(57)【要約】【課題】電源回路または電源装置の回路規模および消費電力を削減する。【解決手段】本発明の実施形態としての電源回路は、入力電圧に応じた電荷を蓄積する第１のキャパシタと、前記第１のキャパシタに対してそれぞれ並列に接続されたｎ個（ｎは１以上の整数）の第２のキャパシタと、前記ｎ個の第２のキャパシタに対してそれぞれ直列に接続されたｎ個のスイッチと、前記入力電圧を降圧するＤＣ−ＤＣ変換器と、前記入力電圧が第１の閾値電圧に達するごとに、前記ｎ個のスイッチを順にオンに切り換えるよう制御する制御回路とを備える。【選択図】図１
2018046708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧に応じた電荷を蓄積する第１のキャパシタと、
前記第１のキャパシタに対してそれぞれ並列に接続されたｎ個（ｎは１以上の整数）の第２のキャパシタと、
前記ｎ個の第２のキャパシタに対してそれぞれ直列に接続されたｎ個のスイッチと、
前記入力電圧を降圧するＤＣ−ＤＣ変換器と、
前記入力電圧が第１の閾値電圧に達するごとに、前記ｎ個のスイッチを順にオンに切り換えるよう制御する制御回路と
を備えた電源回路。
【請求項２】
ｉ＋１番目の第２のキャパシタの容量値Ｃｉ＋１は、以下の式を満たすように設定され、
【数１】
2018046708.tif 000010
ＶｉＨは、前記第１の閾値電圧、ＶＵＶＬＯは、前記ＤＣ−ＤＣ変換器の最低動作電圧である
請求項１に記載の電源回路。
【請求項３】
前記入力電圧を所定の上限値に制限する定電圧回路
をさらに備えた請求項１または２記載の電源回路。
【請求項４】
前記制御回路は、前記入力電圧を電源として用いて動作し、
前記制御回路は、前記入力電圧を分圧する複数の抵抗を備え、前記分圧電圧が前記第１の閾値電圧に達するごとに、前記ｎ個のスイッチを順にオンに切り換えるよう制御する
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電源回路。
【請求項５】
前記制御回路は、前記入力電圧が、第２の閾値電圧を下回ったとき、前記ｎ個のスイッチをすべてオフにし、
前記第２の閾値電圧は、前記第１の閾値電圧よりも低く、前記ＤＣ−ＤＣ変換器の最低動作電圧以上である
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電源回路。
【請求項６】
前記ＤＣ−ＤＣ変換器の出力端子に接続された第３のキャパシタと、
前記第３のキャパシタに対してそれぞれ並列に接続されたｍ個（ｍは１以上の整数）の第４のキャパシタと
前記ｍ個の第４のキャパシタに対してそれぞれ直列に接続されたｍ個のスイッチと、
をさらに備え、
前記制御回路は、前記出力電圧が第３の閾値電圧に達するごとに、前記ｍ個のスイッチを順にオンに切り換えるよう制御する
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電源回路。
【請求項７】
前記制御回路は、前記ｍ個のスイッチをすべてオンにするまで、前記ｎ個のスイッチをオフに維持する
請求項６に記載の電源回路。
【請求項８】
前記ＤＣ−ＤＣ変換器の出力電圧を第１の負荷に供給し、
前記入力電圧を第２の負荷に供給し、
前記制御回路は、前記ｎ個のスイッチのうち所定のスイッチをオンにする信号を出力するタイミングまたはそれ以降のタイミングで、前記第２の負荷に対するイネーブル信号を出力する
請求項７に記載の電源回路。
【請求項９】
電圧を生成する発電装置と、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電源回路と、を備え、
前記電源回路は、前記発電装置によって生成された前記電圧である前記入力電圧を受ける
電源装置。
【請求項１０】
前記発電装置で発生する電圧は、交流電圧であり、
前記電源回路は、前記交流電圧を直流電圧に変換する整流回路を備え、前記入力電圧は、前記整流回路で変換された前記直流電圧である
請求項９に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電源回路および電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境中の微弱なエネルギーを太陽電池、熱電発電素子、または圧電素子等の発電素子により電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスティングと呼ばれる技術が知られている。この技術においては、発電素子が出力する電力が環境条件によって大きく変動する。そこで一般には、環境条件による電力変動を緩衝するために、発電素子が発電した電力を一旦容量に蓄電する構成が用いられる。また、蓄電効率の向上や蓄電したエネルギーの効率的な使用などのために、発電素子の発電量や容量の蓄電残量などを監視する構成も用いられる。
