JP2010514005A - 動的無線周波数電力収穫 - Google Patents

Abstract

なし
【選択図】なし

Description

本発明は、概して無線周波数信号からの電力を収穫することに関する。

無線周波数装置の多くは遠隔地で操作されることができる。また、これらの装置の中には移動可能なものもある。したがって、すぐに利用できる連続的な電源というのは不可能かもしれない。これらの装置に電力を供給する方法の１つは、無線周波数電力収穫と呼ばれる技術を用い、装置は、受け取った無線周波数信号から電力を供給されるというものである。

無線周波数電力収穫の応用例の１つに、ＲＦＩＤ（無線周波数識別）技術があり、これは、公共輸送機関、ロジスティクス、航空会社の手荷物追跡、資産管理、在庫管理、サプライチェーンの商品管理、部品管理、警備、アクセスコントロールおよび認証に用いられているが、これらはわずかな例にすぎない。無線周波数電力収穫の他の応用例は、無線で電力供給される組込みマイクロプロセッサおよびセンサに関連する。

ＲＦＩＤタグが無線周波数電力収穫の良い応用例である理由の１つは、それらの所用電力がさほど大きくないということである。しかしながら、無線周波数電力収穫は、他のさまざまな応用例でも用いられうる。

単純なＲＦＩＤシステムは、リーダと、タグとを用いることがある。タグは、短距離および低周波数ではパッシブタグ、一方、遠距離用途にはアクティブタグを用いる。ＲＦＩＣタグは、タグ挿入部を有する集積回路、または、アンテナに取り付けられた集積回路を含むインレイであってよい。リーダ／ライタは、タグのアンテナ内で電流を誘発する電磁波をタグに送る。

リーダ／ライタは、固定のまたは持ち運べる装置であってよい。タグは、電磁波を変調し、情報をリーダ／ライタに送り返してよい。タグが接着されるアイテムに関する追加情報は、タグに格納されてよい。

パッシブタグは、一般的に電源を有さず、問い合わせ信号によって供給されるエネルギーに依存して情報ストリームを伝送している。アクティブタグは、直流バッテリなどの電源を有してよい。セミパッシグタグは、タグの電源ニーズの一部だけに用いられるバッテリを有してよい。

誘導結合または後方散乱によってタグとリーダ／ライタとの間で情報が交換されてよい。これらのシステムには多くの異なる周波数が利用されうるが、最も一般的な電流周波数は、約１６５ＫＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、９０２から９２８ＭＨｚ、および、マイクロ波である。

一実施形態に係るＲＦＩＤシステムを示す。

一実施形態に係るＲＦ電力収穫回路の回路図である。

ＲＦＩＤ信号からの搬送波と、そこから導かれる２つの矩形波信号とを含む３つの信号のシミュレーション電圧を経時的に示す。

電力収穫用動的装置および静止装置それぞれのシミュレーション電圧対電流のプロットである。

静的電力収穫モードと動的電力収穫モードとの間を切り替える装置のシミュレーション電圧対時間のグラフである。

図１を参照すると、ＲＦＩＤ（無線周波数識別）システム１００は、アンテナ１０４を有するＲＦＩＤリーダ／ライタ１０２と、アンテナ１０８を有する無線周波数識別装置１０６とを備える。アンテナ１０４およびアンテナ１０６には、例えば、ダイポール、ループ、パッチ、または、他のアンテナなどを含むいかなる数の異なるロープロファイルアンテナタグが用いられてよい。

装置１０６は、リーダ／ライタ１０２から無線周波数信号１１０を受信して処理する。装置１０６は、電力収穫および電圧処理回路１１２、プロセッサまたはステートマシン１１４、記憶装置１１６、および、モジュレータ１１８を有してよい。電力収穫および電圧処理回路１１２は、無線周波数信号１１０により装置１０６を動作させる電力収穫用回路を有する。

記憶装置１１６は、復号キー、信号認証用装置識別、または、他の情報を有してよい。いくつかの実施形態では、モジュレータ１１８は、スイッチ１２２を制御し、アップストリーム用に用いられてよい。

装置１０６にアクセスするには、当該装置１０６近傍のリーダ／ライタ１０２によって問い合わせ信号が伝送されてよい。問い合わせ信号を受信すると、装置１０６は、アンテナ１０８のインピーダンスを動的に変調することによって応答し、応答情報をエンコードする。アンテナ設計の観点から都合のよいいかなるインピーダンスについても、アンテナ１０８は調整されてよい。

