JP2019129681A - Dc-dc converter and power supply device - Google Patents

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陽介 富山
Yosuke Tomiyama
陽介 富山
太一 小川
Taichi Ogawa
太一 小川
上野 武司
Takeshi Ueno
武司 上野
浩平 鬼塚
Kohei Onizuka
浩平 鬼塚
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Abstract

To generate an operation voltage of a control circuit from a low input voltage.SOLUTION: A DC-DC converter 12 comprises an oscillator, a first step-up circuit, a second step-up circuit, and a control circuit 14. The oscillator includes a transformer 17 that includes a primary side coil 16A supplied with a first input voltage VIN1 and a secondary side coil 16B supplied with a third input voltage VIN3. The first step-up circuit includes: a first rectification element D1 supplied with a second input voltage VIN2; a second rectification element D2 connected in series to the first rectification element; and a capacitance element C2 whose one end is connected with one end at an output side of the secondary side coil and whose other end is connected with a terminal between the first rectification element and the second rectification element. The second step-up circuit includes: the secondary side coil of the transformer; a first switch SW that connects the one end at the output side of the secondary side coil to a reference potential; and a third rectification element D3 connected with the one end at the output side of the secondary side coil. The control circuit operates by using an output voltage of the first step-up circuit, and controls the first switch of the second step-up circuit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、DC−DCコンバータおよび電源装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a DC-DC converter and a power supply device.

DC−DCコンバータの1つとして、一次側巻線と二次側巻線とを含むトランスを用いてブロッキング発振器として動作するモードと、当該二次側巻線のインダクタンスを用いてスイッチングブーストコンバータとして動作するモードとを備えたDC−DCコンバータがある。   A DC-DC converter operates as a blocking oscillator using a transformer including a primary winding and a secondary winding, and operates as a switching boost converter using the inductance of the secondary winding. There is a DC-DC converter with a mode to perform.

このDC−DCコンバータでは、入力電圧に基づきブロッキング発振器を発振させて交流電圧を生成し、この交流電圧をダイオードで整流することで、制御回路の動作電圧を生成する。そして、この動作電圧により制御回路を起動し、起動した制御回路により、スイッチングブーストコンバータを起動する。しかしながら、このDC−DCコンバータにおいては、制御回路の動作電圧を生成するために、高い入力電圧が必要であった。   In this DC-DC converter, an AC voltage is generated by oscillating a blocking oscillator based on an input voltage, and an operating voltage of the control circuit is generated by rectifying the AC voltage with a diode. Then, the control circuit is activated by this operating voltage, and the switching boost converter is activated by the activated control circuit. However, in this DC-DC converter, a high input voltage is required to generate the operating voltage of the control circuit.

Jong-Pil Im, Se-Won Wang, Seung-Tak Ryu, and Gyu-Hyeong Cho. A 40 mV Transformer-Reuse Self-Startup Boost Converter With MPPT Control for Thermoelectric Energy Harvesting. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, Vol.47, No. 12, pp. 3055-3067, 2012.A 40-mV Transformer-Reuse Self-Startup Boost Converter With MPPT Control for Thermoelectric Energy Harvesting. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, Vol. .47, No. 12, pp. 3055-3067, 2012.

本発明の実施形態は、低い入力電圧から制御回路の動作電圧を生成可能なDC−DCコンバータおよび電源装置を提供する。   Embodiments of the present invention provide a DC-DC converter and a power supply device that can generate an operating voltage of a control circuit from a low input voltage.

本発明の実施形態としてのDC−DCコンバータは、発振器と、第1昇圧回路と、第2昇圧回路と、制御回路とを備える。前記発振器は、第1入力電圧が供給される一次側巻線と第2入力電圧が供給される二次側巻線とを含むトランスを含む。前記第1昇圧回路は、第3入力電圧が供給される第1整流素子と、前記第1整流素子に直列に接続された第2整流素子と、前記二次側巻線の出力側の一端に一端が接続され、他端が前記第1整流素子および前記第2整流素子間の端子に接続されたキャパシタンス素子とを含む。前記第2昇圧回路は、前記トランスの前記二次側巻線と、前記二次側巻線の出力側の一端を基準電位に接続する第1スイッチと、前記二次側巻線の出力側の前記一端に接続された第3整流素子とを含む。前記制御回路は、前記第1昇圧回路の出力電圧を用いて動作し、前記第2昇圧回路の前記第1スイッチを制御する。   The DC-DC converter as an embodiment of the present invention includes an oscillator, a first booster circuit, a second booster circuit, and a control circuit. The oscillator includes a transformer including a primary winding supplied with a first input voltage and a secondary winding supplied with a second input voltage. The first booster circuit includes a first rectifying element to which a third input voltage is supplied, a second rectifying element connected in series to the first rectifying element, and one end of the output side of the secondary winding. And a capacitance element having one end connected and the other end connected to a terminal between the first rectifying element and the second rectifying element. The second booster circuit includes a first switch connecting the secondary winding of the transformer and one end of the output side of the secondary winding to a reference potential, and an output side of the secondary winding. And a third rectifying element connected to the one end. The control circuit operates using the output voltage of the first booster circuit to control the first switch of the second booster circuit.

第1の実施形態に係るDC−DCコンバータを備えた電源装置の回路図。The circuit diagram of the power supply device provided with the DC-DC converter which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る各種電圧および電流の時間波形。The time waveform of the various voltages and electric current which concern on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係るDC−DCコンバータを備えた電源装置の回路図。The circuit diagram of the power supply device provided with the DC-DC converter which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る各種電圧および電流の時間波形。7 shows time waveforms of various voltages and currents according to the second embodiment. 第3の実施形態に係るDC−DCコンバータを備えた電源装置の回路図。The circuit diagram of the power supply device provided with the DC-DC converter which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る各種電圧および電流の時間波形。The time waveform of the various voltages and electric currents which concern on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係るDC−DCコンバータを備えた電源装置の回路図。The circuit diagram of the power supply device provided with the DC-DC converter which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る各種電圧および電流の時間波形。The time waveform of the various voltages and electric current which concern on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係るDC−DCコンバータを備えた電源装置の回路図。The circuit diagram of the power supply device provided with the DC-DC converter which concerns on 5th Embodiment. 第6の実施形態に係るDC−DCコンバータを備えた電源装置の回路図。The circuit diagram of the power supply device provided with the DC-DC converter which concerns on 6th Embodiment. 第6の実施形態に係る各種電圧および電流の時間波形。The time waveform of the various voltages and electric currents which concern on 6th Embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る電源装置の回路図である。この電源装置は、太陽電池PV、熱電発電素子TEG1、TEG2とDC−DCコンバータ12とを備えた環境発電装置である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First Embodiment
FIG. 1 is a circuit diagram of a power supply device according to the first embodiment. This power supply device is an environmental power generation device including a solar battery PV, thermoelectric power generation elements TEG1 and TEG2, and a DC-DC converter 12.

熱電発電素子TEG1は、起電力VTEG1および出力抵抗RTEG1でモデル化されている。熱電発電素子TEG2は、起電力VTEG2および出力抵抗RTEG2でモデル化されている。また、太陽電池PVは、起電力VPVおよび出力抵抗RPVでモデル化されている。   The thermoelectric generation element TEG1 is modeled by an electromotive force VTEG1 and an output resistance RTEG1. The thermoelectric generation element TEG2 is modeled by an electromotive force VTEG2 and an output resistance RTEG2. The solar cell PV is modeled by an electromotive force VPV and an output resistance RPV.

熱電発電素子の起電力は、高温側部材と低温側部材との温度差に比例し、数℃程度の温度差では数10mV〜数100mVである。また熱電発電素子の出力抵抗は、温度差にかかわらずほぼ一定の値であり、数Ω〜数100Ω程度の値である。   The electromotive force of the thermoelectric generator is proportional to the temperature difference between the high temperature side member and the low temperature side member, and is several tens of mV to several 100 mV for a temperature difference of about several degrees Celsius. The output resistance of the thermoelectric generation element is a substantially constant value regardless of the temperature difference, and is a value of several ohms to several hundred ohms.

熱電発電素子TEG1の出力電圧は、入力電圧VIN1としてDC−DCコンバータ12の入力端子1に入力される。キャパシタCIN1は、入力端子1に入力された入力電圧VIN1を平滑化する。同様に、熱電発電素子TEG2の出力電圧は、入力電圧VIN3として入力端子3に入力される。キャパシタCIN3は、入力端子3に入力された入力電圧VIN3を平滑化する。太陽電池PVの出力電圧は、入力電圧VIN2として、DC−DCコンバータ12の入力端子2に入力される。キャパシタCIN2は、入力端子2に入力された入力電圧VIN2を平滑化する。ここで熱電発電素子TEG1は第1の電源、熱電発電素子TEG2は第2の電源、太陽電池PVは第3の電源に相当する。なお、第1〜第3の電源の種類はこれらに限定されず、それぞれ任意の電源でかまわない。   The output voltage of the thermoelectric generator TEG1 is input to the input terminal 1 of the DC-DC converter 12 as the input voltage VIN1. The capacitor CIN1 smoothes the input voltage VIN1 input to the input terminal 1. Similarly, the output voltage of the thermoelectric generation element TEG2 is input to the input terminal 3 as the input voltage VIN3. The capacitor CIN3 smoothes the input voltage VIN3 input to the input terminal 3. The output voltage of the solar cell PV is input to the input terminal 2 of the DC-DC converter 12 as an input voltage VIN2. The capacitor CIN2 smoothes the input voltage VIN2 input to the input terminal 2. Here, the thermoelectric generation element TEG1 corresponds to a first power source, the thermoelectric generation element TEG2 corresponds to a second power source, and the solar cell PV corresponds to a third power source. The types of first to third power supplies are not limited to these, and may be arbitrary power supplies.

負荷装置Load1、Load2は、DC−DCコンバータ12から供給された電圧に基づき動作する回路である。例えばLEDやデジタル回路、アナログ回路のような電力を消費する回路でもよいし、蓄電池のような電力を蓄積する装置でもよいし、センサでもよい。例えば、負荷装置は1V以上の電源電圧で動作する。DC−DCコンバータ12は、入力電圧が小さい場合でも、負荷装置を適切な電圧で駆動するため、入力電圧を昇圧する。例えば、入力電圧VIN3を昇圧して、昇圧された出力電圧を、負荷装置2に供給する。   The load devices Load1 and Load2 are circuits that operate based on the voltage supplied from the DC-DC converter 12. For example, a circuit that consumes power, such as an LED, a digital circuit, or an analog circuit, a device that stores power such as a storage battery, or a sensor may be used. For example, the load device operates with a power supply voltage of 1V or more. The DC-DC converter 12 boosts the input voltage in order to drive the load device with an appropriate voltage even when the input voltage is small. For example, the input voltage VIN3 is boosted, and the boosted output voltage is supplied to the load device 2.

