特開 2024-114594 電力供給システムおよびスイッチング電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024114594

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】電力供給システムおよびスイッチング電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240816BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023197125

(22)【出願日】2023-11-21

(31)【優先権主張番号】P 2023019791

(32)【優先日】2023-02-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】303046277

【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】多賀 史朗

(72)【発明者】

【氏名】小林 誠

(72)【発明者】

【氏名】林 哲平

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS04

5H730BB02

5H730BB14

5H730BB57

5H730DD04

5H730DD12

5H730DD32

5H730EE07

5H730EE57

5H730FD01

5H730FD11

5H730FF09

5H730FG01

(57)【要約】

【課題】エナジーハーベスト電源の電圧をスイッチング電源装置によって昇圧する際に、エナジーハーベスト電源のインピーダンスとスイッチング電源装置のインピーダンスが近い値となることが好ましい。
【解決手段】エナジーハーベスト電源とエナジーハーベスト電源から供給される入力電圧を昇圧して出力するスイッチング電源装置を備える電力供給システムであって、スイッチング電源装置は、入力端子と、出力端子と、コイルと、第１スイッチと、ダイオードと、コンデンサと、入力電圧に基づいた変換電圧を出力する電圧変換部と、変換電圧に応じた周波数を有し、第１スイッチを駆動する信号を出力するスイッチ制御回路を有し、電圧変換部は、スイッチ制御回路に入力電圧が入力された場合に比べて、エナジーハーベスト電源の出力インピーダンスと、スイッチング電源装置の入力インピーダンスが近い値となるように入力電圧を変換する電力供給システムを提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エナジーハーベスト電源と、前記エナジーハーベスト電源から供給される入力電圧を昇圧して出力するスイッチング電源装置とを備える電力供給システムであって、
前記スイッチング電源装置は、
前記入力電圧が与えられる入力端子と、
昇圧された電圧が出力される出力端子と、
第１端子および第２端子を有し、前記第１端子が前記入力端子に接続されたコイルと、
前記コイルの前記第２端子とグランド端子の間に配置された第１スイッチと、
前記第２端子から前記出力端子に向かって順方向に配置されたダイオードと、
前記出力端子と前記グランド端子の間に配置されたコンデンサと、
前記入力電圧に基づいた変換電圧を出力する電圧変換部と、
前記電圧変換部から出力される前記変換電圧が入力され、前記変換電圧に応じた周波数を有し、前記第１スイッチを駆動する駆動信号を出力するスイッチ制御回路と
を有し、
前記電圧変換部は、前記電圧変換部を介さずに前記スイッチ制御回路に前記入力電圧が入力された場合に比べて、前記エナジーハーベスト電源の出力インピーダンスと、前記スイッチング電源装置の入力インピーダンスがより近い値となるように前記入力電圧を変換する
電力供給システム。

【請求項2】

前記電圧変換部は、
前記変換電圧を出力する変換電圧出力端子と、
前記入力端子と前記変換電圧出力端子の間に配置されたパッシブ回路またはアクティブ回路を有する
請求項１に記載の電力供給システム。

【請求項3】

前記パッシブ回路は、前記入力端子と前記変換電圧出力端子の間に配置された抵抗素子を有する
請求項２に記載の電力供給システム。

【請求項4】

前記抵抗素子の抵抗値は１ｋΩ以上１０ＭΩ以下である
請求項３に記載の電力供給システム。

【請求項5】

前記電圧変換部は、前記変換電圧が定められた閾値に達したときに、前記変換電圧を前記閾値に保持する電圧リミット回路を更に有する
請求項１から４のいずれか一項に記載の電力供給システム。

【請求項6】

前記電圧変換部は、前記変換電圧が定められた閾値に達したときに、前記変換電圧を前記閾値に保持する電圧リミット回路を更に有し、
前記電圧リミット回路は、
前記変換電圧出力端子から前記グランド端子に向かって順方向に配置された電圧リミッタ用ダイオードを有する
請求項２から４のいずれか一項に記載の電力供給システム。

【請求項7】

前記電圧変換部は、
前記入力電圧に応じた第２変換電圧を生成する第２変換部と、
前記第２変換電圧を前記変換電圧出力端子に印加するか否かを切り替える第２スイッチと
を有し、
前記第２変換電圧は、前記第２スイッチがオフ状態の場合の前記変換電圧よりも高い電圧である
請求項２から４のいずれか一項に記載の電力供給システム。

【請求項8】

前記第２変換部は、前記入力電圧に応じて前記第２スイッチを制御する
請求項７に記載の電力供給システム。

【請求項9】

前記アクティブ回路は、前記入力端子から前記変換電圧出力端子に向かって順方向に配置された電圧変換用ダイオードを有する
請求項２に記載の電力供給システム。

【請求項10】

前記電圧変換部は、
マイクロコントローラと、
前記変換電圧を出力する変換電圧出力端子と、
前記入力端子と前記変換電圧出力端子の間に配置された可変抵抗器と
を有し、
前記マイクロコントローラは、前記入力端子に前記入力電圧を供給する前記エナジーハーベスト電源に基づいて、前記可変抵抗器の抵抗値を設定する
請求項１に記載の電力供給システム。

【請求項11】

前記電力供給システムは前記エナジーハーベスト電源を複数備え、
前記マイクロコントローラは、複数の前記エナジーハーベスト電源のうち、前記入力端子に前記入力電圧を供給する前記エナジーハーベスト電源を選択し、選択した前記エナジーハーベスト電源に基づいて前記可変抵抗器の抵抗値を設定する
請求項１０に記載の電力供給システム。

