A Study on Energy Harvesting System with Wide Input Power Range

Abstract

Energy harvesting integrated circuit is a power converter that transfers the energy generated from ambient energy sources, such as a photovoltaic cell or a thermoelectric generator, to charge the battery of a mobile system, including Internet-of-Things (IoT) sensor nodes. As the power level of the microprocessors decrease, the energy harvester that operates in a nanowatt input and output power scale has been studied. However, the resulting low-power energy harvesters have limited its operation speed, that it cannot properly handle the generated power when the input power level rises. To enhance the input power range so that a single energy harvesting system can be applicable to battery-powered mobile systems with different input power condition, this paper presents a design methodology for designing a boost converter energy harvesting system, which operates in discontinuous conduction mode (DCM). The methodology suggests that the input voltage monitor should be properly designed, so that the performance and the power consumption of the monitor is adapted to the current input power condition. Specifically, the power consumption of the input voltage monitor should maintain the power consumption below the conduction loss and the static loss of the harvester, while maximizing its operating frequency. As an example of such input voltage monitor, the frequency-sweeping oscillator is proposed, which consists of a clocked comparator and an oscillator of which frequency is set to the maximum and exponentially dropped for each clock for each energy conversion. Using the frequency-sweeping input voltage monitor, a prototype energy harvesting IC is designed and fabricated in 250nm CMOS technology, which shows the maximum input power range of 10 nW to 60 mW with the peak efficiency of 97%, achieving the dynamic range of 6 × 106. The proposed design methodology is also applicable for the voltage regulators using DCM inductive converter topology with a wide the dynamic range.

에너지 하베스팅 집적회로는 광전 소자와 같은 에너지 수집 소자로부터 에너지를 수집하여 배터리를 충전하는 회로로, 사물인터넷 (IoT; Internet-of-Things) 센서와 같은 어플리케이션에 적합하며, 특히 입력 전력과 센서 노드가 소모하는 전력이 모두 작은 경우에 적합하게 이용될 수 있다. 하지만 작은 입력 전력을 활용할 수 있는 에너지 하베스팅 집적회로를 설하게 되면 전력이 크게 들어올 때 빠르게 반응하지 못하여, 최대 입력 번위가 줄어들게 되어 범용적으로 사용하기가 힘들어지는 문제가 발생한다. 본 논문은 이러한 배경에서, 특히 입력 범위를 최대화하는 에너지 하베스팅 집적회로의 설계 방법론을 제안한다. 제안하는 방법은 에너지 하베스터에서 입력 전압을 모니터링하는 회로에서 소모하는 전력량을 입력 전력에 비례하여 적절하게 변경하되, 에너지를 전달할 때 마다 소모되는 전력, 그리고 입력과 관계 없이 지속적으로 소모되는 전력보다 작은 값으로 디자인하는 방법으로, 이를 통해 에너지 하베스터에서 최대의 입력 전력 범위를 얻을 수 있게 됨을 보인다. 이러한 성질을 가지는 입력 전압 모니터의 하나로 주파수 변경 방식 입력 전력 모니터 회로를 제시하였으며, 이는 매 에너지 전달 마다 최대 주파수로 동작시키고 이후 지수함수적으로 주파수를 줄이는 방법으로 동작한다. 제시한 주파수 변경 방식 입력 전압 모니터 회로를 활용하여 에너지 하베스터 프로토타입을 250 나노 CMOS 공정으로 제작하였으며, 10 nW 부터 60 mW 까지의 입력 전력을 받아서 배터리에 저장할 수 있음을 보였으며, 최고 97%의 에너지 수집 효율을 보였다. 본 논문에서 제시하는 설계 방법론은 에너지 하베스터 뿐만 아니라 불연속 전류 모드에서 동작하는 인덕터를 활용하는 전압 레귤레이터 디자인 등에서도 사용될 수 있다.