KR101851590B1 - 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기 - Google Patents

무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기 Download PDF

Info

Publication number
KR101851590B1
KR101851590B1 KR1020110125075A KR20110125075A KR101851590B1 KR 101851590 B1 KR101851590 B1 KR 101851590B1 KR 1020110125075 A KR1020110125075 A KR 1020110125075A KR 20110125075 A KR20110125075 A KR 20110125075A KR 101851590 B1 KR101851590 B1 KR 101851590B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mode
unit
wireless power
transmission line
power transmission
Prior art date
Application number
KR1020110125075A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130059006A (ko
Inventor
유영호
박은석
권상욱
김기영
김남윤
김동조
박병철
박윤권
박재현
윤창욱
이정해
최진성
홍영택
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020110125075A priority Critical patent/KR101851590B1/ko
Priority to US13/684,877 priority patent/US9287735B2/en
Publication of KR20130059006A publication Critical patent/KR20130059006A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101851590B1 publication Critical patent/KR101851590B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/10—Dielectric resonators
    • H01P7/105—Multimode resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00304—Overcurrent protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00308—Overvoltage protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/40—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices

Abstract

무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기가 개시된다.
무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기는 종단이 서로 연결된 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 전송 선로부 및 상기 복수의 단위-셀들 각각에 형성된 비아(via)들을 통해 상기 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기{WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM AND MULTI MODE RESONATOR IN WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
기술 분야는, 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기에 관한 것이다.
최근 들어 IT기술 발전과 함께 다양한 휴대 전자제품이 출시되었으며 이러한 환경은 각 개인이 소유하고 휴대하는 단말기의 수량이 급증하는 계기가 되었다
휴대용 전자제품의 다양화, 복잡화에 따라 기기의 전원 충전 또한 하나의 문제거리로 떠오르고 있다. 휴대기기뿐만 아니라 생활 가전 제품 등은 무선으로 data 전송이 가능하지만, power 때문에 기기간 전원 선이 항상 따라다닌다. 또한 data전송을 과 전력을 동시에 보내기 위해서 통신을 위한 antenna 및 그 antenna를 동작시키기 위한 system를 함께 장착해야 한다. 최근 들어 전선을 사용하지 않고 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송기술 (wireless power transmission)이 큰 화제가 되고 있다. 무선 전력전송기술이 실용화가 된다면 현재 사용되고 있는 유선 충전 시스템에 대해서 에너지를 쉽게 공급할 수 있게 된다. 전력전송의 무선화는 곧 언제 어디서나 충전이 가능한 환경이란 의미이며 전원이 없어도 device간 전원 공유가 가능한 환경으로 가는 첫 걸음이다. 또한, 폐 건전지로부터 생길 수 있는 자연/환경 오염을 막는 것도 무선전력전송의 한 축의 application이기도 하다.
또한 최근 NFC(Near Field Communication) 통신이 각광 받고 있으면, cell phone에 장착하여 상용화 하기에 이르렀다. NFC통신을 위한 새로운 antenna 및 system이 새로운 형태로 mobile 기기에 추가로 장착되어 상품화가 진행될 것으로 예상된다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기는, 종단이 서로 연결된 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 전송 선로부; 및 상기 복수의 단위-셀들 각각에 형성된 비아(via)들을 통해 상기 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함하고, 상기 복수의 단위-셀들 각각은 커패시터 및 상기 커패시터와 병렬로 연결된 인덕터를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기는, 사각형 루프 형태의 전송 선로부; 및 상기 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함하고, 상기 전송 선로부는, 상기 전송 선로부의 제1 전송 선로에 형성된 제1 인덕터; 상기 전송 선로부의 제2 전송 선로에 형성된 제1 커패시터; 상기 전송 선로부의 제3 전송 선로에 형성된 제2 인터더; 및 상기 전송 선로부의 제4 전송 선로에 형성된 제2 커패시터를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스는, 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 다중 모드 공진기; 및 무선 전력을 생성하고, 상기 다중 모드 공진기를 통해 상기 무선 전력을 타겟 디바이스로 전송하는 소스 시스템을 포함하고, 상기 소스 시스템은 상기 그라운드 도체부에 의해 마그네틱 필드가 차폐된다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스는, 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 다중 모드 공진기; 및 상기 다중 모드 공진기를 통해 무선 전력을 소스 디바이스로부터 수신하고, 수신된 무선 전력을 부하로 공급하는 타겟 시스템을 포함하고, 상기 타겟 시스템은 상기 그라운드 도체부에 의해 마그네틱 필드가 차폐된다.
