KR102195448B1 - Power management integrated circuit and energy harvesting system - Google Patents

Power management integrated circuit and energy harvesting system Download PDF

Info

Publication number
KR102195448B1
KR102195448B1 KR1020190006507A KR20190006507A KR102195448B1 KR 102195448 B1 KR102195448 B1 KR 102195448B1 KR 1020190006507 A KR1020190006507 A KR 1020190006507A KR 20190006507 A KR20190006507 A KR 20190006507A KR 102195448 B1 KR102195448 B1 KR 102195448B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
output
output voltage
node
energy
Prior art date
Application number
KR1020190006507A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20200089805A (en
Inventor
이상국
노영석
최원종
서정일
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190006507A priority Critical patent/KR102195448B1/en
Publication of KR20200089805A publication Critical patent/KR20200089805A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102195448B1 publication Critical patent/KR102195448B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H01L35/00—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects

Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 전력관리 집적회로는 단일 입력-이중 출력(single input-double output (SIDO) 부스트 컨버터 및 제어 전압 생성기를 포함한다. 상기 SIDO 부스트 컨버터는 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하여, 상기 입력 전압에 기초하여 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 제1 출력 노드를 통하여 부하에 제공하고, 상기 제2 출력 전압을 제2 출력 노드를 통하여 외부의 에너지 저장 장치에 저장하되, 상기 부하로 흘러가는 부하 전류 및 복수의 제어 전압 신호들에 기초하여 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압의 비율을 적응적으로 조절한다. 상기 제어 전압 생성기는 상기 입력 전압, 상기 인덕터에 연결되는 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 제어 전압 신호들을 생성한다. The power management integrated circuit according to the embodiments of the present invention includes a single input-double output (SIDO) boost converter and a control voltage generator. The SIDO boost converter from an external thermoelectric element to an input node. It includes one inductor that accumulates energy based on the applied input voltage, generates a first output voltage and a second output voltage based on the input voltage, and loads the first output voltage through a first output node. And storing the second output voltage in an external energy storage device through a second output node, and the first output voltage and the first output voltage based on a plurality of control voltage signals and a load current flowing to the load 2. The control voltage generator adaptively adjusts the ratio of the output voltage based on the input voltage, a first voltage of a switching node connected to the inductor, the first output voltage, and the second output voltage. Generate signals.

Description

전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템{Power management integrated circuit and energy harvesting system}Power management integrated circuit and energy harvesting system

본 발명은 에너지 하베스팅에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 에너지 하베스팅에 적용되는 전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to energy harvesting, and more particularly, to a power management integrated circuit and an energy harvesting system applied to the energy harvesting.

에너지 하베스팅(Energy harvesting)이란, 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 모아 전기 에너지로 바꾸어 사용하는 기술을 통칭하며 대표적인 것으로서 열전 소자, 압전 소자, 전파 에너지, 태양열, 지열 풍력 등이 있다. 열전기 에너지 하베스팅(Thermoelectric energy harvesting)은 물체의 온도 차가 전위차로 혹은 전위차가 온도 차로 전환되는 열전 효과를 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 대표적인 응용 분야는 헬스케어(Healthcare) 분야이며, 체온과 기온 사이의 온도 차를 통해 생성된 에너지를 이용해 몸에 부착된 여러 가지 바디 센서(body sensor) 및 통신 장비들을 동작시킬 수 있다. 상기 열전 효과를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 소자를 열전 소자라 칭하며, 열전기 에너지 하베스팅 기술에서는 열전 소자의 온도 차가 작은 상태(예를 들어, ΔT < 10℃)에서도 충분히 높은 전위(예를 들어, 약 1V 이상)를 갖는 전기 에너지를 수확해낼 수 있어야 한다. 작은 온도 차이에서는 열전 소자의 출력 전압의 크기가 100mV를 넘기 힘들기 때문에 이런 열전 소자의 낮은 출력 전압만으로도 시동할 수 있는 전원 관리 장치(Power Management Integrated Circuit; PMIC)가 필요하다. Energy harvesting refers to a technology that collects energy generated from a natural energy source and converts it into electrical energy. Representative examples include thermoelectric elements, piezoelectric elements, radio energy, solar heat, and geothermal wind power. Thermoelectric energy harvesting produces electric energy by using a thermoelectric effect in which an object's temperature difference is converted into a potential difference or a potential difference is converted into a temperature difference. A typical application field is in the field of healthcare, and various body sensors and communication devices attached to the body can be operated using energy generated through a temperature difference between body temperature and temperature. An element that generates electric energy using the thermoelectric effect is called a thermoelectric element, and in the thermoelectric energy harvesting technology, a sufficiently high potential (for example, even in a state where the temperature difference of the thermoelectric element is small (for example, ΔT <10°C) It should be able to harvest electrical energy with about 1V or more). Since the size of the output voltage of the thermoelectric element is difficult to exceed 100mV at a small temperature difference, a power management integrated circuit (PMIC) that can start up with only a low output voltage of such a thermoelectric element is required.

열전기 에너지 하베스팅 시스템에 사용되는 열전 소자는 낮은 출력 전압을 갖는 만큼 그 출력 전력 또한 굉장히 낮다(예를 들어, 1mW 이하). 따라서 상기 열전 소자로부터 수확한 에너지를 이용하여 헬스케어 장치 등을 구동하기 위해서는 상기 열전 소자와 기기 사이의 상기 전원 관리 장치의 효율이 좋아야 한다. The thermoelectric element used in the thermoelectric energy harvesting system has a low output voltage, so its output power is also very low (for example, less than 1mW). Therefore, in order to drive a healthcare device or the like using the energy harvested from the thermoelectric element, the efficiency of the power management device between the thermoelectric element and the device must be good.

도 1은 종래의 일반적인 열전기 에너지 하베스팅 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다. 1 is a block diagram showing an example of a conventional general thermoelectric energy harvesting system.

도 1을 참조하면, 종래의 열전기 에너지 하베스팅 시스템(5)은 에너지 하베스터(10), 전력관리 집적회로(PMIC, 20) 및 적어도 하나의 헬스케어 장치(30)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a conventional thermoelectric energy harvesting system 5 may include an energy harvester 10, a power management integrated circuit (PMIC) 20, and at least one healthcare device 30.

종래의 열전기 에너지 하베스팅 시스템(5)에 사용되는 PMIC(20)는 낮은 입력 전압(VIN)으로부터 PMIC(20)를 시동하기 위한 시동(startup) 회로(22)와 입력 전압(VIN)의 파워를 높은 출력 전압(VOUT)으로 로드(load, 예를 들어, 헬스케어 장치(30))에 전달하는 부스트 컨버터(24)를 포함한다. 시동 회로(22)는 입력 전압(VIN)이 소정의 자가 시동(self-startup) 전압을 넘으면, 부스트 컨버터(24)를 구동시킬 수 있는 구동 전압(VDD)를 생성하기 시작한다. 부스트 컨버터(24)는 시동 회로(22)가 생성하는 전력을 통해 구동되며, 입력 전압(VIN)에서 오는 파워를 이보다 높은 출력 전압(VOUT)으로 상기 로드에 전달한다. 앞서 설명하였듯이, 입력 전압(VIN)이 굉장히 낮은 전압이기 때문에 낮은 입력 전압(VIN)으로도 시동할 수 있는 낮은 상기 자가 시동 전압이 필요하고, 상기 로드인 헬스케어 장치(30)에 충분한 전력을 공급하기 위해 낮은 입력 전압(VIN)에서도 높은 효율을 갖는 부스트 컨버터(24)가 필요하다. 즉, 열전기 에너지 하베스팅 시스템(5)에는 보다 낮은 제조 비용(bill of material; BOM)으로 제조되면서, 보다 높은 출력 효율을 갖는 전력관리 집적회로가 요구된다.The PMIC 20 used in the conventional thermoelectric energy harvesting system 5 controls the power of the startup circuit 22 and the input voltage VIN for starting the PMIC 20 from a low input voltage VIN. It includes a boost converter 24 that delivers a high output voltage VOUT to a load (eg, the healthcare device 30). The starting circuit 22 starts to generate a driving voltage VDD capable of driving the boost converter 24 when the input voltage VIN exceeds a predetermined self-startup voltage. The boost converter 24 is driven by the power generated by the starting circuit 22, and transfers the power from the input voltage VIN to the load at a higher output voltage VOUT. As described above, since the input voltage VIN is a very low voltage, a low self-starting voltage capable of starting with a low input voltage VIN is required, and sufficient power is supplied to the load, the healthcare device 30 To do this, a boost converter 24 having high efficiency even at a low input voltage VIN is required. That is, the thermoelectric energy harvesting system 5 requires a power management integrated circuit having a higher output efficiency while being manufactured with a lower bill of material (BOM).

본 발명의 일 목적은 크로스 레귤레이션을 최소화하고, 부하 전류에 따라 배터리를 효율적으로 충전하면서 부하도 동작시키는 전력관리 집적회로를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a power management integrated circuit that minimizes cross regulation, efficiently charges a battery according to a load current, and operates a load.

본 발명의 일 목적은 상기 전력관리 집적회로를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는데 있다. An object of the present invention is to provide an energy harvesting system including the power management integrated circuit.

