KR101809292B1 - 무선 전력 시스템 내의 공진 검출 및 제어 - Google Patents

무선 전력 시스템 내의 공진 검출 및 제어 Download PDF

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Abstract

예시적인 실시형태들은 공진 주파수 튜닝에 관한 것이다. 디바이스는 무선 전력을 송신하는 코일 (L1) 을 포함할 수도 있다. 디바이스는 엘리먼트 (cp) 를 송신 코일 안에 삽입하는 것 및 엘리먼트 (L5) 를 송신 코일에 유도적으로 커플링하는 것 중 적어도 하나에 따라 송신기의 공진 주파수를 선택적으로 변경하기 위한 엘리먼트를 더 포함할 수도 있다.

Description

무선 전력 시스템 내의 공진 검출 및 제어{RESONANCE DETECTION AND CONTROL WITHIN A WIRELESS POWER SYSTEM}
35 U.S.C.§119 하의 우선권 주장
본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서, 2010 년 5 월 13 일자로 출원된 발명의 명칭이 "RESONANCE DETECTION AND CONTROL" 인 미국 가특허 출원 번호 제 61/334,523 호에 우선권을 주장하고, 이 개시물은 전체적으로 참조로서 본원에 포함된다.
배경
기술분야
본 발명은 일반적으로 무선 전력에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 무선 전력 시스템의 공진 컨디션을 감지 및 제어하는 것에 관련된 시스템, 디바이스, 및 방법에 관한 것이다.
송신기와 충전될 디바이스 간의 무선 전력 송신을 통해 이용하는 접근법들이 개발되고 있다. 일반적으로, 이들은 2 개의 카테고리들로 나누어진다. 하나는 방사된 전력을 수집하고 배터리를 충전하기 위해 그것을 정류하는 충전될 디바이스 상의 송신 안테나와 수신 안테나 간의 평면파 방사 (또한, 원거리장 방사 (far-field radiation) 로 지칭됨) 의 커플링에 기초한다. 일반적으로, 안테나들은 커플링 효율을 향상시키기 위한 공진 길이이다. 이 접근법은, 전력 커플링이 안테나들 간의 거리에 따라 빠르게 저하된다는 사실을 겪는다. 때문에, 합리적인 거리 이상 (예를 들어, >1-2m) 에서의 충전은 어렵다. 또한, 시스템은 평면파를 방사하기 때문에, 필터링을 통해 적합하게 제어되지 않는 경우 의도치 않은 방사가 다른 시스템들과 간섭할 수 있다.
다른 접근법들은, 예를 들어 "충전" 매트 또는 표면에 임베딩된 송신 안테나와 수신 안테나 간의 유도적 커플링 뿐만 아니라 충전될 호스트 디바이스 내에 임베딩된 정류 회로에 기초한다. 이 접근법은, 송신 안테나와 수신 안테나 간의 공간이 매우 가까워야 한다 (예를 들어, mms) 는 단점을 갖는다. 그러나, 이 접근법은 동일한 영역에서 다수의 디바이스들을 동시에 충전하는 능력을 가져야 하고, 이 영역은 통상적으로 작으며, 따라서 사용자는 특정 영역에 디바이스들을 위치시켜야 한다.
당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 송신기 근처의 상이한 수의 수신기들의 존재 및/또는 금속 객체들의 존재는 송신기를 디튜닝 (detune) 할 수도 있다. 공진 매치 (resonant match) 에 있지 않는 송신기 및 수신기를 갖는 무선 전력 시스템은, 열적 이슈들을 생성할 수도 있고 요구된 충전 시간들을 증가시킬 수도 있는 열악한 효율성을 겪을 수도 있다.
무선 전력 전송을 강화시키기 위한 방법들, 시스템들, 및 디바이스들에 대한 필요성이 존재한다. 보다 구체적으로, 공진 매치를 유지하도록 무선 전력 시스템 내의 송신기 및 수신기를 인에이블하기 위한 방법들, 시스템들, 및 디바이스들에 대한 필요성이 존재한다.
도 1 은 무선 전력 전송 시스템의 단순화된 블록도를 나타낸다.
도 2 는 무선 전력 전송 시스템의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 예시적인 실시형태들에서 사용하기 위한 루프 안테나의 개략도를 예시한다.
도 4 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 송신기의 간략화된 블록도이다.
도 5 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 수신기의 간략화된 블록도이다.
도 6 은 송신기 및 수신기를 포함하는 종래의 무선 전력 시스템의 회로도를 예시한다.
도 7 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 송신기 및 수신기를 포함하는 무선 전력 시스템의 회로도를 예시한다.
도 8a 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 도 7 의 무선 전력 시스템의 구현의 예시이다.
도 8b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 일 구성에서 도 8a 의 무선 전력 시스템의 구현의 예시이다.
도 8c 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 다른 구성에서 도 8a 의 무선 전력 시스템의 구현의 예시이다.
도 9a 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 도 7 의 무선 전력 시스템의 다른 구현의 예시이다.
도 9b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 일 구성에서 도 9a 의 무선 전력 시스템의 구현의 예시이다.
도 9c 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 다른 구성에서 도 9a 의 무선 전력 시스템의 구현의 예시이다.
도 10 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 송신기의 회로도이다.
도 11a 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 도 10 의 송신기의 다른 구현의 예시이다.
도 11b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 일 구성에서 도 11a 의 송신기의 구현의 예시이다.
도 11c 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른, 다른 구성에서 도 11a 의 송신기의 구현의 예시이다.
도 12 는 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 배치된 이동 전화기들의 수 및 위치들의 변화에 따른 무선 전력 송신기의 리액턴스에서의 시프트를 예시하는 스미스 차트이다.
도 13 은 무선 전력 송신기의 리액턴스에 대한 무선 전력 송신기의 전력 증폭기에서의 전류 레벨을 예시하는 플롯이다.
도 14 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 방법을 예시하는 플로우차트이다.
도 15 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 다른 방법을 예시하는 플로우차트이다.
도 16 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 또 다른 방법을 예시하는 풀로우차트이다.
첨부된 도면들과 함께 이하에서 설명되는 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 설명으로서 의도되고, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태들을 나타내도록 의도되지는 않는다. 본 설명 전체에서 사용된 용어 "예시적인" 은 "예, 경우, 또는 예시로서 기능하는" 을 의미하고, 다른 예시적인 실시형태들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 반드시 해석될 필요는 없다. 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 전체 이해를 제공하기 위한 목적의 특정 상세들을 포함한다. 본 발명의 예시적인 실시형태들은 이들 특정 상세들 없이 실시될 수도 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 일부 경우들에서, 본원에 제시된 예시적인 실시형태들의 신규성을 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 구조들 및 디바이스들은 블록도 형태로 도시된다.
용어 "무선 전력" 은 전기장, 자기장, 전자기장, 또는 물리적인 전기적 도체를 사용하지 않고 송신기와 수신기 사이에서 송신되는 이외의 것과 연관된 임의의 형태의 에너지를 의미하는 것으로 본원에서 사용된다.
도 1 은 본 발명의 각종 예시적인 실시형태들에 따른 무선 송신 또는 충전 시스템 (100) 을 나타낸다. 에너지 전송을 제공하기 위한 필드 (106) 를 생성하기 위해 송신기 (104) 에는 입력 전력 (102) 이 제공된다. 수신기 (108) 가 필드 (106) 에 커플링되고, 출력 전력 (110) 에 커플링된 디바이스 (미도시) 에 의한 저장 또는 소비를 위한 출력 전력 (110) 을 생성한다. 송신기 (104) 및 수신기 (108) 양자 모두는 거리 (112) 만큼 분리된다. 일 예시적인 실시형태에서, 송신기 (104) 및 수신기 (108) 는 상호 공진 관계에 따라 구성되고, 수신기 (108) 의 공진 주파수 및 송신기 (104) 의 공진 주파수가 매우 가까울 때, 수신기 (108) 가 필드 (106) 의 "근접장 (near-field)" 내에 위치하는 경우 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 송신 손실들이 최소가 된다.