【０００３】
関連技術として、負荷回路ごとに個別の容量を用意し、各容量に対する充電に優先順位を付けることで、優先順位の高い負荷を短時間で起動する例が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１５８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の関連技術では、複数ある容量の充電電圧を監視し、充電すべき容量を選択する。この場合、容量の個数分だけ電圧を監視する必要がある。したがって、回路規模が増大するとともに消費電力が増大してしまう。
【０００６】
本発明の実施形態は、回路規模および消費電力を削減した電源回路および電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態としての電源回路は、入力電圧に応じた電荷を蓄積する第１のキャパシタと、前記第１のキャパシタに対してそれぞれ並列に接続されたｎ個（ｎは１以上の整数）の第２のキャパシタと、前記ｎ個の第２のキャパシタに対してそれぞれ直列に接続されたｎ個のスイッチと、前記入力電圧を降圧するＤＣ−ＤＣ変換器と、前記入力電圧が第１の閾値電圧に達するごとに、前記ｎ個のスイッチを順にオンに切り換えるよう制御する制御回路とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る電源装置の基本構成を示す回路図。
【図２】図１における各電圧の波形等を示した図。
【図３】図１において制御回路の具体的な構成例を示した回路図。
【図４】図３における各電圧の波形を示した図。
【図５】第３の実施形態に係る電源装置の回路図。
【図６】図５における各電圧の波形等を示した図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電源装置の構成例を示す回路図である。図１に示すように、電源装置は、発電装置１１と、電源回路１２とを備える。電源回路１２は、整流回路２１と、複数のキャパシタＣ０〜Ｃ３と、スイッチＳ１〜Ｓ３と、制御回路２２と、降圧型ＤＣ−ＤＣ変換器２３とを備える。降圧型ＤＣ−ＤＣ変換器（以下、ＤＣ−ＤＣ変換器と記載する）２３の出力端子は、負荷１に接続されている。キャパシタＣ０〜Ｃ３の電圧（入力電圧Ｖｉｎ）は、ＤＣ−ＤＣ変換器２３により、低い電圧Ｖｏｕｔに変換され、電圧Ｖｏｕｔが負荷１に対して供給される。
【００１１】
発電装置１１は、たとえば太陽電池、熱電発電素子、または圧電素子等の発電素子を含む回路を備える。図１では、発電素子として圧電素子を用いた場合の例が示される。圧電素子に対し振動を与えることで、圧電素子は交流（ＡＣ）の電圧Ｖｐを発生させる。発電電圧Ｖｐは、整流回路２１により直流（ＤＣ）に変換され、整流回路２１は、変換後の電圧を入力電圧Ｖｉｎとして出力する。発電素子として太陽電池または熱電発電素子を用いた場合には、発電素子はＤＣ電圧を出力することから、整流回路は不要である。整流回路２１の構成は、ダイオードブリッジなど、任意の構成でかまわない。図１ではダイオードブリッジの例が示される。
【００１２】
キャパシタＣ０は、整流回路２１の出力端子とグラウンドとの間に接続されている。キャパシタＣ１〜Ｃ３は、キャパシタＣ０に対してそれぞれ並列に接続されている。キャパシタＣ１〜Ｃ３の一端は、それぞれ整流回路２１の出力端子に電気的に接続されている。キャパシタＣ１〜Ｃ３の他端は、それぞれスイッチＳ１〜Ｓ３を介して、グラウンド端子に接続されている。キャパシタＣ０〜Ｃ３の容量は同じであるとする。キャパシタＣ０に対して並列接続されるキャパシタの個数はここでは３であるが、１以上の整数であればよい。
【００１３】
スイッチＳ１〜Ｓ３は、制御回路２２から供給される制御電圧Ｖ１〜Ｖ３により制御される。制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３がローレベル（以下、Ｌｏｗと記載）のとき、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３はオフである。制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３がハイレベル（以下、Ｈｉｇｈと記載）のとき、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３はオンである。初期状態では、スイッチＳ１〜Ｓ３はいずれもオフである。これらのスイッチＳ１〜Ｓ３のオンとオフを切り替えることで、キャパシタＣ１〜Ｃ３の使用および不使用が切り替えられる。その結果、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力端子とグラウンド端子との間の容量値が切り換えられる。スイッチＳ１〜Ｓ３は、一例としてＭＯＳトランジスタにより形成される。ただし、スイッチＳ１〜Ｓ３の構成は、これに限定されない。
