JP6554308B2 - バスコントローラおよび電源装置、電源アダプタ - Google Patents

バスコントローラおよび電源装置、電源アダプタ Download PDF

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Description

本発明は、デバイスにバス電圧を供給する電源装置およびそれに使用されるバスコントローラに関する。
近年、スマートホンやタブレット端末、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、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラをはじめとするさまざまな電子デバイス（以下、単にデバイスと称する）は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）規格等に準拠し、ケーブルを介して給電可能となっている。
特に電池駆動デバイスは、充電可能な二次電池とともに、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にもとづいて二次電池を充電するものが存在する。
現在、モバイル機器に搭載される充電回路は、USB Battery Charging Specificationと呼ばれる規格（以下、ＢＣ規格という）に準拠したものとなっている。ホストアダプタには、いくつかの種類が存在する。ＢＣ revision 1.2規格においては、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。
ＵＳＢを利用した次世代の二次電池充電の方式、システムとして、USB Power Deliveryと呼ばれる規格（以下、ＰＤ規格という）が策定されている。ＰＤ規格では、供給可能な電力がＢＣ規格の７．５Ｗから、最大１００Ｗまで大幅に増大する。具体的にはＰＤ規格では、バス電圧ＶＢＵＳとして、５Ｖより高い電圧（具体的には１２Ｖ、２０Ｖ）の供給が許容されており、充電電流も、ＢＣ規格よりも大きな量（具体的には、２Ａ，３Ａ、５Ａ）の供給が許容される。
特開２０１０−０７４９５９号公報
デバイスに電力を供給するホストアダプタは、バス電圧として利用される直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータを備える。近年の省エネ化の要請から、軽負荷あるいは無負荷状態（待機状態、スタンバイ状態ともいう）の消費電力を極力低減した電源装置が望まれている。この要請に応えるべくＤＣ／ＤＣコンバータは、待機時においていわゆるバーストモード（ＰＦＭモードともいう）で動作する。バーストモードにおいては、１回、あるいは複数回、スイッチングトランジスタをスイッチングし、出力電圧を目標レベルよりも上昇させ、その後、出力電圧が目標レベルに応じて定められた下限レベルに低下するまでの間、スイッチングトランジスタのスイッチングを停止する。これにより、スイッチングトランジスタをスイッチングさせるための電力（たとえばスイッチングトランジスタのゲート容量の充放電に要する電力）を低減し、効率が高められる。
しかしながら、低消費電力化の要請はとどまるところを知らず、電源装置にはさらなる消費電力の低減が求められる。
本発明はかかる課題に鑑み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、消費電力の低減された電源装置の提供にある。
本発明のある態様は、バスコントローラに関する。バスコントローラは、着脱可能なデバイスに供給すべきバス電圧として利用される直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータとともに使用され、電源装置を構成する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、１次巻線および２次巻線を有するトランスと、２次巻線と接続され、直流電圧を出力する２次側整流回路と、１次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、フォトカプラの発光素子と接続され、直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、フォトカプラの受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号にもとづいて、スイッチングトランジスタをスイッチングする１次側コントローラと、トランスの２次側に配置され、デバイスの着脱を検出するバスコントローラと、を備える。バスコントローラは、２次側整流回路の出力と接続され、直流電圧を電源として受ける電源端子と、デバイスの接続の有無を検出する検出器と、（i）デバイスが検出されたとき、規定電圧レベルの直流電圧が生成されるように、（ii）デバイスが検出されないとき、規定電圧レベルより低く、バスコントローラの最低動作電圧より高い電圧レベルの直流電圧が生成されるように、フィードバック回路を制御するフィードバック制御部と、を備える。
デバイスが接続されない状態では、バスコントローラが動作可能な範囲で、直流電圧を低下させることにより、バスコントローラ自体の消費電力を低下するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側の消費電力を低下することができる。
ある態様において、電源装置は、デバイスが着脱されるコネクタと、２次側整流回路の出力とコネクタの間に設けられた出力スイッチと、をさらに備えてもよい。バスコントローラの電源端子は、２次側整流回路の出力と出力スイッチの間に接続されてもよい。
これにより、バスコントローラへの電力供給を維持しつつ、コネクタからバス電圧を出力した状態（ホット状態ともいう）とバス電圧を出力しない状態（コールド状態ともいう）を切り替えることができる。
