WO2016137124A1 - Energy collection apparatus and wireless switch using same - Google Patents

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WO2016137124A1
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김재하
양준석
이민복
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서울대학교산학협력단
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    • H04BTRANSMISSION
    • H04B5/00Near-field transmission systems, e.g. inductive loop type

Definitions

  • the present invention relates to an energy collection device and a wireless switch using the same.
  • a wireless switch capable of wirelessly outputting a control signal without using a temporary power source such as a battery.
  • a wireless switch is also called a batteryless wireless switch (BWS), and does not require a separate battery or power supply line for the operation of the switch, thereby reducing the cost of installing and maintaining the wireless switch.
  • BWS batteryless wireless switch
  • the bias flip rectifier 120 converts an alternating current generated by the piezoelectric element switch 110 into a direct current.
  • the bias flip rectifier 120 further includes an inductor and a switch in addition to the general rectifier to perform the instantaneous voltage rise of the internal capacitor through resonance with the internal capacitor of the piezoelectric element switch 110 to perform a so-called flip mode. . Details thereof will be described later.

Abstract

An energy collection apparatus which collects energy from a piezoelectric element according to one aspect of the present invention comprises: a bias-flip rectifier which converts an alternate current generated at a piezoelectric element switch into a direct current by a pressing operation of the piezoelectric element switch; a charging and discharging conversion unit, comprising a plurality of capacitors which store an output voltage of the bias-flip rectifier, for controlling a charging mode and a discharging mode of energy by converting the connection state of the plurality of capacitors to a serial connection or a parallel connection; and a first control unit which outputs, on the basis of the voltage outputted from the charging and discharging conversion unit, a first control signal which activates a bias-flip mode of the bias-flip rectifier and a second control signal which controls the charging mode and the discharging mode of the charging and discharging conversion unit.

Description

에너지 수집 장치 및 이를 이용한 무선 스위치Energy collection device and wireless switch using same
본 발명은 에너지 수집 장치 및 이를 이용한 무선 스위치에 관한 것이다.The present invention relates to an energy collection device and a wireless switch using the same.
최근 들어, 배터리와 같은 한시적인 전원을 사용하지 않고서도 무선으로 제어신호를 출력할 수 있는 무선 스위치에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 무선 스위치는 무전원 무선 스위치(BWS, batteryless wireless switch)로도 불리고 있으며, 스위치의 동작을 위한 별도의 배터리나 전원 공급선을 필요로 하지 않기 때문에, 무선 스위치의 설치 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있다.Recently, there is an increasing interest in a wireless switch capable of wirelessly outputting a control signal without using a temporary power source such as a battery. Such a wireless switch is also called a batteryless wireless switch (BWS), and does not require a separate battery or power supply line for the operation of the switch, thereby reducing the cost of installing and maintaining the wireless switch.
이와 같은 무선 스위치는 통상적으로 압전 소자로부터 전기 에너지를 수집하는 방식을 채택하고 있다. 또한, 압전 소자를 누르는 행위에 의하여 발생하는 전기 에너지를 정류하고, 이를 수집한 후 레귤레이터를 통해 RF 송신회로에 전달하는 방식을 채택하고 있다. Such wireless switches typically adopt a method of collecting electrical energy from piezoelectric elements. In addition, a method of rectifying electrical energy generated by pressing the piezoelectric element, collecting the energy, and transferring the collected energy to a RF transmitting circuit through a regulator is adopted.
다만, 이와 같은 과정에서 상당한 에너지 손실이 발생할 수 있는 만큼 이를 최소화할 수 있는 구성을 필요로 한다.However, this process requires a configuration capable of minimizing this as much energy loss may occur.
이와 관련하여, 미국 등록특허 제7138911 호(발명의 명칭: Power conversion from piezoelectric source with multi-stage storage)는 압전소자를 중심으로 에너지를 수집하고 이를 통신 장치에 활용하는 구성을 개시하고 있고, 주요 구성 요소로서 압전소자, 정류기, 벅 컨버터 등을 포함하고 있다.In this regard, US Patent No. 7138911 (name: Power conversion from piezoelectric source with multi-stage storage) discloses a configuration for collecting energy around a piezoelectric element and utilizing the same in a communication device. Elements include piezoelectric elements, rectifiers and buck converters.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 압전소자 스위치에서 발생하는 단발성 에너지를 출력단에 전달함에 있어 효율성을 향상시킬 수 있는 에너지 수집 장치 및 그를 이용한 무선 스위치를 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide an energy collection device and a wireless switch using the same that can improve the efficiency in transferring the one-time energy generated in the piezoelectric element switch to the output terminal.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 압전소자로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집 장치는 압전소자 스위치에 대한 누름 동작에 의하여 상기 압전소자 스위치에서 발생하는 교류 전류를 직류로 변환하는 바이어스 플립 정류기, 바이어스 플립 정류기의 출력전압을 저장하는 복수의 커패시터를 포함하고, 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 충방전 변환부 및 충방전 변환부에서 출력되는 전압에 기초하여 바이어스 플립 정류기의 바이어스 플립 모드를 활성화시키는 제 1 제어 신호와 충방전 변환부의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 제 2 제어 신호를 출력하는 제 1 제어부를 포함한다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the energy collection device for collecting energy from the piezoelectric element according to the first aspect of the present invention is the AC current generated by the piezoelectric element switch by the pressing operation on the piezoelectric element switch A bias flip rectifier for converting to direct current, and a plurality of capacitors for storing the output voltage of the bias flip rectifier, the charge and discharge conversion to control the charging mode and discharge mode of energy by converting the connection state of the plurality of capacitors in series or parallel A first control unit for outputting a first control signal for activating the bias flip mode of the bias flip rectifier and a second control signal for adjusting the charge mode and the discharge mode of the charge / discharge converter based on voltages output from the negative and charge / discharge converters It includes.
본 발명의 제 2 측면에 따른 압전소자로부터 수집한 에너지에 기반한 무선 스위치는 압전소자를 포함하는 압전소자 스위치, 압전소자 스위치에 대한 누름 동작에 의하여 압전소자 스위치에서 발생하는 교류 전류를 직류로 변환하는 바이어스 플립 정류기, 바이어스 플립 정류기의 출력전압을 저장하는 복수의 커패시터를 포함하고, 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 충방전 변환부, 충방전 변환부에서 출력되는 전압에 기초하여 바이어스 플립 정류기의 바이어스 플립 모드를 활성화시키는 제 1 제어 신호와 상기 충방전 변환부의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 제 2 제어 신호를 출력하는 제어부, 충방전 변환부의 출력단에 접속되고, 충방전 변환부의 출력전압을 변환하여 출력하는 레귤레이터 및 레귤레이터의 출력 전압에 기초하여 무선 신호를 출력하는 송신부를 포함한다.The wireless switch based on the energy collected from the piezoelectric element according to the second aspect of the present invention is a piezoelectric element switch including a piezoelectric element, by converting the AC current generated in the piezoelectric element switch by a pressing operation for the piezoelectric element switch to a direct current Charge and discharge converter including a bias flip rectifier, a plurality of capacitors for storing the output voltage of the bias flip rectifier, and converts the connection state of the plurality of capacitors in series or in parallel to adjust the charging and discharging modes of energy, charge and discharge A control unit for outputting a first control signal for activating the bias flip mode of the bias flip rectifier and a second control signal for adjusting the charge mode and the discharge mode of the charge / discharge converter based on the voltage output from the converter; It is connected to the output terminal and outputs by converting the output voltage of the charge / discharge converter. And a transmitter for outputting a wireless signal based on the regulator and the output voltage of the regulator.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면 압전소자를 통해 단발성으로 입력되는 작은 에너지를 최대한 손실 없이 출력단으로 전달할 수 있다. 특히, 바이어스 플립 정류기, 충방전 변환부의 구성을 통해 압전소자에서 출력되는 단발성 에너지를 최대한 수집하고, 레귤레이터의 컨버터에 사용되는 커패시터의 용량을 최소화하여 수집한 에너지를 최소한의 손실로 전달할 수 있다.According to the problem solving means of the present invention described above it is possible to deliver a small energy input to the output terminal as a single shot through the piezoelectric element as possible without loss. In particular, the configuration of the bias flip rectifier and the charge / discharge converter may collect the single-phase energy output from the piezoelectric element as much as possible, and minimize the capacity of the capacitor used in the converter of the regulator to transfer the collected energy with a minimum loss.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치를 도시한 도면이다.1 is a view showing an energy collection device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 상세 구성을 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of an energy collection device and a wireless switch according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치에 포함된 바이어스 플립 정류기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the operation of the bias flip rectifier included in the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치에 포함된 충방전 변환부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the operation of the charge and discharge conversion unit included in the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본원 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 충방전 변환부를 제어하는 제어부의 상세 구성을 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a detailed configuration of a control unit for controlling the charge and discharge conversion unit of the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본원 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 레귤레이터에 포함된 제어부의 상세 구성을 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a detailed configuration of a controller included in a regulator of an energy collection device and a wireless switch according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본원 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the effects of the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치를 도시한 도면이다.1 is a view showing an energy collection device according to an embodiment of the present invention.
에너지 수집 장치(10)는 압전소자 스위치(110), 바이어스 플립 정류기(120), 충방전 변환부(130), 제어부(140) 및 레귤레이터(150)를 포함한다.The energy collection device 10 includes a piezoelectric element switch 110, a bias flip rectifier 120, a charge / discharge converter 130, a controller 140, and a regulator 150.
압전소자 스위치(110)는 역학적인 압력을 전압으로 변환하는 압전소자(piezoelectric)를 포함한다. 사용자의 압전 소자 스위치에 대한 누름 동작에 의하여 압전소자 스위치에서는 교류 전류가 발생하게 된다. The piezoelectric element switch 110 includes a piezoelectric element that converts mechanical pressure into a voltage. An AC current is generated in the piezoelectric element switch by the user's pressing operation of the piezoelectric element switch.
바이어스 플립 정류기(120)는 압전소자 스위치(110)에서 발생하는 교류 전류를 직류로 변환한다. 이때, 바이어스 플립 정류기(120)는 일반적인 정류기 외에 인덕터와 스위치를 추가로 포함하여, 압전소자 스위치(110)의 내부 커패시터와의 공진을 통한 내부 커패시터의 순간적인 전압 상승, 이른바 플립 모드를 수행하도록 한다. 이에 대한 상세한 내용은 추후 설명하기로 한다. The bias flip rectifier 120 converts an alternating current generated by the piezoelectric element switch 110 into a direct current. In this case, the bias flip rectifier 120 further includes an inductor and a switch in addition to the general rectifier to perform the instantaneous voltage rise of the internal capacitor through resonance with the internal capacitor of the piezoelectric element switch 110 to perform a so-called flip mode. . Details thereof will be described later.
