KR102589640B1 - 컨버터 및 이를 포함한 회로 장치 - Google Patents

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Abstract

컨버터 및 이를 포함한 회로 장치가 개시된다. 개시된 컨버터는 제1 단 및 제1 단의 타단인 제2 단을 포함하는 인덕터; 및 인덕터와 연결되는 스위칭 회로를 포함한다. 스위칭 회로는 인덕터의 제1 단 및 컨버터에 연결된 배터리 간 연결을 제어하는 제1 스위치, 인덕터의 제2 단 및 배터리로부터 인덕터를 통해 생성된 전류가 출력되는 전류 출력단 간 연결을 제어하는 제2 스위치, 인덕터의 제2 단 및 배터리로부터 생성된 전압이 출력되는 전압 출력단 간 연결을 제어하는 제3 스위치 및 인덕터의 제2 단 및 배터리를 충전시키기 위한 전압이 입력되는 전압 입력단 간 연결을 제어하는 제4 스위치를 포함한다.

Description

컨버터 및 이를 포함한 회로 장치{CONVERTER AND CIRCUIT DEVICE INCLUDING THE SAME}
아래 실시예들은 컨버터 및 이를 포함한 회로 장치에 관한 것이다.
초소형 기기는 전력변환의 효율화와 외장소자의 최소화가 요구된다. 효율적인 전력변환을 위해서는 인덕터가 필요로 되고, 초소형 기기에 포함된 내부 배터리를 충전시키거나 내부 배터리로부터 전압 또는 전류를 출력하기 위해서는 각 목적을 위한 인덕터들이 구비될 필요가 있다. 다만, 이러한 여러 목적들을 하나의 초소형 기기에서 구현하기 위해 다수의 인덕터를 구비할 경우, 기기의 사이즈가 증가하게 된다.
일실시예에 따른 컨버터는 제1 단 및 상기 제1 단의 타단인 제2 단을 포함하는 인덕터; 및 상기 인덕터와 연결되는 스위칭 회로를 포함하고, 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 상기 컨버터에 연결된 배터리 간 연결을 제어하는 제1 스위치; 상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 생성된 전류가 출력되는 전류 출력단 간 연결을 제어하는 제2 스위치; 상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 생성된 전압이 출력되는 전압 출력단 간 연결을 제어하는 제3 스위치; 및 상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리를 충전시키기 위한 전압이 입력되는 전압 입력단 간 연결을 제어하는 제4 스위치를 포함한다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치; 상기 인덕터의 제2 단 및 상기 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치; 및 상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리 간 연결을 제어하는 제7 스위치를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치를 더 포함하고, 상기 제1 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯 동안 온(on)되고, 상기 제6 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프(off)되고, 상기 제2 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치를 더 포함하고, 상기 제2 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯 동안 온되고, 상기 제1 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고, 상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치; 및 상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치를 더 포함하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제6 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고, 상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치; 및 상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리 간 연결을 제어하는 제7 스위치를 더 포함하고, 상기 제5 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯 동안 온되고, 상기 제7 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고, 상기 제2 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 제1 타임슬롯 동안 상기 전류 출력단에서 제1 전류가 출력되고, 제1 타임슬롯이 아닌 제2 타임슬롯 동안 상기 전류 출력단에서 상기 제1 전류의 방향과 반대되는 제2 전류가 출력되도록 내부 스위치들에 대해 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치를 더 포함하고, 상기 제1 스위치는 상기 전압이 출력되는 타임슬롯 동안 온되고, 상기 제6 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고, 상기 제3 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치를 더 포함하고, 상기 제3 스위치는 상기 전압이 출력되는 타임슬롯 동안 온되고, 상기 제1 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고, 상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치; 및 상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치를 더 포함하고, 상기 제1 스위치 및 상기 제6 스위치는 상기 전압이 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고, 상기 제3 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치를 더 포함하고, 상기 제4 스위치는 상기 배터리가 충전되는 타임슬롯 동안 온되고, 상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간에서 온되고, 제2 구간에서 오프되고, 상기 제1 스위치는 상기 타임슬롯에서 상기 제1 구간에서 오프되고, 상기 제2 구간에서 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 한 타임슬롯 동안 상기 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 생성된 전류를 출력시키는 제1 스위칭 동작, 상기 배터리로부터 생성된 전압이 일정하게 유지되도록 하는 제2 스위칭 동작 및 상기 배터리를 충전시키는 제3 스위칭 동작 중 어느 하나를 수행할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 제1 스위칭 동작, 상기 제2 스위칭 동작 및 상기 제3 스위칭 동작의 우선순위에 기초하여 스위칭 동작들 중에서 선택된 어느 하나의 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 전류 출력단에서 전류가 출력될 필요가 있는 경우, 상기 제1 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 전류 출력단에서 상기 전류가 출력될 필요가 없으나, 상기 전압 출력단에서 출력되는 전압이 부족한 경우, 상기 제2 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 전류 출력단에서 상기 전류가 출력될 필요가 없고, 상기 전압 출력단에서 출력되는 전압이 부족하지 않으나, 상기 배터리의 충전이 가능한 경우, 상기 제3 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 전류 출력단에서 상기 전류가 출력될 필요가 없고, 상기 전압 출력단에서 상기 전압이 출력될 필요가 없으며, 상기 배터리의 충전이 가능하지 않은 경우, 상기 타입 슬롯을 스킵할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제1 단 및 제2 단 간 연결을 제어하는 프리휠링 스위치를 더 포함하고, 상기 제2 스위치는 상기 인덕터의 제2 단에 연결되어 상기 전류 출력단으로 출력되는 전류 방향을 제어하는 H-브릿지를 포함하고, 상기 프리휠링 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고, 상기 H-브릿지의 일부 스위치들 및 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 H-브릿지의 일부 스위치들은 상기 전류 출력단에서 출력하고자 하는 전류 방향에 기초하여 상기 H-브릿지에 포함된 복수의 스위치들 중에서 일부 선택될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 전류 출력단에서 출력되는 전류는 펄스파 형태를 가질 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 인덕터는 상기 컨버터에 포함된 단일 인덕터(single inductor)일 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 스위칭 회로는 상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 생성된 제2 전압이 출력되는 제2 전압 출력단 간 연결을 제어하는 제8 스위치를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터는 인체 내에 삽입될 수 있다.
