KR20120073236A

KR20120073236A - 무선 전력 수신에 있어서의 디튜닝

Info

Publication number: KR20120073236A
Application number: KR1020127007151A
Authority: KR
Inventors: 파올로 메네고리; 린다 에스 아이리쉬
Original assignee: 퀄컴 인코포레이티드
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2012-07-04
Also published as: US8374545B2; EP2474101B1; JP6114340B2; CN102498633B; JP2013504298A; JP2015228791A; WO2011028956A3; EP2474101A2; WO2011028956A2; CN102498633A; JP5826177B2; US20110053500A1

Abstract

예시적 구현들은 무선 전력 전송을 대상으로 한다. 수신 안테나 (L2) 를 갖춘 수신기 (820) 는 커플링 모드 영역 (coupling mode region) 에서 근접장 방사 (near field radiation) 에 커플링한다. 수신기는 근접장 방사에 대응하는 공진 주파수로 RF 신호를 생성한다. 디튜닝 회로 (860) 는 RF 신호를 더 작은 진폭으로 또는 다른 공진 주파수로 변경하기 위한 제어 신호에 대응하는 가변 임피던스를 생성한다. 정류기 (840) 는 변경된 RF 신호를 DC 신호로 변환한다. 비교기 (850) 는 기준 전압 (Vref) 에 대한 DC 신호 비교에 대응하는 제어 신호를 생성하여 피드백 루프를 만든다. 디튜닝 회로는 피드백을 이용하여 디지털 모드 또는 선형 모드에서 동작할 수도 있다. 임피던스 엘리먼트 (R1) 가 디튜닝 회로에 흐르는 전류에 비례하는 전압을 생성하기 위해 디튜닝 회로에 커플링될 수도 있다. 비례 전압은 송신기로부터 보내진 정보를 갖는 수신 신호 (1430) 로 정류된다.

Description

무선 전력 수신에 있어서의 디튜닝{DE-TUNING IN WIRELESS POWER RECEPTION}

우선권 주장

본 출원은,

2009년 9월 2일에 출원된 "LINEAR DE-TUNING INVENTION DISCLOSURE" 라는 발명의 명칭을 가진 미국 특허 가출원 번호 61/239,418 (그 개시 내용은 전체로서 참조에 의해 본 명세서에 통합된다) 및,

2009년 11월 3일에 출원된 "DE-TUNING DEVICE CURRENT TO RECEIVE RADIO FREQUENCY SIGNALS" 라는 발명의 명칭을 가진 미국 특허 가출원 번호 61/257,770 (그 개시 내용은 전체로서 참조에 의해 본 명세서에 통합된다) 에 대해 우선권을 주장한다.

분야

본원 발명은 일반적으로 무선 충전에 관한 것으로, 더 구체적으로는 무선 전력 시스템 내에 위치할 수 있는 수신기 디바이스에 전력을 할당하는 것에 관한 디바이스, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.

보통, 무선 전자 디바이스와 같이 배터리에 의해 전력이 공급되는 각각의 디바이스들은, 일반적으로 교류 (AC) 전기 콘센트인, 고유의 충전기 및 전력 공급원을 요구한다. 이러한 유선 구성은 많은 디바이스들이 충전이 필요할 때 거추장스러워진다.

송신기 및 충전될 전자 디바이스에 커플링된 수신기 사이에 오버 디 에어 (over the air) 또는 무선 전력 송신을 사용하는 접근들이 발달하고 있다. 이러한 접근들은 일반적으로 두 개의 카테고리들로 나뉜다. 하나는 송신 안테나와 충전될 디바이스 상의 수신 안테나 사이의 평면파 방사 (또한 원거리장 방사라 불리기도 한다) 의 커플링에 기초하고 있다. 수신 안테나는 배터리를 충전하기 위해 방사된 전력을 모으고 그것을 정류한다. 안테나들은 커플링 효율을 개선하기 위해 일반적으로 공진 길이로 되어있다. 이 접근은 안테나들 사이의 거리에 따라 전력 커플링이 빠르게 떨어진다는 문제가 있고, 그래서 적정한 거리 (예를 들어, 1 내지 2 미터보다 적은) 에서의 충전이 어려워진다. 더구나, 송신 시스템이 평면파를 방사하기 때문에, 필터링을 통해 적절히 제어되지 않으면 의도적이지 않은 방사가 다른 시스템과 간섭할 수 있다.

무선 에너지 송신 기술로의 다른 접근들은, 예를 들어, "충전" 매트 또는 표면 내에 내장된 송신 안테나와 충전될 전자 디바이스 내에 내장된 (정류 회로를 더하여) 수신 안테나 사이의 유도성 커플링에 기초하고 있다. 이 접근은 송신과 수신 안테나 사이의 공간이 매우 가까워야만 (예를 들어, 1000분의 일 미터 이내) 한다는 단점을 가지고 있다. 이 접근이 동일 영역 내의 다중의 디바이스들을 동시에 충전할 수 있는 능력을 가지고 있기는 하지만, 이 영역이 일반적으로 매우 작고 사용자가 디바이스들을 특정 영역에 정확하게 위치시킬 것을 요구한다.

많은 무선 충전 시스템에 있어서, 공급원으로부터 전송되는 전력이 단일 레벨에 고정되어 있어, 그 전력 레벨은 일반적으로 다른 최대 피크 (peak) 전력 레벨을 갖는 디바이스들을 수용하도록 조정될 수 없다. 이것은 충전될 수 있는 디바이스들의 유형을 한정한다. 또 다른 문제는 고정된 방사 전력 레벨이 디바이스의 현재 배터리 레벨의 기능대로 조정될 수 없다는 것이다. 이것은 배터리가 충전됨에 따라 충전을 완료하기 위해 점점 적은 전력을 필요로 하기 때문에 전력을 낭비한다.

효율성은 임의의 전력 전송 시스템에 있어서도 중요하다. 무선 전력 송신은 유선 전송에 비해 종종 덜 효율적이기 때문에, 무선 전력 전송 환경에 있어서 효율성은 더욱 중요한 관심사이다.

결과적으로, 하나 이상의 무선 충전 디바이스들에 전력을 제공하려 할 때에, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 커플링의 변화들에 적응하여 수신 안테나에 커플링된 수신기 디바이스에 대한 전력 전달을 최적화하거나 또는 달리 조정하기 위한 방법 및 장치의 필요가 있다. 게다가, 수신 안테나가 송신 안테나로부터 감소된 양의 전력을 끌어내도록 송신 안테나로부터 수신 안테나를 완전히 또는 부분적으로, 전자기적으로 차폐할 필요가 있다.

도 1 은 무선 전력 전송 시스템의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 2 는 무선 전력 전송 시스템의 간략화된 개략도를 도시한다.
도 3 은 본원 발명의 예시적 구현에 사용되는 루프 안테나의 개략도를 도시한다.
도 4 는 본원 발명의 예시적 구현에 따른 송신기의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 5 는 본원 발명의 예시적 구현에 따른 수신기의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b 는 역방향 링크 시그널링 (signaling), 클로킹 (cloaking), 또는 그들의 조합을 제공하기 위한 수신 회로망의 부분들의 간략화된 개략도를 도시한다.
도 7 은 송신 안테나를 갖춘 무선 전력 송신기 및 수신 안테나를 갖춘 무선 전력 수신기의 간략화된 회로도를 도시한다.
도 8 은 본원 발명의 하나 이상의 예시적 구현에 따른 무선 전력 수신기 및 디튜닝 (de-tuning) 회로의 간략화된 도면을 도시한다.
도 9 는 본원 발명의 하나 이상의 예시적 구현에 따른 무선 전력 수신기 및 NMOS 트랜지스터를 가변 임피던스 디바이스로써 포함하는 디튜닝 회로의 간략화된 도면을 도시한다.
도 10 은 도 9 의 예시적 구현의 출력 전압 및 피드백 전압의 그래프를 도시한다.
도 11 은 본원 발명의 하나 이상의 구현에 따른 무선 전력 수신기 및 디튜닝 네트워크를 포함하는 디튜닝 회로의 간략화된 도면을 도시한다.
도 12 는 본원 발명의 하나 이상의 구현에 따른 무선 전력 수신기 및 두 개의 NMOS 트랜지스터를 포함하는 디튜닝 회로의 간략화된 도면을 도시한다.
도 13a 및 도 13b 는 각각 도 9 및 도 11 의 예시적 구현에 따른 가변 임피던스에 의한 다양한 값의 주파수에 대한 신호 진폭들의 그래프를 도시한다.
도 14 는 본원 발명의 하나 이상의 예시적 구현에 따른 무선 전력 수신기 및 시그널링 센서를 포함하는 디튜닝 회로의 간략화된 도면을 도시한다.
도 15 는 무선 전력 수신기 선형적 디튜닝의 프로세스를 도시하는 플로우 차트이다.

본원에 "예시적" 은 "예, 실례, 또는 예시로 역할하는" 을 의미하도록 사용되었다. 본원에 "예시적" 이라고 설명된 임의 구현은 다른 구현들에 비해 선호되거나 장점이 있는 것으로 필연적으로 이해되어서는 안 된다.

첨부된 도면들과 관련한 이하에 설명되는 상세한 설명은 본원 발명의 예시적 구현의 설명으로 의도된 것이며 본원 발명이 실시될 수 있는 유일한 구현을 나타내기 위해 의도된 것이 아니다. 상세한 설명 전반에 걸쳐 사용되는 "예시적" 이라는 용어는 "예, 실례, 또는 예시로 역할하는" 을 의미하며 다른 예시적 구현들에 비해 선호되거나 장점이 있는 것으로 필연적으로 이해되어서는 안 된다. 상세한 설명은 본원 발명의 예시적 구현의 철저한 이해를 제공할 목적을 위해 특정 세부 사항들을 포함하고 있다. 당업자에게 있어 본원 발명의 예시적 구현들은 이러한 특정 세부사항들 없이도 실시될 수도 있음이 명백할 것이다. 몇몇 예에서는, 본원에 나타난 예시적 구현의 신규성을 이해하기 힘들게 하는 것을 피하기 위하여 공지의 구조들 및 디바이스들이 블록도로 도시되었다.

본원의 "무선 전력" 이란 단어는 전기장, 자기장, 전자기장, 또는 물리적 전자기 컨덕터들의 사용 없이 송신기로부터 수신기로 송신되는 다른 방식과 관련된 에너지의 임의 형태를 의미하기 위해 사용된다.

본원에 설명된 본 발명의 예시적 구현들은 배터리에 의해 전력을 공급받는 디바이스의 잠재적 사용, 배터리에 의해 전력을 공급받는 디바이스의 실질적 사용, 또는 그들의 조합에 기초한 다른 배터리 충전 요구에 적용될 수 있는 장치들 및 방법들을 포함한다. 게다가, 몇몇 예시적 구현들은 이러한 디바이스들에 대한 무선 전력 전달을 포함한다.

본 발명의 예시적 구현들은 최적화를 위해 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 커플링의 변화에 적응할 수 있거나 그 외에 수신 안테나에 커플링된 수신기 디바이스로의 전력 전달을 조정할 수 있는 장치들 및 방법들을 포함한다. 게다가, 본 발명의 예시적 구현들은 수신 안테나가 송신 안테나로부터 감소된 전력의 양을 끌어오도록, 완전히 또는 부분적으로, 송신 안테나로부터 수신 안테나를 전자기적으로 차폐한다.

