KR101997838B1 - 재구성가능한 스위치드 커패시터 어레이를 이용한 에너지 재활용 전압 스케일러 및 전압제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치드 커패시터 어레이를 포함한 전압 스케일러에 관한 것으로서, 스위치드 커패시터 어레이를 구성하는 커패시터들간의 접속관계를 충전모드 및 에너지 재활용모드에 따라 다양하게 재구성함으로써, 커패시터들에 저장된 에너지를 재활용하여 에너지 효율이 높은 전압 스케일러를 제공한다.

Description

재구성가능한 스위치드 커패시터 어레이를 이용한 에너지 재활용 전압 스케일러 및 전압제어방법 {ENERGY RECYCLING VOLTAGE SCALER BASED ON RECONFIGURABLE SWITCHED CAPACITOR ARRAY AND VOLTAGE CONTROL MATHOD THEREOF}

본 발명은 DC-DC전압 변환기 또는 전압 스케일러에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 스위치드 커패시터 어레이를 이용한 전압 스케일러 및 전압제어방법에 관한 것이다.

종래에는 높은 에너지 효율이 요구되는 경우에 인덕터 기반의 DC-DC전압 변환기 또는 전압 스케일러가 많이 사용되었으며, 소형이 요구되는 경우에는 LDO (Low Drop Out Voltage) 전압 변환기가 많이 사용되었다. 그러나, 인덕터 기반의 DC-DC 전압 변환기는 인덕터를 하나의 칩에 집적하기 어렵다는 문제점이 있으며, 칩 외부 소자로서 인덕터의 사이즈가 크기때문에 소형 디바이스에의 적용하기 곤란하다는 문제점도 있다. 한편, LDO 전압 변환기는 크기는 작지만, 에너지 효율이 낮은 단점때문에 저전력 응용회로에는 적용하기 어렵다.

최근에는 스위치드 커패시터 DC-DC 전압 변환기 (컨버터) 가 상대적으로 작은 크기, 반도체 칩으로의 집적가능성, 다양한 출력전압 레벨 등의 장점으로 인하여 시스템 온 칩 (SoC) 컨버터에 많이 사용되는 추세이다.

스위치드 커패시터 컨버터는 스위칭 소자와 커패시터가 결합된 스위치드 커패시터를 구성요소로 하는 컨버터로서, 커패시터의 일단 및 타단에 접속된 스위치를 제어하여 커패시터를 충전 또는 방전함으로써 컨버터의 출력단에서 원하는 출력 전압을 원하는 시점에 출력할 수 있게 한다.

한편, 스위치드 커패시터 컨버터들은 일정한 DC 출력전압을 얻기 위하여 에너지 저장소자인 커패시터가 일정전압 이하로 방전되면 커패시터를 전원에 연결하여 다시 충전하며, 커패시터에 충전된 에너지는 컨버터의 출력단에 접속된 부하에서 소모되거나 컨버터 내부의 누설전류로서 낭비된다.

특히, 컨버터의 출력단에 접속된 부하가 슬립 모드와 액티브 모드를 자주 전환하는 타입의 것이라면 또는 전원이 빈번하게 온오프되는 타입의 부하라면 커패시터에 저장된 에너지는 잦은 온오프 빈도만큼 슬립 모드 기간 또는 전원이 오프되는 기간동안 누설전류로서 낭비되는 비율이 커지게 된다.