다중 모드로 동작할 수 있는 단일 공진기는 데이터 및 전력을 동시에 송수신할 수 있다.
다중 모드로 동작할 수 있는 단일 공진기는 파라미터의 조절을 통해 전력 전달 및 통신 주파수를 변경할 수 있기 때문에, 다양한 규격으로 설계될 수 있다.
다중 모드로 동작할 수 있는 단일 공진기는 복수의 동작 모드를 통해, 다양한 형태의 통신 서비스에 활용될 수 있다.
다중 모드로 동작할 수 있는 단일 공진기는 그라운드부를 통해 마그네틱 필드를 차폐함으로써, 주변 환경에 영향을 주거나 받지 않고 전력 전달 및 통신이 가능하다. 따라서, 자연스럽게 EMI(electro magnetic interference)/EMC(Electro Magnetic Compatibility)문제가 해결될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기와 시스템과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 평면도(top view)를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 N개의 단위-셀을 포함하는 다중 모드 공진기의 개념도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시된 다중 모드 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 분산 특성의 예를 나타낸다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 -1 mode의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 MZR mode의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 EZR mode의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 소자 값에 따른 공진 주파수의 변화 예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)를 포함한다.
소스 디바이스(110)는 AC/DC 컨버터(111), Power Detector(113), 전력변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함한다.
타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 디바이스 로드(Device load)(125) 및 제어 및 통신부(126)를 포함한다. 또한, 타겟 디바이스(120)는 통신 모듈(도시 되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 이때, 통신 모듈은 블루투스(Bluetooth) 또는 무선랜(WLAN)과 같은 통신 회로를 포함할 수 있다.
AC/DC 컨버터(111)는 Power Supply(112)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Power Detector(113)는 AC/DC 컨버터(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(115)로 전달한다. 또한, Power Detector(113)는 전력변환부(114)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수 도 있다.
전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성한다.
전력변환부(114)는 수십 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 디바이스에서 사용되는 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 생성할 수 있다. 전력변환부(114)는 스위칭 펄스 신호에 따라 DC 전압을 증폭하는 전력증폭기를 포함할 수 있다.
여기서, 웨이크-업 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. 예를 들어, "충전 전력"은 타겟 디바이스의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 또는 타겟 디바이스의 동작에 소비되는 전력을 의미한다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 제어할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(120)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 타겟 디바이스(120)로 전달한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(110)로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 "웨이크-업 전력" 또는 충전을 위한 "충전 전력"을 수신한다.
타겟 공진기(121)의 성능지수(figure of merit)는 소스 디바이스(110)의 전력 분배율(Power dividing ratio)을 만족한다. 타겟 공진기(121)의 성능지수(figure of merit) 및 전력 분배율(Power dividing ratio)은 도 2 내지 도 10을 통해 구체적으로 설명한다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 디바이스 로드(125)의 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.
디바이스 로드(125)는 전력을 소비하는 유닛에 의해 형성되는 로드이다. 디바이스 로드(device load)(125)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함할 수 있다. 즉, 디바이스 로드(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 이때, 디바이스 로드(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
도 1에서, 제어 및 통신부(126)는 상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화될 수 있다. 제어 및 통신부(126)는 소스 디바이스(110)와 통신하거나, 타겟 디바이스(120)의 동작을 제어할 수 있다.
도 1에서, 정류부(122), DC/DC 컨버터(123) 및 스위치부(124)는 전력 공급부라 칭해질 수 있다. 따라서, 타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 수신된 전력을 디바이스 로드(125)로 공급하는 전력 공급부(122, 123, 124)를 포함한다. 여기서, 디바이스 로드(125)는 간단히 부하(load)라 표현될 수 있다.
도 1에서, 소스 디바이스(110)는 소스 공진기(116)와 소스 시스템(130)으로 구분할 수 있다.
소스 공진기(116)는 후술하는 바와 같이, 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 다중 모드 공진기일 수 있다.
