KR101809146B1 - 도전성 매질을 통한 전하 전달 시스템 및 방법 - Google Patents

도전성 매질을 통한 전하 전달 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

도전성 백플레인에 커플링되는 검출된 디바이스로 전력을 공급하는 방법은, 복수 개의 송신 임피던스 값에서의 복수 개의 감지 신호를 상기 도전성 백플레인으로 공급하는 단계; 상기 도전성 백플레인으로부터 수신되고 상기 감지 신호에 대응하는 복수 개의 복귀 신호를 분석하는 단계; 상기 도전성 백플레인에 커플링되는 싱크 디바이스의 존재를 분석된 복귀 신호에 기초하여 검출하는 단계; 및 상기 싱크 디바이스의 존재를 검출한 이후에 상기 도전성 백플레인을 통하여 파워 서플라이로부터 상기 싱크 디바이스로 전력을 공급하는 단계를 포함한다.

Description

도전성 매질을 통한 전하 전달 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ELECTRICAL CHARGE TRANSFER ACROSS A CONDUCTIVE MEDIUM}
본 발명의 실시예는 다수의 디바이스들 사이에서 전력을 전달하고 정보를 전송하기 위한 시스템 및 방법의 분야에 관한 것이다.
현대의 군인과 다른 전문가들은 통신 장비, 시각 보조 장비(예를 들어, 야간 투시 고글 및 쌍안경), 센서, 및 네비게이션 디바이스의 범위를 가지는, 그들의 임무를 수행하기 위한 많은 휴대용 전자 디바이스를 소지하고 이용한다. 이러한 휴대용 전자 디바이스를 사용하는 것은 계속하여 증가될 것으로 기대된다. 이러한 디바이스들은 전용 또는 디바이스-특정 배터리를 일반적으로 이용하고 상호연결 케이블을 사용하여 일반적으로 상호통신하여, 이미 과다하게 적재된 디스마운트(예를 들어, 차량과 같은 지원 기반구조에 연결되지 않은 경우 군인이 소지하는 장비)의 무게와 동작 복잡성을 더욱 심하게 만든다. 예를 들어, 72 시간 임무를 위한 표준적인 디스마운트는 흔히 16 파운드의 무게가 추가되게 하는 7 개의 상이한 타입의 70 개의 배터리를 요구한다.
위에서 논의된 바와 같이, 현장에서 작업하는 현대의 전문가(예를 들어, 군인 및 소방관)는 흔히 그들의 임무를 수행할 때에 전자 디바이스의 어레이를 소지한다. 이러한 디바이스들은 통신 디바이스(예를 들어, 폰 및 무선), 네비게이션 디바이스(예를 들어, GPS 디바이스), 조명(예를 들어, 플래시), 시각 보조 장비(예를 들어, 쌍안경 및 야간 투시 고글), 및 다른 전문화된 툴을 포함할 수도 있다. 이러한 전자 디바이스는 다른 전력 요구 사항(예를 들어, 다른 동작 전압, 전력, 및 임피던스)을 가질 수도 있고 따라서 각각은 일반적으로 디바이스의 특정 에너지 요구 사항을 만족시키는 전용 배터리를 포함한다.
그러나, 배터리는 빈번한 충전 또는 교체를 일반적으로 요구하고, 결과적으로 운송 및 훈련 과정에 추가적인 부담이 된다. 예를 들어, 방전된 유닛을 교체하기 위해서 교체 및 백업 배터리가 소지되거나 저장되어야 하고, 전용 배터리를 재충전하기 위하여 많은 수의 충전 시스템이 제공될 필요가 있다. 추가적으로, 광범위한 타입의 배터리가 상호 호환불가능하기 때문에 운송 부담이 더 증가한다.
전자 디바이스는 통상적으로 상호연결된 케이블을 사용하여 서로 통신한다. 그러나, 케이블은 움직임을 방해할 수 있고, 케이블들 사이의 또는 케이블과 디바이스 사이의 상호연결(예를 들어, 커넥터 또는 연결 포인트)은 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있으며, 디바이스 교체는 시간을 소비하고 불편할 수 있다. 케이블 길이 및 디바이스 배치가 고정되면 다양한 군인의 체형에 맞게 척도변환가능하지 않고 그러한 군인의 움직임 습관과 호환불가능할 수도 있다.
최근 의복 내에 전기를 통전하는 전선이 직조되는 스마트 섬유를 개발하기 위한 노력은 단지 케이블을 연결하는 것과 및 배전의 문제만 해결한다. 그러나, 스마트 섬유는 직물이 전자 디바이스 상의 고정된 위치에 부과되기 때문에 부분적인 솔루션만을 제공한다. 더욱이, 이러한 직물은 상호연결 배선이 약한 것에 기인한 내재적인 신뢰성 문제를 가지고 있다. 무선 솔루션은 큰 전력을 디바이스로 공급할 수 없고, 낮은 신호 전송 효율을 가지며, 많은 실례에서는 현장에서 아예 동작하지 않을 것이다. 개선된 배터리는 무게를 감소시키지만 여전히 사용자가 각각의 개개의 디바이스에 대하여 배터리를 관리하게 한다.
현존하는 연구개발 노력은 이러한 문제를 독립적인 것으로 보고 있으며, 개별 장치를 점진적으로 개선시키는 것을 추구해 왔다. 이러한 노력 중 하나의 예는 차량용 배터리를 포함하는 다양한 전력원을 사용할 수 있는 모듈식 범용 배터리 충전기(Modular Universal Battery Charger; MUBC)(탈레스(Thales), 2012)이고, 태양열 패널이 구성가능성(configurability) 및 충전시의 지능(intelligence)을 제공한다. 그러나, 탈레스의 MUBC는 여전히 각각의 디바이스의 개별 충전을 요구하고, 여전히 군인이 복잡한 전선들에 묶여 있게 하고 그의 임무에 대한 동작 방해에 노출되게 한다.
본 발명의 실시예는 공유된 도전성 매질을 통하여 통신하고 전기적 에너지를 교환할 수 있는 두 개 이상의 디바이스를 포함하는 시스템 및 이러한 시스템의 동작 방법에 관한 것이다. 이러한 매질은 금속 플레이트, 도전성 직물, 또는 와이어 및 케이블을 포함하는 임의의 다른 전도성 재료일 수 있다. 본 발명의 실시예는 개별 케이블 및 상호연결을 요구하지 않으며, 따라서 연결은 디바이스와 공유된 도전성 매질 사이의 콘택을 통해서만 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도전성 매질은 디바이스와의 콘택에 대한 기회를 생성하는 환경에(예를 들어, 전기적 절연이 없이) 노출된다. 본 발명의 실시예는 디바이스들 사이의 전하의 전송을 제어하여 송신된 전하가 통신 신호 또는 전력을 이송하는지와 무관하게 안전하고 효율적인 동작을 보장하기 위한 제어기를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 재충전하는 자동화된 백그라운드 시스템 및 효율적이고 안전한 전송을 보장하기 위한 동작 상태를 모니터링하는 동안의 무인 연결 관리를 위한 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예의 양태는 무선 네트워크 액세스 포인트(예를 들어, WiFi)와 대략적으로는 유사하게 동작한다. 본 발명의 실시예는 비-방사(non-radiative) 동작을 이용하고 따라서 제한된 방사를 생성하여 RF 신호 은닉 및 보안을 보장한다. 본 발명의 몇 가지 실시예는 디바이스간 연결의 상태를 모니터링하여 최대 효율을 보장하고, 따라서 최적의 임피던스 매칭 및 낮은 방사를 보장하며, 이를 통하여 EM 시그너쳐를 감소 또는 최소화한다. 본 발명의 실시예는 또한 물 침수, 고온, 또는 기계적 충격과 같은 극단적인 상태에서 돌발적인 방전을 방지하기 위한 감지 상태 모니터링 및 애질(agile) 회로부를 제공한다.
