[논문]온칩 태양 에너지 하베스팅을 위한 에너지 관리 시스템 설계

전지호; 이덕환; 박준호; 박종태; 유종근

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본 논문에서는 $0.35{\mu}m$ CMOS 공정을 이용하여 태양 에너지 하베스팅을 위한 에너지 관리 시스템을 설계하였다. 태양 에너지 관리 시스템은 ISC(Integrated Solar Cell), voltage booster, MPPT(Maximum Power Point Tracker) control unit으로 구성된다. ISC의 개방전압은 약 0.5V이고, 단락 전류는 약 $15{\mu}A$이다. Voltage booster는 뒷단에 약 1.5V로 승압된 전압을 공급한다. MPPT control unit은 ISC가 MPP점에 도달 하였을 때, load로 전력이 전달될 수 있도록 pMOS 스위치를 동작시킨다. SEMU(Solar Energy Management Unit)의 크기는 패드를 포함하여 $360{\mu}m{\times}490{\mu}m$이다. ISC의 면적은 $500{\mu}m{\times}2000{\mu}m$이다. 제작된 칩을 측정한 결과 설계된 SEMU가 ISC에서 수확된 에너지에 대해 MPPT control 동작을 제대로 수행하는 것을 확인하였다. 측정된 MPP 전압범위는 약 370mV∼420mV이다.

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In this paper, an energy management circuit for solar energy harvesting system is designed in $0.35{\mu}m$ CMOS technology. The solar energy management system consists of an ISC(Integrated Solar Cell), a voltage booster, and an MPPT(Maximum Power Point Tracker) control unit. The ISC gener...

In this paper, an energy management circuit for solar energy harvesting system is designed in $0.35{\mu}m$ CMOS technology. The solar energy management system consists of an ISC(Integrated Solar Cell), a voltage booster, and an MPPT(Maximum Power Point Tracker) control unit. The ISC generates an open circuit voltage of 0.5V and a short circuit current of $15{\mu}A$. The voltage booster provides the following circuit with a supply voltage about 1.5V. The MPPT control unit turns on the pMOS switch to provide the load with power while the ISC operates at MPP. The SEMU(Solar Energy Management Unit) area is $360{\mu}m{\times}490{\mu}m$ including pads. The ISC area is $500{\mu}m{\times}2000{\mu}m$. Experimental results show that the designed SEMU performs proper MPPT control for solar energy harvested from the ISC. The measured MPP voltage range is about 370mV∼420mV.

주제어

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문제 정의

^[3] 마이크로프로세서나 DSP 방식은 전력소모가 많고 큰 면적을 차지하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 전력소모를 줄이기 위해 간단한 방식의 MPPT 컨트롤을 구현하였다. 본 논문은 Ⅱ장 회로설계 내용, Ⅲ장 모의실험 결과, Ⅳ장 IC 제작 및 측정 결과 Ⅴ장 결론 순으로 구성되어 있다.
본 논문에서는 초소형 센서노드를 대상으로 하기 때문에 가능한 에너지 변환 소자의 크기를 최소화 할 필요가 있다. 따라서 빛 에너지 변환소자는 CMOS 공정의 photodiode를 이용하여 integrated solar cell (이하 ISC) 형태로 구현함으로써 다른 회로(에너지 전력관리 회로, 센서 노드 회로)와 작게 집적화 하고자 한다. 기존에 에너지 변환 소자들로부터 효율적인 에너지 수확을 위한 MPPT(Maximum Power Pont Tracker) control은 주로 마이크로프로세서나 DSP(Digital Signal Processing) 방식 등이 주로 이용되어 왔다.
^[3] 그러나 이런 경우 전력소비가 매우 커서 본 마이크로 에너지 하베스팅을 이용한 센서노드 응용에는 적용하기 어렵다. 본 논문에서는 간단한 구조로 MPPT control unit을 설계하여 전력소비를 최소화 시켰다. 본 논문에서 설계한 MPPT control unit의 구성은 comparator, AND gate, 스위치 등으로 구성되어 있다.
본 논문에서는 최근 각광받고 있는 태양광을 이용하여 무선 네트워크 시스템의 센서 노드에 에너지를 공급할 수 있는 에너지 관리 시스템을 설계하였다. 기존 태양전지는 패널 형태들이 많았는데, 본 연구에서는 CMOS 0.

가설 설정

본 논문에서 설계된 solar cell의 면적이 500μm×2000μm(약 1mm2)이므로 생성 전류를 약 15μA로 가정하였다.

