KR101991366B1 - 전력 관리 장치 및 이를 이용한 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

전력 관리 장치 및 이를 이용한 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

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Abstract

각각의 하베스팅 소스로부터 전달받는 전력을 낭비없이 관리함으로써 효율적으로 배터리에 분배할 수 있도록 하는 전력 관리 장치 및 이를 이용한 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템을 제시한다. 제시된 장치는 다수의 하베스팅 전력원의 출력단에 각각 접속된 저장소자의 전압과 기설정된 문턱전압을 비교하는 다수의 비교부, 해당 전력 관리 장치의 동작을 제어하는 제어부, 및 각각의 저장소자와 배터리와의 사이에 각각 설치되고 제어부로부터의 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 동작하여 해당하는 저장소자와 배터리간의 전력 전송로를 형성하는 다수의 스위칭부를 포함한다. 제어부는 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 스위칭 제어신호를 생성하여 제공한다.

Description

전력 관리 장치 및 이를 이용한 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템{Electric power management apparatus and multi-source energy harvesting system using the same}
본 발명은 전력 관리 장치 및 이를 이용한 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개 이상의 에너지 하베스팅 소스(전력원)에 대한 입력을 통해 전력을 배터리에 저장하는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
주변 기기의 소형화 등이 점점 중요해지고 있는 요즘 주변 기기의 유한한 배터리 수명에 의한 전력공급이 문제가 되고 있다. 긴 시간에 걸쳐 작동해야 하는 장치에 주기적으로 배터리를 교체 또는 충전을 해야 하는 것은 많은 비용과 시간이 들기 때문에 비효율적이다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 기술이 에너지 하베스팅(energy harvesting) 이다. 에너지 하베스팅이란 빛, 열, 진동 등 주변의 버려지는 에너지를 다시 재수확하여 전기에너지로 변환하여 사용하는 기술로서, 친환경이 대두되고 있는 요즘 더욱 주목받고 있다. 이에, 외부의 전력 공급 없이 태양광 소자 (photovoltaic or solar), 압전 소자 (piezoelectric), 열에너지(thermal) 변환기 등의 다양한 에너지원을 전기 에너지로 변환하여 전력을 공급하는 에너지 하베스팅 시스템이 다양하게 제시되고 있다.
에너지 하베스팅 시스템에서 전력 공급의 성능을 향상시키기 위해서는, 두 개 이상의 에너지원을 동시에 사용할 때 에너지 하베스팅 시스템의 전력 관리 및 분배를 원활히 해야 한다. 즉, 에너지 하베스팅 시스템에서, 2개 이상의 하베스팅 소스로부터 동시에 또는 시간차를 두고 입력되는 하베스팅 전력을 배터리 또는 동일한 기능을 하는 전기 에너지 저장장치(이하, 배터리로 통칭함)에 낭비되는 전력없이 효율적으로 공급하는 것이 중요하다.
또한, 전력 관리 분배회로를 위한 알고리즘을 회로로 구현하였을 경우 복잡도 및 전력 소비를 최소화해야 한다.
관련 선행기술로는, 다수개의 하베스터 입력을 갖는 에너지 하베스팅 시스템에서 배터리 충전 및 방전 조건에 따라 로드에 전력 공급을 행하는 기술내용("An Effective Multi-Source Energy Harvester for Low Power Applications")이 Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition이라는 학술지에 2011년 3월에 게재되었다.
그 학술지에 게재된 기술내용("An Effective Multi-Source Energy Harvester for Low Power Applications")은 쇼트키 다이오드만을 이용하여 로드에 연결될 하베스터를 선택하게 된다. 이 경우에는 쇼트키 다이오드를 사용하기 때문에 다이오드 턴온에 의한 전력 손실이 발생할 가능성이 높다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 각각의 하베스팅 소스로부터 전달받는 전력을 낭비없이 관리함으로써 효율적으로 배터리에 분배할 수 있도록 하는 전력 관리 장치 및 이를 이용한 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 전력 관리 장치는, 다수의 하베스팅 전력원의 출력단에 각각 접속된 저장소자의 전압과 기설정된 문턱전압을 비교하는 다수의 비교부; 해당 전력 관리 장치의 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 각각의 저장소자와 배터리와의 사이에 각각 설치되고, 상기 제어부로부터의 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 동작하여 해당하는 저장소자와 상기 배터리간의 전력 전송로를 형성하는 다수의 스위칭부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 상기 스위칭 제어신호를 생성하여 제공한다.
바람직하게, 상기 제어부는, 외부에서의 클럭의 주파수를 수분의 1로 나누는 주파수 분할기; 상기 주파수 분할기로부터의 클럭을 근거로 라이징 에지의 시점이 상호 다른 복수의 클럭을 출력하는 클럭 출력부; 및 상기 클럭 출력부로부터의 복수의 클럭 및 상기 다수의 비교부의 출력을 근거로 상기 다수의 스위칭부에 대한 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 스위칭 제어신호 생성회로부;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 스위칭 제어신호 생성회로부는, 상기 클럭 출력부의 복수의 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 그룹의 D플립플롭; 상기 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 논리 게이트; 및 상기 논리 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부의 출력신호 및 상기 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부에 대한 스위칭 제어신호를 출력하는 제 2 그룹의 D플립플롭;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 그룹의 D플립플롭은, 상기 클럭 출력부의 제 1 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 D플립플롭; 상기 클럭 출력부의 제 2 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 2 D플립플롭; 및 상기 클럭 출력부의 제 3 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 3 D플립플롭;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 논리 게이트는, 상기 제 1 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 앤드 게이트; 상기 제 2 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 앤드 게이트; 상기 제 3 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 또 다른 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 3 앤드 게이트; 상기 제 2 앤드 게이트 및 상기 제 3 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 오어 게이트; 상기 제 1 앤드 게이트 및 상기 제 3 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 오어 게이트; 및 상기 제 1 앤드 게이트 및 상기 제 2 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 3 오어 게이트;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제 2 그룹의 D플립플롭은, 상기 제 1 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부 및 상기 제 1 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 어느 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 4 D플립플롭; 상기 제 2 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 다른 비교부 및 상기 제 2 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 다른 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 5 D플립플롭; 및 상기 제 3 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 또 다른 비교부 및 상기 제 3 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 또 다른 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 6 D플립플롭;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 스위칭 제어신호 생성회로부는, 상기 클럭 출력부의 제 1 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 D플립플롭; 상기 클럭 출력부의 제 2 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 2 D플립플롭; 상기 제 1 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 앤드 게이트; 상기 제 2 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 앤드 게이트; 상기 제 2 앤드 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부 및 상기 제 1 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 어느 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 3 D플립플롭; 및 상기 제 1 앤드 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부 및 상기 제 2 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 다른 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 4 D플립플롭;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 저장소자는 캐패시터로 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 배터리에 공급되는 전력은 상기 다수의 하베스팅 전력원 각각의 공급 전력 보다 큰 것이 좋다.
