JP2008029131A - 一次電池駆動型昇圧チョッパ回路及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池容量の使用効率を向上できかつ電池交換手間を減らせる一次電池駆動型昇圧チョッパ回路を提供すること。
【解決手段】昇圧チョッパ回路部３１のトランジスタQ２を駆動する発振回路部３２は、トランジスタQ１とそのコレクタ抵抗Ｒ１とからなる駆動段３３を有する。トランジスタQ１のベースは、コンデンサＣ２により負荷駆動端Ｔｏに、ＣＲ回路３０により接地端（Ｔｅ）に接続されている。また、接地端（Ｔｅ）はコンデンサＣ１により電源入力端（Ti）に接続されている。これにより、一次電池１の電圧が低くても、トランジスタＱ１、Ｑ２が安定にオンすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次電池により駆動される昇圧チョッパ回路に関する。本発明の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路は、たとえば各種の一次電池により駆動される種々の電子回路装置に適用される。

低電圧の直流電源により高電圧負荷を駆動するために直流昇圧回路（DCDCコンバータ）が用いられる。DCDCコンバータの一形態として入力直流電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパ回路は広く知られている。

また、電源電圧よりも高い電圧の制御電圧入力を必要とするトランジスタを駆動するために、チャージポンプを用いることがたとえば下記の特許文献１などに記載されている。このようなチャージポンプの電流駆動能力は限界があるため制御電流が小さいＭＯＳＦＥＴ特にハイサイド型のＭＯＳＦＥＴの駆動に多用されている。
特許第２６０５８５４号公報

しかしながら、出力トランジスタの制御電圧アップをチャージポンプタイプにて行う場合には、このチャージポンプを構成する発振トランジスタの作動電圧を確保しなければならず、バッテリから供給される電源電圧自体がトランジスタのオンに必要なオンしきい値電圧より低くなると、チャージポンプ自体が停止してしまい、出力トランジスタに印加する制御電圧のアップができない。

一方、水銀電池や種々の乾電池などの種々の一次電池を用いて負荷をスイッチング駆動する場合、これら一次電池の残存容量が低下するとそれに連動してその端子電圧が低下し、負荷を駆動するための負荷回路の作動が停止してしまう。典型的には、この停止は、一次電池から負荷駆動回路に入力される電源電圧（バッテリ電圧Vb）が負荷駆動回路内のトランジスタのオン電圧（バイポーラトランジスタでは約０．６Ｖのベースエミッタ電圧）より低下してしまうことにより発生する。

このため、従来は、負荷駆動回路３に入力される電源電圧の最低値を負荷駆動回路３内のトランジスタのオン電圧より高く維持した状態にて負荷駆動回路３を動作させている。しかし、このような動作制限は、一次電池にまだ放電可能な容量が残留しているにもかかわらずそれを有効利用しないことを意味し、不経済であった。つまり、一次電池は負荷駆動回路３が停止するしきい値電圧以下でも一定の放電能力を有しており、これを有効利用できれば一次電池の長時間の使用が可能となり頻繁な電池交換の手間も省ける。このことはたとえば補聴器の電池交換や時計など数ヶ月以上の間隔で電池交換が必要な用途において電池交換手間を減らせる効果が大きい。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電池容量の使用効率を向上できかつ電池交換手間を減らせる一次電池駆動型昇圧チョッパ回路を提供することをその目的としている。