도 1 은 본원 발명의 다양한 예시적 구현에 따라, 무선 전송 또는 충전 시스템 (100) 을 도시한다. 입력 전력 (102) 은 에너지 전송 제공을 위한 방사장 (radiated field) (106) 을 발생시키기 위해 송신기 (104) 에 제공된다. 수신기 (108) 는 방사장 (106) 에 커플링되고, 출력 전력 (110) 에 커플링된 디바이스 (도시되지 아니함) 에 의한 저장 또는 소비를 위한 출력 전력 (110) 을 발생시킨다. 송신기 (104) 및 수신기 (108) 모두는 거리 (112) 만큼 분리되어 있다. 일 예시적 구현에서, 송신기 (104) 및 수신기 (108) 는 상호 공진 관계에 따라 구성되어 있고, 수신기 (108) 의 공진 주파수와 송신기 (104) 의 공진 주파수가 매우 근접할 때, 수신기 (108) 가 방사장 (106) 의 "근접장" 내에 위치할 때에 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 송신 손실들이 최소이다.

송신기 (104) 는 에너지 송신을 위한 수단을 제공하기 위한 송신 안테나 (114) 를 더 포함하고, 수신기 (108) 는 에너지 수신을 위한 수단을 제공하기 위한 수신 안테나 (118) 를 더 포함한다. 송신 및 수신 안테나들은 어플리케이션들 및 연관되는 디바이스들에 따라 크기가 책정되었다. 언급된 바와 같이, 원거리 장에 전자기 파장 내의 에너지의 대부분을 전파하는 것보다 수신 안테나에 송신 안테나의 근접장 내의 에너지의 큰 부분을 커플링 함으로써 효율적인 에너지 전송이 일어난다. 이 근접장 내일 때 송신 안테나 (114) 와 수신 안테나 (118) 사이의 커플링 모드가 발달될 수도 있다. 이 근접장 커플링이 일어날 수도 있는 안테나들 (114 및 118) 주변의 영역은 본원에서 커플링 모드 영역 (coupling-mode region) 이라 불린다.

도 2 는 무선 전력 전송 시스템의 간략화된 개략도를 도시한다. 송신기 (104) 는 발진기 (122), 전력 증폭기 (124), 및 필터와 매칭 (matching) 회로 (126) 를 포함한다. 발진기는 조정 신호 (123) 에 대응하여 조정될 수도 있는, 원하는 주파수를 발생시키도록 구성되었다. 발진기 신호는 제어 신호 (125) 에 대응하는 증폭량으로 전력 증폭기 (124) 에 의해 증폭될 수도 있다. 필터 및 매칭 회로 (126) 는 고조파들 또는 다른 원치않는 주파수들을 필터링하기 위하여 그리고 송신 안테나 (114) 에 송신기 (104) 의 임피던스를 매칭하기 위하여 포함될 수도 있다.

수신기 (108) 는 도 2 에 도시된 대로 배터리 (136) 를 충전하기 위해서 또는 수신기에 커플링된 디바이스 (도시되지 아니함) 에 전력을 공급하기 위해서 DC 전력 출력을 발생시키기 위한 매칭 회로 (132) 및 정류기와 스위칭 회로 (134) 를 포함할 수도 있다. 매칭 회로 (132) 는 수신 안테나 (118) 에 수신기 (108) 의 임피던스를 매칭하기 위하여 포함될 수도 있다. 수신기 (108) 및 송신기 (104) 는 별도의 커뮤니케이션 채널 (119) 상으로 통신할 수도 있다 (예를 들어, 블루투스, 지그비 (zigbee), 셀룰러, 등).

도 3 에 도시된 바와 같이, 예시적 구현에서 사용된 안테나들은, 본원에서 "자기" 안테나라고 불릴 수도 있는, "루프" 안테나 (150) 로써 구성될 수도 있다. 루프 안테나들은 에어 코어 (air core) 또는 페라이트 코어 (ferrite core) 와 같은 물리적 코어를 포함하도록 구성될 수도 있다. 에어 코어 루프 안테나들은 코어의 인근 내에 위치한 무관한 물리적 디바이스들에 더 견딜 수도 있다. 게다가, 에어 코어 루프 안테나는 코어 영역 내의 다른 컴포넌트들의 배치를 허용한다. 더구나, 에어 코어 루프는 송신 안테나 (도 2 의 114) 의 커플링된 모드 영역이 더 강력할 수도 있는 송신 안테나 (114) 의 평면 내에 수신 안테나 (도 2 의 118) 를 좀더 손쉽게 배치할 수 있도록 할 수도 있다.

언급된 바와 같이, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 사이의 에너지의 효율적 전송은 송신기 (104) 와 수신기 (108) 사이의 공진이 매칭되었거나 거의 매칭되었을 때 일어난다. 그러나, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 사이의 공진이 매칭되지 않았다 할지라도, 에너지는 더 낮은 효율로 전송될 수도 있다. 에너지의 전송은 에너지를 송신 안테나로부터 자유 공간으로 전파하는 것보다 송신 안테나의 근접장으로부터 이 근접장이 확립된 부분의 인근에 속해 있는 수신 안테나로의 에너지를 커플링함으로써 일어난다.

루프 또는 자기 안테나들의 공진 주파수는 인덕턴스 및 커패시턴스에 기초한다. 커패시턴스는 원하는 공진 주파수의 공진 구조를 생성하기 위하여 루프 안테나의 인덕턱스에 일반적으로 추가되는 반면에, 루프 안테나의 인덕턴스는 일반적으로 단순히 루프에 의해 생성된 인덕턴스이다. 제한하지 않는 예로써, 커패시터 (152) 및 커패시터 (154) 는 공진 신호 (156) 를 발생시키는 공진회로를 생성하기 위하여 안테나에 추가될 수도 있다. 따라서, 더 큰 지름의 루프 안테나들을 위하여는, 인덕턴스 또는 루프의 지름이 증가함에 따라 공진을 유발하기 위한 커패시턴스의 크기는 감소한다. 게다가, 루프 또는 자기 안테나의 지름이 증가함에 따라, 근접장의 효율적인 에너지 전송 영역이 증가한다. 물론, 다른 공진 회로들이 가능하다. 또 다른 제한하지 않는 예로써, 커패시터는 루프 안테나의 두 말단 사이에 배치될 수도 있다. 덧붙여, 통상의 기술자들은 송신 안테나들에 있어 공진 신호 (156) 가 루프 안테나 (150) 의 입력일 수도 있음을 인식할 수 있을 것이다.

본원의 예시적 구현들은 서로 근접장 내에 있는 두 개의 안테나들 사이의 전력 커플링을 포함한다. 언급된 바와 같이, 근접장은 전자기장이 존재하나 안테나로부터 벗어나 전파하거나 방사하지는 아니할 수도 있는 안테나 주변의 영역이다. 그것들은 안테나의 물리적 공간에 인접한 공간에 일반적으로 한정되어 있다. 본원의 예시적 구현들에서, 전기형 안테나들 (예를 들어, 작은 다이폴 (dipole)) 의 전기 근접장에 비하여 자기형 안테나들의 자기 근접장 진폭이 더 높은 경향이 있기 때문에 단일 및 다중 권취 루프 안테나들이 송신 (Tx) 및 수신 (Rx) 안테나 시스템들 모두에 사용되었다. 이것은 페어 (pair) 사이에 잠재적으로 더 높은 커플링을 허용한다. 게다가, "전기" 안테나들 (예를 들어, 다이폴들 및 모노폴들 (monopole)) 또는 자기 및 전기 안테나들의 조합 또한 고려할 수 있다.

Tx 안테나는 충분히 낮은 주파수에서 그리고 원거리장 및 앞서 언급된 유도성 접근들에 의해 허용되는 것보다 상당히 더 먼 거리에서 작은 Rx 안테나에 대한 좋은 커플링 (예를 들어, 40% 초과) 을 얻기에 충분한 안테나 크기로 동작될 수 있다. 만약 Tx 안테나가 정확하게 사이징되면, 구동되는 Tx 루프 안테나의 커플링 모드 영역 내에 (예를 들어, 근접 장 내) 호스트 디바이스 상의 Rx 안테나가 위치할 때 높은 커플링 레벨들 (예를 들어, 40% 내지 70%) 이 얻어질 수 있다.

도 4 는 본 개시물의 예시적 구현에 따른, 송신기 (200) (본원에서 무선 전력 송신기라고 불리기도 함) 의 간략화된 블록도이다. 송신기 (200) 는 송신 회로망 (202) 및 송신 안테나 (204) 를 포함한다. 일반적으로, 송신 회로망 (202) 은 송신 안테나 (204) 주위에 근접장 에너지의 발생을 초래하는 발진 신호를 제공하여 RF 전력을 송신 안테나 (204) 에 제공한다. 예로써, 송신기 (200) 는 13.56 MHz ISM 밴드에서 동작할 수도 있다.

예시적 송신 회로망 (202) 은 수신기들 (도 1 의 108) 에 커플링된 디바이스들의 자가 재밍 (self-jamming) 을 막기 위한 수준으로 고조파 방출을 감소시키도록 구성된 송신 안테나 (204) 및 저역 통과 필터 (LPF) (208) 에 송신 회로망 (202) 의 임피던스를 매칭시키기 위하여 (예를 들어, 50 Ω) 임피던스 매칭 회로 (206) 를 포함한다. 다른 예시적 구현들은, 안테나로의 출력 전력 또는 전력 증폭기에 의한 DC 전류와 같은, 측정가능한 송신 메트릭들에 기초하여 변화될 수 있는, 적응형 임피던스 매칭을 포함할 수도 있고 그리고 다른 주파수는 통과시키나 특정 주파수들을 감쇄시키는 노치 (notch) 필터, 이를 포함하나 이에 제한되지는 않는, 다른 필터 토폴로지 (topology) 들을 포함할 수 있다. 송신 회로망 (202) 은 발진기 (212) 에 의해 결정되는 대로 RF 신호를 구동하도록 구성된 전력 증폭기 (210) 를 더 포함한다. 송신 회로망은 별개의 디바이스들 또는 회로들로 구성될 수도 있으며, 또는 대체적으로, 집적된 어셈블리로 구성될 수도 있다. 송신 안테나 (204) 로부터의 예시적 RF 전력 출력은 대략 2.5 에서 8.0 와트일 수도 있다.

송신 회로망 (202) 은 특정 수신기들을 위한 송신 페이즈 (phase) (또는 듀티 사이클) 동안 발진기 (212) 를 인에이블하기 위해, 발진기의 주파수를 조정하기 위해, 그리고 인접 디바이스들에 부착된 수신기들을 통해 인접 디바이스들과 교류하기 위한 커뮤니케이션 프로토콜을 실행하기 위한 출력 전력 레벨을 조정하기 위하여 제어기 (214) 를 더 포함한다.

송신 회로망 (202) 은 송신 안테나 (204) 에 의해 생성되는 근접장에 인접한 활성 수신기들의 존재 또는 부재를 검출하기 위한 부하 감지 회로 (216) 를 더 포함할 수도 있다. 예시로써, 부하 감지 회로 (216) 는, 송신 안테나 (204) 에 의해 생성된 근접장의 인근 내의 활성 수신기들의 존재 또는 부재에 영향을 받는, 저항 (R_sense) 양단에 걸친 전압강하를 생성하여, 전력 증폭기 (210) 에 흘러들어가는 전류를 감시한다. 전력 증폭기 (210) 상의 부하의 변화의 검출은 비교기 출력 (235) 에서 생성되고, 에너지를 송신하기 위해 발진기 (212) 로 하여금 활성 수신기와 통신하도록 할지 여부를 결정하는 용도의 제어기 (214) 에 의해 감시된다. 다시 말해서, 비교기 출력 (235) 은, 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 비교기 출력 (235) 의 변동에 기초하여 수신 안테나들로부터 통신을 검출하는 것뿐만 아니라 송신 안테나의 근접장 내의 수신 안테나들의 존재 또는 부재를 표시할 수 있다.

