KR20150045719A - 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 이를 이용한 전자 장치 - Google Patents

전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 이를 이용한 전자 장치 Download PDF

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KR20150045719A
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양진영
임채열
경종민
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후아종 양
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Abstract

본 발명은 전력변환기 없이 즉시 전력을 공급하는 에너지 공급 회로 및 이를 이용하여 에너지원으로부터 에너지가 공급될 때에만 동작하는 전자 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로는 에너지원으로부터 전력을 생성하는 에너지 추출부(10); 외부 전자회로에 전력을 공급하는 출력부(20); 상기 에너지 추출부(10)와 상기 출력부(20) 사이에 개재되어 스위치 온 시 상기 에너지 추출부(10)의 출력단이 상기 출력부(20)에 연결되도록 하는 스위치부(30) 및 상기 에너지 추출부(10)의 전압 및 전류에 따라 상기 스위치부(30)를 개폐하는 개폐신호를 발생시키는 최대 전력점 추종 제어부(40)를 포함하여 구성되고, 상기 개폐신호의 턴온 시점은 상기 에너지 추출부(10)의 출력단 전압이 Vh일 때이고, 턴오프 시점은 상기 에너지 추출부(10)의 출력단 전압이 Vl일 때인 것을 기술적 특징으로 한다. 따라서 구성이 간단하고 제조비용이 낮으며, 전력변환에 따른 에너지 손실이 없고 에너지 저장장치의 충방전에 따른 수명 저하가 없다.

Description

전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 이를 이용한 전자 장치 {CONVERTER-LESS ENERGY HARVESTING CIRCUIT AND ELECTRONIC DEVICE USING THEREOF}
본 발명은 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 이를 이용한 전자 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력변환기 없이 최대 전력점 추종이 가능한 에너지 공급 회로 및 이를 이용하여 에너지원으로부터 에너지가 공급될 때에만 동작하는 전자 장치에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 및 공해 등의 문제로 태양광, 태양열, 풍력 등의 자연에너지를 이용한 에너지 공급에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 특히 태양광은 에너지원이 무제한이고, 필요한 장소에서 필요한 양만 생산할 수 있으며, 유지보수도 비교적 용이한 편이어서 다양한 용도의 에너지 공급 장치로 활용이 가능하다. 일반적으로 태양광 에너지 공급 장치는 전력을 최대한 추출하기 위하여 최대 전력점 추종을 수행하는데, 이러한 종래의 태양광 에너지 공급 장치가 도 1에 도시되어 있다.
종래의 태양광 에너지 공급 장치는 태양전지(1), 최대 전력점 추종 전력변환기(2), 에너지 저장소자(3), DC-DC 전력변환기(4)로 구성되어 외부 전자회로(5)에 전력을 공급한다. 태양전지(1)에서 전력을 생산하면 최대 전력점 추종 전력변환기(2)에서 최대 전력이 수급되도록 전압 및 전류를 조절한다. 이렇게 추출된 전력은 배터리나 대용량 캐패시터 등의 에너지 저장소자(3)에 저장되었다가 필요 시 외부 전자회로(5)에 공급되는데, 이때 외부 전자회로(5)에서 요구되는 전압이 공급될 수 있도록 DC-DC 전력변환기(4)에서 전압이 변동된 후 공급된다.
즉, 종래의 태양광 공급 장치는 최대 전력점 추종 전력변환기(2) 및 DC-DC 전력변환기(4)를 구비하는 구조로서, 이로 인해 부피가 크고 제조비용이 상승한다는 문제점이 있다.
전력변환기를 구비함으로써 발생하는 이러한 문제점은 태양광 발전에만 국한되는 것은 아니다.
