A 0.2V DC/DC Boost Converter with Regulated Output for Thermoelectric Energy Harvesting

열전 에너지 하베스팅을 위한 안정화된 출력을 갖는 0.2V DC/DC 부스트 변환기

This paper presents a 0.2V DC/DC boost converter with regulated output for thermoelectric energy harvesting. To use low voltages from a thermoelectric device, a start-up circuit consisting of native NMOS transistors and resistors boosts an internal VDD, and the boosted VDD is used to operate the internal control block. When the VDD reaches a predefined value, a detector circuit makes the start-up block turn off to minimize current consumption. The final boosted VSTO is achieved by alternately operating the sub-boost converter for VDD and the main boost converter for VSTO according to the comparator outputs. When the VSTO reaches 2.4V, a buck converter starts to operate to generate a stabilized output VOUT. Simulation results shows that the designed converter generates a regulated 1.8V output from an input voltage of 0.2V, and its maximum power efficiency is 60%. The chip designed using a $0.35{\mu}m$ CMOS process occupies $1.1mm{\times}1.0mm$ including pads.

본 논문에서는 열전에너지 하베스팅을 위한 안정화된 출력을 갖는 0.2V DC/DC 변환기를 설계하였다. 열전소자의 저전압을 이용하기 위해 native NMOS 트랜지스터와 저항으로 이루어진 시동회로가 0.2V의 입력전압을 내부 컨트롤 블록 회로가 동작할 수 있는 VDD까지 승압한다. VDD가 원하는 전압 값에 도달하면 전압감지기가 이를 감지하고 시동회로에 공급되는 전류를 차단하여 전류소모를 최소화 한다. 이후 비교기의 출력에 따라 VDD를 일정전압 이상으로 유지하기 위한 부스트 변환기와 VSTO를 승압하기 위한 부스트 변환기를 번갈아가며 동작시켜서 VSTO를 벅 변환기가 동작하는 전압까지 승압해준다. VSTO가 2.4V 이상이 되면 벅 변환기가 동작하여 안정화된 최종 출력 VOUT을 얻는다. 모의실험 결과 설계한 변환기는 0.2V의 입력으로부터 1.8V의 안정화된 전압을 출력하며, 최대 전력효율은 60%이다. $0.35{\mu}m$ CMOS 공정을 사용하여 설계한 칩의 크기는 PAD를 포함하여 $1.1mm{\times}1.0mm$이다.