KR20210033185A

KR20210033185A - Dual input triboelectric energy harvestin system based on single inductor sharing with maximum power point tracking

Info

Publication number: KR20210033185A
Application number: KR1020190114576A
Authority: KR
Inventors: 김철우; 맹준영; 박인호
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-26
Also published as: KR102333862B1

Abstract

According to an embodiment of the present invention, provided is an energy harvesting system which can reduce a PCB area and a manufacturing cost. The energy harvesting system comprises: an alternating current (AC)-direct current (DC) conversion unit converting a pair of AC voltages received from a power source into first and second DC voltages; a DC-DC conversion unit converting the first and second DC voltages to a predetermined level and outputting the same to an output terminal through one inductor; an input switch connection unit determining any one of first and second input voltages charged in a pair of power transfer capacitors delivered to the inductor; and a maximum power point tracking circuit unit formed to be a system on-chip with the input switch connection unit and generating a maximum power point voltage corresponding to a predetermined percentage of an open voltage of the power source.

Description

DUAL INPUT TRIBOELECTRIC ENERGY HARVESTIN SYSTEM BASED ON SINGLE INDUCTOR SHARING WITH MAXIMUM POWER POINT TRACKING}

본 출원은, 최대 전력점 추적 기능을 갖춘 단일 인덕터 공유 기반의 이중입력 마찰전기 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다. The present application relates to a dual input triboelectric energy harvesting system based on sharing a single inductor with a maximum power point tracking function.

마찰전기 에너지 하베스팅은 성질이 다른 두 물질의 마찰로부터 전력을 발생시키는 전력원으로, 양의 전압과 음의 전압의 최대치가 다르다는 특징이 있다. 종래의 마찰전기 에너지 하베스팅 회로는 최대 전력점 추적 기술을 탑재하였다. 이때, 최대 전력점 추적 기술은 외부 신호를 통해 제어되었으며, 회로 내부의 고전압을 모니터링하기 위해 부피가 큰 외부 저항을 여러 개 사용하였다. 이에, 외부에서 최대 전력점 추적 기술이 제어되는 종래의 마찰전기 에너지 하베스팅 회로는 비효율적인 PCB 면적 낭비 뿐만 아니라 추가의 전력 손실 및 제조 단가 상승을 야기하였다. Triboelectric energy harvesting is a power source that generates power from friction between two materials with different properties, and has a characteristic that the maximum values of positive and negative voltages are different. The conventional triboelectric energy harvesting circuit is equipped with a maximum power point tracking technology. At this time, the maximum power point tracking technology was controlled through an external signal, and several bulky external resistors were used to monitor the high voltage inside the circuit. Accordingly, the conventional triboelectric energy harvesting circuit, in which the maximum power point tracking technology is controlled from the outside, not only wastes inefficient PCB area, but also causes additional power loss and an increase in manufacturing cost.

또한, 종래의 고전압용 직류-직류 변환기는 대부분 단일 입력용으로만 설계되어 왔다. 이러한 종래의 단일 입력 고전압용 직류-직류 변환기에 이중 입력을 적용할 경우, 내부 트래지스터가 10볼트 이상의 고전압에 의해 파괴되는 결과를 초래한다. 이는, 고전압용 트랜지스터(LDMOS)가 높은 VDS를 견딜 수 있지만, VGS는 일반적인 CMOS 정격 전압인 5볼트 이하 전압만 견딜 수 있기 때문이다. 즉, 종래의 이중 입력 직류-직류 변환기는 일반적인 CMOS 정격 전압 내에서 설계가 되기 때문에 공정 자체의 특성상 고전압을 견딜 수 없다. In addition, conventional high voltage DC-DC converters have been designed for only a single input. When a dual input is applied to such a conventional single input high voltage DC-DC converter, the internal transistor is destroyed by a high voltage of 10 volts or more. This is because the high voltage transistor (LDMOS) can withstand a high VDS, but the VGS can only withstand a voltage less than 5 volts, which is a typical CMOS voltage rating. That is, since the conventional dual input DC-DC converter is designed within a typical CMOS rated voltage, it cannot withstand high voltage due to the characteristics of the process itself.

특히, 종래의 마찰전기 에너지 하베스팅 시스템에 적용된 고전압용 이중 입력 직류-직류 변환기의 경우, 전력 전달 경로에 추가의 트랜지스터들이 직렬로 연결됨으로써, 전력 전달 시 추가의 전력 손실을 발생시키며 이로 인해 전력 전달 효율을 감소시키는 결과를 초래할 수 있다. In particular, in the case of a dual input DC-DC converter for high voltage applied to a conventional triboelectric energy harvesting system, additional transistors are connected in series in the power transmission path, resulting in additional power loss during power transfer. It can result in reduced efficiency.

이에 따라, 최대 전력점 추적기를 통해 마찰전기 전력원의 최대 전력점을 추적하는 동시에, 이중입력 단일 인덕터를 이용하여 두 개의 고전압 입력을 부품 파괴없이, 최대 전력점 추적 기능을 갖춘 단일 인덕터 공유 기반의 이중입력 마찰전기 에너지 하베스팅 시스템을 제공하고자 한다. Accordingly, the maximum power point of the triboelectric power source is tracked through the maximum power point tracker, and at the same time, two high-voltage inputs using a double-input single inductor are used without component destruction, and a single inductor sharing-based To provide a dual input triboelectric energy harvesting system.

본 출원의 목적은, 최대 전력점 전압을 추적할 수 있는 동시에, 단일 인덕터에 한쌍의 입력전압을 출력단에 효율적으로 전달할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템을 제공하기 위한 것이다. An object of the present application is to provide an energy harvesting system capable of tracking a maximum power point voltage and efficiently transferring a pair of input voltages to an output terminal to a single inductor.

본 출원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 전력원으로부터 전달받는 한쌍의 교류전압을 제1 및 제2 직류전압으로 변환하는 교류-직류 변환부, 상기 제1 및 제2 직류전압을 일정 크기 레벨로 조절하고, 하나의 인덕터를 통해 출력단으로 출력하는 직류-직류 변환부, 상기 인덕터로 전달되는 한쌍의 전력전달 커패시터에 충전된 제1 및 제2 입력전압 중 어느 하나의 입력전압을 결정하는 입력 스위치 연결부 및 상기 입력 스위치 연결부와 시스템 온-칩으로 형성되고, 상기 전력원의 개방전압에 일정 퍼센트에 해당하는 최대 전력점 전압을 생성하는 최대 전력점 추적회로부를 포함한다. The energy harvesting system according to an embodiment of the present application includes an AC-DC converter for converting a pair of AC voltages received from a power source into first and second DC voltages, and the first and second DC voltages at a predetermined size. A DC-DC converter that adjusts to a level and outputs it to the output terminal through one inductor, and an input that determines any one of the first and second input voltages charged in the pair of power transfer capacitors delivered to the inductor. A switch connection unit, the input switch connection unit and the system on-chip include a maximum power point tracking circuit unit that generates a maximum power point voltage corresponding to a certain percentage of the open-circuit voltage of the power source.

실시예에 있어서, 상기 입력 스위치 연결부는, 일정 주기마다 상기 교류-직류 변환부를 상기 직류-직류 변환부와 상기 최대 전력점 추적회로부에 교대로 스위칭하여 연결한다. In an embodiment, the input switch connection unit alternately switches and connects the AC-DC converter to the DC-DC converter and the maximum power point tracking circuit at a predetermined period.

실시예에 있어서, 상기 입력 스위치 연결부는 상기 교류-직류 변환부로부터 제1 직류전압을 전달받는 제1 입력 스위치 연결부 및 상기 상기 교류-직류 변환부로부터 제2 직류전압을 전달받는 제2 입력 스위치 연결부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 입력 스위치 연결부 각각은, 상기 최대 전력점 추적회로부와 시스템 온-칩으로 각각 형성된다. In an embodiment, the input switch connection part is a first input switch connection part receiving a first DC voltage from the AC-DC conversion part and a second input switch connection part receiving a second DC voltage from the AC-DC conversion part. Including, each of the first and second input switch connection portion is formed of the maximum power point tracking circuit portion and the system on-chip, respectively.

실시예에 있어서, 상기 제1 입력 스위치 연결부는, 상기 직류-직류 변환부와 상기 교류-직류 변환부를 전기적으로 연결하기 위한 제1 스위치를 스위칭하는 제1 레벨시프터부, 상기 개방전압을 샘플링하기 위한 적어도 하나의 제2 스위치를 스위칭하는 제1 게이트 드라이버부, 상기 제1 스위치를 통해 연결된 제1 전달전력 커패시터에 충전된 제1 충전전압을 조절하기 위한 제3 스위치를 스위칭하는 제2 레벨시프터부, 상기 제1 충전전압을 일정 크기의 저전압 레벨인 제1 분배전압으로 샘플링하기 위한 제4 스위치를 스위칭하는 제1 전압분배기 및 상기 적어도 하나의 제2 스위치에 연결된 제1 개방전압 커패시터에 전하 공유된 제2 충전전압을 제2 분배전압으로 샘플링하기 위한 제4 스위치를 스위칭하는 제2 전압분배기를 포함한다. In an embodiment, the first input switch connection unit comprises: a first level shifter unit for switching a first switch for electrically connecting the DC-DC conversion unit and the AC-DC conversion unit, and for sampling the open-circuit voltage. A first gate driver unit for switching at least one second switch, a second level shifter unit for switching a third switch for adjusting a first charging voltage charged in a first transfer power capacitor connected through the first switch, A first voltage divider for switching a fourth switch for sampling the first charged voltage to a first divided voltage having a predetermined low voltage level, and a first open-circuit voltage capacitor connected to the at least one second switch. And a second voltage divider for switching a fourth switch for sampling the two charged voltages as a second divided voltage.

실시예에 있어서, 상기 제1 입력 스위치 연결부는, 상기 제1 및 제2 분배전압을 비교하고, 상기 제1 및 제2 분배전압 간의 차이에 기초하여, 제1 인에이블 신호를 출력하는 비교기를 포함한다. In an embodiment, the first input switch connection unit includes a comparator for comparing the first and second divided voltages and outputting a first enable signal based on a difference between the first and second divided voltages. do.

실시예에 있어서, 상기 제1 게이트 드라이버부는, 상기 제1 직류전압이 임계전압을 초과하는 경우, 상기 제1 직류전압을 상기 한쌍의 제3 스위치의 게이트측으로 전달하는 제1 다이오드, 상기 제1 다이오드에 대하여 직렬로 연결된 제1 게이트 커패시터 및 상기 제1 다이오드에 대하여 병렬로 각각 연결된 제1 전류원과 기생 다이오드를 포함한다. In an embodiment, the first gate driver unit comprises: a first diode transferring the first DC voltage to the gate side of the pair of third switches when the first DC voltage exceeds a threshold voltage, and the first diode And a first gate capacitor connected in series with respect to, and a first current source and a parasitic diode connected in parallel with respect to the first diode, respectively.

