KR20210045273A - 최대 전력점 추적 효율 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템은 에너지 하베스팅 소자, 에너지 하베스팅 소자로부터 전송되는 입력 전압을 조정하는 스위칭 회로 및 스위칭 회로에 의해 조정된 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 변환 회로를 포함하는 전력 관리 집적 회로, 및 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 이용하여, 에너지 하베스팅 소자의 개방 회로 전압에 기반한 제 1 전력에 대한 입력 전압에 기반한 제 2 전력의 비율을 계산하는 측정 장치를 포함한다.

Description

최대 전력점 추적 효율 측정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF MEASURING MAXIMUM POWER POINT TRACKING EFFICIENCY}
본 발명은 최대 전력점을 추적하기 위한 측정 장치, 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템, 및 측정 장치를 이용하여 최대 전력점을 추적하는 방법에 관한 것이다.
주변 환경에서 버려지는 에너지를 수확하는 에너지 하베스팅 소자로는 열전 에너지 하베스팅 소자(Thermoelectric Generator), 압전 에너지 하베스팅 소자(Piezoelectric Generator), RF 에너지 하베스팅 소자(Radio Frequency Generator), 및 광전 에너지 하베스팅 소자(Photovoltaic Generator) 등이 있다. 예를 들어, 열전 에너지 하베스팅 소자는, 소자의 상하부에 일정한 온도 차이가 발생하면 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동하는 전자를 이용함으로써, 기전력을 생성한다.
에너지 하베스팅 소자에 의해 생성된 전기 에너지는 전력 관리 집적 회로(Power Management Integrated Circuit; PMIC)로 전달된다. 전력 관리 집적 회로는 전기 에너지를 변환하고, 그리고 변환된 전기 에너지를 배터리 또는 부하로 공급할 수 있다.
최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 기술은 에너지 하베스팅 소자로부터 부하로 최대 전력을 전달하는 조건을 만족시키기 위한 기술이다. 에너지 하베스팅 소자에 의해 생성된 기전력 및 에너지 하베스팅 소자에서 전력 관리 집적 회로로 전달되는 전력 사이의 손실을 파악하기 위해서, 최대 전력점 추적 기술의 효율을 측정하는 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 이용하여 최대 전력점을 추적하기 위한 측정 장치, 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템, 및 측정 장치를 이용하여 최대 전력점을 추적하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템은 에너지 하베스팅 소자, 에너지 하베스팅 소자로부터 전송되는 입력 전압을 조정하는 스위칭 회로 및 스위칭 회로에 의해 조정된 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 변환 회로를 포함하는 전력 관리 집적 회로, 및 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 이용하여, 에너지 하베스팅 소자의 개방 회로 전압에 기반한 제 1 전력에 대한 입력 전압에 기반한 제 2 전력의 비율을 계산하는 측정 장치를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 프로세서 및 인터페이스 회로를 포함하는 측정 장치를 이용하여 전력 관리 집적 회로에 연결된 에너지 하베스팅 소자의 최대 전력점(Maximum Power Point)을 추적하는 방법은, 인터페이스 회로에 의해, 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 수신하는 단계, 프로세서에 의해, 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 이용하여, 에너지 하베스팅 소자의 개방 회로 전압에 기반한 제 1 전력에 대한 입력 전압에 기반한 제 2 전력의 비율을 계산하는 단계, 및 인터페이스 회로에 의해, 계산된 비율을 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력점을 추적하기 위한 측정 장치는 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 이용함으로써, 단시간에 경제적으로 최대 전력점 추적 기술의 효율을 계산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템의 블록도를 예시적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 시스템의 회로도를 예시적으로 도시한다.
도 3은 도 2의 시스템의 회로도를 좀 더 간략하게 도시한다.
도 4는 열전 에너지 하베스팅 소자의 온도에 따른 열전 에너지 하베스팅 소자의 단락 회로 전류-개방 회로 전압의 특성을 나타내는 그래프를 예시적으로 도시한다.
도 5는 열전 에너지 하베스팅 소자의 온도에 따른 열전 에너지 하베스팅 소자의 개방 회로 전압-열전 에너지 하베스팅 소자의 출력 전력의 특성을 나타내는 그래프를 예시적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 측정 장치의 블록도를 예시적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 도 1의 측정 장치의 블록도를 예시적으로 도시한다.