上記した目的を達成する本発明は、一次電池からの電源電圧が電源入力端（Ti）と接地端（Ｔｅ）との間に印加され、負荷駆動端（Ｔｏ）と前記接地端（Ｔｅ）との間に接続された負荷（２）に昇圧出力電圧を間欠出力する一次電池駆動型昇圧チョッパ回路であって、前記電源入力端Tiと前記負荷駆動端（Ｔｏ）とを接続するチョークコイル（L）と、前記負荷駆動端（Ｔｏ）と前記接地端（Ｔｅ）とを接続するトランジスタ（Q２）とを有する昇圧チョッパ回路部（３１）と、前記トランジスタ（Q２）を断続駆動する発振回路部（３２）とを備え、前記発振回路部（３２）が、互いに直列接続されたトランジスタ（Q１）を有して前記電源入力端（Ti）と接地端（Ｔｅ）との間に接続されてトランジスタ（Q２）断続駆動用の発振電圧を発生する駆動段（３３）と、前記負荷駆動端（Ｔｏ）の電圧変化を静電的に前記トランジスタ（Q１）の制御電極に帰還するコンデンサ（Ｃ２）と、前記トランジスタ（Q１）の制御電極と前記接地端（Ｔｅ）とを接続する抵抗素子（R２）と、前記電源入力端（Ti）と前記接地端（Ｔｅ）とを接続するコンデンサ（Ｃ１）と、前記抵抗素子（Ｒ２）と並列接続されるコンデンサ（Ｃ３）とを有することを特徴としている。

本発明者は、上記回路構成を採用すれば、昇圧チョッパ回路部（３１）のトランジスタ（Q２）の断続による負荷駆動端（Ｔｏ）の電位変化によりコンデンサ回路のコンデンサ（Ｃ１〜Ｃ３）に蓄積される蓄電エネルギーを用いて、その後のトランジスタ（Q１）及びトランジスタ（Q２）のオンに際して、これらトランジスタ（Q１）、（Ｑ２）のオンをアシストする向きに、トランジスタ（Q１）、（Ｑ２）の制御電圧をアシストすることができることを発見した。更に具体的に説明すると、回路に印加される電源電圧がトランジスタ（Ｑ１）、（Ｑ２）の最低オン電圧（通常、０．６V以上）より更に低下しても、チョークコイル（Ｌ）を昇圧スイッチングすることにより得られる高い電圧によりトランジスタ（Ｑ１）、（Ｑ２）の制御電圧をその最低オン電圧（通常、０．６V以上）より高く確保できるために、回路を正常に動作させることを見いだした。

したがって、この発明によれば、たとえば乾電池などの一次電池の残存容量が低下し、その端子電圧が大幅に低下しても、運転を継続できるため従来のこの種の一次電池駆動回路に比較して運転時間の延長が可能となる。

好適な態様において、前記トランジスタ（Q１）は、エミッタが前記電源入力端（Ti）に、コレクタが前記トランジスタ（Q２）の制御電極に接続されるＰＮＰトランジスタからなり、前記トランジスタ（Q２）は、エミッタが前記接地端（Ｔｅ）に、コレクタが前記負荷駆動端（Ｔｏ）に接続されるＮＰＮトランジスタからなる。このようにすれば、低電圧での回路駆動が可能となる。

好適な態様において、前記駆動段（３３）は、前記電源入力端（Ti）と前記トランジスタ（Q２）の制御電極とを接続する前記トランジスタ（Q１）と、前記トランジスタ（Q２）の制御電極と前記接地端（Ｔｅ）とを接続する抵抗素子（Ｒ１）とを有する。このようにすれば、トランジスタ（Ｑ１）によるトランジスタ（Ｑ２）の安定な断続駆動が可能となる。

好適な態様において、前記一次電池から前記電源入力端（Ti）と前記接地端（Ｔｅ）との間に印加される前記電源電圧が０．６V以下に低下しても運転が継続される。これにより、一次電池の電力利用効率を向上することができ、たとえば時計用電池やバックアップ用電池などの一次電池の交換頻度を減らすことができる。

好適な態様において、前記負荷（２）は、発光ダイオードからなる。このようにすれば、発光ダイオードの点滅時間を増大することができる。

以下、本発明の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路の好適実施形態を説明する。ただし、本発明は、下記の実施形態に限定解釈されるべきものではなく、本発明の技術思想を他の公知技術の組み合わせにて実現できることはもちろんである。

（回路構成）
この実施形態の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路を図面を参照して説明する。

