KR102615295B1 - 에너지 하베스터용 부하 연결 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 하베스터용 부하 연결 장치에 관한 것으로, 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT) 중 적어도 하나를 기반으로 에너지 저장장치의 충전 상태를 검출하는 충전상태 검출부; 상기 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 구동부; 및 상기 스위치 구동신호에 따라 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 선로를 개폐하는 스위치를 포함한다.

Description

에너지 하베스터용 부하 연결 장치 {LOAD CONNECTION DEVICE FOR ENERGY HAVESTER}
본 발명은 에너지 하베스터용 부하 연결 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅 회로의 출력 단에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 부하 연결을 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양/바람/조류 등과 같은 자연 에너지를 수거하여 사용하는 기술을 말하는 것으로, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확 또는 이용할 수 있는 것을 찾아 에너지를 재생산하는 것으로 주로 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 정도의 범위를 갖는다.
에너지 하베스팅은 에너지를 얻기 위해 사용하는 방식에 따라 다양하게 나누어진다. 자연으로부터 에너지를 얻을 수 있는 방식에는 태양광으로부터 에너지를 얻는 솔라셀 방식, 열로부터 전기에너지를 얻는 열전소자 방식, 진동으로부터 전기에너지를 얻는 압전소자 방식, 그리고 전자기파로부터 에너지를 얻는 RF 방식 등이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 에너지 하베스팅 장치(10)는 주변의 자연 또는 환경 에너지를 수집하여 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스터(11)와, 상기 에너지 하베스터(11)의 출력 전압을 정류하는 정류기(12)와, 상기 에너지 하베스터(11)에서 생산된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장장치(13)와, 상기 에너지 저장장치(13)로 전압을 충전하는 에너지 하베스팅 회로(14)를 포함한다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 회로에 관한 동작 프로파일을 설명하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스터(11)가 동작하면, 정류기(12)는 상기 에너지 하베스터(11)에서 생산된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 제1 캐패시터(C1)에 전압을 충전한다. 상기 제1 캐패시터(C1)에 전압이 충전됨에 따라, 에너지 하베스팅 회로(14)의 입력 전압(VIN)이 임계 전압(가령, 5.0V)을 초과하게 되면, 상기 에너지 하베스팅 회로(14)는 충전 전류를 인가하여 에너지 저장장치(13)를 충전하게 된다. 이후, 상기 에너지 저장장치(13)에 대한 충전이 완료되면, 에너지 하베스팅 회로(14)의 출력 전압(VOUT)은 일정하게 유지되고, 입력 전압(VIN)은 미리 설정된 제한 전압(가령, 20V)까지 상승하게 된다.
이러한 에너지 하베스팅 회로(14)의 출력 단에 소정의 부하(20) 연결 시, 해당 부하(20)에서 소모하는 전류가 에너지 하베스터(11)에서 생산하는 전류보다 더 큰 경우에는 해당 하베스터(11)에서 생산된 전류가 에너지 저장장치(13)를 충전시킬 수 없을 뿐만 아니라 부하(20)도 제대로 동작시킬 수 없는 문제가 발생한다. 따라서, 통신 기능을 갖는 센서 및 사물 인터넷(Internet Of Things, IoT) 기기 등과 같이 부하 전류를 많이 소모하는 장치들에 대해서도 에너지 하베스터를 적용하기 위한 방안이 필요하다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압과 출력 전압을 기반으로 에너지 저장장치의 만 충전 상태를 정확하게 검출할 수 있는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 에너지 하베스팅 회로의 출력 단에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 장치 사이의 연결을 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT) 중 적어도 하나를 기반으로 에너지 저장장치의 충전 상태를 검출하는 충전상태 검출부; 상기 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 구동부; 및 상기 스위치 구동신호에 따라 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 선로를 개폐하는 스위치를 포함하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치를 제공한다. 