도 8은 도 7의 계산기의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 블록도를 예시적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 측정 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도를 예시적으로 도시한다.
도 10은 도 9의 S200 단계를 구체적으로 설명하기 위한 순서도를 예시적으로 도시한다.
이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.
이하에서, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템의 블록도를 예시적으로 도시한다. 도 1을 참조하면, 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템(10)은 에너지 하베스팅 소자(11), 전력 관리 집적 회로(12), 및 측정 장치(100)를 포함할 수 있다.
에너지 하베스팅 소자(11)는 주변 환경에서 버려지는 에너지를 수확함으로써 전기 에너지를 출력할 수 있다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 소자(11)는 전력 관리 집적 회로(12)로 전기 에너지에 기반한 전력을 전압 또는 전류로서 전송할 수 있다. 에너지 하베스팅 소자(11)는 배터리 등의 일정한 전력원 대신 전력 관리 집적 회로(12)로 전력을 전송할 수 있다. 에너지 하베스팅 소자(11)는 주변 환경의 열, 태양광, 진동 등의 에너지원으로부터 에너지를 수확하고, 그리고 수확한 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력 관리 집적 회로(12)로 전력을 전송할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 에너지 하베스팅 소자(11)는 열전 에너지 하베스팅 소자, 압전 에너지 하베스팅 소자, RF(Radio Frequency) 에너지 하베스팅 소자, 및 광전 에너지 하베스팅 소자 중 어느 하나일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
전력 관리 집적 회로(Power Management Integrated Circuit; PMIC, 12)는 에너지 하베스팅 소자(11)로부터 수신한 전압 및 전류의 레벨을 조정하고, 그리고 조정된 전압 및 전류를 외부 장치로 전송할 수 있다. 예를 들어, 외부 장치는 배터리 또는 부하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
전력 관리 집적 회로(12)는 스위칭 회로(13) 및 변환 회로(14)를 포함할 수 있다.
스위칭 회로(13)는 에너지 하베스팅 소자(11)로부터 전송되는 입력 전압을 조정할 수 있다. 변환 회로(14)는 스위칭 회로(13)에 의해 조정된 입력 전압을 변환할 수 있고 그리고 변환된 전압을 출력 전압으로서 외부 장치로 출력할 수 있다.
측정 장치(100)는 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 임피던스(ZS) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)를 이용하여, 에너지 하베스팅 소자(11)의 개방 회로 전압에 기반한 전력 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압에 기반한 전력의 비율을 계산할 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(100)는 에너지 하베스팅 소자(11)의 개방 회로 전압에 기반한 전력에 대한 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압에 기반한 전력의 비율을 계산할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압에 기반한 전력은 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 임피던스(ZS) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압에 기초하여 결정될 수 있다. 측정 장치(100)의 구체적인 동작은 후술된다.
도 2는 도 1의 시스템의 회로도를 예시적으로 도시한다. 도 2를 참조하면, 도시의 편의를 위해, 시스템(10)의 에너지 하베스팅 소자(11) 그리고 전력 관리 집적 회로(12)의 스위칭 회로(13) 및 변환 회로(14)만 도시되었고, 측정 장치(100)의 도시는 생략되었다. 또한 도 2를 참조하면, 외부 장치의 부하(RL)가 변환 회로(14)에 연결된 것으로 예시적으로 도시되었다.
에너지 하베스팅 소자(11)는 주변 환경으로부터 에너지를 수확함으로써 개방회로 전압(VOC)을 출력하는 내부 전압원 및 내부 저항(RS)를 포함할 수 있다. 에너지 하베스팅 소자(11)는 스위칭 회로(13)로 스위칭 회로(13)의 입력 전압(V1)을 전송할 수 있다. 여기서, 개방회로 전압(VOC)은 에너지 하베스팅 소자(11)가 개방된 경우(예를 들어, 에너지 하베스팅 소자(11)에 연결된 임의의 장치가 없는 경우 또는 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)가 무한대인 경우)의 에너지 하베스팅 소자(11)의 전압을 나타낼 수 있다. 반면에, 스위칭 회로(13)로 전송되는 입력 전압(V1)은 에너지 하베스팅 소자(11)가 개방되지 않고 전력 관리 집적 회로(12)에 연결된 경우의 에너지 하베스팅 소자(11)의 전압을 나타낼 수 있다. 개방회로 전압(VOC)과 입력 전압(V1)은 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 저항(RS)으로 인하여 서로 상이할 수 있다.
