開放交流電圧が10Vを超える静電発電素子から1Vト ランジスタだけで直流1Vに変換するインターフェー ス回路の設計
著者 石田 遥祐, 丹沢 徹
雑誌名 電子情報通信学会技術研究報告
巻 121
号 139
ページ 58‑63
発行年 2021‑08‑10
出版者 電子情報通信学会
権利 (C)2021 IEICE
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：2021年8月17日（火）‑18日（水）
著者版フラグ publisher
URL http://hdl.handle.net/10297/00028299
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Copyright ©20●● by IEICE
開放交流電圧が 10V を超える静電発電素子から 1V トランジスタだけで直流 1V に変換する
インターフェース回路の設計
石田 遥祐
†丹沢 徹
‡†静岡大学大学院 総合科学技術研究科、現在 アンリツ株式会社
‡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 開放電圧が10Vを超える静電発電素子からセンサ・無線ICに1Vを供給するAC/DC電力変換インターフェース
回路を1V CMOSのみで設計、試作・評価した。インターフェース回路は、CMOS全波整流器、MOSだけで構成した基準電圧発
生回路、パワーオン・リセット機能内蔵シャント・レギュレータで構成した。回路サイズは0.016mm2で、センサ・無線ICに集 積化可能なサイズである。出力電力当りの回路面積は0.14mm2/mWと小さい。プロセス・温度ばらつきはまだ十分小さく制御で きなかった（+/-13%）が、プロセスばらつきをトリミングで補正することができれば、開発したインターフェース回路は出力電 力当りの回路面積を最優先する用途で最適な選択肢となる。
キーワード IoT， エネルギーハーベスティング，静電発電，AC/DC， インターフェース回路
Design of interface circuits fabricated in 1V CMOS
for electrostatic energy transducer with an open circuit voltage over 10V
Yosuke ISHIDA
†and Toru TANZAWA
‡†Graduate School of Engineering, Shizuoka University, Now with Anritsu Corp.
‡
Graduate School of Engineering, Shizuoka University, 3-5-1 Johoku, Nakaku, Shizuoka, 432-8561 Japan, E-mail:
†[email protected], ‡[email protected]Abstract An AC-DC converter interface circuit for electrostatic vibration energy harvesting was designed, fabricated and evaluated. The interface circuit was composed of a CMOS full bridge rectifier, a MOS-based bandgap reference and a CMOS shunt regulator with built-in power-on reset function. Si area of 0.016mm2 enables the interface circuit to be integrated in sensor/RF ICs. Even with 1 V CMOS, the open circuit voltage of the energy transducer can be as high as 10 V and beyond. VDD varied by +/-13% due to process and temperature variations.
When VDD variation due to the process variation can be compensated with trimming, the developed circuit can provide the best option in case where the Si area per output power is prioritized.
Keywords IoT，Energy harvesting，Electrostatic energy transducer，AC/DC，Interface circuit
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1. は じ め に
モ ー タ や 配 管 な ど の 異 常 振 動 を 捉 え て 大 き な 事 故 に つ な が る 前 に 警 報 を 出 す シ ス テ ム （ 図 1） で は 、 バ ッ テ リ ー フ リ ー と し て メ ン テ ナ ン ス コ ス ト を 下 げ る こ と が 重 要 で あ る 。 振 動 体 の 運 動 エ ネ ル ギ ー を 電 力 に 変 換 す る 振 動 発 電 素 子 の コ ス ト が 下 が れ ば 、 バ ッ テ リ ー 代 替 が 可 能 に な る 。 発 生 す る 電 力 は 交 流 で あ り 、 セ ン サ ・ 無 線 IC に は 直 流 電 源 が 必 要 な の で 、AC/DC 変 換 を 行 う イ ン タ ー フ ェ ー ス 回 路 が 必 要 と な る[1-4]。
