KR101281842B1

KR101281842B1 - 에너지 하베스팅용 교류-직류 정류 시스템

Info

Publication number: KR101281842B1
Application number: KR1020120006543A
Authority: KR
Inventors: 김철우; 김정문; 김지환
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-07-03

Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅용 교류-직류 정류 시스템을 개시한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 교류-직류 정류 시스템으로서, 에너지 하베스터에 연결되어 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 정류기; 및 상기 교류-직류 정류기의 직류 전압을 미리 설정된 비율로 변환하는 직류-직류 변환기를 포함하되, 상기 교류-직류 정류기는 상기 에너지 하베스터의 제1 포트에 연결되는 제1 배전압 회로 및 상기 에너지 하베스터의 제2 포트에 연결되는 제2 배전압 회로를 포함하는 교류-직류 정류 시스템이 제공된다. 본 발명에 따르면, 압전기의 두 개의 포트에 각각 배전압 회로를 연결하기 때문에 다중 출력이 가능한 장점이 있다.

Description

에너지 하베스팅용 교류-직류 정류 시스템{AC-DC RECTIFICATION SYSTEM FOR ENERGY HARVESTER}

본 발명은 에너지 하베스팅용 교류-직류 정류 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 입력에 대해 다중 출력이 가능한 교류-직류 정류 시스템에 관한 것이다.

최근 환경에 대한 관심이 높아지고 저탄소 녹색성장이 중요시 되는 현 시점에 저전력 반도체 설계가 반도체 시장에 큰 이슈가 되고 있다. 이에 더 나아가 우리가 쉽게 무시하고 지나가는 산재 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 친환경 기술인 에너지 하베스팅(Harvesting) 기술이 소형기기에 활용되는 사례가 점차 늘어나고 있다.

빛 에너지, 열 에너지, 운동 에너지(진동, 압력 등), RF 에너지 등의 산재 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 여러 가지 에너지 하베스터(Energy Harvester)가 존재한다. 그 중 압전기(piezoelectric generator)를 이용하는 진동 에너지는 가장 활용 범위가 높은 에너지의 형태로서 진동이나 압력이 존재하는 어떠한 곳에서도 모두 사용할 수 있다. 하지만 압전기의 제품 사양, 진동 주파수, 그리고 진동의 진폭 등에 따라 압전기가 생산하는 출력 전압이 크게 변화한다. 또한 에너지 하베스팅 기술로 얻어지는 에너지의 양이 기존의 배터리 등에 비해 현저히 낮으므로 그 응용제품(부하)은 적은 전력소모를 위해서 최대한 낮은 V_DD에서 동작이 가능하도록 설계된다. 따라서 각각의 부하들이 그 성능에 따라 각기 다른 V_DD를 가지게 되는 경우가 많다.

종래에는 에너지 하베스팅을 통해 얻어지는 교류를 직류를 변환하기 위해 풀-브릿지 정류기로 주로 사용되었다.

그러나, 종래의 풀-브릿지 교류-직류 정류기는 좁은 입력 전압 범위에서만 동작하며 하나의 입력에서 하나의 출력만을 내보낼 수 있었다. 그러나 상기한 바와 같이 압전기에서 생산하는 출력 전압은 압전기의 제품 사양, 진동 주파수, 진동 진폭 등에 의해 크게 변하기 때문에 기존의 풀-브릿지 교류-직류 정류기를 사용하기에는 비효율적이었다. 또한 에너지 하베스팅 회로는 받아들이는 입력 에너지가 다른 회로에 비해 현저히 낮기 때문에 기존의 다중 출력 컨트롤 회로에 비해 복잡도가 낮고 전력 소모를 줄이는 컨트롤 회로가 필요하다. 그리고 에너지 하베스팅을 통해 전력을 공급받는 부하들은 적은 에너지만을 가지고 동작해야 하므로 부하의 저전력 설계가 우선시 된다. 따라서 성능에 영향을 미치지 않는 범위에서 최대한 작은 V_DD로 동작하게 되는데 이를 위해 여러 레벨의 V_DD를 공급하는 power supply 회로가 필요하다.

