KR102165493B1 - 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈에 관한 것으로서, 특히 수~수백 마이크로암페어의 초저전력에서도 에너지를 충전하여 전자부품에 안정적으로 공급할 수 있는 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈은, 에너지공급원과; 상기 에너지공급원에서 생산된 에너지를 충전하는 에너지집진부와; 상기 에너지집진부의 충전 완료 상태를 확인하는 제어부와; 상기 에너지공급원 또는 에너지집진부의 에너지를 받아 상기 제어부에 전원을 공급하는 제어부전원단과; 상기 제어부에서 신호를 받아 센서나 부하로 구성된 전자부품에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하여 이루어지되, 상기 에너지집진부의 충전이 완료되면 상기 제어부는 상기 전원공급부에 신호를 발송하고, 상기 전원공급부는 상기 제어부의 신호를 받으면 상기 에너지집진부에 충전된 에너지를 상기 전자부품에 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈 { ULTRA-LOW POWER ENERGY CHARGING AND SUPPLY MODULE }

본 발명은 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈에 관한 것으로서, 특히 수~수백 마이크로암페어의 초저전력에서도 에너지를 충전하여 전자부품에 안정적으로 공급할 수 있는 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈에 관한 것이다.

빅데이터, 스마트팩토리 등이 부각되는 세계적 흐름속에 그 기본이 되는 센서의 활용 범위가 급격히 늘어나고 있으며, 특히 iot, ict가 발전함에 따라 무선 통신을 활용한 센서 이용이 급증하고 있다.

아직은 많은 센서들이 배터리를 전원으로 사용하고 있으나, 하베스팅 에너지 기술이 급격히 성장하면서 배터리 수명과 관계없이 거의 반영구적으로 사용 가능한 친환경 하베스팅 에너지를 주전원으로 사용하는 센서들도 점차 늘어나고 있는 추세이다.

대다수의 하베스팅 에너지 저장과 운영 방식은 주변 여건(날씨, 온도등)이 하베스팅 에너지를 얻기 좋을 때 많은 에너지를 생산하여 센서나 부하단에 전원을 공급하고, 남는 에너지는 2차전지 등에 충전했다가, 주변 여건(날씨, 온도등)이 나쁘면 2차전지 등에 충전된 에너지를 활용하여 센서나 부하단에 전원을 공급하는 방식으로 운영된다.

또한 센서들은 측정하고자 하는 특정한 위치에 부착되어 매초 또는 일정한 간격으로 데이터를 전송하기에 대다수 센서는 크기가 작아야 하며, 이로 인해 하베스팅으로 얻을 수 있는 에너지양도 적을 뿐더러 에너지를 보관할 영역도 부족하다.

그래서 적은 에너지로 오랫동안 동작하기 위해 데이터를 전송할 때만 센서가 활성화되며, 나머지 대기 시간은 '절전 모드'로 변경되어 에너지 소비를 최대한 억제하거나 에너지를 충전하는 시간으로 활용한다.

이러한 기술들은 센서가 최초 1번은 실행되어야 하며, 센서가 실행된 이후에 에너지를 충전하거나 또는 에너지를 조금 더 오랫동안 유지하기 위한 기술 구현으로 하베스팅 에너지나 센서 운영의 대다수 선행 기술들도 여기에 중점을 두고 있다.

그러나 상시적으로 얻을 수 있는 에너지가 센서의 최초 구동에 필요한 시작 전류(START CURRENT)보다 적다면 센서는 동작하지 못할 것이고 '절전모드'로도 진입할 수도 없게 되며, 센서는 최초 동작을 시도하려고 계속적으로 에너지를 소비하는 상태를 유지하게 된다.

그 결과 센서는 동작하지 못하면서 에너지도 더 이상 충전되지 않는 상태가 만들어지게 될 수 있다.

하베스팅 에너지가가 큰 경우에는 아무런 문제가 없으나, 상술한 바와 같이 하베스팅 에너지가 매우 작은 경우에는, 수~수백 마이크로암페어 정도의 미약한 초저전력 에너지를 충전하고 이를 이용하여 센서 등의 전자부품에 안정적으로 전원을 공급하도록 하는 기술은 매우 어렵다.

