JP2011501933A - 出力等価直列抵抗を有する任意の電源に対する適応電流制限 - Google Patents

Abstract

任意の電源が、その電源に対する１つの負荷の電力消費を、その電源に対する他の負荷の適正な動作のための最低電源電圧を維持するように制限するための適応電流制限。フラッシュ・システム用などのバッテリ用途のために、本発明は、最初にシステムの等価直列抵抗を計算する必要なく、昇圧コンバータの最大出力電流を利用できるようにする。本発明はまた、高負荷イベント中に、他の負荷における変動を補償するために、電流負荷を高くまたは低く調節する。電流負荷における変更は、絶え間なく上方および下方へ一定量変化することが繰り返されるのを避けるヒステリシス領域を伴って、一定量変化式に行われる。

Description

（関連出願の相互引用）
本出願は、２００７年９月１０日に出願された米国特許仮出願第６０／９７１，１８４号明細書の利益を主張するものである。

（技術分野）
本発明は、バッテリで電力供給されるシステムにおけるバッテリ負荷管理の分野に関する。

種々のバッテリで電力供給されるデバイスにおいて、電力を必要とする多くのサブシステムが存在する。通常、サブシステムのうちの少なくとも１つは、必要な場合に、減少された電力で動作することができる。そのようなデバイスは、携帯電話を含む、キセノンまたはＬＥＤのフラッシュ要素を使用するカメラ・フラッシュを有するデバイスと、ＴＤＭＡ送信バースト中に電力増幅器の電力を供給するためにコンデンサが充電されるＴＤＭＡ送信システムとを含む。

カメラ・フラッシュを有するデバイスを取り上げると、フラッシュ・コンデンサをできるだけ速やかに充電することが望ましい。しかし、高負荷電流の間、システム電圧は、バッテリの内部ＥＳＲ（等価直列抵抗）ならびにバッテリと負荷の間の何らかの直列インピーダンスにより、瞬間的に下落する。安定した動作のために最低電圧を必要とする機器に対して、安定した動作のためのしきい値より下にシステム電圧を下落させることなくバッテリから引き出すことができる最大電流を概算するために、システム（直列インピーダンスを加えたバッテリ）のＥＳＲを計算する必要がある。

上記が行われない場合は、２つのシナリオが考えられる：
１．バッテリがもはや確実な動作をしない点の上側に、十分な余裕をもたらすために、システムが動作を停止して出力が低下する所定の電圧であるシステム遮断電圧が、人為的に高く設定されなければならないであろう。その結果、稼働時間が短くなる。
２．携帯電話において、たとえバッテリが十分な残存容量を有していても、高い電流のピークが不安定な動作を生じ、あるいは可能性として通話の途絶さえも引き起こす。

上記の理由により、他のサブシステムの動作ために必要なバッテリ電圧を維持するために、必要な場合に、フラッシュ・コンデンサ充電システムのバッテリ電流消費を公称の設計値より低く制限し、それにより有効バッテリ寿命、または再充電可能バッテリの充電と充電の間の時間が延長されることが望ましい。

従来技術では、付加的なハードウェアおよびソフトウェアが追加された。追加されるハードウェアは、高精度高速ＡＤＣである。システムの初期ローディングの間にバッテリの電圧降下がＡＤＣで測定され、ソフトウェアを使用してバッテリのＥＳＲが計算され、そのバッテリのＥＳＲから、バッテリが耐えられる最大負荷が求められる。

バッテリおよび線路インピーダンスのシステムのＥＳＲ（等価直列抵抗）によるシステムの電圧降下を示す図である。 正常な場合の、フラッシュ／動画イベント終了時に最低システム電圧を保証するための、ＥＳＲ計算の使用を示す図である。 フラッシュ／動画イベント中に負荷イベントが追加された状態における、フラッシュ／動画イベント終了時に最低システム電圧を保証するための、フラッシュ／動画イベント開始時のＥＳＲ計算の使用を示す図である。 フラッシュ／動画イベント中に負荷を緩めた状態における、フラッシュ／動画イベント終了時に最低システム電圧を保証するための、ＥＳＲ計算の使用を示す図である。 任意選択の降圧／昇圧スイッチング・レギュレータを有する、バッテリで駆動されるシステムの中での、フラッシュ電流を調節するＭＡＸＦＬＡＳＨを備えるフラッシュ・ドライバの使用を示す図である。 ＭＡＸＦＬＡＳＨ機能の推奨される実施を示すブロック線図である。 フラッシュ／動画イベント中にシステムの負荷が増加する状態における、ＭＡＸＦＬＡＳＨ機能の動作を示す図である。 フラッシュ／動画イベント中にシステムの負荷が減少する状態における、ＭＡＸＦＬＡＳＨ機能の動作を示す図である。

