电压转换电路和电子装置.pdf

一种电压转换电路包括：多个第一电容器，其通过电源进行充电；第二电容器，并联连接至多个第一电容器，其能够被充电到被供应至负载电路的电压；以及多个开关电路，以分别与多个第一电容器对应的方式设置，每一个开关电路切换对应的第一电容器和第二电容器之间的连接状态。当第一电容器的充电电压达到高于第二电容器的充电电压的预定连接电压时，依次将第一电容器经由对应的开关电路连接至第二电容器，使得第一电容器彼此不短路。

权利要求书一种电压转换电路，包括：多个第一电容器，配置成通过电源进行充电；第二电容器，并联连接至所述多个第一电容器，能够被充电到与被供应至负载电路的电压相等的电压；多个开关电路，配置成分别与所述多个第一电容器对应，每一个开关电路切换其对应的第一电容器和所述第二电容器之间的连接状态；以及连接控制电路，配置成当所述第一电容器的充电电压达到高于所述第二电容器的充电电压的预定连接电压时依次将所述第一电容器经由对应的所述开关电路连接至所述第二电容器，并控制所述第一电容器的每一个与所述第二电容器的连接状态，使得所述第一电容器彼此不短路。根据权利要求1所述的电压转换电路，其中所述预定连接电压是高于所述第二电容器的所述充电电压的电压值，在该电压值处所述第一电容器的每一个的所述充电电压与所述第二电容器的所述充电电压之间的电压差为这样的电压差，该电压差使得从所述第一电容器到所述第二电容器的电荷转移效率等于或大于预定效率水平。根据权利要求1或2所述的电压转换电路，还包括：电压监控电路，配置成分别与所述第一电容器对应，每一个电压监控电路监控其对应的第一电容器的所述充电电压，其中所述连接控制电路根据由所述电压监控电路获得的所述第一电容器的所述充电电压来经由所述开关电路进行连接控制。根据权利要求1至3的任何一个所述的电压转换电路，其中所述连接控制电路将所述第一电容器的每一个经由其对应的开关电路连接至所述第二电容器所需的时间常数设定得比该第一电容器经由该开关电路从该第二电容器断开所需的时间常数更长。根据权利要求4所述的电压转换电路，其中，所述连接控制电路在充电电压已经达到所述预定连接电压的所述第一电容器中的一个经由其对应的开关电路连接至所述第二电容器的同时使所述第一电容器中的另一个经由其对应的开关电路从所述第二电容器断开。根据权利要求1至5的任何一个所述的电压转换电路，其中所述多个第一电容器的数量为这一数量，该数量使得所述多个第一电容器的总充电电压落入与所述电源的开放端电压的预定百分比对应的电压范围内，在该百分比处从所述电源获得预定水平或更高的充电效率。根据权利要求3所述的电压转换电路，其中：所述多个第一电容器的数量为这一数量，该数量使得所述多个第一电容器的总充电电压落入与所述电源的开放端电压的预定百分比对应的电压范围内，在该百分比处从所述电源获得预定水平或更高的充电效率，并且所述预定百分比根据所述电压监控电路的每一个的内阻来确定。根据权利要求1至5的任何一个所述的电压转换电路，其中所述多个第一电容器的数量为这一数量，该数量使得所述多个第一电容器的总充电电压小于或等于所述电源的开放端电压的一半，且所述数量大于或等于2。根据权利要求1至5的任何一个所述的电压转换电路，还包括：降压转换器，并联连接至所述多个第一电容器且设置在所述多个第一电容器和所述第二电容器之间，其中所述多个第一电容器的数量为这一数量，该数量使得所述多个第一电容器的总充电电压近似于所述降压转换器的输入电压。根据权利要求1至9的任何一个所述的电压转换电路，其中所述电源包括将外部振动能量转换成电力的振动发电装置。根据权利要求2所述的电压转换电路，其中所述预定效率水平是使得从所述第一电容器到所述第二电容器的所述电荷转移效率等于或大于85％的值。一种电子装置，包括：根据权利要求1至11的任何一个的电压转换电路，以及负载电路；其中所述电压转换电路使所述电源的输出电压降压到被供应至所述负载电路的电压。

说明书电压转换电路和电子装置
技术领域
本发明涉及一种使交流(AC)电源的输出电压降压到被供应至负载电路的电压的电压转换电路以及包括该电压转换电路的电子装置。
背景技术
顺应能源节约的最近趋势，不依赖于化石燃料等且日常存在的环境能源受到了关注。光伏能源、风能等作为环境能源已广为人知。另外，日常周围存在的振动能量能够作为能量密度不次于前述能量的环境能源被提及。为了将通过发电装置从该振动能量产生的电力供应至负载电路，关于转换效率改善，迄今一直在研究用于转换电压以适用于负载电路的电路。
