特許 6019072 太陽電池を電源とした２次電池の充電回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019072

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】太陽電池を電源とした２次電池の充電回路

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/67 20060101AFI20161020BHJP

   H02J 7/10 20060101ALI20161020BHJP

   H02J 7/35 20060101ALI20161020BHJP

   H02M 3/00 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   G05F1/67 A

   H02J7/10 J

   H02J7/35 F

   H02J7/35 G

   H02M3/00 H

【請求項の数】10

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-182416(P2014-182416)

(22)【出願日】2014年9月8日

(65)【公開番号】特開2016-57762(P2016-57762A)

(43)【公開日】2016年4月21日

【審査請求日】2015年6月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】512076221

【氏名又は名称】株式会社プロセシオ

(74)【代理人】

【識別番号】100076406

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 勝徳

(74)【代理人】

【識別番号】100117097

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 充浩

(72)【発明者】

【氏名】松田 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】吉川 嘉一

【審査官】 宮本 秀一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０６０９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２５１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０７５４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２９８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２１４６６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｆ１／１２−７／００

Ｈ０２Ｊ７／００−７／１２、

７／３４−７／３６

Ｈ０２Ｍ３／００−３／４４、

７／００−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽電池を電源として、その出力電力で２次電池を充電する充電回路において、
前記太陽電池の出力電力を前記２次電池に予め定められる充電電圧および充電電流に変換して与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記太陽電池の出力電圧を監視し、その出力電圧が一定となるように前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることで、前記太陽電池を最大電力点で動作させるＭＰＰＴ制御を行う第１のコンバータ制御回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータを予め定める時間毎にリセットして、太陽電池の負荷を開放する第２のコンバータ制御回路とを含むことを特徴とする太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項2】

前記第２のコンバータ制御回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を監視し、該出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの安定動作電圧以上となると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのリセットを停止することを特徴とする請求項１記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項3】

照度を監視し、該照度が予め定める閾値電圧未満のレベルであれば、前記第２のコンバータ制御回路の動作を停止させる照度センサをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項4】

前記太陽電池の起動による出力電圧の立ち上がりを検出し、その立ち上がりタイミングから予め定められる時間に亘り、前記第１のコンバータ制御回路による前記ＭＰＰＴ制御を最小負荷状態とする第３のコンバータ制御回路をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項5】

前記第３のコンバータ制御回路は、単安定マルチバイブレータ回路であることを特徴とする請求項４記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項6】

前記第３のコンバータ制御回路は、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの起動をパルスとして検出する第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサによる検出パルスに応答してＯＮし、前記第２のコンバータ制御回路による前記ＭＰＰＴ制御を最小負荷状態とするために、該第２のコンバータ制御回路における前記太陽電池の出力電圧の入力端を擬似的に地絡する第１のスイッチ素子と、
前記第１のコンデンサによる検出パルスに応答して充電を開始し、前記予め定められる時間に亘る限時動作を行い、充電完了で前記第１のスイッチ素子をＯＦＦする第２のコンデンサとを備えることを特徴とする請求項５記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項7】

前記請求項１〜３の何れか１項に記載の充電回路における第２のコンバータ制御回路によってＤＣ−ＤＣコンバータに動作を開始させた後、低照度時には、前記請求項４〜６の何れか１項に記載の充電回路における第３のコンバータ制御回路によって、第１のコンバータ制御回路によるＤＣ−ＤＣコンバータへのＭＰＰＴ制御を最小負荷状態とすることを特徴とする太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項8】

前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる出力電圧から予め定められる第１の基準電圧を作成する第１の基準電圧回路と、前記第１の基準電圧と前記２次電池の充電電圧とを比較し、充電電圧が第１の基準電圧以上となると前記ＤＣ−ＤＣコンバータを停止させる過充電保護動作を行う第１のコンパレータとを有する第４のコンバータ制御回路と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる出力電圧から、前記第１の基準電圧より高い予め定められる第２の基準電圧を作成する第２の基準電圧回路と、前記第２の基準電圧と前記２次電池の充電電圧とを比較し、充電電圧が第２の基準電圧以上では前記第４のコンバータ制御回路による過充電保護動作を無効にする無負荷検出動作を行う第２のコンパレータとを有する第５のコンバータ制御回路とをさらに備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項9】

前記太陽電池は、色素増感太陽電池から成ることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【請求項10】

前記太陽電池には、その受光面に色素の違いによる意匠が形成されていることを特徴とする請求項９記載の太陽電池を電源とした２次電池の充電回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽電池を電源として２次電池を充電するための回路に関し、特に昇圧または降圧して、安定した電圧で充電することができるＤＣ−ＤＣコンバータを備えるものに関する。

【背景技術】

【0002】

太陽電池を電源とした２次電池の充電回路において、上述のように、昇圧または降圧して、安定した電圧で充電できるように、ＤＣ−ＤＣコンバータを備えるものが使用されている。そして、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの制御回路には、より高い発電および充電効率を得るために、気象条件等の変化で変動する最適動作（最大電力）点に追従できるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御などが搭載されている。

【0003】

たとえば、特許文献１では、太陽電池を電源として、その出力電力で２次電池を充電するにあたって、入力（太陽電池出力）電圧が閾値以上の場合は満充電電圧まで昇圧を行い、閾値未満の場合は閾値との差電圧に応じて充電電圧を下げることで、簡単な構成で、低消費電力なＭＰＰＴ制御を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−９０６７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、図７に、ＭＰＰＴ制御動作を示す。ＭＰＰＴ制御は、上述のように、太陽電池を最大電力点で作動させる制御で、待機（シャットダウン）状態から、予め定める第１の閾値光量Ａ以上となるとＤＣ−ＤＣコンバータを起動させ、第２の閾値光量Ｂ未満となるとＤＣ−ＤＣコンバータを停止し、待機（シャットダウン）させる動作である。前記閾値光量Ａは、太陽電池の発電能力に依存し、ＤＣ−ＤＣコンバータを充分に駆動させるに足りる光量で、前記閾値光量Ｂは、たとえば最低限ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を維持できる光量である。太陽電池が小容量の場合、たとえば前記閾値光量Ａは、前記最大電力点であり、真夏の日中の光量を１Ｓｕｎとすると、０．５Ｓｕｎであり、前記閾値光量Ｂは、０．０５Ｓｕｎである。

【0006】

そして、このような２つの閾値光量Ａ，Ｂによるヒステリシスは、動作の安定のために設けられている。しかしながら、太陽電池の発電能力が充分に高ければ、僅かの光でＤＣ−ＤＣコンバータをシャットダウン状態から脱するだけのエネルギーを供給できるので、実質的な問題はないが、太陽電池が小容量の場合は、たとえば直射日光を当てないと、前記閾値光量Ａを超えることができず、充電を開始できないという問題がある。つまり、前記のヒステリシスによって、一旦、光量が閾値光量Ａ以上とならないと、光量が前記閾値光量Ａ〜Ｂの範囲にあっても、充電できない。特に、太陽電池が色素増感太陽電池（ＤＳＣ）である場合、低照度での発電が可能になるものの、前記低照度では発電電力も小さく、そのような現象が顕著である。

【0007】

本発明の目的は、太陽電池を電源として、その出力電力で２次電池を充電する充電回路において、ＤＣ−ＤＣコンバータをＭＰＰＴ制御するにあたって、起動の閾値光量を超えない低照度の光量であっても、有効にエネルギーを取り込むことができる充電回路を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の充電回路は、太陽電池を電源として、その出力電力で２次電池を充電する充電回路において、前記太陽電池の出力電力を前記２次電池に予め定められる充電電圧および充電電流に変換して与えるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記太陽電池の出力電圧を監視し、その出力電圧が一定となるように前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることで、前記太陽電池を最大電力点で動作させるＭＰＰＴ制御を行う第１のコンバータ制御回路と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを予め定める時間毎にリセットして、太陽電池から負荷を開放する第２のコンバータ制御回路とを含むことを特徴とする。

【0009】

上記の構成によれば、太陽電池を電源として、ＤＣ−ＤＣコンバータが前記太陽電池の出力電力を２次電池に予め定められる充電電圧および充電電流に変換して前記２次電池を充電するにあたって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータをＭＰＰＴ制御する第１のコンバータ制御回路が設けられる場合は、前記太陽電池の出力電圧が、一旦、充分な、たとえば最大電力点に対応した第１の閾値電圧に立ち上がることで、前記第１のコンバータ制御回路がＭＰＰＴ制御を開始する。その後、ＭＰＰＴ制御は、所定のヒステリシスを持って行われ、充分低い第２の閾値電圧未満となると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを停止する。たとえば、真夏の日中における太陽光の照度を１Ｓｕｎとすると、第１の閾値電圧は０．５Ｓｕｎの閾値光量に相当し、第２の閾値電圧は０．０５Ｓｕｎの閾値光量に相当する。

