JP6017176B2 - 充放電制御回路を有する電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、微小電力を容量に充電し、充電により上昇する容量の電圧が、所定電圧に達すると、容量の充電電力を負荷へ供給する充放電制御回路を有した電子機器に関する。

近年、身の回りの存在する太陽光や人の体温等で発電した電力を用いて動作する電子機器が増えてきている。太陽光で発電するのは太陽電池、人の体温で発電するのは熱電変換素子が知られているが、これら発電器は、携帯性の向上やコストダウンのため、小型されており、発電電力が微小となる。従って、この発電電力が電子機器の消費電力未満となる場合が増えている。この場合に用いる方法が、充放電制御回路を用いて、発電電力を一旦容量に充電し、電子機器が所定時間動作できる電力が充電されたら、電子機器へ容量の充電電力を供給する方法である。

従来の充放電制御回路を有した電子機器を図４に示す。電源４０１と、容量４０５と充放電を制御する制御回路４０６と負荷である電子機器本体回路４０７とで構成される。電源４０１は、熱電変換素子４０２と昇圧回路４０３とショットキーダイオード４０４とで構成される。

熱電変換素子４０２は、体温と外気温等の温度を発電電力に変換し出力する。熱電変換素子４０２が出力する発電電力は、電子機器本体回路４０７の動作電圧未満の電圧であるため、昇圧回路４０３にて電子機器本体回路４０７の動作電圧以上の電圧の昇圧電力に変換される。昇圧回路４０３からの昇圧電力は、逆流防止用のショットキーダイオード４０４を介して出力され、容量４０５に充電される。制御回路４０６は、スイッチ素子と電圧検出回路と、ヒステリシス回路と遅延回路、あるいは、ラッチ回路とタイマー回路と遅延回路を有しており、容量４０５の電圧を電圧検出回路でモニターすることで、容量４０５の充電量をモニターし、容量４０５の充電量が電子機器本体回路４０７を所定時間動作できる電力以上となったことを検出する。

制御回路４０６は、上記状態を検出したら、スイッチ素子をオンすることで、容量４０５の充電電力を電子機器本体回路４０７は供給する。そして、ヒステリシス回路と遅延回路を有する場合は、検出電圧にヒステリシスを持たせ、遅延回路による遅延期間後に、スイッチ素子をオンし、容量４０５の電圧がヒステリシス電圧になるまで、容量４０５の充電電力を電子機器本体回路供給する。ラッチ回路とタイマー回路と遅延回路を有する場合は、容量の電圧を検出してから、遅延回路の遅延時間間にラッチ回路を反転と、タイマー回路の動作とを行い、遅延回路の遅延時間後にスイッチ素子をオンする。そして、タイマー回路でラッチ回路がリセットされるまでは、容量４０５の充電電力を電子機器本体回路４０７へ供給する。容量４０５の充電電力が電子機器本体回路４０７へ供給されると、電子機器本体回路４０７が動作する。（例えば、特許文献１参照）

特開平１１−２８８３１９号公報（図１）

上記従来の充放電制御回路を有する電子機器は、容量の電圧をモニターし、容量の電圧が所定電圧となったのを検出して、容量の充電電力を負荷である電子機器本体回路に供給する構成であった。この構成の場合、容量の電圧が所定電圧となったのを検出してから、スイッチ素子がオンするまでの間の遅延時間で、ラッチ回路の反転ないしヒステリシス回路の動作を確定させてから、スイッチ素子をオンする必要がある。ラッチ回路の反転ないしヒステリシス回路は、動作し始めてから、動作が完了するまでに数ｍＶ以上の電位差が
必要であり、上記遅延時間で、容量の電圧がこの電位差以上に上昇する必要がある。この電圧以上に上昇していない状態で、スイッチ素子がオンし始めると、電子機器本体回路へ供給される電力が徐々に増加し、この電力が充電電力と等しくなった時点で、容量の電圧の上昇が止まる。そして、容量の電圧上昇が止まると、ラッチ回路あるいはヒステリシス回路の動作とスイッチ素子のオン抵抗が中途半端な状態で、動作が固まり、充電電力が電子機器に消費され続ける。もちろん、この場合、電子機器本体回路の動作に必要な電力に比べ、充電電力は、はるかに少ないので、電子機器本体回路は所望の動作ができない。