본발명은 재구성 가능한 스위치드 커패시터 어레이를 사용하여 커패시터에 저장된 에너지를 재활용함으로써 누설전류로 낭비되는 에너지를 줄여 에너지 효율이 높은 전압 스케일러 및 전압제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 전압 스케일러는 복수의 스위치와 복수의 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 어레이 및 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는 충전모드에서 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 구성하며, 제어부는 에너지 재활용모드에서 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압이 소정값보다 작아지면, 복수의 스위치를 제어하여 직렬접속하는 커패시터의 개수가 증가되도록 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는 제어부가 에너지 재활용모드에서 스위치드 커패시터 어레이에 포함된 커패시터의 개수 및 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 정해지는 회수만큼 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성하는 것을 반복하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는 제어부가 에너지 재활용모드에서 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성하는 것을 정해진 회수만큼 반복한 후, 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압이 소정값보다 작아지면 모드를 충전모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는 스위치드 커패시터 어레이의 출력단에 접속되는 정류부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 스위치와 복수의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이를 포함하는 전압 스케일러의 출력전압 제어방법은, 충전모드에서, 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 복수의 스위치를 제어하여 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 구성하는 단계 및 에너지 재활용모드에서, 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압이 소정값보다 작아지면, 복수의 스위치를 제어하여 직렬접속하는 커패시터의 개수가 증가하도록 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 복수의 스위치와 복수의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이를 포함하는 전압 스케일러의 출력전압 제어방법은, 스위치드 커패시터 어레이에 포함된 커패시터의 개수 및 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 정해지는 회수만큼 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성하는 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 복수의 스위치와 복수의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이를 포함하는 전압 스케일러의 출력전압 제어방법은 에너지 재활용모드에서 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성하는 것을 정해진 회수만큼 반복한 후, 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압이 소정값보다 작아지면 모드를 충전모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 복수의 스위치와 복수의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이를 포함하는 전압 스케일러의 출력전압 제어방법은 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압을 정류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 전압 스케일러는 복수의 스위치와 복수의 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 어레이; 및 상기 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함하고, 충전모드, 전압공급모드, 에너지재활용모드의 3개 동작모드를 가지며, 부하가 액티브 모드로 전환되거나 액티브 모드 중에 있는 경우, 상기 스위치드 커패시터 어레이는 상기 충전모드와 상기 전압공급모드 사이를 반복적으로 서로 교대하면서 부하에 전압을 공급하며, 상기 부하가 슬립 모드로 전환되는 경우, 슬립 모드로 전환되기 소정 시간 전에 상기 스위치드 커패시터 어레이는 에너지재활용모드의 단계별 재활용 동작을 복수회 반복 수행하여 저장된 에너지를 부하에 최대치로 공급한 후 부하와 함께 슬립 모드로 전환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는, 상기 스위치드 커패시터 어레이는 상기 충전모드, 전압공급모드, 및 에너지재활용모드 중 적어도 하나의 모드에서 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 상기 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬 접속을 구성하되, 상기 복수의 커패시터간의 직렬접속은 적어도 하나의 직렬그룹을 형성하고 적어도 하나의 직렬그룹을 동일 길이로 하여 서로 병렬접속을 구성하고, 상기 스위치드 커패시터 어레이 내의 모든 커패시터가 상기 적어도 하나의 직렬그룹에 모두 포함되도록 하여 모든 커패시터에서 전압 충전 또는 강압이 동일하게 발생하도록 함으로써 에너지 효율을 극대화하는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는, 상기 제어부는 상기 충전모드에서 상기 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 1개로 구성하여 병렬 연결되는 직렬그룹의 개수가 최대가 되도록 구성한 후 외부전압을 상기 스위치드 커패시터 어레이에 가하여 모든 커패시터를 동일한 전압으로 균등하게 충전하여 각 커패시터 상호간에 불필요한 전하이동(Charge Sharing)을 방지함으로써 에너지 효율을 극대화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는, 상기 제어부는, 상기 충전모드에서 상기 전압공급모드로 전환시 부하가 요구하는 목표 출력전압 보다 높은 전압 중 최소의 전압을 출력전압으로 제공하도록, 모든 직렬그룹내의 커패시터를 최소한의 개수 만큼만 증가시키고 병렬 연결되는 직렬그룹의 개수를 최소한으로 감소시켜서 목표 출력전압에 가장 가까운 근사값을 제공하며, 상기 전압공급모드에서 출력전압이 부하가 허용하는 최대 리플전압(ripple voltage)보다 감소한 것으로 비교기를 통해 감지되면 상기 충전모드로 전환하여 외부전원으로부터 상기 스위치드 커패시터 어레이를 충전한 후 다시 상기 전압공급모드로 전환하며, 상기 전압공급모드에서 각 직렬그룹내의 커패시터 개수를 동일하게 구성하여 각 커패시터의 전압강하를 균등하게 하여 에너지효율을 극대화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는, 상기 제어부는, 상기 부하가 슬립 모드로 전환되기 소정 시간 전에 상기 충전모드 또는 상기 전압공급모드로부터 상기 에너지재활용모드로 전환되며, 상기 에너지재활용모드에서는 단계적으로 상기 직렬그룹의 수를 감소시키면서 각 직렬그룹내의 커패시터 수를 증가시키되 상기 스위치드 커패시터 어레이 내의 모든 커패시터가 적어도 하나의 직렬그룹에 포함되도록 구성하여 다음 단계의 에너지재활용모드의 출력전압이 목표 출력전압보다 높은 전압 중 최소값이 되도록 직렬그룹의 수와 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는, 상기 소정 시간은, 상기 스위치드 커패시터 어레이에 사용된 총 커패시터 수에 따라 결정되는 에너지재활용 단계의 횟수에 부하에서 측정되는 전류량에 따라 결정되는 각 에너지재활용 단계의 시간길이 값을 곱하여 결정된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는, 상기 에너지재활용모드에서의 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압이 소정 값보다 작아지면, 다음 단계의 에너지재활용모드로 전환하여 직렬그룹의 수를 감소시키면서 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 증가시키며, 에너지재활용모드의 마지막 단계에서는 직렬그룹의 개수가 1개이며 상기 스위치드 커패시터 어레이 내의 모든 커패시터들이 직렬연결이 되는 구조를 형성하며, 상기 마지막 단계 후에는 부하와 함께 슬립 모드로 전환되어 부하에 전압을 공급하는 메인 스위치를 차단하고 부하가 다음 활성모드로 전환될 때까지 슬립 모드에서 비활성화 상태로 대기하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 스케일러에서는, 상기 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압과 부하에 공급할 목표 출력전압 을 비교하는 비교기를 추가로 포함하며, 상기 비교기는 어레이 내의 커패시터 방전시간 보다 빠른 주기로 비교 결과를 반복적으로 감지하며, 상기 제어기는, 상기 비교기의 비교 결과값을 확인하여 상기 비교 결과값이 부하가 허용하는 최대 전압강하범위를 넘는 경우 상기 스위치드 커패시커 어레이를 다음 단계의 동작 모드로 전환시키며, 상기 다음 단계의 동작 모드는, 전압공급모드의 경우 충전모드를 의미하고, 에너지재활용모드의 경우 직렬그룹내의 커패시터 수를 증가시겨 출력전압을 상승시키는 후속 단계를 의미한다.

