JP6926982B2

JP6926982B2 - 電源制御回路および環境発電装置

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Publication number: JP6926982B2
Application number: JP2017222253A
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Inventors: 佐藤　弘幸; 弘幸佐藤; 中本　裕之; 裕之中本; 虹高
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Description

本発明は、電源制御回路および環境発電装置に関する。

無線通信機器の小型化、無線通信の大容量化に伴い、生活環境における様々な情報をセンシングするセンサデバイスを内蔵し、センシングした情報をサーバーへ送信するＩｏＴ（ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ）デバイスの普及が進んでいる。

ＩｏＴデバイスは通常センシングデバイスと、センシングしたデータを処理するためＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）等の負荷回路を実装する。負荷回路の駆動には電源供給が必要となるため、ＩｏＴデバイスには電池が実装される。ＩｏＴデバイスを長期間駆動させるには電池交換が必要となるが、ＩｏＴデバイスの設置数が多いと、電池交換に多大なコストが生じる。

負荷回路を駆動する、電池以外の電源として、太陽光発電など、環境エネルギーを電気エネルギーに変換する環境発電素子がある。負荷回路の低消費電力化が進むと共に、環境発電素子の発電性能向上により、負荷回路の電源として電池の代わりに環境発電素子を用いたＩｏＴデバイスが実現可能となっている。

一方、環境発電素子による発電量は、環境の変化に大きく左右されるため、不安定なものとなる。ＩｏＴデバイスの信頼性向上には、負荷回路に安定した電力供給を行うための電源制御回路が必要となる。例えば特許文献１には、異なる閾値電圧に基づき動作するリセットＩＣを２つ設け、電源電圧の上昇時と下降時でヒステリシス動作させることにより、負荷回路への電源供給を安定させる技術が開示されている。また非特許文献１には、リセットＩＣの外部に抵抗回路を付加し、ヒステリシスを大きくする技術が開示されている。電源制御回路は、適切なヒステリシス動作を実現することにより、環境発電素子から供給される電圧値の変動に対し、負荷回路との接続・遮断が煩雑に発生することを防止する。この結果、電源制御回路は、環境発電素子から負荷回路への電源供給を安定させることが出来る。

特開２０１６−１４６１５６号公報特開平０８−０１８０１０号公報

"製品ＦＡＱ集"、FAQ:VD_0005_1.0、[2016年5月19日検索]、インターネット<URL：http://datasheet.sii-ic.com/pub/ic/speedfaq/jpn/power/vd/FVD5.PDF>

しかしながら、特許文献１の技術では、リセットＩＣを２つ実装する必要があるため、回路の実装面積が大きくなる。また非特許文献１の技術では、電源電圧上昇時において外部の抵抗回路に常時電流が流れるため、消費電力が大きくなる。

開示の技術は、実装面積が小さくかつ消費電力の小さい電源制御を実現することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、電源制御回路は、第１基準ノードおよび第２基準ノードに並列接続された電源およびキャパシタと、キャパシタから供給される電荷により動作する負荷回路との接続を制御する電源制御回路であって、第１基準ノードと第２基準ノードの電位差に応じて第１制御信号を出力する第１制御回路と、第１制御信号の論理を反転させた第２制御信号を出力する第２制御回路と、第２制御信号に応じてキャパシタと負荷回路との電気的接続をオンオフする第１スイッチと、第１基準ノードと第１制御回路との間に接続された第１抵抗と、第１抵抗と第１制御回路との間のノードと第１制御信号を出力する第１出力ノードとの間に接続された第２抵抗と、第１抵抗に並列接続され、第１制御信号に応じてオンオフする第２スイッチとを有し、第１スイッチおよび第２スイッチは、第２制御信号の電圧値に基づいてオンオフする。

本件の開示する電源制御回路および環境発電装置の一つの態様によれば、実装面積が小さくかつ消費電力の小さい電源制御を実現することが出来るという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態における、環境発電装置の一例を示す機能ブロック図である。図２は、環境発電装置のタイミングチャートである。図３は、第２の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図４は、第３の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図５は、第４の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図６は、環境発電装置の動作を説明するタイミングチャートである。図７は、第５の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図８は、本実施形態の環境発電装置における電源電圧値の測定結果である。図９は、第６の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図１０は、図９の環境発電装置について、論理反転回路を具体化した回路図である。図１１は、負荷回路の動作時における電圧変化を示すタイミングチャートである。図１２は、第７の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図１３は、図１２の環境発電装置について、論理反転回路を具体化した回路図である。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における、環境発電装置の一例を示す機能ブロック図である。図１において環境発電装置１は、環境発電素子２、キャパシタ３、電源制御回路４、負荷回路５を有する。端子ＶＤＤおよび端子ＶＳＳは、環境発電素子２と他の回路とを電気的に接続する共有端子である。

環境発電素子２は、素子の外部から受ける環境エネルギーを電気エネルギーに変換し発電する素子である。環境発電素子２に例えば、太陽光発電素子を用いた場合は電流源として機能する。他の環境発電素子には例えば、ピエゾ素子、圧電素子などがある。キャパシタ３は、環境発電素子２に並列に接続されている。環境発電素子２からキャパシタ３へ発電供給される電荷は外部環境に左右されるため、供給電力は時間経過に対し不安定である。キャパシタ３は、環境発電素子２から供給された電荷を蓄積し、回路に供給される電力を安定させるための二次電池として機能する。キャパシタ３に蓄積された電荷は、電圧として監視することが出来る。

