專利名稱：電力供給裝置及便攜式電子儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及某種具有發(fā)電裝置的電力供給裝置，該發(fā)電裝置是可以裝在腕部佩戴型等的便攜式電子儀器內(nèi)、利用旋轉(zhuǎn)擺的運(yùn)動(dòng)可以將身體運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換成交變電流等類型的發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
在象手表裝置那樣的攜帶方便的小型電子儀器中，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)內(nèi)部安裝發(fā)電裝置從而不需要更換電池或者可以不要電池的便攜式電子儀器，并已實(shí)用化。在

圖11中，作為一個(gè)例子示出了內(nèi)部裝有發(fā)電裝置1的手表裝置10的大概結(jié)構(gòu)。在該便攜式電子儀器(手表裝置)10中，在手表裝置的外殼內(nèi)具有進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)擺13、將旋轉(zhuǎn)擺13的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳送到電磁發(fā)電機(jī)的齒輪機(jī)構(gòu)11以及構(gòu)成電磁發(fā)電機(jī)12的轉(zhuǎn)子14和定子15，當(dāng)兩極已磁化了的圓盤狀轉(zhuǎn)子14旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子15的輸出線圈16上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而，可以得到交流輸出。進(jìn)而，該便攜式電子儀器的電力供給裝置20具有整流電路24，其輸出端與充電裝置的大容量電容器5和處理裝置5連接，可以將發(fā)電裝置輸出的交變電流整流后供給大容量電容器5和處理裝置9。因此，與電力供給裝置20連接的處理裝置9利用發(fā)電裝置1的電力或大容量電容器5放電的電力可以驅(qū)動(dòng)手表的計(jì)時(shí)功能部件7。所以，該便攜式電子儀器是一種即使沒有電池也可以使處理裝置9連續(xù)工作、無(wú)論何時(shí)何地都可以使用處理裝置從而能夠解除電池廢棄所帶來(lái)的問(wèn)題的電子儀器。
在圖11所示的電子儀器中，因從內(nèi)部安裝的發(fā)電裝置1供給的電源是交流電源，故通過(guò)電力供給裝置20的整流電路24整流后對(duì)大容量電容器5充電，而且，成為具有IC等處理裝置9的工作電源。在圖11所示的電力供給裝置20中，使用整流電路24，將利用兩個(gè)二極管25和26半波整流后的電壓暫時(shí)對(duì)輔助電容器27充電，進(jìn)行升壓整流。使用硅二極管作為二極管25和26，如圖12所示那樣，對(duì)正向電流If有0.5~0.6V左右的正向電壓。因此，利用整流電路24對(duì)發(fā)電裝置1供給的電源W0進(jìn)行整流所得到的電源W1因構(gòu)成整流電路24的二極管有正向電壓Vf的損失故如下式所示。
W1=ηC×W0…(1)
ηC=V1/(V1+2×Vf) …(2)這里，ηC是充電時(shí)的整流功率，V1是整流電路的輸出電壓，在圖11所示的電路中與大容量電容器5的充電電壓對(duì)應(yīng)。
為了降低耗電，手表裝置等的便攜式電子儀器的處理裝置9的IC等的工作電壓趨向于低電壓驅(qū)動(dòng)，例如，在0.9～1.0V左右即可開始工作。因此，大容量電容器5的電壓選擇在1.5V～2V左右，與此對(duì)應(yīng)，若考慮0.5～0.6V左右的正向電壓Vf，則整流效率ηC成為0.6左右的值。所以，為了提高整流效率，希望正向電壓Vf更低一些。
此外，作為可以裝在便攜式電子儀器內(nèi)的發(fā)電裝置，有使用旋轉(zhuǎn)擺、捕捉人體的活動(dòng)使定子旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)換成交流電的裝置、使用發(fā)條存儲(chǔ)能量并轉(zhuǎn)換成交流電的裝置、利用人體的活動(dòng)使壓電器件振動(dòng)來(lái)獲得交流電的裝置和使用熱電元件或太陽(yáng)能電池來(lái)獲得直流電源的裝置等。在它們之中，在獲得交流電的發(fā)電裝置中，從身體等活動(dòng)所得到的發(fā)電用的運(yùn)動(dòng)能量小，此外，為了要裝在便攜式電子儀器內(nèi)，發(fā)電裝置本身非常小，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小，進(jìn)而，身體運(yùn)動(dòng)等的狀態(tài)變動(dòng)很大，不是經(jīng)常能得到電力。因此，整流電路的輸入電壓低，在正向電壓Vf附近波動(dòng)，最大也不過(guò)達(dá)到正向電壓Vf的數(shù)倍。因此，通過(guò)降低正向電壓Vf就可以大幅度地改善供電效率。
在使用產(chǎn)生太陽(yáng)能電池等直流電的發(fā)電裝置的電力供給裝置中，同樣因照度等原因感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變動(dòng)也很大。因此，通過(guò)降低反向電流阻止用的二極管的正向電壓Vf，即使在照度低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小的狀態(tài)下也能夠有效地利用發(fā)出的電力。這樣一來(lái)，為了有效地利用可裝在便攜式電子儀器內(nèi)的發(fā)電裝置發(fā)出的電力，如何降低該供電電路使用的正向電壓Vf便成為近年來(lái)開發(fā)研究的重要課題。
因此，本發(fā)明的目的在于，通過(guò)采用可以降低正向電壓Vf的1方向性單元去代替二極管來(lái)大幅度地提高便攜式電子儀器用的電力供給裝置的整流效率ηC。本發(fā)明的目的還在于，通過(guò)使這種高效率的發(fā)電裝置與處理裝置一起搭載來(lái)提供一種不需要更換電池、無(wú)論何時(shí)何地都能使用的便攜式電子儀器。
發(fā)明的公開在本發(fā)明的可以裝在便攜式電子儀器內(nèi)的電力供給裝置中，對(duì)在將發(fā)電裝置的電力供給充電裝置或處理裝置的供給部采用1方向性單元，該1方向單元具有二極管、與該二極管并聯(lián)連接的旁路開關(guān)和當(dāng)二極管產(chǎn)生正向電壓時(shí)使旁路開關(guān)接通的控制部。在該1方向性單元中，因當(dāng)二極管流過(guò)正向電流產(chǎn)生正向電壓時(shí)旁路開關(guān)接通故可以防止正向電壓引起的損耗。還有，當(dāng)電流的方向與二極管的方向相反時(shí)，因產(chǎn)生與正向電壓的極性相反的電壓，旁路開關(guān)不接通，故可以利用二極管防止反向電流的流動(dòng)。
容易利用作為這樣的1方向性單元的器件有場(chǎng)效應(yīng)晶體管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管起旁路開關(guān)的作用，旁路開關(guān)的寄生二極管起二極管的作用。
進(jìn)而，象具有手表裝置所采用的太陽(yáng)能電池或旋轉(zhuǎn)擺的發(fā)電系統(tǒng)那樣，捕捉用戶周圍的能量進(jìn)行發(fā)電，在使用這樣的發(fā)電裝置時(shí)，發(fā)電裝置能連續(xù)工作的情況很少。因此，希望能夠以比已充電好的大容量電容器所供給的電壓或利用升壓裝置升壓后的發(fā)電裝置的輸出電壓高的電壓來(lái)進(jìn)行控制。通過(guò)能夠以比發(fā)電裝置的輸出電壓高的電壓來(lái)進(jìn)行控制，即使在發(fā)電初期或末期輸出電壓低的狀態(tài)下，也可以使開關(guān)以很高的速度可靠地動(dòng)作，所以，能夠進(jìn)一步提高整流效率。
