KR102191060B1 - Heart pacemaker and energy harvesting system thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 심장 박동기는 마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 발전시키는 발전기 및 상기 발전된 비선형적 전기 에너지를 다단계로 구성된 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장시키고, 상기 다중 에너지 저장소에 저장된 전기 에너지를 공급하는 에너지 하베스터를 포함한다.The pacemaker according to the present invention sequentially stores a generator for generating nonlinear electric energy using a friction element and the developed nonlinear electric energy in a multi-energy store composed of multiple stages, and supplies the electric energy stored in the multi-energy store. It includes an energy harvester.
Description
본 발명은 심장 박동기 및 이의 에너지 하베스팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pacemaker and a method for harvesting energy thereof.
심장 박동기는 심장박동이 정상적이지 않은 각종 부정맥 질환이나 혈액학적 이상, 전도계 장애 등에 사용되어 인공적으로 정상 심장박동을 유지해주는 장치이다. A heart pacemaker is a device that artificially maintains a normal heart rate by being used for various arrhythmic diseases, hematologic abnormalities, and conduction system disorders in which the heart rate is not normal.
심장의 리듬에 이상이 생기면 규칙적이고 제시간에 박동할 수 있도록 심장 박동기는 전기자극을 내보내게 된다. 이때, 만들어진 전기자극은 심장 안에 삽입한 특수 도선을 통해 심장에 전달된다. When there is an abnormality in the rhythm of the heart, the pacemaker emits electrical impulses so that the heart beats regularly and in time. At this time, the created electrical stimulation is transmitted to the heart through a special wire inserted into the heart.
한편, 기존의 심장 박동기에서의 문제점은 배터리의 한계로 인해 약 10년 주기로 심장 박동기를 교체해야 하는 점이다. 배터리의 수명이 다하면 인체 내에 이식된 심장 박동기를 교체해야 하는 수술을 시행해야 하기 때문에 환자에게는 매우 큰 부담이 될 수 있다.On the other hand, the problem with the existing pacemaker is that the pacemaker needs to be replaced every about 10 years due to the limitation of the battery. When the life of the battery is over, it can be very burdensome to the patient because surgery to replace the pacemaker implanted in the human body must be performed.
이러한 문제를 극복하기 위해 기존의 심장 박동기는 통합 반도체로 전력량을 감소시키는 방향으로 기술 개발이 진행되고 있으나, 이는 심장 박동기의 근본적인 에너지 소비를 줄이는 방안에서 벗어날 수 없는문제가 있다.In order to overcome this problem, the conventional heart pacemaker has been developing a technology in the direction of reducing the amount of power with an integrated semiconductor, but this has a problem that cannot escape from the plan to reduce the fundamental energy consumption of the heart pacemaker.
본 발명의 실시예는 심장 박동기 내에 삽입된 마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 하베스팅함으로써 제품 수명을 50% 이상 증가시킬 수 있는 심장 박동기 및 이의 에너지 하베스팅 방법을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a pacemaker capable of increasing product life by 50% or more by harvesting nonlinear electrical energy using a friction element inserted in a pacemaker, and an energy harvesting method thereof.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problem to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical problem as described above, and other technical problems may exist.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 심장 박동기는 마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 발전시키는 발전기 및 상기 발전된 비선형적 전기 에너지를 다단계로 구성된 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장시키고, 상기 다중 에너지 저장소에 저장된 전기 에너지를 공급하는 에너지 하베스터를 포함한다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the pacemaker according to the first aspect of the present invention is a generator for generating nonlinear electric energy using a friction element, and a multi-energy storage unit configured to multi-step the developed nonlinear electric energy. And an energy harvester that is sequentially stored in and supplies electrical energy stored in the multiple energy storage.
본 발명에 따른 심장 박동기는 상기 발전기 및 에너지 하베스터를 보호하는 케이스를 더 포함할 수 있다.The heart pacemaker according to the present invention may further include a case for protecting the generator and the energy harvester.
상기 에너지 하베스터는 상기 케이스의 상부측에 단면과 평행하도록 배치되고, 상기 발전기는 상기 케이스의 하부측에 배치되되 상기 케이스의 단면과 일정 간격 이격되도록 배치될 수 있다.The energy harvester may be disposed on an upper side of the case so as to be parallel to a cross section, and the generator may be disposed at a lower side of the case and may be disposed to be spaced apart from the cross section of the case by a predetermined interval.
상기 발전기는 상기 케이스의 단면과 일정 간격만큼의 공간이 이격되도록 배치되되, 상기 케이스의 하부측 최하단 단면은 상기 발전기의 곡률보다 더 작도록 형성될 수 있다.The generator is disposed to be spaced apart from the cross section of the case by a predetermined distance, and the lowermost end section of the case may be formed to be smaller than the curvature of the generator.
상기 발전기는 최외곽층에 형성된 복수의 증폭 댐퍼를 포함할 수 있다.The generator may include a plurality of amplification dampers formed on the outermost layer.
상기 증폭 댐퍼는 상기 일정 간격에 대응되는 크기로 형성되어 상기 케이스의 양 단면에 부착될 수 있다.The amplification damper may have a size corresponding to the predetermined interval and may be attached to both ends of the case.
상기 증폭 댐퍼는 외부 움직임에 따라 상기 케이스와 일정 간격만큼 이격된 공간 내에서 상기 마찰소자의 미세 움직임을 지속시킬 수 있다.The amplification damper may continue the fine movement of the friction element in a space spaced apart from the case by a predetermined interval according to external movement.
상기 증폭 댐퍼는 복수의 탄성 소재가 일체로 구성되도록 형성될 수 있다.The amplification damper may be formed such that a plurality of elastic materials are integrally formed.
상기 발전기의 마찰소자는 Triboelectric Nano-Generator일 수 있다.The friction element of the generator may be a Triboelectric Nano-Generator.
본 발명에 따른 심장 박동기는 리드선을 통해 전기적 신호를 전달하는 전자회로 및 상기 전자회로에 전원을 공급하는 배터리를 더 포함할 수 있다.The pacemaker according to the present invention may further include an electronic circuit for transmitting electrical signals through a lead wire and a battery for supplying power to the electronic circuit.
본 발명에 따른 심장 박동기는 무선통신 기반의 네트워크를 통해 심장박동 메시지를 진단기기로 전달하는 통신모듈을 더 포함할 수 있다.The pacemaker according to the present invention may further include a communication module for transmitting a heartbeat message to a diagnosis device through a wireless communication-based network.
상기 에너지 하베스터는 상기 다중 에너지 저장소 중 현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압 및 상기 전압의 안정도에 기초하여, 상기 전기 에너지가 상기 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장되도록 제어할 수 있다.The energy harvester may control the electrical energy to be sequentially stored in the multiple energy storage based on a voltage of an energy storage in which electrical energy is currently stored among the multiple energy storage and the stability of the voltage.
상기 에너지 하베스터는 상기 마찰소자에서 발생된 전압 및 상기 다중 에너지 저장소의 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링 결과에 기초하여 상기 전기 에너지가 상기 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장되도록 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 전력 관리부를 포함할 수 있다.The energy harvester monitors the voltage generated in the friction element and the voltage of the multi-energy storage, and based on the monitoring result, the power management unit controls the switching operation of the switch so that the electric energy is sequentially stored in the multi-energy storage. It may include.
상기 전력 관리부는 상기 다중 에너지 저장소 중 현재 충전 중인 에너지 저장소의 특정 시구간 동안에서의 RMS 전압값의 편차가 기 설정된 값보다 큰 경우, 상기 전기 에너지가 현재 충전 중인 에너지 저장소에 저장되도록 유지시킬 수 있다.The power management unit may maintain the electric energy to be stored in the energy storage currently being charged when the deviation of the RMS voltage value during a specific time period of the energy storage currently being charged among the multiple energy storage units is greater than a preset value. .
상기 전력 관리부는 로드로부터 전기 에너지 공급 요청을 받음에 따라, 상기 다수의 에너지 저장소를 순차적으로 방전시킬 수 있다.The power management unit may sequentially discharge the plurality of energy storage units according to a request to supply electric energy from a load.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 심장 박동기에서의 에너지 하베스팅 방법은 마찰소자를 이용하여 발전된 비선형적 전기 에너지를 다수의 에너지 저장소에 저장하는 단계; 상기 다수의 에너지 저장소의 전압 레벨을 측정하는 단계; 현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압과 상기 전압의 안정도에 기초하여 상기 전기 에너지가 상기 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장되도록 제어하는 단계 및 상기 다중 에너지 저장소에 저장된 전기 에너지를 공급하는 단계를 포함한다.In addition, the energy harvesting method in a pacemaker according to the second aspect of the present invention comprises the steps of storing nonlinear electric energy generated using a friction element in a plurality of energy storage; Measuring voltage levels of the plurality of energy stores; Controlling the electrical energy to be sequentially stored in the multiple energy storage based on the voltage of the energy storage in which the electrical energy is currently stored and the stability of the voltage, and supplying the electrical energy stored in the multiple energy storage do.