본 발명에서 제안한 다양한 실시예에 따라 본발명은 전압 스케일러가 포함하는 복수의 커패시터 상호간 직렬접속 및 병렬접속 등을 재구성함으로써 복수의 커패시터에 저장된 에너지를 재활용하여, 에너지 효율이 높은 전압 스케일러 및 전압제어방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러의 블럭도이다.
도 2는 도1에 도시된 스위치드 커패시터 어레이와 제어부의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러에 있어서, 충전모드일 경우 스위치드 커패시터의 소자간 접속관계를 단순화한 회로도이다.
도 4는 6개의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이의 커패시터가 모두 병렬접속된 경우의 회로도이다.
도 5는 6개의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이의 커패시터가 2개씩 직렬접속되고, 2개씩 직렬접속된 3 개의 커패시터 브랜치가 상호 병렬접속된 경우의 회로도이다.
도 6은 6개의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이의 커패시터가 3개씩 직렬접속되고, 3개씩 직렬접속된 2 개의 커패시터 브랜치가 상호 병렬접속된 경우의 회로도이다.
도 7은 6개의 커패시터로 구성된 스위치드 커패시터 어레이의 커패시터가 모두 직렬접속된 경우의 회로도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전압 스케일러에서 스위치드 커패시터 어레이에 포함된 커패시터의 개수와 에너지 재활용 프로세스의 최대가능 회수의 관계를 나타내는 표이다.

본 명세서에서 개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시예는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러의 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러는 스위치드 커패시터 어레이 (100), 제어부 (300), 및 정류기 (200) 를 포함한다.

스위치드 커패시터 어레이 (100) 는 복수의 스위치와 복수의 커패시터를 포함하며, 복수의 스위치는 제어부 (300)를 통하여 온오프가 제어된다. 제어부 (300) 는 스위치드 커패시터 어레이 (100)의 입출력 전압비 및 구동모드에 따라 복수의 커패시터 상호간 직렬접속 및 병렬접속 구성을 변경 또는 재구성한다. 전압 스케일러는 충전모드, 전압공급모드, 에너지재활용모드의 3개 동작모드를 갖는다. 부하가 액티브 모드로 전환되거나 액티브 모드 중에 있는 경우, 스위치드 커패시터 어레이(100)는 충전모드와 전압공급모드 사이를 반복적으로 서로 교대하면서 부하에 전압을 공급한다. 부하가 슬립 모드로 전환되는 경우, 슬립 모드로 전환되기 소정 시간 전에 스위치드 커패시터 어레이(100)는 에너지재활용모드의 단계별 재활용 동작을 복수회 반복 수행하여 저장된 에너지를 부하에 최대치로 공급한 후 부하와 함께 슬립 모드로 전환된다. 이 때, 상기 소정 시간은, 스위치드 커패시터 어레이(100)에 사용된 총 커패시터 수에 따라 결정되는 에너지재활용 단계의 횟수에 부하에서 측정되는 전류량에 따라 결정되는 각 에너지재활용 단계의 시간길이 값을 곱하여 결정된다.

이하에서는 도 2 를 참조하여 스위치드 커패시터 어레이 (100) 및 제어부 (300) 의 회로 구성을 상세하게 기술한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러의 스위치드 커패시터 어레이 (100) 는 N 개의 커패시터 (111, 112, 렁?, 117), 각각의 커패시터의 일단에 접속된 제1스위치 (121, 122, 렁?, 125), 각각의 커패시터의 타단에 접속된 제2스위치 (131, 132, 렁?,135)를 포함하며, 제1스위치와 제2스위치는 복수의 커패시터를 상호 병렬접속하도록 복수의 커패시터와 결합되어 있다.

각 커패시터의 일단과 인접한 커패시터의 타단에 제3스위치 (141, 142, 렁?, 145) 가 접속되며, 제3스위치는 복수의 커패시터를 상호 직렬접속하도록 복수의 커패시터와 결합되어 있다.

복수의 커패시터에는 제4스위치 (151a, 151b, 렁?) 및 제5스위치 (161a, 161b, 렁?)가 결합되어 있으며, 제4스위치와 제5스위치는 2개씩 직렬접속된 커패시터 브랜치를 상호 병렬접속하도록 복수의 커패시터와 결합되어 있다.

복수의 커패시터에는 제6스위치 (152, 렁?) 및 제7스위치 (162, 렁?)가 결합되어 있으며, 제6스위치와 제7스위치는 3개씩 직렬접속된 커패시터 브랜치를 상호 병렬접속하도록 복수의 커패시터와 결합되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러의 스위치드 커패시터 어레이 (100) 는 이외에도 제8스위치 (120) 및 제9스위치 (126)을 포함하며, 제8스위치 (120) 는 스위치드 커패시터 어레이와 외부 전원의 접속을 온오프할 수 있도록 결합되어 있으며, 제9스위치 (126) 는 스위치드 커패시터 어레이와 정류부 (200) 또는 외부의 부하간의 접속을 온오프할 수 있도록 결합되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러는 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압과 기준전압 (Vref) 를 비교하는 비교기 (400) 를 추가로 포함한다. 제어부 (300) 는 비교기 (400) 의 출력에 응답하여 스위치드 커패시터 어레이 (100) 에 제어신호를 제공한다.

