JP6718109B2 - 過電圧保護回路及び過電圧保護制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、過電圧保護回路及び過電圧保護制御方法に関する。

近年、たとえば、光エネルギーや熱エネルギーなど、我々の身の回りの環境に存在する未利用のエネルギーを“収穫（ハーベスト）”して電力に変換する、環境発電（エナジーハーベストとも呼ばれる）と呼ばれる技術が注目されている。

負荷の動作電圧を確保するため、太陽電池や熱発電素子などの直流電圧を出力する発電素子を複数直列に接続することが行われる。しかし、各発電素子の発電量が大きくなると負荷に供給する直流電圧が、負荷の耐電圧（負荷の動作電圧の上限値）を超えてしまう可能性がある。たとえば、太陽電池の場合、入射光の照度が高くなると、負荷の耐電圧を超えてしまう場合がある。

従来、太陽電池が発電した電力が、負荷で要求される電力を超える場合に、余剰電力をトランジスタで消費する回路や、複数の太陽電池パネルの一部を負荷から切り離す技術が提案されている。

実開昭６２−１５８８４４号公報 特開２０１２−４４０７０号公報 特開２０１４−１１３８６号公報

しかしながら、従来の技術では、耐電圧を超えないように消費された余剰の電力や、負荷から切り離された太陽電池パネルが生成する発電電力は、無駄になってしまう。つまり、従来の技術では、過電圧保護を行うと発電された電力の一部が無駄になる、という問題があった。

発明の一観点によれば、環境発電を行う発電部から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較し、比較結果を出力する比較回路と、前記発電部が生成する電流の一部により充電される蓄電素子と、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記発電部が生成する前記電流の一部が、前記蓄電素子及び前記蓄電素子と並列に接続される第２の負荷に供給されるように前記電流の流れを変えるスイッチと、を有する過電圧保護回路が提供される。

また、発明の一観点によれば、環境発電を行う直列に接続された複数の発電素子から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較し、比較結果を出力する比較回路と、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記複数の発電素子のうち、一部の発電素子から前記第１の負荷への電力供給を遮断するスイッチ部と、前記一部の発電素子から供給される電流により充電される蓄電素子と、を有する過電圧保護回路が提供される。

また、発明の一観点によれば、比較回路が、環境発電を行う発電部から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較して比較結果を出力し、スイッチが、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記発電部が生成する電流の一部が、蓄電素子及び前記蓄電素子と並列に接続される第２の負荷に供給されるように前記電流の流れを変える、過電圧保護制御方法が提供される。

また、発明の一観点によれば、比較回路が、環境発電を行う直列に接続された複数の発電素子から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較して比較結果を出力し、スイッチ部が、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記複数の発電素子のうち、一部の発電素子から前記第１の負荷への電力供給を遮断し、蓄電素子が、前記一部の発電素子から供給される電流による電荷を蓄える、過電圧保護制御方法が提供される。

開示の過電圧保護回路及び過電圧保護制御方法によれば、発電された電力が無駄になることを抑制できる。

第１の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。 過電圧保護制御方法の一例を示すフローチャートである。 第１の実施の形態の過電圧保護回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 第１の比較例の過電圧保護回路を示す図である。 第２の比較例の過電圧保護回路を示す図である。 第１の実施の形態の過電圧保護回路の変形例を示す図である。 電源制御回路を含む電子装置の一例を示す図である。 電源制御回路と２次電池を含む電子装置の一例を示す図である。 第２の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。 第２の実施の形態の過電圧保護制御方法の一例を示すフローチャートである。 第２の実施の形態の過電圧保護回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 負荷を追加した第２の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。 電源制御回路を含む電子装置の一例を示す図である。

以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。

図１では、第１の実施の形態の過電圧保護回路３と、発電部２、負荷４、キャパシタＣ１を含む電子装置１が示されている。
発電部２は、環境発電を行い、直流電圧Ｖｉｎを出力する。発電部２は、直流電圧Ｖｉｎが印加される高電位側電源線５と、接地電位となる低電位側電源線６との間に直列に接続された発電素子２ａ１，…，２ａｉ，…，２ａｎを有する。

以下の説明では発電素子２ａ１〜２ａｎのそれぞれは、太陽電池であるものとして説明するが、熱発電素子などの直流電圧を出力する発電素子であってもよい。なお、発電部２は、発電素子２ａ１〜２ａｎが生成した電圧を昇圧するＤＣ（Direct Current）−ＤＣコンバータを有していてもよい。

過電圧保護回路３は、負荷４に、負荷４の耐電圧（負荷４の動作電圧の上限値）を超える電圧が印加されることを防ぐ。
負荷４は、高電位側電源線５と低電位側電源線６との間に接続されており、発電部２から供給される直流電圧Ｖｉｎを電源電圧として用いて動作する。負荷４として、たとえば、無線モジュールなど、様々な電子回路や電子機器が適用できる。

キャパシタＣ１は、高電位側電源線５と低電位側電源線６との間に接続されており、発電部２で生成された電流による電荷を保持する。
図１に示すように、第１の実施の形態の過電圧保護回路３は、比較回路１０、蓄電素子１１、負荷１２、スイッチ１３を有している。