這樣的1方向性單元是通過(guò)接通旁路開關(guān)來(lái)使正向電壓降低的，所以，為了關(guān)閉旁路開關(guān)，希望使用不同的方法去檢測(cè)電流的方向。例如，通過(guò)控制部在旁路開關(guān)接通的規(guī)定時(shí)間之后再斷開旁路開關(guān)，可以檢測(cè)出(取樣)有無(wú)正向電壓并判斷電流的方向。因此，可以定期檢測(cè)有無(wú)正向電壓，當(dāng)有正向電壓時(shí)，可以通過(guò)再次接通旁路開關(guān)去降低正向電壓的損耗，還可以防止電流的反向。
此外，在控制部設(shè)置比較器，作為比較裝置，對(duì)二極管兩端的電壓進(jìn)行比較，在旁路開關(guān)接通的期間內(nèi)，可以檢測(cè)出由旁路開關(guān)引起的電壓降低，也可以檢測(cè)出電流的方向。還有，為了產(chǎn)生比較器可檢測(cè)的壓降，也可以在旁路開關(guān)上串接一個(gè)很小的電阻。這樣，通過(guò)采用1方向性單元，根據(jù)二極管是否產(chǎn)生了正向電壓去控制旁路開關(guān)，不需要增加發(fā)電裝置的接口器件就可以根據(jù)發(fā)電裝置的發(fā)電狀態(tài)對(duì)1方向性單元進(jìn)行控制。因此，由于不需要發(fā)電裝置本身具有電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)用的線圈等，所以，發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，不需要增加發(fā)電裝置的接口器件，就可以進(jìn)行消除正向電壓損耗的控制。
進(jìn)而，為了在不能得到控制旁路開關(guān)的電力的狀態(tài)下還能發(fā)揮1方向性單元的性能，作為旁路開關(guān)希望采用增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通過(guò)采用增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于當(dāng)柵極不加電壓時(shí)旁路開關(guān)斷開，所以，可以使用二極管起到防止1方向性單元電流反向的作用。
當(dāng)從發(fā)電裝置供給交流電時(shí)，在電力供給裝置的供給部，為了對(duì)交流電進(jìn)行整流，使用1方向性單元可以減少二極管正向電壓引起的損耗。特別是，由于可裝在便攜式電子儀器內(nèi)的發(fā)電裝置的電動(dòng)勢(shì)低，在二極管的正向電壓附近，所以，有可能大幅度地提高整流效率，可以提供供電效率高的電力供給裝置。
在供給部中，當(dāng)進(jìn)行全波整流時(shí)，也可以使用4個(gè)1方向性單元代替二極管，這時(shí)，對(duì)于與發(fā)電裝置連接的第1和第2輸入端以及與充電裝置或處理裝置連接的第1和第2輸出端，可以將第1和第2的1方向性單元并聯(lián)連接在第1和第2輸入端與第1輸出端之間，將第1和第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管并聯(lián)連接在第1和第2輸入端與第2輸出端之間。而且，采用第1導(dǎo)電型場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為第1和第2的1方向性單元。與此對(duì)應(yīng)，第1和第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用第2導(dǎo)電型的，將第2輸入端的電壓加在第1場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極輸入端，將第1輸入端的電壓加在第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極輸入端。因此，由于第1和第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管也和1方向性單元一樣跟隨第1和第2輸入端的電壓變化而接通斷開，所以能夠消除正向電壓的損耗、大幅度提高供電效率。
通過(guò)將反相器等驅(qū)動(dòng)元件連接在第2導(dǎo)電型的第1和第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管上的柵極輸入端，有可能提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管接通的定時(shí)精度。此外，作為第1和第2的1方向性單元的控制部，也可以設(shè)置3輸入端的比較器，將第1和第2輸入端的電壓與第1輸出端的電壓進(jìn)行比較，使其可以在各1方向性單元中對(duì)正向電壓同時(shí)進(jìn)行判斷，可以削減比較器的總數(shù)。由此，可以降低實(shí)現(xiàn)電力供給電路的半導(dǎo)體裝置的電力消耗。此外，因電路簡(jiǎn)單了故減小了半導(dǎo)體裝置的面積，降低了成本。
在具有供給直流電的發(fā)電裝置的電力供給裝置中，為了防止反向電流，通過(guò)采用上述1方向性單元可以減少二極管正向電壓引起的損耗。即，通過(guò)采用上述1方向性單元，可以在發(fā)電時(shí)減少二極管正向電壓引起的損耗。在不發(fā)電時(shí)，或者在電動(dòng)勢(shì)比充電裝置還低時(shí)，可以防止反向電流流過(guò)發(fā)電裝置。
這樣一來(lái)，本發(fā)明的電力供給裝置是可以裝在腕部佩帶型電子儀器等便攜式電子儀器內(nèi)的裝置，是具有象使用了電磁發(fā)電機(jī)或壓電元件等輸出交流電的發(fā)電裝置和太陽(yáng)能電池或熱電元件等輸出直流電的發(fā)電裝置那樣的裝置，可以從這些發(fā)電裝置向充電裝置和處理裝置供給電力而損耗很少。這些發(fā)電裝置是可攜帶的裝置，或者捕捉用戶身體的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)等進(jìn)行發(fā)電，或者可以將太陽(yáng)光和溫度差等自然界的不連續(xù)的能量轉(zhuǎn)換成電能，但都不能連續(xù)地獲得電力，電動(dòng)勢(shì)或電流密度小。因此，本發(fā)明的電力供給裝置可以防止整流時(shí)與發(fā)電裝置的電動(dòng)勢(shì)大致相當(dāng)?shù)亩O管的正向電壓引起的損耗，或者在向充電裝置和處理裝置供電時(shí)可以防止反向電流，所以，作為便攜式電子儀器的電力供給裝置是非常有用的。因此，通過(guò)使用本發(fā)明的電力供給裝置，可以提供一種搭載了具有計(jì)時(shí)功能等的處理裝置的、腕部佩帶型等的真正的便攜式電子儀器，一種隨時(shí)隨地都可以發(fā)揮計(jì)時(shí)功能等的處理功能的電子儀器。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1是表示采用了1方向性單元的本發(fā)明的電力供給裝置和電子儀器的大概結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖2是用來(lái)說(shuō)明圖1所示的整流電路的動(dòng)作的時(shí)序圖。
圖3是表示具有1方向性單元的與上述不同的本發(fā)明的電力供給裝置和電子儀器的大概結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖4是表示操作圖3所示的1方向性單元的開關(guān)的控制信號(hào)的時(shí)序圖。
圖5是表示使用1方向性單元進(jìn)行全波整流的電力供給裝置和電子儀器的大概結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖6是表示圖5所示的電力供給裝置的動(dòng)作的時(shí)序圖。
圖7是表示使用1方向性單元進(jìn)行全波整流的電力供給裝置和電子儀器的另一個(gè)例子的方框圖。
圖8是表示使用1方向性單元進(jìn)行全波整流的電力供給裝置和電子儀器的又一個(gè)例子的方框圖。
圖9是表示使用1方向性單元進(jìn)行全波整流的電力供給裝置和電子儀器的再一個(gè)例子的方框圖。
