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JP2010186338A - Charging/discharging device and integrated circuit element - Google Patents

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JP2010186338A
JP2010186338A JP2009030278A JP2009030278A JP2010186338A JP 2010186338 A JP2010186338 A JP 2010186338A JP 2009030278 A JP2009030278 A JP 2009030278A JP 2009030278 A JP2009030278 A JP 2009030278A JP 2010186338 A JP2010186338 A JP 2010186338A
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voltage
power
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charge
power storage
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Application number
JP2009030278A
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Takashi Yoshikawa
隆 吉川
Tadamichi Tagawa
忠道 田川
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently charge a pre-charge capacitor regardless of light quantity to be input to a solar battery. <P>SOLUTION: A charging/discharging device 1000 is configured to charge a pre-charge capacitor 50 with a power generated by a solar battery 10 having the maximum output point where the product of a generated voltage and output currents is made maximum, and to discharge the charged power, and provided with: a first switch element 30 for switching a measurement period in which the open-circuit voltage of the solar battery is measured and an electricity accumulation period in which the generated power is accumulated in the pre-charge capacitor; and a charge block 200 for controlling the discharging of the pre-charge capacitor so that the charged voltage of the pre-charge capacitor is turned to be the voltage of the maximum output point. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、発電素子が発電した発電電力を蓄電部に充電し、充電された電力を放電する充放電装置、及び集積回路素子に関する。   The present invention relates to a charge / discharge device that charges a power storage unit with generated power generated by a power generation element and discharges the charged power, and an integrated circuit element.

太陽電池などの発電素子が発電する発電電力を蓄電して、その蓄電電力を利用する電源回路がいろいろと開発されている。
例えば、特許文献1には、コンデンサと二次電池とを直列に接続して、発電電力を蓄電池に充電し、充電電力を放電する太陽電池充電式点灯装置が開示されている。この技術は、コンデンサの急速充放電特性を利用して、消費する電圧を高電圧に、しかも広いレンジで利用を可能とするものである。さらに、特許文献1には、太陽電池によりキャパシタ若しくは、二次電池を充電する方式についても開示されている。
Various power supply circuits have been developed that store the generated power generated by power generation elements such as solar cells and use the stored power.
For example, Patent Document 1 discloses a solar battery rechargeable lighting device in which a capacitor and a secondary battery are connected in series to charge generated power to a storage battery and discharge the charged power. This technology uses the rapid charge / discharge characteristics of a capacitor to make it possible to use a high voltage and a wide range of voltage. Further, Patent Document 1 discloses a method of charging a capacitor or a secondary battery with a solar battery.

また、ユビキタス社会においては、小さなソーラーパネルで、低照度といった微弱なエネルギー環境でも急速に蓄電し、所望の出力仕様の電力を供給しうる、より小型な電源が必要である。 In the ubiquitous society, there is a need for a smaller power source that can store electricity quickly and supply power with a desired output specification even in a weak energy environment such as low illuminance with a small solar panel.

特開平11−232914号公報JP-A-11-232914

ところで、太陽電池は、等価内部抵抗を有しているので、開放電圧の0.7倍程度の電圧になるような電流値で電力を取り出すと、最大出力電力を得ることができるような電圧電流特性を有している。
しかしながら、特許文献1に開示された技術は、長い時間大きな太陽光パネルを用いて潤沢なエネルギーとして蓄電する環境下では利用できるが、微弱な太陽エネルギーの中でも有効に充電することについては、配慮されていない。
すなわち、光の強さがある程度大きいときには、太陽電池の開放電圧が所定値を保つが、微弱光の場合には、開放電圧が光量(エネルギー)依存性を持ち、最大出力電力点の電圧が定まらない問題点がある。
By the way, since the solar cell has an equivalent internal resistance, a voltage current that can obtain the maximum output power when the power is extracted at a current value that is about 0.7 times the open circuit voltage. It has characteristics.
However, although the technique disclosed in Patent Document 1 can be used in an environment where a large amount of solar panel is used to store energy as abundant energy for a long time, consideration is given to effective charging even in weak solar energy. Not.
That is, when the light intensity is large to some extent, the open circuit voltage of the solar cell maintains a predetermined value. However, in the case of faint light, the open circuit voltage has light quantity (energy) dependence and the voltage at the maximum output power point is not fixed. There are no problems.

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、発電素子に入力されるエネルギーにかかわらず効率よく蓄電部に充電することができる充放電装置、及び集積回路素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a charge / discharge device and an integrated circuit element that can efficiently charge the power storage unit regardless of the energy input to the power generation element. Objective.

前記目的を達成するため、本発明は、発生電圧と出力電流との積が最大となる最大出力点を有する発電素子(太陽電池10)が発電した発電電力を蓄電部(プリチャージキャパシタ50)に充電し、この充電した充電電力を放電する充放電装置(1000)であって、前記発電素子の開放電圧を測定する測定期間と、前記発電電力を前記蓄電部に蓄電する蓄電期間とを切り換えるスイッチ素子(第1のスイッチ素子30)と、前記蓄電部の充電電圧が前記最大出力点の電圧になるように前記蓄電部の放電を制御する放電制御手段(チャージブロック200)とを備えることを特徴とする。なお、括弧内の文字符号は例示である。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides the power storage unit (precharge capacitor 50) with the power generated by the power generation element (solar cell 10) having the maximum output point at which the product of the generated voltage and the output current is maximum. A charge / discharge device (1000) for charging and discharging the charged charging power, wherein the switch switches between a measurement period for measuring an open circuit voltage of the power generation element and a power storage period for storing the generated power in the power storage unit An element (first switch element 30), and a discharge control means (charge block 200) for controlling discharge of the power storage unit so that a charge voltage of the power storage unit becomes a voltage at the maximum output point. And In addition, the character code in a parenthesis is an illustration.

直列に内部抵抗を有する発電素子(例えば、太陽電池)は、開放電圧(通常、3V程度)の0.7倍程度の電圧のところに最大出力電力点が存在する。最大出力電力点で蓄電部を充電するために、太陽電池を無負荷にして開放電圧を測定する測定期間と、発電電力を蓄電部であるプリチャージキャパシタに充電する充電期間とを切り換えるスイッチ素子を設けた。また、太陽電池のセル段数が未定であるとか、微弱光であり開放電圧が不確定であっても、発電素子の開放電圧を測定することにより、MPP電圧を容易に確定することができる。
さらに、測定期間と充電期間とを周期的に切り換えることで、微弱光であって、開放電圧が低いときでも、MPP電圧を確定することができる。すなわち、微弱なパワーからハイパワーに至るまでの様々なエネルギー源を、MPP制御して蓄電部に充電することができる。
A power generation element (for example, a solar cell) having an internal resistance in series has a maximum output power point at a voltage about 0.7 times the open circuit voltage (usually about 3 V). In order to charge the power storage unit at the maximum output power point, a switching element that switches between a measurement period in which the open-circuit voltage is measured with no load on the solar cell and a charging period in which the generated power is charged to the precharge capacitor that is the power storage unit. Provided. Further, even if the number of cell stages of the solar battery is undecided or the light is weak and the open circuit voltage is uncertain, the MPP voltage can be easily determined by measuring the open circuit voltage of the power generating element.
Further, by periodically switching between the measurement period and the charging period, the MPP voltage can be determined even when the light is weak and the open circuit voltage is low. That is, various energy sources ranging from weak power to high power can be charged to the power storage unit by MPP control.

本発明によれば、発電素子が発電する発電電力を効率よく蓄電部に充電することができる。   According to the present invention, it is possible to efficiently charge the power storage unit with the generated power generated by the power generation element.

本発明の第1実施形態である充放電装置の構成図であって、特にブートブロックとチャージブロックとの関係を示した図である。It is a block diagram of the charging / discharging apparatus which is 1st Embodiment of this invention, Comprising: It is the figure which showed the relationship between a boot block and a charge block especially. 本発明の第1実施形態である充放電装置の構成図であって、特にチャージブロックとワークブロックとの関係を示した図である。It is a block diagram of the charging / discharging apparatus which is 1st Embodiment of this invention, Comprising: It is the figure which showed the relationship between a charge block and a work block especially. 太陽電池の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a solar cell. プリチャージキャパシタに充電するスタートアップ時のブロック図である。It is a block diagram at the time of start-up which charges a precharge capacitor. メインキャパシタへのチャージアップ時のブロック図である。It is a block diagram at the time of charge up to the main capacitor. 太陽電池のI−V特性、プリチャージキャパシタ電圧の時間特性、及びメインキャパシタ電圧の時間特性を示す図である。It is a figure which shows the IV characteristic of a solar cell, the time characteristic of a precharge capacitor voltage, and the time characteristic of a main capacitor voltage. ワーク時(ディスチャージ時)のブロック図である。It is a block diagram at the time of a work (at the time of discharge).

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態の充放電装置を図1及び図2を用いて説明する。
充放電装置1000は、ブートブロック100、放電制御手段トして機能するチャージブロック200、及びワークブロック300の3つの機能ブロックを備え、図1は、ブートブロック100と、チャージブロック200との関係を示し、図2は、チャージブロック200と、ワークブロック300との関係を示している。なお、ブートブロック100、チャージブロック200、及びワークブロック300で集積回路素子を構成している。この集積回路素子は、充電回路が高電圧のときには、SOI(Silicon On Insulate)基板、サファイア基板(SOS:Silicon on Sapphire基板)等を使用することができる。なお、図において、破線矢印は制御信号を示し、実線矢印は、パワー(電力)の流れを示す。
(First embodiment)
The charging / discharging device of 1st Embodiment of this invention is demonstrated using FIG.1 and FIG.2.
The charging / discharging device 1000 includes three functional blocks: a boot block 100, a charge block 200 that functions as a discharge control unit, and a work block 300. FIG. 1 shows the relationship between the boot block 100 and the charge block 200. FIG. 2 shows the relationship between the charge block 200 and the work block 300. The boot block 100, the charge block 200, and the work block 300 constitute an integrated circuit element. This integrated circuit element can use an SOI (Silicon On Insulate) substrate, a sapphire substrate (SOS: Silicon on Sapphire substrate) or the like when the charging circuit has a high voltage. In the figure, a broken line arrow indicates a control signal, and a solid line arrow indicates a flow of power.