以上述べてきたように、従来の充放電制御回路を有する電子機器は、充電電力が微小で、充電により上昇する容量の電圧上昇速度が低い場合、所望の電力を負荷へ供給できない課題があった。また、発電機の小型による発電電力の低下と、発電電力で動作させる電子機器の機能や性能アップによる消費電流の増加等で、容量値を増加させる場合が増えており、上記課題は発生しやすくなっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、より微小な電力でより大きな容量の充電電力を負荷へ供給することができる充放電制御回路を有する電子機器を提供する。

従来の課題を解決するため、本発明の充放電制御回路を有する電子機器は以下のような構成とした。
所望の機能を有する負荷と、負荷の動作時の消費電力よりも少ない供給電力の電源と、供給電力に基づいた電力が充電される容量と、供給電力に基づいた電力の容量への充電と、容量の充電電力の負荷での消費と、を制御する充放電制御回路と、を有した電子機器であって、充放電制御回路は、供給電力に基づいた電力が供給される第１のノードと、第１のノードに供給された電力を容量へ充電する回路と、を備え、第１のノードが所定の電圧以上になったことを検出したら、第１のノードから前記容量の間で、容量へ充電する電力を減少、あるいは、遮断した後に、容量の充電電力で負荷を動作させる、充放電制御回路を有する電子機器。

本発明の充放電制御回路を有する電子機器は、本発明の充放電制御回路を有する電子機器に比べ、より微小な電力で、より大きな容量の充電電力を負荷へ供給できるため、より小型な発電器等の電源を用いて、より高機能な負荷を動作させることができる。

本実施形態の充放電制御回路を有する電子機器を示す概略回路図である。 充放電制御回路の一例を示す概略回路図である。 充放電制御回路の他の例を示す概略回路図である。 従来の充放電制御回路を有する電子機器を示す概略回路図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜本実施形態＞
図１は、本実施形態の充放電制御回路を有する電子機器を示す概略回路図である。
本実施形態の電子機器は、電源１０１と、充放電制御回路１０２と、容量１０３と、負荷１０４と、を備える。

電源１０１は、光や熱や振動と言った身の回りのエネルギーで発電する発電器や、非常に小型な電源等であって、供給する電力が負荷１０４の消費電力よりも小さい。電源１０１の出力端子１１１は、充放電制御回路１０２の入力端子１１２に接続される。充放電制御回路１０２は、正極端子１１３が容量１０３の第１の電極と負荷１０４の正極端子１１５に接続され、負極端子１１４が負荷１０４の負極端子１１６に接続される。容量１０３の第２の電極は基準電源端子（ＧＮＤ）に接続される。

図２は、充放電制御回路１０２の一例を示す概略回路図である。
充放電制御回路１０２は、入力端子１１２と、ノードＮ１と、電圧検出回路２１１と、タイマー回路２１２と、遅延回路２１３と、ＰＭＯＳトランジスタ２０１と、ＮＭＯＳトランジスタ２０２と、正極端子１１３と、負極端子１１４と、を備える。

入力端子１１２はノードＮ１に接続され、ノードＮ１は、ＰＭＯＳトランジスタ２０１のソース端子と電圧検出回路２１１に接続される。電圧検出回路２１１は、ノードＮ１の電圧をモニターし、ノードＮ１の電圧が所定電圧以上であることを検出したら、検出信号をタイマー回路２１２へ出力する。タイマー回路２１２は、出力がＰＭＯＳトランジスタ２０１のゲートと遅延回路２１３の入力に接続される。タイマー回路２１２は、電圧検出回路２１１からの検出信号を受けると、オンしていたＰＭＯＳトランジスタ２０１を所定期間オフした後に、再度ＰＭＯＳトランジスタ２０１をオフする。遅延回路２１３は、タイマー回路２１２の出力信号を、所定期間遅延させてＮＭＯＳトランジスタ２０２のゲートへ出力する。ＰＭＯＳトランジスタ２０１は、ドレインが正極端子１１３に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ２０２は、ドレインが負極端子１１４と接続され、ソースが基準電源端子（ＧＮＤ）に接続される。

