JP4111215B2

JP4111215B2 - 電源装置

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Publication number: JP4111215B2
Application number: JP2005278579A
Authority: JP
Inventors: 卓福井; 光輝畑谷; 裕司高田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2025-09-26
Also published as: JP2007089372A

Description

本発明は、発電素子により得られる微小電力を蓄電して負荷に動作電源を供給する蓄電機能を備えた電源装置に関するものである。

警報システム等に用いられる各種センサ装置には、電源供給が有線で行われたり、センサ信号の出力を有線で行うものがあるが、センサ装置から電源装置までの配線や、センサ装置から信号を受け取る受信装置までの配線を必要とする。

このような構成のセンサ装置では、センサ装置を取り付けるときやメンテナンスなどでは配線施工や、配線の取り外しなどの必要があり、非常に時間と費用がかかるという問題がある。

そのため、電源として一次電池を用いるとともに、センサ信号をワイヤレスで外部へ送信するセンサ装置が提供されるようになってきている。そして電池駆動時間の長寿命化の必要性からセンサ装置の低消費電力化が図られている。一方この一次電池の交換等の手間を考えて、発電素子を用いた電力供給部を採用することで、システム全体の電池レス化が図られるようになってきている。

ところで発電素子を用いた電力供給部では、発電素子から得られる微小な電力が安定した値にならないので、いかにその微小電力を有効に利用するかという発電効率が大きな課題としてある。

例えば、発電素子として光電効果を利用する太電電池を使用する電源装置としては、図５に示すように太陽電池１の起電力（以下発生電力という）で単一の容量素子たるコンデンサＣ０を充電し、このコンデンサＣ０に蓄電された電力で、負荷Ｒを駆動する構成が考えられる。しかしこの図５の回路構成の場合、太陽電池１への光照射が連続して行われた場合、コンデンサＣ０は比較的短時間で完全充電されるが、その後に発生する太陽電池１の発生電力を有効に利用することができず、無駄に捨てることになる。

更に太陽電池１に光が長時間照射されないような状態において、負荷Ｒを確実に動作させることのできる動作保証時間を長くするためには、コンデンサＣ０の容量を大きくする必要がある。しかし、コンデンサＣ０の容量値を余り大きくすると、負荷Ｒが動作可能な電圧に達するまでの電源の立ち上がり時間が長くなるという問題が生じる。

例えば、太陽光等の光が十分太陽電池１に照射されている状態で、コンデンサＣ０を充電する充電電流を５００μＡとし、負荷Ｒの動作可能な電圧を３Ｖ、コンデンサＣ０の容量値を１Ｆとした場合は、負荷Ｒが動作可能となるまでの時間は６０００ｓｅｃとなる。

しかし、蛍光灯のような光量があまり得られない光源下の場合の充電電流を５０μＡとすると、負荷Ｒが動作可能となるまでの時間は６００００ｓｅｃとなって非常に長い起動時間となってしまう。

このような単一のコンデンサＣ０を用いた場合の課題を解決するために、異なる容量値のコンデンサを二つ用いた電源装置を備えたものが提供されている（例えば特許文献１）。

この特許文献１に開示されている電源装置は、容量値が異なる二つのコンデンサを持ち、この二つのコンデンサを交互に充電して、太陽電池の発生電圧が負荷の最低動作開始電圧を維持する程度の照度しか得られない場合にあっても、大容量のコンデンサへの充電を可能とし、太陽電池への入射光量が大きく変動する場合にあっても負荷を安定して駆動できるようになっている。
特許第３５９２３５９号公報（段落番号００１１，００１２）

ところで、特許文献１に開示されている太陽電池式の時計に用いられている電源装置は、室内のような低照度下でも太陽電池の発電量を確保するために、直列接続した複数の太陽電池を用いており、負荷装置として大型な時計などでは太陽電池の配置スペースなどは特に問題とならないが、例えば焦電素子等を用いた人感センサ等のセンサ装置のような場合には、センサ素子の配置スペースよりも電源装置としての太陽電池の配置スペースが大きくなり、センサ装置が大型化してしまうという問題がある。

このようなセンサ装置の大型化を避けるためには、電源装置として発電素子（太陽電池）、容量素子（コンデンサ）とも大型化できないという制約があり、その中で発電素子の微小電力を効率良く利用して長時間に亘って安定良く負荷であるセンサ素子へ電力供給することができる電源装置が希求されている。

