The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science

The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science

J. Korean Inst. Electromagn. Eng. Sci. 2022; 33(11):841-848

pISSN: 1226-3133, eISSN: 2288-226X

DOI: https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2022.33.11.841

논문/REGULAR PAPER

2.4 GHz 대역 무선전력전송 고효율 수신부 IC 설계

송유근¹

, 한신¹

, 김남윤¹^,^*

, 김창우¹^,^†

Design of a 2.4-GHz High Efficiency Wireless Power Transfer-Receiver IC

You-Geun Song¹

, Shin Han¹

, Nam-Yoon Kim¹^,^*

, Chang-Woo Kim¹^,^†

¹경희대학교 전자공학과

^*대덕대학교 군사학부

¹Department of Electronic Engineering, Kyung Hee University

^*Department of Military Science, Deaduk University

^†Corresponding Author: Chang-Woo Kim (e-mail: cwkim@khu.ac.kr)

© Copyright 2022 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Jul 26, 2022; Revised: Aug 25, 2022; Accepted: Nov 21, 2022

Published Online: Nov 30, 2022

요약

본 논문에서는 2.4 GHz에서 동작 가능한 무선전력전송 수신부 시스템을 제안하였다. 제안된 IC는 임피던스 정합 네트워크, 정류기, 그리고 직류-직류 변환기로 구성되었다. 정류기는 Dickson 차지펌프를 이용한 회로이며, 단 수와 임피던스 정합 네트워크의 최적화를 통해 높은 효율을 가질 수 있도록 설계하였다. 직류-직류 변환기의 경우, 넓은 입력 범위에서 동작 가능한 사중 변환비를 갖는 고효율 스텝-업/스텝-다운 스위치드-커패시터 직류-직류 변환기를 제안하였다. 입력 전압을 감지하여 모드 선택회로에서 변환비를 변환할 수 있도록 하여, 1/3, 1/2, 2/3, 그리고 2/1의 변환비를 제공한다. 제안된 IC는 28-nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였으며, 포스트 레이아웃 시뮬레이션 결과, 제안된 정류기는 −8 dBm∼20 dBm에서 동작하며, 최대 66 %의 효율을 보인다. 변환기는 1.2 V∼5 V의 넓은 입력 전압 범위에서 1.6 V∼2.2 V의 전압을 출력하며, 최대 80 %의 전력 변환 효율을 얻었다. 전체 IC의 경우 입력 전력 12 dBm에서 최대 50.8 %의 효율을 보였다.

Abstract

A high-efficiency wireless power transfer-receiver IC that can operate at 2.4 GHz has been proposed. The IC consists of a matching network, rectifier, and DC-DC converter. The rectifier based on the Dickson charge pump topology is designed to have high efficiency by optimizing the number of stages and matching networks. In the proposed IC, a high-efficiency CMOS step-up/step-down DC-DC converter that can operate over a wide input range is involved. The converter provides quadruple conversion ratios of 1/3, 1/2, 2/3, and 2/1, which are determined by the mode selector by sensing the input voltage level. The IC was implemented in a standard 28-nm CMOS process, and post-layout simulation results for the IC demonstrated that the rectifier operates at −8 dBm to 20 dBm and shows a maximum efficiency of 66 % for an input power from −4 to 20 dBm. The DC-DC converter outputs a voltage of 1.6∼2.2 V for a wide input voltage range of 1.2∼5 V and shows a power conversion efficiency of up to 80 %. For the entire IC, the maximum efficiency is 50.8 % at an input power of 12 dBm.

Keywords: WPT; Rectifier; DC-DC Converter; Step-Up/Step-Down; Quadruple Conversion Ratio; CMOS; High Efficiency

Ⅰ. 서 론

5G 네트워크 구축이 되기 시작하면서 IoT 환경을 조성 가능해졌고, IoT 시장은 그에 따라 지속적인 성장을 해오고 있다^[1]. 부가적으로 IoT 환경이 구성되기 위해서는 각종 센서들이 필요한데^[2], 이 센서들에 전력을 공급하기 위해서는 전송 거리에 따른 충전 성능의 저하가 낮은 고효율의 무선전력전송 시스템이 필요하다^[3]. 기본적인 무선전력 전송 시스템은 정류기와 직류-직류 변환기로 구성된다. 고주파수와 낮은 입력 전력에서 적용 가능한 정류기는 낮은 문턱 전압과 입력 신호의 매칭 회로가 필요하다. 또한 이에 적용 가능한 직류-직류 변환기의 종류에는 인덕터 또는 커패시터 기반의 변환기가 있는데, 인덕터 기반의 변환기에 비하여 커패시터를 이용한 변환기는 회로의 소형화에 유리하여 센서 등에 많이 사용되고 있다^[4].