실시예에 있어서, 상기 제2 입력 스위치 연결부는, 상기 직류-직류 변환부와 상기 교류-직류 변환부를 전기적으로 연결하기 위한 제5 스위치를 스위칭하는 제3 레벨시프터부, 상기 개방전압을 샘플링하기 위한 제6 스위치를 스위칭하는 제2 게이트 드라이버부, 상기 제5 스위치를 통해 연결된 제2 전달전력 커패시터에 충전된 제2 충전전압을 조절하기 위한 제7 스위치를 스위칭하는 제4 레벨시프터부, 상기 제3 충전전압을 일정 크기의 저전압 레벨인 제3 분배전압으로 샘플링하기 위한 제8 스위치를 스위칭하는 제1 전압분배기 및 상기 적어도 하나의 제2 스위치에 연결된 제1 개방전압 커패시터에 전하 공유된 제4 충전전압을 제4 분배전압으로 샘플링하기 위한 제4 스위치를 스위칭하는 제2 전압분배기를 포함한다. In an embodiment, the second input switch connection unit includes a third level shifter unit for switching a fifth switch for electrically connecting the DC-DC conversion unit and the AC-DC conversion unit, and for sampling the open-circuit voltage. A second gate driver unit for switching a sixth switch, a fourth level shifter unit for switching a seventh switch for adjusting a second charging voltage charged in a second transfer power capacitor connected through the fifth switch, and the third A first voltage divider for switching an eighth switch for sampling a charge voltage to a third divided voltage, which is a low voltage level of a predetermined size, and a fourth charge voltage shared with the first open-circuit voltage capacitor connected to the at least one second switch. And a second voltage divider for switching a fourth switch for sampling at the fourth divided voltage.

실시예에 있어서, 상기 제2 입력 스위치 연결부는, 상기 제3 및 제4 분배전압을 비교하고, 상기 제3 및 제4 분배전압 간의 차이에 기초하여, 제2 인에이블 신호를 출력하는 비교기를 포함한다. In an embodiment, the second input switch connection unit includes a comparator for comparing the third and fourth divided voltages and outputting a second enable signal based on a difference between the third and fourth divided voltages. do.

실시예에 있어서, 상기 제2 게이트 드라이버부는, 상기 제2 직류전압이 임계전압을 초과하는 경우, 상기 제2 직류전압을 상기 제7 스위치의 게이트측으로 전달하는 제3 다이오드 및 상기 제3 다이오드에 대하여 직렬로 연결되고, 상기 제2 직류전압에 기초하여, 게이트 전압을 충전하는 제2 게이트 커패시터를 포함한다. In an embodiment, the second gate driver unit is configured to transmit the second DC voltage to the gate side of the seventh switch when the second DC voltage exceeds a threshold voltage. And a second gate capacitor connected in series and charging a gate voltage based on the second DC voltage.

실시예에 있어서, 상기 교류전압의 음전압, 상기 제1 및 제2 직류전압 및 상기 개방전압에 기초하여, 상기 입력 스위치 연결부를 구동시키는 타이밍 콘트롤러부를 더 포함한다. In an embodiment, it further comprises a timing controller for driving the input switch connection unit based on the negative voltage of the AC voltage, the first and second DC voltages, and the open-circuit voltage.

실시예에 있어서, 상기 타이밍 콘트롤러부는, 상기 교류전압의 음전압, 상기 제1 및 제2 직류전압 및 상기 개방전압을 저 전압 레벨의 타이밍 구동전압들로 변환하는 적어도 하나 이상의 저전압 생성기, 상기 타이밍 구동전압들에 기초하여, 상기 제1 및 제2 입력 스위치 연결회로를 구동시키기 위한 제1 및 제2 타이밍 구동신호를 생성하는 제1 및 제2 저전압 비교기 및 상기 교류전압의 음전압과 접지전압을 비교하는 사이클 비교기와 상기 사이클 비교기의 비교 횟수를 카운팅하는 N 비트 카운터를 포함하는 사이클 카운터를 포함한다. In an embodiment, the timing controller unit comprises at least one low voltage generator for converting the negative voltage of the AC voltage, the first and second DC voltages, and the open-circuit voltage into timing driving voltages of a low voltage level, and the timing driving Based on voltages, first and second low voltage comparators generating first and second timing driving signals for driving the first and second input switch connection circuits, and comparing the negative voltage of the AC voltage and the ground voltage And a cycle counter including a cycle comparator and an N-bit counter for counting the number of comparisons of the cycle comparator.

실시예에 있어서, 상기 입력 스위치 연결부로부터 출력받는 제1 및 제2 인에이블 신호에 기초하여, 상기 직류-직류 변환부의 제1 내지 제6 전력전달 스위치를 스위칭하는 제어회로부를 더 포함한다. In an embodiment, the control circuit unit further comprises a control circuit unit for switching the first to sixth power transfer switches of the DC-DC conversion unit based on the first and second enable signals output from the input switch connection unit.

실시예에 있어서, 상기 제1 및 제4 전력전달 스위치는 PMOS 트랜지스터이고, 상기 제2, 제3, 제5 및 제6 전력전달 스위치는 NMOS 트랜지스터이다. In an embodiment, the first and fourth power transfer switches are PMOS transistors, and the second, third, fifth and sixth power transfer switches are NMOS transistors.

실시예에 있어서, 상기 제어회로부는, 상기 인덕터에 흐르는 제로 전류를 감지하는 제로 전류 감지회로, 상기 제1 및 제2 인에이블 신호, 상기 제로 전류 및클럭 신호에 기초하여, 제1 내지 제6 변환전압을 생성하는 직류-직류 변환기 제어회로, 상기 제1 변환전압에 기초하여 상기 제1 전력전달 스위치를 스위칭하기 위한 제1 제어전압(VPH)을 생성하고, 상기 제4 변환전압에 기초하여 상기 제4 전력전달 스위치를 스위칭하기 위한 제4 제어전압을 생성하는 제1 및 제2 구동회로 레벨시프터 및 상기 제1 변환전압과 상기 제6 변환전압에 기초하여, 제6 제어전압을 생성하고, 상기 제4 변환전압과 상기 제3 변환전압에 기초하여, 제3 제어전압(VPO)을 생성하는 제1 및 2 전압 더블러/논리 회로를 포함한다.In an embodiment, the control circuit unit includes a zero current sensing circuit for sensing a zero current flowing through the inductor, based on the first and second enable signals, the zero current, and the clock signal, converting first to sixth A DC-DC converter control circuit that generates a voltage, generates a first control voltage VPH for switching the first power transfer switch based on the first converted voltage, and generates the first control voltage VPH based on the fourth converted voltage. 4 Based on the first and second driving circuit level shifters for generating a fourth control voltage for switching the power transfer switch and the first converted voltage and the sixth converted voltage, a sixth control voltage is generated, and the And first and second voltage doubler/logic circuits for generating third control voltage VPO based on the fourth converted voltage and the third converted voltage.

실시예에 있어서, 상기 제어회로부는, 상기 제1 및 제2 인에이블 신호가 (1,0)인 경우, 상기 직류-직류 변환부의 제1 전달 커패시터에 충전된 상기 제1 입력전압을 제1 경로를 통해 출력단으로 출력시키고, 상기 제1 경로는, 상기 제1 입력전압이 상기 제1 전달 커패시터로부터 상기 제1 전력전달 스위치, 상기 인덕터 및 상기 제6 전력전달 스위치를 통해 상기 출력단으로 통과하는 경로이다. In an embodiment, when the first and second enable signals are (1,0), the control circuit unit transfers the first input voltage charged in the first transfer capacitor of the DC-DC converter to a first path. And the first path is a path through which the first input voltage passes from the first transfer capacitor to the output terminal through the first power transfer switch, the inductor, and the sixth power transfer switch. .

실시예에 있어서, 상기 제어회로부는, 상기 제1 및 제2 인에이블 신호가 (0,1)인 경우, 상기 직류-직류 변환부의 제2 전달 커패시터에 충전된 상기 제2 입력전압을 제2 경로를 통해 상기 출력단으로 출력시키고, 상기 제2 경로는, 상기 제2 입력전압이 상기 제2 전달 커패시터로부터 상기 제4 전력전달 스위치, 상기 인덕터(L) 및 상기 제6 전력전달 스위치를 통해 상기 출력단으로 통과하는 경로이다. In an embodiment, when the first and second enable signals are (0, 1), the control circuit unit transfers the second input voltage charged in the second transfer capacitor of the DC-DC converter to a second path. To the output terminal through the second path, the second input voltage from the second transfer capacitor to the output terminal through the fourth power transfer switch, the inductor (L), and the sixth power transfer switch. It is a path through.

실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 직류전압에 기초하여, 초기 동작 시 상기 출력단으로 출력전압을 직접적으로 출력하는 직접 충전부를 더 포함한다. In an embodiment, it further includes a direct charging unit that directly outputs an output voltage to the output terminal during an initial operation based on the first and second DC voltages.

실시예에 있어서, 상기 직접 충전부는, 상기 제2 직류전압과 제1 및 제2 기준전압을 비교하여, 제1 및 제2 직접충전 비교신호를 출력하는 직접충전 제어회로부, 상기 제1 및 제2 직접충전 비교신호에 기초하여, 상기 제1 직류전압을 전달하는 직접충전 래치회로부 및 상기 직접충전 래치회로부로부터 상기 제1 직류전압을 전달받고, 상기 제1 직류전압의 크기에 따라, 상기 제1 직류전압(V_{RECT_P})을 상기 출력단으로 직접 출력하는 직접충전 다이오드회로부를 포함한다. In an embodiment, the direct charging unit is a direct charging control circuit unit configured to compare the second DC voltage with the first and second reference voltages and output first and second direct charging comparison signals, the first and second Based on the direct charge comparison signal, the first DC voltage is received from the direct charge latch circuit unit for transmitting the first DC voltage and the direct charge latch circuit unit, and according to the magnitude of the first DC voltage, the first DC voltage It includes a direct charging diode circuit that directly outputs the voltage V _{RECT_P to the output terminal.}

본 출원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작 방법으로서, 교류-직류 변환부가 전력원으로부터 전달받는 한쌍의 교류전압을 제1 및 제2 직류전압으로 변환하는 단계, 직류-직류 변환부가 상기 제1 및 제2 직류전압을 일정 크기 레벨로 조절하고, 하나의 인덕터를 통해 출력단으로 출력하는 단계, 입력 스위치 연결부가 상기 인덕터로 전달되는 한쌍의 전력전달 커패시터에 충전된 제1 및 제2 입력전압 중 어느 하나의 입력전압을 결정하는 단계, 최대 전력점 추적회로부가 상기 전력원의 개방전압에 일정 퍼센트에 해당하는 최대 전력점 전압을 생성하는 단계 및 상기 입력 스위치 연결부가 일정 주기마다 상기 교류-직류 변환부를 상기 직류-직류 변환부와 상기 최대 전력점 추적회로부에 교대로 스위칭하여 연결하는 단계를 포함하고, 상기 최대 전력점 추적회로부는, 상기 입력 스위치 연결부와 시스템 온-칩으로 형성된다. A method of operating an energy harvesting system according to an embodiment of the present application, comprising: converting a pair of AC voltages received from a power source by an AC-DC converter into first and second DC voltages, and the DC-DC converter Adjusting the first and second DC voltages to a predetermined level and outputting them to an output terminal through one inductor, the first and second input voltages charged in a pair of power transfer capacitors transmitted to the inductor by an input switch connector Determining any one of the input voltages, generating a maximum power point voltage corresponding to a certain percentage of the open-circuit voltage of the power source by the maximum power point tracking circuit unit, and the AC-DC at a predetermined period by the input switch connection And alternately switching and connecting the conversion unit to the DC-DC conversion unit and the maximum power point tracking circuit, wherein the maximum power point tracking circuit unit is formed of the input switch connection unit and the system on-chip.