図２を参照すると、一実施形態に係る電力収穫回路１１２は、アンテナ１０８およびグラウンドとの接続を有する。アンテナ１０８からの信号は、インダクタおよびコンデンサを含みうる負荷マッチングネットワーク１４３を通過してよい。負荷マッチングネットワーク１４４は、電力収穫回路への電力供給を最大にし、電力収穫および通信効果を向上させてよい。他のマッチングネットワークも用いられてよい。

ネットワーク１４３からの信号出力Ｖ_ｉｎは、３つのコンデンサ１２６のそれぞれに結合されてよい。各コンデンサ１２６は、ダイオード１３４に結合されてよい。いくつかの実施形態では、ダイオード１３４は、トランジスタに接続されるダイオードとして実装されてよい。ダイオード１３４は、アクティブなゲート制御トランジスタスイッチ１３８に並列結合されてよい。トランジスタスイッチ１３８は、ゲート信号Ｐ２またはＰ１によって制御されてよい。図２における位相発生器１４５による信号Ｐ１およびＰ２の生成は、スタートアップ回路１３６によって実現してよい。一実施形態では、Ｐ１およびＰ２は、２つのカスケードインバータを通過した入力ＲＦ信号から生成され、１８０度位相が異なる閾値信号（すなわち矩形波）および第２の矩形波を生成してよい。Ｐ１およびＰ２は、位相ロックループ（ＰＬＬ）か、または、遅延ロックループ（ＤＬＬ）によって生成されてよい。

いくつかの実施形態では、リセットスイッチ１４０が設けられてよい。負荷抵抗１４２は、例えば、マイクロコントローラまたはＲＦＩＤタグなどの電力が供給される負荷を示す。

多数の他のトランジスタ１３８は、位相発生器１４５から信号Ｐ１およびＰ２を受信してよい。信号Ｐ１およびＰ２は、互いに位相を異にする。図３に示すように、信号１１０内の搬送波Ｃは、閾値化され、緩衝または反転させられることによって閾値化された正および負の信号Ｐ１およびＰ２を形成してよい。信号Ｐ１およびＰ２のうちの一方は、直列２連インバータの第１の列によって生成され、他方は、直列２連インバータの第２の列によって生成される。

図２に示された実施形態では、一連の３つの倍圧回路１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃがカスケード状に設けられている。倍圧回路の数はいくつでもよい。さらに、図示された回路は、コックロフト−ウォルトン電圧増倍器としても知られる、いわゆるヴィラード倍電圧器を基にしているが、ディクソン電圧増倍器を利用してもよい。本願明細書中で使用されるように、倍圧回路は、電圧を２倍または逓倍する。

倍電圧器１３０は、一般的に、印加される無線周波数信号の正のサイクルを整流する第１の対のダイオード１３４およびコンデンサ１３２と、印加される無線周波数信号の負のサイクルを整流化する第２の対のダイオード１２４およびコンデンサ１２６とを有する。正のサイクルでは、負のサイクルにおいてコンデンサ１２６に蓄積された電圧が正のサイクルで用いられるコンデンサ１３２に転送される。したがって、正のサイクルで用いられるコンデンサ１３２における電圧は、理想的には２倍になる。電圧倍増は、このような一連のインバータ／倍増器をカスケード状にすることによって行われてよい。いくつかの実施形態では、ダイオードに代わり、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体素子）が用いられてよい。

ダイオード１２４および１３４と同時に、または、それらに代わり、動的スイッチングトランジスタ１３８を用いることにより、ダイオード１３４は第１のモード（トランジスタはハイインピーダンス状態に設定される）で用いられることもでき、その結果、引き続いて第２のモードにおいてより効果的な動的スイッチングを提供するスイッチングトランジスタ１３８に電力を供給する静的電源が提供される。

ダイオード１３４を用いてハーベスタの静的モード動作によって電力供給されるスタートアップ回路１３６は、位相を１８０度異にする２つの閾値信号Ｐ１およびＰ２を生成することが可能であり、第２のモードの間に、スイッチングトランジスタ１３８のうちの選択されたものに電力を供給する。このように、スタートアップ回路１２６は、電圧モニタ１４６と、スタートアップ回路１３６全体の電圧が予め決められたレベルに達した後に位相発生器１４５に電圧を供給するコントローラ１４４とを有する。その時点までは、ＮＭＯＳトランジスタ１３８は０ボルトの電圧を受け取り、それによってＮＭＯＳトランジスタ１３８はハイインピーダンス状態になる。

図４を参照すると、動的動作と静的動作との効果の比較が示されている。いくつかの実施形態では、ダイオードのみを用いる静的曲線に比べ、トランジスタを用いる動的曲線がかなり早めに上昇している。このように、動的切替機構は、追加の電力を論理的に生成できる。