また、充放電装置1000は、ブートブロック100が発電素子である太陽電池(ソーラーセル)10の発電エネルギーを蓄電部(プリチャージキャパシタ)50に充電し、チャージブロック200がこの充電電圧を昇圧し、外部接続されたメインキャパシタ(主蓄電部)400に充電し、ワークブロック300がこの充電された電圧を昇圧してワークキャパシタ(出力蓄電部)150、及びレギュレータ160(図2)を介して外部負荷Z0に直流電力を供給するように構成されている。このとき、ブートブロック100は、太陽電池10の開放電圧Voc(図6(a))を測定し、プリチャージキャパシタ50からメインキャパシタ400に放電する放電電力を太陽電池10の開放電圧Vocに応じた最大出力電力点付近にするようにしている。 Further, the charging / discharging device 1000 charges the power storage unit (precharge capacitor) 50 with the power generation energy of the solar cell (solar cell) 10 in which the boot block 100 is a power generation element, and the charge block 200 boosts the charging voltage. The main capacitor (main power storage unit) 400 connected to the outside is charged, and the work block 300 boosts the charged voltage to external load via the work capacitor (output power storage unit) 150 and the regulator 160 (FIG. 2). It is configured to supply DC power to Z0. At this time, the boot block 100 measures the open circuit voltage Voc of the solar cell 10 (FIG. 6A), and discharge power discharged from the precharge capacitor 50 to the main capacitor 400 according to the open circuit voltage Voc of the solar cell 10. It is set near the maximum output power point.

図3は、発電素子である太陽電池10の等価回路を示している。太陽電池10は、低電流源IphとダイオードDと抵抗器Rshとの並列回路と、抵抗器Rとの直列回路で表現され、電流Iが流れるとき、電圧Vが発生する。
太陽電池10は、低電流源IPhの電流値が光量(入射エネルギー)によって増減し、開放電圧VocがダイオードDの順方向電圧となり、十分な光量があるときはダイオードDのオン電圧が所定の開放電圧Vocとなる。しかしながら、太陽電池10は、微少光量のときは、得られる電流値が低下し、開放電圧Vocも光量に依存する。また、太陽電池10は、等価回路で表される直列抵抗と並列抵抗などによって決まる,電流電圧値に応じた最大出力電力点(MPP)を持つ。
FIG. 3 shows an equivalent circuit of the solar cell 10 that is a power generation element. The solar cell 10 is expressed by a parallel circuit of a low current source Iph , a diode D and a resistor R sh and a series circuit of the resistor R s, and a voltage V is generated when the current I flows.
In the solar cell 10, the current value of the low current source IPh increases / decreases depending on the amount of light (incident energy), the open circuit voltage Voc becomes the forward voltage of the diode D, and when there is a sufficient amount of light, the ON voltage of the diode D is a predetermined open circuit. The voltage is Voc. However, when the solar cell 10 has a very small amount of light, the obtained current value decreases, and the open circuit voltage Voc also depends on the amount of light. Further, the solar cell 10 has a maximum output power point (MPP) corresponding to a current voltage value determined by a series resistance and a parallel resistance represented by an equivalent circuit.

図1において、ブートブロック100は、発電素子である太陽電池10の発電電圧を周期的にサンプルホールドするサンプルホールド周期発生器40、サンプルホールド周期発生器40がサンプルホールドしたホールド電圧をモニタする電圧モニタ60、モニタ電圧に1以下の所定値を乗算してMPP電圧のデータを生成するMPP電圧生成器65、太陽電池10の発電電力が第1のスイッチ素子30を介して供給されるブートキャパシタ20、第2のスイッチ素子(他のスイッチ素子)35を介して太陽電池10の発電電力が供給されるプリチャージキャパシタ50、サンプルホールド周期発生器40の信号レベルを第2のスイッチ素子35を駆動する駆動レベルにレベルシフトするレベルシフタ45、基準電圧生成器80、判定器70、シャットダウン回路90等を備える。これらの構成により、ブートブロック100は、第1のスイッチ素子30が太陽電池10の開放電圧を測定する測定期間と、発電電力をプリチャージキャパシタ50に充電する充電期間とを周期的に切り替えるようになっている。 In FIG. 1, a boot block 100 includes a sample hold period generator 40 that periodically samples and holds the generated voltage of the solar cell 10 that is a power generation element, and a voltage monitor that monitors the hold voltage sampled and held by the sample hold period generator 40. 60, an MPP voltage generator 65 that multiplies the monitor voltage by a predetermined value of 1 or less to generate MPP voltage data, a boot capacitor 20 to which the generated power of the solar cell 10 is supplied via the first switch element 30, Drive for driving the second switch element 35 with the signal level of the pre-charge capacitor 50 and the sample and hold period generator 40 to which the generated power of the solar cell 10 is supplied via the second switch element (other switch element) 35 A level shifter 45 for level shifting to a level, a reference voltage generator 80, a determiner 70, It comprises a shutdown circuit 90 and the like. With these configurations, the boot block 100 periodically switches between a measurement period in which the first switch element 30 measures the open circuit voltage of the solar cell 10 and a charging period in which the generated power is charged in the precharge capacitor 50. It has become.

チャージブロック200は、メインキャパシタ400の電圧を昇圧する昇圧器であるチャージポンプ130と、プリチャージキャパシタ50の充電電圧とMPP電圧生成器65の電圧とを比較する比較器110と、参照電圧Vrefとメインキャパシタ400の電圧とを比較する比較器114と、比較器114の比較結果と比較器110の比較結果とを用いてチャージポンプ130の駆動の要否を判定する判定器72と、判定器72の判定結果を用いてチャージポンプ130のクロック信号を生成するクロック発生器120と、プリチャージキャパシタ50、及びチャージポンプ130を介さずに第2のスイッチ素子35とメインキャパシタ400との間を直接接続する最終段スイッチ素子38と、基準電圧とメインキャパシタ400の電圧とを比較し、最終段スイッチ素子38を制御する比較器112とを備えている。ここで、メインキャパシタ400に電気二重層キャパシタを用いた場合、微少光量で太陽電池10の発電電圧が低くなっているときでもチャージポンプ130を用いて最大印加電圧の2.5V近傍まで昇圧することができる。 The charge block 200 includes a charge pump 130 that is a booster that boosts the voltage of the main capacitor 400, a comparator 110 that compares the charge voltage of the precharge capacitor 50 and the voltage of the MPP voltage generator 65, and a reference voltage Vref. A comparator 114 that compares the voltage of the main capacitor 400, a determiner 72 that determines whether the charge pump 130 needs to be driven using the comparison result of the comparator 114 and the comparison result of the comparator 110, and a determiner 72 The clock generator 120 that generates the clock signal of the charge pump 130 using the determination result of the above, and the second switch element 35 and the main capacitor 400 are directly connected without passing through the precharge capacitor 50 and the charge pump 130. The final stage switching element 38, the reference voltage and the voltage of the main capacitor 400 Comparing, and a comparator 112 which controls the final stage switch element 38. Here, when an electric double layer capacitor is used for the main capacitor 400, the charge pump 130 is used to boost the voltage to around 2.5 V of the maximum applied voltage even when the power generation voltage of the solar cell 10 is low with a small amount of light. Can do.

図2において、ワークブロック(出力部)300は、メインキャパシタ400の電圧を昇圧するチャージポンプ135と、チャージポンプ135の昇圧電圧で充電されるワークキャパシタ(出力蓄電部)150と、ワークキャパシタ150の電圧を低ドロップアウト(LDO)で外部負荷Z0に電圧調整するレギュレータ160と、チャージポンプ135を駆動するクロック発生器(他のクロック発生器)125と、チャージポンプ135の昇圧電圧と基準電圧(負荷電圧)とを比較する比較器116と、チャージポンプ135の昇圧電圧と基準電圧とを比較してシャットダウンを指示するシャットダウン回路95と、比較器116の比較結果と、シャットダウン回路95の出力とを用いてチャージポンプ135の駆動の要否を判定する判定器74とを備える。 In FIG. 2, a work block (output unit) 300 includes a charge pump 135 that boosts the voltage of the main capacitor 400, a work capacitor (output power storage unit) 150 that is charged with the boosted voltage of the charge pump 135, and a work capacitor 150. A regulator 160 that adjusts the voltage to the external load Z0 with low dropout (LDO), a clock generator (other clock generator) 125 that drives the charge pump 135, a boost voltage of the charge pump 135, and a reference voltage (load) Voltage), a shutdown circuit 95 that compares the boosted voltage of the charge pump 135 with a reference voltage to instruct shutdown, a comparison result of the comparator 116, and an output of the shutdown circuit 95. Determination to determine whether the charge pump 135 needs to be driven And a 74.

(動作の説明)
図1及び図2に示したブロック図において、動作の説明を以下の動作パターン毎に分けて説明する。
(1)ユビキタス電源としての電圧コンディショニングの準備段階であるスタートアップ回路の動作。
(2)太陽光を高効率に充電するためのMPP(Maximum Power Point)制御の動作、及び入力電圧に応じてメインキャパシタ(主蓄電部)400への電圧をほぼ一定値に近い形で充電するための動作。
(3)メインキャパシタ400とワークキャパシタ150とを併用した、出力電圧の調整及び高効率放電が可能な方式に関する動作。
(4)シャットダウンに関する動作。
(Description of operation)
In the block diagrams shown in FIGS. 1 and 2, the operation will be described separately for each of the following operation patterns.
(1) The operation of the start-up circuit as a preparation stage for voltage conditioning as a ubiquitous power supply.
(2) MPP (Maximum Power Point) control operation for charging sunlight with high efficiency, and charging the voltage to the main capacitor (main power storage unit) 400 in a form close to a constant value according to the input voltage. Operation for.
(3) An operation related to a method capable of adjusting the output voltage and performing high-efficiency discharge using the main capacitor 400 and the work capacitor 150 in combination.
(4) Operation related to shutdown.

(1)ユビキタス電源としてのスタートアップ回路の動作
ユビキタス電源は、周囲に偏在している太陽光などの不安定なエネルギー源が供給されるのみである。そのため、エネルギー源からのパワーだけを用いて充放電の制御を行うためには、不安定な入力エネルギーから各種スタートアップの準備が必要となる。
(1) Operation of Start-up Circuit as Ubiquitous Power Supply The ubiquitous power supply is only supplied with unstable energy sources such as sunlight that is unevenly distributed around it. Therefore, in order to control charging / discharging using only the power from the energy source, it is necessary to prepare for various startups from unstable input energy.