圖10是表示圖9所示的電力供給裝置的工作的時(shí)序圖。
圖11是表示先有的電子儀器的例子的方框圖。
圖12是表示二極管的正向電壓特性的圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳形態(tài)
第1實(shí)施形態(tài)下面參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。圖1概要地示出本發(fā)明的具有發(fā)電裝置的電子儀器。本例電子儀器10的電力供給裝置20具有可以裝在根據(jù)圖11已說(shuō)明過(guò)的手表裝置等中、可以提供交流電的發(fā)電裝置1和將從該發(fā)電裝置1輸入的電力整流后供給手表裝置等的處理裝置9的整流電路24。在本例的電力供給裝置20的第1輸出端22和第2輸出端23上，分別連接作為充電裝置的大容量電容器5和處理裝置9，處理裝置9除了是搭載了上述那樣的計(jì)時(shí)功能的裝置之外，當(dāng)然還可以是具有收音機(jī)、翻頁(yè)器或計(jì)算機(jī)功能的裝置。
本例的電力供給裝置20的整流電路24具有輔助電容器27和2個(gè)1方向性單元30、31，可以進(jìn)行升壓整流。在本例中，手表裝置10的高壓側(cè)Vdd接地，為基準(zhǔn)電壓。因此，在下面，作為輸出電壓參照低電壓一側(cè)的Vss，為簡(jiǎn)單起見，電壓值一律用絕對(duì)值表示。
本例的整流電路24所用的1方向性單元30、31分別具有p溝道MOSFET 32和n溝道MOSFET 33，利用這些MOSFET 32和33的寄生二極管作為只讓單方向電流流過(guò)的二極管。此外，1方向性單元30和31分別具有檢測(cè)MOSFET32和33的源極(S)和漏極(D)的電壓并向柵極(G)提供控制信號(hào)的控制電路36和37。
首先，1方向性單元30設(shè)計(jì)成使輔助電容器27能夠與發(fā)電裝置1并聯(lián)連接，用來(lái)利用它的二極管34對(duì)交流電進(jìn)行半波整流并對(duì)輔助電容器27充電。在本例的電路中，p溝道MOSFET 32的源極32S與接地的Vdd連接，漏極32D與輔助電容器27連接。因此，可以把正方向是從漏極32D到源極32S的寄生二極管34用來(lái)作為半波整流用的器件，當(dāng)發(fā)電裝置1的Vss一側(cè)的發(fā)生電壓V0比接地電壓Vdd高(在正方向)時(shí)，就可以對(duì)輔助電容器27充電。
下面，參照?qǐng)D2所示的時(shí)序圖說(shuō)明本例的整流電路24的各1方向性單元30和31的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作。首先，控制構(gòu)成1方向性單元30的MOSFET32的控制電路36具有比較器41和反相器45，比較器41將漏極32D的電壓V2與源極32S的電壓V3比較，反向器45將該比較器41的輸出反相后加在MOSFET 32的柵極32G上。源極的電壓V3輸入比較器41的反相輸入端42，漏極的電壓V2輸入非反相輸入端43。當(dāng)沿二極管34的正方向從漏極32D向源極32S流過(guò)電流時(shí)，在二極管34上產(chǎn)生正向電壓Vf。因此，漏極電壓V2比源極電壓V3高，從比較器41的輸出端44輸出高電平信號(hào)。該高電平信號(hào)經(jīng)反相器45反相后變成低電平或負(fù)電位的信號(hào)加在柵極32G上。因此，p溝道MOSFET 32導(dǎo)通，將寄生二極管34旁路，電流流經(jīng)MOSFET 32形成的溝道。所以，由于因二極管34的正向電壓Vf引起的電壓降沒有了，所以源極電壓V3上升到漏極電壓V2的附近，可以降低因正向電壓Vf引起的損耗。但是，因?yàn)檫€有因MOSFET32形成的溝道引起的電壓降，所以源極電壓V3保持在比漏極電壓V2低的值上。本例的比較器41具有能夠檢測(cè)出該程度電位差的精度，當(dāng)電流在MOSFET 32中從漏極32D流過(guò)源極32S時(shí)，能夠使MOSFET 32保持導(dǎo)通狀態(tài)。
或者，也可以這樣來(lái)構(gòu)成比較器41，使比較器41具有檢測(cè)電壓的滯后效應(yīng)，沿二極管34流過(guò)正向電流并產(chǎn)生正向電壓Vf，在非反相輸入端43和反相輸入端42之間產(chǎn)生一定電平以上的電位差，這時(shí)，比較器41的輸出端44輸出高電平信號(hào)，當(dāng)產(chǎn)生比該一定電平的電位差還小的規(guī)定的電位差或負(fù)的電位差時(shí)，比較器41的輸出端44變成低電平信號(hào)。這樣通過(guò)使導(dǎo)致MOSFET 32導(dǎo)通/截止的檢測(cè)電壓保持一個(gè)差值(滯后)，可以使MOSFET 32構(gòu)成為溝道壓降小的開關(guān)，甚至構(gòu)成為完全沒有壓降的理想的開關(guān)，可以得到更好的整流效果。
參看圖2的時(shí)序圖，當(dāng)發(fā)電裝置1空載時(shí)的發(fā)生電壓V0’在時(shí)刻t11是高電平時(shí)，即Vss的電平相對(duì)接地電位Vdd高時(shí)，電流流過(guò)二極管34并因二極管的正向電壓而產(chǎn)生電壓降。因此，MOSFET 32兩端的電壓(V2-V3)是漏極32D的電壓V2高，當(dāng)由比較器41在時(shí)刻t12進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，比較器41的輸出端必成為高電平。因而，P溝道MOSFET 32導(dǎo)通，1方向性單元30兩端的電壓(V2-V3)達(dá)不到二極管的正向電壓Vf，如圖所示那樣，在MOSFET 32的溝道上大約產(chǎn)生數(shù)10mV左右的微小壓降。因電流流過(guò)1方向性單元30，故輔助電容器27被充電，它兩端的電壓(V0-V2)慢慢上升。
在時(shí)刻t13，當(dāng)發(fā)電裝置1的交流電壓V0’轉(zhuǎn)向減少時(shí)，已充電到峰值電壓Vc的輔助電容器27開始放電。當(dāng)輔助電容器27開始放電時(shí)，因漏極32D的電壓V2比源極32S的電壓V3還低，故比較器41的輸出變成低電平。因此，由反相器45反轉(zhuǎn)的高電平信號(hào)供給P溝道MOSFET的柵極32G，P溝道MOSFET 32載止。而且，源極側(cè)的電壓V3比漏極側(cè)的電壓V2高時(shí)，二極管34加有反向電壓。所以，二極管34沒有電流流過(guò)。因此，1方向性單元30截止，阻止輔助電容器27放電，在時(shí)刻t13之后，MOSFET 32兩端的電壓是發(fā)電裝置發(fā)生電壓V0’和電壓Vc之和(當(dāng)極性相反時(shí)是它們的差)。
當(dāng)在時(shí)刻t11交流電壓V0’的相位改變使發(fā)生電壓V0比接地電壓Vdd還低(負(fù)向)時(shí)，輔助電容器27由1方向性單元31串聯(lián)連接起來(lái)。使用本例的整流電路24的另一個(gè)1方向性單元31將輔助電容器27與發(fā)電裝置1串聯(lián)連接起來(lái)，利用它的二極管35對(duì)交流電進(jìn)行半波整流，再加上輔助電容器充電后的電壓后供給輸出端22和23。因此，利用本例的電力供給裝置20，由發(fā)電裝置1發(fā)生的交流電可以在變成2倍升壓后的直流電之后供給與輸出端22連接的大容量電容器5和與輸出端23連接的處理電路9。
在本例的整流電路24中，第2的1方向性單元31采用n溝道MOSFET33,MOSFET 33的源極33S與輸出端22和23連接，漏極33D與輔助電容器27連接。因此，可以使用正方向是從源極33S到漏極33D的寄生二極管35作為半波整流，當(dāng)發(fā)生電壓V0比接地電壓Vdd低時(shí)便加上已充電的輔助電容器27的電壓，這樣，由發(fā)電裝置1發(fā)出的電力就可以供給輸出端22和23。
