エナジーハーベスタ回路のためのバッテリ保護回路及び方法
収集された電圧（Ｖｈｒｖ）をバッテリ（６）に印加される出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換するための電力管理回路（７−２、３、４）であって、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタ（Ｌ０）を含む。この電力管理回路は、バッテリ（６）がフル充電されていない場合、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をバッテリに転送し、フル充電されている場合、過充電を避けるため、その電流をバッテリ（６）からシャントする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、非常に低いレベルのエネルギーを回収するため又は収集するための、例えば振動エナジーハーベスタなどの、エナジーハーベスタに関し、更に特定して言えば、収集したエネルギーを保存するバッテリ又はスーパーキャパシタを保護するための回路及び方法に関連する。
【０００２】
本発明は更に、インダクタ及び／又はＤＣ−ＤＣコンバータ回路内の他の回路構成要素、又はエナジーハーベスタの出力からエネルギーを受け取る他の電力管理回路に対するサージ電流損傷を防ぐための回路及び方法に関連する。
【背景技術】
【０００３】
必要とする動作電流量が非常に低い、種々の非常に低い電力の、即ち「ナノパワー」の集積回路が開発されてきている。こういった回路は、マイクロエナジーハーベスティングデバイスを用いて大気太陽エネルギー、振動エネルギー、熱エネルギー、及び／又は生物的エネルギー源から回収又は収集し、その後バッテリ又はスーパーキャパシタに保存される、非常に小さな量の電力で稼働することが可能である。（本明細書において用いられるように「ナノパワー」という用語は、約１マイクロアンペアより小さいＤＣ電流を引き出す回路及び／又は回路構成要素を包含することが意図されている。）ハーベスタから利用可能なエネルギーの量は通常小さく、予測不能であるため、これらの用途においてハーベスタからのエネルギーが用いることができない又は不充分であるとき、システム電力要求に提供するための中間エネルギー蓄積が必要とされる場合がある。リチウムバッテリ又はスーパーキャパシタが、通常このような中間エネルギー蓄積に用いられる。
【０００４】
図１は、大型のフィルタキャパシタＣ０の一方の端子に及び従来のブーストコンバータ７−１の入力に接続される導体３にＤＣ電圧Ｖｈｒｖを生成するエナジーハーベスタ２を含む回路１を示す。ブーストコンバータ７−１は、Ｖｈｒｖと導体４との間に結合され、スイッチＳ０の一方の端子に及びダイオードＤ０のアノードに接続されるインダクタＬ０を含む。スイッチＳ０の他方の端子は接地に接続される。ダイオードＤ０のカソードは、導体５によりバッテリ又はスーパーキャパシタ６の（＋）端子に接続される。
【０００５】
エナジーハーベスタ２のための適切な電力管理回路がスイッチＳ０を制御して、バッテリ／スーパーキャパシタ６がその最大値又はフル充電された電圧ＶＢＡＴ（ｍａｘ）までフル充電されていない場合、エネルギーがハーベスタ２から利用可能であるときバッテリ／スーパーキャパシタ６の充電を提供するようにする。（典型的なリチウムバッテリの場合、ＶＢＡＴ（ｍａｘ）は４．５ボルトである。）
【０００６】
バッテリ６がＶＢＡＴ（ｍａｘ）までフル充電されている場合、更なる充電がそれに恒久的な損傷を与える可能性がある。図１の保護されていないシステムでは、ハーベスタ２からの電流がバッテリ／スーパーキャパシタ６を過充電しないようにさせるものは何もない。しかし、ハーベスタ２により生成される出力電圧Ｖｈｒｖは、バッテリ／スーパーキャパシタへの損傷を防ぐためＶＢＡＴ（ｍａｘ）より低い値に制限されるべきである。また、このようなＶｈｒｖの制限は、充電されたフィルタキャパシタＣ０により供給されるサージ電流がインダクタＬ０及び／又は電力管理回路内の他の回路構成要素などの回路構成要素を損傷させないようにすべきである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の実施例は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）をエネルギー蓄積デバイス（６）に印加される出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換するための電力管理回路（７−２、３、４）を提供し、この電力管理回路は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタ（Ｌ０）を含む。この電力管理回路は、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されていない場合、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイスに転送し、フル充電されている場合、過充電を避けるため、その電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。
【０００８】
一実施例において、本発明は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を生成するためのエナジーハーベスタ（２）、及び収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換するためのエネルギー管理回路（７−２、３、４）を含むエナジーハーベスティングシステム（１０−１、２、３）を提供する。エネルギー管理回路（７−２、３、４）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子（４）とを有するインダクタ（Ｌ０）を含む。エネルギー蓄積デバイス（６）が、出力電圧（ＶＢＡＴ）を受け取るよう結合される。エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、エネルギー管理回路（７−２、３、４）内の保護回路（図２のＳ０ａ、Ｒｓ、図３、４のＳ１、ＲＳ、１５−１、２）が、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。エネルギー管理回路（７−２、３、４）は、第１のスイッチ（Ｓ０）の制御端子に結合される制御回路（１５−１、２）を含む。
【０００９】
一実施例において、エネルギー管理回路（７−３、４）は、シャントを実行するためエナジーハーベスタ（２）と並列に結合される第２のスイッチ（Ｓ１）を含み、第２のスイッチ（Ｓ１）が、シャントを制御するための制御回路（１５−１、２）に結合される制御端子を有する。一実施例において、第２のスイッチ（Ｓ１）の第１の端子が第１の参照電圧（ＧＮＤ）に結合され、第２のスイッチ（Ｓ１）の第２の端子が電流制限レジスタ（Ｒｓ）の第１の端子に結合され、電流制限レジスタ（Ｒｓ）の第２の端子がインダクタ（Ｌ０）の第１の端子（３）に結合される。一実施例において、このエナジーハーベスティングシステムは、エナジーハーベスタ（２）と並列に結合されるフィルタキャパシタ（Ｃ０）を含む。一実施例において、エネルギー管理回路（７−２、３、４）は、インダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）と出力電圧（ＶＢＡＴ）との間に結合される整流要素（Ｄ０）を含む。説明される実施例において、エネルギー管理回路（７−２、３、４）はブーストコンバータを含む。
【００１０】
一実施例において、制御回路（１５−１、２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）と出力電圧（ＶＢＡＴ）を受信するように結合され、出力電圧（ＶＢＡＴ）を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧（ＶＢＡＴ（ｍａｘ）と比較するよう動作して、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されているかどうかを判定し、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、更に、第１のスイッチ（Ｓ０）を開に及び第２のスイッチ（Ｓ１）を閉に保つよう機能して、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をインダクタ（Ｌ０）及びエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。一実施例において、制御回路（１５−１、２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を出力電圧（ＶＢＡＴ）と比較し、第２のスイッチ（Ｓ１）を開に保ち、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より小さい場合、エネルギー管理回路（７−２、３、４）による収集された電圧（Ｖｈｒｖ）のブースト達成するように第１のスイッチ（Ｓ０）を動作させるよう動作する。
【００１１】
説明される実施例において、制御回路（１５−１、２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より小さく、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電より少なく充電されている場合、第１の（Ｓ０）及び第２の（Ｓ１）スイッチを開に保つよう動作する。
【００１２】
