KR20190089352A - 전압 증폭 모듈과 전압 증폭 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터, 상기 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 캐피시터 중 적어도 하나에 전하를 충전하는 제 1 전압원, 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위치부와, 상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터에 선택적으로 연결되는 제 2 전압원을 포함하는 전압 증폭 모듈이 개시된다.

Description

전압 증폭 모듈과 전압 증폭 장치 및 방법{Module of voltage amplifier and method and apparatus for amplifying voltage}

본 발명은 전압 증폭 모듈과 전압 증폭 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 외부 전원을 통하여 추가적인 전하를 공급함으로서 증폭 효율을 개선한 전압 증폭 모듈과 전압 증폭 장치 및 방법에 관한 것이다.

모든 전자기기는 해당 시스템 특성에 적합한 전원 전압을 공급할 수 있는 전력 관리 장치를 필요로 한다. 이와 같은 전력 관리 장치는 높은 정확도와 고효율 동작이 요구된다. 특히, 요즘 여러 가지 기능을 갖는 시스템을 집적화함으로써 각각 다른 입력 전압 및 출력 전압을 갖는 모듈(Module)이 한 칩 안에 설계(System on Chip; SoC)되고 있다. 이에 따라 각 모듈의 전력공급에 있어서 최소한의 PMIC(Power Management IC)로 여러 시스템의 전원 전압 및 부하 전류를 공급함으로써 전력 소모를 최소화하여 전력 공급 장치의 사용시간을 최대화할 수 있는 기술을 필요로 한다. 또한, 배터리나 태양광 발전기의 출력을 전력 공급 장치 전원으로 사용할 경우, 변화되는 입력 전압에 대해서도 일정한 전압을 출력할 수 있는 변환기가 필요하다.

직류 전원 공급 장치로는 크게, 인덕터를 사용한 스위칭 컨버터(Inductor-based Switching Converter; Buck, Boost...)와, 스위치드 캐패시터 컨버터(Switched Capacitor Converter; SCC)가 있다. 넓은 출력 부하 범위를 가지며 고효율의 안정적인 전원공급을 위해, 인덕터를 이용한 스위칭 컨버터를 가장 많이 사용하고 있다. 하지만, 인덕터의 사용으로 인해 PCB 면적과 비용이 증가하며, 낮은 부하에서 효율이 낮아지는 단점이 있다. 또한, 마그네틱 소자의 사용으로 Electro-Magnetic Interference(EMI) 문제가 발생할 수 있게 된다.

이러한 문제로 인하여 스위치드 캐패시터 DC-DC 변환기의 활용도가 증가하고 있다. 스위치드 캐패시터 기반의 DC-DC 변환기는 높은 변환 비율을 위해서 직렬로 연결하여야 하며, 연결된 개수에 비례하여 전도적인 손실이 발생하게 된다. 따라서, 변환 비율을 원하는만큼 증가시키는데 한계가 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 장치는 입력 전원과 추가 전원을 이용하여 전도적인 손실을 감소시켜 원하는 변환 비율을 달성할 수 있도록 하는 전압 증폭 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 모듈은, 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터; 상기 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 캐피시터 중 적어도 하나에 전하를 충전하는 제 1 전압원; 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위치부; 및 상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터에 선택적으로 연결되는 제 2 전압원을 포함하는 것이다.

상기 스위치부는, 충전 모드 및 제 1 증폭 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 제 2 증폭 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬로 연결할 수 있다.

상기 스위치부는, 상기 제 1 전압원과 상기 제 1 캐패시터의 일단 사이에 배치되는 제 1 스위치를 포함하며, 상기 제 1 스위치는, 상기 충전 모드에서 턴-온 될 수 있다.

상기 스위치부는, 상기 제 2 전압원과 상기 제 2 캐패시터의 타단 사이에 배치되는 제 2 스위치를 포함하며, 상기 제 2 스위치는, 상기 제 1 증폭 모드 및 상기 제 2 증폭 충전 모드에서 턴-온 될 수 있다.

