KR20210060913A - 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치 - Google Patents

에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 외부 전력원의 출력 단과 배터리의 일 단 사이에 배치되며, 전류 미러 회로를 이용하여 상기 외부 전력원에서 출력되는 전기 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 배터리 충전부; 및 상기 배터리의 양 단에 병렬로 연결되며, 상기 배터리의 출력 전압을 기반으로 상기 전류 미러 회로의 동작을 제어하여 상기 배터리의 과 충전을 방지하는 과충전 방지부를 포함한다.

Description

에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치{BATTERY CHARGING DEVICE FOR ENERGY HARVESTING}
본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 하베스터로부터 획득된 전류를 이용하여 배터리를 충전하는 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Harvesting)이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양/바람 등과 같은 자연 에너지를 수거하여 사용하는 기술을 총칭하는 것으로서, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확하는 것이므로 주로 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 정도의 범위를 갖는다.
에너지 하베스팅은 에너지를 얻기 위해 사용하는 방식에 따라 다양하게 나누어진다. 자연으로부터 에너지를 얻을 수 있는 방식에는 태양광으로부터 에너지를 얻는 솔라셀 방식, 열로부터 전기에너지를 얻는 열전소자 방식, 진동으로부터 전기에너지를 얻는 압전소자 방식, 전자기파로부터 에너지를 얻는 RF 방식, 자기장으로부터 에너지를 얻는 자기장 방식 등이 있다.
이러한 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 급의 저 전력을 생산하는 에너지 하베스팅에서의 배터리 충전은 선형 충전기(linear charger)가 주로 사용된다. 선형 충전기는 회로 구조가 비교적 단순하여 소형화 및 집적화가 가능하고, 노이즈(noise)에 민감한 응용들(applications)에 유리하다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 선형 충전기의 회로 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 선형 충전기(10)는 교류 아답터(AC Adapter, 11)의 출력 단과 접지(G) 사이에 연결된 제1 캐패시터(C1), 상기 교류 아답터(11)의 출력 단에 애노드(+) 단이 연결된 다이오드(D), 상기 다이오드(D)의 캐소드(-) 단에 일 단이 연결된 저항 소자(R), 상기 저항 소자(R)의 타 단과 배터리(14)의 입력 단에 전류 유입단과 전류 유출단이 각각 연결되고 구동단은 선형 충전기용 집적회로(Linear Charger IC, 12)에 의해 제어되는 P형 MOSFET 스위치(13), 및 상기 P형 MOSFET 스위치(13)의 전류 유출단과 접지 사이에 연결된 제2 캐패시터(C2)로 구성되어 있다.
이러한 구성을 갖는 선형 충전기(10)는 MOSFET 스위치(13)를 주로 사용하고 MOSFET 스위치(13)의 소스(source) 단이 배터리 측에 연결되기 때문에 MOSFET 스위치(13)의 게이트(gate) 단을 구동하는 Linear charger IC(12)의 구동 전압은 배터리 전압에 MOSFET 스위치(13)가 켜지는 임계 전압(Vth)을 합산한 전압 이상이어야 하므로 높은 전압이 필요하다는 문제가 있다. 또한, 선형 충전기(10)는 MOSFET 스위치(13)의 내부에 존재하는 역방향 다이오드로 인한 전류 흐름을 막기 위해 추가적인 다이오드(D)가 필요하다는 문제가 있다. 또한, 선형 충전기(10)는 배터리 충전 기능만을 수행하기 때문에 LED 구동을 위해서는 추가의 LED 구동 회로가 필요하다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 MOSFET 소자를 이용하여 소형화 및 집적화가 가능한 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 전류 미러 회로를 이용하여 배터리를 충전할 수 있는 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 배터리의 출력 전압을 기반으로 전류 미러 회로의 동작을 제어하여 배터리의 과 충전을 방지할 수 있는 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 외부 전력원의 출력 단과 배터리의 일 단 사이에 배치되며, 전류 미러 회로를 이용하여 상기 외부 전력원에서 출력되는 전기 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 배터리 충전부; 및 상기 배터리의 양 단에 병렬로 연결되며, 상기 배터리의 출력 전압을 기반으로 상기 전류 미러 회로의 동작을 제어하여 상기 배터리의 과 충전을 방지하는 과충전 방지부를 포함하는 배터리 충전 장치를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 배터리 충전부는 전류 미러 회로를 이용하여 배터리 충전 전류를 생성하고, 상기 배터리 충전 전류를 상기 배터리에 인가할 수 있다. 