説明される実施例において、制御回路（１５−２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の入力（−）と、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されることを示す電圧（５０）を受け取るよう結合される第２の入力（＋）と、第２のスイッチ（Ｓ１）の制御端子に結合される出力とを有するコンパレータ（１２）を含み、制御回路（１５−２）が、出力電圧（ＶＢＡＴ）を受け取るよう結合される第１の入力（−）と、最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧（ＶＢＡＴ（ｍａｘ））を受け取るよう結合される第２の入力（＋）と、パルス幅変調回路（４２）を用いて第１のスイッチ（Ｓ０）の制御端子に結合される出力とを有する増幅器（１７）を含む。
【００１３】
説明される実施例において、エネルギー管理回路（７−２）は、シャントを実行するため第１のスイッチ（Ｓ０）と並列に結合される第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を含む。第２のスイッチ（Ｓ０ａ）は、シャントを制御するための制御回路（１５−１）に結合される制御端子を有する。第２のスイッチ（Ｓ０ａ）の第１の端子が第１の参照電圧（ＧＮＤ）に結合され、第２のスイッチ（Ｓ０ａ）の第２の端子はインダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）に結合される。
【００１４】
一実施例において、電流制限レジスタ（Ｒｓ）が、第２のスイッチ（Ｓ０ａ）の第２の端子をインダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）に結合し、制御回路（１５−１）が、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）と出力電圧（ＶＢＡＴ）を受信するように結合され、出力電圧（ＶＢＡＴ）を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧（ＶＢＡＴ（ｍａｘ））と比較するよう動作して、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されているかどうかを判定する。制御回路（１５−１）は、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、更に、第１のスイッチ（Ｓ０）を開に及び第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を閉に保つよう機能して、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。
【００１５】
一実施例において、制御回路（１５−１）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を出力電圧（ＶＢＡＴ）と比較するよう動作し、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より小さい場合、第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を開に保ち、エネルギー管理回路（７−２）による収集された電圧（Ｖｈｒｖ）のブーストを達成するように第１のスイッチ（Ｓ０）を動作させる。
【００１６】
一実施例において、本発明は、エナジーハーベスタ（２）からエネルギーを収集して、収集された電圧を生成するための方法を提供し、この方法が、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と、第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子（４）とを有するインダクタ（Ｌ０）を含むエネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いて、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）をエネルギー蓄積デバイス（６）に印加される出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換すること、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されていない場合、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流を、エネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いてエネルギー蓄積デバイスに転送すること、及び、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、エネルギー蓄積デバイス（６）を過充電することを避けるため、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントすることを含む。
【００１７】
一実施例において、この方法は、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をインダクタ（Ｌ０）からシャントすることを含む。一実施例において、この方法は、電流制限レジスタ（Ｒｓ）及び第２のスイッチ（Ｓ１）を介して、インダクタ（Ｌ０）の第１の端子（３）を参照電圧（ＧＮＤ）に結合することを含む。一実施例において、この方法は、電流制限レジスタ（Ｒｓ）及び第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を介して、インダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）を参照電圧（ＧＮＤ）に結合することを含む。一実施例において、この方法は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より大きい場合、第１のスイッチ（Ｓ０）を開に及び第２のスイッチ（Ｓ１）を閉に保つよう制御回路（１５−１、２）を動作させることを含む。
【００１８】
一実施例において、本発明は、エナジーハーベスタ（２）からエネルギーを収集して、ＤＣハーベスト電圧（Ｖｈｒｖ）を生成するためのシステムを提供し、このシステムが、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と、第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子（４）とを有するインダクタ（Ｌ０）を含むエネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いて、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）をエネルギー蓄積デバイス（６）に印加される出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換するための手段（７−１、２）、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されていない場合、エネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いて、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）に転送するための手段（Ｌ０、１５−１、Ｄ０）、及びエネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、エネルギー蓄積デバイスを過充電することを避けるため、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントするための手段（１５−１、２、Ｓ１、Ｒｓ、Ｓ０ａ）を含む。
【００１９】
添付の図面を参照して例示の実施例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、バッテリ又はスーパーキャパシタを充電するため、エナジーハーベスタに結合される従来のブーストコンバータの概略図である。
【００２１】
【図２】図２は、図１のバッテリの過充電を防ぎ、更にインダクタに対する損傷も防ぐための第１の回路を含む概略図である。
【００２２】
【図３】図３は、図１のバッテリの過充電を防ぎ、更にインダクタに対する損傷も防ぐための第２の回路を含む概略図である。
【００２３】
【図４】図４は、図３に示す回路のより詳細な図である。
【００２４】
【図５】図５は、図３及び図４のブースト制御回路のオペレーションのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は、収集された電圧Ｖｈｒｖを導体３に生成するエナジーハーベスタ２を含む回路１０−１を示す。（Ｖｈｒｖは、誘電性又は圧電性ハーベスタなどのハーベスタにより生成されたＡＣエネルギーを整流する適切な整流器により生成されたＤＣ電圧であるか、又はサーモパイルハーベスタ又はソーラーセルハーベスタなどのハーベスタにより直接的に生成されるＤＣ電圧である。）導体３は、フィルタキャパシタＣ０の一方の端子に及び従来のブーストコンバータ７−２の入力にも接続される。キャパシタＣ０の他方の端子は接地に接続される。ブーストコンバータ７−２は、導体４からバッテリ／スーパーキャパシタ６及び／又は負荷への収集されたエネルギーの流れを制御する電力管理回路であると考えることができる。
【００２６】
ブーストコンバータ７−２は、導体３と導体４との間に結合されるインダクタＬ０を含む。図１と同様、図２の導体４は、スイッチＳ０の一方の端子に及びダイオードＤ０のアノードに接続される。スイッチＳ０の他方の端子は接地に接続される。ダイオードＤ０のカソードは、出力導体５により、後述では単にバッテリ６と呼ぶ、バッテリ又はスーパーキャパシタ６の（＋）端子に接続される。
【００２７】