ある態様において、バスコントローラは、（i）デバイスが検出されたときに、出力スイッチをオンし、（ii）デバイスが検出されないときに出力スイッチをオフするスイッチ制御部をさらに備えてもよい。
バスの規格によっては、デバイスの非接続状態において、バス電圧をゼロ（オープン）とすること（コールド状態ともいう）が推奨されるが、この態様によればこのような規格をサポートできる。
ある態様においてバスコントローラは、デバイスと通信を行う通信部をさらに備えてもよい。フィードバック制御部は、通信部とデバイスとの通信にもとづいて、複数の中からひとつの規定電圧レベルを選択してもよい。
ある態様において、フィードバック制御部は、基準電圧を切りかえることにより、直流電圧の電圧レベルを切りかえてもよい。
ある態様において、フィードバック回路は、直流電圧を可変の分圧比により分圧し、検出電圧を生成する分圧回路をさらに含んでもよい。フィードバック制御部は、分圧回路の分圧比を切りかえることにより、直流電圧の電圧レベルを切りかえてもよい。
バスコントローラは、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。
「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抵抗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。回路を１つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
バスコントローラは、ＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠してもよい。あるいはＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠してもよい。あるいはクイックチャージ規格に準拠してもよい。
本発明の別の態様は、電源アダプタに関する。電源アダプタは、着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する。電源アダプタは、交流電圧を整流する入力整流回路と、入力整流回路の出力電圧を受け、バス電圧として利用される直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、上述のいずれかのバスコントローラと、を備えてもよい。
本発明の別の態様は、着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する電源装置に関する。この電源装置は、バス電圧として利用される直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、直流電圧を電源として受け、デバイスの接続の有無を検出するバスコントローラと、を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータは、（i）バスコントローラがデバイスを検出したときに、規定電圧レベルの直流電圧を生成し、（ii）バスコントローラがデバイスを検出しないときに、規定電圧レベルより低く、バスコントローラの最低動作電圧より高い電圧レベルの直流電圧を生成する。
この態様によると、デバイスが接続されない状態では、バスコントローラが動作可能な範囲で、直流電圧を低下させることにより、バスコントローラの消費電力を低下するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側の消費電力を低下することができる。
ある態様の電源装置は、デバイスが着脱されるコネクタと、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力とコネクタの間に設けられた出力スイッチと、をさらに備えてもよい。バスコントローラの電源端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力と出力スイッチの間に接続されてもよい。
バスコントローラは、（i）デバイスを検出したときに、出力スイッチをオンし、（ii）デバイスを検出しないときに、出力スイッチをオフしてもよい。
バスコントローラは、デバイスとのネゴシエーションに応じて、複数の規定電圧レベルの中からひとつを選択してもよい。
ＤＣ／ＤＣコンバータは絶縁型であり、１次巻線および２次巻線を有するトランスと、２次巻線と接続され、直流電圧を出力する２次側整流回路と、１次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、フォトカプラの発光素子と接続され、直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、フォトカプラの受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号にもとづいて、スイッチングトランジスタをスイッチングする１次側コントローラと、を含んでもよい。
バスコントローラは、基準電圧を切りかえることにより、直流電圧の電圧レベルを切りかえてもよい。
フィードバック回路は、直流電圧を可変の分圧比により分圧し、検出電圧を生成する分圧回路をさらに含んでもよい。バスコントローラは、分圧回路の分圧比を切りかえることにより、直流電圧の電圧レベルを切りかえてもよい。
電源装置は、ＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠してもよい。またＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠してもよい。またクイックチャージ規格に準拠してもよい。
本発明の別の態様は、電源アダプタに関する。電源アダプタは、交流電圧を整流する入力整流回路と、入力整流回路の出力電圧を受ける上述のいずれかの電源装置と、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、消費電力を低減できる。
