JP2006230094A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】
より簡便かつ経済的な構成によって、スーパーキャパシタ等の電源の電圧が低い状態であっても正常に起動できるような電源回路を提供することである。
【解決手段】
本発明にかかる電源回路は、直流電源１と、直流電源１の電圧のレベルを変換する変換部２と、変換部２の変換する電圧を制御する制御部７と、変換部２の起動時、外部操作に応じた量の電圧を生成し、生成した電圧を制御部７に供給する発電機構１２と、を備えるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源回路に関し、特に、直流電源電圧を所望の直流電圧に変換する電源回路に関する。

近年、スーパーキャパシタの特性向上が進んでいる。スーパーキャパシタは、一般のコンデンサに比べて体積当りで１０００倍以上の静電容量をもつ電気二重層コンデンサである。スーパーキャパシタは、充放電が原理的に無制限、秒単位の急速充放電が可能、環境負荷が少ないことから注目されており、すでに、各種電子機器における電源断時のバックアップ電源として利用されている。そして、スーパーキャパシタは、その特性向上により将来的に携帯機器等の電源用途として現在の２次電池との代替が期待されている。

図３は、一般的なスーパーキャパシタの特性を示している。図３において、横軸はバックアップ時間（充電後の動作時間）を示し、縦軸は各時間の出力電流値である。図のように、スーパーキャパシタは、長期間の動作が可能となっている。この例のスーパーキャパシタは、充電した後、０．１秒経過時にはアンペアオーダーの電流、１分経過時にはミリアンペアオーダーの電流、１ヶ月経過時にはマイクロアンペアオーダーの電流の取り出しが可能である。

また、スーパーキャパシタは、エネルギーの放出と共に放電電圧が低下するため、そのレベル変動の幅が大きいという特徴がある。したがって、スーパーキャパシタを用いて電源回路を構成する場合、電子機器に供給する電圧を一定にする為、ＤＣ／ＤＣコンバータとの組合せでの使用が必須となる。

一方、携帯機器等の電源回路では、電源に蓄積したエネルギーを効率的に使用する為、停止と再起動（起動）を繰り返すような環境が想定される。すなわち、電源回路のＤＣ／ＤＣコンバータは、停止と再起動を繰り返しても、正常に動作する必要がある。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータの一部を半導体素子で構成している場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動時には、半導体素子のしきい値以上の電圧が必要であるが、主電源の電圧が半導体素子のしきい値以下の低電圧となった場合は、半導体素子が動作できないため、ＤＣ／ＤＣコンバータを再起動する事ができなくなるという欠点が生じる。

そこで、主電源とは別に電池からなる予備電源を有する従来のＤＣ／ＤＣコンバータが知られている（特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載されている従来のＤＣ／ＤＣコンバータを含む電源回路の構成を示している。この従来の電源回路は、図に示されるように、直流電源１０１とＤＣ／ＤＣコンバータ１０２を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、変換部１２０、制御部１２１、補助電源１２２を有している。変換部１２０は、スイッチング素子１２３、トランス１２４、ダイオード１２５を有しており、直流電源１０１の電圧を所定の電圧に変換し出力する。制御部１２１は、誤差増幅器１２６、パルス幅変換器１２７、駆動回路１２８を有しており、変換部１２０の変換した電圧が所定の電圧となるように変換部１２０の動作を制御する。補助電源１２２は、電池１３０、ダイオード１３１，１３２を有しており、制御部１２１の各回路に対し補助電源を供給する。

従来のＤＣ／ＤＣコンバータを有する電源回路の起動時、まず、補助電源１２２から制御部１２１に動作電圧が供給され、起動後は、変換部１２０の出力直流電圧がダイオ−ド１３２を介して制御部１２１に動作電圧として供給される。このような構成により、起動時に直流電源１０１の電圧が制御部１２１の動作電圧より低下している場合でも、補助電源１２２より制御部１２１に動作電圧を供給するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２の起動が可能である。
特開昭５７−１８０３７２号公報

このように、従来のＤＣ／ＤＣコンバータを有する電源回路では、起動用の補助電源を設けることにより正常な起動を保障している。例えば、スーパーキャパシタを電源に用いた場合には、バックアップ時間によっては、電源電圧が１Ｖ未満と非常に低くなることもあるため、補助電源を備える必要性が高い。

