JP4101212B2 - Power circuit - Google Patents
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Description
本発明は、電池やコンデンサ等の蓄電素子に充電等を行う電源回路に関し、特に太陽電池等の発電素子から生じた発電電力によって前記蓄電素子の充電等を行う電源回路に関する。 The present invention relates to a power supply circuit that charges a power storage element such as a battery or a capacitor, and more particularly to a power supply circuit that charges the power storage element using generated power generated from a power generation element such as a solar battery.
近年、太陽電池を用いた太陽光発電、熱電素子を用いた熱発電、圧電素子を用いた圧力を利用した発電など、光等の外的エネルギーを受けて電気エネルギーを自ら創り出す発電素子を用いた電源装置や、その応用商品の実用化が進んできている。 In recent years, power generation elements that generate electrical energy by receiving external energy such as light, such as solar power generation using solar cells, thermoelectric generation using thermoelectric elements, and power generation using pressure using piezoelectric elements, have been used. The power supply device and its application products have been put into practical use.
しかしながら、一般的な発電素子1セルの発電電圧は0.5V以下と低いため、そのままの発電電圧でデジタルカメラ等の電気機器(電子機器)を動作させたり、ニッカド電池、ニッケル水素電池及びリチウム電池等の二次電池(蓄電池)を充電したりすることはできない。このため、発電素子を直列化して電圧を上げることが一般的に行われている。
However, since the power generation voltage of a general
図12は、太陽電池セルの直列化を利用した電源回路の従来例である。図12における電源回路は、直列に接続された太陽電池セル101、102及び103から成る太陽電池モジュールと、その直列接続された太陽電池セルからの出力電圧にて充電されるコンデンサ104と、コンデンサ104の出力電圧を自身の電源電圧としつつ、そのコンデンサ104の出力電圧を昇圧する昇圧回路105と、昇圧回路105の出力する昇圧電圧にて充電されるコンデンサ106と、から構成されている。
FIG. 12 is a conventional example of a power supply circuit using serialization of solar cells. The power supply circuit in FIG. 12 includes a solar battery module composed of
このように構成された電源回路においては、太陽電池セル1つ当たりの発電電圧が0.5Vであったとすると、直列接続された太陽電池セル101、102及び103の合計の発電電圧は1.5Vとなる。この1.5Vの電圧を電源電圧として昇圧回路105は動作し、コンデンサ106は1.5Vを昇圧した電圧(例えば5V)にて充電される。
In the power supply circuit configured as described above, assuming that the generated voltage per solar cell is 0.5 V, the total generated voltage of the
しかし、図12のように太陽電池セルを直列化すると、電気的な問題が生じる。ある太陽電池セルの何割かが影になると、太陽電池モジュール全体の何割かが影になったと同等の効果が生じ、出力が大幅に低下してしまうのである。たとえば、太陽電池セル101、102及び103のうち、1つの太陽電池セル102の一割が影に覆われたとすると、太陽電池セル101、102及び103から構成される太陽電池モジュール全体の一割が影に覆われたと同じ効果が生じるのである。この問題は、直列接続する太陽電池セルの数が増加すればするほど顕著になる。このように、直列接続された太陽電池は影に弱い。この現象を避けるためには、太陽電池と並列にバイパスダイオードを挿入しなければならない。
However, when solar cells are serialized as shown in FIG. 12, an electrical problem occurs. When some 10% of the solar cells are shaded, the same effect as when some 10% of the entire solar cell module is shaded is produced, and the output is greatly reduced. For example, if 10% of one
上記のような直列化の抱える問題を解決する手段として、太陽電池セルを全て並列接続する方法が考えられる。この場合、発電電力は各太陽電池セルの発電量の合計値に略等しくなり、直列接続の「影に弱い」という問題を解決することはできるが、出力電圧が0.5V程度と低くなるため、電気機器の電源や二次電子の充電源としては電圧が低過ぎて利用できない。また、昇圧回路105等の公知の昇圧回路は、動作開始に0.7V以上の電源電圧が必要なため、太陽電池セルを並列接続した太陽電池モジュールの出力電圧では、昇圧回路を動作させることができず、昇圧を行うことができない。
As a means for solving the problem of serialization as described above, a method of connecting all the solar cells in parallel can be considered. In this case, the generated power is approximately equal to the total value of the power generation amount of each solar battery cell, which can solve the problem of “weak to shadows” in series connection, but the output voltage is as low as about 0.5V. The voltage is too low to be used as a power source for electrical equipment or a secondary electron charging source. In addition, since a known booster circuit such as the
このような、直列接続を用いないことによる問題を解決する手法として、図13に示す電源回路が提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。図13に示す電源回路は、直列に接続された太陽電池セル101、102及び103から成る太陽電池モジュールと、その直列接続された太陽電池セルからの出力電圧にて充電されるコンデンサ104と、直列接続されておらず、出力電圧が0.5V程度の太陽電池セル107と、太陽電池セル107にて充電されるコンデンサ108と、コンデンサ104の出力電圧を自身の電源電圧としつつ、コンデンサ108の出力電圧を昇圧する昇圧回路105と、昇圧回路105の出力する昇圧電圧にて充電されるコンデンサ106と、から構成されている。
As a technique for solving such a problem caused by not using serial connection, a power supply circuit shown in FIG. 13 has been proposed (see, for example,
昇圧対象である直列接続されていない太陽電池セル107や、直列接続された太陽電池セル101等に光が照射すると、夫々に起電力が生じる。これら太陽電池セルの1つあたりの出力電圧は、最大で0.5V強である。昇圧回路105は、直列接続された太陽電池セル101、102及び103からの出力電圧を電源電圧としているため、起動及び昇圧動作が可能である。
When light is applied to the
上述したように、太陽電池を直列接続する手法は、比較的大きな出力電圧を得ることができ、その出力電圧にて昇圧回路を駆動したり、電気機器の電源や二次電子の充電源として利用したりすることができるというメリットがあるが、影による影響が大きく、影によって大幅に出力が低下するため、蓄電の高効率化が困難というデメリットがある。 As described above, the method of connecting solar cells in series can obtain a relatively large output voltage, drive the booster circuit with the output voltage, or use it as a power source for electric equipment or a charge source for secondary electrons. However, there is a demerit that it is difficult to increase the efficiency of power storage because the influence of the shadow is large and the output is greatly reduced by the shadow.
他方、太陽電池を並列接続にする手法は、直列接続に比べて影による影響が少なく、高効率の蓄電が可能となるというメリットがあるが、出力電圧が0.5V程度と低くなるため、電気機器の電源や二次電子の充電源としては電圧が低過ぎて利用できず、また、昇圧回路を起動・動作させることができないというデメリットがある。 On the other hand, the method of connecting solar cells in parallel has the advantage that it is less affected by shadows than in series connection and enables highly efficient power storage, but the output voltage is as low as about 0.5 V. There are demerits that the voltage is too low to be used as a power source for equipment or a charge source for secondary electrons, and that the booster circuit cannot be activated or operated.
また、上記図13に示す電源回路においては、太陽電池セル107からの出力電圧は0.5V程度と低いため、昇圧回路がないと、電気機器の電源や二次電子の充電源としては利用できない。図13のように昇圧回路を設けて昇圧するためには、別途電源電圧用に直列接続された太陽電池セル101、102及び103が必要となり、コストアップを招いてしまう。
Further, in the power supply circuit shown in FIG. 13, since the output voltage from the
太陽電池セル101、102及び103は、昇圧回路105の消費電力を賄うだけで足りるので、1〜3.3平方センチメートル程度の小さな素子を用いることができるが、それらの太陽電池セルと太陽電池セル107の種類や大きさを変えると、かえってコストアップを招きうるし、そのような小さな素子を太陽電池セル101、102及び103に用いた場合、小さな影ができただけで太陽電池セル101、102及び103の大部分が影に覆われることがあり、これによって昇圧回路105が停止してしまうという問題がある。
Since the
本発明は、上記の点に鑑み、発電素子から必要に応じて高い出力電圧を得ることができるとともに、高効率の蓄電が可能となる電源回路を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a power supply circuit that can obtain a high output voltage from a power generating element as required and can store electricity with high efficiency.
上記目的を達成するために本発明に係る電源回路は、n個(nは2以上の整数)の発電素子から成り、ユニット出力電圧を出力する発電ユニットと、少なくとも2つの発電素子の接続方法を直列接続と並列接続との何れかに切換え可能な切換手段と、前記切換手段による前記接続方法の切換えを制御する制御手段と、前記ユニット出力電圧を昇圧して昇圧電圧を第1蓄電手段に出力する昇圧手段と、を備え、前記昇圧手段の電源電圧は、前記第1蓄電手段から供給され、前記昇圧手段に供給される電源電圧の大きさが前記昇圧手段の最低動作電圧の大きさより小さく前記昇圧手段が動作していないとき、前記接続方法は直列接続となっているとともに、前記ユニット出力電圧が前記第1蓄電手段に一時的に供給されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a power supply circuit according to the present invention is composed of n (n is an integer of 2 or more) power generation elements, and includes a power generation unit that outputs a unit output voltage and a method for connecting at least two power generation elements. Switching means capable of switching between series connection and parallel connection, control means for controlling switching of the connection method by the switching means, and boosting the unit output voltage and outputting the boosted voltage to the first power storage means Boosting means, wherein the power supply voltage of the boosting means is supplied from the first power storage means, and the magnitude of the power supply voltage supplied to the boosting means is smaller than the magnitude of the minimum operating voltage of the boosting means. When the boosting means is not operating, the connection method is a series connection, and the unit output voltage is temporarily supplied to the first power storage means .
