JP6721754B2 - 降圧回路及びこれを用いた降圧充電回路 - Google Patents

Description

本発明は、高電圧の発電源から得られる電力を充電する構造に関するものであり、特にその回路構成に関するものである。

従来から、電子時計や環境発電などの分野で、比較的高い電圧を発生する発電源から、数Ｖ程度の２次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電手段に充電可能な、降圧型の充電回路が提案されている。

従来の降圧充電回路の例を図９に示す。これは１次電池を電源とし、この出力電圧を降圧して負荷駆動する例である。

この例における降圧回路９２は図９に示したような分圧回路であり、２つの降圧用キャパシタ９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃの接続状態を、図９（ａ）の直列状態（状態ａ）と図９（ｂ）の並列状態（状態ｂ）とに交互に切り替えることで入力電圧の１／３の電圧を生成する（３倍降圧）ものであり、得られた低い電圧で負荷回路９１を駆動する。負荷回路９１は低消費電力の集積回路９１Ａと安定化キャパシタ９１Ｂを並列接続したものである。この降圧回路９２の動作によって、電池電圧の１／３の電圧を低損失で生成し、負荷回路９１へ電源供給することが可能である。なお、このような降圧回路９２では、状態ａと状態ｂとの状態の時間比が１：１となるように、デューティサイクル５０％のクロックで動作させるのが一般的である。

特開昭５９−１４１０８９号公報（２〜３頁、図３〜４）

図９に示した従来の降圧回路は、このように比較的軽い負荷に低電圧を与える用途には十分であるが、電池のような電源ではなく発電機のような電源から電力を取り出すという目的に対しては効率が悪いという問題が生じる。これは、図９（ｂ）の状態では発電機には適切な負荷が接続せず、発電機が発電している電力を取り出せない無効な時間が生じることになるのが理由である。この無効時間は動作サイクルの半分であり、発電機からの電力取り出し効率は最大でも５０％にしかならない。

従来の技術において、高電圧を発生する発電機から降圧しつつ発電電力を最大効率で取り出す手法について示唆する開示はないが、発電電力を取り出せない時間をなくすために、降圧回路９２をもう１系統用意し、相補的に動作させる構成が容易に考えられる。すなわち、２つの降圧回路のうちの一方が図９の状態ａであるときに他方を状態ｂとし、一方の降圧回路が図９の状態ｂであるときは他方を状態ａとなるように動作させるという構成である。このようにすれば、上述の無効時間に起因する効率低下は解消する。

ところが、単純に降圧回路９２を２系統用意すると、降圧回路９２に用いるキャパシタの数が単純に２倍となってしまう。降圧回路９２のキャパシタは集積回路には内蔵できない容量の大きさとなるため、チップ部品のキャパシタを外付けすることが必要となる。このキャパシタの数が多くなると、チップ部品そのもののコストや実装面積増大といった問題が生じてしまう。

本発明の降圧回路では、以下の構成を採用する。
すなわち、部電源からの入力側に接続される第１の降圧段と、
該第１の降圧段の出力に接続される第２の降圧段と、を有する降圧回路であって、
前記第１の降圧段は、１つのキャパシタを備える第１のキャパシタ組を２個備え、
前記第２の降圧段は、複数のキャパシタを備える第２のキャパシタ組を１個備え、
前記降圧回路全体の降圧倍率を表す全体降圧倍率は、非素数の整数であって、
前記第１の降圧段の降圧倍率を表す第１の降圧倍率は、２であって、
前記第２の降圧段の降圧倍率を表す第２の降圧倍率は、前記全体降圧倍率を前記第１の降圧倍率で除した値であって、
ｎを前記第２のキャパシタ組のキャパシタの個数、３以上の整数であるｍを前記第２の降圧倍率とした場合に、
ｎは、ｎ＜（ｌｏｇ２（ｍ）＋１）を満たす最大の整数であって、さらに、
第１の期間と第２の期間を設け、
前記第１の期間において、前記第２のキャパシタ組に含まれるキャパシタの少なくとも１つが、前記第１の降圧段の出力と前記第２の降圧段の出力の間に直列接続され、
前記第２の期間において、前記第２のキャパシタ組に含まれるキャパシタのすべてが、前記第１の降圧段の出力と切り離され、かつ、前記第２のキャパシタ組に含まれるキャパシタの少なくとも１つが、前記第２の降圧段の出力と接地電位との間で直列接続され、さらに、
第３の期間と第４の期間を設け、
前記第３の期間において、前記第１のキャパシタ組のうちの一方のキャパシタ組を入力側、他方のキャパシタ組を接地電位側として、２個の前記第１のキャパシタ組を直列に接続し、
前記第４の期間において、前記他方のキャパシタ組を入力側、前記一方のキャパシタ組を接地電位側として、２個の前記第１のキャパシタ組を直列に接続し、
前記第３の期間と前記第４の期間は、等しい時間幅で互いに切り替わる
ことを特徴とする。