소스 시스템(130)은 무선 전력을 생성하고, 상기 다중 모드 공진기(116)를 통해 상기 무선 전력을 타겟 디바이스(120)로 전송한다.
또한, 도 1에서, 타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121)와 타겟 시스템(140)으로 구분할 수 있다.
타겟 공진기(121)는 후술하는 바와 같이, 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 다중 모드 공진기일 수 있다.
타겟 시스템(140)은 다중 모드 공진기(121)를 통해 무선 전력을 소스 디바이스(110)로부터 수신하고, 수신된 무선 전력을 부하로 공급한다.
도 2는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기와 시스템과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예예 다른 다중 모드 공진기의 측면도가 도시되어 있다. 이때, 시스템(240)은 다중 모드 공진기의 그라운드 도체부(230)에 의해 마그네틱 필드가 차폐된다. 여기서, 시스템(240)은 도 1의 소스 시스템(130) 또는 타겟 시스템(140)을 의미한다.
다중 모드 공진기는 전송 선로부(210) 및 그라운드 도체부(230)를 포함한다.
전송 선로부(210)는 종단이 서로 연결된 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함한다. 또한, 전송 선로부(210)는 커패시터(211)를 포함한다.
전송 선로부(210)와 그라운드 도체부(230)는 비아(via)(231)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
전송 선로부(210)와 그라운드 도체부(230) 사이의 substrate는 전력 전송 효율을 높이기 위해, 페라이트(ferrite)(220)로 채워질 수 있다.
그라운드 도체부(230)는 전송 선로부(210)에 전기적인 접지(ground)를 제공한다.
이때, 전송 선로부(210)와 그라운드 도체부(230)는 전도체(conductor)로 구성될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 평면도(top view)를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기는 2개의 단위 셀들(311, 313)을 포함한다. 즉, 전송 선로부(210)는 복수의 단위 셀들을 포함할 수 있다.
전송 선로부(210)는 사각형 루프 형태일 수 있다. 이때, 전송 선로부(210)의 형태는 사각형으로 제한되지 않으며, 원형, 직사각형, 다각형 등 다양한 형태가 가능하다.
전송 선로부(210)는 제1 전송 선로(310)에 형성된 제1 인덕터(321), 제2 전송 선로(330)에 형성된 제1 커패시터(211), 제3 전송 선로(320)에 형성된 제2 인덕터(323), 제4 전송 선로(340)에 형성된 제2 커패시터를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전송 선로(310), 제2 전송 선로(330), 제3 전송 선로(320) 및 제4 전송 선로(340)는 연결되어 있으며, 사각형 루프를 형성한다. 따라서, 2개의 단위 셀들(311, 313)은 종단이 서로 연결된 형태이다.
2개의 단위 셀들(311, 313)은 종단이 서로 연결되기 때문에, MZR 모드 및 EZR 모드를 동시에 발생시킬 수 있는 구조이다.
제1 인덕터(321) 및 제2 인덕터(323) 각각의 종단에 비아(via)들(231, 233)이 형성될 수 있다.
한편, 2개의 단위 셀들(311, 313)은 MZR 모드 및 EZR 모드를 동시에 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 단위 셀(311)이 MZR 모드를 발생시키는 경우, 제2 단위 셀(313)은 EZR 모드를 발생시킬 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 N개의 단위-셀을 포함하는 다중 모드 공진기의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 전송 선로부는 N개의 단위-셀(unit-cell)들을 포함할 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 전송 선로부는 종단이 서로 연결된 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함한다.
이때, 복수의 단위-셀들은, 공진 방식의 무선 전력을 전송하는 전력 전송 모드로 동작하는 제1 단위-셀 및 대응 공진기로 데이터를 전송하는 통신 모드로 동작하는 제2 단위-셀을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 무선 전력의 전송 및 상기 데이터의 전송은 동시에 수행될 수 있다. 이때, 통신 모드의 공진 주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되고, 전력 전송 모드의 공진주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되지 않는다.
즉, 복수의 단위-셀들은, MZR 모드 및 EZR 모드를 동시에 발생시킬 수 있다.
여기서, 대응 공진기란 소스 공진기에 대응하는 타겟 공진기 또는 타겟 공진기에 대응하는 소스 공진기를 의미한다.
