KR20230037377A - Energy harvesting device and control method thereof - Google Patents

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KR20230037377A KR1020210120603A KR20210120603A KR20230037377A KR 20230037377 A KR20230037377 A KR 20230037377A KR 1020210120603 A KR1020210120603 A KR 1020210120603A KR 20210120603 A KR20210120603 A KR 20210120603A KR 20230037377 A KR20230037377 A KR 20230037377A
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Abstract

An energy harvesting device comprises: an energy harvester that generates an output voltage by using an input voltage; a detection circuit unit that compares a reference voltage with an output voltage of the energy harvester to output an output value for binary control; a control algorithm circuit unit for gradually increasing and collecting the number of samples of output values of the detection circuit unit and generating a digital value according to a main output value determined from the collected output values; and a switch control unit adjusting the output voltage of the energy harvester according to the digital value of the control algorithm circuit unit.

Description

에너지 하베스팅 장치 및 그 제어 방법{ENERGY HARVESTING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}Energy harvesting device and its control method {ENERGY HARVESTING DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 에너지 하베스팅 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이진 제어 방식을 사용하는 피드백 루프의 수렴 도달 조건을 검출하고 디더링을 줄일 수 있는 에너지 하베스팅 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvesting device and a control method thereof, and more particularly, to an energy harvesting device capable of detecting a convergence arrival condition of a feedback loop using a binary control method and reducing dithering, and a control method thereof. .

에너지 하베스팅(energy harvesting)은 버려지는 에너지를 수집해서 전기로 바꿔 쓰는 기술이다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 기술은 집이나 사무실의 조명에서 나오는 빛에너지, 걸음을 걸을 때마다 발바닥이 바닥을 누르는 압력에너지, 자동차나 비행기가 움직일 때 발생하는 진동과 열에너지 등을 전기로 바꿀 수 있다. 에너지 하베스터(에너지 하베스팅 회로)는 생산된 전력으로 배터리를 충전하여 사용할 수 있다. Energy harvesting is a technology that collects wasted energy and converts it into electricity. For example, energy harvesting technology can convert light energy from lights in a house or office, pressure energy that presses the soles of the feet on the floor with each step, and vibration and heat energy generated when a car or airplane moves into electricity. . The energy harvester (energy harvesting circuit) can be used by charging the battery with the generated power.

기존의 에너지 하베스팅 회로의 최대 전력 전달 지점 추적(maximum power point tracking, MPPT) 방식 중에서 아날로그 값을 측정하여 조정하는 선형 피드백 방식은 디더링이 적지만, 실제 회로로써 구현하기 어려운 점이 있다. 현재 상태의 오차를 디지털 값인 부호로만 판단하여 그 오차값의 크기에 관계없이 일정한 양을 양 또는 음의 방향으로 조정하는 이진 또는 뱅뱅(bang-bang) 제어 방식은 구현이 상대적으로 쉽지만, 최대 전력 전달 지점에 수렴한 후에도 계속 동작점이 움직이는 디더링 현상이 생길 수 있다. Among the maximum power point tracking (MPPT) methods of existing energy harvesting circuits, the linear feedback method that measures and adjusts analog values has less dithering, but is difficult to implement as an actual circuit. The binary or bang-bang control method, which judges the error of the current state only with a code that is a digital value and adjusts a certain amount in the positive or negative direction regardless of the size of the error value, is relatively easy to implement, but the maximum power delivery Even after convergence to a point, a dithering phenomenon may occur where the operating point continues to move.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이진 제어 방식을 사용하는 피드백 루프의 수렴 도달 조건을 검출하고, 오차가 현재값보다 줄어들 수 있을 때만 조정을 수행하여 자연스럽게 디더링을 줄일 수 있는 에너지 하베스팅 장치 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.A technical problem to be solved by the present invention is an energy harvesting device that can naturally reduce dithering by detecting a convergence arrival condition of a feedback loop using a binary control method and performing adjustment only when an error can be reduced to a current value, and It is to provide a control method.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치는 입력 전압을 이용하여 출력 전압을 생성하는 에너지 하베스터, 기준 전압과 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 비교하여 이진 제어를 위한 출력값을 출력하는 검출 회로부, 상기 검출 회로부의 출력값의 샘플 개수를 점진적으로 증가시켜 수집하고, 수집된 출력값으로부터 결정되는 주요 출력값에 따라 디지털 값을 생성하는 제어 알고리즘 회로부, 및 상기 제어 알고리즘 회로부의 디지털 값에 따라 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 조절하는 스위치 제어부를 포함한다.An energy harvesting device according to an embodiment of the present invention comprises an energy harvester generating an output voltage using an input voltage, a detection circuit unit comparing a reference voltage with an output voltage of the energy harvester and outputting an output value for binary control, the A control algorithm circuit unit that gradually increases and collects the number of samples of output values of the detection circuit unit and generates a digital value according to a main output value determined from the collected output values; and an output voltage of the energy harvester according to the digital value of the control algorithm circuit unit. It includes a switch control unit that adjusts.