控制該MOSFET 33的控制電路37具有比較器41，它將源極33S的電壓V1和漏極33D的電壓V2進(jìn)行比較，該比較器41的輸出44加給MOSFET 33的柵極33G。比較器41的反向輸入端42輸入漏極一側(cè)的電壓V2，非反向輸入端43輸入源極一側(cè)的電壓V1。當(dāng)沿二極管35的正向、即從源極33S到漏極33D流過(guò)電流時(shí)，在二極管35上產(chǎn)生正向電壓Vf。因此，源極電壓V1比漏極電壓V2高，從比較器41的輸出端44輸出高電平。因該高電平信號(hào)加在柵極33 G上，故n溝道MOSFET 33導(dǎo)通，將寄生二極管35旁路，電流流過(guò)MOSFET 33形成的溝道。所以，因二極管35的正向電壓Vf沒有產(chǎn)生壓降，故源極電壓V1降到漏極電壓V2的附近，可以降低正向電壓Vf引起的損耗。該1方向性單元31也一樣，因MOSFET 33形成的溝道產(chǎn)生壓降，故源極電壓V1維持比漏極電壓V2高，該電位差由本例的比較器41檢測(cè)出來(lái)，在電流從源極33S流向漏極33D這段時(shí)間內(nèi)，MOSFET 33導(dǎo)通。
在該1方向性單元31中，比較器41也可以構(gòu)成為，使比較器41具有檢測(cè)電壓滯后特性，電流沿二極管35的正向流過(guò)并產(chǎn)生正向電壓Vf，當(dāng)比較器41的非反向輸入端43和反向輸入端42產(chǎn)生一定電平以上的電位差時(shí)，其輸出端44輸出高電平信號(hào)，當(dāng)產(chǎn)生比一定電平的電位差小的規(guī)定的電位差或負(fù)的電位差時(shí)，比較器41的輸出端44變成低電平信號(hào)。這樣，通過(guò)使讓MOSFET 33導(dǎo)通/截止的檢測(cè)電壓具有回差(滯后)，MOSFET 33也可以構(gòu)成為溝道壓降小的開關(guān)，甚至可以構(gòu)成為完全沒有壓降的理想的開關(guān)，可以謀求達(dá)到更好的整流效果。
參照?qǐng)D2所示的時(shí)序圖，歸納一下1方向性單元33的動(dòng)作。在時(shí)刻t14，發(fā)電裝置的發(fā)生電壓V0’的相位改變，其值比接地電位Vdd還低，在時(shí)刻t15,MOSFET 33兩端的電壓(V1-V2)為正、即當(dāng)輔助電容器27的電壓Vc與發(fā)生電壓V0’的和大于大容量電容器的充電電壓Vsc(因是負(fù)一側(cè)故為絕對(duì)值)時(shí)，二極管35流過(guò)電流。因此，MOSFET 33的兩端產(chǎn)生正向壓降，在時(shí)刻t16，由比較器41檢測(cè)出來(lái)，其結(jié)果，MOSFET33導(dǎo)通，MOSFET 33兩端的壓降沒有正向電壓Vf那么大，抑制為溝道電壓下降到一定程度。在這樣由1方向性單元33引起的壓降非常小的狀態(tài)下可以對(duì)大容量電容器5進(jìn)行充電。
在時(shí)刻t17，當(dāng)發(fā)生電壓V0’越過(guò)峰值，它與輔助電容器27的電壓Vc的和小于大容量電容器5的充電電壓Vsc(盡管是包含了MOSFET 33的溝道引起的電壓降的值)時(shí)，因?yàn)槭谴笕萘侩娙萜?的充電電壓Vsc高，故從大容量電容器5開始放電。當(dāng)大容量電容器5開始放電時(shí)，如上所述，因源極33S的電壓V1比漏極33D的電壓V2還低，故比較器41的輸出44反轉(zhuǎn)為低電平。所以，因n溝道MOSFET 33截止二極管35也呈現(xiàn)反向電壓，故利用1方向性單元可以阻止大容量電容器5的放電。
而且，當(dāng)從發(fā)電裝置1供給的交流電的相位改變，發(fā)生電壓V0比接地電位Vdd高時(shí)，輔助電容器27因剛才說(shuō)明過(guò)的另一個(gè)1方向性單元30的作用而與發(fā)電裝置1并聯(lián)連接，輔助電容器27被充電。在該期間，1方向性單元31在漏極電壓值V2比源極電壓值V1小時(shí)(作為電壓V2比V1高)沒有電流流過(guò)。因此，即使有從發(fā)電裝置1來(lái)的輸入，在發(fā)生電壓V0比大容量電容器5的充電電壓Vsc小的情況下，也沒有電流流過(guò)，保護(hù)已充電的大容量電容器5，使其不放電。此外，本例的MOSFET32和33采用增強(qiáng)型的，當(dāng)柵極32G和33G未加電壓時(shí)，MOSFET 32和33截止，二極管34和35的功能被激活。即使大容量電容器5沒有電壓、控制電路36和37不工作，也可以用二極管34和35構(gòu)成整流電路24、對(duì)發(fā)電裝置1的電力進(jìn)行整流并供給大容量電容器5和處理裝置9。
這樣，本例的1方向性單元30和31能夠阻止反向電流，同時(shí)對(duì)正向電流可以將正向電壓的損耗降低到由MOSFET 32和33的導(dǎo)通阻抗所引起的損耗那么大。因此，利用1方向性單元30，可以將輔助電容器27充電到發(fā)生電壓V0附近，此外，利用1方向性單元31，整流后的電壓，還加上輔助電容器27充電后的電壓，可以向輸出端22和23供給大約相當(dāng)發(fā)電電壓V0兩倍的電壓。為此，可以大幅度提供前面(2)式所示的整流效率ηc。另一方面，當(dāng)1方向性單元30和31流過(guò)反向電流時(shí)，因MOSFET 32和33截止，故通過(guò)二極管34和35可以阻止反向電流。所以，可以減少漏電流損耗。通過(guò)使用1方向性單元，可以將該漏電流損耗抑制到MOSFET的反向漏電流的程度、即1nA以下，使其達(dá)到幾乎可以忽略的地步。這特別對(duì)于手表那樣的消耗電流在數(shù)百nA的所謂低功耗系統(tǒng)，效果是非常大的。這樣一來(lái)，在由本發(fā)明的1方向性單元構(gòu)成整流電路24的電力供給裝置20中，可以向輸出端22和23供給電力，使發(fā)電的電力幾乎不受損失。因此，可以提供供電效率高、損失少的電力供給裝置，可以有效地將從旋轉(zhuǎn)擺錘的運(yùn)動(dòng)得到的電能供給手表裝置等的處理電路9，可以使其功能發(fā)揮作用。此外，供給與輸出端22連接的大容量電容器5對(duì)大容量電容器充電，即使當(dāng)發(fā)電裝置1不發(fā)電，利用大容量電容器5的電力也可以使處理裝置9連續(xù)工作。這樣，使用本發(fā)明可以提供便于攜帶的小型電子儀器。
第2實(shí)施形態(tài)作為本發(fā)明的另一個(gè)例子，圖3概要地示出了可以利用太陽(yáng)能電池2作為直流電源使計(jì)時(shí)裝置等處理裝置工作的電子儀器10。該電子儀器10具有電力供給裝置20，把從太陽(yáng)能電池2來(lái)的直流電供給作為充電裝置的大容量電容器5和處理裝置9。電力供給裝置20具有與大容量電容器5連接的第1輸出端22和與處理裝置9連接的第2輸出端23。在第2輸出端23上，相對(duì)第1輸出端22、即大容量電容器5串聯(lián)連接有啟動(dòng)用電阻28，還連接有與該電阻28并聯(lián)的旁路開關(guān)51。因此，當(dāng)大容量電容器5的充電電平低時(shí)，為了防止大容量電容器把大部分電力消耗掉，利用啟動(dòng)用電阻28，使與處理裝置9連接的輸出端23產(chǎn)生足夠的電壓。此外，當(dāng)大容量電容器5產(chǎn)生一定程度的電壓時(shí)，利用旁路開關(guān)51將啟動(dòng)用電阻28旁路，能夠有效地對(duì)大容量電容器5進(jìn)行充電。
在本例的處理裝置9上并聯(lián)連接有用于使工作電壓穩(wěn)定等的輔助電容器8。此外，電力供給裝置20還連接有與太陽(yáng)能電池2并聯(lián)的短路用開關(guān)52，當(dāng)太陽(yáng)能電池2產(chǎn)生的電壓V0太高、已達(dá)到給處理裝置9和大容量電容器5帶來(lái)壞影響的程度時(shí)，將太陽(yáng)能電池2來(lái)的輸入短路，使輸出電壓V1不致太高。為了進(jìn)行這樣的控制，電力供給裝置20具有控制電路37，利用該控制電路37去監(jiān)視發(fā)生電壓V0和大容量電容器5的輸出端23的輸出電壓V1，以便操作短路用開關(guān)52和旁路用開關(guān)51。