【0010】

一方、ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記太陽電池の出力電力を電源として、それ自体で自発的に動作可能で、前記０．０５Ｓｕｎの第２の閾値電圧未満であっても、太陽電池から電圧が出ていれば、動作、つまり前記太陽電池と負荷である２次電池との接続を行おうとする。そこで、第２のコンバータ制御回路を設け、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを予め定める時間毎にリセットし、そのリセットによって、負荷を太陽電池から切離させる。

【0011】

その負荷の切離しは、ＤＣ−ＤＣコンバータの構造によっても異なるが、たとえばイネーブル端子ＥＮがリセットされると、該ＤＣ−ＤＣコンバータの発振は完全に停止し、太陽電池からの入力電流は僅か０．３ｍＡとなって、負荷である該ＤＣ−ＤＣコンバータおよび２次電池が太陽電池から切離され、太陽電池の出力端子は開放端になる。

【0012】

これによって、太陽電池は負荷が軽くなって、シャットダウン状態から回復し、たとえば開放端となった電圧が最高電圧に立ち上がる。その立ち上がった電圧が、第１の閾値電圧以上とならなくても、リセットされている間に第２の閾値電圧以上となると、ＤＣ−ＤＣコンバータはシャットダウン状態から復帰し、自発的に動作することになる。

【0013】

したがって、太陽光照度が、たとえば前記０．０５Ｓｕｎを超える程度の低照度の状態が継続していても、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させ、有効にエネルギーを取り込むことができる。

【0014】

また、本発明の充電回路では、前記第２のコンバータ制御回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を監視し、該出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの安定動作電圧以上となると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのリセットを停止することを特徴とする。

【0015】

上記の構成によれば、上述のようにしてＤＣ−ＤＣコンバータが起動し、出力する電圧が安定動作電圧以上となって２次電池に正常に充電が行われると、第２のコンバータ制御回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータのリセット動作を停止する。

【0016】

したがって、通常のＭＰＰＴ制御を実現でき、安定的に充電できている状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータを不所望にリセットし、再起動を繰り返すような状況を未然に防止し、連続して、より有効に充電を行うことができる。

【0017】

さらにまた、本発明の充電回路では、照度を監視し、該照度が予め定める閾値電圧、たとえば前記第２の閾値電圧未満のレベルであれば、前記第２のコンバータ制御回路の動作を停止させる照度センサをさらに備えることを特徴とする。

【0018】

上記の構成によれば、照度が第２の閾値電圧未満のレベルであれば、第２のコンバータ制御回路がＤＣ−ＤＣコンバータをリセットしても、該ＤＣ−ＤＣコンバータは起動しないので、そのような状況では、照度センサによって、第２のコンバータ制御回路を停止させておく。

【0019】

したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータをリセットする第２のコンバータ制御回路の待機時における２次電池からの不要な電力消費を抑えることができる。

【0020】

また、本発明の充電回路では、前記太陽電池の起動による出力電圧の立ち上がりを検出し、その立ち上がりタイミングから予め定められる時間に亘り、前記第１のコンバータ制御回路による前記ＭＰＰＴ制御を最小負荷状態とする第３のコンバータ制御回路をさらに備えることを特徴とする。

【0021】

上記の構成によれば、太陽電池を電源として、ＤＣ−ＤＣコンバータが前記太陽電池の出力電力を２次電池に予め定められる充電電圧および充電電流に変換して前記２次電池を充電するにあたって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータをＭＰＰＴ制御する第１のコンバータ制御回路が設けられる場合に、前記太陽電池の出力電圧が立ち上がるとＤＣ−ＤＣコンバータが動作を開始し、前記第１のコンバータ制御回路がＭＰＰＴ制御を開始するが、そのＭＰＰＴ制御は、比較的負荷が大きい状態で動作し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを介して負荷を太陽電池に接続すると、立ち上がった太陽電池の出力電圧が急激に低下し、それによってＤＣ−ＤＣコンバータがロックアウトする（立ち上がらなくなる）。

【0022】

そこで、第３のコンバータ制御回路を設け、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの起動による出力電圧の立ち上がりを検出し、その立ち上がりタイミングから予め定められる時間に亘り、前記第１のコンバータ制御回路による前記ＭＰＰＴ制御を最小負荷状態にさせる。具体的には、太陽光の照度が違っても、太陽電池が最大電力点となる点の電圧は略等しく、出力電流で出力電力の差が生じるので、第３のコンバータ制御回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータを、最小の出力（充電）電流となるように動作させる。

【0023】

したがって、弱い太陽光で該充電回路が動作を開始しても、ＤＣ−ＤＣコンバータがロックアウトすることなく、正常に立ち上げる（動作を開始させる）ことができる。

【0024】

好ましくは、前記第３のコンバータ制御回路は、単安定マルチバイブレータ回路から構成される。具体的には、たとえば前記ＤＣ−ＤＣコンバータの起動をパルスとして検出する第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサによる検出パルスに応答してＯＮし、前記第２のコンバータ制御回路による前記ＭＰＰＴ制御を最小負荷状態とするために、該第２のコンバータ制御回路における前記太陽電池の出力電圧の入力端を擬似的に地絡する第１のスイッチ素子と、前記第１のコンデンサによる検出パルスに応答して、充電を開始し、前記予め定められる時間に亘る限時動作を行い、充電完了で前記第１のスイッチ素子をＯＦＦする第２のコンデンサとを備えて前記第３のコンバータ制御回路を構成する。

【0025】

さらにまた、本発明の充電回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる出力電圧から予め定められる第１の基準電圧を作成する第１の基準電圧回路と、前記第１の基準電圧と前記２次電池の充電電圧とを比較し、充電電圧が第１の基準電圧以上となると前記ＤＣ−ＤＣコンバータを停止させる過充電保護動作を行う第１のコンパレータとを有する第４のコンバータ制御回路と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる出力電圧から、前記第１の基準電圧より高い予め定められる第２の基準電圧を作成する第２の基準電圧回路と、前記第２の基準電圧と前記２次電池の充電電圧とを比較し、充電電圧が第２の基準電圧以上では 前記第４のコンバータ制御回路による過充電保護動作を無効にする無負荷検出動作を行う第２のコンパレータとを有する第５のコンバータ制御回路とをさらに備えることを特徴とする。

【0026】

上記の構成によれば、第４のコンバータ制御回路がＤＣ−ＤＣコンバータの過充電保護動作を行うにあたって、第５のコンバータ制御回路を設けて、充電電圧をその過充電保護のための第１の基準電圧より高い第２の基準電圧と比較し、高ければ、負荷（２次電池）が接続されていないと判定して、第４のコンバータ制御回路による過充電保護動作を無効にする。

【0027】

したがって、無負荷状態では、第４のコンバータ制御回路がＤＣ−ＤＣコンバータの過充電保護動作を行い、出力を停止もしくは小さくすると、直ぐに開放端の充電電圧が低下して過充電保護動作が解除されてＤＣ−ＤＣコンバータが動作を開始し、再び過充電保護動作を行う・・・と言うことを繰り返すチャタリングが生じるのに対して、第５のコンバータ制御回路が無負荷の場合は過充電保護動作を無効にすることで、そのような不具合を防止することができる。

【0028】

また、本発明の充電回路では、前記太陽電池は、色素増感太陽電池から成ることを特徴とする。

【0029】

上記の構成によれば、前記太陽電池が色素増感太陽電池（ＤＳＣ）である場合、低照度での発電が可能になるものの、前記低照度では発電電力も小さく、起動時などのその低照度時にＤＣ−ＤＣコンバータの動作を安定させられる本発明は、特に好適である。

【0030】

さらにまた、本発明の充電回路では、前記太陽電池には、その受光面に色素の違いによる意匠が形成されていることを特徴とする。

【0031】

上記の構成によれば、前記太陽電池を色素増感太陽電池（ＤＳＣ）とすることで、色素の違いを利用して、受光面に意匠を形成することができる。

【発明の効果】

【0032】

本発明の充電回路は、以上のように、太陽電池を電源として、その出力電力で２次電池を充電する充電回路において、ＤＣ−ＤＣコンバータをＭＰＰＴ制御する第１のコンバータ制御回路が設けられる場合に、第２のコンバータ制御回路を設け、該第２のコンバータ制御回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを予め定める時間毎にリセットし、そのリセットによって、負荷を太陽電池から切離し、たとえば太陽電池の出力端子を開放端にする。