상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 기준 전압과 상기 출력 전압의 오차가 양자화 오차 이내로 수렴하는지 결정할 수 있다. The control algorithm circuit unit may determine whether an error between the reference voltage and the output voltage converges within a quantization error.

상기 검출 회로부의 출력값은 양의 부호와 음의 부호를 나타내는 이진값일 수 있다. The output value of the detection circuit unit may be a binary value representing a positive sign and a negative sign.

상기 제어 알고리즘 회로부는 최대 샘플값 및 샘플값을 설정하고, 상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달할 때까지 상기 샘플값을 K배 만큼 점진적으로 증가시키면서 상기 검출 회로부의 출력값을 수집할 수 있다.The control algorithm circuit unit may set a maximum sample value and a sample value, and collect an output value of the detection circuit unit while gradually increasing the sample value by K times until the sample value reaches the maximum sample value.

상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 샘플값이 N일 때 N-1개의 출력값을 샘플로서 수집할 수 있다. The control algorithm circuitry may collect N-1 output values as samples when the sample value is N.

상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달한 경우에 가장 최근에 생성된 2개의 디지털 값을 차례로 상기 스위치 제어부에 전달하여 상기 에너지 하베스트의 출력 전압의 값이 조절되도록 한 후 최대 샘플값에 대응하는 개수만큼의 출력값을 수집할 수 있다.When the sample value reaches the maximum sample value, the control algorithm circuit unit sequentially transfers the two most recently generated digital values to the switch control unit so that the value of the output voltage of the energy harvester is adjusted, and then the maximum sample value is reached. It is possible to collect as many output values as the number corresponding to the value.

상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 2개의 디지털 값 중에서 상기 최대 샘플값에 대한 양의 부호의 개수의 비율이 1/2에 더 가까운 디지털 값을 최종 코드로 선택할 수 있다.The control algorithm circuit unit may select, as a final code, a digital value in which a ratio of the number of positive signs to the maximum sample value is closer to 1/2 among the two digital values.

상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 최종 코드를 고정하여 상기 에너지 하베스트의 출력이 최대 전력 전달 지점에 수렴되도록 할 수 있다.The control algorithm circuitry may fix the final code so that the output of the energy harvest converges at a maximum power transfer point.

본 발명의 다른 실시예에 따른 입력 전압을 이용하여 출력 전압을 생성하는 에너지 하베스터 및 기준 전압과 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 비교하여 이진 제어를 위한 출력값을 출력하는 검출 회로부를 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법은, 최대 샘플값 및 샘플값을 설정하는 단계, 상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달할 때까지 상기 샘플값을 K배 만큼 점진적으로 증가시키면서 상기 출력값을 샘플로서 수집하는 단계, 및 상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달한 경우에 상기 검출 회로부의 출력값을 조절하는 디지털 값을 최종 코드로 선택하는 단계를 포함한다. An energy harvesting device comprising an energy harvester generating an output voltage using an input voltage and a detection circuit unit comparing a reference voltage with an output voltage of the energy harvester and outputting an output value for binary control according to another embodiment of the present invention. The control method includes setting a maximum sample value and a sample value, collecting the output value as a sample while gradually increasing the sample value by K times until the sample value reaches the maximum sample value, and and selecting a digital value for adjusting an output value of the detection circuit unit as a final code when the sample value reaches the maximum sample value.

상기 샘플값이 N일 때 N-1개의 출력값을 샘플로서 수집할 수 있다.When the sample value is N, N-1 output values may be collected as samples.

상기 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법은 상기 출력값에서 양의 부호와 음의 부호 중에서 다수를 차지하는 것을 주요 출력값으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The control method of the energy harvesting device may further include determining, as a main output value, that which occupies a majority of a positive sign and a negative sign in the output value.

상기 출력값의 조절 방향이 증가시키는 방향이면서 상기 주요 출력값이 상기 음의 부호인 상태이거나, 또는 상기 출력값의 조절 방향이 감소시키는 방향이면서 상기 주요 출력값이 상기 양의 부호인 상태인 경우에 상기 샘플값을 K배 증가시킬 수 있다. When the direction of adjusting the output value is in the increasing direction and the main output value is the negative sign, or when the adjusting direction of the output value is in the decreasing direction and the main output value is the positive sign, the sample value can be increased K-fold.

상기 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법은 상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달한 경우에 가장 최근에 생성된 2개의 디지털 값을 차례로 상기 스위치 제어부에 전달하여 상기 에너지 하베스트의 출력 전압의 값이 조절되도록 한 후 최대 샘플값에 대응하는 개수만큼의 출력값을 수집하는 단계를 더 포함할 수 있다. In the control method of the energy harvesting device, when the sample value reaches the maximum sample value, two most recently generated digital values are sequentially transferred to the switch control unit so that the value of the output voltage of the energy harvester is adjusted. and then collecting as many output values as the number corresponding to the maximum sample value.

상기 2개의 디지털 값 중에서 상기 최대 샘플값에 대한 양의 부호의 개수의 비율이 1/2에 더 가까운 디지털 값을 상기 최종 코드로 선택할 수 있다. Among the two digital values, a digital value in which the ratio of the number of positive signs to the maximum sample value is closer to 1/2 may be selected as the final code.

상기 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법은 상기 최종 코드를 고정하여 상기 에너지 하베스트의 출력이 최대 전력 전달 지점에 수렴되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.The control method of the energy harvesting device may further include fixing the final code so that the energy harvesting output converges to a maximum power transfer point.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치 및 그 제어 방법은 에너지 하베스팅 회로에서 최적의 동작 지점을 추적하기 위한 피드백 루프가 조정에 의해서 오차가 현재값보다 줄어들 수 있을 때만 조정을 수행하므로 디더링을 감소시킬 수 있다. 그리고 에너지 하베스팅 장치 및 그 제어 방법은 디지털 FSM(Finite State Machine)의 형태로 쉽게 구현이 가능함과 동시에 수렴에 필요한 시간을 최소화할 수 있다.An energy harvesting device and a control method thereof according to an embodiment of the present invention perform dithering because the feedback loop for tracking the optimal operating point in the energy harvesting circuit performs adjustment only when the error can be reduced from the current value by the adjustment. can reduce In addition, the energy harvesting device and its control method can be easily implemented in the form of a digital FSM (Finite State Machine) and at the same time can minimize the time required for convergence.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3 내지 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법에서 N값과 오차값에 대한 Pk 분포 그래프를 나타낸다. 1 is a block diagram showing an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a control method of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.
3 to 6 show Pk distribution graphs for N values and error values in the control method of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치(10)는 에너지 하베스터(100), 검출 회로부(200), 제어 알고리즘 회로부(300) 및 스위치 제어부(400)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , an energy harvesting device 10 according to an embodiment of the present invention includes an energy harvester 100, a detection circuit unit 200, a control algorithm circuit unit 300, and a switch control unit 400.

에너지 하베스터(100)는 입력 전압(VIN)을 출력 전압(VOUT)으로 변환하고, 출력 전압(VOUT)으로 배터리(BAT)를 충전할 수 있다. 이를 위해, 에너지 하베스터(100)는 인덕터(L1), 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2) 및 배터리(BAT)를 포함할 수 있다. 인덕터(L1)의 일단에 입력 전압(VIN)이 인가되고, 인덕터(L1)의 타단에 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)가 연결될 수 있다. 제1 스위치(SW1)은 인덕터(L1)와 배터리(BAT) 사이에 연결되어 있고, 제2 스위치(SW2)는 인덕터(L1)와 접지 사이에 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)의 온/오프 듀티에 따라 배터리(BAT)를 충전시키는 출력 전압(VOUT)의 값이 조절될 수 있다. The energy harvester 100 may convert the input voltage (V IN ) into an output voltage (V OUT ) and charge the battery (BAT) with the output voltage (V OUT ). To this end, the energy harvester 100 may include an inductor L1, a first switch SW1, a second switch SW2, and a battery BAT. An input voltage V IN may be applied to one end of the inductor L1 , and the first switch SW1 and the second switch SW2 may be connected to the other end of the inductor L1 . The first switch SW1 may be connected between the inductor L1 and the battery BAT, and the second switch SW2 may be connected between the inductor L1 and the ground. Accordingly, the value of the output voltage V OUT for charging the battery BAT may be adjusted according to the on/off duty of the first switch SW1 and the second switch SW2 .

에너지 하베스터(100)는 입력 전압(VIN)을 이용하여 출력 전압(VOUT)을 생성할 수 있는 회로로서, 에너지 하베스터(100)의 구성은 한정되지 않는다.The energy harvester 100 is a circuit capable of generating an output voltage V OUT using an input voltage V IN , and the configuration of the energy harvester 100 is not limited.

검출 회로부(200)는 기준 전압(VREF)과 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)을 비교하여 이진 제어를 위한 출력값(OUT)을 출력한다. 기준 전압(VREF)은 에너지 하베스터(100)의 최대 전력 전달을 만족시키는 전압 또는 사용자가 원하는 에너지 하베스터(100)의 출력 전압에 해당할 수 있다. 검출 회로부(200)는 기준 전압(VREF)보다 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)이 작은 경우(VOUT < VREF)에 음의 부호를 갖는 출력값(OUT)(예를 들어, -1)을 출력하고, 기준 전압(VREF)보다 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)이 큰 경우(VOUT > VREF)에 양의 부호를 갖는 출력값(OUT)(예를 들어, +1)을 출력할 수 있다. 즉, 출력값(OUT)은 기준 전압(VREF)과 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)의 차이(또는 오차)에 대한 이진값(양의 부호와 음의 부호)을 가질 수 있다. 검출 회로부(200)는 정해진 횟수만큼 기준 전압(VREF)과 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)을 비교하여 하나 이상의 출력값(OUT)을 제어 알고리즘 회로부(300)에 전달할 수 있다. The detection circuit unit 200 compares the reference voltage V REF and the output voltage V OUT of the energy harvester 100 and outputs an output value OUT for binary control. The reference voltage V REF may correspond to a voltage that satisfies maximum power delivery of the energy harvester 100 or an output voltage of the energy harvester 100 desired by a user. The detection circuit unit 200 generates an output value OUT having a negative sign (eg, -1), and when the output voltage (V OUT ) of the energy harvester 100 is greater than the reference voltage (V REF ) (V OUT > V REF ), the output value (OUT) having a positive sign (for example , +1) can be output. That is, the output value OUT may have a binary value (positive sign and negative sign) for the difference (or error) between the reference voltage V REF and the output voltage V OUT of the energy harvester 100 . The detection circuit unit 200 may transfer one or more output values OUT to the control algorithm circuit unit 300 by comparing the reference voltage V REF and the output voltage V OUT of the energy harvester 100 a predetermined number of times.