본 발명의 실시예는 보디 네트워크, 소비자 전자제품 및 POS(point-of-sale) 단말에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 "스마트" 유니폼(또는 복장)이 있는 방위 산업과 전자 칩 제작사에서 사용될 수도 있고, POS 단말, 출입 제어(예를 들어, 예컨대 제한된 영역, 차량, 장비, 또는 정보에 대한 출입 또는 접근을 허용하는 보안 디바이스가 있는 콘택-기초 통신) 등에서의 애플리케이션이 있는 소비자 전자제품 산업에서 사용될 수도 있다.
본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 도전성 매질은 본질적으로 도전성(예를 들어, 금속)이고, 다른 실시예들에서 도전성 매질은 도전성 재료가 코팅된 재료이다. 이러한 재료의 몇 가지 예는: 금속 플레이트, 도전성 직물, 배선 메쉬, 단일 와이어 케이블, 도전성 페인트, 금속 홀더, 금속 엔클로저, 등이다.
본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 도전성 매질은 완전히 노출되거나 부분적으로 또는 완전히 절연되는 도전성 재료의 메쉬 또는 네트워크이다. 이러한 재료의 몇 가지 예는: 금속 패치, 도전성 직물, 도전성 직물 패치, 배선 메쉬, 케이블 메쉬, 도전성 페인트, 금속 홀더, 금속 엔클로저, 등이다.
본 발명의 실시예는 고 주파수 및 큰 대역폭을 본질적으로 지원하여 전력 관리에 추가하여 정보(또는 데이터) 교환 애플리케이션을 가능하게 하는 구성가능한 회로부를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 데이터 교환, 안전한 통신, 출입 제어, 및 생체 검증을 위한 통신 성능을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예는 원격 디바이스 전송(interrogation) 및 저-전력 프로비져닝을 허용하여 무전선 무배터리 분산형 센서 네트워크가 의복(예를 들어, 유니폼)에 걸쳐서 집적되게 한다. 예를 들어, 부상당한 군인이 착용하는 건강-모니터링 디바이스는, 군인의 조끼(군인의 일차 배터리 포함)가 제거된 경우에도 본 발명의 실시예에 따르는 시스템을 착용한 의무병에 의하여 액세스될 수 있는데, 이는 의무병의 배터리가 군인의 건강-모니터링 디바이스에 전력공급하고, 제어하고, 통신하도록 사용될 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시예는 이동 및 외부 콘택을 지속적으로 모니터링하여 도전성 매질에 걸친 전력 분포를 관리한다. 본 발명의 실시예는 연결을 예견하는 수집된 정보를 이용함으로써, 도전성 매질이 충전국과 접촉하면 연결이 신속하고 자동적으로 검출되고 감독되지 않은 충전이 발생할 수 있게 한다. 이것은 디스마운트, 예컨대 차량 시트, 안전띠, 침낭, 의류 후크 및 의류 걸이가 자주 나타나는 위치에서의 충전국의 통합 및 충전 관리 또는 장비를 단순화하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 실시예에 따르는 의복에 직접적으로 부착되지 않는 장비는 도전성 포켓 내에 배치되거나 도전성 후크 및 루프 재료(예를 들어, 벨크로®)와 맞춤되어 도전성 직물 백플레인(10)으로의 연결을 허용할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 실시예는: 무케이블 효율적 디바이스간 통신 및 에너지 교환; 신뢰성을 개선하고 훈련 시간을 감소시키는 상호연결의 제거 또는 감소; 임의의 그리고 번잡함이 없는 디바이스의 배치(예를 들어, 착용된 의복 상의 임의의 위치에서의 배치); 의복을 착용한 사람(예를 들어, 군인)의 향상된 이동 자유; 우선화된 에너지 분산용 집중형 배터리 시스템; 다수의 시스템 사이의(예를 들어, 군인-대-군인 및 군인-대-차량) 전하 및 정보의 연속 교환; 의복(예를 들어, 군인의 유니폼)을 통한 배터리-무관 충전; 에너지를 유선 시스템의 효율에 맞춰서 기회에 맞게 전달하는 비간섭적 자동화 충전 시스템; 유효 에너지 용량의 동일한 양에 대한 큰 배터리 무게 감소(예를 들어, 30% 감소); 배송 노력의 10 배의 감소; 및 연속적 건강 모니터링을 가능하게 하는 수동 센서에 대한 본질적인 지원을 포함하지만 이것들로 제한되는 것은 아닌 광범위한 이점을 제공한다.
사용자(예를 들어, 군인)에 대한 부담을 감소시키는 것에 추가하여, 본 발명의 실시예는 보급품의 배송도 역시 개선한다.
디바이스 레벨에서, 본 발명의 실시예에 따르는 회로부는 다양한 전력 용량을 제공하고 개개의 디바이스가 일회용 배터리를 가질 필요성을 거의 완전히 제거할 수 있는 범용 충전기의 역할을 수행한다. 더욱이, 본 발명의 실시예의 배터리-무관 특성은 태양열, 운동 에너지, 또는 RF 하베스트와 같은 재생가능 에너지 발전을 자연적으로 지원하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도전성 백플레인에 커플링되는 복수 개의 디바이스에 전력을 공급하는 장치에 있어서, 상기 도전성 백플레인은 도전성 경로를 포함하는 장치는: 신호 발생기 및 신호 검출기를 포함하고 상기 도전성 백플레인에 커플링되는 감지 회로부; 상기 도전성 백플레인에 커플링되는 파워 서플라이; 및
제어기 회로를 포함하는데, 제어기 회로는: 복수 개의 송신 임피던스 값에서의 복수 개의 감지 신호를 상기 도전성 백플레인으로 공급하도록 상기 신호 발생기를 제어하고; 상기 신호 검출기에 의하여 검출되고 상기 감지 신호에 대응하는 복수 개의 복귀 신호를 분석하며; 분석된 복귀 신호에 기초하여, 상기 도전성 백플레인의 도전성 경로에 커플링되는 싱크 디바이스의 존재를 검출하고; 상기 싱크 디바이스의 존재를 검출한 이후에, 상기 도전성 경로를 통하여 상기 싱크 디바이스로 전력을 공급하도록 구성된다.
상기 제어기 회로는 더 나아가: 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하고; 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 것에 응답하여 상기 도전성 경로를 통한 상기 스위칭 디바이스로의 전력의 공급을 중지하도록 더욱 구성될 수도 있다.
상기 제어기 회로는 상기 복귀 신호 중에서 상기 싱크 디바이스에 대응하는 하나의 복귀 신호에서의 변화를 검출함으로써 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하도록 구성될 수도 있다.
상기 제어기 회로는 상기 도전성 경로상에서 전류의 감소를 검출함으로써 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하도록 구성될 수도 있다.
상기 제어기 회로는: 상기 도전성 경로에서의 단락을 검출하고; 상기 단락을 검출하는 것에 응답하여 상기 파워 서플라이로부터 상기 도전성 경로로의 전력 공급을 중지하도록 더욱 구성될 수도 있다.
상기 제어기 회로는: 상기 도전성 경로를 통하여 상기 싱크 디바이스로 핸드셰이크 요청을 공급하고; 상기 도전성 경로를 통하여 상기 싱크 디바이스로부터 핸드셰이크 응답을 수신하도록 더욱 구성될 수도 있다.
상기 제어기 회로는 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로콘트롤러, 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적회로(ASIC), 또는 아날로그 피드백 회로일 수도 있다.
핸드셰이크 요청은 디지털 신호, 코드를 나타내는 디지털 신호를 포함할 수도 있다.
핸드셰이크 응답은 임피던스의 변화를 포함할 수도 있고, 상기 장치는 핸드셰이크 요청을 공급한 이후에 복귀 신호의, 복귀 신호에서의 변화를 검출함으로써 핸드셰이크 응답을 수신하도록 구성될 수도 있다.
