CN102570625A

CN102570625A - 用于从电磁场收集能量的设备

Info

Publication number: CN102570625A
Application number: CN2011103531070A
Authority: CN
Inventors: 邢昌熙; 姜盛元; 康太荣; 黄正焕; 林寅基; 朴炯一; 姜泰旭; 金景洙; 金整范; 金圣恩; 朴景焕; 崔炳建; 金真庆
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2012-07-11
Also published as: KR20120036751A

Abstract

一种用于从电磁场收集能量的设备包括接口单元和整流器电路。该接口单元获取电子装置中的在人体中感应的信号。该整流器电路对从接口单元输入的交流信号进行整流，并将输入的交流信号转换成直流功率。因此，可能获取所需功率，而不会额外将电磁场暴露到人体或者人体周围。

Description

用于从电磁场收集能量的设备

相关申请的交叉引用

本申请要求向韩国知识产权局于2010年10月8日提交的韩国申请No.10-2010-0098265以及2011年9月29日提交的韩国申请No.10-2011-0098953的优先权，这些韩国专利申请的整个内容在此被作为参考而结合。

技术领域

本发明的示例性实施例涉及用于从电磁场收集(harvest)能量的设备，更具体而言，涉及用于从在人体中感应的信号收集电能的设备。

背景技术

能量收集场是指从周围环境收集能量的场。能量收集是一种用于将周围能量转换成电路操作可用的电能的技术。

能量收集可通过被应用于无线个人区域网络(WPAN)和射频识别(RFID)而用于简单且廉价的通信，其允许电路在没有电池或者没有对电池进行额外充电的情况下操作。因此，它的应用在非常广的范围内扩展。

而且，能量收集是一种面向未来的工业，它允许将能量有效地用于所有个人通信，从而可以将清洁自然环境传给子孙后代。

利用现有太阳能电池从阳光中收集能量的方法是最为熟知的能量收集方法。然而，这种方法不适合RFID和WPAN，并且在收集电能以驱动小型收发器电路中存在限制，因为需要向该收发器电路应用大的面积。

因此，全世界都在进行利用多种方法来收集能量的研究。在这些研究之中，已经进行代表性研究以开发：通过振动收集能量的方法、通过温差收集能量的方法、以及通过经由毫米(mm)尺寸的天线接收RF信号来收集能量的方法。

背景技术已经在韩国专利特开号No.10-2011-0066645(2011年6月6日)中得以公开。

发明内容

本发明的实施例涉及一种用于从电磁场收集能量的设备，它从来自在用户周围存在的各个电子装置的在人体中感应的电磁场收集能量，这样用户可以在过活跃生活的同时获得能量，而不约束用户的活动。

本发明的另一实施例涉及一种用于从电磁场收集能量的设备，它能够在不采用谐振部件的情况下获得能量，这与用于通过人体接收电磁波来收集能量的传统方法不同，在传统方法中，利用与数十兆赫兹(MHz)频带的各个广播波的特定频率谐振的谐振部件来转换能量，其中人体可作为天线使用。

在一个实施例中，一种用于从电磁场收集能量的设备包括：接口单元，被配置为获取来自电子装置的在人体中感应的信号；以及整流器电路，被配置为对从接口单元输入的交流信号进行整流，并且将已整流的交流信号转换成直流功率。

该接口单元可以利用导电材料形成，该导电材料包括金属、柔性基底和导电纤维、或例如ECG电极的导电凝胶。

该设备还可包括在整流器电路前端提供的滤波器，以便对从接口单元输入的信号进行滤波。

该滤波器可包括低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器之中的至少一个滤波器。

该接口单元可以被提供有分别与在人体中感应的信号的多个频带对应的各个接口单元。

整流器电路可以被提供有分别与在人体中感应的信号的多个频带对应的各个整流器电路。

在另一实施例中，一种用于从电磁场收集能量的设备包括天线单元、接口单元和整流器电路，该天线单元被配置为接收电子装置生成的电磁场，该接口单元被配置为获取在天线单元中感应的信号，而该整流器电路被配置为对从接口单元输入的交流信号进行整流，并且将已整流的交流信号转换成直流功率。

