JP2013038941A

JP2013038941A - 充電電圧制御回路、および電源回路

Info

Publication number: JP2013038941A
Application number: JP2011173699A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takemoto; 淳竹本; Minoru Furukawa; 実古川; Tadashi Shirato; 正白土
Original assignee: Nihon Dengyo Kosaku Co Ltd
Current assignee: Nihon Dengyo Kosaku Co Ltd
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-21

Abstract

【課題】簡単な構成で、かつ確実に、各種発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する。
【解決手段】発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する電源回路であって、充電電圧制御回路と、前記充電電圧制御回路の後段に配置される昇圧回路とを有し、前記充電電圧制御回路は、発電源からの微小電流により充電されるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を監視・制御する充電制御手段とを有し、前記充電制御手段は、前記コンデンサと前記昇圧回路との間に接続されるスイッチ回路と、前記コンデンサの充電電圧がＶａ以上の時に、前記スイッチ回路をオンとし、前記コンデンサの充電電圧がＶｂ（Ｖｂ＜Ｖａ）以下の時に、前記スイッチ回路をオフとする制御回路とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電電圧制御回路、および電源回路に係り、特に、各種発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する電源回路に関する。

従来、発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する電源回路が知られている。（下記、特許文献１参照）
図３は、発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する従来の電源回路の一例を示す回路図である。
図４は、発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する従来の電源回路の他の例を示す回路図である。
図５は、発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する従来の電源回路の他の例を示す回路図である。
図３において、１０は発電源である。発電源１０としては、例えば、太陽電池、ペルチェ素子、圧電素子、ダイナモ、レクテナ等の環境発電デバイスが挙げられる。これらの環境発電デバイスは、発電電力はごく僅かであり、直接、負荷回路であるアプリケーションを駆動させることは不可能である。
このため、まず初段にて一定時間の充電を行う。この充電には、インピーダンスの高い充電デバイス１１であることが望ましく、例えば、電気二重層キャパシタが使用される。
そして、図３では、充電デバイス１１に充電された電圧は、昇圧回路（すなわち、これに特化した昇圧ＩＣ）２０に入力され、昇圧される。

図４に示す回路は、図３に示す回路において、充電デバイス１１に充電された電圧を、ＰＮＰバイポーラトランジスタ（ＴＲ２）で監視し、規定の充電電圧、即ち、バイポーラトランジスタ（ＴＲ２）のベース・エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥに達すると、バイポーラトランジスタ（ＴＲ２）がオンとなる。これにより、サイリスタ（ＴＲ１）が導通し、充電デバイス１１に充電された電荷が、昇圧回路（昇圧ＩＣ）２０に入力され、昇圧される。
そして、充電デバイス１１に充電された電荷が放電し、充電デバイス１１に充電された電圧が降下すると、バイポーラトランジスタ（ＴＲ２）がオフとなり、サイリスタ（ＴＲ１）が遮断し、充電デバイス１１の充電が再開される。
図５は、図４の回路において、ＰＮＰバイポーラトランジスタ（ＴＲ２）に代えて、ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＴＲ３，ＴＲ４）を使用したものである。
図５に示す回路では、充電デバイス１１に充電された電圧を、電界効果トランジスタ（ＴＲ３，ＴＲ４）で監視し、規定の充電電圧、即ち、電界効果トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈに達すると、電界効果トランジスタ（ＴＲ３）がオンとなる。これにより、サイリスタ（ＴＲ１）が導通し、充電デバイス１１に充電された電荷が、昇圧回路（昇圧ＩＣ）２０に入力され、昇圧される。
そして、充電デバイス１１に充電された電荷が放電し、充電デバイス１１に充電された電圧が降下すると、電界効果トランジスタ（ＴＲ３）がオフとなり、サイリスタ（ＴＲ１）が遮断し、充電デバイス１１の充電が再開される。

