본 논문에서는 열전에너지 하베스팅에 의해 구동되는 센서 회로를 저전력으로 동작시킬 수 있는 방법을 제안하였다. 본 논문에서 사용되는 열전소자를 이용하면 에너지 하베스팅 회로에서 8uA의 전류를 얻을 수 있다. 그러나 구동하려고 하는 센서의 전류 소비는 이보다 훨씬 크기 때문에, 본 논문에서는 하드웨어 방법으로 power gating scheme을 이용한 저전력 구동과 소프트웨어적으로 active/sleep control scheme을 이용한 저전력 구동 방법을 센서 회로에 적용하여 센서 회로의 전류 소비를 감소시킬 수 있음을 보였다. 먼저 하드웨어 power gating scheme을 사용할 때에는 파워 게이트의 Toff/Ton의 비를 22보다 더 크게 하면, 센서 회로의 전류 소비가 8uA 이하로 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 소프트웨어 기반의 active/sleep control scheme에 의한 저전력 구동에서는 Tslp/Tact의 비를 3 이상으로 설정해주면 전류 소비를 8uA 이하로 줄일 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서의 결과는 열전에너지 하베스팅에 의해서 구동되는 다양한 센서 회로 설계 및 구현에 도움이 될 것으로 생각된다.
본 논문에서는 열전에너지 하베스팅에 의해 구동되는 센서 회로를 저전력으로 동작시킬 수 있는 방법을 제안하였다. 본 논문에서 사용되는 열전소자를 이용하면 에너지 하베스팅 회로에서 8uA의 전류를 얻을 수 있다. 그러나 구동하려고 하는 센서의 전류 소비는 이보다 훨씬 크기 때문에, 본 논문에서는 하드웨어 방법으로 power gating scheme을 이용한 저전력 구동과 소프트웨어적으로 active/sleep control scheme을 이용한 저전력 구동 방법을 센서 회로에 적용하여 센서 회로의 전류 소비를 감소시킬 수 있음을 보였다. 먼저 하드웨어 power gating scheme을 사용할 때에는 파워 게이트의 Toff/Ton의 비를 22보다 더 크게 하면, 센서 회로의 전류 소비가 8uA 이하로 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 소프트웨어 기반의 active/sleep control scheme에 의한 저전력 구동에서는 Tslp/Tact의 비를 3 이상으로 설정해주면 전류 소비를 8uA 이하로 줄일 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서의 결과는 열전에너지 하베스팅에 의해서 구동되는 다양한 센서 회로 설계 및 구현에 도움이 될 것으로 생각된다.
In this paper, we propose low-power operational methods for thermal-energy-harvesting sensor circuits. Here, the amount of harvested current has been measured as low as 8uA. However the DC power consumption of the sensor circuit is known to consume much larger than 8uA. Thus, We propose the hardware...
In this paper, we propose low-power operational methods for thermal-energy-harvesting sensor circuits. Here, the amount of harvested current has been measured as low as 8uA. However the DC power consumption of the sensor circuit is known to consume much larger than 8uA. Thus, We propose the hardware-based power gating and software-based active/sleep timing control schemes, respectively, for controlling the power consumption of sensor circuit. In the hardware-based power gating scheme, if the ratio of Toff/Ton is larger than 22, the sensor can consume less than 8uA. For the software-based active/sleep control scheme, if the ratio of Tslp/Tact is larger than 3, we can suppress the current consumption below 8uA. The hardware-based and software-based schemes proposed in this paper would be helpful in various applications of energy-harvesting sensor circuits, where the power consumption is limited by an amount of harvested energy.
In this paper, we propose low-power operational methods for thermal-energy-harvesting sensor circuits. Here, the amount of harvested current has been measured as low as 8uA. However the DC power consumption of the sensor circuit is known to consume much larger than 8uA. Thus, We propose the hardware-based power gating and software-based active/sleep timing control schemes, respectively, for controlling the power consumption of sensor circuit. In the hardware-based power gating scheme, if the ratio of Toff/Ton is larger than 22, the sensor can consume less than 8uA. For the software-based active/sleep control scheme, if the ratio of Tslp/Tact is larger than 3, we can suppress the current consumption below 8uA. The hardware-based and software-based schemes proposed in this paper would be helpful in various applications of energy-harvesting sensor circuits, where the power consumption is limited by an amount of harvested energy.
그러나 일반적으로 열전소자(Thermoelectric generator：TEG)의 에너지 밀도는 매우 낮으므로 열전에너지 하베스팅 기술에서는 시스템의 저전력 동작이 매우 중요하게 된다[3]. 본 연구에서는 열전에너지 하베스팅에 의해서 구동되는 웨어러블 센서 시스템의 저전력 기술에 대해서 연구를 하고 이의 응용을 보이고 실제로 동작함을 보이려고 한다.