该天线单元可以利用导电材料形成。

该设备还可包括在整流器电路前端提供的滤波器，用于对从接口单元输入的信号进行滤波。

该滤波器可包括低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器中的至少一个滤波器。

该接口单元可被提供有分别与在天线单元中感应的信号的各个频带对应的各个接口单元。

整流器电路可以被提供有分别与在天线单元中感应的信号的各个频带对应的各个整流器电路。

附图说明

根据下面结合附图进行详细说明，将更加清楚地理解本发明的上述和其它方面、特征和其它优点，在附图中：

图1是图示了根据本发明实施例的用于从电磁场收集能量的设备的配置的框图；

图2图示了来自电子装置的在人体中感应的电磁场的环境；

图3是图示了根据本发明另一实施例的用于从电磁场收集能量的设备的配置的框图；

图4是图示了根据本发明另一实施例的用于从电磁场收集能量的设备的配置的框图；以及

图5是图示了根据本发明另一实施例的用于从电磁场收集能量的设备的配置的框图。

具体实施方式

下面，将参照附图来描述本发明的实施例。然而，这些实施例仅仅是示例性目的，并且不意欲限制本发明的范围。

图1是图示了根据本发明实施例的用于从电磁场收集能量的设备的配置的框图。图2图示了来自电子装置的在人体中感应的电磁场的环境。

根据该实施例的该设备根据在人体100中感应的低频电磁场的能量来生成功率。该设备从存在于用户周围的各种电子装置10中的在人体100中感应的电磁场收集能量。

为此，如图1所图示，该设备包括：用于获取在人体100中感应的信号的接口单元120；用于对从接口单元120输入的交流信号(AC)进行整流并将该输入交流信号转换成直流(DC)功率的整流器电路130；以及提供在整流器电路130前端以便对从接口单元120输入的信号进行滤波的滤波器140。

人体100在低频带中具有非常高的介电常数。因此，在低频中在人体100中感应大量功率。

图2图示了在人体100中从各个电子装置10感应的电磁场的环境，上述电子装置例如是移动设备、发光系统、计算机、引出线(outlet)等等。

如该图所图示，与采用RF进行能量收集的传统设备不同，根据本实施例的设备利用具有导电率的材料接触或靠近人体100，并从人体100接收信号，从而收集能量。

接口单元120被布置在接触或靠近人体100的位置上，以便获得来自电子装置10的在人体100中感应的信号。

接口单元120不受用于接收期望频带中信号的物理尺寸的限制。

接口单元120利用具有导电率的材料形成。具有导电率的材料不仅可以是金属，还可以是可减少由用户的活动或接触导致的排斥感的柔性基底或导电纤维。具有导电率的材料还可以包括例如ECG电极的导电凝胶的形式。除了具有导电率的材料之外，接口单元120也可以形成为用于更好地从其中感应了电磁波的人体接收电信号的形状。

从接口单元120输入的交流信号经由整流器电路130而被转换成直流功率。

整流器电路130对从接口单元120输入的交流信号进行整流，并生成直流功率。整流器电路130通过接收具有特定周期的交流信号来进行操作。为此，在整流器电路130的前端提供滤波器140，用于对从接口单元120输入的信号进行滤波。滤波器140可以包括带通滤波器、低通滤波器、高通滤波器等等。

也就是，提供在整流器电路130的前端的滤波器140用于有效地整流从接口单元120输入的信号。代替用于谐振广播波频率的信号的谐振部件，滤波器140用于获取整流所需的预定周期的信号。

在人体100中感应的电磁波可以存在于若干频带。在其中不采用滤波器140的情况下，整流效率可由于破坏性干涉等而降低。

可以仅采用低通滤波器的配置以从60Hz的信号获取功率，所述60Hz的信号从具有磁性镇流器或线路功率的荧光灯输出以供应60Hz的交流电功率。

为了实现60Hz频带中的传统谐振部件，需要尺寸非常大的电感器和电容器。特别是，电感器在谐振部件中占据很大体积，并且电感器的成本高于电阻器或电容器的成本。

可以仅采用电阻器和电容器来实现低通滤波器。

需要带通滤波器的配置，以从输出自具有电子镇流器的荧光灯的数十千赫兹(kHz)频带的信号中获取功率。

在来自从荧光灯输出的超过数十千赫兹频带的信号的功率小于或者不对应于来自数十千赫兹频带中的信号的功率的情况下，滤波器140可以仅采用高通滤波器来配置。在这种情况下，采用不需要功率的无源元件作为用于能量收集所需的元件来配置滤波器140。上述无源元件可以由执行相同功能的其它元件来替代。