송신 안테나 (204) 는 저항성 손실들을 낮게 유지하게 위해 선택된 두께, 폭, 및 금속 타입인 안테나 스트립으로 구현될 수도 있다. 일반적인 구현에서, 송신 안테나 (204) 는 테이블, 매트 (mat), 램프 또는 다른 덜 휴대용 구성과 같은 더 큰 구조와 연계하도록 일반적으로 구성될 수 있다. 따라서, 송신 안테나 (204) 는 실용적 크기가 되기 위하여 일반적으로 "권취 (turn)" 를 필요로 하지 않을 것이다. 송신 안테나 (204) 의 예시적 구현은 "전기적으로 작고" (즉, 파장의 일부) 공진 주파수를 정의하기 위한 커패시터들을 사용하여 더 낮은 사용 가능한 주파수들에서 공진하도록 튜닝될 수도 있다. 송신 안테나 (204) 가 수신 안테나에 대해 지름, 또는 사각형 루프인 경우 변의 길이가, (예를 들어, 0.50 미터) 상대적으로 더 클 수도 있는 예시적 애플리케이션에서, 송신 안테나 (204) 는 적당한 커패시턴스를 얻기 위하여 큰 권취수를 필연적으로 필요로 하지는 않을 것이다.

송신기 (200) 는 송신기 (200) 와 연관될 수도 있는 수신 디바이스들의 소재 및 상태에 대한 정보를 모으고 추적할 수도 있다. 따라서, 송신 회로망 (202) 은, 제어기 (214) (본원에서 프로세서로 불리기도 한다) 에 연결된, 존재 검출기 (280), 폐쇄형 검출기 (290), 또는 그들의 조합을 포함할 수도 있다. 제어기 (214) 는 존재 검출기 (280) 및 폐쇄형 검출기 (290) 로부터의 존재 신호에 대응하여 증폭기 (210) 에 의해 전달되는 전력의 양을 조정할 수도 있다. 송신기는, 예를 들어, 빌딩 내에 존재하는 상용 AC 전력을 변환하기 위한 AC-DC 컨버터 (도시되지 아니함), 상용 DC 전력 공급원을 송신기 (200) 를 위해 적합한 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 (도시되지 아니함), 또는 상용 DC 전력 공급원 (도시되지 아니함) 으로부터 바로, 와 같이, 많은 수의 전력 공급원들을 통하여 전력을 수신할 수도 있다.

제한하지 않는 예로써, 존재 검출기 (280) 는 송신기의 커버리지 영역 내에 삽입된 충전될 디바이스의 최초 존재를 감지하기 위해 활용되는 움직임 검출기일 수도 있다. 검출 후에, 송신기는 켜질 수도 있으며 디바이스에 의해 수신되는 RF 전력은 미리 결정된 순서에 따라 수신 디바이스 상의 스위치를 토글링 (toggle) 할 수도 있고, 결과적으로 송신기의 구동점 임피던스에 대한 변화를 초래한다.

또 다른 제한하지 않는 예로써, 존재 검출기 (280) 는, 예를 들어, 적외선 검출, 움직임 검출, 또는 다른 적합한 수단들에 의한 인간 검출이 가능한 검출기일 수도 있다. 몇몇 예시적인 구현들에서, 특정 주파수에서 송신 안테나가 송신할 수도 있는 전력의 양을 제한하는 규제들이 있을 수도 있다. 몇몇 경우에는, 이러한 규제들은 전자기방사로부터 사람을 보호하기 위한 것이다. 그러나, 예를 들어, 창고들, 작업 현장들, 상점들 및 그와 유사한 것들과 같이, 사람에 의해 사용되지 않거나 또는 사람에 의해 드물게 사용되는 영역에 송신 안테나들이 위치한 환경이 있을 수도 있다. 이러한 환경들에 사람들이 없다면, 송신 안테나들의 전력 출력을 보통 전력 제한 규제들의 이상으로 증가시키는 것이 허용될 수도 있다. 다시 말해서, 제어기 (214) 는 송신 안테나 (204) 의 전력 출력을 사람의 존재에 대응하여 규제 레벨이나 그 이하로 조정할 수도 있고 사람이 송신 안테나 (204) 의 전자기장으로부터 규제 거리 바깥 쪽에 있을 때 송신 안테나 (204) 의 전력 출력을 규제 레벨 이상으로 조정할 수도 있다.

제한하지 않는 예로써, 폐쇄형 검출기 (290) (본원에서 폐쇄형 객실 검출기 또는 폐쇄형 공간 검출기라 불릴 수도 있다) 는 인클로저 (enclosure) 가 언제 닫히거나 열린 상태에 있는지를 결정하기 위한 감지 스위치와 같은 디바이스일 수도 있다. 송신기가 닫힌 상태에 있는 인클로저 내에 있을 때, 송신기의 전력 레벨은 증가될 수도 있다.

예시적 구현들에서, 송신기 (200) 가 무기한 켜져 있지 않게 하는 방법이 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 송신기 (200) 는 사용자가 결정한 만큼의 시간 후에 꺼지도록 프로그램될 수도 있다. 이 기능은 송신기 (200) 를, 특히 전력 증폭기 (210) 를, 그 주변의 무선 디바이스들이 완전히 충전되고 나서 오래도록 동작되는 것을 막을 수 있다. 이 이벤트는 리피터 (repeater) 또는 수신 코일 모두로부터 보내진 디바이스가 완전히 충전되었다는 신호를 검출하기 위한 회로의 고장에 의한 것일 수도 있다. 그 주변에 다른 디바이스가 위치한다면 송신기 (200) 가 자동적으로 꺼지는 것을 방지하기 위해, 송신기 (200) 자동 꺼짐 기능은 그 주변 내에서 감지된 움직임 부족의 설정된 기간 이후에만 활성화될 수도 있다. 사용자는 비활성 시간 인터벌 (interval) 을 결정할 수도 있고, 원하는 대로 그것을 바꿀 수도 있다. 제한하지 않는 예로써, 시간 인터벌은 디바이스가 최초에 완전 방전되었다는 가정 하에 무선 디바이스의 특정 타입을 완전히 충전하는데 필요한 시간보다 더 길 수도 있다.

송신 회로망 (202) 은, 제한하지 않는 예들로써, 제어기 (214) 를 위한 소프트웨어, 송신기 (200) 에 대한 정보, 송신 동작에 대한 정보, 및 송신기 (200) 의 인접에 위치하거나 송신기 (200) 와 통신하는 수신기들에 대한 정보 또는 그들의 조합들을 저장하기 위한 메모리 (270) 를 포함할 수도 있다.

도 5 는, 본원의 예시적 구현에 따른, 수신기 (300) 의 간략화된 블록도이다. 수신기 (300) 는 수신 회로망 (302) 및 수신 안테나 (304) 를 포함한다. 수신기 (300) 는 디바이스 (350) 에 수신된 전력을 제공하기 위한 충전 신호 (340) 로 디바이스 (350) 에 더 커플링되어 있다. 수신기 (300) 는 디바이스 (350) 의 외부에 있는 것으로 도시되고 있지만 디바이스 (350) 내에 집적될 수도 있음을 알아야 한다. 일반적으로, 에너지는 수신 안테나 (304) 에 무선으로 전파되고 수신 회로망 (302) 을 통하여 디바이스 (350) 에 커플링 된다.

수신 안테나 (304) 는 송신 안테나 (도 4 의 204) 와 동일한 주파수, 또는 거의 동일한 주파수에서 공진하도록 튜닝되어 있다. 수신 안테나 (304) 는 송신 안테나 (204) 와 유사한 크기가 될 수도 있고 또는 관련된 디바이스 (350) 의 크기에 기초하여 다른 크기가 될 수도 있다. 예로써, 디바이스 (350) 는 송신 안테나 (204) 의 직경 길이보다 작은 직경 또는 길이 크기를 가지는 배터리 전력 공급 디바이스일 수도 있다. 그러한 예에서, 수신 안테나 (304) 는 튜닝 커패시터 (도시되지 아니함) 의 커패시턴스 값을 줄이고 수신 안테나의 임피던스를 증가하기 위해서 다중 권취 안테나로써 구현될 수도 있다. 예로써, 수신 안테나 (304) 는 안테나 직경을 최대화하고 수신 안테나의 루프 권취 (예를 들어, 권선) 의 수 및 권선간 커패시턴스 (inter-winding capacitance) 를 줄이기 위하여 디바이스 (350) 의 실질적인 둘레에 배치될 수도 있다.

수신 회로망 (302) 은 수신 안테나 (304) 에 임피던스 매칭을 제공한다. 수신 회로망 (302) 은 수신된 RF 에너지원을 디바이스 (350) 에 의한 사용을 위한 충전 신호 (340) 상의 충전 전력으로 변환하기 위한 전력 변환 회로망 (306) 을 포함한다. 전력 변환 회로망 (306) 은 RF-DC 컨버터 (308) 를 포함하고 DC-DC 컨버터 (310) 또한 포함할 수도 있다. RF-DC 컨버터 (308) 는 수신 안테나 (304) 에서 수신된 RF 에너지 신호를 비교류 전력으로 정류하고, DC-DC 컨버터 (310) 는 정류된 RF 에너지 신호를 디바이스 (350) 에 호환되는 에너지 포텐셜 (예를 들어, 전압) 로 변환한다. 선형 및 스위칭 컨버터들뿐만 아니라, 부분 및 전파 (full) 정류기들, 레귤레이터 (regulator) 들, 브리지 (bridge) 들, 더블러들 (doubler) 을 포함하여, 다양한 RF-DC 컨버터들이 고려될 수 있다.

수신 회로망 (302) 은 수신 안테나 (304) 를 전력 변환 회로망 (306) 에 연결하기 위한 또는 그 대신에 전력 변환 회로망 (306) 을 연결해제시키기 위한 스위치 회로망 (312) 을 더 포함할 수도 있다. 수신 안테나 (304) 를 전력 변환 회로망 (306) 으로부터 연결해제시키는 것은 디바이스 (350) 의 충전을 중단시킬 뿐만 아니라, 송신기 (도 2 의 200) 에 의해 "바라본" "부하" 또한 변화시킨다.

상기에 개시된 바와 같이, 송신기 (200) 는 송신기 전력 증폭기 (210) 에 제공되는 바이어스 전류의 변동을 검출하는 감지 회로 (216) 를 포함한다. 따라서, 송신기 (200) 는 송신기의 근접장 내에 수신기들이 존재하는 때를 결정할 메커니즘을 가지고 있다.

복수의 수신기들 (300) 이 송신기의 근접장 내에 존재할 때에, 다른 수신기들이 송신기에 더욱 효과적으로 커플링하기 위해 하나 이상의 수신기들의 로딩 및 언로딩 (unloading) 을 시간 다중화 (time-multiplexing) 하는 것이 바람직할 수도 있다. 수신기는 또한 주변의 다른 수신기들로의 커플링을 제거하기 위해서 또는 주변의 송신기들의 로딩을 줄이기 위하여 클로킹될 수도 있다. 수신기의 "언로딩" 은 본원에서 "클로킹" 으로도 알려져 있다. 게다가, 송신기 (200) 에 의해 검출되고 수신기 (300) 에 의해 제어되는 이 로딩과 언로딩 사이의 스위칭은 이하에 더욱 자세히 설명되는 바와 같이 수신기 (300) 로부터 송신기 (200) 로의 통신 메커니즘을 제공한다. 더하여, 프로토콜은 수신기 (300) 로부터 송신기 (200) 로 메시지의 전달을 가능하게 하는 스위칭과 연관될 수 있다. 예로써, 스위칭 속도는 대략 1000 ㎲ 일 수도 있다.