電源制御回路４は、キャパシタ３に蓄積された電荷に対応する電圧の監視結果に応じて、負荷回路５への電力供給を制御する。

負荷回路５は、環境発電素子２により駆動されるＩＣである。負荷回路５は例えば無線ＩＣやセンサデバイスである。負荷回路５は環境発電素子２から発電供給される電力で動作可能な、低消費電力のデバイスである。

図２は、環境発電装置のタイミングチャートである。図２において波形１１および波形１２は、環境発電装置１について、キャパシタ３が接続された電源端子における、電源電圧値の時間変化を示す。波形１３および波形１４は、負荷回路５での消費電流を示す。波形１３および波形１４において、長方形の横の長さは、負荷回路５による電流消費時間を示し、長方形の縦の長さは、負荷回路５による消費電流の大きさを示す。例えば波形１３は、負荷回路５における電源投入後のセットアップ処理における消費電流を示している。また波形１４は、セットアップ完了後のセンシング処理、データ送信処理など、断続的に発生するイベント処理による消費電流を示している。負荷回路５における電力消費が発生すると、キャパシタ３に蓄積された電荷が負荷回路５に流出する。電源電圧値はキャパシタ３の電荷の流出量に応じて低下する。

閾値ＶＨおよび閾値ＶＬは、電源制御回路４に設定された閾値である。電源制御回路４は、キャパシタ３の電源端子を監視し、電源電圧値が閾値ＶＨ以上になると、キャパシタ３と負荷回路５を電気的に接続する。また電源制御回路４は、負荷回路５の駆動開始後、キャパシタ３の電源端子の電圧値が閾値ＶＬ以下になると、キャパシタ３と負荷回路５を電気的に遮断する。

環境発電素子２が発電を開始すると、波形１１に示す通りキャパシタ３の電源電圧値は上昇を開始する。時刻ｔ１において電源電圧値が閾値ＶＨ以上になると、波形１３の通り負荷回路５のセットアップ処理による電力消費が発生する。キャパシタ３から負荷回路５への電荷供給により、波形１１は時刻ｔ１から下降するが、キャパシタ３には環境発電素子２が発電した電荷が供給される。その後波形１１は、波形１４の通り負荷回路５の断続的な動作による下降と、環境発電素子２の電荷供給による上昇を繰り返す。

外部環境の変化により環境発電素子２の発電が停止するとキャパシタ３への電荷の供給が止まるため、キャパシタ３の電源電圧値は、波形１２の通り負荷回路５の動作に伴い下降する。波形１２に示す電源電圧値が時刻ｔ２において閾値ＶＬ以下になると、電源制御回路４はキャパシタ３から負荷回路５への電荷供給を止めるため、負荷回路５は動作を停止する。時刻ｔ２以降において外部環境が変化し、環境発電素子２が発電を再開することにより、環境発電装置１は上記動作を繰り返す。

環境発電装置１を安定動作させるには、環境発電によりキャパシタ３に蓄積される電荷量と、負荷回路５による消費電力とのバランスが重要となる。負荷回路５における電力消費時間と電荷量等の消費条件が予めわかっていれば、消費条件に合わせて閾値ＶＨおよびＶＬ、環境発電素子２の発電量やキャパシタ３の容量を最適化することが出来る。

以上の通り電源制御回路４は、外部環境の変化に伴う環境発電素子２の発電量の変化に関わらず、負荷回路５に対し安定した電力を供給するよう制御することが出来る。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図３において環境発電装置１ｄは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、電源制御回路４ｄ、および負荷回路５ａを有する。

太陽光発電素子２ａは環境発電素子の一つであり、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する。キャパシタ３ａは、太陽光発電素子２ａから供給された電荷を蓄積し、負荷回路に供給する電荷を安定させるための蓄電素子として機能する。

電源制御回路４ｄは、キャパシタ３ａに蓄積された電荷に対応する電圧の監視結果に応じて、回路への電力供給を制御する。電源制御回路４ｄは、監視結果に応じてスイッチ６ａのオンオフを制御する。

負荷回路５ａは、太陽光発電素子２ａにより電力供給される回路である。負荷回路５ａは例えば無線ＩＣやセンサデバイスである。負荷回路５ａは太陽光発電素子２ａから発電供給される電力で動作可能な、低消費電力のデバイスである。

電源制御回路４ｄは、スイッチ２０、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、およびスイッチ６ａを有する。

スイッチ２０は、スイッチ６ａに入力される制御信号の論理レベルに応じて、端子ＶＤＤと電圧検出回路２５の電源入力である端子Ｖｔｈとを接続または遮断するためのスイッチ素子である。図３においてスイッチ２０はＮＭＯＳトランジスタであり、論理レベルがＨｉｇｈの制御信号がゲート端子に入力されると、ソース・ドレイン間が導通状態となる。抵抗Ｒ１およびＲ２はそれぞれ、抵抗値Ｒ１およびＲ２を有する抵抗素子である。端子Ｖｔｈの電圧値は、抵抗値Ｒ１およびＲ２に応じて決まる。

