KR20090080558A - 동적 무선 주파수 전력 획득 - Google Patents

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Abstract

전력 획득 회로는 안테나 및 그라운드에 접속될 수 있다. 안테나로부터의 신호는 인덕터 및 캐패시터를 포함할 수 있는 부하 매칭 네트워크를 통하여 전달될 수 있다. 부하 매칭 네트워크는 획득 회로로의 전력 전달을 최대화할 수 있고, 전력 획득 및 통신 효율을 향상시킬 수 있다.
Figure P1020097012335
역위상, 전압 증배기, RFID, 전력 획득, 스위칭

Description

동적 무선 주파수 전력 획득{DYNAMIC RADIO FREQUENCY POWER HARVESTING}
본 발명은 일반적으로, 무선 주파수 신호(radio frequency signal)들로부터 전력을 획득(harvesting)하는 것에 관련된다.
다수의 무선 주파수 디바이스는 원격 위치들에서 동작될 수 있다. 게다가, 이들 디바이스들 중 몇몇은 이동성(mobile)일 수 있다. 그리하여, 쉽게 이용할 수 있고 지속적인 전원이 가능하지 않을 수 있다. 이러한 디바이스들에 전력을 공급하는 하나의 방법은 무선 주파수 전력 획득(radio frequency power harvesting)이라고 불리는 기술을 이용하여 그들이 수신하는 무선 주파수 신호로부터 그들에게 전력을 공급하는 것이다.
무선 주파수 전력 획득을 위한 하나의 응용은, 단지 몇 가지 예를 언급하자면, 대중 교통(public transportation), 물류(logistics), 항공 수하물 추적(airline baggage tracking), 자산 추적(asset tracking), 재고 제어 및 추적(inventory control and tracking), 공급 사슬(supply chains)에서의 상품 추적, 부품 추적(tracking parts), 보안(security), 접근 통제 및 인증(access control and authentication)에서 사용될 수 있는 RFID(radio frequency identification) 기술이다. 무선 주파수 전력 획득을 위한 다른 응용은 무선으로 전력이 공급되는 임베디드 마이크로프로세서들 및 센서들에 관련된다.
RFID 태그들이 무선 주파수 전력 획득에 대한 좋은 응용인 하나의 이유는 그들의 전력 요구들이 상대적으로 적당하다는 것이다. 그러나, 무선 주파수 전력 획득은 다양한 다른 응용에서도 사용될 수 있다.
장거리 응용들이 능동형 태그(active tag)들을 사용할 수 있는 반면, 단순한 RFID 시스템은 짧은 범위 및 낮은 주파수로 동작하는 리더 및 수동형 태그(passive tag)들을 사용할 수 있다. RFID 태그는 안테나에 부착된 집적 회로를 포함하여, 태그 인서트(insert) 또는 인레이(inlay)를 갖는 집적 회로일 수 있다. 리더/라이터는 태그에 전자파들을 보내고 전자파들은 태그의 안테나에 전류를 유도한다.
리더/라이터는 고정 디바이스 또는 휴대용 디바이스(portable device)일 수 있다. 태그는 파를 변조하여 리더/라이터에 정보를 다시 보낼 수 있다. 태그가 부착된 물품들에 대한 추가 정보는 태그 상에 저장될 수 있다.
통상적으로 수동형 태그들은 전원을 갖지 않고 정보의 스트림을 전송하기 위한 문의 신호(interrogation signal)에 의해 전달되는 에너지에 의존한다. 능동형 태그들은 직류 배터리와 같은 전원을 가질 수 있다. 반-수동형(semi-passive) 태그들은 그 태그의 전력 필요량 중 일부만을 위해 사용되는 배터리를 가질 수 있다.
태그와 리더/라이터 사이에서 유도성 결합(inductive coupling) 또는 후방 산란(back-scatter) 중 어느 하나를 통해 정보가 교환될 수 있다. 다수의 다른 주파수가 이들 시스템들을 위해 이용될 수 있지만, 가장 일반적인 전류 주파수들은 대략 165㎑, 13.56㎒, 902 내지 928㎒, 및 마이크로파이다.
도 1은 일 실시예에 따른 RFID 시스템의 시스템도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 RF 전력 획득 회로에 대한 회로도이다.
도 3은 RFID 신호로부터의 반송파 및 그로부터 유도된 2개의 구형파 신호들을 포함하는 3개의 신호에 대하여 시간에 걸쳐 시뮬레이션된 전압(simulated voltage)의 그래프이다.
도 4는 전력 획득을 위한 동적 디바이스 대비 정적 디바이스에 대하여 시뮬레이션된 전압 대 전류의 플롯(plot)이다.
도 5는 정적 전력 획득 모드(static power harvesting mode)와 동적 전력 획득 모드(dynamic power harvesting mode) 사이에서 스위칭하는 디바이스에 대한 시뮬레이션된 전압 대 시간의 그래프를 나타낸다.
도 1을 참조하면, RFID 시스템(100)은 안테나(104)를 갖는 RFID 리더/라이터(102) 및 안테나(108)를 갖는 RFID 디바이스(106)를 포함한다. 다수의 다른 낮은 프로파일 안테나 태그들 중 임의의 것이, 안테나(104) 및 안테나(108)를 위하여 사용될 수 있고, 안테나(104) 및 안테나(108)는 예를 들면 다이폴, 루프, 패치 또는 다른 안테나들을 포함한다.
디바이스(106)는 리더/라이터(102)로부터 무선 주파수 신호(110)를 수신하여 처리한다. 디바이스(106)는 전력 획득 및 전압 처리 회로(112), 프로세서 또는 상태 머신(114), 저장소(116), 및 변조기(118)를 포함할 수 있다. 전력 획득 및 전압 처리 회로(112)는 무선 주파수 신호(110)로부터 전력을 획득하여 디바이스(106)를 동작시키기 위한 회로를 포함할 수 있다.
저장소(116)는 암호 해독을 위한 키, 신호 인증(signal authentication)을 위한 디바이스 식별, 또는 다른 정보를 포함할 수 있다. 변조기(118)는 스위치(122)를 제어할 수 있고, 몇몇 실시예에서 업스트림 통신들을 위해 사용될 수 있다.
디바이스(106)에 액세스하기 위해, 문의 신호가 디바이스(106) 근방의 리더/라이터(102)에 의해 전송될 수 있다. 문의 신호의 수신 시, 디바이스(106)는 그의 안테나(108)의 임피던스를 동적으로 변조하여 응답 정보를 인코딩함으로써 반응할 수 있다. 안테나(108)는 안테나 설계 관점에서 편리한 임피던스가 어떤 것이든지 그것을 위하여 조정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 전력 획득 회로(112)는 안테나(108) 및 그라운드에 접속될 수 있다. 안테나(108)로부터의 신호는 인덕터 및 캐패시터를 포함할 수 있는 부하 매칭 네트워크(143)를 통하여 전달될 수 있다. 부하 매칭 네트워크(143)는 획득 회로로의 전력 전달을 최대화할 수 있고, 전력 획득 및 통신 효율을 향상시킬 수 있다. 다른 매칭 네트워크들이 사용될 수 있다.
네트워크(143)로부터의 신호 출력 Vin은 3개의 캐패시터(126) 각각에 결합될 수 있다. 각 캐패시터(126)는 다이오드(134)에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다이오드들(134)은 다이오드 접속된(diode connected) 트랜지스터들로서 구현될 수 있다. 다이오드들(134)은 능동형, 게이트 제어형(gate-controlled) 트랜지스터 스위치(138)에 병렬로 결합될 수 있다. 트랜지스터 스위치(138)는 게이트 신호(P2 또는 P1)에 의해 제어될 수 있다. 도 2의 발생 회로(145)에 의한 신호들 P1 및 P2의 발생은 개시 회로(136)에 의해 인에이블될 수 있다. 일 실시예에서, P1 및 P2는, 두 개의 직렬 연결된(cascaded) 인버터들을 통과하여 스레쉬홀드된 신호(thresholded signal)(즉, 구형파)를 생성하는 입력 RF 신호로부터 발생될 수 있으며, 제2 구형파는 위상이 180° 역위상(out of phase)이다. P1 및 P2는 PLL(Phase Locked Loop) 또는 DLL(Delay Locked Loop)에 의해 생성될 수도 있다.
리셋 스위치(140)가 몇몇 실시예에 제공될 수 있다. 부하 저항기(142)는 전력이 공급되고 있는, 예를 들면 마이크로컨트롤러 또는 RFID 태그에 대한 부하를 도시한다.
다수의 다른 트랜지스터(138)가 P1 및 P2 발생 회로(145)로부터 신호 P1를 수신할 수 있다. 신호들 P1과 P2는 서로 역위상이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 신호(110)에 제공되는 반송파 C는 스레쉬홀드되고 버퍼링되거나 인버팅되어, 스레쉬홀드된 포지티브 및 네거티브 신호들 P1 및 P2를 형성할 수 있다. 그러한 신호들 P1, P2 중 하나는 두 개의 직렬 접속된 인버터 중 첫번째 것에 의해 생성되고, 신호들 중 다른 하나의 신호는 두 개의 직렬 접속된 인버터 중 두번째 것에 의해 제공된다.