송신기 (104) 는 에너지 송신을 위한 수단을 제공하기 위해 송신 안테나 (114) 를 더 포함하고, 수신기 (108) 는 에너지 수신을 위한 수단을 제공하기 위해 수신 안테나 (118) 를 더 포함한다. 송신 안테나 및 수신 안테나는 그것과 함께 연관될 디바이스들 및 애플리케이션들에 따라 사이즈가 정해진다. 전술한 바와 같이, 전자기파로 에너지의 대부분을 원거리 장에 전파하기보다는 송신 안테나의 근접장 내의 에너지의 많은 부분을 수신 안테나에 커플링함으로써, 효율적인 에너지 전송이 발생한다. 이 근접장에서, 송신 안테나 (114) 와 수신 안테나 (118) 간에 커플링 모드가 전개될 수도 있다. 본원에서, 이 근접장 커플링이 발생할 수도 있는 안테나들 (114 및 118) 주변 영역은 커플링 모드 지역으로서 지칭된다.
도 2 는 무선 전력 전송 시스템의 단순화된 개략도를 나타낸다. 송신기 (104) 는 오실레이터 (122), 전력 증폭기 (124), 및 필터 및 매칭 회로 (126) 를 포함한다. 오실레이터는, 조정 신호 (123) 에 응답하여 조정될 수도 있는 원하는 주파수에서 신호를 생성하도록 구성된다. 오실레이터 신호는 제어 신호 (125) 에 응답하는 증폭량으로 전력 증폭기 (124) 에 의해 증폭될 수도 있다. 고조파 또는 다른 원하지 않는 주파수를 필터링하고, 송신기 (104) 의 임피던스를 송신 안테나 (114) 에 매칭시키도록 필터 및 매칭 회로 (126) 가 포함될 수도 있다.
수신기 (108) 는 DC 전력 출력을 생성하여 도 2 에 도시된 배터리 (136) 를 충전하고 또는 수신기에 커플링된 디바이스 (미도시) 에 전력을 공급하도록 매칭 회로 (132), 및 정류기 및 스위칭 회로 (134) 를 포함할 수도 있다. 수신기 (108) 의 임피던스를 수신 안테나 (118) 에 매칭시키도록 매칭 회로 (132) 가 포함될 수도 있다. 수신기 (108) 및 송신기 (104) 는 별개의 통신 채널 (119)(예를 들어, 블루투스, 지그비, 셀룰러 등) 상에서 통신할 수도 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시형태들에 이용된 안테나들은, 본원에서 "자기 (magnetic)" 안테나로서 지칭될 수도 있는 "루프" 안테나 (150) 로서 구성될 수도 있다. 루프 안테나들은 페라이트 코어와 같은 물리적 코어 또는 공심 (air core) 을 포함하도록 구성될 수도 있다. 공심 루프 안테나들은 코어 부근에 배치된 관련 없는 물리적 디바이스들에 대해 더 견딜만할 수도 있다. 또한, 공심 루프 안테나는 코어 영역 내의 다른 컴포넌트들의 배치를 허용한다. 또한, 공심 루프는 송신 안테나 (114)(도 2) 의 평면 내에 수신 안테나 (118)(도 2) 의 배치를 더욱 용이하게 할 수도 있으며, 여기서 송신 안테나 (114)(도 2) 의 커플링된 모드 영역이 더 파워풀해질 수도 있다.
전술된 바와 같이, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 효율적인 에너지 전송은 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 매칭된 또는 거의 매칭된 공진 동안 발생한다. 그러나, 송신기 (104) 와 수신기 (108) 간의 공진이 매칭되지 않을 때에도, 에너지는 전송될 수도 있으나 효율성에 영향을 줄 수도 있다. 에너지의 전송은, 송신 안테나로부터 자유 공간으로 에너지를 전파하기 보다는, 송신 안테나의 근접장으로부터의 에너지를 이 근접장이 확립되는 근처에 상주하는 수신 안테나에 커플링함으로써 발생한다.
루프 또는 자기 안테나들의 공진 주파수는 인덕턴스 및 캐패시턴스에 기초한다. 루프 안테나에서의 인덕턴스는 일반적으로 단순히 루프에 의해 생성된 인덕턴스인 반면에, 캐패시턴스는 일반적으로 원하는 공진 주파수에서 공진 구조를 생성하기 위해 루프 안테나의 인덕턴스에 부가된다. 비한정적인 예로써, 캐패시터 (152) 및 캐패시터 (154) 가 안테나에 추가되어 공진 신호 (156) 를 생성하는 공진 회로를 생성할 수도 있다. 따라서, 보다 긴 직경의 루프 안테나에 있어서, 공진을 유도하기 위해 필요한 캐패시턴스의 크기는 루프의 직경 또는 인덕턴스가 증가됨에 따라 감소한다. 또한, 루프 또는 자기 안테나의 직경이 증가함에 따라, 근접장의 효율적인 에너지 전송 영역이 증가한다. 물론, 다른 공진 회로들이 가능하다. 다른 비한정적인 예로써, 루프 안테나의 2 개의 단자들 사이에 캐패시터가 병렬로 배치될 수도 있다. 또한, 송신 안테나에 있어서 공진 신호 (156) 는 루프 안테나 (150) 에 대한 입력일 수도 있다는 것을 당업자는 인지할 것이다.
도 4 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 송신기 (200) 의 간략화된 블록도이다. 송신기 (200) 는 송신 회로 (202) 및 송신 안테나 (204) 를 포함한다. 일반적으로, 송신 회로 (202) 는 송신 안테나 (204) 에 대한 근접장 에너지의 생성을 초래하는 발진 신호를 제공함으로써 송신 안테나 (204) 에 RF 전력을 제공한다. 송신기 (200) 는 임의의 적합한 주파수에서 동작할 수도 있음이 주목된다. 예로써, 송신기 (200) 는 468.75 KHz, 또는 6.78 MHz 나 13.56 MHz 의 ISM 대역에서 동작할 수도 있다.
예시적인 송신 회로 (202) 는 송신 회로 (202) 의 임피던스 (예를 들어, 50 ohm) 를 송신 안테나 (204) 에 매칭시키기 위한 고정 임피던스 매칭 회로 (206) 및 수신기 (108)(도 1) 에 커플링된 디바이스의 자기 재밍을 방지하기 위한 레벨로 고조파 방출을 감소시키도록 구성된 로우 패스 필터 (LPF; 208) 를 포함한다. 다른 예시적인 실시형태는, 다른 주파수들을 통과시키면서 특정 주파수들을 감쇠하는 노치 필터들을 포함하는 상이한 필터 토폴로지들을 포함할 수도 있으나 이에 한정되지 않으며, 안테나에 대한 출력 전력 또는 전력 증폭기에 의해 얻어진 DC 전류와 같은 측정 가능한 송신 메트릭들에 기초하여 변경될 수 있는 적응형 임피던스 매치를 포함할 수도 있다. 송신 회로 (202) 는 오실레이터 (212) 에 의해 결정된 바와 같은 RF 신호를 도출하도록 구성된 전력 증폭기 (210) 를 더 포함한다. 송신 회로는 이산 디바이스들 또는 회로들로 이루어질 수도 있고, 또는 대안으로 집적된 어셈블리로 이루어질 수도 있다. 송신 안테나 (204) 로부터 출력된 예시적인 RF 전력은 2.5 와트 정도일 수도 있다.
송신 회로 (202) 는 특정 수신기들에 대한 송신 페이즈 (또는 듀티 사이클) 동안 오실레이터 (212) 를 인에이블하고, 오실레이터의 주파수 또는 위상을 조정하며, 그 부착된 수신기들을 통해 이웃하는 디바이스들과 상호작용하기 위한 통신 프로토콜을 구현하기 위해 출력 전력 레벨을 조정하기 위한 제어기 (214) 를 더 포함한다. 당해 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 송신 경로의 발진기 위상 및 관련 회로의 조정은 특히 일 주파수에서 다른 주파수로 천이할 때 대역외 방출의 감소를 허용한다.
