(57)【要約】【課題】ソーラーパネルによって発生される電力は、安定していない可能性がある。【解決手段】電力変換回路は、ソーラーパネルと電力変換器とを備えている。ソーラーパネルは、出力電圧を有する電力を供給するために動作可能である。ソーラーパネルに接続されている電力変換器は、充電モードおよび給電モードで選択的に動作することができる。電力変換器は、充電モード中、ソーラーパネルから電源に電力を伝達して、出力電圧を閾値電圧に維持する。電力変換器は、給電モード中、電源から負荷に電力を配電する。【選択図】図１
2010115104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電圧を有する電力を供給するために動作可能なソーラーパネルと、
前記ソーラーパネルに接続されていて、充電モードおよび給電モードで選択的に動作することができる電力変換器とを備えていて、
前記電力変換器は、前記充電モード中、前記ソーラーパネルから電源に前記電力を伝達して、前記出力電圧を閾値電圧に維持し、かつ、前記電力変換器は、前記給電モード中、前記電源から負荷に電力を配電する
ことを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
前記電力変換器は、前記出力電圧と前記閾値電圧の比較に基づいて、前記充電モードおよび前記給電モードで選択的に動作することを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項３】
前記電力変換器は、前記充電モード中、前記電源の充電電流を調整することによって、前記出力電圧を前記閾値電圧に維持することを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項４】
前記ソーラーパネルは、前記出力電圧が前記閾値電圧に維持されれば、最大電力出力を生成することを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項５】
前記電源に接続されていて、前記電源の充電電流を検出するために動作可能な抵抗を更に備えていて、
前記電力変換器は、前記充電電流を予め定められた基準レベルと比較して、前記充電電流を前記予め定められた基準レベルより下に保つ
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項６】
前記負荷に接続されていて、前記負荷を通して流れている負荷電流を検出するための抵抗を更に備えていて、
前記電力変換器は、前記負荷電流を予め定められた基準レベルと比較して、前記負荷電流を前記予め定められた基準レベルに維持する
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項７】
前記電力変換器は、ノードに接続されていて、前記出力電圧と前記閾値電圧の比較の結果に従って、前記ノードにおけるノード電圧を調整するために動作可能な第１の誤差増幅器を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項８】
前記電力変換器は、前記ノード電圧に従って前記出力電圧を調整して、前記出力電圧を前記閾値電圧に維持することを特徴とする請求項７に記載の電力変換回路。
【請求項９】
前記電力変換器は、前記ノードに接続されていて、前記負荷を通して流れている負荷電流と予め定められた基準レベルとの比較の結果に従って、前記ノード電圧を調整するために動作可能な第２の誤差増幅器を更に備えていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換回路。
【請求項１０】
前記電力変換器は、前記ノード電圧に従って前記負荷電流を調整して、前記負荷電流を前記予め定められた基準レベルに維持することを特徴とする請求項９に記載の電力変換回路。
【請求項１１】
前記電力変換器は、前記ノードに接続されていて、前記電源の充電電流と予め定められた基準レベルとの比較の結果に従って、前記ノード電圧を調整するために動作可能な第２の誤差増幅器を更に備えていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換回路。
【請求項１２】
前記電力変換器は、前記ノード電圧に従って前記充電電流を調整して、前記充電電流を前記予め定められた基準レベルより下に保つことを特徴とする請求項１１に記載の電力変換回路。
【請求項１３】
前記電力変換器は、前記電力変換器を制御するために、前記ノード電圧を受信して、パルス幅変調信号を発生させるために動作可能なパルス幅変調信号発生器を更に備えていることを特徴とする請求項７に記載の電力変換回路。
【請求項１４】
電力変換のための方法において、
出力電圧を有する電力を受け取るステップと、
少なくとも充電モードおよび給電モードから動作モードを選択するステップと、
前記充電モード中、前記出力電圧を閾値電圧に維持するステップと、
前記充電モード中、前記電力を電源に伝達するステップと、
前記給電モード中、前記電源から負荷に電力を配電するステップとを有している
ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記選択するステップは、
前記出力電圧を前記閾値電圧と比較するステップと、
前記比較の結果に基づいて、少なくとも前記充電モードおよび前記給電モードから前記動作モードを選択するステップとを有している
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記充電モード中、前記電源の充電電流を調整して、前記出力電圧を前記閾値電圧に維持するステップを更に有していることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記出力電圧が前記閾値電圧に維持されるとき、前記電力は最高電力レベルを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記電源の充電電流を検出するステップと、
