This thesis presents a reconfigurable DC-DC converter for maximum thermoelectric generator (TEG) energy-harvesting in a battery-powered duty-cycling wireless sensor node (WSN). The converter operates in single-inductor dual-output (SIDO) boost and buck modes using a single-shared inductor. Battery-TEG pile-up buck (BTPB) and dual-phase buck-boost (DPBB) modes are proposed to maximize power extraction from the TEG. Implemented in a 65-nm CMOS process, the SIDO boost converter supplies a regulated output voltage and charges a battery in a time-multiplexing method balanced by load current. It achieves the peak end-to-end efficiency of 88.5 % and 81.1 % at maximum load condition and at no load condition, respectively. The battery-supplied buck converter achieves the peak efficiency of 93.3 %. The combination of BTPB and DPBB modes achieves up to 44 % saving in battery power by the concurrent TEG power harvesting.
본 논문에서는 열전 발전기의 에너지 하베스팅을 극대화하기 위해 배터리 기반의 듀티 사이클링 무선 센서 노드용 가변 구조형 직류-직류 컨버터를 제안한다. 이 컨버터는 단일 인덕터를 사용하여 단일 입력 이중 출력 부스트 컨버터와 벅 컨버터로 구성되어 동작한다. 열전 발전기로부터 최대 전력을 추출하기 위해 배터리와 열전 발전기의 쌓인 구조의 벅 컨버터 (battery-TEG pile-up buck, BTPB)와 2상 벅-부스트 컨버터 (dual-phase buck-boost, DPBB)가 제안되었다. 65nm CMOS 공정으로 구현한, 단일 입력 이중 출력 부스트 컨버터는 시간-다중화 (time-multiplexing) 방식으로 정격 출력 전압을 공급하고 동시에 부하 전류에 따라 배터리를 충전한다. 단일 입력 이중 출력 부스트 컨버터는 최대 부하 조건에서 88.5 %와 무부하 조건에서 81.1 %의 최대 end-to-end 효율을 달성하였다. 배터리로부터 전력을 공급받는 벅 컨버터는 최대 93.3 %의 효율을 달성하였다. 배터리와 열전 발전기의 쌓인 구조의 벅 컨버터 (BTPB)와 2상 벅-부스트 컨버터 (DPBB)의 조합은 열전 발전기의 전력을 사용함으로써 배터리의 전력을 44 %까지 절약하였다.
