KR102348248B1 - 환경 변화에 고속 응답 가능한 인공지능 알고리즘 기반 멀티 디바이스 무선 충전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선전력 수신기의 전력 효율을 최적화하고 무선전력 수신기로부터 수신되는 신호로부터 인공지능 기술을 활용하여 동적 위치를 추정하고 전력 상태에 따라 우선순위가 부여된 무선전력 수신기로 동적으로 무선전력을 송출할 수 있는 환경 변화에 고속 응답 가능한 인공지능 알고리즘 기반의 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템에 관한 것이다.

Description

환경 변화에 고속 응답 가능한 인공지능 알고리즘 기반 멀티 디바이스 무선 충전 시스템{WIRELESS CHARGING SYSTEM FOR MULTIPLE DEVICES BASED ON THE AI ALGORITHM ABLE TO RESPOND QUICKLY TO ENVIROMENT CHANGE}

본 발명은 환경 변화에 고속 응답 가능한 인공지능 알고리즘 기반 멀티 디바이스 무선 충전 시스템에 관한 것으로, 무선전력 수신기의 전력 효율을 최적화하고 무선전력 수신기로부터 수신되는 신호로부터 인공지능 기술을 활용하여 동적 위치를 추정하고 전력 상태에 따라 우선순위가 부여된 무선전력 수신기로 동적으로 무선전력을 송출할 수 있는 환경 변화에 고속 응답 가능한 인공지능 알고리즘 기반 멀티 디바이스 무선 충전 시스템에 관한 것이다.

IoT(Internet of Things, 사물 인터넷) 기술의 발전에 따라, IoT 센서의 수는 기하급수적으로 늘어나고 있다. IoT 센서는 내부에 전원 소스, 통신 칩셋 및 프로세서를 포함하여 설치된 위치에서의 각종 데이터를 수집하고 수집된 데이터를 IoT 통신망이나 이동통신망 등을 통해 송출하거나 IoT 통신망이나 이동통신망을 통해 수신된 제어 데이터에 따라 지정된 기능을 수행할 수 있다.

이와 같이 동작하는 IoT 센서는 지속적으로 정상 동작하기 위해 통신 칩셋과 프로세서에 전원 공급이나 전원 소스의 충전이 필요하다. 유선 충전 시스템은 IoT 센서에 충전선의 연결이 필요할 뿐 아니라 IoT 센서의 이동성(Mobility)을 제한하여 IoT 센서 배치에 어려움이 존재한다.

근거리 무선 충전 시스템은 유선 충전 시스템의 단점을 해결하기 위한 대안이 될 수 있으나 충전 거리의 한계와 하나의 송신 코일(TX Coil)에 하나의 수신 코일을 구비한 IoT 센서만을 충전할 수 있는 단점이 있다.

대안으로, RF 신호를 이용하는 원거리 무선 충전 기술이 개발되었다. 원거리 무선 충전 시스템은 2.4 GHz나 5.8 GHz의 ISM 밴드의 RF 신호를 이용하여 IoT 센서의 전원 소스를 충전하도록 구성되는 데, 전력 충전의 효율을 높이기 위해 IoT 센서의 위치 감지가 필수적이어서 IoT 센서의 고정적인 전력 소비가 야기되고 빔 스티어링에 따른 정확도 부족에 따른 전력 낭비 문제가 발생한다.

이와 같이, 무선전력 충전을 위해 무선전력 수신기에서 소비되는 전력을 최적화하고 송수신되는 RF 신호에 기반하여 우선순위에 따른 무선전력 수신기로 무선전력을 제공할 수 있는 RF 신호를 이용하는 무선 충전 시스템이 필요하다.

공개특허 10-2020-0022734, 2020년03월04일,

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 외부 환경 변화에 대응하여 인공지능 기술을 이용하여 동적으로 무선전력 충전 효율을 극대화할 수 있는 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수신되는 무선전력과 내부전력 상태를 기반으로 소모되는 전력을 최적화하여 무선전력 수신기에서의 무선전력 충전을 위한 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 인공지능 기술을 이용하여 송출되는 RF 신호와 송출 RF 신호에 반응하여 수신되는 RF 신호에 기초하여 무선전력 수신기의 위치를 동적으로 추정하고 수신되는 RF 신호에 따라 무선전력 수신기의 충전 우선순위를 동적으로 결정할 수 있는 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 무선전력 송출을 위해 위치 추정, 위치 결정 및 빔 스티어링을 수행하는 인공지능 기술 알고리즘을 송출되는 RF 신호와 수신되는 RF 신호를 이용하여 학습시켜 무선전력 충전 효율을 동적으로 높일 수 있는 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 무선전력 수신기의 위치 추적과 무선전력 수신기의 전력 상태에 따른 우선순위 변화에 따른 동적인 무선전력 출력 변경에 소요되는 시간과 응답 시간을 최소화할 수 있는 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 양상에 따른 무선전력 수신기는 RF 수신 안테나를 통해 수신되는 RF 신호의 하나 이상의 특성을 검출하는 RF 신호 디텍터, 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신전력 정보를 구성하여 출력하는 RF 수신 콘트롤러 및 RF 수신 콘트롤러로부터 수신되는 수신전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나로 출력하는 백-스캐터 모듈레이터를 포함한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 RF-DC 컨버터, RF-DC 컨버터로부터의 DC 전압에 따라 충전되는 슈퍼 커패시터 및 슈퍼 커패시터에 저장된 전력 레벨을 검출하는 파워 디텍터를 더 포함하고, RF 수신 콘트롤러는 파워 디텍터로부터의 전력 레벨에 대응하는 저장전력 정보를 더 구성하여 출력하고, 백-스캐터 모듈레이터는 식별자, 수신전력 정보 및 저장전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나로 출력한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF 신호 디텍터, RF 수신 콘트롤러 및 백-스캐터 모듈레이터는 RF 신호를 통한 무선전력 충전을 위한 단일 IC에 내장되고, RF 신호는 ISM 밴드에서의 신호이다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF 수신 콘트롤러는 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신무선 전력이 설정된 제1 임계치 이상인 경우 복수 톤의 AM 신호를 출력하도록 백-스캐터 모듈레이터로 제어신호를 출력하고 수신무선 전력이 설정된 제1 임계치와 제2 임계치 사이인 경우 단일 톤의 AM 신호를 출력하도록 백-스캐터 모듈레이터로 제어신호를 출력한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF 수신 콘트롤러는 수신무선 전력이 설정된 제2 임계치 미만인 경우 백-스캐터 모듈레이터의 AM 신호의 출력을 중단하는 제어신호를 출력한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF 수신 콘트롤러는 파워 디텍터에 의해 검출된 전력 레벨이 설정된 임계 전력레벨 이상인 경우 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신무선 전력에 따라 복수 톤의 AM 신호를 출력하는 제어신호 또는 단일 톤의 AM 신호를 출력하는 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터로 출력한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, 아날로그 PIM을 포함하는 RF 수신 콘트롤러는 아날로그 PIM의 컨볼루션 연산을 이용하는 CNN 인공지능 알고리즘을 통해 RF 신호 디텍터로부터의 하나 이상의 특성에 따른 제어신호를 생성하여 RF-DC 컨버터 및 백-스캐터 모듈레이터로 출력한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF-DC 컨버터는 복수의 RF-DC 엘리먼트가 병렬로 배치되는 병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈, 복수의 RF-DC 엘리먼트가 직렬로 배치되는 직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈 및 모드 제어신호에 따라 RF 수신 안테나로부터의 RF 신호를 병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈 또는 직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈로 출력하는 선택 출력기를 포함한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF 신호는 900 MHz 밴드, 2.4 GHz 밴드 또는 5.8 GHz 밴드에서의 무선전력 전송을 위해 무선전력 송출기로부터 출력되는 신호이고, 단일 IC는 무선전력 수신기의 전자부품에 구동 전원을 공급하는 배터리를 RF 신호의 무선전력으로 충전한다.

상기한 무선전력 수신기에 있어서, RF 신호 디텍터는 RF 신호의 에너지 레벨 및 위상과 피크전력과 평균전력의 비율치의 특성들을 검출한다.

또한, 본 발명의 일 양상에 따른 무선전력 송출기는 RF 신호를 무선으로 각각 송출하는 복수의 RF 송출 안테나, 복수의 RF 송출 안테나 각각에 연결되어 무선전력을 연결된 RF 송출 안테나로 출력하는 복수의 무선전력 송출 모듈, 하나 이상의 무선전력 수신기로부터의 AM 신호를 수신하고 수신된 AM 신호에서 수신전력 정보를 추출하는 피드백 수신 모듈 및 AM 신호에서 추출된 수신전력 정보에 기초하여 하나 이상의 무선전력 수신기의 위치를 인식하고 인식된 위치에 따라 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어하여 무선전력을 RF 신호로 송출하는 RF 송출 콘트롤러를 포함한다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, 무선전력 송출 모듈은 지정된 ISM 밴드의 RF 신호를 생성하는 PLL, 생성된 RF 신호의 위상을 쉬프트하는 위상 쉬프터 및 위상 쉬프트된 RF 신호를 증폭하는 파워 증폭기를 포함한다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, RF 송출 콘트롤러는 인공지능 알고리즘을 가속화하는 AI 엔진 블록, AI 엔진 블록을 제어하여 지정된 복수의 인공지능 모델을 수행하고 결정되는 무선전력 수신기의 위치와 우선순위에 따라 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어하여 RF 신호의 빔을 스티어링하는 중앙처리장치 및 인공지능 모델의 수행에 따른 데이터를 저장하는 메모리를 포함한다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, 복수의 무선전력 송출 모듈, 피드백 수신 모듈 및 RF 송출 콘트롤러는 RF 신호를 통한 무선전력 송출을 위한 단일 IC에 내장되고, RF 신호는 900 MHz 밴드, 2.4 GHz 밴드 또는 5.8 GHz 밴드에서의 무선전력 전송을 위해 출력되는 신호이다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, AI 엔진 블록의 제어를 통해 복수의 인공지능 모델을 수행하는 중앙처리장치는 지정된 제1 시간 윈도우 내에서 수신된 무선전력 수신기의 수신전력 정보를 이용하는 위치 후보 생성을 위한 제1 CNN 모델에 따라 위치 후보를 결정하고 결정된 위치 후보들을 이용하여 무선전력 수신기의 위치를 RNN 모델에 따라 결정하고 더 수신되는 무선전력 수신기의 저장전력 정보에 기초하여 결정되는 우선순위에 따라 복수의 무선전력 송출 모듈 각각의 위상값 및 증폭값의 출력 데이터를 제2 CNN 모델에 따라 결정하고 결정된 출력 데이터에 따라 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어한다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, 수신전력 정보는 복수의 RF 송출 안테나를 통해 송출된 RF 신호로부터 무선전력 수신기에서 하베스팅한 무선전력의 에너지량을 특정할 수 있는 데이터를 포함하고, 저장전력 정보는 무선전력 수신기에 저장되어 있는 배터리량을 특정할 수 있는 데이터를 포함한다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, 중앙처리장치는 지정된 제1 시간 윈도우에 후속하는 제2 시간 윈도우 동안에 하나 이상의 무선전력 수신기로부터 수신되는 수신전력 정보를 메모리에 제1 시간 윈도우에서의 출력 데이터와 매칭시켜 저장하고 매칭된 수신전력 정보와 출력 데이터를 복수의 인공지능 모델의 실시간 학습 데이터로 이용한다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, RF 송출 콘트롤러는 데이터 블록의 인접 워드 사이의 차와 워드 트랜스폼 및 XOR 연산에 따른 데이트 비트를 압축하는 비트 압축기를 더 포함하고, RF 송출 콘트롤러는 출력 데이터 또는 복수의 인공지능 모델에서 이용되는 웨이트를 비트 압축기를 통해 압축하여 메모리에 저장한다.