一次電池駆動型昇圧チョッパ回路の回路図を示す図１において、１は一次電池、２は負荷、３は一次電池１から給電されて負荷２を駆動する負荷駆動回路である。なお、一次電池１は、複数の一次電池を直列接続して構成しても良く、一個の一次電池により構成してもよい。同じく、負荷２は、複数のＬＥＤを直列接続して構成してもよく、一個のＬＥＤでもよく、並列接続された複数のＬＥＤでもよく、ＬＥＤに限定されるものではない。ただし、負荷としては、所定の最低動作電圧をもつダイオード又はトランジスタであることが好適である。

負荷駆動回路３は、自己発振型の昇圧チョッパ回路であり、チョークコイルLとトランジスタQ２とからなる昇圧チョッパ回路部３１と、トランジスタQ２を断続駆動する発振回路部３２とからなる。発振回路部３２は、トランジスタQ２、抵抗R１、R２、コンデンサＣ１〜Ｃ３からなる。Tiは電源入力端、Ｔｏは負荷駆動端、Ｔｅは接地端である。

一次電池１のバッテリ電圧VbがチョークコイルLを通じてトランジスタQ２に印加された状態にて、トランジスタQ２をオンするとチョークコイルLに磁気エネルギーが蓄勢され、トランジスタQ２をオフすると負荷駆動端Ｔｏから高電圧が出力されるのは、通常の昇圧チョッパ回路とまったく同じである。

発振回路部３２は、トランジスタQ１とそのコレクタ抵抗R１とからなるトランジスタQ２の駆動段３３と、この駆動段３３を発振動作させるコンデンサＣ１〜Ｃ３と抵抗R２とからなる。

トランジスタQ１のベースは、互いに並列接続された抵抗R２とコンデンサＣ３とからなるＣＲ回路３０を通じて接地されるとともに、帰還コンデンサであるコンデンサＣ２を通じて負荷駆動端Ｔｏすなわち昇圧チョッパ回路部３１の出力端に接続されている。

（動作説明）
負荷駆動回路３の動作を説明する。

（トランジスタＱ１、Ｑ２のオン）
図示しない電源スイッチのオンによりバッテリ電圧Vbを負荷駆動回路３に印加すると、電流がトランジスタQ１のエミッタとベースとの間のｐｎ接合、ＣＲ回路３０を順次通じて流れ、トランジスタQ１がオンする。ただし、この電源スイッチオン時点では、バッテリ電圧VbはトランジスタQ１をオン可能な電圧値をもつと仮定する。トランジスタQ１のオンによりトランジスタQ２がオンする。ただし、この初期時点では、バッテリ電圧VbはトランジスタQ２をオン可能な電圧値をもつと仮定する。これにより、負荷駆動端Ｔｏの電圧Ｖ３はほぼ接地電位（接地端Ｔｅの電位）に略等しくなり、一次電池１からチョークコイルＬを通じてトランジスタＱ２に電流が流れる。また、コンデンサＣ２、Ｃ３がトランジスタＱ２を通じて放電し、コンデンサＣ１もチョークコイルＬを通じて放電する。

コンデンサＣ２、Ｃ３の上記放電は、トランジスタQ１のベース電位Ｖ１の低下を生じさせ、これによりトランジスタQ１のオンは良好に維持される。

（チョークコイルLへの蓄勢）
その後、チョークコイルLの電流が次第に増加し、それに応じてチョークコイルLの蓄積磁気エネルギーが増大していく。

（トランジスタＱ１、Ｑ２のオフ）
上記したトランジスタQ１、Q２のオンにより、電源入力端TiからトランジスタＱ１のエミッタからＣＲ回路３０にトランジスタＱ１のベース電流が流れ、その結果、トランジスタQ１のベース電位Ｖ１は次第に上昇する。このベース電位Ｖ１の上昇により、コンデンサＣ２、Ｃ３には、トランジスタＱ１のベース側が高電圧となる向きに蓄電がなされる。このトランジスタQ１のベース電位Ｖ１の上昇の継続により、ある時点にてトランジスタQ１がオフする。トランジスタQ１がオフすると、トランジスタQ２の入力電圧が低下するためトランジスタQ２もオフする。

