The conventional energy harvesting system uses two DC-DC converters connected in series to harvest energy, and charge and discharge batteries. It requires two external inductors, so mandates a lot of space and cost, and since the power conversion stage is connected in series from the energy harvester to the output load, it is the dominant cause of a decrease in power conversion efficiency (PCE).To solve the above problems and minimize the PCE reduction, this paper proposes a Single Inductor Dual-Input Triple-Output (SIDITO) buck-boost DC-DC converter structure using Maximum Power Point Tracking (MPPT) for RF energy harvesting systems. The IC of the proposed structure consists of a Dickson Charge Pump based Cold-start, Voltage Monitor, Real-time Zero Current Detector (RT-ZCD), and MPPT.The MPPT is an essential element in an energy harvesting system. Unlike general input power, when RF energy is received as an input, the output impedance of the RF-DC converter should be considered. In addition, since the density of the power to be harvested is low, it should be designed so that the maximum power can be transmitted through impedance matching between the RF-DC converter and the DC-DC converter. The MPPT of the proposed SIDITO buck-boost converter adjusts the switching frequency of the DC-DC converter based on the Hill-climbing algorithm to perform impedance matching with the RF-DC converter of the front stage. The input power is measured using a power estimation block inside the MPPT. After the switching frequency is adjusted, the input power is estimated again after a predetermined time, and compared with the previous estimated value. If the input power is high in the adjusted frequency band, the process is repeated in the same direction. However, if the input power is lower in the adjusted frequency band, the process is repeated in the opposite direction.The Real-time ZCD features digital calibration. This corrects the operation time by adjusting the offset of the comparator to a resolution of 4 bit in real time. The real-time ZCD improves the PCE of the DC-DC converter by checking and preventing a current flowing in the reverse direction in the device.The proposed SIDITO Buck-Boost converter is designed and verified through Samsung 130 nm BCD (Bipolar CMOS DMOS) process. The area of this converter is 2,450 µm × 1,800 µm. It was confirmed that impedance matching in the range (2 to 111) KΩ is possible through MPPT. The input voltage range is (0.5 to 1.5) V, and the output voltage is 1.5 V. The maximum power conversion efficiency was verified to be 72.23 % at an output power of 7.5 mW.
기존 에너지 수확 시스템은 에너지를 수확하여 배터리를 충전 및 방전하기 위해 DC-DC 컨버터 2개를 직렬로 연결하여 사용했다. 이는 외부 인덕터 2개를 필요로 하기 때문에 면적과 비용 측면에서 큰 소모가 필요했으며, 전력 변환 단이 에너지 수확기부터 출력 부하까지 직렬로 연결된 구조이기 때문에 전력 변환 효율 (Power Conversion Efficiency, PCE) 감소의 지배적인 원인이 된다.위와 같은 문제점을 해결하여 PCE 감소를 줄이기 위해 본 논문에서는 RF 에너지 수확 시스템을 위해 최대 전력점 추적 (Maximum Power Point Tracking, MPPT)을 사용한 단일 인덕터 이중 입력 삼중 출력 (Single-Inductor Dual-Input Triple-Output, SIDITO) Buck-Boost DC-DC 컨버터 구조를 제안한다. 제안하는 구조의 IC는 딕슨 차지 펌프 (Dickson Charge Pump) 기반의 콜드 스타터 (Cold-Start), 전압 모니터 (Voltage Monitor), 실시간 영전류 검출기 (Real-time Zero Current Detector, ZCD), 최대 전력점 추적으로 구성된다.MPPT는 에너지 수확 시스템에서 필수적인 요소다. 일반적인 입력 전력과는 다르게 RF 에너지를 입력으로 받는 경우, RF-DC 컨버터의 출력 임피던스를 고려해야 한다. 또한, 수확되는 전력의 밀도가 낮기 때문에 RF-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터의 임피던스 정합을 통해 최대 전력이 전달될 수 있도록 설계해야 한다. 제안하는 SIDITO Buck-Boost 컨버터의 MPPT는 Hill-Climbing 알고리즘을 기반으로 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수를 조절하여 앞 단의 RF-DC 컨버터와 임피던스 정합을 수행한다. MPPT 내부의 전력 추정 (Power Estimation) 블록을 이용하여 입력 전력을 측정한다. 스위칭 주파수가 조절된 후, 일정 시간 뒤 입력 전력을 다시 추정하여 이전 추정 값과 비교한다. 조절된 주파수 대역에서 입력 전력이 높다면 같은 방향으로 과정을 반복한다. 하지만 조절된 주파수 대역에서 입력 전력이 더 낮으면 반대 방향으로 과정을 반복한다.Real-time ZCD는 디지털 교정 (Digital Calibration) 기능을 탑재했다. 이는 실시간으로 비교기의 오프셋을 4-bit의 해상도로 조절하며 동작 시간을 교정한다. Real-time ZCD는 소자에서 역방향으로 흐르는 전류를 확인하고 방지하는 역할을 수행하여 DC-DC 컨버터의 PCE를 향상시킨다.제안하는 SIDITO Buck-Boost 컨버터는 Samsung 130nm BCD (Bipolar CMOS DMOS) 프로세스를 통해 설계 및 검증되었다. 이 컨버터의 면적은 2450 * 1800〖μm〗^2이다. MPPT를 통해 2KΩ ~ 111KΩ 범위의 임피던스 정합이 가능함을 확인했다. 입력 전압의 범위는 0.5V ~ 1.5V이며, 출력 전압은 1.5V이다. 최대 전력 변환 효율은 7.5mW의 출력 전력에서 72.23%로 검증되었다.