진동에너지 수확을 위한 MPPT 제어기능을 갖는 CMOS 인터페이스 회로 :A CMOS Interface Circuit with MPPT Control for Vibrational Energy Harvesting

양민재

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자료유형: 학위논문

저자정보: 양민재 (인천대학교, 인천대학교 대학원)

지도교수: 유종근

발행연도: 2015

저작권: 인천대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

MPPT 제어 기능을 갖는 진동에너지 수확을 위한 CMOS 인터페이스 회로

양민재 , 윤은정 , 유종근 전기전자학회논문지 2016.03 학술저널

2015

진동에너지 수확을 위한 MPPT 제어기능을 갖는 CMOS 인터페이스 회로

양민재 , 2015.01 학위논문

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자연에 존재하는 에너지를 수확하여 사용가능한 전기에너지로 변환해주는 기술인 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 무한대에 가까운 자연 에너지를 이용하기 때문에 화석에너지에 대한 의존성을 낮출 수 있으며 공해나 폐기물 등이 발생하지 않기 때문에 환경 보존에도 기여할 수 있다. 또한 직접 에너지를 수확하여 자가발전 하는 형태이기 때문에 배터리의 대안이 될 수 있다. 그러나 수확한 에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 회로가 필요하며 지형이나 기후 조건에 따라 수확할 수 있는 에너지의 양이 실시간으로 변하기 때문에 수확한 에너지를 효율적으로 수확 및 저장하기 위한 기술이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기법을 적용한 회로를 구현함으로써 최대 가용전력을 출력하는 조건에서 회로가 동작하도록 제어하여 에너지 변환 효율을 높이고자 하였다.
본 논문에서는 진동에너지를 이용한 두 가지의 에너지 하베스팅 인터페이스 회로를 설계하였다. 첫 번째는 진동에너지를 수확하여 AC-DC 변환기를 이용하여 정류한 후 이를 DC-DC 부스트 변환기를 이용하여 원하는 전압으로 승압시켜서 안정된 연속적인 직류 신호를 출력하는 회로이다. 두 번째는 진동에너지를 수확하여 정류한 후 정류된 신호를 MPPT 제어를 통해 진동 소자의 최대 전력을 DC-DC 부스트 변환기에 전달하여 승압시키고 전력관리회로를 통해 듀티(Duty)를 갖는 형태의 신호를 출력해 부하에 전달하는 회로이다. 제안된 진동에너지 하베스팅 인터페이스 회로는 CMOS 0.35㎛공정을 이용하여 설계하였다. 최대 전력 변환 효율(end-to-end)은 각각 84%, 83.4%이고 칩의 면적은 PAD를 제외하고 815㎛×620㎛, 915㎛×895㎛ 이다.
제안된 회로는 IoT, Wearable device, USN 그리고 Bio sensor 등의 다양한 분야에 적용가능하며, 특히 자가 발전하는 방식이기 때문에 배터리 교체가 어려운 지형 또는 환경의 센서 노드 구현에 가장 적합하다.

#에너지하베스팅 #진동에너지 #MPPT

그 림 목 차 ⅲ
표 목 차 ⅵ
국 문 요 약 ⅷ
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 에너지 하베스팅 개요 4
2.1 진동에너지 하베스팅 5
2.2 압전소자 7
Ⅲ. 진동에너지 수확을 위한 CMOS 인터페이스 회로 설계 11
3.1 전체 블록도 12
3.2 AC-DC 변환기 12
3.2.1 비교기(Comparator) 설계 14
3.2.2 AC-DC 변환기 설계 19
3.3 DC-DC 부스트 변환기 30
3.3.1 CMPVMPP(Enable comparator) 30
3.3.2 CMPFB(Feedback comparator) 34
3.3.3 오실레이터(Oscillator) 38
3.4 전체 회로 모의실험 41
3.5 IC 제작 - Layout 44
Ⅳ. 진동에너지 수확을 위한 MPPT 제어기능을 갖는 CMOS
인터페이스 회로 설계 48
4.1 전체 회로 블록 구성 49
4.2 압전소자 등가회로 49
4.3 AC-DC 변환기(another CMP) 50
4.3.1 비교기(Comparator) 설계 50
4.3.2 AC-DC 변환기 설계 54
4.4 MPPT 제어기(MPPT controller) 61
4.4.1 POR(Power on reset) 63
4.4.2 Bias generator 63
4.4.3 Pulse generator 67
4.4.4 샘플러(Sampler) 67
4.4.5 Enable generator 70
4.5 DC-DC 부스트 변환기 76
4.6 PMU(Power Management Unit) 78
4.7 전체회로 모의실험 결과 80
4.8 IC 제작 89
Ⅴ. 결 론 92
Ⅵ. 참 고 문 헌 94
ABSTRACT 98

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