KR100404013B1 - 비접촉파워및데이터전송시스템 - Google Patents

비접촉파워및데이터전송시스템 Download PDF

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Abstract

비접촉 파워 및 데이터 전송용 시스템은 정지 스테이션과 이동 스테이션을 포함한다. 상기 정지 스테이션의 공진 주파수에 대해 상기 이동 스테이션의 공진 회로(1, 2)를 튜닝하기 위하여, 상기 공진 회로와 병렬로 접속될 수 있는 다수의 캐패시터(5, 6, 7)가 제공된다. 상기 시스템의 순간 동작 상태는 상기 튜닝내에 포함된다. 상기 실현은 적분하기에 용이하다.

Description

비접촉 파워 및 데이터 전송 시스템{CONTACTLESS ENERGY AND DATA TRANSMISSION SYSTEM}
이런 형태의 시스템은 스마트 카드, 칩 키 형태의 정지 스테이션 및 이동부를 포함한다. 정지 스테이션은 이동부의 동작에 필요한 파워를 공급한다. 각각의 코일이 이동부와 정지부의 공진 회로에 할당되는 느슨하게 커플링된 코일 쌍은 일반적으로 이런 목적을 위해 제공된다. 무선 주파수 신호는 파워 전송을 위해 사용된다. 이동부에서, 상기 무선 주파수 신호는 필요에 따라 정류기 유니트와 상기 정류기 유니트의 다운스트림에 접속된 전압 조정 유니트에 공급된다. 상기 정류기 유니트로부터 얻어진 DC 전압은 이동부에 파워를 공급하는데 사용된다. 상기 시스템은 인식 시스템, 고정기, 스마트 카드, 유용한 동물을 식별하기 위한 인식 시스템 등에 사용된다.
비접촉 파워 전송을 갖는 상기 시스템의 경우에, 전송 효율은 1차 회로의 전송 주파수가 2차 회로의 공진 주파수와 일치할 때 가장 높다. 1차 회로는 정지부의 공진 회로를 포함하고 2차 회로는 이동부의 공진 회로를 포함한다. 소자의 파라미터 변동과 외부적으로 커플링된 간섭 영향을 고려할 때, 이러한 요건은 단지소자 파라미터와 다른 유도량의 합계 내에서 달성될 수 있다. 최적의 가능한 신호및 파워 전송을 위하여, 2차 회로의 튜닝이 필요하다.
독일 특허 명세서 DE 38 10 702 C2는 비접촉 신호 및 파워 전송용 디바이스를 개시하고 있는데, 정지 스테이션은 이동부의 수신 회로에 대한 튜닝을 수행하여 최적의 가능한 수신을 달성하도록 제어 회로에 의해 구동되는 튜닝 가능한 공진 회로를 포함한다. 정지 스테이션은 추가 공진 회로를 포함한다. 공진 회로로부터 획득될 수 있는 신호는 서로에 대한 상대적인 위상각과 관련하여 평가된다. 이런 부분을 위해 직렬 접속된 가변 캐패시턴스 다이오드는 튜닝될 수 있는 이동 스테이션의 공진 회로와 병렬로 접속되고 상기 평가에 따라서 제어된다.
WO 93/23908은 1차 스테이션과 적어도 하나의 이동 2차 스테이션 사이의 비접촉 파워 및 데이터 전송용 시스템을 개시하고 있는데, 이동 스테이션내의 2차 공진 회로는 캐패시터가 병렬로 접속될 수 있기 때문에 2차 공진 회로에 대해 튜닝될 수 있다. 튜닝을 설정하기 위하여, 수신 주파수로부터 기준 신호와 비교되는 전압 신호를 유도하는 것이 제시되어 있다. 캐패시터의 선택적 스위칭을 위한 스위칭 신호는 상기 비교 결과로부터 유도된다.
본 발명은 비접촉 파워 및 데이터 전송 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템에 대한 이동부의 기본 회로도.
