成果報告書詳細
管理番号20120000000733
タイトル平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究(事前研究一体型) 次世代グリーンオフィスネットワーク機器用多機能電源システムの研究開発
公開日2012/6/29
報告書年度2011 - 2011
委託先名国立大学法人東北大学 国立大学法人九州工業大学 国立大学法人長崎大学 株式会社リコー
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約近々に情報爆発時代への突入が予想されているIT社会を支える情報処理装置(MPU),およびMPUを多数個内蔵しているオフィス機器に対し,それらの省エネルギー化を目指して給電システムの再構築化を図ることを本研究の目標とする。特に,オフィス機器は種々のコンポーネントで構成され,それらを駆動するための電圧・電流の異なる多種類の電源として,POL(Point of Load:負荷直近に設置される電源モジュール)を用いている。また,オフィス機器は稼動時とスリープ時が頻繁に繰り返され,電力マネジメントが省エネルギー化のための重要な手段となるが,現状では,オフィス機器内の多数のMPUの周辺にはその10倍以上の個数のPOLが装着されているため,POL相互の制御に制約があり,省エネルギー動作に課題が残っている。そこで,本研究では,オフィス機器の有効な電力マネジメントを実行するためには,「ワンチップPOLの実現」と「多数個のワンチップPOLを相互接続したマトリックスPOL電源システムの提案およびその制御手法の開発」を研究課題の両輪と位置付けた新たな電源システムの研究開発が必要であると考え,4つの研究課題を5つの研究機関(共同実施先を含む)で分担して研究開発することとした。ここで,このワンチップPOLの目標仕様として,インダクタンス1μH、キャパシタンス1μFの受動素子を半導体デバイスと接続した数mm角のワンチップ化を目指し,スイッチング周波数10MHz,出力電流300mAのバックコンバータ構成とした。以下に各課題の研究成果の概要を述べる。まず,長崎大学の分担課題「マトリックスPOL電源システムの高効率化・多機能化制御技術開発およびその性能評価」に対し,多数のワンチップPOLを並列・多段に接続した「マトリックスPOL電源システム」を提案し,その制御性能の有意性をシミュレーションにより確認した。また,POLの並列・多段接続に加え,直列接続の可能性も検討し,フローティンググランドなどの課題を整理した。次いで,株式会社リコーの分担課題「ワンチップPOLの回路・実装技術」に対して,電源システムをLSI回路として検証するためのシミュレーション環境の構築,上記設計目標値がLSIとして実現可能であることの検証,LSIを実現する際の課題であるインダクタおよびキャパシタの等価直列抵抗(ESR)の影響の抽出とその上限値の確認,さらに,インダクタおよびキャパシタ以外の要素がLSI上で占める面積の算定を検討し,LSIの産業的価値の根拠を得た。次いで,東北大学の分担課題「ワンチップPOL用マイクロインダクタの構成技術の開発」に対し,厚膜マイクロインダクタおよび微細巻線整形型マイクロインダクタを並行開発することを提案し,電磁界シミュレーションにより,微細巻線の直並列構造を適切に定め,磁性体に東北大学で開発した複合微粒子膜を用いて製造プロセスとそのパラメータを適切に選べば,インダクタンス 1μH,ESR 100mΩ,外寸2.8mmφ(インダクタンス密度220nH/mm2 )を実現できる見通しを得た。最後に,九州工業大学の分担課題「ワンチップPOL用マイクキャパシタの設計およびプロセス技術」に対して,マイクロキャパシタのオンチップ化と低ESR化が可能な新たな構造を提案し,前述の目標仕様を達成できる見通しを得た。また,オンチップマイクロキャパシタが形成可能なトレンチ形成プロセスを開発するとともにトレンチへの低抵抗電極埋め込みの基本プロセスを開発した。
英文要約Title: Research and Development Program for Innovative Energy Efficiency Technology:
“Multi-Functional Power Distribution System for Future Green-Office Equipment” (FY2011)

In the near future, the amount of data to be processed by a lot of micro-processor units (MPU) will be much increased, and correspondingly the amount of electric energy to be used in these MPUs and office-network equipment composed of many MPUs will be also increased. Then the power distribution systems for these data processing systems should be highly efficient. The purpose of this research project is the energy-efficiency improvement of these power distribution systems. A new power supply system, “Matrix-POL Power Supply System” has been proposed, where a lot of one-chip POLs are connected in parallel and in cascade and then the operations of these POLs are harmonized for maximizing the energy efficiency. The basic concepts are “One-chip POL” and “Matrix connection of POLs.” The target of one-chip POL is a buck converter with a micro-inductor of 1μH, a micro-capacitor of 1μF and CMOS operating at 10MHz and output condition of 3V/300mA. The aim of matrix-POL power supply is the system where a hundred POLs are connected by 10x10 matrix topology through gate switches for connecting each POL correspondingly to the load conditions. Here four approaches have been programmed and carried out by five research institutes. First of all, Nagasaki University and ICSEAD have researched the system approach such as the efficiency improvement and the output-voltage/current controllability of the matrix-POL power supply system. By computer simulation, an efficiency advantage of the proposed system over the conventional one has been confirmed at some load conditions. Secondly, RICOH Company,Ltd has performed a feasibility study for integrating a major part of the system into an LSI. As a result, the feasibility of the system LSI which meets the design requirements mentioned above has been confirmed by simulation, and the influence of the equivalent series resistances (ESR) of inductor and capacitor on the system performance has been investigated. Thirdly, Tohoku University has researched “Development of micro-inductor for one-chip POL.” The simplified fabrication and measurement of both a finely-aligned magnet wire type micro-inductor and a thick-film micro-inductor have concluded that a micro-inductor with inductance of 1μH , ESR of 100mΩ, outer diameter of 2.8mmφ, and inductance density of 220nH/mm2 can be realized by employing a specific winding arrangements and our polymer-embedded mixed-particles. Finally, Kyushu Institute of Technology has researched “Design consideration and process technology for micro-capacitor used in one-chip POL.” This project has proposed a new on-chip micro-capacitor which can be fabricated with CMOS devices and magnetic devices on the same chip, and the trench fabrication process for on-chip micro-capacitor and the basic technique for burying the trench with low-resistivity metal electrode have been developed.




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