일실시예에 따른 컨버터에서 상기 전압은 상기 컨버터에 연결된 컨트롤러 및 센서 중 어느 하나로 제공되는 정전압(constant voltage)일 수 있다.
일실시예에 따른 회로 장치는 배터리; 상기 배터리를 충전시키기 위한 전력을 수신하는 전력 수신기; 상기 배터리 및 상기 전력 수신기에 연결되는 컨버터; 및 상기 스위칭 회로의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨버터는 인덕터; 및 상기 인덕터를 이용하여, 상기 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 생성된 전류를 출력시키는 제1 스위칭 동작, 배터리로부터 생성된 전압이 일정하게 출력되도록 하는 제2 스위칭 동작 및 상기 배터리를 충전시키는 제3 스위칭 동작 중 어느 하나를 수행하는 스위칭 회로를 포함한다.
도 1은 일실시예에 따라 컨버터 및 이를 포함한 회로 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따라 컨버터 및 이를 포함한 회로 장치를 나타낸 회로도이다.
도 3 및 도 4는 일실시예에 따라 배터리 충전을 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 일실시예에 따라 전압 유지를 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 일실시예에 따라 전류 출력을 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13 내지 도 16는 일실시예에 따라 스위칭 동작들을 제어하는 예시들을 설명하기 위한 도면이다.
도 17 및 도 18은 일실시예에 따라 프리휠링 스위치를 이용하여 펄스파 형태의 전류를 출력시키기 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 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 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 아래의 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 실시예의 범위가 본문에 설명된 내용에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타내며, 공지된 기능 및 구조는 생략하도록 한다.
도 1은 일실시예에 따라 컨버터 및 이를 포함한 회로 장치를 설명하기 위한 도면이다.
일실시예에 따른 회로 장치(100)는 컨버터(110), 전력 수신기(120), 배터리(130) 및 컨트롤러(140)를 포함한다.
컨버터(110)는 인덕터(inductor)(111) 및 스위칭 회로(113)를 포함한다.
인덕터(111)는 컨버터(110)에 포함된 단일 인덕터(single inductor)로서, 스위칭 회로(113)의 스위칭 동작으로 배터리 충전, 전류 출력 및 전압 유지 중 어느 하나가 수행될 때 이용될 수 있다. 여기서, 전압 유지는 전압이 일정한 크기로 출력되게 하는 제어를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 인덕터(111)는 외장형 인덕터일 수 있다.
스위칭 회로(113)는 복수의 스위치들을 포함하고, 전력 수신기(120), 배터리(130), 전압 출력단들 및 전류 출력단 중 적어도 둘을 연결시키는 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 회로(113)는 전력 수신기(120)에 수신된 전력에 기반하여 배터리(130)를 충전시키는 스위칭 동작, 배터리(130)로부터 인덕터를 통해 생성된 전류 IAC를 출력시키는 스위칭 동작, 배터리(130)로부터 생성된 전압들 VDC1, VDC2이 일정하게 유지되도록 하는 스위칭 동작 중 어느 하나를 수행할 수 있다. 스위칭 동작들은 서로 다른 타임슬롯(time slot)에서 수행될 수 있으며, 타임슬롯에 기반한 시분할 제어에 대해서는 도 13을 참조하여 상세히 설명한다.
여기서, 전류 IAC는 미리 정해진 파형을 가진 교류 전류로서, 생체 조직에 인가하고자 하는 자극 전류 또는 임피던스 측정을 위한 전류일 수 있다. 또한, 전압들 VDC1, VDC2는 정전압(constant voltage)일 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 하나의 전류 IAC와 두 개의 전압들 VDC1, VDC2이 출력되는 것으로 도시되어 있으나, 실시예가 이에 제한되지 않으며 다양한 개수의 전류와 전압이 출력되는 실시예에도 적용 가능하다.
앞서 설명한 스위칭 동작들은 인덕터(111)에 기반하여 수행될 수 있다. 다시 말해, 배터리 충전, 전류 출력, 전압 유지와 같은 복수의 목적들이 동일한 하나의 인덕터(111)에 기반하여 달성될 수 있다. 이처럼 하나의 인덕터를 공유함으로써 내부 인덕터 소자의 개수를 최소화시키고, 컨버터(110)도 소형화시킬 수 있다. 또한, 하나의 인덕터로도 전류 출력과 전압 출력이 혼재된 컨버터(110)가 제공될 수 있다.
전력 수신기(120)는 배터리(130)를 충전하기 위한 전력을 수신할 수 있다. 예를 들어, 전력 수신기(120)는 무선 전력 전송 기법에 기반하여 전력을 수신하거나, 또는 전력선을 통해 전달된 전력을 수신할 수 있다.
배터리(130)는 전력 수신기(120)에 수신된 전력에 의해 충전되고, 컨버터(110)에서 전류 또는 전압을 출력시키기 위한 전력을 제공할 수 있다.
컨트롤러(140)는 스위칭 회로(113)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(140)는 배터리(130)를 충전시키거나, 컨버터(110)로부터 생성된 전류를 출력시키거나, 컨버터(110)로부터 출력되는 전압을 일정하게 유지시키는 스위칭 회로(113)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 회로 장치(100)는 생체 삽입형 기기, 웨어러블 기기, 자극 전류를 출력하는 자극 장치, 임피던스 측정을 위한 전류를 출력하는 전류 생성기를 포함할 수 있다. 회로 장치(100)는 고효율 및 극소형 기기가 요구되는 극소형 생체 내장 시스템 또는 IoT(internet of things) 시스템에 적용될 수 있다. 또한, 회로 장치(100)는 칩 형태로 구현되어 전압 공급이 필요한 스마트 폰, IoT 기기에 탑재될 수도 있다.
도 2는 일실시예에 따라 컨버터 및 이를 포함한 회로 장치를 나타낸 회로도이다.
일실시예에 따른 회로 장치(100)는 컨버터(110), 전력 수신기(120), 배터리(130) 및 컨트롤러를 포함한다. 설명의 편의를 위해 도 2에서 컨트롤러가 생략되었다.
컨버터(110)는 인덕터(111) 및 복수의 스위치들 SW1~SW8을 포함한다.
인덕터(111)는 제1 단 및 제2 단을 포함한다. 도 2에 도시된 인덕터(111)의 왼쪽 끝단이 제1 단이고, 오른쪽 끝단이 제2 단으로 이해될 수 있다. 인덕터(111)는 컨버터(110)에 포함된 단일 인덕터일 수 있다.