【請求項12】

エナジーハーベスト電源から供給される入力電圧を昇圧して出力するスイッチング電源装置であって、
前記入力電圧が与えられる入力端子と、
昇圧された電圧が出力される出力端子と、
第１端子および第２端子を有し、前記第１端子が前記入力端子に接続されたコイルと、
前記コイルの前記第２端子とグランド端子の間に配置された第１スイッチと、
前記第２端子から前記出力端子に向かって順方向に配置されたダイオードと、
前記出力端子と前記グランド端子の間に配置されたコンデンサと、
前記入力電圧に基づいた変換電圧を出力する電圧変換部と、
前記電圧変換部から出力される前記変換電圧が入力され、前記変換電圧に応じた周波数を有し、前記第１スイッチを駆動する駆動信号を出力するスイッチ制御回路と
を有し、
前記電圧変換部は、前記電圧変換部を介さずに前記スイッチ制御回路に前記入力電圧が入力された場合に比べて、前記エナジーハーベスト電源の出力インピーダンスと、前記スイッチング電源装置の入力インピーダンスがより近い値となるように前記入力電圧を変換する
スイッチング電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力供給システムおよびスイッチング電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、昇圧型のスイッチング電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１９－１１５１８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

エナジーハーベスト電源の電圧をスイッチング電源装置によって昇圧する際に、エナジーハーベスト電源のインピーダンスとスイッチング電源装置のインピーダンスが近い値となることが好ましい。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様においては、エナジーハーベスト電源と、エナジーハーベスト電源から供給される入力電圧を昇圧して出力するスイッチング電源装置とを備える電力供給システムを提供する。スイッチング電源装置は、入力電圧が与えられる入力端子と、昇圧された電圧が出力される出力端子を有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、スイッチング電源装置は、第１端子および第２端子を有し、第１端子が入力端子に接続されたコイルを有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、スイッチング電源装置は、コイルの第２端子とグランド端子の間に配置された第１スイッチを有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、スイッチング電源装置は、第２端子から出力端子に向かって順方向に配置されたダイオードを有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、スイッチング電源装置は、出力端子とグランド端子の間に配置されたコンデンサを有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、スイッチング電源装置は、入力電圧に基づいた変換電圧を出力する電圧変換部を有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、スイッチング電源装置は、電圧変換部から出力される変換電圧が入力され、変換電圧に応じた周波数を有し、第１スイッチを駆動する駆動信号を出力するスイッチ制御回路を有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、電圧変換部を介さずにスイッチ制御回路に入力電圧が入力された場合に比べて、エナジーハーベスト電源の出力インピーダンスと、スイッチング電源装置の入力インピーダンスがより近い値となるように前記入力電圧を変換してよい。

【0005】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、変換電圧を出力する変換電圧出力端子を有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、入力端子と変換電圧出力端子の間に配置されたパッシブ回路またはアクティブ回路を有してよい。

【0006】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、パッシブ回路は、入力端子と変換電圧出力端子の間に配置された抵抗素子を有してよい。

【0007】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、抵抗素子の抵抗値は１ｋΩ以上１０ＭΩ以下であってよい。

【0008】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、前記変換電圧が定められた閾値に達したときに、変換電圧を閾値に保持する電圧リミット回路を更に有してよい。

【0009】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧リミット回路は、変換電圧出力端子からグランド端子に向かって順方向に配置された電圧リミッタ用ダイオードを有してよい。

【0010】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、入力電圧に応じた第２変換電圧を生成する第２変換部を有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、第２変換電圧を変換電圧出力端子に印加するか否かを切り替える第２スイッチを有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、第２変換電圧は、第２スイッチがオフ状態の場合の変換電圧よりも高い電圧であってよい。

【0011】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、第２変換部は、入力電圧に応じて第２スイッチを制御してよい。

【0012】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、アクティブ回路は、入力端子から変換電圧出力端子に向かって順方向に配置された電圧変換用ダイオードを有してよい。

【0013】

上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、マイクロコントローラを有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、変換電圧を出力する変換電圧出力端子を有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、電圧変換部は、入力端子と変換電圧出力端子の間に配置された可変抵抗器を有してよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、マイクロコントローラは、入力端子に入力電圧を供給するエナジーハーベスト電源に基づいて、可変抵抗器の抵抗値を設定してよい。

【0014】

上記いずれかの電力供給システムは、エナジーハーベスト電源を複数備えてよい。上記いずれかの電力供給システムにおいて、マイクロコントローラは、複数のエナジーハーベスト電源のうち、入力端子に入力電圧を供給するエナジーハーベスト電源を選択し、選択したエナジーハーベスト電源に基づいて可変抵抗器の抵抗値を設定してよい。

【0015】

本発明の第２の態様においては、エナジーハーベスト電源から供給される入力電圧を昇圧して出力するスイッチング電源装置を提供する。スイッチング電源装置は、入力電圧が与えられる入力端子と、昇圧された電圧が出力される出力端子を有してよい。上記いずれかのスイッチング電源装置は、第１端子および第２端子を有し、第１端子が入力端子に接続されたコイルを有してよい。上記いずれかのスイッチング電源装置は、コイルの第２端子とグランド端子の間に配置された第１スイッチを有してよい。上記いずれかのスイッチング電源装置は、第２端子から出力端子に向かって順方向に配置されたダイオードを有してよい。上記いずれかのスイッチング電源装置は、出力端子とグランド端子の間に配置されたコンデンサを有してよい。上記いずれかのスイッチング電源装置は、入力電圧に基づいた変換電圧を出力する電圧変換部を有してよい。上記いずれかのスイッチング電源装置は、電圧変換部から出力される変換電圧が入力され、変換電圧に応じた周波数を有し、第１スイッチを駆動する駆動信号を出力するスイッチ制御回路を有してよい。上記いずれかのスイッチング電源装置において、電圧変換部は、電圧変換部を介さずにスイッチ制御回路に入力電圧が入力された場合に比べて、エナジーハーベスト電源の出力インピーダンスと、スイッチング電源装置の入力インピーダンスがより近い値となるように入力電圧を変換してよい。

