KR20200124066A - Energy harvesting system with small capacity battery protection and operation method thereof - Google Patents

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KR20200124066A
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맹준영
박인호
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, provided is an energy harvesting system which can increase a quantity of electric charge discharged to a sensor. The energy harvesting system comprises: an input unit discharging a capacitor voltage through a first node; a battery unit supplying a battery voltage through a second node electrically separated from the first node; a direct current (DC)-DC converter unit converting the capacitor voltage discharged through the first node; and a control unit, in accordance with the magnitude of the capacitor voltage, receiving the battery voltage and adjusting a gate voltage of an insulation switch located between the first and second nodes.

Description

소용량 배터리 보호 기능을 내장한 에너지 하베스팅 시스템 및 그 동작 방법{ENERGY HARVESTING SYSTEM WITH SMALL CAPACITY BATTERY PROTECTION AND OPERATION METHOD THEREOF}Energy harvesting system with built-in small capacity battery protection function and its operation method {ENERGY HARVESTING SYSTEM WITH SMALL CAPACITY BATTERY PROTECTION AND OPERATION METHOD THEREOF}

본 출원은 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로, 특히, 소용량 배터리와 직류-직류 컨버터의 커패시터를 분리시키는 소용량 배터리 보호 기능을 내장한 에너지 하베스팅 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다. The present application relates to an energy harvesting system, and more particularly, to an energy harvesting system having a built-in small capacity battery protection function for separating a small capacity battery and a capacitor of a DC-DC converter, and an operation method thereof.

무선 센서 노드는 정보 수집 시 또는 정보 전송 시에 해당하는 활성 모드에서 대부분의 전력을 소모한다. 이때, 무선 센서 노드는 활성 모드가 아닌 유휴 기간에, 정보를 가공 및 후처리를 위한 제어회로가 동작하며, 이후, 특별한 이벤트가 없을 시 비활성 모드로 동작한다. The wireless sensor node consumes most of the power in an active mode corresponding to information collection or information transmission. At this time, the wireless sensor node operates in an inactive mode when there is no special event, and a control circuit for processing and post-processing information operates in an idle period other than an active mode.

구체적으로, 극소형 센서노드는 수십에서 수백 마이크로 와트에 해당하는 전력을 생산할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템를 통해 공급받는 전력에 의하여, 센서 노드의 유휴 기간에 배터리 충전과 비활성 모드로 동작할 수 있다. 또한, 극소형 센서노드는 활성 모드에서 수십 밀리와트에 해당하는 큰 전력을 필요로 하기 때문에, 에너지 하베스팅 시스템의 전력으로 활성 모드를 안정적으로 동작시킬 수 없다. 이에, 극소형 센서노드는 별도의 배터리를 이용하여 큰 전력을 공급할 수 있다. Specifically, the micro-sensor node may operate in a battery charging and inactive mode during an idle period of the sensor node by power supplied through an energy harvesting system capable of producing power corresponding to tens to hundreds of microwatts. In addition, since the very small sensor node requires a large amount of power corresponding to tens of milliwatts in the active mode, the active mode cannot be stably operated with the power of the energy harvesting system. Accordingly, the very small sensor node can supply large power using a separate battery.

특히, 별도의 배터리는 무선 센서 노드의 크기를 줄이기 위해 고체 및 박막 배터리에 해당하는 2차 배터리로 적용될 수 있다. 이러한 2차 배터리들은 큰 순시 전력을 필요로 하는 센서 노드의 활성 모드 시, 온도 변화에 따라 증가되는 내부저항으로 인해 많은 수의 칩 커패시터를 병렬로 연결하거나, 또는 용량성 부하를 크게 늘리는 경우, 센서 노드로 안정적으로 전압을 공급할 수 있다. 이때, 배터리는 컷-오프 (Cutoff) 전압 이하로 감소하지 않도록 일정 전압 크기로 유지해주어야 하며, 그렇지 않으면 배터리의 수명이 감소되는 문제가 있다. In particular, a separate battery may be applied as a secondary battery corresponding to a solid and thin film battery in order to reduce the size of the wireless sensor node. In the active mode of the sensor node that requires a large instantaneous power, these secondary batteries connect a large number of chip capacitors in parallel due to the internal resistance that increases with temperature change, or when the capacitive load is greatly increased, the sensor The voltage can be stably supplied to the node. At this time, the battery must be maintained at a certain voltage level so as not to decrease below the cut-off voltage, otherwise there is a problem that the life of the battery is reduced.

본 출원의 목적은, 소용량 배터리와 직류-직류 컨버터의 커패시터를 분리시켜, 커패시터의 커패시턴스를 감소시키는 동시에, 센서로 방전되는 전하량을 증가시킬 수 있는 에너지 하베스팅 시스템를 공급하기 위한 것이다. An object of the present application is to provide an energy harvesting system capable of increasing the amount of charge discharged to the sensor while reducing the capacitance of the capacitor by separating the capacitor of the DC-DC converter from the small-capacity battery.

본 출원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 제1 노드를 통해 커패시터 전압을 방전하는 입력부, 상기 제1 노드에서 전기적으로 분리된 제2 노드를 통해 배터리 전압을 공급하는 배터리부, 상기 제1 노드를 통해 방전되는 상기 커패시터 전압을 컨버팅하는 직류-직류 컨버터부 및 상기 커패시터 전압의 크기에 따라, 상기 배터리 전압을 공급받아 상기 제1 및 제2 노드 사이에 위치한 절연 스위치의 게이트 전압을 조절하는 제어부를 포함한다. An energy harvesting system according to an embodiment of the present application includes an input unit for discharging a capacitor voltage through a first node, a battery unit supplying a battery voltage through a second node electrically separated from the first node, and the first A DC-DC converter that converts the capacitor voltage discharged through a node, and a control unit that receives the battery voltage and adjusts the gate voltage of the isolation switch located between the first and second nodes according to the magnitude of the capacitor voltage Includes.

실시예에 있어서, 상기 직류-직류 컨버터부는, 상기 제2 노드를 통해 상기 배터리부로부터 상기 배터리 전압을 공급받아, 인덕터 전압을 생성하고, 상기 인덕터 전압은 상기 커패시터 전압과 극성이 반대이다.In an embodiment, the DC-DC converter unit receives the battery voltage from the battery unit through the second node to generate an inductor voltage, and the inductor voltage has a polarity opposite to that of the capacitor voltage.

실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 커패시터 전압이 기설정된 컷오프 전압 이상인 경우, 상기 게이트 전압을 로우 레벨 전압으로 조절하고, 상기 로우 레벨 전압은 접지전압에 대응된다. In an embodiment, when the capacitor voltage is greater than or equal to a preset cutoff voltage, the control unit adjusts the gate voltage to a low level voltage, and the low level voltage corresponds to a ground voltage.

실시예에 있어서, 상기 절연 스위치는, 상기 로우 레벨 전압에 기초하여, 상기 제1 및 제2 노드 사이를 통해 상기 배터리부와 상기 입력부를 전기적으로 연결하는 제1 충전 경로를 형성한다. In an embodiment, the isolation switch forms a first charging path electrically connecting the battery unit and the input unit through the first and second nodes based on the low level voltage.

실시예에 있어서, 상기 입력부는, 상기 제1 충전 경로를 통해 상기 배터리 전압에 따른 배터리 전류를 공급받아 상기 커패시터 전압을 충전한다. In an embodiment, the input unit charges the capacitor voltage by receiving a battery current according to the battery voltage through the first charging path.

실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 커패시터 전압이 기설정된 컷오프 전압보다 미만이고, 기설정된 미들 전압 이상인 경우, 상기 게이트 전압을 미들 레벨 전압으로 조절하고, 상기 미들 레벨 전압은, 상기 배터리 전압을 기설정된 기준 전압으로 레귤레이션 시키는 제어전압이다. In an embodiment, the control unit adjusts the gate voltage to a middle level voltage when the capacitor voltage is less than a preset cutoff voltage and is higher than a preset middle voltage, and the middle level voltage determines the battery voltage. It is a control voltage regulated by the set reference voltage.

