JP2008157837A - 電池残量検出装置および携帯端末装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇降圧型のスイッチング電源を使用した場合にも参照テーブルを増加させることのない電池残量検出装置およびこれを用いた携帯端末装置を提供する。
【解決手段】二次電池１０１の電池残量を検出するために電圧測定回路１０２で二次電池１０１の電圧を測定し、電流測定回路１０３で回路群１０８，１１１，１１４により消費される電流を測定する。昇降圧型のスイッチング電源（ＤＣＤＣ）１１２の動作状態に応じて、スイッチ１０６により電流測定用抵抗１０４に対して、選択的に電流測定用抵抗１０５を並列接続する。ＣＰＵ１１５は、参照テーブル１１６ｂを参照して、電圧測定回路１０２および電流測定回路１０３の測定結果を電池残量値に変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置およびこれを用いた携帯端末装置に関する。

携帯電話端末などの携帯機器では、充電可能な電池として二次電池が用いられている。携帯電話端末では、逐次、電池電圧を測定し、その測定値に基づいて電池残量テーブルを参照し、電池残量を推定して表示している。

なお、動作電源として電池を使用する機器において電池電圧の変動を検出する際の分解能を向上させた電池残量検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−１５３７４０号公報

近年、携帯電話端末の使用可能時間を増やすために、二次電池に終止電圧の低いものを用いる機種が出現している。このような端末においては、二次電池から効率よく電力を引き出すためにスイッチング電源が用いられる。特に、二次電池の低い電圧出力に対応して、スイッチング電源は昇降圧型のものを用い、二次電池の電圧が低くなった場合は昇圧して使用する。

従来の携帯電話端末では、二次電池の電圧および消費電流を測定し、この測定結果に基づいて電池の残量表示を行なっている。しかし、昇降圧型のスイッチング電源を使用した場合、同じアプリケーションを動作させていても降圧から昇圧に切り替わると二次電池からの消費電流が増えてしまうので、スイッチング電源の動作モードに応じて電池残量表示の参照テーブルを変える必要が生じ、複雑になる。また、二次電池からの消費電流が増えると、電流測定用抵抗の両端電圧の範囲が拡大してしまう。これは、測定用のＡＤ変換器の要求される精度の不足や装置コストの増大を招来する。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、昇降圧型のスイッチング電源を使用した場合にも、比較的簡単な装置構成で測定精度不足や装置コスト増を招来することなく電池残量の検出が行える電池残量検出装置およびこれを用いた携帯端末装置を提供しようとするものである。

本発明による電池残量検出装置は、二次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置であって、二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、電流測定用抵抗を用いて電流測定を行う電流測定回路と、二次電池から前記電流測定用抵抗を介して電源の供給を受ける昇降圧型のスイッチング電源と、昇圧動作および降圧動作の動作状態を確認する手段と、前記動作状態に応じて前記電流測定用抵抗の抵抗値を切り替えるスイッチ手段と、前記電圧測定回路および前記電流測定回路の測定結果を電池残量値に変換する変換手段とを備えたことを特徴とする。

この構成により、昇降圧型のスイッチング電源が昇圧動作を行っているか、降圧動作を行っているかによって電流測定用抵抗の抵抗値が切り替えられる。これにより、電流測定用抵抗の両端電圧の範囲の拡大を抑制することができる。

本発明によれば次のような効果が得られる。

昇降圧型スイッチング電源の動作モードにあわせて電流測定用抵抗値を切り換えることにより、降圧動作時と昇圧動作時で電流測定用抵抗の両端電圧の変動を抑制することができる。その結果、終止電圧の低い二次電池を用いる場合でも、電池残量表示用のテーブルを複雑化する必要がなくなる。電流測定回路にＡＤ変換器を用いる場合、ＡＤ変換器の精度を上げたり個数を増加させたりする必要がなく、それによる装置コスト増を回避することができる。また、そのリニアリティ特性が良いところでＡＤ変換を行うことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下では携帯電話端末を例として説明する。

まず、本実施の形態における携帯電話端末の構成について説明する。図１は携帯端末の電源に関連した主要部のブロック図を示している。

この携帯電話端末は、終止電圧が従来よりも低いところまで使用できる二次電池１０１を用いる。電圧測定回路１０２は、この二次電池１０１の電圧を測定する。電流測定回路１０３は、電流測定用抵抗Ａ１０４の両端の電圧を測定する。この測定値は抵抗値に基づいて電流値に換算される。このように、電圧測定回路１０２および電流測定回路１０３は、本質的には、いずれもＡＤ（アナログデジタル）変換器を用いて電圧値を測定するものであり、同一のＡＤ変換器を切り替えて用いることも可能である。

