充电电路及使用了它的电子设备、充电器的制作方法

本发明涉及对充电电池进行充电的充电电路。

背景技术：

便携式电话、PDA(Personal Digital Assistant：个人数字助理)、笔记本型个人计算机、便携式音频播放器等电池驱动设备内置有可充电的充电电池和用于对其进行充电的充电电路。充电电路有基于从USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)主机适配器介由USB缆线供给的直流电压对充电电池进行充电的方式。

目前，移动设备中安装的充电电路遵循被称作USB Battery Charging Specification(USB电池充电规范)的标准(以下称作BC标准)。主机适配器有多种。在BC revision1.2标准中，作为充电器的种类，定义有SDP(Standard Downstream Port：下行端口)、DCP(Dedicated Charging Port：专用充电端口)、CDP(Charging Downstream Port：充电下行端口)。并且，主机适配器所能供给的电流(电流容量)是根据充电器的种类而规定的。具体来说，DCP、CDP规定为1500mA，SDP根据USB的版本而规定为100mA、500mA、900mA。

作为使用了USB的下一代充电电池充电的方式、系统，制定了被称作USB Power Delivery的标准(以下称作PD标准)。在PD标准中，可供给的功率从BC标准的7.5W大幅增大到最大100W。具体来说，在PD标准中，作为USB总线电压，允许供给比5V高的电压(具体来说是12V、20V)，充电电流也允许供给比BC标准大的量(具体来说是2A，3A、5A)。

[在先技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本特开2013-198262号公报

[专利文献2]日本特开2006-60977号公报

[专利文献3]日本特开2006-304500号公报

技术实现要素：

〔发明所要解决的课题〕

在从BC标准向PD标准的过渡期，想到会出现仅遵循BC标准的主机适配器和遵循PD标准的主机适配器混合存在的环境。在安装多单元的锂离子电池的电子设备中，需要9V以上的直流电压。因此存在如下问题：在准备有PD标准的主机适配器的环境下，能对锂离子电池进行充电，但用BC标准的总线电压5V无法对充电电池进行充电。

本发明的一个方案是在这样的状况下研发的，其例示性目的之一在于提供一种在主机适配器遵循BC标准及PD标准的任一种的状况下都能对充电电池充电的充电电路。

〔用于解决课题的手段〕

本发明的一个方案设计对多单元的充电电池进行充电的充电电路。充电电路包括：降压充电器，接受从USB(Universal Serial Bus：通用串行总线)主机适配器供给到USB端口的总线电压，对充电电池进行充电；升压充电器，接受总线电压，对充电电池进行充电；PD控制器，检测到USB端口连接了遵循PD(Power Delivery)标准的主机适配器，通过与主机适配器的协商，决定总线电压及充电电流；以及充电器检测器，检测到USB端口连接了遵循BC(Battery Charging)标准的主机适配器，基于USB端口的电气状态判定主机适配器的种类。充电电路被构成为能基于主机适配器遵循的标准及支持的配置文件来切换升压充电器和降压充电器。

根据该方案，在能从主机适配器供给比充电电池的满充电压高的总线电压的状况下，利用降压充电器，在仅供给比充电电池的满充电压低的总线电压的状况下，利用升压充电器，由此，在PD标准和BC标准混合存在的环境下也能对多单元的充电电池进行充电。

可以在(i)连接了遵循BC标准的主机适配器时，或者(ii)连接了遵循PD标准的主机适配器、且该主机适配器不支持不升压就能对多单元的充电电池进行充电的总线电压的配置文件时，升压充电器被选择。

由此，能根据总线电压选择适当的充电器。

一个方案的充电电路可以在升压充电器的输出端子与充电电池之间还具有与主充电路径并联而设的涓流充电路径。

可以在充电电池的过放电状态或电量耗尽(dead battery)状态下，升压充电器成为使能状态。充电电路可以通过介由涓流充电路径的涓流充电，使充电电池从过放电状态或电量耗尽状态恢复。