本発明は、上述の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、発電素子より得られる微小電力を効率良く、負荷に安定した電源を与えることができるとともに、負荷の動作を保障することができる期間を大幅に伸ばすことができ、負荷装置に組み込む場合のスペースも小さく済む電源装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、発電素子と、該発電素子から得られる電圧を昇圧する昇圧回路と、容量値が異なる第１，第２の容量素子を有し、前記昇圧回路からの出力電圧を選択的に前記第１，第２の容量素子を切り替え接続して蓄電させるとともに、第１，第２の容量素子の電圧を切り替え出力させる出力切替回路と、前記発電素子の発電状態に基づく前記各容量素子の蓄電状態に応じて前記出力切替回路に第１，第２の容量素子の蓄電及び出力の切り替えを行う切替信号を出力する制御回路と、前記各容量素子から出力される電圧を受けて負荷に電力を供給する供給部とを備え、前記制御回路は、前記容量素子のうち容量値の小さな第１の容量素子の出力電圧が第１の閾値よりも小さい場合に、該第１の容量素子へ蓄電すべく前記切替信号を出力し、前記第１の容量素子の出力電圧が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を超える場合に、容量値の大きな第２の容量素子へ蓄電すべく前記切替信号を出力してなり、容量値の大きな前記第２の容量素子には高電圧出力で蓄電し、容量値の小さな前記第１の容量素子には低電圧出力で蓄電することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、容量の大きい容量素子が充電されていない状態でも昇圧された電圧で容量の小さい容量素子に対して蓄電するため、負荷を動作させることができる電圧を短時間で確保でき、負荷へ電力を供給することを可能とし、しかも容量値の大きい容量素子を蓄電することで、発電素子からの出力がなくなっても、容量値の大きな容量素子からの電荷により負荷を長時間駆動することが可能となり、結果負荷に安定した電源を与えることができる上に、負荷の動作を保証することができる期間を大幅に伸ばすことができ、また単セルの発電素子の利用も可能となって、負荷装置に組み込む場合のスペースも小さく済み負荷装置の大型化が避けられる。さらに、発電素子の発生電力を効率良く容量素子に蓄電させることができる上に、負荷への電力供給の安定化が図れ、しかも、容量素子の容量値に応じて発電素子の発生電力を効率良く容量素子に蓄電できる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記昇圧回路は、異なる大きさの出力電圧を出力する第１，第２の昇圧部を有し、出力電圧が低い方の第１の昇圧部の出力電圧により前記第１の容量素子を蓄電し、出力電圧が高い方の第２の出力電圧により前記第２の容量素子を蓄電することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、回路の無駄な電力消費がなくなり、そのため発電素子の微小電力を効率良く使用して第１，第２の容量素子を蓄電することができる。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記第１，第２の昇圧部を前後直列に接続して、後段の第２の昇圧部は前段の第１の昇圧部の出力電圧を昇圧し、これら第１，第２の昇圧部から異なる大きさの出力電圧を出力することを特徴とする。

請求項３の発明によれば、スイッチトキャパシタ構成のような回路規模が小さな簡単な回路で昇圧部を構成することができ、小型化を図ることが可能となる。

請求項４の発明では、請求項１乃至３の何れかの発明において、前記第２の容量素子からの出力電圧を降圧して前記供給部へ出力する降圧回路を備えていることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、昇圧回路で昇圧する電圧を負荷の電源電圧よりも高くして、大容量値の第２の容量素子で蓄電することができ、その第２の容量素子の高い電圧を降圧して負荷を動作させることで、消費電力を抑えることができ、発電素子の発生電力を効率良く利用できる。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、前記降圧回路は、前記第２の容量素子の放電経路に直列に挿入した第１，第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子を介して前記第２の容量素子に並列に接続される該第３の容量素子とで構成され、前記第１の容量素子の電圧により負荷へ電力を供給している状態では前記第１のスイッチ素子をオン、前記第２のスイッチ素子をオフして前記第３の容量素子と前記第２の容量素子とを第１のスイッチ素子を介して並列に接続して前記第２の容量素子の電荷で前記第３の容量素子を充電し、前記第１の容量素子の電圧が所定値まで低下したときに、前記第１のスイッチ素子をオフ、前記第２のスイッチ素子をオンして前記第２のスイッチ素子を通じて前記第３の容量素子の電荷を第１の容量素子に受け渡して第１の容量素子の電圧を所定値より高く上昇させ、この上昇後に前記第１のスイッチ素子をオン、前記第２のスイッチ素子をオフすることを特徴とする。

請求項５の発明によれば、降圧回路を簡単な構成とすることができるとともに、チョッパ型の降圧回路のような発振回路が必要なくなり、発振回路での無駄な消費電力がなくなる。