이때, 복수의 단위-셀들 각각은 커패시터 및 상기 커패시터와 병렬로 연결된 인덕터를 포함한다.
이때, 인덕터는 전송 선로부에 연결된 스터브(stub)에 의해 형성될 수 있다. 인덕터는 션트(shunt) 인덕터 또는 럼프드(Lumped) 인덕터일 수 있다.
도 4에 명시적으로 도시되지 않았지만, 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기는 복수의 단위-셀들 각각에 형성된 비아(via)들을 통해 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함한다.
도 4를 참조하면, 다중 모드 공진기에 대한 피딩(feeding)은 410 및 430을 통해 형성되고, 420은 그라운드로 연결될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 개념도이고, 도 6은 도 5에 도시된 다중 모드 공진기의 등가회로를 나타낸다.
일 실시예에 따른 다중 모드 공진기는, 단일 공진기에서 발생하는 여러 가지 mode를 이용하여 전력 및 data를 동시에 송수신할 수 있다.
Composite right-/left-handed (CRLH) 전송선로는 일반적인 right-handed (RH) 전송선로에 left-handed (LH) 소자(직렬C, 병렬L)들을 추가하여 설계할 수 있다. LH 소자에 의해서 전송선로는 LH, RH전송 특성을 지니게 된다. 또한, LH와 RH 전송대역 사이에 유전율과 투자율이 영이 되는 주파수에서 zeroth-order resonance 특성(MZR:Mu-Zero Resonance mode,EZR:Epsilon-Zero Resonance mode)이 나타나게 된다. 이와 같이 다양한 전송, 공진특성을 갖고 있는 CRLH 전송선로를 이용하여 CRLH MTM 공진기를 설계하게 되면, 단일 공진기를 통해 다양한 공진 모드들을 발생시킬 수 있다.
N-cell CRLH-Meta공진기의 예는, 도 2 내지 도 4를 통해 설명되었다.
도 4를 참조하면, 단위 셀들은 하나 이상의 커패시터를 공유하는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 커패시터는 Lumped 커패시터 또는 Distributed 커패시터 일 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해, 2개의 단위-셀을 포함하는 2-cell CRLH 다중 모드 공진기를 중심으로 실시 예들을 설명한다.
2-cell CRLH 다중 모드 공진기는 -1, MZR(mu-zero resonance), EZR(epsilon-zero resonance) 모드를 발생 시킬 수 있다. 일반적인 CRLH 공진기의 경우 short-ended 경계조건 혹은 open-ended 경계조건을 적용하면, 하나의 모드 만을 발생 시킬 수 있다.
도 6의 등가회로를 참조하면, unit-cell의 양끝단이 서로 연결되어 있다. 따라서, 급전부의 설계 방식에 따라서 두 개의 ZOR 모드를 모두 유도시킬 수 있다. 이때, 두 개의 ZOR 모드는 MZR(mu-zero resonance) 및 EZR(epsilon-zero resonance) 모드를 의미한다.
한편, unit-cell수를 증가 시킴으로써 더 많은 공진 모드를 발생 시키는 것이 가능하다. 즉, 공진 모드의 개수 n은 다음과 같이 정의 될 수 있다.
n = ㅁ0,ㅁ1,ㅁ2, ..., ㅁ(N-1), N은 단위 셀의 개수
도 2를 참조하면, 그라운드 도체부(230)에 의해 시스템(240)은 마그네틱 필드로부터 차폐될 수 있다. 즉, 전송 선로부(210)에서 발생되는 마그네틱 필드는 그라운드 도체부(230)에 의해 차폐될 수 있다.
따라서, 소스 디바이스 또는 타겟 디바이스는 주변 환경에 둔감하며, EMI/EMC문제도 해소 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 커패시터들(211, 213) 및 인덕터들(321, 323)을 제외한 전송 선로는 RH(Right Handed) 전송선로이다. 도 6을 참조하면, RH(Right Handed) 전송선로는 등가회로에서 인덕터(LR)로 표현될 수 있다.
또한 Lumped C는 LH(Left Handed)를 위한 커패시터로 등가 회로상에 커패시터(CL)로 나타낼수 있다. 또한 공진기와 ground에서 형성되는 커패시터는 RH전송선로의 capacitance 값으로 커패시터(CR)로 등가회로상에 표현되어지며, stub(Lumped L로도 구현 가능)와 via에 의해 구현되는 inductance값은 인턱터(LL)로 표현될 수 있다.
