[논문]MPPT 제어 기능을 갖는 진동에너지 하베스팅 회로 설계

박준호; 윤은정; 박종태; 유종근

doi:10.6109/jkiice.2011.15.11.2457

[국내논문] MPPT 제어 기능을 갖는 진동에너지 하베스팅 회로 설계
Design of a Vibration Energy Harvesting Circuit With MPPT Control 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.15 no.11, 2011년, pp.2457 - 2464

박준호 (인천대학교 전자공학과) , 윤은정 (인천대학교 전자공학과) , 박종태 (인천대학교 전자공학과) , 유종근 (인천대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 압전 소자를 이용한 진동에너지 하베스팅 회로를 설계하였다. 압전소자의 전력-전압 특성을 이용하여 최대 전력을 부하로 전달하기 위한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 기능을 구현하였다. MPPT 제어 회로는 압전소자의 출력 단에 연결된 전파 정류회로의 개방회로 전압을 주기적으로 샘플링하여 최대 가용전력이 생성되는 지점을 추적하고 이를 부하로 전달하는 역할을 한다. 제안된 진동에너지 하베스팅 회로는 $0.18{\mu}m$ CMOS 공정으로 설계하였다. 모의실험 결과 설계된 회로의 최대 전력 효율은 91%이고, pad를 제외한 칩 면적은 $700{\mu}m{\times}730{\mu}m$이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a vibration energy harvesting circuit using a piezoelectric device is designed. MPPT(Maximum Power Point Tracking) control function is implemented using the electric power-voltage characteristic of a piezoelectric device to deliver the maximum power to load. The designed MPPT control circuit traces the maximum power point by periodically sampling the open circuit voltage of a full-wave rectifier circuit connected to the piezoelectric device output and delivers the maximum available power to load. The proposed vibration energy harvesting circuit is designed with $0.18{\mu}m$ CMOS process. Simulation results show that the maximum power efficiency of the designed circuit is 91%, and the chip area except pads is $700{\mu}m{\times}730{\mu}m$.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 초소형 센서노드 응용분야에 적용을 위해 압전소자를 이용한 MPPT 제어 기능을 갖는 진동에너지 하베스팅 회로를 제안하고 0.18um CMOS 공정으로 설계하였다. MPPT 제어기능은 압전 소자의 개방전압과 MPP(Maximum Power Point) 전압간의 연관성을 이용하여 간단히 구현하였다.

제안 방법

18um CMOS 공정으로 설계하였다. MPPT 제어기능은 압전 소자의 개방전압과 MPP(Maximum Power Point) 전압간의 연관성을 이용하여 간단히 구현하였다.
이 문제를 해결하기 위해 4개의 MOSFET 스위치만으로 정류기를 구성할 경우, 스위치에서의 전압 강하는 줄어들지만 전류의 역 흐름을 차단하지 못해 전력 변환 효율이 떨어진다[9]. 본 논문에서는 MOSFET 스위치에 비교기를 추가한 active 다이오드[9]를 사용하여, 다이오드만으로 또는 MOSFET 스위치만으로 구성했을 때 발생하던 문제점을 보완하였다.
또한 전파 지연으로 인해 어긋난 ‘SH’와 ‘MC’ 신호를 동기화시키기 위해 D플립플롭 2개를 사용하였다.
밴드갭회로(BGR)를 사용하여 기준전류를 생성하고, 이 전류를 저항 R1과 R2에 공급하여 VCV,max와 VCV,min을 생성하였으며 각각 VCV,opt 전압과 ±60mV 정도 차이가 나도록 설계하였다.
전파 정류기의 개방회로 전압을 샘플링하여 Enable Generator로 전달한다. 개방회로 전압을 연속적으로 전달하기 위해 2개의 Sample/Hold 경로를 사용하였다. ‘Hold’ 신호의 유지시간이 길어서 발생하는 누설전류로 인한 샘플링된 신호의 손실을 줄이기 위해서는 큰 커패시턴스 값을 사용해야만 한다.
‘Hold’ 신호의 유지시간이 길어서 발생하는 누설전류로 인한 샘플링된 신호의 손실을 줄이기 위해서는 큰 커패시턴스 값을 사용해야만 한다. 본 설계에서는 커패시턴스 값을 줄이기 위해 샘플링 단을 2단으로 구성하였다. 사용된 C_SHA와 C_SHB의 값은 15pF이다.
따라서 개방회로 전압의 1/2 전압을 샘플링하여 Sampler의 입력으로 사용하기는 어렵다. 본 설계에서는 Sampler의 원활한 동작을 위해 개방전압의 1/8(MPP 전압 V_CV,opt의 1/4) 전압을 Sampler의 입력으로 사용하였다.
본 논문에서는 압전소자를 이용한 진동에너지 하베스팅 시스템을 제안하고 0.18um CMOS 공정으로 설계하였다. 압전소자에서 출력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하기 위한 전파 정류기와 수확된 에너지를 관리하고 MPPT 제어를 위한 VEMC 회로를 설계하였다.
18um CMOS 공정으로 설계하였다. 압전소자에서 출력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하기 위한 전파 정류기와 수확된 에너지를 관리하고 MPPT 제어를 위한 VEMC 회로를 설계하였다. MPPT 제어는 압전소자의 출력 단에 연결된 전파 정류회로의 개방회로 전압을 주기적으로 샘플링하여 MPP를 추적할 수 있도록 설계하였다.
압전소자에서 출력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하기 위한 전파 정류기와 수확된 에너지를 관리하고 MPPT 제어를 위한 VEMC 회로를 설계하였다. MPPT 제어는 압전소자의 출력 단에 연결된 전파 정류회로의 개방회로 전압을 주기적으로 샘플링하여 MPP를 추적할 수 있도록 설계하였다. 설계된 회로는 모의실험한 결과 91% 최대 전력 효율 특성을 보이며, pad를 제외한 칩 면적은 700㎛×730㎛이다.