송신 회로 (202) 는 송신 안테나 (204) 에 의해 생성된 근접장 부근에서의 액티브 수신기들의 존재 또는 부존재를 검출하기 위한 로드 감지 회로 (216) 를 더 포함할 수도 있다. 예로써, 로드 감지 회로 (216) 는 전력 증폭기 (210) 로 흐르는 전류를 모니터링하고, 그 전력 증폭기는 송신 안테나 (204) 에 의해 생성된 근접장 부근에서의 액티브 수신기들의 존재 또는 부존재에 의해 영향을 받는다. 액티브 수신기와 통신하도록 에너지를 송신하기 위해 오실레이터 (212) 를 인에이블할지 여부를 결정하는데 이용하기 위해, 전력 증폭기 (210) 상의 로딩에 대한 변화의 검출이 제어기 (214) 에 의해 모니터링된다.
송신 안테나 (204) 는 저항 손실을 낮게 유지하기 위해 선택된 두께, 폭 및 금속 타입을 갖는 안테나 스트립으로서 또는 리츠 (Litz) 와이어로 구현될 수도 있다. 종래의 구현에서, 송신 안테나 (204) 는 일반적으로 테이블, 매트, 램프와 같은 큰 구조 또는 다른 작은 휴대용 구성과의 연관을 위해 구성될 수 있다. 따라서, 송신 안테나 (204) 는 일반적으로 실제적인 치수로 되기 위해 "턴들 (turns)" 일 필요가 없다. 송신 안테나 (204) 의 예시적 구현은 "전기적으로 작은" (즉, 파장의 일부) 일 수도 있고, 공진 주파수를 정의하기 위해 캐패시터를 이용함으로써 보다 낮은 가용 주파수들에서 공진하도록 튜닝될 수도 있다.
송신기 (200) 는, 송신기 (200) 와 연관될 수도 있는 수신기 디바이스들의 상태 및 소재에 관한 정보를 수집 및 추적할 수도 있다. 따라서, 송신기 회로 (202) 는 제어기 (214)(본원에서 프로세서로도 지칭됨) 에 접속된 존재 검출기 (280), 인클로즈드 검출기 (enclosed detector; 260), 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 제어기 (214) 는 존재 검출기 (280) 및 인클로즈드 검출기 (260) 로부터의 존재 신호들에 응답하여 증폭기 (210) 에 의해 전달된 전력량을 조정할 수도 있다. 송신기는, 예를 들어 빌딩 내에 존재하는 종래의 AC 전력을 변환하기 위한 AC-DC 컨버터 (미도시), 종래의 DC 전원을 송신기 (200) 에 적절한 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 (미도시) 와 같은 다수의 전원들을 통해, 또는 종래의 DC 전원 (미도시) 으로부터 직접 전력을 수신할 수도 있다.
비한정적인 예로써, 존재 검출기 (280) 는 송신기의 커버리지 영역 안으로 인서트되는 충전될 디바이스의 초기 존재를 감지하도록 이용된 모션 검출기일 수도 있다. 검출 후에, 송신기는 턴온될 수도 있고, 디바이스에 의해 수신된 RF 전력은, 미리결정된 방식으로 Rx 디바이스 상의 스위치를 토글링하는데 이용될 수도 있으며, 이는 차례로 송신기의 구동 포인트 임피던스에 대한 변화를 초래한다.
다른 비한정적인 예로써, 존재 검출기 (280) 는 예를 들어 적외선 검출, 모션 검출, 또는 다른 적절한 수단에 의해 인간을 검출할 수 있는 검출기일 수도 있다. 몇몇 예시적인 실시형태에서, 송신 안테나가 특정 주파수에서 송신할 수도 있는 전력량을 한정하는 규정들이 존재할 수도 있다. 몇몇 경우에서, 이들 규정들은 전자기파 방사로부터 인간을 보호하는 것을 의미한다. 그러나, 예를 들어 차고, 작업 현장, 상점 등과 같이 인간들에 의해 드물게 사용되고, 인간들에 의해 사용되지 않는 영역 내에 송신 안테나들이 배치되는 환경이 존재할 수도 있다. 이들 환경이 인간으로부터 자유로우면, 송신 안테나의 전력 출력을 통상의 전력 제한 규정 이상으로 증가시키는 것이 허용될 수도 있다. 다시 말하면, 제어기 (214) 는 인간 존재에 응답하여 송신 안테나 (204) 의 전력 출력을 규정 레벨 또는 더 낮게 조정할 수도 있고, 송신 안테나 (204) 의 전자기장으로부터 규정 거리 밖에 인간이 있을 때 송신 안테나 (204) 의 전력 출력을 규정 레벨 이상의 레벨로 조정할 수도 있다.
비한정적인 예로써, 인클로즈드 검출기 (290)(본원에서 폐쇄 격실 검출기 또는 폐쇄 공간 검출기로도 지칭될 수도 있음) 는 인클로저가 폐쇄 또는 개방 상태에 있을 때를 결정하기 위한 감지 스위치와 같은 디바이스일 수도 있다. 송신기가 인클로즈드 상태에 있는 인클로저 내에 있을 때, 송신기의 전력 레벨은 증가될 수도 있다.
예시적인 실시형태에서, 송신기 (200) 가 무기한으로 켜진 채로 있지 않는 방법이 이용될 수도 있다. 이 경우에서, 송신기 (200) 는 사용자가 결정한 양의 시간 후에 셧오프하도록 프로그래밍될 수도 있다. 이 특성은, 송신기 (200), 특히 전력 증폭기 (210) 가 그 주변에서 무선 디바이스들이 완전히 충전된 후에 오래 구동되는 것을 방지한다. 이 이벤트는, 디바이스가 완전히 충전되는 수신 코일이나 중계기로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 회로의 고장 때문일 수도 있다. 다른 디바이스가 그 주변에 배치되는 경우 송신기 (200) 가 자동으로 셧 다운되는 것을 방지하기 위해, 송신기 (200) 자동 셧 오프 특성은 단지 그 주변에서 검출된 모션이 없는 세트 기간 후에 활성화될 수도 있다. 사용자는 비활성 시간 간격을 결정하고 그것을 원하는 대로 변화시킬 수도 있다. 비한정적인 예로써, 시간 간격은, 디바이스가 초기에 완전히 방전되었다는 가정 하에서 특정 타입의 무선 디바이스를 완전히 충전하기 위해 필요한 것보다 더 길 수도 있다.
도 5 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 수신기 (300) 의 단순화된 블록도이다. 수신기 (300) 는 수신 회로 (302) 및 수신 안테나 (304) 를 포함한다. 수신기 (300) 는 수신 전력을 제공하기 위한 디바이스 (350) 에 또한 커플링된다. 수신기 (300) 는 디바이스 (350) 외부에 있는 것으로 예시되었으나, 디바이스 (350) 안에 통합될 수도 있음이 주목된다. 일반적으로, 에너지는 수신 안테나 (304) 에 무선으로 전파되고, 그 다음에 수신 회로 (302) 를 통해 디바이스 (350) 에 커플링된다.
수신 안테나 (304) 는 송신 안테나 (204)(도 4) 와 같이 동일한 주파수에서 또는 지정된 범위의 주파수 내에서 공진하도록 튜닝된다. 수신 안테나 (304) 는 송신 안테나 (204) 와 유사한 치수일 수도 있고, 또는 연관된 디바이스 (350) 의 치수에 기초하여 상이하게 사이즈가 정해질 수도 있다. 예로써, 디바이스 (350) 는 송신 안테나 (204) 의 길이의 직경보다 작은 직경 또는 길이 치수를 갖는 휴대용 전자 디바이스일 수도 있다. 그러한 예에서, 수신 안테나 (304) 는 튜닝 캐패시터 (미도시) 의 캐패시턴스 값을 감소시키고 수신 안테나의 임피던스를 증가시키기 위해 멀티-턴 안테나로서 구현될 수도 있다. 예로써, 수신 안테나 (304) 는 안테나의 직경을 최대화하고 수신 안테나의 루프 턴들 (즉, 권선) 의 수 및 권선간 (inter-winding) 캐패시턴스를 감소시키기 위해서 디바이스 (350) 의 실질적인 원주 둘레에 배치될 수도 있다.
수신 회로 (302) 는 수신 안테나 (304) 에 임피던스 매칭을 제공한다. 수신 회로 (302) 는 수신된 RF 에너지 소스를 디바이스 (350) 에 의한 사용을 위한 충전 전력으로 변환하는 전력 변환 회로 (306) 를 포함한다. 전력 변환 회로 (306) 는 RF-DC 컨버터 (308) 를 포함하고, 또한 DC-DC 컨버터 (310) 를 포함할 수도 있다. RF-DC 컨버터 (308) 는 수신 안테나 (304) 에서 수신된 RF 에너지 신호를 비-교류 전력으로 정류하는 한편, DC-DC 컨버터 (310) 는 정류된 RF 에너지 신호를 디바이스 (350) 와 호환성이 있는 에너지 전위 (예를 들어, 전압) 로 변환한다. 다양한 RF-DC 컨버터들은 선형 및 스위칭 컨버터들뿐만 아니라, 부분파 및 전파 정류기, 레귤레이터, 브리지, 더블러 (doubler) 를 포함하는 것으로 고려된다.
수신 회로 (302) 는 수신 안테나 (304) 를 전력 변환 회로 (306) 에 접속하거나 또는 대안으로 전력 변환 회로 (306) 를 접속해제하는 스위칭 회로 (312) 를 더 포함할 수도 있다. 수신 안테나 (304) 를 전력 변환 회로 (306) 로부터 접속해제하는 것은 디바이스 (350) 의 충전을 중지시킬 뿐만 아니라, 송신기 (200)(도 2) 에 의해 "확인" 되는 "로드"를 변경한다.
전술된 바와 같이, 송신기 (200) 는 송신기 전력 증폭기 (210) 에 제공되는 바이어스 전류에서의 변동을 검출하는 로드 감지 회로 (216) 를 포함한다. 따라서, 송신기 (200) 는 수신기가 송신기의 근접장에 존재하는 때를 결정하기 위한 메커니즘을 갖는다.
다수의 수신기들 (300) 이 송신기의 근접장에 존재할 때, 하나 이상의 수신기들의 로딩 및 언로딩을 시간 멀티플렉싱하여 다른 수신기들로 하여금 송신기에 더욱 효율적으로 커플링할 수 있게 하는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 다른 근처의 수신기에 커플링하는 것을 제거하거나 또는 근처의 송신기들 상의 로딩을 감소시키기 위해서 수신기가 클록킹 (cloak) 될 수도 있다. 또한, 이러한 수신기의 "언로딩" 은 본원에서 "클록킹" 으로서 알려져 있다. 또한, 수신기 (300) 에 의해 제어되고 송신기 (200) 에 의해 검출된 언로딩과 로딩 간의 이러한 스위칭은 더욱 완전하게 후술되는 바와 같이 수신기 (300) 로부터 송신기 (200) 로의 통신 메커니즘을 제공한다. 또한, 프로토콜은 수신기 (300) 로부터 송신기 (200) 로의 메시지의 전송을 가능하게 하는 스위칭과 연관될 수 있다. 예로써, 스위칭 속도는 100 μsec 정도일 수도 있다.
일 예시적인 실시형태에서, 송신기와 수신기 간의 통신은 종래의 양방향 통신보다는 디바이스 감지 및 충전 제어 메커니즘으로 지칭한다. 다시 말하면, 송신기는 송신된 신호의 온/오프 키잉 (keying) 을 이용하여, 근접장에서 에너지가 이용 가능한지 여부를 조정할 수도 있다. 수신기들은 에너지에서의 이들 변화를 송신기로부터의 메시지로서 해석한다. 수신기측으로부터, 수신기는 수신 안테나의 튜닝 및 디-튜닝 (de-tuning) 를 이용하여 근접장으로부터 얼마나 많은 전력이 수용되고 있는지를 조정한다. 송신기는 근접장으로부터 이용된 이러한 전력의 차이를 검출하고, 이들 변화들을 수신기로부터의 메시지로서 해석할 수도 있다. 송신 전력 및 로드 거동의 변조의 다른 형태들이 이용될 수도 있다.
수신 회로 (302) 는 수신된 에너지 변동을 식별하는데 이용된 시그널링 검출기 및 비콘 회로 (314) 를 더 포함할 수도 있고, 그 수신된 에너지 변동은 송신기로부터 수신기로의 정보 시그널링에 대응할 수도 있다. 또한, 시그널링 및 비콘 회로 (314) 는 또한 무선 충전을 위한 수신 회로 (302) 를 구성하기 위해서, 감소된 RF 신호 에너지 (즉, 비콘 신호) 의 송신을 검출하고, 감소된 RF 신호 에너지를 수신 회로 (302) 내의 미전력공급형 또는 전력격감형 회로 중 어느 하나를 지각하기 위한 공칭 전력으로 정류하는데 사용될 수도 있다.
수신 회로 (302) 는 본원에서 설명된 스위칭 회로 (312) 의 제어를 포함하여 본원에서 설명된 수신기 (300) 의 프로세스를 조절하는 프로세서 (316) 를 더 포함한다. 또한, 충전 전력을 디바이스 (350) 에 제공하는 외부의 유선 충전 소스 (예를 들어, 벽/USB 전력) 의 검출을 포함하는 다른 이벤트의 발생시에, 수신기 (300) 의 클록킹이 발생할 수도 있다. 또한, 프로세서 (316) 는, 수신기의 클록킹을 제어하는 것 이외에도, 비콘 회로 (314) 를 모니터링하여 비콘 상태를 결정하고 송신기로부터 전송된 메시지를 추출할 수도 있다. 또한, 프로세서 (316) 는 개선된 성능을 위해 DC-DC 컨버터 (310) 를 조정할 수도 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 본 발명의 각종 예시적인 실시형태들은 송신기의 공진 주파수를 원하는 주파수로 튜닝하기 위한 시스템, 디바이스, 및 방법에 관한 것이다. 일 예시적인 실시형태에 따르면, 송신기는 송신기의 공진 주파수를 원하는 주파수로 튜닝하기 위한 하나 이상의 리액티브 엘리먼트들을 선택적으로 포함하도록 구성될 수도 있다. 또한, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 송신기는 송신기의 공진 주파수를 원하는 주파수로 튜닝하기 위해 송신기 내의 하나 이상의 기생 코일과 유도적으로 커플링할 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 송신기는 하나 이상의 기생 코일들과 결합할 수도 있고, 여기서 하나 이상의 기생 코일들은 송신기의 공진 주파수를 원하는 주파수로 튜닝하기 위한 하나 이상의 리액티브 엘리먼트를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 송신기의 전력 증폭기의 DC 전류는 무선 전력 시스템의 공진 주파수 컨디션을 감지하는데 사용될 수도 있다.