請求項６の発明では、請求項１乃至５の何れかの発明において、前記昇圧回路がスイッチング動作用の発振回路を備え、前記制御回路は前記発電素子の出力が所定の閾値よりも小さくなった場合に、前記発振回路の動作を停止させるようにしたことを特徴とする。

請求項６の発明によれば、発電素子の発生電力が小さくなった場合に、回路内の無駄な電力消費を抑えることができ、発電素子の発生電力を効率良く利用できる。

本発明は、容量の大きい容量素子が充電されていない状態でも昇圧された電圧で容量の小さい容量素子に対して蓄電するため、負荷を動作させることができる電圧を短時間で確保でき、負荷へ電力を供給することを可能とし、しかも容量値の大きい容量素子を蓄電することで、発電素子からの出力がなくなっても、容量値の大きな容量素子からの電荷により負荷を長時間駆動することが可能となり、結果負荷に安定した電源を与えることができる上に、負荷の動作を保証することができる期間を大幅に伸ばすことができ、また単セルの発電素子の利用も可能となって、負荷装置に組み込む場合のスペースも小さく済み負荷装置の大型化が避けられ、さらに、発電素子の発生電力を効率良く容量素子に蓄電させることができる上に、負荷への電力供給の安定化が図れ、しかも、容量素子の容量値に応じて発電素子の発生電力を効率良く容量素子に蓄電できるという効果がある。

本発明は焦電センサ等のセンサに組み込まれ、センサの動作電源を供給する電源装置を実現したもので、以下実施形態により説明する。但し、本発明の実施形態を説明する前に、本発明の実施形態と基本構成が共通である参考例について説明する。
（参考例１）
本参考例１は、図１に示すように、発電素子に単セルの太陽電池１を用い、その単セルの太陽電池１の発生電力に対応する発生電圧（以下起電圧という）Ｖｉｎを、まず昇圧チョッパ等の昇圧回路２にて、焦電センサ等のセンサからなる負荷３の電源電圧Ｖｏｕｔより大きい，電圧Ｖｘに昇圧する。そして、この昇圧された電圧Ｖｘは出力切替回路４に入力され、出力切替回路４内に設けた容量値の異なる二つの容量素子たるコンデンサＣ１，Ｃ２に例えば半導体スイッチ素子からなるスイッチ素子ＳＷＡ，ＳＷＢを通じて選択的に接続される。

これらコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧ＶＡ．ＶＢは、負荷３に電源を供給する供給部たるレギュレータ回路５の入力側に対して半導体スイッチ素子からなるスイッチ素子ＳＷＣ，ＳＷＤを介して選択的に接続され、レギュレータ回路５により安定した電源電圧Ｖｏｕｔとして負荷３に与える。また後述する制御回路６内の各素子への電源ＶＤとして用いられる。

出力切替回路４のスイッチ素子ＳＷＡ〜ＳＷＤによるコンデンサＣ１、Ｃ２の選択的切替には、制御回路６から出力される切替信号ＳＷａ〜ＳＷｄにより制御される。制御回路６は、先の各コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＡ，ＶＢ、太陽電池１の起電圧Ｖｉｎをモニタしており、それぞれの状況に応じて出力切替回路４のスイッチ素子ＳＷＡ〜ＳＷＤを切り替える切替信号ＳＷａ〜ＳＷｄを出力している。

ここで制御回路６の動作について説明する。制御回路６は、図示するように太陽電池１の起電圧Ｖｉｎ（約０．５Ｖ）をモニタする電圧モニタ回路Ｘ１と、二つのコンデンサＣ１，Ｃ２の各電圧値ＶＡとＶＢを比較するコンパレータからなる比較回路Ｘ２、容量値が小さい方のコンデンサＣ１の電圧ＶＡと、閾値たる基準電圧ＶＬ＜第１の閾値＞又はＶＨ＜第２の閾値＞とを比較するコンパレータＣＰ１を備えた比較回路Ｘ３より構成されている。ここでコンパレータＣＰ１の基準電圧発生回路は電圧ＶＡをダイオード群と抵抗Ｒ０とで分圧して抵抗Ｒ０の両端電圧を基準電圧としてコンパレータＣＰ１に与えるようになっており、ダイオード群の一つをスイッチ素子Ｑ２のオン／オフすることでバイパスするか否かで基準電圧をＶＨかＶＬに切り替えるようになっており、スイッチ素子Ｑ２のゲート信号は後述するアンド回路Ａ２の出力により与えられる。

