JP2015154627A - Voltage step-down circuit and voltage step-down and charge circuit using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高電圧の発電源から得られる電力を充電する構造に関するものであり、特にその回路構成に関するものである。 The present invention relates to a structure for charging power obtained from a high-voltage power source, and more particularly to its circuit configuration.
従来から、電子時計や環境発電などの分野で、比較的高い電圧を発生する発電源から、数V程度の2次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電手段に充電可能な、降圧型の充電回路が提案されている。 Conventionally, in the field of electronic watches and energy harvesting, a step-down charging circuit that can charge a storage means such as a secondary battery of about several volts or an electric double layer capacitor from a power source that generates a relatively high voltage Has been proposed.
従来の降圧充電回路の例を図6に示す。これは1次電池を電源とし、この出力電圧を降圧して負荷駆動する例である。 An example of a conventional step-down charging circuit is shown in FIG. This is an example in which a primary battery is used as a power source and the output voltage is stepped down to drive a load.
この例における降圧回路92は図6に示したような分圧回路であり、2つの降圧用キャパシタ92A、92Bの接続状態を図6(a)の直列状態(状態a)と図6(b)の並列状態(状態b)とに交互に切り替えることで入力電圧の1/2の電圧を生成する(2倍降圧)ものであり、得られた低い電圧で負荷回路91を駆動する。負荷回路91は低消費電力の集積回路91Aと安定化キャパシタ91Bを並列接続したものである。この降圧回路92の動作によって、電池電圧の1/2の電圧を低損失で生成し、負荷回路91へ電源供給することが可能である。なお、このような降圧回路92では、状態aと状態bとの状態の時間比が1:1となるように、デューティサイクル50%のクロックで動作させるのが一般的である。
The step-
図6に示した従来の降圧回路は、このように比較的軽い負荷に低電圧を与える用途には十分であるが、電池のような電源ではなく発電機のような電源から電力を取り出すという目的に対しては効率が悪いという問題が生じる。これは、図6(b)の状態では発電手段40には適切な負荷が接続せず、発電手段40が発電している電力を取り出せない無効な時間が生じることになるのが理由である。この無効時間は動作サイクルの半分であり、発電手段40からの電力取り出し効率は最大でも50%にしかならない。 The conventional step-down circuit shown in FIG. 6 is sufficient for use in applying a low voltage to such a relatively light load, but the purpose is to extract power from a power source such as a generator instead of a power source such as a battery. The problem of poor efficiency arises. This is because, in the state of FIG. 6B, an appropriate load is not connected to the power generation means 40, and an invalid time during which the power generated by the power generation means 40 cannot be extracted occurs. This invalid time is half of the operation cycle, and the power extraction efficiency from the power generation means 40 is only 50% at the maximum.
従来の技術において、高電圧を発生する発電手段40から降圧しつつ発電電力を最大効率で取り出す手法について示唆する開示はないが、発電電力を取り出せない時間をなくすために、降圧回路92をもう1系統用意し、相補的に動作させる構成が容易に考えられる。すなわち、2つの降圧回路のうちの一方が状態aであるときに他方を状態bとし、一方の降圧回路が状態bであるときは他方を状態aとなるように動作させるという構成である。このようにすれば、上述の無効時間に起因する効率低下は解消する。
In the prior art, there is no disclosure that suggests a method for extracting the generated power with maximum efficiency while reducing the voltage from the power generation means 40 that generates a high voltage. However, in order to eliminate the time during which the generated power cannot be extracted, another step-down
ところが、単純に降圧回路92を2系統用意すると、降圧回路92に用いるキャパシタの数が単純に2倍となってしまう。降圧回路92のキャパシタは集積回路には内蔵できない容量の大きさとなるため、チップ部品のキャパシタを外付けすることが必要となる。このキャパシタの数が多くなると、チップ部品そのもののコストや実装面積増大といった問題が生じてしまう。
However, if two systems of the step-down
本発明の降圧充電回路では、以下の構成を採用する。 The step-down charging circuit according to the present invention employs the following configuration.
