KR101338690B1

KR101338690B1 - 무선전력전송의 적응적 임피던스 정합을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101338690B1
Application number: KR1020120073582A
Authority: KR
Inventors: 박병철; 김주희; 이정해
Original assignee: 홍익대학교 산학협력단
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2013-12-09

Abstract

무선전력전송은 가변적 거리에서도 실시간으로 전력전송이 가능해야 하나 종래의 임피던스 정합 방법은 효율이 낮거나 시스템 구성이 복잡하다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 제안되는 싱글 루프 피딩(single-loop feeding) 방법을 응용 확장한 적응적 멀티 루프 피딩(multi-loop feeding) 방법은, 멀티 피딩 루프가 복수의 싱글 피딩 루프를 포함할 수 있고, 각 루프(loop)가 적응적 임피던스 정합을 위해 스위치(switch)가 부착할 수 있으며, 실시간으로 적응적 임피던스 정합을 위한 로직을 이용하여 실제 시스템에 응용할 수 있는 무선전력전송이다.

Description

무선전력전송의 적응적 임피던스 정합을 위한 방법 및 장치{Method and Apparatus for Adaptive Impedance Matching of Wireless Power Transfer}

본 발명은 거리에 따라 임피던스를 적응적으로 정합하여 무선으로 전력을 전송하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

자기공명을 이용한 무선전력전송은 2007년 MIT에 의해 제안되었다. 기본적인 원리는 같은 공진주파수를 가지는 두 개의 공진기를 이용하며 각각의 공진기는 스파이럴 구조 혹은 헬릭스 구조 등을 이용하여 자기장이 도미넌트(dominant)한 필드 분포를 가진다. 이때 각각의 공진기는 50ohm에 정합하기 위해 또 다른 피딩 루프(feeding loop)를 이용한다. 50ohm에 정합하기 위해서는 공진기와 피딩 루프 사이의 거리를 조절하거나 피딩 루프의 자체 크기를 조절한다. 이때 공진기와 피딩 루프 사이의 거리를 조절하거나 피딩 루프의 크기를 조절하는 이유는 공진기와 피딩 루프의 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 변화시켜 입력 임피던스를 50ohm에 맞추기 위함이다.

그러나 실질적으로는 고정된 피딩 루프의 크기 및 피딩 루프와 공진기 사이의 고정된 간격으로 인해 임피던스 정합이 모든 전송 거리에서 가능할 수 없는 바, 공진기와 공진기 사이의 거리가 바뀔 때 마다 공진기와 공진기 사이의 상호 인덕턴스가 바뀌기 때문에 입력 임피던스가 계속적으로 바뀌기 때문이다.

이를 극복하기 위한 방법으로 공진기에 가변 직렬 캐퍼시터와 가변 병렬 캐퍼시터를 삽입하여 적응적으로 입력 임피던스를 조절하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 추가적인 집중 소자 및 스위칭을 사용하여야 하기 때문에 추가적인 손실이 발생하고 시스템 구성이 복잡하며, 결국 전송효율의 저하로 이어진다.

또 다른 방법으로 공진기와 공진기 사이의 상호 커플링(mutual coupling) 때문에 발생되는 even-odd mode 주파수 트랙킹(tracking) 방법이 있다. 이 방법은 고정된 임피던스를 사용하는 장점이 있으나 even 혹은 odd mode의 주파수를 트랙킹해야 하기 때문에 다른 방법보다 전송효율이 낮으며 주파수를 트랙킹해야하므로 시스템이 복잡해 지는 단점이 있다.

일실시예에 따르면 기존의 방법인 싱글 루프 피딩(single-loop feeding)을 이용한 방법에서 손실 측면에서 매우 유리하여 공진기 고유의 전송효율을 보장할 수 있는 장점을 유지하면서, 어느 특정 거리에서만 임피던스 정합이 가능하며 시스템을 구성하는 측면에서는 거리가 바뀔 때 임피던스 정합이 불가능하다는 단점을 보완하는 기술을 제공한다.

구체적으로는 저손실 고효율을 보장할 수 있는 싱글 루프 피딩 방법을 응용한 멀티 루프 피딩(multi-loop feeding)방법을 이용하여 고정된 전송거리가 아닌 다양한 전송거리에서도 적용 가능하도록 하여 거리가 바뀌어도 고효율의 전송효율을 보장하는 무선전력전송 방법 및 장치를 제공한다.

일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치는 포트(port)에 연결되고 특정 공진주파수를 가지는 공진기, 상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 적어도 둘 이상의 싱글 피딩 루프(single-feeding loop)을 포함하는 멀티 피딩 루프(multi-feeding loop), 상기 싱글 피딩 루프에 부착되어 온/오프(on/off) 상태를 가지는 스위치(switch), 상기 포트에 부착되어 임피던스를 감지하는 임피던스 센서 및 실시간으로 상기 임피던스를 체크하고 상기 스위치의 상태를 조합하여 적응적 임피던스 정합을 수행하는 제어부를 포함할 수 있다.