涓流充电路径可以在升压充电器的输出端子与充电电池的端子之间包含被串联设置的二极管及电阻。

充电电路可以还包括被设置在主充电路径上、在介由涓流充电路径的充电过程中成为截止的开关。

充电电路可以还包括被设置在升压充电器的输出端子与主充电路径之间的第2二极管。由此，能防止从电池向升压充电器的电流逆流。

本发明的另一方案涉及电子设备。电子设备可以包括多单元的充电电池、对充电电池进行充电的上述任一项的充电电路。

另外，将以上构成要素的任意组合、本发明的构成要素及表现方式在方法、装置、系统等之间相互置换的方案，作为本发明的方案也是有效的。

[发明效果]

根据本发明的一个方案，在主机适配器遵循BC标准及PD标准的任一者的状况下都能对多单元的充电电池进行充电。

附图说明

图1是表示具备实施方式的充电电路的电子设备的整体的框图。

图2是表示图1的充电电路的构成的框图。

图3是表示USB充电器检测器的构成例的电路图。

图4是表示升压充电器的构成例的电路图。

图5是表示降压充电器的构成例的电路图。

图6是图2的充电电路的流程图。

图7是第1变形例的电子设备的框图。

具体实施方式

以下基于优选实施方式，参照附图说明本发明。对各附图所示的相同或等同的构成要素、部件、处理标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。此外，实施方式仅是例示，并非限定发明，并非实施方式所记述的全部特征及其组合都是发明的本质部分。

在本说明书中，所谓“部件A与部件B连接的状态”，包括部件A与部件B物理地直接连接的情况、以及部件A与部件B介由不对其电气连接状态产生实质性影响的、或者不损害其结合所产生的功能和效果的其它部件间接连接的情况。

同样地，所谓“部件C被设置在部件A与部件B之间的状态”，除部件A与部件C、或者部件B与部件C直接连接的情况外，还包括介由不对其电气连接状态产生实质性影响的、或者不损害其结合所产生的功能和效果的其它部件间接连接的情况。

图1是表示具备实施方式的充电电路100的电子设备1整体的框图。电子设备1例如是便携式电话终端、平板终端、笔记本型PC(Personal Computer：个人电脑)、数字照相机、数字摄像机等电池驱动型的信息终端设备。电子设备1具有充电电池2、微型计算机4、系统电源6、USB收发器(USBPHY)8及充电电路100。

充电电池2是锂离子电池或镍氢电池等充电电池，输出电池电压VBAT。充电电池2是多单元(2单元以上)的，电池电压VBAT在满充状态下为9V左右。以下，将满充时的电池电压记作VBAT_FULL。USB(Universal Serial Bus)主机适配器102介由USB缆线104可装卸于电子设备1的USB端口P1。

更具体来说，USB端口P1的VBUS端子被供给来自主机适配器102的直流电压(也称作总线电压、总线电源)VBUS。DP端子、DM端子与USB缆线的数据线D+、D-连接。ID端子在本实施方式中不被使用。GND端子与GND线连接。

另外，电子设备1的适配器端口P2能介由AC适配器106而输入DC电压VDC。DC电压VDC的额定值是比满充电压VBAT_FULL高的电压、例如12V。

充电电路100接受总线电压VBUS或者DC电压VDC，利用任意一者对充电电池2充电。

微型计算机4是控制电子设备1整体的主处理器。在为无线通信终端的情况下，基带处理器、应用处理器相当于微型计算机4。

系统电源6使电池电压Vbat升压或降压，生成针对电子设备1的各功能块的多个电源电压。微型计算机4被供给由系统电源6生成的电源电压VDD。

启动管理IC7在电子设备1关机的状态下检测到成为启动的触发的事件时，按照预定的程序使系统电源6生成给各功能块的电源电压VDD，并使微型计算机4执行预定的处理。

USB收发器8与主机适配器102之间介由信号线D+、D-进行数据的收发信。

以上是电子设备1的构成的概要。接下来说明实施方式的充电电路100的构成。

图2是表示图1的充电电路100的构成的框图。充电电路100除USB端口P1、适配器端口P2外还具备降压充电器10、升压充电器12、PD控制器20、USB充电器检测器22、UVLO电路30、OVP电路32。