【0033】

それゆえ、太陽電池は負荷が軽くなって、シャットダウン状態から回復し、たとえば開放端電圧が最高電圧に立ち上がるので、低照度の状態が継続していても、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させ易くなり、有効にエネルギーを取り込むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明の実施の一形態に係る充電回路の電気的構成を示すブロック図である。

【図2】太陽電池の出力特性を示すグラフである。

【図3】前記充電回路における単安定マルチバイブレータ回路の動作を説明するための波形図である。

【図4】前記充電回路におけるＭＰＰＴ制御およびそのロックアウト防止制御を行う構成だけを模式的に示すブロック図である。

【図5】前記ＭＰＰＴ制御およびロックアウト防止制御機能を説明するための波形図である。

【図6】前記充電回路における過充電保護機能およびその電池無し（無負荷）検出による禁止制御を行う構成だけを模式的に示すブロック図である。

【図7】前記ＭＰＰＴ制御を説明するための図である。

【図8】前記充電回路における間欠リセットトリガ動作を行う構成だけを模式的に示すブロック図である。

【図9】前記間欠リセットトリガ動作を実現する発振部の動作を説明するための波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

図１は、本発明の実施の一形態に係る充電回路１の電気的構成を示すブロック図である。この充電回路１は、太陽電池１０を電源として、その出力電力で２次電池１１を充電する。本実施の形態では、前記太陽電池１０は、低照度での発電が可能で、室内などでも使用可能な色素増感太陽電池（ＤＳＣ）としており、２次電池１１としては、ニッケル水素電池としている。２次電池１１は、単４サイズを２個直列に接続するものとしている。したがって、定格電圧は、１．２Ｖ×２＝２．４Ｖである。

【0036】

充電回路１は、大略的に、前記太陽電池１０の出力電力を前記２次電池１１に予め定められる充電電圧および充電電流に変換して与えるＤＣ−ＤＣコンバータ２と、そのＤＣ−ＤＣコンバータ２の制御回路３〜７，９および照度センサ８とを備えて構成される。

【0037】

ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、ＤＣ−ＤＣモジュール２１と、入力回路２２と、定電圧回路２３と、ダイオードＤ２０，Ｄ２４と、抵抗Ｒ２０，Ｒ２８とを備えて構成される。入力回路２２は、入力電圧制限回路２４と、ダイオードＤ２１と、抵抗Ｒ２１と、平滑コンデンサＣ２１とを備えて構成される。

【0038】

太陽電池１０の出力電圧は、ハイ側の電源ラインＫ１および共通ＧＮＤラインＫ２間に出力される。前記電源ラインＫ１には、逆流防止のダイオードＤ２１および入力抵抗Ｒ２１が介在されるとともに、入力抵抗Ｒ２１の下流側で前記ＧＮＤラインＫ２との間には、入力電圧制限回路２４および平滑コンデンサＣ２１が接続される。前記入力電圧制限回路２４は、ツェナダイオードＤ２２およびダイオードＤ２３の直列回路で構成される。こうして、ＤＣ−ＤＣモジュール２１内のコンバータＩＣ２５の電源入力端子ＶＩＮには、雷などに対しても、最大電圧が５．５Ｖに制限されるとともに、安定化されて、前記太陽電池１０の出力電圧が入力される。

【0039】

ＤＣ−ＤＣモジュール２１は、前記コンバータＩＣ２５と、抵抗Ｒ２２〜Ｒ２７と、コンデンサＣ２２〜Ｃ２６と、インダクタＬ２１とを備えて構成される。平滑コンデンサＣ２１からのハイ側入力電圧は、抵抗Ｒ２２を介して前記コンバータＩＣ２５の電源入力端子ＶＩＮに入力されるとともに、抵抗Ｒ２７を介して、コンバータＩＣ２５のイネーブル端子ＥＮをプルアップする。また平滑コンデンサＣ２１からのハイ側入力電圧は、インダクタＬ２１を介してコンバータＩＣ２５の端子Ｌに与えられる。さらに、前記インダクタＬ２１の入力側には、ＧＮＤラインＫ２との間に、共振用のコンデンサＣ２２が設けられている。前記電源入力端子ＶＩＮとＧＮＤラインＫ２との間には、後述の共振によるノイズ除去用のコンデンサＣ２３が設けられている。

【0040】

コンバータＩＣ２５は、電源入力端子ＶＩＮへの入力電圧に対して、インダクタＬ２１およびコンデンサＣ２２，Ｃ２３を使用して昇降圧動作を行い、大容量負荷駆動用の出力端子Ｖｏｕｔから、ノイズ除去用のコンデンサＣ２５を介して電源ラインＫ３へ電圧を出力し、その電圧は、ダイオードＤ２４および抵抗Ｒ２８を介して、２次電池１１に充電電圧として与えられる。２次電池１１の充電電圧は、最小で２．４Ｖ、最大で３．０Ｖとなるように、ダイオードＤ２４の降下分を含めて、前記出力端子Ｖｏｕｔから電源ラインＫ３への出力電圧は、３．３〜２．７Ｖとなる。その出力端子Ｖｏｕｔの出力電圧はまた、分圧抵抗Ｒ２５，Ｒ２６およびコンデンサＣ２４を介してフィードバック端子ＦＢに入力される。

【0041】

また、前記コンバータＩＣ２５は、自身の電源ともなっている外部電源出力端子Ｖａｕｘから、ノイズ除去用のコンデンサＣ２６ならびにダイオードＤ２０および抵抗Ｒ２０を介して、電源ラインＫ４へ、制御電源を供給する。その制御電源を他の制御回路５〜７へ供給する定電圧回路２３は、平滑コンデンサＣ２７と、分圧抵抗Ｒ２９，Ｒ３０と、シャントレギュレータＤ２５とを備えて構成される。そして、前記電源ラインＫ４とＧＮＤラインＫ２との間には、平滑コンデンサＣ２７が介在されるとともに、分圧抵抗Ｒ２８，Ｒ２９で分圧された電圧に応じてシャントレギュレータＤ２５が制御されることで、他の制御回路５〜７へ供給される制御電源が、３．９Ｖに安定される。

【0042】

コンバータＩＣ２５の電源入力端子ＶＩＮへの入力電圧はまた、抵抗Ｒ２３，Ｒ２４で分圧されて、低電圧ロック端子ＬＶＬＯに与えられる。コンバータＩＣ２５は、この低電圧ロック端子ＬＶＬＯの入力電圧が、２５０ｍＶ以上で動作し、未満では停止して、負荷（２次電池１１）への電圧出力を停止する。

【0043】

一方、制御回路３は、上記ＤＣ−ＤＣコンバータ２に過充電保護動作を行うもので、基準電圧回路３１と、コンパレータ３２と、抵抗Ｒ３１〜Ｒ３７と、コンデンサＣ３１〜Ｃ３３と、スイッチ素子Ｑ３１と、トランジスタＱ３２と、スイッチＳＷ１と、発光ダイオードＤ３１とを備えて構成される。基準電圧回路３１は、前記ラインＫ４，Ｋ２間に直列に接続される抵抗Ｒ３８〜Ｒ４０と、シャントレギュレータＤ３２とを備えて構成される。前記シャントレギュレータＤ３２は、抵抗Ｒ３９，Ｒ４０間の接続点の電圧に応じて、抵抗Ｒ３８，Ｒ３９間の接続点の電圧を制御し、こうして基準電圧回路３１は、前記３．９Ｖの制御電源から、２次電池１１の電圧で、満充電の３．０Ｖに対応する１．６５Ｖの基準電圧を作成し、入力抵抗Ｒ３１およびコンデンサＣ３１を介して、コンパレータ３２の非反転入力端子に与える。

【0044】

コンパレータ３２は、電源ラインＫ４から電源が供給され、反転入力端子に入力される後述の電源ラインＫ５とＧＮＤラインＫ２との間に出力される２次電池１１の充電（出力）電圧を、抵抗Ｒ３２，Ｒ３３およびコンデンサＣ３２で分圧・平滑化した電圧と、前記１．６５Ｖの基準電圧とを比較し、充電（分圧）電圧が基準電圧以上となると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２を停止させる過充電保護動作を行う。その過充電保護動作は、プルアップ抵抗Ｒ３４によって前記電源ラインＫ４に接続されている該コンパレータ３２の出力端子をローレベル（ＧＮＤラインＫ２への短絡）にすることで行われ、過充電でない場合は、コンパレータ３２の出力端子をハイレベル（オープン）とする。コンパレータ３２の出力端子と非反転入力端子との間には帰還抵抗Ｒ３５が設けられ、該コンパレータ３２はヒステリシスを有するシュミット回路から成る。

