JP2015107014A - Booster circuit - Google Patents

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尚一 大嶋
Shoichi Oshima
尚一 大嶋
賢一 松永
Kenichi Matsunaga
賢一 松永
近藤　利彦
Toshihiko Kondo
利彦 近藤
森村　浩季
Hiroki Morimura
浩季 森村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a booster circuit which can efficiently raise the voltage even when a voltage signal of a power harvesting element and the like fluctuates.SOLUTION: A booster circuit for raising the voltage comprises: a voltage current control element 30 for controlling the voltage/current to be a predetermined value or less; a ring oscillator 40 using an output signal from the voltage current control element 30 as a power source; and a charge pump circuit 50 which is driven by the ring oscillator 40. The power harvesting element 10 is a power generation element such as a solar cell which has a fluctuating voltage level.

Description

本発明は、電圧信号を昇圧するための昇圧回路に関する。   The present invention relates to a booster circuit for boosting a voltage signal.

図５は、従来の昇圧回路の構成例を示す図である（特許文献１参照）。この図に示すように、昇圧回路は、ある安定したＤＣ電源（例えば乾電池）１０１から交流信号を創り出す機構（例えばリング発振器）１０２〜１０４を備えている。リング発振器１０２〜１０４から出力される交流信号をダイオード１０５〜１０８で整流しつつコンデンサ１０９〜１１２に蓄え、そのコンデンサ１０９〜１１２の電圧を加算回路１１３〜１１５で多段に加算することで昇圧している。このようなリング発振器１０２〜１０４は、電源電圧が低くても発振が可能となるため、特に、低電圧での昇圧動作に適している。   FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional booster circuit (see Patent Document 1). As shown in this figure, the booster circuit includes mechanisms (for example, ring oscillators) 102 to 104 that generate an AC signal from a certain stable DC power source (for example, a dry battery) 101. The AC signals output from the ring oscillators 102 to 104 are stored in the capacitors 109 to 112 while being rectified by the diodes 105 to 108, and the voltages of the capacitors 109 to 112 are boosted by adding them in multiple stages using the adder circuits 113 to 115. Yes. Since such ring oscillators 102 to 104 can oscillate even when the power supply voltage is low, the ring oscillators 102 to 104 are particularly suitable for boosting operation at a low voltage.

特開平１−１６４２６４号公報JP-A-1-164264

図５に示される昇圧回路は、乾電池１０１など、電圧がある一定範囲内にあるような入力信号を昇圧する場合には適している。しかしながら、太陽電池などの環境発電素子を電源として使用した場合、この昇圧回路を用いると効率が低下するという課題がある。   The booster circuit shown in FIG. 5 is suitable for boosting an input signal such as a dry battery 101 whose voltage is within a certain range. However, when an energy harvesting element such as a solar cell is used as a power source, there is a problem in that the efficiency decreases when this booster circuit is used.

すなわち、ＤＣ電源１０１を交流に変換するリング発振器１０２〜１０４は、電源電圧の上昇に従い発振周波数が上昇する。そのため、消費電力が増加してしまい、また、後段のコンデンサ１０９〜１１２へのエネルギー供給が過剰となり、電力が無駄にリング発振器１０２〜１０４で失われてしまう。   That is, the ring oscillators 102 to 104 that convert the DC power supply 101 into alternating current increase in oscillation frequency as the power supply voltage increases. As a result, power consumption increases, energy supply to the capacitors 109 to 112 in the subsequent stage becomes excessive, and power is lost in the ring oscillators 102 to 104 in vain.

本発明は、環境発電素子などの電圧信号が変動する場合でも効率よく昇圧することができる昇圧回路を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a booster circuit capable of efficiently boosting voltage even when a voltage signal of an energy harvesting element or the like fluctuates.

