KR102320700B1 - 전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

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    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 전력관리 집적회로는 재구성가능(reconfigurable) 컨버터 및 제어 전압 생성기를 포함한다. 상기 재구성가능 컨버터는 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하고, 상기 입력 전압에 기초하여 제2 출력 전압을 선택적으로 생성하고, 상기 제2 출력 전압을 제1 노드에 연결된 에너지 저장 장치에 저장하되, 복수의 제어 전압 신호들 및 스위칭 제어 신호들에 기초하여 벅 컨버터, 부스트 컨버터 및 단일-입력 멀티-출력(single-input multi-output(SIMO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하여 제1 동작 모드에서는 상기 입력 전압과 상기 제2 출력 전압을 기초로 제1 출력 전압을 생성하고, 제2 동작 모드에서는 상기 입력 전압을 기초로 상기 제1 출력 전압을 생성하고, 제3 동작 모드에서는 상기 입력 전압을 기초로 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압을 생성한다. 상기 제어 전압 생성기는 상기 입력 전압, 상기 하나의 인덕터의 제1 단에 연결되는 제1 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 인덕터의 제2 단에 연결되는 제2 스위칭 노드의 제2 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 제어 전압 신호들과 상기 스위칭 제어 신호들을 생성한다.

Description

전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템{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.
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.
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.
도 1은 종래의 일반적인 열전기 에너지 하베스팅 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
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.
종래의 열전기 에너지 하베스팅 시스템(5)에 사용되는 PMIC(20)는 낮은 입력 전압(VIN)으로부터 전원 관리 장치(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)을 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 시동 회로(22)와 부스트 컨버터(24)의 조합으로부터 보다 낮은 제조 비용(bill of material; BOM)으로 제조되면서, 보다 높은 출력 효율을 갖는 전원 관리 장치가 요구된다.
본 발명의 하나의 인덕터만을 이용하여 벅 컨버터, 부스트 컨버터, SIMO 부스트 컨버터를 구현하여 제조 비용을 감소시킬 수 있는 전력관리 집적회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 목적은 상기 전력관리 집적회로를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하는데 있다.
다만, 본 발명의 목적은 상술한 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 전력관리 집적회로는 재구성가능(reconfigurable) 컨버터 및 제어 전압 생성기를 포함한다. 상기 재구성가능 컨버터는 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하고, 상기 입력 전압에 기초하여 제2 출력 전압을 선택적으로 생성하고, 상기 제2 출력 전압을 제1 노드에 연결된 에너지 저장 장치에 저장하되, 복수의 제어 전압 신호들 및 복수의 스위칭 제어 신호들에 기초하여 벅 컨버터, 부스트 컨버터 및 단일-입력 멀티-출력(single-input multi-output(SIMO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하여 제1 동작 모드에서는 상기 입력 전압과 상기 제2 출력 전압을 기초로 제1 출력 전압을 생성하고, 제2 동작 모드에서는 상기 입력 전압을 기초로 상기 제1 출력 전압을 생성하고, 제3 동작 모드에서는 상기 입력 전압을 기초로 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압을 생성한다. 상기 제어 전압 생성기는 상기 입력 전압, 상기 하나의 인덕터의 제1 단에 연결되는 제1 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 인덕터의 제2 단에 연결되는 제2 스위칭 노드의 제2 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 복수의 제어 전압 신호들과 상기 복수의 스위칭 제어 신호들을 생성하고, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 입력 노드와 상기 제1 스위칭 노드 사이에 연결되고, 상기 복수의 스위칭 제어 신호들 중 제1 스위칭 제어 신호를 수신하는 수신하는 제1 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 노드와 상기 제2 스위칭 노드 사이에 연결되는 상기 하나의 인덕터; 상기 제1 스위칭 노드와 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 복수의 제어 전압신호들 중 제1 제어 전압 신호를 수신하는 제2 스위칭 소자; 상기 제2 스위칭 노드와 상기 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 복수의 제어 전압 신호들 중 제2 제어 전압 신호를 수신하는 제3 스위칭 소자; 상기 제2 스위칭 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 스위칭 제어 신호들 중 제2 스위칭 제어 신호를 수신하는 제4 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 노드와 상기 제1 노드에 연결되고, 상기 복수의 제어 신호들 중 제3 제어 전압 신호를 수신하는 제5 스위칭 소자; 상기 제2 스위칭 노드와 상기 제1 노드에 연결되고, 상기 제어 전압 신호들 중 제4 제어 전압 신호를 수신하는 제6 스위칭 소자; 상기 입력 노드와 상기 에너지 저장 장치에 연결되는 제2 노드 사이에 연결되고, 상기 복수의 스위칭 제어 신호들 중 제3 스위칭 제어 신호를 수신하는 제7 스위칭 소자; 및 상기 제2 노드와 상기 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 복수의 스위칭 제어 신호들 중 제4 스위칭 제어 신호를 수신하는 제8 스위칭 소자를 포함한다. 상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자는 상기 제1 노드에 대하여 병렬로 연결된다.
실시예에 있어서, 상기 재구성가능 컨버터에 연결되는 부하가 상기 열전 소자가 제공하는 이용가능 전력보다 큰 전력을 소모하는 상기 제1 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 벅 컨버터로 동작하고, 상기 부하가 상기 열전 소자가 제공하는 상기 이용가능 전력보다 작은 전력을 소모하는 경우에, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 제2 동작 모드에서 상기 부스트 컨버터로 동작하거나 상기 제3 동작 모드에서 상기 SIMO 부스트 컨버터로 동작할 수 있다.
상기 제1 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 입력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 하나의 인덕터에 축적된 에너지를 상기 부하에 전달할 수 있다.
