KR101741020B1 - 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 주 PV 셀(PV cell: Photovoltaic cell); 상기 주 PV 셀의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추정하기 위한 보조 PV 셀(PV cell); 상기 주 PV 셀의 출력을 수신하여 배터리 충전 전압을 형성하기 위한 충전 회로; 상기 보조 PV 셀의 출력 전압에 기반하여 상기 주 PV 셀의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point) 전압을 실시간으로 추적하고, 상기 주 PV 셀의 출력 전압과 상기 실시간으로 추적된 최대전력점 전압에 기반하여 상기 충전 회로의 동작을 제어하는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어 회로; 및 상기 배터리의 충전 상태를 관리하기 위한 배터리 관리 회로를 포함하여, 주기적으로 주 PV 셀과 충전기 회로와의 연결을 차단할 필요없이 보조 PV 셀을 이용하여 주 PV 셀의 최대전력점을 추적함으로써 지속적으로 에너지를 수확하면서 실시간으로 최대전력점 추적 제어가 가능하여 전력 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치{BATTERY CHARGING APPARATUS USING PHOTOVOLTAIC ENERGY HARVESTING WITH MAXIMUM POWER POINT TRACKING CONTROL}
본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 특히 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 관한 것이다.
오늘날 환경, 구조물 모니터링을 위한 센서 노드 또는 체내에 주입되는 임플란트 디바이스와 같은 마이크로전자 시스템들은 전원으로 사용되는 배터리의 교체가 어렵기 때문에 독립적인 자체 전원을 확보하는 것이 필요하다. 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 빛, 진동, 열 등 주변에 미 활용되는 에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 기술로써, 마이크로 전자 시스템의 자가 충전 방식으로 많이 사용되고 있다.
빛 에너지는 태양, 조명 등 주변에서 가장 쉽게 얻을 수 있는 에너지원이다. 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자인 PV 셀(photovoltaic cell)에서 얻을 수 있는 에너지양은 환경 변화에 따라 변한다. 각각의 PV 셀은 최대 전력점(MPP: Maximum Power Point)이 존재하며, 이 MPP는 빛의 세기에 따라 변한다. PV 셀로부터 최대전력을 수확하기 위해서는 PV 셀이 항상 MPP 근처에서 동작하도록 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어 기능이 필요하다.
다양한 MPPT 방법들 중에 힐-클라이밍(hill-climbing) 방식과 FOC(fractional open-circuit) 방식이 빛 에너지 하베스팅 시스템에 주로 사용되어 왔다. 힐-클라이밍 방식은 MPP에 도달할 때까지 전력변환기(power converter)의 스위칭 주파수나 듀티 싸이클(duty cycle)을 지속적으로 변화시키는 반복탐색 방식이다. 좀 더 간단한 방법인 FOC 방식은 PV 셀의 MPP 전압과 개방회로 전압 사이에는 선형적 관계가 존재하며, 비례상수는 거의 일정한 값을 갖는다는 사실에 근거한다. 따라서 PV 셀을 주기적으로 부하로의 연결을 차단하여 개방회로 전압을 측정함으로써 MPP 전압을 쉽게 얻을 수 있다.
비특허문헌 [2]에서는 0.5V 출력을 갖는 PV 셀을 이용한 DC-DC 부스트 변환기 구조의 배터리 충전기를 제안하고 있으며, FOC 방식의 MPPT를 적용하고 있다. 그러나 MPPT를 구현하는데 필요한 개방회로 전압을 얻기 위해 주기적으로 PV 셀과 충전기 회로와의 연결을 차단하기 때문에 PV 셀로부터 지속적인 에너지 수확이 불가능하다는 단점이 있다.
비특허문헌 [4]에서는 힐-클라이밍 방식을 사용하며 MPPT를 구현하였기 때문에 전력소모가 3.4mW로 큰 편이어서, 초소형 마이크로 에너지 하베스팅 시스템에는 적합하지 않다.
[1] D. Doffdi, A. Bertacchini, L. Larcher, P. Pavan, D. Brunelli, and L. Benini, "A solar energy harvesting circuit for low power applications," IEEE ICSET, pp. 945-949, 2008. [2] K. Kadirvel, Y. Ramadass, U. Lyles, J. Carpenter, V.I vanov, V. McNeil, A. Chandrakasan, B. Lum-Shue-Chan, "A 330nA energy-harvesting charger with battery management for solar and thermoelectric energy harvesting," 2012 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp. 106-109, 2012. [3] E. Mendez-Delgado, G. Serranoy and E. I. Ortiz-Rivera, "Monolithic integrated solar energy harvesting system," 35th IEEE PVSC, pp. 2833-2838, 2010. [4] T. H. Tsai and K. Chen, "A 3.4mW Photovoltaic Energy-Harvesting Charger with Integrated Maximum Power Point Tracking and Battery Management," 2013 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp. 72-73, 2013. [5] C. Lu, S. P. Park, V. Raghunathan, and K. Roy, "Low-Overhead Maximum Power Point Tracking for Micro-Scale Solar Energy Harvesting Systems," VLSID, pp.215-220, 2012 [6] X. Li, C.-Y. Tsui, W.-H. Ki, "Solar Energy Harvesting System Design Using Re-configurable Charge Pump," IEEE FTFC, 2012. [7] C. Lu, V. Raghunathan, and K. Roy, "Maximum Power Point Considerations in Micro-Scale Solar Energy Harvesting Systems," ISCAS, pp. 273-276, 2010. [8] B. D. Yang, "Start-up Voltage Generator for 250mV Input Boost Converters," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 18, No. 5, pp. 1155-1161, 2014. [9] S. Abdelaziz, A. G. Radwan, A. Eladawy, A. N. Mohieldin, A. M. Soliman, "A Low Start-Up Voltage Charge Pump for Energy Harvesting Applications," ICET, 2012. [10] E. J. Yoon, S. J. Kim, K. Y. Park, W. S. Oh, C. G. Yu, "Design of an Energy Harvesting Circuit Using Solar and Vibration Energy with MPPT Control," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 16, No. 11, pp. 2487-2494, 2012. [11] M.