여기서, 상기 스위치는 P 채널 형 MOSFET 소자 또는 PNP 형 BJT 소자를 포함한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 충전상태 검출부는 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)을 각각 센싱하여 에너지 저장장치의 만 충전 상태를 검출하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 충전상태 검출부는 에너지 하베스팅 회로의 입력 단과 스위치 구동부의 입력 단 사이에 직렬로 연결된 다이오드(D1), 제너 다이오드(ZD1) 및 제1 저항소자(R1)와, 상기 에너지 하베스팅 회로의 출력 단과 상기 스위치 구동부의 입력 단 사이에 연결된 제2 저항소자(R2)와, 상기 스위치 구동부의 입력 단과 접지 사이에 연결된 제3 저항소자(R3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 충전상태 검출부는 제2 저항소자(R2)와 제3 저항소자(R3) 간의 전압 분배를 이용하여 에너지 하베스팅 회로의 출력 전압(VOUT)을 센싱하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 충전상태 검출부는 다이오드(D1), 제너 다이오드(ZD1) 및 제1 저항소자(R1)를 이용하여 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN)을 센싱하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 스위치 구동부는 반전 히스테리시스 비교기(inverting hysteresis comparator)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스위치 구동부는 충전상태 검출부의 출력 전압(VI)이 미리 결정된 제1 입력 전압 값(VThH)에 도달하는 경우, 스위치를 턴 온(turn on)시키기 위한 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스위치 구동부는 충전상태 검출부의 출력 전압(VI)이 미리 결정된 제2 입력 전압 값(VThL)에 도달하는 경우, 스위치를 턴 오프(turn off)시키기 위한 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스터용 부하 연결 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 에너지 하베스팅 회로의 출력 단에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 장치 사이의 연결을 제어함으로써, 에너지 하베스터에서 생산되는 전류보다 더 많은 전류를 소모하는 부하 장치들을 효과적으로 동작시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 하베스터용 부하 연결 장치를 이용하여 어떠한 부하 장치에 대해서도 에너지 하베스터를 적용할 수 있기 때문에, 상기 에너지 하베스터의 응용 범위를 폭발적으로 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스터용 부하 연결 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 회로에 관한 동작 프로파일을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 연결 장치의 구성을 나타내는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 연결 장치의 세부 회로 구성을 나타내는 도면;
도 6은 도 5의 반전 히스테리시스 비교기의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 연결 장치의 동작에 따른 에너지 하베스팅 회로의 입력 및 출력 전압의 변화를 실험한 결과를 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압과 출력 전압을 기반으로 에너지 저장장치의 만 충전 상태를 정확하게 검출할 수 있는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 에너지 하베스팅 회로의 출력 단에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 장치 사이의 연결을 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 장치(100)는 에너지 하베스터(110), 정류기(120), 에너지 하베스팅 회로(130), 에너지 저장장치(140) 및 부하 연결 장치(150)를 포함한다.
에너지 하베스터(110)는 기기 주변의 자연 또는 환경 등에서 버려지거나 활용되지 않은 자원을 이용하여 에너지를 수확하는 장치로서, 주로 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 단위의 전기 에너지를 생산한다. 이러한 에너지 하베스터(110)로는 압전 하베스터, 정전기 하베스터, 전자기 하베스터, 열전 하베스터, 생체역학 하베스터, 솔라셀 하베스터, 마찰전기(Triboelectric) 하베스터 및 RF 하베스터 중 어느 하나가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
정류기(120)는, 에너지 하베스터(110)의 출력 단에 연결되어, 상기 에너지 하베스터(211)로부터 출력되는 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환하는 동작을 수행할 수 있다. 일 예로, 정류기(120)는 풀 브릿지(full bridge) 타입의 다이오드들(D1~D4)과 하나의 출력 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다.
에너지 하베스팅 회로(130)는, 정류기(120)의 출력 단과 에너지 저장장치(140)의 입력 단 사이에 배치되어, 상기 정류기(120)의 출력 전압(VIN)을 이용하여 에너지 저장장치(140)를 충전하는 동작을 수행할 수 있다.
에너지 하베스팅 회로(130)는 에너지 저장장치(140)의 충전 상태(State of Charge, SOC)에 따라 CC(Constant Current) 모드 또는 CV(Constant Voltage) 모드로 해당 에너지 저장장치(140)를 충전할 수 있다. 예컨대, 에너지 하베스팅 회로(130)는 에너지 저장장치(140)가 만 충전될 때까지 CC 모드로 충전하고, 상기 에너지 저장장치(140)가 만 충전되면 CV 모드로 충전한다.