例如，考虑到因为振动发电装置的输出阻抗而变得难以实现理想的电压降的事实，公开一种防止电压转换效率降低的技术(参考专利文件1)。根据该技术，开关电路被设置用于在串联和并联连接之间切换多个电容器与电源电路和负载电路的连接状态。因此，基于来自电源电路的输入电压或输入电压的频率控制通过开关电路连接的电容器的数量。另外，专利文件2公开一种用于从小振幅的振动有效发电的技术。根据该技术，基于振动周期进行用于控制输出自振动发电装置的电力的开关的ON/OFF(连接/断开)控制，使得电力输出周期得以改变。
现有技术文件
专利文件
专利文件1：日本待审专利公开第2009‑124807号
专利文件2：日本待审专利公开第2005‑130624号
专利文件3：日本待审专利公开第2005‑198453号
发明内容
本发明所要解决的问题
在通过对与交流电源的输出电压一次串联连接的多个电容器充电并随后同时将这些电容器中的充电能量供应到并联连接至电容器的负载电路而使交流电源的输出电压降压的情况下，当电容器在容量上彼此有所差异时，因为该差异的影响，难以将从电容器到负载电路的电力供应效率保持在最佳状态。典型地，难以精确地将电容器调节成在容量上彼此相等。根据相关技术，因而，难以将电力供应效率保持在适合的状态。
鉴于前述问题设计出本发明，并且其目的是要提供一种用于在使交流电源的输出电压降压到被供应至负载电路的电压的情况下使电压转换效率尽快进入适合状态的电压转换电路。
用于解决问题的手段
根据本发明，为了解决前述问题，一种电压转换电路，设置在交流电源与负载电路之间，包括：多个第一电容器，通过电源进行充电；和第二电容器，其中被充电到高于第二电容器的充电电压状态的第一电容器单独并依次连接至该第二电容器。因此，第二电容器以良好的效率进行充电。
更具体地，本发明提供一种电压转换电路，包括：多个第一电容器，其通过电源进行充电；第二电容器，并联连接至多个第一电容器，其能够被充电到与被供应至负载电路的电压相等的电压；多个开关电路，以分别与多个第一电容器对应的方式设置，每一个开关电路切换其对应的第一电容器和第二电容器之间的连接状态；以及连接控制电路，用于当第一电容器的充电电压达到高于第二电容器的充电电压的预定连接电压时经由对应的开关电路依次将第一电容器连接至第二电容器，以及用于控制第一电容器的每一个与第二电容器的连接状态，使得第一电容器彼此不短路。
在电压转换电路中，多个第一电容器通过电源进行充电，并且第一电容器的充电电压根据第一电容器的容量而与电源的经过分配或划分的输出电压对应。这里，多个第一电容器的全部容量可以彼此相同。可替代地，部分或全部第一电容器的容量可以彼此不同。这里针对电容器的容量使用的术语“相同”是指所谓的标称值，因而不对基于电容器的个别差异引起的容量变化进行考虑。
多个第一电容器经由分别与第一电容器对应的开关电路连接至第二电容器。即，第一电容器的每一个经由其对应的开关电路单独地连接至第二电容器或从第二电容器断开。在根据本发明的电压转换电路中，第二电容器可以被配置成包括一个电容器或多个电容器。这里，重要的是采用第二电容器经由开关电路连接至多个第一电容器或从多个第一电容器断开的配置。只需要适当确定第二电容器本身所配置的电容器的数量，并在这些电容器之间采用适当的连接模式。
这里，通过连接控制电路来控制第一电容器的每一个连接至第二电容器或从第二电容器的断开。为了对第二电容器充电，连接控制电路并不同时将全部多个第一电容器连接至第二电容器，而是将充电电压达到高于第二电容器的充电电压的预定连接电压的第一电容器确定作为连接至第二电容器的目标。即，连接控制电路控制第一电容器连接至第二电容器或从第二电容器断开，以实现适合的充电效率(换句话说，从第一电容器到第二电容器的充电时的适合的电压转换效率)。至于通过连接控制电路的连接，进一步，出于以下原因使第一电容器与第二电容器(每一个满足前述条件)之间的连接状态被控制为使第一电容器彼此不短路。即，当第一电容器彼此短路时，难以对第二电容器进行适合的充电。
通过采用连接控制电路根据多个第一电容器的充电电压与第二电容器的充电电压之间的相关性来控制第一电容器与第二电容器之间的连接状态的这一配置，即使在第一电容器的容量变化相对较大的情况下，也可基于第一电容器的每一个的充电电压来控制与第二电容器的连接。因此，可以通过对第二电容器的充电尽快消除由于第一电容器的容量变化引起的影响。通过控制第一电容器的连接状态以防止第一电容器彼此短路，进一步地，能够以适当效率实现经由第一电容器从电源向第二电容器的充电以及电压转换。
发明效果
在使交流电源的输出电压降压到被供应至负载电路的电压的情况下，可以使电压转换效率尽快进入适合的状态。
附图说明
图1为示出根据本发明的电压转换电路的示意性配置的示意图。
图2A为示出第一电容器组的总充电电压与电源电路的输出电压之比和充电效率之间的相关性的第一示意图。
图2B为示出第一电容器组的总充电电压与电源电路的输出电压之比和充电效率之间的相关性的第二示意图。