これにより、例えば発電素子の発電電圧が低く並列接続では必要な出力電圧を負荷側に供給できない時だけ発電素子を直列接続し、発電素子の発電電圧が高くなったら並列接続に切換えるといった、使用状況に応じた最適な発電素子の利用が可能となる。 As a result, for example, the power generation element is connected in series only when the power generation voltage of the power generation element is low and the required output voltage cannot be supplied to the load side in parallel connection, and when the power generation voltage of the power generation element becomes high, it is switched to parallel connection. It is possible to use an optimal power generation element according to the conditions.
例えば、通常は並列接続として並列接続による「高効率の蓄電が可能」というメリットを享受し、比較的大きなユニット出力電圧が必要なときだけ直列接続として直列接続によるメリット(比較的高い出力電圧を得ることができる等)を享受するといった使用が可能となる。 For example, it usually enjoys the benefits of “highly efficient power storage possible” due to parallel connection as parallel connection, and benefits from series connection as a series connection only when a relatively large unit output voltage is required (to obtain a relatively high output voltage) Etc.), and the like can be used.
また、前記ユニット出力電圧を昇圧して昇圧電圧を第1蓄電手段に出力する昇圧手段を設け、前記昇圧手段の電源電圧が前記第1蓄電手段から供給されるようにすることにより、発電素子による発電電圧の大きさが小さくても、任意に大きな電圧(発電電圧の大きさより大きい電圧)を得ることができる。また、昇圧電圧にて充電される第1蓄電手段の出力電圧を電源電圧として昇圧手段を駆動するようにしているため、昇圧手段を駆動するための電源を別途用意する必要がなく、ユニット出力電圧が昇圧手段を駆動できないほど低い場合でも、昇圧手段を動作させることができる。 In addition, a boosting unit that boosts the unit output voltage and outputs the boosted voltage to the first power storage unit is provided, and the power supply voltage of the boosting unit is supplied from the first power storage unit, thereby generating power by the power generation element. Even if the generated voltage is small, an arbitrarily large voltage (a voltage larger than the generated voltage) can be obtained. In addition, since the boosting means is driven using the output voltage of the first power storage means charged with the boosted voltage as the power supply voltage, it is not necessary to separately prepare a power source for driving the boosting means, and the unit output voltage Even when the voltage is so low that the booster cannot be driven, the booster can be operated.
また、前記昇圧手段に供給される電源電圧の大きさが前記昇圧手段の最低動作電圧の大きさより小さく前記昇圧手段が動作していないとき、前記接続方法を直列接続とするとともに、前記ユニット出力電圧を前記第1蓄電手段に一時的に供給することにより、昇圧手段の起動用の電源等は不要となる。また、昇圧手段の起動時等において、前記接続方法を直列接続とした前記ユニット出力電圧が第1蓄電手段に一時的に供給され、一時的に前記ユニット出力電圧により第1蓄電手段が充電されるため、昇圧手段のより確実なる起動が実現される。前記接続方法が直列接続である時のユニット出力電圧の大きさの方が、並列接続のそれよりも大きいため、昇圧手段の起動時においては前記接続方法を直列接続とした方が第1蓄電手段の出力電圧が大きくなり、昇圧手段の起動を実現しやすいからである。 In addition, when the booster is not operating when the magnitude of the power supply voltage supplied to the booster is smaller than the minimum operating voltage of the booster, the connection method is set in series and the unit output voltage Is temporarily supplied to the first power storage means, so that a power supply for starting up the boosting means is not necessary. In addition, at the time of starting up the boosting means, the unit output voltage in which the connection method is connected in series is temporarily supplied to the first power storage means, and the first power storage means is temporarily charged by the unit output voltage. Therefore, more reliable activation of the boosting means is realized. When the connection method is a series connection, the unit output voltage is larger than that of the parallel connection. Therefore, when the boosting unit is started, the connection method is a series connection. This is because the output voltage of the voltage rises and the boosting means is easily activated.
また、例えば、前記制御手段に供給される電源電圧の大きさが前記制御手段の最低動作電圧の大きさより小さく前記制御手段が動作していないとき、前記接続方法は直列接続となるようにしてもよい。 Also, for example, when the power supply voltage supplied to the control means is smaller than the minimum operating voltage of the control means and the control means is not operating, the connection method may be connected in series. Good.
これにより、電源回路の起動時等、制御手段が動作していないときは、発電素子は直列接続される。発電素子の個々の発電電圧の大きさは小さいことが多く、起動時等において発電素子が並列接続されていると、ユニット出力電圧により充電された第1蓄電手段の出力電圧を昇圧手段等に電源電圧として供給しても昇圧手段等を起動できない恐れがある。しかしながら、上記構成によれば電源回路の起動時において、発電素子は直列接続されているため、並列接続におけるものよりも大きなユニット出力電圧が得ることができる。従って、そのユニット出力電圧を昇圧手段や制御手段に電源電圧として供給することで昇圧手段や制御手段を確実に起動させることが可能となる。 Thereby, when the control means is not operating, such as when the power supply circuit is activated, the power generating elements are connected in series. The magnitude of the individual power generation voltages of the power generation elements is often small, and when the power generation elements are connected in parallel at the time of startup or the like, the output voltage of the first power storage means charged by the unit output voltage is supplied to the boosting means or the like. Even if it is supplied as a voltage, the boosting means or the like may not be activated. However, according to the above configuration, since the power generating elements are connected in series when the power supply circuit is started, a unit output voltage larger than that in the parallel connection can be obtained. Therefore, it is possible to reliably start up the boosting means and the control means by supplying the unit output voltage as a power supply voltage to the boosting means and the control means.
また、例えば、前記第1蓄電手段の出力電圧の大きさが所定の閾値以上であるとき、前記接続方法は前記制御手段により並列接続とされるようにしてもよい。 For example, when the magnitude of the output voltage of the first power storage unit is equal to or greater than a predetermined threshold, the connection method may be parallel connected by the control unit.
昇圧手段が動作していない時は、昇圧電圧(昇圧電圧のみによって充電された第1蓄電手段の出力電圧)にて昇圧手段を駆動することができない。そこで、例えば昇圧手段の起動時には、比較的高い電圧を供給できる前記接続方法が直列接続のユニット出力電圧を電源電圧として昇圧手段に供給し、昇圧手段を起動させることが考えられる。しかしながら、高効率の蓄電実現の観点からは前記接続方法を並列接続とした方が好ましい。 When the boosting means is not operating, the boosting means cannot be driven with the boosted voltage (the output voltage of the first power storage means charged only by the boosted voltage). Thus, for example, when the boosting means is started, it is conceivable that the connection method capable of supplying a relatively high voltage supplies the series output unit output voltage as a power supply voltage to the boosting means to start the boosting means. However, from the viewpoint of realizing highly efficient power storage, the connection method is preferably parallel connection.
そこで、第1蓄電手段の出力電圧の大きさが、例えば昇圧手段の最低動作電圧(昇圧手段がユニット出力電圧を昇圧して昇圧電圧を出力するという昇圧動作を行うために必要な電源電圧の大きさの下限)以上となって昇圧手段が起動した後は、前記接続方法を並列接続とする。これにより、前記接続方法が並列接続であることによるメリットを享受でき、高効率の蓄電が可能となる。 Therefore, the magnitude of the output voltage of the first power storage means is, for example, the minimum operating voltage of the boosting means (the magnitude of the power supply voltage necessary for performing the boosting operation in which the boosting means boosts the unit output voltage and outputs the boosted voltage) After the boosting means is activated, the connection method is set to parallel connection. Thereby, the merit by having the said connection method being parallel connection can be enjoyed, and highly efficient electrical storage is attained.
また、昇圧手段の起動時において、前記接続方法を直列接続としつつ、ユニット出力電圧が第1蓄電手段に一時的に供給される構成を採用した場合、ユニット出力電圧により充電される第1蓄電手段の出力電圧の大きさが昇圧手段の電源電圧端子に対する絶対最大定格電圧の大きさを超えると、昇圧手段の破損または劣化を招く。そこで、例えば、第1蓄電手段の出力電圧が前記絶対最大定格電圧の大きさに達したとき、前記接続方法を直列接続から並列接続に切換える。これにより、第1蓄電手段の出力電圧の更なる増大は抑えられ、昇圧手段の過電圧保護が図られることになる。 In addition, when adopting a configuration in which the unit output voltage is temporarily supplied to the first power storage means while the connection method is connected in series when the boosting means is started up, the first power storage means charged by the unit output voltage If the magnitude of the output voltage exceeds the magnitude of the absolute maximum rated voltage with respect to the power supply voltage terminal of the boosting means, the boosting means is damaged or deteriorated. Therefore, for example, when the output voltage of the first power storage means reaches the absolute maximum rated voltage, the connection method is switched from series connection to parallel connection. Thereby, further increase in the output voltage of the first power storage means is suppressed, and overvoltage protection of the boosting means is achieved.
