極低電圧から昇圧可能な電力変換回路の動作原理解明とIoT端末への応用

阐述一种可从极低电压升压的电源转换电路的工作原理及其在物联网终端中的应用

基本信息

批准号：
22K04042
负责人：
丹沢徹
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

コルピッツ・オシレータ（ESCO）にLC共振器を接続して発振振幅を増加し昇圧能力を高めたmESCO回路の１）発振周波数、２）ゲート接地利得、３）ゲート接地利得と発振振幅の関係、をモデル化した。モデル精度の検証のため回路シミュレータSPICEを行い、広い回路パラメータ範囲で10%以内のモデル精度であった。発振振幅を増加するために回路パラメータをどのように設定すればいいか指針が判明した。また、65nm CMOSで回路を設計・試作した。現在の測定環境で発振を確認することはできなかった。測定上付加されてしまう電源・グランドの寄生インダクタンス・キャパシタンスの影響が考えられる。加えて、低電圧で集積化LC発振回路を動作させ、これに多段のSwitched capacitor（SC）を接続して昇圧を行う回路の最適化を検討した。オンチップ・インダクタはチップ・インダクタに比べて桁違いに寄生抵抗が高いため、昇圧回路の出力電力を増やそうとSCの並列数を過剰に増やすと発振信号の電圧振幅が減少し、結果として出力電力がむしろ減少する。最適な並列数を決定するための回路モデリングを行った。SPICEと比較して良い一致を得た。さらに、制御回路はバッテリ電源で動作させ、環境発電素子の出力する電力を変換してバッテリ充電を行う回路を調べた。この回路は、回収した電力が制御回路の消費電力より多い条件でバッテリ充電器となる。環境発電素子の出力電圧とバッテリ電圧が与えられた時に、どのような回路であれば正味の回収電力を最大にできるかの解析式を得た。この解析式から、入力電圧10mV・バッテリ電圧1.5Vの条件で10マイクロワット・オーダーの電力を回収できることをSPICEで検証した。

1）1）振荡频率之间的关系，2）栅极地面增益，3）栅极地面增益和MESCO电路的振荡振幅，该电路连接到COLPITTS振荡器（ESCO），以增加振荡振幅，1）振荡频率，2）闸门地面增长和3）栅极地面盖和3）闸门的模型。为了验证模型的精度，执行了电路模拟器香料，模型精度在宽电路参数范围内在10％以内。已经找到了有关如何设置电路参数以增加振荡幅度的指南。此外，该电路是使用65nm CMOS设计和原型的。无法在当前测量环境中确认振荡。添加到测量中的电源和地面的寄生电感和电容可能会受到影响。此外，我们研究了以低压操作集成的LC振荡器的电路的优化，并使用多级开关电容器（SC）连接到它以执行增强功能。由于芯片电感器的寄生电阻比芯片电感器高的数量级高，因此，如果平行SC的数量过多增加以增加增强电路的输出功率，则振动信号的电压幅度将减小，从而导致输出功率相当降低。进行电路建模以确定相似之处的最佳数量。与香料相比，我们的比赛很好。此外，控制电路是用电池电源操作的，并检查了从环境发电元件中转换功率输出以给电池充电的电路。在恢复功率大于控制电路的功耗的条件下，该电路成为电池充电器。我们获得了一个分析方程式，当给出环境发电元件的输出电压和电池电压时，可以最大化净回收功率。通过此分析公式，我们使用香料验证了在10 mv的条件下，可以在10 mV的条件下恢复10 microwatts的功率，电池电压为1.5V。