KR101813125B1 - 무선 전력 전송 시스템 및 검출 파라미터에 기초한 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
무선 전력 전송 시스템 및 검출 파라미터에 기초한 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법이 개시된다.
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법은 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송하다. 전력 제어 방법은 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신하고, 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여, 상기 타겟 디바이스의 동작을 위한 동작 전력(operation power)을 생성한다.
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법은 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송하다. 전력 제어 방법은 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신하고, 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여, 상기 타겟 디바이스의 동작을 위한 동작 전력(operation power)을 생성한다.
Description
기술분야는 무선 전력 전송 시스템 및 검출 파라미터에 기초한 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 battery 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공진(resonance) 특성을 이용한다.
즉, 무선 전력은 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다.
소스 디바이스 및 타겟 디바이스는 제어 및 상태 정보를 송수신하기 위하여 통신할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법은 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 상기 타겟 디바이스로 전송하는 단계; 상기 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 단계; 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신하는 단계; 및 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여, 상기 타겟 디바이스의 동작을 위한 동작 전력(operation power)을 생성하는 단계를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법은, 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 소스 디바이스로부터 수신하는 단계; 상기 웨이크-업 전력을 이용하여 통신 및 제어 기능을 활성화시키는 단계; 상기 소스 디바이스로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하는 단계; 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 상기 소스 디바이스로 전송하는 단계; 및 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여 생성된 동작 전력을 수신하는 단계를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스는, 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 생성하는 전력변환부; 마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기; 및 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신하는 제어 및 통신부를 포함한다. 이때, 상기 제어 및 통신부는 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여, 상기 전력변환부를 제어한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스는, 마그네틱 커플링을 통해, 소스 디바이스로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 수신하는 타겟 공진기; 및 상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, 상기 소스 디바이스로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 상기 소스 디바이스로 전송하는 제어 및 통신부를 포함하고, 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터는, 정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함한다.
무선 전력 전송 시스템에서, 인-밴드 통신 방식을 이용하여 주변 기기에 대한 간섭을 줄이는 동시에, 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
제안되는 명령어(command) 메시지들 및 응답(response) 메시지들을 통해, 소스 디바이스와 타겟 디바이스간의 다양한 정보 교환이 가능하다.
소스 디바이스는 타겟 디바이스의 DC/DC 컨버터의 효율을 고려하여, 전력 제어를 수행할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 멀티 타겟 환경을 나타내는 예시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 소스 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 통신에 대한 부분을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 도 5에서 540단계의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5에서 550단계의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 소스 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 통신에 사용되는 명령어들의 예를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 일 실시예예 따른 사각형 루프 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 멀티 타겟 환경을 나타내는 예시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 소스 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 통신에 대한 부분을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 도 5에서 540단계의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5에서 550단계의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 소스 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 통신에 사용되는 명령어들의 예를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 일 실시예예 따른 사각형 루프 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)을 포함한다. 소스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟(120)은 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다.
소스(110)는 Variable SMPS(111), Power Amplifier(112), 매칭 네트워크(113), 제어부(114) 및 통신부(115)를 포함한다.
이때, Variable SMPS(111) 및 Power Amplifier(112)는 전력변환부(118)라 칭해질 수 있다. 제어부(114) 및 통신부(115)는 제어 및 통신부(117)라 칭해질 수 있다.
Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)(111)는 Power Supply로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성한다. Variable SMPS(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 제어부(Tx Control Logic)(114)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)(111)는 Class-E 타입의 전력 증폭기(116)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기(116)의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하게 할 수 있다.
Variable SMPS(Switching Mode Power Supply)(111) 대신에 일반적으로 사용되는 상용 SMPS를 사용하는 경우에는, 추가적으로 Variable DC/DC를 사용해야 한다. 상용 SMPS와 Variable DC/DC는 Class-E 타입의 전력 증폭기(116)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기(116)의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하게 할 수 있다.
Power Detector(116)는 Variable SMPS(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어부(114)로 전달한다. 또한, Power Detector(116)는 Power Amplifier(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
Power Amplifier(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, Power Amplifier(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 Power Amplifier(112)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 디바이스에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
통신용 전력은 타겟 디바이스(120)의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 "웨이크 업 전력"이라고도 칭해질 수 있고, 충전용 전력은 타겟 디바이스(120)의 동작을 위한 "동작 전력(operation power)"이라고도 칭해질 수 있다.
즉, 전력변환부(118)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 생성한다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다.
제어 및 통신부(117)는 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신한다. 제어 및 통신부(117)는 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여, 상기 전력변환부(118)를 제어할 수 있다.
제어 및 통신부(117)는 웨이크-업 전력의 전력량에 관련된 소스 디바이스의 검출 파라미터를 획득하고, 상기 소스 디바이스의 검출 파라미터 및 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여 상기 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 전력 전송 효율을 고려하여 상기 동작 전력의 전력량을 결정할 수 있다.
제어부(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(133)와 소스 공진기(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 전력 증폭기(112)로 입력되는 입력 파형의 위상과 소스공진기(131)의 입력 파형의 위상을 비교함으로써, 미스매칭을 검출할 수 도 있다.
전력 증폭기(112)로 입력되는 입력 파형의 위상은 일정한 값을 가진다. 그러나, 소스공진기(131)의 입력 파형의 위상은 부하의 변화에 따라 변할 수 있다. 만일, 전력 증폭기(112)의 입력 파형의 위상과 소스공진기(131)의 입력 파형의 위상 차가 기 설정된 값 보다 크면, 부하의 변화가 발생한 것으로 판단될 수 있다.
따라서, 제어부(114)는 전력 증폭기(112)로 입력되는 입력 파형의 위상과 소스공진기(131)의 입력 파형의 위상을 주기적으로 검출하고, 위상 차가 기 설정된 값 보다 크면 타겟 디바이스(120)에 검출 파라미터를 재요청할 수 있다.
제어부(114)는 타겟 디바이스(120)로부터 수신된 검출 파라미터에 기초하여 다시 효율을 계산하고, 계산된 효율에 따라 전력 증폭기(112)의 출력 전력을 변경할 수 있다.
매칭 네트워크(113)는 제어부(114)의 제어에 따라 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다. 매칭 네트워크(113)는 캐패시터 또는 인덕터의 조합으로 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.
제어부(114)는 소스 공진기(131) 또는 Power Amplifier(112)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어부(114)는 는 Power Amplifier(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어부(114)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 데이터(140)를 전송할 수 있다.
소스 공진기(131)는 전자기(electromagnetic) 에너지(130)를 타겟 공진기(133)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(131)는 타겟 공진기(133)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟(120)으로 전달한다.
타겟(120)은 매칭 네트워크(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 통신부(124) 및 제어부(125)를 포함한다. 이때, 통신부(124) 및 제어부(125)는 제어 및 통신부(118)라 칭해질 수 있다.
타겟 공진기(133)는 마그네틱 커플링을 통해, 소스 디바이스(110)로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 수신한다.
타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다.
즉, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 또한, 타겟 공진기(133)는 인-밴드 통신을 통해 소스(110)로부터 다양한 데이터(140)를 수신할 수 있다.
매칭 네트워크(121)는 소스(110) 측으로 보이는 입력 임피던스와 부하(Load)측으로 보이는 출력 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 매칭 네트워크(121)는 캐패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 Load에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
Power Detector(127)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력단(126)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출할 수 있다. 검출된 입력단(126)의 전압은 소스에서 전달되는 전력의 전송 효율을 계산하는데 사용될 수 있다. 검출된 출력단의 전류 및 전압은 제어부(Rx Control Logic)(125)가 Load에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 소스(110)의 제어부(114)는 Load의 필요전력과 Load에 전달되는 전력을 고려하여, 소스(110)에서 전송해야 할 전력을 결정할 수 있다.
통신부(124)를 통해 계산된 출력단의 전력이 소스(110)로 전달되면, 소스(110)전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.
통신부(124)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어부(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어부(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 제어부(114)는 이진수 "0" 또는 "1"을 검출할 수 있다.
통신부(124)는 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟의 모델명", "해당 타겟의 Battery type", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 Load의 임피던스 값", "해당 타겟의 타겟 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟의 소요되는 전력량", "해당 타겟의 고유의 식별자" 및 "해당 타겟의 제품의 버전 또는 규격 정보"를 포함하는 응답 메시지를 소스(110)의 통신부(115)로 전송할 수 있다.
한편, 통신부(124)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(124)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(124)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스(110)와 데이터(140)를 송수신 할 수 있다.
통신부(124)는 소스(110)로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, Power Detector(127)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양을 검출하며, 통신부(124)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 소스(110)로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "정류부(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "정류부(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC 컨버터(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
제어 및 통신부(125)는 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, 상기 소스 디바이스(110)로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 상기 소스 디바이스(110)로 전송할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 멀티 타겟 환경을 나타내는 예시도이다.
도 2을 참조하면, 소스 디바이스(210)은 복수의 타겟 디바이스들(221, 223, 225)로 동시에 에너지를 무선으로 전달할 수 있다. 즉, 공진 방식의 무선 전력 전송 방식에 따르면, 하나의 소스 디바이스(220)는 복수의 타겟 디바이스들(221, 223, 225)을 동시에 충전할 수 있다.