실시예에 있어서, 제어회로부가 상기 입력 스위치 연결부로부터 출력받는 제1 및 제2 인에이블 신호에 기초하여, 상기 직류-직류 변환부의 제1 내지 제6 전력전달 스위치를 스위칭하는 단계 및 직접 충전부가 상기 제1 및 제2 직류전압에 기초하여, 초기 동작 시 상기 출력단으로 출력전압을 직접적으로 출력하는 단계를 더 포함한다. In an embodiment, the step of switching the first to sixth power transfer switches of the DC-DC conversion unit based on the first and second enable signals output from the input switch connection unit by the control circuit unit and the direct charging unit The step of directly outputting an output voltage to the output terminal during initial operation based on the first and second DC voltages.

본 출원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은, 최대 전력점 전압을 추적할 수 있는 동시에, 단일 인덕터에 한쌍의 입력전압을 출력단에 효율적으로 전달할 수 있다. The energy harvesting system according to the embodiment of the present application can track the maximum power point voltage and efficiently transfer a pair of input voltages to the output terminal through a single inductor.

또한, 직류-직류 변환부와 최대 전력점 추적회로부를 시스템 온-칩으로 구현하여, PCB 면적 및 제작 단가를 감소시킬 수 있다. In addition, by implementing the DC-DC conversion unit and the maximum power point tracking circuit unit as a system on-chip, it is possible to reduce the PCB area and manufacturing cost.

도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 최대 전력점 추적회로부가 시스템 온-칩으로 구현된 제1 입력 스위치 연결회로를 구체적으로 보여주는 도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 도 1의 최대 전력점 추적회로부가 시스템 온-칩으로 구현된 제2 입력 스위치 연결부를 구체적으로 보여주는 도이다.
도 4는 도 3의 타이밍 콘트롤러부를 구체적으로 보여주는 블록도이다.
도 5(A) 내지 도 5(C)는 도 4의 제1 내지 제3 저전압 생성기에 대한 실시 예이다.
도 6은 도 1의 에너지 하베스팅 시스템을 구체적으로 보여주는 회로도이다.
도 7은 도 6의 제어회로부와 직류-직류 변환부 사이의 연결 예를 보여주는 도이다.
도 8은 도 7의 제어회로부의 제어전압에 따른 직류-직류 변환부의 동작 예이다.
도 9(A) 내지 도 9(C)는 일 실시예에 따른 도 6의 제어회로부의 제1 동작 타이밍을 나타내는 실시 예이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 도 6의 제어회로부의 제2 동작 타이밍을 나타내는 실시 예이다.
도 11은 도 6의 직접충전부의 블록도이다.
도 12는 도 11의 직접충전 제어회로부를 구체적으로 보여주는 회로도이다.
도 13은 도 11의 래치회로부를 구체적으로 보여주는 회로도이다.
도 14는 도 11의 다이오드 회로부를 구체적으로 보여주는 회로도이다.
도 15는 도 1의 에너지 하베스팅 시스템의 동작 프로세스이다. 1 is a block diagram of an energy harvesting system according to an embodiment of the present application.
FIG. 2 is a diagram illustrating in detail a first input switch connection circuit in which the maximum power point tracking circuit unit of FIG. 1 is implemented as a system on-chip according to an exemplary embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating in detail a second input switch connection unit in which the maximum power point tracking circuit unit of FIG. 1 is implemented as a system on-chip according to another embodiment.
4 is a block diagram showing in detail the timing controller of FIG. 3.
5A to 5C are examples of the first to third low voltage generators of FIG. 4.
6 is a circuit diagram specifically showing the energy harvesting system of FIG. 1.
7 is a diagram illustrating an example of a connection between the control circuit unit of FIG. 6 and the DC-DC converter.
8 is an operation example of a DC-DC conversion unit according to a control voltage of the control circuit unit of FIG. 7.
9(A) to 9(C) are exemplary embodiments illustrating a first operation timing of the control circuit unit of FIG. 6 according to an exemplary embodiment.
10 is an exemplary embodiment showing a second operation timing of the control circuit unit of FIG. 6 according to another exemplary embodiment.
11 is a block diagram of the direct charging unit of FIG. 6.
12 is a circuit diagram specifically showing the direct charge control circuit unit of FIG. 11.
13 is a circuit diagram specifically showing the latch circuit of FIG. 11.
14 is a circuit diagram specifically showing the diode circuit of FIG. 11.
15 is an operational process of the energy harvesting system of FIG. 1.

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 this 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 constituent elements, but the constituent elements should not be limited by the terms. The above 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 referred to 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. It 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 "directly 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 existence 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 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 as those generally understood by one of ordinary skill in the art to which this application belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be construed as having a meaning consistent with the meaning of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. Does not.

도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(1000)의 블록도이다. 1 is a block diagram of an energy harvesting system 1000 according to an exemplary embodiment of the present application.

도 1을 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(1000)은 교류-직류 변환부(100), 직류-직류 변환부(200), 입력 스위치 연결부(300) 및 최대 전력점 추적회로부(400)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the energy harvesting system 1000 includes an AC-DC conversion unit 100, a DC-DC conversion unit 200, an input switch connection unit 300, and a maximum power point tracking circuit unit 400. I can.

먼저, 교류-직류 변환부(100)는 전력원(11)으로부터 양(+)전압과 음(-)전압을 포함하는 한쌍의 교류전압(V_P, V_M)을 전달받을 수 있다. 여기서, 전력원(11)은 마찰전기를 발생하는 전력원으로, 두 물질 사이에서 발생하는 마찰을 필름형태의 적층구조로 형성된 센서노드를 통해 수집할 수 있다. _{First, the AC-DC converter 100 may receive a pair of AC voltages V P} and V _M including a positive (+) voltage and a negative (-) voltage from the power source 11. Here, the power source 11 is a power source that generates triboelectric electricity, and friction generated between two materials may be collected through a sensor node formed in a film-type laminated structure.

또한, 교류-직류 변환부(100)는 한쌍의 교류전압(V_P, V_M)을 제1 및 제2 직류전압(V_{RECT_P}, V_{RECT_M})으로 변환할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 직류전압(V_{RECT_P}, V_{RECT_M})은 서로 다른 크기의 절대값을 가지고, 제1 직류전압(V_{RECT_P})은 양(+)전압이고, 제2 직류전압(V_{RECT_M})은 음(-)전압일 수 있다. 예를 들면, 전력원(11)은 절대값이 서로 다른 한쌍의 교류전압(V_P, V_M)을 발생할 수 있다. In addition, the AC-DC converter 100 may convert a pair of AC voltages V _P and V _M into first and second DC voltages V _{RECT_P} and V _{RECT_M} . Here, the first and second DC voltages (V _{RECT_P} , V _{RECT_M} ) have different absolute values, the first DC voltage (V _{RECT_P} ) is a positive (+) voltage, and the second DC voltage (V _{RECT_M} ) May be a negative (-) voltage. For example, the power source 11 may generate a pair of AC voltages V _P and V _M having different absolute values.

다음으로, 직류-직류 변환부(200)는 제1 및 제2 직류전압(V_{RECT_P}, V_{RECT_M})을 일정 크기 레벨로 조절하고, 하나의 인덕터(L)를 통해 출력단(201)으로 부하전력을 출력할 수 있다. Next, the DC-DC converter 200 _adjusts the first and second DC voltages V RECT_P and V _{RECT_M} to a predetermined level, and transfers the load power to the output terminal 201 through one inductor L. Can be printed.

다음으로, 입력 스위치 연결부(300)는 출력단(201)으로 전달되기 위한 한쌍의 전달전력 커패시터(C_{IN_M}, C_{IN_P})에 충전된 제1 및 제2 입력전압(V_{DCDC_P}, V_{DCDC_M}) 중 어느 하나의 입력전압을 결정할 수 있다. Next, the input switch connection unit 300 is any one of the first and second input voltages (V _{DCDC_P} , V _{DCDC_M} _{) charged in a pair of transmitted power capacitors (C IN_M} , C _{IN_P) to be delivered to the output terminal 201.} The input voltage of can be determined.

다음으로, 최대 전력점 추적회로부(400)는 입력 스위치 연결부(300)에 시스템 온-칩으로 형성되고, 전력원(11)의 개방전압에 일정 퍼센트에 해당하는 최대 전력점 전압을 생성할 수 있다. 이에 따라, 입력 스위치 연결부(300)에 시스템 온-칩으로 형성되는 최대 전력점 추적회로부(400)는 종래의 이중 입력 고전압용 이중입력 직류-직류 변환기에 비해, PCB 면적 및 제작 단가를 감소시킬 수 있다. Next, the maximum power point tracking circuit unit 400 is formed as a system on-chip in the input switch connection unit 300, and can generate a maximum power point voltage corresponding to a certain percentage of the open-circuit voltage of the power source 11 . Accordingly, the maximum power point tracking circuit unit 400 formed as a system on-chip in the input switch connection unit 300 can reduce the PCB area and manufacturing cost compared to the conventional dual input high voltage dual input DC-DC converter. have.

본 출원의 실시예에 있어서, 입력 스위치 연결부(300)는 교류-직류 변환부(100)를 일정 주기마다 직류-직류 변환부(200)와 최대 전력점 추적회로부(400)에 교대로 스위칭하여 연결시킬 수 있다. 구체적으로, 입력 스위치 연결부(300)는 제1 및 제2 입력 스위치 연결회로(310, 320)를 포함하고, 제1 입력 스위치 연결회로(310)는 교류-직류 변환부(100)로부터 제1 직류전압(V_{RECT_P})을 전달받고, 제2 입력 스위치 연결회로(320)는 교류-직류 변환부(100)로부터 제2 직류전압(V_{RECT_M})을 전달받을 수 있다. In the embodiment of the present application, the input switch connection unit 300 alternately switches and connects the AC-DC conversion unit 100 to the DC-DC conversion unit 200 and the maximum power point tracking circuit unit 400 every predetermined period. I can make it. Specifically, the input switch connection unit 300 includes first and second input switch connection circuits 310 and 320, and the first input switch connection circuit 310 is a first direct current from the AC-DC conversion unit 100. The voltage V _{RECT_P} is received, and the second input switch connection circuit 320 may receive the second DC voltage V _{RECT_M} from the AC-DC converter 100.