【００１４】
制御回路２２は、整流回路２１から出力された入力電圧（キャパシタ充電電圧）Ｖｉｎを監視する。制御回路２２は、入力電圧Ｖｉｎを、外部の回路から供給された第１の閾値電圧ＶｉＨおよび第２の閾値電圧ＶｉＬと比較する。制御回路２２は、比較の結果に基づいて、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を生成し、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。具体的に、制御回路２２は、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧ＶｉＨに達した（第１の閾値電圧ＶｉＨを越える）ごとに、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を順にオンにする。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧ＶｉＨに達するごとに、スイッチＳ１〜Ｓ３を順にオンにする。制御回路２２は、入力電圧Ｖｉｎが第２の閾値電圧ＶｉＬより小さくなると、スイッチＳ１〜Ｓ３をすべてオフにする。
【００１５】
ここで第１の閾値電圧ＶｉＨは、第２の閾値電圧ＶｉＬよりも高い電圧である。また、第１の閾値電圧ＶｉＨは、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の耐圧に応じて決定される。第２の閾値電圧ＶｉＬは、ＤＣ―ＤＣ変換器２３の最低動作電圧（ＤＣ―ＤＣ変換器２３が動作を開始する最低電圧）ＶＵＶＬＯ以上の電圧である。
【００１６】
ＤＣ−ＤＣ変換器２３は、整流回路２１から出力された入力電圧（キャパシタ充電電圧）Ｖｉｎを降圧する。すなわち、キャパシタＣ０〜Ｃ３の電圧を降圧する。これにより、ＤＣ−ＤＣ変換器２３は、出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。ＤＣ−ＤＣ変換器２３は、出力電圧Ｖｏｕｔを負荷１に供給する。
【００１７】
図２に、図１に示す電源装置における各部の動作波形の一例を示す。入力電圧Ｖｉｎが、第２の閾値電圧ＶｉＬよりも低い場合、制御回路２２は、いずれもＬｏｗの制御電圧Ｖ１〜Ｖ３を出力する。この状態で、発電装置１１における圧電素子が発電電圧Ｖｐを発生させると、発電電圧Ｖｐは整流回路２１により電圧Ｖｉｎに変換され、キャパシタＣ０の充電が始まる。スイッチＳ１〜Ｓ３はオフであるため、キャパシタＣ１〜Ｃ３に対して充電は行われない。このため、入力電圧（キャパシタ充電電圧）Ｖｉｎは高速に上昇する。入力電圧Ｖｉｎが、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の最低動作電圧ＶＵＶＬＯに達すると、ＤＣ−ＤＣ変換器２３が動作を開始する。動作を開始したＤＣ−ＤＣ変換器２３は、負荷１に対し出力電圧Ｖｏｕｔを供給する。
【００１８】
その後、入力電圧Ｖｉｎが、第１の閾値電圧ＶｉＨに達すると、制御回路２２は、制御電圧Ｖ１をＨｉｇｈにする。これにより、スイッチＳ１がオフからオンに遷移するため、キャパシタＣ０に対してキャパシタＣ１が並列に接続される。キャパシタＣ１が並列接続されると、キャパシタＣ０に充電されていた電荷の一部がキャパシタＣ１に転送されるため、入力電圧Ｖｉｎは一時的に低下する。キャパシタＣ０、Ｃ１の容量は同じであることから、キャパシタＣ０とＣ１の電荷量は同じまたはほぼ同じになる。
【００１９】
ここで、
【数１】
2018046708.tif 000003
を満たせば、制御電圧Ｖ１がＨｉｇｈとなったとき（スイッチＳ１がオンになったとき）の入力電圧Ｖｉｎは、最低動作電圧ＶＵＶＬＯよりも大きく維持される。よって、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の動作が継続され、負荷１に対して供給される出力電圧Ｖｏｕｔは一定である。
【００２０】
次に、再度、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧ＶｉＨに達すると、制御回路２２は、制御電圧Ｖ２をＨｉｇｈする。これにより、スイッチＣ２が、キャパシタＣ０に対して並列に接続される。キャパシタＣ２が並列接続されると、キャパシタＣ０、Ｃ１に充電されていた電荷の一部がキャパシタＣ２に転送されるため、入力電圧Ｖｉｎは一時的に低下する。キャパシタＣ０〜Ｃ２の容量は同じため、キャパシタＣ０、Ｃ１、Ｃ２の電荷量は同じまたはほぼ同じになる。
ここで、
【数２】