すなわち、複数のキャパシタと、該複数のキャパシタの接続状態を切り替えるスイッチ回路とを有する降圧段を複数段備え、前記複数の降圧段が縦続接続され、各降圧段は、各降圧段の降圧倍率より1少ない数のキャパシタを備えた2つのキャパシタ組を有し、前記キャパシタ組は、前記降圧段の入力側に接続される前記キャパシタ組と、出力側に接続される前記キャパシタ組とが、等しい時間幅で交互に切り替わることを特徴とする。 That is, a plurality of step-down stages each having a plurality of capacitors and a switch circuit that switches a connection state of the plurality of capacitors are provided, and the plurality of step-down stages are connected in cascade. The capacitor set includes two capacitor sets each having a smaller number of capacitors, and the capacitor set connected to the input side of the step-down stage is equal to the capacitor set connected to the output side. It is characterized by being switched alternately by width.
本願では、必要最小限のキャパシタ数で、発電手段からみた接続負荷へ最大効率で電力を取り出せるような降圧回路を実現可能な構成とした。 In the present application, it is possible to realize a step-down circuit that can extract power with maximum efficiency to a connected load as viewed from the power generation means with a minimum number of capacitors.
従って本願によれば、高電圧の発電源から高い効率で電力を取り出し、蓄電手段へ低損失で充電する機能を省スペースで実現可能となる。特に、発電機の発電電圧が高いが出力インピーダンスが高く発電電力があまり大きくないエレクトレット素子を用いた静電誘導発電機を用いたときでも、発電機から高い効率で電力を取り出せ、かつ高倍率での降圧が必要であっても小型化が可能な降圧充電回路を提供できる。 Therefore, according to the present application, it is possible to realize a function of taking out electric power from a high-voltage power source with high efficiency and charging the power storage means with low loss in a small space. In particular, even when using an electrostatic induction generator using an electret element that has a high generator voltage but high output impedance and high generated power, power can be extracted from the generator with high efficiency and at a high magnification. Therefore, it is possible to provide a step-down charging circuit that can be reduced in size even when a step-down voltage is required.
以下、このような降圧充電回路を実現するための形態について図面を参照して詳述する。まず図1〜図4を参照して、本発明の第1の実施形態の構成および動作について説明する。その後に、図5を参照して本発明の第2の実施形態の構成および動作について説明する。 Hereinafter, an embodiment for realizing such a step-down charging circuit will be described in detail with reference to the drawings. First, the configuration and operation of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Thereafter, the configuration and operation of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[第1実施形態の概要説明:図3]
図1を用いて第1の実施形態について説明する。
[Overview of First Embodiment: FIG. 3]
The first embodiment will be described with reference to FIG.
第1の実施形態の降圧充電回路は、発電手段の発電電圧波形が電圧方向には変わらないような発電機の場合において好適な例である。例としては、定速回転する比較的出力抵抗が高い静電誘導型の発電機がこれに相当する。 The step-down charging circuit according to the first embodiment is a suitable example in the case of a generator in which the power generation voltage waveform of the power generation means does not change in the voltage direction. As an example, an electrostatic induction generator that rotates at a constant speed and has a relatively high output resistance corresponds to this.
この例では、発電手段の出力を整流手段によって全波整流し、この整流出力の電圧振幅に対して最も電力を取り出せる動作点となるような降圧倍率を設定しておく。詳細は後述するが、降圧回路が降圧動作することで、発電手段からは降圧回路以降が高電圧の定電圧負荷とみなせるようになり、高い電力取り出し効率を実現できる。 In this example, the output of the power generation means is full-wave rectified by the rectification means, and the step-down magnification is set so that the power can be extracted most with respect to the voltage amplitude of the rectification output. As will be described in detail later, when the step-down circuit performs a step-down operation, the power generation means can regard the portion after the step-down circuit as a high-voltage constant voltage load, thereby realizing high power extraction efficiency.