다만, 본 발명의 목적은 상술한 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the object of the present invention is not limited to the above-described objects, and may be variously extended without departing from the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 실시예들에 따른 전력관리 집적회로는 단일 입력-이중 출력(single input-double output (SIDO) 부스트 컨버터 및 제어 전압 생성기를 포함한다. 상기 SIDO 부스트 컨버터는 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하여, 상기 입력 전압에 기초하여 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 제1 출력 노드를 통하여 부하에 제공하고, 상기 제2 출력 전압을 제2 출력 노드를 통하여 외부의 에너지 저장 장치에 저장하되, 상기 부하로 흘러가는 부하 전류 및 복수의 제어 전압 신호들에 기초하여 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압의 비율을 적응적으로 조절한다. 상기 제어 전압 생성기는 상기 입력 전압, 상기 인덕터에 연결되는 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 제어 전압 신호들을 생성한다. The power management integrated circuit according to the embodiments of the present invention includes a single input-double output (SIDO) boost converter and a control voltage generator. The SIDO boost converter from an external thermoelectric element to an input node. It includes one inductor that accumulates energy based on the applied input voltage, generates a first output voltage and a second output voltage based on the input voltage, and loads the first output voltage through a first output node. And storing the second output voltage in an external energy storage device through a second output node, and the first output voltage and the first output voltage based on a plurality of control voltage signals and a load current flowing to the load 2. The control voltage generator adaptively adjusts the ratio of the output voltage based on the input voltage, a first voltage of a switching node connected to the inductor, the first output voltage, and the second output voltage. Generate signals.

실시예에 있어서, 상기 SIDO 부스트 컨버터는 상기 제1 출력 전압이 제1 기준 전압에 도달할 때 까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하고, 상기 제1 출력 전압이 제1 기준 전압 이상 상승하면, 상기 에너지 저장 장치가 완충될 때까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하와 상기 에너지 저장 장치에 전달하고, 상기 에너지 저장 장치가 완충된 후, 상기 제1 출력 전압이 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압에 도달할 때까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달할 수 있다. In an embodiment, the SIDO boost converter transfers the accumulated energy to the load until the first output voltage reaches a first reference voltage, and when the first output voltage rises above a first reference voltage, A second reference that transfers the accumulated energy to the load and the energy storage device until the energy storage device is fully charged, and after the energy storage device is fully charged, the first output voltage is greater than the first reference voltage The accumulated energy can be transferred to the load until the voltage is reached.

상기 SIDO 부스트 컨버터는, 상기 축적된 에너지를 상기 부하와 상기 에너지 저장 장치에 전달하는 경우, 상기 부하 전류가 제1 기준값보다 작은 경부하 조건에서는 상기 제2 출력 전압이 상기 제1 출력 전압보다 크도록 상기 축적된 에너지를 전달하고, 상기 부하 전류가 상기 제1 기준값보다 큰 제2 기준값보다 큰 중부하 조건에서는 상기 제1 출력 전압이 상기 제2 출력 전압보다 크도록 상기 축적된 에너지를 전달할 수 있다.The SIDO boost converter, when transferring the accumulated energy to the load and the energy storage device, makes the second output voltage greater than the first output voltage under a light load condition where the load current is less than a first reference value. The accumulated energy may be transferred and the accumulated energy may be transferred such that the first output voltage is greater than the second output voltage under a heavy load condition in which the load current is greater than a second reference value greater than the first reference value.

상기 제1 출력 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달한 경우, 상기 제1 출력 전압이 상기 제1 기준 전압과 상기 제2 기준 전압 사이에서 증가와 감소를 반복하도록 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달할 수 있다.When the first output voltage reaches the first reference voltage, the accumulated energy is transferred to the load so that the first output voltage repeats increase and decrease between the first reference voltage and the second reference voltage. I can.

실시예에 있어서, 상기 SIDO 부스트 컨버터는 상기 입력 노드와 상기 스위칭 노드 사이에 연결되는 상기 하나의 인덕터, 상기 스위칭 노드와 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 제어 전압 신호들 중 제1 제어 전압 신호에 응답하여 상기 스위칭 노드를 선택적으로 디스차지하는 제1 스위칭 소자, 상기 스위칭 노드와 상기 제1 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 제어 전압 신호들 중 제2 제어 전압 신호에 응답하여, 상기 제1 출력 전압을 상기 제1 출력 노드에 연결되는 제1 출력 커패시터에 선택적으로 충전시키는 제2 스위칭 소자 및 상기 스위칭 노드와 상기 제2 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 제어 전압 신호들 중 제3 제어 전압 신호에 응답하여, 상기 제2 출력 전압을 상기 제2 출력 노드에 연결되는 제2 출력 커패시터에 선택적으로 충전시키는 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 대하여 병렬로 연결될 수 있다.In an embodiment, the SIDO boost converter is the one inductor connected between the input node and the switching node, is connected between the switching node and a ground voltage, and responds to a first control voltage signal among the control voltage signals A first switching element for selectively discharging the switching node, connected between the switching node and the first output node, and in response to a second control voltage signal among the control voltage signals, the first output voltage A second switching element for selectively charging a first output capacitor connected to a first output node, and connected between the switching node and the second output node, in response to a third control voltage signal among the control voltage signals, And a second switching element selectively charging the second output voltage to the second output capacitor connected to the second output node. The second switching element and the third switching element may be connected in parallel with respect to the switching node.

상기 제1 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 제1 제어 전압 신호를 수신하는 게이트를 구비하는 엔모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 출력 노드에 연결되는 소스 및 상기 제2 제어 전압 신호를 수신하는 게이트를 구비하는 제1 피모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제3 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제2 출력 노드에 연결되는 소스 및 상기 제3 제어 전압 신호를 수신하는 게이트를 구비하는 제2 피모스 트랜지스터를 포함할 수 있다. The first switching element includes an NMOS transistor having a drain connected to the switching node, a source connected to the ground voltage, and a gate for receiving the first control voltage signal, and the second switching element is the switching A first PMOS transistor having a drain connected to a node, a source connected to the first output node, and a gate for receiving the second control voltage signal, and the third switching element is connected to the switching node. It may include a second PMOS transistor having a drain, a source connected to the second output node, and a gate for receiving the third control voltage signal.

실시예에 있어서, 상기 제어 전압 생성기는 상기 입력 전압에 기초하여 상기 열전 소자로부터 상기 SIDO 부스트 컨버터에 최대 전력이 전달되는 경우의 최대 전력 전달 전압에 기초하여 상기 제1 제어 전압 신호를 생성하는 제1 제어 전압 생성부 및 상기 제1 전압과 상기 제1 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제2 제어 전압 신호를 생성하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제3 제어 전압 신호를 생성하는 제2 제어 전압 생성부를 포함할 수 있다.In an embodiment, the control voltage generator generates the first control voltage signal based on a maximum power transfer voltage when maximum power is transferred from the thermoelectric element to the SIDO boost converter based on the input voltage. A control voltage generator and generates the second control voltage signal based on a difference between the first voltage and the first output voltage, and the third control voltage based on a difference between the first voltage and the second output voltage It may include a second control voltage generator generating a signal.

상기 제1 제어 전압 생성부는 상기 최대 전력 전달 전압에 기초하여 상기 제1 제어 전압 신호가 제1 로직 레벨로 활성화되는 활성화 구간을 결정하여 상기 제1 제어 전압 신호를 생성하고, 상기 제2 제어 전압 신호 생성부는 상기 제1 전압과 상기 제1 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제1 전압이 상기 제1 출력 전압보다 큰 구간 동안에 상기 제1 로직 레벨로 비활성화되는 상기 제2 제어 전압 신호를 생성하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제1 전압이 상기 제2 출력 전압보다 큰 구간 동안에 상기 제1 로직 레벨로 비활성화되는 상기 제3 제어 전압 신호를 생성할 수 있다.The first control voltage generator generates the first control voltage signal by determining an activation period in which the first control voltage signal is activated to a first logic level based on the maximum power transfer voltage, and the second control voltage signal The generation unit generates the second control voltage signal that is deactivated to the first logic level during a period in which the first voltage is greater than the first output voltage based on a difference between the first voltage and the first output voltage, and the The third control voltage signal deactivated to the first logic level may be generated during a period in which the first voltage is greater than the second output voltage based on a difference between the first voltage and the second output voltage.

본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 하베스터, 전력 관리 집적 회로, 어플리케이션 및 에너지 저장 장치를 포함한다. 상기 에너지 하베스터는 주변의 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 수집하여 입력 전압을 생성한다. 상기 전력관리 집적회로는 입력 노드를 통하여 상기 입력 전압을 수신하고, 상기 입력 전압에 기초하여 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 제1 출력 노드로 제공하고, 상기 제2 출력 전압을 제2 출력 노드로 제공한다. 상기 어플리케이션은 상기 제1 출력 노드에 연결되어 상기 제1 출력 전압을 제공받아 동작한다. 상기 에너지 저장 장치는 상기 제2 출력 노드에 연결되어, 상기 제2 출력 전압을 내부에 충전한다. 상기 전력관리 집적 회로는 상기 어플리케이션으로 흘러가는 부하 전류에 기초하여 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압의 비율을 적응적으로 조절한다.An energy harvesting system according to embodiments of the present invention includes an energy harvester, a power management integrated circuit, an application and an energy storage device. The energy harvester generates an input voltage by collecting energy generated from an energy source around it. The power management integrated circuit receives the input voltage through an input node, generates a first output voltage and a second output voltage based on the input voltage, and provides the first output voltage to a first output node, The second output voltage is provided to a second output node. The application is connected to the first output node and operates by receiving the first output voltage. The energy storage device is connected to the second output node and charges the second output voltage therein. The power management integrated circuit adaptively adjusts a ratio of the first output voltage and the second output voltage based on a load current flowing to the application.

