KR102358764B1

KR102358764B1 - 전자장치의 주변 에너지로부터의 전력의 하베스팅

Info

Publication number: KR102358764B1
Application number: KR1020177000304A
Authority: KR
Inventors: 파라메쉬와라파 아난드 쿠마르 사반스; 제임스 에드워드 마이어스; 데이비드 월터 플린
Original assignee: 에이알엠 리미티드
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2022-02-07
Also published as: WO2015193634A1; KR20170018380A; GB201410754D0; CN106464014A; US20170201099A1; GB2527312A; GB2527312B; EP3158624A1; US10651683B2; CN106464014B; EP3158624B1

Abstract

전자장치(50)는 주변 에너지로부터 전력을 획득하는 적어도 한 개의 하베스팅부(52)를 갖는다. 처리회로(56)를 포함하는 적어도 한 개의 회로(54)에 하베스팅부(52)로부터 전력이 공급된다. 제어회로(60)가 설치되어 처리회로(56) 또는 적어도 한 개의 하베스팅부(52)의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 하베스팅부(52)의 출력 임피던스와 적어도 한 개의 회로(54)의 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄인다.

Description

전자장치의 주변 에너지로부터의 전력의 하베스팅{HARVESTING POWER FROM AMBIENT ENERGY IN AN ELECTRONIC DEVICE}

본 발명은 전자장치 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 주변 에너지로부터 전력을 획득하는(harvest) 장치에 관한 것이다.

예를 들어, 특히, 온도나 기타의 환경 상태의 감시, 가정에서의 난방 제어, 또는 가로등의 제어 등의 작업을 행하기 위해, 비교적 소형의 장치들이 서로 접속되는 "사물 인터넷(Internet of Things)"(IoT)을 향한 전환 증가의 일부로서, 매우 낮은 전력 예산(power budget)을 갖는 전자장치에 대한 요구가 증대하고 있다. 모바일 또는 기타의 임베디드 어플리케이션은 그것의 배터리가 한번의 충전으로 적어도 하루 지속할 것으로 예상되기 때문에 랩탑 및 데스크탑 컴퓨터에 비해 상대적으로 낮은 전력 예산을 갖도록 설계되었지만, 무선 센서 노드와, IoT의 다른 소형 임베디드 장치들에 대한 전력 예산은 몇배 더 낮다. 다수의 센서 어플리케이션은 배터리의 유선 충전에 대한 옵션을 갖지 않으며, 벽의 콘센트로부터 전력이 공급될 수 없다. 이와 같은 극단적인 에너지 제약은, 주로 속도와 전력 사이에 설계 균형이 유지되는 많은 다른 어플리케이션과 다르다.

따라서, 배터리 사용량을 줄이고 배터리 수명을 연장하기 위해 주변환경으로부터 에너지를 획득할 수 있는 센서에 대한 요구가 증가하고 있다. 본 발명은, 전자장치에 있어서 주변 소스로부터 획득한 에너지를 이용하는 더욱 에너지 효율적인 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일면에 따르면, 본 발명은,

주변 에너지를 전압을 갖는 전기신호로 변환하도록 구성되고, 출력 임피던스를 갖는 적어도 한 개의 하베스팅부와,

상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 접속되고, 입력 임피던스를 갖는 부하회로와,

상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부와 제어신호를 통해 상기 부하회로에 접속되어, 상기 부하회로 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 상기 출력 임피던스와 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이도록 구성된 제어회로를 구비하고,
상기 부하회로는 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생기와, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생기에 접속되어, 데이터 처리를 행하도록 구성된 처리회로를 구비하고,
상기 제어회로는, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는 전자장치를 제공한다.

전자장치는 주변 에너지로부터 전력을 획득하는 적어도 한 개의 하베스팅부를 갖는다. 일반적으로, 획득하는데 사용가능한 주변 에너지가 변동하고, 하베스팅부의 출력 임피던스가 하베스팅부에 의해 전력이 공급되는 적어도 한 개의 회로의 입력 임피던스와 얼마나 가깝게 정합하는가에 대해 하베스팅부에 의해 공급된 전력량이 의존하기 때문에, 하베스팅부는 가변의 출력 전력을 갖는다. 일반적으로, 하베스터의 출력 임피던스가 부하회로의 입력 임피던스와 정합할 때 발생하는 최대 전력 추출점이 존재한다. 따라서, 높은 전력 추출 효율을 달성하고, 이용가능한 주변 에너지의 낭비를 피하기 위해서는, 임피던스 정합을 제어하는 제어회로를 설치하는 것이 유용하다.

그러나, 종래의 시스템에서는, 하베스팅부에 의해 공급된 전력을 처리회로를 제어하기 위한 정상 전력(steady power)으로 변환하기 위해 설치된 전력 변환기의 임피던스를 조정함으로써 이와 같은 추정이 보통 행해진다. 이것은, 처리회로에는 변동하지 않는 정상 전압이 제공되는 것이 필수적이라고 생각되어, 주변 에너지의 양이 변동할 때 DC-DC 변환기를 사용하여 정상 출력을 보장하기 때문이다. 따라서, 종래의 시스템에서는, 보통 DC-DC 변환기의 속성을 조정함으로써 최대 전력 추출점의 추적이 행해진다.

그러나, 본 발명의 발명자들은, 이와 같은 전력 변환기가 동작하는데 보통 특정한 최대 전압을 필요로 하고, 실제로는 에너지 하베스터가 변환기에 전력을 공급하는데 충분한 전압을 공급할 수 없을 때 상당한 양의 시간이 존재한다는 것을 인식하였다. 따라서, 기존의 시스템에서는, 변환기가 작동하지 않기 때문에 처리회로가 동작할 수 없는 기간이 존재한다. 그렇지만, 전력 변환기에 필요한 최대 전압보다 낮은 전압이 프로세서에 공급되는 근접(near-) 또는 서브(sub-) 임계 모드에서 동작할 수 있는 처리회로를 이용할 수 있다. 따라서, 하베스팅부로부터 공급된 전력이 전력 변환기를 가동하는데 불충분할 때에도 처리회로를 동작하는 것이 가능하다.

따라서, 전력 변환기를 이용하여 전력 하베스팅 효율을 추적하는 것 대신에, 본 발명은, 처리회로 또는 적어도 한 개의 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 하베스팅부의 출력 임피던스와 하베스팅부에 의해 전력이 공급되는 적어도 한 개의 회로의 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이는 제어회로를 제공한다. 제어회로는 처리회로만의 속성, 또는 하베스팅부만의 속성, 또는 처리회로와 하베스팅부 모두의 속성을 조정해도 된다. 대부분의 시스템은 처리회로의 처리 성능 또는 에너지 효율을 최적화하도록 설계되어, 임피던스 정합을 향상시키기 위해 처리회로를 조정하는 것이 사실상 처리회로에 의해 소모된 에너지를 증가시킬 수도 있기 때문에, 더 양호한 에너지 추출을 달성하기 위해 처리회로 자체의 동작을 조정하는 것을 보통 고려하지 않을 것이므로 이와 같은 구성은 직관에 반대된다. 그러나, 본 발명자들은, 분리하여 보았을 때는 조정이 처리회로를 덜 에너지 효율적으로 만들더라도, 에너지 하베스팅부가 향상된 임피던스 정합으로 인해 더 많은 에너지를 획득하게 할 수 있음으로써 전반적으로 장치의 전체 에너지 효율이 향상될 수 있다는 것을 인식하였다. 이것은 전체 배터리 수명을 향상시키는데 도움이 될 수 있다.