特開平１１−１９６５４０号公報

発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する従来の電源回路において、アプリケーション３０に応じた制御パラメータの変更が求められる場合がある。
前述した従来手法においては、汎用的なデバイス、または目的に特化したデバイスを用いるため構成が簡素となる一方、制御出力がデバイスの物理的特性（例えば、バイポーラトランジスタの場合ベース・エミッタ間電圧、電界効果トランジスタの場合閾値電圧Ｖｔｈ）に完全に依存するために任意の設定が不可能であり、更には、微小電圧下では半導体デバイスが正常に動作せず、昇圧できないという問題点があった。
また、図３に示す回路では、昇圧回路（昇圧ＩＣ）２０の入力インピーダンスが、充電デバイス（電気二重層キャパシタ）１１のインピーダンスよりも低いため、発電源１０からの微小電流が、全て昇圧回路（昇圧ＩＣ）２０に流れるものの、起動に十分な電流でないため昇圧できない。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、本発明は、充電電圧制御回路、および電源回路において、簡単な構成で、かつ確実に、各種発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）昇圧回路の前段に配置される充電電圧制御回路であって、発電源からの微小電流により充電されるコンデンサと、前記コンデンサの充電電圧を監視・制御する充電制御手段とを有し、前記充電制御手段は、前記コンデンサと前記昇圧回路との間に接続されるスイッチ回路と、前記コンデンサの充電電圧がＶａ以上の時に、前記スイッチ回路をオンとし、前記コンデンサの充電電圧がＶｂ（Ｖｂ＜Ｖａ）以下の時に、前記スイッチ回路をオフとする制御回路とを有する。
（２）（１）において、前記コンデンサは、電気二層重コンデンサであり、前記スイッチ回路は、電界効果トランジスタであり、前記充電制御手段の前記制御回路は、ヒステリシス特性を有するコンパレータである。
（３）発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する電源回路であって、前述の（１）または（２）に記載の充電電圧制御回路と、前記充電電圧制御回路の後段に配置される昇圧回路とを有する。
（４）（３）において、前記昇圧回路の後段に配置される蓄電デバイスと、前記昇圧回路と前記蓄電デバイスとの間に接続される電圧調整手段とを有する。
（５）（４）において、前記充電制御手段の前記制御回路を構成するコンパレータの電源電圧は、前記蓄積デバイスから供給され、前記コンパレータの出力は、前記蓄電デバイスから供給される電源電圧で動作するアプリケーションにも供給される。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、各種発電源から得られる微小電流に基づき、昇圧動作を実行することが可能となる充電電圧制御回路、および電源回路を提供することが可能となる。

本発明の電源回路を説明するためのブロック図である。本発明の実施例の電源回路の回路構成を示す回路図である。発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する従来の電源回路の一例を示す回路図である。発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する従来の電源回路の他の例を示す回路図である。発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する従来の電源回路の他の例を示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［本発明の概要］
図１は、本発明の電源回路を説明するためのブロック図である。
図１において、充電デバイス１１は、発電源１０からの微小電流により充電される。発電源１０として、例えば、太陽電池・ペルチェ素子・圧電素子・ダイナモ・レクテナ等の環境発電デバイスが挙げられる。これらの発電電力はごく僅かであり、直接、負荷回路であるアプリケーション３０を駆動させることは不能である。このため、まず初段にて一定時間の蓄電を行う。この蓄電には、インピーダンスの高いデバイスであることが望ましく、本発明では、例えば、電気二重層キャパシタを用いる。
充電電圧制御手段１２は、ヒステリシス特性を有し、充電デバイス１１の電圧が充電完了設定電圧（Ｖａ）に達すると、スイッチング素子１３をオンとなし、充電デバイス１１の電圧が放電完了設定電圧（Ｖｂ；Ｖａ＞Ｖｂ）以下、即ち、充電デバイス１１の放電後、スイッチング素子１３がオフとなる。
スイッチング素子１３がオンとなると、充電デバイス１１に充電された電荷が昇圧回路２０に入力され、スイッチング素子１３がオフとなると、充電デバイス１１への充電が再開される。