【0045】

コンパレータ３２の出力はまた、スイッチ素子Ｑ３１のゲートに与えられており、このスイッチ素子のドレインは抵抗Ｒ３６を介して前記電源ラインＫ４に接続されるとともに、トランジスタＱ３２のベースに接続され、ソースは前記ＧＮＤラインＫ２に接続される。トランジスタＱ３２のコレクタは、コンバータＩＣ２５のイネーブル端子ＥＮに接続され、その電位は、コンデンサＣ３３によって保持される。トランジスタＱ３２のエミッタは、前記ＧＮＤラインＫ２に接続される。

【0046】

したがって、２次電池１１の充電（出力）電圧が低くて、コンパレータ３２がハイレベルを出力していると、スイッチ素子Ｑ３１がＯＮしてトランジスタＱ３２のベース電圧が低下して該トランジスタＱ３２がＯＦＦし、コンバータＩＣ２５のイネーブル端子ＥＮがハイレベルとなって、該コンバータＩＣ２５は動作する。これに対して、充電電圧が高くなって過充電レベル（３．０Ｖを超える）となると、コンパレータ３２はローレベルを出力し、スイッチ素子Ｑ３１がＯＦＦしてトランジスタＱ３２のベース電圧が抵抗Ｒ３６によってプルアップされて該トランジスタＱ３２がＯＮし、コンバータＩＣ２５のイネーブル端子ＥＮがローレベルとなって、コンバータＩＣ２５は動作を停止し、負荷（２次電池１１への電源ラインＫ３）を切り離すことで過充電保護動作が行われる。

【0047】

また、制御回路３には、充電状態を表示することができる表示素子として、発光ダイオードＤ３１が設けられている。発光ダイオードＤ３１は、ラインＫ３，Ｋ２間に、電流制限抵抗Ｒ３７、該発光ダイオードＤ３１およびスイッチＳＷ１の直列回路で接続される。したがって、充電中はコンバータＩＣ２５の出力端子Ｖｏｕｔから前記電源ラインＫ３にハイレベルが出力されており、その状態でスイッチＳＷ１が導通されると、発光ダイオードＤ３１が点灯し、充電中であることを確認することができる。これらの発光ダイオードＤ３１に関する構成は、組立て時の充電確認の際に接続されるだけとして、実際の製品には、特に設けられなくてもよい。

【0048】

このように構成される基本の充電回路に加えて、本実施の形態の充電回路１では、先ず、太陽電池１０の出力電圧を監視し、その出力電圧が一定となるように前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２を動作させることで、前記太陽電池１０を最大電力点で動作させるＭＰＰＴ制御を行う制御回路５が設けられており、さらにこの制御回路５に関連して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２の起動による出力電圧の立ち上がりを検出し、その立ち上がりタイミングから予め定められる時間に亘り、前記制御回路５によるＭＰＰＴ制御を最小負荷状態とする制御回路６が設けられている。

【0049】

制御回路５は、分圧回路５１と、基準電圧回路５２と、抵抗Ｒ５１〜Ｒ５３と、オペアンプ５３と、コンデンサＣ５１，Ｃ５２とを備えて構成される。分圧回路５１は、前記ラインＫ１，Ｋ２間に直列に接続される抵抗Ｒ５４，Ｒ５５によって構成されており、前記太陽電池１０の出力電圧を予め定められる分圧比で分圧し、入力抵抗Ｒ５１を介して、オペアンプ５１の反転入力端子に与える。基準電圧回路５２は、前述の基準電圧回路３１と同様に、前記ラインＫ４，Ｋ２間に直列に接続される抵抗Ｒ５６〜Ｒ５８と、シャントレギュレータＤ５１とを備えて構成される。前記シャントレギュレータＤ５１は、抵抗Ｒ５７，Ｒ５８間の接続点の電圧に応じて、抵抗Ｒ５６，Ｒ５７間の接続点の電圧を制御し、こうして基準電圧回路５２は、前記３．９Ｖの制御電源から、太陽電池１０の電圧で４．０Ｖに対応する２．０Ｖの基準電圧を作成し、オペアンプ５３の非反転入力端子に与える。

【0050】

オペアンプ５３は、前記電源ラインＫ４から電源が供給され、その出力は、出力抵抗Ｒ５３を介して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２において、ラインＫ３，Ｋ２間に直列に接続された抵抗Ｒ２５，Ｒ２６間の接続点に与えられる。その接続点は、コンバータＩＣ２５のフィードバック端子ＦＢに接続されており、コンバータＩＣ２５は、前記フィードバック端子ＦＢへの入力電圧が５００ｍＶとなるように、出力端子Ｖｏｕｔの電圧を制御する。前記抵抗Ｒ２５には並列に、前記接続点の電圧を安定させるためのコンデンサＣ２４が設けられている。また、オペアンプ５３の出力は、前記出力抵抗Ｒ５３から、帰還コンデンサＣ５１および帰還抵抗Ｒ５２を介して、負帰還されている。

【0051】

ここで、図２に、太陽電池の出力特性を示す。前記ＭＰＰＴ制御は、一般に、太陽電池を最大電力点で作動させる制御で、照明光の強弱に合わせて、負荷を変化させる。そして、太陽電池は、出力電力が違っても、前記最大電力点となる電圧は略一定しているので、照明光が強い場合は多くの負荷電流を流し、照明光が弱い場合は負荷電流を小さくすることで、太陽電池を最大電力点で作動させることができる。具体的には、オペアンプ５３によって、分圧回路５１からの太陽電池１０の出力電圧の分圧電圧を、基準電圧回路５２からの内部電源電圧の分圧電圧と比較し、それらが等しくなるように、コンバータＩＣ２５のフィードバック端子ＦＢの電圧を変化させる。

【0052】

しかしながら、一旦、ＭＰＰＴ制御が働けば、照明光の強度が或る程度変化しても２次電池１１の充電は継続できるが、太陽電池１０を２次電池１１に接続した（ＤＣ−ＤＣコンバータ２を動作させた）際に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、電力が高い設定でスタートするので、照明光が弱いと、急激に大きな負荷電流が流れ、太陽電池２の出力電圧が低下して、結果的にＤＣ−ＤＣコンバータ２が立ち上がらず（ロックアウトし）、制御回路５のＭＰＰＴ制御も働かなくなってしまう。その後に強い照明光が当たると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動き出し、制御回路５のＭＰＰＴ制御も機能し始めるが、その間、充電ができないという問題がある。

【0053】

そこで、前記制御回路６が設けられている。この制御回路６は、単安定マルチバイブレータ回路から構成される。具体的には、この制御回路６は、トランジスタＱ６１，Ｑ６２と、スイッチ素子Ｑ６３と、コンデンサＣ６１，Ｃ６２と、抵抗Ｒ６１〜Ｒ６６と、ダイオードＤ６１，Ｄ６２とを備えて構成される。

【0054】

コンデンサＣ６１は、前記出力端子Ｖｏｕｔの電圧から、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の起動をパルスとして検出する。そのコンデンサＣ６１の出力は、ダイオードＤ６１を介して、トランジスタＱ６１のベースに与えられる。コンデンサＣ６１とダイオードＤ６１との接続点と、ＧＮＤラインＫ２との間には、前記出力端子Ｖｏｕｔの電圧が０Ｖとなった時に負のパルスがトランジスタＱ６１に加わることを阻止する放電用のダイオードＤ６２およびコンデンサＣ６１の微分（＝パルス）出力用の抵抗Ｒ６１が設けられている。

【0055】

トランジスタＱ６１のベースは抵抗Ｒ６２を介してＧＮＤラインＫ２に接続されるとともに、抵抗Ｒ６３を介してスイッチ素子Ｑ６３のゲートに接続される。トランジスタＱ６１のエミッタはＧＮＤラインＫ２に接続され、コレクタは、抵抗Ｒ６４を介して電源ラインＫ４に接続されるとともに、限時動作用のコンデンサＣ６２の一端に接続される。コンデンサＣ６２の他端は、抵抗Ｒ６５を介して前記電源ラインＫ４に接続されるとともに、トランジスタＱ６２のベースに接続される。トランジスタＱ６２のエミッタはＧＮＤラインＫ２に接続され、コレクタは、抵抗Ｒ６６を介して電源ラインＫ４に接続されるとともに、前記スイッチ素子Ｑ６３のゲートに接続される。スイッチ素子Ｑ６３のドレインは、前記制御回路５における抵抗Ｒ５４，Ｒ５５間の接続点、すなわち入力抵抗Ｒ５１を介してオペアンプ５３の反転入力端子に接続され、ソースは前記ＧＮＤラインＫ２に接続される。