图2C为示出第一电容器组的总充电电压与电源电路的输出电压之比和充电效率之间的相关性的第三示意图。
图3为示出图1中所示电压转换电路发挥的功能的图像的功能方框图。
图4为示出从第一电容器到第二电容器的电荷转移效率对于第一电容器的充电电压和第二电容器的充电电压的相关性的示意图。
图5为关于在进行从电源电路到第二电容器的充电情况下的第一电容器与第二电容器连接以及第一电容器从第二电容器断开期间的时间常数的示意图。
图6为示出根据本发明的电压转换电路中的第一电容器的充电电压、来自开关电路的ON信号、以及从第一电容器到第二电容器的放电电流的转变的时序图。
图7为示出根据本发明的电压转换电路的充电效率与第二电容器的充电电压之间的相关性的示意图。
图8为示出根据本发明的电压转换电路的示意性配置的第二示意图。
具体实施方式
参考附图，在下文中，将给出对根据本发明的电压转换电路1的实施例的说明。应当注意，在以下实施例中描述的配置仅是说明性的，因而，本发明并不旨在限制于这些实施例中的配置。
实施例1
图1示出设置在负载电路15与对应于本发明中的交流电源且利用外部振动用作来源进行发电的振动发电装置11之间的电压转换电路1的示意性配置。电压转换电路1包括对振动发电装置11的输出电压进行降压并将该电压累积作为负载电路15的驱动电压的第二电容器6。这里，电源电路10配置有振动发电装置11和对由振动发电装置11发电的电流进行整流的整流电路12，并且电源电路10的输出被输入到电压转换电路1。振动发电装置11的示例可以包括利用驻极体材料的发电装置。振动发电装置在现有技术中是公知的；因而，在说明书中将不再给出对其的详细说明。而且，电源电路10可以包括除振动发电装置之外的发电装置。在本实施例中采用的振动发电装置利用驻极体材料以具有20到100μW的发电量以及30到80Vp‑p的输出电压，然而，本发明的应用不限于该装置。
另外，开关电路16被设置在电压转换电路1和负载电路15之间以将在电压转换电路1的第二电容器6中累积的能量供应至负载电路15。
在电压转换电路1中，电源电路10的输出端子连接至包括多个串联连接的第一电容器的第一电容器组2，并且该输出端子的输出被输入到第一电容器组2中的第一电容器21至23。在本实施例中，包含于第一电容器2中的第一电容器的数量是三个，但是如后文将描述的，考虑到电压转换效率(充电效率)等可以适当调节该数量。这里假设第一电容器21至23在容量上彼此相等。
而且，进行布线使得第二电容器6能够并联连接至第一电容器组2中的三个第一电容器21至23，并且开关电路以分别对应于第一电容器的方式设置在第一电容器和第二电容器6之间，且切换第一电容器与第二电容器6连接或第一电容器从第二电容器6断开的状态。更具体地，开关电路71a和71b被设置在第一电容器21和第二电容器6之间，开关电路72a和72b被设置在第一电容器22和第二电容器6之间，以及开关电路73a和73b被设置在第一电容器23和第二电容器6之间。如后文将描述的，这些开关电路的切换操作根据对应第一电容器的充电电压等被单独控制，并且开关调节电路41至43以分别对应于第一电容器的方式设置以控制切换操作。
而且，电压监控电路31至33以分别对应于第一电容器组2中的三个第一电容器21至23的方式设置，以监控第一电容器21至23的充电电压。由电压监控电路31至33检测的第一电容器的充电电压被转移(transfer)到切换控制电路5。基于转移的第一电容器的每一个的充电电压和第二电容器6的充电电压，切换控制电路5经由开关调节电路41至43控制开关电路71a至73b的开关操作。因此，切换控制电路5和开关控制电路41至43对应于根据本发明的连接控制电路。而且，上限电压控制电路(未示出)被设置在第二电容器6旁边。该上限电压控制电路控制第二电容器6的上限电压(例如，3V至3.15V)，使得在累积能量被供应至负载电路15的情况下不会将过电压施加到负载电路15。在本实施例中，因此，第二电容器6通过电源电路10进行充电，以保持处于这样的状态：其中第二电容器6以几乎上限电压进行充电。
在电压转换电路1的操作期间，如图1所示，第一电容器组2处于持续连接至电源电路10的状态。因而，第一电容器的每一个根据来自电源电路10中的振动发电装置11的电力供应(振动发电)通过电源电路10持续充电。这里，振动发电装置11与第一电容器组之间的充电效率依据振动发电装置11的开放端(open‑end)电压与第一电容器组2的总充电电压之间的比(第一电压比)改变。
这里，振动发电装置11与第一电容器组之间的充电效率Ec1由以下等式来表示。
Ec1＝(每单位时间在第一电容器组中累积的能量)/(由具有匹配电阻的振动发电装置11供应的(产生的)电力量)