発電源１０として、環境発電デバイスを用いる場合のように、発電源１０からの受電が途絶える恐れがある場合、あるいは無線タグのように、一時的であっても大電流を必要とする場合等に対応するため、アプリケーション３０を定常的かつ安定的に動作させるため、昇圧回路２０の後段に、アプリケーション３０の定常駆動を目的に、昇圧回路２０の出力を蓄電する蓄電デバイス２１を配置することが好ましい。
蓄積デバイス２１には、安定した電圧を得る観点、及び、本発明の昇圧出力電力の観点から、二次ボタン電池、例えば、二次ボタン電池、小型ニッケル水素二次電池、小型ニッケルカドミウム二次電池が適切であるが、これに限定されるものではない。
また、昇圧回路２０が出力する電力の電圧と、蓄積デバイス２１が要求する蓄積電圧とが一致せず、かつ、昇圧回路２０の電圧の方が高い場合には、電圧調整手段２２を用いる。
この電圧調整手段２２には、小信号ショットキーバリアダイオードなどのダイオードが好ましい。この電圧調整手段２２は、逆方向電流の僅かなものを選定することで、蓄積デバイス２１からの昇圧回路２０への放電を防止する手段としても有効である。
充電電圧制御手段１２からスイッチング素子１３に伝達する制御信号を、別途アプリケーション３０側に、受電状況把握用データ１４として分配することで、アプリケーション３０側にて、発電源１０からの受電状況を把握することも可能である。

［実施例］
図２は、本発明の実施例の電源回路の回路構成を示す回路図である。尚、本実施例では、発電源１０が微小電力の場合について説明するが、本発明は、微小電流及び微小電力源にかかわらず、いかなる発電源についても適用が可能である。
本実施例では、スイッチング素子１３は、ｎチャンネルＭＯＳ電界トランジスタ（ＴＲ５）で構成される。
充電電圧制御手段１２は、ヒステリシス特性を有するコンパレータで構成される。すなわち、コンパレータは、オペアンプ（ＯＰ）を有し、オペアンプ（ＯＰ）の反転入力端子（−）には、蓄電デバイス２１の蓄電電圧を、抵抗素子（Ｒ３）と抵抗素子（Ｒ４）で分圧した電圧（Ｖｃ）が入力され、オペアンプ（ＯＰ）の非反転入力端子（＋）には、充電デバイス１１の充電電圧（Ｖｉｎ）とオペアンプ（ＯＰ）の出力電圧を、抵抗素子（Ｒ１）と抵抗素子（Ｒ２）で分圧した電圧（Ｖｏ）が入力される。
今、スイッチング素子１３がオフの場合、オペアンプ（ＯＰ）の出力電圧はＬｏｗレベルの接地電圧（ＧＮＤ）である。したがって、Ｖｏ＝Ｖｉｎ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）となる。
充電完了設定電圧（Ｖａ）は、Ｖｏの電圧がＶｃの電圧となる電圧であるので、下記（１）式となる。
Ｖａ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｖｃ
Ｖａ＝Ｖｃ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２・・・・・・・・・・（１）
また、上記充電完了設定電圧（Ｖａ）に達すると、オペアンプ（ＯＰ）の出力電圧はＨｉｇｈレベルのＶＨの電圧となり、スイッチング素子１３がオンとなる。したがって、Ｖｏ＝（ＶＨ−Ｖｉｎ）×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）＋Ｖｉｎとなる。
放電完了設定電圧（Ｖｂ；Ｖａ＞Ｖｂ）は、Ｖｏの電圧がＶｃの電圧となる電圧であるので、下記（２）式となる。
（ＶＨ−Ｖｂ）×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）＋Ｖｂ＝Ｖｃ
Ｖｂ＝Ｖｃ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２−ＶＨ×Ｒ１／Ｒ２・・（２）