바람직하게, 상기 제어부의 출력을 상기 다수의 스위칭부의 온/오프 제어 입력 크기에 맞게 증폭해 주는 배전압부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템은, 다수의 하베스팅 전력원의 출력단에 각각 접속되어, 상기 다수의 하베스팅 전력원의 각각의 출력을 저장하는 다수의 저장소자; 상기 다수의 하베스팅 전력원의 전력을 저장하는 배터리; 및 상기 다수의 하베스팅 전력원의 전력을 상기 배터리에게로 전달하는 전력 관리 장치;를 포함하고, 상기 전력 관리 장치는, 상기 다수의 저장소자의 각각의 전압과 기설정된 문턱전압을 비교하는 다수의 비교부; 해당 전력 관리 장치의 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 각각의 저장소자와 배터리와의 사이에 각각 설치되고 상기 제어부로부터의 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 동작하여 해당하는 저장소자와 상기 배터리간의 전력 전송로를 형성하는 다수의 스위칭부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 상기 스위칭 제어신호를 생성하여 제공한다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 복잡하지 않은 구조를 갖고 저전력으로 동작하는 전력 관리 장치를 통해서 서로 같거나 다른 에너지원을 이용하는 다수개의 하베스팅 전력이 동시에 또는 각 시간차를 두고 입력되어 공급될 때, 전력을 효율적으로 관리하여 배터리에 분배하여 공급하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어부의 내부 구성 예이다.
도 3은 도 2의 제어부의 동작 타이밍도이다.
도 4는 도 1에 도시된 전력 관리 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치의 동작 흐름도이다.
도 6은 도 2의 변형예를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템의 구성도이다.
도 1에서는 이해를 쉽게 하기 위해, 멀티 소스(즉, 하베스팅 전력원)의 갯수가 3개인 것으로 하였다.
본 발명의 실시예에 따른 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템은, 하베스팅 전력원(10, 12, 14), 클럭 오실레이터(16), 배터리(18), 레귤레이터(20), 및 전력 관리 장치(50)를 포함한다.
하베스팅 전력원(10, 12, 14)은 멀티 소스 에너지 하베스팅을 위해 소정의 전력을 제공하는 전력원이다. 하베스팅 전력원(10, 12, 14)은 서로 같거나 다른 에너지원이다. 하베스팅 전력원(10, 12, 14)은 동시 또는 각각의 시간차를 두고 자신의 전력을 제공한다.
각각의 하베스팅 전력원(10, 12, 14)의 출력측에는 해당 전력원의 출력을 저장하기 위한 저장소자(예컨대, 캐패시터)가 접속된다. 즉, 하베스팅 전력원(10)의 출력단에는 충방전 가능한 캐패시터(C1)가 접속되고, 하베스팅 전력원(12)의 출력단에는 충방전 가능한 캐패시터(C2)가 접속되고, 하베스팅 전력원(14)의 출력단에는 충방전 가능한 캐패시터(C3)가 접속된다.
클럭 오실레이터(16)는 전력 관리 장치(50)에게로 클럭을 공급한다. 클럭 오실레이터(16)는 하베스팅 전력을 저장하거나 사용하는 배터리(18)로부터 레귤레이터(regulator)(20)를 통해 정전압의 전력을 공급받는다.
전력 관리 장치(50)는 하베스팅 전력원(10, 12, 14)이 동시에 또는 각 시간차를 두고 입력되어 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템이 동작할 때, 각 에너지 하베스팅 전력을 효율적으로 관리하여 배터리(18)에 분배하여 공급한다. 전력 관리 장치(50)는 하베스팅 전력을 저장하거나 사용하는 배터리(18)로부터 레귤레이터(regulator)(20)를 통해 정전압의 전력을 공급받는다.
각각의 하베스팅 전력원(10, 12, 14)의 공급(출력) 전력 크기는 MPPT (maximum power point tracking) 또는 이와 유사한 역할을 수행하는 전력 공급 회로 이후 전력 관리 장치(50)에 공급되는 전력크기를 기준으로 한다.
또한, 다수개의 하베스팅 전력원(10, 12, 14)으로부터 입력되는 전력을 모두 배터리(18)에 공급하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템에서는 배터리(18)에 공급되는 전력이 각 하베스팅 전력원(10, 12, 14)의 공급 전력보다 크도록 설정한다.
도 1에서, 전력 관리 장치(50)는 비교부(30, 32, 34), 제어부(36), 스위치(38, 40, 42), 및 배전압부(44)를 포함한다.
비교부(30, 32, 34)는 하베스팅 전력원(10, 12, 14)의 출력단에 접속된 캐패시터의 전압과 기설정된 문턱전압을 비교한다.
즉, 비교부(30)는 하베스팅 전력원(10)의 출력단에 접속된 캐패시터(C1)의 전압(VC1)과 기설정된 문턱전압(VTH)을 비교한다. 비교부(30)는 제어부(36)로부터의 인에이블 신호(en)에 의해 동작한다. 인에이블 신호(en)가 하이레벨 상태 일 때만 비교부(30)가 동작하게 되어 동작이 필요 없는 구간에서 전력이 소모되는 것을 막을 수 있다. 캐패시터(C1)의 전압(VC1)이 문턱전압(VTH)보다 높으면 비교부(30)는 하이레벨의 신호를 제어부(36)에게로 출력하고, 캐패시터(C1)의 전압(VC1)이 문턱전압(VTH)보다 낮으면 비교부(30)는 로우레벨의 신호를 제어부(36)에게로 출력한다.
