| IP명 | 1-Cycle 최대전력점추적 기능을 가진 압전/진동 에너지하베스팅 시스템 | ||
|---|---|---|---|
| Category | Mixed | Application | Portable device |
| 실설계면적 | 5㎛ X 2.5㎛ | 공급 전압 | 3.3V |
| IP유형 | Hard IP | 동작속도 | 10MHz |
| 검증단계 | Simulation | 참여공정 | DB350-1404 |
| IP개요 | 1. 설계회로설명 (가) 진동/압전 소자용 에너지 하베스팅 시스템 최근 전 세계적인 화두가 되고 있는 저탄소, 녹색성장 기조와 다양한 종류의 모바일 기기와 Wireless sensor nodes 시장의 폭발적인 성장으로 말미암아 친환경 기술인 에너지 하베스팅 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 에너지 하베스팅은 빛, 열, 운동, RF에너지 등 사용되지 못하고 버려지는 여러 에너지원을 전기에너지로 재생산하여 활용 하는 기술로 보조전원으로서 무선기기의 사용시간을 획기적으로 늘림은 물론 주 전원으로 사용되어 무(無)전원 Wireless sensor nodes도 구현 가능하게 하는 기술이다. 에너지 하베스팅 기술의 핵심은 가격이 저렴하고 성능이 좋은 하베스터와 이를 높은 효율로 기기에 전달하는 것인데 운동, 압력에너지를 전기에너지로 전환하는 Piezo Harvester(압전소자)의 경우, 최근 5년간 ZnO(산화아연)과 BaTiO3(티탄산바륨) 등 우수한 압전 특성을 가진 소자들이 지속적으로 발견되면서 효율이10~30배 증가함은 물론 생산단가도 점점 줄어들고 있어 이를 효율적으로 활용할 에너지 하베스팅 기술의 필요성이 증대되고 있다. 진동/압전 에너지 하베스팅 기술을 효율적으로 활용하기 위해서는 필수적으로 갖춰야할 몇 가지 조건이 있다. 첫 번째로 컨트롤 회로들의 소모 전력이 매우 작아야 한다. 진동/압전 에너지 하베스팅 시스템의 경우 그림 1과 같이 압전소 자, AC-DC Converter, Buck-Boost Converter로 구성되어 있는데 손가락 크기 정도의 압전소자의 경우 생산 가능한 최대 전력이 수백 uW~ 수 mW 수준으로 작아 컨트롤 회로의 소모전력이 효율을 결정하는 가장 중요한 요소가 된다. 두 번째는 외부에서 인가되는 전압 없이 수확되는 전력만으로도 회로가 안정적으로 동작해야 한다. 에너지 하베스팅 기술은 무전원 소형기기에 활용되는 경우가 많기 때문에 외부전원 없이 Self-Bias방식으로도 회로가 동작해야 한다. 세 번째로 회로면적이 작아야 한다. 에너지 하베스팅이 활용되는 분야가 대부분 소형기기 이기 때문에 칩 면적이 작은 것은 물론 PCB면적도 작아야 하기 때문에 부가적인 외부소자 사용 역시 최소화해야 한다. (나) 진동/압전 소자용 AC-DC Converter 압전소자는 그림 2와 같이 전류 원과 Parasitic cap, 저항으로 모델링 되며, 2개의 노드로 AC 전력을 전달하기 때문에 이를 DC로 변환할 AC-DC Converter가 필요하다. 압전소자에 쓰이는 Converter는 그림3 과 같이 다양한 형태로 발전해 왔는데 소자에서 수확되는 전력이 작아 일반 다이오드의 Forward voltage drop이나(a) Diode-connected MOS의 ??? drop은(b) Converter의 변환효율을 크게 저하시키는 요소로 작용한다. 최근에는 이러한 전압강하가 없는 Active 다이오드를 사용한 AC-DC Converter가(e) 가장 많이 쓰이고 있다. Active 다이오드는 스위치로 사용되는 MOSFET과 양단의 전압을 비교하여 스위치를 제어하는 Comparator로 구성되어 있는데 앞의 두 가지 방식과 달리 Ron저항에 의한 작은 전압강하만이 존재 하므로 높은 변환효율을 가지게 된다. 하지만 Self-bias방식으로 동작하는 에너지 하베스팅 회로의 특성상 소자에서 수확되는 전력이 작거나 초기 Start-up 시 비교기가 제대로 동작하지 않는 문제점을 가지고 있다. 