[第1実施形態の構成説明:図1〜2]
第1の実施形態の構成について説明する。
[Description of Configuration of First Embodiment: FIGS. 1-2]
The configuration of the first embodiment will be described.
本発明の降圧充電回路は、発電手段40と、整流手段50と、降圧手段100と、蓄電手段20とで構成する。
The step-down charging circuit of the present invention includes a
また降圧手段100は、降圧回路10と、タイミング生成回路13とで構成する。降圧手段100の出力には端子電圧が2Vの2次電池である蓄電手段20が接続している。降圧回路10が降圧動作することによって、この降圧手段100が高電圧の定電圧負荷とみなせるようになる。
The step-down
発電手段40は、高電圧の交番電圧を出力する交流発電機である。いわゆるダイオードブリッジである整流手段50がこの発電手段40の出力を全波整流し、整流出力を降圧手段100に印加することが可能な構成としている。降圧手段100は、整流出力を電圧変換する降圧回路10を介して、2次電池である蓄電手段20へ蓄えることが可能となっている。発電手段40は、発電電圧の振幅(片振幅)V0が30Vの電圧源41と、出力抵抗値がRの内部抵抗42とを直列に接続した単純なモデルとして表現できる交流発電機を仮定する。
The power generation means 40 is an AC generator that outputs a high voltage alternating voltage. The
降圧回路10は、キャパシタの接続状態を直列と並列とに切り替えることで入力電圧を実質的により低い電圧に変換することが可能な回路ブロックである。降圧回路10の構成については次に詳しく説明する。
The step-
[降圧回路の構成説明:図1〜4]
図2を使って降圧回路10の構成について説明する。ここでは、降圧回路10は6倍降圧動作するような構成としている。なお、降圧回路10の動作に必要なタイミングはタイミング生成回路13から得ている。
[Configuration Description of Step-Down Circuit: FIGS. 1 to 4]
The configuration of the step-down
降圧回路10は図2に示したように、第1の降圧段11と第2の降圧段12とを縦続接続した構成としている。すなわち整流手段50の出力を2倍降圧する第1の降圧段11と、この第1の降圧段11の出力を3倍降圧して蓄電手段20へ出力する第2の降圧段12とで構成する。各降圧段は複数のキャパシタを備えており、各キャパシタ間の接続状態は、MOSトランジスタを組み合わせて構成した、いわゆるアナログスイッチによって切り替える。
The step-down
第1の降圧段11は、この部分で2倍相当の降圧動作をするために、キャパシタ101とキャパシタ102の2つのキャパシタを備えている。第1の降圧段11はこのキャパシタ101とキャパシタ102を、整流手段50からみた順序を交互に入れ替えて直列化する動作をする。
The first step-down
この切り替え動作が可能なように、スイッチ102〜105をキャパシタ101の両端に接続し、スイッチ106〜109をキャパシタ102の両端および接地電位に接続している。
In order to enable this switching operation, the
なお、第1の降圧段11では、整流手段50の側が入力側であり、続く第2の降圧段12の側が出力側に相当する。
In the first step-down
また、第2の降圧段12は、この部分で3倍相当の降圧動作をするために、キャパシタ組201として、キャパシタ201Aとキャパシタ201Bとを備えている。またキャパシタ組202として、キャパシタ202Aとキャパシタ202Bとを備えている。
The second step-down
第2の降圧段12は、キャパシタ組201と、キャパシタ組202とを、第1の降圧段
11からみた順序を交互に入れ替えて直列化する動作をする。
同時に、第2の降圧段12のキャパシタ組のうち、接地電位に近い側にくるキャパシタ組の正極を、蓄電手段20の正極に接続する動作をする。
そして、キャパシタ組201のキャパシタ全てを直列状態か並列状態にし、キャパシタ組202のキャパシタ全てをその反対の並列状態か直列状態にする。
The second step-down
At the same time, an operation is performed in which the positive electrode of the capacitor set on the side close to the ground potential among the capacitor set of the second step-down
Then, all the capacitors of the capacitor set 201 are set in series or parallel, and all the capacitors of the capacitor set 202 are set in the opposite parallel state or series.