本発明の一実施例に従って、接地と電流制限レジスタＲｓの１つの端子の間に付加的なスイッチＳ０ａが結合される。電流制限レジスタＲｓの第２の端子は導体４に接続される。電流制限レジスタＲｓは数メグオームの抵抗を有し得る。スイッチＳ０及びＳ０ａは、後述する、ＶＢＡＴをＶＢＡＴ（ｍａｘ）と比較してバッテリ６がフル充電されているかどうかを判定する、適切なブースト制御回路により制御される。ブースト制御回路は更に、ＶｈｒｖがＶＢＡＴより大きいかどうかも判定する。
【００２８】
フィルタキャパシタＣ０は、典型的に、ほぼ１μＦの静電容量を有し得ることを理解されたい。従って、たとえハーベスタ２から利用可能である電力が非常に低い場合でも、フィルタキャパシタＣ０が充電され、スイッチＳ０が閉じている場合、非常に大きな電流サージがインダクタＬ０を介してキャパシタＣ０により供給される。この大きなサージ電流は、インダクタＬ０を破壊又はひどく損傷させる可能性がある。
【００２９】
図１のスイッチＳ０は、大型の低抵抗スイッチであり、スイッチＳ０のＭＯＳトランジスタ実装のためのゲート・ドライバ回路を提供することが可能であることに留意されたい。この場合、ゲート・ドライバ回路は、図２にあるような電流制限レジスタＲｓ及びスイッチＳ０ａを提供する代わりとして、スイッチＳ０の一層高いＯＮ抵抗を提供するようにトランジスタスイッチのゲート駆動電圧を制限し得る。この場合、バッテリ６がフル充電されているときスイッチＳ０は閉じられ得、その一層高いＯＮ抵抗がバッテリ６の過充電を防ぎ得、更に、フィルタキャパシタＣ０からの電流サージによるインダクタＬ０に対する損傷をも防ぎ得る。
【００３０】
図３は本発明の別の実施例を示す。図２と同様、図３の回路１０−２は、収集された電圧Ｖｈｒｖを導体３に生成するエナジーハーベスタ２を含む。導体３は、フィルタキャパシタＣ０の一方の端子に及び従来のブーストコンバータ７−３の入力にも接続される。キャパシタＣ０の他方の端子は接地に接続される。ブーストコンバータ７−３は、導体４からバッテリ６及び／又は負荷への収集されたエネルギーの流れを制御する電力管理回路であると考えることができる。ブーストコンバータ７−３は、導体３と導体４との間に結合されるインダクタＬ０を含む。導体４は、スイッチＳ０の一方の端子に及びダイオードＤ０のアノードに接続される。スイッチＳ０の他方の端子は接地に接続される。ダイオードＤ０のカソードは、出力導体５によりバッテリ６の（＋）端子に接続される。
【００３１】
本発明の別の実施例に従って、図３のスイッチＳ１が、接地と電流制限レジスタＲｓの１つの端子との間に結合される。電流制限レジスタＲｓの第２の端子が導体３に接続される。ブースター制御回路１５−１が、スイッチＳ１の制御端子に接続される出力２０と、スイッチＳ０の制御端子に接続される別の出力２２とを有する。ブースター制御回路１５−１は、導体３のハーベスタ出力電圧Ｖｈｒｖ、導体５のバッテリ電圧ＶＢＡＴ、及びＶＢＡＴのフル充電された値を表す参照電圧ＶＢＡＴ（ｍａｘ）を受け取るよう接続される入力を有する。
【００３２】
スイッチＳ０及びＳ１は、ブースト制御回路１５−１により制御され、これは、ＶＢＡＴをＶＢＡＴ（ｍａｘ）と比較してバッテリ６がフル充電されているかどうかを判定する。バッテリ６がフル充電されている場合、ブースト制御回路１５−１は更に、ＶｈｒｖがＶＢＡＴより大きいかどうかも判定する。ブースター制御回路１５−１は、図５のフローチャートに従って動作する。
【００３３】
図５のデシジョンブロック３１を参照すると、ブースト制御回路１５−１は、（１）ＶｈｒｖがＶＢＡＴより大きいか、及び、（２）ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）より大きいか又はそれに等しいかの両方を判定する。この判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１は、スイッチＳ０を開に保ち、更にスイッチＳ１を閉に保ち、収集された電流がフル充電されたバッテリ６を過充電しないようにし、かつフィルタキャパシタＣ０により供給されるサージ電流がインダクタＬ０又はバッテリ６を損傷させないようにする。スイッチＳ１を閉に保つことは、バッテリ６がフル充電されたままである限り、フィルタキャパシタＣ０に保存されたエネルギーの全て及びハーベスタ２により生成されているエネルギーの全てを、電流制限レジスタＲｓ及びスイッチＳ１を介して導く効果を有する。（説明したエナジーハーベスティング用途において、フィルタキャパシタＣ０に保存されたエネルギーの量及びハーベスタ２により生成されているエネルギーの量は比較的低いため、スイッチＳ１が内部の電流により損傷を受ける危険性は低いことを理解されたい。しかし、ブーストコンバータ７−３の入力が充分に大きなエネルギー源に接続される場合、スイッチＳ１は破壊され得る。）図５のアルゴリズムは、ブロック３２からデシジョンブロック３１のエントリー地点に行き、ＶＢＡＴの値を監視し続ける。
【００３４】
デシジョンブロック３１の判定が否定である場合、デシジョンブロック３３に示すように、ブースト制御回路１５−１は、ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）を超えるかどうかを判定する。デシジョンブロック３３の判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１はブロック３４に進み、スイッチＳ０を開に及びスイッチＳ１を閉に保ち、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。
【００３５】
デシジョンブロック３３の判定が否定である場合、ブースト制御回路１５−１はデシジョンブロック３５に進み、ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）にほぼ等しいかどうかを判定する。この判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１は、スイッチＳ０を低減されたデューティ・サイクルで動作させ、スイッチＳ１を開に保ち、インダクタＬ０を介する電流の量を低減させる。その後、このアルゴリズムは、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。デシジョンブロック３５の判定が否定である場合、ブースト制御回路１５−１は、ブロック３７に示すように、スイッチＳ０をノーマルデューティ・サイクルで動作させ、スイッチＳ１を開に保ち、フィルタキャパシタＣ０がＶｈｒｖまで充電され得るようにし、更にバッテリ６のノーマル充電を可能にする。
【００３６】
その後、ブースト制御回路１５−１はデシジョンブロック３８に進み、ＶｈｒｖがＶＢＡＴより小さいがそれにほぼ等しいかどうかを判定する。この判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１は、ブロック３９に示すように、スイッチＳ０を開に保ち、スイッチＳ１を閉に保ち、バッテリ６の更なる充電を防ぐ。ブースト制御回路１５−１はその後、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。デシジョンブロック３８の判定が否定である場合、このアルゴリズムは、スイッチＳ０のノーマルデューティ・サイクルオペレーションの継続を可能にし、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。
【００３７】
図５のフローチャートは、ブロック３２、３４、及び３５のスイッチ「Ｓ１」をスイッチ「Ｓ０ａ」で置き換えれば、図２のスイッチＳ０及びＳ０ａを制御するために用いられるブースト制御回路のオペレーションにも適用できることを理解されたい。
【００３８】
図４は、図３の回路１０−２と同じであるが、ブースター制御回路１５−２内の更なる細部を含む回路１０−３を示す。ブースター制御回路１５−２は、導体３でＶｈｒｖを受け取るよう接続される（−）入力と、導体５０を介してコンパレータ１３の出力を受け取るよう結合される（＋）入力とを有するコンパレータ１２を含み、コンパレータ１３は、ＶＢＡＴに結合される（＋）入力とＶＢＡＴ（ｍａｘ）を受け取るよう結合される（−）入力とを有する。コンパレータ１２の出力は、導体２０によりスイッチＳ１の制御端子に接続される。増幅器１７が、導体５で現在のバッテリ電圧ＶＢＡＴを受け取るよう結合される（−）入力と導体１６で参照電圧ＶＢＡＴ（ｍａｘ）を受け取るよう結合される（＋）入力とを有する。増幅器１７の出力は、従来のパルス幅変調（ＰＷＭ）回路４２の入力に接続され得、ＰＷＭ回路４２の出力は、導体２２によりスイッチＳ０の制御端子に接続される。ＰＷＭ回路４２は、増幅器１７により生成される出力電圧に応答してスイッチＳ０のデューティ・サイクルを制御して、ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）に近づくにつれてスイッチＳ０のデューティ・サイクルを低減させるようにする。ＰＷＭ回路４２は、必ずしもそうではないが、典型的に、適切な周波数のクロック信号（図示せず）を受信するように結合される。
【００３９】
開示された発明は、シンプルで経済的なバッテリ過充電保護を提供することにより、また、インダクタ及び／又はエナジーハーベスティングシステムの電力管理回路内の他の回路構成要素に対する損傷も避けることにより、エナジーハーベスティングシステムの改善された信頼性を提供する。
【００４０】
例示の実施例の文脈で説明したような特徴又は工程のすべて又はその幾つかを有する例示の実施例の文脈で説明した１つ又はそれ以上の特徴又は工程の異なる組み合わせを有する実施例も、本明細書に包含されることも意図している。当業者であれば、他の多くの実施例及び変形も特許請求の範囲に包含されることが理解されるであろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、非常に低いレベルのエネルギーを回収するため又は収集するための、例えば振動エナジーハーベスタなどの、エナジーハーベスタに関し、更に特定して言えば、収集したエネルギーを保存するバッテリ又はスーパーキャパシタを保護するための回路及び方法に関連する。