스위치드 커패시터 어레이(100)는 충전모드, 전압공급모드, 및 에너지재활용모드 중 적어도 하나의 모드에서 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬 접속을 구성하되, 복수의 커패시터간의 직렬접속은 적어도 하나의 직렬그룹을 형성하고 적어도 하나의 직렬그룹을 동일 길이로 하여 서로 병렬접속을 구성한다. 스위치드 커패시터 어레이(100) 내의 모든 커패시터는 적어도 하나의 직렬그룹에 모두 포함되고 모든 커패시터에서 전압 충전 또는 강압이 동일하게 발생하도록 구성되어 에너지 효율을 극대화하는 구조를 갖는다.

도 3은 충전모드에서 도 2에 도시된 스위치드 커패시터를 구성하는 소자간 상호접속관계를 단순화하여 도시한 회로도이다.

제어부(300)는 충전모드에서 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 1개로 구성하여 병렬 연결되는 직렬그룹의 개수가 최대가 되도록 구성한 후 외부전압을 스위치드 커패시터 어레이(100)에 가하여 모든 커패시터를 동일한 전압으로 균등하게 충전하여 각 커패시터 상호간에 불필요한 전하이동(Charge Sharing)을 방지함으로써 에너지 효율을 극대화한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 충전모드에서는 제8스위치 (120) 는 온상태로 제어되고 제9스위치 (126) 는 오프상태로 제어되며, 각 커패시터에 접속된 제1스위치 (121, 122, 렁?, 125)와 제2스위치 (131, 132, 렁?,135)는 온상태로 제어되고, 각 커패시터에 접속된 제3스위치 (141, 142, 렁?, 145)는 오프상태로 제어된다. 제4스위치, 제5스위치, 제6스위치 및 제7스위치는 오프상태로 제어된다. 따라서, 복수의 커패시터는 모두 상호 병렬접속되어 신속하게 충전된다.

한편, 전압 스케일러의 입출력전압비에 따라 충전모드에서 복수의 커패시터의 직렬접속 및 병렬접속은 다른 구성을 가질 수 있으며, 이는 후술한다.

제어부(300)는, 충전모드에서 전압공급모드로 전환시 부하가 요구하는 목표 출력전압 보다 높은 전압 중 최소의 전압을 출력전압으로 제공하도록, 모든 직렬그룹내의 커패시터를 최소한의 개수 만큼만 증가시키고 병렬 연결되는 직렬그룹의 개수를 최소한으로 감소시켜서 목표 출력전압에 가장 가까운 근사값을 제공한다. 전압공급모드에서 출력전압이 출력전압이 부하가 허용하는 최대 리플전압(ripple voltage) 보다 감소한 것으로 비교기를 통해 감지되면 충전모드로 전환하여 외부전원으로부터 스위치드 커패시터 어레이(100)를 충전한 후 다시 전압공급모드로 전환한다. 전압공급모드에서 각 직렬그룹내의 커패시터 개수를 동일하게 구성하여 각 커패시터의 전압강하를 균등하게 하여 에너지효율을 극대화한다.

제어부(300)는, 부하가 슬립 모드로 전환되기 소정 시간 전에 충전모드 또는 전압공급모드로부터 에너지재활용모드로 전환되며, 에너지재활용모드에서는 단계적으로 직렬그룹의 수를 감소시키면서 각 직렬그룹내의 커패시터 수를 증가시키되 스위치드 커패시터 어레이(100) 내의 모든 커패시터가 적어도 하나의 직렬그룹에 포함되도록 구성하여 다음 단계의 에너지재활용모드의 출력전압이 목표 출력전압보다 높은 전압 중 최소값이 되도록 직렬그룹의 수와 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 결정한다. 이 때, 상기 소정 시간은, 스위치드 커패시터 어레이(100)에 사용된 총 커패시터 수에 따라 결정되는 에너지재활용 단계의 횟수에 부하에서 측정되는 전류량에 따라 결정되는 각 에너지재활용 단계의 시간길이 값을 곱하여 결정된다.

에너지재활용모드에서의 스위치드 커패시터 어레이(100)의 출력전압이 소정 값보다 작아지면, 다음 단계의 에너지재활용모드로 전환하여 직렬그룹의 수를 감소시키면서 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 증가시키며, 에너지재활용모드의 마지막 단계에서는 직렬그룹의 개수가 1개이며 스위치드 커패시터 어레이(100) 내의 모든 커패시터들이 직렬연결이 되는 구조를 형성하며, 마지막 단계 후에는 부하와 함께 슬립 모드로 전환되어 부하에 전압을 공급하는 메인 스위치를 차단하고 부하가 다음 활성모드로 전환될 때까지 슬립 모드에서 비활성화 상태로 대기한다.