如上所述定义的充电效率Ec1与第一电压比之间的绘图理论相关性允许描绘出具有当第一电压比为50％时获得的极值(extreme value)的一抛物线，如图2A中的线L1所示。因此，只需要确定包含于第一电容器组2中的第一电容器的数量，使得第一电容器组2的总充电电压是振动发电装置11的开放端电压的一半。这里，当通过开关电路71a的开关操作(后文将对其描述)等进行放电时，第一电容器的每一个的充电电压发生变化。因而，使用等式V1ave(＝(V1+V1’)/2)可以如下初步计算出第一电容器组2的总充电电压，其中V1表示通过第一电容器中的一个(例如，第一电容器21)的开关操作从该第一电容器到第二电容器6的充电的起始阶段(充电起始时刻)的充电电压，V1’表示同一充电的终止时刻(充电终止时刻)的充电电压，以及V1ave表示两个电压的平均值。
第一电容器组2的总充电电压＝n×V1ave
(n：第一电容器组2中的第一电容器的数量，在本实施例中n＝3)
典型地，市场上可买得到的电容器具有被设定处于特定值的容量。因而，在一些情况下，难以确定包含于第一电容器组2中的第一电容器的数量来使得第一电容器组2的总充电电压正好为振动发电装置11的开放端电压的一半(50％)。这种情况下，只需要确定包含于第一电容器组2中的第一电容器的数量来使得第一电容器组2的总充电电压尽快接近振动发电装置11的开放端电压的一半。
另一方面，在负载电阻连接至第一电容器组2的情况下，第一电压比在充电效率达到极值的时候变得低于50％，如图2B中的线L2或图2C中的线L3所示。图2B为示出这一状态下的充电效率的转变的示意图：其中在这里使用的振动发电装置11具有10MΩ至20MΩ内阻的情况下，连接至第一电容器的负载电阻这里具有大约10MΩ的值。图2C为示出这一状态下的充电效率的转变的示意图：其中在这里使用的振动发电装置11与图2B所示相似的情况下，连接至第一电容器的负载电阻具有大约100MΩ的值。为了参考，图2B中的线L4和图2C中的线L5每一个表示负载电阻中的电力消耗效率。因为第一电容器在其中累积能量的同时还将能量供应至与其连接的负载电阻，所以充电效率的极值如上所述发生变化。在图1中示出的电压转换电路1中，电压监控电路31至33分别连接至第一电容器组2中的第一电容器，并对应于负载电阻。在电压转换电路1中，因此，考虑到电压监控电路31至33的每一个的内阻，只需要确定包含于第一电容器组2中的第一电容器的数量。
参考图3，将给出对从振动发电装置11到如上配置的电压转换电路1中的第二电容器6进行的充电操作的说明。通过切换控制电路5连同电压监控电路31至33以及开关调节电路41至43进行该充电操作。因此，将电源电路10的输出电压降压到第二电容器6的充电电压，以对应于负载电路15的驱动电压。图3为示出由电压监控电路31至33、开关调节电路41至43以及切换控制电路5发挥的功能的图像的功能方框图。当然，每一个电路可以具有除图3中示出的功能部件之外的功能部件。
第一电容器组2中的第一电容器的每一个配置有充电电压监控部件101、开关切换请求部件102以及放电终止通知部件103。充电电压监控部件101持续监控电压监控电路31至33所分别对应的第一电容器21至23的充电电压。通过该监控获取的第一电容器的每一个的充电电压的值在适当的时刻被转移到切换控制电路5。开关切换请求部件102切换对应的开关电路71a至73b，以将存储在第一电容器中的能量转移到第二电容器6，并向切换控制电路5发出切换请求，以将相关的第一电容器连接至第二电容器6。这里，发出该切换请求的条件是第一电容器21至23的每一个的充电电压与第二电容器6的充电电压之间的相关性满足预定条件的情况，并且后文将给出对预定条件的详细说明。接下来，当第一电容器的充电电压由于电力从第一电容器供应到第二电容器6而减少到预定阈值时，放电终止通知部件103将放电的终止通知给切换控制电路5。
接下来，切换控制电路5配置有切换优先级确定部件201、连接状态验证部件202、连接许可部件203以及断开指示部件204。切换优先级确定部件201确定多个第一电容器21至23连接至第二电容器6的优先级，使得多个第一电容器21至23通过开关电路71a至73b不同时连接至第二电容器6(即，第一电容器彼此不短路)。这里，当作切换优先级确定部件201的目标的第一电容器是从开关切换请求部件102接收切换请求的第一电容器。连接状态验证部件202验证哪一个第一电容器连接至第二电容器6。连接许可部件203基于由连接状态验证部件202验证的状况许可第一电容器连接至第二电容器6。基于来自放电终止通知部件103的通知，断开指示部件204向开关调节电路41至43发出断开指示以从第二电容器6断开目标第一电容器。
