JP5310662B2 - 電圧変換回路、および電子機器 - Google Patents
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Description
い電圧値であってもよい。すなわち、一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との電圧差が、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷移動の効率に影響を与えることを踏まえて、所定接続電圧が決定される。二次コンデンサの充電電圧に対して一次コンデンサの充電電圧が高くなると、換言すれば上記電圧差が大きくなると、電荷移動効率が低下していく傾向が見出せた。この傾向自体は、一次コンデンサの容量と二次コンデンサの容量に違いがあっても基本的には変化はない。そこで、接続制御回路によって二次コンデンサに接続されると判断されるための所定接続電圧は、この電荷移動効率の傾向を踏まえて決定されるのが好ましい。実験的には、所定接続電圧は、上記所定効率が85%以上となり得る、二次コンデンサの充電電圧の1.1〜1.2倍程度の電圧が好ましい。
、概ね上限電圧に蓄電された状態に維持されるべく、電源回路10からの充電が行われる。
ここで、振動発電装置11と一次コンデンサ群との間の充電効率Ec1は、以下の式で表わされる。
Ec1=(単位時間に一次コンデンサ群へ蓄積されたエネルギー量)
/(整合抵抗時の振動発電装置11の供給(発電)電力量)
一次コンデンサ群2の総充電電圧=n × V1ave
(nは一次コンデンサ群2に含まれる一次コンデンサの数。本実施例はn=3となる)
一般に、市場で入手できるコンデンサは、その容量は既定値であるため、一次コンデンサ群2の総充電電圧が、ちょうど振動発電装置11の開放端電圧の半分(50%)となるように、そこに含まれる一次コンデンサの数を決定するのは難しい場合がある。そのような場合には、可及的に一次コンデンサ群2の総充電電圧が振動発電装置11の開放端電圧の半分に近づくように、そこに含まれる一次コンデンサの数を決定すればよい。
行され、これにより電源回路10の出力電圧が、負荷回路15の駆動電圧に相当する二次コンデンサ6の充電電圧まで降圧されることになる。図3は、電圧監視回路31〜33、スイッチング調整回路41〜43、切換制御回路5で発揮される機能をイメージ化して表わした機能ブロック図である。各回路は、図3に示す機能部以外の機能部を有していてももちろん構わない。
<充電処理>
(1)電源回路10からの出力電流は、一次コンデンサ群2に含まれる各一次コンデンサに蓄えられる。これにより、各一次コンデンサの充電電圧が上昇する。この一次コンデンサの充電電圧の変動は、対応する電圧監視回路の充電電圧監視部101によって監視される。
となる所定接続電圧に到達すると、スイッチング切換要求部102が切換要求を切換制御回路5に対して送る。
ここで、所定接続電圧は、各一次コンデンサと二次コンデンサ6が接続されたときに、一次コンデンサから二次コンデンサ6への電荷の移動効率が良好な値となるように決定される。そこで、所定接続電圧の決定について、図4に基づいて説明する。図4は、一次コンデンサと二次コンデンサが接続されたときに、一次コンデンサから二次コンデンサへの電荷の移動効率を、各コンデンサの充電電圧ごとに表わしている。なお、この電荷の移動効率は理論的に下記式に従って算出されたものである。
電荷の移動効率=(接続による二次コンデンサのエネルギー増加分)
/(一次コンデンサのエネルギー減少分)
あり、下段(b)は、一次コンデンサの容量が1μF、二次コンデンサの容量が10000
000μFの場合である。なお、各コンデンサの充電電圧の初期とは、接続を開始したタイミングでの充電電圧であり、終止とは、接続を終え遮断したタイミングでの充電電圧である。図4からも明らかなように、一次コンデンサと二次コンデンサの容量にかかわらず、初期において一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサの充電電圧との電圧差が小さくなるほど、電荷の移動効率が上昇する傾向がある。
