JP4976663B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、内部抵抗の高い太陽電池、熱電変換素子、燃料電池等の電源の電力で回路を駆動する電子機器に関する。

従来の太陽電池などの電力で回路を駆動する電子機器のブロック図を図５に示す（例えば、特許文献１参照）。

図５示す電子機器は、電力を供給する電源１０１と、電源１０１から供給される電力の昇圧を行うＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２から出力された電力を蓄電する蓄電手段１０４と、負荷回路１０３とを備えている。電源１０１の出力端子はＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の入力端子と接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力端子は蓄電手段１０４の電源端子及び負荷回路１０３の電源端子と接続する構成としている。また、電源１０１、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２、蓄電手段１０４、負荷回路１０３の接地端子は共通に接地している。

図５に示すような従来の電子機器は、蓄電手段に蓄えられている電荷量が不十分の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータは最大の出力で動作を開始する。このとき電源の内部抵抗が高いと電源電圧は急激な電圧降下を生じ、ＤＣ−ＤＣコンバータはさらに多くの電流を電源から取り出そうとする。このため電源電圧は降下し、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作維持が困難となる。

このような不具合を解決した、別の従来の電子機器のブロック図を図６に示す（例えば、特許文献２参照）。

図６に示すような電子機器は、電力を供給する電源１０１と、電源１０１から供給される電力の昇圧を行うＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２から出力された電力を蓄電する補助蓄電手段１０７と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２から出力された電力を蓄電する蓄電手段１０４と、補助蓄電手段１０７から蓄電手段１０４に電力を送るスイッチ１０６と、補助蓄電手段１０７の電圧と蓄電手段１０４の電圧を検出しスイッチ１０６に制御信号を出力する制御回路１０５と、蓄電手段１０４に蓄えられた電力で駆動する負荷回路１０３と備えている。電源１０１の出力端子はＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の入力端子と接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力端子はスイッチ１０６の入力端子及び補助蓄電手段１０７の電源端子及び制御回路１０５の電圧検出端子１と接続し、スイッチ１０６の出力端子は蓄電手段１０４の電源端子及び負荷回路１０３の電源端子及び制御回路１０５の電圧検出端子と接続する構成としている。また、電源１０１、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２、制御回路１０５、負荷回路１０３、補助蓄電手段１０７、蓄電手段１０４の接地端子は共通に接地する構成としている。

すなわち、容量の大きい蓄電手段１０４をＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力からスイッチ１０６で切り離し、補助蓄電手段１０７をＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力に接続する構成をとる。しかし補助蓄電手段１０７の容量は、電源１０１に電圧降下が生じてもＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の動作が維持できる程度の容量値に設定しなければならなかった。
特開２００３−２０４０７２号公報 特開２００１−２９８８６２号公報

図５に示すような従来の電子機器は、蓄電手段と負荷回路は直接接続されているため、蓄電手段の電圧が電源から電力の供給が開始されて徐々に上昇するので負荷回路は動作不定の状態（誤動作の状態）になることがある。この時に負荷回路が、例えばモーターをドライブする回路や音を発生させる回路等、大きな電力を必要とする回路を含む場合は多くの貫通電流が流れてしまう。一旦貫通電流が流れてしまうと、蓄電手段の電圧は電圧降下が起こり、電源から電力を供給しても負荷回路が動作不定になった状態の電圧を保持してしまう。ここで、電源の電力供給能力が貫通電流を上回る電力供給をしない限り蓄電手段の電圧は上昇せず、負荷回路が動作しないという不都合があった。さらに蓄電手段の電圧が負荷回路の動作不定の電圧帯以上になっても、負荷回路と蓄電手段が直接接続されているため、負荷回路が動作してしまうという不具合があった。これは電源に太陽電池等の発電源が用いられたとき、特に顕著となる。太陽電池等の発電源を用いたシステムでは光の照射されているときにはより多くの電力を溜め込んでおき、急激な負荷に対応することが必要となる。しかし従来の電子機器では、蓄電手段と負荷回路が直接接続されているため負荷回路で電力を消費してしまい、蓄電手段に電荷を蓄えることができなかった。