上記目的を達成するため、第１の態様に係る発明は、電圧を昇圧する昇圧回路であって、電圧・電流を所定値以下に制限する電圧電流制御素子と、前記電圧電流制御素子の出力信号を電源とするリング発振器と、前記リング発振器により駆動されるチャージポンプ回路とを備えることを要旨とする。   In order to achieve the above object, an invention according to a first aspect is a booster circuit that boosts a voltage, a voltage / current control element that limits a voltage / current to a predetermined value or less, and an output signal of the voltage / current control element And a charge pump circuit driven by the ring oscillator.

第２の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記リング発振器は、前記電圧電流制御素子からの出力信号を電源とし、前記チャージポンプ回路は、環境発電素子からの出力信号を電源とすることを要旨とする。   The invention according to a second aspect is the invention according to the first aspect, wherein the ring oscillator uses an output signal from the voltage / current control element as a power source, and the charge pump circuit receives an output signal from the energy harvesting element. The main point is to use power.

第３の態様に係る発明は、第１又は第２の態様に係る発明において、前記電圧電流制御素子として、ある一定のバイアス電圧が印可されたトランジスタを使用することを要旨とする。   The gist of the invention according to the third aspect is that, in the invention according to the first or second aspect, a transistor to which a certain bias voltage is applied is used as the voltage-current control element.

第４の態様に係る発明は、第１又は第２の態様に係る発明において、前記電圧電流制御素子として、トランジスタのゲート部分をソース側へと接続した定電流回路を使用することを要旨とする。   The invention according to the fourth aspect is characterized in that, in the invention according to the first or second aspect, a constant current circuit in which a gate portion of a transistor is connected to a source side is used as the voltage / current control element. .

第５の態様に係る発明は、第１から第４のいずれか１つの態様に係る発明において、前記電圧電流制御素子における制限量は、本昇圧回路に接続される回路の負荷に応じて設定されることを要旨とする。   The invention according to a fifth aspect is the invention according to any one of the first to fourth aspects, wherein the limit amount in the voltage / current control element is set according to a load of a circuit connected to the booster circuit. This is the gist.

本発明によれば、環境発電素子などの電圧信号が変動する場合でも効率よく昇圧することができる昇圧回路を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a booster circuit that can efficiently boost a voltage even when a voltage signal of an energy harvesting element or the like fluctuates.

本発明の第１の実施の形態における昇圧回路の模式的ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a booster circuit according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施の形態における昇圧回路の模式的ブロック図である。It is a typical block diagram of the booster circuit in the 2nd Embodiment of this invention. 図１又は図２に示される昇圧回路の構成例１を示す図であり、（ａ）は模式的ブロック図、（ｂ）は回路図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example 1 of the booster circuit illustrated in FIG. 1 or 2, in which (a) is a schematic block diagram and (b) is a circuit diagram. 図１又は図２に示される昇圧回路の構成例２を示す図であり、（ａ）は模式的ブロック図、（ｂ）は回路図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example 2 of the booster circuit illustrated in FIG. 1 or FIG. 2, in which (a) is a schematic block diagram and (b) is a circuit diagram. 従来の昇圧回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional booster circuit.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態における昇圧回路の模式的ブロック図である。この昇圧回路は、図１に示すように、環境発電素子１０と、蓄電素子２０と、電圧電流制御素子３０と、リング発振器４０と、チャージポンプ回路５０と、電圧リファレンス回路６０とを備えている。環境発電素子１０は、例えば太陽電池など、電圧レベルが変動する発電素子である。太陽電池は、排気ガスや騒音を出さないクリーンなエネルギーであり、また、軽量・薄型な特徴を持つため、小型無線送信装置などの携帯機器への搭載に優れている。蓄電素子２０は、例えば二次電池やコンデンサなどである。電圧電流制御素子３０は、電圧・電流を所定値以下に制限する。リング発振器４０は、複数個の遅延要素をリング状に結合した構成の発振回路であり、電圧電流制御素子３０の出力信号を電源とする。チャージポンプ回路５０は、電圧を上昇させるための回路であり、リング発振器４０により駆動される。電圧リファレンス回路６０は、基準電圧を得るために用いられるリニアレギュレータなどである。 (First embodiment)
FIG. 1 is a schematic block diagram of a booster circuit according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the booster circuit includes an energy harvesting element 10, a storage element 20, a voltage / current control element 30, a ring oscillator 40, a charge pump circuit 50, and a voltage reference circuit 60. . The environmental power generation element 10 is a power generation element whose voltage level varies, such as a solar battery. Solar cells are clean energy that does not emit exhaust gas or noise, and are lightweight and thin, so they are excellent for mounting on portable devices such as small wireless transmitters. The power storage element 20 is, for example, a secondary battery or a capacitor. The voltage / current control element 30 limits the voltage / current to a predetermined value or less. The ring oscillator 40 is an oscillation circuit configured by coupling a plurality of delay elements in a ring shape, and uses an output signal of the voltage / current control element 30 as a power source. The charge pump circuit 50 is a circuit for increasing the voltage, and is driven by the ring oscillator 40. The voltage reference circuit 60 is a linear regulator used for obtaining a reference voltage.

