[논문]고성능 AC-DC 변환기를 이용한 저전압 진동에너지 하베스팅 회로

공효상; 한장호; 최진욱; 윤은정; 유종근

고성능 AC-DC 변환기를 이용한 저전압 진동에너지 하베스팅 회로
A Low-voltage Vibrational Energy Harvesting Circuit using a High-performance AC-DC converter 원문보기

공효상 (인천대학교) , 한장호 (인천대학교) , 최진욱 (인천대학교) , 윤은정 (인천대학교) , 유종근 (인천대학교)

본 논문에서는 진동 에너지를 이용한 MPPT 제어기능을 갖는 에너지 하베스팅 회로를 설계하였다. Body-bias technique과 bulk-driven technique을 이용하여 저전압에서도 높은 효율특성을 갖는 고성능 AC-DC 변환기를 제안하고 진동에너지 하베스팅 회로 설계에 적용하였다. MPPT (Maximum Power Point Tracking) 제어는 진동소자의 개방회로전압과 MPP 전압간의 관계를 이용하였으며, 진동소자의 개방회로전압을 주기적으로 샘플링 함으로써 이를 이용해 MPPT 기준전압을 생성하고, 이를 기준으로 부하로의 에너지 공급을 제어한다. $0.35{\mu}m$ CMOS 공정으로 설계된 회로의 칩 면적은 $1.21mm{\times}0.98mm$이다.

This paper describes a vibrational energy harvesting circuit with MPPT control. A high-performance AC-DC converter of which the efficiency is improved by using body-bias technique and bulk-driven technique is proposed and applied for the vibrational energy harvesting circuit design. MPPT (Maximum Power Point Tracking) control function is implemented using the linear relationship between the open-circuit voltage of a vibrational device and its MPP voltage. The designed MPPT control circuit traces the maximum power point by periodically sampling the open circuit voltage of a vibrational device, makes the reference voltages using sampled voltage and delivers the maximum available power to load. The proposed circuit is designed with a $0.35{\mu}m$ CMOS process, and the chip area is $1.21mm{\times}0.98mm$.

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문제 정의

본 논문에서는 beta multiplier 구조의 간단한 저전압 기준전압 회로를 이용하여 NVC에 항상 고정된 body bias 전압을 공급하여 효율과 동작 전압 범위를 향상시킨 새로운 AC-DC 변환기를 제안하였다. 제안된 AC-DC 변환기의 최대 효율은 98.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 저전압 기준전압 회로를 이용하여 NVC에 항상 고정된 body bias 전압을 공급하여 효율을 향상시키고, 동작 전압범위도 향상시킨 새로운 AC-DC 변환기를 제안하였다. 또한, 제안된 AC-DC 변환기를 적용한 진동에너지 하베스팅 회로를 0.
그러나 이 경우에는 입력 전압이 변하면 V_BB전압이 변하게 되어, 입력 전압 범위가 제한될 뿐만 아니라 효율까지 떨어질 수 있게 된다. 본 논문에서는 이를 개선하기 위해 beta multiplier 회로를 이용하여 입력 전압이 바뀌어도 고정된 V_BB 전압을 인가할 수 있도록 하였다. 그림 4는 설계된 beta multiplier 회로이다.

가설 설정

8V) body diode에서의 누설전류를 인해 효율이 다시 감소하게 된다. 이 논문에서는 V_BB 전압을 400mV로 정하였다. 이는 칩 설계 과정과 실제 만들어진 칩과의 마진을 두기 위해서이다.