스위치드 커패시터 어레이(100)의 출력전압과 부하에 공급할 목표 출력전압 을 비교하는 비교기를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 비교기는 어레이 내의 커패시터 방전시간 보다 빠른 주기로 비교 결과를 반복적으로 감지한다.

제어기(300)는, 상기 비교기의 비교 결과값을 확인하여 비교 결과값이 부하가 허용하는 최대 전압강하범위를 넘는 경우 스위치드 커패시커 어레이(100)를 다음 단계의 동작 모드로 전환시킨다. 다음 단계의 동작 모드라 함은, 전압공급모드의 경우 충전모드를 의미하고, 에너지재활용모드의 경우 직렬그룹내의 커패시터 수를 증가시겨 출력전압을 상승시키는 후속 단계를 의미한다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 스케일러가 포함하는 스위치드 커패시터 어레이가 간략한 설명을 위하여 6개의 커패시터로 구성되어 있다고 가정할 경우, 전압 스케일러의 동작모드 및 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 6개의 커패시터간 직렬접속 및 병렬접속이 어떻게 구성 및 재구성되는지를 설명하기 위한 회로도이다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 충전모드에서 제어부는 6개의 커패시터간 직렬접속에 사용되는 스위치들 (141, 142, 렁?)을 모두 오프상태로 제어하고, 스위치 (121, 122, 렁?, 125) 및 스위치 (131, 132, 렁?, 135)를 온상태로 제어함으로써, 6개의 커패시터가 모두 병렬접속되도록 제어한다. 이때 스위치 (120) 은 온상태로 제어되며, 스위치 (126)은 오프상태로 제어되므로, 병렬접속된 6개의 커패시터에 입력전압이 인가되어 신속하게 충전된다.

이 상태에서, 스위치 (120) 를 오프상태로 제어하고, 스위치 (126) 를 온상태로 제어함으로써, 입출력 전압비 (Vout/Vin) 가 1인 전압 스케일러를 구현할 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 스위치 (126) 를 온상태로 제어하고 출력단자 (Vout) 에 부하가 연결됨으로써, 커패시터 (111, 112, 렁?, 116) 에 충전된 에너지가 부하를 통하여 소모되어 병렬 접속된 커패시터 (111, 112, 렁?, 116) 의 출력전압이 소정의 기준전압보다 낮아진다면, 제어부 (300) 는 6개의 커패시터의 직렬접속 및 병렬접속을 도 5에 도시된 바와 같이 재구성한다. 도시된 바와 같이 커패시터가 2개씩 직렬접속되록 재구성함으로써, 6개의 커패시터에 저장된 잔존 에너지를 재활용할 수 있으며, 그 결과 출력단자 (Vout) 의 전압이 상승하여 외부전원에 의하여 커패시터를 충전하지 않고도 여전히 입출력 전압비가 1인 전압 스케일러로서 동작 가능하게 한다.

도 5를 참조하여 에너지 재활용모드에 대하여 보다 상세히 기술하면, 다음과 같다. 도 4에 도시된 커패시터의 병렬접속 상태에서 부하를 통하여 에너지를 소모하게 되면, 커패시터 어레이의 출력전압 (Vout) 은 점점 낮아지고, 어느 시점에 이르면 기준전압 (Vref) 보다 낮아지게 된다.

이때, 제어부 (300) 는 도 2및 도 5에 도시된 바와 같이, 스위치 (151a, 151b, 161a, 161b) 를 온상태로 제어하고, 스위치 (121, 122, 렁?, 125), 스위치 (131, 132, 렁?, 135), 스위치 (142, 144) 를 오프상태로 제어하고, 스위치 (141, 143, 145) 를 온상태로 제어한다. 그럼으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 커패시터가 2개씩 직렬접속되며, 출력전압 (Vout) 은 기준전압 (Vref) 보다 높아진다.

즉, 커패시터 어레이의 출력전압이 기준전압보다 낮아질 경우, 즉각적으로 충전모드에 진입하여 외부전원을 통하여 커패시터 어레이의 커패시터를 충전하는 대신, 에너지 재활용모드에서 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성함으로써 (감소된 각 커패시터의 에너지를 재활용함으로써), 커패시터 어레이의 출력전압 (Vout) 을 기준전압 (Vref) 이상으로 상승시켜 전압 스케일러가 정상적으로 동작하게 한다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 커패시터 어레이가 상호 접속되어 있는 상태에서, 부하를 통하여 커패시터 어레이에 저장된 에너지가 소모되면 점차적으로 커패시터 어레이의 출력전압 (Vout) 이 낮아지고 어느 시점에 이르면 재차 기준전압 (Vref) 보다 낮아지게 된다.

이때, 제어부 (300) 는 도 2및 도 6에 도시된 바와 같이, 스위치 (152, 162) 를 온상태로 제어하고, 스위치 (121, 122, 렁?, 125), 스위치 (131, 132, 렁?, 135), 스위치 (143) 를 오프상태로 제어하고, 스위치 (141, 142, 144, 145) 를 온상태로 제어한다. 그럼으로써, 도 6에 도시된 바와 같이 커패시터가 3개씩 직렬접속되며, 출력전압 (Vout) 은 기준전압 (Vref) 보다 높아진다.