電圧検出回路２５は、端子Ｖｔｈと端子ＶＳＳとの間に接続されている。電圧検出回路２５は、端子Ｖｔｈの電圧値に応じて、出力する制御信号の論理レベルを決定する制御回路である。電圧検出回路２５は、抵抗２７、抵抗２８、比較器２６、電圧源２９、スイッチ３０を有する。抵抗２７および抵抗２８は、端子Ｖｔｈと端子ＶＳＳとの間に直列接続されている。抵抗２７および抵抗２８を直列接続した際の全抵抗値をＲとする。比較器２６は、抵抗２７と抵抗２８による分圧値および電圧源２９の電圧値との比較結果に応じて、出力信号の論理レベルを決定する。電圧源２９は、比較器２６へ入力される信号の論理レベルを判定するための基準電位を生成する。スイッチ３０はＮＭＯＳトランジスタであり、論理レベルがＨｉｇｈの出力信号が比較器２６からゲート端子に入力されると、ソース・ドレイン間がオン状態となる。スイッチ３０がオンすると、電圧検出回路２５から出力される制御信号の論理レベルはＬｏｗとなる。

スイッチ６ａは、太陽光発電素子２ａと負荷回路５ａとの電気接続関係を接続または遮断するためのスイッチ素子である。スイッチ６ａは、電圧検出回路２５から出力される制御信号の論理レベルに応じて、接続または遮断を切り替える。例えば図３においてスイッチ６ａはＮＭＯＳトランジスタであり、論理レベルがＨｉｇｈの制御信号がゲート端子に入力されると、ソース・ドレイン間が導通状態となる。

スイッチ６ａがオフ状態で端子ＶＤＤの電圧値が上昇中の場合、スイッチ３０がオンとなるため、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳへの電流経路は、抵抗Ｒ１、Ｒ２を流れる経路と、抵抗Ｒ１、抵抗２７、２８を流れる経路となる。抵抗値Ｒが抵抗値Ｒ１、Ｒ２よりも十分大きい場合、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳへ流れる電流量は抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２を流れる経路が支配的となる。よって閾値電圧ＶＨは抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の間の電圧値Ｖｔｈを用いて、ＶＨ＝Ｖｔｈ×｛Ｒ１×（Ｒ２＋Ｒ）＋Ｒ２×Ｒ｝／｛Ｒ２×Ｒ｝≒Ｖｔｈ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２となる。

スイッチ６ａがオンした後、端子ＶＤＤの電圧値が下降中の場合、スイッチ３０はオフとなるため、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳへの電流経路は、抵抗Ｒ１、抵抗２７、２８を流れる経路となる。抵抗値Ｒが抵抗値Ｒ１よりも十分大きい場合、閾値電圧ＶＬは電圧値Ｖｔｈを用いて、ＶＬ＝Ｖｔｈ×（Ｒ＋Ｒ１）／Ｒ≒Ｖｔｈとなる。

端子ＶＤＤの電圧上昇時において、抵抗値Ｒ１、Ｒ２は抵抗値Ｒに比べて十分に小さいため、電圧上昇時における消費電力が大きくなる。電圧上昇における消費電力を小さくするために抵抗値Ｒ１およびＲ２を大きくすると、閾値ＶＨ、ＶＬにおいて抵抗値Ｒ１、Ｒ２の影響を無視できなくなり、端子ＶＤＤの電圧変動に伴う回路動作を安定させるための十分なヒステリシス動作が保証できなくなる。また比較器２６に供給される電流量は抵抗Ｒ１の影響を受けるため、抵抗値Ｒ１を大きくすると比較器２６のスイッチング速度が遅くなり、電圧検出回路２５の電圧検出動作が不安定になる。

そこで、図３における環境発電装置１ｄは、抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗値が大きい場合でも電圧検出回路２５の動作を安定させるため、スイッチ２０を有する。以下、電源電圧ＶＤＤ下降時の環境発電装置１ｄの動作について説明する。

電源電圧ＶＤＤが上昇し閾値ＶＨ以上になると、電圧検出回路２５におけるスイッチ３０がオフとなる。スイッチ３０がオフになるとスイッチ６ａのゲート入力電圧はＨｉｇｈとなるので、スイッチ２０に入力されるゲート入力電圧もＨｉｇｈとなる。スイッチ２０はスイッチ６ａと同じ論理でオンオフするため、スイッチ２０に入力される電圧レベルがＨｉｇｈになると、スイッチ２０はオン状態となる。

スイッチ２０がオン状態になると、端子ＶＤＤから端子Ｖｔｈまでの抵抗値は、スイッチ２０のオン抵抗と抵抗Ｒ１との並列接続による抵抗値となる。スイッチ２０のオン抵抗値は抵抗Ｒ１に比べ十分小さいため、端子ＶＤＤから端子Ｖｔｈまでの抵抗値は、スイッチ２０のオン抵抗値が支配的となる。よって電源電圧下降時にスイッチ２０がオンすることにより、閾値電圧ＶＬに対する抵抗Ｒ１の影響は小さくなるため、十分なヒステリシス動作を実現できると共に、電圧検出回路２５の動作を安定させることが出来る。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図４において環境発電装置１ａは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、電源制御回路４ａ、および負荷回路５ａを有する。ここで、他の環境発電装置と同一の構成要素には同一の参照符号を付与し、その説明を省略する。