接下来，开关调节电路的每一个配置有开关执行部件301。开关执行部件301根据来自连接许可部件203的许可信号或来自断开指示部件204的断开指示控制开关电路71a至73b的对应一个的开关操作。
凭借电压监控电路31至33、切换控制电路5以及开关调节电路41至43(每一个如上述进行配置)，第二电容器6通过在电压转换电路1中执行以下处理而利用振动发电装置11的输出电压进行充电。应当注意，以下处理(1)至(5)项的顺序没有限制，但是可以在不偏离本发明要旨的范围内适当调节。
<充电处理>
(1)来自电源电路10的输出电流被存储在第一电容器组2中的第一电容器的每一个中。因此，第一电容器的每一个的充电电压升高。第一电容器的充电电压的变化由对应的电压监控电路的充电电压监控部件101来监控。
(2)当由充电电压监控部件101监控的第一电容器的每一个的充电电压达到当作标准的预定连接电压时，开关切换请求部件102将切换请求发送到切换控制电路5。
这里，当第一电容器的每一个连接至第二电容器6时，确定预定连接电压使得从第一电容器的每一个到第二电容器6的电荷转移效率是有利值(favorable value)。参考图4，然后，将给出对预定连接电压进行确定的说明。图4为电容器的每一个充电电压示出当第一电容器连接至第二电容器时的从第一电容器到第二电容器的电荷转移效率。从以下等式理论性地计算出该电荷转移效率。
电荷转移效率＝(通过连接而在第二电容器中增加的能量)/(第一电容器中降低的能量)
在图4中，上表(a)示出第一电容器和第二电容器每一个具有10μF的容量的情况，下表(b)示出第一电容器具有1μF容量以及第二电容器具有10,000,000μF的容量的情况。起始阶段的电容器的每一个的充电电压对应于连接开始时刻的充电电压，终止阶段的电容器的每一个的充电电压对应于连接终止并随后断开时刻的充电电压。如在图4中清楚看到的，该电荷转移效率随着第一电容器的充电电压与第二电容器的充电电压之间的电压差在起始阶段变小而趋于增加，而与第一电容器和第二电容器的容量无关。
在本实施例中，因而，假设在第一电容器与第二电容器之间的电压差是使得起始阶段的第一电容器的充电电压变为起始阶段的第二电容器的充电电压的大约1.1到1.2倍的这一电压差的情况下，进行从第一电容器到第二电容器的电荷转移，即，将切换请求发送到切换控制电路5，从而使得电荷转移效率达到大约85％或更高。更具体地，如上所述，上限电压控制电路被设置在第二电容器6旁边，以将第二电容器6的充电电压保持处于大约3到3.15V。在本实施例中，因而，预定连接电压被设定处于大约3.3V。
(3)根据来自电压监控电路的每一个的开关切换请求部件102的切换请求，切换优先级确定部件201确定连接到第二电容器6的第一电容器21至23的连接优先级。原则上，按照接收切换请求的顺序给出该连接优先级。在存在多个第一电容器在保持连接状态期间同时连接的可能性的情况下，按照第一电容器21、第一电容器22以及第一电容器23的顺序给出连接优先级。用于给出连接优先级的方法不限于上述方法。重要的是给出连接优先级，使得两个或多个第一电容器不同时连接至第二电容器6。
(4)连接状态验证部件202确定哪一个第一电容器连接至第二电容器6。当确定没有第一电容器连接至第二电容器6时，连接许可部件203将许可被给予了最高连接优先级的第一电容器连接至第二电容器6的指示向对应于该第一电容器的开关电路发出。然后，该开关电路的开关执行部件301将第一电容器连接至第二电容器6。因此，第二电容器6进行充电。另一方面，当确定有任一第一电容器连接至第二电容器6时，发出许可连接指示的连接许可部件203被带入待命状态，直到从与连接至第二电容器6的该第一电容器对应的电压监控电路的放电终止通知部件103接收有关放电终止的通知为止。
放电终止通知部件103在第一电容器的充电电压近似于第二电容器6的充电电压的时候发出有关放电终止的通知。当放电终止通知部件103发出有关放电终止的通知时，断开指示部件204向与连接至第二电容器6的第一电容器对应的开关电路发出用于从第二电容器6断开第一电容器的断开指示。当该开关电路接收断开指示时，其开关执行部件301从第二电容器断开第一电容器。在进行该断开的同时，与要连接至第二电容器6的第一电容器对应的开关电路接下来在这些电容器之间执行连接。
在图5中，上图表(a)示出关于在通过开关电路进行连接或断开时的第一电容器与第二电容器连接的状态转变。在本实施例中，开关执行部件301将开关电路带入连接状态(ON状态)情况下的连接时间常数Δt1被设定为比开关执行部件301将开关电路带入断开状态(OFF状态)情况下的断开时间常数Δt2相对更长。例如，“Δt1”为大约7msec(毫秒)，“Δt2”尽可能近似0msec。如上所述，通过将该连接时间常数设定得相对较长而缓慢进行电荷转移。因而，即使在一个开关电路进行断开处理而另一不同开关电路进行连接处理的情况下，也可以防止与各自的开关电路对应的第一电容器彼此短路。结果是，即使在同时进行通过一个开关电路的断开处理以及通过另一不同开关电路的连接处理的情况下，也可以大体防止第一电容器彼此短路。
如图5的下图表(b)所示，另一方面，连接时间常数Δt1和断开时间常数Δt2两者被尽可能设定为近似0msec。这里，当同时进行通过一个开关电路的断开处理以及通过另一不同开关电路的连接处理时，或者当在相当短的间隔进行这两个处理时，第一电容器彼此短路的可能性比较高。在根据本发明的电压转换电路1中，考虑到关键是大体仅将一个第一电容器连接至第二电容器6这一事实来设定连接时间常数Δt1和连接时间常数Δt2(使得二者中的每一个能够防止第一电容器彼此短路)尤其重要。
(5)酌情重复进行(1)至(4)项。因此，具有达到预定连接电压的充电电压的第一电容器依次连接至第二电容器，使得第一电容器彼此不短路。结果是，第二电容器在从第一电容器到第二电容器的电荷转移效率保持处于85％或更高的状态下进行充电。如上所述，另外，从振动发电装置11到第一电容器组2的充电效率也保持处于有利值。因而，作为整个电压转换电路1来说，从振动发电装置11到第二电容器的电压下降效率和充电效率变得相当有利。而且，在监控第一电容器的每一个的充电电压的同时进行到第二电容器的电荷转移。因而，即使第一电容器在容量上彼此有一定程度的不同，也可实现对第二电容器的适当充电。
考虑到前述说明，图6示出电压转换电路1的操作的时序图。为了简化说明，第一电容器的数量在该时序图中是两个。在图6中，最上面两条线表示两个第一电容器的充电电压的转变，下面两条线表示与两个第一电容器对应的开关电路的连接状态的变化，再下面两条线表示从两个第一电容器到第二电容器的放电电流的转变，以及最下面那条线表示第二电容器的充电电压的转变。在图6中的重叠时刻，与两个第一电容器对应的电压监控电路同时发出切换请求(参见图6中的虚线圆圈)。因而，第一电容器中的一个(下侧第一电容器)的连接开始时刻被刻意地从发出切换请求的时刻移开。因此，可以防止第一电容器彼此短路。在该重叠时刻，没有从连接开始时刻被移开的第一电容器释放能量，并且该第一电容器连接至电源电路10。因而，该第一电容器的充电电压的峰值比重叠时刻以外一时刻的充电电压的峰值稍高。
在图7中，上部分(a)示出根据本发明的整个电压转换电路1的充电效率与根据相关技术的电压转换电路的充电效率之间的比较，下部分(b)示出根据相关技术的电压转换电路的示意性配置。根据相关技术，电源电路的输出电压被直接施加到电容器。如从图7的上部分(a)明显看出的，据知，根据本发明的电压转换电路1的充电效率超过50％(这是相当高的)，并且在实际使用中是极好的。
<修改示例1>
在前述实施例中，第一电容器组2中的全部第一电容器在容量上彼此相同。典型地，市场上可买得到的电容器具有限于特定值的容量。在全部第一电容器容量彼此相同的条件下，因而，将第一电压比设定处于预定值而使从振动发电装置11到第一电容器组2的充电效率被调节为最佳不一定是容易的，如图2A至图2C所示。因此，第一电容器组2中的多个第一电容器的一部分的容量，优选地，一个第一电容器(在下文中，称为“用于调节的第一电容器”)的容量被设定为不同于其余第一电容器(在下文中，称为“标准第一电容器”)的容量。因此，可以使第一电压比进一步接近预定值，并优化从振动发电装置11到第一电容器组2的充电效率。
这种情况下，在通过开关电路进行电荷转移时用于调节的第一电容器的充电电压应当高于第二电容器6的充电电压。另外，为了使从标准第一电容器到第二电容器6的电荷转移效率被设定为有利，在标准第一电容器的充电电压和第二电容器6的充电电压之间保持前述相关性(标准第一电容器的充电电压＝第二电容器6的充电电压×1.1至1.2)。因而，该相关性在用于调节的第一电容器的充电电压和第二电容器6的充电电压之间可能不再适用。然而，由于通过使用用于调节的第一电容器优化了从振动发电装置11到第一电容器组2的充电效率，在一些情况下作为整个电压转换电路1来说，第二电容器6能够有效进行充电。
<修改示例2>
在前述实施例中，第二电容器6配置有一个电容器，但也可以配置有多个电容器。而且，这些电容器可以串联或并联连接，并且这些电容器的连接模式可以是串联连接与并联连接相结合。对于第一电容器的每一个的充电电压与第二电容器6的充电电压之间的前述相关性，当这种相关性建立在配置有多个电容器的整个第二电容器和第一电容器之间时，能够进行从第一电容器到整个第二电容器的有效电荷转移。而且，当适当调节负载电路15与第二电容器所配置的多个电容器之间的连接模式时，电压转换电路1能够具有用于负载电路15的多个输出电压。