도 6 은 송신기 (602) 및 수신기 (604) 를 포함하는 종래의 무선 전력 시스템 (600) 의 회로도를 예시한다. 송신기 (600) 는 인덕터 (L1) 을 갖는 송신 코일 (603) 을 포함한다. 저항기 (R1) 는 송신 코일 (603) 의 기생 저항을 나타낸다. 또한, 캐패시터 (C1) 는 매칭 캐패시터를 포함할 수도 있다. 단지 예로써, 송신 코일 (603) 은 이상 (ideal) 인덕터 (L1) 및 기생 저항 (R1) 으로서 모델링될 수도 있다. 더욱이, 캐패시터 (C1) 는 공진 매칭 목적을 위해 송신 코일 (603) 을 튜닝하는데 사용될 수도 있다. 단지 예로써, 캐패시터 (C1) 는 27.8 pF 의 캐패시턴스를 포함할 수도 있고, 인덕터 (L1) 는 5 μΗ 의 인덕턴스를 가질 수도 있으며, 저항기 (R1) 는 5 ohm 의 저항을 가질 수도 있다. 수신기 (604) 는 인덕터 (L2) 및 기생 저항 (즉, 저항기 R2) 을 갖는 수신 코일 (605) 을 포함한다. 수신 코일 (605) 은 캐패시터 (C2) 에 의해 튜닝될 수도 있고, 저항기 (r2) 로 표시되는 로드에 커플링될 수도 있다. 단지 예로써, 캐패시터 (C2) 는 27.8 pF 의 캐패시턴스를 포함할 수도 있고, 인덕터 (L2) 는 5 μΗ 의 인덕턴스를 가질 수도 있고, 저항기 (R2) 는 5 ohm 의 저항을 가질 수도 있으며, 송신기 (600) 의 주파수는 13.56 MHz 를 포함할 수도 있다. 당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 공진에서:
Figure 112012101473160-pct00001
;
더욱이, 송신 코일 (603) 로 향하는 임피던스 (Zin) 는 다음의 식으로 주어질 수도 있다:
Figure 112012101473160-pct00002
;
여기서, M 은 송신 코일 (603) 과 수신 코일 (605) 간의 상호 인덕턴스이고, wo 는 라디안 단위의 주파수이며, r2 는 수신기 (604) 의 로드이다.
도 7 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무선 전력 시스템 (610) 의 회로도를 예시한다. 무선 전력 시스템 (610) 은 인덕터 (L2) 및 저항 (R2) 를 포함하는 수신 코일 (605) 을 갖는 수신기 (604) 를 포함한다. 수신 코일은 캐패시터 (C2) 에 의해 튜닝될 수도 있다. 단지 예로써, 캐패시터 (C2) 는 27.8 pF 의 캐패시턴스를 포함할 수도 있고, 인덕터 (L2) 는 5 μΗ 의 인덕턴스를 가질 수도 있으며, 저항 (R2) 는 5 ohm 의 저항을 가질 수도 있다. 무선 전력 시스템 (610) 은 또한, 송신 코일 (612) 을 갖는 송신기 (611) 를 포함한다. 송신 코일 (612) 은 인덕터 (L1) 및 저항기 (R1) 을 포함하고, 캐패시터 (C1) 에 의해 튜닝될 수도 있다. 단지 예로써, 캐패시터 (C1) 는 27.8 pF 의 캐패시턴스를 포함할 수도 있고, 인덕터 (L1) 는 5 μΗ 의 인덕턴스를 가질 수도 있으며, 저항기 (R1) 는 5 ohm 의 저항을 가질 수도 있다. 또한, 송신 코일 (612) 은 저항기 (R1) 에 커플링된 일측 및 그라운드 전압 (617) 에 커플링된 타측을 갖는 리액티브 엘리먼트 (즉, 캐패시터 (Cp)) 를 포함한다. 더욱이, 리액티브 엘리먼트 (Cp) 는 스위치 (620) 와 병렬이다. 용어 "스위치" 는 임의의 적합한 그리고 알려진 스위칭 엘리먼트를 포함할 수도 있음이 주목된다. 스위치 (620) 가 폐쇄되는 동안, 송신 코일로 향하는 임피던스 (Zin) 는 다음의 식으로 주어질 수도 있다:
Figure 112012101473160-pct00003
;
여기서, M 은 송신 코일 (612) 과 수신 코일 (605) 간의 상호 인덕턴스이고, w0 는 라디안으로의 주파수이며, r2 는 수신기 (604) 의 로드이다.
스위치 (620) 가 개방되는 동안, 송신 코일로 향하는 임피던스 (Zin) 는 다음의 식으로 주어질 수도 있다:
Figure 112012101473160-pct00004
;
여기서, Zino 는 스위치가 폐쇄되는 동안 송신 코일로 향하는 임피던스이다.
단지 예로써, 송신 코일로 향하는 임피던스 (Zin) 에서 2 퍼센트 (2%) 변화에 대해, 캐패시터 (Cp) 는 캐패시터 (C1) 의 값들의 50 배와 동일할 수도 있다 (즉, Cp = 50 * C1).
도 8a 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 스위치 (620) 의 고려된 특정 구현을 예시한다. 예시된 바와 같이, 스위치 (620)(도 7 및 도 8a) 는 리액티브 엘리먼트 (Cp) 의 일측에 커플링된 드레인, 리액티브 엘리먼트 (Cp) 의 타측에 커플링된 소스, 제어 신호 (622) 에 커플링된 게이트를 갖는 트랜지스터 (M1) 를 포함할 수도 있다. 도 8b 는 송신 코일 (612) 의 부분 회로 표시를 예시하는 한편, 스위치 (620) 는 저항 (RDS) 이 트랜지스터 (M1) 의 드레인-소스 저항인 폐쇄된 구성에 있다. 도 8c 는 스위치 (620) 가 바디 다이오드 및 트랜지스터 (M1) 의 드레인-소스 캐패시턴스인 캐패시턴스 (CDS) 를 예시하는 개방 구성에 있는 동안 송신 코일 (612) 의 부분 회로 표현을 예시한다. 단지 예를 위해, 스위치 (620)(즉, 트랜지스터) 의 피크 전압이 0.7 볼트이고, 스위치 (620) 가 개방되어 있다고 가정하면, 다음의 식들이 주어진다:
Figure 112012101473160-pct00005
;
Figure 112012101473160-pct00006
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Figure 112012101473160-pct00007
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당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 트랜지스터의 바디 다이오드는 더 높은 전력에서 전도할 수도 있고, 따라서 리액티브 엘리먼트 (Cp) 는 단락될 수도 있다. 따라서, 단일의 트랜지스터 (즉, 단일의 FET) 는 컴포넌트 변수들에 따라 더 낮은 전력 (예를 들어 0.0625W) 에 제한될 수도 있다. 이는 더 높은 전력을 요구하는 시스템들에 대해 불충분할 수도 있다.
도 9a 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 스위치 (620) 의 다른 고려된 특정 구현을 예시한다. 예시된 바와 같이, 스위치 (620) 는 복수의 트랜지스터들 (예를 들어, FET 들) 을 포함할 수도 있다. 보다 구체적으로, 스위치 (620) 는 리액티브 엘리먼트 (Cp) 의 일측에 커플링된 드레인 및 제 2 트랜지스터 (M3) 의 소스에 커플링된 소스를 갖는 제 1 트랜지스터 (M2) 를 포함할 수도 있다. 또한, 제 2 트랜지스터 (M3) 는 리액티브 엘리먼트 (Cp) 의 타측에 커플링된 드레인을 갖는다. 제 1 트랜지스터 (M2) 및 제 2 트랜지스터 (M3) 각각은 제어 신호 (650) 에 커플링된 게이트를 갖는다.
도 9b 는 스위치 (620) 가 저항 (2RDS) 이 트랜지스터 (M3) 의 드레인-소스 저항과 결합된 트랜지스터 (M2) 의 드레인-소스 저항인 폐쇄된 구성 (즉, 트랜지스터들 (M2 및 M3) 양자가 폐쇄됨) 에 있는 동안 송신 코일 (612) 의 부분 회로 표현을 예시한다. 도 9c 는 스위치 (620) 가 개방 구성 (즉, 트랜지스터들 (M2 및 M3) 양자 모두가 개방됨) 에 있는 동안 송신 코일 (612) 의 부분 회로 표현을 예시한다. 도 9c 의 회로 표현은 바디 다이오드들 (662 및 664) 을 포함하는데, 하나의 다이오드는 각각의 트랜지스터들 (M2 및 M3) 및 2 개의 드레인-소스 캐패시턴스들 (CDS) 용이고, 하나의 다이오드는 각각의 트랜지스터들 (M2 및 M3) 용이다. 다시
Figure 112013000517810-pct00008
을 가정하면:
Figure 112012101473160-pct00009
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Figure 112012101473160-pct00010
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Figure 112012101473160-pct00011
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당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 전압 피크들은 트랜지스터들의 바디 다이오드로 하여금 여전히 전도하게 할 수도 있으나, 리액티브 엘리먼트 (Cp) 보다는 단지 캐피시턴스 (CDS) 가 단락될 수도 있다.