【0056】

図３は、前記単安定マルチバイブレータ回路として機能する制御回路６の動作を説明するための波形図である。安定状態では、図３（ｄ）で示すように、トランジスタＱ６２のベースは抵抗Ｒ６５でプルアップされており、該トランジスタＱ６２がＯＮし、そのコレクタ電圧は、図３（ｅ）で示すようにローレベルとなって、スイッチ素子Ｑ６３はＯＦＦしている。したがって、その状態では、制御回路５内の分圧回路５１における分圧点、すなわちオペアンプ５３の反転入力端子には、太陽電池１０の出力電圧の分圧電圧が与えられる。

【0057】

これによって、該オペアンプ５３は、前記太陽電池１０の出力電圧の分圧電圧と、基準電圧の分圧電圧との差分に応じた電圧をコンバータＩＣ２５のフィードバック端子ＦＢへ出力して、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の負荷状態（出力電流）を比較的大きい状態で制御する通常のＭＰＰＴ動作を行うことができる。またこの間、トランジスタＱ６２のＯＮによって、抵抗Ｒ６４−コンデンサＣ６２−トランジスタＱ６２の経路で充電電流が流れ、コンデンサＣ６２は前記電源ラインＫ４の電圧である３．９Ｖから、トランジスタＱ６２のＶｂｅの０．６Ｖを減算した３．３Ｖに充電される。

【0058】

これに対して、起動時は、太陽電池１０の出力電圧が上昇し、図３（ａ）で示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作を開始して出力電圧Ｖｏｕｔが上昇すると、図３（ｂ）で示すように、コンデンサＣ６１から起動パルスが出力される。この起動パルスが０．６ＶのトランジスタＱ６１のＯＮ電圧を超えると、該トランジスタＱ６１がＯＮして、図３（ｃ）で示すように、コレクタ電圧が略０Ｖに低下する。これによって、トランジスタＱ６２のベース電圧は、図３（ｄ）で示すように、それまで充電されていたコンデンサＣ６２の充電電圧が逆電圧で加わることで、−３．３（−（３．９−０，６））Ｖにまで低下した後、コンデンサＣ６２の放電に伴い、上昇してゆく。その上昇の時定数は、τ＝Ｃ６２・Ｒ６５、たとえば９０ｍｓｅｃに設定され、この単安定マルチバイブレータ回路の限時時間となる。

【0059】

トランジスタＱ６２のベース電圧が０．６Ｖよりも低下している前記限時時間の間は、該トランジスタＱ６２がＯＦＦして、そのコレクタ電圧は図３（ｅ）で示すようにハイレベルとなって、スイッチ素子Ｑ６３がＯＮする。したがって、制御回路５内の分圧回路５１における分圧点、すなわちオペアンプ５３の反転入力端子の電圧は、略０Ｖにまで低下する。これによって、オペアンプ５３がハイレベルを出力して、コンバータＩＣ２５のフィードバック端子ＦＢへの入力電圧が上がり、該コンバータＩＣ２５は最小負荷状態で動作する。

【0060】

前記限時時間が経過すると、トランジスタＱ６２のベース電圧が前記０．６Ｖに達して該トランジスタＱ６２がＯＮし、スイッチ素子Ｑ６３をＯＦＦするとともに、コンデンサＣ６２の充電が開始される。このようにして、制御回路６は、前記のような単安定マルチバイブレータを実現することができる。充電回路１において、このようなＭＰＰＴ制御およびそのロックアウト防止制御を行う構成だけを模式的に示すと、図４のようになる。

【0061】

図５は、前記制御回路５，６によるＤＣ−ＤＣコンバータ２のＭＰＰＴ制御およびそのロックアウト防止制御機能を説明するための図である。（ａ）は太陽電池１０の出力電圧を示し、（ｂ）はＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力を示し、（ｃ）は単安定マルチバイブレータの動作を示す。なお、単安定マルチバイブレータの出力であるスイッチ素子Ｑ６３のドレイン電位は、（ｃ）とは逆になる。

【0062】

したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ２をＭＰＰＴ制御する制御回路５が設けられる場合に、ロックアウト防止制御を行う制御回路６を設け、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２の起動による出力電圧の立ち上がりを検出し、その立ち上がりタイミングから予め定められる時間に亘り、前記制御回路５による前記ＭＰＰＴ制御を最小負荷状態にさせる（本実施形態ではＤＣ−ＤＣコンバータ２を、最小の出力（充電）電流となるように動作させることで、弱い照明光で該充電回路１が動作を開始しても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２がロックアウトすることなく、正常に立ち上げる（動作を開始させる）ことができる。

【0063】

また、本実施の形態の充電回路１は、後述の制御回路４によってＤＣ−ＤＣコンバータ２に動作を開始させた後、低照度時には、制御回路６によって、制御回路５によるＤＣ−ＤＣコンバータ２へのＭＰＰＴ制御を最小負荷状態とするので、低照度において、より確実に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２およびＭＰＰＴ制御を立ち上げることができる。

【0064】

さらにまた、本実施形態の充電回路１では、過充電保護動作を行う前記制御回路３に関連して、電池無し（無負荷）検出を行う制御回路７が設けられている。制御回路７は、分圧回路７１と、基準電圧回路７２と、コンパレータ７３と、抵抗Ｒ７１と、スイッチ素子Ｑ７１と、コンデンサＣ７１とを備えて構成される。

【0065】

基準電圧回路７２は、前記基準電圧回路５２と同様に、ラインＫ４，Ｋ２間に直列に接続される抵抗Ｒ７２〜Ｒ７４と、シャントレギュレータＤ７１とを備えて構成される。前記シャントレギュレータＤ７１は、抵抗Ｒ７３，Ｒ７４間の接続点の電圧に応じて、抵抗Ｒ７２，Ｒ７３間の接続点の電圧を制御し、こうして基準電圧回路７２は、前記３．９Ｖの制御電源から、２次電池１１の電圧で３．４２Ｖに対応する１．８８Ｖの基準電圧を作成し、コンパレータ７３の反転入力端子に与える。コンパレータ７３の非反転入力端子には、ラインＫ５，Ｋ２間の電圧、すなわち前記２次電池１１の充電電圧が、分圧回路７１の分圧抵抗Ｒ７５，Ｒ７６で分圧されて与えられる。コンパレータ７３の出力端子は、プルアップ抵抗Ｒ７１を介して前記電源ラインＫ４に接続されるとともに、スイッチ素子Ｑ７１のゲートに接続される。スイッチ素子Ｑ７１のドレインは、前記制御回路３内のトランジスタＱ３２のベースに接続される。スイッチ素子Ｑ７１のソースは、ＧＮＤラインＫ２に接続される。

【0066】

そして、前記制御回路３内の基準電圧回路３１は、２次電池１１の充電電圧が、３．０Ｖとなる前記１．６５Ｖの基準電圧を作成する。これに対して、この制御回路７内の基準電圧回路７２は、２次電池１１の充電電圧が、３．４２Ｖに対応した１．８８Ｖの基準電圧を作成する。コンパレータ７３は、充電電圧が基準電圧回路７２の基準電圧より低いときはローレベルを出力し、これによってスイッチ素子Ｑ７１はＯＦＦしている。これに対して、コンパレータ７３は、充電電圧が基準電圧回路７２の基準電圧以上になると、無負荷、すなわち２次電池１１が接続されていないと判定して、ハイレベルを出力し、前記制御回路３による過充電保護動作を禁止する。

【0067】

具体的には、前記コンパレータ７３がローレベルを出力している、充電電圧が３．４２Ｖ未満の間は、スイッチ素子Ｑ７１がＯＦＦする。したがって、スイッチ素子Ｑ７１のドレインはオープンとなり、スイッチ素子Ｑ３１およびトランジスタＱ３２は上述の通りの動作となり、３．０〜３．４２Ｖの間で過充電保護動作が行われる。

【0068】

これに対して、前記コンパレータ７３がハイレベルを出力する、充電電圧が３．４２Ｖ以上となると、スイッチ素子Ｑ７１がＯＮする。したがって、スイッチ素子Ｑ３２はＯＦＦしたままとなって、コンバータＩＣ２５のイネーブル端子ＥＮはハイレベルとなって、該コンバータＩＣ２５の過充電保護動作を無効にする。