2018046708.tif 000004
を満たせば、制御電圧Ｖ２がＨｉｇｈとなったとき（スイッチＳ２がオンになったとき）の入力電圧Ｖｉｎは、最低動作電圧ＶＵＶＬＯよりも大きく維持される。よって、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の動作が継続され、負荷１に対して供給される出力電圧Ｖｏｕｔは一定である。
【００２１】
次に、再度、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧ＶｉＨに達すると、制御回路２２は、制御電圧Ｖ３をＨｉｇｈする。これにより、スイッチＣ３が、キャパシタＣ０に対して並列に接続される。キャパシタＣ３が並列接続されると、キャパシタＣ０〜Ｃ２に充電されていた電荷の一部がキャパシタＣ３に転送されるため、入力電圧Ｖｉｎは一時的に低下する。キャパシタＣ０〜Ｃ３の容量は同じため、キャパシタＣ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の電荷量は同じまたはほぼ同じになる。
ここで、
【数３】
2018046708.tif 000005
を満たせば、制御電圧Ｖ３がＨｉｇｈとなったとき（スイッチＳ３がオンになったとき）の入力電圧Ｖｉｎは、最低動作電圧ＶＵＶＬＯよりも大きく維持される。よって、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の動作が継続され、負荷１に対して供給される出力電圧Ｖｏｕｔは一定である。
【００２２】
以上のように、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧ＶｉＨに達するごとに、キャパシタＣ１〜Ｃ３を順にキャパシタＣ０に対して並列接続される。
【００２３】
ここで、（１）〜（３）の式を、ｉ＋１番目のキャパシタの容量値Ｃｉ＋１  （ｉは０以上の整数）に対して一般化すると、
【数４】
2018046708.tif 000006
と表すことができる。
【００２４】
この式（４）が満たされるとき、Ｖｉｎ＞ＶＵＶＬＯであるから、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の動作を継続しながら、入力電圧Ｖｉｎを保持する容量値を段階的に大きくすることができ、より大きなエネルギーを蓄えることが可能となる。
【００２５】
スイッチＳ３がオンにされた後、ある時間が経過して、発電装置１１で発電される電圧Ｖｐが低下したとする。このとき、整流回路２１から入力される入力電圧Ｖｉｎは徐々に減少する。その結果、入力電圧Ｖｉｎが、第２の閾値電圧ＶｉＬを下回ると、制御回路２２は、これを検知して、制御電圧Ｖ１〜Ｖ３を全てＬｏｗとする。これにより、スイッチＳ１〜Ｓ３がすべてオフとなる。このため、発電装置１１に対してキャパシタＣ０のみが接続された初期の状態に戻る。これにより、発電装置１１の発電電圧が低下した場合も、ＤＣ−ＤＣ変換器２３が停止する時間を短くできる。また、次回、発電装置１１で発電される電圧が上昇した場合に、ＤＣ−ＤＣ変換器２３を高速起動できる。
【００２６】
以上のように第１の実施形態によれば、キャパシタＣ０に対してキャパシタＣ１〜Ｃ３を順に並列接続していくことで、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力端子とグラウンド端子間の容量値を徐々に大きくできる。これによりＤＣ−ＤＣ変換器２３の高速起動と、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力側の大容量蓄電とを両立できる。このとき、制御回路２２で観測が必要な電圧はＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力電圧Ｖｉｎのみであるから、制御回路２２の面積および消費電力を低減することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
図３は、図１の構成における制御回路２２の具体例を示す図である。
【００２８】
制御回路２２は、制御回路２２は、ツェナーダイオード３１、閾値電圧発生回路３２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、コンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２、カウンタ３３、ＯＲ回路３４、およびＡＮＤ回路３５を備える。
【００２９】
制御回路２２は、入力電圧Ｖｉｎを電源として動作する。なお、図では、カウンタ３３、ＯＲ回路３４およびＡＮＤ回路３５の電源が明示されていないが、いずれも入力電圧Ｖｉｎにより駆動される。
【００３０】