VBUS端子、DP端子、DM端子与图1的USB端口P1连接。VBUS端子被输入总线电压VBUS，DP端子、DM端子与数据线D+、D-连接。

降压充电器10被构成为能接受总线电压VBUS，并介由主充电路径14对充电电池2进行充电。降压充电器10可以是使用了线性电源的线性充电器，也可以是使用了降压型的开关转换器的开关充电器。

升压充电器12接受总线电压VBUS，并介由主充电路径14对充电电池2进行充电。升压充电器12是采用了升压型的开关转换器的开关充电器。优选在主充电路径14与升压充电器12之间插入防止逆流用的第2二极管D2。

降压充电器10、升压充电器12分别能切换恒流充电(CC：Constant Current)模式和恒压充电(CV：Constant Voltage)模式，根据充电电池2的状态选择模式。

PD控制器20判断USB端口P1上是否连接了遵循PD(Power Delivery)标准的主机适配器(以下记作102a)。并且，PD控制器20通过利用了数据线D+、D-的与主机适配器102a的协商，决定总线电压VBUS及总线电流IBUS。

在PD标准下，充电电路100及主机适配器102分别支持至少一个配置文件。以下例示配置文件。

PROFILE1：5V@2A

PROFILE2：5V@2A，12V@1.5A

PROFILE3：5V@2A，12V@3A

PROFILE4：5V@2A，12V@3A，20V@3A

PROFILE5：5V@2A，12V@5A，20V@5A

在支持任一种配置文件的情况下，都保证最低限VBUS＝5V、IBUS＝2A。PD控制器20通过与主机适配器102a的协商来判定充电电路100和主机适配器102双方都支持的总线电压VBUS及总线电流IBUS的组合。

另外，USB充电器检测器22判断USB端口P1上是否连接了遵循BC(Battery Charging)标准的主机适配器(以下记作102b)，并且基于USB端口P1的电气状态判定主机适配器102b的种类。

更具体来说，USB充电器检测器22在USB端口P1上连接了主机适配器102时，基于USB端口P1的数据线D+、D-的电气状态判定主机适配器102的种类(SDP、DCP、CDP的任一者)，决定升压充电器12的充电电流的上限值。

PD控制器20及USB充电器检测器22所生成的数据被写入未图示的寄存器、或者被通知给升压充电器12、降压充电器10。USB充电器检测器22将表示所决定的充电电流上限的设定数据ISET1通知给升压充电器12。同样地，PD控制器20将表示所决定的充电电流上限的设定数据ISET2通知给降压充电器10。

UVLO电路30判定总线电压VBUS是否在充电电路100可进行动作的阈值电压VUVLO以上。晶体管M12的漏极与状态端子USBOK连接，其栅极被输入与UVLO电路30的判定结果相应的电压。USBOK端子在总线电压VBUS正常时为低电平、在过压状态或低电压状态下为高阻状态。被设置在充电电路100外部的微型计算机4能通过参照状态端子USBOK的状态判定直流电压VUSB是否被提供给了电子设备1。

OVP(Over Voltage Protection：过压保护)电路32判定总线电压VBUS是否在预定的阈值电压VOVP以下。在VBUS＞VOVP时进行过压保护，晶体管M13截止。

另外，通过PD控制器20、USB充电器检测器22的任意一者、或者其它未图示的检测器，监视有无对AC端子供给DC电压VDC。

充电电路100被构成为能基于主机适配器102遵循的标准(即是PD标准、还是BC标准)及支持的配置文件切换升压充电器12和降压充电器10。

具体来说，(i)在连接了遵循BC标准的主机适配器102a时，或者(ii)连接了遵循PD标准的主机适配器102b、且该主机适配器102b不支持能不升压地对多单元的充电电池2进行充电的总线电压VBUS(在本实施方式中为9V以上)的配置文件时，选择升压充电器12。

另一方面，在这以外的情况下，即(iii)连接了遵循PD标准的主机适配器102b、且该主机适配器102b支持能不升压地对多单元的充电电池2进行充电的总线电压VBUS(在本实施方式中为9V以上)的配置文件时，选择降压充电器10。