공개특허 10-2013-0035783 공개특허 10-2017-0059836

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서의 시작 전류보다 훨씬 적은 에너지인 수~수백 마이크로암페어 정도의 미약한 초저전력 에너지에서도 충전이 가능하고, 그 충전된 에너지를 이용하여 센서 또는 부품 등의 전자부품에 전원을 안정적으로 공급할 수 있는 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈은, 에너지공급원과; 상기 에너지공급원에서 생산된 에너지를 충전하는 에너지집진부와; 상기 에너지집진부의 충전 완료 상태를 확인하는 제어부와; 상기 에너지공급원 또는 에너지집진부의 에너지를 받아 상기 제어부에 전원을 공급하는 제어부전원단과; 상기 제어부에서 신호를 받아 센서나 부하로 구성된 전자부품에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하여 이루어지되, 상기 에너지집진부의 충전이 완료되면 상기 제어부는 상기 전원공급부에 신호를 발송하고, 상기 전원공급부는 상기 제어부의 신호를 받으면 상기 에너지집진부에 충전된 에너지를 상기 전자부품에 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 상기 에너지공급원 또는 에너지집진부의 에너지가 상기 제어부전원단에서 상기 제어부로 안정적인 전력을 공급할 수 있을 때까지 상기 제어부에서 상기 전원공급부로 신호를 보내는 것을 차단시키는 저전압검출회로;를 포함하여 이루어지되, 상기 저전압검출회로는 미리 설정된 설정전압보다 상기 에너지공급원 또는 에너지집진부에서 상기 제어부전원단으로 공급되는 전압이 같거나 클 경우 상기 제어부에서 상기 전원공급부로 보내는 신호의 차단을 해제한다.

상기 제어부는, 상기 에너지집진부에 충전된 에너지가 충전 완료되었는지 여부를 검사하는 에너지검출단과; 상기 에너지검출단으로부터 에너지가 충전 완료되었다는 신호를 받고 상기 저전압검출회로부터 신호의 차단을 해제하는 해제신호를 받으면, 상기 전원공급부에 신호를 전달하여 상기 전원공급부에서 상기 전자부품에 전원을 공급하도록 하는 판별제어회로;를 더 포함하여 이루어지되, 상기 저전압검출회로는, 상기 설정전압보다 상기 에너지공급원 또는 에너지집진부에서 상기 제어부전원단으로 공급되는 전압이 작은 경우, 상기 에너지검출단과 상기 판별제어회로의 작동을 정지시켜 상기 제어부에서 상기 전원공급부로 신호를 보내는 것을 차단시킨다.

상기 에너지검출단은 슈미트트리거(Schmitt Trigger) 기능이 있다.

상기 에너지검출단과 상기 판별제어회로가 작동되기 위한 구동전압은, 상기 저전압검출회로가 상기 에너지검출단과 상기 판별제어회로의 작동정지를 해제시키는 전압인 상기 설정전압보다 작다.

상기 에너지집진부에 충전된 전기에너지는 상기 제어부를 작동시키기 위한 전기에너지보다 커, 상기 에너지집진부로부터 전기에너지를 공급받는 상기 에너지검출단은 스루 전류 현상의 영향을 벗어나게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

센서의 시작 전류보다 훨씬 적은 에너지인 수~수백 마이크로암페어 정도의 미약한 초저전력 에너지에서도 충전이 가능하고, 그 충전된 에너지를 이용하여 센서 또는 부품 등의 전자부품에 전원을 안정적으로 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈의 전체적인 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈의 주요부위의 세부 구성도.

본 발명의 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이, 에너지공급원(10)과, 에너지집진부(20)와, 제어부(30)와, 제어부전원단(40)과, 전원공급부(50)를 포함하여 이루어진다.

상기 에너지공급원(10)은 저전력을 전기에너지를 생산하는 것으로서, 종래의 공지된 다양한 기구물로 이루어질 수 있다.

일예로 상기 에너지공급원(10)은 버스바, 전선 등을 감싸고 있는 코일 등으로 이루어질 수도 있다.

이러한 상기 에너지공급원(10)은 매우 작은 크기인 수~수백 마이크로암페어 정도의 미약한 초저전력 에너지를 생산하게 된다.

상기 에너지집진부(20)는 상기 에너지공급원(10)에서 생산된 에너지를 충전하는 것으로서, 배터리 등으로 이루어진다.

상기 제어부(30)는 상기 에너지집진부(20)의 충전 완료 상태를 계속 확인한다.

이러한 상기 제어부(30)는 상기 전원공급부(50)가 작동되기 위한 신호를 발송하여, 상기 전원공급부(50)의 작동을 제어하게 된다.

