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公開番号2021103939
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2020197551
出願日20201127
発明の名称電力供給回路および電源内蔵装置
出願人旭化成エレクトロニクス株式会社
代理人龍華国際特許業務法人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】環境発電装置の発電電力は、効率よく消費することが好ましい。
【解決手段】環境発電装置の発電電力を昇圧した電力を蓄積して、外部負荷に電力を供給する電力供給回路であって、環境発電装置の発電電圧を昇圧して昇圧電力を生成するDCDC昇圧回路と、昇圧電力を蓄積して外部負荷に供給する蓄電素子と、蓄電素子の蓄電状態に応じて、モード設定信号を出力する監視回路と、モード設定信号に応じて、環境発電装置および外部負荷の少なくとも一方の動作モードを設定するモード設定回路と、を備える電力供給回路を提供する。監視回路は、蓄電状態に依存して変化するパラメータに応じてモード設定信号を出力してよい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
環境発電装置の発電電力を昇圧した電力を蓄積して、外部負荷に電力を供給する電力供給回路であって、
前記環境発電装置の発電電圧を昇圧して昇圧電力を生成するDCDC昇圧回路と、
前記昇圧電力を蓄積して前記外部負荷に供給する蓄電素子と、
前記蓄電素子の蓄電状態に応じて、モード設定信号を出力する監視回路と、
前記モード設定信号に応じて、前記環境発電装置および前記外部負荷の少なくとも一方の動作モードを設定するモード設定回路と、
を備える電力供給回路。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記監視回路は、前記蓄電状態に依存して変化するパラメータに応じて前記モード設定信号を出力する
請求項1に記載の電力供給回路。
【請求項3】
前記監視回路は、前記蓄電状態に応じて前記モード設定信号を出力する
請求項1に記載の電力供給回路。
【請求項4】
前記蓄電素子の蓄電電圧に応じて、前記蓄電素子から前記外部負荷に電力を供給するか否かを制御する出力制御信号を出力する出力制御回路を更に備え、
前記監視回路は、前記出力制御信号に応じて前記モード設定信号を出力する
請求項2に記載の電力供給回路。
【請求項5】
前記出力制御回路は、前記蓄電電圧が第1の閾値電圧に達した場合に、前記出力制御信号を第1論理値に遷移させて前記蓄電素子から前記外部負荷に電力を供給させ、前記蓄電電圧が前記第1の閾値電圧より小さい第2の閾値電圧を下回った場合に、前記出力制御信号を第2論理値に遷移させて前記蓄電素子から前記外部負荷への電力供給を停止し、
前記監視回路は、前記出力制御信号において論理値が遷移する遷移間隔に応じて前記モード設定信号を出力する
請求項4に記載の電力供給回路。
【請求項6】
前記蓄電素子の蓄電電圧に応じて、前記DCDC昇圧回路に昇圧動作をさせるか否かを制御する昇圧制御信号を出力する昇圧制御回路と
を更に備え、
前記監視回路は、前記昇圧制御信号に応じて前記モード設定信号を出力する
請求項2に記載の電力供給回路。
【請求項7】
前記監視回路は、前記昇圧制御信号に基づいて前記DCDC昇圧回路が前記昇圧動作を停止してから、前記昇圧動作を再開するまでの期間の長さを示す期間情報を、前記モード設定信号として出力する
請求項6に記載の電力供給回路。
【請求項8】
前記環境発電装置と、前記蓄電素子との間に配置されたインダクタを更に備え、
前記監視回路は、前記インダクタにおける電圧または電流に応じて前記モード設定信号を出力する
請求項6または7に記載の電力供給回路。
【請求項9】
請求項1から8のいずれか一項に記載の電力供給回路と、
前記環境発電装置と、
前記外部負荷と
を備える電源内蔵装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力供給回路および電源内蔵装置に関する。
続きを表示(約 6,200 文字)【背景技術】
【0002】
従来、周囲環境における光、振動、熱、電波等に基づいて発電する環境発電装置から、負荷に電力を供給する電力供給回路が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2019−115189号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
