고효율 DC-DC 부스트 컨버터 기반 RF 에너지 하베스터 회로 설계

Abstract

본 논문에서는 RF 에너지 하베스팅 기반 센서 시스템을 구현한다. RF 신호를 DC 신호로 바꾸어 주는 RF 에너지 하베스터와 낮은 DC 전압을 높여주는 고효율 DC-DC 부스트 컨버터, 센서에서 감지한 정보를 시간 도메인 신호로 전달하는 극소전력 UWB 송신기를 설계한다. RF 에너지 하베스터는 0.18 μm CMOS 공정을 이용하고, DC-DC 부스트 컨버터와 UWB 송신기는 65 nm CMOS 공정을 이용하여 설계한다. RF 에너지 하베스터는 다중 대역 신호를 이용하여 얻을 수 있는 RF 에너지를 늘린다. 또한, 적응형 동작을 하여 넓은 입력 전력 범위에서 높은 효율을 얻는다. – 13 dBm 의 입력 전력에서 최대 65.5%의 PCE 를 얻었으며, 약 19 dB 구간에서 20 % 이상의 PCE 를 유지한다. 또한, 정류기는 – 16 dBm 의 입력 전력에서 1 V 의 전압을 출력한다. 고효율 DC-DC 부스트 컨버터는 낮은 입력 전압에서 최대 효율을 얻기 위해 인덕터 기반의 컨버터를 사용한다. 또한, L, W, IP 에 대하여 최소 손실이 되도록 최적화하며, 입력 전압에 따라 효율을 높이기 위해 L 과 IP를 조절한다. 그 결과, 0.05 V 부터 0.4 V 의 입력 전압으로 안정된 1 V 를 출력하며, 0.1 V 입력 전압에서 96.5 %의 최대 효율을 보인다. 극소전력 UWB 송신기를 설계하기 위해 지연 스테이지는 400 MHz 이상의 대역폭을 얻기 위해 5 ns 의 일정한 지연을 유지하면서 동적 전류 소모를 최소화한다. 그리고 PVT 변화에도 일정한 지연을 유지해주기 위해 VC 를 조절하여 전류를 조절한다. 또한, 구동 증폭기의 정적 전류 소모를 제거하기 위해 스위칭 증폭기로 동작하도록 설계한다. 1 V 의 공급 전압에서 송신기의 출력 스윙은 0.774 VPP, −10 dB 대역폭은 415 MHz 이다. 송신기의 평균 전력 소모는 95 μW, 에너지 소모는 19 pJ/펄스 이다.