제1 스위치 SW1는 인덕터(111)의 제1 단과 배터리(130) 간 연결을 제어한다. 제2 스위치 SW2는 인덕터(111)의 제2 단과 전류 IAC가 출력되는 전류 출력단 간 연결을 제어한다. 여기서, 전류 IAC는 배터리(130)로부터 인덕터를 통해 생성된 전류로서, 미리 정해진 파형을 가질 수 있다. 제3 스위치 SW3은 인덕터(111)의 제2 단과 제1 전압 VDC1이 출력되는 제1 전압 출력단 간 연결을 제어한다. 여기서, 제1 전압 VDC1은 배터리(130)로부터 생성된 제1 정전압일 수 있다. 제4 스위치 SW4는 인덕터(111)의 제2 단과 배터리(130) 충전을 위한 전압이 입력되는 전압 입력단 간 연결을 제어한다.
또한, 제5 스위치 SW5는 인덕터(111)의 제1 단과 그라운드 간 연결을 제어할 수 있다. 제6 스위치 SW6는 인덕터(111)의 제2 단과 그라운드 간 연결을 제어할 수 있다. 제7 스위치 SW7는 인덕터(111)의 제2 단과 배터리(130) 간 연결을 제어할 수 있다. 제8 스위치 SW8은 인덕터(111)의 제2 단과 제2 전압 VDC2가 출력되는 제2 전압 출력단 간 연결을 제어할 수 있다. 여기서, 제2 전압 VDC2는 배터리(130)로부터 생성된 제2 정전압일 수 있다.
전력 수신기(120)는 코일과 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 전력 수신기(120)는 코일을 통해 무선으로 전송된 전력을 수신할 수 있으며, 정류기를 통해 수신된 교류 전압을 직류의 정류기 전압 VREC로 변환시킬 수 있다.
도 2에서는 설명의 편의를 위해 전류 출력단에서 출력된 전류가 조직(tissue)으로 인가되는 예시가 도시되어 있으나, 실시예가 이에 제한되지 않으며 컨버터(110)에서 출력된 전류가 인가될 수 있는 실시예라면 제한 없이 적용 가능하다.
도 3 및 도 4는 일실시예에 따라 배터리 충전을 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일실시예에 따라 무선으로 수신된 전력으로 배터리를 충전시키기 위해서는 적절한 전압 변환이 요구된다. 일반적으로, 무선 전력 전송 기법에 의해 수신된 전압은 배터리를 충전하기에 전압크기가 충분하지 않기 때문에 부스트 변환(boost conversion)에 의한 승압이 필요하다. 이 때, 고효율 충전을 위해 하나의 인덕터를 이용하여 부스트 변환이 수행될 수 있다. 이하 도 3을 참조하여 배터리 충전을 위한 스위칭 동작을 상세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 부스트 변환에 해당하는 스위칭 동작에 의해 배터리가 충전되는 예시가 도시된다. 배터리 충전을 위한 스위칭 동작에서는 제1 스위치 SW1, 제4 스위치 SW4, 제5 스위치 SW5가 이용될 수 있다. 먼저, 제4 스위치 SW4는 배터리가 충전되는 타임슬롯 동안 온(on)될 수 있다. 제5 스위치 SW5는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프(off)될 수 있다. 제1 스위치 SW1는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터 전류가 0이 되면 제1 스위치 SW1은 제2 구간 중간에도 오프될 수 있다. 정리하면, 배터리가 충전되는 타임슬롯 동안 전류 흐름은 제1 구간에서 제1 화살표(310)와 같고, 제2 구간에서 제2 화살표(320)와 같다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따라 배터리가 충전되는 타임슬롯 동안의 정류기 전압 VREC 및 인덕터 전류 IL가 도시된다. 도 4에서 배터리가 충전되는 타임슬롯은 제1 시점(410) 및 제2 시점(420) 사이의 구간일 수 있다.
우선, 전력 수신기에서 전력이 수신됨에 따라 정류기 전압 VREC이 점차 증가할 수 있다. 정류기 전압 VREC이 배터리를 충전하기에 충분하면, 배터리 충전이 시작될 수 있다. 예를 들어, 정류기 전압 VREC이 미리 정해진 제1 기준 전압(예컨대, 1.0V)과 동일하거나 초과하면, 정류기 전압 VREC이 충분한 것으로 판단될 수 있다.
배터리 충전이 시작되면, 정류기 전압 VREC이 점차 감소하면서 제1 구간 동안 인덕터에 에너지가 축적되므로 인덕터 전류 IL는 점차 증가할 수 있다. 제2 구간에서는 인덕터에 축적된 에너지가 배터리로 전달되면서 인덕터 전류 IL은 다시 감소하게 되고, 이 때 전하량(430)만큼 배터리가 충전될 수 있다. 배터리 충전은 정류기 전압 VREC이 배터리를 충전하기에 충분하지 않거나, 해당 타임슬롯이 종료될 때까지 계속될 수 있다. 예를 들어, 정류기 전압 VREC이 미리 정해진 제2 기준 전압(예컨대, 0.9V)보다 낮아지면, 정류기 전압 VREC이 배터리 충전에 충분하지 않은 것으로 판단될 수 있다.
배터리 충전 시 부스트 변환을 수행하는 컨버터의 출력단은 배터리에 연결되므로 컨버터의 출력 전압은 일정하게 고정될 수 있다. 따라서, 별도로 충전을 위한 정류제어는 필요하지 않는 오픈 루프 제어(open loop control)가 적용될 수 있다.