DC−DCコンバータ12は、トランス17を有している。トランス17は、一次側巻線16Aと、二次側巻線16Bとを備える。また、DC−DCコンバータ12は、2つの動作モードを持つ。一つ目はスタートアップモードであり、このモードでは、DC−DCコンバータ12は、トランス17を利用したブロッキング発振器として動作する。二つ目はブーストモードであり、このモードでは、トランス17の二次側巻線16Bをインダクタンス素子として利用してスイッチングブーストコンバータとして動作する。スタートアップモードで一定値以上の出力電圧VOUT1が得られた後、出力電圧VOUT1を動作電圧として制御回路14を起動する。起動した制御回路14の制御により、ブーストモードへと移行する。   The DC-DC converter 12 has a transformer 17. The transformer 17 includes a primary side winding 16A and a secondary side winding 16B. The DC-DC converter 12 also has two operation modes. The first one is the start-up mode, in which the DC-DC converter 12 operates as a blocking oscillator using the transformer 17. The second is a boost mode. In this mode, the secondary winding 16B of the transformer 17 is used as an inductance element to operate as a switching boost converter. After the output voltage VOUT1 of a predetermined value or more is obtained in the start-up mode, the control circuit 14 is started using the output voltage VOUT1 as an operating voltage. Under the control of the control circuit 14 that has been started up, transition to the boost mode is made.

トランス17の一次側巻線16Aの上側端子(入力側の端子)は、入力端子1に接続されており、下側端子(出力側の端子)は、ネイティブnMOSスイッチ(ネイティブnMOSトランジスタ)15のドレイン端子に接続されている。ネイティブnMOSスイッチ15は、0[V]またはその付近にしきい値を持つnMOSトランジスタである。ネイティブnMOSスイッチの代わりに、ディプレッション型トランジスタを用いてもよい。ネイティブnMOSスイッチおよびディプレッション型トランジスタは、一例として、ノーマリーオンのトランジスタとして用いられる。   The upper terminal (terminal on the input side) of the primary winding 16A of the transformer 17 is connected to the input terminal 1, and the lower terminal (terminal on the output side) is the drain of the native nMOS switch (native nMOS transistor) 15. It is connected to the terminal. The native nMOS switch 15 is an nMOS transistor having a threshold at or near 0 [V]. Instead of the native nMOS switch, a depletion type transistor may be used. Native nMOS switches and depletion type transistors are used as, for example, normally on transistors.

トランス17の二次側巻線16Bの上側端子(入力側の端子)は、キャパシタC1、キャパシタC2、スイッチSW、ダイオードD3に接続されている。この上側端子の電圧をVLXと表す。キャパシタは、キャパシタンス素子の一例であり、キャパシタンス素子であれば、キャパシタ以外の構成を用いてもよい。例えば複数のキャパシタの直列接続、複数のキャパシタの並列接続、複数のキャパシタの直並列の接続でもよい。キャパシタに抵抗あるいはその他の素子を直列または並列または直並列に接続してものでもよい。本実施形態および他の実施形態で用いるキャパシタC1、C2以外のキャパシタについても同様である。   The upper side terminal (terminal on the input side) of the secondary side winding 16B of the transformer 17 is connected to the capacitor C1, the capacitor C2, the switch SW, and the diode D3. The voltage at the upper terminal is represented as VLX. The capacitor is an example of a capacitance element, and any configuration other than a capacitor may be used as long as it is a capacitance element. For example, a series connection of a plurality of capacitors, a parallel connection of a plurality of capacitors, or a series-parallel connection of a plurality of capacitors may be used. A resistor or other element may be connected to the capacitor in series, parallel, or series-parallel. The same applies to capacitors other than the capacitors C1 and C2 used in the present embodiment and other embodiments.

スイッチSWの一端は、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子に接続されており、他端はグラウンドに接続されている。すなわち、スイッチSWは、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子をグラウンドに接続する。スイッチSWの制御端子は、制御回路14に接続されている。スイッチSWは、一例として、nMOSスイッチ(nMOSトランジスタ)である。   One end of the switch SW is connected to the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17, and the other end is connected to the ground. That is, the switch SW connects the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 to the ground. The control terminal of the switch SW is connected to the control circuit 14. The switch SW is, for example, an nMOS switch (nMOS transistor).

ダイオードD3の一端(アノード)は、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子に接続されており、他端(カソード)は出力端子13Bに接続されている。ダイオードD3は、整流素子の一例であり、MOSトランジスタなど、別の種類の整流素子を用いてもよい。   One end (anode) of the diode D3 is connected to the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17, and the other end (cathode) is connected to the output terminal 13B. The diode D3 is an example of a rectifying element, and another type of rectifying element such as a MOS transistor may be used.

キャパシタCOUT2は、平滑用のキャパシタンス素子である。キャパシタCOUT2の一端は、ダイオードD3の他端および出力端子13Bに接続されており、他端はグラウンドに接続されている。   The capacitor COUT2 is a smoothing capacitance element. One end of the capacitor COUT2 is connected to the other end of the diode D3 and the output terminal 13B, and the other end is connected to the ground.

出力端子13Bには、負荷装置Load2が接続されている。出力端子13Bの電圧をVOUT2と表す。   A load device Load2 is connected to the output terminal 13B. The voltage at the output terminal 13B is represented as VOUT2.

トランス17の二次側巻線16Bの下側端子は、入力端子3に接続されている。キャパシタC1のトランス17と反対側の端子19は、抵抗R1を介してグラウンドに接続されている。また、端子19は、ネイティブnMOSスイッチの制御端子に接続されている。端子19は、制御回路14に配線で接続されている。端子19の電圧をV1と表す。   The lower terminal of the secondary winding 16 B of the transformer 17 is connected to the input terminal 3. A terminal 19 of the capacitor C1 opposite to the transformer 17 is connected to the ground via a resistor R1. Also, the terminal 19 is connected to the control terminal of the native nMOS switch. The terminal 19 is connected to the control circuit 14 by wiring. The voltage of the terminal 19 is denoted as V1.

制御回路14から端子19に対する制御信号の出力がなければ(制御回路14の端子19に対する出力がオープンであれば)、ネイティブnMOSスイッチ15はオンである。このとき、トランス17、キャパシタC1およびネイティブnMOSスイッチ15で構成されるループが、ブロッキング発振器として動作する。ブロッキング発振器の発振動作により、交流電圧が、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子に生じる。トランス17の二次側巻線16Bの上側端子の電圧をVLXと表す。   If there is no output of the control signal from the control circuit 14 to the terminal 19 (if the output to the terminal 19 of the control circuit 14 is open), the native nMOS switch 15 is on. At this time, a loop composed of the transformer 17, the capacitor C1, and the native nMOS switch 15 operates as a blocking oscillator. An alternating voltage is generated at the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 by the oscillation operation of the blocking oscillator. The voltage at the upper terminal of the secondary side winding 16B of the transformer 17 is denoted by VLX.

入力端子2は、ダイオードD1とダイオードD2を介して、出力端子13Aに接続されている。ダイオードD1とダイオードD2は直列に接続されている。ダイオードD1の一端(アノード)は入力端子2に接続され、他端(カソード)は、ダイオードD2の一端(アノード)に接続されている。ダイオードD2のカソードは、出力端子13Aに接続されている。ダイオードD1とダイオードD2の間の端子18には、キャパシタC2の一端が接続されている。キャパシタC2の他端は、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子、キャパシタC1のトランス17側の端子、スイッチSWのグラウンドと反対側の端子、ダイオードD3の一端(アノード)に接続されている。   The input terminal 2 is connected to the output terminal 13A via a diode D1 and a diode D2. The diode D1 and the diode D2 are connected in series. One end (anode) of the diode D1 is connected to the input terminal 2, and the other end (cathode) is connected to one end (anode) of the diode D2. The cathode of the diode D2 is connected to the output terminal 13A. One end of a capacitor C2 is connected to a terminal 18 between the diode D1 and the diode D2. The other end of the capacitor C2 is connected to the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17, the terminal of the capacitor C1 on the transformer 17, the terminal of the switch SW opposite to the ground, and one end (anode) of the diode D3. Yes.

ダイオードD1、ダイオードD2およびキャパシタC2によりディクソン昇圧回路(第1昇圧回路)が構成される。ディクソン昇圧回路の出力側の端子(ダイオードD2の他端)7は、制御回路14の電源端子に接続されている。制御回路14は、端子7の電圧が閾値以上になると、起動する。制御回路14は、端子7の電圧を動作電圧とする。   The diode D1, the diode D2, and the capacitor C2 constitute a Dixon booster circuit (first booster circuit). The output side terminal (the other end of the diode D2) 7 of the Dickson booster circuit is connected to the power supply terminal of the control circuit 14. The control circuit 14 starts up when the voltage at the terminal 7 becomes equal to or higher than the threshold. The control circuit 14 uses the voltage at the terminal 7 as the operating voltage.

なお、本実施形態における各端子は、接続用の端子でもよいし、配線上の任意の箇所(ノード)を表すものもよい。   Each terminal in the present embodiment may be a terminal for connection or may represent an arbitrary point (node) on the wiring.

制御回路14は、スイッチSWおよびネイティブnMOSスイッチ15を制御する。制御回路14は、スタートアップモードでは、スイッチSWの制御信号VSWをLowレベル(Lレベル)の電圧にしており、スイッチSWはオフされている。スタートアップモードで入力電圧VIN2が昇圧され、端子7の昇圧された電圧により制御回路14が起動すると、制御回路14は、ブーストモードに入る。制御回路14は、ネイティブnMOSスイッチ15をオフにして発振器を停止し、ブーストアップコンバータとして機能するようスイッチSWを制御する。すなわち、制御回路14は、入力電圧VIN3を昇圧して負荷装置Load2に供給する。また、入力電圧VIN2を昇圧して負荷回路Load1に供給する。   The control circuit 14 controls the switch SW and the native nMOS switch 15. In the start-up mode, the control circuit 14 sets the control signal VSW of the switch SW to a low level (L level) voltage, and the switch SW is turned off. When the input voltage VIN2 is boosted in the startup mode and the control circuit 14 is activated by the boosted voltage at the terminal 7, the control circuit 14 enters the boost mode. The control circuit 14 turns off the native nMOS switch 15 to stop the oscillator, and controls the switch SW to function as a boost up converter. That is, the control circuit 14 boosts the input voltage VIN3 and supplies it to the load device Load2. Further, the input voltage VIN2 is boosted and supplied to the load circuit Load1.