また、例えば、前記接続方法が直列接続である場合の前記ユニット出力電圧の大きさが所定の閾値以上となったとき、前記接続方法は前記制御手段により直列接続から並列接続に切換えられるようにしてもよい。 In addition, for example, when the unit output voltage when the connection method is a series connection exceeds a predetermined threshold value, the connection method is switched from the series connection to the parallel connection by the control means. Also good.
前記接続方法を直列接続とすることによって比較的大きなユニット出力電圧を得ることができ、そのユニット出力電圧をもって昇圧手段や制御手段を起動させる等、利用価値は高い。しかしながら、その起動等が完了した後は、高効率の蓄電実現の観点から、前記接続方法を並列接続に切換えることが望ましい。 By making the connection method in series, a relatively large unit output voltage can be obtained, and the utility value is high, such as starting up the boosting means and the control means with the unit output voltage. However, after the start-up or the like is completed, it is desirable to switch the connection method to parallel connection from the viewpoint of realizing highly efficient power storage.
そこで、例えば、前記接続方法が直列接続である場合の前記ユニット出力電圧の大きさが昇圧手段の最低動作電圧や制御手段の最低動作電圧(制御手段が正常に動作するために必要な電源電圧の大きさの下限)以上となったとき、前記接続方法を前記制御手段により直列接続から並列接続に切換える。これにより、昇圧手段や制御手段の確実なる起動を確保しつつ、高効率の蓄電が実現される。 Therefore, for example, when the connection method is a series connection, the unit output voltage magnitude is the minimum operating voltage of the boosting unit or the minimum operating voltage of the control unit (the power supply voltage necessary for the control unit to operate normally). When the value becomes equal to or greater than the lower limit of the size, the connection method is switched from serial connection to parallel connection by the control means. As a result, highly efficient power storage is realized while ensuring the start-up of the boosting means and the control means.
また、昇圧手段や制御手段の起動時において、前記接続方法を直列接続としつつ、ユニット出力電圧を昇圧手段等の電源電圧として一時的に供給する構成を採用した場合、ユニット出力電圧の大きさが昇圧手段等の電源電圧端子に対する絶対最大定格電圧の大きさを超えると、昇圧手段等の破損または劣化を招く。そこで、例えば、ユニット出力電圧の大きさが前記絶対最大定格電圧の大きさに達したとき、前記接続方法を直列接続から並列接続に切換える。これにより、ユニット出力電圧が低下して昇圧手段等の過電圧保護が図られることになる。 Further, when the boosting means and the control means are activated, when the configuration in which the unit output voltage is temporarily supplied as the power supply voltage of the boosting means while adopting the connection method in series connection, the magnitude of the unit output voltage is small. Exceeding the magnitude of the absolute maximum rated voltage with respect to the power supply voltage terminal of the boosting means or the like causes damage or deterioration of the boosting means or the like. Therefore, for example, when the magnitude of the unit output voltage reaches the magnitude of the absolute maximum rated voltage, the connection method is switched from serial connection to parallel connection. As a result, the unit output voltage decreases, and overvoltage protection of the boosting means and the like is achieved.
また、例えば、前記切換手段は、前記n個の発電素子のうちの、m個(m<n)の発電素子の接続方法を切換えるものであり、前記m個の発電素子を除いた(n−m)個の各発電素子は、前記m個の発電素子の夫々と互いに並列接続されているようにしてもよい。 Further, for example, the switching means switches a connection method of m (m <n) power generation elements among the n power generation elements, and excludes the m power generation elements (n− The m power generating elements may be connected in parallel to the m power generating elements.
n個の発電素子の全てを対象として、接続方法を切換え可能なようにすると、必然的に切換えるためのスイッチ手段が増大し、スイッチ手段における電力損失の増大等を招く。しかし、上記のように構成すれば、電力損失の軽減され、スイッチ手段の削減に起因にて電源回路の小型化及び低コストが図れる。 If the connection method can be switched for all of the n power generating elements, the number of switch means for switching is inevitably increased, leading to an increase in power loss in the switch means. However, if configured as described above, the power loss can be reduced, and the size and cost of the power supply circuit can be reduced due to the reduction of the switch means.
また、例えば、前記昇圧手段の出力側に、スイッチ手段を介して第1蓄電手段より容量の大きい第2蓄電手段を第1蓄電手段と並列に接続し、第1蓄電手段への充電時において第1蓄電手段に充電された電圧の大きさが所定の閾値より小さいときは、前記スイッチ手段を遮断して前記第2蓄電手段への充電を禁止するようにしてもよい。 Further, for example, a second power storage unit having a capacity larger than that of the first power storage unit is connected to the output side of the boosting unit in parallel with the first power storage unit via the switch unit, and the first power storage unit is charged when charged. When the magnitude of the voltage charged in one power storage means is smaller than a predetermined threshold value, the switch means may be shut off to prohibit charging to the second power storage means.
第1蓄電手段に充電された電圧の大きさが、例えば昇圧手段の最低動作電圧の大きさより小さいとき、大容量の第2蓄電手段への充電は禁止され、小容量の第1蓄電手段のみに充電が行われる。従って、第1蓄電手段の出力電圧を昇圧手段の電源電圧として供給する構成とすれば、発電素子の発電電力が僅かでも、短時間で昇圧手段が起動し、ひいては電源回路全体が起動する。 When the magnitude of the voltage charged in the first power storage means is smaller than, for example, the magnitude of the minimum operating voltage of the boosting means, charging to the large capacity second power storage means is prohibited, and only to the first power storage means having a small capacity. Charging is performed. Therefore, if the output voltage of the first power storage means is supplied as the power supply voltage of the boosting means, the boosting means is activated in a short time and the entire power supply circuit is activated even if the generated power of the power generating element is small.
上述した通り、本発明に係る電源回路によれば、発電素子から必要に応じて高い出力電圧を得ることができるとともに、高効率の蓄電が可能となる。 As described above, according to the power supply circuit of the present invention, a high output voltage can be obtained from the power generation element as necessary, and highly efficient power storage is possible.
<<第1実施形態>>
以下、本発明を電源回路に適用した第1実施形態につき、図面を参照して説明する。図1は、第1実施形態の電源回路の回路構成図である。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is applied to a power supply circuit will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a power supply circuit according to the first embodiment.