도전성 경로는 의류의 도전성 직물을 포함할 수도 있다.
상기 장치는 도전성 경로를 통하여 장치에 커플링되는 배터리 장치를 충전하도록 구성될 수도 있다.
상기 장치는 시트를 포함하는 차량에 위치될 수도 있고, 상기 도전성 경로는 상기 시트의 표면의 제 1 전도부를 포함할 수도 있으며, 상기 장치는 배터리가 의류의 제 2 전도부에 전기적으로 연결되는 동안 상기 배터리를 변경하도록 구성될 수도 있고, 상기 시트의 표면의 제 1 전도부는 상기 의류의 제 2 전도부에 전기적으로 연결될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 공유된 도전성 백플레인을 통하여 전력을 수전하도록 구성되는 장치는: 상기 공유된 도전성 백플레인에 커플링되는 단자; 및 상기 단자 및 상기 공유된 도전성 백플레인에 전기적으로 연결되는 제 1 디바이스 식별 임피던스를 포함한다.
상기 장치는 제 2 디바이스 식별 임피던스; 및 상기 제 2 디바이스 식별 임피던스를 상기 공유된 도전성 백플레인으로 선택적으로 커플링 및 디커플링하도록 구성되는 스위치를 더 포함할 수도 있다.
상기 장치는 제어기 회로를 더 포함할 수도 있고, 상기 제어기 회로는: 상기 도전성 백플레인을 통하여 핸드셰이크 요청 신호를 검출하고; 검출된 핸드셰이크 요청에 응답하여 상기 스위치를 턴온 또는 턴오프하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도전성 백플레인에 커플링되는 검출된 디바이스로 전력을 공급하는 방법은, 복수 개의 송신 임피던스 값에서의 복수 개의 감지 신호를 상기 도전성 백플레인으로 공급하는 단계; 상기 도전성 백플레인으로부터 수신되고 상기 감지 신호에 대응하는 복수 개의 복귀 신호를 분석하는 단계; 상기 도전성 백플레인에 커플링되는 싱크 디바이스의 존재를 분석된 복귀 신호에 기초하여 검출하는 단계; 및 상기 싱크 디바이스의 존재를 검출한 이후에 상기 도전성 백플레인을 통하여 파워 서플라이로부터 상기 싱크 디바이스로 전력을 공급하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 단계; 및 상기 도전성 백플레인을 통하여 상기 싱크 디바이스로 전력을 공급하는 것을 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 것에 응답하여 중지하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 단계는, 상기 복귀 신호 중에서 상기 싱크 디바이스에 대응하는 하나의 복귀 신호에서의 변화를 검출하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 단계는, 상기 도전성 경로상에서 전류의 감소를 검출하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 방법은 단락을 검출하는 단계; 및 상기 도전성 백플레인을 통하여 상기 싱크 디바이스로 전력을 공급하는 것을 상기 단락을 검출하는 것에 응답하여 중지하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 방법은: 상기 도전성 경로를 통하여 핸드셰이크 요청을 상기 싱크 디바이스로 공급하는 단계; 및 상기 도전성 경로를 통하여 상기 싱크 디바이스로부터 핸드셰이크 응답을 수신하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
첨부 도면은 상세한 설명과 함께 본 발명의 예시적인 실시예를 예시하고, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a 는 본 발명의 일 실시형태에 따르는, 공유된 도전성 매질을 사용하는 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 1b 는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 시스템에 연결된 다양한 디바이스들을 예시하는 개략도이다.
도 1c 는 공유된 배터리 구성 및 각각의 디바이스에 대한 개별 배터리를 가지는 종래의 배터리 구성의 추정된 동작 수명에 대응하는 누적 분포 함수를 비교하는 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따르는, 디바이스들 사이에서의 전력 및 데이터 송신의 내재하는 개념을 예시하는 개략도이다.
도 3a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 관리자 디바이스의 개략도이다.
도 3b 는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 시스템의 송신측을 예시하는 블록도이다.
도 3c 는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 송신측 회로를 예시하는 블록도이다.
도 3d 는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 디바이스의 수신측의 개략적 블록도이다.
도 3e 는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 싱크 디바이스를 예시하는 회로도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따르는, 관리자 디바이스로부터 싱크 디바이스로 신호 또는 전력을 송신하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 5a 는 본 발명의 일 실시예에 따르는, 공유된 도전성 백플레인에 걸쳐 임피던스 측정을 수행하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 5b 는 본 발명의 일 실시예에 따르는, 싱크 디바이스와의 핸드셰이크 동작을 수행하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
후속하는 설명에서 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서는 본 발명의 특정한 예시적인 실시예만이 예시를 통하여 도시되고 설명된다. 당업자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 많은 서로 다른 형태로 구현될 수도 있고 본 명세서에서 진술되는 실시예로만 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 유사한 참조 번호는 명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예는 직물 버스가 지능적인 등각의(conformal) "도킹 스테이션"으로서의 역할을 하게 하는, 에너지 및 정보 배포 매질(또는 도전성 매질 또는 네트워크)을 생성하기 위하여 공유된 도전성 매질을 이용한다. 본 발명의 실시예는 폐피드백 루프에서 동작하는 고속의 네트워크형 임피던스 제어 시스템을 포함하는데, 제어 시스템은 효율을 연속적으로 모니터링하고, 에너지 전송이 우발적(opportunistic) 방식으로 수행되어 몸체의 이동 및 동작 환경에서의 변동에 기인한 동작 파라미터에서의 연속적이고 예측불가능한 변화를 보상한다. 몇 가지 실시예들에서, 모니터링 및 에너지 전송은 아날로그 피드백 회로에 의하여 수행될 수도 있다.
도전성을 획득하기 위해서, 일 실시예에 따르면 도전성 매질(10)(예를 들어, 군인의 유니폼)(10)은 도전성 쓰레드로 직조되거나 도전성 폴리머로 코팅될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 쉴덱스-유에스 아이앤씨(Shieldex-U.S. InC.)사로부터 구할 수 있는 도전성 직물이 군인의 유니폼에 사용되는 도전성 쓰레드 또는 재료를 제공하기 위하여 사용된다.
본 발명의 실시예에 따르는 시스템과 함께 동작하도록 구성되는 디바이스는 도전성 매질과의 물리적 콘택만을 통해서 시스템의 일부가 될 수 있다. 이와 같이, 전하는 도전성 매질과 접촉하는 다른 디바이스로부터 해당 디바이스로 그리고 그로부터 전달될 수 있다. 이러한 디바이스들은 관리자 디바이스, 일차 전력원 디바이스, 전력 싱크 디바이스, 위성 디바이스, 외부 충전 포트, 및 다른 네트워크(예를 들어, 다른 도전성 매질)를 포함할 수 있다.
도 1a 는 본 발명의 일 실시예에 따르는 공유된 도전성 매질을 사용하는 전력 관리 시스템을 예시하는 블록도인데, 여기에서 시스템은 도전성 매질(10), 관리자 디바이스(100), 및 능동 및 수동 싱크 디바이스(200)를 포함한다. 관리자 디바이스(100) 및 능동 및 수동 싱크 디바이스(200)는 모두, 예를 들어 도전성 매질(10)과 접촉하는 디바이스의 표면 상의 전도성 단자(또는 전극)를 사용하여 도전성 매질(10)에 전기적으로 연결된다. 이와 같이, 관리자 디바이스(100) 및 능동 및 수동 싱크 디바이스(200)는 모두 도전성 매질(10)을 통하여 서로 전기적으로 연결된다.