バッテリ用途に対して、本発明は、システムの等価直列抵抗（ＥＳＲ）を最初に計算することを必要とせずに、昇圧コンバータの最大出力電流が使用されることを可能にする。上述の通り、これは、
１．キセノン、またはＬＥＤのフラッシュ要素を使用するカメラ・フラッシュ、
２．ＴＤＭＡ送信バースト中に電力増幅器の電力を供給するためにコンデンサが充電される、ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）送信システム
などの用途において有用である。

本明細書においてＭＡＸＦＬＡＳＨと呼ばれる例示の方法は、バッテリで電力供給される機器の中の、フラッシュ／動画イベント中のバッテリのＥＳＲを測定する必要性を排除する。

図１は、システムのＥＳＲによる電圧降下を示す。カメラ・フラッシュまたは動画照明（トーチ・ライトとも呼ばれる）のような用途に対して、フラッシュ終了時に、システム電圧が残りのシステムのために最小限必要なシステム電圧（遮断電圧）より下に下落していないことを確実にするために、フラッシュにより消費されうる最大電流を計算するためにシステムのＥＳＲが測定されるべきである。

バッテリ・セルのＥＳＲは、バッテリの化学的性質、負荷電流、温度、およびセルの使用年数に左右される。これらの理由から、ＥＳＲは、最も正確な測定を得るために、リアルタイム・ベースで計算される必要がある。ほとんどのシステムにおいて、カメラ・フラッシュは、カメラ・モジュール自体により始動される。そのため、バッテリのＥＳＲは、フラッシュ・イベント開始中のリアルタイムに測定されなければならない。図２は、正常な場合の、フラッシュ／動画イベント終了時に最低システム電圧を保証するための、ＥＳＲ計算の使用を示す。

ほとんどのシステムは、互いに独立に動作する多くの複雑な機能を含むので、負荷電流は、フラッシュ／動画の継続期間中に変動する可能性がある。システムの中の他の負荷が、フラッシュ／動画の継続期間中に著しく多くの電流を引き出し始めると、このことが、システム電圧を、システムにとって最小限必要な動作電圧の下に下落させ、これにより誤った事象が引き起こされる可能性がある。このことが図３に示され、図３は、フラッシュ／動画イベント中に負荷イベントが追加された状態における、フラッシュ／動画イベント終了時に最低システム電圧を保証するための、初期のＥＳＲ計算の使用を示す。

一方、用途が、フラッシュ／動画イベント中に高電流モードから低電流モードに移行する場合は、フラッシュ／動画の継続期間が終了した時点のバッテリ電圧は、最低バッテリ電圧より高いであろう。このことは、実際のフラッシュ／動画の電流は、残りの継続期間に対してより高く設定可能であり、可能な最大の出力電流が使用されることが可能であったことを意味する。このことが図４に示され、図４は、フラッシュ／動画イベント中に負荷が緩められた状態における、フラッシュ／動画イベント終了時に最低システム電圧を保証するための、初期のＥＳＲ計算の使用を示す。

図５は、残りのシステムのために十分な動作電圧を維持するために、フラッシュ・ドライバの電流を調節するためのＭＡＸＦＬＡＳＨを使用するシステムを示す。図６は、この場合はフラッシュ・ランプに電力を供給するために、ドライバ出力蓄積コンデンサへの充電回路に供給する電流ＩＯＵＴ＿ＭＡＸを制御する、ＭＡＸＦＬＡＳＨのブロック線図を示し、図７および図８は、ＭＡＸＦＬＡＳＨ動作の例を示す。システムのＥＳＲを測定する必要性をなくしながら、やはりシステム電圧が所定のしきい値より低く下落しないことを確保するという目的を達成するために、図６の回路は、以下のように動作する（図７および図８参照）。フラッシュ／動画イベント中、デバイスの入力電圧が、ＶＳＹＳまたはＶ_BATTで示されるシステム・レールへのケルビン接続を使用して測定される。入力電圧が、コンパレータＣＰＩで検出される、Ｖ_{LB_TH}で示される所定のしきい値の下に下落する場合、この下落は、システムが耐えられる以上の電流をフラッシュ／動画イベントが引き出しているということを示している。