비교부(32)는 하베스팅 전력원(12)의 출력단에 접속된 캐패시터(C2)의 전압(VC2)과 기설정된 문턱전압(VTH)을 비교한다. 비교부(32)는 제어부(36)로부터의 인에이블 신호(en)에 의해 동작한다. 인에이블 신호(en)가 하이레벨 상태 일 때만 비교부(32)가 동작하게 되어 동작이 필요 없는 구간에서 전력이 소모되는 것을 막을 수 있다. 캐패시터(C2)의 전압(VC2)이 문턱전압(VTH)보다 높으면 비교부(32)는 하이레벨의 신호를 제어부(36)에게로 출력하고, 캐패시터(C2)의 전압(VC2)이 문턱전압(VTH)보다 낮으면 비교부(32)는 로우레벨의 신호를 제어부(36)에게로 출력한다.
비교부(34)는 하베스팅 전력원(14)의 출력단에 접속된 캐패시터(C3)의 전압(VC3)과 기설정된 문턱전압(VTH)을 비교한다. 비교부(34)는 제어부(36)로부터의 인에이블 신호(en)에 의해 동작한다. 인에이블 신호(en)가 하이레벨 상태 일 때만 비교부(34)가 동작하게 되어 동작이 필요 없는 구간에서 전력이 소모되는 것을 막을 수 있다. 캐패시터(C3)의 전압(VC3)이 문턱전압(VTH)보다 높으면 비교부(34)는 하이레벨의 신호를 제어부(36)에게로 출력하고, 캐패시터(C3)의 전압(VC3)이 문턱전압(VTH)보다 낮으면 비교부(34)는 로우레벨의 신호를 제어부(36)에게로 출력한다.
여기서, 비교부(30, 32, 34)는 각각 비교기로 구성될 수 있다. 각각의 비교부(30, 32, 34)의 일 입력단(A)에는 해당하는 캐패시터의 전압(VC1 ,VC2 , VC3) 중 어느 하나가 전력 분배 회로(Ri1, Ri2)를 통해 입력되고, 각각의 비교부(30, 32, 34)의 다른 입력단(B)에는 기설정된 문턱전압(VTH)이 입력된다. 여기서, i는 1부터 하베스팅 전력원 개수 n를 나타내는 정수로서, i= 1, 2, 3(n=3)을 의미한다. 전력 분배 회로(Ri1, Ri2)는 하베스팅 전력원(10, 12, 14)의 입력 전압이 전력 관리 장치(50)의 디지털 회로 동작 전압보다 클 때 서로의 입출력 전압 동작 범위를 맞춰주기 위한 것으로서, 큰 저항 값을 사용하여 전압 분배 회로에 의한 전력 손실이 발생하지 않도록 한다.
또한, 문턱전압(VTH)은 하기의 식
Figure 112013078383018-pat00001
을 만족한다. 여기서, RTH1과 RTH2 또한 전력 손실이 발생하지 않도록 큰 저항 값을 사용한다. Vbat는 배터리(18)의 전압이다. 구현시, 문턱전압(VTH)을 안정하게 유지시키기 위한 밴드갭 레퍼런스(bandgap reference)회로가 포함될 수 있다.
제어부(36)는 해당 전력 관리 장치(50)의 알고리즘 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(36)는 디지털 컨트롤 유닛(digital control unit ; DCU)으로 구성될 수 있다.
스위치(38, 40, 42)는 해당하는 캐패시터의 전압단과 배터리(18)의 입력단 사이에 각각 설치되고, 배전압부(44)를 통과한 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 동작한다. 예를 들어, 스위치(38)는 캐패시터의 전압(VC1)단과 배터리(18)의 입력단 사이에 설치되고, 스위치(40)는 캐패시터의 전압(VC2)단과 배터리(18)의 입력단 사이에 설치되고, 스위치(42)는 캐패시터의 전압(VC3)단과 배터리(18)의 입력단 사이에 설치된다. 여기서, 스위치(38, 40, 42)의 각각의 일 단자는 공통으로 접속되어 배터리(18)의 입력단에 연결된다.
배전압부(clock voltage doubler; CVD)(44)는 제어부(36)의 출력 전압을 스위치(38, 40, 42)의 온/오프 제어 입력 크기에 맞게 증폭해 준다.
도 2는 도 1에 도시된 제어부(36)의 내부 구성 예이다.
제어부(36)는 주파수 분할기(60), 존슨 카운터(62), D플립플롭(64, 66, 68, 74, 80, 86), 및 논리 게이트(70, 72, 76, 78, 82, 84)를 포함한다.
주파수 분할기(60)는 클럭 주파수를 임의의 수분의 1로 나눈다. 본 발명의 실시예에서, 주파수 분할기(60)는 클럭 주파수를 1/2로 나누는 것으로 한다. 즉, 주파수 분할기(60)는 클럭 오실레이터(16)로부터의 클럭(clk)이 제어부(36)의 클럭단(CLK)으로 입력되면 해당 클럭(CLK)의 주파수를 1/2로 나누고서 절반에 해당하는 주파수의 클럭(DCLK)을 존슨 카운터(62)에게로 출력한다.
존슨 카운터(Johnson Counter)(62)는 주파수 분할기(60)로부터의 클럭(DCLK)을 입력받아 m(m=2*n, n=3)비트의 신호를 출력한다. 존슨 카운터(62)의 내부 구성은 당업자라면 주지의 기술로 충분히 알 수 있으리라 본다. 존슨 카운터(62)의 출력은 인에이블신호 생성용으로 사용된다. 즉, 존슨 카운터(62)는 소정 레벨(예컨대, 하이 레벨("1") 또는 로우 레벨("0"))의 인에이블 생성신호(EN1, EN2, EN3)를 출력한다. 여기서, 3개의 인에이블 생성신호(EN1, EN2, EN3)는 동시에 하이 레벨로 되는 것이 아니라 서로 시간적으로 시프트되어 하이 레벨로 되었다가 로우 레벨로 된다. 예를 들어, 인에이블 생성신호(EN1)가 제일 먼저 하이 레벨로 되었다가 로우 레벨로 된 이후에 인에이블 생성신호(EN2)가 하이 레벨로 되었다가 로우 레벨로 되고, 이후에 인에이블 생성신호(EN3)가 하이 레벨로 되었다가 로우 레벨로 되는 방식을 취할 수 있다. 결국, 존슨 카운터(62)는 주파수 분할기(60)로부터의 클럭을 근거로 라이징 에지의 시점이 상호 다른 복수의 클럭(즉, 인에이블 생성신호(EN1, EN2, EN3))을 출력한다고 볼 수 있다. 상술한 존슨 카운터(62)는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 클럭 출력부의 일 예가 될 수 있다.
