오늘날 무선 센서노드, IoT 디바이스, 임플란트 디바이스 등과 같은 무선 디바이스들의 전력소모가 마이크로 수준으로 감소함에따라 에너지 하베스팅 기술에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다. 에너지 하베스팅이란 빛, 열, 진동과 같은 주변에서 미 활용되는 에너지를 수확하여 전기 에너지로 변환하여 사용하는 기술이다. 기존의 무선 디바이스는 전력 공급을 위해 배터리의 교체 또는 재충전 문제가 있었지만, 초저전력 무선 디바이스의 발전은 에너지 하베스팅을 통한 전력 공급이 현실화 되고 있다.
그러나 주변 환경과 상황에 따라 에너지 하베스팅으로 수확할 수 있는 전력 수준이 일정하기 않기 때문에, 마이크로 수준의 전력을 수확하여 부하에 공급하는 마이크로 에너지 하베스팅 시스템의 경우에는 부하에 전력을 공급하는데 치명적이다. 따라서 1mW 이하의 에너지를 효율적으로 수확하기 위해서는 전력 saving 아이디어 및 에너지원으로부터 최대 가용전력을 수확하는 Maximum Power Point Tracking 방법이 필요하며, 상황에 따라서는 저 전압에서 동작할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 마이크로 에너지 하베스팅에 대한 연구와 다양한 회로를 제안한다.
첫 번째 연구는 마이크로 진동 에너지 하베스팅을 위한 전파 정류기이다. 세가지 구조의 전파 정류기를 loss와 효율 측면에서 비교 분석하고, 이를 바탕으로 진동 감지기 (vibration detector)가 있는 고성능 전파 정류기를 제안한다. 기존의 능동 다이오드를 이용한 정류기의 경우 비교기가 정류기의 출력으로부터 전력을 공급받기 때문에, 진동 에너지가 없을 경우에 비교기의 전력 소모로 인해 저장 커패시터 (storage capacitor)에 저장된 전력이 방전되게 된다. 따라서 진동 감지기를 통해 진동 에너지를 감지하여 진동 에너지가 있을 때에는 능동 다이오드의 비교기를 활성화 (enable) 시키고 없을 시에는 비활성화 (disable) 시킨다. 제안된 회로는 0.35μm CMOS 공정으로 설계하고 제작하였다. 측정 결과, 97%의 전력 효율을 보이고 20배의 누설 전류 감소 특성을 얻었다.
두 번째 연구는 두 종류의 단일입력 에너지 하베스팅 인터페이스 회로를 제안한다. 첫 번째는 MPPT 제어기능을 갖는 에너지 하베스팅 회로이며, 빛, 열, 진동 에너지에 대해 설계하고 검증하였다. 에너지 변환소자의 개방회로 전압과 MPP에서의 전압간의 관계를 이용하여 최대 가용전력을 수확하도록 하는 MPPT를 간단한 회로들을 통해 구현하였다. 설계된 회로를 측정한 결과 93% 이상의 전력 효율과 90% 이상의 MPPT 정확도를 보였다. 두 번째는 열 에너지 하베스팅을 이용한 DC-DC 부스트 변환기를 제안한다. 측정 결과 200mV를 출력하는 열전소자의 출력을 이용하여 전체 회로를 start-up 하고, 11kΩ의 부하저항에서 200mV의 입력전압을 2V 이상 승압 하였다. 전체 효율은 46%를 보였다. 제안된 두 회로는 0.35μm CMOS 공정으로 설계 및 제작되었다.
세 번째 연구는 여러 에너지원을 동시에 수확 가능한 다중입력 에너지 하베스팅을 위한 인터페이스 회로이며, 두 가지 회로를 제시한다. 첫 번째는 자동 스위칭 (auto-switching) 기법이 적용된 에너지 하베스팅 회로이다. 열과 진동 에너지를 이용하며, 두 에너지원의 출력 수준을 비교하여 더 큰 에너지를 출력하는 에너지원을 선택하여 수확하는 자동 스위칭 기능을 적용하였다. 측정결과 실시간 에너지원의 출력감지를 통해 두 에너지원의 출력에 따른 자동 스위칭 기능을 확인하였다. 두 번째는 빛, 열, 진동 에너지를 이용한 MPPT 제어기능을 갖는 삼중입력 에너지 하베스팅 인터페이스 회로이다. 각 에너지원을 수확하기 위한 하베스팅 회로들은 독립적으로 구성되어있기 때문에 에너지의 출력 유무에 따라 단일, 이중, 삼중 에너지 하베스팅이 가능하다. 측정 결과 세 가지 에너지를 동시에 수확하는 것이 부하가 동작하기 시작하는 start-up 시간이 단축되고, 더 긴 시간 동안 안정적으로 전력 공급이 가능하였다. 제안된 두 회로는 0.35μm CMOS 공정으로 설계 및 제작되었다.