다른 일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치에서 상기 멀티 피딩 루프는, 각 싱글 피딩 루프가 직사각형, 원형, 삼각형, 오각형 및 기타 다각형의 형태 중 하나로서 서로 동일한 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치에서 상기 멀티 피딩 루프는, 두 개의 싱글 피딩 루프가 상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 더블 피딩 루프(double-feeding loop) 또는 세 개의 싱글 피딩 루프가 상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 트리플 피딩 루프(triple-feeding loop)인 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치에서 상기 공진기는, 스파이럴(Spiral) 공진기, 하이-큐 스파이럴(High-Q spiral) 영차공진기, 헬릭스 타입(Helix type) 공진기 또는 싱글 루프(single loop) 공진기인 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치에서 상기 스위치는, 상기 싱글 피딩 루프에서 상기 포트와 연결되는 지점을 제외한 임의의 지점에 부착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치에서 상기 스위치는, 전기적 스위치(electrical switch) 또는 기계적 스위치(mechanical switch)인 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치는 상기 멀티 피딩 루프가 상기 공진기의 전면, 후면 또는 내부에 임베디드(embedded) 형태로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면, 공진 무선전력전송 장치에서 상기 멀티 피딩 루프는, 상기 멀티 피딩 루프에 대한 입력 임피던스 식을 근사화(approximation)하여 표현된 싱글 피딩 루프에 대한 입력 임피던스 식을 이용하여 설계된 것을 특징으로 할 수 있다.

일실시예에 따르면, 무선으로 전력을 전송하는 방법에 있어서, 현 상태의 스위치 시퀀스 상태에서 임피던스 센서를 통해 임피던스를 감지하는 단계, 상기 임피던스를 부하(Load) 임피던스와 비교하여 스위치 시퀀스를 최적의 시퀀스가 되도록 설정하는 단계 및 상기 스위치 시퀀스가 최적의 시퀀스인 경우 무선전력전송을 수행하는 단계를 포함하는 적응적 임피던스 정합을 통한 공진 무선전력전송 방법이 제공될 수 있다.

다른 일실시예에 따르면, 상기 최적의 시퀀스는, 상기 스위치 시퀀스가 상기 임피던스의 크기와 상기 부하 임피던스의 크기 차이가 가장 작은 상태가 되도록 하는 시퀀스인 것을 특징으로 하는 적응적 임피던스 정합을 통한 공진 무선전력전송 방법이 제공될 수 있다.

또 다른 일실시예에 따르면, 상기 임피던스를 부하(Load) 임피던스와 비교하여 스위치 시퀀스를 최적의 시퀀스가 되도록 설정하는 단계는, 상기 임피던스가 상기 부하 임피던스보다 크다면 스위치 시퀀스를 증가시키는 단계 및 상기 임피던스가 상기 부하 임피던스보다 작다면 스위치 시퀀스를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.

일실시예에 따르면, 적응적 멀피 루프 피딩(multi-loop feeding)방식을 이용한 무선전력전송은 거리가 바뀌어도 임피던스 정합을 적응적으로 하기 때문에 고효율의 무선전력전송이 가능할 수 있다.

일실시예에 따르면, 멀티 루프 피딩을 적응적으로 구현하기 위해서 각각의 루프(loop)에 부착된 각 스위치(switch)가 온/오프(on/off) 상태를 가짐으로써 다양한 조합의 피딩 루프(feeding loop)를 구현할 수 있다.

일실시예에 따르면, 시스템 구현 측면에서 각각의 포트(port)에 임피던스 센서를 부착하여 실시간으로 임피던스를 체크하고, 적합한 피딩 루프를 스위치 조합을 통해 구현함으로써 거리가 가변적이어도 임피던스 정합을 유지하면서 고효율의 무선전력전송을 유지할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 싱글 루프 피딩(Single-loop feeding)을 이용한 무선전력전송 장치의 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 2는 일실시예에 따른 싱글 루프 피딩과 공진기 사이에서 등가회로 및 입력 임피던스를 나타낸 회로도이다.
도 3은 일실시예에 따른 더블 루프 피딩(Double-loop feeding)과 공진기 사이에서 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 일실시예에 따른 트리플 루프 피딩(Triple-loop feeding)과 공진기 사이에서 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 5는 일실시예에 따른 하이-큐 스파이럴(High-Q Spiral) 영차공진기로서 하이-큐(High-Q)를 얻기 위해 최적화된 공진기를 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따라 설계된 트리플 루프 피딩의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 하이-큐 스파이럴 영차 공진기와 트리플 루프 피딩이 적용된 무선전력전송을 나타낸 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 설계된 트리플 루프 피딩의 적응적 임피던스 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 일실시예에 따른 설계된 트리플 루프 피딩의 적응적 임피던스 결과에서 나타난 전송효율을 비교한 그래프이다.
도 10 내지 도 11은 일실시예에 따른 트리플 피딩 루프에서 싱글 피딩 루프의 귀환 감쇠량(Return Loss)을 각 루프의 크기에 따라 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 14는 다른 일실시예에 따른 트리플 피딩 루프에서 싱글 피딩 루프의 귀환 감쇠량(Return Loss)을 루프의 크기에 따라 나타낸 그래프이다.
도 15는 일실시예에 따른 멀티 루프 피딩에서 최적의 스위치 시퀀스를 설정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 16은 일실시예에 따른 공진 무선전력전송 장치의 세부적인 구성을 도시한 블럭도이다.
도 17는 다른 일실시예에 따른 멀티 루프 피딩에서 최적의 스위치 시퀀스를 설정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 18은 다른 일실시예에 따른 공진 무선전력전송 장치의 세부적인 구성을 도시한 블럭도이다.

