JP6728021B2 - 電源回路 - Google Patents

Description

本発明は、電源回路に関し、例えば、エネルギーハーベスティング技術によって集めた環境エネルギーに基づいて負荷を駆動するために必要な電力を発生させる電源回路に関する。

近年、エネルギーハーベスティング技術（環境発電技術）によって光や熱、振動等の環境エネルギーから得られた電力によって動作するセンサノードが注目されている。

ここで、センサノードとは、センサに加えてデータ処理機能および無線通信機能を有する装置である。センサノードとしては、人体に装着され、内蔵したセンサによって検知した脈拍や体温、血圧等の微弱なバイタル信号を電気信号に変換し、無線によって送信するウエアラブル機器等を例示することができる。

近年、このセンサノードへの電力供給技術が活発な研究開発領域となっている。特に、多くのＩｏＴシステムのように、数多くのセンサノードが必要となるシステムでは、上記電力供給技術によってコストが大幅に削減される可能性がある。

例えば、非特許文献１には、エネルギーハーベスタによって環境中の振動エネルギーから交流（ＡＣ）電圧を生成し、生成したＡＣ電圧を整流回路によって直流（ＤＣ）電圧に変換して、負荷であるセンサノードに供給する電源回路が開示されている（非特許文献１参照）。

B. Mishra et al., "A sub 100μW UWB sensor-node powered by a piezoelectric vibration harvester," Wireless Information Technology and Systems (ICWITS), 2012 IEEE International Conference on, Maui, HI, 2012, pp. 1-4.Circuits Conference (CICC), 2012 IEEE , vol., no., pp.1-4, 9-12 Sept. 2012.

図４は、非特許文献１に開示された電源回路の構成を示す図である。
図４に示すように、従来の電源回路９００は、ＡＣ電圧を発生させるエネルギーハーベスタ９０と、上記ＡＣ電圧を整流する整流回路としてのダイオードブリッジ回路９１と、整流された電圧から直流電圧を生成し、負荷９５に供給する電力調節回路９２とを含む。

ダイオードブリッジ回路９１を構成するダイオードの順電圧をＶｄとし、エネルギーハーベスタ９０から出力されるＡＣ電圧のピーク・ツー・ピーク電圧２Ｖｐとしたとき、電源回路９００は、Ｖｐ＞２Ｖｄの場合には、負荷９５を駆動するために必要な直流電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを安定して生成することが可能である。しかしながら、Ｖｐ＜２Ｖｄの場合には、負荷９５を駆動するために必要な直流電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを安定して生成することができない。以下、図を用いて詳細に説明する。

先ず、Ｖｐ＞２Ｖｄの場合について説明する。
図５Ａ〜５Ｃは、Ｖｐ＞２Ｖｄの場合における電源回路９００の各ノードの電圧を示す図である。図５Ａには、エネルギーハーベスタ９０の一方の出力端子９０Ａの電圧が示され、図５Ｂには、ダイオードブリッジ回路９１の一方の出力端子９１Ａの電圧が示され、図５Ｃには、電力調節回路９２の出力電圧が示されている。

図５Ａに示すように、エネルギーハーベスタ９０からダイオードの順電圧Ｖｄよりも大きいピーク電圧Ｖｐを有するＡＣ電圧が生成されて、ダイオードブリッジ回路９１の一方の入力端子に入力されると、図５Ｂに示すように、ダイオードブリッジ回路９１の出力端子９１Ａから、ピーク電圧を（Ｖｐ−２Ｖｄ）とする脈流電圧が出力される。そして、図５Ｃに示すように、電力調整回路９２は、ピーク電圧（Ｖｐ−２Ｖｄ）の脈流電圧に基づいて、負荷９５を駆動するために必要な直流電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを生成する。
このように、Ｖｐ＞２Ｖｄの場合には、電源回路９００は、負荷９５を駆動するために必要な直流電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを安定して生成することが可能となる。