또한, 공진 방식의 무선 전력 전송 방식에 따르면, 소스 디바이스(220) 및 복수의 타겟 디바이스들(221, 223, 225)은 아웃 밴드 통신을 이용하지 않고 인-밴드 통신을 통해 데이터를 송수신 할 수 있다.
인-밴드 통신 방식에 따르면, 소스 공진기와 타겟 공진기의 커플링 영역 내에서만 전력 및 신호의 전송이 가능하다. 따라서, 아웃 밴드 통신 방식과는 달리, 인-밴드 통신 방식은 주변 기기에 간섭을 적게 일으킨다. 여기서, 아웃 밴드 통신이란, Zigbee, Bluetooth 등의 통신 채널을 통한 통신을 의미한다. 인-밴드 통신 방식은 전력 전송 채널을 이용하여 데이터를 전송한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 동작 모드는 크게 대기 모드, 접속 모드 및 충전 모드로 구분된다.
대기 모드는 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 타겟 디바이스가 존재하지 않기 때문에 소스 디바이스가 아무런 동작을 하지 않는 상태를 나타낸다. 대기 모드가 특정 이벤트에 의해 종료되면, 소스 디바이스는 아웃 밴드 통신을 수행하기 위한 채널을 검색할 수 있다.
즉, 소스 디바이스는 복수의 통신 채널을 검출하고, 복수의 통신 채널 중 채널 상태가 가장 좋은 채널을 선택한다. 채널 상태가 가장 좋은 채널이 선택되면, 소스 디바이스는 접속 모드로 동작한다. 소스 디바이스는 채널 상태가 가장 좋은 채널을 통해 상기 웨이크-업 요청 신호를 전송할 수 있다.
접속 모드는 소스 디바이스와 타겟 디바이스가 통신을 통해 데이터를 송수신하는 모드이다.
충전 모드는 동작 전력을 전달하는 모드이다. 도 3에 도시된 동작 모드는 예시적인 것일 뿐, 다양한 동작 모드가 있을 수 있다. 충전 모드에서 소스 디바이스는, 통신 채널의 품질을 확인하고 통신 채널 변경 모드로 동작할 수 있다. 이때, 통신 채널 변경은 아웃 밴드 통신을 통해 수행되기 때문에, 동작 전력의 전송은 끊김 없이 수행될 수 있다.
통신 채널 변경 모드에서 소스 디바이스는 통신 채널의 품질을 확인하고, 통신 채널 변경을 요청하기 위한 명령어를 타겟 디바이스로 전송할 수 있다.
도 4는 소스 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 통신에 대한 부분을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 소스 디바이스는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써 타겟 디바이스에서 사용되는 통신용 전력을 생성하고, 마그네틱 커플링을 통해 상기 통신용 전력을 상기 타겟 디바이스에 전송한다. 통신용 전력이 전송된 후, 소스 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 통신이 수행될 수 있다.
소스 디바이스는 인-밴드 통신 또는 아웃-밴드 통신을 통해 상기 타겟 디바이스에 요구(Request) 또는 정보(Information) 메시지를 전송한다. 이때, 상기 Request 또는 Information 메시지는 "Request 또는 Information 메시지의 시작을 나타내는 필드", "타겟 디바이스의 식별자를 나타내는 필드", "타겟 디바이스에 전달하는 명령어를 나타내는 필드" 및 "상기 Request 또는 Information 메시지의 오류 체크를 위한 체크 필드"를 포함한다.
타겟 디바이스는 인-밴드 통신 또는 아웃-밴드을 통해 상기 요구(Request) 또는 정보(Information) 메시지에 대한 응답(Response) 메시지를 소스 디바이스에 전송한다. 이때, 상기 응답메시지는 "응답 메시지의 시작을 나타내는 필드", "소스 디바이스에 전달하는 명령어를 나타내는 필드", "소스 디바이스에 전달하는 데이터를 나타내는 필드" 및 "상기 Response 메시지의 오류 체크를 위한 체크 필드"를 포함한다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5에 도시된 방법은, 소스 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
510단계에서 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 타겟 디바이스로 전송한다. 따라서, 타겟 디바이스는 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 소스 디바이스로부터 수신한다.
타겟 디바이스는 웨이크-업 전력을 수신하면, 웨이크-업 전력을 이용하여 통신 및 제어 기능을 활성화시킨다.
520단계에서 소스 디바이스는 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송한다. 타겟 디바이스는 웨이크-업 요청 신호를 수신하면, 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 상기 소스 디바이스로 전송한다.