比較回路１０は、発電部２から負荷４に供給される直流電圧Ｖｉｎと、負荷４の動作電圧の上限値に基づいて設定される値（以下基準電圧Ｖｒｅｆという）とを比較し、その比較結果を出力する。基準電圧Ｖｒｅｆは、負荷４の動作電圧の上限値であってもよいし、上限値に対して一定電圧分低い値であってもよい。

なお、比較回路１０は、高電位側電源線５と低電位側電源線６との間に接続されており、発電部２から供給される直流電圧Ｖｉｎで動作する。基準電圧Ｖｒｅｆは、たとえば、図示しない抵抗分圧回路により直流電圧Ｖｉｎを分圧することで得られる。なお、比較回路１０への電源供給や基準電圧Ｖｒｅｆの生成は、１次電池を用いて行ってもよい。

図１の例では、蓄電素子１１と負荷１２とスイッチ１３による回路部分は、発電素子２ａ１〜２ａｎのうち、一部の発電素子２ａｉ〜２ａｎによる直列回路に対して、並列に接続されている。なお、図１の例では、一部の発電素子２ａｉ〜２ａｎは、複数であるが、１つであってもよい。

蓄電素子１１は、発電部２が生成する電流の一部による電荷を蓄える。蓄電素子１１は、たとえば、キャパシタ、または２次電池である。
負荷１２は、蓄電素子１１と並列に接続されている。負荷１２として、様々な電子回路や電子機器を適用できる。ただ、図１の例では、負荷１２に供給される電圧は、負荷４に供給される電圧よりも小さい。そのため、たとえば、負荷４が無線モジュールの場合、負荷１２として、無線モジュールよりも小さい電圧で動作する温度センサや、湿度センサなどの各種センサが適用できる。なお、負荷１２は、過電圧保護回路３の外部に設けられていてもよい。

スイッチ１３は、比較回路１０から、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ることを示す比較結果を受けると、発電部２が生成する電流の一部が、蓄電素子１１及び負荷１２に供給されるように電流の流れを変える。たとえば、スイッチ１３は、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ることを示す比較結果を受けると、オンする。これにより、発電素子２ａｉの一端から、電流が蓄電素子１１と負荷１２に流れ込む。

たとえば、スイッチ１３は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、ドレインが蓄電素子１１及び負荷１２に接続されており、ソースが低電位側電源線６に接続されている。また、スイッチ１３のゲートが比較回路１０の出力端子に接続されている。スイッチ１３がｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである場合、スイッチ１３は、比較回路１０の出力信号の論理レベルがＨ（High）レベルであるとオンし、論理レベルがＬ（Low）レベルであるとオフする。

以下、本実施の形態の過電圧保護回路３による過電圧保護制御方法の一例を説明する。
図２は、過電圧保護制御方法の一例を示すフローチャートである。
発電部２から電源電圧（直流電圧Ｖｉｎ）の供給があるとき（ステップＳ１：ＹＥＳ）、比較回路１０は、発電部２が出力する直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回っているか否かを示す比較結果を出力する。つまり、比較回路１０は、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回っているか否かを判定する（ステップＳ２）。

スイッチ１３は、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回っていることを示す比較結果を受けると（ステップＳ２：ＹＥＳ）、オンする（ステップＳ３）。これによって、発電部２から負荷４に供給される電流の一部が、蓄電素子１１及び負荷１２に供給されるように電流の流れが変わる。図１の例では、発電部２から負荷４に供給される電流の一部である電流ｉ１のうち、電流ｉ１ａが蓄電素子１１に供給され、電流ｉ１ｂが負荷１２に供給される。

そして、蓄電素子１１が電流ｉ１ａによって充電され（ステップＳ４）、負荷１２に印加される電圧が動作電圧に達すると、負荷１２は、所定の動作（たとえば、センサ動作など）を行い、電流ｉ１ｂを消費する（ステップＳ５）。その後、発電部２からの電源電圧の供給が続いている場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、ステップＳ２からの処理が繰り返される。

一方、スイッチ１３は、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆ以下であることを示す比較結果を受けると（ステップＳ２：ＮＯ）、オフする（ステップＳ６）。これによって、発電部２の発電素子２ａ１〜２ａｎによって生じる電流が、負荷４に供給されるように電流の流れが変わる。

スイッチ１３がオフのとき、蓄電素子１１の放電が発生し、蓄電素子１１から負荷１２へ電力が供給される（ステップＳ７）。これによって、ステップＳ５の処理（負荷１２の動作）が行われる。

発電部２からの電源電圧の供給がないと比較回路１０が動作しなくなり過電圧保護回路３の動作が終了する。
図３は、第１の実施の形態の過電圧保護回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。図３には、直流電圧Ｖｉｎ、スイッチ１３のゲート電圧Ｖｇ１（比較回路１０の出力信号（比較結果）に相当する）、負荷１２に供給される電流ｉ１ｂの時間変化の一例が示されている。