또한, 상기 배터리 충전부는 제1 트랜지스터 소자, 상기 제1 트랜지스터 소자의 게이트 단에 연결되는 제2 트랜지스터 소자 및 상기 제1 트랜지스터 소자의 드레인 단에 연결되는 제1 저항 소자를 포함할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 과충전 방지부는 상기 배터리의 일 단에 연결되는 제3 트랜지스터 소자, 상기 제1 및 제2 트랜지스터 소자의 게이트 단에 연결되는 제4 트랜지스터 소자, 상기 제3 트랜지스터 소자의 소스 단에 연결되는 제2 저항 소자 및 상기 제3 트랜지스터 소자의 드레인 단에 연결되는 제3 저항 소자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 과충전 방지부는, 상기 배터리의 전압이 일정 전압에 도달한 경우, 상기 전류 미러 회로의 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터의 게이트와 소스 사이의 전압 차를 감소하여 배터리 충전전류를 줄여줄 수 있다. 여기서, 상기 제2 및 제3 저항 소자는 과충전 방지 기능을 개시하기 위한 배터리 전압을 결정할 수 있다.
좀 더 바람직하게는, 상기 배터리 충전 장치는 배터리의 출력 단과 부하의 일 단 사이에 배치되어, 상기 배터리에서 출력되는 전기 에너지를 이용하여 상기 부하를 구동하는 부하 구동부를 더 포함할 수 있다. 상기 부하 구동부는 두 개의 트랜지스터와 하나의 저항 소자로 이루어진 전류 미러 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, MOSFET 소자를 이용함으로써, 소형화 및 집적화가 가능한 배터리 충전 장치를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 별도의 바이패스 회로를 설치할 필요 없이, 전류 미러 회로의 특성을 이용하여 배터리 충전 기능 및 과충전 방지 기능을 간편하게 수행할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 선형 충전기의 회로 구성도;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 전체 구성도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충전회로의 블록 구성도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충전회로의 상세 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 MOSFET 소자를 이용하여 소형화 및 집적화가 가능한 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 전류 미러 회로를 이용하여 배터리의 과 충전을 방지할 수 있는 에너지 하베스팅용 배터리 충전 장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 전체 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(200)은 에너지 하베스팅 장치(210), 배터리(220), 배터리 충전회로(230) 및 부하(240)를 포함한다.
에너지 하베스팅 장치(210)는 주변의 자연 또는 환경 에너지를 수집하여 전기 에너지로 변환하는 하베스터(211)와, 상기 하베스터(211)의 출력 전압을 정류하는 정류기(213)로 구성될 수 있다.
하베스터(211)는 기기 주변의 자연 또는 환경에서 버려지거나 활용되지 않은 자원을 이용하여 에너지를 수확하는 것이므로 주로 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 급의 낮은 저 전력을 생산한다.
정류기(213)는, 하베스터(211)의 출력 단에 연결되어, 상기 하베스터(211)로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 동작을 수행할 수 있다. 상기 정류기(213)로는, 4개의 다이오드(Diode)를 포함하는 풀 브릿지 타입의 정류기(full-bridge type rectifier)가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
배터리(220)는, 충전 모드 시, 에너지 하베스팅 장치(210)에서 출력되는 전기 에너지를 저장한다. 또한, 배터리(220)는, 방전 모드 시, 내부에 저장된 전기 에너지를 외부로 방출한다. 상기 배터리(220)의 충/방전 상태에 따라, 배터리 전압은 3.2V 내지 4V의 전압 범위를 가질 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
배터리 충전회로(230)는, 에너지 하베스팅 장치(210)와 배터리(220) 사이에 연결되어, 상기 에너지 하베스팅 장치(210)에서 출력되는 전기 에너지를 배터리(220)에 충전시키는 동작을 수행할 수 있다. 이때, 상기 배터리 충전회로(230)는 CC(Constant Current)/CV(Constant Voltage) 모드로 배터리(220)를 충전한다. CC/CV 모드는 처음에 정 전류로 충전하고 전압이 최대 충전 전압에 다다르면 정 전압으로 충전하는 방식이다. CC/CV 모드의 충전 방식은 비교적 구현하기 쉬우며 구조가 간단하여 현재 많은 충전기가 이 방식을 사용하고 있다.