次に、Ｖｐ＜２Ｖｄの場合について説明する。
図６Ａ〜６Ｃは、Ｖｐ＜２Ｖｄの場合における電源回路９００の各ノードの電圧を示す図である。図６Ａには、エネルギーハーベスタ９０の一方の出力端子９０Ａの電圧が示され、図６Ｂには、ダイオードブリッジ回路９１の一方の出力端子９１Ａの電圧が示され、図６Ｃには、電力調節回路９２の出力電圧が示されている。

図６Ａに示すように、エネルギーハーベスタ９０の一方の出力端子９０Ａから、ダイオードの順電圧Ｖｄよりも小さいピーク電圧Ｖｐを有するＡＣ電圧が生成された場合、そのＡＣ電圧は、ダイオードブリッジ回路９１が動作するための最低動作電圧（２Ｖｄ）よりも低い。そのため、図６Ｂに示すように、ダイオードブリッジ回路９１の出力端子９１Ａからは、電圧が出力されない。その結果、図６Ｃに示すように、電力調節回路９２は、負荷９５を駆動するために必要な直流電圧Ｖｓｕｐｐｌｙを生成することができない。

このように、非特許文献１に開示された従来の電源回路では、整流回路としてのダイオードブリッジ回路の最低動作電圧によって、収穫可能な最小の環境エネルギー量（例えば、振動エネルギーから電力を生成するエネルギーハーベスタの場合、最小振動強度）が制限されるため、センサノードを適用可能なシステムも限定されてしまうという課題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、より少量の環境エネルギーから、負荷を駆動するために必要な電源電圧を生成することにある。

本発明に係る電源回路（１００）は、環境から収穫したエネルギーに基づいて交流電圧を生成するエネルギーハーベスタ（１０）と、エネルギーハーベスタによって生成された交流電圧に加えるオフセット電圧（Ｖｏｆｆ）を生成するオフセット電圧生成器（１３）と、オフセット電圧が加えられた上記交流電圧を整流して出力するダイオードブリッジ回路（１１）と、ダイオードブリッジ回路によって整流された電圧から直流電圧を生成する直流電圧生成回路（１２）とを有し、オフセット電圧生成器は、熱エネルギーから起電力を発生する熱電発電素子、および太陽電池の少なくとも一方を含むことを特徴とする。

上記電源回路において、エネルギーハーベスタは、交流電圧を出力する一対の出力端子（１０Ａ，１０Ｂ）を有し、ダイオードブリッジ回路は、一対の入力端子（１１Ｂ，１１Ｄ）と一対の出力端子（１１Ａ，１１Ｃ）を有し、オフセット電圧生成器は、オフセット電圧を出力する一対の出力端子（１３Ａ，１３Ｂ）を有し、直流電圧生成回路は一対の入力端子を有し、エネルギーハーベスタの一方の出力端子（１０Ｂ）は、ダイオードブリッジ回路の一方の入力端子（１１Ｄ）に接続され、オフセット電圧生成器の一方の出力端子（１３Ｂ）が、エネルギーハーベスタの他方の出力端子（１０Ａ）に接続され、オフセット電圧生成器の他方の出力端子（１３Ａ）が、ダイオードブリッジ回路の他方の入力端子（１１Ｂ）に接続され、ダイオードブリッジ回路の一対の出力端子（１１Ａ，１１Ｄ）が直流電圧生成回路の一対の入力端子に夫々接続されていてもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号および図番によって表している。