ここでは、環境発電素子１０が太陽電池である場合を想定している。このような環境発電素子１０から発生する電圧は、光量により０Ｖから変動する。そこで、電圧電流制御素子３０は、環境発電素子１０から発生される電圧および電流量を後段のチャージポンプ回路５０およびリング発振器４０へと供給する際に、電圧・電流がある一定以下となるよう制限する。これにより、リング発振器４０でのエネルギー消費やチャージポンプ回路５０のコンデンサへのエネルギー供給過多を抑制することが可能となる。   Here, it is assumed that the energy harvesting element 10 is a solar battery. The voltage generated from such an energy harvesting element 10 varies from 0 V depending on the amount of light. Therefore, when the voltage / current control element 30 supplies the voltage and current amount generated from the energy harvesting element 10 to the charge pump circuit 50 and the ring oscillator 40 in the subsequent stage, the voltage / current is limited to a certain level or less. To do. Thereby, it is possible to suppress energy consumption in the ring oscillator 40 and excessive energy supply to the capacitor of the charge pump circuit 50.

尚、電圧電流制御素子３０における制限量は、本昇圧回路に接続される回路の負荷に応じて設定してもよい。例えば、本昇圧回路を小型無線送信装置に搭載した場合、１回の通信で使うのに必要な電流量の総量を若干超える値を制限量とするのが望ましい。このように、実際に消費される電流量に応じて制限値を設定すれば、必要以上に電圧・電流を制限してしまう不具合を回避することができる。   The limit amount in the voltage / current control element 30 may be set according to the load of the circuit connected to the booster circuit. For example, when this booster circuit is mounted on a small wireless transmission device, it is desirable that the limit amount is a value slightly larger than the total amount of current required for one communication. Thus, if the limit value is set according to the amount of current actually consumed, the problem of limiting the voltage / current more than necessary can be avoided.

ここで、環境発電素子１０の電圧・電流供給量が電圧電流制御素子３０の制限量を超過した場合、そのエネルギーは、通常であれば熱などに変換されて消費される。そこで、環境発電素子１０の後段に蓄電素子２０を接続することで、特にエネルギー供給が過多となった場合に余剰エネルギーの蓄積が可能となる。このエネルギーは、環境発電素子１０により生成されるエネルギーが低下した場合に使用されるため、全体の高効率化が可能となる。   Here, when the voltage / current supply amount of the energy harvesting element 10 exceeds the limit amount of the voltage / current control element 30, the energy is usually converted into heat and consumed. Therefore, by connecting the energy storage element 20 to the subsequent stage of the energy harvesting element 10, it is possible to accumulate surplus energy especially when the energy supply becomes excessive. Since this energy is used when the energy generated by the energy harvesting element 10 is reduced, the overall efficiency can be improved.