D플립플롭(64, 66, 68)은 단자(D)에 "1"이 입력되고 하이 레벨의 클럭이 단자(clk)에 인가되면 출력(Q)에서는 "1"을 출력한다. 즉, D플립플롭(64)은 존슨 카운터(62)로부터의 인에이블 생성신호(EN1) 및 클럭 오실레이터(16)로부터의 클럭을 입력받되, 입력받은 인에이블 생성신호(EN1) 및 클럭의 신호 레벨에 근거하여 소정의 신호 레벨의 출력신호(DEN1)를 출력한다. D플립플롭(66)은 존슨 카운터(62)로부터의 인에이블 생성신호(EN2) 및 클럭 오실레이터(16)로부터의 클럭을 입력받되, 입력받은 인에이블 생성신호(EN2) 및 클럭의 신호 레벨에 근거하여 소정의 신호 레벨의 출력신호(DEN2)를 출력한다. D플립플롭(68)은 존슨 카운터(62)로부터의 인에이블 생성신호(EN3) 및 클럭 오실레이터(16)로부터의 클럭을 입력받되, 입력받은 인에이블 생성신호(EN3) 및 클럭의 신호 레벨에 근거하여 소정의 신호 레벨의 출력신호(DEN3)를 출력한다.
앤드 게이트(70)는 D플립플롭(64)의 출력신호(DEN1) 및 비교부(30)의 출력신호를 입력받아 논리연산하여 결과값(AND_OUT1)을 출력한다.
오어 게이트(72)는 앤드 게이트(76)의 출력(AND_OUT2)과 앤드 게이트(82)의 출력(AND_OUT3)을 입력받아 논리연산하여 결과값(OR_OUT1)을 출력한다.
D플립플롭(74)은 비동기 리셋(asynchronous reset) 기능을 가진다. D플립플롭(74)의 단자(D)는 비교부(30)의 출력단에 접속되고, D플립플롭(74)의 클럭단(clk)은 D플립플롭(64)의 출력단(Q)에 접속되고, D플립플롭(74)의 단자(AR)는 오어 게이트(72)의 출력단에 접속된다. 따라서, D플립플롭(74)은 단자(D)에 "1"이 입력되고 하이 레벨의 클럭이 클럭단(clk)에 인가되면 출력(Q)에서는 "1"을 출력하되, 단자(AR)에 "1"이 입력되면 클럭의 입력과 단자(D)의 값에 관계없이 출력(Q)은 "0"이 된다. 여기서, D플립플롭(74)의 출력신호(OUT1)는 스위치(38)에 대한 스위칭 제어신호로서 배전압부(44)에게로 전달된다.
앤드 게이트(76)는 D플립플롭(66)의 출력신호(DEN2) 및 비교부(32)의 출력신호를 입력받아 논리연산하여 결과값(AND_OUT2)을 출력한다.
오어 게이트(78)는 앤드 게이트(70)의 출력(AND_OUT1)과 앤드 게이트(82)의 출력(AND_OUT3)을 입력받아 논리연산하여 결과값(OR_OUT2)을 출력한다.
D플립플롭(80)은 비동기 리셋(asynchronous reset) 기능을 가진다. D플립플롭(80)의 단자(D)는 비교부(32)의 출력단에 접속되고, D플립플롭(80)의 클럭단(clk)은 D플립플롭(66)의 출력단(Q)에 접속되고, D플립플롭(80)의 단자(AR)는 오어 게이트(78)의 출력단에 접속된다. 따라서, D플립플롭(80)은 단자(D)에 "1"이 입력되고 하이 레벨의 클럭이 클럭단(clk)에 인가되면 출력(Q)에서는 "1"을 출력하되, 단자(AR)에 "1"이 입력되면 클럭의 입력과 단자(D)의 값에 관계없이 출력(Q)은 "0"이 된다. 여기서, D플립플롭(80)의 출력신호(OUT2)는 스위치(40)에 대한 스위칭 제어신호로서 배전압부(44)에게로 전달된다.
앤드 게이트(82)는 D플립플롭(68)의 출력신호(DEN3) 및 비교부(34)의 출력신호를 입력받아 논리연산하여 결과값(AND_OUT3)을 출력한다.
오어 게이트(84)는 앤드 게이트(70)의 출력(AND_OUT1)과 앤드 게이트(76)의 출력(AND_OUT2)을 입력받아 논리연산하여 결과값(OR_OUT3)을 출력한다.
D플립플롭(86)은 비동기 리셋(asynchronous reset) 기능을 가진다. D플립플롭(86)의 단자(D)는 비교부(34)의 출력단에 접속되고, D플립플롭(86)의 클럭단(clk)은 D플립플롭(68)의 출력단(Q)에 접속되고, D플립플롭(86)의 단자(AR)는 오어 게이트(84)의 출력단에 접속된다. 따라서, D플립플롭(86)은 단자(D)에 "1"이 입력되고 하이 레벨의 클럭이 클럭단(clk)에 인가되면 출력(Q)에서는 "1"을 출력하되, 단자(AR)에 "1"이 입력되면 클럭의 입력과 단자(D)의 값에 관계없이 출력(Q)은 "0"이 된다. 여기서, D플립플롭(86)의 출력신호(OUT3)는 스위치(42)에 대한 스위칭 제어신호로서 배전압부(44)에게로 전달된다.