또한, 본 발명의 제 3 측면에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 심장 박동기는 마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 발전시키는 발전기, 상기 발전된 전기 에너지를 임시 저장하는 임시 에너지 저장소와, 상기 임시 에너지 저장소에 임시 저장된 전기 에너지를 전달받아 저장하는 다중 에너지 저장소와, 상기 다중 에너지 저장소 중 현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압과 상기 전압의 안정도에 기초하여 상기 전기 에너지를 상기 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장시키고, 상기 다중 에너지 저장소에 저장된 전기 에너지를 공급하는 전력 관리부로 구성된 에너지 하베스터를 포함한다.In addition, the heart pacemaker capable of energy harvesting according to the third aspect of the present invention includes a generator for generating nonlinear electric energy using a friction element, a temporary energy storage for temporarily storing the generated electric energy, and the temporary energy storage. A multi-energy store that receives and stores temporary stored electric energy, and sequentially stores the electric energy in the multi-energy store based on a voltage of the energy store in which electric energy is currently stored among the multi-energy store and the stability of the voltage. And, it includes an energy harvester consisting of a power management unit for supplying the electrical energy stored in the multiple energy storage.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 다중 에너지 저장소를 통해 소스에서 동작하는 에너지를 단계적으로 저장하고 관리함으로써 불규칙적인 에너지 공급 상황에서도 보다 에너지 효율성을 높일 수 있다.According to any one of the above-described problem solving means of the present invention, energy efficiency can be improved even in an irregular energy supply situation by storing and managing energy operating in a source through multiple energy storage in stages.
또한, 에너지 수확이 불규칙적으로 안정적이지 못한 상황에서 소스에 전원 공급을 보다 적극적으로 제공함으로써 과포화 및 불규칙한 에너지 발생 상황에서의 에너지 분배 방안을 제공할 수 있으며, 복수의 에너지 저장소에 전압과 시간의 상관관계를 지속해서 관찰함으로써 외부 환경에 에너지 공급 상황을 추론하고 이를 다양한 스위치 기법을 통해 제공함에 따라 에너지 하베스터 측면에서 더욱 공격적으로 에너지를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide an energy distribution plan in oversaturation and irregular energy generation situations by actively providing power supply to the source in situations where energy harvesting is irregularly unstable, and correlation between voltage and time in multiple energy stores. By continuously observing the energy supply situation to the external environment and providing it through various switch techniques, energy can be more aggressively provided from the energy harvester side.
이와 더불어, 플랫폼에 시동 전압을 좀 더 능동적으로 제어할 수 있으며, 복합 저장소에 따른 시동 전압 범위 내에서 교차번 충전 가능함으로써, 현재의 전압 레벨에 따라 부스터(booster)와 벅(buck)으로 복합 구성된 시스템을 동작 구간에서 다양한 스위치의 제어에 따른 단일 시스템으로 대체할 수 있다.In addition, it is possible to more actively control the starting voltage on the platform, and by being able to charge alternately within the starting voltage range according to the complex storage, it is composed of a booster and a buck according to the current voltage level. The system can be replaced with a single system under the control of various switches in the operating section.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신모듈 내에 적용된 이득 제어 장치의 블록도이다.
도 3b는 자동 이득 조정부의 블록도이다.
도 3c는 이득 산출부에서 임계값을 조정하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서의 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에서의 제어기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기에서의 에너지 하베스팅 방법의 순서도이다.
도 7은 도 5에 도시된 제어기의 컨트롤 스위치 드라이버에 의한 스위칭 제어 방법의 설명에 제공되는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심장 박동기에 적용되는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 전류 부스터 및 에너지 하베스터에서의 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a pacemaker according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a generator in an embodiment of the present invention.
3A is a block diagram of a gain control apparatus applied in a communication module according to an embodiment of the present invention.
3B is a block diagram of an automatic gain adjustment unit.
3C is a diagram for explaining a process for adjusting a threshold value in a gain calculator.
4 is a diagram for explaining an energy harvester in an embodiment of the present invention.
6 is a diagram for explaining a controller in an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of an energy harvesting method in a pacemaker according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flow chart for explaining a method of controlling switching by a control switch driver of the controller shown in FIG. 5.
8 is a diagram illustrating an energy harvester applied to a pacemaker according to another embodiment of the present invention.
9 is a diagram for describing a switching operation in a current booster and an energy harvester.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention.
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 있는 것을 의미한다.In the entire specification, when a certain part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에서 발전기(100)를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅이 가능한 심장 박동기(1)는 발전기(100) 및 에너지 하베스터(200)를 포함한다. A
이때, 발전기(100)와 에너지 하베스터(200)는 이들을 보호하기 위한 케이스(10)에 내장 삽입되어 있으며, 케이스(10)는 티타늄 소재로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)는 발전기(100)만을 인체의 피부에 부착하거나 피부의 근육 조직 내에 삽입시키는 것이 아니라, 심장 박동기(1) 내에 삽입되어 형성되는 것을 특징으로 한다.At this time, the
발전기(100)는 마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 발전시킨다. 이러한 발전기(100)의 마찰소자는 TENG(Triboelectric Nano-Generator)일 수 있다.The
에너지 하베스터(200)는 발전기(100)의 마찰소자를 통해 발전된 비선형적 전기 에너지를 다단계로 구성된 다중 에너지 저장소(220)에 순차적으로 저장시키고, 다중 에너지 저장소(220)에 저장된 에너지를 공급한다. The energy harvester 200 sequentially stores the nonlinear electric energy generated through the friction element of the
이때, 다중 에너지 저장소(220)는 배터리(250)와는 상이한 구성으로서, 후술하는 전자회로와 일체로 구성된 에너지 저장 공간이 작은 에너지 저장소를 의미한다.In this case, the multi-energy storage 220 is a configuration different from the
도 1을 참조하면, 에너지 하베스터(200)는 심장 박동기(1)의 케이스(10)의 상부측에 배치되며 케이스(10)의 일단면과 평행하도록 배치된다. 이때, 에너지 하베스터(200)가 위치하는 케이스(10)의 일 단면이란 케이스(10)의 여러 단면 중 가장 넓은 단면을 의미한다. 이에 따라, 에너지 하베스터(200) 및 이를 포함하는 전자회로와 배터리(250)는 서로 적층 관계로 형성되어 케이스(10)의 가장 넓은 단면과 평행하도록 배치되게 된다.Referring to FIG. 1, the
발전기(100)는 심장 박동기(1)의 케이스(10)의 하부측에 배치된다. 즉, 에너지 하베스터(200)는 케이스(10)의 상부측에 배치되며, 발전기(100)는 에너지 하베스터(200)의 하부에 배치되되 케이스(10)의 단면과 일정 간격이 이격되도록 배치된다.The
구체적으로 발전기(100)는 심장 박동기(1)의 케이스(10)의 상기 단면과 일정 간격만큼 공간이 이격되도록 배치된다. 이때, 발전기(100)는 케이스(10)의 하부측 최하단 단면의 곡률보다 더 크도록 형성된다.Specifically, the
이러한 배치관계에 따라 발전기(100)는 심장 박동기(1) 내부에 삽입되어 비선형적 전기에너지를 발전시킬 수 있다.According to this arrangement, the
이에 더 나아가 본 발명의 일 실시예에서 발전기(100)는 최외각층에 각각 형성된 복수의 증폭 댐퍼(110)를 더 포함한다.Furthermore, in an embodiment of the present invention, the
증폭 댐퍼(110)는 심장 박동기(1) 케이스(10)의 단면과 발전기(100) 사이의 일정 간격에 대응되는 크기로 형성되어 케이스(10)의 양 단면에 부착되며, 외부 움직임에 따라 케이스(10)와 일정 간격만큼 이격된 공간 내에서 마찰소자의 미세 움직임을 지속시킨다.The
즉, 사람은 평상시 여러 가지 움직임을 통해 활동을 하게 되는데, 이러한 일상 생활에서의 움직임에 의해 증폭 댐퍼(110)가 부착된 발전기(100)는 발전을 하게 되며, 움직임이 일어나는 동안 또는 움직임이 정지되는 순간에도 증폭 댐퍼(110)는 이격된 공간 내에서 마찰소자의 미세 움직임을 지속시켜 발전 특성을 극대화시킬 수 있다.That is, a person usually engages in activities through various movements, and the
발전기(100)에 부착된 증폭 댐퍼(110)는 사람의 다양한 움직임에 대응하여 상하좌우 방향 중 하나 이상의 방향으로 미세 움직임을 지속시킬 수 있다.The