부하(240)는 에너지 하베스팅 장치(210) 또는 배터리(220)에서 출력되는 전기 에너지를 소비한다. 상기 부하(240)로는 LED 소자 또는 센싱 장치 등이 사용될 수 있다.
배터리 충전회로(230)는, 배터리(220)와 부하(240) 사이에 연결되어, 상기 배터리(220)에서 출력되는 전기 에너지를 이용하여 부하(240)를 구동시키는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 배터리 충전회로(230)는, 에너지 하베스팅 장치(210)와 부하(240) 사이에 연결되어, 상기 에너지 하베스팅 장치(210)에서 출력되는 전기 에너지를 이용하여 부하(240)를 구동시키는 동작을 수행할 수도 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 배터리 충전회로(230)의 입력 단에 에너지 하베스팅 장치(210)가 연결되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 에너지 하베스팅 장치(210) 대신 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 급의 저 전력을 생산하는 다른 전력원이 연결될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충전회로의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충전회로(230, 300)는 배터리 충전부(310), 과충전 방지부(320) 및 부하 구동부(330)를 포함한다.
배터리 충전부(310)는 에너지 하베스팅 장치(210)의 출력 단과 배터리(220)의 일 단 사이에 배치되어, 상기 에너지 하베스팅 장치(210)에서 출력되는 전기 에너지를 배터리(220)에 충전시키는 동작을 수행할 수 있다.
배터리 충전부(310)는 배터리 충전 전류를 생성하기 위한 전류 미러(current mirror) 회로를 포함할 수 있다. 여기서, 전류 미러 회로는 트랜지스터를 전류원으로 이용하여 동일한 크기의 전류를 계속해서 만들어내는 회로이다. 일 실시 예로, 상기 전류 미러 회로는 두 개의 트랜지스터와 하나의 저항 소자로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
배터리 충전부(310)를 구성하는 트랜지스터로는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자 및 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 MOSFET 소자가 사용될 수 있다.
배터리 충전부(310)의 트랜지스터로 MOSFET 소자가 사용된 경우, 상기 배터리 충전부(310)를 구성하는 두 개의 MOSFET 소자는 서로 동일한 타입을 갖는 MOSFET 소자일 수 있다. 가령, 두 개의 MOSFET 소자는 모두 P채널형 MOSFET 소자이거나 혹은 N채널형 MOSFET 소자일 수 있다.
또한, 배터리 충전부(310)의 트랜지스터로 MOSFET 소자가 사용된 경우, 저항 소자는 두 개의 MOSFET 소자 중 어느 하나의 드레인(drain, D) 단 또는 소스(source, S) 단에 연결될 수 있다.
과충전 방지부(320)는, 배터리(220)의 양 단에 병렬로 연결되어, 상기 배터리(220)의 충전 모드를 CV(Constant Voltage) 모드로 동작시킬 수 있다. 즉, 과충전 방지부(320)는 배터리(220)가 만 충전되어 일정한 전압(VCV)에 도달하면 해당 배터리(220)의 전압이 일정한 전압(VCV) 이상으로 충전되지 않도록 제어하는 동작을 수행할 수 있다.
과충전 방지부(320)는 두 개의 트랜지스터와 두 개의 저항 소자를 포함할 수 있다. 상기 과충전 방지부(320)는 두 트랜지스터의 스위칭 동작을 통해 배터리 충전부(즉, 전류 미러 회로, 310)의 동작을 제어할 수 있다.