ＣＰＵ１１５は、電圧測定回路１０２および電流測定回路１０３を制御したり、データの演算（電流測定回路１０３の測定電圧の電流値への変換を含む）を行ったりするためのプロセッサ（中央処理装置）である。メモリ１１６は、ＣＰＵ１１５が処理するための処理プログラム１１６ａや、後述する参照テーブル１１６ｂを含む各種データを記憶したり、ＣＰＵ１１５の作業用領域や一時記憶領域を提供する。表示部１１７は、ＣＰＵ１１５によって制御され、電池残量表示を含む携帯電話端末の各種の情報を表示画面上に表示する。

この端末は、異なる電圧値で動作する複数の回路群を備えている。本実施の形態では、２．８Ｖ系電源で動作する回路群１０８と、１．５Ｖ系電源で動作する回路群１１１と、３．３Ｖ系電源で動作する回路群１１４を有する。回路群１０８は、２．８Ｖ系電圧出力のＬＤＯ群１０７から電源の供給を受ける。ＬＤＯはLow Drop Outの略であり、直流の入力電圧を安定化して出力するシリーズレギュレータ（またはリニア電圧レギュレータ）である。回路群１１１は、１．５Ｖ系電圧出力のＬＤＯ群１１０から電源の供給を受ける。二次電池１０１の消費効率を上げるためＬＤＯ群１１０の前段には降圧型ＤＣＤＣ１０９を配置している。

回路群１１４は３．３Ｖ系電圧出力のＬＤＯ群１１３から電源の供給を受ける。二次電池１０１からの消費効率を上げ、二次電池出力が低い電圧になるまで動作させるため、ＬＤＯ群１１３の前段に昇降圧型ＤＣＤＣ１１２を配置している。

本実施の形態では、電流測定用抵抗Ａ１０４に対して並列接続される電流測定用抵抗Ｂ１０５を設けている。この電流測定用抵抗Ｂ１０５にはスイッチ（ＳＷ）１０６を直列接続している。このスイッチ１０６は、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２の動作状態を表すＤＣＤＣ−ＭＯＤＥ信号１１８に応じてＯＮ／ＯＦＦが制御される。すなわち、スイッチ１０６は、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２が降圧動作ならＯＦＦし、昇圧動作ならＯＮする。スイッチ１０６がＯＮしたとき電流測定用抵抗Ａ１０４に対して電流測定用抵抗Ｂ１０５が並列接続された状態となる。すなわち、電流測定回路１０３が測定する電流測定用抵抗の抵抗が２本の抵抗の並列合成抵抗となり、スイッチ１０６のＯＮ時には抵抗値が低下するように機能する。

次に、図１の携帯電話端末の動作について脱明する。まず、電池残量表示の動作について説明する。

回路群１０８、回路群１１１、回路群１１４が動作すると、二次電池１０１から電流測定用抵抗Ａ１０４を通って電流が消費される。ＣＰＵ１１５、メモリ１１６、表示部１１７は、図上、これらの回路群とは別個に示しているが、実際にはこれらの回路群の一部である。

ＣＰＵ１１５は、電圧測定回路１０２のＡＤ変換により二次電池１０１の電圧をデジタル値で測定し、その結果をメモリ１１６に格納する。また、ＣＰＵ１１５は電流測定回路１０３のＡＤ変換により、二次電池１０１から消費される電流を電流測定用抵抗Ａ１０４の両端に発生する電位差より測定し、その測定結果（デジタル値）をメモリ１１６に格納する。このとき、昇圧の有無にかかわらず電圧値を電流値に変換するために用いる抵抗値は電流測定用抵抗Ａ１０４の抵抗値である。ＣＰＵ１１５は得られた二次電池１０１の電圧と消費電流のデータとを、メモリ１１６に予め格納して用意されていた参照テーブル（データテーブル）と照らし合わせて電池残量を予測して、表示部１１７へ電池残量表示を行なう。

なお、二次電池１０１に充電を行うための充電回路は図示省略している。

ここで、本発明をより良く理解するために抵抗Ｂ１０５およびスイッチ１０６がない場合の動作について簡単に説明する。

図２に示すように、電池電圧が高いところでは昇降圧型ＤＣＤＣ１１２は、降圧ＤＣＤＣとして動作し、３．３Ｖ系ＬＤＯ群１１３に電源供給を行なう。このとき、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２は、Ｖｉｎ × Ｉｉｎ＝η（Ｖｏｕｔ × Ｉｏｕｔ）となり、降圧すなわちＶｉｎ＞Ｖｏｕｔであるので、Ｉｉｎ＜Ｉｏｕｔとなる。