図4は、入力エネルギー源を太陽光とした場合における、スタートアップ時のブロック図である。図4のブロック図を用いて動作の説明を行う。
太陽電池10からの出力エネルギーはブートキャパシタ20及びプリチャージキャパシタ50に所定の電圧まで蓄えられ、電力放電される必要がある。ブートキャパシタ20の目的は、チャージブロック200、及びワークブロック300の回路内において参照する基準電圧を生成することである。
FIG. 4 is a block diagram at start-up when the input energy source is sunlight. The operation will be described with reference to the block diagram of FIG.
The output energy from the solar cell 10 is stored up to a predetermined voltage in the boot capacitor 20 and the precharge capacitor 50 and needs to be discharged. The purpose of the boot capacitor 20 is to generate a reference voltage to be referenced in the circuits of the charge block 200 and the work block 300.

また、プリチャージキャパシタ50は(詳細は後述するが)、メインキャパシタ(主蓄電部)400に対してチャージアップする際に高効率充電するためのチャージ溜めの役割を担う。
ブートキャパシタ20は、太陽電池10から第1のスイッチ素子30,ダイオードD2を介して充電さる。この第1のスイッチ素子30は、最適な状態(MPP:Maximum Power Point)で蓄電するための太陽電池10の開放電圧測定と、ブートキャパシタ20側への充電を交互に行うために取り付けられている。すなわち、第1のスイッチ素子30は、電圧モニタ60側(a側)に切り換え、太陽電池10の開放電圧を測定する測定期間と、ブートキャパシタ20側(b側)に切り換え、充電する充電期間とを切り換えている。なお、そのデューティー比(ブート側への給電時間に対するMPPサンプリング側への給電時間の割合)は数%以下の小さい値で構わない。
In addition, the precharge capacitor 50 (which will be described in detail later) plays a role of a charge reservoir for charging with high efficiency when the main capacitor (main power storage unit) 400 is charged up.
The boot capacitor 20 is charged from the solar cell 10 via the first switch element 30 and the diode D2. The first switch element 30 is attached to alternately perform the open-circuit voltage measurement of the solar cell 10 for storing electricity in an optimum state (MPP: Maximum Power Point) and the charging to the boot capacitor 20 side. . That is, the first switch element 30 is switched to the voltage monitor 60 side (a side) to measure the open circuit voltage of the solar cell 10, and the charging period to switch to the boot capacitor 20 side (b side) and charge. Is switched. Note that the duty ratio (ratio of the power supply time to the MPP sampling side with respect to the power supply time to the boot side) may be a small value of several percent or less.

また,ブートキャパシタ20への充電電圧に応じて、基準電圧生成器80は、バンドギャップ回路等が基準電圧を生成する。例えば、基準電圧生成器80は、1.3Vの一定電圧を生成する。その生成電圧は、参照電圧を必要とする各所に送られ、その参照電圧は、本回路内での各種制御電圧として用いられる。 Further, according to the charging voltage to the boot capacitor 20, the reference voltage generator 80 generates a reference voltage using a band gap circuit or the like. For example, the reference voltage generator 80 generates a constant voltage of 1.3V. The generated voltage is sent to various places that require a reference voltage, and the reference voltage is used as various control voltages in this circuit.

一方、太陽電池10からプリチャージキャパシタ50への充電は、第2のスイッチ素子35を介して行われる。ブートキャパシタ20が、基準電圧に到達するまではプリチャージキャパシタ50への充電をスタートしないように制御するため(まずは十分ブートキャパシタ20に蓄電してスタートアップ動作を安定させ)。レベルシフタ45は、バンドギャップ電圧の時間変化がないことを検知して、変化がなくなった(バンドギャップ電圧に到達)ところで、第2のスイッチ素子35をオンしてブートキャパシタ20へのチャージを始める。すなわち、第2のスイッチ素子35は、ブートキャパシタ20が所定の電圧値にチャージされた状態で時間をおいてから導通するようにしている。 On the other hand, charging from the solar cell 10 to the precharge capacitor 50 is performed via the second switch element 35. In order to control so that the precharge capacitor 50 does not start to be charged until the boot capacitor 20 reaches the reference voltage (firstly, the boot capacitor 20 is charged enough to stabilize the start-up operation). The level shifter 45 detects that the band gap voltage does not change with time, and when the change disappears (reaches the band gap voltage), the second switch element 35 is turned on to start charging the boot capacitor 20. That is, the second switch element 35 is turned on after a while in a state where the boot capacitor 20 is charged to a predetermined voltage value.

サンプルホールド周期発生器40は、RC発振回路やリングオシレータ等を内蔵し、第1のスイッチ素子30のスイッチングタイミングを制御する。これにより、第1のスイッチ素子30による測定期間と充電期間との切り替えが周期的に行われ、光量の変動により逐次変動する開放電圧の変動に対応することができ、測定された開放電圧を用いてMPP電圧が適切に設定される。
また、第1のスイッチ素子30は、高効率なユビキタス電源には不可欠であり、例えば第1のスイッチ素子30にて切り替えを行わなければ、MPP制御のために常に給電が必要となり、その際は蓄電されず消費されることにもなる。
The sample and hold period generator 40 incorporates an RC oscillation circuit, a ring oscillator, and the like, and controls the switching timing of the first switch element 30. Thereby, the switching between the measurement period and the charging period by the first switch element 30 is periodically performed, and it is possible to cope with the fluctuation of the open-circuit voltage that sequentially varies due to the fluctuation of the light amount, and the measured open-circuit voltage is used. Thus, the MPP voltage is set appropriately.
The first switch element 30 is indispensable for a high-efficiency ubiquitous power supply. For example, unless switching is performed by the first switch element 30, power supply is always required for MPP control. It is consumed without being stored.

第1のスイッチ素子30,第2のスイッチ素子35は、太陽電池10からの入力電圧を制御することになるが、一般的にMOSスイッチなどで制御を行う際に、その電圧値より大きな電圧でのスイッチ(ゲート)制御が必要となる。このため、レベルシフタ45は、サンプルホールド周期発生器40の出力電圧よりも高い電圧を生成し、MOSスイッチを駆動している。
サンプルホールド周期発生器40、レベルシフタ45、あるいはこれらに付随する各種ゲートには、ダイオードD1を介して太陽電池10の発電電力が供給される。
The first switch element 30 and the second switch element 35 control the input voltage from the solar cell 10. Generally, when the control is performed by a MOS switch or the like, a voltage larger than the voltage value is used. Switch (gate) control is required. Therefore, the level shifter 45 generates a voltage higher than the output voltage of the sample and hold period generator 40, and drives the MOS switch.
The power generated by the solar cell 10 is supplied to the sample-and-hold period generator 40, the level shifter 45, or various gates associated therewith via the diode D1.

このように、ユビキタス電源を成立させるために必要な回路は、ブートキャパシタ20、基準電圧生成器80、太陽光最適制御(周囲エネルギー収穫のための変換素子と充電回路のマッチング制御をする)のための、第1のスイッチ素子30、この第1のスイッチ素子30を制御するためのサンプルホールド周期発生器40、及びレベルシフタ45が必要な基本構成要素である。それに,第2のスイッチ素子35を加えてブートキャパシタに十分充電されてからプリチャージを行う。なお、図4の回路において、太陽電池10は、後段に逆電流防止用のダイオードD1と、過電圧保護用のチェナダイオードDzとを設け、ダイオードD1を介してサンプルホールド周期発生器40、レベルシフタ45、及び第1のスイッチ素子30,第2のスイッチ素子35の電源端子Vddに給電している。なお、比較器110は、プリチャージキャパシタ50から電源端子Vddまで給電されている。 As described above, the circuits necessary for establishing the ubiquitous power supply are for the boot capacitor 20, the reference voltage generator 80, and the optimal solar control (matching control between the conversion element and the charging circuit for harvesting the ambient energy). The first switch element 30, the sample hold period generator 40 for controlling the first switch element 30, and the level shifter 45 are basic components. In addition, the second switch element 35 is added to precharge the boot capacitor after it is sufficiently charged. In the circuit of FIG. 4, the solar cell 10 is provided with a reverse current prevention diode D1 and an overvoltage protection diode Dz in the subsequent stage, and a sample hold period generator 40, a level shifter 45, The power is supplied to the power supply terminal Vdd of the first switch element 30 and the second switch element 35. The comparator 110 is fed from the precharge capacitor 50 to the power supply terminal Vdd.

(2)MPP制御、メインキャパシタへの充電時の動作
次に、太陽エネルギーを高効率に蓄電するためのMPP制御の動作の説明、及び入力電圧に応じてメインキャパシタ400にほぼ一定電圧で充電するための動作説明を行う。
図5は、チャージアップ時のブロック図である。電圧モニタ60は、第1のスイッチ素子30を介して太陽電池10の開放電圧Vocをモニタし、MPP電圧生成器65は、開放電圧Vocを分圧してMPP電圧を生成する。MPP電圧は、通常、太陽電池10の開放電圧Vocの0.7倍から0.78倍相当の電圧に設定され、例えば、抵抗分圧やダイオードのオン抵抗を用いて開放電圧の0.76倍位に設定される。比較器110は、ヒステリシスコンパレータであり、MPP電圧とプリチャージキャパシタ50に充電された充電電圧(プリチャージ電圧)とを比較する。すなわち、比較器110は、プリチャージ電圧がMPP電圧を少し超えたところで、ヒステリシスコンパレータ出力がオンになり、少し下回ったところでヒステリシスコンパレータ出力がオフになる。比較器110の出力は、アンドゲートである判定器72を介してチャージポンプ130のアサート信号となる。
(2) Operation at the time of charging MPP control and main capacitor Next, description of the operation of MPP control for storing solar energy with high efficiency and charging the main capacitor 400 at a substantially constant voltage according to the input voltage. The operation for this will be described.
FIG. 5 is a block diagram at the time of charge-up. The voltage monitor 60 monitors the open circuit voltage Voc of the solar cell 10 via the first switch element 30, and the MPP voltage generator 65 divides the open circuit voltage Voc to generate the MPP voltage. The MPP voltage is normally set to a voltage equivalent to 0.7 to 0.78 times the open circuit voltage Voc of the solar cell 10, for example, 0.76 times the open circuit voltage using resistance voltage division or diode on-resistance. Is set. The comparator 110 is a hysteresis comparator, and compares the MPP voltage with the charge voltage (precharge voltage) charged in the precharge capacitor 50. That is, the comparator 110 turns on the hysteresis comparator output when the precharge voltage slightly exceeds the MPP voltage, and turns off the hysteresis comparator output when it falls slightly below. The output of the comparator 110 becomes an assert signal of the charge pump 130 via the determiner 72 which is an AND gate.