在該電力供給裝置20中，當(dāng)把不連續(xù)的光能轉(zhuǎn)換成電能的太陽(yáng)能電池2的輸出下降時(shí)，大容量電容器5放電的電力從輸出端22供給輸出端23并驅(qū)動(dòng)處理裝置9。這時(shí)，當(dāng)電流從大容量電容器5流向太陽(yáng)能電池2時(shí)，電力就會(huì)被浪費(fèi)掉，還有損傷太陽(yáng)能電池2之虞。因此，在電力供給裝置20內(nèi)，設(shè)有1方向性單元31，用來(lái)防止從大容量電容器5對(duì)太陽(yáng)能電池2進(jìn)行電流倒灌。
本例的1方向性單元31具有二極管35和與該二極管35并聯(lián)連接的開關(guān)38，二極管35的連接使得當(dāng)太陽(yáng)能電池2的電動(dòng)勢(shì)V0的絕對(duì)值比與大容量電容器5連接的輸出端22的電壓V1還大時(shí)電流能夠通過(guò)，該開關(guān)38由控制電路37來(lái)的控制信號(hào)φ1操縱。圖4示出控制信號(hào)φ1的例子。將發(fā)生電壓V0和輸出端22的輸出電壓V1導(dǎo)入控制電路37，電壓V0和V1與二極管35兩端的電壓相當(dāng)。首先，在時(shí)刻t1，當(dāng)太陽(yáng)能電池2還未發(fā)電、大容量電容器5的還沒有積蓄電荷時(shí)，發(fā)生電壓V0和輸出電壓V1為0，它們的差也是0。因此，控制信號(hào)φ1保持低電平，開關(guān)38斷開。為了在控制用電源不能確保的情況下能夠保證斷開，例如，可以使用增強(qiáng)型MOSFET等場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)。
其次，在時(shí)刻t2，當(dāng)太陽(yáng)能電池2開始發(fā)電時(shí)，發(fā)生電壓V0增加(負(fù)向)。從而，電流流過(guò)二極管35，產(chǎn)生正向電壓Vf。因此，二極管35另一端的電壓V1在正向一側(cè)比發(fā)生電壓V0還小。控制電路37檢測(cè)該電位差，在時(shí)刻t3使控制信號(hào)φ1成為高電平，使開關(guān)38接通。結(jié)果，從太陽(yáng)能電池2來(lái)的電流從二極管35的旁邊流過(guò)，供給大容量電容器5和處理電路9，而沒有正向電壓Vf引起的損耗。
當(dāng)旁路開關(guān)38接通時(shí)，因?yàn)闆]有二極管35的正向電壓Vf的影響，所以電壓V1和V0幾乎沒有差。當(dāng)然，還有開關(guān)38引起的壓降，如上所述，可以檢測(cè)該電壓降去控制旁路開關(guān)38。在本例中，在旁路開關(guān)38接通、經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后的時(shí)刻t4，使旁路開關(guān)38斷開一會(huì)兒。若在旁路開關(guān)38斷開時(shí)檢測(cè)出二極管35的正向電壓Vf，則在時(shí)刻t5再次使旁路開關(guān)38接通。這樣，在本例的1方向性單元31中，通過(guò)定期地使旁路開關(guān)38斷開、對(duì)二極管35的正向電壓進(jìn)行采樣，可以檢測(cè)流過(guò)二極管35的電流的方向。因此，由于在太陽(yáng)能電池2和大容量電容器5之間定期地產(chǎn)生二極管35的正向電壓Vf，所以充電效率降低。但是，在開關(guān)38接通期間可以消除正向電壓Vf的影響。因此，與先有的電壓供給裝置總是產(chǎn)生正向電壓Vf損耗的情況相比，可以大幅度提高電壓供給裝置的供電效率。
當(dāng)在時(shí)刻t9太陽(yáng)能電池2停止發(fā)電時(shí)，電壓V1和V0的差反向，電壓V0的絕對(duì)值變小。因此控制信號(hào)φ1變成低電平，開關(guān)38斷開。當(dāng)電壓V1減V0的值為負(fù)時(shí)，因二極管35也反向故沒有電流。因此，電流不流過(guò)本例的1方向性單元31，電流不從大容量電容器5倒流到太陽(yáng)能電池2，大容量電容器5的電力經(jīng)輸出端23供給處理裝置9，處理裝置9繼續(xù)工作。
這樣，在本例的電力供給裝置20中，通過(guò)使用本發(fā)明的1方向性單元31來(lái)阻止反向電流，可以防止二極管正向電壓引起的損耗，而有效地輸送電力。此外，因?yàn)樵诖笕萘侩婋娙萜?把電力供給處理裝置9時(shí)能夠除去正向電壓Vf引起的損耗，所以能夠采用正向電壓Vf大的元件，能夠采用反向漏電流小、能降低漏電流損失的硅二極管作為防止反向電流用的元件35。
此外，在本例中以電阻28、開關(guān)51、電容器8和開關(guān)52的作用和效果為中心進(jìn)行了說(shuō)明，但這些結(jié)構(gòu)當(dāng)然也適用于上述第1實(shí)施形態(tài)，能夠得到同樣的作用和效果。還有，在本例中，通過(guò)定期地使1方向性單元31的旁路開關(guān)38斷開來(lái)檢測(cè)流過(guò)二極管的電流的方向，但在第1實(shí)施形態(tài)的MOSFET 32和33中也可以這么去做。而且，使用這樣的方法，通過(guò)取樣檢測(cè)流過(guò)二極管34和35的電流的方向，可以使用沒有溝道電壓降的理想的MOSFET去構(gòu)成整流電路，進(jìn)而能夠有效地供給電力。此外，因檢測(cè)電流方向或電壓方向是取樣式的故比較器41的動(dòng)作可以是取樣式(離散的)的，所以可以降低控制電路的電力消耗，考慮這一點(diǎn)還可以進(jìn)一步提高供電效率。
如上所述，本發(fā)明的電力供給裝置檢測(cè)二極管產(chǎn)生的正向電壓，使旁路二極管的開關(guān)接通，可以防止正向電壓損耗的發(fā)生。因此，可以大幅度降低對(duì)交流電整流的整流電路的損耗和反向電流防止元件的損耗，可以在沒有正向電壓引起的損耗的情況下從輸入端將電力輸送到輸出端。此外，本發(fā)明的1方向性單元若加反向電壓時(shí)開關(guān)接通，利用二極管可以防止反向電流，所以，與以往一樣可以阻止輸出端到輸入端的反向電流，可以防止把大容量電容器和處理裝置的輔助電容暫時(shí)積蓄的電力浪費(fèi)掉。
因此，通過(guò)在本發(fā)明的電力供給裝置的輸入端連接輸出太陽(yáng)能電池或熱電元件等的直流的發(fā)電裝置、或者連接使用電磁發(fā)電機(jī)或振動(dòng)式熱電元件輸出交流的發(fā)電裝置，可以提供漏電流損耗少、供電效率高的發(fā)電裝置，而沒有二極管的正向電壓引起的損耗。因此，利用本發(fā)明的發(fā)電裝置，可以有效地從使用了能量密度小的太陽(yáng)能電池、熱電元件或利用用戶的動(dòng)作進(jìn)行發(fā)電的旋轉(zhuǎn)擺的發(fā)電機(jī)等向處理裝置和充電裝置供給電力，可以提供便于攜帶的發(fā)電裝置。進(jìn)而，本發(fā)明的1方向性單元是二極管和開關(guān)的組合，或者是由MOSFET等場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)及其寄生二極管形成的非常簡(jiǎn)單的可小型化的單元，這一點(diǎn)也適合便攜式發(fā)電裝置。此外，通過(guò)裝上具有計(jì)時(shí)功能的處理裝置和本發(fā)明的電力供給裝置或發(fā)電裝置，可以提供自發(fā)電型的便攜式電子儀器，通過(guò)同時(shí)使用大容量電容器等的充電裝置，可以提供在各種環(huán)境下都能使處理裝置長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的電子儀器。本發(fā)明的電子儀器作為手表和其它便攜式或車載式電子儀器是可以實(shí)現(xiàn)的，不限于在上述例子中已說(shuō)明過(guò)的具有計(jì)時(shí)功能的電子儀器，當(dāng)然可以將翻頁(yè)器(ペ-ジャ-)、電話機(jī)、無(wú)線電臺(tái)、助聽器、萬(wàn)步計(jì)(計(jì)步器)、臺(tái)式電子計(jì)算機(jī)、電子筆記本等信息終端、IC卡、無(wú)線電接受機(jī)等以消耗電力來(lái)工作的各種各樣的處理裝置裝進(jìn)去。