前記充電電流を予め定められた基準レベルと比較して、前記充電電流を前記予め定められた基準レベルより下に保つステップとを更に有している
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記負荷を通して流れている負荷電流を検出するステップと、
前記負荷電流を予め定められた基準レベルと比較して、前記負荷電流を前記予め定められた基準レベルに維持するステップとを更に有している
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
ソーラーパネルに接続されていて、充電モードおよび給電モードで選択的に動作することが可能な電力変換器を備えていて、前記ソーラーパネルは、光パワーを電力に変換することができ、かつ出力電圧を供給し、前記電力変換器は、
前記充電モード中、前記ソーラーパネルからの前記電力によって電池を充電して、前記給電モード中、前記電池から電力を配電して、負荷に給電するために動作可能な電力段と、
前記電力段に接続されていて、前記出力電圧と閾値電圧の比較結果に従って、少なくとも前記充電モードおよび前記給電モードから動作モードを選択して、前記充電モード中、前記出力電圧を前記閾値電圧に維持するために動作可能なコントローラとを有している
ことを特徴とする電力変換回路。
【請求項２１】
前記出力電圧が前記閾値電圧に維持されるとき、前記ソーラーパネルは最大電力出力を発生することを特徴とする請求項２０に記載の電力変換回路。
【請求項２２】
前記コントローラは、
パルス幅変調信号を供給するために動作可能なパルス幅変調信号発生器と、
前記パルス幅変調信号発生器に接続されていて、前記出力電圧を前記閾値電圧と比較して、前記パルス幅変調信号のデューティサイクルを調整し、前記出力電圧を前記閾値電圧に維持するために動作可能な誤差増幅器とを有している
ことを特徴とする請求項２０に記載の電力変換回路。
【請求項２３】
前記コントローラは、
パルス幅変調信号を供給するために動作可能なパルス幅変調信号発生器と、
前記パルス幅変調信号発生器に接続されていて、前記電池の充電電流を予め定められた基準レベルと比較して、前記パルス幅変調信号のデューティサイクルを調整し、前記充電電流を前記予め定められた基準レベルより下に保つために動作可能な誤差増幅器とを有している
ことを特徴とする請求項２０に記載の電力変換回路。
【請求項２４】
前記コントローラは、
パルス幅変調信号を供給するために動作可能なパルス幅変調信号発生器と、
前記パルス幅変調信号発生器に接続されていて、前記負荷を通して流れている負荷電流を予め定められた基準レベルと比較して、前記パルス幅変調信号のデューティサイクルを調整し、前記負荷電流を前記予め定められた基準レベルに維持するために動作可能な誤差増幅器とを有している
ことを特徴とする請求項２０に記載の電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換のための回路および方法に関する。
本出願は、"Charging and Boost Circuit and System"と題された、２００８年１０月２７日に出願された米国仮出願第６１／１９７,４９４号に対する優先権を主張し、ここでの引用により、その全てを本願明細書に組み込むものとする。
【背景技術】
【０００２】
ソーラー（solar）エネルギーシステムは、光起電性パネルまたはソーラーパネルを有していて、それは、それが光にさらされるときに、直流（ＤＣ）電力を発生させることができる。ソーラーパネルは、正負（ＰＮ）接合構造を有していて、ＰＮ接合ダイオードと同様の特性を有している。光子がＰＮ接合に衝突すると、ＰＮ接合の電子と正孔の再結合が、電流を生ずることができる。しかし、ソーラーパネルは、動作環境、例えば光学濃度、天気、場所、および温度に応じた電力を供給する。従って、発生される電力は、安定していない可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一実施形態において、電力変換回路は、ソーラーパネルと電力変換器とを備えている。ソーラーパネルは、出力電圧を有する電力を供給するために動作可能である。ソーラーパネルに接続されている電力変換器は、充電モードおよび給電モードで選択的に動作することができる。電力変換器は、充電モード中、ソーラーパネルから電源に電力を伝達して、出力電圧を閾値電圧に維持する。電力変換器は、給電モード中、電源から負荷に電力を配電する。
【０００４】
請求された内容の実施形態の特徴および効果は、以下の詳細な説明が進むにつれて、明らかになるであろう。そして、図面の参照の際に、同じ数字は同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の一実施形態による電力変換回路の回路図を示している。
【図２】本発明の一実施形態による、ソーラーパネルの電流対電圧のグラフの一例を示している。
【図３】本発明の一実施形態による、異なる照度レベル下でのソーラーパネルに対する電流対電圧のグラフの他の例を示している。
【図４】本発明の一実施形態による、図１のレギュレータの一例を示している。
【図５】本発明の一実施形態による、電力変換回路の他の回路図を示している。
【図６】本発明の一実施形態による、電力変換回路によって実行される動作のフローチャートを示している。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、本発明の実施形態に対する詳細な説明がなされる。本発明が、これらの実施形態に関連して記載されるが、それらは、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図しているわけではないことは理解されよう。それどころか、本発明は、添付した請求項によって定義される本発明の精神および範囲の中に含まれ得る代替案、変形例および等価物をカバーすることを意図している。
