JP2017163626A - 過電圧保護回路及び過電圧保護制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。
発電部2は、環境発電を行い、直流電圧Vinを出力する。発電部2は、直流電圧Vinが印加される高電位側電源線5と、接地電位となる低電位側電源線6との間に直列に接続された発電素子2a1,…,2ai,…,2anを有する。
負荷4は、高電位側電源線5と低電位側電源線6との間に接続されており、発電部2から供給される直流電圧Vinを電源電圧として用いて動作する。負荷4として、たとえば、無線モジュールなど、様々な電子回路や電子機器が適用できる。
図1に示すように、第1の実施の形態の過電圧保護回路3は、比較回路10、蓄電素子11、負荷12、スイッチ13を有している。
負荷12は、蓄電素子11と並列に接続されている。負荷12として、様々な電子回路や電子機器を適用できる。ただ、図1の例では、負荷12に供給される電圧は、負荷4に供給される電圧よりも小さい。そのため、たとえば、負荷4が無線モジュールの場合、負荷12として、無線モジュールよりも小さい電圧で動作する温度センサや、湿度センサなどの各種センサが適用できる。なお、負荷12は、過電圧保護回路3の外部に設けられていてもよい。
図2は、過電圧保護制御方法の一例を示すフローチャートである。
発電部2から電源電圧(直流電圧Vin)の供給があるとき(ステップS1:YES)、比較回路10は、発電部2が出力する直流電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っているか否かを示す比較結果を出力する。つまり、比較回路10は、直流電圧Vinが基準電圧Vrefを上回っているか否かを判定する(ステップS2)。
図3は、第1の実施の形態の過電圧保護回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。図3には、直流電圧Vin、スイッチ13のゲート電圧Vg1(比較回路10の出力信号(比較結果)に相当する)、負荷12に供給される電流i1bの時間変化の一例が示されている。
以下、過電圧保護を行う2つの比較例の過電圧保護回路をあげて、本実施の形態の過電圧保護回路3との差異を説明する。
図4は、第1の比較例の過電圧保護回路を示す図である。
過電圧保護回路20は、比較回路21、スイッチ22を有している。
(比較例2)
図5は、第2の比較例の過電圧保護回路を示す図である。
開放電圧測定装置41は、高電位側電源線43と接地電位となっている低電位側電源線44との間に接続されており、高電位側電源線43に印加される直流電圧Vinによって動作する。開放電圧測定装置41は、高電位側電源線43と低電位側電源線44との間に直列に接続された発電素子45,46,47,48,49で生成される直流電圧Vinと基準電圧Vrefとを比較し、その比較結果に基づく制御信号φ1,φ2を出力する。
スイッチ42の一端は高電位側電源線43に接続されており、他端は、スイッチ51と発電素子46との間のノードに接続されている。
以下、図4、図5に示すような過電圧保護回路20,40を用いたときに無駄になる電力量を計算する。なお、以下では、図5に示した過電圧保護回路40を例にして説明するが、過電圧保護回路20についても同様である。
要するに、図5に示したような過電圧保護回路40を用いたときに生じる電力の損失は、負荷52の動作電圧の範囲と、発電素子45〜49のそれぞれの出力電圧の範囲で決まる。
図6に示す電子装置1aの過電圧保護回路3aは、蓄電素子11と負荷12とスイッチ13による回路部分が、発電素子2a1〜2anによる直列回路に並列に接続されている。このような過電圧保護回路3aにおいても、直流電圧Vinが基準電圧Vrefを上回ると、スイッチ13がオンし、負荷4に供給される電流の一部が、蓄電素子11と負荷12に供給される。そのため、負荷4を過電圧から保護することができるとともに、発電された電力が無駄になることを抑制できる。
電子装置1bは、電源制御回路60を有している。
ところで、図1、図6に示した蓄電素子11とは別に、2次電池を設けた場合、その2次電池の過放電を防止するためのスイッチの制御に、電源制御回路60に含まれる比較回路62の出力信号を用いてもよい。
図8の電子装置1cは、高電位側電源線5と低電位側電源線6との間に直列に接続された2次電池67とスイッチ68を有している。