스위칭 회로(13)는 제 1 내지 제 4 스위칭 트랜지스터들(131~134), 제 1 내지 제 3 스위칭 커패시터들(135, 136, Ctem) 및 비교기(137)를 포함할 수 있다. 스위칭 회로(13)는 변환 회로(14)로 입력 전압(V1)을 조정함으로써 생성된 조정 전압(Vtem)을 전송할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 회로(13)는 스위칭 트랜지스터들(131~134)의 동작(예를 들어, 턴 온 또는 턴 오프)을 제어함으로써 조정 전압(Vtem)의 레벨을 제어할 수 있다. 스위칭 커패시터들(135, 136, Ctem)은 용량성 에너지를 저장할 수 있다. 스위칭 커패시터들(135, 136, Ctem)은 저장된 용량성 에너지를 방출할 수 있다.
스위칭 회로(13)는 조정 전압(Vtem)의 레벨을 제어함으로써 변환 회로(14)로 최대 전력 전달 조건을 만족하는 조정 전압(Vtem)을 전송할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 조정 전압(Vtem)의 레벨은 에너지 하베스팅 소자(11)의 특성에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 회로(13)는 에너지 하베스팅 소자(11)로 직접적으로 연결될 수 있고, 그리고 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)는 스위칭 회로(13)의 동작에 의해 결정될 수 있다.
변환 회로(14)는 제 1 및 제 2 변환 인덕터들(L1, L2), 제 1 및 제 2 변환 트랜지스터들(141, 142), 제 1 및 제 2 변환 다이오드들(D1, D2), 및 제 1 및 제 2 변환 커패시터들(Cmp, Cout)을 포함할 수 있다. 변환 회로(14)는 변환 트랜지스터들(141, 142)의 동작을 제어함으로써 조정 전압(Vtem)을 변환 회로의 출력 전압(Vout)으로 변환할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 변환 회로(14)는 부스트 컨버터(Boost Converter), 벅 컨버터(Buck Converter), 및 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
부하(RL)는 변환 회로(14)로부터 전달된 전력을 소비할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 부하(RL)는 발광 다이오드(Light-Emitting Diode; LED)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 부하(RL)는 TV, 냉장고, 에어컨(Air conditioner) 등과 같은 가전 제품을 포함할 수 있다.
도 3은 도 2의 시스템의 회로도를 좀 더 간략하게 도시한다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템(10)은 에너지 하베스팅 소자(11), 전력 관리 집적 회로(12) 및 부하(ZL)을 포함할 수 있다.
에너지 하베스팅 소자(11)는 주변 환경으로부터 에너지를 수확함으로써 개방회로 전압(VOC) 및 단락 회로 전류(ISC)를 출력하는 내부 전압원 및 내부 임피던스(ZS)를 포함할 수 있다. 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 전압원은 개방회로 전압(VOC)에 기반한 전력(PMPP)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 전력(PMPP)은 1/2 X VOC X ISC일 수 있다. 단락 회로 전류(ISC)는 에너지 하베스팅 소자(11)의 양단이 단락되었을 때의 에너지 하베스팅 소자(11)를 통해 흐르는 전류를 나타낼 수 있다.
전력 관리 집적 회로(12)는 입력 임피던스(ZIN)를 포함할 수 있다. 전력 관리 집적 회로(12)는 입력 전압(VIN) 및 입력 전류(IIN)를 에너지 하베스팅 소자(11)로부터 수신할 수 있다. 전력 관리 집적 회로(12)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 전압(VIN)에 기초한 전력(P2)을 에너지 하베스팅 소자(11)로부터 수신할 수 있다. 전력 관리 집적 회로(12)는 부하(ZL)에 의해 요구되는 전력에 기반하여 입력 전압(VIN)의 레벨을 조정할 수 있다. 전력 관리 집적 회로는 출력 전압(VOUT)을 부하(ZL)로 전송할 수 있다.
부하(ZL)는 출력 전압(VOUT)을 전력 관리 집적 회로(12)로부터 수신할 수 있다. 부하(ZL)는 출력 전압(VOUT)에 기반한 전력을 전력 관리 집적 회로(12)로부터 수신할 수 있다.