일실시예에 따르면 멀티 루프 피딩 방식은 기존에 사용하던 싱글 피딩 방식에 기반을 둘 수 있다. 다양한 전송거리에서도 임피던스 정합을 귀환 감쇠량(return loss) 기준 10dB이상 확보하여야 고효율이 보장되므로 이것을 설계목표로 정할 수 있다. 구체적으로는 싱글 피딩 루프를 병렬로 연결함으로써 여러 개로 구성된 멀티 피딩 루프를 구성하며, 각 루프(loop)에는 적응적 임피던스 정합을 위한 스위치(switch)를 부착할 수 있다.

이 때 각 스위치가 온(on)인 상태는 1, 오프(off)인 상태는 0으로서 표현될 수 있고, 예를 들어 만약 3개의 루프로 구성되어있고 각각의 루프에 스위치가 부착되어 있다면, 모든 스위치가 오프(off) 상태가 되는 000 상태를 제외하고 총 7가지의 다양한 루프 조합을 만들어 낼 수 있다. 따라서 이 7가지 조합의 피딩 루프(feeding loop)가 다양한 전송거리에 대해서 적응적인 임피던스 정합을 할 수 있다. 만약 4개의 루프를 이용하여 멀티 루프 피딩을 디자인한다면 0000 상태를 제외하고 총 15가지의 독립적인 loop조합이 생성되며 따라서 더 넓은 전송거리 범위에서 적응적 임피던스 정합을 할 수 있다. 여기서 무선전력전송을 하기 전에 적응적 임피던스 정합을 위해 임피던스 센서를 이용하여 적합한 루프의 조합을 선택한 후 무선전력전송을 실행할 수 있다.

이하 첨부된 각 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선 싱글 루프 피딩(Single-loop feeding)과 싱글 피딩 루프(Single-feeding loop), 더블 루프 피딩(Double-loop feeding)과 더블 피딩 루프(Double-feeding loop) 및 멀티 루프 피딩(Multi-loop feeding)과 멀티 피딩 루프(Multi-feeding loop)는 공진기의 임피던스를 정합하기 위한 방식 내지는 장치로서, 각 용어는 동일한 의미로서 혼용되어 사용될 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 싱글 루프 피딩(Single-loop feeding)을 이용한 무선전력전송 장치의 등가회로를 도시한 회로도이다. 여기서 회로도 좌측의 싱글 피딩 루프(single-feeding loop)(121)와 공진기(111)로 구성되는 무선전력전송 장치와, 회로도 우측의 싱글 피딩 루프(122)와 공진기(112)로 구성되는 무선전력전송 장치가 상호 커플링(mutual coupling)되어 무선으로 전력을 전송할 수 있다.

이 때, R은 단위가 Ω인 각 공진기의 저항, L은 단위가 H인 각 공진기의 인덕턴스, C는 단위가 F인 각 공진기의 캐퍼시터, L_f는 단위가 H인 각 싱글 피딩 루프의 인덕턴스, M_f는 단위가 H인 싱글 피딩 루프와 공진기 사이의 상호 인덕턴스, M은 단위가 H인 공진기 사이의 상호 인덕턴스이고, Z, Z_out 및 Z_in은 각각 임피던스, 출력 임피던스 및 입력 임피던스로서 단위는 Ω일 수 있다.

구체적으로 종래의 싱글 피딩 루프를 구비한 공진기에서 공진 상태의 입력 임피던스는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있는 바, j는 허수 축, ω는 단위가 Hz인 주파수를 나타낸 것일 수 있다.

도 2는 일실시예에 따른 싱글 루프 피딩(220)과 공진기(210) 사이에서 등가회로 및 입력 임피던스를 나타낸 회로도이다. 여기서 R은 공진기의 저항으로서 단위는 Ω, L은 공진기의 인덕턴스로서 단위는 H, C는 공진기의 캐퍼시터로서 단위는 F, L_f는 싱글 피딩 루프의 인덕턴스로서 단위는 H, M_f는 싱글 피딩 루프와 공진기 사이의 상호 인덕턴스로서 단위는 H, Z_in은 입력 임피던스로서 단위는 Ω일 수 있다.

구체적으로 입력 임피던스 Z_in을 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있는 바, 이 때 X는 공진기의 임피던스를 간략하게 표현한 것으로서 단위는 Ω일 수 있다.

만약 수학식 2로 표현되는 회로가 공진 상태에 있다면 입력 임피던스 Z_in은 다음 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

도 3은 일실시예에 따른 더블 루프 피딩(Double-loop feeding)(320)과 공진기(310) 사이에서 등가회로를 도시한 회로도이다.

더블 루프 피딩(320)에서 L_f1 및 L_f2는 단위가 H인 각각 더블 피딩 루프를 구성하는 싱글 피딩 루프의 인덕턴스, Z_in은 단위가 Ω인 입력 임피던스이고, 공진기(310)에서 R은 단위가 Ω인 저항, L은 단위가 H인 인덕턴스, C는 단위가 F인 캐퍼시터일 수 있다. 그리고 M_f1은 단위가 H인 L_f1과 L 사이의 상호 인덕턴스, M_f2는 단위가 H인 L_f2과 L 사이의 상호 인덕턴스, M_f3은 단위가 H인 L_f1과 L_f2 사이의 상호 인덕턴스이고, 단위가 Ω인 공진기의 임피던스는 X로 표현될 수 있다.

