A Micro-Scale Photovoltaic Energy Harvesting Circuit Using Energy Distribution Technique

에너지 분배 기능을 이용한 마이크로 빛에너지 하베스팅 회로

In this paper, a micro-scale photovoltaic(PV) energy harvesting system is proposed where an MPPT(Maximum Power Point Tracking) control is implemented using an energy distribution technique. Miniature PV cells output very low energy and low voltages, and thus, they cannot be used to directly power the MPPT controller. In the proposed system, a start-up circuit boosts an internal Vcp, and the boosted Vcp is used to operate the internal MPPT control block. When the Vcp reaches a predefined value, a detector circuit makes the start-up block turn off and provide a power converter with the energy from the PV cell. When the Vcp decreases such that the MPPT controller can not be operated, the energy transferred to the power converter is blocked and the start-up circuit is reactivated. In this way, the MPPT function is achieved by alternately operating the start-up circuit and the power converter using the energy distribution technique, and the harvested energy is transferred to a load through a PMU(Power Management Unit). The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process and its functionality has been verified through extensive simulations. The designed chip area including pads is $1430um{\times}1110um$.

본 논문에서는 에너지 분배 기능을 이용하여 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어 기능을 구현한 마이크로 빛에너지 하베스팅 시스템을 제안한다. 소형 PV(Photovoltaic) 셀에서 출력되는 에너지와 전압 레벨은 작기 때문에 직접 MPPT 제어회로를 구동하기 어렵다. 따라서 제안된 회로에서는 시동회로를 사용하여 Vcp를 MPPT 제어회로를 구동하기 위해 필요한 전압까지 승압시킨다. Vcp가 원하는 전압 값에 도달하면 전압감지기가 이를 감지하여 PV 셀로부터 시동회로에 공급되는 에너지는 차단하고, 전력변환기에 에너지를 공급한다. Vcp가 감소하여 MPPT 제어회로가 동작하기 어렵게 되면 전력변환기로의 에너지 전달을 차단하고 시동회로를 다시 구동한다. 이렇게 에너지 분배 기능을 이용하여 시동회로와 전력변환기를 번갈아 동작시키면서 에너지를 수확하여 PMU(Power Management Unit)를 통해 부하에 전달한다. 제안된 회로는 0.35um CMOS 공정으로 설계 되었으며 모의실험을 통해 동작을 검증하였다. 설계된 회로의 칩 면적은 패드를 포함하여 $1430um{\times}1110um$이다.