JP4389858B2 - Power circuit - Google Patents
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Description
本発明は、発電素子により得られる微小電力から各種センサ装置等の負荷回路を動作させるための電源を供給する電源回路に関する。 The present invention relates to a power supply circuit that supplies power for operating a load circuit such as various sensor devices from minute electric power obtained by a power generation element.
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。 Various sensor devices have power supply wired or output sensor signals wired, but the wiring from the sensor device to the power supply and the wiring from the sensor device to the receiving device that receives signals I need.
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。 In the sensor device having such a configuration, there is a problem that it takes much time and cost because it is necessary to perform wiring construction or removal of wiring when attaching the sensor device or performing maintenance.
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もなってきている。 Therefore, a sensor device that uses a primary battery as a power source and wirelessly transmits a sensor signal to the outside has been provided. In view of the necessity of extending the battery driving time, the power consumption of the sensor device is reduced. On the other hand, considering the effort of replacing the primary battery, etc., the adoption of a power supply unit using a power generation element has led to the reduction of the battery of the entire system.
ところで発電素子を用いた電源回路では、発電素子から得られる微小電力が不安定であるため、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。 By the way, in the power supply circuit using a power generation element, since the minute electric power obtained from the power generation element is unstable, the power generation efficiency of how to effectively use the minute electric power is a big problem.
例えば、発電素子として光電効果を利用する太電電池を考えると、太陽電池からの電力を昇圧して二次電池を充電する電子機器が既に提供されている(例えば、特許文献1)。 For example, when considering a thick battery that uses the photoelectric effect as a power generation element, an electronic device that boosts power from a solar battery to charge a secondary battery has already been provided (for example, Patent Document 1).
この特許文献1に開示されている構成は太陽パネルなどの大きな発電力を得る発電手段を用いたもので、上述のようなセンサ装置には不適当なものである。
The configuration disclosed in
また単セルのような太陽電池に対応する電源回路としては、図10に示すように太陽電池1からの微小電力(電圧VIN)を昇圧回路部2で昇圧(VA)し、レギュレータ回路からなる電力供給回路部5で定電圧出力(VOUT)し、負荷回路4へ電力(電源電圧)する電源回路が考えられる。
Further, as a power supply circuit corresponding to a solar cell such as a single cell, as shown in FIG. 10, a minute power (voltage VIN) from the
太陽電池1に対する光照射が常に得られる状況下では図10のような回路構成で実現できるが、実際では光照射が得られない状況の場合が多い。そこで、特許文献1の構成と同様にレギュレータ出力に二次電池3を備え、光が得られない状況下に対応させることも考えられる。つまり、光が得られている場合は、太陽電池1からの電力に基づいて負荷回路4に電力を供給すると同時に二次電池3を充電する。光が得られない場合は、二次電池3より負荷回路4へ電力を供給するようにするのである。このような回路構成により、負荷回路4を含めた装置全体の長寿命化が可能となる。
ところで、今後予想されるユビキタス社会においては、上述のセンサ装置等により小型でより長寿命の電池レス/ワイヤレスセンサ装置が必要となってくるが、装置全体の小型化を考えた場合、上述の太陽電池1を用いた例では、太陽電池1の受光面積と電流能力とが問題であり、光量の少ない低照度下では、負荷回路4若しくは二次電池3に安定した電力を与えることができないという問題があった。
By the way, in the ubiquitous society expected in the future, a battery-less / wireless sensor device having a smaller size and a longer life is required by the above-described sensor device. However, when considering the downsizing of the entire device, In the example using the
本発明は、上述のような問題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利用して、負荷回路へ安定した電力を供給することができ、小型化と低消費電力化が可能な電源回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to supply a stable power to a load circuit by efficiently using a minute power obtained from a power generation element. An object of the present invention is to provide a power supply circuit that can be reduced in size and power consumption.
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スイッチ素子のスイッチング動作によって昇圧する昇圧回路部と、該昇圧回路部からの出力電圧を基に定電圧を生成して該定電圧を負荷回路へ供給する電力供給回路部とを備えるとともに、前記スイッチ素子をオンオフする発振回路を前記昇圧回路部に具備した電源回路であって、前記発電素子の発電量を検出して該発電量に基づき前記発振回路への電源供給を制御する制御回路部を備え、前記昇圧回路部に、前記電力供給回路部へ出力される第1の出力電圧より低い第2の出力電圧を出力する出力部を設け、前記制御回路部は、前記第2の出力電圧が所定値以上になると、前記第2の出力電圧を前記発振回路の電源として供給させ、前記第2の出力電圧が前記所定値を下回ると、少なくとも前記発電素子の発電量が所定量以上である限りは、前記第1の出力電圧を前記発振回路の電源として供給させる制御を行うものであって、前記昇圧回路部は、前記発電素子の電圧を昇圧して前記第2の出力電圧を出力する前段の昇圧部と、この昇圧部が出力した前記第2の出力電圧を昇圧して前記第1の出力電圧を出力する後段の昇圧部とに分けられていることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, according to the first aspect of the present invention, a power generating element, a boosting circuit unit that boosts a voltage obtained from the power generating element by a switching operation of the switch element, and an output voltage from the boosting circuit unit A power supply circuit unit that generates a constant voltage based on the power supply circuit unit that supplies the constant voltage to a load circuit, and includes an oscillation circuit that turns on and off the switch element in the booster circuit unit, A control circuit unit that detects a power generation amount of the element and controls power supply to the oscillation circuit based on the power generation amount, and the boost circuit unit includes a first output voltage output to the power supply circuit unit; An output unit that outputs a low second output voltage is provided, and the control circuit unit supplies the second output voltage as a power source of the oscillation circuit when the second output voltage is equal to or higher than a predetermined value. Second When the output voltage is below the predetermined value, as long as the power generation amount of at least the power generating element is equal to or greater than a predetermined amount, be one that performs control to supply the first output voltage as a power supply of the oscillation circuit, wherein The booster circuit unit boosts the voltage of the power generation element and outputs the second output voltage, and boosts the second output voltage output by the booster unit to boost the first output It is characterized by being divided into a subsequent booster that outputs a voltage .
請求項1の発明によれば、発電素子の発電量に応じて発振回路の電源供給の制御を行うことで、発振回路での必要電力が下がって省電力化が図れ、また必要電力が下がるのでその分回路素子自体の大きさを小さくすることが可能となり、装置全体の小型化が図れる。また、簡単な回路構成で発振回路の省電力化が図れる。さらに、2段昇圧方式の昇圧回路部を用いることで、充電電流能力を向上することができる。 According to the first aspect of the present invention, by controlling the power supply of the oscillation circuit according to the amount of power generated by the power generation element, the required power in the oscillation circuit can be reduced to save power and the required power can be reduced. Accordingly, the size of the circuit element itself can be reduced, and the entire apparatus can be reduced in size. In addition, the power consumption of the oscillation circuit can be reduced with a simple circuit configuration. Further, the charge current capability can be improved by using a two-stage boosting booster circuit section.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記昇圧回路部はスイッチトキャパシタ回路により構成されていることを特徴とする。
In the invention of
請求項3の発明では、請求項2の発明において、前記昇圧回路部はASICにより形成され、前記前段の昇圧部のポンプ容量素子がASIC外の外付けの容量素子であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the booster circuit unit is formed of an ASIC, and the pump capacitor element of the booster unit in the previous stage is an external capacitor element outside the ASIC.