이 때, 더블 루프 피딩(320)의 입력 임피던스 Z_in은 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

만약 수학식 4로 표현되는 회로가 공진 상태로서 M_f1과 M_f2가 거의 동일하고 M_f3가 0이라고 가정하면, 입력 임피던스 Z_in은 다음 수학식 5와 같이 싱글 피딩 루프 등가회로에 대한 임피던스 식으로 근사화(approximation)될 수 있다. 구체적으로 수학식 5와 상술한 수학식 3을 비교하면 근사화된 파라미터로서 다음과 같이 단위가 H인 유효 상호 인덕턱스 M_f'에 관한 수학식 6 및 단위가 H인 유효 자체 인덕턴스 L_f'에 관한 수학식 7을 이끌어낼 수 있다.

도 4는 일실시예에 따른 트리플 루프 피딩(Triple-loop feeding)(420)과 공진기(410) 사이에서 등가회로를 도시한 회로도이다.

트리플 루프 피딩(420)에서 L_f1, L_f2 및 L_f3는 단위가 H인 각각 트리플 피딩 루프를 구성하는 싱글 피딩 루프의 인덕턴스, Z_in은 단위가 Ω인 입력 임피던스이고, 공진기(410)에서 R은 단위가 Ω인 저항, L은 단위가 H인 인덕턴스, C는 단위가 F인 캐퍼시터일 수 있다. 그리고 M_f1은 단위가 H인 L_f1과 L 사이의 상호 인덕턴스, M_f2는 단위가 H인 L_f2과 L 사이의 상호 인덕턴스, M_f3은 단위가 H인 L_f3와 L 사이의 상호 인덕턴스, M_f4는 단위가 H인 L_f1과 L_f2 사이의 상호 인덕턴스, M_f5는 단위가 H인 L_f2와 L_f3 사이의 상호 인덕턴스, M_f6는 단위가 H인 L_f1과 L_f3 사이의 상호 인덕턴스이고, 공진기의 임피던스는 Ω을 단위로 하여 X로 표현될 수 있다.

이 때, 트리플 루프 피딩(420)의 입력 임피던스 Z_in은 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

만약 수학식 8로 표현되는 회로가 공진 상태로서 M_f1, M_f2 및 M_f3가 거의 동일하고 M_f4, M_f5 및 M_f6가 0이라고 가정하면, 입력 임피던스 Z_in은 다음 수학식 9와 같이 싱글 피딩 루프 등가회로에 대한 임피던스 식으로 근사화(approximation)될 수 있다. 구체적으로 수학식 9와 상술한 수학식 3을 비교하면 근사화된 파라미터로서 다음과 같이 단위가 H인 유효 상호 인덕턱스 M_f'에 관한 수학식 10 및 단위가 H인 유효 자체 인덕턴스 L_f'에 관한 수학식 11을 이끌어낼 수 있다.

도 5는 일실시예에 따른 하이-큐 스파이럴(High-Q Spiral) 영차공진기(510)로서 하이-큐(High-Q)를 얻기 위해 최적화된 공진기를 나타낸 도면이다. 여기서 공진기의 일례로서 하이-큐 스파이럴 영차공진기가 사용된 바, 헬릭스 타입(Helix type) 공진기 또는 싱글 루프(single loop) 공진기와 같은 기타 다른 종류의 공진기도 사용될 수 있다. 일실시예에 따르면 하이-큐 스파이럴 영차공진기(510)는 길이 D가 20cm이고, 폭 W가 8cm로서, 이와 같은 하드웨어 스펙에 의해 결정되는 캐퍼시터(511)의 크기는 공진기를 구성하는 flat conductor 사이의 간격이 2cm인 경우 180pF일 수 있다.

도 6은 일실시예에 따라 설계된 트리플 루프 피딩(620)의 구조를 나타낸 도면이다. 여기서 트리플 루프 피딩(620)은 3개의 싱글 루프를 가지는 멀티 루프 피딩이며 FR4나 Duroid같은 유전체 기판위에 멀티루프를 디자인 할 수 있으며 다음과 같이 설명한다.

우선, 멀티 루프 피딩 디자인을 하기 위해서는 먼저 다양한 크기를 가지는 싱글 피딩과 공진기 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)(M_f), 싱글 피딩의 자체 인덕턱스(L_f), 무선전력전송에 사용될 공진기간의 거리에 따른 상호 인덕턴스(M) 및 공진기의 저항(R)과 캐퍼시턴스(C)와 같은 파라미터를 결정할 수 있다. 이 파라미터들이 결정되면 수학식 1에 주어진 Z_in을 구할 수 있다.

설계 목표는 공진기간 거리 10cm~40cm까지 귀환 감쇠량(return loss)을 10dB이상 확보하는 것으로 설정할 수 있으며, 사용된 피딩 루프의 개수는 3개일 수 있는 바 스위치의 온/오프 조합에 따라 100, 110, 101, 111, 010, 011, 001의 7가지 다양한 조합의 루프로 활용할 수 있다.

먼저 100-루프(621) 및 001-루프(623)를 설계하는 바, 100-루프는 전송거리가 10cm부터 사용될 피딩 루프이며 001-루프는 40cm까지 작동될 루프일 수 있다. 100-루프는 크기가 17cm로, 001-루프의 크기는 9cm로 결정될 수 있고, 101-loop도 자연스럽게 같이 결정될 수 있다.

이어서 010-루프(622)를 설계할 수 있는 바, 010-루프는 주로 10~40cm 중간거리에 사용될 루프로서 010-루프가 결정되면 110, 101, 111, 011-루프도 자동적으로 설계될 수 있다. 이때 설계는 상술한 수학식 6 내지 7 및 수학식 10 내지 11에 표현된 등가적 M_f, L_f의 식을 이용하여 Z_in을 계산하여 설계할 수 있다. 완성된 트리플 피딩 루프(620)는 도 6에 도시된 바와 같으며, 각각 루프의 크기는 F1(621)=17cm, F2(622)=11cm, F3(623)=9cm일 수 있다. 이 때 각 루프의 크기를 이와 같이 결정한 이유는 도 10 내지 도 14에서 상세히 설명한다.

도 7은 일실시예에 따른 하이-큐 스파이럴 영차 공진기(711, 712)와 트리플 루프 피딩(721, 722)이 적용된 무선전력전송을 나타낸 도면이다. 여기서 공진기(711, 712)와 트리플 루프 피딩(721, 722)을 배치한 후 무선전력전송을 할 수 있다. 일실시예에 따르면 공진기 사이의 거리는 10cm에서 40cm인 것을 가정할 수 있다.

도 8은 일실시예에 따른 설계된 트리플 루프 피딩의 적응적 임피던스 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서 그래프는 설계된 트리플 루프 피딩의 거리에 따른 귀환 감쇠량(return loss)을 나타낼 수 있다.

일실시예에 따르면 그래프의 실선은 이론값, 점선은 HFSS(High Frequency Structure Simulation)에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 것일 수 있다. 그래프에서 공진기 사이의 거리가 약 10~12cm인 구간에서 100 상태의 이론값(811) 및 시뮬레이션 결과(812)가 10dB이하의 귀환 감쇠량을 가진다. 이어서 공진기 사이의 거리가 약 14~18cm인 구간에서 110 상태의 이론값(821) 및 시뮬레이션 결과(822)가 10dB이하의 귀환 감쇠량을, 공진기 사이의 거리가 약 20cm인 구간에서 101 상태의 이론값(831) 및 시뮬레이션 결과(832)가 10dB이하의 귀환 감쇠량을, 공진기 사이의 거리가 약 22cm인 구간에서 111 상태의 이론값(841) 및 시뮬레이션 결과(842)가 10dB이하의 귀환 감쇠량을 가지는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 방식으로 공진기 사이의 거리가 10cm~40cm인 구간에서 거리가 증가할 수록 피딩 루프의 상태를 100, 110, 101, 111, 010, 011, 001 상태로 변화시키면 10dB이하의 귀환 감쇠량이 유지될 수 있다. 따라서 전 구간에서 10dB이상의 귀환 감쇠량이 확보된는 것을 확인할 수 있으며 HFSS의 결과 역시 이론값과 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다.

도 9는 일실시예에 따른 설계된 트리플 루프 피딩의 적응적 임피던스 결과에서 나타난 전송효율을 본래의 공진기 간의 최대 전송효율과 비교한 그래프이다. 일실시예에 따르면 거리에 따라 스위치 시퀀스를 적절히 증감시킴으로써, 트리플 루프 피딩의 전송 효율(920)이 본래의 공진기 사이의 최대 전송효율(910)과 7% 이내의 차이로 고효율을 유지하면서 무선전력전송이 수행될 수 있다.

이때 사용한 스위칭 조합은 다음 표 1과 같을 수 있다. 다음 표 1과 같이 거리에 따른 스위치 시퀀스는 100, 110, 101, 111, 010, 011, 001 상태와 같을 수 있고, 스위치 시퀀스의 증가는 기재된 순서를 따를 수 있다. 예를 들어, 110 상태인 스위치 시퀀스를 증가시키면 101 상태가 될 수 있다.

스위치 시퀀스	공진기 사이의 거리(cm)
100	10~12
110	14~18
101	20
111	22
010	24~28
011	30~34
001	36~40

도 10 내지 도 11은 일실시예에 따른 트리플 피딩 루프에서 싱글 피딩 루프의 귀환 감쇠량(Return Loss)을 각 루프의 크기에 따라 나타낸 그래프이다.

도 10에 도시된 그래프(1010 내지 1050)는 100-루프의 크기가 18, 17.5, 17, 16.5, 16cm인 경우의 귀환 감쇠량을 순차적으로 나타낸 것으로서, 100-루프의 크기가 17cm인 그래프(1030)가 공진기 사이의 거리가 10cm일 때 귀환 감쇠량이 가장 최적화된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 일실시예에 따르면 100-루프는 17cm일 수 있다.

