(57)【要約】【課題】小さな容量のタンクキャパシタを用いて大きな負荷容量ＣL を断熱充電する。【解決手段】（Ｎ−１）個のタンクキャパシタと、接合容量ＣT と、ＧＮＤ電位、（Ｎ−１）個のタンクキャパシタ、ＶＤＤ電位にそれぞれ接続される端子を０，１〜（Ｎ−１），Ｎとしたときに、接合容量ＣT を介して端子０と１、端子１と２、端子２と３、…、端子（Ｎ−１）とＮの各端子間を任意の順序で順次接続する第１のスイッチとを備え、端子１，２，…，（Ｎ−１）からそれぞれ定常電圧ＶＤＤ／Ｎ，２ＶＤＤ／Ｎ，…，（Ｎ−１）ＶＤＤ／Ｎを取り出す電圧生成回路を用い、負荷容量ＣL を電圧生成回路の端子１，２，…，Ｎに順次接続する第２のスイッチを備え、第２のスイッチを介して負荷容量ＣL と電圧生成回路の端子１〜（Ｎ−１）が順次接続されるそれぞれの接続時間に、第１のスイッチによる接合容量ＣT と各端子間の接続を10回以上高速にスイッチングする。【選択図】  図１
2013226006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ｎ−１）個（Ｎは２以上の整数）のタンクキャパシタと、
接合容量ＣT と、
ＧＮＤ電位、前記（Ｎ−１）個のタンクキャパシタ、ＶＤＤ電位にそれぞれ接続される端子を０，１〜（Ｎ−１），Ｎとしたときに、前記接合容量ＣT を介して端子０と１、端子１と２、端子２と３、…、端子（Ｎ−１）とＮの各端子間を任意の順序で順次接続する第１のスイッチと
を備え、前記端子１，２，…，（Ｎ−１）からそれぞれ定常電圧ＶＤＤ／Ｎ，２ＶＤＤ／Ｎ，…，（Ｎ−１）ＶＤＤ／Ｎを取り出す電圧生成回路を用い、
負荷容量ＣL を前記電圧生成回路の端子１，２，…，Ｎに順次接続する第２のスイッチを備え、
前記第２のスイッチを介して前記負荷容量ＣL と前記電圧生成回路の端子１〜（Ｎ−１）が順次接続されるそれぞれの接続時間に、前記第１のスイッチによる前記接合容量ＣT と前記各端子間の接続を10回以上高速にスイッチングする構成である
ことを特徴とする高効率充電回路。
【請求項２】
請求項１に記載の高効率充電回路において、
前記（Ｎ−１）個のタンクキャパシタと前記接合容量ＣT が同程度の容量値を有し、かつその容量値を前記負荷容量ＣL の容量値の１／10倍から１／10000 倍とする
ことを特徴とする高効率充電回路。
【請求項３】
請求項１に記載の高効率充電回路において、
前記（Ｎ−１）個のタンクキャパシタの少なくとも１つのタンクキャパシタを他から絶縁されている導体とする
ことを特徴とする高効率充電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、階段電圧を生成する電圧生成回路を用いた高効率充電回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来の電圧生成回路を用いた充電回路の構成例を示す（特許文献１，非特許文献１）。
図７において、従来の充電回路は、ＧＮＤ電位、タンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 、ＶＤＤ電位に、それぞれスイッチＴ0 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 ，Ｔ4 を介して負荷容量ＣL を接続した構成である。なお、各スイッチは、図７(2) に示すように、ｐＭＯＳトランジスタとｎＭＯＳトランジスタの並列接続で実現できる。
【０００３】
ここで、図８に示すようにまずスイッチＴ0 をＯＮとし、以下順にスイッチＴ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 ，Ｔ4 ，Ｔ3 ，Ｔ2 ，Ｔ1 をＯＮとし、これを繰り返すことにより、負荷容量ＣL の電圧Ｖout は自発的に０、ＶＤＤ／４、２ＶＤＤ／４、３ＶＤＤ／４、ＶＤＤの階段電圧となる。また、タンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 の電圧Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 は、それぞれ定常電圧ＶＤＤ／４，２ＶＤＤ／４，３ＶＤＤ／４に収束する。
【０００４】
この結果、負荷容量ＣL は、各スイッチを順次ＯＮにすることによりタンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 との間で充放電を繰り返しながら、階段的に充電（断熱充電）されることになる。そのときの消費電力は、直接充電する場合に対して１／４に削減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１８８６４１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Shunji Nakata, “Adiabatic Charging Reversible Logic using a Switched Capacitor Regenerator, ” IEICE Trans. Electron., vol. E87-C, no. 11, pp.1837-1846 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図７の充電回路のタンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 は、負荷容量ＣL に対して 100倍程度の容量にする必要があり、負荷容量ＣL が大きい場合にはタンクキャパシタとして非常に大きな容量が必要になっていた。