도 1b 는 본 발명의 일 실시예에 따르는 시스템에 연결되는 다양한 디바이스를 도시하는 개략도인데, 여기에서 관리자 디바이스는 전력원, 전력 소비 디바이스, 및 외부 전력원으로의 연결과 같은 다양한 다른 디바이스와 함께 군인의 유니폼에 커플링된다. 도 1b 에 도시된 바와 같이, 관리자 디바이스(100)는 배터리(110)에 커플링되어 관리자 디바이스(100)가 전력을 능동 및 수동 싱크 디바이스(200)로 공급할 수 있게 할 수도 있다. 추가적으로, 도 1b 는 예를 들어, 차량 시트 및 코트 랙(coat rack)을 통하여 도전성 매질(10)에도 연결될 수 있는 충전기 관리자(400)를 도시한다. 충전기 관리자(400)는 또한 배터리(410)에 연결될 수 있고 또는 전력 그리드로의 연결을 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예의 양태는 정보로의 준비된 액세스 및 구성을 통한 동적 제어를 제공하면서, 분산형 배터리 시스템이 케이블이 없고, 적응가능하며 신뢰성을 가지게 한다. 이것은 개선된 부하 평형을 가져오고, 이것이 또한 배터리 용량에 부담이 줄어들게 한다. 도 1c 는 공유된 배터리 구성 및 각각의 디바이스에 대한 개별 배터리를 가지는 종래의 배터리 구성의 추정된 동작 수명에 대응하는 누적 분포 함수들을 비교하는 그래프인데, 공유된 배터리 시스템(실선)은 동일한 총 용량(쇄선)에 대하여 개개의 배터리로 이루어진 등가 시스템보다 22-시간 더 긴 추정 동작 수명을 가진다. 이러한 차이가 30% 더 낮은 배터리 용량 요구 사항으로 전환되고, 따라서 유사한 성능에 대하여 30% 더 낮은 무게가 된다.
그러나, 집중형 전력 시스템은 단일-포인트 고장에 취약하다. 본 발명의 실시예는 여분의 집중형 배터리를 내재적으로 관리하고, 이를 통하여 귀찮은 상호연결이 없이 공유된 에너지 소스의 이점을 제공하면서 신뢰성을 증가시킨다.
본 발명의 실시예는 3 개의 양태인: 공통 신호 백플레인(또는 도전성 백플레인)(10), 관리자 모듈(100) 및 전력 및 데이터의 지능적 배포를 제공하는 하나 이상의 싱크 디바이스의 컴포넌트, 및 상호연결 하드웨어를 포함한다. 싱크 디바이스는 능동 및 수동 싱크 디바이스(200)를 포함할 수도 있다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따르는, 디바이스들 사이에서의 전력 및 데이터 송신의 내재하는 개념을 예시하는 개략도이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 도전성 백플레인(10)은 서플라이(610)로부터 싱크(710)로의 송신 모달리티(modality)로서의 역할을 한다. 송신(소스) 측(600) 및 수신(싱크) 측(700)은 모두 도전성 백플레인(10)에 직접적으로 연결된 인터페이스(620 및 720) 및 인터페이스 NN 상태의 임피던스를 측정하고 이러한 상태에 따라 동작 파라미터(예를 들어, 전압, 주파수, 및 위상)를 조절하도록 그들의 각각의 인터페이스(620 및 720)를 제어하도록 구성되는 제어기 회로(630 및 730)를 포함한다. 상기 제어기 회로는 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로콘트롤러, 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적회로(ASIC), 또는 아날로그 피드백 회로일 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 도전성 백플레인(10)은 접지로부터 그리고 서로 전기적으로 단절되는 하나 이상의 전도성 경로를 포함하는 노출된 전기적 도관을 포함한다. 예를 들어, 하나의 공유된 도전성 매질은 다른, 전기적으로 별개의 도전성 매질이 도전성 바지(pants)에 대응할 수도 있는 반면에 도전성 재킷에 대응할 수도 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에서, 노출된 전기적 도관은 도전성 직물, 엔클로저, 케이블, 레일(railing), 등과 같은 임의의 전도성 재료일 수 있다. 이러한 컴포넌트는 본 명세서에서 도전성 매질 또는 송신 매질 또는 모달리티라고 지칭될 수도 있다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따르면, 도전성 직물은 공통 시그널링 백플레인(10)으로서 사용된다. 도전성 직물 애플리케이션은 소비자 전자제품 및 의학적 항균성 처치제(Raoul Groβ, 2010)로부터 열적 이미징 이베이젼(evasion) 및 등각 안테나(Elliot, Rama Rao, Davis, & Marcus, 2012)까지의 범위를 가진다. 도전성 직물은 마모 특성(wear performance) 및 통상적 비-도전성 직물과 유사한 느낌을 가지고, 폴리머(Liangbing Hu, 2010)를 포함하는 다양한 소스 재료로 제조될 수 있다.
전력(DC 또는 AC)을 종속 클래스의 디바이스(예를 들어, 싱크 디바이스)로 공급하는 것과 같은 시간에(또는 동시에) 임피던스 측정을 수행하기 위하여, 본 발명의 실시예는 측정과 에너지 전송 사이에서 주파수 또는 시 분할 다중화를 이용한다. 예를 들어, 전력이 DC를 사용하여 전달되는 동안, 임피던스 측정이 AC 주파수(예를 들어, 고 주파수)에서 이루어질 수 있다. 다른 예로서, AC 전력은 다른 AC 신호와 다른 시간에 공급될 수도 있다.
도 3a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 관리자 디바이스(100)의 개략도이다. 도 3a 에 도시된 바와 같이, 관리자 디바이스(100)는 두 개 이상의 도전성 매질(10a 및 10b)에 전기적으로 연결될 수도 있는데, 이것은 서로 전기적으로 단절될 수도 있고, 각각 하나 이상의 싱크 디바이스에 커플링될 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 도전성 매질(10b)이 바지에 대응하는 반면에 도전성 매질(10a)은 군인의 유니폼의 조끼에 대응한다. 더욱이, 본 발명의 몇 가지 실시예에서, 도전성 매질(10)은 복수 개의 전기적으로 절연된 도전성 미디어를 포함한다는 점에서 다중경로 백플레인일 수도 있다. 예를 들어, 다중경로 백플레인을 가지는 전도성 조끼는 다층의 또는 다수 스트립의 도전성 직물을 포함할 수도 있는데, 이러한 층 또는 스트립의 각각은 서로 전기적으로 절연된다.
추가적으로, 본 발명의 실시예는 도전성 매질이 의류에 집적되는 상황에만 한정되지 않는다. 본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 도전성 매질은 완전히 노출되거나 부분적으로 또는 완전히 절연되는 도전성 재료의 메쉬 또는 네트워크이다. 이러한 재료의 몇 가지 예는: 금속 패치, 도전성 직물, 도전성 직물 패치, 배선 메쉬, 케이블 메쉬, 도전성 페인트, 금속 홀더, 금속 엔클로저, 등이다.
관리자 디바이스(100)는: 복소 전기 신호(복소 신호는 진폭 및 위상이 변동하는 신호를 의미한다)를 생성하고, 생성된 신호를 도전성 매질(10)로 공급하며, 복소 신호의 복귀를 측정할 수 있는 감지 회로부(104); 처리(지능형(intelligence)) 회로부(106)(예를 들어, 주문형 집적회로, 필드 프로그램가능 게이트 어레이, 마이크로콘트롤러, 또는 데이터 및 프로그램 명령을 저장하기 위한 마이크로프로세서 메모리), 위에서 설명된 바와 같은 도전성 매질의 다양한 전기적으로 절연된 부품(예를 들어, 도전성 직물의 다른 층 또는 스트립)에 연결되는 다수의 단자/연결에 걸쳐서 스위칭할 수 있는 전자 스위칭 회로부(108); 및 다양한 복소 임피던스(예를 들어, 다양한 인덕턴스 및 커패시턴스를 가지는 다양한 저항)를 생성할 수 있는 임피던스 스위칭 회로부(102)를 포함하는 시스템의 제 1 계층 중 하나 이상이다. 관리자는 AC/DC(112) 또는 DC/DC(114) 변환 회로부 및 라우팅 회로부를 더 포함할 수도 있다. 더욱이, 관리자는 백플레인(10)에 커플링되는 디바이스(예를 들어, 싱크 디바이스와 다른 관리자 디바이스) 사이의 디지털 통신을 위한 신호를 생성 및 수신하기 위한 통신(또는 "통신(comms)") 회로부(116)를 포함할 수도 있다.