실시예에 있어서, 상기 전력관리 집적회로는 상기 입력 노드를 통하여 수신된 상기 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하여, 상기 입력 전압에 기초하여 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 상기 제1 출력 노드를 통하여 상기 어플리케이션에 제공하고, 상기 제2 출력 전압을 상기 제2 출력 노드를 통하여 상기 에너지 저장 장치에 충전하되, 상기 부하 전류 및 복수의 제어 전압 신호들에 기초하여 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압의 비율을 적응적으로 조절하는 단일 입력-이중 출력(single input-double output (SIDO) 부스트 컨버터 및 상기 입력 전압, 상기 인덕터에 연결되는 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 제어 전압 신호들을 생성하는 제어 전압 생성기를 포함할 수 있다. In an embodiment, the power management integrated circuit includes one inductor that accumulates energy based on the input voltage received through the input node, and includes a first output voltage and a second output voltage based on the input voltage. And providing the first output voltage to the application through the first output node, and charging the second output voltage to the energy storage device through the second output node, the load current and a plurality of A single input-double output (SIDO) boost converter that adaptively adjusts the ratio of the first output voltage and the second output voltage based on control voltage signals, and the input voltage and the inductor. A control voltage generator configured to generate the control voltage signals based on a first voltage of a connected switching node, the first output voltage, and the second output voltage.

상기 입력 전압은 상기 에너지 하베스트로부터 상기 SIDO 부스트 컨버터로 최대 전력이 전달되는 경우의 전압을 가질 수 있다. The input voltage may have a voltage when maximum power is transmitted from the energy harvest to the SIDO boost converter.

본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터를 포함하는 전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 하베스터의 전력을 최대한 이용함과 동시에, 부하 전류의 변화에 따라, 부하와 배터리에 충전하는 시간을 적응적으로 변화시켜 배터리에 에너지를 최대한 전달하여 배터리 충전 시간을 최소화하고, 크로스 레귤레이션을 최소화하여 두 출력 전압을 안정되게 레귤레이션할 수 있다. The power management integrated circuit and energy harvesting system including the SIDO boost converter according to the embodiments of the present invention utilize the power of the energy harvester to the maximum and adapt the time to charge the load and the battery according to the change of the load current. It is possible to stably regulate the two output voltages by minimizing the battery charging time and minimizing cross regulation by delivering energy to the battery as much as possible.

다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and may be variously extended without departing from the spirit and scope of the present invention.

도 1은 종래의 일반적인 열전기 에너지 하베스팅 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 도 2의 전력관리 집적회로를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 다른 도 3의 전력관리 집적회로에서 SIDO 부스트 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 도 2의 에너지 하베스팅 시스템에서 에너지 하베스터에서 SIDO 부스트 컨버터로 최대 전력이 전달되는 경우를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 도 3의 전력관리 집적회로에서 제어 전압 생성기를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터에서 인덕터의 인덕터 전류의 파형에 따른 SIDO 부스트 컨버터의 여러 가지 동작 모드를 나타낸다.
도 8은 일반적인 부스트 컨버터의 출력 전압을 히스테리시스 모드에서 제어하는 것을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터의 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 히스테리시스 모드에서 제어하는 것을 나타낸다.1 is a block diagram showing an example of a conventional general thermoelectric energy harvesting system.
2 is a block diagram showing an energy harvesting system according to embodiments of the present invention.
3 is a block diagram showing the power management integrated circuit of FIG. 2 according to embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating the configuration of a SIDO boost converter in the power management integrated circuit of FIG. 3 according to embodiments of the present invention.
5 illustrates a case in which maximum power is transferred from the energy harvester to the SIDO boost converter in the energy harvesting system of FIG. 2 according to embodiments of the present invention.
6 is a block diagram illustrating a control voltage generator in the power management integrated circuit of FIG. 3 according to embodiments of the present invention.
7 illustrates various operation modes of the SIDO boost converter according to the waveform of the inductor current of the inductor in the SIDO boost converter according to embodiments of the present invention.
8 shows controlling the output voltage of a typical boost converter in hysteresis mode.
9 illustrates controlling the first output voltage and the second output voltage of the SIDO boost converter according to embodiments of the present invention in a hysteresis mode.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural or functional descriptions have been exemplified only for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms. It should not be construed as being limited to the embodiments described in.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the present invention can apply various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form of disclosure, it is to be understood as including all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "just between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

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 설시된 특징, 숫자, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present application are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the existence of a set feature, number, action, component, part, or a combination thereof, but one or more other features, numbers, and actions It is to be understood that the possibility of the presence or addition of, components, parts, or combinations thereof is not preliminarily excluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. .

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same elements in the drawings, and duplicate descriptions for the same elements are omitted.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타내는 블록도이다.2 is a block diagram showing an energy harvesting system according to embodiments of the present invention.

도 2를 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(50)은 열전소자로 구현되는 에너지 하베스터(10), 전력관리 집적회로(100), 어플리케이션(300) 및 배터리로 구현되는 에너지 저장 장치(350)를 포함할 수 있다. 어플리케이션(300)은 부하로 지칭될 수 있다. 2, the energy harvesting system 50 includes an energy harvester 10 implemented as a thermoelectric element, a power management integrated circuit 100, an application 300, and an energy storage device 350 implemented as a battery. can do. The application 300 may be referred to as a load.

에너지 하베스터(10)는 주변의 에너지원으로부터 발생하는 에너지원을 수집하여 입력 전압(VIN)을 생성할 수 있다. 에너지 하베스터(10)는 접지 전압(VSS)에 연결되는 직류 전압원(VTEG) 및 직류 전압원(VTEG)에 연결되는 저항(RTEG)를 포함할 수 있다.The energy harvester 10 may generate an input voltage VIN by collecting energy sources generated from surrounding energy sources. The energy harvester 10 may include a DC voltage source VTEG connected to the ground voltage VSS and a resistor RTEG connected to the DC voltage source VTEG.

전력관리 접적회로(100)는 입력 노드(NI)를 통하여 입력 전압(VIN)을 수신하고, 입력 전압(VIN)에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)을 생성하고, 제1 출력 노드(NO1)를 통하여 제1 출력 전압(VOUT)을 부하(300)에 제공하고, 제2 출력 노드(NO2)를 통하여 제2 출력 전압(VBAT)을 배터리(350)에 저장할 수 하되, 부하(300)로 제공되는 부하 전류(ILOAD)에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)의 생성 비율을 적응적으로 조절할 수 있다.The power management integrated circuit 100 receives the input voltage VIN through the input node NI, generates a first output voltage VOUT and a second output voltage VBAT based on the input voltage VIN. , The first output voltage VOUT is provided to the load 300 through the first output node NO1, and the second output voltage VBAT can be stored in the battery 350 through the second output node NO2. However, the generation ratio of the first output voltage VOUT and the second output voltage VBAT may be adaptively adjusted based on the load current ILOAD provided to the load 300.

부하(어플리케이션, 300)는 초저전력 프로세서(ULP MCU)(311), 센서(313), 초저전력 트랜시버(ULP TRx)(315) 및 헬스케어 장치(317)를 포함할 수 있다. 초저전력 트랜시버(315)가 동작 중에 가장 많은 전력을 소비한다. The load (application, 300) may include an ultra-low power processor (ULP MCU) 311, a sensor 313, an ultra-low power transceiver (ULP TRx) 315, and a healthcare device 317. The ultra-low power transceiver 315 consumes the most power during operation.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 도 2의 전력관리 집적회로를 나타내는 블록도이다.3 is a block diagram showing the power management integrated circuit of FIG. 2 according to embodiments of the present invention.

도 3을 참조하면, 전력관리 집적회로(100)는 단일 입력-이중 출력(single input-double output (SIDO) 부스트 컨버터(110) 및 제어 전압 생성기(200)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the power management integrated circuit 100 may include a single input-double output (SIDO) boost converter 110 and a control voltage generator 200.