【０００８】
本発明は、小さな容量のタンクキャパシタを用いて大きな負荷容量ＣL を断熱的に充電および放電することができる高効率充電回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の高効率充電回路は、（Ｎ−１）個（Ｎは２以上の整数）のタンクキャパシタと、接合容量ＣT と、ＧＮＤ電位、（Ｎ−１）個のタンクキャパシタ、ＶＤＤ電位にそれぞれ接続される端子を０，１〜（Ｎ−１），Ｎとしたときに、接合容量ＣT を介して端子０と１、端子１と２、端子２と３、…、端子（Ｎ−１）とＮの各端子間を任意の順序で順次接続する第１のスイッチとを備え、端子１，２，…，（Ｎ−１）からそれぞれ定常電圧ＶＤＤ／Ｎ，２ＶＤＤ／Ｎ，…，（Ｎ−１）ＶＤＤ／Ｎを取り出す電圧生成回路を用い、負荷容量ＣL を電圧生成回路の端子１，２，…，Ｎに順次接続する第２のスイッチを備え、第２のスイッチを介して負荷容量ＣL と電圧生成回路の端子１〜（Ｎ−１）が順次接続されるそれぞれの接続時間に、第１のスイッチによる接合容量ＣT と各端子間の接続を10回以上高速にスイッチングする構成である。
【００１０】
また、（Ｎ−１）個のタンクキャパシタと接合容量ＣT が同程度の容量値を有し、かつその容量値を負荷容量ＣL の容量値の１／10倍から１／10000 倍とする。
【００１１】
また、（Ｎ−１）個のタンクキャパシタの少なくとも１つのタンクキャパシタを他から絶縁されている導体としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、負荷容量ＣL をＮステップの階段電圧で充電することにより、充電時に消費されるエネルギーを従来回路に比べて１／Ｎに削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の高効率充電回路の実施例１の構成を示す図である
【図２】スイッチＴ0 〜Ｔ3 の動作例を示すタイムチャートである。
【図３】スイッチＰ0 〜Ｐ4 の動作例を示すタイムチャートである。
【図４】スイッチＰ1 とスイッチＴ0 〜Ｔ3 との関係を示すタイムチャートである。
【図５】４ステップ動作のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の高効率充電回路の実施例２の構成を示す図である
【図７】従来の充電回路の構成例を示す図である。
【図８】従来の充電回路の動作例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の高効率充電回路の実施例１の構成を示す。ここでは、４ステップで負荷容量ＣL を充電する回路について説明する。
【００１５】
図１において、実施例１の高効率充電回路は、ＧＮＤ電位およびタンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 の端子０，１，２，３にそれぞれスイッチＴ0 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 を介して接合容量ＣT の一端（端子Ｂ）を接続し、タンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 およびＶＤＤ電位の端子１，２，３，４にスイッチＴ0'，Ｔ1'，Ｔ2'，Ｔ3'を介して接合容量ＣT の他端（端子Ａ）を接続し、ＧＮＤ電位、タンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 、ＶＤＤ電位の端子０，１，２，３，４に、それぞれスイッチＰ0 ，Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 を介して負荷容量ＣL を接続した構成である。
【００１６】
ここで、スイッチＴ0 とスイッチＴ0'、スイッチＴ1 とスイッチＴ1'、スイッチＴ2 とスイッチＴ2'、スイッチＴ3 とスイッチＴ3'は、それぞれＯＮになるタイミングが同じであるので、以下まとめてスイッチＴ0 〜Ｔ3 として説明する。
【００１７】
