| 研究課題/領域番号 |
20K04597
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| 研究機関 | 山梨大学 |
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研究代表者 |
佐藤 隆英 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (10345390)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | スイッチング電源 / エナジーハーベスティング / 高効改善 / 小面積化 / チャージポンプ |
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| 研究実績の概要 |
令和２年度は，数mWから数十mW程度の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効率改善化の技術を提案した．電源回路の基本構成は研究代表者らが発明した（特許6846762号）トランスを用いたスイッチング電源とした．このスイッチング電源はスイッチング電源を構成する主要部分において電流が経由するスイッチの個数が１個であるため，スイッチ導通時の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．さらに動作モードを３種類（降圧・昇圧・昇降圧）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．さらなる高効率化のため３種の新たな回路技術を提案および検討した．第一に，補助電源回路の高効率化および小面積化に有効な制御方法を考案した．補助電源は電源回路の制御回路に電力を供給する役割を果たすが，本回路ではチャージポンプで実現している．補助電源の入力電圧を動的に切り替える制御を採用することでチャージポンプに必要な段数の削減を可能とした．チャージポンプは昇圧および降圧する電圧の大きさに応じて必要な段数が定まるが，段数の増加に伴い効率は低下する．提案制御により必要段数を低減することで効率が改善される．また集積化に必要なチップの面積も低減することができる．設計した電源回路の5%相当の面積の低減が可能となった．第二に，チャージポンプの使用段数の可変制御を提案し，さらなる効率の改善を実現している．先の入力電圧を動的に変更する制御と併せて電源回路の電力効率を最大６％改善できることを明らかにした．第三に，制御方法として安定性に優れるヒステリシス制御を本電源回路に適応する方法について検討をおこなっている．本検討については進行中であり，今後，電圧制御と比較しより効率に優れる制御方法を明らかにする．また，各回路ブロックのレイアウト設計も進行中である．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和２年度終了時において研究は概ね予定通り進行している．令和３年度には電源回路の集積化（試作）を予定しているが，電源回路を構成する主要な回路ブロックの設計が概ね終了している状態である．これは年度当初に立てた研究計画に沿ったものである．本研究課題では電源回路を集積化する際に用いるCMOSプロセスとして0.18μmCMOSプロセスを使用する予定である．集積回路の試作を請け負うサービスは国内外に数社存在するが，本研究では信頼性の高い設計プロセス，素子耐圧の大きい特殊な製造プロセスが必要となる．そのため試作費用は比較的高額となり研究予算に対して試作費用の割合は高い．このため本研究期間内に試作ができる回数は限られる．そこで本研究では試作に先立ち計算機シミュレーションを用いた設計および検証を入念に実施し，少ない回数の試作で成果を得るための工夫を行っている．また，一回の試作で作成する集積回路上に異なる目的の回路を混在させることで，複数の成果を一度の試作から得ることを計画している．これらの理由から令和２年度は，設計作業に多数の時間をあててきた．これは令和２年度当初に計画した予定に従うものであり，ここまで順調に進行している．
今後は，より効率に優れる制御方法（電圧制御およびヒステリシス制御）の検討を行う．この結果に応じて最終的に採用する制御方法を確定し，必要な回路ブロックの設計を完了する．レイアウト設計まで終わっている回路ブロックが大半であるが，レイアウト結果から寄生素子の抽出を行った検証およびそれらを組み合わせた電源回路全体の動作の確認はまだ行えていない．これらの検証を行った後に試作を行う予定ある．
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| 今後の研究の推進方策 |
令和３年度はこれまでに設計を行った電源回路の集積化を予定している．まず効率に優れる制御方法の検討を完了させ，電源回路に採用すべき制御方法を効率の観点から確定する．電圧制御に必要となるほぼ全ての回路ブロックのレイアウト設計が終わっているが，ヒステリシス制御に必要となるヒステリシスコンパレータなど一部の回路ブロックについてはまだレイアウト設計を終えていないため必要に応じて実施する．個々のレイアウト設計を完了した後にレイアウト結果から寄生素子の抽出を行い，寄生素子の影響を考慮したシミュレーションを実施し，設計に反映させる．
またDC-DCコンバータへのMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術の応用可能性について検討する．これまでに電気エネルギーを機械エネルギーに変換した上で電圧の昇圧および降圧を実現するDC-DCコンバータの報告は多数なされている．一方で，スイッチング電源のスイッチをMEMS技術用いて実現したスイッチング電源の報告は少ない．導通時の抵抗の小さいMEMSスイッチも開発されているため，このようなMEMSスイッチをスイッチング電源に応用する際の利点および欠点を明らかにする．電源回路に適するMEMSスイッチの試作の可能性および市販のMEMSスイッチを用いた電源回路の構築について検討する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和2年度は令和3年度に行う試作のための設計を実施した．設計は所属機関所有の設備で実施することができたため支出を削減することができた．令和３年度に予定している集積回路の試作費用は高額である．試作費用の削減のため他の研究者と合同での試作を予定しており，これまでに合同での試作をすることができる他の研究者を募っている．しかし，希望する試作時期など条件面が合わず合同で試作できる研究者は未だ見つかっていない．単独での試作となる場合，試作費用は令和３年度の予算を超える支出が必要となるため，研究の円滑な進行のため令和２年度は使用額を抑え次年度に繰り越すことに努めた．その結果次年度使用額が生じている．
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