【0016】

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴のすべてを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１の実施例に係る電力供給システム１０を示す図である。

【図2】図１における発振回路７２のリングオシレータに設けられたインバータ８０の構成例を示す図である。

【図3】図１における昇圧部７４の構成例を示す図である。

【図4】図３におけるチャージポンプ８６の構成例を示す図である。

【図5】図３における変換部８８の構成例を示す図である。

【図6】図１における駆動部７６の構成例を示す図である。

【図7】信号ＣＬＫ２と駆動部７６により出力される駆動信号ＣＬＫ３との関係を示す図である。

【図8】電力供給システム１０の比較例を示す図である。

【図9】電圧変換部４２として、抵抗素子４６を用いる本発明の第２の実施例を示す図である。

【図10】抵抗素子４６の値を０Ω～１ＭΩまで振ったときの入力電圧Ｖｉｎと入力インピーダンスＲｉｎの関係を示す図である。

【図11】エナジーハーベスト電源の一例として、９２０ＭＨｚのマイクロ波信号を受電し、ＡＣ／ＤＣ変換して直流電力を得るレクテナ２８０の回路例を示す図である。

【図12】マイクロ波信号強度を変化させたときのレクテナ２８０の出力インピーダンスと、各マイクロ波信号強度で出力電力が最大となる最適出力電圧の関係を示す図である。

【図13】電圧変換部４２として、電圧リミット回路４７を用いる本発明の第３の実施例を示す図である。

【図14】出力強化機能をもつスイッチング電源装置２０を有する第４の実施例を示す図である。

【図15】電圧変換部４２として、電圧変換用ダイオード６０を使用する第５の実施例を示す図である。

【図16】電圧変換部４２として、可変抵抗器６４およびマイクロコントローラ６２を有する第６の実施例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。本明細書では、各図における同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。また、説明の便宜上一部の構成を図示しない場合がある。

【0019】

本明細書において「同一」または「等しい」のように称した場合、製造ばらつき等に起因する誤差を有する場合も含んでよい。当該誤差は、例えば１０％以内である。

【0020】

エナジーハーベストによって得られる電力は一般的には小さい電力であり、取り出せる電圧および電流は小さく、またその環境の変化により電力の時間的変化も大きいものである。このような微小な電力を収集し、センサーやマイコン、ＢＬＥ等が動作可能な電圧までキャパシタや２次電池に充電するのに昇圧ＩＣが使用される。

【0021】

図１は、本発明の第１の実施例に係る電力供給システム１０を示す図である。電力供給システム１０は、エナジーハーベスト電源１２とスイッチング電源装置２０を備える。スイッチング電源装置２０はエナジーハーベスト電源１２から供給される入力電圧Ｖｉｎを昇圧して出力する。スイッチング電源装置２０は、例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータである。

【0022】

エナジーハーベスト電源１２は、例えば、太陽光、白熱灯、蛍光灯、ＬＥＤ等の光エネルギーをエネルギー源とする光発電、機械の発する熱や環境温度等の熱エネルギーをエネルギー源とする熱電発電、機械の発する振動や橋・道路等の振動をエネルギー源とする振動発電、電磁波、電波等をエネルギーとする電磁波発電、または、微生物燃料電池に代表される生物の活動量をエネルギーに変換する生物発電、等の電源が持つ出力インピーダンスが負荷への電力の供給を制限するように働く電源である。このような電源からより多くの電力を取り出すためには、電源に接続されるスイッチング電源装置２０の入力インピーダンスを電源の出力インピーダンスに近づけることが好ましい。

【0023】

スイッチング電源装置２０は、入力電圧Ｖｉｎが与えられる入力端子２２と、昇圧された電圧が出力される出力端子２４と、第１端子３１および第２端子３２を有し、第１端子３１が入力端子２２に接続されたコイル３０と、コイル３０の第２端子３２とグランド端子３４の間に配置された第１スイッチ３６と、第２端子３２から出力端子２４に向かって順方向に配置されたダイオード３８と、出力端子２４とグランド端子３４の間に配置されたコンデンサ４０と、入力電圧Ｖｉｎに基づいた変換電圧Ｖｉｎ２を出力する電圧変換部４２と、電圧変換部４２から出力される変換電圧Ｖｉｎ２が入力され、変換電圧Ｖｉｎ２に応じた周波数を有し、第１スイッチ３６を駆動する駆動信号を出力するスイッチ制御回路７０を有する。第１スイッチ３６の一端は、コイル３０の第２端子３２と接続してよい。第１スイッチ３６の他端は、グランド端子３４に接続されてよい。ダイオード３８のアノード端子は、第２端子３２に接続されてよい。ダイオード３８のカソード端子は、出力端子２４に接続されてよい。コンデンサ４０の一端は、出力端子２４に接続されてよい。コンデンサ４０の他端は、グランド端子３４に接続されてよい。各端子および構成要素は、配線等を用いて接続されてよい。各グランド端子３４は共通の端子であってよく、異なる端子であってもよい。

【0024】

第１スイッチ３６は、例えば駆動信号によりオン、オフを制御するｎＭＯＳＦＥＴであってよい。本明細書では、ＭＯＳＦＥＴを単にＭＯＳと称する場合がある。駆動信号により第１スイッチ３６がオンすると、入力端子２２からコイル３０、第１スイッチ３６を介してグランド端子３４に電流が流れ、コイル３０にエネルギーが蓄えられる。第１スイッチ３６がオフすると、コイル３０に蓄えられたエネルギーはダイオード３８を介してコンデンサ４０に充電され、出力電圧Ｖｓｔｒｇが上昇する。

