雑誌名 電子情報通信学会技術研究報告

高出力インピーダンス発電素子用変換回路の入力イ ンピーダンス時分割変調制御方式の提案

著者 纐纈 一真, 丹沢 徹

雑誌名 電子情報通信学会技術研究報告

巻 120

号 127

ページ 9‑13

発行年 2020‑07‑30

出版者 電子情報通信学会

注記 電子情報通信学会 集積回路研究会 (ICD)（オンラ イン開催）

日時：2020年 8月 6日(木)‑7日(金) 著者版フラグ publisher

URL http://hdl.handle.net/10297/00027572

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Copyright ©20●● by IEICE

高出力インピーダンス発電素子用電力変換回路の 入力インピーダンス時分割変調制御方式の提案

纐纈 一真

^†

丹沢 徹

^‡

†‡静岡大学大学院 総合科学技術研究科 〒

432-8561

静岡県浜松市中区城北

3-5-1 E-mail:

†

[email protected],

‡

[email protected]

あらまし

本論文では、出力インピーダンスの高い発電素子から電力変換を行う回路システムの実用的な制御方式を提案す る。従来の制御回路方式では、出力電力が最大となるように電力変換回路の入力電圧（これは発電素子の出力電圧に等しい）を 設定していた。現実には、この動作点電圧が制御回路の動作下限より低くなる場合がある。本論文では、電力変換回路の負荷と なる回路システムの必要な動作電圧𝑉_𝑃𝑃が仕様として与えられたときに、出力電圧が𝑉_𝑃𝑃に達しておらず、かつ入力電圧が所定電 圧𝑉_𝐷𝐷以上となっている条件でのみ、電力変換回路を動作させることによってシステムの安定動作を実現した。この制御によっ て電力変換回路の入力インピーダンス𝑍_{𝐶𝑃𝑖𝑛}は、動作中は低く、入力端の電源コンデンサ𝐶_𝐷𝐷より低インピーダンスで電力を入力 し、非動作時は𝑍_{𝐶𝑃𝑖𝑛}は高く、高い発電素子の出力インピーダンスで𝐶_𝐷𝐷を充電する。この時分割変調制御によって1)動作点電圧 を回路の動作下限電圧より常に高く、2)発電素子から最大電力を取り出し、3)出力電圧をターゲット電圧に制御することができ る。提案回路システムを1V CMOSで設計・試作し動作の検証を行ったところ、開放電圧𝑉_𝑂𝐶= 0.9V、出力インピーダンス𝑅_𝑇𝐸𝐺= 400𝛺のTEGから50µ[email protected]の電力変換が行えることを確認した。

キーワード IoT， エネルギーハーベスティング，熱電発電，DC/DC， チャージポンプ

A Control Circuit Design of Power Converter with Time-Division Input Impedance Modulation for Energy Transducer with High Output Impedance

Kazuma KOKETSU

^†

and Toru TANZAWA

^‡

†‡Graduate School of Engineering, Shizuoka University, 3-5-1 Johoku, Nakaku, Shizuoka, 432-8561 Japan

E-mail:

†[email protected], ‡[email protected]

Abstract This paper proposes a practical control circuit design of power converter for energy transducer with high output

impedance. In conventional control circuit systems, the input voltage of the power converter is set so that the output power becomes maximum. In reality, this operating point voltage can be lower than the lower limit of the supply voltage at which the power converter can work. A proposed control circuit enables the power converter to operate when the output voltage is lower than

𝑉_𝑃𝑃

and the input voltage is higher than a specified voltage

𝑉_𝐷𝐷

. As a result, the input impedance

𝑍_{𝐶𝑃𝑖𝑛}

of the power converter can be low enough to extract power from the energy transducer via a power supply capacitor

𝐶_𝐷𝐷

when the power converter is enabled. The power is input from the power supply capacitor

𝐶_𝐷𝐷

to the converter with low impedance. On the other hand,

𝑍_{𝐶𝑃𝑖𝑛}

can be high enough to charge up

𝐶_𝐷𝐷

via the energy transducer when the power converter is disabled. As a result, 1) the operating point of the input voltage can be controlled to be higher than the minimum supply voltage, 2) a maximum power can be extracted, and 3) the output voltage is controlled to be the target voltage. The proposed circuit system was fabricated in 65nm 1V CMOS and its operation was verified. As a result, the proposed integrated circuit converts an output power of 50µW at an output voltage of 2.5V from a thermoelectric energy transducer with an open circuit voltage of 0.9V and output impedance of 400𝛺.