【０００７】
さらに、以下の本発明の詳細な説明の中で、多数の特定の詳細が、本発明の完全な理解を提供するために記載される。しかし、本発明が、これらの特定の詳細なしで実施され得ることは、当業者によって認められるであろう。他の例において、周知の方法、手順、構成要素、および回路は、本発明の態様を不必要に不明瞭にしないように、詳細に記載されない。
【０００８】
本開示による実施形態は、電力変換回路を提供する。この電力変換回路は、電力変換器および電源、例えば、ソーラーパネルを備えている。ソーラーパネルは、光のパワーを電力に変換することができ、かつ出力電圧を供給することができる。電力変換器は、ソーラーパネルの出力電圧に従って、少なくとも充電モードおよび給電モードで選択的に動作することができる。充電モード中、電力変換器は、ソーラーパネルから電池に電力を伝達することができる。給電モード中、電力変換器は、電池から負荷に電力を配電することができる。
【０００９】
一実施形態において、電力変換器は、ソーラーパネルの出力電圧と閾値電圧との比較結果に従って動作モードを選択することができる。好都合にも、充電モードで、電力変換器は、ソーラーパネルが最大電力出力を発生することができるようにソーラーパネルの出力電圧または電流を制御する（例えば、ソーラーパネルの出力電圧を閾値電圧に維持する）ことができる。従って、電力変換回路の効率は改善され得る。さらに、電力変換器は、単一の電力段、例えば、スイッチング回路およびインダクタを用いて、充電モードおよび給電モードにおいて異なる電力変換を実行する。従って、電力変換回路は、単純化することができ、かつ電力変換回路のコストは、下げることができる。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態による、電力変換回路１００の回路図である。電力変換回路１００は、ソーラーパネル１０２と、電池１３４と、電力変換器１０３と、負荷１３８とを備えている。一実施形態において、負荷１３８は、直列に接続されたＬＥＤ １３８Ａ，１３８Ｂ，… １３８Ｎを持つ発光ダイオード（ＬＥＤ）列を有している。ソーラーパネル１０２に接続される電力変換器１０３は、電池１３４を充電するため、およびＬＥＤ列１３８に給電するために動作可能である。電力変換器１０３は、ダイオード１０８と、コントローラ１１０と、ハイ（high）側スイッチ１２６、ロー（low）側スイッチ１２８、およびインダクタ１３０を含む電力段１８０を有している。
【００１１】
ソーラーパネル１０２およびＬＥＤ列１３８は、ハイ側スイッチ１２６に接続されている。電池１３４は、インダクタ１３０および抵抗１３２を通してハイ側スイッチ１２６およびロー側スイッチ１２８に接続されている。一実施形態において、単一の電力段１８０が、ソーラーパネル１０２からの電力によって電池１３４を充電するため、またはＬＥＤ列１３８に給電するために電池１３４の電圧を上げるために用いられる。キャパシタ１３６が、ＬＥＤ列１３８に給電するときに出力電圧／電流のリプルをフィルタリングするために、ＬＥＤ列１３８と並列に接続されていてもよい。
【００１２】
一実施形態において、スイッチ１２６および１２８は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であってもよい。電池１３４は、１つ以上の電池セルを有する再充電可能な電池パック、例えばリチウムイオン（LiIon）電池セル、ニッケルカドミウム（NiCd）電池セル、または鉛酸蓄電池セル等であってもよい。
【００１３】
コントローラ１１０は、ハイ側スイッチ１２６およびロー側スイッチ１２８をそれぞれ制御するためのハイ側スイッチ駆動信号１１４およびロー側スイッチ駆動信号１１６を含む制御信号を生成するように構成され得る。コントローラ１１０は、更に、いくつかの入力ピン、例えば電圧検出パネル（ＶＳＰ）ピン１１２、ＩＣＨＰピン１１８、ＩＣＨＭピン１２０、ＣＳＰピン１２２、およびＣＳＮピン１２４を有していてもよい。一実施形態において、コントローラ１１０は、レギュレータ１６０およびドライバ１７０を有している。レギュレータ１６０は、入力ピンに接続されていて、調整信号１９０を生成する。一実施形態において、調整信号１９０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号である。レギュレータ１６０に接続されているドライバ１７０は、調整信号１９０に従って駆動信号１１４および１１６を生成するために動作可能である。一実施形態において、ハイ側スイッチ１２６およびロー側スイッチ１２８は、駆動信号１１４および１１６によって交互にイネーブルにされる。調整信号１９０がＰＷＭ信号であると仮定すると、ＰＷＭ信号がハイ状態にあるとき、ハイ側スイッチ１２６はイネーブルにされ、ロー側スイッチ１２８はディスエーブルにされ得る。この状態は、本開示においては、スイッチオン状態と呼ばれる。同様に、ＰＷＭ信号がロー状態にあるとき、ハイ側スイッチ１２６はディスエーブルにされ、ロー側スイッチ１２８はイネーブルにされ得る。この状態は、本開示においては、スイッチオフ状態と呼ばれる。従って、スイッチオフ状態の期間に対するスイッチオン状態の期間の比率は、ＰＷＭ信号のデューティサイクルによって決定され得る。
【００１４】
電力変換器１０３は、充電モードおよび給電モードを含むが、これらに限定されるわけではない複数の動作モードで動作することができる。昼間の間、または比較的明るい環境において、ソーラーパネル１０２は、光のパワーを電力に変換することができ、電力変換器１０３は、充電モードで動作することができる。例えば、電力変換器１０３は、ソーラーパネル１０２から電池１３４に電力を伝達することによって電池１３４を充電する。さらに、図１の例では、ソーラーパネル１０２は、充電モード中、電池１３４を充電し、同時にＬＥＤ列１３８に給電することができる。夜間の間、または比較的暗い環境において、電力変換器１０３は、給電モードで動作することができる。例えば、電力変換器１０３は、電池１３４からＬＥＤ列１３８に電力を配電することによってＬＥＤ列１３８に給電する。ソーラーパネル１０２は、それが光（例えば、人工の光または日光）にさらされるとき、ノード１５２で出力電圧VSOLARおよび出力電流ISOLARを有する電力を発生することができる。ソーラーパネル１０２の特性は、図２および図３に示されている。