【0069】

こうして、制御回路７は、充電電圧が規定の３．０Ｖより高い３．４２Ｖの基準電圧よりも高ければ、負荷（２次電池１１）が接続されていない無負荷状態と判定して、制御回路３による過充電保護動作を無効にする。したがって、そのような場合に前記過充電保護動作が働いてしまうと、制御回路３がＤＣ−ＤＣコンバータ２の過充電保護動作を行い、出力を停止もしくは小さくすると、直ぐに開放端の充電電圧が低下して過充電保護動作が解除されてＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を開始させ、再び過充電保護動作を行う・・・と言うことを繰り返すチャタリングが生じるのに対して、そのような不具合を防止することができる。充電回路１において、このような過充電保護機能およびその電池無し（無負荷）検出による禁止制御を行う構成だけを模式的に示すと、図６のようになる。

【0070】

ところで、制御回路９は、上記の過充電防止用のコンパレータ３２および電池無し（無負荷）検出用のコンパレータ７３の動作制御回路として機能している。つまり、これらのコンパレータ３２，７３は、電源にコンバータＩＣ２５の外部電源出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧を使用している。したがって、低照度時に、この出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧よりも、２次電池１１の出力電圧が高くなると、コンパレータ３２，７３の電源よりも、入力端の電圧の方が高くなる。そのため、これらのコンパレータ３２，７３を保護するために、この制御回路９が設けられている。たとえば、夜間などの前記低照度時において、外部電源出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧、すなわちコンパレータ３２，７３の電源電圧Ｖｃｃは１Ｖ以下となるが、入力端の電圧は２次電池１１の出力電圧で維持され、たとえば１．２Ｖと、前記電源電圧Ｖｃｃより高くなる。

【0071】

そのため、概略的には、この制御回路９は、電源ラインＫ４を介する前記コンバータＩＣ２５の外部電源出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧が、低照度で０Ｖとなると、前記電源ラインＫ５への電源遮断を行う。詳しくは、制御回路９は、抵抗Ｒ９１〜Ｒ９４と、スイッチ素子Ｑ９１，Ｑ９２とを備えて構成される。前記電源ラインＫ４を介するコンバータＩＣ２５の外部電源出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧が、分圧抵抗Ｒ９１，Ｒ９２で分圧され、スイッチ素子Ｑ９１のゲートに与えられる。スイッチ素子Ｑ９１のソースはＧＮＤラインＫ２に接続され、ドレインは抵抗Ｒ９４を介してＰ型のスイッチ素子Ｑ９２のゲートに接続される。スイッチ素子Ｑ９２のゲート−ソース間には抵抗Ｒ９３が設けられており、さらにソースは前記２次電池１１の正極に接続されている。

【0072】

したがって、概ね外部電源出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧が略３Ｖ以上となると、スイッチ素子Ｑ９１がＯＮして、スイッチ素子Ｑ９２のゲート−ソース間に電位差を生じさせて該スイッチ素子Ｑ９２をＯＮさせる。これによって、スイッチ素子Ｑ９２のドレインから、電源ラインＫ５に２次電池１１の電圧が出力される。前記外部電源出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧が略３Ｖ未満では、逆の動作となり、電源ラインＫ５への電源遮断が行われる。

【0073】

図７を参照して、前記制御回路５によるＭＰＰＴ制御は、前述のように、太陽電池を最大電力点で動作させる制御で、待機（シャットダウン）状態から、予め定める第１の閾値光量（電圧）Ａ以上となるとＤＣ−ＤＣコンバータ２を起動させ、第２の閾値光量（電圧）Ｂ未満となるとＤＣ−ＤＣコンバータ２を停止し、待機（シャットダウン）させる動作である。前記閾値光量Ａは、太陽電池１０の発電能力に依存し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を充分に駆動させるに足りる光量で、前記閾値光量Ｂは、たとえば最低限ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を維持できる光量である。

【0074】

このような２つの閾値光量Ａ，Ｂによるヒステリシスは、オペアンプ５３が機能しているか（すなわちＭＰＰＴが機能しているか）否かに起因する。低照度時でオペアンプ５３の電源ラインＫ４の電圧が数百ｍＶの場合には、オペアンプ５３は機能しないので、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、オペアンプ５３からの支援なしに立ち上がる必要があり、大きなエネルギー（光量Ａ以上）を必要とする。これに対して、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が一旦立ち上がり、オペアップ５３が機能していれば、ＭＰＰＴ機能が働き、コンバータＩＣ２５のフィードバック端子ＦＢに電圧が供給されるので、低いエネルギー（光量Ｂ以上）での立ち上がりが可能となる。

【0075】

一方、オペアンプ５３の電源ラインＫ４、すなわち前記外部電源出力端子Ｖａｕｘからの出力電圧は、低照度時でもコンバータＩＣ２５をリセットすると、その期間中は通常電圧に復帰するので、コンバータＩＣ２５にリセットを掛けて、オペアンプ５３によるＭＰＰＴを機能させることは、後述のような閾値光量Ａ〜Ｂ間でＭＰＰＴ制御を行わせるのに有効な手法と言える。これらの閾値光量Ａ〜Ｂの範囲にあると、制御回路５はコンバータＩＣ２５を制御し、具体的には、上述のように、発電電力に応じて、主に電流を調整し、２次電池１１の充電が可能となる。

【0076】

そして、太陽電池１０の発電能力が充分に高ければ、僅かの光でＤＣ−ＤＣコンバータ２をシャットダウン状態から脱するだけのエネルギーを供給できるので、実質的な問題はないが、太陽電池１０が小容量の場合、たとえば直射日光を当てないと、前記閾値光量Ａを超えることができず、充電を開始できないようになってしまう。つまり、前記のヒステリシスによって、一旦、光量が閾値光量Ａ以上とならないと、光量が前記閾値光量Ａ〜Ｂの範囲にあっても、充電できないことになる。太陽電池１０が小容量の場合、たとえば前記閾値光量Ａは、前記最大電力点であり、真夏の日中の光量を１Ｓｕｎとすると、０．５Ｓｕｎであり、前記閾値光量Ｂは、０．０５Ｓｕｎである。

【0077】

そこで本実施形態の充電回路１では、前記のようなＤＣ−ＤＣコンバータ２のリセットトリガ動作を、間欠的に行う制御回路４と、照度センサ８とをさらに備えている。充電回路１において、後述するリセット機能および照度検出によるその禁止制御を行う構成だけを模式的に示すと、図８のようになる。なお、前述の制御回路６によるロックアウト防止制御は、上述のように、一旦、閾値光量Ａ以上となってＤＣ−ＤＣコンバータ２が待機（シャットダウン）状態から起動した直後に、負荷が重くなり過ぎて停止してしまうことを防止するものであるのに対して、この制御回路４による間欠リセットトリガ動作は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２に周期的にリセットを掛けることで、そのリセットタイミングで光量が閾値光量Ａ〜Ｂ間に入っていれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２に動作を開始させるもので、機能が異なる。

【0078】

図１を参照して、制御回路４は、発振部４１と、トリガパルス生成部４２と、リセット部４３と、自己リセット部４４とを備えて構成される。前記２次電池１１の充電（出力）電圧は、ハイ側の電源ラインＫ６およびＧＮＤラインＫ２を介して、これらの制御回路４および照度センサ８に供給される。

【0079】

発振部４１は、コンパレータ４５と、抵抗Ｒ４１１〜４１５と、コンデンサＣ４１１とを備えて構成される。前記電源ラインＫ６を介する２次電池１１の充電（出力）電圧は、後述の自己リセット部４４におけるスイッチ素子Ｑ４４１を介して、電源ラインＫ７に入力され、抵抗Ｒ４１１，Ｒ４１２で分圧されて、コンパレータ４５の非反転入力端子に入力される。このコンパレータ４５の出力端子は、プルアップ抵抗Ｒ４１３を介して前記電源ラインＫ７に接続されるとともに、帰還抵抗Ｒ４１４，Ｒ４１５をそれぞれ介して、反転入力端子および非反転入力端子に接続される。反転入力端子の電圧は、コンデンサＣ４１１で保持（積分）される。

【0080】

したがって、後述するようにして、電源ラインＫ７に、２次電池１１からの充電（出力）電圧が出力されている状態で、初期状態では、コンデンサＣ４１１は放電しており、図９（ａ）の実線で示すように、その電圧Ｖｃ、すなわちコンパレータ４５の反転入力端子の入力電圧Ｖ−は０Ｖであり、一方、非反転入力端子の入力電圧Ｖ＋は０Ｖ以上の電圧となるので、図９（ｂ）で示す該コンパレータ４５の出力はハイレベルＶｃｃとなり、図９（ａ）の破線で示す該コンパレータの非反転入力端子の電圧Ｖ＋は、ハイレベルＶＨとなる。