この切り替え動作が可能なように、スイッチ203〜208をキャパシタ201A、201Bの両端および接地電位に接続し、スイッチ213〜218をキャパシタ202A、202Bの両端および接地電位に接続している。
To enable this switching operation, the
さらに、第2の降圧段12のキャパシタ組のうち、接地電位から遠い側にくるキャパシタ組の負極端子も、蓄電手段20の正極に接続する動作をする。
In addition, the negative terminal of the capacitor set on the side far from the ground potential in the capacitor set of the second step-down
この接続動作が可能なように、スイッチ209とスイッチ219とを第2の降圧段12と蓄電手段20との間に接続している。
The switch 209 and the switch 219 are connected between the second step-down
なお、第2の降圧段12は、第1の降圧段11の側が入力側であり、続く蓄電手段20側が出力側に相当する。
In the second step-down
これらのスイッチは、後述する第1のタイミング信号S31と第2のタイミング信号S32によって制御される。すなわち
スイッチ102、104、107、109、204、207、209、213、215、216、218が第1のタイミング信号S31によって導通制御され、
スイッチ103、105、106、108、203、205、206、208、214、217、219が第2のタイミング信号S32によって導通制御される。
These switches are controlled by a first timing signal S31 and a second timing signal S32 described later. That is, the conduction of the
The
なお、キャパシタ組101およびキャパシタ組102のキャパシタの数は、第1の降圧段11の降圧倍率である2から1を引いた、1という個数である。
Note that the number of capacitors in the capacitor set 101 and the capacitor set 102 is 1 which is obtained by subtracting 1 from 2 which is the step-down magnification of the first step-down
キャパシタ組201およびキャパシタ組202のキャパシタの数は、第2の降圧段12の降圧倍率である3から1を引いた、2という個数である。
The number of capacitors in the capacitor set 201 and the capacitor set 202 is 2 which is obtained by subtracting 1 from 3 which is the step-down magnification of the second step-down
第1の降圧段11においては、キャパシタ101とキャパシタ102とのそれぞれがキャパシタ組に相当するが、キャパシタ数はそれぞれ1個である。
In the first step-down
また、各降圧段での降圧倍率の値は、降圧回路10全体での降圧倍率の値を素因数分解して得られる要素にそれぞれ対応する。
In addition, the value of the step-down magnification at each step-down stage corresponds to an element obtained by prime factorization of the value of the step-down magnification of the entire step-
この例での降圧倍率は6倍である。この値6の素因数分解は 6=2×3 であり、2と3という2つ要素に分解される。これに対応するように、2倍と3倍の降圧倍率を有する2つの降圧段で降圧回路10を構成する。
The step-down magnification in this example is 6 times. The factoring of this
ここでは、2という要素が第1の降圧段11の降圧倍率の値に対応し、3という要素が第2の降圧段12との降圧倍率の値に対応している。
Here, the element of 2 corresponds to the value of the step-down magnification of the first step-down
図3は、降圧回路10が上述の6倍降圧動作をするときの状態を示したものである。
FIG. 3 shows a state when the step-
降圧回路10では、図3に示すように、第1の降圧段11は2倍降圧動作し、第2の降圧段12は3倍降圧動作する。この2つの降圧段の動作により降圧回路10はこれらの値を乗じた6倍相当の降圧動作を行うこととなる。
In the step-
図3(a)に示した状態aにおいて、
第1の降圧段11では、キャパシタ101が高い電位側、キャパシタ102が接地電位側の順で直列に接続した状態となる。キャパシタ101の負極とキャパシタ102の正極とが接続した点が第1の降圧段11の出力となり、第2の降圧段12に電荷を送り出す。
In the state a shown in FIG.