しかしながら、従来の電源回路では、起動時に必要となる電力を電源回路内部にあらかじめ蓄積しておく手段が必要であった。図４の従来例では、起動用の補助電源１２２に直流電源１０１（主電源）と同等の電池１３０が必要となってしまう。例えば、２次電池の代替として主電源にスーパーキャパシタを用いた場合、電源回路内にさらに電池を設けてしまうことは、２次電池を代替するという機能を果たさなくなってしまう。また、電池を設けてしまうと、回路構成が複雑になってしまうとともに、電池の交換が必要になる等、経済的な負担が生じるという問題点があった。

本発明にかかる電源回路は、直流電圧源と、前記直流電圧源の電圧のレベルを変換する変換回路と、前記変換回路の変換する電圧を制御する制御回路と、変換回路の起動時、外部操作に応じた量の電圧を生成、前記生成した電圧を前記制御回路に供給する起動電圧生成回路と、を備えるものである。

この電源回路によれば、変換回路の起動時に起動電圧生成回路から電力を供給するため、電源電圧が制御回路の動作電圧より低い場合でも正常に起動することができる。さらに、起動時にのみ必要な電力を外部の操作に応じて生成するため、起動用の動作電圧をあらかじめ蓄積するような電池を設ける必要が無い。したがって、より簡便かつ経済的な回路構成とすることができる。

本発明によれば、より簡便かつ経済的な構成により、低い電源電圧でも正常に起動できる電源回路を提供することができる。

発明の実施の形態１．
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態１にかかる電源回路について説明する。本実施形態にかかる電源回路は、外部操作する発電機構により起動時の動作電圧を生成することを特徴としている。

図１は、本実施形態にかかる電源回路の構成を示している。この電源回路は、図に示されるように、直流電源１、電源スイッチ１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を備えている。

直流電源１は、直流電圧を出力する電圧源であり、例えば、スーパーキャパシタである。直流電源１は、その他、起動時にＤＣ／ＤＣコンバータ２０（制御部７）の動作電圧よりも低い電圧を出力しうるような電源である。

電源スイッチ１１は、電源回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ２０）の動作をオン／オフする。電源スイッチ１１を閉じる（オンする）ことにより、直流電源１とＤＣ／ＤＣコンバータ２０の間を接続し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作を開始する。電源スイッチ１１を開く（オフする）ことにより、直流電源１とＤＣ／ＤＣコンバータ２０の間を切断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作を停止する。尚、本明細書において、起動（再起動）とは、電源回路の起動であり、電源回路から変換した電圧の出力を開始することである。具体的には、電源スイッチ１１をオンし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作を開始することである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、直流電源１の電圧を所定のレベルの電圧に変換する回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、図に示されるように、変換部２、制御部７、発電機構１２を有している。

変換部２、直流電源１の電圧のレベルを変換（昇圧）した出力電圧を出力する。変換部２は、入力電圧を巻線比に応じて変換するトランス４（昇圧器）、トランス４の電流をオン／オフ（スイッチング）しトランス４で電圧変換をさせるスイッチング素子３、トランス４から出力される電流を整流するダイオード５、トランス４が変換した電圧を蓄積し出力電圧とするコンデンサ６を有している。

トランス４の１次側（入力側）は、一端が電源スイッチを介して直流電源１の一方の端子（第１の電源側）に接続され、他端がスイッチング素子３を介して直流電源１の他方の端子（第２の電源側）に接続されている。スイッチング素子３は、例えば、Ｎ型のパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｓｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、ドレインがトランス４の一次側の他端に接続され、ソースが直流電源１の他方の端子に接続され、ゲートに制御回路から制御電圧が入力される。尚、スイッチング素子３は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、バイポーラトランジスタ等でもよい。

トランス４の２次側（出力側）は、一端がダイオード５を介してコンデンサの一端に接続され、他端がコンデンサ６の他端に接続されている。さらに、コンデンサ６の両端の電圧（出力電圧）は、出力端子から出力されるとともに、制御部７にも供給される。