도 5 내지 도 8은 일실시예에 따라 전압 유지를 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일실시예에 따라 배터리로부터 전압을 생성하여 출력하기 위해서는 적절한 DC-DC 전압 변환이 요구된다. 이 때, 출력 전압을 일정하게 고정시키기 위한 정류제어가 필요하므로 폐루프 제어(closed loop control)가 적용될 수 있다. 도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 부스트 변환에 해당하는 스위칭 동작에 의해 제1 전압 출력단에서 제1 전압 VDC1가 출력되는 예시가 도시된다. 제1 전압 VDC1이 배터리 전압 VBAT보다 높게 유지되어야 하는 경우에 부스트 변환의 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
제1 전압 VDC1 출력을 위한 스위칭 동작에는 제1 스위치 SW1, 제3 스위치 SW3, 제6 스위치 SW6가 이용될 수 있다. 제1 스위치 SW1는 제1 전압 VDC1이 출력되는 타임슬롯 동안 온될 수 있다. 제6 스위치 SW6는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제3 스위치 SW3은 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터의 전류가 0이 되면 제3 스위치 SW3은 제2 구간 중간에도 오프될 수 있다. 정리하면, 제1 전압 VDC1이 출력되는 타임슬롯 동안 전류 흐름은 제1 구간에서 제1 화살표(510)와 같고, 제2 구간에서 제2 화살표(520)와 같다. 이 때, 인덕터 전류 IL는 제1 구간에서 증가하고, 제2 구간에서 감소하며, 전하량 q만큼씩 제1 전압 출력단으로 전달하여, 제1 전압 출력단에서 출력되는 전압이 제1 전압 VDC1에 도달하도록 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 일실시예에 따른 벅 변환(buck conversion)에 해당하는 스위칭 동작에 의해 제1 전압 출력단에서 제1 전압 VDC1이 출력되는 예시가 도시된다. 제1 전압 VDC1이 배터리 전압 VBAT보다 낮게 유지되어야 하는 경우에 벅 변환의 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
제1 전압 VDC1 출력을 위한 스위칭 동작에는 제1 스위치 SW1, 제3 스위치 SW3, 제5 스위치 SW5가 이용될 수 있다. 제3 스위치 SW3은 제1 전압 VDC1이 출력되는 타임슬롯 동안 온될 수 있다. 제1 스위치 SW1은 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제5 스위치 SW5는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제 2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터의 전류가 0이 되면 제5 스위치 SW5는 제2 구간 중간에도 오프될 수 있다. 정리하면, 제1 전압 VDC1이 출력되는 타임슬롯 동안 전류 흐름은 제1 구간에서 제1 화살표(610)와 같고, 제2 구간에서 제2 화살표(620)와 같다. 이 때, 인덕터 전류 IL는 제1 구간에서 증가하고, 제2 구간에서 감소하며, 전하량 q만큼씩 제1 전압 출력단으로 전달하여, 제1 전압 출력단에서 출력되는 전압이 제 1전압 VDC1에 도달하도록 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 벅-부스트 변환(buck-boost conversion)에 해당하는 스위칭 동작에 의해 제1 전압 출력단에서 제1 전압 VDC1이 출력되는 예시가 도시된다. 제1 전압 VDC1이 배터리 전압 VBAT보다 높거나, 낮거나 또는 같게 유지되어야 하는 경우에 벅-부스트 변환의 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
제1 전압 VDC1 출력을 위한 스위칭 동작에는 제1 스위치 SW1, 제3 스위치 SW3, 제5 스위치 SW5, 제6 스위치 SW6가 이용될 수 있다. 제1 스위치 SW1 및 제6 스위치 SW6은 제1 전압 VDC1이 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제3 스위치 SW3 및 제5 스위치 SW5는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제 2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터 전류가 0이 되면 제5 스위치 SW5는 오프될 수 있다. 이 때, 인덕터 전류 IL는 제1 구간에서 증가하고, 제2 구간에서 감소하며, 전하량 q만큼씩 제1 전압 출력단으로 전달하여, 제1 전압 출력단에서 출력되는 전압이 제1 전압 VDC1에 도달하도록 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 일실시예에 따른 제2 전압 VDC2가 제2 전압 출력단에서 출력되는 예시가 도시된다. 제2 전압 VDC2 유지를 위한 스위칭 동작에는 제1 전압 출력단에 연결된 제3 스위치 SW3 대신 제2 전압 출력단과 연결된 제8 스위치가 SW8가 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 것처럼 벅 변환의 스위칭 동작에 따라 제2 VDC2가 출력되는 경우에는 제1 스위치 SW1, 제5 스위치 SW5, 제8 스위치 SW8이 이용될 수 있다. 제8 스위치 SW8은 제1 전압 VDC1이 출력되는 타임슬롯 동안 온될 수 있다. 제1 스위치 SW1은 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제5 스위치 SW5는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터의 전류가 0이 되면 제5 스위치 SW5는 제2 구간 중간에도 오프될 수 있다. 도 8에서는 설명의 편의를 위해 벅 변환의 스위칭 동작에 대해 설명하였으나 실시예가 이제 제한되지 않으며, 제3 스위치 SW3 대신 제8 스위치 SW8를 이용한 부스트 변환 또는 벅-부스트 변환의 스위칭 동작에도 적용될 수 있다.
도 9 내지 도 12는 일실시예에 따라 전류 출력을 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일실시예에 따라 배터리로부터 인덕터를 통해 전류를 생성하여 출력하기 위해서는 적절한 DC-AC 전압-전류 변환이 요구된다. 이 때, 출력 전류를 일정하게 고정시키기 위한 정류제어가 필요하므로 폐루프 제어가 적용될 수 있다. 출력 전류는 사용자의 생체 조직에 인가되는 자극 전류 또는 임피던스 측정을 위해 인가되는 전류로서, 미리 정해진 파형을 가질 수 있다. 인덕터를 이용함으로써, 고효율 전력 변환 자극기 또는 전류 생성기가 구현될 수 있다. 정해진 시간에 정확한 크기의 전류가 출력되는 것이 중요하므로, 피크 전류 제어(Peak Current Control) 및 고정 온-타임 제어(Fixed On-time Control)가 수행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 일실시예에 따른 부스트 변환에 해당하는 스위칭 동작에 의해 전류 IAC가 출력되는 예시가 도시된다. 전류 IAC가 인가되는 생체 조직의 로드(load)에 따른 전류 출력단의 전압이 배터리 전압 VBAT보다 높은 경우에 부스트 변환의 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
전류 IAC 출력을 위한 스위칭 동작에는 제1 스위치 SW1, 제2 스위치 SW2, 제6 스위치 SW6가 이용될 수 있다. 제1 스위치 SW1은 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯 동안 온될 수 있다. 제6 스위치 SW6은 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제2 스위치 SW2는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제 2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터의 전류가 0이 되면 제2 스위치 SW2는 오프될 수 있다. 정리하면, 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯 동안 전류 흐름은 제1 구간에서 제1 화살표(910)와 같고, 제2 구간에서 제2 화살표(920)와 같다. 이 때, 인덕터 전류 IL는 제1 구간에서 증가하고 제2 구간에서 감소하며, 제2 구간의 인덕터 전류 IL가 전류 IAC로 출력될 수 있다.