次に、図１で示した本実施形態の充放電制御回路を有する電子機器に、図２で示した充放電制御回路を用いた構成の動作を説明する。
ノードＮ１が所定電圧未満で、タイマー回路２１２のカウントと遅延回路２１３の動作が終了し、ＰＭＯＳトランジスタ２０１がオンし、ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオフしている状態から説明する。電源１０１からの電力によってノードＮ１とＰＭＯＳトランジスタ２０１を介して容量１０３が充電され、容量１０３の電圧が上昇する。その際、ＰＭＯＳトランジスタ２０１がオンしているので、容量１０３の電圧とノードＮ１の電圧が等しくなる。そして、ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオフしているので、容量１０３の充電電力は負荷１１５に消費されない。容量１０３の電圧の上昇と共に上昇するノードＮ１の電圧が、電圧検出回路２１１によって所定電圧以上となった事が検出されると、タイマー回路２１２によりＰＭＯＳトランジスタ２０１がオフすると共に、遅延回路２１３の遅延時間分遅れてＮＭＯＳトランジスタ２０２がオンする。

ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオンすると、容量１０３の充電電力によって負荷１０４が動作を開始する。そして、容量１０３の充電電力は負荷１０４で消費され、容量１０３の電圧を低下させる。一方、ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオンする前にＰＭＯＳトランジスタ２０１がオフするので、ノードＮ１の電圧は容量１０３の電圧と共に低下しないだけでなく急激に上昇する。従って、電圧検出回路２１１は、中途半端な状態で固まることも無く、確実に検出状態を維持することができる。すなわち、ＮＭＯＳトランジスタ２０２は確実にオン状態を維持することができるので、負荷１０４は容量１０３の充電電力で所望の動作をすることができる。

タイマー回路２１２が所定時間のカウントを終了すると、ＰＭＯＳトランジスタ２０１をオンし、遅延回路２１３での遅延時間分遅れてＮＭＯＳトランジスタ２０２がオフする。そして、容量１０３の充電電力の負荷１０４への消費は停止され、負荷１０４の消費により所定電圧未満となった容量１０３の電圧とノードＮ１の電圧が等しくなる。従って、電圧検出回路２１１がノードＮ１の電圧を所定電圧未満と検出するため、上記に示した一連の動作の初期状態に戻る。
上記に示した一連の動作を繰り返し行うことで、ある間隔で負荷１０４が所望の動作を繰り返し行う動作となる。

図３は、充放電制御回路の他の例を示す概略回路図である。
充放電制御回路１０２は、入力端子１１２と、ノードＮ１と、ノードＮ２と、第１の電圧検出回路３１１と、第２の電圧検出回路３１２と、容量３０３と、ＰＭＯＳトランジスタ２０１と、ＮＭＯＳトランジスタ２０２と、正極端子１１３と、負極端子１１４と、ショットキーダイオード３０２と、ＮＭＯＳトランジスタ３０１と、で構成される。

入力端子１１２は、ノードＮ１に接続される。ノードＮ１は、ＰＭＯＳトランジスタ２０１のソースと、ショットキーダイオード３０２のＰ型端子と、ＮＭＯＳトランジスタ３０１のドレインと、第１の電圧検出回路３１１に接続される。ショットキーダイオード３０２のＮ型端子は、ノードＮ２に接続される。ノードＮ２は、片側電極が基準電源端子（ＧＮＤ）に接続された容量３０３のもう片方の片側電極と、ＮＭＯＳトランジスタ３０１のゲートと、第２の電圧検出回路３１２に接続される。