たとえば、発電素子２ａ１〜２ａｎに光が照射されることによって、直流電圧Ｖｉｎは増加し、光の照度が高いとき、図３に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆを超える（タイミングｔ１）。これにより、ゲート電圧Ｖｇ１の論理レベルがＨレベルとなり、スイッチ１３がオンする。このため、電流ｉ１ｂが負荷１２に流れ始める。また、図３では図示を省略しているが、図１に示した電流ｉ１ａによって蓄電素子１１が充電される。

このように、蓄電素子１１や負荷１２に電流が流れると、負荷４と並列に接続されているキャパシタＣ１へ供給される電流が減る。そのため、負荷４に印加される電圧を抑えることができる。つまり、負荷４を過電圧から保護することができる。

図３のように、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆ以下になるたび、または基準電圧Ｖｒｅｆを超えるたびに、ゲート電圧Ｖｇ１の論理レベルがＨレベルからＬレベル、またはＬレベルからＨレベルになる。これにより、スイッチ１３のオンオフが繰り返される。

しかし、スイッチ１３がオフしても蓄電素子１１に蓄えられた電荷により電流ｉ１ｂが流れるため、負荷１２は動作を継続できる。
以下、過電圧保護を行う２つの比較例の過電圧保護回路をあげて、本実施の形態の過電圧保護回路３との差異を説明する。

（比較例１）
図４は、第１の比較例の過電圧保護回路を示す図である。
過電圧保護回路２０は、比較回路２１、スイッチ２２を有している。

比較回路２１は、高電位側電源線２３と接地電位となっている低電位側電源線２４との間に接続されており、高電位側電源線２３に印加される直流電圧Ｖｉｎによって動作する。比較回路２１は、高電位側電源線２３と低電位側電源線２４との間に直列に接続された発電素子２５，２６，２７，２８，２９によって生成される直流電圧Ｖｉｎと、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その比較結果を出力する。

スイッチ２２は、図４の例では、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、ドレインが発電素子２８，２９間のノードに接続されており、ソースが低電位側電源線２４に接続されている。そして、スイッチ２２は、比較回路２１から、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ることを示す比較結果を受けるとオンする。これによって、発電素子２９の両端が短絡され、負荷３０に印加される電圧が下がる。

しかしながら、スイッチ２２がオンしているときに発電素子２９で発電される電力が無駄になってしまう。
（比較例２）
図５は、第２の比較例の過電圧保護回路を示す図である。

過電圧保護回路４０は、開放電圧測定装置４１、スイッチ４２を有している。
開放電圧測定装置４１は、高電位側電源線４３と接地電位となっている低電位側電源線４４との間に接続されており、高電位側電源線４３に印加される直流電圧Ｖｉｎによって動作する。開放電圧測定装置４１は、高電位側電源線４３と低電位側電源線４４との間に直列に接続された発電素子４５，４６，４７，４８，４９で生成される直流電圧Ｖｉｎと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その比較結果に基づく制御信号φ１，φ２を出力する。

なお、発電素子４５の一端は、スイッチ５０を介して高電位側電源線４３に接続されており、他端はスイッチ５１を介して発電素子４６の一端に接続されている。
スイッチ４２の一端は高電位側電源線４３に接続されており、他端は、スイッチ５１と発電素子４６との間のノードに接続されている。

このような過電圧保護回路４０では、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを超えると、開放電圧測定装置４１は、制御信号φ１によりスイッチ５０，５１をオフし、制御信号φ２によりスイッチ４２をオンする。これより、発電素子４５の両端が短絡されるとともに、発電素子４５が負荷５２から切り離され、負荷５２に印加される電圧が下がる。

しかしながら、スイッチ５０，５１がオフしているときに発電素子４５で発電される電力が無駄になってしまう。
以下、図４、図５に示すような過電圧保護回路２０，４０を用いたときに無駄になる電力量を計算する。なお、以下では、図５に示した過電圧保護回路４０を例にして説明するが、過電圧保護回路２０についても同様である。

以下では、発電素子４５〜４９のそれぞれにおける出力電圧の範囲がＶｉｍｉｎ〜Ｖｉｍａｘ、負荷５２の動作電圧の範囲がＶｌｍｉｎ〜Ｖｌｍａｘであるとする。また、発電素子４５〜４９の数がＮｍａｘ（図５の例では５つ）、スイッチ５０，５１のオフ時に、負荷５２に電力を供給する発電素子の数がＮｍｉｎ（図５の例では４つ）とする。

発電素子４５〜４９が太陽電池であるとき、入射光の照度が低くても負荷５２の動作を可能とする条件は、Ｖｉｍｉｎ×Ｎｍａｘ≧Ｖｌｍｉｎ、つまり、Ｎｍａｘ≧Ｖｌｍｉｎ／Ｖｉｍｉｎである。入射光の照度が高いときに、負荷５２に印加される電圧が負荷５２の耐電圧を超えることを回避するための条件は、Ｖｉｍａｘ×Ｎｍｉｎ≦Ｖｌｍａｘ、つまり、Ｎｍｉｎ≦Ｖｌｍａｘ／Ｖｉｍａｘである。

発電素子４５〜４９による総発電量に対する、過電圧保護回路４０により損失する電力の割合は、（総発電量−負荷５２に供給される発電量）／総発電量＝１−負荷５２に供給される発電量／総発電量となる。

