RF 에너지 하베스팅 시스템을 위한 커패 시터 기반 저전압 DC-DC 컨버터 설계
Low Voltage Capacitive-Based DC-DC converter for RF Energy Harvesting System
- 주제(키워드) RF 에너지 하베스팅 , 저전압 DC-DC 컨버터 , 넓은 입력 범위 전압 , 높은 효율
- 주제(DDC) 621.381
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 권익진
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035088
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문은 동적 게이트 및 바디 바이어싱 기술을 적용한 RF 에너지 하베스팅 시스템용 커패시터 기반 저전압 DC-DC 부스트 컨버터를 제 안하며, 넓은 입력 범위에서 전력 변환 효율 성능을 향상하기 위해 스위 칭 구조를 채택한다. 0.18 μm CMOS 설계는 동적 게이트 및 바디 바이 어싱 기술을 사용하여 4단과 6단의 차지 펌프의 저전압 영역에서의 문 턱 전압 손실을 해결한다. 동적 게이트 바이어싱은 게이트 구동 전압을 높여 전도 손실을 줄이고, 동적 바디 바이어싱은 바디-소스 바이어스를 동적으로 변조하여 누설 전류를 최소화하여 손실을 줄인다. 각각의 입력 전압 구간에서 최적의 전력 변환 효율을 얻는 차지 펌프 구조를 비교기를 통해 제어 신호로 구한다. 제어 신호로 조절하는 스위 치를 통해 넓은 입력 전압 범위에서 높은 전력 변환 효율을 얻는다. 제안하는 동적 게이트 및 바디 바이어싱을 적용한 6단 차지 펌프는 1MHz의 동작 조건에서 0.17 V의 입력일 때 68.08%의 전압 변환 효율 과 57.08%의 최대 전력 변환 효율을 보여주며, 이는 기본적인 크로스- 커플드 차지 펌프와 비교했을 때 최대 전력 변환은 16.4% 향상된다. 제안하는 스위칭 구조는 0.17 V 부터 0.5 V의 넓은 입력 전압 범위를 가지며, 전체 입력 전압 범위에서 스위칭 구조는 단일 구조와 비교했을 때 1% 미만의 전압 변환 효율 저하를 달성하며, 평균 13% 미만의 전력 변환 효율 저하를 달성하여 IoT 애플리케이션에서 0.5 V 미만의 RF 신 호에 대한 강력한 에너지 수확을 가능하게 한다.
more초록/요약
This paper proposes a switched-capacitor DC-DC boost converter with dynamic gate and body biasing (DGBB) for RF energy harvesting systems, achieving enhanced power conversion efficiency (PCE) across a wide input voltage range through an adaptive 2/4/6-stage charge pump (CP) architecture. The 0.18μm CMOS design uses DGBB technology to address threshold voltage loss in the low-voltage region with 4/6-stage CP. Dynamic gate biasing (DGB) reduces conduction losses by elevating gate drive voltage and dynamic body biasing (DBB) dynamically modulates body-source bias to suppress leakage currents. Comparator-generated control signals optimize the CP stages across input voltage ranges, ensuring peak efficiency. Post-layout simulations demonstrate a voltage conversion efficiency (VCE) of 67.6% at 0.17 V input and a peak PCE of 57.08% under 1 MHz operation, representing a 16.4% PCE improvement over conventional cross-coupled CP designs. The proposed switching architecture expands the operational input range from 0.17 V to 0.5 V, surpassing the narrower ranges of fixed 6-stage from 0.17 V to 0.25 V and 4-stage from 0.25 V to 0.375 V configurations while maintaining <4% VCE degradation and <13% average PCE degradation compared to single-stage designs. These advancements enable robust energy harvesting for sub 0.5 V RF signals in IoT applications, in ultra-low-power environments.
more목차
제 1 장. 서론 1
1.1 RF 에너지 하베스팅 1
1.2 RF 에너지 하베스팅을 위한 DC-DC 컨버터 2
1.3 문제 개선을 위해 선행 연구된 기술들 3
제 2 장. 저전압 DC- DC 컨버터 설계 4
2.1 초저전압에서의 DC-DC 부스트 컨버터 설계 4
2.2 제안하는 6 단 DC-DC 부스트 컨버터의 성능 6
2.3 저전압에서의 DC-DC 부스트 컨버터 설계 10
2.4 제안하는 4 단 DC-DC 부스트 컨버터의 성능 13
제 3 장. 제안하는 DC-DC 컨버터 설계 17
3.1 넓은 입력 전압에서 동작하는 DC-DC 컨버터 17
3.2 입력 전압에 따라 동작하는 비교기 19
제 4 장. 칩 구현 및 시뮬레이션 결과 22
4.1 DC-DC 부스트 컨버터 레이아웃 및 칩 사진 22
4.2 코너 시뮬레이션 결과 24
4.3 포스트 아웃 시뮬레이션 결과 27
4.4 이후 연구 진행 32
제 5 장. 결론 34
참 고 문 헌 35
Publications 37
Abstract 38