トランジスタQ２のオフは、周知のようにチョークコイルLの出力端の電圧（すなわち、負荷駆動端Ｔｏの電圧）Ｖ３を急激に上昇させ、この昇圧された電圧Ｖ３が負荷２に印加される。このことは、負荷２を構成する発光ダイオードのオンしきい値電圧がバッテリ電圧Vbよりも大幅に高くても、問題なく負荷２の発光ダイオードをオンできることを意味する。

また、この負荷駆動端Ｔｏの電圧Ｖ３の急激な上昇は、コンデンサＣ２を通じてのトランジスタQ１のベース電位Ｖ１の上昇を生じさせ、これにより、コンデンサＣ２はＣＲ回路３０を通じて充電される。同じく、ＣＲ回路３０のコンデンサＣ３も充電される。

ここで、トランジスタＱ２のオフによるチョークコイルＬの両端電位差の増大は、負荷駆動端Ｔｏの電位上昇と、電源入力端Ｔｉの電位低下とを招く。なお、電源入力端Ｔｉの電位低下は、一次電池１の容量低下によりその内部抵抗が大きくなった場合に顕著となる。この電源入力端Ｔｉの電位低下はコンデンサＣ１の放電を招く。

（トランジスタＱ１、Ｑ２の再オン）
その後、チョークコイルLの磁気エネルギーが消耗、減少して、チョークコイルＬの両端電位差の減少が生じ、負荷駆動端Ｔｏの電圧Ｖ３は低下する。その結果、いままでとは逆に、いままで充電されていたコンデンサＣ２、Ｃ３が負荷駆動端Ｔｏへ放電し、トランジスタＱ１のベース電位が低下する。

更に、上記チョークコイルＬの両端電位差の増大に起因する電源入力端Ｔｉの電位低下によりいままで放電していたコンデンサＣ１は、上記したチョークコイルＬの両端電位差の減少による電源入力端Ｔｉの電位上昇により充電される。結局、トランジスタＱ１、Ｑ２のオフ後にチョークコイルLの磁気エネルギーが消耗すると、コンデンサＣ２から負荷駆動端Ｔｏ、チョークコイルＬ、コンデンサＣ１、接地端Ｔｅ、ＣＲ回路３０の順に電流が流れる。以下、この電流を逆電流と称する。

この逆電流が流れることにより、トランジスタＱ１のベース電位は低下させ、電源入力端Ｔｉの電位を上昇させる。これにより、トランジスタＱ１、Ｑ２の再度のオンが可能となる。以下、トランジスタQ１、Ｑ２がオンし、以下、上記サイクル動作が繰り返される。

なお、この実施例では、負荷２として発光ダイオードを採用しており、発光ダイオードは高いオンしきい値電圧（たとえば３V）をもつため、チョークコイルＬが減勢したこの段階ではオフ状態となって、コンデンサＣ２、Ｃ３の蓄電エネルギーによる上記逆電流を吸収しないため、この逆電流をコンデンサＣ１側に振り向けることができ、好都合である。また、一次電池１の容量が消耗しており、その内部抵抗ｒが大きい場合には、一次電池１による上記逆電流の吸収も抑制できるため好都合である。

つまり、この実施例によれば、バッテリ電圧VbがトランジスタQ２のオン電圧（たとえば約０．６Ｖ）以下となっても、上記したチョークコイルLの磁気エネルギーの消耗、減少によるコンデンサＣ１〜Ｃ３を流れる逆電流がトランジスタQ１のベース電位を低下させ、トランジスタＱ１のエミッタ電位やトランジスタＱ２のベース電位を上昇させるため、一次電池１の出力電圧が低下し、その内部抵抗ｒが増加しても、良好にトランジスタＱ１、Ｑ２の再オンを可能とするわけである。