図1おける電源回路は、発電素子1及び2、スイッチ3及び4、ダイオード5及び6、蓄電素子(蓄電手段)としてのコンデンサ7、制御部8、並びに電源9から概略構成されている。
The power supply circuit in FIG. 1 is schematically composed of
(図1;構成の説明)
まず、図1における電源回路の構成について説明する。発電素子1の高電圧側はダイオード5のアノードに接続され、低電圧側はスイッチ3の一端及びスイッチ4の一端に共通接続されている。発電素子2の高電圧側はダイオード6のアノード及びスイッチ4の他端に共通接続され、低電圧側はスイッチ3の他端及びコンデンサ7の陰極(低電圧側)に共通接続されている。ダイオード5のカソードとダイオード6のカソードは、共にコンデンサ7の陽極(高電圧側)に接続されており、コンデンサ7の両極(両端)間には負荷10が接続されている。制御部8は、スイッチ3及び4の夫々に、夫々のスイッチを独立してオン/オフするための制御信号を与えている。電源9は、接地を基準として電源電圧Vcc1を制御部8に供給している。
(Fig. 1: Explanation of configuration)
First, the configuration of the power supply circuit in FIG. 1 will be described. The high voltage side of the
発電素子1及び2は、光等の外的エネルギーを受けて電気エネルギーを自ら創り出す発電素子である。具体的には、光を受けて電気エネルギーを発生する太陽電池、熱電効果により電気エネルギーを発生する熱電素子、圧電効果により電気エネルギーを発生する圧電素子(歪みを発生させると電圧を生じる素子)などであり、単位セルで構成されていてもいいし、単位セルを複数個直列接続したモジュールや単位セルを複数個並列接続したモジュールであっても構わない。以下の説明は、発電素子1及び2が、太陽電池から成るものとして更に具体的に説明する。
The
発電素子1及び2は夫々、出力電圧が0.5V程度の太陽電池単位セル、単位セルを複数個並列接続した太陽電池モジュール、または単位セルを複数個直列接続した太陽電池モジュールである。太陽電池としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体を用いたものなど、一般に広く普及しているものが使用できる。尚、本実施例の電源回路は、2つの発電素子を備えているが、3つ以上にしても構わないし、異なる種類の発電素子や特性の異なる発電素子を組み合わせて電源回路を構成しても構わない。
The
スイッチ3及び4は、例えば、手動でオン/オフを切換えるスイッチや各種リレースイッチ、バイポーラトランジスタなどであり、制御部8からの制御信号を受けてスイッチ両端間を導通または遮断(オープン)するものである。スイッチ3及び4は、後述するように2つの発電素子1及び2の接続方法を直列接続か並列接続の何れかに切換え可能な切換手段として機能するものであり、本実施形態の電源回路においては発電素子(発電素子1及び2)の数が2つであることに対応して、スイッチの数は最低限の2つとしている。しかしながら、制御部8の切換え制御の方式等に応じて3つ以上のスイッチを設けるようにしてもよいし、発電素子の数が3以上である場合は、それに応じてスイッチの数を増やしてもよい。
The
ダイオード5及び6は、例えば、整流用シリコンダイオードや順方向電圧の低いショットキーバリアダイオードなどであり、コンデンサ7の陽極の電圧が蓄電手段1及び2の高電圧側の電圧の夫々より高い場合に、電流が逆流するのを防止するための逆流防止手段として機能する。尚、説明の簡略化のため、ダイオード5及び6での電圧降下は無視して以下の説明を行う。
The
コンデンサ7は、例えば、電解コンデンサ、電気二重層コンデンサなどであり、各種電池を採用しても構わない。また、種類や特性の異なるコンデンサを組み合わせてコンデンサ7を構成しても構わない。
The
(図1;動作の説明)
次に、上記のように構成される電源回路の動作について説明する。図1の電源回路は、発電素子1及び2の接続方法が直列接続となる直列モードと、発電素子1及び2の接続方法が並列接続となる並列モードとの2つのモードで動作可能となっており、制御部8がスイッチ3及び4のオン/オフを制御することにより、モードの選択がなされる。
(Fig. 1: Explanation of operation)
Next, the operation of the power supply circuit configured as described above will be described. The power supply circuit of FIG. 1 can operate in two modes: a serial mode in which the connection method of the
直列モードで動作させる場合は、スイッチ3、4を、夫々オフ(遮断)、オン(導通)とする。コンデンサ7の両端には、発電素子1及び2の夫々が発電した電圧の和が印加され、コンデンサ7への充電が行われる。一方、並列モードで動作させる場合は、スイッチ3、4を、夫々オン(導通)、オフ(遮断)とする。コンデンサ7の両端には発電素子1及び2の夫々が発電した電圧がそのまま印加され、コンデンサ7への充電が行われる。
When operating in the serial mode, the
コンデンサ7の両端電圧をユニット出力電圧Vuと定義した場合、2つの発電素子1及び2は、選択されたモードに応じてユニット出力電圧Vuを出力する発電ユニットを構成する。
When the voltage across the
発電素子1及び2が1つ当たり3Vの電圧を出力する場合、負荷10に6Vの電圧を供給すべき時は直列モードを選択すればよく、負荷10の状態が変化して負荷10に供給すべき電圧が3Vになった場合には並列モードを選択すればよい。
When the
また、発電素子1及び2の発電電圧(出力電圧)は、発電源となるエネルギー(太陽電池の場合なら太陽エネルギー)量によって大きく変化するのが一般的である。従って、負荷10へ供給すべき電圧が常に2V以上必要な場合、発電素子1つ当たりの発電電圧が2V未満の時には直列モードを選択して負荷10への電圧を2V以上に維持し、発電素子1つ当たりの発電電圧が2V以上になったら並列モードを選択するといった事も可能である。この場合は、負荷10の両端電圧を検出して検出結果を制御部8に与える電圧検出部(不図示)を設け、その結果結果に応じて制御部8がモードの選択を行えばよい。
Further, the power generation voltage (output voltage) of the
このように、従来例では直列接続(図12参照)または並列接続に固定されていた発電素子の接続方法を可変としたことで、使用状況に応じた最適な発電素子の利用が可能となる。 As described above, by changing the connection method of the power generation elements fixed in series connection (see FIG. 12) or parallel connection in the conventional example, it becomes possible to use the most suitable power generation element according to the use situation.
例えば、発電素子1及び2が太陽電池から成る場合、直列モードを選択すれば、比較的大きな出力電圧を得ることができ、その出力電圧にて昇圧回路を駆動したり、電気機器の電源や二次電子の充電源として利用したりすることができるというメリットがあるが、影による影響が大きく、影によって大幅に出力が低下するため、高効率の蓄電が困難であるというデメリットがある。
For example, when the
他方、並列モードを選択すれば、直列接続に比べて影による影響が少なく、高効率の蓄電が可能になるというメリットがあるが、出力電圧が0.5V程度(太陽電池単位セルの場合)と低くなるため、電気機器の電源や二次電子の充電源としては電圧が低過ぎて利用できず、また、昇圧回路を動作させることができないというデメリットがある。 On the other hand, if the parallel mode is selected, there is a merit that the influence of the shadow is less than that of the serial connection and high-efficiency power storage is possible. However, the output voltage is about 0.5 V (in the case of a solar cell unit cell). Therefore, there is a demerit that the voltage is too low to be used as a power source for electric equipment or a secondary electron charging source, and the booster circuit cannot be operated.
図1における電源回路では、このような直列接続と並列接続のメリット、デメリットを考慮し、使用状況に応じた直列モードと並列モードを選択することが可能となる。例えば、通常は並列モードを選択して「高効率の蓄電が可能」というメリットを享受し、比較的大きなユニット出力電圧が必要なときだけ直列モードを選択して、「昇圧回路が駆動可能」等のメリットを享受するといった使用が有効である。 In the power supply circuit in FIG. 1, it is possible to select a series mode and a parallel mode according to the use situation in consideration of the merits and demerits of such series connection and parallel connection. For example, you can usually select the parallel mode and enjoy the benefits of “highly efficient storage”, select the series mode only when a relatively large unit output voltage is required, and “boost circuit can be driven” etc. It is effective to use such benefits.
(図2;図1の変形)
また、図1における電源回路を図2のように変形してもよい。図2が図1と異なる点は、図1におけるスイッチ3、4が、夫々Nチャンネル(N形半導体)のMOSトランジスタ(絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ)3a、Pチャンネル(P形半導体)のMOSトランジスタ4aに置換されている点であり、他の点では一致しているため、一致している点の動作及び接続関係の説明を省略する。
(FIG. 2; modification of FIG. 1)
Further, the power supply circuit in FIG. 1 may be modified as shown in FIG. 2 differs from FIG. 1 in that the
即ち、発電素子1の低電圧側をMOSトランジスタ3aのドレインと、MOSトランジスタ4aのドレインに共通接続し、発電素子2の高電圧側をMOSトランジスタ4aのソースとダイオード6のアノードに共通接続し、発電素子2の低電圧側をMOSトランジスタ3aのソースとコンデンサ7の陰極に共通接続する。そして、制御部8がMOSトランジスタ3aと4aの夫々のゲートに制御信号を供給するのである。
That is, the low voltage side of the
このようにスイッチ3及び4としてMOSトランジスタを用いれば、バイポーラトランジスタで必要なベース電流が不要であり、オン抵抗も小さくしやすいので効率の良い電源回路を構成することができる。また、MOSトランジスタ3a、4a及び制御部8は同一プロセスで作製することが可能であり、これらを全て1つのチップに収めることも可能であるため、機械式のスイッチ等を使用した場合と比べて、格段に小型化及び低コスト化を実現することができる。また、機械的な磨耗がないので長寿命も期待できる。
If MOS transistors are used as the
<<第2実施形態>>
次に、本発明を電源回路に適用した第2実施形態につき、図面を参照して説明する。図3は、第2実施形態の電源回路の回路構成図である。図3において、図1と同様の部分には同一の符号を付しており、その動作及び接続関係は図1のおけるものと同様であるため、それらの詳細な説明を省略する。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment in which the present invention is applied to a power supply circuit will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the power supply circuit according to the second embodiment. In FIG. 3, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the operation and connection relationship thereof are the same as those in FIG.