이때, 응답 신호는 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 포함한다. 타겟 디바이스의 검출 파라미터는 전력 효율을 검출하기 위한 다양한 측정 값을 포함한다.
예를 들어, 타겟 디바이스의 검출 파라미터는, 정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 1의 제어 및 통신부(124)는 웨이크-업 요청 신호를 수신하면, 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 검출할 수 있다.
530단계에서 소스 디바이스는 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신한다.
540단계에서 소스 디바이스는 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여, 상기 타겟 디바이스의 동작을 위한 동작 전력(operation power)을 생성한다. 이때, 540단계는 도 6에 도시된 641 단계 내지 645단계를 포함할 수 있다.
동작 전력은 소스 공진기와 타겟 공진기의 마그네틱 커플링에 의해, 550단계에서 타겟 디바이스로 전송된다. 즉, 550단계에서 소스 디바이스는 마그네틱 커플링을 이용하여 상기 동작 전력을 상기 타겟 디바이스로 전송한다.
한편, 550단계 내지 570단계에서 동작 전력은 계속 전송된다. 즉, 동작 전력의 전송과 통신은 별도의 채널을 통해 수행될 수 있다.
560단계에서 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 재요청한다. 560단계를 수행하는 이유는 충전 모드에서 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 획득하기 위한 것이다.
타겟 디바이스는 타겟 디바이스의 검출 파라미터 재요청을 수신하면, 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 획득하고, 획득된 검출 파라미터를 소스 디바이스로 전송한다.
570단계에서 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 수신하고, 현재 수신된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여 전력 제어를 수행한다. 이때, 전력 제어를 수행하는 단계는 도 7에 도시된 단계들을 포함할 수 있다.
현재 수신된 타겟 디바이스의 검출 파라미터는, 정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함할 수 있다.
전력 제어가 수행되면, 타겟 디바이스는 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여 생성된 동작 전력을 수신할 수 있다.
580단계에서 소스 디바이스는 전력 전송 종료여부를 판단한다. 타겟 디바이스가 충분히 충전되거나, 타겟 디바이스가 제거되면 전력 전송은 종료된다.
만일, 전력 전송이 종료되지 않은 경우, 소스 디바이스는 540단계 내지 570단계를 재수행할 수 있다.
한편, 560단계는 필요에 따라 생략될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 소스 디바이스(110)는 전력 증폭기(112)로 입력되는 입력 파형의 위상과 소스공진기(131)의 입력 파형의 위상 차가 기 설정된 값 보다 큰 경우에만, 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 재요청할 수 도 있다.
도 6은 도 5에서 540단계의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 641단계에서 소스 디바이스는 웨이크-업 전력의 전력량에 관련된 소스 디바이스의 검출 파라미터를 획득한다.
이때, 소스 디바이스의 검출 파라미터는, 전력 증폭기의 입력 전압 및 입력 전류, 또는 전력 증폭기의 출력 전압 및 출력 전류에 대한 정보를 포함할 수 있다. 또한, 소스 디바이스의 검출 파라미터는 Variable SMPS의 입출력 전압 및 입출력 전류에 대한 정보를 더 포함할 수 있다.
643단계에서 소스 디바이스는 소스 디바이스의 검출 파라미터 및 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여, 상기 전력 전송 효율을 계산한다.
소스 디바이스는 상기 소스 디바이스의 검출 파라미터를 이용하여 전송 전력량을 계산할 수 있다. 소스 디바이스는 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 이용하여 수신 전력량을 계산할 수 있다. 수신 전력량과 전송 전력량의 비율은 전력 전송효율에 해당한다.
645단계에서 소스 디바이스는 전력 전송 효율을 고려하여 상기 동작 전력의 전력량을 결정할 수 있다. 예를 들어, 타겟 디바이스의 동작을 위해 필요한 전력이 100와트이고. 전력 전송 효율이 90%이면, 동작 전력의 전략량은 100/0.9와트로 결정될 수 있다. 이때, 타겟 디바이스의 동작을 위해 필요한 전력량에 대한 정보는 미리 설정된 값이거나, 통신을 통해 타겟 디바이스로부터 획득될 수 있다.
도 7은 도 5에서 550단계의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 771단계에서 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 포함된 DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터의 효율을 계산할 수 있다.
773단계에서 소스 디바이스는 DC/DC 컨버터의 효율을 고려하여 상기 동작 전력의 전력량을 변경할 수 있다. 예를 들어, DC/DC 컨버터의 효율이 기 설정된 값 보다 작으면, 소스 디바이스는 동작 전력의 전력량을 증가시킨다. 또한, DC/DC 컨버터의 효율이 기 설정된 값 보다 크거나 같으면, 소스 디바이스는 동작 전력의 전력량을 변경하지 않을 수 도 있다.