实施例2
参考图8，将给出对根据本发明的电压转换电路1的第二实施例的说明。在根据本实施例的电压转换电路1中，如图8所示，降压转换器8被设置在第一电容器组2和第二电容器6之间。因此，通过第一电容器组2降压的电压被输入到降压转换器8。然后，该电压被降压转换器8进一步降压，并被输入到第二电容器6。典型地，由降压转换器8消耗的电力量相对较大。然而，降压转换器8允许减少第一电容器组2中的电压降的程度。因而，可以减少包含于第一电容器组2中的第一电容器的数量，并实现电路的尺寸减缩。
应当注意，以使电源电路10的输出电压与降压转换器8的输入电压对应的方式确定本实施例中的第一电容器的数量。这里，优选的是，经由第一电容器组2降压的电压被设定处于降压转换器8的输入电压的值，或者被设定处于近似该输入电压于这样一个范围内的值：在该范围内使降压转换器的操作不受阻碍。根据图8中示出的配置，降压转换器8允许将包含于第一电容器组2中的第一电容器的数量从前述实施例中的三个减少为两个。
实施例3
在根据本发明的电压转换电路1的第三实施例中，优先考虑电压转换电路1的尺寸减缩，而不是从振动发电装置11到第一电容器组2的充电效率的优化，并且可以根据电压转换电路1的尺寸设定包含于第一电容器组2中的第一电容器的数量。这种情况下，优选地，为了使第一电容器的每一个与第二电容器之间的电荷转移效率被设定为有利，在第一电容器的每一个的充电电压和第二电容器6的充电电压之间保持前述相关性(第一电容器的充电电压＝第二电容器6的充电电压×1.1至1.2)。
根据本发明，如上所述，设置在交流电源与负载电路之间的电压转换电路包括：多个第一电容器，通过电源进行充电；和第二电容器，被充电到高于第二电容器的充电电压状态的第一电容器单独并依次连接至该第二电容器。因此，第二电容器以良好的效率进行充电。
更具体地，本发明提供一种电压转换电路，包括：多个第一电容器，其通过电源进行充电；第二电容器，并联连接至多个第一电容器，其能够被充电到与被供应至负载电路的电压相等的电压；多个开关电路，以分别对应于多个第一电容器的方式设置，每一个开关电路切换其对应的第一电容器和第二电容器之间的连接状态；以及连接控制电路，用于当第一电容器的充电电压达到高于第二电容器的充电电压的预定连接电压时经由对应的开关电路将第一电容器依次连接至第二电容器，以及用于控制第一电容器的每一个与第二电容器的连接状态，使得第一电容器彼此不短路。
在电压转换电路中，多个第一电容器通过电源进行充电，并且第一电容器的充电电压根据第一电容器的容量而与电源经过分配或划分的输出电压对应。这里，多个第一电容器的全部容量可以彼此相同。可替代地，部分或全部第一电容器的容量可以彼此不同。
多个第一电容器经由与第一电容器对应的开关电路分别连接至第二电容器。即，第一电容器的每一个经由其对应的开关电路单独地连接至第二电容器或从第二电容器断开。在根据本发明的电压转换电路中，第二电容器可以被配置成包括一个电容器或多个电容器。这里，重要的是采用第二电容器经由开关电路连接至多个第一电容器或从多个第一电容器断开的这一配置。只需要适当确定第二电容器本身所配置的电容器的数量，并适当地采用这些电容器之间的连接模式。
这里，通过连接控制电路来控制第一电容器的每一个连接至第二电容器或从第二电容器断开。为了对第二电容器充电，连接控制电路并不同时将全部多个第一电容器连接至第二电容器，而是将充电电压达到高于第二电容器的充电电压的预定连接电压的第一电容器确定作为连接至第二电容器的目标。即，连接控制电路控制第一电容器连接至第二电容器或从第二电容器断开，以实现适合的充电效率(换句话说，从第一电容器到第二电容器的充电时的适合的电压转换效率)。至于通过连接控制电路的连接，进一步，第一电容器与第二电容器(每一个满足前述条件)之间的连接状态出于以下原因被控制为使第一电容器彼此不短路。即，当第一电容器彼此短路时，变得难以对第二电容器进行适合的充电。
通过采用连接控制电路根据多个第一电容器的充电电压与第二电容器的充电电压之间的相关性来控制第一电容器与第二电容器之间的连接状态的这一配置，即使在第一电容器的容量的变化变得相对较大的情况下，也可基于第一电容器的每一个的充电电压控制与第二电容器的连接。因此，可以通过对第二电容器的充电来尽快消除由于第一电容器的容量变化而引起的影响。通过控制第一电容器的连接状态以防止第一电容器彼此短路，进一步，能够以适当效率实现经由第一电容器从电源向第二电容器的充电以及电压转换。