図3の電源回路においては、コンデンサ7の両端が昇圧回路11に接続されており、昇圧回路は、ユニット出力電圧Vu(例えば、1V)を任意の昇圧電圧(例えば、5V)に昇圧して、蓄電素子(蓄電手段)としてのコンデンサ12に出力する。昇圧回路11は、コイルを使用した昇圧チョッパ型レギュレータであってもよいし、コンデンサを使用したチャージポンプ方式であってもよい。昇圧回路11の回路構成や動作原理は周知の技術であるため、説明を省略する。また、電源13は、昇圧回路11に電源電圧Vcc2を供給している。
In the power supply circuit of FIG. 3, both ends of the
コンデンサ12は、例えば、電解コンデンサ、電気二重層コンデンサなどであり、各種電池を採用しても構わない。また、種類や特性の異なるコンデンサを組み合わせてコンデンサ12を構成しても構わない。
The
例えば、発電素子1及び2として、夫々の発電電圧が光量により0.2〜0.5Vの範囲で変化する太陽電池単位セルを採用し、昇圧回路11がユニット出力電圧Vuを5Vに昇圧するものである場合を考える。制御部8が直列モードを選択した場合は、ユニット出力電圧Vuは0.4〜1Vになり、昇圧回路11はこのユニット出力電圧Vuを昇圧対象として昇圧し、昇圧電圧5Vにてコンデンサ12を充電する。これにより、コンデンサ12の出力電圧Vo(この電圧Voは、本電源回路の出力電圧に等しい)は昇圧電圧の5Vと等しくなる。同様に、制御部8が並列モードを選択した場合は、ユニット出力電圧Vuは0.2〜0.5Vになり、昇圧回路11はこのユニット出力電圧を昇圧対象として昇圧し、昇圧電圧5Vにてコンデンサ12を充電する。これにより、コンデンサ12の出力電圧Voは昇圧電圧の5Vと等しくなる。
For example, as the
本実施形態における電源回路によれば、発電素子1及び2による発電電圧が低くても、任意の高い電圧(発電電圧より高い電圧)をコンデンサ12に蓄電することが可能となる。発電素子1及び2の接続方法は並列接続、直列接続の何れか都合の良いほうを選択することができる。
According to the power supply circuit in the present embodiment, it is possible to store an arbitrarily high voltage (a voltage higher than the generated voltage) in the
<<第3実施形態>>
次に、本発明を電源回路に適用した第3実施形態につき、図面を参照して説明する。図4は、第3実施形態の電源回路の回路構成図である。図4において、図3と同様の部分には同一の符号を付しており、その動作及び接続関係は図3のおけるものと同様であるため、それらの詳細な説明を省略する。
<< Third Embodiment >>
Next, a third embodiment in which the present invention is applied to a power supply circuit will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a circuit configuration diagram of the power supply circuit according to the third embodiment. 4, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the operation and connection relation thereof are the same as those in FIG. 3, and thus detailed description thereof will be omitted.
図4における電源回路においては、昇圧回路11の昇圧電圧(コンデンサ12の出力電圧Voに等しい)が制御部8及び昇圧回路11の夫々の電源電圧として供給されている。従って、電源9及び電源13(図3参照)が不要となる。また、直接ユニット出力電圧Vuを昇圧回路11等に電源電圧として供給している訳ではないので、発電素子1及び2による発電電圧が制御部8や昇圧回路11を駆動できないほど低い場合でも、制御部8や昇圧回路11は動作可能となる。
In the power supply circuit in FIG. 4, the boosted voltage of the booster circuit 11 (equal to the output voltage Vo of the capacitor 12) is supplied as the power supply voltage of the
また、アノード、カソードを夫々コンデンサ7の陽極、コンデンサ12の陽極に接続したダイオード14が設けられている。つまり、昇圧回路11に供給される電源電圧が昇圧回路11の最低動作電圧(昇圧回路11が入力電圧を昇圧するという昇圧動作を行うために必要な電源電圧の下限)より低く昇圧回路11が動作していない場合等において、ユニット出力電圧Vuがダイオード14を介して一時的にコンデンサ12に供給され、制御部8及び昇圧回路11の夫々の電源電圧として用いられる。これにより、昇圧回路11の起動用の電源を別途用意する必要もない。
In addition, a
また、図5に示す如く、制御部8に供給されている電源電圧(即ち、コンデンサ12の出力電圧Vo)が制御部8の最低動作電圧(制御部8が正常に動作するために必要な動作電圧の下限)より低く、制御部8が動作していない(正常に動作していない)とき、スイッチ3はオフ、スイッチ4はオンとなって発電素子1及び2は直列接続されるように構成されている。
Further, as shown in FIG. 5, the power supply voltage supplied to the control unit 8 (that is, the output voltage Vo of the capacitor 12) is the minimum operating voltage of the control unit 8 (operation necessary for the
これを実現するには、スイッチ3として制御信号がロウレベルでオフとなるスイッチ、スイッチ4として制御信号がロウレベルでオンとなるスイッチを採用すればよい。制御部8が動作していないとき、スイッチ3及び4に供給される制御信号は双方ロウレベルとなっているからである。また、スイッチ4としてMOSトランジスタを採用する場合、ゲート電圧がロウレベルのときにドレイン−ソース間を導通させるため、ゲート−ソース間に電位がなくてもドレイン−ソース間が導通するデプレッション形のMOSトランジスタを採用するようにするとよい。
In order to realize this, a switch that turns off when the control signal is low level may be used as the
発電素子1等の個々の発電電圧は低いことが多く、起動時等において発電素子1及び2が並列接続されていると、ユニット出力電圧Vuを昇圧回路11の電源電圧としてダイオード14を介して供給しても昇圧回路11等を起動できない場合も多い。例えば、発電素子1及び2の発電電圧が0.5Vの場合、最低動作電圧が0.7Vの昇圧回路11を起動させることができない。
The individual power generation voltages of the
しかし、本実施形態においては、制御部8に供給される電源電圧が制御部8の最低動作電圧より小さく、制御部8が動作していないとき、発電素子1及び2の接続方法は直列接続となっているため、起動時等において、並列接続におけるものよりも大きなユニット出力電圧Vuが得ることができ、昇圧回路11や制御部8をより確実に起動させることができる。例えば、発電素子1及び2の発電電圧が0.5Vの場合、ユニット出力電圧Vu=1.0Vを、ダイオード14を介して最低動作電圧が0.7Vの昇圧回路11に電源電圧として供給することで、昇圧回路11を起動させることができる(但し、ダイオード14における電圧降下を無視)。
However, in the present embodiment, when the power supply voltage supplied to the
また、制御部8の電源電圧が、制御部8の最低動作電圧以上となっている場合には、制御部8はスイッチ3及び4を制御する動作を行うことが可能となっているため、制御部8は必要に応じて発電素子1及び発電素子2の接続方法を切換える。
Further, when the power supply voltage of the
尚、ダイオード14を設ける代わりに、コンデンサ12と並列に電池等の電源(不図示)を接続し、制御部8及び昇圧回路11の起動時にコンデンサ12の出力電圧Voを制御部8及び昇圧回路11の夫々の最低動作電圧以上に保持する手法を採用してもよい。
Instead of providing the
(図6;接続の切換え動作)
次に、制御部8による発電素子1及び2の接続方法の切換え制御について、図6を用いて更に詳細に説明する。図6において、曲線L1はユニット出力電圧Vuの電圧波形を表わしており、曲線L2はコンデンサ12の出力電圧Voの電圧波形を表わしている。また、以下の説明においては、制御部8及び昇圧回路11の最低動作電圧は、双方0.7Vであるとし、説明の簡略化のためダイオード14における電圧降下は無視する。
(Figure 6: Connection switching operation)
Next, switching control of the connection method of the
タイミングt0では、ユニット出力電圧Vu及び出力電圧Voが共に0Vであり、制御部8及び昇圧回路11が共に動作していない状態である。タイミングt1において、太陽電池から成る発電素子1及び2の夫々に光が照射されて夫々の発電電圧が0Vから上昇し、タイミングt2において、ユニット出力電圧Vuが制御部8及び昇圧回路11の最低動作電圧である0.7Vに達したとする。
At timing t0, both the unit output voltage Vu and the output voltage Vo are 0V, and neither the
タイミングt0〜タイミングt2直前までの期間は、ユニット出力電圧Vuが0.7V未満であるため、制御部8は動作しておらず、図5に示すように発電素子1及び2の接続方法は直列接続となっているとともに、ユニット出力電圧Vuと出力電圧Voは一致している(ダイオード14における電圧降下を無視しているため)。
During the period from timing t0 to immediately before timing t2, the unit output voltage Vu is less than 0.7V, so the
タイミングt2において、出力電圧Voが0.7Vに達すると、昇圧回路11は昇圧動作を開始し始めるため、出力電圧Voが上昇し始める。タイミングt3において出力電圧Voが閾値電圧Vth1(Vth1>0.7V)に達すると、制御部8は発電素子1及び2の接続方法をこれまでの直列接続から並列接続に切換える。これにより、ユニット出力電圧Vuは低下することになる(例えば、0.8Vから半分の0.4Vに低下)。タイミングt3の後、出力電圧Voは、昇圧回路11にて設定された電圧で安定化(例えば5V)される。また、発電電圧1及び2が発電する電力量が、出力電圧Voの安定化を維持できないほど低下してくると、出力電圧Voも低下し、タイミングt4において出力電圧Voが閾値電圧Vth1を下回ると、発電素子1及び2の接続方法は制御部8によって並列接続から直列接続に切換えられる。
When the output voltage Vo reaches 0.7 V at timing t2, the
尚、図6の動作を実現するために、出力電圧Voの電圧値を検出して、その検出結果を制御部8に与える電圧検出部(不図示)を設けるようにするとよい。
In order to realize the operation of FIG. 6, a voltage detection unit (not shown) that detects the voltage value of the output voltage Vo and gives the detection result to the
背景技術においても述べたように、発電素子1及び2が並列接続で固定されていると、高効率の蓄電が可能となるというメリットがあるものの、ユニット出力電圧Vuが低くなる(例えば0.5V程度)ため、その電圧をもって昇圧回路11を起動させることができないというデメリットがある。一方、発電素子1及び2を直列接続で固定すると、ユニット出力電圧Vuが高くなる(例えば1V程度)ため、その電圧をもって昇圧回路11を起動させることができるというメリットがあるものの、蓄電の高効率化が困難というデメリットがある。
As described in the background art, when the