当前使用的荧光灯通常可以分成利用磁性镇流器驱动的荧光灯和利用电子镇流器驱动的荧光灯，并且逐渐地从利用磁性镇流器驱动的荧光灯改变到利用电子镇流器驱动的荧光灯。考虑到这一点，滤波器可被配置为通过如下方式来获取功率：将在人体中感应的电磁波划分成60Hz频带的电磁波和数十千赫兹频带的电磁波，其中60Hz频带的电磁波从采用功率线路和磁性镇流器的荧光灯输出，而数十千赫兹频带的电磁波从采用电子镇流器的荧光灯输出。

同时，由于当今CMOS技术已经缩减到45至65纳米(nm)的规模，所以电路所需的驱动电压降低到0.8伏或更低，并且电路所需的功率消耗也大幅降低。因此，即使利用微瓦(μw)单位或更少的最小驱动功率，也能够建立无线传感器网络。

然而，通过能量收集获取的电压在获取能够驱动普通电路的电压方面受到限制。因此，需要增大电压，从而获取所需电压。在这种情况下，可以附加地采用直流/直流转换器电路(未示出)。

同时，在人体100中可以感应各个频带的信号。因此，可以根据在人体100中感应的每个频带来改进接口单元120和整流器电路130的结构。

这将参照图3和图4来描述。

图3是图示了根据本发明另一实施例的用于从电磁场收集能量的设备的配置的框图。

如图3所示，在根据该实施例的设备中，分别对应于频带而提供用于获取在人体100中感应的信号的多个接口单元220-1、220-2、...220-n，以及分别对应于接口单元220-1、220-2、...220-n而提供用于整流各频带中的信号的多个整流器电路230-1、230-2、...230-n。该设备还包括多个滤波器240-1、240-2、...240-n，其分别对应于整流器电路230-1、230-2、...230-n而提供，从而对从接口单元220-1、220-2、...220-n输入的信号进行滤波。滤波器240-1、240-2、...240-n可以同样地应用到图1所图示的实施例。

也就是，根据该实施例的设备包括分别与在人体100中感应的信号的相应频带对应的多个接口单元220-1、220-2、...220-n以及多个整流器电路230-1、230-2、...230-n。因此，该设备可以同时地从在人体100中感应的各个频带信号收集能量。

图4是图示了根据本发明另一个实施例的用于从电磁场收集能量的设备的配置的框图。

如图4所示，根据该实施例的设备包括用于获取在人体100中感应的信号的一个接口单元320、和分别与在人体100中感应的信号的频带对应的多个整流器电路330-1、330-2、...330-n。该设备还包括分别对应于整流器电路330-1、330-2、...330-n地提供的滤波器340-1、340-2、...340-n，以便对从一个接口单元320输入的信号进行滤波。滤波器340-1、340-2、...340-n可以同样地应用到图1所图示的实施例。

通过一个接口单元320来获取各个频带中的信号的原因在于接口单元320不依赖于频率。

如上所述，根据该实施例的设备可以通过一个接口单元320来获取各个频带中的信号。

同时，尽管在前述实施例中已经图示了该设备从通过用作天线的人体100接收的电磁场中收集能量，但是该设备也可以利用能够用作天线的导电材料代替人体100，来收集能量。这将参照图5来进行描述。

根据该实施例的设备包括：用于接收从电子装置10生成的电磁场的天线单元410、用于获取在天线单元410中感应的信号的接口单元420、以及用于对从接口单元420输入的交流信号进行整流并输出直流信号的整流器电路430。该设备还可以包括对应于整流器电路430提供的滤波器440，从而对从接口单元420输入的信号进行滤波。滤波器430可以同样地应用到图1所图示的实施例。