実施の形態に係るＵＳＢ（Universal Serial Bus）コントローラを備える電源アダプタのブロック図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、フィードバック回路の構成例を示す回路図である。 ＵＳＢコントローラのブロック図である。 比較技術に係る電源装置の動作波形図である。 実施の形態に係る電源装置の動作波形図である。 ＵＳＢ−ＰＤおよびＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠するＵＳＢコントローラの機能ブロック図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、電源アダプタの外観図である。
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、電気的な接続状態に影響を及ぼさない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、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図１は、実施の形態に係るＵＳＢ（Universal Serial Bus）コントローラ３００を備える電源アダプタ１００のブロック図である。電源アダプタ１００は、ＵＳＢ規格に準拠しており、着脱可能に接続される負荷となるデバイス５００に、バス電圧ＶＢＵＳを供給する。
本実施の形態において、電源アダプタ１００はＡＣ電圧ＶＡＣを受けてバス電圧ＶＢＵＳを生成するＡＣアダプタである。電源アダプタ１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータであり、入力整流回路１０２、平滑キャパシタ１０４および電源装置２００を備える。入力整流回路１０２は、交流電圧ＶＡＣを整流する。たとえば入力整流回路１０２は交流電圧ＶＡＣを全波整流するダイオードブリッジ回路であってもよい。平滑キャパシタ１０４は、入力整流回路１０２の出力に接続され、入力整流回路１０２の出力電圧を平滑化する。
電源装置２００は、入力整流回路１０２の出力電圧を入力電圧ＶＩＮとして受け、それを降圧し、直流の出力電圧ＶＯＵＴに変換する。この出力電圧ＶＯＵＴは、バス電圧ＶＢＵＳとしてデバイス５００に供給される。
電源装置２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２、出力スイッチ２０４およびＵＳＢコントローラ３００を備える。電源アダプタ１００は、コネクタ２０６を備える。コネクタ２０６はレセプタクルあるいはプラグであり、デバイス５００と直接あるいはＵＳＢケーブルを介して接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は、入力整流回路１０２の出力電圧ＶＩＮを受け、バス電圧ＶＢＵＳとして利用される直流電圧ＶＯＵＴを生成する。出力スイッチ２０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力２１４とコネクタ２０６の間に設けられる。
ＵＳＢコントローラ３００の電源（ＶＤＤ）端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と出力スイッチ２０４の間と接続され、ＵＳＢコントローラ３００は直流電圧ＶＯＵＴを電源として受けて動作する。ＵＳＢコントローラ３００は、少なくとも負荷であるデバイス５００の有無を検出可能に構成される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は、（i）ＵＳＢコントローラ３００がデバイス５００を検出したときに、規定電圧レベルの直流電圧ＶＯＵＴを生成し、（ii）ＵＳＢコントローラ３００がデバイス５００を検出しないときに、規定電圧レベルより低く定められた待機電圧レベルＶ０の直流電圧ＶＯＵＴを生成する。待機電圧レベルＶ０は、ＵＳＢコントローラ３００の最低動作電圧ＶＭＩＮより高く定められる。待機電圧レベルＶ０は最低動作電圧ＶＭＩＮよりわずかに、たとえば数百ｍＶ高く設定すればよい。一例としてＵＳＢコントローラ３００の最低動作電圧ＶＭＩＮは３．１Ｖであり、待機電圧レベルＶ０は３．３Ｖである。最低動作電圧ＶＭＩＮは、ＵＳＢコントローラ３００の製造プロセスに応じており、将来の製造プロセスではさらに低くなり得る。
またＵＳＢコントローラ３００は、（i）デバイス５００を検出したときに、出力スイッチ２０４をオンし、（ii）デバイスを検出しないときに、出力スイッチ２０４をオフする。出力スイッチ２０４がオンすると、コネクタ２０６からは、直流電圧ＶＯＵＴと実質的に等しいバス電圧ＶＢＵＳが出力される（ホット状態）。出力スイッチ２０４がオフすると、コネクタ２０６の出力電圧はゼロとなる（コールド状態）。
本実施の形態において、ＵＳＢコントローラ３００は、ＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠し、さらにＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠する。ＵＳＢコントローラ３００は、デバイス５００とのネゴシエーションに応じて、複数の規定電圧レベル（Ｖ１＝５Ｖ，Ｖ２＝１２Ｖ，Ｖ３＝２０Ｖ）の中からひとつを選択可能に構成される。
本実施の形態においてＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は絶縁型である。トランスＴ１は、１次巻線Ｗ１および２次巻線Ｗ２を有する。２次側整流回路２１０は、２次巻線Ｗ２と接続され、直流電圧ＶＯＵＴを出力する。スイッチングトランジスタＭ１は、１次巻線Ｗ１と接続される。フォトカプラ２１２は、発光素子２１２ａおよび受光素子２１２ｂを含む。