【0025】

スイッチ制御回路７０は、変換電圧Ｖｉｎ２の上昇に伴って発振周波数が上昇する発振回路７２と、発振回路７２が出力する発振信号ＣＬＫ１および変換電圧Ｖｉｎ２を昇圧する昇圧部７４と、第１スイッチ３６を駆動する駆動信号ＣＬＫ３を生成する駆動部７６とを備える。駆動部７６は、駆動信号ＣＬＫ３により第１スイッチ３６のスイッチング動作を制御する。

【0026】

発振回路７２は、例えばリングオシレータであり、ｎ個（奇数個）のインバータが直列に接続され、最終段のインバータの出力は、初段のインバータの入力に接続され、発振信号ＣＬＫ１を出力する。発振信号ＣＬＫ１の周波数は入力された電圧Ｖｉｎ２に応じて変化する。発振信号ＣＬＫ１の振幅（波高値）は変換電圧Ｖｉｎ２である。

【0027】

図２は、図１における発振回路７２のリングオシレータに設けられたインバータ８０の構成例を示す図である。インバータ８０はｐＭＯＳスイッチ８２とｎＭＯＳスイッチ８４を有し、インバータ８０に入力された信号がｐＭＯＳスイッチ８２とｎＭＯＳスイッチ８４のゲート端子に入力される。ｐＭＯＳスイッチ８２のソース端子には、入力電圧Ｖｉｎ２が入力され、ｎＭＯＳスイッチ８４のソース端子には、グランド端子が接続され、ｐＭＯＳスイッチ８２のドレインとｎＭＯＳスイッチ８４のドレインは出力に接続され、入力信号に応じて電圧を出力する。リングオシレータは変換電圧Ｖｉｎ２を制御電圧とする電圧制御発振器であり、変換電圧Ｖｉｎ２の上昇に伴って、発振周波数も上昇する。

【0028】

図３は、図１における昇圧部７４の構成例を示す図である。昇圧部７４は、発振信号ＣＬＫ１と入力電圧Ｖｉｎ２とが入力され、振幅が昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔの信号ＣＬＫ２と昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔが出力される、２入力２出力の構成であってよい。昇圧部７４は、チャージポンプ８６と変換部８８を有する。チャージポンプ８６は、入力電圧Ｖｉｎ２を電圧Ｖｂｏｏｓｔに昇圧する。変換部８８は、入力された発振信号ＣＬＫ１の振幅Ｖｉｎ２を電圧Ｖｂｏｏｓｔに変換した信号ＣＬＫ２を出力する。

【0029】

図４は、図３におけるチャージポンプ８６の構成例を示す図である。チャージポンプ８６は、インバータ１０５、インバータ１１０に入力された相補的信号ＣＬＫ１、－ＣＬＫ１により、ｎＭＯＳスイッチ１２０－１～１２０－５を介して昇圧用コンデンサ１３０－１～１３０－４に電荷が流れ込み、ｎＭＯＳスイッチ１２０－１～１２０－５の間の各ノードを昇圧し、入力電圧Ｖｉｎ２のｘ倍の電圧値を有する電圧Ｖｂｏｏｓｔを出力する。
例えば、３段のｎＭＯＳスイッチ１２０－１～１２０－３のみの場合には、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔは３×Ｖｉｎ２となり、図４のような５段の場合には、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔは５×Ｖｉｎ２となる。

【0030】

図５は、図３における変換部８８の構成例を示す図である。変換部８８は、複数のインバータ１５０、インバータ１５５、インバータ１６０と、複数のＭＯＳスイッチ１７０、ＭＯＳスイッチ１８０、ＭＯＳスイッチ１９０、ＭＯＳスイッチ２００を有する。変換部８８は、発振信号ＣＬＫ１と、変換電圧Ｖｉｎ２と、チャージポンプ８６からの電圧Ｖｂｏｏｓｔとが入力され、振幅を変換電圧Ｖｉｎ２から昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔに変換した信号ＣＬＫ２を出力する。なお、インバータ１５０、インバータ１５５、インバータ１６０は、図２に示すものと同様であってよい。

【0031】

図６は、図１における駆動部７６の構成例を示す図である。駆動部７６は、昇圧部７４で昇圧された信号ＣＬＫ２に対して、変換電圧Ｖｉｎ２によらない固定のハイサイドのパルス幅の信号を出力する。駆動部７６は、複数のＭＯＳスイッチ２１０、ＭＯＳスイッチ２１５、ＭＯＳスイッチ２２０、ＭＯＳスイッチ２２５、ＭＯＳスイッチ２３０、ＭＯＳスイッチ２３５と、複数のインバータ２４０、インバータ２５０と、抵抗２６０と、コンデンサ２７０を有する。駆動部７６は、昇圧電圧Ｖｂｏｏｓｔおよび信号ＣＬＫ２が入力され、抵抗２６０の抵抗値Ｒとコンデンサ２７０の容量Ｃの比（例えば信号の立ち上がりを基準にＲ×Ｃの時定数τ）で決まる固定のパルス幅の信号を駆動信号ＣＬＫ３として出力してよい。

【0032】

図７は、信号ＣＬＫ２と駆動部７６により出力される駆動信号ＣＬＫ３との関係を示す図である。信号ＣＬＫ２は、発振回路７２における発振動作において変換電圧Ｖｉｎ２に依存するパルス幅を有する。一方駆動信号ＣＬＫ３は、駆動部７６において変換電圧Ｖｉｎ２に依存したパルス幅から固定のパルス幅へ変更される。本例の駆動信号ＣＬＫ３は、信号ＣＬＫ２と同一周期である。駆動信号ＣＬＫ３の信号の立ち上がりタイミングは、信号ＣＬＫ２と同一であってよい。駆動信号ＣＬＫ３のパルス幅は、信号ＣＬＫ２のパルス幅よりも小さくてよい。