한편, 에너지 하베스팅 회로(130)는, CV 모드 시, 출력 전압(VOUT)을 일정하게 유지하기 때문에, 해당 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN)은 미리 설정된 제한 전압(가령, 20V)까지 상승하게 된다. 따라서, 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력 전압(VOUT) 정보뿐만 아니라 입력 전압(VIN) 정보를 기반으로 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 검출할 수 있게 된다.
에너지 저장장치(140)는 에너지 하베스팅 회로(130)와 부하 연결 장치(150) 사이에 배치되어, 에너지 하베스터(110)에서 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있다. 이러한 에너지 저장장치(140)로는 배터리, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 축전지 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
에너지 저장장치(140)는, 충전 모드 시, 에너지 하베스팅 회로(130)로부터 제공받은 전기 에너지를 저장할 수 있다. 또한, 에너지 저장장치(140)는, 방전 모드 시, 기 저장된 전기 에너지를 부하(50)로 제공할 수 있다.
부하 연결 장치(150)는 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이에 배치되어, 상기 에너지 저장장치(140)의 충전 상태(SOC)를 기반으로 상기 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 제어할 수 있다. 즉, 부하 연결 장치(150)는, 에너지 저장장치(140)가 만 충전 상태가 될 때마다, 상기 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이를 주기적으로 연결할 수 있다. 또한, 부하 연결 장치(150)는, 에너지 저장장치(140)에 저장된 에너지가 부하(50)로 방전되어 출력 전압이 임계 전압 이하로 떨어지는 경우, 상기 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 해제할 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스터(110)를 이용하여 해당 하베스터(110)의 생산 전류보다 더 많은 전류를 소비하는 부하 장치들을 간헐적으로 동작시킬 수 있게 된다.
부하 연결 장치(150)는 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력 전압(VOUT)뿐만 아니라 입력 전압(VIN)을 센싱하여 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 검출할 수 있다. 이는 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력 전압(VOUT)만 센싱하게 되면, 해당 회로(130)의 동작 노이즈로 인해 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 정확하게 검출할 수 없기 때문이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 연결 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 연결 장치의 세부 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 연결 장치(150, 200)는 충전상태 검출부(210), 스위치 구동부(220) 및 스위치(230)를 포함할 수 있다.
충전상태 검출부(210)는 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)을 각각 센싱하고, 상기 센싱된 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)을 기반으로 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 정확하게 검출할 수 있다.
일 예로, 충전상태 검출부(210)는 다이오드(D1), 제너 다이오드(ZD1), 제1 내지 제3 저항소자(R1~R3)를 포함할 수 있다. 여기서, 다이오드(D1), 제너 다이오드(ZD1) 및 제1 저항소자(R1)는 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 단자와 제1 노드(즉, 스위치 구동부의 입력 단, N1) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 그리고, 제2 저항소자(R2)는 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력 단자와 제1 노드(N1) 사이에 연결될 수 있으며, 제3 저항소자(R3)는 제1 노드(N1)와 접지(Ground) 사이에 연결될 수 있다.
충전상태 검출부(210)는 제2 저항소자(R2)와 제3 저항소자(R3) 간의 전압 분배를 이용하여 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력 전압(VOUT)을 센싱할 수 있다. 즉, 충전상태 검출부(210)는 제1 노드(N1)의 전압(VI)을 이용하여 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력 전압(VOUT)을 간접적으로 센싱할 수 있다. 이때, 다이오드 소자(D1)로 인해, 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VOUT)이 제1 노드 전압(VI)에 영향을 미치는 것을 차단할 수 있다.
충전상태 검출부(210)는 제1 노드 전압(VI)의 값을 기반으로 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 일차적으로 검출할 수 있다. 가령, 제1 노드 전압(VI)이 미리 결정된 제1 전압 값(가령, V1 = 1.3V)에 도달하는 경우, 충전상태 검출부(210)는 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 일차적으로 검출할 수 있다. 여기서, 미리 결정된 제1 전압 값(V1)은 제2 및 제3 저항소자(R2, R3)의 값에 따라 가변될 수 있다.