図2に第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ12における各種電圧および電流の時間波形を示す。   FIG. 2 shows time waveforms of various voltages and currents in the DC-DC converter 12 according to the first embodiment.

熱電発電素子TEG1、TEG2および太陽電池PVから入力電力がDC−DCコンバータ12に供給される。トランス17の二次側巻線16Bの上側端子の電圧VLXが上昇する。この電圧VLXは、入力端子3の入力電圧VIN3を中心として振動する交流の波形である。   Input power is supplied to the DC-DC converter 12 from the thermoelectric generation elements TEG1 and TEG2 and the solar cell PV. The voltage VLX of the upper terminal of the secondary side winding 16B of the transformer 17 rises. This voltage VLX is an alternating waveform that oscillates around the input voltage VIN3 of the input terminal 3.

電圧VLXは、ダイオードD3によって整流され、出力端子13B側に電流が流れる。これにより、出力電圧VOUT2は上昇する。このとき同時に、電圧VLXの作用により、キャパシタC2、ダイオードD1およびダイオードD2によって構成されるディクソン昇圧回路によって交流電流が、キャパシタC2を介してダイオードD1およびダイオードD2間の端子18に入る。端子18の電圧をV2と表すと、電圧VLXが交流電圧であるため、キャパシタC2を介した電圧V2も交流電圧となる。一方、入力端子2からの直流電流がダイオードD1を通る。これら直流電流および交流電流を合わせた電流が、ダイオードD2により整流され、出力端子13Aへと流れ、出力電圧VOUT1も上昇する。   The voltage VLX is rectified by the diode D3, and a current flows on the output terminal 13B side. As a result, the output voltage VOUT2 rises. At the same time, due to the action of the voltage VLX, an alternating current flows into the terminal 18 between the diode D1 and the diode D2 via the capacitor C2 by the Dickson booster circuit constituted by the capacitor C2, the diode D1 and the diode D2. Assuming that the voltage at the terminal 18 is V2, since the voltage VLX is an AC voltage, the voltage V2 via the capacitor C2 is also an AC voltage. On the other hand, a direct current from the input terminal 2 passes through the diode D1. The combined current of the direct current and the alternating current is rectified by the diode D2, flows to the output terminal 13A, and the output voltage VOUT1 also rises.

出力電圧VOUT2およびVOUT1を上昇させながら、電圧VLXの発振振幅は大きくなっていく。電圧VLXの振幅の増加はある振幅で停止し、最大となる。この電圧VLXの最大発振電圧振幅をAVLXMAXとする。通常の利用の範囲では、最大発振電圧振幅AVLXMAXは、起電力VTEG1が大きいほど(すなわち入力電圧VIN1が大きいほど)大きくなる。   While raising the output voltages VOUT2 and VOUT1, the oscillation amplitude of the voltage VLX increases. The increase of the amplitude of the voltage VLX stops at a certain amplitude and becomes maximum. The maximum oscillation voltage amplitude of this voltage VLX is AVLXMAX. In the range of normal use, the maximum oscillation voltage amplitude AVLXMAX becomes larger as the electromotive force VTEG1 is larger (ie, as the input voltage VIN1 is larger).

ダイオードD1、ダイオードD2、ダイオードD3の順方向電圧降下の降下電圧をVFとする。電圧VLXの最大値は、入力電圧VIN3+最大発振電圧振幅AVLXMAXである。出力電圧VOUT2がとれる最大値は、それよりダイオードD3の降下電圧下VFだけ降下したVIN3+AVLXMAX−VFとなる。起電力VTEG2が大きければ、入力電圧VIN3も大きくなり、電圧VLXの最大電圧も大きくなる。また熱電発電素子の起電力VTEG1および入力VIN1が大きいときも、電圧VLXの最大電圧が大きくなる。   The drop voltage of the forward voltage drop of the diode D1, the diode D2, and the diode D3 is VF. The maximum value of voltage VLX is input voltage VIN3 + maximum oscillation voltage amplitude AVLXMAX. The maximum value that the output voltage VOUT2 can take is VIN3 + AVLXMAX−VF, which is lowered by VF below the voltage drop of the diode D3. If the electromotive force VTEG2 is large, the input voltage VIN3 is also large, and the maximum voltage of the voltage VLX is also large. Further, when the electromotive force VTEG1 and the input VIN1 of the thermoelectric generator are large, the maximum voltage of the voltage VLX is large.

端子18の電圧V2の最大振幅をAV2MAXと表す。このとき、出力電圧VOUT1がとれる最大値は、2×(AV2MAX−VF)+VIN2となる。つまり、入力電圧VIN2に対して、最大振幅AV2MAXを2倍(上側の最大振幅AV2MAXと、下側の最大振幅AV2MAXとを加算)したものから、ダイオードD1、D2の2つ分の電圧降下(2×VF)を引いたものがこれに相当する。なお、前述した出力電圧VOUT2がとれる最大値VIN3+AVLXMAX−VFの場合、入力電圧VIN3を中心として、電圧VLXが加算されるため、AVLXMAXを2倍する必要はない。   The maximum amplitude of the voltage V2 at the terminal 18 is denoted as AV2MAX. At this time, the maximum value at which the output voltage VOUT1 can be obtained is 2 × (AV2MAX−VF) + VIN2. That is, the voltage drop of two diodes D1 and D2 is obtained by multiplying the maximum amplitude AV2MAX by twice the input voltage VIN2 (adding the upper maximum amplitude AV2MAX and the lower maximum amplitude AV2MAX) to two diodes D1 and D2 (2 A value obtained by subtracting (VF) corresponds to this. In the case of the maximum value VIN3 + AVLXMAX-VF at which the output voltage VOUT2 can be obtained, the voltage VLX is added centering on the input voltage VIN3, and therefore, it is not necessary to double AVLXMAX.

出力電圧VOUT1が閾値以上になると制御回路14が起動する。ここでキャパシタCOUT1の容量値が大きいと、出力電圧VOUT1が上昇するのに時間を要する。一方、同じ電位であれば、より大きなエネルギーをキャパシタCOUT1に保持できるため、制御回路14が電力を消費しても電圧は下がりにくい。要求される性能または仕様に応じて、キャパシタCOUT1を適切な容量値に設定すればよい。   When the output voltage VOUT1 becomes equal to or higher than the threshold value, the control circuit 14 is activated. Here, when the capacitance value of the capacitor COUT1 is large, it takes time for the output voltage VOUT1 to rise. On the other hand, if the potential is the same, a larger amount of energy can be held in the capacitor COUT1, so that the voltage is unlikely to drop even when the control circuit 14 consumes power. The capacitor COUT1 may be set to an appropriate capacitance value according to the required performance or specification.

熱電発電素子の起電力VTEG1が大きいとき、すなわち入力VIN1が大きいときは、端子18の電圧V2の最大振幅AV2MAXも大きくなる。このため、出力電圧VOUT1がとれる最大値(=2×(AV2MAX−VF)+VIN2)は大きくなる。また、太陽電池の起電力VPV、および太陽電池からの入力電圧VIN2が大きいときも、出力電圧VOUT1がとれる最大値(=2×(AV2MAX−VF)+VIN2)は大きくなる。   When the electromotive force VTEG1 of the thermoelectric generation element is large, that is, when the input VIN1 is large, the maximum amplitude AV2MAX of the voltage V2 of the terminal 18 also becomes large. Therefore, the maximum value (= 2 × (AV2MAX−VF) + VIN2) at which the output voltage VOUT1 can be obtained is increased. Further, also when the electromotive force VPV of the solar cell and the input voltage VIN2 from the solar cell are large, the maximum value (= 2 × (AV2MAX−VF) + VIN2) at which the output voltage VOUT1 can be obtained becomes large.

出力電圧VOUT2が取りうる最大値(=VIN3+AVLXMAX−VF)よりも、出力電圧VOUT1が取りうる最大値(=2×(AV2MAX−VF)+VIN2)の方が容易に大きくできる。したがってディクソン昇圧回路によって、入力電圧(VIN1、またはVIN3またはこれらの両方)が小さくても、大きな出力電圧VOUT1が得られる。このことから太陽電池PVの起電力VPVを、起電力VTEG1およびVTEG2より大きくしてもよい。ブーストモードでは、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用することでスタートアップモードより高効率な昇圧が行われるため、小さな起電力VTEG1およびVTEG2からでも、大きな出力電圧VOUT2を得ることができる。   The maximum value (= 2 × (AV2MAX−VF) + VIN2) that the output voltage VOUT1 can take can easily be larger than the maximum value (= VIN3 + AVLXMAX−VF) that the output voltage VOUT2 can take. Therefore, the Dickson booster circuit can provide a large output voltage VOUT1 even if the input voltage (VIN1 and / or VIN3) is small. Therefore, the electromotive force VPV of the solar cell PV may be larger than the electromotive forces VTEG1 and VTEG2. In the boost mode, by using the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17, boosting is performed more efficiently than in the start-up mode, so a large output voltage VOUT2 can be obtained even from small electromotive forces VTEG1 and VTEG2. .

出力電圧VOUT1が閾値以上になったことにより起動した制御回路14は、端子19の電圧V1を閾値未満(ここで0[V])に設定する。ネイティブnMOSスイッチはオフにされる。これにより、ブロッキング発振器の発振は停止する。これによりスタートアップモードは終了し、ブーストモードに入る。   The control circuit 14 activated when the output voltage VOUT1 becomes equal to or higher than the threshold value sets the voltage V1 at the terminal 19 to be less than the threshold value (here, 0 [V]). The native nMOS switch is turned off. Thereby, the oscillation of the blocking oscillator is stopped. This ends the start-up mode and enters the boost mode.

制御回路14は、スイッチSWの制御信号(開閉信号)VSWとして、HレベルとLレベルの周期的な信号を出力する。所望する昇圧比に応じて、HレベルとLレベルの周期的な信号の比率を決める。制御信号VSWがHレベルのとき、トランス17の二次側巻線16Bに入力VIN3に相当する電圧がかかるため、二次側巻線16Bの電流(電流IL)が増加する。   The control circuit 14 outputs periodic signals of H level and L level as a control signal (opening / closing signal) VSW of the switch SW. The ratio of periodic signals at H level and L level is determined according to the desired boost ratio. When the control signal VSW is at the H level, a voltage corresponding to the input VIN3 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, so that the current (current IL) of the secondary winding 16B increases.