フィードバック回路２２０は、シャントレギュレータ２２２および分圧回路２２４を含む。分圧回路２２４は、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を含み、直流電圧ＶＯＵＴを分圧することにより、検出電圧ＶＯＵＴＳを生成する。シャントレギュレータ２２２のカソード（Ｋ）は、フォトカプラ２１２と接続され、そのアノード（Ａ）は接地され、入力（ＲＥＦ）には、分圧回路２２４からの検出電圧ＶＯＵＴＳが入力される。シャントレギュレータ２２２は、フォトカプラ２１２の発光素子２１２ａと接続され、検出電圧ＶＯＵＴＳとその目標値である基準電圧ＶＲＥＦとの誤差に応じた電流ＩＥＲＲにより発光素子２１２ａを駆動する。なおフォトカプラ２１２のバイアス形式や位相補償の形式は特に限定されず、公知技術を用いればよい。
１次側コントローラ２３０は、フォトカプラ２１２の受光素子２１２ｂに流れる電流ＩＦＢに応じたフィードバック信号ＶＦＢにもとづいて、スイッチングトランジスタＭ１をスイッチングする。１次側コントローラ２３０は公知技術を用いればよく、その制御方式、回路形式は限定されない。
フィードバックにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧ＶＯＵＴは、以下の電圧レベルに安定化される。
ＶＯＵＴ＝ＶＲＥＦ×（１＋Ｒ１１／Ｒ１２） …（１）
上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧ＶＯＵＴは、デバイス５００の有無に応じて、規定電圧レベル（Ｖ１〜Ｖ３）と待機電圧レベル（Ｖ０）とで切り替えられる。またデバイス５００とのネゴシエーションにもとづいて、規定電圧レベルＶ１〜Ｖ３が選択可能である。ＵＳＢコントローラ３００は、直流電圧ＶＯＵＴの電圧レベルを切り替えるためにフィードバック回路２２０を制御する。フィードバック回路２２０は、ＵＳＢコントローラ３００からの制御に応じて、電流ＩＥＲＲが可変となっている。
図２（ａ）、（ｂ）は、フィードバック回路２２０の構成例を示す回路図である。図２（ａ）のフィードバック回路２２０ａは、基準電圧ＶＲＥＦを変化させることにより、直流電圧ＶＯＵＴが複数の電圧レベルＶ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の間で切りかえ可能である。
具体的にはシャントレギュレータ２２２ａは、トランジスタＭ２、基準電圧源２２６、エラーアンプ２２８を含む。トランジスタＭ２は、カソード（Ｋ）端子とアノード（Ａ）端子の間に設けられる。基準電圧源２２６は可変電圧源であり、ＵＳＢコントローラ３００からの制御信号ＣＮＴに応じて、可変の基準電圧ＶＲＥＦを生成する。エラーアンプ２２８の出力は、トランジスタＭ２の制御端子（ベース）と接続され、ＲＥＦ端子の検出電圧ＶＯＵＴＳと基準電圧ＶＲＥＦの誤差を増幅する。
図２（ｂ）のフィードバック回路２２０ｂは、式（１）の（１＋Ｒ１１／Ｒ１２）の値を変化させ、直流電圧ＶＯＵＴを複数の電圧レベルＶ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の間で切りかえる。
図２（ｂ）の分圧回路２２４ｂは、分圧比Ｒ１２／（Ｒ１１＋Ｒ１２）が可変に構成される。たとえば抵抗Ｒ１２を、ＵＳＢコントローラ３００からの制御信号ＣＮＴに応じて抵抗値が切りかえ可能な可変抵抗で構成してもよいし、抵抗Ｒ１１を可変抵抗としてもよい。分圧比は、式（１）の（１＋Ｒ１１／Ｒ１２）の逆数である。
以上が電源アダプタ１００の全体構成である。続いてＵＳＢコントローラ３００について説明する。
図３は、ＵＳＢコントローラ３００のブロック図である。ＵＳＢコントローラ３００は、電源ライン３０２、検出器３０４、フィードバック制御部３０６、スイッチ制御部３０８、通信部３１０を備え、ひとつの半導体基板に集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）である。
ＶＤＤ端子は、２次側整流回路２１０の出力と接続され、直流電圧ＶＯＵＴを電源として受ける。直流電圧ＶＯＵＴは、電源ライン３０２を介して、ＵＳＢコントローラ３００の内部回路に供給される。
検出器３０４は、デバイス５００の有無を検出する。ＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格では、検出器３０４は、ピンＣＣ１／ＣＣ２（Configuration Channel）の状態にもとづいて、デバイス５００の有無（ケーブルの挿入、抜去）を検出する。
フィードバック制御部３０６は、検出器３０４の検出結果を参照する。フィードバック制御部３０６は、（i）デバイス５００が検出されたとき、規定電圧レベルＶ１〜Ｖ３の直流電圧ＶＯＵＴが生成されるようにフィードバック回路２２０を制御する。またフィードバック制御部３０６は、（ii）デバイス５００が検出されないとき、待機電圧レベルＶ０の直流電圧ＶＯＵＴが生成されるように、フィードバック回路２２０を制御する。図２（ａ）のフィードバック回路２２０ａとの組み合わせにおいて、フィードバック制御部３０６は基準電圧ＶＲＥＦを制御し、図２（ｂ）のフィードバック回路２２０ｂとの組み合わせにおいて、フィードバック制御部３０６は分圧回路２２４ｂの分圧比を制御する。
ＵＳＢ−ＰＤ規格をサポートするＵＳＢコントローラ３００は、デバイス５００との間で通信する通信部３１０を備える。通信部３１０とデバイス５００の間の通信（ネゴシエーション）により、デバイス５００に供給すべきバス電圧ＶＢＵＳが、複数の規定電圧レベルＶ１〜Ｖ３の中から選択される。フィードバック制御部３０６は、選択された電圧が得られるようにフィードバック回路２２０を制御する。
以上がＵＳＢコントローラ３００の基本構成である。続いて電源装置２００の動作を説明する。
電源装置２００の利点は、以下の比較技術との対比によって明確となる。そこでまず比較技術について説明する。
（比較技術）