【００１５】
一実施形態において、電力変換器１０３は、出力電圧VSOLARを監視して、出力電圧VSOLARに従って充電モードおよび給電モードで選択的に動作することができる。充電モードまたは給電モードで動作するための条件は、出力電圧VSOLARを示しているＶＳＰピンでの電圧によって決定され得る。ＶＳＰピンでの電圧が閾値電圧より高い場合（例えば、ソーラーパネル１０２が比較的明るい光の条件下にあるとき）、電力変換器１０３は充電モードで動作することができる。ＶＳＰピンでの電圧が閾値電圧より低い場合（例えば、ソーラーパネル１０２が比較的暗い光の条件下にあるとき）、電力変換器１０３は給電モードで動作することができる。
【００１６】
上述したように、スイッチオフ状態の期間に対するスイッチオン状態の期間の比率は、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルによって決定され得る。さらに、スイッチオフ状態の期間に対するスイッチオン状態の期間の比率は、充電モード中に電池１３４を通って流れる充電電流ICHARGEと、給電モード中にＬＥＤ列１３８を通って流れるＬＥＤ動作電流ILED_ONとを決定する。従って、充電電流ICHARGEおよびＬＥＤ動作電流ILED_ONは、ＰＷＭ信号１９０によって調整され得る。充電モードにおいて、ＰＷＭ信号１９０は、充電電流ICHARGEを調整することによって、ソーラーパネル１０２から出力されるソーラーパネル電流ISOLARを調整する。
【００１７】
図２は、本発明の一実施形態による、ソーラーパネル１０２の電流対電圧のグラフ２００の一例を示している。一実施形態において、図２の例の中で、特定の光照度レベル下で、ソーラーパネル１０２が点２０２（本開示の中では最大電力点と呼ばれる）で働くとき、ソーラーパネル１０２は最も高い電力を発生することができる。最大電力点２０２で、ソーラーパネル電流ISOLAR_MPPとソーラーパネル電圧VSOLAR_MPPの積は、最大レベルに達することができる。さらに、ソーラーパネル電流ISOLARが減少すると、ソーラーパネル電圧VSOLARは増加する。与えられたソーラーパネル１０２に対して、ひとたび製造されれば、ソーラーパネル電流ISOLAR_MPPおよびソーラーパネル電圧VSOLAR_MPPは決定され得る。例えば、ユーザは、ソーラーパネル１０２のデータシート/仕様書から、これらのパラメータを得ることができる。
【００１８】
図３は、本発明の一実施形態による、異なる照度レベル下でのソーラーパネル１０２の電流対電圧のグラフ３００の他の例を示している。曲線３０２〜３１０によれば、光の照度レベルが減少すると、ソーラーパネル１０２の出力電流ISOLARおよび出力電圧VSOLARも減少し得る。同様に、光の照度レベルが増加すると、ソーラーパネル１０２の出力電流ISOLARおよび出力電圧VSOLARも増加し得る。従って、光の照度レベルが低下した場合に、ソーラーパネル１０２は、出力電流ISOLARを減らすことによって、およびその逆によって、最大電力点で動作することを維持することができる。換言すれば、出力電流ISOLARを制御することによって、ソーラーパネル１０２の出力電圧VSOLARは、ソーラーパネル１０２が最大電力点で働くことができるようなレベルVSOLAR_MPPに調整され得る。
【００１９】
図１に戻り、ソーラーパネル電圧VSOLAR_MPPは、予め定めることができる。またはコントローラ１１０の中にプログラムすることができる。２つの抵抗１０４および１０６を有する分圧器に接続されているコントローラ１１０のＶＳＰピン１１２は、ソーラーパネル電圧VSOLARを検出することができる。ソーラーパネル電流ISOLARは、電池１３４を充電するために、インダクタ１３０および抵抗１３２を通って流れることができる。抵抗１３２の両端での電圧降下VI_CHARGEは、充電電流ICHARGEを示していて、コントローラ１１０のICHPピン１１８およびICHMピン１２０を介して検出され得る。
【００２０】
コントローラ１１０のICHPピン１１８およびICHMピン１２０は、電池１３４に直列に接続された抵抗１３２に接続されている。充電電流ICHARGEは、ICHPピン１１８とICHMピン１２０との間の電圧差VI_CHARGEから検出または算出され得る。一実施形態において、充電電流ICHARGEの予め定められた最大レベルICHARGE_MAXを示している予め定められた基準電圧VICHPM_MPPは、コントローラ１１０の中にプログラムされ得る。好都合にも、コントローラ１１０は、VI_CHARGEをVICHPM_MPPと比較することによって、充電電流ICHARGEを最大レベルICHARGE_MAXと比較することができる。このような方法で、電力変換器１０３は、電池１３４が過電流状態を被るのを防止するために、充電電流ICHARGEを、予め定められた最大レベルICHARGE_MAXより下に保つことができる。
【００２１】
コントローラ１１０は、インダクタ１３０がソーラーパネル１０２と接地点に交互に接続され得るように、ハイ側スイッチ１２６とロー側スイッチ１２８を交互にイネーブルにすることができる。従って、スイッチ１２６および１２８は、充電電流ICHARGEおよび／またはソーラーパネル電圧VSOLARを調整するために用いられ得る。
【００２２】
