JPH1175322A

JPH1175322A - 充電制御回路

Info

Publication number: JPH1175322A
Application number: JP9235080A
Authority: JP
Inventors: Susumu Fujita; 進藤田; Fumiyasu Utsunomiya; 文靖宇都宮
Original assignee: S I I R D CENTER KK
Current assignee: S I I R D CENTER KK
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽電池や熱発電素子などで発生した発電エ
ネルギを二次電池に充電して電源とする機器において、
二次電池の充電効率を改善し、一度蓄えた二次電池のエ
ネルギを有効に利用できる充電制御回路を提供する。【解決手段】負荷回路の電圧を電圧検出回路で検出
し、その結果により入力電力を二次電池及び負荷回路に
時分割で供給し、負荷回路の電圧が動作下限近くまで低
下しない限りは二次電池のエネルギを放電させないよう
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低消費電力で動作
する腕時計、ポケッタブルな携帯情報機器等に用いられ
る、太陽電池や熱発電素子などで発生した発電エネルギ
を二次電池に充電するための充電制御回路に関する。特
に、二次電池の充電効率を改善し、しかも二次電池に蓄
えられたエネルギの有効利用を可能にした充電制御回路
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の充電制御回路を図４に示す。この
ブロック図では太陽電池や熱発電素子などで発電した電
圧を昇圧回路１で昇圧し、この昇圧出力が第一のダイオ
ード２３により電圧保持コンデンサ６を備えた負荷回路
５に供給される。また、昇圧回路１の出力は、制御回路
２１によりコントロールされるスイッチ回路１９と抵抗
１８との並列回路及び第二のダイオード２０を介して二
次電池３に供給される。更に、二次電池３の電圧は第三
のダイオード２２を介して負荷回路５に供給される。

【０００３】従来のこの構成で二次電池３が空の状態か
ら充電を始める場合について、その動作を説明する。負
荷回路５には昇圧回路１の出力が第一のダイオード２３
を介して供給され、電圧が急速に上昇し、負荷回路５の
動作がスタートする。一方、制御回路２１は二次電池３
の電圧が低いためスイッチ回路１９をオフし、抵抗１８
により制限された電流が二次電池３に流れる。この充電
が継続すれば、やがて二次電池３の電圧も徐々に上昇
し、ある電圧に達すると制御回路２１はスイッチ回路１
９をオンし、充電電流を増加させる。このようなスイッ
チのオン／オフ制御は、スイッチを常にオンに保つと負
荷回路５の電圧が極めてゆっくり上昇するため負荷回路
５の動作スタートが極端に遅れてしまうことを防止する
ためのものである。

【０００４】二次電池３の電圧が十分高くなった後に昇
圧回路１の出力が低下した場合、負荷回路５の電圧より
二次電池３の電圧が高くなり第三のダイオード２２を介
して二次電池３から負荷回路５に電力が供給され負荷回
路５の動作が維持される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の充電
回路では、二次電池の充電初期に抵抗を通して充電を行
うので抵抗でのロスが大きく、充電効率が悪い。したが
って、二次電池の電圧が負荷回路を正常に動作させるに
足る電圧になるまでの充電時間が長くなり、特に小型ロ
ーパワー機器に用いられる能力の低い発電素子で発生し
たエネルギを充電して電源とする場合に、充電ロスが大
きな問題となっている。

【０００６】また、昇圧回路の出力電圧が負荷回路を動
作するのに十分な電圧であっても、二次電池の電圧が昇
圧回路の出力電圧より高い場合には負荷回路には二次電
池から電力が供給されてしまい、昇圧回路の出力が利用
されずに二次電池のエネルギが消費されてしまう。した
がって、昇圧回路の出力能力を有効に使えず、昇圧回路
の出力電圧が低下した後に二次電池によって動作する時
間が短くなってしまい二次電池の容量を有効に使えない
という問題がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の充電制御回路で
は、前記負荷回路の電圧を検出する電圧検出回路を有
し、入力電力を前記二次電池に供給する経路には単なる
ダイオードではなく第一の方向性スイッチを設け、ま
た、入力電力を前記負荷回路に供給する経路も単なるダ
イオードではなく第二の方向性スイッチを用い、前記二
次電池の電圧を前記負荷回路に供給する経路も単なるダ
イオードではなく第三の方向性スイッチを用いている。
また、前記電圧検出回路は前記負荷回路の電圧に対して
第一の比較電圧と、これより低い第二の比較電圧と、更
に低い第三の比較電圧を持ち、前記負荷回路の電圧が第
一の比較電圧を超えて第二の比較電圧を超すまでの間は
第二の方向性スイッチをオンして昇圧回路の電力を負荷
回路に供給し、その後前記負荷回路の電圧が第一の比較
電圧以下になり更に第二の比較電圧を下回るまでは第二
の方向性スイッチをオフして第一の方向性スイッチをオ
ンして二次電池を充電し、前記昇圧回路の電圧が低下し
て前記負荷回路の電圧が第三の比較電圧より下がった時
に第三の方向性スイッチをオンするよう制御している。