此外，本發(fā)明當(dāng)然不限于上述各電子裝置10的電路例子。例如，可以使用圖3所示的反向電流阻止用的1方向性單元作為圖1所示的交流電源整流電路的1方向性單元，當(dāng)然，反之亦可。此外，整流電路除了上述升壓整流電路之外，當(dāng)然也可以是將橋式整流電路與1方向性單元組合進(jìn)行全波整流的電路、或使用1方向性單元進(jìn)行半波整流的電路等。此外，在升壓整流中，也不限于上述2倍升壓，當(dāng)然可以使用3倍以上的升壓電路。此外，作為旁路二極管的開關(guān)除了所謂場(chǎng)效應(yīng)晶體管的單極性晶體管之外，也可以使用雙極性晶體管開關(guān)，可以是將電力供給裝置IC化之后再提供，或者是與處理裝置裝在同一塊半導(dǎo)體襯底上等各種各樣的變形例子。
第3實(shí)施形態(tài)圖5示出可以使用1方向性單元對(duì)從發(fā)電裝置來(lái)的交流電進(jìn)行全波整流后供給處理裝置9和充電裝置5的電力供給裝置20的例子。也可以如上所述將4個(gè)1方向性單元組成橋形進(jìn)行全波整流，但在本例的電力供給裝置20中，是由具有比較器41的1方向性單元30a、30b和MOSFET60a、60b構(gòu)成橋來(lái)進(jìn)行全波整流的。因此，在本例的整流電路24中，因1方向性單元30有2個(gè)、比較器41有2個(gè)就行，故可以簡(jiǎn)化電路，可以使裝載整流電路24的半導(dǎo)體裝置(ASIC)小型化，能夠?qū)崿F(xiàn)成本更低、更容易裝載在便攜式電子儀器中的電力供給裝置20。
在本例的整流電路24中，為了形成橋形，在與發(fā)電裝置1連接的輸入端子AG1、AG2和與充電裝置5、處理裝置9連接的一個(gè)輸出端子O1之間并聯(lián)連接2個(gè)1方向性單元30a、30b，在輸入端子AG1、AG2與另一個(gè)輸出端子O2之間并聯(lián)連接整流用的MOSFET 60a、60b。1方向性單元30a、30b分別具有P溝道MOSFET 32和控制用的比較器41，它們的詳細(xì)結(jié)構(gòu)因與上述1方向性單元一樣故以下省略其說(shuō)明。與此相反，與輸出端子O2之間并聯(lián)連接的MOSFET 60a、60b是n溝道型的，漏極60D分別與發(fā)電裝置的輸入端子AG1、AG2連接，源極60S與輸出端子O2連接。進(jìn)而，MOSFET 60a的柵極60G與輸入端子AG2連接，MOSFET 60b的柵極60G與輸入端子AG1連接。MOSFET 60a、60b的柵極60G還經(jīng)過(guò)由反相器61、驅(qū)動(dòng)它的MOSFET 62和上拉電阻63構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)元件分別與輸入端子AG2、AG1連接。這些驅(qū)動(dòng)元件由發(fā)電裝置側(cè)的AG1和AG2的電壓驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而，因能夠控制整流用的MOSFET 60a和60b，故可以調(diào)整MOSFET 60a、60b的導(dǎo)通截止時(shí)序而不對(duì)它們產(chǎn)生影響。即，通過(guò)任意改變驅(qū)動(dòng)元件MOSFET 62的閾值，能夠任意選擇整流用MOSFET 60a和60b的動(dòng)作時(shí)序。雖然可以立即將發(fā)電裝置一側(cè)的電壓供給整流用MOSFET 60a和60b的柵極60G，但是，若為了調(diào)整時(shí)序而改變閾值，驅(qū)動(dòng)能力將下降，也就是說(shuō)，因漏電流增加等引起性能下降。與此相反，若設(shè)置驅(qū)動(dòng)元件，則在調(diào)整時(shí)序時(shí)可以不影響MOSFET 60a和60b的性能。
根據(jù)圖6所示的時(shí)序圖說(shuō)明本例的電力供給裝置20的整流電路24的動(dòng)作。使發(fā)電裝置1開始發(fā)電，輸入端子AG1的電位從低電位Vsc上升到高電位Vdd，當(dāng)在時(shí)刻t21達(dá)到驅(qū)動(dòng)元件MOSFET 62的閾值時(shí)，MOSFET62導(dǎo)通。因此，反相器61的輸出從低電位變到高電位，整流用的MOSFET60b導(dǎo)通。輸入端子AG1的電壓進(jìn)一步上升，當(dāng)大于充電裝置5的充電電壓Vdd時(shí)，在1方向性單元30a產(chǎn)生正向電壓。由此，當(dāng)在時(shí)刻t22、1方向性單元30a的MOSFET 32的兩端的電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，比較器41的輸出變成低電位，MOSFET 32導(dǎo)通，1方向性單元30a導(dǎo)通而沒有正向電壓引起的損耗。因而，從發(fā)電裝置1來(lái)的電力能夠供給充電裝置5或處理裝置9。當(dāng)發(fā)電裝置1的電動(dòng)勢(shì)開始反向時(shí)，在時(shí)刻t23,1方向性單元30a的MOSFET 32兩端的電壓降低，比較器41的輸出變成高電平，MOSFET 32截止。進(jìn)而，當(dāng)輸入端子AG1的電壓降低時(shí)，變得低于驅(qū)動(dòng)元件MOSFET 62的閾值，在時(shí)刻t24，整流用的MOSFET 60b截止。因此，因?yàn)?方向性單元30a的寄生二極管34和MOSFET 60b的寄生二極管65而沒有反向電流流過(guò)。
發(fā)電裝置1的電動(dòng)勢(shì)反向時(shí)也一樣，輸入端子AG2的電壓上升，在時(shí)刻t25整流用的MOSFET 60a導(dǎo)通，在時(shí)刻t26,1方向性單元30b導(dǎo)通而沒有正向電壓的損耗。因此，可以高效率地從發(fā)電裝置1向充電裝置5和處理裝置9供給電力。另一方面，輸入端子AG2的電壓下降，在時(shí)刻t27,1方向性單元30b截止，在時(shí)刻t28，整流用MOSFET 60a截止。所以，沒有反向電流流過(guò)1方向性單元30B和MOSFET 60a。這樣來(lái)進(jìn)行全波整流，在使用本例的橋進(jìn)行全波整流時(shí)，可以阻止1方向性單元30a、30b和MOSFET 60a、60b導(dǎo)通時(shí)因二極管的正向電壓引起的損耗?？裳b在便攜式電子儀器內(nèi)的發(fā)電裝置1的電動(dòng)勢(shì)是在硅二極管的正向電壓的幾倍以下，所以，與上述實(shí)施形態(tài)一樣，通過(guò)消除因硅二極管的正向電壓引起的損耗，可以提供整流效率非常高、供電效率高的電力供給裝置。
再有，也可以在高電壓側(cè)Vdd與N溝道MOSFET 62的漏極之間連接適當(dāng)?shù)暮懔麟娐啡ゴ嫔侠娮?3。此外，N溝道MOSFET 62在穩(wěn)定狀態(tài)下不發(fā)電時(shí)截止，經(jīng)電阻63和MOSFET 62不流過(guò)電流。這和使用恒流電路的情況是一樣的。此外，也可以使用由N溝道MOSFET和P溝道MOSFET構(gòu)成的CMOS反相器電路，來(lái)代替N溝道MOSFET 62和上拉電阻63這一驅(qū)動(dòng)元件。在這種情況下，在穩(wěn)定狀態(tài)下不發(fā)電時(shí)也是截止的，不流過(guò)電流。進(jìn)而，通過(guò)在輸入端子AG1和電源電壓Vsc之間以及在輸入端子AG2和電源電壓Vsc之間接入下拉電阻，也可以實(shí)現(xiàn)在不發(fā)電的穩(wěn)定狀態(tài)下輸入端子AG1和AG2的電位的穩(wěn)定。
圖7示出具有使用1方向性單元30a、30b和整流用MOSFET 60a、60b來(lái)進(jìn)行全波整流的整流電路24的電力供給裝置20的另一個(gè)例子。本例的手表裝置10具有升壓電路70，可以使電容器5的放電電壓升壓，作為電源電壓Vss使處理裝置9工作。這樣的升壓電路70可以使用切換多個(gè)電容器的2級(jí)、3級(jí)或更多級(jí)的能升壓的電路等來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，該升壓電路70也可以不使電容器5的電壓Vsc升壓而作為電源電壓Vss供給。