-H. Cheng, Z.-W. Wu, "Low-power low-voltage reference using peaking current mirror circuit," Electronics Letters, pp 572-573, 2005. [12] MiniSOLAR Solar Energy Harvester - A6041-2V, MiniSOLAR [Online]. Available: http://www.minisolar.co.kr/ [13] NSR0320 datasheet, On Semiconductor, Phoenix, AZ, 2010. [14] W. G. Li, R. H. Yao, L. F. Guo. "A Low Power CMOS Bandgap Voltage Reference with Enhanced Power Supply Rejection," IEEE 8th International Conference on ASICON '09., pp.300-304, 2009.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주기적으로 PV 셀과 충전기 회로와의 연결을 차단할 필요없이 보조 PV 셀을 이용하여 주 PV 셀의 최대전력점을 추적함으로써 지속적으로 에너지를 수확하면서 실시간으로 최대전력점 추적 제어가 가능하여 전력 효율을 향상시킬 수 있는 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는,
빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 주 PV 셀(PV cell: Photovoltaic cell);
상기 주 PV 셀의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추정하기 위한 보조 PV 셀(PV cell);
상기 주 PV 셀의 출력을 수신하여 배터리 충전 전압을 형성하기 위한 충전 회로;
상기 보조 PV 셀의 출력 전압에 기반하여 상기 주 PV 셀의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point) 전압을 실시간으로 추적하고, 상기 주 PV 셀의 출력 전압과 상기 실시간으로 추적된 최대전력점 전압에 기반하여 상기 충전 회로의 동작을 제어하는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어 회로; 및
배터리의 충전 상태를 관리하기 위한 배터리 관리 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 보조 PV 셀은 상기 주 PV 셀과 동일한 소자 특성을 갖고 상기 주 PV 셀보다 크기가 작을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 상기 충전 회로의 출력에 연결된 저장 커패시터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 상기 주 PV 셀의 출력 전압이 소정 전압 미만인 경우, 상기 저장 커패시터의 전압을 소정의 동작 가능한 전압까지 승압시키는 시동 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 인에이블 발생기를 더 포함할 수 있고,
상기 인에이블 발생기는,
상기 저장 커패시터의 전압이 상기 소정 전압 미만인 경우 상기 시동 회로를 동작시키고 상기 최대전력점 추적 제어 회로 및 상기 충전 회로를 오프시키며, 상기 저장 커패시터의 전압이 상기 소정의 동작 가능한 전압까지 승압되는 경우 상기 시동 회로를 오프시키고 상기 최대전력점 추적 제어 회로 및 상기 충전 회로를 동작시키는 시동 온/오프 제어 신호를 생성하도록 구성되며,
상기 배터리 관리 회로의 동작을 온/오프시키는 배터리 관리 회로 온/오프 제어 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 기준 전압 및 기준 전류를 발생시키는, 밴드갭 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 상기 충전 회로의 출력과 배터리 사이에 연결되고, 상기 배터리 관리 회로의 제어 신호에 따라 온/오프되는 전력 공급 단속 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 최대전력점 추적 제어 회로는,
상기 보조 PV 셀의 개방회로 전압으로부터 최대전력점 전압을 생성하기 위한 최대전력점 전압 생성부; 및
상기 최대전력점 전압 생성부에서 출력되는 최대전력점 전압과 상기 주 PV 셀의 출력 전압을 비교하여 상기 충전 회로의 동작을 온/오프시키기 위한 충전회로 온/오프 제어 신호를 생성하는 최대전력점 제어기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 충전 회로는,
상기 주 PV 셀의 출력 전압을 승압시키는 DC-DC 부스트 변환기; 및
상기 DC-DC 부스트 변환기에 펄스 신호를 인가하기 위한 충전부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 DC-DC 부스트 변환기는,
상기 주 PV 셀의 출력에 일단이 연결된 인덕터;
드레인이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 소스가 접지되며 게이트에 상기 충전부의 출력인 펄스 신호가 인가되는 nMOS 스위치; 및
애노드가 상기 인덕터의 타단에 연결되고 캐소드가 상기 저장 커패시터의 일단에 연결되는 쇼트키 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 충전부는,
상기 저장 커패시터의 전압을 전원전압으로 하는 전류 미러;
상기 전류 미러의 출력에 따라 발진 신호를 발생하는 오실레이터;
클록 입력 단자에 상기 오실레이터의 출력이 인가되고, 반전 출력 단자가 D 입력 단자에 연결되며, 비반전 출력 단자에서 상기 DC-DC 부스트 변환기의 nMOS 스위치의 게이트에 인가되는 펄스 신호가 출력되는 D 플립 플롭; 및
상기 시동 온/오프 제어 신호, 배터리 전압이 최대 인지를 감지하는 신호, 및 상기 충전 회로 온/오프 제어 신호를 논리 곱(AND)하여 상기 오실레이터의 동작을 온/오프시키는 신호를 출력하는 AND 게이트를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 시동 회로는,
상기 인덕터의 타단에 드레인이 연결되고 소스는 접지되며 게이트에 펄스가 인가되는 nMOS 전력 스위치; 및
상기 nMOS 전력 스위치에 인가되는 상기 펄스를 생성하기 위한 시동부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 시동부는,
상기 주 PV 셀의 출력 전압, 상기 시동 온/오프 제어 신호, 상기 시동 온/오프 제어 신호의 반전 신호에 기반하여, 바디 바이어스 전압을 발생하는 바디 바이어스 발생기;
상기 바디 바이어스 발생기의 출력에 따라 발진 신호를 출력하는 오실레이터;
상기 오실레이터의 출력에 기반하여 상기 시동 회로의 nMOS 전력 스위치가 온/오프하기에 적합한 전압으로 상기 주 PV 셀의 출력 전압을 승압하기 위한 전하 펌프; 및
상기 전하 펌프의 출력을 전원 전압으로 공급받아 상기 nMOS 전력 스위치에 펄스를 공급하기 위한 펄스 발생기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 있어서,
상기 배터리 관리 회로는 상기 저장 커패시터의 전압이 배터리 충전에 필요한 최소 전압이 되면 상기 전력 공급 단속 스위치를 온시켜 상기 배터리를 충전하고, 상기 배터리의 전압이 최대 충전 전압이 되면 상기 충전부를 오프시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에 의하면, 주기적으로 PV 셀과 충전기 회로와의 연결을 차단할 필요없이 보조 PV 셀을 이용하여 주 PV 셀의 최대전력점을 추적함으로써 지속적으로 에너지를 수확하면서 실시간으로 최대전력점 추적 제어가 가능하여 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치의 블록도.
