KR20170135042A - Auto-switching energy harvesting circuit using vibration and thermoelectric energy - Google Patents

Auto-switching energy harvesting circuit using vibration and thermoelectric energy Download PDF

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유종근
윤은정
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인천대학교 산학협력단
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy comprises: a piezoelectric conversion unit for converting vibration into electricity; a thermoelectric conversion unit for converting heat into electricity; a power switching unit for outputting a higher voltage among a voltage outputted from the piezoelectric conversion unit and a voltage outputted from the thermoelectric conversion unit; and a maximum power point tracking (MPPT) control unit for outputting a voltage of a maximum power point (MPP) from the piezoelectric conversion unit and the thermoelectric conversion unit. The present invention is less sensitive to the environmental change, and an MPPT circuit of each energy source can be merged into one. The size and costs of an overall system are reduced, and thus can be easily applied to a micro sensor node. The maximum available power can be harvested from an energy source having greater output power by applying an automatic switching function.

Description

진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로{AUTO-SWITCHING ENERGY HARVESTING CIRCUIT USING VIBRATION AND THERMOELECTRIC ENERGY}{AUTO-SWITCHING ENERGY HARVESTING CIRCUIT USING VIBRATION AND THERMOELECTRIC ENERGY}

본 발명은 에너지 하베스팅 회로에 관한 것으로, 특히 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting circuit, and more particularly to an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy.

오늘날 집적회로의 발전은 임플란트 디바이스, 환경 모니터링, 웨어러블 센서 등 다양한 분야에 초소형, 초저전력 센서의 적용을 가능하게 하고 있다. 센서의 발전 양상에 따라 센서에 전원을 공급하는 배터리도 함께 발전되어야 하지만 배터리의 발전은 기술적인 한계로 발전 속도가 느리다. 기존의 배터리는 크고 무거우며 유한한 수명을 가지고 있어 초소형 센서에 적용하기에는 어려움이 있으며, 센서의 위치에 따라 배터리 교체가 어려울 수 있다. 이러한 초소형, 초저전력 센서에 자가 충전 또는 배터리 대용으로 사용될 수 있는 방법 중 하나가 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이다.Today, the development of integrated circuits enables the application of ultra-small, ultra-low power sensors in various fields such as implant devices, environmental monitoring, and wearable sensors. Depending on the development of the sensor, the battery that supplies the power to the sensor must also be developed, but the development of the battery is slow due to technical limitations. Conventional batteries are large, heavy, and have a finite lifespan, making them difficult to apply to ultra-small sensors, and battery replacement can be difficult depending on the location of the sensor. Energy harvesting technology is one of the ways that these ultra-small, ultra-low power sensors can be used as a self-charging or battery replacement.

에너지 수확을 위해 필요한 에너지 변환소자들에는 최대 가용 전력을 출력하는 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)이 존재하고, MPP는 주변 환경에 의해 실시간 변하기 때문에 효율적인 에너지 수확을 위해선 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking)이 필요하다. 다양한 MPPT 방법들 중에 힐-클라이밍(hill-climbing) 방식과 FOC(fractional open-circuit) 방식이 주로 사용되고 있다. 힐-클라이밍(hill-climbing) 방식은 MPP에 도달할 때까지 전력변환기(power converter)의 스위칭 주파수나 듀티 싸이클(duty cycle)을 지속적으로 변화시키는 방식이고, FOC 방식은 광전지(PV) 셀의 MPP 전압과 개방회로 전압 사이의 선형적 관계를 이용하는 방법이다.The energy conversion elements required for energy harvest have a maximum power point (MPP) that outputs the maximum available power. Since the MPP varies in real time due to the surrounding environment, the maximum power point tracking (MPPT : Maximum Power Point Tracking). Among the various MPPT methods, a hill-climbing method and a fractional open-circuit (FOC) method are mainly used. The hill-climbing method continuously changes the switching frequency or the duty cycle of the power converter until the MPP is reached. The FOC method is a method of continuously changing the MPC of the photovoltaic (PV) cell, And a linear relationship between the voltage and the open-circuit voltage is utilized.

에너지 하베스팅은 주변 환경변화에 따라 수확되는 에너지양이 변하기 때문에 하나의 에너지원을 이용하는 것보다는 여러 개의 에너지원을 이용하여 에너지를 수확하는 것이 환경변화에 덜 민감하다. 기존에 발표된 다중 입력 에너지 하베스팅 방식으로는 각 에너지원에서 수확된 에너지를 저장 커패시터에 저장한 후 저장 커패시터들을 직렬 연결하여 합치거나(비특허문헌 [2]), 순간적으로 최대 전력을 출력하는 에너지원을 선택하여 수확하는 방법(비특허문헌 [3])이 있다. 여러 개의 에너지를 동시에 수확하는 방법으로는 스위칭 유형의 DC-DC 변환기 구조가 많이 사용되고 있으며, 여러 개의 인덕터를 사용하는 방식과 하나의 인덕터를 공유하는 방식이 제안되고 있다. 그러나 이들 방식은 부피가 큰 외부 인덕터가 필요하며, MPPT 기능을 구현하기 위해서는 각각의 에너지원에 별도의 MPPT 회로가 필요하기 때문에 초소형, 초전력 센서에는 적합하지 않을 수 있다.Because energy harvesting changes the amount of energy harvested as a result of environmental changes, harvesting energy using multiple energy sources is less sensitive to environmental changes than using one energy source. In the conventional multi-input energy harvesting method, the energy harvested from each energy source is stored in a storage capacitor, and then the storage capacitors are connected in series (non-patent document [2]) or instantaneously output maximum power And a method of selecting and harvesting an energy source (Non-Patent Document [3]). DC-DC converter structure of switching type is widely used as a method of harvesting multiple energies at the same time, and a method of using several inductors and a method of sharing one inductor are proposed. However, these methods require bulky external inductors and may not be suitable for ultra-small, ultra-low power sensors because separate MPPT circuits are required for each energy source to implement the MPPT function.

기존의 MPPT가 적용된 다중 입력 에너지 하베스팅 중 비특허문헌 [5]는 하나의 인덕터를 이용하여 빛, 진동 및 열에너지를 MPPT를 적용하여 수확하는 시스템을 제안하고 있으나, 진동과 열에너지는 MPP를 안다는 가정하에 DC-DC 변환기의 입력 임피던스를 고정하는 방법을 사용하고 있으며, 빛에너지에 대해서만 힐-클라이밍(hill-climbing) 방식의 MPPT를 적용하고 있다. 비특허문헌 [4]는 각 에너지원에 힐-클라이밍 방식의 MPPT를 적용하였으나 마이크로컨트롤러를 이용해 구현하였기 때문에 많은 비용과 전력이 요구되는 문제가 있다.Non-Patent Document [5] proposes a system for harvesting light, vibration and thermal energy by applying MPPT using one inductor, but vibration and heat energy are known as MPP Under the assumption, the input impedance of the DC-DC converter is fixed, and the hill-climbing type MPPT is applied only to the light energy. Non-patent document [4] applies a heel-climbing type MPPT to each energy source, but since it is implemented using a microcontroller, there is a problem that a lot of cost and power are required.

[1] J. Colomer-Farrarons, P. Miribel-Catala, A. Saiz-Vela, M. Puig-Vidal, and J. Samitier, "Power-Conditioning Circuitry for a Self-Powered System Based on Micro PZT Generators in a 0.13㎛ Low-Voltage Low-Power Technology," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 9, pp. 3249-3257, September 2008.[1] J. Colomer-Farrarons, P. Miribel-Catala, A. Saiz-Vela, M. Puig-Vidal, and J. Samitier, "Power-Conditioning Circuitry for a Self-Powered System Based on Micro PZT Generators in Low-Voltage Low-Power Technology, "IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 55, no. 9, pp. 3249-3257, September 2008. [2] N. J. Guilar, R.Amirtharajah, P. J.Hurst, and S.H. Lewis, “An energy aware multiple-input power supply with charge recovery for energy harvesting applications,”Dig. Tech. Papers in IEEE ISSCC, pp. 298-299, 2009.[2] N. J. Guilar, R. Amritharajah, P. J. Hurst, and S.H. Lewis, "An energy-aware multiple-input power supply with charge recovery for energy harvesting applications," Dig. Tech. Papers in IEEE ISSCC, pp. 298-299, 2009. [3] H. Lhermet, C. Condemine, M. Plissonnier, R. Salot, P. Audebert, and M. Rosset, “Efficient power management circuit: From thermal energy harvesting to above-IC microbattery energy storage,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, no. 1, pp. 246-255, Jan. 2008.[3] H. Lhermet, C. Condemine, M. Plissonnier, R. Salot, P. Audebert, and M. Rosset, "Efficient power management circuit: From thermal energy harvesting to above-IC microbattery energy storage", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, no. 1, pp. 246-255, Jan. 2008. [4] Y. C. Kuoa, Y. M. Huanga, L. J. Liub, “Integrated circuit and system design for renewable energy inverters,”International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 64, pp. 50-57, 2014.[4] Y. C. Kuoa, Y. M. Huang, L. J. Liub, "Integrated Circuit and System Design for Renewable Energy Inverters," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 64, pp. 50-57, 2014. [5] S. 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Yu, "Design of a High-Efficiency Rectifier for Vibration Energy Harvesting," The Institute of Electronics and Information Engineers, 2010 SoC Conference, pp.197-200, 2010. [12] E. J. Yoon, I. H. Hwang, J. T. Park and C. G. Yu, "Design of an Energy Harvesting Circuit Using Solar and Vibration Energy with MPPT Control," Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers, Vol. 16, No. 3, pp.224-234, 2012. [12] E. J. Yoon, I. H. Hwang, J. T. Park and C. G. Yu, "Design of an Energy Harvesting Circuit Using Solar and Vibration Energy with MPPT Control," Institute of Electrical and Electronics Engineers, Vol. 16, No. 3, pp.224-234, 2012. [13] M. Ghovanloo and K. Najafi, “Fully integrated wideband high-current rectifiers for inductively powered devices,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, 2004, pp. 1976-1984.[13] M. Ghovanloo and K. Najafi, "Fully integrated wideband high-current rectifiers for inductively powered devices," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, 2004, pp. 1976-1984. [14] T. Y. Man, P. K. T. Mok, and M. J. Chan, “A 0.9V Input Discontinuous Conduction Mode Boost Converter With CMOS Control Rectifier” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 43, pp. 2036-2046, Sep. 2008.[14] T. Y. Man, P. K. T. Mok, and M. J. Chan, "A 0.9V Input Discontinuous Conduction Mode Boost Converter with CMOS Control Rectifier" IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 43, pp. 2036-2046, Sep. 2008.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 환경 변화에 덜 민감하고 각 에너지원의 MPPT 회로를 하나로 병합할 수 있어 전체 시스템의 크기와 비용을 줄여 초소형 센서 노드에 적용이 용이하며, 자동 스위칭 기능을 적용하여 출력 전력이 더 큰 에너지원으로부터 최대 가용 전력을 수확할 수 있는, 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is that the MPPT circuit of each energy source can be merged into one, which is less susceptible to environmental changes, thereby reducing the size and cost of the entire system and thus being easily applied to a small-sized sensor node. And to provide an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and heat energy capable of harvesting the maximum available power from a power source having a larger power.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는,According to an aspect of the present invention, there is provided an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy,

진동을 전기로 변환하기 위한 압전 변환부;A piezoelectric conversion unit for converting the vibration into electricity;

열을 전기로 변환하기 위한 열전 변환부;A thermoelectric conversion unit for converting heat into electricity;

상기 압전 변환부에서 출력되는 전압과 상기 열전 변환부에서 출력되는 전압 중 더 높은 전압이 출력되도록 하는 전력 스위칭부; 및A power switching unit for outputting a higher voltage among a voltage output from the piezoelectric transducer and a voltage output from the thermoelectric transducer; And

상기 압전 변환부와 상기 열전 변환부에서 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)의 전압이 출력되도록 하는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어부를 포함한다.And a maximum power point tracking (MPPT) controller for causing the piezoelectric transducer and the thermoelectric converter to output a voltage of a maximum power point (MPP).

