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KR101815859B1 - 전원 제어 장치 - Google Patents

전원 제어 장치 Download PDF

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KR101815859B1
KR101815859B1 KR1020170001471A KR20170001471A KR101815859B1 KR 101815859 B1 KR101815859 B1 KR 101815859B1 KR 1020170001471 A KR1020170001471 A KR 1020170001471A KR 20170001471 A KR20170001471 A KR 20170001471A KR 101815859 B1 KR101815859 B1 KR 101815859B1
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KR
South Korea
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voltage
starting
period
boost converter
circuit
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KR1020170001471A
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이상국
임백민
서정일
노영석
구현모
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한국과학기술원
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Abstract

전원 관리 장치는 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 제1 시동 구간에서 전원 관리 장치의 시동을 위한 시동 전압을 생성하는 발진 회로 및 전압 증배(voltage multiplier) 회로를 포함하는 자가 시동부, 제1 시동 구간에 이어지는 제2 시동 구간 동안 시동 전압 및 로드(load)에 인가되는 출력 전압을 기 설정된 시동 전압 범위 내에서 교번하여 충전하고, 제2 시동 구간에 이어지는 동작 구간 동안 출력 전압만을 충전하는 부스트 컨버터부, 시동 전압에 의해 시동되고, 시동 전압의 크기에 기초하여 자가 시동부의 구동 및 부스트 컨버터부의 구동을 제어하는 제어부, 시동 전압을 저장하는 시동 전압 커패시터 및 출력 전압을 저장하는 출력 전압 커패시터를 포함하는 전압 충전부 및 입력 노드와 발진 회로 및 부스트 컨버터부의 공통 입력 노드 사이에 연결되고, 제1 시동 구간 동안에는 발진 회로의 일부로서 동작하며, 제2 시동 구간 및 동작 구간 동안에는 부스트 컨버터부의 일부로서 동작하는 공유 인덕터를 포함한다.

Description

전원 제어 장치{POWER MANAGEMENT DEVICE}
본 발명은 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 에너지 하베스팅 시스템에 적용되는 전원 제어 장치에 관한 것이다.
에너지 하베스팅(Energy harvesting)이란, 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 모아 전기 에너지로 바꾸어 사용하는 기술을 통칭하며 대표적인 것으로서 태양광 발전이 있다. 열전기 에너지 하베스팅(Thermoelectric energy harvesting)은 물체의 온도 차가 전위차로 혹은 전위차가 온도 차로 전환되는 열전 효과를 이용하여 전기 에너지를 생산한다. 대표적인 응용 분야는 헬스케어(Healthcare) 분야이며, 체온과 기온 사이의 온도 차를 통해 생성된 에너지를 이용해 몸에 부착된 여러 가지 바디 센서(body sensor) 및 통신 장비들을 동작시킬 수 있다. 상기 열전 효과를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 소자를 열전 소자라 칭하며, 열전기 에너지 하베스팅 기술에서는 열전 소자의 온도 차가 작은 상태(예를 들어, ΔT < 10℃)에서도 충분히 높은 전위(예를 들어, 약 1V 이상)를 갖는 전기 에너지를 수확해낼 수 있어야 한다. 작은 온도 차이에서는 열전 소자의 출력 전압의 크기가 100mV를 넘기 힘들기 때문에 이런 열전 소자의 낮은 출력 전압만으로도 시동할 수 있는 전원 관리 장치(Power Management Integrated Circuit; PMIC)가 필요하다.
열전기 에너지 하베스팅 시스템에 사용되는 열전 소자는 낮은 출력 전압을 갖는 만큼 그 출력 전력 또한 굉장히 낮다(예를 들어, 1mW 이하). 따라서 상기 열전 소자로부터 수확한 에너지를 이용하여 헬스케어 장치 등을 구동하기 위해서는 상기 열전 소자와 기기 사이의 상기 전원 관리 장치의 효율이 좋아야 한다.
도 1은 종래의 일반적인 열전기 에너지 하베스팅 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 열전기 에너지 하베스팅 시스템(1)은 에너지 하베스터(10), 전원 관리 장치(20) 및 적어도 하나의 헬스케어 장치(30)를 포함할 수 있다.