【0033】

変換電圧Ｖｉｎ２が小さい時には発振回路７２の発振信号ＣＬＫ１の周波数であるスイッチング周波数が低下するので、単位時間あたりに第１スイッチ３６のオンする回数が減少する。これにより、入力端子２２から過度の電流を引き込むことなく、入力電圧Ｖｉｎの低下を抑制できる。従って、小さい電力のエナジーハーベストにおいても、電圧の昇圧が可能である。また、一般的な昇圧ＩＣと異なり、スイッチ制御回路７０の消費電流を出力Ｖｓｔｒｇから引き込まないため、入力電圧Ｖｉｎが低下しても、コンデンサ４０に充電された電力をほとんど消費しない。

【0034】

ここでコイルのインダクタンスをＬとし、駆動信号ＣＬＫ３の固定のパルス幅をＴｏｎ、駆動信号ＣＬＫ３の周波数をｆｏｓｃとすると、入力端子２２からコイル３０を介して第１スイッチ３６に流れる平均電流Ｉｓｗは次式で表される。

【数1】

【0035】

一方、ダイオード３８を介して出力される平均電流Ｉｓｔｒｇは次式で表される。

【数2】

【0036】

（１）式と（２）式の和（Ｉｓｗ＋Ｉｓｔｒｇ）が入力電流Ｉｉｎであるとみなせるが、Ｖｉｎ＜＜Ｖｓｔｒｇの条件では入力電流Ｉｉｎは次式となる。

【数3】

【0037】

したがって、駆動信号ＣＬＫ３のパルス幅が固定の場合は、スイッチング電源装置２０の入力インピーダンスＲｉｎは次式と近似できる。

【数4】

【0038】

（４）式より入力インピーダンスは第１スイッチ３６の駆動信号周波数に反比例する。
駆動信号周波数は発振回路７２であるリングオシレータの発振周波数であり、変換電圧Ｖｉｎ２により発振周波数が決まることから、すなわち、電圧変換部４２が変換電圧Ｖｉｎ２を適切に制御することにより、入力インピーダンスを制御できる。

【0039】

電圧変換部４２は、少なくとも入力電圧Ｖｉｎに基づいて変換電圧Ｖｉｎ２を出力する、抵抗、ダイオード、トランジスタおよびそれらを含む一つまたは複数の素子で構成されたパッシブ回路またはアクティブ回路であってよい。電圧変換部４２は、スイッチ制御回路７０に入力電圧Ｖｉｎが入力された場合に比べて、エナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスと、スイッチング電源装置２０の入力インピーダンスがより近い値となるように入力電圧Ｖｉｎを変換してよい。スイッチ制御回路７０に入力電圧Ｖｉｎが入力された場合とは、電圧変換部を介さずに（例えば、電圧変換部４２が設けられずに）、入力電圧Ｖｉｎがそのままスイッチ制御回路７０に入力されることを指す。エナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスと、スイッチング電源装置２０の入力インピーダンスは、入力電圧Ｖｉｎが０．５Ｖの条件で比較してよく、１Ｖの条件で比較してよく、１．５Ｖの条件で比較してよく、２Ｖの条件で比較してよく、他の入力電圧Ｖｉｎの条件で比較してもよい。入力電圧Ｖｉｎは電圧変換部４２にて変換され、変換電圧Ｖｉｎ２となり、スイッチ制御回路７０に出力される。電圧変換部４２が、エナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスとスイッチング電源装置２０の入力インピーダンスが近い値となるように変換電圧Ｖｉｎ２を出力することにより、高効率の電力供給システムを実現できる。

【0040】

図８は、電力供給システム１０の比較例を示す図である。比較例の電力供給システム１０は図１の電力供給システム１０と比べて、電圧変換部４２を備えない点で相違する。その他の構成は図１の電力供給システム１０と同様である。

【0041】

比較例の電力供給システム１０は、電圧変換部４２を備えないため、入力電圧Ｖｉｎがそのままスイッチ制御回路７０へ入力される。比較例の電力供給システム１０においても、スイッチ制御回路７０が発生する駆動信号ＣＬＫ３の周波数は入力電圧Ｖｉｎが上昇するとともに上昇する。そのため、入力電圧Ｖｉｎが上昇すればコイル３０に流れる平均電流も急激に増加し、スイッチング電源装置２０の入力インピーダンスは大幅に低下する。
これはソーラーセルのように照度の上昇による電力増加に伴って出力インピーダンスが低下するエナジーハーベスト電源１２には好都合であるが、電波を整流するような出力インピーダンスがあまり変化しないエナジーハーベスト電源１２や、スイッチング電源装置２０の入力インピーダンスと大きく異なるインピーダンスを持つエナジーハーベスト電源１２に対しては、エナジーハーベスト電源１２のインピーダンスとスイッチング電源装置２０のインピーダンスがマッチしなくなり、電力伝送効率を大きく低下させることになる。

【0042】

インピーダンスをマッチさせる手段として、最大電力追従（ＭＰＰＴ）機能を持つ昇圧ＩＣを用いることも考えられる。しかし、ＭＰＰＴ機能を持つ昇圧ＩＣは消費電力が大きく、出力電力を自己消費してしまう。このため、入力電力が一時的に低下または消失するような、低電力で不安定なエネルギー環境においては、有効に昇圧動作させることができない。