도 4는 열전 에너지 하베스팅 소자의 온도에 따른 열전 에너지 하베스팅 소자의 단락 회로 전류-개방 회로 전압의 특성을 나타내는 그래프를 예시적으로 도시한다. 도 5는 열전 에너지 하베스팅 소자의 온도에 따른 열전 에너지 하베스팅 소자의 개방 회로 전압-열전 에너지 하베스팅 소자의 출력 전력의 특성을 나타내는 그래프를 예시적으로 도시한다. 도 1, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 일 실시 예에 있어서 에너지 하베스팅 소자(11)는 열전 에너지 하베스팅 소자(Thermoelectric Generator; TEG)를 포함할 수 있다. 도 4 및 도 5는 에너지 하베스팅 소자(11)가 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)인 경우의 그래프를 도시하고 있으나, 본 발명은 에너지 하베스팅 소자(11)가 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)인 경우에 제한되지 아니한다.
에너지 하베스팅 소자(11)의 유형에 따라 에너지 하베스팅 소자(11)의 단락 회로 전류-개방 회로 전압 특성 및 개방 회로 전압-출력 전력 특성이 결정될 수 있다. 에너지 하베스팅 소자(11)의 유형에 따라 부하(ZL)에 최대 전력을 공급하기 위한 조건이 결정될 수 있다.
도 4의 그래프를 참조하면, 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 단락 회로 전류(ISC)는 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 개방 회로 전압(VOC)에 반비례할 수 있다. 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 개방 회로 전압(VOC)은 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 온도가 높아질수록 커질 수 있다.
아래의 수학식 1 내지 수학식 3을 참조하면, 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 내부 임피던스(ZS) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)가 동일할 때 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)로부터 최대 전력이 얻어질 수 있다. 즉, 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)는 최대 전력을 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)의 매칭이 이루어질 때 출력할 수 있다. 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 내부 임피던스(ZS) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN) 사이의 차이만큼 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)의 개방 회로 전압(VOC)에 기반한 전력(P1) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압(VIN)에 기반한 전력(P2) 사이에 손실이 발생할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, 전력(P2)은 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압(VIN) 및 입력 전류(IIN)의 곱으로 표현될 수 있다. 전력(P2)은 입력 전압(VIN) 및 개방 회로 전압(VOC)의 관계식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
수학식 2 및 수학식 3에서, 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)에서 최대 전력 'Pmax'를 얻기 위한 입력 전압(VIN)의 조건이 표현될 수 있다. 입력 전압(VIN)의 크기가 개방 회로 전압(VOC)의 크기의 절반에 해당되는 경우, 최대 전력 'Pmax'가 열전 에너지 하베스팅 소자(TEG)로부터 전력 관리 집적 회로(12)로 전송될 수 있다. 도 5 의 그래프를 참조하면, 입력 전압(VIN)의 크기가 개방 회로 전압(VOC)의 크기의 절반에 해당되는 경우, 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)의 매칭이 이루어짐으로써 최대 전력이 전달되는 것이 확인될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)의 매칭을 이루기 위해, 전력 관리 집적 회로(12)의 스위칭 회로(13)는 스위칭 트랜지스터들(131~134)의 동작을 제어함으로써 입력 전압(VIN)의 레벨을 조정할 수 있다.
에너지 하베스팅 소자(11)로부터 최대 전력을 얻기 위하여, 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking; MPPT) 기술이 적용될 수 있다. 최대 전력점 추적 효율을 측정하기 위한 식은 아래 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
수학식 4에서, 'ηm'은 최대 전력점 추적 효율을 나타낸다. 'PMPP'는 에너지 하베스팅 소자(11)에서 얻을 수 있는 최대 전력을 나타낸다. 효율 'ηm'은 최대 전력 'PMPP'에 대한 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압(VIN)에 기반한 전력(P2)의 비율로 표현될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 효율 'ηm'을 측정하는 장치는 에너지 하베스팅 소자(11)에서 얻을 수 있는 최대 전력 'PMPP'을 측정하고, 전력 관리 집적 회로(12) 및 에너지 하베스팅 소자(11)를 연결하고, 그리고 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압(VIN)에 기반한 전력(P2)을 측정할 수 있다. 즉, 효율 'ηm'을 측정하는 장치는 에너지 하베스팅 소자(11)의 개방 회로 전압(VOC) 및 단락 회로 전류(ISC), 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 전압(VIN) 및 입력 전류(IIN)를 측정해야 할 수 있다. 이에 따라, 효율 'ηm'을 측정하는 장치는 복수 개의 전압들 및 전류들을 측정하여야 하기 때문에, 측정에 높은 비용 및 많은 시간을 요구한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 측정 장치의 블록도를 예시적으로 도시한다. 도 1, 도 3 및 도 6을 참조하면, 측정 장치(100)는 프로세서(110), 메모리(120), 인터페이스 회로(130), 버스(140), 및 스토리지(150)를 포함할 수 있다.