한편, 증폭 댐퍼(110)는 기 설정된 탄성력을 가지는 탄성 스티로폼으로 구성되거나 고무 소재, 스프링 소재 등의 탄성 소재로 구성될 수 있다. 이때, 증폭 댐퍼(110)는 미세 움직임을 더욱 극대화시키기 위하여 하나의 증폭 댐퍼(110) 내에 복수의 탄성 소재가 일체로 구성되도록 형성될 수 있다.Meanwhile, the
예를 들어, 하나의 증폭 댐퍼(110)는 하나의 스프링으로 구성될 수 있으나, 가장 넓은 반경을 갖는 스프링 내에 더 작은 반경을 갖는 스프링이 내부에 삽입되는 등의 형태로, 복수의 서로 다른 반경을 갖는 복수 개의 탄성 소재가 하나의 증폭 댐퍼(110)로 형성될 수 있다.For example, one amplifying
그밖에 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)는 기본적인 구성으로 리드선을 통해 전기적 신호를 전달하는 전자회로 및 상기 전자회로에 전원을 공급하는 배터리(250)를 더 포함할 수 있다. 이때, 에너지 하베스터(200)의 회로 구성은 전자회로와 일체로 형성되어 심장 박동기(1) 내에 삽입될 수 있다.In addition, the
상기 전자회로 내에는 인체의 심장박동 정보를 감지하는 감지부, 리드선을 통해 전달되는 펄스 신호를 조절하여 공급하는 조율부, 감지부와 조율부를 제어하여 정확한 전기자극이 이루어질 수 있도록 하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.The electronic circuit includes a sensing unit that detects human heartbeat information, a tuning unit that adjusts and supplies a pulse signal transmitted through a lead wire, and a control unit that controls the sensing unit and the tuning unit so that accurate electrical stimulation can be achieved. Can be configured.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)는 무선통신 기반의 네트워크를 통해 심장박동 메시지를 외부의 진단기기로 전달하는 통신모듈을 더 포함할 수 있다.In addition, the
이때, 본 발명의 일 실시예에 적용되는 통신모듈은 위상편이변조 방식을 이용한 RF 송수신기에서의 이득 제어 장치(400)가 더 포함될 수 있는바 이하 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 설명하도록 한다In this case, the communication module applied to an embodiment of the present invention may further include a
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신모듈 내에 적용된 이득 제어 장치(400)의 블록도이다. 도 3b는 자동 이득 조정부(420)의 블록도이다. 도 3c는 이득 산출부(423)에서 임계값을 조정하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이다.3A is a block diagram of a
본 발명의 일 실시예에 따른 이득 제어 장치(400)는 RF 수신 모듈(410) 및 자동이득 조정부(420)를 포함한다.The
RF 수신 모듈(410)은 아날로그 신호인 RF 신호를 수신하여 복소 신호 형태인 디지털 신호로 변환한다.The
이때, RF 수신 모듈(410)은 RF 신호를 수신하여 기저대역 또는 IF(Intermediate Frequency) 주파수로 변환하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.In this case, the
자동 이득 조정부(420)는 RF 신호의 이득을 조정하기 위한 RF 이득과, 디지털 신호의 이득을 조정하기 위한 디지털 이득을 각각 산출 및 적용한다.The automatic
이러한 자동 이득 조정부(420)는 누적기(421), 이득 산출부(423) 및 복소 곱셈기(425)를 포함할 수 있다.The automatic
누적기(421)는 RF 수신 모듈(410)에 의해 변환된 디지털 신호의 크기를 산출하고 기 설정된 개수의 디지털 신호를 누적한다. 이때, 누적기(421)는 하나의 신호만을 전달받은 경우에도 해당 신호의 디지털 신호의 크기를 산출하여 이득 산출부로 전달할 수 있으나, 기 설정된 복수 개의 개수만큼 디지털 신호를 누적한 후 크기를 산출하여 전달함이 바람직하다.The
즉, 하나의 디지털 신호만을 대상으로 이득을 판단할 경우 노이즈의 영향으로 인해 일시적으로 얻고자 하는 이득에 오차가 많을 수 있기에, 누적기(421)는 일정 데이터를 누적하여 그 값을 보고 이득을 조정하게 된다.That is, when determining the gain for only one digital signal, there may be a lot of error in the gain to be obtained temporarily due to the effect of noise, so the
일 실시예로 누적기(421)는 128개의 디지털 신호를 누적하고 각 누적된 신호의 크기를 합산하여 이득 산출부(423)로 제공할 수 있다.In an exemplary embodiment, the
이득 산출부(423)는 누적된 디지털 신호의 크기를 기 설정된 임계값과 비교하며, 비교 결과에 기초하여 RF 신호의 이득을 조정하기 위한 RF 이득 및 디지털 신호의 이득을 조정하기 위한 디지털 이득을 각각 산출한다.The
예를 들어 이득 산출부(423)에서 산출 가능한 이득의 범위는 22~100dB일 수 있으며, 이중 RF 이득의 범위는 22~81dB, 디지털 이득의 범위는 0~19dB일 수 있다.For example, the range of the gain that can be calculated by the
이때 현재 이득이 30dB(RF 이득=25dB, 디지털 이득=5dB)인 경우 입력 신호가 작아서 이득을 2dB만큼 올리는 경우 본 발명의 일 실시예는 RF 이득 27dB, 디지털 이득 5dB로 조정하거나, RF 이득 26dB, 디지털 이득 6dB로 조정하거나, RF 이득 25dB, 디지털 이득 7dB로 조정할 수 있다.At this time, when the current gain is 30 dB (RF gain = 25 dB, digital gain = 5 dB), the input signal is small and the gain is increased by 2 dB. An embodiment of the present invention is adjusted to an RF gain of 27 dB, a digital gain of 5 dB, or an RF gain of 26 dB, It can be adjusted with a digital gain of 6dB, or an RF gain of 25dB and a digital gain of 7dB.
이득 산출부(423)는 RF 이득을 산출하고 나면, 산출된 RF 이득을 RF 수신 모듈(410)로 피드백한다.After calculating the RF gain, the
이에 따라 RF 수신 모듈(410)은 RF 수신 모듈(410) 내에 포함된 RF 이득 적용부(미도시)를 통해 상기 산출된 RF 이득을 아날로그 신호인 RF 신호에 적용시킨다.Accordingly, the
이때, RF 수신 모듈(410)은 자체에서 허용하고 있는 가용 이득이 제한되어 있을 수 있다. 즉, RF 이득 적용부는 최대 적용 가능한 RF 이득값이 미리 설정되어 있을 수 있다. 그리고 RF 이득 적용부는 최대 적용 가능한 RF 이득값 내에서 상기 산출된 RF 이득을 RF 신호에 적용하게 된다.In this case, the
이 경우 수신한 RF 신호는 RF 이득 적용부에 의해 적용 가능한 RF 이득값을 초과하는 이득이 적용되어야만 이후 복조하는 과정에서 원하는 신호를 획득할 수 있는 경우가 있어, RF 신호의 이득이 부족한 경우가 발생할 수 있다.In this case, the received RF signal must have a gain that exceeds the applicable RF gain value applied by the RF gain application unit, so that the desired signal can be obtained during demodulation afterwards.Therefore, the gain of the RF signal may be insufficient. I can.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 자동 이득 조정부(420)가 RF 이득만을 산출하는 것이 아니라 디지털 이득을 함께 산출하여 적용함으로써 위와 같은 문제를 해소할 수 있다.In order to solve this problem, according to an embodiment of the present invention, the automatic
이를 위해 자동 이득 조정부(420)는 디지털 이득을 디지털 신호에 적용하는 복소 곱셈기(425)를 포함할 수 있다.To this end, the automatic
그리고 자동 이득 조정부(420)에서 RF 수신 모듈(410)로 피드백된 RF 이득이 최대 적용 가능한 RF 이득값을 만족하는 경우, RF 이득이 적용된 RF 신호가 디지털 신호로 변환된 후 복소 곱셈기(425)에서 디지털 이득이 함께 적용됨에 따라 RF 이득값을 초과하는 더 높은 이득값이 디지털 신호에 적용될 수 있다. 이를 통해 RF 이득만을 제어하는 경우보다 RF 수신기의 빠른 안정화 성능을 기대할 수 있다.In addition, when the RF gain fed back from the automatic
예를 들어, RF 이득 적용부에 의해 최대 적용 가능한 RF 이득값이 100dB이고, 이득 산출부(423)로부터 피드백받은 RF 이득값이 100dB인 경우에, 수신받은 RF 신호의 유효한 데이터 추출시 필요한 이득값이 110dB일 수 있다.For example, when the maximum applicable RF gain value by the RF gain application unit is 100 dB and the RF gain value fed back from the
이 경우 이득 산출부(423)는 RF 이득을 100dB만큼 조정되도록 하여 RF 수신 모듈(410)로 피드백하고, 디지털 이득을 10dB만큼 조정되도록 하여 복소 곱셈기(425)로 전달한다.In this case, the
이에 따라, RF 수신 모듈(410)의 RF 이득 적용부는 100dB만큼의 이득을 적용한 후 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 받은 복소 곱셈기(425)는 10dB만큼의 이득을 적용함으로써 해당 디지털 신호에는 총 110dB만큼의 이득이 적용되어 유효한 데이터 추출이 가능하게 된다.Accordingly, the RF gain applying unit of the
이와 같이 본 발명의 일 실시예는 RF 수신 모듈(410)에서 적용 가능한 최대 이득 범위를 초과하는 이득이 필요한 경우에 디지털 이득을 추가적으로 동시에 적용이 가능하다는 장점이 있다.As described above, an embodiment of the present invention has an advantage that digital gains can be additionally applied simultaneously when a gain exceeding the maximum gain range applicable to the
또한, 최대 적용 가능한 RF 이득값을 초과하지 않는 경우라 하더라도, 산출된 디지털 이득을 디지털 신호에 미리 적용함으로써 피드백되는 과정에서의 딜레이없이 빠르게 디지털 신호에 이득을 추가 반영할 수 있다는 장점이 있다.In addition, even if the maximum applicable RF gain value is not exceeded, by applying the calculated digital gain to the digital signal in advance, there is an advantage in that the gain can be additionally reflected in the digital signal quickly without delay in the feedback process.
한편, 본 발명의 일 실시예는 누적된 신호의 크기에 따라 이득을 제어한다. 이때, 이득 산출부(423)에서 기 설정된 임계값과 누적된 디지털 신호의 크기를 비교하고 조정될 이득값을 보다 빠르게 설정하기 위하여, 도 3c의 예시와 같이 기 설정된 임계값은 복수의 등급별로 구분되어 각 등급 내 스텝별로 구분되도록 설정될 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the gain is controlled according to the magnitude of the accumulated signal. In this case, in order to compare the magnitude of the accumulated digital signal with the preset threshold value in the
예를 들어, 도 3c는 3-step의 이득 제어의 예시로, high 등급, low 등급 및 적정 등급으로 구분되어 있으며, high 등급과 low 등급에는 각각 3개의 임계값을 사용하고 이에 대응하는 이득 조정값이 할당되어 있다. For example, FIG. 3C is an example of a 3-step gain control, divided into high grade, low grade, and appropriate grade, and three threshold values are used for high grade and low grade respectively, and corresponding gain adjustment values Is assigned.