본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 있어서, 상기 전력 스위칭부는,In the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention,

상기 압전 변환부에서 출력되는 전압의 공급을 단속하기 위한 제1 전력 스위칭부;A first power switching unit for interrupting supply of a voltage output from the piezoelectric transducing unit;

상기 열전 변환부에서 출력되는 전압의 공급을 단속하기 위한 제2 전력 스위칭부; 및A second power switching unit for interrupting the supply of the voltage output from the thermoelectric conversion unit; And

상기 압전 변환부의 출력 전압과 상기 열전 변환부의 출력 전압 중 더 높은 전압이 출력되도록, 상기 제1 전력 스위칭부와 상기 제2 전력 스위칭부의 동작을 제어하기 위한 자동 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.And an automatic switching control unit for controlling operations of the first power switching unit and the second power switching unit such that a higher voltage is output among an output voltage of the piezoelectric transducer unit and an output voltage of the thermoelectric conversion unit.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 있어서,In the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention,

상기 제1 전력 스위칭부는,Wherein the first power switching unit comprises:

상기 압전 변환부의 출력에 연결되는 제1 전력 스위치; 및A first power switch connected to an output of the piezoelectric conversion unit; And

상기 자동 스위칭 제어부의 제어 신호에 따라 상기 제1 전력 스위치를 온 또는 오프시키기 위한 제1 전력 스위칭 회로를 포함하고,And a first power switching circuit for turning on or off the first power switch in accordance with the control signal of the automatic switching controller,

상기 제2 전력 스위칭부는,Wherein the second power switching unit comprises:

상기 열전 변환부의 출력에 연결되는 제2 전력 스위치; 및A second power switch connected to an output of the thermoelectric conversion unit; And

상기 자동 스위칭 제어부의 제어 신호에 따라 상기 제2 전력 스위치를 온 또는 오프시키기 위한 제2 전력 스위칭 회로를 포함할 수 있다.And a second power switching circuit for turning on / off the second power switch in accordance with the control signal of the automatic switching controller.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 있어서, In the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention,

상기 자동 스위칭 제어부는,Wherein the automatic switching control unit comprises:

상기 압전 변환부의 개방회로 전압과 상기 열전 변환부의 개방회로 전압을 비교하여, 상기 압전 변환부의 개방회로 전압이 상기 열전 변환부의 개방회로 전압보다 높은 경우, 상기 제1 전력 스위치를 온(on)시키고 상기 제2 전력 스위치를 오프(off)시키기 위한 신호를 출력하며,Wherein the control unit compares the open circuit voltage of the piezoelectric conversion unit with the open circuit voltage of the thermoelectric conversion unit and turns on the first power switch when the open circuit voltage of the piezoelectric conversion unit is higher than the open circuit voltage of the thermoelectric conversion unit, Outputs a signal for turning off the second power switch,

상기 열전 변환부의 개방회로 전압이 상기 압전 변환부의 개방회로 전압보다 높은 경우, 상기 제1 전력 스위치를 오프(off)시키고 상기 제2 전력 스위치를 온(on)시키기 위한 신호를 출력할 수 있다.And to output a signal for turning off the first power switch and turning on the second power switch when the open circuit voltage of the thermoelectric conversion unit is higher than the open circuit voltage of the piezoelectric conversion unit.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는,Also, an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention,

상기 제1 전력 스위치의 바디 단자에 연결된 제1 벌크 레귤레이션 회로; 및A first bulk regulation circuit coupled to the body terminal of the first power switch; And

상기 제2 전력 스위치의 바디 단자에 연결된 제2 벌크 레귤레이션 회로를 더 포함할 수 있다.And a second bulk regulation circuit connected to the body terminal of the second power switch.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는, 상기 압전 변환부에서 출력된 전압 또는 상기 열전 변환부에서 출력된 전압을 부하 전력 공급 제어 신호에 따라 부하에 공급하거나 공급하지 않는 부하 전력 공급 단속 스위치를 더 포함하고,According to an embodiment of the present invention, an automatic switching energy harvesting circuit using vibrations and thermal energy can be configured such that a voltage output from the piezoelectric conversion unit or a voltage output from the thermoelectric conversion unit is converted into a load Further comprising a load power supply intermittence switch that does not supply or supply power to the load,

상기 최대전력점 추적(MPPT) 제어부는,The maximum power point tracking (MPPT)

상기 압전 변환부의 개방회로 전압과 상기 열전 변환부의 개방회로 전압을 획득하고, 상기 획득된 개방회로 전압들에 기반하여 상기 부하 전력 공급 단속 스위치의 동작을 제어하여 부하로의 전력 공급을 단속함으로써 상기 압전 변환부와 상기 열전 변환부에서 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)의 전압이 출력되도록 할 수 있다.By controlling the operation of the load power supply intermittent switch based on the obtained open circuit voltages to intermittently supply power to the load, thereby obtaining the open circuit voltage of the piezoelectric transducer and the open circuit voltage of the thermoelectric transducer, And the voltage of the maximum power point (MPP) may be outputted from the converter and the thermoelectric conversion unit.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는, 상기 압전 변환부의 출력 또는 상기 열전 변환부의 출력을 저장하기 위한 저장 커패시터를 더 포함하고,Further, the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention further includes a storage capacitor for storing the output of the piezoelectric conversion unit or the output of the thermoelectric conversion unit,

상기 최대전력점 추적(MPPT) 제어부는,The maximum power point tracking (MPPT)

소정의 동작 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기;A pulse generator for generating a predetermined operation pulse;

상기 압전 변환부의 개방회로 전압과 상기 열전 변환부의 개방회로 전압을 획득하기 위한 샘플러; 및A sampler for obtaining an open circuit voltage of the piezoelectric transducer and an open circuit voltage of the thermoelectric transducer; And

상기 펄스 발생기의 출력 및 상기 저장 커패시터의 전압에 기반하여 상기 부하 전력 공급 단속 스위치의 동작을 제어하기 위한 인에이블 발생기를 포함할 수 있다.And an enable generator for controlling the operation of the load power supply intermittent switch based on the output of the pulse generator and the voltage of the storage capacitor.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 있어서,In the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention,

상기 제1 전력 스위칭 회로는 상기 압전 변환부의 출력 전압과 상기 저장 커패시터의 전압을 비교하여 더 높은 전압을 논리 레벨 '1'로 출력하고,The first power switching circuit compares the output voltage of the piezoelectric transducer with the voltage of the storage capacitor to output a higher voltage at logic level '1'

상기 제2 전력 스위칭 회로는 상기 열전 변환부의 출력 전압과 상기 저장 커패시터의 전압을 비교하여 더 높은 전압을 논리 레벨 '1'로 출력할 수 있다.The second power switching circuit may compare the output voltage of the thermoelectric conversion unit with the voltage of the storage capacitor to output a higher voltage at a logic level '1'.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 있어서,In the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention,

상기 열전 변환부는 열전 소자를 포함하고,Wherein the thermoelectric conversion unit includes a thermoelectric element,

상기 압전 변환부는,The piezoelectric transducer includes:

진동을 전기로 변환하기 위한 압전소자; 및A piezoelectric element for converting vibration into electricity; And

상기 압전소자에서 출력되는 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하기 위한 AC-DC 변환기를 포함할 수 있다.And an AC-DC converter for converting the AC voltage output from the piezoelectric element to a DC voltage.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 있어서,In the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention,

상기 AC-DC 변환기는,The AC-DC converter includes:

2개의 능동 다이오드와 2개의 MOS 스위치를 포함하는 능동 AC-DC 변환기를 포함하고,An active AC-DC converter including two active diodes and two MOS switches,

상기 능동 다이오드 각각은 PMOS 스위치와 비교기를 포함할 수 있다.Each of the active diodes may include a PMOS switch and a comparator.

본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로에 의하면, 환경 변화에 덜 민감하고 각 에너지원의 MPPT 회로를 하나로 병합할 수 있어 전체 시스템의 크기와 비용을 줄여 초소형 센서 노드에 적용이 용이하며, 자동 스위칭 기능을 적용하여 출력 전력이 더 큰 에너지원으로부터 최대 가용 전력을 수확할 수 있다.According to the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention, the MPPT circuit of each energy source can be merged into one by being less sensitive to the environmental change, thereby reducing the size and cost of the entire system, It is easy to apply to the sensor node, and it can apply the automatic switching function to harvest the maximum available power from the energy source with higher output power.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로를 도시한 블록도.
도 2a 및 도 2b는 에너지 변환소자의 등가회로를 도시한 도면.
도 3은 압전소자와 열전소자의 전류-전압 특성 및 전력-전압 특성을 도시한 그래프.
도 4는 AC-DC 변환기의 상세 회로도.
도 5는 MPPT 제어부의 상세 블록도.
도 6은 펄스 발생기의 출력 파형을 도시한 도면.
도 7은 자동 스위칭 제어부의 상세 블록도.
도 8은 자동 스위칭 제어부의 동작 파형을 도시한 도면.
도 9는 제1 및 제2 전력 스위칭 회로의 상세 회로도.
도 10은 자동 스위칭 및 전력 스위칭의 모의실험 결과를 도시한 도면.
도 11은 VTEG, VSto 및 VLoad의 파형을 도시한 도면.
도 12는 MPPT 제어부의 모의실험 결과를 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로의 전력 효율을 도시한 도면.
도 14는 설계된 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로의 레이아웃을 도시한 도면.
1 is a block diagram illustrating an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention;
2A and 2B are diagrams showing an equivalent circuit of an energy conversion element.
3 is a graph showing current-voltage characteristics and power-voltage characteristics of a piezoelectric element and a thermoelectric element.
4 is a detailed circuit diagram of an AC-DC converter;
5 is a detailed block diagram of the MPPT control unit.
6 shows an output waveform of a pulse generator;
7 is a detailed block diagram of the automatic switching control section.
8 is a diagram showing an operation waveform of the automatic switching control section;
9 is a detailed circuit diagram of the first and second power switching circuits;
10 illustrates simulation results of automatic switching and power switching;
11 shows waveforms of V TEG , V Sto, and V Load .
12 is a diagram showing a simulation result of the MPPT control unit.
13 illustrates power efficiency of an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 illustrates a layout of an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention; FIG.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The objectives, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Prior to that, terms and words used in the present specification and claims should not be construed in a conventional and dictionary sense, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best explain its invention Should be construed in accordance with the principles and the meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.It should be noted that, in the present specification, the reference numerals are added to the constituent elements of the drawings, and the same constituent elements are assigned the same number as much as possible even if they are displayed on different drawings.