도 2는 에너지원을 일반화한 종래의 에너지 공급 장치를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 종래의 에너지 공급 장치는 에너지 추출기(6), 정류기(7), DC-DC 전력변환기(4), 제어기(8) 및 에너지 저장소자(3)로 구성되어 외부 부하(9)에 전력을 공급한다. 에너지 추출기(6)는 앞서 설명한 태양전지가 될 수도 있고, 압전소자, 열전소자 등 에너지원의 종류에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 정류기(7)는 에너지 추출기(6)에서 교류가 발생되는 경우 직류 형태의 전력으로 변환하기 위한 것으로 선택적인 구성이고, DC-DC 전력변환기(4)는 제어기(8)의 제어에 따라 원하는 직류 전압의 전력으로 변환하여 에너지 저장소자(3)에 에너지를 저장한다. 즉, 도 2에 도시된 에너지 공급 장치 역시 전력변환기가 필수적으로 요구됨으로써 부피 및 제조비용의 증가라는 문제점을 그대로 안고 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 전력변환기 없이 스위칭만으로 외부 전자회로의 동작에 요구되는 전압을 공급함으로써 최대 전력점을 추종할 수 있는 에너지 공급 회로 및 이를 이용한 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로는 에너지원으로부터 전력을 생성하는 에너지 추출부; 외부 전자회로에 전력을 공급하는 출력부; 상기 에너지 추출부와 상기 출력부 사이에 개재되어 스위치 온 시 상기 에너지 추출부의 출력단이 상기 출력부에 연결되도록 하는 스위치부 및 상기 에너지 추출부의 전압 및 전류에 따라 상기 스위치부를 개폐하는 개폐신호를 발생시키는 최대 전력점 추종 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 개폐신호의 턴온 시점은 상기 에너지 추출부의 출력단 전압이 Vh일 때이고, 턴오프 시점은 상기 에너지 추출부의 출력단 전압이 Vl일 때인 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전자장치는 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 상기 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로로부터 전력을 공급받는 외부 전자회로(200)로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 전자회로는 전력변환기 및 대용량 에너지 저장장치가 없으므로, 구성이 간단하고 제조비용이 낮으며, 전력변환에 따른 에너지 손실이 없고 에너지 저장장치의 충방전에 따른 수명 저하가 없다.
또한, 외부 환경 변화에 따라 최대 전력점이 적응적으로 추종 제어되므로, 에너지 효율이 높다.
도 1은 종래의 태양광 에너지 공급 장치
도 2는 에너지원을 일반화한 종래의 에너지 공급 장치
도 3은 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로
도 4는 본 발명에 따른 전자장치
도 5는 본 발명에 따른 전자장치의 제1 실시형태
도 6은 가로 4.5㎝, 세로 5.5㎝인 태양전지의 온도 300K에서 조도에 따른 전류-전압 곡선 및 전력-전압 곡선
도 7은 스위치부의 온/오프 상태 및 슬립/활성화 신호
도 8은 National Solar Radiation Database에서 제공하는 시간별 일조량 그래프
도 9는 가로 4.5㎝, 세로 5.5㎝인 태양전지 및 비휘발성 마이크로프로세서로 본 발명에 따른 전자장치를 구성한 경우의 실험 결과표
도 10은 본 발명에 따른 전자장치의 제2 실시형태
도 11은 스마트 패치
도 12는 본 발명에 따른 전자장치의 제3 실시형태
아래에서는 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 이를 이용한 전자 장치를 첨부된 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로(100)는 에너지 추출부(10), 출력부(20), 스위치부(30) 및 최대 전력점 추종 제어부(40)를 포함하여 구성된다. 스위치부(30)의 양단에 에너지 추출부(10) 및 출력부(20)가 연결되고, 에너지 추출부(10)에서 전력이 생성되면 최대 전력점 추종 제어부(40)가 에너지 추출부(10)의 전압 및 전류를 감지하여 스위치부(30)를 온/오프시켜 최대 전력점을 추종한다.
에너지 추출부(10)는 빛, 열, 진동, 압력, 소리 등을 발생시키는 에너지원으로부터 전력을 생성하는 구성요소로서, 구체적인 실시형태로는 태양전지와 같이 빛을 전기로 변환하는 광전소자, 펠티어소자와 같이 온도차를 전기로 변환하는 열전소자, 지르코늄티탄산납(Lead Zirconate-titanate)과 같은 물질을 이용하여 압력이나 진동을 전기로 변환하는 압전소자 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 에너지 추출부(10)의 차단 주파수(Cut-off Frequency)를 조절하기 위하여 에너지 추출부(10)의 양단에 벌크 캐패시터(Bulk capacitor)가 병렬로 연결될 수 있다. 에너지 추출부(10)의 차단 주파수가 스위칭 주파수보다 높을수록 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로의 효율이 증대된다.