環境発電装置の発電電力は、効率よく消費することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【0004】
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、環境発電装置の発電電力を昇圧した電力を蓄積して、外部負荷に電力を供給する電力供給回路であって、環境発電装置の発電電圧を昇圧して昇圧電力を生成するDCDC昇圧回路と、昇圧電力を蓄積して外部負荷に供給する蓄電素子と、蓄電素子の蓄電状態に応じて、モード設定信号を出力する監視回路と、モード設定信号に応じて、環境発電装置および外部負荷の少なくとも一方の動作モードを設定するモード設定回路と、を備える電力供給回路を提供する。
【0005】
本発明の第2の態様においては、第1の態様に係る電力供給回路と、環境発電装置と、負荷とを備える電源内蔵装置を提供する。
【0006】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本発明の一つの実施形態に係る電源内蔵装置10の構成例を示す図である。
充電電流生成回路130の構成例を蓄電素子110と合わせて示す図である。
蓄電電圧VOUTの時間変化の一例を説明する図である。
蓄電電圧VOUTの時間変化の他の例を説明する図である。
充電電流生成回路130の構成例を示す図である。
電力供給回路100の動作例を示すフローチャートである。
充電電流生成回路130の構成例を示す図である。
充電電流生成回路130の構成例を示す図である。
電力供給回路100の動作例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0009】
図1は、本発明の一つの実施形態に係る電源内蔵装置10の構成例を示す図である。電源内蔵装置10は、環境発電装置20、電力供給回路100および負荷30を備える。環境発電装置20、電力供給回路100および負荷30は共通の基板内に設けられてよく、複数の基板に設けられてもよい。
【0010】
環境発電装置20は、負荷30に供給する電力を生成する。環境発電装置20は、ガルバニ電池等の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する化学発電装置、周囲の環境エネルギーを用いて発電する。例えば環境発電装置20は、太陽光、白熱灯、蛍光灯、LED光等の光エネルギーをエネルギー源とする光発電装置、機械の発する熱や環境温度等の熱エネルギーをエネルギー源とする熱発電装置、機械の発する振動や橋・道路等の振動をエネルギー源とする振動発電装置、電磁波、電波等をエネルギーとする電磁波発電装置、または、微生物燃料電池に代表される生物の活動をエネルギーに変換する生物発電装置等である。環境発電装置20は、一つの種類の環境エネルギーにより発電してよく、複数の種類の環境エネルギーにより発電してもよい。
【0011】
環境発電装置20は、小規模の装置で、微小な電力を生成してよい。環境発電装置20の最大出力電圧は、1.5V以下であってよく、0.5V以下であってもよい。環境発電装置20の最大出力電圧は、任意の負荷30の定格電圧より小さくてよく、0.5倍以下であってもよい。環境発電装置20の最大出力電流は、50μA以下であってよく、20μA以下であってもよい。環境発電装置20の最大出力電流は、任意の負荷30の定格電流より小さくてよく、0.5倍以下であってもよい。
【0012】
環境発電装置20は、発電量が制御できることが好ましい。例えば環境発電装置20は、稼働および停止の周期、稼働期間の長さ等を調整することで、発電量を制御する。環境発電装置20は、複数の発電ユニットを有しており、稼働させるユニット数を調整することで、発電量を制御してもよい。
【0013】
負荷30は、環境発電装置20の発電電力により動作する。負荷30は、電力供給回路100の外部に設けられた外部負荷である。負荷30は、物理量を検出するセンサーを有してよく、無線通信を行うモジュールを有してよく、信号を処理する処理回路を有してよく、他の構成を有していてもよい。負荷30は、周期的に稼働と停止を繰り返す間欠動作可能であってよい。
【0014】
負荷30は、消費電力が制御できることが好ましい。例えば負荷30は、稼働および停止の周期、稼働期間の長さ等を調整することで、消費電力を制御する。負荷30は、複数の動作ユニットを有しており、稼働させるユニット数を調整することで、消費電力を制御してもよい。