상기 스위치부는, 상기 제 1 캐패시터의 일단과 상기 제 2 캐패시터의 일단 사이에 배치되는 제 3 스위치, 상기 제 1 캐패시터의 타단과 상기 제 2 캐패시터의 타단 사이에 배치되는 제 4 스위치 및 상기 제 1 캐패시터의 일단과 상기 제 2 캐패시터의 타단 사이에 배치되는 제 5 스위치를 포함하며, 상기 제 5 스위치는, 상기 제 1 증폭 모드에서 턴-온되며, 상기 제 3 스위치 및 상기 제 4 스위치는, 상기 충전 모드 및 상기 제 2 증폭 모드에서 턴-온 될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 증폭 방법은, 충전 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 상기 제 1 캐패시터의 일단과 상기 제 2 캐패시터의 일단에 제 1 전압을 인가하는 단계; 상기 전압 증폭 모듈의 증폭 모드를 확인하는 단계; 및 상기 확인된 증폭 모드가 제 1 증폭 모드인 경우, 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬로 연결하고 상기 제 1 캐패시터의 타단에 상기 제 2 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것이다.

상기 확인된 증폭 모드가 제 2 증폭 모드인 경우, 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 상기 제 1 키패시터의 타단에 상기 제 2 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 증폭 장치는, 동작 모드에 따라 입력 전압을 소정 비율로 증폭하여 출력하는 복수의 전압 증폭 모듈들이 직렬로 연결된 증폭부; 및 상기 증폭부의 입력 전압과 출력 전압 간의 비에 따라 상기 복수의 증폭 모듈들 각각의 동작 모드를 결정하는 모드 결정부를 포함하고, 상기 각각의 전압 증폭 모듈은, 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터; 상기 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 캐피시터 중 적어도 하나에 전하를 충전하는 제 1 전압원; 상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위치부; 및 상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터에 선택적으로 연결되는 제 2 전압원을 포함하는 것이다.

상기 모드 결정부는, N번째 전압 증폭 모듈의 입력과 출력을 차단한 상태에서, N-1번째 전압 증폭 모듈의 출력 전압과 N+1번째 전압 증폭 모듈의 입력 전압을 비교하여 상기 복수의 전압 증폭 모듈들 각각의 동작 모드를 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 모듈은 추가적인 입력 단자로부터 전하를 공급하여 전도적인 손실을 보상함으로서, 작은 변환 비율 뿐만 아니라 큰 변환 비율까지 용이하게 달성할 수 있다.

또한, 인덕터를 사용하지 않으면서 원하는 목표 변환 비율을 달성할 수 있도록 하여 실리콘 공정 만으로 제작이 가능하며, 설계 비용을 줄일 수 있다.

또한, 증폭 비율이 상이한 복수의 동작 모드를 제공하고, 임의의 입력과 출력 전압에 대해 최적의 변환 비율을 자동적으로 검색하여 증폭 모듈들의 동작 모드를 결정할 수 있도록 함으로서 넓은 출력 전압 범위에서 높은 효율을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 장치(100)에 관한 블록도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부(110)에 관한 블록도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 모드에서 증폭 모듈(111)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 증폭 모드에서 증폭 모듈(111)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 증폭 모드에서 증폭 모듈(111)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 장치(100)에서 동작 모드를 결정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭 모듈(111~115)의 동작 모드에 따른 세번째 증폭 모듈(113)의 입력 전압과 출력 전압간의 관계를 시뮬레이션 한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 방법에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 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 본 발명이 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.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 장치(100)에 관한 블록도를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 장치(100)는 증폭부(110) 및 모드 결정부(120)를 포함할 수 있다.

증폭부(110)는 복수의 증폭 모듈(111~115)를 포함할 수 있으며, 각각의 증폭 모듈은 동작 모드에 따라 입력 전압을 소정의 비율로 승압(또는 감압)하여 출력한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭 모듈(111~115)의 동작 모드는 i)충전 모드, ii)제 1 증폭 모드, iii)제 2 증폭 모드를 포함할 수 있다. 충전 모드에서는 증폭 모듈(111~115)에 포함된 캐패시터를 충전시키고, 제 1 증폭 모드 및 제 2 증폭 모드에서는 캐패시터에 충전된 전하를 이용하여 전압을 승압 또는 감압한다. 이 때, 제 1 증폭 모드와 제 2 증폭 모드의 증폭비(또는 감압비)는 상이하다.

이하에서는, 도 2를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭 모듈(111)의 구조를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭 모듈(111)에 관한 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증폭 모듈(111)는 제 1 캐패시터(210), 제 2 캐패시터(220), 제 1 전압원(230), 제 2 전압원(240) 및 스위치부(251~257)를 포함한다.