또한, 교류-직류 변환부(100)가 직류-직류 변환부(200)와 최대 전력점 추적회로부(400)에 교대로 연결됨에 따라, 입력 스위치 연결부(300)는 제1 및 제2 입력전압(V_{DCDC_P}, V_{DCDC_M})과 최대 전력점 전압(V_MPP)을 비교할 수 있다. 이때, 입력 스위치 연결부(300)는 상기 비교 결과에 기초하여, 출력단(201)으로 전달되는 제1 및 제2 입력전압(V_{DCDC_P}, V_{DCDC_M}) 중 하나의 입력전압을 결정할 수 있다. In addition, as the AC-DC conversion unit 100 is alternately connected to the DC-DC conversion unit 200 and the maximum power point tracking circuit unit 400, the input switch connection unit 300 has the first and second input voltages ( V _{DCDC_P} , V _{DCDC_M} ) and the maximum power point voltage (V _MPP ) can be compared. In this case, the input switch connector 300 may determine one of _{the first and second input voltages V DCDC_P} and V _{DCDC_M} delivered to the output terminal 201 based on the comparison result.

즉, 에너지 하베스팅 시스템(1000)은 입력 스위치 연결부(300)에 의해 교류-직류 변환부(100)에 연결되는 최대 전력점 추적회로부(400)를 통해 주기적으로 전력원(11)의 최대 전력점 전압을 추적할 수 있는 동시에, 제1 및 제2 입력전압(V_{DCDC_P}, V_{DCDC_M}) 중 하나의 입력전압을 출력단(201)으로 전달할 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스팅 시스템(1000)은 보다 높은 전력을 출력단(11)에 효율적으로 전달시킬 수 있는 효과를 가진다. That is, the energy harvesting system 1000 is the maximum power point of the power source 11 periodically through the maximum power point tracking circuit unit 400 connected to the AC-DC conversion unit 100 by the input switch connection unit 300. The voltage can be tracked, and at the same time, one of the first and second input voltages V _{DCDC_P} and V _{DCDC_M} can be transferred to the output terminal 201. Accordingly, the energy harvesting system 1000 has an effect of efficiently delivering higher power to the output terminal 11.

도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 최대 전력점 추적회로부(400)가 시스템 온-칩으로 구현된 제1 입력 스위치 연결회로(310)를 구체적으로 보여주는 도이다. FIG. 2 is a diagram illustrating in detail a first input switch connection circuit 310 in which the maximum power point tracking circuit unit 400 of FIG. 1 is implemented as a system on-chip according to an exemplary embodiment.

도 1과 도 2를 참조하면, 최대 전력점 추적회로부(400)가 온-칩으로 구현된 제1 입력 스위치 연결회로(310)는 제1 레벨시프터부(411), 제1 게이트 드라이버부(413), 제2 레벨시프터부(415), 제1 및 제2 전압분배부(417, 418) 및 제1 입력 스위치 비교기(311)를 포함할 수 있다. 1 and 2, the first input switch connection circuit 310 in which the maximum power point tracking circuit unit 400 is implemented as an on-chip is a first level shifter unit 411 and a first gate driver unit 413 ), a second level shifter 415, first and second voltage dividers 417 and 418, and a first input switch comparator 311.

먼저, 제1 레벨시프터부(411)는 직류-직류 변환부(200)와 교류-직류 변환부(100)를 전기적으로 연결하기 위한 제1 스위치(M_N1)를 스위칭시킬 수 있다. 즉, 제1 레벨시프터부(411)는 교류-직류 변환부(100)로부터 전달받는 제1 직류전압(V_{RECT_P})을 제1 전달전력 커패시터(CINM)에 충전시킬 수 있다. _{First, the first level shifter 411 may switch the first switch M N1} for electrically connecting the DC-DC conversion unit 200 and the AC-DC conversion unit 100. That is, the first level shifter unit 411 may charge the first DC voltage V _{RECT_P} received from the AC-DC converter 100 into the first transmission power capacitor CINM.

다음으로, 제1 게이트 드라이버부(413)는 전력원(11)의 개방전압을 일정 전압 크기로 조절하기 위한 한쌍의 제2 스위치(M_P1, M_P2)를 스위칭시킬 수 있다. _{Next, the first gate driver 413 may switch a pair of second switches M P1} and M _P2 for adjusting the open-circuit voltage of the power source 11 to a predetermined voltage level.

실시예에 따른 제1 게이트 드라이버부(413)는 제1 다이오드(D1), 제1 게이트 커패시터(C_GATE1), 전류원(I_BIAS) 및 기생 다이오드(D_BODY)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 직류전압(V_{RECT_M})이 임계전압을 초과하는 경우, 제1 다이오드(D1)는 제1 직류전압(V_{RECT_M})을 한쌍의 제3 스위치(M_P1, M_P2)의 게이트로 전달할 수 있다. 이때, 제1 게이트 커패시터(C_GATE1)는 제1 다이오드(D1)에 대하여 직렬로 연결되고, 전류원(I_BIAS)과 기생 다이오드(D_BODY)는 제1 다이오드(D1)에 대하여 병렬로 연결될 수 있다. The first gate driver 413 according to the embodiment may include a first diode D1, a first gate capacitor C _GATE1 , a current source I _BIAS , and a parasitic diode D _BODY . Specifically, when the first DC voltage V _{RECT_M} exceeds the threshold voltage, the first diode D1 converts the first DC voltage V _{RECT_M} to the gate of a pair of third switches M _P1 and M _P2. I can deliver. At this time, the first gate capacitor C _GATE1 may be connected in series with respect to the first diode D1, and the current source I _BIAS and the parasitic diode D _BODY may be connected in parallel with respect to the first diode D1. .

다음으로, 제2 레벨시프터부(415)는 제1 전달전력 커패시터(C_{IN_M})에 충전된 제1 충전전압(V_NM)을 일정 전압 크기로 조절하기 위한 제3 스위치(M_P3)를 스위칭시킬 수 있다. 여기서, 제1 전달전력 커패시터(C_{IN_M})는 제1 직류전압에 따라, 제1 스위치(M_N1)를 통해 제1 충전전압(V_NM)을 충전할 수 있다. Next, the second level shifter 415 _{switches the third switch (M P3} ) for adjusting the first charging voltage (V _NM _{) charged in the first transmission power capacitor (C IN_M} ) to a predetermined voltage level. I can. Here, the first transfer power capacitor C _{IN_M} may charge the first charging voltage V _NM _{through the first switch M N1} according to the first DC voltage.

다음으로, 제1 전압분배부(417)는 제2 레벨시프터부(415)를 통해 일정 전압 크기로 조절된 제1 충전전압(V_NM)을 일정 크기의 저전압 레벨인 제1 분배전압(V_{INP_DIV})으로 샘플링하기 위한 제4 스위치(M_N2)를 스위칭시킬 수 있다. 본 출원에서 샘플링이라함은 전압 분배를 의미할 수 있다. _{Next, the first voltage divider 417 applies} _{the first charging voltage V NM} adjusted to a certain voltage level through the second level shifter 415 to a first divide voltage V INP_DIV which is a low voltage level of a certain size. The fourth switch M _N2 for sampling with) may be switched. In the present application, “sampling” may mean voltage distribution.

다음으로, 제2 전압분배부(418)는 제1 개방전압 커패시터(C_OCP)에 충전된 제2 충전전압(V_OCP)을 일정 크기의 저전압 레벨인 제2 분배전압(V_{OCP_DIV})으로 샘플링하기 위한 제4 스위치(M_N3)를 스위칭시킬 수 있다. 여기서, 제1 개방전압 커패시터(C_OCP)는 한쌍의 제3 스위치(M_P1, M_P2)를 통해 교류-직류 변환부(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. _{Next, the second voltage divider 418} samples the second charging voltage V _OCP charged in the first open-circuit voltage capacitor C _OCP as a second divided voltage V OCP_DIV which is a low voltage level of a predetermined size. It is possible to switch the fourth switch (M _N3 ) for. Here, the first open-circuit voltage capacitor C _OCP may be electrically connected to the AC-DC converter 100 through a pair of third switches M _P1 and M _P2.

이후, 제1 입력 스위치 비교기(311)는 제1 분배전압(V_{INP_DIV})과 제2 분배전압(V_{OCP_DIV}) 간의 차이를 비교하고, 제1 분배전압(V_{INP_DIV})과 제2 분배전압(V_{OCP_DIV}) 간의 전압차에 기초하여, 제1 인에이블 신호(φ1)를 출력할 수 있다. 여기서, 제1 인에이블 신호(φ1)는 제1 입력 전압이 최대 전력점 전압보다 높은 상태인지 아닌지를 나타내는 신호일 수 있다. Then, the first input switch, the comparator 311 has a first distribution voltage (V _{INP_DIV)} and the second comparing the difference between the distribution voltage (V _{OCP_DIV),} the first distribution voltage (V _{INP_DIV)} and the second distribution voltage (V _{OCP_DIV} Based on the voltage difference between ), the first enable signal φ1 may be output. Here, the first enable signal φ1 may be a signal indicating whether the first input voltage is higher than the maximum power point voltage.

도 3은 다른 실시예에 따른 도 1의 최대 전력점 추적회로부(400)가 시스템 온-칩으로 구현된 제2 입력 스위치 연결부(320)를 구체적으로 보여주는 도이다. 3 is a diagram illustrating in detail a second input switch connection unit 320 in which the maximum power point tracking circuit unit 400 of FIG. 1 is implemented as a system on-chip according to another embodiment.

도 1과 도 3을 참조하면, 최대 전력점 추적회로부(400)가 온-칩으로 구현된 제2 입력 스위치 연결회로(320)는 제3 레벨시프터부(421), 제2 게이트 드라이버부(423), 제4 레벨시프터부(425), 제3 및 제4 전압분배부(427, 428) 및 제2 비교기(321)를 포함할 수 있다. 1 and 3, the second input switch connection circuit 320 in which the maximum power point tracking circuit unit 400 is implemented as an on-chip includes a third level shifter unit 421 and a second gate driver unit 423. ), a fourth level shifter unit 425, third and fourth voltage dividers 427 and 428, and a second comparator 321.

구체적으로, 제3 레벨시프터부(421)는 직류-직류 변환부(200)와 교류-직류 변환부(100)를 전기적으로 연결하기 위한 제5 스위치(M_N1)를 스위칭시킬 수 있다. 즉, 제3 레벨시프터부(421)는 교류-직류 변환부(100)로부터 전달받는 제2 직류전압(V_{RECT_M})을 제2 전달전력 커패시터(C_INM)에 충전시킬 수 있다. _{Specifically, the third level shifter 421 may switch the fifth switch M N1} for electrically connecting the DC-DC conversion unit 200 and the AC-DC conversion unit 100. That is, the third level shifter 421 may charge the second DC voltage V _{RECT_M} received from the AC-DC converter 100 into the second transmission power capacitor C _INM .

다음으로, 제2 게이트 드라이버부(423)는 전력원(11)의 개방전압을 일정 전압 크기로 조절하기 위한 제6 스위치(M_P1)를 스위칭시킬 수 있다. 여기서, 제6 스위치(M_P1)는 일정 크기보다 작은 음의 전극을 차단하기 위한 제3 다이오드(D2)가 병렬로 연결될 수 있다. _{Next, the second gate driver 423 may switch the sixth switch M P1} for adjusting the open-circuit voltage of the power source 11 to a predetermined voltage level. Here, in the sixth switch M _P1 , a third diode D2 for blocking a negative electrode smaller than a predetermined size may be connected in parallel.

