본 논문에서는 에너지 분배 기능을 이용하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 기능을 구현한 마이크로 빛에너지 하베스팅 시스템을 제안한다. 소형 PV(Photovoltaic) 셀에서 출력되는 에너지와 전압 레벨은 작기 때문에 직접 MPPT 제어회로를 구동하기 어렵다. 따라서 제안된 회로에서는 시동회로를 사용하여 Vcp를 MPPT 제어회로를 구동하기 위해 필요한 전압까지 승압시킨다. Vcp가 원하는 전압 값에 도달하면 전압감지기가 이를 감지하여 PV 셀로부터 시동회로에 공급되는 에너지는 차단하고, 전력변환기에 에너지를 공급한다. Vcp가 감소하여 MPPT 제어회로가 동작하기 어렵게 되면 전력변환기로의 에너지 전달을 차단하고 시동회로를 다시 구동한다. 이렇게 에너지 분배 기능을 이용하여 시동회로와 전력변환기를 번갈아 동작시키면서 에너지를 수확하여 PMU(Power Management Unit)를 통해 부하에 전달한다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정으로 설계 되었으며 모의실험을 통해 동작을 검증하였다. 설계된 회로의 칩 면적은 패드를 포함하여 $1430um{\times}1110um$이다.
본 논문에서는 에너지 분배 기능을 이용하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 기능을 구현한 마이크로 빛에너지 하베스팅 시스템을 제안한다. 소형 PV(Photovoltaic) 셀에서 출력되는 에너지와 전압 레벨은 작기 때문에 직접 MPPT 제어회로를 구동하기 어렵다. 따라서 제안된 회로에서는 시동회로를 사용하여 Vcp를 MPPT 제어회로를 구동하기 위해 필요한 전압까지 승압시킨다. Vcp가 원하는 전압 값에 도달하면 전압감지기가 이를 감지하여 PV 셀로부터 시동회로에 공급되는 에너지는 차단하고, 전력변환기에 에너지를 공급한다. Vcp가 감소하여 MPPT 제어회로가 동작하기 어렵게 되면 전력변환기로의 에너지 전달을 차단하고 시동회로를 다시 구동한다. 이렇게 에너지 분배 기능을 이용하여 시동회로와 전력변환기를 번갈아 동작시키면서 에너지를 수확하여 PMU(Power Management Unit)를 통해 부하에 전달한다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정으로 설계 되었으며 모의실험을 통해 동작을 검증하였다. 설계된 회로의 칩 면적은 패드를 포함하여 $1430um{\times}1110um$이다.
In this paper, a micro-scale photovoltaic(PV) energy harvesting system is proposed where an MPPT(Maximum Power Point Tracking) control is implemented using an energy distribution technique. Miniature PV cells output very low energy and low voltages, and thus, they cannot be used to directly power th...
In this paper, a micro-scale photovoltaic(PV) energy harvesting system is proposed where an MPPT(Maximum Power Point Tracking) control is implemented using an energy distribution technique. Miniature PV cells output very low energy and low voltages, and thus, they cannot be used to directly power the MPPT controller. In the proposed system, a start-up circuit boosts an internal Vcp, and the boosted Vcp is used to operate the internal MPPT control block. When the Vcp reaches a predefined value, a detector circuit makes the start-up block turn off and provide a power converter with the energy from the PV cell. When the Vcp decreases such that the MPPT controller can not be operated, the energy transferred to the power converter is blocked and the start-up circuit is reactivated. In this way, the MPPT function is achieved by alternately operating the start-up circuit and the power converter using the energy distribution technique, and the harvested energy is transferred to a load through a PMU(Power Management Unit). The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process and its functionality has been verified through extensive simulations. The designed chip area including pads is $1430um{\times}1110um$.
In this paper, a micro-scale photovoltaic(PV) energy harvesting system is proposed where an MPPT(Maximum Power Point Tracking) control is implemented using an energy distribution technique. Miniature PV cells output very low energy and low voltages, and thus, they cannot be used to directly power the MPPT controller. In the proposed system, a start-up circuit boosts an internal Vcp, and the boosted Vcp is used to operate the internal MPPT control block. When the Vcp reaches a predefined value, a detector circuit makes the start-up block turn off and provide a power converter with the energy from the PV cell. When the Vcp decreases such that the MPPT controller can not be operated, the energy transferred to the power converter is blocked and the start-up circuit is reactivated. In this way, the MPPT function is achieved by alternately operating the start-up circuit and the power converter using the energy distribution technique, and the harvested energy is transferred to a load through a PMU(Power Management Unit). The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process and its functionality has been verified through extensive simulations. The designed chip area including pads is $1430um{\times}1110um$.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 수정된 Pelliconi 차지펌프를 이용하여 전력 변환기를 설계하였다. 그림 6의 차지펌프를 3단으로 구성하였으며, 커패시터는 60pF, Native NMOS의 크기는 40u/1u로 설계하였다.
본 논문에서는 에너지 분배 기능을 이용하여 MPPT 제어기능을 갖는 마이크로 빛에너지 하베스팅 회로를 제안한다. MPPT 구현을 위하여 주(Main) 솔라셀과 외부(Pilot) 솔라셀을 사용하였으며, PMOS 스위치를 On/Off 제어하여 주 솔라셀의 출력이 항상 MPP에서 동작하도록 하였다.
본 논문에서는 에너지 분배 기능을 이용한 MPPT 제어기능을 갖는 마이크로 빛에너지 하베스팅 회로를 제안하였다. 기존 논문들에서 다루었던 빛에너지 소자와 전력 변환기 사이의 전력 스위치 On/Off 제어방식에 더하여, 에너지 분배 기능을 사용하여 전력누수 절약 면에서 더 효율적인 회로를 설계하였다.
