JP2018074823A - Power supply circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源回路に関し、例えば、エネルギーハーベスティング技術によって集めた環境エネルギーに基づいて負荷を駆動するために必要な電力を発生させる電源回路に関する。 The present invention relates to a power supply circuit, for example, a power supply circuit that generates electric power necessary to drive a load based on environmental energy collected by energy harvesting technology.
近年、エネルギーハーベスティング技術(環境発電技術)によって光や熱、振動等の環境エネルギーから得られた電力によって動作するセンサノードが注目されている。 In recent years, sensor nodes that operate with electric power obtained from environmental energy such as light, heat, and vibration by energy harvesting technology (energy harvesting technology) have attracted attention.
ここで、センサノードとは、センサに加えてデータ処理機能および無線通信機能を有する装置である。センサノードとしては、人体に装着され、内蔵したセンサによって検知した脈拍や体温、血圧等の微弱なバイタル信号を電気信号に変換し、無線によって送信するウエアラブル機器等を例示することができる。 Here, the sensor node is a device having a data processing function and a wireless communication function in addition to the sensor. Examples of the sensor node include a wearable device that is attached to a human body and converts a weak vital signal such as a pulse, body temperature, and blood pressure detected by a built-in sensor into an electrical signal and transmits the signal wirelessly.
近年、このセンサノードへの電力供給技術が活発な研究開発領域となっている。特に、多くのIoTシステムのように、数多くのセンサノードが必要となるシステムでは、上記電力供給技術によってコストが大幅に削減される可能性がある。 In recent years, the power supply technology to this sensor node has become an active research and development area. In particular, in a system that requires a large number of sensor nodes, such as many IoT systems, the cost may be greatly reduced by the power supply technology.
例えば、非特許文献1には、エネルギーハーベスタによって環境中の振動エネルギーから交流(AC)電圧を生成し、生成したAC電圧を整流回路によって直流(DC)電圧に変換して、負荷であるセンサノードに供給する電源回路が開示されている(非特許文献1参照)。 For example, in Non-Patent Document 1, an energy harvester generates an alternating current (AC) voltage from vibration energy in the environment, converts the generated AC voltage into a direct current (DC) voltage by a rectifier circuit, and a sensor node that is a load. Has been disclosed (see Non-Patent Document 1).
図4は、非特許文献1に開示された電源回路の構成を示す図である。
図4に示すように、従来の電源回路900は、AC電圧を発生させるエネルギーハーベスタ90と、上記AC電圧を整流する整流回路としてのダイオードブリッジ回路91と、整流された電圧から直流電圧を生成し、負荷95に供給する電力調節回路92とを含む。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the power supply circuit disclosed in Non-Patent Document 1.
As shown in FIG. 4, a conventional
ダイオードブリッジ回路91を構成するダイオードの順電圧をVdとし、エネルギーハーベスタ90から出力されるAC電圧のピーク・ツー・ピーク電圧2Vpとしたとき、電源回路900は、Vp>2Vdの場合には、負荷95を駆動するために必要な直流電圧Vsupplyを安定して生成することが可能である。しかしながら、Vp<2Vdの場合には、負荷95を駆動するために必要な直流電圧Vsupplyを安定して生成することができない。以下、図を用いて詳細に説明する。
When the forward voltage of the diode constituting the
先ず、Vp>2Vdの場合について説明する。
図5A〜5Cは、Vp>2Vdの場合における電源回路900の各ノードの電圧を示す図である。図5Aには、エネルギーハーベスタ90の一方の出力端子90Aの電圧が示され、図5Bには、ダイオードブリッジ回路91の一方の出力端子91Aの電圧が示され、図5Cには、電力調節回路92の出力電圧が示されている。
First, the case of Vp> 2Vd will be described.
5A to 5C are diagrams illustrating voltages at the nodes of the
図5Aに示すように、エネルギーハーベスタ90からダイオードの順電圧Vdよりも大きいピーク電圧Vpを有するAC電圧が生成されて、ダイオードブリッジ回路91の一方の入力端子に入力されると、図5Bに示すように、ダイオードブリッジ回路91の出力端子91Aから、ピーク電圧を(Vp−2Vd)とする脈流電圧が出力される。そして、図5Cに示すように、電力調整回路92は、ピーク電圧(Vp−2Vd)の脈流電圧に基づいて、負荷95を駆動するために必要な直流電圧Vsupplyを生成する。
このように、Vp>2Vdの場合には、電源回路900は、負荷95を駆動するために必要な直流電圧Vsupplyを安定して生成することが可能となる。
As shown in FIG. 5A, when an AC voltage having a peak voltage Vp larger than the forward voltage Vd of the diode is generated from the
As described above, when Vp> 2Vd, the
次に、Vp<2Vdの場合について説明する。
図6A〜6Cは、Vp<2Vdの場合における電源回路900の各ノードの電圧を示す図である。図6Aには、エネルギーハーベスタ90の一方の出力端子90Aの電圧が示され、図6Bには、ダイオードブリッジ回路91の一方の出力端子91Aの電圧が示され、図6Cには、電力調節回路92の出力電圧が示されている。
Next, the case of Vp <2Vd will be described.