즉, 커패시터 어레이의 출력전압이 기준전압보다 낮아질 경우, 즉각적으로 충전모드에 진입하여 외부전원을 통하여 커패시터 어레이의 커패시터를 충전하는 대신, 에너지 재활용모드에서 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성함으로써 (감소된 각 커패시터의 에너지를 재활용함으로써), 커패시터 어레이의 출력전압 (Vout) 을 기준전압 (Vref) 이상으로 상승시켜 전압 스케일러가 정상적으로 동작하게 한다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이 커패시터 어레이가 상호 접속되어 있는 상태에서, 부하를 통하여 커패시터 어레이에 저장된 에너지가 소모되면 점차적으로 커패시터 어레이의 출력전압 (Vout) 이 낮아지고 어느 시점에 이르면 재차 기준전압 (Vref) 보다 낮아지게 된다.

이때, 제어부 (300) 는 도 2및 도 7에 도시된 바와 같이, 스위치 (121, 122, 렁?, 125), 스위치 (131, 132, 렁?, 135), 스위치 (151a, 151b, 152, 161a, 161b, 162) 를 오프상태로 제어하고, 스위치 (141, 142, 143, 144, 145) 를 온상태로 제어한다. 그럼으로써, 도 7에 도시된 바와 같이 6개의 커패시터가 모두 직렬접속되며, 출력전압 (Vout) 은 기준전압 (Vref) 보다 높아진다.

즉, 커패시터 어레이의 출력전압이 기준전압보다 낮아질 경우, 즉각적으로 충전모드에 진입하여 외부전원을 통하여 커패시터 어레이의 커패시터를 충전하는 대신, 에너지 재활용모드에서 커패시터간의 직렬접속 및 병렬접속을 재구성함으로써 (감소된 각 커패시터의 에너지를 재활용함으로써), 커패시터 어레이의 출력전압 (Vout) 을 기준전압 (Vref) 이상으로 상승시켜 전압 스케일러가 정상적으로 동작하게 한다.

한편, 도 8은 커패시터 어레이에 포함된 커패시터의 개수와 에너지 재활용 프로세스의 최대가능 회수의 관계를 나타낸다. 예를 들어, 커패시터의 개수가 2이면, 병렬접속된 2개의 커패시터를 직렬접속되도록 재구성함으로써 1회 에너지 재활용이 가능하다.

커패시터의 개수가 4이면, 4개의 병렬접속된 커패시터를 2개씩 직렬접속되도록 재구성함으로써 1회 에너지 재활용 가능하며, 이를 다시 4개 모두 직렬접속되도록 재구성함으로써 2회째 에너지 재활용이 가능하다.

커패시터의 개수가 6이면, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 최대 3회 에너지 재활용이 가능하다.

커패시터의 개수가 12이면, 12개의 병렬접속된 커패시터를 2개씩 직렬접속되도록 재구성함으로써, 1회째 에너지 재활용하며, 이를 다시 3개씩 직렬접속되도록 재구성함으로써, 2회째 에너지 재활용하며, 이를 다시 4개씩 직렬접속되도록 재구성함으로써, 3회째 에너지 재활용하며, 이를 다시 6개씩 직렬접속되도록 재구성함으로써, 4회째 에너지 재활용하며, 이를 다시 12개 모두 직렬접속되도록 재구성함으로써, 5회째 에너지 재활용할 수 있다.

이상을 통하여 에너지 재활용 가능한 최대 회수는 커패시터 개수를 인수분해하고 그 인수의 가지수에서 1을 뺀 값이라는 것을 유추할 수 있다. 예컨대, 커패시터의 개수가 24이면, 24의 인수 (1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24) 의 가지수 8 에서 1을 뺀 7이 에너지 재활용 가능한 최대 회수라는 것을 알 수 있다. 이상은 전압 스케일러의 입출력 전압비 (Vout/Vin) 이 1이라는 전제하해서 에너지 재활용 가능 회수를 설명하였지만, 이 회수는 전압 스케일러의 입출력 전압비에 의해서도 달라질 수 있다.

이하에서는 도4 내지 도7을 참조하여, 충전모드에서 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 커패시터들의 직렬접속 및 병렬접속이 어떻게 구성되는지 기술한다. 또한, 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 에너지 재활용모드에서 에너지 재활용가능한 회수는 어떻게 달라지는지 기술한다.

앞에서 기술한 바와 같이, 전압 스케일러의 입출력 전압비 (Vout/Vin) 가 1인 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 6 개의 커패시터가 모두 병렬접속되도록 제어부 (300) 가 스위치를 제어한후, 외부전원을 커패시터 어레이에 인가하여 커패시터를 충전한다. 이어서, 6개의 커패시터가 모두 병렬접속된 상태에서, 제어부 (300) 가 스위치 (120) 을 오프상태로 제어하고, 스위치 (126) 을 온상태로 제어하면 입출력 전압비가 1인 전압 스케일러가 구현된다.