【０００２】
本発明は更に、インダクタ及び／又はＤＣ−ＤＣコンバータ回路内の他の回路構成要素、又はエナジーハーベスタの出力からエネルギーを受け取る他の電力管理回路に対するサージ電流損傷を防ぐための回路及び方法に関連する。
【背景技術】
【０００３】
必要とする動作電流量が非常に低い、種々の非常に低い電力の、即ち「ナノパワー」の集積回路が開発されてきている。こういった回路は、マイクロエナジーハーベスティングデバイスを用いて大気太陽エネルギー、振動エネルギー、熱エネルギー、及び／又は生物的エネルギー源から回収又は収集し、その後バッテリ又はスーパーキャパシタに保存される、非常に小さな量の電力で稼働することが可能である。（本明細書において用いられるように「ナノパワー」という用語は、約１マイクロアンペアより小さいＤＣ電流を引き出す回路及び／又は回路構成要素を包含することが意図されている。）ハーベスタから利用可能なエネルギーの量は通常小さく、予測不能であるため、これらの用途においてハーベスタからのエネルギーが用いることができない又は不充分であるとき、システム電力要求に提供するための中間エネルギー蓄積が必要とされる場合がある。リチウムバッテリ又はスーパーキャパシタが、通常このような中間エネルギー蓄積に用いられる。
【０００４】
図１は、大型のフィルタキャパシタＣ０の一方の端子に及び従来のブーストコンバータ７−１の入力に接続される導体３にＤＣ電圧Ｖｈｒｖを生成するエナジーハーベスタ２を含む回路１を示す。ブーストコンバータ７−１は、Ｖｈｒｖと導体４との間に結合され、スイッチＳ０の一方の端子に及びダイオードＤ０のアノードに接続されるインダクタＬ０を含む。スイッチＳ０の他方の端子は接地に接続される。ダイオードＤ０のカソードは、導体５によりバッテリ又はスーパーキャパシタ６の（＋）端子に接続される。
【０００５】
エナジーハーベスタ２のための適切な電力管理回路がスイッチＳ０を制御して、バッテリ／スーパーキャパシタ６がその最大値又はフル充電された電圧ＶＢＡＴ（ｍａｘ）までフル充電されていない場合、エネルギーがハーベスタ２から利用可能であるときバッテリ／スーパーキャパシタ６の充電を提供するようにする。（典型的なリチウムバッテリの場合、ＶＢＡＴ（ｍａｘ）は４．５ボルトである。）
【０００６】
バッテリ６がＶＢＡＴ（ｍａｘ）までフル充電されている場合、更なる充電がそれに恒久的な損傷を与える可能性がある。図１の保護されていないシステムでは、ハーベスタ２からの電流がバッテリ／スーパーキャパシタ６を過充電しないようにさせるものは何もない。しかし、ハーベスタ２により生成される出力電圧Ｖｈｒｖは、バッテリ／スーパーキャパシタへの損傷を防ぐためＶＢＡＴ（ｍａｘ）より低い値に制限されるべきである。また、このようなＶｈｒｖの制限は、充電されたフィルタキャパシタＣ０により供給されるサージ電流がインダクタＬ０及び／又は電力管理回路内の他の回路構成要素などの回路構成要素を損傷させないようにすべきである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の実施例は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）をエネルギー蓄積デバイス（６）に印加される出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換するための電力管理回路（７−２、３、４）を提供し、この電力管理回路は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタ（Ｌ０）を含む。この電力管理回路は、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されていない場合、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイスに転送し、フル充電されている場合、過充電を避けるため、その電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。
【０００８】
一実施例において、本発明は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を生成するためのエナジーハーベスタ（２）、及び収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換するためのエネルギー管理回路（７−２、３、４）を含むエナジーハーベスティングシステム（１０−１、２、３）を提供する。エネルギー管理回路（７−２、３、４）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子（４）とを有するインダクタ（Ｌ０）を含む。エネルギー蓄積デバイス（６）が、出力電圧（ＶＢＡＴ）を受け取るよう結合される。エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、エネルギー管理回路（７−２、３、４）内の保護回路（図２のＳ０ａ、Ｒｓ、図３、４のＳ１、ＲＳ、１５−１、２）が、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。エネルギー管理回路（７−２、３、４）は、第１のスイッチ（Ｓ０）の制御端子に結合される制御回路（１５−１、２）を含む。
【０００９】
一実施例において、エネルギー管理回路（７−３、４）は、シャントを実行するためエナジーハーベスタ（２）と並列に結合される第２のスイッチ（Ｓ１）を含み、第２のスイッチ（Ｓ１）が、シャントを制御するための制御回路（１５−１、２）に結合される制御端子を有する。一実施例において、第２のスイッチ（Ｓ１）の第１の端子が第１の参照電圧（ＧＮＤ）に結合され、第２のスイッチ（Ｓ１）の第２の端子が電流制限レジスタ（Ｒｓ）の第１の端子に結合され、電流制限レジスタ（Ｒｓ）の第２の端子がインダクタ（Ｌ０）の第１の端子（３）に結合される。一実施例において、このエナジーハーベスティングシステムは、エナジーハーベスタ（２）と並列に結合されるフィルタキャパシタ（Ｃ０）を含む。一実施例において、エネルギー管理回路（７−２、３、４）は、インダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）と出力電圧（ＶＢＡＴ）との間に結合される整流要素（Ｄ０）を含む。説明される実施例において、エネルギー管理回路（７−２、３、４）はブーストコンバータを含む。
【００１０】
一実施例において、制御回路（１５−１、２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）と出力電圧（ＶＢＡＴ）を受信するように結合され、出力電圧（ＶＢＡＴ）を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧（ＶＢＡＴ（ｍａｘ）と比較するよう動作して、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されているかどうかを判定し、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、更に、第１のスイッチ（Ｓ０）を開に及び第２のスイッチ（Ｓ１）を閉に保つよう機能して、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をインダクタ（Ｌ０）及びエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。一実施例において、制御回路（１５−１、２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を出力電圧（ＶＢＡＴ）と比較し、第２のスイッチ（Ｓ１）を開に保ち、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より小さい場合、エネルギー管理回路（７−２、３、４）による収集された電圧（Ｖｈｒｖ）のブースト達成するように第１のスイッチ（Ｓ０）を動作させるよう動作する。
【００１１】
説明される実施例において、制御回路（１５−１、２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より小さく、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電より少なく充電されている場合、第１の（Ｓ０）及び第２の（Ｓ１）スイッチを開に保つよう動作する。
【００１２】
説明される実施例において、制御回路（１５−２）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の入力（−）と、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されることを示す電圧（５０）を受け取るよう結合される第２の入力（＋）と、第２のスイッチ（Ｓ１）の制御端子に結合される出力とを有するコンパレータ（１２）を含み、制御回路（１５−２）が、出力電圧（ＶＢＡＴ）を受け取るよう結合される第１の入力（−）と、最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧（ＶＢＡＴ（ｍａｘ））を受け取るよう結合される第２の入力（＋）と、パルス幅変調回路（４２）を用いて第１のスイッチ（Ｓ０）の制御端子に結合される出力とを有する増幅器（１７）を含む。
【００１３】