다중 모드를 발생시키기 위한 급전부는 도 6에 도시된 AC와 같이 구성할 수 있다.
도 6과 같이 급전부 또는 Feeding Port를 구성하면, MZR(Mu-Zero Resonance) mode와 EZR(Epsilon-Zero Resonance) mode를 동시에 발생 시킬 수 있다.
series L(LR)를 구성하는 공진기와 shunt L를 구성하는 via (LL)로 current가 흐르면서 등가회로와 같이 loop를 형성하여 magnetic coupling에 의해 공진기를 여기 시켜 MZR mode를 발생시킨다. 또한 EZR mode에서는 주파수가 높아 짐으로 series L과 C에 의한 공진은 short로 작용하기 때문에, shunt L과 shunt C에 feeding 되어, EZR mode를 여기 시킨다.
도 7은 일 실시예예 따른 다중 모드 공진기의 분산 특성의 예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 2-cell CRLH 다중 모드 공진기는 총 4개의 mode(-1 mode, MZR mode, EZR mode, +1 mode)를 발생 시킬 수 있다. 다만, 도 7에서 +1 mode는 생략되었다.
이때, -1 mode 및 EZR mode는 NFC(Near Field Communication) 통신용으로 사용될 수 있다.
MZR mode는 전력 전송 및 인밴드-NFC 로 사용될 수 있다. 여기서 인밴드는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 통신을 의미한다.
+1 mode는 RF 통신 또는 NFC 통신용으로 사용될 수 있다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 -1 mode의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
-1mode에서는 unit-cell의 극성이 서로 반대이다. 따라서, 두 cell에서 180도의 위상차를 갖는 current가 발생된다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 MZR mode의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
MZR 모드에서는 전류의 방향은 모든 unit-cell마다 같은 방향이므로 발생하는 전류는 동위상이면서 직렬 LC공진에 의해 발생하기 때문에 도 11에 도시된 바와 같이 루프 형태로 흐르게 된다.
따라서, MZR 모드는 무선 전력전송에서 magnetic coupling를 이용하여 전력을 전달하기에 적합한 형태의 공진 모드가 된다.
도 12 및 도 13은 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 EZR mode의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
EZR 모드에서는 병렬 어드미턴스에 의해 surface current가 발생하고, 전류는 via를 통해서 흐르면서, 발생하는 전류는 MZR 모드에서와 같이 동위상이지면, 병렬 LC공진에 의해 발생하기 때문에 도 13에 도시된 화살표 방향으로 흐르게 된다.
일반적으로 CRLH 전송선로의 분산특성은 LH대역, ZOR모드, RH대역의 순서대로 나타나므로 -1 모드가 가장 낮은 주파수에서 발생하게 된다. EZR과 MZR 모드는 각각 직렬, 병렬공진에 따라 주파수가 결정되므로 LH와 RH 전송대역 사이에서 유동적으로 설계가 가능하다.
도 14 및 도 15는 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기의 소자 값에 따른 공진 주파수의 변화 예를 나타내는 도면이다.
도 14는 -1 mode 및 MZR mode에서 측정된 예이고, 도 15는 EZR mode에서 측정된 예이다.
인턱터(LL)를 변화 시킬 때의 공진주파수 변화로써 MZR공진주파수는 변화가 없지만 나머지 모드(-1 mode, EZR mode)는 변하게 된다. 즉 전력을 전달하는 mode인 MZR mode는 고정되어 전력을 보낼 수 있게 되는 반면 통신을 위한 주파수는 어떤 통신 주파수를 사용하는지에 따라 설계자가 마음대로 조절 할 수 있다. 그러므로, 일 실시예에 따른 다중 모드 공진기는, 0모드 보다 더 낮은 주파수에서 전력 전달 및 통신을 할 수 있고, 소형화 관점에서도 유리한 구조이다.