請求項3の発明によれば、回路構成を小型化することができ、電源供給先の装置に発電素子とともに組み込む場合、装置の大型化を避けること可能となり、しかも前段の昇圧部のポンプ容量素子の容量を十分に大きくして、ASICだけでは得ることができない電流能力を確保することができる。また2段昇圧方式を取ることで、同じチップ面積で従来と比べて充電電流能力を向上することができる。
According to the invention of
請求項4の発明では、請求項2又は3の発明において、前記後段の昇圧部に用いるポンプ容量素子を外付けとする外付け用端子をASICに備えていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect of the present invention, the ASIC includes an external terminal externally provided with a pump capacitance element used in the subsequent boosting section.
請求項4の発明によれば、発電素子の電流能力が大きいときに、後段の昇圧部のポンプ容量素子の容量を増やして充電電流を増やすことが可能である。 According to the fourth aspect of the present invention, when the current capability of the power generation element is large, it is possible to increase the charging current by increasing the capacity of the pump capacity element in the subsequent boosting section.
請求項5の発明では、請求項2乃至4の何れかの発明において、前記前段、後段の各昇圧部のスイッチ素子中、各ポンプ容量素子の並列接続用のスイッチ素子をNMOSトランジスタで構成していることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to fourth aspects, the switch element for parallel connection of each pump capacitor element is configured by an NMOS transistor among the switch elements of the boosting units at the preceding stage and the subsequent stage. It is characterized by being.
請求項5の発明によれば、発電素子からの入力電圧が低くても安定に駆動することができて電流能力が向上し、しかもアナログスイッチ構成とする場合に比べて回路規模を小さくすることできる上に、スイッチ素子のゲート容量を抑えることができるためポンプアップ回路全体の消費電流を抑えることができる。
According to the invention of
請求項6の発明では、請求項1乃至5の発明において、前記制御回路部は、前記発電素子の発電量を検出する手段とを備え、該手段が検出する前記発電素子の発電量が所定量以上のときに前記発振回路に電源を供給させ、前記発電量が前記所定量を下回ると前記発振回路への電源供給を停止させる手段とを備えていること特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the invention, the control circuit section includes means for detecting the power generation amount of the power generation element, and the power generation amount of the power generation element detected by the means is a predetermined amount. In the above-described configuration, there is provided means for supplying power to the oscillation circuit and stopping supply of power to the oscillation circuit when the power generation amount falls below the predetermined amount.
請求項6の発明によれば、発電素子の電力を有効に利用でき、しかも発電素子の発電量が所定量を下回ったときには発振回路への電源供給を止めることで回路の無駄な消費が抑制できる。
According to the invention of
請求項7の発明では、請求項6の発明において、前記発電素子の出力で前記昇圧回路部のポンプ容量素子が充電される状態で、前記発振回路への電源供給を停止させることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, the power supply to the oscillation circuit is stopped in a state where the pump capacitance element of the booster circuit unit is charged by the output of the power generation element. .
請求項7の発明によれば、発電素子の発電量が微小で発振回路の電源供給が停止する場合においても、発電素子の電力を利用して昇圧回路部のポンプ容量素子を充電することで発電素子の電力を無駄なく利用でき、しかも発電素子の発電量が増え、発振回路が動作を開始したときに、昇圧回路部の昇圧電圧が瞬時に得られる。 According to the seventh aspect of the present invention, even when the power generation amount of the power generation element is very small and the power supply to the oscillation circuit is stopped, the power of the power generation element is used to charge the pump capacity element of the booster circuit unit to generate power. The power of the element can be used without waste, and when the amount of power generated by the power generation element increases and the oscillation circuit starts operating, the boosted voltage of the booster circuit unit can be obtained instantaneously.
請求項8の発明では、請求項2乃至7の何れかの発明において、前記昇圧回路部のポンプ容量素子の直列接続用のスイッチ素子のオフ時点よりも並列接続用のスイッチ素子のオン時点を遅延させ、且つ前記並列接続用のスイッチ素子のオフ時点よりも前記直列接続用のスイッチ素子のオン時点を遅延させるゲート信号を前記発振回路のクロック信号から作る遅延回路を前記昇圧回路部に備えるとともに、該遅延回路を、電源電圧に一端が接続された第一の抵抗と、一端がグランドに接続された第二の抵抗と、ドレイン及びゲートがそれぞれ接続されたPMOSトランジスタとNMOSトランジスタとの直列回路とで構成し、前記PMOSトランジスタのソースを前記第一の抵抗の他端に接続し、前記NMOSトランジスタのソースを第二の抵抗の他端に接続し、前記発振回路により生成されるクロック信号が該NMOSトランジスタのゲートに入力し、両トランジスタのドレインからの出力を、閾値の異なる2組のインバータ素子に入力してゲート信号を得ることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to seventh aspects, the on-time of the switch element for parallel connection is delayed from the off-time of the switch element for series connection of the pump capacitor elements of the booster circuit section. And the booster circuit unit includes a delay circuit that generates a gate signal from the clock signal of the oscillation circuit that delays the on time of the series connection switch element from the off time of the parallel connection switch element. the delay circuit, in series a first resistor having one end to the power supply voltage is connected, and a second resistor having one end connected to ground, the PMOS transistor and the NM O S transistor having a drain and gate connected, respectively A source of the PMOS transistor is connected to the other end of the first resistor, and a source of the NMOS transistor is connected to a second The clock signal generated by the oscillation circuit is input to the gate of the NMOS transistor, and the output from the drains of both transistors is input to two sets of inverter elements having different threshold values to be connected to the other end of the transistor. It is characterized by obtaining.
請求項8の発明によれば、遅延回路によってポンプ容量素子の直列接続用のスイッチ素子のオフ時点よりも並列接続用のスイッチ素子のオン時点を遅延させ、且つ並列接続用のスイッチ素子のオフ時点よりも直列接続用のスイッチ素子のオン時点を遅延させるゲート信号を作ることで、ポンプ容量素子の直列接続と並列接続の切り替え時にスイッチ素子の同時オンを防いで電流の逆流を防止することができるものであって、しかも遅延回路内の消費電流を抑えることができる。またASIC検査等で、外部から電圧を与えクロックを制御したいときは、前記第一、第二の抵抗は電流制限の抵抗として機能し、遅延回路内のトランジスタの破壊を防止することができる。
According to the invention of
請求項9の発明では、請求項1乃至8の何れかの発明において、前記電力供給回路部の出力に前記負荷回路に並列となるように蓄電素子を接続していることを特徴とする。 A ninth aspect of the invention is characterized in that, in any one of the first to eighth aspects of the invention, a storage element is connected to the output of the power supply circuit unit so as to be in parallel with the load circuit.
請求項9の発明によれば、発電素子の発電量が得られないときでも、蓄電素子から負荷回路へ電力を供給することがきるので、組込み先の装置の動作寿命を長くすることができる。 According to the ninth aspect of the present invention, even when the power generation amount of the power generation element cannot be obtained, power can be supplied from the power storage element to the load circuit, so that the operation life of the device as the assembly destination can be extended.
請求項10の発明では、請求項9の発明において、前記蓄電素子は前記発電素子の発電量が所定量以上ある場合には、前記電力供給回路部の出力で充電され、前記発電素子の発電量が所定量以下となった場合には前記電力を負荷回路に供給することを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect of the invention, when the power generation amount of the power generation element is equal to or greater than a predetermined amount, the power storage element is charged with the output of the power supply circuit unit, and the power generation amount of the power generation element The power is supplied to the load circuit when the power becomes less than a predetermined amount.
