KR20180000187A - 압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기 - Google Patents

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Abstract

압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 정류기는, 입력되는 교류를 직류로 변환하는 정류회로, 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 스위치 및 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어기를 포함한다. 이에 의해, 입력 전류의 제로-크로싱 포인트에서 전류와 전압의 위상을 맞추어, 압전 하베스터로부터 최대 전력을 출력 부하단으로 전달할 수 있게 되어, 궁극적으로는 정류 효율을 상승시킬 수 있게 된다.

Description

압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기{High Efficiency Rectifier for Piezoelectric Energy Harvesting}
본 발명은 정류기 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅에 이용되는 고효율 정류기에 관한 것이다.
최근 사물 인터넷 (IoT) 기반의 지식 서비스가 급증함에 따라 이와 연관된 다양한 제품 및 기술이 선보이고 있다. 특히 웨어러블 디바이스, 바이오 센서, 무전원 센서 등의 분야에서 연구개발이 활발히 이루어지고 있는 무선 충전 및 에너지 하베스팅 기술은 제품의 사용 시간을 좌우하는 핵심 요소 기술로서 관련 제품의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 회로적인 측면에서 바라 봤을 때, 외부 소자를 최소화하면서 전력 효율을 극대화하기 위한 회로의 고 집적화 및 고효율에 대한 연구가 진행되고 있다.
에너지 하베스팅 중 압전 에너지 하베스팅은 움직임을 통하여 전력을 얻고, 이를 사용하기 위해서 AC를 DC로 변환하는 정류기가 필요하다. 에너지 하베스팅을 위한 정류기 설계시, 가장 큰 이슈는 하베스터에서 나오는 전류와 정류기와 연결되는 노드 전압의 위상차가 발생해 효율에 큰 손실이 있다는 것이다.
하베스터의 출력을 받아 DC로 변환하는 과정에서 하베스터의 특성으로 고효율의 전력을 전달하지 못하는 문제이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전류원(Ip), 저항(Rp), 캐패시터(Cp)의 병렬의 등가회로로 나타낼 수 있는 하베스터의 입력 모델링에서 이해할 수 있다.
또한, 입력이 정현파로 구현될 경우에 전류원이 병렬로 연결된 캐패시터의 충전과 방전으로 해야 하기 때문에 이로 인한 시간 지연으로 인하여 정류 효율을 저하시킨다.
이를 해결하기 위한 방안으로, 인덕터를 이용하여 전류와 전압의 위상차를 맞추는 정류기가 있다. 하지만, 외부에 인덕터 소자를 추가해 시스템의 면적을 크게 하는 요인이 된다. 또한, 인덕터로 인해 회로의 구성이 복잡해지고, 많은 논리회로 블록이 추가된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 압전 하베스터로부터 최대 전력을 출력 부하단으로 전달하기 위한 방안으로, 입력 전류의 제로-크로싱 포인트에서 전류와 전압의 위상을 맞추어 주는 고효율 정류기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 정류기는, 입력되는 교류를 직류로 변환하는 정류회로; 상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 스위치; 및 상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어기;를 포함한다.
그리고, 상기 정류회로는, 4개의 다이오드를 포함하는 full-bridge 타입일 수 있다.
또한, 상기 정류회로는, 2개의 다이오드와 2개의 스위칭 회로를 포함하는 full-bridge 타입일 수 있다.
그리고, 상기 2개의 스위칭 회로는, 트랜지스터; 입력 전압을 다운시키는 리미터; 상기 리미터에서 다운된 전압을 기준 전압과 비교하여, 비교 결과를 기초로 상기 트랜지스터를 턴-온 또는 턴-오프시키는 비교기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 제어기는, 상기 정류회로의 입력단에 흐르는 전류의 zero-crossing point 에서, 상기 입력단에 연결된 소자를 방전시키기 위해, 상기 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
그리고, 상기 스위칭 제어기는, 상기 정류회로의 입력 전압과 상기 정류 회로의 출력 전압을 비교하여 상기 zero-crossing point 를 파악할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 제어기는, 상기 정류회로의 제1 단의 입력 전압이 상기 정류회로의 출력 전압 보다 낮아지는 순간을 상기 zero-crossing point 로 파악할 수 있다.
그리고, 상기 스위칭 제어기는, 상기 정류회로의 제2 단의 입력 전압이 상기 정류회로의 출력 전압 보다 높아지는 순간을 상기 zero-crossing point 로 파악할 수 있다.
또한, 상기 스위칭 제어기는, 상기 정류회로의 입력단에 흐르는 전류의 zero-crossing point 에서, 상기 정류회로의 입력단의 전류와 전압의 위상이 맞도록, 상기 스위치의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 정류 방법은, 정류회로가, 입력되는 교류를 직류로 변환하는 단계; 및 스위치가, 상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 정류기는, 에너지를 하베스팅하여 교류를 출력하는 하베스터; 상기 하베스터에서 출력되는 교류를 입력받아 직류로 변환하는 정류회로; 상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 스위치; 및 상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어기;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 정류 방법은, 하베스터가, 에너지를 하베스팅하여 교류를 생성하는 단계; 정류회로가, 생성된 교류를 직류로 변환하는 단계; 및 스위치가, 상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 입력 전류의 제로-크로싱 포인트에서 전류와 전압의 위상을 맞추어, 압전 하베스터로부터 최대 전력을 출력 부하단으로 전달할 수 있게 되어, 궁극적으로는 정류 효율을 상승시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 전류와 전압의 위상을 맞추기 위해 인덕터를 사용하지 않으며, 스위치, 비교기, 간단한 논리회로 블록만을 추가하여 구현할 수 있으므로, 작은 면적으로 정류기를 구현할 수 있다.
