고효율 DC-DC 부스트 컨버터 기반 RF 에너지 하베스터 회로 설계
Design of RF Energy Harvester Circuit Based on High Efficiency DC-DC Boost Converter
- 주제(키워드) 에너지 하베스팅 , RF 에너지 하베스터 , UWB 송신기 , DC-DC 부스트 컨버터 , 고효율
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 권익진
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030558
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
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.
more목차
제 1 장. 서 론 1
1.1. 무선 센서를 위한 에너지 하베스팅 1
1.2. RF 에너지 하베스터 3
1.3. DC-DC 부스트 컨버터 5
1.4. UWB 송신기 10
제 2 장. 제안하는 DC-DC 컨버터 모델링 방법 11
2.1. 동작 원리 11
2.2. 손실 분석 16
제 3 장. RF 에너지 하베스터 회로 설계 24
3.1. 다중 대역 적응형 RF 정류기 설계 24
3.2. 고효율 DC-DC 컨버터 설계 29
3.3. 극소전력 UWB 송신기 설계 41
제 4 장. 칩 구현 및 시뮬레이션 결과 48
4.1. 다중 대역 적응형 RF 정류기 48
4.2. 고효율 DC-DC 부스트 컨버터 51
4.3. 극소전력 UWB 송신기 59
제 5 장. 결 론 66
참 고 문 헌 68