ツェナーダイオード３１は、入力電圧Ｖｉｎを所定の上限値に制限する定電圧回路である。ツェナーダイオード３１は、制御回路２２に一定以上の電圧がかかると、過電流をグラウンド端子に流すように動作することで、入力電圧Ｖｉｎを制限する。これにより、制御回路２２に過電圧がかかることを防止する。ツェナーダイオードの代わりに、シャントレギュレータを用いてもよい。
【００３１】
閾値電圧発生回路３２は、入力電圧Ｖｉｎにより駆動され、それぞれ予め定めた第１の閾値電圧ＶｉＨ’および第２の閾値電圧ＶｉＬ’を出力する。
【００３２】
整流回路２１の出力端子は、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ１を介して、グラウンド端子に接続されている。入力電圧Ｖｉｎは、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ１により分圧され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点の電圧（分圧電圧）Ｖｄｉｖが、コンパレータＣＭＰ１、ＣＭＰ２に供給される。ここで、分圧電圧Ｖｄｉｖと、入力電圧Ｖｉｎとの関係は以下のように表される。
【数５】
2018046708.tif 000007
【００３３】
コンパレータＣＭＰ１では、第１の閾値電圧ＶｉＨ’と分圧電圧Ｖｄｉｖとを比較して、信号ＣＫを出力する。分圧電圧Ｖｄｉｖが第１の閾値電圧ＶｉＨ’以上の場合に、信号ＣＫは、Ｈｉｇｈであり、分圧電圧Ｖｄｉｖが第１の閾値電圧ＶｉＨ’より小さい場合には、信号ＣＫは、Ｌｏｗである。信号ＣＫはカウンタ３３のＣＫ端子に入力される。
【００３４】
コンパレータＣＭＰ２では、第２の閾値電圧ＶｉＬ’と分圧電圧Ｖｄｉｖとを比較して、信号ＣＬＲを出力する。分圧電圧Ｖｄｉｖが第２の閾値電圧ＶｉＬ’より小さい場合に、信号ＣＬＲは、Ｈｉｇｈであり、分圧電圧Ｖｄｉｖが第２の閾値電圧ＶｉＬ’以上の場合には、信号ＣＬＲは、Ｌｏｗである。信号ＣＬＲは、カウンタ３３のＣＬＲ端子に入力される。
【００３５】
カウンタ３３は、ＣＫ信号がＬｏｗからＨｉｇｈに変化する度に、出力をカウントアップする。カウンタ３３は出力端子Ｑ０、Ｑ１を備え、出力端子Ｑ０、Ｑ１からカウント値に応じた信号（ＨｉｇｈまたはＬｏｗの信号）を出力する。
【００３６】
初期状態（ＣＫ信号および信号ＣＬＲがいずれのＬｏｗの状態）では、出力端子Ｑ０、Ｑ１の出力は（Ｑ０、Ｑ１）＝（０、０）である。この後、カウントアップするごとに、すなわち、ＣＫ信号がＬｏｗからＨｉｇｈに変化する度に、出力端子Ｑ０、Ｑ１の出力は、（１、０）、（０、１）、（１、１）の順に変化する。“０”はＬｏｗを表す。“１”はＨｉｇｈを表す。
【００３７】
カウンタ３３は、信号ＣＬＲがＬｏｗからＨｉｇｈに変化するときに、カウント値をリセットする。すなわち（Ｑ０、Ｑ１）＝（０、０）となる。
【００３８】
ＯＲ回路３４は、出力端子Ｑ０、Ｑ１に接続されており、出力端子Ｑ０、Ｑ１の信号に応じた制御電圧Ｖ１を生成し、制御電圧Ｖ１をスイッチＳ１に出力する。ＡＮＤ回路３５も出力端子Ｑ０、Ｑ１に接続されており、出力端子Ｑ０、Ｑ１の信号に応じた制御電圧Ｖ３を生成し、制御電圧Ｖ３をスイッチＳ３に出力する。スイッチＳ２には、端子Ｑ１の信号が制御電圧Ｖ２として与えられる。
【００３９】
よって、（Ｑ０、Ｑ１）＝（０、０）のとき、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はいずれもＬｏｗであり、最初のカウントアップ時の（Ｑ０、Ｑ１）＝（１、０）のとき、制御電圧Ｖ１がＨｉｇｈ、制御電圧Ｖ２、Ｖ３はＬｏｗである。次のカウントアップ時の（Ｑ０、Ｑ１）＝（０、１）のとき、制御電圧Ｖ１、Ｖ２がＨｉｇｈで、制御電圧Ｖ３はＬｏｗである。次のカウントアップ時の（Ｑ０、Ｑ１）＝（１、１）のとき、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はいずれもＨｉｇｈである。
【００４０】
図４は、分圧電圧Ｖｄｉｖ、ＣＫ信号、ＣＬＲ信号、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、信号Ｑ０、Ｑ１の波形を示した図である。
【００４１】
分圧電圧Ｖｄｉｖが、第１の閾値電圧ＶｉＨ’に達する度に、カウンタ３３の出力がカウントアップされ、制御電圧Ｖ１〜Ｖ３が順にＨｉｇｈとなる。分圧電圧Ｖｄｉｖ＜第２の閾値電圧ＶｉＬ’となると、カウンタ３３はリセットされ、制御電圧Ｖ１〜Ｖ３は同時にＬｏｗとなる。また、ツェナーダイオード３１のツェナー電圧（キャパシタ充電電圧の上限値）をＶＬＩＭとすると、分圧電圧Ｖｄｉｖの上限は
【数６】
2018046708.tif 000008
となる。
【００４２】
ここで、
【数７】