도 2는 이동부의 제어 회로의 기본 실현을 도시하는 도면.
도 3은 도 2의 기본 회로의 회로 실시예를 도시하는 도면.
본 발명의 목적은 가능한한 가장 단순한 방식으로 튜닝이 실행되고 구현될 수 있는 비접촉 파워 및 데이터 전송용 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 제 1 이동 스테이션과 제 2 스테이션 사이의 비접촉 파워 및 데이터 전송을 위하여, 상기 스테이션중 하나가 상기 이동 스테이션에서 적분 가능한제어 회로(12)에 의해 구동되는 튜닝 가능 공진 회로(1, 2)를 가지고, 상기 적분 가능한 제어 회로(12)는 스위칭 수단(8, 9, 10)에 의해 상기 공진 회로(1, 2)와 병렬로 접속될 수 있는 다수의 캐패시터(5, 6, 7) 및 상기 스위칭 수단(8, 9, 10)을 구동하기 위한 수단(11)을 가지며, 상기 이동 스테이션의 상기 공진 회로(1, 2)로부터 획득될 수 있는 신호는 상기 수단(11)에 공급될 수 있으며, 상기 공진 회로(1, 2)를 튜닝하기 위한 상기 스위칭 수단(8, 9, 10)의 구동은 상기 공진 회로(1, 2)로부터 획득될 수 있는 상기 신호의 시간으로 스태거링(staggering)되는 적어도 2개 신호 레벨 사이의 상대적인 평가에 의존하여 수행될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템에 의해 달성된다.
본 발명의 유용한 개선은 종속항에 상술된다.
2차 회로는 상기 2차 회로에 스위칭될 수 있는 캐패시터를 제공함으로써 간단한 방식으로 최대 신호 및 파워 전송으로 튜닝될 수 있다. 상기 튜닝은 이동부에 포함되는 조정 회로에 의해 자동적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 튜닝은 초기화 위상 동안 시스템의 각각의 구동 시작시 수행될 수 있다. 결과적으로, 또한 상기 튜닝은 소정의 간섭 영향이 1차와 2차 공진 회로 사이의 커플링에 작용하기 때문에 순간 환경 조건을 고려한다. 더욱이, 상기 소자의 노화는 자동적으로 보상된다. 또한 상기 튜닝은 이를테면 스마트 카드의 작동, 전송의 초기화 등과 같은 순간적인 변화의 경우에 실행될 수 있다. 이용되는 소자는 적분 제어 회로에서 용이하게 구현될 수 있고, 그 결과로 회로상의 경비와 비용은 상대적으로 절약된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1에 도시된 이동부는 인덕터(1)와 캐패시터(2)에 의해 형성된 병렬 공진 회로를 가진다. 적분 제어 디바이스(12)는 상기 공진 회로(1, 2)의 단자(3, 4)에 접속된다. 상기 적분 회로(12)에서, 상기 단자(3, 4)로부터 획득할 수 있는 전압이 정류되고, 평활화되며, 가능한한 조정된다. 그 결과 그후에 이용가능한 DC 전압이 상기 적분 회로(12)의 공급을 위해 사용된다. 상기 공진 회로(1, 2)는 정지 공진 회로(도시 안됨)에 대해 유도적으로 커플링된다.
캐패시터(5, 6, 7)는 스위칭 엘리먼트(8, 9, 10)에 의해 상기 공진 회로(1, 2)에 병렬로 각각 연결될 수 있다. 스위치는 트랜지스터로 설계될 수 있다. 상기 스위치 엘리먼트(8...10)는 제어 수단(11)에 의해 구동된다. 상기 수단(11)은 상기 코일(1)에 커플링되는 상기 1차 회로에 대해 최적의 튜닝이 달성되도록 상기 공진 회로(1, 2)의 공진 주파수가 하나 이상의 캐패시터(5...7)내의 스위칭에 의해 변화되는 것을 보장한다. 이런 목적을 위해, 상기 공진 회로(단자 3)에서 획득될 수 있는 전압은 상기 제어 디바이스(11)내에 커플링된다. 그 결과 최대 수신 전압 레벨이 달성되도록 보정이 수행된다.