6A to 6C are diagrams illustrating voltages at the nodes of the
図6Aに示すように、エネルギーハーベスタ90の一方の出力端子90Aから、ダイオードの順電圧Vdよりも小さいピーク電圧Vpを有するAC電圧が生成された場合、そのAC電圧は、ダイオードブリッジ回路91が動作するための最低動作電圧(2Vd)よりも低い。そのため、図6Bに示すように、ダイオードブリッジ回路91の出力端子91Aからは、電圧が出力されない。その結果、図6Cに示すように、電力調節回路92は、負荷95を駆動するために必要な直流電圧Vsupplyを生成することができない。
As shown in FIG. 6A, when an AC voltage having a peak voltage Vp smaller than the forward voltage Vd of the diode is generated from one
このように、非特許文献1に開示された従来の電源回路では、整流回路としてのダイオードブリッジ回路の最低動作電圧によって、収穫可能な最小の環境エネルギー量(例えば、振動エネルギーから電力を生成するエネルギーハーベスタの場合、最小振動強度)が制限されるため、センサノードを適用可能なシステムも限定されてしまうという課題があった。 As described above, in the conventional power supply circuit disclosed in Non-Patent Document 1, the minimum amount of environmental energy that can be harvested (for example, energy that generates power from vibration energy) by the minimum operating voltage of the diode bridge circuit as the rectifier circuit. In the case of a harvester, there is a problem that a system to which a sensor node can be applied is also limited because the minimum vibration intensity is limited.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、より少量の環境エネルギーから、負荷を駆動するために必要な電源電圧を生成することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to generate a power supply voltage necessary for driving a load from a smaller amount of environmental energy.
本発明に係る電源回路(100)は、環境から収穫したエネルギーに基づいて交流電圧を生成するエネルギーハーベスタ(10)と、エネルキーハーベスタによって生成された交流電圧に加えるオフセット電圧(Voff)を生成するオフセット電圧生成器(13)と、オフセット電圧が加えられた上記交流電圧を整流して出力するダイオードブリッジ回路(11)と、ダイオードブリッジ回路によって整流された電圧から直流電圧を生成する直流電圧生成回路(12)とを有することを特徴とする。 The power supply circuit (100) according to the present invention includes an energy harvester (10) that generates an AC voltage based on energy harvested from the environment, and an offset that generates an offset voltage (Voff) to be added to the AC voltage generated by the energy harvester. A voltage generator (13); a diode bridge circuit (11) for rectifying and outputting the AC voltage to which the offset voltage is applied; and a DC voltage generation circuit (for generating a DC voltage from the voltage rectified by the diode bridge circuit ( 12).
上記電源回路において、エネルギーハーベスタは、交流電圧を出力する一対の出力端子(10A,10B)を有し、ダイオードブリッジ回路は、一対の入力端子(11B,11D)と一対の出力端子(11A,11C)を有し、オフセット電圧生成器は、オフセット電圧を出力する一対の出力端子(13A,13B)を有し、直流電圧生成回路は一対の入力端子を有し、エネルギーハーベスタの一方の出力端子(10B)は、ダイオードブリッジ回路の一方の入力端子(11D)に接続され、オフセット電圧生成器の一方の出力端子(13B)が、エネルギーハーベスタの他方の出力端子(10A)に接続され、オフセット電圧生成器の他方の出力端子(13A)が、ダイオードブリッジ回路の他方の入力端子(11B)に接続され、ダイオードブリッジ回路の一対の出力端子(11A,11D)が直流電圧生成回路の一対の入力端子に夫々接続されていてもよい。 In the power supply circuit, the energy harvester has a pair of output terminals (10A, 10B) for outputting an alternating voltage, and the diode bridge circuit has a pair of input terminals (11B, 11D) and a pair of output terminals (11A, 11C). ), The offset voltage generator has a pair of output terminals (13A, 13B) for outputting the offset voltage, the DC voltage generation circuit has a pair of input terminals, and one output terminal of the energy harvester ( 10B) is connected to one input terminal (11D) of the diode bridge circuit, and one output terminal (13B) of the offset voltage generator is connected to the other output terminal (10A) of the energy harvester to generate an offset voltage. The other output terminal (13A) of the device is connected to the other input terminal (11B) of the diode bridge circuit, and the diode A pair of output terminals (11A, 11D) of Doburijji circuit may be respectively connected to a pair of input terminals of the DC voltage generation circuit.