天线单元410可以利用导电材料形成。例如，天线单元410可以应用到具有导电纤维的衣服。具有导电纤维的衣服将导电纤维作为天线，并且可以从输入到代替人体100的天线的电磁场收集能量。这种从天线单元而不是从人体获取电磁场的技术以及采用该技术的能量收集技术被广泛地应用在射频(RF)频带中。本实施例涉及如下的技术，其用于从天线而不是从人体获取不位于射频频带中的上述频带中的信号。因为频率低于射频，所以难以配置适用于对应波长的天线、并且需要足够空间。然而，在本实施例的情况下，利用衣服中的导电纤维来形成天线，并且还通过针对数十千赫兹频带的频率范围采用用在13.56兆赫兹频带中的RFID的环形天线而可能通过衣服来获取功率。上述天线可以对应于所要获取能量的频带来设计。尽管增益小于天线，但考虑到目标的尺寸，可以采用另一种结构来获取更多电场。这可以实现为结合到导电接口中。

可移植的装置需要具有非常小的尺寸的天线。在采用无线电方案的情况下，该可移植装置需要尺寸相当大的天线。

另一方面，由于根据本实施例的设备不需要天线，所以该设备所需的空间非常小，并因此该设备可以用作辅助电源。

例如，该设备可以用作在例如助听器的装置中的现有电池的辅助部件，该助听器直接接触人体100。

这里，接口单元420、整流器电路430和滤波器440都与上述实施例相同，并因此将省略它们的详细描述。

如上所述，根据本发明的设备不需要用于提供能量的能源，并且可以在没有额外将电磁场暴露到人体或者人体周围的情况下获取所需功率。

由于根据本发明的设备不需要天线来接收来自外部的电磁场，所以该设备即使在很小的区域内也可以产生所需功率。由于根据本发明的设备不需要天线，所以该设备可以同时采用在人体中感应的各个频带的信号。

上面为了示例性目的而公开了本发明的实施例。本领域技术人员将会理解的是，可能进行各种修改、添加和替换，而不会脱离在所附的权利要求中公开的本发明的范围和精神。

Claims

1.一种用于从电磁场收集能量的设备，该设备包括：

接口单元，被配置为获取来自电子装置的在人体中感应的信号；以及

整流器电路，被配置为对从接口单元输入的交流信号进行整流，并将已整流的交流信号转换成直流功率。

2.根据权利要求1所述的设备，其中该接口单元利用导电材料形成，该导电材料包括金属、柔性基底和导电纤维、或例如ECG电极的导电凝胶。

3.根据权利要求1所述的设备，还包括提供在整流器电路前端的滤波器，用于对从接口单元输入的信号进行滤波。

4.根据权利要求3所述的设备，其中该滤波器包括低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器中的至少一个滤波器。

5.根据权利要求1所述的设备，其中该接口单元被提供有分别与在人体中感应的信号的各个频带对应的各个接口单元。

6.根据权利要求1所述的设备，其中该整流器电路被提供有分别与在人体中感应的信号的各个频带对应的各个整流器电路。

7.一种用于从电磁场收集能量的设备，该设备包括：

天线单元，被配置为接收从电子装置生成的电磁场；

接口单元，被配置为获取在天线单元中感应的信号；以及

整流器电路，被配置为对从接口单元输入的交流信号进行整流，并且将已整流的交流信号转换成直流功率。

8.根据权利要求7所述的设备，其中该天线单元利用导电材料形成。

9.根据权利要求7所述的设备，其中该接口单元利用导电材料形成，该导电材料包括金属、柔性基底和导电纤维、或例如ECG电极的导电凝胶。

10.根据权利要求7所述的设备，还包括提供在整流器电路前端的滤波器，用于对从接口单元输入的信号进行滤波。

11.根据权利要求10所述的设备，其中该滤波器包括低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器中的至少一个滤波器。

12.根据权利要求7所述的设备，其中所述接口单元被提供有分别与在天线单元中感应的信号的各个频带对应的各个接口单元。

13.根据权利要求7所述的设备，其中所述整流器电路被提供有分别与在天线单元中感应的信号的各个频带对应的各个整流器电路。

14.根据权利要求7所述的设备，其中该天线单元由具有导电纤维的衣服形成。