또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.Also, the terms "first", "second", "one side", "other side", etc. are used to distinguish one element from another, It is not.

이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, a detailed description of known arts which may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에서는 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로를 제안한다. 열전소자와 진동소자로부터 출력되는 에너지는 최대 가용전력지점이 개방전압의 1/2로 같기 때문에 동일한 최대전력점 추정(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어 회로를 사용할 수 있다. 제안된 회로는 하나의 MPPT 제어 회로를 사용하고, 자동 스위칭 기능을 적용하여 열전소자의 출력과 진동소자의 출력을 모니터링하여 전압이 더 높은 소자로부터 최대 가용전력을 수확한다.An embodiment of the present invention proposes an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy. The energy output from the thermoelectric element and the oscillation element can use the same maximum power point tracking (MPPT) control circuit because the maximum available power point is equal to 1/2 of the open-circuit voltage. The proposed circuit uses one MPPT control circuit and monitors the output of the thermoelectric device and the output of the oscillator by applying the automatic switching function to harvest the maximum available power from the device with higher voltage.

초소형, 초저전력 센서노드와 같은 응용분야의 경우에는 아주 작은 전력으로도 구동할 수 있도록 구현되어야 하기 때문에, 다중 에너지원으로부터 동시에 에너지를 수확할 필요성은 크지 않을 수 있다. 오히려 필요한 개별 소자 수를 줄여서 시스템의 크기와 무게를 줄이고 비용을 절감하는 것이 우선순위가 될 수 있다.In applications such as ultra-small, ultra-low-power sensor nodes, it may not be necessary to harvest energy from multiple energy sources simultaneously, since it must be implemented to operate with very low power. Rather, reducing the size and weight of the system and reducing costs by reducing the number of discrete components required can be a priority.

따라서 본 발명의 일 실시예에서는 동일한 MPPT 제어회로를 사용할 수 있는 진동과 열에너지를 에너지원으로 선택하고, 자동 스위칭 기능을 적용하여 출력 전력이 더 큰 에너지원으로부터 최대 가용 전력을 수확할 수 있는 시스템을 제안하였다. 제안된 회로는 하나의 MPPT 제어 회로를 사용하기 때문에 전체 시스템의 크기를 줄이고 비용을 절감하는데 적합하다.Therefore, in one embodiment of the present invention, a system capable of selecting the vibration and thermal energy that can use the same MPPT control circuit as an energy source and harvesting the maximum available power from an energy source having a larger output power by applying an automatic switching function The Since the proposed circuit uses one MPPT control circuit, it is suitable to reduce the size of the whole system and to reduce the cost.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는, 진동을 전기로 변환하기 위한 압전 변환부(100), 열을 전기로 변환하기 위한 열전 변환부(112), 상기 압전 변환부(100)에서 출력되는 전압(VVB)과 상기 열전 변환부(112)에서 출력되는 전압(VTEG) 중 더 높은 전압이 출력되도록 하는 전력 스위칭부(111), 및 상기 압전 변환부(100)와 상기 열전 변환부(112)에서 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)의 전압이 출력되도록 하는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어부(118)를 포함한다.The automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 includes a piezoelectric conversion unit 100 for converting vibration into electricity, a thermoelectric conversion A power switching unit 111 for outputting a higher voltage of a voltage V VB output from the piezoelectric transducer unit 100 and a voltage V TEG output from the thermoelectric conversion unit 112, And a maximum power point tracking (MPPT) controller 118 for outputting a voltage of a maximum power point (MPP) from the piezoelectric transducer 100 and the thermoelectric converter 112, .

상기 전력 스위칭부(111)는, 상기 압전 변환부(100)에서 출력되는 전압(VVB)의 공급을 단속하기 위한 제1 전력 스위칭부(SW1,VB, 110), 상기 열전 변환부(112)에서 출력되는 전압(VTEG)의 공급을 단속하기 위한 제2 전력 스위칭부(SW1,TRG, 114), 및 상기 압전 변환부(100)의 출력 전압(VVB)과 상기 열전 변환부(112)의 출력 전압(VTEG) 중 더 높은 전압이 출력되도록, 상기 제1 전력 스위칭부(SW1,VB, 110)와 상기 제2 전력 스위칭부(SW1,TRG, 114)의 동작을 제어하기 위한 자동 스위칭 제어부(116)를 포함한다.The power switching unit 111 includes first power switching units SW1, VB , and 110 for interrupting the supply of the voltage V VB output from the piezoelectric transducer unit 100, the thermoelectric conversion unit 112, A second power switching unit SW1, TRG 114 for interrupting the supply of the voltage V TEG output from the piezoelectric transducer unit 100 and an output voltage V VB of the piezoelectric transducer unit 100, the one, more so that high voltage is output from the output voltage (V TEG) a first power switching unit (SW1, VB, 110) and said second power switching unit automatically switches to control the operation of (SW1, TRG, 114) And a control unit 116.

상기 제1 전력 스위칭부(SW1,VB, 110)는, 상기 압전 변환부(100)의 출력에 연결되는 제1 전력 스위치(SW1,VB) 및 상기 자동 스위칭 제어부(116)의 제어 신호(VMC)에 따라 상기 제1 전력 스위치(SW1,VB)를 온 또는 오프시키기 위한 제1 전력 스위칭 회로(110)를 포함한다.The first power switches SW1, VB and 110 are connected to the first power switches SW1 and VB connected to the output of the piezoelectric transducer 100 and the control signals VMC of the automatic switching controller 116, And a first power switching circuit 110 for turning on and off the first power switches SW1 and VB according to the first power switch SW1 and the second power switch SW2.

상기 제2 전력 스위칭부(SW1,TRG, 114)는, 상기 열전 변환부(112)의 출력에 연결되는 제2 전력 스위치(SW1,TRG) 및 상기 자동 스위칭 제어부(116)의 제어 신호(TMC)에 따라 상기 제2 전력 스위치(SW1,TRG)를 온 또는 오프시키기 위한 제2 전력 스위칭 회로(114)를 포함한다.The second power switching units SW1, TRG and 114 are connected to the second power switches SW1 and TRG connected to the output of the thermoelectric conversion unit 112 and the control signal TMC of the automatic switching control unit 116, And a second power switching circuit 114 for turning on / off the second power switches SW1, TRG according to the second power switch SW1, TRG .

상기 자동 스위칭 제어부(116)는, 상기 압전 변환부(100)의 개방회로 전압(VVB,OC)과 상기 열전 변환부(112)의 개방회로 전압(VTEG,OC)을 비교하여, 상기 압전 변환부(100)의 개방회로 전압(VVB,OC)이 상기 열전 변환부(112)의 개방회로 전압(VTEG,OC)보다 높은 경우, 상기 제1 전력 스위치(SW1,VB)를 온(on)시키고 상기 제2 전력 스위치(SW1,TRG)를 오프(off)시키기 위한 신호를 출력하며, 상기 열전 변환부(112)의 개방회로 전압(VTEG,OC)이 상기 압전 변환부(100)의 개방회로 전압(VVB,OC)보다 높은 경우, 상기 제1 전력 스위치(SW1,VB)를 오프(off)시키고 상기 제2 전력 스위치(SW1,TRG)를 온(on)시키기 위한 신호를 출력한다.The automatic switching control unit 116 compares the open circuit voltages V VB and OC of the piezoelectric conversion unit 100 with the open circuit voltages V TEG and OC of the thermoelectric conversion unit 112, The first power switches SW1 and VB are turned on when the open circuit voltages V VB and OC of the converting unit 100 are higher than the open circuit voltages V TEG and OC of the thermoelectric conversion unit 112 on) and the second power switch (SW1, TRG) for outputting a signal to off (off), the thermoelectric conversion unit 112, an open circuit voltage (V TEG, OC), a piezoelectric conversion portion (100) in the case of an open circuit is higher than the voltage (V VB, OC), the first power switch (SW1, VB) to off (off) and the second power switch (SW1, TRG) the on (on) and outputs a signal for do.

또한, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는, 상기 제1 전력 스위치(SW1,VB)의 바디 단자(미도시)에 연결된 제1 벌크 레귤레이션 회로(106) 및 상기 제2 전력 스위치(SW1,TRG)의 바디 단자(미도시)에 연결된 제2 벌크 레귤레이션 회로(108)를 더 포함한다.In addition, an automatic switching energy harvesting circuit using the vibration and thermal energy according to an embodiment of the invention shown in Figure 1, the first power switch, a first connected to the body terminal (not shown) of (SW1, VB) A bulk regulation circuit 106 and a second bulk regulation circuit 108 connected to the body terminals (not shown) of the second power switches SW1, TRG .

또한, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는, 상기 압전 변환부(100)에서 출력된 전압(VVB) 또는 상기 열전 변환부(112)에서 출력된 전압(VTEG)을 부하 전력 공급 제어 신호(EN)에 따라 부하(미도시)에 공급하거나 공급하지 않는 부하 전력 공급 단속 스위치(SW2)를 더 포함한다.In addition, the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 may include a voltage (V VB ) output from the piezoelectric transducer (100) And a load power supply intermittence switch SW2 that does not supply or supply the voltage (V TEG ) output from the load power supply control signal (EN) 112 to the load (not shown) in accordance with the load power supply control signal EN.