상기한 무선전력 송출기에 있어서, RF 송출 콘트롤러는 AM 신호에서 추출된 수신전력 정보와 복수의 무선전력 송출 모듈로 출력되는 제어신호에 따라 무선전력 수신기의 위치를 동적으로 트래킹한다.

또한, 본 발명의 일 양상에 따른 무선전력 충전 시스템은 상기한, 무선전력 충전용 RF 신호를 송출하는 무선전력 송출기 및 상기한, RF 신호를 수신하고 수신된 RF 신호에서 내부 커패시터를 충전하는 복수의 무선전력 수신기를 포함한다.

상기한 무선전력 충전 시스템에 있어서, 무선전력 수신기는 무선전력 송출기에서 송출되는 RF 신호의 인식에 따라 내부 슈퍼 커패시터를 충전하고 RF 신호의 인식에 반응하여 피드백되는 AM 신호를 AM 송신 안테나를 통해 출력하고, AM 신호는 무선전력 수신기에서 센싱한 RF 신호의 에너지 레벨, 위상 및 피크전력과 평균전력의 비율치를 포함하는 수신전력 정보를 포함하고, AM 신호는 무선전력 수신기의 저장전력 또는 수신전력에 비례하는 진폭을 가진다.

상기한 무선전력 충전 시스템에 있어서, AM 신호는 2.4 GHz 밴드의 톤 신호이거나 5.8 GHz 밴드의 톤 신호이거나 2.4 GHz 밴드와 밴드에서의 두 개의 톤 신호이다.

상기한 무선전력 충전 시스템에 있어서, 무선전력 송출기는 복수의 무선전력 수신기로부터 AM 신호를 수신하고 AM 신호의 수신전력 정보 및 저장전력 정보를 이용한 인공지능 기술의 적용을 통해 복수의 무선전력 수신기의 위치를 추정하고 위치가 추정된 무선전력 수신기의 무선전력 수신 우선순위를 부여하고 부여된 우선순위에 따라 선택된 무선전력 수신기를 타겟으로 RF 신호를 송출한다.

상기한 무선전력 충전 시스템에 있어서, 무선전력 수신기는 IoT 센서이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템은 외부 환경 변화에 대응하여 인공지능 기술을 이용하여 동적으로 무선전력 충전 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템은 수신되는 무선전력과 내부전력 상태를 기반으로 소모되는 전력을 최적화하여 무선전력 수신기에서의 무선전력 충전을 위한 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템은 인공지능 기술을 이용하여 송출되는 RF 신호와 송출 RF 신호에 반응하여 수신되는 RF 신호에 기초하여 무선전력 수신기의 위치를 동적으로 추정하고 수신되는 RF 신호에 따라 무선전력 수신기의 충전 우선순위를 동적으로 결정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템은 무선전력 송출을 위해 위치 추정, 위치 결정 및 빔 스티어링을 수행하는 인공지능 기술 알고리즘을 송출되는 RF 신호와 수신되는 RF 신호를 이용하여 학습시켜 무선전력 충전 효율을 동적으로 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 무선전력 송출기, 무선전력 수신기 및 무선전력 충전 시스템은 무선전력 수신기의 위치 추적과 무선전력 수신기의 전력 상태에 따른 우선순위 변화에 따른 동적인 무선전력 출력 변경에 소요되는 시간과 응답 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 무선전력 충전 시스템의 예시적인 시스템 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 무선전력 수신기의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.
도 3은 무선전력 수신기의 일부 블록의 예시적인 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 RF-DC 엘리먼트의 예시적인 회로 구성과 DC-DC 컨버터의 예시적인 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 무선전력 송출기의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.
도 6은 무선전력 송출기의 PLL 및 파워 증폭기의 예시적인 회로 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 무선전력 송출기에서 복수의 인공지능 모델을 활용하여 무선전력 수신기의 추정되는 위치에 따라 빔 스티어링을 제어하는 주요 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 8은 비트 압축기의 압축 흐름을 나타내는 예시적인 구성을 도시한 도면이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 무선전력 충전 시스템의 예시적인 시스템 구성을 도시한 도면이다.

도 1에 따르면 무선전력 충전 시스템은 무선전력 송출기(100)와 하나 이상의 무선전력 수신기(200)(ⓐ,ⓑ,ⓒ)를 포함하여 구성된다. 무선전력 충전 시스템은 다양한 장소에 설치될 수 있다. 예를 들어, 무선전력 충전 시스템은 공장, 사업장, 작업장 등의 생산 시설이나 설비에 설치되거나 아파트, 단독주택 등의 개인 거주지에 설치되거나 공공장소 등에 설치될 수 있다.

도 1을 통해 무선전력 충전 시스템을 간단히 살펴보면, 무선전력 송출기(100)는 무선전력 충전용 RF 신호를 송출한다. 무선전력 송출기(100)는 특정 위치에 (고정) 설치되고 구비된 다수의 RF 송출 안테나(150)를 통해 임의 또는 등록된 무선전력 수신기(200)로 RF(Radio Frequency) 신호를 송출한다.

무선전력 수신기(200)에서 구비된 내부 커패시터의 충전에 이용되고 무선전력 송출기(100)에 의해 출력되는 RF 신호는 ISM(Industrial Scientific Medical) 밴드에서의 신호이다. 무선전력 전송을 위해 무선전력 송출기(100)로부터 출력되는 RF 신호는 예를 들어, 900 MHz 밴드(902~928MHz), 2.4 GHz 밴드(2.4~2.48GHz), 5.8 GHz 밴드(5.725~5.875GHz) 또는 24 GHz 밴드(24~24.25GHz) 등에서의 무선 신호이다.

무선전력 송출기(100)는 인공지능 기술을 적용하여 무선전력 수신기(200)로부터 수신되는 AM 신호의 수신전력 정보에 기초하여 무선전력 수신기(200)의 위치를 추정한다. 무선전력 송출기(100)는 위치가 추정된 무선전력 수신기(200) 중 AM 신호의 저장전력 정보에 따른 우선순위를 부여하고 우선순위 부여에 따라 선택된 무선전력 수신기(200)가 가장 높은 전력 수신 효율을 가지도록 RF 신호의 세기(진폭) 및 위상을 제어하여 패치형 안테나인 RF 송출 안테나(150)들을 통해 (우선순위가 가장 높아 선택된) 무선전력 수신기(200)(예를 들어, 도 1에서 가장 적은 배터리 저장용량을 가지는 ⓐ)를 향해 무선전력 충전을 위한 RF 신호를 송출할 수 있도록 구성된다.

무선전력 송출기(100)의 상세한 구성과 작동에 대해서는 도 5 이하에서 더욱더 상세히 살펴보도록 한다.

복수의 무선전력 수신기(200) 각각은 RF 신호를 수신하고 수신된 RF 신호를 이용하여 내부 커패시터(예를 들어, 배터리)를 충전한다. 무선전력 수신기(200)는 고정형 기기이거나 이동형 기기일 수 있다. 무선전력 수신기(200)는 예를 들어, 스마트폰이나 태블릿 PC, 휴대형 기기 등 일반 사용자가 휴대하고 이동 가능한 기기일 수 있다. 또는 무선전력 수신기(200)는 IoT(Internet of Things) 센서일 수 있다. IoT 센서는 고정형 센서이거나 이동형 센서로서 외부로부터의 각종 신호를 수집하거나 센싱하고 센싱된 신호에 따라 지정된 기능을 처리하거나 센싱된 신호에 대응하는 데이터를 연결된 무선 네트워크를 통해 전송 가능하다.

무선전력 수신기(200)는 무선전력 송출기(100) 등으로부터 무선전력 충전을 위한 RF 신호를 수신하고 RF 신호의 인식에 따라 RF 신호로부터 전력을 하베스팅(harvesting)하여 구비된 내부 슈퍼 커패시터(230)를 충전한다.

또한, 무선전력 수신기(200)는 RF 신호의 인식에 반응하여 AM(amplitude modulation) 신호를 생성하고 생성된 AM 신호를 인식된 RF 신호의 피드백 신호로 AM 송신 안테나(290)를 통해 출력한다. 무선전력 수신기(200)는 백 스캐터링(Back-Scattering) 회로를 포함하여 RF 신호의 인식에 반응한 AM 신호를 송출 가능하다.

무선전력 송출기(100)로 출력되는 AM 신호는 무선전력 수신기(200) 관련 전력 정보를 무선전력 송출기(100)와의 약속된 포맷에 따라 내장한다. AM 신호는 무선전력 수신기(200)의 식별자(ID) 및 RF 신호로부터 수신한(하베스팅한) 전력량을 나타내거나 특정할 수 있는 전력정보(이하 '수신전력 정보'라 함)를 포함하고 나아가 무선전력 수신기(200)의 현재 저장전력을 나타내거나 특정할 수 있는 전력정보(이하 '저장전력 정보'라 함)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

예를 들어, 수신전력 정보는 무선전력 수신기(200)에서 센싱한 RF 신호의 에너지 레벨, 위상 및 피크전력과 평균전력의 비율치를 약속된 포맷에 따라 특정 비트수에 각각 포함하여 구성된다. 저장전력 정보는 무선전력 수신기(200)의 배터리(슈퍼 커패시터(230))의 남아 있는 전력 레벨을 나타내고 약속된 포맷에 따라 특정 비트수에 포함하여 구성된다. 무선전력 수신기(200)의 식별자는 시리얼 번호, 맥주소 또는 숫자와 문자의 조합으로 구성된다.

무선전력 수신기(200)는 RF 신호의 인식에 따라 AM 신호를 출력하도록 구성되는 데(백 스캐터링하도록 구성되는 데), 무선전력 수신기(200)는 단일 톤의 AM 신호를 출력하거나 복수 톤(예를 들어, 2 개의 톤)의 AM 신호를 출력한다.

예를 들어, 무선전력 수신기(200)는 ISM 밴드의 2.4 GHz 밴드에서의 톤 신호를 AM 신호로 출력하거나 5.8 GHz 밴드에서의 톤 신호를 AM 신호로 출력한다. 또는, 무선전력 수신기(200)는 수신전력이나 내부 저장전력에 따라 두 개의 톤 신호를 AM 신호로 출력할 수 있다. 무선전력 수신기(200)는 2.4 GHz 밴드에서의 하나의 톤 신호와 5.8 GHz 밴드에서의 다른 하나의 톤 신호를 동시에 AM신호로 출력할 수 있다.

무선전력 수신기(200)에서 출력되는 AM 신호의 진폭은 상이하도록 구성된다. 예를 들어, 무선전력 수신기(200)는 RF 신호를 통해 수신되는 수신전력의 크기에 비례하는 진폭을 가지는 AM 신호를 생성하여 출력한다. 또는, 무선전력 수신기(200)는 내부 저장되어 있는 저장전력의 크기에 비례하는 진폭을 가지는 AM 신호를 생성하여 출력할 수 있다.