以上のように、第１の実施の形態における昇圧回路は、電圧を昇圧する昇圧回路であって、電圧・電流を所定値以下に制限する電圧電流制御素子３０と、電圧電流制御素子３０の出力信号を電源とするリング発振器４０と、リング発振器４０により駆動されるチャージポンプ回路５０とを備える。すなわち、チャージポンプ回路５０をリング発振器４０で駆動することで、環境発電素子１０が発生する電圧を昇圧する昇圧回路において、環境発電素子１０が発生する電力（電圧・電流）を電圧電流制御素子３０で所定値以下に制限してリング発振器４０に供給するようにしている。これにより、環境発電素子１０などの電圧信号が変動する場合でも効率よく昇圧することが可能となる。   As described above, the booster circuit according to the first embodiment is a booster circuit that boosts a voltage, the voltage / current control element 30 that limits the voltage / current to a predetermined value or less, and the output of the voltage / current control element 30. A ring oscillator 40 using a signal as a power source and a charge pump circuit 50 driven by the ring oscillator 40 are provided. That is, in the booster circuit that boosts the voltage generated by the energy harvesting element 10 by driving the charge pump circuit 50 with the ring oscillator 40, the power (voltage / current) generated by the energy harvesting element 10 is converted into the voltage / current control element 30. Thus, the ring oscillator 40 is supplied to the ring oscillator 40 while being limited to a predetermined value or less. Thereby, even when a voltage signal of the energy harvesting element 10 or the like fluctuates, it is possible to efficiently boost the voltage.

尚、ここでは環境発電素子１０として太陽電池を例示したが、その他の環境発電素子１０（例えば、機械から発せられる振動や熱などのエネルギーを収集する環境発電素子１０）を採用してもよいことはもちろんである。   In addition, although the solar cell was illustrated as the energy harvesting element 10 here, other energy harvesting elements 10 (for example, the energy harvesting element 10 that collects energy such as vibration and heat emitted from a machine) may be adopted. Of course.

また、本昇圧回路の適用対象は、環境発電素子１０を電源として使用する場合に限定されるものではない。すなわち、環境発電素子１０以外のものを電源として使用する場合でも、電圧信号が変動する場合であれば、同様の効果を得ることができる。   The application target of the booster circuit is not limited to the case where the energy harvesting element 10 is used as a power source. That is, even when a device other than the energy harvesting element 10 is used as a power source, the same effect can be obtained as long as the voltage signal fluctuates.

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態における昇圧回路の模式的ブロック図である。この図に示すように、チャージポンプ回路５０にかかる電圧は、電圧電流制御素子３０を介さず環境発電素子１０から直接供給されてもよい。リング発振器４０に比べてチャージポンプ回路５０の電圧に対する消費電力量が少なく、回路全体の消費電力増加分が抑えられる。そのため、用途によっては、チャージポンプ回路５０の電圧を制御することなく使用することで高速な昇圧動作を期待することができる。 (Second Embodiment)
FIG. 2 is a schematic block diagram of the booster circuit according to the second embodiment. As shown in this figure, the voltage applied to the charge pump circuit 50 may be directly supplied from the energy harvesting element 10 without going through the voltage / current control element 30. Compared to the ring oscillator 40, the amount of power consumption with respect to the voltage of the charge pump circuit 50 is small, and an increase in power consumption of the entire circuit can be suppressed. Therefore, depending on the application, a high-speed boosting operation can be expected by using the charge pump circuit 50 without controlling the voltage.

その他の構成は、第１の実施の形態（図１）と同様である。すなわち、リング発振器４０は、電圧電流制御素子３０からの出力信号を電源としている。そのため、環境発電素子１０が発生する電力（電圧・電流）を電圧電流制御素子３０で所定値以下に制限してリング発振器４０に供給することができる。これにより、環境発電素子１０などの電圧信号が変動する場合でも効率よく昇圧することが可能となる。   Other configurations are the same as those of the first embodiment (FIG. 1). That is, the ring oscillator 40 uses the output signal from the voltage / current control element 30 as a power source. Therefore, the electric power (voltage / current) generated by the energy harvesting element 10 can be supplied to the ring oscillator 40 after being limited to a predetermined value or less by the voltage / current control element 30. Thereby, even when a voltage signal of the energy harvesting element 10 or the like fluctuates, it is possible to efficiently boost the voltage.