제안 방법

Charge pump의 chip 테스트는 출력단 커패시터(CL)의 용량을 3.3μF으로 고정시키고 부하저항(RL)을 변화시키면서 승압되는 전압과 rising time, falling time을 측정하였다.
ISC의 구조는 그림 2와 같이 finger 형태로 설계를 하였고, P-diffusion finger의 length는 20μm, 간격도 20μm로 설계하였다.
본 논문에서 설계한 MPPT control unit의 구성은 comparator, AND gate, 스위치 등으로 구성되어 있다. MPPT control unit은 ISC의 출력 전압이 그림 6과 같은 상용 solar cell(SCPD)^[4]의 MPP 범위(350mV와 420mV사이) 일 때 동작하도록 설계하였다.
그림 3은 설계된 ring oscillator의 회로도이다. Ring oscillator의 특성상 2번째 인버터 출력과 3번째 인버터의 출력이 non-overlapping 되지 않기 때문에 그림 3과 같이 3번째 단 뒤에 인버터들 추가하여 ring oscillator의 발진 출력을 개선하였다. 그리고 인버터 사이에 capacitor(1pF)를 연결하여 두 출력의 발진 주파수와 duty cycle을 조절하였다.
Comparator 출력단에 추가 된 비대칭 인버터는 비교기 출력을 solar cell의 동작점에 맞춰 신호를 내보내고 비교기 출력의 high 레벨을 charge pump의 출력 범위까지 스윙하도록 하는 역할도 한다. 그리고 comparator의 전력소모를 줄이기 위해 모든 MOS는 sub-threshold 영역에서 동작하도록 설계하였다.
Ring oscillator의 특성상 2번째 인버터 출력과 3번째 인버터의 출력이 non-overlapping 되지 않기 때문에 그림 3과 같이 3번째 단 뒤에 인버터들 추가하여 ring oscillator의 발진 출력을 개선하였다. 그리고 인버터 사이에 capacitor(1pF)를 연결하여 두 출력의 발진 주파수와 duty cycle을 조절하였다.
기존 태양전지는 패널 형태들이 많았는데, 본 연구에서는 CMOS 0.35μm 공정을 이용하여 회로와 함께 집적화를 하였다.
본 논문에서는 간단한 구조로 MPPT control unit을 설계하여 전력소비를 최소화 시켰다. 본 논문에서 설계한 MPPT control unit의 구성은 comparator, AND gate, 스위치 등으로 구성되어 있다. MPPT control unit은 ISC의 출력 전압이 그림 6과 같은 상용 solar cell(SCPD)^[4]의 MPP 범위(350mV와 420mV사이) 일 때 동작하도록 설계하였다.

대상 데이터

다이오드는 voltage booster의 출력을 ISC의 maximum power point까지 drop시켜 비교기의 기준 전압을 생성하는 역할을 하며, 전류 소모를 줄이기 위하여 MOSFET을 사용하였다. AND gate는 비교기의 출력 파형을 명확하게 구분하고, 그 출력은 pMOS 스위치의 on/off를 결정하게 된다.
그림 15는 상용 solar cell을 사용하여 측정한 결과이다. 사용한 상용 solar cell의 모델명은 Monocrystalline solar cell^[5]이고 최대 전압은 3.4V, 최대 전류는 12mA이다. 마지막으로 그림 16은 실제 집적화한 ISC를 이용한 측정 결과이다.
설계된 회로는 0.35μm CMOS 공정으로 제작되었다.
그림 1은 본 논문에서 제안하는 MPPT control unit 을 포함한 태양 에너지 하베스팅 시스템의 블록도이다. 회로의 구성은 태양 에너지 수확을 위한 ISC와 수확된 에너지 관리를 위한 voltage booster(charge pump type), MPPT control unit 등으로 구성되어 있다. ISC 에서 나오는 출력 전압은 최대 0.