제어 알고리즘 회로부(300)는 검출 회로부(200)로부터 출력값(OUT)을 수집한 후 현재 상태에서 기준 전압(VREF)과 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)의 오차가 양자화(quantization) 오차 이내에 들어왔는지(수렴하였는지)를 결정한다. 제어 알고리즘 회로부(300)는 처음에는 적은 수의 출력값(OUT)의 샘플로 오차 여부를 추적하여 추적 속도를 높이고, 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)을 결정하는 최종 코드를 고정(lock)하는 시점이 가까워질수록 출력값(OUT)의 샘플 개수를 점진적으로 증가시켜 정확도를 높일 수 있다. 제어 알고리즘 회로부(300)는 대소 관계 판별 오류를 방지하기 위해 샘플 개수로 2N-1개를 사용할 수 있다. 제어 알고리즘 회로부(300)는 수집된 출력값(OUT)으로부터 결정되는 주요 출력값에 따라 복수의 비트로 표현된 디지털 값을 생성하여 스위치 제어부(400)에 전달할 수 있다.After the control algorithm circuit unit 300 collects the output value OUT from the detection circuit unit 200, the error between the reference voltage V REF and the output voltage V OUT of the energy harvester 100 in the current state is quantized. Determine if it came within error (convergence). The control algorithm circuit unit 300 initially tracks whether there is an error with a small number of samples of the output value (OUT) to increase the tracking speed, and locks the final code for determining the output voltage (V OUT ) of the energy harvester 100 ) approach, the number of samples of the output value OUT can be gradually increased to increase accuracy. The control algorithm circuit unit 300 may use 2 N -1 samples as the number of samples in order to prevent a size relation discrimination error. The control algorithm circuit unit 300 may generate a digital value represented by a plurality of bits according to a main output value determined from the collected output value OUT and transmit it to the switch control unit 400 .

스위치 제어부(400)는 제어 알고리즘(300)으로부터 전달되는 디지털 값에 따라 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)의 값을 조절할 수 있다. 다시 말해, 스위치 제어부(400)는 디지털 값에 따라 에너지 하베스터(100)의 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 온/오프 듀티를 제어하고, 이에 따라 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)의 값이 조절될 수 있다. The switch controller 400 may adjust the value of the output voltage V OUT of the energy harvester 100 according to the digital value transmitted from the control algorithm 300 . In other words, the switch controller 400 controls the on/off duty of the first switch SW1 and the second switch SW2 of the energy harvester 100 according to the digital value, and outputs the energy harvester 100 accordingly. A value of the voltage V OUT may be adjusted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a control method of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 제어 알고리즘 회로부(300)는 최대 샘플값 NMAX, 샘플값 N=2, 및 출력 전압(VOUT)의 조절 방향 Dir=UP을 설정한다(S110). 최대 샘플값 NMAX는 짝수(예를 들어, NMAX=32)로 설정될 수 있다. 초기에 샘플값은 N=2로 초기화되고, 출력 전압(VOUT)의 조절 방향(Dir)은 Dir=UP으로 초기화될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the control algorithm circuit unit 300 sets the maximum sample value N MAX , the sample value N=2, and the adjustment direction Dir=UP of the output voltage V OUT (S110). The maximum sample value N MAX may be set to an even number (eg, N MAX =32). Initially, the sample value is initialized to N=2, and the control direction Dir of the output voltage V OUT may be initialized to Dir=UP.

이하, 출력 전압(VOUT)의 조절 방향 Dir=UP은 기준 전압(VREF)보다 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)이 작은 경우(VOUT < VREF)에 해당하여 출력 전압(VOUT)을 증가시키는 방향으로 최대 전력 전달 지점 추적(MPPT)을 수행하는 것을 의미한다. 출력 전압(VOUT)의 조절 방향 Dir=DN은 기준 전압(VREF)보다 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)이 큰 경우(VOUT > VREF)에 해당하여 출력 전압(VOUT)을 감소시키는 방향으로 최대 전력 전달 지점 추적(MPPT)을 수행하는 것을 의미한다. Hereinafter, the control direction Dir=UP of the output voltage (V OUT ) corresponds to the case where the output voltage (V OUT ) of the energy harvester 100 is smaller than the reference voltage (V REF ) (V OUT < V REF ), and the output voltage ( It means performing maximum power transfer point tracking (MPPT) in the direction of increasing V OUT . The regulation direction of the output voltage (V OUT ) Dir=DN corresponds to the case where the output voltage (V OUT ) of the energy harvester 100 is greater than the reference voltage (V REF ) (V OUT > V REF ), so that the output voltage (V OUT ) means performing maximum power transfer point tracking (MPPT) in the direction of decreasing .