以上のように、第２の実施の形態では、リング発振器４０は、電圧電流制御素子３０からの出力信号を電源とし、チャージポンプ回路５０は、環境発電素子１０からの出力信号を電源としている。これにより、第１の実施の形態に比べて高速な昇圧動作を期待することができる。   As described above, in the second embodiment, the ring oscillator 40 uses the output signal from the voltage / current control element 30 as a power source, and the charge pump circuit 50 uses the output signal from the energy harvesting element 10 as a power source. As a result, it is possible to expect a high-speed boosting operation as compared with the first embodiment.

（構成例１）
図３は、図１又は図２に示される昇圧回路の構成例１を示す図であり、（ａ）は模式的ブロック図、（ｂ）は回路図である。この図に示すように、電圧電流制御素子３０として、ある一定のバイアス電圧Ｖｂが印可されたトランジスタ３１を使用してもよい。リング発振器４０は、奇数個のＮＯＴゲート４１〜４３をリング状に結合した構成である。チャージポンプ回路５０は、ダイオードＤ１〜Ｄ５と、コンデンサＣ１〜Ｃ４と、加算回路５１〜５３とを備える。電圧リファレンス回路６０は、トランジスタ６１〜６５と、抵抗６６とを備える。リング発振器４０から出力される交流信号をダイオードＤ１〜Ｄ５で整流しつつコンデンサＣ１〜Ｃ４に蓄え、そのコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧を加算回路５１〜５３で多段に加算することで昇圧している。 (Configuration example 1)
3A and 3B are diagrams showing a configuration example 1 of the booster circuit shown in FIG. 1 or FIG. 2, wherein FIG. 3A is a schematic block diagram and FIG. 3B is a circuit diagram. As shown in this figure, a transistor 31 to which a certain bias voltage Vb is applied may be used as the voltage / current control element 30. The ring oscillator 40 has a configuration in which an odd number of NOT gates 41 to 43 are coupled in a ring shape. The charge pump circuit 50 includes diodes D1 to D5, capacitors C1 to C4, and addition circuits 51 to 53. The voltage reference circuit 60 includes transistors 61 to 65 and a resistor 66. The AC signal output from the ring oscillator 40 is rectified by the diodes D1 to D5 and stored in the capacitors C1 to C4, and the voltage of the capacitors C1 to C4 is added in multiple stages by the adding circuits 51 to 53 to boost the voltage.

以上のように、この構成例１では、電圧電流制御素子３０として、ある一定のバイアス電圧Ｖｂが印可されたトランジスタ３１を使用している。このような構成によれば、トランジスタ３１のバイアス電圧Ｖｂおよびトランジスタサイズにより、電圧電流制御素子３０からの出力電圧および出力電流を規定することができる。   As described above, in the first configuration example, the transistor 31 to which a certain bias voltage Vb is applied is used as the voltage / current control element 30. According to such a configuration, the output voltage and output current from the voltage / current control element 30 can be defined by the bias voltage Vb of the transistor 31 and the transistor size.