도 2에서, 존슨 카운터(62)는 6 비트 존슨 카운터인데, 존슨 카운터(62)의 출력이 순서대로 QC0~QC5일때 D플립플롭(74, 80, 86)의 입력신호와 비동기 리셋 신호의 충돌을 피하기 위해 QC1, QC3, QC5를 사용하지 않는다. 일반적으로, m 비트 존슨 카운터일 때 출력의 짝수 번째나 홀수 번째만 선택하여 사용한다.
상술한 D플립플롭(64, 66, 68, 74, 80, 86) 및 논리 게이트(70, 72, 76, 78, 82, 84)는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 스위칭 제어신호 생성회로부의 일 예가 된다. 즉, 스위칭 제어신호 생성회로부는 존슨 카운터(62)로부터의 복수의 클럭 및 다수의 비교부(30, 32, 34)의 출력을 근거로 다수의 스위치(38, 40, 42)에 대한 스위칭 제어신호를 생성하여 출력한다. 이와 같이 스위칭 제어신호 생성회로부가 제기능을 수행하기 위해서 상술한 D플립플롭(64, 66, 68, 74, 80, 86) 및 논리 게이트(70, 72, 76, 78, 82, 84)를 포함한다고 볼 수 있다.
스위칭 제어신호 생성회로부를 보다 자세히 설명하면, 스위칭 제어신호 생성회로부는 존슨 카운터(62)의 복수의 클럭 및 외부(즉, 클럭 오실레이터(16))에서의 클럭을 근거로 각기 상이한 신호를 출력하는 제 1 그룹의 D플립플롭, 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호 및 다수의 비교부(30, 32, 34)의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 논리 게이트, 및 논리 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 다수의 비교부의 출력신호 및 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호를 근거로 다수의 스위칭부에 대한 스위칭 제어신호를 출력하는 제 2 그룹의 D플립플롭을 포함한다고 볼 수 있다. 여기서, 제 1 그룹의 D플립플롭은 D플립플롭(64, 66, 68)이 될 수 있고, 논리 게이트는 앤드 게이트(70, 76, 82) 및 오어 게이트(72, 78, 84)가 될 수 있고, 제 2 그룹의 D플립플롭은 D플립플롭(74, 80, 86)이 될 수 있다.
도 1을 참고하여 도 2에 도시된 제어부(36)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
i = 1일 때, 주파수 분할기(60)는 클럭(CLK)의 주파수의 절반에 해당하는 주파수를 갖는 클럭(DCLK)을 존슨 카운터(62)에게로 입력하고, 존슨 카운터(62)는 클럭(DCLK)에 의해 출력신호(EN1)의 레벨을 하이레벨로 한다. 이때, 비교부(30)가 인에이블되어, 비교부(30)는 입력(VC1과 VTH)의 크기를 비교한다.
여기서, 클럭(DCLK)의 체크 기간(check period)은 Δt로 제시되며, 아래 식으로 정할 수 있다.
Figure 112013078383018-pat00002
여기서, IB는 아래와 같이 제시할 수 있고,
Figure 112013078383018-pat00003
이때, IB는 배터리(18)의 충전 전류이고, RBin은 배터리 내부 저항이다. 여기서, 배터리 충전 전류(IB)를 조절할 수 있도록 각 스위치(38, 40, 42)의 출력측과 배터리(18)의 입력측 사이에 저항을 포함할 수 있다. 또한, 각 스위치(38, 40, 42)의 출력 전압보다 높은 전압의 배터리를 연결한 경우, 배터리를 충전시키기 위해 각 스위치(38, 40, 42)의 출력측과 배터리(18)의 입력측 앞에 DC-DC 컨버터를 포함 할 수 있다.
또한, 클럭(DCLK)의 기간(period) × 2 시간은 Δt보다 짧아야 한다. 상기에서는 Δt를 체크 기간이라고 하였는데, 체크 주기라고 칭하여도 무방하다.
D플립플롭(64)에서 클럭(CLK)에 의해 지체된 출력신호(DEN1)가 D플립플롭(74)의 클럭으로 입력될 때, 비교부(30)의 출력신호(IN1)가 하이 상태이면 D플립플롭(74)의 출력신호(OUT1)가 하이 상태가 된다. 그에 따라, 배전압부(44)를 통해 스위치(38)가 온되어 닫히게 되므로, 하베스팅 전력원(10)에 연결된 캐패시터(C1)와 배터리(18)간의 전력 전송로를 형성하게 된다. 이때, 앤드 게이트(70)의 하이 레벨의 출력신호(AND_OUT1)는 나머지 D플립플롭(80, 86)을 리셋시키게 되어, 이전에 연결되어 있던 스위치를 모두 오프시킨다.
그러나, 비교부(30)의 출력신호가 로우 상태이면 이전에 하이 상태인 D플립플롭의 출력신호의 레벨이 그대로 유지되므로, 이전에 연결된 캐패시터와 배터리간의 연결 상태가 그대로 유지된다.
상술한 바와 같은 과정을 i= 2, 3에 동일하게 수행하고, 다시 i=1부터 반복한다.
도 3은 도 2의 제어부(36)의 동작 타이밍도이다.
도 3의 하단의 타임 슬롯(time slot)은 해당 하베스팅 전력원(Energy harvesteri, EHi, i=1,2,3)이 배터리(18)와 연결된 시간 구간을 제시한다.
첫 번째 DEN1~DEN3이 라이징 에지(rising edge)일 때(즉, 첫번째 사이클(cycle)), IN1만 하이 상태(high state)이고, OUT1만 하이 상태(high state)로 유지된다.
두 번째 DEN1~DEN3이 라이징 에지일 때(즉, 두 번째 사이클), IN1과 IN2가 하이 상태(high state)이고, 이 때 DEN3이 라이징 에지이어도 IN3은 로우 상태(low state)이므로, OUT2는 하이 상태(high state)를 유지한다.
세 번째 DEN1~DEN3이 라이징 에지일 때(즉, 세 번째 사이클)부터는 IN1, IN2, IN3이 모두 하이 상태(high state)이므로, OUT1, OUT2, OUT3이 각 해당 DEN에 의해 차례대로 하이 상태(high state)가 되어 시간 구간을 3등분한다.