図４を強調したものがさらに図５に示されており、これは、図２に示された回路１１２の１つの動作モードを示している。最初に、回路１１２は、静的ダイオード１２４および１３４によってのみ電力を供給される。このモードでは、トランジスタ１３８は、ハイインピーダンス状態に設定される。そして、十分に電荷が蓄積されると、スタートアップ回路１３６は、位相発生器１４５により供給される位相が異なる信号Ｐ１およびＰ２によって制御されるトランジスタ１３８を用いたダイナミック動作を可能にする。一実施形態では、静的モードにおいて、スタートアップ回路１３６は、信号Ｐ１およびＰ２によって駆動されるトランジスタ１３８を用いて動的収穫位相における動作に十分なエネルギーが蓄積されるまで、制御信号Ｐ１およびＰ２をゼロ状態に保つ。

このように、静的および動的動作の両方で同じコンデンサ１２６および１３２が異なる時間および異なる位相で用いられてよい。いくつかの実施形態では、コンデンサをこのように共有することにより、コストダウンし、回路の設置面積を縮小させてよい。一実施形態では、動的モードの電力供給にバッテリが用いられてよい。

明細書を通じて用いられる「１つの実施形態」、または、「一実施形態」とは、その実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または、特性が本発明における少なくとも１つの実装に含まれることを意味する。したがって、「１つの実施形態」、または、「一実施形態」という言い回しは、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または、特性は、例示される特定の実施形態以外の他の適切な形態で提供されてよく、そのような形式のすべては、本出願の請求項の範囲に含まれうる。

これまで限られた数の実施形態に関連して本発明を説明してきたが、そこからさまざまな修正および変更がなされうることが当業者には理解できよう。添付の請求項は、そのような修正および変更を本発明の真の趣旨および範囲内に収まるものとして保護することが意図される。

Claims (20)

1. 位相の異なる対の信号を用い、無線周波数信号から動的に電力を収穫するようトランジスタを動作させる段階を備える方法。
2. ダイオードを第１のモードで用い、前記無線周波数信号から電力を収穫する段階と、
   前記トランジスタを動作させる前記第１のモードで収穫された前記電力を用い、第２のモードにおいて前記信号から電力を動的に収穫する段階と、
   を備える、請求項１に記載の方法。
3. 並列切替えトランジスタと共にダイオードを有する倍圧回路を提供する段階を備える、請求項２に記載の方法。
4. 位相が異なる信号を用い、前記並列切替えトランジスタを制御する段階を備える、請求項３に記載の方法。
5. 前記無線周波数信号から導かれた位相が異なる信号を用い、前記並列切替えトランジスタを制御する段階を備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記位相が異なる信号を位相ロックループまたは遅延ロックループを用いて生成する段階を備える、請求項５に記載の方法。
7. コンデンサを有する倍圧回路を用いる段階と、同じコンデンサを前記第１のモードおよび前記第２のモードの両方で用いる段階と、を備える、請求項３に記載の方法。
8. 前記第１のモードの間は前記トランジスタをハイインピーダンス状態に設定する段階を備える、請求項２に記載の方法。
9. 前記トランジスタを前記第２のモードに動的に切り替える段階を備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１のモードの間に発生した前記電力を監視する段階と、
    予め決められた電力レベルが生じた場合、前記第２のモードに切り替える段階と、
    を備える、請求項２に記載の方法。
11. 無線周波数識別のための電力を収穫する段階を備える、請求項２に記載の方法。
12. 前記位相が異なる信号を直列接続インバータによって生成する段階を備える、請求項５に記載の方法。
13. 一対のダイオードおよび一対のコンデンサを有する倍圧回路と、
    前記一対のダイオードのそれぞれに並列に結合されたトランジスタと、
    を備える無線周波数電力収穫回路。
14. 位相が異なる信号を直列接続インバータによって生成する段階を備える、請求項１３に記載の回路。
15. 少なくとも２つのカスケード倍圧回路を備える、請求項１３に記載の回路。
16. 前記一対のダイオードを用いて第１のモードで静的に動作し、前記トランジスタを用いて第２のモードで動的に動作する、請求項１３に記載の回路。
17. 前記回路を静的モードと動的モードとの間で切り替える装置を備える、請求項１６に記載の回路。
18. 前記装置は、前記回路をまず前記静的モードで動作させ、続いて、前記回路を前記動的モードで動作させる、請求項１７に記載の回路。
19. 前記装置は、前記トランジスタを含み前記動的モードで前記装置を動作させるのに十分な電力が生成されるまで、前記回路を前記静的モードで動作させる、請求項１８に記載の回路。
20. 受信した無線周波数信号から位相が異なる信号を生成する段階を備える、請求項１９に記載の回路。

Images