電源制御回路４ａは論理反転回路２１、スイッチ２２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、およびスイッチ６ａを有する。

図３の通り抵抗Ｒ１に並列接続するスイッチ２０をＮＭＯＳトランジスタで構成すると、ゲート入力電圧の論理レベルがＨｉｇｈの場合、ゲート・ソース間の電位差が小さいと、スイッチ２０のオン抵抗値が大きくなる可能性がある。

そこで、抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗値が大きい場合でも、電圧検出回路２５の動作をさらに安定させるため、図４における環境発電装置１ａは、論理反転回路２１およびスイッチ２２を有する。論理反転回路２１は、入力された信号の論理レベルを反転させて出力する制御回路である。以下、電源電圧ＶＤＤ下降時の環境発電装置１ａの動作について説明する。

キャパシタ３ａの電圧値が上昇し閾値ＶＨ以上になると、電圧検出回路２５におけるスイッチ３０がオフとなる。スイッチ３０がオフになるとスイッチ６ａのゲート入力電圧はＨｉｇｈとなるので、論理反転回路２１の入力電圧もＨｉｇｈとなる。論理反転回路２１は入力信号の論理を反転させて出力するので、入力電圧がＨｉｇｈの場合、スイッチ２２に出力される電圧レベルはＬｏｗとなる。スイッチ２２はスイッチ６ａと逆の論理でオンオフするため、スイッチ２２に入力される電圧レベルがＬｏｗになると、スイッチ２２はオン状態となる。

スイッチ２２がオン状態になると、端子ＶＤＤから端子Ｖｔｈまでの抵抗値は、スイッチ２２のオン抵抗と抵抗Ｒ１との並列接続による抵抗値となる。スイッチ２２のオン抵抗値は抵抗Ｒ１に比べ十分小さいため、端子ＶＤＤから端子Ｖｔｈまでの抵抗値は、スイッチ２２のオン抵抗値が支配的となる。よって電源電圧下降時にスイッチ２２がオンすることにより、閾値電圧ＶＬが抵抗Ｒ１の影響を受けることが無くなるため、十分なヒステリシス動作を実現できると共に、電圧検出回路２５の動作を安定させることが出来る。またスイッチ２２をＰＭＯＳトランジスタで構成することにより、オン時のオン抵抗値を抵抗Ｒ１に対し十分小さくすることが出来る。

（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図４において環境発電装置１ｂは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、電源制御回路４ｂ、および負荷回路５ａを有する。図５の環境発電装置１ｂは、図４の環境発電装置１ａに対し、論理反転回路２１の具体例である論理反転回路２１ａを有する。電流Ｉ１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびスイッチ３０を通って、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳまで流れる電流である。電流Ｉ２は、抵抗Ｒ３およびスイッチ３２を通って、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳまで流れる電流である。電流Ｉ３は、抵抗Ｒ１とスイッチ２２の並列回路および抵抗２７、抵抗２８を通って、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳまで流れる電流である。

電源制御回路４ｂは、論理反転回路２１ａ、スイッチ２２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、およびスイッチ６ａを有する。論理反転回路２１ａは、抵抗Ｒ３、スイッチ３２を有する。

抵抗Ｒ３は抵抗値Ｒ３を有する抵抗素子である。抵抗Ｒ３の抵抗値は、抵抗Ｒ２の数倍程度の値としてもよい。抵抗Ｒ３の抵抗値を大きくすることにより、スイッチ３２がオン状態にある場合の、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳに流れる電流量を制限することが出来る。

スイッチ３２は入力信号の論理レベルがＨｉｇｈの場合にオン状態となる。スイッチ３２は例えばＮＭＯＳトランジスタである。論理反転回路２１ａの入力信号の論理レベルがＨｉｇｈになると、スイッチ３２がオン状態となり、接点Ｐの電圧値が下がる。接点Ｐは論理反転回路２１ａの出力ノードである。論理反転回路２１ａの出力信号の電圧値は接点Ｐの電圧値に等しいので、接点Ｐの電圧値が下がれば、論理反転回路２１ａの出力信号の論理レベルはＬｏｗとなる。よって論理反転回路２１ａの入力信号の論理レベルがＨｉｇｈの場合、論理反転回路２１ａの出力信号の論理レベルはＬｏｗとなる。

論理反転回路２１ａにおいて、スイッチ３２がオン状態の場合、端子ＶＤＤから端子ＶＳＳに流れる電流量は抵抗Ｒ３の抵抗値に依存する。スイッチ３２がオン状態での環境発電装置１ｂの消費電力を抑えるには、抵抗Ｒ３の抵抗値を十分大きくする必要がある。例えばスイッチ３２がオフ状態でのオフ抵抗値が数ギガΩである場合、抵抗Ｒ３の抵抗値を１００MΩ程度に設定すれば、スイッチ２２をオフ状態にするための論理レベルがＨｉｇｈになる様、接点Ｐの電圧値を設定することが出来る。また、抵抗Ｒ３の抵抗値を大きくすると、スイッチ２２に供給される電流量が小さくなるため、スイッチ２２のスイッチング時間が長くなる。スイッチング時間の許容値は、負荷回路５ａの起動開始時間に依存する。スイッチ２２のゲート容量値をＣ１とすると、スイッチ２２のスイッチングにおける時定数Ｔは、Ｔ＝１／（２π×Ｒ３×Ｃ１）となる。以上の通り、スイッチ２２のオンオフ動作を考慮することにより、スイッチ３２がオン状態での消費電力を考慮しつつ、抵抗Ｒ３の抵抗値を最適化することが出来る。