Keywords IoT，

Energy harvesting

，

Thermoelectric generator

，

DC/DC

，

Charge pump

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        Copyright ©2020 by IEICE - 9 -

パ ラ メー タの 定 義

𝐶 CPの1段 当 た り の 容 量 𝐶_𝐷𝐷 CPの 入 力 電 源 コ ン デ ン サ

𝑁 CPの 段 数 𝑓 ク ロ ッ ク 周 波 数 𝛼𝐵 Cの 下 部 端 子 の

寄 生 容 量 の Cに 対 す る 比 𝐼_𝐶𝑃 CPの 入 力 電 流

𝐼𝑇𝐸𝐺 TEGの 出 力 電 流

𝐼𝐷𝐷 シ ス テ ム の 動 作 点 電 流(𝐼_𝐶𝑃= 𝐼𝑇𝐸𝐺= 𝐼𝐷𝐷) 𝐼𝑃𝑃 CPの 出 力 電 流

𝑅𝑇𝐸𝐺 TEGの 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス 𝑅_{𝐶𝑃𝑖𝑛} CPの 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス

𝑉_𝑂𝐶 TEGの 開 放 電 圧

𝑉𝐷𝐷 TEGの 出 力 電 圧 か つCP の 入 力 電 圧 𝑉𝑃𝑃 CPの 出 力 電 圧

𝑉_𝑇𝐻^𝐸𝐹𝐹 CP内 ス イ ッ チ 素 子 の 実 効 的 閾 値 電 圧 𝑃_𝐷𝐷 TEGの 出 力 電 力 か つCP の 入 力 電 力 𝑃_𝑃𝑃 CPの 出 力 電 力

1. Introduction

IoTデ バ イ スICの 電 源 供 給 手 段 と し て エ ネ ル ギ ー ハ ー ベ ス テ ィ ン グ と い う 技 術 が 注 目 さ れ て い る[1]。エ ネ ル ギ ー ハ ー ベ ス テ ィ ン グ と は 周 囲 の 環 境 に あ る エ ネ ル ギ ー を 電 力 に 変 換 す る 技 術 で あ る 。 こ れ に よ り バ ッ テ リ レ ス で IC を 駆 動 さ せ る こ と が 可 能 に な り 、 メ ン テ ナ ン ス フ リ ー や 電 源 が 取 れ な い 環 境 で 利 用 可 能 に な る 利 点 が あ る 。 熱 電 発 電 は 温 度 差 か ら 電 力 を 得 る 発 電 方 法 で あ り 、 熱 発 電 素 子(TEG)か ら 得 ら れ る 電 圧 は 温 度 差 に 比 例 す る 特 徴 が あ る[2]。ま た 、発 生 す る 直 流 電 圧 は 数mVか ら 数 百 mVと 低 い た め[3]、 図1(a)に 示 す よ う に IC の 電 源 に 供 給 す る た め に コ ン バ ー タ を 通 し て IC が 必 要 と す る 電 圧𝑉_𝑃𝑃ま で 高 く す る 必 要 が あ る[3]。