本願では、必要最小限のキャパシタ数で、発電手段からみた接続負荷へ最大効率で電力を取り出せるような降圧回路を実現可能な構成とした。

従って本願によれば、高電圧の発電源から高い効率で電力を取り出し、蓄電手段へ低損失で充電する機能を省スペースで実現可能となる。特に、発電機の発電電圧が高いが出力インピーダンスが高く発電電力があまり大きくないエレクトレット素子を用いた静電誘導発電機を用いたときでも、発電機から高い効率で電力を取り出せ、かつ高倍率での降圧が必要であっても小型化が可能な降圧充電回路を提供できる。

本発明の第１の実施形態の降圧回路を含む降圧充電回路構成を示した回路図である。 第１の実施形態の充電回路の構成を示した回路図である。 第１の実施形態の降圧回路の降圧動作時の回路状態を示した回路図である。 第１の実施形態の降圧回路の降圧動作時の回路状態を示した回路図である。 降圧回路を駆動するタイミング信号波形を示した波形図である。 第２の実施形態の降圧回路の降圧動作時の回路状態を示した回路図である。 第２の実施形態の降圧回路の降圧動作時の回路状態を示した回路図である。 本発明の降圧回路で必要となるキャパシタ数を示したグラフである。 従来の降圧回路の降圧動作時の回路状態を示した回路図である。

以下、このような降圧充電回路を実現するための形態について図面を参照して詳述する。

まず図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施形態の構成および動作について説明する。

その後に、図６〜図７を参照して本発明の第２の実施形態の構成および動作について説明する。

［第１実施形態の概要説明：図１］
図１を用いて第１の実施形態について説明する。

第１の実施形態の降圧充電回路は、発電手段の発電電圧波形が電圧方向には変わらない
ような発電機の場合において好適な例である。例としては、定速回転する比較的出力抵抗が高い静電誘導型の発電機がこれに相当する。

この例では、発電手段の出力を整流手段によって全波整流し、この整流出力の電圧振幅に対して最も電力を取り出せる動作点となるような降圧倍率を設定しておく。詳細は後述するが、降圧回路が降圧動作することで、発電手段からは降圧回路以降が高電圧の定電圧負荷とみなせるようになり、高い電力取り出し効率を実現できる。

［第１実施形態の構成説明：図１］
第１の実施形態の構成について説明する。

本発明の降圧充電回路は、発電手段４０と、整流手段５０と、降圧手段１００と、蓄電手段２０とで構成する。

また降圧手段１００は、降圧回路１０と、タイミング生成回路１３とで構成する。降圧手段１００の出力には端子電圧が２Ｖの２次電池である蓄電手段２０が接続している。降圧回路１０が降圧動作することによって、この降圧手段１００が高電圧の定電圧負荷とみなせるようになる。

発電手段４０は、高電圧の交番電圧を出力する交流発電機である。いわゆるダイオードブリッジである整流手段５０がこの発電手段４０の出力を全波整流し、整流出力を降圧手段１００に印加することが可能な構成としている。降圧手段１００は、整流出力を電圧変換する降圧回路１０を介して、２次電池である蓄電手段２０へ蓄えることが可能となっている。発電手段４０は、発電電圧の振幅（片振幅）Ｖ0が３０Ｖの電圧源４１と、出力抵
抗値がＲの内部抵抗４２とを直列に接続した単純なモデルとして表現できる交流発電機を仮定する。整流手段５０の出力は降圧手段１００の入力に相当し、かつ降圧回路１０の入力端子ＶLとしている。

降圧回路１０は、キャパシタの接続状態を直列と並列とに切り替えることで入力電圧を実質的により低い電圧に変換することが可能な回路ブロックである。降圧回路１０の構成については次に詳しく説明する。

［降圧回路の構成説明：図２］
図２を使って降圧回路１０の構成について説明する。ここでは、降圧回路１０は６倍降圧動作するような構成としている。なお、降圧回路１０の動作に必要なタイミングはタイミング生成回路１３から得ている。