【0081】

このコンパレータ４５のハイレベルＶｃｃ出力によって、図９（ａ）の実線で示すように、コンデンサＣ４１１の充電が進み、反転入力端子の入力電圧Ｖ−が非反転入力端子との入力電圧Ｖ＋＝ＶＨより高くなると、コンパレータ４５の出力は０Ｖとなる。これによって、コンデンサＣ４１１の放電が進み、反転入力端子の入力電圧Ｖ−が非反転入力端子の入力電圧Ｖ＋＝ＶＬより小さくなると、コンパレータ４５は出力端子を再びハイレベルにする。

【0082】

つまり、帰還抵抗Ｒ４１５によって、コンパレータ４５はヒステリシスを有し、発振部４１からは、図９（ｂ）で示すような矩形波パルスが周期的に出力されることになる。そのヒステリシスは、コンパレータ４５の出力と帰還抵抗Ｒ４１５との兼ね合いとなり、非反転入力端子の入力電圧Ｖ＋は、以下となる。

【0083】

Ｖ＋＝Ｖｃｃ・Ｒａ／（Ｒａ＋Ｒ４１１） ：ＶＬ出力時
但し、Ｒａ＝（Ｒ４１２・Ｒ４１５）／（Ｒ４１２＋Ｒ４１５）
Ｖ＋＝Ｖｃｃ・Ｒ４１２／（Ｒ４１２＋Ｒ４１５） ：ＶＨ出力時
そして、矩形波のパルス幅ｔ（矩形波の周期は２・ｔ）は、帰還抵抗Ｒ４１４とコンデンサＣ４１１との積、すなわち時定数によって決定され、以下の式を展開して求められる。
ＶＨ＝（Ｖｃｃ−ＶＬ）・（１−ｅｘｐ（−ｔ／（Ｃ４１１・Ｒ４１４）））＋ＶＬ
たとえば、Ｖｃｃ＝２．４Ｖ、ＶＨ＝２．０Ｖ、ＶＬ＝０．２Ｖ、Ｃ４１１・Ｒ４１４＝１０μＦ・１ＭΩ＝１０とすると、
２．０＝２．２・（１−ｅｘｐ（−ｔ／１０））＋０．２
０．８２＝１−ｅｘｐ（−ｔ／１０）
ｅｘｐ（−ｔ／１０）＝０．１８
−ｔ／１０＝ｌｎ（０．１８）＝−１．７２
ｔ＝１７．２ｓｅｃ
となる。

【0084】

この周期２・ｔ は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の立ち上がりが完了する前に、次のリセットパルスを入れてしまうことを防止するためのインターバルを規定するものである。つまり、次のリセットパルスが来た時に、前のリセットパルスによってＤＣ−ＤＣコンバータ２が未だ立ち上がりの途中であると、再びリセットが掛かり、これを繰り返す不具合が発生してしまう。そのため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が立ち上がって充電出力を出す時までは、次のリセットパルスを入れないために、この周期２・ｔ には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が充電動作に復帰したか否かを確認できる時間以上の長さが必要である。以下に詳述のように、ｔ後の負パルスは、リセットには用いないので、次のリセットパルスが来るのは周期２・ｔ後で、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の復帰に要する時間が、たとえばｔとすると、２倍のマージンを持つことになる。

【0085】

また、後述の短パルスＶｐの出力時には電流がより多く流れるので、この周期２・ｔ を或る程度長くして、つまりパルス数を抑えて、２次電池１１の消耗を抑えることが望ましい。一方、周期２・ｔの期間は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の復帰のトライを行わないので、充電の機会損失となる。すなわち、周期２・ｔは、電池消耗と充電機会とのトレードオフとなるので、設置環境や用途等に合わせ、最適値を設定することが望ましい。たとえば、Ｃ４１１＝２７０μＦとすると２・ｔ＝１５分程度となる。

【0086】

このパルスは、トリガパルス生成部４２に入力される。トリガパルス生成部４２は、スイッチ素子Ｑ４２１，Ｑ４２２と、コンデンサＣ４２１と、抵抗Ｒ４２１〜Ｒ４２３と、ダイオードＤ４２１とを備えて構成される。コンデンサＣ４２１は、コンパレータ４５からの長い周期の矩形波パルスから、図９（ｃ）で示すような短パルスＶｐを取出す結合コンデンサである。そのコンデンサＣ４２１の出力は、スイッチ素子Ｑ４２１のゲートに与えられる。スイッチ素子Ｑ４２１のゲートには、コンパレータ４５の出力電圧が０Ｖとなった時に負のパルスが該スイッチ素子Ｑ４２１に加わることを阻止する放電用のダイオードＤ４２１、およびコンデンサＣ４２１の微分（＝パルス）出力用の抵抗Ｒ４２１が設けられている。スイッチ素子Ｑ４２１のソースはＧＮＤラインＫ２に接続され、ドレインは抵抗Ｒ４２２を介してスイッチ素子Ｑ４２２のゲートに接続される。また、スイッチ素子Ｑ４２２のゲートはプルアップ抵抗Ｒ４２３を介して電源ラインＫ７に接続され、ソースは電源ラインＫ７に接続され、ドレインからはリセット部４３へ出力を導出する。図９（ｃ）で示す短パルスＶｐのパルス幅ｔｗは、時定数Ｃ４２１・Ｒ４２１で決定される。

【0087】

リセット部４３は、トランジスタＱ４３１と、抵抗Ｒ４３１，Ｒ４３２とを備えて構成される。前記の短パルスＶｐは、スイッチ素子Ｑ４２１，Ｑ４２２によって電流出力に変換されてこのリセット部４３に入力され、抵抗Ｒ４３１，Ｒ４３２によって電圧変換されてトランジスタＱ４３１のベースに与えられる。このトランジスタＱ４３１のエミッタはＧＮＤラインＫ２に接続され、コレクタは前記コンバータＩＣ２５のイネーブル端子ＥＮに接続される。

【0088】

したがって、トリガパルス生成部４２から短パルスＶｐが入力されると、このリセット部４３は、コンバータＩＣ２５のイネーブル端子ＥＮをＧＮＤレベルにして、該コンバータＩＣ２５をリセットする。コンバータＩＣ２５は、太陽電池１０を電源としており、低照度時には前記イネーブル端子ＥＮのローレベル閾値は非常に低くなるが、リセット部４３によってＧＮＤレベルに落すことで、完全にリセットすることができる。

【0089】

ここで、コンバータＩＣ２５の動作について、詳しく説明する。大略的に、コンバータＩＣ２５には、その動作を停止させるために、イネーブル端子ＥＮと低電圧ロック端子ＬＶＬＯとが設けられている。ただし、低電圧ロック端子ＬＶＬＯは、その動作停止の閾値としては、相対的に低い方で、入力電圧が、２５０ｍＶ未満では主機能を停止して、負荷（２次電池１１）を切り離しているが、以上では動作を行い、負荷（２次電池１１）が接続された状態となっている。また、コンバータＩＣ２５は、低電圧ロック端子ＬＶＬＯが前記２５０ｍＶ未満でも、インダクタＬ２１を使用した発振動作を間欠的に行っており、太陽電池１０側から引込む（消費する）電流は、２．３ｍＡである。

【0090】

これに対して、イネーブル端子ＥＮは、動作停止の閾値としては、相対的に高い方で、該イネーブル端子ＥＮがローレベルとなってリセットされると、コンバータＩＣ２５は、発振動作を完全に停止し、太陽電池１０側から引込む（消費する）電流は、０．３ｍＡとなる。これによって、イネーブル端子ＥＮのリセットでは、太陽電池１０から、負荷（２次電池１１）が切離されるだけでなく、事実上、該コンバータＩＣ２５自体も切離された状態となり、太陽電池１０の負荷は、一層軽くなる。

【0091】

したがって、上述のようにしてコンバータＩＣ２５を周期的にリセットすると、前記低電圧ロック端子ＬＶＬＯの入力電圧に拘わらず、太陽電池１０から負荷（該コンバータＩＣ２５および２次電池１１）を切り離すことができる。太陽電池１０は、コンバータＩＣ２５のリセット（停止）後、シャットダウン状態から回復し、開放端電圧が最高電圧に立ち上がる。したがって、リセット部４３のリセットによって、低電圧ロック端子ＬＶＬＯに入力電圧があっても、コンバータＩＣ２５を一旦停止させ、太陽電池１０が最高電力になるまで待機することになる。