제어 알고리즘 회로부(300)는 샘플값(N)이 최대 샘플값(NMAX)보다 작은지 확인하고(S120), 샘플값(N)이 최대 샘플값(NMAX)보다 작은 경우 N-1개의 출력값(OUT)을 샘플로서 수집한다(S130). 즉, 제어 알고리즘 회로부(300)는 샘플값(N)에 대응하여 샘플값(N)보다 1 작은 횟수만큼 검출 회로부(200)의 출력값(OUT)을 수집할 수 있다. 출력값(OUT)은 기준 전압(VREF)과 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)의 오차 부호를 포함할 수 있다.The control algorithm circuit unit 300 checks whether the sample value (N) is less than the maximum sample value (N MAX ) (S120), and if the sample value (N) is less than the maximum sample value (N MAX ), N-1 output values (OUT) is collected as a sample (S130). That is, the control algorithm circuit unit 300 may collect the output value OUT of the detection circuit unit 200 as many times as the number of times less than the sample value N corresponding to the sample value N. The output value OUT may include an error code between the reference voltage V REF and the output voltage V OUT of the energy harvester 100 .

제어 알고리즘 회로부(300)는 하나 이상의 출력값(OUT)으로부터 주요 출력값을 결정할 수 있다(S140). 즉, 제어 알고리즘 회로부(300)는 출력값(OUT)에서 +1(양의 부호)과 -1(음의 부호) 중에서 다수를 차지하는 것은 주요 출력값으로 결정할 수 있다. 주요 출력값이 +1인 경우는 기준 전압(VREF)보다 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)이 큰 경우(VOUT > VREF)로서 양의 상태 Pos라 지칭하고, 주요 출력값이 -1인 경우는 기준 전압(VREF)보다 에너지 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)이 작은 경우(VOUT < VREF)로서 음의 상태 Neg라 지칭할 수 있다. The control algorithm circuit unit 300 may determine a main output value from one or more output values OUT (S140). That is, the control algorithm circuit unit 300 may determine the main output value as the one that occupies the majority among +1 (positive sign) and -1 (negative sign) in the output value OUT. When the main output value is +1, the case in which the output voltage (V OUT ) of the energy harvester 100 is greater than the reference voltage (V REF ) (V OUT > V REF ) is referred to as a positive state Pos, and the main output value is - The case of 1 is a case where the output voltage (V OUT ) of the energy harvester 100 is smaller than the reference voltage (V REF ) (V OUT < V REF ), and may be referred to as a negative state Neg.

제어 알고리즘 회로부(300)는 주요 출력값에 따라 디지털 값을 생성하여 스위치 제어부(400)에 전달하고, 스위치 제어부(400)는 디지털 값에 따라 하베스터(100)의 출력 전압(VOUT)의 값을 증가(Dir=UP) 또는 감소(Dir=DN)시킬 수 있다.The control algorithm circuit unit 300 generates a digital value according to the main output value and transmits it to the switch control unit 400, and the switch control unit 400 increases the value of the output voltage (V OUT ) of the harvester 100 according to the digital value (Dir=UP) or decrease (Dir=DN).

최대 전력 전달 지점에 수렴하는 지점의 부근에서, 제어 알고리즘 회로부(300)는 현재 Dir=UP이면서 Neg 상태이거나, 또는 현재 Dir=DN이면서 Pos 상태이면 샘플값 N을 K배(K는 2이상의 자연수, 예를 들어 K=2) 증가시킬 수 있다(N=N×K)(S150). 최대 전력 전달 지점에 수렴하는 부근이 아닌 경우(수렴과 먼 지점)에, 제어 알고리즘 회로부(300)는 샘플값 N을 유지하고 즉각적으로 디지털 값을 변경함으로써 최대 전력 전달 지점에 수렴하기 위한 추적 시간을 최소화할 수 있다.Near the point of convergence to the maximum power transfer point, the control algorithm circuitry 300 multiplies the sample value N by K (K is a natural number greater than 2, For example, K = 2) can be increased (N = N × K) (S150). If it is not near convergence to the maximum power transfer point (a point far from convergence), the control algorithm circuitry 300 shortens the tracking time to converge to the maximum power transfer point by holding the sample value N and changing the digital value immediately. can be minimized.

한편, 제어 알고리즘 회로부(300)는 피드백 루프에 지연이 있는 경우를 대비하여 미리 정해진 지연 시간을 설정할 수 있으며(S210), 지연 시간만큼 기다려 상기의 S120 내지 S150 과정을 수행함으로써 피드백 루프의 지연 시간으로 인한 문제를 방지할 수 있다.On the other hand, the control algorithm circuit unit 300 may set a predetermined delay time in case there is a delay in the feedback loop (S210), wait for the delay time and perform the above steps S120 to S150, thereby increasing the delay time of the feedback loop. problems can be avoided.

상기의 S120 내지 S150 과정은 샘플값(N)이 최대 샘플값(NMAX)보다 작지 않은 경우 또는 샘플값(N)이 최대 샘플값(NMAX)과 동일한 경우(N=NMAX)가 될 때까지 반복하여 수행될 수 있다.The above S120 to S150 processes are performed when the sample value (N) is not less than the maximum sample value (N MAX ) or when the sample value (N) is equal to the maximum sample value (N MAX ) (N=N MAX ). It can be performed repeatedly up to

샘플값(N)이 최대 샘플값(NMAX)보다 작지 않은 경우 또는 샘플값(N)이 최대 샘플값(NMAX)과 동일한 경우(N=NMAX), 제어 알고리즘 회로부(300)는 가장 최근에 생성된 2개의 디지털 값을 차례로 스위치 제어부(400)에 전달하여 에너지 하베스트(100)의 출력 전압(VOUT)의 값이 조절되도록 한 후 최대 샘플값(NMAX)에 대응하는 개수만큼의 출력값(OUT)을 수집할 수 있다(S160).If the sample value (N) is not less than the maximum sample value (N MAX ) or if the sample value (N) is equal to the maximum sample value (N MAX ) (N=N MAX ), the control algorithm circuitry 300 displays the most recent The two digital values generated in are sequentially transferred to the switch controller 400 so that the value of the output voltage (V OUT ) of the energy harvest 100 is adjusted, and then output values corresponding to the maximum sample value (N MAX ) (OUT) can be collected (S160).

제어 알고리즘 회로부(300)는 2개의 디지털 값 중에서 최대 샘플값(NMAX)에 대한 양의 부호(+1)의 개수의 비율(즉, +1의 개수/NMAX)이 1/2에 더 가까운 디지털 값을 최종 코드(최종 디지털 값)로 선택할 수 있다(S170).In the control algorithm circuit 300, the ratio of the number of positive signs (+1) to the maximum sample value (N MAX ) among the two digital values (ie, the number of +1/N MAX ) is closer to 1/2. A digital value may be selected as a final code (final digital value) (S170).

제어 알고리즘 회로부(300)는 선택한 최종 코드를 스위치 제어부(400)에 전달하여 에너지 하베스트(100)의 출력 전압(VOUT)의 값이 최종적으로 조절되도록 하고, 최종 코드를 변화시키지 않고 고정(lock)시킬 수 있다(S180). 에너지 하베스트(100)의 출력 전압(VOUT)은 도달할 수 있는 최소 오차값으로 수렴, 즉 최대 전력 전달 지점으로 수렴될 수 있다. The control algorithm circuit unit 300 transmits the selected final code to the switch control unit 400 so that the value of the output voltage V OUT of the energy harvest 100 is finally adjusted, and locks without changing the final code It can be done (S180). The output voltage (V OUT ) of the energy harvest 100 may converge to a minimum attainable error value, that is, converge to a maximum power transfer point.

만일, 2개의 디지털 값 중에서 하나의 디지털 값에서는 검출 회로부(200)의 출력값(OUT)이 모두 +1이고, 다른 하나의 디지털 값에서는 검출 회로부(200)의 출력이 모두 ­1이면, 회로의 노이즈가 부족해 확실하지 않은 최종 코드 고정(lock)이 될 수 있다. 이는 최대 오차(max error)가 조정 간격(d)보다 작은 경우로(max error < d), 제어 알고리즘 회로부(300)는 최적점이 확실한 고정(max error < 0.5×d)인 경우와 구분하여 이를 알리는 신호를 출력할 수 있다. 이 경우 제어 알고리즘 회로부(300)는 최대 샘플값(NMAX)을 증가시켜 정밀도를 높일 수 있다(S220).If all output values OUT of the detection circuit unit 200 are +1 in one digital value among two digital values and all output values OUT of the detection circuit unit 200 are 1 in the other digital value, the noise of the circuit is Insufficient and uncertain end-of-code locking. This is a case where the maximum error (max error) is smaller than the adjustment interval (d) (max error < d), and the control algorithm circuit unit 300 distinguishes it from the case where the optimal point is fixed (max error < 0.5 × d) and notifies it signal can be output. In this case, the control algorithm circuit unit 300 may increase the precision by increasing the maximum sample value (N MAX ) (S220).

최종 코드가 고정(lock)된 후에 피드백 루프의 동작이 멈추지만, 검출 회로부(200)에 오프셋을 적용하여 상태 오차가 어느 이상 커졌을 때, 제어 알고리즘 회로부(300)는 다시 피드백 루프를 재활성화하여 현재의 최대 전력 전달 지점을 재점검하고 필요할 경우 다시 최대 전력 전달 지점을 추적할 수 있다(S230).The operation of the feedback loop stops after the final code is locked, but when the state error becomes larger than a certain level by applying an offset to the detection circuit unit 200, the control algorithm circuit unit 300 reactivates the feedback loop again and The maximum power transfer point of can be rechecked and, if necessary, the maximum power transfer point can be tracked again (S230).