도 8은 소스 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 통신에 사용되는 명령어들의 예를 나타낸다.
도 10에 도시된 명령어 들은 예시적인 것이며, 코드의 길이는 4bits에서 8bits, 12bits 등으로 늘어날 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시되지는 않았지만, 타겟 디바이스에 전송할 전력량을 파악하기 위한 명령어가 추가될 수 도 있다.
Reset 명령어, 0001
"Reset 명령어"는 타겟 디바이스의 동작에 이상이 있는 경우, 타겟 디바이스의 리셋을 요청하기 위한 명령어이다. 타겟 디바이스는 "Reset 명령어"를 수신하면, 소스 디바이스에 ACK를 전송할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 "Reset 명령어"를 수신하면 시스템 리셋을 수행할 수 있다.
정류기의 입력 전압 및 전류 요청 명령어, 0010
"정류기의 입력 전압 및 전류 요청 명령어"는 타겟 디바이스의 전력 수신 상태를 확인할 필요가 있을 때 사용될 수 있다. "정류기의 입력 전압 및 전류 응답 명령어"는 정류기의 입력 전압 값 및 전류 값을 요청하기 위한 명령어이다.
정류기의 입력 전압 및 전류 응답 명령어, 0010
"정류기의 입력 전압 및 전류 응답 명령어"는 상기 "정류기의 입력 전압 및 전류 요청 명령어"에 대한 응답을 위해 사용될 수 있다. 즉, "정류기의 입력 전압 및 전류 응답 명령어"는 정류기의 입력 전압 값 및 전류 값의 요청에 대한 응답 메시지임을 나타내는 명령어이다. 즉, 타겟 디바이스는 특정 필드에 "0010"이 삽입된 패킷을 수신하면, 입력 전압 및 전류를 측정한다. 여기서, 입력 전압 및 전류는 도 1의 정류부(122)의 출력 전압 및 전류일 수 있다. 또한, 입력 전압 및 전류는 도 1의 정류부(122)의 입력 전압 및 전류일 수 있다. 소스 디바이스는 "측정된 정류기의 입력 전압 값 및 전류 값"을 통해 전력 전송 효율을 알 수 있다. 즉, 소스 디바이스는 "측정된 입력 전압 값 및 전류 값"을 통해 수신된 전력량을 알 수 있고, 수신된 전력량과 전송된 전력량의 비율을 통해 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
DC/DC 출력 전압 및 전류 요청 명령어, 0011
"DC/DC 출력 전압 및 전류 요청 명령어"는 타겟 디바이스의 부하(load)에 공급되는 전력량을 확인하기 위하여 사용될 수 있다. 즉, "DC/DC 출력 전압 및 전류 요청 명령어"는 Target의 DC/DC 출력 전압 값 및 전류 값을 요청하기 위한 명령어이다.
한편, 소스 디바이스는 DC/DC 컨버터의 효율을 계산하기 위하여, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 입력 전류에 대한 정보를 타겟에 요청할 수 도 있다. 예를 들어, 도 1의 소스 디바이스(110)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력 전력 및 출력 전력에 대한 정보를 이용하여 DC/DC 컨버터(123)의 효율을 계산할 수 있다.
ACK 명령어, 0100
"ACK 명령어"는 메시지를 잘 받았다는 확인이 필요한 경우에 사용된다.
NACK 명령어, 1001
"NACK 명령어"는 수신된 메시지에 오류가 있는 경우에 사용된다.
Power on 요청 명령어, 0101
"Power on 요청 명령어"는 타겟 디바이스에 부하로의 전원 공급을 명령하기 위한 명령어이다. 타겟 디바이스는 "Power on 요청 명령어"를 수신하면, 부하에 전원 공급을 시작할 수 있다.
Power off 요청 명령어, 0110
"Power off 요청 명령어"는 부하로의 전원 공급 중단을 요청하기 위한 명령어이다. 타겟 디바이스는 "Power off 요청 명령어"를 수신하면, 부하로의 전원 공급을 중단한다. 소스 디바이스는 복수의 타겟 디바이스들 중 특정 타겟 디바이스로의 전력 공급을 중단할 필요가 있는 경우, "Power off 요청 명령어"를 사용할 수 있다. 예를 들어, 소스 디바이스는 복수의 타겟 디바이스들 중, 전력 전송 효율이 기 설정된 기준보다 낮은 타겟 디바이스에 "Power off 요청 명령어"를 전송할 수 도 있다.
