KR20230017842A - 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

에너지 하베스팅 시스템(400)에서, 전력 추출 회로(404)는 변동하는 전력 수준을 제공할 수 있는 환경 전원으로부터 전력을 추출한다. 전력 저장 디바이스(406)는 상기 전력 추출 회로(404)에 의해 상기 환경 전원으로부터 추출된 전력을 저장한다. 감지 회로(407)는 상기 전력 추출 회로(404)가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준의 표시(409)를 제공한다. 제어 스위치 회로(408)는, 상기 전력 추출 회로(404)가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준을 나타내는 표시(409)가 상기 전력 추출 회로(404)가 전력 저장 디바이스(406)를 충전하기에 불충분한 경우, 상기 전력 추출 회로(404)를 상기 전력 저장 디바이스(406)로부터 전기적으로 분리하도록 구성된다. 이는 하베스팅된 전력의 누출을 방지한다.

Description

에너지 하베스팅 시스템
본 발명의 양태는 환경 전원으로부터 전력을 추출하고 그 전력을 저장할 수 있는 에너지 하베스팅 시스템(energy harvesting system)에 관한 것이다. 에너지 하베스팅 시스템은 예를 들어 무선 전력 전송을 통해 소위 사물 인터넷 하부구조의 일부를 형성하는 디바이스에 사용될 수 있다. 이것은 그러한 디바이스의 배터리 없는 작동을 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 추가 양태는 에너지 하베스팅 시스템을 포함하는 무선 전력 공급 디바이스를 포함하는 무선 시스템 및 에너지 하베스팅 방법에 관한 것이다.
주변 에너지는 예를 들어 전자기 복사, 빛, 열, 바람, 진동, 및 기타 유형의 기계적 에너지의 형태로 거의 모든 곳에 존재한다. 이들은 에너지 하베스팅 시스템이 전력을 추출할 수 있는 환경 전원이다. 이러한 에너지 하베스팅 시스템은 전형적으로 전술한 유형의 주변 에너지 중 하나 또는 그 초과를 전기 에너지로 변환하는 변환기를 포함한다. 하베스팅된 전기 에너지는 저장되어 하나 또는 그 초과의 전기 회로에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 변환기는 저장 및 전원 공급에 적합한 전력 신호를 얻기 위해 변환기에 의해 제공된 전력 신호를 조절하는 전력 추출 회로의 일부를 형성한다.
특허 공보 제 US9197143호는 복수의 에너지 하베스팅 회로, 에너지 저장 디바이스, 제 1 다이오드, 및 제 2 다이오드를 포함하는 디바이스를 설명한다. 복수의 에너지 하베스팅 회로는 제 1 에너지 하베스팅 회로 및 제 2 에너지 하베스팅 회로를 포함한다. 제 1 에너지 하베스팅 회로는 제 1 변환기를 포함하고, 제 2 에너지 하베스팅 회로는 제 2 변환기를 포함한다. 제 1 변환기는 제 2 변환기와는 다른 종류의 에너지를 전기로 변환하도록 구성된다. 제 1 다이오드는 제 1 에너지 하베스팅 회로와 에너지 저장 디바이스 사이에 전기적으로 연결되고, 제 2 다이오드는 제 2 에너지 하베스팅 회로와 에너지 저장 디바이스 사이에 전기적으로 연결된다. 제 1 다이오드는 제 2 에너지 하베스팅 회로로부터의 에너지가 제 1 에너지 하베스팅 회로에서 소산되는 것을 방지하도록 배향되고, 제 2 다이오드는 제 1 에너지 하베스팅 회로로부터의 에너지가 제 2 에너지 하베스팅 회로에서 소산되는 것을 방지하도록 배향된다.
특히 변동하는 전력 수준을 제공하기 쉬운 환경 전원으로부터 전력이 추출될 때 전력 하베스팅에서 상대적으로 높은 효율을 가능하게 하는 개선된 에너지 하베스팅 시스템이 필요하다.
본 발명은 다음을 고려한다. 환경 전원은 변동하는 전력 수준을 제공할 수 있다. 예를 들어, 환경 전원이 전자기 복사의 형태인 경우, 이 복사의 세기는 변동될 수 있다. 전자기 복사가 상대적으로 강한 시간 간격과 전자기 복사가 상대적으로 약한 다른 시간 간격이 있을 수 있다. 또 다른 예로서, 환경 전원이 진동과 같은 기계적 특성을 갖는 경우, 기계적 힘은 세기가 변동될 수 있다. 진동이 상대적으로 강한 시간 간격과 진동이 상대적으로 약한 시간 간격이 있을 수 있다.
전술한 조건에서, 에너지 하베스팅 시스템의 전력 추출 회로는 따라서 특정 시간 간격 동안 환경 전원으로부터 상대적으로 높은 수준의 전력을 추출하고 다른 시간 간격 동안 상대적으로 낮은 수준의 전력을 추출할 수 있다. 따라서, 에너지 하베스팅 시스템의 전력 저장 디바이스는 전력 추출 회로로부터 변동하는 수준의 전력을 수신하게 된다. 따라서 전력 추출 회로가 전력 저장 디바이스를 충전하기에 불충분한 수준의 전력을 제공하는 일이 발생할 수 있다. 이러한 상태에서, 저장된 전력은 전력 추출 회로를 통해 전력 저장 디바이스로부터 누출될 수 있다. 즉, 전력 추출 회로에서 전력 저장 디바이스로 전력이 흐르는 대신, 전력 저장 디바이스에서 전력 추출 회로로 전력이 흐르게 되는데, 이는 저장된 전력의 손실을 구성하는 누설이다.
청구항 1에 정의된 바와 같은 본 발명의 양태에 따르면, 에너지 하베스팅 시스템이 제공되고, 상기 에너지 하베스팅 시스템은:
- 변동하는 전력 수준을 제공하기 쉬운 환경 전원으로부터 전력을 추출하도록 구성된 전력 추출 회로; 및
- 전력 추출 회로에 의해 환경 전원으로부터 추출된 전력을 저장하도록 구성된 전력 저장 디바이스를 포함하고,
상기 전력 추출 회로는,
- 전력 추출 회로가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준의 표시를 제공하도록 구성된 감지 회로; 및
- 전력 추출 회로가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준이 전력 추출 회로가 전력 저장 디바이스를 충전하기에 불충분함을 표시가 나타낼 때, 전력 추출 회로를 전력 저장 디바이스로부터 전기적으로 분리하도록 구성된 제어 스위치 회로를 포함한다. 이는 전력 추출 회로가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준이 전력 추출 회로가 전력 저장 디바이스를 충전하기에 충분함을 표시가 나타낼 때, 제어된 스위치 회로가 전력 추출 회로를 전력 저장 디바이스에 전기적으로 결합할 수 있음을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서, 전력 추출 회로는 환경 전원으로부터 추출될 수 있는 전력의 수준이 너무 낮아서 전력 저장 디바이스가 충전될 수 없는 경우에 전력 저장 디바이스로부터 전기적으로 분리된다. 전력 저장 디바이스에서 전력 추출 회로를 전기적으로 분리한다는 것은 이 두 개체가 서로 전기적으로 절연된다는 것을 의미한다. 따라서, 이는 전술한 바와 같이 누설이 발생할 수 있는 전력 추출 회로를 통해 저장된 전력이 전력 저장 디바이스로부터 누설되는 것을 방지한다. 하베스팅된 에너지의 누출 및 이에 따른 손실이 방지되므로 더 높은 에너지 하베스팅 효율을 달성할 수 있다.