昼間の間、周囲の光が十分明るいとき、ソーラーパネル１０２は、ノード１５２でソーラーパネル電圧VSOLARを生成することができる。電圧VSOLARは、コントローラ１１０によってＶＳＰピン１１２で検出され得る。最大電力点での電圧VSOLAR_MPPを示している予め定められた基準電圧VVSP_MPPは、コントローラ１１６の中にプログラムされ得る。基準電圧VVSP_MPPは、以下の式（１）によって決定され得る。
VVSP_MPP = VSOLAR_MPP * R106 / (R104+R106)          （１）
ここで、R104は抵抗１０４の抵抗値を表し、R106は抵抗１０６の抵抗値を表している。ＶＳＰピンでの電圧が、予め定められた基準電圧VVSP_MPP以上であれば、電力変換器１０３は、充電モードで動作することができる。ダイオード１０８は、順バイアスされて、電池１３４をソーラーパネル１０２に接続する。ソーラーパネル１０２からの電流ISOLARが、電池１３４を充電するために、インダクタ１３０を通って流れ得るように、コントローラ１１０は、ハイ側スイッチ１２６およびロー側スイッチ１２８を制御することができる。
【００２３】
充電モードにおいて、電力変換器１０３は、電池１３４の充電電流ICHARGEを調整することによって、ソーラーパネル１０２の出力電圧VSOLARを閾値電圧VSOLAR_MPPに維持することができる。より詳しくは、一実施形態において、コントローラ１１０は、ＶＳＰピン１１２で検出された電圧を基準電圧VVSP_MPPと比較することができ、従ってＰＷＭ信号１９０を調整することができる。例えば、ＶＳＰピン１１２で検出された電圧が基準電圧VVSP_MPPより高い場合、コントローラ１１０は、例えば、コントローラ１１０によって提供されるＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルを増加させることによって、ハイ側スイッチ１２６のオフ時間の期間に対するオン時間の期間の比率を増加させ、かつロー側スイッチ１２８のオフ時間の期間に対するオン時間の期間の比率を減少させることができる。このようにして、充電電流ICHARGEは増加させられ得る。従って、ソーラーパネル１０２の出力電流ISOLARは、出力電圧VSOLARを減少させるために、増加させられ得る。好都合にも、充電モードの間、ソーラーパネル１０２は、出力電圧VSOLARをVSOLAR_MPPに調整することによって、最大電力点で動作することができる。換言すれば、充電モード中、ソーラーパネル１０２の最大電力出力が電池１３４に伝達され得る。従って、電力変換回路１００の効率は改善され得る。
【００２４】
周囲の光が比較的暗いとき、ノード１５２での電圧VSOLARは減少して、ソーラーパネル１０２によって発生される電力は、電池１３４を充電することができない。一実施形態において、ＶＳＰピンでの電圧が基準電圧VVSP_MPPより低い場合、電力変換器１０３は給電モードで動作することができる。ダイオード１０８は、逆バイアスされて、電池１３４をソーラーパネル１０２から切り離す。この状況において、インダクタ１３０の中に蓄積されていた電力が消費されるまで、充電電流ICHARGEは減少する。インダクタ１３０を通って流れている電流が逆転した後に、電力変換器１０３は給電モードに入り、その中で、電池１３４の電圧は、昇圧されて、ＬＥＤ列１３８に給電される。
【００２５】
電力変換器１０３が給電モードで動作するとき、電池１３４の電圧は、ＬＥＤ列１３８を駆動するために、ハイ側スイッチ１２６およびロー側スイッチ１２８を交互にイネーブルにすることによって昇圧され得る。例えば、ハイ側スイッチ１２６がディスエーブルにされ、かつロー側スイッチ１２８がイネーブルにされるとき、電池１３４からの電流は、インダクタ１３０を通って流れることができ、電力はインダクタ１３０の中に蓄積され得る。ハイ側スイッチ１２６がイネーブルにされ、かつロー側スイッチ１２８がディスエーブルにされるとき、電流はＬＥＤ列１３８に流れることができ、ノード１５４での電圧は昇圧され得る。キャパシタ１３６は、インダクタ１３０からの電力を蓄積し、かつ、ＬＥＤ列１３８に電力を供給するために、電流および電圧のリプルをフィルタリングするために用いられる。このように、周囲の光が比較的暗いときに、電池１３４の電圧を昇圧することによって、ＬＥＤ列１３８は依然として給電され得る。
【００２６】
一実施形態において、ＬＥＤは閾値電圧、例えば１．４Ｖ〜３Ｖを有していて、ＬＥＤの両端の順バイアス電圧が閾値電圧を超える時、ＬＥＤはパワーオンされ得る。Ｎ個のＬＥＤを含むＬＥＤ列１３８の閾値電圧VLED_THは、１個のＬＥＤの閾値電圧のＮ倍である。一実施形態において、ＬＥＤ列１３８の順バイアス電圧、例えば、ＬＥＤ列の両端の電圧が、ＬＥＤ列閾値電圧VLED_THより高い状態を維持すれば、ノード１５４での電圧変動にもかかわらず、ＬＥＤ列１３８の両端の電圧は、実質的に一定の動作電圧VLED_ONを維持することができる。
【００２７】
ＬＥＤ列１３８は、また、固有のパラメータ、例えば、最大動作電流ILED_MAXを有している。電力変換回路１００は、更に、抵抗１４０を備えている。ＬＥＤ列１３８に接続されている抵抗１４０は、ＬＥＤ列１３８の動作電流ILED_ONを検出するために動作可能である。抵抗１４０の両端の電圧VR140は、動作電流ILED_ONを示し得る。コントローラ１１０のCSPピン１２２およびCSNピン１２４は、それぞれ抵抗１４０の２つの端子に接続されている。コントローラ１１０は、CSPピン１２２とCSNピン１２４の間の電圧、例えば、VR140を監視することによって、動作電流ILED_ONを監視することができる。
【００２８】