이와 같이, 무선전력 수신기(200)는 진폭 변조(AM) 방식으로 AM 신호를 출력할 수 있어 다른 변조 방식 대비 내부에 PLL(Phase Locked Loop) 등의 회로 구성이 불필요하고 그에 따라 전력소비를 줄일 수 있다. 또한, 무선전력 수신기(200)는 수신전력이나 저장전력에 따라 AM 신호의 진폭 크기를 가변하여 AM 신호의 송출에 소비되는 전력을 가용 전력 대비 효과적으로 줄일 수 있다. 가변적인 진폭 크기를 가지는 AM 신호는 다른 FM이나 PM 등의 변조 방식에 비해 무선전력 송출기(100)가 간단한 회로 구조로 디모듈레이션 및 정보 추출이 가능하다.

무선전력 수신기(200)에 대해서는 도 2 내지 도 4를 통해 좀 더 상세히 살펴보도록 한다.

도 1의 예와 같은 무선전력 충전 시스템은 유선 라인이나 근거리나 접촉 무선전력 대신에 ISM 밴드의 RF 신호를 이용하여 무선전력 수신기(200)를 충전한다. IoT 센서 등의 무선전력 수신기(200)는 무선전력 충전 범위 내에서 동적으로 이동할 수 있다. 무선전력 충전 시스템 내에는 충전이 필요한 다수의 무선전력 수신기(200)가 위치할 수 있다.

유선이나 근거리 또는 접촉 등에 의한 충전 방식과는 달리 RF 신호를 이용하는 충전 방식은 다양한 고려 사항이 존재한다. RF 신호를 충전 소스로 이용하는 무선전력 충전 시스템은 무선전력 수신기(200)에서의 충전 효율을 높일 필요가 있고 다양한 무선전력 수신기(200)의 상태에 따라 타겟팅된 무선충전이 필요하다. 또한, IoT 센서 등의 무선전력 수신기(200)의 이동에 따라 무선충전을 위한 RF 빔의 동적 스티어링(steering)이 필요하다. 더욱이 이러한 동작이나 기능의 빠른 처리가 임의의 무선전력 수신기(200)의 충전 효율을 위해서는 매우 필요하다.

도 2는 무선전력 수신기(200)의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.

도 2에 따르면 무선전력 수신기(200)는 RF-DC 컨버터(210), DC-DC 컨버터(220), 슈퍼 커패시터(230), 파워 디텍터(240), RF 신호 디텍터(250), 백-스캐터 모듈레이터(260), RF 수신 콘트롤러(270)와 하나 이상의 RF 수신 안테나(280) 및 하나 또는 둘의 AM 송신 안테나(290)를 포함한다. 무선전력 수신기(200)는 그 용도, 기능, 목적 등에 따라 다른 전자 부품을 더 포함하고 다른 전자 부품은 RF 신호를 통해 충전되는 슈퍼 커패시터(230)의 전력(전원)을 구동 전원으로 이용하여 설정된 기능 등을 수행한다.

무선전력 수신기(200)의 RF-DC 컨버터(210), DC-DC 컨버터(220), 파워 디텍터(240), RF 신호 디텍터(250), 백-스캐터 모듈레이터(260) 및 RF 수신 콘트롤러(270)는 무선전력 송출기(100)로부터의 RF 신호를 통한 무선전력을 슈퍼 커패시터(230)에 충전하기 위한 단일 IC(Integrated Circuit)에 내장된다. 이러한 구성 요소를 포함하는 무선전력 충전용 단일 IC는 설계 예에 따라 슈퍼 커패시터(230)를 내부에 더 포함(내장)할 수 있다. 단일 IC는 무선전력 수신기(200)의 전자부품에 구동 전원을 공급하는 예를 들어, 리튬 이온이나 리튬 폴리머 등의 배터리(슈퍼 커패시터(230))를 RF 신호로부터 하베스팅되는 무선전력으로 충전하도록 구성된다.

도 2를 통해, 무선전력 수신기(200)를 살펴보면, 하나 이상의 RF 수신 안테나(280)는 특정 주파수 대역(밴드)의 RF 신호를 수신(인식)한다. RF 수신 안테나(280)는 예를 들어, 900 MHz 밴드, 2.4 GHz 밴드 및/또는 5.8 GHz 밴드의 RF 신호를 캡쳐링(센싱)할 수 있다. 무선전력 수신기(200)는 단일의 RF 수신 안테나(280)를 구비할 수 있다. 또는 무선전력 수신기(200)는 복수의 RF 수신 안테나(280)를 구비하여 복수의 RF 수신 안테나(280)를 통해 RF 신호를 캡쳐링할 수 있다.

RF-DC 컨버터(210)는 하나 이상의 RF 수신 안테나(280)에 연결되어 하나 이상의 RF 수신 안테나(280)를 통해 수신되는 RF 신호를 DC 전압으로 변환한다. RF-DC 컨버터(210)는 내부에 다수의 RF-DC 엘리먼트(213)의 배치를 가지고 RF 신호의 신호세기 등에 따라 특정 RF-DC 엘리먼트(213)를 통해 높은 효율의 직류(DC) 전압을 생성하고 출력할 수 있다. RF-DC 컨버터(210)는 캡쳐링되는 RF 신호를 RF-DC 엘리먼트(213)의 설계에 따른 특정 전압 레벨(예를 들어, 5V, 12V, 24V 등)로 변환하여 출력할 수 있다.

DC-DC 컨버터(220)는 RF-DC 컨버터(210)에 연결되어 RF-DC 컨버터(210)로부터의 DC 전압을 다른 DC 전압으로 다운(또는 업) 변환하여 출력한다. DC-DC 컨버터(220)는 RF-DC 컨버터(210)로부터의 예를 들어 5V, 12V 등의 DC 전압을 슈퍼 커패시터(230)의 충전에 적합한 예를 들어, 5V, 3.3V의 DC 전압으로 변환하여 출력한다.

슈퍼 커패시터(230)는 RF-DC 컨버터(210)에 의해 하베스팅되는 DC 전압에 따라 충전되고 충전된 전원을 내부 전자부품(전원을 사용하는 LOAD)에 공급한다. 슈퍼 커패시터(230)는 직류전원을 저장할 수 있는 저장소자를 포함한다. 예를 들어, 슈퍼 커패시터(230)는 리튬이온, 리튬폴리머 타입 등의 배터리이거나 그 외 다른 DC 전원 저장 소자를 가질 수 있다. 슈퍼 커패시터(230)는 여러 블록을 내장하는 단일 IC 내에 내장되거나 단일 IC와는 별도로 분리되어 무선전력 수신기(200)에 내장될 수 있다.

파워 디텍터(240)는 슈퍼 커패시터(230)에 연결되어 슈퍼 커패시터(230)에 저장되어 있는 전력 레벨을 검출하고 검출된 전력 레벨을 나타내는 아날로그 또는 디지털 신호를 출력한다. 파워 디텍터(240)는 슈퍼 커패시터(230)의 전압 또는 전압과 전류에 기초하여 슈퍼 커패시터(230)에 저장되어 있는 전력 용량을 특정할 수 있는 전력 레벨을 아날로그 신호나 디지털 신호로 출력한다. 파워 디텍터(240)는 슈퍼 커패시터(230)의 저장 전력을 센싱하기 위한 회로를 포함하여 구성된다.

RF 신호 디텍터(250)는 RF 수신 안테나(280)에 연결되어 RF 수신 안테나(280)를 통해 수신되는 RF 신호의 특성을 검출하고 검출된 특성신호를 출력한다. RF 신호 디텍터(250)는 내부에 캡쳐링된 RF 신호의 에너지 레벨을 검출하는 에너지 레벨 디텍터와 복수의 RF 수신 안테나(280)로부터의 RF 신호들의 위상(차)을 검출하는 페이지 디텍터와 RF 신호의 피크치(피크전력)와 평균치(평균전력)를 검출하고 피크치와 평균치를 이용하여 피크전력과 평균전력의 비율치를 산출하는 PAPR(Peak To Average Power Ratio) 산출기를 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이, RF 신호 디텍터(250)는 캡쳐링되는 RF 신호의 에너지 레벨, 위상과 피크전력과 평균전력의 비율치 등의 특성을 검출할 수 있다.

RF 신호 디텍터(250)는 RF 신호로부터 RF 신호의 전력 특성을 나타내는 에너지 레벨, 페이지, PAPR 등의 특성을 아날로그 신호나 각각 1 비트 이상의 디지털 신호로 출력할 수 있다. RF 신호 디텍터(250)로부터 출력되는 하나 이상의 특성 신호는 무선전력 수신기(200)에서 전력 하베스팅을 위해 캡쳐링되는 RF 신호의 수신전력 상태를 특정할 수 있도록 한다.

AM 송신 안테나(290)는 RF 신호의 인식에 따라 생성되는 AM(Amplitude Modulation) 신호를 무선으로 송출한다. AM 송신 안테나(290)는 RF 신호의 인식에 따른 백-스캐터링 AM 신호를 송출할 수 있다. AM 송신 안테나(290)는 특정 단일 톤 주파수의 AM 신호를 송출하거나 복수 톤 주파수의 AM 신호를 송출할 수 있다. 무선전력 수신기(200)는 하나의 AM 송신 안테나(290)를 구비하여 단일 AM 송신 안테나(290)에서 단일 또는 복수 톤의 AM 신호를 송출하거나 복수의 AM 송신 안테나(290)를 구비하여 복수 AM 송신 안테나(290)에서 복수 톤 각각의 AM 신호를 송출 가능하다.

AM 송신 안테나(290)를 통해 무선으로 송출되는 특정 하나의 톤 AM 신호는 예를 들어, 2.4 GHz 밴드에서의 무선주파수에 진폭 모듈레이션 방식에 따라 인코딩된 신호이다. 다른 하나의 톤 AM 신호는 예를 들어, 5.8 GHz 밴드에서의 무선주파수에 진폭 모듈레이션 방식에 따라 인코딩된 신호이다.

본 발명에 따른 AM 신호는 송출되는 무선주파수의 진폭의 크기를 가변할 수 있도록 구성되어 무선전력 수신기(200)의 전력 상태에 따라 효율적인 전력상태 피드백이 가능하고 그에 따라 무선전력 수신기(200)가 최적의 에너지 효율을 가질 수 있다.

백-스캐터 모듈레이터(260)는 RF 수신 콘트롤러(270)로부터 수신되는 데이터를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나(290)로 출력한다. 백-스캐터 모듈레이터(260)는 RF 수신 콘트롤러(270)로부터 수신되는 식별자 및 수신전력 정보와 나아가 저장전력 정보를 특정 톤 주파수의 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나(290)로 출력한다.

백-스캐터 모듈레이터(260)는 RF 수신 콘트롤러(270)로부터 진폭-크기 제어신호를 수신하고 진폭-크기 제어신호에 대응하는 진폭을 가지는 AM 신호를 톤 주파수(예를 들어, 2.4 GHz 밴드 또는 5.8 GHz 밴드의 주파수)를 이용하여 생성하고 이를 AM 송신 안테나(290)로 출력한다. 백-스캐터 모듈레이터(260)는 무선전력 송출기(100)와의 약속된 (비트) 인코딩 방식에 따라 식별자, 수신전력 정보 및 저장전력 정보의 비트들을 진폭-크기 제어신호에 따른 진폭을 가지는 톤 주파수의 AM 신호를 생성하여 출력할 수 있다.

예를 들어, 백-스캐터 모듈레이터(260)는 식별자나 정보 등에서의 비트 '1'을 진폭-크기 제어신호에 따라 크기 조정된 톤 주파수로 인코딩하고 비트 '0'을 0 주파수로 인코딩(톤 주파수의 부재)할 수 있다. 또한, 백-스캐터 모듈레이터(260)는 RF 수신 콘트롤러(270)로부터 수신되는 듀티비 제어신호에 따라 AM 신호에서의 톤 주파수의 듀티 비를 조절할 수 있다.