실시예에 따라, 제2 게이트 드라이버부(423)는 제3 다이오드(D3) 및 제2 게이트 커패시터(C_GATE2)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 직류전압(V_{RECT_M})이 임계전압을 초과한 경우, 제3 다이오드(D3)는 제2 직류전압(V_{RECT_M})을 제2 게이트 커패시터(C_GATE2)로 전달하여, 제2 게이트 커패시터(C_GATE2)에 게이트 전압(V_{GATE_M})을 충전시킬 수 있다. 여기서, 제6 스위치(M_P1)는 게이트 전압(V_{GATE_M})에 기초하여, 교류-직류 변환부(100)로부터 전달받는 제2 직류전압(V_{RECT_M})을 제4 전압분배부(328)로 전달할 수 있다. According to an embodiment, the second gate driver 423 may include a third diode D3 and a second gate capacitor C _GATE2 . Specifically, when the second DC voltage V _{RECT_M} exceeds the threshold voltage, the third diode D3 transfers the second DC voltage V _{RECT_M} to the second gate capacitor C _GATE2 , and the second gate The gate voltage V _{GATE_M} may be charged in the capacitor C _GATE2. Here, the sixth switch (M _P1 _{) transmits the second DC voltage (V RECT_M} ) received from the AC-DC converter 100 to the fourth voltage divider 328 based on the gate voltage (V _{GATE_M ).} I can.

다음으로, 제4 레벨시프터부(425)는 제2 전달전력 커패시터(C_{IN_P})에 충전된 제3 충전전압(V_{NM_M})을 일정 전압 크기로 조절하기 위한 제7 스위치(M_P3)를 스위칭시킬 수 있다. 여기서, 제2 전달전력 커패시터(C_{IN_M})는 제2 직류전압(V_{RECT_M})에 따라, 제5 스위치(M_N1)를 통해 제3 충전전압(V_{NM_M})을 충전할 수 있다. Next, the fourth level shifter part 425 to switch the seventh switch (M _P3) for controlling the third charging voltage (V _{NM_M)} filled in the second transmission power capacitor (C _{IN_P)} to a predetermined voltage level I can. Here, the second transfer power capacitor C _{IN_M} may charge the third charging voltage V _{NM_M} through the fifth switch M _N1 according to the second DC voltage V _{RECT_M} .

다음으로, 제3 전압분배부(427)는 제4 레벨시프터부(425)를 통해 일정 전압 크기로 조절된 제3 충전전압(V_{NM_M})을 일정 크기의 저전압 레벨인 제3 분배전압(V_{INPDIV_M})으로 샘플링하기 위한 제7 스위치(M_N2)를 스위칭시킬 수 있다. _{Next, the third voltage divider 427 applies} the third charging voltage V NM_M adjusted to a certain voltage level through the fourth level shifter 425 to _{a third divide voltage V INPDIV_M} which is a low voltage level of a certain size. The seventh switch M _N2 for sampling with) may be switched.

다음으로, 제4 전압분배부(428)는 제2 개방전압 커패시터(C_OCM)에 충전된 제4 충전전압(V_OCM)을 일정 크기의 저전압 레벨인 제4 분배전압(V_{OCP_DIV})으로 샘플링하기 위한 제8 스위치(M_N3)를 스위칭시킬 수 있다. 여기서, 제2 개방전압 커패시터(C_OCP)는 하나의 제6 스위치(M_P1)를 통해 교류-직류 변환부(100)에 전기적으로 연결될 수 있다. _{Next, the fourth voltage divider 428} samples the fourth charged voltage V _OCM charged in the second open-circuit voltage capacitor C _OCM as a fourth divided voltage V OCP_DIV which is a low voltage level of a predetermined size. It is possible to switch the eighth switch (M _N3 ) for. Here, the second open-circuit voltage capacitor C _OCP may be electrically connected to the AC-DC converter 100 through one sixth switch M _P1.

이후, 제2 입력 스위치 비교기(329)는 제3 분배전압(V_{INM_DIV})과 제4 분배전압(V_{OCM_DIV}) 간의 차이를 비교하고, 제3 분배전압(V_{INM_DIV})과 제4 분배전압(V_{OCM_DIV}) 간의 전압차에 기초하여, 제2 인에이블 신호(φ2)를 출력할 수 있다. 여기서, 제2 인에이블 신호(φ2)는 제2 입력 전압이 최대 전력점 전압보다 높은 상태인지 아닌지를 나타내는 신호일 수 있다. Then, the second input switch, the comparator 329 is a third distribution voltage (V _{INM_DIV)} and the fourth comparing the difference between the distribution voltage (V _{OCM_DIV),} and the third distribution voltage (V _{INM_DIV)} and the fourth distribution voltage (V _{OCM_DIV} Based on the voltage difference between ), the second enable signal φ2 may be output. Here, the second enable signal φ2 may be a signal indicating whether the second input voltage is higher than the maximum power point voltage.

이하, 도 4와 도 5를 참조하여, 타이밍 콘트롤러부(500)에 대해 보다 구체적으로 설명될 것이다. Hereinafter, the timing controller unit 500 will be described in more detail with reference to FIGS. 4 and 5.

도 4는 도 3의 타이밍 콘트롤러부(500)를 구체적으로 보여주는 블록도이고, 도 5(A) 내지 도 5(C)는 도 4의 제1 내지 제3 저전압 생성기(511~513)에 대한 실시 예이다. 4 is a block diagram showing in detail the timing controller unit 500 of FIG. 3, and FIGS. 5(A) to 5(C) are implementations of the first to third low voltage generators 511 to 513 of FIG. Yes.

도 3과 도 4를 참조하면, 타이밍 콘트롤러부(500)는 제1 내지 제3 저전압 생성기(511~513), 제1 및 제2 저전압 비교기(521, 522) 및 카운터(530)를 포함할 수 있다. 3 and 4, the timing controller unit 500 may include first to third low voltage generators 511 to 513, first and second low voltage comparators 521 and 522, and a counter 530. have.

먼저, 제1 내지 제3 저전압 생성기(511~513)는 제1 직류전압(V_{RECT_P}), 제2 충전전압(V_OCP), 제2 직류전압(V_{RECT_M}) 및 교류전압의 음전압(V_M)을 일정 크기의 저전압 레벨의 타이밍 구동전압들(V_{OCP_LV}, V_{RECTP_LV}, V_{RECTM_LV}, V_{M_LV})로 변환할 수 있다. First, the first to third low voltage generators 511 to 513 have a first DC voltage (V _{RECT_P} ), a second charging voltage (V _OCP ), a second DC voltage (V _{RECT_M} ), and a negative voltage of the AC voltage (V _M ) Can be converted into _{timing driving voltages (V OCP_LV} , V _{RECTP_LV} , V _{RECTM_LV} , V _{M_LV} ) of a predetermined low voltage level.

구체적으로, 도 5A에 도시된 바와 같이, 제1 저전압 생성기(511)는 제1 직류전압(V_{RECT_P})와 제2 충전전압(V_OCP)을 전달받아 일정 크기의 저전압 레벨의 제1 타이밍 구동전압들(V_{OCP_LV}, V_{RECTP_LV})으로 변환할 수 있다. 또한, 도 5B에 도시된 바와 같이, 제2 저전압 생성기(512)는 제2 직류전압(V_{RECT_M})을 전달받아, 일정 크기의 저전압 레벨의 제2 타이밍 구동전압들(V_{RECTM_LV}, V_{M_LV})로 변환할 수 있다. 또한, 도 5C에 도시된 바와 같이, 제3 저전압 생성기(513)는 교류전압의 음전압(V_M)을 전달받아 일정 크기의 저전압 레벨로 변환할 수 있다. Specifically, as shown in FIG. 5A, the first low voltage generator 511 receives the first DC voltage V _{RECT_P} and the second charging voltage V _OCP , and receives a first timing driving voltage of a predetermined low voltage level. Can be converted into V _{OCP_LV} and V _{RECTP_LV.} In addition, as shown in FIG. 5B, the second low voltage generator 512 receives the second DC voltage V _{RECT_M} and uses the second timing driving voltages V _{RECTM_LV} and V _{M_LV} of a predetermined low voltage level. Can be converted. In addition, as shown in FIG. 5C, the third low voltage generator 513 may receive the negative voltage V _M of the AC voltage and convert it into a low voltage level having a predetermined size.

다음으로, 제1 및 제2 저전압 비교기(521, 522)는 제1 및 제2 입력 스위치 연결회로(310, 320)를 구동시키기 위한 제1 타이밍 구동신호(ENP, DIVP)와 제2 타이밍 구동신호(ENM, DIVM, OC_START)를 생성할 수 있다. Next, the first and second low voltage comparators 521 and 522 are the first timing driving signals ENP and DIVP and the second timing driving signals for driving the first and second input switch connection circuits 310 and 320. (ENM, DIVM, OC_START) can be created.

구체적으로, 제1 저전압 비교기(521)는 제1 저전압 생성기(511)를 통해 저전압 레벨로 변환된 제1 직류전압(V_{RECT_P_LV})과 제2 충전전압(V_{OCP_LV})의 크기를 비교할 수 있다. 또한, 제1 저전압 비교기(521)는 비교 결과에 기초하여, 제1 구동신호(ENP, DIVP)를 제1 및 제2 전압분배부(317,318)로 출력할 수 있다. Specifically, the first low voltage comparator 521 may compare the magnitudes _{of the first DC voltage V RECT_P_LV} converted to a low voltage level through the first low voltage generator 511 and the second charging voltage V _{OCP_LV.} Also, the first low voltage comparator 521 may output the first driving signals ENP and DIVP to the first and second voltage dividers 317 and 318 based on the comparison result.

다음으로, 제2 저전압 비교기(522)는 제2 저전압 생성기(512)를 통해 저전압 레벨로 변환된 제2 직류전압(V_{RECT_M_LV})과 제3 저전압 생성기(513)를 통해 저전압 레벨로 변환된 교류전압의 음전압(V_{M_LV})의 크기를 비교할 수 있다. 또한, 제2 저전압 비교기(522)는 비교 결과에 기초하여, 제2 구동신호(ENP, DIVP)를 제3 및 제4 전압분배부(427, 428)로 출력할 수 있다.Next, the second low voltage comparator 522 is a second DC voltage V _{RECT_M_LV} converted to a low voltage level through the second low voltage generator 512 and an AC voltage converted to a low voltage level through the third low voltage generator 513. The magnitude of the negative voltage V _{M_LV} of may be compared. Also, the second low voltage comparator 522 may output the second driving signals ENP and DIVP to the third and fourth voltage dividers 427 and 428 based on the comparison result.

다음으로, 사이클 카운터(530)는 교류전압의 음전압(V_M)과 접지전압(V_SS)를 비교하는 사이클 비교기(531)와 비교 횟수를 카운팅함에 따라 제3 구동신호(OC_START)를 제1 내지 제4 레벨시프터부(311, 315, 321, 325)로 출력하는 N 비트 카운터(533)를 포함할 수 있다. Next, the cycle counter 530 first generates a third driving signal OC_START by counting the number of comparisons with the cycle comparator 531 comparing _{the negative voltage V M} of the AC voltage and the ground voltage V _SS. To the fourth level shifter 311, 315, 321, and 325, an N-bit counter 533 may be included.