まずは、比較器115,116の出力に接続された判定器72の他の入力を無視して説明する。この場合の動作として、MPP電圧付近でチャージポンプ130がオンになるので、常に、太陽電池10は、最大パワーを供給できる状態で接続されていることになる。一方、チャージポンプ130側は、MPP電圧を超え第1のスイッチ素子30が導通した際、メインキャパシタ400が十分にチャージされていないので、低インピーダンスの状態になっている。
このため、メインキャパシタ400は、プリチャージキャパシタ50から急速に電流が流れ、充電される。その結果、プリチャージキャパシタ50は、放電し電圧降下が起きる。そこで、プリチャージキャパシタ50の電圧がMPP電圧から5%〜10%程度電圧値が下がったところで、チャージポンプ130が停止すると共に、第1のスイッチ素子30がオフ状態になる。その後、再びプリチャージキャパシタ50に充電が開始され同じことを繰り返し、メインキャパシタ400の充電が進み電圧が上がる。
First, the description will be made ignoring other inputs of the determination unit 72 connected to the outputs of the comparators 115 and 116. As an operation in this case, since the charge pump 130 is turned on near the MPP voltage, the solar cell 10 is always connected in a state where the maximum power can be supplied. On the other hand, the charge pump 130 is in a low impedance state because the main capacitor 400 is not sufficiently charged when the MPP voltage is exceeded and the first switch element 30 is turned on.
For this reason, the main capacitor 400 is charged by a rapid current flow from the precharge capacitor 50. As a result, the precharge capacitor 50 is discharged and a voltage drop occurs. Therefore, when the voltage value of the precharge capacitor 50 decreases by about 5% to 10% from the MPP voltage, the charge pump 130 is stopped and the first switch element 30 is turned off. Thereafter, the precharge capacitor 50 is charged again and the same is repeated, and the main capacitor 400 is charged and the voltage is increased.

なお、前記説明では、比較器110は、MPP電圧と、このMPP電圧から5%〜10%程度の所定電圧(ヒステリシス電圧ΔV(図6(b)))下がった電圧値との間でヒステリシス比較するように設定したが、MPP電圧と、このMPP電圧から所定電圧上がった電圧値との間で比較してもよく、MPP電圧から所定電圧上がった電圧と所定電圧下がった電圧との間で比較してもよい。すなわち、プリチャージキャパシタ50の電圧がMPP電圧近傍に制御されればよい。 In the above description, the comparator 110 compares the hysteresis between the MPP voltage and a voltage value that is about 5% to 10% lower than the MPP voltage (hysteresis voltage ΔV (FIG. 6B)). However, the MPP voltage may be compared with a voltage value that is higher than the MPP voltage by a predetermined voltage, or may be compared between a voltage that is higher than the MPP voltage by a predetermined voltage and a voltage that is lower than the predetermined voltage. May be. That is, the voltage of the precharge capacitor 50 may be controlled near the MPP voltage.

図6(a)は、太陽電池10のI−V特性(電流電圧特性)を図示している。図6(b)は、プリチャージキャパシタでの充放電の時間的変化を示しており、図6(c)は、メインキャパシタでの充電の時間的変化を示している。
図6(a)において、横軸は電流Iを示し、縦軸は電圧Vを示している。太陽電池10に所定の太陽光が照射され、光エネルギーが入力されている場合の太陽電池10には、電流I=0のとき、開放電圧Vocが発生し、電圧V=0のとき、短絡電流Iscが流れる。なお、この短絡電流Iscは、光量に応じて値が増減する。
太陽電池10は、I=0から徐々に電流を増加すると、内部抵抗のため、開放電圧Vocから徐々に電流が低下する傾向がある。電圧Vと電流Iとの積が最大となる点がMPP(Maximum Power Point)であり、この点の電圧がMPP電圧である。
比較器110(図1,4)は、ヒステリシス幅をΔVとして、MPP電圧と、(MPP電圧−ΔV)との間にプリチャージキャパシタ50の電圧が納まるように制御する。
すなわち、図6(b)のように、プリチャージキャパシタ50の電圧がMPP電圧よりも小さいときは、チャージポンプ130が停止し、太陽電池10の発電電力が流入するので、プリチャージキャパシタ50の電圧が直線的に増加し、プリチャージキャパシタ50の電圧がMPP電圧よりも大きくなると、チャージポンプ130が駆動し、プリチャージキャパシタ50の電圧が低下する。
FIG. 6A illustrates the IV characteristics (current-voltage characteristics) of the solar cell 10. FIG. 6B shows a temporal change in charging / discharging in the precharge capacitor, and FIG. 6C shows a temporal change in charging in the main capacitor.
In FIG. 6A, the horizontal axis indicates the current I, and the vertical axis indicates the voltage V. When the solar cell 10 is irradiated with predetermined sunlight and light energy is input, the open voltage Voc is generated when the current I = 0, and the short-circuit current when the voltage V = 0. Isc flows. Note that the value of the short-circuit current Isc increases or decreases according to the amount of light.
When the current is gradually increased from I = 0, the solar cell 10 tends to gradually decrease from the open circuit voltage Voc due to internal resistance. The point where the product of the voltage V and the current I is maximum is MPP (Maximum Power Point), and the voltage at this point is the MPP voltage.
Comparator 110 (FIGS. 1 and 4) sets the hysteresis width to ΔV and controls so that the voltage of precharge capacitor 50 falls between MPP voltage and (MPP voltage−ΔV).
That is, as shown in FIG. 6B, when the voltage of the precharge capacitor 50 is smaller than the MPP voltage, the charge pump 130 is stopped and the generated power of the solar cell 10 flows, so the voltage of the precharge capacitor 50 Increases linearly, and the voltage of the precharge capacitor 50 becomes larger than the MPP voltage, the charge pump 130 is driven, and the voltage of the precharge capacitor 50 decreases.

このとき、図6(c)のように、メインキャパシタ400の電圧は、チャージポンプ130の駆動時に一定電圧ΔVだけ上昇し、時間の変化と共に、電圧の上昇が繰り返され、定格電圧Vまで上昇する。 At this time, as shown in FIG. 6 (c), the voltage of the main capacitor 400 is raised at the time of driving the pump 130 by a predetermined voltage [Delta] V N, with a change in time, increase of the voltage are repeated until the rated voltage V R To rise.

次に、判定器72のアンドゲートについて説明を加える。
比較器110によるMPP制御と共に、最大印加電圧以上の電圧を加えるとメインキャパシタ400の破壊を起こす危険がある。
また、少ない電力を有効活用するため、安定電圧が得られるメインキャパシタ400がチャージポンプ130やクロック発生器120などに電源電圧を供給しているが、メインキャパシタ400は、図6(c)に示すように低い電圧から徐々に昇圧されるのでチャージポンプ130等の動作が不安定になる。それを避けるため、チャージポンプ130が始動する電圧を設定して、この設定電圧を超えるとチャージポンプ130が始動する制御が必要となる。
Next, the AND gate of the determiner 72 will be described.
When a voltage higher than the maximum applied voltage is applied together with the MPP control by the comparator 110, there is a risk that the main capacitor 400 is destroyed.
Further, in order to effectively use a small amount of power, the main capacitor 400 capable of obtaining a stable voltage supplies the power supply voltage to the charge pump 130, the clock generator 120, and the like. The main capacitor 400 is shown in FIG. Since the voltage is gradually increased from a low voltage, the operation of the charge pump 130 and the like becomes unstable. In order to avoid this, it is necessary to set a voltage at which the charge pump 130 is started, and to control the charge pump 130 when the set voltage is exceeded.

このため、充放電装置1000は、判定器72を設けて、ヒステリシスコンパレータである比較器110を用いたMPP制御と共に最大印加電圧(例えば、電気二重層キャパシタでは通常2.5Vなど)でチャージを止める動作と、チャージポンプ130の始動をかける制御とを同時に実行している。
つまり、プリチャージキャパシタ50の電圧がMPP電圧を下回ったときの比較器110の判定結果と、メインキャパシタ400の電圧が最大印加電圧に到達したときの比較器115の判定結果と、メインキャパシタ400の電圧がチャージポンプ130を駆動するに十分な電圧に到達してないときの比較器116の比較結果との出力端のアンドを取って、チャージアップをストップして充電を止めることができるようにチャージポンプ130のオン・オフを決定している。なお、比較器116と分圧器65aとでシャットダウン回路90を構成する。
For this reason, the charging / discharging device 1000 is provided with a determination unit 72 and stops charging at the maximum applied voltage (for example, usually 2.5 V for an electric double layer capacitor) together with MPP control using the comparator 110 which is a hysteresis comparator. The operation and the control for starting the charge pump 130 are executed simultaneously.
That is, the determination result of the comparator 110 when the voltage of the precharge capacitor 50 falls below the MPP voltage, the determination result of the comparator 115 when the voltage of the main capacitor 400 reaches the maximum applied voltage, When the voltage does not reach a voltage sufficient to drive the charge pump 130, the output of the comparator 116 is ANDed so that the charge-up can be stopped and the charge can be stopped. The on / off state of the pump 130 is determined. The comparator 116 and the voltage divider 65a constitute a shutdown circuit 90.

分圧器65a,65bは、メインキャパシタ400のスタートアップ電圧やメインキャパシタ400の最大印加電圧の設定を行うために設けられており、基準電圧を抵抗器の分圧比で分圧することで容易に設定可能である。基準電圧が低い場合は、メインキャパシタ400のモニタ電圧も分圧して比較すればよい。またチャージポンプ130を動作させるためのクロック発生器120に関しても、チャージポンプ130と同様にMPP制御と最大印加電圧の制御と、スタートアップ電圧での制御とを行う。 The voltage dividers 65a and 65b are provided for setting the start-up voltage of the main capacitor 400 and the maximum applied voltage of the main capacitor 400, and can be easily set by dividing the reference voltage by the voltage dividing ratio of the resistor. is there. When the reference voltage is low, the monitor voltage of the main capacitor 400 may be divided and compared. As for the clock generator 120 for operating the charge pump 130, similarly to the charge pump 130, MPP control, maximum applied voltage control, and start-up voltage control are performed.