백-스캐터 모듈레이터(260)는 RF 수신 콘트롤러(270)로부터 수신되는 톤-모드 제어신호에 따라 단일 톤 또는 복수 톤의 AM 신호를 생성하여 단일 AM 송신 안테나(290) 또는 복수의 AM 송신 안테나(290)로 출력할 수 있다. 백-스캐터 모듈레이터(260)는 온/오프 제어신호에 따라 AM 신호를 송출하고 그 출력(동작)을 중단할 수 있다. 백-스캐터 모듈레이터(260)는 회로로 구성된다.

RF 수신 콘트롤러(270)는 높은 충전 효율을 가지고 가용 전력에 따라 오랜 라이프타임을 가지도록 무선전력 수신기(200)의 블록들을 제어한다. RF 수신 콘트롤러(270)는 충전용 RF 신호의 인식에 따라 다른 블록을 제어하여 무선전력 수신기(200)의 식별자와 RF 신호 디텍터(250)로부터 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신전력 정보와 나아가 파워 디텍터(240)로부터의 전력 레벨에 대응하는 저장전력 정보를 구성하여 AM 신호를 통해 출력한다.

RF 수신 콘트롤러(270)는 RF 신호 디텍터(250)로부터 하나 이상의 특성신호를 수신하고 수신된 특성신호에 따라 산출되거나 결정되는 수신무선 전력이 설정된 하한 임계치 미만인 경우 오프 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력하여 백-스캐터 모듈레이터(260)를 동작 중단시켜 백-스캐터 모듈레이터(260)를 통한 AM 신호의 출력을 중단한다. 이에 따라, 무선전력 수신기(200)는 외부 환경으로부터 충전을 위한 무선전력이 인식되지 않는 경우 내부 피드백 회로(백-스캐터 모듈레이터(260))의 동작을 중단시켜 전력 소비를 효율적으로 줄일 수 있다.

AM 신호의 송출과 관련하여 RF 수신 콘트롤러(270)에서 이루어지는 제어를 좀 더 상세히 살펴보면, RF 수신 콘트롤러(270)는 RF 신호 디텍터(250)로부터 인식되는 RF 신호의 에너지 레벨, 위상과 PAPR(피크전력과 평균전력의 비율치) 등의 특성신호를 수신하고 수신되는 에너지 레벨, 위상 및 PAPR에 기초하여 수신무선 전력(량)을 산출하고 수신된 무선전력(량)이 하한 임계치 미만인 경우 오프 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력하고 하한 임계치 이상인 경우 온 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다.

하한 임계치 이상인 경우, RF 수신 콘트롤러(270)는 수신전력 정보를 구성한다. 구성되는 수신전력 정보는 에너지 레벨, 위상 및/또는 PAPR을 포함하거나(하고) 이로부터 산출되는 수신무선 전력(량)을 포함할 수 있다. 또한, RF 수신 콘트롤러(270)는 파워 디텍터(240)에서 검출된 전력 레벨의 신호에 따라 대응하는 저장전력 정보를 구성한다. 저장전력 정보는 무선전력 수신기(200)의 슈퍼 커패시터(230)에 남아 있는 전력 레벨을 나타낼 수 있다. RF 수신 콘트롤러(270)는 내부에 저장되어 있거나 설정된 식별자 및 구성된 수신전력 정보와 나아가 저장전력 정보를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다.

산출된 수신전력량이 설정된 투톤 임계치(투톤 임계치는 하한 임계치보다 높은 임계치임) 이상인 경우에(예를 들어, RF 신호로부터 충분한 양의 전력이 수신되고 있는 경우에), RF 수신 콘트롤러(270)는 복수 톤(적어도 2개의 톤 주파수)으로 AM 신호를 생성 및 출력하도록 제어하는 톤-모드 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다. 나아가, RF 수신 콘트롤러(270)는 설정된 투톤 임계치 이상에서 출력되는 투톤의 AM 신호가 산출된 수신전력량에 비례하는 진폭의 크기를 가지도록 하는 진폭-크기 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다. 또한(또는), RF 수신 콘트롤러(270)는 2 톤의 산출된 수신전력량에 비례하는 주파수의 듀티비로 설정하기 위한 튜티비 제어신호를 출력할 수 있다.

산출된 수신전력량이 설정된 투톤 임계치 미만과 설정된 하한 임계치 이상인 경우에(예를 들어, RF 신호로부터 충분한 양 미만이면서 피드백이 가능한 전력이 수신되고 있는 경우에), RF 수신 콘트롤러(270)는 단일 톤으로 AM 신호를 생성 및 출력하도록 하는 톤-모드 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다.

나아가, RF 수신 콘트롤러(270)는 투톤 임계치 미만과 설정된 하한 임계치 이상 사이에서 출력되는 단일 톤의 AM 신호가 산출된 수신전력량에 비례하는 진폭의 크기를 가지도록 하는 진폭-크기 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다. 또한(또는), RF 수신 콘트롤러(270)는 단일 톤의 산출된 수신전력량에 비례하는 주파수의 듀티비로 설정하기 위한 튜티비 제어신호를 출력할 수 있다.

산출된 수신전력량이 투톤 임계치 미만인 경우라도, RF 수신 콘트롤러(270)는 파워 디텍터(240)에 의해 검출된 전력 레벨에 따라 단일 톤 또는 복수 톤의 AM 신호를 출력하도록 하는 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다.

예를 들어, 파워 디텍터(240)로부터 수신되는 전력 레벨 신호가 내부 설정된 임계 전력 레벨(예를 들어, 30%, 50% 등) 이상인 경우에, RF 수신 콘트롤러(270)는 RF 신호 디텍터(250)를 통해 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신무선 전력에 따라 복수 톤의 AM 신호를 출력하는 톤-모드 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력하거나 단일 톤의 AM 신호를 출력하는 톤-모드 제어신호를 백-스캐터 모듈레이터(260)로 출력한다. 이에 따라, 비록 무선전력 송출기(100)로부터 수신전력이 낮은 경우라도 내부 저장전력이 일정치 이상 있는 경우 무선전력 수신기(200)의 수신상태 등을 알릴 수 있고 그에 따라 동적으로 더 높은 효율의 무선전력을 수신받을 수 있다.

RF 수신 콘트롤러(270)는 제어 알고리즘, 제어 로직, 제어 프로그램 등의 수행을 통해 무선전력 수신기(200)의 무선충전 및 백-스캐터링 관련 제어를 수행할 수 있다. RF 수신 콘트롤러(270)는 내부에 인공지능 알고리즘을 수행하기 위한 CPU(중앙 처리 장치)와 AI 블록을 바람직하게 포함하여 인공지능 알고리즘 모델의 수행으로 RF-DC 컨버터(210)와 DC-DC 컨버터(220)의 제어를 통한 무선충전 제어 및/또는 RF 신호 디텍터(250)와 백-스캐터 모듈레이터(260)의 제어를 통한 백-스캐터링 관련 제어를 수행할 수 있다.

빠른 응답, 빠른 피드백으로 RF 수신 콘트롤러(270)의 수행속도 향상과 그에 따른 최적화된 무선전력 충전을 위해 내부에 구성되는 AI 블록은 내부에 아날로그 PIM(Process In Memory)을 포함하여 구성된다. RF 수신 콘트롤러(270)는 아날로그 PIM의 컨볼루션 연산을 이용하는 CNN(Convolutional Neural Networks) 인공지능 알고리즘 모델을 수행한다.

아날로그 PIM은 컨볼루션 레이어의 웨이트(weight) 매트릭스의 아날로그 값을 저장하는 아날로그 SRAM 매트릭스, 컨볼루션 연산의 입력 매트릭스를 아날로그 신호로 변환하는 복수의 DAC(Digital Analog Converter)와 SRAM 매트릭스의 웨이트 아날로그 신호와 DAC의 아날로그 신호를 각각 아날로그 연산(예를 들어, 곱셈 등)을 수행하기 위한 복수의 아날로그 연산 소자(예를 들어, 커패시터 등을 이용하는 회로), 연산된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 복수의 ADC(Analog Digital Converter)를 포함하여 구성된다.

아날로그 PIM은 디지털 연산으로 구성되는 매트릭스 곱셈기 대비 적은 면적과 저전력으로 웨이트를 저장하고 매트릭스 연산(컨볼루션 연산)을 수행할 수 있다. 이와 같이, 아날로그 PIM은 CNN 인공지능 알고리즘 모델의 컨볼루션 연산을 저전력 저면적으로 수행할 수 있다.

아날로그 PIM을 포함하여 구성되는 RF 수신 콘트롤러(270)는 RF 신호 디텍터(250)로부터 수신되는 하나 이상의 특성 신호를 CNN 인공지능 알고리즘에 입력하고 아날로그 PIM을 포함하는 AI 블록의 CNN 인공지능 알고리즘의 출력에 따라 백-스캐터 모듈레이터(260)로 온/오프 제어신호, 진폭-크기 제어신호, 듀티비 제어신호 및/또는 톤-모드 제어신호 등의 제어신호를 출력한다.

또한, 아날로그 PIM을 포함하여 구성되는 RF 수신 콘트롤러(270)는 RF 신호 디텍터(250)로부터 수신되는 하나 이상의 특성 신호를 CNN 인공지능 알고리즘에 입력하고 아날로그 PIM을 포함하는 AI 블록의 CNN 인공지능 알고리즘의 출력에 따라 RF-DC 컨버터(210)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 RF-DC 컨버터(210)로 출력한다.

도 3은 무선전력 수신기(200)의 일부 블록의 예시적인 회로 구성을 도시한 도면이고 도 4의 (a)는 RF-DC 엘리먼트(213)의 예시적인 회로 구성을 도시하고 도 4의 (b)는 도 3의 DC-DC 컨버터(220)의 구체적인 회로 구성을 도시한 도면이다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, RF-DC 컨버터(210)는 RF 신호의 특성에 따라 재구성 가능하도록 병렬구조(Parallel) RF-DC 컨버팅 모듈, 직렬구조(Series) RF-DC 컨버팅 모듈과 선택 출력기(211)를 포함하여 구성된다.

병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈은 병렬로 서로 연결되는 복수의 RF-DC 엘리먼트(213) 및 연결된 온/오프 스위치(215)를 포함하여 구성된다. 병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈은 센(큰) RF 신호로부터 DC 전압을 높은 효율로 변환 가능하고 RF 신호의 비선형성(Nonlinearity)에 의한 전력 분산을 감소시킬 수 있다.

직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈은 직렬로 서로 연결되는 복수의 RF-DC 엘리먼트(213) 및 연결된 온/오프 스위치(215)를 포함하여 구성된다. 직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈은 약한(작은) RF 신호로부터 DC-DC 컨버터(220)의 최소 동작 조건을 만족하도록 복수의 RF-DC 엘리먼트(213)가 서로 직렬로 연결된다.

RF 신호로부터 개별적으로 DC 전원으로 변환하는 RF-DC 엘리먼트(213)는 도 4의 (a)와 같은 회로로 구현될 수 있다. 또는, RF-DC 엘리먼트(213)는 전원 곱셈(Voltage Multiplier) 회로나 딕슨 차저 펌퍼(Dickson Charger Pump) 회로로 구현될 수도 있다.

선택 출력기(211)는 RF 수신 안테나(280)에 연결되어 RF 수신 콘트롤러(270)로부터 수신되는 모드 제어신호에 따라 RF 수신 안테나(280)로부터의 RF 신호를 병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈 또는 직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈로 출력한다.