한편, 전압 스케일러의 입출력 전압비 (Vout/Vin) 가 0.5인 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, 충전모드에서 커패시터가 2개씩 직렬접속되도록 제어부 (300) 가 스위치를 제어한후, 외부전원을 커패시터 어레이이 인가하여 커패시터를 충전한다. 이어서, 도4에 도시된 바와 같이 6개의 커패시터가 모두 병렬접속되도록, 스위치를 제어한다. 이와 같은 접속상태에서, 제어부 (300) 가 스위치 (120) 을 오프상태로 제어하고, 스위치 (126) 을 온상태로 제어하면 입출력 전압비가 0.5인 전압 스케일러가 구현된다.

전압 스케일러의 입출력 전압비 (Vout/Vin) 가 0.33인 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 충전모드에서 커패시터가 3개씩 직렬접속되도록 제어부 (300) 가 스위치를 제어한후, 외부전원을 커패시터 어레이이 인가하여 커패시터를 충전한다. 이어서, 도4에 도시된 바와 같이 6개의 커패시터가 모두 병렬접속되도록 스위치를 제어한다. 이와 같은 접속상태에서, 제어부 (300) 가 스위치 (120) 을 오프상태로 제어하고, 스위치 (126) 을 온상태로 제어하면 입출력 전압비가 0.33인 전압 스케일러가 구현된다.

전압 스케일러의 입출력 전압비 (Vout/Vin) 가 0.17인 경우에는 도 7에 도시된 바와 같이, 충전모드에서 6개의 커패시터가 모두 직렬접속되도록 제어부 (300) 가 스위치를 제어한후, 외부전원을 커패시터 어레이이 인가하여 커패시터를 충전한다. 이어서, 도4에 도시된 바와 같이 6개의 커패시터가 모두 병렬접속되도록 스위치를 제어한다. 이와 같은 접속상태에서, 제어부 (300) 가 스위치 (120) 을 오프상태로 제어하고, 스위치 (126) 을 온상태로 제어하면 입출력 전압비가 0.17인 전압 스케일러가 구현된다.

전압 스케일러의 입출력 전압비 (Vout/Vin) 가 2인 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 충전모드에서 6개의 커패시터가 모두 병렬접속되도록 제어부 (300) 가 스위치를 제어한후, 외부전원을 커패시터 어레이이 인가하여 커패시터를 충전한다. 이어서, 도 5에 도시된 바와 같이 커패시터가 2개씩 직렬접속되도록 스위치를 제어한다. 이와 같은 접속상태에서, 제어부 (300) 가 스위치 (120) 을 오프상태로 제어하고, 스위치 (126) 을 온상태로 제어하면 입출력 전압비가 2 인 전압 스케일러가 구현된다.

이와 같이 전압비가 2인 전압 스케일러를 구현할 경우, 에너지 재활용은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 커패시터들의 접속관계를 2 회 재구성함으로써 실현될 수 있다. 즉 에너지 재활용 가능한 최대 회수는 2회가 된다.

전압 스케일러의 입출력 전압비 (Vout/Vin) 가 3인 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 충전모드에서 6개의 커패시터가 모두 병렬접속되도록 제어부 (300) 가 스위치를 제어한후, 외부전원을 커패시터 어레이이 인가하여 커패시터를 충전한다. 이어서, 도 6에 도시된 바와 같이 커패시터가 3개씩 직렬접속되도록 스위치를 제어한다. 이와 같은 접속상태에서, 제어부 (300) 가 스위치 (120) 을 오프상태로 제어하고, 스위치 (126) 을 온상태로 제어하면 입출력 전압비가 3 인 전압 스케일러가 구현된다.

이와 같이 전압비가 3인 전압 스케일러를 구현할 경우, 에너지 재활용은 도 7에 도시된 바와 같이 커패시터들의 접속관계를 1 차례 재구성함으로써 실현될 수 있다. 즉 에너지 재활용 가능한 최대 회수는 1회가 된다.

이상, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 커패시터의 개수, 전압 스케일러의 입출력 전압비, 에너지 재활용모드에서의 커패시터들간의 접속관계, 충전모드에서의 커패시터들간의 접속관계 및 에너지 재활용 가능한 최대 회수 등을 기술하였다. 그러나, 이는 본 발명의 몇가지 실시예로서, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 전압 스케일러의 입출력 전압비, 커패시터의 개수 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

100 스위치드 커패시터 어레이 200 정류기
300 제어부 400 비교기
111, 112, 113, 114, 115, 116, 117 커패시터
120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 131, 132, 133, 134, 135, 141, 142, 143, 144, 145, 151a, 151b, 152, 161a, 161b, 162 스위치

Claims (8)