図1 振 動 発 電 を 利 用 し た 警 報 シ ス テ ム
振 動 発 電 素 子 に は 開 放 電 圧 と 出 力 抵 抗 か ら 三 種 類 に 大 別 さ れ る（ 図2）。交 流 磁 場 を コ イ ル で 電 力 に 変 換 す る 誘 導 型 あ る い は 逆 磁 歪 型 発 電 素 子 は 低 発 生 電 圧 ・ 低 イ ン ピ ー ダ ン ス 、 圧 電 発 電 素 子 は 中 発 生 電 圧 ・ 中 イ ン ピ ー ダ ン ス 、 静 電 発 電 素 子 は 高 発 生 電 圧 ・ 高 イ ン ピ ー ダ ン ス 。 図 2で は 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス を そ れ ぞ れ1kΩ、 100kΩ、10MΩと 仮 定 し た 。
図2 開 放 電 圧 振 幅 と 発 生 電 力 の 関 係
セ ン サ・ 無 線IC が1V電 源 で10μW必 要 な 場 合 、そ れ ぞ れ の 発 電 素 子 に は 昇 圧 、 昇 降 圧, 降 圧 の 電 圧 変 換 が 必 要 に な る 。 本 研 究 は 静 電 発 電 用 AC/DC 降 圧 回 路 に 関 す る 。
図 ３ は 、 高 耐 圧 全 波 整 流 回 路 と DC/DC Buckコ ン バ ー タ で 電 力 変 換 を 行 う イ ン タ ー フ ェ ー ス 回 路[5, 6] (a) と 完 全 集 積 化 AC/DCレ ギ ュ レ ー タ[7-9] (b)の ブ ロ ッ ク 図 を 示 す 。ES－EHは 静 電 発 電 素 子 を 表 す 。前 者 で は 、 高 耐 圧 チ ッ プ ・ ダ イ オ ー ド 四 つ か ら な る 全 波 整 流 回 路 で AC/DC変 換 を 行 っ て 、 そ の DCを さ ら に DC/DC変
換 で ICに 必 要 な 電 圧 に 降 圧 す る 。ス イ ッ チ ン グ・レ ギ ュ レ ー タ は 高 耐 圧 ト ラ ン ジ ス タ を 提 供 す る BCD プ ロ セ ス で 作 る 必 要 が あ る の で セ ン サ ・ 無 線 IC と は 別 チ ッ プ に な る の が 必 然 と な る 。 さ ら に ス イ ッ チ ン グ に 必 要 な 外 付 け イ ン ダ ク タ な ど が 必 要 と な る 。 結 果 と し て 端 末 の サ イ ズ と 製 造 コ ス ト の 課 題 が 残 る 。
後 者(b)は 全 波 整 流 と レ ギ ュ レ ー シ ョ ン を 標 準 CMOSで 行 え る よ う に し て 、セ ン サ・無 線 ICに 集 積 化 す る こ と で サ イ ズ と コ ス ト の 削 減 に 寄 与 す る こ と を 目 的 と し た 。(a)で は 出 力 パ ワ ー を mWレ ベ ル も 可 能 と し て い る 一 方 、(b)で は 発 電 素 子 の 発 生 電 力 は せ い ぜ い 100μW 程 度 を 上 限 と し 、 セ ン サ ・ 無 線 IC の パ ワ ー を 10μWと し た 。
図3 高 耐 圧 全 波 整 流 回 路 と DC/DC Buckコ ン バ ー タ 型(a)と 完 全 集 積 化AC/DCレ ギ ュ レ ー タ(b)
筆 者 ら は こ れ ま で 、 全 波 整 流 ＋ シ ャ ン ト ・ レ ギ ュ レ ー タ（FS）[7]、全 波 整 流 ＋ バ ン ド ギ ャ ッ プ・リ フ ァ レ ン ス ＋ シ ャ ン ト ・ レ ギ ュ レ ー タ （FBS）[8]、 全 波 整 流
＋ バ ン ド ギ ャ ッ プ ・ リ フ ァ レ ン ス ＋ 埋 め 込 み パ ワ ー オ ン・リ セ ッ ト ＋ シ ャ ン ト・レ ギ ュ レ ー タ（FBPS）[9]を 提 案 ・ 設 計 し て き た 。FBPS に お い て 回 路 サ イ ズ 0.081mm2を 実 現 し た 。 今 回 、 回 路 サ イ ズ 0.016mm2を 実 現 す る 回 路 を 設 計 ・ 試 作 し 、 回 路 評 価 を 行 っ た の で こ れ ら を 報 告 す る 。
2. 先 行 研 究 と 今 回 の 回 路 の 特 徴 2.1. 先 行 研 究 回 路 FBPS [9]
図4(a) は 、全 波 整 流 ＋ バ ン ド ギ ャ ッ プ・リ フ ァ レ ン ス ＋ 埋 め 込 み パ ワ ー オ ン ・ リ セ ッ ト ＋ シ ャ ン ト ・ レ ギ ュ レ ー タ（FBPS）[9]の 回 路 図 を 示 す 。全 波 整 流 器FBR は ク ロ ス カ ッ プ ル CMOS[10]に 逆 流 防 止 用NMOS ダ イ オ ー ド NDを 接 続 し て い る 。PN接 合 ダ イ オ ー ド が フ ォ ワ ー ド 電 流 を 流 し 出 す 前 に チ ャ ネ ル が 形 成 さ れ な い と い け な い た め 、全 波 整 流 に は Low－Vtト ラ ン ジ ス タ が 必 要 で あ る 。ア ク テ ィ ブ ダ イ オ ー ド[11]を NDに 並 列 に 振動
発電 素子
AC/DC変換 インター フェース回路
センサ・
無線IC 振
動 体
1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03
0.01 0.1 1 10 100
発生電力[W]
開放電圧振幅[V]
誘導・逆磁歪 圧電 静電
1μ 10μ 100μ
1m
HV rec.