また負荷回路の中にもＤＣ−ＤＣコンバータが使われているときには、電源電圧が低いと、より多くの電流を流す機構になっている場合がある。この時従来の電子機器は、電源から電力の供給が開始されると、蓄電手段の電圧が徐々に上昇するため、電圧が低い状態のときは負荷回路により多くの電流が流れる。そのため、蓄電手段の電圧は電圧降下を起こし、電圧が上昇していかないという不都合があった。

また図６に示すような電子機器は、制御回路１０５が補助蓄電手段１０７と蓄電手段１０４両方の電圧を検出・比較してスイッチ１０６を制御する必要があり、制御回路１０５はシステム専用に設計しなければならなかった。

さらに、補助蓄電手段１０７と蓄電手段１０４の２つの蓄電手段を必要とするため、小型の携帯機器などに適用するには課題があった。

本発明は係る従来技術の有する不都合に鑑みてなされたもので、大きな蓄電手段に電力を充電する場合に、電源の出力電圧降下を防ぎながら効率よく蓄電手段に電荷を蓄えることができる電子機器を提供することを目的としている。

本発明は上記の課題を解決するために、電源が燃料電池等の内部抵抗の高い電源である電子機器において、蓄電手段および負荷回路と接地端子の間にトランジスタを設け、蓄電手段および負荷回路に流れる電流をトランジスタのゲートに接続した電源の電圧で制御する構成とした。

本発明の電子機器によれば、電源やＤＣ−ＤＣコンバータが安定して電力を出力することができ、電源投入時においても負荷回路を安定して駆動することができる。さらに、システム全体の小型化が可能である。特に、内部抵抗が大きな電源、例えばリチウム二次電池、太陽電池、熱発電機、燃料電池等で駆動する電子機器に有効である。

図１は、本発明の第一の実施例の電子機器のブロック図である。第一の実施例の電子機器は、電源１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２と、蓄電手段４と、トランジスタ５と、負荷回路３から構成されている。

電源１の出力端子とＤＣ−ＤＣコンバータ２の入力端子及びトランジスタ５のゲートを接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子と蓄電手段４の第一の端子及び負荷回路３の電源端子を接続し、蓄電手段４の第二の端子とトランジスタ５のドレインを接続する。ここで、電源１の接地端子とＤＣ−ＤＣコンバータ２の接地端子とトランジスタ５のソースを第一のＧＮＤに接続し、負荷回路３の接地端子とトランジスタ５のドレインと蓄電手段４の第二の端子を第二のＧＮＤに接続する。

本発明では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、コイルに流れる電流をスイッチ素子でオン・オフすることで発生するコイルの自己誘導電流を利用して昇圧する方式のＤＣ−ＤＣコンバータでも、またスイッチドキャパシタ方式のＤＣ−ＤＣコンバータでもよい。さらに、電源１の出力電圧が十分高い場合には、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータでもよいし、両方を併用してもよい。

図３に、一例としてスイッチング方式の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路ブロック図を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータは、コイル１０と、ダイオード１１と、トランジスタ１２と、出力制御回路１３と、コンデンサ１４とで構成される。入力端子１５はコイル１０の一方の端子と接続され、コイルのもう一方の端子はダイオード１１のアノードとトランジスタ１２のドレインとに接続される。ダイオード１１のカソードは出力制御回路１３の電源端子と出力モニタ端子及びコンデンサ１４の一方の極及びＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子１６とに接続される。そして、トランジスタ１２のソースと出力制御回路１３の接地端子及びコンデンサ１４のもう一方の端子を接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータの接地端子とする。

図３のＤＣ−ＤＣコンバータの動作は、出力制御回路１３で作られたパルス信号をトランジスタ１２のゲート電極に入力し、トランジスタをスイッチングすることによりコイル１０を流れる電力が昇圧されて出力端子１６に出力される。出力制御回路１３は出力端子１６の電圧を出力モニタ端子でモニタし、トランジスタのスイッチングを調整する。