도 6은 도 1의 에너지 하베스팅 시스템(1000)을 구체적으로 보여주는 회로도이고, 도 7은 도 6의 제어회로부(600)와 직류-직류 변환부(200) 사이의 연결 예를 보여주는 도이며, 도 8은 도 7의 제어회로부의 제어전압에 따른 직류-직류 변환부의 동작 예이고, 도 9(A) 내지 도 9(C)는 일 실시예에 따른 도 6의 제어회로부의 제1 동작 타이밍을 나타내는 실시 예이며, 도 10은 다른 실시예에 따른 도 6의 제어회로부의 제2 동작 타이밍을 나타내는 실시 예이다.6 is a circuit diagram specifically showing the energy harvesting system 1000 of FIG. 1, and FIG. 7 is a diagram showing an example of a connection between the control circuit part 600 of FIG. 6 and the DC-DC converter 200, and FIG. 8 is an operation example of a DC-DC conversion unit according to a control voltage of the control circuit unit of FIG. 7, and FIGS. 9A to 9C illustrate a first operation timing of the control circuit unit of FIG. 6 according to an embodiment. 10 is an embodiment showing the second operation timing of the control circuit unit of FIG. 6 according to another embodiment.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템(1000)은 교류-직류 변환부(100), 직류-직류 변환부(200), 입력 스위치 연결부(300), 최대 전력점 추적회로부(400) 제어회로부(600) 및 배터리충전부(700)를 포함할 수 있다. 이하, 도 1 내지 도 5에서 설명된 동일한 부재번호의 교류-직류 변환부(100), 직류-직류 변환부(200), 입력 스위치 연결부(300) 및 최대 전력점 추적회로부(400)에 대한 중복된 설명은 생략될 것이다. 1 to 7, the energy harvesting system 1000 includes an AC-DC conversion unit 100, a DC-DC conversion unit 200, an input switch connection unit 300, and a maximum power point tracking circuit unit 400. A control circuit unit 600 and a battery charging unit 700 may be included. Hereinafter, overlapping of the AC-DC conversion unit 100, DC-DC conversion unit 200, the input switch connection unit 300 and the maximum power point tracking circuit unit 400 of the same reference number described in FIGS. 1 to 5 Description will be omitted.

먼저, 직류-직류 변환부(200)는 제1 내지 제6 전력전달 스위치(MPH, MPL, MPO, MMH, MHL, MMO)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제6 전력전달 스위치(MPH, MPL, MPO, MMH, MHL, MMO)는 제어회로부(600)로부터 게이트측으로 제1 내지 제6 제어전압(VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO)을 전달받아 스위칭할 수 있다. First, the DC-DC converter 200 may include first to sixth power transfer switches (MPH, MPL, MPO, MMH, MHL, MMO). As shown in FIG. 7, the first to sixth power transfer switches MPH, MPL, MPO, MMH, MHL, and MMO have the first to sixth control voltages VPH, VPL, from the control circuit unit 600 to the gate side. VPO, VMH, VML, VMO) can be received and switched.

구체적으로, 제1 전력전달 스위치(MPH)는 제1 제어전압(VPH)에 기초하여 스위칭온되는 PMOS 트랜지스터일 수 있다. 다음으로, 제2 전력전달 스위치(MPL)는 제2 제어전압(VPL)에 기초하여 스위칭온되는 NMOS 트랜지스터일 수 있다. 다음으로, 제3 전력전달 스위치(MPO)는 제3 제어전압(VPO)에 기초하여 스위칭온되는 NMOS 트랜지스터일 수 있다. Specifically, the first power transfer switch MPH may be a PMOS transistor that is switched on based on the first control voltage VPH. Next, the second power transfer switch MPL may be an NMOS transistor that is switched on based on the second control voltage VPL. Next, the third power transfer switch MPO may be an NMOS transistor that is switched on based on the third control voltage VPO.

또한, 제4 전력전달 스위치(MMH)는 제4 제어전압(VMH)에 기초하여 스위칭온되는 PMOS 트랜지스터일 수 있다. 다음으로, 제5 전력전달 스위치(MML)는 제5 제어전압(VHL)에 기초하여 스위칭온되는 NMOS 트랜지스터일 수 있다. 다음으로, 제6 전력전달 스위치(MMO)는 제6 제어전압(VMO)에 기초하여 스위칭온되는 NMOS 트랜지스터일 수 있다. Also, the fourth power transfer switch MMH may be a PMOS transistor that is switched on based on the fourth control voltage VMH. Next, the fifth power transfer switch MML may be an NMOS transistor that is switched on based on the fifth control voltage VHL. Next, the sixth power transfer switch MMO may be an NMOS transistor that is switched on based on the sixth control voltage VMO.

다음으로, 제어회로부(600)는 제로 전류 감지회로(610), 직류-직류 변환기 제어회로(620), 제1 및 제2 구동회로 레벨시프터(631, 632), 제1 및 2 전압 더블러/논리 회로(641, 642)를 포함할 수 있다. Next, the control circuit unit 600 includes a zero current detection circuit 610, a DC-DC converter control circuit 620, first and second driving circuit level shifters 631 and 632, and first and second voltage doublers/ Logic circuits 641 and 642 may be included.

구체적으로, 제로 전류 감지회로(610)는 인덕터(L)의 양측(LX_P, LX_M)에 흐르는 제로 전류를 감지할 수 있다. Specifically, the zero current detection circuit 610 may sense the zero current flowing through both sides LX_P and LX_M of the inductor L.

다음으로, 직류-직류 변환기 제어회로(610)는 제1 및 제2 인에이블 신호(φ1, φ2), 클럭 신호(CK) 및 제로 전류에 기초하여, 제1 내지 제6 변환전압(VPHUB, VPLUB, VPOUB, VMHUB, VMLUB, VMOUB)을 생성할 수 있다. 이때, 직류-직류 변환기 제어회로(610)는 제1 및 제2 인에이블 신호(φ1, φ2)와 클럭 신호(CK)를 출력받을 때, 제로 전류 감지회로(610)를 통해 감지된 제로전류를 출력받을 수 있다. Next, the DC-DC converter control circuit 610 is based on the first and second enable signals φ1 and φ2, the clock signal CK, and the zero current, based on the first to sixth conversion voltages VPHUB and VPLUB. , VPOUB, VMHUB, VMLUB, VMOUB) can be created. At this time, when the DC-DC converter control circuit 610 receives the first and second enable signals φ1 and φ2 and the clock signal CK, the zero current sensed through the zero current detection circuit 610 is Can be printed.

도 7에 도시된 바와 같이, 제1 구동회로 레벨시프터(631)는 제1 변환전압(VPHUB)에 기초하여, 제1 제어전압(VPH)을 생성하고, 제2 구동회로 레벨시프터(632)는 제4 변환전압(VMHUB)에 기초하여, 제4 변환전압(VML)으로 생성할 수 있다. 7, the first driving circuit level shifter 631 generates a first control voltage VPH based on the first converted voltage VPHUB, and the second driving circuit level shifter 632 is The fourth converted voltage VML may be generated based on the fourth converted voltage VMHUB.

다음으로, 제1 전압 더블러/논리 회로(641)는 제1 변환전압(VPHUB)과 제6 변환전압(VMOUB)에 기초하여, 제6 제어전압(VPO)을 생성할 수 있다. 또한, 제2 전압 더블러/논리 회로(642)는 제4 변환전압(VMHUB)과 제3 변환전압(VPOUB)에 기초하여, 제3 제어전압(VPO)을 생성할 수 있다. Next, the first voltage doubler/logic circuit 641 may generate a sixth control voltage VPO based on the first converted voltage VPHUB and the sixth converted voltage VMOUB. Also, the second voltage doubler/logic circuit 642 may generate a third control voltage VPO based on the fourth converted voltage VMHUB and the third converted voltage VPOUB.

실시예에 따른 제어회로부(600)는 제1 및 제2 입력 스위치 연결회로(310, 320)를 통해 출력받는 제1 및 제2 인에이블 신호(φ1, φ2) 중 어느 하나에 기초하여, 클럭 신호(CK)에 따라 직류-직류 변환부(200)의 출력단으로 출력되는 출력전압(VOUT)을 조절할 수 있다. The control circuit unit 600 according to the embodiment includes a clock signal based on one of the first and second enable signals φ1 and φ2 output through the first and second input switch connection circuits 310 and 320. The output voltage VOUT output to the output terminal of the DC-DC converter 200 may be adjusted according to (CK).

구체적으로, 제어회로부(600)는 제1 및 제2 인에이블 신호(φ1, φ2) 중 어느 하나에 기초하여, 제1 및 제2 구동회로 레벨시프터(611, 612), 제1 및 제2 전압 더블러/논리 회로(641, 642)를 통해, 제1 내지 제6 전력전달 스위치(MPH, MPL, MPO, MMH, MHL, MMO)를 스위칭하는 제1 내지 제6 제어전압(VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO)을 출력할 수 있다. Specifically, the control circuit unit 600 is based on any one of the first and second enable signals (φ1, φ2), the first and second driving circuit level shifters 611, 612, the first and second voltage Through the doubler/logical circuits 641 and 642, the first to sixth control voltages (VPH, VPL, VPO) for switching the first to sixth power transfer switches (MPH, MPL, MPO, MMH, MHL, MMO) , VMH, VML, VMO) can be displayed.

예를 들면, 도 8(A)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 인에이블 신호(φ1, φ2)가 (1,0)인 경우, 제어회로부(600)는 제1 전달 커패시터(C_{IN_P})에 충전된 제1 입력전압(V_{DCDC_P})을 제1 경로를 통해 출력단으로 출력시킬 수 있다. 여기서, 제1 경로는, 제1 입력전압(V_{DCDC_P})이 제1 전달 커패시터(C_{IN_P})로부터 제1 전력전달 스위치(MPH), 인덕터(L) 및 제6 전력전달 스위치(MML)를 통해 출력단으로 통과하는 경로일 수 있다. For example, as shown in FIG. 8(A), when the first and second enable signals φ1 and φ2 are (1,0), the control circuit part 600 is the first transfer capacitor C _{IN_P} The first input voltage V _{DCDC_P} charged in) may be output to the output terminal through the first path. Here, the first path is the output terminal through the first power transfer switch (MPH), the inductor (L) and the sixth power transfer switch (MML) from _{the first input voltage (V DCDC_P} ) from the first transfer capacitor (C _{IN_P ).} It may be a path passing through.

예를 들면, 도 9(A) 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제어회로부(600)는 클럭 신호(CK)의 상승 엣지에 기준하여, 제1 내지 제6 제어전압(VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO)인 (0, 0, 1, 1, 0, 0)의 값을 출력할 수 있다. For example, as shown in Figs. 9A and 10, the control circuit unit 600 is based on the rising edge of the clock signal CK, the first to sixth control voltages VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO) values of (0, 0, 1, 1, 0, 0) can be output.