以下说明降压充电器10和升压充电器12的切换控制的一例。将降压充电器10被选择的状态记作降压充电状态将升压充电器12被选择的状态记作升压充电状态

1.降压充电状态

在连接降压充电器10的输入端子与VBUS端子的路径上设置第1开关SW1，在连接降压充电器10的输入端子与AC端子的路径上设置第2开关SW2。

PD控制器20在AC端子被供给来自AC适配器106的DC电压VDC时，使第2开关SW2导通、使第1开关SW1截止。此时，利用来自AC适配器106的DC电压VDC对充电电池2充电。

另外，PD控制器20在AC端子没有被供给来自AC适配器106的DC电压VDC、VBUS端子被供给来自主机适配器102的总线电压VBUS、且总线电压VBUS比满充电压VBAT_FULL高时，使第1开关SW1导通、使第2开关SW2截止。此时，利用来自主机适配器102的总线电压VBUS对充电电池2充电。

降压充电器10设有使能端子EN。电阻R1、R2将总线电压VBUS分压，提供到降压充电器10的使能端子EN。降压充电器10在使能端子EN的电压高于预定的阈值时成为使能(可进行动作)状态。

2.升压充电状态

第1开关SW1、第2开关SW2都截止时，升压充电器12利用总线电压VBUS对充电电池2充电。

升压充电器12也设有使能端子EN。升压充电器12的使能端子EN被介由OR门13输入来自PD控制器20的控制信号S1和来自降压充电器10的控制信号S2。

PD控制器20在主机适配器102遵循PD标准、但仅支持VBUS＝5V时，使控制信号S1成为有效(例如高电平)。

另外，降压充电器10在其自身不能对充电电池2进行充电时，使控制信号S2成为有效。所谓降压充电器10不能对充电电池2进行充电的状态，设想是总线电压VBUS低于满充电压VBAT_FULL的状态、降压充电器10自身发生了故障或不良的状态等。升压充电器12在控制信号S1、S2的至少一者被置于有效时，成为使能状态。

充电电路100在升压充电器12的输出端子与充电电池2之间还包括与主充电路径14并联而设的涓流充电路径16。涓流充电路径16例如包括串联连接的电阻R3及防止逆流用的第1二极管D1。

充电电路100在充电电池2的过放电状态或电量耗尽状态下，升压充电器12成为使能状态，能进行介由涓流充电路径16的涓流充电。由此，充电电池2能够从过放电状态、电量耗尽状态恢复。

主充电路径14包含开关SW3。开关SW3在介由涓流充电路径16进行的充电过程中为截止，在介由主充电路径14进行的充电过程中为导通。例如开关SW3是根据降压充电器10所生成的控制信号S3而被控制的。

图3是表示USB充电器检测器22的构成例的电路图。USB充电器检测器22包含开关SW11、SW12、检测电路40、定时(timing)控制部42、接口电路44。

开关SW11、SW12用于切换使USB端口P1侧的D+端子、D-端子连接于检测电路40的第1状态、和使其与USB收发器8连接的第2状态。基于USB充电器检测器22，开关SW11、SW12在判定主机适配器102的种类时成为第1状态，在判定结束时成为第2状态。在第2状态下，检测电路40被从USB收发器8切离。

检测电路40在第1状态下经由USB端口P1与主机适配器102连接，检测遵循BC1.2标准的主机适配器102，判定其种类(DCP、CDP、SDP)。定时控制部42包括被设计成满足BC1.2标准的检测程序的方式的定序器、存储判定结果的存储器、决定设定数据ISET1的值的逻辑电路等。接口电路44是将所决定的设定数据ISET1通知给升压充电器12的接口。

图4是表示升压充电器12的构成例的电路图。升压充电器12具有控制器集成电路(IC)50、以及外装的电感器L11、二极管D11、晶体管M11、电容器C11、C12。

电感器L11被连接在控制器IC50的SW1端子、SW2端子之间。系统(SYSTEM)端子上连接电容器C11。二极管D11被设置在电感器L11与SYSTEM端子之间。电容器C12与BATTERY+端子连接。晶体管M11被设置在SYSTEM端子与BATTERY+端子之间，对应于图2的主充电路径14的开关SW3。晶体管M11被后述的降压充电器10的控制IC70控制。