이에 따라, 이득 산출부(423)는 누적된 디지털 신호의 크기에 대응하는 복수의 등급 및 등급 내 스텝에 해당하는 이득 조정값을 선택하고, 상기 이득 조정값을 통해 미리 적용된 RF 이득 및 디지털 신호의 이득을 조정 및 산출할 수 있다.Accordingly, the
이밖에 본 발명의 일 실시예에 따른 이득 제어 장치(400)는 신호 검출부(430)를 더 포함할 수 있다.In addition, the
신호 검출부(430)는 RF 수신 모듈(410)에 의해 변환된 디지털 신호가 검출되는지 여부를 확인하고, 확인 결과 디지털 신호가 검출되는 경우 자동 이득 조정부(420)를 구동시킬 수 있다.The
이러한 신호 검출부(430)의 구성에 따라 본 발명의 일 실시예는 신호의 검출 여부 판단을 통해 자동 이득 조정부(420)를 구동되도록 함으로써 전력 소모를 감소시킬 수 있다.According to the configuration of the
이와 같이 심장 박동기에 포함된 통신모듈은 이득 제어 장치를 통해 아날로그 신호인 RF 신호와 디지털 신호에 대하여 각각 아날로그 이득과 디지털 이득을 동시에 적용한 Hybrid 자동 이득 조정기를 통하여 수신기의 성능향상을 기대할 수 있으며 또한, 조정될 이득값을 산출시 복수의 등급 및 스텝으로 구분된 임계값과의 비교를 통한 빠른 안정화 성능을 기대할 수 있다.In this way, the communication module included in the heart pacemaker can be expected to improve the performance of the receiver through a hybrid automatic gain adjuster that simultaneously applies analog gain and digital gain to the analog signal RF signal and digital signal through the gain control device. When calculating the gain value to be adjusted, fast stabilization performance can be expected through comparison with the threshold value divided into a plurality of grades and steps.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)는 상술한 구성 외에 심장 박동기(1)를 구성하기 위한 필수 구성요소를 당연히 포함하며, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다.On the other hand, the
이하에서는 도 1 내지 도 2의 구성을 갖는 심장 박동기(1)에 있어서, 다중 에너지 저장소(220)를 통해 비선형적 전기 에너지를 순차적으로 저장시키고, 다중 에너지 저장소(220)에 저장된 전기 에너지를 공급하는 에너지 하베스터(200)에 대하여 도 4 내지 도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, in the
통상적으로 에너지 하베스팅 시스템은 하나의 에너지 저장소에 에너지를 저장하여 이용 및 관리하고 있다. 하지만 통합된 하나의 저장소로 인해 다음과 같은 문제들이 발생하게 된다.Typically, energy harvesting systems store energy in one energy storage, and use and manage energy. However, the following problems arise due to the integrated storage.
첫째로, 자연 방전에 따른 에너지 저장소의 에너지 낭비가 커지며, 비선형적인 에너지 저장으로 인해 요구 전압까지 저장이 안될 수 있으며, 하베스터 소스로부터 에너지의 추가 발전이 없으면 저장된 에너지가 쉽게 방전될 수 있다. 이러한 이유로 인해 에너지 하베스팅 시스템의 정류 효율이 떨어지게 된다.First, energy waste in the energy storage due to natural discharge increases, and storage up to the required voltage may not be possible due to non-linear energy storage, and the stored energy may be easily discharged without further generation of energy from the harvester source. For this reason, the rectification efficiency of the energy harvesting system decreases.
둘째로, 출력과 충전이 동시에 발생할 때, 단일 에너지 저장소의 경우 변환에 따른 저장과 출력이 한 에너지 저장소에서 동시에 발생되면서, 제어의 복잡도가 높아짐에 따라 효율성이 감소하게 된다.Second, when output and charging occur at the same time, in the case of a single energy storage, storage and output according to the conversion are simultaneously generated in one energy storage, and the efficiency decreases as the complexity of control increases.
셋째로, 에너지 저장소의 전압이 많이 내려가게 되면, 에너지 저장소는 로드에 다양한 동작을 위해 큰 용량이 필요하게 되고, 큰 용량에 대한 낮은 전압 모니터링은 에너지 하베스터의 대기 전류(Quiescent Current)가 높아짐에 따라 효율성이 낮아지면서, 에너지 하베스터에서 에너지를 재-저장함에 있어 상대적으로 높은 전압이 요구됨에 따른 저장 시간이 필요하게 된다.Thirdly, when the voltage of the energy store goes down a lot, the energy store needs a large capacity for various operations in the load, and the low voltage monitoring for a large capacity increases as the quiescent current of the energy harvester increases. As the efficiency decreases, storage time is required as a relatively high voltage is required to re-storage energy in the energy harvester.
이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)에서의 에너지 하베스터(200)는 다중 에너지 저장소(220)를 이용하여 에너지를 단계적으로 저장 및 관리함으로써 에너지 효율성을 높일 수 있다.In order to solve such a problem, the
또한, 마찰소자에서 발생되는 불규칙적인 전기 에너지를 수확함에 있어서, 에너지 저장 효율을 최대로 올릴 수 있으며, 부하의 요구에 따른 전기 에너지의 공급으로 능동적인 에너지 관리가 가능해진다.In addition, in harvesting irregular electric energy generated from the friction element, energy storage efficiency can be maximized, and active energy management is possible by supplying electric energy according to the demand of the load.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서의 에너지 하베스터(200)를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the
에너지 하베스터(200)는 로드(L)에 필요한 에너지를 공급하여 주기 위한 구성으로, 다중 에너지 저장소(220) 및 전력 관리부(230)를 포함하여 구성된다.The
다중 에너지 저장소(220)는 발전기(100)에 의해 수확된 전기 에너지를 전달받아 저장하기 위한 에너지 저장소들이다. The multiple energy storage 220 is energy storage for receiving and storing electric energy harvested by the
본 발명의 일 실시예에서 에너지 하베스터(200)는 다중 에너지 저장소(220) 중 현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압 및 전압의 안정도에 기초하여, 전기 에너지가 다중 에너지 저장소(220)에 순차적으로 저장되도록 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
도 4에서 발전기(100)에 의해 발전된 전기 에너지가 1차 에너지 저장소(221)에 저장이 완료되면, 2차 에너지 저장소(222)에 전기 에너지가 저장되고, 2차 에너지 저장소(222)에 전기 에너지의 저장이 완료되면, 3차 에너지 저장소(223)에 전기 에너지가 저장된다.In FIG. 4, when the electric energy generated by the
이와 같이 본 발명의 일 실시예에서 다중 에너지 저장소(220)에서의 에너지 저장은 단계적으로 이루어진다.As described above, energy storage in the multiple energy storage 220 in an embodiment of the present invention is performed in stages.
한편, 도 4에서 다중 에너지 저장소(220)는 3개의 에너지 저장소인 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예시에 불과하며 에너지 저장소의 개수는 필요에 따라 복수 개가 구비될 수 있음은 물론이고 그 용량 또한 다양하게 구성될 수 있음은 물론이다.Meanwhile, in FIG. 4, the multi-energy storage 220 is shown as being three energy storages, but this is only an example, and the number of energy storages may be provided as necessary, and the capacity thereof is also various. Of course it can be configured.
다중 에너지 저장소(220)의 전압 레벨은 다음과 같이 구분할 수 있으며, 구분된 3가지 형태는 컨트롤러에서 개별 에너지 저장소마다 설정할 수 있다.The voltage level of the multi-energy storage 220 can be classified as follows, and the three distinct types can be set for each individual energy storage in the controller.