ここで光照射を受けた太陽電池１の起電圧Ｖｉｎがある一定値以上となった場合は、スイッチング素子Ｑ１がオンとなるため、電圧モニタ回路Ｘ１の出力Ｘ０１は”Ｌ”レベルとなり、比較回路Ｘ２の出力Ｘ０２に関係無く、アンド回路Ａ１の出力が”Ｌ”レベルとなる。この出力は切替信号ＳＷｄとなり、また反転されて切替信号ＳＷｃとなる。従って、出力切替回路４のスイッチ素子ＳＷＣはオンとなり、スイッチ素子ＳＷＤはオフとなる。

また一方コンデンサＣ１の電圧ＶＡがある一定値ＶＨになるまでは比較回路Ｘ３の出力Ｘ０３は”Ｈ”レベルであるため、この出力Ｘ０３と、出力Ｘ０１の反転信号との論理積をとるアンド回路Ａ２の出力が”Ｈ”レベルとなる。そのためこのアンド回路Ａ２の出力と出力Ｘ０１の反転信号との論理積をとるアンド回路Ａ３の出力、つまり切替信号ＳＷａが”Ｈ”レベルとなり、出力切替回路４のスイッチ素子ＳＷＡはオンとなる。またアンド回路Ａ２の出力の反転信号と出力Ｘ０１の反転信号との論理積をとるアンド回路Ａ４の出力、つまり切替信号ＳＷｂが”Ｌ”レベルとなり、出力切替回路４のスイッチ素子ＳＷＢはオフとなる。このスイッチ素子ＳＷＡがオン、スイッチ素子ＳＷＢがオフの状態をＳ１とする。

この状態では、太陽電池１の起電圧Ｖｉｎを昇圧した昇圧回路２の出力電圧ＶｘによりコンデンサＣ１が充電され、その電圧ＶＡが上昇する。この電圧ＶＡが一定値ＶＨ以上になると比較回路Ｘ３の出力Ｘ０３は”Ｌ”レベルになり、そのため切替信号ＳＷａが”Ｌ”レベルとなって、スイッチ素子ＳＷＡはオフになる。またアンド回路Ａ４の出力である切替信号ＳＷｂが”Ｈ”レベルとなって、スイッチ素子ＳＷＢはオンになる。このスイッチ素子ＳＷＡがオフ、スイッチ素子ＳＷＢがオンの状態をＳ２とする。

尚比較回路Ｘ３ではスイッチ素子Ｑ２がアンド回路Ａ２の出力が”Ｈ”レベルのときにはオフし、バイパスしていたダイオードをダイオード群に直列接続して抵抗Ｒ０の両端電圧であるコンパレータＣＰ１に与える基準電圧をＶＬとしている。

この後、コンデンサＣ１の電圧ＶＡが降下していき、基準電圧ＶＬとなると、比較回路Ｘ３のコンパレータＣＰ１の出力が”Ｈ”レベルに戻り、その結果アンド回路Ａ２の出力が”Ｈ”レベルとなる。そのため出力切替回路４のスイッチ素子ＳＷＡ，ＳＷＢは状態Ｓ１に切り替わる。

逆に光照射量が少なく、太陽電池１の起電圧Ｖｉｎがある一定値以下になると、スイッチＱ１がオフし、電圧モニタ回路Ｘ１の出力Ｘ０１は”Ｈ”レベルとなる。一方比較回路Ｘ２ではコンデンサＣ１の電圧ＶＡがコンデンサＣ２の電圧ＶＢよりも高く、”Ｌ”レベルの出力が出ているため、この出力と出力Ｘ０１との論理積をとるアンド回路Ａ１の出力が”Ｌ”レベルとなり、これにより切替信号ＳＷｃが”Ｈ”レベル、切替信号ＳＷｄが”Ｌ”レベルになって、スイッチ素子ＳＷＣがオン、ＳＷＤがオフに切り替わる。

つまり、電圧ＶＡ＞電圧ＶＢのときは、比較回路Ｘ２の出力Ｘ０２は”Ｌ”レベルとなるのでスイッチ素子ＳＷＣはオン、スイッチ素子ＳＷＤはオフする。この状態をＳ３とする。反対に電圧ＶＡ＜電圧ＶＢのときは、比較回路Ｘ２の出力Ｘ０２は”Ｈ”レベルとなるので、スイッチ素子ＳＷＣはオフ、スイッチ素子ＳＷＤはオンする。この状態をＳ４とする。