실시예에 있어서, 상기 절연 스위치는, 상기 미들 레벨 전압에 기초하여, 드레인 측으로 공급받는 상기 배터리 전압을 상기 기준 전압으로 레귤레이션하고, 소스 측으로 공급한다. In an embodiment, the isolation switch regulates the battery voltage supplied to the drain side to the reference voltage based on the middle level voltage, and supplies the voltage to the source side.

실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 커패시터 전압이 기설정된 미들 전압보다 미만인 경우, 상기 게이트 전압을 하이 레벨 전압으로 조절하고, 상기 하이 레벨 전압은, 상기 배터리 전압에 대응된다. In an embodiment, when the capacitor voltage is less than a predetermined middle voltage, the control unit adjusts the gate voltage to a high level voltage, and the high level voltage corresponds to the battery voltage.

실시예에 있어서, 상기 절연 스위치는, 상기 하이 레벨 전압에 기초하여, 상기 제1 및 제2 노드 사이를 전기적으로 개방한다. In an embodiment, the isolation switch electrically opens between the first and second nodes based on the high level voltage.

실시예에 있어서, 상기 직류-직류 컨버터부는, 상기 하이 레벨 전압에 기초하여, 상기 제1 노드를 통해 상기 입력부와 인덕터를 연결하는 제2 충전 경로를 형성한다.In an embodiment, the DC-DC converter unit forms a second charging path connecting the input unit and the inductor through the first node based on the high level voltage.

실시예에 있어서, 상기 입력부는, 상기 제2 충전 경로를 통해 상기 인덕터 전압에 따른 인덕터 전류를 공급받아, 상기 커패시터 전압을 충전한다. In an embodiment, the input unit charges the capacitor voltage by receiving an inductor current according to the inductor voltage through the second charging path.

실시예에 있어서, 상기 절연 스위치는 PMOS 트랜지스터이다. In an embodiment, the isolation switch is a PMOS transistor.

실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 배터리 전압과 기설정된 기준 전압을 비교하여 업/다운 신호를 출력하는 비교기 및 상기 업/다운 신호에 기초하여, 상기 게이트 전압을 조절하는 DAC 컨버터 앤 로직을 포함한다. In an embodiment, the control unit includes a comparator for comparing the battery voltage and a preset reference voltage to output an up/down signal, and a DAC converter and logic to adjust the gate voltage based on the up/down signal. do.

본 출원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작 방법으로서, 입력부가 제1 노드를 통해 커패시터 전압을 방전하는 단계, 배터리부가 상기 제1 노드에 전기적으로 분리된 제2 노드를 통해 배터리 전압을 공급하는 단계, 직류-직류 컨버터부가 상기 커패시터 전압을 동작 전압으로 컨버팅하는 단계 및 제어부가 상기 커패시터 전압의 크기에 따라, 상기 배터리 전압을 이용하여 상기 제1 및 제2 노드 사이에 위치한 절연 스위치의 게이트 전압을 조절하는 단계를 포함한다. A method of operating an energy harvesting system according to an embodiment of the present application, comprising: discharging a capacitor voltage through a first node by an input unit, and discharging a battery voltage through a second node electrically separated from the first node by a battery unit Supplying, converting the capacitor voltage to an operating voltage by a DC-DC converter, and a gate of an isolation switch located between the first and second nodes using the battery voltage according to the magnitude of the capacitor voltage by the control unit And adjusting the voltage.

실시예에 있어서, 상기 입력부가 상기 게이트 전압에 따라 상기 제1 노드를 통해 공급받는 전하량에 기초하여, 상기 제1 노드를 통해 방전된 상기 커패시터 전압을 충전하는 단계를 더 포함한다. In an embodiment, the input unit further comprises charging the capacitor voltage discharged through the first node based on an amount of charge supplied through the first node according to the gate voltage.

본 출원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 소용량 배터리와 직류-직류 컨버터의 커패시터를 분리시켜, 커패시터의 커패시턴스를 감소시키는 동시에, 센서로 방전되는 전하량을 증가시킬 수 있다. The energy harvesting system according to the exemplary embodiment of the present application may reduce the capacitance of the capacitor by separating the capacitor of the DC-DC converter from the small-capacity battery and increase the amount of charge discharged to the sensor.

또한, 온도 변화에 따라 변화되는 배터리의 내부저항으로 인한 커패시터 전압 드랍을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, there is an effect of reducing a capacitor voltage drop due to an internal resistance of a battery that changes according to a temperature change.

도 1은 본 출원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 블록도이다.
도 2(a)는 도 1의 입력부의 방전가능한 전하량을 나타내고 도이며, 도 2(b)는 종래의 에너지 하베스터에서 방전가능한 전하량을 나타내는 도이다.
도 3은 도 1의 에너지 하베스팅 시스템에 대한 동작 프로세스이다.
도 4는 도 1의 에너지 하베스팅 시스템의 회로도이고, 도 5는 도 4의 에너지 하베스팅 인터페이스를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 1의 제어부를 구체적으로 보여주는 회로도이다.
도 7은 도 6의 DAC 컨버터 앤 로직의 동작을 구체적으로 보여주는 회로도이다.
도 8(a)는 커패시터 전압에 따른 DAC 컨버터 앤 로직의 동작 모드를 나타내는 그래프이다.
도 8(b)는 DAC 컨버터 앤 로직의 동작 모드에 따른 커패시터 전압의 크기를 보여주는 그래프이다.
도 9는 게이트 전압에 따른 배터리 전압과 커패시터 전압에 대한 시뮬레이션 파형을 보여주는 예이다. 1 is a block diagram of an energy harvesting system according to an embodiment of the present application.
FIG. 2(a) is a diagram showing the amount of charge that can be discharged from the input portion of FIG. 1, and FIG. 2(b) is a diagram showing the amount of charge that can be discharged in a conventional energy harvester.
3 is an operational process for the energy harvesting system of FIG. 1.
4 is a circuit diagram of the energy harvesting system of FIG. 1, and FIG. 5 is a circuit diagram for explaining the energy harvesting interface of FIG. 4.
6 is a circuit diagram specifically showing the control unit of FIG. 1.
7 is a circuit diagram specifically showing the operation of the DAC converter and logic of FIG. 6.
8(a) is a graph showing an operation mode of a DAC converter and logic according to a capacitor voltage.
8(b) is a graph showing the magnitude of a capacitor voltage according to an operation mode of a DAC converter & logic.
9 is an example showing simulation waveforms for a battery voltage and a capacitor voltage according to a gate voltage.

본 명세서에 개시되어 있는 본 출원의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 출원의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 출원의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present application disclosed in the present specification are exemplified only for the purpose of describing the embodiments according to the concept of the present application, and the embodiments according to the concept of the present application are It may be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 출원의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 출원의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 출원의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Since the embodiments according to the concept of the present application can apply various changes and have various forms, the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present application to specific disclosed forms, and includes all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present application.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 출원의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of the rights according to the concept of the present application, the first component may be named as the second component, and similarly The second component may also be referred to as a first component.

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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "just between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 출원을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present application. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of implemented features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof, but one or more other features or numbers It is to be understood that the possibility of addition or presence of, steps, actions, components, parts, or combinations thereof is not preliminarily excluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 출원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this application belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this specification. Does not.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 출원의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 출원을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present application will be described in detail by describing a preferred embodiment of the present application with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 출원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)의 블록도이고, 도 2(a)는 도 1의 입력부(110)의 방전가능한 전하량을 나타내는 도이며, 도 2(b)는 종래의 에너지 하베스터에서 방전가능한 전하량을 나타내는 도이다.1 is a block diagram of an energy harvesting system 100 according to an embodiment of the present application, FIG. 2(a) is a diagram showing the amount of dischargeable charge of the input unit 110 of FIG. 1, and FIG. 2(b) is It is a diagram showing the amount of charge that can be discharged in a conventional energy harvester.