説明される実施例において、エネルギー管理回路（７−２）は、シャントを実行するため第１のスイッチ（Ｓ０）と並列に結合される第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を含む。第２のスイッチ（Ｓ０ａ）は、シャントを制御するための制御回路（１５−１）に結合される制御端子を有する。第２のスイッチ（Ｓ０ａ）の第１の端子が第１の参照電圧（ＧＮＤ）に結合され、第２のスイッチ（Ｓ０ａ）の第２の端子はインダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）に結合される。
【００１４】
一実施例において、電流制限レジスタ（Ｒｓ）が、第２のスイッチ（Ｓ０ａ）の第２の端子をインダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）に結合し、制御回路（１５−１）が、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）と出力電圧（ＶＢＡＴ）を受信するように結合され、出力電圧（ＶＢＡＴ）を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧（ＶＢＡＴ（ｍａｘ））と比較するよう動作して、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されているかどうかを判定する。制御回路（１５−１）は、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、更に、第１のスイッチ（Ｓ０）を開に及び第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を閉に保つよう機能して、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントする。
【００１５】
一実施例において、制御回路（１５−１）は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を出力電圧（ＶＢＡＴ）と比較するよう動作し、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より小さい場合、第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を開に保ち、エネルギー管理回路（７−２）による収集された電圧（Ｖｈｒｖ）のブーストを達成するように第１のスイッチ（Ｓ０）を動作させる。
【００１６】
一実施例において、本発明は、エナジーハーベスタ（２）からエネルギーを収集して、収集された電圧を生成するための方法を提供し、この方法が、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と、第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子（４）とを有するインダクタ（Ｌ０）を含むエネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いて、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）をエネルギー蓄積デバイス（６）に印加される出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換すること、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されていない場合、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流を、エネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いてエネルギー蓄積デバイスに転送すること、及び、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、エネルギー蓄積デバイス（６）を過充電することを避けるため、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントすることを含む。
【００１７】
一実施例において、この方法は、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をインダクタ（Ｌ０）からシャントすることを含む。一実施例において、この方法は、電流制限レジスタ（Ｒｓ）及び第２のスイッチ（Ｓ１）を介して、インダクタ（Ｌ０）の第１の端子（３）を参照電圧（ＧＮＤ）に結合することを含む。一実施例において、この方法は、電流制限レジスタ（Ｒｓ）及び第２のスイッチ（Ｓ０ａ）を介して、インダクタ（Ｌ０）の第２の端子（４）を参照電圧（ＧＮＤ）に結合することを含む。一実施例において、この方法は、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）が出力電圧（ＶＢＡＴ）より大きい場合、第１のスイッチ（Ｓ０）を開に及び第２のスイッチ（Ｓ１）を閉に保つよう制御回路（１５−１、２）を動作させることを含む。
【００１８】
一実施例において、本発明は、エナジーハーベスタ（２）からエネルギーを収集して、ＤＣハーベスト電圧（Ｖｈｒｖ）を生成するためのシステムを提供し、このシステムが、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）を受け取るよう結合される第１の端子（３）と、第１のスイッチ（Ｓ０）の第１の端子に結合される第２の端子（４）とを有するインダクタ（Ｌ０）を含むエネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いて、収集された電圧（Ｖｈｒｖ）をエネルギー蓄積デバイス（６）に印加される出力電圧（ＶＢＡＴ）に変換するための手段（７−１、２）、エネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されていない場合、エネルギー管理回路（７−２、３、４）を用いて、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）に転送するための手段（Ｌ０、１５−１、Ｄ０）、及びエネルギー蓄積デバイス（６）がフル充電されている場合、エネルギー蓄積デバイスを過充電することを避けるため、エナジーハーベスタ（２）により生成された電流をエネルギー蓄積デバイス（６）からシャントするための手段（１５−１、２、Ｓ１、Ｒｓ、Ｓ０ａ）を含む。
【００１９】
添付の図面を参照して例示の実施例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、バッテリ又はスーパーキャパシタを充電するため、エナジーハーベスタに結合される従来のブーストコンバータの概略図である。
【００２１】
【図２】図２は、図１のバッテリの過充電を防ぎ、更にインダクタに対する損傷も防ぐための第１の回路を含む概略図である。
【００２２】
【図３】図３は、図１のバッテリの過充電を防ぎ、更にインダクタに対する損傷も防ぐための第２の回路を含む概略図である。
【００２３】
【図４】図４は、図３に示す回路のより詳細な図である。
【００２４】
【図５】図５は、図３及び図４のブースト制御回路のオペレーションのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は、収集された電圧Ｖｈｒｖを導体３に生成するエナジーハーベスタ２を含む回路１０−１を示す。（Ｖｈｒｖは、誘電性又は圧電性ハーベスタなどのハーベスタにより生成されたＡＣエネルギーを整流する適切な整流器により生成されたＤＣ電圧であるか、又はサーモパイルハーベスタ又はソーラーセルハーベスタなどのハーベスタにより直接的に生成されるＤＣ電圧である。）導体３は、フィルタキャパシタＣ０の一方の端子に及び従来のブーストコンバータ７−２の入力にも接続される。キャパシタＣ０の他方の端子は接地に接続される。ブーストコンバータ７−２は、導体４からバッテリ／スーパーキャパシタ６及び／又は負荷への収集されたエネルギーの流れを制御する電力管理回路であると考えることができる。
【００２６】
ブーストコンバータ７−２は、導体３と導体４との間に結合されるインダクタＬ０を含む。図１と同様、図２の導体４は、スイッチＳ０の一方の端子に及びダイオードＤ０のアノードに接続される。スイッチＳ０の他方の端子は接地に接続される。ダイオードＤ０のカソードは、出力導体５により、後述では単にバッテリ６と呼ぶ、バッテリ又はスーパーキャパシタ６の（＋）端子に接続される。
【００２７】
本発明の一実施例に従って、接地と電流制限レジスタＲｓの１つの端子の間に付加的なスイッチＳ０ａが結合される。電流制限レジスタＲｓの第２の端子は導体４に接続される。電流制限レジスタＲｓは数メグオームの抵抗を有し得る。スイッチＳ０及びＳ０ａは、後述する、ＶＢＡＴをＶＢＡＴ（ｍａｘ）と比較してバッテリ６がフル充電されているかどうかを判定する、適切なブースト制御回路により制御される。ブースト制御回路は更に、ＶｈｒｖがＶＢＡＴより大きいかどうかも判定する。
【００２８】
フィルタキャパシタＣ０は、典型的に、ほぼ１μＦの静電容量を有し得ることを理解されたい。従って、たとえハーベスタ２から利用可能である電力が非常に低い場合でも、フィルタキャパシタＣ０が充電され、スイッチＳ０が閉じている場合、非常に大きな電流サージがインダクタＬ０を介してキャパシタＣ０により供給される。この大きなサージ電流は、インダクタＬ０を破壊又はひどく損傷させる可能性がある。
【００２９】
図１のスイッチＳ０は、大型の低抵抗スイッチであり、スイッチＳ０のＭＯＳトランジスタ実装のためのゲート・ドライバ回路を提供することが可能であることに留意されたい。この場合、ゲート・ドライバ回路は、図２にあるような電流制限レジスタＲｓ及びスイッチＳ０ａを提供する代わりとして、スイッチＳ０の一層高いＯＮ抵抗を提供するようにトランジスタスイッチのゲート駆動電圧を制限し得る。この場合、バッテリ６がフル充電されているときスイッチＳ０は閉じられ得、その一層高いＯＮ抵抗がバッテリ６の過充電を防ぎ得、更に、フィルタキャパシタＣ０からの電流サージによるインダクタＬ０に対する損傷をも防ぎ得る。
