振動でマイコンを動作させる電源回路

■問題

【 LTC3588/T220-A4BR-2513XB 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，圧電振動発電素子とエナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)を使用して，振動でマイコンを動作させる回路です．マイコンには無線送信機能が付いており，短時間だけ間欠動作します．V_OUT端子の電圧が3.3Vで，マイコンの動作時電流(I_L)は10mAとします．
　この回路で，20Vに充電されたC_STORAGEの電圧が4Vに低下するまでマイコンを動作させた場合，マイコンの動作時間は(a)～(d)のどれくらいになるでしょうか．ただし，降圧スイッチング電源の効率(η)は85%とし，その他の損失はないものとします．

図1　圧電振動発電素子で，間欠動作するマイコンを駆動するための電源回路
C_STORAGEの電圧が20Vから4Vになるまでの，マイコンの動作時間は？

(a) 25ms　(b) 50ms　(c) 100ms　(d) 200ms

■ヒント

　LTC3588は，圧電振動発電素子の数十μA程度の出力電流を，VIN端子に接続されたC_STORAGEに蓄えます．そして，VIN端子を電源とする降圧スイッチング電源により，所望の電圧に変換し，V_OUT端子に出力します．
　C_STORAGEの電圧が20Vから4Vに低下するまでに放出されたエネルギが，降圧スイッチング電源の効率を考慮した，マイコンの消費電力量と等しいことを利用すれば，マイコンの動作時間が計算できます．

■解答

(b) 50ms

　詳細は，解説で行いますが，C_STORAGEの初期電圧をV_Pとし，動作終了時の電圧をV_Lとすると，動作時間(T)は式1で計算できます．

・・・・・・・・・・・・(1)

　図1の定数を代入すると，動作時間は約50msとなります．

■解説

●微弱エネルギを活用するエナジ・ハーベスティング
　エナジ・ハーベスティング(nergy harvesting)は，エネルギを収穫するという意味です．これまであまり利用されてこなかった微弱エネルギを「収穫」することができれば，電源配線やバッテリを使用せずに，電子機器を駆動することが可能になります．
　微弱エネルギ源としては，機械エネルギ，熱エネルギ，電磁波エネルギなどがあります．その中でも，構造物の振動は，圧電振動発電素子を使用して，電気エネルギに変換することができます．
　図2は，圧電振動発電素子(旧：T220-A4-503X／新：T220-A4BR-2513XB)⁽¹⁾の，発電能力を表したグラフ⁽²⁾です．

図2　圧電振動発電素子の発電能力を表したグラフ
横軸が圧電素子から取り出す電流で，縦軸が圧電素子に発生する電圧．

　横軸が圧電振動発電素子から取り出す電流(ピエゾ電流)で，縦軸が圧電素子に発生する電圧(ピエゾ電圧)です．与えた振動の大きさごとに3つの曲線が描かれています．振動が大きくなると，取り出せる電流も大きくなりますが，最大でも数十μA程度と，非常に小さなものです．
　そのため，比較的大きな電力を必要とする電子機器を動作させるためには，この電流をコンデンサに長時間蓄積し，電子機器を短時間だけ動作させる，間欠動作とする必要があります．そして，ここで使用する電源回路は，超低消費電流で高効率なものである必要があります．なお，圧電素子が発生する電圧は振動周波数と同じ交流信号となるため，ダイオード・ブリッジ回路で整流して使用します．

●コンデンサによるエネルギの貯蔵と動作時間
　圧電振動発電素子から得られる電流は非常に小さいため，この電流でコンデンサを充電し，十分充電された後に，短時間だけ電子機器を動作させます．ここでは，充電されたコンデンサに蓄えられたエネルギと，電子機器の動作時間の関係を考えてみます．
　図3は，電子機器(マイコン)の動作時間を計算するため，図1のブロック図を簡易化したものです．充電されたC_STORAGEを主電源として，降圧スイッチング電源が動作します．そして，降圧スイッチング電源の出力でマイコンを駆動します．

図3　電子機器(マイコン)の動作時間を計算するためのブロック図
C_STORAGEを主電源として，降圧スイッチング電源が動作し，マイコンを駆動する．

　ここで，V_Pという電圧に充電されたC_STORAGEが，V_Lという電圧に低下するまでマイコンを動作させた時の動作時間(T)を計算してみます．V_Pという電圧に充電されたコンデンサに貯蔵されたエネルギ(E_P)は，式2で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　同様に，V_Lという電圧に充電されたコンデンサに貯蔵されたエネルギ(E_L)は式3になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　V_Pという電圧に充電されたコンデンサが，V_Lという電圧に低下するまでに放出するエネルギ(E)は，E_PからE_Lを引いたものなので，式4で計算することができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　この放出エネルギが，スイッチング電源の効率を考慮した，マイコンの消費電力量(消費電力と時間の積)と等しいことから，式5が得られます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　式5からTを求めると式6になります．