【0043】

図９は、電圧変換部４２として、抵抗素子４６を用いる本発明の第２の実施例を示す図である。電圧変換部４２は、変換電圧Ｖｉｎ２を出力する変換電圧出力端子４４と、入力端子２２と変換電圧出力端子４４の間に配置されたパッシブ回路４５またはアクティブ回路を有してよい。本例のパッシブ回路４５は、入力端子２２と変換電圧出力端子４４の間に配置された抵抗素子４６を有する。抵抗素子４６の一端は入力端子２２に接続されてよい。抵抗素子４６の他端は変換電圧出力端子４４に接続されてよい。抵抗素子４６は、スイッチング電源装置２０に含まれるＩＣチップに内蔵された、ポリシリコン抵抗、ディフュージョン抵抗、ｎＭＯＳ、または、ｐＭＯＳなどを用いてもよい。抵抗素子４６は、ディスクリート抵抗素子を用いてもよい。これらの抵抗素子４６は、可変抵抗器であってもよい。また、抵抗素子４６はエナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスとスイッチング電源装置２０の入力インピーダンスが近い値となるよう選定されてよい。

【0044】

スイッチ制御回路７０に流入する電流Ｉｉｎ２は変換電圧Ｖｉｎ２の上昇に伴って増加するため、入力電圧Ｖｉｎが上昇しても、変換電圧Ｖｉｎ２はＲｄ×Ｉｉｎ２だけ電圧降下し、変換電圧Ｖｉｎ２の電圧上昇が妨げられる。その結果、スイッチ制御回路７０の発生する駆動信号ＣＬＫ３の周波数の上昇が抑えられ、スイッチング電源装置２０の入力インピーダンスが低下するのを緩和することができる。

【0045】

図１０は、抵抗素子４６の抵抗値を０Ω～１ＭΩまで振ったときの入力電圧Ｖｉｎと入力インピーダンスＲｉｎの関係を示す図である。抵抗値が０Ωとは、抵抗素子４６を設けていないことを指している。電圧変換部４２として使用する抵抗素子４６の値により、入力インピーダンスＲｉｎを幅広く設定可能であることを示している。抵抗素子４６の抵抗値は１ｋΩ以上１０ＭΩ以下であってよく、１０ｋΩ以上１ＭΩ以下であってよく、１００ｋΩ以上１ＭΩ以下であってよい。エナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスはその種類により、数十Ω～数十ｋΩまで広い範囲の値をとることが知られており、本実施例を用いれば、各エナジーハーベスト電源１２に適した入力インピーダンスでの高効率の昇圧動作を実現できる。また、ＭＰＰＴ回路のような出力電力を消費する動作ではないため、一時的に入力電力が低下または消失するような、低電力で不安定なエネルギー環境であっても、電力を消費することなく、有効な昇圧動作が可能である。

【0046】

図１１は、エナジーハーベスト電源の一例として、９２０ＭＨｚのマイクロ波信号を受電し、ＡＣ／ＤＣ変換して直流電力を得るレクテナ２８０の回路例を示す図である。図１１のレクテナ２８０はアンテナ２８２と、整合回路２８４と、整流回路２８６を備える。

【0047】

図１２は、マイクロ波信号強度を変化させたときのレクテナ２８０の出力インピーダンスと、各マイクロ波信号強度で出力電力が最大となる最適出力電圧の関係を示す図である。入力されるマイクロ波信号強度の上昇とともに最適出力電圧は上昇する。最適出力電圧が約０．１Ｖから約２Ｖまで上昇すると、出力抵抗は約８ｋΩから約４ｋΩに減少する。

【0048】

図１０のグラフより、電圧変換部４２を設けない方式（例えば抵抗素子４６の抵抗値が０Ω）では、入力電圧Ｖｉｎが約２Ｖまで上昇すると、入力インピーダンスＲｉｎは約１００Ωまで低下する。このため、レクテナ２８０に対して伝送効率は低くなってしまう。これに対して、電圧変換部４２の抵抗素子４６の抵抗値＝４７０ｋΩを選択することにより、レクテナ２８０の出力インピーダンスに近いスイッチング電源装置２０の入力インピーダンス（１ｋΩから数ｋΩ程度）を実現でき、伝送効率を高くすることができる。また、図１０で示される入力インピーダンスは、図１２のレクテナ２８０の出力インピーダンスと同様に、電圧上昇とともに追従して減少しており、より広いマイクロ波入力電力範囲にわたって高効率を得ることに適している。エナジーハーベスト電源１２が、レクテナ２８０のように、出力電圧の上昇に応じて出力インピーダンスが減少する電源である場合に、電圧変換部４２は抵抗素子４６を有してよい。

【0049】

図１３は、電圧変換部４２として、電圧リミット回路４７を用いる本発明の第３の実施例を示す図である。電圧変換部４２は、変換電圧Ｖｉｎ２が定められた閾値に達したときに、変換電圧Ｖｉｎ２を閾値に保持する電圧リミット回路４７を有してよい。本例の電圧変換部４２は、パッシブ回路４５の一例である抵抗素子４６と電圧リミット回路４７を有する。電圧変換部４２は、電圧リミット回路４７のみを有してもよい。

【0050】

本例の電圧リミット回路４７は、変換電圧出力端子４４からグランド端子３４に向かって順方向に配置された電圧リミッタ用ダイオード４８を有する。電圧リミッタ用ダイオード４８のアノード端子は、変換電圧Ｖｉｎ２に接続されてよい。電圧リミッタ用ダイオード４８のカソード端子は、グランド端子３４に接続されてよい。電圧リミット回路４７はダイオードに限らず、例えば変換電圧Ｖｉｎ２が定められた閾値に達したときに、グランド端子３４に電流を流して変換電圧Ｖｉｎ２を閾値に保持するＭＯＳ、バイポーラトランジスタ、抵抗、キャパシタ等で構成されたパッシブまたはアクティブ回路を有してよい。