また、光が得られず、太陽電池１の起電圧Ｖｉｎが発生しない状態では、スイッチ素子ＳＷＡ，ＳＷＢはオフに固定される。

各スイッチ素子ＳＷＡ〜ＳＷＤの状態表を表１に示す。

以下に本参考例１の数値例を挙げる。

数十ルクスの低照度下で、単セルの大腸電池１から得られる起電圧Ｖ１ｎが０．５Ｖ、充電電流が２０μＡ、負荷３は電源電圧Ｖｏｕｔが３Ｖで、消費電流が３μＡ、電源回路自体の消費電流が２μＡ、昇圧回路２の昇圧電圧Ｖｘを５Ｖ、制御回路６の比較回路Ｘ３のコンパレータＣＰ１の基準電圧ＶＬを３．５Ｖ，ＶＬを３．０Ｖ、コンデンサＣ１の容量値を１００μＦ、コンデンサＣ２の容量値を１Ｆとする。

ここで、基準電圧ＶＨ，ＶＬ（ＶＬ＜ＶＨ）の値は、昇圧回路２の昇圧電圧Ｖｘ（＝５Ｖ）より低く、負荷３が電源電圧Ｖｏｕｔの３Ｖ付近に設定している。これは、負荷電力を小さくするためである。

次に本参考例１の動作を詳説する。

図２（ａ）に示すように、光照射が続いている状態（Ｉ）と光照射がなくなる状態（II）を考える。

光照射が十分得られる状態では、スイッチ素子ＳＷＣがオン、スイッチ素子ＳＷＤがオフしているので、出力切替回路４の出力はコンデンサＣ１の電圧ＶＡとなっている。

電源装置の起動時は、太陽電池１から得られる起電圧Ｖｉｎを昇圧回路２で昇圧し、容量値の小さいコンデンサＣ１を即座（数十秒）に充電し、レギュレータ回路５を介して負荷３を駆動させる（Ｓ１状態）。ここで、コンデンサＣ１の容量値は、負荷３の負荷電流を十分賄える１００μＦにしている。図２（ｂ）に示すように時刻ｔ１でコンデンサＣ１の電圧ＶＡがある一定値ＶＨになると、大容量値のコンデンサＣ２への充電に切り替わり、負荷３はコンデンサＣ１に蓄えられた電荷で駆動され、電圧ＶＡは降下していく（Ｓ２状態）。

その後、時刻ｔ２で電圧ＶＡが一定値ＶＬまで低下すると、コンデンサＣ２への充電を止め、コンデンサＣ１の充電を開始する（Ｓ１状態）。先の数値例の場合、コンデンサＣ１の充電時間は２０ｓｅｃ程度、状態Ｓ１と状態Ｓ２は、それぞれ１０秒程度である。すなわち、電源装置起動後は、２０ｓｅｃ程度で負荷３が動作し、その後状態Ｓ１と状態Ｓ２の繰り返しながら、コンデンサＣ２にゆっくり電荷を貯めていく。これにより、コンデンサＣ２の電圧ＶＢは最大Ｖｘまで上昇し電荷を貯めることができる。

その後、光照射が得られなくなった場合、スイッチ素子ＳＷＣがオフ、スイッチ素子ＳＷＤがオンするので、出力切替回路４の出力はコンデンサＣ２の電圧ＶＢに切り替わる。

このときスイッチ素子ＳＷＡ，ＳＷＢはオフするので、コンデンサＣ２に貯めた電荷が逆流しないようにしている。これにより、負荷３は、コンデンサＣ１，Ｃ２のそれぞれ電圧ＶＡ，ＶＢのどちらか大きい方に蓄えられた電荷で駆動されることになる（Ｓ３状態又はＳ４状態）。光照射が得られる状態が続き、コンデンサＣ２が高い電圧で十分充電されているならば、光照射が得られない状態が長く続いて、負荷３は動作し続ける。つまり、負荷３の動作保証時間が長くなる。例えば、負荷３の動作限界電圧を２Ｖとし、コンデンサＣ２が５Ｖで満充電された状態で、その後光照射が得られなくなった場合、動作保証時間は約１週間となる。

以上のように本参考例１の回路構成では、コンデンサＣ２が全く充電されていない場合でも、電源起動時は、数十秒で負荷３を駆動することができる。

同時に負荷３の電源電圧より大きい昇圧電圧でコンデンサＣ２に電荷を貯めることができるので、全体システムとしては、発電素子を構成する太陽電池１から得られる電力を有効に利用できる。また、光照射が得られない状態が続いて負荷３を長時間動作させることができる。もちろん、初期状態でコンデンサＣ２が満充電されているならば、よりよいシステムとなることは言うまでもない。この構成は、屋内使用などの光電が少ないに低照度（数十ルクス）の状態で続く環境では有効であり、発電効率は良いものとなる。

（参考例２）
本参考例２は図３（ａ）に示すように、コンデンサＣ２とスイッチ素子ＳＷＤとの間にコンデンサＣ２の電圧ＶＢを降圧させる降圧回路７を設けるとともに、この降圧回路７とスイッチ素子ＳＷＤとの直列回路に並列に半導体スイッチ素子からなるスイッチ素子ＳＷＥを並列に接続した点で参考例１と相違する。また制御回路６の構成は参考例１と基本的には同じであるが、コンデンサＣ１の電圧ＶＡと降圧回路７の出力電圧ＶＣを比較する判断回路（図示せず）が追加されている。その他の構成は参考例１と同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

本参考例２では、光照射が得られなくなり、電圧ＶＡ＞電圧ＶＢの状態となった場合には、出力切替回路４は制御回路６の制御の下で電圧ＶＡを選択する。また電圧ＶＡ＜電圧ＶＢの状態でも、降圧回路７の降圧電圧ＶＣが負荷３を駆動できる電圧ＶＺになるまでは制御回路６がスイッチ素子ＳＷＥをオンする信号を出力してスイッチ素子ＳＷＥで降圧回路７をバイパスさせることで、出力切替回路４は電圧ＶＢを選択し、その後降圧電圧ＶＣが電圧ＶＺ以上になると制御回路６がスイッチ素子ＳＷＥをオフさせて降圧電圧ＶＣを選択するようになっている。尚降圧回路７としては一般的なチョッパ型降圧回路を用いると効率良く降圧できる。

以上の本参考例２によれば、昇圧回路２で高い昇圧電圧を発生させて大容量のコンデンサＣ２を充電し、そのコンデンサＣ２の電圧ＶＢを降圧回路７で降圧して得られる電圧ＶＣが負荷３を駆動できる電圧ＶＺ以上になる場合に、降圧回路７の降圧電圧ＶＣをレギュレータ回路５の入力電圧として定電圧化して負荷３へ供給する構成としているので、必要以上に高い電圧を入力して安定化する場合に比してレギュレータ回路５での消費電力を抑えることができ、結果全体システムとしては、太陽電池１から得られる電力を効率良く利用できる。

（参考例３）
本参考例３は、図３（ｂ）に示すように降圧回路７をスイッチ素子ＳＷＤ，ＳＷＥと容量素子であるコンデンサＣ３で構成している点で参考例２と相違する。またその他の構成及び制御回路６の構成は基本的に参考例１と同じであるが、光が十分得られ、その後光が得られなくなる場合は、制御回路６は、スイッチ素子ＳＷＡをオフ、ＳＷＢをオフ、ＳＷＣをオン、ＳＷＤをオフ、ＳＷＥをオンの状態となるように制御する。この場合、負荷３はコンデンサＣ１に蓄積され電荷で駆動され、コンデンサＣ１の電荷が負荷電流として放電が開始され、電位が落ちある一定値ＶＷとなると、制御回路６はスイッチ素子ＳＷＥをオフし、スイッチ素子ＳＷＤをオンに切り替える制御を行い、その後スイッチ素子ＳＷＤ，ＳＷＥを元に戻す制御を行う。つまり、出力切替回路４では電圧ＶＡよりも高い電圧で容量Ｃ３に貯めた電荷をコンデンサＣ１に受け渡し、電圧ＶＡを瞬時に上昇させる。その後、スイッチ素子ＳＷＤ，ＳＷＥが元に戻るとコンデンサＣ３を即座に電圧ＶＢに充電する。そしてコンデンサＣ１の電荷が負荷電流として放電がされ、その電圧ＶＡが電圧ＶＷに降下すると、再び降圧回路７のスイッチ素子ＳＷＤ，ＳＷＥが制御回路６の制御の下で切り替わる。光の照射がない間は以上の動作が繰り返される。

受け渡しに用いるコンデンサＣ３の容量値はコンデンサＣ１の容量値よりも小さく設定する方が望ましい。コンデンサＣ３の容量値をコンデンサＣ１の容量値以上にすると、電荷受け渡し後の電圧ＶＡの上昇が大きくなり、レギュレータ回路５にとっての電源電圧変動が大きくなってしまう。

