KR101055448B1 - 통신 기능이 구비된 무선전력 송수신 장치 및 그 무선전력 송수신 방법 - Google Patents

통신 기능이 구비된 무선전력 송수신 장치 및 그 무선전력 송수신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 통신 기능이 구비된 무선전력 송수신 장치 및 그 무선전력 송수신 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 외부에서 입력되는 전력을 받아무선전력 신호를 생성하여 출력하는 전력 신호 생성부; 상기 전력 신호 생성부에서 출력한 상기 무선전력 신호를 전달하며, 전력 소모장치의 식별자를 포함하는 식별 데이터를 입력받아 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 온오프키윙 변조하여 출력하는 온/오프키윙(OOK) 변조부; 인덕터와 캐패시터를 포함하여 구성되고, 상기 인덕터와 상기 캐패시터에 의한 공진 주파수를 사용하여 상기 무선전력 신호와 변조된 상기 식별 데이터를 자기공명방식에 의해 송신하며, 무선전력 수신장치에서 반송되는 반송 무선전력 신호와 반송 식별 데이터를 수신하여 출력하는 송신 안테나부; 제1 포트를 통해 입력되는 상기 무선전력 신호를 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로 출력하고, 상기 제1 포트를 통해 입력되는 변조된 상기 식별 데이터를 상기 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로 출력하며, 상기 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로부터 입력된 상기 반송 무선전력 신호와 상기 반송 식별 데이터를 제3 포트를 통해 출력하는 방향성 전력 결합부; 상기 제3 포트로부터 출력된 상기 반송 무선전력 신호의 전력을 검출하여 출력하고, 상기 반송 식별 데이터의 포락선을 검출하여 출력하는 포락선/전력 검출부; 및 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 상기 반송 무선전력 신호의 전력 세기에 따른 상기 전력 소모장치의 개수를 파악하고, 파악된 상기 전력 소모 장치의 개수에 대응되는 공진 주파수를 사용하여 상기 무선전력 신호를 송신하도록 상기 송신 안테나부를 제어하며, 상기 온/오프키윙(OOK)온/오프키윙(OOK)조부에 상기 전력 소모장치의 식별자를 포함하는 상기 식별 데이터를 제공하여 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 상기 전력 소모장치의 식별자를 포함한 식별 데이터를 온오프 키윙 변조하여 전송하도록 하고, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 상기 포락선을 이용하여 상기 반송 식별 데이터를 파악하고, 파악된 상기 반송 식별 데이터를 근거로 상기 전력 소모장치의 적합성을 파악하여 전력 소모장치에 전력이 공급되도록 상기 송신 안테나부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 통신 기능이 구비된 무선전력 송신장치와 그방법 그리고 그와 관련된 수신 장치 와 그 방법이 제공된다.

Description

통신 기능이 구비된 무선전력 송수신 장치 및 그 무선전력 송수신 방법{The wireless power transmission apparatus having communication function And Method thereof}
본 발명은 통신 기능이 구비된 무선전력 송수신 장치 및 그 무선전력 송수신 방법에 관한 것이다.
무선통신기술의 발달로 언제 어디서나 누구나 원하는 모든 정보를 주고 받을 수 있는 유비쿼터스 정보환경이 되고 있다. 하지만, 아직까지 통신정보기기들은 대부분 배터리에 의존하고 있고, 유선 전원코드에 의한 전원을 공급받아 통신정보기기의 사용이 제한을 받고 있다. 따라서, 무선정보 네트워크 환경은 단말기 전원에 대한 문제를 해결하지 않고서는 진정으로 자유로워질 수 없다.
이런 문제를 해결하기 위하여 무선으로 전력을 전달하기 위한 많은 기술이 개발되고 있다.
우선, 전파(Microwave)를 이용한 전파수신형 기술, 그리고 자기장을 이용한 자기유도형 기술, 또한 자기장과 전기장의 에너지 전환에 의한 자기공명 기술 등이 대표적이다.
여기서, 전파수신형 기술은 안테나를 통해 전파를 공기 중으로 방사함으로써 먼 거리까지 전력전송이 가능하다는 장점이 있으나, 공기 중에서 소모되는 방사손실(Radiation loss)이 매우 커서 전력전송의 효율성에 한계가 있다.
또한, 자기유도형 기술은 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일에 의한 자기 에너지 결합을 이용한 기술로 높은 전력전송의 효율성을 갖는 장점이 있으나, 전력전송을 위해서 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일이 수 mm 정도의 짧은 거리에 인접해 있어야 하며, 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일의 코일정렬에 따라 전력전송의 효율성이 급격히 변하며, 발열량이 크다는 단점이 있다.
따라서, 최근에 자기유도형 기술과 유사하나 코일형의 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 특정 공진 주파수에 에너지가 집중되게 하여 자기에너지 형태로 전력을 송신하는 자기공명 기술이 개발되고 있다. 비교적 큰 전력을 수 미터까지 보낼 수 있다는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High Quality factor)을 요구하고 있다.
즉, 자기유도형 기술은 임피던스 정합 여부, 송신측의 LC 코일과 수신측의 LC 코일 사이의 공진 주파수 일치 여부에 따라 효율이 급격하게 변하는 단점이 있다.
종래의 자기유도형 기술은 송신측과 수신측에 트랜시버를 장착하여 송신측과 수신측의 통신을 통해 상술한 문제점을 제어하였다. 그러나 트랜시버를 별도로 장착하면 무선전력 송신장치와 수신장치의 비용이 증가하며, 장치의 구성이 복잡해지는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 송신측과 수신측의 통신을 위해서 별도의 트랜시버 모듈을 구비하지 않고, 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치만으로 데이터 송수신과 무선전력 전송을 겸용할 수 있는 통신 기능이 구비된 무선전력 송수신 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 통신기능이 구비된 무선전력 송신장치에 관련된 것으로, 외부에서 입력되는 전력을 받아무선전력 신호를 생성하여 출력하는 전력 신호 생성부; 상기 전력 신호 생성부에서 출력한 상기 무선전력 신호를 전달하며, 전력 소모장치의 식별자를 포함하는 식별 데이터를 입력받아 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 온오프키윙 변조하여 출력하는 온/오프키윙(OOK) 변조부; 인덕터와 캐패시터를 포함하여 구성되고, 상기 인덕터와 상기 캐패시터에 의한 공진 주파수를 사용하여 상기 무선전력 신호와 변조된 상기 식별 데이터를 자기공명방식에 의해 송신하며, 무선전력 수신장치에서 반송되는 반송 무선전력 신호와 반송 식별 데이터를 수신하여 출력하는 송신 안테나부; 제1 포트를 통해 입력되는 상기 무선전력 신호를 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로 출력하고, 상기 제1 포트를 통해 입력되는 변조된 상기 식별 데이터를 상기 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로 출력하며, 상기 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로부터 입력된 상기 반송 무선전력 신호와 상기 반송 식별 데이터를 제3 포트를 통해 출력하는 방향성 전력 결합부; 상기 제3 포트로부터 출력된 상기 반송 무선전력 신호의 전력을 검출하여 출력하고, 상기 반송 식별 데이터의 포락선을 검출하여 출력하는 포락선/전력 검출부; 및 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 상기 반송 무선전력 신호의 전력 세기에 따른 상기 전력 소모장치의 개수를 파악하고, 파악된 상기 전력 소모 장치의 개수에 대응되는 공진 주파수를 사용하여 상기 무선전력 신호를 송신하도록 상기 송신 안테나부를 제어하며, 상기 온/오프키윙(OOK) 변조부에 상기 전력 소모장치의 식별자를 포함하는 상기 식별 데이터를 제공하여 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 상기 전력 소모장치의 식별자를 포함한 식별 데이터를 온오프 키윙 변조하여 전송하도록 하고, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 상기 포락선을 이용하여 상기 반송 식별 데이터를 파악하고, 파악된 상기 반송 식별 데이터를 근거로 상기 전력 소모장치의 적합성을 파악하여 적합한 전력 소모장치에 전력이 공급되도록 상기 송신 안테나부를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 전력 신호 생성부와 상기 송신 안테나부 사이에 위치하고, 상기 전력 신호 생성부와 상기 송신 안테타부 사이의 임피던스 정합을 제공하는 임피던스 정합부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 임피던스 정합부의 임피던스를 변화시키면서 상기 포락선/전력 검출부에서 수신된 상기 반송 무선전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최소 변곡점에 해당하는 상기 임피던스로 상기 임피던스 정합부의 임피던스로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 송신 안테나부의 공진 주파수를 상기 포락선/전력 검출부에서 수신된 상기 반송 무선전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최소 변곡점에 해당하는 상기 공진 주파수로 설정하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명은 통신기능이 구비된 무선전력 수신장치에 관련된 것으로, 인덕터와 캐패시터로 구성되고, 상기 인덕터와 상기 캐패시터에 의해 결정된 공진 주파수를 사용하여 무선전력 송신장치에서 전송한 무선전력 신호와 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 변조된 식별 데이터를 자기공명방식에 의해 수신하며, 잔여 무선전력 신호와 변조된 상기 식별 데이터를 상기 무선전력 송신장치로 반송하는 수신 안테나부; 전력 소모장치가 접속되어 있으며, 상기 수신 안테나부에서 수신된 상기 무선전력 신호를 전력 공급 방식에 따른 전력 신호로 변환하여 상기 전력 소모장치에 공급하는 전력 신호 변환부; 상기 수신 안테나부에서 수신한 상기 무선전력 신호의 전력 세기를 검출하여 출력하고, 상기 수신 안테나부에서 수신한 식별 데이터에서 포락선을 검출하여 출력하는 포락선/전력 검출부; 및 상기 수신 안테나부를 상기 무선전력 신호와 상기 식별 데이터를 수신하도록 제어하고, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출한 상기 포락선을 이용하여 상기 식별 데이터를 추출한 후에 추출된 상기 식별 데이터에 포함된 식별자가 접속된 상기 전력 소모장치의 상기 식별자에 해당하는 경우에, 해당하는 상기 전력 소모장치를 일시 중지하여 이후에 수신되는 상기 식별 데이터가 상기 무선전력 송신장치로 반송되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는 상기 수신 안테나부의 공진 주파수를 튜닝하면서, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 전력 세기의 최대 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최대 변곡점에 해당하는 공진 주파수를 상기 수신 안테나부의 공진 주파수로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수신 안테나부와 상기 전력 신호 변환부 사이에 임피던스 정합부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 임피던스 정합부의 임피던스를 튜닝하면서, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 전력 세기의 최대 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최대 변곡점에 해당하는 임피던스를 상기 임피던스 정합부의 임피던스로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수신 안테나부와 상기 전력 신호 변환부 사이에 위치하고, 상기 수신 안테나부에서 수신한 전력 전송을 차단하는 스위치부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전력 소모장치들의 접속이 해제되는 경우에 상기 스위치부를 제어하여 상기 수신 안테나부에서 수신한 전력 전송을 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 포락선/전력 검출부는 포락선 검출부와 전력 검출부로 구성되고,상기 수신 안테나부와 상기 전력 신호 변환부 사이에 위치하는 전력 결합부를 더 포함하여, 상기 무선전력 신호를 상기 포락선 검출부와 상기 전력 검출부로 출력하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 무선전력 전송방법에 관련되며, (A) 무선전력 송신장치가 무선전력 신호를 자기공명방식에 의해 무선전력 수신장치로 전송하는 단계; (B) 상기 무선전력 송신장치가 상기 무선전력 수신장치에서 반송되는 반송 무선전력 신호를 수신하여 전력 세기를 검출한 후에 전력 소모장치의 접속 여부를 확인하는 단계; (C) 상기 무선전력 송신장치가 상기 전력 소모장치의 접속이 확인된 경우에 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수를 탐색하여 상기 전력 소모장치의 개수를 파악하고, 파악된 개수에 대응하는 전력 세기로 상기 무선전력 신호를 전송하는 단계; (D) 상기 무선전력 송신장치가 상기 전력 소모장치 각각 할당된 식별자를 포함한 식별 데이터를 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 온오프 키윙 방식에 의해 변조하여 2회 이상 반복하여 순차적으로 전송하는 단계; 및 (E) 상기 무선전력 송신장치가 상기 무선전력 수신장치에서 반송 식별 데이터를 수신하여 전송한 상기 식별 데이터와 일치하는 경우에 접속된 상기 전력 소모장치를 적합하다고 판단하여 무선 전력 전송을 계속하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (C) 단계는, (C-1) 상기 무선전력 송신장치가 상기 전력 소모장치의 접속이 확인된 경우에 상기 공진 주파수를 가변하면서 상기 반송 무선전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하는 단계; 및 (C-2) 상기 무선전력 송신장치가 탐색된 상기 최소 변곡점에 해당하는 공진 주파수를 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수로 판단하고, 판단된 공진 주파수를 이용하여 상기 전력 소모장치의 개수를 파악하여 파악된 개수에 대응하는 전력 세기로 상기 무선전력 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 무선전력 수신방법에 관련되고, (A) 무선전력 수신장치가 무선전력 송신장치로부터 무선전력 신호가 수신되는 경우에 접속된 전력 소모장치에 공급할 무선전력 신호를 수신하고, 잔여 무선전력 신호를 반송하는 단계; (B) 상기 무선전력 수신장치가 상기 무선전력 송신장치에서 전송한 식별 데이터를 수신하여 식별자를 검출하여, 검출된 식별자가 접속된 상기 전력 소모장치의 식별자에 해당하는 경우에, 상기 전력 소모장치를 일시 정지하여 이후에 도달되는 상기 식별 데이터가 반송되도록 하는 단계; 및 (C) 상기 무선전력 수신장치가 접속된 상기 전력 소모장치가 접속이 해제된 경우에 상기 무선전력 송신장치에서 전송되는 상기 무선전력 신호의 수신을 중지하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 무선전력 송신장치는 별도의 트랜시버를 구비하지 않고, 통신과 전력전송을 겸용할 수 있으므로 무선전력 송신 장치의 비용이 감소하며, 장치의 구성 및 제어가 단순해진다.
또한, 본 발명에 따른 무선전력 송신장치는 단방향 통신이지만 수신장치의 응답을 능동적으로 인지하여 양방향 통신효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선전력 수신장치는 효과적으로 제어되는 구성을 가지고 있어 송신전력의 낭비를 막을 수 있고, 공진 주파수를 주기적으로 변화시켜 전력전송 장치의 보안을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 송수신 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 송신장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200)의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200')의 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 송신장치의 무선전력 송신방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6a는 무선전력 수신장치에서 전력 소모장치의 개수에 따른 반송 무선전력 신호의 이득과 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6b는 무선전력 수신장치에서 전력 소모장치의 개수에 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 무선전력 송수신 장치와 방법에 이용되는 스위칭 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치의 무선 전력 송신방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 무선전력 수신방법의 흐름도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 송수신 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선전력 송수신 장치는 무선전력 송신장치(100)와 복수의 무선전력 수신장치(200; 200-1, 200-2, 200-3)를 포함하여 구성된다.
복수의 무선전력 수신장치(200-1, 200-2, 200-3)는 각각 전력 소모장치(251)를 포함하는데, 전력 소모장치(251)는 텔레비전(251-1), 노트북(251-2), 배터리 충전기(251-3)가 될 수 있다.
그리고, 무선전력 송신장치(100)는 캐패시터(C1)와 인턱터(L1)를 포함하고 있으며, 복수의 무선전력 수신장치(200-1, 200-2, 200-3)는 각각 캐패시터(C2-1, C2-2, C2-3)와 인턱터(L2-1, L2-2, L2-3)를 포함하고 있어, 무선전력 송신장치(100)와 무선전력 수신장치(200)는 자기공명방식에 의해 전력을 송수신한다.
이때, 무선전력 송신장치(100)는 초기 공진 주파수를 설정하고, 설정된 초기 공진 주파수를 이용하여 무선전력 수신장치(200)로 무선전력 신호를 전송하고, 무선전력 수신장치(200)에서 되돌아오는 반송 무선전력 신호를 수신하여 무선전력 신호의 수신상태에 있는 무선전력 수신장치(200)의 개수를 파악한다.
그리고, 무선전력 송신장치(100)는 파악된 수신상태에 있는 무선전력 수신장치(200)의 개수에 적합한 공진 주파수를 사용하여 무선전력 신호를 전송한다.
한편, 무선전력 수신장치(200)에 연결된 전력 소모장치(251) 각 각에는 고유한 전력 소모장치 식별자(ID)가 할당되어 있다.
그리고, 전력 소모장치(251)의 각각에 연결된 무선전력 수신장치(200)는 접속된 전력 소모장치(251)에 대한 전력 소모장치 식별자를 인식하고 있다.
또한, 무선전력 송신장치(100)도 전력 소모장치(251)의 각각에 대한 전력 소모장치 식별자를 인식하고 있다.
이와 같은 상황에서 무선전력 송신장치(100)는 구비된 온/오프키윙(OOK) 변조부를 사용하여 고유한 전력 소모장치 식별자(ID)를 포함한 식별 데이터를 특정한 주파수 대역을 가지는 반송파 캐리어(여기에서는 무선전력 신호)에 곱하여 온/오프키윙(on-off keying) 변조를 수행하여, 변조된 식별 데이터를 포함한 무선전력 신호를 반복적으로 무선전력 수신장치(200)에 전송하여, 해당 전력 소모장치 식별자(ID)를 가지고 있는 전력 소모장치(251)가 무선전력을 수신할 수 있는 상태에 있는지를 확인한다.
이를 좀더 구체적으로 살펴보면, 무선전력 송신장치(100)는 온/오프키윙(OOK) 변조부를 사용하여 고유한 전력 소모장치 식별자(ID)를 포함한 식별 데이터를 특정한 주파수 대역을 가지는 반송파 캐리어(여기에서는 무선전력 신호)에 곱하여 온/오프키윙(on-off keying) 변조를 수행하여, 변조된 식별 데이터를 포함한 무선전력 신호를 반복적으로 무선전력 수신장치(200)에 전송한다.
그러면, 무선전력 수신상태에 있는 무선전력 수신장치(200)는 변조된 식별 데이터를 수신하여 수신된 전력 소모장치 식별자를 확인한 후에, 확인된 전력 소모장치 식별자가 접속된 전력 소모장치(251)의 전력 소모장치 식별자인 경우에는 구비된 스위치를 오프(OFF)시켜 이후에 전송되는 변조된 식별 데이터를 포함하는 무선전력 신호를 반송되도록 한다.
이처럼, 무선전력 수신장치(200)가 식별 데이터를 포함한 무선전력 신호를 반송하면, 무선전력 송신장치(100)는 반송된 무선전력 신호를 수신하여 식별 데이터에 포함된 전력 소모장치 식별자에 해당하는 전력 소모장치(251)가 적합한 전력 소모장치(251)로 수신상태에 있음을 확인한다.
이와 같이 무선전력 송신장치(100)가 무선전력의 수신상태에 있는 무선전력 수신장치(200)의 적합성을 확인해야 하는 이유는 무선전력 송신장치(100)가 초기 공진 주파수를 이용하여 무선전력 수신장치(200)로 무선전력 신호를 전송하여 파악한 수신상태에 있는 무선전력 수신장치의 개수에는 부적합한 외부의 무선전력 수신장치가 포함될 수 있기 때문이다.
일 예로, 무선전력 송신장치(100)의 무선전력 신호 송신범위에 1개의 부적합한 무선전력 수신장치가 있는 경우에 무선전력 송신장치(100)에 설정된 초기 공진 주파수를 이용하여 수신상태에 있는 무선전력 수신장치의 개수를 파악하면, 실제 적합한 무선전력 수신장치들 중에서 온(ON) 되어 있는 개수에 하나가 더 더해진 개수로 파악된다. 이와 같은 상황에서 무선전력 송신장치(100)가 수신 상태에 있다고 파악한 무선전력 수신장치에 대하여 그 적합성을 확인하면, 1개의 부적합한 무선전력 수신장치가 무선전력 신호 송신범위에 놓여 있는 것을 확인할 수 있고, 그에 따라 적절한 조치를 취하여 최대 전력 전송이 이루어지도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 송신장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 무선전력 송신장치(100)를 설명하기로 한다.
도 2에 도시한 것과 같이, 본 실시예에 따른 무선전력 송신장치(100)는 전력신호 생성부(110), 온/오프키윙 변조부(On/Off keying Modulator)(120), 방향성 전력결합부(130), 임피던스 정합부(140), 송신 안테나부(150), 포락선/전력검출부(160), 제어부(170)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 전력신호 생성부(110)는 외부전력을 무선으로 전송하기 위하여 무선전력 신호를 생성하고 생성된 무선전력 신호를 증폭하여 출력한다.
이러한 전력신호 생성부(110)는 신호발진부(111)를 포함하여 구성될 수 있다. 신호발진부(111)는 외부전력을 무선전력 신호로 변환한다. 이때, 무선전력 신호는 교류신호로써, 외부에서 입력되는 교류신호가 무선전력 전송에 적절하지 않은 교류신호의 형태를 가질 수 있으므로 신호발진부(111)는 외부전력을 무선으로 송신하기에 적절한 교류신호로 변환하여 출력한다.
또한, 전력신호 생성부(110)는 전력증폭부(112)를 포함할 수 있고, 전력증폭부(112)는 무선전력 송신의 효율을 높이기 위해 무선전력 신호를 증폭하여 출력한다.
그리고, 온/오프키윙(OOK) 변조부(120)는 스위칭 회로를 통하여 제어부(170)에서 입력되는 전력 소모장치 식별자(ID), 송신 주파수 정보, 송신 전력세기 정보 등을 포함하는 식별 데이터를 특정한 주파수 대역을 가지는 반송파 캐리어(여기에서는 무선전력신호)에 곱하여 온/오프키윙(On-Off Keying)변조를 수행한다.
여기서, 식별 데이터는 스위칭 회로의 개폐를 통해, 예를 들어 "11010, 11001" 등 값을 가질 수 있다. "1"은 스위칭 회로가 연결된 상태의 값이며, "0"은 스위칭 회로가 오픈된 상태의 값이다.
이러한 온/오프키윙(OOK) 변조부(120)의 스위칭 회로는 식별 데이터를 전송할 때에는 데이터 값에 따라 개폐를 반복하는 반면에, 그 이외의 무선전력 신호를 송신할 때는 언제는 온 상태를 유지한다.이러한 온/오프키윙(OOK) 변조부(120)의 스위칭 회로 개폐는 제어부(170)의 제어에 따라 실행된다.
다음으로, 방향성 전력결합부(130)는 다수의 단자로 구성되며, 한 단자로 입력된 신호가 나머지 단자 중 하나로만 출력되고 그 외의 단자로는 출력되지 않도록 함으로써 입력되는 신호의 방향을 변환한다.
이러한 방향성 전력결합부(130)를 사용하면 전력 신호 생성부(110)에서 출력하는(온/오프키윙(OOK) 변조부(120)를 경유하여 입력됨) 무선전력 신호나 온/오프키윙(OOK) 변조부(130)에서 출력되는 무선전력 신호를 반송파로 하여 입력되는 변조된 식별 데이터를 송신 안테나부(150)로 전송할 수 있으며, 폐루프를 형성하는 자기 결합 에너지의 특성에 의해 송신 안테나부(150)에서 전송된 무선전력 신호와 변조된 식별 데이터가 무선전력 수신장치에서 수신되지 않고 송신 안테나부(150)로 되돌아 오는 경우 되돌아 오는 무선전력 신호(이하 ' 반송 무선전력 신호'라 칭함)와 되돌아 오는 식별 데이터(이하 '반송 식별 데이터'라 칭함)(반송 무선전력 신호에 실려 되돌아옴)를 송신 안테나부(150)로부터 입력 받아 포락선/전력 검출부(160)로 출력할 수 있다.
결국, 방향성 전력 결합부(130)는 다수의 입출력 포트를 포함하여 구성되며, 입력되는 무선전력 신호 및 식별 데이터를 오직 송신 안테나부(150)와 연결된 포트로 전달하고, 반송 무선전력 신호 및 반송 식별 데이터를 오직 포락선/전력 검출부(160)에 연결된 포트로만 전달한다.
이때, 방향성 전력 결합부(130)는 3개의 포트를 갖는 써큘레이터(Circulator)로 구성되는 것이 바람직하다. 써큘레이터는 수개의 포트를 포함하나 어느 포트로 입력된 신호이든지 한 방향으로만 전달한다.
따라서, 써큘레이터는 온/오프키윙(OOK) 변조부(120)와 연결된 제1 포트, 송신 안테나부(150)와 연결된 제2 포트, 포락선/전력 검출부(160)와 연결된 제3 포트를 포함한다. 제1 포트로 입력되는 무선전력 신호 및 변조된 식별 데이터는 제2 포트로 출력되며, 제2 포트로 입력된 반송 무선전력 신호 및 반송 식별 데이터는 오직 제3 포트로만 출력된다.
다음으로, 임피던스 정합부(140)는 송신 안테나부(150)와 전력증폭부(112)의 임피던스 정합을 보정한다.
상술한 것과 같이, 송신전력의 세기를 키우거나 조절하기 위해서 위에서 설명한 바와 같이 전력증폭부(112)를 포함하여 구성하는데 전력증폭부(112)를 구동하기 위해서 로드 임피던스는 수십 오옴(ohm)이 필요하나 실제 송신 안테나부(150)의 제1 캐패시터(C1)와 제1 인덕터(L1)의 임피던스는 공진 Q-factor를 크게 하기 위해 수 오옴에 지나지 않는다. 이러한 임피던스 부정합은 무선전력신호의 전송효율을 감소시키므로 송신 안테나부(150)의 임피던스와 전력증폭부(112)의 임피던스 정합에 대한 보정이 요구된다.
그리고, 송신 안테나부(150)는 제1 캐패시터(C1)와 제1 인덕터(L1)를 포함하여 구성되며, 후술하는 수신 안테나부(도 2 참조)와 자기공명방식을 통해 무선전력 신호와 변조된 식별 데이터를 송신한다.
여기서 자기공명방식이란, 송신 안테나부(150)의 LC공진 주파수와 수신 안테나부의 LC공진 주파수를 동일하게 함으로써 동조를 일으켜 에너지 결합을 극대화 하는 방식이다. 따라서, 송신 안테나부(150)의 제1 캐패시터(C1)와 제1 인덕터(L1)의 캐패시턴스, 인덕턴스에 따라 공진 주파수가 결정된다.
또한, 송신 안테나부(150)는 무선전력 송신상황에서 돌아오는 반송 무선전력 신호와 반송 식별 데이터를 수신한다. 전자기파(Electromagnetic wave)에 대한 맥스웰 방정식 제4 법칙은 "자기력은 항상 폐 루프를 이룬다."고 정의하고 있다. 자기력(Magnetic field)이 폐루프를 이루며 순환하므로 수신 안테나부(210; 도 3참조)에서 수신된 무선전력 신호와 변조된 식별 데이터를 제외하고 송신된 무선전력 신호와 변조된 식별 데이터는 다시 송신 안테나부(150)로 반송된다. 따라서, 수신 안테나부가 존재하지 않는다면(또는 무선전력 신호를 수신하기 위한 상태가 아닌 경우) 송신 안테나부(150)는 송신한 무선전력 신호와 거의 동일한 세기의 반송 무선전력 신호를 수신하게 되며, 송신한 식별 데이터와 거의 동일한 반송 식별 데이터를 수신하게 된다.
한편, 포락선/전력 검출부(160)는 방향성 전력 결합부(130)로부터 입력되는 반송 무선전력 신호의 전력세기를 검출하고, 반송 식별 데이터의 포락선을 검출하여 검출된 전력 세기와 포락선을 제어부(170)로 출력한다.
본 발명에 따른 무선전력 송신장치(100)는 단방향 통신을 통해 무선전력 수신장치에 연결되어 있는 전력 소모장치(251)의 존재를 판단하고, 전력 소모장치(251)를 식별하므로 맥스웰 방정식 제4 법칙에 따라 돌아오는 반송 무선전력 신호 및 반송 식별 데이터를 검출하여야 한다.
여기서, 포락선/전력 검출부(160)는 검출한 반송 무선전력 신호의 전력 세기와 반송 식별 데이터의 포락선을 후술하는 제어부(170)로 출력하는데, 반송 무선전력 신호의 전력 세기와 반송 식별 데이터의 포락선이 아날로그 신호이기 때문에 제어부(170)에 디지털 신호를 출력하기 위해 아날로그/디지털 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있다.
그리고, 제어부(170)는 무선전력 송신장치(100)를 전반적으로 제어한다.
제어부(170)는 초기 공진 주파수를 설정하고 설정된 초기 공진 주파수를 이용하여 송신 안테나부(150)를 통하여 무선전력 신호가 무선전력 수신장치로 전송되도록 하고, 무선전력 수신장치에서 되돌아오는 반송 무선전력 신호를 송신 안테나부(150)를 통하여 수신하여 무선전력 수신장치(무선전력 수신상태에 놓여진)의 개수를 파악한다.
또한, 제어부(170)는 파악된 무선전력 수신장치의 개수에 해당하는 전력 세기를 갖도록 무선전력 신호의 전력을 증가시키며, 전력이 증가된 상태에서 무선전력 신호가 전송되도록 한다.
이때, 제어부(170)는 최대 전력 전송이 일어나도록 송신 안테나부(150)를 제어하여 공진 주파수를 조정하며, 또한 임피던스 정합부(140)의 임피던스를 조정한다.
또한, 제어부(170)는 송신 안테나부(150)를 통하여 온/오프키윙(OOK)변조부(120)에서 변조된 전력 소모장치(251) 각각에 할당된 해당 식별자를 포함하는 식별 데이터를 적어도 2회 이상을 반복적으로, 그리고 순차적으로 전송하여 무선전력 수신장치에 연결된 전력 소모장치(251)의 적합 여부를 확인한다.
이때, 전력을 송신하고자 하는 전력 소모장치(251)의 적합 여부가 확인되면, 제어부(170)는 최대 전력 전송이 일어나도록 송신 안테나부(150)를 제어하여 공진 주파수를 조정하며, 또한 임피던스 정합부(140)의 임피던스를 조정하여 최대 전력전송이 일어나도록 한다.
이와 같은 구성의 무선전력 송신장치 동작은 이하의 도 5에 도시된 무선전력 송신방법의 흐름도를 참조하여 좀더 분명히 이해될 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200)의 구성을 개략적으로 도시한 블럭다이어그램이다. 이하, 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200)를 설명하기로 한다.
도 3에 도시한 것과 같이, 본 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200)는 수신 안테나부(210), 스위치부(220), 임피던스 정합부(230), 전력 신호 변환부(240), 전력 소모장치(251), 포락선/전력검출부(260), 제어부(270)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 수신 안테나부(210)는 제2 캐패시터(C2)와 제2 인덕터(L2)를 포함하여 구성되며, 상술한 송신 안테나부(도 2 참조)와 자기공명방식을 통해 무선전력 신호와 무선전력 신호를 반송파로 하여 전송되는 변조된 식별 데이터를 수신한다.
그리고, 스위치부(220)는 무선전력 수신장치(200)의 수신 대기상태 또는 수신 종결상태를 결정한다.
스위치부(220)가 연결되면 무선전력 수신장치(200)는 무선전력 신호를 수신하게 되고, 오프되면 무선전력 수신장치(200)는 무선전력 신호의 수신을 중단하게 된다.
예를 들어, 무선전력 수신장치(200)에서 더 이상 전력이 필요하지 않을 때(예컨대, 텔레비전(251-1)이 오프되었을 때) 송신측과의 자기 결합을 종료하거나, 반대로 텔레비전이 온 되었을 때 송신측과의 자기 결합이 시작하도록 스위칭한다.
또한, 무선전력 신호를 반송파로 하여 입력되는 식별데이터가 수신될 때, 스위치부(220)가 개폐된다. 예를 들면, 식별데이터를 갖는 무선전력 신호가 2개 연속하여 입력되는데, 스위치부(220)는 온 상태에서 식별데이터를 수신하고 식별데이터가 제어부(270)에 입력된 값과 동일 할 경우 스위치부(220)는 오프 상태로 바뀌어 무선전력 송신장치(100)가 반송 식별 데이터 수신할 수 있도록 하고, 동일 하지 않을 경우 온 상태를 유지하여 무선전력 송신장치(100)가 반송 식별 데이터를 수신할 수 없도록 한다.
또한, 전력 신호 변환부(240)는 전력 소모장치(251)에 적절한 전력을 충전하거나 공급하기 위해 수신된 무선전력 신호를 교류로 유지하거나 직류로 변환한다.
따라서, 상기 전력 신호 변환부(240)는 수신된 무선전력 신호를 적절한 교류 신호로 유지하기 위한 교류-교류 변환기(AC-AC)(미도시)와 수신된 무선전력 신호를 적절한 직류 신호로 변환하기 위한 교류-직류 변환기(AC-DC)(미도시)를 포함할 수 있다.
다음으로, 전력 소모장치(251)는 수신 안테나부(210)가 수신한 무선전력 신호를 전달받아 소비한다. 전력 소모장치(251)는 상술한 것과 같이 텔레비전, 노트북, 배터리 충전기 등이 될 수 있다.
이와 같은 전력 소모장치(251)에는 구별할 수 있는 전력 소모장치 식별자(ID)가 할당되어 있으며, 무선전력 수신장치(200)에 접속할 때 할당된 식별자를 제어부(270)로 전송하여 인식할 수 있도록 한다(물론, 제어부(270)가 미리 할당된 식별자를 인식하고 있도록 할 수도 있다).
한편, 포락선/전력 검출부(260)는 수신 안테나부(210)에서 수신한 무선전력 신호의 전력 세기를 검출하여 제어부(270)로 출력하고, 변조된 식별 데이터의 포락선을 검출하여 제어부(270)로 출력한다.
그리고, 제어부(270)는 무선전력 수신장치(200)를 전반적으로 제어한다.
제어부(270)는 포락선/전력 검출부(260)에서 출력한 무선전력 신호의 전력 세기에 따라 수신 안테나부(210)의 임피던스를 제어하며, 임피던스 정합부(230)를 제어하여 수신 안테나부(150)의 임피던스와 전력 소모장치(251)의 임피던스 정합에 대한 보정을 수행한다.
또한, 포락선/전력 검출부(260)에서 검출된 포락선에 의해 식별 데이터를 판독하고, 판독된 식별 데이터에 포함된 식별자를 추출하여 추출된 식별자가 접속된 전력 소모장치(251)의 식별자에 해당하는 경우에 스위치부(220)를 전력 소모장치(251)의 접속이 오프되도록 스위칭하여 수신 안테나부(210)가 다음 주기 동안 무선전력 신호를 수신하지 않고 반송할 수 있도록 제어한다.
이처럼, 제어부(270)의 제어에 의해 스위치부(220)가 오프되면 다음 주기에 무선전력 송신장치(100)에서 전송되는 동일한 식별 데이터가 포함된 무선전력 신호는 무선전력 송신장치(100)로 반송되게 되면, 이에 따라 무선전력 송신장치(100)는 반송된 식별 데이터를 포함한 무선전력 신호를 수신하여 식별자를 확인함으로써 식별자에 해당하는 전력 소모장치(251)가 접속된 무선전력 수신장치(200)가 무선전력을 수신할 수 있는 상태에 있으며 해당 무선전력 수신 장치(200)가 적합한 무선전력 수신장치(200)라는 점을 확인할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 무선전력 수신장치(200)의 동작은 도 9의 흐름도를 통하여 좀더 분명히 이해될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200')의 블럭 구성도이다.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200')는 도 3에 도시된 무선전력 수신장치(200)와 달리 포락선/전력 검출부(260)가 포락선 검출부(260A)와 전력 검출부(260B)로 분리하여 구성되었으며, 또한 도 9에서 설명하는 바와 같이 통신 모드에서는 수신 안테나부(210)에서 입력되는 수신된 무선전력 신호를 전력결합부(235)에서 포락선 검출부(260A)와 전력 신호 변환부(240)로 출력하고, 전력 수신 모드에서는 수신 안테나부(210)에서 입력되는 수신된 무선전력 신호를 전력결합부(235)에서 전력 신호 변환부(240)로만 출력한다.
이처럼, 전력 결합부(235)를 무선전력 수신장치(200)에 사용하게 되면, 포락선 검출부(260A)와 전력 검출부(260B)를 구별하여 구성할 수 있어 전력소모를 줄일 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 무선전력 수신장치(200')는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환부(262)가 도시되어 있는 점이 도 3과 상이한 점이다. 그 외, 구성과 동작은 도 3과 동일하기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 송신장치(100)의 무선전력 송신방법을 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 무선전력 송신방법을 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선전력 송신장치(100)의 무선전력 송신방법은 수신기기(전력 소모장치) 유무판별 모드(S100), 캘리브레이션 모드(S200), 통신 모드(S300), 전력송신 모드(S400)로 구성되어 있다.
먼저, 수신기기 유무판별 모드(S100)에서 제어부(170)는 전력신호 생성부(110)가 구동되지 않는 대기 상태에서 수신기기 유무를 판별하기 위하여 전력 신호 생성부(110)를 구동하여 무선전력 신호를 생성하도록 한다(S112).
그리고, 제어부(170)는 초기 공진 주파수를 설정하여 설정된 초기 공진 주파수로 송신 안테나부(150)를 구동하여(S114), 무선전력 신호를 무선전력 수신장치(200)로 송신한다(S116).
이후에, 무선전력 수신장치(200)로부터 반송되는 반송 무선전력 신호를 송신 안테나부(150)가 수신하고(S118), 임피던스 정합부(140)와 방향성 전력 결합부(130)를 통하여 포락선/전력 검출부(160)로 출력하면, 포락선/전력 검출부(160)는 반송 무선전력 신호의 전력 세기를 측정하여 출력한다.
그러면, 제어부(170)는 반송 무선전력 신호의 세기(Preflect)가 설정값 1 (일 예로 무선전력 송신 장치(100)가 전송한 전력을 1이라고 할 때 0.95가 될 수 있음) 이하가 되는지를 판정한다(S120).
여기에서, 복수의 무선전력 수신장치(200)의 전력 소모장치 중 어느 하나 이상이 온 되어 있다면 무선전력 송신장치(100)가 수신하는 반송 무선전력 신호는 무선전력 송신장치(100)가 전송한 전력이 1이라고 할 때 일정 전력이 소모되어 적어도 0.95보다는 작을 것이다.
만약, 복수의 무선전력 수신장치(200)의 전력 소모장치들이 모두 다 오프되어 있다면 무선전력 송신장치(100)가 수신하는 반송 무선전력 신호는 무선전력 송신장치(100)가 전송한 전력이 1이라고 할 때 손실을 감안해도 일 예로 0.95보다는 클 것으로 판단된다.
따라서, 무선전력 송신장치(100)의 제어부(170)가 포락선/전력 검출부(160)를 통하여 검출한 반송 무선전력 신호의 크기가 설정값 1보다 큰지를 판단하고 크다면 무선전력 수신장치(200)의 전력 소모장치들 모두가 오프되어 있는 것으로 판단하여 무선전력 송신장치(100)를 대기 상태로 계속 유지한다.
만약, 제어부(170)의 판단 결과 설정값 1보다 작다면 무선전력 수신장치(200)의 전력 소모장치들 중 어느 한 장치가 온 되어 있는 것임으로 캘리브레이션 모드(S200)를 수행한다.
캘리브레이션 모드(S200)는 송신 안테나부(150)의 공진 주파수와 임피던스 정합부(140)의 임피던스를 정합하는 과정으로, 먼저 제어부(170)는 공진 주파수를 튜닝, 즉 변화시키면서(S210), 수신된 반송 무선전력 신호에서 최소 변곡점이 발견되는지를 탐색한다(S212).
이때, 수신된 반송 무전전력 신호에서 최소 변곡점이 발견되었다는 것은 최소 변곡점에 해당하는 공진 주파수가 최대 전력 전송에 적합한 공진 주파수임을 의미한다.
따라서, 제어부(170)는 최소 변곡점에 해당하는 공진 주파수를 결정하고(S214), 결정된 공진 주파수에 따른 전력 소모장치들(무선전력 수신장치)의 개수를 결정한다(S216).
전력 소모장치들의 개수는 반송된 무선전력 신호의 공진 주파수에 영향을 미치게 되는데, 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이 전력 소모장치들의 개수에 따라 공진 주파수가 약화되는 특성이 있다.
여기에서, 도 6a는 전력 소모장치의 개수에 따른 반송 무선전력 신호의 이득과 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6b는 전력 소모장치의 개수에 따른 공진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이, 전력 소모장치의 개수가 많을수록 공진 주파수는 낮아지고, 전달 이득 특성 또한 낮아짐을 알 수 있다. 따라서, 이러한 특성을 이용하여 전력 소모장치의 개수를 결정할 수 있다.
한편, 제어부(170)는 반송된 무선전력 신호의 공진 주파수에 따라 무선전력 전송 신호의 전력 세기를 결정하는데 개수에 따라 배수가 되도록 증가하게 결정할 수 있다.
이때, 전력 신호 생성부(110)의 출력 세기를 증가시키게 되면 송신 안테나부(150)와 임피던스 정합이 변화된다. 따라서, 제어부(170)는 전력 신호 생성부(110)와 송신 안테나부(150)의 임피던스 정합을 수행한다.
이를 위하여, 제어부(170)는 임피던스 정합부(140)의 임피던스를 튜닝, 즉 임피던스를 변환시키면서(S220), 반송 무선전력 신호의 최소 변곡점을 발견하는 탐색 과정을 수행한다(S222).
탐색 과정의 수행 결과, 최소 변곡점이 발견되면, 이제 해당 전력 세기로 무선전력을 전송하기 전에 발견된 전력 소모장치들이 적합한 전력 소모장치들인지를 판별하기 위하여 통신 모드(S300)을 수행한다.
통신 모드(S300)에서 제어부(170)는 온/오프키윙(OOK) 변조부(120)를 제어하여 수신 상태에 있는 무선전력 수신장치(200)가 적합한 무선전력 수신장치(200)인지를 파악하기 위하여, 파악하기를 원하는 전력 소모장치의 식별자를 포함하는 식별 데이터를 순차적으로 생성하여 출력한다(S310). 즉, 무선전력 수신장치(200)가 복수 개일 때 각각에 접속된 전력 소모장치에 해당하는 식별자를 포함하는 식별 데이터를 순차적으로 생성하여 적어도 2회에 걸쳐 반복적으로 출력한다.
그리고, 제어부(170)는 온/오프키윙(OOK) 변조부(120)에서 출력되는 변조된 식별 데이터를 포함한 무선전력 신호를 무선전력 수신장치들(도 1에서 200, 200-1, 200-2)로 전송한다.
이때, 무선전력 수신장치(200)는 자신에게 접속된 전력 소모장치에 할당된 식별자가 포함된 식별 데이터가 수신되는 경우에 제어부(270)에 의해 스위치부(220)를 오프시켜 한주기 정도의 오프 동작을 수행하여 스위치부(220)가 오프되는 한주기 동안 수신되는 식별 데이터가 포함된 무선전력 신호를 수신하지 않고 무선전력 송신장치(100)로 반송한다.
도 7을 참조하여 상세히 검토하면, 전력 소모장치 A(251-1) 내지 C(251-3)가 있는 경우(도 1 참조)에, 그리고 전력 소모장치 A(251-1)에는 온/오프키윙(OOK) 변조된 식별 데이터 A_data 가 할당되어 있고, 전력 소모장치 B(251-2)에는 온/오프키윙(OOK) 변조된 식별 데이터 B_data가 할당되어 있으며, 전력 소모장치 C(251-3)에는 온/오프키윙(OOK) 변조된 식별 데이터 C_data가 할당되어 있을 경우에, 각각의 전력 소모장치가 접속된 무선전력 수신장치(200)는 온 된 상태에서 첫 번째 온/오프키윙(OOK) 변조된 식별 데이터가 수신되면 그 다음 주기 동안 오프 동작을 수행하여 무선전력 송신장치(100)로 해당 온/오프키윙(OOK) 변조된 식별 데이터가 포함된 무선전력 신호가 반송되도록 한다.
이처럼, 무선전력 수신장치(200)로부터 식별 데이터가 반송되면 무선전력 송신장치(100)의 제어부(170)는 반송 식별 데이터가 전송 식별 데이터와 일치하는지를 판단하여(S312), 일치하지 않으면 다음 식별 데이터를 전송하여 확인하는 과정을 반복한다.
그리고, 판단 결과 일치하면 모든 탐색 대상 전력 소모장치들에 대하여 이와 같은 탐색을 수행하여, 모든 탐색 대상 전력 소모장치들에 대한 탐색이 종료되었는지를 판단한다(S314).
이처럼, 모든 탐색 대상 전력 소모장치들에 대하여 탐색을 수행하여 탐색이 종료되면, 식별 데이터를 전송하여 파악한 적합한 무선전력 수신장치(200)의 개수와 공진 주파수를 튜닝함에 따라 최소 변곡점을 얻어 판단한(캘리브레이션 모드) 무선전력 수신장치(200)의 개수가 일치하는지를 판단한다(S316).
판단결과, 일치하면 전력송신 모드(S400)를 수행하고, 일치하지 않으면 제어부(170)는 파악된 적합한 무선전력 수신장치(200)의 개수에 해당하는 공진 주파수를 튜닝한다(S318). 식별 데이터 값이 일치하는 무선전력 수신장치에 대응하는 공진 주파수로 재 튜닝하여, 식별 데이터 값이 일치하는 무선전력 수신장치에만 공진이 집중되게 제어함으로써, 온 상태에 있으나 식별 데이터 값이 일치하지 않는 무선전력 수신장치에 대해서는 무선전력 전송을 최소화하도록 한다. 이에 따라 무선전송되는 전력의 낭비를 최소화할 수 있다.
또한, 제어부(170)는 임피던스 정합부(140)의 임피던스를 튜닝한다(S320). 식별 데이터 값이 일치하는 무선전력 수신장치의 개수를 파악한 후, 무선전력 송신장치(100)는 적절한 세기의 무선전력을 전송하는데, 그에 따라 무선전력 송신장치의 송신 안테나부(150)와 전력증폭부(112)의 임피던스 조정이 필요하기 때문이다. 임피던스를 재조정함으로써 전력손실을 최소화할 수 있다. 임피던스 튜닝을 실행한 후 전력송신을 수행한다.
전력송신 모드(S400)에서 제어부(170)는 온/오프키윙(OOK) 변조부(120)를 온 시킨 상태에서 무선전력을 송신한다(S410). 이러한 무선전력은 방향성 전력결합부(130)의 제1 포트로 입력되어 제2 포트로만 출력되고, 송신 안테나부(150)에 전달된다.
그리고, 제어부(170)는 반송 무선전력 신호의 세기 변화량을 주기적으로 모니터링하여(S412) 설정값 2 이상인지 판정한다(S414). 여기에서 설정값 2는 전력 소모장치들 중에 어느 하나가 오프될 때 수신되는 전력량을 의미하며, 무선전력 송신신호의 퍼센트 값이다. 예를 들어, 적합한 무선전력 수신장치가 세 개로 판단되어 송신신호를 3으로 전송하였을 때, 설정값 2는 송신신호의 33%에 못 미치는 0.9가 될수 있다. 만약 1개가 오프 되었다면 반송되는 반송 무선전력 신호는 약 1이며, 두 개면 약 2가 되고, 세 개면 약 3이 된다. 따라서 반송되는 무선전력 신호가 0.95 이상이면 전력 소모장치 중 어느 하나가 오프 되었다는 것을 알 수 있게 된다.
판단 결과, 반송 무선전력 신호의 변화량이 설정값 2보다 크면 전력 소모장치들 중에 어느 하나 이상이 오프된 것으로 모든 전력 소모장치들이 오프 되었는지를 판단한다.
이러한 판단은 반송 무선전력 신호가 설정값 3보다 큰 값인지 판단한다(S416). 여기에서 설정값 3은 전력 소모장치들이 접속이 해제되거나 배터리 충전기의 충전이 완료되어 무선전력 수신의 전력량이 미약한 것으로 판단할 수 있는 설정값으로 무선전력 전송신호의 퍼센트 값이다. 예를 들면 무선전력 수신장치가 세 개로 판단되어 송신전력을 3으로 전송할 때, 설정값 2는 70%에 미치는 2.1이 된다. 만약 1개가 오프 되었다면 반송되는 전력은 1이며, 두 개면 2가 되고, 세 개면 3이 된다. 따라서 반송되는 무선전력 신호가 2.1 이상이면 전력 소모장치는 모두 오프 되었다는 것을 알 수 있게 된다.
주의할 것은 설정값 2와 설정값 3은 절대적이 값이 아니며, 무선전력 송신신호의 세기와 적합한 무선전력 수신장치로 판단된 수신장치의 개수에 따라 달라진다는 것이다.
한편, 판단결과 반송 무선전력 신호가 설정값 3보다 크지 않으면, 전력 소모장치들 중에 어느 하나는 접속이 해제되었지만 어느 하나 이상은 여전히 접속을 유지하고 있는 전력 소모장치가 있는 것을 의미하며 따라서 제어부(170)는 캘리브레이션 모드(S200)부터 반복하여 수행한다(물론 이때 이미 전력 소모장치들이 적합한 장치로 판정이 되었기 때문에 통신 모드는 생략할 수 있다).
이와 달리, 판단결과 반송 무선전력 신호가 설정값 3보다 크면 전력 소모장치들이 모두 접속이 해제된 것으로 판단하여 무선전력 전송을 중지한다(S418).
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치(100)의 무선전력 송신방법의 흐름도이다. 도 8에 도시된 본 실시예에 따른 무선전력 송신장치의 무선전력 송신방법은 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송신장치의 무선전력 송신방법과 수신기기 유무판별 모드(S100)에서 수신 기기 유무판별의 정밀도를 높이기 위해 주파수 튜닝과정(S115)을 더 포함하도록 구성되어 있다.
이를 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이 초기 공진 주파수를 설정한 다음에 설정된 초기 공진 주파수를 튜닝, 즉 변화시키면서(S115), 무선전력 신호를 송신하고(S116), 반송 무선전력 신호를 수신하여(S118), 반송 무선전력 신호의 전력 세기의 최소 변곡점이 있는지를 판단하여(S120) 최소 변곡점이 발견되면 발견된 최소 변곡점에 해당하는 공진 주파수에서의 반송 무선전력 신호의 전력 세기를 설정값 1과 비교하는 과정(S120)을 수행한다. 이처럼 수신기기 유무판별 모드(S100)에서 공진 주파수 튜닝을 수행하면 수신기기 유무 판별에 있어서 정밀도를 높일 수 있다. 그 외 동작은 도 5에 도시된 흐름도와 유사하여 상세한 설명은 생략한다.
도 9은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 무선전력 수신방법의 흐름도이다.
도 9를 참조하면 본 발명에 따른 무선전력 수신장치(200)의 무선전력 수신방법은, 수신상태 제공모드(S1100), 통신 모드(S1200), 캘리브레이션 모드(S1300), 전력 수신 모드(1400)로 구성되어 있다.
먼저, 수신상태 제공모드(S1100)에서 무선전력 수신장치(200)는 현재 무선전력 수신을 위하여 접속되어 있는 전력 소모장치의 접속 여부에 대한 상태를 제공한다.
이러한 전력 소모장치의 수신상태 제공은 전력 소모장치들 중 일부 또는 전부가 구동될 때(S1110), 해당 무선전력 수신장치(200)의 제어부(270)가 스위치부(220)를 온 시켜 수신 안테나부(210)가 무선전력 송신장치(100)에서 송신된 무선전력을 수신하도록 하여 개시된다.
여기에서 전력 소모장치(251)들의 구동은 전력 소모장치가 텔레비전(251-1)이나 노트북(251-2)인 경우에는 사용자의 조작에 의해 구동되지만, 배터리 충전기(251-3)인 경우에는 배터리 용량 검출기(미도시)가 검출한 배터리 용량에 따라 제어부(270)가 자동적으로 해당 스위치부를 온 시켜 배터리 충전기(251-3)를 구동시킬 수 있다.
한편, 수신 안테나부(210)에서 수신된(S1112) 무선전력 신호는 스위치부(220)와 임피던스 정합부(230) 그리고 전력 신호 변환부(240)를 거쳐 접속된 전력 소모장치(251)에 제공되며, 수신 안테나부(210)에서 수신되지 않는 잔여 무선전력 신호는 무선전력 송신장치에 반송된다(S1114).
그러면, 무선전력 송신장치(100) 측에서는 반송 무선전력 신호의 전력 세기를 측정하여 무선전력 수신을 원하는 무선전력 수신장치(200)들이 접속되어 있는지를 판정한다(이러한 판정 과정은 위에서 설명하였다).
이처럼, 수신상태 제공모드에 의해 무선전력 수신장치(200)가 무선전력 송신장치(100) 측에 접속 상태에 대한 정보를 제공하면, 무선전력 송신장치(100)는 통신 모드(위에서 설명하였다)를 수행한다.
이에 따라 무선전력 수신장치(200)도 통신 모드(S1210)를 수행하여 현재 접속된 전력 소모장치가 적합한 전력 소모장치임을 무선전력 송신장치(100) 측에 알려준다.
이를 위하여, 제어부(270)는 무선전력 송신장치(100)에서 전송한 식별 데이터를 수신한다.(S1210)(식별 데이터의 수신 경로는 수신 안테나(210)-스위치부(220)-포락선/전력 검출부(260)의 순서임)
다음, 수신된 식별 데이터에 포함된 식별자를 추출하여 무선전력 수신장치에 접속한 전력 소모장치의 식별자와 일치하는지 판단한다(S1212). 이때, 전력 소모장치의 식별자와 일치하지 않는 경우 계속하여 또 다른 식별 데이터를 수신하고 식별자를 비교한다.
수신한 식별 데이터의 식별자가 일치하는 경우 일시적으로 전력 소모장치(251)를 정지시킨다(S1214). 이때, 제어부(270)는 수신된 식별 데이터에 포함된 식별자에 해당하는 전력 소모장치(251)의 동작을 일시 정지시키기 위하여 스위치부(220)를 사용한다. 상술한 바와 같이 무선전력 송신장치(100)는 2개의 식별데이터를 연속하여 송신하는데, 일시 정지된 전력 소모장치(251)는 2번째 전송되는 식별 데이터를 수신할 수 없어 무선전력 송신장치(100) 측으로 반송하게 된다.
다음으로, 캘리브레이션 모드(S1300)에서는 제어부(270)는 수신 안테나부(210)의 공진 주파수를 튜닝, 즉 변화시키면서(S1310), 수신된 무선전력 신호(Pcouple)의 최대 변곡점을 탐색한다(S1312).
탐색 결과, 최대 변곡점이 발견되면(최대 변곡점이 발견되었다는 것은 최대 전력 수신이 이루어지는 지점이 발견된 것을 의미한다.) 이후에 임피던스 정합부(230)의 임피던스 정합을 제공하기 위하여 제어부(270)는 임피던스 정합부(230)의 임피던스를 튜닝, 즉 변화시키며(S1314), 수신된 무선전력 송신신호(Pcouple)의 최대 변곡점을 탐색한다(S1316).
탐색결과, 수신된 무선전력 송신신호의 최대 변곡점이 탐색되면 캘리브레이션 모드(S1300)를 종료하고, 전력수신 모드(S1400)를 수행한다.
전력수신 모드(S1400)는 무선전력 송신신호를 무선전력 수신장치(200)가 수신하여 접속된 전력 소모장치에 전력을 제공함으로 개시된다.
그리고, 제어부(270)는 무선전력 신호의 수신 중에 전력 소모장치가 오프되었는지를 판정하여(S1412), 전력 소모장치가 오프되지 않았으면 전력 수신상태를 유지하고, 전력 소모장치가 오프되었으면 무선전력 수신장치의 스위치부(220)를 오프하여 무선전력 수신장치(200)를 오프시킨다.
이와 같은 전력수신 모드(S1400)에서 전력 소모장치(251)가 텔레비전이나 노트북인 경우에는 사용자의 조작에 의해 접속이 해제되지만, 배터리 충전기인 경우에는 배터리 용량 검출기(미도시)가 검출한 배터리 용량에 따라 제어부(270)가 자동적으로 스위치부(220)를 오프시켜 배터리 충전기의 접속 상태를 해제할 수 있다.
한편 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
100 : 무선전력 송신장치 110 : 전력 신호 생성부
111 : 신호 발진부 112 : 전력 증폭부
120 : 온/오프키윙(OOK) 변조부 130 : 방향성 전력 결합부
140 : 임피던스 정합부 150 : 송신 안테나부
160 : 포락선/전력 검출부 170 : 제어부
200 : 무선전력 수신장치 210 : 수신 안테나부
220 : 스위치부 230 : 임피던스 정합부
235 : 전력 결합부 240 : 전력 신호 변환부
251, 251-1, 251-2, 251-3 : 전력 소모장치
260 : 포락선/전력 검출부 260A : 포락선 검출부
260B : 전력 검출부 262 : 아날로그 디지털 변환부
270 : 제어부

Claims (12)

  1. 외부에서 입력되는 전력을 받아 무선전력 신호를 생성하여 출력하는 전력 신호 생성부;
    상기 전력 신호 생성부에서 출력한 상기 무선전력 신호를 전달하며, 전력 소모장치의 식별자를 포함하는 식별 데이터를 입력받아 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 온오프키윙 변조하여 출력하는 온/오프키윙 변조부;
    인덕터와 캐패시터를 포함하여 구성되고, 상기 인덕터와 상기 캐패시터에 의한 공진 주파수를 사용하여 상기 무선전력 신호와 변조된 상기 식별 데이터를 자기공명방식에 의해 송신하며, 무선전력 수신장치에서 반송되는 반송 무선전력 신호와 반송 식별 데이터를 수신하여 출력하는 송신 안테나부;
    제1 포트를 통해 입력되는 상기 무선전력 신호를 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로 출력하고, 상기 제1 포트를 통해 입력되는 변조된 상기 식별 데이터를 상기 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로 출력하며, 상기 제2 포트를 통해 상기 송신 안테나부로부터 입력된 상기 반송 무선전력 신호와 상기 반송 식별 데이터를 제3 포트를 통해 출력하는 방향성 전력 결합부;
    상기 제3 포트로부터 출력된 상기 반송 무선전력 신호의 전력을 검출하여 출력하고, 상기 반송 식별 데이터의 포락선을 검출하여 출력하는 포락선/전력 검출부; 및
    상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 상기 반송 무선전력 신호의 전력 세기에 따른 상기 전력 소모장치의 개수를 파악하고, 파악된 상기 전력 소모 장치의 개수에 대응되는 공진 주파수를 사용하여 상기 무선전력 신호를 송신하도록 상기 송신 안테나부를 제어하며, 상기 온/오프키윙 변조부에 상기 전력 소모장치의 식별자를 포함하는 상기 식별 데이터를 제공하여 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 상기 전력 소모장치의 식별자를 포함한 식별 데이터를 온오프 키윙 변조하여 전송하도록 하고, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 상기 포락선을 이용하여 상기 반송 식별 데이터를 파악하고, 파악된 상기 반송 식별 데이터를 근거로 상기 전력 소모장치의 적합성을 파악하여 전력 소모장치에 전력이 공급되도록 상기 송신 안테나부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 통신 기능이 구비된 무선전력 송신장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 신호 생성부와 상기 송신 안테나부 사이에 위치하고, 상기 전력 신호 생성부와 상기 송신 안테타부 사이의 임피던스 정합을 제공하는 임피던스 정합부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 통신 기능이 구비된 무선전력 송신장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 임피던스 정합부의 임피던스를 변화시키면서 상기 포락선/전력 검출부에서 수신된 상기 반송 무선전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최소 변곡점에 해당하는 상기 임피던스로 상기 임피던스 정합부의 임피던스로 설정하는 것을 특징으로 하는 통신 기능이 구비된 무선전력 송신장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 송신 안테나부의 공진 주파수를 상기 포락선/전력 검출부에서 수신된 상기 반송 무선전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최소 변곡점에 해당하는 상기 공진 주파수로 설정하는 것을 특징으로 하는 통신 기능이 구비된 무선전력 송신장치.
  5. 인덕터와 캐패시터로 구성되고, 상기 인덕터와 상기 캐패시터에 의해 결정된 공진 주파수를 사용하여 무선전력 송신장치에서 전송한 무선전력 신호와 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 변조된 식별 데이터를 자기공명방식에 의해 수신하며, 잔여 무선전력 신호와 변조된 상기 식별 데이터를 상기 무선전력 송신장치로 반송하는 수신 안테나부;
    전력 소모장치가 접속되어 있으며, 상기 수신 안테나부에서 수신된 상기 무선전력 신호를 전력 공급 방식에 따른 전력 신호로 변환하여 상기 전력 소모장치에 공급하는 전력 신호 변환부;
    상기 수신 안테나부에서 수신한 상기 무선전력 신호의 전력 세기를 검출하여 출력하고, 상기 수신 안테나부에서 수신한 식별 데이터에서 포락선을 검출하여 출력하는 포락선/전력 검출부; 및
    상기 수신 안테나부를 상기 무선전력 신호와 상기 식별 데이터를 수신하도록 제어하고, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출한 상기 포락선을 이용하여 상기 식별 데이터를 추출한 후에 추출된 상기 식별 데이터에 포함된 식별자가 접속된 상기 전력 소모장치의 상기 식별자에 해당하는 경우에, 해당하는 상기 전력 소모장치를 일시 중지하여 이후에 수신되는 상기 식별 데이터가 상기 무선전력 송신장치로 반송되도록 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 통신 기능이 구비된 무선전력 수신장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수신 안테나부의 공진 주파수를 튜닝하면서, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 전력 세기의 최대 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최대 변곡점에 해당하는 공진 주파수를 상기 수신 안테나부의 공진 주파수로 설정하는 것을 특징으로 하는 통신 기능이 구비된 무선전력 수신장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 수신 안테나부와 상기 전력 신호 변환부 사이에 임피던스 정합부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 임피던스 정합부의 임피던스를 튜닝하면서, 상기 포락선/전력 검출부에서 검출된 전력 세기의 최대 변곡점을 탐색하여 탐색된 상기 최대 변곡점에 해당하는 임피던스를 상기 임피던스 정합부의 임피던스로 설정하는 것을 특징으로 하는 통신 기능이 구비된 무선전력 수신장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 수신 안테나부와 상기 전력 신호 변환부 사이에 위치하고, 상기 수신 안테나부에서 수신한 전력 전송을 차단하는 스위치부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 전력 소모장치들의 접속이 해제되는 경우에 상기 스위치부를 제어하여 상기 수신 안테나부에서 수신한 전력 전송을 차단하는 것을 특징으로 하는 통신 기능이 구비된 무선전력 수신장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 포락선/전력 검출부는 포락선 검출부와 전력 검출부로 구성되고,
    상기 수신 안테나부와 상기 전력 신호 변환부 사이에 위치하는 전력 결합부를 더 포함하여,
    상기 무선전력 신호를 상기 포락선 검출부와 상기 전력 검출부로 출력하는 것을 특징으로 하는 통신 기능이 구비된 무선전력 수신장치.
  10. (A) 무선전력 송신장치가 무선전력 신호를 자기공명방식에 의해 무선전력 수신장치로 전송하는 단계;
    (B) 상기 무선전력 송신장치가 상기 무선전력 수신장치에서 반송되는 반송 무선전력 신호를 수신하여 전력 세기를 검출한 후에 전력 소모장치의 접속 여부를 확인하는 단계;
    (C) 상기 무선전력 송신장치가 상기 전력 소모장치의 접속이 확인된 경우에 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수를 탐색하여 상기 전력 소모장치의 개수를 파악하고, 파악된 개수에 대응하는 전력 세기로 상기 무선전력 신호를 전송하는 단계;
    (D) 상기 무선전력 송신장치가 상기 전력 소모장치 각각 할당된 식별자를 포함한 식별 데이터를 상기 무선전력 신호를 반송파로 하여 온오프 키윙 방식에 의해 변조하여 2회 이상 반복하여 순차적으로 전송하는 단계; 및
    (E) 상기 무선전력 송신장치가 상기 무선전력 수신장치에서 반송 식별 데이터를 수신하여 전송한 상기 식별 데이터와 일치하는 경우에 접속된 상기 전력 소모장치를 적합하다고 판단하여 무선 전력 전송을 계속하는 단계를 포함하여 이루어진 통신 기능이 구비된 무선전력 송신방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    (C-1) 상기 무선전력 송신장치가 상기 전력 소모장치의 접속이 확인된 경우에 상기 공진 주파수를 가변하면서 상기 반송 무선전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하는 단계; 및
    (C-2) 상기 무선전력 송신장치가 탐색된 상기 최소 변곡점에 해당하는 공진 주파수를 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수로 판단하고, 판단된 공진 주파수를 이용하여 상기 전력 소모장치의 개수를 파악하여 파악된 개수에 대응하는 전력 세기로 상기 무선전력 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진 통신 기능이 구비된 무선전력 송신방법.
  12. (A) 무선전력 수신장치가 무선전력 송신장치로부터 무선전력 신호가 수신되는 경우에 접속된 전력 소모장치에 공급할 무선전력 신호를 수신하고, 잔여 무선전력 신호를 반송하는 단계;
    (B) 상기 무선전력 수신장치가 상기 무선전력 송신장치에서 전송한 식별 데이터를 수신하여 식별자를 검출하여, 검출된 식별자가 접속된 상기 전력 소모장치의 식별자에 해당하는 경우에, 상기 전력 소모장치를 일시 정지하여 이후에 도달되는 상기 식별 데이터가 반송되도록 하는 단계; 및
    (C) 상기 무선전력 수신장치가 접속된 상기 전력 소모장치가 접속이 해제된 경우에 상기 무선전력 송신장치에서 전송되는 상기 무선전력 신호의 수신을 중지하는 단계를 포함하여 이루어진 통신 기능이 구비된 무선전력 수신방법.
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