JPH09289732A

JPH09289732A - 電圧保持回路

Info

Publication number: JPH09289732A
Application number: JP8099958A
Authority: JP
Inventors: Noboru Abe; 昇安倍; Kohei Ito; 康平伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】電圧保持回路におけるデーターの保持時間の
長時間化とコンデンサの小型化とを達成する。【解決手段】充電された電気２重層コンデンサの電力
を、スイッチング方式の電圧変換回路で変換して、負荷
に電力を供給できるように構成したことを特徴とする電
圧保持回路。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＶＴＲ、カメラ、
コンピュータ、メモリーカード、データーターミナル、
プリンターなどのデーターの電圧保持（バックアップ）
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から電池によりバックアップする回
路がよく知られているが、近年、電池の代わりに寿命と
安全性と保守性に優れた電気２重層コンデンサが多用さ
れてきている。しかし、負荷の電源端子と電気２重層コ
ンデンサとを直接接続すると、そのコンデンサの充電時
には負荷の電源端子電圧が降下して、すぐには上昇しな
い問題点がある。このため、従来は図７のようにダイオ
ード６１と抵抗６２とを介して負荷２の電源端子と電気
２重層コンデンサ４とを接続していた。従来回路の図７
について、図８のタイムチャート図で動作を説明する。
上記の通り、負荷２の端子と、電気２重層コンデンサ４
とを、ダイオード６１と抵抗６２とを介して接続してい
る。電気２重層コンデンサ４の電圧４０が放電されて残
電圧がないときに、電源３の電圧３０が受電されると負
荷２の電圧２０には電源３の電圧３０がそのまま印加さ
れる。

【０００３】電気２重層コンデンサ４は、ダイオード６
１で阻止されているが、抵抗６２に電源３の電圧３０
（５Ｖ）が印加されて電気２重層コンデンサ４に、抵抗
６２を通して充電時間５１の時間に充電電流が流れる。
４０はそのコンデンサ４における対応するコンデンサ電
圧を示している。そして、Ａ時点で電源３の電圧３０が
切れて停電時間に入ると、電気２重層コンデンサ４に充
電されていた電圧４０が、ダイオード６１を通して負荷
２に印加されて電圧が保持される。負荷２の図示されな
い半導体メモリーのデーター保持限界電圧の２Ｖまで降
下した時点Ｃまでデーターを保持している。このとき、
負荷２の電流（Ｉ）が１００μＡで電気２重層コンデン
サ４の電気容量（Ｃ）が１Ｆでダイオード６１の順方向
電圧を無視すると、データー保持時間ｔすなわち図８の
停電保障時間５２は、t=C×V/I=1F×(5V-2V)/100μA=3
0,000秒=約８時間である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の電圧保持回
路の問題点は、データーの保持時間の長時間化と小型化
の強い要求に対応できないことである。すなわち、電気
２重層コンデンサの耐電圧を下げることができない点
と、コンデンサの残電圧を活用できず無駄にしている点
である。電池を使用する従来のものと比較して、電気２
重層コンデンサを用いた図７の構成では停電保障時間５
２が短いという欠点だけでなく、電気エネルギーをその
電気２重層コンデンサ内にかなりの量を残したまま活用
できなかった。停電後のデーター保持状態で電気２重層
コンデンサの電圧は放電とともに降下するため、電圧保
持回路に用いる電気２重層コンデンサには、データーを
記憶できる最低電圧より高い電圧を充電する必要があっ
た。さらに、一般的にコンデンサの容積（この容積は占
有体積を意味する。）は、その耐電圧の２乗と電気容量
との積にほぼ比例するため、耐電圧が２倍になると容積
は４倍になる。また、コンデンサが同容積であれば、耐
電圧が２倍になると、電気容量は４分の１になる。例え
ば、電気２重層コンデンサにおいて、耐電圧が５．５Ｖ
で電気容量が１Ｆの場合は例えば縦42.5mm×横15mm×長
さ32.5mmの寸法で容積が20.7ccであるのに対して、耐電
圧が２．５Ｖで電気容量が１Ｆの場合は例えば外径8mm
の丸形または縦8mm×横8mmの角形でかつ長さが22mmの寸
法であってその容積が1.4ccというように１０分の１以
下になる場合もある。このように、小型化すると耐電圧
が低下して大幅にデーター保持時間が減少してしまうと
いう問題がある。

【０００５】本発明の課題は、電圧保持回路において、
充電電圧を安定化して、放電することで降下するコンデ
ンサの電圧を、電圧変換回路で変換して安定化された電
圧を負荷へ供給し、コンデンサに充電されている電気エ
ネルギーを無駄なく活用することで、電圧保持回路にお
けるデーターの保持時間の長時間化とコンデンサの小型
化とを達成することである。よって、コンデンサ充電電
圧はコンデンサに適した電圧に設定できる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の電圧保持回路は、充電された電気２重層コ
ンデンサの電力を、スイッチング方式の電圧変換回路で
変換して、負荷に電力を供給できるように構成したこと
を特徴とする。上記本発明では、電源より降圧型の電圧
変換回路で充電された電気２重層コンデンサの電力を、
昇圧型のスイッチング方式の電圧変換回路で変換して、
負荷に電力を供給できるように構成することで、電圧保
持回路におけるデーターの保持時間の長時間化とコンデ
ンサの小型化とをより確実に達成することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の電圧保持回路の
ブロック構成図であって、後述の図２、図３、図５が、
その代表的な具体的態様である。図１において、負荷２
に電源３より電圧が印加されているとき、電圧変換回路
１を介して、コンデンサ４を充電する。電源３の電圧が
切れて負荷２の電圧が下がると、コンデンサ４に充電さ
れていた電圧より電圧変換回路１を介して、負荷２に電
圧を供給する。

【０００８】本発明におけるチョッパコンバータ方式の
電圧変換回路の一態様である図３について、図４のタイ
ムチャート図を用いて説明する。電源３より負荷２に５
Ｖの正常電圧３０が印加されているときは、制御回路１
１で負荷２の電圧２０が４Ｖ以上であることを制御回路
１１の内部の比較回路（図示省略）で判別して、電気２
重層コンデンサ４の電圧４０が２．２Ｖに達するまで充
電する。この充電時間５１のときの動作は、電流制御方
式の降圧型のチョッパコンバータとして構成されている
チョークコイル１４とトランジスタ１２と１３とによ
り、電気２重層コンデンサ４の電圧４０を２．２Ｖまで
充電する。

【０００９】その動作は、トランジスタ１３がオンする
と電源３の電圧がトランジスタ１２に印加される。この
とき、トランジスタ１２はかならずオフしているため、
チョークコイル１４と電気２重層コンデンサ４との直列
回路に、電源３の電圧が印加されて、チョークコイル１
４の電流が上昇する。チョークコイル１４の電流が１０
ｍＡまで上昇したときに、トランジスタ１３をオフさせ
ると、チョークコイル１４の電流は流れ続けようとし
て、トランジスタ１２の逆導通ダイオードを通して電気
２重層コンデンサ４に流れてその電圧は上昇する。その
後ある時間経過したとき(例：１００μｓｅｃ．)に、再
度トランジスタ１３をオンさせる。このようにして、ト
ランジスタ１３のオン・オフを繰り返す。電気２重層コ
ンデンサ４の電圧４０が２．２Ｖまで上昇すると、トラ
ンジスタ１３のオン・オフは停止して、オフを続けるこ
とで、電気２重層コンデンサ４の電圧４０が２．２Ｖを
越えて上昇されない。電気２重層コンデンサ４の電圧４
０が２．２Ｖ未満になれば、再びトランジスタ１３がオ
ン・オフされて、２．２Ｖまで上昇させる。このため、
電源３の電圧３０が正常値の５Ｖである充電時間５１後
の受電時間５３の間、電気２重層コンデンサ４の電圧４
０は２．２Ｖに保たれる。

【００１０】電源３の電圧３０が切れた時点Ａで、負荷
２の電圧２０は降下するため、電気２重層コンデンサ４
の電圧４０が、チョークコイル１４とトランジスタ１３
の逆導通ダイオードとを通して負荷２へ供給される。電
気２重層コンデンサ４の電圧４０が２Ｖまで降下した時
点Ｂからは、チョークコイル１４とトランジスタ１２と
１３とで構成される回路が、そのまま昇圧型のチョッパ
コンバータとして働き、電気２重層コンデンサ４の電圧
４０を負荷２へ２Ｖに昇圧しながら供給する。その動作
は、トランジスタ１２をオンさせる(このときトランジ
スタ１３はオフさせる)と、電気２重層コンデンサ４の
電圧４０がトランジスタ１２を介して、チョークコイル
１４に印加されるため、チョークコイル１４の電流が上
昇する。ある時間後(例：１００μｓｅｃ．)トランジス
タ１２をオフさせると、チョークコイル１４の電流は流
れ続けようとして、トランジスタ１３の逆導通ダイオー
ドを通して負荷２に流れて電圧を上昇させる。負荷２は
電源端子に平滑回路のコンデンサ（図示省略）が接続さ
れた構成であるため、その上昇した電圧は徐々に降下す
る。負荷２の電圧２０が２Ｖまで下がると、再びトラン
ジスタ１２がオン・オフして、電気２重層コンデンサ４
の電圧４０を昇圧して、負荷２の電圧２０を上昇させ
る。すなわち、停電保障時間５２において２Ｖを維持す
る。

【００１１】仮に、トランジスタ１２のオンしている時
間（ｔ’）が１００μｓｅｃ．で、チョークコイル１４
のインダクタンス（Ｌ）の値が１０ｍＨで、チョークコ
イル１４に印加される電圧（Ｖ）が２Ｖであれば、チョ
ークコイル１４の電流（Ｉ）は、I=V×t'/L=2V×100μs
ec./10mH=２０ｍＡまで上昇する。負荷２の電流が１０
０μＡであるとき、２Ｖまで降下する時間は100μsec.
×20mA/100μA/2=１０ｍｓｅｃ．であり、負荷２の電流
が１μＡの時は、１秒の周期になる。このことにより、
制御回路１１の動作電流も負荷２の電流に比例して下げ
ることができる。上記コンデンサ４の充電時にはトラン
ジスタ１２の逆導通ダイオードに電流が流れているとき
にトランジスタ１２をオンさせて、放電時にはトランジ
スタ１３の逆導通ダイオードに電流が流れているときに
トランジスタ１３をオンさせることで、トランジスタ１
２またはトランジスタ１３の逆導通ダイオードの順方向
電圧(約０．８Ｖ)の損失を軽減できるため、変換効率を
あげることができる。

【００１２】次に、チャージポンプ（半導体スイッチと
コンデンサとを備えて構成される。）方式の電圧変換回
路の一態様である図２について図４のタイムチャート図
を用いて説明する。上記図３との違いは電圧変換回路部
分であり、電源３の電圧３０が正常な５Ｖのときは、半
導体スイッチ６３、６４、６９と半導体スイッチ６６、
６７とが、交互にオン・オフして、電源３の電圧の２分
の１の電圧に電気２重層コンデンサ４を充電する。充電
時間５１のときの動作は、ある時間(例：１００μｓｅ
ｃ．)半導体スイッチ６３、６４、６９がオン(その他の
半導体スイッチはオフ)すると、コンデンサ４２と電気
２重層コンデンサ４とが直列接続で電源３に接続されて
その電圧が印加されるため、電気２重層コンデンサ４の
電圧４０と電源３の電圧３０との差電圧が、コンデンサ
４２に印加される。

【００１３】その充電電流はコンデンサ４２と電気２重
層コンデンサ４とに流れるため、その電気容量の逆比例
の電圧に充電される。次に、半導体スイッチ６６、６７
がオン(その他の半導体スイッチはオフ)すると、コンデ
ンサ４２と電気２重層コンデンサ４とが並列接続される
ため、同じ電圧になるまでコンデンサ４２から電気２重
層コンデンサ４に電流が流れる。この動作を繰り返すこ
とで、電気２重層コンデンサ４の電圧が、電源３の電圧
の２分の１の２．５Ｖに向けて上昇する。そして、電気
２重層コンデンサ４の電圧４０が２．２Ｖまで上昇する
と、この動作を停止する。次に、停電保障時間５２の動
作は、半導体スイッチ６６〜６９をオン(その他の半導
体スイッチはオフ)させると、コンデンサ４１と４２と
が電気２重層コンデンサ４に並列に接続されるため、コ
ンデンサ４１と４２とに電気２重層コンデンサ４から充
電電流が流れて、同じ電圧になるまでその電圧が上昇す
る。

【００１４】半導体スイッチ６３、６４、６５がオン
(その他の半導体スイッチはオフ)すると、コンデンサ４
１と４２と電気２重層コンデンサ４とが直列接続で負荷
２に接続される。負荷２の電源端子に接続されているコ
ンデンサ（図示省略）に、コンデンサ４１と４２と電気
２重層コンデンサ４とを通して充電電流が流れて、平滑
回路（図示省略）を含んだ負荷２の電圧を上昇させる。
負荷２の電圧２０は、電気２重層コンデンサ４の電圧４
０の３倍電圧まで上昇させる能力があるが、制御回路１
１の働きで負荷２の電圧２０が２Ｖを越えると、上昇さ
せずに負荷電流により徐々に電圧が下がり２Ｖまで降下
したとき、電気２重層コンデンサ４の電圧を上記図２の
昇圧型電圧変換回路の動作で上昇させる。以後の動作は
図３と同様で、制御回路１１が動作できる最低電圧の
０．８Ｖまで降下するまで、電気２重層コンデンサ４の
電圧４０の３倍電圧で昇圧されて負荷２の電圧２０に電
圧を供給できる。

【００１５】上記は、電気２重層コンデンサ４に降圧方
式で充電して、昇圧方式で停電保障(放電)する構成であ
るが、次に耐電圧の高いコンデンサ４を使用して、昇圧
方式で充電して降圧方式で停電保障をする一態様の図５
の場合を、図６のタイムチャート図を用いて説明する。
電源３より負荷２に５Ｖの正常電圧が印加されていると
きは、制御回路１１で負荷２の電圧が４Ｖ以上であるこ
とを制御回路１１内部の比較回路（図示省略）で判別し
て、コンデンサ４の電圧４０が２０Ｖまで昇圧されて、
そのコンデンサ４を充電する。この充電時間５１のとき
の動作は、昇圧型のチョッパコンバータとして構成され
ているチョークコイル１４とトランジスタ１２と１３と
により、そのコンデンサ４の電圧４０を２０Ｖまで充電
する。トランジスタ１２がオンすると電源３の電圧３０
がチョークコイル１４に印加される。これにより、チョ
ークコイル１４の電流が上昇する。チョークコイル１４
の電流が１０ｍＡまで上昇したときに、トランジスタ１
２をオフさせると、チョークコイル１４の電流は流れ続
けようとして、トランジスタ１３の逆導通ダイオードを
通して上記コンデンサ４に流れてその電圧を上昇させ
る。その後ある時間経過したとき(例：１００μｓｅ
ｃ．)に、再度トランジスタ１２をオンさせて、トラン
ジスタ１２のオン・オフを繰り返す。

【００１６】コンデンサ４の電圧４０が２０Ｖまで上昇
すると、トランジスタ１２のオン・オフは停止してオフ
を続けることで、コンデンサ４の電圧４０を２０Ｖを越
えて上昇させない。コンデンサ４の電圧４０が２０Ｖ未
満になれば、再びトランジスタ１２はオン・オフされ
て、２０Ｖまで上昇させる。このため、電源３の電圧３
０が正常値の５Ｖでかつ充電時間５１後の受電時間５３
の間、上記コンデンサ４の電圧４０は２０Ｖに保たれ
る。電源３の電圧３０が切れる時点Ａで、負荷２の電圧
２０が４Ｖ未満に降下すると、制御回路１１内部の比較
回路（図示省略）が停電であると判断して、チョークコ
イル１４とトランジスタ１２と１３とで構成される回路
が、降圧型電圧変換回路として働き、上記コンデンサ４
の電圧４０を負荷２へ供給する。その動作は、トランジ
スタ１３をオンさせる(このときトランジスタ１２はオ
フさせる)と、上記コンデンサ４の電圧４０が、チョー
クコイル１４を介して負荷２に印加されるため、チョー
クコイル１４に電流が流れて負荷２の電圧が上昇する。

【００１７】ある時間後トランジスタ１２をオフさせる
と、チョークコイル１４の電流は流れ続けようとして、
トランジスタ１２の逆導通ダイオードを通して負荷２に
流れて、負荷２の電圧を上昇させる。負荷電流により負
荷２の電圧２０が２Ｖまで下がると、再びトランジスタ
１３がある時間オンした後オフして、上記電気２重層コ
ンデンサ４の電圧４０を変換して、図示されない平滑回
路を含んだ負荷２の電圧を上昇させる。上記の図２と図
３と図５とは、いずれも充電時間においてスイッチング
方式の電圧変換回路を採用しているが、その充電時間の
変換効率は本発明の実用上それほど問題にはならないた
め、本発明において電気２重層コンデンサの充電回路と
して電力損失が多いシリーズドロッパー方式を採用して
も、本発明を満足するものである。また、上記の図４と
図６の停電保障時間５２では、負荷２の電圧を２Ｖに設
定しているが、例えば、この停電保障の設定電圧を４．
７Ｖにして、停電判定電圧を４．８Ｖにすれば、停電保
障時間５２において負荷２の電圧２０を４．７Ｖにでき
るため、メモリーデーターの保護だけでなく、演算回路
などすべての機能を正常に動作できる。このため、本発
明は携帯機器の電池交換時の一時停電の保障にも効果が
ある。

【００１８】なお、上記本発明において、チョークコイ
ル１４（例えば10mH,10mAのもの。）の定格品の寸法
は、外径7mm×厚さ3.5mm=0.17ccの丸形または縦7mm×横
7mm×長さ3.5mm=0.17ccの角形形状であり、上記本発明
の態様の電気２重層コンデンサ（5.5cc）の約３％であ
って、本発明の電圧保持回路の小型化には好都合であ
る。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の電圧保持回路である上記図２
（実施例１）、図３（実施例２）と、従来の電圧保持回
路である上記図７（従来例）について、その用いた各電
気２重層コンデンサの耐電圧、電気容量、容積、残電
圧、および各電圧保持回路における負荷電流１ｍＡでの
上記データー保持時間（ｔ）等の測定値の一例を表１に
示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１より、本発明の電圧保持回路である実
施例１および実施例２では、従来例に比較して、コンデ
ンサ容積が同等であるが、負荷電流１ｍＡでの上記デー
ター保持時間（ｔ）が２倍を越えて長くなっているとと
もに、残電圧は約１／３になっており、電圧保持回路に
おけるデーターの保持時間の長時間化とコンデンサの小
型化とが達成されていることがわかる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の電圧保持回
路は、例えばメモリー集積回路のデーター保護のためな
どに使用されるコンデンサの充電電圧を安定化して、放
電するときに降下するコンデンサの電圧を、その電圧変
換回路により変換した安定化電圧として負荷へ供給する
ことができる。したがって、コンデンサに充電されてい
る電圧が降下して低い電圧になっても、電圧変換回路の
働きでその低い電圧も無駄なく電圧保持に活用できる。
本発明によれば、例えば耐電圧が２．５Ｖでかつ電気容
量が４．７Ｆの電気２重層コンデンサ（例えば、直径1
2.5mm×長さ35mm=5.5ccの丸形のものまたは縦12.5mm×
横12.5mm×長さ35mm＝5.5ccの角形のもの等。）で、電
圧変換回路の効率が７０％として、上記データー保持時
間ｔは、t=0.7×4.7F×(2.2V-0.8V)/100μA×(1.5V/2V)
=34,545秒=約９．６時間である。一方、上記図７の従来
方式を構成するコンデンサ（例えば、容積20.7ccのも
の。）に比べて、上記本発明ではコンデンサの容積が約
４分の１でかつ長い時間データー保持ができるという優
れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回路ブロック構成図である。

【図２】本発明の一態様を示す回路図である。

【図３】本発明の他の態様を示す回路図である。

【図４】図２，図３の動作を説明するタイムチャート図
である。

【図５】本発明のさらに他の態様を示す回路図である。

【図６】図５の動作を説明するタイムチャート図であ
る。

【図７】従来の回路図である。

【図８】図６の動作を説明するタイムチャート図であ
る。

【符号の説明】

１電圧変換回路、２負荷、３電源、４コンデン
サ、１１制御回路、１２，１３トランジスタ、１４
チョークコイル、２０負荷電圧、３０電源出力、４
０コンデンサ電圧、４１，４２コンデンサ、５１
充電時間、５２停電保障時間、５３電源受電時間、
５４電源停電時間、６１ダイオード、６２抵抗、
６３〜６９半導体スイッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充電された電気２重層コンデンサの電力
を、スイッチング方式の電圧変換回路で変換して、負荷
に電力を供給できるように構成したことを特徴とする電
圧保持回路。
【請求項２】電源より降圧型の電圧変換回路で充電さ
れた電気２重層コンデンサの電力を、昇圧型のスイッチ
ング方式の電圧変換回路で変換して、負荷に電力を供給
できるように構成したことを特徴とする請求項１に記載
の電圧保持回路。