제 1 전압원(230)은 V_IN으로 표시되며, 충전 모드에서 제 1 캐패시터(210) 및 제 2 캐패시터(220) 중 적어도 하나를 충전한다. 제 1 전압원(230)은 이전 증폭 모듈의 출력에 해당하거나, 증폭 모듈의 외부에 위치하는 전압원 일 수 있다.

제 2 전압원(240)은 V_HRV로 표시되며, 증폭 모드에서 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)에 연결된다.

스위치부(251~257)는 복수의 스위치로 구성될 수 있으며, 동작 모드에 따라 각각의 스위치가 턴-온 되거나 턴-오프 된다. 스위치부(251~257)는 동작 모드에 따라 제 1 캐패시터(210)와 제 2 캐패시터(220)를 직렬 또는 병렬로 연결하며, 제 1 전압원(230) 및 제 2 전압원(240)을 캐패시터에 선택적으로 연결한다.

제 1 스위치(251)는 제 1 전압원(230)과 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1) 사이에 배치되며, 충전 모드에서 턴-온 되고 제 1 증폭 모드 및 제 2 증폭 모드에서 턴-오프 된다.

제 2 스위치(252)는 제 2 전압원(240)과 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3) 사이에 배치되며, 제 1 증폭 모드 및 제 2 증폭 모드에서 턴-온 되고 충전 모드에서 턴-오프 된다.

제 3 스위치(253)는 제 1 캐피시터(210)의 일단(M1)과 제 2 캐패시터(220)의 타단(M2) 사이에 배치되며, 충전 모드 및 제 2 증폭 모드에서 턴-온되고 제 1 증폭 모드에서 턴-오프 된다.

제 4 스위치(254)는 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)과 제 2 캐패시터(220)의 타단(M4) 사이에 배치되며, 충전 모드 및 제 2 증폭 모드에서 턴-온되고 제 1 증폭 모드에서 턴-오프 된다.

제 5스위치(255)는 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1)과 제 2 캐패시터(220)의 타단(M4)사이에 배치되며, 제 1 증폭 모드에서 턴-온 되고 충전 모드 및 제 2 증폭 모드에서 턴-오프 된다.

제 6 스위치(256)는 제 1 캐피시터(210)의 타단(M3)와 접지 사이에 배치되며, 충전 모드에서 턴-온 되고, 제 1 증폭 모드 및 제 2 증폭 모드에서 턴-오프 된다.

제 7 스위치(257)는 제 2 캐패시터(220)의 일단(M2)과 출력 단자 사이에 배치되며, 제 1 증폭 모드 및 제 2 증폭 모드에서 턴-온 되고, 충전 모드에서 턴-오프 된다.

다시 도 1로 돌아가서, 모드 결정부(120)는 증폭부(110)의 입력 전압과 출력 전압의 비율에 기초하여 각각의 증폭 모듈(111~114)의 동작 모드를 결정한다. 모드 결정부(120)는 증폭 모듈(111~114)의 동작 모드를 i)충전 모드, ii)제 1 증폭 모드, iii)제 2 증폭 모드 중 하나로 결정할 수 있다. 본 명세서에서, 충전 모드에서는 제 1 캐패시터(210) 및 제 2 캐패시터(220) 중 적어도 하나가 충전되고, 제 1 증폭 모드와 제 2 증폭 모드에서는 입력 전압이 소정의 비율로 증폭된다. 이 때, 제 1 증폭 모드와 제 2 증폭 모드에서의 전압 증폭비가 상이하다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여 도 3을 참고하여 동작 모드에 따른 증폭 모듈의 동작을 설명한다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 모드에서 증폭 모듈(111)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 실선은 대응하는 스위치가 턴-온 된 경우이고, 점선은 대응하는 스위치가 턴-오프 된 경우이다.

충전 모드에서, 제 1 스위치(251)가 턴-온 되어 제 1 전압원(230)와 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1)이 연결된다.

제 2 스위치(252)는 턴-오프 되어 제 2 전압원(240)과 제 1 캐피시터(210)의 타단(M3)간의 연결은 차단된다. 또한, 제 6 스위치(256)는 턴-온되어 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)과 접지를 연결한다.

제 3 스위치(253)와 제 4 스위치(254)는 턴-온되고, 제 5 스위치(255)는 턴-오프된다. 따라서, 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1)과 제 2 캐패시터(220)의 일단(M2)은 제 1 전압원(230)에 연결되고, 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)과 제 2 캐패시터(220)의 타단(M4)은 접지에 연결된다.