本発明によれば、より少量の環境エネルギーから、負荷を駆動するために必要な電源電圧を生成することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る電源回路の構成を示す図である。 オフセット電圧が正である場合の、ダイオードブリッジ回路の一方の入力端子１１Ｂの電圧を示す図である。 オフセット電圧が正である場合の、ダイオードブリッジ回路の一方の出力端子１１Ａの電圧を示す図である。 オフセット電圧が正である場合の、直流電圧生成回路の出力電圧を示す図である。 オフセット電圧が負である場合の、ダイオードブリッジ回路の一方の入力端子１１Ｂの電圧を示す図である。 オフセット電圧が負である場合の、ダイオードブリッジ回路の一方の出力端子１１Ａの電圧を示す図である。 オフセット電圧が負である場合の、直流電圧生成回路の出力電圧を示す図である。 従来の電源回路の構成を示す図である。 Ｖｐ＞２Ｖｄである場合の、従来の電源回路のエネルギーハーベスタの一方の出力端子９０Ａの電圧を示す図である。 Ｖｐ＞２Ｖｄである場合の、従来の電源回路のダイオードブリッジ回路９１の一方の出力端子９１Ａの電圧を示す図である。 Ｖｐ＞２Ｖｄである場合の、従来の電源回路の電力調節回路９２の出力電圧を示す図である。 Ｖｐ＜２Ｖｄである場合の、従来の電源回路のエネルギーハーベスタの一方の出力端子９０Ａの電圧を示す図である。 Ｖｐ＜２Ｖｄである場合の、従来の電源回路のダイオードブリッジ回路９１の一方の出力端子９１Ａの電圧を示す図である。 Ｖｐ＜２Ｖｄである場合の、従来の電源回路の電力調節回路９２の出力電圧を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電源回路の構成を示す図である。
同図に示される電源回路１００は、例えば、ウエアラブル機器等のセンサノードの内部に設けられ、センサノード内のセンサ、データ処理装置、および無線通信のための通信回路等の内部システム（以下、「負荷１５」と表記する。）に電力を供給する回路である。

図１に示されるように、電源回路１００は、エネルギーハーベスタ１０と、オフセット電圧生成器１３と、ダイオードブリッジ回路１１と、直流電圧生成回路１２とを含む。

エネルギーハーベスタ１０は、ＡＣ（交流）電圧を生成する電圧生成部であり、環境中の振動エネルギー等からＡＣ電圧を生成し、出力端子１０Ａと出力端子１０Ｂとの間から出力する。

エネルギーハーベスタ１０としては、例えば、帯電体であるエレクトレットに対して電極（導体）を相対的に変位させることによって発生する誘導電荷の移動（静電誘導の原理）を利用して発電するエレクトレット微小発電素子等を例示することができる。

オフセット電圧生成器１３は、エネルキーハーベスタ１０によって生成されたＡＣ電圧に加えるオフセット電圧を生成する機能部である。
オフセット電圧生成器１３は、例えば、熱エネルギーから起電力を発生する熱電発電（ＴＥＧ：ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子および太陽電池の少なくとも一方を含んで構成され、熱エネルギー等の環境エネルギーから直流電圧を生成し、出力端子１３Ａと出力端子１３Ｂとの間からオフセット電圧Ｖｏｆｆとして出力する。ここで、オフセット電圧Ｖｏｆｆは、正の電圧であってもよいし、負の電圧であってもよい。

ダイオードブリッジ回路１１は、入力端子１１Ｂと入力端子１１Ｄとの間に入力されたＡＣ電圧を整流して、出力端子１１Ａと出力端子１１Ｃとの間から出力する整流回路である。

ダイオードブリッジ回路１１の入力端子１１Ｂと入力端子１１Ｄとの間には、オフセット電圧生成器１３とエネルギーハーベスタ１０とが直列に接続されている。具体的には、ダイオードブリッジ回路１１の入力端子１１Ｄとエネルギーハーベスタ１０の出力端子１０Ｂとが接続され、エネルギーハーベスタ１０の出力端子１０Ａとオフセット電圧生成器１３の出力端子１３Ｂとが接続され、オフセット電圧生成器１３の出力端子１３Ａとダイオードブリッジ回路１１の入力端子１１Ｂとが接続されている。

これにより、ダイオードブリッジ回路１１には、エネルギーハーベスタ１０によって生成されたＡＣ電圧に、オフセット電圧生成器１３によって生成されたオフセット電圧Ｖｏｆｆを加えたＡＣ電圧が入力される。

直流電圧生成回路１２は、ＤＣ電圧を生成する電力調節回路である。
図１に示されるように、直流電圧生成回路１２の２つの入力端子には、ダイオードブリッジ回路１１の出力端子１１Ａ，１１Ｃが夫々接続され、直流電圧生成回路１２の出力端子には、負荷１５が接続されている。
直流電圧生成回路１２は、例えば，ダイオードブリッジ回路１１から供給された脈流電圧を平滑化する平滑コンデンサと、平滑化された電圧から必要な負荷１５を駆動するために必要な出力電圧ＶＯＵＴを生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、を含んで構成されている。