またコンデンサＣ３の容量が大きくなると、コンデンサＣ２，Ｃ３を充電する時間が長くなる。数値例とした例えばコンデンサＣ１の容量を１００μＦ、コンデンサＣ２の容量を１Ｆ、コンデンサＣ３の容量を１０μＦとし、電圧ＶＡが３．０Ｖまで落ちるとスイッチ素子ＳＷＤ，ＳＷＥが切り替わるとする、このスイッチ切り替わりにより、約３．２Ｖまで上昇する。その後スイッチ素子ＳＷＤ，ＳＷＥが元のに戻ると、コンデンサＣ３の容量がコンデンサＣ２に比べて非常に小さいので、５Ｖ付近まで即座に上昇する。

以上のような本参考例３の構成では、降圧回路７をスイッチ素子ＳＷＤ，ＳＷＥとコンデンサＣ３からなる簡単な回路構成で実現できるとともに、一般的なチョッパ型のような降圧回路で必要な発振回路を必要とせず、光照射が得られないときでも発振回路を動作させる必要がなく、その分消費電力を抑えることができる。

（参考例４）
本参考例４は、図４（ａ）に示すように、制御回路６内の太陽電池１の入力電圧Ｖｉｎを監視する電圧モニタ回路Ｘ１（図１参照）の出力Ｘ０１により、昇圧回路２の発振回路２０の発振出力を制御する点で参考例３と相違する。尚その他の構成は参考例３と同じ構成であるので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

つまり参考例１〜３では、光照射が得られなくなり太陽電池１の起電圧Ｖｉｎが低下すると、昇圧回路２は目的とする高い電圧Ｖｘまで昇圧することができなくなる。このように、昇圧回路２が正常に動作しない場合は、太陽電池１からの電力を無駄に消費しているだけで、全体として効率が悪くなる。

そこで本参考例４では、太陽電池１の発電能力が落ちる場合、すなわち、起電圧Ｖｉｎがある一定電圧以下になって、制御回路６内の電圧モニタ回路Ｘ１の出力Ｘ０１が”Ｌ”レベルから”Ｈ”レベルに変わると、この”Ｈ”レベルの出力Ｘ０１により昇圧回路２内の発振部２０の動作を止めるようにする。この状態の場合は、先に述べた通り、負荷電流はコンデンサＣ１若しくはＣ２で補うようになる。

以上のような本参考例４の構成では、光照射が得られなくなるなど太陽電池１の起電圧Ｖｉｎが低くなった場合、昇圧回路２の昇圧動作を止め、それまでに蓄電されているコンデンサＣ１〜Ｃ３の電荷で負荷３を駆動させるようにするので、回路内の無駄な電力消費がなく太陽電池１の発生電力を効率良く利用できる。

（実施形態）
本実施形態は、図４（ｂ）に示すように昇圧回路２に二段の昇圧部２ａ、２ｂを備えた点に特徴がある。尚その他の構成は参考例１と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付して説明は省略する。

さて、本実施形態の昇圧回路２は初段の昇圧部２ａで太陽電池１の起電圧Ｖｉｎを昇圧して得られる電圧をＶｙとし、その昇圧された電圧Ｖｙを用いて後段の昇圧部２ｂで昇圧して得られる電圧をＶｘとする。

そして二つの昇圧部２ａで昇圧した電圧Ｖｙにより小容量のコンデンサＣ１で蓄電し、また後段の昇圧部２ｂで昇圧した高い電圧ＶｘによりコンデンサＣ２で蓄電するようになっている。

このような本実施形態の構成によれば、光照射が得られ、太陽電池１の起電圧Ｖｉｎが高いときに昇圧部２ａからの低い電圧ＶｙによりコンデンサＣ１で蓄電して、その蓄電されたコンデンサＣ１の電圧で負荷３を駆動する。このときは制御回路６の制御の下で、昇圧部２ｂの動作を停止させる。これにより、回路内の無駄な電力消費を抑えることができる。

尚昇圧部２ａ、２ｂとしては、コンデンサとスイッチ素子の多段接続によるスイッチトキャパシタ構成を用いる。このスイッチトキャパシタ構成による昇圧方式は、ダイオードを用いず、コンデンサとスイッチ素子のみの簡単な回路で構成でき、また電力ロス分も小さくて変換効率が良いという特徴がある。例えば前段の昇圧部２ａはコンデンサとスイッチ素子の多段接続により太陽電池１の起電圧Ｖｉｎを昇圧して電圧Ｖｙを出力し、後段の昇圧部２ｂは前段の昇圧部２ａで昇圧された電圧Ｖｙを用いてコンデンサとスイッチ素子の一段のスイッチトキャパシタ構成により、電圧Ｖｙを２倍に昇圧して電圧Ｖｙを得るようにしてある。

このような構成の昇圧部２ａ，２ｂを用いることにより、多段のスイッチトキャパシタ構成で途中の電圧を使う場合に比べて、コンデンサとスイッチ素子の数も大幅に削減することができる上に、より高い昇圧電圧を得ることができる。特に本回路を集積化することを考えた場合に効果的であり、全体を小型化することができる。また高い昇圧電圧で大容量のコンデンサＣ２を充電できるので、上述した負荷３の動作保証時間も長くすることができる。

本発明の参考例１の回路構成図である。同上の動作説明用のタイミングチャートである。（ａ）は本発明の参考例２の回路構成図、（ｂ）は本発明の参考例３の回路構成図である。（ａ）は本発明の参考例４の回路構成図、（ｃ）は本発明の実施形態の回路構成図である。従来例の回路図である。

符号の説明

１太陽電池
２昇圧回路
３負荷
４出力切替回路
５レギュレータ回路
６制御回路
Ｃ１，Ｃ２コンデンサ
ＳＷＡ〜ＳＷＤスイッチ素子
ＳＷａ〜ＳＷｄ切替信号
Ｖｉｎ起電圧
Ｖｘ電圧
Ｖｏｕｔ電源電圧
Ｘ１電圧モニタ回路
Ｘ２比較回路
Ｘ３比較回路
ＶＡコンデンサＣ１の電圧
ＶＢコンデンサＣ２の電圧

Claims

発電素子と、該発電素子から得られる電圧を昇圧する昇圧回路と、容量値が異なる第１，第２の容量素子を有し、前記昇圧回路からの出力電圧を選択的に前記第１，第２の容量素子を切り替え接続して蓄電させるとともに、第１，第２の容量素子の電圧を切り替え出力させる出力切替回路と、前記発電素子の発電状態に基づく前記各容量素子の蓄電状態に応じて前記出力切替回路に第１，第２の容量素子の蓄電及び出力の切り替えを行う切替信号を出力する制御回路と、前記各容量素子から出力される電圧を受けて負荷に電力を供給する供給部とを備え、前記制御回路は、前記容量素子のうち容量値の小さな第１の容量素子の出力電圧が第１の閾値よりも小さい場合に、該第１の容量素子へ蓄電すべく前記切替信号を出力し、前記第１の容量素子の出力電圧が前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を超える場合に、容量値の大きな第２の容量素子へ蓄電すべく前記切替信号を出力してなり、容量値の大きな前記第２の容量素子には高電圧出力で蓄電し、容量値の小さな前記第１の容量素子には低電圧出力で蓄電することを特徴とする電源装置。
前記昇圧回路は、異なる大きさの出力電圧を出力する第１，第２の昇圧部を有し、出力電圧が低い方の第１の昇圧部の出力電圧により前記第１の容量素子を蓄電し、出力電圧が高い方の第２の出力電圧により前記第２の容量素子を蓄電することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記第１，第２の昇圧部を前後直列に接続して、後段の第２の昇圧部は前段の第１の昇圧部の出力電圧を昇圧し、これら第１，第２の昇圧部から異なる大きさの出力電圧を出力することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記第２の容量素子からの出力電圧を降圧して前記供給部へ出力する降圧回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか記載の電源装置。
前記降圧回路は、前記第２の容量素子の放電経路に直列に挿入した第１，第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子を介して前記第２の容量素子に並列に接続される該第３の容量素子とで構成され、前記第１の容量素子の電圧により負荷へ電力を供給している状態では前記第１のスイッチ素子をオン、前記第２のスイッチ素子をオフして前記第３の容量素子と前記第２の容量素子とを第１のスイッチ素子を介して並列に接続して前記第２の容量素子の電荷で前記第３の容量素子を充電し、前記第１の容量素子の電圧が所定値まで低下したときに、前記第１のスイッチ素子をオフ、前記第２のスイッチ素子をオンして前記第２のスイッチ素子を通じて前記第３の容量素子の電荷を第１の容量素子に受け渡して第１の容量素子の電圧を所定値より高く上昇させ、この上昇後に前記第１のスイッチ素子をオン、前記第２のスイッチ素子をオフすることを特徴とする請求項４記載の電源装置。
前記昇圧回路がスイッチング動作用の発振回路を備え、前記制御回路は前記発電素子の出力が所定の閾値よりも小さくなった場合に、前記発振回路の動作を停止させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか記載の電源装置。