본 논문에서는 28-nm CMOS 공정을 이용하여 정류기와 직류-직류 변환기 회로를 설계하였다. 제안한 정류기는 단의 수에 비례해 높은 출력과 효율을 보여 이를 위한 다단구조로 구성된다. 제안된 변환기는 넓은 전압 입력 범위에 대하여 네 가지 스텝-업/스텝-다운 스위칭 변환비를 제공함으로써 높은 변환 효율을 달성할 수 있도록 설계되었다. 제안한 회로는 넓은 변환 범위와 높은 효율을 통해 그림 1과 같은 WPT 수신부 IC 등에 응용 가능하다.

그림 1. | Fig. 1. WPT 수신부 블록 다이어그램 | Block diagram of the WPT receiver.

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Ⅱ. 본 론

2-1 제안한 매칭회로를 포함한 정류기 구조

그림 2는 제안하는 매칭회로를 포함한 5단 딕슨 정류기 회로이다. 2.4-GHz의 주파수에서 낮은 반사 계수로 인하여 신호가 모두 입력되지 않는 문제를 갖고 있다. 반사 계수의 영향을 줄여 입력 신호를 모두 회로로 전달하기 위해 매칭 회로가 필수적이다. 본 논문에서는 T형 매칭회로를 이용하여 이를 해결하였다.

그림 2. | Fig. 2. 제안된 매칭 회로를 포함한 5단 정류기 회로 | Schematic of the 5 stages RF-DC rectifier with a matching circuit.

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딕슨 정류기는 딕슨 차지 펌프를 이용한 정류기로 기존 정류기의 누설전류 문제가 낮아 높은 입력 전력에서도 높은 효율을 보인다. 하지만 낮은 입력에서의 문턱 전압으로 인하여 효율이 낮은 문제를 가지고 있는데, 이를 해결하기 위해 낮은 문턱 전압을 갖는 MOS(lvtmos) 소자를 사용하여 설계하였다.

높은 출력 전압을 위해서는 다단 정류기의 구조가 필요하다. 단의 수가 높아질수록 충전 시간이 늘어나기 때문에 적절한 단의 구성이 중요하다. 단의 수를 늘려 N개의 단으로 구성할 경우, N(V_in−V_TH)배로 증가하기 때문에 본 논문에서는 5단 구성을 통해 필요한 출력 전압을 얻었다.

2-2 제안한 직류-직류 변환기 구조

그림 3은 제안하는 직류-직류 변환기의 블록다이어그램이다. 무선전력전송 시스템에서 수신부는 전송 거리 등의 여러 요인에 따라 전력 전송 효율이 변동되기 때문에 변동성에 대응할 수 있어야 한다. 따라서 회로는 1.2 V∼5 V의 넓은 전압을 입력받아 S/C 변환기, 기준 전압기, 모드 선택기로 인가한다. 넓은 입력 범위에서 전압을 받기 때문에 기준 전압기는 회로의 변환비를 조절하는 회로에 대하여 일정한 직류 전압을 제공하여 안정적인 동작을 할 수 있도록 한다. 클럭 생성 회로는 입력 전압에 대하여 일정한 클럭 주파수를 제공하기 위해 기준 전압기로부터 전압을 인가받는다. 모드 선택 회로에서는 입력 전압을 감지하여 변환비를 변환할 수 있도록 한다. 이와 같은 변환기를 본 논문에서는 28-nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 설계 시 레벨 변환기는 단 채널 공정에서 소자가 큰 전압차를 겪으면 큰 문제가 되기 때문에 이를 예방하기 위하여 스위칭 레벨을 조정하여 S/C 변환기에 인가한다.

그림 3. | Fig. 3. 제안된 직류-직류 변환기 블록 다이어그램 | Block diagram of the proposed DC-DC converter.

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2-3 스위치드 커패시터 변환기

그림 4(a)는 커패시터 기반의 변압기 구조를 표현한 회로이다^[5]. 해당 변환기는 직렬-병렬(series-parallel) 커패시터 토폴로지를 사용하여 입력 전압에 따라 알맞은 변환비를 제공하도록 하였다. 직렬-병렬 커패시터 변환기는 스위치 동작에 따라 커패시터를 직렬, 병렬로 배치시켜 여러 변환비를 제공할 수 있다. 또한 커패시터와 출력의 직렬 연결을 통해 높은 출력 임피던스를 가져 커패시터 기반의 문제인 부하 변동률(load regulation) 문제에서 비교적 좋은 성능을 낸다는 장점이 있다. 이는 무선전력전송 시 여러 장치에 균일하고 안정적인 전력 전달을 의미한다.

그림 4. | Fig. 4. S/C 변환기 구조 (a)와 S/C 변환기 변환비(m)에 따른 스위치 동작 개념도(b)∼(e) | Structure of S/C converter(a) and switch operation concept diagram(b)∼(e) according to S/C converter conversion ratio (m).