도 1을 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 입력부(110), 배터리부(120), 직류-직류 컨버터부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the energy harvesting system 100 may include an input unit 110, a battery unit 120, a DC-DC converter unit 130, and a control unit 140.

먼저, 입력부(110)는 제1 노드(N1)를 통해 커패시터 전압(VCIN)을 방전할 수 있다. 이때, 입력부(110)는 제1 노드(N1)로부터 공급받는 전류에 따라, 제1 노드(N1)를 통해 방전된 커패시터 전압(VCIN)을 충전시킬 수 있다. 여기서, 입력부(110)는 커패시턴스에 따라 충방전이 가능한 커패시터(CIN)를 포함할 수 있다. First, the input unit 110 may discharge the capacitor voltage V CIN through the first node N1. In this case, the input unit 110 may charge the capacitor voltage V CIN discharged through the first node N1 according to the current supplied from the first node N1. Here, the input unit 110 may include a capacitor C IN capable of charging and discharging according to a capacitance.

다음으로, 배터리부(120)는 배터리 전압(VBAT)과 배터리 전류(IBAT)에 대응되는 배터리 전원을 제2 노드(N2)를 통해 공급할 수 있다. 여기서, 제2 노드(N2)는 제1 노드(N1)로부터 전기적으로 분리된 노드일 수 있다. 예를 들면, 배터리부(120)는 전압을 공급하는 배터리셀로서, 온도 변화에 따라 증가되는 내부 저항(RINT)에 의하여, 감소된 배터리 전압(VBAT)을 공급할 수 있다. Next, the battery unit 120 may supply battery power corresponding to the battery voltage V BAT and the battery current I BAT through the second node N2. Here, the second node N2 may be a node electrically separated from the first node N1. For example, the battery unit 120 is a battery cell that supplies a voltage, and may supply a reduced battery voltage V BAT by an internal resistance R INT that increases according to a temperature change.

다음으로, 직류-직류 컨버터부(130)는 입력부(110)로부터 제1 노드(N1)를 통해 활성 모드시 방전되는 커패시터 전압(VCIN)을 동작 전압(VOP)으로 컨버팅할 수 있다. 구체적으로, 직류-직류 컨버터부(130)는 제2 노드(N2)에 전기적으로 분리된 제1 노드(N1)를 통해 입력부(110)로부터 방전되는 커패시터 전압(VCIN)을 입력받고, 커패시터 전압(VCIN)을 동작 전압(VOP)으로 컨버팅할 수 있다. Next, the DC-DC converter unit 130 may convert the capacitor voltage V CIN discharged in the active mode from the input unit 110 through the first node N1 to the operating voltage V OP . Specifically, the DC-DC converter unit 130 receives the capacitor voltage V CIN discharged from the input unit 110 through the first node N1 electrically separated from the second node N2, and the capacitor voltage (V CIN ) can be converted to an operating voltage (V OP ).

실시예에 따라, 직류-직류 컨버터부(130)는 제2 노드(N2)를 통해 배터리부(120)로부터 공급받는 배터리 전압(VBAT)을 입력받아, 인덕터 전압(VINDUCTOR)을 생성할 수 있다. 이때, 인덕터 전압은, 커패시터 전압(VCIN)과 극성이 반대일 수 있다. According to an embodiment, the DC-DC converter unit 130 may receive the battery voltage V BAT supplied from the battery unit 120 through the second node N2 and generate an inductor voltage V INDUCTOR . have. In this case, the inductor voltage may have a polarity opposite to that of the capacitor voltage V CIN .

또한, 직류-직류 컨버터부(130)는 인덕터 전압(VINDUCTOR)에 따른 인덕터 전류(Iinductor)를 제1 노드(N1)를 통해 입력부(110)로 공급할 수 있다. 즉, 직류-직류 컨버터부(130)는 서로 분리된 제1 및 제2 노드(N1, N2)를 통해 입력부(110)와 배터리부(120)에 개별적으로 연결되어, 커패시터 전압(VCIN)과 배터리 전압(VBAT)을 개별적으로 입력받을 수 있다.In addition, the DC-DC converter unit 130 may supply an inductor current I inductor according to the inductor voltage V INDUCTOR to the input unit 110 through the first node N1. That is, the DC-DC converter unit 130 is individually connected to the input unit 110 and the battery unit 120 through the first and second nodes N1 and N2 separated from each other, and the capacitor voltage V CIN and The battery voltage (V BAT ) can be individually input.

본 출원의 일 실시예에 따른 기술적 사상에 있어서, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 배터리부(120)와 입력부(110)가 서로 전기적으로 분리된 제1 및 제2 노드(N1, N2)를 통해 직류-직류 컨버터부(130)에 개별적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 배터리부(120)와 입력부(110)가 병렬 연결된 종래의 에너지 하베스팅 시스템에 비해, 배터리부(120)의 기설정된 컷오프 전압과 관계없이, 입력부(110)로부터 직류-직류 컨버터부(130)로 방전되는 커패시터 전압(VCIN)에 대응되는 전하량을 현저히 증가시킬 수 있다. In the technical idea according to an embodiment of the present application, the energy harvesting system 100 is configured through first and second nodes N1 and N2 in which the battery unit 120 and the input unit 110 are electrically separated from each other. It may be individually connected to the DC-DC converter unit 130. Accordingly, the energy harvesting system 100 is compared with the conventional energy harvesting system in which the battery unit 120 and the input unit 110 are connected in parallel, regardless of the preset cutoff voltage of the battery unit 120, the input unit 110 ), the amount of charge corresponding to the capacitor voltage V CIN discharged to the DC-DC converter unit 130 may be significantly increased.

이하, 도 2(a)와 도 2(b)를 참조하여, 직류-직류 컨버터부(130)로 방전되는 커패시터 전압(VCIN)에 대응되는 전하량이 현저히 증가됨에 대해, 설명될 것이다. Hereinafter, with reference to FIGS. 2A and 2B, it will be described that the amount of charge corresponding to the capacitor voltage V CIN discharged to the DC-DC converter 130 is significantly increased.

예를 들면, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 배터리부(120)와 입력부(110)가 서로 병렬 연결된 종래의 에너지 하베스팅 시스템의 경우, 입력부(110)로부터 직류-직류 컨버터부(130)로 방전되는 전하량은 QAV1일 수 있다. 여기서, 입력부(110)의 커패시턴스에 따른 전체 전하량은 QTOT이고, 이때, 배터리부(120)의 기설정된 컷 오프 전압에 따라, 사용되지 않는 전하량은 QNAV1일 수 있다. For example, as shown in Figure 2 (a), in the case of a conventional energy harvesting system in which the battery unit 120 and the input unit 110 are connected in parallel to each other, the DC-DC converter unit 130 from the input unit 110 The amount of charge discharged to) may be Q AV1 . Here, the total amount of charge according to the capacitance of the input unit 110 may be Q TOT , and in this case, the amount of unused charge may be Q NAV1 according to a preset cut-off voltage of the battery unit 120.

