グリーンＭＥＭＳセンサ端末・ネットワークシステムを実現する共通基盤技術

環境エネルギーを高効率に利用するセンサ端末用アナログ回路技術の開発㈱日立製作所
藤森 司

ＮＭＥMＳ技術研究機構

発表内容
１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．端末エネルギーマネジメント回路の開発
４．センサ信号処理回路の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

１-１．開発の範囲と目的■ 微小かつ不安定な環境ｴﾈﾙｷﾞｰを発電・ﾏﾈｼﾞﾒﾝﾄして有効利用■ 必要十分な精度の環境情報を、低電力で取得しデジタル情報化
ｴﾈﾙｷﾞｰﾏﾈｼﾞﾒﾝﾄ回路
環境ｴﾈﾙｷﾞｰ（光，熱…）

環境情報（熱，磁気…）

発電素子

センサ

発電制御

昇降圧・給電

蓄電素子

信号増幅

ｱﾅﾛｸﾞ
ﾃﾞｼﾞﾀﾙ変換

信号処理＋無線ｾﾝｻ信号処理回路
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１-２．環境発電を利用するための課題■ 屋外と比較して1/100以下の明るさの屋内照明光で発電■ 実用的な端末実現には、充電時間を1/100にすることが必要＜屋外＞
快晴時：100,000 lux
曇天時： 50,000 lux＜屋内＞生活空間：200 ～1,000 lux（消灯時： ～ 10 lux）

⇒発電量：～10 mW/cm2⇒発電量：～0.1 mW/cm2

充電時間※：～800 秒

充電時間※：～80000 秒※1Fのコンデンサを0Vから4Vまで、1cm2の太陽電池で充電した場合

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１-３．センサ測定の課題■ 低速/低分解能な測定であっても、環境発電での動作は難■ 測定精度を維持しつつ、従来比50％以上の低電力化
RF送信 (10 mW, 112 bit)10.5 μW

信号処理、キャリアセンス他
234 μW

待機51 μW
(10%)

信号処理他
26 μW

RFセンサ
243 μW 測定(50%) 189 μW
(39%)

温度センサ
134 μW
湿度センサ
29 μW

従来回路での消費電力実測例（1 sample/20 secの時）

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RF module: ‘Markhor’ (アーズ（株）製)
温湿度センサ: SHT-71 (Sensirion社製)

発表内容
１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．端末エネルギーマネジメント回路の開発
４．センサ信号処理回路の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

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２．開発テーマ概要・目標

回路要素
検証用LSI

従来比1/100の充電時間で端末を起動

H23年度：仕様設計と要素技術検証

H24-25年度①：
端末ｴﾈﾙｷﾞｰﾏﾈｼﾞﾒﾝﾄLSI

制
御回
路
A
M
P

デジタ
ル
補正
14 bit
ADC
BUF

従来比50%の電力かつ10bit以上の測定精度

H24-25年度②：
低電力ｾﾝｻ信号処理LSI

ｸﾞﾘｰﾝｾﾝｻ，自立電源素子と接続

H26年度：端末システム試作・検証

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発表内容
１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．端末エネルギーマネジメント回路の開発
４．センサ信号処理回路の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

３-1．端末エネルギーマネジメントの技術課題と開発方針■ 環境ｴﾈﾙｷﾞｰは微小なため，従来回路は起動困難■ 環境ｴﾈﾙｷﾞｰを安定利用するには，長時間の充電時間が必要
4電圧(V)

3
端末起動可能な電圧
2約1000 lux
約500 lux（起動できず）

100

100
時間 (min.)200

市販の環境発電用LSIを用いて100 mFの蓄電容量を充電した例
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３-２．開発した端末エネルギーマネジメントアルゴリズム■ 分散型電源を構築し，発電制御回路に最優先で電源供給■ ハードウェアレベルでアルゴリズムを実装、微小電力で動作

自立 十分に蓄電電源 されたらON
大容量蓄電素子

発電制御
センサ
RF

従来の蓄電・給電回路構成（集中管理型）

優先順位を付けて給電
ｴﾈﾙｷﾞｰﾏﾈｼﾞﾒﾝﾄ回路
自立電源

蓄電1発電制御
蓄電2センサ
蓄電3
RF

本開発の回路システム（分散型電源を構築）

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３-３．開発アルゴリズムを搭載した端末用LSI■ グリーンセンサ端末用エネルギーマネジメントLSIを開発■ 0.13 μmのCMOS回路で構成し、1μW程度の自己消費電力

端末用LSI(7mm□)