また、１−負荷５２に供給される発電量／総発電量は、１−（Ｎｍｉｎ×発電素子４５〜４９のそれぞれの出力電力）／（Ｎｍａｘ×発電素子４５〜４９のそれぞれの出力電力）＝１−Ｎｍｉｎ／Ｎｍａｘとなる。

前述した２つの条件から、１−Ｎｍｉｎ／Ｎｍａｘ≧１−（Ｖｌｍａｘ／Ｖｌｍｉｎ）×（Ｖｉｍｉｎ／Ｖｉｍａｘ）となる。
要するに、図５に示したような過電圧保護回路４０を用いたときに生じる電力の損失は、負荷５２の動作電圧の範囲と、発電素子４５〜４９のそれぞれの出力電圧の範囲で決まる。

たとえば、負荷５２の動作電圧の範囲が２〜３．６Ｖで、発電素子４５〜４９のそれぞれの出力電圧の範囲が０．４〜０．９Ｖであるとき、１−（３．６／２）×（０．４／０．９）＝０．２となる。つまり、発電素子４５〜４９の総発電量に対して２０％の損失が生じる。

これに対して、図１に示した本実施の形態の過電圧保護回路３では、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ると、負荷４に供給される電流の一部が蓄電素子１１と負荷１２に供給されるため、発電された電力が無駄になることを抑制できる。

ところで、図１に示した過電圧保護回路３では、蓄電素子１１と負荷１２とスイッチ１３による回路部分は、発電素子２ａ１〜２ａｎのうち、一部の発電素子２ａｉ〜２ａｎによる直列回路に並列に接続されていたが、これに限定されない。蓄電素子１１と負荷１２とスイッチ１３による回路部分が、発電素子２ａ１〜２ａｎによる直列回路に並列に接続されていてもよい。

図６は、第１の実施の形態の過電圧保護回路の変形例を示す図である。図１に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
図６に示す電子装置１ａの過電圧保護回路３ａは、蓄電素子１１と負荷１２とスイッチ１３による回路部分が、発電素子２ａ１〜２ａｎによる直列回路に並列に接続されている。このような過電圧保護回路３ａにおいても、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ると、スイッチ１３がオンし、負荷４に供給される電流の一部が、蓄電素子１１と負荷１２に供給される。そのため、負荷４を過電圧から保護することができるとともに、発電された電力が無駄になることを抑制できる。

ところで、安定した電力を負荷４に供給するために、以下のような電源制御回路が用いられる場合がある。その電源制御回路に含まれる比較回路を、たとえば、図１に示した過電圧保護回路３の比較回路１０の代わりに用いてもよい。

図７は、電源制御回路を含む電子装置の一例を示す図である。図１に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
電子装置１ｂは、電源制御回路６０を有している。

電源制御回路６０は、比較回路６１，６２、トランジスタ６３，６４，６５，６６、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を有している。図７の例では、トランジスタ６３〜６５は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、トランジスタ６６は、ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。

比較回路６１とトランジスタ６４は、高電位側電源線５と低電位側電源線６との間に接続されている。比較回路６１は、図１に示した比較回路１０と同様に、発電部２から負荷４に供給される直流電圧Ｖｉｎと、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その比較結果を出力する。

比較回路６１の出力端子は、抵抗Ｒ２を介して高電位側電源線５に接続されるとともに、トランジスタ６３，６５のゲート及びトランジスタ６６のソースに接続されている。さらに、比較回路６１の出力端子は、前述したスイッチ１３（ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）のゲートに接続されている。

比較回路６２は、高電位側電源線５と低電位側電源線６との間に接続されており、比較回路６１と同様に、発電部２から負荷４に供給される直流電圧Ｖｉｎと、基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その比較結果を出力する。比較回路６２の出力端子は、抵抗Ｒ３を介して高電位側電源線５に接続されるとともに、トランジスタ６６のゲートに接続されている。

トランジスタ６３のドレインは、負荷４に接続されており、ソースは低電位側電源線６に接続されている。トランジスタ６４のドレインは、比較回路６１に接続されており、ソースは低電位側電源線６に接続されている。また、トランジスタ６４のゲートは、抵抗Ｒ１を介して高電位側電源線５に接続されるとともに、トランジスタ６５のドレインに接続されている。トランジスタ６５のソースは、低電位側電源線６に接続されている。トランジスタ６６のドレインは低電位側電源線６に接続されている。

このような電源制御回路６０において、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆより大きいと、比較回路６１が出力する比較結果によって、スイッチ１３がオンし、上記のような、過電圧保護動作が行われる。また、蓄電素子１１及び負荷１２に発電素子２ａｉ〜２ａｎが生成する電流が供給されることで、発電した電力が無駄になることが抑制される。

電源制御回路６０を用いる場合、比較回路６１の出力端子を、スイッチ１３のゲートに接続することで、図１に示した比較回路１０を設けなくてもよくなる。
ところで、図１、図６に示した蓄電素子１１とは別に、２次電池を設けた場合、その２次電池の過放電を防止するためのスイッチの制御に、電源制御回路６０に含まれる比較回路６２の出力信号を用いてもよい。