SIDO 부스트 컨버터(110)는 입력 노드(NI)를 통하여 입력 전압(VIN)을 수신하고, 입력 전압(VIN)에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)을 생성하고, 제1 출력 노드(NO1)를 통하여 제1 출력 전압(VOUT)을 부하(300)에 제공하고, 제2 출력 노드(NO2)를 통하여 제2 출력 전압(VBAT)을 배터리(350)에 저장할 수 하되, 제어 전압 신호들(VGN, VGP1, VGP2) 및 부하 전류(ILOAD)에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)의 생성 비율을 적응적으로 조절할 수 있다. The SIDO boost converter 110 receives the input voltage VIN through the input node NI, generates a first output voltage VOUT and a second output voltage VBAT based on the input voltage VIN, The first output voltage VOUT is provided to the load 300 through the first output node NO1 and the second output voltage VBAT can be stored in the battery 350 through the second output node NO2. , The generation ratio of the first output voltage VOUT and the second output voltage VBAT may be adaptively adjusted based on the control voltage signals VGN, VGP1, and VGP2 and the load current ILOAD.

제어 전압 생성기(200)는 입력 전압(VIN), SIDO 부스트 컨버터(110)의 스위칭 노드(SN)의 제1 전압(VX), 제1 출력 전압(VOUT) 및 제2 출력 전압(VBAT)에 기초하여 제어 전압 신호들(VGN, VGP1, VGP2)을 생성하고, 제어 전압 신호들(VGN, VGP1, VGP2)을 SIDO 부스트 컨버터(110)에 제공할 수 있다. The control voltage generator 200 is based on an input voltage VIN, a first voltage VX of the switching node SN of the SIDO boost converter 110, a first output voltage VOUT, and a second output voltage VBAT. Accordingly, the control voltage signals VGN, VGP1, and VGP2 may be generated, and the control voltage signals VGN, VGP1, and VGP2 may be provided to the SIDO boost converter 110.

SIDO 부스트 컨버터(110)는 제어 전압 신호들(VGN, VGP1, VGP2)에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)의 생성 비율을 적응적으로 조절할 수 있다.The SIDO boost converter 110 may adaptively adjust the generation ratio of the first output voltage VOUT and the second output voltage VBAT based on the control voltage signals VGN, VGP1, and VGP2.

도 4는 본 발명의 실시예들에 다른 도 3의 전력관리 집적회로에서 SIDO 부스트 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.FIG. 4 is a circuit diagram illustrating the configuration of a SIDO boost converter in the power management integrated circuit of FIG. 3 according to embodiments of the present invention.

도 4를 참조하면, SIDO 부스트 컨버터(110)는 하나의 인덕터(L, 115), 제1 내지 제3 스위칭 소자들(120, 130, 140), 입력 커패시터(CIN), 및 제1 및 제2 출력 커패시터들(COUT1, COUT2) 포함할 수 있다.4, the SIDO boost converter 110 includes one inductor (L, 115), first to third switching elements (120, 130, 140), an input capacitor (CIN), and first and second Output capacitors COUT1 and COUT2 may be included.

입력 커패시터(CIN)는 입력 노드(NI)와 접지 전압(VSS)에 연결되어, 입력 전압(VIN)을 저장할 수 있다. 하나의 인덕터(115)는 입력 노드(NI)와 스위칭 노드(SN) 사이에 연결된다. 하나의 인덕터(115)에는 입력 전압(VIN)의 크기에 기초하는 인덕터 전류(IL)가 흘러, 입력 전압(VIN)을 에너지로 축적할 수 있다. 인덕터(115)는 축적된 에너지는 스위칭 노드(SN)의 제1 전압(VX)으로 나타날 수 있다. The input capacitor CIN is connected to the input node NI and the ground voltage VSS to store the input voltage VIN. One inductor 115 is connected between the input node NI and the switching node SN. An inductor current IL based on the magnitude of the input voltage VIN flows through one inductor 115, and the input voltage VIN may be accumulated as energy. The energy accumulated in the inductor 115 may appear as the first voltage VX of the switching node SN.

제1 스위칭 소자(120)는 스위칭 노드(SN)와 접지 전압(VSS) 사이에 연결되고, 제1 제어 전압 신호(VGN)에 응답하여 상기 스위칭 노드(SN)를 선택적으로 디스차지할 수 있다. 제1 스위칭 소자(120)는 스위칭 노드(SN)에 연결되는 드레인, 접지 전압(VSS)에 연결되는 소스 및 제1 제어 전압 신호(VGN)를 수신하는 엔모스 트랜지스터(121)를 포함할 수 있다.The first switching element 120 is connected between the switching node SN and the ground voltage VSS, and may selectively discharge the switching node SN in response to the first control voltage signal VGN. The first switching element 120 may include a drain connected to the switching node SN, a source connected to the ground voltage VSS, and an NMOS transistor 121 receiving the first control voltage signal VGN. .

제2 스위칭 소자(130)는 스위칭 노드(SN)와 제1 출력 노드(NO1) 사이에 연결되고, 제2 제어 전압 신호(VGP1)에 응답하여, 제1 출력 전압(VOUT)을 제1 출력 노드(NO1)에 연결되는 제1 출력 커패시터(COUT1)에 선택적으로 충전시킬 수 있다. 제2 스위칭 소자(130)는 스위칭 노드(SN)에 연결되는 드레인, 제1 출력 노드(NO1)에 연결되는 소스 및 제2 제어 전압 신호(VGP1)를 수신하는 제1 피모스 트랜지스터(131)를 포함할 수 있다.The second switching element 130 is connected between the switching node SN and the first output node NO1, and in response to the second control voltage signal VGP1, the first output voltage VOUT is applied to the first output node. The first output capacitor COUT1 connected to NO1 may be selectively charged. The second switching element 130 includes a drain connected to the switching node SN, a source connected to the first output node NO1, and a first PMOS transistor 131 receiving a second control voltage signal VGP1. Can include.

제3 스위칭 소자(140)는 스위칭 노드(SN)와 제2 출력 노드(NO2) 사이에 연결되고, 제3 제어 전압 신호(VGP2)에 응답하여, 제2 출력 전압(VBAT)을 제2 출력 노드(NO2)에 연결되는 제2 출력 커패시터(COUT2)에 선택적으로 충전시킬 수 있다. 제3 스위칭 소자(140)는 스위칭 노드(SN)에 연결되는 드레인, 제2 출력 노드(NO2)에 연결되는 소스 및 제3 제어 전압 신호(VGP3)를 수신하는 제2 피모스 트랜지스터(141)를 포함할 수 있다.The third switching element 140 is connected between the switching node SN and the second output node NO2, and in response to the third control voltage signal VGP2, the second output voltage VBAT is applied to the second output node. The second output capacitor COUT2 connected to NO2 may be selectively charged. The third switching element 140 includes a drain connected to the switching node SN, a source connected to the second output node NO2, and a second PMOS transistor 141 receiving a third control voltage signal VGP3. Can include.

제2 스위칭 소자(130)와 제2 스위칭 소자(140)는 스위칭 노드(SN)에 대하여 병렬로 연결될 수 있다.The second switching element 130 and the second switching element 140 may be connected in parallel to the switching node SN.

제1 제어 전압 신호(VGN)에 의하여 제1 스위칭 소자(120)가 턴-온되는 온-타임이 조절되고, 제2 제어 전압 신호(VGP1)에 의하여 제2 스위칭 소자(130)가 턴-오프되는 제1 오프-타임이 조절되고, 제3 제어 전압 신호(VGP2)에 의하여 제3 스위칭 소자(140)가 턴-오프되는 제2 오프-타임이 조절되어, 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)의 생성 비율이 조절될 수 있다.The on-time at which the first switching element 120 is turned on is controlled by the first control voltage signal VGN, and the second switching element 130 is turned off by the second control voltage signal VGP1 The first off-time is adjusted, and a second off-time at which the third switching element 140 is turned off is adjusted by the third control voltage signal VGP2, so that the first output voltage VOUT and the second 2 The generation rate of the output voltage (VBAT) can be adjusted.

제1 출력 노드(NO1)의 제1 출력 전압(VOUT)에 의하여 부하(300)로 부하 전류(ILOAD)가 흐르는데, 부하 전류(ILOAD)의 크기에 따라, 제1 내지 제3 제어 전압 신호들(VGN, VGP1, VGP2)의 온-타임과 오프-타임이 조절될 수 있다.The load current ILOAD flows to the load 300 by the first output voltage VOUT of the first output node NO1. According to the magnitude of the load current ILOAD, the first to third control voltage signals ( On-time and off-time of VGN, VGP1, VGP2) can be adjusted.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 도 2의 에너지 하베스팅 시스템에서 에너지 하베스터에서 SIDO 부스트 컨버터로 최대 전력이 전달되는 경우를 나타낸다.5 illustrates a case in which maximum power is transferred from the energy harvester to the SIDO boost converter in the energy harvesting system of FIG. 2 according to embodiments of the present invention.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 에너지 하베스터(10)에서 입력 노드(NI)를 통하여, 입력 전압(VIN)이 제공되고, 입력 노드(NI)에서 SIDO 부스트 컨버터(110)를 바라본 입력 저항이 RINB이고, VIN = VTEG/2인 경우에, 에너지 하베스터(10)에서 SIDO 부스트 컨버터(110)로 최대 전력이 전달됨을 알 수 있다. 이 경우에, 인덕터(115)를 흐르는 인덕터 전류(IL)의 평균값은 IL_AVG라 할 때, IL_AVG = VTEG/(2RINB)이고 따라서 최대 전달 전력은 VTEG2/(4RINB) 임을 알 수 있다.2 to 5, the input voltage VIN is provided from the energy harvester 10 through the input node NI, and the input resistance viewed from the input node NI to the SIDO boost converter 110 is RINB. And, when VIN = VTEG/2, it can be seen that the maximum power is transferred from the energy harvester 10 to the SIDO boost converter 110. In this case, when the average value of the inductor current IL flowing through the inductor 115 is IL_AVG, it can be seen that IL_AVG = VTEG/(2RINB) and thus the maximum transmitted power is VTEG 2 /(4RINB).

