JP6150149B2 - キャパシタの並列モニタ回路 - Google Patents
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Description
図2は、この充放電システムを示す回路図である。図2において、C1,C2,…,Cnは充電電流源10とGND(接地)との間に直列に接続された電気二重層キャパシタ、20は電気二重層キャパシタC1,C2,…,Cnの直列回路に並列に接続された負荷、PMC1,PMC2,…,PMCnは各キャパシタにそれぞれ並列に接続された同一構成の並列モニタ回路、CMP1,CMP2,…,CMPnはコンパレータ、Vr1,Vr2,…,Vrnは基準電位として与えられる各キャパシタの均等化電位(通常はVr1=Vr2=……=Vrn=Vrであり、各キャパシタの満充電電位に等しい)、R1,R2,…,Rnは電流制限用抵抗、Tr1,Tr2,…,Trnは電流バイパス用のトランジスタである。
しかしながら、この回路構成では、均等化電位Vrを発生させる電圧源がキャパシタごとに必要になって電圧源を共通化できないことから、回路構成が複雑化するという問題がある。また、均等化電位Vrが固定値であるため充電電位を変更することができず、各キャパシタを任意の値で均等化充電することができない。
図3は、このキャパシタ充電制御回路を示すブロック図である。図3において、PMC11,PMC12,…,PMC1nは電気二重層キャパシタC1,C2,…,Cnにそれぞれ並列に接続された同一構成の並列モニタ回路、31は電圧−電流変換回路、32は電流−電圧変換回路(及びトリミング抵抗)、33はキャパシタ電圧分圧回路、34はバイパス素子駆動回路、35はバイパス素子、40は基準電圧発生回路、50はデコーダ、60はD−Aコンバータである。
また、図4は図3の具体的回路を示し、70はキャパシタC1,C2,…の電圧Vc1,Vc2,…に基づいてデコーダ50に入力する制御信号を生成する制御回路である。
汎用のコンパレータの場合、電源電圧に対して少なくとも1[V]程度の同相入力電圧範囲が規定されているため、入力電圧と電源電圧が同等である場合には、予期しない動作が起こるばかりか、デバイスの破損を生じる可能性も否定できない。このような問題を回避するためには、電源電圧にほぼ等しい入力電圧にも対応可能ないわゆる入力レール・トゥ・レール型の特殊なコンパレータを選定する必要がある。
電気二重層キャパシタ1個当たりの満充電電位は、通常は2〜3[V]程度である。これに対して、コンパレータの動作電源電圧は、低電圧駆動が可能な特殊品であっても1[V]程度を要する。特許文献2において、例えば、キャパシタが1[V]程度まで充電されたとき、キャパシタ電圧分圧回路33の分圧抵抗値が互いに等しければ、コンパレータへの入力電圧は0.5[V]となる。この状態でもコンパレータを誤動作させないためには、特許文献1の場合と同様に、入力レール・トゥ・レール型の特殊なコンパレータを選定する必要がある。また、そのような特殊なコンパレータを選定した場合でも、キャパシタの充電電位がコンパレータの動作電源電圧に満たない状態では、コンパレータの動作が保証されなくなる。
また、特許文献2に記載された回路では、電圧−電流変換回路31にN−MOSを使用しているため、コンパレータ34aに設定される均等化電位は、N−MOSの閾値電圧(通常、0.6〜0.7[V]程度)以上でなくてはならないという制約もある。
前記キャパシタの両端電極の電位をそれぞれ抵抗分圧して減衰させる分圧手段と、
前記分圧手段による分圧電圧の差を増幅して前記充電電位を検出する差動増幅手段と、
前記均等化電位を可変値として設定する均等化電位設定手段と、を備え、
前記差動増幅手段では、それぞれに対応する前記キャパシタの高電位側の電位の対接地分圧値を非反転入力電圧とし、かつ、当該キャパシタの低電位側の電位の対接地分圧値を反転入力電圧とし、
前記差動増幅手段により検出した前記充電電位と前記均等化電位設定手段により設定した前記均等化電位とを前記比較手段によりそれぞれ比較することを特徴とする。
前記差動増幅手段及び前記比較手段の動作電源電圧を、前記キャパシタの両端電極以外の電源から供給することを特徴とする。
図1は、この実施形態に係る並列モニタ回路の回路図である。図1において、充電電流源10とGND(接地)との間には、電気二重層キャパシタ等のキャパシタC1,C2,C3,…,Cnが直列に接続されており、各キャパシタC1,C2,C3,…,Cnの両端には、並列モニタ回路PMC21,PMC22,PMC23,…,PMC2nがそれぞれ接続されている。
ここでは、並列モニタ回路PMC21,PMC22,PMC23,…,PMC2nの動作により、全てのキャパシタC1,C2,C3,…,Cnの充電電位を同一値に制御するものとする。
並列モニタ回路PMC21において、キャパシタC1の両端電極にはPNP型トランジスタTrb1のエミッタ、コレクタが接続され、そのエミッタとベースとの間には抵抗R11が接続されている。トランジスタTrb1のベースとGNDとの間には、NPN型トランジスタTra1のコレクタ、エミッタが接続されている。ここで、トランジスタTrb1,Tra1、後述する抵抗Ra1,R11等は、請求項における充電電流バイパス手段を構成している。