【0051】

電圧リミット回路４７にダイオードを用いると変換電圧Ｖｉｎ２はダイオードの順方向電圧Ｖｆに制限されるため、図１０に示したグラフよりも入力インピーダンスの入力電圧依存性をよりフラットに保つことができる。電圧リミッタに使用する電圧リミッタ用ダイオード４８は、複数のダイオードを直列にしてもよい。例えば、２個のダイオードを直列にした場合の電圧リミット値は２×Ｖｆとなる。

【0052】

図１４は、出力強化機能をもつスイッチング電源装置２０を有する第４の実施例を示す図である。本例の電圧変換部４２は、抵抗素子４６および変換電圧出力端子４４に加えて、入力電圧Ｖｉｎに応じた第２変換電圧Ｖｉｎ３を生成する第２変換部５０と、第２変換電圧Ｖｉｎ３を変換電圧出力端子４４に印加するか否かを切り替える第２スイッチ５２を有する。

【0053】

第２変換電圧Ｖｉｎ３は、第２スイッチ５２がオフ状態の場合の変換電圧Ｖｉｎ２よりも高い電圧であってよい。第２変換部５０は、入力電圧Ｖｉｎに応じて第２スイッチ５２を制御してよい。通常、第２スイッチ５２はオフしており、スイッチング電源装置２０は実施例２と同様に抵抗素子４６の値で決まる入力インピーダンスで動作する。第２変換部５０は、スイッチング電源装置２０から電力が供給される後段のシステムの消費電力に基づいて、第２スイッチ５２を制御してよい。例えばスイッチング電源装置２０は、後段システムの消費電力が所定の閾値以上の場合に、第２スイッチ５２をオン状態に制御してよい。これによりスイッチ制御回路７０には、変換電圧Ｖｉｎ２よりも高い第２変換電圧Ｖｉｎ３が印加され、より大きな電力を後段システムに出力できる。第２変換電圧Ｖｉｎ３は、入力電圧Ｖｉｎより小さい電圧であってよい。例えば第２変換電圧Ｖｉｎ３は、入力電圧Ｖｉｎと変換電圧Ｖｉｎ２の間の電圧であってよく、入力電圧Ｖｉｎよりも高い電圧であってもよい。第２変換部５０は、後段システムの消費電力が所定の閾値以上であり、且つ、スイッチング電源装置２０からの出力電力が増加可能である場合に、第２スイッチ５２をオン状態に制御してよい。スイッチング電源装置２０からの出力電力が増加可能であるかは、入力電力Ｖｉｎの大きさ、入力電流Ｉｉｎの大きさ、および、エナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスＲｓの少なくともいずれかから、第２変換部５０が判断してよい。第２変換部５０は、入力電圧Ｖｉｎおよび入力電流Ｉｉｎの少なくとも一方が所定の閾値以上の場合に、出力電力の増加が可能と判断してよい。第２変換部５０は、出力インピーダンスＲｓが所定の閾値以下の場合に、出力電力の増加が可能と判断してよい。これにより、スイッチ制御回路７０から出力される駆動信号の周波数が増加し、スイッチング電源装置２０が引き込む入力電流Ｉｉｎが増加し、出力電力を増加させることができる。

【0054】

第２変換部５０は、Ａ／Ｄコンバータ５４、マイクロコントローラ５６、Ｄ／Ａコンバータ５８を備えてよい。Ａ／Ｄコンバータ５４は、入力電圧Ｖｉｎを入力とし、Ｄ／Ａコンバータ５８は、第２スイッチ５２を通して変換電圧Ｖｉｎ２に第２変換電圧Ｖｉｎ３を出力する。マイクロコントローラ５６は、Ａ／Ｄコンバータ５４の出力に接続され、Ｄ／Ａコンバータ５８と第２スイッチ５２を制御する。

【0055】

マイクロコントローラ５６は、Ａ／Ｄコンバータ５４で測定した入力電圧Ｖｉｎの値および入力電流Ｉｉｎの値の結果に基づいて、第２スイッチ５２をオン状態にして、Ｄ／Ａコンバータ５８の出力で変換電圧Ｖｉｎ２を駆動する。マイクロコントローラ５６は、入力電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値以上である場合に第２スイッチ５２をオン状態にしてよく、入力電流Ｉｉｎの値が所定の閾値以上である場合に第２スイッチ５２をオン状態にしてよい。Ｄ／Ａコンバータ５８の出力電圧である第２変換電圧Ｖｉｎ３は、入力電圧Ｖｉｎと抵抗素子４６で決まる変換電圧Ｖｉｎ２よりも高い電圧であってよい。

【0056】

マイクロコントローラ５６は、Ａ／Ｄコンバータ５４の出力結果に基づいて、入力電力の大きさ、または／およびエナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスを推定し、出力電力の増加が可能かどうかを判断する。出力電力の増加が可能であれば、マイクロコントローラ５６は、Ｄ／Ａコンバータ５８を第２変換電圧Ｖｉｎ３に設定し、第２スイッチ５２をオン状態にして変換電圧Ｖｉｎ２を所定の電圧に上昇させる。これにより駆動信号ＣＬＫ３の周波数を増大させて、出力電力を増大させる。

【0057】

図１５は、電圧変換部４２として、電圧変換用ダイオード６０を使用する第５の実施例を示す図である。本例の電圧変換部４２は、変換電圧Ｖｉｎ２を出力する変換電圧出力端子４４とアクティブ回路４９を有する。本例のアクティブ回路４９は、入力端子２２から変換電圧出力端子４４に向かって順方向に配置された電圧変換用ダイオード６０を有する。電圧変換用ダイオード６０のアノード端子は、入力端子２２に接続されてよい。電圧変換用ダイオード６０のカソード端子は、変換電圧出力端子４４に接続されてよい。電圧変換用ダイオード６０は、一つまたは複数のダイオードを直列に接続し、入力電圧Ｖｉｎと変換電圧Ｖｉｎ２の間に順方向に接続する。ここで電圧変換用ダイオード６０の順方向電圧をＶｆ２とすると、実施例５における入力電圧Ｖｉｎは次式であらわされる。