과충전 방지부(320)를 구성하는 트랜지스터로는 BJT 소자 및 MOSFET 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 MOSFET 소자가 사용될 수 있다.
과충전 방지부(320)의 트랜지스터로 MOSFET 소자가 사용된 경우, 해당 과충전 방지부(310)를 구성하는 두 개의 MOSFET 소자는 서로 다른 타입을 갖는 MOSFET 소자일 수 있다. 가령, 두 개의 MOSFET 소자 중 어느 하나는 P채널형 MOSFET 소자이고, 다른 하나는 N채널형 MOSFET 소자일 수 있다.
또한, 과충전 방지부(320)의 트랜지스터로 MOSFET 소자가 사용된 경우, 두 개의 저항 소자는 두 개의 MOSFET 소자 중 어느 하나의 드레인(D) 단 및 소스(S) 단에 연결될 수 있다.
부하 구동부(330)는 배터리(220)의 출력 단과 부하(240)의 일 단 사이에 배치되어, 상기 배터리(220)에서 출력되는 전기 에너지를 이용하여 부하(240)를 구동시키는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 부하 구동부(330)는 에너지 하베스팅 장치(210)의 출력 단과 부하(240)의 일 단 사이에 배치되어, 상기 에너지 하베스팅 장치(210)에서 출력되는 전기 에너지를 이용하여 부하(240)를 구동시키는 동작을 수행할 수도 있다.
부하 구동부(330)는 부하 구동 전류를 생성하기 위한 전류 미러 회로를 포함할 수 있다. 이때, 상기 부하 구동부(330)는 배터리 충전부(310)의 전류 미러 회로와 동일 또는 유사한 전류 미러 회로를 포함할 수 있다. 일 실시 예로, 상기 부하 구동부(330)는 두 개의 트랜지스터와 하나의 저항 소자로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
부하 구동부(330)를 구성하는 트랜지스터로는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자 및 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 MOSFET 소자가 사용될 수 있다.
부하 구동부(330)의 트랜지스터로 MOSFET 소자가 사용된 경우, 해당 부하 구동부(330)를 구성하는 두 개의 MOSFET 소자는 서로 동일한 타입을 갖는 MOSFET 소자일 수 있다. 또한, 상기 부하 구동부(310)를 구성하는 저항 소자는 두 개의 MOSFET 소자 중 어느 하나의 드레인(D) 단 또는 소스(S) 단에 연결될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 상기 부하 구동부(330)가 배터리 충전회로(300)의 내부에 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 배터리 충전회로(300)의 외부에 독립적으로 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 충전회로(300)는 제1 전류 미러 회로를 이용하여 배터리 충전 기능을 수행할 수 있고, 제2 전류 미러 회로를 이용하여 부하 구동 기능을 수행할 수 있다. 또한, 상기 배터리 충전회로(300)는, 배터리의 출력 전압을 기반으로 해당 배터리의 충전 상태를 감지하고, 배터리 만 충전 시 전류 미러 회로의 동작을 제어함으로써, 해당 배터리의 과 충전을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충전회로의 상세 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 충전회로(300)는 배터리 충전부(310), 과충전 방지부(320) 및 부하 구동부(330)를 포함한다.
배터리 충전부(310)는 에너지 하베스팅 장치(210)의 출력 단과 배터리(220)의 일 단 사이에 배치되어, 상기 에너지 하베스팅 장치(210)에서 출력되는 전기 에너지를 배터리(220)에 충전시키는 동작을 수행할 수 있다.
배터리 충전부(310)는 배터리 충전 전류를 생성하기 위한 전류 미러 회로를 포함할 수 있다. 상기 전류 미러 회로는 제1 MOSFET 소자(Q1), 제2 MOSFET 소자(Q2) 및 제1 저항 소자(R1)로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
전류 미러 회로는 트랜지스터를 전류원으로 이용하여 동일한 크기의 전류를 계속해서 만들어내는 회로이다. 따라서, 전류 미러 회로는 제1 MOSFET 소자(Q1)의 드레인 전류량(ID1)과 동일한 전류량을 생성하여 제2 MOSFET 소자(Q2)의 드레인 단으로 출력할 수 있다.
또는, 제1 MOSFET 소자(Q1)과 제2 MOSFET 소자(Q2)의 크기 비로 제2 MOSFET 소자(Q2)의 드레인 단으로 출력되는 전류(ID2)가 결정되기 때문에, 제2 MOSFET 소자(Q2)의 크기를 조절하여 출력되는 전류(ID2)를 조절할 수 있다. 칩 면적과 필요한 전류를 고려하여 제2 MOSFET 소자(Q2)의 크기를 결정한다. 상기 제2 MOSFET 소자(Q2)의 드레인(D) 단에서 출력된 전류(ID2)는 배터리(220) 측으로 인가된다.
제1 및 제2 MOSFET 소자(Q1, Q2)는 제1 노드(N1)와 접지(G) 사이에서 병렬로 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 MOSFET 소자(Q1, Q2)는, 게이트 단이 서로 연결되어, 동일한 게이트 전압을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 MOSFET 소자(Q1, Q2)는 모두 P채널형 트랜지스터로 구성될 수 있다.
제1 MOSFET 소자(Q1)의 소스(S) 단은 에너지 하베스팅 장치(210)의 출력 단인 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 제1 MOSFET 소자(Q1)의 게이트(G) 단과 제2 MOSFET 소자(Q2)의 게이트(G) 단과 제4 MOSFET 소자(Q4)의 드레인(D) 단과 제1 저항 소자(R1)의 일 단이 만나는 제2 노드(N2)에 연결될 수 있으며, 게이트(G) 단은 상기 제2 노드(N2)에 연결될 수 있다.
제2 MOSFET 소자(Q1)의 소스(S) 단은 에너지 하베스팅 장치(210)의 출력 단인 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 배터리(220)의 일 단과 제3 MOSFET 소자(Q3)의 게이트(G) 단과 제5 MOSFET 소자(Q5)의 소스 단과 제6 MOSFET 소자(Q6)의 소스 단이 만나는 제3 노드(N3)에 연결될 수 있으며, 게이트(G) 단은 제1 MOSFET 소자(Q1)의 게이트(G) 단과 제4 MOSFET 소자(Q4)의 드레인(D) 단과 제1 저항 소자(R1)의 일 단이 만나는 제2 노드(N2)에 연결될 수 있다.
제1 저항 소자(R1)는 제1 MOSFET 소자(Q1)의 드레인(D) 단과 접지(G) 사이에 연결되어, 상기 제1 MOSFET 소자(Q1)의 드레인 전류량(ID1)을 결정할 수 있다. 전류 미러 회로의 특성 상, 제1 저항 소자(R1)는 배터리(220)로 인가되는 충전 전류의 양을 결정할 수 있다.
과충전 방지부(320)는, 배터리(220)의 양 단에 병렬로 연결되어, 상기 배터리(220)가 만 충전되어 일정한 전압(VCV)에 도달하면 해당 배터리(220)의 전압이 일정한 전압(VCV) 이상으로 충전되지 않도록 제어하는 동작을 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 과충전 방지부(320)는 제3 MOSFET 소자(Q3), 제4 MOSFET 소자(Q4), 제2 저항 소자(R2) 및 제3 저항 소자(R3)를 포함할 수 있으며, 반드시 이에 제한되지는 않는다.
제3 MOSFET 소자(Q3)는 N채널형 MOSFET 소자로 구성될 수 있고, 제4 MOSFET 소자(Q4)는 P채널형 MOSFET 소자로 구성될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 제3 MOSFET 소자(Q3)는 P채널형 MOSFET 소자로 구성될 수 있고, 제4 MOSFET 소자(Q4)는 N채널형 MOSFET 소자로 구성될 수 있다.
제3 MOSFET 소자(Q3)의 드레인(D) 단은 제3 MOSFET 소자(Q3)의 게이트(G) 단과 제3 저항 소자(R3)의 일 단이 만나는 제4 노드(N4)에 연결될 수 있고, 소스(S) 단은 제2 저항 소자(R2)의 일 단에 연결될 수 있으며, 게이트(G) 단은 배터리(220)의 일 단과 제2 MOSFET 소자(Q2)의 드레인(D) 단과 제5 MOSFET 소자(Q5)의 소스 단과 제6 MOSFET 소자(Q6)의 소스 단이 만나는 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다.
제4 MOSFET 소자(Q4)의 소스(S) 단은 에너지 하베스팅 장치(210)의 출력 단인 제1 노드(N1)에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 제1 MOSFET 소자(Q1)의 게이트(G) 단과 제1 MOSFET 소자(Q1)의 드레인(D) 단과 제2 MOSFET 소자(Q2)의 게이트(G) 단과 제1 저항 소자(R1)의 일 단이 만나는 제2 노드(N2)에 연결될 수 있으며, 게이트(G) 단은 제3 MOSFET 소자(Q3)의 드레인(D) 단과 제3 저항 소자(R3)의 일 단이 만나는 제4 노드(N4)에 연결될 수 있다.
제2 저항 소자(R2)는 제3 MOSFET 소자(Q3)의 소스(S) 단과 접지(G) 사이에 연결될 수 있다. 제3 저항 소자(R2)는 에너지 하베스팅 장치(210)의 출력 단과 제1 MOSFET 소자(Q1)의 소스(S) 단과 제2 MOSFET 소자(Q2)의 소스(S) 단과 제4 MOSFET 소자(Q4)의 소스(S) 단이 만나는 제1 노드(N1)와 제4 MOSFET 소자(Q4)의 게이트(G) 단과 제3 MOSFET 소자(Q3)의 드레인(D) 단이 만나는 제4 노드(N4) 사이에 연결될 수 있다.
제2 및 제3 저항 소자(R2, R3)는 과충전 방지 기능을 개시하기 위한 배터리 전압을 결정할 수 있다. 즉, 상기 제2 및 제3 저항 소자(R2, R3)의 저항 값을 조절하여 전류 미러 회로(310)의 동작을 정지시키기 위한 배터리 전압을 결정할 수 있다.
제3 MOSFET 소자(Q3)는 제2 및 제3 저항 소자(R2, R3)와 함께 배터리(220)의 출력 전압(VBAT)이 일정 전압(즉, 만 충전 전압)에 도달하는지를 감지하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 배터리의 출력 전압(VBAT)이 일정 전압에 도달하는 경우, 제4 MOSFET 소자(Q3)는 전류 미러 회로(310)의 동작을 정지시키는 기능을 수행할 수 있다.
부하 구동부(330)는 배터리(220)의 출력 단과 부하(240)의 일 단 사이에 배치되어, 상기 배터리(220)에서 출력되는 전기 에너지를 이용하여 부하(240)를 구동시키는 동작을 수행할 수 있다.
부하 구동부(330)는 부하 구동 전류를 생성하기 위한 전류 미러 회로를 포함할 수 있다. 상기 전류 미러 회로는 제5 MOSFET 소자(Q5), 제6 MOSFET 소자(Q6) 및 제4 저항 소자(R4)로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
전류 미러 회로는 제5 MOSFET 소자(Q5)의 드레인 전류량(ID5)과 동일한 전류량을 생성하여 제6 MOSFET 소자(Q6)의 드레인 단으로 출력할 수 있다. 또는, 제5 MOSFET 소자(Q5)과 제6 MOSFET 소자(Q6)의 크기 비로 제6 MOSFET 소자(Q6)의 드레인 단으로 출력되는 전류(ID6)가 결정되기 때문에, 제6 MOSFET 소자(Q6)의 크기를 조절하여 출력되는 전류(ID6)를 조절할 수 있다. 칩 면적과 필요한 전류를 고려하여 제6 MOSFET 소자(Q6)의 크기를 결정한다. 상기 제6 MOSFET 소자(Q6)의 드레인(D) 단에서 출력된 전류(ID6)는 부하(240) 측으로 인가된다.