制御部７は、変換部２の変換した出力電圧が所定の電圧となるように変換部２の変換動作を制御する。制御部７は、例えば、１つの半導体装置であり、動作するためには半導体素子のしきい値以上の電源が必要である。制御部７は、誤差増幅器８、パルス幅変換器９、駆動回路１０を有している。誤差増幅器８は、コンデンサ６の両端に接続されて、変換部２の出力電圧が入力され、出力電圧と設定基準電圧とを比較して比較結果を出力する。パルス幅変換器９は、誤差増幅器８が出力する比較結果に応じたパルス幅のパルスを生成する。駆動回路１０は、パルス幅変換器９の生成したパルスを駆動した制御電圧を変換部２のスイッチング素子３へ出力する。

また、制御部７の各要素、つまり、誤差増幅器８、パルス幅変換器９、駆動回路１０のそれぞれが動作するための電源として、ダイオード１４を介して変換部２の出力電圧が供給され、さらに、ダイオード１３を介して発電機構１２の発電電圧が供給される。本実施形態では、電源回路の起動時は、発電機構１２から電源が供給され、起動後は、変換部２から電源が供給される。

発電機構１２は、起動時、制御部７の動作電圧を発電する起動電圧生成回路である。発電機構１２は、外部から手動により操作され、操作される力に応じた量の電力（電圧）を生成し、生成した電力を制御部７へ出力する。発電機構１２は、例えば、外部から応力を加えることにより電力を発生するピエゾ素子（圧電素子）や、外部入力によりモーター等を回転させ電磁コイルにより電力を発生する電磁変換器等である。発電機構１２は、より簡便な回路構成とするために、あらかじめ電力を蓄積しておくのではなく、起動時のみ必要な電力を発電するような構成であることが好ましい。

電源回路の定常動作時（起動後、発電機構１２等を用いずに安定して動作する時）、スイッチング素子３がオンの間、直流電源１の電圧がトランス４により昇圧され、ダイオード５で整流されて出力電圧が出力される。そして、出力電圧が所定の基準電圧となるように、制御部７によりスイッチング素子３がオン／オフされる。例えば、基準電圧よりも出力電圧が大きい場合には、スイッチング素子３のオンの期間を短くすることで、トランス４の動作期間が短くなり出力電圧が低くなる。また、基準電圧よりも出力電圧が小さい場合には、スイッチング素子３のオンの期間を長くすることで、トランス４の動作期間が長くなり出力電圧が高くなる。

電源回路の再起動時（起動時）、使用者が電源スイッチ１１を閉じた後、発電機構１２を操作する。発電機構１２では、使用者の操作に応じた電圧が生成される。そうすると、発電機構１２から発電電圧がダイオード１３を介して制御部７に与えられ、この電圧が制御部７の動作電圧以上になると、制御部７が動作するようになる。このとき、変換部２の出力電圧は基準電圧以下であるから、スイッチング素子３がオンとなり、トランス４が昇圧を開始する。こうして、発電機構１２を操作することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が起動する。

このように本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の再起動時のみ制御部７の動作電圧を供給するような発電機構１２を設けた。これにより、直流電源１が制御部７の動作電圧より低い電圧であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が正常に起動することができる。特に、直流電源１にスーパーキャパシタを用いた場合には、上述のように、電源電圧が非常に低くなるため、本発明による効果が大きい。また、起動時のみの電力でよく定常動作時の電力を要さない為、より簡便な構造を取る事が可能である。また、図４の従来技術にあった電池のようなあらかじめ電力を蓄積しておくような手段が不要となり、電池交換なども不要であるため、より経済的な構成とすることができる。

発明の実施の形態２．
次に、図２を用いて、本発明の実施の形態２にかかる電源回路について説明する。本実施形態にかかる電源回路は、外部操作するスイッチにより起動時の動作電圧を生成することを特徴としている。

図２は、本実施形態にかかる電源回路の構成を示している。この電源回路は、図１の構成と比べて、発電機構１２の代わりに、起動スイッチ１５を有している。尚、図２において、図１と同一の符号を付されたものは同様の要素であり、それらの説明を適宜省略する。