Target의 상태 정보 요청 명령어, 0111
"Target의 상태 정보 요청 명령어"는 타겟 디바이스의 상태 정보를 요청하기 위해 사용될 수 있다. 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 충전 상태, 온도, 등을 확인할 필요가 있는 경우, 특정 필드에 "0111"을 삽입하고, "0111"이 삽입된 패킷을 타겟 디바이스에 전송한다. 소스 디바이스는 Target의 상태 정보 요청 명령어를 포함하는 웨이크-업 요청 신호를 타겟 디바이스에 전송할 수 있다. 소스 디바이스는 Target의 상태 정보 요청 명령어를 포함하는 웨이크-업 요청 신호의 전송 시간과, 웨이-업 요청 신호에 대한 응답 시간을 비교함으로써, 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출할 수 도 있다.
Target의 상태 정보 응답 명령어, 0111
"Target의 상태 정보 응답 명령어"는 타겟 디바이스의 상태 정보 요청에 대한 응답임을 나타내는 명령어이다.
접속 규격 명령어, 0111
"접속 규격 명령어"는 타겟 디바이스에게 특정 통신 규칙을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 소스 디바이스는 "접속 규격 명령어"를 통해 통신 주기, 통신 슬롯, 응답 규칙 등을 복수의 타겟 디바이스들에 전송할 수 있다.
Target의 Device 등록 정보 요청 명령어, 1110
소스 디바이스는 타겟 디바이스의 등록 정보를 요청하기 위하여, "Target의 Device 등록 정보 요청 명령어"를 사용할 수 있다. 여기서, Target의 Device 등록 정보는 타겟 디바이스의 시스템 정보를 의미한다. 즉, Device 등록 정보는 "TV/Camera/Cell Phone 등과 같은 제품의 종류", "제조사 정보", "모델명", "Battery type", "충전 방식", "Load의 임피던스 값", "Target 공진기의 특성에 대한 정보", "사용 주파수 대역에 대한 정보", "소요되는 전력량", "고유의 식별자", "제품의 버전 또는 규격 정보" 등을 포함할 수 있다. 이때, "고유의 식별자"는 N byte의 시리얼 넘버일 수도 있고, 시리얼 넘버를 M bit의 길이로 변환한 짧은(Short) 식별자일 수 도 있다. Target 공진기의 특성에 대한 정보는 타겟 공진기의 Q 및 K값을 포함할 수 있다. 또한, Target 공진기의 특성에 대한 정보는 2차원 공진기 또는 3차원 공진기와 같은 공진기의 타입에 대한 정보, 공진기의 L/C값, 임피던스 매칭 정보 등을 더 포함할 수 있다.
Target의 Device 등록 정보 응답 명령어, 1110
타겟 디바이스는 "Target의 Device 등록 정보 요청 명령어"에 대항 응답으로 "Target의 Device 등록 정보 응답 명령어"를 사용할 수 있다. 즉, "Target의 Device 등록 정보 응답 명령어"는 디바이스의 등록 정보 요청에 대한 응답임을 나타내는 명령어이다.
타겟 공진기의 온/오프를 제어하기 위한 명령어
도 10에서 "타겟 공진기의 오프/온 요청"은, 타겟 공진기의 온/오프를 제어하기 위한 명령어이다. "타겟 공진기의 온/오프를 제어하기 위한 명령어"를 위한 코드는 "0000"을 사용하거나, 기 설정된 다른 코드를 사용할 수 있다.
또한, "타겟 공진기를 온(on) 시키기 위한 명령어"와 "타겟 공진기를 오프(off) 시키기 위한 명령어"를 위한 코드는 서로 다를 수 있다.
소스 디바이스는 복수의 타겟 디바이스들 중 특정 타겟 디바이스의 타겟 공진기를 오프시킬 필요가 있는 경우, "타겟 공진기를 오프(off) 시키기 위한 명령어"를 해당 타겟 디바이스에 전송한다.
"타겟 공진기를 오프(off) 시키기 위한 명령어"를 수신한 타겟 디바이스는 타겟 공진기를 오프 시킨다. 타겟 디바이스는 도 1의 타겟 공진기(121)와 정류기(122) 사이 또는 정류기(122)와 DC/DC 컨버터(123) 사이를 오프 시킴으로써, 타겟 공진기(121)를 오프 시킬 수 도 있다.
타겟 공진기가 오프되면, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 마그네틱 커플링을 사라진다.
추가적인 명령어의 사용
도 10에 도시된 명령어 이외에, 다양한 명령어가 추가로 사용될 수 있다. 예를 들어, 타겟 디바이스의 웨이크-업 시간을 요청하는 명령어가 사용될 수 있다. 여기서, 웨이크-업 시간은 타겟 디바이스의 제어부 또는 통신 모듈이 활성화된 시간일 수 있다.
