JP2017184304A - 充電回路及び電子装置 - Google Patents
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Abstract
Description
環境発電素子(たとえば、太陽電池など)で生成された電力は、センシング端末などの負荷回路に安定な電力を供給するために2次電池などの蓄電素子に蓄えられる。しかし環境エネルギーが弱くなると、環境発電素子の出力電圧が蓄電素子の電圧よりも小さくなり、蓄電素子から環境発電素子への電流の逆流が発生して電力が消費される可能性がある。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の充電回路の一例を示す図である。
環境発電素子1aは、制御部1bと、基準電位(たとえば、0V)となっている電源線5に接続されている。環境発電素子1aは、蓄電素子3に電流を供給する環境発電素子2と同一材料で作成されており、環境発電を行う。以下の説明では、環境発電素子2は太陽電池であるものとする。したがって、環境発電素子1aも太陽電池であるものとする。なお、環境発電素子1aは、蓄電素子3に電流を供給するものではないため、図1では、環境発電素子1aをダミー太陽電池と表記している。
以下、第1の実施の形態の充電回路1の動作の一例を説明する。
光の照度が比較的高く、環境発電素子1aの出力電圧が閾値以上のときには(タイミングt0−t1)、制御部1bは、スイッチ1cをオンする制御信号を出力する。これにより、スイッチ1cはオン状態となり、環境発電素子2で生成された電流が、電源線4a,4bを介して蓄電素子3に流れ、蓄電素子3が充電される。
以下、第2の実施の形態の充電回路を説明する。なお、以下では、図1に示した環境発電素子1a,2の例として太陽電池を用いて説明するが、太陽電池に限定されるものではない。
充電回路10は、電源線13a,14間に接続された太陽電池11で生成された電流に基づき、電源線13b,14間に接続された蓄電素子12を充電する。また、充電回路10は、蓄電素子12から太陽電池11への電流の逆流を防止する機能を有している。
ダミー太陽電池10aは、蓄電素子12に電流を供給する太陽電池11と同一材料で作成されており、太陽光発電を行う。
インバータ回路10bは、第1の実施の形態の充電回路1の制御部1bの機能を有しており、ダミー太陽電池10aの出力電圧Vg2の論理レベルを反転した制御信号Vg1を出力する。インバータ回路10bは、出力電圧Vg2が、インバータ回路10bの反転閾値よりも小さいとき(論理レベルがL(Low)レベルのとき)、pMOS10cをオフするために論理レベルがH(High)レベルの制御信号Vg1を出力する。また、インバータ回路10bは、出力電圧Vg2が、インバータ回路10bの反転閾値以上のとき(論理レベルがHレベルのとき)、pMOS10cをオンするために論理レベルがLレベルの制御信号Vg1を出力する。
なお、pMOS10cがオンのとき、電源線13a,13bには、太陽電池11の出力電圧が印加される。
ところで、上記のインバータ回路10bは、たとえば、以下のような回路で実現できる。
インバータ回路10bは、n型MOSFET(以下nMOSと略す)10b1と抵抗素子R1を有している。
図4は、第2の実施の形態の充電回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。
図4には、光の照度と、制御信号Vg1(pMOS10cのゲート電圧)と、ダミー太陽電池10aの出力電圧Vg2(nMOS10b1のゲート電圧)の時間変化の一例が示されている。
図5は、第3の実施の形態の充電回路の一例を示す図である。図5において、図4に示した要素と同様の要素については同一符号が付されている。
以下に、抵抗素子R2の抵抗値の設計例を示す。
図6は、ダミー太陽電池の発電特性の一例を示す図である。
図7は、第4の実施の形態の充電回路の一例を示す図である。図7において、図2に示した要素と同様の要素については同一符号が付されている。
なお、電源線14a,14bは、nMOS30aがオンのときには、基準電位となる。また、太陽電池11と蓄電素子12とを電気的に接続する電源線13には、太陽電池11の出力電圧が印加される。抵抗素子R3の他端は電源線14aに接続されている。
抵抗素子R3の抵抗値は、蓄電素子12から太陽電池11への電流の逆流を生じさせる環境エネルギーの値のときに、ダミー太陽電池10aの出力電圧Vg2が、nMOS30aがオンする閾値電圧よりも小さくなるように設定されている。
図8は、第4の実施の形態の充電回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。
図8には、光の照度と、ダミー太陽電池10aの出力電圧Vg2(nMOS30aのゲート電圧)の時間変化の一例が示されている。
図9は、第5の実施の形態の充電回路の一例を示す図である。図9において、図7に示した要素と同様の要素については同一符号が付されている。
上記のような充電回路40は、第4の実施の形態の充電回路30と同様の効果を有する。さらに、充電回路40は、寄生ダイオードD2,D3が形成されることにより、nMOS30a,30bがオフ状態のとき、太陽電池11と蓄電素子12間の電流を双方向で流れないようにすることができる。
図10は、第6の実施の形態の充電回路の一例を示す図である。図10において、図5に示した要素と同様の要素については同一符号が付されている。
低照度検知部50aは、図5に示した第3の実施の形態の充電回路20と同様に、ダミー太陽電池10a、nMOS10b1、抵抗素子R1,R2を有している。低照度検知部50aは、照度が低くなって、ダミー太陽電池10aの出力電圧Vg2が、nMOS10b1がオンする閾値電圧よりも小さくなると、論理レベルがHレベルの制御信号Vg1を出力する。出力電圧Vg2が閾値電圧以上のときには、低照度検知部50aは、論理レベルがLレベルの制御信号Vg1を出力する。
nMOS51のドレインは、抵抗素子R4を介して電源線13aに接続されており、nMOS51のソースは、電源線14及び自身のバックゲートに接続されている。nMOS51のゲートには、比較回路52の出力信号Vdが供給される。