上記電源回路において、オフセット電圧生成器は、熱エネルギーから起電力を発生する熱電発電素子、および太陽電池の少なくとも一方を含んでもよい。 In the power supply circuit, the offset voltage generator may include at least one of a thermoelectric power generation element that generates electromotive force from thermal energy and a solar cell.
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号および図番によって表している。 In the above description, as an example, constituent elements on the drawing corresponding to the constituent elements of the invention are represented by reference numerals and parentheses in parentheses.
本発明によれば、より少量の環境エネルギーから、負荷を駆動するために必要な電源電圧を生成することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to generate a power supply voltage necessary for driving a load from a smaller amount of environmental energy.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る電源回路の構成を示す図である。
同図に示される電源回路100は、例えば、ウエアラブル機器等のセンサノードの内部に設けられ、センサノード内のセンサ、データ処理装置、および無線通信のための通信回路等の内部システム(以下、「負荷15」と表記する。)に電力を供給する回路である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power supply circuit according to an embodiment of the present invention.
The
図1に示されるように、電源回路100は、エネルギーハーベスタ10と、オフセット電圧生成器13と、ダイオードブリッジ回路11と、直流電圧生成回路12とを含む。
As shown in FIG. 1, the
エネルギーハーベスタ10は、AC(交流)電圧を生成する電圧生成部であり、環境中の振動エネルギー等からAC電圧を生成し、出力端子10Aと出力端子10Bとの間から出力する。
The
エネルギーハーベスタ10としては、例えば、帯電体であるエレクトレットに対して電極(導体)を相対的に変位させることによって発生する誘導電荷の移動(静電誘導の原理)を利用して発電するエレクトレット微小発電素子等を例示することができる。
As the
オフセット電圧生成器13は、エネルキーハーベスタ10によって生成されたAC電圧に加えるオフセット電圧を生成する機能部である。
オフセット電圧生成器13は、例えば、熱エネルギーから起電力を発生する熱電発電(TEG:thermoelectric generation)素子および太陽電池の少なくとも一方を含んで構成され、熱エネルギー等の環境エネルギーから直流電圧を生成し、出力端子13Aと出力端子13Bとの間からオフセット電圧Voffとして出力する。ここで、オフセット電圧Voffは、正の電圧であってもよいし、負の電圧であってもよい。
The offset
The offset
ダイオードブリッジ回路11は、入力端子11Bと入力端子11Dとの間に入力されたAC電圧を整流して、出力端子11Aと出力端子11Cとの間から出力する整流回路である。
The diode bridge circuit 11 is a rectifier circuit that rectifies an AC voltage input between the
ダイオードブリッジ回路11の入力端子11Bと入力端子11Dとの間には、オフセット電圧生成器13とエネルギーハーベスタ10とが直列に接続されている。具体的には、ダイオードブリッジ回路11の入力端子11Dとエネルギーハーベスタ10の出力端子10Bとが接続され、エネルギーハーベスタ10の出力端子10Aとオフセット電圧生成器13の出力端子13Bとが接続され、オフセット電圧生成器13の出力端子13Aとダイオードブリッジ回路11の入力端子11Bとが接続されている。
Between the
これにより、ダイオードブリッジ回路11には、エネルギーハーベスタ10によって生成されたAC電圧に、オフセット電圧生成器13によって生成されたオフセット電圧Voffを加えたAC電圧が入力される。
As a result, an AC voltage obtained by adding the offset voltage Voff generated by the offset
直流電圧生成回路12は、DC電圧を生成する電力調節回路である。
図1に示されるように、直流電圧生成回路12の2つの入力端子には、ダイオードブリッジ回路11の出力端子11A,11Cが夫々接続され、直流電圧生成回路12の出力端子には、負荷15が接続されている。
