1. MSNC (Multi-Harvested Self Powered Sensor Node Circuit )
서요한
이명한
정성현

2. Contents
1. System Block Diagram
2. Research
3. Schedule
4. Reference

3. 1. System Block Diagram

4. System Block Diagram Solar PMU LDO Temp Sensor LDO Vibration AC/DC SAR
ADC
Sensor Node

5. System Block Diagram Spec
Input
2.6v 2v
LDO
Solar out
0~2.25v(10Klux)
PZT out
2.9v(Open Circuit)
LDO out
1.9v
Temp Sensor out
0.67~1.14v
SAR ADC
10Bit

6. 2. Research

7. Solar Cell _ Circuit

8. Solar Cell (R-P) _ Simulation
Vout = 0~2.4V

9. PZT & AC/DC _ Circuit

10. PZT & AC/DC _ Circuit

11. Comparator spec. Gain 62.5dB 3dB freq 15.6kHz UGF 1.75M CMRR 96dB
PSRR+
90dB
PSRR-
95dB
ICMR
1.35~2.85V
Current consumption
2.25uA

12. PZT & AC/DC Convertor _ Simulation
Vp-p=2mV
Vout = 2.9v

13. LDO _ Circuit

14. LDO Amp spec. Gain 66.8dB 3dB freq 186kHz UGF 390K PM 90(Deg) CMRR
PSRR+
63dB
PSRR-
41.5dB
ICMR
0~1.3V
Current consumption
1.52uA

15. LDO with Wide-swing _ Circuit

16. LDO with Wide-swing _ Simulation

17. LDO with Wide-swing (PZT) _ Circuit
3uA

18. LDO with Wide-swing (PZT) _ Simulation
Vout = 2v

19. LDO with Wide-swing (SC)_ Simulation

20. LDO with Wide-swing (SC)_ Simulation
Vout = 2v
LDO output 2v 출력

21. PMU(S/W)

22. PMU(S/W)
Vref = 760mV

23. PMU(S/W) total simulation

24. PMU(S/W) total simulation(SC)
VDD
LDO out
PMU out

25. PMU(S/W) total simulation(SC)
T = 1m
VDD
LDO out
PMU out

26. PMU(S/W) total simulation(PZT)
VDD
LDO out
PMU out

27. PMU(S/W) total simulation(PZT)
VDD
LDO out
PMU out

28. PMU(S/W) total simulation (PZT)
3K -> 15K

29. PMU(S/W) total simulation (PZT)
VDD
LDO out
PMU out

30. PMU(S/W) total simulation (PZT)
T = 50m
VDD
LDO out
PMU out

31. Temp Sensor _ Test

32. Temp Sensor _ Test

33. Temp Sensor _ Test _ result
100도 = 1.185V
-50도 = 0.713V
V범위 = 0.471V
Vref
= 1.2V, 0.9V, 0.6V

34. Temp Sensor _ Current consumption
= 16.56uA

35. PTAT _ Circuit
Start-up-circuit

36. PTAT amplifier _ Circuit

37. PTAT _ Current consumption
= 12.6uA

38. BGR _ Circuit

39. BGR _ amp circuit

40. BGR _ Simulation
Vref = 1.2V , 0.9V , 0.6V 확인

41. BGR _ Current consumption
= 3.91uA

42. Clock generator _ Circuit① ② ③ ④ ⑤ 16 17 ⑪ ⑫ ⑬ ⑭ ⑮ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ 18 19
No.
1~5
6~10
11~15
16~19
W/L
800n/15u
800n/45u
50u/50u
1u/1u
Ring Oscilator를 이용하여 SAR ADC에 필요한 clock 생성

43. Clock generator _ Test

44. Clock generator _ Simulation
주파수 :14.294KHz
PMU에 출력 파형을 토대로 동작 주파수 재설계 예정

45. Clock generator _ Resulttt
-50도
27도
110도
1.5V
23.4KHz
23.5KHz
23.6KHz
1.8V
45.7KHz
39.5KHz
36.2KHz
2.2V
76.3KHz
64.1KHz
53.8KHz
27도 ss tt ff
1.5V
16.7KHz
23.5KHz
31.9KHz
1.8V
30.5KHz
39.5KHz
50.3KHz
2.2V
51.3KHz
64.1KHz
75.2KHz
VDD가 클수록 주파수가 높다
ff, tt, ss 공정 순서로 주파수가 높다