ES-ET
Standard CMOS LCR HV
PMC
ES-ET 1VDC
10VAC
10VDC
1VDC - Signal processing - RF - Sensor IC for IoT (1mW)
LV rec.
LV Shunt
reg.
Standard CMOS 外付け部品 BCD
プロセス (a)
(b)
IC for IoT (10µW) - Signal processing
- RF - Sensor DC/DC
コンバータ
10VAC
1VDC
HV 全波整流
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接 続 す る こ と で 電 圧 降 下 を 下 げ る こ と は 可 能 で あ る 。 た だ し 、 ゲ ー ト を オ ペ ラ ン プ で 駆 動 す る た め 余 分 な 電 力 が 必 要 に な る 。BGRは こ れ か ら レ ギ ュ レ ー ト し よ う と す るVDDを 電 源 と し てVDDを 制 御 す る た め の 基 準 電 圧 VREF を 発 生 す る 回 路 で あ る[12]。DETは 検 知 回 路 で 、プ ル ダ ウ ン パ スPDと 協 働 で VDDがVREFの 二 倍 に な る よ う に 制 御 す る（VREF = 0.5V, VDD = 1.0Vと 設 定 し て い る ）。起 動 時 に ま だ VDDが 十 分 高 く な く 結 果 と し て BGR やDET が 正 常 に 動 作 し な く て も 、 つ ま りNPDの ゲ ー ト 電 圧VGが 高 く て も 、VDDがPPDの し き い 電 圧 よ り 低 い 間 は 放 電 パ ス を 閉 じ た ま ま に す る こ と が で き る 。 こ れ は パ ワ ー オ ン ・ リ セ ッ ト 機 能 に 相 当 し て い る が 、 専 用 回 路 を 不 要 、 つ ま り 付 加 的 な 消 費 電 力 を 省 く 回 路 構 成 と な っ て お り 、 筆 者 は こ れ を 埋 め 込 み パ ワ ー オ ン ・ リ セ ッ ト と 呼 ん だ[9]。 図4(b), (c)は そ れ ぞ れ レ イ ア ウ ト 図 、 チ ッ プ 写 真 を 示 す 。65nm 1V CMOSで 試 作 し た 。 現 在 筆 者 ら が 利 用 で き る 試 作 サ ー ビ ス の 中 で 低 Vt の ト ラ ン ジ ス タ を 提 供 し て 頂 け る の が 唯 一 こ れ で あ っ た た め 。 ず っ と 緩 い デ ザ イ ン ル ー ル の テ ク ノ ロ ジ で も 、 低 Vt ト ラ ン ジ ス タ を 提 供 頂 け る テ ク ノ ロ ジ が あ れ ば 同 じ 回 路 同 等 の 性 能 の 回 路 は 製 作
で き た は ず で あ る 。BGR が 回 路 の 7 割 を 占 め て い た 。 SPICE シ ミ ュ レ ー シ ョ ン か ら VDD は 温 度 プ ロ セ ス ば ら つ き で+/-5%の 変 動 に 抑 え ら れ る こ と を 確 認 し た 。 実 測 で リ ッ プ ル は 十 分 低 く 抑 え ら れ て い る こ と を 確 認 し た 。
2.2. 本 論 文 で 報 告 す る 回 路 FmBPS
図4(b)か ら 分 か る 通 り 、 回 路 面 積 は ダ イ オ ー ド と 抵 抗 が 支 配 的 で あ る 。BGR内 の 二 つ の 電 流 経 路 の ダ イ オ ー ド の 接 合 面 積 比 は オ ペ ア ン プ の 入 力 オ フ セ ッ ト ば ら つ き に 関 わ る た め 、 ば ら つ き を 十 分 小 さ く す る た め に は ダ イ オ ー ド の 数 は 増 や す 必 要 が あ る[13]。 動 作 電 流 を 絞 る た め に は 抵 抗 は 大 き く な る 。 プ ロ セ ス 、 温 度 、 ミ ス マ ッ チ に 相 対 的 に は 弱 い も の の 、 回 路 サ イ ズ を 非 常 に 削 減 で き る BGR[14]を 適 用 し て 、VDDレ ギ ュ レ ー シ ョ ン と 回 路 面 積 の ト レ ー ド オ フ を 検 討 す る こ と に し た 。
図5 (a) は 、 全 波 整 流 ＋MOSベ ー ス ・ バ ン ド ギ ャ ッ プ ・ リ フ ァ レ ン ス (mBGR)＋ 埋 め 込 み パ ワ ー オ ン ・ リ セ ッ ト ＋ シ ャ ン ト ・ レ ギ ュ レ ー タ （FmBPS） の 回 路 図 を 示 す 。mBGRは 二 種 類 の し き い 電 圧 の 差 を 出 力 す る 図 ４FBPSの 回 路 図(a), レ イ ア ウ ト 図(b), チ ッ プ 写 真(c)
IN1
IN2
NPD
Gnd VDD
R0 R1
VREF PPD
VG
VX ND
FBR BGR DET PD
180um
450um