TEG は 開 放 電 圧𝑉𝑂𝐶と 内 部 抵 抗𝑅𝑇𝐸𝐺の 等 価 回 路 で 表 さ れ る[2]。 バ ル ク タ イ プ の TEG は 出 力 抵 抗 が 低 く コ ン バ ー タ つ き で 製 品 化 の 例 が あ る[4]。ま た 、薄 膜 の フ レ キ シ ブ ル TEG は 曲 面 や 形 の 変 わ る 表 面 に 張 り 付 け が 可 能 で 応 用 先 の 多 様 性 が 期 待 さ れ て い る[5]。本 研 究 で は 出 力 抵 抗 が 比 較 的 高 い 薄 膜 の フ レ キ シ ブ ル TEG 用 の 電 力 変 換 回 路 の 制 御 方 式 を 提 案 す る 。

こ の よ う な 発 電 素 子 と コ ン バ ー タ の シ ス テ ム の 設 計 を 考 え る 上 で 、IC が 要 求 す る 電 圧𝑉_𝑃𝑃が 仕 様 と し て 与 え ら れ た 時 、 出 力 電 力 を ど れ だ け 大 き く で き る か は 重 要 な 問 題 で あ る 。 昇 圧 回 路 に 用 い る チ ャ ー ジ ポ ン プ (CP)の 設 計 方 法 に つ い て 、 出 力 電 圧 、 電 流 が 与 え ら れ た 条 件 で 面 積 と 電 力 効 率 の バ ラ ン ス を 考 慮 し た 設 計 方

法 は 報 告 さ れ て い る[6]。 こ れ は CP の 入 力 電 流 が 供 給 で き る も の と し て 考 え ら れ て お り 、TEGに よ る 電 力 供 給 を 考 慮 し て い な い 。 ま た 、TEGと CPを 合 わ せ た シ ス テ ム の 設 計 に つ い て 、 シ ス テ ム の 面 積 を 最 適 化 す る 設 計 方 法 に つ い て は 報 告 さ れ て い る[7]。し か し 、[7]で は TEG の パ ラ メ ー タ は 制 限 の な い も の と し て 考 え ら れ て い る 。TEGとCP か ら な る シ ス テ ム がICに 供 給 す る 電 力 を 最 大 に す る 設 計 方 法 に つ い て は[8]で 報 告 さ れ て い る 。 し か し 、[8]で は CPの 出 力 電 圧 が 定 ま っ て お ら ず 、 各 動 作 点 で の 出 力 電 圧 と 電 流 が 明 記 さ れ て い な い 。[9]は 本 研 究 と 同 じ く 、同 シ ス テ ム の 出 力 電 流 を 最 大 に す る 目 標 で あ り 、 入 力 動 作 電 圧 を ど こ に す れ ば 出 力 電 流 を 最 大 に で き る か 示 し て い る 。 し か し 、 回 路 の 動 作 下 限 電 圧 が 考 慮 さ れ て お ら ず 、 回 路 の 制 御 は 示 さ れ て い な い 。図 1(b)に 示 す よ う に 、CP の 出 力 電 力 が 最 大 と な る 動 作 点 が 回 路 の 動 作 下 限 電 圧𝑉_{𝐷𝐷_𝑚𝑖𝑛}よ り 低 い 場 合 、𝑉𝐷𝐷_𝑚𝑖𝑛以 上 で 回 路 の 動 作 点 を 設 定 す る 必 要 が あ る 。

そ こ で 、 本 研 究 で は 動 作 下 限 電 圧𝑉𝐷𝐷_𝑚𝑖𝑛を 考 慮 し 、 電 力 変 換 回 路 の 負 荷 と な る 回 路 が 要 求 す る 動 作 電 圧 𝑉𝑃𝑃が 与 え ら れ た 時 、出 力 電 圧 が𝑉_𝑃𝑃に 達 し て お ら ず 、か つ 入 力 電 圧 が 所 定 電 圧𝑉_{𝐷𝐷_𝑚𝑖𝑛}以 上 と な っ て い る 条 件 で の み 電 力 変 換 回 路 を 動 作 さ せ る こ と に よ っ て シ ス テ ム の 安 定 動 作 を 実 現 し た 。 提 案 回 路 シ ス テ ム を 65nmCMOSプ ロ セ ス で 設 計・試 作 し 動 作 の 検 証 を 行 っ た の で 報 告 す る 。

(b) (a)