또한, 상기 최대전력점 추적(MPPT) 제어부(118)는, 최대전력점(MPP) 전압과 개방회로 전압 사이의 선형적 관계를 이용하여 효율적으로 에너지를 수확하기 위한 것으로, 상기 압전 변환부(100)의 개방회로 전압(VVB,OC)과 상기 열전 변환부(112)의 개방회로 전압(VTEG,OC)을 획득하고, 상기 획득된 개방회로 전압들에 기반하여 상기 부하 전력 공급 단속 스위치(SW2)의 동작을 제어하여, 부하로의 전력 공급을 단속함으로써 상기 압전 변환부(100)의 출력과 상기 열전 변환부(112)의 출력이 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)에서 동작하도록 한다.The maximum power point tracking (MPPT) controller 118 is for efficiently harvesting energy using a linear relationship between a maximum power point (MPP) voltage and an open circuit voltage, and the piezoelectric transformer 100 (V VB, OC ) of the thermoelectric conversion unit 112 and the open circuit voltage (V TEG, OC ) of the thermoelectric conversion unit 112, and based on the obtained open circuit voltages, SW2 to intermittently supply power to the load so that the output of the piezoelectric transducer 100 and the output of the thermoelectric converter 112 operate at the maximum power point MPP .

또한, 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는, 상기 압전 변환부(100)의 출력 또는 상기 열전 변환부(112)의 출력을 저장하기 위한 저장 커패시터(CSto)를 더 포함한다.In addition, the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 may store the output of the piezoelectric transducer 100 or the output of the thermoelectric transducer 112 And a storage capacitor C Sto for storing the data.

또한, 상기 열전 변환부(112)는 열전 소자를 포함하고, 상기 압전 변환부(100)는, 진동을 전기로 변환하기 위한 압전소자(102) 및 상기 압전소자(102)에서 출력되는 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하기 위한 AC-DC 변환기(104)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 진동을 전기로 변환하기 위한 소자로서 압전소자를 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 진동을 전기로 변환하기 위한 어떠한 형태의 진동-전기 변환소자도 진동을 전기로 변환하기 위한 소자로서사용될 수 있다.The thermoelectric conversion unit 112 includes a thermoelectric conversion element and the piezoelectric conversion unit 100 includes a piezoelectric element 102 for converting vibration into electricity and an alternating current AC DC converter 104 for converting a voltage to a direct current (DC) voltage. In an embodiment of the present invention, a piezoelectric element is used as an element for converting vibration into electricity. However, the present invention is not limited to this, and any type of vibration-electric conversion element for converting vibration into electricity may convert As shown in Fig.

도 1을 다시 참조하면, 진동 에너지 단인 압전 변환부(100)와 열에너지 단인 열전 변환부(112)는 병렬로 연결되며 MPPT를 통해 수확된 에너지는 저장 커패시터(CSto)에 저장되어 부하 전력 공급 스위치(SW2)를 통해 7부하(미도시)로 공급된다.1, the piezoelectric transducer 100, which is an oscillation energy unit, and the thermoelectric transducer 112, which is a heat energy unit, are connected in parallel, and energy harvested through the MPPT is stored in a storage capacitor C Sto , (Not shown) through the switch SW2.

에너지 변환소자는 수확된 에너지를 전기에너지로 변환하는 역할을 하며, 진동에너지는 압전 변환부(100)에 포함된 압전소자(PEG: Piezoelectric Generator)(102), 열에너지는 열전 변환부(112)의 열전소자(TEG: Thermoelectric Generator)에 의해 전기에너지로 변환된다.The energy conversion element converts the harvested energy into electrical energy. The vibrational energy is generated by a piezoelectric element (PEG) 102 included in the piezoelectric conversion unit 100, a thermal energy is converted into a thermal energy by the thermoelectric conversion unit 112 And is converted into electric energy by a thermoelectric element (TEG: Thermoelectric Generator).

자동 스위칭 제어부(116)는 두 에너지원 중에 더 높은 전압을 출력하는 에너지원을 선택하기 위한 제어신호(VMC, TMC)를 출력한다.The automatic switching control unit 116 outputs control signals VMC and TMC for selecting an energy source that outputs a higher voltage in the two energy sources.

제1 전력 스위칭 회로(110)와 제2 전력 스위칭 회로(114)는 자동 스위칭 제어부(116)에서 출력된 신호(VMC, TMC)를 기반으로 각 단의 pMOS 전력 스위치인 제1 전력 스위치(SW1,VB)와 제2 전력 스위치(SW1,TEG)에 각각 온/오프(on/off) 신호(VPSW, TPSW)를 출력한다.The first power switching circuit 110 and the second power switching circuit 114 are connected to the first power switches SW1 and SW2, which are pMOS power switches at respective stages, based on the signals VMC and TMC output from the automatic switching controller 116. [ OFF signals VPSW and TPSW to the first and second power switches SW1 and VB and the second power switches SW1 and TEG , respectively.

제1 전력 스위치(SW1,VB)와 제2 전력 스위치(SW1,TEG)에서의 누설 전류를 차단하기 위해 제1 전력 스위칭 회로(110)와 제2 전력 스위칭 회로(114)는 에너지 변환소자의 출력전압(VVB 또는 VTEG)과 VSto의 크기를 비교하여, 전압이 더 높은 쪽의 신호를 pMOS 전력 스위치인 제1 전력 스위치(SW1,VB) 또는 제2 전력 스위치(SW1,TEG)의 게이트에 인가한다.The first power switching circuit 110 and the second power switching circuit 114 are connected to the output of the energy conversion element to cut off the leakage current in the first power switches SW1 and VB and the second power switches SW1 and TEG . The voltage V VB or V TEG is compared with the magnitude of V Sto so that the signal with the higher voltage is applied to the gates of the first power switches SW1 and VB or the second power switches SW1 and TEG , .

또한 제1 전력 스위치(SW1,VB) 또는 제2 전력 스위치(SW1,TEG)의 바디(body) 단자(미도시)에는 각각 벌크 레귤레이션(bulk regulation) 회로(106, 108)를 추가하여 기판 누설 전류와 래치-업(latch-up)의 가능성을 줄이고 전력 전달 효율을 높였다.Bulk regulation circuits 106 and 108 are added to the body terminals (not shown) of the first power switches SW1 and VB or the second power switches SW1 and TEG , And latch-up, and increased power transfer efficiency.

MPPT 제어부(118)는 선택된 에너지 변환소자로부터 최대 가용 전력을 수확하기 위한 회로이며, 에너지 변환소자의 개방회로 전압(VOC)과 MPP에서의 전압(VMPP)간의 관계를 이용한 FOC 방식을 이용하여 구현하였다. The MPPT control unit 118 is a circuit for harvesting the maximum usable power from the selected energy conversion element. The MPPT control unit 118 uses an FOC scheme that uses the relationship between the open circuit voltage V OC of the energy conversion element and the voltage V MPP at MPP Respectively.

압전소자(100)는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 출력되는 신호는 교류형태이다. 따라서 교류신호를 직류신호로 바꾸어주는 AC-DC 변환기(104)가 필요하다. 도 2a는 압전소자의 등가 회로이다. 교류 전류원(IPEG)의 진폭은 진동의 주파수와 크기에 따라 변하며, CPEG는 압전소자에 존재하는 고유의 커패시터이다.The piezoelectric element 100 converts the vibration energy into electrical energy, and the output signal is in the form of an alternating current. Therefore, an AC-DC converter 104 that converts an AC signal into a DC signal is required. 2A is an equivalent circuit of a piezoelectric element. The amplitude of the alternating current source (I PEG ) varies with the frequency and magnitude of the oscillation, and C PEG is a unique capacitor present in the piezoelectric element.

본 발명의 일 실시예에서 사용된 압전소자(QP20W)의 경우 CPEG의 값은 200㎋이며, 80Hz의 주파수와 7m/s2의 진동크기에서 개방회로 전압은 3V 이하이고 최대 생성 전력은 125㎼ 이다.In the case of the piezoelectric element (QP20W) used in the embodiment of the present invention, the value of C PEG is 200 mV. At a frequency of 80 Hz and a vibration size of 7 m / s 2 , the open circuit voltage is 3 V or less, to be.

열에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 열전소자(112)는 두 개의 서로 다른 금속 접합부의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용한다. 도 2b는 열전소자의 등가회로로서 전압전원(VTE)과 열전소자의 직렬 기생저항(RTEG)로 모델링된다. 본 발명의 일 실시예에서 사용된 열전소자(112)는, MEMS 공정으로 제작된 열전소자를 참고하여 개방회로 전압은 3V이고 내부저항은 20kΩ인 등가회로를 이용하여 회로설계를 하였다.The thermoelectric element 112 for converting heat energy into electric energy uses a Seebeck effect in which an electromotive force is generated by a temperature difference between two different metal joints. 2B is modeled as a voltage source (V TE ) and a series parasitic resistance (R TEG ) of a thermoelectric element as an equivalent circuit of a thermoelectric element. The thermoelectric element 112 used in one embodiment of the present invention was designed by using an equivalent circuit having an open circuit voltage of 3 V and an internal resistance of 20 k? Referring to a thermoelectric element manufactured by a MEMS process.

도 3은 압전소자(100)(AC-DC 변환기(104) 포함)와 열전소자(112)의 전류-전압(I-V) 특성 및 전력-전압(P-V) 특성이다. 압전소자 및 열전소자의 경우 개방회로 전압의 절반이 되는 ½VOC 지점에서 최대 가용 전력을 출력하는데 이를 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)이라 하고, MPP에서의 전압을 VMPP라 한다. 본 발명의 일 실시예에서는 하기의 수학식 1의 에너지 변환소자의 개방회로 전압(VOC)과 MPP에서의 전압(VMPP)간의 관계를 이용하여 MPPT를 구현하였다.3 is a current-voltage (IV) characteristic and a power-voltage (PV) characteristic of the piezoelectric element 100 (including the AC-DC converter 104) and the thermoelectric element 112. FIG. In the case of piezoelectric elements and thermoelectric elements, ½V OC The maximum available power is output at the point, which is called the maximum power point (MPP) and the voltage at MPP is called V MPP . In one embodiment of the present invention, the MPPT is implemented by using the relationship between the open circuit voltage (V OC ) of the energy conversion element and the voltage (V MPP ) at the MPP .

Figure pat00001
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도 4는 설계된 AC-DC 변환기(104)의 구조이며 압전소자(102)에서 생성된 AC 전압을 DC 전압으로 전파 정류하는 역할을 한다. 기존의 4개의 다이오드로 구성된 전파 정류기는 다이오드의 전압 강하로 전력 변환 효율이 떨어지는 단점이 있다. 4개의 MOSFET으로 구성된 정류기는 스위치에서의 전압 강하는 감소하지만 전류의 역 흐름을 차단하지 못해 전력 변환 효율이 떨어진다.FIG. 4 shows the structure of the designed AC-DC converter 104 and functions to full-wave rectify the AC voltage generated by the piezoelectric element 102 to a DC voltage. A conventional full-wave rectifier composed of four diodes is disadvantageous in that the power conversion efficiency is deteriorated due to the voltage drop of the diode. A rectifier consisting of four MOSFETs reduces the voltage drop across the switch but fails to block reverse current flow, resulting in poor power conversion efficiency.

본 발명의 일 실시예에서 AC-DC 변환기(104)는, 2개의 능동 다이오드(400, 402)와 2개의 MOS 스위치(M2, M4)를 포함하는 능동 AC-DC 변환기로 구성되고, 상기 능동 다이오드(400)는 PMOS 스위치(M1)와 비교기(CP1)를 포함하며, 상기 능동 다이오드(402)는 PMOS 스위치(M3)와 비교기(CP2)를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the AC-DC converter 104 is comprised of an active AC-DC converter including two active diodes 400 and 402 and two MOS switches M2 and M4, The switching device 400 includes a PMOS switch M1 and a comparator CP1 and the active diode 402 includes a PMOS switch M3 and a comparator CP2.

본 발명의 일 실시예에서 AC-DC 변환기(104)는 트랜지스터의 문턱전압에 의한 손실을 최소화할 수 있으며, 역전류를 효과적으로 차단하여 효율을 높일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the AC-DC converter 104 can minimize the loss due to the threshold voltage of the transistor and effectively reverse the reverse current to increase the efficiency.

PMOS 스위치(M1, M3)와 비교기(CP1, CP2)로 구성된 능동 다이오드(400, 402)는 출력전압(VVB)이 입력전압(VPEG)보다 커지면 비교기(CP1, CP2)의 출력이 '1'이 되어 PMOS 스위치(M1, M3)를 오프시켜 역전류를 차단하고, 출력전압(VVB)이 입력전압(VPEG)보다 작아지면 PMOS 스위치(M1, M3)를 온시켜 큰 전압강하 없이 입력을 출력에 전달한다.The active diodes 400 and 402 constituted by the PMOS switches M1 and M3 and the comparators CP1 and CP2 are turned on when the output voltage V VB is greater than the input voltage V PEG and the outputs of the comparators CP1 and CP2 are ' The PMOS switches M1 and M3 are turned off to shut off the reverse current and when the output voltage V VB becomes smaller than the input voltage V PEG , the PMOS switches M 1 and M 3 are turned on, To the output.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는 MOSFET 스위치(M1, M3)에 비교기(CP1, CP2)를 추가한 능동(active) 다이오드를 사용하여, 이전 구조의 정류기에서 발생하던 문제점을 개선하였다. 모의실험 결과 최대 효율은 20kΩ의 부하저항에서 95.6% 이다.That is, in an embodiment of the present invention, an active diode having the comparators CP1 and CP2 added to the MOSFET switches M1 and M3 is used to solve the problem caused in the rectifier of the previous structure. Simulation results show that the maximum efficiency is 95.6% at 20kΩ load resistance.

MPPT 제어부(118)는 도 5에 도시된 바와 같이, 소정의 동작 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기(500), 상기 압전 변환부(100)의 개방회로 전압과 상기 열전 변환부(112)의 개방회로 전압을 획득하기 위한 샘플러(508), 및 상기 샘플러(508)의 출력 및 상기 저장 커패시터(CSto)의 전압에 기반하여 상기 부하 전력 공급 단속 스위치(SW2)의 동작을 제어하기 위한 부하 전력 공급 제어 신호를 출력하는 인에이블 발생기(510)를 포함한다.5, the MPPT controller 118 includes a pulse generator 500 for generating a predetermined operation pulse, an open circuit voltage of the piezoelectric transducer 100 and an open circuit voltage of the thermoelectric conversion unit 112, For controlling the operation of the load power supply intermittence switch (SW2) based on a sampler (508) for obtaining a voltage of the storage capacitor (C Sto ) and a voltage of the storage capacitor And an enable generator 510 for outputting a signal.

펄스 발생기(500)에서 출력되는 MC 신호(MC)는 제1 전력 스위치(SW1,VB)와 제2 전력 스위치(SW1,TEG)의 온/오프 신호를 발생시키는데 이용되며, 샘플러(508)의 샘플/홀드 신호로도 사용된다.The MC signal MC output from the pulse generator 500 is used to generate on / off signals of the first power switches SW1 and VB and the second power switches SW1 and TEG , / Hold signal.

MC 신호(MC)는 도 6에 도시된 바와 같이, CLK 신호의 128-사이클 주기로 출력된다. MC 신호(MC)가 '1'일 때는 제1 전력 스위치(SW1,VB)와 제2 전력 스위치(SW1,TEG)를 오프시켜 에너지 변환소자인 압전 변환부(102)와 열전 변환부(112)가 개방회로 전압을 출력하도록 하고, MC 신호(MC)가 '0'일 때는 제1 전력 스위치(SW1,VB)와 제2 전력 스위치(SW1,TEG)를 온시켜 압전 변환부(102)와 열전 변환부(112)의 최대 전력이 부하에 공급되도록 한다.The MC signal MC is output in a 128-cycle period of the CLK signal, as shown in Fig. When the MC signal MC is '1', the first power switches SW1 and VB and the second power switches SW1 and TEG are turned off, and the piezoelectric transducer 102 and the thermoelectric transducer 112, When the MC signal MC is '0', the first power switches SW1 and VB and the second power switches SW1 and TEG are turned on so that the piezoelectric transformer 102 and the thermoelectric converter So that the maximum power of the converter 112 is supplied to the load.

샘플러(508)는 MC 신호(MC)에 의해 압전 변환부(102)와 열전 변환부(112)의 개방회로 전압을 주기적으로 샘플링하고, 샘플링한 값으로 MPPT 기준전압인 VMPP,MAX와 VMPP,MIN을 생성하여 인에이블 발생기(510)에 공급한다.The sampler 508 periodically samples the open circuit voltages of the piezoelectric transducer 102 and the thermoelectric converter 112 by the MC signal MC and outputs MPPT reference voltages V MPP, MAX and V MPP , MIN , and supplies it to the enable generator 510.

인에이블 발생(510)는 MPPT 기준전압을 기준으로 VSto/4가 VMPP,MAX/4보다 크면 부하로 전력을 공급하고 VSto/4가 VMPP,MIN/4보다 작아지면 부하로의 전력공급을 차단하여, 압전 변환부(102)와 열전 변환부(112)의 출력이 항상 MPP 근처에서 동작하도록 한다.The enable generation unit 510 based on the MPPT reference voltage V Sto / 4 is V MPP, MAX / 4 is greater than the supply power to the load and V Sto / 4 that is smaller than V MPP, MIN / 4 power to the load Supply is cut off so that the outputs of the piezoelectric transducer 102 and the thermoelectric transducer 112 always operate near the MPP.

열에너지 하베스터를 도 2b에 도시된 바와 같이 전압전원(VTEG,OC)과 저항(RTEG)의 직렬 회로로 등가적으로 나타낼 수 있듯이, 진동에너지 하베스터(AC-DC 변환기 포함)도 전압전원(VVB,OC)과 저항(RVB)의 직렬연결 회로로 등가적으로 나타낼 수 있다.Thermal energy harvester with a series circuit of the voltage supply (V TEG, OC) and the resistance (R TEG), as shown in Figure 2b as can be expressed equivalently, vibration energy harvester (including the AC-DC converter), the voltage supply (V VB, OC ) and a resistor (R VB ).

본 발명의 일 실시예에서 이용한 압전소자와 열전소자의 경우 내부 저항이 20kΩ으로 같다. 따라서 각 소자의 최대 가용전력은 개방회로 전압의 제곱에 비례하기 때문에, 개방회로 전압이 큰 소자가 가용전력이 더 크다.In the case of the piezoelectric element and the thermoelectric element used in the embodiment of the present invention, the internal resistance is equal to 20 k ?. Therefore, since the maximum usable power of each device is proportional to the square of the open circuit voltage, a device with a large open circuit voltage has a higher usable power.

Figure pat00002
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두 소자의 내부저항이 같지 않은 경우에도 더 많은 비용이 요구되는 전력비교보다는 개방회로 전압만을 간단히 비교하여 에너지원을 선택해도 큰 문제는 없다. 두 에너지원이 동시에 에너지를 수확할 확률은 그리 크지 않으며, 동시에 수확하는 경우에도 본 발명의 일 실시예에서는 둘 중 어느 하나의 에너지원만으로도 구동 가능한 응용분야를 목표로 하기 때문에, 간단한 방법으로 구현하는 것이 더 중요하다.Even if the internal resistance of the two devices is not the same, there is no big problem even if the energy source is selected by simply comparing the open circuit voltage with a power comparison that requires more cost. Since the probability of the two energy sources to harvest energy at the same time is not so great, and in the case of harvesting at the same time, an embodiment of the present invention aims at an application field which can be driven by only one of the two energy sources. It is more important.

자동 스위칭 제어부(116)는 압전 변환부(100)의 개방회로 전압(VVB,OC)과 열전변환부(112)의 개방회로 전압(VTEG,OC)을 비교하여, 더 높은 전압을 출력하는 에너지 단의 전력 스위치는 온(on)시키고, 낮은 전압을 출력하는 에너지 단의 전력 스위치는 오프(off)시키기 위한 신호(VMC, TMC)를 출력한다.The automatic switching control section 116 compares the open circuit voltages V VB and OC of the piezoelectric transducer section 100 with the open circuit voltages V TEG and OC of the thermoelectric conversion section 112 and outputs a higher voltage The power switch of the energy stage is turned on and the signals VMC and TMC for turning off the power switch of the energy stage outputting a low voltage are outputted.

구성은 도 7에 도시된 바와 같이 비교기(700)와 디지털 블록(702, 704, 706, 708, 710, 712)으로 구성된다. 비교기(700)는 MC 신호(MC)가 '1'일 때 출력되는 VVB,OC와 VTEG,OC를 비교하고, 비교된 결과는 D-래치(702)에 저장된다.The configuration is made up of a comparator 700 and digital blocks 702, 704, 706, 708, 710 and 712 as shown in FIG. The comparator 700 compares V VB, OC and V TEG, OC output when the MC signal MC is '1', and the compared result is stored in the D-latch 702.

디지털 블록(702, 704, 706, 708, 710, 712)은 파워 온 리셋(POR: power on reset) 신호와 MPPT 제어부(118)의 MC 신호(MC)에 의해 동작된다. 그 결과 진동에너지 단인 압전 변환부(100)의 제1 전력 스위칭 회로(110)에 VMC를 전달하고, 열에너지 단인 열전 변환부(112)의 제2 전력스위칭 회로(114)에는 TMC를 전달한다. VMC와 TMC는 각 단의 전력스위치(110, 114)의 온/오프 신호(VPSW, TPSW)와 파형은 동일하나 전력 스위칭이 되기 전의 신호로 '1'의 크기가 VSto와 동일하다. The digital blocks 702, 704, 706, 708, 710 and 712 are operated by a power on reset (POR) signal and an MC signal MC of the MPPT control section 118. As a result, VMC is transmitted to the first power switching circuit 110 of the piezoelectric transducer 100, which is a vibration energy unit, and TMC is transmitted to the second power switching circuit 114 of the thermoelectric conversion unit 112, which is a heat energy unit. VMC and TMC have the same waveform as the on / off signals VPSW and TPSW of the power switches 110 and 114 at the respective stages, but the magnitude of '1' is equal to V Sto as a signal before power switching.

도 8은 t2까지는 VVB,OC가 VTEG,OC 보다 높고, t2 이후에는 VVB,OC가 VTEG,OC 보다 낮아지는 경우에 대해, 자동 스위칭 제어부(116)의 동작을 정리한 결과이다. 시스템 동작 초기에는 VSto가 0V 이기 때문에 POR의 출력은 '0'이 되고, VMC와 TMC 또한 '0' 상태이다. 따라서 두 개의 전력스위치(SW1,VB, SW1,TEG)는 동시에 온(on) 상태를 유지할 수 있도록 한다. 두 개의 에너지원 또는 한 쪽의 에너지원으로부터 에너지가 수확되어 VSto가 회로 동작에 필요한 전압까지 승압을 하게 되면 POR은 '1'을 출력하게 된다. 이와 동시에 MC 신호가 출력되어 VMC와 TMC는 MC 신호에 의해 동작된다.Figure 8 shows that V VB, OC up to t2, V TEG, OC And after t2, V VB, OC is higher than V TEG, OC The operation of the automatic switching control unit 116 is summarized. Since V Sto is 0V at the beginning of system operation, the output of POR becomes '0', and VMC and TMC are also '0'. Therefore, the two power switches SW1, VB , SW1, and TEG can be kept ON at the same time. When energy is taken from two energy sources or one energy source and V Sto boosts to the voltage necessary for circuit operation, POR outputs '1'. At the same time, MC signal is outputted and VMC and TMC are operated by MC signal.

자동 스위칭 제어부(116)의 비교기(700)는 MC가 '1'인 동안 출력되는 각 에너지원의 VOC를 비교하여 더 높은 전압을 출력하는 에너지 단의 전력 스위치 신호는 MC 신호를 따르게 하고, 낮은 전압을 출력하는 에너지 단의 전력 스위치에는 '1'을 인가하여 스위치를 오프(off)시킨다. 그 결과 t1부터 t2까지 VMC는 MC를 따르고, TMC는 '1'을 유지하여 제2 전력 스위치(SW1,TEG)를 오프(off)시킨다. t2 이후에는 VTEG,OC가 VVB,OC보다 높으므로 TMC가 MC 신호를 따르고 VMC는 '1'을 유지한다. 회로의 전류 소모를 줄이기 위해 비교기(700)를 MC 신호가 '1' 동안만 동작시키고, 나머지 동안은 오프(off)시키며, 오프(off) 동안에는 D-래치(702)에 비교기(700)의 출력 전압을 저장하도록 하였다. The comparator 700 of the automatic switching control unit 116 compares the V OC of each energy source output while MC is '1', so that the power switch signal of the energy stage that outputs a higher voltage follows the MC signal, '1' is applied to the power switch of the energy stage outputting the voltage to turn off the switch. As a result, VMC follows MC from t1 to t2, and TMC maintains '1' to turn off the second power switches SW1 and TEG . After t2, V TEG, OC is higher than V VB, OC , so TMC follows MC signal and VMC maintains '1'. To reduce the current consumption of the circuit, the comparator 700 is operated while the MC signal is only '1' and is off for the rest, and during the off time, the output of the comparator 700 is applied to the D- Voltage was stored.

도 9는 제1 전력 스위칭 회로(110)와 제2 전력 스위칭 회로(114)의 상세 회로도이다. 제1 전력 스위칭 회로(110)와 제2 전력 스위칭 회로(114)는 각각 복수의 트랜지스터(900, 902, 908, 910, 916, 918), 복수의 인버터(904, 906, 912, 914, 922, 924, 926, 928), 복수의 전류원(930, 932, 934, 936) 및 저항(920)을 포함한다. 각 에너지 단의 제1 전력 스위칭 회로(110)와 제2 전력 스위칭 회로(114)는 자동 스위칭 제어부(116)에서 출력되는 VMC와 TMC 신호를 각각의 입력으로 받아 제1 전력 스위치(SW1,VB)와 제2 전력 스위치(SW1,TEG)에 온/오프(on/off) 신호(VPSW, TPSW)를 공급한다.9 is a detailed circuit diagram of the first power switching circuit 110 and the second power switching circuit 114. As shown in FIG. The first power switching circuit 110 and the second power switching circuit 114 each include a plurality of transistors 900, 902, 908, 910, 916 and 918, a plurality of inverters 904, 906, 912, 914, 922, 924, 926, 928, a plurality of current sources 930, 932, 934, 936, and a resistor 920. The first power switching circuit 110 and the second power switching circuit 114 of each energy stage receive the VMC and TMC signals output from the automatic switching control unit 116 as respective inputs and output the first power switches SW1 and VB , Off signals VPSW and TPSW to the first and second power switches SW1 and TEG .

제1 전력 스위칭 회로(110)와 제2 전력 스위칭 회로(114)는, 에너지 변환소자인 압전 변환부(100)와 열전 변환부(112)의 출력과 저장 커패시터(CSto)의 전압(VSto)을 실시간 비교하여 더 높은 전압을 '1'로 출력하여 pMOS인 제1 전력 스위치(SW1,VB)와 제2 전력 스위치(SW1,TEG)를 효과적으로 오프(off)시키는 역할을 한다.First and first power switch circuit 110 the second power switching circuit 114, the voltage at the output and the storage capacitor (C Sto) of the energy conversion element of the piezoelectric converter 100 and the thermoelectric converting unit (112), (V Sto And outputs a higher voltage as '1' to effectively turn off the first power switches SW1 and VB and the second power switches SW1 and TEG, which are pMOSs .

예를 들어 VVB,OC가 3V이고 VTEG,OC가 2.8V이면, MPPT 동작 시 VSto는 약 1.5V(1/2VVB,OC)가 되어야 되며, 제2 전력 스위치(SW1,TEG)는 오프(off)가 되어야 한다. pMOS 스위치인 제2 전력 스위치(SW1,TEG)를 오프(off)시키기 위해서 게이트에 '1'을 인가하게 되는데 전력 스위칭 회로(110, 114)를 사용하지 않으면 '1' 레벨에 해당되는 전압은 VSto, 즉 1.5V 정도가 된다. 그러나 제2 전력 스위치(SW1,TEG)의 소스단에는 게이트 전압보다 높은 2.8V가 인가되어 제2 전력 스위치(SW1,TEG)가 제대로 오프(off)되지 않는 문제점이 발생한다.For example, V VB, if the OC is 3V and V TEG, OC is 2.8V, when MPPT operation V Sto is be about 1.5V (1 / 2V VB, OC ), a second power switch (SW1, TEG) is It should be off. 1 'is applied to the gate to turn off the second power switches SW1 and TEG which are the pMOS switches. If the power switching circuits 110 and 114 are not used, the voltage corresponding to the' 1 'level is V Sto , that is, about 1.5V. However, at the source terminal of the second power switches SW1 and TEG , 2.8 V higher than the gate voltage is applied, and the second power switches SW1 and TEG are not turned off properly.

본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는 0.35㎛ CMOS 공정으로 설계하였으며, 모의실험을 통해 동작을 검증하였다. 설계된 회로의 칩 면적은 패드(PAD)를 포함하여 1.4㎜×1.2㎜이다.The automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to one embodiment of the present invention is designed by a 0.35 탆 CMOS process and its operation is verified by simulation. The chip area of the designed circuit is 1.4 mm x 1.2 mm including the pad (PAD).

3V의 개방회로 전압과 80Hz의 주파수를 출력하는 압전소자와 3V의 개방회로 전압과 20kΩ의 내부저항 특성을 갖는 열전소자를 이용하여 설계된 본 발명의 일 실시예에 의한 회로의 성능을 모의실험하였다. CVB는 300nF, CTEG는 100nF 그리고 CSto는 47uF으로 설정하고, 부하에는 5kΩ의 저항을 연결하여 모의실험 하였다.The performance of a circuit according to an embodiment of the present invention designed using a piezoelectric element that outputs an open circuit voltage of 3 V and a frequency of 80 Hz, a thermoelectric element having an open circuit voltage of 3 V, and an internal resistance characteristic of 20 kΩ has been simulated. C VB is set to 300nF, C TEG is set to 100nF, C Sto is set to 47uF, and 5kΩ resistance is connected to the load.

도 10은 자동 스위칭과 전력 스위칭 동작 특성을 모의실험한 결과이다. 에너지 변환소자의 출력이 0초에서 2초 동안에는 VVB,OC와 VTEG,OC는 각각 2.8V와 0V이고, 2초 이후에는 각각 2.8V와 3.3V로 VTEG,OC가 0V에서 3.3V로 변하는 경우, 자동 스위칭 및 전력 스위칭에 의한 출력신호들의 변화를 확인해 볼 수 있다.10 shows the result of simulating automatic switching and power switching operation characteristics. V V , OC , V TEG and OC are 2.8V and 0V respectively for the output of the energy conversion element from 0 second to 2 seconds. After 2 seconds, V TEG and OC are changed from 0V to 3.3V If it changes, you can see the changes in the output signals by automatic switching and power switching.

초기 POR이 '0'을 출력해서 진동에너지 단의 제1 전력 스위치(SW1,VB)와 열에너지 단의 제2 전력 스위치(SW1,TEG)의 온/오프(on/off) 신호인 VPSW와 TPSW가 '0'이 되어 두 스위치가 온(on)이 되고, 진동에너지 단으로부터 전력을 공급 받아서 VSto는 서서히 증가한다. VSto가 1.1V가 되면 POR은 '1'을 출력하고 동시에 MC 신호가 출력되어 자동 스위칭 제어부(116)에서 VVB,OC와 VTEG,OC를 비교한다.VPSW and TPSW which are on / off signals of the first power switches SW1 and VB of the oscillation energy stage and the second power switches SW1 and TEG of the heat energy stage output the initial POR of '0''0', the two switches are on, and V Sto gradually increases as power is supplied from the vibration energy stage. When V Sto becomes 1.1 V, the POR outputs '1' and at the same time, the MC signal is outputted, and the automatic switching controller 116 compares V VB, OC , V TEG, and OC .

그 결과 0초부터 2초 동안 VTEG,OC가 0V이므로 VPSW는 MC 신호를 따르고, TPSW는 '1'을 출력하는데 신호의 크기는 VSto가 VTEG보다 크므로 VSto의 전압크기를 따른다. 2초 이후에 VVB.OC는 2.8V로 유지되나 VTEG,OC의 전압이 3.3V로 증가하면서 VPSW는 '1'이 출력되고, TPSW는 MC 신호를 따라간다. 그러나 2초에서 3초 사이는 MC 신호에 의해 자동 스위칭 제어부(116)가 비교 동작 전이므로 VPSW는 MC 신호, TPSW는 '1'을 그대로 유지한다. TPSW의 신호 크기는 2초 전 VSto의 전압 크기를 유지하다, 2초 이후 VTEG가 VSto보다 크므로 TPSW가 VTEG의 전압 크기를 따라간다. 또한 VPSW의 '1'의 크기는 VSto보다 VVB가 더 크므로 VVB의 전압을 따른다.As a result, during zero-second 2 seconds V TEG, because OC a 0V VPSW is following the MC signal, TPSW is the signal to output a '1' follows the voltage of V Sto is greater than the V Sto V TEG. After 2 seconds, V VB.OC is maintained at 2.8V but V TEG, OC voltage increases to 3.3V, and VPSW is '1' and TPSW follows MC signal. However, between 2 seconds and 3 seconds, since the automatic switching control unit 116 is before the comparison operation due to the MC signal, the VPSW maintains the MC signal and the TPSW remains '1'. The signal amplitude of the TPSW maintains the voltage magnitude of V Sto 2 seconds before and after 2 seconds the V TEG is greater than V Sto so that TPSW follows the voltage magnitude of V TEG . Also, the size of '1' of VPSW is larger than V Sto because V VB is larger, so it follows the voltage of V VB .

도 11과 도 12는 VVB,OC는 0V, VTEG,OC가 3V이고 부하 저항은 5kΩ일 때의 모의 실험한 결과이다. 도 11은 VTEG, VSto, VLoad의 결과 파형이다. 열전소자(112)의 개방회로 전압을 샘플링하기 위해 VTEG는 MC 신호에 의해 주기적으로 개방회로 전압인 3V가 되고, 샘플링 구간을 제외하고 VTEG와 VSto는 열전소자(112)의 MPP 전압인 개방회로 전압의 1/2 값 (1.5V)을 기준으로 유지되어 최대 전력이 출력되는 것을 알 수 있다. 따라서 MPPT 제어 의해 CTEG와 CSto가 충전 및 방전을 반복하며, 방전될 때의 전압이 부하로 공급된다.Figs. 11 and 12 show simulation results when V VB, OC are 0 V, V TEG, OC are 3 V , and the load resistance is 5 k OMEGA. 11 shows the resultant waveforms of V TEG , V Sto , and V Load . In order to sample the open circuit voltage of the thermoelectric element 112, V TEG periodically becomes 3 V, which is the open circuit voltage by the MC signal, and V TEG and V Sto are the MPP voltage of the thermoelectric element 112 It can be seen that the maximum power is output by maintaining the half value (1.5 V) of the open circuit voltage as a reference. Therefore, C TEG and C Sto are repeatedly charged and discharged by MPPT control, and the voltage at the time of discharging is supplied to the load.

도 12는 MPPT 제어부(118)의 모의실험 결과이다. 샘플러(508)에 의해 생성된 MPPT 기준전압인 VMPP,Max/4는 420mV, VMPP,Min/4는 396.7mV가 되어, VSto/4가 이 사이 값에서 유지된다. 실제 VSto는 1.4V에서 1.57V 사이로 제어되어, MPPT 제어부(118)는 실제 MPP 전압인 1.5V 근처에서 열전 변환부(112)의 출력을 제어한다. 부하로는 VSto/4가 VMPP,Max/4에 도달하면 EN 신호가 '0'이 되어 pMOS 스위치인 부하 전력 공급 단속 스위치(SW2)가 온(on)되고, 열전 변환부(112)의 에너지가 부하로 공급된다. VSto/4가 VMPP,Min/4이 되면 부하 전력 공급 단속 스위치(SW2)는 오프(off)가 되어 부하로의 에너지 공급이 차단된다.12 is a simulation result of the MPPT control unit 118. FIG. The MPPT reference voltages V MPP, Max / 4 generated by the sampler 508 are 420 mV, V MPP, Min / 4 is 396.7 mV, and V Sto / 4 is maintained at this interim value. The actual V Sto is controlled to be between 1.4V and 1.57V, and the MPPT controller 118 controls the output of the thermoelectric converter 112 near the actual MPP voltage of 1.5V. When the load voltage V Sto / 4 reaches V MPP, Max / 4, the EN signal becomes '0', so that the load power supply intermittence switch SW2, which is a pMOS switch, is turned on and the thermoelectric conversion unit 112 Energy is supplied to the load. When V Sto / 4 becomes V MPP, Min / 4, the load power supply intermittent switch (SW2) is turned off and the supply of energy to the load is cut off.

도 13은 VOC,VB가 3V이고 VOC,TEG가 0V 일 때 진동에너지 하베스팅 회로의 전력 효율과, VOC,VB가 0V이고 VOC,TEG가 3V 일 때 열에너지 하베스팅 회로의 전력 효율을 정리한 결과이고, 부하저항은 200Ω에서 30kΩ 사이에서 측정하였다. 그 결과 진동에너지 하베스팅의 경우 최대 효율은 10kΩ에서 91.5%이고, 열에너지 하베스팅의 경우는 15kΩ에서 95.9%의 최대 효율을 보인다. 진동에너지의 경우 최대 95.6%(@20kΩ)의 전력 효율을 갖는 AC-DC 변환기를 거쳐 부하로 전력이 공급되기 때문에 열에너지 하베스팅의 경우보다 약간 낮은 전력 효율을 보인다.13 shows the power efficiency of the vibration energy harvesting circuit when V OC and VB are 3 V and V OC and TEG is 0 V and the power efficiency of the thermal energy harvesting circuit when V OC and VB are 0 V and V OC and TEG are 3 V And the load resistance was measured between 200Ω and 30kΩ. As a result, the maximum efficiency for vibration energy harvesting is 91.5% at 10kΩ, and the maximum efficiency is 95.9% at 15kΩ for thermal energy harvesting. Vibrational energy is slightly lower than that of thermal energy harvesting because the power is supplied to the load through an AC-DC converter with a power efficiency of up to 95.6% (@ 20kΩ).

도 14는 설계된 회로의 레이아웃이다. 칩 면적은 패드를 포함하여 1.4㎜×1.2㎜이다.14 is a layout of a designed circuit. The chip area is 1.4 mm x 1.2 mm including the pad.

표 1에 기존에 발표된 다중 입력 에너지 하베스팅 회로들의 성능을 본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로의 성능과 비교 요약하였다. 비특허문헌 [3]은 RF와 열에너지에 대해 최대 전력을 출력하는 에너지원을 우선순위로 수확하는 방법을 적용하였으나, 열에너지 하베스팅 회로는 0.35㎛ 공정을 이용하고, RF 에너지에 대해서는 0.18㎛ 공정을 이용하여 설계하므로 비용과 면적 측면에서 불리하다. 비특허문헌 [5]는 MPPT를 적용하고 있으나 진동과 열에너지는 MPP를 안다는 가정하에 DC-DC 변환기의 입력 임피던스를 고정하는 방법을 사용하고 있으며, 빛에너지에 대해서만 힐-클라이밍(hill-climbing) 방식의 MPPT를 적용하고 있어 실제로 적용하기에는 한계가 있다. 또한 기존 연구들은 외부 소자를 커패시터 외에 인덕터를 추가적으로 사용하고 있어 초소형 센서 노드에 적용하기 불리하고, 전체 효율 또한 90% 이하를 보이고 있다.Table 1 compares the performance of the conventional multiple input energy harvesting circuits with the performance of the automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to one embodiment of the present invention. Non-patent document [3] applies a method of harvesting the energy source that outputs the maximum power to RF and thermal energy as priority, but the thermal energy harvesting circuit uses the 0.35 탆 process and the RF energy process uses 0.18 탆 process It is disadvantageous in terms of cost and area. Non-patent document [5] uses MPPT, but it uses a method of fixing the input impedance of a DC-DC converter under the assumption that vibration and heat energy know MPP, and hill-climbing only for light energy. The MPPT method is applied, and there is a limitation in actual application. In addition, existing researches are using external devices in addition to capacitors and inductors, which is disadvantageous for application to ultra-small sensor nodes and the overall efficiency is less than 90%.

본 발명의 일 실시예에 의한 진동과 열 에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로는 더 높은 전압을 출력하는 에너지원을 선택하여 에너지를 수확하는 구조이며, MPPT는 FOC 방법을 적용하였다. 전체 전류소모는 2.48㎂이며, 최대 전력 효율은 진동에너지를 수확하는 경우 10kΩ에서 91.5%, 열에너지는 15kΩ에서 95.9%의 효율을 보였다.An automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy according to an embodiment of the present invention is a structure for harvesting energy by selecting an energy source outputting a higher voltage and applying the FOC method for MPPT. The total current consumption was 2.48 μA, and the maximum power efficiency was 91.5% at 10 kΩ and 95.9% at 15 kΩ when the vibration energy was harvested.

Figure pat00003
Figure pat00003

본 발명의 일 실시예에서는 0.35㎛ CMOS 공정을 이용하여 자동 스위칭 기능과 MPPT 기능을 갖는 진동과 열에너지를 이용한 에너지 하베스팅 회로를 제안하였다. 설계된 회로는 각각의 에너지원을 자동 스위칭 제어 블록을 통해 실시간으로 감지하여 수확 가능한 에너지만을 수확하기 때문에, 기존에 단일 입력 하베스팅 회로보다 환경 변화에 덜 민감하다는 장점을 갖는다. 또한 진동과 열에너지의 개방회로 전압과 MPP에서의 전압간의 관계가 동일하다는 점을 이용하여, 각 에너지원의 MPPT 회로를 하나로 병합함으로써 전체 시스템의 크기와 비용을 줄여 초소형 센서노드에 적용이 용이하다. 설계된 회로는 요구되는 듀티 레이트(duty rate)가 비교적 낮으며, 진동과 열에너지를 얻기 쉬운 도로나 다리(bridge)와 같은 구조물 모니터링과, 산림 등의 환경모니터링에 적용될 수 있다. In an embodiment of the present invention, an energy harvesting circuit using a vibration and thermal energy having an automatic switching function and an MPPT function using a 0.35 탆 CMOS process is proposed. The designed circuit has the advantage that it is less sensitive to environmental change than the single input harvesting circuit because it harvests energy harvestable by sensing each energy source in real time through automatic switching control block. The MPPT circuit of each energy source is merged into one by utilizing the fact that the relationship between the open circuit voltage of vibration and thermal energy and the voltage at MPP is the same, so that it is easy to apply to a small sensor node by reducing the size and cost of the whole system. Designed circuits can be applied to monitoring of structures such as roads and bridges, which are relatively low in duty rate required and easy to obtain vibration and heat energy, and environmental monitoring of forests and the like.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is clear that the present invention can be modified or improved.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100 : 압전 변환부 102 : 압전소자
104 : AC-DC 변환기 106, 108 : 벌크 레귤레이션 회로
110 : 제1 전력 스위칭 회로 112 : 열전 변환부
114 : 제2 전력 스위칭 회로 116 : 자동 스위칭 제어부
118 : MPPT 제어부 400, 402 : 능동 다이오드
500 : 펄스 발생기 502 : 클록 발생기
504 : 카운터 506 : MC 생성기
508 : 샘플러 510 : 인에이블 발생기
100: piezoelectric conversion unit 102: piezoelectric element
104: AC-DC converter 106, 108: Bulk regulation circuit
110: first power switching circuit 112: thermoelectric conversion unit
114: second power switching circuit 116: automatic switching control section
118: MPPT control unit 400, 402: active diode
500: Pulse generator 502: Clock generator
504: Counter 506: MC Generator
508: Sampler 510: Enable generator

Claims (10)

진동을 전기로 변환하기 위한 압전 변환부;
열을 전기로 변환하기 위한 열전 변환부;
상기 압전 변환부에서 출력되는 전압과 상기 열전 변환부에서 출력되는 전압 중 더 높은 전압이 출력되도록 하는 전력 스위칭부; 및
상기 압전 변환부와 상기 열전 변환부에서 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)의 전압이 출력되도록 하는 최대전력점 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어부를 포함하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
A piezoelectric conversion unit for converting the vibration into electricity;
A thermoelectric conversion unit for converting heat into electricity;
A power switching unit for outputting a higher voltage among a voltage output from the piezoelectric transducer and a voltage output from the thermoelectric transducer; And
And a maximum power point tracking (MPPT) controller for causing the piezoelectric transducer and the thermoelectric converter to output a voltage of a maximum power point (MPP) Energy harvesting circuit.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 스위칭부는,
상기 압전 변환부에서 출력되는 전압의 공급을 단속하기 위한 제1 전력 스위칭부;
상기 열전 변환부에서 출력되는 전압의 공급을 단속하기 위한 제2 전력 스위칭부; 및
상기 압전 변환부의 출력 전압과 상기 열전 변환부의 출력 전압 중 더 높은 전압이 출력되도록, 상기 제1 전력 스위칭부와 상기 제2 전력 스위칭부의 동작을 제어하기 위한 자동 스위칭 제어부를 포함하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method according to claim 1,
Wherein the power switching unit comprises:
A first power switching unit for interrupting supply of a voltage output from the piezoelectric transducing unit;
A second power switching unit for interrupting the supply of the voltage output from the thermoelectric conversion unit; And
And an automatic switching control unit for controlling operations of the first power switching unit and the second power switching unit such that a higher voltage is output among an output voltage of the piezoelectric conversion unit and an output voltage of the thermoelectric conversion unit, Automatic switching energy harvesting circuit.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 전력 스위칭부는,
상기 압전 변환부의 출력에 연결되는 제1 전력 스위치; 및
상기 자동 스위칭 제어부의 제어 신호에 따라 상기 제1 전력 스위치를 온 또는 오프시키기 위한 제1 전력 스위칭 회로를 포함하고,
상기 제2 전력 스위칭부는,
상기 열전 변환부의 출력에 연결되는 제2 전력 스위치; 및
상기 자동 스위칭 제어부의 제어 신호에 따라 상기 제2 전력 스위치를 온 또는 오프시키기 위한 제2 전력 스위칭 회로를 포함하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method of claim 2,
Wherein the first power switching unit comprises:
A first power switch connected to an output of the piezoelectric conversion unit; And
And a first power switching circuit for turning on or off the first power switch in accordance with the control signal of the automatic switching controller,
Wherein the second power switching unit comprises:
A second power switch connected to an output of the thermoelectric conversion unit; And
And a second power switching circuit for turning on or off the second power switch in accordance with a control signal of the automatic switching control unit.
청구항 3에 있어서,
상기 자동 스위칭 제어부는,
상기 압전 변환부의 개방회로 전압과 상기 열전 변환부의 개방회로 전압을 비교하여, 상기 압전 변환부의 개방회로 전압이 상기 열전 변환부의 개방회로 전압보다 높은 경우, 상기 제1 전력 스위치를 온(on)시키고 상기 제2 전력 스위치를 오프(off)시키기 위한 신호를 출력하며,
상기 열전 변환부의 개방회로 전압이 상기 압전 변환부의 개방회로 전압보다 높은 경우, 상기 제1 전력 스위치를 오프(off)시키고 상기 제2 전력 스위치를 온(on)시키기 위한 신호를 출력하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method of claim 3,
Wherein the automatic switching control unit comprises:
Wherein the control unit compares the open circuit voltage of the piezoelectric conversion unit with the open circuit voltage of the thermoelectric conversion unit and turns on the first power switch when the open circuit voltage of the piezoelectric conversion unit is higher than the open circuit voltage of the thermoelectric conversion unit, Outputs a signal for turning off the second power switch,
And outputting a signal for turning on the first power switch and turning on the second power switch when the open circuit voltage of the thermoelectric conversion unit is higher than the open circuit voltage of the piezoelectric conversion unit, Automatic switching energy harvesting circuit using.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 전력 스위치의 바디 단자에 연결된 제1 벌크 레귤레이션 회로; 및
상기 제2 전력 스위치의 바디 단자에 연결된 제2 벌크 레귤레이션 회로를 더 포함하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method of claim 3,
A first bulk regulation circuit coupled to the body terminal of the first power switch; And
Further comprising a second bulk regulation circuit coupled to the body terminal of the second power switch.
청구항 3에 있어서,
상기 압전 변환부에서 출력된 전압 또는 상기 열전 변환부에서 출력된 전압을 부하 전력 공급 제어 신호에 따라 부하에 공급하거나 공급하지 않는 부하 전력 공급 단속 스위치를 더 포함하고,
상기 최대전력점 추적(MPPT) 제어부는,
상기 압전 변환부의 개방회로 전압과 상기 열전 변환부의 개방회로 전압을 획득하고, 상기 획득된 개방회로 전압들에 기반하여 상기 부하 전력 공급 단속 스위치의 동작을 제어하여 부하로의 전력 공급을 단속함으로써 상기 압전 변환부와 상기 열전 변환부에서 최대전력점(MPP: Maximum Power Point)의 전압이 출력되도록 하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method of claim 3,
Further comprising a load power supply intermittence switch that does not supply or supply the voltage output from the piezoelectric conversion unit or the voltage output from the thermoelectric conversion unit to the load in accordance with the load power supply control signal,
The maximum power point tracking (MPPT)
By controlling the operation of the load power supply intermittent switch based on the obtained open circuit voltages to intermittently supply power to the load, thereby obtaining the open circuit voltage of the piezoelectric transducer and the open circuit voltage of the thermoelectric transducer, And an automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy to output a voltage of a maximum power point (MPP) in the converting unit and the thermoelectric converting unit.
청구항 6에 있어서,
상기 압전 변환부의 출력 또는 상기 열전 변환부의 출력을 저장하기 위한 저장 커패시터를 더 포함하고,
상기 최대전력점 추적(MPPT) 제어부는,
소정의 동작 펄스를 발생시키기 위한 펄스 발생기;
상기 압전 변환부의 개방회로 전압과 상기 열전 변환부의 개방회로 전압을 획득하기 위한 샘플러; 및
상기 펄스 발생기의 출력 및 상기 저장 커패시터의 전압에 기반하여 상기 부하 전력 공급 단속 스위치의 동작을 제어하기 위한 인에이블 발생기를 포함하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method of claim 6,
Further comprising a storage capacitor for storing an output of the piezoelectric conversion unit or an output of the thermoelectric conversion unit,
The maximum power point tracking (MPPT)
A pulse generator for generating a predetermined operation pulse;
A sampler for obtaining an open circuit voltage of the piezoelectric transducer and an open circuit voltage of the thermoelectric transducer; And
And an enable generator for controlling operation of the load power supply intermittent switch based on the output of the pulse generator and the voltage of the storage capacitor.
청구항 7에 있어서,
상기 제1 전력 스위칭 회로는 상기 압전 변환부의 출력 전압과 상기 저장 커패시터의 전압을 비교하여 더 높은 전압을 논리 레벨 '1'로 출력하고,
상기 제2 전력 스위칭 회로는 상기 열전 변환부의 출력 전압과 상기 저장 커패시터의 전압을 비교하여 더 높은 전압을 논리 레벨 '1'로 출력하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method of claim 7,
The first power switching circuit compares the output voltage of the piezoelectric transducer with the voltage of the storage capacitor to output a higher voltage at logic level '1'
And the second power switching circuit compares an output voltage of the thermoelectric conversion unit with a voltage of the storage capacitor to output a higher voltage at a logic level '1'.
청구항 1에 있어서,
상기 열전 변환부는 열전 소자를 포함하고,
상기 압전 변환부는,
진동을 전기로 변환하기 위한 압전소자; 및
상기 압전소자에서 출력되는 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하기 위한 AC-DC 변환기를 포함하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric conversion unit includes a thermoelectric element,
The piezoelectric transducer includes:
A piezoelectric element for converting vibration into electricity; And
And an AC-DC converter for converting an AC voltage output from the piezoelectric element into a DC voltage. 2. The automatic switching energy harvesting circuit according to claim 1,
청구항 9에 있어서,
상기 AC-DC 변환기는,
2개의 능동 다이오드와 2개의 MOS 스위치를 포함하는 능동 AC-DC 변환기를 포함하고,
상기 능동 다이오드 각각은 PMOS 스위치와 비교기를 포함하는, 진동과 열에너지를 이용한 자동 스위칭 에너지 하베스팅 회로.
The method of claim 9,
The AC-DC converter includes:
An active AC-DC converter including two active diodes and two MOS switches,
Each of said active diodes comprising a PMOS switch and a comparator, said automatic switching energy harvesting circuit using vibration and thermal energy.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200120326A (en) * 2019-04-12 2020-10-21 김창선 Apparatus for Controlling a Thermoelectric Generator
KR20200121510A (en) * 2019-04-16 2020-10-26 한국전기연구원 Hybrid energy havesting device
KR20220059392A (en) * 2020-11-02 2022-05-10 한국전자통신연구원 Wireless device and operating method thereof

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