図８は、電源制御回路と２次電池を含む電子装置の一例を示す図である。図６及び図７に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
図８の電子装置１ｃは、高電位側電源線５と低電位側電源線６との間に直列に接続された２次電池６７とスイッチ６８を有している。

２次電池６７は、発電部２で発電された電力を蓄える。
スイッチ６８は、たとえば、図８に示すようにｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、ソースが２次電池６７に接続されており、ドレインが低電位側電源線６に接続されている。また、スイッチ６８のゲートは、トランジスタ６６のソースに接続されている。

このような電子装置１ｃにおいて、比較回路６１，６２で、直流電圧Ｖｉｎと比較される閾値電圧を、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２とする。そして、比較回路１０で直流電圧Ｖｉｎと比較される基準電圧Ｖｒｅｆとの関係を、Ｖｒｅｆ＞Ｖｒｅｆ１＞Ｖｒｅｆ２とする。

直流電圧Ｖｉｎが大きくなり、基準電圧Ｖｒｅｆを上回ると、前述のようにスイッチ１３がオンし、負荷４に供給される電流の一部が蓄電素子１１及び負荷１２に流れるため、負荷４に過電圧が印加されることが防止される。また、直流電圧Ｖｉｎが小さくなり、基準電圧Ｖｒｅｆ２を下回ると、トランジスタ６６がオンする。これによって、スイッチ６８がオフし、２次電池６７の過放電が抑制される。

（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。図１に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。

図９に示されている電子装置１ｄに含まれる第２の実施の形態の過電圧保護回路３ｂは、比較回路７０、スイッチ部７１、蓄電素子７２を有している。
比較回路７０は、たとえば、ヒステリシス型の比較回路である。比較回路７０は、高電位側電源線５と低電位側電源線６との間に接続されており、発電部２から負荷４に供給される直流電圧Ｖｉｎと、基準電圧Ｖｒｅｆ及び基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さい閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、その比較結果を出力する。比較回路７０は、発電部２から供給される直流電圧Ｖｉｎで動作する。閾値電圧Ｖｔｈは、負荷４の動作電圧の範囲の下限値に基づいて設定される。閾値電圧Ｖｔｈは、負荷４の動作電圧の下限値であってもよいし、下限値に対して一定電圧分高い値であってもよい。

比較回路７０は、たとえば、直流電圧Ｖｉｎが、基準電圧Ｖｒｅｆを超えたときに、論理レベルがＨレベルの信号を出力し、直流電圧Ｖｉｎが、閾値電圧Ｖｔｈを下回ったときに、論理レベルがＬレベルの信号を出力する。

基準電圧Ｖｒｅｆや閾値電圧Ｖｔｈは、たとえば、図示しない抵抗分圧回路により直流電圧Ｖｉｎを分圧することで得られる。なお、比較回路７０への電源供給や基準電圧Ｖｒｅｆ、閾値電圧Ｖｔｈの生成は、１次電池を用いて行ってもよい。

スイッチ部７１は、比較回路７０から出力される比較結果として、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ることを示す比較結果を受けると、発電素子２ａ１〜２ａｎのうち、一部の発電素子２ａｉ〜２ａｎから負荷４への電力供給を遮断する。また、スイッチ部７１は、比較回路７０から出力される比較結果として、直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回ることを示す比較結果を受けると、発電素子２ａ１〜２ａｎと蓄電素子７２から負荷４への電力供給が行われるように電流の流れを切り替える。

スイッチ部７１は、スイッチ８０，８１と、比較回路７０の出力信号の論理レベルを反転するインバータ回路８２を有している。
スイッチ８０は、発電素子２ａｉの一端と、低電位側電源線６との間に接続されている。スイッチ８１は、発電素子２ａｎの一端と、低電位側電源線６との間に接続されている。スイッチ８０，８１は、たとえば、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。

スイッチ部７１が、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ることを示す比較結果を比較回路７０から受けると、スイッチ８０はオンし、スイッチ８１はオフする。
蓄電素子７２は、上記の一部の発電素子２ａｉ〜２ａｎから供給される電流による電荷を蓄える。蓄電素子７２の一端は、発電素子２ａ１の一端に接続されており、他端は発電素子２ａｎの一端に接続されている。つまり、蓄電素子７２は、発電素子２ａｉ〜２ａｎによる直列回路に対して並列に接続されている。蓄電素子７２は、たとえば、キャパシタ、または２次電池である。

以下、第２の実施の形態の過電圧保護回路３ｂによる過電圧保護制御方法の一例を説明する。
図１０は、第２の実施の形態の過電圧保護制御方法の一例を示すフローチャートである。

発電部２から電源電圧（直流電圧Ｖｉｎ）の供給があるとき（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、比較回路７０は、発電部２が出力する直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回っているか否かを判定する（ステップＳ１１）。そして、比較回路７０は、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回っているとき（ステップＳ１１：ＹＥＳ）には、その旨の比較結果を出力する。

スイッチ部７１は、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回っていることを示す比較結果を受けると（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、スイッチ８０をオン、スイッチ８１をオフし、発電素子２ａｉ〜２ａｎから負荷４への電力供給を遮断する（ステップＳ１２）。

