JP3917081B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源システムに係り、さらに詳しくは、外部電源からの電圧極性を電子機器の入力極性に合わせて供給する電源システムで、電池等外部直流電源のプラスマイナス極性の誤接続時、特に電池残量の少なくなった電池の場合や、熱電変換素子のように周囲の環境によって出力のプラスマイナス極性が反転する発電デバイスをエネルギー源として使う電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで電池等外部直流電源のプラスマイナス極性の誤接続時、あるいは熱電変換素子のような発電デバイスを外部入力電源として用いた場合、電圧極性を電子機器の入力極性に合わせて供給する電源システムとして従来は図９に示すような回路が用いられていた。この回路はダイオードブリッジ回路１００により構成され、ダイオード１０１のカソードとダイオード１０２のアノードを接続し、その接続中点Ｋ１０９が入力端子Ａ１０５に接続されている。
【０００３】
また、ダイオード１０３のカソードとダイオード１０４のアノードを接続し、その接続中点Ｌ１１０が入力端子Ｂ１０６に接続されている。さらに、ダイオード１０２のカソードとダイオード１０４のカソードを接続し、その接続中点Ｎ１１２が出力端子Ｃ１０７に接続されている。また、ダイオード１０１のアノードとダイオード１０３のアノードを接続し、その接続中点Ｍ１１１が出力端子Ｄ１０８に接続されている。
【０００４】
この結果、ダイオードブリッジ回路１００の入力端子Ａ１０５に接地電位に対してプラス側の入力電圧、入力端子Ｂ１０６に接地端子が接続された場合、ダイオード１０２及び１０３が順方向バイアスとなり、出力端子Ｃ１０７にはプラス側の電圧が生じ、出力端子Ｄ１０８には接地電圧が生じる。
【０００５】
これに対し、ダイオードブリッジ回路１００の入力端子Ａ１０５に接地電位に対してマイナス側の入力電圧、入力端子Ｂ１０６に接地端子が接続された場合、ダイオード１０１及び１０４が順方向バイアスとなり、出力端子Ｃ１０７にはプラス側の電圧が生じ、出力端子Ｄ１０８には接地電圧が生じる。
【０００６】
これによりダイオードブリッジ回路１００では、入力端子Ａ、Ｂの極性が反転した場合でも出力端子Ｃ、Ｄに同一極性の電圧を印加することができ、電子機器を正常に動作させることが可能となる。
【０００７】
また、ダイオードブリッジ回路１００の替わりにリレー回路を用いたものもある（例えば、特許文献１参照）。入力端子の極性判別を行い、リレー回路を制御する極性判別部と、半導体及び電磁リレーでブリッジ回路を構成したスイッチング部から構成される。外部入力電源の極性と電子機器の極性が同じ場合、極性判別部の正極側回路が動作し、リレーをスイッチングして入力の極性と出力の極性を同じにして出力を行う。一方、外部入力電源の極性が電子機器の極性と逆の場合、極性判別部の負極側回路が動作し、リレーをスイッチングして入力の極性と出力の極性を反対にして出力する。これにより、外部入力電源の極性が逆転した場合でも出力端子に同一極性の電圧を印加することができ、電子機器を正常に動作させることが可能である。
【０００８】
ここで、極性判別部の正極側回路、負極側回路にはダイオードが直列に接続されているため、入力に正極の電力が入ってきた場合には、正極側回路が動作して負極側回路は動作せず、入力に負極の電力が入ってきた場合には、負極側回路が動作して正極側回路は動作しない。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２８４５７０号公報（第５−１０頁、第２図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のダイオードブリッジ回路１００に、例えばシリコンダイオードを用いた場合、シリコンダイオードには０．６から０．７Ｖ程度の電圧降下が生じるため、ダイオードブリッジ回路１００の出力端子Ｃ１０７、Ｄ１０８で得られる電圧は入力端子Ａ１０５、Ｂ１０６に供給された電圧に対して、シリコンダイオード２個分の電圧、１．２から１．４Ｖの電圧降下を生じる。また、電圧降下が比較的小さいショットキーバリアダイオードを用いた場合においても、ショットキーバリアダイオードの電圧降下が０．１５Ｖ程度あるため、出力端子Ｃ１０７、Ｄ１０８で得られる電圧は入力端子Ａ１０５、Ｂ１０６に供給された電圧に対して、０．３Ｖ程度の電圧降下を生じる。
【００１１】
このようにダイオードブリッジ回路では、外部入力電源の電圧を有効に電子機器に供給することができないという問題があった。特に本発明の目的は、電荷残量の少なくなった電池やソーラーモジュールや熱電変換素子などの自然エネルギー源を外部入力電源として用い、その電源電圧極性が反転しても電子機器の入力極性に合わせて電力を出力する電源システムを実現することに有る。ここで、残量の少ない電池や自然エネルギー源等の外部入力電源の出力電圧は非常に小さく、残量の少ない電池では０．７から０．９Ｖ、熱電変換素子の出力電圧は０．５Ｖ以下である。このような外部入力電源にダイオードブリッジ回路を接続した場合、ダイオードの電圧降下によりダイオードブリッジ回路の出力端子には電圧がほとんど出ないことになる。
【００１２】
そこで実際に電子機器を動作させるには、ダイオードブリッジ回路の出力端子に昇圧回路を接続して昇圧を行い、電子機器に電力を供給することになる。昇圧回路には外部入力電源の極性が反転しても同一極性の電圧が印加されるが、ダイオードによる電圧降下のため、昇圧回路に入力される電圧は非常に小さくなり、その変換効率は非常に悪いものとなる。
【００１３】
また特開平６−２８４５７０号公報にあるように、ダイオードブリッジ回路による出力電圧の電圧降下を減らすため、リレーを用いる方法も示されている。この場合、ダイオードによる出力電圧の電圧降下を防ぐことはできるが、リレーを制御するための極性判別部に大きな電力（電圧）を必要とする。外部入力電源の電圧が十分あるときはこの方法を用いることができるが、本発明の目的のように外部入力電源の出力電圧が小さい場合は、仮にダイオードを電流が流れることができても、その電圧降下によりリレーを動作させることができず、電子機器に電力を供給することができないという不具合がある。そこで、リレーを動作させるために昇圧回路を設けてリレーを動作させるという考え方もある。しかしこの場合、昇圧回路の電源を外部入力電源から得るため、熱電変換素子のように定常状態で出力電圧の絶対値が小さくなってくる外部入力電源では、昇圧回路が動作しなくなるという不具合があった。
【００１４】
本発明は、かかる従来技術の有する不都合に鑑みてなされたもので、入力される外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を出力することができ、さらに、外部入力電源の出力電圧が低い場合でも効率よく電圧変換して、外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を出力することができる電源システムを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の電源システムは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源と、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータと、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータと、アノード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、カソード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードと、カソード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、アノード端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードと、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのカソード端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子を接続したエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのアノード端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子及び反転電圧発生回路の信号入力端子を接続したエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続した反転電圧発生回路と、アノード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子を接続するショットキーダイオードと、アノード端子と反転電圧発生回路の出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子を接続するショットキーダイオードを有する。さらに、入力される外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を出力することができ、外部入力電源の出力電圧が低い場合でも効率よく電圧変換して、外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を電子機器に供給する。
【００１６】
また本発明の電源システムでは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源と、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータと、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータと、アノード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、カソード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードと、カソード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、アノード端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードとを有する。さらに、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのカソード端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子を接続したエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのアノード端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子及び反転電圧発生回路の信号入力端子を接続したエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続した反転電圧発生回路と、＋側入力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続し、−側入力端子と反転電圧発生回路の出力端子を接続し、電源端子を電源システムの出力端子に接続する出力選択回路から構成され、エネルギー源の出力極性が反転しても電子機器には同一極性の電圧を印加することができる。さらに電源システムの出力端子に出力される電力が＋側ＤＣ−ＤＣコンバータあるいは反転電圧回路に逆流するのを防ぐと共に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力はダイオードを用いたときのような電圧降下はなく、効率よく電源システムの出力端子に供給することができる。また本出力選択回路は他の回路ブロックから信号をもらうことなく、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータあるいは反転電圧発生回路の出力電力のどちらか電力の出力されている方を自動的に選択し、電子機器に電力を供給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本願発明にかかる電源システムは、電源の電圧が印加される第１の端子と、電源システムで変換した電力を出力する第２の端子と、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第２のＤＣ−ＤＣコンバータと、を有する。さらに、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を反転させる反転電圧発生回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータを制御するためのパルス信号を出力する第１の発振回路と、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータと前記反転電圧発生回路とをそれぞれ制御するためのパルス信号を出力する第２の発振回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力と前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を受けて、前記第２の端子に電力を出力するダイオード回路と、を有する。そして、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータと第２のＤＣ−ＤＣコンバータとは、電圧変換する対象となる電力の極性が異なることを特徴とする。
【００１８】
また、前記ダイオード回路は、アノード端子が前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に、カソード端子が前記第２の端子側になるように、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータと前記第２の端子との間に接続された第１のショットキーダイオードと、アノード端子が前記反転電圧発生回路の出力側に、カソード端子が前記第２の端子側になるように、前記反転電圧発生回路と前記第２の端子との間に接続された第２のショットキーダイオードと、を有する。そして、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、正の電力を電力変換し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、負の電力を電力変換することを特徴とする。
【００１９】
また、本願発明にかかる電源システムは、電源の電圧が印加される第１の端子と、電源システムで変換した電力を出力する第２の端子と、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第２のＤＣ−ＤＣコンバータと、を有する。さらに、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を反転させる反転電圧発生回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータを制御するためのパルス信号を出力する第１の発振回路と、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータと前記反転電圧発生回路とをそれぞれ制御するためのパルス信号を出力する第２の発振回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力と前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を受けて、前記２つの出力電圧を比較し、一方の出力電力を前記第２の端子に出力する出力選択回路と、を有する。そして、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータと第２のＤＣ−ＤＣコンバータとは、電圧変換する対象となる電力の極性が異なることを特徴とする。
【００２０】
また、アノード端子が前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に、カソード端子が前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側になるように、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出入力間に接続された第３のショットキーダイオードと、カソード端子が前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に、アノード端子が前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側になるように、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出入力間に接続された第４のショットキーダイオードと、を有する。そして、前記第１の発振回路の電力が前記第３のショットキーダイオードまたは前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータより供給され、前記第２の発振回路の電力が前記第４のショットキーダイオードまたは前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータより供給されることを特徴とする。