즉, 배터리부(120)와 입력부(110)가 서로 병렬 연결된 종래의 에너지 하베스팅 시스템의 경우, 입력부(110)의 커패시턴스에 따른 전체 전하량(QTOT)에 대응되는 전체전압(VEMF)은 4V이고, 사용되지 않는 전하량(QNAV1)에 대응되는 기설정된 컷 오프 전압은 3V일 때, 입력부(110)로부터 직류-직류 컨버터부(130)로 방전되는 커패시터 전압(VCIN)은 전체전압(VEMF)과 컷 오프 전압 간의 차이인 1V일 수 있다. 이에 따라, 배터리부(120)와 입력부(110)가 서로 병렬 연결된 종래의 에너지 하베스팅 시스템은 전체전압(VEMF)과 컷 오프 전압 간의 차이에 대응되는 전하량을 직류-직류 컨버터부(130)로 방전할 수 있다. That is, in the case of a conventional energy harvesting system in which the battery unit 120 and the input unit 110 are connected in parallel with each other, the total voltage V EMF corresponding to the total amount of charge Q TOT according to the capacitance of the input unit 110 is 4V. And, when the preset cut-off voltage corresponding to the unused charge amount Q NAV1 is 3V, the capacitor voltage V CIN discharged from the input unit 110 to the DC-DC converter unit 130 is the total voltage (V EMF ) and the cut-off voltage may be 1V. Accordingly, in the conventional energy harvesting system in which the battery unit 120 and the input unit 110 are connected in parallel to each other, the amount of charge corresponding to the difference between the total voltage V EMF and the cut-off voltage is converted to the DC-DC converter unit 130. Can discharge.

한편, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 본 출원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)은 기설정된 컷오프 전압과 관계없이, 입력부(110)의 커패시턴스에 따른 전체 전하량(QTOT)에 대응되는 전체전압(VEMF) 4V를 직류-직류 컨버터부(130)로 방전할 수 있다. 여기서, 직류-직류 컨버터부(130)로 방전되는 전하량은, 도 2a에 도시된 종래의 에너지 하베스팅 시스템의 전하량에 비해 VEMF/(VEMF-VCUTOFF) 비율로 증가될 수 있다. On the other hand, as shown in Figure 2 (b), the energy harvesting system 100 according to the embodiment of the present application, regardless of the preset cut-off voltage, the total amount of charge (Q TOT ) according to the capacitance of the input unit 110 The total voltage (V EMF ) 4V corresponding to the DC-DC converter unit 130 may be discharged. Here, the amount of charge discharged to the DC-DC converter unit 130 may be increased at a ratio of VEMF/(VEMF-VCUTOFF) compared to the amount of charge of the conventional energy harvesting system shown in FIG. 2A.

즉, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 배터리부(120)와 입력부(110)가 병렬 연결이 아닌 서로 전기적으로 분리되어, 기존에 배터리부(120)의 기설정된 컷오프 전압에 따라 제한된 입력부(110)의 전하량을 현저히 증가시킬 수 있다. 따라서, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 입력부(110)의 요구되는 커패시턴스를 감소시킬 수 있어, 감소된 커패시턴스에 따라, 작은 폼펙터를 특징으로 하는 소용량 타입의 배터리부(120)에 대한 장점을 극대화시킬 수 있다. That is, in the energy harvesting system 100, the battery unit 120 and the input unit 110 are electrically separated from each other, not in parallel, so that the input unit 110 is limited according to a preset cut-off voltage of the battery unit 120. It can significantly increase the amount of electric charge. Therefore, the energy harvesting system 100 can reduce the required capacitance of the input unit 110, thereby maximizing the advantages of the small capacity type battery unit 120 characterized by a small form factor according to the reduced capacitance. I can.

다음으로, 제어부(140)는 커패시터 전압(VCIN)의 크기에 따라, 제2 노드(N2)를 통해 공급받는 배터리 전압(VBAT)을 이용하여 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 위치한 절연 스위치(I_SW)의 게이트 전압(VGATE)을 조절할 수 있다. Next, the control unit 140 uses the battery voltage V BAT supplied through the second node N2 according to the magnitude of the capacitor voltage V CIN , between the first and second nodes N1 and N2. The gate voltage V GATE of the isolation switch I_SW located at may be adjusted.

여기서, 절연 스위치(I_SW)는 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 위치하고, 로우 레벨 전압에 응답하여 턴 온되고, 하이 레벨 전압에 응답하여 턴 오프되는 PMOS 트랜지스터일 수 있다. 이때, 절연 스위치(I_SW)는 소스 측이 제2 노드(N2)에 연결되고, 드레인 측이 제1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 실시예에 따라, 절연 스위치(I_SW)는 하이 레벨 전압에 응답하여 턴 온되고, 로우 레벨 전압에 응답하여 턴 오프되는 NMOS트랜지스터와 인버터를 포함하는 구성으로도 구현될 수도 있으며, 다양하게 수정 및 변형이 가능하다. Here, the isolation switch I_SW may be a PMOS transistor positioned between the first and second nodes N1 and N2, turned on in response to a low level voltage, and turned off in response to a high level voltage. In this case, the isolation switch I_SW may have a source side connected to the second node N2 and a drain side connected to the first node N1. Depending on the embodiment, the isolation switch I_SW may be implemented as a configuration including an NMOS transistor and an inverter turned on in response to a high level voltage and turned off in response to a low level voltage, and various modifications and variations This is possible.

일 실시예에 따라, 커패시터 전압(VCIN)의 크기가 기설정된 컷오프 전압(VCUTOFF) 이상인 경우, 제어부(140)는 절연 스위치(I_SW)의 게이트 전압(VGATE)을 로우 레벨 전압으로 조절할 수 있다. 여기서, 로우 레벨 전압은 0V에 해당하는 접지전압(VSS)일 수 있다. According to an embodiment, when the size of the capacitor voltage V CIN is greater than or equal to a preset cut-off voltage V CUTOFF , the controller 140 may adjust the gate voltage V GATE of the isolation switch I_SW to a low level voltage. have. Here, the low-level voltage may be a ground voltage V SS corresponding to 0V.

이때, 절연 스위치(I_SW)는 로우 레벨 전압(VSS)에 기초하여, 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이를 통해 배터리부(120)와 입력부(110)를 전기적으로 연결하는 제1 충전 경로를 형성할 수 있다. 또한, 입력부(110)는 배터리부(120)로부터 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이를 통해 배터리 전압(VBAT)에 따른 배터리 전류(IBAT)를 공급받아, 제1 노드(N1)을 통해 방전된 커패시터 전압(VCIN)을 충전할 수 있다. At this time, the isolation switch I_SW is based on the low-level voltage V SS , the first and second electrically connecting the battery unit 120 and the input unit 110 between the first and second nodes N1 and N2. Filling path can be formed. In addition, the input unit 110 receives the battery current I BAT according to the battery voltage V BAT from the battery unit 120 through the first and second nodes N1 and N2, and the first node N1 The discharged capacitor voltage V CIN may be charged through ).

즉, 제어부(140)는 게이트 전압(VGATE)을 로우 레벨 전압(VSS)으로 조절함에 따라 형성되는 제1 충전 경로를 통해 배터리 전압(VBAT)에 따른 배터리 전류(IBAT)를 입력부(110)로 공급시킬 수 있다. That is, the controller 140 inputs the battery current I BAT according to the battery voltage V BAT through the first charging path formed by adjusting the gate voltage V GATE to the low level voltage V SS . 110) can be supplied.

다른 실시예에 따라, 커패시터 전압(VCIN)의 크기가 기설정된 미들 전압(VMID) 미만인 경우, 제어부(140)는 절연 스위치(I_SW)의 게이트 전압(VGATE)을 하이 레벨 전압으로 조절할 수 있다. 여기서, 하이 레벨 전압은 배터리 전압(VBAT)이고, 기설정된 미들 전압은 배터리 손상을 방지하기 위한 컷오프 전압보다 작고, 접지전압보다 큰 기설정된 전압일 수 있다. According to another embodiment, when the size of the capacitor voltage V CIN is less than the preset middle voltage V MID , the control unit 140 may adjust the gate voltage V GATE of the isolation switch I_SW to a high level voltage. have. Here, the high level voltage may be the battery voltage V BAT , and the preset middle voltage may be a preset voltage smaller than a cutoff voltage for preventing damage to the battery and greater than the ground voltage.