次に、電源回路１００の動作原理について図を用いて説明する。
以下の説明では、エネルギーハーベスタ１０によって生成されるＡＣ電圧のピーク電圧の絶対値をＶｐ、ダイオードブリッジ回路１１を構成する各ダイオードの順電圧をＶｄとしたとき、エネルギーハーベスタ１０がピーク・ツー・ピーク電圧２Ｖｐ（片側のピーク電圧の絶対値がＶｐ）のＡＣ電圧を出力し、Ｖｐ＜２Ｖｄであるとする。

先ず、オフセット電圧生成器１３によって生成されるオフセット電圧Ｖｏｆｆが正の場合について説明する。
図２Ａ〜２Ｃは、Ｖｏｆｆ＞０の場合における電源回路１００の各ノードの電圧を示す図である。図２Ａには、ダイオードブリッジ回路１１の入力端子１１Ｂの電圧Ｖ（１１Ｂ）が示され、図２Ｂには、ダイオードブリッジ回路１１の出力端子１１Ａの電圧Ｖ（１１Ａ）が示され、図２Ｃには、直流電圧生成回路１２の出力電圧ＶＯＵＴが示されている。

エネルギーハーベスタ１０によってＶｐ＜２ＶｄのＡＣ電圧が生成された場合、そのＡＣ電圧をオフセット電圧Ｖｏｆｆ（＞０）によってかさ上げしたＡＣ電圧が、ダイオードブリッジ回路１１に入力される。具体的には、図２Ａに示すように、ダイオードブリッジ回路１１の入力端子１１Ｂには、最大電圧が（Ｖｐ＋Ｖｏｆｆ）、最小電圧が（−Ｖｐ＋Ｖｏｆｆ）となる正のＡＣ電圧が入力される。

次に、図２Ｂに示すように、ダイオードブリッジ回路１１が、図２Ａに示したＡＣ電圧の“Ｖｄ”よりも大きい部分を整流して、ピーク電圧（Ｖｐ＋Ｖｏｆｆ−２Ｖｄ）とする脈流電圧を出力する（半波整流）。

そして、図２Ｃに示すように、直流電圧生成回路１２が、図２Ｂに示したピーク電圧（Ｖｐ＋Ｖｏｆｆ−２Ｖｄ）の脈流電圧に基づいて、負荷１５を駆動するために必要な大きさＶｓｕｐｐｌｙの出力電圧ＶＯＵＴを生成する。

次に、オフセット電圧生成器１３によって生成されるオフセット電圧Ｖｏｆｆが負の場合について説明する。
図３Ａ〜３Ｃは、Ｖｏｆｆ＜０の場合における電源回路１００の各ノードの電圧を示す図である。図３Ａには、ダイオードブリッジ回路１１の入力端子１１Ｂの電圧Ｖ（１１Ｂ）が示され、図３Ｂには、ダイオードブリッジ回路１１の出力端子１１Ａの電圧Ｖ（１１Ａ）が示され、図３Ｃには、直流電圧生成回路１２の出力電圧ＶＯＵＴが示されている。

エネルギーハーベスタ１０によってＶｐ＜２ＶｄのＡＣ電圧が生成された場合、そのＡＣ電圧をオフセット電圧Ｖｏｆｆ（＜０）によってかさ上げしたＡＣ電圧が、ダイオードブリッジ回路１１に入力される。具体的には、図３Ａに示すように、ダイオードブリッジ回路１１の入力端子１１Ｂには、最大電圧が（Ｖｐ−Ｖｏｆｆ）、最小電圧が（−Ｖｐ＋−Ｖｏｆｆ）となる負のＡＣ電圧が入力される。

次に、図３Ｂに示すように、ダイオードブリッジ回路１１が、図３Ａに示したＡＣ電圧の“−Ｖｄ”よりも小さい部分を整流して、ピーク電圧（Ｖｐ＋Ｖｏｆｆ−２Ｖｄ）とする脈流電圧を出力する（半波整流）。

