The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences (한국전자통신학회논문지)

Korea Institute of Electronic Communication Science (한국전자통신학회)
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Design of SECE Energy Harvest Interface Circuit with High Voltage Comparator for Smart Sensor

고전압 비교기를 적용한 스마트 센서용 SECE 에너지 하베스트 인터페이스 회로 설계

  • Received : 2019.05.08
  • Accepted : 2019.06.15
  • Published : 2019.06.30
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Abstract

In order to apply a piezoelectric energy harvester to a smart sensor system, an energy harvest interface circuit including an AC-DC rectifier is required. In this paper, we compared the performance of full bridge rectifier, which is a typical energy harvester interface circuit, and synchronous piezoelectric energy harvest interface circuit by using board-level simulation. As a result, the output power of a synchronous electric charge extraction(: SECE) circuit is about four times larger than that of the full bridge rectifier, and there is little load variation. And a high voltage comparator, which is essential for the SECE circuit for the piezoelectric energy harvester with an output voltage of 40V or more, was designed using 0.35 um BCD process. The SECE circuit using the designed high-voltage comparator proved that the output power is 427 % higher than the FBR circuit.

스마트 센서 시스템에 압전 에너지 하베스터를 적용하기 위해서는 AC-DC 정류기를 비롯한 에너지 하베스트 인터페이스 회로가 필수적이다. 본 논문에서는 기본적인 회로인 Full Bridge Rectifier(: FBR) 회로와 동기식 압전 에너지 하베스트 인터페이스 회로의 성능을 보드레벨 시뮬레이션으로 비교하였다. 그 결과, 동기식 압전 에너지 하베스트 인터페이스 회로 중 하나인 Synchronous Electric Charge Extraction(: SECE) 회로가 FBR에 비해 출력 전력이 약 4 배 이상 더 컸고, 부하 변동에도 변화가 거의 없었다. 그리고, 출력 전압이 40V 이상인 압전 에너지 하베스터용 SECE 회로에 필수적인 고전압 비교기를 0.35 um BCD 공정으로 설계하였다. 설계한 고전압 비교기를 적용한 SECE 회로는 출력 전력이 FBR 회로 보다 427 % 향상됨을 검증하였다.

Keywords

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그림 1. FBR 회로 Fig. 1 FBR circuit

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그림 2. FBR 회로 시뮬레이션 (a) 전류 파형 (b) 전압 파형 Fig. 2 FBR circuit simulation (a) current waveform (b) voltage waveform

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그림 3. SSHI 회로 Fig. 3 SSHI circuit

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그림 4. SSHI 동작 파형 Fig. 4 SSHI operation waveform

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그림 5. SECE 회로 Fig. 5 SECE circuit

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그림 6. SECE 시뮬레이션 파형 (a) 전압 파형 및 스위치 제어신호 (b) 전류 파형 Fig. 6 SECE simulation waveform (a) Voltage waveform (b) Current waveform

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그림 7. FBR, SSHI, SECE 회로 출력 전력 비교 Fig. 7 FBR, SSHI, SECE circuit output power comparison

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그림 8. 제안된 SECE 회로 Fig. 8 The proposed SECE circuit

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그림 9. 제안된 스위치 제어회로(:SW_CTRL) Fig. 9 The proposed switch control circuit (:SW_CTRL)

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그림 10. 고전압 비교기 회로 및 시뮬레이션 (a) 고전압 비교기 회로 (b) 입력전압 및 출력 전압 Fig. 10 High voltage comparator circuit and simulation (a) High voltage comparator circuit (b) Input voltage and output voltage

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그림 11. CSD 회로 및 시뮬레이션 (a) CSD 회로 (b) 입력 전압 및 출력 전압 Fig. 11 CSD circuit and simulation (a) CSD circuit (b) Input voltage and output voltage

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그림 12. 제안된 스위치 제어회로 파형 Fig. 12 The proposed switch control circuit waveform

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그림 13. 제안된 SECE 출력 전압 비교 Fig. 13 The proposed switch control circuit waveform

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그림 14. 제안된 SECE 회로 레이아웃 Fig. 14 The proposed SECE circuit layout

표 1. FBR, SSHI, SECE회로의 부하에 따른 출력 전력 비교표 Table 1. Comparison of output power according to load of FBR, SSHI, SECE circuit

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