결과적으로, 제 1 캐패시터(210)와 제 2 캐패시터(220)는 병렬로 연결되어 제 1 전압원(230)에 의하여 충전되고, 제 2 캐패시터(220)의 일단(M2)의 전압은 입력 전압 Vin이 된다.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 증폭 모드에서 증폭 모듈(111)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

제 1 증폭 모드에서, 제 1 스위치(251)이 턴-오프되어 제 1 전압원(230)과 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1)의 연결이 차단된다.

제 2 스위치(252)는 턴-온 되어 제 2 전압원(240)과 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)이 연결되며, 제 6 스위치(256)는 턴-오프 되어 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)과 접지간의 연결을 차단한다.

제 3 스위치(253)와 제 4 스위치(254)는 턴-오프되고, 제 5 스위치(255)는 턴-온된다. 따라서, 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1)과 제 2 캐패시터(220)의 타단(M4)이 연결되어, 제 1 캐패시터(210)와 제 2 캐패시터(220)는 직렬로 연결된다.

제 7 스위치(257)는 턴-온 되어, 제 2 캐패시터(220)의 일단(M2)이 출력단으로 연결된다.

이 경우, 전하량 보존 법칙에 의하여 제 1 캐패시터(210)와 제 2 캐패시터(220)의 양단에 인가되는 전압의 크기는 동일하게 유지되며, 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)의 전압이 제 2 전압원(240)에 의하여 V_HRV로 결정된다. 따라서, 출력단의 전압 Vout은 다음의 수학식 1에 의하여 결정된다.

[수학식 1]

Vout = 2V_IN + V_HRV

도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 증폭 모드에서 증폭 모듈(111)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

제 2 증폭 모드에서, 제 1 스위치(241)이 턴-오프되어 제 1 전압원(230)과 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1)의 연결이 차단된다.

제 2 스위치(242)는 턴-온 되어 제 2 전압원(240)과 제 1 캐패시터(210)의 타단(M7)이 연결되며, 제 6 스위치(246)는 턴-오프 되어 제 1 캐패시터(210)의 타단(M7)과 접지간의 연결을 차단한다.

제 3 스위치(243)와 제 4 스위치(244)는 턴-온되고, 제 5 스위치(245)는 턴-오프된다. 따라서, 제 1 캐패시터(210)의 일단(M1)는 제 2 캐패시터(220)의 일단(M1)과 연결되고, 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)은 제 2 캐패시터(220)의 타단(M4)와 연결된다. 결과적으로, 제 1 캐패시터(210)와 제 2 캐패시터(220)는 병렬로 연결된다.

제 7 스위치(247)는 턴-온 되어, 제 2 캐패시터(220)의 일단(M2)이 출력단으로 연결된다.

이 경우, 전하량 보존 법칙에 의하여 제 1 캐패시터(210)와 제 2 캐패시터(220)의 양단에 인가되는 전압의 크기는 동일하게 유지되며, 제 1 캐패시터(210)의 타단(M3)의 전압이 제 2 전압원(240)에 의하여 V_HRV로 결정된다. 따라서, 출력단의 전압 Vout은 다음의 수학식 2에 의하여 결정된다.

[수학식 2]

Vout = V_IN + V_HRV

각각의 전압 모듈(111~114)의 증폭 모드는 증폭부(110)의 입력 전압과 출력 전압의 비에 의하여 결정된다. 예를 들어,전압 모듈이 5개일 때 증폭 비율에 따른 동작 모드는 다음의 표 1과 같이 결정된다.

[표 1]

표 1에서 각각의 비트는 증폭 모듈에 대응되며, 비트 값은 대응하는 증폭 모듈의 증폭 모드에 대응된다. 예를 들어, 증폭 비율이 '11'인 경우 첫번째 비트는 '0'이므로 가장 앞 쪽에 위치하는 증폭 모듈은 제 2 증폭 모드로 동작한다. 유사하게, 다섯 번째 비트는 '1'이므로 가장 마지막에 위치하는 증폭 모듈은 제 1 증폭 모드로 동작한다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 모듈은 추가적인 입력 단자(V_HRV)에서 전하를 공급받음으로서 각각의 스테이지에서 발생하는 전도적인 손실을 보상하여 높은 효율을 가질 수 있으며, 동작 모드를 변경하여 다양한 증폭 비율을 달성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 장치(100)에서 동작 모드를 결정하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 4에서는 5개의 증폭 모듈을 직렬로 연결하여 원하는 출력 전압을 얻고자 한다.