2018046708.tif 000009
とすれば、スイッチＳ１〜Ｓ３がオン、オフするときの入力電圧Ｖｉｎは、図１および図２の場合と等しくなる。
【００４３】
このように、第１の閾値電圧ＶｉＨ’、第２の閾値電圧ＶｉＬ’、分圧電圧Ｖｄｉｖを、入力電圧Ｖｉｎよりも低くすることで、入力電圧Ｖｉｎを制御回路２２の電源電圧として用いることが可能となる。
【００４４】
（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、ＤＣ−ＤＣ変換器の入力側の容量値を段階的に大きくしたが、第３の実施形態では、これに加えて、ＤＣ−ＤＣ変換器の出力側の容量も段階的に変化させる。
【００４５】
図５に第３の実施形態に係る電源装置の回路図を示す。図１との差分を中心に説明する。
電源回路４１は、第１の実施形態の構成に加えて、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力側に、キャパシタＣ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７と、スイッチＳ４、Ｓ５、Ｓ６を備えている。
【００４６】
キャパシタＣ４は、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力端子とグラウンド端子との間に接続されている。キャパシタＣ５〜Ｃ７は、キャパシタＣ４に対してそれぞれ並列に接続されている。キャパシタＣ５〜Ｃ７の一端は、それぞれＤＣ−ＤＣ変換器２３出力端子と負荷１とに電気的に接続されている。キャパシタＣ５〜Ｃ７の他端は、それぞれスイッチＳ４〜Ｓ６を介して、グラウンド端子に接続されている。キャパシタＣ４〜Ｃ７の容量は同じであるとする。
【００４７】
スイッチＳ４〜Ｓ６は、制御回路４２から供給される制御電圧Ｖ４〜Ｖ６により制御される。制御電圧Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６がＬｏｗのとき、スイッチＳ４、Ｓ５、Ｓ６はオフである。制御電圧Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６がＨｉｇｈのとき、スイッチＳ４、Ｓ５、Ｓ６はオンである。これらのスイッチＳ４〜Ｓ６のオンとオフを切り替えることで、キャパシタＣ５〜Ｃ７の使用および不使用が切り替えられる。その結果、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力側の容量値、すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力端子とグラウンド端子との間の容量値が切り換えられる。
【００４８】
制御回路４２は、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力電圧Ｖｏｕｔを監視する。制御回路４２は、出力電圧Ｖｏｕｔを外部の回路から供給される第３の閾値電圧ＶｏＨおよび第４の閾値電圧ＶｏＬと比較する。制御回路４２は、比較の結果に基づいて、制御電圧Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を生成する。具体的に、制御回路４２は、出力電圧Ｖｏｕｔが第３の閾値電圧ＶｏＨに達するごとに、制御電圧Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６を順にオンにする。すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが第３の閾値電圧ＶｏＨに達するごとに、スイッチＳ４〜Ｓ６を順にオンにする。制御回路４２は、出力電圧Ｖｏｕｔが第４の閾値電圧ＶｏＬより小さくなると、スイッチＳ４〜Ｓ６をすべてオフにする。
【００４９】
ここで、第３の閾値電圧ＶｏＨは、第４の閾値電圧ＶｏＬよりも高い電圧である。第３の閾値電圧ＶｏＨは、負荷１の動作電圧に対応する。第４の閾値電圧ＶｏＬは、負荷１の最低動作電圧以上の値である。
【００５０】
また、制御回路４２は、第１の実施形態と同様に、入力電圧Ｖｉｎを、第１の閾値電圧ＶｉＨおよび第２の閾値電圧ＶｉＬと比較し、比較の結果に基づいて、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。ただし、制御回路４２は、スイッチＳ４〜Ｓ６をすべてオンにするまで、すなわち、制御電圧Ｖ４〜Ｖ６をすべてＨｉｇｈにするまでは、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３をＬｏｗに維持（スイッチＳ１〜Ｓ３をオフに維持）する。制御回路４２は、制御電圧Ｖ１をＨｉｇｈにするタイミングは、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧ＶｉＨに達することのみならず、出力電圧Ｖｏｕｔが第３の閾値電圧ＶｏＨに達していることを条件としてもよい。