대상 데이터

설계된 진동에너지 하베스팅 시스템을 0.18um CMOS 공정변수를 사용하여 모의실험하였다. 그림 12의 (a)는 압전소자로부터 FWR에 입력되는 전압 V_P파형이다.

성능/효과

그러나 부하가 커질수록 전력 스위치가 ‘on’되는 구간, 즉 부하에 전력을 공급하는 시간이 줄어들게 되어 평균적으로 전력효율은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
MPPT 제어는 압전소자의 출력 단에 연결된 전파 정류회로의 개방회로 전압을 주기적으로 샘플링하여 MPP를 추적할 수 있도록 설계하였다. 설계된 회로는 모의실험한 결과 91% 최대 전력 효율 특성을 보이며, pad를 제외한 칩 면적은 700㎛×730㎛이다. 본 논문에서 설계된 진동에너지 하베스팅 시스템은 부하가 매우 큰 경우에도 MPP 근처의 일정한 전압을 부하에 공급할 수 있기 때문에 초소형 센서노드와 같은 다양한 자가발전 시스템에 활용될 수 있다.

후속연구

설계된 회로는 모의실험한 결과 91% 최대 전력 효율 특성을 보이며, pad를 제외한 칩 면적은 700㎛×730㎛이다. 본 논문에서 설계된 진동에너지 하베스팅 시스템은 부하가 매우 큰 경우에도 MPP 근처의 일정한 전압을 부하에 공급할 수 있기 때문에 초소형 센서노드와 같은 다양한 자가발전 시스템에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	진동에너지 하베스트 기술 중 하나인 압전효과 방식의 특징은 무엇인가?	진동에너지 하베스트 기술은 소재 및 변환 방식에 따라 압전, 정전, 전자기 방식으로 분류할 수 있다. 압전효과 방식은 진동에 의해 압력이 발생하면 전기가 유도되는 현상을 이용하는 것으로 에너지 변환 효율이 다른 방식에 비해 우수하고 소형화가 가능하기 때문에 초소형센서노드에 매우 유망한 것으로 알려져 있다.
	MPPT 알고리즘을 이용하는 기존 에너지 하베스팅 시스템의 단점은 무엇인가?	기존에 에너지 하베스팅 시스템에서는 최대 가용 전력을 에너지원으로부터 획득하기 위해 주로 복잡한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘(ex: hillclimbing algorithm)을 마이크로컨트롤러나 DSP를 사용하여 구현하고 있다[4∼6]. 그러나 이러한 방법은 많은비용과 전력이 요구되기 때문에, 본 설계의 응용분야인초소형 센서노드에는 적합하지 않다. 최근에 DSP를 사용하지 않고 비교적 간단한 회로 기술로 MPPT 컨트롤을 구현하려는 연구가 시도되고 있다[1],[7].
	에너지 하베스팅 기술이란 무엇인가?	에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은 USN(Ubiquitous Sensor Network)의 센서노드와 같은 저전력무선 전자장치의 반영구적 전원으로 사용될 수 있으며,기존의 배터리를 대체할 수 있는 기술로써 최근에 많은 관심을 받으며 연구가 진행되고 있다. 에너지 하베스팅은 주로 빛, 진동, 열 등 주변의 버려진 에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 기술로 친환경적이라는 점에서 더욱 주목을 받고 있다[1∼3].

참고문헌 (9)

D. Dondi, A. Bertacchini, L. Larcher, P. Pavan, D. Brunelli, and L. Benini, "A solar energy harvesting circuit for low power applications," IEEE ICSET, pp. 945-949, 2008.
J. Colomer-Farrarons, P. Miribel-Catala, A. Saiz-Vela, M. Puig-Vidal, and J. Samitier, "Power-Conditioning Circuitry for a Self-Powered System Based on Micro PZT Generators in a $0.13{\mu}m$ Low-Voltage Low-Power Technology," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 9, pp. 3249-3257, September 2008.

상세보기
I. Doms, P. Merken, C. Van Hoof, and R.P. Mertens, "Capacitive Power Management Circuit for Micropower Thermoelectric Generators With a 1.4 A Controller", IEEE JSSC, vol. 44 , no. 10, pp. 2824-2833, 2009.
C. Hua et al., "Implementation of a DSP-controlled photovoltaic system with peak power tracking," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 45, pp. 99-107, Feb. 1998.

상세보기
W. Wu et al., "DSP-Based multiple peak power tracking for expandable power system," in Proc. Applied Power Electronics Conf. and Exposition 2003, vol. 1, pp. 525-530, 2003.
C. Hua and C. Shen, "Control of DC/DC converters for solar energy system with maximum power tracking", 23rd IECON, vol.2, pp. 827-832, 1997.
H. Shao, C. Tsui, and W. Ki, "The Design of a Micro Power Management System for Applications Using Photovoltaic Cells With the Maximum Output Power Control", IEEE Trans. on VLSI Systems, vol.17, no.8, pp. 1138-1142, 2009.

상세보기
A. Tabesh, L.G Frechette, "A Low-Power Stand-Alone Adaptive Circuit for Harvesting Energy From a Piezoelectric Micropower Generator", Industrial Electronics, pp.840, March 2010.
이덕환, 전지호, 박종태, 유종근, "진동에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류회로 설계," 2010년도 SoC 학술대회, 대한전자공학회, pp.197-200, 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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