スイッチ68は、たとえば、図8に示すようにnチャネル型MOSFETであり、ソースが2次電池67に接続されており、ドレインが低電位側電源線6に接続されている。また、スイッチ68のゲートは、トランジスタ66のソースに接続されている。
図9は、第2の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。図1に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
比較回路70は、たとえば、ヒステリシス型の比較回路である。比較回路70は、高電位側電源線5と低電位側電源線6との間に接続されており、発電部2から負荷4に供給される直流電圧Vinと、基準電圧Vref及び基準電圧Vrefよりも小さい閾値電圧Vthとを比較し、その比較結果を出力する。比較回路70は、発電部2から供給される直流電圧Vinで動作する。閾値電圧Vthは、負荷4の動作電圧の範囲の下限値に基づいて設定される。閾値電圧Vthは、負荷4の動作電圧の下限値であってもよいし、下限値に対して一定電圧分高い値であってもよい。
スイッチ80は、発電素子2aiの一端と、低電位側電源線6との間に接続されている。スイッチ81は、発電素子2anの一端と、低電位側電源線6との間に接続されている。スイッチ80,81は、たとえば、nチャネル型MOSFETである。
蓄電素子72は、上記の一部の発電素子2ai〜2anから供給される電流による電荷を蓄える。蓄電素子72の一端は、発電素子2a1の一端に接続されており、他端は発電素子2anの一端に接続されている。つまり、蓄電素子72は、発電素子2ai〜2anによる直列回路に対して並列に接続されている。蓄電素子72は、たとえば、キャパシタ、または2次電池である。
図10は、第2の実施の形態の過電圧保護制御方法の一例を示すフローチャートである。
図11は、第2の実施の形態の過電圧保護回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。図11には、直流電圧Vin、比較回路70の出力信号Vg2(比較結果に相当する)、スイッチ80の両端の電圧V1の時間変化の一例が示されている。
図12は、負荷を追加した第2の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。図9に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
スイッチ部71aは、比較回路70から出力される比較結果として、直流電圧Vinが基準電圧Vrefを上回ることを示す比較結果を受けると、発電素子2a1〜2anのうち、一部の発電素子2ai〜2anから負荷4への電力供給を遮断する。また、スイッチ部71aは、比較回路70から直流電圧Vinが閾値電圧Vthを下回ることを示す比較結果を受けると、発電素子2a1〜2anから負荷4への電力供給が行われ、蓄電素子72から負荷73への電力供給が行われるように電流の流れを切り替える。
スイッチ83の一端は、発電素子2aiの一端に接続されており、スイッチ83の他端は、蓄電素子72、負荷73及びスイッチ84の一端に接続されている。スイッチ84の他端は、低電位側電源線6に接続されている。スイッチ85の一端は、発電素子2anの一端と蓄電素子72の他端及び負荷73の他端に接続されている。スイッチ85の他端は、低電位側電源線6に接続されている。スイッチ83〜85は、たとえば、nチャネル型MOSFETである。
図13の電子装置1fにおいて、トランジスタ80a,81aは、図9に示したスイッチ80,81に対応している。トランジスタ80a,81aは、nチャネル型MOSFETである。
直流電圧Vinが閾値電圧Vthを下回ると、比較回路62は比較結果として論理レベルがLレベルの出力信号を出力する。これによって、トランジスタ66はオンし、トランジスタ65のゲート電位は、ほぼ接地電位となるため、トランジスタ65はオフする。トランジスタ65がオフすると、レベルシフタ90のトランジスタ92がオンする。それに対してトランジスタ91は、ゲート電位とソース電位がほぼ等しくなり、オフする。トランジスタ91がオフ、トランジスタ92がオンすることによって、トランジスタ93がオンし、トランジスタ80aがオフする。また、トランジスタ94がオフし、トランジスタ81aがオンする。
なお、上記のような電源制御回路60を、図12に示した電子装置1eに適用して、比較回路70の代わりに、電源制御回路60の比較回路61,62を適用してもよい。
2 発電部
2a1〜2an 発電素子
3 過電圧保護回路
4,12 負荷
5 高電位側電源線
6 低電位側電源線
10 比較回路
11 蓄電素子
13 スイッチ
C1 キャパシタ
i1,i1a,i1b 電流
Vin 直流電圧
Vref 基準電圧
Claims (9)
- 環境発電を行う発電部から第1の負荷に供給される直流電圧と、前記第1の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第1の値とを比較し、比較結果を出力する比較回路と、
前記発電部が生成する電流の一部により充電される蓄電素子と、
前記比較結果として、前記直流電圧が前記第1の値を上回ることを示す第1の比較結果を受けると、前記発電部が生成する前記電流の一部が、前記蓄電素子及び前記蓄電素子と並列に接続される第2の負荷に供給されるように前記電流の流れを変えるスイッチと、
を有することを特徴とする過電圧保護回路。 - 前記直流電圧が前記第1の値以下のとき、前記蓄電素子が、前記第2の負荷に対して、電力を供給する、ことを特徴とする請求項1に記載の過電圧保護回路。
- 前記比較回路が、前記第1の負荷に供給される電力を安定化する電源制御回路に含まれていることを特徴とする請求項1または2に記載の過電圧保護回路。
- 環境発電を行う直列に接続された複数の発電素子から第1の負荷に供給される直流電圧と、前記第1の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第1の値とを比較し、比較結果を出力する比較回路と、
前記比較結果として、前記直流電圧が前記第1の値を上回ることを示す第1の比較結果を受けると、前記複数の発電素子のうち、一部の発電素子から前記第1の負荷への電力供給を遮断するスイッチ部と、
前記一部の発電素子から供給される電流により充電される蓄電素子と、
を有することを特徴とする過電圧保護回路。 - 前記比較回路は、前記直流電圧と、前記第1の負荷の動作電圧範囲の下限値に基づく第2の値とを比較し、前記直流電圧が前記第2の値を下回ると、第2の比較結果を出力し、
前記スイッチ部は、前記第2の比較結果を受けると、前記複数の発電素子と前記蓄電素子から前記第1の負荷への電力供給が行われるように電流の流れを切り替える、
ことを特徴とする請求項4に記載の過電圧保護回路。 - 前記蓄電素子に対して並列に、第2の負荷が接続されており、
前記比較回路は、前記直流電圧と、前記第1の負荷の動作電圧範囲の下限値に基づく第2の値とを比較し、前記直流電圧が前記第2の値を下回ると、第2の比較結果を出力し、
前記スイッチ部は、前記第2の比較結果を受けると、前記複数の発電素子から前記第1の負荷への電力供給が行われ、前記蓄電素子から前記第2の負荷への電力供給が行われるように電流の流れを切り替える、
ことを特徴とする請求項4に記載の過電圧保護回路。 - 前記比較回路が、前記第1の負荷に供給される電力を安定化する電力制御回路に含まれていることを特徴とする請求項4乃至6の何れか一項に記載の過電圧保護回路。
- 比較回路が、環境発電を行う発電部から第1の負荷に供給される直流電圧と、前記第1の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第1の値とを比較して比較結果を出力し、
スイッチが、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第1の値を上回ることを示す第1の比較結果を受けると、前記発電部が生成する電流の一部が、蓄電素子及び前記蓄電素子と並列に接続される第2の負荷に供給されるように前記電流の流れを変える、
ことを特徴とする過電圧保護制御方法。 - 比較回路が、環境発電を行う直列に接続された複数の発電素子から第1の負荷に供給される直流電圧と、前記第1の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第1の値とを比較して比較結果を出力し、
スイッチ部が、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第1の値を上回ることを示す第1の比較結果を受けると、前記複数の発電素子のうち、一部の発電素子から前記第1の負荷への電力供給を遮断し、
蓄電素子が、前記一部の発電素子から供給される電流による電荷を蓄える、
ことを特徴とする過電圧保護制御方法。
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