トランジスタTrb1のコレクタは、抵抗Rb12,Rb14,Rb15の直列回路を介してオペアンプAMP1の出力端子に接続され、抵抗Rb12と抵抗Rb14との接続点は抵抗Rb13を介してGNDに接続されている。
上記の点は、他の並列モニタ回路PMC23,…,PMC2nについても同様である。
更に、これらの抵抗Ra14,Ra15,……,Rbn4,Rbn5の抵抗値は、それぞれの分圧抵抗に生じる電圧Va1P,Va1N(=Va2P),Va2N(=Va3P),Va3N,…,Va(n−1)N(=VanP),VanNを乱さない程度に、分圧抵抗Ra12,Ra13,Rb12,Rb13,Rb22,Rb23,Rb32,Rb33,…,Rbn2,Rbn3の抵抗値よりも高くする。
また、この実施形態では、直列接続されるキャパシタの数に依存することなくVb1=Vcapとなり、Vcapは通常は2〜3[V]以下となるため、全てのコンパレータの電源電圧Vddは、同相入力電圧範囲を考慮したとしても、例えば5[V]程度でよくなる。なお、この電源電圧Vddは全てのオペアンプにも共通して用いられている。
また、Vb1≧Vrの場合には、トランジスタTra1,Trb1の何れもONとなって充電電流源10からの電流がバイパスされることにより、キャパシタC1には電流が供給されなくなって充電が停止される。
このように、各キャパシタC1,C2,C3,…,Cnの充電電位Vcapは均等化電位Vrに依存し、この均等化電位Vrは全てのキャパシタC1,C2,C3,…,Cnに対して共通であるため、DAコンバータ80により均等化電位Vrを可変制御すれば、全てのキャパシタC1,C2,C3,…,Cnの充電電位Vcapを容易に変更することができる。
よって、各キャパシタC1,C2,C3,…,Cnの充電電位Vcapを、0[V]の状態から例えば0.1[V]刻みで高くしていくように設定することも可能であり、各キャパシタC1,C2,C3,…,Cnを0[V]から満充電相当の電位までの範囲で所望の値に均等化充電することができる。
80:DAコンバータ
PMC21,PMC22,PMC23,…,PMC2n:並列モニタ回路
C1,C2,C3,…,Cn:キャパシタ
AMP1,AMP2,AMP3,…,AMPn:オペアンプ
CMP1,CMP2,CMP3,…,CMPn:コンパレータ
Tra1,Tra2,Tra3,…,Tran:NPN型トランジスタ
Trb1,Trb2,Trb3,…,Trbn:PNP型トランジスタ
R11,R21,R31,…,Rn1:抵抗
Ra1,Ra2,Ra3,…,Ran:抵抗
Ra12,Ra13,Ra14,Ra15,Rb12,Rb13,Rb14,Rb15:抵抗
Ra24,Ra25,Rb22,Rb23,Rb24,Rb25:抵抗
Ra34,Ra35,Rb32,Rb33,Rb34,Rb35:抵抗
Ran4,Ran5,Rbn2,Rbn3,Rbn4,Rbn5:抵抗
Claims (5)
- 充電電流源と接地点との間に直列に接続された複数のキャパシタの両端にそれぞれ接続され、前記キャパシタの充電電位と均等化電位とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力により動作して前記充電電位が前記複数のキャパシタに共通した前記均等化電位に一致するように前記キャパシタの充電電流を制御する充電電流バイパス手段と、を備えた多段構成の並列モニタ回路において、
前記キャパシタの両端電極の電位をそれぞれ抵抗分圧して減衰させる分圧手段と、
前記分圧手段による分圧電圧の差を増幅して前記充電電位を検出する差動増幅手段と、
前記均等化電位を可変値として設定する均等化電位設定手段と、
を備え、
前記差動増幅手段では、それぞれに対応する前記キャパシタの高電位側の電位の対接地分圧値を非反転入力電圧とし、かつ、当該キャパシタの低電位側の電位の対接地分圧値を反転入力電圧とし、
前記差動増幅手段により検出した前記充電電位と前記均等化電位設定手段により設定した前記均等化電位とを前記比較手段によりそれぞれ比較することを特徴とする、キャパシタの並列モニタ回路。 - 請求項1に記載したキャパシタの並列モニタ回路において、
前記分圧手段は、前記キャパシタの両端電極の電位と接地電位との間の電圧をそれぞれ抵抗分圧することを特徴とする、キャパシタの並列モニタ回路。 - 請求項1または2に記載したキャパシタの並列モニタ回路において、
前記分圧手段による電圧減衰比率が、前記差動増幅手段における電圧増幅率の逆数に等しいことを特徴とする、キャパシタの並列モニタ回路。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載したキャパシタの並列モニタ回路において、
前記均等化電位設定手段は、0[V]と前記キャパシタの満充電相当値との間で、前記均等化電位を所定の刻み幅で設定可能であることを特徴とする、キャパシタの並列モニタ回路。 - 請求項1に記載したキャパシタの並列モニタ回路において、
前記差動増幅手段及び前記比較手段の動作電源電圧を、前記キャパシタの両端電極以外の電源から供給することを特徴とする、キャパシタの並列モニタ回路。
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