蓄電手段４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力を蓄え、負荷回路３に電力を供給する役割を持つ。蓄電手段として、例えばリチウム二次電池や電気二重層キャパシタなどが用いられる。

トランジスタ５は、電源１の出力電圧に応じてソース・ドレイン間に流れる電流を調整する。ここで、トランジスタ５のしきい値電圧は電源１の出力特性に応じて調整する。トランジスタ５は蓄電手段４に接続することにより、電源１の出力電圧に応じて蓄電手段４に入ってくる電流量を調整することができる。例えば、電源１の出力電圧が常に１Ｖ以上の場合は０．７Ｖ程度に、電源１の出力電圧が０．５Ｖ程度の場合は０．２Ｖ程度に調整する。従って、トランジスタ５は電源１の出力電圧に応じて蓄電手段４に入ってくる電流量を調整することができる。

負荷回路３には一般的なアプリケーション回路の他に、ＤＣ−ＤＣコンバータのような電源ＩＣも含まれる。

次に、図１の第一の実施例の電子機器の動作を説明する。

電源１の出力電力はＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧され、蓄電手段４に蓄えられる。蓄電手段４がある程度充電されている場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は電源１の給電能力を超えて電源１から電流を吸引することは無い。また、蓄電手段４が放電しきったよう場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力が蓄電手段４の電圧に引っ張られるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は電源１の給電能力を超えて電流を吸引しようとする。ここで、蓄電手段４と接地端子の間に、ゲートが電源１の出力に接続されたトランジスタ５が接続されているため、電源１の出力電圧に応じてトランジスタ５が蓄電手段４に流れ込む電力を制御することができる。その結果、電源１の出力電圧は低下することなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は昇圧動作を維持することが出来る。

すなわち、電源１の出力電圧がトランジスタ５のしきい値電圧以下とならないように制御されるので、電源１の能力にあわせてトランジスタ５のしきい値電圧を設定することによって、蓄電手段４の状態によらず電源１の出力をＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧することが出来て、効率よく蓄電手段４に蓄えることが可能となる。

このような回路構成とすると、負荷回路３が直列接続された蓄電手段４とトランジスタ５によって駆動されることになるので、負荷回路３から見たインピーダンスがトランジスタ５のインピーダンス分だけ高くなってしまう。図１に示すような回路構成として、負荷回路３をトランジスタ５と別の第二の接地端子に接続して、蓄電手段４で直接駆動することによって、これを解決することが出来る。

以上説明したような本発明によれば、複雑な制御回路を追加することなく、蓄電手段４に電荷が蓄えられていない状態でも電源１の出力電圧が急激に低下することはないので、蓄電手段４に安定的に電力が蓄えられる。

図２は、本発明の第二の実施例の電子機器のブロック図である。第二の実施例の電子機器は、電源１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２と、蓄電手段４と、トランジスタ５と、制御回路６と、スイッチ７と、負荷回路３から構成されている。

電源１の出力端子とＤＣ−ＤＣコンバータ２の入力端子及びトランジスタ５のゲートを接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端子を制御回路６の検出端子と蓄電手段４の第一の端子とスイッチ７にそれぞれ接続し、制御回路６の制御端子とスイッチ７の制御端子を接続し、スイッチ７のもう一方の端子と負荷回路３の電源端子を接続し、蓄電手段４の第二の端子とトランジスタ５のドレインを接続する。ここで、電源１の接地端子とＤＣ−ＤＣコンバータ２の接地端子とトランジスタ５のソースを第一のＧＮＤに接続し、負荷回路３と制御回路６とスイッチ７の接地端子とトランジスタ５のドレインと蓄電手段４の第二の端子を第二のＧＮＤに接続する。

