*T2」の関係を有することとして説明しているが、これに限られるものではない。第2周期T2は第1周期T1に比べて更に短い周期であってもよい。この場合、電圧V1及び電圧V2の間における基準電圧VREF′の階段状に変化する各期間は図2よりも短くなり、当該基準電圧VREF′の階段状に変化する各量(各レベル)は図2よりも少なくなる。即ち、基準電圧VREF′は、図2の場合と比べて更に頻繁に変動することとなる。
<<<全体動作>>>
図1及び図2を参照しつつ、本発明にかかる電圧−周波数変換装置の動作について説明する。尚、図2において、コンデンサ110の充電電圧が上昇する際の傾斜は、可変電流源104から供給される電流が小さくなる程、緩やかとなる方向へ変化することとなる。可変電流源104の電流量は電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧に応じて一義的に定まるものである。つまり、コンパレータ108から出力される周波数信号の周波数は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧に応じて一義的に定まることとなる。本実施形態では、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧が略一定である期間の動作について説明する。即ち、コンデンサ110の充電電圧が上昇する際の傾斜は略一定である。
図1及び図2を参照しつつ、本発明にかかる電圧−周波数変換装置の動作について説明する。尚、図2において、コンデンサ110の充電電圧が上昇する際の傾斜は、可変電流源104から供給される電流が小さくなる程、緩やかとなる方向へ変化することとなる。可変電流源104の電流量は電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧に応じて一義的に定まるものである。つまり、コンパレータ108から出力される周波数信号の周波数は、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧に応じて一義的に定まることとなる。本実施形態では、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧が略一定である期間の動作について説明する。即ち、コンデンサ110の充電電圧が上昇する際の傾斜は略一定である。
例えば、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧がVXである場合、可変電流源104は電流IXを発生し、コンデンサ110は当該電流IXが供給されて実線の如く充電を行う。尚、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREF′より小さい状態の場合、コンパレータ108の出力はローレベルである。その後、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREF′を超えた場合、コンパレータ108の出力はハイレベルとなる。制御ロジック回路114は、コンパレータ108の出力がハイレベルとなってからの一定期間、スイッチ素子112をオンする。即ち、コンデンサ110のための放電経路が形成される。従って、コンデンサ110はスイッチ素子112を介して直ちに実線の如く放電を行う。尚、制御ロジック回路114がスイッチ素子112をオンする一定期間は、コンデンサ110が放電を完了するために要する期間であって、コンデンサ110の容量等を考慮して制御ロジック回路114内に予め定められるものである。そして、コンデンサ110の充電電圧が基準電圧VREF′より小さくなった場合、コンパレータ108の出力は再びローレベルとなる。従って、コンパレータ108は、図2の周波数信号を出力する。
本実施形態では、基準電圧VREF′は電圧V1及び電圧V2の間で周期的に変化している。即ち、コンデンサ110の充電電圧の上昇する傾きが略一定である期間であっても、当該充電電圧の比較対象となる基準電圧VREF′のレベルが周期的に変化しているため、コンパレータ108から出力される周波数信号の周波数は略一定とはならずにばらつくこととなる。
そのため、電圧−周波数変換装置300を、図4に示すようなクロック信号を用いて動作するマイクロコンピュータ203やロジック集積回路に内蔵した場合であっても、コンパレータ108から出力される周波数信号の周波数がばらつくために、コンパレータ108から出力される周波数信号がクロック信号等の周期的なデジタルノイズの周波数と一定の関係(例えば周波数信号がクロック信号の整数倍等)となる可能性は極めて低くなることとなる。従って、コンパレータ108から出力される周波数信号はクロック信号等のデジタルノイズからの干渉を受けにくくなり、図5に示す不感帯を発生しにくくなる。これにより、本実施形態の電圧−周波数変換装置300における入出力特性は、図5に示すような本来あるべき実線の直線特性から一点鎖線の特性まで大きく逸脱することなく、実線の直線特性と略一致することとなる。
