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

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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。