충전상태 검출부(210)는 다이오드(D1), 제너 다이오드(ZD1) 및 제1 저항소자(R1)를 이용하여 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN)을 센싱할 수 있다. 즉, 상기 충전상태 검출부(210)는 제1 노드 전압(VI)을 이용하여 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN)을 간접적으로 센싱할 수 있다.
가령, 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN)은 에너지 저장장치(140)가 만 충전 상태가 될 때까지는 일정 범위의 전압 값(가령, 4V±α)을 갖지만, 에너지 저장장치(140)가 만 충전 상태가 된 이후에는 미리 설정된 제한 전압(가령, 20V)까지 급격히 상승하게 된다. 따라서, 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN)이 미리 결정된 임계 전압(가령, 5V)을 초과하는지를 센싱하여, 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 검출할 수 있다. 여기서, 미리 결정된 임계 전압(가령, 5V)을 제너 다이오드(ZD1)의 동작 전압으로 설정할 수 있다.
에너지 저장장치(140)가 만 충전되어 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN)이 5V를 초과하는 경우, 제너 다이오드(ZD1)가 동작하게 되고, 그에 따라 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 단에서 제1 노드(N1) 방향으로 소정의 전류가 흐르게 된다. 그러면, 제1 노드 전압(VI)은 미리 결정된 제1 전압 값(가령, V1 = 1.3V)보다 상승하게 된다. 따라서, 제1 노드 전압(VI)이 미리 결정된 제2 전압 값(가령, V2 = 1.4V)에 도달하는 경우, 충전상태 검출부(210)는 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 이차적으로 검출할 수 있다. 여기서, 미리 결정된 제2 전압 값(V2)은 비교기(U1)에서 로우 레벨 신호를 출력하기 위한 입력 전압 값(VThH)으로 설정될 수 있다.
이와 같이, 충전상태 검출부(210)는 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력 전압(VOUT)뿐만 아니라 입력 전압(VIN)을 센싱함으로써, 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태를 정확하게 검출할 수 있다.
스위치 구동부(220)는 에너지 저장장치(140)의 충전 상태를 기반으로 스위치(230)를 구동하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 즉, 스위치 구동부(220)는 충전상태 검출부(210)에서 출력하는 제1 노드 전압(VI)을 기반으로 스위치(230)를 구동하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
일 예로, 스위치 구동부(220)는 반전 히스테리시스 비교기(inverting hysteresis comparator)와 캐패시터(C3)를 포함할 수 있다. 여기서, 반전 히스테리스 비교기는 비교기(U1), 기준 전압원(Vref) 및 두 개의 저항소자(R4, R5)로 구성될 수 있다. 이때, 비교기(U1)의 (+) 입력 단은 제4 저항소자(R4)의 일 단에 연결될 수 있고, (-) 입력 단은 제1 노드(N1)에 연결될 수 있으며, 출력 단은 스위치(230)의 게이트 단에 연결될 수 있다. 또한, 제4 저항소자(R4)는 기준 전압원(Vref)과 비교기(U1)의 (+) 입력 단 사이에 연결될 수 있고, 제5 저항소자(R5)는 비교기(U1)의 (+) 입력 단과 해당 비교기(U1)의 출력 단 사이에 연결될 수 있다.
캐패시터(C3)는 충전상태 검출부(210)에서 출력되는 제1 노드 전압(VI)에 포함된 노이즈를 제거하는 동작을 수행하며, 실시 형태에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.
반전 히스테리시스 비교기는, 도 6에 도시된 바와 같이, 비교기(U1)에서 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하기 위한 입력 전압 값(VI = VThH)과 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하기 위한 입력 전압 값(VI = VThL)이 서로 다르며, 양 입력 전압 간에 일정한 전압 차(ΔV)가 존재하는 비교기이다. 여기서, 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하기 위한 제1 입력 전압 값(또는 제1 히스테리시스 전압 값, VThH)은 아래 수학식 1을 통해 결정될 수 있고, 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하기 위한 제2 입력 전압 값(또는 제2 히스테리시스 전압 값, VThL)은 아래 수학식 2를 통해 결정될 수 있다.
스위치 구동부(220)는 이러한 반전 히스테리시스 비교기를 이용하여 스위치(230)를 구동하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 즉, 충전상태 검출부(210)에서 출력되는 제1 노드 전압(VI)이 미리 결정된 제1 입력 전압 값(VThH, 가령, 1.4V)에 도달하는 경우, 스위치 구동부(220)는 스위치(230)를 턴 온(turn on)시키기 위한 로우 레벨 신호(VOL)를 출력할 수 있다. 한편, 충전상태 검출부(210)에서 출력되는 제1 노드 전압(VI)이 미리 결정된 제2 입력 전압 값(VThL, 가령 1.0V)에 도달하는 경우, 스위치 구동부(220)는 스위치(230)를 턴 오프(turn off)시키기 위한 하이 레벨 신호(VOH)를 출력할 수 있다. 여기서, 제1 입력 전압 값(VThH)은 에너지 저장장치(140)가 만 충전 상태(가령, 3.6V)에 도달한 시점의 제1 노드 전압 값(VI = V2, 가령, 1.4V)으로 설정될 수 있다. 또한, 제2 입력 전압 값(VThL)은 에너지 저장장치(140)에 저장된 에너지가 부하로 방전되어 상기 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)이 미리 결정된 전압(가령, 3.0V) 이하로 떨어졌을 때의 제1 노드 전압 값(VI, 가령, 1.0V)으로 설정될 수 있다.
스위치(230)는 스위치 구동부(220)의 제어 신호에 따라 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 선로를 주기적으로 개폐하는 동작을 수행할 수 있다. 즉, 스위치(230)는 스위치 구동부(220)로부터 수신된 로우 레벨 신호에 기초하여 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이를 연결할 수 있다. 또한, 스위치(230)는 스위치 구동부(220)로부터 수신된 하이 레벨 신호에 기초하여 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 해제할 수 있다.
일 예로, 스위치(230)는 하나 이상의 트랜지스터 소자로 구성될 수 있다. 상기 트랜지스터 소자는 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)로 이루어진 P 채널 형 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자일 수 있다. 상기 스위치(151)로 P 채널 형 MOSFET 소자를 사용하는 경우, 해당 스위치(151)는 하이 레벨(high level)을 갖는 게이트 전압(VGS)에 의해 턴 오프(turn off)되고, 로우 레벨(low level)을 갖는 게이트 전압(VGS)에 의해 턴 온(turn on)된다. 한편, 다른 실시 예로, 상기 스위치(230)는 P 채널 형 MOSFET 소자 대신 PNP 타입의 BJT 소자로 구성될 수도 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스터용 부하 연결 장치는 에너지 하베스팅 회로의 출력 단에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 장치 사이의 연결을 제어함으로써, 에너지 하베스터에서 생산되는 전류보다 더 많은 전류를 소모하는 부하 장치들을 효과적으로 동작시킬 수 있다. 또한, 상기 에너지 하베스터용 부하 연결 장치는 어떠한 부하 장치에 대해서도 에너지 하베스터를 적용할 수 있기 때문에, 에너지 하베스터의 응용 범위를 폭발적으로 증가시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 연결 장치의 동작에 따른 에너지 하베스팅 회로의 입력 및 출력 전압의 변화를 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부하 연결 장치(200)는 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)을 센싱하고, 상기 센싱된 출력 전압(VOUT)이 최대 전압(3.6V)인 경우, 에너지 저장장치(140)가 만 충전 상태에 도달한 것을 일차적으로 검출할 수 있다. 이와 동시에, 부하 연결 장치(200)는 에너지 하베스팅 회로(130)의 입력 전압(VIN)이 미리 결정된 임계 전압(가령, 5V) 이상으로 급격히 상승하는 것을 센싱하여 에너지 저장장치(140)가 만 충전 상태에 도달한 것을 이차적으로 검출할 수 있다.
부하 연결 장치(200)는, 입력 및 출력 전압을 이용한 에너지 저장장치(140)의 만 충전 상태 검출 시, 상기 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이를 전기적으로 연결할 수 있다. 그러면, 에너지 저장장치(140)는 기 저장된 전기 에너지를 부하(50)로 제공할 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(즉, 에너지 하베스팅 회로의 출력 전압, VOUT)은 급격히 감소하게 된다. 상기 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)이 미리 결정된 임계 전압(가령, 3.0V) 이하로 감소하게 되면, 부하 연결 장치(200)는 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 해제하게 된다. 이후, 에너지 하베스팅 회로(130)는 에너지 저장장치(140)를 다시 충전하게 된다. 그리고, 에너지 저장장치(140)가 다시 만 충전 상태에 도달하게 되면, 상술한 과정들을 동일하게 반복하게 된다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 에너지 하베스팅 장치 110: 에너지 하베스터
120: 정류기 130: 에너지 하베스팅 회로
140: 에너지 저장장치 150/200: 부하 연결 장치
210: 충전상태 검출부 220: 스위치 구동부
230: 스위치

Claims (9)

  1. 정류기와 에너지 저장장치 사이에 배치되어 상기 정류기의 출력 전원을 상기 에너지 저장장치에 충전하는 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)을 각각 검출하고, 상기 검출된 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)을 기반으로 상기 에너지 저장장치의 충전 상태를 검출하는 충전상태 검출부;
    상기 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 구동부; 및
    상기 스위치 구동신호에 따라 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 선로를 개폐하는 스위치를 포함하되,
    상기 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN)은 상기 정류기의 출력단과 상기 에너지 하베스팅 회로의 입력단이 만나는 제1 노드의 전압에 대응하고,
    상기 에너지 하베스팅 회로의 출력 전압(VOUT)은 상기 에너지 하베스팅 회로의 출력단과 상기 에너지 저장장치의 일 단이 만나는 제2 노드의 전압에 대응하며,
    상기 에너지 저장장치에 대한 충전이 완료되면, 상기 에너지 하베스팅 회로의 출력 전압(VOUT)은 일정하게 유지되고, 상기 입력 전압(VIN)은 미리 설정된 제한 전압까지 상승하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전상태 검출부는, 상기 에너지 하베스팅 회로의 출력 전압(VOUT)을 기반으로 상기 에너지 저장장치의 만 충전 상태를 일차적으로 검출하고,
    상기 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN)을 기반으로 상기 에너지 저장장치의 만 충전 상태를 이차적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전상태 검출부는 상기 에너지 하베스팅 회로의 입력 단과 상기 스위치 구동부의 입력 단 사이에 직렬로 연결된 다이오드(D1), 제너 다이오드(ZD1) 및 제1 저항소자(R1)와, 상기 에너지 하베스팅 회로의 출력 단과 상기 스위치 구동부의 입력 단 사이에 연결된 제2 저항소자(R2)와, 상기 스위치 구동부의 입력 단과 접지 사이에 연결된 제3 저항소자(R3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전상태 검출부는 상기 제2 저항소자(R2)와 제3 저항소자(R3) 간의 전압 분배를 이용하여 상기 에너지 하베스팅 회로의 출력 전압(VOUT)을 센싱하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 충전상태 검출부는 상기 다이오드(D1), 제너 다이오드(ZD1) 및 제1 저항소자(R1)를 이용하여 상기 에너지 하베스팅 회로의 입력 전압(VIN)을 센싱하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 구동부는 반전 히스테리시스 비교기(inverting hysteresis comparator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 구동부는, 상기 충전상태 검출부의 출력 전압(VI)이 미리 결정된 제1 입력 전압 값(VThH)에 도달하는 경우, 상기 스위치를 턴 온(turn on)시키기 위한 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 구동부는, 상기 충전상태 검출부의 출력 전압(VI)이 미리 결정된 제2 입력 전압 값(VThL)에 도달하는 경우, 상기 스위치를 턴 오프(turn off)시키기 위한 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는 P 채널 형 MOSFET 소자 또는 PNP 형 BJT 소자임을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하 연결 장치.
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