V_PDL(Voltage Preset Detect Low-voltage): 로드(L)가 동작하는 최저 전압V_PDL (Voltage Preset Detect Low-voltage): The lowest voltage at which the load (L) operates
V_POH(Voltage Operation High-voltage): 로드(L)가 동작하는 최대 전압V_POH (Voltage Operation High-voltage): The maximum voltage at which the load (L) operates
V_PM(Voltage Power good Maximum-voltage): 저장하는 최대 전압V_PM(Voltage Power good Maximum-voltage): Maximum voltage to save
그리고 다중 에너지 저장소(220) 중 하나의 에너지 저장소가 로드(L)에 공급하는 전기 에너지는 다음 식 1과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the electrical energy supplied to the load L by one of the multiple energy storage 220 may be expressed as
[식 1][Equation 1]
식 1에 따라, 다중 에너지 저장소(220)를 통해 로드(L)에 공급할 수 있는 전체 전기 에너지는 다음 식 2와 같이 나타낼 수 있다.According to
[식 2][Equation 2]
전력 관리부(230)는 발전기(100)에서 발생된 전압 및 다중 에너지 저장소(220)의 전압을 모니터링하고, 모니터링 결과에 기초하여 전기 에너지가 다중 에너지 저장소(220)에 순차적으로 저장되도록 스위칭 동작을 제어한다.The
이때, 전력 관리부(230)는 다중 에너지 저장소(220) 중 현재 충전 중인 에너지 저장소의 특정 시구간 동안에서의 RMS 전압값의 편차가 기 설정된 값보다 큰 경우, 전기 에너지가 현재 충전 중인 에너지 저장소에 저장되도록 유지시킬 수 있다.At this time, the
또한, 전력 관리부(230)는 로드(L)로부터 전기 에너지 공급 요청을 받음에 따라 다중 에너지 저장소(220)를 순차적으로 방전시킨다.In addition, the
이러한 전력 관리부(230)는 전압 모니터(231), 클럭 발생기(232), 제어기(233), DC-DC 컨버터(234) 및 PG 제어기(235)를 포함한다.The
전압 모니터(231)는 발전기(100)에서 발생된 전압과 다중 에너지 저장소(220)의 전압 레벨을 측정하고, 측정 결과를 제어기(233)와 DC-DC 컨버터(234)에 전달한다.The voltage monitor 231 measures the voltage generated by the
클럭 발생기(232)는 클럭을 생성하고, 이를 필요로 하는 전압 모니터(231), 제어기(233) 및 DC-DC 컨버터(234)에 제공한다.The
제어기(233)는 에너지 충전을 위한 다중 에너지 저장소(220) 간의 스위칭과, 에너지 방전을 위한 다중 에너지 저장소(220)와 DC-DC 컨버터(234) 간의 스위칭을 제어한다. 이러한 제어기(233)의 상세 구조는 도 4에 도시된 바와 같다.The
도 5에 도시된 제어기(233)의 컨트롤 스위치 드라이버(Control Switch Drivers)에 의한 스위칭 제어 동작 및 과정에 대해서는 도 7을 참조하여 상세히 후술하도록 한다.A switching control operation and process by a control switch driver of the
DC-DC 컨버터(234)는 제어기(233)를 통해 다중 에너지 저장소(220)에서 방전되는 전기 에너지의 전압을 변환하여 로드(L)에 인가한다. 이때, DC-DC 컨버터(234)는 전압 변환을 위해 전압 모니터(231)에 의한 전압 측정 결과를 참조한다.The DC-
PG 제어기(235)는 로드(L)로부터 전원 공급 요청을 수신함에 따라 제어기로 전원 공급 요청을 전달하며, 제어기(233)는 다중 에너지 저장소(220)가 순차적으로 방전되도록 DC-DC 컨버터(234)에 스위칭 연결한다.The
다중 에너지 저장소(220)의 방전 순서는 충전 순서와 동일하다. 즉, 요구되는 로드(L)의 에너지 양에 따라 1차 에너지 저장소(221), 2차 에너지 저장소(222), 3차 에너지 저장소(223)의 순서로 방전된다.The discharging sequence of the multiple energy storage 220 is the same as the charging sequence. That is, according to the required amount of energy of the load L, the
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서의 심장 박동기(1)는 에너지 하베스터(200)가 임시 에너지 저장소(210)를 더 포함할 수 있다. In addition, in the
발전기(100)는 마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 발전시키며, 발전기(100)의 상세 구성은 도 1 내지 도 2를 통해 설명하였는바 중복되는 설명은 생략하도록 한다.The
에너지 하베스터(200)는 임시 에너지 저장소(210), 다중 에너지 저장소(220) 및 전력 관리부(230)를 포함할 수 있다.The
임시 에너지 저장소(210)는 발전기(100)에서 수확한 전기 에너지를 임시 저장한다. 이때, 임시 에너지 저장소(210)에서의 전압 레벨은 다음과 같이 구분할 수 있다.The
V_DL(Voltage Detection Low-voltage): 대기 전류(Quiescent Current)가 발생하는 전압V_DL (Voltage Detection Low-voltage): The voltage at which quiescent current occurs
V_RH(Voltage Requirement High-voltage): 전력 관리부가 동작 가능한 레벨의 전압V_RH (Voltage Requirement High-voltage): Voltage at the level at which the power management unit can operate
V_MO(Voltage Maximum point Operation-voltage): 임시 에너지 저장소(210)의 방전에 가장 효율적인 전압으로 제조업체에서 미리 정의될 수 있음V_MO (Voltage Maximum point Operation-voltage): This is the most efficient voltage for discharging the
다중 에너지 저장소(220)는 임시 에너지 저장소(210)에 임시 저장된 전기 에너지를 전달받아 저장하기 위한 에너지 저장소들이며, 전력 관리부(230)는 임시 에너지 저장소(210)에 저장된 전기 에너지를 방전시켜 다중 에너지 저장소(220)로 전달시킨다. 그리고 전력 관리부(230)는 로드(L)의 요청이 있는 경우, 임시 에너지 저장소(210)와 다중 에너지 저장소(220)에 저장되어 있는 에너지를 순차적으로 방전시켜 로드(L)에 공급한다.The multiple energy storage 220 is an energy storage for receiving and storing electrical energy temporarily stored in the
한편, 상술한 PG 제어기(235)는 로드(L)로부터 전원 공급 요청이 수신되면 이를 제어기(233)에 전달하고, 임시 에너지 저장소(210)에 저장된 전기 에너지를 방전시켜 로드(L)에 인가시킬 수 있다. On the other hand, the above-described
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 도 1 내지 도 5에 도시된 구성 요소들은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 형태로 구현될 수 있으며, 소정의 역할들을 수행할 수 있다.For reference, the components shown in FIGS. 1 to 5 according to an embodiment of the present invention may be implemented in software or in hardware such as a Field Programmable Gate Array (FPGA) or an Application Specific Integrated Circuit (ASIC). Can play roles.
그렇지만 '구성 요소들'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.However,'elements' are not meant to be limited to software or hardware, and each element may be configured to be in an addressable storage medium or configured to reproduce one or more processors.
따라서, 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.Thus, as an example, components are components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, processes, functions, properties, procedures, and sub- Includes routines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays and variables.
구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.Components and functions provided within the components can be combined into a smaller number of components or further separated into additional components.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)에서의 에너지 하베스팅 방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, an energy harvesting method in the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)에서의 에너지 하베스팅 방법의 순서도이다. 6 is a flowchart of an energy harvesting method in a
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 방법은 먼저, 마찰소자를 이용하여 발전된 비선형적 전기 에너지를 다수의 에너지 저장소에 저장한다(S110).In the energy harvesting method according to an embodiment of the present invention, first, nonlinear electric energy generated using a friction element is stored in a plurality of energy storage units (S110).
다음으로, 다중 에너지 저장소(220)의 전압 레벨을 측정하여(S120), 현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압과, 상기 전압의 안정도에 기초하여 전기 에너지가 다중 에너지 저장소(220)에 순차적으로 저장되도록 제어한다(S130).Next, by measuring the voltage level of the multi-energy store 220 (S120), based on the voltage of the energy store in which electric energy is currently stored and the stability of the voltage, electrical energy is sequentially transferred to the multi-energy store 220 Control to be stored as (S130).
다음으로, 다중 에너지 저장소(220)에 저장된 전기 에너지를 심장 박동기(1)에 공급한다(S140).Next, the electrical energy stored in the multiple energy storage 220 is supplied to the pacemaker 1 (S140).
도 7은 도 5에 도시된 제어기(233)의 컨트롤 스위치 드라이버에 의한 스위칭 제어 방법의 설명에 제공되는 순서도이다.FIG. 7 is a flow chart for explaining a method of controlling switching by a control switch driver of the
로드(L)로부터 전원 공급 요청이 없으면(S210-N), 다중 에너지 저장소(220)와 임시 에너지 저장소(210)를 순차적으로 연결시켜, 다중 에너지 저장소(220)를 충전시킨다(S220).If there is no request for power supply from the load L (S210-N), the multiple energy storage 220 and the
구체적으로 에너지 하베스터(200)는 1차 에너지 저장소(221), 2차 에너지 저장소(222), 3차 에너지 저장소(223)의 순서로 충전시키되, 에너지 저장소의 교체는 앞선 순번의 에너지 저장소에 대한 충전이 완료되고, 임시 에너지 저장소(210)에 안정적으로 에너지 수확이 이루어지는 경우에 수행된다(S230~S250).Specifically, the
예를 들어, 1차 에너지 저장소(221)의 전압 RMS 값이 V_PM이 된 상태에서, 임시 에너지 저장소(210)의 전압이 안정적인 경우, 임시 에너지 저장소(210)를 2차 에너지 저장소(222)에 연결시키기 위한 스위칭 동작이 이루어진다.For example, when the voltage RMS value of the
1차 에너지 저장소(221)의 전압 RMS 값이 V_PM이 되었다 하더라도 임시 에너지 저장소(210)의 전압이 안정적이지 않은 경우에는, 임시 에너지 저장소(210)와 1차 에너지 저장소(221)의 전압이 안정적인 경우로, 1차 에너지 저장소(221)에 대해 측정한 최근 특정 시구간 동안에서의 RMS 전압값의 편차(분산 또는 표준편차)가 정해진 기준값보다 작은 경우로 정의할 수 있다.Even if the voltage RMS value of the
임시 에너지 저장소(210)의 전압이 안정적이지 못한 경우, 즉 발전기(100)로부터 충분한 에너지 수확이 이루어지지 못한 경우, 임시 에너지 저장소(210)의 전기 에너지를 옮길 에너지 저장소를 1차 에너지 저장소(221)에서 2차 에너지 저장소(222)로 교체하게 되면, 2차 에너지 저장소(222)에 의미있는 충전이 이루어지지 못한 상태에서 1차 에너지 저장소(221)의 자연 방전만 발생하기 때문에 전체적인 에너지 효율성 측면에서 좋지 않다.When the voltage of the
한편, 로드(L)로부터 전원 공급 요청이 있으면(S210-Y), PG 제어기(235)는 임시 에너지 저장소(210)에 저장된 전기 에너지를 방전시켜 로드에 인가한다(S260).On the other hand, when there is a power supply request from the load L (S210-Y), the
그리고 PG 제어기(235)로부터 로드(L)의 전원 공급 요청을 전달받은 제어기(233)는 전기 에너지 방전을 위해 다중 에너지 저장소(220)를 순차적으로 DC-DC 컨버터(234)에 스위칭 연결한다(S270).In addition, the
한편 상술한 설명에서, 단계 S110 내지 S270은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 아울러, 기타 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 5에서의 심장 박동기(1)에 관하여 이미 기술된 내용은 도 6 및 도 7의 에너지 하베스팅 방법에도 적용된다.Meanwhile, in the above description, steps S110 to S270 may be further divided into additional steps or may be combined into fewer steps according to an embodiment of the present invention. In addition, some steps may be omitted as necessary, and the order between steps may be changed. In addition, even if other contents are omitted, the contents already described with respect to the
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 심장 박동기(1)에 적용되는 또다른 실시예에 따른 에너지 하베스터(300)에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, an
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심장 박동기(1)에 적용되는 에너지 하베스터(300)를 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining an
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 심장 박동기(1)에 적용되는 에너지 하베스터(300)는 발전기(100), 다중 에너지 저장소(310) 및 스위칭부(320)를 포함한다.The
발전기(100)는 비선형적 전기에너지를 발전시킨다. 이러한 발전기(100)는 마찰소자일 수 있으며, 상기 마찰소자는 TENG(Triboelectric Nano-Generator)일 수 있다.The
다중 에너지 저장소(310)는 다단계의 에너지 저장소로 구성되어 발전기(100)에 의해 발전된 비선형적 전기 에너지를 저장한다.The multi-energy storage 310 is configured as a multi-stage energy storage and stores non-linear electric energy generated by the
도 8을 참조하면, 다중 에너지 저장소(310)는 1차 에너지 저장소(311)와 2차 에너지 저장소(312)를 포함할 수 있다. 이때, 도 8에는 2개의 에너지 저장소(311, 312)로 구성되어 있는 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정된 것은 아니며, 1차 에너지 저장소(311)와 2차 에너지 저장소(312)가 복수 개 구비되어 구성될 수 있음은 물론이다.Referring to FIG. 8, the multiple energy storage 310 may include a
1차 에너지 저장소(311)는 병렬 연결된 복수의 커패시터와 인덕터로 구성된 저역 필터를 통해 상기 발전기(100)에서 발전된 전기 에너지를 1차 저장한다.The
1차 에너지 저장소(311)에 병렬 연결된 복수의 커패시터는 각각 상이한 용량을 가지되 순차적으로 증가하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서와 같이 복수의 커패시터는 0.1μF, 1μF, 47μF와 같이 각각 상이한 용량을 가지며 순차적으로 증가하도록 배치될 수 있다.A plurality of capacitors connected in parallel to the
이러한 1차 에너지 저장소(311)에 병렬 연결된 커패시터는 효율성을 위해 ESL과 ESR 3개의 멀티레이어 세라믹 칩 커패시터(MLCC, Multilayer Ceramic Chip Capacitor)로 구성될 수 있다. 이때, 1차 에너지 저장소(311)의 커패시터들의 인덕턴스 성분과 저항 성분은 주요 제조사들에서 제공되며, 총 임피던스(Zs)는 아래 식 3, 4를 통해 산출될 수 있다.The capacitor connected in parallel to the
[식 3][Equation 3]
[식 4][Equation 4]
합성 임피던스(Xs)는 커패시터의 근사식의 정의에 따라 다음 식 5로 나타낼 수 있다.The composite impedance (Xs) can be expressed by the following equation 5 according to the definition of the approximate equation of the capacitor.
[식 5][Equation 5]
이와 같은 식을 기반으로 1차 에너지 저장소(311)의 병렬 연결된 커패시터들은 임피던스 10Hz 이내에서 약 0.01Ω이 될 수 있다. 이는 매우 낮은 저항으로, 일반적으로 동일 주파수의 MLCC가 1~10Ω인 것에 비하여 약 1/10 이상 저장된 에너지의 손실을 줄임으로써 에너지 저장 효율성을 높일 수 있다. Based on this equation, the capacitors connected in parallel of the
그밖에 본 발명은 1차 에너지 저장소(311)의 전단에 위치한 AC 전기 에너지를 DC 변환하는 브릿지 다이오드(340) 회로를 통해 전기 에너지를 전달받고, 저역 필터(LPF, Low-Pass Filter)를 통해 노이즈를 제거하여 깨끗한 전기 에너지를 저장할 수 있다.In addition, the present invention receives electrical energy through a
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터(300)는 1차 에너지 저장소(311)에 포함된 복수의 커패시터와 인덕터와의 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭부(330)를 더 포함할 수 있다.In addition, the
2차 에너지 저장소(312)는 병렬 연결된 복수의 커패시터로 구성되어 1차 에너지 저장소(311)에 저장된 전기 에너지를 전달받아 저장한다.The
이때, 본 발명에서 2차 에너지 저장소(312)를 구성하는 전체 커패시터의 용량은 1차 에너지 저장소(311)를 구성하는 전체 커패시터의 용량보다 더 크도록 형성된다.In this case, in the present invention, the capacity of all capacitors constituting the
이에 따라, 본 발명은 발전기(100)에서 발전된 전기 에너지가 다중 에너지 저장소(310)에 순차적으로 저장됨에 따라, 각각의 에너지 저장소에서의 전기 에너지의 전압은 순차적으로 낮아지고, 전압이 순차적 낮아짐에 따라 전기 에너지의 전류는 순차적으로 높아지게 되어 전류 부스터로 동작하게 된다.Accordingly, according to the present invention, as the electric energy generated by the
스위칭부(320)는 제 1 스위치(321)와 제 2 스위치(322)를 포함하며, 스위칭 동작을 통해 전기 에너지를 다중 에너지 저장소(310)에 순차적으로 저장시키고, 상기 저장된 에너지를 로드에 공급한다. 이때, 스위칭부(320)의 제 1 스위치(321)와 제 2 스위치(322)의 개수는 다중 에너지 저장소(310)를 구성하는 에너지 저장소의 개수에 대응되도록 구비될 수 있다.The switching unit 320 includes a
제 1 스위치(321)는 모스펫 기반의 스위치로 1차 에너지 저장소(311)에 저장된 전기 에너지를 방전시켜 2차 에너지 저장소(312)로 전달되도록 스위칭한다.The
제 1 스위치(321)는 1차 에너지 저장소(311)의 현재 전압이 이전 전압보다 작거나 같을 경우 오프 상태가 되도록 스위칭하여 1차 에너지 저장소(311)가 충전되도록 하고, 1차 에너지 저장소(311)의 현재 전압이 이전 전압보다 클 경우 제 1 스위치(321)의 현재 전압과 문턱전압을 비교하여 현재 전압이 문턱전압보다 큰 경우 온 상태가 되도록 하여 1차 에너지 저장소(311)의 현재 저장된 에너지를 방전시킨다.The
이때, 제 1 스위치(321)는 1차 에너지 저장소(311)의 기 설정된 제 1 전압 범위가 감지되는 경우 일정 시간 동안 온 상태로 구동된다.At this time, the
제 2 스위치(322)는 2차 에너지 저장소(312)에 저장된 전기 에너지를 로드로 전달하도록 스위칭한다. 이때, 제 2 스위치(322)는 멀티 스위치로 내부에는 전압 비교기(voltage comparator)가 포함된 IC 영역이 구비될 수 있다.The
제 2 스위치(322)는 제 1 스위치(321)와 마찬가지로, 2차 에너지 저장소(312)의 현재 전압이 이전 전압보다 작거나 같을 경우 오프 상태가 되도록 스위칭하여 2차 에너지 저장소(312)가 충전되도록 하고, 2차 에너지 저장소(312)의 현재 전압이 이전 전압보다 클 경우 제 2 스위치(322)의 현재 전압과 문턱전압을 비교하여 현재 전압이 문턱전압보다 큰 경우 온 상태가 되도록 하여 2차 에너지 저장소(312)의 현재 저장된 에너지를 로드로 방전시킨다.Like the
이때, 제 2 스위치(322)는 2차 에너지 저장소(312)의 기 설정된 제 2 전압 범위가 감지되는 경우 일정 시간동안 온 상태로 구동된다. 이 경우 1차 에너지 저장소(311)의 제 1 전압 범위는 2차 에너지 저장소(312)의 제 2 전압 범위보다 더 크도록 설정된다.At this time, the
이러한 제 1 및 제 2 스위치(321, 322)는 NMOS 기반의 스위치로 구성될 수 있다.These first and
또한, 스위칭부(320)는 다중 에너지 저장소(310) 상에서의 시간에 따른 발전에너지의 모니터링을 통해 발전기(100)의 진동량을 확인할 수 있다.In addition, the switching unit 320 may check the amount of vibration of the
한편, 비선형적 전기 에너지를 발전시키는 발전기(100)에 의한 발생 에너지(Joc, open circuit Joule)는 전압이 높고, 전력이 낮으며, 발생 에너지가 비주기적이지만 발생 에너지의 형태의 경우 전압은 일정 사인파 형태로 감소하여 발생한다.On the other hand, the generated energy (Joc, open circuit Joule) by the
이에 따라, 전술한 바와 같이 전압을 낮춤과 동시에 지속적인 에너지 저장을 위해 1차 에너지 저장소(st1, 311)는 매우 낮은 저항을 가진 복수의 커패시터로 구성된다.Accordingly, as described above, the primary energy storage (st 1 , 311) is composed of a plurality of capacitors having very low resistance for continuous energy storage while lowering the voltage.
그리고 1차 저장된 에너지(Jst1)는 발전기(100)에서 발생되는 전압의 모니터링을 통해 제 1 스위치(321)가 온/오프를 반복하면서 2차 에너지 저장소(st2, 312)에 추종 전력(Marxism Power)을 전달한다. 이러한 추종 전력은 결국 1차 에너지 저장소(311)에 저장된 에너지로 정의된다.And the primary stored energy (J st1 ) is followed by power (Marxism) in the secondary energy storage (st 2 , 312) while the
이와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터(300)는 기존의 발셍 에너지 상황에 따라 전력 변환에 필요한 Buck과 Booster 변환을, 다중 에너지 저장소(310)로 구성된 전류 부스터의 기능을 하는 단일변환 회로를 제시해 단순화함으로써 변환 요율을 증대시킬 수 있다.As described above, the
한편, 본 발명의 또 다른 실시예는 에너지 하베스터(300)를 통해 전류 부스터로 동작할 수 있다.Meanwhile, another embodiment of the present invention may operate as a current booster through the
이러한 전류 부스터는 발전기, 복수의 1차 커패시터, 인덕터, 제 1 스위치, 복수의 2차 커패시터 및 스위치를 포함한다.Such a current booster includes a generator, a plurality of primary capacitors, an inductor, a first switch, a plurality of secondary capacitors and switches.