この徴候への反応として、フラッシュ／動画を駆動する電流レギュレータが、出力電流を１段階（ＬＳＢ）減少（下降（DOWN））させる。このことが、フラッシュ／動画を駆動する電流レギュレータへの入力電流を減少させ、それによりシステム・バッテリから引き出される総電流を減少させる。システム電流が今や減少されるので、バッテリ電圧は、バッテリ・セルおよび残りのシステムの内部ＥＳＲにより上昇し始める。電流レギュレータは、次いで、立下がり検出（すなわち、Ｖ_{LB_TH}未満のバッテリ電圧）に対してｔ_{LB_TMR_F}で、また立ち上がり検出（すなわち、コンパレータＣＰ２で検出されるＶ_{LB_TH}＋Ｖ_{LB_HYS}を超えるバッテリ電圧）に対してｔ_{LB_TMR_R}で示される、ユーザが予備設定した時間だけ、（抑制タイマー（INHIBIT TIMER）を）遅延させる。

そしてバッテリ電圧は、再度サンプリングされ、Ｖ_{LB_TH}と比較される。バッテリ電圧が、依然としてＶ_{LB_TH}のしきい値より低い場合、電流レギュレータは、最低バッテリ電圧がシステムの残りの部品に対して利用可能であることを保証するために、もう一度出力電流を１単位量減少させられる。バッテリ電圧が、Ｖ_{LB_TH}のしきい値と、Ｖ_{LB_HYS}で示されるユーザ設定のヒステリシスとの和を超えて上昇する場合、電流レギュレータは、出力電流がユーザ設定の出力電流未満の場合だけ、出力電流を１単位量（ＬＳＢ）増加（上昇（UP））させられる。好ましい実施形態において、下方または上方への一定量変化（increment）が、両方の抑制タイマーを、新しい時間遅延を初期化するためにリセットするが、このことは、本発明を限定することにはならない。

遅延ｔ_{LB_TMR_F}およびｔ_{LB_TMR_R}は、同じかまたは異なる期間であってよく、また必ずしも必要ではないが、通常は数秒から数ミリ秒の範囲内にある。これらの遅延は、ハードウェアの中に、またはシステム・プロセッサによるプログラム制御のもとに、存在してよい。遅延は、回路がシステム電圧に再度応答する前は最小遅延であり、その後は、回路は、Ｖ_{LB_TH}のしきい値より下に下降するかまたはＶ_{LB_TH}のしきい値とＶ_{LB_HYS}のヒステリシスとの和を超えて上昇するシステム電圧に直ちに応答することが、図７および図８から分かる。代替として、好ましい実施形態の中にあるように、システム電圧が周期的にサンプリングされ、電流が、一定量変化式に増加または減少されうる。本明細書で使用されるサンプリングは、コンパレータの出力に応答することを意味し、バッテリ電圧またはコンパレータ出力を初めに検出することを必ずしも意味しない。また、好ましい実施形態が図６に示されているが、ひとたび時間遅延がプログラムされ、通常は永久に記憶されると、システム・プロセッサの干渉がない機能である電流消費のサンプリングおよび／または増加または減少が、システム・プロセッサ制御のもとで実行可能となり、このことは、一般に望ましくない。

コンバータ出力における単位量の減少および単位量の増加は、要望に従って、同じでよくまたは異なってよい。しかし、同じ場合は、その一定量変化は、Ｖ_{LB_HYS}未満の影響をバッテリ電圧に与えるべきである。というのは、もしそうでなければ、Ｖ_{LB_TH}に向かう電圧下降がバッテリ電圧にＶ_{LB_TH}＋Ｖ_{LB_HYS}を超える変化を生じさせ、次の変化が、バッテリ電圧のＶ_{LB_TH}またはそれ以下への戻りをもたらすからである。その代わりに、コンバータ出力電流における単位量の減少がバッテリ電圧に与える影響は、Ｖ_{LB_HYS}未満にして、バッテリ電圧がＶ_{LB_TH}より低下しないようにするのに十分な頻度で繰り返されるべきである。代替として、コンバータ出力電流における単位量の減少は、コンバータ出力電流における単位量の増加より大きくあるべきであり、それにより、コンバータ出力電流における単位量の減少の後にコンバータ出力電流における単位量の増加が続いても、バッテリ電圧が、これら２つの変化が生じる前の電圧に戻ることはないであろう。

１回に１ＬＳＢの上昇／下降調節が、フラッシュ／動画イベントの全継続期間にわたって持続され、例として、そのイベント中のバッテリへの負荷の変動にかかわらず、フラッシュ／動画の出力電流が、特定の動作条件に対して常に最大化されることが確保されるであろう。