상기 제어부(30)는 상기 에너지공급원(10) 및 에너지집진부(20)로부터 충전완료 상태 등을 확인하기 위한 신호를 받기 위해 연결되어 있다.

이러한 상기 제어부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 저전압검출회로(31), 에너지검출단(32), 판별제어회로(33)로 이루어지고, 이러한 구성요소들에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

상기 제어부전원단(40)은 상기 에너지공급원(10) 및/또는 에너지집진부(20)의 에너지를 받아 상기 제어부(30)에 전원을 공급한다.

즉, 상기 제어부전원단(40)은 상기 에너지공급원(10) 및/또는 에너지집진부(20)로부터 에너지를 공급받은 후, 상기 제어부(30)에 전기에너지 즉 전원을 공급한다.

보다 구체적으로 상기 제어부전원단(40)은 상기 에너지검출단(32)과 판별제어회로(33)에 전원을 공급한다.

상기 전원공급부(50)는 상기 제어부(30)에서 신호를 받아 센서나 부하로 구성된 전자부품(60)에 전원을 공급한다.

상기 에너지집진부(20)의 충전이 완료되면 상기 제어부(30)는 상기 전원공급부(50)에 신호를 발송하고, 상기 전원공급부(50)는 상기 제어부(30)의 신호를 받으면 상기 에너지집진부(20)에 충전된 에너지를 상기 전자부품(60)에 공급하게 된다.

보다 구체적으로 상기 전원공급부(50)는 상기 제어부(30)를 구성하는 상기 판별제어호로로부터 신호를 받아, 상기 에너지집진부(20)로부터 공급받은 전기에너지를 상기 전자부품(60)에 전원으로 공급하게 된다.

전술한 바와 같이, 상기 제어부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 저전압검출회로(31), 에너지검출단(32), 판별제어회로(33)로 이루어져 있다.

상기 저전압검출회로(31)는, 상기 에너지공급원(10) 또는 에너지집진부(20)에서 공급된 에너지가 상기 제어부전원단(40)에서 상기 제어부(30)로 안정적인 전력을 공급할 수 있을 때까지 상기 제어부(30)에서 상기 전원공급부(50)로 신호를 보내는 것을 차단시킨다.

상기 제어부전원단(40)은 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)에 전원을 공급하도록 연결되어 있는데, 상기 저전압검출회로(31)는 상기 에너지공급원(10) 또는 에너지집진부(20)에서 공급되는 에너지가 상기 제어부전원단(40)를 거쳐 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)에 안정적인 전력을 공급할 수 있을 때가지, 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)의 작동을 정지시켜, 상기 제어부(30)에서 상기 전원공급부(50)로 작동 신호를 보내는 것을 차단시킨다.

보다 구체적으로 살펴보면, 상기 저전압검출회로(31)는 미리 설정된 설정전압이 셋팅되어 있는데, 상기 설정전압보다 상기 에너지공급원(10) 또는 에너지집진부(20)에서 상기 제어부전원단(40)으로 공급되는 전압이 작을 경우 상기 제어부(30) 즉 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)에서 상기 전원공급부(50)로 신호를 보내는 것을 차단한다.

이때, 상기 에너지검출단(32) 및 상기 판별제어회로(33)에서 상기 전원공급부(50)로 신호를 보내는 것을 차단하는 방법은, 상기 에너지검출단(32) 및 판별제어회로(33)의 작동을 정지시키거나 입력 또는 출력을 차단하여 상기 에너지검출단(32) 및 판별제어회로(33)에서 상기 전원공급부(50)로 신호를 보내는 것을 차단하도록 할 수 있다.

그리고, 상기 설정전압보다 상기 에너지공급원(10) 또는 에너지집진부(20)에서 상기 제어부전원단(40)으로 공급되는 전압이 같거나 클 경우, 상기 저전압검출회로(31)는 상기 제어부(30) 즉 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)에서 상기 전원공급부(50)로 보내는 신호의 차단을 해제한다.

만약, 상기 제어부(30)에 공급되는 전원이 불안정하게 되면, 상기 제어부(30)는 상기 전원공급부(50)에 이상신호를 출력할 수도 있다.

그러나 본 발명은 위와 같이 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)가 안정적으로 작동될 수 있는 전력이 공급될 때까지 상기 저전압검출회로(31)에서 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)의 작동을 정지시키고, 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)가 안정적으로 작동될 수 있는 전력이 공급될 때 비로소 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)가 작동하도록 함으로서, 상기 제어부(30)에 공급되는 전원이 불안정한 상태에서 상기 전원공급부(50)에 이상신호를 출력하는 것을 방지할 수 있다.

상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)는, 상기 저전압검출회로(31)에서 신호가 발생하기 전에, 이미 안정된 상태를 유지해야 함으로, 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)가 작동되기 위한 구동전압은 상기 저전압검출회로(31)가 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)의 작동정지를 해제시키는 전압인 상기 설정전압보다 항상 작아야 한다.

즉, 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)의 구동전압은, 상기 저전압검출회로(31)의 설정전압보다 항상 낮은 전압에서 구동할 수 있게 구현되어야 한다.

위와 같이, 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)가 작동되는 구동전압이 상기 저전압검출회로(31)의 설정전압보다 낮기 때문에, 상기 에너지공급원(10) 또는 에너지집진부(20)에서 상기 제어부전원단(40)으로 공급되는 전압이 상기 설정전압에 도달하기 전에 상기 구동전압에 먼저 도달하게 되고, 이로 인해 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)는 상기 에너지공급원(10) 또는 에너지집진부(20)에서 상기 제어부전원단(40)으로 공급되는 전압이 상기 설정전압에 도달하기 전에 이미 구동할 수 있는 안정된 상태를 준비할 수 있게 된다.

상기 에너지검출단(32)은 상기 에너지집진부(20)에 충전된 에너지를 상시 검사하는 것으로서, 상기 에너지집진부(20)에 충전된 에너지가 충전 완료되었는지 여부를 검사하고, 충전 완료된 경우 상기 판별제어회로(33)에 충전이 완료되었다는 신호를 전달한다.

이러한 상기 에너지검출단(32)은 슈미트트리거(Schmitt Trigger) 기능을 갖도록 한다.

슈미트트리거 기능을 갖는 상기 에너지검출단(32)은 전압이 높은 곳에서 신호를 감지하기 때문에, 스루전류(Through Current)의 영향을 받으며, 상기 에너지공급원(10)에서 생산된 수~수백 마이크로암페어의 전류만으로는 스루전류 영향을 벗어 날 수 없지만, 충전된 전기에너지의 크기가 상기 제어부(30)를 작동시키기 위한 전기에너지의 크기보다 훨씬 더 크기 때문에, 상기 에너지공급원(10)에서 생산된 에너지 뿐만 아니라 상기 에너지집진부(20)의 충전 에너지 도움도 받을 수 있어, 상기 에너지검출단(32)는 스루전류 현상의 영향을 받지 않고 벗어 날 수 있게 된다.

다만, 스루전류 영향을 벗어나기 위해 충전된 에너지를 사용하므로, 충전된 에너지가 조금 낮아지는 현상이 발생하게 된다.

이 경우 에너지 검출이 다시 설정값 아래로 변경되었다는 신호를 발생하게 되면, 회로 내부적으로 발진 현상이 발생할 수 있다.

그러나, 본 발명의 상기 에너지검출단(32)은 슈미트트리거 기능을 가지고 있기 때문에, 회로 내부적으로 발진 현상이 억제되어 안정적으로 작동 및 구현될 수 있다.

상기 판별제어회로(33)는, 상기 에너지검출단(32)과 상기 저전압검출회로(31)로부터 신호를 받으면, 상기 전원공급부(50)에 신호를 전달하여 상기 전원공급부(50)에서 상기 전자부품(60)에 전원을 공급하도록 한다.

보다 구체적으로 살펴보면, 상기 판별제어회로(33)가 상기 에너지검출단(32)으로부터 에너지가 충전 완료되었다는 신호를 받고, 또한 상기 저전압검출회로(31)부터 신호의 차단을 해제하는 해제신호를 받으면, 상기 판별제어회로(33)는 상기 전원공급부(50)에 신호를 전달하여 상기 전원공급부(50)에서 상기 전자부품(60)에 전원을 공급하도록 한다.

즉, 상기 판별제어회로(33)는, 상기 에너지검출단(32)에서 에너지의 충전이 완료되었다는 신호를 받고, 상기 에너지검출단(32)과 상기 판별제어회로(33)에 공급되는 전압이 상기 저전압검출회로(31)의 설정전압과 같거나 크게 되어 상기 저전압검출회로(31)부터 차단 해제신호를 받게 되면, 상기 전원공급부(50)가 작동할 수 있도록 신호를 발송하게 된다.