【0092】

その状態で、その最高電力が閾値光量Ｂ以上の光に相当する場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作を開始し、２次電池１１への充電が開始される。こうして、低い光量であっても、有効にエネルギーを取り込むことができる。前記短パルスＶｐのパルス幅としては、コンバータＩＣ２５のリセットによって、負荷（該コンバータＩＣ２５および２次電池１１）を太陽電池１０から切り離し、太陽電池１０が前記最高電力に立ち上がる時間、トリガが掛けられればよい。

【0093】

また、本実施の形態の充電回路１は、制御回路５，６を設けることで、前記閾値光量Ａ以上で正規に起動した場合に、低照度であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を安定させられる。そのため、前記太陽電池１０としては、シリコン太陽電池も使用可能であるが、低照度での発電に有利な色素増感太陽電池（ＤＳＣ）を好適に使用可能であり、特に低照度な室内での使用に好適である。

【0094】

そして、その色素増感太陽電池（ＤＳＣ）では、色素の違いを利用して、受光面に意匠を形成することもできる。そのような室内での太陽電池１０のパネルの利用例としては、本件出願人が特願２０１３−２４２１０９号で示したような、表彰、褒彰、顕彰の楯などとして用いることができ、２次電池１１に蓄積された電力を、その楯の照明電源として使用することができる。

【0095】

一方、コンバータＩＣ２５のリセット後、光量がＭＰＰＴ制御範囲の閾値光量Ｂ未満であれば、再びシャットダウン状態となり、リセットによるシャットダウンからの回復と、シャットダウンとを繰り返すことになる。

【0096】

しかしながら、上述の発振部４１およびトリガパルス生成部４２は、２次電池１１の充電（出力）電圧を電源としている。したがって、前記閾値光量Ｂ未満で、これらの回路を動作させると、２次電池１１を放電させることになる。そのため、この制御回路４４には自己リセット部４４が設けられるとともに、その制御用に、照度センサ８が設けられている。

【0097】

照度センサ８は、光電変換素子であるＣｄＳ８１と、スイッチ素子Ｑ８１と、抵抗Ｒ８１〜Ｒ８３とを備えて構成される。前記ラインＫ６，Ｋ２間に、ＣｄＳ８１および抵抗Ｒ８１が直列に接続されており、それらの接続点の電位が、抵抗Ｒ８２，Ｒ８３で分圧されてスイッチ素子Ｑ８１のゲートに与えられる。スイッチ素子Ｑ８１のソースはＧＮＤラインＫ２に接続される。

【0098】

一方、自己リセット部４４は、スイッチ素子Ｑ４４１，Ｑ４４２と、抵抗Ｒ４４１〜Ｒ４４４とを備えて構成される。前記スイッチ素子Ｑ８１のドレインは、抵抗Ｒ４４１を介してスイッチ素子Ｑ４４１のゲートに接続される。このスイッチ素子Ｑ４４１は、前記電源ラインＫ６，Ｋ７間に直列に介在されており、そのゲートはプルアップ抵抗Ｒ４４２を介して、ソースと共に前記電源ラインＫ６に接続され、ドレインからは、前記電源ラインＫ７を介して、前記発振部４１およびトリガパルス生成部４２への給電が可能となる。

【0099】

また、前記スイッチ素子Ｑ８１のゲートはスイッチ素子Ｑ４４２を介してＧＮＤラインＫ２に短絡可能となっており、このスイッチ素子Ｑ４４２のゲートには、前記電源ラインＫ３、すなわちコンバータＩＣ２５の出力端子Ｖｏｕｔからの出力電圧が、抵抗Ｒ４４３，Ｒ４４４によって分圧されて与えられる。

【0100】

したがって、前記閾値光量Ｂと略等しい照度、たとえば１０００ｌｕｘ以上であると、Ｃｄｓ８１の抵抗が低くて、スイッチ素子Ｑ８１はＯＮし、スイッチ素子Ｑ４４１もＯＮして、発振部４１およびトリガパルス生成部４２への給電が行われる。これに対して、照度が低いと、Ｃｄｓ８１の抵抗が高くて、スイッチ素子Ｑ８１はＯＦＦし、スイッチ素子Ｑ４４１もＯＦＦして、発振部４１およびトリガパルス生成部４２への給電は行われない。

【0101】

また、既にコンバータＩＣ２５が動作して、正常に充電が開始されると、太陽電池１０の出力電圧は、ＭＰＰＴ制御の制御電圧、たとえば４Ｖ以上となるので、これを出力端子Ｖｏｕｔの電圧から検知し、スイッチ素子Ｑ４４２がＯＮすると、スイッチ素子Ｑ８１のゲートがＧＮＤレベルとなり、スイッチ素子Ｑ８１，Ｑ４４１はＯＦＦしたままとなり、不要なリセット動作を行うことも無い。

【0102】

こうして、ＣｄＳ８１を使用して、夜中は強制的に回路（４１〜４３）を停止させ、朝になってＭＰＰＴ制御可能光量（Ｂ以上）になったらこれを検知してリセット動作を行わせることで、夜間において、無闇に２次電池１１の電力を消費してしまうことを防止することができる。そして、上述のようにしてＤＣ−ＤＣコンバータ２が起動し、２次電池１１に正常に充電が行われると、制御回路４は、ＤＣ−ＤＣコンバータのリセット動作を停止する。したがって、通常のＭＰＰＴ制御を開始でき、安定的に充電できている状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を不所望にリセットし、再起動を繰り返すような状況を防止し、連続して、より有効に充電を行うことができる。

【0103】

ここで、閾値光量Ｂを正確に判定できれば、１回のパルスで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を立ち上げ、出力端子Ｖｏｕｔから電圧が発生すると、回路（４１〜４１）を停止させるので、２次電池１１の消耗は殆ど無い。しかしながら、Ｃｄｓ８１のバラツキによって、閾値光量Ｂより低い照度でリセットをスタートして、立ち上げに失敗しても、前記周期２・ｔ後には再びリセット動作が行われる。一方、朝になると光量は確実に大きくなり、リセットを繰り返すうちに、ＭＰＰＴが働き、回路（４１〜４１）を停止させることができる。

【0104】

なお、上述の例では、自己リセット部４４は、発振部４１およびトリガパルス生成部４２への給電を停止することで、各部４１〜４３によるリセット動作を停止する自己リセット動作を実現しているが、これらの回路の消費電流は、数μＡ程度である。そこで、単にトリガを停止する、たとえば発振部４１のコンデンサＣ４１１をショートすることで、トリガパルスの生成が停止されてもよい。つまり、コンバータＩＣ２５が動作して、出力端子Ｖｏｕｔから電圧が出ていれば、リセット動作は必要無いが、例えそれを行っても、それによる電流の消費は、殆ど問題にならない。

【符号の説明】

【0105】

１ 充電回路
２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２１ ＤＣ−ＤＣモジュール
２２ 入力回路
２３ 定電圧回路
２４ 入力電圧制限回路
２５ コンバータＩＣ
３ 制御回路（第４のコンバータ制御回路）
３１ 基準電圧回路（第１の基準電圧回路）
３２ コンパレータ（第１のコンパレータ）
４ 制御回路（第２のコンバータ制御回路）
４１ 発振部
４２ トリガパルス生成部
４３ リセット部
４４ 自己リセット部
４５ コンパレータ
５ 制御回路（第１のコンバータ制御回路）
５１ 分圧回路
５２ 基準電圧回路
５３ オペアンプ
６ 制御回路（第３のコンバータ制御回路）
７ 制御回路（第５のコンバータ制御回路）
７１ 基準電圧回路（第２の基準電圧回路）
７２ コンパレータ（第２のコンパレータ）
８ 照度センサ
９ 制御回路
１０ 太陽電池
１１ ２次電池
Ｃ２１ 平滑コンデンサ
Ｄ３１ 発光ダイオード
Ｄ３２，Ｄ５１，Ｄ７１ シャントレギュレータ
Ｋ１，Ｋ３〜Ｋ７ 電源ライン
Ｋ２ ＧＮＤライン
Ｌ２１ インダクタ
Ｑ３１，Ｑ４２１，Ｑ４２２，Ｑ４４１，Ｑ４４２，Ｑ６３，Ｑ８１，Ｑ９１，Ｑ９２ スイッチ素子
Ｑ３２，Ｑ４３１，Ｑ６１，Ｑ６２ トランジスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】