도 4는 도 1에 도시된 전력 관리 장치(50)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도로서, 도 1과 도 2의 회로 구성을 케이던스사의 시뮬레이션 툴(cadence spectre)을 사용하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 제시한다.
측정 환경은 3개의 하베스팅 전력원을 사용하고, 각 VCi의 입력 전압 범위는 0V~3.3V으로 하고, 디지털 회로의 공급 전압은 1.2V로 하고, Δt
Figure 112013078383018-pat00004
300μs, 각 하베스팅 전력원의 공급 전력은 약 10μW로 하고, VTH=1.6V, Va = bat=1.2V, 클럭(CLK)의 주기(period)=40μs, 배터리의 충전 전력은 약 30 μW으로 하고, Ri1=120Mohm, Ri2=210Mohm 이다.
도 4에서 제시하는 바와 같이, 6ms이후 전압의 변화가 안정되면 공급되는 전압과 충전되는 전압이 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 누설되는 전력이 없이 3개의 하베스팅 전력원에 의해 공급되는 전력 10 μW ×3 = 30 μW가 지속적으로 배터리에 충전되는 것을 확인할 수 있다.
회로의 구성에 사용된 부품의 특성에 따라 전력 관리 장치에서 소모되는 전력이 달라지겠지만, TSMC 0.13 μm 공정으로 SoC를 제작하였을 경우 시뮬레이션으로 제시되는 조건일 때 외부 클럭(clock)을 포함한 전력소비는 대략 1 μW이다. 따라서, 이때의 전력 전달 효율은 전달 전력/(입력전력+회로 소모전력)×100(%) = 30 μW/ 31 μW x100(%) = 96.7%의 높은 효율을 갖는다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치의 동작 흐름도로서, 서로 같거나 다른 에너지원을 이용한 n개의 하베스팅 전력원이 동시에 또는 각 시간차를 두고 입력되어 에너지 하베스팅 시스템이 동작할 때, 각 에너지 하베스팅 전력을 효율적으로 관리하여 배터리에 분배하여 공급하는 방법을 나타내는 알고리즘 흐름도이다.
도 5에 따른 본 발명의 실시예에 따른 전력 관리 장치의 동작 흐름은 하기와 같다.
먼저, 단계 S10에서, n개의 멀티 소스 입력(하베스팅 전력원 입력)에 의한 에너지 하베스팅을 시작한다. 여기서, i는 "1"로 초기화하고, i=1,2, …, n이다.
단계 S12에서, 각각의 멀티 소스 하베스팅 전력 출력 저장용 캐패시터들(Ci)에 전하를 충전하기 시작한다.
이어, 단계 S14에서, 캐패시터(Ci)의 전압(VCi)이 문턱전압(VTH)(threshold voltage)보다 높은지 낮은지를 판단한다. 이는 비교부(30, 32, 34)를 통해 비교할 수 있다.
판단 결과, 캐패시터(Ci)의 전압(VCi)이 문턱전압(VTH)(threshold voltage)보다 높으면(S14에서 "Yes"), 그에 상응하는 신호가 제어부(36)에게로 전송되고, 제어부(36)는 배전압부(44)를 통해 해당하는 스위치(38, 40, 42중에서 하나)를 턴온시킨다. 그에 따라, 단계 S16에서 체크 기간(Δt) 동안 캐패시터(Ci)와 배터리(18)가 상호 연결된다.
캐패시터(Ci)와 배터리(18)가 상호 연결됨에 따라, 배터리(18)에 전력이 공급되고, 이후 캐패시터(Ci)는 방전된다(각 하베스팅 전력보다 배터리 공급 전력이 크기 때문에 캐패시터(Ci) 전압이 낮아진다). 이때, 캐패시터(Ci)를 제외한 다른 캐패시터들은 충전된다.
반대로, 캐패시터(Ci)의 전압(VCi)이 문턱전압(VTH)(threshold voltage)보다 낟으면(S14에서 "No"), 단계 S18에서 캐패시터(Ci) 이외의 이전에 배터리(18)에 연결된 다른 캐패시터(Ck, k=1,2, …, n,k≠i)가 존재하는지를 판단한다.
상기 단계 S18에서, 캐패시터(Ci) 이외의 이전에 배터리(18)에 연결된 다른 캐패시터(Ck, k=1,2, …, n,k≠i)가 존재하면, 단계 S20에서 그 다른 캐패시터(Ck)를 체크 기간(Δt) 동안 배터리(18)에 연결시킨다(또는 연결을 유지한다). 이 경우, 그 다른 캐패시터(Ck)를 제외한 나머지 캐패시터(Ci)들은 충전된다.
한편, 캐패시터(Ci) 이외의 이전에 배터리(18)에 연결된 캐패시터가 존재하지 않을 경우(S18에서 "No")에는, 단계 S22에서 체크 기간(Δt) 동안 모든 캐패시터와 배터리(18)간에는 연결이 되지 않고 모든 캐패시터들은 충전된다.
마지막으로, 단계 S24에서, 체크 기간(Δt) 이후 i=i+1을 통해 다음 캐패시터에 대해 위의 과정을 반복하고 i=n이 되면 i=1로 초기화한다.
도 6은 도 2의 변형예를 나타낸 도면이다. 도 2는 하베스팅 전력원이 3개인 경우에 대한 제어부의 내부 구성인데 반해, 도 6은 하베스팅 전력원이 2개인 경우에 대한 제어부의 내부 구성이라고 할 수 있다.
하베스팅 전력원이 2개인 경우, 제어부는 주파수 분할기(60), 존슨 카운터(62), 및 스위칭 제어신호 생성회로부를 포함하는데, 하베스팅 전력원이 3개인 경우와 비교하여 차이나는 점은 스위칭 제어신호 생성회로부의 내부 구성이다.