一実施形態において、コントローラ１１０は、動作電流ILED_ONを予め定められた基準レベルILED_REFに維持することができる。ILED_REFは、ILED_MAXより小さくすることができる。より詳しくは、基準電流ILED_REFを示している予め定められた基準電圧V140_REFは、コントローラ１１０の中にプログラムされ得る。コントローラ１１０は、VR140をV140_REFと比較することによって、検出された動作電流ILED_ONを基準電流ILED_REFと比較する。動作電流ILED_ONが基準電流ILED_REFより高い場合には、コントローラ１１０は、動作電流ILED_ONを下げるようにスイッチ１２６および１２８を制御することができる。例えば、コントローラ１１０は、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルを増加させることができ、それは、動作電流ILED_ONを減少させることができる。その結果、動作電流ILED_ONは、ＬＥＤ列１３８が比較的安定した明るさを発することができるように、実質的に基準電流ILED_REFに維持され得る。加えて、ＬＥＤ列１３８を通って流れている動作電流ILED_ONは、過電流状態を避けるために、最大動作電流ILED_MAXより下に制御され得る。
【００２９】
周囲の光がより明るくなり、ＶＳＰピン１１２上で検出される電圧が閾値電圧、例えば、基準電圧VVSP_MPP以上になった場合には、電力変換器１０３は充電モードに切り替えられ得る。
【００３０】
図４は、本発明の一実施形態による、図１のレギュレータ１６０の一例を示している。図１中と同じ符号が付けられた要素は、同様の機能を有している。図４は、図１と組み合わせて記載されている。
【００３１】
図４の例において、レギュレータ１６０は、対応する電圧および電流を検出するための５つの入力ピンを有している。ＶＳＰピン１１２は、ソーラーパネル電圧VSOLARを検出するために用いられる。ICHPピン１１８およびICHMピン１２０は、充電電流ICHARGEを検出するために用いられる。CSPピン１２２およびCSNピン１２４は、ＬＥＤ列１３８の動作電流ILED_ONを検出するために用いられる。レギュレータ１６０は、更に、電流源４３０と、キャパシタ４２８と、抵抗４３２と、複数の誤差増幅器４０２、４１０および４１８と、パルス幅変調信号発生器、例えば、コンパレータ４３４とを備えている。各誤差増幅器４０２、４１０および４１８は、正極端子、負極端子、および出力端子を備えている。出力端子は、正極端子での電圧と負極端子での電圧との間の前方差分（forward difference）に比例する電圧レベルを出力することができる。
【００３２】
充電モード中、誤差増幅器４０２は、ＶＳＰピン１１２上で検出された電圧を、ソーラーパネル１０２の最大電力点でのソーラーパネル電圧VSOLAR_MPPを表す予め定められた基準電圧VVSP_MPPと比較するように構成されている。誤差増幅器４０２の出力端子４０６は、ダイオード４０８を通して電流源４３０に接続されている。出力端子４０６での電圧は、ＶＳＰピン１１２での電圧とVVSP_MPPの比較結果によって決定され得る。ＶＳＰピン１１２上で検出された電圧が基準電圧VVSP_MPPに等しい場合、出力端子４０６はゼロを出力することができる。ＶＳＰピン１１２上で検出された電圧が基準電圧VVSP_MPPより高い場合、出力端子４０６は正の値を出力することができる。ＶＳＰピン１１２上で検出された電圧が基準電圧VVSP_MPPより低い場合、出力端子４０６は負の値を出力することができる。
【００３３】
さらに、充電モード中、誤差増幅器４１０は、ICHPピン１１８とICHMピン１２０の間の電圧差VI_CHARGEを、予め定められた基準電圧VICHPM_MPPと比較するように構成されている。基準電圧VICHPM_MPPは、最大充電電流ICHARGE_MAXを示している。一実施形態において、コントローラ１１０は、ICHMピン１２０と誤差増幅器４１０の正極端子との間に接続される電圧源４１２を有している。電圧源４１２は、予め定められた基準電圧VICHPM_MPPを供給することができる。このように、ソーラーパネル電流ISOLARまたは充電電流ICHARGEは、誤差増幅器４１０によって監視され得る。誤差増幅器４１０の出力端子４１４は、ダイオード４１６を通して電流源４３０に接続されている。誤差増幅器４０２と同様に、出力端子４１４の電圧は、VI_CHARGEとVICHPM_MPPの比較結果に基づいて、正、ゼロまたは負であり得る。
【００３４】
給電モード中、誤差増幅器４１８は、CSPピン１２２とCSNピン１２４の間の電圧差VR140を、予め定められた基準電流ILED_REFを表す予め定められた基準電圧V140_REFと比較するように構成されている。一実施形態において、コントローラ１１０は、CSNピン１２４と誤差増幅器４１８の負極端子との間に接続される基準電圧源４２０を有している。電圧源４２０は、基準電圧V140_REFを供給することができる。誤差増幅器４１８の出力端子４２２は、ダイオード４２４を通して電流源４３０に接続されている。ダイオード４２４は、ダイオード４０８および４１６と比較して反対方向に配置されている。誤差増幅器４０２と同様に、出力端子４２２の電圧は、VR140とV140_REFの比較結果に基づいて、正、ゼロまたは負であり得る。
【００３５】
コンパレータ４３４は、充電モードおよび給電モードの両方で、ＰＷＭ信号１９０を生成するために動作可能である。コンパレータ４３４は、鋸歯状波電圧信号４３６または任意の周期的な信号、例えば三角形信号または正弦波信号を受信するための負極端子を有していて、かつ、ノード４５２での電圧４３８を受信するための正極端子を有している。ノード４５２は、COMPピン４２６に接続されていて、これは、キャパシタ４２８を通して接地点に接続されている。後縁部（trailing-edge）変調を通して、コンパレータ４３４は、鋸歯状波電圧４３６をノード４５２での電圧４３８と比較することができ、かつ、比較の結果に従って、出力端子でＰＷＭ信号１９０を生成することができる。図４の例において、ノード４５２での電圧４３８が増加すると、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルも増加する。同様に、ノード４５２での電圧４３８が減少すると、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルも減少する。一実施形態において、鋸歯状波電圧信号４３６の周波数は、ＰＷＭ信号１９０の周波数を決定する。一実施形態において、可聴スイッチングノイズを避けるか又は減らすために、鋸歯状波信号４３６の周波数は、２５ＫＨｚより高くすることができる。