제안 방법
따라서 본 연구에서 사용하는 웨어러블센서 시스템의 전력소비는 8uA 이하가 되어야 한다. 이를 위해서 본 연구에서는 하드웨어 방법으로 power gating을 이용한 저전력 구동과 소프트웨어적으로 active/sleep control할 수 있는 저전력 기법을 구현하고 테스트하여 웨어러블 센서 시스템의 전력 소비를 열전소자 하베스팅에서 공급 가능한 범위로 맞출 수 있다는 것을 보이고자 한다. 하드웨어 scheme에는 수동용 소자(LM35DT, 온도센서)를 사용하였으며, 소프트웨어 scheme에는 I2C통신이 가능한 소자(HDC1010,온습도센서)를 사용하였다[5-7]
성능/효과
소프트웨어에서 사용한 센서 회로의 DC 평균소비전류는 32uA이다. Tslp/Tact의 비를 3이상으로 해주면 8uA이하의 평균소비전류를 얻을 수 있다
본 논문에서는 센서 회로를 저전력으로 구동시킬 수 있는 방법으로 하드웨어 power gating과 소프트웨어 active/sleep control scheme을 제안하였다. 하드웨어에서 사용된 센서 회로의 DC 평균소비전력은 114.58uA였고, 센서의 Toff/Ton time비를 22이상이면 8uA이하의 평균소비전류를 얻을 수 있었다. 이는 timer의 파워오버헤드를 포함한 수치이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
power gating와 active/sleep control scheme를 이용하여 센서 회로를 저전력으로 구동시켰을 때 어떤 결과값을 얻을 수 있는가?
본 논문에서는 센서 회로를 저전력으로 구동시킬 수 있는 방법으로 하드웨어 power gating과 소프트웨어 active/sleep control scheme을 제안하였다. 하드웨어에서 사용된 센서 회로의 DC 평균소비전력은 114.58uA였고, 센서의 Toff/Ton time비를 22이상이면 8uA이하의 평균소비전류를 얻을 수 있었다. 이는 timer의 파워오버헤드를 포함한 수치이다.
에너지 하베스팅이 가능한 에너지 소스에는 무엇이 있는가?
IoT 응용에서는 배터리에 의한 에너지 공급이 용이하지 않는 경우가 많기 때문에, 에너지 하베스팅에 의해서 에너지를 공급하는 기술이 필요하다[1]. 에너지 하베스팅이 가능한 에너지 소스는 태양빛,진동, 체온 등이 있는데, 인체 부착형 웨어러블 응용을 위해서는 사람의 체온으로부터 에너지를 얻는 방법이 제일 적합한 방법으로 생각된다[2]. 그러나 일반적으로 열전소자(Thermoelectric generator：TEG)의 에너지 밀도는 매우 낮으므로 열전에너지 하베스팅 기술에서는 시스템의 저전력 동작이 매우 중요하게 된다[3].
열전소자는 어떻게 전류를 흐르게 만드는가?
열전소자는 그림 1-(a)와 같이 hot side와 cold side 간의 온도 차에 따라 열에너지가 전기 에너지로 전환되어 전류가 흐르는 소자이다. 열전소자의 전류-전압 특성이 그림 1-(b)에 나와 있다.
참고문헌 (10)
Pouya Kamalinejad, Chinmaya Mahapatra, Zhengguo Sheng, Shahriar Mirabbasi, Victor C.M. Leung, and Yong Liang Guan, "Wireless energy harvesting for the Internet of Things," IEEE Communications Magazine, vol.53, no.6, pp. 102-108, 2015. DOI:10.1109/MCOM.2015.7120024
Vladimir Leonov and Ruud J. M. Vullers, "Wearable electronics self-powered by using human body heat: The state of the art and the perspective," Journal of Renewable Sustainable Energy, vol.1, no.6, 2009. DOI:10.1063/1.3255465
Sravanthi Chalasani and James M. Conrad, "A survey of energy harvesting sources for embedded systems," IEEE SoutheastCon, pp. 442-447, 2008. DOI:10.1109/SECON.2008.4494336
Loreto Mateu, Cosmin Codrea, Nestor Lucas, Markus Pollak, and Peter Spies, "Human Body Energy Harvesting Thermogenerator for Sensing Applications," International Conference on Sensor Technologies and Application, pp. 366-372. 2007. DOI:10.1109/SENSORCOMM.2007.4394949
Hailin Jiang, Malgorzata Marek-Sadowska, and Sani R. Nassif, "Benefits and costs of power-gating technique," International Conference on Computer Design, pp. 559-566. 2005. DOI:10.1109/MIM.2009.4762946
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