46. Clock generator _ Resulttt
-50도
27도
110도
1.5V
851.5n
894.4n
984.9n
1.8V
2.023u
1.942u
1.999u
2.2V
4.647u
4.229u
4.114u
27도 ss tt ff
1.5V
579n
894.4n
1.366u
1.8V
1.335u
1.942u
2.851u
2.2V
3.011u
4.229u
6.01u
단위 : A
단위 : A
VDD가 클수록 전류소모가 크다
ff, tt, ss 공정 순서로 전류소모가 크다.
평균적으로 2.44uA의 전류를 소모한다.
주파수가 낮을 수록 낮은 전류를 소모한다.

47. Comparator _ Circuit
Clocked Comparator
Clock에 따라 비교 동작을 수행

48. Comparator _ Test

49. Comparator _ Simulation
Clock이 high일 때 신호를 비교하여 출력한다.

50. SAR Logic _ Circuit 쉬프트 레지스터 컨트롤 로직
4-bit SAR LOGIC 상단 쉬프트 레지스터와 하단 컨트롤 로직 부분으로 구성
positive edge일 때 D-FF이 동작한다.

51. SAR Logic _ Test

52. SAR Logic _ Simulation 1 1 초기화 11 1
초기화
SAMPLE값이 0일 때는 SAR LOGIC 초기화(sampling mode),1일 때 비교 동작
Clock에 따라 Comp값이 저장되고 sampling이 0일 때는 초기화됨

53. SAR Logic _ Simulation 단위 : nA 단위 : nA 온도,VDD,공정 상태마다 정상 작동 확인tt
-50도
27도
110도
1.5V
0.793
0.823
1.474
1.8V
0.968
1.003
1.728
2.2V
1.208
2.108
27도 ss tt ff
1.5V
0.823
0.862
1.8V
1.009
1.003
1.053
2.2V
1.258
1.325
단위 : nA ff
-50도
27도
110도
1.5V
0.785
0.862
13.76
1.8V
0.956
1.053
16.88
2.2V
1.192
1.325
22.07
단위 : nA
온도,VDD,공정 상태마다 정상 작동 확인
0.785nA~22.07nA의 전류 소모를 보임
ff & 110도 일때 전류소모가 급격히 커짐

54. SAR ADC_circuit

55. SAR ADC_test
4-Bit SAR ADC
VPTAT = 900m

56. SAR ADC_simulation(1)
DAC 출력 파형
차동 입력 값을
비교하여 검은색
기준으로 값을
얻는다.

57. SAR ADC_simulation(2) 1 ADC 출력 값 =1000(2) 1bit의 전압 크기 = 600m/24
= 37.5m/bit
ADC 출력 변환
=37.5*8m+600m
=900m
입력과 같음 1

58. 3. Schedule

59. Schedule 3월 4월 5월 6월 7월 8월 9월 10월 11월 회로 설계 레이아웃 IC칩 제작 PCB 설계 PCB 제작
결과 측정
논문 작성

60. 4. Reference

61. Reference
[1] 서동현, 조용민, 우대건 “Sensor Node Circuits with Solar Energy Harvesting” 인천대 학 사논문, 2013
[2] 윤대원 “Energy Harvesting" 사이언스지, 2011
[3] 이수진, 김상우, 함영복 “압전에너지 하베스팅 기술동향 및 전망” KISTI 2013정보분석보고서, 2013
[4] 윤은정 “Design of Triple-input Energy Harvesting Circuit with MPPT Control” 인천대 석사논문, 2012
[5] 컴퓨터인터넷IT용어대사전, 전산용어사전편찬위원회, 일진사 2011
[6] 유종근 “Power Management Unit for Self-Powered Systems Based on Solar Energy Harvesting"
[7] Daniela De Venuto and Eduard Stikvoort "Low Power High-Resolution Smart Temperature Sensor for Autonomous Multi-Sensor System" IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 12
[8] Olena Shvaichenko “METHODS OF DESIGNING ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTERS” IHP, 2011

62. Thank you~