【００３０】
図３は本発明の別の実施例を示す。図２と同様、図３の回路１０−２は、収集された電圧Ｖｈｒｖを導体３に生成するエナジーハーベスタ２を含む。導体３は、フィルタキャパシタＣ０の一方の端子に及び従来のブーストコンバータ７−３の入力にも接続される。キャパシタＣ０の他方の端子は接地に接続される。ブーストコンバータ７−３は、導体４からバッテリ６及び／又は負荷への収集されたエネルギーの流れを制御する電力管理回路であると考えることができる。ブーストコンバータ７−３は、導体３と導体４との間に結合されるインダクタＬ０を含む。導体４は、スイッチＳ０の一方の端子に及びダイオードＤ０のアノードに接続される。スイッチＳ０の他方の端子は接地に接続される。ダイオードＤ０のカソードは、出力導体５によりバッテリ６の（＋）端子に接続される。
【００３１】
本発明の別の実施例に従って、図３のスイッチＳ１が、接地と電流制限レジスタＲｓの１つの端子との間に結合される。電流制限レジスタＲｓの第２の端子が導体３に接続される。ブースター制御回路１５−１が、スイッチＳ１の制御端子に接続される出力２０と、スイッチＳ０の制御端子に接続される別の出力２２とを有する。ブースター制御回路１５−１は、導体３のハーベスタ出力電圧Ｖｈｒｖ、導体５のバッテリ電圧ＶＢＡＴ、及びＶＢＡＴのフル充電された値を表す参照電圧ＶＢＡＴ（ｍａｘ）を受け取るよう接続される入力を有する。
【００３２】
スイッチＳ０及びＳ１は、ブースト制御回路１５−１により制御され、これは、ＶＢＡＴをＶＢＡＴ（ｍａｘ）と比較してバッテリ６がフル充電されているかどうかを判定する。バッテリ６がフル充電されている場合、ブースト制御回路１５−１は更に、ＶｈｒｖがＶＢＡＴより大きいかどうかも判定する。ブースター制御回路１５−１は、図５のフローチャートに従って動作する。
【００３３】
図５のデシジョンブロック３１を参照すると、ブースト制御回路１５−１は、（１）ＶｈｒｖがＶＢＡＴより大きいか、及び、（２）ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）より大きいか又はそれに等しいかの両方を判定する。この判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１は、スイッチＳ０を開に保ち、更にスイッチＳ１を閉に保ち、収集された電流がフル充電されたバッテリ６を過充電しないようにし、かつフィルタキャパシタＣ０により供給されるサージ電流がインダクタＬ０又はバッテリ６を損傷させないようにする。スイッチＳ１を閉に保つことは、バッテリ６がフル充電されたままである限り、フィルタキャパシタＣ０に保存されたエネルギーの全て及びハーベスタ２により生成されているエネルギーの全てを、電流制限レジスタＲｓ及びスイッチＳ１を介して導く効果を有する。（説明したエナジーハーベスティング用途において、フィルタキャパシタＣ０に保存されたエネルギーの量及びハーベスタ２により生成されているエネルギーの量は比較的低いため、スイッチＳ１が内部の電流により損傷を受ける危険性は低いことを理解されたい。しかし、ブーストコンバータ７−３の入力が充分に大きなエネルギー源に接続される場合、スイッチＳ１は破壊され得る。）図５のアルゴリズムは、ブロック３２からデシジョンブロック３１のエントリー地点に行き、ＶＢＡＴの値を監視し続ける。
【００３４】
デシジョンブロック３１の判定が否定である場合、デシジョンブロック３３に示すように、ブースト制御回路１５−１は、ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）を超えるかどうかを判定する。デシジョンブロック３３の判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１はブロック３４に進み、スイッチＳ０を開に及びスイッチＳ１を閉に保ち、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。
【００３５】
デシジョンブロック３３の判定が否定である場合、ブースト制御回路１５−１はデシジョンブロック３５に進み、ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）にほぼ等しいかどうかを判定する。この判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１は、スイッチＳ０を低減されたデューティ・サイクルで動作させ、スイッチＳ１を開に保ち、インダクタＬ０を介する電流の量を低減させる。その後、このアルゴリズムは、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。デシジョンブロック３５の判定が否定である場合、ブースト制御回路１５−１は、ブロック３７に示すように、スイッチＳ０をノーマルデューティ・サイクルで動作させ、スイッチＳ１を開に保ち、フィルタキャパシタＣ０がＶｈｒｖまで充電され得るようにし、更にバッテリ６のノーマル充電を可能にする。
【００３６】
その後、ブースト制御回路１５−１はデシジョンブロック３８に進み、ＶｈｒｖがＶＢＡＴより小さいがそれにほぼ等しいかどうかを判定する。この判定が肯定である場合、ブースト制御回路１５−１は、ブロック３９に示すように、スイッチＳ０を開に保ち、スイッチＳ１を閉に保ち、バッテリ６の更なる充電を防ぐ。ブースト制御回路１５−１はその後、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。デシジョンブロック３８の判定が否定である場合、このアルゴリズムは、スイッチＳ０のノーマルデューティ・サイクルオペレーションの継続を可能にし、デシジョンブロック３１のエントリー地点に戻る。
【００３７】
図５のフローチャートは、ブロック３２、３４、及び３５のスイッチ「Ｓ１」をスイッチ「Ｓ０ａ」で置き換えれば、図２のスイッチＳ０及びＳ０ａを制御するために用いられるブースト制御回路のオペレーションにも適用できることを理解されたい。
【００３８】
図４は、図３の回路１０−２と同じであるが、ブースター制御回路１５−２内の更なる細部を含む回路１０−３を示す。ブースター制御回路１５−２は、導体３でＶｈｒｖを受け取るよう接続される（−）入力と、導体５０を介してコンパレータ１３の出力を受け取るよう結合される（＋）入力とを有するコンパレータ１２を含み、コンパレータ１３は、ＶＢＡＴに結合される（＋）入力とＶＢＡＴ（ｍａｘ）を受け取るよう結合される（−）入力とを有する。コンパレータ１２の出力は、導体２０によりスイッチＳ１の制御端子に接続される。増幅器１７が、導体５で現在のバッテリ電圧ＶＢＡＴを受け取るよう結合される（−）入力と導体１６で参照電圧ＶＢＡＴ（ｍａｘ）を受け取るよう結合される（＋）入力とを有する。増幅器１７の出力は、従来のパルス幅変調（ＰＷＭ）回路４２の入力に接続され得、ＰＷＭ回路４２の出力は、導体２２によりスイッチＳ０の制御端子に接続される。ＰＷＭ回路４２は、増幅器１７により生成される出力電圧に応答してスイッチＳ０のデューティ・サイクルを制御して、ＶＢＡＴがＶＢＡＴ（ｍａｘ）に近づくにつれてスイッチＳ０のデューティ・サイクルを低減させるようにする。ＰＷＭ回路４２は、必ずしもそうではないが、典型的に、適切な周波数のクロック信号（図示せず）を受信するように結合される。
【００３９】
開示された発明は、シンプルで経済的なバッテリ過充電保護を提供することにより、また、インダクタ及び／又はエナジーハーベスティングシステムの電力管理回路内の他の回路構成要素に対する損傷も避けることにより、エナジーハーベスティングシステムの改善された信頼性を提供する。
【００４０】
例示の実施例の文脈で説明したような特徴又は工程のすべて又はその幾つかを有する例示の実施例の文脈で説明した１つ又はそれ以上の特徴又は工程の異なる組み合わせを有する実施例も、本明細書に包含されることも意図している。当業者であれば、他の多くの実施例及び変形も特許請求の範囲に包含されることが理解されるであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エナジーハーベスティングシステムであって、
収集された電圧を生成するためのエナジーハーベスタ、
収集された電圧を出力電圧に変換するためのエネルギー管理回路であって、収集された電圧を受け取るよう結合される第１の端子と、第１のスイッチの第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタを含む、前記エネルギー管理回路、
前記出力電圧を受け取るよう結合されるエネルギー蓄積デバイス、及び
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントするための前記エネルギー管理回路内の保護回路、
を含む、システム。
【請求項２】
請求項１のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記第１のスイッチの制御端子に結合される制御回路を含む、システム。
【請求項３】
請求項２のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記シャントを実行するため前記エナジーハーベスタと並列に結合される第２のスイッチを含み、前記第２のスイッチが、前記シャントを制御するよう前記制御回路に結合される制御端子を有する、システム。
【請求項４】
請求項３のエナジーハーベスティングシステムであって、前記第２のスイッチの第１の端子が第１の参照電圧に結合され、前記第２のスイッチの第２の端子が電流制限レジスタの第１の端子に結合され、前記電流制限レジスタの第２の端子が前記インダクタの前記第１の端子に結合される、システム。
【請求項５】