제안 방법
본 논문에서는 에너지 분배 기능을 이용하여 MPPT 제어기능을 갖는 마이크로 빛에너지 하베스팅 회로를 제안한다. MPPT 구현을 위하여 주(Main) 솔라셀과 외부(Pilot) 솔라셀을 사용하였으며, PMOS 스위치를 On/Off 제어하여 주 솔라셀의 출력이 항상 MPP에서 동작하도록 하였다. 제안된 회로는 0.
본 논문에서는 에너지 분배 기능을 이용한 MPPT 제어기능을 갖는 마이크로 빛에너지 하베스팅 회로를 제안하였다. 기존 논문들에서 다루었던 빛에너지 소자와 전력 변환기 사이의 전력 스위치 On/Off 제어방식에 더하여, 에너지 분배 기능을 사용하여 전력누수 절약 면에서 더 효율적인 회로를 설계하였다. 또한 MPPT 기능수행에 있어 기존의 방식보다 더 적은 소자를 사용하는 방법을 제시하여 크기 면에서 효율적인 회로를 설계할 수 있었다.
기존의 MPPT는 두 개의 비교기와 래치를 사용한 반면, 본 논문에서는 비교기를 하나만 사용하였고 래치를 사용하지 않음으로써 회로의 크기를 감소시켰다. 이 때, 비교기의 히스테리시스를 MPP 범위에 맞도록 설정하여 하나의 비교기로 두 개의 비교기를 사용할 때와 같은 동작을 하도록 하였다.
바디전압 발생기(Body Voltage Generator), 링 발진기(Ring Oscillator), 버퍼(Buffer), 차지펌프(Charge Pump) 등으로 구성되어 있다. 링 발진기는 5단으로 구성하였으며 Voltage Detector로부터 On/Off 기능을 통제 가능하도록 설계하였다. 출력에는 버퍼를 연결하여 크기가 큰 차지펌프 단(Stage)의 커패시터들을 구동하도록 하였다.
기존의 MPPT는 두 개의 비교기와 래치를 사용한 반면, 본 논문에서는 비교기를 하나만 사용하였고 래치를 사용하지 않음으로써 회로의 크기를 감소시켰다. 이 때, 비교기의 히스테리시스를 MPP 범위에 맞도록 설정하여 하나의 비교기로 두 개의 비교기를 사용할 때와 같은 동작을 하도록 하였다.
그림 5의 바디전압 발생기는 낮은 입력전압으로 인해 링 발진기가 원하는 만큼의 동작을 하지 않는 것을 막기 위한 회로로써 PMOS 트랜지스터의 바디에 VDD보다 작은 전압을 인가하여 문턱전압을 낮추는 효과를 만든다. 이 회로 또한 On/Off기능을 갖도록 설계하였다.
그림 8은 그림 6과 그림 7의 차지펌프를 사용한 전력 변환기의 성능비교 결과이다. 입력전압에 따른 출력전압과 효율을 비교한 것으로 3단으로 구성하였다. 그 결과 그림 6의 차지펌프를 사용한 전력 변환기의 출력전압과 효율이 그림 7을 사용한 결과보다 뛰어남을 확인하였다.
링 발진기는 5단으로 구성하였으며 Voltage Detector로부터 On/Off 기능을 통제 가능하도록 설계하였다. 출력에는 버퍼를 연결하여 크기가 큰 차지펌프 단(Stage)의 커패시터들을 구동하도록 하였다. 시동회로는 MPPT와 Controller를 동작시키고, 전력변환기는 PMU를 동작시키므로, 구조는 같으나 역할이 다르다.
대상 데이터
그림 2는 MPPT의 블럭도이다. MPPT 회로는 파일럿 PV셀, 저항 Divider, 비교기, POR로 구성되었다. 파일럿 PV셀은 연결된 저항 Divider를 통해 MPP 전압에 해당하는 전압을 비교기에 공급한다.
MPPT 구현을 위하여 주(Main) 솔라셀과 외부(Pilot) 솔라셀을 사용하였으며, PMOS 스위치를 On/Off 제어하여 주 솔라셀의 출력이 항상 MPP에서 동작하도록 하였다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정으로 설계 및 제작되었다.
또한 MPPT 기능수행에 있어 기존의 방식보다 더 적은 소자를 사용하는 방법을 제시하여 크기 면에서 효율적인 회로를 설계할 수 있었다. 제안된 회로는 0.35um CMOS공정으로 설계되었으며, 설계한 칩 면적은 패드를 포함하여 1430um×1110um이다.
주 PV셀은 표 1의 특성을 갖는 CBC-PV-02N 소자를 사용하였다. 따라서 PV셀 출력전압의 MPP는 약 0.
성능/효과
입력전압에 따른 출력전압과 효율을 비교한 것으로 3단으로 구성하였다. 그 결과 그림 6의 차지펌프를 사용한 전력 변환기의 출력전압과 효율이 그림 7을 사용한 결과보다 뛰어남을 확인하였다.
기존 논문들에서 다루었던 빛에너지 소자와 전력 변환기 사이의 전력 스위치 On/Off 제어방식에 더하여, 에너지 분배 기능을 사용하여 전력누수 절약 면에서 더 효율적인 회로를 설계하였다. 또한 MPPT 기능수행에 있어 기존의 방식보다 더 적은 소자를 사용하는 방법을 제시하여 크기 면에서 효율적인 회로를 설계할 수 있었다. 제안된 회로는 0.
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