종래의 열전기 에너지 하베스팅 시스템(1)에 사용되는 전원 관리 장치(20)는 낮은 입력 전압(VIN)으로부터 전원 관리 장치(20)를 시동하기 위한 시동(startup) 회로(22)와 입력 전압(VIN)의 파워를 높은 출력 전압(VOUT)으로 로드(load, 예를 들어, 헬스케어 장치(30))에 전달하는 부스트 컨버터(24)를 포함한다. 시동 회로(22)는 입력 전압(VIN)이 소정의 자가 시동(self-startup) 전압을 넘으면, 부스트 컨버터(24)를 구동시킬 수 있는 구동 전압(VDD)를 생성하기 시작한다. 부스트 컨버터(24)는 시동 회로(22)가 생성하는 전력을 통해 구동되며, 입력 전압(VIN)에서 오는 파워를 이보다 높은 출력 전압(VOUT)으로 상기 로드에 전달한다. 앞서 설명하였듯이, 입력 전압(VIN)이 굉장히 낮은 전압이기 때문에 낮은 입력 전압(VIN)으로도 시동할 수 있는 낮은 상기 자가 시동 전압이 필요하고, 상기 로드인 헬스케어 장치(30)에 충분한 전력을 공급하기 위해 낮은 입력 전압(VIN)에서도 높은 효율을 갖는 부스트 컨버터(24)가 필요하다. 즉, 열전기 에너지 하베스팅 시스템(1)에는 시동 회로(22)와 부스트 컨버터(24)의 조합으로부터 보다 낮은 제조 비용(bill of material; BOM)으로 제조되면서, 상기 자가 시동 전압을 갖고 보다 높은 출력 효율을 갖는 전원 관리 장치가 요구된다.
본 발명의 일 목적은 단순한 형태의 콜피츠 발진 회로, 부스트 컨버터 및 상기 콜피츠 발진 회로와 상기 부스트 컨버터에 공통으로 사용되는 공유 인덕터를 포함하는 전원 관리 장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상술한 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 전원 관리 장치는 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 제1 시동 구간에서 전원 관리 장치의 시동을 위한 시동 전압을 생성하는 발진 회로 및 전압 증배(voltage multiplier) 회로를 포함하는 자가 시동부, 상기 제1 시동 구간에 이어지는 제2 시동 구간 동안 상기 시동 전압 및 로드(load)에 인가되는 출력 전압을 기 설정된 시동 전압 범위 내에서 교번하여 충전하고, 상기 제2 시동 구간에 이어지는 동작 구간 동안 상기 출력 전압만을 충전하는 부스트 컨버터부, 상기 시동 전압에 의해 시동되고, 상기 시동 전압의 크기에 기초하여 상기 자가 시동부의 구동 및 상기 부스트 컨버터부의 구동을 제어하는 제어부, 상기 시동 전압을 저장하는 시동 전압 커패시터 및 상기 출력 전압을 저장하는 출력 전압 커패시터를 포함하는 전압 충전부 및 상기 입력 노드와 상기 발진 회로 및 상기 부스트 컨버터부의 공통 입력 노드 사이에 연결되고, 상기 제1 시동 구간 동안에는 상기 발진 회로의 일부로서 동작하며, 상기 제2 시동 구간 및 상기 동작 구간 동안에는 상기 부스트 컨버터부의 일부로서 동작하는 공유 인덕터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 발진 회로는 상기 공유 인덕터와 함께 콜피츠 발진 회로로서 동작할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 발진 회로는 상기 공통 입력 노드와 접지 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 발진 커패시터들, 상기 입력 노드에 연결되는 드레인 전극, 상기 제1 및 제2 발진 커패시터들 사이의 제1 노드에 연결되는 소스 전극 및 상기 제어부로부터 제어 전압을 인가받는 게이트 전극을 포함하는 네이티브(native) 트랜지스터 및 상기 게이트 전극과 상기 공통 입력 노드 사이에 연결되는 동작 제어 커패시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제어부는 상기 제1 시동 구간에서 상기 시동 전압이 기 설정된 기준 전압을 초과하면 상기 자가 시동부를 비활성화하고 상기 부스트 컨버터부를 활성화시켜 상기 제2 시동 구간을 시작할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제어부는 상기 제2 구간에서 상기 제어 전압을 0V로 출력할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제2 시동 구간에서, 상기 부스트 컨버터부는 상기 시동 전압이 상기 시동 전압 범위의 하위 경계치로부터 상위 경계치에 도달할 때까지 상기 시동 전압 커패시터에 상기 시동 전압을 충전하고, 상기 시동 전압이 상기 시동 전압 범위의 상기 상위 경계치로부터 상기 하위 경계치에 도달할 때까지 상기 출력 전압 커패시터에 상기 출력 전압을 충전할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 전압 증배 회로는 복수의 배전압 회로(voltage doubler) 스테이지들을 포함하고, 상기 배전압 회로 스테이지들 각각은 드레인 전극과 게이트 전극이 상기 입력 단자에 연결된 다이오드 연결 구조를 갖는 제1 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터에 직렬로 연결되어 상기 시동 전압을 출력하는 상기 다이오드 연결 구조를 갖는 제2 트랜지스터, 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극과 상기 공통 입력 노드 사이에 연결되는 제1 배전압 커패시터 및 상기 제2 트랜지스터의 소스 전극과 접지 사이에 연결되는 제2 배전압 커패시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제2 시동 구간에서 상기 출력 전압과 상기 시동 전압이 동일해지는 경우, 상기 제어부가 상기 동작 구간을 활성화시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 전압 충전부는 상기 시동 전압 커패시터의 일 단과 상기 출력 전압 커패시터의 일 단 사이를 전기적으로 연결하는 스위치를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 동작 구간에서 상기 스위치를 턴온(turn-on)시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제어부는 상기 동작 구간에서 상기 제어 전압을 음의 전압으로 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전원 관리 장치는 하나의 공유 인덕터가 시동 구간 및 동작 구간 각각에서 콜피츠 발진 회로 형태를 갖는 발진 회로 및 부스트 컨버터에 공통으로 사용하여 자가 시동부 및 부스트 컨버터부의 구성이 단순화되며, 제조 비용 및 BOM(Bill of material)이 감소될 수 있다. 또한, 자가 시동을 위해 단순한 구조의 자가 시동부를 이용하여 입력 전압을 시동 전압으로 증폭시켜 제어부 등을 시동시킴으로써 전원 제공 장치의 출력 효율이 크게 향상될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 일반적인 열전기 에너지 하베스팅 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 전원 관리 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 전원 관리 장치의 자가 시동부에 포함되는 발진 회로의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 2의 전원 관리 장치의 자가 시동부에 포함되는 전압 증배기의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2의 전원 관리 장치에 포함되는 부스트 컨버터부의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 2의 전원 관리 장치의 동작의 일 예를 나타내는 파형도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 전원 관리 장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 전원 관리 장치의 자가 시동부에 포함되는 발진 회로의 일 예를 나타내는 회로도이며, 도 4는 도 2의 전원 관리 장치의 자가 시동부에 포함되는 전압 증배기의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 2의 전원 관리 장치에 포함되는 부스트 컨버터부의 일 예를 나타내는 회로도이며, 도 6은 도 2의 전원 관리 장치의 동작의 일 예를 나타내는 파형도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 전원 관리 장치(100)는 자가 시동부(120), 부스트 컨버터부(140), 제어부(160), 전압 충전부(180) 및 공유 인덕터(L)를 포함할 수 있다.
자가 시동부(120)는 외부의 열전 소자(10)(즉, 에너지 하베스터)로부터 입력 노드(IN)로 인가되는 입력 전압(VIN)에 기초하여 제1 시동 구간(SU1)에서 전원 관리 장치(100)의 시동을 위한 시동 전압(VDD)을 생성하는 발진 회로(122) 및 전압 증배(voltage multiplier) 회로(124)를 포함할 수 있다.
열전 소자(10)에 온도 차가 발생하면, 외부 커패시터(CIN)에 입력 전압(VIN)이 걸리게 된다. 제1 시동 구간(SU1)은 열전 소자(10)에 의해 발생된 매우 낮은 입력 전압(VIN)이 자가 시동부(100)에 의해 시동 전압(VDD)로 증폭될 수 있는 구간일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 시동 구간(SU1)에서는 전원 관리 장치의 자가 시동부(120)만이 동작할 수 있다.
발진 회로 (122)는 공유 인덕터(L)와 함께 콜피츠 발진 회로(Colpitts oscillator)(123)를 형성할 수 있다. 입력 전압(VIN)이 발진 회로(122)에 포함되는 네이티브(native) 트랜지스터(NM)의 문턱 전압을 초과하면 콜피츠 발진 회로(123)가 발진 동작을 시작할 수 있다. 네이티브 트랜지스터(NM)는 상기 문턱 전압이 거의 0에 가까우므로 매우 낮은 입력 전압(VIN)에도 자가 시동부(120)가 시동될 수 있다.
발진 회로(122)의 출력인 클럭 신호(CLK)에 의해 전압 증배 회로(124)가 동작하고, 전압 증배 회로(124)는 클럭 신호(CLK)에 기초하여 입력 전압(VIN)이 증폭된 시동 전압(VDD)을 생성할 수 있다. 시동 전압(VDD)은 제어부(160)를 시동시키고, 제어부(160)가 다른 구성 요소들을 제어하는 데에 기초가 된다.
발진 회로(122)는 네이티브 트랜지스터(NM)에 용량성 정궤환을 걸어 클럭 신호(CLK)를 생성할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 발진 회로(122)는 제1 및 제2 발진 커패시터들(COSC1, COSC2), 네이티브 트랜지스터(NM), 동작 제어 커패시터(CBLOCK) 및 바이어스 회로(IB)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 발진 커패시터들(COSC1, COSC2)은 공통 입력 노드(CN)와 접지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 네이티브 트랜지스터(NM)는 입력 노드(IN)에 연결되는 드레인 전극, 제1 및 제2 발진 커패시터들(COSC1, COSC2) 사이의 제1 노드(N1)에 연결되는 소스 전극 및 제어부(160)로부터 제1 제어 전압(CON1)을 인가받는 게이트 전극을 포함할 수 있다. 동작 제어 커패시터(CBLOCK)는 상기 게이트 전극과 공통 입력 노드(CN) 사이에 연결될 수 있다. 바이어스 회로(IB)는 제1 노드(N1)와 상기 접지 사이에 연결될 수 있다. 발진 회로(122)는 공유 인덕터(L)와 함께 콜피츠 발진 회로(123)를 형성할 수 있다.
발진 회로(122)는 제1 및 제2 발진 커패시터들(COSC1, COSC2)을 이용해 네이티브 트랜지스터(NM)의 상기 게이트 전극-소스 전극-게이트 전극으로 이어지는 정궤환(positive feedback)을 형성하며, 상기 드레인 전극과 상기 게이트 전극 사이에 배치되는 공유 인덕터(L)로부터 입력 전압(VIN)을 제공받을 수 있다. 이에 따라, 정궤환에 의한 발진 신호, 즉, 클럭 신호(CLK)가 생성될 수 있다.
동작 제어 커패시터(CBLOCK)는 제어 신호(CON1)와 함께 발진 회로(122)의 활성화 여부를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 시동 전압(VDD)이 기 설정된 기준 전압(VREF, 예를 들어, 도 6에서는 1V로 설정됨)을 초과하는 경우, 네이티브 트랜지스터(NM)의 상기 게이트 전극에 0V의 제1 제어 전압(CON1)이 인가될 수 있다. 즉, 제1 시동 구간(SU1)에서 자가 시동부(120)의 동작에 의해 시동 전압(VDD)이 점차 상승(또는 증폭)되어 시동 전압(VDD)이 기준 전압(VREF)을 초과하면, 제1 제어 전압(CON1)에 의해 자가 시동부(120)의 동작이 중지(즉, 비활성화)되어 제1 시동 구간(SU1)이 종료되며, 제2 시동 구간(SU2)이 시작될 수 있다.
일 실시예예서, 출력 전압(VOUT)이 시동 전압(VDD)보다 커지면(즉 제2 시동 구간(SU2)이 종료되고 동작 구간(OP)이 시작됨, 자가 충전 종료), 네이티브 트랜지스터(NM)의 상기 게이트 전극에 음의 전압을 갖는 제1 제어 전압(CON1)이 인가될 수 있다. 이에 따라, 발진 회로(122)는 완전하게 턴-오프(turn-off)되고, 동작 구간(OP)에서의 전원 관리 장치 내부의 소모 전류 및 전력 손실이 최소화될 수 있다.
바이어스 회로(IB)는 제1 노드(N1)와 상기 접지 사이에 연결되어 네이티브 트랜지스터(NM)에 바이어스를 제공할 수 있다. 도 3에는 바이어스 회로(IB)가 정전류원인 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로서, 바이어스 회로(IB)는 공지된 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전압 증배 회로(124)는 복수의 배전압 회로(voltage doubler) 스테이지들(ST1 내지 STn)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 배전압 회로 스테이지들(ST1 내지 STn) 각각은 드레인 전극과 게이트 전극이 상기 입력 단자에 연결된 다이오드 연결 구조를 갖는 제1 트랜지스터(T1), 제1 트랜지스터(T1)에 직렬로 연결되어 시동 전압(VDD)을 출력하는 상기 다이오드 연결 구조를 갖는 제2 트랜지스터(T2), 제1 트랜지스터(T1)의 소스 전극과 공통 입력 노드(CN) 사이에 연결되는 제1 배전압 커패시터(CVD1) 및 제2 트랜지스터(T2)의 소스 전극과 접지 사이에 연결되는 제2 배전압 커패시터(CVD2)를 포함할 수 있다. 즉, 배전압 회로 스테이지들(ST1 내지 STn) 각각은 2개의 트랜지스터들과 2개의 커패시터들로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 트랜지스터들(T1, T2)은 네이티브 트랜지스터로 구성될 수 있다.
또한, 배전압 회로 스테이지들(ST1 내지 STn) 각각은 일반적인 딕슨 차지 펌프(Dickson chrge pump)와 같은 원리로 입력 전압(VIN)을 시동 전압(VDD)으로 증폭할 수 있다. 제2 배전압 커패시터(CVD2)의 일 단이 접지에 연결되어 있으므로, 하나의 스테이지의 전압 이득은 작아지지만, 동 위상의 클럭 신호(CLK), 즉 하나의 클럭 신호(CLK)만으로 전압 이득을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 시동 구간(SU1)에서 미세한 입력 전압(VIN)에 기초하여 자가 시동부(120)가 동작함으로써 클럭 신호(CLK)가 생성되며, 시동 전압(VDD)이 생성 및 상승(증폭)될 수 있다. 일 실시예예서, 제1 제어 전압(CON1)은 자가 시동부(120)를 활성화하는 전압 값을 가질 수 있다.
부스트 컨버터부(140)는 제1 시동 구간(SU1)에 이어지는 제2 시동 구간(SU2) 동안 시동 전압(VDD) 및 외부의 로드(load)에 인가되는 출력 전압(VOUT)을 기 설정된 시동 전압 범위(SVR) 내에서 교번하여 충전하고, 제2 시동 구간(SU2)에 이어지는 동작 구간(OP) 동안 출력 전압(VOUT)만을 충전할 수 있다. 상기 로드는 외부의 헬스케어 장치 등일 수 있다.
제2 시동 구간(SU2)은 자가 시동부(120)가 비활성화되고 부스트 컨버터부(140)가 시동 전압(VDD)과 출력 전압(VOUT)을 교번하면서 충전하는 구간이다.
부스트 컨버터부(140)는 공유 인덕터(L)와 함께 부스트 컨버터를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 부스트 컨버터부(140)는 하나의 엔모스(N-channel Metal-oxide semiconductor; NMOS) 트랜지스터(T3), 하나의 피모스(P-channel Metal-oxide semiconductor; PMOS) 트랜지스터(T4)를 포함할 수 있다. 엔모스 트랜지스터(T3) 및 피모스 트랜지스터(T4)에는 동일한 위상의 제어 신호(VGN, VGP)가 각각 제어부(160)로부터 인가될 수 있다. 제어 신호(VGN, VGP)가 온-상태(on-state)일 때 공유 인덕터(L)에 일정한 기울기(VIN/L)를 갖는 전류가 저장될 수 있다. 제어 신호(VGN, VGP)가 오프-상태(off-state)가 되면 공유 인덕터(L)에 전류 형태로 저장된 에너지가 피모스 트랜지스터(T4)를 통해 출력되며, 커패시터(COUT)에 차지가 전달되어 출력 전압(VOUT)이 상승할 수 있다. 제어 신호(VGN, VGP)의 온-오프 듀티(duty) 제어에 의해 출력 전압(VOUT)의 크기가 조절될 수 있다. 즉, 공유 인덕터(L)는 제2 시동 구간(SU2) 및 동작 구간(OP)에서 부스트 컨버터부(140)의 일부로서 동작할 수 있다.
다만, 이는 예시적인 것으로서, 부스트 컨버터(140)의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 피모스 트랜지스터(T4)는 다이오드로 대체될 수도 있다.
부스트 컨버터부(140)는 시동 전압(VDD)과 출력 전압(VOUT)의 크기에 기초하여 시동 전압(VDD)과 출력 전압(VOUT)의 출력 내지 충전을 제어할 수 있다. 부스트 컨버터부(140)에서 출력된 시동 전압(VDD)은 전압 충전부(180)에 포함되는 시동 전압 커패시터(CDD)에 저장되고, 부스트 컨버터부(140)에서 출력된 출력 전압(VOUT)은 전압 충전부(180)에 포함되는 출력 전압 커패시터(COUT)에 저장될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 시동 구간(SU2)에서 부스트 컨버터부(140)는 SIMO(Single Input Multiple Output) 동작에 기초하여 시동 전압(VDD)과 출력 전압(VOUT)을 교번하여 충전할 수 있다. 즉, 제2 시동 구간(SU2) 동안 시동 전압(VDD)이 기 설정된 시동 전압 범위(SVR) 내에 있도록 제어하여 안정적인 출력 전압(VOUT)을 얻게 할 수 있다.
일 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 부스트 컨버터부(140)는 시동 전압(VDD)이 시동 전압 범위(SVR)의 상위 경계치(도 6에서는 1.2V로 도시됨)에 도달할 때까지 시동 전압 커패시터(CDD)에 시동 전압(VDD)을 충전할 수 있다. 즉, 시동 전압(VDD)이 시동 전압 범위(SVR)의 상위 경계치(도 6에서는 1.2V로 도시됨)에 도달할 때까지 부스트 컨버터부(140)는 자가 충전을 수행할 수 있다. 부스트 컨버터부(140)는 시동 전압이 상기 상위 경계치에 도달하면 시동 전압(VDD)의 충전을 중단하고 출력 전압(VOUT)을 충전, 즉, 상기 로드에 제공하기 위한 전압을 충전할 수 있다. 일 실시예에서, 부스트 컨버터부(140)는 시동 전압(VDD)이 시동 전압 범위(SVR)의 상기 상위 경계치로부터 하위 경계치(도 6에서는 1V로 도시됨)에 도달할 때까지 출력 전압 커패시터(COUT)에 출력 전압(VOUT)을 충전할 수 있다.
이에 따라, 제2 시동 구간(SU2)에서는 시동 전압(VDD)이 시동 전압 범위(SVR)을 벗어나지 않는 범위에서 시동 전압(VDD) 및 출력 전압(VOUT)이 교번하여 충전되며 출력 전압(VOUT)이 안정적으로 상승할 수 있다.
상기 시동 전압(VDD)과 시동 전압 범위(SVR)의 비교 및 부스트 컨버터부(140)의 출력 제어는 제어부(160)에 의해 제어될 수 있다.
제어부(160)는 시동 전압(VDD)에 의해 시동되고, 시동 전압(VDD)의 크기에 기초하여 자가 시동부(120)의 구동 및 부스트 컨버터부(140)의 구동을 제어할 수 있다. 제어부(160)는 제1 시동 구간(SU1), 제2 시동 구간(SU2) 및 동작 구간(OP)의 동작을 구분 및 제어할 수 있다.
전압 충전부(180)는 시동 전압 커패시터(CDD) 및 출력 전압 커패시터(COUT)를 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 일 실시예에서, 제어부(160)는 제1 시동 구간(SU1)에서 시동 전압(VDD)이 기준 전압(VREF)을 초과하면 자가 시동부(120)를 비활성화하고 부스트 컨버터부(140)를 활성화시켜 제2 시동 구간(SU2)을 시작할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 제2 구간(SU2)에서 제1 제어 전압(CON1)을 0V로 출력하고, 이에 따라 자가 시동부(120)가 비활성화(즉, 도 6의 OFF_OSC)될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 시동 구간(SU2)에서 출력 전압(VOUT)과 시동 전압(VDD)이 서로 동일해지는 경우, 제어부(160)는 제2 시동 구간(SU2)을 종료하고 동작 구간(OP)을 활성화시킬 수 있다. 동작 구간(OP)은 부스트 컨버터부(140)가 출력 전압(VOUT)만을 충전하는 구간이다.
다시 도 2로 돌아오면, 일 실시예에서, 전압 충전부(180)는 시동 전압 커패시터(CDD)의 일단과 출력 전압 커패시터(COUT)의 일 단을 전기적으로 연결하는 스위치(SW)를 더 포함할 수 있다. 제어부(160)는 스위치(SW)를 제어하는 제2 제어 신호(CON2)를 더 출력할 수 있으며, 동작 구간(OP)에서 스위치(SW)를 턴온시킬 수 있다. 따라서, 동작 구간(OP)에서 시동 전압 커패시터(CDD)의 일단과 출력 전압 커패시터(COUT)의 일 단이 실질적으로 단락(즉, 도 6의 CAP_SHORT)되고 상기 SIMO 동작이 종료되며, 출력 전압(VOUT)과 시동 전압(VDD)이 공유되어 부스트 컨버터(140)는 출력 전압 커패시터(COUT)만을 충전할 수 있다. 즉, 동작 구간(OP)에서는 상기 로드에 전압을 제공하기 위한 상기 로드 충전만이 수행될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 제어부(160)는 동작 구간(OP)에서 제1 제어 전압(CON1)을 음의 전압으로 출력함으로써 발진 회로(122) 및 자가 시동부(120)를 완전하게 턴-오프(도 6의 SOFF_OSC)할 수 있다. 따라서, 동작 구간(OP)에서의 전원 관리 장치 내부의 소모 전류 및 전력 손실이 최소화될 수 있다.
다시 말하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 시동 구간(SU1)에서는 자가 구동부(120)가 입력 전압(VIN)에 의해 동작을 시작하여 입력 전압(VIN)이 증폭되는 시동 전압(VDD)을 생성할 수 있다. 시동 전압(VDD)이 기준 전압(VREF)을 초과하면 자가 구동부(120)가 비활성화(OFF_OSC)되면서 제1 시동 구간(SU1)이 종료되고, 제2 시동 구간(SU2)이 시작될 수 있다. 부스트 컨버터부(140)는 제2 시동 구간(SU2) 동안 상기 SIMO 동작을 기초하여 상기 자가 충전(즉, 시동 전압 커패시터(CDD)을 충전)과 상기 로드 충전(즉, 출력 전압 커패시터(COUT)를 충전)을 교번하여 수행할 수 있다. 이 때, 제2 시동 구간(SU2)에서 시동 전압(VDD)은 기 설정된 시동 전압 범위(SVR) 내에서 충전량이 조절되며, 출력 전압(VOUT)은 시동 전압(VDD) 레벨까지 지속적으로 상승할 수 있다.
출력 전압(VOUT)이 시동 전압(VDD)과 동일해지면 제2 시동 구간(SU2)이 종료되고 동작 구간(OP)이 시작될 수 있다. 동작 구간(OP)에서는 상기 SIMO 동작이 종료되며, 출력 전압(VOUT)과 시동 전압(VDD)이 공유되어 부스트 컨버터(140)는 출력 전압 커패시터(COUT)만을 충전(즉, 상기 로드 충전)할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전원 관리 장치 및 이의 동작 방법은 하나의 공유 인덕터가 시동 구간 및 동작 구간 각각에서 콜피츠 발진 회로 형태를 갖는 발진 회로 및 부스트 컨버터에 공통으로 사용하여 자가 시동부 및 부스트 컨버터부의 구성이 단순화되며, 제조 비용 및 BOM(Bill of material)이 감소될 수 있다. 또한, 자가 시동을 위해 단순한 구조의 자가 시동부를 이용하여 입력 전압을 시동 전압으로 증폭시켜 제어부 등을 시동시킴으로써 전원 제공 장치의 출력 효율이 크게 향상될 수 있다.
본 발명은 에너지 하베스팅 시스템 및 이에 사용되는 다양한 전원 관리 장치에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 에너지 하베스팅 시스템 10: 에너지 하베스터
20, 100: 전원 관리 장치 30: 헬스케어 장치
120: 자가 시동부 122: 발진 회로
123: 콜피츠 발진 회로 124: 전압 증배 회로
140: 부스트 컨버터부 160: 제어부
180: 전압 충전부 L: 공유 인덕터

Claims (10)

  1. 외부의 열전 소자로부터 입력 노드로 인가되는 입력 전압에 기초하여 제1 시동 구간에서 전원 관리 장치의 시동을 위한 시동 전압을 생성하는 발진 회로 및 전압 증배(voltage multiplier) 회로를 포함하는 자가 시동부;
    상기 제1 시동 구간에 이어지는 제2 시동 구간 동안 상기 시동 전압 및 로드(load)에 인가되는 출력 전압을 기 설정된 시동 전압 범위 내에서 교번하여 충전하고, 상기 제2 시동 구간에 이어지는 동작 구간 동안 상기 출력 전압만을 충전하는 부스트 컨버터부;
    상기 시동 전압에 의해 시동되고, 상기 시동 전압의 크기에 기초하여 상기 자가 시동부의 구동 및 상기 부스트 컨버터부의 구동을 제어하는 제어부;
    상기 시동 전압을 저장하는 시동 전압 커패시터 및 상기 출력 전압을 저장하는 출력 전압 커패시터를 포함하는 전압 충전부; 및
    상기 입력 노드와 상기 발진 회로 및 상기 부스트 컨버터부의 공통 입력 노드 사이에 연결되고, 상기 제1 시동 구간 동안에는 상기 발진 회로의 일부로서 동작하며, 상기 제2 시동 구간 및 상기 동작 구간 동안에는 상기 부스트 컨버터부의 일부로서 동작하는 공유 인덕터를 포함하고,
    상기 발진 회로는 상기 공유 인덕터와 함께 콜피츠 발진 회로로서 동작하는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 발진 회로는
    상기 공통 입력 노드와 접지 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 발진 커패시터들;
    상기 입력 노드에 연결되는 드레인 전극, 상기 제1 및 제2 발진 커패시터들 사이의 제1 노드에 연결되는 소스 전극 및 상기 제어부로부터 제어 전압을 인가받는 게이트 전극을 포함하는 네이티브(native) 트랜지스터; 및
    상기 게이트 전극과 상기 공통 입력 노드 사이에 연결되는 동작 제어 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 시동 구간에서 상기 시동 전압이 기 설정된 기준 전압을 초과하면 상기 자가 시동부를 비활성화하고 상기 부스트 컨버터부를 활성화시켜 상기 제2 시동 구간을 시작하는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2 시동 구간에서 상기 제어 전압을 0V로 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 제2 시동 구간에서, 상기 부스트 컨버터부는 상기 시동 전압이 상기 시동 전압 범위의 하위 경계치로부터 상위 경계치에 도달할 때까지 상기 시동 전압 커패시터에 상기 시동 전압을 충전하고, 상기 시동 전압이 상기 시동 전압 범위의 상기 상위 경계치로부터 상기 하위 경계치에 도달할 때까지 상기 출력 전압 커패시터에 상기 출력 전압을 충전하는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 증배 회로는 복수의 배전압 회로(voltage doubler) 스테이지들을 포함하고,
    상기 배전압 회로 스테이지들 각각은
    드레인 전극과 게이트 전극이 상기 입력 노드에 연결된 다이오드 연결 구조를 갖는 제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터에 직렬로 연결되어 상기 시동 전압을 출력하는 상기 다이오드 연결 구조를 갖는 제2 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 소스 전극과 상기 공통 입력 노드 사이에 연결되는 제1 배전압 커패시터; 및
    상기 제2 트랜지스터의 소스 전극과 접지 사이에 연결되는 제2 배전압 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 시동 구간에서 상기 출력 전압과 상기 시동 전압이 동일해지는 경우, 상기 제어부가 상기 동작 구간을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전압 충전부는
    상기 시동 전압 커패시터의 일 단과 상기 출력 전압 커패시터의 일 단 사이를 전기적으로 연결하는 스위치를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 동작 구간에서 상기 스위치를 턴온(turn-on)시키는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 제어부는 상기 동작 구간에서 상기 제어 전압을 음의 전압으로 출력하는 것을 특징으로 하는 전원 관리 장치.
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