図６は、環境発電装置の動作を説明するタイミングチャートである。図６（ａ）は、環境発電装置１ｂにおいて、端子ＶＳＳを基準とする、端子ＶＤＤの電圧変化を示す。図６（ｂ）は、環境発電装置１ｂにおいて、端子ＶＳＳを基準とする、接点Ｏの電圧変化を示す。図６（ｃ）は、環境発電装置１ｂにおいて、環境発電装置１ｂの消費電力の変化、すなわち、電流Ｉ１、Ｉ２、およびＩ３の電流変化を示す。

時刻０から時刻ｔ１ａまで太陽光発電素子２ａが発電を行うことでキャパシタ３ａの電荷が蓄積され、図６（ａ）の通り端子ＶＤＤの電圧値が上昇する。時刻ｔ１ａにおいて、端子ＶＤＤの電圧値が閾値ＶＨ以上になると、図６（ｂ）の通り接点Ｏの論理レベルがＬｏｗからＨｉｇｈに変化する。時刻０から時刻ｔ１ａまではスイッチ３０がオン状態なので、環境発電装置１ｂには電流Ｉ１およびＩ３が流れる。電流Ｉ１は端子ＶＤＤの電圧値の上昇と共に増加する。一方、電流Ｉ３の電流経路にある抵抗２７および抵抗２８の抵抗値Ｒは、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の抵抗値に比べ十分に大きいため、電流Ｉ３の電流値は電流Ｉ１に比べ非常に小さい。よって電流Ｉ１に対する電流Ｉ３は、図６（ｃ）の通りほぼ一定となる。

時刻ｔ１ａにおいて接点Ｏの論理レベルがＨｉｇｈになると、スイッチ６ａがオン状態となり、キャパシタ３ａから負荷回路５ａに対し電荷供給が開始される。負荷回路５ａへの電荷供給時において、スイッチ３０はオフ状態、スイッチ３２はオン状態となる。よって図６（ｃ）の通り、時刻ｔ１ａ以降は電流Ｉ２の電流量が支配的となる。キャパシタ３ａの放電により、端子ＶＤＤの電圧値は図６（ａ）の通り徐々に低下し、図６（ｃ）の通り電流Ｉ２も徐々に減少する。

時刻ｔ２ａにおいて、図６（ａ）の通り端子ＶＤＤの電圧値が閾値ＶＬ以下になると、スイッチ３０がオン状態となり、図６（ｂ）の通り接点Ｏの電圧値の論理レベルがＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わる。接点Ｏの電圧値の論理レベルがＬｏｗになることにより、スイッチ３２はオフ状態となるので、図６（ｃ）の通り電流Ｉ２の経路が遮断され、電流Ｉ１が支配的となる。スイッチ６ａがオフ状態となり、負荷回路５ａへの電荷供給が止まっても、電流Ｉ１は流れ続けるため、端子ＶＤＤの電圧値は図６（ａ）の通り徐々に低下し、電流Ｉ１の電流値も図６（ｃ）の通り徐々に減少する。環境の変化により太陽光発電素子２ａが発電を開始すれば、端子ＶＤＤの電圧は再び上昇し、環境発電装置１ｂは以上の動作を繰り返す。

以上の通り環境発電装置１ｂは、閾値ＶＨと閾値ＶＬとの間に十分な差分を設けることにより、端子ＶＤＤの電源電圧変化に対し、安定したヒステリシス動作を実現することが出来る。

（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図７において環境発電装置１ｃは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、電源制御回路４ｃ、および負荷回路５ａを有する。図７の環境発電装置１ｃは、図３の環境発電装置１ａに対し、論理反転回路２１の他の具体例である論理反転回路２１ｂを有する。

電源制御回路４ｃは、論理反転回路２１ｂ、スイッチ２２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、およびスイッチ６ａを有する。論理反転回路２１ｂは、スイッチ４１およびスイッチ４２を有する。

スイッチ４１およびスイッチ４２は、接点Ｏの電位の論理レベルに応じてオンまたはオフの状態となる。接点Ｏは電圧検出回路２５の出力ノードである。スイッチ４１とスイッチ４２は互いに相反する論理レベルでオン状態となる。例えば本実施形態において、スイッチ４１はＰＭＯＳトランジスタで構成され、スイッチ４２はＮＭＯＳトランジスタで構成されている。

接点Ｏの電位の論理レベルがＬｏｗの場合、スイッチ４１はオン状態となり、スイッチ４２はオフ状態となる。この場合、論理反転回路２１ｂの出力である接点Ｐの電位の論理レベルはＨｉｇｈとなり、スイッチ２２はオフ状態となる。