応するスイッチング回路に対して出す。これを受けたスイッチング回路のスイッチング実行部301は、一次コンデンサと二次コンデンサの接続を遮断する。この遮断と同時に、上述した次に二次コンデンサ6に接続される一次コンデンサに対応するスイッチング回路による両コンデンサの接続が実行されることになる。
スイッチング実行部301がスイッチング回路を接続状態(ON状態)とするときの接続時定数Δt1は、スイッチング回路を遮断状態(OFF状態)とするときの遮断時定数Δt2と比べて比較的に長く設定されている。たとえば、Δt1は約7msecであり、Δt2は可及的に0msecに近い値である。このように接続時定数を比較的長くすることで電荷の移動が緩やかに行われるため、仮にあるスイッチング回路で遮断処理を行っている最中に別のスイッチング回路で接続処理を行っても、それぞれのスイッチング回路に対応する一次コンデンサ同士が短絡ことを回避することが可能となる。この結果、上記のように、あるスイッチング回路での遮断処理と別のスイッチング回路での接続処理が同時に行われても、一次コンデンサ同士の短絡は実質的に回避できる。
可及的に0msecに近い値とすると、あるスイッチング回路での遮断処理と別のスイッチング回路での接続処理が同時に行われると、もしくは両処理の間隔が極めて近接して行われると、一次コンデンサ同士で短絡が生じる可能性が高くなる。特に、本発明に係る電圧変換回路1においては、二次コンデンサ6に対して実質的に1個の一次コンデンサのみを接続させることが肝要であることを踏まえると、一次コンデンサ同士の短絡を回避し得る接続時定数Δt1と接続時定数Δt2の設定は重要である。
従来方式の電圧変換回路の充電効率とを比較して示し、下段(b)に従来方式の電圧変換回
路の概略構成を示した。従来方式のものは、電源回路の出力電圧を、コンデンサに直接印加する構成である。図7の上段(a)からも明らかなように、本発明に係る電圧変換回路1
の充電効率は50%を超え極めて高く、実用性に優れていると考える。
上記の実施例においては、一次コンデンサ群2に含まれる一次コンデンサの容量は全て同一とされた。一般に市販のコンデンサにおいては、その容量の選択は既定のものに限られてしまうため、一次コンデンサの容量を全て同一とする条件下では、図2A〜図2Cで示したように振動発電装置11から一次コンデンサ群2への充電効率を最適にすべく一次電圧比を所定値に合わせることは必ずしも容易ではない。そこで、一次コンデンサ群2に含まれる複数の一次コンデンサのうち一部の一次コンデンサ、好ましくは1個の一次コンデンサ(以下、「調整用一次コンデンサ」という。)については、他の一次コンデンサ(以下、「標準一次コンデンサ」という。)と比べて容量を違えることで、一次電圧比を所定値により近接させることができ、振動発電装置11から一次コンデンサ群2への充電効率の最適化を図ることが可能となる。
上記の実施例においては、二次コンデンサ6は1個のコンデンサにより構成されたが、これを複数のコンデンサで構成しても構わない。また、コンデンサ同士の接続形態は直列、並列の何れでもよく、また直列、並列の組合せでもよい。この場合、一次コンデンサの充電電圧と二次コンデンサ6の充電電圧との間の上述の相関については、複数のコンデンサにより構成される二次コンデンサ全体と、一次コンデンサとの間で成立すれば、一次コンデンサから二次コンデンサ全体への効率的な電荷移動が可能である。また、負荷回路15と、二次コンデンサを構成する複数のコンデンサとの接続態様を適宜調整することで、電圧変換回路1が、負荷回路15に対する複数の出力電圧を有することになる。
た電圧が降圧コンバータ8の入力電圧の値とされるか、もしくは降圧コンバータの動作に支障の無い限りでその入力電圧の近傍の値とされるのが好ましい。なお、図8に示す構成では、降圧コンバータ8を設けることで、一次コンデンサ群2に含まれる一次コンデンサの数を上記実施例の3個から2個へ減少させている。
2・・・・一次コンデンサ群
5・・・・切換制御回路
6・・・・二次コンデンサ
8・・・・降圧コンバータ
10・・・・電源回路
11・・・・振動発電装置
12・・・・整流回路
15・・・・負荷回路
21〜23・・・・一次コンデンサ
31〜33・・・・電圧監視回路
41〜43・・・・スイッチング調整回路
71a、71b・・・・スイッチング回路
72a、72b・・・・スイッチング回路
73a、73b・・・・スイッチング回路
Claims (11)
- 電源から充電される複数の一次コンデンサと、