청구항 14에 정의된 바와 같은 본 발명의 추가 양태에 따르면, 무선 시스템이 제공되고, 상기 무선 시스템은:
- 높은 피크 대 평균 전력비를 갖는 전력 신호를 무선으로 방출하도록 구성된 전력 방출 디바이스;
- 위에서 정의된 바와 같은 에너지 하베스팅 시스템을 포함하는 무선 전력 공급 디바이스를 포함하고, 전력 추출 회로는 환경 라디오-주파수 전력으로부터 전력을 추출하도록 구성된 안테나를 포함한다.
예시를 위해, 본 발명의 일부 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 본 명세서에서, 부가적인 특징이 제시될 것이며, 그 중 일부는 종속항에 정의되어 있고 이점이 명백할 것이다.
도 1은 무선 전력 공급 디바이스를 포함하는 무선 시스템의 블록도이다.
도 2는 무선 전력 공급 디바이스에서 에너지 하베스팅 시스템의 기본 구현의 블록도이다.
도 3은 무선 시스템에서 방출될 수 있는 라디오-주파수 전력 신호의 파형도이다.
도 4는 에너지 하베스팅 시스템의 개선된 구현의 블록도이다.
도 5는 에너지 하베스팅 시스템의 개선된 구현의 혼합 블록도 및 회로도이다.
도 6a는 에너지 하베스팅 시스템의 개선된 구현에서 비교기 회로의 회로도이다.
도 6b는 비교기 회로의 다양한 신호의 시간도이다.
도 7은 상이한 전력 하베스팅 시스템에 대한 입사 라디오-주파수 전력의 함수로서 전력 하베스팅 효율을 플롯팅한 그래프이다.
도 8은 전력 추출 회로의 출력 전압이 상이한 전력 하베스팅 시스템에 대한 입사 라디오-주파수 전력의 함수로서 플롯팅된 그래프이다.
도 9는 에너지 하베스팅 시스템의 확장 개선된 구현의 블록도이다.
도 1은 무선 시스템(100)을 개략적으로 예시한다. 도 1은 무선 시스템(100)의 블록도를 제공한다. 무선 시스템(100)은 전력 방출 디바이스(101) 및 무선 전력 공급 디바이스(102)를 포함한다. 무선 시스템(100)은 예를 들어 무선 전력 전송을 하는 소위 사물 인터넷 하부 구조를 구성할 수 있다. 따라서 무선 시스템(100)은 단순함과 편리함을 위해 도 1에 도시되지 않은 하나 또는 그 초과의 추가 무선 전력 공급 디바이스를 포함할 수 있다. 예시를 위해, 도 1에 도시된 무선 전력 공급 디바이스(102)는 스마트 저전력 센서를 구성하지만, 이러한 장치는 다른 실시예에서 상이한 기능을 가질 수 있다.
보다 상세하게, 스마트 저전력 센서(102)는 에너지 하베스팅 시스템(103) 및 센싱 시스템(104)을 포함한다. 센싱 시스템(104)은 센서 디바이스(105), 센서 인터페이스(106), 처리 및 제어 회로(107), 및 전송 회로를 포함할 수 있다. 전송 회로(108)는 예를 들어 블루투스 저에너지 유형일 수 있다.
무선 시스템(100)은 기본적으로 다음과 같이 동작할 수 있다. 전력 방출 디바이스(101)는 스마트 저전력 센서(102)를 향해 라디오-주파수 전력 신호(109)를 방출한다. 이를 위해 전력 방출 디바이스(101)는 안테나 어레이 및 빔포밍 회로를 포함할 수 있다. 라디오-주파수 전력 신호(109)는 예를 들어 2.45GHz 대역과 같은 산업, 과학 및 의료 목적을 위한 비면허 주파수 대역에 놓일 수 있다. 라디오-주파수 전력 신호(109)는 전력 외에 정보를 스마트 저전력 센서(102)에 전달할 수 있다.
라디오-주파수 전력 신호(109)는 스마트 저전력 센서(102)를 위한 환경 전원이고; 환경 라디오-주파수 전력은 스마트 저전력 센서(102)에서 이용 가능하다. 스마트 저전력 센서(102)의 에너지 하베스팅 시스템(103)은 이 환경 라디오-주파수 전력으로부터 전력을 추출하고 이 추출된 전력을 저장한다. 에너지 하베스팅 시스템(103)은 추출 및 저장된 전력에 기초하여 전원 전압을 생성할 수 있다. 감지 시스템(104)은 이 전원 전압을 수신하고 그에 기초하여 전체적으로 동작할 수 있다. 따라서 스마트 저전력 센서(102)는 환경 라디오-주파수 전력 및 에너지 하베스팅 시스템(103) 덕분에 배터리 없이 작동할 수 있다.
도 2는 스마트 저전력 센서(102)에서 에너지 하베스팅 시스템(103)의 기본 구현(200)을 개략적으로 도시한다. 도 2는 본 기본 구현(200)의 블록도를 제공하며, 편의상 이하 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)이라고 한다. 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)은 안테나(201), 임피던스 정합 회로(202), 정류기 회로(203), 및 전력 저장 디바이스(205)를 포함하는 전력 관리 회로(204)를 포함한다. 안테나(201), 임피던스 정합 회로(202), 및 정류기 회로(203)는 공동으로 전력 추출 회로(206)를 구성한다. 전력 관리 회로(204)는 예를 들어 e-peas 세미컨덕터에 의해 제안된 통합 전력 관리 회로 유형 번호 AEM30940에 기초할 수 있다.
기본적인 에너지 하베스팅 시스템(200)은 기본적으로 다음과 같이 동작한다. 안테나(201)는 환경 라디오-주파수 전력의 일부를 흡수한다. 임피던스 정합 회로(202)는 흡수되는 환경 라디오-주파수 전력의 부분을 가능한 한 크게 만드는 것을 목표로 한다. 임피던스 정합 회로(202)는 또한 정류기 회로(203)에 흡수되는 환경 라디오-주파수 전력 부분을 가능한 한 많이 전달하는 것을 목표로 한다. 정류기 회로(203)는 환경 라디오-주파수 전력의 감소된 부분을 수신하고 이것을 직류 전원으로 변환한다. 전력 관리 회로(204)는 이 직류 전력을 수신하고 저장한다. 전력 관리 회로(204)는 수신 및 저장된 직류 전원에 기초하여 전술한 공급 전압을 더 생성한다.
기본 에너지 하베스팅 시스템(200)은 환경 라디오-주파수 전력이 상대적으로 낮으면 상대적으로 낮은 전력 하베스팅 효율을 갖는다. 환경 라디오-주파수 전력이 -10dBm 미만이면 전력 하베스팅 효율이 크게 저하될 수 있음이 관찰되었으며, dBm은 1밀리와트(mW)를 기준으로 데시벨(dB)로 표시되는 전력비율을 나타내는 데 사용되는 레벨 단위이다. 이 전력 하베스팅 효율 문제는 주로 다음과 같은 이유 때문이다.
환경 라디오-주파수 전력이 낮을수록 정류기 회로(203)에서의 입력 라디오-주파수 신호 전압이 작아지고, 결과적으로 정류기 회로(203)의 등가 입력 저항이 커진다. 예를 들어, 환경 라디오-주파수 전력이 +5dBm에서 -20dBm으로 떨어지면 등가 입력 저항이 0.1kΩ에서 1MΩ으로 기하급수적으로 증가할 수 있다는 것이 관찰되었다.