図1 (a). TEGを 用 い た IoTエ ッ ジ シ ス テ ム の ブ ロ ッ ク 図 (b).CPの 出 力 電 力𝑃_𝑃𝑃の 入 力 電 圧𝑉𝐷𝐷依 存 性

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2. 提 案 回 路 2.1. 動 作 原 理

図 2(a)に 提 案 回 路 の ブ ロ ッ ク 図 を 示 す 。 コ ン パ レ ー タ を 用 い た ２ つ の𝐷𝐸𝑇𝑖, 𝐷𝐸𝑇𝑂で 出 力 電 圧 と 入 力 電 圧 を 検 知 し 、CPの 動 作 を 制 御 し て い る 。𝐷𝐸𝑇_𝑖に はCPの 入 力 電 圧 と BGR(Band Gap Reference)[10]が 出 力 す る 参 照 電 圧𝑉𝑟𝑒𝑓が 入 力 さ れ て い る 。入 力 電 圧 が𝑉𝑟𝑒𝑓以 上 に な る と𝐸𝑁_𝑖がHigh と な る 。𝐷𝐸𝑇𝑜に はCP の 出 力 電 圧𝑉𝑃𝑃を 抵 抗 で 分 圧 し た 電 圧 と𝑉𝑟𝑒𝑓が 入 力 さ れ て い る 。 出 力 電 圧 が𝑉_𝑃𝑃以 上 に な る と𝐸𝑁𝑜が Low に な る 。CP の 動 作 は 入 力 電 圧 が𝑉𝑟𝑒𝑓以 上 か つ 、 出 力 電 圧 が𝑉𝑃𝑃以 下 の 場 合 に 動 作 す る よ う 、𝐸𝑁𝑖と𝐸𝑁𝑜信 号 を 論 理 回 路 を 通 し 、𝐸𝑁信 号 と し てCPの ク ロ ッ ク 電 圧 を 発 生 さ せ るOscillatorへ 帰 還 さ せ る こ と で シ ス テ ム の 制 御 を 行 っ て い る 。 こ の 制 御 に よ っ て 、CP の 動 作 と 非 動 作 を 決 定 し て い る 。CP の 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス𝑅_{𝐶𝑃𝑖𝑛}は 、 動 作 時 は 低 く 、 入 力 端 の 電 源 コ ン デ ン サ𝐶𝐷𝐷よ り 低 イ ン ピ ー ダ ン ス で 電 力 を 入 力 す る 。こ の 時𝑉_𝐷𝐷は 降 下 し 、𝑉_𝑃𝑃は 上 昇 す る 。一 方 、 𝑅𝐶𝑃𝑖𝑛は CP 非 動 作 時 は 高 く 、𝐶𝐷𝐷は TEG の 高 い 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス で 充 電 さ れ る 。こ の 時𝑉_𝐷𝐷は 上 昇 し 、𝑉_𝑃𝑃は 負 荷 電 源 に よ っ て 降 下 す る 。(図2(b))

こ の と き の 動 作 時 間𝑇_𝑂𝑁は コ ン デ ン サ が 電 流𝐼_𝐶𝑃− 𝐼_𝑇𝐸𝐺を 放 電 す る 時 間 よ り 式(1)、 非 動 作 時 間𝑇_𝑂𝐹𝐹は TEG が𝐶_𝐷𝐷を 充 電 す る 時 間 よ り 式(2)で 表 さ れ る 。

𝑇_𝑂𝑁= 𝐶∆𝑉

𝐼_𝐶𝑃− 𝐼_𝑇𝐸𝐺 (1)

𝑇_𝑂𝐹𝐹= 𝑅_𝑇𝐸𝐺𝐶_𝐷𝐷𝑙𝑜𝑔𝑉_𝑂𝐶− 𝑉_{𝐷𝐷_𝐿}

𝑉_𝑂𝐶− 𝑉_{𝐷𝐷_𝐻} (2)