이를 개선하기 위해 diode-Connected MOSFET을 병렬로 연결시키는 방식이 사용되고 있지만 loss를 줄이기 위해서는 매우 큰 MOSFET (Width : Length = 3000:1 ~ 10000:1) 이 사용되어 차지하는 면적이 크다는 단점이 있다. 본 설계에서는 Diode-connected MOSFET을 병렬로 연결하는 방식을 사용하지 않으면서 면적은 더 작게 차지하고, 낮은 전력이 수확되거나 Start-up시 더 높은 효율을 가지는 AC-DC Converter를 세로 제안할 것이다. (다) Maximum Power Point Tracking(MPPT) 기술을 가지는 DC-DC 변환기 압전소자나 Solar cell 등의 여러 하베스터는 최대전력을 수확할 수 있는 최 적의 전압, 전류 값을 가지는데 이를 추적하여 찾아내는 MPPT기술은 에너지 하베스팅 시스템에 있어 필수적인 요소라 할 수 있다. 하지만 진동/압전 에너지 하베스팅 시스템의 경우 MPPT기술의 활용이 빛 에너지 하베스팅 시스템에 비하면 초기 단계에 머물러 있다. 또한 MPPT기술이 적용된 기존 진동/압전 에너지 하베스팅 시스템의 경우 사용 되는 전압이 수십 볼트에 On-chip이 아닌 Off-chip으로서 Transformer 등의 외부소자와 상용화된 컨트롤러를 사용하여 제어회로의 소비전력 역시 크기 때문에 저전력 시스템에 적합하지 않다. 본 설계는 에너지 하베스팅 기술이 주로 쓰이는 저전력, 소형기기에 적합한 에너지 하베스팅 시스템을 구현하는 것이 목적으로 제어 회로와 AC-DC Converter, Buck-Boost Converter의 On-chip으로 설계하여 소비전력과 면적을 최소화함으로서 효율을 극대화 시키게 된다. 진동/압전 에너지 하베스팅 시스템은 AC-DC Converter와 Buck-Boost Converter사이의 전압을 최대 전력 점에 맞춤으로서 이뤄지는데, Buck-Boost의 Ramp signal generator의 주파수 fsw로 Buck-Boost의 인풋 저항 Rin을 조절하여 AC-DC Converter의 출력 전압을 최대 전력이 되는 전압에 맞추게 된다. 관계식에 따르면 Buck-Boost의 인풋 저항은 .??에 비례한다. 따라서 그림 4 의 Ramp signal generator 의 ?...를 조절함으로서 ?..을 쉽게 조정할 수 있다. 본 설계에서는 에너지 하베스팅 기술이 주로 사용되는 저 전력, 소형기기에 적합하도록 전압이나 전류 둘 중 전압만을 감지하여 소비전력을 줄이고 회로구 현이 간단하여 작은 면적을 사용하는 알고리즘을 선택하여 설계 할 것이다. 표 1은 현재까지 개발된 모든 최대 전력점 추적 기술들을 요약한 것이다. (라) Idea 제시 및 설계 배경 에너지 하베스팅 기술은 소모하는 전력은 크지 않지만 배터리 교체가 용이하 지 않거나 불가능한 전자제품 개발에 중요한 역할을 하는 기술이다. 따라서 에 너지 하베스팅 기술을 극대화시키기 위해서는 기존 회로들처럼 수많은 외부소자와 MCU와 같은 전자부품들을 PCB위에 조합하는 방식이 아닌, 일부 소자를 제외한 AC-DC Converter와 Buck-Boost converter, 제어회로들을 모두 On-chip 시켜 소비전력과 사용 면적을 획기적으로 줄이는 것이 필요하다. 위 목표를 달성하기 위해서 AC-DC 컨버터에는 큰 면적의 Diode-connected MOSFET 대신 더 작은 면적의 회로가 제안될 것이고 MPP를 추적하는 회로, 저전력 구현과 DCM 모드의 Buck-Boost를 설계하기 위한 inverse current limiter와 max, min duty limiter 등이 새로 제안될 것이다. |
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- 레이아웃 사진 -
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