출력부(20)는 외부 전자회로에 전력을 공급하는 구성요소로서, 외부 전자회로의 전원입력부에 적절하도록 단자, 커넥터, 핀 등의 형태로 구현될 수 있다. 이때, 전원의 무결성을 위해 디커플링 캐패시터(Decoupling Capacitor)가 출력부(20)의 양단에 병렬로 연결될 수 있다.
스위치부(30)는 에너지 추출부(10)와 출력부(20) 사이에 개재되어 스위치 온 시 에너지 추출부(10)의 출력단이 출력부(20)에 연결되도록 하는 구성요소이다. 스위치부(30)는 MOSFET, JFET과 같은 전계효과 트랜지스터일 수 있다. 예를 들어 스위치부(30)가 MOSFET인 경우 에너지 추출부(10)의 출력단에 드레인이, 출력부(20)에 소스가 접속되고, 게이트에 인가되는 개폐신호에 따라 에너지 추출부(10)와 출력부(20)를 단락 또는 단선시킨다.
최대 전력점 추종 제어부(40)는 에너지 추출부(10)의 전압 및 전류에 따라 스위치부(30)를 개폐하는 개폐신호를 발생시키는 구성요소로서, 개폐신호는 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로가 최대 전력점을 추종할 수 있도록 파형이 결정된다. 개폐신호의 턴온 시점은 에너지 추출부(10)의 출력단 전압이 Vh일 때이고, 턴오프 시점은 에너지 추출부(10)의 출력단 전압이 Vl일 때이다(Vh > Vl이고, Vh 및 Vl은 최대 전력점에서의 전류, 출력단에서 요구되는 전압에 관계된다). 따라서 개폐신호의 일반적인 실시형태는 구형파(Rectangular Wave)이고, 최대 전력점 추종은 에너지 추출부(10)의 출력에 따라 개폐신호의 펄스폭이 가변되는 즉, 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM)의 형태로 구현된다. 이때, 출력부(20)의 파형은 최대 전압 Vh, 최소 전압 Vl 사이에서 유지된다.
이로부터 알 수 있는 것은 Vh와 Vl가 충분히 가까운 경우 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로는 시간의 구간별로 거의 정전압 전원과 같이 동작되어 동작전압이 정해져 있는 마이크로프로세서 등의 전자회로의 전원으로 사용될 수 있다는 점이다. 따라서 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로는 에너지 저장장치나 전력변환장치 없이 요구되는 에너지를 공급할 수 있을 때에만 외부 전자회로에 공급할 수 있다.
보다 자세한 최대 전력점 추종 알고리즘에 대해서는 추후 구체적인 실시형태를 들어 상술한다. 최대 전력점 추종 제어부(40)는 외부 전자회로의 특성에 따라 외부 전자회로를 대기 또는 저전력 소모 상태인 슬립 모드로 동작하도록 하거나, 정상적인 작동 상태인 액티브 모드로 동작하도록 지시하는 슬립/활성화 신호를 생성하여 외부 전자회로(200)에 전달할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전자장치를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 전자장치는 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로(100) 및 외부 전자회로(200)로 구성되고, 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로(100)의 출력부(20)를 통해 외부 전자회로(200)에 전력이 공급된다. 외부 전자회로(200)는 마이크로프로세서(60)를 포함하여 구성되고, 프로그램 또는 바이오스 저장을 위한 롬(ROM), 동기(Synchronization)를 위한 클럭발생기(Clock generator), 기타 필요한 주변 장치(Peripheral)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 추후 설명하겠지만 외부 전자회로(200)의 마이크로프로세서(60)는 비휘발성 마이크로프로세서(Nonvolatile Microprocessor Unit; NVMPU)인 것이 바람직하다.