降圧回路１０は図２に示したように、第１の降圧段１１と第２の降圧段１２とを縦続接続した構成としている。すなわち整流手段５０の出力を２倍降圧する第１の降圧段１１と、この第１の降圧段１１の出力を３倍降圧して蓄電手段２０へ出力する第２の降圧段１２とで構成する。各降圧段は複数のキャパシタを備えており、各キャパシタ間の接続状態は、ＭＯＳトランジスタを組み合わせて構成した、いわゆるアナログスイッチによって切り替える。

第１の降圧段１１は、この部分で２倍相当の降圧動作をするために、キャパシタ１０１とキャパシタ１０２の２つのキャパシタを備えている。第１の降圧段１１はこのキャパシタ１０１とキャパシタ１０２を、整流手段５０からみた順序を交互に入れ替えて直列化する動作をする。

この切り替え動作が可能なように、スイッチ１０３〜１０６をキャパシタ１０１の両端
および接地電位に接続し、スイッチ１０７〜１１０をキャパシタ１０２の両端および接地電位に接続している。
なお、第１の降圧段１１では、整流手段５０の側が入力側であり、続く第２の降圧段１２の側が出力側に相当する。

また、第２の降圧段１２は、この部分で３倍相当の降圧動作をするために、キャパシタ組２０１として、キャパシタ２０１Ａとキャパシタ２０１Ｂとを備えている。

第２の降圧段１２は、
キャパシタ組２０１のキャパシタ全てを直列状態か並列状態にすることが可能な構成としている。この切り替え動作が可能なように、スイッチ２０３〜２０８をキャパシタ２０１Ａ、２０１Ｂの両端および接地電位に接続している。

さらに、第２の降圧段１２のキャパシタ組のうち、入力側から遠い側にくるキャパシタの負極端子が、蓄電手段２０の正極に接続可能なように、スイッチ２０９を第２の降圧段１２と蓄電手段２０との間に接続している。
なお、第２の降圧段１２は、第１の降圧段１１の側が入力側であり、続く蓄電手段２０側が出力側に相当する。

これらのスイッチは、後述する第１のタイミング信号Ｓ３１と第２のタイミング信号Ｓ３２によって制御される。すなわち、スイッチ１０２、１０４、１０７、１０９が第１のタイミング信号Ｓ３１によって導通制御され、スイッチ１０３、１０５、１０６、１０８が第２のタイミング信号Ｓ３２によって導通制御され、スイッチ２０４、２０７、２０９が第３のタイミング信号Ｓ３３によって導通制御され、スイッチ２０３、２０５、２０６、２０８が第４のタイミング信号Ｓ３４によって導通制御される。

なお、各降圧段での降圧倍率の値は、降圧回路１０全体での降圧倍率の値を素因数分解して得られる要素にそれぞれ対応する。

この例での降圧倍率は６倍である。この値６の素因数分解は ６＝２×３ であり、２と３という２つ要素に分解される。これに対応するように、２倍と３倍の降圧倍率を有する２つの降圧段で降圧回路１０を構成する。

ここでは、２という要素が第１の降圧段１１の降圧倍率の値に対応し、３という要素が第２の降圧段１２との降圧倍率の値に対応している。

また、キャパシタ組１０１およびキャパシタ組１０２のキャパシタの数は、第１の降圧段１１の降圧倍率である２から１を引いた、１という個数である。第１の降圧段１１においては、キャパシタ１０１とキャパシタ１０２とのそれぞれがキャパシタ組に相当するが、キャパシタ数はそれぞれ１個である。

キャパシタ組２０１のキャパシタの数は、第２の降圧段１２の降圧倍率である３から１を引いた、２という個数である。

［降圧回路の動作説明：図３，図４］
図３および図４は、降圧回路１０が上述の６倍降圧動作をするときの状態を示したものである。

降圧回路１０では、図３および図４に示すように、第１の降圧段１１は２倍降圧動作し、第２の降圧段１２は３倍降圧動作する。この２つの降圧段の動作により降圧回路１０は
これらの値を乗じた６倍相当の降圧動作を行うこととなる。

図３（１）に示した状態ａにおいて、
第１の降圧段１１では、キャパシタ１０１が高い電位側、キャパシタ１０２が接地電位側の順で直列に接続した状態となる。キャパシタ１０１の負極とキャパシタ１０２の正極とが接続した点が第１の降圧段１１の出力となり、第２の降圧段１２に電荷を送り出す。