そして、蓄電素子７２が発電素子２ａｉ〜２ａｎから供給される電流によって充電される（ステップＳ１３）。その後、発電部２からの電源電圧の供給が続いている場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）には、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。

一方、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆ以下のとき（ステップＳ１１：ＮＯ）、比較回路７０は、直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回っているか否かを判定する（ステップＳ１４）。そして、比較回路７０は、直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回っているとき（ステップＳ１４：ＹＥＳ）には、その旨の比較結果を出力する。

スイッチ部７１は、直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回っていることを示す比較結果を受けると（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、スイッチ８０をオフ、スイッチ８１をオンする。これによって、発電素子２ａ１〜２ａｎ及び蓄電素子７２から負荷４への電力供給が行われる（ステップＳ１５）。

直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以上のとき（ステップＳ１４：ＮＯ）、及びステップＳ１５の後、発電部２からの電源電圧の供給が続いている場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）には、ステップＳ１１からの処理が繰り返される。

発電部２からの電源電圧の供給がないと比較回路７０が動作しなくなり過電圧保護回路３ｂの動作が終了する。
図１１は、第２の実施の形態の過電圧保護回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。図１１には、直流電圧Ｖｉｎ、比較回路７０の出力信号Ｖｇ２（比較結果に相当する）、スイッチ８０の両端の電圧Ｖ１の時間変化の一例が示されている。

タイミングｔ１０から、発電部２へ高照度（たとえば、５０００Ｌｕｘ）の入射光が照射されると、直流電圧Ｖｉｎが上昇していく。直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回るまでは、スイッチ８０はオフ、スイッチ８１はオンであり、スイッチ８０の両端の電圧Ｖ１は、一定電圧まで上昇する。

直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ると（タイミングｔ１１）、比較回路７０の出力信号Ｖｇ２の論理レベルがＨレベルとなり、スイッチ８０がオン、スイッチ８１がオフする。このとき、発電素子２ａｉ〜２ａｎによる負荷４への電力供給が遮断される。

このため、直流電圧Ｖｉｎが下がり、負荷４に印加される電圧を抑えることができる。つまり、負荷４を過電圧から保護することができる。また、スイッチ８０がオンすることにより、電圧Ｖ１は立ち下がる。このとき、蓄電素子７２は、発電素子２ａｉ〜２ａｎから供給される電流によって充電される。

タイミングｔ１２から、発電部２へ低照度（たとえば、５００Ｌｕｘ）の入射光が照射されると、直流電圧Ｖｉｎはさらに下がる。そして、直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回ると（タイミングｔ１３）、比較回路７０の出力信号Ｖｇ２の論理レベルがＬレベルとなり、スイッチ８０がオフ、スイッチ８１がオンする。

これにより、全ての発電素子２ａ１〜２ａｎと蓄電素子７２から負荷４への電力供給が行われ、直流電圧Ｖｉｎが上昇する。また、スイッチ８０がオフすることにより、電圧Ｖ１が立ち上がる。

上記のように、蓄電素子７２は、発電素子２ａｉ〜２ａｎによる負荷４への電力供給が遮断されるときに、発電素子２ａｉ〜２ａｎから供給される電流によって充電される。蓄電素子７２に充電された電荷は、タイミングｔ１３以降にて、負荷４への電力供給に用いられるため、低照度のときにも、負荷４を動作させることが可能となる。

このように、第２の実施の形態の過電圧保護回路３ｂにおいても、発電素子２ａｉ〜２ａｎが発電した電力が無駄になることを抑制できる。つまり、電力の損失を抑えることができる。

なお、第２の実施の形態の過電圧保護回路３ｂにおいても、蓄電素子７２と並列に接続された負荷が設けられていてもよい。
図１２は、負荷を追加した第２の実施の形態の過電圧保護回路の一例を示す図である。図９に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。

図１２に示されている電子装置１ｅの過電圧保護回路３ｃは、蓄電素子７２と並列に接続された負荷７３を有している。負荷７３として、たとえば、温度センサや、湿度センサなどの各種センサの他、様々な電子回路や電子機器を適用できる。負荷７３は、過電圧保護回路３ｃの外部に設けられていてもよい。

スイッチ部７１ａは、図９に示したスイッチ部７１と回路構成が異なっている。
スイッチ部７１ａは、比較回路７０から出力される比較結果として、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ることを示す比較結果を受けると、発電素子２ａ１〜２ａｎのうち、一部の発電素子２ａｉ〜２ａｎから負荷４への電力供給を遮断する。また、スイッチ部７１ａは、比較回路７０から直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回ることを示す比較結果を受けると、発電素子２ａ１〜２ａｎから負荷４への電力供給が行われ、蓄電素子７２から負荷７３への電力供給が行われるように電流の流れを切り替える。

スイッチ部７１ａは、スイッチ８３，８４，８５と、比較回路７０の出力信号の論理レベルを反転するインバータ回路８６を有している。
スイッチ８３の一端は、発電素子２ａｉの一端に接続されており、スイッチ８３の他端は、蓄電素子７２、負荷７３及びスイッチ８４の一端に接続されている。スイッチ８４の他端は、低電位側電源線６に接続されている。スイッチ８５の一端は、発電素子２ａｎの一端と蓄電素子７２の他端及び負荷７３の他端に接続されている。スイッチ８５の他端は、低電位側電源線６に接続されている。スイッチ８３〜８５は、たとえば、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。

