分割電源線型間欠電源変換回路のシミュレーション評価

分割電源線型間欠電源変換回路のシミュレーションモデルを図 5－7 に示 す．図5－7（a）に示した樹液発電デバイスの等価モデルは，定電流源（Ip），

及び，ダイオード接続された nMOSFET（M4），ゲート接地された nMOSFET

（M5），寄生容量（Cp）で構成される．Ipは0.1 Aとし，M4は電圧リミッ タとして働く．ゲート端子に定電圧（Vp）が接続された M5は，樹液発電デ バイスの内部抵抗の役割を担う．樹液発電デバイスの制限電圧を Vp の電圧 と同じにするために，Vpの電圧，及び，M4のしきい値電圧を2.5 Vとした．

また，M5の抵抗値を，樹液発電デバイスの内部抵抗値である 0.3 Mとする ために，ゲート長，及び，ゲート幅は，それぞれ 100 m，2.8 mとした．

分割電源線型間欠電源変換回路のモデルを図 5－7（b）に示す．ショット キーダイオード部分には，ダイオード接続された低しきい値の nMOSFET

（M3）を用いた．M3のしきい値は 0.1 V とし，その他の MOSFET のしき い値は，それぞれ，nMOSFETを0.5 V，pMOSFETを－0.5 Vとした．ま た，シミュレーション時間を短縮するために，Csの容量値を 100 nF，Cssの 容量値を5 nF，Cpの容量値を 1 nF，負荷抵抗を 200 kとした．

分割電源線型間欠電源変換回路の各ノードの電圧変化についてシミュレー ションを行った結果を図 5－8（a）に示す．また，シミュレーション時間の 1 秒から 1.1 秒の間を拡大したものを図 5－8（b）に示す．初期状態では，

Vin，及び，Vout，1 段目の電圧検出回路の出力電圧（Vcont1），2 段目の電圧 検出回路の出力電圧（Vcont2）は0 Vであり，パワースイッチトランジスタは OFF状態である．まず，樹液発電デバイスが発電を開始するとM1がON 状 態となり，M1を介して Csに電流が流れ込むことでキャパシタが充電される．

また，ダイオード接続された M3を介して Cssにも電流が流れ込む．この時，

2つのキャパシタの合成容量は容量の大きな Csに依存するため，それぞれの 充電スピードはゆっくりとなる．その結果，2 つの電圧検出回路の電源線で あるVin，及び，Vin’ が徐々に上昇する．Vinが0.75 Vに達すると，1段目の 電圧検出回路が Vcont1から Vinと同じ電圧を出力し，M1を OFF 状態にする ことでVinのノードとVoutのノードが切り離されて，Csへの充電が停止する．

この時，Csの容量値に比べて Cssの容量値は 2 桁小さく，Csが Vinのノード から切り離されたことによって合成容量が極端に小さくなるため，Css への 充電が加速され，Vin’ の電圧が急激に上昇する．Vin’ が 0.75 V に達すると，

2 段目の電圧検出回路が Vcont2から Vin’ と同じ電圧を出力し，パワースイッ チトランジスタをON 状態にする．この時，負荷（RL）がグランドと接続さ れるため，CsからRLへ電流が流れる．負荷を駆動することで Voutは減少し，

M2が ON 状態となるため Vin，及び，Vin’ はグランドレベルまで減少する．

その結果，回路にリセットがかかり，再びCs，及び，Cssの充電を開始する．

図5－8 分割電源線型間欠電源変換回路のシミュレーション結果（電圧変化）

(a)1 (b)1～1.1秒部分を拡大したグラフ

2 つの電圧検出回路が消費する電流をシミュレーションで求めた結果を図 5－9に示す．供給電圧が0.75 Vの時，それぞれ 20 nA の消費電流であるこ とが分かった．電圧検出回路全体の消費電流は，最大でも 40 nAであること が分かった．

図5－9 分割電源線型間欠電源変換回路のシミュレーション結果（電流変化）

(a)各ノードに流れる電流のグラフ (b)合計の消費電流のグラフ