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)

  1. 종단이 서로 연결된 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 전송 선로부; 및
    상기 복수의 단위-셀들 각각에 형성된 비아(via)들을 통해 상기 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함하고,
    상기 복수의 단위-셀들 각각은 커패시터 및 상기 커패시터와 병렬로 연결된 인덕터를 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터는,
    상기 전송 선로부에 연결된 스터브(stub)에 의해 형성되는,
    무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들은,
    공진 방식의 무선 전력을 전송하는 전력 전송 모드로 동작하는 제1 단위-셀; 및
    대응 공진기로 데이터를 전송하는 통신 모드로 동작하는 제2 단위-셀을 포함하고,
    상기 무선 전력의 전송 및 상기 데이터의 전송은 동시에 수행되는,
    무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들은,
    MZR 모드 및 EZR 모드를 동시에 발생시키는,
    무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기.
  5. 제1항에 있어서,
    통신 모드의 공진 주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되고, 전력 전송 모드의 공진주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되지 않는,
    무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기.
  6. 사각형 루프 형태의 전송 선로부; 및
    상기 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함하고,
    상기 전송 선로부는,
    상기 전송 선로부의 제1 전송 선로에 형성된 제1 인덕터;
    상기 전송 선로부의 제2 전송 선로에 형성된 제1 커패시터;
    상기 전송 선로부의 제3 전송 선로에 형성된 제2 인터더; 및
    상기 전송 선로부의 제4 전송 선로에 형성된 제2 커패시터를 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기.
  7. 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 다중 모드 공진기; 및
    무선 전력을 생성하고, 상기 다중 모드 공진기를 통해 상기 무선 전력을 타겟 디바이스로 전송하는 소스 시스템을 포함하고,
    상기 다중 모드 공진기는,
    종단이 서로 연결된 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 전송 선로부; 및
    상기 복수의 단위-셀들 각각에 형성된 비아(via)들을 통해 상기 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함하고,
    상기 소스 시스템은 상기 그라운드 도체부에 의해 마그네틱 필드가 차폐되는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들 각각은 커패시터 및 상기 커패시터와 병렬로 연결된 인덕터를 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들은,
    공진 방식의 무선 전력을 전송하는 전력 전송 모드로 동작하는 제1 단위-셀; 및
    대응 공진기로 데이터를 전송하는 통신 모드로 동작하는 제2 단위-셀을 포함하고,
    상기 무선 전력의 전송 및 상기 데이터의 전송은 동시에 수행되는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들은,
    MZR 모드 및 EZR 모드를 동시에 발생시키는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  11. 제8항에 있어서,
    통신 모드의 공진 주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되고, 전력 전송 모드의 공진주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되지 않는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  12. 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 다중 모드 공진기; 및
    상기 다중 모드 공진기를 통해 무선 전력을 소스 디바이스로부터 수신하고, 수신된 무선 전력을 부하로 공급하는 타겟 시스템을 포함하고,
    상기 다중 모드 공진기는,
    종단이 서로 연결된 복수의 단위-셀(unit-cell)들을 포함하는 전송 선로부; 및
    상기 복수의 단위-셀들 각각에 형성된 비아(via)들을 통해 상기 전송 선로부에 전기적인 접지(ground)를 제공하는 그라운드 도체부를 포함하고,
    상기 타겟 시스템은 상기 그라운드 도체부에 의해 마그네틱 필드가 차폐되는,
    무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들 각각은 커패시터 및 상기 커패시터와 병렬로 연결된 인덕터를 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들은,
    공진 방식의 무선 전력을 수신하는 전력 수신 모드로 동작하는 제1 단위-셀; 및
    소스 공진기로부터 데이터를 수신하는 통신 모드로 동작하는 제2 단위-셀을 포함하고,
    상기 무선 전력의 수신 및 상기 데이터의 수신은 동시에 수행되는,
    무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 단위-셀들은,
    MZR 모드 및 EZR 모드를 동시에 발생시키는,
    무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
  16. 제13항에 있어서,
    통신 모드의 공진 주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되고, 전력 전송 모드의 공진주파수는 상기 인덕터의 인덕턴스의 변화에 따라 가변되지 않는,
    무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
KR1020110125075A 2011-11-28 2011-11-28 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기 KR101851590B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110125075A KR101851590B1 (ko) 2011-11-28 2011-11-28 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기
