JP2011152015A - 極低電圧発振回路及びそれを用いた極低電圧dcdc変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】FETのサブスレシュオールド領域を利用して極低電圧から発振を開始するとともに周囲温度の変化に対しても安定な周波数を発生する補正機構を組み込むことにより確実に起動しかつ正確にDCDC変換装置を実現する。
【選択図】図4
Description
例えば単一セル太陽電池の発生するエネルギーは最大電力を出力する最大電力点を有することが知られている。
第一の電源端子VSSと出力端子VCGとの間に接続される、(h)パルス幅制御器U14と、(i)該パルス幅制御器出力で制御される第2のNMOSエンハンスメントFET(N2)と、(j)第1の基準電圧発生器U13とからなるDCDC変換装置であって、
前記極低電圧発生器U16は少なくとも第1の抵抗体R3と容量C4とNMOSFET(N6)とインバータUH1とインバータUL1とからなり、前記インバータUH1は前記インバータUL1よりも高い反転閾値を有し、インバータUH1の反転閾値は1度当たり0.3mV以上の正の温度係数を持ち、インバータUL1は1度当たり−0.03mVから+0.03mVの温度係数を有し、前記第1のNMOSエンハンスメントFET(N1)の閾値VTHは0.1Vから0.35Vの範囲であり、第2のNMOSエンハンスメントFET(N2)は前記、NMOSエンハンスメントFET(N1)の閾値VTHよりも1.2倍以上の高い閾値VTHを有し、前記第1のNMOSエンハンスメントFET(N1)のチャンネル幅は前記第2のNMOSエンハンスメントFET(N2)のチャンネル幅の10分の1以下である事により極低電圧から確実に昇圧起動し温度変動に安定な極低電圧発振回路及びそれを用いた極低電圧DCDC変換装置を実現する。
図1において、従来例に係る昇圧装置は電源端子VSB、VSSを有する。太陽電池出力が接続されるVSBとVSS間には、電源電圧と基準グランドが接続される。電源端子VSSが基準グランドの場合にはVSBは正の電位、VSBが基準グランドの場合にはVSSには負の電位が供給される。
図2においてV2はより高い電圧を発生する太陽電池パネルを示し、ダイオードD2を介して昇圧回路U5を起動する電力が供給される。一旦ある電圧まで昇圧されると制御部U6によって電力供給源をV3で示される太陽電池もしくは燃料電池などの主たる発電源に切り替えられる。しかしこの方法では起動用の太陽電池V2の出力電圧はダイオードD2の順方向電圧降下するのと、十分な電圧を出力できるのでればそのままV3に接続すればよりよい効果が得られることは明らかであり、単一セルの利便性とコスト増加は避けることができない。
図3においてV4は太陽電池パネルである。V5は2次電池を示す。
太陽電池出力電圧VSBが十分なときは太陽電池V4から昇圧された電力で→1の方向に充電と負荷電流を供給する。 電圧検出器U9が低い電圧を検出するとリチューム電池V5の残存電圧で→2の方向に昇圧回路に電力を供給して起動する。
しかしこの方法では2次電池が過放電禁止電圧に達した時点ですべての動作が停止することになり、太陽電池はまったく作用しなくなり太陽光があっても利用することはできなくなってしまう。
21と24は90度、22と25は30度、23と26はそれぞれ−20度の温度の場合をそれぞれ示す。
図12のFET特性において所定のゲート入力電圧に対して温度90度のドレイン電流ID1と温度−20度でのドレイン電流ID2の交点の左側は温度上昇でドレイン電流が増加する正の温度係数、右側は温度上昇でドレイン電流が減少するので負の温度係数を有する。サブスレショールド領域においては温度係数が相対的に大きな電流変化は避ける事ができないので、この領域を利用するためには温度補正機能が無ければ実用化は困難と言える。図12はN型エンハンスメントFETでL=1u、W=20u、閾値VTH=0.2Vの例であるが、デプレションでもP型でも同様の傾向を示す。ここで注意する点はVGS=0Vの時にドレイン電流ID1はゼロでないことである。