接点Ｏの電位の論理レベルがＨｉｇｈの場合、スイッチ４１はオフ状態となり、スイッチ４２はオン状態となる。この場合、論理反転回路２１ｂの出力である接点Ｐの電位の論理レベルはＬｏｗとなり、スイッチ２２はオン状態となる。

環境発電装置１ｃにおける論理反転回路２１ｂにおいて、論理反転回路２１ｂの出力である接点Ｐの電位の論理レベルがＬｏｗの場合、論理反転回路２１ｂを通って端子ＶＤＤから端子ＶＳＳに流れる電流値はスイッチ４１のオフ抵抗値によって決まる。また論理反転回路２１ｂは、出力の論理レベルがＨｉｇｈまたはＬｏｗのいずれの場合であっても、スイッチ４１またはスイッチ４２のいずれか一方がオフ状態となる。ＭＯＳトランジスタのオフ抵抗値は数ギガΩなので、論理反転回路２１ａに比べ、論理反転回路２１ｂを通って端子ＶＤＤから端子ＶＳＳに流れる電流量を非常に小さくすることが出来る。

図８は、本実施形態の環境発電装置における電源電圧値の測定結果である。ウインドウ５０は測定した電源電圧値の時間変化を表示するアプリケーションのウインドウである。閾値５１は本実施形態における閾値ＶＨの一例である。閾値５３は本実施形態における閾値ＶＬの一例である。本実施形態において、閾値５１の値は３．１Ｖ、閾値５３の値は１．９Ｖで設計されている。また、閾値５２は、電源制御装置において、負荷回路５ａへの電力供給開始後に、端子Ｖｔｈに対し抵抗Ｒ１をバイパスして端子ＶＤＤに接続可能なスイッチを設けない場合の閾値ＶＬである。本実施形態において、閾値５２の値は２．４Ｖとなっている。本実施形態では図８の通り、端子Ｖｔｈに対し抵抗Ｒ１をバイパスして端子ＶＤＤに接続可能なスイッチを設けることにより、閾値ＶＬを２．４Ｖから１．９Ｖまで下げることが出来ることを確認した。

波形５４は、本実施形態の環境発電装置における端子ＶＤＤの電圧値の時間変化を示すものである。負荷回路への電力供給開始後、時刻ｔ３において、負荷回路の初期起動が開始される等の理由により、端子ＶＤＤの電圧値が低下し始める。その後、無線送信の電力消費により端子ＶＤＤの電圧値が低下し、時刻ｔ４において閾値５３以下となる。端子ＶＤＤの電圧値が閾値ＶＬ以下になると負荷回路への電力供給が止まるため、端子ＶＤＤの電圧値の低下も止まっていることが波形５４により確認できる。

（第６の実施形態）
図９は、第６の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図９において環境発電装置１ｄは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、電源制御回路４ｄ、および負荷回路５ａを有する。ここで、他の環境発電装置と同一の構成要素には同一の参照符号を付与し、その説明を省略する。

電源制御回路４ｄは論理反転回路２１、スイッチ２２ａ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、およびスイッチ６ｂを有する。

図４の環境発電装置１ａにおいてスイッチ６ａが負荷回路５ａと端子ＶＳＳとの間に接続されていたのに対し、図９の環境発電装置１ｄではスイッチ６ｂが端子ＶＤＤと負荷回路５ａとの間に接続されている。また環境発電装置１ａにおいてスイッチ６ａをオンオフする制御信号が電圧検出回路２５の出力であるのに対し、環境発電装置１ｄにおけるスイッチ６ｂをオンオフする制御信号は、論理反転回路２１の出力となっている。

キャパシタ３ａの電圧値が上昇し閾値ＶＨ以上になると、電圧検出回路２５の出力電圧はＨｉｇｈとなり、論理反転回路２１の入力電圧もＨｉｇｈとなる。論理反転回路２１は入力信号の論理を反転させて出力するので、入力電圧がＨｉｇｈの場合、スイッチ２２ａのオンオフを制御する制御信号の電圧レベルはＬｏｗとなる。本実施形態において、スイッチ２２ａはスイッチ６ｂと同じ論理でオンオフするため、スイッチ２２ａに入力される電圧レベルがＬｏｗになると、スイッチ２２ａがオン状態となると共に、スイッチ６ｂもオン状態となる。本実施例において、スイッチ２２ａおよびスイッチ６ｂは例えばＰＭＯＳトランジスタである。

論理反転回路２１の出力電圧は、スイッチ２２ａおよびスイッチ６ｂにそれぞれ独立して入力されており、スイッチ２２ａがオン状態になると、スイッチ２２ａと同時にスイッチ６ｂがオン状態となるようにする。スイッチ２２ａとスイッチ６ｂを同時に制御することにより、電圧検出回路２５は、負荷回路５ａの動作による電圧ドロップの影響をうけなくなる。したがって、電源制御回路４ｄは、負荷回路５ａの動作時における動作を安定させることが出来る。