図４は、比較技術に係る電源装置の動作波形図である。比較技術においては、待機電圧レベルＶ０は規定されない。図４は上から順に、デバイス５００の接続の有無（ハイレベルが接続、ローレベルが非接続）、直流電圧ＶＯＵＴ、出力スイッチ２０４の状態、バス電圧ＶＢＵＳを示す。
時刻ｔ０より前のデバイス５００の非検出（非接続）状態においては、出力スイッチ２０４がオフとされる。したがって直流電圧ＶＯＵＴの電圧レベルにかかわらずバス電圧ＶＢＵＳはゼロ、すなわちコールド状態となっている。
コールド状態においても、ＵＳＢコントローラ３００を動作させる必要があるため、直流電圧ＶＯＵＴをゼロに落とすことはできない。比較技術では、デバイス５００の非接続状態における直流電圧ＶＯＵＴは、規定電圧レベルＶ１〜Ｖ３のうち最も低い電圧レベル（最低規定電圧レベル）Ｖ１に設定される。
時刻ｔ０にデバイス５００が接続される。時刻ｔ０〜ｔ１の間、ネゴシエーションが行われる。ネゴシエーション中は、ＶＢＵＳ＝Ｖ１とされる。ネゴシエーションの結果、バス電圧ＶＢＵＳが複数の規定電圧レベルの中から選択される。この例ではＶ２＝１２Ｖが選択される。そして時刻ｔ１に、直流電圧ＶＯＵＴが１２Ｖに高められ、バス電圧ＶＢＵＳもそれに追従する。それ以降、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧ＶＯＵＴはＶ２＝１２Ｖに安定化される。そうするとＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧ＶＯＵＴが、バス電圧ＶＢＵＳとしてデバイス５００に供給される。
時刻ｔ２にデバイス５００が外されると、出力スイッチ２０４がオフし、コールド状態となる。またＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧ＶＯＵＴが、最低規定電圧レベルＶ１まで低下する。
以上が比較技術の説明である。続いて図５を参照し、実施の形態に係る電源装置２００の動作を説明する。図５は、実施の形態に係る電源装置２００の動作波形図である。
時刻ｔ０より前の非検出（非接続）状態においては、出力スイッチ２０４がオフとされ、バス電圧ＶＢＵＳはゼロであり、コールド状態となっている。デバイス５００の非接続状態において、本実施の形態では、直流電圧ＶＯＵＴは、最低規定電圧レベルＶ１よりも低い待機電圧レベルＶ０（３．３Ｖ）に維持される。
時刻ｔ０にデバイス５００が検出されると、直流電圧ＶＯＵＴが３．３Ｖから５Ｖに切り替えられる。直流電圧ＶＯＵＴが５Ｖに安定化されると、ＵＳＢコントローラ３００は出力スイッチ２０４をオンする。これにより５Ｖのバス電圧ＶＢＵＳがデバイス５００に供給される。続いて、ネゴシエーションによりバス電圧ＶＢＵＳの電圧レベルが規定電圧レベルＶ２に決定され、時刻ｔ１に直流電圧ＶＯＵＴの電圧レベルが、１２Ｖに切りかえられる。
時刻ｔ２にデバイス５００が外されると、出力スイッチ２０４がオフし、コールド状態となる。またＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧ＶＯＵＴが、待機電圧レベルＶ０まで低下する。
以上が実施の形態に係る電源装置２００の動作である。
比較技術では、時刻ｔ０〜ｔ２の期間のＵＳＢコントローラ３００の消費電力はＶ１×Ｉ１となる。これに対して実施の形態では、消費電力はＶ０×Ｉ１に低減することができる。Ｖ１＝５Ｖ、Ｖ０＝３．３Ｖとすれば、待機時のＵＳＢコントローラ３００の消費電力は、３０％以上も低減することができる。
また待機時においては、ＵＳＢコントローラ３００のみでなく、フィードバック回路２２０も電力を消費する。具体的には、分圧回路２２４は、ＶＯＵＴ ２／（Ｒ１＋Ｒ２）の電力を消費する。したがって分圧回路２２４の消費電力も、３０％以上低減することができる。
加えてフォトカプラ２１２およびシャントレギュレータ２２２も電力を消費しており、その消費電力はＩＥＲＲ×ＶＯＵＴとなる。したがってフォトカプラ２１２およびシャントレギュレータ２２２の消費電力も、３０％以上低減することができる。
このように実施の形態に係る電源装置２００によれば、ＵＳＢ規格で規定される最低規定電圧レベルＶ１よりも低い待機電圧レベルＶ０を定めておき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２を、待機電圧レベルＶ０を有する直流電圧ＶＯＵＴを生成可能に構成し、デバイス５００の非接続状態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の出力電圧ＶＯＵＴをＶ０に低下させることで、待機時のＵＳＢコントローラ３００およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の２次側の消費電力を低減することができる。
図６は、ＵＳＢ−ＰＤおよびＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠するＵＳＢコントローラ３００の機能ブロック図である。
コントロールロジック３２０は、ＵＳＢコントローラ３００全体を統合的に制御する。インタフェース回路３３０は、コンフィギュレーションチャネル（ＣＣ）の物理レイヤー（PHY）を司る。バス電圧検出器３３２は、バス電圧ＶＢＵＳを検出、監視する。ポート検出器３３４は、ＣＣ１／ＣＣ２ポート（ピン）にデバイス５００が接続されているか否かを検出する。またＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格では、フリップタイプのケーブルの向きを検出する。トランシーバ３３６は、トランスミッタ（ＢＢ−ＴＸ）およびレシーバ（ＢＢ−ＲＸ）を含み、コンフィギュレーションチャネルを介してデバイス５００と通信する。
スイッチドライバ３４０は、コントロールロジック３２０からの指令に応じて、出力スイッチ２０４のオン、オフを制御する。スイッチドライバ３４０は、図示しないチャージポンプなどを含む。
放電回路３４２は、２次側整流回路２１０の出力と接続される。放電回路３４２は、コントロールロジック３２０からの指示に応じてオンとなり、２次側整流回路２１０の出力キャパシタＣ１の電荷を放電する。電圧監視部３４４は、２次側整流回路２１０の出力電圧ＶＯＵＴを監視する。監視結果はコントロールロジック３２０に入力される。
放電回路３４６は、出力スイッチ２０４のコネクタ側に接続され、コントロールロジック３２０からの指示に応じてオンとなり、コネクタ側の電荷を放電する。電圧監視部３４８は、バス電圧ＶＢＵＳを監視する。監視結果はコントロールロジック３２０に入力される。
電流検出回路３５０は、出力スイッチ２０４を介してデバイス５００に供給される電流を検出する。検出結果は、コントロールロジック３２０に入力される。
図６のＵＳＢコントローラ３００の動作を、再度、図５を参照して説明する。ポート検出器３３４は、ＣＣポートの状態を監視し、デバイス５００が接続されているか否かを検出する。またＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格では、ケーブルは表裏対称のフリップタイプであり、ＣＣ１／ＣＣ２のいずれかがデバイス５００と接続される。ポート検出器３３４は、ＣＣ１／ＣＣ２のいずれのポートにデバイス５００が接続されるかを判定する。ポート検出器３３４は、図３の検出器３０４に対応するといえる。
コントロールロジック３２０は、ポート検出器３３４がデバイス５００を検出する前（時刻ｔ０より前）は出力スイッチ２０４をオフするようにスイッチドライバ３４０に指示する。これにより出力をコールド状態とする。コントロールロジック３２０の一部およびスイッチドライバ３４０は、図３のスイッチ制御部３０８に対応するといえる。
またこのときコントロールロジック３２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２がＶＯＵＴ＝Ｖ０を出力するように、フィードバック回路２２０を制御する。コントロールロジック３２０の一部は、図３のフィードバック制御部３０６に対応するといえる。
時刻ｔ０に、ポート検出器３３４がデバイス５００を検出する。そうするとコントロールロジック３２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２がＶＯＵＴ＝Ｖ１（＝５Ｖ）を出力するように、フィードバック回路２２０を制御する。また出力スイッチ２０４をオンするようにスイッチドライバ３４０に指示する。これによりＴｙｐｅ−Ｃ接続が確立される。
Ｔｙｐｅ−Ｃ接続が確立すると、トランシーバ３３６とデバイス５００の間でネゴシエーションが行われ、バス電圧ＶＢＵＳの目標レベルが、規定電圧レベルＶ１〜Ｖ３の中から選択される。この例ではＶ２＝１２Ｖが選択される。時刻ｔ１にコントロールロジック３２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２がＶＯＵＴ＝Ｖ２（＝１２Ｖ）を出力するように、フィードバック回路２２０を制御する。コントロールロジック３２０は、バス電圧ＶＢＵＳが選択された規定電圧レベルＶ２に達すると、フラグＰＳ＿ＲＥＡＤＹをアサートする。
時刻ｔ１以降、ポート検出器３３４は引き続きデバイス５００を監視し、ケーブルあるいはデバイス５００の抜去を検出する。時刻ｔ２にデバイス５００が取り外されると、コントロールロジック３２０は、出力電圧ＶＯＵＴを待機電圧レベルＶ０に低下させ、またスイッチドライバ３４０は出力スイッチ２０４をオフする。以上が図６のＵＳＢコントローラ３００の動作である。
図７（ａ）、（ｂ）は、電源アダプタ１００の外観図である。図７（ａ）の電源アダプタ１００ａは、レセプタクル出力タイプと称され、コネクタ２０６がレセプタクル（メス）となっている。この形式ではデバイス５００の非接続状態において、出力をコールドとすることが求められる。
図７（ｂ）の電源アダプタ１００ｂは、キャプティブケーブルタイプと呼ばれ、プラグ（ケーブル）出力となっている。この形式では、デバイス５００の非接続状態において、コールドが推奨されるが、ホットを維持することも可能である。図７（ｂ）の電源アダプタ１００ｂでは、出力スイッチ２０４を省略してもよい。
以上、本発明について、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１変形例）
実施の形態では、ＵＳＢ−ＰＤ規格とＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格をフルサポートするＵＳＢコントローラ３００について説明したが本発明はそれには限定されない。
（i）たとえばＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格のみをサポートするＵＳＢコントローラ３００にも本発明は適用可能である。この場合、規定電圧レベルはＶ１＝５Ｖのみとされ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は、直流電圧ＶＯＵＴがＶ０とＶ１の２値で切り替え可能となるよう構成すればよい。
（ii）あるいは反対に、ＵＳＢ−ＰＤ規格のみをサポートするＵＳＢコントローラ３００にも本発明は適用可能である。この場合、ケーブルの向きを検出する機能等は省略することができる。
（第２変形例）
実施の形態では、ＵＳＢコントローラ３００を説明したが、本発明はそれには限定されない。現在策定されているＵＳＢ規格の他、将来策定されるＵＳＢ規格や、その派生規格であって、同様のアーキテクチャを採用する電圧供給システムに本発明は利用可能である。またバスの種類はＵＳＢには限定されず、クイックチャージ規格など、ＵＳＢ規格とは異なる規格にも本発明は適用可能である。クイックチャージ（Quick Charge 2.0）規格では、バス電圧ＶＢＵＳとして、５Ｖ，９Ｖ，１２Ｖがサポートされる。
（第３変形例）
実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２がフライバックコンバータであったが、そのトポロジーは特に限定されない。たとえばＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は同期整流型であってもよいし、フォワードコンバータであってもよい。あるいはトランスＴ１ではなくインダクタを利用したコンバータであってもよい。
（第４変形例）
電源アダプタ１００は、図７（ａ）、（ｂ）に示すようなＡＣ電源アダプタには限定されない。ＵＳＢ−ＰＤ規格では、テレビなどの電子機器、コンピュータなどにも、電源アダプタ１００が搭載され、バス電圧の供給機能が実装されることが想定されている。したがって電源アダプタ１００は、電子機器に内蔵されてもよい。
（第５変形例）
フィードバック回路２２０の全部あるいは一部は、ＵＳＢコントローラ３００に内蔵されてもよい。
実施の形態にもとづき、具体的な語句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。
１００…電源アダプタ、１０２…入力整流回路、１０４…平滑キャパシタ、２００…電源装置、２０２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０４…出力スイッチ、２０６…コネクタ、２１０…２次側整流回路、２１２…フォトカプラ、２２０…フィードバック回路、２２２…シャントレギュレータ、Ｍ２…トランジスタ、２２４…分圧回路、２２６…基準電圧源、２２８…エラーアンプ、２３０…１次側コントローラ、Ｔ１…トランス、Ｗ１…１次巻線、Ｗ２…２次巻線、Ｍ１…スイッチングトランジスタ、Ｃ１…出力キャパシタ、Ｄ１…整流素子、３００…ＵＳＢコントローラ、３０２…電源ライン、３０４…検出器、３０６…フィードバック制御部、３０８…スイッチ制御部、３１０…通信部、ＶＤＤ…電源端子、３２０…コントロールロジック、３３０…インタフェース回路、３３２…バス電圧検出器、３３４…ポート検出器、３３６…トランシーバ、３４０…スイッチドライバ、３４２…放電回路、３４４…電圧監視部、３４６…放電回路、３４８…電圧監視部、３５０…電流検出回路、５００…デバイス。

Claims (20)

  1. 着脱可能なデバイスに供給すべきバス電圧として利用される直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータとともに使用され、電源装置を構成するバスコントローラであって、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
    １次巻線および２次巻線を有するトランスと、
    前記２次巻線と接続され、前記直流電圧を出力する２次側整流回路と、
    前記１次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
    発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、
    前記フォトカプラの前記発光素子と接続され、前記直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により前記発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、
    前記フォトカプラの受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号にもとづいて、前記スイッチングトランジスタをスイッチングする１次側コントローラと、
    前記トランスの２次側に配置され、前記デバイスの着脱を検出する前記バスコントローラと、
    を備え、
    前記バスコントローラは、
    前記２次側整流回路の出力と接続され、前記直流電圧を電源として受ける電源端子と、
    前記デバイスの接続の有無を検出する検出器と、
    （i）前記デバイスが検出されたとき、規定電圧レベルの前記直流電圧が生成されるように、（ii）前記デバイスが検出されないとき、前記規定電圧レベルより低く、前記バスコントローラの最低動作電圧より高い電圧レベルの前記直流電圧が生成されるように、前記フィードバック回路を制御するフィードバック制御部と、
    を備え、
    前記バスコントローラは、前記デバイスと通信を行う通信部をさらに備え、
    前記フィードバック制御部は、前記通信部と前記デバイスとの通信にもとづいて、複数の中からひとつの規定電圧レベルを選択することを特徴とするバスコントローラ。
  2. 前記電源装置は、
    前記デバイスが着脱されるコネクタと、
    前記２次側整流回路の出力とコネクタの間に設けられた出力スイッチと、
    をさらに備え、
    前記バスコントローラの前記電源端子は、前記２次側整流回路の前記出力と前記出力スイッチの間に接続されることを特徴とする請求項１に記載のバスコントローラ。
  3. 前記バスコントローラは、（i）前記デバイスが検出されたときに、前記出力スイッチをオンし、（ii）前記デバイスが検出されないときに前記出力スイッチをオフするスイッチ制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のバスコントローラ。
  4. 前記フィードバック制御部は、前記基準電圧を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえ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バスコントローラ。
  5. 前記フィードバック回路は、前記直流電圧を可変の分圧比により分圧し、前記検出電圧を生成する分圧回路をさらに含み、
