KR19980071245A - 광전지 전압 초퍼-증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 승압기에서 광전지 전원(1)의 터미날을 가로지르는 전압이 전원의 전압-전력 곡선의 최대값에 대응하는 전압과 동일하도록 선택된 기준전압(V기준)의 함수로서 조절된다. 기준 발전기(9)에서 발생된 기준전압이 전원(1)의 전압(Vsc)과 비교되고 그 결과가 샘플링되고 스위칭 트랜지스터(7)에 적용된 제어신호(Fc)의 듀티 싸이클에 영향을 미친다. 후자는 유도코일(4) 및 다이오드(5)를 통해 전원으로부터 부하(축전기 (6))로 흐르는 전류를 변조시킨다.

Description

광전지 전압 초퍼-증폭기.
본 발명은 광기전 전환에 의해 작동하는 전원에 대한 전압 승압기에 관계한다.
특히 본 발명은 광전지 전원이 부하에 공급하는 전류의 주기적 초핑(chopping) 원리에 따라 작동하는 전압 승압기에 관계한다.
광전지에 연결된 이러한 종류의 전압 승압기는 시계, 알람시계, 휴대용 계산기, 소형 라디오세트, 적외선 또는 라디오 원격제어기, 무선 전화기, GPS 수신기 등의 저에너지 소모 장치의 전기에너지 공급을 보장하기에 적당하다. 이러한 저전력 소모 장치는 광기전 전원으로부터 충전되는 전기 축전지를 전지 부하로서 포함한다. 본 발명의 가능한 적용분야는 한정되지 않는다.
저전력 소모장치의 전력공급을 보장하는데 현재 사용되는 광기전 전원 또는 전지는 반도체형이나 광화학 종류이든 대체로 요소당 약 0.3 내지 0.6V의 전압을 공급한다. 게다가, 전자회로는 1V보다 큰 공급전압을 필요로 하므로 몇 개의 전지가 전력공급 보장을 위해 직렬연결되는 것이 보통이다.
미학, 공간, 가격 등을 이유로(이러한 기준은 특히 시계기술에 중요하다) 단일 광전지가 장치의 전력공급 보장에 충분한 설계방법이 현재 추구된다.
단일한 광전지에 의해 공급된 낮은 전압과 언급된 종류의 장치 작동에 필요한 집적회로의 전압 필요간에는 이론적으로 양립할 수 없다.
이러한 문제점에 대한 해결방법이 독일특허 출원 제 DOS 29 00 622 호에 제안되는데, 부하에 적용되는 전압으로 전지에 의해 공급된 전압을 전환시킬 수 있는 전압 초퍼-증폭기를 발표하며, 이 경우에 축전지가 충전된다.
이를 위해서 전지가 유도기 코일과 차단 다이오드를 통해 부하에 직렬 연결되고 이들 두 소자간의 노드가 전환 트랜지스터를 통해 주기적으로 접지되어서 유도기 코일이 자기에너지를 교대로 저장 및 방출하여 부하에 전력을 공급한다.
전환출력을 증가시키기 위해서 앞서 언급한 특허문헌은 초핑속도 또는 전환 트랜지스터의 연속 전도 및 차단 기간 또는 트랜지스터 제어신호의 충격계수 조절을 제안한다. 이러한 조절은 단안정성 플립-플롭에 의해 달성되는데 이의 시간상수는 전지에 도달한 빛의 양의 함수로서 변화된다. 이러한 회로는 주변 발광의 함수로서 변하는 부하로서 태양전지로 간주될 수 있다.
유사한 회로가 Elektronik, 2087, 39(1990, 4, 27), No. 9, Munich, DE에 공지된다. 이 경우에 트랜지스터의 전환 포인트는 수동 조절되는 전위차측정기에 의해 조절될 수 있으며 최대발광(완전 태양광선)에 대한 공칭값으로 조절되어야 한다.
그러나, 본 특허출원의 출원인에 의해 이러한 종류의 광전지에 행해진 테스트는 전지에 도달한 주어진 발광에 대해서 전지 터미날에 걸리는 예정된 전압에 대해 획득된 최적의 출력 전력값이 존재함을 보여준다. 첨부된 도 1 은 전지에 걸린 전압(U, 볼트)이 출력 전력(P, ㎼)의 함수로서 (전력 곡선 A, B), 전달된 전류(I, ㎂)의 함수로서 (전류 곡선 C) 가로축에 나타난다. 두 개의 전력곡선은 1000럭스의 발광으로 측정되며(곡선 A, C) 2000럭스의 발광으로 측정된다(곡선 B).
