[논문]다중 에너지 수확을 이용한 자가발전 센서노드 회로

서요한; 이명한; 정성현; 양민재; 윤은정; 유종근

다중 에너지 수확을 이용한 자가발전 센서노드 회로
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서요한 (인천대학교) , 이명한 (인천대학교) , 정성현 (인천대학교) , 양민재 (인천대학교) , 윤은정 (인천대학교) , 유종근 (인천대학교)

본 논문에서는 빛 에너지와 진동에너지 하베스팅을 이용한 자가발전 센서노드 회로를 제안한다. 솔라셀과 진동소자(PZT)에서 변환된 에너지는 저장 커패시터에 저장된다. 저장된 에너지는 PMU(Power Management Unit)를 통해 관리되고, 일정한 전압을 공급하기 위해 LDO(Low Drop Out Regulator)를 사용한다. LDO를 통해 공급된 안정된 전압으로 온도센서와 SAR ADC(Successive Approximate Register Analog-to-Digital Converter)를 구동시켜서 10bit 디지털 신호에 해당하는 온도정보를 출력한다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정으로 설계되었으며, 설계된 회로의 칩 면적은 패드를 포함하여 $1.1mm{\times}0.95mm$ 이다.

This paper presents a self-powered sensor node circuit using photovoltaic and vibration energy harvesting. The harvested energy from a solar cell and a vibration device(PZT) is stored in a storage capacitor. The stored energy is managed by a PMU(Power Management Unit). In order to supply a stable voltage to the sensor node, an LDO(Low Drop Out Regulator) is used. The LDO drives a temperature sensor and a SAR ADC(Successive Approximate Register Analog-to-Digital Converter), and 10-bit digital output data corresponding to current temperature is obtained. The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process, and the designed chip size including PADs is $1.1mm{\times}0.95mm$.

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문제 정의

본 논문에서는 다중 에너지 하베스팅을 이용하여 온도를 측정하는 회로를 설계하였다. Solar cell과 PZT 소자를 사용하여 빛에너지와 진동에너지를 동시에 수확하기 때문에 환경 변화에 덜 민감하다는 장점을 갖는다.
본 논문에서는 정확도를 고려하여 10bit의 해상도를 갖는 SAR ADC를 설계하였다. SAR ADC는 그림 8과 같이 capacitor array, comparator, SAR logic, Memory로 구성되어 있다.

제안 방법

BGR은 SAR ADC 동작에 필요한 3개의 기준 전압들을 출력한다. -50℃~100℃ 범위에서 동작하고 Vref+(1.2V), Vcm(900mV), Vref-(600mV)를 출력하도록 설계하였다. 그림 6는 BGR의 회로도이다.
절대온도가 증가함에 따라 비례하여 증가하는 PTAT 전압은 온도에 대한 정보를 가지고 있다. -50℃~100℃의 온도 구간에 따른 전압이 SAR ADC로 입력되고 BGR의 세 개의 출력전압과 비교를 통해 현재의 온도를 측정한다. 그림 7은 PTAT 전압발생 회로이다[2,3].
그림 3은 PZT의 AC 출력을 DC로 바꾸어주는 AC-DC Converter 회로이다. MOSFET 스위치와 Active 다이오드를 사용하여 출력전압 강하와 역전류가 발생하는 현상을 방지하였다. 설계된 AC-DC Converter의 최대 효율은 96%이다.
그림 7은 PTAT 전압발생 회로이다[2,3]. PTAT에서도 start-up 회로를 포함하며, 이득이 높은 증폭기를 사용하여 BJT 양단의 전압이 같아지도록 설계하였다.
S/H 기능과 DAC 기능을 하는 Capacitor array 블록은 mismatch 효과를 줄이기 위해 차동입력구조로 설계하였다. 동작 초기에는 두 입력을 받아 샘플링하고, SAR logic에서 나오는 디지털 신호에 따라 capacitor bottom에 연결되는 전압이 변하여 아날로그 값을 출력한다.
그림 6는 BGR의 회로도이다. 각 출력단에 Buffer를 추가로 연결하여 안정적으로 SAR ADC에 전압을 공급할 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 에너지 하베스팅 회로를 이용하여 온도센서를 작동하는 회로를 제안하고 0.35um CMOS 공정으로 설계하였다. 제안된 회로는 빛과 진동 에너지로부터 수확되는 에너지를 관리하고, 안정적인 전원을 센서노드에 공급한다.
Solar cell과 PZT 소자를 사용하여 빛에너지와 진동에너지를 동시에 수확하기 때문에 환경 변화에 덜 민감하다는 장점을 갖는다. 수확된 에너지를 PMU와 LDO를 통해 안전된 전압을 온도센서 회로에 공급하여 -50℃에서 100℃까지의 온도를 측정한다. 측정된 온도를 SAR ADC를 이용하여 10bit 디지털 신호로 출력한다.
35um CMOS 공정으로 설계하였다. 제안된 회로는 빛과 진동 에너지로부터 수확되는 에너지를 관리하고, 안정적인 전원을 센서노드에 공급한다. 센서노드에서는 온도에 일정한 reference 전압과 온도에 따라 변하는 PTAT 전압을 SAR ADC에 공급하고, SAR ADC는 이를 이용하여 10bit 디지털 신호를 출력한다.

대상 데이터

Solar cell 및 PZT는 각각 빛과 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하고 저장커패시터(Csto)에 저장하여 센서노드로 전원을 공급한다. 설계된 희로는 PMU, LDO, 온도센서, SAR ADC로 구성되어 있다.

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