도 2는 20klux에서 PV 셀의 전류-전압 및 전력-전압 특성 모의 실험 결과를 도시한 그래프.
도 3은 시동 회로의 상세 블록도.
도 4는 바디 바이어스 발생기의 상세 회로도.
도 5는 인에이블 발생기의 동작 파형을 도시한 도면.
도 6은 밴드갭 회로의 상세 회로도.
도 7은 배터리 관리 회로의 상세 블록도.
도 8은 MPPT 제어기 상세 블록도.
도 9는 충전 회로의 상세 블록도.
도 10은 충전 회로의 오실레이터의 상세 회로도.
도 11은 시동 동작의 모의실험 결과를 도시한 도면.
도 12는 시동 동작 이후 모의실험 결과를 도시한 도면.
도 13은 MPPT 제어기의 모의실험 결과를 도시한 도면.
도 14는 PV 셀의 개방회로 전압과 단락회로 전류의 변화에 따른 모의실험 결과를 도시한 도면.
도 15는 설계된 배터리 충전 장치의 전력 효율을 도시한 도면.
도 16은 설계된 배터리 충전 장치의 레이아웃을 도시한 도면.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에서는 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 기능을 갖는 배터리 충전 장치를 제안한다. 1V 이하 전압을 출력하는 초소형 PV 셀을 이용하여 DC-DC 부스트 변환기를 통해 배터리를 충전한다. 시동 회로는 저전압 기술들을 적용하여 낮은 전압에서 동작하도록 설계하였다. DC-DC 변환기는 동기식(synchronous) 구조 대신에 쇼트키 다이오드를 사용하는 구조를 채택하여 컨트롤 회로를 간략화하였다.
MPPT는 FOC 방식을 적용하였으며, 작은 크기의 보조(pilot) PV 셀을 사용하여 주(main) PV 셀의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 실시간 추적할 수 있도록 설계하였다. 기존의 FOC 방식과는 다르게 지속적으로 에너지 수확을 하면서 실시간으로 MPPT가 가능하므로 전력 측면에서는 유리하다.
또한 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 주 PV 셀은 2.65㎜×2.65㎜의 초소형 PV 셀이며, 보조 PV 셀은 이보다 크기가 작은 PV 셀로서 면적 측면에서도 큰 손해는 없다. 또한 보조 PV 셀 사용으로 인한 MPPT 회로를 간단히 구현 가능하여 전력 및 면적 측면에서 유리하다. 제안된 회로는 0.35㎛ CMOS 공정으로 설계하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 주 PV 셀(100)(PV cell: Photovoltaic cell), 상기 주 PV 셀(100)의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추정하기 위한 보조 PV 셀(102)(PV cell), 상기 주 PV 셀(100)의 출력 전압(VSC)을 수신하여 배터리 충전 전압(VSTO)을 형성하기 위한 충전 회로(108), 상기 보조 PV 셀(102)의 출력 전압에 기반하여 상기 주 PV 셀(100)의 최대전력점(MPP) 전압을 실시간으로 추적하고, 상기 주 PV 셀(100)의 출력 전압(VSC)과 상기 실시간으로 추적된 최대전력점 전압(VMPP)에 기반하여 상기 충전 회로(108)의 동작을 제어하는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어 회로(110), 및 배터리의 충전 상태를 관리하기 위한 배터리 관리 회로(115)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에서, 상기 보조 PV 셀(102)은 상기 주 PV 셀(100)과 동일한 소자 특성을 갖고 상기 주 PV 셀(100)보다 크기가 작지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는, 상기 충전 회로(108)의 출력에 연결된 저장 커패시터(CSTO)와, 상기 주 PV 셀(100)의 출력 전압(VSC)이 소정 전압 미만인 경우, 상기 저장 커패시터(CSTO)의 전압(VSTO)을 소정의 동작 가능한 전압까지 승압시키는 시동 회로(105)와, 인에이블 발생기(112), 기준전압 및 기준전류를 발생시키는 밴드갭 회로(111), 및 상기 충전 회로(108)의 출력과 배터리(CBAT) 사이에 연결되고, 상기 배터리 관리 회로(115)의 제어 신호(VUV)에 따라 온/오프되는 전력 공급 단속 스위치(MPB)를 더 포함한다.
상기 인에이블 발생기(112)는, 상기 저장 커패시터(CSTO)의 전압(VSTO)이 상기 소정 전압 미만인 경우 상기 시동 회로(105)를 동작시키고 상기 최대전력점 추적 제어 회로(110) 및 상기 충전 회로(108)를 오프시키며, 상기 저장 커패시터(CSTO)의 전압(VSTO)이 상기 소정의 동작 가능한 전압까지 승압되는 경우 상기 시동 회로(105)를 오프시키고 상기 최대전력점 추적 제어 회로(110) 및 상기 충전 회로(108)를 동작시키는 시동 온/오프 제어 신호(VD)를 생성하도록 구성되며, 상기 배터리 관리 회로(115)의 동작을 온/오프시키는 배터리 관리 회로 온/오프 제어 신호(ENBM)를 생성하도록 구성된다.