모드 결정부(120)는 N번째 증폭 모듈의 입력과 출력을 차단한 상태에서 N-1번째 증폭 모듈의 출력 전압과 N+1번째 증폭 모듈의 입력 전압을 비교한다.

도 4에서는 3번째 증폭 모듈(113)의 입력과 출력을 차단하였다고 가정하자. 따라서, 모드 결정부(120)는 각각의 증폭 모듈(111, 112, 114, 115)의 동작 모드를 순차적으로 변경하면서, 두번째 증폭 모듈(112)의 출력 전압과 네번째 증폭 모듈(114)의 입력 전압을 비교하고, 두 번째 증폭 모듈(112)의 출력 전압이 네 번째 증폭 모듈(114)의 입력 전압보다 커지는 순간의 동작 모드(S1, 2, 4, 5)를 찾는다. 이 후, S1를 첫번째 증폭 모듈(112), S2를 두번째 증폭 모듈(112), S4를 세번째 증폭 모듈(113), S5를 네번째 증폭 모듈(114)의 동작 모드로 결정하고, 마지막 증폭 모듈(115)의 동작 모드는 제 1 증폭 모드로 고정한다.

경우에 따라서는 에너지 하베스팅 장치를 이용하여 생성된 전압이 전압 증폭 장치(100)에 입력으로 연결될 수 있다. 이 때, 에너지 하베스팅 장치에서 생성된 전압은 Vsrc라고 가정해보자. 에너지 하베스팅 장치에서 생성된 전력이 전압 증폭 장치(100)를 통하여 최대로 증폭되기 위해서는 에너지 하베스팅 장치의 출력 임피던스와 전압 증폭 장치(100)의 입력 임피던스가 매칭되어야 하며, 이 경우 전압 증폭 장치(100)로 인가되는 전압은 에너지 하베스팅 장치의 생성 전압인 Vsrc/2가 된다. 이 경우, 두번째 증폭 모듈(122)의 출력 전압(Vout2)와 네번째 증폭 모듈(124)의 입력 전압(VIN4)는 증폭 모듈의 동작 모드에 따라 다음의 표 2의 값을 갖는다.

[표 2]

예를 들어, V_SRC = 100mV, V_BAT = 1.8V인 경우를 가정해보자. 임피던스가 매칭되었다면 첫번째 증폭 모듈(111)로 입력되는 전압 V_HRV = V_SRC/2 = 50mV가 될 것이다. 이 경우, 입력 전압과 출력 전압간의 증폭 비율(CR) = 1.8V/50mv + 1로 결정된다. 따라서, 증폭 비율(CR) = 39가 된다.

[표 2]를 참고하면, 증폭 비율(CR) = 39일 때 Vout2>V_IN4가 되는 시점은 S1=1, S2=0, S4=1, S5=1인 시점이다. 따라서, 증폭 비율(CR) = 39일 때 각각의 증폭 모듈의 동작 모드는 '10111'로 결정된다.

이하에서는 도 5를 참고하여 모드 결정부(120)가 동작 모드를 결정하는 과정을 그래프로 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭 모듈(111~115)의 동작 모드에 따른 세번째 증폭 모듈(113)의 입력 전압과 출력 전압간의 관계를 시뮬레이션 한 도면이다.

도 5를 참고하면, 증폭 비율(CR)이 '39'일 때 첫번째 증폭 모듈(111)은 제 1 증폭 모드로 동작하고, 두번째 증폭 모듈(112)은 제 2 증폭 모드로 동작하며, 네번째 증폭 모듈(114)과 다섯번째 증폭 모듈(115)는 제 1 증폭 모드로 동작하는 시점에서 Vout>Vin4를 만족함을 알 수 있다. 따라서, 증폭 비율(CR) = 39일 때 Vout2>VIN4가 되는 시점은 S1=1, S2=0, S4=1, S5=1인 경우이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭 방법에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.

단계 s610에서, 충전 모드에서 제 1 캐패시터와 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 캐패시터에 제 1 전압을 인가한다.

단계 s620에서, 전압 증폭 모듈의 동작 모드를 확인한다. 전압 증폭 모듈이 제 1 증폭 모드인 경우 단계 s622를 수행하고, 제 1 증폭 모드인 경우 단계 s624를 수행한다.