ところが、本実施形態に係る電源回路においては、起動時であるタイミングt0〜t2の期間、即ち、昇圧回路11に供給される電源電圧が昇圧回路11の最低動作電圧より低く昇圧回路11が動作していない期間は、発電素子1及び2の接続方法が直列接続となっているとともに、ユニット出力電圧Vuがダイオード14を介して制御部8及び昇圧回路11の夫々の電源電圧として一時的に供給される。直列接続によるユニット出力電圧Vuは、並列接続におけるそれより高いため、より確実に昇圧回路11を起動させることができる。つまり、本実施形態に係る電源回路は、ユニット出力電圧が低くて昇圧回路を起動させることができないという並列接続によるデメリットが存在しないといえる(逆に言えば、直列接続のメリットを享受している)。
However, in the power supply circuit according to the present embodiment, the
そして、制御部8及び昇圧回路11を動作させるのに十分な電圧以上に出力電圧Voが到達すると(図6におけるタイミングt3以降)、換言すれば、昇圧回路11の昇圧電圧が予め定めた閾値電圧Vth1以上になると、発電素子1及び2の接続方法は並列接続とされる。これにより、発電素子1及び2が並列接続であることのメリットを享受することができる。一度この並列接続の状態になると、発電素子1及び2の大部分が影に覆われて発電素子1及び2の夫々の発電電圧が低くなっても(例えば、0.2V)、昇圧回路11は動作を継続することができる。つまり、光量によらず常に高効率の蓄電(コンデンサ12への蓄電)が可能となる。
When the output voltage Vo reaches a voltage sufficient to operate the
また、この閾値電圧Vth1を昇圧回路11の最低動作電圧(0.7V)と同じとすると、発電素子1及び2が並列接続であることのメリットを最大限に享受することができ、より高効率の蓄電が実現される。
Further, if this threshold voltage Vth1 is the same as the minimum operating voltage (0.7V) of the
更にまた、制御部8及び昇圧回路11に対する過電圧保護の観点から、閾値電圧Vth1を制御部8及び昇圧回路11の夫々の電源電圧の絶対最大定格電圧以下に設定してもよい。発電素子1及び2の接続方法が直列接続であると、ユニット出力電圧Vuは比較的高い電圧となり、その電圧が制御部8や昇圧回路11の夫々の絶対最大定格電圧を超えると、制御部8や昇圧回路11の破損または劣化を招く。しかし、閾値電圧Vth1を制御部8及び昇圧回路11の夫々の電源電圧の絶対最大定格電圧以下に設定しておけば、発電素子1及び2の接続方法が直列接続である場合におけるユニット出力電圧Vuが、上記絶対最大定格電圧を超えてしまう前に、直列接続が並列接続に切換えられるため、制御部8及び昇圧回路11の過電圧保護が図られる。
Furthermore, from the viewpoint of overvoltage protection for the
(直列→並列の切換え変形例)
また、出力電圧Voが閾値電圧Vth1(Vth1>0.7V)に達するという条件が成立した場合に、制御部8が発電素子1及び2の接続方法をこれまでの直列接続から並列接続に切換えると説明した(図6のタイミングt3参照)が、これに代えて、発電素子1及び2の接続方法が直列接続である場合のユニット出力電圧Vuが閾値電圧Vth2(Vth2>0.7V)に達するという条件が成立した場合に、制御部8が発電素子1及び2の接続方法をこれまでの直列接続から並列接続に切換えるというように変形してもよい(図6のタイミングt3参照)。
(Modification example of switching from series to parallel)
Further, when the condition that the output voltage Vo reaches the threshold voltage Vth1 (Vth1> 0.7V) is satisfied, the
このように変形しても、変形しない実施形態と同様に、確実に昇圧回路11を起動させつつ、発電素子1及び2が並列接続であることのメリットを享受することができるし、閾値電圧Vth2を制御部8及び昇圧回路11の夫々の電源電圧の絶対最大定格電圧以下に設定すれば、制御部8及び昇圧回路11の過電圧保護が図られる。
Even if it deforms in this way, as in the embodiment that does not deform, it is possible to enjoy the merit of the
また、この閾値電圧Vth2を昇圧回路11の最低動作電圧(0.7V)と同じとすると(但し、ダイオード14の電圧降下が0Vであるという条件下)、発電素子1及び2が並列接続であることのメリットを最大限に享受することができ、より高効率の蓄電が実現される。
If the threshold voltage Vth2 is the same as the minimum operating voltage (0.7V) of the booster circuit 11 (provided that the voltage drop of the
尚、上記変形例の動作を実現するために、ユニット出力電圧Vuの電圧値を検出して、その検出結果を制御部8に与える電圧検出部(不図示)を設けるようにするとよい。
In order to realize the operation of the modified example, a voltage detection unit (not shown) that detects the voltage value of the unit output voltage Vu and gives the detection result to the
<<第4実施形態>>
次に、本発明を電源回路に適用した第4実施形態につき、図面を参照して説明する。図7は、第4実施形態の電源回路の回路構成図である。図7において、図4と同様の部分には同一の符号を付しており、その動作及び接続関係は図4のおけるものと同様であるため、それらの詳細な説明を省略する。
<< Fourth Embodiment >>
Next, a fourth embodiment in which the present invention is applied to a power supply circuit will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a circuit configuration diagram of the power supply circuit according to the fourth embodiment. In FIG. 7, the same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the operation and connection relationship thereof are the same as those in FIG.
図7における電源回路が、図4における電源回路と相違する点のみを説明する。図7における電源回路では、発電素子21及び22、並びにダイオード23及び24が新たに設けられている。発電素子21及び22は、発電素子1及び2と同様のものであり、ダイオード23及び24は、ダイオード5及び6と同様のものである。
Only the difference between the power supply circuit in FIG. 7 and the power supply circuit in FIG. 4 will be described. In the power supply circuit in FIG. 7,
発電素子21の高電圧側、発電素子22の高電圧側は、夫々ダイオード23のアノード、ダイオード24のアノードに接続され、発電素子21の低電圧側、発電素子22の低電圧側は、コンデンサ7の陰極に共通接続されている。また、ダイオード23及び24のカソードはコンデンサ7の陽極に共通接続されている。
The high voltage side of the
発電素子1及び2は、スイッチ3及び4を用いて接続方法を直列接続と並列接続とに切換え可能となっているが、発電素子21及び22は、発電素子1及び2の夫々と互いに並列接続となるように固定されている。
The
上記のように構成される電源回路の電力損失について考察する。例えば、スイッチ3及び4としてMOSトランジスタを用い、そのMOSトランジスタのドレイン−ソース間のオン抵抗を1Ω(オーム)、発電素子1つ当たりの発電電流を0.3Aとすると、スイッチ1つにつき、1Ω×0.3A×0.3A=0.09Wの電力損失が発生する。従って、仮に発電素子1、2、21及び22の接続方法を直列接続と並列接続とに切換えるためのスイッチを設け(即ち、発電素子2の低電圧側とコンデンサ7の陰極の間、発電素子21の低電圧側とコンデンサ7の陰極の間、発電素子2の低電圧側と発電素子21の高電圧側の間、発電素子21の低電圧側と発電素子22の高電圧側の間、の夫々にスイッチを設け)、それらを並列接続とすると、スイッチ3つ分の電力損失0.09W×3=0.27Wが発生することになる。
Consider the power loss of the power supply circuit configured as described above. For example, when MOS transistors are used as the
一方、図7の電源回路においては、4つの発電素子の内、2つの発電素子の接続方法を切換えるように構成しているので、スイッチにおける電力損失がスイッチ1つ分の0.09Wに抑えられ、大幅な高効率化が図られる。また、スイッチの数を削減できるため、電源回路の小型化及び低コスト化にも寄与する。 On the other hand, the power supply circuit of FIG. 7 is configured to switch the connection method of two of the four power generation elements, so that the power loss in the switch can be suppressed to 0.09 W for one switch. As a result, a significant increase in efficiency can be achieved. In addition, since the number of switches can be reduced, the power circuit can be reduced in size and cost.
尚、スイッチを用いて幾つの発電素子の接続方法を切換え可能とするかは、使用状況や用途に応じて適宜決定すればよい。例えば、切換え可能とする発電素子の個数を、直列接続した時のユニット出力電圧Vuが昇圧回路11の最低動作電圧を確保できる最低限の数(例えば2つ)にしてもいいし、その最低限の数より多い数(例えば3つ)にしてもよい。切換え可能とする発電素子の個数を前記最低限の数より多い数にした場合、スイッチでの電力損失が増大することになるが、直列接続とした時のユニット出力電圧Vuがより高くなるため、個々の発電素子の発電電圧がより低くても昇圧回路11を起動させることができる。
In addition, what is necessary is just to determine suitably according to a use condition and a use how many connection methods of a power generation element can be switched using a switch. For example, the number of power generating elements that can be switched may be the minimum number (for example, two) that can ensure the minimum operating voltage of the
<<第5実施形態>>
次に、本発明を電源回路に適用した第5実施形態につき、図面を参照して説明する。図8は、第5実施形態の電源回路の回路構成図である。
<< Fifth Embodiment >>
Next, a fifth embodiment in which the present invention is applied to a power supply circuit will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a circuit configuration diagram of the power supply circuit according to the fifth embodiment.