상기 판별제어회로(33)도 스루전류 영향을 받지만, 충전 에너지 도움을 받을 수 있기 때문에 상기 에너지공급원(10)에서 생산된 에너지가 작아도 구동될 있다.

위와 같이 상기 판별제어회로(33)가 상기 전원공급부(50)가 작동할 수 있도록 신호를 발송하게 되면, 상기 전원공급부(50)는 상기 전자부품(60) 즉 센서 또는 부하에 전원을 공급하게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 구성에 의해, 센서 등의 전자부품(60)의 시작전류보다 훨씬 적은 수~수백 마이크로암페어 정도의 미약한 초저전력에서도 에너지를 충전할 수 있고, 그 충전된 에너지를 이용하여 센서 또는 부품 등의 전자부품(60)에 안정적으로 전원을 공급하여 작동되도록 할 수 있다.

본 발명인 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

10 : 에너지공급원, 20 : 에너지집진부,
30 : 제어부, 31 : 저전압검출회로, 32 : 에너지검출단, 33 : 판별제어회로,
40 : 제어부전원단,
50 : 전원공급부,
60 : 전자부품.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 에너지공급원과;
   상기 에너지공급원에서 생산된 에너지를 충전하는 에너지집진부와;
   상기 에너지집진부의 충전 완료 상태를 확인하는 제어부와;
   상기 에너지공급원 또는 에너지집진부의 에너지를 받아 상기 제어부에 전원을 공급하는 제어부전원단과;
   상기 제어부에서 신호를 받아 센서나 부하로 구성된 전자부품에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하여 이루어지되,
   상기 에너지집진부의 충전이 완료되면 상기 제어부는 상기 전원공급부에 신호를 발송하고, 상기 전원공급부는 상기 제어부의 신호를 받으면 상기 에너지집진부에 충전된 에너지를 상기 전자부품에 공급하며,
   상기 제어부는,
   상기 에너지공급원 또는 에너지집진부의 에너지가 상기 제어부전원단에서 상기 제어부로 안정적인 전력을 공급할 수 있을 때까지 상기 제어부에서 상기 전원공급부로 신호를 보내는 것을 차단시키는 저전압검출회로와;
   상기 에너지집진부에 충전된 에너지가 충전 완료되었는지 여부를 검사하는 에너지검출단과;
   상기 에너지검출단으로부터 에너지가 충전 완료되었다는 신호를 받고 상기 저전압검출회로부터 신호의 차단을 해제하는 해제신호를 받으면, 상기 전원공급부에 신호를 전달하여 상기 전원공급부에서 상기 전자부품에 전원을 공급하도록 하는 판별제어회로;를 포함하여 이루어지며,
   상기 저전압검출회로는 미리 설정된 설정전압보다 상기 에너지공급원 또는 에너지집진부에서 상기 제어부전원단으로 공급되는 전압이 같거나 클 경우 상기 제어부에서 상기 전원공급부로 보내는 신호의 차단을 해제하고,
   상기 저전압검출회로는, 상기 설정전압보다 상기 에너지공급원 또는 에너지집진부에서 상기 제어부전원단으로 공급되는 전압이 작은 경우, 상기 에너지검출단과 상기 판별제어회로의 작동을 정지시켜 상기 제어부에서 상기 전원공급부로 신호를 보내는 것을 차단시키는 것을 특징으로 하는 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈.
4. 청구항3에 있어서
   상기 에너지검출단은 슈미트트리거(Schmitt Trigger) 기능이 있는 것을 특징으로 하는 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈.
5. 청구항3 또는 청구항4에 있어서,
   상기 에너지검출단과 상기 판별제어회로가 작동되기 위한 구동전압은, 상기 저전압검출회로가 상기 에너지검출단과 상기 판별제어회로의 작동정지를 해제시키는 전압인 상기 설정전압보다 작은 것을 특징으로 하는 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈.
6. 청구항4에 있어서,
   상기 에너지집진부에 충전된 전기에너지는 상기 제어부를 작동시키기 위한 전기에너지보다 커, 상기 에너지집진부로부터 전기에너지를 공급받는 상기 에너지검출단은 스루 전류 현상의 영향을 벗어나는 것을 특징으로 하는 초저전력 에너지 충전 및 공급 모듈.
   

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