상기 열전 소자가 제공하는 상기 이용가능 전력이 기준값 미만인 상기 제2 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 부스트 컨버터로 동작하고, 상기 제2 동작 모드에서 상기 부스트 컨버터는 상기 입력 전압에 기초하여 상기 인덕터에 축적된 에너지를 상기 부하에 전달할 수 있다.
상기 열전 소자가 제공하는 상기 이용가능 전력이 기준값 이상인 상기 제3 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 SIMO 부스트 컨버터로 동작하고, 상기 제3 동작 모드에서 상기 SIMO 부스트 컨버터는 상기 입력 전압에 기초하여 축적된 에너지를 상기 부하와 상기 에너지 저장 장치에 전달할 수 있다.
상기 제1 스위칭 소자는 상기 입력 노드에 연결되는 소스, 상기 제1 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제1 엔모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 제1 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제2 엔모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제3 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제2 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제3 엔모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제4 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 노드에 연결되는 소스, 상기 제2 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트, 상기 출력 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 노드의 제1 전압을 수신하는 바디를 구비하는 제1 피모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제5 스위칭 소자는 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 상기 제3 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 제1 스위칭 노드에 연결되는 드레인 및 상기 제1 노드에 연결되는 바디를 구비하는 제2 피모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제6 스위칭 소자는 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 상기 제4 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 제2 스위칭 노드에 연결되는 드레인 및 상기 제1 노드에 연결되는 바디를 구비하는 제3 피모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제7 스위칭 소자는 상기 입력 노드에 연결되는 소스, 상기 제3 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트, 상기 제2 노드에 연결되는 드레인 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제4 엔모스 트랜지스터를 포함하고, 상기 제8 스위칭 소자는 상기 제2 노드에 연결되는 드레인, 상기 제4 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제5 엔모스 트랜지스터를 포함한다.
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본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 하베스터, 전력관리 집적회로, 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 제2 출력 전압을 선택적으로 생성하고, 상기 제2 출력 전압을 제1 노드에 제공하되, 상기 입력 전압에 기초하고 동작 모드에 따라 상기 제2 출력 전압에 선택적으로 기초하여 제1 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 출력 노드로 제공한다. 상기 어플리케이션은 상기 출력 노드에 연결되어 상기 제1 출력 전압을 제공받아 동작한다. 상기 에너지 저장 장치는 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어 상기 제2 출력 전압을 내부에 저장한다. 상기 전력관리 집적 회로는 어플리케이션에서 소모되는 부하 전류에 기초하여 상기 동작 모드에 따라 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 및 단일-입력 멀티-출력(single-input multi-output(SIMO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하는 재구성가능(reconfigurable)컨버터를 포함를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 전력관리 집적회로는 제어 전압 생성기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 전압 생성기는 상기 입력 전압, 상기 인덕터의 제1 단에 연결되는 제1 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 인덕터의 제2 단에 연결되는 제2 스위칭 노드의 제2 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 복수의 제어 전압 신호들과 복수의 스위칭 제어 신호들을 생성한다.
본 발명의 실시예들에 따른 구성가능 컨버터를 포함하는 전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템은 재구성가능 컨버터가 하나의 인덕터만을 포함하고 배터리와 연결되어 부하에서 소모되는 전력에 기초한 동작 모드에 따라 벅 컨버터, 부스터 컨버터 및 SIMO(SIDO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하여, 벅 컨버터, 부스터 컨버터 및 SIMO 부스트 컨버터를 자동으로 재구성함으로서 배터리를 충방전하여 열전 소자에서 제공되는 입력 전력보다 높은 출력 전력을 선택적으로 이용할 수 있다. 또한 하나의 인덕터만을 포함하여 벅 컨버터, 부스터 컨버터 및 SIMO 부스트 컨버터를 구성할 수 있으므로 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
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 재구성가능 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 도 3의 전력관리 집적회로에서 제어 전압 생성기를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 도 4의 재구성가능 컨버터가 제2 동작 모드에서 부스터 컨버터로 동작하는 것을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 도 4의 재구성가능 컨버터가 제3 동작 모드에서 SIMO 부스터 컨버터로 동작하는 것을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 도 4의 재구성가능 컨버터가 제1 동작 모드에서 벅 컨버터로 동작하는 것을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 부하에서 소모되는 전력량에 따라 도 4의 재구성가능 컨버터의 동작 모드를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 부하에서 소모되는 전력량에 따라 도 4의 재구성가능 컨버터의 동작 모드를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
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. 에너지 저장 장치(350)는 배터리로 지칭될 수 있다.
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.
전력관리 접적회로(100)는 입력 노드(NI)를 통하여 입력 전압(VIN)을 수신하고, 입력 전압(VIN)에 기초하여 제2 출력 전압(VBAT)을 선택적으로 생성하고, 제2 출력 전압(VBAT)을 제1 노드(N11)와 제2 노드(N12)에 연결된 에너지 저장 장치(350)에 저장하고, 입력 전압(VIN)에 기초하고 동작 모드에 따라, 제2 출력 전압(VBAT)에 선택적으로 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)을 생성하고, 상기 제1 출력 전압(VOUT)을 출력 노드(NO)를 통하여 부하(300)로 제공할 수 있다.
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. 부하(300)는 출력 노드(NO)에 연결되어, 출력 전압(VOUT)을 제공받아 동작하고, 부하(300)가 소모하는 전류의 양에 따라 부하 전류(ILOAD)가 변동될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 도 2의 전력관리 집적회로를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 전력관리 집적회로(100)는 재구성가능(reconfigurable) 컨버터(110) 및 제어 전압 생성기(200)를 포함할 수 있다.