RF 수신 콘트롤러(270)는 RF 신호 디텍터(250)로부터 수신되는 하나 이상의 특성 신호를 CNN 인공지능 알고리즘에 입력하고 아날로그 PIM을 포함하는 AI 블록을 통해 수행되는 CNN 인공지능 알고리즘의 출력에 따라 RF-DC 컨버터(210)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 RF-DC 컨버터(210)로 출력한다. 예를 들어, RF 수신 콘트롤러(270)는 특성 신호의 입력에 따라 선택 출력기(211)를 제어하기 위한 모드 제어신호, 병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈의 병렬 스테이지 제어 신호(예를 들어, 병렬로 연결될 RF-DC 엘리먼트(213)의 스위칭 온 신호), 직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈의 직렬 스테이지 제어신호(예를 들어, 직렬로 연결될 RF-DC 엘리먼트(213)의 스위칭 온 신호)를 RF-DC 컨버터(210)로 출력한다.

그 외, RF 수신 콘트롤러(270)는 RF-DC 컨버터(210)로부터 출력되는 DC 전압의 전압 레벨(예를 들어, RF-DC 컨버터(210)로부터의 DC 전압에 대한 전압 디텍터와 디텍팅된 DC 전압의 ADC를 통해 측정되는 전압 레벨)에 따라 DC-DC 컨버터(220) 내부의 RF-DC 컨버터(210)의 DC 전압에 연결될 파워 스테이지 개수를 제어하기 위한 제어신호를 DC-DC 컨버터(220)로 출력할 수 있다.

도 4의 (b)와 같이 멀티-코어의 DC-DC 컨버터(220)는 내부 피드백 루프에 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 알고리즘을 적용하여 RF-DC 컨버터(210)로부터의 입력(도 4의 (b)에서 DC-DC input)에 따라 전원 변환 효율을 최적화하고 변환된 DC 전원을 출력(도 4 (b)의 DC-DC OUT)할 수 있다.

도 2 내지 도 4를 통해 살펴본 무선전력 수신기(200)에 의해, 고정 전력의 소비 없이 RF 신호의 인식에 반응하여 무선전력 수신기(200)의 전력 수신 상태를 무선전력 송출기(100)로 알릴 수 있다. 또한, 무선전력 수신기(200)는 자신의 전력 상태나 수신 전력 상태에 따라 전력에 최적화된 반응 신호를 무선전력 송출기(100)로 출력한다. 아날로그 PIM을 이용한 인공지능 기술의 적용으로 무선전력 수신기(200)는 빠른 피드백과 효율적인 전력 적응이 가능하다. 또한, AM 신호를 반응 신호로 사용하여 무선전력 수신기(200)는 간단한 회로 구성을 가지고 저전력으로 무선전력 수신 피드백이 가능하다.

도 5는 무선전력 송출기(100)의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.

도 5에 따르면, 무선전력 송출기(100)는 RF 송출 콘트롤러(110), 복수의 무선전력 송출 모듈(130), 복수의 RF 송출 안테나(150)와 하나 이상의 AM 수신 안테나(170) 및 피드백 수신 모듈(190)을 포함한다. 무선전력 송출기(100)는 공장, 사업장, 작업장 등의 생산 시설이나 설비에 설치되거나 아파트, 단독주택 등의 개인 거주지에 설치되거나 공공 장소 등에 설치되어 복수의 RF 송출 안테나(150)를 통해 무선충전 가능한 무선전력 수신기(200)로 무선전력 충전용 RF 신호를 송출한다.

무선전력 송출기(100)로부터 출력되는 RF 신호는 900 MHz, 2.4 GHz 또는 5.8 GHz 밴드에서의 무선전력 전송을 위해 출력되는 신호이다. 무선전력 송출기(100)의 RF 송출 콘트롤러(110), 복수의 무선전력 송출 모듈(130) 및 피드백 수신 모듈(190)은 RF 신호를 통한 무선전력 송출을 위한 단일 IC에 내장 구현된다. 무선전력 송출기(100)는 단일 IC를 내부에 수용하기 위한 기구물, 기구물의 표면에 설치되는 복수의 RF 송출 안테나(150)와 AM 수신 안테나(170)와 AC 전원 또는 DC 전원을 공급하는 전원 소스를 포함하여 구현될 수 있다.

도 5를 통해 무선전력 송출기(100)의 구성을 구체적으로 살펴보면, 복수의 RF 송출 안테나(150) 각각은 무선전력 수신기(200)에서 무선전력 충전을 위한 RF 신호를 무선으로 송출한다. RF 송출 안테나(150)는 특정 주파수 밴드의 RF 신호를 송출한다. RF 송출 안테나(150)는 예를 들어, 900 MHz 밴드, 2.4 GHz 밴드 및/또는 5.8 GHz 밴드 등의 ISM 밴드의 RF 신호를 송출할 수 있다. 각각의 RF 송출 안테나(150)는 예를 들어 지향성을 가지는 패치형 안테나일 수 있다.

복수의 무선전력 송출 모듈(130)은 복수의 RF 송출 안테나(150) 각각에 연결되어 생성되는 무선전력을 연결된 RF 송출 안테나(150)로 출력한다. 복수의 무선전력 송출 모듈(130)은 RF 빔 스티어링이 가능하도록 구성되어 특정 위치의 무선전력 수신기(200)의 방향으로 타겟팅하여 무선전력을 송출할 수 있도록 구성된다. 이를 위해 각각의 무선전력 송출 모듈(130)은 적어도 RF 송출 안테나(150)를 통해 출력되는 RF 신호의 위상과 신호세기를 조절할 수 있도록 구성되고 복수의 무선전력 송출 모듈(130)과 복수의 RF 송출 안테나(150)는 빔 스티어링이 가능하다.

각각의 무선전력 송출 모듈(130)은 PLL(131)(Phase Locked Loop), 위상 쉬프터(135) 및 파워 증폭기(139)(Power Amplifier)를 포함하여 구성된다. 지정된 ISM 밴드의 RF 신호를 생성하는 PLL(131)은 900 MHz, 2.4 GHz 또는 5.8 GHz ISM 밴드의 RF 신호를 생성하도록 구성되는 멀티 밴드 PLL이다.

도 6의 (a)의 예와 같이, PLL(131)은 PFD(Phase Frequency Detector), 차지 펌프(CP), 루프 필터(LF), VCO, 이분기(Half Divider) 및 Pre-Scaler(또는 Frational N 디바이더) 등을 포함하여 레퍼런스 클럭 신호(Ref CLK)로부터 VCO를 통해 2.4 GHz 밴드의 신호 또는 5.8 GHz 밴드의 신호를 생성하여 위상 쉬프터(135)로 출력(도 6의 (a)의 5.8 GHz RF_IN, 2.4 GHz RF_IN)한다. PLL(131)은 RF 송출 콘트롤러(110)로부터 수신되는 PLL 제어신호에 따라 특정 밴드의 신호를 선택하여 위상 쉬프터(135)로 출력한다.

위상 쉬프터(135)는 PLL(131)에 연결되어 PLL(131)로부터 출력되는 RF 신호의 위상을 쉬프팅(shifting)하고 위상 쉬프팅된 RF 신호를 출력한다. 위상 쉬프터(135)는 RF 송출 콘트롤러(110)로부터 수신되는 위상 제어신호에 따라 입력되는 RF 신호의 위상을 쉬프팅하고 쉬프팅된 RF 신호를 파워 증폭기(139)로 출력한다.

도 6의 (b)의 예와 같이, 파워 증폭기(139)는 위상 쉬프터(135)로부터 인가되는 RF 신호(RF_IN)를 증폭하여 연결된 RF 송출 안테나(150)(ANT)로 출력한다. 단일 IC에 내장되는 파워 증폭기(139)는 내부에 다수의 인덕터(L1, L2, L3)와 전류 센서 및 트랜지스터를 포함하여 RF 송출 콘트롤러(110)로부터 수신되는 파워 제어신호(Power Amplifier Output Power Control Signal)에 따라 입력되는 RF 신호를 증폭하여 출력한다.

IVR(Integrated Voltage Regulator) 기반의 인벨롭(Envelope) 트래킹 회로는 전류 센서를 통해 파워 증폭기(139) 내부의 소비 전류와 RF 송출 콘트롤러(110)로부터 수신되는 파워 제어신호에 따라 고속 응답의 출력 파워 제어가 가능하다. IVR 기반의 인벨롭 트래킹 회로는 하이 볼티지(High Voltage) LDO, 차지 펌프 또는 벅-부스트 컨버터를 사용하여 전력 효율을 최적화시킬 수 있다.

하나 이상의 AM 수신 안테나(170)는 무선전력 수신기(200)로부터의 AM 신호를 인식(수신)한다. AM 수신 안테나(170)는 특정 단일 톤 주파수의 AM 신호를 인식하거나 복수 톤의 주파수의 AM 신호를 인식할 수 있다. 무선전력 송출기(100)는 단일 AM 수신 안테나(170)를 구비하여 단일 AM 수신 안테나(170)에서 단일 또는 복수 톤의 AM 신호를 수신할 수 있다. 또는, 무선전력 송출기(100)는 복수의 AM 수신 안테나(170)를 구비하여 각각의 AM 수신 안테나(170)에서 복수 톤 각각의 AM 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.

피드백 수신 모듈(190)은 연결된 하나 이상의 AM 수신 안테나(170)를 통해 하나 이상의 무선전력 수신기(200)로부터 AM 신호를 수신하고 수신된 AM 신호에서 AM 신호를 송출한 무선전력 수신기(200)의 전력 정보를 추출한다.

피드백 수신 모듈(190)은 단일 톤 또는 복수 톤의 AM 신호로부터 무선전력 수신기(200)와 약속된 AM 신호의 전송 (신호) 포맷(프로토콜)에 따라 AM 신호로부터 식별자, 수신전력 정보와 나아가 저장전력 정보를 추출하고 추출된 아날로그 또는 디지털의 식별자, 수신전력 정보 및 나아가 저장전력 정보를 RF 송출 콘트롤러(110)로 출력한다.

수신전력 정보는 무선전력 송출기(100)의 복수의 RF 송출 안테나(150)를 통해 송출된 RF 신호로부터 무선전력 수신기(200)에서 하베스팅한 무선전력의 에너지량을 특정할 수 있는 데이터를 포함한다. 예를 들어, 수신전력 정보는 인식된 RF 신호의 에너지 레벨, 위상 및 피크전력과 평균전력의 비율치를 약속된 포맷에 따라 특정 비트수에 포함하여 구성된다. 및/또는 수신전력 정보는 인식된 RF 신호로부터 수신한(하베스팅한) 전력량을 나타내는 데이터를 포함하여 구성된다.

저장전력 정보는 무선전력 수신기(200)에 저장되어 있는 배터리량을 특정할 수 있는 데이터를 포함한다. 예를 들어, 저장전력 정보는 무선전력 수신기(200)의 배터리(슈퍼 커패시터(230))의 남아 있는 전력 레벨을 나타내고 약속된 포맷에 따라 특정 비트수에 포함하여 구성된다. 무선전력 수신기(200)의 식별자는 시리얼 번호, 맥주소 또는 숫자와 문자의 조합으로 구성된다.