SYSTEM端子的电压被输入到控制器IC50的VFB(反馈)端子。晶体管M13被设置在PGND端子与VFB端子之间。晶体管控制器IC50以VBUS端子所被供给的总线电压为电源进行动作。电平移位器56使总线电压VBUS电平移位。VBUSLIM(VBUS电流制限)端子被介由电阻R11输入总线电压VBUS。OCP(过电流保护)电路58基于电阻R11所产生的电压降VR11检测过电流状态。稳压器62接受电压VBUSLIM，使其稳定在预定的电压电平。稳定后的电压被作为电源提供给控制器IC50内的各电路功能块。

SW1端子相当于升压DC/DC转换器的输入。输入开关SW21、SW22被设置在VBUSLIM端子与SW1端子之间，被负载开关60控制。输入开关SW21、SW22在升压充电器12进行动作的过程中为导通，在其非动作过程中、或者在过电流保护时成为截止。

开关晶体管M12是降压DC/DC转换器的开关元件。振荡器52生成时钟信号CK。控制器IC50与时钟信号CK同步地控制开关晶体管M12。

基准电压控制电路54生成与来自USB充电器检测器22的设定数据ISET1相应的基准电压VREF。比较器66接受反馈电压VFB，判定电压电平。充电控制器64生成被脉冲调制了的信号SPWM1，使得以基准电压VREF所示的电流量为上限进行充电电池2的充电。驱动器级68根据脉冲信号SPWM1使开关晶体管M12开关。例如基准电压控制电路54可以能够切换恒定功率(CP：Constant Power)模式和恒压(CV：Constant Voltage)模式。或者，基准电压控制电路54可以支持恒流(CC：Constant Current)模式。

以上是升压充电器12的构成例。作为控制器IC50，可以采用罗姆公司市售的BD8668##(##表示派生编号)等。

图5是表示降压充电器10的构成例的电路图。控制器IC70及外装的电感器L21、开关晶体管M21、同步整流晶体管M22、电容器C11构成降压型的DC/DC转换器。电容器C11、C12、晶体管M11被与图4的升压充电器12共用。

充电泵76使充电电池2的电压升压。AC检测控制电路78基于ACPWR端子的电压和EN(ACDET)端子的电压，判定有无AC适配器106。接口电路80从ACOK端子输出表示判定结果的控制信号S3。稳压器82在EN端子为高电平时成为有效，使ACPWER端子的电压稳定。稳定后的电压被作为电源提供给驱动器级86等。

电阻R22被设置在对充电电池2的充电路径上。电阻R22的两端与控制器IC70的电池电流检测端子(SRP/SRN)连接。电池输入电流检测电路72基于电阻R22的电压降检测对充电电池2的输入电流、即充电电流。

电阻R21被设置在从AC端子流入降压DC/DC转换器的电流的路径上。电阻R21的两端与控制器IC70的AC输入电流检测端子(ACP/ACN)连接。AC输入电流检测电路74基于电阻R21的电压降检测输入电流。

驱动器控制电路84基于电池输入电流检测电路72及AC输入电流检测电路74的检测结果生成被脉冲调制了的信号SPWM2。驱动器级86根据脉冲信号SPWM2使晶体管M21、M22开关。

以上是降压充电器10的构成例。作为控制器IC70，可以采用罗姆公司市售的BD99950##等。

以上是充电电路100的构成。接下来说明其动作。

图6是图2的充电电路100的流程图。

首先判定有无AC适配器106(S100)，若检测到AC适配器106(S100的Y)，则开始降压充电器10所进行的充电(S108)。

在未检测到AC适配器106时(S100的N)，判定有无USB主机适配器102(S102)。在未检测到主机适配器102时，返回处理S100(S102的N)，继续进行主机适配器102、AC适配器106的检测处理(S100、S102)。

若检测到主机适配器102(S102的Y)，则判定是否遵循PD标准(S104)。然后，若主机适配器102不遵循PD标准(S104的N)，换言之遵循BC标准，则开始升压充电器12所进行的充电(S110)。

