에너지 하베스팅을 위한 이중 모드 부스트 컨버터

Abstract

본 논문은 에너지 하베스팅을 위한 이중 모드 DC/DC 부스트 컨버터 설계에 관한 것이다. 에너지 하베스터에서 생성되는 전압은 수백 ㎷로 매우 작기 때문 에, 일반 회로를 구동하기 어렵다. 이처럼 저전압으로부터 회로를 동작시키기 위해 이전 연구에서는 650㎷이상의 외부 전압을 이용하거나, 2V 배터리를 통 해 전압을 증폭시키는 방법이 제안되었다. 또는, 움직임으로써 발생된 진동을 통해 기계적인 스위치를 동작시켜서 전압을 증폭시키는 방법이 제안되었다. 이 러한 방법들은 기계적인 스위치와 같은 추가적인 소자를 사용해야함으로 응용 분야가 제한적일 수밖에 없다. 따라서 본 논문에서는 추가적인 소자를 사용하 지 않고 에너지 하베스터에서 발생되는 작은 전압(수백㎷)으로부터 응용회로를 구동하는데 필요한 높은 전압(약 3V)을 발생시키기 위한 이중 모드 DC/DC 부 스트 컨버터를 설계하였다. 설계된 회로는 에너지 하베스터에서 출력된 작은 전압을 startup 회로를 통해 승압된 전압을 얻는다. 이 전압이 일정 전압 이상 이 되면, 전압 감지기에 의해 startup 회로에 공급되는 전압이 차단이 된다. 승 압된 전압은 부스트 컨트롤러에 의해 최종적으로 VOUT이 된다. 회로는 크게 저전압 전하 펌프를 위한 오실레이터, 저전압 전하 펌프, 펄스 발생기, 전압 감 지기, 부스트 컨트롤러로 구성되어있다. 설계된 회로는 매그나칩/SK 하이닉스 0.18㎛ CMOS공정을 통하여 칩이 제작되었고 전체 칩의 크기는 2㎜×1㎜이며, 테스트 결과 최소 입력 전압 600㎷로 부터 3V의 출력 전압을 얻었으며, startup 시간은 20㎳이고, 최대 14㎃의 부하전류를 구동할 수 있으며, 최대 효 율은 load current가 3mA일 때, 47%이다.