・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　図1の定数のC=10μF，V_P=20V，V_L=4V，η=0.85，V_OUT=3.3，I_L=10mAを式6に代入すると，約50msとなります．もし，動作時間をこれよりも長くしたい場合や，マイコンの消費電力が大きい場合は，コンデンサの容量を大きくして，充電時間を長くする必要があります．
　なお，C=10μFの場合，圧電素子から得られる平均出力直流電流(I_PA)を5μAとすると，20Vまで充電するのに必要な時間(T_C)は式7のように40秒となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

●電源ICの内部構成
　図4がエナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)の内部ブロック図です．圧電振動発電素子の出力は，ダイオード・ブリッジで全波整流され，VIN端子に接続されたコンデンサC_STORAGEを充電します．

図4　エナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)の内部ブロック図
圧電振動発電素子の出力は，ダイオード・ブリッジで全波整流され，C_STORAGEを充電する．

　VIN端子には20Vのツェナ・ダイオードが接続されており，VIN端子の電圧を20Vに制限します．また，VIN端子には降圧スイッチング電源が接続されており，V_OUT端子の電圧が設定電圧となるよう，IC内蔵MOSトランジスタのON/OFFを制御します．降圧スイッチング電源の出力電圧は，D₀，D₁端子を使用して，1.8V，2.5V，3.3V，3.6Vの4通りの設定をすることができます．

●電源ICの動作を確認する
　図5は，エナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)の動作をシミュレーションする回路図です．

図5　エナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)の動作をシミュレーションする回路
電流源(B₁)と並列抵抗のR₁が圧電振動発電素子を表している．

　電流源(B₁)と並列接続されたR₁が圧電振動発電素子の等価回路です．圧電素子の出力は，1秒間に0.4秒だけ，100Hzの正弦波信号がバースト状に出力されるように設定しています．また，I_loadがマイコンの動作電流を表しています．I_loadは，シミュレーション開始90秒後に，49msだけ流れるように設定しています．
　図6が図5のエナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)の動作のシミュレーション結果です．

図6　図5のシミュレーション結果
I_loadの電流が流れるとV(vin)は急激に低下するがV(out)は3.3Vを維持している．

　最上段が圧電振動発電素子の出力に相当するB₁の出力電流で，中段がマイコンの消費電流に相当する，I_loadの電流です．そして下段がC_STORAGEの電圧[V(vin)]と，降圧スイッチング電源の出力電圧(V(out))です．C_STORAGEはB₁の出力電流で充電され，V(vin)は徐々に上昇していきます．V(out)は10秒後に立ち上がり，24秒以降は3.3Vで一定になっています．90秒後にI_loadの電流が流れると，V(vin)は急激に低下しますが，V(out)は3.3Vを維持しています．
　図7は，図6の時間軸を拡大したものです．マイコンの消費電流に相当するI_loadは，10mAの電流が49ms間流れ，その結果，V(vin)は20Vから4.3Vまで低下しています．このシミュレーション結果から，20Vに充電されたC_STORAGEの電圧が，4Vに低下するまでマイコンを動作させたとすると，約50ms動作させることができることが分かります．

図7　時間軸を拡大したエナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)のシミュレーション結果
20VのC_STORAGEの電圧が4Vになるまでに，マイコンは約50ms動作できることが分かる．

　以上，エナジ・ハーベスト用電源IC(LTC3588)の動作について解説しました．LTC3588は，振動エネルギを利用するシステムだけでなく，電界エネルギ，光エネルギ，熱エネルギ等を利用するシステムにも応用可能です．詳細はLTC3588のデータシートを参照してください．

◆参考・引用*文献
(1)　PIEZO SYSTEMS,INC.(Mide Technology)：Piezo.comのページ
(1)　Mide Technology：T220-A4BR-2513XBデータシート
(2)　アナログデバイセズ：LTC3588データシート(P11)

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_017.zip

●データ・ファイル内容
LTC3588.asc：図5の回路
LTC3588.plt：図6のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル