KR20130110699A - 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 60Hz ~ 20KHz 주파수 대역의 무선 에너지를 하베스팅(Harvesting)하는 모듈을 통해 원하는 주파수에 자기장 공진을 이용하여 효율적으로 에너지를 획득하며, 수신한 AC 파워를 DC 파워로 전환시키고 배터리에서 필요한 전력 레벨로 부스팅(Boosting)하여 배터리를 충전하고, DC-DC 부스팅 효율을 90% 이상으로 올릴 수 있으며, 특히, 낮은 입력 파워 레벨(-10dBm 이하)에서도 배터리를 효과적으로 충전할 수 있는 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템에 관한 것이다.

Description

에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템{Magnetic Resonance Transmitting/Receiving System for Energy Harvesting}
본 발명은 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템에 관한 것으로서, 특히, 60Hz ~ 20KHz 주파수 대역의 무선 에너지를 하베스팅(Harvesting)하는 모듈을 통해 원하는 주파수에 자기장 공진을 이용하여 효율적으로 에너지를 획득하며, 수신한 AC 파워를 DC 파워로 전환시키고 배터리에서 필요한 전력 레벨로 부스팅(Boosting)하여 배터리를 충전하고, DC-DC 부스팅 효율을 90% 이상으로 올릴 수 있으며, 특히, 낮은 입력 파워 레벨(-10dBm 이하)에서도 배터리를 효과적으로 충전할 수 있는 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템에 관한 것이다.
자기 공진 방식을 이용하여 전력을 획득하는 기술로서, 별도의 외부 전원 공급 없이 전력 전송 장치(도 1의 에너지 도너 참조)가 송신 코일을 통해 무선 전력을 전송하면, 각 전자기기 장치(도 1의 에너지 억셉터 참조)에서 수신 코일을 통해 전력을 공급받음으로써, 배터리 수명을 획기적으로 증가시켜 기술의 신뢰성 확보 및 다양한 산업 분야에 적용 할 수 있도록 할 수 있다.
스마트 그리드가 발전됨에 따라 HAN, NAN 의 통신이나 센서에 ZigBee 통신이 적용되고 있다. 그러나, ZigBee 활용을 위해서는 현재 전원으로 사용되고 있는 배터리를 보완할 기술 개발이 필요하다. 또한 스마트 그리드 분야에 적용하기 위해 배터리의 장기간 수명을 보장 할 수 있는 자기장 공진 에너지 기반 획득/충전 기술 개발이 요구된다.
무선 전력 송수신을 위한 사용환경은, 다음과 같다.
- 동작온도 : ≤ 100
- 입력 주파수 : 60Hz ~ 20KHz
- 최대 입력 파워 : 30dBm
- 최소 입력 파워 : -10dBm
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 60Hz ~ 20KHz 주파수 대역의 무선 에너지를 하베스팅(Harvesting)하는 모듈을 통해 원하는 주파수에 자기장 공진을 이용하여 효율적으로 에너지를 획득하며, 수신한 AC 파워를 DC 파워로 전환시키고 배터리에서 필요한 전력 레벨로 부스팅(Boosting)하여 배터리를 충전하고, DC-DC 부스팅 효율을 90% 이상으로 올릴 수 있으며, 특히, 낮은 입력 파워 레벨(-10dBm 이하)에서도 배터리를 효과적으로 충전할 수 있는 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템은, 유도 코일, 상기 유도 코일과 공간적으로 떨어져 상기 유도 코일의 발진 신호(예, 60Hz 내지 20KHz 주파수 대역)에 따라 무선 전력을 전송하는 공진 코일, 및 상기 유도 코일에 연결되어 상기 유도 코일에서 일정 주파수 대역의 상기 발진 신호를 출력하도록 하는 Astable MV(Multivibrator)부를 포함하는 에너지 도너; 및 상기 에너지 도너의 공진 코일과 자기공진을 통해 무선 전력을 수신하는 공진용 코일, 상기 공진용 코일과 공간적으로 떨어져 상기 공진용 코일로부터 무선 전력을 수신하는 부하 코일, 및 상기 부하 코일로부터의 전력을 정류하여 배터리를 충전하기 위한 회로를 포함하는 에너지 억셉터를 포함한다.
상기 에너지 억셉터의 상기 회로는, 상기 부하 코일 양단을 입력으로 받아 정류하는 브리지 다이오드로 이루어진 정류기; 수퍼 커패시터; 히스테리시스 특성 스위치; 상기 히스테리시스 특성 스위치에 연결된 비교기; 및 상기 비교기에 연결된 DC-to-DC 부스팅업 변환기를 포함하고, 상기 비교기는 상기 정류기가 상기 수퍼 커패시터에 충전하는 전압과 내부의 기준전압을 비교하여 제어 출력을 발생하며, 상기 수퍼 커패시터의 전압이 상기 기준전압 보다 작으면 상기 제어 출력에 따라 상기 부스팅업 변환기의 동작은 정지시키고 상기 정류기가 상기 수퍼 커패시터에 충전하도록 제어하며, 상기 수퍼 커패시터의 전압이 상기 기준전압 이상이면 상기 제어 출력에 따라 상기 부스팅업 변환기가 상기 수퍼 커패시터의 전압을 변환하여 출력하도록 제어한다.
ZigBee 통신, 블루투스 통신, 또는 NFC(Near Field Communication) 통신 모듈의 상기 배터리를 포함하는 전자장치의 동작을 위해 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템에 따르면, 60Hz ~ 20KHz 주파수 대역의 무선 에너지를 하베스팅(Harvesting)하는 모듈을 통해 원하는 주파수에 자기장 공진을 이용하여 효율적으로 에너지를 획득하며, 수신한 AC 파워를 DC 파워로 전환시키고 배터리에서 필요한 전력 레벨로 부스팅(Boosting)하여 배터리를 충전하고, DC-DC 부스팅 효율을 90% 이상으로 올릴 수 있으며, 특히, 낮은 입력 파워 레벨(-10dBm 이하)에서도 배터리를 효과적으로 충전할 수 있다.
도 1은 일반적인 자기장 공진 에너지 전송/획득 장치 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 Rectifier의 일례이다.
도 4는 본 발명의 Comparator의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 Super Capacitor 전압의 히스테리시스를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 도너(또는 송신부)의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 유도 코일과 공진 코일의 직렬/병렬 등가 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 유도 코일과 공진 코일의 설계 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 Astable MV(Multivibrator) 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 60Hz 에너지 도너를 위한 본 발명의 Astable MV(Multivibrator)와 유도 코일, 및 공진 코일의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 내지 도 11e는 도 10의 여러 노드에서의 측정 파형을 나타낸다.
도 12는 10KHz 에너지 도너를 위한 본 발명의 Astable MV(Multivibrator)와 유도 코일, 및 공진 코일의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 내지 도 13e는 도 12의 여러 노드에서의 측정 파형을 나타낸다.
도 14는 도 2의 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)를 좀 더 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 14의 자기 공진 전력 수신 코일(수신 부하 코일)과 정류기의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 도 14의 자기 공진 전력 수신 코일(수신 부하 코일)과 정류기 사이의 임피던스 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 도 4의 Comparator를 좀 더 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 DC-to-DC Boost up Converter 구현의 일례이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)를 실제 구현한 예이다.
도 20은 도 19와 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 정류기(Rectifier)의 입력 파워(dBm)에 대한 출력 전압에 대한 특성 그래프이다.
도 21은 도 19과 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 슈퍼커패시터에 충방전되는 전압 파형도이다.
도 22은 도 19과 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 Comparator 출력(/SHDN)의 파형도이다.
도 23은 도 19과 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 DC-to-DC Boost up Converter의 출력 파형도이다.
도 24는 본 발명의 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)의 ZigBee 모듈에서의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 25은 ZigBee와 같은 근거리 통신 모듈의 송신부(Tx 모듈)과 수신부(Rx 모듈)에 대한 블록도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템이 구비하는, 60Hz ~ 20KHz(또는 150MHz 이상) 주파수 대역의 무선 에너지를 전송하는 에너지 도너(또는 송신부)와, 도너로부터의 무선 에너지를 자기장 공진을 이용하여 하베스팅하여 배터리를 충전하는 에너지 억셉터(또는 수신부)를 통해, 효율적으로 무선 에너지를 획득하여, 수신한 AC 파워를 DC 파워로 전환시키고 배터리에서 필요한 전력 레벨로 부스팅(Boosting)하여 배터리를 충전하고, DC-DC 부스팅 효율을 90% 이상으로 올릴 수 있으며, 특히, 낮은 입력 파워 레벨(-10dBm 이하)에서도 배터리를 효과적으로 충전할 수 있는 방법들을 기술한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)의 블록도이다.
도 2와 같이, 본 발명의 일실예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 수신부는, 스마트 그리드의 HAN, NAN 의 통신이나 센서에 적용되는 ZigBee 통신(또는 블루투스, NFC(Near Field Communication) 통신 등 무선 근거리 통신) 등을 위한 전자장치나 기타 동작을 위한 전력을 필요로하는 다양한 전자장치에 적용을 위한 것으로서, 전력 전송용 안테나 이외에 자기 공진 전력 수신 코일을 포함하며, 상기 수신 코일에 접속된 임피던스 매칭부(Impedance Matching부), 임피던스 매칭부에 연결된 정류기(Rectifier), 일정 전압 유지를 위해 저항과 수퍼 커패시터(Super Capacitor)(CAP) 사이에 연결된 히스테리시스 특성 스위치, 히스테리시스 특성 스위치에 연결된 비교기(Comparator), 비교기에 연결된 DC-to-DC 부스팅업 변환기(Boost up Converter), 부스팅업 변환기에 의해 충전되는 배터리(BAT) 등을 포함한다. 상기 수신 코일은 공진용 코일 및 그와 공간적으로 떨어진 부하 코일을 포함하며 이에 따라 일정한 Q값 획득이 가능하고, 임피던스 매칭부에는 Wide Dynamic Range Impedance Matching을 위한 구성을 포함한다.
상기 자기 공진 전력 수신 코일로서 60Hz부터 20KHz까지 원하는 공진 주파수에 따라 코일 턴수가 조정된다. 자기공진으로 원하는 주파수에 최대의 입력전류를 얻을 수 있기 때문에 최대 입력 전압은 자기공진 주파수에 최대 입력 전류와 코일 인덕터의 Quality Factor에 의해 좌우된다. 입력전압은 Rectifier로 인해 AC에서 DC 로 전환되며 전환된 DC는 DC-to-DC Boost up Converter를 통해 배터리(BAT) 충전에 필요한 DC 전압 레벨로 증가될 수 있다. Rectifier는 도 3과 같은 브리지 다이오드 등 다양한 회로가 사용될 수 있다.
Rectifier와 DC-to-DC Boost up Converter사이의 히스테리시스 특성 스위치와 Comparator(도 4참조)는, 충분한 Power(도 2의 Vcap)가 Super Capacitor에 저장 될 때까지 DC-to-DC Boost up Converter를 대기시켜 소모 전력을 줄이는 역할을 한다. 이러한 Comparator에 의해, 작은 입력 전압에서도 도 5와 같은 Vcap 히스테리시스를 통해, Super Capacitor 전압 Vcap 으로부터 DC to DC Boost up Converter가 원하는 해당 출력전압을 발생하도록 하여 배터리(BAT)를 충전시킬 수 있으며, DC-to-DC Boost up Converter 출력에 적용하는 Application의 배터리에 따라 유연하게 원하는 DC to DC 출력전력을 해당 Applications 의 배터리에 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 도너(또는 송신부)의 블록도이다.
도 6과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 도너(또는 송신부)는, 60Hz/10kHz의 펄스 웨이브(pulse wave)를 생성하는 Astable MV(Multivibrator)부와 유도 코일, 및 유도 코일과 공간적으로 떨어진 공진 코일로 구성되어 있다.
Astable MV(Multivibrator)부는 저항, 캐패시터, BJT(Bipolar Junction Transistor)로 구성되어 있으며, 저항과 캐패시터의 조합으로 주파수를 결정한다. 공진 코일을 직접적으로 Astable MV의 출력 단에 연결하지 않고 유도 코일을 이용함으로써 공진 코일의 Quality factor(Q)를 일정하게 유지 할 수 있다. 공진 코일은 병렬 공진 형식을 이용하여 전력 전송 시 전압을 최대로 전달 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 유도 코일과 공진 코일의 직렬/병렬 등가 회로를 설명하기 위한 도면이다.
유도 코일과 공진 코일은 도 7(a), (b)와 같이 코일과 저항의 직렬 또는 병렬 형태의 등가 회로로 표현 할 수 있으며 Q값을 통해 병렬 등가회로의 병렬 저항 값을 구할 수 있다. [수학식 1]에 따라 원하는 공진 주파수(Resonance Frequency)(fc)와 주파수 대역폭(BandWidth)(BW)를 결정 후 Quality factor(Q)를 만족하는 유도 코일과 공진 코일이 설계될 수 있다. 또한, [수학식 2]에 따라, 코일의 인덕턴스 값(L1)과 내부 저항 값(RS)의 조합을 통해 유도된 Q값을 만족 하는 코일의Specification 을 결정 할 수 있고, 또한 병렬 저항 값(RP)도 고려하여 공진 시 코일 양단에 걸리는 전압 값도 조절 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
Figure pat00003
도 8은 본 발명의 유도 코일과 공진 코일의 설계 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 8과 같이, 코일의 설계 파라미터를 통해 코일의 인덕턴스 및 저항 값을 유도 할 수 있는 식을 세운 후 [수학식 3]과 같은 인덕턴스와 저항으로 표현된 식에 대입하고, 인덕턴스와 저항의 비를 조절하여 유도된 Q값을 만족하는 인덕턴스와 저항 값을 찾을 수 있다. W : 코일의 두께, H : 코일의 높이, D : 코일의 지름, S : 코일간의 간격, N:턴수, σ: 전기 전도도.
[수학식 3]
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
자기공진 전력전송 방식은 [수학식 4]와 같이 코일 간의 거리가 공진 코일의 지름과 동일할 때 최대 전력 전송 효율 ηwork을 갖는 것으로 알려져 있다. 이는 논문"Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer, Annals of Physics, vol. 323, 2008, pp.34-48."을 참조하기로 한다.
[수학식 4]
Figure pat00007
공진 주파수와 유도한 인덕턴스 값을 이용하여 [수학식 5]와 같이 병렬로 연결될 캐패시터 값을 설정 해준다.
[수학식 5]
Figure pat00008
유도 코일은 Differential 구조를 갖는 MV의 특성상 MV의 반대편에 연결되는 저항과 같은 값의 내부저항을 갖도록 [수학식 6]과 같이 설계 한다.
[수학식 6]
Figure pat00009
도 6의 Astable MV(Multivibrator)의 회로는 도 9에 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 전원(예, +5V 전원)에 연결된 제1저항(R1)의 다른 단자가 노드 A에서 이미터 접지된 트랜지스터(Q1)의 컬렉터와 연결되고, 전원(예, +5V 전원)과 노드 A 사이에 제2저항(R2)과 커패시터(C1)이 연결된다. 또한, 전원(예, +5V 전원)에 연결된 제4저항(R4)의 다른 단자가 노드 B에서 이미터 접지된 트랜지스터(Q2)의 컬렉터와 연결되고, 전원(예, +5V 전원)과 노드 B 사이에 제3저항(R3)과 커패시터(C2)이 연결된다. 트랜지스터(Q1)의 베이스는 제3저항(R3)과 커패시터(C2)의 접점에 연결되고, 트랜지스터(Q2)의 베이스는 제2저항(R2)과 커패시터(C1)의 접점에 연결된다. 도 9와 같이, R1, R4는 100오옴, R2, R3는 50킬로오옴, C1, C2는 100마이크로 패럿인것으로 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 적용 시스템에 맞게 그 값들은 바뀔 수 있다.
도 9에서, MV는 우선 전원(예, +5V 전원, 접지)이 인가되면 위 4개의 저항(R1, R2, R3, R4)에 동일 전압이 걸리고 전류는 각 저항의 정도에 따라 분배되게 된다.
여기서 R2, R3는 R1, R4에 비해 대단히 저항값이 크고, 사실상 전류가 흐리지 않는 개방소자로 볼 수도 있다. 전압은 R1, R4를 거쳐 각 트랜지스터(Q1/Q2)의 컬렉터 단자와 커패시터C1, C2에 걸리게 된다. 이 때, 트랜지스터(Q1/Q2)가 동작하려면, 베이스 전압이 대략 0.6볼트이상의 문턱전압이 필요하여 각 컬렉터와 접지 사이엔 전압 5V가 걸려있다고 볼 수 있으므로 트랜지스터(Q1/Q2)의 도통 상태는 결정할 수 없고 각 커패시터(C1, C2)를 거쳐 베이스에 걸리는 전압에 의해 어떤 트랜지스터(C1, C2)가 먼저 도통되는지 결정된다. 커패시터(C1, C2)는 그 특성에 의해 교류에서 저항이 0인 단락소자로 직류에선 저항이 무한대인 개방소자로 이해되나 초기 전압이 가해질 때는 바로 안정 전압(위의 예에서 5V)로 가지 못하고 서서히 지수적으로 증가하여 안정값(5V)을 갖게 된다. 직류전압 인가 시 아주 미소한 시간동안은 커패시터(C1, C2)가 충전되며 인가전압과 같은 충전전압이 되기까지는 직류에서도 전류가 흐른다. 양쪽 커패시터(C1, C2)에서 충전이 되는 동안 전류가 흘러 양쪽 트랜지스터(Q1/Q2)의 베이스로 전류가 흐르게 되고, 일반적으로 감도가 좋은 트랜지스터 쪽이 먼저 도통된다. 만약 Q1이 먼저 도통(Q1베이스전압이 0.6V)됐다고 가정하면, Q1은 단락소자와 같아져서 노드A와 접지간의 전압이 0이 된다. C1에 충전됐던 전하가 A점 노드를 타고 접지 쪽으로 방전하게 된다. 방전(전압강하)이 되려면 저항에 걸려서 에너지가 소비되고 C1의 음극판으로 들어가야 함으로, C1의 음극 쪽에 붙어있는 R2에 방전전압이 걸려서 소비되게 된다. 동시에 Q2 베이스로 전류가 흐르지 않아 계속 개방 상태가 된다. 한편 C2는 계속 충전이 되면서 전류를 흘려 Q1은 계속 단락 상태에 있다가, C2 양단이 5V와 같아지면 개방소자가 되여 직류 전류를 흘리지 않아서 Q1이 개방 상태가 된다.
이와 같은 Astable MV발진 주기는 [수학식 7]과 같이 표현되어진다.
[수학식 7]
Figure pat00010
도 10은 60Hz 에너지 도너를 위한 본 발명의 Astable MV(Multivibrator)와 유도 코일, 및 공진 코일의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10과 같이, Resonance Frequency : 60Hz, Bandwidth : 87Hz에 대하여, R4 대신 유도 코일로서 인덕터 L1을 배치하고, 유도 코일(L1)과 공간적으로 떨어진 공진 코일(L2)(병렬 커패시터 포함)를 배치한 구조의 에너지 도너(또는 송신부)를 설계할 수 있다.
위와 같은 식들에 따라, 도 10의 유도된 Q값을 만족하는 공진 코일(L2)을 설계하면, 다음과 같다.
Resonance Frequency : 60Hz
Bandwidth : 87Hz
코일 두께 : 0.5mm
코일 지름 : 300mm
코일 턴수 : 5000
코일 인덕턴스 : 0.8H
코일 내부 직렬저항 : 463 Ohms
코일 내부 등가 병렬 저항 : 217 Ohms
병렬 커패시터의 캐패시턴스 : 8.37uF
또한, 위와 같은 식들에 따라, 도 10의 유도된 Q값을 만족하는 유도 코일(L1)을 설계하면, 다음과 같다. 유도 코일은 Differential 구조를 갖는 MV의 특성상 MV의 반대편의 연결되는 저항 R1과 같은 값의 내부저항을 갖도록 설계 한다.
Resonance Frequency : 60Hz
Bandwidth : 87Hz
코일 두께 : 0.5mm
코일 지름 : 300mm
코일 턴수 : 1000
코일 인덕턴스 : 0.139H
코일 내부 직렬저항 : 92.7 Ohms
발진 주파수 : 59.8Hz
도 11a 내지 도 11e는 도 10의 여러 노드에서의 측정 파형을 나타낸다.
이와 같이 설계된 에너지 도너(또는 송신부)를 소정의 시험 장비를 이용하여 측정한 결과가 도 11a내지 도 11e에 도시되어 있다. 도 11a는 유도 코일(L1)의 위쪽 노드, 도 11b는 유도 코일(L1)의 아래쪽 노드 2에 대한 측정 파형이며, 도 11c는 유도 코일(L1)의 양단간 측정 파형이며, 도 11d는 공진 코일(L2)의 양단간 측정 파형이다. 유도 코일(L1)의 양단간 전압의 RMS 값은 14.75V로 측정되고, 프로브 임피던스를 고려한 유도 코일(L1)의 임피던스 값은 104 오옴이며, 이때 도 11e와 같이 에너지 도너(또는 송신부)의 출력 전력이 2.09W로 측정되었다.
도 12는 10KHz 에너지 도너를 위한 본 발명의 Astable MV(Multivibrator)와 유도 코일, 및 공진 코일의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 12와 같이, Resonance Frequency : 10KHz, Bandwidth : 240Hz 에 대하여, R4 대신 유도 코일로서 인덕터 L1을 배치하고, 유도 코일(L1)과 공간적으로 떨어진 공진 코일(L2)(병렬 커패시터 포함)를 배치한 구조의 에너지 도너(또는 송신부)를 설계할 수 있다.
위와 같은 식들에 따라, 도 12의 유도된 Q값을 만족하는 공진 코일(L2)을 설계하면, 다음과 같다.
Resonance Frequency : 10kHz
Bandwidth : 240Hz
코일 두께 : 1mm
코일 지름 : 240mm
코일 턴수 : 30
코일 인덕턴스 : 0.369mH
코일 내부 직렬저항 : 0.556 Ohms
코일 내부 등가 병렬 저항 : 970 Ohms
병렬 커패시터 캐패시턴스 : 0.69uF
또한, 위와 같은 식들에 따라, 도 12의 유도된 Q값을 만족하는 유도 코일(L1)을 설계하면, 다음과 같다. 유도 코일은 Differential 구조를 갖는 MV의 특성상 MV의 반대편의 연결되는 저항 R1과 같은 값의 내부저항을 갖도록 설계 한다.
Resonance Frequency : 10kHz
Bandwidth : 240Hz
코일 두께 : 0.5mm
코일 지름 : 240mm
코일 턴수 : 90
코일 인덕턴스 : 3mH
코일 내부 직렬저항 : 6.6 Ohms
코일 내부 등가 병렬 저항 : 0.19 Ohms
발진 주파수 : 10.7kHz
도 13a 내지 도 13e는 도 12의 여러 노드에서의 측정 파형을 나타낸다.
이와 같이 설계된 에너지 도너(또는 송신부)를 소정의 시험 장비를 이용하여 측정한 결과가 도 13a내지 도 13e에 도시되어 있다. 도 13a는 유도 코일(L1)의 위쪽 노드, 도 13b는 유도 코일(L1)의 아래쪽 노드 2에 대한 측정 파형이며, 도 13c는 유도 코일(L1)의 양단간 측정 파형이며, 도 13d는 공진 코일(L2)의 양단간 측정 파형이다. 유도 코일(L1)의 양단간 전압의 RMS 값은 14.917V로 측정되고, 프로브 임피던스를 고려한 유도 코일(L1)의 임피던스 값은 188 오옴이며, 이때 도 13e와 같이 에너지 도너(또는 송신부)의 출력 전력이 1.18W로 측정되었다.
한편, 도 2의 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)를 좀 더 자세히 도시하면 도 14와 같다.
도 14와 같이, 본 발명의 일실예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 수신부는, 스마트 그리드의 HAN, NAN 의 통신이나 센서에 적용되는 ZigBee 통신 등을 위한 전자장치나 기타 동작을 위한 전력을 필요로하는 다양한 전자장치에 적용을 위한 것으로서, 전력 전송용 안테나 이외에 자기 공진 전력 수신 코일을 포함하며, 상기 수신 코일에 접속된 임피던스 매칭부(Impedance Matching부), 임피던스 매칭부에 연결된 정류기(Rectifier), 일정 전압 유지를 위해 저항과 수퍼 커패시터(Super Capacitor)(CAP) 사이에 연결된 히스테리시스 특성 스위치, 히스테리시스 특성 스위치에 연결된 비교기(Comparator), 비교기에 연결된 DC-to-DC 부스팅업 변환기(Boost up Converter), 부스팅업 변환기에 의해 충전되는 배터리(BAT)(도시되지 않음) 등을 포함한다. 상기 수신 코일은 공진용 코일 및 그와 공간적으로 떨어진 부하 코일을 포함하며 이에 따라 일정한 Q값 획득이 가능하고, 임피던스 매칭부에는 Wide Dynamic Range Impedance Matching을 위한 구성을 포함한다.
도 15는 도 14의 자기 공진 전력 수신 코일(수신 부하 코일)과 정류기의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
정류기(Rectifier)는 도 15와 같이 자기 공진 전력 수신 코일(수신 부하 코일)의 양단을 입력으로 받는 브리지 다이오드 구조일 수 있다. Villard 구조의 전압 체배기를 정류기(Rectifier)로 사용할 수 있으나, 이는 승압 가능한 정류전압의 한계(Voltage Saturation)가 발생하고 다이오드수가 많아 전압강하가 많이 발생하여 효율이 저하될 수 있다.
도 16은 도 14의 자기 공진 전력 수신 코일(수신 부하 코일)과 정류기 사이의 임피던스 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 16와 같이, 자기 공진 전력 수신 코일(수신 부하 코일)(L2)과 정류기(Rectifier) 사이에 수동 소자들(L3, L4, L5, C4 등)을 임피던스 매칭부로 이용해, 주파수에 따른 임피던스 정합을 통해 Wide Dynamic Range 특성을 구현 할 수 있다. Wide Dynamic Range 특성은 입력 주파수 및 입력전력에 따른 임피던스 정합을 통해 더 낮은 전력을 획득 및 정류하여 사용 할 수 있는 특성이다. 하지만 낮은 주파수 대역에서는 입력 전력에 따른 임피던스 정합에 관계없이 정류되는 정도가 일정하기 때문에 본 60Hz 또는 10KHz 등 낮은 주파수 대역의 전력 획득 장치의 설계에는 불필요할 수 있다.
도 4의 Comparator를 좀 더 자세히 도시하면 도 17와 같다.
정류기(Rectifier) 출력은 수퍼 커패시터(Super Capacitor)에 슈퍼커패시터에 축적되며, 수퍼커패시터의 전력을 효율적으로 활용하기 위해서 슈퍼커패시터에 사용 가능한 전력이 축적 되었을 때에만 동작하도록 하기 위하여, 히스테리시스 특성 스위치가 스위치가 필요하다. Comparator는 슈퍼커패시터의 전압과 내부의 기준전압을 비교하여 출력전압을 발생하며, 슈퍼커패시터의 전압이 내부의 기준전압 보다 작으면 해당 Comparator 출력(/SHDN)에 따라 히스테리시스 특성 스위치가 정류기(Rectifier) 출력을 수퍼커패시터로 출력하며, 도 18과 같은 DC-to-DC Boost up Converter는 부스팅을 대기한다.
슈퍼커패시터의 전압이 내부의 기준전압 이상이면 해당 Comparator 출력(/SHDN)에 따라 히스테리시스 특성 스위치가 정류기(Rectifier) 출력을 수퍼커패시터로 출력하지 않도록 할 수 있으며, 도 18과 같은 DC-to-DC Boost up Converter는 Super Capacitor 전압 Vcap 으로부터 DC to DC Boost up Converter가 원하는 해당 출력전압을 발생하도록 하여 배터리(BAT)를 충전시킬 수 있다. 도 18과 같은 DC-to-DC Boost up Converter는 Comparator 출력(/SHDN)에 대기 또는 DC-to-DC Boost up 동작을 수행할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)를 실제 구현한 예이다. 도 20은 도 19와 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 정류기(Rectifier)의 입력 파워(dBm)에 대한 출력 전압에 대한 특성 그래프이다. 도 21은 도 19과 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 슈퍼커패시터에 충방전되는 전압 파형도이다. 도 22은 도 19과 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 Comparator 출력(/SHDN)의 파형도이다. 도 23은 도 19과 같은 일례의 에너지 억셉터(또는 수신부)에서의 DC-to-DC Boost up Converter의 출력 파형도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템의 에너지 억셉터(또는 수신부)가 도 24와 같은 UBee430 ZigBee 모듈 등의 배터리 충전에 적용될 수 있다. 이와 같은 ZigBee 모듈에서는 전원 스위치에 의해서, USB 모듈에 연결시에는 전원스위치가 USB 모듈에서 전원을 공급하도록 스위칭하며, 그렇치 않으면 내부 배터리가 전원을 공급하도록 스위칭한다.
도 25은 ZigBee와 같은 근거리 통신 모듈의 송신부(Tx 모듈)과 수신부(Rx 모듈)에 대한 블록도이다.
<송신부(Tx 모듈) 동작 시나리오>
타이머 ON
1초마다 ADC1, ADC2 Pin의 전압 값 Check
슈퍼커패시터 전압 0.95V 이상 : RF Message Send 및 LED ON
EA Module 슈퍼커패시터 전압 0.95V 이상시- Message data : 0xee, LED1 on(Blue)
EA Module 슈퍼커패시터 전압 0.95V 이상시- Message data : 0xdd, LED2 on(Yellow)
LED1, LED2가 모두 On 이면 1초 후 LED1, 2 Off
<수신부(Rx 모듈) 동작 시나리오>
0xee 값을 receive 하면 LED1 On(Blue)
0xdd 값을 receive 하면 LED2 On(Yellow)
LED1, LED2 가 모두 On 이면 1초 후 Off
<ZigBee 모듈 Source Coding>
컴포넌트 기반의 NesC 언어를 사용하여 송신부(Tx 모듈), 수신부(Rx 모듈) 각 모듈의 동작을 위한 프로그램이 코딩될 수 있으며, 이러한 코딩은 zigbee를 사용하여 센서 네트워크 시스템을 구축할 때 사용될 수 있다. 소프트웨어가 가볍기 때문에 저전력시스템을 구축할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

  1. 유도 코일, 상기 유도 코일과 공간적으로 떨어져 상기 유도 코일의 발진 신호에 따라 무선 전력을 전송하는 공진 코일, 및 상기 유도 코일에 연결되어 상기 유도 코일에서 일정 주파수 대역의 상기 발진 신호를 출력하도록 하는 Astable MV(Multivibrator)부를 포함하는 에너지 도너; 및
    상기 에너지 도너의 공진 코일과 자기공진을 통해 무선 전력을 수신하는 공진용 코일, 상기 공진용 코일과 공간적으로 떨어져 상기 공진용 코일로부터 무선 전력을 수신하는 부하 코일, 및 상기 부하 코일로부터의 전력을 정류하여 배터리를 충전하기 위한 회로를 포함하는 에너지 억셉터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 억셉터의 상기 회로는,
    상기 부하 코일 양단을 입력으로 받아 정류하는 브리지 다이오드로 이루어진 정류기; 수퍼 커패시터; 히스테리시스 특성 스위치; 상기 히스테리시스 특성 스위치에 연결된 비교기; 및 상기 비교기에 연결된 DC-to-DC 부스팅업 변환기를 포함하고,
    상기 비교기는 상기 정류기가 상기 수퍼 커패시터에 충전하는 전압과 내부의 기준전압을 비교하여 제어 출력을 발생하며,
    상기 수퍼 커패시터의 전압이 상기 기준전압 보다 작으면 상기 제어 출력에 따라 상기 부스팅업 변환기의 동작은 정지시키고 상기 정류기가 상기 수퍼 커패시터에 충전하도록 제어하며,
    상기 수퍼 커패시터의 전압이 상기 기준전압 이상이면 상기 제어 출력에 따라 상기 부스팅업 변환기가 상기 수퍼 커패시터의 전압을 변환하여 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발진 신호가 60Hz 내지 20KHz 주파수 대역인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    ZigBee 통신, 블루투스 통신, 또는 NFC(Near Field Communication) 통신 모듈의 상기 배터리를 포함하는 전자장치의 동작을 위한 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅용 자기공진 송수신 시스템.
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