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그림 4(b)∼그림 4(e)는 제안하는 변환기에 사용된 변환비의 스위치 동작에 대한 개념도이다. 제안하는 변환기는 회로의 크기를 줄이고, 스위칭 동작을 간단하게 하기 위해 2단계로 동작하며, 동작 스위치를 입력전압에 따라 변화시켜 2/1, 2/3, 1/2, 3/1 네 가지의 변환비를 제공한다.

제안한 회로의 변환비들을 제공하기 위해서는 그림 5와 같이 Sw5의 클럭 레벨을 조정하여 두 커패시터가 직렬 또는 병렬을 배치되도록 하여 변환비를 제공한다. 그림 3은 커패시터 직, 병렬 배열 시 Sw5의 동작을 나타낸 회로도이다. Sw5가 동작하기 위해서는 변환비에 따른 C1”와 C2’의 상대적인 전압 레벨에 맞춰 클럭이 동작해야 하기 때문에 그림 5와 같이 두 노드를 스윙하는 클럭을 생성시켜 동작시킨다. 커패시터가 병렬로 동작할시 디지털 회로상으로 ‘높음’ 신호레벨이 인버터에 인가되어 낮은 신호가 스위치로 인가되고 직렬의 경우 반대의 상황으로 회로가 동작한다.

그림 5. | Fig. 5. 커패시터 배열에 따른 Sw5의 동작 시 회로도 | Schematic of the operation of Sw5 according to the capacitor arrangement.

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2-4 기준 전압기

그림 6은 직류-직류 변압기에서 사용한 기준 전압기의 회로도이다^[6]. 시스템 특성상 넓은 전압 입력을 받기 때문에 3.3/5 V 소자를 사용하여 설계하였다. 해당 회로는 입력전압에서 들어오는 리플 신호에 대하여 안정적인 출력 전압을 공급하기 위해 그림 6에 표현한 두 개의 피드백 루프를 구성하여 높은 PSRR 성능을 보인다.

그림 6. | Fig. 6. 기준 전압 회로도 | Schematic of the bandgap reference circuit.

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2-5 레벨 변환기

그림 7은 회로에 사용한 레벨 변환기의 회로도이다. 해당 회로는 단 채널 MOS 소자가 브레이크-스루되지 않도록 클럭의 스윙 레벨을 조정하여 스위치가 정상적으로 동작하게 한다. 본 변환기에서는 입력 전압에서 그라운드, 출력 전압에서 입력 전압으로 클럭 레벨을 설정하였다. 두 클럭의 타이밍 오차를 최소화하기 위해 해당 회로는 저항을 통해 인버터의 트립 포인트와 출력과 그라운드를 스윙하는 클럭을 커패시터를 통해 동기화해주어 두 클럭을 동기화시킨다. 해당 저항은 칩 면적을 최소화하기 위해 패스 게이트와 다이오드 커넥티드 MOS를 이용하여 구현하였다. 시뮬레이션상으로 10 MHz 이하의 주파수에서 정상적으로 동작하였다.

그림 7. | Fig. 7. 레벨 변환기 회로도 | Schematic of the level-shifter.

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2-6 모드 선택기

그림 8은 회로에 사용된 모드 선택기의 회로도이다. 비교기, S-R 래치, D-플리플랍으로 구성되며, 두 개의 기준 전압에 대하여 동작한다. 그림과 같이 입력 전압에 대하여 상대적인 전압값을 비교기에 인가하고, 이를 기준 전압과 비교하여 네 가지의 변환비를 제공한다. 변환비에 따라 다른 출력값을 제공하여 설계된 디지털 회로를 통해 S/C 변환기에 인가되어 스위치를 동작시킨다.

그림 8. | Fig. 8. 모드 선택기 회로도 | Schematic of the mode selector.

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Ⅲ. Post-Layout 시뮬레이션 결과

그림 9는 입력 전력과 부하 임피던스에 따른 출력 전압과 PCE의 post-layout 시뮬레이션 결과이다. 출력 전압은 최대 13 V 이상 출력되고 있다. 입력 전력 −8 dBm에서부터 동작하며, −4 dbm의 낮은 입력에서도 뒷단의 회로가 동작하기 위한 1 V 이상의 출력을 보이는 것을 확인할 수 있다. 전력 변환 효율은 20 dBm의 입력 전력에서 최대 66 %의 효율을 보인다.

그림 9. | Fig. 9. 입력 전압과 부하 임피던스에 따른 정류기 출력과 PCE 결과 | Post-layout simulation results of the rectifier output voltage and PCE with respect to the input power and load impedance (C_L=100 pF).