第１の電圧検出回路３１１は、ノードＮ１の電圧をモニターし、ノードＮ１の電圧が所定電圧以上であることを検出したら、ＰＭＯＳトランジスタ２０１をオフする。第２の電圧検出回路３１２は、ノードＮ２の電圧をモニターし、ノードＮ２の電圧が所定電圧以上であることを検出したら、ＮＭＯＳトランジスタ２０２をオンする。ＰＭＯＳトランジスタ２０１は、ドレインがＮＭＯＳトランジスタ３０１のソースと、正極端子１１３に接続される。ＮＭＯＳトランジスタ２０２は、ドレインが負極端子１１４と接続され、ソースが基準電源端子（ＧＮＤ）と接続される。なお、ノードＮ１が所定電圧以上であることを第１の電圧検出回路３１１で検出した直後では、ノードＮ２の電圧は第２の電圧検出回路３１２が検出する所定電圧以上には上昇していない構成である。

次に、図１で示した本実施形態の充放電制御回路を有する電子機器に、図３で示した充放電制御回路を用いた構成の動作を説明する。
ノードＮ１とノードＮ２が所定電圧未満で、ＰＭＯＳトランジスタ２０１がオンし、ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオフしている状態から説明する。電源１０１から電力がノードＮ１とＰＭＯＳトランジスタ２０１を介して容量１０３を充電するため、容量１０３の電圧が上昇する。また、電源１０１の電力は、ノードＮ１とショットキーダイオード３０２を介してノードＮ２へ供給される。その際、ＰＭＯＳトランジスタ２０１がオンしているので、容量１０３の電圧とノードＮ１の電圧が等しく、ノードＮ２の電圧はノードＮ１の電圧からショットキーダイオード３０２の順方向電圧を引いた値となる。ＮＭＯＳトランジスタ３０１は、ソースとドレインの電圧がノードＮ１の電圧で、ゲートの電圧がノードＮ２の電圧なので、オフしている。また、ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオフしているので、容量１０３の充電電力は負荷１０４に消費されない。

容量１０３の電圧と共に上昇するノードＮ１の電圧が、所定電圧以上となったことを第１の電圧検出回路３１１が検出するとＰＭＯＳトランジスタ２０１がオフする。そして、ノードＮ１の電圧と共に上昇するノードＮ２の電圧が、所定電圧以上となったことを第２の電圧検出回路３１２が検出するとＮＭＯＳトランジスタ２０２がオンする。ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオンすると、容量１０３の充電電力によって負荷１０４が動作を開始する。そして、容量１０３の充電電力は負荷１０４で消費され、容量１０３の電圧が低下する。一方、ＮＭＯＳトランジスタ２０２がオンする前にＰＭＯＳトランジスタ２０１がオフするので、ノードＮ１の電圧は容量１０３の電圧と共に低下しないだけでなく急激に上昇する。従って、電圧検出回路３１１は、中途半端な状態で固まることも無く、確実に検出状態を維持することができる。

またノードＮ２もノードＮ１に追従して電圧が増加するので、第２の電圧検出回路３１２も確実にオン状態を維持することができるので、負荷１０４は容量１０３の充電電力で所望の動作をすることができる。

容量１０３の充電電力が負荷１０４で消費されることで容量１０３の電圧が低下し、ＮＭＯＳトランジスタ３０１がオンする電圧まで低下すると、ノードＮ１と容量１０３がＮＭＯＳトランジスタ３０１を介して接続されるので、ノードＮ１の電圧が容量１０３の電圧まで低下する。容量１０３の電圧はノードＮ１の所定電圧未満であるので、第１の電圧検出回路３１１は、ＰＭＯＳトランジスタ２０１を再びオンする。この時、ノードＮ２は容量３０３により、しばらくの間は所定電圧以上となる。この間では、ＮＭＯＳトランジスタ３０１とＮＭＯＳトランジスタ２０２はオンし続け、負荷１１４も動作し続ける。そして、ノードＮ２の電圧も、第２の電圧検出回路３１２の消費電力により徐々に低下し、やがて、ノードＮ２の電圧が所定電圧未満となり、第２の電圧検出回路３１２によりＮＭＯＳトランジスタ２０２がオフされ、上記した一連の動作の初期状態に戻る。
上記した一連の動作を繰り返し行うことで、ある間隔で、負荷１０４が所望の動作を繰り返し行う動作となる。

以上により、本発明の本実施形態の充放電制御回路を有する電子機器は、供給電力が負荷の消費電力未満の電源の電力を一旦容量に充電し、容量の充電量が負荷を所定時間動作できる状態となったことを検出する。そして、容量の充電電力で負荷を動作させる構成において、従来は負荷が動作できなかった電源の電力が小さい、あるいは、容量の容量値が大きい場合においても、負荷を確実に動作することができる。

なお、上記本発明の本実施形態の充放電制御回路を有する電子機器では、ＰＭＯＳトランジスタを用いて、容量の充電量を検出するノードと容量を切断する構成で述べたが、容量への充電量を、電源の電力未満の電力とする構成であれば、どのような構成でも良いことは言うまでも無い。

また、上記本発明の本実施形態の充放電制御回路を有する電子機器では、ＮＭＯＳトランジスタを用いて、容量の充電電力の負荷への消費を停止する構成で説明したが、負荷の消費電力を、電源の電力未満にできる構成であれば、どのような構成でも良いことは言うまでも無い。

さらに、電源は、太陽電池や熱電変換素子や振動発電等の発電電力を発生する発電器を用いることは、もちろんであるが、供給能力が小さい、あるいは、内部抵抗が高い電池や、電解質の液体に異種金属を浸した構造の電池でも良いこと言うまでも無い。またさらに、容量は、充電電力の増加と共に、充電電圧が上昇するものであれば良く、この様な特性であれば二次電池でも良いことは言うまでも無い。

１０１ 電源
１０２ 充放電制御回路
１０３ 容量
１０４ 負荷
１１２ 入力端子
１１３ 正極端子
１１４ 負極端子
２１１ 電圧検出回路
２１２ タイマー回路
２１３ 遅延回路
３０２ ショットキーダイオード
３１１ 第一の電圧検出回路
３１２ 第二の電圧検出回路
４０１ 電源
４０２ 熱変換素子
４０３ 昇圧回路
４０６ 制御回路
４０７ 電子機器本体回路

Claims (3)

1. 所望の機能を有する負荷と、
   前記負荷の動作時の消費電力よりも少ない供給電力の電源と、
   前記供給電力に基づいた電力が充電される容量と、
   前記供給電力に基づいた前記電力の前記容量への充電と、前記容量の充電電力の前記負荷での消費と、を制御する充放電制御回路と、
   を有した電子機器であって、
   前記充放電制御回路は、
   前記供給電力に基づいた前記電力が供給される第１のノードと、
   前記第１のノードに供給された前記電力を前記容量へ充電する回路と、
   を備え、
   前記第１のノードが所定の電圧以上になったことを検出したら、前記第１のノードから前記容量の間で、前記容量へ充電する前記電力を減少、あるいは、遮断した後に、前記容量の充電電力で前記負荷を動作させる、ことを特徴とする充放電制御回路を有する電子機器。
2. 前記充放電制御回路は、
   前記第１のノードの電圧を検出する第１の電圧検出回路と、
   所定の時間をカウントするタイマー回路と、
   信号を遅延させる遅延回路と、
   を有し、
   前記第１のノードが前記所定の電圧以上になったことを前記第１の電圧検出回路が検出したら、前記タイマー回路のカウント期間は、前記容量へ充電する前記電力を減少、あるいは、遮断すると共に、前記カウント期間を前記遅延回路にて遅延させた期間は、前記容量の充電電力で前記負荷を動作させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の充放電制御回路を有する電子機器。
3. 前記充放電制御回路は、
   前記第１のノードが第１の電圧以上になったことを検出する第１の電圧検出回路と、
   前記第１のノードが前記第１の電圧より高い第２の電圧以上になったことを検出する第２の電圧検出回路と、
   を有し、
   前記第１の電圧検出回路が前記第１のノードが前記第１の電圧以上になったことを検出したら、前記容量へ充電する前記電力を減少、あるいは、遮断し、前記第２の電圧検出回路が前記第１のノードが前記第２の電圧以上になったことを検出したら、前記容量の充電電力で前記負荷を動作させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の充放電制御回路を有する電子機器。

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