0.081mm2 (a)
(b)
(c)
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た め 発 生 電 圧 は 0.2Vと 低 い 。従 っ て 抵 抗 分 割 比 は5と し た 。（0.2V x 5 = 1.0V）
図 5(b), (c)は そ れ ぞ れ レ イ ア ウ ト 図 、 チ ッ プ 写 真 を 示 す 。 サ イ ズ は FBPS の 1/6 で あ っ た 。 消 費 電 力 は
700nWで あ っ た 。
3. シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 測 定 結 果
利 用 可 能 な 電 圧 発 生 器 が 最 大 10V 出 力 で あ っ た た 図6 (a)波 形 (SPICE), (b) VREF – VDD (SPICE), (c) VDDのPTば ら つ き (SPICE), (d) VDD波 形 （ 実 測 とSPICE）
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 2 4 6 8 10
VDD [V]
VS[V]
VDD(meas.) VDD(SPICE) 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 0.005 0.01 0.015 0.02
[V]
Time [s]
IN1 IN2 VDD BGR VG
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
[V]
VDD[V]
VREF(0℃) VREF(27℃) VREF(70℃)
(a)
(c)
(b)
VDD[V] FF TT SS
0℃ 0.85 1.0 1.1
27℃ 0.90 1.0 1.1
70℃ 1.0 1.0 1.1
(d)
図5 FmBPSの 回 路 図(a), レ イ ア ウ ト 図(b), チ ッ プ 写 真(c) (a)
(b)
50um
320um
FBR mBGR
(MOS-based BGR)
PD DET
(c) 0.016mm2
IN1
IN2 Gnd
VDD
VBGR
VG
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め 、 発 電 素 子 の 等 価 出 力 抵 抗 を 100kΩと し て IN1-IN2 間 に 接 続 し た 。電 源 の 周 波 数 を 100Hzと し た 。VDDに は 安 定 化 キ ャ パ シ タ 300nFを 外 付 け し た 。 図 6(a)は 入 力 信 号 を 入 れ て か ら の 波 形 を 示 す 。プ ル ダ ウ ン NMOS が 適 切 に オ ン オ フ を 繰 り 返 し て VDD を 一 定 に 制 御 し て い る 。 図 6(b)は Typical cornerに お け る mBGRの 温 度 依 存 性 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 を 示 す 。Fast corner（FF）
で は 温 度 依 存 性 を 抑 え き れ て い な か っ た（ 図 6(c)）。試 作 し た ト ラ ン ジ ス タ は Slow cornerに 近 か っ た 。100Hz, 10V振 幅 の 交 流 電 源 を100kΩ抵 抗 に 接 続 し て 回 路 に つ な い だ 。VDD波 形 は 図 6(d)の よ う に な り 、SPICEの 結 果 と 比 べ 0.2V 高 か っ た 。Slow corner の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 よ り 0.1V 高 い 。 基 準 電 圧 VBGR は モ ニ タ で き な か っ た が 、分 圧 比 が 5な の で VBGRが20mV高 か っ た か も し れ な い 。 基 準 電 圧 の 温 度 依 存 性 が プ ロ セ ス コ ー ナ ー に よ ら ず 十 分 小 さ く す る こ と が で き た ら 、 プ ロ セ ス ば ら つ き は ト リ ミ ン グ で 抑 え る こ と が 現 実 的 で あ ろ う 。AC/DC 変 換 回 路 を セ ン サ ・ 無 線 IC に 集 積 す る と し 、 セ ン サ ・ 無 線 ICに は ア ナ ロ グ 回 路 ・RF回 路 の 補 正 や メ モ リ の リ ダ ン ダ ン シ 置 換 え の た め に 不 揮 発 性 メ モ リ が あ る と す れ ば 、mBGR用 に 数 ビ ッ ト を 追 加 す れ ば よ い 。
表1は 先 行 研 究 とFmBPS（ 図 5） の 特 徴 ・ 特 性 比 較 を 示 す 。VBGR ト リ ミ ン グ 機 能 の 追 加 に よ る 回 路 面 積