若主机适配器102遵循PD标准(S104的Y)，则进行配置文件判定(S106)。然后，若主机适配器102支持满充电压VBAT_FULL(＝9V)以上的配置文件(S106的Y)，则开始降压充电器10所进行的充电(S108)。若主机适配器102不支持满充电压VBAT_FULL(＝9V)以上的配置文件(S106的N)，则开始升压充电器12所进行的充电(S110)。

以上是充电电路100的动作。

该充电电路100在能从主机适配器102供给比充电电池2的满充电压VBAT_FULL高的总线电压VBUS的状况下，利用降压充电器10，在仅能供给比充电电池2的满充电压VBAT_FULL低的总线电压VBUS的状况下，利用升压充电器12。由此，在PD标准和BC标准混合存在的环境下，能够对多单元的充电电池2进行充电。更详细来说，在可进行基于PD标准的高速充电的情况下，能短时间地对充电电池2进行充电。另外，若主机适配器102不遵循PD标准，或者即使遵循也仅供给VBUS＝5V的情况下，能够利用升压充电器12对充电电池2可靠地充电。

本发明人针对如下电路也进行了研究：该电路中取代升压充电器12而设置不具有充电功能的一般的升压DC/DC转换器，将升压DC/DC转换器的输出和总线电压VBUS选择性地提供给降压充电器10的输入端子(以下称作比较技术)。然而，在比较技术中，在被供给了5V的总线电压VBUS时，在升压充电器12和降压充电器10两者都发生功率损耗。与此不同，根据实施方式的充电电路100，通过设置具有充电功能的升压充电器12，能减少功率损耗。

另外，通过设置涓流充电路径16，并在电量耗尽状态或者过放电状态下进行从升压充电器12经由涓流充电路径16的涓流充电，能使充电电池2恢复。

以上基于实施方式对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解该实施方式仅是例示，其各构成要素和各处理步骤的组合可以有各种各样的变形例，并且这样的变形例也包含在本发明的范围内。以下说明这样的变形例。

(第1变形例)

图7是第1变形例的电子设备的框图。电子设备1a的适配器端口P2被供给无线供电所产生的直流电压VDC。具体来说，适配器端口P2上连接接收线圈110、整流电路112、无线供电控制IC114。接收线圈110接受来自未图示的发送线圈的无线功率信号。整流电路112根据无线功率信号对接收线圈110感应的电流进行整流、平滑化。整流电路112包含二极管电桥电路及平滑电容器。或者，整流电路112包含同步整流电路(H电桥电路)及平滑电容器。无线供电控制IC114接受来自整流电路112的直流电压，生成被稳定为预定的电压电平的直流电压VDC提供到适配器端口P2。另外，二极管电桥电路或者同步整流电路也可以被集成于无线供电控制IC114。无线供电可以遵循WPC(WirelessPower Consortium：无线充电联盟)制定的Qi标准。或者可以遵循PMA(Power Matters Alliance：电源事物联盟)制定的标准。

(第2变形例)

或者，适配器端口P2并非必要，也可以省略。

(第3变形例)

另外，图1的电子设备1是以将USB用于数据传输为前提的，但本发明并不限定于此，也可以将USB仅用于充电。此时也可以省略USB收发器8。

(第4变形例)

在实施方式中，说明了充电电路100被内置于电子设备的情况，但本发明并不限定于此。例如充电电路100也可以被安装在与内置充电电池2的电子设备1不同的壳体中所封装的USB充电器中。

基于实施方式用具体的语句说明了本发明，但实施方式仅是表示本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书规定的本发明思想的范围内，实施方式可以有多种变形例或配置的变更。

[附图标记说明]

1...电子设备、2...充电电池、4...微型计算机、6...系统电源、7...启动管理IC、8...USB收发器、100...充电电路、102...主机适配器、104...USB缆线、106...AC适配器、P1...USB端口、P2...适配器端口、10...降压充电器、12...升压充电器、14...主充电路径、16...涓流充电路径、20...PD控制器、22...USB充电器检测器、30...UVLO电路、32...OVP电路、SW1...第1开关、SW2...第2开关。

[工业可利用性]

本发明能用于充电电池的充电技术。