また、チャージポンプ130が十分に起動できない場合、即ちメインキャパシタ400に十分なチャージがなされていない場合は、プリチャージキャパシタ50から、チャージアップを行わないで低電圧にて充電するパスを設けることにより、低電圧の状態から充電が可能になる。
最終段スイッチ素子38、及び比較器112は、このために設けられており、メインキャパシタ400の電圧と基準電圧(チャージポンプ130の始動が可能となる電圧値に調整されている。)との比較を行い、チャージポンプ130の動作が可能となったら最終段スイッチ素子38をオフし、チャージポンプ130のルートで充電する設定とする。最終段スイッチ素子38を設けず短絡状態であれば、太陽電池10は、メインキャパシタ400に低電圧で徐々にチャージアップする。しかしながら、この状態では、チャージポンプ130は稼働していないので昇圧充電はできない。
Further, when the charge pump 130 cannot be activated sufficiently, that is, when the main capacitor 400 is not sufficiently charged, a path for charging at a low voltage without charging up is provided from the precharge capacitor 50. The battery can be charged from a low voltage state.
The last-stage switch element 38 and the comparator 112 are provided for this purpose, and compare the voltage of the main capacitor 400 with a reference voltage (adjusted to a voltage value at which the charge pump 130 can be started). When the operation of the charge pump 130 becomes possible, the final stage switch element 38 is turned off, and charging is performed through the route of the charge pump 130. If the final-stage switch element 38 is not provided and the solar cell 10 is in a short circuit state, the solar cell 10 gradually charges up the main capacitor 400 at a low voltage. However, in this state, the charge pump 130 is not in operation, so boost charge cannot be performed.

次に、チャージポンプ130のチャージ電圧倍率の設定方法について説明する。太陽電池10の発電電圧は一段の太陽電池素子で3V程度であり、ダイオードD1(図4)の電圧降下後、メインキャパシタ400に最大印加電圧2.5V程度の電気二重層キャパシタを使用するのが適切であるが、微少太陽光では、発電電圧が低下するので、メインキャパシタ400に所定の電圧で蓄電するためには、チャージアップの倍率を変えなければならない。また、太陽電池10の段数によって発電電圧が、可変なので(例えば、2V位〜数十V)、チャージアップの倍率を可変にすることは適切である。 Next, a method for setting the charge voltage magnification of the charge pump 130 will be described. The generated voltage of the solar cell 10 is about 3V in a single-stage solar cell element, and an electric double layer capacitor having a maximum applied voltage of about 2.5V is used for the main capacitor 400 after the voltage drop of the diode D1 (FIG. 4). Although it is appropriate, since the power generation voltage is reduced in minute sunlight, in order to store the main capacitor 400 at a predetermined voltage, the charge-up magnification must be changed. In addition, since the generated voltage is variable depending on the number of stages of the solar cells 10 (for example, about 2V to several tens of volts), it is appropriate to make the charge-up magnification variable.

そこで、比較器118が太陽電池10の電圧値とメインキャパシタ400にチャージする所望の電圧値との比較を行い、電圧値の大小にてチャージポンプ130の中のチャージ倍率の切り替えを行う。なお、チャージポンプ130は、内部にチャージ倍率に見合ったスイッチ素子とキャパシタとが用意されている。切り換え倍率は、所望のチャージ電圧を設定する際に、分圧器65cを用いて基準電圧の抵抗分圧を行うことなどにより容易に切り換えることができる。 Therefore, the comparator 118 compares the voltage value of the solar cell 10 with a desired voltage value charged in the main capacitor 400, and switches the charge magnification in the charge pump 130 according to the magnitude of the voltage value. The charge pump 130 is provided with a switch element and a capacitor corresponding to the charge magnification. The switching magnification can be easily switched by setting the resistance voltage of the reference voltage using the voltage divider 65c when setting a desired charge voltage.

また、ブートキャパシタ20の電圧がメインキャパシタ400の電圧より低下してしまった際に正確な基準電圧が得られなくなるなどの問題が生じる。このため、メインキャパシタ400からダイオードD4(図5)を介してブートキャパシタ20に結線し、ブートキャパシタ20の電圧が低下した際、メインキャパシタ400からのチャージが可能となっている。 Further, there arises a problem that an accurate reference voltage cannot be obtained when the voltage of the boot capacitor 20 is lower than the voltage of the main capacitor 400. For this reason, when the main capacitor 400 is connected to the boot capacitor 20 via the diode D4 (FIG. 5) and the voltage of the boot capacitor 20 decreases, the main capacitor 400 can be charged.

(3)メインキャパシタ400とワークキャパシタ150(図7)とを併用した、出力電圧の調整、及び高効率放電が可能な方式に関する動作(ディスチャージ動作)
図7は、ワーク(ディスチャージ)時のブロック図である。ワークブロック300は、メインキャパシタ400に蓄電されたチャージが2つの経路を辿ってワークキャパシタ150に蓄電されるように構成されている。
一方の経路はチャージポンプ135により出力電圧に見合った電圧に昇圧されて、ワークキャパシタ150にチャージされる経路であり、他方の経路はメインキャパシタ400より逆流防止のためのダイオードD5を介してワークキャパシタ150にチャージされる経路である。ダイオードD5を介する経路はワークキャパシタ150に十分蓄電されるまでの間(チャージポンプ135が動作できる電圧に至るまで)の低電圧時にチャージされる経路であり、もう一方はチャージポンプ135が動作可能となった際にチャージアップ(ダウン)されてワークキャパシタ150にチャージされる経路である。
(3) Operation related to a method capable of adjusting the output voltage and performing high-efficiency discharge using the main capacitor 400 and the work capacitor 150 (FIG. 7) in combination (discharge operation)
FIG. 7 is a block diagram at the time of work (discharge). The work block 300 is configured such that the charge stored in the main capacitor 400 is stored in the work capacitor 150 along two paths.
One path is boosted to a voltage corresponding to the output voltage by the charge pump 135 and charged to the work capacitor 150, and the other path is connected to the work capacitor 150 from the main capacitor 400 via the diode D5 for preventing backflow. 150 is a route charged to 150. The path through the diode D5 is a path that is charged at a low voltage until the work capacitor 150 is sufficiently charged (until the voltage at which the charge pump 135 can operate), and the other is that the charge pump 135 can operate. This is a path in which the work capacitor 150 is charged up (down) and charged to the work capacitor 150.

チャージポンプ135は、ワークキャパシタ150の電圧がチャージポンプ135の動作電圧に達した際にアサートされ、ワークキャパシタ150の電圧が使用したい機器(外部負荷)の電圧付近に到達したところでデアサートされる。
2つの比較器116,117は、ヒステリシスコンパレータからなり、基準電圧と、ワークキャパシタ150の電圧をそれぞれ分圧器65d、分圧器65eで分圧された分圧電圧とを比較し、判定器74が比較した出力結果のアンドを取る。これにより、ワークキャパシタ150の電圧がチャージポンプ130の始動電圧より高く、外部負荷の出力電圧より低ければクロック発生器125とチャージポンプ130とがアサートされ、チャージポンプ130を介してメインキャパシタ400からワークキャパシタ150にチャージされる。
The charge pump 135 is asserted when the voltage of the work capacitor 150 reaches the operating voltage of the charge pump 135, and is deasserted when the voltage of the work capacitor 150 reaches near the voltage of the device (external load) that the user wants to use.
The two comparators 116 and 117 are composed of hysteresis comparators, which compare the reference voltage with the divided voltage obtained by dividing the voltage of the work capacitor 150 by the voltage divider 65d and the voltage divider 65e, respectively. And take the output result. As a result, if the voltage of the work capacitor 150 is higher than the starting voltage of the charge pump 130 and lower than the output voltage of the external load, the clock generator 125 and the charge pump 130 are asserted, and the work capacitor 150 receives the work from the main capacitor 400 via the charge pump 130. The capacitor 150 is charged.

ワークキャパシタ150が規定の最大電圧(負荷の使用電圧)に到達したところでチャージポンプ135は一時停止するが、外部負荷によって電力が消費された分だけ電圧が低下し、再びチャージポンプ135が動き出す。結果的に、ワークキャパシタ150ではヒステリシスコンパレータからなる比較器116のヒステリシス電圧の間を往復し、所望の出力電圧がワークキャパシタ150から供給される。 The charge pump 135 temporarily stops when the work capacitor 150 reaches a prescribed maximum voltage (use voltage of the load). However, the voltage is lowered by the amount of power consumed by the external load, and the charge pump 135 starts again. As a result, the work capacitor 150 reciprocates between the hysteresis voltages of the comparator 116 including the hysteresis comparator, and a desired output voltage is supplied from the work capacitor 150.

さらに、安定した出力を得るためにワークキャパシタ150の後段にロードロップアウト電源(LDO)などのレギュレータ160を接続し、外部負荷Z0に所望の電圧を与えている。
ここで、チャージポンプ130のスタートアップ電圧を決定している比較器(ヒステリシスコンパレータ)117は低電圧時に蓄電容量がふらついた際に、それがノイズとなるので、ノイズ防止、或いはジッタなどのピーク電圧が起きないようにするためにヒステリシスコンパレータとしている(ヒステリシスがなくても可能)。
Further, in order to obtain a stable output, a regulator 160 such as a low dropout power supply (LDO) is connected to the subsequent stage of the work capacitor 150 to give a desired voltage to the external load Z0.
Here, the comparator (hysteresis comparator) 117 that determines the start-up voltage of the charge pump 130 becomes a noise when the storage capacity fluctuates at a low voltage, so that a peak voltage such as noise prevention or jitter is generated. A hysteresis comparator is used to prevent this from happening (it is possible without hysteresis).

