[논문 리뷰] Energy-Efficient Low-Power Circuits for Wireless Energy and Data Transfer in IoT Sensor Nodes.

Gustavo C. Martins, Alfonso Urso외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 28.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 RF 에너지 수확기, 저전력 송신기, 최적화된 수신기를 통합한 공동 설계된 에너지 효율적인 무선 센서 노드 시스템을 제안한다. 1 µW에서 1 mW의 입력 전력 수준 전역에서 높은 에너지 효율성을 달성하기 위해 안테나-전자공학 공동 설계, 피크 효율 82%의 차징 펌프 정류기, 0.28 mW의 sub-GHz UWB 송신기를 조합함으로써 지속적인 운영을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, we present techniques and examples to reduce power consumption and increase energy efficiency of autonomous Wireless Sensor Nodes (WSNs) for the Internet of Things. We focus on the RF Energy Harvester (RFEH), the data receiver and the transmitter, all of which have a large impact on the device cost, lifetime and functionality. Co-design of the antenna and the electronics is explored to boost the power conversion efficiency of the RF-DC converter. As a proof of principle, a charge pump rectifier is designed, and its measurement results are presented. To boost the rectifier output voltage, a DC-DC converter that employs maximum power point tracking has been designed. A prototype circuit is also presented that can accommodate an input power level range of 1 {\mu}W to 1 mW and offers peak efficiencies of 76.3% and 82% at 1 {\mu}W and 1 mW, respectively. The co-design principle is also used at the receiver side where the antenna-electronics interface is optimized. It is shown how this technique allows improving the noise figure of the Low Noise Amplifier (LNA) without sacrificing power consumption. As a low power alternative to narrow-band wireless transmission, sub-GHz ultra-wideband is proposed. As a proof of principle, the design of a novel low-power sub-GHz Ultra-Wide-Bandwidth (UWB) transmitter which consumes only 0.28 mW is presented. Its working principle is verified by means of circuit simulations and measurements. The low power nature of the transmitter and receiver principles, combined with the power efficient RF-DC converter paves the way towards the continuous operation of a WSN.

연구 동기 및 목표

• 비효율적인 에너지 수확 및 통신 회로로 인한 수명이 짧고 비용이 높은 자율 IoT 무선 센서 노드의 문제를 해결한다.
• 기능성이나 데이터 신뢰성에 손상을 주지 않으면서 핵심 구성 요소인 RF 에너지 수확기, 송신기, 수신기의 전력 소비를 줄인다.
• 1 µW에서 1 mW까지 넓은 입력 전력 다이나믹 레인지에서 에너지 효율을 극대화하여 무선 센서 노드의 지속적인 운영을 가능하게 한다.
• 에너지 수확 및 수신 모두에서 노이즈 피치와 전력 변환 효율을 향상시키기 위해 안테나와 전자기기 간의 인터페이스를 최적화한다.

제안 방법

• RF 에너지 수확기에서 RF-DC 전력 변환 효율을 향상시키기 위해 안테나-전자공학 공동 설계를 구현한다.
• 다양한 입력 전력 수준에서 출력 전압을 향상시키고 효율을 개선하기 위해 최대 출력 전력 추적(MPPT) 기능을 갖춘 차징 펌프 정류기를 설계한다.
• 1 µW에서 1 mW의 입력 전력 범위에서 안정된 출력 전압을 유지하기 위해 MPPT 기능을 갖춘 DC-DC 컨버터를 통합한다.
• 저소음 증폭기(LNA)의 노이즈 피치를 안테나와 LNA의 공동 설계를 통해 최적화하여 저전력 소비를 유지한다.
• 회로 수준 최적화를 통해 저전력 작동을 실현한 0.28 mW의 신규 sub-GHz 초광대역(UWB) 송신기를 개발한다.
• 정류기 및 UWB 송신기 등의 프로토타입 구성 요소에 대한 회로 시뮬레이션과 측정 결과를 통해 시스템을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안테나-전자공학 공동 설계는 IoT 센서 노드에서 RF 에너지 수확의 에너지 효율을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 1 µW에서 1 mW까지 넓은 입력 전력 범위에서 차징 펌프 정류기의 실현 가능한 효율은 얼마인가?
• RQ3 MPPT 기능을 갖춘 DC-DC 컨버터는 저전력 RF 수확에서 전력 손실을 최소화하면서도 높은 출력 전압 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 수신기 프론트엔드의 공동 설계를 통해 노이즈 피치를 얼마나 낮출 수 있으며, 전력 소비 증가는 없이 가능한가?
• RQ5 에너지 제약이 있는 센서 노드에서 sub-GHz UWB를 사용해 신뢰성 있고 저전력의 데이터 전송을 달성하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 차징 펌프 정류기는 1 µW 입력 전력에서 76.3%의 피크 효율, 1 mW 입력 전력에서 82%의 피크 효율을 달성하여 저전력 조건에서도 높은 성능을 입증한다.
• MPPT 기능을 갖춘 통합 DC-DC 컨버터는 1 µW에서 1 mW까지의 입력 전력 범위에서 안정된 출력 전압을 제공하여 에너지 제약 환경에서의 신뢰성 있는 운영을 지원한다.
• 안테나와 LNA의 공동 설계를 통해 전력 소비를 증가시키지 않으면서도 노이즈 피치를 향상시켜 수신기 감도를 향상시킨다.
• 제안된 sub-GHz UWB 송신기는 시뮬레이션과 측정 결과를 통해 단지 0.28 mW의 소비 전력만을 차지함을 확인하여 저전력 무선 데이터 전송을 가능하게 한다.
• 고효율 RF-DC 변환, 저전력 전송, 최적화된 수신기 설계의 조합을 통해 자율 무선 센서 노드의 지속적인 운영이 가능해진다.