제안 방법

본 논문에서 제안된 NVC의 회로도를 그림 2에 보였다. PMOS의 body 단자에 전압을 인가하여 문턱전압을 낮춰 낮은 전압에서도 MOSFET이 동작하게 할 수 있는 기술인 body bias technique을 사용하여 낮은 전압에서도 전파정류 동작을 할 수 있도록 설계하였다.
Active diode는 PMOS 스위치인 MPS와 comparator로 구성되어 있다. 그리고 active diode의 안정된 동작 시작을 보장하기 위해 PMOS diode인 MPBD를 병렬로 사용하였다. 또한, 누설전류와 latch-up 현상을 방지하기 위해 bulk regulation(BR)을 사용하였다.
그리고 active diode의 안정된 동작 시작을 보장하기 위해 PMOS diode인 MPBD를 병렬로 사용하였다. 또한, 누설전류와 latch-up 현상을 방지하기 위해 bulk regulation(BR)을 사용하였다. 저전압에서도 동작 가능하도록 하기 위해 bulk-driven technique을 이용한 비교기의 구조를 그림 10에 나타내었다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 저전압 기준전압 회로를 이용하여 NVC에 항상 고정된 body bias 전압을 공급하여 효율을 향상시키고, 동작 전압범위도 향상시킨 새로운 AC-DC 변환기를 제안하였다. 또한, 제안된 AC-DC 변환기를 적용한 진동에너지 하베스팅 회로를 0.35um CMOS 공정으로 설계하였다.
설계된 AC-DC 변환기를 이용하여 MPPT 제어기능을 갖는 진동에너지 하베스팅 회로를 설계하였다. 설계된 회로의 블록다이어그램을 그림 12에 보였다.
9%이다. 설계된 AC-DC 변환기를 적용하여 MPPT 제어기능을 갖는 진동에너지 하베스팅 회로를 설계하고 동작을 검증하였다. 본 논문에서 제안된 AC-DC 변환기는 저전압 동작이 요구되는 다양한 진동에너지 하베스팅 시스템에 활용될 수 있다.
전압 전원 V_BB를 구현하기 위해 기존 논문 [2]에서는 MOS 트랜지스터를 직렬로 연결한 간단한 전압 분배기를 이용하였다. 그러나 이 경우에는 입력 전압이 변하면 V_BB전압이 변하게 되어, 입력 전압 범위가 제한될 뿐만 아니라 효율까지 떨어질 수 있게 된다.
제안된 NVC와 active diode를 연결하여 AC-DC 변환기 전체 회로의 효율 특성을 검증하 였다. C_OUT이 100nF 일 때 부하저항 R_L에 따른 효율 특성은 그림 11에 보였다.

성능/효과

7V 부근에서 전압이 출력된다. 또한 Enable 신호를 받아 출력단의 PMOS 스위치의 On/Off를 조절함으로써 부하에 전압이 전달되는 것을 확인할 수 있다.
이는 그림 6에서 보듯이 입력 전압이 커질수록 body에 인가되는 전압 V_BB가 커지고, 그 결과 body diode에서의 누설전류 I_leak 또한 급격히 증가하게 되어 전체적인 효율이 크게 감소되는 것을 확인할 수 있다. 반면 본 논문에서 제안된NVC의 경우 전압이 높아져도 body bias 전압이 거의 일정하다는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 beta multiplier 구조의 간단한 저전압 기준전압 회로를 이용하여 NVC에 항상 고정된 body bias 전압을 공급하여 효율과 동작 전압 범위를 향상시킨 새로운 AC-DC 변환기를 제안하였다. 제안된 AC-DC 변환기의 최대 효율은 98.9%이다. 설계된 AC-DC 변환기를 적용하여 MPPT 제어기능을 갖는 진동에너지 하베스팅 회로를 설계하고 동작을 검증하였다.
제안된 NVC의 경우는 beta multiplier가 body bias 전압을 일정하게 인가하는 것을 확인할 수 있고, 그에 따라 누설전류 또한 거의 일정하다는 것을 볼 수 있다.

후속연구

설계된 AC-DC 변환기를 적용하여 MPPT 제어기능을 갖는 진동에너지 하베스팅 회로를 설계하고 동작을 검증하였다. 본 논문에서 제안된 AC-DC 변환기는 저전압 동작이 요구되는 다양한 진동에너지 하베스팅 시스템에 활용될 수 있다.

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