정류기 회로(203)의 등가 입력 저항이 높을수록 임피던스 정합 회로(202)가 정합해야 하는 임피던스 차이가 커진다. 정류기 회로(203)의 등가 입력 저항이 상대적으로 높은 경우, 임피던스 정합 회로(202)는 충분한 정합을 제공하지 않거나, 상대적으로 상당한 손실을 유발할 수 있거나, 또는 둘 다일 수 있다. 이것은 환경 라디오-주파수 전력의 상대적으로 작은 부분만이 정류기 회로(203)에 도달하게 하고, 결과적으로 추출되는 직류 전력이 상대적으로 낮다. 임피던스 정합과 관련된 이 문제는 예를 들어 인쇄 회로 기판 및 디바이스 패키지 상에 존재할 수 있는 기생 임피던스로 인해 예를 들어 2.45GHz와 같은 상대적으로 높은 주파수에서 악화된다.
전력 하베스팅 효율 문제와 관련하여 고려해야 할 제약 사항은 최대 복사 전력에 대한 규정과 관련이 있다. 이러한 규정을 일반적으로 EIRP 규정이라고 하며 EIRP는 등가 또는 유효 등방성 복사 전력의 약어이다. 도 1에 도시된 무선 시스템(100)의 전력 방출 디바이스(101)는 해당 규정 EIRP를 준수해야 하며, 이는 라디오-주파수 전력 신호(109)가 이 규정에 의해 정의된 최대 방사 전력을 초과하지 않아야 함을 의미한다. 따라서, 전력 방출 디바이스(101)가 최대 방사 전력을 방출하는 경우, 이 디바이스로부터 스마트 저전력 센서(102)가 여전히 동작할 수 있는 최대 거리가 있다. 에너지 하베스팅 시스템(103)의 전력 하베스팅 효율이 높을수록 최대 거리가 길어진다.
EIRP 규정에 의해 설정된 제약이 주어진 전력 하베스팅 효율 문제에 대한 가능한 해법은 라디오-주파수 전력 신호(109)가 높은 피크 대 평균 전력비을 갖는다는 것으로 이루어진다. 즉, 라디오-주파수 전력 신호(109)는 방출된 전력이 상대적으로 낮은 상대적으로 긴 주기로 인터리빙된 상대적으로 짧은 고전력 버스트를 포함하는 일정하지 않은 엔벨로프 파형을 제공받을 수 있다. 이러한 파형은 예를 들어 64 BPSK 변조 톤과 같은 다중 톤을 결합하여 합성될 수 있으며, BPSK는 이진 위상 편이 키잉(Binary Phase Shift Keying)의 약어이다. 보다 구체적으로, 파형은 64 크기 월시-아다미르 코드(Walsh-Hadamard code)에 대한 역 64-포인트 고속 푸리에 변환(IFFT)으로부터 생성될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 무선 시스템(100)에서 전력 방출 디바이스(101)에 의해 방출될 수 있는 라디오-주파수 전력 신호(109)의 예를 개략적으로 도시한다. 도 3은 라디오-주파수 전력 신호(109)의 파형도를 제공한다. 라디오-주파수 전력 신호(109)는 예를 들어 매 21㎲마다 주기적으로 발생할 수 있는 상대적으로 짧은 전력 버스트(301)를 포함한다. 즉, 상대적으로 짧은 전력 버스트(301)는 21㎲의 주기(302)를 가질 수 있다. 전력 버스트(301)는 0.65㎲의 기간(303)을 가질 수 있다. 방출된 전력이 상대적으로 낮은 2개의 연속 전력 버스트(301) 사이의 시간 간격은 20.35㎲의 기간(304)을 가질 수 있다. 라디오-주파수 전력 신호(109)는 18.24dB의 피크 대 평균 전력비(305)를 가질 수 있다.
에너지 하베스팅 시스템(103)은 라디오-주파수 전력 신호(109)가, 0dB의 피크 대 평균 전력비를 의미하는, 라디오-주파수 전력 신호(109)가 일정한 엔벨로프(306)를 갖는 구현과 비교하여, 도 3에 도시된 바와 같이 상대적으로 높은 피크 대 평균 전력비(305)를 가질 때 더 높은 전력 하베스팅 효율을 가질 수 있다. 즉, 정류기 회로(203)의 등가 입력 저항은 도 3에 도시된 라디오-주파수 전력 신호(109)의 전력 버스트(301) 동안 상대적으로 낮을 것이다. 이것은 임피던스 정합 회로(202)가 만족스러운 임피던스 정합을 제공하거나 전력 손실을 감소시키거나, 전술한 바와 같이, 전력 하베스팅 효율에 기여하는 두 가지 모두를 가능하게 한다.
그러나 라디오-주파수 전력 신호(109)가 도 3에 도시된 바와 같이 상대적으로 높은 피크 대 평균 전력비(305)를 갖는 경우, 도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)의 전력 하베스팅 효율에 악영향을 미치는 현상이 발생할 수 있다. 방출 전력이 상대적으로 낮은 시간 간격(304) 동안, 정류기 회로(203)에서의 입력 무선-주파수 신호 전압은 상대적으로 작은 반면, 상대적으로 큰 직류 전압은 정류기 회로(203)의 출력 노드에서 존재할 수 있다. 이러한 상황에서, 정류기 회로(203)의 출력 노드에서 신호 접지로 가는 누설 전류가 발생할 수 있다. 이 누설 전류는 전력 버스트(301)로부터 추출된 직류 전력으로부터 끌어온다. 누설 전류는 특히 라디오-주파수 전력 신호(109)의 피크 대 평균 전력비(305)가 상대적으로 높을 때 상대적으로 중요할 수 있다. 따라서, 상대적으로 높은 피크 대 평균 전력비(305)가 전력 하베스팅 효율에 기여할 수 있지만, 이것은 또한 전력 하베스팅 효율에 해로운 전류 누설 문제를 유발할 수 있다.
전류 누설 문제에 대한 해법은 누설 전류가 전력 저장 디바이스(205)로부터 신호 접지로 흐르는 것을 방지하기 위해 정류기 회로(203)와 전력 저장 디바이스(205) 사이에 다이오드를 삽입하는 것을 포함할 수 있다. 그러나 이러한 다이오드는 상대적으로 큰 순방향 온-저항(relatively large forward on-resistance)을 가지므로 전력 손실을 유발하며, 이는 누설 전류보다 적은 정도일 수 있지만 전력 하베스팅 효율에도 해롭다. 온-저항을 줄임으로써 전력 손실을 완화할 수 있으며, 이는 실제로 다이오드의 크기를 늘리거나 특정 이산 다이오드를 선택하는 것을 의미하며 이는 비용과 소형화에 불리하다. 순방향 온-저항을 줄이기 위해 다이오드의 크기를 늘리면 상대적으로 큰 역방향 누설 전류가 유도될 수 있으며, 이는 전력 하베스팅 효율에도 해롭다.
도 4는 에너지 하베스팅 시스템(103)의 개선된 구현(400)을 개략적으로 도시한다. 도 4는 에너지 하베스팅 시스템(103)의 개선된 구현(400)의 블록도를 제공하며, 이는 이후 편의상 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)으로 지칭될 것이다. 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)은 도 2에 도시된 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)에도 존재하는 다양한 개체: 전력 추출 회로(404)를 함께 구성하는 안테나(401), 임피던스 정합 회로(402), 정류기 회로(403)를 포함한다. 개선된 하베스팅 시스템은 또한 전력 저장 디바이스(406)를 포함하는 전력 관리 회로(405)를 포함한다. 전력 관리 회로(405)는 예를 들어 e-peas 세미컨덕터에 의해 제안된 통합 에너지 관리 회로 유형 번호 AEM30940에 기초할 수 있다. 전력 저장 디바이스(406)는 예를 들어 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)은 감지 회로(407) 및 제어 스위치 회로(408)를 포함한다. 이 실시예에서, 감지 회로(407)는 정류기 회로(403)에 존재하는 입력 라디오-주파수 신호 전압을 수신하도록 결합된다. 제어 스위치 회로(408)는 정류기 회로(403)의 출력 노드와 전력 관리 회로(405)에 포함된 전력 저장 디바이스(406) 사이에 결합될 수 있다.
개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)은 기본적으로 다음과 같이 동작한다. 감지 회로(407)는 전력 추출 회로(404)가 현재 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준의 표시(409)를 제공한다. 제어 스위치 회로(408)는 표시(409)가, 전력 저장 디바이스(406)를 충전하기 위해, 전력 추출 회로(404)가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준이 전력 추출 회로(404)에 대해 불충분함을 나타낼 때 전력 저장 디바이스(406)로부터 전력 추출 회로(404)를 전기적으로 분리한다. 도 3을 참조하면, 후자의 조건은 방출된 라디오-주파수 전력이 상대적으로 낮은 2개의 연속 전력 버스트(301) 사이의 시간 간격(304)에서 발생한다. 전력 저장 디바이스(406)가 이러한 시간 간격에서 정류기 회로(403)로부터 분리되기 때문에, 전술한 누설 전류가 상당히 감소된다.
또한, 제어 스위치 회로(408)는 다이오드의 일반적인 온-저항보다 낮은 온-저항을 가질 수 있으며, 이는 전술한 바와 같이 누설 전류를 방지하기 위한 또 다른 해법이다. 제어 스위치 회로(408)의 온-저항이 상대적으로 낮을 수 있기 때문에, 전력 추출 회로(404)가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력의 수준이 전력 추출 회로(404)가 전력 저장 디바이스(406)를 충전하기에 충분하다는 표시(409)를 나타낼 때 폐쇄 스위치 모드 동안 순방향 전력 손실이 적을 것이다. 또한, 제어 스위치 회로(408)는 다이오드의 일반적인 오프-저항(off-resistance)보다 높은 오프-저항을 가질 수 있다. 제어 스위치 회로(408)의 오프-저항이 상대적으로 높을 수 있기 때문에, 표시(409)가 전력 추출 회로(404)가 환경 전력으로부터 추출할 수 있는 전력의 수준이 전력 추출 회로(404)가 전력 저장 디바이스(406)를 충전하기에 불충분하다는 것을 나타낼 때 개방 스위치 모드 동안 역 누설 손실이 적을 것이다. 이는 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)이 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)에 비해 그리고 누설 방지 다이오드가 추가된 후자의 시스템에 비해 상대적으로 높은 전력 하베스팅 효율을 가질 수 있도록 한다.
도 5는 도 4를 참조하여 이전에 제시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 도 5는 본 실시예의 혼합된 블록도 및 회로도를 제공하며, 이는 편의상 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)으로도 지칭될 것이다. 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)은 예를 들어 도 3에 도시된 방출된 라디오-주파수 전력 신호(109)에 의해 생성된 2.45GHz에서의 환경 라디오-주파수 전력을 위해 설계될 수 있으며, 이는 도 1에 도시된 전력 방출 디바이스(101)에서 생성된다.
이 실시예에서, 안테나(401)는 단일-종단 안테나 신호를 차동 안테나 신호로 변환하기 위한 소위 발룬 회로(balun circuit; 501)를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 안테나(401)는 발룬 회로가 없는 차동 안테나일 수 있다. 임피던스 정합 회로(402)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 입력 캐패시터(502), 출력 캐패시터(503), 및 전술한 캐패시터 사이에 결합된 한 쌍의 인덕터(504, 505)를 포함한다. 입력 커패시터(502)는 예를 들어 2pF((picofarad)의 커패시턴스를 가질 수 있다. 출력 캐패시터(503)는 예를 들어 0.45pF의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 패키지 및 본딩 와이어의 기생 커패시턴스가 출력 커패시터(503)를 형성할 수 있다. 한 쌍의 인덕터(504, 505)는 7nH(nanohenry)의 전체 인덕턴스를 가질 수 있고, 각각의 인덕터는 3.5nH의 인덕턴스를 가질 수 있다.
이 실시예에서, 정류기 회로(403)는 동적 임계 전압 보상 능력을 갖는 소위 교차 결합 정류기 회로(403)이다. 따라서 이 실시예의 정류기 회로(403)는 이후에 교차 결합된 정류기 회로(403)로 지칭될 것이다. 교차 결합된 정류기 회로(403)는 상대적으로 낮은 등가 출력 저항을 가지며, 이는 앞서 언급된 누설 전류가 상대적으로 커지도록 잠재적으로 만들 수 있다. 그러나, 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)에서는 전술한 바와 같이 감지 회로(407) 및 제어 스위치 회로(408)에 의해 제공되는 스마트 게이팅 솔루션(smart gating solution)에 의해 누설 전류 문제가 방지된다.
교차 결합된 정류기 회로(403)는 다이오드로서 동작하도록 결합된 2개의 NMOS 트랜지스터(506, 507) 및 2개의 PMOS 트랜지스터(508, 509)를 포함한다. NMOS 트랜지스터(506, 507)는 예를 들어 24㎛의 게이트 폭과 60nm의 게이트 길이를 가질 수 있다. PMOS 트랜지스터(508, 509)는 예를 들어 48㎛의 게이트 폭 및 60nm의 게이트 길이를 가질 수 있다. 교차 결합된 정류기 회로(403)는 출력 노드에서 리플 필터링 커패시터(510)를 더 포함한다.
이 실시예에서, 감지 회로(407)는 정류기 회로의 축소된 모형(scaled-down replica; 407)의 형태이다. 따라서 이 실시예의 감지 회로(407)는 이하에서 정류기 회로의 축소된 모형(407)으로 지칭될 것이다. 정류기 회로의 축소된 본제본(407)이 작을수록, 이 회로가 소비하는 전력이 적어지며, 이는 일반적으로 바람직하다. 즉, 예를 들어 2 자리수의 축소와 같은 큰 축소 인자가 바람직할 수 있다. 최소 트랜지스터 폭을 설정하는 제조 공정 특성에 의해 달성 가능한 최대 축소 인자가 결정될 수 있다.
따라서 정류기 회로의 축소된 모형(407)은 또한 다이오드로서 동작하도록 결합된 2개의 NMOS 트랜지스터(511, 512) 및 2개의 PMOS 트랜지스터(513, 514)를 포함한다. 축소 모형의 2개의 NMOS 트랜지스터(511, 512) 및 2개의 PMOS 트랜지스터(513, 514)는 교차 결합된 정류기 회로(403)의 2개의 NMOS 트랜지스터(506, 507) 및 2개의 PMOS 트랜지스터(508, 509)보다 상당히 작다. 축소 모형의 NMOS 트랜지스터(511, 512)는 예를 들어 0.4μm의 게이트 폭과 60nm의 게이트 길이를 가질 수 있다. 이것은 교차 결합 정류기 회로(403)에서 NMOS 트랜지스터(506, 507)에 대해 대략 1:60의 크기 비율에 대응한다. PMOS 트랜지스터(513, 514)는 예를 들어 0.8㎛의 게이트 폭과 60nm의 게이트 길이를 가질 수 있다. 이것은 또한 교차 결합된 정류기 회로(403)에서 PMOS 트랜지스터(508, 509)에 대해 대략 1:60의 크기 비율에 대응한다. 따라서, 대략 60의 다운스케일링 팩터가 이 예에서 적용된다.