よって、本実施形態の電圧−周波数変換装置300を採用することにより、電圧−周波数の変換精度を向上させることが可能となる。特に、電圧−周波数変換装置300を図4に示すバッテリーパック200の二次電池201の残量電圧等を検出するために用いる場合、より正確な残量電圧等を求めることが可能となる。
尚、第1コンデンサ308と第2コンデンサ310の容量比を大きくする程、基準電圧VREF′が階段状に変化する各期間は短くなり、更に基準電圧VREF′が階段状に変化する各量(各レベル)は小さくなる。従って、こうすることにより、コンパレータ108から出力される周波数信号がクロック信号等の周期的なデジタルノイズからの干渉を受ける可能性を更に低減することができる。
ここで、電圧−周波数変換装置300を二次電池201の充放電状態の検出のために使用する場合、誤差増幅器102に印加される電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧がゼロとなったとき、可変電流源104からコンデンサ110へ供給される電流を所定の電流IO(>0)とすべく、誤差増幅器102と可変電流源104との関係を設定すればよい。例えば、電圧−周波数変換装置300を内蔵するバッテリーパック200が電子機器に装着され、当該電子機器に対して電源が与えられる場合、二次電池201は放電を行うこととなる。即ち、図4のa方向に放電電流が流れるため、電圧VIN(+)<電圧VIN(−)の関係が成立し、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧は大きくなる程に図5の横軸におけるVIN(+)=VIN(−)のポイントから右方向に移動し、コンパレータ108から出力される周波数信号の周波数は高くなる。一方、電圧−周波数変換装置300を内蔵するバッテリーパック200が充電器に装着された場合、二次電池201は充電を行うこととなる。即ち、図4のb方向に充電電流が流れるため、電圧VIN(+)>電圧VIN(−)の関係が成立し、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧は大きくなる程に図5の横軸における電圧VIN(+)=電圧VIN(−)のポイントから左方向に移動し、コンパレータ108から出力される周波数信号の周波数は低くなる。マイクロコンピュータ203では、電圧VIN(+)=電圧VIN(−)であるときのコンパレータ108の周波数信号を基準として、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の大小と差電圧とに基づいて、二次電池201の充放電状態を検出することができる。
===バッテリーパックの適用例===
図1の電圧−周波数変換装置300を有するバッテリーパック200の適用対象としては、例えば図7に示すノート型パーソナルコンピュータ400が挙げられる。このノート型パーソナルコンピュータ400の側面に設けられたバッテリー挿入口402にバッテリーパック200を挿入且つ装着することによって、ノート型パーソナルコンピュータ400を動作させるための電源を供給することが可能となる。また、バッテリーパック200内部のマイクロコンピュータ203によって求められた二次電池201の残量電圧(又は使用可能時間でもよい)は、ディスプレイ404の端部又は専用に設けられた小型ディスプレイ406に表示させることが可能である。二次電池201の残量電圧の表示方法としては、バーを用いたインジケーター表示でもよいし、数字表示でもよい。
図1の電圧−周波数変換装置300を有するバッテリーパック200の適用対象としては、例えば図7に示すノート型パーソナルコンピュータ400が挙げられる。このノート型パーソナルコンピュータ400の側面に設けられたバッテリー挿入口402にバッテリーパック200を挿入且つ装着することによって、ノート型パーソナルコンピュータ400を動作させるための電源を供給することが可能となる。また、バッテリーパック200内部のマイクロコンピュータ203によって求められた二次電池201の残量電圧(又は使用可能時間でもよい)は、ディスプレイ404の端部又は専用に設けられた小型ディスプレイ406に表示させることが可能である。二次電池201の残量電圧の表示方法としては、バーを用いたインジケーター表示でもよいし、数字表示でもよい。
また、電圧−周波数変換装置300を有するバッテリーパック200のその他の適用対象としては、デジタルカメラや携帯電話機等が挙げられる。
つまり、電圧−周波数変換装置300を適用することで電圧−周波数の変換精度を向上させることができるため、適切な電圧−周波数変換結果を要する如何なる携帯型の電子機器に対しても、適用する効果は大である。
つまり、電圧−周波数変換装置300を適用することで電圧−周波数の変換精度を向上させることができるため、適切な電圧−周波数変換結果を要する如何なる携帯型の電子機器に対しても、適用する効果は大である。