【００３６】
動作において、誤差増幅器４０２、４１０および４１８は、線形領域で働くことができる。最初は、例えば、電力変換回路１００の起動期間の間は、充電電流ICHARGEおよび負荷電流ILED_ONの両方は、ゼロであり得る。ICHPピン１１８、ICHMピン１２０、CSPピン１２２、およびCSNピン１２４の全ての電圧は、ゼロであり得る。従って、誤差増幅器４１８は、負の電圧を出力し得る。誤差増幅器４１０は、正の電圧を出力し得る。ノード４５０での電圧およびノード４５２での電圧が、両方ともゼロであると仮定すると、ダイオード４１６および４２４は、両方とも逆バイアスされて、ディスエーブルにされる。
【００３７】
周囲の光が比較的暗いとき、ＶＳＰピンでの電圧は、VVSP_MPPより小さい。誤差増幅器４０２は、負の電圧を出力し得る。ダイオード４０８は順バイアスされ、従ってノード４５０での電圧は下がる。さらに、抵抗４３２は、キャパシタ４２８を放電して、ノード４５２での電圧４３８を引き下げる。このようにして、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルは減少する。ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルが減少するとき、ノード１５４での電圧は増加し得る。ダイオード１０８は、逆バイアスされ、電池１３４をソーラーパネル１０２から切り離す。その結果、電力変換器１０３は給電モードに入る。
【００３８】
ノード１５４での電圧がＬＥＤ列１３８の動作電圧に達した後に、動作電流ILED_ONがＬＥＤ列１３８を通って流れ、そうするとＬＥＤ列１３８は点灯する。レギュレータ１６０のCSPピン１２２およびCSNピン１２４は、動作電流ILED_ONを表す電圧差VR140を検出することができる。ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルが減少するにつれて、ノード１５４での電圧は連続的に増加し、そうすると動作電流ILED_ONは増加する。動作電流ILED_ONが予め定められた基準レベルILED_REFに達すると、誤差増幅器４１８は正の電圧を出力し、ダイオード４２４は順バイアスされ、電圧４３８を引き上げる。一実施形態において、誤差増幅器４０２は抵抗４３２を通して電圧４３８を引き下げ、かつ誤差増幅器４１８は電圧４３８を引き上げるので、電圧４３８が実質的に一定に保たれる平衡状態に達することができ、動作電流ILED_ONは予め定められた基準レベルILED_REFに維持される。
【００３９】
周囲の光がより明るくなると、ＶＳＰピンでの電圧は増加する。ＶＳＰピンでの電圧が、予め定められた基準レベルVVSP_MPPより高くなると、誤差増幅器４０２は、出力端子４０６で正の電圧を出力する。ダイオード４０８は逆バイアスされるようになる。電流源４３０は、キャパシタ４２８を充電して、電圧４３８を増加させる。このようにして、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルは増加する。従って、ノード１５４での電圧は減少して、ダイオード１０８は順バイアスされ、電池１３４をソーラーパネル１０２に接続する。ノード１５４での電圧がＬＥＤ列１３８の動作電圧より下に下がるとき、動作電流ILED_ONはゼロまで下がる。誤差増幅器４１８は、負の電圧を出力し、従ってダイオード４２４をディスエーブルにする。ソーラーパネル電流ISOLARは、電力変換器１０３に流れ込むことができ、電池１３４を充電する。このようにして、電力変換器１３０は充電モードに入る。
【００４０】
充電モード中、コントローラ１１０は、ソーラーパネル電圧VSOLARを予め定められた最大電力点VSOLAR_MPPに維持することができる。ＶＳＰピンの電圧がVVSP_MPPより高いと、誤差増幅器４０２は出力端子４０６で正の電圧を出力して、ダイオード４０８を逆バイアスする。従って、電流源４３０はキャパシタ４２８を充電することができ、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルを増加させ、そうすると充電電流ICHARGEまたはソーラーパネル電流ISOLARは増加する。図２によれば、ソーラー電流ISOLARが増加するにつれて、ソーラーパネル電圧VSOLARは減少する。ＶＳＰピンでの電圧がVVSP_MPPより低いと、誤差増幅器４０２は出力端子４０６で負の電圧を出力して、ダイオード４０８を順バイアスする。従って、ダイオード４０８は、キャパシタ４２８を放電することができ、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルを減少させる。同様に、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルが減少すると、ソーラーパネル電流ISOLARは減少して、ソーラーパネル電圧VSOLARは増加する。このように、ソーラーパネル電圧VSOLARは、最大電力出力を成し遂げるために、予め定められた最大電力点VSOLAR_MPPに維持され得る。
【００４１】
