KR20220000743A - Rectifier having schottky diode - Google Patents

Rectifier having schottky diode Download PDF

Info

Publication number
KR20220000743A
KR20220000743A KR1020200078768A KR20200078768A KR20220000743A KR 20220000743 A KR20220000743 A KR 20220000743A KR 1020200078768 A KR1020200078768 A KR 1020200078768A KR 20200078768 A KR20200078768 A KR 20200078768A KR 20220000743 A KR20220000743 A KR 20220000743A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
matching network
rectifier
schottky diode
parallel
capacitor
Prior art date
Application number
KR1020200078768A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이승훈
고민호
서철헌
오녹덕
남형석
이호진
Original Assignee
한화시스템 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한화시스템 주식회사 filed Critical 한화시스템 주식회사
Priority to KR1020200078768A priority Critical patent/KR20220000743A/en
Publication of KR20220000743A publication Critical patent/KR20220000743A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38Impedance-matching networks
    • H03H7/40Automatic matching of load impedance to source impedance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

According to the present invention, disclosed is a rectifier which comprises an RF power source, a matching network, a Schottky diode and a load. The Schottky diode comprises a spare current source connected in parallel between an anode terminal and a cathode terminal, a junction resistor and a junction capacitor.

Description

쇼트키 다이오드를 구비하는 정류기{Rectifier having schottky diode}Rectifier having schottky diode

본 발명은 정류기에 관한 것으로, 특히 이식용 의료 장치(Medical Implant Devices; MIDs)의 무선 전력 전송을 위한 정류기에 관한 것이다.The present invention relates to a rectifier, and more particularly, to a rectifier for wireless power transmission of medical implant devices (MIDs).

모바일 폰, 태블릿 PC, 이식용 의료 장치 등 다양한 디바이스들이 재충전 가능한 배터리를 통해 전력이 공급된다. 이러한 디바이스들은 물리적으로 접속되는 케이블 등을 통해 외부로부터 전력을 공급받아 배터리를 충전한다. 그런데, 케이블을 통한 충전은 종종 불편하거나 거추장스러운 등의 단점을 가지고 있다. 이에 따라, 케이블 등을 이용하지 않고 디바이스를 충전할 수 있는 무선 전력 전송 장치가 개발되고 있다A variety of devices, including mobile phones, tablet PCs, and implantable medical devices, are powered by rechargeable batteries. These devices receive power from the outside through a physically connected cable or the like to charge a battery. However, charging through a cable often has disadvantages such as inconvenient or cumbersome. Accordingly, a wireless power transmission device capable of charging a device without using a cable or the like has been developed.

한편, 이식형 의료 장치는 인체에 삽입되는 의료 장치를 의미하며, 최근 질병의 진단 및 치료를 위해 활용되고 있다. 이러한 이식형 의료 장치는 뇌 심부 자극술(Deep brain stimulation, DBS)에 이용되는 뇌 심부 자극계, 심박 조율기(Pacemaker), 삽입형 심실 제세동기(Implantable Cardioverter Defibrillator, ICD) 및 신경자극기(Neurostimulator)를 포함할 수 있다. 이러한 이식형 의료 장치는 인체에 장기간 삽입되어 질병을 감지하거나, 병의 증상을 완화시킬 수 있다.Meanwhile, an implantable medical device refers to a medical device that is inserted into the human body, and has recently been utilized for diagnosis and treatment of diseases. These implantable medical devices may include deep brain stimulation systems used in deep brain stimulation (DBS), pacemakers, implantable cardioverter defibrillators (ICDs), and neurostimulators. can Such an implantable medical device may be inserted into the human body for a long period of time to detect a disease or alleviate symptoms of the disease.

이식형 의료장치가 체내에서 작동하기 위해서는 이식형 의료 장치에 지속적으로 전력을 제공해야 한다. 그런데, 이식형 의료 장치는 유선 충전이 위험성이 있으며, 그에 따라 무선으로 충전하는 것이 더 안전하다.In order for an implantable medical device to work in the body, it must continuously provide power to the implantable medical device. However, for implantable medical devices, wired charging is risky, and wireless charging is therefore safer.

근래에, 산업, 과학, 의료용 기기에 사용하기 위해 지정된 주파수 대역, 즉 ISM 대역(Industrial, Scientific and Medical band)의 무선 전력 수신기를 위하여 정류기 설계는 이식형 의료 장치 내부의 중요한 모듈처럼 가능성 있는 고려사항으로 받아들여져 있다[비특허문헌 1]. 또한, RF-DC 변환 효율은 MIDs의 배터리 용량을 확장하기 위한 중요한 요소 중의 하나이다[비특허문헌 2].In recent years, for wireless power receivers in the ISM band (Industrial, Scientific and Medical band), a frequency band designated for use in industrial, scientific, and medical devices, the design of a rectifier is a potential consideration, such as an important module inside an implantable medical device. has been accepted as [Non-Patent Document 1]. In addition, RF-DC conversion efficiency is one of the important factors for expanding the battery capacity of MIDs [Non-Patent Document 2].

넓은 입력전력 범위에서 높은 정류 효율을 얻기 위하여, 여러 기술들이 존재한다. 비특허문헌 3에는 스위치처럼 N-FET의 공핍 모드를 활용하여 100㎒ 정류기가 -14㏈m부터 21㏈m의 입력전력 범위로 확장될 수 있음을 제시하였다. 비특허문헌 4는 최적의 파형분석에 기초하여 정류기 효율이 -6㏈m일 때 58%까지 도달하는 결과로 개선되었다. 삼중대역의 이식형 정류 안테나가 제안된 비특허문헌 5에도 무선 전력전송을 위해 433㎒ 정류기가 사용되었다. 비특허문헌 6에서, 입력전력이 -5㏈m일 때 44%로 최대 효율(시뮬레이션 값)을 갖는 2.45㎓ 정류기가 이식형 정류 안테나를 위해 설계되기도 했다. 비특허문헌 7에는 일반적인 정류기와 비교했을 때, 7.2㏈만큼 향상된 광대역 입력 전력을 위한 확장 기술이 제안되었다.In order to obtain high rectification efficiency in a wide input power range, several techniques exist. Non-Patent Document 3 suggests that a 100 MHz rectifier can be extended to an input power range of -14 dBm to 21 dBm by utilizing the depletion mode of an N-FET like a switch. Non-Patent Document 4 was improved as a result of reaching up to 58% when the rectifier efficiency was -6 dBm based on the optimal waveform analysis. A 433 MHz rectifier was used for wireless power transmission even in Non-Patent Document 5, in which a triple-band implantable rectifying antenna was proposed. In Non-Patent Document 6, a 2.45 GHz rectifier having a maximum efficiency (simulation value) of 44% when the input power is -5 dBm is also designed for an implantable rectifying antenna. In Non-Patent Document 7, compared with a general rectifier, an extension technique for wideband input power improved by 7.2 dB has been proposed.

그러나, 이 설계에서 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)의 전류파형 정류는 드물게 설명되지만, 비특허문헌 8에서 지적한 것처럼 그 정류는 출력 직류와 정류기의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 도 1(a) 및 도 1(b)는 각각 433㎒ 및 2.45㎓의 정류 전류 파형도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 433㎒일 때 반파 정류의 순방향 역방향간의 전류비가 2.45㎓일 때보다 크다. 그러므로 데이터시트에서 쇼트키 다이오드의 동작 주파수가 언급되지 않았을 때 시간 축(time domain) 쇼트키 다이오드 모델링이 필요하다. 또한, 압축된 사이즈와 높은 효율을 갖기 위해서 433㎒의 파장이 길기 때문에 매칭 네트워크(matching network)에서의 분산 소자는 적절하지 않다.However, although the current waveform rectification of a Schottky diode in this design is rarely described, as pointed out in Non-Patent Document 8, the rectification may reduce the output DC and the efficiency of the rectifier. 1(a) and 1(b) are rectified current waveform diagrams of 433 MHz and 2.45 GHz, respectively. As shown in FIG. 1, when 433 MHz, the current ratio between the forward and reverse directions of half-wave rectification is greater than when 2.45 GHz. . Therefore, time domain Schottky diode modeling is necessary when the operating frequency of the Schottky diode is not mentioned in the datasheet. In addition, since the wavelength of 433 MHz is long in order to have a compressed size and high efficiency, a distributed element in a matching network is not suitable.

한국공개특허 제10-2019-0035753호Korean Patent Publication No. 10-2019-0035753

[1] Z. Liu, Z. Zhong, and Y. Guo, “In Vivo High-Efficiency Wireless Power Transfer With Multisine Excitation,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.65, no.9, pp.3530-3540, Sep. 2017.[1] Z. Liu, Z. Zhong, and Y. Guo, “In Vivo High-Efficiency Wireless Power Transfer With Multisine Excitation,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.65, no.9, pp.3530- 3540, Sep. 2017. [2] G. Monti, M. V. D. Paolis, L. Corchia, and L. Tarricone, “Wireless resonant energy link for pulse generators implanted in the chest,” Antennas Propagation IET Microwaves, vol.11, no.15, pp.2201-2210, 2017.[2] G. Monti, MVD Paolis, L. Corchia, and L. Tarricone, “Wireless resonant energy link for pulse generators implanted in the chest,” Antennas Propagation IET Microwaves, vol.11, no.15, pp.2201- 2210, 2017. [3] H. Sun, Z. Zhong, and Y. Guo, “An Adaptive Reconfigurable Rectifier for Wireless Power Transmission,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.23, no.9, pp.492-494, Sep. 2013.[3] H. Sun, Z. Zhong, and Y. Guo, “An Adaptive Reconfigurable Rectifier for Wireless Power Transmission,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.23, no.9, pp.492-494, Sep. 2013. [4] A. Collado and A. Georgiadis, “Optimal Waveforms for Efficient Wireless Power Transmission,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.24, no.5, pp.354-356, May 2014.[4] A. Collado and A. Georgiadis, “Optimal Waveforms for Efficient Wireless Power Transmission,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.24, no.5, pp.354-356, May 2014. [5] F. Huang, C. Lee, C. Chang, L. Chen, T. Yo, and C. Luo, “Rectenna Application of Miniaturized Implantable Antenna Design for Triple-Band Biotelemetry Communication,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.59, no.7, pp.2646-2653, Jul. 2011.[5] F. Huang, C. Lee, C. Chang, L. Chen, T. Yo, and C. Luo, “Rectenna Application of Miniaturized Implantable Antenna Design for Triple-Band Biotelemetry Communication,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation , vol.59, no.7, pp.2646-2653, Jul. 2011. [6] C. Liu, Y. Guo, H. Sun, and S. Xiao, “Design and Safety Considerations of an Implantable Rectenna for Far-Field Wireless Power Transfer,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.62, no.11, pp.5798-5806, Nov. 2014.[6] C. Liu, Y. Guo, H. Sun, and S. Xiao, “Design and Safety Considerations of an Implantable Rectenna for Far-Field Wireless Power Transfer,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.62, no .11, pp.5798-5806, Nov. 2014. [7] P. Wu, S. Y. Huang, W. Zhou, Z. H. Ren, Z. Liu, K. Huang, and C.Liu,“High-Efficient Rectifier With Extended Input Power Range Based on Self-Tuning Impedance Matching,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.28, no.12, pp.1116-1118, Dec. 2018.[7] P. Wu, SY Huang, W. Zhou, ZH Ren, Z. Liu, K. Huang, and C. Liu, “High-Efficient Rectifier With Extended Input Power Range Based on Self-Tuning Impedance Matching,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.28, no.12, pp.1116-1118, Dec. 2018. [8] T. Funaki, T. Kimoto, and T. Hikihara, “Evaluation of High Frequency Switching Capability of SiC Schottky Barrier Diode, Based on Junction Capacitance Model,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol.23, no.5, pp.2602-2611, Sep. 2008.[8] T. Funaki, T. Kimoto, and T. Hikihara, “Evaluation of High Frequency Switching Capability of SiC Schottky Barrier Diode, Based on Junction Capacitance Model,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol.23, no.5, pp.2602-2611, Sep. 2008. [9] J. Ou, S. Y. Zheng, A. S. Andrenko, Y. Li, and H. Tan, “Novel Time-Domain Schottky Diode Modeling for Microwave Rectifier Designs,” IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol.65, no.4, pp.1234-1244, Apr. 2018.[9] J. Ou, SY Zheng, AS Andrenko, Y. Li, and H. Tan, “Novel Time-Domain Schottky Diode Modeling for Microwave Rectifier Designs,” IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol.65 , no. 4, pp. 1234-1244, Apr. 2018.

본 발명은 무선 전력 전송을 위한 시간 축(time domain) 쇼트키 다이오드를 구비하는 정류기를 제공한다.The present invention provides a rectifier having a time domain Schottky diode for wireless power transmission.

본 발명은 입력 매칭 네트워크(matching network)의 Q 팩터(factor)를 정수 소자를 이용함으로써 효율을 개선할 수 있는 정류기를 제공한다.The present invention provides a rectifier capable of improving the efficiency by using an integer element for the Q factor of an input matching network.

본 발명의 제 1 양태에 따른 정류기는 RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고, 상기 쇼트키 다이오드는 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 병렬 연결된 예비 전류원, 접합 저항 및 접합 캐패시터를 포함한다.A rectifier according to a first aspect of the present invention comprises an RF power source, a matching network, a Schottky diode and a load, wherein the Schottky diode comprises a spare current source connected in parallel between an anode terminal and a cathode terminal, a junction resistor and a junction capacitor. .

상기 매칭 네트워크와 상기 쇼트키 다이오드 사이에 연결된 직렬 저항을 더 포함한다.and a series resistor coupled between the matching network and the Schottky diode.

상기 쇼트키 다이오드는 입력 전력이 증가할수록 전류는 감소하고 포화 출력 직류 전압은 증가한다.In the Schottky diode, as the input power increases, the current decreases and the saturated output DC voltage increases.

상기 쇼트키 다이오드는 12dBm의 입력 전력에서 전류가 -3mA이고 포화 출력 직류 전압이 3.7V이다.The Schottky diode has a current of -3mA and a saturated output DC voltage of 3.7V at an input power of 12dBm.

본 발명의 제 2 양태에 따른 정류기는 RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고, 상기 매칭 네트워크는 RF 전원과 직렬 연결된 제 1 인덕터와, RF 전원과 병렬 연결된 제 1 및 제 2 캐패시터를 포함한다.A rectifier according to a second aspect of the present invention includes an RF power source, a matching network, a Schottky diode, and a load, wherein the matching network includes a first inductor connected in series with the RF power source, and first and second capacitors connected in parallel with the RF power source includes

상기 매칭 네트워크는 제 2 캐패시터와 병렬 연결된 제 2 인덕터를 더 포함G한다.The matching network further includes a second inductor connected in parallel with the second capacitor.

본 발명의 제 3 양태에 따른 정류기는 RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고, 상기 매칭 네트워크는 직렬 연결된 제 1 캐패시터 및 제 1 인덕터를 포함하는 직렬 LC 회로와, 병렬 연결된 제 2 캐패시터 및 제 2 인덕터를 포함하는 병렬 LC 회로를 포함하며, 상기 직렬 LC 회로와 상기 병렬 LC 회로가 병렬 연결된다.A rectifier according to a third aspect of the present invention comprises an RF power source, a matching network, a Schottky diode and a load, wherein the matching network comprises a series LC circuit comprising a first capacitor and a first inductor connected in series, and a second parallel connected second and a parallel LC circuit including a capacitor and a second inductor, wherein the series LC circuit and the parallel LC circuit are connected in parallel.

상기 매칭 네트워크는 433㎒의 주파수에서 Q 팩터와 전송 손실은 최대가 되고, 반사 손실은 최소가 된다.In the matching network, the Q factor and transmission loss are maximized at a frequency of 433 MHz, and the return loss is minimized.

상기 매칭 네트워크는 433㎒의 주파수에서 Q 팩터가 10 내지 12이고, 전송 손실은 -23㏈ 내지 -25㏈이며, 반사 손실은 0㏈ 내지 -1㏈이다.The matching network has a Q factor of 10 to 12 at a frequency of 433 MHz, a transmission loss of -23 dB to -25 dB, and a return loss of 0 dB to -1 dB.

본 발명의 제 4 양태에 따른 정류기는 RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고, 상기 쇼트키 다이오드는 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 병렬 연결된 예비 전류원, 접합 저항 및 접합 캐패시터를 포함하며, 상기 매칭 네트워크는 RF 전원과 직렬 연결된 제 1 인덕터와, RF 전원과 병렬 연결된 제 1 및 제 2 캐패시터를 포함한다.A rectifier according to a fourth aspect of the present invention comprises an RF power source, a matching network, a Schottky diode and a load, wherein the Schottky diode comprises a spare current source connected in parallel between an anode terminal and a cathode terminal, a junction resistor and a junction capacitor, , the matching network includes a first inductor connected in series with the RF power supply, and first and second capacitors connected in parallel with the RF power supply.

상기 매칭 네트워크와 상기 쇼트키 다이오드 사이에 연결된 직렬 저항을 더 포함한다.and a series resistor coupled between the matching network and the Schottky diode.

상기 매칭 네트워크는 제 2 캐패시터와 병렬 연결된 제 2 인덕터를 더 포함한다.The matching network further includes a second inductor connected in parallel with the second capacitor.

상기 쇼트키 다이오드는 12dBm의 입력 전력에서 전류가 -3mA이고 포화 출력 직류 전압이 3.7V이다.The Schottky diode has a current of -3mA and a saturated output DC voltage of 3.7V at an input power of 12dBm.

입력 전력 범위가 -6.8dBm 내지 12.1dBm이다.The input power range is -6.8dBm to 12.1dBm.

TLC-32 기판 상에 구현되며, 1.1㎝×0.4㎝의 크기를 갖는다.It is implemented on a TLC-32 substrate and has a size of 1.1 cm×0.4 cm.

본 발명은 마이크로웨이브 쇼트키 다이오드(microwave Schottky Diode)를 시간 축(time domain)에서 설계함으로써, 각각의 입력 전력에서 전류 파형이 정해지고 흐를 때 높은 입력 전력의 범위에서 직류 전압과 최적의 입력 저항을 얻을 수 있다. 즉, 쇼트키 다이오드를 시간 축에서 설계함으로써 중심 주파수에서의 다이오드 주기에 따라 약 12.1dBm의 최대 직류 출력 전압을 가질 수 있다. In the present invention, by designing a microwave Schottky diode in the time domain, a DC voltage and optimum input resistance are obtained in a high input power range when a current waveform is determined and flowed at each input power. can be obtained That is, by designing the Schottky diode on the time axis, it can have a maximum DC output voltage of about 12.1 dBm according to the diode period at the center frequency.

또한, 입력단에서 병렬 캐패시터가 직렬, 병렬 인덕터와 연결되어 매칭 네트워크(matching network)의 Q 팩터(factor)를 개선시킬 수 있다. 따라서, 넓은 입력 전력 범위에서 전력 손실을 줄일 수 있고, 정류 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the parallel capacitor is connected to the series and parallel inductors at the input terminal to improve the Q factor of the matching network (matching network). Accordingly, power loss can be reduced in a wide input power range, and rectification efficiency can be improved.

그리고, 본 발명은 시간축 쇼트키 다이오드와 매칭 네트워크의 Q 팩터가 변환 효율 50%가 넘는 입력 전력 범위를 -6.8dBm부터 12.1dBm까지 확장시킬 수 있다. 또한, 의료용 이식 장치에 통합하기 적합한 유한 무부하 Q 팩터 정류 소자를 이용함으로써 정류기의 사이즈를 축소시킬 수 있다.In addition, the present invention can extend the input power range in which the Q factor of the time-base Schottky diode and the matching network exceeds 50% of conversion efficiency from -6.8 dBm to 12.1 dBm. In addition, the size of the rectifier can be reduced by using a finite no-load Q-factor rectifying element suitable for integration into medical implants.

도 1은 433㎒ 및 2.45㎓의 정류 전류 파형도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시간 축 쇼트키 다이오드를 구비하는 정류기의 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시간 축 쇼트키 다이오드의 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정류기의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 매칭 네트워크와 일반적인 매칭 네트워크를 각각 적용한 정류기 회로의 특성을 비교한 그래프.
도 6은 비교 예에 따른 일반적인 매칭 네트워크를 적용한 정류기의 회로도.
도 7은 매칭 네트워크와 시간 축 쇼트키 다이오드를 적용한 433㎒ 정류기의 DC 전압과 효율의 시뮬레이션 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 시간 축 쇼트키 다이오드를 구비하는 정류기의 구현 예와 실험 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 433㎒의 입력 전력에서 -13dBm부터 14dBm의 범위일 때 측정된 효율과 정류기의 직류 전압을 나타낸 그래프.
1 is a waveform diagram of a rectified current of 433 MHz and 2.45 GHz;
2 is a circuit diagram of a rectifier having a time-base Schottky diode according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram of a time-axis Schottky diode according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a simulation result of a rectifier according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph comparing characteristics of a rectifier circuit to which a matching network according to the present invention and a general matching network are respectively applied;
6 is a circuit diagram of a rectifier to which a general matching network according to a comparative example is applied.
7 is a simulation graph of DC voltage and efficiency of a 433 MHz rectifier to which a matching network and a time-axis Schottky diode are applied.
8 is a view for explaining an implementation example and an experimental method of a rectifier having a time axis Schottky diode according to the present invention.
9 is a graph showing the measured efficiency and the DC voltage of the rectifier in the range of -13 dBm to 14 dBm at an input power of 433 MHz;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art It is provided for complete information. In order to clearly express the various layers and each region in the drawings, the thickness was enlarged and the same reference numerals were used to refer to the same elements in the drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시간 축 쇼트키 다이오드를 구비하는 정류기의 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시간 축 쇼트키 다이오드의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a rectifier having a time axis Schottky diode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a circuit diagram of a time axis Schottky diode according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 정류기는 RF 전원(RFin), 매칭 네트워크(matching network)(100), 시간 축 쇼트키 다이오드(200) 및 부하(300)를 포함할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 정류기는 소정의 기판, 예를 들어 TLC-32 기판 상에 구현될 수 있으며, 의료용 이식 장치에 통합하기 적합한 1.5㎝×1.0㎝ 이하의 크기, 바람직하게는 1.1×0.4㎝의 크기를 가질 수 있다.2 and 3, the rectifier according to an embodiment of the present invention includes an RF power source (RFin), a matching network (matching network) 100, a time axis Schottky diode 200 and a load (300) can do. The rectifier according to the present invention can be implemented on a predetermined substrate, for example, a TLC-32 substrate, and has a size of 1.5 cm × 1.0 cm or less, preferably 1.1 × 0.4 cm, suitable for integration into a medical implantation device. can have

매칭 네트워크(100)는 임피던스 매칭을 위해 마련될 수 있다. 이러한 매칭 네트워크는 RF 전원(RFin)과 직렬 및 병렬 연결된 인덕터 및 캐패시터를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭은 RF 전원(RFin)로부터 전송되는 RF 전원의 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 캐패시터의 캐패시턴스를 조정하거나 인덕터의 인덕턴스를 조정함으로써 수행될 수 있다. 이러한 매칭 네트워크(100)는 예를 들어 RF 전원(RFin)과 병렬 연결된 제 1 및 제 2 캐패시터(C11, C12)와, RF 전원(RFin)과 직렬 연결된 제 1 인덕터(L11)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 캐패시터(C11, C12)는 제 1 인덕터(L11)를 사이에 두고 병렬 연결될 수 있다. 즉, 매칭 네트워크(100)는 제 1 인덕터(L11)와 제 1 및 제 2 캐패시터(C11, C12)가 파이(π) 형태로 연결될 수 있다. 또한, 매칭 네트워크(100)는 제 2 캐패시터(C12)와 병렬 연결된 제 2 인덕터(L12)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 캐패시터(C11, C12)는 동일 캐패시턴스를 갖고, 제 1 및 제 2 인덕터(L11, L12)는 다른 인덕턴스를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 캐패시터(C11, C12)는 5㎊ 내지 10㎊, 바람직하게는 6.8㎊의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 또한, 제 1 인덕터(L11)는 제 2 인덕터(L12)보다 큰 인덕턴스를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 인덕터(L11)는 60nH 내지 80nH, 바람직하게는 72nH의 인덕턴스를 갖고 제 2 인덕터(L12)는 20nH 내지 30nH, 바람직하게는 25nH의 인덕턴스를 가질 수 있다.The matching network 100 may be provided for impedance matching. The matching network may include inductors and capacitors connected in series and parallel with the RF power source RFin. Impedance matching may be performed by detecting a reflected wave of the RF power transmitted from the RF power source RFin, and adjusting the capacitance of the capacitor or the inductance of the inductor based on the detected reflected wave. The matching network 100 may include, for example, first and second capacitors C11 and C12 connected in parallel with the RF power source RFin, and a first inductor L11 connected in series with the RF power source RFin. . In this case, the first and second capacitors C11 and C12 may be connected in parallel with the first inductor L11 interposed therebetween. That is, in the matching network 100 , the first inductor L11 and the first and second capacitors C11 and C12 may be connected in a pi (π) shape. Also, the matching network 100 may further include a second inductor L12 connected in parallel with the second capacitor C12. Here, the first and second capacitors C11 and C12 may have the same capacitance, and the first and second inductors L11 and L12 may have different inductances. For example, the first and second capacitors C11 and C12 may have a capacitance of 5 pF to 10 pF, preferably 6.8 pF. Also, the first inductor L11 may have a greater inductance than the second inductor L12 . For example, the first inductor L11 may have an inductance of 60nH to 80nH, preferably 72nH, and the second inductor L12 may have an inductance of 20nH to 30nH, preferably 25nH.

시간 축 쇼트키 다이오드(200)는 매칭 네트워크(100)와 부하(300) 사이에 연결된다. 즉, 애노드 단자(Anode)가 매칭 네트워크(100)에 접속되고 캐소드 단자(Cathode)가 부하(300)에 연결될 수 있다. 이러한 시간 축 쇼트키 다이오드(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 서로 병렬 연결된 보조 전류원(210), 접합 저항(220) 및 접합 캐패시터(230)를 포함할 수 있다. 즉, 매칭 네트워크(100)와 부하(300) 사이에 보조 전류원(210)이 연결되고, 접합 저항(220)이 보조 전류원(210)과 병렬 연결되며, 접합 캐패시터(230)이 접합 저항(220)과 병렬 연결될 수 있다. 또한, 애노드 단자와 매칭 네트워크(100) 사이에 연결된 직렬 저항(240)을 더 포함할 수 있다. 즉, 직렬 저항(240)은 매칭 네트워크(100)와 애노드 단자(Anode) 사이에 직렬 연결될 수 있다.The time axis Schottky diode 200 is connected between the matching network 100 and the load 300 . That is, the anode terminal (Anode) may be connected to the matching network 100 , and the cathode terminal (Cathode) may be connected to the load 300 . The time-base Schottky diode 200 may include an auxiliary current source 210 , a junction resistor 220 , and a junction capacitor 230 connected in parallel to each other as shown in FIG. 3 . That is, the auxiliary current source 210 is connected between the matching network 100 and the load 300 , the junction resistor 220 is connected in parallel with the auxiliary current source 210 , and the junction capacitor 230 is connected to the junction resistor 220 . can be connected in parallel with In addition, a series resistor 240 connected between the anode terminal and the matching network 100 may be further included. That is, the series resistor 240 may be connected in series between the matching network 100 and the anode terminal (Anode).

부하(300)는 캐패시터(C12)와 저항(R11)을 포함할 수 있다. 이때, 캐패시터(C12)와 저항(R11)은 서로 병렬 연결될 수 있다.The load 300 may include a capacitor C12 and a resistor R11. In this case, the capacitor C12 and the resistor R11 may be connected in parallel to each other.

상기와 같은 정류기 회로에서 DC 포화 전압이 433㎒에서 다를 때 시간 축 설계는 마이크로웨이브 쇼트키 다이오드(Microwave Schottky Diode)의 최적의 임피던스를 얻기 위한 방법으로 적절하다. 정류기의 전류 파형과 직류 출력 사이의 관계는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. In the rectifier circuit as described above, when the DC saturation voltage is different at 433 MHz, the time axis design is appropriate as a method for obtaining the optimal impedance of the microwave Schottky diode. The relationship between the current waveform of the rectifier and the DC output can be expressed as Equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, IDC는 매칭 네트워크(100)와 부하 저항(R11)에 흐르는 직류 전류이다. Iin은 RF 전원(RFin)으로부터의 전류이고 Id는 쇼트키 다이오드(200)에 흐르는 전류이다. Ir과 Ic는 각각 쇼트키 다이오드(200)의 접합 저항(220)과 접합 캐패시터(230)를 통과하는 전류이다. 쇼트키 다이오드 전류(Id)의 파형을 더하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 단일 주파수의 전류 전원, 즉 보조 전류원(210)을 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 추가하였다. 각각의 입력 전력에서 직류 전압과 정류 효율은 다음과 같은 세 가지 단계로 얻을 수 있다. 1) 병렬 DC 캐패시터 매칭 네트워크를 제거하고 Id의 실효값을 구한다. 2) 단일 주파수 전류 전원에 Id을 더하고 실험한다. 3) 출력 직류 전압과 최적의 부하 저항에 근거하여 변환 효율이 정해진다.Here, I DC is a direct current flowing through the matching network 100 and the load resistor R11. I in is a current from the RF power source RFin and I d is a current flowing through the Schottky diode 200 . I r and I c are currents passing through the junction resistor 220 and the junction capacitor 230 of the Schottky diode 200 , respectively. In order to add the waveform of the Schottky diode current (I d ), as shown in FIG. 3 , a current power source of a single frequency, that is, an auxiliary current source 210 was added between the anode terminal and the cathode terminal. At each input power, DC voltage and rectification efficiency can be obtained in the following three steps. 1) Remove the parallel DC capacitor matching network and find the rms value of I d . 2) Add I d to the single frequency current power supply and perform the experiment. 3) The conversion efficiency is determined based on the output DC voltage and the optimum load resistance.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정류기의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프로서, 입력 전력(dBm)에 따른 쇼트키 다이오드 전류(Id)와 포화 출력 직류 전압(DC voltage)을 도시한 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이 입력 전력이 증가할수록 쇼트키 다이오드 전류(Id)는 감소하고 포화 출력 직류 전압은 증가한다. 그런데, 입력 전력이 12dBm에서 쇼트키 다이오드 전류(Id)가 -3mA이고 포화 출력 직류 전압이 3.7V이다.4 is a graph showing a simulation result of a rectifier according to an embodiment of the present invention, and is a graph showing a Schottky diode current (I d ) and a saturated output DC voltage (DC voltage) according to input power (dBm) . As shown in FIG. 4 , as the input power increases, the Schottky diode current I d decreases and the saturated output DC voltage increases. However, when the input power is 12dBm, the Schottky diode current (I d ) is -3mA and the saturation output DC voltage is 3.7V.

직류 출력 전압(VDC)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.The DC output voltage (V DC ) may be expressed as in Equation (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, IDC는 직류 출력 전류이고, RL은 부하 저항(R11)의 저항값이다. 정류 주기

Figure pat00003
가 To일 때 V'j는 접합 전압(Vj)의 DC 성분을 명시하고, RS는 직렬 저항(240)의 저항값이다. V'j는 수학식 3과 같이 같이 유도될 수 있다.Here, I DC is a DC output current, and R L is a resistance value of the load resistor R11. commutation cycle
Figure pat00003
When is To, V′ j specifies the DC component of the junction voltage V j , and R S is the resistance value of the series resistor 240 . V' j can be derived as in Equation 3.

Figure pat00004
Figure pat00004

Vbr는 다이오드의 항복 전압이다. 수학식 1에서 I'DC와 Id는 같은 표시이기 때문에 Id가 직렬 저항(240)에 흐를 때 직류 성분을 지시한다. 수학식 2 및 3은 정류기의 출력 VDC가 접합 전압 Vj와 중심 주파수에 대단히 의존한다는 것을 보여준다. 수학식 3을 이용하여 정류기의 최적 입력 임피던스가 확장될 수 있다. 왜냐하면, 입력 전력이 높을 때 정류기의 출력 전압 포화가 일반적인 쇼트키 다이오드의 최대 역전압으로부터 자유롭기 때문이다. 또한, V'j는 접합 전압 Vj의 DC 성분으로 주기 T0가 길어 주파수가 낮을 때 최대 DC 전압이 높고 VBR/2보다 높을 수 있음을 의미한다. 수학적 표현에서 VBR/2≤VDC<VBR이고, 다이오드 데이터 시트에 있는 마이크로파 주파수(본 설계에서는 HSMS-2850)에서 최대 DC 전압은 주파수가 2.45㎓ 및 5.8㎓일 때 VBR/2과 같다. 한편, 기존의 주파수 영역 기반의 쇼트키 다이오드는 최대 DC 출력 전압이 데이터 시트의 항복 전압의 절반이다(VDC=VBR/2). 마이크로파 주파수와 비교할 때 주파수가 너무 낮은 경우(상세하게 2.45㎓ 및 5.8㎓), VBR/2보다 훨씬 높기 때문에 시간 축 모델을 작성하여 적절한 최대 DC 전압을 다시 계산해야 한다. 최대 DC 출력 전압이 데이터 시트의 항복 전압의 절반, 즉 VDC=VBR/2인 기존 모델로는 결코 얻을 수 없는 최대 12.1dBm 범위이다.V br is the breakdown voltage of the diode. In Equation 1, since I' DC and I d have the same indication, I d indicates a DC component when flowing through the series resistor 240 . Equations 2 and 3 show that the output V DC of the rectifier is highly dependent on the junction voltage V j and the center frequency. The optimal input impedance of the rectifier may be extended using Equation 3 . This is because, when the input power is high, the output voltage saturation of the rectifier is free from the maximum reverse voltage of a general Schottky diode. In addition, V′ j is the DC component of the junction voltage V j , meaning that the maximum DC voltage can be high and higher than V BR /2 when the frequency is low due to a long period T 0 . In the mathematical expression, V BR /2≤V DC < V BR , and the maximum DC voltage at microwave frequency (HSMS-2850 in this design) in the diode data sheet is equal to V BR /2 at frequencies of 2.45 GHz and 5.8 GHz . On the other hand, in the conventional frequency domain-based Schottky diode, the maximum DC output voltage is half the breakdown voltage of the data sheet (V DC =V BR /2). If the frequency is too low compared to the microwave frequency (2.45 GHz and 5.8 GHz specifically), it is much higher than V BR /2, so we need to build a time-base model to recalculate the appropriate maximum DC voltage. With a maximum DC output voltage of half the breakdown voltage of the data sheet, or V DC =V BR /2, a range of up to 12.1dBm would never be achieved with conventional models.

한편, Q 팩터(factor)는 매칭 네트워크(100)에서 중요한 요소이다. 왜냐하면 Q 팩터는 인덕터와 다른 정수 소자의 유한 무부하 Q 팩터내에서 에너지 손실을 결정하기 때문이다. 도 5는 본 발명에 따른 매칭 네트워크와 일반적인 매칭 네트워크를 각각 적용한 정류기 회로의 특성을 비교한 그래프로서, 주파수(㎒)에 따른 Q 팩터, 전송 손실(transmission loss) 및 반사 손실(return loss)을 비교하여 도시하였다. 이때, 본 발명에 따른 정류기에 적용되는 매칭 네트워크는 도 2에 도시된 바와 같이 두개의 캐패시터(C11, C12)와 인덕터(L11)이 병렬 연결된 π형 매칭 네트워크이고, 일반적인 매칭 네트워크는 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터가 병렬 연결된 구성을 갖는다. 즉, 일반적인 매칭 네트워크는 LC로 구성되며 π형 매칭 네트워크는 인덕터의 무부하 Q 계수를 기반으로 한다. 일반적으로 인덕터와 캐패시터의 무부하 Q 계수를 고려해야 하지만 캐패시터의 무부하 Q 계수는 인덕터의 무부하 Q 계수보다 훨씬 높으므로 인덕터의 무부하 Q 계수를 기반으로 높은 Q 다단 매칭 네트워크를 설계한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 π형 매칭 네트워크는 두 단계로 구성되는데, 1단계는 제 1 캐패시터(C11)과 제 1 인덕터(L11)로 이루어진 직렬 LC 회로이고, 2단계는 제 2 캐패시터(C12)와 제 2 인덕터(L12)로 이루어진 병렬 LC 회로이다. 여기서, 직렬 LC 회로는 병렬 LC 회로에 의해 전체적인 Q 계수가 증가된 후에, 쇼트키 다이오드의 부하 임피던스를 50Ω에 매칭시키는 것을 도와준다.Meanwhile, the Q factor is an important factor in the matching network 100 . This is because the Q factor determines the energy dissipation within the finite no-load Q factor of inductors and other integer elements. 5 is a graph comparing characteristics of a rectifier circuit to which a matching network according to the present invention and a general matching network are applied, respectively, and Q factor according to frequency (MHz), transmission loss and return loss are compared and shown. At this time, the matching network applied to the rectifier according to the present invention is a π-type matching network in which two capacitors C11 and C12 and an inductor L11 are connected in parallel as shown in FIG. 2, and a general matching network is shown in FIG. As shown above, one capacitor and one inductor are connected in parallel. That is, a general matching network is composed of LC, and the π-type matching network is based on the no-load Q factor of the inductor. In general, the quiescent Q factor of inductor and capacitor should be considered, but the quiescent Q factor of the capacitor is much higher than that of the inductor, so we design a high Q multi-stage matching network based on the quiescent Q factor of the inductor. Specifically, the π-type matching network according to the present invention is composed of two stages, the first stage is a series LC circuit consisting of a first capacitor (C11) and a first inductor (L11), and the second stage is a second capacitor (C12) and a second inductor (L12) in a parallel LC circuit. Here, the series LC circuit helps to match the load impedance of the Schottky diode to 50Ω after the overall Q factor is increased by the parallel LC circuit.

2단계 매칭의 대략적인 효율은 [수학식 4]와 같다.The approximate efficiency of the two-step matching is [Equation 4].

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, Qu는 인덕터의 언로드 Q 계수이고, Qn은 각 단계의 Q 계수이며, Qsource,n은 각 단계의 소스 임피던스의 Q 계수, 단계의 수이다. 각 단계의 소스 임피던스의 Q 계수에 대해, Xs 및 Rs는 각각 소스의 리액턴스 및 저항인 [수학식 5]에 의해 계산될 수 있다.Here, Qu is the unloaded Q coefficient of the inductor, Qn is the Q coefficient of each stage, Qsource,n is the Q coefficient of the source impedance of each stage, the number of stages. For the Q coefficient of the source impedance of each stage, Xs and Rs may be calculated by [Equation 5], which are the reactance and resistance of the source, respectively.

Figure pat00006
Figure pat00006

또한, 도 5에서 본 발명에 따른 π형 매칭 네트워크의 특성 그래프는 점선으로 나타내었고, 일반적인 매칭 네트워크는 실선으로 나타내었다. 도 5에 도시된 바와 같이 일반적인 매칭 네트워크는 오직 매칭 네트워크의 전송 손실에 중점을 두고 있다. 즉, 본 발명에 따른 매칭 네트워크는 433㎒의 주파수에서 Q 팩터와 전송 손실은 최대가 되고, 반사 손실은 최소가 된다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 매칭 네트워크는 433㎒의 주파수에서 Q 팩터가 약 11이고, 전송 손실은 약 -24㏈이며, 반사 손실은 약 -1㏈이다. 이에 비해 일반적인 매칭 네트워크는 433㎒ 이상에서 반사 손실이 최소가 되고 Q 팩터와 전송 손실은 모든 주파수에서 거의 일정하게 유지된다. 도 5에 도시된 바와 같이 일반적인 매칭 네트워크는 433㎒의 주파수에서 반사 손실이 약 -17㏈이고, 모든 주파수에서 Q 팩터가 약 11 내지 12로 거의 일정하게 유지되며, 이고, 모든 주파수에서 전송 손실은 약 -24㏈ 내지 -25㏈로 거의 일정하게 유지된다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 2단계 매칭 네트워크, 즉 π형 매칭 네트워크는 Q 계수가 일반적인 매칭 네트워크보다 높기 때문에 효율이 증가한다. 매칭 네트워크의 Q 팩터는 수학식 6에서 볼 수 있듯이 3dB 되는 대역폭과 관련되어 있다.In addition, in FIG. 5, the characteristic graph of the π-type matching network according to the present invention is indicated by a dotted line, and the general matching network is indicated by a solid line. As shown in Fig. 5, a general matching network focuses only on the transmission loss of the matching network. That is, in the matching network according to the present invention, the Q factor and transmission loss are maximized at a frequency of 433 MHz, and the return loss is minimized. 5, the matching network according to the present invention has a Q factor of about 11 at a frequency of 433 MHz, a transmission loss of about -24 dB, and a return loss of about -1 dB. On the other hand, in a typical matching network, the return loss is minimal above 433 MHz, and the Q factor and transmission loss remain almost constant at all frequencies. 5, the typical matching network has a return loss of about -17 dB at a frequency of 433 MHz, a Q factor of about 11 to 12 at all frequencies is kept almost constant, and the transmission loss at all frequencies is It remains almost constant at about -24 dB to -25 dB. That is, as shown in FIG. 5 , the two-step matching network, that is, the π-type matching network, has a higher Q coefficient than the general matching network, so that the efficiency is increased. As shown in Equation 6, the Q factor of the matching network is related to a bandwidth of 3 dB.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, fl과 fh는 각각 -3dB되는 점에서 하단 주파수와 상단 주파수이다. 본 발명은 인덕터의 무부하 Q 팩터에 기반을 두는 π형 매칭 네트워크를 사용함으로써 전송 손실은 433㎒에서 일반적인 매칭 네트워크보다 0.9dB 커졌지만 Q 팩터는 9.1 개선되었다.Here, f l and f h are the lower and upper frequencies at -3dB, respectively. In the present invention, by using a π-type matching network based on the no-load Q factor of the inductor, the transmission loss is 0.9dB greater than that of the general matching network at 433 MHz, but the Q factor is improved by 9.1.

정류 효율과 출력 직류 전압의 시뮬레이션 결과는 도 7에 도시하였다. 즉, 도 7은 매칭 네트워크와 시간 축 쇼트키 다이오드를 적용한 433㎒ 정류기의 DC 전압과 효율의 시뮬레이션 결과이다. 즉, 하나의 인덕터와 하나의 캐패시터가 병렬 연결된 일반적인 매칭 네트워크와 일반적인 쇼트키 다이오드를 이용하는 비교예(Typical)와, 하나의 인덕터와 두개의 캐패시터가 병렬 연결된 π형 매칭 네트워크를 이용하는 본 발명의 실시 예 1(Optical Q facter)과, π형 매칭 네트워크에 시간 축 쇼트키 다이오드를 이용하는 본 발명의 실시 예 2(with TD model)에 따른 DC 전압과 효율의 시뮬레이션 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, ADS의 라이브러리가 있는 일반적인 HSMS-2850 쇼트키 다이오드의 경우 DC 출력(VDC)은 쇼트키 다이오드의 최대 역전압에 의해서 제한되지만, 시간축 설계는 DC 출력(VDC)이 접합 전압(Vj)와 항복 전압(Vbr)에 연관된다.The simulation results of the rectification efficiency and the output DC voltage are shown in FIG. 7 . That is, FIG. 7 is a simulation result of DC voltage and efficiency of a 433 MHz rectifier to which a matching network and a time-axis Schottky diode are applied. That is, a comparative example using a general matching network in which one inductor and one capacitor are connected in parallel and a general Schottky diode, and an embodiment of the present invention using a π-type matching network in which one inductor and two capacitors are connected in parallel are used 1 (Optical Q factor) and a simulation result of DC voltage and efficiency according to Example 2 (with TD model) of the present invention using a time-axis Schottky diode in a π-type matching network are shown in FIG. 7 . As shown in Fig. 7, in the case of a typical HSMS-2850 Schottky diode with a library of ADS, the DC output (V DC ) is limited by the maximum reverse voltage of the Schottky diode, but the time-base design is the DC output (V DC ) It is related to the junction voltage (V j ) and the breakdown voltage (V br ).

좀 더 심층적인 증명을 위해, 제안된 정류기는 도 8(a)에 도시된 바와 같이 TLC-32 기판 상에 구현하였다. 크기는 1.1㎝×0.4㎝이며 도 8(a)에서 볼 수 있듯이 이식형 장치에 통합되기에 충분히 작은 사이즈다. 회로의 측정 방법은 도 8(b)과 같다. 신호 발생기(signal generation)는 433㎒에서 입력 전력을 -13dBm부터 14dBm까지 스윕(sweep)하고, 정류기(Rectifer)의 입력 전력의 크기는 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)를 이용하여 테스트했다. 신호 발생기의 입력 전력은 커플러(directional coupler)에 의해 정류기 및 스펙트럼 분석기에 분기되어 입력된다. 또한, 정류기의 출력 직류 전압은 VOM으로 측정된다. 10dBm의 입력 전력 신호가 정류되었을 때 출력 직류 전압은 도 8(c)과 같이 VOM으로 측정되어 표시된다. 도 9는은 입력 전력이 433㎒에서 -13dBm부터 14dBm 내의 범위일 때 측정된 효율과 정류기의 직류 전압을 나타낸다. 입력 전력이 -6.8dBm부터 12.1dBm일 때 효율이 50%가 넘게 측정되었고 총 18.9dBm이라는 광대역이 계산된다. 최대 측정 효율은 5dBm일 때 64.4%였고, 이 값은 시뮬레이션 상에서 9dBm일 때의 최대 효율 값보다 8.6% 낮은 값이다. 그러나, 측정된 직류 전압은 같은 입력 전력일 때 시뮬레이션된 직류보다 단지 0.246V 낮은 값이었다. 높은 전력에서 시뮬레이션 결과보다 1.1dB 적은 측정범위를 갖게 되었다. 출력 직류 전압의 작은 차이가 정류기 효율을 약간 바꿀 수 있을 때 최대 효율의 오차가 높은 부하저항 때문이라고 할 수 있다.For a more in-depth demonstration, the proposed rectifier was implemented on a TLC-32 substrate as shown in Fig. 8(a). It measures 1.1 cm x 0.4 cm and is small enough to be integrated into an implantable device as shown in Fig. 8(a). The circuit measurement method is shown in FIG. 8(b). The signal generator swept the input power from -13dBm to 14dBm at 433MHz, and the magnitude of the input power of the rectifier was tested using a spectrum analyzer. The input power of the signal generator is branched and input to the rectifier and the spectrum analyzer by a directional coupler. Also, the output DC voltage of the rectifier is measured as VOM. When the input power signal of 10dBm is rectified, the output DC voltage is measured and displayed as VOM as shown in FIG. 8(c). 9 shows the measured efficiency and the DC voltage of the rectifier when the input power is in the range of -13 dBm to 14 dBm at 433 MHz. When the input power is from -6.8dBm to 12.1dBm, the efficiency has been measured to be over 50%, resulting in a total broadband of 18.9dBm. The maximum measurement efficiency was 64.4% at 5dBm, which is 8.6% lower than the maximum efficiency value at 9dBm in simulation. However, the measured DC voltage was only 0.246V lower than the simulated DC voltage at the same input power. At high power, the measurement range was 1.1dB less than the simulation result. When a small difference in the output DC voltage can slightly change the rectifier efficiency, the error in maximum efficiency can be attributed to the high load resistance.

표 1은 선행기술문헌의 비특허문헌과 본 발명의 정류기를 비교한 표이다. 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 정류기의 변환 효율이 50% 넘는 범위가 가장 넓은 것은 아니지만, 비특허문헌과 비교했을 때 가장 작은 크기의 정류기를 구현할 수 있다.Table 1 is a table comparing the non-patent literature of the prior art literature and the rectifier of the present invention. As shown in Table 1, the range in which the conversion efficiency of the rectifier according to the present invention exceeds 50% is not the widest, but it is possible to implement a rectifier of the smallest size compared to the non-patent literature.

ReferenceReference Topology
& technique
Topology
& technique
Frequency
(㎒)
Frequency
(MHz)
Dimension
(㎜×㎜)
Dimension
(mm×mm)
Dynamic range(dB)
for η>50%
Dynamic range (dB)
for η>50%
비특허문헌3Non-patent document 3 Reconfigurable diodes in shuntReconfigurable diodes in shunt 100100 55×4455×44 3535 비특허문헌4Non-patent document 4 Diode in series
(chaotic signal)
Diode in series
(chaotic signal)
433433 N.AN.A. 1111
비특허문헌6Non-patent document 6 Diode in seriesDiode in series 24502450 14×714×7 14.5
(for η>40%)
14.5
(for η>40%)
비특허문헌7Non-patent document 7 Diode in shunt
(self-tunning)
Diode in shunt
(self-tunning)
24002400 30×1930×19 2323
본 발명the present invention Diode in series
(time domain)
Diode in series
(time domain)
433433 11×411×4 18.918.9

상기한 바와 같이 본 발명은 시간축 쇼트키 다이오드와 매칭 네트워크의 Q 팩터가 변환 효율 50%가 넘는 입력 전력 범위를 -6.8dBm부터 12.1dBm까지 확장시킬 수 있다. 또한, 정류기의 사이즈는 의료용 이식 장치에 통합하기 적합한 유한 무부하 Q 팩터 정류 소자를 이용함으로써 축소시킬 수 있다.As described above, the present invention can extend the input power range in which the Q factor of the time-base Schottky diode and the matching network exceeds 50% of conversion efficiency from -6.8 dBm to 12.1 dBm. In addition, the size of the rectifier can be reduced by using a finite no-load Q-factor rectifying element suitable for integration into medical implants.

상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention as described above has been described in detail according to the above embodiments, it should be noted that the above embodiments are for description and not limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical spirit of the present invention.

100 : 매칭 네트워크 200 : 시간 축 쇼트키 다이오드
300 : 부하
100: matching network 200: time axis schottky diode
300: load

Claims (15)

RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고,
상기 쇼트키 다이오드는 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 병렬 연결된 예비 전류원, 접합 저항 및 접합 캐패시터를 포함하는 정류기.
RF power supply, matching network, Schottky diode and load;
The Schottky diode is a rectifier comprising a spare current source connected in parallel between the anode terminal and the cathode terminal, a junction resistor and a junction capacitor.
청구항 1에 있어서, 상기 매칭 네트워크와 상기 쇼트키 다이오드 사이에 연결된 직렬 저항을 더 포함하는 정류기.
2. The rectifier of claim 1, further comprising a series resistor coupled between the matching network and the Schottky diode.
청구항 2에 있어서, 상기 쇼트키 다이오드는 입력 전력이 증가할수록 전류는 감소하고 포화 출력 직류 전압은 증가하는 정류기.
The rectifier of claim 2 , wherein in the Schottky diode, as the input power increases, the current decreases and the saturated output DC voltage increases.
청구항 3에 있어서, 상기 쇼트키 다이오드는 12dBm의 입력 전력에서 전류가 -3mA이고 포화 출력 직류 전압이 3.7V인 정류기.
The rectifier according to claim 3, wherein the Schottky diode has a current of -3mA and a saturated output DC voltage of 3.7V at an input power of 12dBm.
RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고,
상기 매칭 네트워크는 RF 전원과 직렬 연결된 제 1 인덕터와, RF 전원과 병렬 연결된 제 1 및 제 2 캐패시터를 포함하는 정류기.
RF power supply, matching network, Schottky diode and load;
The matching network includes a first inductor connected in series with the RF power source, and first and second capacitors connected in parallel with the RF power source.
청구항 5에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 제 2 캐패시터와 병렬 연결된 제 2 인덕터를 더 포함하는 정류기.
6. The rectifier of claim 5, wherein the matching network further comprises a second inductor connected in parallel with the second capacitor.
RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고,
상기 매칭 네트워크는 직렬 연결된 제 1 캐패시터 및 제 1 인덕터를 포함하는 직렬 LC 회로와, 병렬 연결된 제 2 캐패시터 및 제 2 인덕터를 포함하는 병렬 LC 회로를 포함하며,
상기 직렬 LC 회로와 상기 병렬 LC 회로가 병렬 연결된 정류기.
RF power supply, matching network, Schottky diode and load;
the matching network comprises a series LC circuit comprising a first capacitor and a first inductor connected in series, and a parallel LC circuit comprising a second capacitor and a second inductor connected in parallel;
A rectifier in which the series LC circuit and the parallel LC circuit are connected in parallel.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 433㎒의 주파수에서 Q 팩터와 전송 손실은 최대가 되고, 반사 손실은 최소가 되는 정류기.
The rectifier according to claim 6 or 7, wherein the matching network has a Q factor and a maximum transmission loss and a minimum return loss at a frequency of 433 MHz.
청구항 8에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 433㎒의 주파수에서 Q 팩터가 10 내지 12이고, 전송 손실은 -23㏈ 내지 -25㏈이며, 반사 손실은 0㏈ 내지 -1㏈인 정류기.
The rectifier according to claim 8, wherein the matching network has a Q factor of 10 to 12 at a frequency of 433 MHz, a transmission loss of -23 dB to -25 dB, and a return loss of 0 dB to -1 dB.
RF 전원, 매칭 네트워크, 쇼트키 다이오드 및 부하를 포함하고,
상기 쇼트키 다이오드는 애노드 단자와 캐소드 단자 사이에 병렬 연결된 예비 전류원, 접합 저항 및 접합 캐패시터를 포함하며,
상기 매칭 네트워크는 RF 전원과 직렬 연결된 제 1 인덕터와, RF 전원과 병렬 연결된 제 1 및 제 2 캐패시터를 포함하는 정류기.
RF power supply, matching network, Schottky diode and load;
The Schottky diode includes a spare current source connected in parallel between an anode terminal and a cathode terminal, a junction resistor and a junction capacitor,
The matching network includes a first inductor connected in series with the RF power source, and first and second capacitors connected in parallel with the RF power source.
청구항 10에 있어서, 상기 매칭 네트워크와 상기 쇼트키 다이오드 사이에 연결된 직렬 저항을 더 포함하는 정류기.
11. The rectifier of claim 10, further comprising a series resistor coupled between the matching network and the Schottky diode.
청구항 11에 있어서, 상기 매칭 네트워크는 제 2 캐패시터와 병렬 연결된 제 2 인덕터를 더 포함하는 정류기.
12. The rectifier of claim 11, wherein the matching network further comprises a second inductor connected in parallel with a second capacitor.
청구항 12에 있어서, 상기 쇼트키 다이오드는 12dBm의 입력 전력에서 전류가 -3mA이고 포화 출력 직류 전압이 3.7V인 정류기.
The rectifier according to claim 12, wherein the Schottky diode has a current of -3 mA and a saturated output DC voltage of 3.7V at an input power of 12dBm.
청구항 13에 있어서, 입력 전력 범위가 -6.8dBm 내지 12.1dBm인 정류기.
14. The rectifier of claim 13, wherein the input power ranges from -6.8 dBm to 12.1 dBm.
청구항 13에 있어서, TLC-32 기판 상에 구현되며, 1.1㎝×0.4㎝의 크기를 갖는 정류기.The rectifier according to claim 13, which is implemented on a TLC-32 substrate and has dimensions of 1.1 cm x 0.4 cm.
KR1020200078768A 2020-06-26 2020-06-26 Rectifier having schottky diode KR20220000743A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200078768A KR20220000743A (en) 2020-06-26 2020-06-26 Rectifier having schottky diode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200078768A KR20220000743A (en) 2020-06-26 2020-06-26 Rectifier having schottky diode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220000743A true KR20220000743A (en) 2022-01-04