다양한 복소 임피던스를 생성하기 위한 전자 회로부의 예시적인 구성 회로부는 가변 지연 라인, 버랙터 다이오드, 및 튜닝가능한 유전체 재료를 포함한다. 추가적으로, 신호 생성 회로부(112)는 AC 소스 신호의 진폭, 주파수, 및 위상을 조절하여 전송 손실을 감소 또는 최소화할 수 있다.
도 3b 는 송신측(600)의 다양한 컴포넌트가 관리자 디바이스(100)의 컴포넌트에 대응하는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 시스템의 송신측(600)을 예시하는 블록도이다.
도 3c 는 본 발명의 일 실시형태에 따르는 송신측 회로(600)의 개략적인 표현이다. AC 전압원(1042)(일 실시예에서, 감지 회로부(104)의 컴포넌트임)은 전송 효율을 증가시키거나 최대화하기 위하여 위상 및 진폭을 조절하는 신호를 생성한다. 스위칭 네트워크(108)는 다중경로 백플레인의 실례에서 최적의 전하 전송 경로를 선택하기 위하여 사용된다. 감지 회로부(104)는 측정된 생성 신호의 반영을 측정하고, 처리 회로부(106)는 아래에서 더욱 상세히 설명될 바와 같은 송신 매질 상태를 평가하기 위하여 측정된 신호를 사용한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 처리 회로부(106)는 상태들의 초기 세트를 구축하기 위하여, 반사된 신호의 특성(예를 들어, 기대된 특성 임피던스 및 백플레인을 통한 기대된 지연)에 대한 몇 가지 가정을 하도록 구성된다. 몇 가지 실시예들에서, 임피던스 변압기는 백플레인(10)과 송신측(600) 사이에서 임피던스 매칭 회로부(102)로서 사용되는데, 하지만 본 발명의 실시예는 이것으로 한정되지 않고 인덕터, 커패시터, 지연 라인 및 다른 회로로 구성되는 것과 같은 임의의 임피던스 매칭 네트워크가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템은 두 클래스의 싱크 디바이스인 능동 싱크 및 수동 싱크를 포함한다. 도 3d 는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 디바이스(200)의 수신측(700)의 개략적 블록도이다. 도 3d 에 도시되는 싱크 디바이스(200)는 급전될 디바이스(예를 들어, 무선 통신 디바이스, 환경 건강 센서, 네비게이션 디바이스, 등)의 부하를 나타내는 에너지 싱크(220); 처리(지능형) 회로부(206)(예를 들어, 주문형 집적회로, 필드 프로그램가능 게이트 어레이, 마이크로콘트롤러, 또는 마이크로프로세서 및 데이터 및 프로그램 명령을 저장하기 위한 메모리와 같은 제어기 회로), 위에서 설명된 다중경로 백플레인에 연결되는 다수의 단자/연결을 통해 스위칭할 수 있는 전자 스위칭 회로부(208), 다양한 복소 임피던스(예를 들어, 다양한 인덕턴스 및 커패시턴스를 가지는 다양한 저항)를 생성하여 전송 효율을 개선하기 위한 임피던스 매칭 전자 회로부(202)를 포함한다. 몇 가지 실시예들에서, 임피던스 변압기는 백플레인(10)과 디바이스(700) 사이에서 임피던스 매칭 회로부(202)로서 사용되는데, 하지만 본 발명의 실시예는 이것으로 한정되지 않고 인덕터, 커패시터, 지연 라인 및 다른 회로로 구성되는 것과 같은 임의의 임피던스 매칭 네트워크가 사용될 수 있다. 싱크 디바이스(200)는 백플레인(10)에 커플링되는 디바이스들(예를 들어, 관리자 디바이스) 사이의 디지털 통신을 위한 신호를 생성 및 수신하기 위한 통신(또는 "통신(comms)") 회로부(216)를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따르면, 싱크 디바이스는, 고유한 디바이스 ID를 함께 정의하는 백플레인 상의 디바이스의 물리적 포지션과 함께 디바이스의 복소 임피던스(실수 및/또는 허수)에 의하여 식별된다. 다른 세부적인 예로서, 몇 가지 실시예들에서 디바이스 ID는 전송(interrogating)(감지) 전압에 대하여 반복적으로 스위칭되는 임피던스의 세트로서 구성될 수 있다.
도 3e 는 반복적으로(또는 순차적으로) 변동하는 임피던스를 제공하도록 구성되는, 본 발명의 일 실시형태에 따르는 싱크 디바이스(700)를 예시하는 회로도이다. 여기에서, 통신 회로부(216)는 제 1 및 제 2 임피던스(R 1 ± jQ 1 및 R 2 ± jQ 2 ) 및 타이밍 목적을 위한 기준 천이와 임피던스-기초 디바이스 ID에서의 "증가된-복잡성"을 제공하기 위하여 제 2 스테이지 임피던스(R 2 ±jQ 2 )를 선택적으로 연결 및 단절시키도록 신호(s 2 (v,t))에 의하여 제어되는 추가 스위치(2162)를 포함한다. 비록 도 3e 는 두 개의 임피던스(R 1 ±jQ 1 및 R 2 ±jQ 2 ) 및 하나의 스위치(2162)를 가지는 일 실시예를 예시하지만, 본 발명의 실시예는 그것으로 제한되지 않고, 아래에 좀 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 디바이스 ID에서의 추가적 정보를 제공하기 위하여 감지 회로부로 제공할 추가적 임피던스를 제공하기 위한 세 개 이상의 임피던스 및 두 개 이상의 스위치(2162)를 포함할 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서, 싱크 디바이스는 배터리와 같은 로컬 전력원을 포함하는 능동 싱크 디바이스이다. 이러한 실시예에서, 싱크 디바이스는 도전성 백플레인을 통하여 외부 소스에 의하여 급전됨이 없이 동작하도록 구성될 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 능동 싱크 디바이스의 배터리는 백플레인을 통해서 충전될 수 있다. 능동 싱크 디바이스가 로컬 전력원을 포함하기 때문에, 이것은 로컬 전력을 사용하여 동작(예를 들어, 제어기 회로에서 계산을 수행하는 것, 신호를 송신하는 것, 등)을 수행할 수 있다.
몇 가지 실시예들에서, 싱크 디바이스는 로컬 전력을 포함하지 않으며 동작하도록 송신측으로부터 제공되는 에너지를 사용하는 수동 싱크 디바이스이다. . 수동 싱크 디바이스는 수동 RFID 태그와 유사한 방식으로 동작할 수도 있는데, 수동 싱크 디바이스에 의하여 수신되는 감지 신호는 수동 싱크 디바이스가 정보를 다시 관리자로 전송하게 할 수 있다. 몇 가지 실례들에서, 수동 싱크는 수신된 감지 신호에 의하여 급전된다. 예를 들어, 수동 싱크 디바이스는 정류기 및 백플레인(10)으로부터 수전되는 AC 전력을 변환하고 저장하기 위한 커패시터를 포함하는 변환 회로부를 포함할 수도 있다.
본 발명의 몇 가지 실시예에 따르면, 충전기 디바이스(400)는 도 3b 에 도시되는 송신측(600)과 실질적으로 동일한 송신측 구조를 포함하는데, 이것의 설명은 본 명세서에서 반복되지 않을 것이다.