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 도 3의 전력관리 집적회로에서 제어 전압 생성기를 나타내는 블록도이다.6 is a block diagram illustrating a control voltage generator in the power management integrated circuit of FIG. 3 according to embodiments of the present invention.

도 6을 참조하면, 제1 제어 전압 생성부(210) 및 제2 제어 전압 생성부(220)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, a first control voltage generator 210 and a second control voltage generator 220 may be included.

제1 제어 전압 생성부(210)는 최대 전력 전달 트래킹 회로(211) 및 온-타임 전압 생성기(213)를 포함한다. 최대 전력 전달 트래킹 회로(211)는 입력 전압(VIN)에 기초하여, 에너지 하베스터(10)로부터 SIDO 부스트 컨버터(110)에 최대 전력이 전달되는 경우의 최대 전력 전달 전압(VMPPT)을 트래킹하고, 최대 전력 전달 전압(VMPPT)을 온-타임 전압 생성기(210)에 제공한다. 온-타임 전압 생성기(210)는 최대 전력 전달 전압(VMPPT)에 기초하여 제1 제어 전압 신호(VGN)을 생성한다. 따라서, 제1 제어 전압 생성부(210)는 최대 전력 전달 전압(VMPPT)에 기초하여 상기 제1 제어 전압 신호(VGN)가 제1 로직 레벨(하이 레벨)로 활성화되는 활성화 구간을 결정하여 제1 제어 전압 신호(VGN)를 생성할 수 있다.The first control voltage generator 210 includes a maximum power transfer tracking circuit 211 and an on-time voltage generator 213. The maximum power transfer tracking circuit 211 tracks the maximum power transfer voltage VMPPT when the maximum power is transferred from the energy harvester 10 to the SIDO boost converter 110 based on the input voltage VIN, and A power transfer voltage (VMPPT) is provided to the on-time voltage generator 210. The on-time voltage generator 210 generates a first control voltage signal VGN based on the maximum power transfer voltage VMPPT. Accordingly, the first control voltage generator 210 determines an activation period in which the first control voltage signal VGN is activated to a first logic level (high level) based on the maximum power transfer voltage VMPPT. A control voltage signal VGN may be generated.

제2 제어 전압 생성부(220)는 제1 히스테리시스 비교기(231), 제1 가변 지연부(233), 제1 오프-타임 전압 생성기(235), 제2 히스테리시스 비교기(241), 제2 가변 지연부(243), 제2 오프-타임 전압 생성기(245)를 포함할 수 있다.The second control voltage generator 220 includes a first hysteresis comparator 231, a first variable delay unit 233, a first off-time voltage generator 235, a second hysteresis comparator 241, and a second variable delay. A unit 243 and a second off-time voltage generator 245 may be included.

제1 히스테리시스 비교기(231)는 제1 전압(VX)과 제1 출력 전압(VOUT)을 비교하고, 제1 전압(VX)이 제1 출력 전압(VOUT)보다 큰 제1 구간 동안 제1 로직 레벨을 가지는 제1 비교 신호(CS1)를 출력한다. 제1 가변 지연부(233)는 제1 비교 신호(CS1)를 지연시켜 제1 지연 비교 신호(CSD1)를 출력한다. 제1 오프-타임 전압 생성기(235)는 제1 지연 비교 신호(CSD1)를 수신하고, 제1 지연 비교 신호(CSD1)가 제1 로직 레벨을 가지는 제1 구간 동안, 제1 로직 레벨로 비활성화되는 제2 전압 제어 신호(VGP1)를 출력한다. 따라서, 제1 히스테리시스 비교기(231), 제1 가변 지연부(233) 및 제1 오프-타임 전압 생성기(235)는 제1 전압(VX)과 제1 출력 전압(VOUT)의 차이에 기초하여 제1 전압(VX)이 제1 출력 전압(VOUT)보다 큰 제1 구간 동안 제1 로직 레벨로 비활성화되는 제2 전압 제어 신호(VGP1)를 출력할 수 있다. The first hysteresis comparator 231 compares the first voltage VX and the first output voltage VOUT, and the first logic level during a first period in which the first voltage VX is greater than the first output voltage VOUT. The first comparison signal CS1 having is output. The first variable delay unit 233 delays the first comparison signal CS1 and outputs the first delay comparison signal CSD1. The first off-time voltage generator 235 receives the first delay comparison signal CSD1, and the first delay comparison signal CSD1 is deactivated to the first logic level during a first period having a first logic level. The second voltage control signal VGP1 is output. Accordingly, the first hysteresis comparator 231, the first variable delay unit 233, and the first off-time voltage generator 235 are determined based on the difference between the first voltage VX and the first output voltage VOUT. A second voltage control signal VGP1 deactivated to a first logic level during a first period in which the first voltage VX is greater than the first output voltage VOUT may be output.

제2 히스테리시스 비교기(241)는 제1 전압(VX)과 제2 출력 전압(VBAT)을 비교하고, 제1 전압(VX)이 제2 출력 전압(VBAT)보다 큰 제2 구간 동안 제1 로직 레벨을 가지는 제2 비교 신호(CS2)를 출력한다. 제2 가변 지연부(243)는 제2 비교 신호(CS2)를 지연시켜 제2 지연 비교 신호(CSD2)를 출력한다. 제2 오프-타임 전압 생성기(245)는 제2 지연 비교 신호(CSD2)를 수신하고, 제2 지연 비교 신호(CSD2)가 제1 로직 레벨을 가지는 제2 구간 동안, 제1 로직 레벨로 비활성화되는 제2 전압 제어 신호(VGP2)를 출력한다. 따라서, 제2 히스테리시스 비교기(241), 제2 가변 지연부(243) 및 제2 오프-타임 전압 생성기(245)는 제1 전압(VX)과 제2 출력 전압(VBAT)의 차이에 기초하여 제1 전압(VX)이 제2 출력 전압(VBAT)보다 큰 제2 구간 동안 제1 로직 레벨로 비활성화되는 제3 전압 제어 신호(VGP2)를 출력할 수 있다.The second hysteresis comparator 241 compares the first voltage VX and the second output voltage VBAT, and the first logic level during a second period in which the first voltage VX is greater than the second output voltage VBAT. The second comparison signal CS2 having is output. The second variable delay unit 243 delays the second comparison signal CS2 and outputs the second delay comparison signal CSD2. The second off-time voltage generator 245 receives the second delay comparison signal CSD2, and the second delay comparison signal CSD2 is deactivated to the first logic level during a second period having the first logic level. The second voltage control signal VGP2 is output. Accordingly, the second hysteresis comparator 241, the second variable delay unit 243, and the second off-time voltage generator 245 are based on the difference between the first voltage VX and the second output voltage VBAT. A third voltage control signal VGP2 deactivated to the first logic level during a second period in which the first voltage VX is greater than the second output voltage VBAT may be output.

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터에서 인덕터의 인덕터 전류의 파형에 따른 SIDO 부스트 컨버터의 여러 가지 동작 모드를 나타낸다. 7 illustrates various operation modes of the SIDO boost converter according to the waveform of the inductor current of the inductor in the SIDO boost converter according to embodiments of the present invention.

도 7에서 참조 번호(411)는 SIDO 부스트 컨버터(110)가 연속 도전 모드(continuous conduction mode, CCM)에서 동작하는 것을 나타내고, 참조 번호(412)는 SIDO 부스트 컨버터(110)가 경계 도전 모드(boundary conduction mode, BCM)에서 동작하는 것을 나타내고, 참조 번호(413)는 SIDO 부스트 컨버터(110)가 불연속 도전 모드(discontinuous conduction mode, DCM)에서 동작하는 것을 나타낸다. 또한, ts는 센싱 타임을 나타낸다.In FIG. 7, reference numeral 411 indicates that the SIDO boost converter 110 operates in a continuous conduction mode (CCM), and reference numeral 412 indicates that the SIDO boost converter 110 is in a boundary conduction mode. conduction mode (BCM), and reference numeral 413 indicates that the SIDO boost converter 110 operates in a discontinuous conduction mode (DCM). In addition, ts represents the sensing time.

CCM에서 인덕터 전류(IL)는 제로값으로 떨어지지 않고, 증가와 감소를 반복하고, BCM에서 인덕터 전류(IL)는 최대값과 제로 값 사이에서 증가와 감소를 반복하고, DCM에서 인덕터 전류(IL)는 불연속적으로 제로 값을 가질 수 있다. 또한, 인덕터 전류(IL)의 평균값(IL_AVG)은 CCM에서 가장 크고, BCM에서 중간 값을 가지고 DCM에서 가장 작은 값을 가지는 것을 알 수 있다.In CCM, the inductor current (IL) does not drop to zero, but repeats increasing and decreasing, in BCM the inductor current (IL) repeats increasing and decreasing between the maximum and zero values, and in DCM the inductor current (IL) May have a value of zero discontinuously. In addition, it can be seen that the average value IL_AVG of the inductor current IL is the largest in the CCM, the intermediate value in the BCM, and the smallest value in the DCM.