スイッチ部７１ａが、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ることを示す比較結果を比較回路７０から受けると、スイッチ８３，８４はオンし、スイッチ８５はオフする。これによって、発電素子２ａｉ〜２ａｎから負荷４への電力供給が遮断される。このため、直流電圧Ｖｉｎが下がり、負荷４に印加される電圧を抑えることができる。つまり、負荷４を過電圧から保護することができる。

また、蓄電素子７２は、発電素子２ａｉ〜２ａｎから供給される電流によって充電される。蓄電素子７２が充電されることで、負荷７３に印加される電圧が一定の動作電圧に達すると、所定の動作（たとえば、センサ動作など）を行う。

一方、スイッチ部７１ａが、直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回ることを示す比較結果を比較回路７０から受けると、スイッチ８３，８４はオフし、スイッチ８５はオンする。これにより、全ての発電素子２ａ１〜２ａｎから負荷４への電力供給が行われ、直流電圧Ｖｉｎが上昇する。負荷７３は、蓄電素子７２からの電力供給により、動作を継続できる。

ところで、図９に示したような電子装置１ｄにおいても、安定した電力を負荷４に供給するために、図７に示したような電源制御回路６０が用いられる場合がある。その電源制御回路に含まれる比較回路を、たとえば、図９に示した過電圧保護回路３ｂの比較回路７０の代わりに用いてもよい。

図１３は、電源制御回路を含む電子装置の一例を示す図である。図７及び図９に示した要素と同じ要素については同一符号が付されている。
図１３の電子装置１ｆにおいて、トランジスタ８０ａ，８１ａは、図９に示したスイッチ８０，８１に対応している。トランジスタ８０ａ，８１ａは、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。

トランジスタ８０ａ，８１ａは、電源制御回路６０の比較回路６１，６２の出力信号に基づきオンまたはオフする。ただし、直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ったときに、完全にトランジスタ８１ａがオフするように、レベルシフタ９０が設けられている。

レベルシフタ９０は、トランジスタ９１，９２，９３，９４を有している。トランジスタ９１，９２は、ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、トランジスタ９３，９４は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。

トランジスタ９１のソースは、比較回路６１の出力端子、トランジスタ６３，６５のゲート及びトランジスタ６６のソースに接続されている。トランジスタ９１のドレインは、トランジスタ９４のゲート、トランジスタ９３のドレイン及び、トランジスタ８０ａのゲートに接続されている。トランジスタ９１，９２のゲートは、低電位側電源線６に接続されている。

トランジスタ９２のソースは、電源制御回路６０の抵抗Ｒ１とトランジスタ６５のドレイン及びトランジスタ６４のゲートに接続されている。トランジスタ９２のドレインは、トランジスタ９３のゲート、トランジスタ９４のドレイン及び、トランジスタ８１ａのゲートに接続されている。

トランジスタ９３のドレインは、トランジスタ９１のドレイン及びトランジスタ８０ａ，９４のゲートに接続されている。トランジスタ９３のソースは、発電素子２ａｎの一端に接続されている。トランジスタ９３のゲートは、トランジスタ９２，９４のドレイン及びトランジスタ８１ａのゲートに接続されている。

トランジスタ９４のドレインは、トランジスタ９２のドレイン及びトランジスタ８１ａ，９３のゲートに接続されている。トランジスタ９４のソースは、発電素子２ａｎの一端に接続されている。トランジスタ９４のゲートは、トランジスタ９１，９３のドレイン及びトランジスタ８０ａのゲートに接続されている。

このような電子装置１ｆにおいて、比較回路６１では、直流電圧Ｖｉｎと基準電圧Ｖｒｅｆとの比較結果が出力され、比較回路６２では、直流電圧Ｖｉｎと前述した閾値電圧Ｖｔｈとの比較結果が出力されるものとする。

直流電圧Ｖｉｎが基準電圧Ｖｒｅｆを上回ると、比較回路６１は比較結果として論理レベルがＨレベルの出力信号を出力する。トランジスタ９１のゲートは、接地電位となっている低電位側電源線６と接続されているため、トランジスタ９１はオンし、トランジスタ８０ａ，９４もオンする。一方、比較回路６１が、論理レベルがＨレベルの出力信号を出力すると、電源制御回路６０のトランジスタ６５がオンするので、トランジスタ９２のゲート電位とソース電位がほぼ等しくなり、トランジスタ９２はオフする。トランジスタ９１がオンすることで、トランジスタ９４もオンする。これによって、トランジスタ８１ａのゲート電位がほぼ接地電位となり、トランジスタ８１ａはオフする。

これによって、発電素子２ａｉ〜２ａｎから負荷４への電力供給が遮断される。
直流電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、比較回路６２は比較結果として論理レベルがＬレベルの出力信号を出力する。これによって、トランジスタ６６はオンし、トランジスタ６５のゲート電位は、ほぼ接地電位となるため、トランジスタ６５はオフする。トランジスタ６５がオフすると、レベルシフタ９０のトランジスタ９２がオンする。それに対してトランジスタ９１は、ゲート電位とソース電位がほぼ等しくなり、オフする。トランジスタ９１がオフ、トランジスタ９２がオンすることによって、トランジスタ９３がオンし、トランジスタ８０ａがオフする。また、トランジスタ９４がオフし、トランジスタ８１ａがオンする。