피드백 수신 모듈(190)은 내부 설정된 하한 진폭 이상의 가변 진폭의 AM 신호를 센싱하고 센싱된 AM 신호에서 무선전력 수신기(200)와의 약속된 신호(데이터) 인코딩 방식에 따라 식별자, 수신전력 정보 및 저장전력 정보를 디코딩하여 추출하고 추출된 식별자, 수신전력 정보 및 나아가 저장전력 정보를 RF 송출 콘트롤러(110)로 출력한다. 피드백 수신 모듈(190)은 AM 신호로부터 식별자, 수신전력 정보 및 저장전력 정보를 추출하기 위한 회로, 로직 등을 포함하여 구성된다.

RF 송출 콘트롤러(110)는 수신되는 AM 신호에서 추출된 식별자, 수신전력 정보 및 나아가 저장전력 정보에 기초하여 AM 신호를 송출한 하나 이상의 무선전력 수신기(200)의 위치를 인식하고 인식된 위치에 따라 복수의 무선전력 송출 모듈(130)을 제어하여 무선전력을 RF 신호로 송출한다.

이를 위해, RF 송출 콘트롤러(110)는 도 5의 도면의 예와 같이 중앙처리장치(111), AI 엔진 블록(113) 및 메모리(117)와 비트 압축기(115)를 더 포함하여 구성된다.

메모리(117)는 휘발성 메모리 및/또는 비휘발성 메모리를 포함하여 각종 데이터와 프로그램을 저장한다. 메모리(117)는 중앙처리장치(111)에 구동되는 복수의 인공지능 모델 프로그램, 인공지능 모델 프로그램에서 이용되는 각종 데이터(예를 들어, 컨볼루션 레이어에서 이용되는 각종 웨이트들), 인공지능 모델 프로그램에 의해서 생성되는 각종 결과 데이터들, 무선전력 수신기(200)로부터 수집된 각종 데이터들을 저장한다. 이와 같이, 메모리(117)는 인공지능 모델의 수행과 관련된 각종 데이터를 저장한다.

AI 엔진 블록(113)은 수행되는 인공지능 알고리즘을 가속화한다. AI 엔진 블록(113)은 각종 또는 특정 인공지능 모델에서 수행되는 함수의 전체 또는 일부를 프로그램의 순차적인 명령어 시퀀스 대신에 병렬로 독립적으로 수행하도록 구현된 하드웨어 로직을 포함하여 구성될 수 있다. AI 엔진 블록(113)은 예를 들어, 컨볼루션 함수, 액티베이션 함수, 플래터닝 함수 등을 수행할 수 있도록 구현된 게이트(gate) 단위의 하드웨어 로직을 포함하여 중앙처리장치(111)로부터 수신되는 제어신호에 따라 입력 데이터를 연산하고 연산 결과를 출력한다.

비트 압축기(115)는 중앙처리장치(111)의 제어에 따라 메모리(117)에 저장될 데이터를 압축하고 압축된 데이터를 압축해제한다. 비트압축기는 예를 들어, 인공지능 모델의 수행에 따라 결과로 출력되는 출력 데이터, 무선전력 수신기(200)의 위치 정보, 인공지능 모델에서 사용되는 각종 웨이트들을 AI 엔진 블록(113)이나 중앙처리장치(111)의 제어에 따라 압축하여 메모리(117)에 저장하고 메모리(117)로부터 압축된 데이터를 압축해제하여 AI 엔진 블록(113)이나 중앙처리장치(111)로 출력할 수 있다. 비트 압축기(115)는 중앙처리장치(111) 또는 AI 엔진 블록(113)으로부터의 압축 제어신호에 따라 입력되는 데이터를 압축하여 메모리(117)로 출력할 수 있다.

중앙처리장치(111)는 메모리(117)에 저장된 인공지능 모델 프로그램을 수행하고 인공지능 모델 프로그램의 수행에 따라 결정되는 무선전력 수신기(200)의 위치와 그 우선순위에 따라 특정 무선전력 수신기(200)를 향해 빔 스티어링이 되도록 복수의 무선전력 송출 모듈(130)을 제어한다. 중앙처리장치(111)는 프로그램의 명령어를 수행할 수 있도록 구성되고 메모리(117)의 AI 엔진 블록(113)으로 가속화되는 인공지능 모델 프로그램의 수행을 통해 무선전력 수신기(200)의 위치와 그 우선순위를 인식하고 그에 따라 선택된 무선전력 수신기(200)가 최적의 RF 신호의 빔을 수신하도록 복수의 무선전력 송출 모듈(130)을 제어한다.

도 7은 무선전력 송출기(100)에서 복수의 인공지능 모델을 활용하여 무선전력 수신기(200)의 추정되는 위치에 따라 빔 스티어링을 제어하는 주요 제어 흐름을 도시한 도면이다.

도 7의 주요 제어 흐름과 같이, RF 송출 콘트롤러(110)의 중앙처리장치(111)는 메모리(117)에 저장되어 있는 3개의 인공지능 모델을 AI 엔진 블록(113)을 통해 수행하여 무선전력 수신기(200)의 위치를 인식하고 수신된 전력 정보에 따라 부여되는 우선순위에 따라 특정 무선전력 수신기(200)를 향해 RF 신호의 빔을 스티어링할 수 있도록 구성된다.

먼저, AI 엔진 블록(113)의 제어를 통해 복수의 인공지능 모델을 수행하는 중앙처리장치(111)는 위치 후보를 생성을 위한 CNN(Convolutional Neural Networks) 모델에 따라 무선전력 수신기(200)로부터 수신되는 수신전력 정보를 이용하여 위치 후보들을 결정한다.

예를 들어, 위치 후보 생성을 위한 CNN 모델을 수행하는 중앙처리장치(111)는 지정된 시간 윈도우(예를 들어, 10 mSec 등) 동안에 피드백 수신 모듈(190)로부터의 AM 신호로부터 추출된 식별자, 수신전력 정보 및 저장전력 정보를 수신함에 따라, 식별자에 대응하는 무선전력 수신기(200)에 대한 위치 후보들을 결정한다. 중앙처리장치(111)는 수신전력 정보를 개별 입력 데이터(도 7의 ⓐ 참조)로 이용하여 지정된 시간 윈도우 동안 식별자에 대응하는 각 무선전력 수신기(200)에 대한 위치 후보들을 결정할 수 있다. 또는, 중앙처리장치(111)는 지정된 시간 윈도우 동안 인식된 식별자에 대응하는 수신전력 정보들을 입력 매트릭스(도 7의 ⓐ 참조)로 이용하여 각 식별자에 대응하는 각 무선전력 수신기(200)에 대한 위치 후보들을 결정할 수 있다.

중앙처리장치(111)는 수신전력 정보의 에너지 레벨, 위상 및 피크전력과 평균전력의 비율치와 지정된 시간 윈도우 동안 복수의 무선전력 송출 모듈(130)을 통해 출력되는 RF 신호의 특성 신호인 위상 및 신호세기의 비교로 각 무선전력 수신기(200)에 대한 위치 후보들을 결정할 수 있다. 중앙처리장치(111)는 복수의 무선전력 송출 모듈(130)로부터 출력되는 RF 신호의 위상 및 신호세기를 CNN 모델의 웨이트 또는 웨이트를 구성하기 위한 인자로 활용하여 위치 후보들을 결정할 수 있다.

후속하여, 위치 결정을 위한 RNN(Recursive Neural Network) 모델을 수행하는 중앙처리장치(111)는 결정된 위치 후보들을 입력(도 7의 ⓑ 참조)으로 사용하여 AM 신호를 통해 식별된 무선전력 수신기(200)의 위치를 결정한다. 중앙처리장치(111)는 각 무선전력 수신기(200)의 후보 위치들과 이전의 지정된 시간 윈도우 상에서 결정된 위치를 이용하여(웨이트로 이용하여) 각 무선전력 수신기(200)의 실시간 위치를 결정한다.

RF 송출 콘트롤러(110)는 AM 신호에서 추출된 수신전력 정보와 복수의 무선전력 송출 모듈(130)로 출력되는 제어신호에 따라 송출되는 RF 신호의 특성 사이의 비교로 무선전력 수신기(200)의 위치를 동적으로 트래킹할 수 있다.

각 무선전력 수신기(200)의 위치가 결정됨에 따라, 빔 스티어링을 위한 CNN 모델을 수행하는 중앙처리장치(111)는 각 무선전력 수신기(200)로부터 AM 신호를 통해 더 수신되는 저장전력 정보에 기초하여 각 무선전력 수신기(200)의 우선순위를 결정하고 결정된 우선순위 중 가장 높은 우선순위(또는 가장 높은 우선순위 군)를 가지는 무선전력 수신기(200)(들)를 향해 RF 신호의 빔을 송출하기 위한 복수의 무선전력 송출 모듈(130) 각각의 위상값 및 증폭값 등의 출력 데이터를 결정한다.

결정된 각 무선전력 수신기(200)의 위치들을 입력(도 7의 ⓒ 참조)으로 수신하는 중앙처리장치(111)는 각 무선전력 수신기(200)로부터 수신된 저장전력 정보 중 가장 낮은 저장전력 레벨을 가지는 무선전력 수신기(200)를 최우선 순위의 무선전력 수신기(200)로 결정하고 가장 높은 우선순위로 결정된 무선전력 수신기(200)의 위치 영역으로 RF 신호 빔을 송출하기 위한 위상값 및 증폭값 등의 출력 데이터를 생성할 수 있다. 또는 중앙처리장치(111)는 위치 영역별로 위치하는 무선전력 수신기(200)들의 저장전력 레벨을 합산하고 가장 낮은 저장전력 합산 레벨을 가지는 위치 영역의 무선전력 수신기(200)들을 가장 높은 우선순위로 결정하여 해당 위치 영역으로 RF 신호 빔을 송출하기 위한 위상값 및 증폭값 등의 출력 데이터를 생성할 수 있다.

중앙처리장치(111)는 출력 데이터에 따라 복수의 무선전력 송출 모듈(130)을 제어하고 그에 따라 무선전력 충전을 위한 RF 신호 빔을 선택된 무선전력 수신기(200)를 향해 송출할 수 있다. 이에 따라, 무선전력 송출기(100)는 AM 신호를 통해 인식된 무선전력 수신기(200) 중 낮은 저장전력을 가져 무선충전이 더 필요한 무선전력 수신기(200)를 동적으로 인식 및 트래킹하고 해당 무선전력 수신기(200)를 향해 RF 빔을 송출할 수 있다.

출력 데이터에 따라 가장 우선순위가 높은 무선전력 수신기(200)의 위치 영역으로 RF 신호 빔을 송출하기 위해, 중앙처리장치(111)는 각 무선전력 송출 모듈(130)로 특정 ISM 밴드의 주파수 RF 신호를 생성하기 위한 PLL 제어신호와 위상 제어신호 및 파워 제어신호를 출력 데이터로부터 구성하여 출력(도 7의 N Channel Phase Control 참조)한다. 그에 따라, 각 무선전력 송출 모듈(130)을 통해 송출되는 위상 쉬프팅되고 파워가 제어된 RF 신호에 의해 특정 방향으로 RF 신호가 송출 가능하다.

중앙처리장치(111)는 반복적으로(예를 들어, 지정된 시간 윈도우 단위로 반복적으로) 위치 후보 생성, 위치 결정 및 빔 스티어링 과정을 다수의 인공지능 모델을 통해 수행하여 각 무선전력 수신기(200)의 위치를 트래킹하고 각 지정된 시간 윈도우별로 부여되는 우선순위에 따라 특정 위치 영역의 무선전력 수신기(200)를 향해 무선전력 충전용 RF 신호를 송출할 수 있다.