예시적 구현에서, 근접장을 사용하는 송신기와 수신기 사이의 통신은, 종래의 양방향 (two-way) 통신 보다는, 디바이스 감지 및 충전 제어 메커니즘과 관련되어 있다. 다시 말해서, 송신기는 근접장 내에 에너지가 사용가능한지를 조정하기 위해 송신된 신호의 on/off 키잉 (keying) 을 사용한다. 수신기들은 이러한 에너지의 변화들을 송신기로부터의 메시지로 해석한다. 수신기 측에서, 수신기는 근접장으로부터 얼마나 많은 전력이 수용되고 있는지를 조정하기 위해 수신 안테나의 튜닝 및 디튜닝을 사용한다. 송신기는 근접장으로부터 사용되는 이 전력의 차이를 검출할 수 있고 이러한 변화들을 수신기로부터의 메시지로 해석한다.

수신 회로망 (302) 은, 송신기로부터 수신기로의 정보 시그널링에 부합할 수도 있는, 수신된 에너지 변동을 확인하기 위해 사용되는 시그널링 검출기 및 비콘 (beacon) 회로망 (314) 을 더 포함할 수도 있다. 게다가, 시그널링 및 비콘 회로망 (314) 은 감소된 RF 신호 에너지 (예를 들어, 비콘 신호) 의 송신을 검출하기 위하여도 사용될 수도 있고, 무선 충전하기 위한 수신 회로망 (302) 을 구성하기 위해 감소된 RF 신호 에너지를 수신 회로망 (302) 내의 전력부족의 또는 전력 비공급 회로들을 깨우기 위한 공칭 전력으로 정류하기 위해 사용될 수도 있다.

수신 회로망 (302) 은 본원에서 설명된 스위치 회로망 (312) 의 제어를 포함하는 본원에서 설명된 수신기 (300) 의 프로세스들을 조정하기 위한 프로세서 (316) 를 더 포함한다. 수신기 (300) 의 클로킹은 디바이스 (350) 에 충전 전력을 공급하는 외부 유선 충전원 (charging source) (예를 들어, 벽면 콘센트/USB) 의 검출을 포함해 다른 이벤트들의 발생에 기초하여 일어날 수도 있다. 프로세서 (316) 는, 수신기의 클로킹을 제어하는 것에 더하여, 비콘 상태를 결정하고 송신기로부터 보내진 메시지들을 추출하기 위하여 비콘 회로망 (314) 또한 감시할 수도 있다. 프로세서 (316) 는 개선된 성능을 위해 DC-DC 컨버터 (310) 또한 조정할 수도 있다. 프로세서 (316) 는, 이하에 더욱 자세히 설명되는 바와 같이, 디바이스 (350) 의 충전 프로파일들을 결정할 수도 있고, 디바이스 충전 히스토리를 추적할 수도 있다.

몇몇 예시적 구현에서, 수신 회로망 (320) 은 이하에 더욱 자세히 설명되는 바와 같이, 예를 들어, 원하는 충전 시작 시간, 원하는 충전 기간, 원하는 충전 종료 시간, 원하는 전력 레벨, 최대 전력 레벨, 원하는 전류 레벨, 최대 전류 레벨, 원하는 전압 레벨, 및 최대 전압 레벨의 형태로 송신기에 전력 요구를 신호로 보낼 수도 있다. 이러한 레벨들, 및 송신기로부터 수신된 실제적 전력의 양에 기초하여, 프로세서 (316) 는 전류 레벨 조정, 전압 레벨 조정, 또는 그들의 조합의 형태로 DC-DC 컨버터 (310) 의 출력을 규제하기 위해 DC-DC 컨버터 (310) 의 동작을 조정할 수도 있다.

수신 회로망 (302) 은, 제한하지 않는 예로써, 프로세서 (316) 를 위한 소프트웨어, 수신기 (300) 에 대한 정보, 및 무선 전력 수신 동작들에 대한 정보를 저장하기 위한 메모리 (370) 를 포함할 수도 있다.

송신기와 수신기 사이의 특히 효율적 통신 방법은 다른 디바이스에 의해 감지될 수 있는 인밴드 (in-band) 송신기 및 수신기 부하 변조 (load modulation) 에 의한 것이다. 인밴드에 의하는 것은, 정보가 완전히 무선 충전을 위해 할당된 주파수 채널 내에서만 교환된다는 것을 의미한다. 그 말은, 다른 주파수에서 동작하고 자유 공간으로 데이터를 방사하는, 외부 라디오 링크를 일반적으로 필요로 하지 않는다는 것이다. 외부 라디오 링크의 추가는 무선 충전 시스템의 크기, 가격, 및 복잡성에 영향을 줄 것이며, 오버 디 에어 (over the air) 라디오 송신 및 간섭 문제 또한 이끌어낼 것이다. 인밴드 시그널링이 이러한 문제들을 방지한다. 그러나 인밴드 부하 변조 구현에 있어서, 부하 임피던스의 변화를 효과적으로 그리고 올바르게 검출하는 문제가 있다. 이것은 특히 수신기로부로터 송신기 디바이스로의 시글널링 (역방향 링크 시그널링) 에 있어 사실이다. 보내진 데이터가 올바르게 수신되는 것을 보장하기 위하여, 신호 검출의 강건한 방법이 필요된다.

순방향으로의 시그널링 (예를 들어, 송신기에서 수신기로) 은 각각의 디바이스가 송신기로부터 큰 신호를 받고 있기 때문에 손쉬운 일이다. 역방향으로의 시그널링 (예를 들어, 수신기에서 송신기로) 이 문제가 될 수 있다. 수신기 임피던스의 변조와 같은, 몇몇 방법들은 전압 정재파비 (VSWR) 또는 송신기에 의해 보이는 역 손실을 바꾸기 위해 사용될 수 있으나, 송신기 전력, 전압, 또는 전류의 변화를 검출하는 것은 어려울 수 있는데, 이는 디바이스들, 방향들, 및 수신기 설계들의 주어진 구성이 그 파라미터들을 어떻게 할 것인지 종종 예측하기 어렵기 때문이다. 예를 들어, 디바이스가 임피던스에 변화를 유발하여 시그널링 동안 전력을 증가시키도록 하는 시스템은 만약 디바이스가 코일의 가장자리에 매우 근접하거나 디바이스가 다른 디바이스에 너무 가까이 위치한다면 감소로 변화시킬 수도 있다. 이러한 변화들은, 불가능하지 않다면, 역 신호의 디코딩을 어렵게 만든다.

도 6a 및 도 6b 는 역방향 링크 시그널링, 클로킹, 또는 이들의 조합을 제공하기 위한 수신 회로망의 부분의 간략화된 개략도들을 도시한다. 이 역방향 링크 시그널링 회로들은 수신 안테나를 튜닝 및 디튜닝하여 클로킹 및 시그널링을 제공하기 위한 가능한 회로들의 예시로써 도시되었다. 수신 안테나 튜닝에 의해 송신기로의 역방향 링크 시그널링을 제공하기 위한 다른 많은 회로들이 가능하고 본원 발명의 범위 내에서 고려된다.

도 6a 의 회로는 수신 안테나 (304), 공진 회로 (330A) 및 수신 안테나 (304) 와 공진 회로 (330A) 사이에 커플링된 디튜닝 스위치 (S1A) 를 포함한다. 공진 회로 (330A) 는 인덕터 (L1A) 및 커패시터 (C1A) 를 포함하고, 디튜닝 스위치 (S1A) 가 닫히고 수신 안테나 (304) 가 특정 주파수에서 또는 그 주위에서 전자기 방사 (106) 에 의해 여기되었을 때에 특정 주파수에서 공진하도록 구성되었다.

다이오드 (D1) 및 커패시터 (C2) 는 충전, 전력공급 또는 그들의 조합을 위한 전력을 수신기 디바이스 (도시되지 아니함) 에 제공하기 위한 실질적으로 일정한 DC 출력 신호 (309) 를 제공하기 위해 정류기로써 동작한다. 수신기는 디튜닝하기 위해 (예를 들어, 클로킹하기 위해) 디튜닝 스위치 (S1A) 를 열거나 수신 안테나를 튜닝하기 위해 (예를 들어, 언클로킹 (uncloaking) 하기 위해) 디튜닝 스위치 (S1A) 를 닫음으로써 송신기에 역방향 시그널링을 제공할 수 있다.

도 6b 의 회로는 수신 안테나 (304), 공진 회로 (330A) 및 디튜닝 스위치 (S1B) 를 포함한다. 공진 회로 (330B) 는 인덕터 (L1B) 및 커패시터 (C1B) 를 포함하고, 디튜닝 스위치 (S1B) 가 개방되고 수신 안테나 (304) 가 특정주파수 또는 그 주위에서의 전자기장 방사에 의해 여기되었을 때 특정 주파수에서 공진하도록 구성되었다. 디튜닝 스위치 (S1B) 는 인덕터 (L1B) 및 커패시터 (C1B) 사이에 커플링되고, 접지에 커플링되어서 디튜닝 스위치 (S1B) 가 닫혔을 때 공진회로가 단락되도록 하거나 디튜닝 스위치 (S1B) 가 개방되었을 때 공진회로가 공진하도록 구성된다.

다이오드 (D1) 및 커패시터 (C2) 는 충전, 전력공급 또는 그들의 조합을 위한 전력을 수신기 디바이스 (도시되지 아니함) 에 제공하기 위한 실질적으로 일정한 DC 출력 신호 (309) 를 제공하기 위해 정류기로써 동작한다. 수신기는 수신 안테나를 디튜닝 하기 위해 (예를 들어, 클로킹) 디튜닝 스위치 (S1B) 를 닫거나 또는 수신 안테나를 튜닝하기 위해 (예를 들어, 언클로킹) 디튜닝 스위치 (S1B) 를 열어서 송신기에 역방향 시그널링 및 클로킹을 제공할 수 있다. 제한하지 않는 예로써, 스위치들 (S1A 및 S1B) 은 금속 산화물 반도체 (MOS) 트랜지스터들로 구현될 수도 있다.

클로킹 신호들, 비콘 신호들, 및 이러한 신호들을 발생시키기 위한 회로들의 몇몇 다른 예시적 구현의 세부사항은 2008년 10월 10일에 출원된, "수신 안테나 임피던스 변조를 통한 역방향 링크 시그널링" 이란 제목의, 미국 실용 특허 출원 12/249,873; 2008년 10월 10일자로 출원된, "무선 충전 시스템에 대한 송신 전력 제어" 란 제목의, 미국 실용 특허 출원 12/249,861; 및 2008년 10월 10일에 출원된, "무선전력 환경에서의 시그널링 충전" 이란 제목의, 미국 실용 특허 출원 12/249,866; 을 참조할 수 있으며, 이들 모두는 본원에서 전부가 참고문헌으로 포함되어 있다.

수용가능한 효율성 범위로, 무선으로 전력을 전달하기 위하여, 높은 Q 공진 회로들 및 신중한 임피던스 매칭이 필요할 수도 있다. 높은 Q 컴포넌트들 및 회로들은, 임피던스 매칭이 임피던스 미스매칭 (mismatching) 시에 반사된 전력을 최소화하면서, 일반적으로 저항성 기생 엘리먼트에서의 전력 소비를 최소화하기 위해 필요된다.

도 7 은 송신 안테나를 갖춘 무선 전력 송신기 (710) 및 수신 안테나를 갖춘 무선 전력 수신기 (720) 의 간략화된 회로도이다. 도 7 에서, 송신기 (710) 는 송신 회로망 (도 4 의 202) 과 유사한 송신 회로망 (712) 을 포함할 수도 있다. 인덕터 (L1) 는 송신 안테나를 표현하고 인덕터 (L2) 는 수신 안테나를 표현한다. 매칭 및 공진 회로 (730) 는, 예를 들어, 커패시터들 (C1, C2, C3 및 C4) 및 저항 (R1) 과 같은, 수신 안테나 (L2) 의 임피던스에 매칭하고 공진 회로를 생성하여 무선 전력 수신기 (720) 가 높은 Q 로 공진하고 송신 안테나 (L1) 에 의해 전송된 주파수로 RF 신호 (735) 를 발생시키도록 하기 위한, 수동 디바이스들을 포함할 수도 있다. 정류기 (740) 는, 예를 들어, 매칭 및 공진 회로 (730) 로부터의 RF 신호 (735) 를 배터리, 수신기 디바이스의 다른 회로망, 또는 그들의 조합에 사용되기에 적합한 DC 신호 (745) 로 정류하기 위한 다이오드들 (D1 및 D2) 및 커패시터 (C5) 와 같은, 디바이스들을 포함할 수도 있다. 저항 (RL) 은, 예를 들어, 배터리 및 다른 회로망과 같은, 엘리먼트들로부터의 DC 신호 (745) 상의 부하를 표현한다.

이상적으로, 무선 전력 수신기 (720) 는 무선 전력 송신기 (710) 의 주파수에 가깝게 튜닝되어야 한다. 근접 튜닝은 일반적으로 송신 주파수에서 공진하기 위한 탱크 (tank) 컴포넌트들을 선택하여 얻어질 수 있다. 이상적으로, 공진 주파수에서, 무선 전력 수신기 (720) 의 프론트-엔드 (front-end) 임피던스는 0이고, 수신 및 송신 안테나 사이의 커플링이 매우 높지 않다 하더라도 안테나 내의 전압 및 전류는 매우 높은 값들에 도달할 수도 있다.

그러나, 몇몇 환경들에서, 송신 신호로부터 무선 전력 수신기 (720) 를 디튜닝할 필요가 생길 수도 있다. 예를 들어, 시스템에 따라서, 동시에 하나 보다 많은 수신기가 동작하고 있을 수도 있으며, 하나의 특정 수신기에의 전력을 최대화하기 위하여는, 상기에 설명된 바와 같이, 다른 수신기들을 디튜닝 또는 "클로킹" 하여야만 할 수도 있다. 하나의 수신기가 클로킹된 때에 수신기는 송신기로부터 실질적으로 차폐되며, 클로킹된 수신기의 효과로 인해 송신기 안테나에 반사된 임피던스가 매우 높게 된다.

수신기를 디튜닝하는 효과적인 방법 중 하나는 송신된 주파수로부터 공진 주파수를 멀리 이동시키는 것이다. 관련된 회로들이 높은 Q 특성들을 가지고 있기 때문에, 그들의 대역폭은 꽤 좁고 주파수의 단순한 변이는 송신된 전력을 빠르게 떨어지게끔 한다. 주파수 이동은 LC 공진 회로에 다른 값들의 커패시턴스 및 인덕턴스를 적용시키는 것과 동일하나, 이것은 최소 비용 및 단순 회로들로 획득하기 어렵다.

수신기를 클로킹하기 위한 또 다른 방법은 MOS 트랜지스터를 완전히 켜서 (도 6b 의 스위치 (S1B) 처럼) 트랜지스터의 낮은 "온 (on)" 저항이 효과적으로 공진 회로 커패시턴스의 부분을 단락시켜, 그 공진 주파수를 변이시키는 것이다. 일단 주파수가 송신 신호로부터 멀리 이동되면, 스위치에서 소모되는 전력은 극히 낮을 것이다.

몇몇 경우들에서, 무선 전력 수신기들 (720) 은, 송신기가 다중의 디바이스들에 전력을 전송할 때에 세류 충전 (trickle charge) 만을 배터리에 제공하는 것과 같이, 송신기로부터 오는 모든 전력의 오로지 일부만을 흡수할 필요가 있을 수도 있다. 종래에, 제너 (Zener) 다이오드는 저 전력 디바이스들을 위해 수신된 전력 레벨을 고정하기 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 그러한 조절되지 않는 고정 기술은 단순히 수신기에 비효율성 및 비선형성을 야기할 뿐이다. 따라서, 수신기 디바이스에 계속하여 전력의 작은 양을 제공하면서, 송신기로부터 디바이스를 실질적으로 클로킹하기 위해 선형 디튜닝을 제공하는 것이 유용할 수도 있다. 본원의 예시적 구현들은 무선 전력 수신기 (720) 의 실질적 선형 디튜닝을 대상으로 한다.

도 8 은 본원 발명의 하나 이상의 예시적 구현들에 따른 무선 전력 수신기 (820) 및 디튜닝 회로 (860) 의 간략화된 도면이다. 도면 내의 복잡도를 줄이기 위해, 수신 안테나 (L2) 를 구동하기 위한 무선 전력 송신기는 도시되지 않았다. 도 8 에서, 매칭 회로는, 예를 들어, 수신 안테나 (L2) 의 임피던스를 매칭하기 위한 C1 및 R1 과 같은, 수동 컴포넌트를 포함할 수도 있고, 공진 회로 (830) 는, 예를 들어, 수신기가 높은 Q 로 공진하고 수신 안테나 (L2) 에 의해 수신된 주파수에서의 RF 신호 (835) 를 생성하도록 공진 회로를 생성하기 위해 커패시터들 (C2, C3, 및 C4) 과 같은, 수동 디바이스들을 포함할 수도 있다. 정류기 (840) 는 매칭 및 공진 회로 (830) 로부터의 RF 신호 (835) 를 배터리, 수신기 디바이스의 다른 회로망, 또는 그들의 조합에 의해 사용되기에 적합한 DC 신호 (845) 로 정류하기 위한, 다이오드들 (D1 및 D2) 및 커패시터 (C5) 와 같은, 디바이스들을 포함할 수도 있다. 저항 (RL) 은, 예를 들어, 배터리 및 다른 회로와 같은, 엘리먼트들로부터의 DC 신호 (745) 상의 부하를 표현한다.

아날로그 비교기 (850) 는 DC 신호 (845) 에 커플링된 제 1 입력 및 전압 기준 신호 (Vref) 에 커플링된 제 2 입력을 포함한다. 아날로그 비교기의 출력은 디튜닝 회로 (860) 에 피드백 (feed back) 을 하는 제어 신호 (855) 이다. 디튜닝 회로 (860) 는, 수신 안테나 (L2) 의 공진 주파수에서 감소된 Q 를 가지거나, 일차 공진 주파수와 다른 주파수에서 공진을 갖거나, 또는 그들의 조합을 갖는 변경된 RF 신호 (835) 를 생성하기 위해 안테나 및 공진 회로 (830) 와 병렬로 동작한다. 디튜닝 회로 (860) 는 RF 신호 (835) 와 접지 사이에 가변 임피던스를 포함한다. 가변 임피던스는 제어 신호 (855) 에 대응하여 변한다.

도 8 의 피드백은 음성 피드백 루프에 의해 전압, 전류, 또는 다른 파라미터를 제어할 수 있는 회로를 생성한다. 설명의 간략화를 위해, 본원의 제한하지 않는 예들은 주로 전압 제어 피드백을 대상으로 한다. 그러나, 전류 제어 및 전력 제어와 연관된 피드백 또한 사용될 수도 있다. 피드백 루프는 디튜닝 회로 (860) 를 선형적으로 제어하여 무선 전력 수신기 (820) 가 수신 안테나 (L2) 로부터 도출될 수 있는 최적의 전력으로부터 부분적으로 디튜닝 되도록 한다.

도 9 는 하나 이상의 본원 발명의 예시적 구현들에 따라 무선 전력 수신기 (820) 및 NMOS 트랜지스터 (N1) 를 가변 임피던스 디바이스로서 포함하는 디튜닝 회로 (860) 의 간략화된 도면이다. 트랜지스터 (N1) 는 선형 영역에서 동작하여 NMOS 트랜지스터 (N1) 의 소스와 드레인 사이의 전류가 제어 신호 (855) 상의 전압에 실질적으로 비례하도록 한다. 무선 전력 수신기 (820) 내의 다른 디바이스들은 도 8 을 참고한 설명과 같고 다시 설명될 필요가 없다.

NMOS 디바이스 (N1) 를 통한 가변 저항은 DC 신호 상에 실질적으로 수신되는 전력의 양을 변화시키기 위하여 무선 전력 수신기 (820) 의 공진 특성들을 변경한다. NMOS 트랜지스터는 하나의 예시적 구현으로 사용되었지만, 예를 들어, PMOS 디바이스, 바이폴라 트랜지스터들, 및 바이폴라 접합 전계 효과 트랜지스터들과 같은 다른 디바이스들이 사용될 수도 있다.

도 10 은 도 9 의 예시적 구현에 따른 출력 전압 및 피드백 전압의 그래프이다. 피드 백 동작을 설명하기 위하여 도 9 및 도 10 모두를 참조한다. 도 10 에서, 시작시 트랜지스터 (N1) 에 대한 게이트 전압 (1010) 은 낮고 트랜지스터 (N1) 은 소스와 드레인 사이에 매우 높은 임피던스를 가지고 있어, 탱크 회로로부터 트랜지스터의 효과를 실질적으로 제거하고, 탱크 회로 및 수신 안테나의 주파수에서 높은 공진을 생성한다.

공진과 함께, 정류기 (840) 는 DC 신호 (845) 상에 증가하는 출력 전압 (1020) 을 생성하기 시작하고, 이는 공진이 증가함에 따라 증가한다. 출력 전압 (1020) 이 기준 전압 (852) 가까이 증가함에 따라, 아날로그 비교기 (850) 는 게이트 전압 (1010) (예를 들어, 제어 신호 (855) 상의 전압) 을 증가시킨다. 더 높은 게이트 전압 (1010) 이 트랜지스터 (N1) 를 켜고, 그 임피던스를 감소키며, 무선 전력 수신기 (820) 의 공진을 부분적으로 디튜닝하기 시작한다.

무선 전력 수신기 (820) 에 있어서, 감소된 Q, 또는 주파수의 변이로, 출력 전압 (1020) 은 감소할 것이다. 출력 전압 (1020) 이 기준 전압 (852) 에 비례하거나, 그를 따라가는 정상상태에 다다르게 된다. 따라서, DC 신호 (845) 상의 전력 소모가 변화하거나, 또는 송신 안테나로부터의 전력 전달이 변화하면, 피드백 루프는 일정 전압을 유지하기 위하여 무선 전력 수신기 (820) 의 공진 특성을 변경한다.

제한하지 않는 예로써, 저항 (RL) 을 흐르는 전류가 100 mA 에서 300 mA 로 증가한다고 가정하자. 출력 전압 (1020) 은 이 증가된 전류로 인해 떨어지는 경향이 있을 것이다. 결과적으로, 아날로그 비교기 (850) 및 디튜닝 회로 (860) 를 통한 피드백은 트랜지스터 (N1) 를 통한 전류를 감소시킬 것이며, 기준 전압 (852) 에 대해 상대적으로 같은 비율의 레벨의 출력 전압을 유지하기 위해 더 적은 디튜닝을 생성하며 전력 출력을 증가시킬 것이다.

도 11 은 본원 발명의 하나 이상의 구현에 따른 무선 전력 수신기 (820) 및 디튜닝 네트워크 (865) 를 포함하는 디튜닝 회로 (860) 의 간략화된 도면이다. 디튜닝 회로 (860) 는 트랜지스터 (N1) 및 트랜스터 (N1) 의 드레인과 RF 신호 (835) 사이에 직렬인 디튜닝 네트워크 (865) 를 포함한다. 제한하지 않는 예로써, 도 11 의 디튜닝 네트워크 (865) 는 트랜지스터 (N1) 로부터의 저항성 컴포넌트와 함께 가변 임피던스를 위한 리액티브 컴포넌트를 생성하기 위한 커패시터 (C6) 이다. 물론, 다른 더 복잡한 디튜닝 네트워크들이 다른 디튜닝 효과들을 생성하기 위해 사용될 수도 있다.

직렬 커패시턴스를 더하는 것은, 모든 조건들 (높은 송신 전력 및 매우 가벼운 수신기 부하들) 에서 출력 전압 규제를 충분히 보장하도록 회로를 디튜닝 하기 위해 무선 전력 수신기 (820) 의 능력에 영향을 미친다. 게다가 직렬 커패시턴스 효과는 커패시터 (C2) 의 값에 대하여도 의존한다. 도 11 의 특정 구현에서, 약 300 pF 의 커패시터 (C2) 와 결합된 약 1 nF 의 직렬 커패시터 (C6) 은 선형 디튜닝을 위한 원하는 경우에서 전압 규제 및 전력 소비를 보장할 수도 있다. 반면에, 만약 트랜지스터 (N1) 및 직렬 커패시터 (C6) 이 L2 와 C1 사이에 연결되었다면, 직렬 커패시터 (C6) 의 희망 값은 더 낮을 필요가 있을 수도 있다.

트랜지스터 (N1) 에서 소비되는 전력에 특별한 주의가 기울여져야 한다. 트랜지스터의 컨덕턴스가 어떻게 그 전력 소모에 영향을 미치는지 더 잘 이해하기 위해 도 13a 및 도 13b 는 트랜지스터의 등가 저항의 다른 값들에 따른 수신 회로의 Q 를 묘사한다. 도 11 및 도 9 의 디튜닝 회로가 어떻게 동작하는지의 세부사항들이 도 13a 및 13b 를 참고로 하여 이하에 논의된다.

제한하지 않는 예로써, 도 11 은 또한 가능한 아날로그 비교기 (850) 의 예시적 구현을 도시한다. 도 11 에서, 아날로그 비교기 (850) 는 DC 신호 (845) 와 전압 기준 (852) 사이에 비례하는 관계를 맞추기 위해 전압 분배기 (872) 를 구비한 에러 증폭기 (870) 를 포함한다.

제한하지 않는 예로써, 도 11 은 또한 에러 증폭기 (870) 의 출력 또는 디지털 클로킹 신호 (895) 로부터 선형 디튜닝 신호를 선택하기 위한 멀티플렉서 (890) 를 도시한다. 더군다나, 디지털 클로킹 신호 (895) 가 선택된 때, 트랜지스터 (N1) 는 도 6b 와 유사한 방식으로 빈틈없이 튜닝된 회로와 튜닝되지 않은 회로 사이에서 디지털 디튜닝을 수행하기 위해 사용될 수 있다.

대신에, 선형 디튜닝은 클로킹의 선형량을 제공하기 위하여 선택된다. 풀 (full) on/off 클로킹은 역방향 링크에서 빠른 스위칭에 의한 상당한 노이즈를 생성할 수도 있다. 선형 디튜닝은 클로킹된 상태와 언클로킹된 상태라 고려되는 사이에 좀 더 원활한 천이를 생성할 수 있고, 이는 전체적인 신호대 잡음비 및 효율성을 증가할 수 있다. 게다가, 부분적으로 클로킹된 상태는 DC 신호 (845) 상의 감소된 전력 출력을 여전히 허용하기 위하여 선택될 수도 있다. 클로킹된, 언클로킹된, 및 부분적으로 클로킹된 상태는 Vref 상의 전압을 조정함으로 인한 선형 디튜닝으로 얻어질 수 있고, 이는 피드백 루프의 동작을 변화시키고, 결과적으로, 무선 전력 수신기 (820) 의 공진 특성들을 바꾼다. 대신에, 아날로그 비교기 (850) 의 에러 증폭기 구현에 있어서, 전압 분배기 (872) 는 전압 기준 (852) 과 DC 신호 (845) 사이의 비례적 관계를 조정하기 위하여 바뀔 수도 있다. 무선 전력 수신기 (820) 내의 다른 디바이스들은 도 8 을 참조한 상기의 설명과 같고 다시 설명될 필요는 없다.

도 12 는 본원 발명의 하나 이상의 구현들에 따른 무선 전력 수신기 및 두개의 NMOS 트랜지스터 (N1 및 N2) 를 포함하는 디튜닝 회로의 간략화된 도면이다. MOS 디바이스들은 일반적으로 소스와 드레인 사이에 작은 기생 바디 다이오드 (parasitic body diode) 를 갖는다. 이러한 MOS 트랜지스터들은 공진 회로 내에 사용되기 때문에, 그곳을 통과하는 전류는 음 또는 양이 될 수도 있고, 이는 기생 바디 다이오드들에 의한 정류 효과를 초래할 수도 있다. 반대의 구성들로 백-투-백 (back-to-back) 트랜지스터들 (N1 및 N2) 을 사용함으로써 (예를 들어, 소스-투-드레인 및 드레인-투-소스) 기생 바디 다이오드들은 양방향으로 원치않는 바디 전류들을 막는 반대 방향으로 있게 된다.

제한하지 않는 예로써, 도 12 는 가능한 아날로그 비교기 (850) 의 또다른 예시적 구현을 또한 도시한다. 도 11 에서, 아날로그 비교기 (850) 는 출력 신호 (845) 와 기준 전압 (852) 사이의 차에 비례하는 출력 전류 (882) 생성을 위한 연산 트랜스컨덕턱스 증폭기 (OTA) (880) 를 포함한다. 출력 전류 (882) 는 출력 전류 (882) 를 트랜지스터들 (N1 및 N2) 의 게이트들을 구동하기 위한 제어 신호 (855) 상의 적합한 전압으로 변환하기 위해 단위 이득 연산 증폭기 (또는 이득이 있는 증폭기) 로 버퍼링될 수 있다. OTA (880) 는 DC 신호 (854) 와 전압 기준 (852) 사이의 전압 차에 그 전류가 의존하는 가변 전류원이다. 무선 전력 수신기 (820) 내 다른 디바이스들은 도 8 에 참조한 상기의 설명과 같고 다시 설명될 필요는 없다.

도 13a 및 도 13b 는 각각 도 9 및 도 11 의 예시적 구현들에 따른 가변 임피던스를 위한 다양한 값들에 대한 주파수에 관한 신호 크기들의 그래프들이다. 높은 저항의 값 (몇 kΩ 보다 큰) 에 있어서 원래의 공진 주파수에서 Q 가 높다는 것을 발견할 수 있다. 저항을 낮춤으로 인해, 회로의 Q 값이 감소한다. 저항을 더 낮춤으로 인해, 공진 피크는 더 낮은 주파수들로 변동한다. 저항이 꽤 낮을 때 (1 Ω 아래) Q 는 다시 증가할 수도 있다. 이상적으로, 혹시라도 총 전력 소모가 관심사라면 선형 디튜닝 회로는 가장 낮은 Q의 영역을 피하여야 한다. 그러나 현실적으로, 트랜지스터 (N1) 가 포화 영역에서 동작할 때 온 (on) 저항 등가는 종종 1 Ω 보다 더 높다.

도 13a 의 곡선들은 도 9 의 예시적 구현 내의 트랜지스터 (N1) 를 위한 임피던스의 다른 값들에 대응하는 것이다. 특히, 곡선 (1310) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 10 kΩ 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1312) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 1 kΩ 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1314) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 100 Ω 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1316) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 10 Ω 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1318) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 1 Ω 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 최종적으로, 곡선 (1320) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 100 mΩ 일 때 수신기의 응답을 도시한다.

도 13b 의 곡선들은 도 11 의 예시적 구현 내의 트랜지스터 (N1) 를 위한 임피던스의 다른 값들에 대응하는 것이다. 특히, 곡선 (1330) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 10 KΩ 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1332) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 1 KΩ 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1334) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 100 Ω 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1336) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 10 Ω 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 곡선 (1338) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 1 Ω 일 때 수신기의 응답을 도시한다. 최종적으로, 곡선 (1340) 은 트랜지스터 (N1) 의 임피던스가 대략 100 mΩ 일 때 수신기의 응답을 도시한다.

도 13a 의 예시를 따를 때, 1 KΩ 의 부하 및 10 V 정전압 출력에서 스위치 (예를 들어, 트랜지스터 (N1)) 내에서 소모되는 평균 전력은, 대략 3 와트의 송신 전력에 대해 전체 전력의 10% 보다 조금 더 되는 것으로 나타나는 330 mW 만큼 높을 수 있다. 묘사된 표현은 오로지 하나의 스위치만이 활용되었지만 두 개의 백-투-백 MOS 트랜지스터들이 활용되었을 때에도 동일한 고려가 적용될 수 있음이 인지되어야만 한다.

설명된 구성은 트랜지스터 (N1) 를 완전히 켜서 풀 클로킹 (full cloak) 이 희망될 때, 공진 주파수가 수신된 전력을 거의 0 으로 감소시키기에 충분히 변이된다는 장점을 가지고 있다. 이러한 접근은 부하 과도 (load transient) 의 존재시에 좋은 출력 전압 규제를 유지하기 위하여서도 사용될 수도 있다. 만약 부하 전류가 갑자기 바뀐다면, 선형 디튜닝 회로는 새롭게 요구되는 전력을 제공하기 위하여 그 자신을 조정한다.

수신기의 출력에서 규제된 전압을 바꾸어서, - 임피던스 미스매칭을 생성하는 전압들을 의도적으로 생성하여 수신기를 선형적으로 디튜닝하는 것이 가능하다, 디튜닝 디바이스 내에서 소모되는 전력 및 수신기 총 소모 전력을 더 줄인다는 것 또한 언급되어야 한다. 더 많은 전력이 송신기에 반사될 것이나, 시스템의 전체 효율을 개선하지는 아니한다, 그러나 수신기 전력 소모를 크게 개선한다.

부하 변경의 동일한 수단들이 수신기 블록의 동작 방해 없이 임피던스를 변화시켜 신호를 송신기로 역전시키기 위해 사용될 수도 있다. 송신기에 의해 역방향 신호로 검출되기 위한 최소 부하 변화는 이 선형 디튜닝 방법을 사용하여 쉽게 조정될 수 있다.

도 14 는 본원 발명의 하나 이상의 구현들에 따른 무선 전력 수신기 (820) 및 시그널링 센서를 포함하는 디튜닝 회로의 간략화된 도면이다. 도 14 에서, 매칭 및 공진 회로 (830) 는, 예를 들어, 수신 안테나 (L2) 의 임피던스를 매칭하고 공진 회로를 만들어 무선 전력 수신기 (820) 가 높은 Q 로 공진하고 송신 안테나 (L1) 에 의해 송신된 주파수로 RF 신호 (835) 를 생성하도록 하기 위한 커패시터들 (C3, 및 C4) 과 같은 수동 디바이스들을 포함할 수도 있다. 덧붙여, 커패시터 (C1) 는 매칭 및 공진 회로 (830) 의 일부로 고려될 수도 있다. 정류기 (840) 는, 예를 들어, 매칭 및 공진 회로 (830) 로부터의 RF 신호 (835) 를 배터리, 수신기 디바이스의 다른 회로망, 또는 그들의 조합에 의해 사용되기에 적합한 DC 신호 (845) 로 정류하기 위해 다이오드들 (D1 및 D2) 및 커패시터 (C5) 와 같은, 디바이스들을 포함할 수도 있다. 저항 (RL) 은, 예를 들어, 배터리 및 다른 회로망과 같은, 엘리먼트들로부터 DC 신호 (745) 상의 부하를 표현한다.