スイッチＴ0 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 は、図２に示すように順にＯＮ（時間τ）になり、これを繰り返すことにより、接合容量ＣT は、ＧＮＤ−Ｃ1 間、Ｃ1 −Ｃ2 間、Ｃ2 −Ｃ3 間、Ｃ3 −ＶＤＤ間に順次接続される。このスイッチＴ0 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 の動作を繰り返すことにより、最終的にタンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 の電圧Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 は、それぞれ定常電圧ＶＤＤ／４，２ＶＤＤ／４，３ＶＤＤ／４に収束する。
【００１８】
また、端子Ａの電圧ＶA は、自発的にＶＤＤ／４、２ＶＤＤ／４、３ＶＤＤ／４、ＶＤＤという階段電圧波形となり、端子Ｂの電圧ＶB は、自発的に０、ＶＤＤ／４、２ＶＤＤ／４、３ＶＤＤ／４という階段電圧波形となる。
【００１９】
すなわち、ＧＮＤ−Ｃ1 間、Ｃ1 −Ｃ2 間、Ｃ2 −Ｃ3 間、Ｃ3 −ＶＤＤ間の電位差は常にＶＤＤ／４となり、接合容量ＣT の両端子Ａ，Ｂの電位差も常にＶＤＤ／４となる。このように、接合容量ＣT の両端子の電位差は変化しないことから電流が流れず、接合容量ＣT の充放電が行われない。
【００２０】
なお、スイッチＰ0 ，Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 と負荷容量ＣL を除く構成は、特許文献１において、上記のような階段電圧を生成する電圧生成回路として開示されている。
【００２１】
本発明の特徴は、このような電圧生成回路からスイッチＰ0 ，Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 を介して負荷容量ＣL に充電するところにある。
【００２２】
図３は、スイッチＰ0 〜Ｐ4 の動作例を示す。まずスイッチＰ0 をＯＮとし、以下順にスイッチＰ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 ，Ｐ3 ，Ｐ2 ，Ｐ1 がＯＮ（時間Ｔ）となり、これを繰り返す。スイッチＰ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4 が順次ＯＮになるときに負荷容量ＣL が充電され、スイッチＰ3 ，Ｐ2 ，Ｐ1 ，Ｐ0 が順次ＯＮになるときに負荷容量ＣL が放電される。
【００２３】
図４は、スイッチＰ1 とスイッチＴ0 〜Ｔ3 との関係を示す。スイッチＰ1 がＯＮの時間ＴにスイッチＴ0 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 がスイッチングする回数はそれぞれ10回以上とする。なお、スイッチＴ0 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 をＯＮにする順番も任意でよく、例えばＴ3 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ0 の順番でもかまわない。
【００２４】
まず、スイッチＰ0 のみをＯＮとし、負荷容量ＣL をＧＮＤ電位にする。ただし、この動作は必ずしも必要としない。
【００２５】
次に、スイッチＰ1 のみをＯＮとする。このスイッチＰ1 がＯＮの時間Ｔに、スイッチＴ0 〜Ｔ3 が任意の順番でかつ高速にＯＮを繰り返すことにより、スイッチＰ1 およびタンクキャパシタＣ1 に接続される端子１の電位Ｖ1 はＶＤＤ／４に収束する。したがって、負荷容量ＣL はスイッチＰ1 を介して０からＶＤＤ／４に充電されることになる。
【００２６】
次に、スイッチＰ2 のみをＯＮとし、その時間Ｔに、スイッチＴ0 〜Ｔ3 が任意の順番でかつ高速にＯＮを繰り返すことにより、スイッチＰ2 およびタンクキャパシタＣ2 に接続される端子２の電位Ｖ2 は２ＶＤＤ／４に収束する。したがって、負荷容量ＣL はスイッチＰ2 を介してＶＤＤ／４から２ＶＤＤ／４に充電されることになる。
【００２７】
次に、スイッチＰ3 のみをＯＮとし、その時間ＴにスイッチＴ0 〜Ｔ3 が任意の順番でかつ高速にＯＮを繰り返すことにより、スイッチＰ3 およびタンクキャパシタＣ3 に接続される端子３の電位Ｖ3 は３ＶＤＤ／４に収束する。したがって、負荷容量ＣL はスイッチＰ3 を介して２ＶＤＤ／４から３ＶＤＤ／４に充電されることになる。
【００２８】
次に、スイッチＰ4 のみをＯＮとすることにより、負荷容量ＣL はＶＤＤ電源に接続され、３ＶＤＤ／４からＶＤＤに充電されることになる。
【００２９】
このように、負荷容量ＣL は０からＶＤＤまでＶＤＤ／４のステップで充電されるため、充電に伴う消費電力は直接ＶＤＤまで充電する場合に比べて１／４に削減できる。
【００３０】