충방전 변환부(130)는 출력전압을 저장하는 복수의 커패시터를 포함한다. 이때, 충방전 변환부(130)는 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 모드와 방전 모드를 조절한다. 이에 대한 상세한 내용은 추후 설명하기로 한다.The charge and discharge converter 130 includes a plurality of capacitors for storing the output voltage. At this time, the charge and discharge converter 130 controls the charging mode and the discharge mode of the energy by converting the connection state of the plurality of capacitors in series or parallel. Details thereof will be described later.
제어부(140)는 충방전 변환부(130)에서 출력되는 전압에 기초하여 바이어스 플립 정류기(120)의 바이어스 플립 모드를 활성화시키는 제 1 제어 신호와 충방전 변환부(130)의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 제 2 제어 신호를 출력한다.The controller 140 controls the first control signal for activating the bias flip mode of the bias flip rectifier 120 and the charge mode and the discharge mode of the charge / discharge converter 130 based on the voltage output from the charge / discharge converter 130. Output a second control signal to adjust.
레귤레이터(150)는 충방전 변환부(130)의 출력전압을 변환하여 출력한다. 이때, 레귤레이터(150)는 레귤레이터(150)의 초기 구동 과정에서의 손실을 최소화하도록 한다.The regulator 150 converts and outputs the output voltage of the charge / discharge converter 130. In this case, the regulator 150 minimizes the loss in the initial driving process of the regulator 150.
한편, 본 발명의 또 다른 주제인 무선 스위치(20)는 레귤레이터(150)의 출력단에 무선 송신부(160)가 결합된 것으로, 에너지 수집 장치(10)를 통해 수집된 전원에 기초하여 제어신호를 무선으로 출력한다. 이와 같은 구성에 따라, 제어신호를 수신하는 다른 전자기기들을 무선으로 제어할 수 있도록 한다. 예를 들면, TV나 에어콘과 같은 각종 가전 기기나, 조명 장치 등의 상태를 제어할 수 있으며, 더 나아가 무선 센서 노드 등에도 활용될 수 있다. On the other hand, the wireless switch 20 is another subject of the present invention is that the wireless transmitter 160 is coupled to the output terminal of the regulator 150, wireless control signal based on the power collected through the energy collection device 10 Will print According to this configuration, it is possible to wirelessly control other electronic devices that receive the control signal. For example, it is possible to control the state of various home appliances such as TVs and air conditioners, lighting devices, and the like, and may also be utilized in wireless sensor nodes and the like.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 상세 구성을 도시한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of an energy collection device and a wireless switch according to an embodiment of the present invention.
압전소자 스위치(110)의 등가회로는 전류원과 이에 병렬 연결된 내부 커패시터(Cpz)로 모델링 될 수 있다. The equivalent circuit of the piezoelectric element switch 110 may be modeled as a current source and an internal capacitor Cpz connected in parallel thereto.
바이어스 플립 정류기(120)는 복수의 다이오드(D2, D3, D4, D5)를 포함하는 브릿지 정류기, 브릿지 정류기의 입력단자에 일측 단자가 접속된 인덕터(L1) 및 인덕터(L1)의 타측 단자와 접지 사이에 접속되고, 제 1 제어 신호(S1)에 따라 스위칭되는 스위칭 소자(SW1)를 포함한다. 이때, 인덕터(L1)와 스위칭 소자(SW1)는 서로 직렬 접속된 상태이고, 인덕터(L1)와 스위칭 소자(SW1)가 압전소자 스위치(110)의 출력단에 병렬 접속된다. 또한, 다이오드(D1)가 추가로 직렬 접속되어, 전류 흐름 방향을 고정시키도록 한다. The bias flip rectifier 120 includes a bridge rectifier including a plurality of diodes D2, D3, D4, and D5, an inductor L1 having one terminal connected to an input terminal of the bridge rectifier, and the other terminal of the inductor L1 and ground. And a switching element SW1 connected between and switched according to the first control signal S1. At this time, the inductor L1 and the switching element SW1 are in series connection with each other, and the inductor L1 and the switching element SW1 are connected in parallel to the output terminal of the piezoelectric element switch 110. In addition, the diode D1 is further connected in series to fix the current flow direction.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치에 포함된 바이어스 플립 정류기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the operation of the bias flip rectifier included in the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
바이어스 플립 정류기(120)에 포함된 인덕터(L1)는 에너지 수집을 극대화하는 역할을 수행한다. 즉, 통상의 경우에는 도 3의 상부에 도시된 바와 같이 교류전류가 양(+)에서 음(-)으로 바뀌는 경우, 내부 커패시터(Cpz)에 저장된 전하는 출력단으로 전달되지 않는다. 그러나, 본 발명에서는 교류전류가 양(+)에서 음(-)으로 바뀌는 경우 제어부(140)가 제 1 제어신호(S1)를 출력하게 되고, 제 1 제어신호(S1)에 의하여, 스위칭 소자(SW1)가 턴온됨에 따라, 내부 커패시터(Cpz)와 인덕터(L1)가 공진 회로를 구성하게 되고, 이에 의하여 내부 커패시터(Cpz)에 충전된 전압이 순간적으로 반전된다. 이를 바이어스 플립 정류기(120)의 플립 모드 활성화라 하고, 이에 의하여 내부 커패시터(Cpz)에 충전된 전압 만큼 출력 전압이 상승하게 된다.The inductor L1 included in the bias flip rectifier 120 serves to maximize energy collection. That is, in the normal case, as shown in the upper part of FIG. 3, when the alternating current is changed from positive (+) to negative (−), the charge stored in the internal capacitor Cpz is not transferred to the output terminal. However, in the present invention, when the AC current is changed from positive to negative, the controller 140 outputs the first control signal S1, and the switching element (S1) is applied by the first control signal S1. As SW1 is turned on, the internal capacitor Cpz and the inductor L1 form a resonant circuit, whereby the voltage charged in the internal capacitor Cpz is instantaneously reversed. This is called flip mode activation of the bias flip rectifier 120, whereby the output voltage is increased by the voltage charged in the internal capacitor Cpz.
그 결과, 공진을 통해 커패시터 내부의 전압을 뒤집지 않은 경우보다 에너지 낭비가 줄어들어 더 많은 에너지를 충방전 변환부(130)로 전달할 수 있게 된다.As a result, energy waste is reduced than when the voltage inside the capacitor is not reversed through resonance, thereby allowing more energy to be transferred to the charge / discharge converter 130.
한편, 제어부(140)의 제 1 제어신호(S1) 출력 과정에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.On the other hand, the process of outputting the first control signal (S1) of the control unit 140 will be described in detail later.
다시 도 2를 참조하면, 충방전 변환부(130)는 커패시터와 스위칭 소자를 각각 포함하고, 각 커패시터의 충방전 모드를 변환하는 복수의 변환부(132, 134, 136)와 각 변환부(132, 134, 136) 사이에 접속된 복수의 다이오드(133, 135)를 포함한다. Referring back to FIG. 2, the charge / discharge converter 130 includes a capacitor and a switching element, respectively, and a plurality of converters 132, 134, and 136 and each converter 132 for converting the charge / discharge mode of each capacitor. It includes a plurality of diodes (133, 135) connected between, 134, 136.
변환부(132, 134, 136)의 개수는 설계자의 선택에 따라 변경 가능한 것으로, 예를 들면 총 6개의 변환부를 포함하는 충방전 변환부(130)를 고려할 수 있다. The number of converters 132, 134, and 136 may be changed according to a designer's choice. For example, the charge / discharge converter 130 including a total of six converters may be considered.
제 1 변환부(132)는 바이어스 플립 정류기(120)의 출력단에 일측 단자가 접속된 커패시터(C1) 및 커패시터(C1)의 타측 단자 및 접지 단자 사이에 접속되고, 제 2 제어신호(S2)에 따라 스위칭되는 제 1 스위칭 소자(SW2)를 포함한다. 이때, 제 1 스위칭 소자(SW2)로서 NMOS 트랜지스터가 사용될 수 있으나, 이는 예시에 해당하는 것으로 사용자의 선택에 따라 다른 형태의 스위칭 소자가 사용될 수 있다.The first converter 132 is connected between the capacitor C1 having one terminal connected to the output terminal of the bias flip rectifier 120 and the other terminal of the capacitor C1 and the ground terminal, and connected to the second control signal S2. The first switching device SW2 is switched accordingly. In this case, an NMOS transistor may be used as the first switching device SW2, but this is an example and another type of switching device may be used according to a user's selection.
제 2 변환부(134)는 바이어스 플립 정류기(120)의 출력단에 일측 단자가 접속되고 제 2 제어신호(S2)에 따라 스위칭되는 제 2 스위칭 소자(SW4), 제 2 스위칭 소자(SW4)의 타측 단자에 일측 단자가 접속된 커패시터(C2) 및 커패시터(C2)의 타측 단자와 접지 단자 사이에 접속되고, 제 2 제어신호(S2)에 따라 스위칭되는 제 1 스위칭 소자(SW3)를 포함한다. 이때, 제 2 스위칭 소자(SW4)로 PMOS 트랜지스터가 사용될 수 있으나, 이는 예시에 해당하는 것으로 사용자의 선택에 따라 다른 형태의 스위칭 소자가 사용될 수 있다. 한편, 제 2 스위칭 소자(SW4)를 고전압으로부터 보호하기 위해, 일반적으로 사용되는 고전압 게이트 드라이버(gate driver)들이 제 2 스위칭 소자(SW4)의 게이트에 접속될 수 있다. 예를 들어, 제 2 스위칭 소자(SW4)의 바이어스 플립 정류기(120)의 출력단과 게이트 사이에 저항이 접속되고, 제 2 스위칭 소자(SW4)의 게이트와 접지 단자 사이에 제 2 제어 신호(S2)에 따라 스위칭되는 제 3 스위칭 소자가 접속될 수 있으나, 반드시 이러한 예에 한하지 않는다. The second conversion unit 134 has one terminal connected to an output terminal of the bias flip rectifier 120 and the other side of the second switching element SW4 and the second switching element SW4 switched according to the second control signal S2. And a first switching element SW3 connected between the capacitor C2 having one terminal connected to the terminal and the other terminal of the capacitor C2 and the ground terminal, and switched according to the second control signal S2. In this case, although the PMOS transistor may be used as the second switching device SW4, this corresponds to an example, and another type of switching device may be used according to a user's selection. Meanwhile, in order to protect the second switching element SW4 from high voltage, high voltage gate drivers which are generally used may be connected to the gate of the second switching element SW4. For example, a resistor is connected between the gate and the output terminal of the bias flip rectifier 120 of the second switching element SW4, and the second control signal S2 is connected between the gate and the ground terminal of the second switching element SW4. The third switching element switched in accordance with may be connected, but is not necessarily limited to this example.
제 3 변환부(136)는 바이어스 플립 정류기(120)의 출력단에 일측 단자가 접속되고 제 2 제어신호(S2)에 따라 스위칭되는 제 2 스위칭 소자(SW6) 및 제 2 스위칭 소자(SW6)의 타측 단자와 접지 단자 사이에 접속된 커패시터(C3)를 포함한다.The third converter 136 has one terminal connected to an output terminal of the bias flip rectifier 120 and the other side of the second switching element SW6 and the second switching element SW6 switched according to the second control signal S2. And a capacitor C3 connected between the terminal and the ground terminal.
예를 들어, N개의 커패시터를 포함하는 충방전 변환부(130)는 1개의 제 1 변환부(132), N-2개의 제 2 변환부(134) 및 1 개의 제 3 변환부(136)를 포함하게 된다.For example, the charge / discharge converter 130 including N capacitors may include one first converter 132, N-2 second converters 134, and one third converter 136. It will be included.
한편, 각 변환부는 다이오드를 통해 접속되어, 전류 흐름 경로가 고정된다. 즉, 제 1 변환부(132)의 커패시터(C1)와 제 1 스위칭 소자(SW2)의 접속노드 및 제 2 변환부(134)의 제 2 스위칭 소자(SW4)와 커패시터(C2)의 접속노드 사이에 제 1 다이오드(133)가 접속된다. 또한, 제 2 변환부(134)의 커패시터(C2)와 제 1 스위칭 소자(SW3)의 접속노드 및 제 3 변환부(136)의 제 2 스위칭 소자(SW6)와 커패시터(C3)의 접속노드 사이에 제 2 다이오드(135)가 접속된다.On the other hand, each converter is connected via a diode so that the current flow path is fixed. That is, between the connection node of the capacitor C1 and the first switching element SW2 of the first conversion unit 132 and the connection node of the capacitor C2 and the second switching element SW4 of the second conversion unit 134. The first diode 133 is connected to it. In addition, between the connection node of the capacitor C2 and the first switching device SW3 of the second conversion unit 134 and the connection node of the capacitor C3 and the second switching device SW6 of the third conversion unit 136. The second diode 135 is connected to it.
예를 들어, N개의 커패시터를 포함하는 충방전 변환부(130)는 각 변환부 사이에 접속된 N-1 개의 다이오드를 포함한다.For example, the charge / discharge converter 130 including N capacitors includes N-1 diodes connected between the converters.
충방전 변환부(130)의 동작을 살펴보면, 충전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호(S2)의 입력에 따라, 제 1 변환부(132) 및 제 2 변환부(134)의 제 1 스위칭 소자(SW2, SW3)가 각각 턴오프되고, 제 2 변환부(134) 및 제 3 변환부(136)의 제 2 스위칭 소자(SW4, SW6)가 각각 턴오프되어 각 커패시터(C1, C2, C3)가 직렬 상태로 접속된다. 이때, 충전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호(S2)는 로우 레벨의 신호가 될 수 있다. 로우 레벨의 제 2 제어신호(S2) 인가시에 제 1 변환부(132) 및 제 2 변환부(134)의 제 1 스위칭 소자(SW2, SW3)가 각각 턴오프된다. 또한, 제 2 변환부(134) 및 제 3 변환부(136)의 제 2 스위칭 소자(SW4, SW6)의 게이트와 연결된 제 3 스위칭 소자(미도시)가 각각 턴오프될 경우, 제 2 스위칭 소자(SW4, SW6)도 각각 턴오프 될 수 있다. 이때, 각 변환부 사이에 접속된 다이오드(133, 135)에 의하여 각 커패시터가 직렬 접속될 수 있다.Referring to the operation of the charge / discharge converter 130, in response to the input of the second control signal S2 for activating the charging mode, the first switching device of the first converter 132 and the second converter 134 ( SW2 and SW3 are turned off, respectively, and the second switching elements SW4 and SW6 of the second converter 134 and the third converter 136 are turned off, so that each capacitor C1, C2, C3 is turned off. Connected in series. In this case, the second control signal S2 for activating the charging mode may be a low level signal. When the low level second control signal S2 is applied, the first switching elements SW2 and SW3 of the first converter 132 and the second converter 134 are turned off. In addition, when the third switching device (not shown) connected to the gates of the second switching devices SW4 and SW6 of the second converter 134 and the third converter 136 is turned off, respectively, the second switching device. SW4 and SW6 may also be turned off. In this case, each capacitor may be connected in series by diodes 133 and 135 connected between the converters.
다음으로, 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호(S2)의 입력에 따라, 제 1 변환부(132) 및 제 2 변환부(134)의 제 1 스위칭 소자(SW2, SW3)가 각각 턴온되고, 제 2 변환부(134) 및 제 3 변환부(136)의 제 2 스위칭(SW4, SW6) 소자가 각각 턴온되어 각 커패시터가 병렬 상태로 접속된다. 이때, 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호(S2)는 하이 레벨의 신호가 될 수 있다. 하이 레벨의 제 2 제어신호(S2) 인가시에 제 1 변환부(132) 및 제 2 변환부(134)의 제 1 스위칭 소자(SW2, SW3)가 각각 턴온된다. 또한, 제 2 변환부(134) 및 제 3 변환부(136)의 제 2 스위칭 소자(SW4, SW6)와 연결된 제 3 스위칭 소자(미도시)가 각각 턴온될 경우, 접지 전압이 제 2 스위칭 소자(SW4, SW6)에 각각 전달되어, PMOS 트랜지스터인 제 2 스위칭 소자(SW4, SW6)도 각각 턴온 될 수 있다. 이에 의하여, 각 변환부(132, 134, 136)의 각 커패시터(C1, C2, C3)는 병렬 상태로 접속된다. Next, in response to the input of the second control signal S2 for activating the discharge mode, the first switching elements SW2 and SW3 of the first converter 132 and the second converter 134 are turned on, respectively. The second switching elements SW4 and SW6 of the second converter 134 and the third converter 136 are turned on, respectively, and the capacitors are connected in parallel. In this case, the second control signal S2 for activating the discharge mode may be a high level signal. When the high level second control signal S2 is applied, the first switching elements SW2 and SW3 of the first converter 132 and the second converter 134 are turned on, respectively. In addition, when the third switching elements (not shown) connected to the second switching elements SW4 and SW6 of the second converter 134 and the third converter 136 are respectively turned on, the ground voltage is the second switching device. The second switching elements SW4 and SW6, which are transferred to the SW4 and SW6, respectively, may also be turned on. Thereby, each capacitor C1, C2, C3 of each converter 132, 134, 136 is connected in parallel.
한편, 제어부(140)의 제 2 제어신호(S2) 출력 과정에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.On the other hand, the second control signal (S2) output process of the controller 140 will be described in detail later.
이와 같은 충방전 변환부(130)의 구성은 다음과 같은 용도로 활용될 수 있다. Such a configuration of the charge-discharge conversion unit 130 may be utilized for the following purposes.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치에 포함된 충방전 변환부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the operation of the charge and discharge conversion unit included in the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
바이어스 플립 정류기(120)로부터 전달되는 전기 에너지를 최대로 저장하기 위해서는 압전소자의 내부 커패시터와 에너지 저장 커패시터의 임피던스 매칭이 중요하다. 예를 들어, 저장 커패시터의 커패시턴스 값이 압전소자의 내부 커패시턴스 값의 약 3배가 될때 에너지 전달율이 최대가 된다고 한다. 이때, 압전소자의 내부 커패시턴스 값은 매우 작으므로, 임피던스 매칭을 위해 복수의 커패시터를 직렬 연결하도록 한다. 예를 들어, N개의 동일한 커패시터를 직렬 연결할 경우 전체 커패시턴스는 1/N 이 되는 만큼, 압전소자의 내부 커패시턴스와의 매칭이 더욱 용이해질 수 있다.Impedance matching of the internal capacitor of the piezoelectric element and the energy storage capacitor is important in order to maximize the electrical energy transferred from the bias flip rectifier 120. For example, the energy transfer rate is maximized when the capacitance of the storage capacitor is about three times the internal capacitance of the piezoelectric element. At this time, since the internal capacitance value of the piezoelectric element is very small, a plurality of capacitors are connected in series for impedance matching. For example, when N identical capacitors are connected in series, the total capacitance becomes 1 / N, so that matching with the internal capacitance of the piezoelectric element may be easier.
다만, 이와 같이 저장 커패시터를 직렬로 연결할 경우 전체 저장 커패시터에 고전압이 인가되므로, 레귤레이터(150)에 공급하기전에 이를 저전압으로 변환시킨다. 이를 위해, 충방전 변환부(130)을 통해 방전 모드를 활성화시키면, 각 커패시터가 병렬 상태로 접속되면, 에너지 손실 없이 고전압을 1/N 로 변환할 수 있게 된다.However, when the storage capacitors are connected in series in this way, a high voltage is applied to the entire storage capacitor, so that the storage capacitor is converted into a low voltage before being supplied to the regulator 150. To this end, when the discharge mode is activated through the charge / discharge converter 130, when each capacitor is connected in a parallel state, it is possible to convert a high voltage to 1 / N without energy loss.
다시 도 2를 참조하면, 제어부(140)는 충방전 변환부(130)의 출력 전압이 제 1 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 제 1 제어 신호(S1)를 출력하고, 충방전 변환부(130)의 출력 전압이 제 1 임계값 보다 큰 제 2 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 충방전 변환부(130)의 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어 신호를 출력한다.Referring back to FIG. 2, when the output voltage of the charge / discharge converter 130 is greater than or equal to the first threshold value, the controller 140 outputs the first control signal S1 at a time when the rise of the corresponding output voltage is stopped. When the output voltage of the charge / discharge converter 130 is greater than or equal to the second threshold value greater than the first threshold value, the discharge mode of the charge / discharge converter 130 is activated when the rise of the corresponding output voltage is stopped. Output a second control signal.
도 5는 본원 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 충방전 변환부를 제어하는 제어부의 상세 구성을 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a detailed configuration of a control unit for controlling the charge and discharge conversion unit of the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
제어부(140)는 발진기 구동부(141), 지연 필터(142), 발진기(143), 비교기(144), 제어신호 출력부(145)를 포함한다. The controller 140 includes an oscillator driver 141, a delay filter 142, an oscillator 143, a comparator 144, and a control signal output unit 145.
발진기 구동부(141)는 충방전 변환부(130)에 포함된 최종 변환부(136)의 커패시터(C3)에 충전된 전압(Vbot)에 따라 발진기(143)를 구동하는 제어신호를 출력한다. 예를 들면, 커패시터(C3)에 충전된 전압(Vbot)이 0.7V (제 1 임계값)이상이 되면 발진기를 구동하는 신호를 출력한다. 이에 따라, 발진기(143)는 비교기(144)를 동작시키는 클럭신호를 출력하게 된다. 또한, 커패시터(C3)에 충전된 전압(Vbot)이 3.5V(제 2 임계값) 이상이 되면 발진기를 구동하는 신호를 출력한다. 이에 따라, 발진기(143)는 비교기(144)를 동작시키는 클럭신호를 출력하게 된다.The oscillator driver 141 outputs a control signal for driving the oscillator 143 according to the voltage Vbot charged in the capacitor C3 of the final converter 136 included in the charge / discharge converter 130. For example, when the voltage Vbot charged to the capacitor C3 becomes equal to or greater than 0.7 V (first threshold value), a signal for driving the oscillator is output. Accordingly, the oscillator 143 outputs a clock signal for operating the comparator 144. In addition, when the voltage Vbot charged to the capacitor C3 becomes 3.5V (second threshold value) or more, a signal for driving the oscillator is output. Accordingly, the oscillator 143 outputs a clock signal for operating the comparator 144.
한편, 커패시터(C3)에 충전된 전압은 지연 필터(142)를 통과하여 비교기(144)의 제 1 단자(+)로 입력되고, 지연 필터(142)를 통과하지 않은 전압은 제 2 단자(-)로 입력되며, 비교기(144)는 이 두 값을 비교하여 제어신호 출력부로 출력한다.Meanwhile, the voltage charged in the capacitor C3 is passed through the delay filter 142 to the first terminal (+) of the comparator 144, and the voltage not passing through the delay filter 142 is the second terminal (−). ), And the comparator 144 compares these two values and outputs them to the control signal output unit.
이때, 지연 필터(142)는 커패시터(C3)와 비교기(144)의 제 1 단자(+) 사이에 접속된 저항(R5)과 비교기(144)의 제 1 단자(+)와 접지 사이에 접속된 커패시터(C6)를 포함한다.At this time, the delay filter 142 is connected between the resistor R5 connected between the capacitor C3 and the first terminal (+) of the comparator 144 and the first terminal (+) of the comparator 144 and ground. Capacitor C6 is included.
커패시터(C3)에 충전된 전압이 지속적으로 상승하는 구간에는 제 2 단자(-)로 인가되는 전압이 지연 필터(142)에 의하여 지연된 후 제 1 단자(+)로 입력되는 전압보다 크기 때문에 비교기(144)는 로우 레벨의 전압을 출력하게 된다. 그러나, 커패시터(C3)에 충전된 전압이 감소하는 구간에 접어들어 제 1 단자(+)로 입력되는 전압이 제 2 단자(-)로 입력되는 전압보다 작아지게 되면 비교기(144)는 하이 레벨의 전압을 출력하게 된다. 이와 같이 비교기(144)의 출력만으로, 커패시터(C3)에 충전된 전압의 상승이 중단하는 시점, 즉 전압이 증가 상태에 있다가 감소 상태로 전환하게 되는 변곡점을 확인할 수 있다.In the period in which the voltage charged in the capacitor C3 continuously rises, since the voltage applied to the second terminal (-) is greater than the voltage input to the first terminal (+) after being delayed by the delay filter 142 ( 144 outputs a low level voltage. However, when the voltage input to the first terminal (+) becomes smaller than the voltage input to the second terminal (−) in a period in which the voltage charged in the capacitor C3 decreases, the comparator 144 has a high level. Output voltage. As described above, only the output of the comparator 144 confirms the point of time at which the increase of the voltage charged in the capacitor C3 is stopped, that is, the inflection point at which the voltage is in the increased state and then changed to the reduced state.
제어신호 출력부(145)는 비교기(144)가 하이 레벨의 전압을 출력하는 경우, 커패시터(C3)에 충전된 전압이 제 2 임계값 보다 작은 경우에는 제 1 제어 신호(S1)를 출력하고, 제 2 임계값 보다 큰 경우에는 제 2 제어 신호(S2)를 출력한다. 제어신호 출력부(145)는 비교기(144)의 출력의 논리 레벨과 커패시터(C3)에 충전된 전압의 크기에 기초하여 제 1 제어 신호(S1)와 제 2 제어 신호(S2)를 구분하여 출력한다.The control signal output unit 145 outputs the first control signal S1 when the comparator 144 outputs a high level voltage, and when the voltage charged in the capacitor C3 is smaller than the second threshold value. If greater than the second threshold value, the second control signal S2 is output. The control signal output unit 145 classifies and outputs the first control signal S1 and the second control signal S2 based on the logic level of the output of the comparator 144 and the magnitude of the voltage charged in the capacitor C3. do.
이와 같이, 제어부(140)는 커패시터(C3)에 충전된 전압이 제 1 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 바이어스 플립 정류기(120)의 플립 모드를 활성화시키는 제 1 제어 신호(S1)를 출력한다. 또한, 충방전 변환부(130)의 출력 전압이 제 1 임계값 보다 큰 제 2 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 충방전 변환부(130)의 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어 신호(S2)를 출력한다.As such, when the voltage charged in the capacitor C3 becomes equal to or greater than the first threshold value, the controller 140 controls the first mode of activating the flip mode of the bias flip rectifier 120 when the rise of the corresponding output voltage is stopped. Output the signal S1. In addition, when the output voltage of the charge-discharge converter 130 is greater than or equal to the second threshold value greater than the first threshold value, the discharge mode of the charge-discharge converter 130 is activated when the rise of the corresponding output voltage is stopped. The second control signal S2 is output.
한편, 충방전 변환부(130)는 충방전 변환부(130)와 레귤레이터(150)의 접속을 조절하는 스위칭 소자(137)를 더 포함할 수 있다. 스위칭 소자(137)는 충방전 변환부(130)가 방전모드에 진입하면 충방전 변환부(130)와 레귤레이터(150)를 접속시킨다. 이를 위해, 제어부(140)는 스위칭 소자(137)를 구동하기 위한 제어신호(S3)를 추가로 생성할 수 있다. 제어부(140)는 제 1 변환부(132)의 커패시터(C1)의 타측 단자 및 접지 단자 사이의 전압과 접지 전압 수준이되면, 충방전 변환부(130)가 방전모드에 진입한 것으로 판단하고, 제어신호(S3)를 생성한다. 제어신호(S3)는 인버터 등에 의하여 로우레벨 신호로 반전되고, 이것이 PMOS 로 구현된 스위칭 소자(137)를 턴온시킨다. 이에 따라, 충방전 변환부(130)가 충전 모드로 동작하는 경우에는 레귤레이터(150)와의 접속이 차단되고, 충방전 변환부(130)가 방전 모드로 동작하는 경우에 충방전 변환부(130)의 출력 전압이 레귤레이터(150)로 전달된다.Meanwhile, the charge / discharge converter 130 may further include a switching device 137 that controls the connection of the charge / discharge converter 130 and the regulator 150. The switching element 137 connects the charge / discharge converter 130 and the regulator 150 when the charge / discharge converter 130 enters the discharge mode. To this end, the controller 140 may further generate a control signal S3 for driving the switching element 137. The controller 140 determines that the charge / discharge converter 130 has entered the discharge mode when the voltage between the other terminal and the ground terminal of the capacitor C1 and the ground terminal of the first converter 132 reaches the ground voltage level. The control signal S3 is generated. The control signal S3 is inverted into a low level signal by an inverter or the like, which turns on the switching element 137 implemented with PMOS. Accordingly, when the charge / discharge converter 130 operates in the charging mode, the connection with the regulator 150 is cut off, and when the charge / discharge converter 130 operates in the discharge mode, the charge / discharge converter 130 The output voltage of is delivered to the regulator 150.
다시 도 2를 참조하면, 레귤레이터(150)는 인덕터(L2), 커패시터(Cout) 및 스위칭 소자(SW8, SW9)를 포함하는 컨버터(152), 컨버터(152)에서 출력되는 전압에 따라 스위칭 소자(SW8, SW9)의 동작을 제어하는 스위칭 신호(on, off)를 출력하는 제어부(154), 제어부(154)에서 출력되는 스위칭 신호(on, off)의 전압 레벨을 상승시켜 각 스위칭 소자(SW8, SW9)에 공급하는 게이트 구동부(156)를 포함한다.Referring back to FIG. 2, the regulator 150 may include a switching element (s) according to a voltage output from the converter 152 including the inductor L2, the capacitor Cout, and the switching elements SW8 and SW9 and the converter 152. The control unit 154 outputs the switching signals (on, off) for controlling the operations of the SW8 and SW9, and the voltage level of the switching signals (on, off) output from the control unit 154 is raised to increase the respective switching elements SW8, And a gate driver 156 for supplying SW9.
컨버터(152)는 직류-직류 변환기로서, 통상적으로 알려진 벅(buck) 컨버터 구조를 갖는다. 즉, 컨버터(152)는 에너지가 축적되는 인덕터(L2)와 인덕터(L2)에 축적된 에너지가 전달되는 커패시터(Cout)를 포함하고, 스위칭 소자(SW8, SW9)의 동작에 따라 인덕터(L2)의 동작 모드가 전환된다. Converter 152 is a direct current-to-dc converter and has a commonly known buck converter structure. That is, the converter 152 includes an inductor L2 in which energy is accumulated and a capacitor Cout in which energy stored in the inductor L2 is transferred, and according to the operation of the switching elements SW8 and SW9, the inductor L2 is used. The operation mode of is switched.
컨버터(152)는 충방전 변환부(130)의 출력단과 인덕터(L2)의 일측 단자사이에 접속된 제 1 스위칭 소자(SW8) 및 제 1 스위칭 소자(SW8)와 인덕터(L2)의 접속 노드와 접지 단자 사이에 접속된 제 2 스위칭 소자(SW9)를 포함한다. 이때, 제 1 스위칭 소자(SW8)와 제 2 스위칭 소자(SW9)는 서로 상이한 타이밍에 턴온되도록 한다. The converter 152 may include a connection node between the first switching element SW8 and the first switching element SW8 and the inductor L2 connected between the output terminal of the charge / discharge converter 130 and one terminal of the inductor L2. And a second switching element SW9 connected between the ground terminals. In this case, the first switching element SW8 and the second switching element SW9 are turned on at different timings.
게이트 구동부(156)에서 제공하는 구동신호(Vp, Vn)에 따라 제 1 스위칭 소자(SW8)와 제 2 스위칭 소자(SW9)의 스위칭 타이밍이 조절된다. 제 1 스위칭 소자(SW8)가 턴온되는 경우에는 제 2 스위칭 소자(SW9)는 턴오프 상태가 되고, 충방전 변환부(130)에서 공급되는 전압에 의하여 인덕터(L2)에 에너지가 축적된다. 제 1 스위칭 소자(SW8)가 턴오프되는 경우에는 제 2 스위칭 소자(SW9)가 턴온되고, 이에 의하여 인덕터(L2)와 커패시터(Cout)가 폐회로를 구성하게 되며, 인덕터(L2)에 축적된 에너지가 커패시터(Cout)에 충전된다. 스위칭 소자(SW8, SW9)의 턴온 또는 턴오프 과정을 반복적으로 수행하여 컨버터(152)의 출력 전압값을 조절할 수 있다.The switching timing of the first switching element SW8 and the second switching element SW9 is adjusted according to the driving signals Vp and Vn provided by the gate driver 156. When the first switching device SW8 is turned on, the second switching device SW9 is turned off, and energy is accumulated in the inductor L2 due to the voltage supplied from the charge / discharge converter 130. When the first switching device SW8 is turned off, the second switching device SW9 is turned on, whereby the inductor L2 and the capacitor Cout form a closed circuit, and energy stored in the inductor L2 is accumulated. Is charged in the capacitor Cout. The output voltage of the converter 152 may be adjusted by repeatedly turning on or off the switching elements SW8 and SW9.
제어부(154)는 컨버터(152)의 출력 전압값에 따라 스위칭 신호(on, off)의 출력 상태를 조절한다. 본 발명에서는 PFM(Pulse Frequency Modulation) 방식에 따라 제어신호의 출력 상태를 조절한다. 즉, 출력해야 하는 전류가 크지 않을 때에는 컨버터(152)의 스위칭 소자(SW8, SW9)의 스위칭 상태를 변경하는 빈도를 나타내는 스위칭 주파수를 감소시키고, 출력해야 하는 전류가 클 때에는 스위칭 주파수를 증가시킨다. 이때, 기존의 PFM 방식은 제 1 스위칭 소자(SW8)를 턴온 시키는 시간을 나타내는 온타임 구간을 입력 전압과 무관하게 고정시키는 방식을 사용한다.The controller 154 adjusts the output state of the switching signals on and off according to the output voltage value of the converter 152. In the present invention, the output state of the control signal is adjusted according to the PFM (Pulse Frequency Modulation) method. That is, when the current to be output is not large, the switching frequency indicating the frequency of changing the switching states of the switching elements SW8 and SW9 of the converter 152 is decreased, and when the current to be output is large, the switching frequency is increased. In this case, the conventional PFM method uses a method of fixing an on-time period indicating a time for turning on the first switching device SW8 regardless of the input voltage.
본 발명에서는 에너지 전달 효율을 향상시키고 컨버터(152)에서 사용되는 커패시터(Cout)의 용량을 최소화하기 위하여 이러한 온타임 시간을 가변적으로 조절하는 방식을 사용하고자 한다. 본 발명이 적용되는 무전원 무선 스위치의 경우, 압전소자에 대한 누름 동작에 의하여 발생된 에너지를 활용하는 것이므로, 지속적으로 입력되는 에너지가 아닌 단발성 에너지를 활용하게 된다. 따라서, 한번에 입력되는 작은 에너지를 최대한 손실 없이 출력단으로 전달하는 것이 중요하다. 이를 위해 본 발명에서는 앞서 설명한 바이어스 플립 정류기(120) 및 충방전 변환부(130)를 사용하고 있다.  In the present invention, in order to improve the energy transfer efficiency and to minimize the capacity of the capacitor (Cout) used in the converter 152, it is intended to use a method of variably adjusting the on-time time. In the case of the non-powered wireless switch to which the present invention is applied, since the energy generated by the pressing operation of the piezoelectric element is utilized, it is possible to utilize a single energy instead of continuously input energy. Therefore, it is important to deliver a small amount of energy input at one time to the output stage without loss. To this end, in the present invention, the bias flip rectifier 120 and the charge / discharge converter 130 described above are used.
또한, 지속적인 에너지를 전달하는 일반적인 벅 컨버터는 정상상태에서의 에너지 효율을 높이는 것이 손실을 최소화하는 것이지만, 단발성 에너지를 전달하는 벅컨버터는 에너지를 전달하는 시간(정상상태)이 매우 짧기 때문에 정상상태에서의 에너지 효율을 높이는 것뿐 아니라 초기 구동에 사용되는 에너지를 줄임으로써 손실을 최소화 할 수 있다. 일반적인 벅 컨버터에서 사용하고 있는 커패시터(Cout)의 경우 초기 동작시에 상당한 에너지를 필요로 하게 된다. 압전소자에 대한 누름 동작에 의하여 발생된 에너지는 단발성 에너지이므로, 초기 동작에서 커패시터(Cout)를 충전시키는데 상당한 에너지 소모가 발생할 가능성이 있으며, 이를 최소화하기 위해서는 가능한 커패시터(Cout)를 작게 설계할 수 있는 제어방식이 필요하다. 이에 본 발명에서는 온타임 시간을 가변적으로 조절할 수 있는 PFM 방식을 통해 컨버터(152)의 동작을 조절하고자 한다.In addition, in a typical buck converter that delivers continuous energy, increasing energy efficiency at steady state minimizes losses, while a buck converter that delivers one-time energy has a very short time to transfer energy (steady state). In addition to increasing energy efficiency, the loss can be minimized by reducing the energy used for initial operation. The capacitor Cout used in a typical buck converter requires considerable energy during initial operation. Since the energy generated by the pressing operation on the piezoelectric element is a one-time energy, there is a possibility that considerable energy consumption may occur in charging the capacitor Cout in the initial operation, and in order to minimize this, it is possible to design the capacitor Cout as small as possible. A control method is needed. Accordingly, the present invention intends to control the operation of the converter 152 through a PFM method that can variably adjust the on-time time.
도 6은 본원 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 레귤레이터에 포함된 제어부의 상세 구성을 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a detailed configuration of a controller included in a regulator of an energy collection device and a wireless switch according to an embodiment of the present invention.
제어부(154)는 비교기(1541), 펄스 생성기(1542), 온타임 설정부(1543), 제 1 SR 래치(1545), 제 2 SR 래치(1546)를 포함한다.The controller 154 includes a comparator 1541, a pulse generator 1542, an on-time setting unit 1543, a first SR latch 1545, and a second SR latch 1546.
비교기(1541)는 레귤레이터(150)의 출력전압(Vout)과 기준값(Vref)에 기초하여 인에이블 신호(Ven)를 생성한다. 이때, 레귤레이터(150)의 출력단에 전압 분배를 위한 저항(R3, R4)이 접속될 수 있고, 이를 통해 분배된 전압(Vhalf)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 인에이블 신호(Ven)를 생성한다. 이때, 도시되지는 않았지만, 레율레이터(150)의 입력전압(Vin)이 발진기(미도시 됨)를 구동하게 되고, 발진기에서 출력되는 발진신호가 비교기(1541)의 클럭신호로서 기능하게 된다.The comparator 1541 generates the enable signal Ven based on the output voltage Vout and the reference value Vref of the regulator 150. In this case, resistors R3 and R4 for voltage distribution may be connected to an output terminal of the regulator 150, and the enable signal Ven is generated by comparing the divided voltage Vhalf and the reference voltage Vref. do. At this time, although not shown, the input voltage Vin of the regulator 150 drives the oscillator (not shown), and the oscillation signal output from the oscillator functions as a clock signal of the comparator 1541.
펄스 생성기(1542)는 비교기(1541)에서 출력된 인에이블 신호(Ven)를 기초로 제 1 SR 래치(1545)의 제 1 입력단(R)에 공급할 에지 신호를 생성한다. 예를 들면, 인에이블 신호(Ven)를 제 1 단자로 입력받는 NAND 게이트, 인에이블 신호(Ven)를 일정 시간 지연시킨 딜레이, 딜레이의 출력을 반전시켜 NAND 게이트의 제 2 단자로 공급하는 인버터 등을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 따라 출력전압(Vout)에 의하여 펄스 생성기(1542)에서 출력되는 에지 신호의 주파수가 조절될 수 있다. 즉, 부하측에서 전류 소모가 커지게 되면, 출력전압(Vout)이 기준 전압 보다 작아지는 횟수가 더 많아지게 되고, 그에 따라 인에이블 신호(Ven)가 더 자주 출력되며, 그에 따라 에지 신호의 주파수도 증가하게 된다.The pulse generator 1542 generates an edge signal to be supplied to the first input terminal R of the first SR latch 1545 based on the enable signal Ven output from the comparator 1541. For example, a NAND gate receiving the enable signal Ven to the first terminal, a delay delaying the enable signal Ven for a predetermined time, an inverter for inverting the output of the delay and supplying the delay to the second terminal of the NAND gate, or the like. It may include. According to such a configuration, the frequency of the edge signal output from the pulse generator 1542 may be adjusted by the output voltage Vout. That is, when the current consumption increases on the load side, the number of times that the output voltage Vout becomes smaller than the reference voltage increases, so that the enable signal Ven is output more frequently, and thus the frequency of the edge signal is also increased. Will increase.
온타임 설정부(1543)는 전류원 및 전류원과 접지 단자 사이에 접속된 커패시터(Cot), 전류원과 커패시터(Cot)의 접속노드와 제 1 SR 래치(1545)의 제 2 입력단(S) 사이에 접속된 슈미트 트리거(1544), 전류원(Ion)과 커패시터(Cot)의 접속노드와 접지 단자 사이에 접속된 스위칭 소자(SW10)를 포함한다.The on-time setting unit 1543 is connected between the current source and the capacitor Cot connected between the current source and the ground terminal, the connection node of the current source and the capacitor Cot, and the second input terminal S of the first SR latch 1545. And a switching element SW10 connected between the ground node and the connection node of the current source Ion and the capacitor Cot.
이때, 전류원은 레귤레이터(150)의 입력전압(Vin)과 접지 단자 사이에 직렬 접속된 저항(R6) 및 스위칭 소자(SW11)를 포함한다. 또한, 전류원은 저항(R6) 및 스위칭 소자(SW11)의 접속 노드와 제 1 단자(+)가 접속되고, 레귤레이터(150)의 출력전압(Vout)이 제2 단자(-)로 입력되는 증폭기를 포함한다. 이때, 입력전압(Vin)과 출력전압(Vout)은 각각 1/2로 스케일링 되어 입력될 수 있다. 이러한 구성에 따라 전류원을 통해 공급되는 전류값(Ion)은 다음과 같이, 입력전압(Vin)과 출력전압(Vout)의 차이에 비례하게 된다.In this case, the current source includes a resistor R6 and a switching element SW11 connected in series between the input voltage Vin of the regulator 150 and the ground terminal. In addition, the current source is an amplifier in which the connection terminal of the resistor R6 and the switching element SW11 and the first terminal (+) are connected, and the output voltage Vout of the regulator 150 is input to the second terminal (-). Include. At this time, the input voltage Vin and the output voltage Vout may each be scaled by 1/2 and input. According to this configuration, the current value Ion supplied through the current source is proportional to the difference between the input voltage Vin and the output voltage Vout as follows.