進(jìn)而，本例的電力供給裝置20具有電源端子29，接受供給來(lái)的可由升壓電路70升壓的電源電壓Vss，電源電壓Vss作為1方向性單元30a、30b和整流用MOSFET 60a、60b的控制電路、即比較器41和反相器61的工作電源使用。因此，即使在電容器(大容量電容器)5充電途中、或電容器5放電電壓Vsc下降的狀態(tài)下，由于也能夠用升壓了數(shù)倍Vsc的電源電壓Vss去控制1方向性單元30a及30b、整流用MOSFET 60a及60b。因此，在充電開始或放電結(jié)束等電容5的電壓Vsc低的狀態(tài)下，也能確保驅(qū)動(dòng)構(gòu)成開關(guān)的這些MOSFET的足夠電壓，所以，能可靠地高速進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，能夠進(jìn)行高效率的整流。因此，能夠降低充電初期或放電末期的整流損耗。例如，當(dāng)電壓Vsc相對(duì)高電位Vdd較小、大約-0.5V時(shí)，可以確保例如3倍升壓后的-1.5V左右的電源電壓Vss，通過(guò)該電源電壓Vss可以驅(qū)動(dòng)1方向性單元30a的P溝道MOSFET 32。因P溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)能力隨柵極電壓的平方增加，故通過(guò)使用升壓后的電力去控制大約能夠發(fā)揮9倍的驅(qū)動(dòng)能力，可以高效率地進(jìn)行整流。
圖8進(jìn)而示出與上面不同的電力供給裝置20的例子。本例的電力供給裝置20使采用了N溝道MOSFET 33的1方向性單元30a、30b與進(jìn)行全波整流的整流電路24的低電位一側(cè)(Vsc一側(cè))連接，使P溝道MOSFET 80a和80b作為整流用的MOSFET，與高電位側(cè)(Vdd一側(cè))連接。于是，MOSFET 80a的柵極端子80G利用輸入端子AG2的電壓工作，MOSFET 80b的柵極端子利用相反一側(cè)的輸入端子AG1的電壓工作。MOSFET80a和80b的柵極80G設(shè)有由反相器81、驅(qū)動(dòng)它的MOSFET 82和下拉電阻83構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)元件。進(jìn)而，設(shè)有電源電壓Vss的接受端子29，使用電源電壓Vss可以控制1方向性單元31a、31b和MOSFET 80a、80b。這些驅(qū)動(dòng)元件的動(dòng)作，如果把極性不同的因素考慮進(jìn)去，與前面根據(jù)圖7說(shuō)明過(guò)的電路是一樣的，所以，省略詳細(xì)說(shuō)明。
這樣，也可以使構(gòu)成1方向性單元和開關(guān)的MOSFET的極性反轉(zhuǎn)來(lái)構(gòu)成電力供給電路20。此外，在本例中，因?yàn)樗捎玫?方向性單元31a和31b不使用P溝道MOSFET，而使用驅(qū)動(dòng)能力大的N溝道MOSFET，所以，使控制1方向性單元的比較器41的輸出與N溝道MOSFET相匹配，可以小一些。因此，為了達(dá)到同樣的驅(qū)動(dòng)能力，在實(shí)現(xiàn)1方向性單元時(shí)可以使芯片的占有面積小一些，消耗的電力也可以比上述的低。
第4實(shí)施形態(tài)圖9示出具有使用1方向性單元30a、30b和整流用MOSFET 60a、60b來(lái)進(jìn)行全波整流的整流電路24的電力供給裝置20的另一個(gè)不同的例子。在本例中，1方向性單元30a、30b分別具有或電路48，作為P溝道MOSFET 32的控制部，進(jìn)而，具有3輸入端的比較器47，作為1方向性單元30a、30b的共同控制部。
2個(gè)1方向性單元共用的比較器47的非反向輸入端47a與高電位Vdd連接，2個(gè)反向輸入端47b和47c分別與同發(fā)電裝置1連在一起的輸入端子AG1和AG2連接。因此，當(dāng)AG1和AG2的任何一方的電位比高電位Vdd高時(shí)，比較器47的輸出從高電位變成低電位。而且，在各1方向性單元30a、30b中，將對(duì)應(yīng)的整流用的MOSFET 60a和60b驅(qū)動(dòng)用的反相器61的輸入信號(hào)和3輸入端比較器47的輸出信號(hào)輸入到或電路48，當(dāng)兩方的信號(hào)變成低電位時(shí)，P溝道MOSFET 32導(dǎo)通，向外供給電力而沒有二極管正向電壓引起的損耗。這樣，通過(guò)將控制1方向性單元30a、30b的比較器共同使用，因可以削減比較器的總數(shù)故可以使構(gòu)成電力供給裝置的半導(dǎo)體裝置(ASIC)緊湊化，容易收藏于攜帶型電子儀器內(nèi)，同時(shí)可降低成本。而且，因可減少比較器的數(shù)目，所以可降低比較器所消耗的電能。因每一比較器所消耗的電流為50 nA左右，所以，在本例中，通過(guò)把比較器從2組減少到1組，可以使消耗電能的供給提高50 nA左右。如剛才所說(shuō)，在象手表那樣消耗電力在數(shù)百nA左右的低功耗系統(tǒng)中，削減比較器對(duì)降低電力消耗效果是非常大的。
再有，對(duì)于其它的構(gòu)成，因與根據(jù)圖5說(shuō)明了的電力供給裝置通用，故省略說(shuō)明。
根據(jù)圖10所示的時(shí)序圖說(shuō)明本例電力供給裝置20的整流電路24的工作。發(fā)電裝置1開始發(fā)電，輸入端子AG1的電位從低電位Vsc上升到高電位Vdd，當(dāng)在時(shí)刻t31達(dá)到驅(qū)動(dòng)元件MOSFET 62的閾值時(shí)，MOSFET62導(dǎo)通。因此，反相器61的輸入從高電位變成低電位，輸出從低電位變到高電位，整流用的MOSFET 60b導(dǎo)通。輸入端子AG1的電壓進(jìn)一步上升，當(dāng)大于充電裝置5的充電電壓Vdd時(shí)，在1方向性單元30a產(chǎn)生正向電壓。由此，當(dāng)在時(shí)刻t32、3輸入端比較器47的輸出變成低電位，因輸入到1方向性單元30a的或電路48的兩個(gè)信號(hào)變成低電位，故P溝道MOSFET 32導(dǎo)通。因此，1方向性單元30a導(dǎo)通而沒有正向電壓引起的損耗，從發(fā)電裝置1來(lái)的電力能夠供給充電裝置5或處理裝置9。當(dāng)發(fā)電裝置1的電動(dòng)勢(shì)開始反向時(shí)，在時(shí)刻t33,1方向性單元30a的MOSFET 32兩端的電壓降低，共用比較器47的輸出變成高電平，MOSFET32截止。進(jìn)而，當(dāng)輸入端子AG1的電壓降低時(shí)，變得低于驅(qū)動(dòng)元件MOSFET62的閾值，在時(shí)刻t34，整流用的MOSFET 60b截止。因此，因?yàn)?方向性單元30a的寄生二極管34和MOSFET 60b的寄生二極管65而沒有反向電流流過(guò)。
發(fā)電裝置1的電動(dòng)勢(shì)反向時(shí)，輸入端子AG2的電壓上升，在時(shí)刻t35整流用的MOSFET 60a導(dǎo)通，在時(shí)刻t36，因共用的3輸入端比較器47的輸出變成低電位、MOSFET 60a一側(cè)的反相器61的輸入電壓變成低電位，故1方向性單元30b的或電路38的輸出變成低電位，MOSFET 32導(dǎo)通。因此，1方向性單元30b和MOSFET 60a導(dǎo)通而沒有正向電壓的損耗，可以高效率地從發(fā)電裝置1向充電裝置5和處理裝置9供給電力。當(dāng)輸入端子AG2的電壓下降，在時(shí)刻t37,1方向性單元30b截止，在時(shí)刻t38，整流用MOSFET 60a截止。所以，沒有反向電流流過(guò)1方向性單元30b和MOSFET 60a。這樣來(lái)進(jìn)行全波整流，在因二極管的正向電壓引起的損耗幾乎沒有的狀態(tài)下進(jìn)行電力的供給。
