KR20230080975A - 에너지 하베스터용 부하연결장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 하베스터용 부하연결장치에 관한 것으로, 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)을 검출하는 충전상태 검출부; 상기 에너지 저장장치의 출력 전압을 기반으로 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 구동부; 및 상기 스위치 구동신호에 따라 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 선로를 개폐하는 스위치를 포함한다.

Description

에너지 하베스터용 부하연결장치{LOAD CONNECTION DEVICE FOR ENERGY HAVESTER}
본 발명은 에너지 하베스터용 부하연결장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 부하 연결을 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 부하연결장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이란 기기 주변의 환경 에너지, 태양/바람/조류 등과 같은 자연 에너지를 수거하여 사용하는 기술을 말하는 것으로, 버려지거나 활용되지 않은 자원에서 에너지를 수확 또는 이용할 수 있는 것을 찾아 에너지를 재생산하는 것으로 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, 그리고 전자기파로부터 에너지를 얻는 RF 방식 등이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 에너지 하베스팅 시스템(10)은 주변의 자연 또는 환경 에너지를 수집하여 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스터(11)와, 상기 에너지 하베스터(11)의 출력 전압을 정류하는 정류기(12)와, 상기 에너지 하베스터(11)에서 생산된 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장장치(13)와, 상기 에너지 저장장치(13)를 충전하는 에너지 하베스팅 회로(14)를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 회로에 관한 동작 프로파일을 설명하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 하베스터(11)가 동작하면, 정류기(12)는 에너지 하베스터(11)에서 생산된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 제1 캐패시터(C1)에 전압을 충전한다. 상기 제1 캐패시터(C1)에 전압이 충전됨에 따라 에너지 하베스팅 회로(14)의 입력 전압(VIN)이 임계 전압(가령, 5.0V)을 초과하게 되면, 에너지 하베스팅 회로(14)는 충전 전류를 인가하여 에너지 저장장치(13)를 충전하게 된다. 이후, 에너지 저장장치(13)에 대한 충전이 완료되면, 에너지 하베스팅 회로(14)의 출력 전압(VOUT)은 일정하게 유지되고, 입력 전압(VIN)은 미리 설정된 제한 전압(가령, 20V)까지 상승하게 된다.
이러한 에너지 하베스팅 회로(14)의 출력단에 소정의 부하(50) 연결 시, 해당 부하(50)에서 소모하는 전류가 에너지 하베스터(11)에서 생산하는 전류보다 더 큰 경우에는 해당 하베스터(11)에서 생산된 전류가 에너지 저장장치(13)를 충전시킬 수 없을 뿐만 아니라 부하(50)도 제대로 동작시킬 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 에너지 하베스터용 부하연결장치가 제안되었다.
도 3은 종래 기술에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 에너지 하베스터용 부하연결장치(20)는 에너지 하베스팅 회로(14)의 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)을 기반으로 에너지 저장장치(13)의 충전 상태를 검출하는 충전상태 검출부(21)와, 에너지 저장장치(13)의 충전 상태를 기반으로 스위치(23)를 구동하기 위한 제어신호를 생성하는 스위치 구동부(22)와, 상기 스위치 구동부(22)의 제어 신호에 따라 에너지 저장장치(13)와 부하(50) 사이의 선로를 주기적으로 개폐하는 스위치(23)를 포함할 수 있다.
그런데, 종래의 에너지 하베스터용 부하연결장치(20)는 에너지 하베스팅 회로(14)의 입력 전압(VIN)을 기반으로 에너지 저장장치(13)의 충전 상태를 검출하기 위한 구성요소들, 가령 다이오드 및 제너 다이오드 등을 구비하고 있어 IC 칩 형태로 구현하기 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 에너지 하베스터용 부하연결장치(20)는 비교기의 기준전압을 조절할 수 없어 부하 연결 전압 조절이 제한되는 문제가 있다.
한국공개특허공보 제10-2021-0025284호
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결을 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 부하연결장치를 제공함에 있다.
또 다른 목적은 트랜지스터 소자 및/또는 저항 소자로 이루어진 기준전압 발생기와 히스테리시스 비교기를 이용하여 소형화 및 집적화가 가능한 에너지 하베스터용 부하연결장치를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)을 검출하는 충전상태 검출부; 상기 에너지 저장장치의 출력 전압을 기반으로 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 구동부; 및 상기 스위치 구동신호에 따라 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 선로를 개폐하는 스위치를 포함하되, 상기 스위치 구동부는 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)을 이용하여 미리 결정된 기준 전압(Vref)을 생성하는 기준전압 발생기와, 상기 기준 전압(Vref)을 기반으로 스위치 구동신호를 생성하는 히스테리시스 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하연결장치를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 충전상태 검출부는 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)이 상기 에너지 저장장치와 부하 사이를 연결하기 위한 제1 임계 전압(Vth1)에 도달하는지를 검출하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스위치 구동부는 히스테리시스 비교기의 입력 전압(VI)이 제1 임계 전압(Vth1)에 대응하는 제1 히스테리시스 전압(VThH)에 도달한 경우, 스위치를 턴 온하기 위한 제1 스위치 구동신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 충전상태 검출부는 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)이 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결을 차단하기 위한 제2 임계 전압(Vth2)에 도달하는지를 검출하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스위치 구동부는 히스테리시스 비교기의 입력 전압(VI)이 제2 임계 전압(Vth2)에 대응하는 제2 히스테리시스 전압(VThL)에 도달한 경우, 스위치를 턴 오프하기 위한 제2 스위치 구동신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결을 제어함으로써, 에너지 하베스터에서 생산되는 전류보다 더 많은 전류를 소모하는 부하들을 효과적으로 동작시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 하베스터용 부하연결장치를 이용하여 어떠한 부하에 대해서도 에너지 하베스터를 적용할 수 있기 때문에, 상기 에너지 하베스터의 응용 범위를 폭발적으로 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 트랜지스터 소자 및 저항 소자로 이루어진 기준전압 발생기와 트랜지스터 소자로 이루어진 히스테리시스 비교기를 이용하여 에너지 하베스터용 부하연결장치의 소형화 및 집적화를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치가 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 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 2는 도 1의 에너지 하베스팅 회로에 관한 동작 프로파일을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3은 종래 기술에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치의 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 나타내는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치의 구성을 나타내는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치의 세부 회로 구성을 나타내는 도면;
도 7은 도 6에 도시된 기준전압 발생기의 세부 회로 구성을 예시하는 도면;
도 8은 도 6에 도시된 히스테리시스 비교기의 세부 회로 구성을 예시하는 도면;
도 9는 도 6에 도시된 히스테리시스 비교기의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면.
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 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결을 제어할 수 있는 에너지 하베스터용 부하연결장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 트랜지스터 소자 및/또는 저항 소자로 이루어진 기준전압 발생기와 히스테리시스 비교기를 이용하여 소형화 및 집적화가 가능한 에너지 하베스터용 부하연결장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템(100)은 에너지 하베스터(110), 정류기(120), 에너지 하베스팅 회로(130), 에너지 저장장치(140) 및 부하연결장치(150)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 구성요소들은 에너지 하베스팅 시스템을 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 에너지 하베스팅 시스템은 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
에너지 하베스터(110)는 기기 주변의 자연 또는 환경 등에서 버려지거나 활용되지 않은 자원을 이용하여 에너지를 수확하는 장치로서, 주로 마이크로 와트(㎼) 내지 밀리 와트(㎽) 단위의 전기 에너지를 생산한다. 이러한 에너지 하베스터(110)로는 압전 하베스터, 정전기 하베스터, 전자기 하베스터, 열전 하베스터, 생체역학 하베스터, 솔라셀 하베스터, 마찰전기(Triboelectric) 하베스터 및 RF 하베스터 중 어느 하나가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
정류기(120)는, 에너지 하베스터(110)의 출력단에 연결되어, 상기 에너지 하베스터(110)로부터 출력되는 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환하는 동작을 수행할 수 있다. 일 예로, 정류기(120)는 풀 브릿지(full bridge) 타입의 다이오드들(D1~D4)과 하나의 출력 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 정류기(120)는 에너지 하베스팅 시스템(100)의 종류에 따라 생략 가능하도록 구성될 수 있다.
에너지 하베스팅 회로(130)는, 정류기(120)의 출력단과 에너지 저장장치(140)의 입력단 사이에 배치되어, 상기 정류기(120)의 출력 전압(VIN)을 이용하여 에너지 저장장치(140)를 충전하는 동작을 수행할 수 있다.
에너지 하베스팅 회로(130)는 에너지 저장장치(140)의 충전 상태(State of Charge, SOC)에 따라 CC(Constant Current) 모드 또는 CV(Constant Voltage) 모드로 해당 에너지 저장장치(140)를 충전할 수 있다. 예컨대, 에너지 하베스팅 회로(130)는 에너지 저장장치(140)가 만 충전될 때까지 CC 모드로 충전하고, 상기 에너지 저장장치(140)가 만 충전되면 CV 모드로 충전한다.
에너지 저장장치(140)는 에너지 하베스팅 회로(130)와 부하연결장치(150) 사이에 배치되며, 에너지 하베스터(110)에서 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있다. 이러한 에너지 저장장치(140)로는 배터리, 슈퍼 캐패시터(super capacitor), 축전지 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
에너지 저장장치(140)는, 충전 모드 시, 에너지 하베스팅 회로(130)로부터 제공받은 전기 에너지를 저장할 수 있다. 또한, 에너지 저장장치(140)는, 방전 모드 시, 기 저장된 전기 에너지를 부하(50)로 제공할 수 있다.
부하연결장치(150)는 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이에 배치되며, 상기 에너지 저장장치(140)의 충전 상태(SOC)를 기반으로 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 제어할 수 있다. 즉, 부하연결장치(150)는, 에너지 저장장치(140)가 만 충전 상태가 될 때마다, 상기 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이를 주기적으로 연결할 수 있다. 또한, 부하연결장치(150)는, 에너지 저장장치(140)에 저장된 에너지가 부하(50)로 방전되어 출력 전압(VOUT)이 임계 전압 이하로 떨어지는 경우, 상기 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 해제할 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스터(110)를 이용하여 해당 하베스터(110)의 생산 전류보다 더 많은 전류를 소비하는 부하들을 간헐적으로 동작시킬 수 있게 된다.
한편, 본 실시 예에서는, 상기 부하연결장치(150)가 에너지 하베스팅 회로(130)와 독립적으로 구성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 부하연결장치(150)를 구성하는 구성요소들 중 적어도 하나의 구성요소가 에너지 하베스팅 회로(130)와 일체로 구성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 저장장치와 부하 사이에 배치되는 부하연결장치를 구비함으로써, 상기 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 에너지 저장장치와 부하 사이를 연결하거나 혹은 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결을 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치의 세부 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치(150, 200)는 충전상태 검출부(210), 스위치 구동부(220) 및 스위치(230)를 포함할 수 있다.
충전상태 검출부(210)는 에너지 하베스팅 회로(130)의 출력단에 연결된 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)을 검출하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 충전상태 검출부(210)는 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)이 제1 임계 전압(Vth1) 또는 제2 임계 전압(Vth2)에 도달하는지를 검출할 수 있다. 여기서, 제1 임계 전압(Vth1)은 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이를 연결하기 위해 미리 설정된 전압이고, 제2 임계 전압(Vth2)은 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 차단하기 위해 미리 설정된 전압이다.
일 예로, 충전상태 검출부(210)는 제1 내지 제3 저항 소자(R1~R3), 제1 MOSFET 소자(Q1) 및 제1 인버터 소자(INV1)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 MOSFET 소자(Q1)는 N채널형 MOSFET 소자임을 예시하여 설명하도록 한다.