재구성가능(reconfigurable) 컨버터(110)는 입력 전압(VIN)에 기초하여 제2 출력 전압(VBAT)을 선택적으로 생성하고, 제2 출력 전압(VBAT)을 제1 노드(N11)와 제2 노드(N12)에 연결된 에너지 저장 장치(350)에 저장하고, 복수의 제어 전압 신호들(VGN, VGP) 및 스위칭 제어 신호들(SCS)에 기초하여 벅 컨버터, 부스트 컨버터 및 단일-입력 멀티-출력(single-input multi-output(SIMO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하여 제1 동작 모드에서는 입력 전압(VIN)과 제2 출력 전압(VBAT)을 기초로 제1 출력 전압(VOUT)을 생성하고, 제2 동작 모드에서는 입력 전압(VIN)을 기초로 제1 출력 전압(VOUT)을 생성하고, 제3 동작 모드에서는 입력 전압(VIN)을 기초로 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)을 생성할 수 있다.
제어 전압 생성기(200)는 입력 전압(VIN), 하나의 인덕터의 제1 단에 연결되는 제1 스위칭 노드(SN1)의 제1 전압(VX1), 하나의 인덕터의 제2 단에 연결되는 제2 스위칭 노드(SN2)의 제2 전압(VX3), 제1 출력 전압(VOUT) 및 제2 출력 전압(VBAT)에 기초하여 제어 전압 신호들(VGN, VGP) 및 스위칭 제어 신호들(SCS)을 생성하고, 제어 전압 신호들(VGN, VGP) 및 스위칭 제어 신호들(SCS)을 재구성가능 컨버터(110)에 제공할 수 있다.
재구성가능 컨버터(110)는 제어 전압 신호들(VGN, VGP) 및 스위칭 제어 신호들(SCS)에 기초하여 동작 모드에 따라 벅 컨버터, 부스트 컨버터 및 SIMO 부스트 컨버터 중 하나로 동작할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 다른 도 3의 전력관리 집적회로에서 재구성가능 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 재구성가능 컨버터(110)는 하나의 인덕터(L, 115), 제1 내지 제8 스위칭 소자들(121, 123, 125, 127, 131, 133, 135, 137), 및 출력 커패시터들(COUT)를 포함할 수 있다.
하나의 인덕터(115)는 제1 스위칭 노드(SN1)와 제2 스위칭 노드(SN2) 사이에 연결된다. 하나의 인덕터(L)에는 입력 전압(VIN) 또는 입력 전압(VIN) 및 제2 출력 전압(VBAT)의 크기에 기초하는 인덕터 전류(IL)가 흘러, 입력 전압(VIN) 또는 입력 전압(VIN) 및 제2 출력 전압(VBAT)을 에너지로 축적할 수 있다.
제1 스위칭 소자(121)는 입력 노드(NI)와 제1 스위칭 노드(SN1)에 연결되고, 제1 스위칭 제어 신호(SCS1)에 응답하여 입력 노드(NI)를 제1 스위칭 노드(SN1)에 연결시킨다. 제1 스위칭 소자(121)는 입력 노드(NI)에 연결되는 소스, 제1 스위칭 노드(SN1)에 연결되는 드레인, 제1 스위칭 제어 신호(SCS1)를 수신하는 게이트 및 접지 전압(VSS)에 연결되는 바디를 구비하는 제1 엔모스 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제2 스위칭 소자(123)는 제1 스위칭 노드(SN1)와 접지 전압(VSS) 사이에 연결되고, 제1 제어 전압 신호(VGN1)를 수신할 수 있다. 제2 스위칭 소자(123)는 제1 스위칭 노드(SN1)에 연결되는 드레인, 제1 제어 전압 신호(VGN1)를 수신하는 게이트, 접지 전압(VSS)에 연결되는 소스 및 접지 전압(VSS)에 연결되는 바디를 구비하는 제2 엔모스 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제3 스위칭 소자(125)는 제2 스위칭 노드(SN2)와 접지 전압(VSS) 사이에 연결되고, 제2 제어 전압 신호(VGN2)를 수신할 수 있다. 제3 스위칭 소자(125)는 제2 스위칭 노드(SN2)에 연결되는 드레인, 제2 제어 전압 신호(VGN2)를 수신하는 게이트, 접지 전압(VSS)에 연결되는 소스 및 접지 전압(VSS)에 연결되는 바디를 구비하는 제3 엔모스 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제4 스위칭 소자(127)는 제2 스위칭 노드(SN2)와 출력 노드(NO) 사이에 연결되고, 제2 스위칭 제어 신호(SCS2)에 응답하여 제2 스위칭 노드(SN2)를 출력 노드(NO)에 연결시킬 수 있다. 제4 스위칭 소자(127)는 제2 스위칭 노드(SN2)에 연결되는 소스, 제2 스위칭 제어 신호(SCS2)를 수신하는 게이트, 출력 노드(NO)에 연결되는 드레인 및 제1 노드(N11)의 제3 전압(VH)을 수신하는 바디를 구비하는 제1 피모스 트랜지스터일 수 있다.
출력 커패시터(VOUT)는 출력 노드(NO)와 접지 전압(VSS) 사이에 연결되고, 출력 전압(VOUT)을 저장할 수 있다.
제5 스위칭 소자(131)는 제1 노드(N11)와 제1 스위칭 노드(SN1) 사이에 연결되고, 제3 제어 전압 신호(VGP1)를 수신할 수 있다. 제5 스위칭 소자(131)는 제1 노드(N11)에 연결되는 소스, 제1 스위칭 노드(SN1)에 연결되는 드레인, 제3 제어 전압 신호(VGP1)를 수신하는 게이트 및 제1 노드(N11)에 연결되는 바디를 구비하는 제2 피모스 트랜지스터일 수 있다.
제6 스위칭 소자(133)는 제1 노드(N11)와 제2 스위칭 노드(SN2) 사이에 연결되고, 제4 제어 전압 신호(VGP2)를 수신할 수 있다. 제6 스위칭 소자(133)는 제1 노드(N11)에 연결되는 소스, 제2 스위칭 노드(SN22)에 연결되는 드레인, 제4 제어 전압 신호(VGP2)를 수신하는 게이트 및 제1 노드(N11)에 연결되는 바디를 구비하는 제3 피모스 트랜지스터일 수 있다.