이때, 절연 스위치(I_SW)는 하이 레벨 전압에 기초하여, 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이를 전기적으로 개방(OPEN)할 수 있다. 또한, 직류-직류 컨버터(130)는 하이 레벨 전압에 기초하여, 제1 노드(N1)를 통해 인덕터(L)와 입력부(110)를 전기적으로 연결하는 제2 충전 경로를 형성할 수 있다. 또한, 입력부(110)는 인덕터(L)에 생성된 인덕터 전압(VINDUCTOR)에 따른 인덕터 전류(Iinductor)를 공급받아, 제1 노드(N1)을 통해 방전된 커패시터 전압(VCIN)을 충전할 수 있다. In this case, the isolation switch I_SW may electrically open (OPEN) between the first and second nodes N1 and N2 based on the high level voltage. Further, the DC-DC converter 130 may form a second charging path electrically connecting the inductor L and the input unit 110 through the first node N1 based on the high level voltage. In addition, the input unit 110 receives the inductor current I inductor according to the inductor voltage V INDUCTOR generated in the inductor L, and charges the capacitor voltage V CIN discharged through the first node N1. can do.

즉, 제어부(140)는 게이트 전압(VGATE)을 하이 레벨 전압으로 조절함에 따라 형성되는 제2 충전 경로를 통해 인덕터 전압(VINDUCTOR)에 따른 인덕터 전류(Iinductor)를 입력부(110)에 공급할 수 있다. That is, the control unit 140 may supply the inductor current I inductor according to the inductor voltage V INDUCTOR to the input unit 110 through the second charging path formed by adjusting the gate voltage V GATE to a high level voltage. I can.

또 다른 실시예에 따라, 커패시터 전압(VCIN)의 크기가 기설정된 컷오프 전압 미만이고, 기설정된 미들 전압 이상인 경우, 제어부(140)는 절연 스위치(I_SW)의 게이트 전압(VGATE)을 미들 레벨 전압으로 조절할 수 있다. 여기서, 미들 레벨 전압은, 배터리 전압(VBAT)을 기설정된 기준 전압(VREG)으로 레귤레이션 시키기 위한 절연 스위치(I_SW)에 대한 제어전압을 의미할 수 있다. 여기서 기설정된 기준 전압(VREG)은 테스트 및/또는 시뮬레이션 결과에 따라 기설정될 수 있으며, 미들 레벨 전압은 기설정된 기준 전압(VREG) 및 절연 스위치(I_SW)의 설계에 따라 변할 수 있다. According to another embodiment, when the size of the capacitor voltage V CIN is less than a preset cutoff voltage and is greater than or equal to the preset middle voltage, the controller 140 sets the gate voltage V GATE of the insulation switch I_SW to the middle level. It can be adjusted by voltage. Here, the middle level voltage may mean a control voltage for the isolation switch I_SW for regulating the battery voltage V BAT to a preset reference voltage V REG . Here, the preset reference voltage V REG may be preset according to test and/or simulation results, and the middle level voltage may vary according to the preset reference voltage V REG and the design of the isolation switch I_SW.

예를 들면, 인덕터 전류(Iinductor)는 컷 오프 전압(VCUTOFF)을 기준으로, 배터리 전압(VBAT)에 의해 형성되므로, 컷 오프 전압(VCUTOFF)과 배터리 전압(VBAT)을 비교함에 따라 발생하는 지연 시간에 의하여, 한 주기에 전달될 수 있는 전하량에 대한 손실이 발생할 수 있다. 이에 따라, 커패시터 전압(VCIN)의 크기가 기설정된 컷오프 전압 미만이고, 기설정된 미들 전압 이상인 경우, 제어부(140)에는 절연 스위치(I_SW)를 통해 배터리 전압(VBAT)을 기준 전압(VREG)으로 레귤레이션하도록 비교기(141)와 DAC 컨버터 앤 로직(143)을 포함하는 Low-dropout (LDO) 레귤레이터가 구성될 수 있다. Such as the example, since the inductor current (I inductor) is based on the cut-off voltage (V CUTOFF), formed by the battery voltage (V BAT), compared to a cut-off voltage (V CUTOFF) and battery voltage (V BAT) Due to the delay time that occurs accordingly, a loss in the amount of charge that can be transferred in one cycle may occur. Accordingly, when the size of the capacitor voltage V CIN is less than the preset cut-off voltage and is greater than or equal to the preset middle voltage, the control unit 140 uses the battery voltage V BAT through the insulation switch I_SW as the reference voltage V REG. A low-dropout (LDO) regulator including a comparator 141 and a DAC converter and logic 143 may be configured to regulate with ).

이때, 절연 스위치(I_SW)는 미들 레벨 전압에 기초하여, 소스 측으로 공급받는 배터리 전압(VBAT)을 기준 전압(VREG)으로 레귤레이션하고, 드레인 측으로 공급할 수 있다. 또한, 절연 스위치(I_SW)는 미들 레벨 전압에 기초하여, 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이를 통해 배터리부(120)와 입력부(110)를 전기적으로 연결하는 제1 충전 경로를 형성할 수 있다. 이에 따라, 입력부(110)는 절연 스위치(I_SW)의 소스측으로 공급받는 기준 전압(VREG)에 따른 배터리 전류(IBAT)를 공급받아, 제1 노드(N1)을 통해 방전된 커패시터 전압(VCIN)을 충전할 수 있다. In this case, the isolation switch I_SW regulates the battery voltage V BAT supplied to the source side to the reference voltage V REG based on the middle level voltage, and supplies it to the drain side. In addition, the isolation switch I_SW forms a first charging path electrically connecting the battery unit 120 and the input unit 110 through the first and second nodes N1 and N2 based on the middle level voltage. can do. Accordingly, the input unit 110 receives the battery current I BAT according to the reference voltage V REG supplied to the source side of the insulation switch I_SW, and the capacitor voltage V discharged through the first node N1 CIN ) can be charged.

본 출원의 실시예에 따른 기술적 사상에 있어서, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 배터리부(120)의 기설정된 컷 오프 전압과 관계없이, 배터리부(120)와 전기적으로 분리된 입력부(110)를 통해 직류-직류 컨버터부(130)로 커패시터 전압(VCIN)을 모두 방전시킬 수 있어, 입력부(110)의 커패시턴스를 줄일 수 있다. 또한, 제어부(140)는 커패시터 전압(VCIN)의 크기에 따라 적절한 충전 경로를 형성하여 보다 효율적으로 커패시터의 전하량을 복구할 수 있다.In the technical idea according to the embodiment of the present application, the energy harvesting system 100 provides the input unit 110 electrically separated from the battery unit 120 regardless of the preset cut-off voltage of the battery unit 120. Through the DC-DC converter unit 130, all of the capacitor voltage V CIN can be discharged, thereby reducing the capacitance of the input unit 110. In addition, the controller 140 may more efficiently recover the amount of charge in the capacitor by forming an appropriate charging path according to the magnitude of the capacitor voltage V CIN .

도 3은 도 1의 에너지 하베스팅 시스템(100)에 대한 동작 프로세스이다. 3 is an operational process for the energy harvesting system 100 of FIG. 1.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 먼저, S110 단계에서, 입력부(110)는 제1 노드(N1)를 통해 커패시터 전압(VCIN)을 방전할 수 있다. 1 to 3, first, in step S110, the input unit 110 may discharge the capacitor voltage V CIN through the first node N1.

그런 다음, S120 단계에서, 배터리부(120)는 배터리 전압(VBAT)과 배터리 전류(IBAT)에 대응되는 전원을 제2 노드(N2)를 통해 공급할 수 있다. Then, in step S120, the battery unit 120 may supply power corresponding to the battery voltage V BAT and the battery current I BAT through the second node N2.

그런 다음, S130 단계에서, 직류-직류 컨버터부(130)는 입력부(110)로부터 제1 노드(N1)를 통해 방전되는 커패시터 전압(VCIN)을 컨버팅할 수 있다. Then, in step S130, the DC-DC converter unit 130 may convert the capacitor voltage V CIN discharged from the input unit 110 through the first node N1.

이때, S140 단계에서, 제어부(140)는 커패시터 전압(VCIN)의 크기에 따라, 제2 노드(N2)를 통해 공급받는 배터리 전압(VBAT)을 이용하여 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 위치한 절연 스위치(I_SW)의 게이트 전압(VGATE)을 조절할 수 있다. In this case, in step S140, the controller 140 uses the battery voltage V BAT supplied through the second node N2 according to the magnitude of the capacitor voltage V CIN . The gate voltage V GATE of the isolation switch I_SW located between N2) may be adjusted.

이후, 입력부(110)는 게이트 전압(VGATE)에 따라 제1 노드(N1)를 통해 공급받는 전하량에 기초하여, 제1 노드(N1)로 방전된 커패시터 전압(VCIN)을 충전시킬 수 있다. Thereafter, the input unit 110 may charge the capacitor voltage V CIN discharged to the first node N1 based on the amount of charge supplied through the first node N1 according to the gate voltage V GATE . .

도 4는 도 1의 에너지 하베스팅 시스템(100)의 회로도이고, 도 5는 도 4의 에너지 하베스팅 인터페이스(150)를 설명하기 위한 회로도이다.4 is a circuit diagram of the energy harvesting system 100 of FIG. 1, and FIG. 5 is a circuit diagram for describing the energy harvesting interface 150 of FIG. 4.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(100)은 센서 노드(10), 전지부(20), 출력 커패시터(30)를 더 포함할 수 있다. 이하, 도 1 내지 도 3에서 설명된 동일한 부재번호의 입력부(110), 배터리부(120), 직류-직류 컨버터부(130) 및 제어부(140)에 대한 중복된 설명은 생략될 것이다. 이때, 직류-직류 컨버터부(130) 및 제어부(140)는 에너지 하베스팅 인터페이스(150)라고도 칭할 수 있다. 1 to 5, the energy harvesting system 100 may further include a sensor node 10, a battery unit 20, and an output capacitor 30. Hereinafter, redundant descriptions of the input unit 110, the battery unit 120, the DC-DC converter unit 130, and the control unit 140 of the same reference numerals described in FIGS. 1 to 3 will be omitted. In this case, the DC-DC converter unit 130 and the control unit 140 may also be referred to as an energy harvesting interface 150.

먼저, 센서 노드(10)는 동작 모드에 따라, 다른 크기의 전력을 해당하는 에너지 하베스팅 인터페이스(150)의 출력부(30)를 통해 공급받아 동작하는 센서로, 통신이 가능한 IoT(Internet of Things)일 수 있다. 여기서, 센서노드의 전력은 수십 미리 와트의 크기를 가진 미세 전력(PLOAD)일 수 있다. 예를 들면, 센서 노드(10)는 활성 모드에서, 출력부(30)를 통해 미세 전력을 공급받고, 센서 노드(10)는 비활성 모드에서, 출력부(30)를 통해 마이크로 와트 크기의 더 작은 초미세 전력을 공급받을 수 있다. First, the sensor node 10 is a sensor that operates by being supplied through the output unit 30 of the energy harvesting interface 150 corresponding to a different size of power according to the operation mode, and is capable of communication with the Internet of Things (IoT). ) Can be. Here, the power of the sensor node may be fine power (P LOAD ) having a size of several tens of watts in advance. For example, in the active mode, the sensor node 10 receives fine power through the output unit 30, and the sensor node 10 is in the inactive mode, through the output unit 30, a smaller microwatt size. It can be supplied with ultra-fine power.

다음으로, 전지부(20)는 태양열 전지(21)와 전지 커패시터(23)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 태양열 전지(21)는 센서 노드(10)의 대기 모드에서 미세 전류(IPV)를 공급하고, 전지 커패시터(23)는 태양열 전지 전류(IPV)에 의해 충전된 대기 전압(VPC)에 따른 대기 전류(IPC)를 직류-직류 컨버터부(130)로 공급할 수 있다. 이때, 직류-직류 컨버터부(130)는 대기 전류(IPC)를 공급받아 대기 전압을 출력부(30)로 공급할 수 있다. Next, the battery unit 20 may include a solar cell 21 and a battery capacitor 23. Specifically, the solar cell 21 supplies a minute current (I PV ) in the standby mode of the sensor node 10, and the battery capacitor 23 is the standby voltage (V PC ) charged by the solar cell current (I PV ). A standby current I PC according to) may be supplied to the DC-DC converter unit 130. In this case, the DC-DC converter unit 130 may receive the standby current I PC and supply the standby voltage to the output unit 30.

다음으로, 출력부(30)는 에너지 하베스팅 인터페이스(150)를 통해 공급받는 출력 전압(VOUT)을 센서 노드(10)로 출력하는 커패시터일 수 있다. 여기서, 에너지 하베스팅 인터페이스(150)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제6 트랜지스터와 인덕터(L)를 포함하는 직류-직류 컨버터(130)와 절연 스위치(I_SW)를 포함하는 제어부(140)를 포함할 수 있다. Next, the output unit 30 may be a capacitor that outputs the output voltage V OUT supplied through the energy harvesting interface 150 to the sensor node 10. Here, the energy harvesting interface 150 includes a DC-DC converter 130 including first to sixth transistors and an inductor L and a control unit including an insulation switch I_SW, as shown in FIG. 5. 140) may be included.

이때, 센서 노드(10)의 동작 모드가 활성 모드인 경우, 에너지 하베스팅 인터페이스(150)는 입력부(110)로부터 방전된 커패시터 전압(VCIN)을 공급받아 동작 전압(VOP)을 출력부(30)에 공급할 수 있다. 또한, 센서 노드(10)의 동작 모드가 비활성 모드인 경우, 에너지 하베스팅 인터페이스(150)는 전지부(20)로부터 대기 전압(VPC)을 공급받아 인덕터를 통해 출력부(30)로 공급할 수 있다. In this case, when the operation mode of the sensor node 10 is the active mode, the energy harvesting interface 150 receives the capacitor voltage V CIN discharged from the input unit 110 and outputs the operation voltage V OP . 30) can be supplied. In addition, when the operation mode of the sensor node 10 is an inactive mode, the energy harvesting interface 150 may receive the standby voltage V PC from the battery unit 20 and supply it to the output unit 30 through the inductor. have.

즉, 출력부(30)는 에너지 하베스팅 인터페이스(150)를 통해 공급받는 출력 전압(VOUT)을 센서 노드(10)로 출력할 수 있다. 여기서, 활성 모드에 제공되는 출력부(30)의 전력은 대기 모드시 출력 전력보다 클 수 있다. That is, the output unit 30 may output the output voltage V OUT supplied through the energy harvesting interface 150 to the sensor node 10. Here, the power of the output unit 30 provided in the active mode may be greater than the output power in the standby mode.

도 6은 도 1의 제어부(140)를 구체적으로 보여주는 회로도이다. 6 is a circuit diagram specifically showing the control unit 140 of FIG. 1.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 제어부(140)는 비교기(141), DAC 컨버터 앤 로직(143) 및 절연 스위치(I_SW)를 포함할 수 있다. 1 to 6, the controller 140 may include a comparator 141, a DAC converter & logic 143, and an isolation switch I_SW.

먼저, 비교기(141)는 배터리 전압(VBAT)과 기설정된 기준 전압(VREG)을 비교하여, 업/다운 신호(UP/DN)를 출력할 수 있다. 구체적으로, 배터리 전압(VBAT)이 기설정된 기준 전압(VREG)보다 큰 경우, 비교기(141)는 업 신호(UP)를 출력하고, 배터리 전압(VBAT)이 기설정된 기준 전압(VREG)보다 작은 경우, 다운 신호(DN)를 출력할 수 있다. First, the comparator 141 may output an up/down signal UP/DN by comparing the battery voltage V BAT and a preset reference voltage V REG . Specifically, when the battery voltage (V BAT ) is greater than the preset reference voltage (VREG), the comparator 141 outputs the up signal (UP), and the battery voltage (V BAT ) is higher than the preset reference voltage (VREG). If it is small, it can output a down signal (DN).

다음으로, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 업/다운 신호(UP/DN)에 기초하여, 게이트 전압(VGATE)을 생성할 수 있다. 여기서, 게이트 전압(VGATE)은 절연 스위치(I_SW)를 스위칭시키기 위한 전압일 수 있다. Next, the DAC converter and logic 143 may generate the gate voltage V GATE based on the up/down signals UP/DN. Here, the gate voltage V GATE may be a voltage for switching the isolation switch I_SW.

실시예에 따라, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 비교기(141)로부터 업 신호(UP)와 다운 신호(DN)를 서로 교대로 출력받는 경우, 게이트 전압(VGATE)을 미들 레벨 전압으로 조절할 수 있다. 여기서, 미들 레벨 전압은, 배터리 전압(VBAT)을 기설정된 기준 전압(VREG)으로 레귤레이션시키기 위한 제어전압을 의미할 수 있다. According to an embodiment, the DAC converter & logic 143 may adjust the gate voltage V GATE to the middle level voltage when alternately outputting the up signal UP and the down signal DN from the comparator 141. have. Here, the middle level voltage may mean a control voltage for regulating the battery voltage V BAT to a preset reference voltage V REG .

다음으로, 절연 스위치(I_SW)는 DAC 컨버터 앤 로직(143)를 통해 생성된 게이트 전압(VGATE)에 기초하여, 배터리부(120)와 입력부(110)를 전기적으로 연결하고, 배터리 전압(VBAT)을 입력부(110)에 충전시킬 수 있다. Next, the isolation switch I_SW electrically connects the battery unit 120 and the input unit 110 based on the gate voltage V GATE generated through the DAC converter and logic 143, and the battery voltage V BAT ) can be charged in the input unit 110.

이하, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 게이트 전압(VGATE)을 조절하는 DAC 컨버터 앤 로직(143)에 대해 보다 구체적으로 설명될 것이다. Hereinafter, the DAC converter and logic 143 that adjusts the gate voltage V GATE will be described in more detail with reference to FIGS. 7 to 9.

도 7은 도 6의 DAC 컨버터 앤 로직(143)의 동작을 구체적으로 보여주는 회로도이고, 도 8(a)는 커패시터 전압(VCIN)에 따른 DAC 컨버터 앤 로직(143)의 동작 모드를 나타내는 그래프이며, 도 8(b)는 DAC 컨버터 앤 로직(143)의 동작 모드에 따른 커패시터 전압(VCIN)의 크기를 보여주는 그래프이고, 도 9는 게이트 전압(VGATE)에 따른 배터리 전압과 커패시터 전압에 대한 시뮬레이션 파형을 보여주는 예이다. 7 is a circuit diagram specifically showing the operation of the DAC converter & logic 143 of FIG. 6, and FIG. 8(a) is a graph showing the operation mode of the DAC converter & logic 143 according to the capacitor voltage V CIN 8(b) is a graph showing the magnitude of the capacitor voltage V CIN according to the operation mode of the DAC converter & logic 143, and FIG. 9 is a graph showing the battery voltage and the capacitor voltage according to the gate voltage V GATE . This is an example of a simulation waveform.

도 7 내지 도 9를 참조하면, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 커패시터 전압(VCIN)의 크기에 기초하여, 게이트 전압(VGATE)을 조절할 수 있다. 7 to 9, the DAC converter & logic 143 may adjust the gate voltage V GATE based on the magnitude of the capacitor voltage V CIN .

구체적으로, 도 8(a) 및 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 커패시터 전압(VCIN)의 크기가 기설정된 컷오프 전압(VCUTOFF) 이상인 경우, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 스위치모드로 동작할 수 있다. 이때, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 스위치모드로 동작할 때, 게이트 전압(VGATE)을 접지전압(VSS)에 해당하는 로우 레벨 전압으로 조절할 수 있다. 그런 다음, 절연 스위치(I_SW)는 로우 레벨 전압에 기초하여, 배터리 전압(VBAT)을 입력부(110)에 충전시킬 수 있다.Specifically, as shown in FIGS. 8(a) and 8(b), when the size of the capacitor voltage V CIN is equal to or greater than the preset cut-off voltage V CUTOFF , the DAC converter and logic 143 is in a switch mode. Can be operated as In this case, when the DAC converter & logic 143 operates in the switch mode, the gate voltage V GATE may be adjusted to a low level voltage corresponding to the ground voltage V SS . Then, the isolation switch I_SW may charge the battery voltage V BAT in the input unit 110 based on the low level voltage.

또한, 도 8(a) 및 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 커패시터 전압(VCIN)의 크기가 기설정된 컷오프 전압보다 미만이고, 기설정된 미들 전압 이상인 경우, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 LDO 모드로 동작할 수 있다. 이때, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 LDO 모드로 동작할 때, 게이트 전압(VGATE)을 미들 레벨 전압으로 조절할 수 있다. 예를 들면, 도 7에 도시된 바와 같이, 미들 레벨 전압은 전류소스 어레이 중 업/다운 신호에 따라 흐르는 배터리 전류(IB)의 개수, 배터리 전류(IB)의 크기 및 전류소스 어레이와 연결된 어레이 저항(R) 간의 곱일 수 있다. 그런 다음, 절연 스위치(I_SW)는 미들 레벨 전압에 기초하여, 배터리 전압(VBAT)에서 기설정된 기준 전압(VREG)으로 레귤레이션된 전압을 입력부(110)에 충전시킬 수 있다. In addition, as shown in Figs. 8(a) and 8(b), when the size of the capacitor voltage V CIN is less than the preset cutoff voltage and more than the preset middle voltage, the DAC converter and logic 143 Can operate in LDO mode. In this case, when the DAC converter & logic 143 operates in the LDO mode, the gate voltage V GATE may be adjusted to the middle level voltage. For example, as shown in FIG. 7, the middle level voltage is the number of battery currents I B flowing according to the up/down signals among the current source arrays, the magnitude of the battery current I B , and the current source array It may be a product between the array resistances R. Then, the isolation switch I_SW may charge the input unit 110 with a voltage regulated from the battery voltage V BAT to a preset reference voltage V REG based on the middle level voltage.

또한, 도 8(a) 및 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 커패시터 전압(VCIN)의 크기가 기설정된 미들 전압보다 미만인 경우, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 DCDC 모드로 동작할 수 있다. 또한, DAC 컨버터 앤 로직(143)은 DCDC 모드로 동작할 때, 게이트 전압(VGATE)을 배터리 전압(VBAT)에 해당하는 하이 레벨 전압으로 조절할 수 있다. In addition, as shown in Figs. 8(a) and 8(b), when the size of the capacitor voltage V CIN is less than a preset middle voltage, the DAC converter & logic 143 may operate in a DCDC mode. have. Further, when the DAC converter & logic 143 operates in the DCDC mode, the gate voltage V GATE may be adjusted to a high level voltage corresponding to the battery voltage V BAT .

이때, 절연 스위치(I_SW)는 하이 레벨 전압에 기초하여, 입력부(110)와 배터리(120)를 전기적으로 개방(OPEN)시킬 수 있다. 그런 다음, 직류-직류 컨버터부(130)는, 하이 레벨 전압에 기초하여, 제1 노드(N1)를 통해 입력부(110)와 인덕터(L)를 연결하여, 인덕터(L)를 통해 생성되는 인덕터 전압(VINDUCTOR)을 입력부(110)에 충전시킬 수 있다. In this case, the insulation switch I_SW may electrically open the input unit 110 and the battery 120 based on the high level voltage. Then, the DC-DC converter unit 130 connects the input unit 110 and the inductor L through the first node N1, based on the high level voltage, and the inductor generated through the inductor L The voltage V INDUCTOR may be charged to the input unit 110.