상기 최대전력점 추적 제어 회로(110)는, 상기 보조 PV 셀(102)의 개방회로 전압으로부터 최대전력점 전압(VMPP)을 생성하기 위한 최대전력점 전압 생성부(R9, R10) 및 상기 최대전력점 전압 생성부(R9, R10)에서 출력되는 최대전력점 전압(VMPP)과 상기 주 PV 셀(100)의 출력 전압(VSC)을 비교하여 상기 충전 회로(108)의 동작을 온/오프시키기 위한 충전회로 온/오프 제어 신호(ENMPP)를 생성하는 최대전력점 제어기(109)를 포함한다.
상기 충전 회로(108)는, 상기 주 PV 셀(100)의 출력 전압(VSC)을 승압시키는 DC-DC 부스트 변환기(107) 및 상기 DC-DC 부스트 변환기(107)에 펄스 신호를 인가하기 위한 충전부(106)를 포함한다.
상기 DC-DC 부스트 변환기(107)는, 상기 주 PV 셀(100)의 출력에 일단이 연결된 인덕터(LBST), 드레인이 상기 인덕터(LBST)의 타단에 연결되고 소스가 접지되며 게이트에 상기 충전부(106)의 출력인 펄스 신호(VPC)가 인가되는 nMOS 스위치(MNC), 및 애노드가 상기 인덕터(LBST)의 타단에 연결되고 캐소드가 상기 저장 커패시터(CSTO)의 일단에 연결되는 쇼트키 다이오드(D1)를 포함한다. DC-DC 변환 동작에 사용되는 상기 쇼트키 다이오드(D1)는 10mA의 전류에서 0.24V의 전압강하 특성을 갖는 소자(NSR0320)를 사용하였다.
상기 시동 회로(105)는, 상기 인덕터(LBST)의 타단에 드레인이 연결되고 소스는 접지되며 게이트에 펄스(VPS)가 인가되는 nMOS 전력 스위치(MNS) 및 상기 nMOS 전력 스위치(MNS)에 인가되는 펄스(VPS)를 생성하기 위한 시동부(105)를 포함한다.
주 PV 셀(100)은 1V 이하의 낮은 전압을 출력하는 초소형 PV 셀을 이용하였다. 시동 회로(105)는 1V 이하의 PV 셀의 출력전압을 이용하여 저장 커패시터(CSTO)의 전압(VSTO)을 승압하는 역할을 한다. VSTO가 나머지 구성 블록들이 동작 가능한 전압(1.6V)까지 승압되면, 인에이블 발생기(112)는 VD 신호 '1'을 출력하여 시동부(104)를 오프시키고, 나머지 구성 블록들을 동작시킨다.
또한 인에이블 발생기(112)는 배터리 관리부(114)의 인에이블 신호인 ENBM 신호를 출력한다. 밴드갭 회로(111)는 기준전압(VREF)을 발생시켜 배터리 관리부(114)에 전달하고, 구성회로에 기준전류(IREF)를 공급하는 역할을 한다.
배터리 관리 회로(115)는 VSTO가 배터리 충전에 필요한 최소 전압(VBAT,MIN=2.4V)이 되면, MPB를 온시켜 배터리(CBAT)를 충전한다. 또한 배터리 전압이 최대 충전 전압(VBAT,MAX=3V)이 되면, 충전부(106)를 오프시키기 위한 VOV 신호를 출력하여 배터리의 충전상태를 관리한다.
MPPT 제어기(109)는 주 PV 셀(100)의 출력이 최대전력점(MPP)에서 동작하도록 하는 역할을 하며, 보조 PV 셀(102)의 출력과 MPP에서의 전압(VMPP)의 크기에 따라 충전부(106)를 온/오프시키기 위한 신호(ENMPP)를 출력한다.
충전부(106)는 DC-DC 부스트 변환기(107)의 nMOS 스위치(MNC)에 펄스 신호(VPC)를 인가하여 VSTO와 VBAT를 승압시키며, 인에이블 발생기(112)의 VD, 배터리 관리부(114)의 VOV, MPPT 제어기(109)의 ENMPP 신호에 의해 온/오프된다. 표 1에 VSTO에 따른 제어 및 출력 신호들의 상태 변화를 정리하였다.
Figure 112016051666791-pat00001
본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치에서, 에너지 수확을 위해 사용된 주 PV 셀(100)은 비특허문헌 [12]의 모델을 사용하였다.
도 2는 PV 셀을 모델링하여 모의실험한 I-V와 P-V 특성곡선이다. 모의실험 결과 개방회로 전압(VOC)은 578㎷이고, 단락회로 전류(ISC)는 5㎃이며, MPP에서의 전압(VMPP)은 458㎷이다. 일반적으로 PV 셀의 출력 동작 전압(VOP)은 아래 식으로 정의될 수 있다.
Figure 112016051666791-pat00002
MPP 조건에서는 비례상수 KOP와 VOP는 각각 KMPP와 VMPP로 표시될 수 있다.
Figure 112016051666791-pat00003
보통의 경우 KMPP는 0.6에서 0.8 사이의 값을 갖는다. 본 실시예에서 사용된 소자의 KMPP 값은 0.79이다.
도 3에 도시된 시동 회로(105)는 시동부(104) 및 nMOS 전력 스위치(MNS)로 구성된다.
상기 시동부(104)는, 상기 주 PV 셀(100)의 출력 전압(VSC), 상기 시동 온/오프 제어 신호(VD), 상기 시동 온/오프 제어 신호의 반전 신호(VD,inv)에 기반하여, 바디 바이어스 전압(VBD)을 발생하는 바디 바이어스 발생기(300)(body bias generator), 상기 바디 바이어스 발생기(300)의 출력에 따라 발진 신호를 출력하는 오실레이터(302)(oscillator), 상기 오실레이터(302)의 출력에 기반하여 상기 시동 회로(105)의 nMOS 전력 스위치(MNS)가 온/오프하기에 적합한 전압으로 상기 주 PV 셀(100)의 출력 전압(VSC)을 승압하기 위한 전하 펌프(304)(charge pump), 및 상기 전하 펌프(304)의 출력을 전원 전압으로 공급받아 상기 nMOS 전력 스위치(MNS)에 펄스(VPS)를 공급하기 위한 펄스 발생기(306)(pulse generator)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 사용된 0.35㎛ CMOS 공정에서는 pMOS 트랜지스터의 문턱전압(threshold voltage)이 약 850㎷로 1V 이하의 전원전압에서 동작하기에는 어려움이 있다. 따라서 바디 바이어스 발생기(300)를 설계하여 오실레이터(302)를 구성하는 pMOS 트랜지스터의 바디에 전원전압(VSC)이 아닌 바이어스 전압(VBD)을 인가하여 문턱전압을 낮추었다.