In the first step-down
また第2の降圧段12では、第1の降圧段11の出力に対してキャパシタ201Aとキャパシタ201Bと蓄電手段20とを直列に接続した状態とする。さらにキャパシタ202Aとキャパシタ202Bとを蓄電手段20に並列に接続した状態とする。
In the second step-down
すなわちこの状態aでは、第1の降圧段11の入力側に接続されるのはキャパシタ101であり、出力側に接続されるのは102である。また第2の降圧段12では入力側に接続されるのは直列化したキャパシタ201Aと201B(キャパシタ組201)であり、出力側に接続されるのは並列化したキャパシタ202Aと202B(キャパシタ組202)である。
That is, in this state a, the
図3(b)に示した状態bにおいて、
第1の降圧段11では、キャパシタ102が高い電位側、キャパシタ101が接地電位側の順で直列に接続した状態となる。キャパシタ102の負極とキャパシタ101の正極とが接続した点が第1の降圧段11の出力となり、第2の降圧段12に電荷を送り出す。
In the state b shown in FIG.
In the first step-down
また第2の降圧段12では、第1の降圧段11の出力に対してキャパシタ202Aとキャパシタ202Bと蓄電手段20とを直列に接続した状態とする。さらにキャパシタ201Aとキャパシタ201Bとを蓄電手段20に並列に接続した状態とする。
In the second step-down
すなわちこの状態bでは、第1の降圧段11の入力側に接続されるのはキャパシタ102であり、出力側に接続されるのはキャパシタ101である。また第2の降圧段12では入力側に接続されるのは直列化したキャパシタ202Aと202B(キャパシタ組202)であり、出力側に接続されるのは並列化したキャパシタ201Aと201B(キャパシタ組201)である。
That is, in this state b, the
状態aと状態bとの切り替えのための動作クロックは、タイミング生成回路13が発生する、図4に示すような2相のクロック信号である。図3における状態aと状態bとが、第1のタイミング信号S31と第2のタイミング信号S32に従って交互に切り替わる。 The operation clock for switching between the state a and the state b is a two-phase clock signal as shown in FIG. The state a and the state b in FIG. 3 are switched alternately according to the first timing signal S31 and the second timing signal S32.
図4における期間A、すなわち第1のタイミング信号S31がハイレベルの期間においては図3の状態aとなるようにする。また期間B、すなわち第2のタイミング信号S32がハイレベルとなる期間においては、図3の状態bとなるように切り替え制御を行う。期間Aと期間Bとは50ミリ秒とする。 In the period A in FIG. 4, that is, in the period in which the first timing signal S31 is at a high level, the state a in FIG. 3 is set. Further, during the period B, that is, the period when the second timing signal S32 is at the high level, the switching control is performed so as to be in the state b of FIG. Period A and period B are 50 milliseconds.
クロックの一方である第1のタイミング信号S31と他方である第2のタイミング信号S32とは互いにほとんど反転信号とみなせる関係であるが、切り替わりの瞬間には各降圧段を構成するスイッチが同時にオンすることで各キャパシタを短絡しないように、切り替わり遅延期間Dを設ける。期間Dは周知の遅延時間生成手法によって、数ナノ〜数10ナノ秒程度と必要最小限の時間幅に設定できる。 The first timing signal S31, which is one of the clocks, and the second timing signal S32, which is the other, have a relationship that can be regarded as an inverted signal, but at the instant of switching, the switches that constitute each step-down stage are turned on simultaneously. Thus, a switching delay period D is provided so as not to short-circuit each capacitor. The period D can be set to a necessary minimum time width of about several nanometers to several tens of nanoseconds by a known delay time generation method.