즉, 하베스팅 전력원이 2개인 경우에, 제어부의 스위칭 제어신호 생성회로부는 클럭 출력부(즉, 존슨 카운터(62))의 제 1 클럭(EN1) 및 클럭 오실레이터(16)로부터의 클럭을 근거로 신호를 출력하는 제 1 D플립플롭(90); 클럭 출력부(즉, 존슨 카운터(62))의 제 2 클럭(EN2) 및 클럭 오실레이터(16)로부터의 클럭을 근거로 신호를 출력하는 제 2 D플립플롭(91); 제 1 D플립플롭(90)의 출력신호 및 다수의 비교부중의 어느 한 비교부(예컨대, 30)의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 앤드 게이트(92); 제 2 D플립플롭(91)의 출력신호 및 다수의 비교부중의 다른 한 비교부(예컨대, 32)의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 앤드 게이트(93); 제 2 앤드 게이트(93)의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 다수의 비교부중의 어느 한 비교부(예컨대, 30) 및 제 1 D플립플롭(90)의 신호를 근거로 상기 다수의 스위치중의 어느 한 스위치(38)에 대한 제어신호를 출력하는 제 3 D플립플롭(94); 및 제 1 앤드 게이트(92)의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 다수의 비교부중의 다른 비교부(32) 및 제 2 D플립플롭(91)의 신호를 근거로 다수의 스위치중의 다른 스위치(40)에 대한 제어신호를 출력하는 제 4 D플립플롭(95)을 포함한다.
한편, 하베스팅 전력원이 2개인 경우에는 비교부 및 스위치도 각각 2개씩이어야 함은 당연하다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 12, 14 : 하베스팅 전력원 16 : 클럭 오실레이터
18 : 배터리 30, 32, 34 : 비교부
36 : 제어부 38, 40, 42 : 스위치
44 : 배전압부 50 : 전력 관리 장치
60 : 주파수 분할기 62 : 존슨 카운터
64, 66, 68, 74, 80, 86 : D플립플롭
70, 72, 76, 78, 82, 84 : 논리 게이트

Claims (20)

  1. 다수의 하베스팅 전력원의 출력단에 각각 접속된 저장소자의 전압과 기설정된 문턱전압을 비교하는 다수의 비교부;
    해당 전력 관리 장치의 동작을 제어하는 제어부; 및
    상기 각각의 저장소자와 배터리와의 사이에 각각 설치되고, 상기 제어부로부터의 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 동작하여 해당하는 저장소자와 상기 배터리간의 전력 전송로를 형성하는 다수의 스위칭부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 상기 스위칭 제어신호를 생성하여 제공하고,
    상기 제어부는,
    외부에서의 클럭의 주파수를 수분의 1로 나누는 주파수 분할기;
    상기 주파수 분할기로부터의 클럭을 근거로 라이징 에지의 시점이 상호 다른 복수의 클럭을 출력하는 클럭 출력부; 및
    상기 클럭 출력부로부터의 복수의 클럭 및 상기 다수의 비교부의 출력을 근거로 상기 다수의 스위칭부에 대한 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 스위칭 제어신호 생성회로부;를 포함하고,
    상기 스위칭 제어신호 생성회로부는,
    상기 클럭 출력부의 복수의 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 그룹의 D플립플롭;
    상기 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 논리 게이트; 및
    상기 논리 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부의 출력신호 및 상기 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부에 대한 스위칭 제어신호를 출력하는 제 2 그룹의 D플립플롭;을 포함하고,
    상기 제 1 그룹의 D플립플롭은, 상기 클럭 출력부의 제 1 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 D플립플롭; 상기 클럭 출력부의 제 2 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 2 D플립플롭; 및 상기 클럭 출력부의 제 3 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 3 D플립플롭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 논리 게이트는, 상기 제 1 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 앤드 게이트; 상기 제 2 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 앤드 게이트; 상기 제 3 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 또 다른 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 3 앤드 게이트; 상기 제 2 앤드 게이트 및 상기 제 3 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 오어 게이트; 상기 제 1 앤드 게이트 및 상기 제 3 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 오어 게이트; 및 상기 제 1 앤드 게이트 및 상기 제 2 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 3 오어 게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 D플립플롭은, 상기 제 1 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부 및 상기 제 1 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 어느 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 4 D플립플롭; 상기 제 2 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 다른 비교부 및 상기 제 2 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 다른 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 5 D플립플롭; 및 상기 제 3 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 또 다른 비교부 및 상기 제 3 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 또 다른 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 6 D플립플롭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 제어신호 생성회로부는, 상기 클럭 출력부의 제 1 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 D플립플롭; 상기 클럭 출력부의 제 2 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 2 D플립플롭; 상기 제 1 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 앤드 게이트; 상기 제 2 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 앤드 게이트; 상기 제 2 앤드 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부 및 상기 제 1 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 어느 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 3 D플립플롭; 및 상기 제 1 앤드 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부 및 상기 제 2 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 다른 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 4 D플립플롭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장소자는 캐패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리에 공급되는 전력은 상기 다수의 하베스팅 전력원 각각의 공급 전력 보다 큰 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부의 출력을 상기 다수의 스위칭부의 온/오프 제어 입력 크기에 맞게 증폭해 주는 배전압부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 관리 장치.
