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Thermal Energy Harvesting용 센서회로의 저전력 구동 방법
남현경,코아반팜,트란바오손,응웬반티엔,민경식,Nam, Hyun Kyung,Pham, Van Khoa,Tran, Bao Son,Nguyen, Van Tien,Min, Kyeong-Sik 한국전기전자학회 2018 전기전자학회논문지 Vol.22 No.3
본 논문에서는 열전에너지 하베스팅에 의해 구동되는 센서 회로를 저전력으로 동작시킬 수 있는 방법을 제안하였다. 본 논문에서 사용되는 열전소자를 이용하면 에너지 하베스팅 회로에서 8uA의 전류를 얻을 수 있다. 그러나 구동하려고 하는 센서의 전류 소비는 이보다 훨씬 크기 때문에, 본 논문에서는 하드웨어 방법으로 power gating scheme을 이용한 저전력 구동과 소프트웨어적으로 active/sleep control scheme을 이용한 저전력 구동 방법을 센서 회로에 적용하여 센서 회로의 전류 소비를 감소시킬 수 있음을 보였다. 먼저 하드웨어 power gating scheme을 사용할 때에는 파워 게이트의 Toff/Ton의 비를 22보다 더 크게 하면, 센서 회로의 전류 소비가 8uA 이하로 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 소프트웨어 기반의 active/sleep control scheme에 의한 저전력 구동에서는 Tslp/Tact의 비를 3 이상으로 설정해주면 전류 소비를 8uA 이하로 줄일 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서의 결과는 열전에너지 하베스팅에 의해서 구동되는 다양한 센서 회로 설계 및 구현에 도움이 될 것으로 생각된다. In this paper, we propose low-power operational methods for thermal-energy-harvesting sensor circuits. Here, the amount of harvested current has been measured as low as 8uA. However the DC power consumption of the sensor circuit is known to consume much larger than 8uA. Thus, We propose the hardware-based power gating and software-based active/sleep timing control schemes, respectively, for controlling the power consumption of sensor circuit. In the hardware-based power gating scheme, if the ratio of Toff/Ton is larger than 22, the sensor can consume less than 8uA. For the software-based active/sleep control scheme, if the ratio of Tslp/Tact is larger than 3, we can suppress the current consumption below 8uA. The hardware-based and software-based schemes proposed in this paper would be helpful in various applications of energy-harvesting sensor circuits, where the power consumption is limited by an amount of harvested energy.
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저전력 고에너지 효율 열전에너지 하베스팅을 위한 자가 리셋 기능을 갖는 영점 전류 스위칭 회로 설계
안지용(Ji Yong An),응웬반티엔(Nguyen Van Tien),민경식(Kyeong-Sik Min) 한국전기전자학회 2021 전기전자학회논문지 Vol.25 No.1
본 논문에서는 열전에너지 하베스팅을 위한 자가 리셋(self-reset) 기능을 갖는 영점 전류 스위칭(Zero-Current Switching) 회로를 제안한다. 본 논문에서 제안하는 영점 전류 스위칭 회로는 전압비교기 회로에 자가 리셋 기능을 추가하여 전압비교기의 동작전류를 최소화함으로써 에너지 하베스팅 회로의 전력 소비를 줄이고 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있게 한다. 회로 시뮬레이션으로 본 논문에서 제안하는 영전 전류 스위칭 회로의 동작을 검증하고 성능을 평가한 결과, 열전에너지 하베스팅 회로의 출력전압-입력전압 비가 5.5 일 때, 기존의 영점 전류 스위칭 회로를 이용한 하베스팅 회로와의 비교를 통해서 본 논문의 하베스팅 회로의 전력효율이 3.4% 개선되는 것으로 평가된다. 본 논문에서 제안하는 영점 전류 스위칭 회로는 열전 에너지 하베스팅의 응용 중에서 특히 저전력과 고에너지 효율 특성이 중요한 웨어러블, 바이오 헬스 관련된 하베스팅 회로의 성능 개선에 기여할 수 있을 것으로 생각된다. This paper proposes a Self-Reset Zero-Current Switching (ZCS) Circuit for thermoelectric energy harvesting. The Self-Reset ZCS circuit minimizes the operating current consumed by the voltage comparator, thereby reduces the power consumption of the energy harvesting circuit and improves the energy conversion efficiency by adding the self-reset function to the comparator. The Self-Reset ZCS circuit shows 3.4% of improvement in energy efficiency compared to the energy harvesting system with the conventional analog comparator ZCS for the output/input voltage ratio of 5.5 as a result of circuit simulation. The proposed circuit is useful for improving the performance of the wearable and bio-health-related harvesting circuits, where low-power and energy-efficient thermoelectric energy harvesting is needed.
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