【００２１】
以下、この発明に係る電源システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態の電源システムは、電荷残量の少なくなった電池、ソーラーモジュールや熱電変換素子などの自然エネルギー源を外部入力電源として用い、その電源電圧極性が反転しても電子機器の入力極性に合わせて出力すると共に、外部入力電源の出力電圧が低くても、昇圧して所望の電圧を電子機器に供給する電源システムを実現することを目的としたものである。
【００２２】
図１に本実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図を示す。本発明の電源システムは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源１と、プラス側電源変換部１２とマイナス側電源変換部１３からなる。電源変換部１２，１３は、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７と、アノード端子とエネルギー源１の出力を接続し、カソード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子及びエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３の電源端子と接続したショットキーダイオード４と、カソード端子とエネルギー源１の出力を接続し、アノード端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８の電源端子と接続したショットキーダイオード１０と、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオード４のカソード端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子を接続したエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びショットキーダイオード１０のアノード端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子及び反転電圧発生回路９の信号入力端子を接続したエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子を接続した反転電圧発生回路９と、アノード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子６を接続するショットキーダイオード５と、アノード端子と反転電圧発生回路９の出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子６を接続するショットキーダイオード１１から構成される。ここで、ショットキーダイオード５、１１によりダイオード回路が構成される。
【００２３】
本発明の電源システムにおけるエネルギー源１は、出力端子の一方を＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７に接続し、もう一方を接地端子に接続する。エネルギー源１は直流電源すべてを示すが、特に残量が少なくなって出力電圧が低くなっている電池や、ソーラーモジュール、熱電変換素子、あるいは小型ローターを用いて回転エネルギーを電力に変換する自然エネルギー発電機を想定している。
【００２４】
なお、図１及び以下の説明においては、反転電圧発生回路９を−側電源変換部に設けているが、＋側電源変換部１２に設けてその他ダイオード等の回路の極性を逆にすることにより、本願発明で期待される同様の効果を奏することができる。
【００２５】
電池の場合、ユーザーが＋側と−側を逆に接続する場合があり、しかも残量が少なくなった電池は出力電圧が低いため電子機器を動作させるには電圧変換を行わなければならないという課題がある。そのため、本発明の電源システムが必要となる。またソーラーモジュール、熱電変換素子、あるいは小型ローターにおいても、ユーザーが＋側と−側を逆に接続する場合がある。さらに発電電力は非常に小さいため、電子機器を動作させるためには電圧変換が必要である。また、光や熱、運動などの環境状況に応じて発電電圧や発電電力、あるいは発電持続時間が異なるため、発電した電力を最大限に活用する電源変換が必要となる。以上のような要求に対し、本発明の電源システムはすべてを満足する。
【００２６】
ここで、熱電変換素子は周囲の環境によって出力電圧の極性が変わるため、本発明の電源システムは特に有効である。熱電変換素子は、例えば、Ｐ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントとが２枚の基板に挟まれ、基板上でＰ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントが金属等の導電性物質を介してＰＮ接合されていて、複数個直列に、Ｐ、Ｎ、Ｐ、Ｎ、というように接続されている。この熱電変換素子は、ＰＮ接合部とＰＮ接合部の間に温度差を与えると、温度差に応じた電位差（起電力）を生じる。仮に一方のＰＮ接合部を吸熱側、もう一方のＰＮ接合部を放熱側として、放熱側を室温、吸熱側に熱湯を置くと＋側の電圧を出力するが、放熱側を室温、吸熱側に氷水を置くと−側の電圧を出力する。
【００２７】
このように熱電変換素子は周囲の環境等により極性が反転するため、本システムのようにエネルギー源１の極性が変わっても電子機器と同一の極性を出力する電源システムは非常に有効である。
【００２８】
＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、エネルギー源１の出力端子の一方とそれぞれの入力端子を接続し、接地端子はエネルギー源１の接地端子と接続する。＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対して＋側の場合動作する回路で、入力した電力を＋側の電圧に変換する。一方、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対して−側の場合動作する回路で、入力した電力を−側の電圧に変換する。＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は＋側発振回路３のパルス信号を信号入力端子に入力して電圧変換を行う。−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は−側発振回路８のパルス信号を信号入力端子に入力して電圧変換を行う。ここで＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、コンデンサを用いたスイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータか、コイルを用いたＬＣタイプＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかで構成される。スイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータはコンデンサ同士、あるいはコンデンサと電源の並列接続、直列接続を繰り返すことによって、入力した電圧を昇圧することができる。
【００２９】
図２（ａ）にスイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータの基本的な昇圧回路、図２（ｂ）にその動作模式図を示す。スイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータの結線は、入力端子２1とトランジスタ２２、２３のドレインを接続し、トランジスタ２２のソースとコンデンサ２４、トランジスタ２６のドレインを接続する。更にコンデンサ２４のもう一方の端子とトランジスタ２３のソース、トランジスタ２５のドレインを接続する。トランジスタ２５のソースは接地する。トランジスタ２６のソースはコンデンサ２７と出力端子２８に接続する。そして、コンデンサ２７のもう一方の端子は接地する構成である。昇圧の場合、電源とコンデンサを並列に接続した後、コンデンサと電源を直列接続に切り替えることによって入力電圧の２倍の電圧を得ることができる。ここではコンデンサと電源を使った２倍昇圧について説明したが、コンデンサの数を増やすことによって３倍、４倍が可能となる。
【００３０】
また、図３にＬＣ型ＤＣ−ＤＣコンバータの基本的な昇圧回路図を示す。入力端子３１とインダクタ３４を接続し、インダクタ３４のもう一方とトランジスタ３２のドレイン、ダイオード３３のアノードを接続する。トランジスタ３２のソースは接地する。そして、ダイオード３３のカソードを出力端子３５と接続した構成である。ここで、トランジスタ３２のゲートに電圧を印加し、トランジスタ３２のソース・ドレイン間に電流を流すことで、インダクタ３４に電流が流れる。その後、トランジスタ３２のゲートをオフし、ソース・ドレイン間の電流を遮断することで、電磁誘導が起こり、昇圧された電圧がダイオード３３を通って出力される。このトランジスタ３２のゲートをオン・オフさせる制御方法として、ＰＷＭ制御やＰＦＭ制御が用いられる。ＬＣ型ＤＣ−ＤＣコンバータはゲートのオン・オフ制御周波数を変えることで任意の電圧を出力することができるというメリットがある。その一方で、インダクタなどの外付け部品が必要となるほか、低電力出力時には電源変換効率が低下するというデメリットもある。
【００３１】
＋側発振回路３と−側発振回路８は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２や−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７に必要な電圧変換スイッチングのパルス信号を作り出す回路である。さらに−側発振回路は反転電圧発生回路９にもパルス信号を供給し、接地電位に対してマイナス側に昇圧された−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧をプラス側に反転させる役割も担っている。＋側発振回路３は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対してプラス側の場合動作する回路で、プラス側のパルス信号を出力する。一方−側発振回路８は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対してマイナス側の場合動作する回路で、マイナス側のパルス信号を出力する。＋側発振回路３の電源端子は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続し、接地端子はエネルギー源１の接地端子と接続する。＋側発振回路３の出力端子は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子と接続して、パルス信号を供給する。−側発振回路８の電源端子は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子と接続し、接地端子はエネルギー源１の接地端子と接続する。−側発振回路８の出力端子は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子及び反転電圧発生回路９の信号入力端子と接続して、パルス信号を供給する。
【００３２】
ショットキーダイオード４、１０は、エネルギー源１の出力端子から電力が供給されると電流を通して発振回路を動作させると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータが動作するとＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧された電力がエネルギー源１に逆流するのを防ぐ役割がある。ショットキーダイオード4は、アノード端子をエネルギー源１の出力端子と接続し、カソード端子を＋側発振回路３の電源端子及び＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続する。ショットキーダイオード１０は、カソード端子をエネルギー源１の出力端子と接続し、アノード端子を−側発振回路８の電源端子及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子と接続する。ショットキーダイオード４、１０は電圧降下のなるべく低いものを選択する。本発明では電圧降下０．１５Ｖのものを使用した。
【００３３】
さらに本発明の電源システムではショットキーダイオード４、１０と同じ役割をＭＯＳトランジスタ６１、６２で実現する。図５に示すように、ＭＯＳトランジスタ６１はエネルギー源１の出力端子とＭＯＳトランジスタ６１のドレイン端子及びゲート端子を接続し、ソース端子を＋側発振回路３の電源端子及び＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続する。ＭＯＳトランジスタ６２はエネルギー源１の出力端子とＭＯＳトランジスタ６２のソース端子を接続し、ドレイン端子及びゲート端子を−側発振回路８の電源端子及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子と接続する。ＭＯＳトランジスタの場合、トランジスタのしきい値電圧を変化させることで電圧降下分を任意に設定することができる。
【００３４】
反転電圧発生回路９は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧の極性を反転して電子機器の極性と同一にする働きをもつ回路である。反転電圧発生回路９の入力端子は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及び−側発振回路８の電源端子及びショットキーダイオード１０のアノード端子と接続し、反転電圧発生回路９の接地端子はエネルギー源１の接地端子と共通にし、反転電圧発生回路９の出力端子はショットキーダイオード１１のアノード端子と接続し、反転電圧発生回路９の信号入力端子は−側発振回路８の出力端子と接続する。反転電圧発生回路９の一例を図４に示す。本回路はスイッチドキャパシタタイプの反転電圧発生回路である。
【００３５】
Ｐｃｈトランジスタ４１のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、ドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４２のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４４のゲート端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ４４のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、Ｐｃｈトランジスタ４４のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４５のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４１のゲート端子及びＰｃｈトランジスタ４７とＮｃｈトランジスタ４８でインバータ回路を形成している回路のゲート端子と接続している。Ｎｃｈトランジスタ４２のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ４１のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４３のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４５のゲート端子及び接地端子と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４３のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４２のソース端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４６のソース端子及びＮｃｈトランジスタ５３、５７のソース端子及び反転電圧発生回路９の入力端子と接続し、ゲート端子は信号入力端子５９と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４５のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ４４のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４６のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４２のゲート端子及び接地端子と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４６のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４５のソース端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４３のソース端子及びＮｃｈトランジスタ５３、５７のソース端子及び反転電圧発生回路９の入力端子５１と接続し、ゲート端子は信号入力端子６０と接続する。