이하에서는 에너지 추출부(10) 및 외부 전자회로(200)의 구체적인 형태를 들어 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및 전자회로를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전자회로의 제1 실시형태는 에너지 공급 회로(100)의 에너지 추출부(10)가 태양전지(Photovoltaic cell; PV cell)이고, 외부 전자회로(200)에 비휘발성 마이크로프로세서(60)가 포함된 구조이다. 외부 전자회로(200)는 롬(62), 클럭발생기(64) 및 주변 장치(66)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전자장치의 제1 실시형태를 도시한 것이다. 제1 실시형태에서는 에너지 추출부(10)가 태양전지(14)이고, 스위치부(30)가 전계효과 트랜지스터(32)로 구성되며, 최대 전력점 추종 제어부(40)는 태양전지(14)의 전압 및 전류(온도, 조도 등 외부 환경의 종속변수이다)에 따라 펄스폭 변조된 개폐신호를 전계효과 트랜지스터(32)의 게이트에 공급한다. 따라서 외부 환경이 변동됨에 따라 동적 전력 관리(Dynamic Power Management; DPM)에 의한 최대 전력점 추종 제어가 가능하게 된다.
본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로에서 동적 전력 관리가 가능하게 되는 알고리즘, 즉 전계효과 트랜지스터(32)의 개폐신호를 생성하는 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 6(a)는 가로 4.5㎝, 세로 5.5㎝인 태양전지의 온도 300K에서 조도에 따른 전류-전압 곡선(I-V curve)이고, 도 6(b)는 동일 태양전지의 전력-전압 곡선(P-V curve)이다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이 조도에 관계없이 소정 전압(도 6의 실험조건에서는 약 3V)까지는 전압변동에 대해 전류가 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 즉, 태양전지의 특성상 소정 전압까지는 전류를 계속 증가시키면 최대 전력점의 추종이 가능하다. 그러다가 전압이 소정 전압을 초과하면서부터 전류가 급격히 감소한다. 따라서 도 6(b)에 도시된 바와 같이 전력-전압 곡선은 언덕 모양을 이루게 된다. 여기서 알 수 있는 것은 조도의 변화에 비해 최대 전력점(Maximum Power Point; MPP)이 형성되는 전압의 변화가 그리 크지 않다는 점이다. 즉, 도 6의 예에서 최소 조도인 200W/㎡의 최대 전력점에서의 전압을 Vl, 최대 조도인 450W/㎡의 최대 전력점에서의 전압 Vh라고 할 때, 최대 전력점 추종은 전압 Vl ~ Vh의 구간에서 이루어진다.
최대 전력점 추종 제어부(40)에서 최대 전력점 추종을 위한 개폐신호를 생성하기 위하여 전압 구간 Vl ~ Vh를 이용한다. 기본적인 제어정책(Control Policy)은 태양전지(14)의 출력단 전압이 Vh 이상이면, 전계효과 트랜지스터(32)를 턴온하고, 태양전지(14)의 출력단 전압이 Vl 이하면 전계효과 트랜지스터(32)를 턴오프시키는 것이다. 그 양의 대소에 관계없이 태양전지(14)에서 지속적으로 전력이 생산되고, 외부 전자회로(200)에서는 그 생산된 전력을 소모한다. 따라서 다음과 같은 과정이 반복된다.
① 태양전지(14)의 출력단의 전압이 Vh 이상일 때 전계효과 트랜지스터(32)를 턴온하면 외부 전자회로(200)에서의 전력소모로 인해 태양전지(14)의 출력단 전압이 강하된다
② 강화된 전압이 Vl 이하로 되면 전계효과 트랜지스터(32)가 턴오프되고 태양전지(14)가 고립되므로 다시 태양전지(14)의 출력단 전압이 상승하게 된다
③ 상승된 출력단 전압이 Vh 이상이면 다시 전계효과 트랜지스터(32)가 턴온되고, 외부 전자회로(200)에서 전력을 소모하기 시작한다.
이와 같이 ① 내지 ③의 과정이 반복되는 경우 전계효과 트랜지스터(32)의 온/오프 상태는 도 7과 같고, 이는 최대 전력점 추종 제어부(40)에서 생성되는 개폐신호의 파형과도 같다. 또한 최대 전력점 추종 제어부(40)에서 슬립/활성화 신호를 생성하는 경우 슬립은 전계효과 트랜지스터(32)가 턴오프되기 전에 이루어져야 하고, 활성화는 전계효과 트랜지스터(32)가 턴온된 이후에 이루어져야 하므로, 슬립/활성화 신호는 도 7의 하단에 도시한 바와 같이, 태양전지(14) 출력단의 전압이 Vh 이상으로 된 직후인 Vh - V1에서 슬립 → 활성화로 천이되고, 태양전지(14) 출력단의 전압이 Vl 이하로 되기 직전인 Vl + V2에서 활성화 → 슬립으로 천이된다. 이때, 외부 전자회로(200)에 포함된 비휘발성 마이크로프로세서(60)의 특성에 따라 활성화 신호를 별도로 인가해 줄 필요가 없는 경우도 있다(전원이 인가되면 자동적으로 상태를 복원하여 작업을 이어가는 경우). 이러한 경우 슬립/활성화 신호는 슬립 시점만 알려주는 타입, 예를 들면 슬립 시점에서의 펄스일 수 있다.