このような逆電流現象による低電圧での回路動作維持現象は本発明者が初めて発見したものである。

（効果）
上記説明したように、この実施形態によれば、電流が断続されるチョークコイルＬの出力端をなす負荷駆動端Ｔｏの電圧Ｖ３の変化を利用してトランジスタＱ１の制御電圧V1、及び、トランジスタＱ１の制御電圧V２の両方をそのオンタイミングに合わせて増大させるので、バッテリ電圧Vbが低下しても、トランジスタQ１を良好にオンすることができる。これにより、負荷駆動中のバッテリ電圧Vbの低下が従来では負荷給電不能なレベルまで進行したとしても、問題なく負荷駆動回路３を作動させることができる。

実験によれば、一次電池１のバッテリ電圧Vbが０．４Ｖまで低下しても、負荷駆動回路３は作動して負荷２に給電できることがわかった。すなわち、通常のトランジスタ回路は電源電圧がトランジスタのＰＮ接合の順方向電圧降下（たとえば約０．６Ｖ）よりも低下すると動作が停止する。すなわち、一次電池１にまだ放電可能な電力が蓄電されていても、一次電池１の端子電圧が低下するともはや負荷給電が不能となる。これに対して、この実施形態の昇圧チョッパ回路では、上記したコンデンサＣ１〜Ｃ３の充放電作用により、バッテリ電圧Vbが０．４Ｖまで低下しても問題なく、昇圧チョッパ回路部３１を作動させて負荷２を断続駆動できる。

図２は、バッテリ電圧Vbがほぼ０．６Ｖである場合の図１の回路におけるトランジスタQ１のベース電圧Ｖ１と、トランジスタQ２のベース電位Ｖ２と、負荷駆動端Ｔｏの電圧Ｖ３との波形変化を示すタイミングチャートである。

図３は、バッテリ電圧Vbが０．４Ｖである場合の図１の回路におけるトランジスタQ１のベース電圧Ｖ１と、トランジスタQ２のベース電位Ｖ２と、負荷駆動端Ｔｏの電圧Ｖ３との波形変化を示すタイミングチャートである。

ただし、図２、図３において、負荷は抵抗素子とした。この抵抗素子の抵抗値を１ｋΩとするとき、バッテリ電圧Vbがほぼ０．６Ｖでは動作したが、バッテリ電圧Vbが０．４Ｖでは動作停止した。この抵抗素子の抵抗値を２ｋΩとするとき、バッテリ電圧Vbがほぼ０．６Ｖでも、バッテリ電圧Vbがほぼ０．４Ｖでも動作した。負荷をＬＥＤとする場合には、バッテリ電圧Vbがほぼ０．６Ｖでも、ほぼ０．４Ｖでも問題なく動作した。

なお、この実験において、チョークコイルLのインダクタンス６０μH、コンデンサＣ１の静電容量は０．１μF、コンデンサＣ２の静電容量は０．００２μF、コンデンサＣ３の静電容量は０．００２μF、抵抗Ｒ１の抵抗値は３３ｋΩ、抵抗Ｒ２の抵抗値は２．２ｋΩとした。

（変形態様）
上記実施形態では、負荷に昇圧電圧を断続出力したが、それを平滑して負荷駆動してもよいことは明白である。

（変形態様）
上記実施形態では、発振回路部３２を１トランジスタ型のものにトランジスタQ２のコレクタ電圧を帰還して構成したが、無安定マルチバイブレータなど種々公知の発振回路により発振回路部３２を構成しても良い。ただし、トランジスタQ２断続によるチョークコイルLの電圧変化をコンデンサに一時的にチャージし、その後のチョークコイルLの磁気エネルギー蓄積量の低下による電圧低下時に、上記コンデンサのチャージ電圧だけ発振回路部のトランジスタやトランジスタQ２のエミッタベース間電圧（またはソースゲート間電圧）を増大方向へシフトすることにより、図１に示す実施形態と同様の効果すなわちバッテリ電圧Vb低下時の負荷駆動を実現することができる。