도 2에 도시된 실시예에서, 3개의 전압 더블러 회로(voltage doubler circuit)(130a, 130b, 130C)의 직렬 연결된 시리즈가 제공된다. 그러나, 임의의 수의 전압 더블러 회로가 이용될 수 있다. 또한, 도시된 회로들은, 콕크로프트-월턴 전압 증배기(Cockcroft-Walton voltage multiplier)로도 알려진, 이른바 빌라드 전압 더블러(Villard voltage doubler)에 기초하지만, 딕슨 전압 증배기(Dickson voltage multiplier)도 이용될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 전압 더블러 회로는 전압을 2배로 하거나 곱할(multiply) 수 있다.
일반적으로, 전압 더블러(130)는 인가된 무선 주파수 신호의 양의 주기(positive cycle)를 정류하기 위한 제1 페어드 다이오드(paired diode)(134) 및 캐패시터(132) 및 음의 주기(negative cycle)에서 신호를 정류하기 위한 제2 페어드 다이오드(124) 및 캐패시터(126)를 포함한다. 양의 주기 동안, 음의 주기에서 캐패시터(126)에 저장된 전압은 양의 주기에서 사용되는 캐패시터(132)로 전송된다. 그리하여, 양의 주기에서 사용되는 캐패시터(132)에 대한 전압은 이상적으로는 2배가 된다. 전압 곱셈은 일련의 이러한 인버터 증배기들을 직렬로 연결함으로써 증가될 수 있다. 몇몇 실시예에서, CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 다이오드-접속된 트랜지스터들이 다이오들 대신 사용된다.
다이오드들(124 및 134)과 병렬로 또는 다이오드들(124 및 134) 대신 동적 스위칭 트랜지스터들(138)을 사용함으로써, 다이오드들(134)은 제1 모드에서 (고 임피던스 상태로 설정된 트랜지스터들과 함께) 사용되어, 이어서 제2 모드 동안 더욱 효과적인 동적 스위칭을 제공하는 트랜지스터들(138)로의 공급 전력에 정적 전원을 제공할 수 있다.
그 후, 다이오드들(134)을 이용하는 획득기(harvester)의 정적 모드 동작에 의해 전력이 공급되는 개시 회로(136)는 위상이 180° 역위상인, 두 개의 스레쉬홀드된 신호들 P1 및 P2의 발생을 인에이블하여, 제2 모드 동안 트랜지스터 스위치들(138) 중 선택된 스위치에 전력을 공급한다. 그리하여, 개시 회로(136)는 개시 회로(136)에 걸리는 전압이 미리 결정된 레벨에 도달한 후에 소정의 전압을 위상 발생기(145)에 공급하는 전압 모니터(146) 및 제어기(144)를 포함한다. 그 시점까지, NMOS 트랜지스터들(138)은 0볼트(V)를 수신하여, 고 임피던스 상태로 설정된다.
도 4를 참조하면, 동적 동작 대 정적 동작의 효과가 도시된다. 몇몇 실시예에서, 트랜지스터들을 사용하는 동적 곡선(dynamic curve)은 다이오드들만을 사용하는 정적 곡선보다 훨씬 더 빠르게 상승한다. 그리하여, 동적 스위치들은 이론적으로 추가 전력을 발생시킬 수 있다.
이러한 장점은 도 2에 도시된 회로(112)의 동작의 하나의 모드를 도시하는 도 5에서 더 설명된다. 처음에, 회로(112)에 정적 다이오드들(124 및 134)만으로써 전력이 공급된다. 이러한 모드에서, 트랜지스터들(138)은 고 임피던스 상태로 설정된다. 그 후, 충분한 전하가 축적되면, 개시 회로(136)는 위상 발생기(145)에 의해 공급되는 역위상 신호들(out-of-phase signals) P1 및 P2에 의해 제어되는 트랜지스터들(138)을 이용하여 동적 동작을 인에이블한다. 하나의 실시예에서, 정적 모드에서, 개시 회로(136)는, 신호들 P1 및 P2에 의해 구동되는 트랜지스터들(138)을 이용하여 동적 획득 단계(dynamic harvesting phase)에서 동작하는 데 충분한 에너지가 축적될 때까지 제어 신호들 P1 및 P2를 제로 상태로 유지한다.