특정, 하나의 시간 윈도우에서 타켓팅된 (위치 영역의) 무선전력 수신기(200)로 RF 신호 빔을 조종하여 송출하는 한편, 중앙처리장치(111)는 후속하는 다음 지정된 시간 윈도우 동안에 하나 이상의 무선전력 수신기(200)로부터 수신되는 식별자, 수신전력 정보와 나아가 저장전력 정보를 이전 지정된 시간 윈도우에서 결정되는 출력 데이터와 매칭시켜 저장한다.

매칭된 출력 데이터와 수신전력 정보는 이후 중앙처리장치(111)에 의해 복수의 인공지능 모델의 실시간 학습 데이터로 이용된다. 이를 위해, 중앙처리장치(111)는 후속하는 수신전력 정보를 이전 송출되는 출력 데이터를 이용하여 평가한다. 중앙처리장치(111)는 출력 데이터에 대응하는 RF 신호의 송출에 따라 각 무선전력 수신기(200)의 결정된 위치에서의 예상 수신전력과 후속하는 시간 윈도우에서의 실제 측정에 따라 전송된 수신전력 정보의 비교(예를 들어, 비율치)로 평가결과를 산출할 수 있다. 중앙처리장치(111)는 각 무선전력 수신기(200)에 대해 평가결과를 산출하거나 타켓팅된 특정 무선전력 수신기(200)에 대해 평가결과를 산출할 수 있다.

중앙처리장치(111)는 매칭된 출력 데이터 및 수신전력 정보와 평가결과를 위치 후보 생성을 위한 CNN 모델, 후속하는 위치 결정을 위한 RNN 모델 및 후속하는 빔 스티어링을 위한 CNN 모델에 제공하여 각각의 CNN 모델과 RNN 모델을 실시간 학습시킬 수 있다. 중앙처리장치(111)는 매 시간 윈도우별로 실시간 복수의 인공지능 모델을 학습시키거나 지정된 기간의 복수의 시간 윈도우 별로 매칭 데이터를 수집하여 복수의 인공지능 모델을 학습시킬 수 있다.

중앙처리장치(111) 또는 AI 엔진 블록(113)은 각종 데이터를 압축하여 메모리(117)에 저장할 수 있다. 도 8의 예와 같이, RF 송출 콘트롤러(110)는 비트 압축기(115)를 포함하고 중앙처리장치(111)(또는 AI 엔진 블록(113))는 비트 압축기(115)를 제어하여 각종 데이터를 압축하여 메모리(117)에 저장하고 압축된 데이터로 압축해제하고 압축해제된 데이터에 대한 처리를 수행한다.

중앙처리장치(111)(또는 AI 엔진 블록(113))는 예를 들어, 각 시간 윈도우에서 결정된 출력 데이터, 각 시간 윈도우에서 이용된 인공지능 모델의 웨이트들, 무선전력 수신기(200)로부터 수신된 각종 정보들을 압축하여 메모리(117)에 저장할 수 있다. 이에 따라, 무선전력 송출기(100)는 제한된 메모리(117)의 용량 한계를 극복하여 수집되는 데이량이나 저장되는 데이터량을 극대화할 수 있다. 실험 결과, 약 2배 이상의 데이터 압축율을 가짐을 확인하였다.

중앙처리장치(111)(또는 AI 엔진 블록(113))는 비트 압축기(115)를 통해 데이터를 압축하여 메모리(117)에 저장하거나 비트 압축기(115)를 경유하지 않고 원본 데이터를 메모리(117)에 저장할 수 있다.

비트 압축기(115)는 하드웨어 로직으로 구성되거나 구현되고 도 8은 하드웨어 로직으로 구현된 비트 압축기(115)의 압축 흐름을 도식화한 도면이다. 먼저, 비트 압축기(115)는 압축될 데이터 블록(예를 들어, 웨이트( 매트릭스)나 출력 데이터( 매트릭스) 등)(도 8의 ⓐ 참조)의 첫번째 워드(word 0)를 제외한 워드들(word 1 ~ word n-1)의 이웃 워드 사이의 차를 산출(도 8의 ⓑ 참조)한다.

비트 압축기(115)는 산출된 차이의 델타 워드(Delta 0, 1, ... , n-2)를 비트 플레인 워드로 트랜스폼(ⓒ 참조)한다. 비트 압축기(115)는 각 델타 워드의 일련의(n 개의) 0 비트를 0번째 비트 플레인 워드(ⓒ의 DBP 0 참조)로 변환하고 각 델타 워드의 일련의(n 개의) m번째 비트를 m번째 비트 플레인 워드(ⓒ의 DBP m 참조)로 변환한다.

비트 압축기(115)는 트랜스폼된 비트 플레인의 인접 워드를 XOR 연산을 수행(ⓓ 참조)한다. 비트 압축기(115)는 하나의 비트 플레인(예를 들어, ⓓ의 DBP m)을 제외한 나머지 비트 플레인 워드에 대해 인접하는 비트 플레이 워드와의 각 비트별 XOR 연산(예를 들어, DBP 0 XOR DBP 1)을 수행하여 인접 비트 플레인 워드와 비트 상관관계를 가지도록 XOR 연산된 비트 플레인 워드를 생성한다.

XOR 연산된 각각의 비트 플레인 워드(DBX 0 ~ DBX m-1), DBP m은 BP 인코더와 제로-런렝스 인코더를 통해 압축되고 압축된 데이터와 베이스 워드(word 0)는 패킹되어(도 8의 Buffer + Packet) 출력(도 8의 ⓔ 참조)되고 출력된 압축 데이터는 메모리(117)에 저장된다.

비트 압축기(115)의 인코더는 비트 플레인 인코더, 제로-런렝스 인코더 및 버퍼앤패커를 포함하여 구성되어 각각의 비트 플레인 워드(DBX 0 ~ DBX m-1), DBP m 및 베이스 워드를 압축하여 출력한다.

각각의 비트 플레인 인코더는 입력되는 비트 플레인 워드(DBX 0 ~ DBX m-1) 또는 DBP m에서 0이 아닌 데이터 비트들을 압축하고 일련의 비트 0의 데이터 비트들을 제로-런렝스 인코더로 포워딩한다. 제로-런렝스 인코더는 일련의 비트 0의 데이터 비트들을 압축하여 출력한다.

버퍼앤패커는 각각의 비트 플레인 인코더로부터의 압축 데이터, 제로-런렝스 인코더로부터의 압축 데이터 및 베이스 워드를 내부 포맷에 따라 패킹하여 출력한다.

비트 압축기(115)는 각각의 연속 워드 사이의 차이를 구성하고 첫번째 워드를 기초로 저장하여 저장될 데이터를 압축할 수 있다. 제안되는 비트 압축기(115)는 다양한 워드 길이의 정수에 적용 가능하다. 특히, 압축이 어려운 부동 소수점 워드에 바람직하게 적용하여 압축율을 높일 수 있다. 부동 소수점 워드는 지수 비트와 부호 비트에 대한 기호가 모두 0인 경우가 많아 본 발명에서 제안한 비트 압축기(115)의 구조로 압축율을 향상시킬 수 있다.

도 5 내지 도 8을 통해 살펴본 무선전력 송출기(100)에 의해, 무선전력 수신기(200)의 동적인 트래킹과 배터리 상태에 따라 우선순위가 부여된 무선전력 수신기(200)의 우선 충전과 저장 데이터의 저용량화 및 0무선전력 수신기(200)의 트래킹에 따른 빠른 빔 포밍이 가능하다. 나아가, 무선전력 송출기(100)는 이동성을 가지는 무선전력 수신기(200)들을 동시 충전을 가능하게 하여 IoT 디바이스(센서)의 자유로운 이동을 가능케 한다. 그에 따라 무선전력 송출기(100)를 포함하는 무선전력 충전 시스템은 4차 산업 혁명에 따라 스마트폼, 스마트 팩토리 또는 스마트 시티를 구현할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

100 : 무선전력 송출기
110 : RF 송출 콘트롤러
111 : 중앙처리장치 113 : AI 엔진 블록
115 : 비트 압축기 117 : 메모리
130 : 무선전력 송출 모듈
131 : PLL 135 : 위상 쉬프터
139 : 파워 증폭기
150 : RF 송출 안테나
170 : AM 수신 안테나
190 : 피드백 수신 모듈
200 : 무선전력 수신기
210 : RF-DC 컨버터
211 : 선택 출력기 213 : RF-DC 엘리먼트
215 : 스위치
220 : DC-DC 컨버터
230 : 슈퍼 커패시터 240 : 파워 디텍터
250 : RF 신호 디텍터 260 : 백-스캐터 모듈레이터
270 : RF 수신 콘트롤러 280 : RF 수신 안테나
290 : AM 송신 안테나

Claims (24)