請求項４のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧と前記出力電圧を受信するように結合され、前記出力電圧を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧と比較するよう動作して前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されているかどうかを判定し、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、更に、前記第１のスイッチを開に及び前記第２のスイッチ閉に保つよう機能して、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記インダクタ及び前記エネルギー蓄積デバイスからシャントさせる、システム。
【請求項６】
請求項５のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧を前記出力電圧と比較し、前記第２のスイッチを開に保ち、前記収集された電圧が前記出力電圧より小さい場合、前記エネルギー管理回路による前記収集された電圧のブーストを達成するよう前記第１のスイッチを動作させる、システム。
【請求項７】
請求項６のエナジーハーベスティングシステムであって、前記収集された電圧が前記出力電圧より小さく、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電より少なく充電されている場合、前記制御回路が前記第１及び第２のスイッチを開に保つよう機能する、システム。
【請求項８】
請求項４のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧を受け取るよう結合される第１の入力と、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されることを示す電圧を受け取るよう結合される第２の入力と、前記第２のスイッチの前記制御端子に結合される出力とを有するコンパレータを含み、前記制御回路が、前記出力電圧を受け取るよう結合される第１の入力と、前記最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧を受け取るよう結合される第２の入力と、パルス幅変調回路を用いて前記第１のスイッチの前記制御端子に結合される出力とを有する増幅器を含む、システム。
【請求項９】
請求項２のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記シャントを実行するため前記第１のスイッチと並列に結合される第２のスイッチを含み、前記第２のスイッチが、前記シャントを制御するよう前記制御回路に結合される制御端子を有し、前記第２のスイッチの第１の端子が第１の参照電圧に結合され、前記第２のスイッチの第２の端子が前記インダクタの前記第２の端子に結合される、システム。
【請求項１０】
請求項９のエナジーハーベスティングシステムであって、電流制限レジスタが、前記第２のスイッチの前記第２の端子を前記インダクタの前記第２の端子に結合し、前記制御回路が、前記収集された電圧と前記出力電圧を受信するように結合され、前記出力電圧を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧と比較するよう動作して、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されているかどうかを判定し、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、更に、前記第１のスイッチを開に及び前記第２のスイッチを閉に保つよう機能して、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントする、システム。
【請求項１１】
請求項１０のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧を前記出力電圧と比較するよう動作し、前記収集された電圧が前記出力電圧より小さい場合、前記第２のスイッチを開に保ち、前記エネルギー管理回路による前記収集された電圧のブーストを達成するように前記第１のスイッチを動作させる、システム。
【請求項１２】
請求項１のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記インダクタの前記第２の端子と前記出力電圧との間に結合される整流要素を含む、システム。
【請求項１３】
請求項１２のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路がブーストコンバータを含む、システム。
【請求項１４】
エナジーハーベスタからエネルギーを収集して、収集された電圧を生成するための方法であって、前記方法が、
前記収集された電圧を受け取るよう結合される第１の端子と、第１のスイッチの第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタを含むエネルギー管理回路を用いて、前記収集された電圧をエネルギー蓄積デバイスに印加される出力電圧に変換すること、
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されていない場合、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を、前記エネルギー管理回路を用いて前記エネルギー蓄積デバイスに転送すること、及び、
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、前記エネルギー蓄積デバイスを過充電することを避けるため、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントすること、
を含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記インダクタからシャントすることを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、シャントする前記ステップが、前記エナジーハーベスタと並列に結合される電流制限レジスタ及び第２のスイッチを介して、前記インダクタの前記第１の端子を参照電圧に結合することを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、シャントする前記ステップが、電流制限レジスタ及び第２のスイッチを介して、前記インダクタの第２の端子を参照電圧に結合することを含む、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記収集された電圧が前記出力電圧より大きい場合、前記第１のスイッチを開に及び前記第２のスイッチを閉に保つよう制御回路を動作させることを含む、方法。
【請求項１９】
エナジーハーベスタからエネルギーを収集してＤＣハーベスト電圧を生成するためのシステムであって、前記システムが、
前記収集された電圧を受け取るよう結合される第１の端子と、第１のスイッチの第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタを含むエネルギー管理回路を用いて、前記収集された電圧をエネルギー蓄積デバイスに印加される出力電圧に変換するための手段、
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されていない場合、前記エネルギー管理回路を用いて、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスに転送するための手段、及び
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、前記エネルギー蓄積デバイスを過充電することを避けるため、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントするための手段、
を含む、方法。
【請求項１】
エナジーハーベスティングシステムであって、
収集された電圧を生成するためのエナジーハーベスタ、
収集された電圧を出力電圧に変換するためのエネルギー管理回路であって、収集された電圧を受け取るよう結合される第１の端子と、第１のスイッチの第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタを含む、前記エネルギー管理回路、
前記出力電圧を受け取るよう結合されるエネルギー蓄積デバイス、及び
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントするための前記エネルギー管理回路内の保護回路、
を含む、システム。
【請求項２】
請求項１のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記第１のスイッチの制御端子に結合される制御回路を含む、システム。
【請求項３】
請求項２のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記シャントを実行するため前記エナジーハーベスタと並列に結合される第２のスイッチを含み、前記第２のスイッチが、前記シャントを制御するよう前記制御回路に結合される制御端子を有する、システム。
【請求項４】
請求項３のエナジーハーベスティングシステムであって、前記第２のスイッチの第１の端子が第１の参照電圧に結合され、前記第２のスイッチの第２の端子が電流制限レジスタの第１の端子に結合され、前記電流制限レジスタの第２の端子が前記インダクタの前記第１の端子に結合される、システム。
【請求項５】