상기 공진 회로의 공진 주파수는 바람직하게 조악한(coarse) 튜닝이 존재하도록 설정된다. 이것은 테스트 디바이스에서 적당한 수량의 소자를 사용하거나 이미 예비 튜닝을 수행함으로써, 또는 상기 하나 이상의 캐패시터(5...7)를 병렬로 연결하고 상기 제어 디바이스(12)내의 비휘발성 메모리에 영구적으로 상기 스위치 설정을 저장함으로써 달성된다. 도 1에 도시된 조정을 통해, 다음에 각각의 시스템이 구동 시작시 자동 미세 튜닝을 수행할 수 있다. 이런 경우에, 상기 순간 동작 조건, 이를테면 예를 들어 외부 간섭 영향 및 상기 소자의 노화 상태가 또한 자동적으로 고려될 수 있다.
상기 제어 디바이스(11)의 기본 구현은 도 2에 도시된다. 간략화된 도면에서, 다수의 제어 라인(40)을 통해 연결될 수 있는 캐패시터를 가지는 캐패시터 네트워크(30)는 상기 이동부의 상기 공진 회로(1)의 인덕터와 병렬로 도시된다. 상기 캐패시터는 각각 서로 다르거나 동일한 캐패시턴스를 가질 수 있다. 상기 데이터 라인(40)은 상기 1차 회로에 대한 최적의 튜닝이 존재하도록 제어 디바이스(31)에 의해 설정된다. 이런 목적을 위해, 상기 회로는 차동 샘플-홀드 검출기(differential sample-and-hold detector)의 기능을 수행하는 디바이스(33)를 가진다. 상기 공진 회로(1)에서 획득될 수 있는 전압은 상기 디바이스(33)의 입력단에 공급된다. 상기 출력단에서, 상기 디바이스(33)는 단자(41)에서 상기 공진 회로 전압의 순간 값에 대응하는 출력 신호를 발생시키고, 단자(42)에서 상기 출력 신호에 관련된 시간에 대해 스태거링된 전압 신호를 발생시킨다. 상기 출력단(41, 42)은 비교기(34)의 입력단에 연결된다. 비교기(34)는 상기 공진 회로의 순간값이 시간상 더 이전의 전압 값보다 더 높거나 더 낮은지를 설정한다. 상기비교기(34)의 대응 출력 신호는 상기 제어 디바이스(31)에 공급된다. 상기 제어 디바이스(31)는 상기 비교기(34)의 샘플링 순간과 상기 디바이스(33)의 샘플링 순간을 제어한다. 상기 디바이스(31)는 알고리즘에 의해 제어될 수 있는데, 이것은 마이크로 프로세서에 의한 소프트웨어-지원 구현에 의해 달성된다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이 카운터에 의한 구현이 가능하다. 상기 디바이스(31)를 위한 이러한 구현 선택은 클록된 동작 방식을 전제로 한다. 예를 들면, 이러한 클록 신호는 비교기(32)에 의해 상기 공진 회로 전압으로부터 유도되어 상기 제어 디바이스(31)에 공급된다. 더욱이, 디바이스(35)는 상기 제어 디바이스(31)에 대한 시간 규정을 전달하도록 제공된다. 만약, 예를 들어 상기 디바이스(35)에 의해 결정된 시간 지속 기간이 초과된다면 상기 제어 동작은 차단된다. 만약 동작 조건이 정확한 튜닝을 할 수 없게 존재하는 경우, 또는 불완전한 기능적 유니트가 존재한다면, 상기 튜닝 동작은 규정된 시간이 경과된 후 종료된다. 그 결과 상기 시스템은 조작상 유용하다. 또한 이것은 정상 동작 동안, 예를 들어 데이터 전송 동안 커플링이 변화하는 경우에 튜닝 동작이 시작되는 것을 방지한다. 그렇지 않으면 이것은 전송 에러를 발생시킬 수 있다.