ここでηはＤＣＤＣの効率で、η≦１である。Ｉｉｎが小さいということは、電池の消費が少ないことを意味するので、二次電池１０１の電圧の減少は緩やかである。ＣＰＵ１１５は、電圧測定回路１０２および電流測定回路１０３より得られたデータを、電池電圧の緩やかな減少に従った参照テーブルに照らし合わせて表示部１１７に電池の残量表示を行なう。

次に電池電圧が下がってきて、３．３Ｖ系ＬＤＯ群１１３が安定した出力電圧を出せる境界付近では、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２は昇圧と降圧を行ったり来たりする動作となる。

さらに電池電圧が下がった場合、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２は昇圧動作のみとなる。昇圧動作の時、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２では、Ｖｉｎ＜Ｖｏｕｔであるため、Ｉｉｎ＞Ｉｏｕｔとなる。同じ回路が動作していても（すなわち昇降圧型ＤＣＤＣ１１２の負荷の消費電力が変化していなくても）、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２が降圧型で動作しているのか昇圧型で動作しているのかで、二次電池１０１からの消費電流は異なる。昇圧型で動作する場合、電池の消費電流が増えるので、二次電池１０１の電圧の減少は降圧型のときより急激になる。ＣＰＵ１１５は電圧測定回路１０２および電流測定回路１０３より得られたデータを、電池電圧の急激な減少に従った参照テーブルに照らし合わせて表示部１１７に電池の残量表示を行なう必要がある。

そのため、従来の動作では、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２の動作モードに応じた参照テーブルを参照するには、ＣＰＵ１１５は昇降圧型ＤＣＤＣ１１２がどのモードで動作しているかを知っている必要があり、また回路群１０８、１１１、１１４の動作パターンが多くなると、ＣＰＵ１１５が参照する電池残量表示用の参照テーブルの数も増えるため場合分けも複雑になる。さらに昇降圧型ＤＣＤＣ１１２が昇圧型で動作していると二次電池１０１からの消費電流が増えるため、電流測定用抵抗Ａ１０４の両端の電圧降下も大きくなり、電流測定回路１０３の必要なＡＤ変換範囲の増加に対応してＡＤ変換の精度を上げる等の工夫が必要となり、装置のコストアップにつながる。

本実施の形態では、電流測定用抵抗Ｂ１０５を追加して、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２が昇圧型で動作している時にＳＷ１０６がＯＮすることにより、昇圧動作の有無にかかわらず電流測定回路１０３で測定される電圧値が変わらないように、昇圧動作時に電流測定用抵抗Ａ１０４に電流測定用抵抗Ｂ１０５を並列接続して抵抗値を小さくし、この並列抵抗の両端の電位差を電流測定回路１０３にて測定するようにした。電流が増える分、並列抵抗値を小さくするので、電流測定回路１０３のデータは、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２の動作モードに依存しなくなり、電池残量表示用の参照テーブルを昇圧動作時用に増やす必要がなくなる。また並列抵抗の電位差は変わらないため、電流測定回路１０３のＡＤ変換の測定可能範囲を拡大したり、その精度を上げたりする必要がなくなる。

図３は、図１内に示した昇降圧型ＤＣＤＣ１１２の内部構成をその周辺部とともに示した図である。電圧測定回路１０２、電流測定回路１０３等は図示省略してある。

昇降圧型ＤＣＤＣ１１２は集積回路により構成され、モード信号出力端子ＤＣＤＣ−ＭＯＤＥ、電源入力端子、コイル３５の接続端子、出力電圧端子を有する。

出力電圧端子の出力電圧Ｖｏｕｔは、ドライバ制御部１０がＦＥＴ（電圧効果トランジスタ）３１〜３４（Ｔｒ１〜Ｔｒ４）およびコイル３５からなる出力回路を制御することにより得られる。Ｔｒ１のドレインは電流測定用抵抗Ａ，Ｂを介して二次電池１０１の電源入力端子に接続され、そのソースはコイル３５の一端に接続される。Ｔｒ２のドレインはＴｒ１のソースに接続され、ソースは接地される。Ｔｒ４のドレインはコイル３５の他端に接続され、ソースは出力電圧端子に接続される。Ｔｒ３のドレインはＴｒ３のドレインに接続され、ソースは接地される。Ｔｒ１〜Ｔｒ４のゲートは、後述するような態様によりドライバ制御部１０により制御される。