組電池型の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路を示す回路図である。 バッテリ電圧Vbが０．６Ｖの場合の図１の各部電位変化を示すタイミングチャートである。 バッテリ電圧Vbが０．４Ｖの場合の図１の各部電位変化を示すタイミングチャートである。

符号の説明

L チョークコイル
Q１ トランジスタ
Q２ トランジスタ
R１ コレクタ抵抗
R２ 抵抗
Vb バッテリ電圧
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｃ３ コンデンサ
Ti 電源入力端
Ｔｅ 接地端
Ｔｏ 負荷駆動端
１ 一次電池
２ 負荷
３ 負荷駆動回路
３０ CR回路
３１ 昇圧チョッパ回路部
３２ 発振回路部
３３ 駆動段

Claims (5)

1. 一次電池からの電源電圧が電源入力端（Ti）と接地端（Ｔｅ）との間に印加され、負荷駆動端（Ｔｏ）と前記接地端（Ｔｅ）との間に接続された負荷（２）に昇圧出力電圧を間欠出力する一次電池駆動型昇圧チョッパ回路であって、
   前記電源入力端Tiと前記負荷駆動端（Ｔｏ）とを接続するチョークコイル（L）と、前記負荷駆動端（Ｔｏ）と前記接地端（Ｔｅ）とを接続するトランジスタ（Q２）とを有する昇圧チョッパ回路部（３１）と、
   前記トランジスタ（Q２）を断続駆動する発振回路部（３２）と、
   を備え、
   前記発振回路部（３２）は、
   互いに直列接続されたトランジスタ（Q１）を有して前記電源入力端（Ti）と接地端（Ｔｅ）との間に接続されてトランジスタ（Q２）断続駆動用の発振電圧を発生する駆動段（３３）と、
   前記負荷駆動端（Ｔｏ）の電圧変化を静電的に前記トランジスタ（Q１）の制御電極に帰還するコンデンサ（Ｃ２）と、
   前記トランジスタ（Q１）の制御電極と前記接地端（Ｔｅ）とを接続する抵抗素子（R２）と、
   前記電源入力端（Ti）と前記接地端（Ｔｅ）とを接続するコンデンサ（Ｃ１）と、
   前記抵抗素子（Ｒ２）と並列接続されるコンデンサ（Ｃ３）と、
   を有することを特徴とする一次電池駆動型昇圧チョッパ回路。
2. 請求項１記載の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路において、
   前記トランジスタ（Q１）は、エミッタが前記電源入力端（Ti）に、コレクタが前記トランジスタ（Q２）の制御電極に接続されるＰＮＰトランジスタからなり、
   前記トランジスタ（Q２）は、エミッタが前記接地端（Ｔｅ）に、コレクタが前記負荷駆動端（Ｔｏ）に接続されるＮＰＮトランジスタからなる一次電池駆動型昇圧チョッパ回路。
3. 請求項１又は２記載の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路において、
   前記駆動段（３３）は、
   前記電源入力端（Ti）と前記トランジスタ（Q２）の制御電極とを接続する前記トランジスタ（Q１）と、前記トランジスタ（Q２）の制御電極と前記接地端（Ｔｅ）とを接続する抵抗素子（Ｒ１）とを有する一次電池駆動型昇圧チョッパ回路。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路の駆動方法において、
   前記一次電池から前記電源入力端（Ti）と前記接地端（Ｔｅ）との間に印加される前記電源電圧が０．６V以下に低下しても運転が継続される一次電池駆動型昇圧チョッパ回路の駆動方法。
5. 請求項４記載の一次電池駆動型昇圧チョッパ回路の駆動方法において、
   前記負荷（２）は、発光ダイオードからなる一次電池駆動型昇圧チョッパ回路の駆動方法。

Images