[논문]진동 및 빛 에너지를 이용한 자가발전 시스템용 전력관리 회로

서완석; 김민규; 유소현; 윤은정; 박준호; 유종근

진동 및 빛 에너지를 이용한 자가발전 시스템용 전력관리 회로
Power Management Circuit for Self-Powered Systems Using Vibration and Solar Energy 원문보기

서완석 (인천대학교) , 김민규 (인천대학교) , 유소현 (인천대학교) , 윤은정 (인천대학교) , 박준호 (인천대학교) , 유종근 (인천대학교)

본 논문에서는 초저전력 어플리케이션을 위한 이중입력 자가 전력관리 시스템을 제안한다. 자가 발전 시스템의 전력 공급원으로는 PZT와 solar cell소자를 병합하여 사용한다. 제한된 전력관리 회로는 solar cell 출력 전압을 승압하기 위한 charge pump 회로, PZT의 출력을 DC로 변환하기 위한 rectifier, 수확된 에너지를 병합 및 관리하기 위한 전력관리회로로 구성된다. 설계된 회로는 CMOS 0.18um technology를 이용하여 성능을 검증하였다. 설계된 회로의 칩 면적은 $295um{\times}275um$ 이다.

In this paper a dual-input self-powered power management system is proposed for low-power applications. The system is powered by merging the energy from a PZT vibration element and a solar cell. The proposed system consists of a charge pump for increasing the output voltage of a solar cell, a rectifier for DC conversion of the PZT output and a power management circuit for merging and managing the harvested energy. The performance of the design circuit has been verified through extensive simulation using a 0.18um CMOS technology. The chip area is $295um{\times}275um$.

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문제 정의

본 논문에서는 빛 에너지와 진동 에너지를 수확하는 이중 입력 에너지 harvesting 기술을 사용하여 두 개의 에너지들을 동시에 병합, 관리 및 저장할 수 있는 시스템을 설계 하고자 하였다. 설계한 회로의 면적은 약 297um X 275um이고 0.

가설 설정

설계된 bandgap의 schematic은 그림 8과 같다.[3] 설계에 사용된 MOS는 모두 subthreshold 에서 동작 하여야 된다.

제안 방법

Solar cell과 PZT가 이 시스템의 에너지원이 되며, solar cell부분에서는 solar cell로부터 출력 되는 전압의 크기가 작기 때문에 전압을 승압 시켜줄 charge pump가 설계되었고, PZT 부분에서는 PZT는 AC 신호를 출력하기 때문에 DC신호로 변환 시켜줄 rectifier가 설계되었다. 이들 에너지 원으로부터 수확된 에너지는 super cap에 병합되어 저장된다[1].
하지만 본 논문에서는 두 가지의 에너지원을 이용하여 에너지를 수확하려는 이중 입력 에너지 harvesting 기술을사용하였으며 입력 에너지원으로써는 solar cell과 PZT를 이용하였다. 그리고 두 개의 에너지원으로 부터 수확되는 에너지들을 동시에 병합 및 관리할 수 있는 전력 관리 시스템을 설계하였다. [1]
3V의 전원 범위에서 동작하고, 비교기의 마지막 단인 CMOS inverter는 전류 소모를 줄이기 위해 PMOS와 NMOS의 length를 10㎛로 하였다. 또한, PZT를 통해 변환된 전력이 크지 않으므로 비교기에서 소모하는 전력을 줄여 높은 전력 변환 효율을 갖도록 설계하였으며 진동이 크게 들어올 경우를 고려하여 비교기의 모든 MOSFET은 3V 타입으로 설계하였다. 실험 결과 동작전압이 1.
본 논문에서 설계된 회로들은 magnachip 0.18um low power logic technology을 사용하여 설계 되었다. 시뮬레이션을 위한 super cap의 size로 45uF과 Load 저항 값으로 10K옴을 사용하였다.
본 논문은 저전력 어플리케이션을 위한 것이기 때문에 소비전력이 큰 BJT는 사용하지 않고 MOSFET들만을 이용하여 bandgap을 설계 하였다. 설계된 bandgap의 schematic은 그림 8과 같다.
설계한 비교기는 1.4∼3.3V의 전원 범위에서 동작하고, 비교기의 마지막 단인 CMOS inverter는 전류 소모를 줄이기 위해 PMOS와 NMOS의 length를 10㎛로 하였다.
지금까지의 기존 연구들은 단일 입력 에너지 harvesting 기술이 주를 이루었다. 하지만 본 논문에서는 두 가지의 에너지원을 이용하여 에너지를 수확하려는 이중 입력 에너지 harvesting 기술을사용하였으며 입력 에너지원으로써는 solar cell과 PZT를 이용하였다. 그리고 두 개의 에너지원으로 부터 수확되는 에너지들을 동시에 병합 및 관리할 수 있는 전력 관리 시스템을 설계하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 빛 에너지와 진동 에너지를 수확하는 이중 입력 에너지 harvesting 기술을 사용하여 두 개의 에너지들을 동시에 병합, 관리 및 저장할 수 있는 시스템을 설계 하고자 하였다. 설계한 회로의 면적은 약 297um X 275um이고 0.18um CMOS 공정을 이용하였다. Solar cell에서 생성된 전압은 약 0.

이론/모형

7V까지 승압된다. PZT의 AC 출력에 대한 문제는 full-wave rectifier에 active 다이오드 기법을 적용하여 해결 했으며 bandgap의 reference전압은 1.16V을 출력 하였고 temperature coefficient는 25~100℃에서 76ppm/℃인 특성을 나타냈다.

성능/효과

(1)의 경우는 solar cell에서만 에너지를 수확할 경우의 충전되는 전압이고 (2)는 PZT로부터 수확되는 에너지만을 사용하는 경우, (3)의 경우는 두 공급원 모두 전압 출력 시의 결과이다. (1),(2)의 결과를 보면 역전류가 발생하지 않고 대부분이 storage cap에 충전되는 것을 알 수 있다. (3)의 결과는 두 전압원이 합쳐지면 최종 출력 전압은 같으나 충전되는 속도가 빨라지는 것을 알 수 있다.
(1),(2)의 결과를 보면 역전류가 발생하지 않고 대부분이 storage cap에 충전되는 것을 알 수 있다. (3)의 결과는 두 전압원이 합쳐지면 최종 출력 전압은 같으나 충전되는 속도가 빨라지는 것을 알 수 있다.
그림 6은 charge pump 모의실험 결과이다. 모의실험 결과 약 2.7V 까지 solar cell의 출력전압이 상승하는 것을 확인하였다.
또한, PZT를 통해 변환된 전력이 크지 않으므로 비교기에서 소모하는 전력을 줄여 높은 전력 변환 효율을 갖도록 설계하였으며 진동이 크게 들어올 경우를 고려하여 비교기의 모든 MOSFET은 3V 타입으로 설계하였다. 실험 결과 동작전압이 1.4V에서 63㎁, 3.3V에서 7.9㎂의 전류 소모가 일어난다.

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