그리하여, 동일한 캐패시터들(126 및 132)이 다른 시각들 및 다른 단계들에서 정적 및 동적 동작 모두에서 사용될 수 있다. 캐패시터들의 이러한 공유는 일부 실시예에서 비용 및 회로 풋프린트(footprint)를 감소시킬 수 있다. 하나의 실시예에서, 배터리가 동적 모드에 대하여 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서 전반에 걸친 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급들은 그 실시예와 관련되어 기술된 특정한 특징, 구조, 또는 특성들이 본 발명 내에 포함되는 적어도 하나의 구현에 포함된다는 것을 의미한다. 그리하여, "일 실시예" 또는 "실시예에서"라는 구의 출현은 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 더욱이, 특정한 특징들, 구조들, 또는 특성들이 설명된 특정한 실시예가 아닌 다른 적절한 형태로 실시될 수 있으며 모든 그러한 형태는 본원의 청구범위 내에 포함될 수 있다.
본 발명이 제한된 수의 실시예들에 대하여 설명되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 그로부터의 다수의 변경들 및 변형들을 인식할 것이다. 첨부된 청구범위는 이러한 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내인 모든 그러한 변경들 및 변형들을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 무선 주파수 신호(radio frequency signal)로부터 동적으로 전력을 획득(harvesting)하기 위하여 역위상 신호들(out-of-phase signals)의 쌍을 이용하여 트랜지스터들을 동작시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 모드에서 다이오드들을 이용하여 상기 무선 주파수 신호로부터 전력을 획득하는 단계; 및
    제2 모드 동안 상기 신호로부터 동적으로 전력을 획득하기 위하여 상기 제1 모드에서 획득된 상기 전력을 이용하여 상기 트랜지스터들을 동작시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    병렬 스위칭되는 트랜지스터들을 갖는 다이오드들을 포함하는 전압 더블러 회로(voltage doubler circuit)를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    역위상 신호들을 이용하여 상기 스위칭되는 트랜지스터들을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무선 주파수 신호로부터 유도된 역위상 신호들을 이용하여 상기 트랜지스터들을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    PLL(phase locked loop) 또는 DLL(delay locked loop) 중 하나를 이용하여 상기 역위상 신호들을 발생시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    캐패시터들을 포함하는 전압 더블러 회로를 이용하고, 상기 제1 및 제2 모드들에서 동일한 캐패시터들을 이용하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 모드 동안 상기 트랜지스터들을 고 임피던스 상태(high impedance state)로 설정하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 모드에서 상기 트랜지스터들을 동적으로 스위칭하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 모드 동안 발생된(developed) 상기 전력을 모니터링하고, 미리 정해진 전력 레벨이 개발되면, 상기 제2 모드로 스위칭하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제2항에 있어서,
    RFID(radio frequency identification)를 위한 전력을 획득하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제5항에 있어서,
    직렬 접속된 인버터(series connected inverter)들에 의해 상기 역위상 신호들을 발생시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 전압 더블러 회로 - 상기 전압 더블러 회로는 한 쌍의 다이오드 및 한 쌍의 캐패시터를 포함함 -; 및
    상기 다이오드들 각각에 병렬로 결합된 트랜지스터
    를 포함하는 무선 주파수 전력 획득 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    직렬 접속된 인버터들에 의하여 상기 역위상 신호들을 발생시키는 것을 포함 하는 무선 주파수 전력 획득 회로.
  15. 제13항에 있어서,
    적어도 두 개의 직렬 연결된(cascaded) 전압 더블러 회로들을 포함하는 무선 주파수 전력 획득 회로.
  16. 제13항에 있어서,
    제1 모드에서 상기 다이오드들을 이용하여 정적으로 동작하고, 제2 모드에서 상기 트랜지스터들을 이용하여 동적으로 동작하는 무선 주파수 전력 획득 회로.
  17. 제16항에 있어서,
    정적 모드와 동적 모드 사이에서 상기 회로를 스위칭하는 디바이스를 포함하는 무선 주파수 전력 획득 회로.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 디바이스는 처음에 정적 모드에서 상기 회로를 동작시키고, 그 후 상기 회로를 동적 모드로 스위칭하는 무선 주파수 전력 획득 회로.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 트랜지스터들을 포함하는 상기 동적 모드에서 상기 디 바이스를 동작시키기 위해 충분한 전력이 발생될 때까지 상기 정적 모드에서 상기 회로를 동작시키는 무선 주파수 전력 획득 회로.
  20. 제19항에 있어서,
    수신된 무선 주파수 신호로부터 역위상 신호들을 발생시키는 것을 포함하는 무선 주파수 전력 획득 회로.
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