제5 스위칭 소자(131)와 제6 스위칭 소자(133)는 제1 노드(N11)에 대하여 서로 병렬로 연결될 수 있다.
제7 스위칭 소자(135)는 입력 노드(NI)와 제2 노드(N22) 사이에 연결되고, 제3 스위칭 제어 신호(SCS3)에 응답하여 입력 노드(NI)을 제2 노드(N12)에 연결시킬 수 있다. 제7 스위칭 소자(135)는 입력 노드(NI)에 연결되는 소스, 제2 노드(N22)에 연결되는 드레인, 제3 스위칭 제어 신호(SCS3)를 수신하는 게이트 및 접지 전압(VSS)에 연결되는 바디를 구비하는 제4 엔모스 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제8 스위칭 소자(135)는 제2 노드(N22)와 접지 전압(VSS) 사이에 연결되고, 제4 스위칭 제어 신호(SCS3)에 응답하여 제2 노드(N12)를 접지 전압(VSS)에 연결시킬 수 있다. 제8 스위칭 소자(137)는 제2 노드(N22)에 연결되는 드레인, 접지 전압(VSS)에 연결되는 소스, 제4 스위칭 제어 신호(SCS3)를 수신하는 게이트 및 접지 전압(VSS)에 연결되는 바디를 구비하는 제5 엔모스 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제1 노드(N11)와 제2 노드(N12) 사이에 배터리(350)가 연결되어, 제2 출력 전압(VBAT)을 저장할 수 있다. 제1 노드(N11)의 전압이 제3 전압(VH)에 해당한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 에너지 하베스터(10)에서 입력 노드(NI)를 통하여, 입력 전압(VIN)이 제공되고, 입력 노드(NI)에서 재구성가능 컨버터(110)를 바로본 입력 저항이 RINB인 경우, VIN = VTEG/2인 경우에, 에너지 하베스터(10)에서 재구성가능 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.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 도 3의 전력관리 집적회로에서 제어 전압 생성기를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 제어 전압 생성기(200)는 제1 제어 전압 생성부(210), 제2 제어 전압 생성부(220) 및 스위칭 신호 생성기(250)를 포함할 수 있다.
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(213)에 제공한다. 온-타임 전압 생성기(213)는 최대 전력 전달 전압(VMPPT)에 기초하여 제1 제어 전압 신호(VGN1)와 제2 제어 전압 신호(VGN1)를 생성한다. 따라서, 제1 제어 전압 생성부(210)는 최대 전력 전달 전압(VMPPT)에 기초하여 제1 및 제2 제어 전압 신호들(VGN1, VGN2) 각각이 제1 로직 레벨(하이 레벨)로 활성화되는 활성화 구간을 결정하여 제1 및 제2 제어 전압 신호들(VGN1, VGN2)을 생성할 수 있다.
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.
제1 히스테리시스 비교기(231)는 제1 전압(VX1)과 제1 출력 전압(VOUT)을 비교하고, 제1 전압(VX1)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 제3 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(VX1)과 제1 출력 전압(VOUT)의 차이에 기초하여 제1 전압(VX1)이 제1 출력 전압(VOUT)보다 큰 제1 구간 동안 제1 로직 레벨로 비활성화되는 제3 전압 제어 신호(VGP1)를 출력할 수 있다.
제2 히스테리시스 비교기(241)는 제2 전압(VX2)과 제2 출력 전압(VBAT)을 비교하고, 제2 전압(VX2)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 제4 전압 제어 신호(VGP2)를 출력한다. 따라서, 제2 히스테리시스 비교기(241), 제2 가변 지연부(243) 및 제2 오프-타임 전압 생성기(245)는 제2 전압(VX2)과 제2 출력 전압(VBAT)의 차이에 기초하여 제2 전압(VX2)이 제2 출력 전압(VBAT)보다 큰 제2 구간 동안 제1 로직 레벨로 비활성화되는 제4 전압 제어 신호(VGP2)를 출력할 수 있다.
스위칭 신호 생성기(250)는 인에이블 신호(EN)에 응답하여 제1 내지 제4 스위칭 제어 신호들(SCS1~SCS4)를 생성할 수 있다. 인에이블 신호(EN)는 어플리케이션(300)으로부터 제공될 수 있고, 어플리케이션(300)이 에너지 하베스터(10)가 제공하는 이용가능 전력보다 큰 전력을 소모하는지 작은 전력을 소모하는지와 작은 전력을 소모하는 경우, 상기 이용가능 전력이 기준값 이상인지, 미만인지 여부를 나타낼 수 있다. 인에이블 신호(EN)는 복수의 비트들을 포함하여, 상기 정보를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 2의 어플리케이션(300)에서, 트랜시버(315)가 동작하는 경우, 인에이블 신호(EN)는 어플리케이션(300)이 에너지 하베스터(10)가 제공하는 이용가능 전력보다 큰 전력을 소모하는 것을 나타낼 수 있다. 예들 들어, 도 2의 어플리케이션(300)에서, 트랜시버(315)가 동작하지 않고, 마이크로프로세서(311)와 센서(313)가 동작하는 경우, 인에이블 신호(EN)는 어플리케이션(300)이 에너지 하베스터(10)가 제공하는 이용가능 전력보다 작은 전력을 소모하는 것을 나타낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 도 4의 재구성가능 컨버터가 제2 동작 모드에서 부스터 컨버터로 동작하는 것을 나타낸다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 부하(300)가 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능 전력보다 작은 전력을 소모하고, 열전 소자(10)가 제공하는 상기 이용가능 전력이 기준값 미만인 경우, 제어 전압 생성기(200)로부터의 제어 전압 신호들(VGN1, VGN2, VGP1, VGP2) 및 스위칭 제어 신호들(SCS1~SCS4)에 응답하여, 제5 내지 제8 스위칭 소자들(131, 133, 135, 137)은 턴-오프되고, 제1 스위칭 소자(121)는 도통되어 입력 노드(NI)를 제1 스위칭 노드(SN1)에 연결하고, 제3 스위칭 소자(125)는 제어 전압 신호(VGN2)에 응답하여 동작하고, 제4 스위칭 소자(127)는 도통되어 제2 스위칭 노드(SN2)를 출력 노드(NO)에 연결시킨다. 따라서, 입력 전압(VIN)에 기초하여 에너지가 인덕터(115)에 축적되고, 축적된 에너지는 출력 노드(NO)를 통하여 제1 출력 전압(VOUT)으로서 부하(300)에 제공된다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 도 4의 재구성가능 컨버터가 제3 동작 모드에서 SIMO 부스터 컨버터로 동작하는 것을 나타낸다.
도 4, 도 5 및 도 7을 참조하면, 부하(300)가 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능 전력보다 작은 전력을 소모하고, 열전 소자(10)가 제공하는 상기 이용가능 전력이 기준값 이상인 경우, 제어 전압 생성기(200)로부터의 제어 전압 신호들(VGN1, VGN2, VGP1, VGP2) 및 스위칭 제어 신호들(SCS1~SCS4)에 응답하여, 제2 스위칭 소자(123), 제5 스위칭 소자(131) 및 제7 스위칭 소자(135)는 턴-오프되고, 제1 스위칭 소자(121)는 도통되어 입력 노드(NI)를 제1 스위칭 노드(SN1)에 연결하고, 제3 스위칭 소자(125)는 제어 전압 신호(VGN2)에 응답하여 동작하고, 제4 스위칭 소자(127)는 도통되어 제2 스위칭 노드(SN2)를 출력 노드(NO)에 연결시키고, 제6 스위칭 소자(133)는 제어 전압 신호(VGP2)에 응답하여 동작하고, 제8 스위칭 소자(137)는 도통되어, 제2 노드(N12)를 접지 전압(VSS)에 연결시킨다.
따라서, 제3 동작 모드에서는 입력 전압(VIN)에 기초한 에너지가 인덕터(115)에 축적되고, 축적된 에너지에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)과 제2 출력 전압(VBAT)이 생성되고, 제1 출력 전압(VOUT)은 출력 노드(NO)를 통하여 부하(300)에 제공되고, 제2 출력 전압(VBAT)은 제1 노드(N11)를 통하여 배터리(350)에 저장된다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 도 4의 재구성가능 컨버터가 제1 동작 모드에서 벅 컨버터로 동작하는 것을 나타낸다.
도 4, 도 5 및 도 8을 참조하면, 부하(300)가 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능 큰 전력을 소모하는 경우, 제어 전압 생성기(200)로부터의 제어 전압 신호들(VGN1, VGN2, VGP1, VGP2) 및 스위칭 제어 신호들(SCS1~SCS4)에 응답하여, 제1 스위칭 소자(121), 제3 스위칭 소자(125), 제6 스위칭 소자(133) 및 제8 스위칭 소자(137)는 턴-오프되고, 제7 스위칭 소자(135)는 도통되어 제2 노드(N12)를 입력 노드(VIN)에 연결시키고, 제2 스위칭 소자(123)는 제어 전압 신호(VGN1)에 응답하여 동작하고, 제5 스위칭 소자(131)는 제어 전압 신호(VGP1)에 응답하여 동작하고, 제4 스위칭 소자(127)는 도통되어, 제2 스위칭 노드(SN2)를 출력 노드(NO)에 연결시킨다. 따라서, 제1 동작 모드에서는 입력 전압(VIN)과 제2 출력 전압(VBAT)에 기초하녀 에너지가 인덕터(115)에 축적되고, 축적된 에너지에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT)이 생성되고, 제1 출력 전압(VOUT)은 출력 노드(NO)를 통하여 부하(300)에 제공된다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 부하에서 소모되는 전력량에 따라 도 4의 재구성가능 컨버터의 동작 모드를 나타낸다.
도 9에서 참조번호(411)는 부하(300)에서 트랜시버(315)가 동작하여 재구성가능 컨버터(110)가 벅 컨버터로서 동작하는 제1 동작 모드를 나타내고, 참조 번호(413)는 부하(300)에서 마이크로 프로세서(311)와 센서(313)가 동작하여 재구성가능 컨버터(110)가 SIMO 부스트 컨버터로서 동작하는 제3 동작 모드를 나타낸다.
도 9에서 PTEG_AVL1은 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능한 전력을 나타내고, Pth는 기준값을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 부하(300)가 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능 전력(PTEG_AVL1) 큰 전력을 소모하는 경우, 재구성가능 컨버터(110)는 벅 컨버터로서 동작하고, 부하(300)가 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능 전력(PTEG_AVL1) 보다 작은 전력을 소모하고, 상기 이용가능 전력(PTEG_AVL1)이 기준값 이상(Pth)인 경우, 재구성가능 컨버터(110)는 SIMO 부스트 컨버터로 동작하여 배터리(350)에 제2 출력 전압(VBAT)을 충전함을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 부하에서 소모되는 전력량에 따라 도 4의 재구성가능 컨버터의 동작 모드를 나타낸다.
도 10에서 참조번호(421)는 부하(300)에서 트랜시버(315)가 동작하여 재구성가능 컨버터(110)가 벅 컨버터로서 동작하는 제1 동작 모드를 나타내고, 참조 번호(423)는 부하(300)에서 마이크로 프로세서(311)와 센서(313)가 동작하여 재구성가능 컨버터(110)가 부스트 컨버터로서 동작하는 제3 동작 모드를 나타낸다.