本実施例の特徴は、前述の通り、スイッチング素子１３と充電電圧制御手段１２により擬似的なサイリスタ動作を実現することにある。故に、昇圧回路２０は、回路方式に依存せず、チョッパ方式・チャージポンプ方式等、任意の昇圧手法を選択することができる。
負荷回路であるアプリケーション３０は、一般的にマイクロコントローラの実装が考えられるが、例えば、無線タグの場合であればマイクロコントローラに加えトランシーバＩＣの実装といったように、適用先により適宜選択が必要である。
本実施例では、蓄積デバイス２１は、二次小型電池で構成され、また、電圧調整手段２２は、小信号ショットキーバリアダイオードで構成される。
前述したように、充電電圧制御手段１２からスイッチング素子１３に伝達する制御信号を、別途アプリケーション３０側に、受電状況把握用データ１４として分配することで、アプリケーション３０側にて発電源１０からの受電状況を把握し、シャットダウン動作等、これに応じた動作を行わせることも可能である。例として、マイクロコントローラにはＡＤコンバータ入力ないし論理入力端子を具備するが、これら端子に充電電圧制御手段１２からの受電状況把握用データ１４を入力し、スイッチング素子１３の導通・非導通状況をセンシングさせることで実現できる。

以上説明したように、本実施例では、簡易な構成で、かつユーザ任意の蓄電昇圧制御が可能である。そして、ユーザ任意の制御パラメータ（充電完了設定電圧（Ｖａ）、または放電完了設定電圧（Ｖｂ））の設定が容易であることから、昇圧回路、及び負荷回路であるアプリケーション３０の特性に応じて適切な制御パラメータを設定でき、目的に応じた昇圧が可能となる。
また、昇圧回路２０への蓄電デバイス２１を追加することにより、発電源１０からの電力を安定して受電できない場合においても、定常的に安定してアプリケーション駆動が可能となる。また、一時的に大電流が必要となる場合でも電力供給が可能となる。
受電状況把握用データ１４をアプリケーション３０へ伝達することにより、蓄電状態、ひいては発電源１０からの受電状態の確認をアプリケーション側から実行でき、継続的に発電源から受電できない状況下での対処を容易とする効果もある。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

１０発電源
１１充電デバイス
１２充電電圧制御手段
１３スイッチング素子
１４受電状況把握用データ
２０昇圧回路
２１蓄電デバイス
２２電圧調整手段
３０アプリケーション
ＯＰオペアンプ
ＴＲ１サイリスタ
ＴＲ２ＰＮＰバイポーラトランジスタ
ＴＲ３，ＴＲ４，ＴＲ５ＭＯＳ電界効果トランジスタ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４抵抗素子

Claims

昇圧回路の前段に配置される充電電圧制御回路であって、
発電源からの微小電流により充電されるコンデンサと、
前記コンデンサの充電電圧を監視・制御する充電制御手段とを有し、
前記充電制御手段は、前記コンデンサと前記昇圧回路との間に接続されるスイッチング素子と、
前記コンデンサの充電電圧がＶａ以上の時に、前記スイッチング素子をオンとし、前記コンデンサの充電電圧がＶｂ（Ｖａ＞Ｖｂ）以下の時に、前記スイッチング素子をオフとする制御回路とを有することを特徴とする充電電圧制御回路。
前記コンデンサは、電気二重層コンデンサであり、
前記スイッチング素子は、電界効果トランジスタであり、
前記充電制御手段の前記制御回路は、ヒステリシス特性を有するコンパレータであることを特徴とする請求項１に記載の充電電圧制御回路。
発電源により得られる微小電力から負荷回路を動作させるための電源電圧を供給する電源回路であって、
請求項１または請求項２に記載の充電電圧制御回路と、
前記充電電圧制御回路の後段に配置される昇圧回路とを有することを特徴とする電源回路。
前記昇圧回路の後段に配置される蓄電デバイスと、
前記昇圧回路と前記蓄電デバイスとの間に接続される電圧調整手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の電源回路。
前記充電制御手段の前記制御回路を構成するコンパレータの電源電圧は、前記蓄積デバイスから供給され、
前記コンパレータの出力は、前記蓄電デバイスから供給される電源電圧で動作するアプリケーションにも供給されることを徴とする請求項４に記載の電源回路。