따라서, 프로세서 또는 하베스팅부의 어느 한 개의 속성을 조정함으로써, 제어회로가 프로세서와 하베스팅부의 상대적인 임피던스들을 조정하여 이들 임피던스들 사이의 부정합을 줄일 수 있다. 이와 같은 조정은 실제로 임피던스들이 정확하게 정합하는 최적의 전력 추출점을 달성할 필요가 없지만, 이것이 가능한 경우에는 바람직하다. 하베스터의 출력 임피던스와 회로의 입력 임피던스를 정확하게 정합하는 것보다는 이들 임피던스들을 근접하게 만드는 것이면 충분하다. 예를 들어, 임피던스들을 정확하게 정합하려고 시도하는 것이 복잡한 연산을 필요로 하는 일이 많으므로, 임피던스들의 대략적인 정합을 행하는 것이 더 효율적일 수도 있는데, 이것은 여전히 하베스터로부터의 전력 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

프로세서 또는 하베스팅부(들)의 속성을 조정하여 임피던스 정합을 행함으로써, DC-DC 변환기 또는 기타의 전력 변환기를 설치하는 것이 불필요하다. 따라서, 전자장치의 적어도 한 개의 동작 모드에서는, 중간의 전력 변환기가 없이, 처리회로가 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 획득된 전력으로부터 직접 전력이 공급되어도 된다. 이와 같은 구성은, 처리회로가 전력 변환기에 전력을 공급하는데 필요한 임계값보다 낮은 전압에서 동작할 수 있도록 한다.

일부 시스템에서는, 하베스팅부와 프로세서 사이에 설치된 전력 변환기가 전혀 존재하지 않으므로, 처리회로가 하베스터의 출력에 직접 접속된다. 전력 변환기를 제거함으로써, 변환기와 관련된 면적 및 전력 오버헤드를 피할 수 있다.

이와 달리, 하베스팅부에 의해 발생된 전력으로부터 변환된 전압을 발생할 수 있는 전력 변환기가 여전히 설치되어도 된다. 이와 같은 경우에, 장치는, 처리회로가 전력 변환기로부터의 변환된 전압을 사용하여 전력이 공급되는 전력 변환된 동작 모드와, 처리회로에 적어도 한 개의 하베스팅부로부터 직접 전력이 공급되는 비전력 변환된 동작 모드를 가져도 된다. 예를 들어, 안정된 전압을 발생하기 위해서는, 전력 변환기를 가동하는데 충분한 에너지가 존재할 때 전력 변환기를 이용하는 것이 바람직할 수 있지만, 이것을 위한 불충분한 에너지가 존재할 때에는, 프로세서가 에너지 하베스터로부터의 직접 에너지를 사용하여 동작을 계속해도 된다. 이와 같은 시스템에서는, 제어회로가 옵션으로, 전력 변환 모드에 있을 때, 적어도 한 개의 회로(이하에서는, "부하회로"로 부른다)와 하베스터 출력 사이의 임피던스 부정합을 줄이기 위해 전력 변환기의 속성을 더 조정해도 된다. 비전력 변환 모드 중에는, 제어회로가 프로세서 또는 에너지 하베스터의 속성을 조정하지만, 전력 변환기의 속성을 조정하지는 않는다.

임피던스 부정합을 줄이기 위해 처리회로 또는 적어도 한 개의 하베스팅부의 속성을 조정하는 다양한 방법이 존재한다. 예를 들어, 제어회로는, 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전력의 양 또는 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태들의 속성을 표시하는 하베스터 파라미터를 검출하고, 제어회로는 검출된 하베스터 파라미터에 근거하여 프로세서 또는 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정해도 된다. 예를 들어, 하베스터 파라미터는 하베스팅부에 의해 발생된 전압 또는 전류이거나, 하베스팅부의 환경에서 검출된 온도 또는 광 강도이어도 되며, 이것들은 하베스터의 출력 임피던스에 영향을 미쳐 임피던스 부정합을 제어하는데 사용될 수 있다. 제어회로는 주기적인 간격으로 또는 연속적으로 하베스터 파라미터의 검출과 적어도 한 개의 속성의 조정을 반복하여, 하베스터 또는 프로세서의 임피던스의 폐루프 조정을 제공함으로써, 하베스터의 상태의 변화에 반응해도 된다.

검출된 하베스터 파라미터에 근거하여 속성을 조정하는 다양한 방법이 존재한다. 예를 들어, 디지털 또는 아날로그 회로 또는 룩업 테이블을 사용하여 하베스터 파라미터와 프로세서 또는 하베스팅부의 대응하는 속성 사이의 특정한 관계를 제공해도 된다.

일 실시예에서, 임피던스 부정합을 줄이기 위해 조정되는 적어도 한 개의 속성은 처리회로에 공급된 적어도 한 개의 클록신호의 속성이어도 된다. 예를 들어, 클록신호의 속성은 그것의 주파수이어도 된다. 클록 주파수의 증가는 처리회로의 임피던스를 변화시킨다(예를 들어, 클록 주파수가 증가함에 따라 프로세서의 임피던스가 하강한다). 따라서, 프로세서의 임피던스가 너무 높으면, 클록 주파수가 증가되어 그것의 임피던스를 줄이고 이 임피던스를 하베스터의 출력 임피던스에 더 근접하여 만들어 전력 추출을 향상시킨다. 클록 발생기는 가변의 클록 주파수를 갖는 클록신호를 발생하고, 제어회로는 클록 발생기를 제어하여 클록 주파수를 조정함으로써 임피던스 부정합을 줄여도 된다. 예를 들어, 제어회로는 전술한 하베스터 파라미터에 근거하여 바이어스 제어 파라미터를 발생하는 바이어스 발생기를 갖고, 이 바이어스 제어 파라미터(예를 들어, 전압 또는 전류)가 클록 발생기를 제어하여 클록 주파수를 조정한다. 바이어스 발생기는 검출된 하베스터 파라미터와 클록 주파수 사이에 일정한 관계(예를 들어, 다항식 관계)를 구현하는 아날로그 또는 디지털 회로이어도 된다. 클록 발생기가 설치되면, 적어도 한 개의 회로의 입력 임피던스는 프로세서의 임피던스와 클록 발생기의 임피던스 모두에 의존해도 된다. 클록 주파수의 변경은 프로세서 뿐만 아니라 클록 발생기의 임피던스를 변동시킬 수 있다. 따라서, 바이어스 발생기에 의해 제공된 매핑은 프로세서 및 클록 발생기 모두에 대한 변경된 주파수의 영향을 고려해도 된다.

클록신호를 조정하는 다른 방법은, 클록신호의 일부의 클록 펄스들을 선택적으로 게이트로 제어하여, 어떤 클록 펄스들이 프로세서로 전파될지를 변경하는 것이어도 된다. 예를 들어, 클록 발생기와 프로세서 사이의 클록 경로에 배치된 클록 게이트들을 제어회로에 제어하여, 프로세서에 의해 보이는 클록 펄스들의 수를 변경하여, 임피던스 부정합을 줄여도 된다.

일부 실시예에서는, 처리회로가 클록신호의 서로 다른 위상들이 공급되는 서로 다른 부분들 또는 서로 다른 하드웨어 장치들을 갖고, 조정은 어떤 위상들이 처리회로에 공급되거나 중단될지를 선택하는 과정을 포함해도 된다. 하베스터에 의해 보이는 처리회로의 임피던스는 활성인 회로의 양에 의존하므로, 이것을 이용하여 부하회로의 입력 임피던스와 하베스터의 출력 임피던스의 정합을 향상시킬 수 있다.

임피던스 부정합을 줄이기 위해 보정할 수 있는 프로세서의 또 다른 속성은, 처리회로 내부의 트랜지스터들에 바이어스를 거는 바이어스 신호이어도 된다. 예를 들어, 바이어스 전압 또는 전류가 MOS 트랜지스터들의 웰 영역에 인가되어 서로 다른 양만큼 트랜지스터에 순방향 바이어스를 걸어, 프로세서의 성능과, 이에 따라 하베스터에 의해 전력이 공급되고 있는 부하회로의 입력 임피던스를 조정해도 된다. 일부의 경우에는, 프로세서에 대한 바이어스 신호가 회로의 다른 부분에 있는 트랜지스터들에도 인가되어, 프로세서만이 아니라, 적어도 한 개의 회로의 다른 부분들의 임피던스에 영향을 미쳐도 된다.

또한, 제어회로는 프로세싱 회로의 어떤 하드웨어 장치들이 전력 절약 상태에 있을지를 조정해도 된다. 이것은, 전술한 것과 같이 장치들에 대한 클록신호들을 선택적으로 게이트로 제어하거나, 또는 전력 게이트들을 사용하여 하드웨어 장치들(예를 들어, 프로세서에 의해 사용된 메모리, 캐시, 센서 또는 무선 유닛)에 공급된 전력을 차단함으로써 하드웨어 장치들에 대한 전력을 상승 및 하강함으로써 행해져도 된다.

제어회로는, 어떤 소프트웨어 프로세스가 처리회로에 의해 실행될 것인지 선택하도록 프로세서를 제어해도 된다. 예를 들면, 특정한 소프트웨어 프로세스들은 다른 소프트웨어 프로세스들보다 전체 처리회로의 더 큰 임피던스와 관련되어도 된다(예를 들면, 일부의 소프트웨어 프로세스들은 더 많은 하드웨어 유닛들이 활성화되도록 요구한다). 일부의 센서 노드들과 기타의 IoT 장치들에 대해, 특정한 프로세스가 행해지는 정확한 타이밍은 특별히 중요하지 않으므로, 프로세서는 언제 특정한 프로세스가 실행될지 정확히 선택할 수 있는 자유를 가져도 된다. 예를 들어, 프로세스가 행해져야만 하는 타임 윈도우가 존재하므로, 제어회로는, 프로세스를 프로세서 상에 스케쥴링하기 전에 이 프로세스를 행할 때 하베스터의 출력 임피던스가 부하회로의 입력 임피던스에 정합하는(또는 입력 임피던스에 더 근접하는) 시기를 대기할 수도 있다.

또한, 하베스팅부의 속성을 조정하는 것도 가능하다. 예를 들면, 임피던스에 영향을 미치는 하베스팅부의 작동 상태를 변형해도 된다. 예를 들어, 일부의 하베스팅부는 서로 다른 임피던스들을 갖는 2개 이상의 다른 구성을 가지므로, 이들 구성 중에서 한 개를 부하회로의 입력 임피던스에 따라 선택될 수도 있다. 예를 들어, 다수의 광기전 셀들이 병렬이나 직렬로 접속되어 서로 다른 임피던스를 발생할 수 있다. 또한, 제어회로는 하베스터의 외부 상태를 조정할 수도 있는데, 예를 들면, 광기전 셀의 동작 온도를 관련된 가열 소자에 의해 조정하거나, 가변 자석을 이용하여 공진 주파수 하베스팅부의 공진 주파수를 조정할 수 있는데, 이들은 하베스터의 임피던스에 영향을 미칠 수 있다.

또한, 동일한 장치에 다수의 하베스팅부가 설치되는 경우에는, 제어회로가 어떤 하베스팅부가 프로세서에게 전력을 공급할 것인지 제어함으로써, 임피던스 정합을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 장치는 열 에너지 하베스터 뿐만 아니라 광기전 셀을 갖고, 제어회로는 일정한 순간에 부하회로의 입력 임피던스와 가장 잘 정합되는 임피던스를 갖는 하베스터를 선택해도 된다. 또한, 서로 다른 동작 파라미터들을 갖는 동일한 종류의 다수의 하베스터들을 사용해도 된다(예를 들면, 서로 다른 파장 대역을 목표로 하는 광기전 셀들). 다른 예에서는, 한 개의 하베스터가 처리회로에 전력을 공급하기 위해 사용되는 한편, 또 다른 하베스터가 배터리 또는 커패시터 등의 저장장치를 충전할 수 있으며, 상기한 조정은, 어떤 하베스터가 처리회로에 전력을 공급하고 어떤 하베스터가 저장장치에 전력을 공급할지 전환함으로써, 임피던스 정합을 향상시키는 과정을 포함해도 된다. 다른 시스템은 각각의 하베스터의 시분할 다중화 이용을 하고, 제어회로는, 각각의 하베스터를 사용하여 임피던스 정합에 근거하여 적어도 한 개의 회로에 전력을 공급하는 상대적인 시간의 길이를 조정할 수도 있다.

또한, 처리회로의 속성을 조정하여 다수의 에너지 하베스팅부를 갖는 시스템에서 임피던스 부정합을 줄일 때, 이용가능한 하베스팅부들 중에서 어느 것을 사용하여 처리회로에 전력을 공급하고 있는지에 따라, 제어회로가 서로 다른 양의 조정을 행하거나 서로 다른 종류의 조정을 행해도 된다. 예를 들어, 처리회로에 전력을 현재 공급하고 있는 특정한 하베스팅부에 따라 다른 클록 주파수 변화가 가해져도 된다.

에너지 하베스팅부가 처리회로 또는 적어도 한 개의 회로의 나머지가 필요로 하는 것보다 많은 전력을 생성하거나, 처리회로가 비활성일 때 에너지를 획득할 수 있는 경우가 있다. 하베스팅부에 의해 공급된 에너지를 저장하기 위해 배터리 또는 커패시터 등의 에너지 저장장치가 설치되어, 나중에 에너지 하베스터가 프로세서에 대해 충분한 전력을 발생할 수 없을 때, 그 대신에 프로세서에 저장장치로부터 전력이 공급될 수 있도록 하여도 된다. 따라서, 프로세서가 하베스팅부에 의해 전력이 공급되는 제 1 동작 모드와, 처리회로가 에너지 저장장치에 의해 전력이 공급되는 제 2 동작 모드가 존재한다.

제어회로는, 제 1 동작 모드에서만 임피던스 조정 제어를 행하고 제 2 동작 모드에서는 행하지 않아도 된다. 제 1 동작 모드에 있을 때 프로세서 또는 에너지 하베스터의 속성의 조정은 프로세서에 의해 소비되는 전력을 증가시킨다(예를 들어, 클록 주파수의 증가는 소비된 전력을 증가시킨다). 제 1 모드에 있을 때에는, 프로세서에 의해 소비되는 전력의 증가가 임피던스 정합을 향상시킴으로써 얻어진 하베스팅부에 의해 추출된 전력 증가보다 적기 때문에 이것은 문제가 되지 않는다. 그러나, 제 2 모드에 있을 떼에는, 임피던스 조정이 저장장치 내부에 저장된 에너지를 더 빨리 소모시킬 위험에 있으므로, 에너지를 절감하기 위해, 제어회로가 전력 추출 효율을 추적하는 것을 중단할 수 있다. 그 대신에, 프로세서는 (예를 들어, 클록 주파수를 줄이거나, 웰 바이어스 전압을 줄이거나, 활성 하드웨어 또는 소프트웨어 프로세스들의 수를 줄임으로써) 에너지를 절감하도록 조정되어도 된다.

에너지 저장장치는, 에너지 하베스팅부로부터 유도된 제 1 전압을 저장장치에 공급되어 그것을 충전하는 제 2 전압으로 변환하는 전력 변환회로를 구비해도 된다. 예를 들어, 배터리는 에너지 하베스터에 의해 발생되는 것보다 높은 전압을 필요로 할 수도 있다. 전력 변환기가 설치되면, 적어도 한 개의 회로의 입력 임피던스는 프로세서 뿐만 아니라 전력 변환기의 임피던스에 의존한다. 마찬가지로, 처리회로에 전력을 공급하기 위해 에너지 저장장치를 방전할 때, 전력 변환회로는 에너지 저장장치에 의해 공급된 제 3 전압을 프로세서에 의해 사용된 제 4 전압으로 변환해도 된다. 회로 면적 및 누설을 줄이기 위해, 이들 두가지 변환을 위해 동일한 회로를 사용할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환기는 2개의 입출력 노드를 구비하고, 저장장치를 충전시에는, 하베스팅부로부터의 제 2 전압이 제 1 입출력 노드에 공급되어 제 2 입출력 노드로부터 제 2 전압이 공급되게 하는 한편, 배터리의 방전시에는, 저장장치로부터 제 2 입출력 노드에 공급된 제 3 전압과 제 1 입출력 노드로부터 프로세서에 공급된 제 4 전압을 사용하여 이와 반대의 처리가 행해진다. 대부분의 전력 변환기들이 이와 같이 반대로 동작할 수도 있지만, 실제적으로는 전력 변환기들이 이와 같이 자주 사용되지는 않는다. 본 발명자들은, 이와 같은 접근방식은, 일반적으로 저장장치를 충전하기 위한 한 개의 전력 변환기와 저장장치로부터 프로세서에 전력을 공급하는 또 다른 전력 변환기를 설치하는 이전의 장치들로부터 전력 변환기가 제거될 수 있도록 한다.

주변 에너지를 획득할 수 있는 모든 형태의 하베스팅부를 사용해도 된다. 본 출원에서, "주변" 에너지라는 용어는 전자장치의 근처 또는 부근에 존재하며 유선 접속에 의해 제공되지 않는 에너지를 말한다. 대기 에너지는, 태양 방사선, 열 구배 또는 가로챈 무선 방송 등과 같이 주변에서 일어나는 에너지 뿐만 아니라, 장치에 의도적으로 공급되는 에너지(예를 들어, 장치에 전력을 공급하기 위해 전용 송신기에 의해 제공되는 빛 또는 무선 송신)를 포함해도 된다. 하베스팅부의 예로는, 빛으로부터 에너지를 획득하는 광기전(태양) 전지, 온도 변동 또는 구배로부터 에너지를 획득하는 열전 하베스팅부, 기계적 또는 음향 진동으로부터 에너지를 획득하는 압전 에너지 하베스터, 또는 무선 주파수 방사선으로부터 에너지를 획득하는 무선 에너지 하베스터를 들 수 있다.

또 다른 일면에 따르면, 본 발명은,

주변 에너지를 전압을 갖는 전기신호로 변환하고, 출력 임피던스를 갖는 적어도 한 개의 하베스팅수단과,

상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 접속되고, 입력 임피던스를 갖는 부하수단과,

상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단과 제어신호를 통해 상기 부하수단에 접속되어, 상기 부하수단 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단의 상기 출력 임피던스와 상기 부하수단의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이는 제어회로수단을 구비하고,
상기 부하수단은 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생수단과, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생수단에 접속되어, 데이터 처리를 행하는 처리수단을 구비하고,
상기 제어회로수단은, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하수단의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는 전자장치를 제공한다.

또 다른 일면에 따르면, 본 발명은,

적어도 한 개의 하베스팅부를 사용하여 주변 에너지를 전압을 갖는 전기신호로 변환하는 변환단계로서, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부는 출력 임피던스를 갖는, 상기 변환단계와,

상기 전기신호를 입력 임피던스를 갖는 부하회로에 공급하는 공급단계와,

상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부와 제어신호를 통해 상기 부하회로에 접속되도록 구성된 제어회로를 사용하여, 상기 부하회로 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 상기 출력 임피던스와 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이는 조정단계를 포함하고,
상기 부하회로는 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생기와, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생기에 접속되어, 데이터 처리를 행하도록 구성된 처리회로를 구비하고,
상기 제어회로는, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는 전자장치의 작동방법을 제공한다.

또 다른 일면에 따르면, 본 발명은, 전자장치에 대한 집적회로 레이아웃을 설계하는 컴퓨터로 구현된 방법으로서, 자동화된 설계 도구를 이용하여 상기 집적회로 레이아웃을 정의하는 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 집적회로 레이아웃은,

적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 주변 에너지로부터 변환된, 전압을 갖는 전기신호를 수신하는 입력 노드로서, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부는 출력 임피던스를 갖는, 상기 입력 노드와,

상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부와 제어신호를 통해 상기 부하회로에 접속되어, 상기 부하회로 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 상기 출력 임피던스와 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이도록 구성된 제어회로를 구비하고,
상기 부하회로는 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생기와, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생기에 접속되어, 데이터 처리를 행하도록 구성된 처리회로를 구비하고,
상기 제어회로는, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는, 컴퓨터로 구현된 설계방법을 제공한다.

자동화된 설계 도구를 이용하여 본 발명에 따른 전자장치를 설계해도 된다. 예를 들면, 전자 설계 자동화(electronic design automation: EDA) 도그는 집적회로 레이아웃에 포함시키기 위해 선택하는데 이용가능한 표준 셀들의 세트를 정의하는 셀 라이브러리를 사용해도 된다. 셀들은 전술한 적어도 한 개의 회로, 처리회로 및 제어회로에 대응하여 포함되어도 된다. 적어도 한 개의 하베스팅부는 집적회로 레이아웃에 포함될 필요는 없으며, 그 대신에, 추후의 제조 단계에서 집적회로를 구비한 전자장치 내부에 집적되는 하베스팅부로부터 전력을 수신하는 입력 노드가 설치되어도 된다. 그후, 집적회로 레이아웃을 정의하는 생성된 데이터를 이용하여 설계된 레이아웃을 갖는 집적회로의 제조를 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징 및 발명내용은 다음의 첨부도면을 참조하여 주어지는 이하의 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다:
도 1은 에너지 하베스터를 사용하는 공지된 전자장치의 문제점을 나타낸 것이다.
도 2는 임피던스 부정합을 줄이기 위해 프로세서 또는 하베스팅부의 속성을 조정하는 제어회로를 갖는 전자장치의 제 1 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 장치가 DC-DC 변환기를 갖는 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 4는 다양한 전압 또는 전류와 다양한 광 강도에서 하베스팅부에 의해 출력된 전압의 변동을 나타낸 그래프이다.
도 5는 프로세서에 공급된 클록의 클록 주파수를 조정하여 임피던스를 줄이는 예를 나타낸 것이다.
도 6은 전압에 따른 임피던스의 변동을 나타낸 그래프이다.
도 7은 클록신호의 주파수에 따른 임피던스의 변동을 나타낸 그래프이다.
도 8은 발진기의 클록 주파수를 제어하기 위한 바이어스 파라미터를 발생하는 바이어스 발생기를 갖는 전자장치의 일례를 나타낸 것이다.
도 9는 바이어스 발생기에 대한 예시적인 회로를 나타낸 것이다.
도 10은 하베스팅부에 의해 획득된 에너지를 저장하는 저장장치를 갖는 전자장치의 일례를 나타낸 것이다.
도 11은 저장된 에너지를 이용하여 프로세서에 전력을 공급하는 예를 나타낸 것이다.
도 12는 다수의 하베스팅부를 갖는 장치의 일례를 나타낸 것이다.

도 1은 처리 연산을 행하는 CPU 시스템(4)과 주변 소스로부터 에너지를 획득하는 에너지 하베스터(6)를 갖는 종래의 전자장치(2)를 나타낸 것이다. 예를 들어, 에너지 하베스터는 태양 전지이어도 된다. 하베스터(6)에 의해 획득된 에너지를 저장하는 저장 소자(예를 들어, 커패시터 또는 배터리)(8)가 설치된다. DC-DC 변환기(10)는 하베스터(6)에 의해 발생된 전압을 저장 소자(8)를 충전하기 위한 더 높은 전압으로 변환한다. 저장 소자(8)에 의해 출력된 전압을 CPU 시스템(4)에 공급되는 전압으로 변환하는 또 다른 DC-DC 변환기(12)가 설치된다. 이들 변환기 10, 12는 동작할 수 있도록 하기 위해 특정한 전압을 필요로 한다. 예를 들어, DC-DC 변환기들은 약 0.6V의 최소 동작 전압을 필요로 한다. 그러나, 도 1의 하부에 있는 그래프에 나타낸 것과 같이, 에너지 하베스터(6)는 환경 상태가 변함에 따라 변동하는 전압을 출력하여, 출력 전압이 0.6V 아래로 하강하는 기간(20)이 존재한다. 이들 기간(20) 중에는 DC-DC 변환기(10)가 기능할 수 없으므로, CPU 시스템(4)은 저장된 에너지에 의존해야 하므로, 하베스터(6)에 의해 획득되었을 에너지가 낭비된다. CPU에 대한 최소 동작 전압은 DC-DC 변환기들의 최소 동작 전압보다 작을 수 있다. 예를 들어, 일부의 시스템은 근접-임계(near-threshold) 또는 서브-임계(sub-threshold) 전압, 예를 들어, 약 0.3V에서 동작할 수 있다. 따라서, 하베스팅부(6)에 의해 획득된 에너지의 이용을 개선할 수 있는 여지가 존재한다.

도 2는 본 발명에 따른 전자장치(50)의 일례를 나타낸 것이다. 이 장치(50)는 주변 에너지로부터 전력을 획득하는 하베스팅부(52)를 갖는다. 하베스팅부(52)는 주변 광으로부터 에너지를 획득하는 광기전 셀이어도 된다. 또한, 하베스팅부(52)는 온도 구매 또는 변동으로부터 에너지를 발생하는 열전 소자이어도 된다. 예를 들어, 장치(50)가 (예를 들어, 시계, 안경 또는 의복에 임베드된) 웨어러블 장치인 경우에, 이 장치를 착용한 사람의 피부 옆에 있는 장치의 일부분은 외부 대기에 노출되어 있는 장치의 다른 부분보다 더 따뜻하므로, 이들 양 극단 사이의 온도 구배를 이용하여 열전 효과를 사용하여 에너지 획득을 해도 된다. 에너지 하베스터의 다른 에로는, 기계적 또는 음향 노이즈를 포함하는 주변의 진동으로부터 에너지를 획득하는 압전 소자, 또는 전자기 방사선의 무선 주파수 또는 다른 파장으로부터 에너지를 획득하는 하베스터를 들 수 있다. 장치(50)는 하베스팅부(52)를 사용하여 직접 전력이 공급되는 회로(54)를 더 갖는다. 도 1에서와 달리, 하베스팅부(52)와 회로(54) 사이에 전력 변환기가 설치되지 않는다. 54의 회로는 하베스터에 의해 전력이 공급되는 임의의 회로를 포함해도 되고, 데이터 처리를 행하는 프로세서(56)를 적어도 포함한다. 회로(54)의 나머지 구성요소로는, 예를 들어, 메모리부, 버스, 무선 송신부/수신부, 센서 등을 들 수 있다.

하베스팅부(52)로부터 획득될 수 있는 전력은, 주변 환경(예를 들어, 빛, 온도 구배 또는 노이즈의 양) 뿐만 아니라, 하베스팅부(52)의 출력 임피던스 Zout이 회로(54)의 입력 임피던스 Zin과 정합하는 정도에도 의존한다. 따라서, 최대 전력 추출을 추적하고, 하베스팅부(52) 또는 프로세서(56)(또는 모두)의 적어도 한 개의 속성을 조정하여 하베스터(52)의 출력 임피던스 Zout과 회로(54)의 입력 임피던스 Zin 사이의 부정합을 줄이기 위해 제어회로(60)가 설치된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것과 같이, 제어회로는 하베스팅부(52)에 의해 공급된 전압 또는 전류를 검출하고, 이것을 이용하여 클록 주파수 또는 웰 바이어스 전압 등의 프로세서(56) 또는 하베스팅부(5)의 속성을 설정해도 된다. 하베스터(54) 또는 프로세서(56)의 속성을 조정하여 임피던스 정합을 향상시킴으로써, 최대의(또는 최대에 근접한) 전력 추출을 갖는 바람직한 동작점에서 시스템을 유지하면서 DC-DC 변환기를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 하베스터(52)에 의해 출력된 전력(전압 또는 전류)이 너무 낮게 하강하여 DC-DC 변환기 10에 전력을 공급할 수 없을 때, 하베스터(52)로부터 직접 전력이 공급되는 프로세서(56)가 계속 동작을 행할 수 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 전자장치(50)는, 하베스팅부(52)에 의해 발생된 전류 또는 전압을 프로세서(56)에 전력을 공급하기 위한 전압으로 변환하는 DC-DC 변환기 등의 전력 변환기(70)를 더 구비해도 된다. 시스템의 나머지 구성요소는 도 1에서와 동일하다. 도 1과 달리, 도 3의 장치(50)는, 하베스팅부(52)에 의해 획득된 전력으로부터 직접 유도된 전압을 사용하여 프로세서(56) 또는 다른 회로(54)에 전력이 공급되는 비전력 변환 모드, 또는 DC-DC 변환기(70)에 의해 제공된 변환된 전압이 회로(54)에 공급되는 전력 변환 모드에서 동작할 수 있다. 따라서, 하베스팅부(52)가 변환기(70)를 가동하는데 충분한 전력을 발생하면, 변환기는 프로세서(56)에 의해 사용되는 안정된 전압을 발생할 수 있다. 발생된 전력이 변환기(70)를 가동하기 위한 임계값 아래로 하강하면, 시스템은 하베스터(52)로부터 직접 프로세서에 전력을 공급하도록 전환된다. 도 3의 제어회로(60)는 도 1에서와 동일한 방법으로 임피던스 부정합을 줄이기 위해 프로세서(56) 또는 하베스팅부(52)의 속성을 제어해도 된다. 마찬가지로, 도 3에 도시된 장치는 프로세서(56)가 더 낮은 전압에서 동작하도록 함으로써, 하베스팅부(52)에 의해 획득된 더 많은 전력으로부터 유용한 작업을 얻을 수 있도록 한다.

도 4는 회로(54)에 의해 받은 전압 또는 전류에 따른 하베스팅부(52)에 의해 추출된 전력의 변동 예를 나타낸 그래프이다. 일정한 양의 주변 에너지에 대해(예를 들어, 본 실시예에서는 일정한 양의 광 강도에 대해), 회로(54)에 의해 인출된 전류의 양이 최대 동작점(MPP)까지 증가함에 따라 전력이 서서히 증가한 후, 부하 전류가 계속 증가함에 따라 감소하기 시작한다. 부하 및 하베스터 임피던스들이 정합할 때 최대의 전력 추출이 발생한다. 도 4에서 알 수 있는 것과 같이, 광 강도 등의 서로 다른 레벨의 주변 에너지에 대해 최대 동작점이 변동한다(예를 들어, 연속적으로 더 높은 광 강도의 양에 대해 서로 다른 전압 또는 전류 A, B 및 C에서의 최대 에너지 추출을 확인하기 바란다).

따라서, 증가된 에너지 추출을 허용하기 위해, 제어회로(60)가 하베스팅부(52)의 동작을 반복하여 또는 연속적으로 감시하고, 프로세서(56) 또는 하베스팅부(52)의 동작 상태를 조정하여 임피던스 정합을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 제어회로는 하베스터의 광 강도, 온도 구배 또는 다른 환경 상태를 감지하는 센서를 가질 수 있으며, 제어회로(60)는 검출된 상태에 따라 프로세서(56) 또는 하베스터(52)의 속성을 조정해도 된다. 또한, 제어회로(60)는 하베스터에 의해 발생된 전압 또는 전류를 검출하고, 이것을 이용하여 처리회로(56) 또는 하베스터(52)의 속성을 조정해도 된다. 예를 들어, 제어회로(60)는, 하베스터의 검출된 파라미터로부터 하베스터(52) 또는 처리회로(56)의 대응하는 속성으로의 매핑을 제공하는 룩업 테이블, 또는 아날로그 또는 디지털 회로를 가져도 된다. 이와 달리, 하베스터의 검출된 파라미터와 프로세서(56) 및/또는 하베스터(52)의 속성 사이에 소정의 관계를 갖는 것 대신에, 제어회로(60)는, 제어회로(60)가 속성을 특정한 방향으로 조정한 후 획득된 전력이 증가하였을지 또는 감소하였는지 판정한 다음 전력이 최대화될 때까지 조정을 계속하는 언덕 오르기 방법(hill climbing method) 등의 다른 방법을 사용할 수도 있다.

제어회로(60)가 장치(50)를 정확히 최대 전력점에서 동작하도록 추구하는 것이 필수적인 것은 아니다. 재어회로(60)가 Zout와 Zin 사이의 부정합을 제거하는 것이 아니라 이 부정합을 줄이는 것을 목적으로 하는 경우도 있다. 이것은 동작점을 피크 전력 추출에 더 근접하게 밀어서 에너지 효율을 향상시키는데 여전히 유용할 수 있다.

제어회로는 시스템의 다양한 속성을 조정하여 임피던스 정합을 향상시켜도 된다. 예를 들어, 제어회로는, 예를 들어, 자석을 사용하여 전자기 방사선 하베스터의 공진 주파수를 조정하거나, 태양 전지를 가열하거나, 또는 태양 전지들의 직렬 또는 병렬 배치 등의 다양한 구성들에서 선택함으로써 하베스터의 동작점을 변경하여, 하베스터(52)의 상태를 조정해도 된다. 프로세서의 속성을 변경할 때, 이 속성은 프로세서의 어떤 부분이 활성인지 비활성인지를 변경하는 것 또는 프로세서에 의해 어떤 소프트웨어 알고리즘이 실행될지 변경하는 것을 포함하여도 되며, 이것은 전반적으로 회로(54)의 임피던스에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 임피던스 Zin을 변경하기 위해 정지하거나 개시할 수도 있는 일부 불필요한 소프트웨어 프로세스가 존재해도 된다. 제어회로(60)는 회로(54) 내부의 트랜지스터들에 대한 웰 또는 기판 바이어스 전압이나 전류를 조정할 수도 있다.

도 5는 프로세서(56)에 주어진 클록신호의 클록 주파수가 조정되는 예를 나타낸 것이다. 회로(54)는 프로세서(56)에 대한 클록신호를 발생하는 클록 발생기(70)를 구비한다. 회로(54)의 전체 임피던스 Z_in-eff는 프로세서(56)의 입력 임피던스 Z_in-cpu와 클록 발생기(70)의 입력 임피던스 Z_in-osc에 의존한다. 임피던스 Z_in-cpu와 Z_in-osc는 클록 주파수에 의존하므로, 클록 주파수를 조정함으로써 회로(54)의 유효 임피던스 Z_in-eff를 하베스터(52)의 출력 임피던스와의 부정합을 줄이도록 조정할 수 있다. 예를 들어, 클록 발생기(70)는 발진기이어도 되고, 제어회로(60)는 발진기(예를 들어, 전압 제어 발진기를 사용해도 된다)에 의해 발생된 클록신호의 주파수를 변경해도 된다. 따라서, 프로세서에 대한 클록 주파수를 동적으로 조정하여 임피던스 부정합을 줄임으로써, 증가된 전력 추출을 얻을 수 있다.

발생된 클록의 주파수를 조정하는 것 대신에, 다른 예에서는, 제어회로(60)가 클록 발생기(70)와 프로세서(56) 사이에 설치된 클록 게이트들을 제어하여 프로세서(56)에 주어지는 펄스들의 수를 줄여도 된다. 또한, 제어회로(60)는, 일부 부분에 대해 클록신호를 계속 발생하면서 프로세서(56)의 다른 부분에 주어지는 클록신호를 중단하거나, 서로 다른 클록 주파수를 프로세서(56)의 다른 부분에 제공함으로써, 프로세서(56)의 임피던스를 변경해도 된다.

도 6은 하베스터(52)에 의해 발생된 전압에 따른 임피던스의 변동을 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 하베스팅부(52)의 출력 임피던스 Z_out-pv 뿐만 아니라 발진기 임피던스 Z_in-osc 및 프로세서 임피던스 Z_in-cpu를 나타낸다. 도 6의 점선은 발진기(70)와 프로세서(56)를 결합한 유효 임피던스 Z_in-eff를 표시한다. 하베스팅부(52)에 의해 발생된 전압이 감소함에 따라, 발진기 및 CPU 임피던스들이 하베스터의 출력 임피던스에 더 근접하게 되므로, 최대 전력점을 추적하는 것이 매우 낮은 전압에서는 가치가 더 적다. 따라서, 일부 실시예에서는, 장치(50)가 하베스터(52)에 의해 출력된 전압을 임계값과 비교하는 비교기를 갖고, 전압이 임계값 아래로 하강하면, 제어회로(60)가 임피던스 정합의 추적과 프로세서 또는 하베스팅부의 속성의 조정을 정지해도 된다.

도 7은 클록 주파수에 따른 임피던스의 변동을 나타낸 것이다. 마찬가지로, 점선은 발진기(70)와 프로세서(56)를 포함하는 전체 부하회로(54)의 유효 임피던스를 나타낸다. 도 7에 도시된 것과 같이, 점선은 점선이 특정한 점에서 하베스팅부(52)의 임피던스를 표시하는 라인과 교차하므로, 주파수를 증가/감소시킴으로써, 하베스터 출력 임피던스와 정합하도록(부정합을 줄이도록) 부하회로(54)의 유효 임피던스를 줄여, 전력 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

도 8은 하베스터(52)의 파라미터에 응답하여 클록 발진기(70)의 주파수를 설정하는 바이어스 발생기(100)가 설치된 장치(50)의 일례를 나타낸 것이다. 예를 들어, 하베스터(52)에 의해 발생된 전압 또는 전류가 바이어스 발생기(100)에 공급되어, 바이어스 발생기가 발진기(70)를 제어하여 일정한 주파수를 갖는 클록신호를 발생하도록 제어하는 바이어스 전압을 발생한다. 예를 들어, 바이어스 발생기는 검출된 전압 또는 전류를 대응하는 동작 주파수에 매핑하는 아날로그 또는 디지털 회로를 구비해도 된다. 이와 같은 매핑 데이터는 사용되고 있는 하베스팅부(52) 및 부하회로(54)의 특정한 종류에 근거하여 사전에 결정되어도 된다. 이와 달리, 바이어스 발생기(100)는, 단순히 클록 주파수를 한 방향 또는 다른 방향으로 조정하여, 하베스터에 의해 발생된 전압이 증가하는지 감소하는지 확인할 수도 있다. 도 8의 예는, 본 실시예에서 필수적이 아니고 도 10 및 도 11을 참조하여 더욱 상세히 설명하는 DC-DC 변환기(120) 및 에너지 저장장치(110)를 더 구비한다.

도 9는 바이어스 발생기를 사용하여 제어되는 개념적인 발진기를 나타낸 것이다. 바이어스 제어 파라미터는, 출력 클록(F_clk)의 절대값 주파수를 고정하기 위해 디지털 입력에 의해 제어될 수 있는 저항들의 양단의 전압 강하(V_CTRL)이어도 된다. 에너지 하베스터로부터의 출력(V_EH)을 전압 제어 전류 공급원(Voltage Controlled Current Source: VCCS)에 대한 제어 파라미터로서 사용한 후, 전압 제어 전류 공급원은 입력 전압(V_EH)에 따라 절대값 주파수 근처에서 변동을 제어함으로써, 입력 전압을 사용한 주파수의 제어를 가능하게 한다.

도 10은 하베스팅부(52)에 의해 공급된 전압에 근거하여 에너지를 저장하는 에너지 저장장치(110)를 갖는 전자장치(50)의 또 다른 예를 나타낸 것이다. 예를 들면, 프로세서(56)가 비활성이거나, 프로세서가 활성이지만 프로세서(56)가 요구하지 않은 하베스터(56)로부터 이용가능한 여분의 에너지가 존재할 때에는, 이 여분의 에너지를 이용하여 저장장치(110)를 충전할 수 있다. 저장장치(110)는 예를 들어 배터리이거나 수퍼커패시터이어도 된다. 하베스터(52)와 저장장치(110) 사이에 추가적인 전력 변환기(예를 들면, DC-DC 변환기)(120)가 설치되어 발생된 전압을 저장장치(110)에 적합한 전압으로 변환한다. 예를 들면, 저장장치(110)는 회로의 나머지 부분보다 더 높은 전압에서 동작해도 된다. 변환기(120)는 가역(reciprocal) 회로이므로, 하베스터(52)로부터의 전압을 저장장치(110)에 의해 사용된 전압으로 변환하고, 변환기가 반대로 사용될 때에는 저장장치(110)에 의해 발생된 전압으로부터 CPU(56)에 의해 사용된 전압으로 변환하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 에너지를 절약하기 위해, CPU는 배터리에 의해 제공된 것보다 낮은 전압을 사용해도 된다. 저장장치(110)를 충전시 및 방전시 모두에서 전압을 변환할 수 있는 가역 회로를 설치함으로써, 도 1의 예에서와 같이 2개의 별개의 전력 변환기들 10, 12를 설치할 필요가 없게 한다. 도 10에서는, 클록신호의 어떤 펄스들을 변환기(120)로 전송할 것인지 또는 프로세서(56)로 전송할 것인지를 선택하는 게이팅 제어기(130)에 의해 발진기(70)에 의해 발생된 클록신호가 게이트로 제어된다. 따라서, 게이팅 제어기(130)를 이용하여, 저장장치(110)가 충전될 것인지 아닌지, 또는 프로세서(56)에 의해 저장장치(110)로부터 전력이 인출될 것인지 아닌지를 선택할 수 있다. 도 10에서는, 부하회로(54)의 유효 임피던스가 결합된 전력 변환기(120), 프로세서(56) 및 발진기(70)의 임피던스에 의존한다. 이들 임피던스들 모두는 발진기(70)에 의해 발생된 클록 주파수 F_clk에 의존하므로, 제어회로(60)가 이전의 실시예에서와 유사하게 유효 임피던스를 제어할 수 있지만, 추가적인 전력 변환기(120)로 인해 주파수와 임피던스 사이에 다른 관계가 존재할 수도 있으며, 이와 같은 관계는 클록 주파수를 조정하기 위해 설치된 바이어스 발생기(100) 또는 다른 제어회로(60)에 반영되어도 된다.

도 10은 하베스터(52)로부터의 에너지가 프로세서(56)에 공급되고 여분의 에너지를 사용하여 저장장치(110)를 충전하는 모드에서 동작하는 장치(50)를 나타낸 것이다. 도 11에 도시된 것과 같이, 에너지 하베스터(52)로부터 이용가능한 충분한 에너지가 존재하지 않은 경우에는, 또 다른 동작 모드에서, 프로세서(56)에는 변환기(120)를 거쳐 저장장치(110)로부터 전력이 공급될 수 있다. 이와 같은 경우에, 하베스터(52)가 옵션으로 회로의 나머지 부분으로부터 격리될 수도 있는데, 이와 같은 구성은, 하베스터가 시스템의 나머지 부분으로부터 분리되지 않으면 일부의 하베스터는 저장장치(110)로부터 에너지를 인출할 수도 있기 때문에 유용하다. 프로세서에 저장장치(110)에 의해 전력이 공급될 때 하베스터(110)를 분리함으로써, 저장장치의 전하가 보존될 수 있다. 도 11에 도시된 저장 에너지 모드 중에, 제어회로(60)가 하베스터(52)의 최대 동작점의 추적을 중지해도 된다. 그 보다는, (예를 들어, 클록 주파수를 줄임으로써) 최대 전력 추출을 하기보다는, 발진기(70)의 클록 주파수를 조정하여 프로세서(56)에 의해 소모된 에너지를 줄일 수 있다.

도 10 및 도 11에 도시된 것과 같은 저장장치(110)를 갖는 시스템에서는, 본 발명이 매우 유용하다. 하베스터(52)로부터의 전압이 너무 낮아 전력 변환기를 가동할 수 없는 기간(20) 중에 프로세서(56)가 하베스터(52)에 의해 공급된 에너지를 이용하여 동작할 수 있도록 함으로써, 이들 기간(20) 중에 저장장치(110) 내부의 전하를 배출할 필요를 없애므로, 저장된 에너지 수명이 증가된다.

도 12에 도시된 것과 같이, 장치(50)는 복수의 에너지 하베스팅부들(52), 예를 들어 서로 다른 종류 또는 특성을 갖는 하베스터들을 구비해도 된다. 본 실시예에서, 하베스터들(52)은 광기전 셀, 열전 하베스터와, (음향 또는 기계적 진동으로부터 에너지를 획득할 수 있는) 진동 하베스터를 포함한다. 또한, 서로 다른 파장들에 대해 최적화된 광기전 셀들과 같이, 동일한 종류의 하베스팅부들에게 서로 다른 동작 특성들을 설치하는 것도 가능하다. 에너지 관리부(150)는, 하베스팅부들(52) 중에서 어느 것을 이용하여 회로의 나머지 부분에 전력을 공급할지 제어한다. 예를 들어, 에너지 관리부(150)는, 하베스터들(52) 중에서 어느 것이 가장 많은 이용가능한 에너지를 갖는지 또는 주어진 상황에 대해 가장 효율적인 추출을 갖는 하베스터(52)인지 판정해도 된다. 예를 들어, 에너지 관리부(150)는, 주어진 작업에 대해 어떤 하베스터(52)가 부하회로(54)의 임피던스와 가장 근접하게 정합하는 출력 임피던스 Zout을 갖는지 판정해도 된다. 따라서, 에너지 관리부(150)는 전술한 실시예들에 도시된 제어회로(60)의 일부를 구성하므로, 부하회로(54)의 임피던스와의 부정합을 줄이기 위해 조정되는 속성이 어떤 하베스터를 사용할지 선택하는 것이다. 다른 시스템에서는, 서로 다른 목적을 위해 서로 다른 하베스터들이 사용되어도 되는데, 예를 들어, 한 개의 하베스터가 프로세서(56)에게 전력을 공급하는 한편, 또 다른 하베스터는 저장장치(110)를 충전해도 된다. 바이어스 발생기(100)가 부하회로(54)의 유효 임피던스에 대한 정보를 에너지 관리부(150)에 피드백함으로써, 에너지 관리부(150)가 최상의 에너지 추출을 달성하기 위해 어떤 소스(52)를 시용할지 제어할 수 있도록 하는 경우도 있다.

첨부도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세히 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위의 보호범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에 의해 다양한 변경, 부가 및 변화가 행해질 수 있다는 것은 자명하다.

Claims

주변 에너지를 전압을 갖는 전기신호로 변환하도록 구성되고, 출력 임피던스를 갖는 적어도 한 개의 하베스팅부와,
상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 접속되고, 입력 임피던스를 갖는 부하회로와,
상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부와 제어신호를 통해 상기 부하회로에 접속되어, 상기 부하회로 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 상기 출력 임피던스와 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이도록 구성된 제어회로를 구비하고,
상기 부하회로는 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생기와, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생기에 접속되어, 데이터 처리를 행하도록 구성된 처리회로를 구비하고,
상기 제어회로는, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는 전자장치.
제 1항에 있어서,
상기 전자장치의 적어도 한 개의 동작 모드에서, 상기 처리회로는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 획득된 전력으로부터 직접 전력이 공급되는 전자장치.
제 2항에 있어서,
상기 처리회로는 전력 변환기의 개입이 없이 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 출력에 직접 접속된 전자장치.
제 2항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전력으로부터 변환된 전압을 발생하도록 구성된 전력 변환기를 구비하고,
전력 변환 동작 모드에서는, 상기 처리회로가 상기 전력 변환기에 의해 발생된 변환된 전압을 사용하여 전력이 공급되고, 비전력 변환 동작 모드에서는, 상기 처리회로가 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 직접 전력이 공급되는 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어회로는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전력의 양을 표시하거나 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터를 검출하도록 구성되고,
상기 제어회로는 상기 하베스터 파라미터에 따라 상기 적어도 한 개의 속성을 조정하도록 구성된 전자장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 클록 발생기는 가변 클록 주파수를 갖는 상기 클록신호를 발생하도록 구성되고, 상기 제어회로는 상기 클록 발생기를 제어하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 클록 주파수를 조정하도록 구성된 전자장치.
제 7항에 있어서,
상기 제어회로는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전력의 양 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 따라 바이어스 제어 파라미터를 발생하도록 구성된 바이어스 발생기를 구비하고,
상기 클록 발생기는 상기 바이어스 발생기에 의해 발생된 상기 바이어스 제어 파라미터에 따라 변동하는 클록 주파수를 갖는 클록신호를 발생하도록 구성된 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 속성은 상기 처리회로 내부의 트랜지스터들에 바이어스를 거는 바이어스 신호를 포함하는 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 속성의 조정은, 상기 처리회로의 어떤 하드웨어 장치들이 전력 절약 상태에 있을지 조정하는 것을 포함하는 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 속성의 조정은, 어떤 소프트웨어 프로세스들이 상기 처리회로에 의해 실행될 것인지 조정하는 것을 포함하는 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 속성은 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 동작 상태를 포함하는 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
주변 에너지로부터 전력을 획득하도록 구성된 복수의 하베스팅부들을 구비한 전자장치.
제 13항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 속성의 조정은, 상기 복수의 하베스팅부들 중에서 어느 것을 사용하여 상기 처리회로에 전력을 공급할지 조정하는 것을 포함하는 전자장치.
제 13항에 있어서,
상기 제어회로는 상기 처리회로의 적어도 한 개의 속성을 조정하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되고, 상기 조정은 상기 복수의 하베스팅부들 중에서 어느 것을 사용하여 상기 처리회로에 전력을 공급할지에 의존하는 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 공급된 전력에 근거하여 에너지를 저장하도록 구성된 에너지 저장장치를 구비한 전자장치.
제 16항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전력으로부터 유도된 제 1 전압을 상기 에너지 저장장치에 공급될 제 2 전압으로 변환하고, 상기 에너지 저장장치에 의해 공급된 제 3 전압을 상기 처리회로에 공급될 제 4 전압으로 변환하여 저장된 에너지를 사용하여 상기 처리회로에 전력을 공급하도록 구성된 전력 변환회로를 구비한 전자장치.
제 17항에 있어서,
상기 전력 변환회로는, 제1 입출력 노드 및 제 2 입출력 노드를 구비하고, 상기 제 1 전압이 상기 제 1 입출력 노드에 공급되는 것에 응답하여 상기 제 2 입출력 노드에서 상기 제 2 전압을 발생하고, 상기 제 3 전압에 상기 제 2 입출력 노드에 공급되는 것에 응답하여 상기 제 1 입출력 노드에서 상기 제 4 전압을 발생하도록 구성된 전자장치.
제 16항에 있어서,
제 1 동작 모드에서는, 상기 처리회로가 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 전력이 공급되고, 제 2 동작 모드에서는, 상기 처리회로가 상기 에너지 저장장치에 의해 전력이 공급되는 전자장치.
제 19항에 있어서,
상기 제어회로는, 상기 제 1 동작 모드에서는 상기 속성을 조정하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되지만, 상기 제 2 동작 모드에서는 그렇지 않은 전자장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 한 개의 하베스팅부는,
빛으로부터 에너지를 획득하는 광기전 셀과,
온도 변동 또는 온도 구배로부터 에너지를 획득하는 열전 에너지 하베스터와,
기계적 또는 음향 진동으로부터 에너지를 획득하는 압전 에너지 하베스터와,
무선 주파수 방사선으로부터 에너지를 획득하는 무선 에너지 하베스터
중에서 적어도 한 개를 포함하는 전자장치.
주변 에너지를 전압을 갖는 전기신호로 변환하고, 출력 임피던스를 갖는 적어도 한 개의 하베스팅수단과,
상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 접속되고, 입력 임피던스를 갖는 부하수단과,
상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단과 제어신호를 통해 상기 부하수단에 접속되어, 상기 부하수단 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단의 상기 출력 임피던스와 상기 부하수단의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이는 제어회로수단을 구비하고,
상기 부하수단은 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생수단과, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생수단에 접속되어, 데이터 처리를 행하는 처리수단을 구비하고,
상기 제어회로수단은, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅수단의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하수단의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는 전자장치.
적어도 한 개의 하베스팅부를 사용하여 주변 에너지를 전압을 갖는 전기신호로 변환하는 변환단계로서, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부는 출력 임피던스를 갖는, 상기 변환단계와,
상기 전기신호를 입력 임피던스를 갖는 부하회로에 공급하는 공급단계와,
상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부와 제어신호를 통해 상기 부하회로에 접속되도록 구성된 제어회로를 사용하여, 상기 부하회로 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 상기 출력 임피던스와 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이는 조정단계를 포함하고,
상기 부하회로는 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생기와, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생기에 접속되어, 데이터 처리를 행하도록 구성된 처리회로를 구비하고,
상기 제어회로는, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는 전자장치의 작동방법.
전자장치에 대한 집적회로 레이아웃을 설계하는 컴퓨터로 구현된 방법으로서, 자동화된 설계 도구를 이용하여 상기 집적회로 레이아웃을 정의하는 데이터를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 집적회로 레이아웃은,
적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 주변 에너지로부터 변환된, 전압을 갖는 전기신호를 수신하는 입력 노드로서, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부는 출력 임피던스를 갖는, 상기 입력 노드와,
상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 접속되고, 입력 임피던스를 갖는 부하회로와,
상기 전기신호를 통해 상기 적어도 한 개의 하베스팅부와 제어신호를 통해 상기 부하회로에 접속되어, 상기 부하회로 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 적어도 한 개의 속성을 조정함으로써, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 상기 출력 임피던스와 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스 사이의 임피던스 부정합을 줄이도록 구성된 제어회로를 구비하고,
상기 부하회로는 클록신호를 발생하도록 구성된 클록 발생기와, 상기 클록신호를 통해 상기 클록 발생기에 접속되어, 데이터 처리를 행하도록 구성된 처리회로를 구비하고,
상기 제어회로는, 적어도 부분적으로, 상기 적어도 한 개의 하베스팅부에 의해 발생된 전압 또는 상기 적어도 한 개의 하베스팅부의 환경 상태를 표시하는 하베스터 파라미터에 근거하여 상기 클록신호의 속성을 조정하고 상기 부하회로의 상기 입력 임피던스를 변경하여 상기 임피던스 부정합을 줄이도록 구성되는, 컴퓨터로 구현된 설계방법.