도 10 은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따른 송신 코일 (753) 및 기생 코일 (754) 을 포함하는 송신기 (752) 의 회로도를 예시한다. 기생 코일 (754) 은 무선 전력 충전기의 임의의 적절한 로케이션에 (예를 들어, 충전 패드의 에지에) 위치될 수도 있다. 송신 코일 (753) 은 인덕터 (L1) 및 저항기 (R1) 을 포함하고, 캐패시터 (C1) 에 의해 튜닝될 수도 있다. 기생 코일 (754) 은 인덕터 (LS), 저항기 (RLS), 캐패시터 (CDC) 및 캐패시터 (CDC) 와 그라운드 전압 (756) 사이에 커플링된 스위치 (760) 를 포함한다. 단지 예로써, 캐패시터 (CDC) 는 lOOnF 의 캐피시턴스를 포함할 수도 있고, 인덕터 (LS) 는 0.4 μΗ 의 인덕턴스를 가질 수도 있으며, 저항기 (RLS) 는 0.2 ohm 이하의 저항을 가질 수도 있다. 스위치 (760) 는 하나 이상의 트랜지스터들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 11a 를 참조하면, 스위치 (760) 는 트랜지스터 (M4) 를 포함한다. 도 11b 는 스위치 (760) 가 폐쇄된 구성에 있을 때 기생 코일 (754) 의 회로 표현을 예시한다. 도 11b 에 예시된 바와 같이, 스위치 (760) 는 캐패시턴스 (CDS) 및 저항 (RDS) 을 포함한다. 도 11c 는 스위치 (760) 가 개방 구성에 있는 기생 코일 (754) 의 회로 표현을 예시한다. 도 11c 에 예시된 바와 같이, 스위치 (760) 는 캐패시턴스 (CDS) 및 바디 다이오드를 포함한다.
스위치 (760) 가 폐쇄되는 동안, 송신 코일 (753) 상의 자기 인덕턴스가 감소될 수도 있고 송신 코일로 향하는 임피던스 (Zin(TX)) 는 다음의 식으로 주어질 수도 있다:
Figure 112012101473160-pct00012
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여기서, MS 는 송신 코일 (753) 과 기생 코일 (754) 간의 상호 인덕턴스이고, RS1 은 스위치 (720) 의 저항이다.
더욱이, 스위치 (760) 가 개방되는 동안, 송신 코일로 향하는 임피던스 (Zin(TX)) 는 다음의 식으로 주어질 수도 있다:
Figure 112012101473160-pct00013
;
기생 코일 (754) 을 갖는 무선 전력 시스템은 폐쇄된 구성에서 스위치 (760) 로 초기에 튜닝될 수도 있음이 주목된다. 그 후, 디바이스들 (예를 들어, 이동 전화기들) 이 송신기 (752) 의 충전 영역에 추가될 때, 스위치 (760) 는 송신기 (752) 의 자기 인덕턴스를 증가시키도록 개방될 수도 있다.
더욱이, 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 하나 이상의 리액티브 엘리먼트들 (예를 들어, 캐패시터들) 은 기생 코일로 하여금 자기-공진하게 하기 위해서 기생 코일 (754) 로 또는 쪽으로 스위칭될 수도 있다. 리액티브 엘리먼트들은, 도 7 내지 도 8c 를 참조하여 전술된 바와 같이 리액티브 엘리먼트들이 송신 코일 (612) 쪽으로 스위칭되는 방법과 유사한 방식으로 기생 코일 (754) 로 또는 쪽으로 스위칭될 수도 있다. 무선 전력 송신기는 그 위에 스위칭된 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트, 송신 코일과 유도적으로 커플링하기 위한 기생 코일, 송신 코일과 유도적으로 커플링하기 위한 기생 코일을 갖도록 구성되고 그 위에 스위칭된 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트, 또는 이들의 조합을 갖도록 구성되는 송신 코일을 포함할 수도 있음이 주목된다.
본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따르면, 무선 전력 송신기 및 하나 이상의 무선 전력 수신기들을 포함하는 무선 전력 시스템의 공진 컨디션이 감지될 수도 있다. 보다 구체적으로, 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 임의의 디바이스들을 위치시키기 전 그리고 무선 전력 시스템의 리액턴스가 0 인 동안, 전력 증폭기에서의 전류가 감지되어 최적의, 베이스라인 전류 레벨을 결정할 수도 있다. 그 후, 하나 이상의 디바이스들이 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 위치되는 동안, 그러나 디바이스들이 전력을 인출하기 전에, 전력 증폭기에서의 전류가 감지될 수도 있다. 그 후, 송신기의 공진 주파수는 도 7 내지 도 11 을 참조하여 전술된 예시적인 실시형태에 따라 또는 그 이상에 따라 조정되어 베이스라인 전류를 리셈블링 (resemble) 하여, 무선 전력 시스템의 리액턴스로 하여금 가능한 0 에 가깝게 되도록 조정할 수도 있다.
예를 들어, 도 12 는 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 배치된 모바일 전화기들의 수 및 위치들의 변화들에 따라 무선 전력 송신기의 리액턴스에서의 시프트들을 예시하는 스미스 차트 (850) 이다. 데이터 포인트 (852) 는 연관된 충전 영역 내에 위치된 모바일 전화기를 갖지 않는 무선 전력 송신기의 리액턴스를 예시한다. 본 예에서, 리액턴스 값은 +j16 이다. 데이터 포인트 (854) 는 연관된 충전 영역의 중간에 가깝게 위치된 하나의 모바일 전화기를 갖는 무선 전력 송신기의 리액턴스를 예시한다. 본 예에서, 리액턴스 값은 +j10 이다. 데이터 포인트 (856) 는 연관된 충전 영역의 에지에 가깝게 위치된 하나의 모바일 전화기를 갖는 무선 전력 송신기의 리액턴스를 예시한다. 본 예에서, 리액턴스 값은 +j5.5 이다. 데이터 포인트 (858) 는 연관된 충전 영역의 중간에 가깝게 위치된 2 개의 모바일 전화기를 갖는 무선 전력 송신기의 리액턴스를 예시한다. 본 예에서, 리액턴스 값은 0 이다. 데이터 포인트 (860) 는 연관된 충전 영역의 에지에 가깝게 위치된 2 개의 모바일 전화기를 갖는 무선 전력 송신기의 리액턴스를 예시한다. 본 예에서, 리액턴스 값은 -j6 이다. 데이터 포인트 (862) 는 연관된 충전 영역의 중간에 가깝게 위치된 3 개의 모바일 전화기를 갖는 무선 전력 송신기의 리액턴스를 예시한다. 본 예에서, 리액턴스 값은 -j8 이다. 데이터 포인트 (864) 는 연관된 충전 영역의 에지에 가깝게 위치된 3 개의 모바일 전화기를 갖는 무선 전력 송신기의 리액턴스를 예시한다. 본 예에서, 리액턴스 값은 -j14 이다. 따라서, 본 예에 대해 리액턴스 값은 대략 +j16 에서 -j15 까지의 범위이다.
도 13 은 무선 전력 송신기의 리액턴스에 대한 무선 전력 송신기의 전력 증폭기 (예를 들어, 도 4 의 전력 증폭기 (210)) 에서의 전류 레벨을 예시한다. 도 12 에 예시된 모바일 전화기들의 수 및 위치들의 변화에 대한 전력 증폭기의 전류 레벨을 도시한다. 플롯 (900) 에 예시되는 바와 같이, 전류 레벨은 -j20 에서 +j25 로 리액턴스의 범위 (910) 전체에 걸쳐 단조적이다.