また第２の降圧段１２では、第１の降圧段１１の出力に対してキャパシタ２０１Ａとキャパシタ２０１Ｂと蓄電手段２０とを直列に接続した状態とする。
すなわちこの状態ａでは、第１の降圧段１１の入力側に接続される（充電される）のはキャパシタ１０１であり、出力側に接続される（放電される）のは１０２である。また第２の降圧段１２では、入力側に接続される（充電される）のは直列化したキャパシタ２０１Ａと２０１Ｂ（キャパシタ組２０１）である。

図３（２）に示した状態ｂにおいて、
第１の降圧段１１では、キャパシタ１０１が高い電位側、キャパシタ１０２が接地電位側の順で直列に接続した状態のままとなる。キャパシタ１０１の負極とキャパシタ１０２の正極とが接続した点が第１の降圧段１１の出力となり、第２の降圧段１２に電荷を送り出す。

また第２の降圧段１２は、第１の降圧段１１の出力から切断され、キャパシタ２０１Ａとキャパシタ２０１Ｂと蓄電手段２０とを並列に接続した状態とする。
すなわちこの状態ｂでは、第１の降圧段１１の入力側に接続される（充電される）のはキャパシタ１０１であり、出力側に接続される（放電される）のは１０２である。また第２の降圧段１２は出力側に接続される（放電される）のは並列化したキャパシタ２０１Ａと２０１Ｂ（キャパシタ組２０１）である。

図４（１）に示した状態ｃにおいては、第１の降圧段１１では、キャパシタ１０２が高い電位側、キャパシタ１０１が接地電位側の順で直列に接続した状態となる。それ以外は図３（１）の状態ａと同様となる。

図４（２）に示した状態ｄにおいても、第１の降圧段１１では、キャパシタ１０２が高い電位側、キャパシタ１０１が接地電位側の順で直列に接続した状態となる。それ以外は図３（２）の状態ｂと同様となる。

［降圧回路の動作タイミング説明：図５］
状態ａ〜状態ｄの切り替えのための動作クロックは、タイミング生成回路１３が発生する、図５に示すような４つのクロック信号である。
図３および図４における第１の降圧段１１の接続状態が、第１のタイミング信号Ｓ３１と第２のタイミング信号Ｓ３２に従って交互に切り替わる。また、
図３および図４における第２の降圧段１２の接続状態が、第３のタイミング信号Ｓ３３と第４のタイミング信号Ｓ３４に従って交互に切り替わる。

図５における期間Ａ、すなわち第１のタイミング信号Ｓ３１がハイレベルの期間においては図３に示した状態ａおよび状態ｂとなるようにする。また期間Ｂ、すなわち第２のタイミング信号Ｓ３２がハイレベルとなる期間においては、図４に示した状態ｃおよび状態ｄとなるように切り替え制御を行う。期間Ａと期間Ｂとはともに５０ミリ秒とし、時間比を等しくする。

図５における期間Ｐ、すなわち第３のタイミング信号Ｓ３３がハイレベルの期間におい
ては図３に示した状態ａおよび図４に示した状態ｃとなるようにする。また期間Ｑ、すなわち第４のタイミング信号Ｓ３４がハイレベルとなる期間においては、図３に示した状態ｂおよび図４に示した状態ｄとなるように切り替え制御を行う。期間Ｐと期間Ｑとは約２５ミリ秒としているが、この時間比は任意でよい。

第１のタイミング信号Ｓ３１と第２のタイミング信号Ｓ３２や、第３のタイミング信号Ｓ３３と第４のタイミング信号Ｓ３４とは、互いにほとんど反転信号とみなせる関係であるが、切り替わりの瞬間には各降圧段を構成するスイッチが同時にオンすることで各キャパシタを短絡しないように、切り替わり遅延期間Ｄを設ける。期間Ｄは周知の遅延時間生成手法によって、数ナノ〜数１０ナノ秒程度と必要最小限の時間幅に設定できる。

状態ａ〜状態ｂまでの状態をとる期間と、状態ｃ〜状態ｄまでの状態をとる期間とは、ともに等しい時間幅（例えば５０ミリ秒）であることが分かる。このようにすることで、降圧回路１０の１サイクルの動作を通じて、１段目の降圧段である第１の降圧段１１のキャパシタ組（キャパシタ１０１とキャパシタ１０２）に均等に電荷を受け渡すことができ、それぞれのキャパシタの充電動作点が安定化することで電荷転送の効率を高くすることが可能となっている。