ドライバ制御部１０は、発振器（ＯＳＣ）１１の発振出力と、出力電圧制御信号１６と、動作状態信号２０とを受けて動作する。具体的には、次のような動作となる。
（１）降圧時（ＶＢＡＴ＞Ｖｏｕｔ）：Ｔｒ１とＴｒ２がスイッチング動作、Ｔｒ３はＯＦＦ、Ｔｒ４はＯＮとなる。
（２）昇圧時（ＶＢＡＴ＜Ｖｏｕｔ）：Ｔｒ１はＯＮ、Ｔｒ２はＯＦＦ、Ｔｒ３とＴｒ４がスイッチング動作となる。
（３）昇降圧時（ＶＢＡＴ≒Ｖｏｕｔ）：Ｖｏｕｔが一定になるように降圧動作および昇圧動作が反復する。

出力電圧制御信号１６は、出力電圧Ｖｏｕｔを直列抵抗１４，１５で分圧して得られる電圧を基準電圧Ｒｅｆと比較する比較器１２により生成される。動作状態信号２０は、直列抵抗１４，１５で分圧して得られる電圧と、入力電圧ＶＢＡＴを直列抵抗１８，１９で分圧して得られる電圧とを比較する比較器１７により生成される。すなわち、昇降圧型ＤＣＤＣ１１２の現在の動作状態は、実質的にＶＢＡＴとＶｏｕｔの電位差に基づいて判断される。

動作状態信号２０は、この例では、降圧時に低レベル、昇圧時に高レベルとなり、昇降圧時には低レベルと高レベルで変化する。フィルタ２１は昇降圧動作時の動作状態信号２０の変化を取り除くよう機能する。

フィルタ２１の出力２２はレベル変換用の出力バッファ２３（ここではＦＥＴ）を介して、ドレイン出力２４により昇降圧型ＤＣＤＣ１１２の動作モードを表すＤＣＤＣ−ＭＯＤＥ信号１１８として出力される。このＤＣＤＣ−ＭＯＤＥ信号１１８によりスイッチ１０６がＯＮ／ＯＦＦ制御される。

図３の構成では、電流測定用抵抗の切り替え用のスイッチの制御をハードウエアで行なうので、ソフトウエアの負担が少なくすることができる。

図４に、フィルタ２１の内部構成例を示す。このフィルタ２１は、多段接続された複数のＤフリップフロップ（ＤＦＦ）４１〜４４、ＡＮＤ回路４５、ＮＯＲ回路４６、およびＪＫフリップフロップ４７により構成されている。このフィルタ２１は、図５のタイミング図に示すように、降圧時および低圧時には動作状態信号２０をそのまま出力し、昇降圧動作時には、昇降圧動作の前の状態を（電池が消費されている方向なら降圧を、充電されている方向なら昇圧を）保持するよう、動作する。

図６（ａ）は本発明を適用しない場合の電流測定回路１０３に接続された抵抗に流れる電流および両端電圧を表したグラフを示す。このグラフの縦軸は抵抗の両端電圧、横軸は電流を示している。Ｖ０／Ｉ０＝抵抗Ａの抵抗値の関係がある。図６（ｂ）は、本実施の形態においてスイッチ１０６がＯＦＦのときとＯＮのときの電流測定回路１０３に接続された抵抗に流れる電流および両端電圧を表したグラフＧ１，Ｇ２である。図６（ａ）のグラフは図６（ｂ）のスイッチ１０６がＯＦＦの場合のグラフＧ１に相当する。図６（ｂ）のグラフＧ２はスイッチ１０６のＯＮ時に対応し、２本の並列抵抗の合成値が元の抵抗値より低下するため、電流がＩ１（＞Ｉ０）に達するまで両端電圧は電圧値Ｖｏを超えない。したがって、電流値がＩ１を超えてもＡＤ変換器の測定可能範囲を拡大する必要はない。

図７に本実施の形態において用いる参照テーブル１１６ｂ（図１）の構成例を示す。この参照テーブル１１６ｂは、測定された電圧値および電流値の組み合わせに対して、対応する電池残量値を対応づけたデータテーブルである。この参照テーブル１１６ｂは、ＤＣＤＣ−ＭＯＤＥの値（ＬかＨ）に関わらず、１つのテーブルで足りる。