【００５１】
本実施形態に係る負荷１は、センサ４３と、無線送信機４４とを備える。無線送信機４４は、イネーブル端子ＥＮを備え、イネーブル端子ＥＮには、スイッチＳ６と同じ制御電圧Ｖ６が入力される。無線送信機４４は、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力電圧Ｖｏｕｔが供給され、かつイネーブル端子ＥＮにＨｉｇｈの制御電圧Ｖ６が入力されると動作する。一方、センサ４３は、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力電圧Ｖｏｕｔが供給されると動作する。センサ４３は無線送信機４４よりも消費電力が小さい。無線送信機４４は、センサ４３で測定されたデータを無線送信する。
【００５２】
また、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力端子とグラウンド端子との間に、高い電圧（降圧前の電圧）で動作する負荷２が接続されている。ここでは負荷２は、圧電素子を用いたアクチュエータ４５である。アクチュエータ４５の具体例として、バイブレータがある。負荷２はイネーブル端子ＥＮを備える。イネーブル端子ＥＮには、スイッチＳ３と同じ制御電圧Ｖ３が入力される。負荷２は、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の降圧前の電圧が入力され、かつイネーブル端子ＥＮにＨｉｇｈの制御電圧Ｖ３が入力されると動作する。すなわち、負荷２は、スイッチＳ３がオンになるタイミングで動作を開始する。これにより、負荷２は、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力側の容量に十分なエネルギーが蓄えられた後で動作を開始する。
【００５３】
なお、変形例として、スイッチＳ３をオンにするタイミングからある時間が経過したタイミングで、Ｈｉｇｈの信号（イネーブル信号）を負荷２のイネーブル端子ＥＮに供給するようにしてもよい。例えば、次に入力電圧Ｖｉｎが、第１の閾値電圧ＶｉＨまたは別途定めた閾値電圧を超えたタイミングで、イネーブル信号を負荷２のイネーブル端子ＥＮに供給してもよい。これにより、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力側の容量に、より一層大きなエネルギーを蓄えてから、負荷２の動作を開始できる。
【００５４】
図６に、発電電圧Ｖｐ、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔ、制御電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６の動作波形と、センサ４３、無線送信機４４およびアクチュエータ４５の動作タイミングを示す。なお、この例では、第２の実施形態で用いたツェナーダイオードにより入力電圧Ｖｉｎの値をＶＬＩＭに制限している。
【００５５】
発電装置１１が、発電を開始する前は、キャパシタＣ０〜Ｃ７の充電電圧は０である。このときスイッチＳ１〜Ｓ６は全てオフである。
【００５６】
発電装置１１が発電を開始し、発電装置１１で発電電圧Ｖｐが生成されると、キャパシタＣ０が充電される。入力電圧Ｖｉｎが、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の最低動作電圧ＶＵＶＬＯに達すると、ＤＣ−ＤＣ変換器２３は動作を開始し、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力電圧Ｖｏｕｔは上昇する。負荷１に含まれるセンサ４３は、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇に伴い動作を開始する。
【００５７】
出力電圧Ｖｏｕｔが、第３の閾値電圧ＶｏＨに達する度に、制御回路４２は、制御電圧Ｖ４〜Ｖ６を順次、Ｈｉｇｈにする。これにより、スイッチＳ４〜Ｓ６が順次オンにされ、キャパシタＣ４に対して、キャパシタＣ５〜Ｃ７が順次、並列接続される。
【００５８】
無線送信機４４は、イネーブル信号ＥＮ（制御電圧Ｖ６）がＨｉｇｈのときに動作する。したがって、無線送信機４４は、制御電圧Ｖ６がＨｉｇｈとなるタイミングで動作を開始する。
【００５９】
このようにして、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力側の容量値を段階的に増加させる。よって、出力電圧Ｖｏｕｔは高速に上昇し、センサ４３を早期に動作させることが可能となる。また、容量値が増加した後で（スイッチＳ６がオンになったときに）、消費電力の大きな無線送信機４４を動作させることにより、負荷電力の変動に伴う出力電圧Ｖｏｕｔの変動を小さく抑えることが可能となり、負荷１を安定して動作させることができる。