の 増 加 が 十 分 小 さ け れ ば 、 出 力 電 力 当 り の 回 路 面 積 を 最 小 に す る 回 路 と な る で あ ろ う 。 静 電 発 電 エ ネ ル ギ ー ハ ー ベ ス テ ィ ン グ 用 途 で コ ス ト が 最 優 先 な 場 合 の 最 適 な 選 択 肢 と な る 。
4. ま と め
開 放 電 圧 が10Vを 超 え る 静 電 発 電 素 子 か ら セ ン サ ・ 無 線 IC に 1V を 供 給 す る AC/DC 電 力 変 換 回 路 を 1V CMOSの み で 設 計 、 試 作 ・ 評 価 し こ れ ら を 報 告 し た 。 変 換 回 路 は 、CMOS全 波 整 流 器 、MOSだ け で 構 成 し た 基 準 電 圧 発 生 回 路 、 パ ワ ー オ ン ・ リ セ ッ ト 機 能 内 蔵 シ ャ ン ト ・ レ ギ ュ レ ー タ で 構 成 し た 。 回 路 サ イ ズ は 0.016mm2で あ っ た 。プ ロ セ ス・温 度 ば ら つ き は ま だ 十 分 小 さ く 制 御 で き な か っ た （+/-13%） が 、 プ ロ セ ス ば ら つ き を ト リ ミ ン グ で 補 正 す る こ と が で き れ ば 、 出 力 電 力 当 り の 回 路 面 積 を 最 小(0.14mm2/mW)に す る 可 能 性 が あ る こ と が 分 か っ た 。
謝 辞
本 研 究 は 、VDEC/d-lab, Synopsys,Inc., Cadence Design Systems inc., Micron foundation に よ っ て サ ポ ー ト さ れ ま し た 。 感 謝 申 し 上 げ ま す 。
表1 先 行 研 究 と の 比 較
条 件 (*1) VO U T = 2 V and VA = 3 V. (*2) RS = 100 kΩ, RL = 10 kΩ, and VA = 30 V.
Stanzione [6] De Pelecijn [10] Kawauchi [11] Chen [12] Ishida [9] This work
Energy source ES-EH AC mains MR-EH PZ-EH ES-EH
Voltage conversion:
Up or Down? Down Down Up Up/Down Down
Architecture FBR and Buck Cap-div, SC, and FBR
FBR and AC-DC CP
FBR and DC-DC CP
FBR, BGR, POR and Shunt
FBR, mos-BGR, POR and Shunt External components FBR (4 diodes)
/LCR (1L,1C,2R) None (except for CVDD)
CMOS 0.25 µm 60 V BCD and 3 V CMOS
0.35 µm 12 V HV-CMOS
65 nm 1 V low-
Vt CMOS 0.18µm CMOS 65 nm 1 V low-Vt CMOS
VDD regulation N. A. N. A. No regulation N. A. 5% ±13%
Control power 500 nW 50 nW 18 µW 4 µW (*1) 700 nW 700 nW
Maximum input peak
voltage 60 V 168 V 1 V N. A. 10 V (measured),
100 V (potentially)
Input power 1 µW–1 mW 20 µW 22 µW N.A. 1 µW–100 µW
Output power 1 µW–1 mW 20 µW 4 µW 0.5–64µW 1 µW–100 µW
Power conversion
efficiency 85% 81% 23% 72% (*1) 43%
Die/circuit area BCD (3 mm2)
and CMOS (N.A.) 9.8 mm2 0.11 mm2 0.2 mm2 0.081 mm2 0.016 mm2 Area [mm2]/Max.
output power [mW] 4.6 612.5 27.5 3.1 8.1 (meas.),
0.81 (sim.) (*2)
1.4 (meas.), 0.14 (sim.) (*2)
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参 考 文 献
[1] T. Kazmiersuki and S. Beedy, “Energy Harvesting Systems:
Principles, Modeling and Applications”, Chap. 1, pp. 1-78, Springer 2010.
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10.1109/JSSC.2020.2989873
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