1. 복수의 스위치와 복수의 커패시터를 포함하는 스위치드 커패시터 어레이; 및
   상기 복수의 스위치를 제어하는 제어부를 포함하고,
   충전모드, 전압공급모드, 에너지재활용모드의 3개 동작모드를 가지며,
   부하가 액티브 모드로 전환되거나 액티브 모드 중에 있는 경우, 상기 스위치드 커패시터 어레이는 상기 충전모드와 상기 전압공급모드 사이를 반복적으로 서로 교대하면서 부하에 전압을 공급하며,
   상기 부하가 슬립 모드로 전환되는 경우, 슬립 모드로 전환되기 소정 시간 전에 상기 스위치드 커패시터 어레이는 에너지재활용모드의 단계별 재활용 동작을 복수회 반복 수행하여 저장된 에너지를 부하에 최대치로 공급한 후 부하와 함께 슬립 모드로 전환되는 전압 스케일러.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위치드 커패시터 어레이는 상기 충전모드, 전압공급모드, 및 에너지재활용모드 중 적어도 하나의 모드에서 전압 스케일러의 입출력 전압비에 따라 상기 복수의 커패시터간의 직렬접속 및 병렬 접속을 구성하되, 상기 복수의 커패시터간의 직렬접속은 적어도 하나의 직렬그룹을 형성하고 적어도 하나의 직렬그룹을 동일 길이로 하여 서로 병렬접속을 구성하고, 상기 스위치드 커패시터 어레이 내의 모든 커패시터가 상기 적어도 하나의 직렬그룹에 모두 포함되도록 하여 모든 커패시터에서 전압 충전 또는 강압이 동일하게 발생하도록 함으로써 에너지 효율을 극대화하는 구조를 갖는 전압 스케일러.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 충전모드에서 상기 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 1개로 구성하여 병렬 연결되는 직렬그룹의 개수가 최대가 되도록 구성한 후 외부전압을 상기 스위치드 커패시터 어레이에 가하여 모든 커패시터를 동일한 전압으로 균등하게 충전하여 각 커패시터 상호간에 불필요한 전하이동(Charge Sharing)을 방지함으로써 에너지 효율을 극대화하는 전압 스케일러.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 충전모드에서 상기 전압공급모드로 전환시 부하가 요구하는 목표 출력전압 보다 높은 전압 중 최소의 전압을 출력전압으로 제공하도록, 모든 직렬그룹내의 커패시터를 최소한의 개수 만큼만 증가시키고 병렬 연결되는 직렬그룹의 개수를 최소한으로 감소시켜서 목표 출력전압에 가장 가까운 근사값을 제공하며,
   상기 전압공급모드에서 출력전압이 부하가 허용하는 최대 리플전압(ripple voltage) 보다 감소한 것으로 비교기를 통해 감지되면 상기 충전모드로 전환하여 외부전원으로부터 상기 스위치드 커패시터 어레이를 충전한 후 다시 상기 전압공급모드로 전환하며,
   상기 전압공급모드에서 각 직렬그룹내의 커패시터 개수를 동일하게 구성하여 각 커패시터의 전압강하를 균등하게 하여 에너지효율을 극대화하는 전압 스케일러.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 부하가 슬립 모드로 전환되기 소정 시간 전에 상기 충전모드 또는 상기 전압공급모드로부터 상기 에너지재활용모드로 전환되며, 상기 에너지재활용모드에서는 단계적으로 상기 직렬그룹의 수를 감소시키면서 각 직렬그룹내의 커패시터 수를 증가시키되 상기 스위치드 커패시터 어레이 내의 모든 커패시터가 적어도 하나의 직렬그룹에 포함되도록 구성하여 다음 단계의 에너지재활용모드의 출력전압이 목표 출력전압보다 높은 전압 중 최소값이 되도록 직렬그룹의 수와 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 결정하는 전압 스케일러.
6. 제1항에 있어서,
   상기 소정 시간은, 상기 스위치드 커패시터 어레이에 사용된 총 커패시터 수에 따라 결정되는 에너지재활용 단계의 횟수에 부하에서 측정되는 전류량에 따라 결정되는 각 에너지재활용 단계의 시간길이 값을 곱하여 결정되는 전압 스케일러.
7. 제5항에 있어서,
   상기 에너지재활용모드에서의 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압이 소정 값보다 작아지면, 다음 단계의 에너지재활용모드로 전환하여 직렬그룹의 수를 감소시키면서 각 직렬그룹 내의 커패시터 수를 증가시키며,
   에너지재활용모드의 마지막 단계에서는 직렬그룹의 개수가 1개이며 상기 스위치드 커패시터 어레이 내의 모든 커패시터들이 직렬연결이 되는 구조를 형성하며,
   상기 마지막 단계 후에는 부하와 함께 슬립 모드로 전환되어 부하에 전압을 공급하는 메인 스위치를 차단하고 부하가 다음 활성모드로 전환될 때까지 슬립 모드에서 비활성화 상태로 대기하는 것을 특징으로 하는 전압 스케일러.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스위치드 커패시터 어레이의 출력전압과 부하에 공급할 목표 출력전압 을 비교하는 비교기를 추가로 포함하며,
   상기 비교기는 어레이 내의 커패시터 방전시간 보다 빠른 주기로 비교 결과를 반복적으로 감지하며,
   상기 제어기는, 상기 비교기의 비교 결과값을 확인하여 상기 비교 결과값이 부하가 허용하는 최대 전압강하범위를 넘는 경우 상기 스위치드 커패시터 어레이를 다음 단계의 동작 모드로 전환시키며,
   상기 다음 단계의 동작 모드는, 전압공급모드의 경우 충전모드를 의미하고, 에너지재활용모드의 경우 직렬그룹내의 커패시터 수를 증가시겨 출력전압을 상승시키는 후속 단계를 의미하는, 전압스케일러.
   

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