도 10을 참조하면, 일실시예에 따른 벅-부스트 변환에 해당하는 스위칭 동작에 의해 전류 IAC가 출력되는 예시가 도시된다. 전류 IAC가 인가되는 생체 조직의 로드에 따른 전류 출력단의 전압이 배터리 전압 VBAT보다 높거나, 낮거나 또는 같은 경우에 벅-부스트 변환의 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
전류 IAC 출력을 위한 스위칭 동작에는 제1 스위치 SW1, 제2 스위치 SW2, 제5 스위치 SW5, 제6 스위치 SW6이 이용될 수 있다. 제1 스위치 SW1 및 제6 스위치 SW6는 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제2 스위치 SW2 및 제5 스위치 SW5는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제 2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터의 전류가 0이 되면 제5 스위치 SW5는 제2 구간 중간에도 오프될 수 있다. 정리하면, 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯 동안 전류 흐름은 제1 구간에서 제1 화살표(1010)와 같고, 제2 구간에서 제2 화살표(1020)와 같다. 이 때, 인덕터 전류 IL는 제1 구간에서 증가하고 제2 구간에서 감소하며, 제2 구간의 인덕터 전류 IL가 전류 IAC로 출력될 수 있다.
도 11을 참조하면, 일실시예에 따른 벅 변환에 해당하는 스위칭 동작에 의해 전류 IAC가 출력되는 예시가 도시된다. 전류 IAC가 인가되는 생체 조직의 로드에 따른 전류 출력단의 전압이 배터리 전압 VBAT보다 낮은 경우에 벅 변환의 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
전류 IAC 출력을 위한 스위칭 동작에는 제1 스위치 SW1, 제2 스위치 SW2, 제5 스위치 SW5가 이용될 수 있다. 제2 스위치 SW2는 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯 동안 온될 수 있다. 제1 스위치 SW1는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제5 스위치 SW5는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 만약 인덕터의 전류가 0이 되면 제5 스위치 SW5는 제2 구간 중간에도 오프될 수 있다. 정리하면, 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯 동안 전류 흐름은 제1 구간에서 제1 화살표(1110)와 같고, 제2 구간에서 제2 화살표(1120)와 같다. 이 때, 인덕터 전류 IL는 제1 구간에서 증가하고 제2 구간에서 감소하며, 제1 구간 및 제2 구간의 인덕터 전류 IL가 전류 IAC로 출력될 수 있다.
도 9 내지 도 11에서는 전류 IAC가 양 전류(positive current)인 실시예에 대해서 설명하였다. 전류 IAC가 음 전류(negative current)인 실시예에 대해서는 도 12를 참조하여 상세히 설명한다.
도 12를 참조하면, 일실시예에 따라 벅-부스트 변환에 해당하는 스위칭 동작에 의해 음 전류 IAC가 출력되는 예시가 도시된다. 전류 IAC가 인가되는 생체 조직의 로드에 따른 전류 출력단의 전압이 배터리 전압 VBAT보다 높거나, 낮거나 또는 같은 경우에 벅-부스트 변환의 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
전류 IAC 출력을 위한 스위칭 동작에는 제2 스위치 SW2, 제5 스위치 SW5, 제7 스위치 SW7가 이용될 수 있다. 제5 스위치 SW5는 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯 동안 온될 수 있다. 제7 스위치 SW7는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 제2 스위치 SW2는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 제2 구간 동안 인덕터의 전류는 감소되고, 인덕터의 전류가 0이 되면 제2 스위치 SW2는 제2 구간 중간에도 오프될 수 있다. 정리하면, 전류 IAC가 출력되는 타임슬롯 동안 전류 흐름은 제1 구간에서 제1 화살표(1210)와 같고, 제2 구간에서 제2 화살표(1220)와 같다. 이 때, 인덕터 전류 IL의 절대 값 크기는 제1 구간에서 증가하고 제2 구간에서 감소하며, 제2 구간의 인덕터 전류 IL가 전류 IAC로 출력될 수 있다. 이처럼 전류 출력단에 H-브리지(H-bridge) 연결 없이 스위칭 동작으로도 양 전류와 음 전류가 모두 출력될 수 있다.
도 13 내지 도 16는 일실시예에 따라 스위칭 동작들을 제어하는 예시들을 설명하기 위한 도면이다.
일실시예에 따라 앞서 설명한 스위칭 동작들은 시분할 제어에 기반하여 수행될 수 있다. 다시 말해, 스위칭 동작들은 서로 다른 타임슬롯에서 수행되며, 각자의 타임슬롯에서 인덕터를 이용할 수 있다. 나아가, 스위칭 동작들은 시분할 기반 우선권 제어에 기반하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 동작들의 우선순위에 따라 스위칭 동작들 중에서 선택된 어느 하나의 스위칭 동작이 현재 타임슬롯에서 수행될 수 있다. 시분할 기반 우선권 제어에 대해서 도 13을 참조하여 상세히 설명한다.
도 13을 참조하면, 일실시예에 따라 시분할 기반 우선권 제어에 기반하여 제어되는 스위칭 동작을 설명하기 위한 흐름도가 도시된다.
단계(1310)에서, 클럭 트리거를 통해 새로운 타임슬롯이 할당될 수 있다. 새로운 타임슬롯이 할당되면, 단계(1320)가 수행될 수 있다.
단계(1320)에서, 전류 출력단에서 전류가 출력될 필요가 있는지 여부가 판단될 수 있다. 예를 들어, 전류 출력단에 접촉된 생체 조직으로 자극 전류를 출력해야 하는지 여부가 판단될 수 있다. 또는, 전류 출력단에 접촉된 부분에 대한 임피던스 측정을 위해 전류가 출력되어야 하는지 여부가 판단될 수 있다. 전류 출력이 필요한 것으로 판단되면 단계(1325)가 이어서 수행되고, 전류 출력이 필요 없는 것으로 판단되면 단계(1330)가 이어서 수행될 수 있다.
단계(1325)에서, 전류 출력을 위한 스위칭 동작이 현재 타임슬롯 동안 수행됨으로써, 전류 출력단에서 전류가 출력될 수 있다. 그리고, 단계(1310)가 이어서 수행되어 다음 타임슬롯으로 넘어갈 수 있다.
단계(1330)에서, 제1 전압 출력단에서 출력되는 제1 전압이 부족한지 여부가 판단될 수 있다. 이러한 판단은 제1 전압 출력단의 현재 전압이 미리 정해진 제1 기준 전압보다 낮은지 여부에 기반할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 제1 기준 전압이 1.80 V인 경우, 제1 전압 출력단의 현재 전압이 1.85 V 또는 1.80 V이면 제1 전압이 부족하지 않은 것으로 판단되고, 제1 전압 출력단의 현재 전압이 1.75 V이면 제1 전압이 부족한 것으로 판단될 수 있다. 제1 전압이 부족한 것으로 판단되면 단계(1335)가 이어서 수행되고, 제1 전압이 부족하지 않은 것으로 판단되면 단계(1340)가 이어서 수행될 수 있다.
단계(1335)에서, 제1 전압 출력단에서 출력되는 제1 전압을 제1 기준 전압으로 일정하게 유지시키기 위한 스위칭 동작이 현재 타임슬롯 동안 수행될 수 있다. 다시 말해, 제1 전압 출력단으로 에너지가 전달될 수 있다. 이를 통해 제1 전압이 제1 기준 전압으로 유지될 수 있다. 그리고, 단계(1310)가 이어서 수행되어 다음 타임슬롯으로 넘어갈 수 있다.
단계(1340)에서, 제2 전압 출력단에서 출력되는 제2 전압이 부족한지 여부가 판단될 수 있다. 이러한 판단은 제2 전압 출력단의 현재 전압이 미리 정해진 제2 기준 전압보다 낮은지 여부에 기반할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 제2 기준 전압이 0.80 V인 경우, 제2 전압 출력단의 현재 전압이 0.85 V 또는 0.80 V이면 제2 전압이 부족하지 않은 것으로 판단되고, 제2 전압 출력단의 현재 전압이 0.75 V이면 제2 전압이 부족한 것으로 판단될 수 있다. 제2 전압이 부족한 것으로 판단되면 단계(1345)가 이어서 수행되고, 제2 전압이 부족하지 않은 것으로 판단되면 단계(1350)가 이어서 수행될 수 있다.
단계(1345)에서, 제2 전압 출력단에서 출력되는 제2 전압을 제2 기준 전압으로 일정하게 유지시키기 위한 스위칭 동작이 현재 타임슬롯 동안 수행됨으로써, 제2 전압 출력단으로 에너지가 전달될 수 있다. 그리고, 단계(1310)가 이어서 수행되어 다음 타임슬롯으로 넘어갈 수 있다.
단계(1350)에서, 배터리 충전이 가능한지 여부가 판단될 수 있다. 이러한 판단은 정류기 전압이 충분한지 여부에 기반할 수 있다. 예를 들어, 정류기 전압에 대한 기준 전압이 1.0 V인 경우, 정류기 전압이 1.0 V 또는 1.1 V이면 배터리 충전이 가능한 것으로 판단되고, 정류기 전압이 0.9 V이면 배터리 충전이 가능하지 않은 것으로 판단될 수 있다. 배터리 충전이 가능한 것으로 판단되면 단계(1355)가 이어서 수행되고, 배터리 충전이 가능하지 않은 것으로 판단되면 단계(1360)가 이어서 수행될 수 있다.
단계(1355)에서, 배터리 충전을 위한 스위칭 동작이 현재 타임슬롯 동안 수행됨으로써, 배터리가 충전될 수 있다. 그리고, 단계(1310)가 이어서 수행되어 다음 타임슬롯으로 넘어갈 수 있다.
단계(1360)에서, 전류 출력, 전압 유지, 배터리 충전이 모두 필요 없거나 가능하지 않은 것으로 판단된 경우, 현재 타임슬롯은 스킵될 수 있다. 다시 말해, 현재 타임슬롯에서는 어떠한 스위칭 동작도 수행되지 않고 단계(1310)가 이어서 수행되어 다음 타임슬롯으로 넘어갈 수 있다.
이와 같이 시분할 우선권 제어 방식은 시간 축을 분할하여 필요에 따라 우선순위가 높은 스위칭 동작을 먼저 수행하는 방식으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 자극 신호를 인가할 때에는 자극 시점이 상당히 중요하므로, 전류 출력을 위한 스위칭 동작의 우선순위가 가장 높을 수 있다. 또한, 배터리 충전의 경우 시점에 대한 중요도가 낮고 배터리로 전력이 전달되기만 하면 충분하므로, 배터리 충전을 위한 스위칭 동작의 우선순위가 가장 낮을 수 있다. 또한, 전압 유지의 경우 전압 유지 시점에 대한 중요도가 낮으나, 전압 출력단의 전압이 미리 정해진 기준 전압보다 높거나 또는 같게 유지될 필요가 있으므로, 전압 유지를 위한 스위칭 동작의 우선순위는 중간일 수 있다.
도 14를 참조하면, 일실시예에 따른 시분할 기반 우선권 제어에 기반하여 스위칭 동작이 수행될 때 인덕터 전류 IL의 예시를 나타낸 도면이다. 한 타임슬롯 내에서 전류 출력, 전압 유지 및 배터리 충전 중 어느 하나를 위한 스위칭 동작이 수행될 수 있다. 자극을 위한 전류 출력의 경우, 양의 방향으로 미리 정해진 개수의 전류가 출력된 뒤 음의 방향으로 미리 정해진 개수의 전류가 출력되는 패턴을 가지며, 이러한 패턴들 사이에는 일정한 공백 주기가 있을 수 있다. 전류 출력에 할당되지 않은 타임슬롯에서 전압이 출력될 수 있으며, 전압 유지에도 할당되지 않은 타임슬롯에서 배터리가 충전될 수 있다. 또한, 배터리 출력에도 할당되지 않은 타임슬롯은 스킵되므로, 해당 타임슬롯에서 인덕터 전류 IL도 흐르지 않게 된다.
배터리 충전 시 인덕터 전류 IL의 방향은 양 전류 출력 시 또는 전압 유지 시 인덕터 전류 IL의 방향과 반대가 되므로, 도 14에 도시된 그래프에서 인덕터 전류 IL는 음의 값을 가질 수 있다.
일실시예에 따르면, 타임슬롯의 분할 기준이 되는 클럭의 스피드가 제어될 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전이 빈번히 요구되는데도 전류 출력 또는 전압 유지로 인해 배터리 충전이 충분히 수행되지 않으면, 클럭 스피드를 빨라지도록 제어할 수 있다. 반대로, 전류 출력, 전압 유지 또는 배터리 충전이 요구되는 정도보다 빈번하게 타임슬롯이 생성된다면, 펄스-스킵(pulse-skip)의 비율이 높아지게 된다. 펄스-스킵의 비율이 높아지면 클럭 스피드가 느려지도록 제어될 수 있다. 이와 같이 클럭 스피드를 적응적으로 제어함으로써, 안정적인 스위칭 동작이 수행될 수 있다.
도 15를 참조하면, 일실시예에 따라 시분할 기반 순차적 제어를 설명하기 위한 예시가 도시된다. 일실시예에 따르면, 스위칭 동작들이 타임슬롯에 순차적으로 할당될 수 있다. 예를 들면, 배터리 충전, 전류 출력, 제1 전압 유지, 제2 전압 유지 각각을 위한 스위칭 동작들이 순차적으로 타임슬롯에 할당되어 수행될 수 있다. 시분할 기반 순차적 제어를 통해 타임슬롯에서 수행할 스위칭 동작을 결정하는 과정이 생략될 수 있다.
도 16를 참조하면, 일실시예에 따른 시분할 기반 순차적 제어에서 전류 출력이 필요 없는 경우에 대한 예시가 도시된다. 시분할 기반 순차적 제어에서 현재 타임슬롯에 할당된 전류 출력이 필요 없는 경우, 전압 유지가 필요한지 여부 또는 배터리 충전이 가능한지 여부와 무관하게 해당 타임슬롯은 스킵될 수 있다.
도 17 및 도 18은 일실시예에 따라 프리휠링 스위치를 이용하여 펄스파 형태의 전류를 출력시키기 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일실시예에 따르면, 전류 출력단에서 출력되는 전류는 앞서 설명한 삼각파 형태가 아닌 펄스파 형태로 출력될 수 있다. 이를 위해서는, 생체 조직의 양단 전압에 의해 인덕터 파형이 떨어지지 않을 정도로 컨버터에 포함된 인덕터의 값(Inductance)이 충분히 클 필요가 있다. 또한, 컨버터는 프리휠링 스위치 SWF를 더 포함하고, 앞서 설명한 제2 스위치 SW2는 H-브릿지로 구현될 수 있다. 이하, 도 17 및 도 18을 참조하여 펄스파 형태의 전류 출력을 위한 스위칭 동작을 상세히 설명한다.
도 17을 참조하면, 일실시예에 따라 펄스파 형태의 전류 출력을 위한 스위칭 동작을 설명하기 위한 회로도가 도시된다. 우선, 제1 스위치 SW1 및 제6 스위치 SW6이 온되어, 인덕터 전류 IL에 전류를 빌드업 시킬 수 있다. 그리고, 제1 스위치 SW1 및 제6 스위치 SW6이 오프되면서, 프리휠링 스위치 SWF가 온됨으로써, 인덕터 전류 IL를 일정하게 유지시킬 수 있다. 인덕터와 프리휠링 스위치 SWF를 포함하는 폐루프 상에서 인덕터 전류 IL는 반시계방향으로 흐를 수 있다.
그리고, 프리휠링 스위치 SWF가 오프되면서, H-브리지의 일부 스위치들 SWH1, SWH3 및 제5 스위치 SW5 또는 제1 스위치 SW1이 온되면, 전류 IAC는 양의 방향으로 출력될 수 있다. 반대로, 프리휠링 스위치 SWF가 오프되면서, H-브리지의 나머지 스위치들 SWH2, SWH4 및 제5 스위치 SW5 또는 제1 스위치 SW1가 온되면, 전류 IAC는 음의 방향으로 출력될 수 있다.
일실시예에 따라 한 타임슬롯에서는 하나의 펄스가 출력될 수 있다. 양(positive) 펄스파 형태의 전류를 출력시키고자 하는 경우, 프리휠링 스위치 SWF는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 그리고, H-브리지의 일부 스위치들 SWH1, SWH3 및 제5 스위치 SW5 또는 제1 스위치 SW1는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 반대로, 음(negative) 펄스파 형태의 전류를 출력시키고자 하는 경우, 프리휠링 스위치 SWF는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프될 수 있다. 그리고, H-브리지의 나머지 스위치들 SWH2, SWH4 및 제5 스위치 SW5 또는 제1 스위치 SW1는 해당 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온될 수 있다. 이 때, 제1 스위치 SW1, 제5 스위치 SW5, 제6 스위치 SW6 및 프리휠링 스위치 SWF에 대한 제어로 인덕터 전류 IL를 일정하게 유지시키는 스위칭 동작이 이미 수행된 것으로 가정할 수 있다.
도 18을 참조하면, 일실시예에 따른 인덕터 전류 IL, 출력되는 전류 IAC, 제1 제어 전압 , 제2 제어 전압 , 제3 제어 전압 의 예시가 도시된다. 제1 제어 전압 이 하이(high)이면 제1 제어 전압 에 의해 제어되는 스위치가 온되고, 제1 제어 전압 이 로우(low)이면 제1 제어 전압 에 의해 제어되는 스위치가 오프될 수 있다. 마찬가지로, 제2 제어 전압 , 제3 제어 전압 도 대응하는 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다.
도 18에서 확인 가능한 것처럼, 일정하게 유지되는 인덕터 전류 IL가 제1 제어 전압 및 제2 제어 전압 에 대한 제어에 기초하여 양 펄스파 형태의 전류 IAC로 출력될 수 있다. 또한, 제1 제어 전압 및 제3 제어 전압 에 대한 제어에 기초하여 인덕터 전류 IL가 음 펄스파 형태의 전류 IAC로 출력될 수 있다.