오실레이터(302)는 전하 펌프 회로(304)를 구동하기 위한 클록을 발생시킨다. 전하 펌프(304)는 시동 회로(105)의 nMOS 전력 스위치인 MNS가 온/오프하기에 적합한 전압으로 VSC를 승압하는 역할을 한다. 펄스 발생기(306)는 전하 펌프(304)의 출력을 전원전압으로 공급받아 MNS에 펄스(VPS)를 공급하여 VSTO를 승압시킨다.
도 4는 바디 바이어스 발생기(300)의 상세 회로도이다. 바디 바이어스 발생기(300)는 nMOS 트랜지스터들(M1 내지 M7) 및 저항들(R11, R12, R13)을 포함한다. 보통 nMOS 보다 pMOS 트랜지스터의 문턱전압이 더 크며, 본 실시예에서 사용된 CMOS 공정은 n-well 공정이므로, pMOS 트랜지스터 바디에만 바이어스 전압을 인가하였다. VD와 VD의 반전 신호인 VD,inv는 시동 회로(105)를 오프시켰을 때 누설 전류를 최소화하고, 바디 바이어스가 전원전압을 따라가도록 하는 역할을 한다.
오실레이터(302)는 3단 CMOS 인버터 단으로 구성하고 pMOS 트랜지스터의 바디에 VBD가 인가되도록 하였다. 마찬가지로 시동 회로(105)가 오프되었을 때 누설전류를 최소화하기 위한 스위치를 각 단에 추가하였다. 전하 펌프(304)는 'Peliconi' 전하펌프(비특허문헌 [9] 참조) 형태를 사용하였으며 2단으로 구성하였다. 펄스 발생기(306)는 오실레이터(302)와 마찬가지로 3단 CMOS 인버터 단으로 구성하였다.
인에이블 발생기(112)는 크게 VD 발생기(미도시)와 ENBM 발생기(미도시)로 구성된다. VD 발생기는 파워 온 리셋(power on reset) 회로를 이용하여 구현하였고, ENBM 발생기는 비특허문헌 [10]의 펄스 발생기를 참고하여 설계하였다.
VSTO가 1.6V 이하인 경우에는 VD가 '0'이 되어 시동 회로(105)를 동작시키고 나머지 구성요소는 오프시킨다. VSTO가 1.6V가 되면 VD는 '1'이 되어 시동 회로(105)를 오프시키고 나머지 구성요소를 동작시킨다. 이때, CLK(약 18㎑)와 ENBM 신호가 출력된다.
ENBM은 CLK의 64-싸이클(cycle) 주기로 출력되며, 8-싸이클 동안 '1'을 출력하여 배터리 관리부(114)를 동작시키고, 나머지 싸이클 동안에는 오프시켜 전류소모를 최소화하였다.
도 5에 인에이블 발생기(112)의 동작 파형을 정리하였다.
기존의 밴드갭 회로는 BJT를 이용한 회로가 대부분이지만 전류 소모가 크기 때문에 본 실시예에서는 적합하지 않다. 따라서 본 실시예에서는 도 6의 MOSFET(M11 내지 M19)와 저항(R20, R21)으로만 구성된 밴드갭 회로(111)를 설계하여 전류 소모를 최소화하였다.
또한 스타트-업 회로는 밴드갭 회로(111)가 정상 동작 시 전류 소모를 최소화하기 위한 구조를 사용하였다. 설계된 밴드갭 회로(111)는 787㎷의 기준 전압을 출력하며 817㎁의 전류를 소모한다.
배터리 관리 회로(115)는 배터리의 충전 상태를 관리하며 도 7에 도시된 바와 같이 저항 분배기(R3과 R4, R5와 R6, R7과 R8)와 히스테리시스(hysteresis)를 갖는 비교기(700, 704, 708) 그리고 D-래치(latch)(702, 706)로 구성된다. VUV를 출력하는 단의 전압 분배기(R3, R4)는 배터리의 VBAT,MIN을 감지하고, VOV를 출력하는 단의 전압 분배기(R7, R8)는 VBAT,MAX를 감지하는 역할을 하며, 나머지 저항 분배기(R5, R6)는 배터리의 사용 가능 여부인 VOK를 발생하는데 사용된다.
배터리의 용량은 비교적 큰 편이므로 짧은 시간 동안 주변 환경 또는 부하 조건의 변화에 따른 배터리 전압의 변화는 심하지 않다. 따라서 배터리 관리부(114)를 지속적으로 동작시키기보다 주기적으로 짧은 시간 동안만 동작시키는 것이 효율적이다. VUV와 VOK 신호를 출력하는 단의 비교기들(700, 704)은 ENBM 신호가 '1'인 동안에만 동작하며, 비교 결과를 각각 D-래치(702, 706)에 저장한다. ENBM이 '0'인 동안에는 오프되어 전류 소모를 최소화한다. 배터리에 VBAT,MAX 이상의 전압이 인가되면 다른 구성회로와 배터리에 무리가 가해질 수 있기 때문에, VOV를 감지하는 회로는 실시간으로 감지하도록 하였다. VSTO와 저항 분배기의 연결 패스(path)에도 스위치(710, 712)를 추가하여 ENBM이 '0'일 때에는 연결 패스를 끊어 전류 소모를 최소화하였다.