제5 MOSFET 소자(Q5)의 소스(S) 단은 배터리(220)의 일 단과 제3 MOSFET 소자(Q3)의 게이트(G) 단과 제2 MOSFET 소자(Q2)의 드레인 단과 제6 MOSFET 소자(Q6)의 소스 단이 만나는 제3 노드(N3)에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 제5 MOSFET 소자(Q5)의 게이트 단과 제6 MOSFET 소자(Q6)의 게이트 단과 제4 저항 소자(R4)의 일 단이 만나는 제5 노드(N5)에 연결될 수 있으며, 게이트(G) 단은 상기 제5 노드(N5)에 연결될 수 있다.
제6 MOSFET 소자(Q6)의 소스(S) 단은 배터리(220)의 일 단과 제3 MOSFET 소자(Q3)의 게이트(G) 단과 제2 MOSFET 소자(Q2)의 드레인 단과 제5 MOSFET 소자(Q5)의 소스 단이 만나는 제3 노드(N3)에 연결될 수 있고, 드레인(D) 단은 부하(240)의 일 단에 연결될 수 있으며, 게이트(G) 단은 제5 MOSFET 소자(Q5)의 게이트 단과 제5 MOSFET 소자(Q5)의 드레인(D) 단과 제4 저항 소자(R4)의 일 단이 만나는 제5 노드(N5)에 연결될 수 있다.
제4 저항 소자(R4)는 제5 MOSFET 소자(Q5)의 드레인(D) 단과 접지(G) 사이에 연결되어, 상기 제5 MOSFET 소자(Q5)의 드레인 전류량(ID5)을 결정할 수 있다. 전류 미러 회로의 특성 상, 제4 저항 소자(R4)는 부하(240)로 인가되는 구동 전류의 양을 결정할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 배터리 충전회로(300)는 전류 미러 회로를 이용하여 배터리를 충전하고, 배터리 만 충전 시 상기 전류 미러 회로의 동작을 제어함으로써, 해당 배터리의 과 충전을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
200: 에너지 하베스팅 시스템 210: 에너지 하베스팅 장치
220: 배터리 230: 배터리 충전회로
240: 부하

Claims (8)

  1. 외부 전력원의 출력 단과 배터리의 일 단 사이에 배치되며, 전류 미러 회로를 이용하여 상기 외부 전력원에서 출력되는 전기 에너지를 상기 배터리에 충전시키는 배터리 충전부; 및
    상기 배터리의 양 단에 병렬로 연결되며, 상기 배터리의 출력 전압을 기반으로 상기 전류 미러 회로의 동작을 제어하여 상기 배터리의 과 충전을 방지하는 과충전 방지부를 포함하는 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 충전부는 전류 미러 회로를 이용하여 배터리 충전 전류를 생성하고, 상기 배터리 충전 전류를 상기 배터리에 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 충전부는 제1 트랜지스터 소자, 상기 제1 트랜지스터 소자의 게이트 단에 연결되는 제2 트랜지스터 소자 및 상기 제1 트랜지스터 소자의 드레인 단에 연결되는 제1 저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 과충전 방지부는 상기 배터리의 일 단에 연결되는 제3 트랜지스터 소자, 상기 제1 및 제2 트랜지스터 소자의 게이트 단에 연결되는 제4 트랜지스터 소자, 상기 제3 트랜지스터 소자의 소스 단에 연결되는 제2 저항 소자 및 상기 제3 트랜지스터 소자의 드레인 단에 연결되는 제3 저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 저항 소자는 과충전 방지 기능을 개시하기 위한 배터리 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 과충전 방지부는, 상기 배터리의 전압이 일정 전압에 도달한 경우, 상기 전류 미러 회로의 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터의 게이트와 소스 사이의 전압 차를 감소하여 배터리 충전전류를 줄여주는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 출력 단과 부하의 일 단 사이에 배치되어, 상기 배터리에서 출력되는 전기 에너지를 이용하여 상기 부하를 구동하는 부하 구동부를 더 포함하는 배터리 충전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부하 구동부는 두 개의 트랜지스터와 하나의 저항 소자로 이루어진 전류 미러 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
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