∆𝑉は𝑉_𝐷𝐷の 電 圧 変 動 を 表 し 、V_{𝐷𝐷_𝐻}, 𝑉_{𝐷𝐷_𝐿}は𝑉_𝐷𝐷か ら そ れ ぞ れ±∆𝑉/2移 動 し た 電 圧 で あ る 。こ こ で∆𝑉は𝑉_𝐷𝐷に 比 べ 十 分 小 さ く 、∆𝑉に よ っ て𝐼_𝐶𝑃は 一 定 と み な せ る と 仮 定 し た 。 ま た 、CP の 動 作 中 の 出 力 電 流 を𝐼𝑃𝑃と す る と 1 周 期 あ

た り の 平 均 出 力 電 流 は 式(3)で 得 ら れ る 。

𝐼𝑃𝑃_𝑎𝑣𝑒=𝑇_𝑂𝑁

𝑇𝐶𝑌𝐶𝐼𝑃𝑃 (3)

𝐷𝐸𝑇𝑃𝑃は𝑉_𝑃𝑃が タ ー ゲ ッ ト 電 圧 よ り 少 し 低 い 値 に な る と𝑉𝑃𝑃_𝑂𝐾信 号 が High に な る 。 こ の 信 号 は 後 段 の 回 路 ブ ロ ッ ク に 供 給 さ れ 、回 路 の 電 源 電 圧𝑉𝑃𝑃が 動 作 可 能 な 範 囲 ま で 十 分 高 い 状 態 で あ る こ と を 知 ら せ る 。 試 作 回 路 で は𝐷𝐸𝑇𝑃𝑃以 外 を 搭 載 し た 。

2.2. 設 計 フ ロ ー

TEGの𝑉𝑂𝐶, 𝑅𝑇𝐸𝐺、CPの𝑉_𝑃𝑃が 与 え ら れ た 時 の CPの 段 数 と 各 段 の 容 量 及 び 動 作 点 電 圧𝑉_𝐷𝐷の 決 定 方 法 に つ い て 述 べ る 。

(1)段 数N

回 路 の 電 力 効 率 が 最 も 良 く な る 段 数 は 、 目 標 と す る 出 力 電 圧𝑉_𝑃𝑃に 昇 圧 す る の に 必 要 な 最 小 段 数𝑁_𝑚𝑖𝑛の 1.4 倍 で あ る[11]。す な わ ち 、Nは𝑉𝐷𝐷の 関 数 と し て 式(4)で 表 さ れ る 。

𝑁 = [1.4 × 𝑁𝑚𝑖𝑛] = [1.4 ×𝑉𝑃𝑃− 𝑉𝐷𝐷+ 𝑉_𝑇𝐻^𝐸𝐹𝐹

𝑉_𝐷𝐷− 𝑉_𝑇𝐻^𝐸𝐹𝐸 ] (4) 𝑉_𝑇𝐻^𝐸𝐹𝐹はCP内 ス イ ッ チ 素 子 の 実 効 的 閾 値 電 圧 で あ る 。 (2)容 量C

CP の 入 力 電 流𝐼_𝐷𝐷と 出 力 電 流𝐼_𝑃𝑃は 式(5),(6)の 関 係 が あ る[12]。

𝐼_𝐷𝐷= (𝑁 + 1)𝐼_𝑃𝑃+ 𝛼_𝐵𝑓𝐶𝑉_𝐷𝐷 (5)

𝐼_𝑝𝑝=(𝑁 + 1)(𝑉_𝐷𝐷− 𝑉_𝑇𝐻^𝐸𝐹𝐹) − 𝑉_𝑂𝑈𝑇

𝑁 𝑓𝐶 (6) こ こ で 、𝛼𝐵, 𝑓は そ れ ぞ れ 、

𝛼_𝐵: Cの 下 部 の 寄 生 容 量 成 分 𝑓 ∶ ク ロ ッ ク 周 波 数 で あ る 。

ま た 、𝐼𝐷𝐷は 式(7)で 与 え ら れ る 。

𝑡 𝑉𝑃𝑃

𝑉_𝐷𝐷

𝐸𝑁

𝑉_{𝐷𝐷_𝐿} 𝑉_{𝐷𝐷_𝐻}

𝑇𝑂𝑁 𝑇𝑂𝐹𝐹

𝑇_𝐶𝑌𝐶

∆𝑉 𝑉

(a) (b)