図7において、図4と同様の部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。即ち、発電素子1及び2、スイッチ3及び4、制御部8並びにコンデンサ12は、図4におけるものと同じであり、制御部8がスイッチ3及び4の夫々のオン/オフを制御して、発電素子1及び2の接続方法を直列接続または並列接続に切換える動作も、図4におけるものと同じである。
In FIG. 7, the same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. That is, the
発電素子1の高電圧側から出力される発電電圧は、昇圧回路31に昇圧対象として供給されており、昇圧回路31は、その発電電圧を昇圧して昇圧電圧を出力する。昇圧回路31の出力はダイオード33のアノードに接続されている。発電素子2の高電圧側から出力される発電電圧は、昇圧回路32に昇圧対象として供給されており、昇圧回路32は、その発電電圧を昇圧して昇圧電圧を出力する。昇圧回路32の出力はダイオード34のアノードに接続されている。ダイオード33及びダイオード34のカソードは、コンデンサ12の陽極に共通接続されており、コンデンサ12の陰極は、発電素子2の低電圧側及びスイッチ3を介して発電素子1の低電圧側に夫々接続されている。また、コンデンサ12の陽極は、昇圧回路31、32及び制御部8の夫々の電源電圧端子に接続されており、コンデンサ12の出力電圧Voが昇圧回路31、32及び制御部8の夫々に、夫々の電源電圧として供給されている。
The generated voltage output from the high voltage side of the
昇圧回路31及び32は、図4における昇圧回路11と同様のものであり、ダイオード33及び34は、図4におけるダイオード5及び6と同様のものである。
The
本実施形態では、上記のように発電素子ごとに昇圧回路が設けられており、発電素子1の発電電圧を昇圧対象として昇圧回路31が昇圧電圧を出力すると共に、発電素子2の発電電圧を昇圧対象として昇圧回路32が昇圧電圧を出力し、夫々の昇圧電圧はダイオード33、34を夫々介してコンデンサ12に与えられ、コンデンサ12を充電する。尚、昇圧回路31及び32並びに制御部8の夫々の電源電圧は、出力電圧Voから供給されているが、発電素子1の高電圧側の電圧や外部の電源(不図示)から供給するようにしても構わない。
In the present embodiment, as described above, a booster circuit is provided for each power generating element. The
図4の電源回路との比較において、並列モードの図8の電源回路の効率について考察する。以下の考察において、発電素子1及び2は、夫々の発電電圧が光量に応じて0.2〜0.5Vで変動する太陽電池(単一セル)とし、昇圧回路31及び32並びに昇圧回路11(図4)は、夫々の昇圧対象を昇圧して安定化された昇圧電圧5Vを出力するものとする。
In comparison with the power supply circuit of FIG. 4, consider the efficiency of the power supply circuit of FIG. 8 in parallel mode. In the following discussion, the
今、発電素子1が受光する光量が多く発電素子1の発電電圧が0.5Vであり、発電素子2が受光する光量が少なく発電素子2の発電電圧が0.2Vであるとすると、発電素子2の発電電圧(0.2V)が発電素子1の発電電圧(0.5V)よりも低いため、図4の電源回路では、並列モードにおいて発電素子2の発電電圧にてコンデンサ7を充電できない。つまり、発電素子2の発電電力が無駄になってしまう。このため、コンデンサ12への蓄電に寄与するのは、発電素子1だけになってしまう。
If the
一方、図8の電源回路では、昇圧回路31が発電素子1の発電電圧(0.5V)を5Vに昇圧し、その昇圧電圧によりコンデンサ12を充電すると共に、昇圧回路32が発電素子2の発電電圧(0.2V)を5Vに昇圧し、その昇圧電圧によりコンデンサ12を充電する。つまり、発電素子1及び2の発電電圧の相違に拘らず、全ての発電素子がコンデンサ12の蓄電に寄与するため、発電した電力が最大限に活用された高効率の蓄電が実現される。
On the other hand, in the power supply circuit of FIG. 8, the
<<第6実施形態>>
次に、本発明を電源回路に適用した第6実施形態につき、図面を参照して説明する。図9は、第6実施形態の電源回路の回路構成図である。
<< Sixth Embodiment >>
Next, a sixth embodiment in which the present invention is applied to a power supply circuit will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a circuit configuration diagram of the power supply circuit according to the sixth embodiment.
図9において、図8と同様の部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。即ち、発電素子1及び2、スイッチ3及び4、昇圧回路31及び32、並びにダイオード33及び34は、図8におけるものと同一であり、それらの接続関係も図8と同様であるため、説明を省略する。
9, the same parts as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. That is, the
ダイオード33及び34のカソードは共通接続されて、スイッチ43の一端及びスイッチ44の一端に夫々接続されている。コンデンサ41の陽極はスイッチ43の他端に接続され、陰極は発電素子2の低電圧側及びコンデンサ42の陰極に共通接続されている。コンデンサ42の陽極はスイッチ44の他端に接続されている。また、コンデンサ41の出力電圧Vo1(コンデンサ41の陽極の電圧であり、コンデンサ41に充電された電圧である)が、昇圧回路31、32及び制御部45に、夫々の電源電圧として供給されている。また、発電素子1の出力側にダイオード46のカソードが接続されると共に、ダイオード46のアノードがコンデンサ41の陽極に接続されており、昇圧回路31等の起動時にはダイオード46を介して発電素子1等から電源電圧が供給されるようになっている。
The cathodes of the
制御部45は、スイッチ3及び4だけでなく、スイッチ43及び44の夫々にも、オン/オフを制御するための制御信号を供給するものであり、スイッチ3及び4の夫々のオン/オフを制御して、発電素子1及び2の接続方法を直列接続または並列接続に切換える制御については、図4及び図8における制御部8と同様である。また、コンデンサ41の容量(静電容量)<コンデンサ42の容量(静電容量)が成立しており、コンデンサ41の容量は比較的小さく、コンデンサ42の容量は比較的大きい。
The
また、制御部45に供給されている電源電圧が制御部45の最低動作電圧(制御部45が正常に動作するために必要な動作電圧の下限)より小さく、制御部45が動作していない(正常に動作していない)とき、スイッチ43はオン、スイッチ44はオフとなっている。
Further, the power supply voltage supplied to the
これを実現するには、スイッチ43として制御信号がロウレベルでオンとなるスイッチ、スイッチ44として制御信号がロウレベルでオフとなるスイッチを採用すればよい。制御部45が動作していないとき、スイッチ43及び44に供給される制御信号は双方ロウレベルとなっているからである。また、スイッチ43としてMOSトランジスタを採用する場合、ゲート電圧がロウレベルのときにドレイン−ソース間を導通させるため、ゲート−ソース間に電位がなくてもドレイン−ソース間が導通するデプレッション形のMOSトランジスタを採用するようにするとよい。
In order to realize this, a switch that turns on when the control signal is low level as the
尚、コンデンサ41や42は、例えば、電解コンデンサ、電気二重層コンデンサなどであり、各種電池を採用しても構わない。また、種類や特性の異なるコンデンサを組み合わせてコンデンサ41や42を構成しても構わない。
The
このように構成される電源回路の動作について、図10を用いて説明する。タイミングt5においては、コンデンサ41の出力電圧Vo1及びコンデンサ42の出力電圧Vo2(コンデンサ42の陽極の電圧であり、コンデンサ42に充電された電圧である)が共に0Vであり、昇圧回路31、32及び制御部45は何れも動作していない。従って、スイッチ43がオン、スイッチ44がオフとなっている。
The operation of the power supply circuit configured as described above will be described with reference to FIG. At timing t5, the output voltage Vo1 of the
タイミングt6において、太陽電池から成る発電素子1及び2の夫々に光が照射されて夫々の発電電圧が0Vから上昇し、コンデンサ12がダイオード46を介して充電されると共に、発電素子1及び2の直列接続による合計の発電電圧が昇圧回路31、32及び制御部45の電源電圧端子に供給されるようになる。そして、合計の発電電圧がそれらの最低動作電圧に達すると昇圧回路31、32及び制御部45が起動する。
At timing t6, light is irradiated to each of the
その後、昇圧回路31及び32が夫々に出力する昇圧電圧により出力電圧Vo1が上昇し、タイミングt7において、小容量のコンデンサ41の出力電圧Vo1が予め定めた閾値電圧Vth3(閾値電圧Vth3は、昇圧回路31、32及び制御部45の夫々の最低動作電圧より高い)に達すると、制御部45はスイッチ43をオフ、スイッチ44をオンに切換える。これにより、昇圧回路31、32及び制御部45の夫々に電源電源の供給が維持されながらも、発電素子1及び2で発電された電力が大容量のコンデンサ42に充電される。
Thereafter, the output voltage Vo1 rises due to the boosted voltage output from each of the
昇圧回路31等による電力消費により出力電圧Vo1が下降して、タイミングt8にて、出力電圧Vo1が予め定めた閾値電圧Vth4(閾値電圧Vth4は、昇圧回路31、32及び制御部45の夫々の最低動作電圧より高い)に達すると、制御部45はスイッチ43をオン、スイッチ44をオフに切換えて、小容量のコンデンサ41が再び充電される状態にする。そして、タイミング9にて、出力電圧Vo1が閾値電圧Vth3に達すると、制御部45はスイッチ43をオフ、スイッチ44をオンに切換える。以後は、タイミングt7〜t9の動作が繰り返されることになる。
The output voltage Vo1 drops due to power consumption by the
上記のように、昇圧回路31及び32の夫々の出力側に、スイッチ43を介して小容量のコンデンサ41(第1蓄電手段)を接続するとともに、スイッチ44(スイッチ手段)を介して大容量のコンデンサ42(第2蓄電手段)をコンデンサ41と並列に接続し、コンデンサ41の充電時において、コンデンサ41に充電された電圧が閾値電圧Vth3より低いときは(タイミングt6〜t7の期間は)、スイッチ44をオフとして大容量のコンデンサ42への充電を禁止し、小容量のコンデンサ41のみを充電する。コンデンサ41は小容量であるため、発電素子1及び2による発電電力が僅かであっても、コンデンサ41の出力電圧Vo1、即ち、昇圧回路31、32及び制御部45の夫々の電源電圧が短時間で立ち上がり、電源回路全体の動作を速やかに開始するができる。
As described above, a small-capacitance capacitor 41 (first power storage means) is connected to the output side of each of the
また、図9の電源回路が負荷(不図示)に出力する電圧はコンデンサ42の出力電圧Vo2に相当しているが、コンデンサ42は大容量であるため、一時的に発電電力が少なくなった場合でも負荷(不図示)には安定した電圧が供給可能である。
Further, the voltage output to the load (not shown) by the power supply circuit of FIG. 9 corresponds to the output voltage Vo2 of the