이러한 개폐신호의 파형은 듀티가 온도, 조도, 외부 전자회로의 전력소모량 등에 따라 가변된다. 이하에서는 본 발명에서 개폐신호의 듀티를 결정하는 방법에 대하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 도 5에 도시된 바와 같이 태양전지(14)에 벌크 캐패시터(12)가 병렬로 연결되고, 출력부(20)에 디커플링 캐패시터(22)가 병렬로 연결된 구조로서 설명한다.
태양전지(14)의 양단 전압을 Vpv, 태양전지(14)에서 흘러나오는 전류를 Ipv, 벌크 캐패시터(12)의 정전용량을 Cbulk라 할 때, 전계효과 트랜지스터(32)가 오프된 상태에서는 태양전지(14)가 벌크 캐패시터를 충전하므로, 키르히호프의 전류 법칙(KCL)에 따라 아래 [수학식 1]이 성립한다.
Figure pat00001
위에서 살펴본 바와 같이 개폐신호는 Vh에서 전계효과 트랜지스터(32)를 턴온하고, Vl에서 전계효과 트랜지스터(32)를 턴오프하므로, 정상상태(steady state)에서 전계효과 트랜지스터(32) 턴온에 걸리는 시간, 즉 전계효과 트랜지스터(32)가 오프되어 있는 시간을 Toff라 할 때, 이는 벌크 캐패시터(12)의 양단 전압이 Vl에서 Vh에 도달하는데 걸리는 시간인 Tl ,h와 같다. Tl ,h는 [수학식 1]을 전압에 대해 적분하면 되므로, 아래 [수학식 2]가 성립된다.
Figure pat00002
벌크 캐패시터(12)의 양단 전압이 Vh에 도달하면 전계효과 트랜지스터(32)가 턴온되는데, 이때 벌크 캐패시터(12)와 디커플링 캐패시터(22)가 병렬 연결되어 전하의 공유가 일어나고(벌크 캐패시터와 디커플링 캐패시터를 연결하는 도선의 저항은 극히 작은 값으로 전하 공유에 필요한 시간을 0sec로 가정하더라도 문제가 없다), 이때의 태양전지의 양단 전압 Vmid는 아래 [수학식 3]과 같다(Vth는 스위치가 온 되는 시점의 디커플링 캐패시터의 양단 전압, Cdecoup는 디커플링 캐패시터의 정전용량).
Figure pat00003
전하 공유가 일어난 후 태양전지(14)의 양단 전압이 Vh가 될 때까지 걸리는 시간을 Toff , on이라 하고, 이후 외부 전자회로(200)가 구동되는 시간을 Ttask라 하고, 이후 전계효과 트랜지스터(32)가 턴오프, 즉 태양전지(14)의 양단 전압이 Vl이 될 때까지 걸리는 시간을 Ton , off라 할 때, 에너지 보존 법칙에 의해 아래 [수학식 4]가 성립한다(Pon은 외부 전자회로가 소모한 에너지, Psw는 스위치부의 스위칭에 소모된 에너지).
Figure pat00004
전계효과 트랜지스터(32)가 턴오프될 때까지 걸리는 시간 Ton은 벌크 캐패시터(12) 양단의 전압이 Vh에서 Vl로 떨어지는 시간 Th ,l과 같고, [수학식 4]로부터 아래 [수학식 5]가 도출된다.
Figure pat00005
즉, 전계효과 트랜지스터(32)는 (Tl ,h + Th ,l)를 주기로 온, 오프가 반복되고, 외부 환경에 따라서, 아래 [수학식 6]과 같이 듀티비 Ddpm이 가변됨을 알 수 있다.
Figure pat00006
도 8은 National Solar Radiation Database에서 제공하는 시간별 일조량 그래프이고, 도 9는 가로 4.5㎝, 세로 5.5㎝인 태양전지 및 비휘발성 마이크로프로세서로 본 발명에 따른 전자장치를 구성한 경우의 실험 결과표이다. 7시와 19시를 제외한 전 시간에 걸쳐 효율 ηsys(= Pout/Pin, Pout은 출력 전력, Pin은 입력 전력)가 매우 높게(최하 60%를 상회한다) 나타남을 알 수 있다. 이러한 효율은 외부 전자회로가 비휘발성 마이크로프로세서를 사용하는 경우 훨씬 높게 나타난다. 왜냐하면, 비휘발성 마이크로프로세서는 작업의 상태(state) 또는 프로그램 카운터(Program Counter; PC)와 데이터를 기억할 수 있기 때문에 스위치부(30)가 1회 턴온된 시간 동안 작업이 끝나지 않은 경우 다음 턴온되었을 때 기억된 상태를 복원(restore)하여 연속적으로 작업을 수행할 수 있기 때문에 개폐신호의 듀티비가 낮은 구간도 활용할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 전자장치의 하루 평균 효율 84.5%로서 휘발성 마이크로프로세서를 사용하는 경우(비교예)의 하루 평균 효율 24.4%보다 매우 높게 나타남을 알 수 있다.
본 발명에 따른 전자회로의 제2 실시형태는 에너지 공급 회로(100)의 에너지 추출부(10)가 태양전지(14)이고, 외부 전자회로(200)가 자외선 지수 표시 회로인 경우이다.
도 10은 본 발명에 따른 전자장치의 제2 실시형태를 도시한 것이다. 에너지 공급 회로(100)는 실시예 1과 동일하며, 외부 전자회로(200)가 자외선센서(70), 마이크로프로세서(60) 및 디스플레이(80)로 구성된다. 자외선센서(70)의 종류에 따라 자외선센서(70)와 마이크로프로세서(60) 사이에 AD 컨버터가 개재될 수 있다. 또한, 디스플레이(80)는 저전력 LCD인 것이 바람직하다. 도 9에 도시된 전자장치는 저비용으로 박형(slim) 제작이 가능하므로, 도 11에 도시된 바와 같이 자외선 차단제의 용기나 차량의 내부에 붙여 사용할 수 있는 패치(환경에 따라 적응적으로 구동되는 패치라는 의미로 ‘스마트 패치’라 하였다) 형태로 구현될 수 있다.
도 10에 도시된 자외선 지수 표시 장치의 경우 에너지 공급 회로(100)에서 슬립 신호를 외부 전자회로(200)인 자외선 지수 표시 회로에 인가해 줄 필요가 있다. 왜냐하면, 자외선의 센싱은 누적선량(累積線量)으로 측정되기 때문에 소정의 시간, 예를 들면 10분 동안 누적된 자외선량을 산출해야 하는데, 그러기 위해서는 외부 전자회로(200), 즉 자외선 지수 표시 회로에 기억된 상태를 복원해서 작업을 이어가야 하기 때문이다. 즉, 도 10에 도시된 자외선 지수 표시 장치와 같이 상태의 기억이 필요한 전자장치는 스위치부(30)가 오프되기 전에 상태를 기억시키기 위하여 슬립 신호를 외부 전자회로(200)에 인가한다.
본 발명에 따른 전자회로의 제3 실시형태는 에너지 공급 회로(100)의 에너지 추출부(10)가 압전소자(16)이고, 외부 전자회로(200)가 무게 측정 회로인 경우이다.
도 12는 본 발명에 따른 전자장치의 제3 실시형태를 도시한 것이다. 에너지 공급 회로(100)는 에너지 추출부(10)가 태양전지(14)에서 압전소자(16)로 대체된 것 외에는 동일하고, 외부 전자회로(200)는 마이크로프로세서(60) 및 디스플레이(80)를 포함하여 구성된다. 제3 실시형태의 경우 압전소자(16)가 에너지 추출부(10)에 에너지를 공급하는 동시에, 마이크로프로세서(60)에 압력 또는 무게 정보를 제공하는 구성이다.
실시예 2 및 3의 경우 외부 전자회로(200)가 자외선 지수, 무게 등 에너지를 공급받는 대상에 대한 정보를 처리하기 때문에 전자장치로서의 효용성이 더욱 증대된다. 그 이유는 자외선 지수를 측정할 필요도 없이 어두운 경우라면 에너지 공급 회로(100)에서 충분한 에너지를 외부 전자회로(200)에 공급할 필요가 없고, 무게를 재지 않는다면 에너지 공급 회로(100)의 압전소자(16)에서 에너지를 생산할 필요도 없기 때문이다.
10 에너지 추출부 12 커플링 캐패시터
14 태양전지 16 압전소자
20 출력부 22 디커플링 캐패시터
30 스위치부 32 전계효과 트랜지스터
40 최대 전력점 추종 제어부 60 마이크로프로세서
62 롬 64 클럭발생기
66 주변장치 70 자외선센서
80 디스플레이
100 본 발명에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로
200 외부 전자회로

Claims (15)

  1. 에너지원으로부터 전력을 생성하는 에너지 추출부;
    외부 전자회로에 전력을 공급하는 출력부;
    상기 에너지 추출부와 상기 출력부 사이에 개재되어 스위치 온 시 상기 에너지 추출부의 출력단이 상기 출력부에 연결되도록 하는 스위치부 및
    상기 에너지 추출부의 전압 및 전류에 따라 상기 스위치부를 개폐하는 개폐신호를 발생시키는 최대 전력점 추종 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 개폐신호의 턴온 시점은 상기 에너지 추출부의 출력단 전압이 Vh일 때이고, 턴오프 시점은 상기 에너지 추출부의 출력단 전압이 Vl일 때인 것을 특징으로 하는 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로(단, Vh > Vl).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 추출부는 광전소자, 열전소자 또는 압전소자 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 추출부의 양단에 벌크 캐패시터가 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 출력부의 양단에 디커플링 캐패시터가 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치부는 전계효과 트랜지스터이고, 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트에 상기 개폐신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 최대 전력점 추종 제어부는 상기 외부 전자회로를 대기 또는 저전력 소모 상태인 슬립 모드로 동작하도록 하거나, 정상적인 작동 상태인 액티브 모드로 동작하도록 지시하는 슬립/활성화 신호를 생성하여 상기 외부 전자회로에 전달하는 것을 특징으로 하는 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로 및
    상기 전력변환기가 없는 에너지 공급 회로로부터 전력을 공급받는 외부 전자회로로 구성되는 전자장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 외부 전자회로는 비휘발성 마이크로프로세서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 외부 전자회로는 롬, 클럭발생기 및 주변 장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 에너지 추출부의 출력단의 양단에 벌크 캐패시터가 병렬로 연결되고,
    상기 출력부의 양단에 디커플링 캐패시터가 병렬로 연결되며,
    상기 개폐신호의 듀티비 Ddpm은 아래와 같은 것을 특징으로 하는 전자장치(단, Vpv는 에너지 추출부의 양단 전압, Ipv는 에너지 추출부에서 흘러나오는 전류, Cbulk는 벌크 캐패시터의 정전용량, Cdecoup는 디커플링 캐패시터의 정전용량, Vmid는 스위치부가 턴온되어 벌크 캐패시터와 디커플링 캐패시터 간 전하 공유가 이루어진 시점의 에너지 추출부의 양단 전압, Pon은 외부 전자회로가 소모한 에너지, Psw는 스위치부의 스위칭에 소모된 에너지).
    Figure pat00007

    Figure pat00008
    ,
    Figure pat00009

  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 외부 전자회로가 자외선센서, 마이크로프로세서 및 디스플레이를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 표시용 전자장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 에너지 공급 회로는 상기 외부 전자회로에 슬립 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 표시용 전자장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 자외선센서와 마이크로프로세서 사이에 AD 컨버터가 개재되는 것을 특징으로 하는 자외선 지수 표시용 전자장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 자외선 지수 표시용 전자장치는 사물에 붙여 사용할 수 있는 스마트 패치.
  15. 청구항 7에 있어서,
    상기 에너지 추출부는 압전소자이고, 상기 외부 전자회로는 마이크로프로세서 및 디스플레이를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무게 측정용 전자장치.

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