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。

mESCO 电路将 LC 谐振器连接到科尔皮兹振荡器 (ESCO) 以增加振荡幅度和升压能力，该电路显示 1) 振荡频率、2) 共栅增益以及 3) 共栅增益和建模的振荡幅度。采用电路模拟器SPICE验证模型精度，在较宽的电路参数范围内模型精度在10%以内。我们现在有了关于如何设置电路参数以增加振荡幅度的指南。我们还使用 65nm CMOS 设计并制作了电路原型。在当前的测量环境下无法确认振荡。可以考虑测量时添加的电源和地的寄生电感和电容的影响。此外，我们还研究了在低电压下运行集成LC振荡电路并连接多级开关电容器（SC）以升压的电路的优化。片上电感的寄生电阻比贴片电感高一个数量级，因此如果过度增加SC的并联数量来提高升压电路的输出功率，振荡信号的电压幅度就会下降，从而导致输出功率的降低实际上会降低。进行电路建模以确定并联连接的最佳数量。与 SPICE 相比获得了良好的一致性。此外，我们还研究了一种电路，其中控制电路依靠电池电源运行，并将能量收集元件的功率输出转换为电池充电。当回收的功率大于控制电路的功耗时，该电路就成为电池充电器。我们获得了一个分析公式，用于确定当能量收集元件的输出电压和电池电压给定时，哪种电路可以最大化净恢复功率。根据该解析公式，我们使用SPICE验证了在输入电压10mV、电池电压1.5V的条件下可以恢复10微瓦量级的功率。