【0015】
電力供給回路100は、環境発電装置20の発電電力を蓄積して、負荷30に電力を供給する。環境発電装置20の発電電力は周囲環境の状態により変動するが、発電電力を蓄積して供給することで、電力供給の安定性を向上できる。また、微小な発電力の環境発電装置20を用いて、負荷30を駆動できる。
【0016】
本例の電力供給回路100は、蓄電素子110、充電電流生成回路130、監視回路202およびモード設定回路204を備える。充電電流生成回路130は、環境発電装置20の発電電力から、蓄電素子110を充電する充電電流Icを生成する。例えば充電電流生成回路130は、インダクタ等を用いて環境発電装置20の発電電圧を昇圧して、蓄電素子110に印加する。
【0017】
それぞれの蓄電素子110は、充電電流Icが供給されて、電力を蓄積する。それぞれの蓄電素子110は、蓄積した電力を負荷30に供給する。それぞれの蓄電素子110は、単一のコンデンサであってよく、複数のコンデンサの集合であってもよい。本例においては、充電電流生成回路130が蓄電素子110の蓄電電力を取り込み、電力出力端子VSYSから負荷30に電力を供給する。
【0018】
監視回路202は、蓄電素子110の蓄電状態に応じて、モード設定信号Smを出力する。蓄電素子110の蓄電状態は、蓄電素子110にどれだけの電力が蓄積されているかを示す物理量であってよく、蓄電素子110に電力が蓄積される速度を示す物理量であってもよい。例えば蓄電状態は、蓄電素子110の蓄電電圧VOUTの電圧値、または、その時間変化である。また、蓄電状態は、蓄電素子110に蓄積されている電力量、または、その時間変化であってもよい。蓄電素子110の蓄電状態は、蓄電素子110自体を監視することで取得してよく、蓄電素子110の蓄電状態に依存して変化するパラメータを監視することで取得してもよい。当該パラメータは、電力供給回路100における所定のノードの、電圧値、電流値、電圧周期、電流周期、または、その他の電気量であってよい。
【0019】
モード設定信号Smは、負荷30または環境発電装置20の動作モードを設定するのに用いる情報を含む。モード設定信号Smは、蓄電素子110の蓄電状態を示す情報を含んでよく、負荷30または環境発電装置20の動作モードを指定する情報を含んでもよい。
【0020】
モード設定回路204は、モード設定信号Smに応じて、環境発電装置20および負荷30の少なくとも一方の動作モードを設定する。モード設定回路204は、モード制御信号Sc1およびモード制御信号Sc2の少なくとも一方を出力する。モード制御信号Sc1は、環境発電装置20の動作モードを制御する信号であり、モード制御信号Sc2は、負荷30の動作モードを制御する信号である。
【0021】
環境発電装置20は、発電電力が変化する複数の動作モードを有する。上述したように環境発電装置20は、動作モードが変更されると、稼働する発電ユニットの個数が変化してよい。負荷30は、消費電力が変化する複数の動作モードを有する。上述したように負荷30は、動作モードが変更されると、稼働する動作ユニットの個数が変化してよい。
【0022】
モード設定回路204は、蓄電素子110の蓄電電圧または蓄電電力が所定の閾値より大きいか、または、蓄電速度が所定の閾値より大きい場合に、環境発電装置20の発電電力を小さくするモード制御信号Sc1、および、負荷30の消費電力を大きくするモード制御信号Sc2の少なくとも一方を出力してよい。モード設定回路204は、蓄電素子110の蓄電電圧または蓄電電力が所定の閾値より小さいか、または、蓄電速度が所定の閾値より小さい場合に、環境発電装置20の発電電力を大きくするモード制御信号Sc1、および、負荷30の消費電力を小さくするモード制御信号Sc2の少なくとも一方を出力してよい。このような動作により、蓄電素子110の蓄電状態に応じて環境発電装置20および負荷30の少なくとも一方を制御でき、環境発電装置20の発電電力を効率よく消費できる。
【0023】
モード設定回路204は、蓄電素子110の蓄電状態を示す上述した各パラメータと、所定の閾値を比較することで、モード制御信号Scを生成してよい。モード設定回路204は、モード制御信号Sc1を生成する場合と、モード制御信号Sc2を生成する場合とで、異なる閾値を用いてよい。
【0024】