起動スイッチ１５は、起動時に、変換部２（トランス４）の電流のオン／オフしトランス４で電圧変換をさせるスイッチである。起動スイッチ１５は、外部から手動により操作される機械的なスイッチであり、操作に応じてオン／オフする。本実施形態では、起動スイッチ１５は、トランス４とともに、操作に応じた量の電圧を生成して制御部７へ動作電圧を供給する起動電圧生成回路である。

起動スイッチ１５は、スイッチング素子３と並列に、つまり、スイッチング素子３をバイパスするように接続されている。起動スイッチ１５は、トランス４の１次側の他端と、直流電源１の他方の端子との間に設けられている。起動スイッチ１５を閉じる（オンする）ことにより、トランス４の１次側と直流電源１との間を接続する。起動スイッチ１５を開く（オフする）ことにより、トランス４の１次側と直流電源１との間を切断する。

電源回路の定常動作時、起動スイッチ１５は開いておき、実施の形態１と同様の動作となる。

電源回路の再起動時（起動時）、使用者が電源スイッチ１１を閉じた後、起動スイッチ１５を機構的にオン、オフする。このとき、使用者は、起動スイッチ１５のオン／オフを短期間に繰り返す。そうすると、この繰り返し操作に応じて直流電源１の電圧がトランス４の１次側に蓄積されていき、２次側に誘起電圧を発生させる。この電圧がダイオード１４を介して制御部７に供給され、制御部７の動作電圧以上になると、制御部７が動作するようになり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が起動する。

このように本実施形態では、再起動に際して制御部７を直接動作させるのではなく、直流電源１を利用してトランス４で動作電圧を生成し、制御部７を動作させるスイッチを設けた。機械的なスイッチを有する事で、直流電源１の電圧がスイッチング素子３のしきい値電圧以下であっても、直流電源１の電力を使用して再起動を行うことができる。起動時の動作電圧を生成するための回路としてスイッチのみでよいため、実施の形態１のような発電機構が必要なく、従来例のような予備電源の電池も必要がない。したがって、実施の形態１よりもさらに、簡便かつ経済的な構成とすることができる。

尚、上述の例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形、実施が可能である。変換部２や制御部７は、同様の動作をする構成であれば、その他の構成でもよい。例えば、昇圧電圧が制御可能なチャージポンプ等に本発明を適用してもよい。

本発明にかかる電源回路の構成を示すブロック図である。 本発明にかかる電源回路の構成を示すブロック図である。 一般的なスーパーキャパシタの特性図である。 従来の電源回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 直流電源
２ 変換部
３ スイッチング素子
４ トランス
５ ダイオード
６ コンデンサ
７ 制御部
８ 誤差増幅器
９ パルス幅変換器
１０ 駆動回路
１１ 電源スイッチ
１２ 発電機構
１３，１４ ダイオード
１５ 起動スイッチ
２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (8)

1. 直流電圧源と、
   前記直流電圧源の電圧のレベルを変換する変換回路と、
   前記変換回路の変換する電圧を制御する制御回路と、
   前記変換回路の起動時、外部操作に応じた量の電圧を生成し、前記生成した電圧を前記制御回路に供給する起動電圧生成回路と、
   を備える電源回路。
2. 前記起動電圧生成回路は、外部操作される力に応じた量の電圧を生成し、前記生成した電圧を前記制御回路へ出力する、
   請求項１に記載の電源回路。
3. 前記起動電圧生成回路は、ピエゾ素子を有する回路である、
   請求項２に記載の電源回路。
4. 前記起動電圧生成回路は、電磁変換器を有する回路である、
   請求項２に記載の電源回路。
5. 前記起動電圧生成回路は、外部操作に応じて前記変換回路に前記直流電圧源の電圧を変換させ、
   前記変換回路は、前記変換した電圧を前記制御回路へ出力する、
   請求項１に記載の電源回路。
6. 前記起動電圧生成回路は、機械的なスイッチを有している、
   請求項５に記載の電源回路。
7. 前記変換回路は、前記制御回路の制御に応じて前記直流電圧源の電圧を変換するスイッチング素子を有し、
   前記機械的なスイッチは、前記スイッチング素子と並列に接続されている、
   請求項６に記載の電源回路。
8. 前記直流電圧源は、スーパーキャパシタである、
   請求項１乃至７のいずれか一つに記載の電源回路。
   

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