チップ写真（1.2×3.0mm）

項目
電源電圧監視可能蓄電素子数
監視電圧範囲
消費電力

評価用基板

端末エネルギーマネジメントLSI（自己消費電力 ～1μW）
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仕様
0～3.6 V
5個
1.8～3.6 V
1 μW

３-４．端末エネルギーマネジメント回路の効果■ 室内照明での1/100以下の短時間起動、安定動作を実現■ 環境エネルギーの発電・蓄電効率を従来比2倍以上に向上

2

蓄電素子1

端末起動電圧

蓄電素子2開発回路無し（約300分で起動）

100

蓄電量（J)

電圧（V)

3

3

開発回路有り（約2分で起動）

2

開発回路有り（発電制御回路により高効率な発電）

1
開発回路
無し

204060

80

0020

4060

時間(分)

時間(分)

照明光（15000 lux）における蓄電（470mF）の実測例
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80

発表内容
１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．端末エネルギーマネジメント回路の開発
４．センサ信号処理回路の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

ＮＭＥMＳ技術研究機構４-１．センサ信号処理を低電力化する技術課題■ 測定の低電力化と精度・速度の両立は困難■ 従来の低電力回路は，温湿度などの特定用途に限定＜従来方式＞

一般的にアナログ回路の性能と消費電力は…
測定精度∝ 消費電力
動作速度

低電力マイコン
センサ素子

低速（～10ksps）
低精度(～8bit）
ｱﾅﾛｸﾞﾃﾞｼﾞﾀﾙ変換

・低精度の用途向け
・センサ素子は長時間動作⇒端末システムの低電力化難ＮＭＥMＳ技術研究機構

４-２．低電力センサ信号処理回路の開発方針■ 低電力化で低下するアナログ回路精度をデジタル補正■ ハードウェアレベルで補正信号生成部と補正アルゴリズムを実装

低電力
ADC

（低精度な）
デジタル値

センサ素子 ・SAR方式
出力信号 ・10 bit精度

デジタル補正回路

高精度(約13 bits)
デジタル値

補正計算値
(事前に計算しておく)

低電力アナログ回路
10 bit相当の消費電力

デジタル回路（消費電力は無視できる規模）

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AD値 (×1000)

４-３．デジタル補正アルゴリズムの効果∆

16128∆

401080

差∆∆
補正後

1070
1060
1050

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162∆

４-４．開発した低電力センサ信号処理LSI■ 1 Msample/sec，測定精度 約13bit，平均消費電力0.5μＷ■ 従来回路と比較して，約42倍の測定性能を達成
制御回
路A
M
P

デジタル
補正
14 bit
ADC

回路部の消費電力の実測例：
平均 約0.5 μW (1 回/sec時)

BUF

チップ写真
（2.5 ×3.0mm）

低電力センサ信号処理LSI

従来回路（MCU内蔵）開発
AFE回路

センサ測定時
平均消費電力

4 μW

3 μW

測定精度8 bit

13 bit

規格化効率*

142.7*測定精度で消費エネルギーを規格化し、比較

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発表内容
１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．端末エネルギーマネジメント回路の開発
４．センサ信号処理回路の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

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５-１．開発した端末用LSIの端末システム検証■ 電流・磁界センサ，塵埃センサの各端末に搭載しシステム検証■ 実証環境での低電力化効果および安定動作を確認
センサ＋AFE 4 μW
MCU 9 μW
平均88 μW
ケーブル

無線 75 μW
開発回路を搭載した
電流・磁界センサ端末

端末の消費電流（20 secに1回の電流測定時）

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５-２．応用分野■ 各種センサ・Beacon等の無線端末を電池交換フリーに■ 低電力・高精度な信号処理回路で，センシングシステムの小型・高精度・低消費電力化を実現
表示装置

情報処理サーバー

情報ﾈｯﾄﾜｰｸ

機器・設備制御
インフラ制御自立電源によるバッテリー交換フリーのM2Mシステムを実現
ex. 都市部・遠隔地・各種プラントの設備の常時モニタを実現
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発表内容
１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．端末エネルギーマネジメント回路の開発
４．センサ信号処理回路の開発
５．ネットワーク・応用分野
６．まとめ

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６．まとめ■ 微小エネルギーの発電・蓄電を制御するエネルギーマネジメント
技術を開発し，端末起動に必要な時間を1/100以下に短縮■ デジタル補正アルゴリズムを応用した，低電力センサ信号処理技術を開発し，センサ用回路の消費電力を従来比90%削減■ 上記技術を適用した端末用LSIを開発し，端末システムに適用。
環境エネルギー利用効率を2倍以上に向上と，端末システムの消費電力の60%以上を削減し，安定的な自立電源動作を確認

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