チャージポンプ135、判定器(アンドゲート)74、クロック発生器125、レギュレータ160、比較器(ヒステリシスコンパレータ)116,117への電源電圧は最も高い電圧を有しているワークキャパシタ150から供給する(所望の出力電圧がメインキャパシタ400の充電電圧より低い場合はメインキャパシタ400より供給しても構わない)。
前記のような構成をとることで、外部負荷Z0に流れる電流が大きいときには、チャージポンプ135が常に動作し、メインキャパシタ400より電力が供給されることになり、外部負荷Z0に流れる電流が小さいときにはワークキャパシタ150の電圧は、比較器(ヒステリシスコンパレータ)116のヒステリシス電圧内に止まり続けるため、ワークキャパシタ150のみから外部負荷Z0に電力が供給され、チャージポンプ135からは全く電力を供給しない。
The power supply voltage to the charge pump 135, the determination unit (AND gate) 74, the clock generator 125, the regulator 160, and the comparators (hysteresis comparators) 116 and 117 is supplied from the work capacitor 150 having the highest voltage (desired) May be supplied from the main capacitor 400 when the output voltage is lower than the charging voltage of the main capacitor 400).
By adopting the configuration as described above, when the current flowing through the external load Z0 is large, the charge pump 135 always operates and power is supplied from the main capacitor 400, and when the current flowing through the external load Z0 is small. Since the voltage of the work capacitor 150 continues to stay within the hysteresis voltage of the comparator (hysteresis comparator) 116, power is supplied only from the work capacitor 150 to the external load Z0, and no power is supplied from the charge pump 135.

よって、大電力を消費する際にはある程度チャージなどの電力を消費しても、外部負荷Z0がスタンバイ時には、消費するパワーが小さいので、全くチャージポンプ135などの放電回路で電力を消費しない。一般的にスタンバイ時間は長く、従来は、例え微弱な電力消費であっても、常にキャパシタからレギュレータ160で電圧コンディショニングを行って(電力を消費して)、パワーを供給していたのに対し、本方式では、長時間のスタンバイでは全く電力を消費せず、ワークキャパシタ150のみからの電力供給が可能となり、大電力時のみチャージポンプ135で電力を消費するため、トータルでの消費電力を著しく低減できるという効果がある。 Therefore, even when power such as charging is consumed to some extent when consuming a large amount of power, the power consumed by the external load Z0 is small when the external load Z0 is on standby, so that no power is consumed by the discharge circuit such as the charge pump 135. In general, the standby time is long. Conventionally, even if the power consumption is weak, voltage regulation is always performed by the regulator 160 from the capacitor (consuming power) to supply power. In this method, no power is consumed in standby for a long time, power can be supplied only from the work capacitor 150, and power is consumed by the charge pump 135 only at high power, so the total power consumption is significantly reduced. There is an effect that can be done.

(4)シャットダウンに関する動作
(1)スタートアップ動作、及び(2)チャージアップ動作では、太陽電池10からの入力電圧がある一定値を下回ったところで(基準電圧の分圧にて参照電圧を作成)、シャットダウンを行う。シャットダウンは、各アクティブ素子の入力に対してNMOSスイッチを取り付け、NMOSトランジスタのゲートをアサートして、入力をグランドレベルに落とすなどのオフ動作とする。シャットダウンは各アクティブ素子(チャージポンプ130、クロック発生器125、コンパレータ110など)に対して行う。
(4) Operation related to shutdown (1) Start-up operation and (2) Charge-up operation, when the input voltage from the solar cell 10 falls below a certain value (creates a reference voltage by dividing the reference voltage), Shut down. The shutdown is an off operation such as attaching an NMOS switch to the input of each active element, asserting the gate of the NMOS transistor, and dropping the input to the ground level. The shutdown is performed for each active element (charge pump 130, clock generator 125, comparator 110, etc.).

(3)ディスチャージ動作に関しては、ワークキャパシタ150の電圧と基準電圧とを比較するなどして、ワークキャパシタ150の電圧が、チャージポンプ135の始動のための電圧より小さい場合、各種、アクティブ素子(チャージポンプ135、クロック発生器125、比較器114、レギュレータ160)のシャットダウンを行う。このとき、メインキャパシタ400の電圧が低下していても、所望の出力電圧が発生しないので、ワークキャパシタ150、及びメインキャパシタ400の何れか一方又は双方の電圧が一定値以下のときにシャットダウンする。
充放電装置1000は、これらのシャットダウン動作を行うことで、チャージブロック200、及びワークブロック300にてそれぞれ個別にシャットダウンの管理が可能となり、ユビキタス電源として有効な充放電が行われ、無駄な電力消費を抑える低消費電力動作が可能となる。
(3) Regarding the discharge operation, when the voltage of the work capacitor 150 is smaller than the voltage for starting the charge pump 135 by comparing the voltage of the work capacitor 150 with a reference voltage, various active elements (charge The pump 135, the clock generator 125, the comparator 114, and the regulator 160) are shut down. At this time, even if the voltage of the main capacitor 400 is lowered, a desired output voltage is not generated. Therefore, the shutdown is performed when the voltage of one or both of the work capacitor 150 and the main capacitor 400 is a predetermined value or less.
By performing these shutdown operations, the charging / discharging device 1000 can individually manage the shutdown in the charge block 200 and the work block 300, and effective charging / discharging as a ubiquitous power source is performed, resulting in wasteful power consumption. Low power consumption operation is possible.

例えば、太陽電池10を用いた場合、暗くなったらチャージは出来ないので、チャージブロック200をシャットダウンするが、ディスチャージは可能であり、全く使わないとき、若しくは、スタンバイ動作時は、ディスチャージのためのチャージポンプ135は全く動かず、チャージポンプ130によるチャージのみを行うといったエネルギー管理が可能になる。 For example, when the solar cell 10 is used, charging cannot be performed when it becomes dark, so the charge block 200 is shut down, but discharging is possible. When not in use or in standby operation, charging for discharging is performed. The pump 135 does not move at all, and energy management such that only charging by the charge pump 130 is performed becomes possible.

以上説明したように本実施形態によれば、
1.ブートブロック100は、太陽電池10を無負荷にして開放電圧Vocを測定する測定期間と、発電電力を蓄電部であるプリチャージキャパシタ50に充電する充電期間とを周期的に切り換える、第1のスイッチ素子30を設けた。さらに、チャージブロック200は、プリチャージキャパシタ50から昇圧器であるチャージポンプ130を介して主蓄電部であるメインキャパシタ400に蓄電するようになっている。また、測定された開放電圧Vocに所定値(例えば、0.76)を乗算して求めたMPP電圧と、プリチャージキャパシタ50の電圧とをヒステリシス比較して、チャージポンプ130を駆動するクロックのオン・オフを制御している。これにより、太陽電池10の入射光が微弱であり、開放電圧Vocが不安定である場合であっても、太陽電池10の供給電力(供給パワー)が最大となるMPP電圧の近傍でプリチャージキャパシタ50に充電される。
As described above, according to this embodiment,
1. The boot block 100 is a first switch that periodically switches between a measurement period in which the solar cell 10 is unloaded and the open circuit voltage Voc is measured, and a charging period in which the generated power is charged in the precharge capacitor 50 that is a power storage unit. An element 30 was provided. Further, the charge block 200 stores power from the precharge capacitor 50 to the main capacitor 400 as a main power storage unit via a charge pump 130 as a booster. Further, the MPP voltage obtained by multiplying the measured open circuit voltage Voc by a predetermined value (for example, 0.76) and the voltage of the precharge capacitor 50 are subjected to hysteresis comparison, and the clock for driving the charge pump 130 is turned on.・ Off is controlled. Thereby, even when the incident light of the solar cell 10 is weak and the open-circuit voltage Voc is unstable, the precharge capacitor near the MPP voltage at which the supply power (supply power) of the solar cell 10 becomes maximum. 50 is charged.

すなわち、微弱なパワーからハイパワーに至るまでの様々なエネルギー源を、パワーコンディショニングすることで(MPP制御)、蓄積効率の高いパワーで電気二重層キャパシタ等の主蓄電部に急速充電を行うことが可能である。
また、太陽電池10のセル段数が未定であり、開放電圧が不確定であっても、太陽電池10の開放電圧Vocを測定することにより、MPP電圧を容易に確定することができる。
In other words, by power-conditioning various energy sources ranging from weak power to high power (MPP control), it is possible to quickly charge the main power storage unit such as an electric double layer capacitor with high storage efficiency. Is possible.
Further, even if the number of cell stages of the solar battery 10 is undecided and the open circuit voltage is uncertain, the MPP voltage can be easily determined by measuring the open circuit voltage Voc of the solar battery 10.

特許文献1に開示された充放電方式では、ある程度の広い電圧値で用いるような照明用の電源としては使えるが、通信機器や精密機械などの安定した電源電圧を必要とする機器に接続することはできなかった。また、特許文献1に開示された充放電方式では、二次電池もしくはキャパシタに充電及び放電は可能であるが、太陽電池(発電素子)から得たパワーを高効率に充放電出来ない点、出力電圧を所望の電圧にフレキシブルに調整することができない点などの問題があった。
本実施形態の充放電装置1000は、これらの問題が解決され、小型であること、環境のエネルギーを効率よく吸収しうること、急速充放電特性に優れていること、高効率に充放電変換が可能であること、自立的なパワー制御が可能なこと、等を満足する。
The charging / discharging method disclosed in Patent Document 1 can be used as a power source for lighting that is used at a certain wide voltage value, but is connected to a device that requires a stable power source voltage such as a communication device or a precision machine. I couldn't. Moreover, in the charge / discharge system disclosed in Patent Document 1, the secondary battery or the capacitor can be charged and discharged, but the power obtained from the solar battery (power generation element) cannot be charged / discharged with high efficiency. There has been a problem that the voltage cannot be flexibly adjusted to a desired voltage.
The charge / discharge device 1000 of the present embodiment solves these problems, is small in size, can absorb environmental energy efficiently, has excellent rapid charge / discharge characteristics, and is highly efficient in charge / discharge conversion. Satisfied that it is possible and that independent power control is possible.

2.チャージポンプ130は、複数段のキャパシタで構成されており、昇圧倍率を可変することができるようになっている。この昇圧倍率は、比較器118(図5)が太陽電池10の電圧と基準電圧を抵抗分圧した分圧電圧とを比較して決定するようになっている。これにより、抵抗分圧比を変えるなどの簡易な設定を行うことのみで、蓄えたエネルギー源から出力したい電圧に調整することができる。 2. The charge pump 130 is composed of a plurality of stages of capacitors, so that the boosting magnification can be varied. The boosting magnification is determined by the comparator 118 (FIG. 5) comparing the voltage of the solar cell 10 with the divided voltage obtained by dividing the reference voltage by resistance. Thereby, it is possible to adjust the voltage to be output from the stored energy source only by performing simple setting such as changing the resistance voltage dividing ratio.

3.充放電装置1000は、ブートブロック100とチャージブロック200とワークブロック300とをワンチップ化することで小型化が可能である。また、チャージポンプ130の昇圧倍率を可変とし、ワークブロック300の昇圧段数を可変にすることにより、自由度が高くなり、入出力として個別に素子を選定する必要がない。 3. The charge / discharge device 1000 can be reduced in size by integrating the boot block 100, the charge block 200, and the work block 300 into one chip. Further, by making the boosting ratio of the charge pump 130 variable and making the number of boosting stages of the work block 300 variable, the degree of freedom is increased, and it is not necessary to individually select elements for input and output.

4.ワークブロック300は、チャージポンプ135の出力電圧、すなわちワークキャパシタ150の電圧が所定のヒステリシス範囲になるようにクロックがオン・オフ制御されるように構成されている。このため、大電力消費の際にはチャージポンプ135を駆動して、メインキャパシタ400からパワーを受給するようにし、低省電力消費の際には、チャージポンプ135をオフして、ワークキャパシタ150から放電するのみにすることができる。 4). The work block 300 is configured such that the clock is on / off controlled so that the output voltage of the charge pump 135, that is, the voltage of the work capacitor 150 falls within a predetermined hysteresis range. For this reason, when large power is consumed, the charge pump 135 is driven to receive power from the main capacitor 400, and when low power is consumed, the charge pump 135 is turned off and the work capacitor 150 is turned off. It can only be discharged.

これにより、接続する機器がスリープモード時のように小電力で長い時間をかけて消費する用途ではチャージポンプ135、及びクロック発生器125等のパワーコンディショナによる電力消費をなくすことができ、同じ出力端からハイパワー時、ローパワー時のそれぞれの状態に見合った高効率放電が可能となる。 This makes it possible to eliminate power consumption by the power conditioner such as the charge pump 135 and the clock generator 125 when the connected device consumes a long time with a small amount of power as in the sleep mode. High-efficiency discharge can be performed in accordance with each state at the time of high power and low power from the end.

5.ブートブロック100は、太陽電池10の電圧が所定値以上なければ、サンプルホールド周期発生器40、レベルシフタ45、判定器70,72、比較器110、クロック発生器120、及びチャージポンプ130をシャットダウンさせるシャットダウン回路90を備え、ワークブロック300は、チャージポンプ135の出力電圧、すなわち、ワークキャパシタ150の電圧が所定値以上なければ、判定器74を介してクロック発生器125、チャージポンプ135をシャットダウンすると共に、レギュレータ160をシャットダウンするように構成されている。
すなわち、太陽光等の自然エネルギーのみで、ウエイクアップ、やシャットダウン等のパワーコンディショニングが、自分自身で出来るので、外部電源を用意する必要がない。
また、レギュレータ160もシャットダウンされるので、出力可能な電圧値を下回った後に、余分な電力消費がない。
また、基準電圧生成器80やスイッチ素子30,35が十分に機能するところまで蓄電してウエイクアップしてチャージを始めるため、誤動作の発生が低減する。
5). The boot block 100 shuts down the sample and hold period generator 40, the level shifter 45, the determiners 70 and 72, the comparator 110, the clock generator 120, and the charge pump 130 if the voltage of the solar cell 10 is not a predetermined value or more. If the output voltage of the charge pump 135, that is, the voltage of the work capacitor 150 is not equal to or higher than a predetermined value, the work block 300 shuts down the clock generator 125 and the charge pump 135 via the determination unit 74, and The regulator 160 is configured to shut down.
That is, power conditioning such as wake-up and shutdown can be performed by natural energy alone such as sunlight, so there is no need to prepare an external power source.
In addition, since the regulator 160 is also shut down, there is no extra power consumption after the output voltage value falls below.
Further, since the reference voltage generator 80 and the switch elements 30 and 35 are charged until they sufficiently function and wake up to start charging, the occurrence of malfunctions is reduced.

6.主蓄電部であるメインキャパシタ400に対して蓄電する際、特に、電気二重層コンデンサを用いた場合、最大印加電圧以内に制限する電圧制限が必要となるが、本装置では簡易な外部での分圧抵抗器の調整にて所望の昇圧倍率にてメインキャパシタ400に蓄電することができる。 6). When power is stored in the main capacitor 400, which is the main power storage unit, in particular, when an electric double layer capacitor is used, a voltage limit that is limited within the maximum applied voltage is required. The main capacitor 400 can be charged with a desired boosting magnification by adjusting the piezoelectric resistor.

7.入力パワーの値が小さいときには、メインキャパシタ400よりパワーを供給する仕組みとなっているため、周囲に存在するパワーが少なくても蓄電回路が動作し、蓄電することが可能となる。
また、さらに入力パワーの値が小さくなり、チャージポンプ130などで消費する電力よりも入力パワーの値が小さくなった際は、チャージポンプ130などをシャットダウンする機能を有する。
7). When the value of the input power is small, the power is supplied from the main capacitor 400, so that the power storage circuit operates and can store power even when there is little power around.
Further, when the value of the input power becomes smaller and the value of the input power becomes smaller than the power consumed by the charge pump 130 or the like, the charge pump 130 or the like is shut down.

(変形例)
第1実施形態では、太陽電池から得られるエネルギーを充放電するシステムについて説明したが、太陽電池以外の熱電変換素子、振動系(ピエゾ、サイズモ、エレクトレット等)、無線パワー受信用レクテナ等を用いたエネルギーハーベスティング入力全般についても利用が可能である。
また、メインの蓄電部としてキャパシタ及び電気二重層コンデンサ、Liイオンキャパシタや、Liイオン電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池、鉛蓄電池、固体電池、フイルム電池などの二次電池を用いることが可能である。また、ブートキャパシタ、プリチャージキャパシタ、ワークキャパシタには電圧ドロップを検出することを目的として急速充放電が可能な上記、キャパシタ系及び二次電池系の利用が可能である。
レギュレータ方式として、第1実施形態では、スイッチ、及びキャパシタを複数用いたチャージポンプ方式を示したが、スイッチングレギュレータ方式でも構わない。
分圧器は、抵抗器で分圧するが、この抵抗器は、スイッチとコンデンサとを用いたスイッチドキャパシタ方式で模擬することができる。
出力段のレギュレータ160は、LDO電源を例示したが、通常のシリーズレギュレータやDC/DCコンバータなどレギュレータ全般の方式を用いても構わない。
また、チャージポンプ130,135を駆動するクロック発生器120,125が発生するクロック周波数を可変にして移動電力を増減することも有効である。
また、ブートキャパシタ20は、第1のスイッチ素子30と同期して動作する第3のスイッチ素子(他のスイッチ素子)と並列に接続され、ブートキャパシタ20の一端にはダイオードが取り付けられ,第3のスイッチ素子は、プリチャージキャパシタ50に蓄電するときであって、ブートキャパシタ20が所定の電圧値にチャージされた状態で時間をおいてから導通させることもできる。
(Modification)
In the first embodiment, a system for charging and discharging energy obtained from a solar cell has been described. However, a thermoelectric conversion element other than a solar cell, a vibration system (piezo, seismo, electret, etc.), a rectenna for receiving wireless power, and the like are used. It can also be used for all energy harvesting inputs.
Moreover, it is possible to use a secondary battery such as a capacitor, an electric double layer capacitor, a Li ion capacitor, a Li ion battery, a nickel metal hydride battery, a nickel cadmium battery, a lead storage battery, a solid battery, or a film battery as the main power storage unit. . The boot capacitor, precharge capacitor, and work capacitor can use the capacitor system and the secondary battery system that can be charged / discharged quickly for the purpose of detecting a voltage drop.
As the regulator system, the charge pump system using a plurality of switches and capacitors is shown in the first embodiment, but a switching regulator system may be used.
The voltage divider divides voltage by a resistor, and this resistor can be simulated by a switched capacitor method using a switch and a capacitor.
The output stage regulator 160 is exemplified by an LDO power supply, but a general regulator system such as a normal series regulator or a DC / DC converter may be used.
It is also effective to increase or decrease the mobile power by changing the clock frequency generated by the clock generators 120 and 125 that drive the charge pumps 130 and 135.
The boot capacitor 20 is connected in parallel with a third switch element (another switch element) that operates in synchronization with the first switch element 30, and a diode is attached to one end of the boot capacitor 20. The switch element can be turned on after a certain period of time when the precharge capacitor 50 is charged and the boot capacitor 20 is charged to a predetermined voltage value.

10 太陽電池(発電素子)
20 ブートキャパシタ
30 第1のスイッチ素子
35 第2のスイッチ素子(他のスイッチ素子)
38 最終段スイッチ素子
40 サンプルホールド周期発生器
45 レベルシフタ
50 プリチャージキャパシタ(蓄電部)
60 電圧モニタ
65 MPP電圧生成器
70,72,74 判定器
80 基準電圧生成器
90,95 シャットダウン回路
100 ブートブロック
110,112,114,115,116,117,118 比較器(コンパレータ)
120 クロック発生器
125 クロック発生器(他のクロック発生器)
130 チャージポンプ(昇圧器)
135 チャージポンプ(他の昇圧器)
150 ワークキャパシタ(出力蓄電部)
160 レギュレータ
200 チャージブロック(放電制御手段)
300 ワークブロック(出力部)
400 メインキャパシタ(主蓄電部)
1000 充放電装置

Z0 外部負荷
Dz チェナダイオード
D1,D2,D3,D4,D5,D6 ダイオード
10 Solar cell (power generation element)
20 Boot capacitor 30 First switch element 35 Second switch element (other switch elements)
38 Last-stage switch element 40 Sample hold period generator 45 Level shifter 50 Precharge capacitor (power storage unit)
60 Voltage Monitor 65 MPP Voltage Generator 70, 72, 74 Determinator 80 Reference Voltage Generator 90, 95 Shutdown Circuit 100 Boot Block 110, 112, 114, 115, 116, 117, 118 Comparator
120 clock generator 125 clock generator (other clock generator)
130 Charge pump (booster)
135 Charge pump (other booster)
150 Work capacitor (output power storage unit)
160 Regulator 200 Charge block (discharge control means)
300 work block (output unit)
400 Main capacitor (main power storage unit)
1000 Charge / discharge device