在將旋轉(zhuǎn)擺用于發(fā)電裝置1的裝在腕部的電子儀器中，把使用上述1方向性單元構(gòu)成整流電路的電力供給裝置和使用Vf比硅二極管小的肖特基二極管構(gòu)成整流電路的電力供給裝置的充電電荷量進(jìn)行比較。結(jié)果，采用1方向性單元的電力供給裝置在旋轉(zhuǎn)擺的運(yùn)動(dòng)大的情況下、即在旋轉(zhuǎn)擺垂直放置旋轉(zhuǎn)180度時(shí)能得到1.32倍的充電電荷量，在旋轉(zhuǎn)擺的運(yùn)動(dòng)小的情況下、即在旋轉(zhuǎn)擺呈30度放置旋轉(zhuǎn)90度時(shí)能得到1.71倍的充電電荷量。從該結(jié)果看出，通過(guò)采用1方向性單元，大幅度地提高了整流效率，進(jìn)而看出，電動(dòng)勢(shì)越小、即旋轉(zhuǎn)擺的運(yùn)動(dòng)越小，整流效率的改善率越高。因此，在采用使用了本例的1方向性單元的電力供給裝置的便攜式電子儀器中，手腕的微小動(dòng)作也可以有效地進(jìn)行供電，可以提供充電能力高的便攜式電子儀器。
再有，在上述例子中，由P溝道MOSFET構(gòu)成1方向性單元，使整流用的MOSFET是N溝道型的，但是，當(dāng)然，也可以使用不同導(dǎo)電型的MOSFET去構(gòu)成電力供給裝置。
如上所述，在本發(fā)明中，在具有可裝在便攜式電子儀器中的電力供給裝置中，使用1方向性單元實(shí)現(xiàn)整流功能或阻止反向電流的功能，從而實(shí)現(xiàn)供電效率高的電力供給裝置。特別是，可裝在便攜式電子儀器中的發(fā)電裝置的電動(dòng)勢(shì)接近二極管的正向電壓，而且變化，因此，在供給電力時(shí)可以消除正向電壓引起的損耗，從而，可以大大地提高便攜式電子儀器的充電能力。所以，通過(guò)采用了本發(fā)明的1方向性單元的電力供給裝置，可以大幅度地提高一些發(fā)電裝置的發(fā)電能力，這些發(fā)電裝置是使用了發(fā)電能力隨環(huán)境條件變動(dòng)很大的太陽(yáng)能電池或熱電元件、或利用旋轉(zhuǎn)擺捕捉用戶的運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行交流發(fā)電的電磁發(fā)電機(jī)或熱電元件等的發(fā)電裝置，可以對(duì)便攜式電子儀器的充電裝置進(jìn)行充電，還可以供給足夠的電力使處理裝置工作。因此，通過(guò)本發(fā)明，可以提供在各種環(huán)境下都能使處理裝置連續(xù)工作的適于攜帶的電子儀器，可以提供不管有沒有電池、無(wú)論何時(shí)何地都能充分發(fā)揮處理裝置的功能的電子儀器。
工業(yè)上利用的可能性本發(fā)明的電力供給裝置適合用于便攜式電子儀器，裝在手腕等身體各部位，捕捉該部位的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)地進(jìn)行發(fā)電，可以不用電池、或者作為電池的輔助電源來(lái)使電子儀器工作。
權(quán)利要求
1．一種可以裝在便攜式電子儀器內(nèi)的電力供給裝置，其特征在于，具有發(fā)電裝置和供給部，所述供給部將所述發(fā)電裝置來(lái)的電力至少經(jīng)過(guò)1個(gè)1方向性單元供給充電裝置或處理裝置，所述1方向性單元具有二極管、與該二極管并聯(lián)連接的旁路開關(guān)和當(dāng)所述二極管產(chǎn)生正向電壓時(shí)使所述旁路開關(guān)接通的控制部。
2．權(quán)利要求1所述的電力供給裝置，其特征在于，所述旁路開關(guān)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述二極管是所述旁路開關(guān)的寄生二極管。
3．權(quán)利要求1所述的電力供給裝置，其特征在于，所述控制部可以以比所述發(fā)電裝置的輸出電壓高的電壓控制所述旁路開關(guān)。
4．權(quán)利要求1所述的電力供給裝置，其特征在于，所述控制部在所述旁路開關(guān)接通后，經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后斷開。
5．權(quán)利要求1所述的電力供給裝置，其特征在于，所述控制部具有比較所述二極管兩端電壓的比較器。
6．權(quán)利要求5所述的電力供給裝置，其特征在于，所述比較器使檢測(cè)電壓具有滯后特性。
7．權(quán)利要求1所述的電力供給裝置，其特征在于，所述旁路開關(guān)是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
8．權(quán)利要求7所述的電力供給裝置，其特征在于，所述二極管是所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管的寄生二極管。
9．權(quán)利要求1所述的電力供給裝置，其特征在于，所述發(fā)電裝置發(fā)生交流電，所述供給部使用1方向性單元進(jìn)行整流，可以對(duì)充電裝置或處理裝置供電。
10．權(quán)利要求9所述的電力供給裝置，其特征在于，所述供給部具有與所述發(fā)電裝置連接的第1和第2輸入端、與所述充電裝置或處理裝置連接的第1和第2輸出端，并聯(lián)連接在所述第1和第2輸入端與所述第1輸出端之間的第1和第2所述1方向性單元、并聯(lián)連接在所述第1和第2輸入端與所述第2輸出端之間的第1和第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
11．權(quán)利要求10所述的電力供給裝置，其特征在于，所述第1和第2的1方向性單元的所述旁路開關(guān)是第1導(dǎo)電型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述二極管是所述旁路開關(guān)的寄生二極管，所述第1和第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管是第2導(dǎo)電型的，所述第2輸入端的電壓加在所述第1場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極輸入端，所述第1輸入端的電壓加在第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極輸入端。
12．權(quán)利要求11所述的電力供給裝置，其特征在于，在所述第2導(dǎo)電型的第1和第2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極輸入端上連接電阻負(fù)載元件。
13．權(quán)利要求11所述的電力供給裝置，其特征在于，所述第1和第2的1方向性單元的所述控制部具有共用的3輸入端比較器，將所述第1和第2輸入端的電壓與所述第1輸出端的電壓進(jìn)行比較。
14．權(quán)利要求1所述的電力供給裝置，其特征在于，所述發(fā)電裝置發(fā)生直流電，所述供給部利用所述1方向性單元去防止反向電流從充電裝置或處理裝置流向所述發(fā)電裝置。
15．一種便攜式電子儀器，其特征在于，具有權(quán)利要求1所述的電力供給裝置、可將從所述電力供給裝置供給的直流電積蓄起來(lái)的充電裝置和利用所述電力供給裝置供給的直流電工作的處理裝置。
全文摘要
本發(fā)明的電力供給裝置使用具有二極管、與該二極管并聯(lián)連接的旁路開關(guān)和當(dāng)二極管產(chǎn)生正向電壓時(shí)使旁路開關(guān)接通的控制部的1方向性單元,對(duì)從裝在腕部佩帶型等便攜式電子儀器內(nèi)的發(fā)電裝置來(lái)的交流電進(jìn)行整流,或阻止反向電流的流動(dòng),供電時(shí)可以幾乎沒有二極管正向電壓引起的損耗。因裝在腕部佩帶型等便攜式電子儀器內(nèi)的發(fā)電裝置的電動(dòng)勢(shì)接近或數(shù)倍于正向電壓,故通過(guò)使用1方向性單元可以大幅度地改善整流效率。
文檔編號(hào)G04G99/00GK1208511SQ97191679
公開日1999年2月17日 申請(qǐng)日期1997年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月13日
發(fā)明者藤?zèng)g照彥, 矢部宏, 新川修, 門脅忠雄 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社