문제의 다이아그램은 예컨대 TiO2태양전지의 거동을 설명하며 출력 전력이 최대인 전압(Vopt)의 값은 0.5V 정도이며 이값은 제한된 범위내에서 발광이 증가할 때 다이아그램의 우측으로 약간 옮겨진다. 다른 종류의 태양전지도 유사한 다이아그램을 보이며 주어진 출력 전력에 대해 가장 선호되는 공칭 전압값은 전지의 종류에 따라 다양하다.
본 발명의 목적은 앞서 언급한 종류의 전압 승압기를 제공하는 것이며 승압기는 태양전지가 노출되는 발광정도에 상관없이 최대전력을 부하에 공급한다.
따라서 본 발명은 청구항 1 에 따른 광전지에 의해 공급되는 낮은 전압 승압기에 관계한다.
도 1 은 본 발명에 따른 승압기를 사용할 수 있는 광전지의 거동을 보여주는 다이아그램이다.
도 2 는 본 발명에 따른 전압 승압기의 단순화된 다이아그램이다.
도 3 은 도 2 의 전압 승압기에 사용된 듀티 싸이클(duty cycle)변화 블록의 구체예를 보여준다.
도 4 는 본 발명에 따른 전압 승압기에서 나타나는 파형을 보여준다.
* 부호 설명
1 ... 전지 2 ... 접지 터미날
3 ... 양의 터미날 4 ... 유도 코일
5 ... 다이오드 6 ... 축전지
7 ... 트랜지스터 9 ... 기준 전압 블록
11 ... 수정 발진기 12 ... 주파수 분할기
13 ... 제어회로 14 ... 스테핑 모터
15 ... 침 16 ... 비교기
17 ... 제어신호 발생회로 18 ... 출력
19 ... 샘플링 블록 20,21,28 ... AND 게이트
22 ... 인버터 23 ... 업/다운 카운터
24 ... 조합 로직 25,26,27 ... OR 게이트
29 ... 플립플롭
도 2 는 예컨대 시계에 사용되는 본 발명에 따른 전압 승압기의 선호된 구체예를 보여준다.
단일 요소로 형성되며 0.5V의 공칭 전압 Vsc을 제공하는 광전지 또는 태양전지(1)가 도시된다. 전지는 TiO2전지와 같은 반도체 또는 광화학적 광전지일 수 있다. 승압기는 전압 Vsc를 접지터미날(2)과 양의 터미날(3)에 공급한다. 유도기 코일(4)과 Schottky 다이오드(5)가 음극이 접지터미날(2)에 연결된 축전지(6)의 양극과 터미날(3) 사이에 직렬 연결된다.
축전지(6)는 시판되는 리튬이온 축전지일 수 있다. 그러나, 본 발명은 전지(1)에 의한 전력공급을 필요로 하는 하나이상의 다른 성분으로 부하가 형성되는 다른 분야에도 사용될 수 있다.
전환 트랜지스터(7)의 소스-드레인 경로는 유도기 코일(4)과 다이오드(5) 및 접지(2)에 의해 형성된 노드(7) 사이에 연결된다.
기준 전압블록(9)은 축전지(6)의 양극(터미날 (10))과 접지(2) 사이에 연결된다. 기준 전압블록은 최적의 전압 Vopt(도 1)로 조절된 전압 Vref을 공급하며 전지의 출력전압은 터미날(3)에서 조절될 수 있다. 전지(1)가 TiO2형 전기화학 전지인 경우에 도 1 의 다이아그램에 의해 나타난 대로 전압은 0.5V로 조절된다.
본 발명은 주성분이 도 2 에 개략적으로 도시된 시계분야에 적용해서 기술된다. 따라서, 시계는 약 32㎑의 주파수의 펄스신호를 공급하는 수정 발진기(11)를 포함한다(정확한 값은 32768㎐이다). 발진기는 최후 출력(12a)이 1㎐ 주파수의 펄스를 공급하는 주파수 분할기(12)에 연결된다. 펄스는 침(15)을 구동하는 스테핑 모터(14)의 제어회로(13)에 적용된다.
