Development of high efficiency and wide input / output voltage range power supply circuit with intermittent operation for energy harvesting

开发高效率、宽输入/输出电压范围的电源电路，具有间歇操作的能量收集功能

基本信息

批准号：
20K04597
负责人：
佐藤隆英
金额：
$ 2.83万
依托单位：
University of Yamanashi
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

令和４年度は、数mWから数十mW程度の発電能力を有する発電素子を用いたエナジーハーベスティングに適する電源回路の集積化設計を完了させた。前年度から進めていたレイアウト設計を完成させ、寄生素子の影響を考慮したシミュレーション（ポストレイアウトシミュレーション）を実施した。ポストレイアウトシミュレーションの結果を回路設計およびレイアウト設計に反映させ、より安定性に優れた回路の設計を実現した。電源回路の基本構成は研究代表者らが発明したスイッチング電源（特許6846762号）としている。このスイッチング電源は主要部分において電流が経由するスイッチが１個であるため、スイッチ導通時の抵抗（オン抵抗）による電力損失が最小であり電力効率に優れる特徴がある。さらに3種類の動作モード（降圧・昇圧・昇降圧）を有するため、入出力電圧に応じて適切な動作モードを選択することで効率の改善が可能である。電源回路は制御回路用の補助電源を要するが、補助電源は以下の特徴を持つ。１．入力電圧源を動的に選択可能。電源回路の主回路部分の入力電圧と出力電圧のうちより大きな電圧を補助電源の入力電圧として用いる。この制御により補助電源を構成するチャージポンプの段数を削減している。２．補助電源を構成するチャージポンプの段数を動的に変更可能。必要最小段数とすることで補助電源部分の効率を改善している。レイアウト設計後のポストレイアウトシミュレーションにより電源回路は、動作モードの切り替え時に意図しない動作モードに陥り発振状態に陥る場合があることが判明した。これは、昇降圧モードの位相余裕が小さいこととモード移行時に制御信号のデューティ比を直前のモードから維持することに起因する。そこで各動作モードの遷移条件を見直すことで安定性を確保した。設計が完了した電源回路は効率が全条件において80 ％以上であることを確認している。

2020财年，我们完成了适合使用发电能力为数mW至数十mW的发电元件进行能量收集的电源电路的集成设计。我们完成了去年以来一直在进行的布局设计，并进行了考虑寄生元件影响的模拟（布局后模拟）。版图后仿真的结果反映在电路设计和版图设计中，从而使电路设计更加稳定。电源电路的基本配置是研究人员发明的开关电源（专利号6846762）。由于该开关电源仅具有一个电流通过主要部分的开关，因此开关导通时由于电阻（导通电阻）造成的功率损耗被最小化，并且具有优异的功率效率的特点。此外，由于它具有三种工作模式（降压、升压、升降压），因此可以根据输入/输出电压选择适当的工作模式来提高效率。电源电路需要为控制电路提供辅助电源，辅助电源具有以下特点。 1.输入电压源可以动态选择。将电源电路的主电路部分的输入电压和输出电压中较大的一个作为辅助电源的输入电压。这种控制减少了构成辅助电源的电荷泵级的数量。 2.组成辅助电源的电荷泵级的数量可以动态改变。通过最小化所需级数来提高辅助电源的效率。布局设计后的布局后仿真表明，电源电路有时会陷入非预期的工作模式，并在切换工作模式时出现振荡。这是因为降压-升压模式中的相位裕度较小，并且在模式转换时控制信号的占空比与之前的模式保持一致。因此，通过检查每种操作模式的转换条件来确保稳定性。已完成设计的电源电路已被证实在所有条件下都具有80%或更高的效率。