    前記フィードバック制御部は、前記分圧回路の前記分圧比を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえ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バスコントローラ。
  6. ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のバスコントローラ。
  7. ＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠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バスコントローラ。
  8. ＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠す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バスコントローラ。
  9. クイックチャージ規格に準拠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バスコントローラ。
  10. 着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する電源アダプタであって、
    交流電圧を整流する入力整流回路と、
    前記入力整流回路の出力電圧を受け、前記バス電圧として利用される直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、
    請求項１から９のいずれかに記載のバスコントローラと、
    を備えることを特徴とする電源アダプタ。
  11. 着脱可能なデバイスにバス電圧を供給する電源装置であって、
    前記バス電圧として利用される直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記直流電圧を電源として受け、前記デバイスの接続の有無を検出するバスコントローラと、
    を備え、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、（i）前記バスコントローラが前記デバイスを検出したときに、規定電圧レベルの前記直流電圧を生成し、（ii）前記バスコントローラが前記デバイスを検出しないときに、前記規定電圧レベルより低く、前記バスコントローラの最低動作電圧より高い電圧レベルの前記直流電圧を生成し、
    前記バスコントローラは、前記デバイスとのネゴシエーションに応じて、複数の規定電圧レベルの中からひとつを選択することを特徴とする電源装置。
  12. 前記デバイスが着脱されるコネクタと、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力と前記コネクタの間に設けられた出力スイッチと、
    をさらに備え、
    前記バスコントローラの電源端子は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力と前記出力スイッチの間に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の電源装置。
  13. 前記バスコントローラは、（i）前記デバイスを検出したときに、前記出力スイッチをオンし、（ii）前記デバイスを検出しないときに、前記出力スイッチをオフすることを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
  14. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは絶縁型であり、
    １次巻線および２次巻線を有するトランスと、
    前記２次巻線と接続され、前記直流電圧を出力する２次側整流回路と、
    前記１次巻線と接続されるスイッチングトランジスタと、
    発光素子および受光素子を含むフォトカプラと、
    前記フォトカプラの前記発光素子と接続され、前記直流電圧に応じた検出電圧とその目標値である基準電圧との誤差に応じた電流により前記発光素子を駆動するシャントレギュレータを含むフィードバック回路と、
    前記フォトカプラの受光素子に流れる電流に応じたフィードバック信号にもとづいて、前記スイッチングトランジスタをスイッチングする１次側コントローラと、
    を含むことを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の電源装置。
  15. 前記バスコントローラは、前記基準電圧を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえることを特徴とする請求項１４に記載の電源装置。
  16. 前記フィードバック回路は、前記直流電圧を可変の分圧比により分圧し、前記検出電圧を生成する分圧回路をさらに含み、
    前記バスコントローラは、前記分圧回路の前記分圧比を切りかえることにより、前記直流電圧の電圧レベルを切りかえることを特徴とする請求項１４に記載の電源装置。
  17. ＵＳＢ−ＴｙｐｅＣ規格に準拠することを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載の電源装置。
  18. ＵＳＢ−ＰＤ規格に準拠することを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載の電源装置。
  19. クイックチャージ規格に準拠することを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載の電源装置。
  20. 交流電圧を整流する入力整流回路と、
    前記入力整流回路の出力電圧を受ける請求項１１から１９のいずれかに記載の電源装置と、
    を備えることを特徴とする電源アダプタ。
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