そして、図３Ｃに示すように、直流電圧生成回路１２が、図３Ｂに示したピーク電圧（Ｖｐ＋Ｖｏｆｆ−２Ｖｄ）の脈流電圧に基づいて、負荷１５を駆動するために必要な大きさＶｓｕｐｐｌｙの出力電圧ＶＯＵＴを生成する。

このように、本実施の形態に係る電源回路１００によれば、“Ｖｐ＞２Ｖｄ−Ｖｏｆｆ”を満たす場合に、負荷１５を駆動するために必要な大きさＶｓｕｐｐｌｙの出力電圧ＶＯＵＴを安定して生成することができる。

以上、本実施の形態に係る電源回路１００によれば、ダイオードブリッジ回路１１の入力端子間に、エネルギーハーベスタ１０とオフセット電圧生成器１３を直列に接続しているので、エネルギーハーベスタ１０によって生成されたＡＣ電圧が、オフセット電圧生成器１３によって生成されたオフセット電圧Ｖｏｆｆの大きさに応じて、正方向または負方向にかさ上げされて、ダイオードブリッジ回路１１に入力される。これにより、エネルギーハーベスタ１０によって生成されたＡＣ電圧が“Ｖｐ＞２Ｖｄ−Ｖｏｆｆ”を満たす場合には、ダイオードブリッジ回路１１によってピーク電圧（Ｖｐ＋Ｖｏｆｆ−２Ｖｄ）の脈流電圧が生成されるので、直流電圧生成回路１３によって負荷１５に必要な電源電圧を生成することができる。

したがって、オフセット電圧生成器１３によって生成されるオフセット電圧Ｖｏｆｆの値を適宜調整することにより、上述した従来の電源回路に比べて、かなり小さいピーク電圧ＶｐのＡＣ電圧から、負荷１５に必要な電源電圧を生成することが可能となる。

以上、本実施の形態に係る電源回路１００によれば、従来の電源回路よりも少量の環境エネルギー（例えば、振動エネルギーから電力を生成するエネルギーハーベスタの場合、最小振動強度）から、負荷を駆動するために必要な電源電圧を生成することが可能となる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

１００…電源回路、１０…エネルギーハーベスタ、１０Ａ，１０Ｂ…エネルギーハーベスタの出力端子、１１…ダイオードブリッジ回路、１１Ｂ，１１Ｄ…ダイオードブリッジ回路の入力端子、１１Ａ，１１Ｃ…ダイオードブリッジ回路の出力端子、１２…直流電圧生成回路、１３…オフセット電圧生成器、１３Ａ，１３Ｂ…オフセット電圧生成器の出力端子、１５…負荷、ＶＯＵＴ…出力電圧。

Claims (2)

1. 環境から収穫したエネルギーに基づいて交流電圧を生成するエネルギーハーベスタと、 前記エネルギーハーベスタによって生成された前記交流電圧に加えるオフセット電圧を生成するオフセット電圧生成器と、
   前記オフセット電圧が加えられた前記交流電圧を整流して出力するダイオードブリッジ回路と、
   前記ダイオードブリッジ回路によって整流された電圧から直流電圧を生成する直流電圧生成回路とを有し、
   前記オフセット電圧生成器は、熱エネルギーから起電力を発生する熱電発電素子、および太陽電池の少なくとも一方を含む
   電源回路。
2. 請求項１に記載の電源回路において、
   前記エネルギーハーベスタは、前記交流電圧を出力する一対の出力端子を有し、
   前記ダイオードブリッジ回路は、一対の入力端子と一対の出力端子を有し、
   前記オフセット電圧生成器は、前記オフセット電圧を出力する一対の出力端子を有し、
   前記直流電圧生成回路は、一対の入力端子を有し、
   前記エネルギーハーベスタの一方の出力端子は、前記ダイオードブリッジ回路の一方の入力端子に接続され、
   前記オフセット電圧生成器の一方の出力端子が、前記エネルギーハーベスタの他方の出力端子に接続され、
   前記オフセット電圧生成器の他方の出力端子が、前記ダイオードブリッジ回路の他方の入力端子に接続され、
   前記ダイオードブリッジ回路の前記一対の出力端子は、前記直流電圧生成回路の前記一対の入力端子に接続されている
   ことを特徴とする電源回路。

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