また、第１の降圧段１１が１サイクル動作する間に、第２の降圧段１２は２サイクル動作することが分かる。第１の降圧段は２つのキャパシタ組を備えているが、これにより後段の降圧段には１つのキャパシタ組だけを備えた降圧段を従属接続するだけで、第１の降圧段１１のキャパシタ１０１またはキャパシタ１０２に蓄えられた電荷を蓄電手段２０に交互に転送することが可能となり、結果的に降圧回路１０を構成するのに必要なキャパシタ数を最小にすることが可能となっている。

また、この構成のように、降圧回路１０の１段目に相当する第１の降圧段１１の降圧倍率は２である。これは降圧回路１０の降圧倍率である６を素因数分解した要素（２，３）のうちの最小要素に対応しており、降圧回路１０を構成するのに必要なキャパシタをさらに少なくする要素となっている。これは、第１の降圧段だけが２つのキャパシタ組を備えているためである。

［降圧充電回路の動作説明：図１，図３，図４］
つぎに、図１に示した降圧充電回路の降圧充電動作について説明する。

第１のタイミング信号Ｓ３１および第２のタイミング信号Ｓ３２に従って降圧回路１０が降圧動作すると、整流手段５０の出力から蓄電される状態にあるキャパシタは、電荷を蓄えることで端子電圧が僅かに上昇するが、キャパシタが放電状態となったときに、キャパシタに蓄えられた電荷は蓄電手段２０に瞬時に吸いこまれ、蓄電手段２０の端子電圧に等しくなる。これは蓄電手段２０のインピーダンスが低いためである。

具体的には、図３（１）に示した状態ａのときは、キャパシタ１０１とキャパシタ２０１Ａとキャパシタ２０１Ｂと蓄電手段２０が発電手段１０から得られる電荷を充電する状態にあり、キャパシタ１０２が直前までの状態（状態ｃ，ｄ）で蓄えた電荷を蓄電手段２０側へ放電する状態になる。

また、図３（２）に示した状態ｂのときは、キャパシタ１０１とキャパシタ１０２が発電手段１０から得られる電荷を充電する状態にあり、キャパシタ２０１Ａとキャパシタ２０１Ｂが直前の状態（状態ａ）で蓄えた電荷を蓄電手段２０側へ放電する状態になる。
さらに、図４（１）に示した状態ｃのときは、キャパシタ１０２とキャパシタ２０１Ａとキャパシタ２０１Ｂと蓄電手段２０が発電手段１０から得られる電荷を充電する状態にあ
り、キャパシタ１０１が直前までの状態（状態ａ，ｂ）で蓄えた電荷を蓄電手段２０側へ放電する状態になる。

また、図４（２）に示した状態ｄのときは、キャパシタ１０２とキャパシタ１０１が発電手段１０から得られる電荷を充電する状態にあり、キャパシタ２０１Ａとキャパシタ２０１Ｂが直前の状態（状態ｃ）で蓄えた電荷を蓄電手段２０側へ放電する状態になる。

このように降圧回路１０が動作すると、第２の降圧段１２の各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧ＶBTと常にほぼ等しくなり、第１の降圧段１１０Ａの各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧ＶBTの３倍と常にほぼ等しくなり、結果として降圧回路１０の入力側電圧である負荷電圧ＶLは蓄電電圧ＶBTのほぼ６倍の電圧となる。

このように、降圧回路１０の入力側には蓄電電圧ＶBTに降圧倍率ｎを乗じた電圧値が現れることとなる。この降圧回路１０の入力側端子は、発電した電流が流れ込んでもほとんど電圧変化が生じないため、降圧回路１０の接続状態が切り替わるごく僅かな期間（図４の期間Ｄ）を除けば、降圧回路１０は常に電圧値がｎ・ＶBTの電圧源であるかのように振舞う。この電圧源のように見える負荷の電圧値が負荷電圧ＶLに相当する。

特に１段目の降圧段の２つのキャパシタ組を相補的に動作させることで、一方のキャパシタ組が放電状態にある間でも他方のキャパシタ組を充電状態にできるため、発電手段４０に常に定電圧負荷が接続したような状態にすることができ、発電手段４０が発電しているそのときの電力を常に取り出すことが可能となる。

さらにこの降圧動作では、降圧回路１０内の全てのキャパシタは、電荷を受け渡す動作を通じてもその端子電圧には僅かな電圧変化しか生じないため、電荷移動にともなう損失が抑えられ、結果的にこの降圧回路１０では、入力電圧よりも端子電圧が低い状態にある蓄電手段２０へほとんど損失なしに電荷を移動することが可能となる。

従って、このように降圧回路１０を構成することで、発電手段４０が無負荷となるような時間なしに、常に定電圧源と見なせる負荷を接続することができ、かつ低損失で発電出力を降圧手段１００に送ることができる。結果として６倍という降圧倍率を、計４個という少ないキャパシタ数で実現しつつ、蓄電手段２０に高い効率で充電することが可能となる。

［第２実施形態の構成説明：図６，図７］
次に、第２の実施形態について説明する。これは、上述の実施形態よりも発電電圧が５０Ｖと高い発電手段４０に対して降圧回路１０を１０倍降圧とした例である。この例は特に、第１の実施形態と比較して、より少ない数のキャパシタを用いて任意の降圧倍率を実現する例である。

この第２の実施形態における降圧充電回路の全体構成としては、図１に示した第１の実施形態と同様である。また、降圧回路１０の構成については、第１の実施形態と同様にキャパシタやスイッチで構成可能なため詳細説明は省略するが、動作を説明するための接続状態の一部を図６および図７に示した。

ここでは降圧回路１０の降圧倍率は１０倍としたが、この１０という値の素因数分解は
１０＝２×５ であり、２と５という２つの要素に分解される。これに対応するように、２倍の降圧倍率を有する降圧段１１１と５倍の降圧倍率１１２とを有する降圧段とで降圧回路１０を構成する。

１段目の第１の降圧段１１１は２倍降圧の機能を備えており、これの降圧段には、第１の実施形態における第１の降圧段１１と同じものを用いる。２段目の第２の降圧段１１２は５倍降圧の機能を備えるが、第１の実施形態と特に異なるのはこの５倍降圧段である。この降圧段の内部の接続状態について次に説明する。

図６（１）に示した状態ａにおいて、
第１の降圧段１１１では、キャパシタ１０１が高い電位側、キャパシタ１０２が接地電位側の順で直列に接続した状態となる。キャパシタ１０１の負極とキャパシタ１０２の正極とが接続した点が第１の降圧段１１１の出力となり、第２の降圧段１２に電荷を送り出す。

また第２の降圧段１１２では、第１の降圧段１１１の出力に対してキャパシタ２１１Ａと蓄電手段２０とを直列に接続した状態となる。また、キャパシタ２１１Ｂとキャパシタ２１１Ｃはこれらの回路から切り離される。

図６（２）に示した状態ｂにおいて、
第１の降圧段１１１では、キャパシタ１０１が高い電位側、キャパシタ１０２が接地電位側の順で直列に接続したままの状態である。第２の降圧段１１２では、キャパシタ２１１Ｂとキャパシタ２１１Ｃと蓄電手段とを直列に接続した回路に対して、キャパシタ２１１Ａが並列に接続した状態となる。第２の降圧段１１２は第１の降圧段１１１の出力からは切断される。

図７（１）に示した状態ｃにおいて、
第１の降圧段１１１では、キャパシタ１０１が高い電位側、キャパシタ１０２が接地電位側の順で直列に接続したままの状態である。第２の降圧段１１２では、キャパシタ２１１Ｃと蓄電手段とを直列に接続した回路に対して、キャパシタ２１１Ｂが並列に接続した状態となる。第２の降圧段１１２は第１の降圧段１１１の出力からは切断されたままである。また、キャパシタ２１１Ａはこれらの回路から切り離される。

図７（２）に示した状態ｄにおいて、
第１の降圧段１１１では、キャパシタ１０１が高い電位側、キャパシタ１０２が接地電位側の順で直列に接続したままの状態である。第２の降圧段１１２では、キャパシタ２１１Ｃと蓄電手段とを並列に接続する。第２の降圧段１１２は第１の降圧段１１１の出力からは切断されたままである。また、キャパシタ２１１Ａとキャパシタ２１１Ｂとはこれらの回路から切り離される。

さらにこの後、キャパシタ１０２が高い電位側、キャパシタ１０１が接地電位側の順で直列に接続した状態となった後に、第２の降圧段１１２が同様の接続状態を繰り返す。状態ｅは、状態ａに対応し、状態ｆは状態ｂに対応し、状態ｇは状態ｃに対応し、状態ｈは状態ｄに対応する。状態ｅ，状態ｆ，状態ｇ，状態ｈの図は省略する。

このように第２の降圧段１１２の接続を切り替えることで、第２の降圧段１１２のキャパシタには、蓄電手段２０の端子電圧を２のべき乗倍した電圧が保持されるようになる。すなわちキャパシタ２１１Ｃには１倍（２の０乗）、キャパシタ２１１Ｂには２倍（２の１乗）、キャパシタ２１１Ａには４倍（２の２乗）となる。これらのキャパシタを接続する組み合わせを適宜選ぶことで、任意の整数倍の降圧倍率を実現することが可能となる。

この場合に必要なキャパシタの数は、降圧倍率をｍとした場合、約Ｌｏｇ２（ｍ）、すなわちｍの対数（底を２とする）以上の最小整数程度に抑えることが可能となる。言い換えると、必要なキャパシタの数は （ｌｏｇ２（ｍ）の整数値）＋１ 未満である。第２
の実施形態の第２の降圧段１１２の例は５倍降圧であり、Ｌｏｇ２（５）≒２．３２であることから、ここでのキャパシタ組を構成するのに必要なキャパシタ数は３となることが分かる。さらにこの３つのキャパシタを用いると、５倍，６倍，７倍，８倍といった降圧倍率を得ることができる。

また、状態ａ〜状態ｄまでの状態をとる期間と、状態ｅ〜状態ｈまでの状態をとる期間とは、第１の実施形態のときと同様に、ともに等しい時間幅（例えば５０ミリ秒）なるようにする。このようにすることで、降圧回路１０の１サイクルの動作を通じて、１段目の降圧段である第１の降圧段１１１のキャパシタ組（キャパシタ１０１とキャパシタ１０２）に均等に電荷を受け渡すことができ、それぞれのキャパシタの充電動作点が安定化することで電荷転送の効率を高くすることができる。

一方、この例では、状態ａと状態ｂと状態ｃ状態ｄとのそれぞれの時間幅は任意でよい。状態ｅと状態ｆと状態ｇと状態ｈとのそれぞれの時間幅も任意でよい。これは、各キャパシタに蓄えられた電荷が、蓄電手段２０のような低インピーダンスの負荷に放電されるのはごく僅かな時間幅であることによる。

［第２の実施形態の動作説明］
第２の実施形態の動作について簡単に説明する。

降圧回路１０が降圧動作すると、第２の降圧段１１２のキャパシタ２１１Ｃの端子間電圧は蓄電電圧ＶBTと常にほぼ等しくなり、キャパシタ２１１Ｂの端子間電圧は蓄電電圧ＶBTの２倍と常にほぼ等しくなり、キャパシタ２２２Ａの端子間電圧は蓄電電圧ＶBTの４倍とほぼ等しくなる。さらに第１の降圧段１１１の各キャパシタの端子間電圧は蓄電電圧ＶBTの５倍と常にほぼ等しくなり、結果として降圧回路１０の入力側電圧である負荷電圧ＶLは蓄電電圧ＶBTのほぼ１０倍の電圧となる。

従って、このように降圧回路１０を制御することで、前述の第１の実施形態と同様に、整流手段５０の出力を電圧変換しつつ蓄電手段２０に高効率で充電することが可能となる。この例では特に、この１０倍という高い降圧倍率を、計５個という少ないキャパシタ数で実現することが可能となる。

ここで、本発明における降圧充電回路で必要になるキャパシタ数を、従来で必要になるキャパシタ数と比較したグラフを図８に示す。前述したとおり、降圧段の降圧倍率は、全体の降圧倍率の値を素因数分解して得られた要素にそれぞれ対応するため、降圧倍率自体が素数（例えば１１倍降圧）の場合であるような場合でも、従来と比較してより少ないキャパシタ数で済むため、本発明による高い効果が得られることが分かる。

さて、この第２の実施形態における第２の降圧段１１２のような、蓄電手段２０の端子電圧ＶBTの２のべき乗倍を利用した構成は、第１の実施形態における第２の降圧段１２のように一度に直並列状態を切り替える構成と比較して、必要となるキャパシタ数が少なくなる反面、状態数が多くなるため、必要な信号線の種類が多くなり制御が煩雑となるという側面がある。降圧充電回路として要求される仕様に応じて適切な構成を選ぶことが好ましい。

上記までの実施形態では、降圧回路１０が選択できる降圧倍率は固定としたが、この限りでない。降圧回路１０中のキャパシタの数を増やしたり、このキャパシタの接続状態をより複雑に変えられるような構成にすることによって、降圧倍率を可変として選択範囲を増やしたり、中間的な値をとれるようにすることも可能である。例えば、降圧回路１０の１段目で３倍降圧し、２段目でも３倍降圧し、さらに３段目を追加して２倍昇圧すること
で９／２倍（４．５倍）降圧するといったことも可能である。

また、降圧回路１０の降圧段数は、降圧倍率を素因数分解して得られる要素の個数である３段としたが、この限りではない。第１の実施形態における降圧段の２段目を４倍相当の降圧倍率とするといったことも可能である。具体的には、第１実施形態における第２の降圧段１２の２つのキャパシタ組のキャパシタ数を３に増やすことでこの降圧段での降圧倍率を４に増やすことができるため、これにより降圧回路１０の降圧倍率を第２の実施形態と同じ８倍とすることが可能である。

この場合は、必要となるキャパシタの総数は最小とはならないが、スイッチを適宜挿入することで、８倍だけでなく６倍や４倍といった降圧倍率が選択可能となるという効果が得られる。

同様に、第２の実施形態における降圧段の２段目の降圧段は、キャパシタを３つ備えており、上述したとおり、スイッチの切り替え順を適宜選ぶことで、８まで（２の３乗）、すなわち、３，４，５，６，７，８倍までの降圧動作をさせることが可能である。この降圧倍率の変更を、発電手段４０の発電状態や蓄電手段２０の蓄電状態を検知した結果に基づいて行う構成としてもよい。

また、上記までの実施形態では、発電手段４０は発電量が変化することはあっても発電が停止しないことを前提としているが、発電が停止したことを検知することで余計な降圧動作を停止したり、降圧回路１０と蓄電手段２０との間に整流機能を設けることで蓄電手段２０が逆に放電してしまわないようにしたりする機能を設けてもよい。

１０ 降圧回路
１１、１１１ 第１の降圧段
１２、１１２ 第２の降圧段
１３ タイミング生成回路
２０ 蓄電手段
４０ 発電手段
５０ 整流手段
１００ 降圧手段
１０１、１０２、２０１ ２１１ キャパシタ組

Claims (5)

1. 外部電源からの入力側に接続される第１の降圧段と、
   該第１の降圧段の出力に接続される第２の降圧段と、を有する降圧回路であって、
   前記第１の降圧段は、１つのキャパシタを備える第１のキャパシタ組を２個備え、
   前記第２の降圧段は、複数のキャパシタを備える第２のキャパシタ組を１個備え、
   前記降圧回路全体の降圧倍率を表す全体降圧倍率は、非素数の整数であって、
   前記第１の降圧段の降圧倍率を表す第１の降圧倍率は、２であって、
   前記第２の降圧段の降圧倍率を表す第２の降圧倍率は、前記全体降圧倍率を前記第１の降圧倍率で除した値であって、
   ｎを前記第２のキャパシタ組のキャパシタの個数、３以上の整数であるｍを前記第２の降圧倍率とした場合に、
   ｎは、ｎ＜（ｌｏｇ２（ｍ）＋１）を満たす最大の整数であって、さらに、
   第１の期間と第２の期間を設け、
   前記第１の期間において、前記第２のキャパシタ組に含まれるキャパシタの少なくとも１つが、前記第１の降圧段の出力と前記第２の降圧段の出力の間に直列接続され、
   前記第２の期間において、前記第２のキャパシタ組に含まれるキャパシタのすべてが、前記第１の降圧段の出力と切り離され、かつ、前記第２のキャパシタ組に含まれるキャパシタの少なくとも１つが、前記第２の降圧段の出力と接地電位との間で直列接続され、さらに、
   第３の期間と第４の期間を設け、
   前記第３の期間において、前記第１のキャパシタ組のうちの一方のキャパシタ組を入力側、他方のキャパシタ組を接地電位側として、２個の前記第１のキャパシタ組を直列に接続し、
   前記第４の期間において、前記他方のキャパシタ組を入力側、前記一方のキャパシタ組を接地電位側として、２個の前記第１のキャパシタ組を直列に接続し、
   前記第３の期間と前記第４の期間は、等しい時間幅で互いに切り替わる
   ことを特徴とする降圧回路。
2. 前記第３の期間と前記第４の期間のそれぞれのなかに、前記第１の期間と前記第２の期間
   を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の降圧回路。
3. 前記全体降圧倍率及び前記第２の降圧倍率は、それぞれ１０及び５である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の降圧回路。
4. 前記全体降圧倍率及び前記第２の降圧倍率は、それぞれ６及び３である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の降圧回路。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の降圧回路と、
   該降圧回路の前記第１の降圧段の入力側に接続され、発電電圧を入力する発電手段と、
   該降圧回路の前記第２の降圧段の出力側に接続され、前記降圧回路からの降圧電圧を入力し充電する蓄電手段と、を有する
   ことを特徴とする降圧充電回路。

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