따라서, 플롯 (900) 을 특히 참조하면, 예로써 베이스라인 전류가 전술된 바와 같이 0.15 amp 로 측정되고, 하나 이상의 디바이스들이 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 위치되는 동안 감지되지만 디바이스들이 전력을 인출하기 전에 전류가 베이스라인 전류 (예를 들어, 본 예에서 0.15 amp) 보다 높으면, 리액턴스가 0 보다 작은 것으로 결정될 수도 있다. 따라서, 측정된 전류를 감소시키고 따라서 리액턴스로 하여금 0 에 더 가깝게 되게 하도록 도 7 내지 도 11 을 참조하여 전술된 실시형태들 중 하나 이상에 따라 리액턴스가 조정될 수도 있다. 한편, 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 하나 이상의 디바이스들이 위치되는 동안 감지되지만 디바이스들이 전력을 인출하기 전에 전류가 베이스라인 전류 (예를 들어, 본 예에서 0.15 amp) 보다 작으면, 리액턴스는 0 보다 큰 것으로 결정될 수도 있다. 따라서, 측정된 전류를 증가시키고 따라서 리액턴스로 하여금 0 에 더 가깝게 되게 하도록 도 7 내지 도 11 을 참조하여 전술된 실시형태들 중 하나 이상에 따라 리액턴스가 조정될 수도 있다.
전류가 단조적인 리액턴스의 이 범위는 송신기 내의 하나 이상의 코일들의 저항기들 및 인덕터들의 값, 및 송신기 내의 코일들 간의 상호 인덕턴스에 의존할 수도 있다. 또한, 리액턴스의 범위는 송신기의 전력 증폭기의 매칭 회로에 의존할 수도 있다. 또한, 하나 이상의 스위칭 엘리먼트들 (즉, 스위치들 (620 및 760)) 이 허수부를 시프트하는데 사용되는 경우 실수부 (즉, 로스) 가 실질적으로 변하지 않을 수도 있고 따라서 스위칭 엘리먼트들이 고유한 송신 코일 로스에 더 많이 추가되지 않을 수도 있음이 주목된다.
도 14 는 하나 이상의 예시적인 실시형태들에 따른 다른 방법 (900) 을 예시하는 플로우차트이다. 방법 (900) 은 송신기를 이용하여 에너지를 무선 송신하는 단계를 포함할 수도 있다 (부호 902 로 도시됨). 방법 (900) 은 송신기의 공진 주파수를 튜닝하도록 송신기의 송신 코일 쪽으로 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 스위칭하는 단계를 더 포함할 수도 있다 (부호 904 로 도시됨).
도 15 는 하나 이상의 예시적인 실시형태들에 따른 다른 방법 (910) 을 예시하는 플로우차트이다. 방법 (910) 은 송신기를 이용하여 에너지를 무선으로 송신하는 단계를 포함할 수도 있다 (부호 912 로 도시됨). 방법 (910) 은 송신기의 공진 주파수를 튜닝하도록 송신기의 기생 코일과 송신기의 송신 코일을 유도적으로 커플링하는 단계를 더 포함할 수도 있다 (부호 914 로 도시됨).
도 16 은 하나 이상의 예시적인 실시형태들에 따른 다른 방법 (920) 을 예시하는 플로우차트이다. 방법 (920) 은 송신기를 이용하여 에너지를 무선 송신하는 단계를 포함할 수도 있다 (부호 922 로 도시됨). 방법 (920) 은 송신기의 송신 코일로 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 스위칭하는 것 및 송신기의 기생 코일과 송신 코일을 유도적으로 커플링하는 것 중 적어도 하나에 의해 송신기의 공진 주파수를 튜닝하는 단계를 더 포함할 수도 있다 (부호 924 로 도시됨).
본원에 설명된 각종 예시적인 실시형태들에 따르면, 배터리는 공공 충전소에서 배터리 모델 특정의 물리적 전기 접속들에 대한 필요성을 제거하는, 내부 무선 충전 성능을 가질 수도 있다. 또한, 본원에 설명된 바와 같이, 전자 디바이스는, 착탈형 배터리가 충전되고 있는 동안 전자 디바이스의 계속된 사용을 위해 그 안에 임베딩된 제 2 배터리를 가질 수도 있다. 더욱이, 전자 디바이스의 사용자는, 제 1 배터리가 충전되고 있는 동안 사용하기 위해 스페어 착탈형 배터리를 가질 수도 있다. 다르게는, 사용자는, 더 낮은 값의 배터리가 충전되고 있는 동안 보관하기 위해 그와 함께 디바이스를 파워 오프된 상태로 유지할 수도 있다.
당업자는 정보 및 신호들이 임의의 다양한 다른 기술 및 기법을 사용하여 표현될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기 설명 전체에서 참조될 수도 있는 데이터, 명령들, 커맨드들, 정보, 신호들, 비트들, 심볼들 및 칩들은, 전압, 전류, 전자기파, 자기장 또는 자기 입자, 광학장 또는 광입자, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 표현될 수도 있다.
당업자는, 본원에 개시된 예시적인 실시형태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들 및 알고리즘 단계들이 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 양자의 조합으로서 구현될 수도 있다는 것을 더 이해할 것이다. 하드웨어와 소프트웨어의 이러한 상호교환성을 명확하게 예시하기 위해, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들이 그들의 기능과 관련하여 일반적으로 상술되었다. 이러한 기능이 하드웨어 또는 소프트웨어로서 구현되는지 여부는 전체 시스템상에 부과된 설계 제약들 및 특정한 애플리케이션에 의존한다. 당업자는 설명된 기능을 각 특정한 애플리케이션에 대해 변화하는 방식으로 구현할 수도 있지만, 이러한 구현 결정이 본 발명의 예시적인 실시형태의 범위를 벗어나는 것으로서 해석되어서는 안된다.
본원에 개시된 예시적인 실시형태들과 관련하여 설명한 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 집적 회로 (ASIC), 필드 프로그램가능한 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그램가능한 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트, 또는 본원에 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 이들의 임의의 조합으로 구현되거나 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안으로 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수도 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들어, DSP 와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 와 연결된 하나 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수도 있다.
본원에 개시된 예시적인 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 및 알고리즘의 단계들은 하드웨어, 하드웨어에 의해 실행된 소프트웨어 모듈, 또는 이 둘의 조합에서 직접적으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 랜덤 액세스 메모리 (RAM), 플래시 메모리, 판독 전용 메모리 (ROM), 전기적으로 프로그램가능한 ROM (EPROM), 전기적으로 소거가능한 프로그램가능한 ROM (EEPROM), 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되어서, 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수도 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수도 있다. 대안으로 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 ASIC 에 상주할 수도 있다. ASIC 는 사용자 단말기에 상주할 수도 있다. 대안으로 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내의 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
하나 이상의 예시적인 실시형태에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 조합에서 구현될 수도 있다. 소프트웨어에서 구현되면, 기능들은 컴퓨터 판독가능한 매체 상에 하나 이상의 명령 또는 코드로서 저장되거나 송신될 수도 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체는 일 장소로부터 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 전송을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 통신 매체 및 컴퓨터 저장 매체 양자를 포함한다. 저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수도 있다. 비한정적인 예로써, 이러한 컴퓨터 판독가능한 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 저장 디바이스, 자기 디스크 저장 디바이스 또는 다른 자기 저장 디바이스, 또는 원하는 프로그램 코드를 명령들 또는 데이터 구조들의 형태로 반송하거나 저장하기 위해 사용될 수 있고 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 접속이 적절히 컴퓨터 판독가능한 매체를 칭한다. 예를 들어, 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스트 페어 (twisted pair), 디지털 가입자 라인 (DSL), 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들을 사용하여 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 송신된다면, 이러한 동축 케이블, 광섬유 케이블, 트위스트 페어, DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들은 매체의 정의에 포함된다. 본원에 사용된 바와 같은 디스크 (disk) 및 디스크 (disc) 는 컴팩트 디스크 (compact disc; CD), 레이저 디스크 (laser disc), 광 디스크 (optical disc), DVD (digital versatile disc), 플로피 디스크 (floppy disk) 및 블루-레이 디스크 (blu-ray disc) 를 포함하며, 여기서 디스크 (disk) 는 통상 데이터를 자기적으로 재생하는 한편 디스크 (disc) 는 레이저를 이용하여 광학적으로 데이터를 재생한다. 상기의 조합들도 또한 컴퓨터 판독가능 매체의 범위 내에 포함되어야 한다.