도 11에 도시된 그래프(1110 내지 1150)는 001-루프의 크기가 10, 9.5, 9, 8.5, 8cm인 경우의 귀환 감쇠량을 순차적으로 나타낸 것으로서, 001-루프의 크기가 9cm인 그래프(1130)가 공진기 사이의 거리가 40cm일 때 귀환 감쇠량이 가장 최적화된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 일실시예에 따르면 001-루프는 9cm일 수 있다.

도 12 내지 도 14는 다른 일실시예에 따른 트리플 피딩 루프에서 싱글 피딩 루프의 귀환 감쇠량(Return Loss)을 루프의 크기에 따라 나타낸 그래프이다. 여기서 100-루프 및 001-루프는 도 10 내지 도 11에서 설명된 것처럼 최적화된 값으로서 17cm 및 9cm의 크기로 설계될 수 있다.

일실시예에 따르면, 도 12 내지 도 14는 각각 010-루프가 다른 크기를 가지는 경우의 귀환 감쇠량을 나타낸 그래프로서, 010-루프의 크기에 따른 다른 루프의 귀환 감쇠량도 같이 도시하고 있는 바, 도 12는 010-루프의 크기가 11.5cm인 경우, 도 13은 11cm인 경우, 도 14는 10.5cm인 경우를 나타내고 있다.

전반적으로 010-루프의 크기가 11.5cm인 경우에는 공진기 사이의 거리가 가까울 수록, 즉 공진기 사이의 거리가 약 10~25cm인 구간에서 귀환 감쇠율이 악화되는 경향, 010-루프의 크기가 10.5cm인 경우에는 공진기 사이의 거리가 멀 수록, 즉 공진기 사이의 거리가 약 25~40cm인 구간에서 귀환 감쇠율이 악화되는 경향이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 전 구간에 걸쳐 성능이 일정하게 발휘될 수 있는 크기로서 010-루프는 11cm로 설계될 수 있다.

도 15는 일실시예에 따른 멀티 루프 피딩에서 최적의 스위치 시퀀스를 설정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

단계(S1510)에서는 무선전력전송을 실시하기 전 시스템에서 임피던스 센서를 이용하여 임피던스를 감지할 수 있다.

이어서 단계(S1520)에서는 스위치 시퀀스를 설정할 수 있는 바, 일실시예에 따르면 다음과 같이 단계를 세분화될 수 있다. 이 때, 사용된 부하(Load)는 50ohm이라고 가정할 수 있다.

그리고 단계(S1521)에서는 센서로부터 감지된 임피던스를 부하 임피던스와 비교할 수 있다.

이어서 단계(S1522)에서는 50ohm보다 크다면 스위치 시퀀스 단계를 증가시킬 수 있다. 반대로 단계(S1523)에서는 50ohm보다 작다면 현재 스위치 시퀀스의 단계를 감소시킬 수 있다. 예를 들어 현재 스위치 상태가 101이라 하고 센싱된 임피던스가 80ohm이라 한다면 101보다 한단계 증가시킨 111 상태로 스위치 상태를 변경할 수 있다. 반대로 40ohm이 감지된다면 101보다 한단계 감소시킨 110 상태로 스위치 상태를 변경할 수 있다.

그리고 단계(S1524)에서는 스위치 시퀀스가 최적의 시퀀스인지 판단, 즉 감지된 임피던스가 50ohm에 가장 가까운 지 판단하여 아니라고 판단되면 상술한 단계들(S1510 내지 S1523)을 반복할 수 있다.

이어서 단계(S1530)에서는 최적의 스위치 시퀀스가 설정된 것으로 판단되면 무선전력전송을 수행할 수 있다.

도 16은 일실시예에 따른 공진 무선전력전송 장치(1600)의 세부적인 구성을 도시한 블럭도이다. 여기서 공진 무선전력전송 장치(1600)는 공진기(1610), 싱글 피딩 루프(1621 내지 1622)를 포함하는 멀티 피딩 루프(1620), 스위치(1631 내지 1632), 임피던스 센서(1640) 및 제어부(1650)을 포함할 수 있다.

공진기(1610)는 다른 공진기와 특정 주파수를 통해 공진 현상을 일으킴으로써 무선으로 전력을 전송할 수 있게 하는 장치로서, 구체적으로는 스파이럴(Spiral) 공진기, 하이-큐 스파이럴(High-Q spiral) 영차공진기, 헬릭스 타입(Helix type) 공진기 또는 싱글 루프(single loop) 공진기 및 기타 공진기를 포함할 수 있다.

싱글 피딩 루프(1621 내지 1622)는 멀티 피딩 루프(1620)에 복수의 싱글 피딩 루프가 포함될 수 있는바, 서로 동일한 형태일 수 있다. 구체적으로는 직사각형, 원형, 삼각형, 오각형 및 기타 다각형의 형태 중 하나일 수 있고, 일실시예에 따르면 트리플 피딩 루프는 직사각형으로 된 3개의 서로 다른 크기를 가지는 싱글 피딩 루프로 구성될 수 있다.

멀티 피딩 루프(1620)는 복수의 싱글 피딩 루프(1621 내지 1622)를 포함할 수 있는 바, 포트(port)를 통해 병렬로 연결될 수 있고, 일실시예에 따르면 2개의 싱글 피딩 루프가 포트를 통해 병렬로 연결된 더블 피딩 루프(double-feeding loop) 또는 3개의 싱글 피딩 루프로 구성되는 트리플 피딩 루프(triple-feeding loop)를 포함할 수 있다.