[降圧回路の動作説明:図3]
第1のタイミング信号S31および第2のタイミング信号S32に従って降圧回路10が降圧動作すると、整流手段50の出力から蓄電される状態にあるキャパシタは、電荷を蓄えることで端子電圧が僅かに上昇するが、キャパシタが放電状態となったときに、キャ
パシタに蓄えられた電荷は蓄電手段20に瞬時に吸いこまれ、蓄電手段20の端子電圧に等しくなる。これは蓄電手段20のインピーダンスが低いためである。
[Description of operation of step-down circuit: FIG. 3]
When the step-
具体的には、図3(a)に示した状態aのときは、キャパシタ101とキャパシタ201Aとキャパシタ201Bが発電手段10から得られる電荷を充電する状態にあり、キャパシタ102とキャパシタ202Aとキャパシタ202Bが直前の状態(状態b)で蓄えた電荷を蓄電手段20側へ放電する状態になる。
Specifically, in the state a shown in FIG. 3A, the
また、図3(b)に示した状態bのときは、キャパシタ102とキャパシタ202Aとキャパシタ202Bが発電手段10から得られる電荷を充電する状態にあり、キャパシタ101とキャパシタ201Aとキャパシタ201Bが直前の状態(状態a)で蓄えた電荷を蓄電手段20側へ放電する状態になる。
よって蓄電手段20は状態aでも状態bでも常に充電状態となる。
In the state b shown in FIG. 3B, the
Therefore, the power storage means 20 is always in a charged state in both the state a and the state b.
このように降圧回路10が動作すると、第2の降圧段12の各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧VBTと常にほぼ等しくなり、第1の降圧段110Aの各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧VBTの3倍と常にほぼ等しくなり、結果として降圧回路10の入力側電圧である負荷電圧VLは蓄電電圧VBTのほぼ6倍の電圧となる。
When the step-
このように、降圧回路10の入力側には蓄電電圧VBTに降圧倍率nを乗じた電圧値が現れることとなる。この降圧回路10の入力側端子は、発電した電流が流れ込んでもほとんど電圧変化が生じないため、降圧回路10の接続状態が切り替わるごく僅かな期間(図4の期間D)を除けば、降圧回路10は常に電圧値がn・VBTの電圧源であるかのように振舞う。この電圧源のように見える負荷の電圧値が負荷電圧VLに相当する。
As described above, a voltage value obtained by multiplying the storage voltage VBT by the step-down magnification n appears on the input side of the step-
特に降圧段の2つのキャパシタ組を相補的に動作させることで、一方のキャパシタ組が放電状態にある間でも他方のキャパシタ組を充電状態にできるため、発電手段40に常に定電圧負荷が接続したような状態にすることができ、発電手段40が発電しているそのときの電力を常に取り出すことが可能となる。 In particular, by operating the two capacitor sets in the step-down stage in a complementary manner, the other capacitor set can be charged while the other capacitor set is in the discharged state. Therefore, a constant voltage load is always connected to the power generation means 40. In this state, the power generated by the power generation means 40 can be always taken out.