본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터(110)는 열전 소자로 구현되는 에너지 하베스터(10)로부터 입력 전압(VIN)에 기초하여 인덕터 전류(IL)가 축적되므로, SIDO 부스트 컨버터(110)는 주로 BCM에서 동작한다. In the SIDO boost converter 110 according to the embodiments of the present invention, since the inductor current IL is accumulated based on the input voltage VIN from the energy harvester 10 implemented as a thermoelectric element, the SIDO boost converter 110 It mainly works in BCM.

도 8은 일반적인 부스트 컨버터의 출력 전압을 히스테리시스 모드에서 제어하는 것을 나타낸다.8 shows controlling the output voltage of a typical boost converter in hysteresis mode.

도 8에서, 참조 번호(421)는 부스트 컨버터에 포함되는 인덕터에 에너지가 축적되는 것(energy build-up)을 나타내고, 참조번호(422)는 인덕터에 축적된 에너지가 부하(300)에 전달(energy transfer)되는 것을 나타내고, 참조 번호(423)는 SIDO 컨버터(110)가 동작하지 않아 에너지가 이동되지 않고, 부하 전류(ILOAD)에 의하여 제1 출력 전압(VOUT)이 하강하는 구간을 나타낸다. In FIG. 8, reference numeral 421 denotes energy build-up in the inductor included in the boost converter, and reference numeral 422 denotes energy accumulated in the inductor transferred to the load 300 ( energy transfer), and reference numeral 423 denotes a section in which energy is not transferred because the SIDO converter 110 is not operated, and the first output voltage VOUT falls due to the load current ILOAD.

인덕터 전류(IL)가 최저값과 피크값(IP) 사이에서 증가와 감소를 반복할 때, 출력 전압(VOUT)이 제1 기준 전압(VOUT_MIN1)에 도달하고, 제1 기준 전압(VOUT_MIN1) 보다 큰 제2 기준 전압(VOUT_MAX1)에 도달하기 전까지는 에너지의 축적과 에너지의 전달을 반복하고, 제2 기준 전압(VOUT_MAX1)에 도달하면, 제1 기준 전압(VOUT_MIN1)으로 감소될 때까지 에너지가 다시 회수됨을 알 수 있다. 일반적인 SIDO 부스트 컨버터에서는 인덕터의 전류를 공유하여 축적하므로, 하나의 출력전류가 급격하게 증가하면, 다른 출력 전압이 급격하게 감소하는 크로스 레귤레이션(cross regulation) 문제가 항상 발생하게 된다. 도 8의 경우 CCM 모드에서는 에너지를 부하로 전달할 때, 인덕터 전류가 제로 값을 가질 때까지 소진하여 전달하지 않고, 어느 정도의 전류가 남아 있어도, 에너지를 축적하기 시작하므로 출력 전압이 일시적으로 낮아지는 크로스 레귤레이션 문제가 매우 심각해질 수 있다.When the inductor current (IL) repeats increasing and decreasing between the lowest value and the peak value (IP), the output voltage VOUT reaches the first reference voltage VOUT_MIN1 and is greater than the first reference voltage VOUT_MIN1. 2 It is noted that energy accumulation and energy transfer are repeated until the reference voltage (VOUT_MAX1) is reached, and when the second reference voltage (VOUT_MAX1) is reached, energy is recovered until it is reduced to the first reference voltage (VOUT_MIN1). Able to know. In a typical SIDO boost converter, the current of the inductor is shared and accumulated, so when one output current increases rapidly, a cross regulation problem in which the other output voltage rapidly decreases always occurs. In the case of FIG. 8, in the CCM mode, when energy is transferred to the load, the inductor current is not exhausted and transferred until the inductor current has a value of zero. Cross-regulation problems can become very serious.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터의 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 히스테리시스 모드에서 제어하는 것을 나타낸다.9 illustrates controlling the first output voltage and the second output voltage of the SIDO boost converter according to embodiments of the present invention in a hysteresis mode.

도 9에서, 참조 번호(431)는 SIDO 부스트 컨버터(110)에 포함되는 인덕터(115)에 에너지가 축적되는 것을 나타내고, 참조번호(432)는 인덕터(115)에 축적된 에너지를 부하(300)로 전달하는 것을 나타내고, 참조 번호(433)는 인덕터(115)에 축적된 에너지를 배터리(350)에 저장(전달)하는 것을 나타낸다. 또한 도 9에서 구간들(INT1, INT4)은 부하 전류(ILOAD)가 제1 기준값과 제2 기준값 사이인 중간 부하(mid-load) 조건을 나타내고, 구간(INT2)은 부하 전류(ILOAD)가 제2 기준값보다 큰 중부하(heavy load) 조건을 나타내고, 구간(INT3)은 부하 전류(ILOAD)가 제1 기준값보다 작은 경부하(light load) 조건을 나타낸다. 여기서, 제2 기준값은 제1 기준값보다 크다. In FIG. 9, reference numeral 431 denotes that energy is accumulated in the inductor 115 included in the SIDO boost converter 110, and reference numeral 432 denotes the energy accumulated in the inductor 115 to the load 300. The reference numeral 433 indicates that the energy accumulated in the inductor 115 is stored (transferred) in the battery 350. In addition, in FIG. 9, the sections INT1 and INT4 indicate a mid-load condition in which the load current ILOAD is between the first reference value and the second reference value, and in the section INT2, the load current ILOAD is controlled. 2 A heavy load condition greater than the reference value is indicated, and the section INT3 indicates a light load condition in which the load current ILOAD is less than the first reference value. Here, the second reference value is greater than the first reference value.

도 2, 도 4 및 도 9를 참조하면, SIDO 부스트 컨버터(110)는 제1 출력 전압(VOUT)이 제1 기준 전압(VOUT_MIN2)에 도달할 때 까지는 인덕터(115)에 축적된 에너지를 부하(300)에 전달하고, 제1 출력 전압(VOUT)이 제1 기준 전압(VOUT_MIN2) 이상 상승하면, 배터리(350)가 최대 전압(VBAT_OV) 완충될 때까지는 인덕터(115)에 축적된 에너지를 부하(300)와 배터리(350)에 전달하고, 배터리(350)가 완충된 후, 제1 출력 전압(VOUT)이 제1 기준 전압(VOUT_MIN2)보다 큰 제2 기준 전압(VOUT_MAX2)에 도달할 때까지는 상기 인덕터(115)에 축적된 에너지를 상기 부하(350)에 전달함을 알 수 있다.2, 4, and 9, the SIDO boost converter 110 transfers the energy accumulated in the inductor 115 until the first output voltage VOUT reaches the first reference voltage VOUT_MIN2. 300), and when the first output voltage VOUT rises above the first reference voltage VOUT_MIN2, the energy accumulated in the inductor 115 is transferred to the load until the battery 350 is fully charged with the maximum voltage VBAT_OV. 300) and the battery 350, and after the battery 350 is fully charged, the first output voltage VOUT reaches the second reference voltage VOUT_MAX2 greater than the first reference voltage VOUT_MIN2. It can be seen that the energy accumulated in the inductor 115 is transferred to the load 350.

또한, SIDO 부스트 컨버터(110)는 인덕터(115)에 축적된 에너지를 부하(300)와 배터리(350)에 전달하는 경우, 상기 경부하 조건에서는 상기 제2 출력 전압(VBAT)이 상기 제1 출력 전압(VOUT)보다 크도록 상기 인덕터(115)에 축적된 에너지를 전달한다. 즉, SIDO 부스트 컨버터(110)는 경부하 조건에서는 인덕터(115)에 축적된 에너지를 주로 배터리(350)에 저장한다. SIDO 부스트 컨버터(110)는 또한 상기 중부하 조건에서는 상기 제1 출력 전압(VOUT)이 상기 제2 출력 전압(VBAT)보다 크도록 상기 인덕터(115)에 축적된 에너지를 전달한다. 즉, SIDO 부스트 컨버터(110)는 중부하 조건에서는 인덕터(115)에 축적된 에너지를 주로 부하(300)에 공급한다.In addition, when the SIDO boost converter 110 transfers the energy accumulated in the inductor 115 to the load 300 and the battery 350, the second output voltage VBAT is the first output under the light load condition. Energy stored in the inductor 115 is transferred to be greater than the voltage VOUT. That is, the SIDO boost converter 110 mainly stores the energy accumulated in the inductor 115 in the battery 350 under light load conditions. The SIDO boost converter 110 also transfers energy accumulated in the inductor 115 so that the first output voltage VOUT is greater than the second output voltage VBAT under the heavy load condition. That is, the SIDO boost converter 110 mainly supplies the energy accumulated in the inductor 115 to the load 300 under heavy load conditions.