백플레인(10)에 커플링되는 관리자 디바이스(100) 또는 충전기 디바이스(400)는 백플레인의 "마스터"로서 역할을 수행하고, 이것은 "종속" 디바이스(예를 들어, 능동 및 수동 싱크 디바이스)와의 통신을 조율한다. 만일 두 개 이상의 관리자 디바이스가 백플레인에 부착된다면(예를 들어 이러한 디바이스를 착용한 두 사람이 서로 접촉할 때와 같이 두 개의 다른 백플레인이 서로 접촉하면), 더 높은 계층성(예를 들어, 더 큰 파워 서플라이, 더 높은 전하 레벨, 또는 우선순위를 결정하기 위한 다른 척도를 가지는 디바이스)의 유닛이 백플레인(또는 연결된 백플레인들)의 마스터가 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 관리자 모듈(100) 및 충전기 디바이스(400)의 송신측(600)은 감지 회로부(104)의 복소 신호 발생기를 제어하여 다음의 여러 목적을 위한 복소 신호를 생성하도록 구성된다: 1) 써라운드 환경을 감지하여 임피던스 측정을 유도하고 네트워크 상의 디바이스를 위치결정하는 것; 2) 디바이스들 사이에 통신하는 것; 및 3) 감지 회로부(104)의 복소 신호 발생기가 처리 회로부(106)에 의하여 제어되는, 이차(싱크) 디바이스(능동 또는 수동)로 에너지를 제공하는 것.
생성된 복소 신호의 특성은 동작 모드에 의존한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 환경을 감지하기 위한 정밀하고 정확한 신호를 생성한다. 반면에, 저에너지 소비 및 감소된 전자기 간섭(EMI)을 가지는 신호가 디바이스들 사이의 통신을 위하여 사용될 수도 있다. 복소 신호가 에너지 전송을 위하여 사용되는 경우, 신호는 전송 손실을 감소 또는 최소화시키기 위하여 튜닝될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따르는, 관리자 디바이스(100)로부터 싱크 디바이스로 신호 또는 전력을 송신하기 위한 방법(500)을 예시하는 흐름도이다. 이러한 방법은 버스(510)에서의 또는 그 주위에서의 활동을 검출하기 위하여 네트워크에 대한 임피던스 측정을 수행하는 것, 송신측(530) 상의 임피던스를 튜닝하는 것, 및 송신(550)의 타입(예를 들어, 데이터 신호 또는 전력)에 기초하여 튜닝된 신호를 전송하는 것을 포함한다.
임피던스 측정(510)은 디바이스 식별, 환경 상태, 및 전송 효율을 결정하기 위하여 사용될 수 있다.
도 5a 는 본 발명의 일 실시예에 따르는, 공유된 도전성 백플레인(10)에 걸쳐 임피던스 측정을 수행하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 5a 를 참조하면, 동작 514 에서, 임피던스 측정은 복소 신호를 송신측(600)의 스위칭 행렬에 커플링되는 단자들 각각으로 공급함으로써 수행될 수 있는데, 복소 신호는 임피던스의 범위에 걸쳐 스위핑한다. 동작 516 중에 복귀 신호가 측정되고 복귀 신호의 측정은 임피던스의 스위핑과 동시에 발생할 수 있다(514)(예를 들어, 일 실시예에서 신호가 제 1 송신 임피던스에서 공급되고, 제 1 송신 임피던스에 대응되는 복귀 신호가 측정되며, 송신측이 다음으로 신호를 제 2 송신 임피던스에서 "스위핑"하고 송신하며, 이들의 복귀 신호가 이제 차례대로 측정된다).
기대된 베이스라인 또는 "개방 회로" 상태와 상이한 복귀 신호는 그들의 연관된 송신 임피던스에 따라서 기록된다. 예를 들어, 백플레인에 커플링되는 임의의 싱크 디바이스(200)가 없이, 송신 디바이스(600)의 감지 회로부(104)는 백플레인(10)으로 송신된 복소 신호에 대응하는 반사된 신호를 검출할 것이다. 그러나, 능동 및 수동 싱크 디바이스(200)가 네트워크에 커플링되는 경우, 네트워크에 커플링되는 이러한 다른 싱크 디바이스는 그들의 특성인 식별 임피던스에 의하여 식별될 수 있다. 예를 들어, R k ±jQ k 의 특성 디바이스 임피던스를 가지는 싱크 디바이스는 네트워크에 연결되는 것으로 식별될 수 있고, 송신 디바이스(600)(예를 들어, 관리자 디바이스(100) 또는 충전기(400)는 복소 신호를 R k ±jQ k 의 송신 임피던스를 가지는 백플레인으로 공급하는데, 송신 디바이스(600)가 연결된 디바이스에 대응하는 송신 임피던스에서 신호를 공급할 경우, 해당 임피던스에 공급되는 에너지는 백플레인의 개방 회로에 의하여 반사되기보다 싱크 디바이스에 의하여 소모된다.
디바이스를 검출하는 경우, 마스터 디바이스(100)는 핸드셰이크 요청을(예를 들어, 다른 관리자 디바이스 또는 싱크 디바이스(200))로 전송하고, (예를 들어, 관리자 디바이스(100) 또는 싱크 디바이스(200)에 의하여 전송되는) 핸드셰이크 요청을 청취하며, 개시 전력을 수동 싱크 디바이스로 제공한다. 일 실시예에 따르면, 임피던스 측정을 수집하는 것과 핸드셰이크를 수행하는 것은 이용가능한 단자, 실수 및 허수 신호, 및 실수 및 허수 임피던스의 조합의 모두에 걸쳐 동시에 발생한다.
도 5b 는 본 발명의 일 실시예에 따르는, 싱크 디바이스(200)와의 핸드셰이크 동작을 수행하는 방법(520)을 예시하는 흐름도이다. 이러한 방법은 본 명세서에서 도 3e 에 관련하여 설명될 것인데, 여기에서 통신 회로부(216)는 두 개의 임피던스(R 1 ±jQ 1 및 R 2 ±jQ 2 )를 포함하고, 스위치(2162)가 개방될 경우 R 1 ±jQ 1 만이 보이고 스위치(2162)가 닫히는 경우 R 1 ±jQ 1 및 R 2 ±jQ 2 가 보인다. 그러나, 당업자에게 이해될 바와 같이, 본 발명의 실시예는 도 3e 에 도시된 임피던스의 특정한 구성에 한정되지 않고, 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 통신 회로부(216)는 제 3 임피던스(R 3 ±jQ 3 )를 포함하는데, 이것은 제 2 스위치가 닫히는 경우 R 1 ±jQ 1 및 R 2 ±jQ 2 와 병렬로 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 임피던스는 하나 이상의 스위치를 닫는 것이 임피던스를 병렬 구성이 아니라 직렬로 배치시키도록 구현된다.
도 5b 를 참조하면, 동작 522 에서, 싱크 디바이스의 제 1 임피던스(예를 들어, R 1 ±jQ 1 )는, 예를 들어 도 5a 에 설명된 임피던스 스위핑 기법에 기초하여 검출된다. 동작 524 에서, 제 1 핸드셰이크 신호는 싱크 디바이스(200)가 검출되었던 도전성 매질로 공급된다. 핸드셰이크 신호는, 예를 들어 관리자 디바이스에 관련된 식별 정보, 디지털 시그너쳐(관리자 디바이스의 아이덴티티를 확정하기 위한 것), 또는 아날로그 또는 디지털인 다른 트리거 신호를 포함하는 디지털 신호일 수도 있다.
싱크 디바이스(200)는 마스터 디바이스(예를 들어, 관리자 디바이스(100))로부터의 신호/핸드셰이크 요청에 대하여 그것의 단자들에 걸쳐 주기적으로 청취한다. 검출 시에, 싱크 디바이스(200)는 특정된 구성된 실수 및 허수 임피던스에 걸쳐 스위칭하여(예를 들어, 도 3e 에 도시된 바와 같이 스위치(2162)를 닫음으로써) 자신의 식별자(또는 디바이스 ID)를 제공하거나, 또는 응답으로서 핸드셰이크 요청(또는 핸드셰이크 응답)을 전송하도록 구성될 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 싱크 디바이스(200)는 관리자 디바이스(100)로부터 수신된 핸드셰이크 요청이 인증되고 인가되거나 그렇지 않으면 싱크 디바이스(200)와 호환가능한 관리자 디바이스에 대응하는 경우에만 응답한다.