성능/효과

모의실험에서 MPPT control unit이 동작하는 범위는 340mV에서 413mV이었다. Chip test 결과, MPPT 범위는 함수발생기로 입력 파형을 인가한 경우 375mV에서 420mV이었고, 상용 solar cell로 측정을 한 경우에는 365mV에서 410mV이었다. 마지막으로 ISC를 사용한 경우는 charge pump의 출력 전압이 578mV에서 687mV일 때 동작을 하였다.
만약 다른 회로들과 집적화가 되지 않는다면 직렬 연결하여 높은 전압을 얻을 수 있지만, 다른 회로들과 함께 같은 기판(substrate)에 집적되기 때문에 현실적으로 직렬연결이 불가능하다.^[1] ISC 출력 전압의 최대값인 0.5V로는 부하단 회로를 구동시키기엔 어려움이 있으므로 voltage booster를 통하여 ISC의 출력 전압을 증폭시킬 필요가 있다. MPPT control unit은 voltage booster의 출력전력이 최대가 되었을 때, 뒷단의 회로로 전력을 공급하는 역할을 한다.
기존에 에너지 변환 소자들로부터 효율적인 에너지 수확을 위한 MPPT(Maximum Power Pont Tracker) control은 주로 마이크로프로세서나 DSP(Digital Signal Processing) 방식 등이 주로 이용되어 왔다.^[3] 마이크로프로세서나 DSP 방식은 전력소모가 많고 큰 면적을 차지하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 전력소모를 줄이기 위해 간단한 방식의 MPPT 컨트롤을 구현하였다.
그림 8은 ring oscillator의 VDD를 변화시키며 그에 따른 발진 주파수의 변화를 모의실험으로 확인한 결과이다. 모의실험 결과 0.2V까지는 발진을 하지 않았고 0.3V에서 30Hz, 0.4V에서 300Hz, 0.5V에서 3.5kHz로 0.1V 증가할 때 마다 약 10배씩 발진 주파수가 증가하는 것을 확인하였다.
MPPT control unit은 voltage booster의 출력을 ISC의 MPP 범위 내에서 뒷단 회로에 전력을 공급하는 역할을 한다. 목표로한 ISC의 MPP 범위는 약 350mV에서 420mV이고, 시뮬레이션 결과 340mV와 413mV사이에서 MPPT control unit이 동작하는 것을 확인하였다. 설계한 시스템을 칩으로 제작하여 측정한 결과 테스트 파형을 solar cell 출력전압으로 가정하여 인가한 경우 스위치의 off 지점은 약 7.
따라서 본 논문에서는 전력소모를 줄이기 위해 간단한 방식의 MPPT 컨트롤을 구현하였다. 본 논문은 Ⅱ장 회로설계 내용, Ⅲ장 모의실험 결과, Ⅳ장 IC 제작 및 측정 결과 Ⅴ장 결론 순으로 구성되어 있다.
목표로한 ISC의 MPP 범위는 약 350mV에서 420mV이고, 시뮬레이션 결과 340mV와 413mV사이에서 MPPT control unit이 동작하는 것을 확인하였다. 설계한 시스템을 칩으로 제작하여 측정한 결과 테스트 파형을 solar cell 출력전압으로 가정하여 인가한 경우 스위치의 off 지점은 약 7.1%, on 지점은 약 1.7%의 오차를 보였고, 상용 solar cell로 측정을 한 경우 off 지점은 약 4.3%, on 지점은 약 0.7%의 오차를 보였다. 이 MPP 범위은 실제 solar cell의 MPP 범위가 변하여도 외부의 저항 소자로 chip 외부에서 조절이 가능하다.

후속연구

본 논문에서는 초소형 센서노드를 대상으로 하기 때문에 가능한 에너지 변환 소자의 크기를 최소화 할 필요가 있다. 따라서 빛 에너지 변환소자는 CMOS 공정의 photodiode를 이용하여 integrated solar cell (이하 ISC) 형태로 구현함으로써 다른 회로(에너지 전력관리 회로, 센서 노드 회로)와 작게 집적화 하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지에는 무엇이 있는가?	현재 연구되고 있는 태양전지는 크게 나누어 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 유기 및 염료 감응형 태양 전지 등이 있으며, 이들 중 실리콘 태양전지가 기존의 상용전력과 경쟁력을 갖기 위한 저가 고효율화의 요구에 가장 부압하고 있고 세계적으로 대체 에너지 연구의선도적 역할을 하고 있는 연구 그룹에서도 이 목표를 달성하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구를 기반으로 한 기존의 태양 에너지 하베스팅 시스템은 빛에너지를 주로 패널 형태인 solar cell을 통해 회로 외부로부터 전원을 공급하는 구조를 보이고 있다.
	신·재생 에너지에 대한 관심이 고조 되는 이유는 무엇인가?	최근 화석 에너지의 고갈이나 환경문제, 원자력 발전소 및 핵폐기물 처리장 건설에 대한 지역 주민 반대 등의 문제로 인하여 신·재생 에너지에 대한 관심이 고조 되고 있다. 특히 국제 유가가 여러 가지 요인으로 예측이 곤란할 뿐만 아니라 향후 화석연료 고갈에 대비한 에너지원의 다변화가 절실히 필요한 실정이다.
	회로와 함께 집적화한 태양전지의 장점은 무엇인가?	35μm 공정을 이용하여 회로와 함께 집적화를 하였다. 이로 인해 면적을 크게 감소시킬 수 있었고, 외부에 따로 태양전지를 장착하지 않아도 되는 이점을 가져 왔다. 배터리 없이 회로를 구동시킬 수 있기 때문에 산간·도서 지방이나 사람의 출입이 어려운 곳에서도 사용이 용이하도록 하였다.

참고문헌 (7)

Y. Arima and M. Ehara, "On-chip solar battery structure for CMOS LSI," IEICE Electronics Express, vol.3, no.13, pp. 287-291, 2006.

상세보기
M. Ferri, D. Pinna, E. Dallago, and P. Malcovati, "A 0.35 ${\mu}m$ CMOS Solar energy scavenger with power storage management system," IEEE RME, pp. 88-91, 2009.
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.
http://www.solarbotics.com/assets/datasheets/solarbotics_solarcell_datasheet.pdf.
http://www.solarbotics.com/assets/datasheets/scc2422-2009_tests.pdf
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
N. J. Guilar, T. J. Kleeburg, A. Chen, D. R. Yankelevich, and R. Amirtharajah, "Integrated Solar Energy Harvesting and Storage," IEEE Trans. on VLSI Systems, vol.17, no.5, pp. 627-637, 2009.

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