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그림 10은 입력 전압에 따른 직류-직류 변환기의 출력 전압 시뮬레이션 결과이다. 그림 10의 결과를 살펴보면 1.2 V∼5 V의 입력 전압을 받아 1.6 V∼2.2 V 출력 전압을 가진다. 그림 11은 입력 전압에 따른 전력 변환 효율 결과를 나타낸 그래프이다^[7],[8]. 최대 80 %의 결과를 보였고, 변환비가 변화할 때마다, 효율이 증가한 후 점차 감소하는 경향을 보였다.

그림 10. | Fig. 10. 입력 전압에 따른 직류-직류 변환기 출력전압 post-layout 시뮬레이션 결과(R_L=500 Ω, C_L=100 nF) | Post-layout simulation result of the DC-DC converter output voltage with respect to the input voltage (R_L=500 Ω, C_L=100 nF).

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그림 11. | Fig. 11. 입력 전압에 따른 직류-직류 변환기 전력 변환 효율 | Power conversion efficiency with respect to the input voltage.

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그림 12는 정류기 입력 전력에 따른 전체 IC의 전력 변환 효율에 대한 시뮬레이션 결과이다. 12 dBm에서 50.8 %의 효율을 보였다

그림 12. | Fig. 12. 정류기의 입력 전력에 따른 전체 IC 전력 변환 효율 | Power conversion efficiency of the receiver IC with respect to the input power of rectifier.

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그림 13은 28-nm CMOS 공정을 이용하여 설계된 정류기와 변환기의 레이아웃 사진이다. 정류기는 고주파수에서의 라인 임피던스를 맞추기 위하여 이용되지 않는 메탈층을 제거하여 제작되었으며, 400×670 μm²의 크기를 가진다. 직류-직류 변환기의 칩은 174×84 μm²의 크기를 가진다. 표 1은 기발표 논문의 결과와 비교한 비교표이다. 표 1(a)에서 알 수 있듯이, 정류기는 타 논문 대비 넓은 입력 전력 범위를 가지며, 최대 66 %의 높은 효율을 보인다. 표 1(b)는 직류-직류 변환기의 성능 비교로, step-up과 step-down 두 가지 동작을 지원하며, 넓은 입력 전압 범위에서 동작이 가능하고, 효용 80 %의 우수한 성능을 보이고 있다.

그림 13. | Fig. 13. 28-nm CMOS 공정의 (a) 5단 정류기와 (b) 직류-직류 변환기 레이아웃 | Layout of the proposed 5 stages rectifier and DC-DC converter using 28-nm CMOS process.

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표 1. | Table 1. 기발표된 CMOS (a) 정류기와 (b) 직류-직류 변환 기의 성능 비교 | Performance comparison of the CMOS rectifier and DC-DC converter with previous works.

(a)
Reference	[9]	[10]	[11]	This work
Process	0.18 um	65 nm	0.13 um	28 nm
Rectifier topology	Dickson	Dickson	Cross coupled	Dickson
V_out (V)	0.2∼1.7	1∼1.5	0.9∼1.5	0.9∼13.7
P_in (dBm)	6∼12	−19	−20	−8∼20
Frequency (GHz)	2.4	2.4	2.4	2.4
Maximum efficiecny	2.5 %	31 %	55 %	66 %
(b)
Reference	[12]	[13]	[14]	This work
Process	0.18 um	0.18 um	28 nm	28 nm
Conversion type	Step up/down	Step down	Step down	Step up/down
V_out (V)	0.4∼2.2	0.9∼1.5	0.95	1.6∼2.2
V_in (V)	0.9∼1.5	3.4∼4.3	3.2	1.2∼5
Switching freq (MHz)	0.2	0.8∼1.7	N/A	5
Maximum efficiecny	68 %	72 %	82 %	80 %

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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 28-nm CMOS 공정을 이용하여 2.4 GHz WPT 수신부 IC에 응용 가능한 수신부 시스템을 설계하였다. 시뮬레이션 결과, 정류기는 −8 dBm∼20 dBm에서 동작하며, −4 dBm에서 뒷단의 회로가 동작하기 위한 1 V 이상의 출력을 보인다. 전력 변환 효율은 최대 66 %를 보였다. 변환기의 경우, 입력 전압 1.2 V ∼5 V에서 출력 전압 1.6 V∼2.2 V의 결과를 얻었고, 입력 전압에 따른 출력 전압 효율은 최대 80 %의 결과를 얻었다. 전체 IC의 전력 변환 효율은 최대 50.8 %를 달성하였다. 향후 연구로는 칩에 대한 측정 후 결과값을 이용하여 특성 개선을 할 수 있도록 설계를 진행할 계획이다.

Acknowledgements

본 연구는 과학기술정보통신부 및 정보통신기술진흥센터의 대학 ICT연구센터육성지원사업(IITP-2019-2016-0-00291), 한국연구재단의 기초 연구지 원사업(No. 2019R1F1A1052728) 및 IDEC의 MPW 사업의 지원으로 수행되었음.

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