図11は、第6の実施の形態の充電回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。図11には、照度が変化したときの、太陽電池11の出力電圧Vinと、蓄電素子12の電圧Vbの変化の様子が示されている。また、図11には、制御信号Vg1,Vg、出力信号Vdの変化、及び、pMOS10c,53,54、nMOS10b1,51の状態の変化についても示されている。
再び、光の照度が100Luxより高くなると(タイミングt32)、出力電圧Vinは上昇し、電圧Vbも上昇していく。しかし、電圧Vbが電圧Vrefより小さいときには、制御信号Vg1,Vg、出力信号Vdの電圧、各MOSFETの状態は、タイミングt30−t31のときと同じである。
上記のような、充電回路50では、第3の実施の形態の充電回路20と同様の効果が得られる。たとえば、ダミー太陽電池10aと太陽電池11としてアモルファスシリコン太陽電池を用い、蓄電素子12としてコイン型リチウム2次電池を用いる場合、光の照度が200Luxのとき、太陽電池11の発電電流は50μA程度である。低照度検知部50aを設けない場合、光の照度が0Luxのとき、蓄電素子12から太陽電池11に40μA程度の電流が逆流し、損失が生じる。これに対し、上記のような低照度検知部50aを設け、pMOS10cを制御することで、逆流を0.1μA程度に抑えられる。
図12は、電子装置の一例を示す図である。図12において、図1に示した要素と同様の要素については同一符号が付されている。
電源回路61は、たとえば、DC(Direct Current)/DCコンバータを有し、蓄電素子3の電圧を、負荷回路62の動作に適した電圧に変換する。なお、蓄電素子3の電圧で負荷回路62が動作可能であれば、電源回路61はなくてもよい。
このような電子装置60において、図1に示したような充電回路1を用いることで、環境エネルギーが小さいときに蓄電素子3から環境発電素子2への電流の逆流の発生を容易に抑制できる。そのため、環境発電素子2に蓄電素子3からの電流が流れ込むことで生じる損失の発生を抑制できる。これによって、負荷回路62への電力供給が不安定となることを抑えられる。また、高精度な比較回路などを用いずともよく、簡素な回路で充電回路1を実現できるため、電子装置60のコストを抑えられる。
以上、実施の形態に基づき、本発明の充電回路及び電子装置の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
1a 環境発電素子(ダミー太陽電池)
1b 制御部
1c スイッチ
2 環境発電素子(太陽電池)
3 蓄電素子
4a,4b,5 電源線
C キャパシタ
Claims (8)
- 蓄電素子に電流を供給する第1の環境発電素子と同一材料で作成され、環境発電を行う第2の環境発電素子と、
前記第1の環境発電素子と前記蓄電素子との間の電流経路に設けられ、前記第2の環境発電素子の第1の出力電圧が第1の値よりも小さいときにオフ状態となり、前記電流経路を遮断する第1のスイッチと、
を有することを特徴とする充電回路。 - 前記第2の環境発電素子は、前記第1の環境発電素子よりも素子サイズが小さい、ことを特徴とする請求項1に記載の充電回路。
- 前記第2の環境発電素子の前記第1の出力電圧の論理レベルを反転するインバータ回路を有し、
前記第1のスイッチは、前記第1の環境発電素子の第2の出力電圧が印加される第1の電源線に接続され、前記インバータ回路の出力信号の論理レベルに応じてオン状態または前記オフ状態となるp型トランジスタであり、
前記第1の値は、前記インバータ回路の反転閾値である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の充電回路。 - 前記第1のスイッチは、基準電位となる第2の電源線に接続され、前記第1の出力電圧によってオン状態または前記オフ状態となるn型トランジスタであり、
前記第1の値は、前記n型トランジスタがオンする閾値電圧である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の充電回路。 - 前記蓄電素子から前記第1の環境発電素子への電流の逆流を生じさせる環境エネルギーの値の測定結果に基づき、前記環境エネルギーが前記値のときに、前記第1の出力電圧が前記第1の値よりも小さくなるように抵抗値が設定された抵抗素子を、有することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の充電回路。
- 前記電流経路に、MOSFETである前記第1のスイッチと直列に接続され、前記第1の出力電圧に基づきオンオフが制御され、前記第1のスイッチと同じ導電型のトランジスタである第2のスイッチを有し、
前記第1のスイッチの第1のソースまたは第1のドレインの一方は、前記第1の環境発電素子に接続され、前記第2のスイッチの第2のソースまたは第2のドレインの一方は、前記蓄電素子に接続され、前記第1のソースまたは前記第1のドレインの他方と、前記第2のソースまたは前記第2のドレインの他方は互いに接続されているとともに、前記第1のスイッチの第1のバックゲート及び前記第2のスイッチの第2のバックゲートに接続されている、
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の充電回路。 - 前記蓄電素子の電圧と第2の値とを比較し、比較結果を出力する比較回路と、
前記比較結果が、前記電圧が前記第2の値よりも大きいことを示すとき、前記第1のスイッチをオフする制御部と、
を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の充電回路。 - 蓄電素子と、
前記蓄電素子に電流を供給する第1の環境発電素子と、
前記第1の環境発電素子と同一材料で作成され、環境発電を行う第2の環境発電素子と、
前記第1の環境発電素子と前記蓄電素子との間の電流経路に設けられ、前記第2の環境発電素子の第1の出力電圧が第1の値よりも小さいときにオフ状態となり、前記電流経路を遮断する第1のスイッチと、
前記蓄電素子の電圧に基づき動作する負荷回路と、
を有することを特徴とする電子装置。
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