以上説明したことから明らかなように、コンデンサ110が充電を行うための可変電流源104と、コンデンサ104が充電を行うための可変電流源104の電流量を、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧に応じた電流量に調整する誤差増幅器102と、コンデンサ110の一端側に発生する充電電圧と基準電圧VREF′との大小を比較するコンパレータ108と、充電電圧が基準電圧VREF′を超えたときのコンパレータ108の比較結果に応じて、コンデンサ110の充電電圧を放電させる放電部(スイッチ素子112、制御ロジック回路114)と、を有し、コンパレータ108から電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)の差電圧に応じた周波数信号を得る電圧−周波数変換装置300であって、基準電圧VREF′を変動させる基準電圧変動部302を備えたことを特徴とする。これにより、コンパレータ108から出力される周波数信号の周波数を、クロック信号等の周期的なデジタルノイズからの干渉を受けなくなる程度にばらつかせることができ、電圧−周波数の変換精度を向上させることが可能となる。
また、基準電圧変動部302は、予め定められた電圧V1及び電圧V2の範囲内で、基準電圧VREF′を周期的に変動させるものである。これによれば、基準電圧VREF′の変動幅を電圧V1及び電圧V2の間に予め制限することができる。即ち、コンパレータ108からの周波数信号があくまでもクロック信号等の周期的なデジタルノイズからの干渉を受けない範囲で、且つ、電圧−周波数の変換精度が図5の一点鎖線の如く低下しない範囲で、基準電圧VREF′のレベルが変動することとなる。これにより、電圧−周波数の変換精度を向上させることが可能となる。特に、基準電圧VREF′は、第1周期T1において上昇および下降を繰り返す階段波形の電圧であることが好ましい。
また、基準電圧変動部302は、電圧V1を発生する第1基準電圧源304と、電圧V1より電圧値が小さい電圧V2を発生する第2基準電圧源306と、第1コンデンサ308と、第1コンデンサ308より容量値が小さい第2コンデンサ310と、第2コンデンサ310の容量値を単位として、電圧V2側から電圧V1側へ第1コンデンサ308を充電させるための第1スイッチ回路(第1スイッチ素子312、第3スイッチ素子316)と、第2コンデンサ310の容量値を単位として、電圧V1側から電圧V2側へ第1コンデンサ308を放電させるための第2スイッチ回路(第2スイッチ素子314、第3スイッチ素子316)と、第1スイッチ回路及び第2スイッチ回路のスイッチタイミングを制御するタイミング制御回路318と、を有し、第1コンデンサ308の一端に現れる充放電電圧を基準電圧VREF′としてコンパレータ108の−端子に印加する構成とすることができる。
更に具体的には、基準電圧変動部302は、電圧V1を発生する第1基準電圧源304と、電圧V1より電圧値が小さい電圧V2を発生する第2基準電圧源306と、第1コンデンサ308と、第1コンデンサ308より容量値が小さい第2コンデンサ310と、電圧V1と、充放電電圧が現れる第2コンデンサ310の一端との間に接続された第1スイッチ素子312と、電圧V2と、第2コンデンサ310の一端との間に接続された第2スイッチ素子314と、充放電電圧が現れる第1コンデンサ308の一端及び第2コンデンサ310の一端の間に接続された第3スイッチ素子316と、第1乃至第3スイッチ素子312、314、316のスイッチタイミングを制御するタイミング制御回路318と、を有し、タイミング制御回路318は、第1周期T1で第1スイッチ素子312及び第2スイッチ素子314を相補的にスイッチングするとともに、第1周期T1より短い第2周期T2で第3スイッチ素子316をスイッチングし、第1コンデンサ308の一端に現れる充放電電圧を基準電圧VREF′としてコンパレータ108の−端子に印加する構成とすることができる。
また、電圧−周波数変換装置300は、所定周波数のクロック信号に同期して動作する集積回路(マイクロコンピュータ203やロジック回路)に内蔵されてなるものとすることができる。電圧−周波数変換装置300から出力される周波数信号はクロック信号や周期的なデジタルノイズの影響を受けにくい構成となっているため、電圧−周波数変換装置300は、マイクロコンピュータ203やロジック集積回路等と1チップ化しても精度のよい電圧−周波数変換を実行することが可能となる。
また、電圧VIN(+)及び電圧VIN(−)を、二次電池201の電流が流れる検出抵抗202の両端に現れる電圧であることとすれば、電圧−周波数変換装置300を採用するマイクロコンピュータ203等は、二次電池201が充電されている際の充電電圧や、二次電池201が放電されている際の残量電圧等を精度よく求めることが可能となる。
以上、本発明にかかる電圧−周波数変換装置及び電圧−周波数変換装置の基準電圧発生方法について説明したが、上記の説明は、本発明の理解を容易とするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