【００６０】
スイッチＳ４〜Ｓ６が全てオンとなった後、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力電圧Ｖｉｎが、第１の閾値電圧ＶｉＨを越えており、出力電圧Ｖｏｕｔが第３の閾値電圧ＶｏＨに達していれば、制御回路４２は、制御電圧Ｖ１をＨｉｇｈとし、スイッチＳ１をオンさせる。以降、第１および第２の実施形態と同様に、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧ＶｉＨを越える度に、制御電圧Ｖ２、Ｖ３を順にＨｉｇｈとする。
【００６１】
負荷２（アクチュエータ４５）は、イネーブル信号ＥＮ（制御電圧Ｖ３）がＨｉｇｈのときに動作する。したがって、負荷２は、制御電圧Ｖ３がＨｉｇｈとなるタイミングで動作を開始する。
【００６２】
発電装置１１の発電電圧が低下し、入力電圧Ｖｉｎが第２の閾値電圧ＶｉＬより小さくなると、制御回路４２は、制御電圧Ｖ１〜Ｖ３をすべてＬｏｗとし、これによりスイッチＳ１〜Ｓ３はオフになる。また、制御電圧Ｖ３がＬｏｗになったことから、アクチュエータ４５の動作は停止する。
【００６３】
出力電圧Ｖｏｕｔが第４の閾値電圧ＶｏＬより小さくなると、制御回路４２は、制御電圧Ｖ４〜Ｖ６をすべてＬｏｗとし、これによりスイッチＳ４〜Ｓ６はオフになる。制御電圧Ｖ６がＬｏｗになったことから、負荷１に含まれる無線送信機４４の動作が停止する。センサ４３は、キャパシタＣ４の蓄積電荷により動作が維持される。
【００６４】
第１の実施形態で用いた式（４）の同様の関係を、本実施形態の出力側のキャパシタＣ４〜Ｃ７に対しても適用できる。この場合、式（４）におけるＤＣ−ＤＣ変換器２３の最低動作電圧ＶＵＶＬＯを負荷１の最低動作電圧に置き換え、第１の閾値電圧ＶｉＨを第３の閾値電圧ＶｏＨに置き換えればよい。
【００６５】
このように、スイッチＳ６、Ｓ３のオンオフ（キャパシタＣ７、Ｃ３の接続の切替）に用いる制御電圧Ｖ６、Ｖ３を、負荷１および負荷２のイネーブル信号として用いることで、複数の負荷に対し優先付けを行うことができる。具体的には、センサ４３、無線送信機４４、アクチュエータ４５の順に起動を制御することができる。
【００６６】
また、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力側の容量値を段階的に増加させることで、センサ４３と無線送信機４４との両方が動作した場合の負荷電力の変動に伴う出力電圧Ｖｏｕｔの変動を抑制することができる。
【００６７】
さらに、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力側の容量値が、出力電圧Ｖｏｕｔの変動の抑制に必要な値に達した後に、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力側の容量値の増加を開始することで、負荷１の安定動作を保証しつつ、発電装置１１で発電された余剰エネルギーの蓄積ができる。
【００６８】
本実施形態において観測すべき電圧（制御回路４２にフィードバックする電圧）は、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの２つのみであるから、制御回路の回路規模および消費電力を低く抑えることが可能である。
【００６９】
なお、キャパシタに蓄積されるエネルギーは充電電圧の２乗に比例することから、発電装置１１が生成した余剰エネルギーの蓄積は、高電圧で行うことが望ましい。したがって、ＤＣ−ＤＣ変換器２３の出力側の容量は、出力電圧Ｖｏｕｔの変動を抑制するのに必要十分な値とし、なるべく多くの容量をＤＣ−ＤＣ変換器２３の入力側に配置するのがよい。
【００７０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１１：発電装置
２１：整流回路
２２：制御回路
２３：ＤＣ−ＤＣ変換器
３１：ツェナーダイオード
３２：閾値電圧発生回路
ＣＭＰ１、ＣＭＰ２：コンパレータ
３３：カウンタ
３４：ＯＲ回路
３５：ＡＮＤ回路
４２：制御回路
４３：センサ
４４：無線送信機
Ｃ０〜Ｃ７：キャパシタ
Ｓ１〜Ｓ６：スイッチ
【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】
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【図６】
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