  11. 다수의 하베스팅 전력원의 출력단에 각각 접속되어, 상기 다수의 하베스팅 전력원의 각각의 출력을 저장하는 다수의 저장소자;
    상기 다수의 하베스팅 전력원의 전력을 저장하는 배터리; 및
    상기 다수의 하베스팅 전력원의 전력을 상기 배터리에게로 전달하는 전력 관리 장치;를 포함하고,
    상기 전력 관리 장치는, 상기 다수의 저장소자의 각각의 전압과 기설정된 문턱전압을 비교하는 다수의 비교부; 해당 전력 관리 장치의 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 각각의 저장소자와 배터리와의 사이에 각각 설치되고 상기 제어부로부터의 스위칭 제어신호에 의해 온/오프 동작하여 해당하는 저장소자와 상기 배터리간의 전력 전송로를 형성하는 다수의 스위칭부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 상기 스위칭 제어신호를 생성하여 제공하고,
    상기 제어부는,
    외부에서의 클럭의 주파수를 수분의 1로 나누는 주파수 분할기;
    상기 주파수 분할기로부터의 클럭을 근거로 라이징 에지의 시점이 상호 다른 복수의 클럭을 출력하는 클럭 출력부; 및
    상기 클럭 출력부로부터의 복수의 클럭 및 상기 다수의 비교부의 출력을 근거로 상기 다수의 스위칭부에 대한 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 스위칭 제어신호 생성회로부;를 포함하고,
    상기 스위칭 제어신호 생성회로부는,
    상기 클럭 출력부의 복수의 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 그룹의 D플립플롭;
    상기 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 논리 게이트; 및
    상기 논리 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부의 출력신호 및 상기 제 1 그룹의 D플립플롭의 출력신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부에 대한 스위칭 제어신호를 출력하는 제 2 그룹의 D플립플롭;을 포함하고,
    상기 제 1 그룹의 D플립플롭은, 상기 클럭 출력부의 제 1 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 D플립플롭; 상기 클럭 출력부의 제 2 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 2 D플립플롭; 및 상기 클럭 출력부의 제 3 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 3 D플립플롭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 논리 게이트는, 상기 제 1 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 앤드 게이트; 상기 제 2 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 앤드 게이트; 상기 제 3 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 또 다른 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 3 앤드 게이트; 상기 제 2 앤드 게이트 및 상기 제 3 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 오어 게이트; 상기 제 1 앤드 게이트 및 상기 제 3 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 오어 게이트; 및 상기 제 1 앤드 게이트 및 상기 제 2 앤드 게이트의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 3 오어 게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 D플립플롭은, 상기 제 1 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부 및 상기 제 1 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 어느 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 4 D플립플롭; 상기 제 2 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 다른 비교부 및 상기 제 2 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 다른 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 5 D플립플롭; 및 상기 제 3 오어 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 또 다른 비교부 및 상기 제 3 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 또 다른 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 6 D플립플롭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 스위칭 제어신호 생성회로부는, 상기 클럭 출력부의 제 1 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 1 D플립플롭; 상기 클럭 출력부의 제 2 클럭 및 상기 외부에서의 클럭을 근거로 생성되는 신호를 출력하는 제 2 D플립플롭; 상기 제 1 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 1 앤드 게이트; 상기 제 2 D플립플롭의 출력신호 및 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부의 출력신호를 근거로 논리연산한 결과값을 출력하는 제 2 앤드 게이트; 상기 제 2 앤드 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 어느 한 비교부 및 상기 제 1 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 어느 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 3 D플립플롭; 및 상기 제 1 앤드 게이트의 출력을 비동기 리셋단으로 입력받고 상기 다수의 비교부중의 다른 한 비교부 및 상기 제 2 D플립플롭의 신호를 근거로 상기 다수의 스위칭부중의 다른 한 스위칭부에 대한 제어신호를 출력하는 제 4 D플립플롭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 다수의 저장소자는 캐패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 배터리에 공급되는 전력은 상기 다수의 하베스팅 전력원 각각의 공급 전력 보다 큰 것을 특징으로 하는 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 전력 관리 장치는 상기 제어부의 출력을 상기 다수의 스위칭부의 온/오프 제어 입력 크기에 맞게 증폭해 주는 배전압부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 소스 에너지 하베스팅 시스템.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10424934B2 (en) 2015-11-13 2019-09-24 Electronics And Telecommunications Research Institute Multi-input power manager
KR102030426B1 (ko) * 2019-05-12 2019-11-08 주식회사 스위텍 에너지하베스팅을 이용한 분진제거기능을 갖는 탄두회수장치
CN114467241A (zh) * 2019-10-07 2022-05-10 瑞典爱立信有限公司 无线功率传输
KR102419016B1 (ko) * 2020-11-26 2022-07-08 한화시스템 주식회사 충전방법 및 충전장치
KR20220076731A (ko) 2020-12-01 2022-06-08 주식회사 엘엑스세미콘 디스플레이 구동장치 및 디스플레이 구동방법
CN112688406B (zh) * 2020-12-16 2023-11-14 维沃移动通信有限公司 能量收集电路和电子终端
TWI764828B (zh) * 2021-09-10 2022-05-11 禾瑞亞科技股份有限公司 可偵測飛跨電容短路之倍壓開關式電容電路及其偵測方法
US11888324B2 (en) * 2022-04-12 2024-01-30 Trameto Limited Power management apparatus for energy harvesting

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110260536A1 (en) * 2010-03-10 2011-10-27 Purdue Research Foundation Efficient Power Conversion for Ultra Low Voltage Micro Scale Energy Transducers
KR101250914B1 (ko) 2012-01-04 2013-04-05 고려대학교 산학협력단 넓은 입력전압 범위를 갖는 직류-직류 변환장치 및 직류-직류 변환방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990009796A (ko) 1997-07-11 1999-02-05 박원훈 효율적인 부하 분배 방법 및 에너지 절약형 지능 전력 공급 시스템
KR20030010246A (ko) * 2001-07-26 2003-02-05 주식회사 하이닉스반도체 디-플립 플롭 회로
JP4808939B2 (ja) 2004-06-28 2011-11-02 出光興産株式会社 システム全体のエネルギー効率が向上する燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および集合住宅
KR101274214B1 (ko) * 2006-11-30 2013-06-14 페어차일드코리아반도체 주식회사 스위치 모드 파워 서플라이 및 그 구동 방법
KR20100129005A (ko) 2009-05-29 2010-12-08 백제인 다중 전지의 접속 제어장치 및 그 제어방법
US20120187897A1 (en) * 2011-01-24 2012-07-26 Intersil Americas Inc. Battery charger for use with low voltage energy harvesting device
JP2013102639A (ja) * 2011-11-09 2013-05-23 Panasonic Corp 環境発電デバイス
KR101837164B1 (ko) * 2011-11-23 2018-03-12 페어차일드코리아반도체 주식회사 스위치 제어기, 스위치 제어 방법, 및 스위치 제어기를 포함하는 전력 공급 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110260536A1 (en) * 2010-03-10 2011-10-27 Purdue Research Foundation Efficient Power Conversion for Ultra Low Voltage Micro Scale Energy Transducers
KR101250914B1 (ko) 2012-01-04 2013-04-05 고려대학교 산학협력단 넓은 입력전압 범위를 갖는 직류-직류 변환장치 및 직류-직류 변환방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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