도 8은 MPPT 제어 회로(110)의 상세 블록도이다. 보조 PV 셀(102)은 주 PV 셀(100)보다 작은 크기로 구현될 수 있다. 보조 PV 셀(102)의 출력에 개방회로 전압이 출력될 수 있도록 크기가 큰 저항(R9, R10)을 연결하여 MPP 전압에 해당되는 전압(VMPP)을 만들어 비교기(802)에 공급한다. 비교기(802)는 VSC가 VMPP보다 크면 충전부(106)를 온시키고, VMPP보다 작으면 충전부(106)를 오프시키기 위한 신호인 ENMPP를 출력한다.
본 발명의 일 실시예에서 사용된 보조 PV 셀(102)은 주 PV 셀(100)보다 면적은 작지만 같은 소자이고, 같은 환경에서 같은 빛의 세기를 받게 되기 때문에 두 셀의 MPP는 일치한다고 가정할 수 있다. PV 셀의 VMPP와 개방회로 전압(VOC)은 수학식 2의 비례관계가 성립한다. 또한, 비특허문헌 [11]에 따르면 비례상수 KMPP는 빛의 세기에 따라 변하지만, KMPP가 고정됐다고 가정해도 VMPP 예측의 오차는 5% 이내임을 측정결과로 보여주었다. 본 발명의 일 실시예에서는 KMPP 값을 0.79로 설정하였다.
도 9의 충전 회로(108)의 충전부(106)는, 저장 커패시터(CSTO)의 전압(VSTO)을 전원전압으로 하는 전류 미러(900, 902)(current mirror), 상기 전류 미러(900, 902)의 출력에 따라 발진 신호를 발생하는 오실레이터(906), 클록 입력 단자(CP)에 상기 오실레이터(906)의 출력이 인가되고, 반전 출력 단자(Q-)가 D 입력 단자(D)에 연결되며, 비반전 출력 단자(Q)에서 DC-DC 부스트 변환기(107)의 전력 nMOS 스위치(MNC)의 게이트에 인가되는 펄스가 출력되는 D 플립 플롭(908), 및 상기 시동 온/오프 제어 신호(VD), 배터리 전압이 최대 인지를 감지하는 신호(VOV), 및 상기 충전 회로 온/오프 제어 신호(ENMPP)를 논리 곱(AND)하여 상기 오실레이터(906)의 동작을 온/오프시키는 신호(ENCG)를 출력하는 AND 게이트(904)를 포함한다.
상기 충전 회로(108)는 인에이블 발생기(112)의 출력 신호(VD), MPPT 제어기(109)에서 출력되는 ENMPP와 배터리 관리부(114)에서 출력되는 VOV가 AND 게이트(904)에 인가되어 온/오프되고, VBAT,MAX까지 VSTO 및 VBAT를 승압시킨다.
도 10은 충전부(106)에 사용된 오실레이터(906)의 구조이다. 충전부(106)의 오실레이터(906)는 1.6V에서 3V까지의 VSTO를 전원전압으로 사용하기 때문에 출력 주파수 및 전류 소모를 일정하게 하기 위해 전류-제한 인버터(1000, 1002, 1004, 1006)(current-starved inverter)를 각 단에 사용하였다. D-플립플롭은 부 귀환을 통해 출력 펄스의 듀티 싸이클을 항상 50%로 유지하도록 하였다.
본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 회로의 성능을 검증하기 위해 VOC가 578㎷이고, ISC가 5㎃인 PV 셀의 등가 모델을 이용하여 모의실험을 하였다. 외부 커패시터는 모의실험의 시간을 고려하여 CSC는 100㎋, CSTO는 100㎋ 그리고 CBAT는 500㎋으로 설정하였다. 또한 배터리의 부하저항으로는 10㏀을 연결하여 모의실험을 하였다.
도 11은 시동 동작에 대한 모의실험 결과이다. 시동부(104)가 동작 시, 바디 바이어스 발생기(300)는 118.2㎷의 바디 바이어스를 시동부(104)의 오실레이터(302)에 있는 pMOS 바디에 인가한다. 그 결과, 오실레이터(302)는 31㎑의 클록을 출력하여 전하 펌프(304)에 공급한다. 펄스 발생기(306)는 전하 펌프(304)의 출력전압을 공급받아 진폭이 900㎷이고 듀티 싸이클이 60%이며 주파수가 77㎑의 VPS을 출력하고, 시동 회로(105)의 nMOS 전력 스위치인 MNS에 공급하여 VSTO를 승압시킨다.
시동 회로(105)에 의해 VSTO가 1.6V까지 승압되면 VD는 '1'이 되고, VPS는 '0'을 출력하며 충전 회로(108)의 동작을 위해 VPC가 출력된다.
도 12는 시동 동작 이후, 즉 VSTO가 1.6V가 된 이후의 출력 파형이다. 첫 번째 ENBM이 '1'인 구간인 (a)에서는 VSTO가 1.65V 이므로 VUV는 '1'이 되어 MPB를 오프시킨다. 그러나 VBAT는 VSTO를 따라 증가하는데 이는 MPB의 기생 다이오드에 의해 VSTO에서 기생 다이오드의 온 전압인 691㎷ 만큼 강하되어 VBAT에 출력되기 때문이다.
(b) 구간에서는 VSTO가 2.9V이므로 VUV는 MPB를 온 시키기 위해 '0'을 출력하고 VSTO와 VBAT는 동일하게 된다. VOV는 VSTO가 3V 이하에서는 '1'을 출력하여 충전부(106)를 동작시키고, VSTO가 3V가 되면 '0'을 출력하여 충전부(106)의 출력인 VPC가 '0'이 된다. ENBM에 의해 배터리 관리부(114)가 동작하기 때문에 신호가 출력되어야 할 전압에서 출력이 되지 않는데, 이는 회로에 사용되는 외부 커패시터의 크기를 모의실험 시간 관계상 작은 값으로 설정하였기 때문이고, 실제 배터리에 적용한다면 이와 같은 오차는 크게 줄어들 것이다.