請求項10の発明によれば、発電素子の発電量が十分なときに蓄電素子を充電することができるため、発電量が得られなくなった場合に蓄電素子から負荷回路へ供給する際の電力を十分に確保することができる。 According to the invention of claim 10 , the power storage element can be charged when the power generation amount of the power generation element is sufficient. Therefore, when the power generation amount cannot be obtained, the power for supplying power from the power storage element to the load circuit is It can be secured sufficiently.
請求項11の発明では、請求項9又は10の何れかの発明において、前記電力供給回路部の定電圧出力が前記蓄電素子の出力電圧を含む所定範囲にあるときには定電圧出力を前記負荷回路及び前記蓄電素子に直接接続し、前記蓄電素子の出力電圧が前記所定範囲以下になったときには出力制限抵抗を介して定電圧出力を前記負荷回路及び前記蓄電素子に接続する出力切り替え制御手段を備えていることを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in any of the ninth and tenth aspects, when the constant voltage output of the power supply circuit unit is in a predetermined range including the output voltage of the storage element, the constant voltage output is supplied to the load circuit and Output switching control means for directly connecting to the power storage element and connecting a constant voltage output to the load circuit and the power storage element via an output limiting resistor when the output voltage of the power storage element falls below the predetermined range. It is characterized by being.
請求項11の発明によれば、発電素子の電力が十分得られない状況が続いて、昇圧回路部の昇圧動作が停止し、蓄電素子の出力電圧が所定範囲以下に低下し、その後昇圧回路部の昇圧動作が再開されたとときに、この昇圧回路部の昇圧電圧を入力電源とする電力供給回路部から安定した電圧を蓄電素子へ供給することができる。 According to the eleventh aspect of the present invention, the state in which the electric power of the power generation element cannot be sufficiently obtained continues, the boosting operation of the boosting circuit unit is stopped, and the output voltage of the storage element is lowered to a predetermined range or less, and then the boosting circuit unit When the step-up operation is resumed, a stable voltage can be supplied to the storage element from the power supply circuit unit using the boosted voltage of the booster circuit unit as an input power source.
本発明は、微小電力を効率良く利用して、省電力化、長寿命化を図ることができるという効果がある。 The present invention has an effect that it is possible to efficiently use minute electric power to achieve power saving and longer life.
以下、本発明を実施形態により説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments.
(実施形態1)
まず、発電素子として一般的に用いる太陽電池のセル構成について説明する。一般的には太陽電池のセル構成は、図2(a)、(b)に示すように、一つのパネル内に単セルの太陽電池1をn個直列に接続し、約0.5×n[V]の高い電圧を発生させ、負荷回路を動作させるようになっている。しかしこの構成では、セルの1枚でも日陰に入ったり割れたりすると発電しなくなり、電源回路としては機能しなくなってしまうという問題がある。特に、電源回路を組み込む装置全体を小型化する場合には、一つのセルの受光面積が小さくなるので、光照射のムラが大きく影響する。その対策として、図2(c)のように単セルの太陽電池1で得られる約0.5Vの電圧を昇圧回路部2で昇圧して負荷回路を動作させる方法がある。この方法は、先の問題に対処することができる他、セルの形を自由に加工できるという利点もあり、電源回路を小型化するには有効である。また太陽電池1以外の発電素子を使用する場合でも、低電圧出力の発電素子に対して広く対応することが可能となる。
(Embodiment 1)
First, a cell configuration of a solar battery generally used as a power generation element will be described. In general, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the cell configuration of a solar cell is such that n single cell
次に、本実施形態の電源回路は、屋内使用で、例えば太陽電池の受光面積の大きさを10cm2と想定している。この場合、太陽電池1は、十ルクス程度の低照度下における発電量(=電流能力)が問題となる。また屋内使用としてはアモルファス太陽電池(若しくは色素増加太陽電池)が他の太陽電池と比べ、低照度の発電力は大きいが、その電流能力が数十μA(マイクロアンペア)のオーダーである。この数十μAの電流により昇圧動作をさせなければならない。また、太陽電池1より得られた微弱なエネルギー(0.5V程度の低電圧)を高効率で昇圧/蓄電することにより、安定化電源を供給するには、電源回路自体の消費電流も数μA程度に抑えなくてはならない。また、電源回路(モジュール)をどこにでも設置できるようにするためには、全体の大きさを小型化する必要がある。
Next, the power supply circuit of the present embodiment is assumed to be used indoors, for example, the size of the light receiving area of the solar cell is 10 cm 2 . In this case, the
以上の内容を考慮した場合、ディスクリート部品によって電源回路を構成することは困難であり、半導体集積回路(以下ASICという)により構成することが望ましい。また低消費電流の電源回路のASIC化を考えた場合、変換効率が良く、昇圧回路部等に用いる発振回路に電流能力を余り必要とせず、ポンプ容量素子とスイッチ素子で構成されるスイッチトキャパシタ昇圧回路が最適である。 Considering the above contents, it is difficult to configure the power supply circuit by discrete components, it is desirable to construct a semiconductor integrated circuit (hereinafter referred to as AS I C). Also when considering the AS I C of the power supply circuit with low current consumption, good conversion efficiency, without the need less current capability to the oscillation circuit used in the step-up circuit unit, etc., switched composed of pump capacity element and a switching element A booster circuit is optimal.
本実施形態は上述の点に鑑みて構成されたもので、図1に示すように発電素子として用いる太陽電池1の出力電圧VINを電圧V01、電圧VAに昇圧するスイッチトキャパシタ昇圧回路からなるポンプアップ回路20とポンプアップ回路20の後述するスイッチ素子のゲート信号を作り出すためのクロック信号を発振する発振回路21と発振回路21からのクロック信号をレベルアップして後述するスイッチ素子のゲート信号を生成するためのレベルシフト回路22とを備えた昇圧回路部2と、この昇圧回路部2で昇圧された電圧VAをレギュレータ回路50で安定化して蓄電素子である二次電池3を充電し且つ負荷回路4へ供給する電力供給回路部5と、昇圧回路部2及び電力供給回路部5を制御する制御回路部6とを若干の外付け素子を除いてASIC7で構成している。
The present embodiment is configured in view of the above points, and as shown in FIG. 1, a pump-up composed of a switched capacitor booster circuit that boosts the output voltage VIN of the
次に各部の構成を詳細に説明する。 Next, the configuration of each unit will be described in detail.