제1 저항 소자(R1)는 에너지 저장장치(140)의 출력단과 제1 노드(N1) 사이에 연결될 수 있고, 제2 저항 소자(R2)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있으며, 제3 저항 소자(R3)는 제2 노드(N2)와 접지(ground) 사이에 연결될 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 저항 소자(R1~ R3)는 에너지 저장장치(140)의 출력단과 접지 사이에서 직렬로 연결될 수 있다.
제1 MOSFET 소자(Q1)의 게이트 단은 제1 인버터 소자(INV1)의 출력단에 연결될 수 있고, 드레인 단은 제2 노드(N2)에 연결될 수 있고, 소스 단은 접지에 연결될 수 있다. 그리고, 제1 인버터 소자(INV1)의 입력단은 스위치 구동부(220)의 출력단에 연결될 수 있고, 출력단은 제1 MOSFET 소자(Q1)의 게이트 단에 연결될 수 있다.
제1 MOSFET 소자(Q1)는 제1 인버터 소자(INV1)의 출력 신호에 따라 턴 온/오프(turn on/off) 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 제1 인버터 소자(INV1)의 출력 신호는 스위치 구동부(220)의 출력 신호(VC)를 반전한 신호에 해당한다.
제1 MOSFET 소자(Q1)가 턴 오프 상태인 경우(즉, 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결이 차단된 경우), 충전상태 검출부(210)는 제1 노드 전압(VI)과 제1 내지 제3 저항 소자(R1~R3) 간의 전압 분배를 이용하여 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)을 간접적으로 검출할 수 있다. 즉, 충전상태 검출부(210)는 아래 수학식 1을 이용하여 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)을 제1 노드 전압(VI)으로 검출할 수 있다.
Figure pat00001
제1 임계 전압(Vth1)은 아래 수학식 2와 같이 기준전압(Vref)과 제1 내지 제3 저항 소자(R1~R3)를 이용하여 설정할 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2는 아래 수학식 3으로 유도될 수 있으므로, 수학식 1의 제1 노드 전압(VI)과 수학식 3의 기준전압(Vref)을 비교하면, 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)과 제1 임계 전압(Vth1)을 비교하는 것과 같다.
Figure pat00003
한편, 제1 MOSFET 소자(Q1)가 턴 온 상태인 경우(즉, 에너지 저장장치와 부하 사이를 연결한 경우), 충전상태 검출부(210)는 제1 노드 전압(VI)과 제1 및 제2 저항 소자(R1, R2) 간의 전압 분배를 이용하여 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)을 간접적으로 검출할 수 있다. 즉, 충전상태 검출부(210)는 제1 MOSFET 소자(Q1)가 턴 온 상태인 경우 제3 저항 소자(R3)가 제거되는 효과가 있기 때문에 아래 수학식 4와 같이 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)을 제1 노드 전압(VI)으로 검출할 수 있다.
Figure pat00004
제2 임계 전압(Vth2)은 아래 수학식 5와 같이 기준전압(Vref)과 제1 내지 제2 저항 소자(R1~R2)를 이용하여 설정할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5는 아래 수학식 6으로 유도될 수 있으므로, 수학식 4의 제1 노드 전압(VI)과 수학식 6의 기준전압(Vref)을 비교하면, 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)과 제2 임계 전압(Vth2)을 비교하는 것과 같다.
Figure pat00006
스위치 구동부(220)는 에너지 저장장치(140)의 충전 상태를 기반으로 스위치(230)를 구동하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 즉, 스위치 구동부(220)는 충전상태 검출부(210)를 통해 검출된 제1 노드 전압(VI)을 기반으로 스위치(230)를 구동하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
일 예로, 스위치 구동부(220)는 기준전압 발생기(221), 히스테리시스 비교기(hysteresis comparator, 222) 및 제2 인버터 소자(223, INV2)를 포함할 수 있다.
기준전압 발생기(221)는 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)을 이용하여 히스테리시스 비교기(222)의 기준 전압(Vref)을 생성하는 기능을 수행할 수 있다. 일 예로, 도 7에 도시된 바와 같이, 기준전압 발생기(221)는 3개의 저항 소자(R4, R5, R6)와 10개의 MOSFET 소자(Q2~Q11)로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
히스테리시스 비교기(222)는 입력 전압(즉, 제1 노드 전압, VI)과 미리 결정된 기준 전압(Vref)을 비교하는 기능을 수행할 수 있다. 일 예로, 도 8에 도시된 바와 같이, 히스테리시스 비교기(222)는 15개의 MOSFET 소자(Q12~Q26)로 구성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
히스테리시스 비교기(222)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하기 위한 입력 전압(VI = VThH)과 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하기 위한 입력 전압(VI = VThL)이 서로 상이하며, 양 입력 전압 간에 일정한 전압 차(ΔV)가 존재하는 비교기이다. 여기서, 로우 레벨 신호(VOL)를 출력하기 위한 입력 전압(VThH)을 제1 히스테리시스 전압이라 지칭하고, 하이 레벨 신호(VOH)를 출력하기 위한 입력 전압(VThL)을 제2 히스테리시스 전압이라 지칭한다.
제2 인버터 소자(223, INV2)는 히스테리시스 비교기(222)의 출력단에 연결되어, 상기 히스테리시스 비교기(222)의 출력 신호를 반전하는 기능을 수행할 수 있다.
스위치 구동부(220)는 기준전압 발생기(221), 히스테리시스 비교기(222) 및 제2 인버터 소자(223, INV2)를 이용하여 스위치(230)를 구동하기 위한 제어신호(VC)를 생성할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 충전상태 검출부(210)를 통해 검출된 제1 노드 전압(VI)이 미리 결정된 제1 히스테리시스 전압(VThH, 가령 1.4V)에 도달하는 경우, 히스테리시스 비교기(222)는 하이 레벨 신호를 출력하게 되고, 이를 수신한 제2 인버터 소자(222)는 로우 레벨 신호를 출력하게 된다. 상기 제2 인버터 소자(223)에서 출력된 로우 레벨 신호는 스위치(230)로 입력되어 해당 스위치(230)를 턴 온하게 된다. 즉, 제1 노드 전압(VI)이 제1 히스테리시스 전압(VThH)에 도달하는 경우, 스위치(230)를 턴 온하여 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이를 연결한다. 아울러, 상기 제2 인버터 소자(223)에서 출력된 로우 레벨 신호는 제1 인버터 소자(INV1)를 거쳐 제1 MOSFET 소자(Q1)로 입력되어, 상기 제1 MOSFET 소자(Q1)를 턴 온하게 된다. 여기서, 제1 히스테리시스 전압(VThH)은 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)이 제1 임계 전압(Vth1, 가령 3.6V)에 도달한 시점에서의 제1 노드 전압(VI)으로 설정될 수 있다.
한편, 충전상태 검출부(210)를 통해 검출된 제1 노드 전압(VI)이 미리 결정된 제2 히스테리시스 전압(VThL, 가령 1.0V)에 도달하는 경우, 히스테리시스 비교기(222)는 로우 레벨 신호를 출력하게 되고, 이를 수신한 제2 인버터 소자(223)는 하이 레벨 신호를 출력하게 된다. 상기 제2 인버터 소자(223)에서 출력된 하이 레벨 신호는 스위치(230)로 입력되어 해당 스위치(230)를 턴 오프하게 된다. 즉, 제1 노드 전압(VI)이 제2 히스테리시스 전압(VThL)에 도달하는 경우, 스위치(230)를 턴 오프하여 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 차단한다. 아울러, 상기 제2 인버터 소자(223)에서 출력된 하이 레벨 신호(VOL)는 제1 인버터 소자(INV1)를 거쳐 제1 MOSFET 소자(Q1)로 입력되어, 상기 제1 MOSFET 소자(Q1)를 턴 오프하게 된다. 여기서, 제2 히스테리시스 전압(VThL)은 에너지 저장장치(140)의 출력 전압(VOUT)이 제2 임계 전압(Vth2, 가령 3.0V)에 도달한 시점에서의 제1 노드 전압(VI)으로 설정될 수 있다.