制御信号VSWがLレベルとなったとき、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスは電流を流しつづけようと作用するため、電流はダイオードD3を通じて出力端子13B側へと流れる。このとき二次側巻線16Bの上側端子の電圧VLXは、出力電圧VOUT2+VFまで上がり、トランス17の二次側巻線16Bには、VIN3−(VOUT2+VF)の電圧がかかるので、電流ILは減少していく。電流ILが0まで下がると、ダイオードD3の整流作用により逆流は防がれる。   When the control signal VSW becomes L level, the inductance of the secondary side winding 16B of the transformer 17 acts to keep the current flowing, so that the current flows to the output terminal 13B side through the diode D3. At this time, the voltage VLX of the upper terminal of the secondary winding 16B rises to the output voltage VOUT2 + VF, and the voltage of VIN3- (VOUT2 + VF) is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, so the current IL decreases. To go. When the current IL decreases to 0, backflow is prevented by the rectifying action of the diode D3.

熱電発電素子TEG2が供給できる電力が大きいほど、トランス17の二次側巻線16Bの電流を大きくできるため、出力端子13Bに大きな電力を出力することができる。トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用することで、ブロッキング発振器として動作するスタートアップモードより高効率なブーストモードとしての動作を実現できる。   As the electric power that can be supplied from the thermoelectric power generation element TEG2 is larger, the current of the secondary winding 16B of the transformer 17 can be increased, so that larger electric power can be output to the output terminal 13B. By using the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17, it is possible to realize an operation in a boost mode that is more efficient than a startup mode that operates as a blocking oscillator.

本実施形態によれば、ディクソン昇圧器を通じて高い出力電圧VOUT1が得られるため、低い入力電圧(VIN1、VIN3、またはこれらの両方)を用いた場合でも制御回路14を起動でき、起動後は、低い入力電圧から、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用効率の高い昇圧ができる。   According to this embodiment, since the high output voltage VOUT1 can be obtained through the Dickson booster, the control circuit 14 can be started even when a low input voltage (VIN1, VIN3, or both of them) is used. From the input voltage, the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17 can be boosted with high utilization efficiency.

(第2の実施形態)
図3は第2の実施形態に係る電源装置の回路図である。本実施形態は、第1の実施形態における図1の太陽電池PVおよび熱電発電素子TEG1を1つの電源装置(ここでは太陽電池PV)として共通化したことを特徴とする。以下、第1の実施形態との差分を中心に説明する。図1と同じ要素には同一の符号を付し、説明は適宜省略する。
Second Embodiment
FIG. 3 is a circuit diagram of a power supply device according to the second embodiment. The present embodiment is characterized in that the solar cell PV and the thermoelectric power generation element TEG1 in FIG. 1 in the first embodiment are made common as one power supply device (here, a solar cell PV). Hereinafter, the difference from the first embodiment will be mainly described. The same elements as those in FIG.

この電源装置は、太陽電池PV、熱電発電素子TEGと、DC−DCコンバータ22とを備えた環境発電装置である。熱電発電素子TEGは起電力VTEG、出力抵抗RTEGでモデル化されている。熱電発電素子TEGの出力電圧は、入力電圧VIN3として端子3に入力される。ここで入力電圧VIN1は第3入力電圧および第1入力電圧に対応し、入力電圧VIN3は、第2入力電圧に対応する。   This power supply device is an environmental power generation device including a solar battery PV, a thermoelectric power generation element TEG, and a DC-DC converter 22. The thermoelectric generation element TEG is modeled by an electromotive force VTEG and an output resistance RTEG. The output voltage of the thermoelectric generator TEG is input to the terminal 3 as the input voltage VIN3. Here, the input voltage VIN1 corresponds to the third input voltage and the first input voltage, and the input voltage VIN3 corresponds to the second input voltage.

図1のスイッチSWの代わりにnMOSスイッチ(nMOSトランジスタ)27が設けられ、ダイオードD3の代わりにpMOSスイッチ(pMOSトランジスタ)28が設けられている。図1では2つの負荷装置が存在したが、図3では1つの負荷装置Loadが設けられている。負荷装置Loadは出力端子13に接続されている。   An nMOS switch (nMOS transistor) 27 is provided instead of the switch SW in FIG. 1, and a pMOS switch (pMOS transistor) 28 is provided instead of the diode D3. While two load devices are present in FIG. 1, one load device Load is provided in FIG. The load device Load is connected to the output terminal 13.

制御回路24は、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子に接続されており、起動前のスタートアップモードでは、当該端子の電圧を用いて、nMOSスイッチ27に徐々に低下する負電圧、pMOSスイッチ28に徐々に上昇する正電圧を与えるように動作する。すなわち、スタートアップモードでは、nMOSスイッチ27の制御信号VNは、制御回路24によって徐々に低い値(負電圧)になっていき、nMOSスイッチ27はオフされる。またpMOSスイッチ28の制御信号VPは徐々に大きくなっていき、pMOSスイッチ28オフされる。これらの動作は、nMOSスイッチ27、pMOSスイッチ28をより強くオフして(閾値に対して十分低いまたは大きい電圧をかけて)、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子からのリーク電流を削減し、当該上側端子の電圧振幅の低下を防ぐために行っている。起動後は、制御回路24は、ディクソン昇圧回路の出力電圧(端子7の電圧)を動作電圧として動作する。   The control circuit 24 is connected to the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17, and in the start-up mode before start-up, a negative voltage gradually decreasing to the nMOS switch 27 using the voltage of the terminal, pMOS The switch 28 operates to provide a gradually rising positive voltage. That is, in the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 gradually becomes a low value (negative voltage) by the control circuit 24, and the nMOS switch 27 is turned off. Further, the control signal VP of the pMOS switch 28 gradually increases, and the pMOS switch 28 is turned off. In these operations, the nMOS switch 27 and the pMOS switch 28 are turned off more strongly (by applying a voltage that is sufficiently low or large with respect to the threshold value), and leakage current from the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 is reduced. This is done to reduce the voltage swing of the upper terminal. After startup, the control circuit 24 operates using the output voltage of the Dixon booster circuit (the voltage at the terminal 7) as the operating voltage.

入力端子1は、ダイオードD1とダイオードD2を介して出力端子13に接続されている。ディクソン昇圧回路の出力側の端子7は、制御回路24および出力端子13に接続されている。ディクソン昇圧回路から出力される電圧によって、出力端子13の電圧は大きくなる。   The input terminal 1 is connected to the output terminal 13 via the diode D1 and the diode D2. The terminal 7 on the output side of the Dickson booster circuit is connected to the control circuit 24 and the output terminal 13. The voltage of the output terminal 13 is increased by the voltage output from the Dickson booster circuit.

図4に第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ22における各種電圧および電流の時間波形を示す。   FIG. 4 shows time waveforms of various voltages and currents in the DC-DC converter 22 according to the second embodiment.

スタートアップモード開始時から、nMOSスイッチ27の制御信号VNは、制御回路24によって徐々に低い値(負電圧)になっていき、nMOSスイッチ27はオフされている。またpMOSスイッチ28の制御信号VPは徐々に大きくなっていき、pMOSスイッチ28オフされている。トランス17の二次側巻線16Bの上側端子の電圧VLXは、pMOSスイッチ28のボディダイオードによって整流され、出力端子13側に電流が流れ、出力電圧VOUTは上昇する。このとき同時に、電圧VLXの作用により、キャパシタC2、ダイオードD1、ダイオードD2によって構成されるディクソン昇圧回路によって、電流が入力端子1からダイオードD1、ダイオードD2を通り、出力端子13側へと流れることによっても出力電圧VOUTは上昇する。   From the start of the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 gradually becomes a low value (negative voltage) by the control circuit 24, and the nMOS switch 27 is turned off. The control signal VP of the pMOS switch 28 gradually increases, and the pMOS switch 28 is turned off. The voltage VLX of the upper terminal of the secondary side winding 16B of the transformer 17 is rectified by the body diode of the pMOS switch 28, a current flows to the output terminal 13 side, and the output voltage VOUT rises. At the same time, due to the action of the voltage VLX, the current flows from the input terminal 1 through the diode D1 and the diode D2 to the output terminal 13 side by the Dixon booster circuit constituted by the capacitor C2, the diode D1, and the diode D2. Also, the output voltage VOUT rises.

出力電圧VOUTを上昇させながら電圧VLXの発振振幅は大きくなっていく。電圧VLXの振幅の増加はある発振振幅で停止し、最大となる。このVLXの最大発振電圧振幅をAVLXMAXとする。通常の利用の範囲では、AVLXMAXは、太陽電池PVの電力VPVが大きいほど、すなわち入力電圧VIN1が大きいほど大きくなる。ダイオードD1、ダイオードD2、pMOSのボディダイオードの順方向電圧降下をVFとする。第1の実施形態と同様、電圧VLXの最大値は、VIN3+AVLXMAXであり、pMOSのボディダイオードを介した経路のみを考慮した出力電圧VOUTは、第1の実施形態と同様に、VIN3+AVLXMAX−VFとなる。端子18の電圧V2の最大振幅をAV2MAXとすると、ダイオードD1およびダイオードD2を介した経路のみを考慮した出力電圧(すなわち端子7がとりうる電圧)の最大値は、第1の実施形態と同様、2×(AV2MAX−VF)+VIN1となる。端子7の電圧(VOUTに等しい)が閾値以上になると制御回路24は起動する。   The oscillation amplitude of the voltage VLX is increased while the output voltage VOUT is increased. The increase of the amplitude of the voltage VLX stops at a certain oscillation amplitude and becomes maximum. The maximum oscillation voltage amplitude of this VLX is AVLXMAX. In the range of normal use, AVLXMAX increases as the power VPV of the solar cell PV increases, that is, as the input voltage VIN1 increases. Let VF be the forward voltage drop of the body diode of the diode D1, the diode D2, and the pMOS. As in the first embodiment, the maximum value of the voltage VLX is VIN3 + AVLXMAX, and the output voltage VOUT considering only the path via the pMOS body diode is VIN3 + AVLXMAX−VF, as in the first embodiment. . Assuming that the maximum amplitude of the voltage V2 at the terminal 18 is AV2MAX, the maximum value of the output voltage (that is, the voltage that can be taken by the terminal 7) considering only the path through the diode D1 and the diode D2 is the same as the first embodiment. 2 × (AV2MAX−VF) + VIN1. When the voltage at the terminal 7 (equal to VOUT) becomes equal to or greater than the threshold, the control circuit 24 is activated.

キャパシタCOUTの容量が大きいと、出力電圧VOUTが電上昇するのに時間を要するが、同じ電位であればより大きなエネルギーを保持できるので、制御回路24が電力を消費しても電圧は下がりにくい。要求される性能または仕様に応じて、キャパシタCOUTを適切な容量値に設定すればよい。   If the capacitance of the capacitor COUT is large, it takes time for the output voltage VOUT to rise, but if the potential is the same, larger energy can be held, so that the voltage is unlikely to drop even if the control circuit 24 consumes power. The capacitor COUT may be set to an appropriate capacitance value according to the required performance or specification.

端子7の電圧が閾値以上になると制御回路24が起動し、端子19の電圧V1をある負電圧に設定する。負電圧にすることにより、0[V]がしきい値のネイティブnMOSスイッチにおいてもリーク電流をより抑えられる。これによりブロッキング発振器の発振は停止する。   When the voltage at the terminal 7 becomes equal to or higher than the threshold value, the control circuit 24 is activated to set the voltage V1 at the terminal 19 to a certain negative voltage. By using a negative voltage, leakage current can be further suppressed even in a native nMOS switch having a threshold value of 0 [V]. This stops the oscillation of the blocking oscillator.

制御回路24は、nMOSスイッチ27の制御信号VNとして、Highレベル(Hレベル)とLowレベル(Lレベル)の周期的な信号を出力する。制御信号VNがHレベルのとき、nMOSスイッチ27はオンになり、トランス17の二次側巻線16Bに入力VIN1がかかるため、電流ILが増加する。制御信号VNがLレベルとなったとき、pMOSスイッチ28の制御信号VPはLレベルにされ、pMOSスイッチ28はオンする。   The control circuit 24 outputs a high level (H level) and low level (L level) periodic signal as the control signal VN of the nMOS switch 27. When the control signal VN is at the H level, the nMOS switch 27 is turned on, and the input VIN1 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, so that the current IL increases. When the control signal VN becomes L level, the control signal VP of the pMOS switch 28 is set to L level, and the pMOS switch 28 is turned on.

トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスは電流を流しつづけようと作用するため、電流はpMOSスイッチ28を通じて出力端子13側へと流れる。このとき電圧VLXは電圧VOUTまで上がり、トランス17の二次側巻線16BにはVIN1−VOUTの電圧がかかるので、電流は減少していく。電流が0まで下がると、制御信号VPがHレベルとされ、pMOSがオフする。これにより、逆流は防がれる。熱電発電素子TEGが供給できる電力が大きいほど、トランス17の二次側巻線16Bの電流を大きくできるため、出力端子13に大きな電力を出力することができる。トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用することで、ブロッキング発振器として動作するスタートアップモードより高効率なブーストモードとして動作することができる。   Since the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17 acts to keep the current flowing, the current flows to the output terminal 13 side through the pMOS switch 28. At this time, the voltage VLX rises to the voltage VOUT, and the voltage of VIN1-VOUT is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, so the current decreases. When the current decreases to 0, the control signal VP is set to H level and the pMOS is turned off. This prevents backflow. As the electric power that can be supplied from the thermoelectric power generation element TEG is larger, the current of the secondary winding 16B of the transformer 17 can be increased. By using the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17, it is possible to operate as a boost mode that is more efficient than the startup mode that operates as a blocking oscillator.

本実施形態によれば、ディクソン昇圧回路が入力端子1に接続されているため、入力端子1の入力電圧VIN1によって出力端子13の電圧を高められる効果がある。またディクソン昇圧回路の出力とトランス二次側巻線を使ったスイッチングブーストコンバータの出力を同一にすることで、ブーストモードでも制御回路24に対して電力供給し続けることができる。   According to the present embodiment, since the Dickson booster circuit is connected to the input terminal 1, there is an effect that the voltage of the output terminal 13 can be increased by the input voltage VIN1 of the input terminal 1. Further, by making the output of the Dixon booster circuit the same as the output of the switching boost converter using the transformer secondary winding, it is possible to continue supplying power to the control circuit 24 even in the boost mode.

(第3の実施形態)
図5は第3の実施形態に係る電源装置の回路図である。本実施形態は、第1の実施形態における図1の熱電発電素子TEG1、TEG2を1つの電源装置(ここでは熱電発電素子TEG1)として共通化し、太陽電池PVを熱電発電素子TEG2に代えたことを特徴とする。以下、第1および第2の実施形態との差分を中心に説明する。図1と同じ要素には同一の符号を付し、説明は適宜省略する。
Third Embodiment
FIG. 5 is a circuit diagram of a power supply device according to the third embodiment. In the present embodiment, the thermoelectric power generation elements TEG1 and TEG2 of FIG. 1 in the first embodiment are shared as one power supply device (here, the thermoelectric power generation element TEG1), and the solar cell PV is replaced with the thermoelectric power generation element TEG2. It features. Hereinafter, the difference from the first and second embodiments will be mainly described. The same elements as those in FIG.

この電源装置は、熱電発電素子TEG1とDC−DCコンバータ32とを備えた環境発電装置である。熱電発電素子TEG1、TEG2は、それぞれ起電力TEG1、VTEG2、および出力抵抗RTEG1、RTEG2でそれぞれモデル化されている。   This power supply device is an environmental power generation device provided with the thermoelectric power generation element TEG 1 and the DC-DC converter 32. The thermoelectric generators TEG1 and TEG2 are modeled by electromotive forces TEG1 and VTEG2 and output resistors RTEG1 and RTEG2, respectively.

熱電発電素子TEG1、TEG2の出力電圧が入力VIN1、VIN2として入力端子1、2に入力される。入力電圧VIN1は、第1入力電圧および第2入力電圧に対応し、入力電圧VIN2は第3入力電圧に対応している。   Output voltages of the thermoelectric generators TEG1 and TEG2 are input to the input terminals 1 and 2 as inputs VIN1 and VIN2, respectively. The input voltage VIN1 corresponds to the first input voltage and the second input voltage, and the input voltage VIN2 corresponds to the third input voltage.

図1のスイッチSWの代わりにnMOSスイッチ(nMOSトランジスタ)27が設けられている。   An nMOS switch (nMOS transistor) 27 is provided instead of the switch SW of FIG.

トランス17の二次側巻線16Bの下側端子は入力端子1に接続されている。トランス17の二次側巻線16Bの上側端子はキャパシタC1、キャパシタC2、nMOSスイッチ27およびダイオードD3に接続されている。   The lower terminal of the secondary winding 16 B of the transformer 17 is connected to the input terminal 1. The upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 is connected to the capacitor C1, the capacitor C2, the nMOS switch 27, and the diode D3.

制御回路64は、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子に接続されており、起動前のスタートアップモードでは、当該端子の電圧を用いて、nMOSスイッチ27に徐々に低下する負電圧を与えるように動作する。すなわち、スタートアップモードでは、nMOSスイッチ27の制御信号VNは徐々に小さく(負電圧)なっていっていき、これによりnMOSスイッチ27はオフされている。起動後は、ディクソン昇圧回路の出力電圧(端子7の電圧)を動作電圧として動作する。   The control circuit 64 is connected to the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17. In the start-up mode before starting, the control circuit 64 applies a gradually decreasing negative voltage to the nMOS switch 27 using the voltage of the terminal. To work. That is, in the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 is gradually decreased (negative voltage), whereby the nMOS switch 27 is turned off. After start-up, it operates with the output voltage (voltage of the terminal 7) of the Dickson booster circuit as the operating voltage.

図6に第3の実施形態に係るDC−DCコンバータ32における各種電圧および電流の時間波形を示す。   FIG. 6 shows time waveforms of various voltages and currents in the DC-DC converter 32 according to the third embodiment.

スタートアップモード開始時から、nMOSスイッチ27の制御信号VNは、制御回路34によって徐々に小さな値(負電圧)になっていき、nMOSスイッチ27はオフされている。第1の実施形態と同様、出力電圧VOUT2およびVOUT1を上昇させながら、電圧VLXの発振振幅は大きくなっていく。電圧VLXの振幅の増加はある発振振幅で停止し、最大となる。出力電圧VOUT1が閾値以上になると、制御回路34が起動する。   From the start of the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 gradually becomes a small value (negative voltage) by the control circuit 34, and the nMOS switch 27 is turned off. As in the first embodiment, the oscillation amplitude of the voltage VLX is increased while the output voltages VOUT2 and VOUT1 are increased. The increase of the amplitude of the voltage VLX stops at a certain oscillation amplitude and becomes maximum. When the output voltage VOUT1 becomes equal to or higher than the threshold value, the control circuit 34 is activated.

起動した制御回路34は端子19の電圧V1をある負電圧に設定する。負電圧にすることにより0[V]がしきい値のネイティブnMOSスイッチにおいてもリーク電流をより抑えられる。これによりブロッキング発振器の発振は停止する。   The activated control circuit 34 sets the voltage V1 of the terminal 19 to a certain negative voltage. By setting the voltage to a negative voltage, it is possible to further suppress the leak current even in the native nMOS switch whose threshold voltage is 0 [V]. This stops the oscillation of the blocking oscillator.

制御回路34は、nMOSスイッチ27の制御信号VNとしてHレベルとLの周期的な信号を出力する。制御信号VNがHレベルのときトランス17の二次側巻線16Bに入力電圧VIN1がかかるため、電流ILが増加する。制御信号VNがLレベルとなったとき、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスは電流を流しつづけようと作用するため、電流はダイオードD3を通じて出力端子13B側へと流れる。このとき電圧VLXはVOUT2+VFまで上がり、トランス17の二次側巻線16BにはVIN1−VOUT2−VFの電圧がかかる。このため、電流は減少していく。電流が0まで下がると、ダイオードD3の整流作用により逆流は防がれる。熱電発電素子TEG1が供給できる電力が大きいほど、トランス17の二次側巻線16Bの電流を大きくできるため、出力端子13Bに大きな電力を出力することができる。トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用することで、ブロッキング発振器として動作するスタートアップモードより、高効率なブーストモードとして動作することができる。   The control circuit 34 outputs periodic signals of H level and L as the control signal VN of the nMOS switch 27. Since the input voltage VIN1 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17 when the control signal VN is at the H level, the current IL increases. When the control signal VN becomes L level, the inductance of the secondary side winding 16B of the transformer 17 acts to keep the current flowing, so that the current flows to the output terminal 13B side through the diode D3. At this time, the voltage VLX rises to VOUT2 + VF, and a voltage of VIN1-VOUT2-VF is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17. Therefore, the current decreases. When the current decreases to 0, backflow is prevented by the rectification action of the diode D3. As the electric power that can be supplied from the thermoelectric power generation element TEG1 is larger, the current of the secondary winding 16B of the transformer 17 can be increased, so that larger electric power can be output to the output terminal 13B. By using the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17, it is possible to operate as a boost mode that is more efficient than the startup mode that operates as a blocking oscillator.