【数5】

【0058】

ソーラー発電セルの最適出力電圧は開放電圧Ｖｓの約８０％であるが、照度の変化に対して、開放電圧Ｖｓの変化は小さく、低電力の場合は電流供給能力が低下するため、入力電流Ｉｉｎにより入力電圧Ｖｉｎが最適点から大きく低下する。このような用途には、電圧変換部４２に電圧変換用ダイオード６０を使用する実施例５を使用すれば、入力電圧Ｖｉｎは（５）式となるように、入力インピーダンスは自動的に調整され、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ２は、スイッチ制御回路７０への入力電流Ｉｉｎ２の変化による変化が小さいことから、ソーラー発電セルに照射される光の照度が低下しても、スイッチング電源装置２０の入力電圧Ｖｉｎが低下することなく、低電力まで高効率で電力を取り出すことができる。エナジーハーベスト電源１２がソーラーセルを含む場合に、電圧変換部４２は電圧変換用ダイオードを備えてよい。

【0059】

図１６は、電圧変換部４２として、可変抵抗器６４およびマイクロコントローラ６２を有する第６の実施例を示す図である。本例の電圧変換部４２は、マイクロコントローラ６２と、変換電圧Ｖｉｎ２を出力する変換電圧出力端子４４と、入力端子２２と変換電圧出力端子４４の間に配置された可変抵抗器６４を有する。可変抵抗器６４の一端は、入力端子２２に接続されてよい。可変抵抗器６４の他端は、変換電圧出力端子４４に接続されてよい。

【0060】

マイクロコントローラ６２は、入力端子２２に入力電圧Ｖｉｎを供給するエナジーハーベスト電源１２に基づいて、可変抵抗器６４の抵抗値を設定する。マイクロコントローラ６２は、エナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスに基づいて可変抵抗器６４の抵抗値を設定してよい。マイクロコントローラ６２は、入力端子２２に接続されるエナジーハーベスト電源１２に基づいて、可変抵抗器６４の抵抗値を設定してよい。抵抗値の設定は、スイッチ制御回路７０に入力電圧Ｖｉｎが入力された場合に比べて、入力端子２２に接続されるエナジーハーベスト電源１２の出力インピーダンスと、スイッチング電源装置２０の入力インピーダンスがより近い値となるように行われる。これにより、電圧変換部４２の構成を変えることなく様々なエナジーハーベスト電源１２に対してインピーダンスをマッチさせることができる。

【0061】

第６の実施例における電力供給システム１０は、エナジーハーベスト電源１２を複数備えてよい。マイクロコントローラ６２は、複数のエナジーハーベスト電源１２のうち、入力端子２２に入力電圧Ｖｉｎを供給するエナジーハーベスト電源１２を選択し、選択したエナジーハーベスト電源１２に基づいて可変抵抗器６４の抵抗値を設定してよい。マイクロコントローラ６２は、複数のエナジーハーベスト電源１２のうち、入力端子２２に接続されるエナジーハーベスト電源１２を選択し、選択したエナジーハーベスト電源１２に基づいて可変抵抗器６４の抵抗値を設定してよい。

【0062】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【符号の説明】

【0063】

１０・・・電力供給システム、１２・・・エナジーハーベスト電源、２０・・・スイッチング電源装置、２２・・・入力端子、２４・・・出力端子、３０・・・コイル、３１・・・第１端子、３２・・・第２端子、３４・・・グランド端子、３６・・・第１スイッチ、３８・・・ダイオード、４０・・・コンデンサ、４２・・・電圧変換部、４４・・・変換電圧出力端子、４５・・・パッシブ回路、４６・・・抵抗素子、４７・・・電圧リミット回路、４８・・・電圧リミッタ用ダイオード、４９・・・アクティブ回路、５０・・・第２変換部、５２・・・第２スイッチ、５４・・・Ａ／Ｄコンバータ、５６・・・マイクロコントローラ、５８・・・Ｄ／Ａコンバータ、６０・・・電圧変換用ダイオード、６２・・・マイクロコントローラ、６４・・・可変抵抗器、７０・・・スイッチ制御回路、７２・・・発振回路、７４・・・昇圧部、７６・・・駆動部、８０・・・インバータ、８２・・・ｐＭＯＳスイッチ、８４・・・ｎＭＯＳスイッチ、８６・・・チャージポンプ、８８・・・変換部、１０５・・・インバータ、１１０・・・インバータ、１２０・・・ｎＭＯＳスイッチ、１３０・・・昇圧用コンデンサ、１５０・・・インバータ、１５５・・・インバータ、１６０・・・インバータ、１７０・・・ＭＯＳスイッチ、１８０・・・ＭＯＳスイッチ、１９０・・・ＭＯＳスイッチ、２００・・・ＭＯＳスイッチ、２１０・・・ＭＯＳスイッチ、２１５・・・ＭＯＳスイッチ、２２０・・・ＭＯＳスイッチ、２２５・・・ＭＯＳスイッチ、２３０・・・ＭＯＳスイッチ、２３５・・・ＭＯＳスイッチ、２４０・・・インバータ、２５０・・・インバータ、２６０・・・抵抗、２７０・・・コンデンサ、２８０・・・レクテナ、２８２・・・アンテナ、２８４・・・整合回路、２８６・・・整流回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】