따라서 종래의 방식보다 넓은 입력 전압 범위에서 동작이 가능해야하고 전력 소모를 줄인 다중 출력 교류-직류 변환 시스템이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 전력 소모가 적으면서도 다중 출력이 가능한 에너지 하베스팅용 교류-직류 정류 시스템을 제안하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 교류-직류 정류 시스템으로서, 에너지 하베스터에 연결되어 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 정류기; 및 상기 교류-직류 정류기의 직류 전압을 미리 설정된 비율로 변환하는 직류-직류 변환기를 포함하되, 상기 교류-직류 정류기는 상기 에너지 하베스터의 제1 포트에 연결되는 제1 배전압 회로 및 상기 에너지 하베스터의 제2 포트에 연결되는 제2 배전압 회로를 포함하는 교류-직류 정류 시스템이 제공된다.

상기 에너지 하베스터는 진동을 전기 에너지로 변환하는 압전기일 수 있다.

상기 직류-직류 변환기는, 상기 입력된 직류 전압을 제1 비율 또는 제2 비율로 변환하여 출력하는 제1 직류-직류 변환기 및 상기 입력된 직류 전압을 제3 비율 또는 제4 비율로 변환하여 출력하는 제2 직류-직류 변환기를 포함할 수 있다.

상기 제1 직류-직류 변환기의 출력단에 제공되는 제1 스위치 및 제2 스위치의 온/오프를 제어하는 제1 이중 출력 컨트롤러 및 상기 제2 직류-직류 변환기의 출력단에 제공되는 제3 스위치 및 제4 스위치의 온/오프를 제어하는 제2 이중 출력 컨트롤러를 포함할 수 있다.

상기 제1 이중 출력 컨트롤러는, 상기 제1 스위치로의 제1 출력 전압과 제1 레퍼런스 전압을 비교하는 제1 비교기, 상기 제2 스위치로의 제2 출력 전압과 제2 레퍼런스 전압을 비교하는 제2 비교기 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온/오프를 위한 제어신호를 출력하는 스위칭부를 포함할 수 있다.

상기 스위칭부는 부정 논리곱(NAND) 회로로 이루어질 수 있다.

상기 제1 이중 출력 컨트롤러는, 상기 제1 출력 전압이 상기 제1 레퍼런스 전압보다 작은 경우, 상기 제1 스위치의 듀티 사이클은 디폴트보다 길게 변경될 수 있다.

상기 제1 출력 전압이 상기 제1 레퍼런스 전압보다 작고, 상기 제2 출력 전압이 상기 제2 레퍼런스 전압보다 작은 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 듀티 사이클은 같게 설정될 수 있다.

상기 제1 이중 출력 컨트롤러는, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압의 크기에 따라 상기 제1 직류-직류 변환기로 변환 비율 유지를 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 교류-직류 정류 시스템으로서, 에너지 하베스터에 연결되어 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 정류기; 상기 교류-직류 정류기의 직류 전압을 미리 설정된 비율로 변환하는 직류-직류 변환기; 및 상기 직류-직류 변환기의 출력단에 제공되는 복수의 스위치의 온/오프를 제어하는 다중 출력 컨트롤러를 포함하는 교류-직류 정류 시스템이 제공된다.

본 발명에 따르면, 압전기의 두 개의 포트에 각각 배전압 회로를 연결하기 때문에 다중 출력이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 다양한 변환 비율을 갖는 직류-직류 변환기의 출력단에 이중 출력 컨트롤러를 제공하여 부하의 필요에 따른 다중 출력이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 교류-직류 정류 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 풀-브릿지 정류기의 회로도와 전압 및 전류 파형을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전압 회로 기반의 교류-직류 정류기의 회로도와 전압 및 전류 파형을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 컨트롤러의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 출력 컨트롤러에 의한 출력 신호 타이밍도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅용 교류-직류 정류 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 교류-직류 정류 시스템은 진동 에너지 하베스팅을 위한 압전기(piezoelectric generator, 100)에 연결되며, 교류-직류 정류기(AC-DC Rectifier, 102), 직류-직류 변환기(DC-DC Converter, 104-1,104-2) 및 이중 출력 컨트롤러(Double output Controller, 106-1, 106-2)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 교류-직류 정류 시스템에서는 교류-직류 정류기(102)가 압전기(100)에 연결되는 것을 중심으로 설명할 것이나, 이에 한정됨이 없이 두 개의 포트를 갖는 에너지 하베스터에 모두 적용될 수 있을 것이다.