請求項４のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧と前記出力電圧を受信するように結合され、前記出力電圧を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧と比較するよう動作して前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されているかどうかを判定し、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、更に、前記第１のスイッチを開に及び前記第２のスイッチ閉に保つよう機能して、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記インダクタ及び前記エネルギー蓄積デバイスからシャントさせる、システム。
【請求項６】
請求項５のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧を前記出力電圧と比較し、前記第２のスイッチを開に保ち、前記収集された電圧が前記出力電圧より小さい場合、前記エネルギー管理回路による前記収集された電圧のブーストを達成するよう前記第１のスイッチを動作させる、システム。
【請求項７】
請求項６のエナジーハーベスティングシステムであって、前記収集された電圧が前記出力電圧より小さく、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電より少なく充電されている場合、前記制御回路が前記第１及び第２のスイッチを開に保つよう機能する、システム。
【請求項８】
請求項４のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧を受け取るよう結合される第１の入力と、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されることを示す電圧を受け取るよう結合される第２の入力と、前記第２のスイッチの前記制御端子に結合される出力とを有するコンパレータを含み、前記制御回路が、前記出力電圧を受け取るよう結合される第１の入力と、前記最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧を受け取るよう結合される第２の入力と、パルス幅変調回路を用いて前記第１のスイッチの前記制御端子に結合される出力とを有する増幅器を含む、システム。
【請求項９】
請求項２のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記シャントを実行するため前記第１のスイッチと並列に結合される第２のスイッチを含み、前記第２のスイッチが、前記シャントを制御するよう前記制御回路に結合される制御端子を有し、前記第２のスイッチの第１の端子が第１の参照電圧に結合され、前記第２のスイッチの第２の端子が前記インダクタの前記第２の端子に結合される、システム。
【請求項１０】
請求項９のエナジーハーベスティングシステムであって、電流制限レジスタが、前記第２のスイッチの前記第２の端子を前記インダクタの前記第２の端子に結合し、前記制御回路が、前記収集された電圧と前記出力電圧を受信するように結合され、前記出力電圧を最大エネルギー蓄積デバイス参照電圧と比較するよう動作して、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されているかどうかを判定し、前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、更に、前記第１のスイッチを開に及び前記第２のスイッチを閉に保つよう機能して、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントする、システム。
【請求項１１】
請求項１０のエナジーハーベスティングシステムであって、前記制御回路が、前記収集された電圧を前記出力電圧と比較するよう動作し、前記収集された電圧が前記出力電圧より小さい場合、前記第２のスイッチを開に保ち、前記エネルギー管理回路による前記収集された電圧のブーストを達成するように前記第１のスイッチを動作させる、システム。
【請求項１２】
請求項１のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路が、前記インダクタの前記第２の端子と前記出力電圧との間に結合される整流要素を含む、システム。
【請求項１３】
請求項１２のエナジーハーベスティングシステムであって、前記エネルギー管理回路がブーストコンバータを含む、システム。
【請求項１４】
エナジーハーベスタからエネルギーを収集して、収集された電圧を生成するための方法であって、前記方法が、
前記収集された電圧を受け取るよう結合される第１の端子と、第１のスイッチの第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタを含むエネルギー管理回路を用いて、前記収集された電圧をエネルギー蓄積デバイスに印加される出力電圧に変換すること、
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されていない場合、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を、前記エネルギー管理回路を用いて前記エネルギー蓄積デバイスに転送すること、及び、
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、前記エネルギー蓄積デバイスを過充電することを避けるため、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントすること、
を含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記インダクタからシャントすることを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、シャントする前記ステップが、前記エナジーハーベスタと並列に結合される電流制限レジスタ及び第２のスイッチを介して、前記インダクタの前記第１の端子を参照電圧に結合することを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、シャントする前記ステップが、電流制限レジスタ及び第２のスイッチを介して、前記インダクタの第２の端子を参照電圧に結合することを含む、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記収集された電圧が前記出力電圧より大きい場合、前記第１のスイッチを開に及び前記第２のスイッチを閉に保つよう制御回路を動作させることを含む、方法。
【請求項１９】
エナジーハーベスタからエネルギーを収集してＤＣハーベスト電圧を生成するためのシステムであって、前記システムが、
前記収集された電圧を受け取るよう結合される第１の端子と、第１のスイッチの第１の端子に結合される第２の端子とを有するインダクタを含むエネルギー管理回路を用いて、前記収集された電圧をエネルギー蓄積デバイスに印加される出力電圧に変換するための手段、
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されていない場合、前記エネルギー管理回路を用いて、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスに転送するための手段、及び
前記エネルギー蓄積デバイスがフル充電されている場合、前記エネルギー蓄積デバイスを過充電することを避けるため、前記エナジーハーベスタにより生成された電流を前記エネルギー蓄積デバイスからシャントするための手段、
を含む、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１３−５２０１５４（Ｐ２０１３−５２０１５４Ａ）
【公表日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５３８８４（Ｐ２０１２−５５３８８４）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１８３１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０２８７６
【国際公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（３９００２０２４８）日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 (219)
【出願人】（５０７１０７２９１）テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド (50)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９８４９７
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０６１８３１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０２８７６
【国際公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（３９００２０２４８）日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 (219)
【出願人】（５０７１０７２９１）テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド (50)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１０００９８４９７
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
【Ｆターム（参考）】
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