図2 (a). DC/DC CP の 提 案 制 御 回 路 図, (b). 動 作 波 形

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TEG CP

𝑉_𝑂𝐶[𝑉] 𝑅_𝑇𝐸𝐺[𝛺] 𝑉_𝑃𝑃[𝑉] 𝑉_𝑇𝐻^𝐸𝐹𝐹[𝑉] 𝑓[𝑀𝐻𝑧] 𝛼_𝐵 𝑉𝐷𝐷_𝑚𝑖𝑛 [𝑉]

0.55 400 2.5 0.3 10.4 0.1 0.45

𝐼𝐷𝐷=𝑉𝑂𝐶− 𝑉𝐷𝐷

𝑅_𝑇𝐸𝐺 (7)

こ の 時 、CPは オ ン チ ッ プ の 電 源 回 路 で 駆 動 さ れ 、そ の 周 波 数 は 一 定 と す る 。式(4),(5)よ りCと𝐼_𝑃𝑃は𝑉_𝐷𝐷の 関 数 と し て 求 め る こ と が で き る 。

表1の 条 件 で 式(4)~(7)を 用 い て 求 め た𝑉_𝐷𝐷と𝑃_𝑃𝑃の 関 係 を 図3に 示 す 。図 3よ り 、今 回 の 条 件 で は𝑉𝐷𝐷=0.44V付 近 で 出 力 電 力 が 最 大 と な っ て い る 。 回 路 の 動 作 下 限 電 圧 が 0.45V よ り 、 動 作 点 は マ ー ジ ン を と っ て 0.5V と し た 。𝑉_𝐷𝐷=0.5Vの 各 回 路 パ ラ メ ー タ は𝑁=17, 𝐶=6pFで あ っ た が 、マ ー ジ ン を と っ て𝑁=20, 𝐶=15pFで 試 作 を 行 っ た 。

3. 検 証

決 定 し た CP の パ ラ メ ー タ を 用 い て コ ン バ ー タ 部 分 を65nm 1V Low-V_t CMOSで 設 計 、試 作 を 行 っ た 。図 4 に チ ッ プ 写 真 を 示 す 。 回 路 面 積 は0.28mm²で 実 現 で き た 。入 力 電 圧𝑉_𝐷𝐷=0.5Vで 計 測 を 行 っ た と こ ろ 回 路 動 作 が 確 認 で き な か っ た た め 、条 件 を 緩 め て𝑉𝐷𝐷=0.6V, 0.8V で 計 測 を 行 っ た 。 図 5(a)に 出 力 電 圧𝑉_𝑃𝑃と 出 力 電 流𝐼_𝑃𝑃、 図5(b)に 出 力 電 圧𝑉𝑃𝑃と 出 力 電 力𝑃𝑃𝑃の 計 測 結 果 を 示 す 。 𝑉_𝑃𝑃が 2.5V 付 近 で レ ギ ュ レ イ ト さ れ て い る 。 図 5(b)よ り 、𝑉_𝐷𝐷=0.6Vの 時 、𝑃_𝑃𝑃は𝑉_𝑃𝑃=0.6Vで 最 大 120µW得 ら れ る 。 入 力 電 圧𝑉_𝐷𝐷と 出 力 電 圧𝑉_𝑃𝑃の 時 間 波 形 を 図 6 に 示 す 。電 圧 源 と 抵 抗 で TEGを 模 擬 し た 等 価 回 路 を 入 力 に 接 続 し た 。 計 測 条 件 を 以 下 に 示 す 。

開 放 電 圧𝑉_𝑂𝐶=0.9V

TEGの 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス𝑅_𝑇𝐸𝐺=400𝛺 電 源 コ ン デ ン サ𝐶_𝐷𝐷=300nF

負 荷 抵 抗𝑅𝐿𝑂𝐴𝐷=300𝑘𝛺、 負 荷 容 量𝐶_{𝐿𝑂𝐴𝐷}=1nF

図6よ り𝑇_𝑂𝑁の と き は𝑉_𝐷𝐷は 降 下 、𝑉_𝑃𝑃は 上 昇 し 、𝑇_𝑂𝐹𝐹の と き は𝑉𝐷𝐷は 上 昇 、𝑉_𝑃𝑃は 降 下 し て い る こ と が 確 認 で き る 。𝑉_𝑃𝑃=2.5V付 近 で 制 御 で き て い る こ と を 波 形 で も 確 認 し た 。 こ の と き の 出 力 電 力 は𝑃𝑃𝑃 =50µW,入 力 電 力 は 𝑃𝐷𝐷=385µWで あ っ た 。設 計 段 階 よ り 入 力 電 流 が 多 く 必 要 と な っ た が 、 例 え ば𝑉𝑂𝐶= 0.9V, 𝑅𝑇𝐸𝐺= 400𝛺のTEGか ら50µ[email protected]の 電 力 変 換 を 確 認 す る こ と が で き た 。 表1. 各 回 路 パ ラ メ ー タ の 設 計 条 件

図4. チ ッ プ 写 真

図3. DC/DC CPの 出 力 電 力𝑃_𝐷𝐷の 入 力 電 圧𝑉_𝐷𝐷依 存 性

(a)

(b)

図5 (a). CPの𝑉_𝑃𝑃− 𝐼𝑃𝑃特 性 (b). CPの𝑉_𝑃𝑃− 𝑃_𝑃𝑃特 性

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4. ま と め

本 研 究 で は 、 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス が 高 い 発 電 素 子 か ら 電 力 変 換 を 行 う 回 路 シ ス テ ム の 制 御 方 式 を 提 案 し た 。 こ の 制 御 方 法 に お い て 、CPの 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス𝑅𝐶𝑃𝑖𝑛

は 動 作 時 は 低 く 、入 力 端 の 電 源 コ ン デ ン サ𝐶𝐷𝐷よ り 低 イ ン ピ ー ダ ン ス で 電 力 を 入 力 す る 。CP非 動 作 時 の𝑅_{𝐶𝑃𝑖𝑛}は 高 く 、𝐶𝐷𝐷を TEG の 高 い 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス で 充 電 す る 。CPの 動 作 時 間𝑇_𝑂𝑁は 式(1)、 非 動 作 時 間𝑇_𝑂𝐹𝐹は 式(2) で 決 定 で き る 。 提 案 回 路 で チ ッ プ を 試 作 し た 結 果 、 想 定 し て い た 入 力 電 圧𝑉_𝐷𝐷 =0.5V で は 回 路 動 作 を 確 認 で き な か っ た た め 、 条 件 を 緩 め て 計 測 を 行 っ た と こ ろ 、 上 述 の 制 御 動 作 を 確 認 で き た 。 試 作 チ ッ プ で は 回 路 面 積0.28mm²、入 力 電 力 385µWで 出 力 電 力50µWを 得 ら れ る こ と を 確 認 し た 。

謝 辞

本 研 究 は 、 日 本 ゼ オ ン 株 式 会 社 、 VDEC 、 Synopsys,Inc.,Cadence Design Systems 、 Micron foundation, Inc に よ っ て サ ポ ー ト さ れ て い ま す 。 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

参 考 文 献

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図6. 実 測 波 形

開 放 電 圧𝑉_𝑂𝐶=0.9V

TEGの 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス𝑅𝑇𝐸𝐺=400𝛺 電 源 コ ン デ ン サ𝐶_𝐷𝐷=300nF

負 荷 抵 抗𝑅_{𝐿𝑂𝐴𝐷}=300𝑘𝛺 負 荷 容 量𝐶_{𝐿𝑂𝐴𝐷}=1nF

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