도 2에 도시된 기본 회로의 회로 실현은 도 3에 도시되어 있다. 동일한 엘리먼트는 이런 경우에 동일한 참조 부호를 가진다. 업/다운 카운터(51)는 여기에서 제어 엘리먼트로서 제공된다. 업/다운 카운터(51)의 출력(40)은 상기 캐패시터 네트워크(30)를 구동하기 위한 제어 라인을 형성한다. 상기 제어 라인(40)이 상기 카운터(51)의 2진 출력에 연결되는 경우, 상기 네트워크(30)에 포함되고 상기 공진회로에 병렬로 연결되는 상기 캐패시터는 이들의 캐패시턴스에 대해 편의상 2진 방식으로 변하게 된다. 상기 비교기(34)의 출력은 상기 카운터(51)의 업/다운 카운팅 입력에 연결된다. 인에이블 신호는 상기 카운터(51)의 입력(52)에 공급된다. 상기 비교기(32)는 상기 카운터(51)의 클록 입력에 연결된다.
도 3의 구체적인 실시예에서, 상기 비교기(34)의 비반전 입력은 샘플-홀드 엘리먼트(50)에 연결되고, 상기 공진 회로의 전압 신호는 샘플-홀드 엘리먼트의 입력단에 공급된다. 상기 공진 회로 전압은 직접 상기 비교기(34)의 반전 입력에 연결된다. 상기 비교기(34)에서, 상기 샘플-홀드 엘리먼트(50)에 의해 형성된 피크값은 상기 순간 공진 회로 전압과 비교된다. 상기 튜닝 동작의 시작에서, 예를 들면 상기 샘플-홀드 엘리먼트(50)에 의해 공급된 값은 상기 값의 샘플링 순간에 존재하는 더 큰 디튜닝(detuning) 때문에 상기 순간 값보다 더 낮게 설정될 것이다. 그후에 상기 비교기의 출력은 상기 카운터(51)가 카운팅하기 시작하도록 논리 "0"을 전달한다. 결과적으로, 상기 캐패시터 네트워크(30)는 상기 코일(1)에 연결될 수 있는 캐패시턴스가 증가되도록 상기 제어 라인(40)을 통해 변화된다. 튜닝 최대값이 초과된다면, 상기 비교기(34)의 비반전 입력에 존재하는 전압 레벨은 상기 반전 입력에 존재하는 전압 레벨 보다 더 높다. 그후에 상기 비교기(34)의 출력은 논리 "1"로 스위칭되어 상기 카운터가 하향 카운팅한다. 상기 카운팅 방향은 상기 비교기의 출력 신호가 변화할 때마다 변화된다. 결국, 상기 캐패시터 네트워크(30)는 최상의 가능한 커플링으로 설정된다. 그후에 상기 튜닝 동작은 상기 단자(52)에 의해 중지될 수 있다.