본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터(110) 및 이를 포함하는 전원관리 집적 회로(100)는 제1 출력 전압(VOUT)이 제1 기준 전압(VOUT_MIN2)과 제2 기준 전압(VOUT_MAX2) 사이에서 증가와 감소를 반복하도록 히스테리시스 모드에서 제어하여 배터리(350)를 완충전까지 계속 충전하면서도, 부하 전류(ILOAD)가 증가하면 이에 비례하여 제1 출력 전압(VOUT)을 증가시켜 부하(300)에 에너지를 전달할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터(110) 및 이를 포함하는 전원관리 집적 회로(100)에서는 크로스 레귤레이션이 발생하는 것을 방지할 수 있다. In the SIDO boost converter 110 and the power management integrated circuit 100 including the same according to embodiments of the present invention, the first output voltage VOUT is between the first reference voltage VOUT_MIN2 and the second reference voltage VOUT_MAX2. While controlling in hysteresis mode to repeat the increase and decrease in, the battery 350 is continuously charged until full charge, but when the load current (ILOAD) increases, the first output voltage (VOUT) is increased in proportion to the energy to the load 300. Can deliver. Accordingly, in the SIDO boost converter 110 and the power management integrated circuit 100 including the same according to embodiments of the present invention, it is possible to prevent cross regulation from occurring.

또한 인덕터 전류(IL)의 최대값(IP)가 IP = VTEG/RTEG가 되도록 설계하면, 인덕터 전류(IL)의 평균값(IL_AVG) = VTEG/(2*RTEG)가 되므로, 부하(300)와 배터리(350)는 에너지 하베스터(10)의 이용 가능한 최대 전력을 전달받을 수 있다. In addition, if the maximum value (IP) of the inductor current (IL) is designed to be IP = VTEG/RTEG, the average value of the inductor current (IL) (IL_AVG) = VTEG/(2*RTEG), so the load 300 and the battery 350 may receive the maximum available power of the energy harvester 10.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 SIDO 부스트 컨버터를 포함하는 전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템은 TEG의 전력을 최대한 이용함과 동시에, 부하 전류의 변화에 따라, 부하와 배터리에 충전하는 시간을 적응적으로 변화시켜 배터리에 에너지를 최대한 전달하여 배터리 충전 시간을 최소화하고, 크로스 레귤레이션을 최소화하여 두 개의 출력전압을 안정적으로 레귤레이션할 수 있다. As described above, the power management integrated circuit and energy harvesting system including the SIDO boost converter according to the embodiments of the present invention maximize the power of TEG and charge the load and the battery according to the change of the load current. By adaptively changing the amount of time, energy is delivered to the battery as much as possible, minimizing battery charging time, and minimizing cross regulation to stably regulate two output voltages.

본 발명은 에너지 하베스팅 시스템 및 이에 사용되는 다양한 전력관리 집적회로에 적용될 수 있다. The present invention can be applied to an energy harvesting system and various power management integrated circuits used therein.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can.

Claims (12)