도 1은 하베스터 모델,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기의 회로도,
도 3은 self-reset switching 이 없는 경우, 정류기의 입력 전류와 전압 파형,
도 4는 self-reset switching 이 있는 경우, 정류기의 입력 전류와 전압 파형,
도 5는 스위칭 제어기의 상세 구조를 나타난 블럭도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기의 회로도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정류기의 시뮬레이션 파형, 그리고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 정류기를 레이아웃한 결과이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기의 회로도이다. 이해와 설명의 편의를 위해, 도 2에서는 본 발명의 실시예에 따른 정류기 외에, 압전 하베스터(10)의 모델링 회로와 부하(20)을 더 도시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정류기는, 다이오드 브리지 정류회로(210), 스위치(220) 및 스위칭 제어기(미도시)를 포함한다. 스위칭 제어기는 스위치(220)의 On/Off를 제어하기 위한 회로로, 도시가 복잡해지는 것을 피하기 위해, 도 5에 별도로 도시하였다.
정류회로(210)는 4개의 다이오드로 구성된 full-bridge 타입으로, 압전 하베스터(10)가 에너지를 하베스팅하여 생성한 교류를 입력받아 직류로 변환한다. 정류회로(210)에 의한 정류 과정는 도 2에 파란색 선과 빨간색 선으로 각각 나타나 있다.
스위치(220)는 압전 하베스터(10)의 출력단, 즉 정류회로(210)의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭 동작하는 소자로, 스위칭 제어기에 의해 제어되어 self-reset switching(자체-리셋 스위칭) 을 수행한다.
self-reset switching은, 출력 부하로 최대 전력을 전달하여 줄 수 있도록, 압전 하베스터(10)의 전류원(Ip)의 zero-crossing point 에서 전류와 전압의 위상이 맞도록, Cp에 충전된 전하를 순간적으로 방전시켜 reset 시키기 위해 압전 하베스터(10)를 단락시키는 스위칭이다.
전류원(Ip)의 zero-crossing point 란, 전류원(Ip)의 전류가 양(+)에서 음(-)으로 전환되는 시점과 전류원(Ip)의 전류가 음(-)에서 양(+)으로 전환되는 시점을 말한다.
스위치(220)에 의한 self-reset switching 이 없다면, 도 3에 도시된 바와 같이, CP의 충방전으로 인해 부하에는 반 주기 동안만 전류가 흐르게 되며, 이로 인해 정류기의 입력으로부터 출력으로 전달되는 전력 효율은 낮을 수 밖에 없다.
반면, 스위치(220)가 순간적인 펄스로 self-reset switching 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 전류원(Ip)의 zero-crossing point 에서 CP에 충전된 전하가 빠르게 방전되어, 부하에 전류가 흐르는 시간이 늘어나, 정류기의 입력으로부터 출력으로 전달되는 전력 효율은 높아진다.
전류원(Ip)의 zero-crossing point 를 찾아내기 위해, 정류기의 출력 전압인 VRECT와 정류기의 입력 전압인 VINN 혹은 VINP를 비교하여, "VINP < VRECT"가 되는 순간과 "VINN > VRECT"가 되는 순간을 zero-crossing point 로 취급할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, "VINP < VRECT"가 되는 순간과 "VINN > VRECT"이 zero-crossing point 에 인접되어 있음에 기인한다.
따라서, "VINP < VRECT"가 되는 순간과 "VINN > VRECT"가 되는 순간에, 스위칭 제어기(230)는 펄스를 생성/인가하여 스위치(220)를 순간적으로 On 시켜, CP에 충전된 전하를 순간적으로 방전시킨다.
도 5에는 스위칭 제어기(230)의 구조를 상세히 도시한 블럭도이다. 도 5에 도시된 구조로 설계된 스위칭 제어기(230)는 "VINP < VRECT"가 되는 순간과 "VINN > VRECT"가 되는 순간에 펄스를 생성하여 스위치(220)에 인가한다.
도 4와 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이, 스위칭 제어기(230)는 VRECT와 VINP 혹은 VINN을 비교 결과를 지연시킨 후, 비교 결과와 중첩하여 스위치(220)를 구동할 펄스를 생성한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기의 회로도이다. 도 6에서, 스위칭 제어기(130)는 도시된 반면, 압전 하베스터(10)는 도시되지 않있다.
도 2에 도시된 정류기는 4개의 다이오드로 구성되는 다이오드 브리지 정류회로(210)를 포함하고 있는 반면, 도 6에 도시된 정류기는 2개의 다이오드(D1,D2)는 포함하되 나머지 2개의 다이오드(D3,D4)는 스위칭 회로(121,122)로 대체되었다.
스위칭 회로(121,122)는 전압 리미터를 포함하고 있어, 5V 이상의 고전압이 비교기에 직접 입력되지 않도록 한다. 전압 리미터에 의해 다운된 전압이 비교기에 인가된다. 비교기는 리미터에서 다운된 전압을 기준 전압과 비교하여, 비교 결과를 기초로 트랜지스터를 턴-온 또는 턴-오프시킨다.
또한, 도 2에 도시된 정류기에서 압전 하베스터(10)의 양단, 즉 정류기의 입력단을 단락시키기 위해 연결된 스위치(120)의 경우, 도 6에서는 직렬 연결된 2개의 트랜지스터(M3, M4)로 구현되었다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정류기의 시뮬레이션 파형이다. 도 7에 도시된 바와 같이 압전 하베스터 전류원의 zero-crossing point에서 pulse가 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 실시예에 따른 정류기를 TSMC 0.18- μm 1P6M 공정으로 레이아웃한 결과를 나타내었다. 전체 면적은 780 X 255 μm2 였다. 대부분의 면적은 전력을 향상시키기 위한 고전압 트랜지스터가 차지하고 있다.
최대 효율을 달성하기 위해서 논리회로 블록회로에 35nA의 바이어스를 달아 전류소비를 최소화 시켰다. 또한, 인덕터를 사용하지 않음으로써 외부 면적을 최소화할 수 있다.
지금까지, 압전 에너지 하베스팅을 위한 고효율 정류기에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서 언급한 교류를 공급하는 압전 하베스터는 예시적인 것에 불과하다. 다른 종류의 하베스터, 이를 테면 마찰 에너지 하베스터는 물론, 그 밖의 다른 타입의 교류 공급 소자로 대체되는 경우도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 : 압전 하베스터
20 : 부하
110 : 다이오드 브리지 정류기
120 : 스위치
130 : 스위칭 제어기