図１０は、図９の環境発電装置１ｄについて、論理反転回路２１を具体化した回路図である。図１０において環境発電装置１ｅは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、抵抗Ｒ３、スイッチ３２、スイッチ２２ａ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、スイッチ６ｂ、および負荷回路５ａを有する。ここで、他の環境発電装置と同一の構成要素には同一の参照符号を付与し、その説明を省略する。環境発電装置１ｅにおいて、論理反転回路２１は、抵抗Ｒ３およびスイッチ３２を有する。

本実施形態における環境発電装置１ｅと、図５の実施形態における環境発電装置１ｂとの動作を比較する。図５において、スイッチ６ａがオンした後、スイッチ３２がオンし、その後スイッチ２２がオンすることで電圧検出回路２５の供給電圧である端子Ｖｔｈの電圧値が安定する。したがって、スイッチ６ａがオンするタイミングとスイッチ２２がオンするタイミングとの時間差が大きくなると、電圧検出回路２５が負荷回路５ａの動作時における電圧ドロップの影響を受け、動作が不安定になる可能性がある。そこで、スイッチ３２のスイッチング時間を短くするため、抵抗Ｒ３の抵抗値を小さくすると、電流Ｉ２が大きくなり、電源制御回路４ｂの消費電力が増大する。

そこで、図１０の環境発電装置１ｅに示す通り、スイッチ６ｂとスイッチ２２ａが同時にオンするように構成することにより、負荷回路５ａの動作時における電圧ドロップの影響を考慮する必要が無くなる。したがって抵抗Ｒ３の抵抗値を大きくすることが出来るため、消費電力をより低減することが出来る。

図１１は、負荷回路５ａの動作時における電圧変化を示すタイミングチャートである。図１１における時刻ｔ１ａと、図６におけるｔ１ａはいずれも負荷回路５ａの動作開始時のタイミングを示している。

図１１（ａ）は電源電圧端子ＶＤＤの電圧値の変化を示す。図１１（ｂ）は図１０の環境発電装置１ｅにおける端子Ｖｔｈａの電圧値の変化を示す。図１１（ｃ）は図５の環境発電装置１ｂにおける端子Ｖｔｈの電圧値の変化を示す。

時刻ｔ１ａにおいて負荷回路５ａの動作が開始すると、図１１（ａ）に示す通り端子ＶＤＤの電圧値が下がり始める。図１０の環境発電装置１ｅにおいて、スイッチ６ｂとスイッチ２２ａは同時にオンするため、図１１（ｂ）に示す通り、端子Ｖｔｈａの電圧値は時刻ｔ１ａにおいて変化する。一方、図５の環境発電装置１ｂにおいて、スイッチ２２はスイッチ６ａ、及びスイッチ３２がオンしてから一定時間経過後の時刻ｔ１ｂにおいてオンするため、図１１（ｃ）に示す通り、端子Ｖｔｈの電圧値は時刻ｔ１ｂにおいて変化する。

したがって、環境発電装置１ｂにおいて必要であった、時刻ｔ１ａと時刻ｔ１ｂとの時間差によるタイミングマージン設計を環境発電装置１ｅでは不要とすることが出来る。この結果、抵抗Ｒ３の抵抗値を大きく設定することが出来るため、負荷回路５ａの動作時における低電力化が可能となる。

（第７の実施形態）
図１２は、第７の実施形態における、環境発電装置の一例を示す回路図である。図１２において環境発電装置１ｆは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、電源制御回路４ｆ、および負荷回路５ａを有する。ここで、他の環境発電装置と同一の構成要素には同一の参照符号を付与し、その説明を省略する。

電源制御回路４ｆは論理反転回路２１、スイッチ２２ｂ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、およびスイッチ６ｂを有する。

スイッチ２２ｂは、スイッチ６ｂと逆の論理でオンオフする。スイッチ２２ｂは、例えばＮＭＯＳトランジスタにより実装される。スイッチ２２ｂは、スイッチ６ｂと逆の論理でオンオフするため、スイッチ２２ｂの制御信号が論理反転回路２１への入力なのに対し、スイッチ６ｂの制御信号は、論理反転回路２１の出力となっている。

本実施形態において、スイッチ２２ｂはスイッチ６ｂと逆の論理でオンオフする。論理反転回路２１の出力電圧は、スイッチ６ｂに入力されている。スイッチ２２ｂがオン状態になった後、論理反転回路２１の出力電圧レベルがＬｏｗとなり、スイッチ６ｂがオン状態となる。スイッチ２２ｂがスイッチ６ｂよりも早くオンすることにより、電圧検出回路２５は、負荷回路５ａの動作による電圧ドロップの影響をうけなくなる。したがって、電源制御回路４ｆは、負荷回路５ａの動作時における動作を安定させることが出来る。

図１３は、図１２の環境発電装置１ｆについて、論理反転回路２１を具体化した回路図である。図１３において環境発電装置１ｇは、太陽光発電素子２ａ、キャパシタ３ａ、抵抗Ｒ３、スイッチ３２、スイッチ２２ｂ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、電圧検出回路２５、スイッチ６ｂ、および負荷回路５ａを有する。ここで、他の環境発電装置と同一の構成要素には同一の参照符号を付与し、その説明を省略する。環境発電装置１ｇにおいて、論理反転回路２１は、抵抗Ｒ３およびスイッチ３２を有する。

環境発電装置１ｇにおいて、スイッチ３２は例えばＮＭＯＳトランジスタである。スイッチ２２ｂに電圧レベルがＨｉｇｈの信号が入力されると、スイッチ２２ｂがオン状態となる。同時にスイッチ３２もオン状態となり、スイッチ３２のスイッチング時間経過後、スイッチ６ｂに入力される電圧レベルがＬｏｗになるため、スイッチ６ｂがオン状態となる。したがって、スイッチ２２ｂがオン状態となり、電圧検出回路２５の供給電圧である端子Ｖｔｈｂの電圧値が安定した後、スイッチ６ｂがオン状態となる。よって環境発電装置１ｇは、負荷回路５ａの動作時における電圧ドロップの影響を考慮した設計が不要となる。したがって抵抗Ｒ３の抵抗値を大きくすることが出来、消費電力をより低減することが出来る。

１：環境発電装置
２：環境発電素子
３：キャパシタ
４：電源制御回路
５：負荷回路
６ａ：スイッチ
２０：スイッチ
３０：スイッチ
２１：論理反転回路
２５：電圧検出回路
２６：比較器

Claims

第１基準ノードと第２基準ノードとの間に並列接続された電源およびキャパシタと、前記キャパシタから供給される電荷により動作する負荷回路との接続を制御する電源制御回路であって、
前記第１基準ノードと前記第２基準ノードの電位差に応じて第１制御信号を出力する第１制御回路と、
前記第１制御信号の論理を反転させた第２制御信号を出力する第２制御回路と、
前記第２制御信号に応じて、前記キャパシタと前記負荷回路との電気的接続をオンオフする第１スイッチと、
前記第１基準ノードと前記第１制御回路との間に接続された第１抵抗と、
前記第１抵抗と前記第１制御回路との間のノードと前記第１制御信号を出力する第１出力ノードとの間に接続された第２抵抗と、
前記第１抵抗に並列接続され、前記第２制御信号に応じてオンオフする第２スイッチとを有し、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、前記第２制御信号の電圧値に基づいてオンオフする、電源制御回路。
第１基準ノードと第２基準ノードとの間に並列接続された電源およびキャパシタと、前記キャパシタから供給される電荷により動作する負荷回路との接続を制御する電源制御回路であって、
前記第１基準ノードと前記第２基準ノードの電位差に応じて第１制御信号を出力する第１制御回路と、
前記第１制御信号の論理を反転させた第２制御信号を出力する第２制御回路と、
前記第２制御信号に応じて、前記キャパシタと前記負荷回路との電気的接続をオンオフする第１スイッチと、
前記第１基準ノードと前記第１制御回路との間に接続された第１抵抗と、
前記第１抵抗と前記第１制御回路との間のノードと前記第１制御信号を出力する第１出力ノードとの間に接続された第２抵抗と、
前記第１抵抗に並列接続され、前記第１制御信号に応じてオンオフする第２スイッチとを有し、
前記第１スイッチと前記第２スイッチは相反する論理でオンオフし、
前記第１スイッチは前記第２制御信号の電圧値に基づいてオンオフし、
前記第２スイッチは前記第１制御信号の電圧値に基づいてオンオフする、電源制御回路。
第１基準ノードと第２基準ノードに接続された環境発電素子と、
前記環境発電素子に並列接続されたキャパシタと、
前記キャパシタから供給される電荷により動作する負荷回路と、
前記第１基準ノードと前記第２基準ノードの電位差に応じて第１制御信号を出力する第１制御回路と、
前記第１制御信号の論理を反転させた第２制御信号を出力する第２制御回路と、
前記第２制御信号に応じて、前記キャパシタと前記負荷回路との電気的接続をオンオフする第１スイッチと、
前記第１基準ノードと前記第１制御回路との間に接続された第１抵抗と、
前記第１抵抗と前記第１制御回路との間のノードと前記第１制御信号を出力する第１出力ノードとの間に接続された第２抵抗と、
前記第１抵抗に並列接続され、前記第２制御信号に応じてオンオフする第２スイッチと、
を有し、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチは、前記第２制御信号の電圧値に基づいてオンオフする、環境発電装置。
第１基準ノードと第２基準ノードに接続された環境発電素子と、
前記環境発電素子に並列接続されたキャパシタと、
前記キャパシタから供給される電荷により動作する負荷回路と、
前記第１基準ノードと前記第２基準ノードの電位差に応じて第１制御信号を出力する第１制御回路と、
前記第１制御信号の論理を反転させた第２制御信号を出力する第２制御回路と、
前記第２制御信号に応じて、前記キャパシタと前記負荷回路との電気的接続をオンオフする第１スイッチと、
前記第１基準ノードと前記第１制御回路との間に接続された第１抵抗と、
前記第１抵抗と前記第１制御回路との間のノードと前記第１制御信号を出力する第１出力ノードとの間に接続された第２抵抗と、
前記第１抵抗に並列接続され、前記第１制御信号に応じてオンオフする第２スイッチと、
を有し、
前記第１スイッチと前記第２スイッチは相反する論理でオンオフし、
前記第１スイッチは前記第２制御信号の電圧値に基づいてオンオフし、
前記第２スイッチは前記第１制御信号の電圧値に基づいてオンオフする、環境発電装置。