前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して並列に接続され、負荷回路への供給電圧で充電可能な二次コンデンサと、
前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対応して設けられ、該一次コンデンサと前記二次コンデンサとの接続状態を切り換える複数のスイッチング回路と、
前記複数の一次コンデンサのそれぞれに対して設けられ、該一次コンデンサの充電電圧を監視する電圧監視回路と、
前記一次コンデンサのそれぞれを前記二次コンデンサに対して対応する前記スイッチング回路を介して順次接続する接続制御回路と、
を備え、
前記電圧監視回路は、各一次コンデンサの充電電圧が、前記二次コンデンサの充電電圧より高い、基準となる所定接続電圧に到達することを監視し、
前記接続制御回路は、前記電圧監視回路によって得られた前記一次コンデンサの充電電圧に基づいて、該一次コンデンサ同士が電気的に短絡しないよう制御しながら、前記所定接続電圧に到達した一次コンデンサを前記二次コンデンサに接続する、
電圧変換回路。 - 前記所定接続電圧は、前記一次コンデンサの充電電圧と前記二次コンデンサの充電電圧との電圧差が、該一次コンデンサから該二次コンデンサへの電荷移動効率を所定効率以上とする電圧差となる、該二次コンデンサの充電電圧より高い電圧値である、
請求項1に記載の電圧変換回路。 - 前記接続制御回路は、前記スイッチング回路を介して前記一次コンデンサと前記二次コンデンサとを接続する際の接続時定数を、該スイッチング回路を介した接続を遮断する際の遮断時定数より長く設定する、
請求項1又は請求項2に記載の電圧変換回路。 - 前記接続制御回路は、前記二次コンデンサに対して接続された前記一次コンデンサに対応する前記スイッチング回路の遮断指示タイミングを、充電電圧が前記所定接続電圧に到
達している他の一次コンデンサに対応する前記スイッチング回路の接続指示タイミングと同時とする、
請求項3に記載の電圧変換回路。 - 前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源からの充電効率を所定充電効率以上とする、該電源の開放端電圧の所定割合に相当する電圧範囲に属することを可能とする数とされる、
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の電圧変換回路。 - 前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源からの充電効率を所定充電効率以上とする、該電源の開放端電圧の所定割合に相当する電圧範囲に属することを可能とする数とされ、
前記所定割合は、前記電圧監視回路の内部抵抗に基づいて決定される、
請求項1に記載の電圧変換回路。 - 前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサによる総充電電圧が、前記電源の開放端電圧の半分以下となる数であって、2個以上の数である、
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の電圧変換回路。 - 前記複数の一次コンデンサに対して並列に接続され、且つ該複数の一次コンデンサと前記二次コンデンサとの間に接続される降圧コンバータを、更に備え、
前記複数の一次コンデンサの数は、該複数の一次コンデンサを介して降圧された電圧が、前記降圧コンバータの入力電圧の近傍の値となる数とされる、
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の電圧変換回路。 - 前記電源は、外部からの振動エネルギーを電力変換する振動発電装置を含む、
請求項1から請求項8の何れか一項に記載の電圧変換回路。 - 前記所定効率は、前記一次コンデンサから前記二次コンデンサへの電荷移動効率が85%以上となる値である、
請求項2に記載の電圧変換回路。 - 請求項1から請求項10の何れか一項に記載の電圧変換回路および前記負荷回路を有する電子機器であって、
前記電源の出力電圧が前記電圧変換回路によって前記負荷回路への供給電圧に降圧される、
電子機器。
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