또한, 도 8(B)에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 인에이블 신호(φ1, φ2)가 (0,1)인 경우, 제어회로부(600)는 제2 전달 커패시터(C_{IN_M})에 충전된 제2 입력전압(V_{DCDC_M})을 제2 경로를 통해 출력단으로 출력시킬 수 있다. 여기서, 제2 경로는, 제2 전달 커패시터(C_{IN_M})로부터 제2 입력전압(V_{DCDC_M})이 제4 전력전달 스위치(MMH), 인덕터(L) 및 제6 전력전달 스위치(MMO)를 통해 출력단으로 통과하는 경로일 수 있다. In addition, as shown in FIG. 8(B), when the first and second enable signals φ1 and φ2 are (0,1), the control circuit part 600 is connected to the second transfer capacitor C _{IN_M} . The charged second input voltage V _{DCDC_M} may be output to the output terminal through the second path. Here, in the second path, the second input voltage (V _{DCDC_M} _{) from the second transfer capacitor (C IN_M} ) is output through the fourth power transfer switch (MMH), the inductor (L), and the sixth power transfer switch (MMO). It may be a path passing through.

예를 들면, 도 9(B) 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제어회로부(600)는 클럭 신호(CK)의 하강 엣지에 기준하여, 제1 내지 제6 제어전압(VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO)인 (1, 0, 0, 0, 1, 1)의 값을 출력할 수 있다. For example, as shown in Figs. 9B and 10, the control circuit unit 600 is based on the falling edge of the clock signal CK, the first to sixth control voltages VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO) values of (1, 0, 0, 0, 1, 1) can be output.

이때, 제1 및 제2 인에이블 신호(φP, φM)가 (1,1)인 경우, 제어회로부(600)는 제1 경로를 통해 제1 입력전압(V_{DCDC_P})을 출력시키고, 일정 시간 이후, 제2 경로를 통해 제2 입력전압(V_{DCDC_M})을 출력시킬 수 있다. 예를 들면, 도 9(C) 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제어회로부(600)는 클럭 신호(CK)의 상승 엣지에 기준하여, 제1 내지 제6 제어전압(VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO)인 (0, 0, 1, 1, 0, 0)의 값을 출력하고, 일정 시간 이후, 클럭 신호(CK)의 하강 엣지에 기준하여, 제1 내지 제6 제어전압(VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO)인 (1, 0, 0, 0, 1, 1)의 값을 출력할 수 있다. At this time, when the first and second enable signals φP and φM are (1,1), the control circuit unit 600 _{outputs the first input voltage V DCDC_P} through the first path, and after a certain time , A second input voltage V _{DCDC_M} may be output through the second path. For example, as shown in FIGS. 9(C) and 10, the control circuit part 600 is based on the rising edge of the clock signal CK, the first to sixth control voltages VPH, VPL, VPO, The value of (0, 0, 1, 1, 0, 0), which is VMH, VML, VMO, is output, and after a certain time, based on the falling edge of the clock signal CK, the first to sixth control voltages ( Values of (1, 0, 0, 0, 1, 1), which are VPH, VPL, VPO, VMH, VML, VMO), can be output.

다음으로, 직접충전부(700)는 제1 및 제2 직류전압(V_{RECT_P}, V_{RECT_M})에 기초하여, 출력단으로 출력전압(V_OUT)을 직접적으로 출력할 수 있다. Next, the direct charging unit 700 may directly _{output the output voltage V OUT} to the output terminal based on _{the first and second DC voltages V RECT_P} and V _{RECT_M} .

이하, 도 11을 참조하여, 직접충전부(700)에 대해 보다 구체적으로 설명될 것이다. Hereinafter, with reference to FIG. 11, the direct charging unit 700 will be described in more detail.

도 11은 도 6의 직접충전부(700)의 블록도이고, 도 12는 도 11의 직접충전 제어회로부(710)를 구체적으로 보여주는 회로도이고, 도 13은 도 11의 래치회로부(720)를 구체적으로 보여주는 회로도이며, 도 14는 도 11의 다이오드 회로부(730)를 구체적으로 보여주는 회로도이다. FIG. 11 is a block diagram of the direct charging unit 700 of FIG. 6, FIG. 12 is a circuit diagram specifically showing the direct charging control circuit unit 710 of FIG. 11, and FIG. 13 is a specific diagram of the latch circuit unit 720 of FIG. FIG. 14 is a circuit diagram showing a detailed circuit diagram of the diode circuit unit 730 of FIG. 11.

도 6, 도 11 내지 도 14를 참조하면, 직접충전부(700)는 직접충전 제어회로부(710), 직접충전 래치회로부(720) 및 직접충전 다이오드회로부(730)를 포함할 수 있다. 6 and 11 to 14, the direct charging unit 700 may include a direct charging control circuit unit 710, a direct charging latch circuit unit 720, and a direct charging diode circuit unit 730.

먼저, 직접충전 제어회로부(710)는 제2 직류전압(V_{RECT_M})과 제1 및 제2 기준전압(V_REF1, V_REF2)을 비교하여, 제1 및 제2 직접충전 비교신호(V_G1, V_G2)를 직접충전 래치회로부(720)로 출력할 수 있다. First, the direct charge control circuit unit 710 compares the second DC voltage V _{RECT_M} with the first and second reference voltages V _REF1 and V _REF2 , and the first and second direct charge comparison signals V _G1 and V _G2 ) may be output to the direct charging latch circuit unit 720.

도 12에 도시된 바와 같이, 직접충전 제어회로부(710)는 직접충전 트랜지스터(M1), 제1 및 제2 직접충전 비교기(711, 713) 및 D 플립플롭부(715)를 포함할 수 있다. 여기서, 직접충전 트랜지스터(M1)는 게이트 전압(V_STR)에 기초하여, 제2 직류전압(V_{RECT_M})과 드레인전압(V_INIT)을 스위칭하여 연결하는 native MOSFET일 수 있다. 예를 들면, 드레인전압(V_INIT)과 게이트 전압(V_STR)이 초기 상태인 0V이고, 초기전압(V_INIT)과 제2 직류전압(V_{RECT_M})이 상승하는 경우, 직접충전 트랜지스터(M1)의 드레인전압(V_INIT)은 상승할 수 있다. 이때, 드레인전압(V_INIT)은 제1 직접충전 비교기(711)의 입력전압으로 사용될 수 있다. As shown in FIG. 12, the direct charge control circuit unit 710 may include a direct charge transistor M1, first and second direct charge comparators 711 and 713, and a D flip-flop unit 715. Here, the direct charging transistor M1 may be a native MOSFET that switches and connects the second DC voltage V _{RECT_M} and the drain voltage V _INIT _{based on the gate voltage V STR.} For example, when the drain voltage (V _INIT ) and the gate voltage (V _STR ) are in the initial state of 0V, and the initial voltage (V _INIT ) and the second DC voltage (V _{RECT_M} ) rise, the direct charging transistor (M1) The drain voltage V _INIT of may increase. In this case, the drain voltage V _INIT may be used as an input voltage of the first direct charging comparator 711.

이어서, 제1 직접충전 비교기(711)는 드레인전압(V_INIT)과 제1 기준전압(V_REF1)을 비교하고, 제2 직접충전 비교기(713)는 출력전압(V_OUT)과 제2 기준전압(V_REF2)을 비교할 수 있다. Subsequently, the first direct charge comparator 711 compares the drain voltage V _INIT and the first reference voltage V _REF1 , and the second direct charge comparator 713 compares the output voltage V _OUT and the second reference voltage. (V _REF2 ) can be compared.

이어서, D 플립플롭부(715)는 제1 직접충전 비교기(711)를 통해 출력받는 신호에 기초하여, 직접충전 래치회로부(720)로 출력되는 제1 및 제2 직접충전 비교신호(V_G1, V_G2)를 변환시킬 수 있다. 예들 들면, 제1 직접충전 비교기(711)를 통해 출력받는 신호가 '0'에서 '1'로 바뀌는 경우, D 플립플롭부(715)는 제2 직접충전 비교신호(VG2)를 1로 변환시킬 수 있다. Then, the D flip-flop unit 715 is based on the signal output through the first direct charge comparator 711, the first and second direct charge comparison signals output to the direct charge latch circuit unit 720 (V _G1 , V _G2 ) can be converted. For example, when the signal output through the first direct charge comparator 711 changes from '0' to '1', the D flip-flop unit 715 converts the second direct charge comparison signal VG2 to 1. I can.

다음으로, 직접충전 래치회로부(720)는 제1 및 제2 직접충전 비교신호(G1, G2)에 기초하여, 제1 직류전압(V_{RECT_P})을 직접충전 다이오드회로부(730)로 전달할 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 직접충전 래치회로부(720)는 제1 및 제2 직접충전 비교신호(V_G1, V_G2)를 게이트측으로 연결받는 한쌍의 native MOSFET(721, 723)을 포함할 수 있다. Next, the direct charging latch circuit unit 720 may transmit the first DC voltage V _{RECT_P} to the direct charging diode circuit unit 730 based on the first and second direct charging comparison signals G1 and G2. As shown in FIG. 13, the direct charging latch circuit unit 720 may include a pair of native MOSFETs 721 and 723 for receiving _{the first and second direct charging comparison signals V G1} and V _{G2 to the gate side.} have.

다음으로, 직접충전 다이오드회로부(730)는 직접충전 래치회로부(720)를 통해 전달받은 제1 직류전압(V_{RECT_P})의 크기에 따라, 출력단으로 제1 직류전압(V_{RECT_P})을 출력할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 직류전압(V_{RECT_P})이 30V이상인 경우, 직접충전 래치회로부(720)를 통해 전달받은 제1 직류전압(V_{RECT_P})을 출력함으로써, 높은 전압인 제1 직류전압(V_{RECT_P})을 직접 충전시킴으로써, 전력원(11)의 최대 전력점에 도달하는 시간을 줄일 수 있게 하는 효과가 있다. Next, the direct charging diode circuit unit 730 may output the first DC voltage V _{RECT_P} to the output _{terminal according to the magnitude of the first DC voltage V RECT_P received through the direct charging latch circuit unit 720.} . As shown in FIG. 14, when the first DC voltage V _{RECT_P} is 30V or more, the first DC voltage V _{RECT_P} , which is a high voltage, is output by outputting the first DC voltage V RECT_P received through the direct charging latch circuit unit 720. By directly charging the voltage V _{RECT_P} , there is an effect of reducing the time required to reach the maximum power point of the power source 11.

도 15는 도 1의 에너지 하베스팅 시스템(1000)의 동작 프로세스이다. 15 is an operational process of the energy harvesting system 1000 of FIG. 1.

도 1 내지 도 15를 참조하면, S110 단계에서, 교류-직류 변환부(110)는 전력원(11)으로부터 전달받는 한쌍의 교류전압(V_P, V_M)을 제1 및 제2 직류전압(V_{RECT_P}, V_{RECT_M})으로 변환할 수 있다. 1 to 15, in step S110, the AC-DC converter 110 converts a pair of AC voltages V _P and V _M received from the power source 11 into the first and second DC voltages ( V _{RECT_P} , V _{RECT_M} ) can be converted.