[수식 1][Equation 1]
Figure PCTKR2016000846-appb-I000001
Figure PCTKR2016000846-appb-I000001
이와 같이, 전류원에 의하여 공급되는 전류(Ion)는 커패시터(Cot)에 충전되고, 커패시터(Cot)의 전압이 임계값(Vth) 이상으로 상승하면 슈미트 트리거(1544)에 의하여 하이 레벨의 신호가 출력된다. 이때, 슈미트 트리거(1544)는 2개의 안정상태를 가지며 직사각형 펄스를 출력시키는 통상적인 회로 구성으로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이때, 커패시터(Cot)의 전압이 임계값(Vth) 이상으로 상승하는데 소요되는 시간(Ton)이 앞서 언급한 온타임이 되고, 이는 전류값(Ion)에 의하여 결정되므로, 입력전압(Vin)과 출력전압(Vout)의 차이에 의해 가변된다.As such, the current Ion supplied by the current source is charged in the capacitor Cot, and a high level signal is output by the Schmitt trigger 1544 when the voltage of the capacitor Cot rises above the threshold Vth. do. At this time, the Schmitt trigger 1544 is a conventional circuit configuration for outputting a rectangular pulse with two stable states, a detailed description thereof will be omitted. At this time, the time Ton required for the voltage of the capacitor Cot to rise above the threshold value Vth becomes the on time mentioned above, and this is determined by the current value Ion, so that the input voltage Vin It is varied by the difference in the output voltage Vout.
[수식 2][Formula 2]
Figure PCTKR2016000846-appb-I000002
Figure PCTKR2016000846-appb-I000002
즉, 수식 2에 정의된 바와 같이, 온타임(Ton)은 입력전압(Vin)과 출력전압(Vout)의 차이에 의해 결정된다. 이때, 레귤레이터(150)는 출력전압(Vout)을 일정하게 유지시키도록 PFM 동작을 수행하게 되며, 출력전압(Vout)이 일정하다고 본다면, 입력전압(Vin)에 반비례하여 온타임(Ton)이 결정된다. 즉, 입력 전압(Vin)이 작을수록 온타임(Ton)이 증가하게 된다. That is, as defined in Equation 2, the on time Ton is determined by the difference between the input voltage Vin and the output voltage Vout. At this time, the regulator 150 performs a PFM operation to keep the output voltage Vout constant. If the output voltage Vout is constant, the regulator 150 is inversely proportional to the input voltage Vin and the on-time Ton is determined. do. In other words, as the input voltage Vin is smaller, the on time Ton is increased.
인덕터에 흐르는 전류의 시간에 따른 기울기는 입력전압(Vin)과 출력전압(Vout)의 차이에 비례하는데, 출력전압(Vout)이 일정하다고 한다면, 실질적으로는 입력전압(Vin)에 비례하게 된다. 기존의 고정된 온타임 방식에 따르면 입력전압(Vin)이 높아져 인덕터 전류의 기울기가 커지게 되고, 온타임 구간 동안 전류값이 급속하게 증가하여 출력 캐패시터(Cout)에 에너지를 과잉 공급하게 되므로 출력전압 리플이 커지게 된다. 결국 큰 용량의 캐패시터(Cout)를 사용해야하며 이는 초기구동에너지를 증가시키는 요인이 된다. 하지만 제안하는 제어방식은 인덕터의 흐르는 전류의 피크(Peak)값을 일정하게 하는 것으로, 입력전압(Vin)이 높아지면 온타임을 줄여서 피크 전류 값을 일정하게 유지하게 된다. 그에 따라, 더 작은용량의 커패시터를 사용할 수 있게 된다. 즉, 온타임 고정 방식에 따르면 초기 동작시에 출력 커패시터(Cout)로 전달하는 에너지의 양이 많은 경우에는 출력 전압 리플이 커지는 문제가 있으나, 온타임 가변 방식에 따르면 입력전압(Vin)이 높은 경우에는 온타임을 작게 설정하기 때문에 출력 커패시터(Cout)의 용량을 낮게 설정하여도 출력전압 리플을 최소화할 수 있다.The slope over time of the current flowing through the inductor is proportional to the difference between the input voltage Vin and the output voltage Vout. If the output voltage Vout is constant, it is substantially proportional to the input voltage Vin. According to the conventional fixed on-time method, the input voltage (Vin) is increased to increase the inductor current slope, and the current value increases rapidly during the on-time period, and the output capacitor (Cout) is excessively supplied with the output voltage. Ripple will increase. As a result, a large capacity capacitor (Cout) must be used, which increases the initial driving energy. However, the proposed control method makes the peak value of the current flowing through the inductor constant. When the input voltage Vin increases, the on-time is reduced to keep the peak current value constant. Thus, a smaller capacitor can be used. That is, according to the on-time fixed method, when the amount of energy transferred to the output capacitor (Cout) during initial operation is large, there is a problem in that the output voltage ripple is large. However, according to the on-time variable method, when the input voltage (Vin) is high. Since the on-time is set to be small, the output voltage ripple can be minimized even if the capacity of the output capacitor Cout is set low.
한편, 슈미트 트리거(1544)의 출력에 의하여 제 1 SR 래치(1545)가 하이레벨의 신호를 출력하게 되면, 이는 방전용 스위칭 소자(SW10)에 전달되어, 커패시터(Cot)를 방전시킨다. 이에 의하여, 전류원에 의한 커패시터(Cot) 충전 작업이 반복적으로 수행되고, 입력전압(Vin)에 반비례하여 온타임(Ton)이 수시로 가변하여 설정된다.On the other hand, when the first SR latch 1545 outputs a high level signal by the output of the Schmitt trigger 1544, the first SR latch 1545 is transmitted to the discharge switching element SW10 to discharge the capacitor Cot. As a result, the charging operation of the capacitor Cot by the current source is repeatedly performed, and the on-time Ton is frequently set in inverse proportion to the input voltage Vin.
제 1 SR 래치(1545)는 펄스 생성기(1542)의 출력과 슈미트 트리거(1544)의 출력을 각각 수신하여 제1 스위칭 신호(on)를 생성한다. 이때, 펄스 생성기(1542)의 출력은 레귤레이터(150)의 출력전압(Vout)에 의하여 주파수가 결정되며, 이에 의하여 제 1 스위칭 신호(on)의 주파수가 결정된다. 또한, 슈미트 트리거(1544)의 출력은 레귤레이터(150)의 입력전압(Vin)에 의하여 제 1 스위칭 신호(on)의 온타임 유지시간(Ton)이 결정된다.The first SR latch 1545 receives the output of the pulse generator 1542 and the output of the Schmitt trigger 1544 to generate a first switching signal on. At this time, the frequency of the output of the pulse generator 1542 is determined by the output voltage (Vout) of the regulator 150, thereby determining the frequency of the first switching signal (on). In addition, the output of the Schmitt trigger 1544 determines the on time holding time Ton of the first switching signal on by the input voltage Vin of the regulator 150.
제 2 SR 래치(1546)는 제 1 SR 래치(1545)에서 출력되는 제 1 스위칭 신호(on)에 기초하여, 제 1 스위칭 신호(on)와 반전 상태에 있는 제 2 스위칭 신호(off)를 생성한다. 이를 위해, 제 1 제어 신호(on)를 지연시키는 지연기(1549), 지연기(1549)의 출력에 기초하여 펄스를 생성하고 제 2 SR 래치(1546)의 제 2 입력단(S)에 공급하는 펄스 생성기(1548), 인덕터(L2)의 입력단측 전압(Vzc)과 접지 전압을 비교하는 비교기 및 비교기의 출력에 기초하여 펄스를 생성하고 제 2 SR 래치(1546)의 제 1 입력단(R)에 공급하는 펄스 생성기(1547)를 포함한다. 컨버터(152)의 구동을 위해 인덕터(L2)가 모두 방전된 후에 제 1 스위칭 소자(SW8)가 턴온되도록 한다. 즉, 인덕터(L2)가 각 스위칭 소자(SW8, SW9)와 접속된 지점의 전압이 접지 전압이 되면, 이 시점을 감지하여 제 2 스위칭 신호(off)의 종료 시점을 설정한다. 아울러, 제 2 스위칭 신호(off)의 종료시점 직후에 제 1 스위칭 신호(on)가 출력되도록 한다. The second SR latch 1546 generates a second switching signal off in an inverted state with the first switching signal on based on the first switching signal on output from the first SR latch 1545. do. To this end, a pulse is generated based on the output of the delayer 1549 and the delayer 1549 delaying the first control signal (on) and supplied to the second input terminal S of the second SR latch 1546. The pulse generator 1548 generates a pulse based on the output of the comparator and the comparator comparing the input terminal side voltage Vzc of the inductor L2 with the ground voltage and outputs the pulse to the first input terminal R of the second SR latch 1546. And a pulse generator 1547 for supplying. The first switching device SW8 is turned on after the inductor L2 is discharged to drive the converter 152. That is, when the voltage at the point where the inductor L2 is connected to each of the switching elements SW8 and SW9 becomes the ground voltage, this point is sensed to set the end point of the second switching signal off. In addition, the first switching signal (on) is output immediately after the end of the second switching signal (off).
게이트 구동부(156)는 제어부(154)에서 제공되는 제어신호(on, off)에 기초하여 스위칭 소자(SW8, SW9)를 구동하는 스위칭 제어신호(Vp, Vn)을 출력한다. 제어부(154)에 전달되는 제어신호(on, off)의 전압 레벨이 낮을 것을 대비하여, 이를 전반적으로 상승시키는 역할을 수행한다. 예를 들면, 제어신호(on, off)의 전압 레벨이 0~2.5V의 범위라면, 게이트 구봉부(156)는 이를 레벨 쉬프트 시켜 0~5V의 범위로 조정하게 된다.The gate driver 156 outputs the switching control signals Vp and Vn for driving the switching elements SW8 and SW9 based on the control signals on and off provided from the controller 154. In preparation for the low voltage level of the control signal (on, off) transmitted to the control unit 154 serves to increase the overall. For example, if the voltage level of the control signal (on, off) is in the range of 0 to 2.5V, the gate bent portion 156 level-shifts it and adjusts it to the range of 0 to 5V.
무선 송신부(160)는 레귤레이터(150)의 출력 전압에 기초하여 무선 신호를 출력한다. 이때, 무선 신호에는 무선 신호를 수신한 수신 장치를 제어하기 위한 제어 신호 기타 다양한 정보가 포함될 수 있으며, 이를 암호화하여 전송할 수도 있다. 레귤레이터(150)는 무선 송신부(160)에 전력을 공급하는 역할을 수행하며, 응용예에 따라 무선 송신부(160)외에 다른 전자 부품이 채용될 수 있다.The wireless transmitter 160 outputs a wireless signal based on the output voltage of the regulator 150. In this case, the wireless signal may include a control signal and various other information for controlling the receiving device that receives the wireless signal, it may be encrypted and transmitted. The regulator 150 serves to supply power to the wireless transmitter 160, and other electronic components besides the wireless transmitter 160 may be employed according to an application.
도 7은 본원 발명의 일 실시예에 따른 에너지 수집 장치 및 무선 스위치의 효과를 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the effects of the energy collection device and the wireless switch according to an embodiment of the present invention.
도면에서, Vp는 컨버터(152)의 인덕터(L2)에 에너지를 축적하는 시간인 온타임(Ton)을 나타내는 것이고, IL은 인덕터(L2)에 흐르는 전류를 나타내고, Vout은 레귤레이터(150)의 출력전압을 나타내는 것이고, ILoad는 부하에 흐르는 전류를 나타낸다. In the figure, Vp represents on time Ton, which is a time for accumulating energy in inductor L2 of converter 152, IL represents current flowing through inductor L2, and Vout represents output of regulator 150. It represents voltage, and ILoad represents current flowing to the load.
도 7의 상단 좌측에 도시된 바와 같이, 동작 초기에는 온타임 시간을 길게 설정하여 구동하고, 시간이 흐름에 따라 온타임 시간이 감소함을 확인할 수 있다. 또한, 부하 전류가 증가함에 따라 출력전압(Vout)이 기준전압보다 낮아지는 횟수가 증가하게 되고, 이에 따라 PFM 주파수가 증가하게 된다.As shown in the upper left of FIG. 7, the initial operation is driven by setting a long on-time time, and it can be seen that the on-time time decreases as time passes. In addition, as the load current increases, the number of times that the output voltage Vout becomes lower than the reference voltage increases, thereby increasing the PFM frequency.
또한, 상단 우측에 도시된 바와 같이, 부하 전류가 감소함에 따라 출력전압(Vout)이 기준전압보다 낮아지는 횟수가 감소하게 되고, 이에 따라 PFM 주파수가 감소하게 된다.In addition, as shown in the upper right, as the load current decreases, the number of times that the output voltage Vout becomes lower than the reference voltage decreases, thereby reducing the PFM frequency.
또한, 하단 좌측에 도시된 그래프를 참조하면, 온타임 가변방식이 온타임 고정방식 비하여 효율이 높은 것을 확인할 수 있고, 이는 부하 전류가 증가함에 따라 더 차이가 남을 확인할 수 있다.In addition, referring to the graph shown in the lower left, it can be seen that the on-time variable method is higher in efficiency than the on-time fixed method, which can be confirmed that the difference is further increased as the load current increases.
또한, 하단 우측에 도시된 그래프를 참조하면, 온타임 가변방식이 온타임 고정방식 비하여 출력 리플이 4배 정도 더 적은 것을 확인할 수 있고, 이는 곧 컨버터의 출력 커패시터(Cout)의 용량을 4배 정도 작게 설계할 수 있음을 의미한다.In addition, referring to the graph shown at the bottom right, it can be seen that the on-time variable method has four times less output ripple than the on-time fixed method, which is about four times the capacity of the converter output capacitor (Cout). It means that it can be designed small.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
본 발명은 압전소자를 통해 단발성으로 입력되는 작은 에너지를 최대한 손실 없이 출력단으로 전달할 수 있는 에너지 수집 장치에 관한 것으로서, 무선 스위치에 대해 산업상 이용가능성이 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy collection device capable of delivering a small amount of energy input singly through a piezoelectric element to an output stage without loss as much as possible, and has industrial applicability for a wireless switch.

Claims (15)

  1. 압전소자로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집 장치에 있어서,In the energy collection device for collecting energy from the piezoelectric element,
    압전소자 스위치에 대한 누름 동작에 의하여 상기 압전소자 스위치에서 발생하는 교류 전류를 직류로 변환하는 바이어스 플립 정류기,A bias flip rectifier for converting an alternating current generated by the piezoelectric element switch into a direct current by pressing a piezoelectric element switch;
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력전압을 저장하는 복수의 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 충방전 변환부 및A charge and discharge converter including a plurality of capacitors for storing the output voltages of the bias flip rectifiers, and controlling a charge mode and a discharge mode of energy by converting a connection state of the plurality of capacitors in series or in parallel;
    상기 충방전 변환부에서 출력되는 전압에 기초하여 상기 바이어스 플립 정류기의 바이어스 플립 모드를 활성화시키는 제 1 제어 신호와 상기 충방전 변환부의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 제 2 제어 신호를 출력하는 제 1 제어부를 포함하는 에너지 수집 장치. A first control signal for activating a bias flip mode of the bias flip rectifier and a second control signal for adjusting a charge mode and a discharge mode of the charge / discharge converter based on a voltage output from the charge / discharge converter; Energy collection device comprising a control unit.
  2. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 충방전 변환부의 출력단에 접속되고, 상기 충방전 변환부의 출력전압을 변환하여 출력하는 레귤레이터를 더 포함하는 에너지 수집 장치.And a regulator connected to an output terminal of the charge / discharge converter and configured to convert and output an output voltage of the charge / discharge converter.
  3. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 바이어스 플립 정류기는 The bias flip rectifier is
    복수의 다이오드를 포함하는 브릿지 정류기,A bridge rectifier comprising a plurality of diodes,
    상기 브릿지 정류기의 입력단자에 일측 단자가 접속된 인덕터 및An inductor having one terminal connected to an input terminal of the bridge rectifier;
    상기 인덕터의 타측 단자와 접지 사이에 접속되고, 상기 제 1 제어 신호에 따라 스위칭되는 스위칭 소자를 포함하는 것인 에너지 수집 장치.And a switching element connected between the other terminal of the inductor and ground and switched in accordance with the first control signal.
  4. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 충방전 변환부는The charge and discharge converter
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력단에 일측 단자가 접속된 커패시터 및 상기 커패시터의 타측 단자 및 접지 단자 사이에 접속되고, 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 1 스위칭 소자를 포함하는 제 1 변환부,A first converter including a capacitor having one terminal connected to an output terminal of the bias flip rectifier, and a first switching element connected between the other terminal of the capacitor and the ground terminal and switched according to the second control signal;
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력단에 일측 단자가 접속되고 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 2 스위칭 소자, 상기 제 2 스위칭 소자의 타측 단자에 일측 단자가 접속된 커패시터 및 상기 커패시터의 타측 단자와 접지 단자 사이에 접속되고, 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 1 스위칭 소자를 포함하는 제 2 변환부,A second switching element connected to an output terminal of the bias flip rectifier and switched according to the second control signal, a capacitor connected to one terminal of the other terminal of the second switching element, and the other terminal and the ground terminal of the capacitor A second conversion unit connected between the first conversion element and a first switching element switched according to the second control signal;
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력단에 일측 단자가 접속되고 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 2 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자의 타측 단자와 접지 단자 사이에 접속된 커패시터를 포함하는 제 3 변환부,A third converter including a second switching element connected to an output terminal of the bias flip rectifier and switched according to the second control signal, and a capacitor connected between the other terminal of the second switching element and a ground terminal;
    상기 제 1 변환부의 커패시터와 제 1 스위칭 소자의 접속노드 및 상기 제 2 변환부의 제 2 스위칭 소자와 커패시터의 접속노드 사이에 접속된 제 1 다이오드 및A first diode connected between a connection node of the capacitor and the first switching element of the first conversion unit and a connection node of the second switching element and the capacitor of the second conversion unit;
    상기 제 2 변환부의 커패시터와 제 1 스위칭 소자의 접속노드 및 상기 제 3 변환부의 제 2 스위칭 소자와 커패시터의 접속노드 사이에 접속된 제 2 다이오드를 포함하되,And a second diode connected between the capacitor of the second conversion unit and the connection node of the first switching element, and the connection node of the second switching element and the capacitor of the third conversion unit,
    상기 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호의 입력에 따라, 상기 제 1 변환부 및 제 2 변환부의 제 1 스위칭 소자가 턴온되고, 상기 제 2 변환부 및 제 3 변환부의 제 2 스위칭 소자가 턴온되어 상기 각 커패시터가 병렬 상태로 접속되고, In response to an input of a second control signal for activating the discharge mode, first switching elements of the first and second converters are turned on, and second switching elements of the second and third converters are turned on. Each said capacitor is connected in parallel,
    상기 충전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호의 입력에 따라, 상기 제 1 변환부 및 제 2 변환부의 제 1 스위칭 소자가 턴오프되고, 상기 제 2 변환부 및 제 3 변환부의 제 2 스위칭 소자가 턴오프되어 상기 각 커패시터가 직렬 상태로 접속되는 것인 에너지 수집 장치.According to the input of the second control signal for activating the charging mode, the first switching device of the first and second converters is turned off, and the second switching device of the second and third converters is turned off. And off so that each capacitor is connected in series.
  5. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제 1 제어부는The first control unit
    상기 충방전 변환부의 출력 전압이 제 1 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 상기 제 1 제어 신호를 출력하고,When the output voltage of the charge / discharge converter is equal to or greater than a first threshold value, the first control signal is output at a time when the rise of the corresponding output voltage is stopped,
    상기 충방전 변환부의 출력 전압이 상기 제 1 임계값 보다 큰 제 2 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 상기 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어 신호를 출력하는 에너지 수집 장치.And outputting a second control signal for activating the discharge mode when the rising of the corresponding output voltage stops when the output voltage of the charge / discharge converter is greater than or equal to the second threshold greater than the first threshold.
  6. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2,
    상기 레귤레이터는The regulator
    인덕터, 커패시터 및 인덕터로의 에너지 축적 또는 상기 인덕터에서의 에너지 방전 여부를 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하는 컨버터 및A converter comprising a inductor, a capacitor and a switching element for switching energy accumulation in the inductor or whether energy is discharged in the inductor;
    상기 컨버터에서 출력되는 전압에 따라 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제 2 제어부를 포함하되,A second control unit for controlling the operation of the switching element in accordance with the voltage output from the converter,
    상기 제 2 제어부는 상기 레귤레이터의 입력 전압과 상기 레귤레이터의 출력 전압에 반비례하는 온타임 시간을 갖는 스위칭 신호가 상기 컨버터에 공급되도록 하고,The second controller is configured to supply a switching signal having an on time time inversely proportional to an input voltage of the regulator and an output voltage of the regulator,
    상기 온타임 시간에 비례하여 상기 에너지 축적이 유지되는 시간이 증가하는 에너지 수집 장치.And a time for which the energy accumulation is maintained in proportion to the on time time.
  7. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6,
    상기 제 2 제어부는 상기 레귤레이터의 출력 전압이 기준값 이하로 감소되는지 여부에 따라 상기 컨버터를 구동하는 펄스 주파수 변조 방식에 기초하여 상기 스위칭 신호를 공급하는 에너지 수집 장치. And the second control unit supplies the switching signal based on a pulse frequency modulation scheme for driving the converter according to whether the output voltage of the regulator is reduced below a reference value.
  8. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6,
    상기 제 2 제어부는 상기 레귤레이터의 출력 전압에 기초하여 펄스를 생성하는 펄스 생성기,The second controller is a pulse generator for generating a pulse based on the output voltage of the regulator,
    상기 레귤레이터의 입력 전압과 상기 레귤레이터의 출력 전압의 차이에 따라 결정되는 전류값을 출력하는 전류원,A current source for outputting a current value determined according to a difference between an input voltage of the regulator and an output voltage of the regulator,
    상기 전류원에 접속되고, 전류원에 의하여 공급되는 전류가 충전되는 커패시터,A capacitor connected to the current source and charged with a current supplied by the current source,
    상기 커패시터의 전압이 임계값 이상으로 충전되면 하이레벨 신호를 출력하는 슈미트 트리거,A Schmitt trigger outputting a high level signal when the voltage of the capacitor is charged above a threshold;
    상기 커패시터와 슈미트 트리거의 접속노드에 접속되고, 하이레벨 신호 출력시에 상기 커패시터를 방전시키는 방전용 스위칭 소자 및A discharge switching element connected to a connection node of the capacitor and the Schmitt trigger and discharging the capacitor when a high level signal is output;
    상기 펄스 생성기의 출력을 제 1 입력단으로 수신하고, 상기 슈미트 트리거의 출력을 제 2 입력단으로 수신하며, 이에 기초하여 온타임 신호를 출력하는 SR 래치를 포함하는 에너지 수집 장치.And an SR latch for receiving an output of the pulse generator at a first input, receiving an output of the Schmitt trigger at a second input, and outputting an on-time signal based on the output.
  9. 압전소자로부터 수집한 에너지에 기반한 무선 스위치에 있어서,In the wireless switch based on the energy collected from the piezoelectric element,
    압전소자를 포함하는 압전소자 스위치,Piezoelectric element switch including a piezoelectric element,
    상기 압전소자 스위치에 대한 누름 동작에 의하여 상기 압전소자 스위치에서 발생하는 교류 전류를 직류로 변환하는 바이어스 플립 정류기,A bias flip rectifier for converting an alternating current generated by the piezoelectric element switch into a direct current by a pressing operation of the piezoelectric element switch;
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력전압을 저장하는 복수의 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 충방전 변환부,A charge and discharge converter including a plurality of capacitors for storing the output voltages of the bias flip rectifiers, and controlling a charge mode and a discharge mode of energy by converting a connection state of the plurality of capacitors in series or in parallel;
    상기 충방전 변환부에서 출력되는 전압에 기초하여 상기 바이어스 플립 정류기의 바이어스 플립 모드를 활성화시키는 제 1 제어 신호와 상기 충방전 변환부의 충전 모드와 방전 모드를 조절하는 제 2 제어 신호를 출력하는 제어부,A controller for outputting a first control signal for activating a bias flip mode of the bias flip rectifier and a second control signal for adjusting a charge mode and a discharge mode of the charge / discharge converter based on a voltage output from the charge / discharge converter;
    상기 충방전 변환부의 출력단에 접속되고, 상기 충방전 변환부의 출력전압을 변환하여 출력하는 레귤레이터 및A regulator connected to an output terminal of the charge / discharge converter and configured to convert and output an output voltage of the charge / discharge converter;
    상기 레귤레이터의 출력 전압에 기초하여 무선 신호를 출력하는 송신부를 포함하는 무선 스위치.And a transmitter for outputting a wireless signal based on the output voltage of the regulator.
  10. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 바이어스 플립 정류기는 The bias flip rectifier is
    복수의 다이오드를 포함하는 브릿지 정류기,A bridge rectifier comprising a plurality of diodes,
    상기 브릿지 정류기의 입력단자에 일측 단자가 접속된 인덕터 및An inductor having one terminal connected to an input terminal of the bridge rectifier;
    상기 인덕터의 타측 단자와 접지 사이에 접속되고, 상기 제 1 제어 신호에 따라 스위칭되는 스위칭 소자를 포함하는 것인 무선 스위치.And a switching element connected between the other terminal of the inductor and ground and switched according to the first control signal.
  11. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 충방전 변환부는The charge and discharge converter
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력단에 일측 단자가 접속된 커패시터 및 상기 커패시터의 타측 단자 및 접지 단자 사이에 접속되고, 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 1 스위칭 소자를 포함하는 제 1 변환부,A first converter including a capacitor having one terminal connected to an output terminal of the bias flip rectifier, and a first switching element connected between the other terminal of the capacitor and the ground terminal and switched according to the second control signal;
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력단에 일측 단자가 접속되고 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 2 스위칭 소자, 상기 제 2 스위칭 소자의 타측 단자에 일측 단자가 접속된 커패시터 및 상기 커패시터의 타측 단자와 접지 단자 사이에 접속되고, 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 1 스위칭 소자를 포함하는 제 2 변환부,A second switching element connected to an output terminal of the bias flip rectifier and switched according to the second control signal, a capacitor connected to one terminal of the other terminal of the second switching element, and the other terminal and the ground terminal of the capacitor A second conversion unit connected between the first conversion element and a first switching element switched according to the second control signal;
    상기 바이어스 플립 정류기의 출력단에 일측 단자가 접속되고 상기 제 2 제어신호에 따라 스위칭되는 제 2 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자의 타측 단자와 접지 단자 사이에 접속된 커패시터를 포함하는 제 3 변환부,A third converter including a second switching element connected to an output terminal of the bias flip rectifier and switched according to the second control signal, and a capacitor connected between the other terminal of the second switching element and a ground terminal;
    상기 제 1 변환부의 커패시터와 제 1 스위칭 소자의 접속노드 및 상기 제 2 변환부의 제 2 스위칭 소자와 커패시터의 접속노드 사이에 접속된 제 1 다이오드 및A first diode connected between a connection node of the capacitor and the first switching element of the first conversion unit and a connection node of the second switching element and the capacitor of the second conversion unit;
    상기 제 2 변환부의 커패시터와 제 1 스위칭 소자의 접속노드 및 상기 제 3 변환부의 제 2 스위칭 소자와 커패시터의 접속노드 사이에 접속된 제 2 다이오드를 포함하되,And a second diode connected between the capacitor of the second conversion unit and the connection node of the first switching element, and the connection node of the second switching element and the capacitor of the third conversion unit,
    상기 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호의 입력에 따라, 상기 제 1 변환부 및 제 2 변환부의 제 1 스위칭 소자가 턴온되고, 상기 제 2 변환부 및 제 3 변환부의 제 2 스위칭 소자가 턴온되어 상기 각 커패시터가 병렬 상태로 접속되고, In response to an input of a second control signal for activating the discharge mode, first switching elements of the first and second converters are turned on, and second switching elements of the second and third converters are turned on. Each said capacitor is connected in parallel,
    상기 충전 모드를 활성화시키는 제 2 제어신호의 입력에 따라, 상기 제 1 변환부 및 제 2 변환부의 제 1 스위칭 소자가 턴오프되고, 상기 제 2 변환부 및 제 3 변환부의 제 2 스위칭 소자가 턴오프되어 상기 각 커패시터가 직렬 상태로 접속되는 것인 무선 스위치.According to the input of the second control signal for activating the charging mode, the first switching device of the first and second converters is turned off, and the second switching device of the second and third converters is turned off. And are turned off so that each capacitor is connected in series.
  12. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 제어부는The control unit
    상기 충방전 변환부의 출력 전압이 제 1 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 상기 제 1 제어 신호를 출력하고,When the output voltage of the charge / discharge converter is equal to or greater than a first threshold value, the first control signal is output at a time when the rise of the corresponding output voltage is stopped,
    상기 충방전 변환부의 출력 전압이 상기 제 1 임계값 보다 큰 제 2 임계값 이상이 되면, 해당 출력 전압의 상승이 중단되는 시점에 상기 방전 모드를 활성화시키는 제 2 제어 신호를 출력하는 무선 스위치.And outputting a second control signal for activating the discharge mode when the rise of the corresponding output voltage stops when the output voltage of the charge / discharge converter is greater than or equal to the second threshold greater than the first threshold.
  13. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 레귤레이터는The regulator
    인덕터, 커패시터 및 인덕터로의 에너지 축적 또는 상기 인덕터에서의 에너지 방전 여부를 스위칭하는 스위칭 소자를 포함하는 컨버터 및A converter comprising a inductor, a capacitor and a switching element for switching energy accumulation in the inductor or whether energy is discharged in the inductor;
    상기 컨버터에서 출력되는 전압에 따라 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제 2 제어부를 포함하되,A second control unit for controlling the operation of the switching element in accordance with the voltage output from the converter,
    상기 제 2 제어부는 상기 레귤레이터의 입력 전압과 상기 레귤레이터의 출력 전압에 반비례하는 온타임 시간을 갖는 스위칭 신호가 상기 컨버터에 공급되도록 하고,The second controller is configured to supply a switching signal having an on time time inversely proportional to an input voltage of the regulator and an output voltage of the regulator,
    상기 온타임 시간에 비례하여 상기 에너지 축적이 유지되는 시간이 증가하는 무선 스위치.And the time for which the energy accumulation is maintained increases in proportion to the on time time.
  14. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 제 2 제어부는 상기 레귤레이터의 출력 전압이 기준값 이하로 감소되는지 여부에 따라 상기 컨버터를 구동하는 펄스 주파수 변조 방식에 기초하여 상기 스위칭 신호를 공급하는 무선 스위치. And the second control unit supplies the switching signal based on a pulse frequency modulation scheme for driving the converter according to whether the output voltage of the regulator is reduced below a reference value.
  15. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 제 2 제어부는 상기 레귤레이터의 출력 전압에 기초하여 펄스를 생성하는 펄스 생성기,The second controller is a pulse generator for generating a pulse based on the output voltage of the regulator,
    상기 레귤레이터의 입력 전압과 상기 레귤레이터의 출력 전압의 차이에 따라 결정되는 전류값을 출력하는 전류원,A current source for outputting a current value determined according to a difference between an input voltage of the regulator and an output voltage of the regulator,
    상기 전류원에 접속되고, 전류원에 의하여 공급되는 전류가 충전되는 커패시터,A capacitor connected to the current source and charged with a current supplied by the current source,
    상기 커패시터의 전압이 임계값 이상으로 충전되면 하이레벨 신호를 출력하는 슈미트 트리거,A Schmitt trigger outputting a high level signal when the voltage of the capacitor is charged above a threshold;
    상기 커패시터와 슈미트 트리거의 접속노드에 접속되고, 하이레벨 신호 출력시에 상기 커패시터를 방전시키는 방전용 스위칭 소자 및A discharge switching element connected to a connection node of the capacitor and the Schmitt trigger and discharging the capacitor when a high level signal is output;
    상기 펄스 생성기의 출력을 제 1 입력단으로 수신하고, 상기 슈미트 트리거의 출력을 제 2 입력단으로 수신하며, 이에 기초하여 온타임 신호를 출력하는 SR 래치를 포함하는 무선 스위치.And an SR latch for receiving the output of the pulse generator at a first input, receiving the output of the Schmitt trigger at a second input, and outputting an on-time signal based thereon.
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