直流電圧生成回路12は、例えば,ダイオードブリッジ回路11から供給された脈流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、平滑化された電圧から必要な負荷15を駆動するために必要な出力電圧VOUTを生成するDC/DCコンバータと、を含んで構成されている。
The DC
As shown in FIG. 1,
The DC
次に、電源回路100の動作原理について図を用いて説明する。
以下の説明では、エネルギーハーベスタ10によって生成されるAC電圧のピーク電圧の絶対値をVp、ダイオードブリッジ回路11を構成する各ダイオードの順電圧をVdとしたとき、エネルギーハーベスタ10がピーク・ツー・ピーク電圧2Vp(片側のピーク電圧の絶対値がVp)のAC電圧を出力し、Vp<2Vdであるとする。
Next, the operation principle of the
In the following description, when the absolute value of the peak voltage of the AC voltage generated by the
先ず、オフセット電圧生成器13によって生成されるオフセット電圧Voffが正の場合について説明する。
図2A〜2Cは、Voff>0の場合における電源回路100の各ノードの電圧を示す図である。図2Aには、ダイオードブリッジ回路11の入力端子11Bの電圧V(11B)が示され、図2Bには、ダイオードブリッジ回路11の出力端子11Aの電圧V(11A)が示され、図2Cには、直流電圧生成回路12の出力電圧VOUTが示されている。
First, the case where the offset voltage Voff generated by the offset
2A to 2C are diagrams illustrating voltages at the nodes of the
エネルギーハーベスタ10によってVp<2VdのAC電圧が生成された場合、そのAC電圧をオフセット電圧Voff(>0)によってかさ上げしたAC電圧が、ダイオードブリッジ回路11に入力される。具体的には、図2Aに示すように、ダイオードブリッジ回路11の入力端子11Bには、最大電圧が(Vp+Voff)、最小電圧が(−Vp+Voff)となる正のAC電圧が入力される。
When an AC voltage of Vp <2Vd is generated by the
次に、図2Bに示すように、ダイオードブリッジ回路11が、図2Aに示したAC電圧の“Vd”よりも大きい部分を整流して、ピーク電圧(Vp+Voff−2Vd)とする脈流電圧を出力する(半波整流)。 Next, as shown in FIG. 2B, the diode bridge circuit 11 rectifies a portion of the AC voltage larger than “Vd” shown in FIG. 2A, and outputs a pulsating voltage that has a peak voltage (Vp + Voff−2Vd). (Half-wave rectification).
そして、図2Cに示すように、直流電圧生成回路12が、図2Bに示したピーク電圧(Vp+Voff−2Vd)の脈流電圧に基づいて、負荷15を駆動するために必要な大きさVsupplyの出力電圧VOUTを生成する。
Then, as shown in FIG. 2C, the DC
次に、オフセット電圧生成器13によって生成されるオフセット電圧Voffが負の場合について説明する。
図3A〜3Cは、Voff<0の場合における電源回路100の各ノードの電圧を示す図である。図3Aには、ダイオードブリッジ回路11の入力端子11Bの電圧V(11B)が示され、図3Bには、ダイオードブリッジ回路11の出力端子11Aの電圧V(11A)が示され、図3Cには、直流電圧生成回路12の出力電圧VOUTが示されている。
Next, the case where the offset voltage Voff generated by the offset
3A to 3C are diagrams illustrating voltages at the nodes of the
エネルギーハーベスタ10によってVp<2VdのAC電圧が生成された場合、そのAC電圧をオフセット電圧Voff(<0)によってかさ上げしたAC電圧が、ダイオードブリッジ回路11に入力される。具体的には、図3Aに示すように、ダイオードブリッジ回路11の入力端子11Bには、最大電圧が(Vp−Voff)、最小電圧が(−Vp+−Voff)となる負のAC電圧が入力される。
When an AC voltage of Vp <2Vd is generated by the
次に、図3Bに示すように、ダイオードブリッジ回路11が、図3Aに示したAC電圧の“−Vd”よりも小さい部分を整流して、ピーク電圧(Vp+Voff−2Vd)とする脈流電圧を出力する(半波整流)。 Next, as shown in FIG. 3B, the diode bridge circuit 11 rectifies a portion smaller than “−Vd” of the AC voltage shown in FIG. 3A, and generates a pulsating voltage that makes the peak voltage (Vp + Voff−2Vd) Output (half-wave rectification).