이 때 멀티 피딩 루프(1620)는 도 7과 같이 공진기의 전면 또는 후면에 배치되거나 다른 일실시예로서 공진기 내부에 공간이 있는 경우 임베디드(embedded) 형태로 배치될 수 있다. 또한, 멀티 피딩 루프에 대한 입력 임피던스 식을 근사화(approximation)하여 표현된 싱글 피딩 루프에 대한 입력 임피던스 식을 이용하여 설계될 수 있다.

스위치(1631 내지 1632)는 각 싱글 피딩 루프(1621 내지 1622)에 부착되어 온/오프(on/off) 상태를 가져서 스위치 시퀀스를 조절할 수 있다. 여기서 스위치는 각 싱글 피딩 루프에서 포트와 연결되는 지점을 제외한 임의의 지점에 부착될 수 있다. 일실시예에서 사용되는 스위치의 종류는 전기적 스위치(electrical switch)로서 PIN diode, MEMS, relay switch 또는 기계적 스위치(mechanical switch)로서 토글 스위치, 슬라이드 스위치를 포함할 수 있다.

임피던스 센서(1640)는 포트에 부착되어 무선전력전송 장치의 임피던스를 감지할 수 있다.

제어부(1650)는 스위치 시퀀스를 설정하는 장치로서, 구체적으로는 감지된 임피던스와 부하 임피던스의 크기 차이가 가장 작은 값이 되는 최적화된 스위치 시퀀스로 설정하여 무선전력전송을 수행하는 장치일 수 있다.

도 17는 다른 일실시예에 따른 멀티 루프 피딩에서 최적의 스위치 시퀀스를 설정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

단계(S1710)에서는 임피던스 센서 대신 피딩 루프 앞단에 커플러를 사용하여 반사되는 전력과 입사되는 전력을 샘플링(sampling)할 수 있다.

그리고 단계(S1720)에서는 커플러에서 샘플링된 반사되는 전력과 입사되는 전력을 이용해 귀환 감쇠량(return loss)을 계산할 수 있다.

이어서 단계(S1730)에서는 이 계산된 귀환 감쇠량이 10dB 보다 큰지 크지 않은지 여부를 판별할 수 있다.

그리고 단계(S1740)에서는 만약 계산된 귀환 감쇠량이 10dB보다 작다면 현재 시퀀스 앞 뒤의 귀환 감쇠량을 얻어 보다 10dB에 가까운 시퀀스로 스위치 시퀀스를 설정할 수 있다.

이어서 단계(S1750)에서는 10dB보다 큰 경우가 될 때까지 상술한 단계들(S1710 내지 S1740)을 반복하여 수행함으로써 스위치 시퀀스를 최적의 시퀀스로 설정할 수 있다.

그리고 단계(S1760)에서는 커플러를 통해 계산된 귀환 감쇠량이 10dB보다 크다면 최적의 시퀀스를 찾은 것인 바, 무선전력전송을 수행 할 수 있다.

도 18은 다른 일실시예에 따른 공진 무선전력전송 장치(1800)의 세부적인 구성을 도시한 블럭도이다. 여기서 공진 무선전력전송 장치(1800)를 구성하는 공진기(1810), 싱글 피딩 루프(1821 내지 1822)를 포함하는 멀티 피딩 루프(1820) 및 스위치(1831 내지 1832)는, 상술한 도 16에 도시된 공진 무선전력전송 장치(1600)의 공진기(1610), 싱글 피딩 루프(1621 내지 1622)를 포함하는 멀티 피딩 루프(1620) 및 스위치(1631 내지 1632)와 동일할 수 있다.

커플러(1840)는 기본적으로 지금 현재 입사되는 전력과 반사되는 전력이 얼마나 되는지 샘플링 할 때 사용되는 장치일 수 있다. 구체적으로 커플러를 파워앰프단과 공진기의 피딩 단 사이에 배치하여 지금 입사되는 전력이 몇 Watt 인지 반사되는 전력이 몇 Watt인지 알 수 있다.

제어부(1850)는 커플러(1840)를 통한 샘플링을 이용하여 귀환 감쇠량(return loss)을 10log(반사된 전력/입사된 전력)으로 계산하고, 귀환 감쇠량이 10dB보다 큰 최적의 시퀀스로 스위치 시퀀스를 설정한 후에 무선전력전송을 수행할 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.