尚、タイミングt7において、スイッチ43及び44の両方を同時にオンすると、小容量のコンデンサ41に蓄積された電荷が大容量のコンデンサ42に一気に流出してしまって、コンデンサ41の出力電圧Vo1が大きく低下し、電源回路全体の動作が停止してしまう恐れがある。これを避けるために、タイミングt7においては、スイッチ43をオフとした上でスイッチ44をオンしている。
If both the
また、本実施形態の動作を実現するために、出力電圧Vo1の電圧値を検出して、その検出結果を制御部8に与える電圧検出部(不図示)を設けるようにするとよい。また、本実施形態は、上述してきた他の実施形態と自由に組み合わせることができる。例えば、本実施形態を図4の回路構成に適用すれば、図11のような回路構成となる。
In order to realize the operation of the present embodiment, a voltage detection unit (not shown) that detects the voltage value of the output voltage Vo1 and gives the detection result to the
図11において、図4及び図9におけるものと同一のものは同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。図11では、昇圧回路11の昇圧電圧が出力される端子が、スイッチ43の一端及びスイッチ44の一端に共通接続されている。スイッチ43の他端はコンデンサ41の陽極に接続され、スイッチ44の他端はコンデンサ42の陽極に接続されている。コンデンサ41及び42の陰極は共通接続されて、昇圧回路11の低電圧側の出力端子に接続されている。即ち、昇圧回路11が出力する昇圧電圧は、スイッチ43を介してコンデンサ41に供給されると共に、スイッチ44を介してコンデンサ42に供給される。また、コンデンサ41の出力電圧Vo1が昇圧回路11及び制御部45の夫々に電源電圧として供給されており、出力電圧Vo1がユニット出力電圧Vuより低い場合は、ダイオード46を介してユニット出力電圧Vuによりコンデンサ41が充電される。そして、制御部45は、図9及び図10に示すものと同様に、出力電圧Vo1に応じてスイッチ43及び44のオン/オフを制御する。
11, the same components as those in FIGS. 4 and 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In FIG. 11, a terminal from which the boosted voltage of the
<<その他、変形等>>
また、上述した全ての実施形態は、矛盾の生じない限り相互に組み合わせてもよい。また、ユニット出力電圧Vuが正である場合を例示したが、回路構成を変形して負となるようにしてもよい。また、出力電圧Vo、Vo1、Vo2が正である場合を例示したが、回路構成を変形して負となるようにしてもよい。
<< Other, deformation, etc. >>
Moreover, all the above-described embodiments may be combined with each other as long as no contradiction occurs. Further, although the case where the unit output voltage Vu is positive is illustrated, the circuit configuration may be modified to be negative. Moreover, although the case where the output voltages Vo, Vo1, and Vo2 are positive is illustrated, the circuit configuration may be modified so as to be negative.
本発明は、電池やコンデンサに代表される蓄電素子を効率よく充電する電源回路として好適である。また、本発明は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、パーソナルコンピュータ、太陽光発電装置等、電源回路を備えた様々な電気機器(電子機器)に好適である The present invention is suitable as a power supply circuit that efficiently charges an electric storage element represented by a battery or a capacitor. Further, the present invention is suitable for various electric devices (electronic devices) including a power supply circuit, such as a digital camera, a digital video camera, a mobile phone, a personal computer, and a solar power generation device.
1、2、21、22 発電素子
3、4 スイッチ(切換手段)
3a、4a MOSトランジスタ
5、6、23、24、33、34 ダイオード
7 コンデンサ
8、45 制御部(制御手段)
9、13 電源
10 負荷
11、31、32 昇圧回路(昇圧手段)
14 ダイオード
12 コンデンサ(第1蓄電手段)
41 コンデンサ(第1蓄電手段)
42 コンデンサ(第2蓄電手段)
43 スイッチ
44 スイッチ(スイッチ手段)
1, 2, 21, 22
3a,
9, 13
14
41 Capacitor (first power storage means)
42 Capacitor (second power storage means)
43
Claims (7)
少なくとも2つの発電素子の接続方法を直列接続と並列接続との何れかに切換え可能な切換手段と、
前記切換手段による前記接続方法の切換えを制御する制御手段と、
前記ユニット出力電圧を昇圧して昇圧電圧を第1蓄電手段に出力する昇圧手段と、を備え、
前記昇圧手段の電源電圧は、前記第1蓄電手段から供給され、
前記昇圧手段に供給される電源電圧の大きさが前記昇圧手段の最低動作電圧の大きさより小さく前記昇圧手段が動作していないとき、前記接続方法は直列接続となっているとともに、前記ユニット出力電圧が前記第1蓄電手段に一時的に供給される
ことを特徴とする電源回路。 a power generation unit composed of n power generation elements (n is an integer of 2 or more) and outputting a unit output voltage;
Switching means capable of switching the connection method of at least two power generating elements to either serial connection or parallel connection;
Control means for controlling switching of the connection method by the switching means ;
Boosting means for boosting the unit output voltage and outputting the boosted voltage to the first power storage means,
The power supply voltage of the boosting means is supplied from the first power storage means,
When the power supply voltage supplied to the booster is smaller than the minimum operating voltage of the booster and the booster is not operating, the connection method is connected in series and the unit output voltage Is temporarily supplied to the first power storage means .
ことを特徴とする請求項1に記載の電源回路。 The connection method is a series connection when the magnitude of the power supply voltage supplied to the control means is smaller than the magnitude of the minimum operating voltage of the control means and the control means is not operating. The power supply circuit according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項1に記載の電源回路。 The power supply circuit according to claim 1 , wherein when the magnitude of the output voltage of the first power storage unit is equal to or greater than a predetermined threshold, the connection method is connected in parallel by the control unit. .
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電源回路。 The connection method is switched from a serial connection to a parallel connection by the control means when the magnitude of the unit output voltage when the connection method is a serial connection becomes a predetermined threshold value or more. The power supply circuit according to claim 1 or 2 .
ことを特徴とする請求項1に記載の電源回路。 The switching means switches a connection method of m (m <n) power generation elements among the n power generation elements, and (n−m) number excluding the m power generation elements. The power supply circuit according to claim 1 , wherein each power generation element is connected in parallel to each of the m power generation elements .
第1蓄電手段への充電時において第1蓄電手段に充電された電圧の大きさが所定の閾値より小さいときは、前記スイッチ手段を遮断して前記第2蓄電手段への充電を禁止する
ことを特徴とする請求項1に記載の電源回路。 On the output side of the boosting means, a second power storage means having a larger capacity than the first power storage means is connected in parallel with the first power storage means via the switch means,
When the magnitude of the voltage charged in the first storage means at the time of charging the first power storage device is smaller Ri by the predetermined threshold value, that by blocking the switching means prohibits the charging of the second storage means The power supply circuit according to claim 1 .
ことを特徴とする電気機器。Electrical equipment characterized by that.
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