정류기 회로의 축소된 모형(407)은 또한 교차 결합된 정류기 회로(403)의 리플 필터링 커패시터(510)의 축소된 모형인 출력 노드에서 리플 필터링 커패시터(515)를 포함한다. 동일한 스케일링 팩터는 축소된 리플 필터링 커패시터(515)에 적용될 수 있다. 따라서, 축소된 리플 필터링 커패시터(515)는 교차 결합 정류기 회로(403)의 출력 노드에서 리플 필터링 커패시터(510)의 커패시턴스보다 약 60배 더 작은 커패시턴스를 가질 수 있다.
이 실시예에서, 제어 스위치 회로(408)는 비교기 회로(516), 버퍼(517), 및 전력 관리 회로(405)의 전력 저장 디바이스(406)와 교차 결합된 정류기 회로(403) 사이의 스위치로서 동작하는 PMOS 트랜지스터(518)를 포함한다. 이 실시예에서, 전력 저장 디바이스(406)는 커패시터의 형태이다. 이하에서는 스위치로 동작하는 PMOS 트랜지스터(518)를 편의상 PMOS 스위치(518)라 한다. PMOS 스위치(518)는 교차 결합 정류기 회로(403)의 PMOS 트랜지스터(508, 509)보다 2배 더 큰 크기를 가질 수 있다. 이는 상대적으로 낮은 순방향 온-저항을 갖는 PMOS 스위치(518)에 기여하고 이에 따라 전력 하베스팅 효율에 기여한다. PMOS 스위치(518)는 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)이 시동되어야 할 때 이점을 더 제공한다. 즉, 시작시, PMOS 스위치는 게이트 전압이 0V와 같이 낮은 수준이므로 기본적으로 닫힌 상태이다.
이 실시예에서, 전력 관리 회로(405)는 최대 전력점 추적 회로(523) 및 DC/DC 컨버터 회로(524)를 더 포함하며, 여기서 DC는 직류에 대한 약어이다. 최대 전력점 추적 회로(523)는 전력 추출 효율을 향상시키기 위해 전력 저장 디바이스(406)의 전압을 조절한다. DC/DC 컨버터 회로는 전력 저장 디바이스(406) 상의 전압 변화와 관계없이 도 1에 도시된 감지 시스템(104)을 위한 안정적인 DC 전원 전압(525)을 생성한다. 최대 전력점 추적 회로(523) 및 DC/DC 컨버터 회로(524)는 예를 들어 e-peas 세미컨덕터에 의해 제안된 통합 전력 관리 회로 유형 번호 AEM30940에 기초할 수 있다.
도 5에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)은 기본적으로 다음과 같이 동작한다. 정류기 회로의 축소된 모형(407)은 PMOS 스위치(518)가 개방 상태에 있을 때 교차 결합된 정류기 회로(403)의 출력 전압(520)을 나타내는 출력 전압(519)을 제공한다. 즉, 정류기 회로의 축소된 모형(407)의 출력 전압(519)은 부하가 이 회로의 출력 노드에 결합되지 않은 경우 교차 결합된 정류기 회로(403)의 출력 전압(520)을 나타낸다. 정류기 회로의 축소된 모형(407)의 출력 전압을 이하 감지 전압(519)이라 한다. 이 실시예에서, 감지 전압(519)은 따라서 도 4에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)에 대해 앞서 언급된 표시(409)를 구성할 수 있다.
감지 전압(519)이 전력 관리 회로(405)의 전력 저장 디바이스(406)에 존재하는 전압보다 높은 경우, 전력 추출 회로(404)는 전력 저장 디바이스(406)를 충전할 수 있다. 이는 전형적으로, 도 3에 도시된 라디오-주파수 전력 신호(109)의 전력 버스트(301) 동안의 경우이다. 그 경우에, PMOS 스위치(518)는 교차 결합된 정류기 회로(403)와 전력 관리 회로(405) 사이에 낮은 저항 경로를 제공하는 폐쇄 상태로 설정될 수 있다.
반대로, 감지 전압(519)이 전력 저장 디바이스(406)에 존재하는 전압보다 낮은 경우, 전력 추출 회로(404)는 전력 저장 디바이스(406)를 충전할 수 없다. 이는 전형적으로 도 3에 도시된 라디오-주파수 전력 신호(109)에서 전력 버스트(301) 사이의 시간 간격(304)의 경우이다. 그 경우에, 전술한 누설 전류 문제가 발생할 수 있으며: 상대적으로 상당한 누설 전류가 전력 저장 디바이스(406)로부터 신호 접지로 흐를 수 있고, 이는 하베스팅된 에너지의 손실을 구성한다. 그 경우에, PMOS 스위치(518)는 이 손실을 방지하거나 적어도 이 손실을 완화하기 위해 개방 상태로 설정될 수 있다.
비교기 회로(516)는 감지 전압(519)을 전력 저장 디바이스(406)에 존재하는 비-반전 입력(521)에 인가된 전압과 비교한다. 감지 전압(519)이 더 높은 경우, 비교기 회로(516)는 버퍼(517)가 신호 접지에 가까운 상대적으로 낮은 전압을 PMOS 스위치(518)의 게이트에 인가하도록 한다. 이는 PMOS를 폐쇄 상태로 설정하여 전력 추출 회로(404)가 전력 저장 디바이스(406)를 충전할 수 있게 한다. 반대로, 감지 전압(519)이 전력 저장 디바이스(406)에 존재하는 전압보다 낮은 경우, 비교기 회로(516)는 버퍼(517)가 공급 전압 수준(522)에 가까운 상대적으로 높은 전압을 PMOS 스위치(518)의 게이트에 인가하게 한다. 이는 PMOS를 개방 상태로 설정하여 전류 누설 문제에 대응한다. 비교기 회로(516)에 대한 전력 공급 전압(522)은 전력 저장 디바이스(406) 상의 전압, 또는 전력 관리 회로(405)에 의해 생성된 출력 전압(525)일 수 있다.
실제로, 비교기 회로(516)는 PMOS 스위치(518)를 폐쇄 상태에서 개방 상태로 또는 그 반대로 전환하기 위한 지연에 대응하는 상승 에지 및 하강 에지 지연 및 전압 신호 전파 지연을 나타낼 것이다. 이러한 지연은 전력 하베스팅 효율에 영향을 미칠 수 있다. PMOS 스위치(518)를 폐쇄 상태에서 개방 상태로 전환하기 위한 지연 동안 누설 전류가 발생할 수 있다. PMOS 스위치(518)를 개방 상태에서 폐쇄 상태로 스위칭하기 위한 지연 동안 하베스팅될 수 있는 전력이 손실된다.
도 6a는 도 5에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 비교기 회로(516)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 6a는 편의상 이하 비교기 회로(516)로 지칭될 본 실시예의 회로도를 제공한다. 비교기 회로(516)는 반전 입력 및 비-반전 입력을 제공하는 차동 트랜지스터 쌍(601)을 포함한다. PMOS 스위치(518)를 스위칭하기 위한 전술한 지연이 상대적으로 낮추기 위해, 차동 트랜지스터 쌍(601)은 예를 들어 0.2㎛의 길이를 갖는 상대적으로 좁은 낮은 임계 전압 MOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
관련된 지연은 일반적으로 차동 트랜지스터 쌍의 바이어싱 전류를 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 이것은 비교기 회로(516)에 의해 더 많은 전력을 소비하는 비용이 발생하며, 이는 전력 하베스팅 효율에 해롭다. 따라서, 바이어싱 전류와 관련하여 타협이 이루어져야 한다. 바이어싱 전류가 예를 들어 30nA와 같은 수십 나노암페어(nA)인 만족스러운 절충안이 달성될 수 있다. 바이어스 전류(602)는 베타 멀티플라이어 기준 회로(beta-multiplier reference circuit) 또는 밴드갭 기준 회로(band-gap reference circuit)로부터 생성될 수 있다. 바이어스 전류(602)는 전류 미러 회로(614)에 의해 상이한 회로 브랜치로 미러링된다.
보다 상세하게는, 비교기 회로(516)는 차동 트랜지스터 쌍(601)을 구성하는 스위치(603), 스위치(604), 트랜지스터(605) 및 트랜지스터(606), 트랜지스터(609) 및 트랜지스터(610)에 의해 형성되는 전류 미러에 결합되는 트랜지스터(607) 및 트랜지스터(608), 회로 라인(611), 전압 신호(613)를 제공하는 버퍼가 뒤따르는 지연 회로(612)를 포함한다. 스위치(603)는 예를 들어 PMOS 트랜지스터의 형태일 수 있다. 스위치(604)는 예를 들어 NMOS 트랜지스터의 형태일 수 있다. 전압 신호(613)는 PMOS 트랜지스터(603)의 게이트 및 NMOS 트랜지스터(604)의 게이트에 인가될 수 있다. 지연 회로(612)는 예를 들어 저항 및 커패시터를 포함할 수 있다.
도 6b는 비교기 회로(516)의 신호를 개략적으로 도시하며, 이 신호는 시간 다이어그램에 개략적으로 표시된다. 시간도는 시간(T)을 나타내는 가로 축선과 신호 수준(L)을 나타내는 세로 축선을 갖는다. 시간도는 각각의 신호를 나타내는 각각의 가로 섹션으로 나뉜다.
도 6a에 도시된 비교기 회로(516)는 기본적으로 다음과 같이 동작하며, 도 6b에 도시된 신호를 참조한다. 도 3에 도시된 라디오-주파수 전력 신호(109)에서 전력 버스트(301) 사이의 시간 간격(304) 동안 전압 신호(613)가 하이 수준(high level)에 있을 때, 스위치(604)는 트랜지스터(608)를 트랜지스터(610)에 단락시키고 스위치(603)는 트랜지스터(607)를 트랜지스터(609)로부터 분리시킨다. 결과적으로, 비교기 회로(516)는 전력 저장 디바이스(406) 상의 전압일 수 있는 트랜지스터(606)의 게이트 상의 전압 신호(615)보다 더 낮은 임계 전압(618)을 갖는다. 버퍼의 입력 전압인 비교기 회로(516)의 회로 라인(611)에서의 전압 신호(619)는 도 5에 도시된 전압(519)인 트랜지스터(605)의 게이트에서의 전압 신호(616)가 임계 전압을 가로질러 상승할 때 하이 수준에서 로우 수준(low level)으로 이동한다. 비교기(516)와 버퍼의 제한된 과도 응답에 의해 도입된 시간 지연(621) 후에, PMOS 스위치(518)는 게이트 전압 신호(620)가 하이 수준에서 로우 수준으로 이동할 때 닫힌다.
지연 회로(612)에 의해 도입된 시간 지연 후에, 전압 신호(613)는 하이 수준에서 로우 수준로 이동한다. 지연 회로(612)는 비교기 임계 전압 변화의 안정성을 보장한다. 전압 신호(613)가 로우 수준일 때, 스위치(604)는 트랜지스터(610)로부터 트랜지스터(608)를 분리하고 스위치(603)는 트랜지스터(607)를 트랜지스터(609)에 단락시킨다. 비교기는 전력 저장 디바이스(406) 상의 전압일 수 있는 트랜지스터(606)의 게이트 상의 전압 신호(615)보다 높은 임계 전압(617)을 갖는다. 도 5에 도시된 전압(519)인 트랜지스터(605)의 게이트에서의 전압 신호(616)가 임계 전압(617)을 가로질러 하강할 때, 이 비교기 회로(516)의 회로 라인(611)에서의 전압 신호(619)는 로우 수준에서 하이 수준로 이동한다, 비교기(516) 및 버퍼의 제한된 과도 응답에 의해 도입된 시간 지연(622) 후에, 게이트 전압 신호(620)는 로우 수준에서 하이 수준로 이동하고 PMOS 스위치(518)를 개방한다.
따라서 비교기 회로(516)는 낮은 수준에 있는 전압 신호(620)의 기간을 전압(615)보다 높은 전압(616)의 기간과 정렬하는 것을 허용하는 지연된 히스테리시스를 나타낸다. 따라서 비교기 회로(516)는 전술한 지연을 보상할 수 있거나 적어도 이러한 지연을 완화할 수 있다. 따라서, PMOS 스위치 제어의 적절한 타이밍이 달성될 수 있으며, 이는 도 3에 도시된 라디오-주파수 전력 신호(109)의 전력 버스트(301)를 정합시킨다.
도 7은 상이한 전력 하베스팅 시스템에 대한 전력 하베스팅 효율과 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 도시한다. 도 7은 dBm으로 표현된 평균 입사 라디오-주파수 전력을 나타내는 수평 축선을 갖는 그래프(700)를 제공한다. 세로 축선은 효과적으로 하베스팅될 수 있는 평균 입사 라디오-주파수 전력의 백분율(%)로 표시되는 전력 하베스팅 효율을 나타낸다. 그래프(700)는 3개의 곡선(701-703)을 포함한다.
이 시스템이, 18.24dB의 피크 대 평균 전력비(305)를 갖는, 도 3에 도시된 바와 같이 일정하지 않은 엔벨로프 파형을 수신하는 경우, 원으로 표시된 포인트가 있는 제 1 곡선(701)은 도 5에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)에 대한 전력 하베스팅 효율 및 평균 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 나타낸다. 이 시스템이 일정하지 않은 동일한 엔벨로프 파형을 수신하는 경우, 삼각형으로 표시된 포인트가 있는 제 2 곡선(702)은 도 2에 도시된 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)에 대한 전력 하베스팅 효율 및 평균 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 나타낸다. 이 시스템이, 피크 대 평균 전력비가 0dB인. 일정한 엔벨로프 파형을 수신하는 경우, 정사각형으로 표시된 포인트가 있는 제 3 곡선(703)은 도 2에 도시된 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)에 대한 전력 하베스팅 효율 및 평균 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 나타낸다.
도 7은 도 5에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 전력 하베스팅 효율이 평균 입사 라디오-주파수 전력이 -10dBm 미만으로 상대적으로 낮을 때 상대적으로 높은 것을 보여준다. 즉, 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 전력 하베스팅 효율을 나타내는 곡선(701)은 동일한 피크 대 평균 전력비를 갖는 동일한 일정하지 않은 엔벨로프 파형을 수용하는 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)의 전력 하베스팅 효율을 나타내는 곡선(702)의 훨씬 위이다. 이는 주로 전술된 바와 같이 감지 회로(407) 및 제어 스위치 회로(408)에 의해 제공된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)에서의 스마트 게이팅 솔루션에 의한다. 이 솔루션은 전력 하베스팅 효율에 해로운 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)의 누설 전류 문제에 대응한다.
도 7은 평균 입사 라디오-주파수 전력이 -10dBm 미만으로 상대적으로 낮을 때 전력 하베스팅 효율이, 일정한 엔벨로프 파형을 이용하는 대신, 상대적으로 높은 피크 대 평균 전력비를 갖는 일정하지 않은 엔벨로프 파형을 사용함으로써 개선될 수 있음을 추가로 보여준다. 즉, 상대적으로 높은 피크 대 평균 전력비를 갖는 일정하지 않은 엔벨로프 파형이 사용되는 경우 전력 하베스팅 효율을 나타내는 곡선(701 및 702)은, 일정한 엔벨로프 파형이 사용되는 경우, 모두 전력 하베스팅 효율을 나타내는 곡선(703)보다 위에 있다. 이것은 주로 입사 라디오-주파수 전력이 상대적으로 낮아, 전술한 바와 같이, 정류기 입력 임피던스가 상대적으로 높을 때 발생하는 임피던스 정합 및 전력 손실 문제로 인한 것이다.
도 8은 상이한 전력 하베스팅 시스템에 대한 전력 추출 회로의 출력 전압과 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 도시한다. 도 8은 dBm으로 표현된 평균 입사 라디오-주파수 전력을 나타내는 수평 축선을 갖는 그래프(800)를 제공한다. 수직 축선은 전원 관리 회로가 입력 전압으로 수신할 수 있는 전원 추출 회로의 출력 전압(V)을 표현한 것이다. 출력 전압은 전력 추출 회로가 부하 없이 개방 회로에 있을 때 측정된다. 그래프(800)는 3개의 곡선(801-803)을 포함한다.
이 시스템이 도 3에 도시된 바와 같이, 18.24dB의 피크 대 평균 전력비(305)를 갖는, 일정하지 않은 엔벨로프 파형을 수신하는 경우, 원으로 표시된 포인트가 있는 제 1 곡선(801)은 전력 추출 회로의 출력 전압과 도 5에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)에 대한 평균 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 도시한다. 이 시스템이 일정하지 않은 동일한 엔벨로프 파형을 수신하는 경우, 삼각형으로 표시된 포인트가 있는 제 2 곡선(802)은 전력 추출 회로의 출력 전압과 도 2에 도시된 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)에 대한 평균 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 도시한다. 이 시스템이 피크 대 평균 전력비가 0dB인, 일정한 엔벨로프 파형을 수신하는 경우, 정사각형으로 표시된 포인트를 갖는 제 3 곡선(803)은 전력 추출 회로의 출력 전압과 도 2에 도시된 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)에 대한 평균 입사 라디오-주파수 전력 사이의 관계를 도시한다.
도 8은 도 5에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 전력 추출 회로의 출력 전압이 평균 입사 라디오-주파수 전력이 -10dBm 미만으로 상대적으로 낮을 때 상대적으로 높을 것을 보여준다. 즉, 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 전력 추출 회로의 출력 전압을 나타내는 곡선(901)은, 동일한 피크 대 평균 전력비를 갖는 동일한 일정하지 않은 엔벨로프 파형을 수신하는, 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)의 전력 추출 회로의 출력 전압을 나타내는 곡선(902)보다 훨씬 위에 있다. 이것은 주로 이전에 설명된 감지 회로(407) 및 제어 스위치 회로(408)에 의해 제공되는 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 스마트 게이팅 솔루션으로 인한 것이다. 이 솔루션은 기본 에너지 하베스팅 시스템(200)에서 전력 추출 회로의 출력 전압에 유해한 누설 전류 문제를 방지한다.
도 8은 일정한 엔벨로프 파형을 사용하는 대신, 상대적으로 높은 피크 대 평균 전력비를 갖는 일정하지 않은 엔벨로프 파형을 사용함으로써 평균 입사 라디오-주파수 전력이 -10dBm 미만으로 상대적으로 낮을 때 전력 추출 회로의 출력 전압이 개선될 수 있음을 추가로 보여준다. 즉, 피크 대 평균 전력비가 상대적으로 높은 일정하지 않은 엔벨로프 파형이 사용되는 경우 전력 추출 회로의 출력 전압을 나타내는 곡선(801 및 802)은 모두 일정한 엔벨로프 파형이 사용되는 경우 전력 추출 회로의 출력 전압을 나타내는 곡선(803)보다 위에 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 입사 라디오-주파수 전력이 상대적으로 낮아 정류기 입력 임피던스가 상대적으로 높을 때 발생하는 임피던스 정합 및 전력 손실 문제 때문이다.
전력 추출 회로의 출력 전압이 높을수록 전력 관리 회로의 시동이 용이하고 전력 관리 회로의 효율이 높을수록 특히 전력 대화 효율이 높다. 따라서, 도 8은 또한 도 5에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)이 앞서 언급한 다른 에너지 하베스팅 기술을 능가하는 것을 보여준다.
도 9는 에너지 하베스팅 시스템(103)의 확장되고 개선된 구현(800)을 개략적으로 예시한다. 도 9는 확장되고 개선된 구현(900)의 블록도를 제공하며, 이는 편의상 확장되고 개선된 에너지 하베스팅 시스템(900)으로 이후에 지칭될 것이다. 확장되고 개선된 에너지 하베스팅 시스템(900)은 전력 저장 디바이스(904)에 연결된 다수의 전력 추출 회로(901 내지 903)를 포함한다. 도 9에는, 단순성과 편의를 위해 3개의 전력 추출 회로(901, 902, 903)가 도시되어 있다. 3개의 전력 추출 회로(901, 902, 903)는 유사한 토폴로지(topology)를 가질 수 있지만 환경 전원으로부터 전력을 다르게 추출하기 위한 다른 파라미터를 가질 수 있다. 예를 들어, 3개의 전력 추출 회로(901, 902, 903)는 환경 전원이 가질 수 있는 상이한 주파수에 대해, 또는 환경 전원이 제공할 수 있는 상이한 전력 수준에 대해, 또는 이들의 상이한 조합에 대해 최적화될 수 있다. 3개의 전력 추출 회로(901, 902, 903)는 예를 들어 안테나와 같은 공통 변환기(905)를 공유할 수 있어, 이는 환경 전력을 선택하고 정류기를 위한 전기 입력 신호로 변환한다.
제 1 전력 추출 회로(901)는 제 1 제어 스위치 회로(906)를 통해 전력 저장 디바이스(904)에 결합된다. 제 1 감지 회로(907)는 제 1 전력 추출 회로(901)가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준의 표시를 제공한다. 유사하게, 제 2 전력 추출 회로(902)는 제 2 제어 스위치 회로(908)를 통해 전력 저장 디바이스(904)에 결합된다. 제 2 감지 회로(909)는 제 2 전력 추출 회로(902)가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준의 표시를 제공한다. 제 3 전력 추출 회로(903)는 제 3 제어 스위치 회로(910)를 통해 전력 저장 디바이스(904)에 결합된다. 제 3 감지 회로(911)는 제 3 전력 추출 회로(903)가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준의 표시를 제공한다.
전술한 센싱 회로 및 제어 스위치 회로는 도 4에 도시된 개선된 에너지 하베스팅 시스템(400)의 센싱 회로 및 제어 스위치 회로와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 따라서 확장되고 개선된 에너지 하베스팅 시스템(900)은 이 시스템이 상이한 조건에서 효율적으로 에너지를 하베스팅할 수 있게 하는 스마트하고 적응적인 동작을 갖는다.
NOTES.
도면을 참조하여 전술한 실시예는 예시로서 제공된다. 본 발명은 수많은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 이를 설명하기 위해 몇 가지 대안이 간략하게 표시된다.