도 10에서 PTEG_AVL2은 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능한 전력을 나타내고, Pth는 기준값을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 도 6 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 부하(300)가 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능 전력(PTEG_AVL2) 큰 전력을 소모하는 경우, 재구성가능 컨버터(110)는 벅 컨버터로서 동작하고, 부하(300)가 열전 소자(10)가 제공하는 이용가능 전력(PTEG_AVL2) 보다 작은 전력을 소모하고, 상기 이용가능 전력(PTEG_AVL2)이 기준값(Pth) 미만인 경우, 재구성가능 컨버터(110)는 부스트 컨버터로 동작하여 로드(300)에 제1 출력 전압(VOUT)을 제공함을 알 수 있다.
도 9와 도 10에서, 어플리케이션(300)에서 트랜시버(315)가 동작하지 않은 경우, 재구성가능 컨버터(110)는 부스트 컨버터와 SIMO 부스터 컨버터 중 하나로 동작하면 된다. 마이크로 프로세서(311)의 소비 전력(PMCU), 센서의 소비 전력(Psensor ), SIMO 부스트 컨버터의 효율(η)을 알고, 전력 마진(Pmargin)을 정하고, 이용가능 전력(PTEG_AVL)을 기준값(Pth)과 비교함으로써 아래의 수학식 1과 같이 정할 수 있다.
[수학식 1]
Pth = (PMCU + Psensor)/η + Pmargin
PTEG_AVL> Pth 이면, SIMO 부스트 컨버터로 동작하고,
PTEG_AVL< Pth 이면 부스트 컨버터로 동작하면 된다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(500a)은 에너지 하베스터(10), 전력관리 집적회로(600a), 어플리케이션(300) 및 에너지 저장 장치(350)를 포함할 수 있다.
전력관리 집적회로(600a)는 SIMO 부스트 컨버터(610) 및 벅 컨버터(620)를 포함할 수 있고, 에너지 저장 장치(350)와 노드(N21)에서 연결될 수 있다.
전력관리 집적회로(600a)는 도 2의 전력관리 집적회로(100)를 채용할 수 있고, SIMO 부스트 컨버터(610)는 에너지 하베스터(10)로 제공되는 입력 전압(VIN)에 기초하여 에너지 저장 장치(350)를 충전할 수 있고, 벅 컨버터(620)는 입력 저압(VIN)과 에너지 저장 장치(350)에 저장된 전압을 이용하여 출력 전압(VOUT)을 생성함으로써, 에너지 하베스터(10)에서 제공되는 전력보다 높은 전력을 필요로 하는 어플리케이션을 구동가능하게 한다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(500b)은 에너지 하베스터(10), 전력관리 집적회로(600b), 어플리케이션(300) 및 에너지 저장 장치(350)를 포함할 수 있다.
전력관리 집적회로(600b)는 SIMO 부스트 컨버터(610), 벅 컨버터(620) 및 스타트업 회로(630)를 포함할 수 있고, 에너지 저장 장치(350)와 노드(N21)에서 연결될 수 있다.
전력관리 집적회로(600b)는 도 2의 전력관리 집적회로(100)를 채용할 수 있다. 전력관리 집적회로(600b)는 스타트업 회로(630)를 포함하고 있다는 점에서 도 11의 전력관리 집적회로(600a)와 차이가 있다. 스타트업 회로(630)는 입력 전압(VIN)과 에너지 저장 장치(350)에 저장된 전압(VSTO)에 기초하여 스타트업 전압(VDD)을 생성하여 SIMO 부스트 회로(610)에 제공함으로서, 입력 전압(VIN)에만 기초하여 스타트업 전압을 생성하는 경우보다 스타트업 시간을 감소시킬 수 있다.
도 11과 도 12에서 SIMO 부스트 컨버터(610)는 두 개의 출력 전압을 제공하므로, 단일-입력/이중-출력(single-input/double-output(SIDO)) 부스트 컨버터로 호칭될 수 있다. 3 개 이상의 출력 전압들을 제공하는 경우에 SIMO 부스트 컨버터로 동작할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 재구성가능 컨버터를 포함하는 전력관리 집적회로 및 에너지 하베스팅 시스템은 재구성가능 컨버터가 하나의 인덕터만을 포함하고 배터리와 연결되어 부하에서 소모되는 전력에 기초한 동작 모드에 따라 벅 컨버터, 부스터 컨버터 및 SIMO(SIDO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하여, 벅 컨버터, 부스터 컨버터 및 SIMO 부스트 컨버터를 자동으로 재구성함으로서 배터리를 충방전하여 열전 소자에서 제공되는 입력 전력보다 높은 출력 전력을 선택적으로 이용할 수 있다. 또한 하나의 인덕터만을 포함하여 벅 컨버터, 부스터 컨버터 및 SIMO 부스트 컨버터를 구성할 수 있으므로 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 에너지 하베스팅 시스템 및 이에 사용되는 다양한 전력관리 집적회로에 적용될 수 있다.
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.