このように、本発明の好ましい実施形態が、例示を目的とし、限定を目的とせずに、本明細書に開示され説明されてきたが、形状および詳細における様々な変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その趣旨および範囲内でなされ得ることは、当業者には理解されよう。

Claims (12)

1. 第１の電流において駆動されることが好ましいが前記第１の電流未満の電流で動作可能な構成部品を有する、バッテリで駆動されるシステムにおいて最低システム電圧を維持する方法であって、
   １）システム電圧を検出するステップと、
   ２）前記システム電圧が所定のしきい値の下に降下するときに、前記構成部品に供給される前記電流を一定量変化的に減少させるステップと、
   ３）前記システム電圧が所定のしきい値とヒステリシス電流との和を超えて上昇するときに、前記構成部品に供給される前記電流を一定量変化的に増加させるステップと、
   ４）前記システム電圧が、電流の一定量変化的な減少の後の第１の期間の後、所定のしきい値の下に降下する場合に、前記構成部品に供給される前記電流を再度一定量変化的に減少させるステップと、
   ５）前記システム電圧が、電流の一定量変化的な増加の後の第２の期間の後、所定のしきい値とヒステリシス電圧付加分との和を超えて上昇する場合に、前記構成部品に供給される前記電流を再度一定量変化的に増加させるステップと、
   ６）ステップ４）およびステップ５）を複数回繰り返すステップと
   を含む方法。
2. 前記第１および第２の期間が、等しくない期間である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１および第２の期間が、等しい期間である、請求項１に記載の方法。
4. ステップ２）における電流の前記一定量変化的な減少が、ステップ３）における電流の前記一定量変化的な増加に等しい、請求項１に記載の方法。
5. ステップ２）における電流の前記一定量変化的な減少が、ステップ３）における電流の前記一定量変化的な増加に等しくない、請求項１に記載の方法。
6. 引き続き起こるステップａ）からステップｃ）の繰り返しのそれぞれにおいて、電流の一定量変化的な減少または増加の後の前記第１の期間の後の任意の時点で前記システム電圧が所定のしきい値の下に降下するときに、前記電流が一定量変化的に減少させられるか、または電流の一定量変化的な増加の後の前記第２の期間の後の任意の時点で前記システム電圧が所定のしきい値とヒステリシス電流との和を超えているときに、前記電流が一定量変化的に増加させられる、請求項１に記載の方法。
7. 第１の電流において駆動されることが好ましいが前記第１の電流未満の電流で動作可能な構成部品を有する、バッテリで駆動されるシステムにおいて最低システム電圧を維持する方法であって、
   ａ）システム電圧を検出するステップと、
   １）前記システム電圧が所定のしきい値の下に降下するときに、前記構成部品に供給される前記電流を一定量変化的に減少させるステップと、
   ２）前記システム電圧が所定のしきい値とヒステリシス電流との和を超えて上昇するときに、前記構成部品に供給される前記電流を一定量変化的に増加させるステップと、
   ｂ）電流の一定量変化的な減少または一定量変化的な減少の後に、
   １）電流の一定量変化的な減少または一定量変化的な増加の後の第１の期間の後、前記システム電圧が所定のしきい値の下に降下する場合に、前記構成部品に供給される前記電流を一定量変化的に減少させるステップと、
   ２）電流の一定量変化的な減少または一定量変化的な増加の後の第２の期間の後、前記システム電圧が所定のしきい値とヒステリシス電圧の成分との和を超えて上昇する場合に、前記構成部品に供給される前記電流を一定量変化的に増加させるステップと、
   ｃ）ステップｂ）を複数回繰り返すステップとを含む方法。
8. 前記第１および第２の期間が、等しくない期間である、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１および第２の期間が、等しい期間である、請求項７に記載の方法。
10. ステップｂ）、１）における電流の前記一定量変化的な減少が、ステップｂ）、２）における電流の前記一定量変化的な減少に等しい、請求項７に記載の方法。
11. ステップｂ）、１）における電流の前記一定量変化的な減少が、ステップｂ）、２）における電流の前記一定量変化的な減少に等しくない、請求項７に記載の方法。
12. 引き続き起こるステップｂ）の繰り返しのそれぞれにおいて、前記第１の期間の後の任意の時点で前記システム電圧が所定のしきい値の下に降下するときに、前記電流が一定量変化的に減少させられるか、または前記第２の期間の後の任意の時点で前記システム電圧が所定のしきい値とヒステリシス電流との和を超えているときに、前記電流が一定量変化的に増加させられる、請求項７に記載の方法。

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