전압(Vsc)과 전압(Vref)은 입력이 터미날(3)과 기준 전압블록(9)의 출력에 각각 연결된 비교기(16)에서 비교된다. 비교기(16)의 출력은 트랜지스터(7)의 제어신호를 발생하는 회로(17)에 연결되며 이의 출력(18)은 트랜지스터(7)의 게이트에 연결된다.
트랜지스터(7)의 제어신호 발생신호(17)는 두 개의 AND 게이트(20; 21)와 인버터(22)로 형성된 샘플링 블록(19)을 포함한다. 비교기(16)의 출력은 AND 게이트(20)의 입력(20a)에 연결되고 인버터(22)를 통해 AND 게이트(21)의 입력(21a)에 연결된다. 이들 게이트(20, 21)의 다른 입력(20b, 21b)은 1㎐의 신호를 받는 주파수 분할기(12)의 출력(12a)에 둘다 연결된다. 이러한 방식으로 비교기(16)의 출력은 매초당 하나의 비교신호를 샘플링하며 이 값은 단지 예시를 위해서 선택된다.
AND 게이트(20, 21)의 출력(20c, 21c)은 업/다운 카운터(23)의 업(23a) 및 다운(23b) 계수 입력에 연결된다. 후자의 성분은 0 내지 7 의 2진수로 그 내용을 표시하는 3개의 출력(Q0, Q1, Q2)을 포함한다. 그러나 단지 6개의 값이 사용되고 위치 7은 차단될 수 있다.
발전기 회로(27)는 업/다운 카운터(23)의 출력(Q0, Q1, Q2)에 연결된 제 1 입력(24a, 24b, 24c)과 발진기(11)의 출력과 주파수 분할기(12)의 두 개의 추가 출력(12b, 12c)에 각각 연결된 제 2 입력(24b, 24e, 24f)을 가지는 조합 로직(24)을 포함한다. 이들 출력은 8㎑ 및 16㎑의 펄스를 공급한다. 조합 로직(24)은 또한 트랜지스터(7)의 게이트에 대한 제어신호(Fc)가 나타나는 출력(24g)을 가진다.
조합 로직(24)의 다이아그램이 도 3 에 나타난다. 도시된 실시예에서 논리회로는 3개의 OR 게이트(25, 26, 27)를 포함하며 이의 출력은 AND 게이트(28)의 각 입력에 적용된다. 후자의 출력은 RNSFE(리세트-not-세트 플립-플롭)형 쌍안정성 플립플롭(29)의 세트 입력(S)에 연결된다. 이 플립플롭은 주파수 분할기(12)의 출력(12b)에서 나오는 신호가 적용되고 8㎑의 주파수를 가지는 리세트 입력(R)을 가진다.
OR 게이트(25, 26, 27)의 입력은 조합로직(24)의 입력(24a, 24b, 24c)에 연결되어서 0과 6사이에 변할 수 있는 값을 나타내는 i24a, i24b, i24c라 불리는 신호를 수신한다. 이 값 i는 업/다운 카운터(23)에서 실현된다.
OR 게이트(25, 26, 27)의 다른 입력은 입력(24d, 24e, 24f)에 연결되어서 E32k, E16k 및 E8k로 지정된 주파수 32, 16 및 8㎑를 가지는 신호를 수신한다.
AND 게이트 출력(28)을 EQ로 할 때 다음 논리 방정식이 형성된다: EQ = (E8k + i24c) × (E16k + i24b) × (E32k + i24a)
플립플롭(29)은 트랜지스터(7)의 게이트를 위한 제어신호(Fc)를 발생하기 위해서 AND 게이트(28)의 출력 EQ를 변형하며 출력 Fc는 플립플롭의 출력(S)에 적용된 신호의 상승 에지상에서 1로 통과하며 입력(R)에 적용된 신호의 말단 에지상에서 0으로 통과한다.
조합 로직(24)의 작동에 관련된 다양한 파형이 도 4 에 도시된다.
트랜지스터(7)의 제어신호(Fc)의 충격계수와 태양전지로부터 부하(6)에 흐르는 전류의 충격계수는 다음 방식으로 변한다. 매초당 업/다운 카운터(23)는 VscVref이면 한 유니트만큼 증가되고 VscVref이면 감소된다. 카운터의 내용에서 이러한 변화는 조합 로직(24)이 중재하는 논리신호의 조합의 함수로서 주어진 듀티 싸이클을 선택하게 한다.
표 1 은 듀티 싸이클에 대해 작성된다.