외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하여, 상기 입력 전압에 기초하여 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 제1 출력 노드를 통하여 부하에 제공하고, 상기 제2 출력 전압을 제2 출력 노드를 통하여 외부의 에너지 저장 장치에 저장하되, 상기 부하로 흘러가는 부하 전류 및 복수의 제어 전압 신호들에 기초하여 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압의 비율을 적응적으로 조절하는 단일 입력-이중 출력(single input-double output (SIDO)) 부스트 컨버터; 및
상기 입력 전압, 상기 인덕터에 연결되는 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 제어 전압 신호들을 생성하는 제어 전압 생성기를 포함하고,
상기 SIDO 부스트 컨버터는
상기 제1 출력 전압이 제1 기준 전압에 도달할 때까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하고,
상기 제1 출력 전압이 제1 기준 전압 이상 상승하면, 상기 에너지 저장 장치가 완충될 때까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하와 상기 에너지 저장 장치에 전달하고,
상기 에너지 저장 장치가 완충된 후, 상기 제1 출력 전압이 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압에 도달할 때까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하는 전력관리 집적회로.With one inductor that accumulates energy based on an input voltage applied to an input node from an external thermoelectric element, generates a first output voltage and a second output voltage based on the input voltage, and the first output voltage Is provided to a load through a first output node, and the second output voltage is stored in an external energy storage device through a second output node, based on a load current flowing to the load and a plurality of control voltage signals A single input-double output (SIDO) boost converter adaptively adjusting a ratio of the first output voltage and the second output voltage; And
A control voltage generator configured to generate the control voltage signals based on the input voltage, a first voltage of a switching node connected to the inductor, the first output voltage, and the second output voltage,
The SIDO boost converter is
Transfer the accumulated energy to the load until the first output voltage reaches a first reference voltage,
When the first output voltage rises above the first reference voltage, the accumulated energy is transferred to the load and the energy storage device until the energy storage device is fully charged,
After the energy storage device is fully charged, the power management integrated circuit delivers the accumulated energy to the load until the first output voltage reaches a second reference voltage that is greater than the first reference voltage. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 SIDO 부스트 컨버터는,
상기 축적된 에너지를 상기 부하와 상기 에너지 저장 장치에 전달하는 경우,
상기 부하 전류가 제1 기준값보다 작은 경부하 조건에서는 상기 제2 출력 전압이 상기 제1 출력 전압보다 크도록 상기 축적된 에너지를 전달하고,
상기 부하 전류가 상기 제1 기준값보다 큰 제2 기준값보다 큰 중부하 조건에서는 상기 제1 출력 전압이 상기 제2 출력 전압보다 크도록 상기 축적된 에너지를 전달하는 전력관리 집적회로. The method of claim 1, wherein the SIDO boost converter,
When transferring the accumulated energy to the load and the energy storage device,
In a light load condition in which the load current is less than a first reference value, the accumulated energy is transferred so that the second output voltage is greater than the first output voltage,
The power management integrated circuit for delivering the accumulated energy so that the first output voltage is greater than the second output voltage under a heavy load condition in which the load current is greater than a second reference value greater than the first reference value. 제1항에 있어서, 상기 SIDO 부스트 컨버터는,
상기 제1 출력 전압이 상기 제1 기준 전압에 도달한 경우, 상기 제1 출력 전압이 상기 제1 기준 전압과 상기 제2 기준 전압 사이에서 증가와 감소를 반복하도록 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하는 전력관리 집적회로. The method of claim 1, wherein the SIDO boost converter,
When the first output voltage reaches the first reference voltage, the accumulated energy is transferred to the load so that the first output voltage increases and decreases repeatedly between the first reference voltage and the second reference voltage. Power management integrated circuit. 제1항에 있어서, 상기 SIDO 부스트 컨버터는
상기 입력 노드와 상기 스위칭 노드 사이에 연결되는 상기 하나의 인덕터;
상기 스위칭 노드와 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 제어 전압 신호들 중 제1 제어 전압 신호에 응답하여 상기 스위칭 노드를 선택적으로 디스차지하는 제1 스위칭 소자;
상기 스위칭 노드와 상기 제1 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 제어 전압 신호들 중 제2 제어 전압 신호에 응답하여, 상기 제1 출력 전압을 상기 제1 출력 노드에 연결되는 제1 출력 커패시터에 선택적으로 충전시키는 제2 스위칭 소자; 및
상기 스위칭 노드와 상기 제2 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 제어 전압 신호들 중 제3 제어 전압 신호에 응답하여, 상기 제2 출력 전압을 상기 제2 출력 노드에 연결되는 제2 출력 커패시터에 선택적으로 충전시키는 제3 스위칭 소자를 포함하고,
상기 제2 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 대하여 병렬로 연결되는 전력관리 집적회로.The method of claim 1, wherein the SIDO boost converter
The one inductor connected between the input node and the switching node;
A first switching element connected between the switching node and a ground voltage and selectively discharging the switching node in response to a first control voltage signal among the control voltage signals;
It is connected between the switching node and the first output node, in response to a second control voltage signal among the control voltage signals, selectively applying the first output voltage to a first output capacitor connected to the first output node A second switching element for charging; And
It is connected between the switching node and the second output node, in response to a third control voltage signal among the control voltage signals, selectively applying the second output voltage to a second output capacitor connected to the second output node Including a third switching element for charging,
The second switching element and the third switching element are connected in parallel with respect to the switching node. 제5항에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 제1 제어 전압 신호를 수신하는 게이트를 구비하는 엔모스 트랜지스터를 포함하고,
상기 제2 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 출력 노드에 연결되는 소스 및 상기 제2 제어 전압 신호를 수신하는 게이트를 구비하는 제1 피모스 트랜지스터를 포함하고,
상기 제3 스위칭 소자는 상기 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제2 출력 노드에 연결되는 소스 및 상기 제3 제어 전압 신호를 수신하는 게이트를 구비하는 제2 피모스 트랜지스터를 포함하는 전력관리 집적회로. The method of claim 5,
The first switching element includes an NMOS transistor having a drain connected to the switching node, a source connected to the ground voltage, and a gate receiving the first control voltage signal,
The second switching element includes a first PMOS transistor having a drain connected to the switching node, a source connected to the first output node, and a gate for receiving the second control voltage signal,
The third switching element includes a second PMOS transistor including a drain connected to the switching node, a source connected to the second output node, and a gate for receiving the third control voltage signal. 제5항에 있어서, 상기 제어 전압 생성기는
상기 입력 전압에 기초하여 상기 열전 소자로부터 상기 SIDO 부스트 컨버터에 최대 전력이 전달되는 경우의 최대 전력 전달 전압에 기초하여 상기 제1 제어 전압 신호를 생성하는 제1 제어 전압 생성부; 및
상기 제1 전압과 상기 제1 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제2 제어 전압 신호를 생성하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제3 제어 전압 신호를 생성하는 제2 제어 전압 생성부를 포함하는 전력관리 집적 회로.The method of claim 5, wherein the control voltage generator
A first control voltage generator configured to generate the first control voltage signal based on a maximum power transfer voltage when maximum power is transferred from the thermoelectric element to the SIDO boost converter based on the input voltage; And
A second control voltage signal is generated based on a difference between the first voltage and the first output voltage, and the third control voltage signal is generated based on a difference between the first voltage and the second output voltage. 2 Power management integrated circuit including a control voltage generator. 제7항에 있어서,
상기 제1 제어 전압 생성부는 상기 최대 전력 전달 전압에 기초하여 상기 제1 제어 전압 신호가 제1 로직 레벨로 활성화되는 활성화 구간을 결정하여 상기 제1 제어 전압 신호를 생성하고,
상기 제2 제어 전압 생성부는 상기 제1 전압과 상기 제1 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제1 전압이 상기 제1 출력 전압보다 큰 구간 동안에 상기 제1 로직 레벨로 비활성화되는 상기 제2 제어 전압 신호를 생성하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제1 전압이 상기 제2 출력 전압보다 큰 구간 동안에 상기 제1 로직 레벨로 비활성화되는 상기 제3 제어 전압 신호를 생성하는 전력관리 집적회로. The method of claim 7,
The first control voltage generator generates the first control voltage signal by determining an activation period in which the first control voltage signal is activated to a first logic level based on the maximum power transfer voltage,
The second control voltage generator is the second control voltage signal that is deactivated to the first logic level while the first voltage is greater than the first output voltage based on a difference between the first voltage and the first output voltage. And generating the third control voltage signal that is deactivated to the first logic level during a period in which the first voltage is greater than the second output voltage based on a difference between the first voltage and the second output voltage. Power management integrated circuit. 주변의 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 수집하여 입력 전압을 생성하는 에너지 하베스터;
입력 노드를 통하여 상기 입력 전압을 수신하고, 상기 입력 전압에 기초하여 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 제1 출력 노드로 제공하고, 상기 제2 출력 전압을 제2 출력 노드로 제공하는 전력관리 집적회로;
상기 제1 출력 노드에 연결되어 상기 제1 출력 전압을 제공받아 동작하는 어플리케이션; 및
상기 제2 출력 노드에 연결되어, 상기 제2 출력 전압을 내부에 충전하는 에너지 저장 장치를 포함하고,
상기 전력관리 집적 회로는 상기 어플리케이션으로 흘러가는 부하 전류에 기초하여 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압의 비율을 적응적으로 조절하고,
상기 전력관리 집적회로는
상기 입력 노드를 통하여 수신된 상기 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하여, 상기 입력 전압에 기초하여 제1 출력 전압과 제2 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 상기 제1 출력 노드를 통하여 상기 어플리케이션에 제공하고, 상기 제2 출력 전압을 상기 제2 출력 노드를 통하여 상기 에너지 저장 장치에 충전하되, 상기 부하 전류 및 복수의 제어 전압 신호들에 기초하여 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압의 비율을 적응적으로 조절하는 단일 입력-이중 출력(single input-double output (SIDO)) 부스트 컨버터; 및
상기 입력 전압, 상기 인덕터에 연결되는 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 제어 전압 신호들을 생성하는 제어 전압 생성기를 포함하고,
상기 입력 전압은 상기 에너지 하베스터로부터 상기 SIDO 부스트 컨버터로 최대 전력이 전달되는 경우의 전압을 가지는 에너지 하베스팅 시스템.An energy harvester that collects energy generated from surrounding energy sources to generate an input voltage;
Receiving the input voltage through an input node, generating a first output voltage and a second output voltage based on the input voltage, providing the first output voltage to a first output node, and providing the second output voltage A power management integrated circuit that provides a second output node;
An application connected to the first output node and operating by receiving the first output voltage; And
An energy storage device connected to the second output node to charge the second output voltage therein,
The power management integrated circuit adaptively adjusts a ratio of the first output voltage and the second output voltage based on a load current flowing to the application,
The power management integrated circuit
With one inductor that accumulates energy based on the input voltage received through the input node, generates a first output voltage and a second output voltage based on the input voltage, and generates the first output voltage. Provided to the application through a first output node, the second output voltage is charged to the energy storage device through the second output node, the first output based on the load current and a plurality of control voltage signals A single input-double output (SIDO) boost converter that adaptively adjusts a ratio of a voltage and the second output voltage; And
A control voltage generator that generates the control voltage signals based on the input voltage, a first voltage of a switching node connected to the inductor, the first output voltage, and the second output voltage,
The input voltage is an energy harvesting system having a voltage when maximum power is transmitted from the energy harvester to the SIDO boost converter. 삭제delete 제9항에 있어서, 상기 SIDO 부스트 컨버터는
상기 제1 출력 전압이 제1 기준 전압에 도달할 때 까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하고,
상기 제1 출력 전압이 제1 기준 전압 이상 상승하면, 상기 에너지 저장 장치과 완충될 때까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하와 상기 에너지 저장 장치에 전달하고,
상기 에너지 저장 장치가 완충된 후, 상기 제1 출력 전압이 상기 제1 기준 전압보다 큰 제2 기준 전압에 도달할 때까지는 상기 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하는 에너지 하베스팅 시스템.
The method of claim 9, wherein the SIDO boost converter
Transfer the accumulated energy to the load until the first output voltage reaches a first reference voltage,
When the first output voltage rises above the first reference voltage, the accumulated energy is transferred to the load and the energy storage device until the energy storage device and the energy storage device are fully charged,
After the energy storage device is fully charged, the energy harvesting system transfers the accumulated energy to the load until the first output voltage reaches a second reference voltage greater than the first reference voltage.
 삭제delete
KR1020190006507A 2019-01-18 2019-01-18 Power management integrated circuit and energy harvesting system KR102195448B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190006507A KR102195448B1 (en) 2019-01-18 2019-01-18 Power management integrated circuit and energy harvesting system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190006507A KR102195448B1 (en) 2019-01-18 2019-01-18 Power management integrated circuit and energy harvesting system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200089805A KR20200089805A (en) 2020-07-28
KR102195448B1 true KR102195448B1 (en) 2020-12-29

Family

ID=71831703

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190006507A KR102195448B1 (en) 2019-01-18 2019-01-18 Power management integrated circuit and energy harvesting system

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102195448B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102592119B1 (en) * 2021-07-27 2023-10-23 한국과학기술원 Power management integrated circuit for energy harvesting and energy harvesting system

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101962176B1 (en) * 2015-04-13 2019-03-26 에스케이하이닉스 주식회사 Single inductor multi output dc/dc converter
KR101981212B1 (en) * 2016-01-11 2019-05-22 한국전자통신연구원 Single inductor multiple output direct current-to-direct current converter and operating method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200089805A (en) 2020-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102016688B1 (en) Apparatus for converting energy
US20170310141A1 (en) Energy converting apparatus and method
US7663342B2 (en) Apparatus, system, and method for controlling multiple power supplies
US9722420B2 (en) Adaptive power control for energy harvesting
US8704494B2 (en) Circuit topology for pulsed power energy harvesting
US7208928B2 (en) Oscillatorless DC-DC power converter
US8669748B2 (en) Device for synchronous DC-DC conversion and synchronous DC-DC converter
EP3002863B1 (en) Single inductor dc-dc converter with regulated output, energy storage and energy harvesting system
US20110006742A1 (en) Dynamic Energy Harvesting Control
US9812961B2 (en) Direct current conversion device and operation method of the same
US9991715B1 (en) Maximum power point tracking method and apparatus
US8928294B2 (en) Step-up switching power supply
KR101696427B1 (en) Energy harvester and wireless switch using the same
US20170117730A1 (en) Efficient supercapacitor charging technique by a hysteretic charging scheme
US8995487B1 (en) Laser driver subsystem
KR102195448B1 (en) Power management integrated circuit and energy harvesting system
Meng et al. An indoor solar energy harvesting system using dual mode SIDO converter with fully digital time-based MPPT
EP3769397A1 (en) Method and device for charging a storage device with energy from an energy harvester
US20150381041A1 (en) Low-light solar boost converter and control method therefor
Hora et al. Design of buck converter with dead-time control and automatic power-down system for WSN application
Umaz Design of a single-stage power converter operating in burst and continuous modes for low-power energy sources
Umaz et al. An architecture for two ambient energy sources
Umaz A battery-less energy platform for low-power energy sources powering multiple loads
KR102320700B1 (en) Power management integrated circuit and energy harvesting system
Umaz SIDO: A single‐input double‐output energy harvesting architecture operating in burst mode with 74.87% peak end‐to‐end efficiency

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant