KR20170086783A - 태양광 에너지 수확 장치 및 태양광 에너지 수확 장치를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

태양광 에너지 수확 장치 및 태양광 에너지 수확 장치를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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Abstract

태양광 에너지를 수집하는 태양광 셀, 및 태양광 셀의 전압을 기초로 타겟 장치의 동작 모드를 제어함으로써 타겟 장치에 정전압을 제공하는 전력 관리 유닛을 포함하는 태양광 에너지 수확 장치 및 태양광 에너지 수확 장치를 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.

Description

태양광 에너지 수확 장치 및 태양광 에너지 수확 장치를 포함하는 전자 장치{PHOTOVOLTAIC ENERGY HARVESTING DEVICE AND ELECTRIC DEVICE INCLUDING THE PHOTOVOLTAIC ENERGY HARVESTING DEVICE}
아래의 실시예들은 태양광 에너지 수확 장치 및 태양광 에너지 수확 장치를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
사물 인터넷(Internet of Things; IoTs)은 지난 수년간 널리 펴졌으며, 인터넷에 연결된 사물 인터넷 장치의 개수는 2020년까지 500억 개에 도달할 것으로 예상되고 있다. 사물 인터넷의 전체 잠재력에 도달하기 위해, 사물 인터넷의 장치는 전원(power sources)을 포함하여 스스로 지속 가능할 것(self-sustainable)이 요구된다. 많은 장소에 배포된 엄청난 수의 사물 인터넷 장치들에서 배터리를 교체하거나, 또는 사물 인터넷 장치를 위한 전원 콘센트(power outlets)를 제공하는 것은 실용적이지 않다. 사물 인터넷의 보급에는 이러한 배터리 교체 및 유지 보수가 장애가 되고 있다.
에너지 수확(Energy harvesting)은 환경에서 에너지를 생성함으로써 배터리 교체로부터 자유로워 질 수 있는 유망한 해결책이 될 수 있다. 에너지 수확 장치는 배터리 교체로 인한 유지 보수의 부담을 줄이는 재생 전력 공급원(renewable power source)의 역할을 수행할 수 있다. 에너지 수확은 배터리 교체를 완화할 수 있는 유망한 대안이지만, 현재의 에너지 수확 방법은 배터리 및 최대 전력점 추적(maximum power point tracking; MPPT)을 위한 전력 변환기들(power converters)에 의존한다. 불행히도, 배터리는 마모 문제를 가지고, 전력 변환기들은 고가이고, 무거우며, 손실이 크다.
일 실시예에 따르면, 에너지 스토리지(energy storage) 및 전력 변화기를 필요로 하지 않는 스스로 지속 가능한 태양광 에너지 수확 장치 및 전자 장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 에너지 수확량 및 타겟 장치의 동작 시간을 연장할 수 있는 태양광 에너지 수확 장치 및 전자 장치를 제공할 수 있다.
일 측에 따르면, 태양광 에너지 수확 장치는 태양광 에너지를 수집하는 태양광 셀; 및 상기 태양광 셀의 전압을 기초로 타겟 장치의 동작 모드를 제어함으로써 상기 타겟 장치에 정전압을 제공하는 전력 관리 유닛(Power Management System; PMS)을 포함한다.
상기 전력 관리 유닛은 상기 태양광 셀의 전압에 기초하여, 상기 타겟 장치의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비(Duty ratio)를 동적으로 결정할 수 있다.
상기 전력 관리 유닛은 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM)에 기초한 듀티-가변형(Duty-controlled) 전력 관리 유닛을 포함할 수 있다.
상기 듀티-가변형 전력 관리 유닛은 상기 태양광 셀의 전압을 미리 설정된 임계값과 비교하는 전압 비교기(voltage comparator); 상기 태양광 셀의 전압과 상기 임계값의 비교 결과에 기초하여 업 카운터 또는 다운 카운터로 동작하는 업/다운 카운터; 바이너리 카운터(binary counter); 및 상기 업/다운 카운터의 출력과 상기 바이너리 카운터의 출력을 비교하는 크기 비교기(magnitude comparator)를 포함할 수 있다.
상기 바이너리 카운터는 동적 전력 관리(Dynamic Power Management, DPM)를 위한 클락 신호에 반응하여 미리 정해진 범위 내에서 순환적으로 증가되는 카운터 값을 출력할 수 있다.
상기 업/다운 카운터는 상기 태양광 셀의 전압이 상기 임계값보다 크면 상기 바이너리 카운터의 출력에 반응하여 증가되는 카운터 값을 출력하고, 상기 태양광 셀의 전압이 상기 임계값보다 작으면 상기 바이너리 카운터의 출력에 반응하여 감소되는 카운터 값을 출력할 수 있다.
동적 전력 관리를 위한 주파수는 상기 바이너리 카운터의 클럭 주파수에 의하여 결정되고, 동적 전력 관리를 위한 듀티 비는 상기 크기 비교기의 출력 값에 의하여 결정될 수 있다.
상기 업/다운 카운터의 동작 주파수는 상기 태양광 셀의 전압 변화에 대한 전원 스위치의 응답 시간을 반영하여 결정될 수 있다.
상기 업/다운 카운터의 동작 주파수는 상기 바이너리 카운터의 동작 주파수보다 미리 정해진 비율 이상 느리게 설정될 수 있다.
상기 전력 관리 유닛은 상기 태양광 셀의 전압 및 미리 설정된 임계 전압에 기초하여, 상기 태양광 에너지의 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT)을 수행할 수 있다.
상기 전력 관리 유닛은 최대 전력점(MPP)의 전류(IMPP)에 대한 부하(Iload)를 유지하도록 상기 타겟 장치에 의하여 소모되는 평균 전류를 상기 최대 전력점의 전류와 같게 하는 동적 전력 관리를 수행할 수 있다.
상기 태양광 에너지 수확 장치는 상기 타겟 장치에 전력을 공급하는 전원 스위치를 더 포함하고, 상기 전원 스위치는 상기 크기 비교기의 비교 결과에 의존하여 온/오프 동작을 반복할 수 있다.
상기 타겟 장치는 사물 인터넷 장치를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 에너지 공급 회로는 전력을 생성하는 에너지원; 타겟 장치에 상기 전력을 공급하는 출력부; 및 상기 타겟 장치에 의하여 소모되는 평균 전류량이 방사 조도에 따른 상기 에너지원의 최대 전력점에 대응하는 전류량에 부합하도록 상기 타겟 장치의 전력 모드를 제어하는 슬립 신호 또는 웨이크 업 신호를 발생시키는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 에너지원의 출력 전압에 기초하여, 상기 타겟 장치의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비를 동적으로 결정한다.
상기 에너지원은 광전 소자, 열전 소자 또는 압전 소자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 에너지원의 최대 출력 전력은 상기 방사 조도에 의하여 결정되고, 상기 최대 출력 전력에 대응하는 상기 에너지원의 출력 전압은 상기 타겟 장치를 구동시키는 정전압에 대응하며, 상기 최대 전력점에 대응하는 전류량은 상기 최대 출력 전력 및 상기 출력 전압에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 에너지 공급 회로는 상기 에너지원과 상기 출력부의 연결을 제어하는 스위치부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위치부의 개폐 신호를 발생시킬 수 있다.
일 측에 따르면, 전자 장치는 에너지 공급 회로; 및 상기 에너지 공급 회로로부터 전력을 공급받는 타겟 장치를 포함하고, 상기 에너지 공급 회로는 상기 전력을 생성하는 에너지원; 상기 타겟 장치에 상기 전력을 공급하는 출력부; 및 상기 타겟 장치에 의하여 소모되는 평균 전류량이 방사 조도에 따른 상기 에너지원의 최대 전력점에 대응하는 전류량에 부합하도록 상기 타겟 장치의 전력 모드를 제어하는 슬립 신호 또는 웨이크 업 신호를 발생시키는 제어부를 포함하고, 상기 에너지원의 출력 전압에 기초하여, 상기 타겟 장치의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비를 동적으로 결정한다.
상기 타겟 장치는 자외선을 센싱하는 자외선 센서; 상기 자외선 센서의 출력에 기초하여 자외선 량을 누적하고, 상기 슬립 신호를 수신하면 현재 작업의 상태를 기억하며, 상기 웨이크 업 신호를 수신하면 기억된 상태를 복원하는 처리부; 및 상기 누적된 자외선 량에 기초한 자외선 지수를 표시하는 디스플레이를 포함할 수 있다.
상기 전자 장치는 상기 전자 장치를 대상체에 붙여 사용할 수 있도록 하는 패치를 더 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 태양광 에너지의 수확뿐만 아니라, 임피던스 추적을 요하는 다수의 에너지 수확 전원에 적용될 수 있는 스스로 지속 가능한 에너지 수확 장치 및 전자 장치를 제공할 수 있다.
일 측에 따르면, 에너지 스토리지 및 전력 변환기를 필요로 하지 않는 에너지 수확 장치 및 전자 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 태양광 에너지 수확 장치(a) 및 일 실시예에 따른 태양광 에너지 수확 장치들(b)(c)의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 태양광 셀의 전압 대 부하 전류 간의 관계 및 타겟 장치의 전력 소비 및 태양 방사 조도 간의 관계를 설명하기 위한 그래프들.
도 3은 일 실시예에 따른 듀티-가변형(Duty-controlled) 전력 관리 유닛의 회로를 나타낸 도면.
도 4는 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 5는 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛에 의한 예상 전압 레벨과 전원 스위치 제어 간의 관계를 나타낸 도면.
도 6은 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛의 하루의 시간에 따른 동작 모드의 변화를 설명하기 위한 도면.
도 7은 일 실시예에 따른 에너지 공급 회로의 블록도.
도 8은 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도.
도 9는 임계치-가변형 전력 관리 유닛과 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛 간의 방사 조도 레벨의 변화에 따른 성능 비교 결과를 나타낸 그래프들.
도 10은 임계치-가변형 전력 관리 유닛과 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛 간의 하루의 시간에 따른 성능 비교 결과를 나타낸 그래프들.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 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 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일반적인 태양광 에너지 수확 장치(a) 및 일 실시예에 따른 태양광 에너지 수확 장치들(b)(c)의 구조를 나타낸 도면이다. 에너지 수확 장치의 구조는 크게 도 1(a)와 같은 수확-저장-사용(harvest-store-use) 구조와 도 1(b) 및 도 1(c)와 같은 수확-사용(harvest-use) 구조로 분류될 수 있다.
도 1(a)를 참조하면, 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT)을 가지는 일반적인 태양광 에너지 수확 장치의 구조가 도시된다. 에너지 수확 장치의 전력 생성은 타겟 어플리케이션이 무정전 전원 공급(uninterruptible power supply)을 필요로 함에도, 주변 환경의 변화에 취약하다. 대부분의 에너지 수확 장치들은 이상적인 전원과는 상이한 전압-전류 특성을 보인다. 일반적인 에너지 수확 장치는 최대 전력점 추적(또는 이와 유사한 전력점 추적)을 추구하기 위해, 장기(long-term) 에너지 스토리지로서 충전 가능한 배터리와 전압 변환기들(voltage converters)(또는 레귤레이터들(regulators))을 기본적으로 포함할 수 있다. 최대 전력점 추적의 가장 심각한 단점 중 하나는 충전식 배터리(rechargeable battery)를 필요로 한다는 것이다. 충전식 배터리들은 제한된 수명을 가지고, 주기적인 교체를 필요로 한다. 이는 사물 인터넷 장치의 유지 보수 비용을 불필요하게 한다. 전력 변환기들은 비싸고, 무거우며, 손실 또한 크다.
또한, 전력 변환기 및 충전식 배터리는 무게, 폼 팩터(form factor) 및 비용을 포함하는 많은 측면에서 사물 인터넷 장치에 대한 일반적인 에너지 수확 구조의 적용을 심각하게 제한한다.
도 1(a)에 도시된 수확-저장-사용 구조는 대부분의 에너지 수확 장치들에서 전통적인 구조이다. 여기서, 충전식 배터리들은 다양한 환경 조건에 따라 불안정한 수확된 에너지 전원의 문제를 완화하기 위해 사용되었다. 하지만, 충전식 배터리들의 사용은 충전식 배터리의 제한된 수명(lifetime)으로 인해 사물 인터넷 장치들의 자기 지속성(self-sustainability)을 심각하게 제한한다.
슈퍼 커패시터는 충전식 배터리의 수명보다 휠씬 더 긴 수명을 나타낸다. 일부 설계 관행은 충전식 배터리를 사용하는 대신에, 슈퍼 커패시터를 사용하기도 한다. 이러한 교체는 충전식 배터리들의 문제를 완화하는 것으로 보이지만, 슈퍼 커패시터의 사용은 상대적으로 높은 비용 및 누설 전류(leakage current) 등과 같은 다른 문제를 발생시킨다. 특히, 누설 전류 문제는 실제 사물 인터넷 장치들에 대한 슈퍼 커패시터의 광범위한 사용을 심각하게 제한한다.
전통적인 수확-저장-사용 구조의 또 다른 문제는 둘 이상의 전압 변환기들을 필요로 한다는 것이다. 전압 변환기들 중 하나는 배터리(또는 슈퍼 커패시터)를 충전하는 최대 전력점 추적을 수행하는 데에 사용되고, 나머지 하나는 타겟 장치에 정전압을 제공하는 데에 사용될 수 있다. 비록, 전압 변환기를 설계하는 최근 기술들이 전압을 변환하는 동안 에너지 손실을 최소화하지만, 전압을 변환하는 동안 여전히 무시하지 못할 에너지 손실이 존재한다. 게다가, 에너지 스토리지 및 전압 변환기들은 타겟 장치들을 보다 비싸고 크게 만드는 가장 비싸고, 부피가 큰 구성 요소들이다.
도 1(b) 및 도 1(c)를 참조하면, 일 실시예에 따른 수확-이용 구조의 태양광 에너지 수확 장치들의 구조가 도시된다. 도 1(b) 및 도 1(c)의 수확-이용 구조의 주 아이디어는 (장기) 에너지 스토리지 및 전력 변환기들을 제거하는 것이다. 에너지 스토리지 및 전력 변환기들이 제거되는 경우, 에너지 효율은 증가되는 반면, 에너지 수확 장치의 비용은 줄일 수 있다.
다만, 1) 전력 변환기가 없는 경우에 사물 인터넷 장치에서 요구하는 적절한 전력이 제공될 지 있는지 여부 및 2) 에너지 스토리지가 없는 경우에 수확된 에너지가 타겟 장치가 동작하는 데에 충분하게 제공될 수 있는지 여부가 문제될 수 있다. 일 실시예에서 도 2를 참조하여 전력 변환기가 없더라도 사물 인터넷 장치에서 요구되는 적절한 전력이 제공될 수 있음을 설명하고, 도 6을 참조하여 에너지 스토리지가 없더라도 수확된 에너지가 타겟 장치가 동작하는 데에 충분하게 제공될 있음을 설명한다.
이하에서는, 도 1(b) 및 도 1(c)를 참조하여 실시예들에 따른 태양광 에너지 수확 장치의 구조에 대하여 설명한다.
도 1(b)를 참조하면, 일 실시예에 따른 태양광 에너지 수확 장치는 태양광 셀(PV Cell)(110), 전력 관리 유닛(Power Management System; PMS)(130) 및 타겟 장치(150)를 포함한다.
태양광 셀(110)은 태양광 에너지를 수집한다. 태양광 셀(110)의 최대 전력점(Maximum Power Point, MPP)에 해당하는 전압은 타겟 장치(150)의 동작 전압에 부합하도록 설계될 수 있다. 또한, 타겟 장치(150)는 비휘발성으로 동작하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 타겟 장치(150)는 전력 관리 유닛(130)으로부터 슬립 신호 또는 웨이크업 신호를 수신하여, 슬립 모드와 활성 모드 사이에서 동작 모드를 전환할 수 있다. 타겟 장치(150)는 슬립 신호에 반응하여 슬립 모드로 전환되기 전 활성 모드에서의 상태를 저장하고, 웨이크업 신호에 반응하여 활성 모드로 전환하면서 기존에 저장된 상태를 복원할 수 있다.
전력 관리 유닛(130)은 태양광 셀(110)의 전압을 기초로 타겟 장치(150)의 동작 모드를 제어함으로써 타겟 장치(150)에 정전압을 제공한다. 타겟 장치(150)는 예를 들어, 사물 인터넷 장치일 수 있다.
전력 관리 유닛(130)은 태양광 셀(110)의 전압 및 미리 설정된 임계 전압에 기초하여, 태양광 에너지의 최대 전력점 추적(MPPT)을 수행할 수 있다. 전력 관리 유닛(130)은 타겟 장치(150)에 의하여 소요되는 평균 전류량이 태양광 셀(110)의 최대 전력점에 해당하는 전류량에 부합되도록 타겟 장치(150)의 동작 모드를 제어할 수 있다. 일 실시예에 따른 전력 관리 유닛(130)은 낮은 태양 방사 조도(solar irradiance)에서도 최대 전력점 추적 성능 및 높은 에너지 효율에 이르게 하도록 태양광 셀(110)의 전압을 세밀하게 제어할 수 있다.
전력 관리 유닛(130)은 태양광 셀(110)의 전압에 기초하여, 타겟 장치(150)의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비(Duty ratio)를 동적으로 결정할 수 있다.
전력 관리 유닛(130)은 예를 들어, 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM)에 기초한 듀티-가변형(Duty-controlled) 전력 관리 유닛을 포함할 수 있다. 듀티-가변형 전력 관리 유닛의 구조 및 동작에 대하여는 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1(c)를 참조하면, 다른 실시예에 따른 태양광 에너지 수확 장치는 도 1(b)의 타겟 장치(150)에 전력을 공급하는 전원 스위치(140)를 더 포함할 수 있다. 전원 스위치(140)는 전력 관리 유닛(130)에 포함된 크기 비교기의 비교 결과에 의존하여 온/오프 동작을 반복할 수 있다. 전원 스위치(140)는 온/오프 동작에 의해 태양광 셀(110)에 수집된 태양광 에너지를 타겟 장치(150)에게 공급 또는 차단할 수 있다.
도 2는 서로 다른 태양 방사 조도 하에서 태양광 셀의 전압 대 전류 간의 관계 및 태양광 셀의 전압 대 타겟 장치의 전력 소비 간의 관계를 나타낸 그래프들이다. 도 2를 참조하면, 서로 다른 태양 방사 조도(G), 다시 말해 서로 다른 일사량 레벨 하에서 태양광 셀의 전압(V) 대 부하 전류(Iload) 간의 관계(왼쪽) 및 태양광 셀의 전압(V) 대 타겟 장치의 전력 소비(P) 간의 관계(오른쪽)를 나타내는 비선형의 그래프들이 도시된다. 태양 방사 조도는 태양광 에너지량일 수 있다.
도 2에서 GSTC는 표준 테스트 조건에서의 방사 조도(irradiance)(1000 W/㎡)를 나타내고, 점(●)은 최대 전력점(Maximum Power Point; MPP)을 나타낸다. 최대 전력점은 임의의 일사량 레벨 하에서 태양광 셀의 출력 전력의 최대치를 나타낸다. 변화하는 일사량 하에서 태양광 셀의 출력 전력을 최대화하기 위해 최대 전력점 추적(MPPT) 기법 또는 최대 전력 전송 트래킹(maximum power transfer tracking; MPTT) 기법이 사용될 수 있다. 일 실시예에서는 태양광 셀이 모두 그들의 최대 전력점 또는 최대 전력점 부근에서 동작하도록 함으로써 태양광 셀의 출력 전력을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전압 변환기(voltage converter)가 없더라도, 전력 관리 유닛으로부터 허용 가능한 범위의 전압이 타겟 장치에 제공되는 경우에는 전원 공급 문제가 발생하지 않는다. 도 2의 그래프를 통해, 최대 전력점(MPP)에서 태양광 셀의 전압(VMPP)이 태양 방사 조도 레벨에 무관하게, 눈에 띄게 변화하지는 않음을 파악할 수 있다. 이는 최대 전력점 추적이 제대로 수행되고, 전압(VMPP)이 타겟 장치의 권장된 동작 전압(Vload)과 동일한 경우, 태양광 셀이 전압 변환기를 사용하지 않고 정전압을 직접 타겟 장치에게 제공할 수 있음을 의미한다. 일반적으로 각 태양광 셀에서 전압(VMPP)은 고정되므로, Vload = VMPP는 적절한 태양광 셀을 선택함으로써 대부분 달성될 수 있다.
또한, 일 실시예에서는 세밀한 동적 전력 관리(Dynamic Power Management; DPM)를 이용하여 최대 전력점 추적(MPPT)을 수행할 수 있다. 여기서, 최대 전력점 추적은 최대 전력점(MPP)의 전류(IMPP)에 대한 부하 전류(Iload)를 유지하는 의미로 이해될 수 있다.
일 실시예에 따른 전력 관리 유닛은 최대 전력점(MPP)의 전류(IMPP)에 대한 부하(Iload)를 유지하도록 타겟 장치에 의하여 소모되는 평균 전류를 최대 전력점의 전류와 같게 하는 동적 전력 관리를 수행할 수 있다. 최대 전력점 추적을 달성하기 위한 전력 관리 유닛의 구조에 대하여는 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 듀티-가변형(Duty-controlled) 전력 관리 유닛의 회로를 나타낸 도면이다. 일 실시예에 따른 태양광 에너지 수확 장치에서는 고정된 동적 전력 관리(DPM) 주파수를 이용함으로써 동적 전력 관리의 오버헤드를 적절하게 제어할 수 있다.
전력 관리 유닛(300)은 전력 관리 유닛(300) 및 타겟 장치에서 사용되는 모든 전기 부품들 중 처음으로 활성화되고, 마지막으로 비활성화되어야 한다. 콜드 스타트(cold start) 동안, 태양광 셀(310)은 낮은 전압을 가지고, 매우 낮은 태양 방사 조도는 매우 약한 부하 전류에도 최대 전력점(MPP)에서의 태양광 셀의 전압(VMPP)을 유지할 수 없게 한다. 따라서, 전원 스위치를 적절하게 제어하기 위해서 전력 관리 유닛(300)은 공급 전압의 보다 넓은 범위에서 동작될 수 있다.
일 실시예에서는 전력 관리 유닛(300)의 구성 요소들을 낮은 대기 전류를 가지고, 2~7 볼트(volt) 동작 범위를 허용하는 고속 상보형 금속-산화물-반도체(metal-oxide-semiconductor(HC-MOS)) 디바이스에 의해 구현할 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 전력 관리 유닛(300)은 전압 비교기(voltage comparator)(320), 업/다운 카운터(up/down counter)(330), 바이너리 카운터(binary counter)(340), 크기 비교기(magnitude comparator)(350), 디바이더(Divider)(360) 및 클럭(370)을 포함할 수 있다.
전압 비교기(320)는 태양광 셀(310)의 전압을 미리 설정된 임계값과 비교할 수 있다. 전압 비교기(320)의 임계값은 태양광 셀의 최대 전력점(MPP)을 위한 전압(VMPP)으로 설정될 수 있다.
전압 비교기(320)는 예를 들어, 태양광 셀(310)의 전압(1/3VPV)이 미리 설정된 임계값(VZ = 1/3 VMPP)보다 크다면, '1' 또는 '하이(High)'를 출력하고, 태양광 셀(310)의 전압이 미리 설정된 임계값보다 작거나 같다면 '0' 또는 '로우(Low)'를 출력할 수 있다.
업/다운 카운터(330)는 전압 비교기(320)에서의 태양광 셀(310)의 전압과 임계값의 비교 결과에 기초하여 업 카운터 또는 다운 카운터로 동작할 수 있다. 업/다운 카운터(330)는 예를 들어, 태양광 셀(310)의 전압이 임계값보다 크면 업 카운터로 동작하여 바이너리 카운터의 출력에 반응하여 증가되는 카운터 값을 출력할 수 있다. 업/다운 카운터(330)는 태양광 셀(310)의 전압이 임계값보다 작으면 다운 카운터로 동작하여 바이너리 카운터(340)의 출력에 반응하여 감소되는 카운터 값을 출력할 수 있다.
업/다운 카운터(330)의 동작 주파수는 태양광 셀(310)의 전압 변화에 대한 전원 스위치(도 1(c)의 전원 스위치(140) 참조)의 응답 시간을 반영하여 결정될 수 있다.
업/다운 카운터(330)는 예를 들어, 8-bit 또는 4-bit 등과 같이 2 bit 이상의 업/다운 카운터일 수 있다. 업/다운 카운터(330)의 출력 Q[0, .. ,7]은 크기 비교기(350)에게 A 값으로 전달될 수 있다.
바이너리 카운터(340)는 동적 전력 관리(DPM)를 위한 클럭(370) 신호에 반응하여 미리 정해진 범위 내에서 순환적으로 증가되는 카운터 값을 출력할 수 있다. 바이너리 카운터(340)는 예를 들어, 8-bit 또는 4-bi 등과 같이 2 bit 이상의 바이너리 카운터일 수 있다. 바이너리 카운터(340)의 출력 Q[0, .., 7]은 크기 비교기(350)에게 B 값으로 전달될 수 있다. 바이너리 카운터(340)의 동작 주파수는 예를 들어, 153 KHz로 설정될 수 있다.
또한, 바이너리 카운터(340)의 출력 Q[0, .. ,7]은 디바이더(Divider)(360)를 거쳐 업/다운 카운터(330)의 클럭으로 인가될 수 있다. 이에 따라, 업/다운 카운터(330)의 동작 주파수는 바이너리 카운터(340)의 동작 주파수보다 미리 정해진 비율(예를 들어, 10배) 이상 느리게 설정될 수 있다. 일 실시예에서는 적절한 응답 시간을 유지하면서 듀티 비의 급격한 변화를 방지하기 위해, 업/다운 카운터(330)의 동작 주파수를 바이너리 카운터(340)의 동작 주파수보다 느리게 설정할 수 있다.
크기 비교기(350)는 업/다운 카운터(330)의 출력 A와 바이너리 카운터(340)의 출력 B를 비교할 수 있다. 크기 비교기(350)는 예를 들어, 출력 A가 출력 B 보다 큰 경우, '1'을 출력하고, 출력 A가 출력 B 보다 작거나 같은 경우, '0'을 출력할 수 있다.
일 실시예에 따른 전력 관리 유닛(300)에서 PWM out으로 '1'이 출력되는 경우, 전원 스위치(도 1(c)의 140)는 'On'이 되어 타겟 장치(150)에게 전원을 공급할 수 있다. 또는 전력 관리 유닛(300)에서 '1'이 출력되는 경우, 전력 관리 유닛(300)은 타겟 장치(150)의 동작 모드를 활성 모드로 제어할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전력 관리 유닛(300)에서 PWM out으로 '0'이 출력되는 경우, 전원 스위치(도 1(c)의 140)는 'Off'가 되어 타겟 장치에 대한 전원 공급을 차단할 수 있다. 또는 전력 관리 유닛(300)에서 '0'이 출력되는 경우, 전력 관리 유닛(300)은 타겟 장치의 동작 모드를 슬립 모드로 제어할 수 있다.
일 실시예에서 동적 전력 관리를 위한 주파수는 바이너리 카운터(340)의 클럭(370) 주파수에 의하여 결정되고, 동적 전력 관리를 위한 듀티 비는 크기 비교기(350)의 출력 값에 의하여 결정될 수 있다. 크기 비교기(350)의 출력 값에 의하여 동적 전력 관리를 위한 듀티 비가 결정되는 것을 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 크기 비교기에서 업/다운 카운터의 출력 A와 바이너리 카운터의 출력 B 간의 비교 결과에 따라 동적 전력 관리를 위한 듀티 비가 서로 달리 결정되는 케이스들(410,430,450)이 도시된다. 여기서, '듀티 비(duty ratio)'는 한 주기 내에서 온(on)인 상태의 비율, 다시 말해, 한 주기 내에서 타겟 장치로 전압이 인가되는 시간의 비율로 이해될 수 있다.
전술한 바와 같이, 듀티 비의 급격한 변화를 방지하기 위해, 업/다운 카운터의 동작 주파수는 바이너리 카운터의 동작 주파수보다 예를 들어, 10배 정도 느리게 설정될 수 있다.
업/다운 카운터의 카운터 값은 미리 정해진 값으로 초기화될 수 있다. 예를 들어, 케이스(410)에서 업/다운 카운터의 출력 A가 123이라고 하자. 이 경우, 바이너리 카운터의 출력 B가 0부터 122까지는 출력 A가 출력 B보다 크므로, 크기 비교기는 바이너리 카운터의 출력 B가 카운트 값 0부터 122까지 구간에서는 '1'을 출력하고, 바이너리 카운터의 출력 B가 123부터 255까지의 구간에서는 '0'을 출력한다. 케이스(410)에서 듀티 비는 거의 1:1이 될 수 있다.
태양광 셀의 전압이 임계값보다 큰 경우, 업/다운 카운터의 카운터 값은 증가될 수 있다. 예를 들어, 케이스(430)에서 업/다운 카운터의 출력 A가 190이라고 하자. 이 경우, 바이너리 카운터의 출력 B가 0부터 189까지는 출력 A가 출력 B보다 크므로, 크기 비교기는 바이너리 카운터의 출력 B가 0부터 189까지 구간에서는 '1'을 출력하고, 바이너리 카운터의 출력 B가 190부터 255까지의 구간에서는 '0'을 출력한다. 케이스(430)에서 듀티 비는 거의 3:1이 될 수 있다.
또한, 태양광 셀의 전압이 임계값보다 작은 경우, 업/다운 카운터의 카운터 값은 감소될 수 있다. 예를 들어, 케이스(450)에서 업/다운 카운터의 출력 A가 64이라고 하자. 이 경우, 바이너리 카운터의 출력 B가 0부터 63까지는 출력 A가 출력 B보다 크므로, 크기 비교기는 바이너리 카운터의 출력 B가 0부터 63까지 구간에서는 '1'을 출력하고, 바이너리 카운터의 출력 B가 64부터 255까지의 구간에서는 '0'을 출력한다. 케이스(450)에서 듀티 비는 1:3이 될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛에 의한 기대 전압 레벨과 전원 스위치 제어 간의 관계를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 전원 스위치의 제어에 따라 예측되는 태양광 셀의 전압 레벨이 도시된다.
펄스 폭 변조(PWM) 주파수는 듀티-가변형 전력 관리 유닛에 고정되므로, 방사 조도 변화는 동적 전력 관리의 오버헤드 변경을 초래하지 않는다. 이로 인하여, 동적 전력 관리의 오버헤드는 예측 범위 내에서 핸들링 될 수 있다.
도 5의 그래프를 참조하면, 방사 조도 레벨의 분산(variance)은 언더클럭킹 손실(under clocking loss)을 발생시키는 하위 임계 전압(VL)및 상위 임계 전압(VU)를 약간 변화시킬 수 있다. 하지만, 전압의 불안정은 펄스 폭 변조의 분해능(resolution)을 조절함으로써 최소화될 수 있다. 여기서, 펄스 폭 변조의 분해능은 PWM 주기일 수 있다.
일 예로, PWM 주기가 적정 시간보다 긴 경우 하위 임계 전압(VL)이 너무 낮아지거나, 상위 임계 전압(VU)이 너무 높아져 디바이스에 공급되는 전압이 허용된 범위를 벗어날 수 가 있다. 실시예에 따르면, PWM 주기를 조절함으로써 하위 임계 전압(VL) 및 상위 임계 전압(VU)을 조정할 수 있다.
PWM 주기를 짧게 조절하는 경우 상위 임계 전압(VL)과 하위 임계 전압(VU)의 차이는 작아지며, PWM 주기를 길게 조절하는 경우 상위 임계 전압(VL)과 하위 임계 전압(VU)의 차이가 커지므로, PWM 주기를 적절한 값으로 조절함으로써 상위 임계 전압(VL)과 　하위 임계 전압(VU)이 항상 디바이스가 허용하는 전압범위 내에 있도록 할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛의 하루의 시간에 따른 동작 모드의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 전술한 바와 같이, 수확-사용 구조를 달성하기 위한 다른 요구 사항은 스토리지 없는 에너지 수확 장치의 구조를 구현하는 것이다. 일 실시예에서는 수확된 에너지 량에 의존하여 동작 모드들을 적절하게 조절함으로써 스토리지 없는 에너지 수확 장치를 구현할 수 있다.
도 6을 참조하면, 타겟 장치에서 요구되는 부하 전력과 하루의 시간 동안에 수확된 에너지의 양을 고려한 동작 모드의 변화가 도시된다. 도 6에서 하루 동안의 활성 시간 및 슬립 시간의 비율은 태양광 셀의 크기, 다시 말해 태양광 전력(PV power)에 의존할 수 있다. 예를 들어, 태양광 셀의 크기가 큰 경우에 활성 시간은 슬립 시간에 비해 상대적으로 길어질 수 있지만, 태양광 셀의 크기가 커지는 경우, 그 비용 또한 높아지게 된다.
이것은 스토리지 및 전력 변환기가 없는 에너지 수확을 지원하기 위해, 전력 관리 유닛을 적절하게 디자인하는 것뿐만 아니라, 적절한 크기의 태양광 셀을 선택하는 것 또한 매우 중요하다는 것을 의미한다. 태양광 셀의 크기가 어떻든 상관없이, 수확된 에너지가 없는 경우(예를 들어, 야간)에 타겟 장치는 동작하지 않는다.
일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛은 수확된 태양광 전력이 요구되는 부하 전력보다 큰 경우에는 활성 모드(active mode)로 동작하도록 타겟 장치를 제어할 수 있다. 반면, 듀티-가변형 전력 관리 유닛은 수확된 태양광 전력이 요구되는 전력보다 작거나 같은 경우에는 슬립 모드(sleep mode)로 동작하도록 타겟 장치를 제어할 수 있다. 이러한 간단한 모드 변화에 기초하여, 듀티-가변형 전력 관리 유닛은 수확된 에너지가 0보다 확실히 크고, 요구된 전력보다 작은 영역들(610)을 적극적으로 활용할 수 있다. 타겟 장치가 부분적으로 활성 모드로 동작하고, 부분적으로 슬립 모드로 동작하는 이러한 영역들(610)을 '부분 동작 영역(partial operation region)'으로 정의할 수 있다.
일 실시예에서는 세분화된 동적 전력 관리를 통해 부분 동작 영역에서도 타겟 장치의 동작이 가능하도록 할 수 있다. 일 실시예에 따른 에너지 수확 방법은 태양광 에너지 수확에 한정되지 않고, 임피던스 추적을 필요로 하는 대부분의 에너지 수확 전원에 적용될 수 있다. 대부분의 에너지 수확 전원에서 사용되는 일 실시예에 따른 에너지 수확 장치의 구조에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 일 실시예에 따른 에너지 공급 회로의 블록도이다. 도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 에너지 공급 회로(700)는 에너지원(710), 출력부(720), 제어부(730) 및 타겟 장치(740)을 포함한다.
에너지원(710)은 전력을 생성한다. 에너지원(710)은 예를 들어, 광전 소자, 열전 소자 또는 압전 소자 등을 포함할 수 있다. 에너지원(710)이 광전 소자인 경우, 에너지원(710)의 최대 출력 전력은 방사 조도에 의해 결정될 수 있다.
출력부(720)는 타겟 장치(740)에 전력을 공급한다.
제어부(730)는 타겟 장치(740)에 의하여 소모되는 평균 전류량이 에너지원(710)의 최대 전력점에 대응하는 전류량에 부합하도록, 타겟 장치(740)의 전력 모드를 제어하는 슬립 신호 또는 웨이크 업 신호를 발생시킨다. 슬립 신호는 전력 모드 중 슬립 모드에 대응되고, 웨이크 업 신호는 전력 모드 중 활성 모드에 대응될 수 있다.
제어부(730)는 에너지원(710)의 출력 전압에 기초하여, 타겟 장치(740)의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비(Duty ratio)를 동적으로 결정한다.
에너지원(710)의 최대 출력 전력에 대응하는 에너지원(710)의 출력 전압은 타겟 장치(740)를 구동시키는 정전압에 대응하며, 최대 전력점에 대응하는 전류량은 최대 출력 전력 및 출력 전압에 기초하여 결정될 수 있다.
에너지 공급 회로(700)는 에너지원(710)과 출력부(720)의 연결을 제어하는 스위치부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부(730)는 스위치부의 개폐 신호를 발생시킬 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다. 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(800)는 에너지 공급 회로(810) 및 에너지 공급 회로(810)로부터 전력을 공급받는 타겟 장치(830)를 포함한다.
에너지 공급 회로(810)는 전원 스위치(power switch)와 동기화되는 전력 관리 유닛(PMU)를 포함할 수 있다. 에너지 공급 회로(810)는 타겟 장치(830)의 전력 전환이 안전하게 제어되도록 할 수 있다. 에너지 공급 회로(810)에서 태양광 셀(PV cell)의 크기는 통상적인 날씨 상태를 고려할 때, 최소 동작 시간(최소 듀티)을 만족하는 12.92 @100mW/cm2으로 설정되고, 태양광 셀의 VMPP 및 IMPP는 각각 3.4 volt 및 3.8 mA 일 수 있다.
이 밖에, 에너지 공급 회로(810)는 도 3을 통해 전술한 전력 관리 유닛의 동작 또는 도 7을 통해 전술한 에너지 공급 회로(700)의 동작을 수행할 수 있다. 에너지 공급 회로(810)의 동작에 대한 설명은 해당 부분의 설명을 참조한다.
타겟 장치(830)는 피부 보호를 위한 UV-레벨 메터(level meter)일 수 있다. UV-레벨 메터는 방사 조도 레벨에 따라 자동적으로 켜지고 꺼질 수 있다. 높은 태양 방사 조도로 인해 UV 노출에 대한 높은 관심이 요구되면, UV-레벨 메터는 전원을 켜고, 현재의 UV 레벨을 측정할 수 있다. UV-레벨 메터의 다른 주된 기능은 시간 경과에 따른 UV 노출을 축적하고, 자외선 차단 로션을 언제 다시 발라야 하는지를 알려주는 것이다. 이러한 기능은 해변, 스키장 등에서 매우 유용하다.
타겟 장치(830)의 크기 및 비용은 듀티-가변형 전력 관리 유닛을 포함하는 모든 로직이 하나의 칩 내에 내장되는 경우에 크게 감소될 수 있다.
타겟 장치(830)는 시간이 지남에 따른 자외선 노출을 축적하고, 해변, 스키장 리조트에서 다시 자외선 차단 로션을 발라야 할 때를 알려 줄 수 있다. 타겟 장치(830)는 스토리지가 없고, 전력 변환기가 없는 에너지 수확 장치, 다시 말해 에너지 공급 회로(810) 덕분에 스스로 지속 가능할 뿐만 아니라 일회용으로 구성될 수 있다.
타겟 장치(830)는 자외선 센서(831), 처리부(833) 및 디스플레이(835)를 포함한다.
자외선 센서(831)는 자외선을 센싱할 수 있다. 자외선 센서(831)는 예를 들어, ML8511 UV 센서 칩일 수 있다.
처리부(833)는 자외선 센서(831)의 출력에 기초하여 자외선 량을 누적하고, 에너지 공급 회로(810)로부터 슬립 신호를 수신하면 현재 작업의 상태를 기억하며, 에너지 공급 회로(810)로부터 웨이크 업 신호를 수신하면 기억된 상태를 복원할 수 있다. 처리부(833)는 예를 들어, CPLD(Complex Programmable Logic Device) 일 수 있다.
디스플레이(835)는 처리부(833)에서 누적된 자외선 량에 기초한 자외선 지수를 표시할 수 있다. 디스플레이(835)는 예를 들어, 2-digits Low power character LCD 일 수 있다.
전자 장치(800)는 전자 장치(800)를 대상체(예를 들어, 사용자 또는 자외선 차단 로션 등)에 붙여 사용할 수 있도록 하는 패치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 전자 장치(800)는 저전력의 무선 주파수 통신 어뎁터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 전자 장치(800)는 저전력의 무선 주파수 통신 어뎁터에 의해 사물 인터넷이 가능하도록 하는 무선 통신 기능을 갖출 수 있다.
도 9는 임계치-가변형 전력 관리 유닛과 일 실시예에 따른 듀티-가변형(Duty-controlled) 전력 관리 유닛 간의 방사 조도 레벨의 변화에 따른 비교 결과를 나타낸 그래프들이다. 이하에서는 비교 결과를 살펴보기에 앞서, 임계치-가변형 전력 관리 유닛에 대해 살펴본다.
임계치-가변형 전력 관리 유닛은 두 개의 임계값들(임계값 상한(VU) 및 임계값 하한( VL))을 사용하여 타겟 시스템에 정전압을 제공하는 전력 관리 유닛을 의미한다. 임계치-가변형 전력 관리 유닛은 유닛은 태양광 셀의 전압이 임계값 하한(VL)에 도달하면, 타겟 시스템에 대한 전원 스위치를 끄고, 태양광 셀의 전압이 임계값 상한(VU)에 도달하면 전원 스위치를 켤 수 있다.
임계치-가변형 전력 관리 유닛에 의해 기대되는 전압 레벨의 상승 기울기(rising slope) 및 하강 기울기(falling slope)는 태양광 셀 전압 및 부하 전류에 크게 의존한다.
상승 기울기는 태양광 셀에서 기생 커패시턴스 및 내부 저항의 함수인 반면, 하강 기울기는 태양광 셀 전압 및 요구된 부하 전류와 타겟 장치의 기생 커패시턴스의 함수일 수 있다. 임계치-가변형 전력 관리 유닛을 사용하는 경우, 일반적으로 하강 기울기보다 상승 기울기가 빠를 것으로 예상될 수 있다. 높은 방사 조도의 경우, 전압 레벨은 높은 상승 기울기 및 낮은 하강 기울기를 나타내는 반면, 큰 부하 전류는 높은 하강 기울기를 나타낼 수 있다.
태양광 셀에 병렬로 연결된 uF 벌크 커패시터(bulk capacitor)를 부가하는 것 또한 상승 기울기 및 하강 기울기에 영향을 줄 수 있다. 임계치-가변형 전력 관리 유닛에서 최적의 임계값들(VU, 및 VL)을 찾는 것은 최대 전력점의 성능뿐만 아니라 동적 전력 관리의 오버헤드를 결정하는 데에 중요하다.
예를 들어, 임계값들 간의 차이(VU - VL)가 작을수록 최대 전력점 추적의 성능은 좋아지지만, 이와 동시에 동적 전력 관리의 오버헤드는 커지고, 언더클럭킹 손실(underclocking loss)는 작아지게 된다.
임계치-가변형 전력 관리 유닛과 일 실시예에 따른 듀티-가변형(Duty-controlled) 전력 관리 유닛 간의 성능을 비교하기 위한 시뮬레이션 파라미터들의 세부 사항은 아래의 [표 1]과 같다.
Figure pat00001
도 9를 참조하면, 방사 조도 레벨의 변경에 따른 일 실시예에 따라 제안된 듀티-가변형 전력 관리 유닛과 임계치-가변형 전력 관리 유닛의 실제 컴퓨팅 파워(a), 동적 전력 관리의 오버헤드(b) 및 에너지 손실(c)의 관점에서 성능 비교 결과가 도시된다.
일 실시예에서는 방사 조도 레벨이 125 W/m2 이하이거나 500 W/m2 이상인 영역들에 대하여는 시뮬레이션하지 않는다. 전력 관리 유닛은 이러한 영역들 각각에서는 절대 타겟 장치를 켜거나 끄지 않기 때문이다. 이러한 영역의 범위들은 태양광 셀의 크기 및 부하 전류에 의해 변화될 수 있다.
예상대로, 임계치-가변형 전력 관리 유닛이 방사 조도 레벨에 의해 변화되는 반면, 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛의 동적 전력 관리의 오버 헤드 및 언더클럭킹 손실은 거의 일정함을 볼 수 있다.
일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛은 몇몇 영역에서 임계치-가변형 전력 관리 유닛에 비해 낮은 에너지 효율성을 보여주지만, 임계치-가변형 전력 관리 유닛에 비해 고정된 동적 전력 관리의 오버헤드에 기인한 보다 안정적인 성능 및 낮은 언더 클럭킹 손실을 제공할 수 있다.
임계치-가변형 전력 관리 유닛의 전력 효율이 방사 조도 레벨에 따라 77%에서 89%로 변화되는 동안, 듀티-가변형 전력 관리 유닛에서 수확된 전체 에너지의 85% 대부분이 방사 조도 레벨에 상관없이 실제 컴퓨팅에 사용될 수 있다. 방사 조도 레벨은 많은 환경 조건들에서 언제나 변화하기 때문에, 실제 어플리케이션에서 안정성 및 제어성이 더 중요한 요소들이 될 수 있다.
이하, 도 10에서는 하루 중 시간 동안의 방사 조도 변화에 따른 임계치-가변형 전력 관리 유닛과 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛 간의 에너지 및 듀티 비를 에 대해 살펴본다.
도 10은 임계치-가변형 전력 관리 유닛과 일 실시예에 따른 듀티-가변형 전력 관리 유닛 간의 하루의 시간에 따른 비교 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 10(a)를 참조하면, 전력 관리 유닛들의 성능 평가에 사용된 방사 조도 레벨의 변화가 도시된다. 일 실시예에서는 많고, 깨끗한 날의 방사 조도 프로파일을 사용할 수 있다. 임계치-가변형 전력 관리 유닛과 듀티-가변형 전력 관리 유닛 각각에서 동일한 크기의 태양광 셀 및 부하 전류가 사용될 수 있다.
도 10(b)를 참조하면, 듀티-가변형 전력 관리 유닛에서 하루 동안에 수확된 전체 에너지는 임계치-가변형 전력 관리 유닛에 비해 8% 이상임이 도시된다. 도 10(c)를 참조하면, 듀티-가변형 전력 관리 유닛 및 임계치-가변형 전력 관리 유닛에서의 듀티 비의 변화가 도시한다. 일반적으로 서비스의 품질(QoS)이 듀티 비와 긴밀한 관계를 가지므로, 듀티 비는 실제 응용에서 전체 에너지 이득보다 더 중요할 수 있다.
예를 들어, 온-듀티 비가 0.50을 초과하면, 최소 서비스 품질이 달성된다고 가정하자. 이러한 가정 하에서, 도 10(c)을 참조하면, 일 실시예에 따른 전력 관리 유닛은 타겟 장치를 (오전 9시부터 오후 5시까지) 거의 8시간 동안 동작시키고, 반면에 임계치-가변형 전력 관리 유닛은 타겟 장치를 오전 10:30부터 오후 3:30까지 단지 5시간 동안 동작시킴을 파악할 수 있다. 듀티-가변형 전력 관리 유닛에서 최소 서비스의 품질(QoS)이 보장되는 동작 시간은 임계치-가변형 전력 관리 유닛에 비해 거의 60% 이상 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 태양광 셀
130: 전력 관리 유닛
140: 전원 스위치
150: 타겟 장치

Claims (20)

  1. 태양광 에너지를 수집하는 태양광 셀; 및
    상기 태양광 셀의 전압을 기초로 타겟 장치의 동작 모드를 제어함으로써 상기 타겟 장치에 정전압을 제공하는 전력 관리 유닛(Power Management System; PMS)
    을 포함하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 유닛은
    상기 태양광 셀의 전압에 기초하여, 상기 타겟 장치의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비(Duty ratio)를 동적으로 결정하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 유닛은
    펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM)에 기초한 듀티-가변형(Duty-controlled) 전력 관리 유닛을 포함하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 듀티-가변형 전력 관리 유닛은
    상기 태양광 셀의 전압을 미리 설정된 임계값과 비교하는 전압 비교기 (voltage comparator);
    상기 태양광 셀의 전압과 상기 임계값의 비교 결과에 기초하여 업 카운터 또는 다운 카운터로 동작하는 업/다운 카운터;
    바이너리 카운터(binary counter); 및
    상기 업/다운 카운터의 출력과 상기 바이너리 카운터의 출력을 비교하는 크기 비교기(magnitude comparator)
    를 포함하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바이너리 카운터는
    동적 전력 관리(Dynamic Power Management, DPM)를 위한 클락 신호에 반응하여 미리 정해진 범위 내에서 순환적으로 증가되는 카운터 값을 출력하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 업/다운 카운터는
    상기 태양광 셀의 전압이 상기 임계값보다 크면 상기 바이너리 카운터의 출력에 반응하여 증가되는 카운터 값을 출력하고,
    상기 태양광 셀의 전압이 상기 임계값보다 작으면 상기 바이너리 카운터의 출력에 반응하여 감소되는 카운터 값을 출력하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    동적 전력 관리를 위한 주파수는 상기 바이너리 카운터의 클럭 주파수에 의하여 결정되고,
    동적 전력 관리를 위한 듀티 비는 상기 크기 비교기의 출력 값에 의하여 결정되는, 태양광 에너지 수확 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 업/다운 카운터의 동작 주파수는
    상기 태양광 셀의 전압 변화에 대한 전원 스위치의 응답 시간을 반영하여 결정되는, 태양광 에너지 수확 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 업/다운 카운터의 동작 주파수는
    상기 바이너리 카운터의 동작 주파수보다 미리 정해진 비율 이상 느리게 설정되는, 태양광 에너지 수확 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 유닛은
    상기 태양광 셀의 전압 및 미리 설정된 임계 전압에 기초하여, 상기 태양광 에너지의 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT)을 수행하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 유닛은
    최대 전력점(MPP)의 전류(IMPP)에 대한 부하(Iload)를 유지하도록 상기 타겟 장치에 의하여 소모되는 평균 전류를 상기 최대 전력점의 전류와 같게 하는 동적 전력 관리를 수행하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 타겟 장치에 전력을 공급하는 전원 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 전원 스위치는
    상기 크기 비교기의 비교 결과에 의존하여 온/오프 동작을 반복하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 장치는
    사물 인터넷 장치를 포함하는, 태양광 에너지 수확 장치.
  14. 전력을 생성하는 에너지원;
    타겟 장치에 상기 전력을 공급하는 출력부; 및
    상기 타겟 장치에 의하여 소모되는 평균 전류량이 방사 조도에 따른 상기 에너지원의 최대 전력점에 대응하는 전류량에 부합하도록 상기 타겟 장치의 전력 모드를 제어하는 슬립 신호 또는 웨이크 업 신호를 발생시키는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 에너지원의 출력 전압에 기초하여, 상기 타겟 장치의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비(Duty ratio)를 동적으로 결정하는 에너지 공급 회로.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 에너지원은
    광전 소자, 열전 소자 또는 압전 소자 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 에너지 공급 회로.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 에너지원의 최대 출력 전력은 상기 방사 조도에 의하여 결정되고,
    상기 최대 출력 전력에 대응하는 상기 에너지원의 출력 전압은 상기 타겟 장치를 구동시키는 정전압에 대응하며,
    상기 최대 전력점에 대응하는 전류량은 상기 최대 출력 전력 및 상기 출력 전압에 기초하여 결정되는, 에너지 공급 회로.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 에너지원과 상기 출력부의 연결을 제어하는 스위치부
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 스위치부의 개폐 신호를 발생시키는, 에너지 공급 회로.
  18. 에너지 공급 회로; 및
    상기 에너지 공급 회로로부터 전력을 공급받는 타겟 장치
    를 포함하고,
    상기 에너지 공급 회로는
    상기 전력을 생성하는 에너지원;
    상기 타겟 장치에 상기 전력을 공급하는 출력부; 및
    상기 타겟 장치에 의하여 소모되는 평균 전류량이 방사 조도에 따른 상기 에너지원의 최대 전력점에 대응하는 전류량에 부합하도록 상기 타겟 장치의 전력 모드를 제어하는 슬립 신호 또는 웨이크 업 신호를 발생시키는 제어부
    를 포함하고,
    상기 에너지원의 출력 전압에 기초하여, 상기 타겟 장치의 활성 모드와 슬립 모드 사이의 듀티 비(Duty ratio)를 동적으로 결정하는, 전자 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 타겟 장치는
    자외선을 센싱하는 자외선 센서;
    상기 자외선 센서의 출력에 기초하여 자외선 량을 누적하고, 상기 슬립 신호를 수신하면 현재 작업의 상태를 기억하며, 상기 웨이크 업 신호를 수신하면 기억된 상태를 복원하는 처리부; 및
    상기 누적된 자외선 량에 기초한 자외선 지수를 표시하는 디스플레이
    를 포함하는, 전자 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 전자 장치를 대상체에 붙여 사용할 수 있도록 하는 패치
    를 더 포함하는, 전자 장치.
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