インバータ回路を形成するＰｃｈトランジスタ４７のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、ドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４８のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４９のゲート端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４８のゲート端子及びＮｃｈトランジスタ４４のドレイン端子と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４８のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ４７のドレイン端子と接続し、ソース端子は接地端子と接続し、ゲート端子はＰｃｈトランジスタ４７のゲート端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ４９のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、ドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５２、５５のソース端子及びコンデンサ５８に接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４８のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４７のドレイン端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ５２のソース端子はＰｃｈトランジスタ４９のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ５５のソース端子及びコンデンサ５８と接続し、ドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５５のゲート端子及びＮｃｈトランジスタ５４のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ５３、５７のゲート端子及び信号入力端子６１と接続する。Ｎｃｈトランジスタ５４のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５２のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ５３のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＰｃｈトランジスタ５５のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ５６のソース端子及び接地端子と接続する。
【００３６】
Ｎｃｈトランジスタ５３のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ５４のソース端子と接続し、ソース端子は反転電圧発生回路９の入力端子５１と接続し、ゲート端子は信号入力端子６１と接続する。Ｐｃｈトランジスタ５５のソース端子はＰｃｈトランジスタ５２のソース端子と接続し、ドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５６のソース端子及びＮｃｈトランジスタ５４のゲート端子及び接地端子と接続し、ゲート端子はＰｃｈトランジスタ５２のドレイン端子及びＮｃｈトランジスタ５４のドレイン端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ５６のソース端子はＰｃｈトランジスタ５５のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ５７のドレイン端子及びコンデンサ５８と接続し、ゲート端子は信号入力端子６１と接続する。
【００３７】
Ｎｃｈトランジスタ５７のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５６のドレイン端子と接続し、ソース端子は反転電圧発生回路９の入力端子５１と接続し、ゲート端子は信号入力端子６１と接続する。ここで、信号入力端子６０、６１は同相で、入力信号端子５９は信号入力端子６０、６１に対して逆相である。信号入力端子５９、６０、６１に入力される信号は−側発振回路８から供給される。
【００３８】
ここで反転電圧発生回路９のトランジスタ４１から４８でレベルシフト回路を構成している。反転電圧発生回路９は−側発振回路８の信号で動作しているが、極性を反転した後の電力を出力端子５０に送るＰｃｈトランジスタ４９のオン・オフは−側発振回路８の信号で制御できない。このため、このレベルシフト回路を組み込んでＰｃｈトランジスタ４９を制御することにより、確実に反転した後の電力（接地端子に対してプラスの電力）を電源システムの出力端子６に送ることができる。
【００３９】
ダイオード回路を構成するショットキーダイオード５、１１は、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２あるいは反転電圧発生回路９の出力端子から電力が供給されると電気を通して電源システムの出力端子６に電力を供給すると共に、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作しているときは反転電圧発生回路９に電力が逆流しないように、また、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作しているときは＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２に電力が逆流しないように整流する働きをもっている。ショットキーダイオード５のアノード端子は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続し、カソード端子を電源システムの出力端子６と接続する。ショットキーダイオード１１のアノード端子は反転電圧発生回路９の出力端子と接続し、カソード端子を電源システムの出力端子６と接続する。ショットキーダイオード５、１１は電圧降下のなるべく低いものを選択する。本発明では電圧降下０．１５Ｖのものを使用した。
【００４０】
本発明の電源システムでは、各回路を支持基板上に絶縁膜を介して形成された半導体膜上に形成される半導体デバイス、いわゆる完全空乏型ＳＯＩデバイスで構成した場合、その効果は非常に大きくなる。通常、Ｂｕｌｋデバイスでは基板とトランジスタのソースを接続するため、本発明のようなアプリケーションでは極性が反対になったときの電流の逆流を防ぐことが難しい。これを防ぐにはＢｕｌｋ基板上にトリプルウェル構造を作ってトランジスタをフローティングするなどの対策が必要である。これに対し完全空乏型ＳＯＩデバイスでは、基板（ボディ領域）をフローティングの状態で動作させることが可能のため、たとえ入力電源の極性が反転しても、必ず電流のパスがＰＮＰあるいはＮＰＮとなり、電流の逆流は非常に小さいものとなる。このことから、本発明の電源システムに使う各回路のトランジスタは完全空乏型ＳＯＩデバイスを用いることで、極性が反転したときの逆流パスを気にすることなく設計を行うことができ、さらにトリプルウェル構造を作るなどの工程増も必要ない。また完全空乏型トランジスタでは、同じしきい値電圧のトランジスタで比べた場合、リーク電流がＢｕｌｋデバイスに比べて１桁低く押さえることができるため、しきい値電圧を下げることができ、出力電圧が低いエネルギー源１でも電子機器に電力を供給することが可能である。
【００４１】
次に本発明の電源システムにおける動作について説明する。ここではエネルギー源１として熱電変換素子を用いた場合で説明する。他のエネルギー源、例えばソーラーセルやゼンマイ発電でも同様である。室温に対して高温の物体を熱電変換素子上に置いて、接地端子に対してプラス側の電力が出力端子に出力された場合、電流は電源ラインを通って、ショットキーダイオード４、１０、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７方向に流れる。ここで、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、回路上逆極性の電流が流れ込まないように構成されているため、ダイオード接続の順方向になるような電流パスはない。つまり、この場合−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７には電流が流れ込まない。ショットキーダイオード１０は逆方向になるため、電流は流れず、ショットキーダイオード４は順方向になるため、電流を流して＋側発振回路３の電源端子に電力が供給される。電源端子に電力を供給された＋側発振回路３は、接地端子に対してプラス側のハルス信号を発生し、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子にパルス信号を供給する。＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は信号入力端子にパルス信号を受けると、熱電変換素子の電力を昇圧し、所望の電圧を出力端子に出力する。
【００４２】
ここで本発明の特徴は、＋側発振回路３の動作開始電圧が電子機器等負荷回路の動作開始電圧よりも低いことが特徴である。仮に電子機器の動作開始電圧と＋側発振回路３の動作開始電圧が同じ場合、ショットキーダイオード４から流れてきた電力は＋側発振回路３と電子機器の両方に電流が流れてしまい、電圧降下が起こってどちらも動作しない状態になる。このため、本発明では＋側発振回路３の動作開始電圧を電子機器より低くすることによって、最初に＋側発振回路が動作し、次に＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作することによって、最適な電圧電源を電子機器に供給することができる。
【００４３】
＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２から出力された電力はショットキーダイオード５を通って、電源システムの出力端子６に出力され、電子機器に供給される。
ここで熱電変換素子の出力特性について説明する。熱電変換素子の出力特性は図６に示すように、発電開始直後は高い出力電圧があるが、その後出力電圧は下がってくる。熱電変換素子は接合間の温度差を電力に変える素子であるため、熱源を置いて時間が経つと素子を伝わって熱が接合間に拡散し、接合間の温度差が小さくなってくる。このため、図６のように出力電圧が低下してくる。実験結果では５分程度で０．１Ｖ程度まで出力電圧が低下する。
【００４４】
上記のような熱電変換素子をエネルギー源１として用いた場合、いくら＋側発振回路３の動作開始電圧を低くしたとしても、０．１Ｖ程度では動作せず、電子機器に電力を供給できない。そこで本発明はこの点を解決するために、＋側発振回路３の電源端子はショットキーダイオード４のカソード端子に接続しているだけではなく、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子にも接続している。そのため、一旦＋側発振回路３が動作してパルス信号を発生し、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作すると、＋側発振回路３は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力をもらって動作するので、熱電変換素子の出力が低下しても、電力の供給がある限り昇圧を行い、電子機器に電力を供給しつづけることが可能である。
【００４５】
次に、室温に対して低温の物体、例えば氷水を熱電変換素子上に置いて、接地端子に対して−側の電力が出力端子に出力された場合、電流は電源ラインを通って、ショットキーダイオード４、１０、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７方向に流れる。ここで、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、回路上逆極性の電流が流れ込まないように構成されているため、ダイオード接続の順方向になるような電流パスはない。つまり、この場合＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２には電流が流れ込まない。ショットキーダイオード４は逆方向になるため、電流は流れず、ショットキーダイオード１０は順方向になるため、電流を流して−側発振回路８の電源端子に電力が供給される。
【００４６】
ここで、反転電圧発生回路９は−側発振回路８からの信号を受け取らない限り、電流が流れ込まない構成になっている。そのため、ショットキーダイオード１０を通って流れてきた電流は、最初に−側発振回路８を起動する。電源端子に電力を供給された−側発振回路８は、接地端子に対してマイナス側のハルス信号を発生し、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子にパルス信号を供給する。
【００４７】
−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は信号入力端子にパルス信号を受けると、熱電変換素子の電力をマイナス側に昇圧し、絶対値が所望の電圧である電圧を出力端子に出力する。そして、信号入力端子に−側発振回路８のパルス信号を受けた反転電圧発生回路９は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を入力し、極性を反転させる。
【００４８】
反転電圧発生回路９内部の動作は、まずＮｃｈトランジスタ５７とＰｃｈトランジスタ５５をオンさせ、コンデンサ５８の一方に入力端子５１を介して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子を接続し、もう一方を接地端子と接続する。次にＮｃｈトランジスタ５７とＰｃｈトランジスタ５５をオフさせ、Ｐｃｈトランジスタ４９と５６をオンさせることで、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧を接地端子に対して極性を反転させることができる。
【００４９】
−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧を反転して反転電圧発生回路９から出力された電力はショットキーダイオード１１を通して電源システムの出力端子６に供給され、電子機器に供給される。
【００５０】
次に熱電変換素子の出力電圧が、熱飽和により低下してきて出力電圧が−０．１Ｖ程度になった場合を説明する。−側発振回路８の電源端子はショットキーダイオード１０のアノード端子に接続しているだけではなく、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子にも接続している。そのため、一旦−側発振回路８が動作してパルス信号を発生し、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作すると、−側発振回路８は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の電力をもらって動作するので、熱電変換素子の出力が低下しても、電力の供給がある限り、電子機器に電力を供給しつづけることが可能である。
【００５１】
以上のような構成にすることで本発明の電源システムは、エネルギー源１の出力が接地電位に対してプラスの場合もマイナスの場合も、電子機器には接地電位に対してプラスの電圧を供給することができる。例えばユーザーが誤接続で電子機器の電池を入れ間違えたとしても、電子機器は正常に動作する。また本発明の回路構成では、エネルギー源１に極性反転のスイッチを設けることなく、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してプラスの場合は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は動作せず、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してマイナスの場合は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作して＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作しない構成となっている。このため無駄な電力消費がなく、変換効率の良い電源システムが実現できる。
【００５２】
また、これまでの技術ではエネルギー源１の出力電圧が低下してきた場合、電源の極性を反転する回路が動作を続けることができず、電子機器に電力を供給することができなかったが、本発明では一旦発振回路３、８が動作すればエネルギー源１からの電力供給がある限り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７で昇圧して電子機器に適正な電力を供給することができる。
【００５３】
また本発明の別の実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図を図７に示す。本発明の電源システムは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源１と、プラス側電源変換部１２とマイナス側電源変換部１３からなる。電源変換部１２，１３は、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７と、ゲート端子及びドレイン端子とエネルギー源１の出力を接続し、ソース端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子及びエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３の電源端子と接続したＭＯＳトランジスタ６１と、ソース端子とエネルギー源１の出力を接続し、ドレイン端子及びゲート端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８の電源端子と接続したＭＯＳトランジスタ６２と、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びＭＯＳトランジスタ６１のソース端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子を接続したエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びＭＯＳトランジスタ６２のゲート端子及びソース端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子及び反転電圧発生回路９の信号入力端子を接続したエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子を接続した反転電圧発生回路９と、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子及び反転電圧発生回路９の出力端子と接続する出力選択回路７１から構成される。
【００５４】
出力選択回路７１は、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力電力があった場合は、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力電力を電子機器に供給すると共に、出力電力のない反転電圧発生回路９への逆流を防ぎ、反転電圧発生回路９からの出力電力があった場合は、反転電圧発生回路９からの出力電力を電子機器に供給すると共に、出力電力のない＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２への逆流を防ぐ役割がある。
【００５５】
出力選択回路７１の回路一例を図８に示す。
【００５６】
＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続された＋側入力端子８１は、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３のドレイン端子及び抵抗８７と接続する。反転電圧発生回路９の出力端子と接続された−側入力端子８２は、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４のドレイン端子及び抵抗８９と接続する。抵抗８８は一方を抵抗８７と接続し、もう一方を接地端子と接続する。抵抗９０は一方を抵抗８９と接続し、もう一方を接地端子と接続する。コンパレータ８６は＋入力を抵抗８７、８８の中点と接続し、−入力を抵抗８９、９０の中点と接続し、出力端子をインバータ８５の入力端子及びＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４のゲート端子と接続し、電源端子を電源システムの出力端子６と接続し、接地端子をエネルギー源１の接地端子と接続する。
【００５７】
インバータ８５は入力端子をコンパレータ８６の出力端子と接続し、出力端子をＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３のゲート端子と接続し、電源端子を電源システムの出力端子６と接続し、接地端子をエネルギー源１の接地端子と接続する。ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３はソース端子とボディ端子を接続し、電源システムの出力端子６と接続する。ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４はソース端子とボディ端子を接続し、電源システムの出力端子６と接続する。
【００５８】
出力選択回路７１の動作は、＋側入力端子８１に電力が供給されるとＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３のドレイン端子−ボディ端子間のＰＮ接合が順方向となり、ソース端子を通って電源システムの出力端子６の方に電流が流れる。するとコンパレータ８６、インバータ８５が動作を開始する。＋側入力端子８１に電力が供給されたために抵抗８７、８８の中点は電位が発生し、コンパレータ８６はＨｉｇｈ信号を出力する。そのため、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４はオフし、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３はオンする。これにより＋側入力端子８１の電力が電源システムの出力端子６に供給されると共に、電源システムの出力端子６から−側入力端子８２への電流の逆流を防ぐ。
【００５９】
また、−側入力端子８２に電力が供給されるとＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４のドレイン端子−ボディ端子間のＰＮ接合が順方向となり、ソース端子を通って電源システムの出力端子６の方に電流が流れる。するとコンパレータ８６、インバータ８５が動作を開始する。−側入力端子８２に電力が供給されたために抵抗８９、９０の中点は電位が発生し、コンパレータ８６はＬｏｗ信号を出力する。そのため、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３はオフし、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４はオンする。これにより−側入力端子８２の電力が電源システムの出力端子６に供給されると共に、電源システムの出力端子６から＋側入力端子８１への電流の逆流を防ぐ。
【００６０】
以上のように構成されることで、本発明の実施の形態ではエネルギー源１の出力が接地電位に対してプラスの場合もマイナスの場合も、電子機器には接地電位に対してプラスの電圧を供給することができる。例えばユーザーが誤接続で電子機器の電池を入れ間違えたとしても、電子機器は正常に動作する。また本発明の回路構成では、エネルギー源１に極性反転のスイッチを設けることなく、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してプラスの場合は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は動作せず、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してマイナスの場合は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作して＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作しないシーケンスになっている。このため無駄な電力消費がなく、変換効率の良い電源システムが実現できる。
【００６１】
また、これまでの技術ではエネルギー源１の出力電圧が低下してきた場合、電子機器に電力を供給することができなかったが、本発明では一旦発振回路３、８が動作すればエネルギー源１からの電力供給がある限り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７で昇圧して電子機器に適正な電力を供給することができる。
【００６２】
さらに、出力選択回路７１を設けることによって、電源システムの出力端子６に出力される電力が＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧回路９に逆流するのを防ぐと共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７の出力電力をダイオードを用いたときの電圧降下などなく、効率よく電源システムの出力端子６に供給することができる。また本出力選択回路７１は、他の回路ブロックから信号をもらうことなく＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧発生回路９の出力電力のある方を自動的に選択し、電子機器に電力を供給することができるというメリットがある。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、エネルギー源１の出力が接地電位に対してプラスの場合もマイナスの場合も、電子機器には接地電位に対してプラスの電圧を供給することができるという効果がある。例えばユーザーが誤接続で電子機器の電池を入れ間違えたとしても、電子機器は正常に動作する。
【００６４】
また、本発明の回路構成では、エネルギー源１に極性反転のスイッチを設けることなく、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してプラスの場合は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は動作せず、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してマイナスの場合は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作して＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作しない構成になっている。このため無駄な電力消費がなく、変換効率の良い電源システムが実現できる効果がある。
【００６５】
また、これまでの技術ではエネルギー源１の出力電圧が低下してきた場合、電子機器に電力を供給することができなかったが、本発明では一旦発振回路３、８が動作すればエネルギー源１からの電力供給がある限り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７で昇圧して電子機器に適正な電力を供給することができるという効果がある。
【００６６】
さらに本発明の別の形態では、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２及び反転電圧発生回路９の出力端子と出力選択回路７１が接続されているため、電源システムの出力端子６に出力される電力が＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧回路９に逆流するのを防ぐと共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７の出力電力をダイオードを用いたときの電圧降下などなく、効率よく電源システムの出力端子６に供給することができる。
【００６７】
また本出力選択回路７１は、他の回路ブロックから信号をもらうことなく＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧発生回路９の出力電力のある方を自動的に選択し、電子機器に電力を供給することができるという効果がある。
【００６８】
また＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７ょをスイッチドキャパシタ型ＤＣ−ＤＣコンバータで構成することにより、低消費電力ＩＣの領域においてより高い電源変換効率を示す。
【００６９】
さらに、各回路を支持基板上に絶縁膜を介して形成された半導体膜上に形成される半導体デバイス、いわゆる完全空乏型ＳＯＩデバイスで構成した場合、その効果は非常に大きくなる。通常、Ｂｕｌｋデバイスでは基板とトランジスタのソースを接続するため、本発明のようなアプリケーションでは極性が反対になったときの電流の逆流を防ぐことが難しい。
【００７０】
これを防ぐにはＢｕｌｋ基板上にトリプルウェル構造を作ってトランジスタをフローティングするなどの対策が必要である。これに対し完全空乏型ＳＯＩデバイスでは、基板（ボディ領域）をフローティングの状態で動作させることが可能のため、たとえ入力電源の極性が反転しても、必ず電流のパスがＰＮＰあるいはＮＰＮとなり、電流の逆流は非常に小さいものとなる。このことから、本発明の電源システムに使う各回路のトランジスタは完全空乏型ＳＯＩデバイスを用いることで、極性が反転したときの逆流パスを気にすることなく設計を行うことができ、さらにトリプルウェル構造を作るなどの工程増も必要ない。
【００７１】
また完全空乏型トランジスタでは、同じしきい値電圧のトランジスタで比べた場合、リーク電流がＢｕｌｋデバイスに比べて１桁低く押さえることができるため、しきい値電圧を下げることができ、出力電圧が低いエネルギー源１でも電子機器に電力を供給することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の形態に係る昇圧型のスイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータの概略回路図と動作模式図である。
【図３】本発明の形態に係る昇圧型のＬＣ型ＤＣ−ＤＣコンバータの概略回路図である。
【図４】本発明の形態に係る反転電圧発生回路の概略回路図である。
【図５】本実施の形態に係る電源システムの別の概略構成を示すブロック図である。
【図６】熱電変換素子の発電出力特性を示す図である。
【図７】本実施の形態に係る電源システムの別の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の形態に係る出力選択回路の概略回路図である。
【図９】従来の電源システムを示す図である。
【符号の説明】
１ エネルギー源
２ ＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ
３ ＋側発振回路
４、５、１０、１１ ショットキーダイオード
６、２８、３５、５０、１０７、１０８ 出力端子
７ −側ＤＣ−ＤＣコンバータ
８ −側発振回路
９ 反転電圧発生回路
１２ ＋側電源変換部
１３ −側電源変換部
２１、３１、５１、１０５、１０６ 入力端子
２２、２３、２５、２６、３２ トランジスタ
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４７、４９ トランジスタ
５２、５３、５４、５５、５６、５７、６１、６２、８３、８４ トランジスタ２４、２７、５８ コンデンサ
３３、１０１、１０２、１０３、１０４ ダイオード
３４ インダクタ
５９、６０、６１ 入力信号端子
８１ ＋側入力端子
８２ −側入力端子
８５ インバータ
８６ コンパレータ
８７、８８、８９、９０ 抵抗
１００ ダイオードブリッジ回路
１０９、１１０、１１１、１１２ 接続中点
【発明の属する技術分野】
本発明は電源システムに係り、さらに詳しくは、外部電源からの電圧極性を電子機器の入力極性に合わせて供給する電源システムで、電池等外部直流電源のプラスマイナス極性の誤接続時、特に電池残量の少なくなった電池の場合や、熱電変換素子のように周囲の環境によって出力のプラスマイナス極性が反転する発電デバイスをエネルギー源として使う電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで電池等外部直流電源のプラスマイナス極性の誤接続時、あるいは熱電変換素子のような発電デバイスを外部入力電源として用いた場合、電圧極性を電子機器の入力極性に合わせて供給する電源システムとして従来は図９に示すような回路が用いられていた。この回路はダイオードブリッジ回路１００により構成され、ダイオード１０１のカソードとダイオード１０２のアノードを接続し、その接続中点Ｋ１０９が入力端子Ａ１０５に接続されている。
【０００３】
また、ダイオード１０３のカソードとダイオード１０４のアノードを接続し、その接続中点Ｌ１１０が入力端子Ｂ１０６に接続されている。さらに、ダイオード１０２のカソードとダイオード１０４のカソードを接続し、その接続中点Ｎ１１２が出力端子Ｃ１０７に接続されている。また、ダイオード１０１のアノードとダイオード１０３のアノードを接続し、その接続中点Ｍ１１１が出力端子Ｄ１０８に接続されている。
【０００４】
この結果、ダイオードブリッジ回路１００の入力端子Ａ１０５に接地電位に対してプラス側の入力電圧、入力端子Ｂ１０６に接地端子が接続された場合、ダイオード１０２及び１０３が順方向バイアスとなり、出力端子Ｃ１０７にはプラス側の電圧が生じ、出力端子Ｄ１０８には接地電圧が生じる。
【０００５】
これに対し、ダイオードブリッジ回路１００の入力端子Ａ１０５に接地電位に対してマイナス側の入力電圧、入力端子Ｂ１０６に接地端子が接続された場合、ダイオード１０１及び１０４が順方向バイアスとなり、出力端子Ｃ１０７にはプラス側の電圧が生じ、出力端子Ｄ１０８には接地電圧が生じる。
【０００６】
これによりダイオードブリッジ回路１００では、入力端子Ａ、Ｂの極性が反転した場合でも出力端子Ｃ、Ｄに同一極性の電圧を印加することができ、電子機器を正常に動作させることが可能となる。
【０００７】
また、ダイオードブリッジ回路１００の替わりにリレー回路を用いたものもある（例えば、特許文献１参照）。入力端子の極性判別を行い、リレー回路を制御する極性判別部と、半導体及び電磁リレーでブリッジ回路を構成したスイッチング部から構成される。外部入力電源の極性と電子機器の極性が同じ場合、極性判別部の正極側回路が動作し、リレーをスイッチングして入力の極性と出力の極性を同じにして出力を行う。一方、外部入力電源の極性が電子機器の極性と逆の場合、極性判別部の負極側回路が動作し、リレーをスイッチングして入力の極性と出力の極性を反対にして出力する。これにより、外部入力電源の極性が逆転した場合でも出力端子に同一極性の電圧を印加することができ、電子機器を正常に動作させることが可能である。
【０００８】
ここで、極性判別部の正極側回路、負極側回路にはダイオードが直列に接続されているため、入力に正極の電力が入ってきた場合には、正極側回路が動作して負極側回路は動作せず、入力に負極の電力が入ってきた場合には、負極側回路が動作して正極側回路は動作しない。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２８４５７０号公報（第５−１０頁、第２図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来のダイオードブリッジ回路１００に、例えばシリコンダイオードを用いた場合、シリコンダイオードには０．６から０．７Ｖ程度の電圧降下が生じるため、ダイオードブリッジ回路１００の出力端子Ｃ１０７、Ｄ１０８で得られる電圧は入力端子Ａ１０５、Ｂ１０６に供給された電圧に対して、シリコンダイオード２個分の電圧、１．２から１．４Ｖの電圧降下を生じる。また、電圧降下が比較的小さいショットキーバリアダイオードを用いた場合においても、ショットキーバリアダイオードの電圧降下が０．１５Ｖ程度あるため、出力端子Ｃ１０７、Ｄ１０８で得られる電圧は入力端子Ａ１０５、Ｂ１０６に供給された電圧に対して、０．３Ｖ程度の電圧降下を生じる。
【００１１】
このようにダイオードブリッジ回路では、外部入力電源の電圧を有効に電子機器に供給することができないという問題があった。特に本発明の目的は、電荷残量の少なくなった電池やソーラーモジュールや熱電変換素子などの自然エネルギー源を外部入力電源として用い、その電源電圧極性が反転しても電子機器の入力極性に合わせて電力を出力する電源システムを実現することに有る。ここで、残量の少ない電池や自然エネルギー源等の外部入力電源の出力電圧は非常に小さく、残量の少ない電池では０．７から０．９Ｖ、熱電変換素子の出力電圧は０．５Ｖ以下である。このような外部入力電源にダイオードブリッジ回路を接続した場合、ダイオードの電圧降下によりダイオードブリッジ回路の出力端子には電圧がほとんど出ないことになる。
【００１２】
そこで実際に電子機器を動作させるには、ダイオードブリッジ回路の出力端子に昇圧回路を接続して昇圧を行い、電子機器に電力を供給することになる。昇圧回路には外部入力電源の極性が反転しても同一極性の電圧が印加されるが、ダイオードによる電圧降下のため、昇圧回路に入力される電圧は非常に小さくなり、その変換効率は非常に悪いものとなる。
【００１３】
また特開平６−２８４５７０号公報にあるように、ダイオードブリッジ回路による出力電圧の電圧降下を減らすため、リレーを用いる方法も示されている。この場合、ダイオードによる出力電圧の電圧降下を防ぐことはできるが、リレーを制御するための極性判別部に大きな電力（電圧）を必要とする。外部入力電源の電圧が十分あるときはこの方法を用いることができるが、本発明の目的のように外部入力電源の出力電圧が小さい場合は、仮にダイオードを電流が流れることができても、その電圧降下によりリレーを動作させることができず、電子機器に電力を供給することができないという不具合がある。そこで、リレーを動作させるために昇圧回路を設けてリレーを動作させるという考え方もある。しかしこの場合、昇圧回路の電源を外部入力電源から得るため、熱電変換素子のように定常状態で出力電圧の絶対値が小さくなってくる外部入力電源では、昇圧回路が動作しなくなるという不具合があった。
【００１４】
本発明は、かかる従来技術の有する不都合に鑑みてなされたもので、入力される外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を出力することができ、さらに、外部入力電源の出力電圧が低い場合でも効率よく電圧変換して、外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を出力することができる電源システムを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の電源システムは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源と、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータと、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータと、アノード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、カソード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードと、カソード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、アノード端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードと、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのカソード端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子を接続したエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのアノード端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子及び反転電圧発生回路の信号入力端子を接続したエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続した反転電圧発生回路と、アノード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子を接続するショットキーダイオードと、アノード端子と反転電圧発生回路の出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子を接続するショットキーダイオードを有する。さらに、入力される外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を出力することができ、外部入力電源の出力電圧が低い場合でも効率よく電圧変換して、外部電源電圧の極性に係らず所定の極性の電圧を電子機器に供給する。
【００１６】
また本発明の電源システムでは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源と、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータと、エネルギー源の出力端子と接続し、エネルギー源のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータと、アノード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、カソード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードと、カソード端子とエネルギー源の出力端子を接続し、アノード端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路の電源端子と接続したショットキーダイオードとを有する。さらに、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのカソード端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子を接続したエネルギー源のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオードのアノード端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの信号入力端子及び反転電圧発生回路の信号入力端子を接続したエネルギー源のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続した反転電圧発生回路と、＋側入力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子を接続し、−側入力端子と反転電圧発生回路の出力端子を接続し、電源端子を電源システムの出力端子に接続する出力選択回路から構成され、エネルギー源の出力極性が反転しても電子機器には同一極性の電圧を印加することができる。さらに電源システムの出力端子に出力される電力が＋側ＤＣ−ＤＣコンバータあるいは反転電圧回路に逆流するのを防ぐと共に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力はダイオードを用いたときのような電圧降下はなく、効率よく電源システムの出力端子に供給することができる。また本出力選択回路は他の回路ブロックから信号をもらうことなく、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータあるいは反転電圧発生回路の出力電力のどちらか電力の出力されている方を自動的に選択し、電子機器に電力を供給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本願発明にかかる電源システムは、電源の電圧が印加される第１の端子と、電源システムで変換した電力を出力する第２の端子と、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第２のＤＣ−ＤＣコンバータと、を有する。さらに、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を反転させる反転電圧発生回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータを制御するためのパルス信号を出力する第１の発振回路と、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータと前記反転電圧発生回路とをそれぞれ制御するためのパルス信号を出力する第２の発振回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力と前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を受けて、前記第２の端子に電力を出力するダイオード回路と、を有する。そして、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータと第２のＤＣ−ＤＣコンバータとは、電圧変換する対象となる電力の極性が異なることを特徴とする。
【００１８】
また、前記ダイオード回路は、アノード端子が前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に、カソード端子が前記第２の端子側になるように、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータと前記第２の端子との間に接続された第１のショットキーダイオードと、アノード端子が前記反転電圧発生回路の出力側に、カソード端子が前記第２の端子側になるように、前記反転電圧発生回路と前記第２の端子との間に接続された第２のショットキーダイオードと、を有する。そして、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、正の電力を電力変換し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、負の電力を電力変換することを特徴とする。
【００１９】
また、本願発明にかかる電源システムは、電源の電圧が印加される第１の端子と、電源システムで変換した電力を出力する第２の端子と、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１の端子の電圧に基づいた電力を電圧変換して電力を出力する第２のＤＣ−ＤＣコンバータと、を有する。さらに、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を反転させる反転電圧発生回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータを制御するためのパルス信号を出力する第１の発振回路と、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータと前記反転電圧発生回路とをそれぞれ制御するためのパルス信号を出力する第２の発振回路と、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力と前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を受けて、前記２つの出力電圧を比較し、一方の出力電力を前記第２の端子に出力する出力選択回路と、を有する。そして、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータと第２のＤＣ−ＤＣコンバータとは、電圧変換する対象となる電力の極性が異なることを特徴とする。
【００２０】
また、アノード端子が前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に、カソード端子が前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側になるように、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出入力間に接続された第３のショットキーダイオードと、カソード端子が前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に、アノード端子が前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側になるように、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出入力間に接続された第４のショットキーダイオードと、を有する。そして、前記第１の発振回路の電力が前記第３のショットキーダイオードまたは前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータより供給され、前記第２の発振回路の電力が前記第４のショットキーダイオードまたは前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータより供給されることを特徴とする。
【００２１】
以下、この発明に係る電源システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態の電源システムは、電荷残量の少なくなった電池、ソーラーモジュールや熱電変換素子などの自然エネルギー源を外部入力電源として用い、その電源電圧極性が反転しても電子機器の入力極性に合わせて出力すると共に、外部入力電源の出力電圧が低くても、昇圧して所望の電圧を電子機器に供給する電源システムを実現することを目的としたものである。
【００２２】
図１に本実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図を示す。本発明の電源システムは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源１と、プラス側電源変換部１２とマイナス側電源変換部１３からなる。電源変換部１２，１３は、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７と、アノード端子とエネルギー源１の出力を接続し、カソード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子及びエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３の電源端子と接続したショットキーダイオード４と、カソード端子とエネルギー源１の出力を接続し、アノード端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８の電源端子と接続したショットキーダイオード１０と、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びショットキーダイオード４のカソード端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子を接続したエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びショットキーダイオード１０のアノード端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子及び反転電圧発生回路９の信号入力端子を接続したエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子を接続した反転電圧発生回路９と、アノード端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子６を接続するショットキーダイオード５と、アノード端子と反転電圧発生回路９の出力端子を接続し、カソード端子と電源システムの出力端子６を接続するショットキーダイオード１１から構成される。ここで、ショットキーダイオード５、１１によりダイオード回路が構成される。
【００２３】
本発明の電源システムにおけるエネルギー源１は、出力端子の一方を＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７に接続し、もう一方を接地端子に接続する。エネルギー源１は直流電源すべてを示すが、特に残量が少なくなって出力電圧が低くなっている電池や、ソーラーモジュール、熱電変換素子、あるいは小型ローターを用いて回転エネルギーを電力に変換する自然エネルギー発電機を想定している。
【００２４】
なお、図１及び以下の説明においては、反転電圧発生回路９を−側電源変換部に設けているが、＋側電源変換部１２に設けてその他ダイオード等の回路の極性を逆にすることにより、本願発明で期待される同様の効果を奏することができる。
【００２５】
電池の場合、ユーザーが＋側と−側を逆に接続する場合があり、しかも残量が少なくなった電池は出力電圧が低いため電子機器を動作させるには電圧変換を行わなければならないという課題がある。そのため、本発明の電源システムが必要となる。またソーラーモジュール、熱電変換素子、あるいは小型ローターにおいても、ユーザーが＋側と−側を逆に接続する場合がある。さらに発電電力は非常に小さいため、電子機器を動作させるためには電圧変換が必要である。また、光や熱、運動などの環境状況に応じて発電電圧や発電電力、あるいは発電持続時間が異なるため、発電した電力を最大限に活用する電源変換が必要となる。以上のような要求に対し、本発明の電源システムはすべてを満足する。
【００２６】
ここで、熱電変換素子は周囲の環境によって出力電圧の極性が変わるため、本発明の電源システムは特に有効である。熱電変換素子は、例えば、Ｐ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントとが２枚の基板に挟まれ、基板上でＰ型熱電材料エレメントとＮ型熱電材料エレメントが金属等の導電性物質を介してＰＮ接合されていて、複数個直列に、Ｐ、Ｎ、Ｐ、Ｎ、というように接続されている。この熱電変換素子は、ＰＮ接合部とＰＮ接合部の間に温度差を与えると、温度差に応じた電位差（起電力）を生じる。仮に一方のＰＮ接合部を吸熱側、もう一方のＰＮ接合部を放熱側として、放熱側を室温、吸熱側に熱湯を置くと＋側の電圧を出力するが、放熱側を室温、吸熱側に氷水を置くと−側の電圧を出力する。
【００２７】
このように熱電変換素子は周囲の環境等により極性が反転するため、本システムのようにエネルギー源１の極性が変わっても電子機器と同一の極性を出力する電源システムは非常に有効である。
【００２８】
＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、エネルギー源１の出力端子の一方とそれぞれの入力端子を接続し、接地端子はエネルギー源１の接地端子と接続する。＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対して＋側の場合動作する回路で、入力した電力を＋側の電圧に変換する。一方、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対して−側の場合動作する回路で、入力した電力を−側の電圧に変換する。＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は＋側発振回路３のパルス信号を信号入力端子に入力して電圧変換を行う。−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は−側発振回路８のパルス信号を信号入力端子に入力して電圧変換を行う。ここで＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、コンデンサを用いたスイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータか、コイルを用いたＬＣタイプＤＣ−ＤＣコンバータのいずれかで構成される。スイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータはコンデンサ同士、あるいはコンデンサと電源の並列接続、直列接続を繰り返すことによって、入力した電圧を昇圧することができる。
【００２９】
図２（ａ）にスイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータの基本的な昇圧回路、図２（ｂ）にその動作模式図を示す。スイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータの結線は、入力端子２1とトランジスタ２２、２３のドレインを接続し、トランジスタ２２のソースとコンデンサ２４、トランジスタ２６のドレインを接続する。更にコンデンサ２４のもう一方の端子とトランジスタ２３のソース、トランジスタ２５のドレインを接続する。トランジスタ２５のソースは接地する。トランジスタ２６のソースはコンデンサ２７と出力端子２８に接続する。そして、コンデンサ２７のもう一方の端子は接地する構成である。昇圧の場合、電源とコンデンサを並列に接続した後、コンデンサと電源を直列接続に切り替えることによって入力電圧の２倍の電圧を得ることができる。ここではコンデンサと電源を使った２倍昇圧について説明したが、コンデンサの数を増やすことによって３倍、４倍が可能となる。
【００３０】
また、図３にＬＣ型ＤＣ−ＤＣコンバータの基本的な昇圧回路図を示す。入力端子３１とインダクタ３４を接続し、インダクタ３４のもう一方とトランジスタ３２のドレイン、ダイオード３３のアノードを接続する。トランジスタ３２のソースは接地する。そして、ダイオード３３のカソードを出力端子３５と接続した構成である。ここで、トランジスタ３２のゲートに電圧を印加し、トランジスタ３２のソース・ドレイン間に電流を流すことで、インダクタ３４に電流が流れる。その後、トランジスタ３２のゲートをオフし、ソース・ドレイン間の電流を遮断することで、電磁誘導が起こり、昇圧された電圧がダイオード３３を通って出力される。このトランジスタ３２のゲートをオン・オフさせる制御方法として、ＰＷＭ制御やＰＦＭ制御が用いられる。ＬＣ型ＤＣ−ＤＣコンバータはゲートのオン・オフ制御周波数を変えることで任意の電圧を出力することができるというメリットがある。その一方で、インダクタなどの外付け部品が必要となるほか、低電力出力時には電源変換効率が低下するというデメリットもある。
【００３１】
＋側発振回路３と−側発振回路８は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２や−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７に必要な電圧変換スイッチングのパルス信号を作り出す回路である。さらに−側発振回路は反転電圧発生回路９にもパルス信号を供給し、接地電位に対してマイナス側に昇圧された−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧をプラス側に反転させる役割も担っている。＋側発振回路３は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対してプラス側の場合動作する回路で、プラス側のパルス信号を出力する。一方−側発振回路８は、エネルギー源１の出力端子の極性が接地端子に対してマイナス側の場合動作する回路で、マイナス側のパルス信号を出力する。＋側発振回路３の電源端子は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続し、接地端子はエネルギー源１の接地端子と接続する。＋側発振回路３の出力端子は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子と接続して、パルス信号を供給する。−側発振回路８の電源端子は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子と接続し、接地端子はエネルギー源１の接地端子と接続する。−側発振回路８の出力端子は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子及び反転電圧発生回路９の信号入力端子と接続して、パルス信号を供給する。
【００３２】
ショットキーダイオード４、１０は、エネルギー源１の出力端子から電力が供給されると電流を通して発振回路を動作させると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータが動作するとＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧された電力がエネルギー源１に逆流するのを防ぐ役割がある。ショットキーダイオード4は、アノード端子をエネルギー源１の出力端子と接続し、カソード端子を＋側発振回路３の電源端子及び＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続する。ショットキーダイオード１０は、カソード端子をエネルギー源１の出力端子と接続し、アノード端子を−側発振回路８の電源端子及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子と接続する。ショットキーダイオード４、１０は電圧降下のなるべく低いものを選択する。本発明では電圧降下０．１５Ｖのものを使用した。
【００３３】
さらに本発明の電源システムではショットキーダイオード４、１０と同じ役割をＭＯＳトランジスタ６１、６２で実現する。図５に示すように、ＭＯＳトランジスタ６１はエネルギー源１の出力端子とＭＯＳトランジスタ６１のドレイン端子及びゲート端子を接続し、ソース端子を＋側発振回路３の電源端子及び＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続する。ＭＯＳトランジスタ６２はエネルギー源１の出力端子とＭＯＳトランジスタ６２のソース端子を接続し、ドレイン端子及びゲート端子を−側発振回路８の電源端子及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子と接続する。ＭＯＳトランジスタの場合、トランジスタのしきい値電圧を変化させることで電圧降下分を任意に設定することができる。
【００３４】
反転電圧発生回路９は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧の極性を反転して電子機器の極性と同一にする働きをもつ回路である。反転電圧発生回路９の入力端子は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及び−側発振回路８の電源端子及びショットキーダイオード１０のアノード端子と接続し、反転電圧発生回路９の接地端子はエネルギー源１の接地端子と共通にし、反転電圧発生回路９の出力端子はショットキーダイオード１１のアノード端子と接続し、反転電圧発生回路９の信号入力端子は−側発振回路８の出力端子と接続する。反転電圧発生回路９の一例を図４に示す。本回路はスイッチドキャパシタタイプの反転電圧発生回路である。
【００３５】
Ｐｃｈトランジスタ４１のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、ドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４２のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４４のゲート端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ４４のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、Ｐｃｈトランジスタ４４のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４５のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４１のゲート端子及びＰｃｈトランジスタ４７とＮｃｈトランジスタ４８でインバータ回路を形成している回路のゲート端子と接続している。Ｎｃｈトランジスタ４２のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ４１のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４３のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４５のゲート端子及び接地端子と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４３のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４２のソース端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４６のソース端子及びＮｃｈトランジスタ５３、５７のソース端子及び反転電圧発生回路９の入力端子と接続し、ゲート端子は信号入力端子５９と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４５のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ４４のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４６のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４２のゲート端子及び接地端子と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４６のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４５のソース端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ４３のソース端子及びＮｃｈトランジスタ５３、５７のソース端子及び反転電圧発生回路９の入力端子５１と接続し、ゲート端子は信号入力端子６０と接続する。インバータ回路を形成するＰｃｈトランジスタ４７のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、ドレイン端子はＮｃｈトランジスタ４８のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４９のゲート端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４８のゲート端子及びＮｃｈトランジスタ４４のドレイン端子と接続する。Ｎｃｈトランジスタ４８のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ４７のドレイン端子と接続し、ソース端子は接地端子と接続し、ゲート端子はＰｃｈトランジスタ４７のゲート端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ４９のソース端子は反転電圧発生回路９の出力端子５０と接続し、ドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５２、５５のソース端子及びコンデンサ５８に接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ４８のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ４７のドレイン端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ５２のソース端子はＰｃｈトランジスタ４９のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ５５のソース端子及びコンデンサ５８と接続し、ドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５５のゲート端子及びＮｃｈトランジスタ５４のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＮｃｈトランジスタ５３、５７のゲート端子及び信号入力端子６１と接続する。Ｎｃｈトランジスタ５４のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５２のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ５３のドレイン端子と接続し、ゲート端子はＰｃｈトランジスタ５５のドレイン端子及びＰｃｈトランジスタ５６のソース端子及び接地端子と接続する。
【００３６】
Ｎｃｈトランジスタ５３のドレイン端子はＮｃｈトランジスタ５４のソース端子と接続し、ソース端子は反転電圧発生回路９の入力端子５１と接続し、ゲート端子は信号入力端子６１と接続する。Ｐｃｈトランジスタ５５のソース端子はＰｃｈトランジスタ５２のソース端子と接続し、ドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５６のソース端子及びＮｃｈトランジスタ５４のゲート端子及び接地端子と接続し、ゲート端子はＰｃｈトランジスタ５２のドレイン端子及びＮｃｈトランジスタ５４のドレイン端子と接続する。Ｐｃｈトランジスタ５６のソース端子はＰｃｈトランジスタ５５のドレイン端子と接続し、ソース端子はＮｃｈトランジスタ５７のドレイン端子及びコンデンサ５８と接続し、ゲート端子は信号入力端子６１と接続する。
【００３７】
Ｎｃｈトランジスタ５７のドレイン端子はＰｃｈトランジスタ５６のドレイン端子と接続し、ソース端子は反転電圧発生回路９の入力端子５１と接続し、ゲート端子は信号入力端子６１と接続する。ここで、信号入力端子６０、６１は同相で、入力信号端子５９は信号入力端子６０、６１に対して逆相である。信号入力端子５９、６０、６１に入力される信号は−側発振回路８から供給される。
【００３８】
ここで反転電圧発生回路９のトランジスタ４１から４８でレベルシフト回路を構成している。反転電圧発生回路９は−側発振回路８の信号で動作しているが、極性を反転した後の電力を出力端子５０に送るＰｃｈトランジスタ４９のオン・オフは−側発振回路８の信号で制御できない。このため、このレベルシフト回路を組み込んでＰｃｈトランジスタ４９を制御することにより、確実に反転した後の電力（接地端子に対してプラスの電力）を電源システムの出力端子６に送ることができる。
【００３９】
ダイオード回路を構成するショットキーダイオード５、１１は、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２あるいは反転電圧発生回路９の出力端子から電力が供給されると電気を通して電源システムの出力端子６に電力を供給すると共に、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作しているときは反転電圧発生回路９に電力が逆流しないように、また、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作しているときは＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２に電力が逆流しないように整流する働きをもっている。ショットキーダイオード５のアノード端子は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続し、カソード端子を電源システムの出力端子６と接続する。ショットキーダイオード１１のアノード端子は反転電圧発生回路９の出力端子と接続し、カソード端子を電源システムの出力端子６と接続する。ショットキーダイオード５、１１は電圧降下のなるべく低いものを選択する。本発明では電圧降下０．１５Ｖのものを使用した。
【００４０】
本発明の電源システムでは、各回路を支持基板上に絶縁膜を介して形成された半導体膜上に形成される半導体デバイス、いわゆる完全空乏型ＳＯＩデバイスで構成した場合、その効果は非常に大きくなる。通常、Ｂｕｌｋデバイスでは基板とトランジスタのソースを接続するため、本発明のようなアプリケーションでは極性が反対になったときの電流の逆流を防ぐことが難しい。これを防ぐにはＢｕｌｋ基板上にトリプルウェル構造を作ってトランジスタをフローティングするなどの対策が必要である。これに対し完全空乏型ＳＯＩデバイスでは、基板（ボディ領域）をフローティングの状態で動作させることが可能のため、たとえ入力電源の極性が反転しても、必ず電流のパスがＰＮＰあるいはＮＰＮとなり、電流の逆流は非常に小さいものとなる。このことから、本発明の電源システムに使う各回路のトランジスタは完全空乏型ＳＯＩデバイスを用いることで、極性が反転したときの逆流パスを気にすることなく設計を行うことができ、さらにトリプルウェル構造を作るなどの工程増も必要ない。また完全空乏型トランジスタでは、同じしきい値電圧のトランジスタで比べた場合、リーク電流がＢｕｌｋデバイスに比べて１桁低く押さえることができるため、しきい値電圧を下げることができ、出力電圧が低いエネルギー源１でも電子機器に電力を供給することが可能である。
【００４１】
次に本発明の電源システムにおける動作について説明する。ここではエネルギー源１として熱電変換素子を用いた場合で説明する。他のエネルギー源、例えばソーラーセルやゼンマイ発電でも同様である。室温に対して高温の物体を熱電変換素子上に置いて、接地端子に対してプラス側の電力が出力端子に出力された場合、電流は電源ラインを通って、ショットキーダイオード４、１０、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７方向に流れる。ここで、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、回路上逆極性の電流が流れ込まないように構成されているため、ダイオード接続の順方向になるような電流パスはない。つまり、この場合−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７には電流が流れ込まない。ショットキーダイオード１０は逆方向になるため、電流は流れず、ショットキーダイオード４は順方向になるため、電流を流して＋側発振回路３の電源端子に電力が供給される。電源端子に電力を供給された＋側発振回路３は、接地端子に対してプラス側のハルス信号を発生し、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子にパルス信号を供給する。＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は信号入力端子にパルス信号を受けると、熱電変換素子の電力を昇圧し、所望の電圧を出力端子に出力する。
【００４２】
ここで本発明の特徴は、＋側発振回路３の動作開始電圧が電子機器等負荷回路の動作開始電圧よりも低いことが特徴である。仮に電子機器の動作開始電圧と＋側発振回路３の動作開始電圧が同じ場合、ショットキーダイオード４から流れてきた電力は＋側発振回路３と電子機器の両方に電流が流れてしまい、電圧降下が起こってどちらも動作しない状態になる。このため、本発明では＋側発振回路３の動作開始電圧を電子機器より低くすることによって、最初に＋側発振回路が動作し、次に＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作することによって、最適な電圧電源を電子機器に供給することができる。
【００４３】
＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２から出力された電力はショットキーダイオード５を通って、電源システムの出力端子６に出力され、電子機器に供給される。
ここで熱電変換素子の出力特性について説明する。熱電変換素子の出力特性は図６に示すように、発電開始直後は高い出力電圧があるが、その後出力電圧は下がってくる。熱電変換素子は接合間の温度差を電力に変える素子であるため、熱源を置いて時間が経つと素子を伝わって熱が接合間に拡散し、接合間の温度差が小さくなってくる。このため、図６のように出力電圧が低下してくる。実験結果では５分程度で０．１Ｖ程度まで出力電圧が低下する。
【００４４】
上記のような熱電変換素子をエネルギー源１として用いた場合、いくら＋側発振回路３の動作開始電圧を低くしたとしても、０．１Ｖ程度では動作せず、電子機器に電力を供給できない。そこで本発明はこの点を解決するために、＋側発振回路３の電源端子はショットキーダイオード４のカソード端子に接続しているだけではなく、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子にも接続している。そのため、一旦＋側発振回路３が動作してパルス信号を発生し、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作すると、＋側発振回路３は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力をもらって動作するので、熱電変換素子の出力が低下しても、電力の供給がある限り昇圧を行い、電子機器に電力を供給しつづけることが可能である。
【００４５】
次に、室温に対して低温の物体、例えば氷水を熱電変換素子上に置いて、接地端子に対して−側の電力が出力端子に出力された場合、電流は電源ラインを通って、ショットキーダイオード４、１０、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７方向に流れる。ここで、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、回路上逆極性の電流が流れ込まないように構成されているため、ダイオード接続の順方向になるような電流パスはない。つまり、この場合＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２には電流が流れ込まない。ショットキーダイオード４は逆方向になるため、電流は流れず、ショットキーダイオード１０は順方向になるため、電流を流して−側発振回路８の電源端子に電力が供給される。
【００４６】
ここで、反転電圧発生回路９は−側発振回路８からの信号を受け取らない限り、電流が流れ込まない構成になっている。そのため、ショットキーダイオード１０を通って流れてきた電流は、最初に−側発振回路８を起動する。電源端子に電力を供給された−側発振回路８は、接地端子に対してマイナス側のハルス信号を発生し、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子にパルス信号を供給する。
【００４７】
−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は信号入力端子にパルス信号を受けると、熱電変換素子の電力をマイナス側に昇圧し、絶対値が所望の電圧である電圧を出力端子に出力する。そして、信号入力端子に−側発振回路８のパルス信号を受けた反転電圧発生回路９は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を入力し、極性を反転させる。
【００４８】
反転電圧発生回路９内部の動作は、まずＮｃｈトランジスタ５７とＰｃｈトランジスタ５５をオンさせ、コンデンサ５８の一方に入力端子５１を介して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子を接続し、もう一方を接地端子と接続する。次にＮｃｈトランジスタ５７とＰｃｈトランジスタ５５をオフさせ、Ｐｃｈトランジスタ４９と５６をオンさせることで、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧を接地端子に対して極性を反転させることができる。
【００４９】
−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力電圧を反転して反転電圧発生回路９から出力された電力はショットキーダイオード１１を通して電源システムの出力端子６に供給され、電子機器に供給される。
【００５０】
次に熱電変換素子の出力電圧が、熱飽和により低下してきて出力電圧が−０．１Ｖ程度になった場合を説明する。−側発振回路８の電源端子はショットキーダイオード１０のアノード端子に接続しているだけではなく、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子にも接続している。そのため、一旦−側発振回路８が動作してパルス信号を発生し、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作すると、−側発振回路８は−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の電力をもらって動作するので、熱電変換素子の出力が低下しても、電力の供給がある限り、電子機器に電力を供給しつづけることが可能である。
【００５１】
以上のような構成にすることで本発明の電源システムは、エネルギー源１の出力が接地電位に対してプラスの場合もマイナスの場合も、電子機器には接地電位に対してプラスの電圧を供給することができる。例えばユーザーが誤接続で電子機器の電池を入れ間違えたとしても、電子機器は正常に動作する。また本発明の回路構成では、エネルギー源１に極性反転のスイッチを設けることなく、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してプラスの場合は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は動作せず、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してマイナスの場合は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作して＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作しない構成となっている。このため無駄な電力消費がなく、変換効率の良い電源システムが実現できる。
【００５２】
また、これまでの技術ではエネルギー源１の出力電圧が低下してきた場合、電源の極性を反転する回路が動作を続けることができず、電子機器に電力を供給することができなかったが、本発明では一旦発振回路３、８が動作すればエネルギー源１からの電力供給がある限り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７で昇圧して電子機器に適正な電力を供給することができる。
【００５３】
また本発明の別の実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図を図７に示す。本発明の電源システムは、状況や環境によって接地電位に対する出力の極性が変化するエネルギー源１と、プラス側電源変換部１２とマイナス側電源変換部１３からなる。電源変換部１２，１３は、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のプラス側の出力電力を電圧変換する＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２と、エネルギー源１の出力と接続した、エネルギー源１のマイナス側の出力電力を電圧変換する−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７と、ゲート端子及びドレイン端子とエネルギー源１の出力を接続し、ソース端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子及びエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３の電源端子と接続したＭＯＳトランジスタ６１と、ソース端子とエネルギー源１の出力を接続し、ドレイン端子及びゲート端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８の電源端子と接続したＭＯＳトランジスタ６２と、電源端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端子及びＭＯＳトランジスタ６１のソース端子を接続し、出力端子と＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の信号入力端子を接続したエネルギー源１のプラス側の出力電力で動作する＋側発振回路３と、電源端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子及びＭＯＳトランジスタ６２のゲート端子及びソース端子を接続し、出力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の信号入力端子及び反転電圧発生回路９の信号入力端子を接続したエネルギー源１のマイナス側の出力電力で動作する−側発振回路８と、入力端子と−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力端子を接続した反転電圧発生回路９と、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子及び反転電圧発生回路９の出力端子と接続する出力選択回路７１から構成される。
【００５４】
出力選択回路７１は、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力電力があった場合は、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力電力を電子機器に供給すると共に、出力電力のない反転電圧発生回路９への逆流を防ぎ、反転電圧発生回路９からの出力電力があった場合は、反転電圧発生回路９からの出力電力を電子機器に供給すると共に、出力電力のない＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２への逆流を防ぐ役割がある。
【００５５】
出力選択回路７１の回路一例を図８に示す。
【００５６】
＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と接続された＋側入力端子８１は、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３のドレイン端子及び抵抗８７と接続する。反転電圧発生回路９の出力端子と接続された−側入力端子８２は、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４のドレイン端子及び抵抗８９と接続する。抵抗８８は一方を抵抗８７と接続し、もう一方を接地端子と接続する。抵抗９０は一方を抵抗８９と接続し、もう一方を接地端子と接続する。コンパレータ８６は＋入力を抵抗８７、８８の中点と接続し、−入力を抵抗８９、９０の中点と接続し、出力端子をインバータ８５の入力端子及びＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４のゲート端子と接続し、電源端子を電源システムの出力端子６と接続し、接地端子をエネルギー源１の接地端子と接続する。
【００５７】
インバータ８５は入力端子をコンパレータ８６の出力端子と接続し、出力端子をＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３のゲート端子と接続し、電源端子を電源システムの出力端子６と接続し、接地端子をエネルギー源１の接地端子と接続する。ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３はソース端子とボディ端子を接続し、電源システムの出力端子６と接続する。ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４はソース端子とボディ端子を接続し、電源システムの出力端子６と接続する。
【００５８】
出力選択回路７１の動作は、＋側入力端子８１に電力が供給されるとＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３のドレイン端子−ボディ端子間のＰＮ接合が順方向となり、ソース端子を通って電源システムの出力端子６の方に電流が流れる。するとコンパレータ８６、インバータ８５が動作を開始する。＋側入力端子８１に電力が供給されたために抵抗８７、８８の中点は電位が発生し、コンパレータ８６はＨｉｇｈ信号を出力する。そのため、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４はオフし、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３はオンする。これにより＋側入力端子８１の電力が電源システムの出力端子６に供給されると共に、電源システムの出力端子６から−側入力端子８２への電流の逆流を防ぐ。
【００５９】
また、−側入力端子８２に電力が供給されるとＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４のドレイン端子−ボディ端子間のＰＮ接合が順方向となり、ソース端子を通って電源システムの出力端子６の方に電流が流れる。するとコンパレータ８６、インバータ８５が動作を開始する。−側入力端子８２に電力が供給されたために抵抗８９、９０の中点は電位が発生し、コンパレータ８６はＬｏｗ信号を出力する。そのため、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８３はオフし、ＰｃｈＭＯＳトランジスタ８４はオンする。これにより−側入力端子８２の電力が電源システムの出力端子６に供給されると共に、電源システムの出力端子６から＋側入力端子８１への電流の逆流を防ぐ。
【００６０】
以上のように構成されることで、本発明の実施の形態ではエネルギー源１の出力が接地電位に対してプラスの場合もマイナスの場合も、電子機器には接地電位に対してプラスの電圧を供給することができる。例えばユーザーが誤接続で電子機器の電池を入れ間違えたとしても、電子機器は正常に動作する。また本発明の回路構成では、エネルギー源１に極性反転のスイッチを設けることなく、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してプラスの場合は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は動作せず、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してマイナスの場合は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作して＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作しないシーケンスになっている。このため無駄な電力消費がなく、変換効率の良い電源システムが実現できる。
【００６１】
また、これまでの技術ではエネルギー源１の出力電圧が低下してきた場合、電子機器に電力を供給することができなかったが、本発明では一旦発振回路３、８が動作すればエネルギー源１からの電力供給がある限り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７で昇圧して電子機器に適正な電力を供給することができる。
【００６２】
さらに、出力選択回路７１を設けることによって、電源システムの出力端子６に出力される電力が＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧回路９に逆流するのを防ぐと共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７の出力電力をダイオードを用いたときの電圧降下などなく、効率よく電源システムの出力端子６に供給することができる。また本出力選択回路７１は、他の回路ブロックから信号をもらうことなく＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧発生回路９の出力電力のある方を自動的に選択し、電子機器に電力を供給することができるというメリットがある。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、エネルギー源１の出力が接地電位に対してプラスの場合もマイナスの場合も、電子機器には接地電位に対してプラスの電圧を供給することができるという効果がある。例えばユーザーが誤接続で電子機器の電池を入れ間違えたとしても、電子機器は正常に動作する。
【００６４】
また、本発明の回路構成では、エネルギー源１に極性反転のスイッチを設けることなく、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してプラスの場合は＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作して−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７は動作せず、エネルギー源１の出力電圧が接地電位に対してマイナスの場合は、−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作して＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作しない構成になっている。このため無駄な電力消費がなく、変換効率の良い電源システムが実現できる効果がある。
【００６５】
また、これまでの技術ではエネルギー源１の出力電圧が低下してきた場合、電子機器に電力を供給することができなかったが、本発明では一旦発振回路３、８が動作すればエネルギー源１からの電力供給がある限り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７で昇圧して電子機器に適正な電力を供給することができるという効果がある。
【００６６】
さらに本発明の別の形態では、＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２及び反転電圧発生回路９の出力端子と出力選択回路７１が接続されているため、電源システムの出力端子６に出力される電力が＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧回路９に逆流するのを防ぐと共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、７の出力電力をダイオードを用いたときの電圧降下などなく、効率よく電源システムの出力端子６に供給することができる。
【００６７】
また本出力選択回路７１は、他の回路ブロックから信号をもらうことなく＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２、あるいは反転電圧発生回路９の出力電力のある方を自動的に選択し、電子機器に電力を供給することができるという効果がある。
【００６８】
また＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ２及び−側ＤＣ−ＤＣコンバータ７ょをスイッチドキャパシタ型ＤＣ−ＤＣコンバータで構成することにより、低消費電力ＩＣの領域においてより高い電源変換効率を示す。
【００６９】
さらに、各回路を支持基板上に絶縁膜を介して形成された半導体膜上に形成される半導体デバイス、いわゆる完全空乏型ＳＯＩデバイスで構成した場合、その効果は非常に大きくなる。通常、Ｂｕｌｋデバイスでは基板とトランジスタのソースを接続するため、本発明のようなアプリケーションでは極性が反対になったときの電流の逆流を防ぐことが難しい。
【００７０】
これを防ぐにはＢｕｌｋ基板上にトリプルウェル構造を作ってトランジスタをフローティングするなどの対策が必要である。これに対し完全空乏型ＳＯＩデバイスでは、基板（ボディ領域）をフローティングの状態で動作させることが可能のため、たとえ入力電源の極性が反転しても、必ず電流のパスがＰＮＰあるいはＮＰＮとなり、電流の逆流は非常に小さいものとなる。このことから、本発明の電源システムに使う各回路のトランジスタは完全空乏型ＳＯＩデバイスを用いることで、極性が反転したときの逆流パスを気にすることなく設計を行うことができ、さらにトリプルウェル構造を作るなどの工程増も必要ない。
【００７１】
また完全空乏型トランジスタでは、同じしきい値電圧のトランジスタで比べた場合、リーク電流がＢｕｌｋデバイスに比べて１桁低く押さえることができるため、しきい値電圧を下げることができ、出力電圧が低いエネルギー源１でも電子機器に電力を供給することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の形態に係る昇圧型のスイッチドキャパシタタイプＤＣ−ＤＣコンバータの概略回路図と動作模式図である。
【図３】本発明の形態に係る昇圧型のＬＣ型ＤＣ−ＤＣコンバータの概略回路図である。
【図４】本発明の形態に係る反転電圧発生回路の概略回路図である。
【図５】本実施の形態に係る電源システムの別の概略構成を示すブロック図である。
【図６】熱電変換素子の発電出力特性を示す図である。
【図７】本実施の形態に係る電源システムの別の概略構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の形態に係る出力選択回路の概略回路図である。
【図９】従来の電源システムを示す図である。
【符号の説明】
１ エネルギー源
２ ＋側ＤＣ−ＤＣコンバータ
３ ＋側発振回路
４、５、１０、１１ ショットキーダイオード
６、２８、３５、５０、１０７、１０８ 出力端子
７ −側ＤＣ−ＤＣコンバータ
８ −側発振回路
９ 反転電圧発生回路
１２ ＋側電源変換部
１３ −側電源変換部
２１、３１、５１、１０５、１０６ 入力端子
２２、２３、２５、２６、３２ トランジスタ
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４７、４９ トランジスタ
５２、５３、５４、５５、５６、５７、６１、６２、８３、８４ トランジスタ２４、２７、５８ コンデンサ
３３、１０１、１０２、１０３、１０４ ダイオード
３４ インダクタ
５９、６０、６１ 入力信号端子
８１ ＋側入力端子
８２ −側入力端子
８５ インバータ
８６ コンパレータ
８７、８８、８９、９０ 抵抗
１００ ダイオードブリッジ回路
１０９、１１０、１１１、１１２ 接続中点
Claims (4)
- 電源の電圧が印加される第１の端子と、
電源システムで変換した電力を出力する第２の端子と、
前記第１の端子に接続された第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第１の端子に接続され、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータと極性が反対の電圧を昇圧して出力する第２のＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力に接続され、出力電圧の極性を反転させる反転電圧発生回路と、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧で動作し、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータを制御するためのパルス信号を出力する第１の発振回路と、
前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧で動作し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータと前記反転電圧発生回路とをそれぞれ制御するためのパルス信号を出力する第２の発振回路と、
アノード端子が前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力に接続され、カソード端子が前記第２の端子に接続された第１のショットキーダイオードと、
アノード端子が前記反転電圧発生回路の出力に接続され、カソード端子が前記第２の端子に接続された第２のショットキーダイオードと、
アノード端子が前記第１の端子に接続され、カソード端子が前記第１の発振回路に接続され、起動時に前記第１の発振回路に前記電源の電圧を供給する第３のショットキーダイオードと、
カソード端子が前記第１の端子に接続され、アノード端子が前記第２の発振回路に接続され、起動時に前記第２の発振回路に前記電源の電圧を供給する第４のショットキーダイオードと、を有し、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータ及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、完全空乏型ＭＯＳトランジスタで構成されており、極性の違う電源の電圧を切り替えて入力するスイッチ回路を必要としないことを特徴とする電源システム。 - 前記第３及び第４のショットキーダイオードは、
ソース端子とゲート端子が接続されたアノード端子と、ドレイン端子をカソード端子とする３端子の完全空乏型ＭＯＳトランジスタで構成し、しきい値電圧を低くしたことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。 - 前記第１及び第２のショットキーダイオードは、
ソース端子とゲート端子が接続されたアノード端子と、ドレイン端子をカソード端子とする３端子の完全空乏型ＭＯＳトランジスタで構成し、しきい値電圧を低くしたことを特徴とする請求項２に記載の電源システム。 - 前記電源は、熱伝変換素子であることを特徴とする請求項２または３に記載の電源システム。
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