시그널링 센서는 트랜지스터 (N1), 임피던스 엘리먼트 (예를 들어, 저항 R1), 및 신호 추출기 (1420) 를 포함한다. 트랜지스터 (N1) 는 디튜닝 제어 (852) 에 의해 제어되고, 상기에서 논의된 임의의 디지털 및 선형 디튜닝 모드들로 동작할 수도 있다. 몇몇 예시적 구현들에서, 트랜지스터 (N1) 가 완전히 꺼졌을 때를 위해 트랜지스터 (N1) 주변의 AC 신호 바이패스 (bypass) 를 제공하기 위해 커패시터 (C2) 가 포함될 수도 있다. 몇몇 예시적 구현들에서, 트랜지스터 (N1) 의 드레인에서 소스로의 커패시턴스가 AC 바이패스 경로를 생성하기에 충분할 수도 있음에 따라 커패시터 (C2) 는 필요하지 않을 수도 있다.

순방향 링크 데이터 검출을 위한 다른 수단들에 있어서, 수신된 순방향 링크 데이터의 진폭은 수신기가 디튜닝된 상태에 있을 때 작아질 수도 있다. 결과적으로, RF 신호의 전압 감지는 디튜닝된 또는 부분 디튜닝된 상태에서 어려울 수도 있다. 이 예시적 구현은 선형 디튜닝 방법들을 사용하여 수신기가 튜닝되었거나, 디튜닝되었거나, 또는 부분적으로 디튜닝된 동안에 송신기로부터의 순방향 링크 시그널링을 검출할 수 있다.

예시적 구현에서, 도 14 에 도시된 바와 같이, 저항 (R1) 은 트랜지스터 (N1) 를 흐르는 전류를 RF 신호 (835) 를 추적하는 변조된 신호 (1410) 로써의 전압으로 변환한다. 신호 추출기 (1420) 는 변조된 신호 (1410) 를 송신기에 의해 보내진 데이터 비트들 (bit) 을 포함하는 수신된 신호 (1430) 로 정류한다. 디튜닝 디바이스 (예를 들어, 트랜지스터 (N1)) 를 흐르는 전류를 감지하여, 디튜닝된 상태와 튜닝된 상태 사이의 신호 진폭 변화는 작아지게 된다. 신호 진폭의 더 협소한 범위는 수신 신뢰도를 개선하고 수신기에서의 이득 제어를 위한 필요를 감소시키거나 제거한다. 디튜닝 디바이스에서의 전류 감지는 튜닝된 상태에서 양호한 수신을 주는 동시에 디튜닝되었을 때 개선된 데이터 수신을 제공한다.

도 15 는 무선 전력 수신기의 선형적 디튜닝의 프로세스 (1500) 를 도시하는 플로우 차트이다. 프로세스 (1500) 를 설명함에 있어 도 8 및 도 14 에 대한 참조 또한 이루어질 것이다. 이 프로세스 (1500) 는 아날로그 피드백 루프의 동작을 포함한다. 결과적으로, 프로세스 (1500) 가 설명의 편의를 위해 불연속적으로 설명되었더라도, 기술 분야의 통상의 기술자는 이러한 동작의 일부 또는 전체가 동시에 그리고 연속적으로 일어날 수도 있음을 이해할 것이다.

동작 (1502) 에서, 수신 안테나 (L2) 는 RF 신호 (835) 를 생성하기 위해 근접장 방사에 커플링한다. 동작 (1504) 에서, 가변 임피던스 디바이스 (예를 들어, N1) 를 포함하는, 디튜닝 회로 (860) 는 RF 신호 (835) 를 변경하기 위해 제어 신호 (855) 에 기초하여 RF 신호 (835) 를 디튜닝한다. 몇몇 예시적 구현들에서, 디튜닝은 디지털일 수도 있어서 가변 임피던스는 제어 신호 (855) 의 디지털 값에 기초하여 매우 0 에 근접하거나 매우 높을 수 있다. 몇몇 예시적 구현들에서, 디튜닝은 아날로그일 수도 있어서 가변 임피던스는 제어 신호 (855) 의 아날로그 값에 대응하는 연속적인 아날로그 값일 수 있다. 몇몇 예시적 구현들은 디지털 제어 및 아날로그 제어의 조합을 포함할 수도 있다.

동작 (1506) 에서, 정류기 (840) 는 변경된 RF 신호 (835) 를 DC 신호 (845) 로 변환한다. 동작 (1508) 에서, DC 신호 (845) 는 비교에 기초한 제어 신호 (855) 를 생성하기 위해 전압 기준 (852) 과 비교된다.

몇몇 예시적 구현들에서, 프로세스 (1500) 는 송신기에 의한 근접장 방사로 변조된 정보를 추출하기 위해 동작들 (1510 및 1512) 을 선택적으로 포함할 수도 있다. 동작 (1510) 에서, 변조된 신호 (1410) 는 디튜닝 회로 (860) (예를 들어, 도 14 의 예시적 구현에서 N1) 에 흐르는 전류를 임피던스 엘리먼트 (예를 들어, 도 14 의 예시적 구현에서 R1) 에 흐르는 전류에 비례하는 전압 강하에 기초한 전압으로 변환함으로써 생성될 수 있다. 동작 (1512) 에서, 변조된 신호는 송신기로부터 보내진 정보를 갖는 수신 신호 (1430) 를 생성하기 위해 신호 추출기 (1420) 에 의해 정류된다.

프로세스 (1500) 가 연속적인 루프이기 때문에, 본원에 설명된 예시적 구현의 회로들이 동작하는 동안 프로세스 (1500) 는 계속하여 반복한다.

기술분야의 통상의 기술자는 정보 및 신호들이 다양한 다른 기술들 및 기법들을 사용하여 표현될 수도 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기 설명을 통해 참조된 데이터, 명령어들, 커맨드들, 정보, 신호들, 비트들, 심벌들, 및 칩 (chip) 들은 전압들, 전류들, 전자기 파장들, 자기장들 또는 자기 입자들, 광학장 또는 광학 입자들, 또는 그들의 임의 조합에 의해 표현될 수도 있다.

통상의 기술자들은 본원에 게시된 예시적 구현들과 관련하여 설명된 다양한 실례의 논리 블록들, 모듈들, 회로들 및 알고리즘 단계들이 전자 하드웨어, 컴퓨터 스프트웨어 또는 양자의 조합들로써 구현될 수도 있음을 더 인식할 것이다. 이러한 하드웨어 및 소프트웨어의 상호교환가능성을 명백히 보이기 위해, 다양한 실례의 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들이 그들의 기능성의 관점에서 상기에 일반적으로 설명되었다. 그러한 기능성이 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되었는지 여부는 전체 시스템에 부과된 특정 어플리케이션 및 디자인 제한들에 달려 있다. 숙련된 기술자들은 설명된 기능성을 각각의 특정 어플리케이션을 위해 방법을 바꾸어 구현할 수도 있으나, 그러한 구현 결정들이 본원 발명의 예시적 구현들의 범위로부터 벗어나도록 하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본원에 게시된 예시적 구현들과 관련하여 설명된 다양한 실례의 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 반도체 (ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그램 가능한 논리 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 봅원에 설명된 기능들을 수행하기 위해 설계된 그들의 임의의 조합으로 구현되거나 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있으나, 그 대신에, 프로세서는 상용 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 기계일 수도 있다. 프로세서는 컴퓨팅 디바이스들의 조합으로, 예를 들어, DSP 와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 결합한 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 그러한 구성으로도 구현될 수도 있다.

본원에 게시된 예시적 구현들과 관련해 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어, 프로세서로 실행되는 소프트웨어 모듈, 또는 양자의 조합으로 직접 구현될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 임의 접근 메모리 (RAM), 플래쉬 메모리, 읽기 전용 메모리 (ROM), 전기적 프로그램가능 ROM (EPROM), 전기적 삭제 프로그램가능 ROM (EEPROM), 레지스터들, 하드디스크, 리무버블 디스크, CD-ROM, 또는 기술분야에 알려진 저장 매체의 임의의 다른 형태 내에 있을 수도 있다. 예시적 저장 매체는 저장 매체로부터 정보를 읽고, 저장 매체에 정보를 쓸 수 있는 프로세서에 커플링된 것이다. 대신에, 저장 매체는 프로세서에 집적될 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 ASIC 내에 있을 수도 있다. ASIC은 사용자 단말기 내에 있을 수도 있다. 대신에, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 이산 컴포넌트들로 있을 수도 있다.

하나 이상의 예시적 구현들에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 그들의 임의의 조합으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현된다면, 기능들은 컴퓨터-판독가능한 매체 상의 하나 이상의 명령어들 또는 코드로 저장되거나 송신될 수도 있다. 컴퓨터-판독가능한 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 한 장소로부터 다른 곳으로 컴퓨터 프로그램의 전송이 가능하게 하는 임의의 매체를 포함하는 통신 매체 양자를 포함한다. 저장 매체는 컴퓨터에 의해 접근될 수 있는 임의의 가능한 매체일 수도 있다. 예로써, 제한이 아니라, 그러한 컴퓨터-판독가능한 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 저장장치, 자기 디스크 저장장치 또는 다른 자기 저장 디바이스들, 또는 명령어들 또는 데이터 구조들의 형태로 원하는 프로그램 코드를 지니거나 저장하기 위해 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 접근될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 연결은 컴퓨터-판독가능한 매체로 적절하게 칭해질 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스티드 페어 (twisted pair), 디지털 가입자 회선 (DSL), 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파 (microwave) 와 같은 무선 기술들을 사용하여 웹사이트, 서버 또는 다른 원격 소스로부터 송신된다면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스티드 페어 (twisted pair), DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들은 매체의 정의에 포함된다. Disk 및 Disc 는, 본원에 사용된 대로, disc 가 레이저로 데이터를 광학적으로 재생산하는 반면, disk 는 보통 데이터를 자기적으로 재생산하며 콤팩트 디스크 (CD), 레이저 디스크, 광학 디스크, 디지털 다용도 디스크 (DVD), 플로피 디스크 및 블루레이 디스크를 포함한다. 상기의 조합 또한 컴퓨터-판독가능 매체의 범위 내에 포함되어야 한다.

게시된 예시적 구현들의 이상의 설명은 기술분야의 임의의 기술자가 본원 발명을 만들거나 사용하는 것을 가능하게 하기 위하여 제공된다. 기술분야의 통상의 기술자들에게 이들 예시적 구현들에 대한 다양한 변경들은 손쉽게 명백하며, 본원에 정의된 포괄적 원칙들은 본원 발명의 범위 또는 의미를 벗어나지 아니하고 다른 구현들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본원 발명은 본원에 나타난 구현들에 제한되도록 의도되지 아니하고 본원에 게시된 원칙들과 신규한 특성들에 부합되는 가장 넓은 범위에 이르도록 의도된 것이다.