在电压转换电路中，预定连接电压可以是高于第二电容器的充电电压的电压值，在该电压值下，第一电容器的每一个的充电电压与第二电容器的充电电压之间的电压差变为使从第一电容器到第二电容器的电荷转移效率达到预定水平的效率或更高效率的这一电压差。即，考虑到第一电容器的每一个的充电电压与第二电容器的充电电压之间的电压差对从第一电容器到第二电容器的电荷转移效率产生影响的事实来确定预定连接电压。能够发现，当第一电容器的每一个的充电电压相对于第二电容器的充电电压升高时，换句话说，当电压差变大时，电荷转移效率趋于降低。即使第一电容器在容量上与第二电容器不同，该倾向也基本上不会改变。因而，优选的是，考虑到电荷转移效率的所述倾向来确定用于通过连接控制电路确定连接至第二电容器的预定连接电压。实验性地，优选的是该预定连接电压是第二电容器的充电电压的大约1.1到1.2倍，预定效率在该电压处为85％或更高。
这里，该电压转换电路还可以包括以分别对应于第一电容器的方式设置的电压监控电路，每一个电压监控电路监控其对应的第一电容器的充电电压。这种情况下，根据分别由电压监控电路所获得的第一电容器的充电电压，连接控制电路经由开关电路进行连接控制。因此，可以有利地保持从第一电容器到第二电容器的充电效率。
在电压转换电路中，优选地，连接控制电路使得将第一电容器的每一个经由其对应的开关电路连接至第二电容器所需的时间常数被设定得比将第一电容器经由该开关电路从第二电容器断开所需的时间常数更长。当连接时间常数被设定得比断开时间常数更长时，电荷逐渐从第一电容器转移。因而，当连接控制电路依次将第一电容器连接至第二电容器时，第一电容器倾向于被防止彼此短路。这里，鉴于防止第一电容器之间的短路，只需要相对于断开时间常数来适当设定连接时间常数的长度。而且，为了以良好的效率依次将第一电容器连接至第二电容器，优选的是，将断开时间常数设定为使第一电容器尽快从第二电容器断开的这一值。
通过如上所述将连接时间常数设定得相对较长，连接控制电路可以将与连接至第二电容器的第一电容器对应的开关电路的断开时刻设定为与对应于另一不同第一电容器(其充电电压达到预定连接电压)的开关电路的连接时刻相同的时刻。通过如上所述设定连接时间常数，即使第一电容器中的一个的断开时刻被设定为与另一不同第一电容器的连接时刻相同的时刻，也可以防止第一电容器彼此短路。
在电压转换电路中，多个第一电容器的数量可以为使多个第一电容器的总充电电压落入与电源的开放端电压的预定百分比对应的电压范围内的这一数量，在该百分比处从电源获得预定水平或更高的充电效率。多个第一电容器的总充电电压根据第一电容器的数量升高。对于从电源到第一电容器的每一个的充电，理论上已知，当多个第一电容器的总充电电压与电源的开放端电压之比(在下文中，称为“第一电压比”)近似于50％时，从电源到第一电容器的充电效率具有一般有利的值(预定充电效率)。然而，因为电源和多个第一电容器中的内阻等的影响，使充电效率被设定处于预定充电效率的第一电压比发生变化。因而，优选的是，考虑该变化来确定第一电压比的预定百分比。这里，可以根据电源的开放端电压等以固定的方式预先设定多个第一电容器的数量。可替代地，可以根据该开放端电压的改变等以变化的方式调节该数量。
在电压转换电路如上所述包括电压监控电路的情况下，该电压监控电路的内阻对预定百分比的确定产生影响。因而，优选的是，考虑电压监控电路的内阻来确定用于将充电效率设定处于预定充电效率的第一电压比。
在电压转换电路中，多个第一电容器的数量为使多个第一电容器的总充电电压小于或等于电源的开放端电压的一半的这一数量，该数量大于或等于2。即，考虑到从电源到第一电容器的每一个的充电效率的降低，可以通过减少第一电容器的数量来实现电压转换电路的尺寸减缩。
而且，电压转换电路还可以包括并联连接至多个第一电容器且设置在多个第一电容器与第二电容器之间的降压转换器。这种情况下，多个第一电容器的数量可以为使多个第一电容器的总充电电压近似于降压转换器的输入电压的这一数量。通过根据降压转换器的输入电压调节多个第一电容器的数量，可以实现最佳设计，尤其实现电压转换电路的尺寸减缩，同时充分利用降压转换器的特性。
在电压转换电路中，电源可以包括将外部振动能量转换成电力的振动发电装置，或者可以是能够供应不同电力的电源装置。
本发明也可以基于包括前述电压转换电路的电子装置的电子装置的方案来限定。即，本发明提供一种包括电压转换电路和负载电路的电子装置。这里，电压转换电路使电源的输出电压降压到被供应至负载电路的电压。
符号说明
1...电压转换电路
2...第一电容器组
5...切换控制电路
6...第二电容器
8...降压转换器
10...电源电路
11...振动发电装置
12...整流电路
15...负载电路
21至23...第一电容器
31至33...电压监控电路
41至43...开关调节电路
71a，71b...开关电路
72a，72b...开关电路
73a，73b...开关电路