充電モード中、電力変換器１０３は、過電流状態の発生を避けるために、充電電流ICHARGEを予め定められた基準レベルICHARGE_MAXより下に維持することができる。周囲の光が十分に強いと、ＶＳＰピンでの電圧はVVSP_MPPより高くなり、充電電流ICHARGEはICHARGE_MAXに達する。この場合、誤差増幅器４１０の出力端子４１４での電圧は負である。ダイオード４１６は順バイアスされる。ダイオード４１６はキャパシタ４２８を放電することができ、ＰＷＭ信号１９０のデューティサイクルを減少させ、従ってICHARGEがICHARGE_MAXより小さくなるまで充電電流ICHARGEを減少させる。その結果、過電流状態を避けることができる。さらに、充電電流ICHARGE（またはソーラー電流ISOLAR）が減少するにつれて、ＶＳＰピンでの電圧は増加する。従って、誤差増幅器４０２の出力端子４０６での電圧は正のままであり、そうするとダイオード４０８はディスエーブルにされる。
【００４２】
図５は、本発明の一実施形態による、電力変換回路５００の他の回路図を示している。図１および図４と同じ符号が付された要素は、同様の機能を有している。図５は、図１と組み合わせて記載されている。
【００４３】
電力変換回路５００は、ＬＥＤ列１３８と直列に接続されたスイッチ５６２を更に備えている。コントローラ５１０は、図１のコントローラ１１０と同様の機能を実行することができる。さらに、コントローラ５１０は、ＶＳＰピンでの電圧を内部プリセット電圧VPRESETと比較することができ、かつ比較結果に従ってスイッチ５６２を制御するためにＬＥＤ制御信号５６０を生成することができる。一実施形態において、内部プリセット電圧VPRESETは、基準電圧VVSP_MPPとは異なる。ＶＳＰピンでの電圧が内部プリセット電圧VPRESETより低いと、スイッチ５６２はスイッチオンされ、ＶＳＰピンでの電圧が内部プリセット電圧VPRESETより高いと、スイッチオフされ得る。一実施形態において、内部プリセット電圧VPRESETは、ＬＥＤ列１３８を駆動するのに必要な動作電圧（例えば、ＬＥＤ列閾値電圧VLED_TH）以下であり得る。そして、基準電圧VVSP_MPPより低い。
【００４４】
従って、一実施形態において、ＶＳＰピンでの電圧が基準電圧VVSP_MPPより高いと、電力変換器５０３は充電モードで動作することができ、スイッチ５６２はスイッチオフされる（ＬＥＤ列５３８には給電されない）。一実施形態において、ＶＳＰピンでの電圧が内部プリセット電圧VPRESETより低いと、電力変換器５０３は給電モードで動作することができ、スイッチ５６２はスイッチオンされ、そうするとＬＥＤ列１３８は電池１３４によって給電／点灯され得る。一実施形態において、ＶＳＰピンでの電圧が、内部プリセット電圧VPRESETより高いが、基準電圧VVSP_MPPより低いと、ＬＥＤ列１３８は電池１３４によって給電されない。
【００４５】
図６は、本発明の一実施形態による、電力変換回路、例えば、電力変換回路１００によって実行される動作のフローチャート６００を示している。図６は、図１〜図５と組み合わせて記載されている。特定のステップが図６に開示されているが、このようなステップは例である。すなわち、本発明は、さまざまな他のステップまたは図６に示したステップの変形を実行することによく適合する。
【００４６】
ブロック６０２において、出力電圧、例えば、出力電圧VSOLARを有する電力が受け取られる。
【００４７】
ブロック６０４において、少なくとも充電モードおよび給電モードから動作モードが選択される。ブロック６０６において、出力電圧が閾値電圧、例えば、VSOLAR_MPPと比較され、動作モードを決定する。一実施形態において、出力電圧が閾値電圧より低ければ、フローチャート６００はブロック６１４に入る。さもなければ、フローチャート６００はブロック６０８に入る。
【００４８】
ブロック６０８において、電力変換器、例えば、電力変換器１０３は、電力が電源、例えば、電池１３４に伝達される充電モードに入る。ブロック６１０において、充電モード中、電源の充電電流は、出力電圧を閾値電圧に維持するように調整される。ブロック６１２において、電池の充電電流が検出され、第１の予め定められた基準レベル、例えば、ICHARGE_MAXと比較され、充電電流を第１の予め定められた基準レベルより下に保つ。
【００４９】
ブロック６１４において、電力変換器は、電源からの電力が負荷に配電される給電モードに入る。ブロック６１６において、負荷を通して流れている負荷電流、例えば、動作電流ILED_ONが検出され、第２の予め定められた基準レベル、例えば、ILED_REFと比較され、負荷電流を第２の予め定められた基準レベルに維持する。
【００５０】
前述の記載および図面は本発明の実施形態を表すが、添付の請求項の中で定義されているような本発明の原理の精神および範囲から逸脱することなく、その中でさまざまな追加、変更および置換がなされ得ることは理解されよう。当業者であれば、本発明が、本発明の実施の中で用いられる、形状、構造、配置、割合、材料、要素、部品やその他の多くの変更と共に用いることができ、これらが、本発明の原理から逸脱することなく、特に、特定の環境および動作の要件に適合していることを認めるであろう。ここで開示された実施形態は、従って、全ての点で、例示的であり限定的でないものとして考慮されるべきであり、本発明の範囲は、添付の請求項およびそれらの法的な等価物によって示され、前述の記載に限定されない。
【符号の説明】
【００５１】
１００  電力変換回路
１０２  ソーラーパネル
１０３  電力変換器
１０４，１０６  抵抗
１０８  ダイオード
１１０  コントローラ
１２６  ハイ側スイッチ
１２８  ロー側スイッチ
１３０  インダクタ
１３２  抵抗
１３４  電池
１３６  キャパシタ
１３８  ＬＥＤ列
１３８Ａ，１３８Ｂ，… １３８Ｎ  ＬＥＤ
１４０  抵抗
１６０  レギュレータ
１７０  ドライバ
１８０  電力段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010115104.tif 000007
【図６】
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【外国語明細書】
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