개시된 예시적인 실시형태들의 이전의 설명은, 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용할 수 있게 하기 위해 제공된다. 이들 예시적인 실시형태들에 대한 다양한 변형물이 당업자에게는 쉽게 명백할 것이고, 본원에 정의된 일반 원리가 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 실시형태들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본원에 나타낸 예시적인 실시형태들에 한정되는 것으로 의도되지 않고, 본원에 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 부합하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

Claims (34)

  1. 적어도 하나의 수신기에 무선으로 전력을 송신하기 위한 송신기로서,
    캐패시터에 전기적으로 커플링된 송신 코일을 포함하는 공진 회로로서, 상기 공진 회로는 공진 주파수에서 공진하도록 구성되고, 상기 송신 코일은 상기 적어도 하나의 수신기의 배터리를 충전하기 위한 레벨로 무선 전력을 송신하도록 구성되는, 상기 공진 회로;
    상기 송신 코일로부터 커플링 거리 (coupling distance) 내에 있는 기생 코일로서, 상기 기생 코일은 스위칭 엘리먼트 및 상기 스위칭 엘리먼에 커플링된 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 포함하고, 상기 송신 코일에 유도적으로 커플링하도록 구성되며, 상기 공진 회로의 상기 공진 주파수를 조정하기 위한 로케이션에 위치되는, 상기 기생 코일; 및
    상기 기생 코일로 하여금, 기생 코일의 상기 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 변동시킴으로써 상기 공진 회로의 공진 주파수를 소정의 주파수로 선택적으로 조정하도록 구성된 제어기를 포함하고,
    상기 공진 회로의 공진 주파수를 조정하는 것은, 상기 적어도 하나의 수신기가 상기 공진 회로의 충전 영역 내에 위치하는 것에 응답하여 수행되고,
    상기 공진 회로의 조정된 공진 주파수는 상기 적어도 하나의 수신기의 공진 주파수에 일치하는, 적어도 하나의 수신기에 무선으로 전력을 송신하기 위한 송신기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액티브 엘리먼트는 캐패시터를 포함하는, 송신기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트는 상기 리액티브 엘리먼트와 직렬로 커플링되는, 송신기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트는 직렬로 커플링된 복수의 트랜지스터들을 포함하고, 상기 복수의 트랜지스터들은 상기 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트에 병렬로 커플링되는, 송신기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기생 코일은 인덕터 및 기생 저항기를 포함하고, 캐패시터를 포함하는 상기 리액티브 엘리먼트에 의해 튜닝되도록 구성되며,
    상기 스위칭 엘리먼트는 상기 캐패시터와 그라운드 전압 사이에 커플링되는, 송신기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인덕터, 상기 기생 저항기, 상기 캐패시터, 및 상기 스위칭 엘리먼트는 서로 직렬인, 송신기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트는 트랜지스터를 포함하고,
    상기 트랜지스터의 드레인이 상기 캐패시터에 커플링되는, 송신기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트가 폐쇄되는 경우 상기 기생 코일은 제 2 저항기와 병렬인 제 2 캐패시터에 전기적으로 접속되는, 송신기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트가 개방되는 경우 상기 기생 코일은 바디 다이오드와 병렬인 제 2 캐패시터에 전기적으로 접속되는, 송신기.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액티브 엘리먼트는 상기 기생 코일로 하여금 자기 공진하게 하도록 구성되는, 송신기.
  14. 적어도 하나의 수신기에 무선으로 전력을 송신하는 방법으로서,
    공진 회로를 이용하여 상기 적어도 하나의 수신기의 배터리를 충전하기 위한 레벨로 전력을 무선으로 송신하는 단계로서, 상기 공진 회로는 송신 코일 및 캐패시터를 포함하는, 상기 전력을 무선으로 송신하는 단계;
    상기 송신 코일을 상기 송신 코일로부터 커플링 거리 (coupling distance) 내에 있는 기생 코일에 유도적으로 커플링하는 단계로서, 상기 기생 코일은 스위칭 엘리먼트 및 상기 스위칭 엘리먼트에 커플링된 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 포함하고 상기 공진 회로의 공진 주파수를 조정하기 위한 로케이션에 위치되는, 상기 유도적으로 커플링하는 단계; 및
    상기 기생 코일에 의해, 기생 코일의 상기 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 변동시킴으로써 상기 공진 회로의 공진 주파수를 소정의 주파수로 선택적으로 조정하는 단계로서, 상기 공진 회로의 공진 주파수를 조정하는 단계는 상기 적어도 하나의 수신기가 상기 공진 회로의 충전 영역 내에 위치하는 것에 응답하여 수행되는, 상기 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 공진 회로의 조정된 공진 주파수는 상기 적어도 하나의 수신기의 공진 주파수에 일치하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서,
    적어도 하나의 리액티브 엘리먼트와 병렬의 복수의 트랜지스터들을 개방함으로써 상기 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 상기 기생 코일로 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  17. 삭제
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 기생 코일은, 캐패시터, 인덕터, 및 상기 스위칭 엘리먼트와 직렬로 커플링된 저항기를 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  19. 삭제
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트가 폐쇄되는 경우 상기 기생 코일은 제 2 저항기와 병렬인 제 2 캐패시터에 전기적으로 접속되는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 스위칭 엘리먼트가 개방되는 경우 상기 기생 코일은 바디 다이오드와 병렬인 제 2 캐패시터에 전기적으로 접속되는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  22. 삭제
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 기생 코일로 하여금 공진하게 하도록 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 상기 기생 코일로 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  24. 적어도 하나의 수신기에 무선으로 전력을 송신하는 디바이스로서,
    캐패시터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 수신기의 배터리를 충전하기 위한 레벨로 전력을 무선으로 송신하는 수단;
    상기 무선으로 송신하는 수단에 유도적으로 커플링되는 유도적 커플링 수단으로서, 상기 유도적 커플링 수단은 상기 무선으로 송신하는 수단으로부터 커플링 거리 (coupling distance) 내에 있고, 상기 유도적 커플링 수단의 내부 또는 외부에 스위칭 수단 및 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 포함하고, 상기 유도적 커플링 수단은 상기 무선으로 송신하는 수단의 공진 주파수를 조정하기 위한 로케이션에 위치되는, 상기 유도적 커플링 수단; 및
    상기 유도적 커플링 수단의 상기 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 변동시킴으로써 상기 무선으로 송신하는 수단의 공진 주파수를 소정의 주파수로 선택적으로 조정하는 수단을 포함하고,
    상기 무선으로 송신하는 수단의 공진 주파수를 조정하는 것은, 상기 적어도 하나의 수신기가 상기 무선으로 송신하는 수단의 충전 영역 내에 위치하는 것에 응답하여 수행되고,
    상기 무선으로 송신하는 수단의 조정된 공진 주파수는 상기 적어도 하나의 수신기의 공진 주파수에 일치하는, 디바이스.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트와 병렬인 복수의 트랜지스터들을 개방함으로써 상기 적어도 하나의 리액티브 엘리먼트를 상기 유도적 커플링 수단 내의 루프로 스위칭하는, 디바이스.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 유도적 커플링 수단은 캐패시터 및 인덕터와 직렬로 커플링된 저항기를 포함하고,
    상기 스위칭 수단은 상기 저항기, 상기 캐패시터, 및 상기 인덕터와 직렬로 커플링되는, 디바이스.
  30. 삭제
  31. 제 24 항에 있어서,
    상기 스위칭 수단이 폐쇄되는 경우 상기 유도적 커플링 수단은 제 2 저항기와 병렬인 제 2 캐패시터에 전기적으로 접속되는, 디바이스.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 스위칭 수단이 개방되는 경우 상기 유도적 커플링 수단은 바디 다이오드와 병렬인 제 2 캐패시터에 전기적으로 접속되는, 디바이스.
  33. 삭제
  34. 삭제
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