そして、図3Cに示すように、直流電圧生成回路12が、図3Bに示したピーク電圧(Vp+Voff−2Vd)の脈流電圧に基づいて、負荷15を駆動するために必要な大きさVsupplyの出力電圧VOUTを生成する。
Then, as shown in FIG. 3C, the DC
このように、本実施の形態に係る電源回路100によれば、“Vp>2Vd−Voff”を満たす場合に、負荷15を駆動するために必要な大きさVsupplyの出力電圧VOUTを安定して生成することができる。
As described above, according to the
以上、本実施の形態に係る電源回路100によれば、ダイオードブリッジ回路11の入力端子間に、エネルギーハーベスタ10とオフセット電圧生成器13を直列に接続しているので、エネルギーハーベスタ10によって生成されたAC電圧が、オフセット電圧生成器13によって生成されたオフセット電圧Voffの大きさに応じて、正方向または負方向にかさ上げされて、ダイオードブリッジ回路11に入力される。これにより、エネルギーハーベスタ10によって生成されたAC電圧が“Vp>2Vd−Voff”を満たす場合には、ダイオードブリッジ回路11によってピーク電圧(Vp+Voff−2Vd)の脈流電圧が生成されるので、直流電圧生成回路13によって負荷15に必要な電源電圧を生成することができる。
As described above, according to the
したがって、オフセット電圧生成器13によって生成されるオフセット電圧Voffの値を適宜調整することにより、上述した従来の電源回路に比べて、かなり小さいピーク電圧VpのAC電圧から、負荷15に必要な電源電圧を生成することが可能となる。
Therefore, by appropriately adjusting the value of the offset voltage Voff generated by the offset
以上、本実施の形態に係る電源回路100によれば、従来の電源回路よりも少量の環境エネルギー(例えば、振動エネルギーから電力を生成するエネルギーハーベスタの場合、最小振動強度)から、負荷を駆動するために必要な電源電圧を生成することが可能となる。
As described above, according to the
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれ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言うまでもない。 Although the invention made by the present inventors has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof. Yes.
100…電源回路、10…エネルギーハーベスタ、10A,10B…エネルギーハーベスタの出力端子、11…ダイオードブリッジ回路、11B,11D…ダイオードブリッジ回路の入力端子、11A,11C…ダイオードブリッジ回路の出力端子、12…直流電圧生成回路、13…オフセット電圧生成器、13A,13B…オフセット電圧生成器の出力端子、15…負荷、VOUT…出力電圧。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記エネルキーハーベスタによって生成された前記交流電圧に加えるオフセット電圧を生成するオフセット電圧生成器と、
前記オフセット電圧が加えられた前記交流電圧を整流して出力するダイオードブリッジ回路と、
前記ダイオードブリッジ回路によって整流された電圧から直流電圧を生成する直流電圧生成回路とを有する
電源回路。 An energy harvester that generates AC voltage based on energy harvested from the environment;
An offset voltage generator for generating an offset voltage to be added to the AC voltage generated by the energy harvester;
A diode bridge circuit that rectifies and outputs the AC voltage to which the offset voltage is applied;
A power supply circuit comprising: a DC voltage generation circuit that generates a DC voltage from the voltage rectified by the diode bridge circuit.
前記エネルギーハーベスタは、前記交流電圧を出力する一対の出力端子を有し、
前記ダイオードブリッジ回路は、一対の入力端子と一対の出力端子を有し、
前記オフセット電圧生成器は、前記オフセット電圧を出力する一対の出力端子を有し、
前記直流電圧生成回路は、一対の入力端子を有し、
前記エネルギーハーベスタの一方の出力端子は、前記ダイオードブリッジ回路の一方の入力端子に接続され、
前記オフセット電圧生成器の一方の出力端子が、前記エネルギーハーベスタの他方の出力端子に接続され、
前記オフセット電圧生成器の他方の出力端子が、前記ダイオードブリッジ回路の他方の入力端子に接続され、
前記ダイオードブリッジ回路の前記一対の出力端子は、前記直流電圧生成回路の前記一対の入力端子に接続されている
ことを特徴とする電源回路。 The power supply circuit according to claim 1,
The energy harvester has a pair of output terminals for outputting the AC voltage,
The diode bridge circuit has a pair of input terminals and a pair of output terminals,
The offset voltage generator has a pair of output terminals for outputting the offset voltage,
The DC voltage generation circuit has a pair of input terminals,
One output terminal of the energy harvester is connected to one input terminal of the diode bridge circuit,
One output terminal of the offset voltage generator is connected to the other output terminal of the energy harvester;
The other output terminal of the offset voltage generator is connected to the other input terminal of the diode bridge circuit;
The pair of output terminals of the diode bridge circuit are connected to the pair of input terminals of the DC voltage generation circuit.
前記オフセット電圧生成器は、熱エネルギーから起電力を発生する熱電発電素子、および太陽電池の少なくとも一方を含む
ことを特徴とする電源回路。 The power supply circuit according to claim 1 or 2,
The offset voltage generator includes at least one of a thermoelectric power generation element that generates an electromotive force from thermal energy, and a solar cell.
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