도 3 내지 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법에서 N값과 오차값에 대한 Pk 분포 그래프를 나타낸다. 3 to 6 show Pk distribution graphs for N values and error values in the control method of an energy harvesting device according to an embodiment of the present invention.

도 3 내지 6을 참조하면, Pk는 검출 회로부(200)의 출력값(OUT)을 연속하여 N개 수집할 때 +1(양의 부호) 값을 k개 얻을 확률을 나타낸다. Referring to FIGS. 3 to 6 , Pk represents a probability of obtaining k values of +1 (positive sign) when N output values OUT of the detection circuit unit 200 are continuously collected.

도 3은 샘플값 N=4인 경우를 나타내고, 도 4는 샘플값 N=8인 경우를 나타내고, 도 5는 샘플값 N=16인 경우를 나타내며, 도 6은 샘플값 N=32인 경우를 나타내고 있다. 샘플값 N이 커질수록 Pk의 분포가 감소함을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따라 최대 전력 전달 지점에 수렴하는 부근이 아닌 경우(수렴과 먼 지점)에는 샘플값 N을 유지하고 즉각적으로 디지털 값을 변경하고, 최대 전력 전달 지점에 수렴하는 지점의 부근에서 샘플값 N을 K배 증가시키는 방식으로 추적 시간을 최소화하면서 최대 전력 전달 지점에 수렴할 수 있다.3 shows the case of the sample value N=4, FIG. 4 shows the case of the sample value N=8, FIG. 5 shows the case of the sample value N=16, and FIG. 6 shows the case of the sample value N=32. indicates It can be seen that the distribution of Pk decreases as the sample value N increases. That is, according to an embodiment of the present invention, if it is not in the vicinity of convergence to the maximum power transfer point (a point far from convergence), the sample value N is maintained and the digital value is immediately changed, and the point of convergence to the maximum power transfer point It is possible to converge to the maximum power transfer point while minimizing the tracking time by increasing the sample value N by K times in the vicinity.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. The drawings and detailed description of the present invention referred to so far are only examples of the present invention, which are only used for the purpose of explaining the present invention, and are used to limit the scope of the present invention described in the meaning or claims. It is not. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10: 에너지 하베스팅 장치
100: 에너지 하베스터
200: 검출 회로부
300: 제어 알고리즘 회로부
400: 스위치 제어부10: energy harvesting device
100: energy harvester
200: detection circuit unit
300: control algorithm circuit unit
400: switch control unit

Claims (15)

입력 전압을 이용하여 출력 전압을 생성하는 에너지 하베스터;
기준 전압과 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 비교하여 이진 제어를 위한 출력값을 출력하는 검출 회로부;
상기 검출 회로부의 출력값의 샘플 개수를 점진적으로 증가시켜 수집하고, 수집된 출력값으로부터 결정되는 주요 출력값에 따라 디지털 값을 생성하는 제어 알고리즘 회로부; 및
상기 제어 알고리즘 회로부의 디지털 값에 따라 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 조절하는 스위치 제어부를 포함하는 에너지 하베스팅 장치.an energy harvester generating an output voltage using an input voltage;
a detection circuit unit comparing a reference voltage with an output voltage of the energy harvester and outputting an output value for binary control;
a control algorithm circuit unit for gradually increasing and collecting the number of samples of output values of the detection circuit unit and generating a digital value according to a main output value determined from the collected output values; and
Energy harvesting device comprising a switch control unit for adjusting the output voltage of the energy harvester according to the digital value of the control algorithm circuit unit. 제1 항에 있어서,
상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 기준 전압과 상기 출력 전압의 오차가 양자화 오차 이내로 수렴하는지 결정하는 에너지 하베스팅 장치.According to claim 1,
The control algorithm circuit unit determines whether an error between the reference voltage and the output voltage converges within a quantization error. 제1 항에 있어서,
상기 검출 회로부의 출력값은 양의 부호와 음의 부호를 나타내는 이진값인 에너지 하베스팅 장치.According to claim 1,
The output value of the detection circuit unit is an energy harvesting device that is a binary value representing a positive sign and a negative sign. 제1 항에 있어서,
상기 제어 알고리즘 회로부는 최대 샘플값 및 샘플값을 설정하고, 상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달할 때까지 상기 샘플값을 K배 만큼 점진적으로 증가시키면서 상기 검출 회로부의 출력값을 수집하는 에너지 하베스팅 장치.According to claim 1,
The control algorithm circuit unit sets a maximum sample value and a sample value, and collects an output value of the detection circuit unit while gradually increasing the sample value by K times until the sample value reaches the maximum sample value. Energy harvesting Device. 제4 항에 있어서,
상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 샘플값이 N일 때 N-1개의 출력값을 샘플로서 수집하는 에너지 하베스팅 장치.According to claim 4,
The control algorithm circuit unit collects N-1 output values as samples when the sample value is N. 제4 항에 있어서,
상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달한 경우에 가장 최근에 생성된 2개의 디지털 값을 차례로 상기 스위치 제어부에 전달하여 상기 에너지 하베스트의 출력 전압의 값이 조절되도록 한 후 최대 샘플값에 대응하는 개수만큼의 출력값을 수집하는 에너지 하베스팅 장치.According to claim 4,
When the sample value reaches the maximum sample value, the control algorithm circuit unit sequentially transfers the two most recently generated digital values to the switch control unit so that the value of the output voltage of the energy harvester is adjusted, and then the maximum sample value is reached. An energy harvesting device that collects as many output values as the number corresponding to the value. 제6 항에 있어서,
상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 2개의 디지털 값 중에서 상기 최대 샘플값에 대한 양의 부호의 개수의 비율이 1/2에 더 가까운 디지털 값을 최종 코드로 선택하는 에너지 하베스팅 장치.According to claim 6,
The energy harvesting device of claim 1 , wherein the control algorithm circuit unit selects, as a final code, a digital value in which a ratio of the number of positive signs to the maximum sample value is closer to 1/2 among the two digital values. 제7 항에 있어서,
상기 제어 알고리즘 회로부는 상기 최종 코드를 고정하여 상기 에너지 하베스트의 출력이 최대 전력 전달 지점에 수렴되도록 하는 에너지 하베스팅 장치.According to claim 7,
The control algorithm circuit unit fixes the final code so that the output of the energy harvest converges at a maximum power transfer point. 입력 전압을 이용하여 출력 전압을 생성하는 에너지 하베스터 및 기준 전압과 상기 에너지 하베스터의 출력 전압을 비교하여 이진 제어를 위한 출력값을 출력하는 검출 회로부를 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법에 있어서,
최대 샘플값 및 샘플값을 설정하는 단계;
상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달할 때까지 상기 샘플값을 K배 만큼 점진적으로 증가시키면서 상기 출력값을 샘플로서 수집하는 단계; 및
상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달한 경우에 상기 검출 회로부의 출력값을 조절하는 디지털 값을 최종 코드로 선택하는 단계를 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법.A control method of an energy harvesting device comprising an energy harvester that generates an output voltage using an input voltage and a detection circuit unit that compares a reference voltage with an output voltage of the energy harvester and outputs an output value for binary control,
setting a maximum sample value and sample value;
collecting the output value as a sample while gradually increasing the sample value by K times until the sample value reaches the maximum sample value; and
and selecting a digital value for adjusting an output value of the detection circuit unit as a final code when the sample value reaches the maximum sample value. 제9 항에 있어서,
상기 샘플값이 N일 때 N-1개의 출력값을 샘플로서 수집하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법.According to claim 9,
A control method of an energy harvesting device for collecting N-1 output values as samples when the sample value is N. 제9 항에 있어서,
상기 출력값에서 양의 부호와 음의 부호 중에서 다수를 차지하는 것을 주요 출력값으로 결정하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법.According to claim 9,
The control method of the energy harvesting device further comprising the step of determining as a main output value that occupies a majority of the positive sign and the negative sign in the output value. 제11 항에 있어서,
상기 출력값의 조절 방향이 증가시키는 방향이면서 상기 주요 출력값이 상기 음의 부호인 상태이거나, 또는 상기 출력값의 조절 방향이 감소시키는 방향이면서 상기 주요 출력값이 상기 양의 부호인 상태인 경우에 상기 샘플값을 K배 증가시키는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법.According to claim 11,
When the direction of adjusting the output value is in the increasing direction and the main output value is the negative sign, or when the adjusting direction of the output value is in the decreasing direction and the main output value is the positive sign, the sample value A control method of an energy harvesting device that increases K times. 제9 항에 있어서,
상기 샘플값이 상기 최대 샘플값에 도달한 경우에 가장 최근에 생성된 2개의 디지털 값을 차례로 상기 스위치 제어부에 전달하여 상기 에너지 하베스트의 출력 전압의 값이 조절되도록 한 후 최대 샘플값에 대응하는 개수만큼의 출력값을 수집하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법.According to claim 9,
When the sample value reaches the maximum sample value, the two most recently generated digital values are sequentially transmitted to the switch controller so that the value of the output voltage of the energy harvest is adjusted, and then the number corresponding to the maximum sample value A control method of an energy harvesting device further comprising the step of collecting as many output values as possible. 제13 항에 있어서,
상기 2개의 디지털 값 중에서 상기 최대 샘플값에 대한 양의 부호의 개수의 비율이 1/2에 더 가까운 디지털 값을 상기 최종 코드로 선택하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법.According to claim 13,
A method of controlling an energy harvesting device for selecting a digital value in which a ratio of the number of positive signs to the maximum sample value is closer to 1/2 among the two digital values as the final code. 제14 항에 있어서,
상기 최종 코드를 고정하여 상기 에너지 하베스트의 출력이 최대 전력 전달 지점에 수렴되도록 하는 단계를 더 포함하는 에너지 하베스팅 장치의 제어 방법.According to claim 14,
The control method of the energy harvesting device further comprising the step of fixing the final code so that the output of the energy harvesting converges at a maximum power delivery point.
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