프로세서(110)는 측정 장치(100)의 중앙 처리 장치로서의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(110)는 인터페이스 회로(130)에 의해 수신된 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 임피던스(ZS) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)를 이용하여 효율 'ηm'을 계산하기 위한 어플리케이션, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 프로그램 코드를 실행할 수 있다. 프로세서(110)는 메모리(120), 인터페이스 회로(130) 및 스토리지(150)를 제어할 수 있다. 프로세서(110)의 개수는 하나 이상일 수 있다. 프로세서(110)는 메모리(120)의 저장 공간을 활용하여 동작할 수 있고, 스토리지(150)로부터 상술한 어플리케이션, 소프트웨어, 펌웨어 또는 프로그램 코드를 메모리(120)로 로드할 수 있다. 프로세서(110)는 상술한 어플리케이션, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 프로그램 코드뿐만 아니라, 메모리(120)에 로드된 운영 체제 및 다양한 어플리케이션들을 더 실행할 수도 있다. 프로세서(110)에 의해 제어되는 측정 장치(100)의 구체적인 동작 방법은 후술된다.
메모리(120)는 프로세서(110)에 의하여 처리되거나 처리될 예정인 데이터 및 프로그램 코드들을 저장할 수 있다. 메모리(120)는 측정 장치(100)의 주기억장치로 이용될 수 있다. 메모리(120)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FeRAM(Ferroelectronic Random Access Memory), RRAM(Resistive Random Access Memory) 등을 포함할 수 있고, 버퍼 메모리 혹은 캐시 메모리 등으로도 지칭될 수 있다. 메모리(120)의 개수는 하나 이상일 수 있다. 메모리(120)는 측정 장치(100)와 통신 가능한 외부 장치로서도 구현될 수도 있다.
인터페이스 회로(130)는 프로세서(110)의 제어에 기초하여 다양한 유선 혹은 무선의 규약들에 따라 에너지 하베스팅 소자(11) 및 전력 관리 집적 회로(12)와 통신할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 회로(130)는 프로세서(110)의 요청에 따라, 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 임피던스(ZS)의 값을 에너지 하베스팅 소자(11)로부터 수신할 수 있다. 인터페이스 회로(130)는 프로세서(110)의 요청에 따라, 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)의 값을 전력 관리 집적 회로(12)로부터 수신할 수 있다. 인터페이스 회로(130)는 프로세서(110)에 의하여 계산된 효율 'ηm'을 출력할 수 있다.
버스(140)는 측정 장치(100)의 구성 요소들 사이에서 통신 경로를 제공할 수 있다. 프로세서(110), 메모리(120), 인터페이스 회로(130) 및 스토리지(150)는 버스(140)를 통해 서로 데이터를 교환할 수 있다. 버스(140)는 측정 장치(100)에서 이용되는 다양한 유형의 통신 포맷을 지원하도록 구성될 수 있다.
스토리지(150)는 운영 체제 또는 어플리케이션들에 의해 장기적인 저장을 목적으로 생성되는 데이터, 운영 체제를 구동하기 위한 파일, 또는 어플리케이션들의 실행 파일들을 저장할 수 있다. 예를 들어, 스토리지(150)는 메모리(120)의 실행을 위한 파일들을 저장할 수 있다. 스토리지(150)는 측정 장치(100)의 보조 기억 장치로 이용될 수 있다. 스토리지(150)는 플래시 메모리, PRAM, MRAM, FeRAM, RRAM 등을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 도 1의 측정 장치의 블록도를 예시적으로 도시한다. 도 1, 도 3 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 측정 장치(200)는 계산기(210), 레지스터(220), 인터페이스 회로(230) 및 버스(240)를 포함할 수 있다. 측정 장치(200)는 도 1의 측정 장치(100)의 일 예시일 수 있다.