도 9 및 도 10은 일 실시예예 따른 사각형 루프 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 소스 공진기(910)는 캐패시터(911)를 포함할 수 있다. 피딩부(920)는 캐패시터(911)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 소스 공진기(910)는 제1 전송선로, 제1 도체(941), 제2 도체(942), 적어도 하나의 제1 캐패시터(950)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1250)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(931)과 제2 신호 도체 부분(932) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(950)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(931)과 제2 신호 도체 부분(932)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(933)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 소스 공진기는 2 차원 구조의 형태일 수 있다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(931) 및 제2 신호 도체 부분(932)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(933)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(931) 및 제2 신호 도체 부분(932)과 제1 그라운드 도체 부분(933)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(931) 및 제2 신호 도체 부분(932)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(931)의 한쪽 단은 제1 도체(941)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(950)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(932)의 한쪽 단은 제2 도체(942)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(950)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(931), 제2 신호 도체 부분(932) 및 제1 그라운드 도체 부분(933), 도체들(941, 642)은 서로 연결됨으로써, 소스 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(950)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(950)는 제1 신호 도체 부분(931) 및 제2 신호 도체 부분(932) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(950)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(950)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다.
대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 제1 캐패시터(950)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(950)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(950)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다.
소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(950)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(950)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(950)에 집중되므로, 제1 캐패시터(950)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(950)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(920)는 제2 전송선로, 제3 도체(971), 제4 도체(972), 제5 도체(981) 및 제6 도체(982)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(961) 및 제4 신호 도체 부분(962)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(963)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(961) 및 제4 신호 도체 부분(962)과 제2 그라운드 도체 부분(963)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(961) 및 제4 신호 도체 부분(962)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(961)의 한쪽 단은 제3 도체(971)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(981)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(962)의 한쪽 단은 제4 도체(972)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (982)와 연결된다. 제5 도체(981)는 제1 신호 도체 부분(931)과 연결되고, 제6 도체 (982)는 제2 신호 도체 부분(932)과 연결된다. 제5 도체(981)와 제6 도체(982)는 제1 캐패시터(950)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(981) 및 제6 도체(982)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(961), 제4 신호 도체 부분(962) 및 제2 그라운드 도체 부분(963), 제3 도체(971), 제4 도체(972), 제5 도체(981), 제6 도체(982) 및 소스 공진기(910)는 서로 연결됨으로써, 소스 공진기(910) 및 피딩부(920)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(981) 또는 제6 도체(982)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(920) 및 소스 공진기(910)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 소스 공진기(910)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(920)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 소스 공진기(910)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 소스 공진기(910)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 소스 공진기(910)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
소스 공진기(910)와 피딩부(920) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(920)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(971), 제4 도체(972), 제5 도체(981), 제6 도체(982) 는 소스 공진기(910)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 소스 공진기(910)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(920)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 소스 공진기(910)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(920)도 원형 구조일 수 있다.
앞에서 설명한, 소스 공진기(910) 및 피딩부(920)의 구성은 타겟 공진기 및 타겟 공진기의 피딩부에도 동일하게 적용될 수 있다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다.
도 10의 (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다.
또한, 도 10의 (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. 도 10의 (a)는 도 9의 소스 공진기(910) 및 피딩부(920)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. 도 10의 (b)는 피딩부와 소스 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 10의 (a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(1001)로 사용될 수 있다. 입력 포트(1001)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다.
입력 포트(1001)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피딩부의 제5 도체는 소스 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 소스 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 소스 공진기에도 흐르게 된다. 소스 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다.
소스 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 소스 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 소스 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 소스 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다.
도 10의 (a)에서 피딩부 및 소스 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 소스 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피딩부 내부에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(921)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1023)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 소스 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1033)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1031)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 소스 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 소스 공진기에서는 일반적으로 소스 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 소스 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 소스 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 소스 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다.
소스 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 소스 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 소스 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 소스 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다. 또한, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
도 10의 (b)를 참조하면, 피딩부(1040) 및 소스 공진기(1050)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(1040)에서 소스 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
여기서, M은 피딩부(1040)와 소스 공진기(1050) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피딩부(1040)와 소스 공진기(1050) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 소스 공진기(1050)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(1040)와 소스 공진기(1050) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(1040)와 소스 공진기(1050) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다.