스위치(230)는, 스위치 구동부(220)의 제어 신호에 따라, 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 선로를 개폐하는 동작을 수행할 수 있다. 즉, 스위치(230)는 스위치 구동부(220)로부터 수신된 제1 제어신호(가령, 로우 레벨 신호)에 기초하여 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이를 연결할 수 있다. 또한, 스위치(230)는 스위치 구동부(220)로부터 수신된 제2 제어신호(가령, 하이 레벨 신호)에 기초하여 에너지 저장장치(140)와 부하(50) 사이의 연결을 해제(차단)할 수 있다.
일 예로, 스위치(230)는 하나 이상의 트랜지스터 소자로 구성될 수 있다. 상기 트랜지스터 소자는 N채널형 MOSFET 소자 또는 P채널형 MOSFET 소자일 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 스위치(230)로 P채널형 MOSFET 소자를 사용하는 경우, 해당 스위치(230)는 로우 레벨 신호를 갖는 게이트 전압(VGS)에 의해 턴 온되고, 하이 레벨 신호를 갖는 게이트 전압(VGS)에 의해 턴 오프된다. 한편, 다른 실시 예로, 상기 스위치(230)는 MOSFET 소자 대신 BJT(Bipolar Junction Transistor) 소자 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성될 수도 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스터용 부하연결장치는 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 충전 상태를 기반으로 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결을 제어함으로써, 에너지 하베스터에서 생산되는 전류보다 더 많은 전류를 소모하는 부하들을 효과적으로 동작시킬 수 있다. 또한, 상기 에너지 하베스터용 부하연결장치는 어떠한 부하에 대해서도 에너지 하베스터를 적용할 수 있기 때문에, 에너지 하베스터의 응용 범위를 폭발적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 에너지 하베스터용 부하연결장치는 트랜지스터 소자 및 저항 소자로 이루어진 기준전압 발생기와 트랜지스터 소자로 이루어진 히스테리시스 비교기를 이용하여 해당 제품의 소형화 및 집적화를 구현할 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.
100: 에너지 하베스팅 시스템 110: 에너지 하베스터
120: 정류기 130: 에너지 하베스팅 회로
140: 에너지 저장장치 150/200: 부하연결장치
210: 충전상태 검출부 220: 스위치 구동부
230: 스위치

Claims (5)

  1. 에너지 하베스팅 회로에 연결된 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)을 검출하는 충전상태 검출부;
    상기 에너지 저장장치의 출력 전압을 기반으로 스위치 구동신호를 생성하는 스위치 구동부; 및
    상기 스위치 구동신호에 따라 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 선로를 개폐하는 스위치를 포함하되,
    상기 스위치 구동부는, 상기 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)을 이용하여 미리 결정된 기준 전압(Vref)을 생성하는 기준전압 발생기와, 상기 기준 전압(Vref)을 기반으로 상기 스위치 구동신호를 생성하는 히스테리시스 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하연결장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전상태 검출부는, 상기 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)이 상기 에너지 저장장치와 부하 사이를 연결하기 위한 제1 임계 전압(Vth1)에 도달하는지를 검출하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하연결장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위치 구동부는, 상기 히스테리시스 비교기의 입력 전압(VI)이 상기 제1 임계 전압(Vth1)에 대응하는 제1 히스테리시스 전압(VThH)에 도달한 경우, 상기 스위치를 턴 온하기 위한 제1 스위치 구동신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하연결장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전상태 검출부는, 상기 에너지 저장장치의 출력 전압(VOUT)이 상기 에너지 저장장치와 부하 사이의 연결을 차단하기 위한 제2 임계 전압(Vth2)에 도달하는지를 검출하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하연결장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스위치 구동부는, 상기 히스테리시스 비교기의 입력 전압(VI)이 상기 제2 임계 전압(Vth2)에 대응하는 제2 히스테리시스 전압(VThL)에 도달한 경우, 상기 스위치를 턴 오프하기 위한 제2 스위치 구동신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터용 부하연결장치.
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