이와 같이 프리휠링 스위치 SWF로 인덕터 양단을 단락시켜 프리휠링을 구현함으로써, 인덕터 전류 IL를 직류 전류로 유지시킬 수 있다. 또한, 프리휠링 스위치 SWF 및 H-브릿지에 대한 제어로 펄스파 형태의 전류 IAC가 출력되게 할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (25)

  1. 컨버터에 있어서,
    제1 단 및 상기 제1 단의 타단인 제2 단을 포함하는 인덕터; 및
    상기 인덕터와 연결되는 스위칭 회로
    를 포함하고,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 상기 컨버터에 연결된 배터리 간 연결을 제어하는 제1 스위치;
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 생성된 전류가 출력되는 전류 출력단 간 연결을 제어하는 제2 스위치;
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 생성된 전압이 출력되는 전압 출력단 간 연결을 제어하는 제3 스위치; 및
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리를 충전시키기 위한 전압이 입력되는 전압 입력단 간 연결을 제어하는 제4 스위치
    를 포함하고,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 제2 단 간 연결을 제어하는 프리휠링 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제2 스위치는 상기 인덕터의 제2 단에 연결되어 상기 전류 출력단으로 출력되는 전류 방향을 제어하는 H-브릿지를 포함하고,
    상기 프리휠링 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 H-브릿지의 일부 스위치들 및 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되고,
    상기 전류 출력단에서 출력되는 전류는 펄스파 형태를 가지는, 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치;
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치; 및
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리 간 연결을 제어하는 제7 스위치
    를 더 포함하는, 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제1 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯 동안 온(on)되고,
    상기 제6 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프(off)되고,
    상기 제2 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되는, 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제2 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯 동안 온되고,
    상기 제1 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되는, 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치; 및
    상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제1 스위치 및 상기 제6 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 제2 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되는, 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치; 및
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리 간 연결을 제어하는 제7 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제5 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯 동안 온되고,
    상기 제7 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 제2 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되는, 컨버터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    제1 타임슬롯 동안 상기 전류 출력단에서 제1 전류가 출력되고, 제1 타임슬롯이 아닌 제2 타임슬롯 동안 상기 전류 출력단에서 상기 제1 전류의 방향과 반대되는 제2 전류가 출력되도록 내부 스위치들에 대해 스위칭 동작을 수행하는, 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제1 스위치는 상기 전압이 출력되는 타임슬롯 동안 온되고,
    상기 제6 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 제3 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되는, 컨버터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제3 스위치는 상기 전압이 출력되는 타임슬롯 동안 온되고,
    상기 제1 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되는, 컨버터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치; 및
    상기 인덕터의 제2 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제6 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제1 스위치 및 상기 제6 스위치는 상기 전압이 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 제3 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되는, 컨버터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 그라운드 간 연결을 제어하는 제5 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제4 스위치는 상기 배터리가 충전되는 타임슬롯 동안 온되고,
    상기 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간에서 온되고, 제2 구간에서 오프되고,
    상기 제1 스위치는 상기 타임슬롯에서 상기 제1 구간에서 오프되고, 상기 제2 구간에서 온되는, 컨버터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    한 타임슬롯 동안 상기 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 생성된 전류를 출력시키는 제1 스위칭 동작, 상기 배터리로부터 생성된 전압이 일정하게 유지되도록 하는 제2 스위칭 동작 및 상기 배터리를 충전시키는 제3 스위칭 동작 중 어느 하나를 수행하는, 컨버터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 제1 스위칭 동작, 상기 제2 스위칭 동작 및 상기 제3 스위칭 동작의 우선순위에 기초하여 스위칭 동작들 중에서 선택된 어느 하나의 스위칭 동작을 수행하는, 컨버터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 전류 출력단에서 전류가 출력될 필요가 있는 경우, 상기 제1 스위칭 동작을 수행하는, 컨버터.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 전류 출력단에서 상기 전류가 출력될 필요가 없으나, 상기 전압 출력단에서 출력되는 전압이 부족한 경우, 상기 제2 스위칭 동작을 수행하는, 컨버터.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 전류 출력단에서 상기 전류가 출력될 필요가 없고, 상기 전압 출력단에서 출력되는 전압이 부족하지 않으나, 상기 배터리의 충전이 가능한 경우, 상기 제3 스위칭 동작을 수행하는, 컨버터.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 전류 출력단에서 상기 전류가 출력될 필요가 없고, 상기 전압 출력단에서 상기 전압이 출력될 필요가 없으며, 상기 배터리의 충전이 가능하지 않은 경우, 상기 타임 슬롯을 스킵하는, 컨버터.
  18. 삭제
  19. 제1항에 있어서,
    상기 H-브릿지의 일부 스위치들은
    상기 전류 출력단에서 출력하고자 하는 전류 방향에 기초하여 상기 H-브릿지에 포함된 복수의 스위치들 중에서 일부 선택되는, 컨버터.
  20. 삭제
  21. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터는 상기 컨버터에 포함된 단일 인덕터(single inductor)인, 컨버터.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 생성된 제2 전압이 출력되는 제2 전압 출력단 간 연결을 제어하는 제8 스위치
    를 더 포함하는, 컨버터.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는 인체 내에 삽입되는, 컨버터.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 전압은 상기 컨버터에 연결된 컨트롤러 및 센서 중 어느 하나로 제공되는 정전압(constant voltage)인, 컨버터.
  25. 배터리;
    상기 배터리를 충전시키기 위한 전력을 수신하는 전력 수신기;
    상기 배터리 및 상기 전력 수신기에 연결되는 컨버터; 및
    스위칭 회로의 스위칭 동작을 제어하는 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 컨버터는
    인덕터; 및
    상기 인덕터를 이용하여, 상기 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 생성된 전류를 출력시키는 제1 스위칭 동작, 배터리로부터 생성된 전압이 일정하게 유지되도록 하는 제2 스위칭 동작 및 상기 배터리를 충전시키는 제3 스위칭 동작 중 어느 하나를 수행하는 스위칭 회로
    를 포함하고,
    상기 스위칭 회로는
    상기 인덕터의 제1 단 및 상기 컨버터에 연결된 배터리 간 연결을 제어하는 제1 스위치;
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 생성된 전류가 출력되는 전류 출력단 간 연결을 제어하는 제2 스위치;
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리로부터 생성된 전압이 출력되는 전압 출력단 간 연결을 제어하는 제3 스위치;
    상기 인덕터의 제2 단 및 상기 배터리를 충전시키기 위한 전압이 입력되는 전압 입력단 간 연결을 제어하는 제4 스위치; 및
    상기 인덕터의 제1 단 및 제2 단 간 연결을 제어하는 프리휠링 스위치
    를 포함하고,
    상기 제2 스위치는 상기 인덕터의 제2 단에 연결되어 상기 전류 출력단으로 출력되는 전류 방향을 제어하는 H-브릿지를 포함하고,
    상기 프리휠링 스위치는 상기 전류가 출력되는 타임슬롯에서 제1 구간 동안 온되고, 제2 구간 동안 오프되고,
    상기 H-브릿지의 일부 스위치들 및 제5 스위치는 상기 타임슬롯에서 제1 구간 동안 오프되고, 제2 구간 동안 온되고,
    상기 전류 출력단에서 출력되는 전류는 펄스파 형태를 가지는, 회로 장치.
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