【０００８】また、別の構成として、上記第一の方向性
スイッチ、第二の方向性スイッチ、第三の方向性スイッ
チのうち少なくともひとつは方向性を持たず、その方向
性を持たない第一のスイッチまたは第二のスイッチまた
は第三のスイッチの両端電圧を検出する第二の電圧検出
回路を設け、この検出結果と負荷回路の電圧とに基づい
て第一のスイッチまたは第二のスイッチまたは第三のス
イッチを方向性を持つようにオン／オフさせている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明による充電制御回路の実施
例を図面に基づいて以下に説明する。（実施例１）本発明の充電制御回路を図１に示すブロッ
ク図を用いて説明する。昇圧回路１の出力は第一の方向
性スイッチ２を介して二次電池３に接続され、二次電池
３に向かう方向のみ電流を流すようにしている。また、
昇圧回路１から負荷回路５に向かってのみ電流を流せる
ように第二の方向性スイッチ４を設けている。この負荷
回路５と並列に電圧保持コンデンサ６が設けられ、短期
間電源供給がストップしても負荷回路５の電圧を維持す
る事ができる。更に、二次電池３から負荷回路５に向か
ってのみ電流を流せるように第三の方向性スイッチ７を
設けている。

【００１０】ここでは負荷回路５として１．０Ｖから
２．０Ｖで動作する回路を例として説明する。電圧検出
回路８は負荷回路５の電圧を常時または間欠測定し、第
一の比較電圧である１．６Ｖ、第二の比較電圧である
１．３Ｖ、第三の比較電圧である１．２Ｖと負荷回路５
の電圧との比較を行なっている。この比較結果により第
一の方向性スイッチ２、第二の方向性スイッチ４、第三
の方向性スイッチ７のオン／オフを制御している。制御
回路９は、第一の方向性スイッチ２、第二の方向性スイ
ッチ４、第三の方向性スイッチ７、電圧検出回路８を備
えている。

【００１１】昇圧回路１は太陽電池や熱発電素子からの
比較的低い電圧を昇圧して１．５Ｖ以上の電圧に昇圧す
る。初期状態では、第一の方向性スイッチ２はオフ状
態、第二の方向性スイッチ４はオン状態、第三の方向性
スイッチ７はオン状態であり、負荷回路５及び電圧保持
コンデンサ６に昇圧電圧が供給されるように設定されて
いる。なお、第二の方向性スイッチ４はダイオード性を
有しており負荷回路５から昇圧回路１への逆流はほとん
ど無い。ここで、電圧検出回路８の電源は負荷回路５の
ラインからとっており、この電圧がある程度上昇すると
制御動作がスタートする。

【００１２】負荷回路５の電圧が、第二の比較電圧であ
る１．３Ｖ以上になり第一の比較電圧である１．６Ｖに
達するまでは第二の方向性スイッチ４をオンするように
電圧検出回路８が制御する。負荷回路５の電圧が上昇
し、第一の比較電圧である１．６Ｖを超えると電圧検出
回路８の内部に用意されたフリップフロップを反転して
第二の方向性スイッチ４をオフし、第一の方向性スイッ
チ２をオンして二次電池３への充電を行う。この場合も
第一の方向性スイッチ２はダイオード性を持っており二
次電池３から昇圧回路１への逆流は生じない。

【００１３】第二の方向性スイッチ４のオフにより負荷
回路５の電圧は徐々に低下するが電圧保持コンデンサ６
があるために急激な低下は生じない。この電圧が第二の
比較電圧である１．３Ｖ以下になると再び電圧検出回路
８の内部に用意されたフリップフロップを反転して第一
の方向性スイッチ２をオフし、第二の方向性スイッチ４
をオンするよう制御する。この状態を繰り返す事によ
り、昇圧回路１の出力は負荷回路５と二次電池３とに交
互に供給され、しかもこれらの動作でのエネルギ損失は
少ない。これにより、二次電池３が放電し切った状態で
その電圧が負荷回路５の動作電圧より低い時も負荷回路
５は短時間で動作可能になり、二次電池３の充電も時分
割で効率よく行う事ができる。

【００１４】一方、太陽電池や熱発電素子から昇圧回路
１への入力電圧が低下して昇圧回路１の出力も低下した
場合、負荷回路５の電圧が１．２Ｖ以下になると電圧検
出回路８の内部に用意された別のフリップフロップを反
転して第三の方向性スイッチ７をオンとする。このスイ
ッチも方向性を有しており、負荷回路５から二次電池３
への逆流はない。第三の方向性スイッチ７がオンすると
負荷回路５の電圧が上昇し、第二の比較電圧である１．
３Ｖ以上になると再び電圧検出回路８内部のフリップフ
ロップを反転して第三の方向性スイッチ７をオフする。
この時、昇圧回路１の出力が低い状態を維持している場
合は負荷回路５の電圧は低下し始める。このように、負
荷回路５の電圧は１．２Ｖから１．３Ｖの間を往復する
ことになる。この動作により、一度二次電池３に溜めた
エネルギは昇圧回路１の電圧が低下しない限り放電され
ないためそのエネルギを有効に使うことができる。

【００１５】なお、昇圧回路１はＦＥＴスイッチを用い
たコンデンサ・ポンピング方式、または昇圧コイル電流
のオン／オフによる逆起電力を利用することにより実現
できるので、その詳細回路の説明は省略する。また、ス
イッチ回路はダイオードとトランジスタスイッチで構成
しており、電圧検出回路は差動増幅回路によるコンパレ
ータと第一の比較電圧１．６Ｖを超えたか又は第二の比
較電圧１．３Ｖ以下になったかを記憶するフリップフロ
ップ、第三の比較電圧１．２Ｖ以下になったか又は第二
の比較電圧１．３Ｖ以上になったかを記憶するフリップ
フロップを含む論理回路により構成されており、これら
についてもその詳細回路の説明は省略する。

【００１６】（実施例２）次に、図２を用いて本発明の
他の実施例を説明する。図１のブロック図と比較すると
制御回路の構成の一部が異なっている。制御回路１４は
第一の方向性スイッチ2、第二のスイッチ１０、第三の
方向性スイッチ７、第一の電圧検出回路１１、第二の電
圧検出回路１２、第三の電圧検出回路１３を備えてい
る。

【００１７】第二の電圧検出回路１２は第二のスイッチ
１０の両端電圧である昇圧回路１の電圧と負荷回路５の
電圧とを比較し、昇圧回路１の電圧が低い場合には第二
のスイッチ１０をオフするよう制御している。第二のス
イッチ１０と第二の電圧検出回路１２とを用いることに
より第二のスイッチ１０は昇圧回路１から負荷回路５の
方向へのみ電流を流し、第二の方向性スイッチと同様の
働きをする。ダイオード等を用いた方向性スイッチでは
順方向に電位差が必要になり、低電圧を扱いにくいが、
図２のように第二のスイッチ１０と第二の電圧検出回路
１２とを用いた場合はスイッチ間の電位差をほとんどゼ
ロにする事ができ、低電圧動作が要求される場合に有利
である。なお、第一の方向性スイッチ、第三の方向性ス
イッチについてもスイッチと電圧検出回路に置き換える
ことができ、これにより更に電圧ロスを減らすことがで
きる。

【００１８】第三の電圧検出回路１３は昇圧回路1の電
圧を検出しており、この電圧が低下して例えば１．１Ｖ
以下になると第三の方向性スイッチを強制的にオンし
て、昇圧回路１の電圧が低い間は常に二次電池３から負
荷回路５に電力を供給する。この様な構成により、特に
短い周期で変化する負荷回路５の電圧変動を低減できる
こととなり、負荷回路５が電圧変動に弱い場合に有効で
ある。

【００１９】ここで、第一の電圧検出回路１３はほぼ図
１の電圧検出回路８と同様の動作をするが、第一の比較
電圧である１．６Ｖよりも更に高い第四の比較電圧１．
８Ｖを有している。負荷回路５の電圧が第四の比較電圧
１．８Ｖを超えた場合は、第一の方向性スイッチ２、第
二のスイッチ１０、第三の方向性スイッチ７をオフさせ
ている。極端に高い電圧が負荷回路５に加わると誤動作
する可能性があり、また、極端に高い電圧が二次電池３
に加わると電池がパンクする可能性があるのでスイッチ
をオフする事によりこれを防止している。なお、負荷回
路５の電圧が正常動作範囲を超えた場合に、昇圧回路１
の出力に適当な値の抵抗やトランジスタをダミー負荷と
して接続し、昇圧回路１の出力電圧を低下させて過電圧
を防止する事もできる。

【００２０】その他の動作については図１と同様なので
動作説明は省略する。（実施例３）本発明の更に別の実施例を図３のブロック
図を用いて説明する。図１のブロック図とは制御回路の
構成が異なっている。制御回路１７は、第一の方向性ス
イッチ２、第二の方向性スイッチ４、第三の方向性スイ
ッチ７、第一の電圧検出回路１５、第二の電圧検出回路
１６を備えている。

【００２１】第一の電圧検出回路１５はほぼ図１の電圧
検出回路８と同様の動作をするが、第三の比較電圧であ
る１．２Ｖよりも更に低い第五の比較電圧０．９Ｖを有
している。負荷回路５の電圧が１．２Ｖ以下で０．９Ｖ
より高い範囲では第一の方向性スイッチ２はオフ、第二
の方向性スイッチ４はオン、第三の方向性スイッチ７も
オンであるが、負荷回路５の電圧が第五の比較電圧０．
９Ｖ以下になった場合は、第一の方向性スイッチ２をオ
フ、第二の方向性スイッチ４をオン、第三の方向性スイ
ッチ７をオフさせている。これにより、負荷回路５が正
常動作できない電圧にまで低下した時には二次電池３か
らの電力供給を断って無駄な放電を防止し、昇圧回路１
の出力が再び上昇して第二の方向性スイッチ４を通って
負荷回路５、制御回路１７に電力供給し、これらの動作
が正常に戻ったあとに二次電池３を充電してその電圧を
負荷回路５の動作電圧以上にする時間を短縮する事がで
きる。

【００２２】第二の電圧検出回路１６は昇圧回路１の電
圧を検出しており、昇圧回路１の電圧が１．２Ｖ以下に
なった場合は第一の方向性スイッチ２を強制的にオンし
て二次電池３の充電が可能の状態にしている。これによ
り、昇圧回路１の電圧が高くなって全体が正常動作とな
り、次に二次電池３を充電して負荷回路５の動作電圧以
上にまでエネルギを蓄積するための時間を短縮する事が
できる。

【００２３】その他の動作については図１と同様なので
動作説明は省略する。最後に電圧検出回路の間欠動作に
ついて説明する。電圧検出回路で用いる差動増幅回路に
よるコンパレータは比較的消費電流の大きな回路であ
り、この電流が問題になる場合にはコンパレータを常時
動かすのではなく例えば６４ミリ秒に１回、１ミリ秒間
だけ動作させることにより電力を大幅に低減することが
できる。このためには間欠周期、動作時間を決めるタイ
マーが必要になる。このタイマーとして、制御回路に設
けた発振回路およびカウンターを用いて構成したり、コ
ンデンサー充放電時定数を用いたり、負荷回路に発振器
を有する場合はこれを利用することもある。また、これ
らのタイマーを必要に応じて切り替えて用いる事もあ
る。二次電池を含めて負荷回路の電圧が残っていない状
態からスタートする場合は、制御回路に設けた発振器を
動作させてスタートさせる。一般的に、スタート時は昇
圧回路の入力となる太陽電池や熱発電素子に意図的に強
い光を当てたり、大きな温度差を与える等により、昇圧
回路の出力電力を大きくする。従って、制御回路に設け
た発振器の消費電力が多少大きくても問題はない。

【００２４】次に、定常動作状態では、消費電流を気に
するので、より消費電流の少ない負荷回路あるいは制御
回路の別の発振器に切り替えて用いる。その後、昇圧出
力が低下した時には二次電池の電力を使わざるを得ない
ので消費電流をできるだけ押さえたい。このため、極め
て少ない電流を用いたコンデンサー充放電時定数を利用
したタイマーに切り替えている。これらの構成により電
力の有効利用が可能になる。

【００２５】以上の説明では太陽電池や熱発電素子など
が発電した電圧を昇圧回路で昇圧して用いているが、発
電素子の発電電圧が十分高い場合は昇圧回路を省略する
事も可能であり、この場合も本発明の範囲である。ま
た、これまでの説明では比較電圧として幅の無い一定値
の値として説明したが、比較電圧付近での動作を安定化
するため適当な値のヒステリシスを持たせることもあ
り、これも本発明に含まれるものである。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、二次電池の充電経路に
抵抗を用いることなく二次電池の充電と負荷への電力供
給を時分割で行なっているので二次電池に対して効率の
良い充電が行なえる。また、入力電圧あるいは昇圧回路
の出力電圧が負荷回路を動作させるに十分な値である場
合は、二次電池から負荷回路に電流が流れ込む事がない
ように制御しているので入力電圧又は昇圧出力及び二次
電池の能力を最大限活用する事ができる。

【００２７】これらにより、サイズに厳しい時計や超小
型の機器に用いた場合は発電及び充電回りの小型化、電
池の長寿命化に極めて大きな効果がある。更に、エネル
ギ伝達経路にダイオードではなくスイッチを用いること
により電圧損失を減らす事ができ、これらのスイッチを
オフする事により入力の過電圧に対する対応も容易にな
り、また、スイッチの制御により二次電池の容量を無意
味に過放電する事も防止できるなど、本発明を用いる事
により得られる効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の充電制御回路の実施例を示すブロック
図

【図２】本発明の充電制御回路の他の実施例を示すブロ
ック図

【図３】本発明の充電制御回路の別の実施例を示すブロ
ック図

【図４】充電制御回路の従来例を示す回路図

【符号の説明】

１昇圧回路２第一の方向性スイッチ３二次電池４第二の方向性スイッチ５負荷回路６電圧保持コンデンサ７第三の方向性スイッチ８電圧検出回路９制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次電池と、電圧保持コンデンサを有する負荷回路と、前記負荷回路の電圧を検出する電圧検出回路と、入力電
力を前記二次電池に供給する第一の方向性スイッチと、
入力電力を前記負荷回路に供給する第二の方向性スイッ
チと、前記二次電池の電圧を前記負荷回路に供給する第
三の方向性スイッチとを有する制御回路と、を備えると
ともに、前記電圧検出回路は、前記負荷回路の電圧の検出結果と
比較するための第一の比較電圧と、これより低い第二の
比較電圧と、更に低い第三の比較電圧を持ち、前記負荷回路の電圧が第一の比較電圧と第二の比較電圧
の間にある時に第二の方向性スイッチがオン状態に、前
記負荷回路の電圧が第三の比較電圧より低い時に第三の
方向性スイッチがオン状態に、少なくとも第二の方向性
スイッチがオン状態のとき第一の方向性スイッチはオフ
状態にあることを特徴とする充電制御回路。
【請求項２】請求項１に記載の充電制御回路におい
て、第一の方向性スイッチ、第二の方向性スイッチ、第
三の方向性スイッチのうち少なくともひとつは方向性を
持たず、その方向性を持たない第一のスイッチまたは第
二のスイッチまたは第三のスイッチの両端電圧を検出す
る第二の電圧検出回路を設け、この検出結果と負荷回路
の電圧とに基づいて第一のスイッチまたは第二のスイッ
チまたは第三のスイッチをオン／オフさせる事を特徴と
する充電制御回路。
【請求項３】請求項１または２に記載の充電制御回路
において、前記電圧検出回路は負荷回路の電圧に対して
前記第一の比較電圧より高い第四の比較電圧を持つとと
もに、前記負荷回路の電圧が第四の比較電圧を超えた場
合、前記第一の方向性スイッチまたは第一のスイッチ
と、前記第二の方向性スイッチまたは第二のスイッチを
同時にオフ状態にすることを特徴とする充電制御回路。
【請求項４】請求項１または２に記載の充電制御回路
において、前記電圧検出回路は負荷回路の電圧に対して
前記第三の比較電圧より低い第五の比較電圧を持つとと
もに、前記負荷回路の電圧が第五の比較電圧以下になっ
た場合、前記第三の方向性スイッチまたは第三のスイッ
チをオフ状態にすることを特徴とする充電制御回路。
【請求項５】入力電圧を検出する入力電圧検出回路を
備えるとともに、前記負荷回路の電圧が前記第三の比較
電圧以上であり、しかも前記昇圧回路の電圧が一定電圧
以下である場合は前記第三の方向性スイッチをオン状態
にすることを特徴とする請求項１に記載の充電制御回
路。
【請求項６】入力電圧を検出する入力電圧検出回路を
備えるとともに、前記負荷回路の電圧が前記二次電池の
電圧より低い場合に前記第三のスイッチをオン状態にす
ることを特徴とする請求項２に記載の充電制御回路。
【請求項７】入力電圧を検出する入力電圧検出回路を
備えるとともに、前記入力電圧が一定電圧以下である場
合は前記第一の方向性スイッチをオン状態にすることを
特徴とする請求項１に記載の充電制御回路。
【請求項８】入力電圧を検出する入力電圧検出回路を
備えるとともに、前記入力電圧が前記二次電池の電圧よ
り高い場合に前記第一のスイッチをオン状態にすること
を特徴とする請求項2に記載の充電制御回路。