마지막 연구는 저전압 에너지 하베스팅 회로이다. 트랜지스터 문턱전압 (300mV)에 해당하는 전원 전압에서 회로들이 동작할 수 있도록 아날로그 회로에 저전압 회로설계 기법 및 효율적인 에너지 수확을 위한 MPPT 제어기능을 적용하였다. 제안된 회로를 65nm CMOS 공정으로 설계 및 제작 측정한 결과 93% 이상의 전력 효율과 99% 이상의 MPPT 정확도를 보였다.
본 논문을 통해 제안된 연구들은 초저전력 무선 센서노드가 목표 응용분야이다. 주변 환경에 따라 수확되는 에너지가 달라지는 에너지 하베스팅을 통한 전력공급을 본 연구를 통해 좀 더 효율적이며 안정적인 전력 공급이 가능해질 것을 기대한다.

With the enhancement of ultra-low power wireless devices such as wireless sensor nodes, IoT devices, and implant devices, energy harvesting is gaining more attention and is actively being studied. Energy harvesting is the process of continuously extracting a small amount of energy from the ambient environment (light, heat, vibration, wind, biological, etc.). This type of technology enables small electrical systems to operate without the necessity of changing or recharging conventional batteries. Improving micro-power devices could allow them to wirelessly obtain power by harvesting energy directly from the environment.
As energy harvested using this method is unstable due to constant changes in the environment and situation, supplying a load with stable and constant power is critical. To harvest energy more efficiently, the reduction of needed power and maximum power point tracking (MPPT) are required, and energy harvesting circuits needs to be able to operate at sufficiently low-voltages in order to adapt to a given environment and situation. In this dissertation, various energy harvesting circuits using photovoltaic, thermal, and vibration energy for micro energy harvesting are proposed.
In the first research, a full-wave rectifier (FWR) is used for micro-vibration energy harvesting. The performance of the three different types of FWRs has been compared and analyzed, and a high performance FWR with vibrational detection is proposed. Conventional output-powered active FWRs consume power from the harvested energy even when the system is not harvesting any energy. To overcome this problem, a technique using a simple vibration detector consisting of a peak detector and a level converter is proposed. The vibration detector identifies whether vibrational energy exists at the input terminal and disables the FWR if there is no vibrational energy. The proposed FWR with the vibration detector is designed using a 0.35-μm CMOS process. The measurement results show that the proposed FWRs input signals with amplitudes in the range of 1.4?3.3 V with a maximum power efficiency of 97% and voltage efficiency over 99%. The rectifier can operate with input signals in the frequency range of 5?10 kHz. Compared to a rectifier without the vibrational detection, the leakage current is decreased by approximately 20 times by using the proposed vibration detector.
In the second research, two types of single-input energy harvesting interface circuits, one using photovoltaic energy and the other using thermal vibration energy, are used. The first circuit is an energy harvesting circuit with MPPT control. The circuit operates in an active/sleep mode to overcome the power mismatch between the energy transducer and the load applications. Experimental results confirmed correct circuit operation and demonstrated the performance of the proposed MPPT scheme. The circuit achieved a peak power efficiency of more than 93%, and an MPPT accuracy of more than 90%. The second circuit is a DC-DC boost converter for thermoelectric energy harvesting. The designed converter boosts the output voltage through a start-up block from a low-output voltage of a thermoelectric device, and the boosted VDD is used to operate the internal control block. Experimental results show that the designed converter generates 2.9 V from an input voltage of 200 mV, and its maximum power efficiency is 46%. The proposed two circuits were implemented using a 0.35 μm CMOS.
In the third research, two types of multi-input energy harvesting interface circuits are used. The first circuit is an auto-switching energy harvesting circuit using vibration and thermoelectric energy. The proposed circuit monitors the outputs of a thermoelectric generator and a piezoelectric generator and chooses the energy source generating a higher output voltage using an auto-switching controller. Then the circuit harvests the maximum power from the selected device using an MPPT controller. The proposed circuit has been verified through experimentation. The second circuit is a triple-input energy harvesting circuit using photovoltaic, vibration, and thermoelectric energy with MPPT control. This circuit can individually harvest energy without a loss in output energy regardless of the type of energy source. Experimental results show the start-up time to operate the load is reduced, and triple-input energy harvesting can supply harvested energy for longer periods of time than single-input energy harvesters. The two proposed circuits were implemented using a 0.35 μm CMOS.
The last research uses a low-voltage and low-power energy harvesting circuit. A bulk-driven technique is applied in the circuit to operate at the low-voltage level of the MOSFET threshold voltage. In addition, the circuit harvests the maximum power from the selected device using the simple MPPT controller. The proposed circuit was implemented using a 60 nm CMOS process. Experimental results confirmed correct circuit operation and demonstrated the performance of the proposed MPPT scheme. The circuit achieved a peak power efficiency of 93% and an MPPT accuracy of more than 99%.
The proposed circuits are expected to be more efficient at energy harvesting and better at supplying stable power to the target application such as an ultra-low power sensor node in the changing environment.