（構成例２）
図４は、図１又は図２に示される昇圧回路の構成例２を示す図であり、（ａ）は模式的ブロック図、（ｂ）は回路図である。この図に示すように、電圧電流制御素子３０として、トランジスタのゲート部分をソース側へと接続した定電流回路３２を使用してもよい。その他の構成は、構成例１（図３）と同様である。すなわち、リング発振器４０は、奇数個のＮＯＴゲート４１〜４３をリング状に結合した構成である。チャージポンプ回路５０は、ダイオードＤ１〜Ｄ５と、コンデンサＣ１〜Ｃ４と、加算回路５１〜５３とを備える。電圧リファレンス回路６０は、トランジスタ６１〜６５と、抵抗６６とを備える。リング発振器４０から出力される交流信号をダイオードＤ１〜Ｄ５で整流しつつコンデンサＣ１〜Ｃ４に蓄え、そのコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧を加算回路５１〜５３で多段に加算することで昇圧している。 (Configuration example 2)
4A and 4B are diagrams showing a configuration example 2 of the booster circuit shown in FIG. 1 or 2, in which FIG. 4A is a schematic block diagram and FIG. 4B is a circuit diagram. As shown in the figure, a constant current circuit 32 in which the gate portion of the transistor is connected to the source side may be used as the voltage / current control element 30. Other configurations are the same as those of the configuration example 1 (FIG. 3). That is, the ring oscillator 40 has a configuration in which an odd number of NOT gates 41 to 43 are coupled in a ring shape. The charge pump circuit 50 includes diodes D1 to D5, capacitors C1 to C4, and addition circuits 51 to 53. The voltage reference circuit 60 includes transistors 61 to 65 and a resistor 66. The AC signal output from the ring oscillator 40 is rectified by the diodes D1 to D5 and stored in the capacitors C1 to C4, and the voltage of the capacitors C1 to C4 is added in multiple stages by the adding circuits 51 to 53 to boost the voltage.

以上のように、この構成例２では、電圧電流制御素子３０として、トランジスタのゲート部分をソース側へと接続した定電流回路３２を使用している。この構成例２は、構成例１（図３）と異なり、定電圧を形成することが困難な場合に適した構成である。   As described above, in the second configuration example, the constant current circuit 32 in which the gate portion of the transistor is connected to the source side is used as the voltage / current control element 30. Unlike the configuration example 1 (FIG. 3), the configuration example 2 is a configuration suitable when it is difficult to form a constant voltage.

以上のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, it should be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure are illustrative and do not limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. As described above, the present invention includes various embodiments that are not described herein.

１０…環境発電素子
２０…蓄電素子
３０…電圧電流制御素子
３１…トランジスタ
３２…定電流回路
４０…リング発振器
５０…チャージポンプ回路
Ｖｂ…バイアス電圧 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Energy harvesting element 20 ... Power storage element 30 ... Voltage current control element 31 ... Transistor 32 ... Constant current circuit 40 ... Ring oscillator 50 ... Charge pump circuit Vb ... Bias voltage

Claims (5)

電圧を昇圧する昇圧回路であって、
電圧・電流を所定値以下に制限する電圧電流制御素子と、
前記電圧電流制御素子の出力信号を電源とするリング発振器と、
前記リング発振器により駆動されるチャージポンプ回路と
を備えることを特徴とする昇圧回路。 A booster circuit for boosting voltage,
A voltage / current control element for limiting the voltage / current to a predetermined value or less;
A ring oscillator that uses the output signal of the voltage-current control element as a power source;
And a charge pump circuit driven by the ring oscillator. 前記リング発振器は、前記電圧電流制御素子からの出力信号を電源とし、
前記チャージポンプ回路は、環境発電素子からの出力信号を電源とする
ことを特徴とする請求項１記載の昇圧回路。 The ring oscillator uses an output signal from the voltage / current control element as a power source,
The booster circuit according to claim 1, wherein the charge pump circuit uses an output signal from an energy harvesting element as a power source. 前記電圧電流制御素子として、ある一定のバイアス電圧が印可されたトランジスタを使用することを特徴とする請求項１又は２記載の昇圧回路。   3. The booster circuit according to claim 1, wherein a transistor to which a certain bias voltage is applied is used as the voltage / current control element. 前記電圧電流制御素子として、トランジスタのゲート部分をソース側へと接続した定電流回路を使用することを特徴とする請求項１又は２記載の昇圧回路。   3. The booster circuit according to claim 1, wherein a constant current circuit in which a gate portion of a transistor is connected to a source side is used as the voltage / current control element. 前記電圧電流制御素子における制限量は、本昇圧回路に接続される回路の負荷に応じて設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の昇圧回路。   5. The booster circuit according to claim 1, wherein the limiting amount in the voltage / current control element is set according to a load of a circuit connected to the booster circuit. 6.
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