制御回路６は、蓄電手段４の電圧を検出端子でモニタし、蓄電手段４の電圧があらかじめ設定された電圧になると、スイッチ７に信号を送りスイッチ７をオンさせる。制御回路６の一例の回路ブロック図を図４に示す。制御回路６は、検出端子２７と接地端子２９の間に接続した抵抗２１、２２と、抵抗２１と抵抗２２の接続点を入力端子に接続したコンパレータ回路２４と、コンパレータ回路２４のもう一方の入力端子に接続した定電圧出力回路２３と、コンパレータ回路２４の出力端子に接続した遅延回路２５と、遅延回路２５の出力端子に接続したインバータ回路２６から構成される。そして、インバータ回路２６の出力端子は制御回路６の制御端子２８に接続され、各素子の接地端子は制御回路３の接地端子２９に接続される。

制御回路６は、コンパレータ回路２４において検出端子２７の電圧を抵抗２１と２２で分圧した電圧と定電圧出力回路２３の電圧を比較した結果の信号を、遅延回路２５及びインバータ回路２６を介して制御回路６の制御端子２８より出力する。

スイッチ７は、蓄電手段４と負荷回路３の間に設けられていて、制御回路６から信号によってオン・オフして、負荷回路３への電力供給を制御する。

次に、図２の第二の実施例の電子機器の動作を説明する。

電源１の出力電力はＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧され、蓄電手段４に蓄えられる。ここで、蓄電手段４にトランジスタ５が接続されているため、電源１の出力電圧に応じてトランジスタ５が電流を流すことにより、蓄電手段４に流れ込む電力を制御することができる。

次に、蓄電手段４の電圧が制御回路６にあらかじめ設定された電圧値になると、制御回路６は制御端子からスイッチ７の制御端子に信号を出力する。制御信号を受けたスイッチ７はオンし蓄電手段４の電力を負荷回路３に出力する。そして、蓄電手段４の電圧が制御回路６にあらかじめ設定された電圧値以下になると、制御回路６は制御端子よりスイッチ７の制御端子に信号を送り、スイッチ７をオフする。一度、蓄電手段４と負荷回路３の間が遮断されると、再び蓄電手段４の電圧が所定電圧値以上にならないと、蓄電手段４は負荷回路３に電力を供給することはない。

以上のように構成することにより、第一の実施例と同様の効果有し、また従来の電子機器のように補助蓄電手段を使わずに電源やＤＣ−ＤＣコンバータを安定して動作することが出来き、さらに制御回路は1つの蓄電手段の電圧をモニタするだけでよいので汎用的な電圧検出器で行うことができるため、小型の携帯機器に適した電子機器を提供することが可能である。

本発明の第一の実施例の電子機器のブロック図である。 本発明の第二の実施例の電子機器のブロック図である。 本発明の電子機器のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示すブロック図である。 本発明の電子機器の制御回路の一例を示すブロック図である。 従来の電子機器のブロック図である。 従来の電子機器のブロック図である。

符号の説明

１、１０１ 電源
２、１０２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３、１０３ 負荷回路
６、１０５ 制御回路
７、１０６ スイッチ
１３ 出力制御回路
２３ 定電圧出力回路
２５ 遅延回路

Claims (3)

1. 発電電源と、前記発電電源に接続したＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力に接続した蓄電手段と、前記蓄電手段の電力で駆動される負荷回路とを備えた電子機器であって、
   前記蓄電手段と第一の接地端子の間に、ゲートを前記発電電源と前記ＤＣ−ＤＣコンバータとの接続点に接続したトランジスタを設け、
   前記蓄電手段及び前記負荷回路の接地端子を第二の接地端子に接続し、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記発電電源の発電電圧に応じて、出力端子の電圧が制御されることによって、昇圧能力が調整され、
   前記発電電源の発電電力を効率よく前記蓄電手段に蓄えることが可能な電子機器。
2. 前記発電電源は、太陽電池、または熱電変換素子、または燃料電池である請求項１記載の電子機器。
3. 更に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記蓄電手段との接続点と前記負荷回路の間にスイッチと、前記蓄電手段の電圧によって前記スイッチを制御する制御回路と、を備えた請求項１または２記載の電子機器。

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