これにより、全ての発電素子２ａ１〜２ａｎから負荷４への電力供給が行われる。
なお、上記のような電源制御回路６０を、図１２に示した電子装置１ｅに適用して、比較回路７０の代わりに、電源制御回路６０の比較回路６１，６２を適用してもよい。

以上、実施の形態に基づき、本発明の過電圧保護回路及び過電圧保護制御方法の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。たとえば、図１などのスイッチ１３は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴとしたが、ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴとしてもよい。その場合、比較回路１０の出力信号の論理レベルを反転するインバータ回路を追加したり、接続場所を、蓄電素子１１及び負荷１２と発電素子２ａｉの一端との間に変更したり、適宜変更すればよい。上記の他の回路についても同様である。

１ 電子装置
２ 発電部
２ａ１〜２ａｎ 発電素子
３ 過電圧保護回路
４，１２ 負荷
５ 高電位側電源線
６ 低電位側電源線
１０ 比較回路
１１ 蓄電素子
１３ スイッチ
Ｃ１ キャパシタ
ｉ１，ｉ１ａ，ｉ１ｂ 電流
Ｖｉｎ 直流電圧
Ｖｒｅｆ 基準電圧

Claims (8)

1. 環境発電を行う発電部から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較し、比較結果を出力する比較回路と、
   前記発電部が生成する電流の一部により充電される蓄電素子と、
   前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記発電部が生成する前記電流の一部が、前記蓄電素子、及び前記蓄電素子と並列に接続される、前記第１の負荷よりも小さい電圧で動作する第２の負荷に供給され、前記電流のうち前記一部以外が前記第１の負荷に並列に接続されるキャパシタに供給されるように前記電流の流れを変えるスイッチと、
   を有することを特徴とする過電圧保護回路。
2. 前記直流電圧が前記第１の値以下のとき、前記蓄電素子が、前記第２の負荷に対して、電力を供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
3. 前記比較回路が、前記第１の負荷に供給される電力を安定化する電源制御回路に含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の過電圧保護回路。
4. 環境発電を行う直列に接続された複数の発電素子から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較し、比較結果を出力する比較回路と、
   前記複数の発電素子のうちの一部の発電素子から供給される電流により充電される蓄電素子と、
   前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記一部の発電素子から前記第１の負荷への電力供給を遮断し、前記第１の負荷に並列に接続されるキャパシタに対して、前記複数の発電素子のうちの前記一部の発電素子以外が生成する電流が供給され、前記蓄電素子、及び前記蓄電素子に並列に接続される、前記第１の負荷よりも小さい電圧で動作する第２の負荷に対して、前記一部の発電素子が生成する電流が供給されるように電流の流れを切り替えるスイッチ部と、
   を有することを特徴とする過電圧保護回路。
5. 前記比較回路は、前記直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧範囲の下限値に基づく第２の値とを比較し、前記直流電圧が前記第２の値を下回ると、第２の比較結果を出力し、
   前記スイッチ部は、前記第２の比較結果を受けると、前記複数の発電素子から前記第１の負荷への電力供給が行われ、前記蓄電素子から前記第２の負荷への電力供給が行われるように電流の流れを切り替える、
   ことを特徴とする請求項４に記載の過電圧保護回路。
6. 前記比較回路が、前記第１の負荷に供給される電力を安定化する電力制御回路に含まれていることを特徴とする請求項４または５に記載の過電圧保護回路。
7. 比較回路が、環境発電を行う発電部から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較して比較結果を出力し、
   スイッチが、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記発電部が生成する電流の一部が、蓄電素子、及び前記蓄電素子と並列に接続される、前記第１の負荷よりも小さい電圧で動作する第２の負荷に供給され、前記電流のうち前記一部以外が前記第１の負荷に並列に接続されるキャパシタに供給されるように前記電流の流れを変える、
   ことを特徴とする過電圧保護制御方法。
8. 比較回路が、環境発電を行う直列に接続された複数の発電素子から第１の負荷に供給される直流電圧と、前記第１の負荷の動作電圧の上限値に基づいて設定される第１の値とを比較して比較結果を出力し、
   蓄電素子が、前記複数の発電素子のうちの一部の発電素子から供給される電流により電荷を蓄え、
   スイッチ部が、前記比較結果として、前記直流電圧が前記第１の値を上回ることを示す第１の比較結果を受けると、前記一部の発電素子から前記第１の負荷への電力供給を遮断し、前記第１の負荷に並列に接続されるキャパシタに対して、前記複数の発電素子のうちの前記一部の発電素子以外が生成する電流が供給され、前記蓄電素子、及び前記蓄電素子に並列に接続される、前記第１の負荷よりも小さい電圧で動作する第２の負荷に対して、前記一部の発電素子が生成する電流が供給されるように電流の流れを切り替える、
   ことを特徴とする過電圧保護制御方法。

Images