피딩부(1040)의 크기에 따라 피딩부(1040)와 소스 공진기(1050) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(1040)의 크기에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 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 (16)
- 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 상기 타겟 디바이스로 전송하는 단계;
상기 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 단계;
상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신하는 단계 -상기 응답 신호는 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 포함함-;
소스 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 상기 소스 디바이스의 전송 전력량을 결정하고, 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 상기 타겟 디바이스의 수신 전력량을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 전송 전력량 및 상기 결정된 수신 전력량을 통해 계산된 전력 전송 효율을 고려하여, 상기 타겟 디바이스의 동작을 위한 동작 전력(operation power)을 생성하는 단계를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터는,
정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 웨이크-업 전력의 전력량에 관련된 소스 디바이스의 검출 파라미터를 획득하는 단계
를 더 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 소스 디바이스의 검출 파라미터는,
전력 증폭기의 입력 전압 및 입력 전류, 또는 전력 증폭기의 출력 전압 및 출력 전류에 대한 정보를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 마그네틱 커플링을 이용하여 상기 동작 전력을 상기 타겟 디바이스로 전송하는 단계;
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 재요청하는 단계;
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 수신하는 단계; 및
현재 수신된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 기초하여 전력 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법. - 제5항에 있어서,
상기 전력 제어를 수행하는 단계는,
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터에 포함된 DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터의 효율을 계산하는 단계; 및
상기 DC/DC 컨버터의 효율을 고려하여 상기 동작 전력의 전력량을 변경하는 단계를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법. - 제5항에 있어서,
상기 현재 수신된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터는,
정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법. - 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 마그네틱 커플링을 이용하여 소스 디바이스로부터 수신하는 단계;
상기 웨이크-업 전력을 이용하여 통신 및 제어 기능을 활성화시키는 단계;
상기 소스 디바이스로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하는 단계;
상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 상기 소스 디바이스로 전송하는 단 계-상기 응답 신호는 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 포함함-; 및
상기 소스 디바이스로부터 동작 전력을 수신하는 단계
를 포함하고,
상기 동작 전력은 상기 소스 디바이스의 전송 전력량 및 상기 타겟 디바이스의 수신 전력량을 통해 계산된 전력 전송 효율을 고려하여 생성되고,
상기 전송 전력량은 상기 소스 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 결정되고, 상기 수신 전력량은 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 결정되는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법. - 제8항에 있어서,
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터는,
정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법. - 제8항에 있어서,
상기 마그네틱 커플링을 이용하여 상기 동작 전력을 수신하는 단계;
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터 재요청을 수신하는 단계;
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 획득하고, 획득된 검출 파라미터를 소스 디바이스로 전송하는 단계를 더 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법. - 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 생성하는 전력변환부;
마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기; 및
초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호를 수신하며, 소스 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 상기 소스 디바이스의 전송 전력량을 결정하고, 상기 응답 신호에 포함된 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 상기 타겟 디바이스의 수신 전력량을 결정하고, 상기 결정된 전송 전력량 및 상기 결정된 수신 전력량을 통해 계산된 전력 전송 효율을 고려하여 상기 동작 전력을 생성하기 위해 상기 전력 변환부를 제어하는 제어 및 통신부를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스. - 제11항에 있어서,
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터는,
정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스. - 제11항에 있어서,
상기 제어 및 통신부는,
상기 웨이크-업 전력의 전력량에 관련된 소스 디바이스의 검출 파라미터를 획득하는,
무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스. - 제13항에 있어서,
상기 소스 디바이스의 검출 파라미터는,
전력 증폭기의 입력 전압 및 입력 전류, 또는 전력 증폭기의 출력 전압 및 출력 전류에 대한 정보를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스. - 마그네틱 커플링을 통해, 소스 디바이스로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 동작 전력을 수신하는 타겟 공진기; 및
상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, 상기 소스 디바이스로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호의 응답 신호 -상기 응답 신호는 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 포함함-를 상기 소스 디바이스로 전송하는 제어 및 통신부
를 포함하고,
상기 동작 전력은 상기 소스 디바이스의 전송 전력량 및 상기 타겟 디바이스의 수신 전력량을 통해 계산된 전력 전송 효율을 고려하여 생성되고,
상기 전송 전력량은 상기 소스 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 결정되고, 상기 수신 전력량은 상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터를 기초로 결정되는,
무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스. - 제15항에 있어서,
상기 타겟 디바이스의 검출 파라미터는,
정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 포함하는,
무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020110121021A KR101813125B1 (ko) | 2011-11-18 | 2011-11-18 | 무선 전력 전송 시스템 및 검출 파라미터에 기초한 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110121021A KR101813125B1 (ko) | 2011-11-18 | 2011-11-18 | 무선 전력 전송 시스템 및 검출 파라미터에 기초한 무선 전력 전송 시스템의 전력 제어 방법 |
Publications (2)
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