モード設定回路204は、負荷30の状態、および、環境発電装置20の状態の少なくとも一方に更に基づいて、モード制御信号Scを生成してもよい。例えば、負荷30における消費電力に下限および上限のいずれかが設定されている場合、モード設定回路204は、負荷30の消費電力が当該範囲内となるように、モード制御信号Sc2を生成する。同様に、環境発電装置20における発電電力に下限および上限のいずれかが設定されている場合、モード設定回路204は、環境発電装置20の発電電力が当該範囲内となるように、モード制御信号Sc1を生成する。モード設定回路204は、負荷30および環境発電装置20の現在の状態に基づいて、いずれの動作モードを変更するかを選択してもよい。
【0025】
図2は、充電電流生成回路130の構成例を蓄電素子110と合わせて示す図である。充電電流生成回路130は、インダクタ132、ダイオード134および制御チップ140を有する。制御チップ140は例えば半導体チップである。インダクタ132は、環境発電装置20と、蓄電素子110との間に設けられる。ダイオード134は、インダクタ132と、蓄電素子110との間において、インダクタ132から蓄電素子110に順方向電流を流すように設けられる。
【0026】
制御チップ140は、入力端子VIN、接続端子SW、検知端子VDD、出力端子OUT、電力出力端子VSYS、出力通知端子PGOOD、昇圧制御端子PDを有する。また、制御チップ140は、昇圧回路142、MOSトランジスタ144、昇圧制御回路146、出力制御回路148、および、出力スイッチ152を有する。
【0027】
インダクタ132とダイオード134との接続点133は、制御チップ140の接続端子SWに接続されている。制御チップ140は、接続点133を、接地電位等の基準電位に接続するか否かを周期的に切り替えることで、接続点133における電圧を昇圧する。MOSトランジスタ144は、接続点133を基準電位に接続するか否かを切り替える。接続点133が基準電位に接続された場合、インダクタ132に流れる電流は増加する。接続点133が基準電位から切り離された場合、インダクタ132に流れていた電流はダイオード134を介して蓄電素子110に供給される。
【0028】
昇圧回路142は、入力電圧VINを昇圧して昇圧電力を生成する。一例として昇圧回路142は、入力された直流電圧を昇圧して、直流電圧を出力するDCDC昇圧回路である。昇圧回路142は、接続点133と基準電位との間に設けられたMOSトランジスタ144を、入力電圧VINを昇圧した電圧で制御してよい。本例の昇圧回路142は、昇圧電圧に応じた振幅を有するクロック信号を生成する。昇圧回路142は、クロック信号をMOSトランジスタ144のゲート端子に印加する。これにより、入力電圧VINが小さい場合でも、MOSトランジスタ144を制御できる。
【0029】
MOSトランジスタ144は、昇圧回路142から供給されるクロック信号に応じて、接続点133を基準電位に接続するか否かを切り替える。MOSトランジスタ144がオンオフを繰り返すことで、接続点133における電圧が上昇する。これにより昇圧回路142は、環境発電装置20の発電電圧を昇圧して蓄電素子110に印加できる。本例の蓄電素子110は、昇圧回路142により生成された昇圧電力を蓄積する。また、昇圧回路142が昇圧電圧を生成することで、接続点133の電圧が上昇しても、MOSトランジスタ144のオンオフを制御できる。本例のMOSトランジスタ144は、nチャネルMOSトランジスタとして説明したが、pチャネルMOSトランジスタ、バイポーラトランジスタなどで構成してもよい。すなわち、昇圧回路142−1から供給されるクロック信号に応じて、接続点133−1を基準電位に接続するか否かを切り替えられる素子を用いることができる。
【0030】
制御チップ140の検知端子VDDは、蓄電素子110に接続される。制御チップ140の電力出力端子VSYSは負荷30に接続され、負荷30に電力を供給する。本例の制御チップ140は、検知端子VDDから蓄電素子110の蓄電電力を取り込み、電力出力端子VSYSから電力を出力する。制御チップ140は、蓄電素子110の蓄電電圧VOUTの大きさに応じて、電力出力端子VSYSから電力を出力するか否かを切り替えてよい。この場合、制御チップ140の出力通知端子PGOODからは、電力出力端子VSYSから電力を出力しているか否かを示す通知信号が出力されてよい。
(【0031】以降は省略されています)

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