本実施形態によれば、低い入力電圧であっても、ディクソン昇圧器を通じて高い出力電圧が得られるため、低い入力電圧で制御回路34を起動できる。またブーストモードでは、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用して効率の高い昇圧が可能となるため、低い入力電圧から高い出力電圧を得ることができる。ブロッキング発振器の電源とスイッチングブーストコンバータの電源として同じ電源TEG1を共有することで、小面積化および小容積化ができる。   According to this embodiment, even with a low input voltage, a high output voltage can be obtained through the Dickson booster, so that the control circuit 34 can be started with a low input voltage. Further, in the boost mode, high efficiency voltage boosting is possible using the inductance of the secondary side winding 16B of the transformer 17, so that a high output voltage can be obtained from a low input voltage. By sharing the same power supply TEG1 as the power supply of the blocking oscillator and the power supply of the switching boost converter, the area and the volume can be reduced.

(第4の実施形態)
図7は第4の実施形態に係る電源装置の回路図である。本実施形態は、第3の実施形態における図5の熱電発電素子とキャパシタCIN2を除去し、ダイオードD1の一端(アノード)をグラウンドに接続したことを特徴とする。すなわち、ダイオードD1の一端にはグラウンド電圧が印加される。以下、第3の実施形態との差分を中心に説明する。図5と同じ要素には同一の符号を付し、第1〜第3の実施形態と同じ説明は適宜省略する。
Fourth Embodiment
FIG. 7 is a circuit diagram of a power supply device according to the fourth embodiment. This embodiment is characterized in that the thermoelectric generator and the capacitor CIN2 of FIG. 5 in the third embodiment are removed, and one end (anode) of the diode D1 is connected to the ground. That is, a ground voltage is applied to one end of the diode D1. Hereinafter, the difference from the third embodiment will be mainly described. The same elements as in FIG.

この電源装置は、熱電発電素子TEGとDC−DCコンバータ42とを備える。熱電発電素子TEGは、起電力VTEGおよび出力抵抗RTEGでモデル化されている。熱電発電素子TEGの出力電圧は、入力電圧VIN1として入力端子1に入力される。   This power supply device includes a thermoelectric generation element TEG and a DC-DC converter 42. The thermoelectric generation element TEG is modeled by an electromotive force VTEG and an output resistance RTEG. The output voltage of the thermoelectric generation element TEG is input to the input terminal 1 as an input voltage VIN1.

図5のダイオードD3がpMOSスイッチ28に代わっている。pMOSスイッチ28は第2の実施形態におけるpMPOSスイッチ28と同様の動作をする。   The diode D3 in FIG. 5 replaces the pMOS switch 28. The pMOS switch 28 operates in the same manner as the pMPOS switch 28 in the second embodiment.

トランス17の二次側巻線16Bの上側端子は、キャパシタC1、キャパシタC2、nMOSスイッチ27、pMOSスイッチ28に接続されている。負荷装置Loadは出力端子13に接続されている。   The upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 is connected to the capacitor C1, the capacitor C2, the nMOS switch 27, and the pMOS switch 28. The load device Load is connected to the output terminal 13.

制御回路44は、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子に接続されており、起動前のスタートアップモードでは、当該端子の電圧を用いて、nMOSスイッチ27に徐々に低下する負電圧を与え、pMOSスイッチ28に徐々に大きくなる正電圧を与えるように動作する。すなわち、スタートアップモードでは、nMOSスイッチ27の制御信号VNは、制御回路44によって徐々に小さく(負電圧)され、nMOSスイッチ27はオフされている。またpMOSスイッチ28の制御信号VPも制御回路44によって徐々に大きくされ、pMOSスイッチ28はオフされている。起動後は、制御回路44は、ディクソン昇圧回路の出力電圧(端子7の電圧)を動作電圧として動作する。   The control circuit 44 is connected to the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17. In the start-up mode before start-up, the voltage of the terminal is used to apply a gradually decreasing negative voltage to the nMOS switch 27. , PMOS switch 28 is operated to provide a gradually increasing positive voltage. That is, in the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 is gradually reduced (negative voltage) by the control circuit 44, and the nMOS switch 27 is turned off. The control signal VP of the pMOS switch 28 is also gradually increased by the control circuit 44, and the pMOS switch 28 is turned off. After startup, the control circuit 44 operates using the output voltage of the Dixon booster circuit (the voltage at the terminal 7) as the operating voltage.

図8に第4の実施形態に係るDC−DCコンバータ42における各種電圧および電流の時間波形を示す。   FIG. 8 shows time waveforms of various voltages and currents in the DC-DC converter 42 according to the fourth embodiment.

スタートアップモード開始時、nMOSスイッチ27の制御信号VNは、制御回路44によって徐々に小さく(負電圧)され、nMOSスイッチ27はオフされている。またpMOSスイッチ28の制御信号VPも制御回路44によって徐々に大きくされ、pMOSスイッチ28はオフされている。トランス17の二次側巻線16Bの上側端子の電圧VLXは、pMOSスイッチ28のボディダイオードによって整流され、出力端子13B側に電流が流れ、出力電圧VOUT2は上昇する。このとき同時に、電圧VLXの作用により、キャパシタC2、ダイオードD1、ダイオードD2によって構成されるディクソン昇圧回路によって電流が入力端子1からダイオードD1、ダイオードD2を通り、出力端子13A側へと流れることによって出力電圧VOUT1も上昇する。出力電圧VOUT2およびVOUT1を上昇させながら電圧VLXの発振振幅は大きくなっていく。電圧VLXの振幅の増加はある発振振幅で停止し、最大となる。   At the start of the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 is gradually reduced (negative voltage) by the control circuit 44, and the nMOS switch 27 is turned off. The control signal VP of the pMOS switch 28 is also gradually increased by the control circuit 44, and the pMOS switch 28 is turned off. The voltage VLX of the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 is rectified by the body diode of the pMOS switch 28, a current flows to the output terminal 13B side, and the output voltage VOUT2 rises. At the same time, the voltage VLX causes the current to flow from the input terminal 1 through the diode D1 and the diode D2 to the output terminal 13A side by the Dixon booster circuit constituted by the capacitor C2, the diode D1, and the diode D2. The voltage VOUT1 also rises. The oscillation amplitude of the voltage VLX is increased while the output voltages VOUT2 and VOUT1 are increased. The increase of the amplitude of the voltage VLX stops at a certain oscillation amplitude and becomes maximum.

出力電圧VOUT1が閾値以上になると制御回路44は、端子19の電圧V1をある負電圧に設定する。負電圧にすることにより0[V]がしきい値のネイティブnMOSスイッチ15においてもリーク電流をより抑えられる。これによりブロッキング発振器の発振は停止する。   When the output voltage VOUT1 becomes equal to or higher than the threshold value, the control circuit 44 sets the voltage V1 at the terminal 19 to a certain negative voltage. By using a negative voltage, the leak current can be further suppressed in the native nMOS switch 15 whose threshold is 0 [V]. This stops the oscillation of the blocking oscillator.

制御回路44は、nMOSスイッチ27の制御信号VNとしてHレベルとLレベルの周期的な信号を出力する。制御信号VNがHレベルのとき、トランス17の二次側巻線16Bに入力電圧VIN1がかかるため、電流ILが増加する。制御信号VNがLレベルとなったとき、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスは電流を流しつづけようと作用するため、電流はpMOSスイッチ28のボディダイオードを通じて、出力端子13B側へと流れる。このとき電圧VLXは出力電圧VOUT2まで上がり、トランス17の二次側巻線16BにはVIN1−VOUT2の電圧がかかるので、電流は減少していく。電流が0まで下がるとpMOSスイッチ28のボディダイオードの整流作用により逆流は防がれる。熱電発電素子TEGが供給できる電力が大きいほど、トランス17の二次側巻線16Bの電流を大きくできるため、出力端子13Bに大きな電力を出力することができる。トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用することで、ブロッキング発振器として動作するスタートアップモードより、高効率なブーストモードとして動作することができる。   The control circuit 44 outputs periodic signals of H level and L level as the control signal VN of the nMOS switch 27. When the control signal VN is at the H level, the input voltage VIN1 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, so the current IL increases. When the control signal VN becomes L level, the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17 acts to keep the current flowing, so the current flows to the output terminal 13B side through the body diode of the pMOS switch 28. . At this time, the voltage VLX rises to the output voltage VOUT2, and since the voltage of VIN1-VOUT2 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, the current decreases. When the current decreases to 0, backflow is prevented by the rectifying action of the body diode of the pMOS switch 28. The greater the electric power that can be supplied by the thermoelectric power generation element TEG, the larger the current of the secondary winding 16B of the transformer 17 can be, so that larger electric power can be output to the output terminal 13B. By using the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17, it is possible to operate as a boost mode that is more efficient than the startup mode that operates as a blocking oscillator.

本実施形態によれば、低い入力電圧であっても、ディクソン昇圧器を通じて高い出力電圧が得られるため、低い入力電圧で制御回路44を起動できる。またブーストモードでは、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用して効率の高い昇圧が可能となるため、低い入力電圧から高い出力電圧を得ることができる。ブロッキング発振器の電源とスイッチングブーストコンバータの電源として同じ電源TEGを共有することで、小面積化および小容積化できる。ディクソン昇圧器をグラウンドに接続することで、ディクソン昇圧器の入力電圧の揺れが小さくなる。   According to this embodiment, even with a low input voltage, a high output voltage can be obtained through the Dickson booster, so that the control circuit 44 can be started with a low input voltage. Further, in the boost mode, high efficiency voltage boosting is possible using the inductance of the secondary side winding 16B of the transformer 17, so that a high output voltage can be obtained from a low input voltage. By sharing the same power supply TEG as the power supply for the blocking oscillator and the power supply for the switching boost converter, the area and volume can be reduced. By connecting the Dickson booster to ground, the fluctuation of the Dickson booster input voltage is reduced.

(第5の実施形態)
図9は第5の実施形態に係る電源装置の回路図である。本実施形態は、第4の実施形態における図7のダイオードD1の一端(アノード)の接続先をグラウンドから、入力端子1に変更したことを特徴とする。以下、第4の実施形態との差分を中心に説明する。図7と同じ要素には同一の符号を付し、第1〜第4の実施形態と同じ説明は適宜省略する。
Fifth Embodiment
FIG. 9 is a circuit diagram of a power supply device according to the fifth embodiment. This embodiment is characterized in that the connection destination of one end (anode) of the diode D1 of FIG. 7 in the fourth embodiment is changed from the ground to the input terminal 1. Hereinafter, the difference from the fourth embodiment will be mainly described. The same elements as those in FIG.

DC−DCコンバータ52において、入力端子1はダイオードD1とダイオードD2を介して出力端子13Aに接続されている。入力端子1には、熱電発電素子TEGから入力電圧VIN1が入力される。入力電圧VIN1は、第1入力電圧、第2入力電圧および第3入力電圧に対応する。それ以外の構成は、図7と同じである。本実施形態の電源装置の動作は、第4の実施形態と同様であるため説明を省略する。   In the DC-DC converter 52, the input terminal 1 is connected to the output terminal 13A via a diode D1 and a diode D2. An input voltage VIN1 is input to the input terminal 1 from the thermoelectric generation element TEG. The input voltage VIN1 corresponds to the first input voltage, the second input voltage, and the third input voltage. Other configurations are the same as those in FIG. The operation of the power supply device of the present embodiment is the same as that of the fourth embodiment, and thus the description thereof is omitted.

本実施形態によれば、低い入力電圧であっても、ディクソン昇圧器を通じて高い出力電圧が得られるため、低い入力電圧で制御回路54を起動できる。またブーストモードでは、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用して効率の高い昇圧が可能となるため、低い入力電圧から高い出力電圧を得ることができる。ブロッキング発振器の電源とスイッチングブーストコンバータの電源として同じ電源TEGを共有することで、小面積化および小容積化できる。   According to this embodiment, even with a low input voltage, a high output voltage can be obtained through the Dickson booster, so that the control circuit 54 can be started with a low input voltage. Further, in the boost mode, high efficiency voltage boosting is possible using the inductance of the secondary side winding 16B of the transformer 17, so that a high output voltage can be obtained from a low input voltage. By sharing the same power supply TEG as the power supply for the blocking oscillator and the power supply for the switching boost converter, the area and volume can be reduced.

(第6の実施形態)
図10は第6の実施形態に係る電源装置の回路図である。この電源装置は、熱電発電素子TEGと、DC−DCコンバータ62とを備えた環境発電装置である。本実施形態は、第2および第5の実施形態の組み合わせを拡張したものに相当する。以下、第2および第5の実施形態との差分を中心に説明する。図3および図9と同じ要素には同一の符号を付し、第1〜第5の実施形態と同じ説明は適宜省略する。
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a circuit diagram of a power supply device according to the sixth embodiment. This power supply device is an environmental power generation device including a thermoelectric power generation element TEG and a DC-DC converter 62. This embodiment corresponds to an extension of the combination of the second and fifth embodiments. Hereinafter, the difference from the second and fifth embodiments will be mainly described. The same elements as those in FIG. 3 and FIG.

入力端子1はダイオードD1とダイオードD2を介して出力端子13Aに接続されている。   The input terminal 1 is connected to the output terminal 13A via the diode D1 and the diode D2.

トランス17の二次側巻線16Bの上側端子は、キャパシタC1、キャパシタC2、nMOSスイッチ27、pMOSスイッチ28A、pMOSスイッチ28Bに接続されている。pMOSスイッチ28AおよびpMOSスイッチ28Bの入力側の端子は、二次側巻線16Bの上側端子に対して互いに並列に接続されている。pMOSスイッチ28AおよびpMOSスイッチ28Bの制御端子は、制御回路64に接続されている。pMOSスイッチ28AおよびpMOSスイッチ28Bの出力側の端子は、キャパシタCOUT1、COUT2および出力端子13A、13Bに接続されている。出力端子13A、13Bには、負荷装置Load1、Load2が接続されている。   The upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 is connected to the capacitor C1, the capacitor C2, the nMOS switch 27, the pMOS switch 28A, and the pMOS switch 28B. The input-side terminals of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are connected in parallel to the upper terminal of the secondary winding 16B. Control terminals of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are connected to the control circuit 64. Terminals on the output side of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are connected to the capacitors COUT1 and COUT2 and the output terminals 13A and 13B. Load devices Load1 and Load2 are connected to the output terminals 13A and 13B.

高電圧選択回路(High Voltage Selector)61の入力端子には、pMOSスイッチ28AおよびpMOSスイッチ28Bの出力側の端子が接続されている。高電圧選択回路61の出力端子は、キャパシタ65を介して、pMOSスイッチ28AとpMOSスイッチ28Bとのそれぞれのバルク端子へ接続されている。キャパシタ65の一端は、高電圧選択回路61の出力端子に接続され、他端はグラウンドに接続されている。高電圧選択回路61は、電圧VOUT1と出力電圧VOUT2のいずれか電圧の高い方を、キャパシタ65容量で平滑化して、pMOSスイッチ28AとpMOSスイッチ28Bとのそれぞれのバルク端子へ印加する。   Terminals on the output side of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are connected to the input terminal of the high voltage selector 61 (High Voltage Selector). The output terminal of the high voltage selection circuit 61 is connected to the respective bulk terminals of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B via the capacitor 65. One end of the capacitor 65 is connected to the output terminal of the high voltage selection circuit 61, and the other end is connected to the ground. The high voltage selection circuit 61 smoothes the higher one of the voltage VOUT1 and the output voltage VOUT2 with the capacitance of the capacitor 65, and applies it to the bulk terminals of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B.

制御回路64は、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子に接続されており、起動前のスタートアップモードでは、当該端子の電圧を用いて、nMOSスイッチ27に徐々に低下する負電圧、pMOSスイッチ28A、pMOSスイッチ28Bに徐々に上昇する正電圧を与えるように動作する。すなわち、スタートアップモードでは、nMOSスイッチ27の制御信号VNは徐々に小さく(負電圧)なっていっていき、これによりnMOSスイッチ27はオフされる。またpMOSスイッチ28A、pMOSスイッチ28Bのそれぞれの制御信号VP1、VP2も徐々に大きくなっていき、これによりpMOSスイッチ28A、pMOSスイッチ28Bはオフにされる。これらの動作は、nMOSスイッチ27、pMOSスイッチ28A、pMOSスイッチ28Bをより強くオフして(閾値に対して十分低いまたは大きい電圧をかけて)、トランス17の二次側巻線16Bの上側端子からのリーク電流を削減し、当該上側端子の電圧振幅の低下を防ぐために行っている。起動後は、制御回路64は、ディクソン昇圧回路の出力電圧(端子7の電圧)を動作電圧として動作する。   The control circuit 64 is connected to the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17, and in the start-up mode before start-up, a negative voltage gradually decreasing to the nMOS switch 27 using the voltage of the terminal, pMOS The switch 28A and the pMOS switch 28B operate to provide a gradually rising positive voltage. That is, in the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 is gradually decreased (negative voltage), and thereby the nMOS switch 27 is turned off. Further, the control signals VP1 and VP2 of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are gradually increased, whereby the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are turned off. These operations are performed by turning off the nMOS switch 27, the pMOS switch 28A, and the pMOS switch 28B more strongly (by applying a voltage that is sufficiently low or large with respect to the threshold value) and from the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17. To reduce the leakage current and to prevent the reduction of the voltage amplitude of the upper terminal. After startup, the control circuit 64 operates using the output voltage of the Dixon booster circuit (the voltage at the terminal 7) as the operating voltage.

図11に第6の実施形態に係るDC−DCコンバータ62における各種電圧および電流の波形を示す。   FIG. 11 shows waveforms of various voltages and currents in the DC-DC converter 62 according to the sixth embodiment.

スタートアップモード開始時から、nMOSスイッチ27の制御信号VNは徐々に小さく(負電圧)なっていっていき、これによりnMOSスイッチ27はオフされている。またpMOSスイッチ28A、pMOSスイッチ28Bのそれぞれの制御信号VP1、VP2も徐々に大きくなっていき、これによりpMOSスイッチ28A、pMOSスイッチ28Bはオフにされている。トランス17の二次側巻線16Bの上側端子の電圧は、pMOSスイッチ28AおよびpMOSスイッチ28Bのボディダイオードによって整流され、出力端子13Aおよび出力端子13B側に電流が流れ、出力電圧VOUT1は上昇する。このとき同時に、電圧VLXの作用により、キャパシタC2、ダイオードD1、ダイオードD2によって構成されるディクソン昇圧回路によって電流が入力端子1からダイオードD1、ダイオードD2を通り、出力端子13A側へと流れる。これによって出力電圧VOUT1も上昇する。出力電圧VOUT1を上昇させながら電圧VLXの発振振幅は大きくなっていく。VLXの振幅の増加はある発振振幅で停止し、最大となる。   From the start of the start-up mode, the control signal VN of the nMOS switch 27 gradually decreases (negative voltage), whereby the nMOS switch 27 is turned off. Further, the control signals VP1 and VP2 of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are gradually increased, whereby the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B are turned off. The voltage at the upper terminal of the secondary winding 16B of the transformer 17 is rectified by the body diodes of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B, current flows to the output terminal 13A and the output terminal 13B side, and the output voltage VOUT1 rises. At the same time, a current flows from the input terminal 1 through the diode D1 and the diode D2 to the output terminal 13A side by the action of the voltage VLX by the Dixon booster circuit constituted by the capacitor C2, the diode D1 and the diode D2. As a result, the output voltage VOUT1 also rises. The oscillation amplitude of the voltage VLX is increased while the output voltage VOUT1 is increased. The increase of the amplitude of VLX stops at a certain oscillation amplitude and becomes maximum.

出力電圧VOUT1が閾値以上になると、制御回路64が起動する。起動した制御回路64は、nMOSスイッチ27の制御電圧V1をある負電圧に設定する。負電圧にすることにより、0[V]がしきい値のネイティブnMOSスイッチ15がオフになり、ネイティブnMOSスイッチ15のリーク電流をより抑えられる。これによりブロッキング発振器の発振は停止する。   When the output voltage VOUT1 becomes equal to or higher than the threshold value, the control circuit 64 is activated. The activated control circuit 64 sets the control voltage V1 of the nMOS switch 27 to a certain negative voltage. By setting the voltage to a negative voltage, the native nMOS switch 15 whose threshold voltage is 0 [V] is turned off, and the leak current of the native nMOS switch 15 can be further suppressed. This stops the oscillation of the blocking oscillator.

制御回路64は、制御信号VNとしてHレベルとLレベルの周期的な信号を出力する。制御信号VNがHレベルのときトランス17の二次側巻線16Bに入力電圧VIN1がかかるため、電流ILが増加する。制御信号VNがLレベルとなったとき、pMOSスイッチ28Aの制御信号VP1か、pMOSスイッチ28Bの制御信号VP2のいずれか一方がLレベルにされる。それに対応して、pMOSスイッチ28AあるいはpMOSスイッチ28Bの一方がオンする。   The control circuit 64 outputs a periodic signal of H level and L level as the control signal VN. Since the input voltage VIN1 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17 when the control signal VN is at the H level, the current IL increases. When the control signal VN becomes L level, either the control signal VP1 of the pMOS switch 28A or the control signal VP2 of the pMOS switch 28B is set to L level. Correspondingly, one of the pMOS switch 28A or the pMOS switch 28B is turned on.

トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスは電流を流しつづけようと作用するため、電流はpMOSスイッチ28AあるいはpMOSスイッチ28Bのうちオンにされた方を通じて、出力端子13Aあるいは出力端子13B側へと流れる。pMOSスイッチ28Aがオンのとき、電圧VLXは出力電圧VOUT1まで上がり、トランス17の二次側巻線16BにはVIN1−VOUT1の電圧がかかるので、電流は減少していく。電流が0まで下がると、制御回路64がこれを検知して、制御信号VP1がHレベルとされることで、pMOSスイッチ28Aがオフする。これにより逆流は防がれる。   Since the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17 acts to keep current flowing, the current flows to either the output terminal 13A or the output terminal 13B through one of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B which is turned on. Flowing. When the pMOS switch 28A is on, the voltage VLX rises to the output voltage VOUT1, and the voltage of VIN1-VOUT1 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, so the current decreases. When the current drops to zero, the control circuit 64 detects this and the control signal VP1 is set to the H level, whereby the pMOS switch 28A is turned off. This prevents backflow.

pMOSスイッチ28Bがオンのとき、電圧VLXは出力電圧VOUT2まで上がり、トランス17の二次側巻線16Bには、VIN1−VOUT2の電圧がかかるので、電流は減少していく。電流が0まで下がると、制御回路64がこれを検知して、制御信号VP2がHレベルとされることで、pMOSスイッチ28Bがオフする。これにより逆流は防がれる。   When the pMOS switch 28B is on, the voltage VLX rises to the output voltage VOUT2, and the voltage of VIN1-VOUT2 is applied to the secondary winding 16B of the transformer 17, so the current decreases. When the current drops to zero, the control circuit 64 detects this and the control signal VP2 is set to H level, and the pMOS switch 28B is turned off. This prevents backflow.

出力電圧VOUT1、VOUT2をそれぞれある電圧に制御するために、出力端子13A、出力端子13Bのどちらに電流を供給するかを制御回路64が決定し、nMOSスイッチ27の制御信号VNがLレベルとなったとき、制御信号VP1と制御信号VP2のいずれかをLレベルにする。   The control circuit 64 determines which of the output terminal 13A and the output terminal 13B to supply the current to control the output voltages VOUT1 and VOUT2 to a certain voltage, and the control signal VN of the nMOS switch 27 becomes L level. At this time, either the control signal VP1 or the control signal VP2 is set to the L level.

熱電発電素子TEGが供給できる電力が大きいほど、トランス17の二次側巻線16Bの電流を大きくできるため、出力端子13Aまたは出力端子13Bに大きな電力を出力することができる。トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用することで、ブロッキング発振器として動作するスタートアップモードより、高効率なブーストモードとして動作することができる。   As the electric power that can be supplied from the thermoelectric power generation element TEG is larger, the current of the secondary winding 16B of the transformer 17 can be increased, so that larger electric power can be output to the output terminal 13A or the output terminal 13B. By using the inductance of the secondary winding 16B of the transformer 17, it is possible to operate as a boost mode that is more efficient than the startup mode that operates as a blocking oscillator.

本実施形態によれば、低い入力電圧であっても、ディクソン昇圧器を通じて高い出力電圧が得られるため、低い入力電圧で制御回路54を起動できる。またブーストモードでは、トランス17の二次側巻線16Bのインダクタンスを利用して効率の高い昇圧が可能となるため、低い入力電圧から高い出力電圧を得ることができる。ブロッキング発振器の電源とスイッチングブーストコンバータの電源として同じ電源TEGを共有することで、小面積化および小容積化できる。また、高電圧選択回路61により、電圧VOUT1と出力電圧VOUT2のいずれか電圧の高い方を、pMOSスイッチ28AとpMOSスイッチ28Bとのそれぞれのバルク端子へ印加することで、pMOSスイッチ28AとpMOSスイッチ28Bのボディダイオード(図10に示されているボディダイオードと逆向きに直列接続されているボディダイオード(図示せず))がオンして電流が逆流することを防止できる。   According to this embodiment, even with a low input voltage, a high output voltage can be obtained through the Dickson booster, so that the control circuit 54 can be started with a low input voltage. Further, in the boost mode, high efficiency voltage boosting is possible using the inductance of the secondary side winding 16B of the transformer 17, so that a high output voltage can be obtained from a low input voltage. By sharing the same power supply TEG as the power supply for the blocking oscillator and the power supply for the switching boost converter, the area and volume can be reduced. In addition, the high voltage selection circuit 61 applies the higher one of the voltage VOUT1 and the output voltage VOUT2 to the bulk terminals of the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B, thereby the pMOS switch 28A and the pMOS switch 28B. The body diode (a body diode (not shown) connected in series in the opposite direction to the body diode shown in FIG. 10) can be turned on and current can be prevented from flowing backward.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, components in different embodiments may be combined as appropriate.

1、2、3:入力端子
12、22、32、42、52、62:DC−DCコンバータ
14、24、34、44、64:制御回路
13、13A、13B:出力端子
15、:ネイティブnMOSスイッチ
16A:一次側巻線
16B:二次側巻線
17:トランス
28、28A、28B:pMOSスイッチ
27:nMOSスイッチ
61:高電圧選択回路
TEG1、TEG2、TEG:熱電発電素子
PV:太陽電池
SW:スイッチ
Load、Load1、Load2:負荷装置
D、D2、D3:ダイオード
L:インダクタ
CIN1、CIN2、CIN3、C1、C2、COUT、COUT1、COUT2:キャパシタ
R1:抵抗
1, 2, 3: Input terminals 12, 22, 32, 42, 52, 62: DC-DC converters 14, 24, 34, 44, 64: Control circuits 13, 13A, 13B: Output terminals 15 ,: Native nMOS switches 16A: Primary winding 16B: Secondary winding 17: Transformers 28, 28A, 28B: pMOS switch 27: nMOS switch 61: high voltage selection circuits TEG1, TEG2, TEG: thermoelectric generator PV: solar battery SW: switch Load, Load1, Load2: Load devices D, D2, D3: Diode L: Inductors CIN1, CIN2, CIN3, C1, C2, COUT, COUT1, COUT2: Capacitor R1: Resistance

Claims (11)

第1入力電圧が供給される一次側巻線と第2入力電圧が供給される二次側巻線とを含むトランスを含む発振器と、
第3入力電圧が供給される第1整流素子と、前記第1整流素子に直列に接続された第2整流素子と、前記二次側巻線の出力側の一端に一端が接続され、他端が前記第1整流素子および前記第2整流素子間の端子に接続されたキャパシタンス素子とを含む第1昇圧回路と、
前記トランスの前記二次側巻線と、前記二次側巻線の出力側の一端を基準電位に接続する第1スイッチと、前記二次側巻線の出力側の前記一端に接続された第3整流素子とを含む、第2昇圧回路と、
前記第1昇圧回路の出力電圧を用いて動作し、前記第2昇圧回路の前記第1スイッチを制御する制御回路と、
を備えたDC−DCコンバータ。
An oscillator including a transformer including a primary winding supplied with a first input voltage and a secondary winding supplied with a second input voltage;
One end is connected to one end of the first rectifying element to which the third input voltage is supplied, the second rectifying element connected in series to the first rectifying element, and one end of the output side of the secondary winding, and the other end A first booster circuit including a capacitance element connected to a terminal between the first rectifier element and the second rectifier element;
A first switch connecting the secondary winding of the transformer and one end of the output side of the secondary winding to a reference potential, and a first switch connected to the one end of the output side of the secondary winding A second booster circuit including three rectifying elements;
A control circuit that operates using the output voltage of the first booster circuit and controls the first switch of the second booster circuit;
DC-DC converter provided with.
前記制御回路は、前記第1昇圧回路の出力電圧により起動し、起動後、前記発振器を停止させる
請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
The DC-DC converter according to claim 1, wherein the control circuit is activated by an output voltage of the first booster circuit and stops the oscillator after activation.
前記発振器は、
前記二次側巻線の出力側の端子に一端が接続された第2キャパシタンス素子と、
前記第2キャパシタンス素子の他端に制御端子が接続され、一端が前記一次側巻線の出力側の端子に接続された第2スイッチと、をさらに含み、
前記制御回路は、前記第2スイッチを制御する
請求項2に記載のDC−DCコンバータ。
The oscillator is
A second capacitance element having one end connected to a terminal on the output side of the secondary winding;
A second switch having a control terminal connected to the other end of the second capacitance element and one end connected to a terminal on the output side of the primary winding;
The DC-DC converter according to claim 2, wherein the control circuit controls the second switch.
前記第2スイッチは、ネイティブまたはディプレッション型トランジスタである
請求項3に記載のDC−DCコンバータ。
The DC-DC converter according to claim 3, wherein the second switch is a native or depletion type transistor.
前記第1入力電圧と、前記第3入力電圧とは同じ電圧である
請求項1ないし4のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the first input voltage and the third input voltage are the same voltage.
前記第3入力電圧は、グラウンド電圧である
請求項1ないし4のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the third input voltage is a ground voltage.
前記第1入力電圧と、前記第2入力電圧と、前記第3入力電圧とは同じ電圧である
請求項1ないし4のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the first input voltage, the second input voltage, and the third input voltage are the same voltage.
前記第1昇圧回路の出力端子は、前記第3整流素子の出力側の端子に接続された
請求項1ないし7のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 7, wherein an output terminal of the first booster circuit is connected to an output-side terminal of the third rectifying element.
前記第3整流素子は、第1MOSトランジスタであり、
前記第2昇圧回路は、前記二次側巻線の出力側の一端に、前記第1MOSトランジスタと並列に接続された第2MOSトランジスタを備え、
前記制御回路は、前記第1MOSトランジスタおよび前記第2MOSトランジスタを制御する
請求項1ないし8のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
The third rectifying element is a first MOS transistor;
The second booster circuit includes a second MOS transistor connected in parallel with the first MOS transistor at one end on the output side of the secondary winding.
The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 8, wherein the control circuit controls the first MOS transistor and the second MOS transistor.
前記第3入力電圧は、前記第1入力電圧および前記第2入力電圧よりも高い電圧である
請求項1ないし4のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータ。
The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the third input voltage is higher than the first input voltage and the second input voltage.
前記第1入力電圧、前記第2入力電圧、前記第3入力電圧を生成する少なくとも1つの電源と、
請求項1〜10のいずれか一項に記載のDC−DCコンバータと、
を備えた電源装置。
At least one power source for generating the first input voltage, the second input voltage, and the third input voltage;
DC-DC converter according to any one of claims 1 to 10,
Power supply equipment.
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