발전기는 비선형적 전기 에너지를 발전시킨다.Generators generate non-linear electrical energy.
복수의 1차 커패시터는 각각 병렬 상이한 용량을 가지되 순차적으로 증가하도록 병렬 연결 배치되어 상기 발전기로부터 전기 에너지를 인가받아 전류를 1차 증폭시킨다.The plurality of primary capacitors each have different capacities in parallel but are connected in parallel so as to increase sequentially to receive electrical energy from the generator to primary amplify current.
인덕터는 복수의 1차 커패시터와 직렬 연결되어 저역 대역 필터로 동작한다.The inductor is connected in series with a plurality of primary capacitors to operate as a low-pass filter.
제 1 스위치는 복수의 1차 커패시터의 현재 전압이 제 1 스위칭 전압 이상인 경우 스위칭 동작을 통해 1차 커패시터에 저장된 전기 에너지를 2차 커패시터로 방전시킨다.The first switch discharges electrical energy stored in the primary capacitor to the secondary capacitor through a switching operation when the current voltage of the plurality of primary capacitors is equal to or greater than the first switching voltage.
복수의 2차 커패시터는 1차 커패시터에 저장된 전기 에너지를 인가받아 전류를 2차 증폭시킨다. 이때, 2차 커패시터의 전체 용량은 1차 커패시터의 전체 용량보다 더 큰 것을 특징으로 한다.The plurality of secondary capacitors secondarily amplify the current by receiving electric energy stored in the primary capacitor. In this case, the total capacity of the secondary capacitor is greater than the total capacity of the primary capacitor.
제 2 스위치는 제 1 스위칭 전압보다 작은 제 2 스위칭 전압 이상인 경우 스위칭 동작을 통해 2차 커패시터에 저장된 전기 에너지를 로드로 방전시킨다.The second switch discharges electrical energy stored in the secondary capacitor to the load through a switching operation when the second switching voltage is greater than or equal to the first switching voltage.
이러한 전류 부스터를 통해 본 발명의 일 실시예는 1차 커패시터에서 2차 커패시터로 갈수록 전압은 순차적으로 낮아지되 전류는 증폭되어 순차적으로 높아지게 된다.In an embodiment of the present invention through such a current booster, the voltage is sequentially lowered from the primary capacitor to the secondary capacitor, but the current is amplified and sequentially increased.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 부스터는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터(300)와 그 기술적 특징을 공유하는바 구체적인 설명은 에너지 하베스터(300)에서의 설명으로 대체하도록 한다.On the other hand, the current booster according to another embodiment of the present invention shares the technical characteristics with the
이하에서는 도 9를 참조하여 상술한 전류 부스터 및 이러한 기능을 수행하는 에너지 하베스터(300)에서의 스위칭 동작에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a switching operation in the above-described current booster and the
도 9는 전류 부스터 및 에너지 하베스터(300)에서의 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.9 is a diagram for explaining a switching operation in the current booster and
먼저, 제 1 스위치(321)는 1차 에너지 저장소(311)의 현재 전압(Vst1(k))을 모니터링하며(S305), 이때 제 1 스위치(321)의 상태는 개방 상태가 되도록 유지한다(S310).First, the
이러한 모니터링 과정은 현재 전압(Vst1(k))이 최소 전압(VMIN(k)) 미만인 경우 지속적으로 진행된다(S315-N).This monitoring process is continuously performed when the current voltage V st1 (k) is less than the minimum voltage V MIN (k) (S315-N).
이와 달리 현재 전압(Vst1(k))이 최소 전압(VMIN(k)) 이상인 경우(S315-Y) 제 1 스위치(321)는 1차 에너지 저장소(311)의 현재 전압(Vst1(k))과 이전 전압(Vst1(k-1))을 비교한다(S320).In contrast, when the current voltage (V st1 (k)) is equal to or greater than the minimum voltage (V MIN (k)) (S315-Y), the
비교 결과 1차 에너지 저장소(311)의 현재 전압(Vst1(k))이 이전 전압(Vst1(k-1))보다 작은 경우(S325-N) 제 1 스위치(321)는 개방 상태로 유지되어(S330) 전압을 1차 에너지 저장소(311)에 지속적으로 저장한다(S335).As a result of the comparison, when the current voltage (V st1 (k)) of the
반면, 비교 결과 식 4와 같이 1차 에너지 저장소(311)의 현재 전압(Vst1(k))이 이전 전압(Vst1(k-1))보다 클 경우(S325-Y), 식 5를 통해 제 1 스위치(321)(SMOS)의 현재 전압(VGS)이 문턱전압(Vth)보다 큰지 여부를 판단한다(S340).On the other hand, if the current voltage (V st1 (k)) of the
[식 6][Equation 6]
[식 7][Equation 7]
판단 결과 제 1 스위치(SMOS, 321)의 현재 전압(VGS)이 문턱전압(Vth)보다 큰 경우(S340-Y), 제 1 스위치(321)는 온 상태로 바뀌면서(S345) 2차 에너지 저장소(312)에 추종전력(Marxism Power)을 보낸다(S350). As a result of the determination, when the current voltage (V GS ) of the first switch (S MOS , 321) is greater than the threshold voltage (V th ) (S340-Y), the
이때, 제 1 스위치(321)는 1차 에너지 저장소(311)의 기 설정된 제 1 전압(Vst1_ref)이 감지되는 경우 일정 시간동안 온 상태로 구동된다. 1차 에너지 저장소(311)의 기 설정된 제 1 전압(Vst1 _ref)은 현재 전압(Vst1(k))에서 스위치 단락 상태의 한계 전압을 의미한다.In this case, the
제 1 스위치(321)가 온 상태에서 일정 시간동안 수집된 전압(ΔVst1(k))은 결국 제 1 스위치(321)가 오프 상태가 될 때까지 저장되는 전압인 식 6과 같이 나타낼 수 있다.The voltage (ΔV st1 (k)) collected for a predetermined time while the
[식 8][Equation 8]
한편, 1차 에너지 저장소(311)의 기 설정된 제 1 전압(Vst1 _ref)은 2차 에너지 저장소(312)의 기 설정된 제 2 전압(Vst2 _ref)보다 높아야 하며, 스위치가 온 상태에서 1차 에너지 저장소(311)로부터 일정 시간동안 수집된 전압(ΔVst2(J))의 총합()은 2차 에너지 저장소(312)의 기 설정된 제 2 전압(Vst2 _ref)보다 낮아야 한다.On the other hand, the preset first voltage (V st1 _ref ) of the
2차 에너지 저장소(st2, 312)에 예를 들어 1.33~1.37V 사이의 전압이 들어오면, 제 2 스위치(322)의 온오프는 1차 에너지 저장소(311)와 연결된 제 1 스위치(321)와 동일하게 반복되며, DC-DC 부스터에 에너지를 전달하게 된다.When a voltage between, for example, 1.33-1.37V is applied to the secondary energy storage (st 2 , 312), the on-off of the
이와 같은 방법에 따라, 본 발명의 일 실시예는 발전에너지의 변화에 따른 전압과 전류를 에너지로 균일하게 저장하고, 전압을 낮춤으로써 기존의 높은 전압 동작을 위해 내부적으로 차지 벅(charge buck)이나 다단계 모스 스위치, 인덕터 등의 복잡한 IC 구조를 단순하게 할 수 있어 PMIC의 복잡도를 낮출 수 있다.According to such a method, an embodiment of the present invention uniformly stores voltage and current according to changes in power generation energy as energy, and lowers the voltage, thereby internally charging buck or internally for high voltage operation. Complex IC structures such as multi-stage Morse switches and inductors can be simplified, reducing the complexity of PMICs.
또한, 다중 에너지 저장소(310)를 통해 에너지 저장소의 공간을 자유롭게 조절함으로써 단일 모드인 전류 부스터를 통해 PMIC나 DC-DC를 사용함으로써 보다 효율을 높일 수 있다. In addition, by freely adjusting the space of the energy storage through the multiple energy storage 310, it is possible to increase efficiency by using a PMIC or DC-DC through a single mode current booster.
결론적으로, 본 발명의 일 실시예는 발생 소스인 발전기(100)로부터의 에너지 손실을 줄일 수 있으며, PMIC 이용에도 높은 효율을 제공할 수 있다.In conclusion, according to an embodiment of the present invention, energy loss from the
한편, 제 2 스위치(322)의 동작 방법은 제 1 스위치(321)과 동일하게 구동되므로 이하 구체적인 설명은 생략하도록 한다.Meanwhile, since the
한편 상술한 설명에서, 단계 S310 내지 S350은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 아울러, 기타 생략된 내용이라 하더라도 도 8에서의 에너지 하베스터(300)에 관하여 이미 기술된 내용은 도 9에도 적용된다.Meanwhile, in the above description, steps S310 to S350 may be further divided into additional steps or may be combined into fewer steps according to an embodiment of the present invention. In addition, some steps may be omitted as necessary, and the order between steps may be changed. In addition, even if other contents are omitted, the contents already described with respect to the
한편, 본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다. Meanwhile, an embodiment of the present invention may be implemented in the form of a computer program stored in a medium executed by a computer or a recording medium including instructions executable by a computer. Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer, and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Further, the computer-readable medium may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transmission mechanism, and includes any information delivery medium.
본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.Although the methods and systems of the present invention have been described in connection with specific embodiments, some or all of their components or operations may be implemented using a computer system having a general-purpose hardware architecture.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.
1: 심장 박동기
10: 케이스
100: 발전기
110: 증폭 댐퍼
200: 에너지 하베스터
210: 임시 에너지 저장소
220: 다중 에너지 저장소
230: 전력 관리부
231: 전압 모니터
232: 클럭 발생기
233: 제어기
234: DC-DC 컨버터
235: PG 제어기1: pacemaker
10: case
100: generator
110: amplification damper
200: energy harvester
210: temporary energy storage
220: multiple energy storage
230: power management department
231: voltage monitor
232: clock generator
233: controller
234: DC-DC converter
235: PG controller
Claims (17)
상기 발전된 비선형적 전기 에너지를 다단계로 구성된 다중 에너지 저장소에
순차적으로 저장시키고, 상기 다중 에너지 저장소에 저장된 전기 에너지를 공급하는 에너지 하베스터 및
외부 진단기기와 통신하며, 이득 조정이 필요할 경우, RF 신호의 이득을 조정하기 위한 RF 이득 및 디지털 신호의 이득을 조정하기 위한 디지털 이득을 각각 산출하고, 상기 RF 이득과 상기 디지털 이득을 함께 적용하는 이득 제어 장치를 포함하는 통신모듈
을 포함하는 심장 박동기. A generator that generates nonlinear electrical energy using a friction element,
The developed nonlinear electric energy is transferred to a multi-level energy storage
An energy harvester that sequentially stores and supplies electrical energy stored in the multiple energy storage units, and
It communicates with an external diagnostic device, and when gain adjustment is necessary, calculates the RF gain for adjusting the gain of the RF signal and the digital gain for adjusting the gain of the digital signal, respectively, and applies the RF gain and the digital gain together. Communication module including gain control device
A pacemaker comprising a.
상기 발전기 및 에너지 하베스터를 보호하는 케이스를 더 포함하는 심장 박동기.The method of claim 1,
Heart pacemaker further comprising a case for protecting the generator and the energy harvester.
상기 에너지 하베스터는 상기 케이스의 상부측에 단면과 평행하도록 배치되고,
상기 발전기는 상기 케이스의 하부측에 배치되되 상기 케이스의 단면과 일정 간격 이격되도록 배치되는 것인 심장 박동기.The method of claim 2,
The energy harvester is disposed to be parallel to the cross section on the upper side of the case,
The generator is disposed on the lower side of the case, and the heart pacemaker is disposed to be spaced apart from the cross section of the case by a predetermined interval.
상기 발전기는 상기 케이스의 단면과 일정 간격만큼의 공간이 이격되도록 배치되되, 상기 케이스의 하부측 최하단 단면은 상기 발전기의 곡률보다 더 작도록 형성되는 것인 심장 박동기.The method of claim 3,
The generator is disposed so as to be spaced apart from the cross section of the case by a predetermined interval, and the lowermost cross section of the case is formed to be smaller than the curvature of the generator.
상기 발전기는 최외곽층에 형성된 복수의 증폭 댐퍼를 포함하는 심장 박동기.The method of claim 3,
The generator is a pacemaker comprising a plurality of amplification dampers formed on the outermost layer.
상기 증폭 댐퍼는 상기 일정 간격에 대응되는 크기로 형성되어 상기 케이스의 양 단면에 부착되는 것인 심장 박동기.The method of claim 5,
The amplification damper is formed in a size corresponding to the predetermined interval and is attached to both ends of the case.
상기 증폭 댐퍼는 외부 움직임에 따라 상기 케이스와 일정 간격만큼 이격된 공간 내에서 상기 마찰소자의 미세 움직임을 지속시키는 것인 심장 박동기.The method of claim 5,
The amplifying damper is a pacemaker to sustain the fine movement of the friction element in a space spaced apart from the case by a predetermined interval according to an external movement.
상기 증폭 댐퍼는 복수의 탄성 소재가 일체로 구성되도록 형성된 것인 심장 박동기.The method of claim 5,
The amplification damper is a pacemaker formed so that a plurality of elastic materials are integrally configured.
상기 발전기의 마찰소자는 Triboelectric Nano-Generator인 것을 특징으로 하는 심장 박동기.The method of claim 1,
Heart pacemaker, characterized in that the friction element of the generator is a Triboelectric Nano-Generator.
리드선을 통해 전기적 신호를 전달하는 전자회로 및
상기 전자회로에 전원을 공급하는 배터리를 더 포함하는 심장 박동기.The method of claim 1,
Electronic circuits that transmit electrical signals through lead wires and
Heart pacemaker further comprising a battery for supplying power to the electronic circuit.
무선통신 기반의 네트워크를 통해 심장박동 메시지를 진단기기로 전달하는 통신모듈을 더 포함하는 심장 박동기.The method of claim 1,
A pacemaker further comprising a communication module for transmitting a heartbeat message to a diagnostic device through a wireless communication-based network.
상기 에너지 하베스터는 상기 다중 에너지 저장소 중 현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압 및 상기 전압의 안정도에 기초하여, 상기 전기 에너지가 상기 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장되도록 제어하는 것인 심장 박동기.Following paragraph 1,
The energy harvester controls the electrical energy to be sequentially stored in the multiple energy storage based on a voltage of an energy storage in which electrical energy is currently stored among the multiple energy storage and the stability of the voltage.
상기 에너지 하베스터는 상기 마찰소자에서 발생된 전압 및 상기 다중 에너지 저장소의 전압을 모니터링하고, 상기 모니터링 결과에 기초하여 상기 전기 에너지가 상기 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장되도록 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 전력 관리부를 포함하는 것인 심장 박동기.The method of claim 12,
The energy harvester monitors the voltage generated in the friction element and the voltage of the multi-energy storage, and based on the monitoring result, the power management unit controls the switching operation of the switch so that the electric energy is sequentially stored in the multi-energy storage. It will include a pacemaker.
상기 전력 관리부는 상기 다중 에너지 저장소 중 현재 충전 중인 에너지 저장소의 특정 시구간 동안에서의 RMS 전압값의 편차가 기 설정된 값보다 큰 경우, 상기 전기 에너지가 현재 충전 중인 에너지 저장소에 저장되도록 유지시키는 것인 심장 박동기.The method of claim 13,
The power management unit maintains the electric energy to be stored in the energy storage currently being charged when the deviation of the RMS voltage value during a specific time period of the energy storage currently being charged is greater than a preset value. Pacemaker.
상기 전력 관리부는 로드로부터 전기 에너지 공급 요청을 받음에 따라, 상기 다중 에너지 저장소를 순차적으로 방전시키는 것인 심장 박동기.The method of claim 13,
The power management unit is a pacemaker to sequentially discharge the multiple energy storage according to the electrical energy supply request from the load.
마찰소자를 이용하여 발전된 비선형적 전기 에너지를 다중 에너지 저장소에 저장하는 단계;
상기 다중 에너지 저장소의 전압 레벨을 측정하는 단계;
현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압과 상기 전압의 안정도에 기초하여 상기 전기 에너지가 상기 다중 에너지 저장소에 순차적으로 저장되도록 제어하는 단계;
상기 다중 에너지 저장소에 저장된 전기 에너지를 공급하는 단계;
외부 진단기기와 통신할 때 이득 조정이 필요할 경우, RF 신호의 이득을 조정하기 위한 RF 이득 및 디지털 신호의 이득을 조정하기 위한 디지털 이득을 각각 산출하는 단계; 및
상기 RF 이득과 상기 디지털 이득을 함께 적용하는 단계
를 포함하는 심장 박동기 운용 방법.In the method of operating a pacemaker capable of self-generation,
Storing nonlinear electric energy generated by using the friction element in multiple energy storage;
Measuring voltage levels of the multiple energy stores;
Controlling the electrical energy to be sequentially stored in the multiple energy storage based on the voltage of the energy storage in which the electrical energy is currently stored and the stability of the voltage;
Supplying electrical energy stored in the multiple energy storage units;
Calculating an RF gain for adjusting a gain of an RF signal and a digital gain for adjusting a gain of a digital signal, respectively, when a gain adjustment is required when communicating with an external diagnostic device; And
Applying the RF gain and the digital gain together
Heart pacemaker operation method comprising a.
마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 발전시키는 발전기,
상기 발전된 전기 에너지를 임시 저장하는 임시 에너지 저장소와, 상기 임시 에너지 저장소에 임시 저장된 전기 에너지를 전달받아 저장하는 다중 에너지 저장소와, 상기 다중 에너지 저장소 중 현재 전기 에너지가 저장되고 있는 에너지 저장소의 전압과 상기 전압의 안정도에 기초하여 상기 전기 에너지를 상기 다중 에너지저장소에 순차적으로 저장시키고, 상기 다중 에너지 저장소에 저장된 전기 에너지를 공급하는 전력 관리부로 구성된 에너지 하베스터 및
외부 진단기기와 통신하며, 이득 조정이 필요할 경우 RF 신호의 이득을 조정하기 위한 RF 이득 및 디지털 신호의 이득을 조정하기 위한 디지털 이득을 각각 산출하고, 상기 RF 이득과 상기 디지털 이득을 함께 적용하는 이득 제어 장치를 포함하는 통신모듈
을 포함하는 심장 박동기.In a pacemaker capable of energy harvesting,
A generator that generates nonlinear electrical energy using a friction element,
A temporary energy storage unit for temporarily storing the generated electric energy; a multiple energy storage unit receiving and storing electric energy temporarily stored in the temporary energy storage unit; and a voltage of an energy storage unit in which electric energy is currently stored among the multiple energy storage units; An energy harvester comprising a power management unit that sequentially stores the electrical energy in the multiple energy storage units and supplies the electrical energy stored in the multiple energy storage units based on the stability of voltage, and
A gain that communicates with an external diagnostic device and calculates the RF gain for adjusting the gain of the RF signal and the digital gain for adjusting the gain of the digital signal, respectively, and applies the RF gain and the digital gain together when gain adjustment is necessary Communication module including control device
A pacemaker comprising a.
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