Claims

근접장 방사 (near field radiation) 에 대응하는 RF 신호를 발생시키기 위하여 커플링 모드 영역 내의 공진 주파수에서의 상기 근접장 방사와 커플링하는 단계;
상기 RF 신호를 변경하기 위하여 제어 신호에 대응하는 가변 임피던스 디바이스로 상기 RF 신호를 디튜닝 (de-tuning) 하는 단계;
DC 신호를 발생시키기 위하여 상기 변경된 RF 신호를 정류하는 단계; 및
상기 DC 신호 및 기준 전압 사이의 전압 차에 대응하는 상기 제어 신호를 발생시키기 위하여 상기 기준 전압과 상기 DC 신호를 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 RF 신호를 디튜닝하는 단계는 상기 제어 신호에 대응하는 선형 영역 내에서 NMOS 트랜지스터를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 RF 신호를 디튜닝하는 단계는 상기 가변 임피던스 디바이스에 동작가능하게 커플링된 커패시터로 상기 가변 임피던스 디바이스에 리액티브 컴포넌트를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 신호를 발생시키기 위하여 디지털 클로킹 (cloaking) 신호를 선택함으로써 디지털 디튜닝을 선택하는 단계 또는 상기 제어 신호를 발생시키기 위하여 상기 기준 전압과 상기 DC 신호를 비교한 결과를 선택함으로써 선형 디튜닝을 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 임피던스 디바이스에 흐르는 전류에 비례하는 전압으로 변조된 신호를 발생시키는 단계; 및
상기 변조된 신호로부터 수신 신호를 정류하는 단계를 더 포함하는, 방법.
근접장 방사에 대응하는 RF 신호를 발생시키기 위하여 커플링 모드 영역 내의 공진 주파수에서의 근접장 방사와 커플링하기 위한 수단;
상기 RF 신호를 변경하기 위하여 제어 신호에 대응하는 가변 임피던스 디바이스로 상기 RF 신호를 디튜닝하기 위한 수단;
DC 신호를 발생시키기 위하여 상기 변경된 RF 신호를 정류하기 위한 수단; 및
상기 DC 신호 및 기준 전압 사이의 전압 차에 대응하는 상기 제어 신호를 발생시키기 위하여 상기 기준 전압과 상기 DC 신호를 비교하기 위한 수단을 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 6 항에 있어서,
상기 RF 신호를 디튜닝하기 위한 수단은 상기 제어 신호에 대응하는 선형 영역에서 NMOS 트랜지스터를 동작시키기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 6 항에 있어서,
상기 RF 신호를 디튜닝하기 위한 수단은 상기 가변 임피던스 디바이스에 리액티브 컴포넌트를 커플링하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 6 항에 있어서,
상기 제어 신호를 발생시키기 위하여 디지털 클로킹 신호를 선택함으로써 디지털 디튜닝을 선택하거나 또는 상기 제어 신호를 발생시키기 위하여 상기 기준 전압과 상기 DC 신호를 비교한 결과를 선택함으로써 선형 디튜닝을 선택하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 6 항에 있어서,
상기 가변 임피던스 디바이스에 흐르는 전류에 비례하는 전압으로 변조된 신호를 발생시키기 위한 수단; 및
상기 변조된 신호로부터 수신 신호를 정류하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 전력 수신기.
커플링 모드 영역 내의 근접장 방사와 커플링을 위해 구성된 수신 안테나에 동작가능한 커플링을 위한 매칭 회로로서, 상기 매칭 회로 및 상기 수신 안테나는 상기 근접장 방사에 대응하는 RF 신호를 발생시키기 위한 것인, 상기 매칭 회로;
상기 매칭 회로에 동작가능하게 커플링되고, 상기 RF 신호를 변경하기 위하여 제어 신호에 대응하는 가변 저항을 갖는 가변 임피던스 디바이스를 포함하는 디튜닝 회로;
상기 변경된 RF 신호에 동작가능하게 커플링되고 상기 변경된 RF 신호를 DC 신호로 변환하기 위하여 구성된 정류기; 및
상기 DC 신호에 동작가능하게 커플링된 제 1 입력, 기준 전압에 동작가능하게 커플링된 제 2 입력, 그리고 상기 제어 신호에 동작가능하게 커플링되고 상기 제 1 입력과 상기 제 2 입력 사이의 전압 차이에 대응하도록 구성된 비교기 출력을 포함하는 아날로그 비교기를 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 11 항에 있어서,
상기 가변 임피던스 디바이스는, 소스 및 드레인이 접지 및 상기 RF 신호 사이에 동작가능하게 커플링되고 게이트가 상기 제어 신호에 동작가능하게 커플링된 NMOS 트랜지스터를 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 11 항에 있어서,
상기 가변 임피던스 디바이스는 접지 및 상기 RF 신호 사이에 동작가능하게 커플링되는 백-투-백 (back-to-back) NMOS 트랜지스터를 포함하고, 상기 백-투-백 NMOS 트랜지스터의 게이트가 상기 제어 신호에 동작가능하게 커플링되는, 무선 전력 수신기.
제 11 항에 있어서,
상기 디튜닝 회로는 상기 가변 임피던스 디바이스 및 상기 RF 신호 사이에 동작가능하게 커플링되는 수동 네트워크를 더 포함하고, 상기 수동 네트워크는 상기 디튜닝 회로의 임피던스에 리액티브 컴포넌트를 제공하도록 구성된, 무선 전력 수신기.
제 11 항에 있어서,
상기 아날로그 비교기는,
상기 DC 신호에 비례하는 비교 신호를 제공하기 위한 전압 분배기; 및
일 입력이 상기 비교 신호에 동작가능하게 커플링되고, 다른 입력이 상기 기준 전압에 동작가능하게 커플링되고, 그리고 출력이 상기 제어 신호에 동작가능하게 커플링된 증폭기를 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 11 항에 있어서,
상기 아날로그 비교기는,
일 입력이 상기 DC 신호에 동작가능하게 커플링되고 다른 입력이 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기 (OTA) 출력을 발생시키기 위하여 상기 기준 전압에 동작가능하게 커플링된 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기; 및
상기 OTA 출력 및 상기 제어 신호 사이에 동작가능하게 커플링된 버퍼를 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 11 항에 있어서,
상기 아날로그 비교기와 상기 디튜닝 회로 사이에 동작가능하게 커플링되고, 상기 비교기 출력에 동작가능하게 커플링된 하나의 입력, 디지털 클로킹 신호에 동작가능하게 커플링된 하나의 입력, 및 상기 제어 신호에 동작가능하게 커플링된 출력을 갖는 멀티플렉서를 더 포함하고,
상기 멀티플렉서는 상기 디지털 클로킹 신호를 선택함으로써 디지털 디튜닝을 선택하거나 또는 상기 비교기 출력을 선택함으로써 선형 디튜닝을 선택하도록 구성된, 무선 전력 수신기.
제 11 항에 있어서,
상기 디튜닝 회로 및 상기 접지 사이에 동작가능하게 커플링되고, 상기 가변 임피던스 디바이스에 흐르는 전류에 비례하는 전압으로 변조된 신호를 발생시키도록 구성된 임피던스 엘리먼트; 및
상기 변조된 신호에 동작가능하게 커플링되고 상기 변조된 신호를 수신 신호로 정류하도록 구성된 신호 추출기
를 포함하는 시그널링 (signaling) 센서를 더 포함하는, 무선 전력 수신기.
근접장 방사에 대응하는 RF 신호를 발생시키기 위하여 커플링 모드 영역 내의 공진 주파수에서 상기 근접장 방사와 커플링하는 단계;
상기 공진 주파수와는 상이한 주파수로 상기 RF 신호의 주파수를 변경하기 위하여 디튜닝 회로를 사용하여 상기 RF 신호를 디튜닝하는 단계;
상기 디튜닝 회로에 흐르는 전류에 비례하는 전압으로 변조된 신호를 발생시키는 단계; 및
상기 변조된 신호를, 상기 RF 신호의 튜닝된 상태에 대응하는 수신 신호로 정류하는 단계를 포함하는, 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 RF 신호의 튜닝된 상태는 상기 공진 주파수로 실질적으로 튜닝된 것 또는 상기 공진 주파수로부터 다른 주파수로 실질적으로 디튜닝된 것을 포함하는, 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 RF 신호를 디튜닝하는 단계는 상기 RF 신호와는 상이한 공진 특성들로 상기 RF 신호를 변경하기 위하여 제어 신호에 대응하는 상기 디튜닝 회로의 가변 임피던스를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 RF 신호의 튜닝된 상태는 상기 공진 주파수로 실질적으로 튜닝된 것, 상기 공진 주파수로부터 다른 주파수로 실질적으로 디튜닝된 것, 및 상기 변경된 RF 신호에 대한 진폭이 상기 RF 신호의 진폭보다 실질적으로 작게 부분적으로 디튜닝된 것을 포함하는, 방법.
근접장 방사에 대응하는 RF 신호를 발생시키기 위하여 커플링 모드 영역 내의 공진 주파수에서의 상기 근접장 방사와 커플링하기 위한 수단;
상기 공진 주파수와는 상이한 주파수로 상기 RF 신호의 주파수를 변경하기 위하여 디튜닝 회로를 사용하여 상기 RF 신호를 디튜닝하기 위한 수단;
상기 디튜닝 회로에 흐르는 전류에 비례하는 전압으로 변조된 신호를 발생시키기 위한 수단; 및
상기 변조된 신호를, 상기 RF 신호의 튜닝된 상태에 대응하는 수신 신호로 정류하기 위한 수단을 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 23 항에 있어서,
상기 RF 신호의 튜닝된 상태는 상기 공진 주파수로 실질적으로 튜닝된 것 또는 상기 공진 주파수로부터 다른 주파수로 실질적으로 디튜닝된 것을 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 23 항에 있어서,
상기 RF 신호를 디튜닝하는 것은 상기 RF 신호와는 상이한 공진 특성들로 상기 RF 신호를 변경하기 위하여 제어 신호에 대응하는 상기 디튜닝 회로의 가변 임피던스를 조정하기 위한 수단을 더 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 25 항에 있어서,
상기 RF 신호의 튜닝된 상태는 상기 공진 주파수로 실질적으로 튜닝된 것, 상기 공진 주파수로부터 다른 주파수로 실질적으로 디튜닝된 것, 및 상기 변경된 RF 신호에 대한 진폭이 상기 RF 신호의 진폭보다 실질적으로 작게 부분적으로 디튜닝된 것을 포함하는, 무선 전력 수신기.
무선 전력 수신기로서,
커플링 모드 영역 내의 근접장 방사와 커플링하도록 구성된 수신 안테나에 동작가능한 커플링을 위한 매칭 회로로서, 상기 매칭 회로 및 상기 수신 안테나는 상기 근접장 방사에 대응하는 공진 주파수에서 RF 신호를 발생시키기 위한 것인, 상기 매칭 회로;
상기 매칭 회로에 동작가능하게 커플링되고, 상기 RF 신호의 상기 공진 주파수와는 상이한 주파수로 상기 무선 전력 수신기의 튜닝을 변경하도록 구성된 디튜닝 회로;
상기 디튜닝 회로 및 접지 사이에 동작가능하게 커플링되고, 상기 디튜닝 회로에 흐르는 전류에 비례하는 전압으로 변조된 신호를 발생시키도록 구성된 임피던스 엘리먼트; 및
상기 변조된 신호에 동작가능하게 커플링되고, 상기 변조된 신호를 상기 무선 전력 수신기의 튜닝된 상태에 대응하는 수신 신호로 정류하기 위하여 구성된 신호 추출기를 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 27 항에 있어서,
상기 무선 전력 수신기의 튜닝된 상태는 상기 공진 주파수로 실질적으로 튜닝된 것 또는 상기 공진 주파수로부터 다른 주파수로 실질적으로 디튜닝된 것을 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 27 항에 있어서,
상기 디튜닝 회로는 상기 RF 신호 및 상기 임피던스 엘리먼트 사이에 동작가능하게 커플링되는 가변 임피던스 디바이스를 더 포함하고,
상기 가변 임피던스 디바이스는 상기 RF 신호와는 상이한 공진 특성들을 갖는 변경된 RF 신호를 발생시키기 위하여 제어 신호에 대응하는 가변 저항을 포함하는, 무선 전력 수신기.
제 29 항에 있어서,
상기 무선 전력 수신기의 튜닝된 상태는 상기 공진 주파수로 실질적으로 튜닝된 것, 상기 공진 주파수로부터 다른 주파수로 실질적으로 디튜닝된 것, 및 상기 변경된 RF 신호에 대한 진폭이 상기 RF 신호의 진폭보다 실질적으로 작게 부분적으로 디튜닝된 것을 포함하는, 무선 전력 수신기.