단계 s622에서, 제 1 캐패시터와 제 2 캐패시터를 직렬로 연결하고 제 1 캐패시터의 일단에 제 2 전압을 인가한다.

단계 s624에서, 제 1 캐패시터와 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 제 1 키패시터의 일단에 제 2 전압을 인가한다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 전압 증폭 장치
110: 증폭부
120: 모드 결정부
111~115:제 1 증폭 모듈 ~ 제 5 증폭 모듈

Claims (10)

1. 전압 증폭 모듈에 있어서,
   제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터;
   상기 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 캐피시터 중 적어도 하나에 전하를 충전하는 제 1 전압원;
   동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위치부; 및
   상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터에 선택적으로 연결되는 제 2 전압원을 포함하는 전압 증폭 모듈.
2. 제 1항에 있어서, 상기 스위치부는,
   충전 모드 및 제 1 증폭 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 제 2 증폭 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 모듈.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 스위치부는, 상기 제 1 전압원과 상기 제 1 캐패시터의 일단 사이에 배치되는 제 1 스위치를 포함하며,
   상기 제 1 스위치는, 상기 충전 모드에서 턴-온 되는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 모듈.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 스위치부는, 상기 제 2 전압원과 상기 제 2 캐패시터의 타단 사이에 배치되는 제 2 스위치를 포함하며,
   상기 제 2 스위치는, 상기 제 1 증폭 모드 및 상기 제 2 증폭 충전 모드에서 턴-온 되는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 모듈.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 스위치부는, 상기 제 1 캐패시터의 일단과 상기 제 2 캐패시터의 일단 사이에 배치되는 제 3 스위치, 상기 제 1 캐패시터의 타단과 상기 제 2 캐패시터의 타단 사이에 배치되는 제 4 스위치 및 상기 제 1 캐패시터의 일단과 상기 제 2 캐패시터의 타단 사이에 배치되는 제 5 스위치를 포함하며,
   상기 제 5 스위치는, 상기 제 1 증폭 모드에서 턴-온되며,
   상기 제 3 스위치 및 상기 제 4 스위치는, 상기 충전 모드 및 상기 제 2 증폭 모드에서 턴-온 되는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 모듈.
6. 제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터와 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위치가 포함된 전압 증폭 모듈에서 전압을 증폭하는 방법에 있어서,
   충전 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 상기 제 1 캐패시터의 일단과 상기 제 2 캐패시터의 일단에 제 1 전압을 인가하는 단계;
   상기 전압 증폭 모듈의 증폭 모드를 확인하는 단계; 및
   상기 확인된 증폭 모드가 제 1 증폭 모드인 경우, 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬로 연결하고 상기 제 1 캐패시터의 타단에 상기 제 2 전압을 인가하는 단계를 포함하는 전압 증폭 방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 확인된 증폭 모드가 제 2 증폭 모드인 경우, 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 상기 제 1 키패시터의 타단에 상기 제 2 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 방법.
8. 동작 모드에 따라 입력 전압을 소정 비율로 증폭하여 출력하는 복수의 전압 증폭 모듈들이 직렬로 연결된 증폭부; 및
   상기 증폭부의 입력 전압과 출력 전압 간의 비에 따라 상기 복수의 증폭 모듈들 각각의 동작 모드를 결정하는 모드 결정부를 포함하고,
   상기 각각의 전압 증폭 모듈은,
   제 1 캐패시터 및 제 2 캐패시터;
   상기 제 1 캐패시터 및 상기 제 2 캐피시터 중 적어도 하나에 전하를 충전하는 제 1 전압원;
   상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬 또는 병렬로 연결하는 스위치부; 및
   상기 동작 모드에 따라 상기 제 1 캐패시터에 선택적으로 연결되는 제 2 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 모드 결정부는,
   N번째 전압 증폭 모듈의 입력과 출력을 차단한 상태에서, N-1번째 전압 증폭 모듈의 출력 전압과 N+1번째 전압 증폭 모듈의 입력 전압을 비교하여 상기 복수의 전압 증폭 모듈들 각각의 동작 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 장치.
10. 제 8항에 있어서, 상기 스위치부는,
    충전 모드 및 제 1 증폭 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 병렬로 연결하고, 제 2 증폭 모드에서 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 전압 증폭 장치.

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