極低電圧発振器U16は図7の回路図においてインバータUD1からUD5と2入力NAND U6によってパルス幅を生成している。
起動スイッチN1のチャンネル長L=0.8u、チャンネル幅1000u、閾値VTH=0.2V、主昇圧スイッチN2のL=0.5u、W=80000u、VTH=0.55Vの例を示す。波形61は出力端子VCGの出力電圧を示し、62は負荷LD1に流れる電流波形、63は印加される極低電圧電源波形VSB、64は電圧切替器U12の切り替え信号をそれぞれ示す。VSB、63は直流的に300mVが印加される場合をシミュレーションしているのでステップ波形が観測されている。最初の500uSでは昇圧速度はなだらかで出力電圧が0.9V以上から昇圧された高い電圧でスイッチN2を開閉すると昇圧はすばやく実現していることが読み取れる。
VOUT: 出力端子
VCG: 充電出力端子
VR: 基準電圧
FB: 検出電圧
U1: 誤差増幅器
U2: PWM制御器
U3: チャージポンプ昇圧器
U4: 発振器
U5,U13、VREF: 基準電圧発生器
U6: 制御器
U7: 昇圧器
U8、U14:パルス幅制御器
U9:電圧検出器
U11:出力電圧検出器
U12:電流切替器
U13: 基準電圧発生器
U15: 信号レベル変換器
U16: 極低電圧発振器
U17: 極低電圧検出器
U21、U22: インバータ
U31: 比較器
U32: 積分器
U33: 鋸波発生器
N1:低閾値NMOSエンハンスメントFET
N2:標準閾値NMOSエンハンスメントFET
N1〜N23:NMOSエンハンスメントFET
P1〜P25:PMOSエンハンスメントFET
NE1、NE2: NMOSエンハンスメントFET
PE1〜PE2: PMOSエンハンスメントFET
ND1〜ND2: NMOSデプレションFET
R1〜R3:抵抗体
L1〜L3:インダクタンス
C1〜C6:容量
V1〜V4、PV:太陽電池もしくは燃料電池
V5、V6:リチューム電池
D1〜D5:ショットキーダイオード
Claims (1)
- (a)太陽電池などの再生可能エネルギー源が接続される第一の電源端子(VSS)と第二の電源端子(VSB)と出力端子(VCG)とを有し、第一の電源端子と第二の電源端子と間に接続される、(b)極低電圧検出器U17と、(c)該極低電圧検出器に接続される極低電圧発生器U16と、(d)該極低電圧発生器に接続される信号レベル変換器U15と、(e)該信号レベル変換器の出力で制御される第1のNMOSエンハンスメントFET(N1)と、(f)出力電圧検出器U11と、(g)電源切替器U12と、からなり、
第一の電源端子VSSと出力端子VCGとの間に接続される、(h)パルス幅制御器U14と、(i)該パルス幅制御器出力で制御される第2のNMOSエンハンスメントFET(N2)と、(j)第1の基準電圧発生器U13とからなるDCDC変換装置であって、
前記極低電圧発生器U16は少なくとも第1の抵抗体R3と容量C4とNMOSFET(N6)とインバータUH1とインバータUL1とからなり、前記インバータUH1は前記インバータUL1よりも高い反転閾値を有し、インバータUH1の反転閾値は1度当たり0.3mV以上の正の温度係数を持ち、インバータUL1は1度当たり−0.03mVから+0.03mVの温度係数を有し、前記第1のNMOSエンハンスメントFET(N1)の閾値VTHは0.1Vから0.35Vであり、第2のNMOSエンハンスメントFET(N2)は前記、NMOSエンハンスメントFET(N1)の閾値VTHよりも1.2倍以上の高い閾値VTHを有し、前記第1のNMOSエンハンスメントFET(N1)のチャンネル幅は前記第2のNMOSエンハンスメントFET(N2)のチャンネル幅の10分の1以下であることに特徴を有する極低電圧発振回路及びそれを用いた極低電圧DCDC変換装置。
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