エネルギーハーベスティング：無線スイッチの動作原理

ハーベストデバイスのコンセプトを図2に示します。スイッチを作動させると、永久磁石が動き、コイルに磁界変化が生じて電流が流れます。100Ωの負荷におけるスイッチング動作の電気エネルギー収量は約0.33mWsであり、ピーク電圧は6Vから15Vです。

図2

スイッチを作動させると、永久磁石が動き、コイルに磁界変化が生じて電流が流れます。

図3は、電源管理の異なる段階におけるハーベストデバイスの出力電圧の波形を示しています。スイッチング動作中、ハーベスターは交流電圧を出力しますが、制御電子機器や送電電子機器はこのままでは動作しません。ダイオードを用いることで、次の段階では脈動する正電圧が生成されます。キャパシタンスを持つセンサーが波形を平滑化し、電圧曲線 (c) を生成します。しかし、この電圧はまだ送受信チップの動作には使用できません。消費電力が非常に低いワイヤレス・センサ・ソリューションでは、電圧と電流の状態が変動するため、パワー・マネジメント・デバイスが必要です。このコンポーネントは、供給される調整されていない電圧と電流を、保存可能な調整済み電気エネルギーに変換します。また、この例のように、エネルギーを正しい電圧でシステム負荷に供給することも可能です。通常、電源管理チップには、負荷とエネルギー貯蔵デバイスの両方を保護する回路が含まれています。この例では、TPS62125がDCコンバーターとして使用されています。テキサス・インスツルメンツのダウンコンバーターは、RF部品の動作に必要な1.8Vなどを生成します。

図3

電源管理の異なる段階におけるハーベスターの出力電圧の波形。

この部品は、最大17Vの入力電圧範囲を持ち、約11μAの静止電流（IQ）で動作します。後者は、利用できない電力の割合を示すため、重要なパラメータです。

TPS62125の特別な機能は、コンポーネントのオンとオフを切り替えるコンパレーター・ユニットの形をした入力電圧監視装置です。このSVS（電源電圧スーパーバイザ）は、電圧変換の信頼性とクリーンな起動を確保するため、エネルギー・ハーベスティング・アプリケーションにおいて重要です。TPS62125では、コンパレーターのスイッチオン／スイッチオフ電圧を抵抗で調整することができます。したがって、光のスイッチを作動させた後に入力電圧が上昇すると、DC/DCコンバーターがオンになり、出力電圧が上昇し始めるしきい値に達します。コンバーターは、入力電圧がより低いスイッチオフしきい値に達していない限り、安定した出力電圧を提供します。

コンバーターが始動すると、常に一定の突入電流が流れます。この時点では全てのエネルギーが回収されていないため、入力電圧の低下につながる可能性があります。DCコンバーターの適切な始動に問題が生じることがありますが、これは供給経路に容量がロードされている場合に回避されます。

図4

コンパレーターを使用したDC/DCコンバーターの入力電圧監視。

図5は、TPS62125の典型的なアプリケーションを示しています。出力電圧は3.3Vに設定されており、コンパレーターは使用されていません。出力電圧は、電位分圧器R1とR2によって設定されています。表1（下）には、選択した電圧に対する抵抗値が示されています。

図5

TPS62125の典型的なアプリケーション（左）。出力電圧は3.3Vに設定され、コンパレータは設定されていない。コンパレータは3つの抵抗で設定されている（右）。 画像： テキサス・インスツルメンツ*

自分でやってみるのであれば、数式（公式）がります：

コンパレーター（図4）は、3つの抵抗によって設定されます（図5右）。コンバーターが起動する入力電圧レベル VIN起動V_{\text{IN起動}}VIN起動​ は、抵抗 REN1 と REN2​ によって設定され、以下の式で計算できます：

抵抗値 REN1 と REN2 は以下の数式で計算されます:

コンバータが動作を停止するスイッチオフ・レベルは、抵抗 REN1、REN2、REN hys で決められます：

ここで、REN hys​ は以下のように構成されます： ：

抵抗 REN1​、REN2​、REN hys​ に流れる電流は、1µAより大きくする必要があります。コンバーターが動作する温度範囲全体をカバーする必要があるアプリケーションでは、抵抗値をより小さい値にすることができます。