계산기(210)는 측정 장치(200)의 중앙 처리 장치로서의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 계산기(210)는 인터페이스 회로(230)에 의해 수신된 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 임피던스(ZS) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)를 이용하여 효율 'ηm'을 계산할 수 있다. 계산기(210)의 구체적인 동작은 후술된다.
레지스터(220)는 계산기(210)에 의해 계산된 값들 및 인터페이스 회로(230)에 의해 수신된 값들을 저장할 수 있다. 예를 들어, 레지스터(220)는 계산기(210)에 의해 계산된 효율 'ηm'을 저장할 수 있다. 레지스터(220)는 인터페이스 회로(230)에 의해 수신된 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)를 저장할 수 있다.
측정 장치(200)는 인터페이스 회로(230)를 통해 에너지 하베스팅 소자(11) 및 전력 관리 집적 회로(12)로부터 정보를 수신하고, 그리고 전송할 수 있다. 인터페이스 회로(230)는 다양한 유선 혹은 무선의 규약들에 따라 에너지 하베스팅 소자(11) 및 전력 관리 집적 회로(12)와 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 회로(230)는 내부 임피던스(ZS)의 값에 대한 정보를 에너지 하베스팅 소자(11)로부터 수신할 수 있다. 인터페이스 회로(230)는 입력 임피던스(ZIN)의 값에 대한 정보를 전력 관리 집적 회로(12)로부터 수신할 수 있다. 인터페이스 회로(230)는 계산기(210)에 의해 계산된 효율 'ηm'에 대한 정보를 출력할 수 있다.
버스(240)는 측정 장치(200)의 구성 요소들 사이에서 통신 경로를 제공할 수 있다. 계산기(210), 레지스터(220) 및 인터페이스 회로(230)는 버스(240)를 통해 서로 데이터를 교환할 수 있다. 버스(240)는 측정 장치(200)에서 이용되는 다양한 유형의 통신 포맷을 지원하도록 구성될 수 있다.
도 8은 도 7의 계산기의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 블록도를 예시적으로 도시한다. 도 1, 도 3, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 측정 장치(200)의 계산기(210)는 덧셈기(211), 곱셈기(212), 및 나눗셈기(213)를 포함할 수 있다.
아래의 수학식 5 내지 수학식 7을 참조하면, 효율 'ηm'은 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 임피던스(ZS) 및 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)로 표현될 수 있다.
Figure pat00005
수학식 4에서 전력 'P2' 및 최대 전력' PMPP'에 대하여 표현된 효율 'ηm'은, 수학식 5에서 입력 전압(VIN), 입력 전류(IIN), 개방 회로 전압(VOC), 및 단락 회로 전류(ISC)에 대하여 표현될 수 있다.
Figure pat00006
수학식 5에서 입력 전압(VIN), 입력 전류(IIN), 개방 회로 전압(VOC), 및 단락 회로 전류(ISC)에 대하여 표현된 효율 'ηm'은, 수학식 6에서 입력 전압(VIN), 개방 회로 전압(VOC), 내부 임피던스(ZS), 및 입력 임피던스(ZIN)에 대하여 표현될 수 있다. 수학식 6을 정리한 식은 아래 수학식 7과 같다.
Figure pat00007
수학식 7을 통해, 효율 'ηm'은 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)에 대하여 표현될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 측정 장치(200)의 계산기(210)는 수학식 7에 기반하여 효율 'ηm'을 계산할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 계산기(210)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)만을 이용하여 효율 'ηm'을 계산할 수 있다.
예를 들어, 계산기(210)의 덧셈기(211)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)를 인터페이스 회로(230)로부터 버스(240)를 통해 수신할 수 있다. 덧셈기(211)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)의 합인 제 1 값(C1)을 계산할 수 있다. 덧셈기(211)는 제 1 값(C1)을 곱셈기(212)로 전송할 수 있다.
계산기(210)의 곱셈기(212)는 내부 임피던스(ZS)의 값에 대한 정보 및 입력 임피던스(ZIN)의 값에 대한 정보를 인터페이스 회로(230)로부터 버스(240)를 통해 수신할 수 있다. 곱셈기(212)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)의 곱을 계산할 수 있다. 곱셈기(212)는 계산된 곱의 k(k는 1 이상의 정수)배인 제 2 값(C2)을 계산할 수 있다.