Claims (14)

  1. 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하고, 상기 입력 전압에 기초하여 제2 출력 전압을 선택적으로 생성하고, 상기 제2 출력 전압을 제1 노드에 연결된 에너지 저장 장치에 저장하되, 복수의 제어 전압 신호들 및 복수의 스위칭 제어 신호들에 기초하여 벅 컨버터, 부스트 컨버터 및 단일-입력 멀티-출력(single-input multi-output(SIMO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하여 제1 동작 모드에서는 상기 입력 전압과 상기 제2 출력 전압을 기초로 제1 출력 전압을 생성하고, 제2 동작 모드에서는 상기 입력 전압을 기초로 상기 제1 출력 전압을 생성하고, 제3 동작 모드에서는 상기 입력 전압을 기초로 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압을 생성하는 재구성가능(reconfigurable) 컨버터; 및
    상기 입력 전압, 상기 하나의 인덕터의 제1 단에 연결되는 제1 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 하나의 인덕터의 제2 단에 연결되는 제2 스위칭 노드의 제2 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 복수의 제어 전압 신호들과 상기 복수의 스위칭 제어 신호들을 생성하는 제어 전압 생성기를 포함하고,
    상기 재구성가능 컨버터는
    상기 입력 노드와 상기 제1 스위칭 노드 사이에 연결되고, 상기 복수의 스위칭 제어 신호들 중 제1 스위칭 제어 신호를 수신하는 수신하는 제1 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 노드와 상기 제2 스위칭 노드 사이에 연결되는 상기 하나의 인덕터;
    상기 제1 스위칭 노드와 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 복수의 제어 전압신호들 중 제1 제어 전압 신호를 수신하는 제2 스위칭 소자;
    상기 제2 스위칭 노드와 상기 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 복수의 제어 전압 신호들 중 제2 제어 전압 신호를 수신하는 제3 스위칭 소자;
    상기 제2 스위칭 노드와 출력 노드 사이에 연결되고, 상기 복수의 스위칭 제어 신호들 중 제2 스위칭 제어 신호를 수신하는 제4 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 노드와 상기 제1 노드에 연결되고, 상기 복수의 제어 전압 신호들 중 제3 제어 전압 신호를 수신하는 제5 스위칭 소자;
    상기 제2 스위칭 노드와 상기 제1 노드에 연결되고, 상기 복수의 제어 전압 신호들 중 제4 제어 전압 신호를 수신하는 제6 스위칭 소자;
    상기 입력 노드와 상기 에너지 저장 장치에 연결되는 제2 노드 사이에 연결되고, 상기 복수의 스위칭 제어 신호들 중 제3 스위칭 제어 신호를 수신하는 제7 스위칭 소자; 및
    상기 제2 노드와 상기 접지 전압 사이에 연결되고, 상기 복수의 스위칭 제어 신호들 중 제4 스위칭 제어 신호를 수신하는 제8 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자는 상기 제1 노드에 대하여 병렬로 연결되는 전력관리 집적회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재구성가능 컨버터에 연결되는 부하가 상기 열전 소자가 제공하는 이용가능 전력보다 큰 전력을 소모하는 상기 제1 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 벅 컨버터로 동작하고,
    상기 부하가 상기 열전 소자가 제공하는 상기 이용가능 전력보다 작은 전력을 소모하는 경우에, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 제2 동작 모드에서 상기 부스트 컨버터로 동작하거나 상기 제3 동작 모드에서 상기 SIMO 부스트 컨버터로 동작하는 전력관리 집적회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 입력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 하나의 인덕터에 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하는 전력관리 집적회로.
  4. 제2항에 있어서, 상기 열전 소자가 제공하는 상기 이용가능 전력이 기준값 미만인 상기 제2 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 부스트 컨버터로 동작하고,
    상기 제2 동작 모드에서 상기 부스트 컨버터는 상기 입력 전압에 기초하여 상기 인덕터에 축적된 에너지를 상기 부하에 전달하는 전력관리 집적회로.
  5. 제2항에 있어서, 상기 열전 소자가 제공하는 상기 이용가능 전력이 기준값 이상인 상기 제3 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 SIMO 부스트 컨버터로 동작하고,
    상기 제3 동작 모드에서 상기 SIMO 부스트 컨버터는 상기 입력 전압에 기초하여 축적된 에너지를 상기 부하와 상기 에너지 저장 장치에 전달하는 전력관리 집적회로.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자는 상기 입력 노드에 연결되는 소스, 상기 제1 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제1 엔모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제2 스위칭 소자는 상기 제1 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제2 엔모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제3 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 노드에 연결되는 드레인, 상기 제2 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제3 엔모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제4 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 노드에 연결되는 소스, 상기 제2 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트, 상기 출력 노드에 연결되는 드레인, 상기 제1 노드의 제1 전압을 수신하는 바디를 구비하는 제1 피모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제5 스위칭 소자는 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 상기 제3 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 제1 스위칭 노드에 연결되는 드레인 및 상기 제1 노드에 연결되는 바디를 구비하는 제2 피모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제6 스위칭 소자는 상기 제1 노드에 연결되는 소스, 상기 제4 제어 전압 신호를 수신하는 게이트, 상기 제2 스위칭 노드에 연결되는 드레인 및 상기 제1 노드에 연결되는 바디를 구비하는 제3 피모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제7 스위칭 소자는 상기 입력 노드에 연결되는 소스, 상기 제3 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트, 상기 제2 노드에 연결되는 드레인 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제4 엔모스 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제8 스위칭 소자는 상기 제2 노드에 연결되는 드레인, 상기 제4 스위칭 제어 신호를 수신하는 게이트, 상기 접지 전압에 연결되는 소스 및 상기 접지 전압에 연결되는 바디를 구비하는 제5 엔모스 트랜지스터를 포함하는 전력관리 집적회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 동작 모드 동안에, 상기 제1 내지 제4 전압 제어 신호들 및 상기 제1 내지 제4 스위칭 제어 신호들에 응답하여,