まず昇圧回路部2のポンプアップ回路20は上述のようにスイッチトキャパシタ昇圧回路を用いているが、スイッチトキャパシタ昇圧回路は図3(a)に示すような構成が基本的な構成であり、(n−1)個<図示例では7個>の同じ容量値の容量素子(以下ポンプ容量素子という)C1〜C7を夫々の両端に直列接続しているスイッチ素子SW1、SW1’を介して全て入力電圧VINと並列に接続し、各ポンプ容量素子C1〜C7に電荷Q(=C×VIN)を貯める。その後スイッチ素子SW1,SW1’を開き、スイッチ素子SW2をオンさせることで、ポンプ容量素子C1〜C7を直列に接続し、入力電圧VINのn倍(8倍)の昇圧電圧VAを得るようになっている。このスイッチトキャパシタ昇圧回路では、並列/直列接続切り替えのためのスイッチ素子SW1,SW1’、SW2と、これらスイッチ素子SW1,SW1’、SW2を駆動するゲート信号を生成する回路が必要である。
First, the pump-up
一方ASIC7でスイッチトキャパシタ昇圧回路を構成する場合には、ASIC7内においては、スイッチ素子をトランジスタ構成する。このとき、スイッチ素子のゲート電位を装置回路における最高電位に設定しないと、完全にスイッチ素子のオン/オフができない。そのため、クロック信号を作り発振回路21の出力電圧を最高電位に変換するレベルシフト回路22も同時に必要となる。
On the other hand, when the
つまり図3(a)のように、太陽電池1の出力電圧を入力電圧VINとしてその約0.5Vの電圧を8倍昇圧して4V(=VA)することを想定すると、このとき、ポンプ容量素子は図示するように7個必要であり、一般的なポリ拡散容量と比べて寄生容量の影響が小さいとされる2層ポリシリコン容量素子とすることが望ましい。ここでASIC7の大きさを3mm角の大きさとして、ASIC7内の合計容量値を1400pF(1個当たり200pF)として考え、また、発振周期を3.5μs(:285kHz相当であり、ASICで実現できるオーダー)とすると、図1の回路構成において、電力供給回路部5のレギュレータ回路50は昇圧電圧VAを入力電圧とし、上述としたようにその出力電圧VOUTで二次電池3の充電電圧に合わす必要がある。ここでリチウムマンガン二次電池を二次電池3として用い、その中心電圧3.15±0.15Vを使う場合には、充電電圧の最大規格値MAXは3.3Vとなり、レギュレータ回路50が正常に動作するためには、その入力電圧つまり、昇圧回路部2での昇圧電圧VAは少なくとも3.3V以上が必要となる。昇圧電圧VAに関しては、ポンプ容量素子を並列接続して電荷を貯めた後、直列接続に切り替えて負荷回路4に電荷を供給するとき、図3(b)に示す直列接続時の等価回路及び下式(1)により求まる電圧降下△VAが発生する。ポンプ容量素子(容量値200pF)を7個用いて4Vに昇圧する場合、式(1)より得られる充電電流(負荷回路電流)が約6μAで、△VAが0.7Vとなる。つまり、それ以上負荷電流が増えるとレギュレータ回路50の入力電圧が3.3V以下になり、正常にレギュレータ回路50が動作しなくなる。そのため、電源回路から負荷回路4に電流を十分供給できなくなる。尚図3(b)の等価回路中CXは7つのポンプ容量素子の合成容量を、Qは電荷を夫々示す。
That is, as shown in FIG. 3 (a), assuming that the output voltage of the
Q=C×ΔVA=I×t …(1)
但しC:ポンプ容量素子の容量値、I:充電電流、tはスイッチ素子SW1,SW1’、スイッチ素子SW2の切り替え周期
以上のように図3(a)の基本的なスイッチトキャパシタ昇圧回路をそのままポンプアップ回路20として用いた場合には、ASIC7では出力電流の能力が十分取れない。
Q = C × Δ VA = I × t (1)
However, C: capacitance value of the pump capacitor element, I: charging current, t is the switching cycle of the switch elements SW1, SW1 ′ and switch element SW2, as described above, the basic switched capacitor booster circuit of FIG. When used as the up
そこで本実施形態の昇圧回路部2のポンプアップ回路20は、図3(c)に示すように一つのポンプ容量素子C1で入力電圧VINを2倍に昇圧し、その昇圧された電圧V01で容量素子C01を充電する前段の昇圧部20aと、その電圧V01を更に3つのポンプ容量素子C2〜C4を用いて4倍に昇圧して電圧VAを得る後段の昇圧部20bとからなる回路を用いている。ポンプ容量素子C1はASIC7外の外付け素子が用いられ、ポンプ容量素子C2〜C4はASIC7内の2層ポリシリコン容量を用いて構成してその容量値を400pF(合計1200pFを3個で割った値)としている。
Therefore, the pump-up
このように構成したポンプアップ回路20の動作を次の通りとなる。まず昇圧部20aでは発振回路21で生成されるクロック信号に基づいてレベルシフト回路22により作成されたゲート信号によりスイッチ素子SW1,SW1’をオンさせて太電電池1からの約0.5Vの電圧でポンプ容量素子C1を充電する。この充電後、レベルシフト回路22からのゲート信号によりスイッチ素子SW1、SW1’をオフし、スイッチ素子SW2をオンさせ、ポンプ容量素子C1を太陽電池1に直列に接続する。この容量C1の並列と直列接続の繰り返しにより、昇圧部20aの出力電圧は0.5Vの2倍の電圧の約1.0Vとなる。後段の昇圧部20bはこの約1.0Vの電圧を入力電圧とし、各ポンプ容量素子C2〜C4に対応しているスイッチ素子SW1、SW1’を夫々オンさせて各ポンプ容量素子C2〜C4を入力電圧に対して並列接続して夫々を約1.0Vに充電し、この充電後、レベルシフト回路22からのゲート信号によりスイッチ素子SW1、SW1’をオンし、スイッチ素子SW2をオンすることで、ポンプ容量素子C2〜C4を直列接続する。この繰り返しにより4.0Vに昇圧した電圧VAが出力されることになる。ここで上記式(1)を算出すると、降下電圧ΔVAは0.7Vで、充電電流(負荷回路電流)は約26μAとなり、図3(a)の基本的な回路構成に比べて大きく改善されることになる。また、負荷電流、即ち充電電流を20μAとした場合、1.0Vの出力V01は少なくともその4倍の80μAの電流能力が必要である。ポンプ容量素子C1の容量値を他のポンプ容量素子C2〜C4と同様に400pFとしてASIC7に内蔵することを考えると、電圧V01の電圧降下が約0.7V(=80μA×3.5μs/400pF)となり、その分電圧VAが低くなってしまう。昇圧電圧VAの基準となる電圧V01の電圧降下を無視できるようにするには、ポンプ容量素子C1を100nF程度(このとき△V01は数mV)にすることが好ましく、このためポンプ容量素子C1をASICに内蔵することは困難であるため、ポンプ容量素子C1は端子CN1,CP1間に接続する外付け素子として、リーク電流の少ない少ない小さなチップコンデンサを用いている。
The operation of the pump-up
上述の式(1)から判るように、充電電流はポンプ容量素子の容量が大きい程良いことが判る。よって、ASIC7内蔵のポンプ容量素子については、並列に容量素子を付け足すことができる接続端子(図1中CN2−CP2.CN3−CP3,CN4−CP4)を設けている。これにより、常に太陽電池1に光照射が得られる状態で、太陽電池1の発電能力が大きいときは、各ポンプ容量素子に並列に外付けチップコンデンサを接続することで充電電流能力を増やすことができる。
As can be seen from the above equation (1), it is understood that the charging current is better as the capacity of the pump capacity element is larger. Therefore, the connection terminal (CN2-CP2.CN3-CP3, CN4-CP4 in FIG. 1) to which the capacitive element can be added in parallel is provided for the pump capacitive element built in AS I C7. Thereby, when the
ところで、レベルシフト回路22及び発振回路21は、上述したようにポンプアップ回路20の各スイッチ素子を駆動するためのゲート信号(クロック信号)を生成するためのクロック発生部を構成するものである。
By the way, the
次にこのクロック発生部の発振回路21の具体的構成について説明する。
Next, a specific configuration of the
発振回路21は、図4のようにマルチバイブレータ発振回路を基に構成したもので、この回路構成は、回路規模が小さく低消費電流を実現したもので、その発振周期Tは、T=2R0・C0・ln3と示されるように抵抗R0とコンデンサC0の容量で決定される。ここで、発振により出力されるクロック信号CLKA,CLKBはレベルシフト回路22に入力して、遅延されるととともに、各スイッチ素子SW1、SW1’及びSW2のゲート信号として出力されるがゲート信号の周期は、発振回路21の発振周期T(=1/周波数f)により決まる。そのため先の(1)式から判るように、発振周期Tは充電電流(負荷電流)に大きく影響し、発振周波数fはより早い方が良い。従って、抵抗R0と容量素子C0はより小さい値にすることが好ましい。
The
そこで本実施形態での発振回路21は、抵抗R0はばらつきの小さい拡散抵抗を用い、容量素子C0については寄生容量素子のない二層ポリシリコン容量を用いて寄生容量による影響を抑えている。但し、抵抗R0が余り小さすぎると発振回路21自体の消費電流が大きくなってしまうので、抵抗R0、容量素子C0の各々については、周期Tが3.5μsとなるようにシミュレーションにより求めたところ抵抗R0としては1.5MΩ、容量素子C0としては1pFが得られた。
Therefore, in the
さて図4に示す構成の発振回路21の消費電流は電源電圧VOSCに大きく依存し、各インバータの反転閾値はVOSC/2付近となり、インバータ構成のトランジスタのVgs=VOSC/2付近で貫通電流が流れる。そして電源電圧VOSCが増えれば、その反転閾値も上昇するので、インバータ構成トランジスタのVgsが大きくなり貫通電流も増えることことになる。
The current consumption of the
ここで発振回路21は、二次電池3の電圧をダイオードD1と、スイッチ素子SWAとを通じて電源電圧VOSCとして供給を受ける給電路と、ポンプアップ回路20の昇圧部20aの出力電圧V01を電源電圧VOSCとしてスイッチ素子SWBを介して供給を受ける給電路とがあり、図1に示すスイッチ素子SWA,SWBは制御回路部6の制御信号を受けてオン/オフして発振回路21の電源供給を切り替える切り替え手段を構成する。
Here, the
つまり制御回路部6は、2次電池3又はポンプアップ回路20の出力電圧VAを電源として動作するもので、図1に示すように基準電源回路60により、太陽電池1の出力電圧VINをモニタ(検知)するための基準電圧VR3と、ポンプアップ回路20の出力電圧V01をモニタするための基準電圧VR2と、後述するレギュレータ回路50のための基準電圧VR1を発生し、基準電圧VR3をコンパレータCP2により太陽電池1の出力電圧VINと比較し、また基準電圧VR2をコンパレータCP1により電圧V01と比較するようになっている。
That is, the
これらコンパレータCP1,CP2の出力は論理回路を経て論理回路のノアゲートNOR1の出力でスイッチ素子SWBを制御し、アンドゲートAND1の出力でスイッチ素子SWAを制御するようになっている。尚61は基準電流回路である。
The outputs of the comparators CP1 and CP2 pass through a logic circuit, the switch element SWB is controlled by the output of the NOR gate NOR1 of the logic circuit, and the switch element SWA is controlled by the output of the AND gate AND1.
ここで光照射を受けず、太陽電池1の出力電圧VINがほぼ0であって昇圧部20aの昇圧電圧V01が発生していない第1の状態、つまりコンパレータCP1,CP2の出力が”H”レベルの状態と、光照射を受けて太陽電池1から出力電圧VINが発生して基準電圧VR3を超えるものの、昇圧部20aの出力電圧V01が基準電圧VR2を未だ超えていない第二の状態、つまりコンパレータCP1の出力が”H”レベル、コンパレータCP2の出力が”L”レベルの状態と、光照射を受けて太陽電池1から出力電圧VINが発生して基準電圧VR3を超え且つ昇圧部20aの出力電圧V01が基準電圧VR2を超えている第3の状態、つまりコンパレータCP、CP2の出力が共に”L”レベルの状態とが論理回路とにより弁別され、第1の状態ではノアゲートNOR1,アンドゲートAND1の出力が共に”L”レベルとなって、スイッチ素子SWB,SWAを共にオフする制御を行い、第二の状態ではノアゲートNOR1の出力が”L”レベル、アンドゲートAND1の出力が”H”レベルとなって、スイッチ素子SWBをオフ、スイッチ素子SWAをオンする制御を行い、更に第3の状態ではノアゲートNOR1の出力が”H”レベル、アンドゲートAND1の出力が”L”レベルとなって、スイッチ素子SWBをオン、スイッチ素子SWAをオンする制御を行う。
Here, in the first state in which the output voltage VIN of the
而して太陽光が入射していない状態では、太陽電池VINの発電量が殆どなくその電圧VINがほぼ0Vであるため基準電圧VR3以下にある。つまり第1の状態になっている。この状態ではスイッチ素子SWAがオフであるため、二次電池3からダイオードDを介して昇圧回路2の発振回路21へは電源が供給されず、発振回路21が停止状態にあるため、二次電池3の無駄な電力消費がない。
Thus, in a state where sunlight is not incident, there is almost no power generation amount of the solar cell VIN, and the voltage VIN is almost 0 V, so that it is below the reference voltage VR3. That is, it is in the first state. In this state, since the switch element SWA is off, power is not supplied from the
そして光照射があって太陽電池1から発電量が増えてその出力電圧VINが基準電圧VR3を超えると、つまり第二の状態になると、スイッチ素子SWAがオンして二次電池3から発振回路21に電源が供給され、発振回路21は発振を開始する。
Then, when there is light irradiation and the amount of power generation from the
この発振開始によりレベルシフト回路22を介して、ポンプアップ回路20のスイッチ素子SW1、SW1’及びSW2にゲート信号が所定周期で送られることになり、昇圧部20a、20bは昇圧動作を開始して出力電圧V01,VAを発生し、出力電圧VAは電力供給回路部5のレギュレータ回路50の入力電圧となり、レギュレータ回路50で安定化された定電圧出力VOUTが二次電池3,負荷回路4に電源として供給される。
When this oscillation starts, gate signals are sent to the switch elements SW1, SW1 ′ and SW2 of the pump-up
そして出力電圧V01が基準電圧VR2を超えると、つまり第3の状態となると、スイッチ素子SWAがオフ、スイッチ素子SWBがオンするため、発振回路21の電源供給が二次電池3から昇圧部20aの電圧V01に切り替わることになる。
When the output voltage V01 exceeds the reference voltage VR2, that is, in the third state, the switch element SWA is turned off and the switch element SWB is turned on, so that the power supply of the
このようにして発振回路21の電源供給を制御することで、発振回路21に常時電力供給を行う場合に比べて発振回路21の消費電力を少なくとも約1/3とすることがでさる。
By controlling the power supply of the
尚発振回路21に2倍昇圧の昇圧部20aから電力供給を行っているが、勿論3倍、4倍、…、n倍電圧を用いても良い。但し全体の消費電力を極力落とすためには、より低い電圧が良いことになる。つまり発振回路21は1Vの電源電圧であれば可能である。またASIC7の微細化及び低閾値駆動が実現され、単セルの太陽電池1自体の出力電圧VIN(1倍圧)で発振回路21が駆動できれば、更なる低消費電力化が図れることになる。
The
ところで、本実施形態に用いるポンプアップ回路20は上述したようにスイッチトキャパシタ昇圧回路により構成するものであるが、具体的にはASIC7により構成され、図5(a)に示すように各ポンプ容量素子を直列に接続するためのスイッチ素子SW1,SW1’はPMOSトランジスタ又はNMOSトランジスタで構成し、ポンプ容量素子を並列に接続するためのスイッチ素子SW2はNMOSトランジスタで構成している。
By the way, the pump-up
ここで、図5(b)に示すようにスイッチ素子SW1又はSW2にはPMOSトランジスタとNMOSトランジスタを並列に接続したアナログスイッチを、スイッチ素子SW1’にはNMOSトランジスタによるアナログスイッチを用いた場合、入力電圧VINを1V以上として利用する場合には確実にオン/オフさせることができるが、単セルの太陽電池1の0.5V程度の低電圧を入力電圧VINとする場合には、対応できない。つまりポンプ容量素子C1のスイッチ素子SW1をPMOSトランジスタで構成している場合、トランジスタの閾値が0.5V付近であると、このPMOSトランジスタを完全にオンでさない可能性がある。また、ポンプアップ回路20においては、ポンプ容量素子の充電を早めるために、各トランジスタのチャネル幅W/チャネル長Lのサイズを大きくし電流能力を上げる必要があるが、同時にゲート容量が大きくなるので、ゲート信号がなまってしまう。その結果、スイッチ切り替わり時の突入電流が増え、同時にこの容量の充放電で消費電流が増える。このようにアナログスイッチとすると、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタのゲート容量が付くことになるので消費電流が増加することになる。
Here, the analog switch in the switch element SW1 or SW2 connected to P M OS transistor and NMOS transistor in parallel as shown in FIG. 5 (b), when the switch element SW1 'using an analog switch by NMOS transistors When the input voltage VIN is used as 1 V or higher, it can be reliably turned on / off. However, when the low voltage of about 0.5 V of the single cell
そこで本実施形態では、上述の図5(a)に示すような回路構成とすることで、スイッチ素子の低消費電流となる最適化を図っている。 Therefore, in the present embodiment, the circuit configuration as shown in FIG. 5A described above is used to optimize the switching element so as to reduce the current consumption.
ここで、前段の昇圧部20aのスイッチ素子構成を説明する。図示する回路構成では、入力電圧VINが0.5Vで動作するスイッチ素子SW1、SW1’をNMOSトランジスタで構成する。スイッチ素子SW1,SW1’をNMOSトランジスタとすれば、入力電圧VINが0.5V程度であっても、ゲートに最高電位の信号が入力されるので確実にオンできる。一方出力電圧V01の出力点は電流能力を必要とする箇所であるので、直列接続の各スイッチ素子SW2はNMOSトランジスタで構成する。NMOSトランジスタとすると、基板バイアス効果が発生するが、トランジスタの両端電位が低い場合(1V以下)は、基板バイアス効果の影響が小さい。
Here, the switch element configuration of the boosting
次に後段の昇圧部20bのスイッチング構成を説明する。この昇圧部20bの各スイッチ素子SW1をPMOSトランジスタで構成しても良いが、サイズを大きくすると、図5(c)に示すように、n−well(I)とp−基板の寄生容量が大きくなる。このとき、基板(n−well(I))をポンプ容量素子(例えばC2)に接続すると、その接続点とp−sub(II)に寄生容量素子Csが付くことになり、ホンプアップロスが大きくなってしまう。
Next, the switching configuration of the
逆に、基板(n−we11(I))を電圧V01に接続すると、ゲートに最高電位が入力され、トランジスタがオフしたとき、接続点から電圧V01に向かってダイオードがオンしてしまい、ロスが発生する。次に、基板(n−well(1))を最高電位VAに接続することを考えると、この場合には、基板とソース間に電位差が発生するので、トランジスタの基板バイアス効果の影響が問題となってくる。よって、本実施形態では、これら並列接続用のスイッチ素子SW1に関しても電流能力のあるNMOSトランジスタで構成する。 Conversely, when the substrate (n-we11 (I)) is connected to the voltage V01, the maximum potential is input to the gate, and when the transistor is turned off, the diode is turned on from the connection point toward the voltage V01, resulting in loss. appear. Next, considering that the substrate (n-well (1)) is connected to the maximum potential VA, in this case, a potential difference is generated between the substrate and the source, so that the influence of the substrate bias effect of the transistor is a problem. It becomes. Therefore, in the present embodiment, these parallel connection switch elements SW1 are also configured by NMOS transistors having current capability.
例えば、図5(a)の回路構成で、ポンプ容量素子C3に対応するスイッチSW1がオンする状況は、ソースがV01電圧(1V)でドレインが3Vとなっており、ゲートにVA電位(4V)が入力されると、トランジスタはVgs=3Vであるので、オンする(4V側では開放状態で能力がないので、この場合、ソースは1V側となる)。また、ポンプ容量素子C3のGND側のスイッチ素子SW1’を構成するトランジスタが確実にオンしてGNDになるので、ポンプ容量素子C3のカップリングにより、ドレインは瞬時に1V付近まで低下する。 For example, in the circuit configuration of FIG. 5A, when the switch SW1 corresponding to the pump capacitor C3 is turned on, the source is V01 voltage (1V), the drain is 3V, and the gate has a VA potential (4V). Is input, since Vgs = 3V, the transistor is turned on (the 4V side is open and has no capability, so in this case, the source is on the 1V side). Further, since the transistor constituting the switch element SW1 'on the GND side of the pump capacitance element C3 is reliably turned on and becomes GND, the drain instantaneously drops to about 1 V due to the coupling of the pump capacitance element C3.
その結果、スイッチ素子SW1を構成するトランジスタは十分閾値を超えてオンする状態になる。 As a result, the transistors constituting the switch element SW1 are turned on sufficiently exceeding the threshold value.
一方昇圧部20bの各スイッチ素子SW2のようなポンプ容量素子C2〜C4を直列に接続するスイッチ素子に関しては、NMOSトランジスタで構成すると基板バイアス効果により後段ほどオンしにくくなるのでPMOSで構成してある。
On the other hand, the switch elements connected in series with the pump capacitance elements C2 to C4 such as the switch elements SW2 of the boosting
尚各スイッチSW1、SW1’、SW2の各ゲート信号に関しては、図6(a)で示す直列接続用のPMOSトランジスタ用と、同図(b)に示す直列接続用NMOSトランジスタ用と、同図(c)に示す並列接続用のNMOSトランジスタ用の3種類の信号を生成するのであるが、直列接続用ゲート信号と並列接続用ゲート信号の立ち上がり、立ち下がりが重ならないようにΔtの遅延時間を設けており、そのためレベルシフト回路22が発振回路21から発振されるクロック信号を遅延してゲート信号を生成するようになっている。ゲート信号が重なっていると、アップ容量素子の並列接続と直列接続の切り替わり時に逆流が生じ、昇圧全体として大きなロスが発生する(昇圧変換効率の低下)。
The gate signals of the switches SW1, SW1 ′, SW2 are the same for the series-connected PMOS transistor shown in FIG. 6A and the series-connected NMOS transistor shown in FIG. The three types of signals for the NMOS transistors for parallel connection shown in c) are generated, but a delay time of Δt is provided so that the rise and fall of the gate signal for series connection and the gate signal for parallel connection do not overlap. Therefore, the
以上により、ポンプアップ回路21のポンプ容量素子の並列接続用スイッチ素子SW1,SW1’を全てNMOSトランジスタで構成することで、0.5V程度の入力電圧VINでも確実にオン/オフでき、また、アナログスイッチ構成の場合に比べてスイッチ素子用のトランジスタの量を減らすことができるので、各スイッチ素子ゲート容量を抑え、スイッチ切り替え応答を速くすることができ、これにより、スイッチ切り替え時の貫通電流を抑えることができ、昇圧回路部2の低消費電力化を実現できる。
As described above, the switch elements SW1 and SW1 ′ for parallel connection of the pump capacitative elements of the pump-up
次に上述した発振回路21とともにクロック発生部を構成するレベルシフト回路22の具体的構成について説明する。
Next, a specific configuration of the
本実施形態のレベルシフト回路22は、図7(a)に示すように発振回路21から出力されるクロック信号CLKA,CLKBの電圧値(二次電池3の電圧値又は昇圧電圧V01)を最高電位(二次電池3の電圧又は昇圧電圧VA)にシフトさせるレベルシフト部22aと、出力側に設けたクロック信号の立ち上がりをなまらせるための遅延用の抵抗Ra,Rbを備えた遅延回路22cと、この遅延回路22cで立ち上がりをなまらせたクロック信号を異なる閾値の持つインバータ素子NT1a、NT1bで幅の異なる反転信号に変換し、更にインバータ素子NTc、NTcで夫々を基に戻すことで、Δtの遅延時間を持って立ち上がりが重ならないゲート信号を作り、更にインバータ素子NTd、NTdで反転させることで位相が反転したゲート信号を作る論理回路22bを備えている。このように構成したことにより本実施形態のレベルシフト回路22は回路構成が簡単となって、消費電流を抑えることができるのである。尚、ASICの検査などで、LVSFO端子に外部電圧を印加してクロック信号を固定したときには抵抗Ra,Rbが電流制限抵抗となって、トランジスタ破壊を防止することができる。
As shown in FIG. 7A, the
つまり図7(b)に示すように抵抗Ra,Rbを用いないレベルシフト部22a’でレベルシフト後、論理回路22b’でクロック信号を遅延させる構成の場合は、論理回路構成の規模が大きくなり、消費電流が大きい。またクロック信号、つまり直列接続用のスイッチ素子のゲート信号に対して並列接続用のスイッチ素子のゲート信号の時間差Δtが長くなると、その並列接続用のスイッチ素子のオン時間が短くなり、ポンプ容量素子を満充電させることができなくなるため、論理回路のみで遅延時間を作り出すための構成では、応答の遅い遅延回路で遅延させて且つフィードバックを行う必要がある。
That is, as shown in FIG. 7B, in the case of the configuration in which the clock signal is delayed by the
次に本実施形態に用いる電力供給回路部5のレギュレータ回路50の具体構成を図8により説明する。
Next, a specific configuration of the
レギュレータ回路50は、負荷回路4及び二次電池3への出力部として電流制限用抵抗Rxを備えている出力経路と、備えていない出力経路を備え、各出力経路に設けたスイッチ素子SWa,SWbをオン/オフすることで出力経路を切り替えるようになっている。
The
これらスイッチ素子SWa,SWbはダイオードDを介して、レギュレータ回路50の入力端に昇圧部20bの電圧VAとともに接続された二次電池3の電圧(つまり出力電圧VOUT)を数十MΩの抵抗R1、R2で分圧した電圧と制御回路部6の上述の基準電源回路60が作る基準電圧VR1とを比較するコンパレータCP0の出力で制御されるようになっている。
These switch elements SWa and SWb are connected to the input terminal of the
またレギュレータ回路50は二次電池3の過充電、過放電を緩和するために、レギュレータ回路50の電源電圧、つまり昇圧部20aの電圧VAが3.3V以上において、出力電圧値VOUTが3.15V±0.15Vの精度良い出力電圧を作る必要がある。そのために、図示するように制御回路6内の基準電源回路60により作られる比較的安定した1Vの定電圧からなる基準電圧VR1をアンプAP、直列制御用トランジスタQ0、電圧検出用の十数MΩの抵抗R3、R4からなる分圧回路と、3ビットの電子トリミング回路51とで、3.15倍とするようになっている。
Further, the
ここで基準電源回路60で作成する定電圧にばらつきがある場合、そのばらつきも3.15倍となってレギュレータ回路50の出力に現れるので、レギュレータ回路50では、電子トリミング回路51によって精度を上げるようにしている。
Here, if there is a variation in the constant voltage generated by the reference
ここで、太陽電池1に光が当たらない状態が長く続き、二次電池3の電圧が3V以下(充電電圧のMIN値以下)になる状況を経た後、光が太陽電池1に照射されると、ポンプアップ回路20の電圧VAは上昇していき、そしてレギュレータ回路50が動作するまでは、出力電圧VOUTは3V以下であるので、レギュレータ回路50のアンプAPの出力VXは”L”レベルとなり、電圧VA−電圧VOUTの系で電流が流れる。その後レギュレータ回路50は数十MΩの抵抗R3,R4の分圧回路で分圧した出力電圧VOUTを電子トリミング回路51に取り込み、出力電圧VOUTを徐々に3.1Vまで上昇させるようにアンプAPの非反転入力端に戻す電圧を制御するとともに出力電圧VOUTで二次電池3を充電する。
Here, when the
ここで本実施形態の電源回路は全体の小型化を図っているので、太陽電池1の受光面積も小さく、その分二次電池3への充電電流も小さい。よって、光照射が得られない状態が続いて、二次電池3の電圧値が低い値(制御トランジスタQ0のソースドレイン電圧Vdsが大きい)となっていると、その後光照射が得られると、二次電池3の充電電流以上の電流が引かれて昇圧部20bので電圧VAがしばらく上昇しない状態に陥る。
Here, since the power supply circuit of the present embodiment is reduced in size as a whole, the light receiving area of the
そこで、出力電圧VOUT、つまり二次電池3の電圧が低い状態では上述の出力経路を切り替え、レギュレータ回路50の出力と二次電池3に制限抵抗Rxを入れるのである。この制限抵抗Rxを大きくすればするほど、ポンプアップ回路20の昇圧部20bの昇圧電圧VAが上昇しない状態を緩和できるが、負荷回路4の消費電流によりその分電圧降下がおきてしまう。
Therefore, when the output voltage VOUT, that is, the voltage of the
従って、光が太陽電池1に照射され、出力電圧VOUTが3.15V±0.15V(所定範囲)にあるときには、つまり電圧VAが二次電池3の電圧よりも高いときには、コンパレータCP0の非反転入力端の電圧が基準電圧よりも高くなり、このときのコンパレータCP0の出力により、スイッチ素子SWaをオン、スイッチ素子SWbをオフして、制限抵抗Rxを出力経路に挿入しない状態とし、光照射が得られず、また二次電池3の出力電圧が3.0V以下となると、コンパレータCP0の非反転入力端の電圧が基準電圧以下となると、コンパレータCP0は出力を反転させ、この反転した信号によってスイッチSWaをオフ、SWbをオンさせて、出力経路に制限抵抗Rxを挿入させるのである。
Accordingly, when the
このようなレギュレータ回路50を備えた電力供給回路部5を備えることで、太陽電池1から電力が得られない状況が続き、二次電池3の出力電圧がレギュレータ回路50で設定されている出力電圧VOUT以下に落ち、その後太陽電池1の出力が得られてポンプアップ回路20の昇圧動作が再開された場合にも安定した出力電圧VOUTを二次電池3に供給することができる。
By providing the power
以上のように構成した本実施形態では、レギュレータ回路50の出力側に上述のように二次電池3を備え、光照射が得られない状況下に対応させている。このために、太陽電池1の出力電圧VINがある一定値を超えるか否かを判断するための制御回路部6を上述のように備えている。これにより、光照射が得られている場合は、太陽電池1からの発電電力により負荷回路4へ電流を供給すると同時に、二次電池3を充電し、光照射が得られない場合は、二次電池3から電力を負荷回路4へ供給できるのである。
In the present embodiment configured as described above, the
一方二次電池3を使用する場合には過充電、過放電の問題があるが、レギュレータ回路50の出力電圧VOUTを精度良くすることで、二次電池3の発火を防ぎ且つ、正常に充電できるのである。また発振回路21の電源電圧を昇圧部20aの電圧V01で駆動させることで全体の消費電力を落とすことができる。
On the other hand, when the
またASIC化によって小型化することができる上に、全体として太陽電池1の発電量が余り得られない状況下においても、全体の消費電力を下げることで、装置の長寿命化が実現できる。
(実施形態2)
本実施形態は、図9に示すように制御回路部6において、ポンプアップ回路20の出力電圧V01の出力端と、太陽電池1との間に挿入したスイッチ素子SWCと、コンパレータCP2の出力を反転した信号と、コンパレータCP1の出力を反転した信号との否定論理和を取り、その出力でスイッチ素子SWCを制御するノアゲートNOR2とを備えた点で実施形態1と相違する。
Further, the size of the device can be reduced by the ASIC, and the life of the device can be extended by reducing the overall power consumption even in a situation where the power generation amount of the
(Embodiment 2)
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, in the
つまり実施形態1で述べたように、太陽光が照射されないとき、即ち電圧VINが基準電圧VR3以下のときは、スイッチ素子SWA,SWBをオフして昇圧動作にかかわる発振回路21とシフトレベル回路22での電力消費を無くすようにしているが、このとき、太陽電池1の出力電圧VINは基準電圧VR3以下となって発電量が小さくなっているが、全くない状態ではない。
That is, as described in the first embodiment, when the sunlight is not irradiated, that is, when the voltage VIN is equal to or lower than the reference voltage VR3, the switching elements SWA and SWB are turned off and the
そこで、本実施形態では、その状態でノアゲートNOR2の出力を”H”としてスイッチ素子SWCをオンすることで、太陽電池1の電力をポンプアップ回路20の昇圧部20aを構成する容量素子C1に蓄えるようにすることで太陽電池1の電力を有効に用いる。つまりポンプ容量素子C1の電圧V01は昇圧の基準となる電圧であるので、より高い電圧となっていることが望ましく、このように太陽電池1の電力で充電する構成とすることで、光照射が得られる状態になったときに、瞬時に所定の昇圧電圧を得ることができ、その結果昇圧部20bの昇圧電圧VAにより負荷回路4及び二次電池3へ電力を供給することができるのである。尚太陽電池1の出力電圧VINが基準電圧VR3を超えると、ノアゲートNOR2の出力が”L”レベルに反転するため、スイッチ素子SWCがオフして、太陽電池1の出力電圧VINはポンプアップ回路20の昇圧電圧V01の出力端から切り離される。
Therefore, in this embodiment, the output of the NOR gate NOR2 is set to “H” in that state, and the switch element SWC is turned on, so that the electric power of the
1 太陽電池
2 昇圧回路部
20 ポンプアップ回路
21 発振回路
22 レベルシフト回路
3 二次電池
4 負荷回路
5 電力供給回路部
50 レギュレータ回路
6 制御回路部
60 基準電源回路
61 基準電流回路
VR1〜VR3 基準電圧
NOR1 ノアゲート
AND1 アンドゲート
SWA,SWB スイッチ素子
D ダイオード
C1 ポンプ容量素子
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記発電素子の発電量を検出して該発電量に基づき前記発振回路への電源供給を制御する制御回路部を備え、
前記昇圧回路部に、前記電力供給回路部へ出力される第1の出力電圧より低い第2の出力電圧を出力する出力部を設け、
前記制御回路部は、前記第2の出力電圧が所定値以上になると、前記第2の出力電圧を前記発振回路の電源として供給させ、前記第2の出力電圧が前記所定値を下回ると、少なくとも前記発電素子の発電量が所定量以上である限りは、前記第1の出力電圧を前記発振回路の電源として供給させる制御を行うものであって、
前記昇圧回路部は、前記発電素子の電圧を昇圧して前記第2の出力電圧を出力する前段の昇圧部と、この昇圧部が出力した前記第2の出力電圧を昇圧して前記第1の出力電圧を出力する後段の昇圧部とに分けられていることを特徴とする電源回路。 A power generation element, a booster circuit unit that boosts a voltage obtained from the power generation element by a switching operation of the switch element, generates a constant voltage based on an output voltage from the booster circuit unit, and supplies the constant voltage to the load circuit And a power supply circuit having an oscillation circuit for turning on and off the switch element in the boost circuit unit,
A control circuit unit that detects a power generation amount of the power generation element and controls power supply to the oscillation circuit based on the power generation amount;
The booster circuit unit is provided with an output unit that outputs a second output voltage lower than the first output voltage output to the power supply circuit unit,
The control circuit unit supplies the second output voltage as a power source for the oscillation circuit when the second output voltage is equal to or higher than a predetermined value, and at least when the second output voltage is lower than the predetermined value. As long as the power generation amount of the power generation element is not less than a predetermined amount, the first output voltage is controlled to be supplied as a power source of the oscillation circuit ,
The booster circuit unit boosts the voltage of the power generation element and outputs the second output voltage, and boosts the second output voltage output by the booster unit to boost the first output voltage. A power supply circuit characterized in that the power supply circuit is divided into a subsequent booster that outputs an output voltage .
該遅延回路を、電源電圧に一端が接続された第一の抵抗と、一端がグランドに接続された第二の抵抗と、ドレイン及びゲートがそれぞれ接続されたPMOSトランジスタとNMOSトランジスタとの直列回路とで構成し、前記PMOSトランジスタのソースを前記第一の抵抗の他端に接続し、前記NMOSトランジスタのソースを第二の抵抗の他端に接続し、前記発振回路により生成されるクロック信号が該NMOSトランジスタのゲートに入力し、両トランジスタのドレインからの出力を、閾値の異なる2組のインバータ素子に入力してゲート信号を得ることを特徴とする請求項2乃至7の何れか記載の電源回路。 The on-time of the switch element for parallel connection is delayed from the off-time of the switch element for series connection of the pump capacitor elements of the booster circuit section, and the series connection is made more than the off-time of the switch element for parallel connection The boost circuit unit includes a delay circuit that generates a gate signal that delays the ON time of the switch element from the clock signal of the oscillation circuit,
The delay circuit includes a first resistor having one end connected to the power supply voltage, a second resistor having one end connected to the ground, and a series circuit of a PMOS transistor and an NMOS transistor each having a drain and a gate connected to each other. And the source of the PMOS transistor is connected to the other end of the first resistor, the source of the NMOS transistor is connected to the other end of the second resistor, and the clock signal generated by the oscillation circuit is 8. The power supply circuit according to claim 2, wherein a gate signal is obtained by inputting to the gates of the NMOS transistors and inputting outputs from the drains of both transistors to two sets of inverter elements having different threshold values. .
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