본 출원은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 출원의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. Although the present application has been described with reference to the exemplary embodiment illustrated in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other exemplary embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present application should be determined by the technical idea of the attached registration claims.

100: 에너지 하베스팅 시스템
110: 입력부
120: 배터리부
130: 직류-직류 컨버터
140: 제어부100: energy harvesting system
110: input unit
120: battery unit
130: DC-DC converter
140: control unit

Claims (15)

커패시터 전압을 제1 노드를 통해 방전하는 입력부;
상기 제1 노드에서 전기적으로 분리된 제2 노드를 통해 배터리 전압을 공급하는 배터리부;
상기 제1 노드를 통해 방전되는 상기 커패시터 전압을 공급받아 컨버팅하는 직류-직류 컨버터부; 및
상기 커패시터 전압의 크기에 따라, 상기 배터리 전압을 공급받아 상기 제1 및 제2 노드 사이에 위치한 절연 스위치의 게이트 전압을 조절하는 제어부를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템. An input unit for discharging the capacitor voltage through the first node;
A battery unit for supplying a battery voltage through a second node electrically separated from the first node;
A DC-DC converter for receiving and converting the capacitor voltage discharged through the first node; And
And a control unit configured to receive the battery voltage and adjust a gate voltage of an isolation switch positioned between the first and second nodes according to the magnitude of the capacitor voltage. 제1항에 있어서,
상기 직류-직류 컨버터부는, 상기 제2 노드를 통해 상기 배터리부로부터 상기 배터리 전압을 공급받아, 인덕터 전압을 생성하고,
상기 인덕터 전압은 상기 커패시터 전압과 극성이 반대인, 에너지 하베스팅 시스템.The method of claim 1,
The DC-DC converter unit receives the battery voltage from the battery unit through the second node and generates an inductor voltage,
The inductor voltage and the capacitor voltage and polarity of the opposite, energy harvesting system. 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 커패시터 전압이 기설정된 컷오프 전압 이상인 경우, 상기 게이트 전압을 로우 레벨 전압으로 조절하고,
상기 로우 레벨 전압은 접지전압에 대응되는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 1,
The controller, when the capacitor voltage is greater than or equal to a preset cutoff voltage, adjusts the gate voltage to a low level voltage,
The low level voltage corresponds to the ground voltage, energy harvesting system. 제3항에 있어서,
상기 절연 스위치는, 상기 로우 레벨 전압에 기초하여, 상기 제1 및 제2 노드 사이를 통해 상기 배터리부와 상기 입력부를 전기적으로 연결하는 제1 충전 경로를 형성하는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 3,
The isolation switch, based on the low-level voltage, forms a first charging path for electrically connecting the battery unit and the input unit through the first and second nodes. 제4항에 있어서,
상기 입력부는, 상기 제1 충전 경로를 통해 상기 배터리 전압에 따른 배터리 전류를 공급받아 상기 커패시터 전압을 충전하는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 4,
The input unit charges the capacitor voltage by receiving a battery current according to the battery voltage through the first charging path. 제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 커패시터 전압이 기설정된 컷오프 전압보다 미만이고, 기설정된 미들 전압 이상인 경우,
상기 게이트 전압을 미들 레벨 전압으로 조절하고,
상기 미들 레벨 전압은, 상기 배터리 전압을 기설정된 기준 전압으로 레귤레이션시키기 위한 제어전압인, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 2,
The control unit, when the capacitor voltage is less than a preset cut-off voltage, and more than a preset middle voltage,
Adjusting the gate voltage to a middle level voltage,
The middle level voltage is a control voltage for regulating the battery voltage to a preset reference voltage. 제6항에 있어서,
상기 절연 스위치는, 상기 미들 레벨 전압에 기초하여, 드레인 측으로 공급받는 상기 배터리 전압을 상기 기준 전압으로 레귤레이션하고, 소스 측으로 공급하는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 6,
The isolation switch, based on the middle level voltage, regulates the battery voltage supplied to the drain side to the reference voltage and supplies the voltage to the source side, energy harvesting system. 제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 커패시터 전압이 기설정된 미들 전압보다 미만인 경우, 상기 게이트 전압을 하이 레벨 전압으로 조절하고,
상기 하이 레벨 전압은, 상기 배터리 전압에 대응되는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 2,
The control unit, when the capacitor voltage is less than a predetermined middle voltage, adjusts the gate voltage to a high level voltage,
The high level voltage corresponds to the battery voltage. 제8항에 있어서,
상기 절연 스위치는, 상기 하이 레벨 전압에 기초하여, 상기 제1 및 제2 노드 사이를 전기적으로 개방하는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 8,
The isolation switch, based on the high level voltage, to electrically open between the first and second nodes, energy harvesting system. 제7항에 있어서,
상기 직류-직류 컨버터부는, 상기 하이 레벨 전압에 기초하여, 상기 제1 노드를 통해 상기 입력부와 인덕터를 연결하는 제2 충전 경로를 형성하는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 7,
The DC-DC converter unit forms a second charging path connecting the input unit and the inductor through the first node based on the high level voltage. 제10항에 있어서,
상기 입력부는, 상기 제2 충전 경로를 통해 상기 인덕터 전압에 따른 인덕터 전류를 공급받아, 상기 커패시터 전압을 충전하는, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 10,
The input unit receives an inductor current according to the inductor voltage through the second charging path and charges the capacitor voltage. 제1항에 있어서,
상기 절연 스위치는 PMOS 트랜지스터인, 에너지 하베스팅 시스템. The method of claim 1,
The isolation switch is a PMOS transistor, energy harvesting system. 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 배터리 전압과 기설정된 기준 전압을 비교하여 업/다운 신호를 출력하는 비교기; 및
상기 업/다운 신호에 기초하여, 상기 게이트 전압을 조절하는 DAC 컨버터 앤 로직을 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.The method of claim 1,
The control unit may include a comparator for comparing the battery voltage and a preset reference voltage to output an up/down signal; And
And a DAC converter and logic that adjusts the gate voltage based on the up/down signal. 에너지 하베스팅 시스템의 동작 방법으로서,
입력부가 제1 노드를 통해 커패시터 전압을 방전하는 단계;
배터리부가 상기 제1 노드에 전기적으로 분리된 제2 노드를 통해 배터리 전압을 공급하는 단계;
직류-직류 컨버터부가 상기 커패시터 전압을 센서 노드의 활성 모드에 따른 동작 전압으로 컨버팅하는 단계; 및
제어부가 상기 커패시터 전압의 크기에 따라, 상기 배터리 전압을 이용하여 상기 제1 및 제2 노드 사이에 위치한 절연 스위치의 게이트 전압을 조절하는 단계를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템의 동작 방법. As a method of operation of an energy harvesting system,
Discharging the capacitor voltage through the first node by the input unit;
Supplying, by a battery unit, a battery voltage to the first node through a second node that is electrically isolated;
Converting, by a DC-DC converter, the capacitor voltage into an operating voltage according to an active mode of a sensor node; And
And controlling, by a controller, a gate voltage of an isolation switch located between the first and second nodes using the battery voltage according to the magnitude of the capacitor voltage. 제14항에 있어서,
상기 입력부가 상기 게이트 전압에 따라 상기 제1 노드를 통해 공급받는 전하량에 기초하여, 상기 제1 노드를 통해 방전된 상기 커패시터 전압을 충전하는 단계를 더 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템의 동작 방법.






The method of claim 14,
And charging the capacitor voltage discharged through the first node based on an amount of charge supplied through the first node by the input unit according to the gate voltage.
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