본 발명은 전력 하베스팅과 관련된 다양한 유형의 제품 또는 방법에 적용될 수 있다. 전술한 실시예에서, 환경 전원은 방출된 무선-주파수 신호이다. 다른 실시예에서, 환경 전원은 예를 들어 빛, 열, 바람, 진동, 및 기타 유형의 기계적 에너지의 형태일 수 있다. 환경 전원의 형태가 무엇이든, 본 발명은 환경 전원으로부터 추출될 수 있는 전력 수준이 변동하는 조건에서 하베스팅된 에너지의 누출 및 이에 따른 손실을 방지한다. 전력 수준 변동은 예를 들어 1kHz보다 높은 주파수를 갖는 것과 같이 상대적으로 빠르거나 더 느릴 수 있다. 예를 들어 환경 전원이 세기가 변동하는 기계적 진동의 형태라고 가정한다. 이러한 대안적인 실시예에서, 본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 기계적 진동을 전기 교류 신호로 변환하기 위한 변환기를 포함할 수 있다. 나머지를 위해, 이전에 설명된 실시예의 구현 및 동작에 대한 많은 세부 사항은 그러한 대안적인 실시예로 바뀔 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 전력 추출 회로를 구현하는 다양한 방법이 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 실시예를 참조하면, 임피던스 정합 회로(402)는 조정 가능하거나 다른 임피던스 정합 네트워크 구조일 수 있으며, 전력 추출 회로는 전력 하베스팅 효율을 최대화할 목적으로 임피던스 정합 회로(402)를 조정하기 위한 조정 제어 회로를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 전력 추출 회로는 다중 안테나, 또는 다중 임피던스 정합 회로, 또는 둘 모두를 포함할 수 있고, 여기서 전력 추출 회로는 전력 하베스팅 효율을 최대화할 목적으로 안테나 또는 임피던스 정합 회로, 또는 둘다를 선택하기 위한 선택 제어 회로를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 제어 스위치 회로를 구현하는 다양한 방법이 있다. 도 5에 도시된 실시예에서, 전력 저장 디바이스(406)에 존재하는 전압은 비교기 임계 전압으로서 사용된다. 다른 실시예에서, 전력 저장 디바이스를 충전 또는 방전하기 쉬운 전력 추출 회로 사이의 경계선을 반영하는 상이한 임계 전압이 사용될 수 있다. 다른 예로서, 제어 스위치 회로는 히스테리시스(hysteresis)를 갖는 비교기, 또는 일반적인 연속 시간 정적 비교기 또는 자동 영점 비교기를 포함할 수 있다.
일반적으로, 본 발명을 구현하는 수많은 상이한 방식이 있으며, 상이한 구현은 상이한 토폴로지를 가질 수 있다. 주어진 토폴로지에서, 단일 개체가 여러 기능을 수행하거나 여러 개체가 공동으로 단일 기능을 수행할 수 있다. 이 점에서, 도면은 매우 도식적이다. 예를 들어, 도 1은 2개의 안테나를 갖는 무선 전력 공급 디바이스(102)를 도시하지만, 무선 전력 공급 디바이스(102)는 이 단일 안테나에 의해 수신과 송신 사이를 전환하기 위한 라디오-주파수 스위치를 갖는 단일 안테나를 포함할 수 있다.
전술한 언급은 도면을 참조하여 설명된 실시예가 본 발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명을 예시한다는 것을 입증한다. 본 발명은 첨부된 청구 범위 내에 있는 수많은 대안적인 방식으로 구현될 수 있다. 청구범위의 의미 및 동등성 범위 내에서 발생하는 모든 변경은 그 범위 내에 포함된다. 청구범위의 참조 기호는 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 청구범위에서 "포함하다(comprise)"라는 동사는 청구범위에 나열된 것 이외의 다른 요소 또는 다른 단계의 존재를 배제하지 않는다. "포함하다"("include" 및 "contain")와 같은 유사한 동사에도 동일하게 적용된다. 제품에 관한 청구항에서 단수의 요소에 대한 언급은 제품이 복수의 그러한 요소를 포함할 수 있음을 배제하지 않는다. 마찬가지로, 방법에 관한 청구항에서 단수형으로 언급된 단계는 그 방법이 복수의 이러한 단계를 포함할 수 있음을 배제하지 않는다. 각각의 종속항이 각각의 추가적인 특징을 정의한다는 단순한 사실은 청구항에 반영된 것 이외의 추가적인 특징의 조합을 배제하지 않는다.

Claims (15)

  1. 에너지 하베스팅 시스템(400)으로서,
    - 변동하는 전력 수준을 제공할 수 있는 환경 전원(109)으로부터 전력을 추출하도록 구성되는 전력 추출 회로(404); 및
    - 상기 전력 추출 회로에 의해 상기 환경 전원으로부터 추출된 전력을 저장하도록 구성되는 전력 저장 디바이스(406);를 포함하며,
    상기 전력 추출 회로는,
    - 상기 전력 추출 회로가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준의 표시(409)를 제공하도록 구성되는 감지 회로(407); 및
    - 상기 전력 추출 회로가 환경 전원으로부터 추출할 수 있는 전력 수준을 나타내는 표시가 상기 전력 추출 회로가 전력 저장 디바이스를 충전하기에 불충분한 경우, 상기 전력 추출 회로를 상기 전력 저장 디바이스로부터 전기적으로 분리하도록 구성되는 제어 스위치 회로(408);를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 추출 회로(404)는, 환경 전원(109)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 정류기 회로(403)를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정류기 회로(403)는 교차 결합 정류기인, 에너지 하베스팅 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 감지 회로(407)는 정류기 회로의 축소된 모형(scaled-down replica)을 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 추출 회로(404)는 정류기 회로의 출력 노드에 커패시터(510)를 포함하고, 및 상기 감지 회로(407)는 정류기 회로의 축소된 모형의 출력 노드에서 커패시터의 축소된 모형(515)을 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전력 추출 회로(404)에서, 정류기 회로 및 커패시터 각각에 대하여, 상기 감지 회로(407)에서 정류기 회로의 축소된 모형 및 커패시터의 축소된 모형에 동일한 스케일링 팩터가 적용되는, 에너지 하베스팅 시스템.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정류기 회로(403)는 정류 요소로서 작용하는 반도체 소자(506-509)를 포함하고, 상기 정류기 회로의 축소된 모형은 정류 요소로서 작용하는 반도체 소자의 축소된 모형(511-514)를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 스위치 회로(408)는, 상기 정류기 회로의 축소된 모형(407)의 출력 노드에서의 전압(519)이 임계 수준 미만일 때, 상기 전력 추출 회로(403)로부터 전력 저장 디바이스(406)를 전기적으로 분리하도록 구성되는, 에너지 하베스팅 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 임계 수준은 전력 저장 디바이스(406)에서의 전압에 대응하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제어 스위치 회로(408)는, 축소된 모형(407)의 출력 노드에서의 전압(519)을 상기 임계 수준과 비교하도록 구성되는 지연된 히스테리시스(delayed hysteresis)를 가진 비교기를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 저장 디바이스(406)에 저장된 전력으로부터 공급 전압을 생성하도록 구성되는 전력 관리 회로(405)를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 추출 회로를 포함하는 다수의 전력 추출 회로들(901-903)을 포함하고, 상기 전력 추출 회로들은 유사한 토폴로지(topology)를 가지지만 환경 전원으로부터 전력을 다르게 추출하기 위한 다른 파라미터를 가지는, 에너지 하베스팅 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 추출 회로(404)는 환경 라디오 주파수 전력으로부터 전력을 추출하도록 구성되는 안테나(401)를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  14. 제13항과, 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 추출 회로(404)는 상기 안테나(401)와 정류기(403) 사이에 결합되는 임피던스 정합 네트워크(402)를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템.
  15. 무선 시스템(100)으로서:
    - 고피크 대 평균 전력비(305)를 갖는 전력 신호(109)를 무선으로 방출하도록 구성되는 전력 방출 디바이스(101);
    - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 에너지 하베스팅 시스템(400)을 포함하는 무선 전력 공급 디바이스(102);를 포함하는, 무선 시스템(100).
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