1600: 공진 무선전력전송 장치
1610: 공진기
1620: 멀티 피딩 루프(multi-feeding loop)
1621, 1622: 싱글 피딩 루프(single-feeding loop)
1631, 1632: 스위치(swich)
1640: 임피던스 센서
1650: 제어부

Claims

포트(port)에 연결되고 특정 공진주파수를 가지는 공진기;
상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 적어도 둘 이상의 싱글 피딩 루프(single-feeding loop)을 포함하는 멀티 피딩 루프(multi-feeding loop);
상기 싱글 피딩 루프에 부착되어 온/오프(on/off) 상태를 가지는 스위치(switch);
상기 포트에 부착되어 임피던스를 감지하는 임피던스 센서; 및
실시간으로 상기 임피던스를 체크하고 상기 스위치의 상태를 조합하여 적응적 임피던스 정합을 수행하는 제어부
를 포함하고,
상기 멀티 피딩 루프는,
두 개의 싱글 피딩 루프가 상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 더블 피딩 루프(double-feeding loop), 세 개의 싱글 피딩 루프가 상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 트리플 피딩 루프(triple-feeding loop) 또는 네 개 이상의 싱글 피딩 루프가 상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 피딩 루프인 것
을 특징으로 하는 공진 무선전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 멀티 피딩 루프는,
각 싱글 피딩 루프가 직사각형, 원형, 삼각형, 오각형 및 기타 다각형의 형태 중 하나로서 서로 동일한 형태인 것
을 특징으로 하는 공진 무선전력전송 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 공진기는,
스파이럴(Spiral) 공진기, 하이-큐 스파이럴(High-Q spiral) 영차공진기, 헬릭스 타입(Helix type) 공진기, 헬릭스와 스파이럴이 결합된 공진기 또는 싱글 루프(single loop) 공진기인 것
을 특징으로 하는 공진 무선전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 스위치는,
상기 싱글 피딩 루프에서 상기 포트와 연결되는 지점을 제외한 임의의 지점에 부착되는 것
을 특징으로 하는 공진 무선전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 스위치는,
전기적 스위치(electrical switch) 또는 기계적 스위치(mechanical switch)인 것
을 특징으로 하는 공진 무선전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 멀티 피딩 루프가 상기 공진기의 전면, 후면 또는 내부에 임베디드(embedded) 형태로 배치되는 것
을 특징으로 하는 공진 무선전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 멀티 피딩 루프는,
상기 멀티 피딩 루프에 대한 입력 임피던스 식을 근사화(approximation)하여 표현된 싱글 피딩 루프에 대한 입력 임피던스 식을 이용하여 설계된 것
을 특징으로 하는 공진 무선전력전송 장치.
무선으로 전력을 전송하는 방법에 있어서,
현 상태의 스위치 시퀀스 상태에서 임피던스 센서를 통해 임피던스를 감지하는 단계;
상기 임피던스를 부하(Load) 임피던스와 비교하여 스위치 시퀀스를 최적의 시퀀스가 되도록 설정하는 단계; 및
상기 스위치 시퀀스가 최적의 시퀀스인 경우 무선전력전송을 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 임피던스를 부하(Load) 임피던스와 비교하여 스위치 시퀀스를 최적의 시퀀스가 되도록 설정하는 단계는,
상기 임피던스가 상기 부하 임피던스보다 크다면 스위치 시퀀스를 증가시키는 단계; 및
상기 임피던스가 상기 부하 임피던스보다 작다면 스위치 시퀀스를 감소시키는 단계를 포함하는 것
을 특징으로 하는 적응적 임피던스 정합을 통한 공진 무선전력전송 방법.
제9항에 있어서,
상기 최적의 시퀀스는,
상기 스위치 시퀀스가 상기 임피던스의 크기와 상기 부하 임피던스의 크기 차이가 가장 작은 상태가 되도록 하는 시퀀스인 것
을 특징으로 하는 적응적 임피던스 정합을 통한 공진 무선전력전송 방법.
삭제
포트(port)에 연결되고 특정 공진주파수를 가지는 공진기;
상기 포트를 통해 병렬로 연결되는 적어도 둘 이상의 싱글 피딩 루프(single-feeding loop)을 포함하는 멀티 피딩 루프(multi-feeding loop);
상기 싱글 피딩 루프에 부착되어 온/오프(on/off) 상태를 가지는 스위치(switch);
상기 멀티 피딩 루프 앞단에 배치되어 입사되는 전력과 반사되는 전력을 샘플링(sampling)하는 커플러; 및
실시간으로 상기 입사되는 전력 및 상기 반사되는 전력을 이용하여 귀환 감쇠량을 계산하고, 상기 스위치의 상태를 조합하여 상기 귀환 감쇠량이 10dB보다 큰 최적의 시퀀스가 되도록 적응적 임피던스 정합을 수행하는 제어부
를 포함하는 공진 무선전력전송 장치.
무선으로 전력을 전송하는 방법에 있어서,
현 상태의 스위치 시퀀스 상태에서 피딩 루프 앞단에 배치되는 커플러를 통해 반사되는 전력 및 입사되는 전력을 감지하는 단계;
상기 반사되는 전력 및 입사되는 전력을 이용하여 귀환 감쇠량(return loss)을 계산하는 단계;
상기 귀환 감쇠량이 10dB보다 작은 지 판별하는 단계;
상기 귀환 감쇠량이 10dB보다 작다면 현재 시퀀스 앞 뒤의 귀환 감쇠량을 판별하여 10dB에 가까운 시퀀스로 상기 스위치 시퀀스를 설정하는 단계;
상기 귀환 감쇠량이 10dB보다 큰 경우가 될 때까지 상기 단계를 반복함으로써 상기 스위치 시퀀스를 최적의 시퀀스로 설정하는 단계; 및
상기 스위치 시퀀스가 최적의 시퀀스인 경우 무선전력전송을 수행하는 단계
를 포함하는 적응적 임피던스 정합을 통한 공진 무선전력전송 방법.