さらにこの降圧動作では、降圧回路10内の全てのキャパシタは、電荷を受け渡す動作を通じてもその端子電圧には僅かな電圧変化しか生じないため、電荷移動にともなう損失が抑えられ、結果的にこの降圧回路10では、入力電圧よりも端子電圧が低い状態にある蓄電手段20へほとんど損失なしに電荷を移動することが可能となる。
Further, in this step-down operation, since all the capacitors in the step-
従って、このように降圧回路10を構成することで、発電手段40が無負荷となるような時間なしに、常に定電圧源と見なせる負荷を接続することができ、かつ低損失で発電出力を降圧手段100に送ることができ、結果として蓄電手段20に高い効率で充電することが可能となる。
Therefore, by configuring the step-
[第2実施形態の構成説明:図5]
次に、第2の実施形態について簡単に説明する。これは、上述の実施形態よりも発電電圧が40Vと高い発電手段10に対して降圧回路10を8倍降圧とした例である。
[Description of Configuration of Second Embodiment: FIG. 5]
Next, the second embodiment will be briefly described. This is an example in which the step-
降圧回路の部分を簡略化した回路図を図5に示した。この第2の実施形態における降圧充電回路の全体構成としては、図1に示した第1の実施形態と同様であり、図1における降圧回路10を図5に示した降圧回路に置き換えればよい。
A circuit diagram in which the step-down circuit portion is simplified is shown in FIG. The overall configuration of the step-down charging circuit in the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and the step-
降圧倍率は8倍としたが、この8という値の素因数分解は 8=2×2×2 であり、同じ2という3つ要素に分解される。これに対応するように、同じ2倍の降圧倍率を有す
る3つの降圧段で降圧回路10を構成する。
Although the step-down magnification is 8 times, the prime factorization of the value of 8 is 8 = 2 × 2 × 2, which is decomposed into the same three elements of 2. Corresponding to this, the step-
すなわち降圧回路10は、降圧段111、112、113を備えており、これらを縦続接続している。各降圧段は2倍降圧の機能を備えており、これらの降圧段には、第1の実施形態における第1の降圧段11と同じものを用いる。動作クロックの接続も第1の実施形態と同様の第1のタイミング信号S31、第2のタイミング信号S32によって各降圧段のキャパシタの切り替え制御をする。
That is, the step-
[第2の実施形態の動作説明]
第2の実施形態の動作について簡単に説明する。
[Description of Operation of Second Embodiment]
The operation of the second embodiment will be briefly described.
第1のタイミング信号S31および第2のタイミング信号S32に従って降圧回路10が降圧動作すると、第3の降圧段113の各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧VBTと常にほぼ等しくなり、第2の降圧段112の各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧VBTの2倍と常にほぼ等しくなり、第1の降圧段111の各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧VBTの4倍と常にほぼ等しくなり、結果として降圧回路10の入力側電圧である負荷電圧VLは蓄電電圧VBTのほぼ8倍の電圧となる。
When the step-
従って、このように降圧回路10を制御することで、前述の第1の実施形態と同様に、整流手段50の出力を電圧変換しつつ蓄電手段20に高効率で充電することが可能となる。
Therefore, by controlling the step-
本発明における降圧充電回路で必要になるキャパシタ数を、従来で必要になるキャパシタ数と比較したグラフを図7に示す。前述したとおり、降圧段の降圧倍率は、全体の降圧倍率の値を素因数分解して得られた要素にそれぞれ対応するため、降圧倍率自体が素数(例えば11倍降圧)の場合は、従来とのキャパシタ数の差が小さくなるが、降圧倍率の値が約数の多い整数の場合は、従来と比較してより少ないキャパシタ数で済むため、本発明による高い効果が得られることが分かる。例えば16倍降圧の場合は、本願では従来の半分のキャパシタ数で済む。 FIG. 7 shows a graph comparing the number of capacitors required in the step-down charging circuit according to the present invention with the number of capacitors conventionally required. As described above, the step-down magnification of the step-down stage corresponds to each factor obtained by factoring the entire step-down magnification value. Therefore, when the step-down magnification itself is a prime number (for example, 11 times step-down), Although the difference in the number of capacitors is small, it can be seen that when the value of the step-down magnification is an integer with a large divisor, a smaller number of capacitors is required compared to the conventional case, and thus the high effect of the present invention can be obtained. For example, in the case of 16 times step-down, in this application, the number of capacitors is half that of the conventional one.
上記までの実施形態では、降圧回路10が選択できる降圧倍率は固定としたが、この限りでない。降圧回路10中のキャパシタの数を増やしたり、このキャパシタの接続状態をより複雑に変えられるような構成にすることによって、降圧倍率を可変として選択範囲を増やしたり、中間的な値をとれるようにすることも可能である。例えば、降圧回路10の1段目で3倍降圧し、2段目でも3倍降圧し、さらに3段目を追加して2倍昇圧することで9/2倍(4.5倍)降圧するといったことも可能である。
In the above-described embodiments, the step-down magnification that can be selected by the step-
また、降圧回路10の降圧段数は、降圧倍率を素因数分解して得られる要素の個数である3段としたが、この限りではない。第1の実施形態における降圧段の2段目を4倍相当の降圧倍率とするといったことも可能である。具体的には、第1実施形態における第2の降圧段12の2つのキャパシタ組のキャパシタ数を3に増やすことでこの降圧段での降圧倍率を4に増やすことができるため、これにより降圧回路10の降圧倍率を第2の実施形態と同じ8倍とすることが可能である。
The number of step-down stages of the step-
この場合は、必要となるキャパシタの総数は最小とはならないが、スイッチを適宜挿入することで、8倍だけでなく6倍や4倍といった降圧倍率が選択可能となるという効果が得られる。 In this case, the total number of required capacitors is not minimized, but an effect that the step-down magnification such as 6 times or 4 times as well as 8 times can be selected by inserting a switch as appropriate.
また、上記までの実施形態では、発電手段40は発電量が変化することはあっても発電が停止しないことを前提としているが、発電が停止したことを検知することで余計な降圧
動作を停止したり、降圧回路10と蓄電手段20との間に整流機能を設けることで蓄電手段20が逆に放電してしまわないようにしたりする機能を設けてもよい。
Further, in the above embodiments, the power generation means 40 is premised on that the power generation does not stop even if the power generation amount changes, but the extra step-down operation is stopped by detecting that the power generation has stopped. Alternatively, a function of preventing the power storage means 20 from being discharged reversely by providing a rectifying function between the step-
10 降圧回路
11 第1の降圧段
12 第2の降圧段
13 タイミング生成回路
20 蓄電手段
40 発電手段
50 整流手段
101、102、201、202 キャパシタ組
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記複数の降圧段(11,12)が縦続接続され、
各降圧段は、各降圧段の降圧倍率より1少ない数のキャパシタを備えた2つのキャパシタ組(101,102,201,202)を有し、
前記キャパシタ組は、前記降圧段の入力側に接続される前記キャパシタ組と、出力側に接続される前記キャパシタ組とが、等しい時間幅で交互に切り替わる
ことを特徴とする降圧回路。 A plurality of step-down stages (11, 12) having a plurality of capacitors and a switch circuit for switching a connection state of the plurality of capacitors;
The plurality of step-down stages (11, 12) are connected in cascade,
Each step-down stage has two capacitor sets (101, 102, 201, 202) with a number of capacitors one less than the step-down ratio of each step-down stage,
The capacitor set is a step-down circuit in which the capacitor set connected to the input side of the step-down stage and the capacitor set connected to the output side are alternately switched with an equal time width.
該降圧倍率を素因数分解したときの要素の個数と同じ段数の前記降圧段を備え、かつ、
それぞれの降圧段での降圧倍率が前記要素の値にそれぞれ対応する
ことを特徴とする請求項1に記載の降圧回路。 The step-down magnification is an integer,
The step-down stage has the same number of stages as the number of elements when the step-down magnification is factorized, and
2. The step-down circuit according to claim 1, wherein step-down ratios at the respective step-down stages respectively correspond to the values of the elements.
入力側の前記キャパシタ組内のキャパシタが直列接続され、
出力側の前記キャパシタ組内のキャパシタが並列接続される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の降圧回路。 When the number of capacitors in the capacitor set (201, 202) is 2 or more,
Capacitors in the capacitor set on the input side are connected in series,
3. The step-down circuit according to claim 1, wherein capacitors in the capacitor set on the output side are connected in parallel.
該降圧回路に発電電圧を入力する発電手段(40)と、
前記降圧回路からの降圧電圧を入力し充電する蓄電手段(20)と、
を有することを特徴とする降圧充電回路。 A step-down circuit according to any one of claims 1 to 3,
Power generation means (40) for inputting a generated voltage to the step-down circuit;
Power storage means (20) for inputting and charging a step-down voltage from the step-down circuit;
A step-down charging circuit comprising:
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