Claims (12)

  1. 입력되는 교류를 직류로 변환하는 정류회로;
    상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 스위치; 및
    상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정류회로는,
    4개의 다이오드를 포함하는 full-bridge 타입인 것을 특징으로 하는 정류기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 정류회로는,
    2개의 다이오드와 2개의 스위칭 회로를 포함하는 full-bridge 타입인 것을 특징으로 하는 정류기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 2개의 스위칭 회로는,
    트랜지스터;
    입력 전압을 다운시키는 리미터;
    상기 리미터에서 다운된 전압을 기준 전압과 비교하여, 비교 결과를 기초로 상기 트랜지스터를 턴-온 또는 턴-오프시키는 비교기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 제어기는,
    상기 정류회로의 입력단에 흐르는 전류의 zero-crossing point 에서, 상기 입력단에 연결된 소자를 방전시키기 위해, 상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 스위칭 제어기는,
    상기 정류회로의 입력 전압과 상기 정류 회로의 출력 전압을 비교하여 상기 zero-crossing point 를 파악하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 스위칭 제어기는,
    상기 정류회로의 제1 단의 입력 전압이 상기 정류회로의 출력 전압 보다 낮아지는 순간을 상기 zero-crossing point 로 파악하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 스위칭 제어기는,
    상기 정류회로의 제2 단의 입력 전압이 상기 정류회로의 출력 전압 보다 높아지는 순간을 상기 zero-crossing point 로 파악하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 제어기는,
    상기 정류회로의 입력단에 흐르는 전류의 zero-crossing point 에서, 상기 정류회로의 입력단의 전류와 전압의 위상이 맞도록, 상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  10. 정류회로가, 입력되는 교류를 직류로 변환하는 단계;
    스위치가, 상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정류 방법.
  11. 에너지를 하베스팅하여 교류를 출력하는 하베스터;
    상기 하베스터에서 출력되는 교류를 입력받아 직류로 변환하는 정류회로;
    상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 스위치; 및
    상기 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 스위칭 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정류기.
  12. 하베스터가, 에너지를 하베스팅하여 교류를 생성하는 단계;
    정류회로가, 생성된 교류를 직류로 변환하는 단계; 및
    스위치가, 상기 정류회로의 입력단을 단락 또는 개방하기 위해 스위칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정류 방법.
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