곱셈기(212)는 제 1 값(C1)을 덧셈기(211)로부터 수신할 수 있다. 곱셈기(212)는 제 1 값(C1)의 m(m은 2 이상의 정수) 제곱인 제 3 값(C3)을 계산할 수 있다. 곱셈기(212)는 제 2 값(C2) 및 제 3 값(C3)을 나눗셈기(213)로 전송할 수 있다.
나눗셈기(213)는 제 2 값(C2) 및 제 3 값(C3)을 곱셈기(212)로부터 수신할 수 있다. 나눗셈기(213)는 제 2 값(C2) 및 제 3 값(C3)의 비율을 계산할 수 있다. 예를 들어, 나눗셈기(213)는 제 2 값(C2)의 제 3 값(C3)에 대한 비율을 계산함으로써, 효율 'ηm'을 계산할 수 있다.
예를 들어, k는 4이고, 그리고 m은 2일 수 있다. 다른 예를 들어, k는 400이고, m은 2일 수 있다. 다만 상술한 수치들로 본 발명의 범위가 제한되지 않는다. 효율 'ηm'의 단위는 [%]일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 측정 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도를 예시적으로 도시한다. 도 1, 도 3, 도 6 및 도 9를 참조하면, 측정 장치(100)는 프로세서(110)의 제어 하에 S100 내지 S300 단계들을 수행할 수 있다.
S100 단계에서, 측정 장치(100)의 인터페이스 회로(130)는 프로세서(110)의 제어 하에 에너지 하베스팅 소자(11)의 내부 임피던스(ZS)를 에너지 하베스팅 소자(11)로부터 수신할 수 있다. 인터페이스 회로(130)는 프로세서(110)의 제어 하에 전력 관리 집적 회로(12)의 입력 임피던스(ZIN)를 전력 관리 집적 회로(12)로부터 수신할 수 있다. 인터페이스 회로(130)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)를 프로세서(110) 및 메모리(120)로 버스(140)를 통해 전송할 수 있다.
S200 단계에서, 측정 장치(100)는 프로세서(110)의 제어 하에 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)를 이용하여 최대 전력점 추적 효율(ηm)을 계산할 수 있다. 최대 전력점 추적 효율(ηm)은 전술한 수학식 4 내지 7의 효율 'ηm' 일 수 있다. 측정 장치(100)의 프로세서(110)는 최대 전력점 추적 효율(ηm)을 메모리(120) 및 인터페이스 회로(130)로 버스(140)를 통해 전송할 수 있다. S200 단계는 구체적으로 후술된다.
S300 단계에서, 측정 장치(100)의 인터페이스 회로(130)는 프로세서(110)의 제어 하에 최대 전력점 추적 효율(ηm)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 회로(130)는 최대 전력점 추적 효율(ηm)을 전력 관리 집적 회로(12) 또는 사용자 단말기로 출력할 수 있다. 이 경우, 전력 관리 집적 회로(12)의 스위칭 회로(13)는 최대 전력점 추적 효율(ηm)에 기초하여 스위칭 트랜지스터들(131~134)의 동작을 제어할 수 있다.
도 10은 도 9의 S200 단계를 구체적으로 설명하기 위한 순서도를 예시적으로 도시한다. 도 1, 도3, 도 6, 도 9 및 도 10를 참조하면, 측정 장치(100)는 프로세서(110)의 제어 하에 S201 내지 S204 단계를 수행할 수 있다.