전술된 실시예의 선택으로서, 상기 공진 회로로부터 획득될 수 있는 신호의, 시간으로 스태거링되는 적어도 2개 신호 레벨의 상대적인 평가는 부가 캐패시터를 택일적으로 상기 공진 회로에 연결하고 다시 튜닝 동작 동안 연결차단시킴으로써 실행될 수 있다. 결과적으로, 상기 공진 회로는 상호간에 평가될 수 있는 서로 다른 전압 진폭을 가진 신호를 방출한다. 상기 부가적 캐패시터의 2개 회로 상태의 2개 신호값을 비교함으로써, 상기 튜닝을 개선하기 위해 필요한 측정에 대한 명백한 결론을 이끌어 낼 수 있다. 상기 캐패시터가 스위칭될 때의 신호가 상기 캐패시터가 차단될 때의 신호보다 더 높다면, 추가 튜닝 캐패시터는 상기 튜닝을 개선하기 위해 스위칭되어야 하고 그 반대의 경우에도 동일하다. 이런 절차를 반복함으로써, 최종적으로 튜닝 상태에 도달하고, 그러한 상태에서 두 평가 상태(연결된 부가적 캐패시터가 있는지 없는지)는 본질적으로 상기 공진 회로에서 동일한 출력 신호를 생성한다. 그후에 상기 튜닝의 추가 개선은 상기 공진 회로에 상기 부가 캐패시터의 절반 캐패시턴스를 갖는 튜닝 캐패시터를 연결함으로써 달성된다. 이런 절차는 특히 소정의 경우 변조 캐패시터가 존재할 때 적절하며, 디지털 신호값은 변조 캐패시터에 의해 캐리어에 대해 변조된 후 상기 정지 스테이션에 전송된다. 그후에 상기 변조 캐패시터는 바람직하게 전술된 부가 캐패시터로서 사용된다.
이상에서는 본 발명의 양호한 일 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.

Claims (3)

  1. 제 1 이동 스테이션과 제 2 스테이션 사이에서 비접촉 파워 및 데이터 전송을 위한 시스템에 있어서, 상기 스테이션중 하나는 상기 이동 스테이션의 적분 가능한 제어 회로(12)에 의해 구동되는 튜닝 가능 공진 회로(1, 2)를 가지며, 상기 적분 가능한 제어 회로(12)는 스위칭 수단(8, 9, 10) 및 상기 스위칭 수단(8, 9, 10)을 구동하기 위한 수단(11)에 의해 상기 공진 회로(1, 2)와 병렬로 연결될 수 있는 다수의 캐패시터(5, 6, 7)를 가지며, 상기 이동 스테이션의 상기 공진 회로(1, 2)로부터 획득될 수 있는 신호는 상기 수단(11)에 공급될 수 있으며, 상기 공진 회로(1, 2)를 튜닝하기 위한 상기 스위칭 수단(8, 9, 10)의 상기 구동은 상기 공진 회로(1, 2)로부터 획득될 수 있는 상기 신호의, 시간에 대해 스태거링되는 적어도 2개 신호 레벨 사이의 상대적인 평가에 의존하여 수행될 수 있는 것을 특징으로 하는 비접촉 파워 및 데이터 전송용 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수단은 상기 공진 회로(1, 2)로부터 획득될 수 있는 상기 신호의, 시간에 대해 스태거링된 적어도 상기 2개 신호 레벨이 서로 비교될 수 있는 비교 디바이스(34) 및 상기 비교 디바이스(34)의 출력 신호가 공급될 수 있는 제어 디바이스(31; 51)를 가지며, 상기 스위칭 수단(8, 9, 10)은 상기 출력 신호에 의존하여 구동되는 것을 특징으로 하는 비접촉 파워 및 데이터 전송용 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제어 디바이스(31; 51)는 상기 공진 회로(1, 2)로부터 획득될 수 있는 상기 신호에 의해 클로킹될 수 있으며 업/다운 제어 입력이 상기 비교 디바이스(34)의 상기 출력 신호에 의해 제어될 수 있는 업/다운 카운터(51)를 포함하며, 상기 비교 디바이스(34)는 제 1 입력(-)이 상기 공진 회로로부터 획득될 수 있는 상기 신호에 의해 제어되고 제 2 입력(+)이 상기 공진 회로(1, 2)로부터 획득될 수 있고 샘플-홀드 엘리먼트(50)를 통해 공급되는 신호에 의해 제어될 수 있는 비교기인 것을 특징으로 하는 비접촉 파워 및 데이터 전송용 시스템.
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