Counter Content 23 All Interval (us) Nothing Interval (us) All Interval % Nothing Interval %
i=6 106.2 15.3 87.5 12.5
i=5 91.6 30.5 75.0 25.0
i=4 76.3 45.8 62.5 37.5
i=3 61.0 61.0 50 50
i=2 45.8 76.3 37.5 62.5
i=1 30.5 91.6 25.0 75.0
i=0 15.3 106.8 12.5 87.5
이 시스템은 전압(Vsc)이 전압(Vref)에 가까울 때 안정된다. 즉, 최상의 가능한 출력조건에서 전압전환을 위한 가장 선호적인 듀티 싸이클이 얻어지게 할 수 있다.
본 발명은 작동이 디지탈방식인 전압승압기를 제공한다. 이의 사용은 수정에 의해 구동되는 시계에서 발견되는 디지탈 회로에서 특히 이득이 된다.
업/다운 카운터에 추가 스테이지를 첨가하거나 조합 로직을 채택함으로써 듀티 싸이클은 증가될 수 있다.
상이한 블록(9, 11, 12, 13, 14, 16, 17)(도 2)이 축전지(6)에 의해 공급받는다.
다른 주파수값과 다른 기준 전압(Vref)을 갖는 디지탈 회로에서 본 발명이 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 부하(6)에 적용되도록 배열된 광전지(1)에 의해 공급된 저전압에 대한 전압승압기로서 상기 전지(1)와 상기 부하(6)사이에 차단노드(5)와 직렬로 연결된 유도기 코일(4)을 포함하며, 상기 유도기 코일(4)과 상기 다이오드(5)간의 노드(8)가 전환가능한 반도체 성분(7)을 통해서 상기 전지(1)와 상기 부하(6)간의 공통 노드(2)에 연결되고, 펄스 제어신호(Fc)를 듀티 싸이클이 조절되는 반도체(7)에 적용하기 위해 조절수단(11, 12, 16, 17)을 포함하는 승압기에 있어서,
    상기 조절수단(11, 12, 16, 17)이 상기 듀티 싸이클을 조절하도록 배열되어서 상기 전지(1)의 터미날(2, 3)에 걸린 전압(Vsc)이 상기 전지(1)의 전압-전력(A, B) 특성 곡선의 최대값에 해당하는 예정된 전압(Vopt)과 동일함을 특징으로 하는 승압기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 예정된 전압(Vopt)이 0.5볼트 정도임을 특징으로 하는 승압기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 예정된 전압(Vopt)이 두 개의 태양전지의 전압인 1볼트와 동일함을 특징으로 하는 승압기.
  4. 제 1 항, 2 항 또는 3 항에 있어서, 상기 최대 전압(Vopt)과 동일한 기준 전압(Vref)을 공급하는 기준 전압원(9)을 포함하며 상기 조절수단이 상기 기준전압(Vref)을 상기 전지의 터미날(2, 3)에 걸린 전압과 비교하는 비교기(16)와 상기 기준전압(Vref)이 상기 전지(1)의 터미날(2, 3)에 걸린 전압(Vsc)보다 큰지 또는 작은지에 따라 상기 듀티 싸이클을 변화시킬 수 있는 제어신호(Fc)를 발생하는 회로(17)를 포함함을 특징으로 하는 승압기.
  5. 제 4 항에 있어서, 기준 전압(Vref) 소스(9)가 상기 부하(6)의 터미날에 연결되어서 상기 부하의 터미날에 걸린 전압으로부터 기준전압을 발생함을 특징으로 하는 승압기.
  6. 제 4 항 또는 5 항에 있어서, 상기 조절수단이 상기 비교기의 출력신호를 샘플링하는 수단(11, 12, 19)을 포함하여 상기 듀티 싸이클을 주기적으로 조절함을 특징으로 하는 승압기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 조절수단이 상기 샘플링 수단에 연결되며 전류가 상기 비교기(16)에 의한 비교의 함수로서 변하는 업/다운 카운터(23), 상이한 주파수의 복수의 펄스신호를 발생하는 수단(11, 12) 및 상기 업/다운 카운터(23)와 상기 수단(11, 12)의 출력에 연결되며 상기 업/다운 카운터(23)의 내용의 함수로서 상기 듀티 싸이클을 확립할 수 있는 조합로직(24)을 포함함을 특징으로 하는 승압기.
  8. 앞선 청구항에 따른 전압 승압기를 포함하는 시계.
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