S201 단계에서, 측정 장치(100)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)의 합인 제 1 값(C1)을 계산할 수 있다. S202 단계에서, 측정 장치(100)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)의 곱을 계산할 수 있다. 측정 장치(100)는 계산된 곱의 k배인 제 2 값(C2)을 계산할 수 있다. S203 단계에서, 측정 장치(100)는 제 1 값(C1)의 m 제곱인 제 3 값(C3)을 계산할 수 있다. S204 단계에서, 측정 장치(100)는 제 2 값(C2) 및 제 3 값(C3)의 비율을 계산할 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(100)는 제 2 값(C2)의 제 3 값(C3)에 대한 비율을 계산함으로써, 최대 전력점 추적 효율(ηm)을 계산할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 측정 장치(100)는 전술한 수학식 7에 기반하여 최대 전력점 추적 효율(ηm)을 계산할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 측정 장치(100)는 내부 임피던스(ZS) 및 입력 임피던스(ZIN)만을 이용하여 최대 전력점 추적 효율(ηm)을 계산할 수 있다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 최대 전력점을 추출하기 위한 시스템
100, 200: 측정 장치

Claims (15)

  1. 에너지 하베스팅 소자;
    상기 에너지 하베스팅 소자로부터 전송되는 입력 전압을 조정하는 스위칭 회로 및 상기 스위칭 회로에 의해 조정된 상기 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 출력하는 변환 회로를 포함하는 전력 관리 집적 회로; 및
    상기 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 이용하여, 상기 에너지 하베스팅 소자의 개방 회로 전압에 기반한 제 1 전력에 대한 상기 입력 전압에 기반한 제 2 전력의 비율을 계산하는 측정 장치를 포함하는 최대 전력점을 추적하기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전력은 상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 입력 전압에 기반하여 결정되는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 소자는 열전 에너지 하베스팅 소자, 압전 에너지 하베스팅 소자, RF(Radio Frequency) 에너지 하베스팅 소자, 및 광전 에너지 하베스팅 소자 중 어느 하나를 포함하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 상기 입력 전압의 크기가 상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 개방 회로 전압의 크기의 1/2이 되도록 상기 입력 전압을 조정하고 그리고 상기 변환 회로로 조정된 상기 입력 전압을 전송하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 제 1 전력에 대한 상기 제 2 전력의 상기 비율을 상기 스위칭 회로로 전송하고, 그리고
    상기 스위칭 회로는 상기 비율에 기반하여 상기 입력 전압을 조정하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환 회로는 부스트 컨버터(Boost Converter), 벅 컨버터(Buck Converter), 및 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter) 중 어느 하나를 포함하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 장치는 상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스만을 이용하여 상기 제 1 전력에 대한 상기 제 2 전력의 상기 비율을 계산하는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 장치는:
    상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스의 합인 제 1 값을 계산하는 덧셈기;
    상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스의 곱의 k(k는 1 이상의 정수)배인 제 2 값을 계산하고, 그리고 상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스의 합의 m(m은 2 이상의 정수)제곱인 제 3 값을 계산하는 곱셈기; 및
    상기 제 2 값의 상기 제 3 값에 대한 상기 비율을 계산하는 나눗셈기를 포함하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 k는 4 이고, 그리고 상기 m은 2인 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 전력 관리 집적 회로에 전기적으로 연결되고 그리고 상기 출력 전압을 상기 전력 관리 집적 회로로부터 수신하는 외부 장치를 포함하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 외부 장치는 상기 출력 전압에 기반하여 충전되는 배터리 또는 상기 출력 전압에 기반한 전력을 소모하는 부하 중 어느 하나를 포함하는 시스템.
  12. 프로세서 및 인터페이스 회로를 포함하는 측정 장치의 동작 방법은:
    상기 인터페이스 회로에 의해, 전력 관리 집적 회로에 연결된 에너지 하베스팅 소자의 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 입력 임피던스를 수신하는 단계;
    상기 프로세서에 의해, 상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스를 이용하여, 상기 에너지 하베스팅 소자의 개방 회로 전압에 기반한 제 1 전력에 대한 상기 입력 전압에 기반한 제 2 전력의 비율을 계산하는 단계; 및
    상기 인터페이스 회로에 의해, 상기 비율을 출력하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 전력은 상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 입력 전압에 기반하여 결정되는 동작 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 비율을 계산하는 단계는:
    상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스의 합인 제 1 값을 계산하는 단계;
    상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스의 곱인 제 2 값을 계산하는 단계;
    상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스의 합의 거듭제곱인 제 3 값을 계산하는 단계;
    상기 제 2 값의 4배인 제 4 값을 계산하는 단계; 그리고
    상기 제 4 값의 상기 제 3 값에 대한 상기 비율을 계산하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 비율을 계산하는 단계는 상기 에너지 하베스팅 소자의 상기 내부 임피던스 및 상기 전력 관리 집적 회로의 상기 입력 임피던스만을 이용하여 상기 비율을 계산하는 동작 방법.
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