Z0 External load Dz Zener diode D1, D2, D3, D4, D5, D6 Diode

Claims (19)

発生電圧と出力電流との積が最大となる最大出力点を有する発電素子が発電した発電電力を蓄電部に充電し、この充電した充電電力を放電する充放電装置であって、
前記発電素子の開放電圧を測定する測定期間と、前記発電電力を前記蓄電部に蓄電する蓄電期間とを切り換えるスイッチ素子と、
前記蓄電部の充電電圧が前記最大出力点の電圧になるように前記蓄電部の放電を制御する放電制御手段と
を備えることを特徴とする充放電装置。
A charging / discharging device that charges a power storage unit with generated power generated by a power generation element having a maximum output point at which a product of generated voltage and output current is maximum, and discharges the charged charging power,
A switching element that switches between a measurement period for measuring an open-circuit voltage of the power generation element and a power storage period for storing the generated power in the power storage unit;
A charge / discharge device comprising: a discharge control unit configured to control discharge of the power storage unit such that a charging voltage of the power storage unit becomes a voltage at the maximum output point.
前記発電素子は、前記最大出力点、及び前記開放電圧が入力エネルギー依存し、前記スイッチ素子は、前記測定期間と前記蓄電期間とを周期的に切り替える
ことを特徴とする請求項1に記載の充放電装置。
2. The charging device according to claim 1, wherein the power generation element has the maximum output point and the open circuit voltage depending on input energy, and the switch element periodically switches between the measurement period and the storage period. Discharge device.
前記放電制御手段は、前記蓄電部の電圧を昇圧するチャージポンプと、このチャージポンプを駆動するクロック周波数を前記充電電圧に応じて可変するクロック発生器とを備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の充放電装置。 The discharge control means includes a charge pump that boosts a voltage of the power storage unit, and a clock generator that varies a clock frequency for driving the charge pump in accordance with the charge voltage. The charge / discharge device according to claim 2. 前記放電制御手段は、クロック信号を用いて前記蓄電部の電圧を昇圧する昇圧器と、前記充電電圧と前記最大出力点の電圧とを比較するヒステリシスコンパレータと、このヒステリシスコンパレータの比較結果により、前記クロック信号の発生と停止とが制御されるクロック発生器と、を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の充放電装置。 The discharge control means includes a booster that boosts the voltage of the power storage unit using a clock signal, a hysteresis comparator that compares the charging voltage and the voltage at the maximum output point, and a comparison result of the hysteresis comparator, The charge / discharge device according to claim 1, further comprising: a clock generator that controls generation and stop of the clock signal. 前記チャージポンプが昇圧した昇圧電圧を充電する主蓄電部をさらに備えることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の充放電装置。 The charge / discharge device according to claim 3, further comprising a main power storage unit that charges a boosted voltage boosted by the charge pump. 前記主蓄電部は、一段の電気二重層キャパシタであり、
前記電気2重層キャパシタの電圧を負荷電圧まで昇圧する他のチャージポンプと、この他のチャージポンプの出力電圧を充電する出力蓄電部とをさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の充放電装置。
The main power storage unit is a single-stage electric double layer capacitor,
6. The charge / discharge according to claim 5, further comprising: another charge pump that boosts the voltage of the electric double layer capacitor to a load voltage; and an output power storage unit that charges an output voltage of the other charge pump. apparatus.
前記出力蓄電部の電圧と所望の参照電圧とを比較するヒステリシスコンパレータと、
前記ヒステリシスコンパレータの比較結果により、前記他のチャージポンプのクロック信号の発生と停止とを制御するクロック発生器とを備え、
低消費電力時には、前記クロック信号が停止し、前記出力蓄電部のみから出力電力を取り出し、大電力消費時には、前記クロック信号が発生し、前記他のチャージポンプから出力電力を供給することを特徴とする請求項6に記載の充放電装置。
A hysteresis comparator that compares the voltage of the output power storage unit with a desired reference voltage;
A clock generator for controlling the generation and stop of the clock signal of the other charge pump according to the comparison result of the hysteresis comparator;
When the power consumption is low, the clock signal is stopped, the output power is taken out only from the output power storage unit, and when the power consumption is high, the clock signal is generated and the output power is supplied from the other charge pump. The charge / discharge device according to claim 6.
前記所望の参照電圧は、可変抵抗器によって可変であることを特徴とする請求項7に記載の充放電装置。 The charging / discharging device according to claim 7, wherein the desired reference voltage is variable by a variable resistor. 前記出力蓄積部と負荷との間にロードロップアウト電源が挿入されていることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の充放電装置。 The charge / discharge device according to claim 7 or 8, wherein a low dropout power source is inserted between the output storage unit and a load. 少なくとも、前記チャージポンプ、前記他のチャージポンプ、前記スイッチ素子、前記ヒステリシスコンパレータ、及び前記ロードロップアウト電源は、サファイア基板上に形成されていることを特徴とする請求項9に記載の充放電装置。 10. The charge / discharge device according to claim 9, wherein at least the charge pump, the other charge pump, the switch element, the hysteresis comparator, and the low dropout power source are formed on a sapphire substrate. . 前記発電素子は、太陽電池、ペルチェ半導体素子、圧電素子、アンテナに接続された検波回路、サイズモ、及びエレクトレックの何れか1つであることを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の充放電装置。 11. The power generation element is any one of a solar cell, a Peltier semiconductor element, a piezoelectric element, a detection circuit connected to an antenna, Seismo, and an electrec. The charge / discharge device according to item 1. 前記発電素子は、入射光量により最大出力電流値が変化する太陽電池であり、
前記主蓄電部は、電気2重層キャパシタであり、
前記チャージポンプは、昇圧倍率が変更可能であり、
前記昇圧倍率は、前記電気2重層キャパシタの耐圧と前記太陽電池の開放電圧との関係で決定されることを特徴とする請求項5乃至請求項11の何れか1項に記載の充放電装置。
The power generating element is a solar cell in which the maximum output current value changes depending on the amount of incident light,
The main power storage unit is an electric double layer capacitor,
The charge pump is capable of changing the boost ratio,
12. The charging / discharging device according to claim 5, wherein the step-up ratio is determined based on a relationship between a withstand voltage of the electric double layer capacitor and an open circuit voltage of the solar cell.
前記チャージポンプは、前記発電素子の発電量が少ないとき、又は前記主蓄電部が満充電のときにシャットダウンし、
前記他のチャージポンプは、前記出力蓄電部が満充電のときにシャットダウンし、前記出力蓄電部及び前記主蓄電部の何れか一方又は双方の電圧が一定値以下のときにもシャットダウンするように構成されていることを特徴とする請求項5乃至請求項12の何れか1項に記載の充放電装置。
The charge pump shuts down when the power generation amount of the power generation element is small, or when the main power storage unit is fully charged,
The other charge pump is configured to shut down when the output power storage unit is fully charged, and to be shut down even when the voltage of one or both of the output power storage unit and the main power storage unit is equal to or lower than a predetermined value. The charge / discharge device according to any one of claims 5 to 12, wherein the charge / discharge device is provided.
前記主蓄電部と、前記出力蓄電部とは、電気二重層コンデンサ、Liイオンキャパシタ、Liイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッカド電池、鉛蓄電池、固体電池、フイルム電池、その他のキャパシタ及び二次電池から構成されていることを特徴とする請求項6乃至請求項13の何れか1項に記載の充放電装置。 The main power storage unit and the output power storage unit include an electric double layer capacitor, a Li ion capacitor, a Li ion secondary battery, a nickel metal hydride battery, a nickel cadmium battery, a lead storage battery, a solid battery, a film battery, other capacitors, and a secondary The charging / discharging device according to any one of claims 6 to 13, wherein the charging / discharging device is constituted by a battery. 前記発電素子の電圧が印加され、基準電圧生成器用の電源として使用するブートキャパシタを備えることを特徴とする請求項1乃至請求項14の何れか1項に記載の充放電装置。 The charging / discharging device according to any one of claims 1 to 14, further comprising a boot capacitor to which a voltage of the power generation element is applied and used as a power source for a reference voltage generator. 前記ブートキャパシタは、前記スイッチ素子と同期して動作する他のスイッチ素子と並列に接続され、前記ブートキャパシタの一端にはダイオードが取り付けられ,
前記他のスイッチ素子は、前記蓄電部に蓄電するときに導通することを特徴とする請求項15に記載の充放電装置。
The boot capacitor is connected in parallel with another switch element that operates in synchronization with the switch element, and a diode is attached to one end of the boot capacitor,
The charge / discharge device according to claim 15, wherein the other switch element conducts when storing electricity in the power storage unit.
前記他のスイッチ素子は、前記ブートキャパシタが所定の電圧値にチャージされた状態で時間をおいてから導通することを特徴とする請求項16に記載の充放電装置。 The charging / discharging device according to claim 16, wherein the other switch element is turned on after a while in a state where the boot capacitor is charged to a predetermined voltage value. 前記チャージポンプとは、並列に最終段スイッチ素子が接続され、
前記太陽電池が発電した発電電力は、前記最終段スイッチ素子を介して前記主蓄電部及び前記出力蓄電部に蓄電可能なように構成されていることを特徴とする請求項6乃至請求項16の何れか1項に記載の充放電装置。
The charge pump is connected in parallel with the final stage switch element,
The generated power generated by the solar cell can be stored in the main power storage unit and the output power storage unit via the final-stage switch element. The charging / discharging apparatus of any one of Claims.
発生電圧と出力電流との積が最大となる最大出力点を有する発電素子が発電した発電電力を蓄電部に充電し、この充電した充電電力を放電する集積回路素子であって、
前記発電素子の開放電圧を測定する測定期間と、前記発電電力を前記蓄電部に蓄電する蓄電期間とを切り換えるスイッチ素子と、
前記蓄電部の充電電圧が前記最大出力点の電圧になるように前記蓄電部の放電を制御する放電制御手段と
を備えることを特徴とする集積回路素子。
An integrated circuit element that charges the power storage unit with the generated power generated by the power generation element having the maximum output point where the product of the generated voltage and the output current is maximum, and discharges the charged charge power,
A switching element that switches between a measurement period for measuring an open-circuit voltage of the power generation element and a power storage period for storing the generated power in the power storage unit;
An integrated circuit element comprising: a discharge control unit configured to control discharge of the power storage unit so that a charging voltage of the power storage unit becomes a voltage at the maximum output point.
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