また、負荷容量ＣL は、スイッチＰ1 〜Ｐ3 のＯＮに合せてタンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 のいずれかに接続されるが、それぞれの電位Ｖi がｉＶＤＤ／４（ｉ＝１，２，３）に収束した以降は、ＧＮＤ−Ｃ1 間、Ｃ1 −Ｃ2 間、Ｃ2 −Ｃ3 間、Ｃ3 −ＶＤＤ間の電位差、および接合容量ＣT の端子間の電位差もＶＤＤ／４となり、スイッチＴ0 〜Ｔ3 のスイッチングが続いていても、エネルギーの消費がないことが特長である。
【００３１】
ところで、タンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 および接合容量ＣT の大きさは特に制限はないが、ほぼ同程度であることが望ましい。さて、図７に示す従来の充電回路のタンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 は、負荷容量ＣL に対して 100倍程度大きくする必要があったが、本発明の構成では負荷容量ＣL に対して逆に１／10倍以下にすることができる。たとえば、タンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 の値は、負荷容量ＣL に対して１／10倍〜１／10000 倍の値（従来回路に比べて１／1000倍〜１／1000000 倍）となる。具体的には、ＣL が１μＦの場合、Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 の値は 100ｎＦ〜 0.1ｎＦとなるが、このような回路を構成することに技術的な問題はない。
【００３２】
図５は、４ステップ動作のシミュレーション結果を示す。
ここでは、ＶＤＤ＝1.8Ｖ、Ｃ1＝Ｃ2＝Ｃ3＝ＣT＝0.1μＦ、ＣL＝10μＦ、τ＝100μs で、スイッチＰ0 〜Ｐ4 の切り替え周期はＴ＝ 0.2秒としている。すなわち、スイッチＰ0 〜Ｐ4 の各ＯＮ期間に、スイッチＴ0 〜Ｔ3 のスイッチング回数はそれぞれ 500回となる。
【００３３】
図５において、横軸は時間であり、上段は負荷容量ＣL の電圧波形であり、ＶＤＤ／４ずつ階段状にＧＮＤからＶＤＤまで充電され、さらにＶＤＤからＧＮＤまで放電されていることが確認できる。下段は、そのときの電源から流れ出る電流の波形である。充電時は電源から正の向きに電流が流れ、一定電圧ｉＶＤＤ／４に達した以降は電流が流れていない。すなわち、消費電力がゼロであることを示している。一方、放電時は、電源へ電流が流れ込んでいる。これは、負荷容量ＣL に蓄えられた電荷が電源に流れ込んでいることを示しており、エネルギーが回収されたことを意味している。ただし、放電時の最後で、電圧はＶＤＤ／４からＧＮＤになっているが、このときの電荷はＧＮＤに流れており、電源への電流はない。
【００３４】
以上の例は、４ステップで説明したが、Ｎ−１個のタンクキャパシタを用意すれば、Ｎステップで充電することができ、消費電力も１／Ｎに削減することができる。
【００３５】
さらに、図１の構成では、各タンクキャパシタは並列に接続されているが、例えば図６に示す実施例２の構成のように、各タンクキャパシタを直列に接続してもよい。また、直列接続と並列接続が混在した構成であってもよい。
【００３６】
また、接合容量ＣT は、ＧＮＤ−Ｃ1 間、Ｃ1 −Ｃ2 間、Ｃ2 −Ｃ3 間、Ｃ3 −ＶＤＤ間に、任意の順序で順次接続されていく構成であればよい。一方、負荷容量ＣL は、ＧＮＤ，Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，ＶＤＤに、順次接続されていく構成であればよい。
【００３７】
また、タンクキャパシタＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 に代えて、配線のような他から絶縁されている金属導体を用いて、そこから端子を取り出した構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3   タンクキャパシタ
ＣT   接合容量
ＣL   負荷容量                                                                  Ｔ0 ，Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 ，Ｔ0'，Ｔ1'，Ｔ2'，Ｔ3'  スイッチ
Ｐ0 ，Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ，Ｐ4   スイッチ
【図１】
2013226006.tif 000003
【図２】
2013226006.tif 000004
【図３】
2013226006.tif 000005
【図４】
2013226006.tif 000006
【図５】
2013226006.tif 000007
【図６】
2013226006.tif 000008
【図７】
2013226006.tif 000009
【図８】
2013226006.tif 000010