동작 526 에서, 관리자 디바이스(100)는 핸드셰이크 응답을 검출한다. 예를 들어, 싱크 디바이스(200)가 디지털 또는 아날로그 핸드셰이크 요청으로써 응답하면, 핸드셰이크 응답이 수신될 수 있다. 디지털 시그너쳐에 대응하는 응답의 경우에, 시그너쳐는 해당 싱크 디바이스가 관리자 디바이스에 의하여 급전되도록 인증되는 것을 확정하도록 관리자 디바이스(100)에 의하여 검증될 수 있다. 다른 예로서, 싱크 디바이스(200)가 제공된 임피던스를 변경함으로써 응답하면(예를 들어, 스위치(2162)를 열거나 닫음으로써), 관리자 디바이스(100)는 다음 임피던스 스윕 동안에 기대된 임피던스(예를 들어, R 2 ±jQ 2 와 평행인 R 1 ±jQ 1 또는 R 1 ±jQ 1 || R 2 ±jQ 2 )에서의 네트워크 임피던스의 변동을 발견함으로써 핸드셰이크 응답을 검출할 수도 있다.
수동 싱크 디바이스는 관리자 디바이스(100)로부터 신호를 수신하는 경우 아무것도 하지 않도록 구성될 수도 있고, 관리자 디바이스(100)는 RFID 디바이스의 동작에 유사한 방식으로 수동 싱크 디바이스의 임피던스 및 식별자(또는 디바이스 ID)를 인식하도록 구성될 수도 있다.
백플레인(10)에 커플링되는 디바이스를 검출한 이후에, 관리자 디바이스(100)는 연결된 디바이스의 자신의 목록을 임피던스 측정으로써 갱신하고, 백플레인(10)에 연결된 디바이스의 환경 및 존재의 측정을 계속한다.
연결된 디바이스 및 저장된 측정의 목록을 사용하여, 관리자 디바이스(100)는 싱크 디바이스들 각각이 연결되어 있는 것으로 검출되는 연결을 사용하여, 시스템에 연결된 다양한 디바이스로 전력을 공급한다. 몇 가지 실시예들에서, 관리자 디바이스(100)는 관리자 디바이스(100)와 호환가능한 능동 및 수동 싱크 디바이스(200)의 다양한 타입에 관련한 정보를 저장하는 메모리를 포함한다. 디바이스를 그들의 디바이스 식별자 또는 디바이스 ID(예를 들어, 임피던스 기초 식별자 또는 백플레인(10)을 통하여 통신되는 디지털 정보 신호를 통해 공급되는 식별자)에 기초하여 식별함으로써, 관리자 디바이스(100)는 전력 요구 사항(예를 들어, 전압 및 전류 범위, 및 AC가 급전되는 디바이스의 경우 동작 주파수 범위)에 관련되는 정보를 룩업할 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 디지털 데이터 신호는 식별을 위하여 그리고 동작 전압, 대역폭, 등과 같은 파라미터 셋팅을 통신하기 위하여 사용될 수도 있다.
몇 가지 실례들에서, 다수의 싱크 디바이스는 백플레인(10)의 동일한 도전성 경로에 연결된다. 이러한 몇 가지 경우에, 다른 싱크 디바이스는 상호 호환가능할 수도 있는데, 예를 들어, 이들은 중첩하는 전압 범위에서 작동할 수도 있고 그들의 결합된 전류 요구 사항은 관리자 디바이스(100)에 의하여 공급될 수 있는 최대치보다 더 낮다. 이러한 경우들에서, 관리자 디바이스(100)는 전력을 이러한 디바이스들 양자 모두로 공급하도록 구성될 수도 있다.
다른 경우, 다른 싱크 디바이스는 매우 다른 전압에서 동작하고, 따라서 상호 비호환적일 것이다. 본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 상태 표시자는 표시되어(예를 들어, 싱크 디바이스 및 관리자 디바이스 중 하나 이상에) 현재 구성이 유효하지 않다는 것을 나타낼 수도 있다. 다른 실시예들에서, 싱크 디바이스는 통신 회로부(116 및 216)를 사용하여 통신하여 도전성 매질의 공유를 협상한다. 예를 들어, 싱크 디바이스는 스케줄된 시간 간격 동안에 호환가능한 전압에서 전력을 수전하기 위하여 시 분할 다중화를 이용한다. 시 분할 다중화 공유 기법과 호환가능한 이러한 싱크 디바이스(200)는 커패시터 또는 슈퍼커패시터와 같은 일시적 전력 저장 컴포넌트 및/또는 화학적 배터리 셀과 같은 장기 전력 저장 디바이스를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 이러한 싱크 디바이스는 전력이 다른 싱크 디바이스로 공급되는 중인 시간 기간 동안에 호환불가능한 전압(예를 들어, 과대 전압)으로부터 회로부를 보호하기 위한 스위칭 컴포넌트를 포함할 수도 있다.
본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 임피던스 측정을 수행한 이후에, 전송 효율을 찾아내고 최적화하기 위하여 임피던스 매칭 회로(102 및 202)에서의 임피던스를 변경함으로써 임피던스 튜닝 및 매칭이 관리자 디바이스(100) 및 싱크 디바이스(200)에 의하여 수행될 수 있다.
추가적으로, 환경에 변화가 생기면 특성 임피던스에 작지만 측정가능한 변화가 발생할 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 관리자 디바이스(100)는 복소 신호(예를 들어, 주파수 및/또는 위상이 변동하는 신호)를 전송하고 자신의 단자 모두에 걸쳐 응답을 측정하여 버스 상태를 측정하고 이러한 상태에 기초하여 송신 모드를 변경한다. 예를 들어, 싱크 디바이스는, 예를 들어 디바이스를 소지한 사람이 걷는 동안에 혼잡(jostling)에 기인하여 백플레인(10)의 도전성 경로 중 하나와 간헐적으로만 접촉할 수도 있다. 다른 경우에, 혼잡하기 때문에 싱크 디바이스는 제 2 도전성 경로보다 제 1 도전성 경로와 더 양호하게 접촉할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 다수의 백플레인(10)이 디바이스에 커플링될 수 있고, 제어기 회로(106)는 데이터 또는 에너지인 전하 전송을 위한 최적의 경로를 결정하는 것을(예를 들어, 어떤 백플레인에 전하를 인가할지 결정) 수행하기 위하여 지능적 스위칭을 수행하도록 구성되며, 관리자 디바이스(100)는 적합한 연결이 검출된 동안에만 싱크 디바이스로 전력 또는 데이터를 공급하도록 구성될 것이다. 임피던스 측정은 버스 상태 및 비교 효율의 측정을 포함할 수도 있고 다른 동작과 동시에 수행될 수 있다.