    상기 제1 스위칭 소자, 상기 제3 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자, 상기 제8 스위칭 소자는 턴-오프되고, 상기 제7 스위칭 소자는 도통되어 상기 제2 노드를 상기 입력 노드에 연결시키고, 상기 제5 스위칭 소자는 상기 제3 제어 전압 신호에 응답하여 동작하고, 상기 제2 스위칭 소자는 상기 제1 제어 전압 신호에 응답하여 동작하고, 상기 제4 스위칭 소자는 상기 제 2 스위칭 노드를 상기 출력 노드에 연결시켜,
    상기 입력 전압과 상기 제2 출력 전압에 기초하여 상기 하나의 인덕터에 축적된 에너지를 상기 재구성가능 컨버터에 연결되는 부하에 전달하고,
    상기 재구성가능 컨버터는 상기 벅 컨버터로 동작하는 전력관리 집적회로.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 동작 모드 동안에, 상기 제1 내지 제4 제어 전압신호들 및 상기 제1 내지 제4 스위칭 제어 신호들에 응답하여,
    상기 제1 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자, 상기 제6 스위칭 소자, 상기 제7 스위칭 소자 및 상기 제8 스위칭 소자는 턴-오프되고, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 제1 스위칭 제어 신호에 응답하여 도통되어 상기 입력 노드를 상기 제1 스위칭 노드에 연결시키고, 상기 제3 스위칭 소자는 상기 제2 제어 전압 신호에 응답하여 동작하고, 상기 제4 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 제어 신호에 응답하여 도통되어 상기 제2 스위칭 노드를 상기 출력 노드에 연결시켜,
    상기 입력 전압에 기초하여 상기 하나의 인덕터에 축적된 에너지를 상기 재구성가능 컨버터에 연결되는 부하에 부하로 전달하고,
    상기 재구성가능 컨버터는 상기 부스트 컨버터로 동작하는 전력관리 집적회로.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제3 동작 모드 동안에, 상기 제1 내지 제4 제어 전압 신호들 및 상기 제1 내지 제4 스위칭 제어 신호들에 응답하여,
    상기 제2 스위칭 소자, 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제7 스위칭 소자는 턴-오프되고, 상기 제1 스위칭 소자는 도통되어 상기 입력 노드를 상기 제1 스위칭 노드에 연결시키고, 상기 제3 스위칭 소자는 상기 제2 제어 전압 신호에 응답하여 동작하고, 상기 제4 스위칭 소자는 도통되어 상기 제2 스위칭 노드를 상기 출력 노드에 연결시키고, 상기 제6 스위칭 소자는 상기 제4 제어 전압 신호에 응답하여 동작하고, 상기 제8 스위칭 소자는 도통되어 상기 접지 전압을 상기 제2 노드에 연결시켜,
    상기 입력 전압에 기초하여 상기 하나의 인덕터에 축적된 에너지를 상기 재구성가능 컨버터에 연결되는 부하와 상기 에너지 저장 장치로 전달하고,
    상기 재구성가능 컨버터는 상기 SIMO 부스트 컨버터로 동작하는 전력관리 집적회로.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어 전압 생성기는
    상기 입력 전압에 기초하여 상기 열전 소자로부터 상기 재구성가능 컨버터에 최대 전력이 전달되는 경우의 최대 전력 전달 전압에 기초하여 상기 제1 제어 전압 신호와 상기 제2 제어 전압 신호를 생성하는 제1 제어 전압 생성부;
    상기 제1 전압과 상기 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제3 제어 전압 신호를 생성하고, 상기 제2 전압과 상기 제2 출력 전압의 차이에 기초하여 상기 제4 제어 전압 신호를 생성하는 제2 제어 전압 생성부; 및
    상기 재구성가능 컨버터에 연결되는 부하가 상기 열전 소자가 제공하는 이용가능 전력보다 큰 전력을 소모하는 제1 동작 모드에서 활성화되는 인에이블 신호에 응답하여 상기 제1 내지 제4 스위칭 제어 신호들을 생성하는 제3 제어 전압 생성부를 포함하는 전력관리 집적 회로.
  12. 주변의 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 수집하여 입력 전압을 생성하는 에너지 하베스터;
    입력 노드를 통하여 상기 입력 전압을 수신하고, 상기 입력 전압에 기초하여 에너지를 축적하는 하나의 인덕터를 구비하고, 상기 입력 전압에 기초하여 제2 출력 전압을 선택적으로 생성하고, 상기 제2 출력 전압을 제1 노드에 제공하되, 상기 입력 전압에 기초하고 동작 모드에 따라 상기 제2 출력 전압에 선택적으로 기초하여 제1 출력 전압을 생성하고, 상기 제1 출력 전압을 출력 노드로 제공하는 전력관리 집적회로;
    상기 출력 노드에 연결되어 상기 제1 출력 전압을 제공받아 동작하는 어플리케이션; 및
    상기 제1 노드 및 제2 노드에 연결되어, 상기 제2 출력 전압을 내부에 저장하는 에너지 저장 장치를 포함하고,
    상기 전력관리 집적 회로는 상기 어플리케이션에서 소모되는 부하 전류에 기초하여 상기 동작 모드에 따라 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 및 단일-입력 멀티-출력(single-input multi-output(SIMO) 부스트 컨버터 중 하나로 동작하는 재구성가능(reconfigurable)컨버터를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전력관리 집적회로는
    상기 입력 전압, 상기 하나의 인덕터의 제1 단에 연결되는 제1 스위칭 노드의 제1 전압, 상기 하나의 인덕터의 제2 단에 연결되는 제2 스위칭 노드의 제2 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 복수의 제어 전압 신호들과 복수의 스위칭 제어 신호들을 생성하는 제어 전압 생성기를 더 포함하는 에너지 하베스팅 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 어플리케이션이 상기 에너지 하베스터가 제공하는 이용가능 전력보다 큰 전력을 소모하는 제1 동작 모드에서, 상기 재구성가능 컨버터는 상기 벅 컨버터로 동작하고,
    상기 어플리케이션이 상기 에너지 하베스터가 제공하는 상기 이용가능 전력보다 작은 전력을 소모하는 경우에, 상기 재구성가능 컨버터는 제2 동작 모드에서 상기 부스트 컨버터로 동작하거나 제3 동작 모드에서 상기 SIMO 부스트 컨버터로 동작하는 에너지 하베스팅 시스템.
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