압전기(100)는 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양전하와 음전하를 방출한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 압전기(100)에 연결되는 교류-직류 정류기(102)는 배전압 회로(voltage-doubler)로 이루어지며, 배전압 회로가 압전기(100)의 두 개의 포트(port)에 각각 연결된다.

상기한 바와 같이, 교류-직류 정류기(102)가 배전압 회로 기반으로 설계되는 경우, 기존의 풀-브릿지 정류기에 비해 넓은 입력 전압 범위를 가질 수 있다.

본 실시예에 따른 교류-직류 정류기(102)는 압전기(100)의 두 개의 포트에대해 두 개의 출력을 가질 수 있다는 점에서 하기에서는 교류-직류 정류기(102)를 이중 출력 정류기로 정의하여 설명한다.

도 2는 종래의 풀-브릿지 정류기의 회로도와 전압 및 전류 파형이다.

하기의 수학식 1은 풀-브릿지 교류-직류 정류기의 출력 전력에 관한 식이다.

여기서, C _P 는 압전기(100)의 내부 커패시터 값이고, V _RECT 는 정류기에 의해 정류된 전압 값이다. f _P 는 진동 주파수이고, V _D 는 사용된 다이오드의 드롭 전압이며 V _P 는 압전기(100)의 open circuit 전압의 진폭이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전압 회로 기반의 교류-직류 정류기의 회로도와 전압 및 전류 파형을 도시한 도면이다.

하기의 수학식 2는 본 실시예에 따른 이중 출력 정류기(102)의 출력 전력에 관한 식이다.

수학식 1 및 2를 비교하면, 본 실시예에 따른 이중 출력 정류기(102)가 풀-브릿지 교류-직류 정류기에 비해 약 두 배 가량의 입력 전압 범위를 가진다는 점을 확인할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이중 출력 정류기(102)는 압전기(100)의 제1 포트(300-1)에 연결되는 제1 배전압 회로(310-1)와 제2 포트(300-2)에 연결되는 제2 배전압 회로(310-2)를 포함할 수 있다.

제1 배전압 회로(310-1)는 양의 값을 갖는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하며, 제2 배전압 회로(310-2)는 음의 값을 갖는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력한다.

도 2와 같은 풀-브릿지 정류기를 이용하면 압전기(100)의 한 쪽 포트를 접지점으로 사용하여야 하는데 비해 본 실시예에 따른 이중 출력 정류기(102)를 이용하는 경우, 압전기(100)의 두 개의 포트를 모두 사용할 수 있기 때문에 두 개의 출력을 생산해낼 수 있다.

이중 출력 정류기(102)의 두 개의 출력은 도 1에 도시된 직류-직류 변환기(104-1 및 104-2)의 입력이 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 직류-직류 변환기(104-1 및 104-2)는 입력된 직류 전압을 소정 비율만큼 변환하여 출력하는 장치로서, 스위치드 커패시터(Switched Capacitor) 기반으로 설계될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 직류-직류 변환기는 입력된 직류 전압을 제1 비율 또는 제2 비율로 변환하여 출력하는 제1 직류-직류 변환기(104-1) 및 입력된 직류 전압을 제3 비율 또는 제4 비율로 변환하여 출력하는 제2 직류-직류 변환기(104-2)가 제공될 수 있다.

여기서, 변환 비율은 입력 전압 대비 출력 전압의 비율을 의미한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 직류-직류 변환기(104-1)의 제1 비율 및 제2 비율은 각각 2/3 및 1/2일 수 있으며, 제2 직류-직류 변환기(104-2)의 제3 비율 및 제4 비율은 1/3 또는 1일 수 있다.

그러나, 상기한 비율은 예시에 불과하며 경우에 따라 서로 다른 비율을 가지도록 설정될 수도 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 압전기(100)로부터의 하나의 입력에 대해 다중 출력(OUT1 내지 OUT4)이 가능하도록 제1 이중 출력 컨트롤러(106-1) 및 제2 이중 출력 컨트롤러(106-2)가 제공된다.

하기에서는 출력 컨트롤러(106)가 2개의 출력을 가진다는 점에서 이중 출력 컨트롤러로 설명하나, 이에 한정됨이 없이 다수의 출력을 가질 수 있다는 점에서 다중 출력 컨트롤러로 정의될 수도 있을 것이다.

제1 이중 출력 컨트롤러(106-2)는 제1 직류-직류 변환기(104-1)의 출력단에 제공되는 복수의 스위치의 온/오프를 제어하며, 제2 이중 출력 컨트롤러(106-2)는 제2 직류-직류 변환기(104-2)의 출력단에 제공되는 복수의 스위치의 온/오프를 제어한다.

본 실시예에 따른 이중 출력 컨트롤러(106-1, 106-2)는 다양한 변환비율을 갖는 직류-직류 변환기(104-1,104-2)에서 생산된 다른 레벨의 두 개의 직류 출력을 스위치의 듀티 사이클을 조절하여 각각의 부하에 공급한다.

즉, 이중 출력 컨트롤러(106-1,106-2)는 부하의 요구에 따라 스위치(108-1 내지 108-4)의 듀티 사이클을 조절한다.

도 4는 제1 이중 출력 컨트롤러(106-1)의 회로도를 도시한 것으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 제1 이중 출력 컨트롤러(108)는 제1 비교기(CMP1, 400), 제2 비교기(CMP2, 402) 및 스위칭부(Output Switch Control Logic, 404)를 포함할 수 있다.

상기한 구성을 통해 제1 이중 출력 컨트롤러(108)는 부하에서 요구하는 전류의 양에 따라 각 스위치(108-1,108-2)의 여는 시간을 조절한다.

예를 들어, 제1 스위치(S1, 108-1)가 제1 직류-직류 변환기(104-1)의 2/3 변환비율 및 부하1에 대응되며, 제2 스위치(S2, 108-2)가 제1 직류-직류 변환기(104-1)의 1/2 변환비율 및 부하2에 대응되는 것으로 가정한다.

만일, 부하1이 많은 전류를 필요로 하는 경우, 제1 출력 전압(OUT1)은 제1 레퍼런스 전압(REF1)에 비해 낮아지게 된다. 따라서 출력 전압이 레퍼런스 전압보다 높아지도록 많은 양의 전류를 공급해주어야 한다.

본 실시예에 따른 제1 이중 출력 컨트롤러(106-1)의 제1 비교기(400)가 제1 출력 전압(OUT1)과 제1 레퍼런스 전압(REF1)을 비교하여 출력하고, 제1 비교기(400)의 출력은 스위칭부(404)의 입력이 되며, 스위칭부(404)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(108-1)의 여는 시간을 소정 시간만큼(t₁)길게 유지한다.

예를 들어, 제1 스위치(108-1) 및 제2 스위치(108-2)의 듀티 사이클의 비율은 5:5로 디폴트로 설정될 수 있으며, 상기와 같이 부하1에 많은 전류가 필요한 경우, 제1 스위치(108-1)의 듀티 사이클이 디폴트보다 길게 변경될 수 있다.

본 실시예에 따른 스위칭부(404)는 부정 논리곱(NAND) 게이트로 구성되기 때문에 종래기술에 비해 복잡도가 낮아지는 장점이 있다.

본 실시예에 따르면, 제1 이중 출력 컨트롤러(106-1)는 제1 클럭 제어부(110-1)에 연결되며, 상기한 바와 같이, 제1 스위치(108-1)가 온 상태로 되어 있는 동안 2/3 변환비율에 따라 변환된 전압이 출력되도록 한다.

한편, 제2 스위치(108-2)에 상응하는 부하2가 많은 전류를 요구하는 경우, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 이중 출력 컨트롤러(106-1)는 제2 비교기(402) 및 스위칭부(404)를 이용하여 제2 스위치(108-2)가 디폴트로 정해진 시간보다 오랜 시간(t₂) 동안 온 상태가 되도록 한다. 한편, 제2 스위치(108-2)가 추가로 온 된 시간만큼 제1 스위치(108-1)의 열린 시간은 줄어들게 된다.

본 실시예에 따른 제1 이중 출력 컨트롤러(106-1)는 2개의 부하에 전전류를 공급하기 때문에, 만일 부하1 및 부하2가 동시에 기준치에 비해 많은 전류를 요구하거나 적은 전류를 요구하는 경우에는 도 5c에 도시된 바와 같이, 각 스위치(108-1 및 108-2)의 듀티 사이클을 동일한 비율로 유지한다.

상기에서는 도 4 내지 도 5를 참조하여 제1 이중 출력 컨트롤러(106-1)에 대해 설명하였으나, 제2 이중 출력 컨트롤러(106-2)도 동일한 과정으로 부하3(OUT3) 및 부하4(OUT4)에 전류를 공급할 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

교류-직류 정류 시스템으로서,
에너지 하베스터에 연결되어 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 정류기; 및
상기 교류-직류 정류기의 직류 전압을 미리 설정된 비율로 변환하는 직류-직류 변환기를 포함하되,
상기 교류-직류 정류기는 상기 에너지 하베스터의 제1 포트에 연결되는 제1 배전압 회로 및 상기 에너지 하베스터의 제2 포트에 연결되는 제2 배전압 회로를 포함하는 교류-직류 정류 시스템.
제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스터는 진동을 전기 에너지로 변환하는 압전기인 교류-직류 정류 시스템.
제1항에 있어서,
상기 직류-직류 변환기는,
입력된 직류 전압을 제1 비율 또는 제2 비율로 변환하여 출력하는 제1 직류-직류 변환기 및 상기 입력된 직류 전압을 제3 비율 또는 제4 비율로 변환하여 출력하는 제2 직류-직류 변환기를 포함하는 교류-직류 정류 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1 직류-직류 변환기의 출력단에 제공되는 제1 스위치 및 제2 스위치의 온/오프를 제어하는 제1 이중 출력 컨트롤러 및 상기 제2 직류-직류 변환기의 출력단에 제공되는 제3 스위치 및 제4 스위치의 온/오프를 제어하는 제2 이중 출력 컨트롤러를 포함하는 교류-직류 정류 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1 이중 출력 컨트롤러는,
상기 제1 스위치로의 제1 출력 전압과 제1 레퍼런스 전압을 비교하는 제1 비교기, 상기 제2 스위치로의 제2 출력 전압과 제2 레퍼런스 전압을 비교하는 제2 비교기 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온/오프를 위한 제어신호를 출력하는 스위칭부를 포함하는 교류-직류 정류 시스템.
제5항에 있어서,
상기 스위칭부는 부정 논리곱(NAND) 회로로 이루어지는 교류-직류 정류 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제1 이중 출력 컨트롤러는,
상기 제1 출력 전압이 상기 제1 레퍼런스 전압보다 작은 경우, 상기 제1 스위치의 듀티 사이클은 디폴트보다 길게 변경되는 교류-정류 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 출력 전압이 상기 제1 레퍼런스 전압보다 작고, 상기 제2 출력 전압이 상기 제2 레퍼런스 전압보다 작은 경우, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 듀티 사이클은 같게 설정되는 교류-정류 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제1 이중 출력 컨트롤러는,
상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압의 크기에 따라 상기 제1 직류-직류 변환기로 변환 비율 유지를 위한 제어 신호를 출력하는 교류-직류 정류 시스템.
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