1. 무선전력 수신기로서,
   RF 수신 안테나를 통해 수신되는 RF 신호의 하나 이상의 특성을 검출하는 RF 신호 디텍터;
   검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신전력 정보를 구성하여 출력하는 RF 수신 콘트롤러; 및
   상기 RF 수신 콘트롤러로부터 수신되는 상기 수신전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나로 출력하는 백-스캐터 모듈레이터;를 포함하고,
   상기 RF 수신 콘트롤러는 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신무선 전력이 설정된 제1 임계치 이상인 경우 복수 톤의 AM 신호를 출력하도록 상기 백-스캐터 모듈레이터로 제어신호를 출력하고 상기 수신무선 전력이 설정된 제1 임계치와 제2 임계치 사이인 경우 단일 톤의 AM 신호를 출력하도록 상기 백-스캐터 모듈레이터로 제어신호를 출력하는,
   무선전력 수신기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 RF-DC 컨버터;
   상기 RF-DC 컨버터로부터의 DC 전압에 따라 충전되는 슈퍼 커패시터; 및
   상기 슈퍼 커패시터에 저장된 전력 레벨을 검출하는 파워 디텍터;를 더 포함하고,
   상기 RF 수신 콘트롤러는 상기 파워 디텍터로부터의 전력 레벨에 대응하는 저장전력 정보를 더 구성하여 출력하고, 상기 백-스캐터 모듈레이터는 식별자, 상기 수신전력 정보 및 상기 저장전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 상기 AM 송신 안테나로 출력하는,
   무선전력 수신기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 RF 신호 디텍터, 상기 RF 수신 콘트롤러 및 상기 백-스캐터 모듈레이터는 RF 신호를 통한 무선전력 충전을 위한 단일 IC에 내장되고,
   상기 RF 신호는 ISM 밴드에서의 신호인,
   무선전력 수신기.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 RF 수신 콘트롤러는 상기 수신무선 전력이 설정된 제2 임계치 미만인 경우 상기 백-스캐터 모듈레이터의 AM 신호의 출력을 중단하는 제어신호를 출력하는,
   무선전력 수신기.
6. 제2항에 있어서,
   상기 RF 수신 콘트롤러는 상기 파워 디텍터에 의해 검출된 전력 레벨이 설정된 임계 전력레벨 이상인 경우 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신무선 전력과 상기 제1 임계치와 상기 제2 임계치와의 비교에 따라 상기 복수 톤의 AM 신호를 출력하는 제어신호 또는 상기 단일 톤의 AM 신호를 출력하는 제어신호를 상기 백-스캐터 모듈레이터로 출력하는,
   무선전력 수신기.
7. 무선전력 수신기로서,
   RF 수신 안테나를 통해 수신되는 RF 신호의 하나 이상의 특성을 검출하는 RF 신호 디텍터;
   검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신전력 정보를 구성하여 출력하는 RF 수신 콘트롤러;
   상기 RF 수신 콘트롤러로부터 수신되는 상기 수신전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나로 출력하는 백-스캐터 모듈레이터;
   상기 RF 신호를 DC 전압으로 변환하는 RF-DC 컨버터; 및
   상기 RF-DC 컨버터로부터의 DC 전압에 따라 충전되는 슈퍼 커패시터;를 포함하고,
   아날로그 PIM을 포함하는 상기 RF 수신 콘트롤러는 상기 아날로그 PIM의 컨볼루션 연산을 이용하는 CNN 인공지능 알고리즘을 통해 상기 RF 신호 디텍터로부터의 하나 이상의 특성에 따른 제어신호를 생성하여 상기 RF-DC 컨버터 및 상기 백-스캐터 모듈레이터로 출력하는,
   무선전력 수신기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 RF-DC 컨버터는 복수의 RF-DC 엘리먼트가 병렬로 배치되는 병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈, 복수의 RF-DC 엘리먼트가 직렬로 배치되는 직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈 및 모드 제어신호에 따라 상기 RF 수신 안테나로부터의 RF 신호를 상기 병렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈 또는 상기 직렬구조 RF-DC 컨버팅 모듈로 출력하는 선택 출력기를 포함하는,
   무선전력 수신기.
9. 제3항에 있어서,
   상기 RF 신호는 900 MHz 밴드, 2.4 GHz 밴드 또는 5.8 GHz 밴드에서의 무선전력 전송을 위해 무선전력 송출기로부터 출력되는 신호이고,
   상기 단일 IC는 상기 무선전력 수신기의 전자부품에 구동 전원을 공급하는 배터리를 상기 RF 신호의 무선전력으로 충전하는,
   무선전력 수신기.
10. 무선전력 수신기로서,
    RF 수신 안테나를 통해 수신되는 RF 신호의 하나 이상의 특성을 검출하는 RF 신호 디텍터;
    검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신전력 정보를 구성하여 출력하는 RF 수신 콘트롤러; 및
    상기 RF 수신 콘트롤러로부터 수신되는 상기 수신전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나로 출력하는 백-스캐터 모듈레이터;를 포함하고,
    상기 RF 신호 디텍터는 상기 RF 신호의 에너지 레벨 및 위상과 피크전력과 평균전력의 비율치의 특성들을 검출하는,
    무선전력 수신기.
11. 무선전력 송출기로서,
    RF 신호를 무선으로 각각 송출하는 복수의 RF 송출 안테나;
    복수의 RF 송출 안테나 각각에 연결되어 무선전력을 연결된 RF 송출 안테나로 출력하는 복수의 무선전력 송출 모듈;
    하나 이상의 무선전력 수신기로부터의 AM 신호를 수신하고 수신된 AM 신호에서 수신전력 정보를 추출하는 피드백 수신 모듈; 및
    상기 AM 신호에서 추출된 수신전력 정보에 기초하여 하나 이상의 무선전력 수신기의 위치를 인식하고 인식된 위치에 따라 상기 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어하여 무선전력을 RF 신호로 송출하는 RF 송출 콘트롤러;를 포함하고,
    상기 RF 송출 콘트롤러는 인공지능 알고리즘을 가속화하는 AI 엔진 블록, 상기 AI 엔진 블록을 제어하여 지정된 복수의 인공지능 모델을 수행하고 결정되는 무선전력 수신기의 위치와 우선순위에 따라 상기 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어하여 RF 신호의 빔을 스티어링하는 중앙처리장치 및 상기 인공지능 모델의 수행에 따른 데이터를 저장하는 메모리를 포함하고,
    상기 AI 엔진 블록의 제어를 통해 복수의 인공지능 모델을 수행하는 상기 중앙처리장치는 지정된 제1 시간 윈도우 내에서 수신된 수신전력 정보를 이용하는 위치 후보 생성을 위한 제1 CNN 모델에 따라 위치 후보를 결정하고 결정된 위치 후보들을 이용하여 무선전력 수신기의 위치를 RNN 모델에 따라 결정하고 더 수신되는 무선전력 수신기의 저장전력 정보에 기초하여 결정되는 우선순위에 따라 상기 복수의 무선전력 송출 모듈 각각의 위상값 및 증폭값의 출력 데이터를 제2 CNN 모델에 따라 결정하고 결정된 출력 데이터에 따라 상기 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어하는,
    무선전력 송출기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 무선전력 송출 모듈은 지정된 ISM 밴드의 RF 신호를 생성하는 PLL, 생성된 RF 신호의 위상을 쉬프트하는 위상 쉬프터 및 위상 쉬프트된 RF 신호를 증폭하는 파워 증폭기를 포함하는,
    무선전력 송출기.
13. 삭제
14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 무선전력 송출 모듈, 상기 피드백 수신 모듈 및 상기 RF 송출 콘트롤러는 RF 신호를 통한 무선전력 송출을 위한 단일 IC에 내장되고,
    상기 RF 신호는 900 MHz 밴드, 2.4 GHz 밴드 또는 5.8 GHz 밴드에서의 무선전력 전송을 위해 출력되는 신호인,
    무선전력 송출기.
15. 삭제
16. 제11항에 있어서,
    상기 수신전력 정보는 상기 복수의 RF 송출 안테나를 통해 송출된 RF 신호로부터 무선전력 수신기에서 하베스팅한 무선전력의 에너지량을 특정할 수 있는 데이터를 포함하고,
    상기 저장전력 정보는 상기 무선전력 수신기에 저장되어 있는 배터리량을 특정할 수 있는 데이터를 포함하는,
    무선전력 송출기.
17. 제11항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는 지정된 제1 시간 윈도우에 후속하는 제2 시간 윈도우 동안에 하나 이상의 무선전력 수신기로부터 수신되는 수신전력 정보를 메모리에 상기 제1 시간 윈도우에서의 출력 데이터와 매칭시켜 저장하고 매칭된 수신전력 정보와 출력 데이터를 상기 복수의 인공지능 모델의 실시간 학습 데이터로 이용하는,
    무선전력 송출기.
18. 제11항에 있어서,
    상기 RF 송출 콘트롤러는 데이터 블록의 인접 워드 사이의 차와 워드 트랜스폼 및 XOR 연산에 따른 데이트 비트를 압축하는 비트 압축기를 더 포함하고,
    상기 RF 송출 콘트롤러는 상기 출력 데이터 또는 상기 복수의 인공지능 모델에서 이용되는 웨이트를 상기 비트 압축기를 통해 압축하여 상기 메모리에 저장하는,
    무선전력 송출기.
19. 제11항에 있어서,
    상기 RF 송출 콘트롤러는 상기 AM 신호에서 추출된 수신전력 정보와 상기 복수의 무선전력 송출 모듈로 출력되는 제어신호에 따라 무선전력 수신기의 위치를 동적으로 트래킹하는,
    무선전력 송출기.
20. 무선전력 충전 시스템으로서,
    무선전력 충전용 RF 신호를 송출하는 무선전력 송출기; 및
    상기 RF 신호를 수신하고 수신된 RF 신호에서 내부 커패시터를 충전하는 복수의 무선전력 수신기;를 포함하고,
    상기 무선전력 수신기는 RF 수신 안테나를 통해 수신되는 RF 신호의 하나 이상의 특성을 검출하는 RF 신호 디텍터, 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신전력 정보를 구성하여 출력하는 RF 수신 콘트롤러, 및 상기 RF 수신 콘트롤러로부터 수신되는 상기 수신전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나로 출력하는 백-스캐터 모듈레이터를 포함하고,
    상기 무선전력 송출기는 RF 신호를 무선으로 각각 송출하는 복수의 RF 송출 안테나, 복수의 RF 송출 안테나 각각에 연결되어 무선전력을 연결된 RF 송출 안테나로 출력하는 복수의 무선전력 송출 모듈, 하나 이상의 무선전력 수신기로부터의 AM 신호를 수신하고 수신된 AM 신호에서 수신전력 정보를 추출하는 피드백 수신 모듈, 및 상기 AM 신호에서 추출된 수신전력 정보에 기초하여 하나 이상의 무선전력 수신기의 위치를 인식하고 인식된 위치에 따라 상기 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어하여 무선전력을 RF 신호로 송출하는 RF 송출 콘트롤러를 포함하며,
    상기 무선전력 수신기는 상기 무선전력 송출기에서 송출되는 RF 신호의 인식에 따라 내부 슈퍼 커패시터를 충전하고 RF 신호의 인식에 반응하여 피드백되는 AM 신호를 AM 송신 안테나를 통해 출력하고,
    상기 AM 신호는 상기 무선전력 수신기에서 센싱한 RF 신호의 에너지 레벨, 위상 및 피크전력과 평균전력의 비율치를 포함하는 수신전력 정보를 포함하고,
    상기 AM 신호는 상기 무선전력 수신기의 저장전력 또는 수신전력에 비례하는 진폭을 가지는,
    무선전력 충전 시스템.
21. 삭제
22. 제20항에 있어서,
    상기 AM 신호는 2.4 GHz 밴드의 톤 신호이거나 5.8 GHz 밴드의 톤 신호이거나 2.4 GHz 밴드와 밴드에서의 두 개의 톤 신호인,
    무선전력 충전 시스템.
23. 무선전력 충전 시스템으로서,
    무선전력 충전용 RF 신호를 송출하는 무선전력 송출기; 및
    상기 RF 신호를 수신하고 수신된 RF 신호에서 내부 커패시터를 충전하는 복수의 무선전력 수신기;를 포함하고,
    상기 무선전력 수신기는 RF 수신 안테나를 통해 수신되는 RF 신호의 하나 이상의 특성을 검출하는 RF 신호 디텍터, 검출된 하나 이상의 특성에 기초한 수신전력 정보를 구성하여 출력하는 RF 수신 콘트롤러, 및 상기 RF 수신 콘트롤러로부터 수신되는 상기 수신전력 정보를 AM 신호로 인코딩하여 AM 송신 안테나로 출력하는 백-스캐터 모듈레이터를 포함하고,
    상기 무선전력 송출기는 RF 신호를 무선으로 각각 송출하는 복수의 RF 송출 안테나, 복수의 RF 송출 안테나 각각에 연결되어 무선전력을 연결된 RF 송출 안테나로 출력하는 복수의 무선전력 송출 모듈, 하나 이상의 무선전력 수신기로부터의 AM 신호를 수신하고 수신된 AM 신호에서 수신전력 정보를 추출하는 피드백 수신 모듈, 및 상기 AM 신호에서 추출된 수신전력 정보에 기초하여 하나 이상의 무선전력 수신기의 위치를 인식하고 인식된 위치에 따라 상기 복수의 무선전력 송출 모듈을 제어하여 무선전력을 RF 신호로 송출하는 RF 송출 콘트롤러를 포함하며,
    상기 무선전력 송출기는 상기 복수의 무선전력 수신기로부터 AM 신호를 수신하고 상기 AM 신호의 수신전력 정보 및 저장전력 정보를 이용한 인공지능 기술의 적용을 통해 복수의 무선전력 수신기의 위치를 추정하고 위치가 추정된 무선전력 수신기의 무선전력 수신 우선순위를 부여하고 부여된 우선순위에 따라 선택된 무선전력 수신기를 타겟으로 RF 신호를 송출하는,
    무선전력 충전 시스템.
24. 제20항에 있어서,
    상기 무선전력 수신기는 IoT 센서인,
    무선전력 충전 시스템.

Images