102 誤差増幅器
104 可変電流源
108 コンパレータ
110 コンデンサ
112 スイッチ素子
114 制御ロジック回路
302 基準電圧変動部
304 第1基準電圧源
306 第2基準電圧源
308 第1コンデンサ
310 第2コンデンサ
312 第1スイッチ素子
314 第2スイッチ素子
316 第3スイッチ素子
318 タイミング制御回路
104 可変電流源
108 コンパレータ
110 コンデンサ
112 スイッチ素子
114 制御ロジック回路
302 基準電圧変動部
304 第1基準電圧源
306 第2基準電圧源
308 第1コンデンサ
310 第2コンデンサ
312 第1スイッチ素子
314 第2スイッチ素子
316 第3スイッチ素子
318 タイミング制御回路
Claims (8)
- コンデンサが充電を行うための可変電流源と、
前記コンデンサが充電を行うための前記可変電流源の電流量を、第1電圧及び第2電圧の差電圧に応じた電流量に調整する電流量調整部と、
前記コンデンサの一端側に発生する充電電圧と基準電圧との大小を比較する比較部と、
前記充電電圧が前記基準電圧を超えたときの前記比較部の比較結果に応じて、前記コンデンサの充電電圧を放電させる放電部と、を有し、
前記比較部から前記第1電圧及び前記第2電圧の差電圧に応じた周波数信号を得る電圧−周波数変換装置であって、
前記基準電圧を変動させる基準電圧変動部、を備えたことを特徴とする電圧−周波数変換装置。 - 前記基準電圧変動部は、予め定められた電圧の範囲内で、前記基準電圧を周期的に変動させることを特徴とする請求項1に記載の電圧−周波数変換装置。
- 前記基準電圧は、各周期において上昇および下降を繰り返す階段波形の電圧である、ことを特徴とする請求項2に記載の電圧−周波数変換装置。
- 前記基準電圧変動部は、
電圧V1と、
前記電圧V1より電圧値が小さい電圧V2と、
第1コンデンサと、
前記第1コンデンサより容量値が小さい第2コンデンサと、
前記第2コンデンサの容量値を単位として、前記電圧V2側から前記電圧V1側へ前記第1コンデンサを充電させるための第1スイッチ回路と、
前記第2コンデンサの容量値を単位として、前記電圧V1側から前記電圧V2側へ前記第1コンデンサを放電させるための第2スイッチ回路と、
前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路のスイッチタイミングを制御するタイミング制御回路と、を有し、
前記第1コンデンサの一端に現れる充放電電圧を前記基準電圧として前記比較部に印加することを特徴とする請求項3に記載の電圧−周波数変換装置。 - 前記基準電圧変動部は、
電圧V1と、
前記電圧V1より電圧値が小さい電圧V2と、
第1コンデンサと、
前記第1コンデンサより容量値が小さい第2コンデンサと、
前記電圧V1と、充放電電圧が現れる前記第2コンデンサの一端との間に接続された第1スイッチ素子と、
前記電圧V2と、前記第2コンデンサの一端との間に接続された第2スイッチ素子と、
充放電電圧が現れる前記第1コンデンサの一端及び前記第2コンデンサの一端の間に接続された第3スイッチ素子と、
前記第1乃至第3スイッチ素子のスイッチタイミングを制御するタイミング制御回路と、を有し、
前記タイミング制御回路は、第1周期で前記第1スイッチ素子及び前記第2スイッチ素子を相補的にスイッチングするとともに、前記第1周期より短い第2周期で前記第3スイッチ素子をスイッチングし、
前記第1コンデンサの一端に現れる充放電電圧を前記基準電圧として前記比較部に印加することを特徴とする請求項3に記載の電圧−周波数変換装置。 - 所定周波数のクロック信号に同期して動作する集積回路に内蔵されてなることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の電圧−周波数変換装置。
- 前記第1電圧及び前記第2電圧は、二次電池の電流が流れる検出抵抗の両端に現れる電圧であることを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の電圧−周波数変換装置。
- コンデンサが充電を行うための可変電流源と、
前記コンデンサが充電を行うための前記可変電流源の電流量を、第1電圧及び第2電圧の差電圧に応じた電流量に調整する電流量調整部と、
前記コンデンサの一端側に発生する充電電圧と基準電圧との大小を比較する比較部と、
前記充電電圧が前記基準電圧を超えたときの前記比較部の比較結果に応じて、前記コンデンサの充電電圧を放電させる放電部と、を有し、
前記比較部から前記第1電圧及び前記第2電圧の差電圧に応じた周波数信号を得る電圧−周波数変換装置の基準電圧発生方法であって、
前記基準電圧を予め定められた電圧の範囲内で周期的に変動させる、ことを特徴とする電圧−周波数変換装置の基準電圧発生方法。
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