손실과 비의도된 싱크를 설명하기 위하여 공급되고 소비된 에너지(예를 들어, 배터리에서 출발하는 전압 및 전류 및 싱크 디바이스에 의하여 소모되는 전압 및 전류)의 정밀한 비교가 이루어질 수 있어서, 전도성 버스가 가혹한 환경 및 인간과의 연결에 노출되는 경우에도 동작 안전성을 보장한다. 예를 들어, 측정된 임피던스에서의 급격한 감소는 단락 회로를 나타낼 수 있어서, 이를 통하여 관리자 디바이스(100)가 단락 회로 상태를 나타내는 도전성 경로에 전력을 공급하는 것을 중지해야 한다는 것을 표시한다. 더욱이, 전력 소모량에서의 다른 기대되지 않은 증가 역시 비의도된 싱크의 존재를 표시할 수도 있으며, 이것도 역시 전력의 공급을 디스에이블하도록 할 것이다. 본 발명의 실시예들에서, 관리자 디바이스(100)는 계속하여 네트워크 상의 임피던스를 모니터링하여 다시 전력을 공급하는 것이 안전할 수도 있는 때를 검출할 것이다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "제어기 회로"는 본 명세서에서 설명된 기능들을 수행할 수 있는 임의의 제어기 회로를 지칭하기 위하여 사용된다. "제어기 회로"로서의 역할을 할 수 있는 시스템 및 디바이스의 예는 온 CPU(예를 들어, 마이크로콘트롤러, 예를 들어 동적 메모리에 커플링되는 x86 또는 ARM® 아키텍처에 기초한 프로세서 등)에 의하여 실행될 명령을 저장하는 메모리에 커플링되는 범용 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로콘트롤러, 적합하게 프로그래밍된 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 및 주문형 집적회로(ASIC)를 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다. 추가적으로, 몇 가지 실시예들에서, 제어기 회로는 ASIC 또는 다른 형태로 구현되는 아날로그 피드백 회로 또는 시스템일 수도 있다.
본 발명이 특정한 예시적인 실시예와 관련하여 설명된 바 있지만, 본 발명은 개시된 실시예로 한정되지 않으며, 반면에, 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 다양한 변형예 및 균등물 구성, 및 그것의 균등물을 포함하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 복수 개의 디바이스에 전력을 공급하는 장치로서,
    도전성 금속이나 도전성 직물을 포함하는 도전성 백플레인으로서, 상기 복수 개의 디바이스의 각각의 디바이스가 개별적인 도전성 경로를 통하여 상기 도전성 백플레인에 커플링되는, 도전성 백플레인;
    신호 발생기 및 신호 검출기를 포함하고 상기 도전성 백플레인에 커플링되는 감지 회로부;
    상기 도전성 백플레인에 커플링되는 파워 서플라이; 및
    메모리를 포함하는 제어기 회로
    를 포함하고,
    상기 제어기 회로는:
    상기 복수 개의 디바이스의 각각의 디바이스의 전력 요구 사항에 대한 정보를 상기 메모리에 저장하고;
    복수 개의 송신 임피던스 값에서의 복수 개의 감지 신호를 상기 도전성 백플레인으로 공급하도록 상기 신호 발생기를 제어하고;
    상기 신호 검출기에 의하여 검출되고 상기 감지 신호에 대응하는 복수 개의 복귀 신호를 분석하며;
    분석된 복귀 신호에 기초하여, 싱크 디바이스 및 상기 싱크 디바이스의 도전성 경로의 존재를 검출하고, 상기 도전성 백플레인에 커플링된 검출된 싱크 디바이스를 식별하고;
    검출되어 식별된 싱크 디바이스에 대한 저장된 전력 요구 사항을 검색하고;
    상기 검출되어 식별된 싱크 디바이스의 도전성 경로를 통하여 상기 검출되어 식별된 싱크 디바이스로, 검색된 전력 요구 사항에 따라, 전력을 공급하도록 상기 파워 서플라이를 제어하도록 구성되는, 전력 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는:
    상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하고;
    상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 것에 응답하여 상기 도전성 경로를 통한 상기 싱크 디바이스로의 전력의 공급을 중지하도록 상기 파워 서플라이를 제어하도록 더 구성되는, 전력 공급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는 상기 복귀 신호 중에서 상기 싱크 디바이스에 대응하는 하나의 복귀 신호에서의 변화를 검출함으로써 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하도록 구성되는, 전력 공급 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는 상기 도전성 경로상에서 전류의 감소를 검출함으로써 상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하도록 구성되는, 전력 공급 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는:
    상기 도전성 경로 상의 단락을 검출하고;
    단락을 검출하는 것에 응답하여 상기 도전성 경로로의 전력의 공급을 중지하도록 상기 파워 서플라이를 제어하도록 구성되는, 전력 공급 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는:
    상기 도전성 경로를 통하여 상기 싱크 디바이스로 핸드셰이크 요청을 공급하고;
    상기 도전성 경로를 통하여 상기 싱크 디바이스로부터 핸드셰이크 응답을 수신하도록 더 구성되는, 전력 공급 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 핸드셰이크 요청은 디지털 신호를 포함하고, 상기 디지털 신호는 코드를 표현하는, 전력 공급 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 핸드셰이크 응답은 임피던스에서의 변화를 포함하고,
    상기 장치는 상기 핸드셰이크 요청을 공급한 이후에 상기 복귀 신호 중에서 하나의 복귀 신호에서의 변화를 검출함으로써 상기 핸드셰이크 응답을 수신하도록 구성되는, 전력 공급 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 경로는 의류의 도전성 직물을 포함하는, 전력 공급 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로콘트롤러, 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적회로(ASIC), 또는 아날로그 피드백 회로인, 전력 공급 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 시트를 포함하는 차량에 위치되고,
    상기 도전성 경로는 상기 시트의 표면의 제 1 전도부를 포함하며,
    상기 장치는 배터리가 의류의 제 2 전도부에 전기적으로 연결되는 동안 상기 배터리를 변경하도록 구성되고,
    상기 시트의 표면의 제 1 전도부는 상기 의류의 제 2 전도부에 전기적으로 연결되는, 전력 공급 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 도전성 백플레인에 커플링되는 검출된 디바이스로 전력을 공급하는 전력 공급 방법으로서,
    상기 도전성 백플레인은 도전성 금속이나 도전성 직물을 포함하고, 복수 개의 디바이스의 각각의 디바이스가 개별적인 도전성 경로를 통하여 상기 도전성 백플레인에 커플링되며,
    상기 전력 공급 방법은,
    상기 복수 개의 디바이스의 각각의 디바이스의 전력 요구 사항에 대한 정보를 메모리에 저장하는 단계;
    복수 개의 송신 임피던스 값에서의 복수 개의 감지 신호를 상기 도전성 백플레인으로 공급하는 단계;
    상기 도전성 백플레인으로부터 수신되고 상기 감지 신호에 대응하는 복수 개의 복귀 신호를 분석하는 단계;
    분석된 복귀 신호에 기초하여 상기 도전성 백플레인에 커플링되는 싱크 디바이스의 존재를 검출하는 단계;
    검출된 싱크 디바이스를 식별하는 단계;
    식별된 싱크 디바이스에 대한 저장된 전력 요구 사항을 검색하는 단계; 및
    상기 도전성 백플레인을 통하여 파워 서플라이로부터 상기 식별된 싱크 디바이스로, 검색된 전력 요구 사항에 따라, 전력을 공급하는 단계를 포함하는, 전력 공급 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 단계; 및
    상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 것에 응답하여 상기 도전성 백플레인을 통하여 상기 싱크 디바이스로 전력을 공급하는 것을 중지하는 단계를 더 포함하는, 전력 공급 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 단계는, 상기 복귀 신호 중에서 상기 싱크 디바이스에 대응하는 하나의 복귀 신호에서의 변화를 검출하는 단계를 포함하는, 전력 공급 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 싱크 디바이스의 부존재를 검출하는 단계는, 상기 도전성 경로상에서 전류의 감소를 검출하는 단계를 포함하는, 전력 공급 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    단락을 검출하는 단계; 및
    상기 단락을 검출하는 것에 응답하여 상기 도전성 백플레인을 통하여 상기 싱크 디바이스로 전력을 공급하는 것을 중지하는 단계를 더 포함하는, 전력 공급 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 도전성 경로를 통하여 핸드셰이크 요청을 상기 싱크 디바이스로 공급하는 단계; 및
    상기 도전성 경로를 통하여 상기 싱크 디바이스로부터 핸드셰이크 응답을 수신하는 단계를 더 포함하는, 전력 공급 방법.
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