실시예에 따라, 직접 충전부(700)는 초기 동작 시, 제1 및 제2 직류전압(V_{RECT_P}, V_{RECT_M})에 기초하여 직류-직류 변환부(120)의 출력단으로 출력전압(V_OUT)을 직접적으로 출력할 수 있다.Depending on the embodiment, the direct charging unit 700 during initial operation, based on the first and second DC voltages (V _{RECT_P} , V _{RECT_M} _{), the output voltage (V OUT} ) to the output terminal of the DC-DC conversion unit 120 Can be printed directly.

그런 다음, S120 단계에서, 직류-직류 변환부(120)가 제1 및 제2 직류전압(V_{RECT_P}, V_{RECT_M})을 일정 크기 레벨로 조절하고, 하나의 인덕터(L)를 통해 출력단으로 전달할 수 있다. Then, in step S120, the DC-DC converter 120 _adjusts the first and second DC voltages V RECT_P and V _{RECT_M} to a predetermined level, and can be transmitted to the output terminal through one inductor L. have.

그런 다음, S130 단계에서, 입력 스위치 연결부(300)는 인덕터(L)로 전달되는 한쌍의 전달전력 커패시터(C_{IN_M}, C_{IN_P})에 충전된 제1 및 제2 입력전압(V_{DCDC_P}, V_{DCDC_M}) 중 어느 하나의 입력전압을 결정할 수 있다. Then, in step S130, the input switch connection unit 300 is the first and second input voltages (V _{DCDC_P} , V _{DCDC_M} ) _{charged in the pair of transmission power capacitors (C IN_M} , C _{IN_P) transferred to the inductor (L).} Any one of the input voltages can be determined.

이때, S140 단계에서, 최대 전력점 추적회로부(400)는 전력원(11)의 개방전압에 일정 퍼센트에 해당하는 최대 전력점 전압을 생성할 수 있다. 여기서, 최대 전력점 추적회로부(400)는 입력 스위치 연결부(300)와 시스템 온-칩으로 구현될 수 있다. In this case, in step S140, the maximum power point tracking circuit unit 400 may generate a maximum power point voltage corresponding to a certain percentage of the open-circuit voltage of the power source 11. Here, the maximum power point tracking circuit unit 400 may be implemented as an input switch connection unit 300 and a system on-chip.

이후, S150 단계에서, 입력 스위치 연결부(300)는 일정 주기마다 교류-직류 변환부(100)를 직류-직류 변환부(200)와 최대 전력점 추적회로부(400)에 교대로 스위칭하여 연결할 수 있다. Thereafter, in step S150, the input switch connection unit 300 may alternately switch and connect the AC-DC conversion unit 100 to the DC-DC conversion unit 200 and the maximum power point tracking circuit unit 400 every predetermined period. .

실시예에 따라, 제어회로부(600)는 최대 전력점 추적회로부(400)를 통해 연결된 입력 스위치 연결부(300)로부터 출력받는 제1 및 제2 인에이블 신호(φ1, φ2)에 기초하여, 직류-직류 변환부(120)의 제1 내지 제6 전력전달 스위치를 스위칭할 수 있다. According to an embodiment, the control circuit unit 600 is based on the first and second enable signals (φ1, φ2) output from the input switch connection unit 300 connected through the maximum power point tracking circuit unit 400, DC- The first to sixth power transfer switches of the DC converter 120 may be switched.

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 understand 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.

11: 전력원
100: 교류-직류 변환부
200: 직류-직류 변환부
300: 입력 스위치 연결부
400: 최대 전력점 추적회로부
1000: 에너지 하베스팅 시스템 11: power source
100: AC-DC converter
200: DC-DC converter
300: input switch connection
400: maximum power point tracking circuit unit
1000: energy harvesting system

Claims

An AC-DC converter for converting a pair of AC voltages received from the power source into first and second DC voltages;
A DC-DC converter for adjusting the first and second DC voltages to a predetermined level and outputting the first and second DC voltages to an output terminal through one inductor;
An input switch connector configured to determine one of first and second input voltages charged in the pair of power transfer capacitors transmitted to the inductor; And
The energy harvesting system comprising a maximum power point tracking circuit unit formed of the input switch connection unit and a system on-chip, and generating a maximum power point voltage corresponding to a certain percentage of the open circuit voltage of the power source.

The method of claim 1,
The input switch connection unit alternately switches and connects the AC-DC conversion unit to any one of the DC-DC conversion unit and the maximum power point tracking circuit unit every predetermined period.

The method of claim 1,
The input switch connection part includes a first input switch connection part receiving a first DC voltage from the AC-DC conversion part; And
A second input switch connection part receiving a second DC voltage from the AC-DC converter,
Each of the first and second input switch connection units is formed of the maximum power point tracking circuit unit and a system on-chip, respectively.

The method of claim 3,
The first input switch connection unit may include a first level shifter for switching a first switch for electrically connecting the DC-DC converter and the AC-DC converter;
A first gate driver for switching at least one second switch for sampling the open-circuit voltage;
A second level shifter unit for switching a third switch for adjusting a first charging voltage charged in the first transmission power capacitor connected through the first switch;
A first voltage divider for switching a fourth switch for sampling the first charged voltage to a first divided voltage that is a low voltage level of a predetermined size; And
An energy harvesting system comprising a second voltage divider for switching a fourth switch for sampling a second charge voltage shared with the first open-circuit voltage capacitor connected to the at least one second switch as a second divided voltage.

The method of claim 4,
The first input switch connection unit comprises a comparator for comparing the first and second divided voltages and outputting a first enable signal based on a difference between the first and second divided voltages, energy harvesting system.

The method of claim 4,
The first gate driver unit may include: a first diode for transmitting the first DC voltage to the gate side of the pair of third switches when the first DC voltage exceeds a threshold voltage;
A first gate capacitor connected in series with respect to the first diode; And
An energy harvesting system comprising a first current source and a parasitic diode connected in parallel with respect to the first diode, respectively.

The method of claim 4,
The second input switch connection unit may include a third level shifter for switching a fifth switch for electrically connecting the DC-DC conversion unit and the AC-DC conversion unit;
A second gate driver for switching a sixth switch for sampling the open-circuit voltage;
A fourth level shifter unit for switching a seventh switch for adjusting a second charging voltage charged in the second transmission power capacitor connected through the fifth switch;
A first voltage divider for switching an eighth switch for sampling the third charged voltage to a third divided voltage, which is a low voltage level of a predetermined level; And
An energy harvesting system comprising a second voltage divider for switching a fourth switch for sampling a fourth charge voltage shared by the first open-circuit voltage capacitor connected to the at least one second switch as a fourth divided voltage.

The method of claim 7,
The second input switch connection unit comprises a comparator for comparing the third and fourth divided voltages and outputting a second enable signal based on a difference between the third and fourth divided voltages, energy harvesting system.

The method of claim 7,
The second gate driver unit may include: a third diode transferring the second DC voltage to the gate side of the seventh switch when the second DC voltage exceeds a threshold voltage; And
And a second gate capacitor connected in series with respect to the third diode and charging a gate voltage based on the second DC voltage.

The method of claim 3,
Based on the negative voltage of the AC voltage, the first and second DC voltages, and the open-circuit voltage, the energy harvesting system further comprises a timing controller to drive the input switch connection.

The method of claim 10,
The timing controller unit may include at least one low voltage generator for converting the negative voltage of the AC voltage, the first and second DC voltages, and the open-circuit voltage into timing driving voltages of a low voltage level;
First and second low voltage comparators for generating first and second timing driving signals for driving the first and second input switch connection circuits based on the timing driving voltages; And
And a cycle counter comprising a cycle comparator for comparing the negative voltage of the AC voltage and a ground voltage and an N-bit counter for counting the number of times of comparison of the cycle comparator.

The method of claim 1,
The energy harvesting system further comprises a control circuit unit for switching the first to sixth power transfer switches of the DC-DC conversion unit based on the first and second enable signals output from the input switch connection unit.

The method of claim 12,
The first and fourth power transfer switches are PMOS transistors,
The second, third, fifth and sixth power transfer switches are NMOS transistors.

The method of claim 13,
The control circuit unit may include a zero current sensing circuit for sensing a zero current flowing through the inductor;
A DC-DC converter control circuit for generating first to sixth converted voltages based on the first and second enable signals, the zero current, and the clock signal;
A fourth control for generating a first control voltage VPH for switching the first power transfer switch based on the first conversion voltage, and for switching the fourth power transfer switch based on the fourth conversion voltage First and second driving circuit level shifters generating voltages; And
A first for generating a sixth control voltage based on the first converted voltage and the sixth converted voltage, and generating a third control voltage VPO based on the fourth converted voltage and the third converted voltage. And a two voltage doubler/logic circuit.

The method of claim 12,
When the first and second enable signals are (1,0), the control circuit unit outputs the first input voltage charged in the first transfer capacitor of the DC-DC converter to an output terminal through a first path. Let,
The first path is a path through which the first input voltage passes from the first transfer capacitor to the output terminal through the first power transfer switch, the inductor, and the sixth power transfer switch.

The method of claim 13,
When the first and second enable signals are (0, 1), the control circuit unit transfers the second input voltage charged in the second transfer capacitor of the DC-DC converter to the output terminal through a second path. Print it out,
The second path is a path through which the second input voltage passes from the second transfer capacitor to the output terminal through the fourth power transfer switch, the inductor, and the sixth power transfer switch.

The method of claim 1,
An energy harvesting system further comprising a direct charging unit configured to directly output an output voltage to the output terminal during an initial operation based on the first and second DC voltages.

The method of claim 17,
The direct charging unit may include a direct charging control circuit unit configured to compare the second DC voltage with first and second reference voltages and output first and second direct charging comparison signals;
A direct charging latch circuit for transmitting the first DC voltage based on the first and second direct charging comparison signals; And
Energy including a direct charging diode circuit unit receiving the first DC voltage from the direct charging latch circuit unit _{and directly outputting the first DC voltage V RECT_P to the output terminal according to the magnitude of the first DC voltage} Harvesting system.

As a method of operation of the energy harvesting system,
Converting a pair of AC voltages received from the power source into first and second DC voltages by an AC-DC converter;
Adjusting the first and second DC voltages to a predetermined level by a DC-DC converter and outputting the first and second DC voltages to an output terminal through one inductor;
Determining one of the first and second input voltages charged in the pair of power transfer capacitors transmitted to the inductor by the input switch connection unit;
Generating, by a maximum power point tracking circuit unit, a maximum power point voltage corresponding to a certain percentage of the open-circuit voltage of the power source; And
The input switch connection unit comprises the step of alternately switching and connecting the AC-DC conversion unit to the DC-DC conversion unit and the maximum power point tracking circuit unit every predetermined period,
The maximum power point tracking circuit unit, the operation method of the energy harvesting system formed of the input switch connection unit and the system on-chip.

The method of claim 19,
Switching the first to sixth power transfer switches of the DC-DC conversion unit based on the first and second enable signals output from the input switch connection unit by a control circuit unit; And
The method of operating an energy harvesting system further comprising the step of directly outputting an output voltage to the output terminal during an initial operation by a direct charging unit based on the first and second DC voltages.