도 13은 MPPT 제어 회로(110)의 모의실험 결과이다. VOV가 '1'인 동안, VSC가 VMPP보다 작아지면 ENMPP는 '0'이 되고, 따라서 충전부(106)의 출력(VPC)도 '0'이 되며, VSC가 VMPP보다 크면 '1'을 출력하여 충전부(106)를 동작시킨다. MMPPT 제어 회로(110)에서 사용된 비교기는 히스테리시스를 갖기 때문에 VSC가 VMPP와 동일할 때 온/오프 신호를 출력하지 않고 ±50㎷의 여유를 가지고 ENMPP를 출력한다. 그 결과 VSC가 VMPP 근처에서 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 빛의 세기 등 주변 환경 변화에 따른 PV 셀의 출력 특성이 변하는 경우에 대한 모의실험 결과이다. 구간 (a)에서 PV 셀의 VOC와 ISC는 각각 578㎷와 5㎃이고, 구간 (b)에서는 412㎷, 10㎂이며, 구간 (c)에서는 586㎷, 7㎃가 되도록 설정하였다.
구간 (a)에서는 PV 셀이 충분한 전력을 출력하여 충전 장치에 의해 VBAT가 3V까지 충전되는 것을 확인할 수 있다. 구간(b)는 갑자기 빛이 차단되어 PV 셀에서 출력되는 전력이 아주 미약한 경우이다. 이 구간에서 충전 장치는 오프되고, 부하저항(10㏀)에서의 전류 소모로 인해 VSTO와 VBAT는 감소하게 된다.
VD는 VSTO가 1.6V 이하로 떨어지자 '1'에서 '0'으로 바뀌었으며, 시동부(104)를 온시켜 VPS가 출력되지만, 시동부(104)가 원활하게 동작하기엔 PV 셀의 출력 전력이 매우 작아 제대로 동작하지는 않는다. 80㎳ 이후 구간 (c)에서는 시동부(104)가 동작하기에 충분한 전력이 PV 셀에서 출력되자 시동부(104)가 원활하게 동작하고 충전부(106)가 동작하여 VSTO 및 VBAT가 3V를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
전체 모의실험 결과 초기 시동부(104)의 전류 소모는 523㎷의 VSC에서 2.1㎂ 이고, 시동부(104)가 꺼지고, VSTO 및 VBAT가 약3V일 때 전체 회로의 전류 소모는 17㎂이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 배터리 충전 장치에 MPPT를 적용했을 때와 안했을 때의 효율을 보인 그래프이다. MPPT 적용 시에 5.8㏀에서 최대 86.2%의 효율을 보이고, MPPT를 적용하지 않은 경우에는 83.2%으로 최대 3%의 차이를 보인다. MPPT를 적용하지 않은 경우는 MPPT 제어기(109)에 의해 소모되는 추가 전류가 없음에도 불구하고 MPPT가 적용되는 경우가 더 낮은 효율을 보인다. 부하 저항의 크기가 커질수록 구성 회로들의 전류 소모의 영향이 커지면서 MPPT를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 차이가 점점 좁혀지지만 MPPT 적용 시의 효율이 더 크게 나타났다. 따라서 MPPT를 적용하는 것이 같은 조건일 때 PV 셀로부터 출력되는 에너지가 크기 때문에 더 높은 효율을 보였고, MPPT를 적용하는 것이 에너지 수확에 있어서 더 효율적인 것을 알 수 있다.
표 2에 기존에 발표된 빛에너지 하베스팅을 이용한 배터리 충전 장치들의 성능을 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치의 성능과 비교 요약하였다.
Figure 112016051666791-pat00004
비특허문헌 [2]는 1V 이하의 낮은 입력전압을 이용하여 매우 적은 전류 소모로 시스템을 구현하였으나, FOC 방식의 MPPT 구현 시 PV 셀로부터 지속적인 에너지 수확이 불가능하다. 비특허문헌 [4]는 힐-클라이밍(hill-climbing) 방식의 MPPT 방식을 사용하며 높은 효율 특성을 갖는 충전 장치를 구현하였으나, 전력 소모가 큰 편이어서 초소형 마이크로 에너지 하베스팅에는 적합하지 않다.
본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는 1V 이하의 낮은 입력전압을 이용하여 적은 전력 소모로 MPPT가 가능한 충전 장치를 구현하였기 때문에 초소형이며 자가 충전이 필요한 시스템에 적용가능하다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치의 설계된 회로의 레이아웃이며, 크기는 패드를 포함하여 1.2㎜ × 1.36㎜ 이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는 FOC 방식을 이용하여 MPPT 제어 기능을 구현하였으며, 보조 PV 셀을 이용하여 주 PV 셀의 개방회로 전압을 간단히 예측하였다.
1V 이하의 낮은 전압을 출력하는 PV 셀로부터 시동 동작을 원활히 하기 위한 시동 회로와 배터리 충전 상태를 관리하는 배터리 관리 회로를 설계하였다. 0.35㎛ CMOS 공정을 이용하여 설계된 회로를 모의실험 한 결과, MPPT 적용 시 MPPT를 적용하지 않았을 때보다 최대 3%의 전력 효율 향상을 보였으며, 5.8㏀에서 최대 86.2%의 효율을 보였다. 설계된 회로의 칩 면적은 1.2㎜ × 1.36㎜ 이다. 본 발명의 일 실시예에 의한 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치는 초소형 PV 셀을 이용한 자가 충전이 필요한 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 주 PV 셀 102 : 보조 PV 셀
104 : 시동부 105 : 시동 회로
106 : 충전부 107 : DC-DC 부스트 변환기
108 : 충전 회로 109 : MPPT 제어기
110 : MPPT 제어 회로 111 : 밴드갭 회로
112 : 인에이블 발생기 114 : 배터리 관리부
115 : 배터리 관리 회로 300 : 바디 바이어스 발생기
302 : 오실레이터 304 : 전하 펌프
306 : 펄스 발생기 700, 704, 708 : 비교기
702, 706 : D-래치 710, 712 : 스위치
800 : AND 게이트 802 : 비교기
906 : 오실레이터 908 : D 플립 플롭
1000, 1002, 1004, 1006 : 전류-제한 인버터
1008 : NAND 게이트

Claims (14)

  1. 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 주 PV 셀(PV cell: Photovoltaic cell);
    상기 주 PV 셀의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)을 추정하기 위한 보조 PV 셀(PV cell);
    상기 주 PV 셀의 출력을 수신하여 배터리 충전 전압을 형성하기 위한 충전 회로;
    상기 보조 PV 셀의 출력 전압에 기반하여 상기 주 PV 셀의 최대전력점(MPP: Maximum Power Point) 전압을 실시간으로 추적하고, 상기 주 PV 셀의 출력 전압과 상기 실시간으로 추적된 최대전력점 전압에 기반하여 상기 충전 회로의 동작을 제어하는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어 회로;
    배터리의 충전 상태를 관리하기 위한 배터리 관리 회로;
    상기 충전 회로의 출력에 연결된 저장 커패시터;
    상기 주 PV 셀의 출력 전압이 소정 전압 미만인 경우, 상기 저장 커패시터의 전압을 소정의 동작 가능한 전압까지 승압시키는 시동 회로; 및
    인에이블 발생기를 포함하고,
    상기 인에이블 발생기는,
    상기 저장 커패시터의 전압이 상기 소정 전압 미만인 경우 상기 시동 회로를 동작시키고 상기 최대전력점 추적 제어 회로 및 상기 충전 회로를 오프시키며, 상기 저장 커패시터의 전압이 상기 소정의 동작 가능한 전압까지 승압되는 경우 상기 시동 회로를 오프시키고 상기 최대전력점 추적 제어 회로 및 상기 충전 회로를 동작시키는 시동 온/오프 제어 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 배터리 관리 회로의 동작을 온/오프시키는 배터리 관리 회로 온/오프 제어 신호를 생성하도록 구성되는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 PV 셀은 상기 주 PV 셀과 동일한 소자 특성을 갖고 상기 주 PV 셀보다 크기가 작은, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    기준 전압 및 기준 전류를 발생시키는, 밴드갭 회로를 더 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 충전 회로의 출력과 배터리 사이에 연결되고, 상기 배터리 관리 회로의 제어 신호에 따라 온/오프되는 전력 공급 단속 스위치를 더 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 최대전력점 추적 제어 회로는,
    상기 보조 PV 셀의 개방회로 전압으로부터 최대전력점 전압을 생성하기 위한 최대전력점 전압 생성부; 및
    상기 최대전력점 전압 생성부에서 출력되는 최대전력점 전압과 상기 주 PV 셀의 출력 전압을 비교하여 상기 충전 회로의 동작을 온/오프시키기 위한 충전회로 온/오프 제어 신호를 생성하는 최대전력점 제어기를 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 충전 회로는,
    상기 주 PV 셀의 출력 전압을 승압시키는 DC-DC 부스트 변환기; 및
    상기 DC-DC 부스트 변환기에 펄스 신호를 인가하기 위한 충전부를 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 DC-DC 부스트 변환기는,
    상기 주 PV 셀의 출력에 일단이 연결된 인덕터;
    드레인이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 소스가 접지되며 게이트에 상기 충전부의 출력인 펄스 신호가 인가되는 nMOS 스위치; 및
    애노드가 상기 인덕터의 타단에 연결되고 캐소드가 상기 저장 커패시터의 일단에 연결되는 쇼트키 다이오드를 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 충전부는,
    상기 저장 커패시터의 전압을 전원전압으로 하는 전류 미러;
    상기 전류 미러의 출력에 따라 발진 신호를 발생하는 오실레이터;
    클록 입력 단자에 상기 오실레이터의 출력이 인가되고, 반전 출력 단자가 D 입력 단자에 연결되며, 비반전 출력 단자에서 상기 DC-DC 부스트 변환기의 nMOS 스위치의 게이트에 인가되는 펄스 신호가 출력되는 D 플립 플롭; 및
    상기 시동 온/오프 제어 신호, 배터리 전압이 최대 인지를 감지하는 신호, 및 상기 충전 회로 온/오프 제어 신호를 논리 곱(AND)하여 상기 오실레이터의 동작을 온/오프시키는 신호를 출력하는 AND 게이트를 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 시동 회로는,
    상기 인덕터의 타단에 드레인이 연결되고 소스는 접지되며 게이트에 펄스가 인가되는 nMOS 전력 스위치; 및
    상기 nMOS 전력 스위치에 인가되는 상기 펄스를 생성하기 위한 시동부를 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 시동부는,
    상기 주 PV 셀의 출력 전압, 상기 시동 온/오프 제어 신호, 상기 시동 온/오프 제어 신호의 반전 신호에 기반하여, 바디 바이어스 전압을 발생하는 바디 바이어스 발생기;
    상기 바디 바이어스 발생기의 출력에 따라 발진 신호를 출력하는 오실레이터;
    상기 오실레이터의 출력에 기반하여 상기 시동 회로의 nMOS 전력 스위치가 온/오프하기에 적합한 전압으로 상기 주 PV 셀의 출력 전압을 승압하기 위한 전하 펌프; 및
    상기 전하 펌프의 출력을 전원 전압으로 공급받아 상기 nMOS 전력 스위치에 펄스를 공급하기 위한 펄스 발생기를 포함하는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리 관리 회로는 상기 저장 커패시터의 전압이 배터리 충전에 필요한 최소 전압이 되면 상기 전력 공급 단속 스위치를 온시켜 상기 배터리를 충전하고, 상기 배터리의 전압이 최대 충전 전압이 되면 상기 충전부를 오프시키는, 빛 에너지 하베스팅을 이용한 최대전력점 추적 제어 기능을 갖는 배터리 충전 장치.
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