図８に、図３の構成の変形例に係る、携帯端末の電源に関連した主要部のブロック図を示す。図３の構成では、ＤＣＤＣ−ＭＯＤＥ信号１１８で直接的にスイッチ１０６を制御したが、図８の構成ではＣＰＵ１１５を介してスイッチ１０６の制御が行われる。この例では、ＣＰＵ１１５のポート１１５ａを用いて制御を行っている。他の構成は図３の構成と同じなので、重複した説明は省略する。ＬＤＯ群１０７へはポートの電源電圧と同じものから供給する。図８の携帯端末の動作は図３の動作と実質的には同じである。なお、図８では、ポート１１５ａがＳＷ１１６（ＦＥＴ１個）のみを制御する例を示したが、並列抵抗とＳＷの組をさらに追加して、複数のＳＷを個別に制御するようにしてもよい。どのＳＷをＯＮさせるかは、ＣＰＵ１１５が把握できる現在の動作モードとＤＣＤＣ−ＭＯＤＥの値とに応じて決定することができる。例えば抵抗Ａに対して並列抵抗Ｂ，Ｃ，Ｄを個別のＳＷで選択的に接続する場合、昇圧時かつ通話時に抵抗ＢをＯＮ、昇圧時かつＴＶ動作時に抵抗ＣをＯＮ、昇圧時かつゲーム動作時に抵抗ＤをＯＮ、とするような制御が可能となる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。

本発明の実施の形態に係る携帯端末の電源に関連した主要部のブロック図である。 図１内に示した昇降圧型ＤＣＤＣの動作の説明図である。 昇降圧型ＤＣＤＣの内部構成をその周辺部とともに示した図である。 図１内に示したフィルタの内部構成例を示す図である。 図４に示したフィルタの動作を説明するためのタイミング図である。 図１内の電流測定回路に接続された抵抗に流れる電流および両端電圧を表したグラフである。 本発明の実施の形態において用いる参照テーブルの構成例を示す図である。 図１の実施の形態の変形例に係る、携帯端末の電源に関連した主要部のブロック図である。

符号の説明

１０…ドライバ制御部、１２…比較器、１４，１５…直列抵抗、１６…出力電圧制御信号、１７…比較器、１８，１９…直列抵抗、２０…動作状態信号、２１…フィルタ、２２…出力、２３…出力バッファ、３５…コイル、４５ＡＮＤ回路、４６…ＮＯＲ回路、４７…フリップフロップ、１０１…二次電池、１０２…電圧測定回路、１０３…電流測定回路、１０４…電流測定用抵抗Ａ、１０５…電流測定用抵抗Ｂ、１０６…スイッチ、１０７…ＬＤＯ群、１０８…回路群、１０９…降圧型ＤＣＤＣ、１１０…ＬＤＯ群、１１１…回路群、１１２…昇降圧型ＤＣＤＣ、１１３…ＬＤＯ群、１１４…回路群、１１５ａ…ポート、１１６…メモリ、１１６ａ…処理プログラム、１１６ｂ…参照テーブル、１１７…表示部、１１８…ＤＣＤＣ−ＭＯＤＥ信号

Claims (4)

1. 二次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置であって、
   二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、
   電流測定用抵抗を用いて電流測定を行う電流測定回路と、
   二次電池から前記電流測定用抵抗を介して電源の供給を受ける昇降圧型のスイッチング電源と、
   昇圧動作および降圧動作の動作状態を確認する手段と、
   前記動作状態に応じて前記電流測定用抵抗の抵抗値を切り替えるスイッチ手段と、
   前記電圧測定回路および前記電流測定回路の測定結果を電池残量値に変換する変換手段と
   を備えたことを特徴とする電池残量検出装置。
2. 前記変換手段は、昇圧動作および降圧動作の動作状態毎に、前記電圧測定回路および前記電流測定回路の測定結果と電池残量値とを対応づけたデータテーブルを含む請求項１記載の電池残量検出装置。
3. 前記スイッチ手段は、前記電流測定用抵抗に対して、前記動作状態に応じて他の電流測定用抵抗を選択的に並列接続するスイッチ素子を含む請求項１または２記載の電池残量検出装置。
4. 電池残量検出装置と、前記変換手段により得られた電池残量を表示する表示手段とを備え、
   前記電池残量検出装置は、
   二次電池の電池残量を検出する電池残量検出装置であって、
   二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、
   電流測定用抵抗を用いて電流測定を行う電流測定回路と、
   二次電池から前記電流測定用抵抗を介して電源の供給を受ける昇降圧型のスイッチング電源と、
   昇圧動作および降圧動作の動作状態を確認する手段と、
   前記動作状態に応じて前記電流測定用抵抗の抵抗値を切り替えるスイッチ手段と、
   前記電圧測定回路および前記電流測定回路の測定結果を電池残量値に変換する変換手段と
   を備えたことを特徴とする携帯端末装置。

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