Family

ID=79342598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200078768A KR20220000743A (en) 2020-06-26 2020-06-26 Rectifier having schottky diode

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20220000743A (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190035753A (en) 2016-08-19 2019-04-03 퀄컴 인코포레이티드 Wireless power transmission control

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190035753A (en) 2016-08-19 2019-04-03 퀄컴 인코포레이티드 Wireless power transmission control

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
[1] Z. Liu, Z. Zhong, and Y. Guo, "In Vivo High-Efficiency Wireless Power Transfer With Multisine Excitation," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.65, no.9, pp.3530-3540, Sep. 2017.
[2] G. Monti, M. V. D. Paolis, L. Corchia, and L. Tarricone, "Wireless resonant energy link for pulse generators implanted in the chest," Antennas Propagation IET Microwaves, vol.11, no.15, pp.2201-2210, 2017.
[3] H. Sun, Z. Zhong, and Y. Guo, "An Adaptive Reconfigurable Rectifier for Wireless Power Transmission," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.23, no.9, pp.492-494, Sep. 2013.
[4] A. Collado and A. Georgiadis, "Optimal Waveforms for Efficient Wireless Power Transmission," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.24, no.5, pp.354-356, May 2014.
[5] F. Huang, C. Lee, C. Chang, L. Chen, T. Yo, and C. Luo, "Rectenna Application of Miniaturized Implantable Antenna Design for Triple-Band Biotelemetry Communication," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.59, no.7, pp.2646-2653, Jul. 2011.
[6] C. Liu, Y. Guo, H. Sun, and S. Xiao, "Design and Safety Considerations of an Implantable Rectenna for Far-Field Wireless Power Transfer," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.62, no.11, pp.5798-5806, Nov. 2014.
[7] P. Wu, S. Y. Huang, W. Zhou, Z. H. Ren, Z. Liu, K. Huang, and C.Liu,"High-Efficient Rectifier With Extended Input Power Range Based on Self-Tuning Impedance Matching," IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol.28, no.12, pp.1116-1118, Dec. 2018.
[8] T. Funaki, T. Kimoto, and T. Hikihara, "Evaluation of High Frequency Switching Capability of SiC Schottky Barrier Diode, Based on Junction Capacitance Model," IEEE Transactions on Power Electronics, vol.23, no.5, pp.2602-2611, Sep. 2008.
[9] J. Ou, S. Y. Zheng, A. S. Andrenko, Y. Li, and H. Tan, "Novel Time-Domain Schottky Diode Modeling for Microwave Rectifier Designs," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol.65, no.4, pp.1234-1244, Apr. 2018.

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11909205B2 (en) Method and apparatus for high efficiency rectification for various loads
KR102031043B1 (en) Energy harvesting system
US10637255B2 (en) Harmonic harvester for improved RF-to-DC rectifying efficiency
Liu et al. High-efficiency triple-band ambient RF energy harvesting for wireless body sensor network
Kuhn et al. A multi-tone RF energy harvester in body sensor area network context
Nguyen et al. A 433-MHz compact inverse class-F rectifier for biomedical wireless power transmission
CN107086674A (en) A kind of and series compensation type fractional order inductively radio energy transmission system
KR20220000743A (en) Rectifier having schottky diode
CN107086675A (en) A kind of shunt compensation type fractional order inductively radio energy transmission system
Au et al. An 18.9-dB dynamic-range rectifier based on time-domain modeling and quality factor
Hamzi et al. Analysis of series and shunt rectifier circuits topologies
Liu et al. An RF powering system with adaptive impedance matching for individual health monitoring applications
Au et al. A 19.6 dB Input Power Range 403 MHz Rectifier Based on Quality Factor in Matching Technique
Wang et al. Human body channel energy harvesting scheme with− 22.5 dBm sensitivity 25.87% efficiency threshold-compensated rectifier
Mirbozorgi et al. A low-power 2.4-GHz receiver for wireless implantable neural stimulators
CN207039300U (en) A kind of shunt compensation type fractional order inductively radio energy transmission system
Zhang et al. A High-Efficiency Broadband Rectifier with Wide Input Power Range
KR102379763B1 (en) Rf-dc voltage doubler rectifier circuit
Almohaimeed Efficient Differential Reconfigurable Harvester for WSN Applications
US11534613B2 (en) Wireless power transfer for medical devices
Liu RF energy harvesting for implantable ICs with on-chip antenna
Prasad et al. Triple-Band Efficient Rectifier Circuit for Harvesting Ambient RF-Energy
Lin et al. A 2.5 D Wafer-level CMOS-IPD Rectenna Using Wide-Range Efficiency and Self-biasing Topology for a RF Wireless Power Harvesting System
Souto Multiband rectenna for radio frequency energy harvesting applied to wireless sensor network
Nguyen et al. Extended Dynamic-Range and High-Efficiency Rectifier Based on Adaptive Power Distribution and Synthesized Low-Pass Matching Network

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application