US13/684,877 US9287735B2 (en) 2011-11-28 2012-11-26 Wireless power transmission system and multi-mode resonator in wireless power transmission system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110125075A KR101851590B1 (ko) 2011-11-28 2011-11-28 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130059006A KR20130059006A (ko) 2013-06-05
KR101851590B1 true KR101851590B1 (ko) 2018-04-25

Family

ID=48466173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110125075A KR101851590B1 (ko) 2011-11-28 2011-11-28 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9287735B2 (ko)
KR (1) KR101851590B1 (ko)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11082014B2 (en) * 2013-09-12 2021-08-03 Dockon Ag Advanced amplifier system for ultra-wide band RF communication
US10695119B2 (en) 2013-09-24 2020-06-30 Covidien Lp Power and bi directional data interface assembly and surgical system including the same
JP6165009B2 (ja) * 2013-09-27 2017-07-19 エスアイアイ・セミコンダクタ株式会社 給電システム、給電装置、及び給電方法
KR101730223B1 (ko) * 2014-10-27 2017-04-25 삼성전기주식회사 무선 전력 수신 장치 및 방법, 그를 이용한 무선 전력 제공 시스템
US9848281B2 (en) * 2014-12-16 2017-12-19 Intel Corporation Enhancing data rate or range of near field communication using differential coil topology
US9923387B2 (en) 2015-01-09 2018-03-20 Mediatek Inc. Multi-mode wireless receiver apparatus and resonator circuit design
KR101698792B1 (ko) * 2015-06-03 2017-01-23 엘지전자 주식회사 홈 어플라이언스
US10581274B2 (en) 2015-06-03 2020-03-03 Lg Electronics Inc. Home appliance
US10389140B2 (en) 2015-11-13 2019-08-20 X Development Llc Wireless power near-field repeater system that includes metamaterial arrays to suppress far-field radiation and power loss
US10181729B1 (en) 2015-11-13 2019-01-15 X Development Llc Mobile hybrid transmit/receive node for near-field wireless power delivery
US10317963B1 (en) 2015-11-13 2019-06-11 X Development Llc Modular mechanism enabled by mid-range wireless power
US10153644B2 (en) 2015-11-13 2018-12-11 X Development Llc Delivering and negotiating wireless power delivery in a multi-receiver system
US9866039B2 (en) 2015-11-13 2018-01-09 X Development Llc Wireless power delivery over medium range distances using magnetic, and common and differential mode-electric, near-field coupling
US10250078B2 (en) 2016-10-18 2019-04-02 Robert A Moffatt Wireless power transfer to multiple receiver devices across a variable-sized area

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009232076A (ja) 2008-03-21 2009-10-08 Mitsubishi Electric Corp 高周波電力増幅器
WO2011122003A1 (ja) 2010-03-30 2011-10-06 パナソニック株式会社 無線電力伝送システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003249811A (ja) 2001-12-20 2003-09-05 Murata Mfg Co Ltd 複共振アンテナ装置
US7330090B2 (en) * 2004-03-26 2008-02-12 The Regents Of The University Of California Zeroeth-order resonator
CN102780084B (zh) 2006-04-14 2016-03-02 株式会社村田制作所 天线
KR101440591B1 (ko) 2008-11-17 2014-09-17 삼성전자 주식회사 높은 큐의 영차 근접 자기장 공진기를 이용한 무선 전력 전송 장치
KR101018628B1 (ko) 2009-03-16 2011-03-03 주식회사 이엠따블유 다중 대역 안테나 장치 및 이를 이용한 통신 장치
WO2011005012A2 (ko) 2009-07-06 2011-01-13 삼성전자주식회사 무선 전력 전송 시스템 및 상기 시스템을 위한 공진기

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009232076A (ja) 2008-03-21 2009-10-08 Mitsubishi Electric Corp 高周波電力増幅器
WO2011122003A1 (ja) 2010-03-30 2011-10-06 パナソニック株式会社 無線電力伝送システム

Also Published As

Publication number Publication date
US20130134793A1 (en) 2013-05-30
KR20130059006A (ko) 2013-06-05
US9287735B2 (en) 2016-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101851590B1 (ko) 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기
US10103581B2 (en) Wireless power transmission system
KR101817194B1 (ko) 태양전지 모듈을 이용한 무선 전력 전송 시스템
US10027377B2 (en) Wireless power supply apparatus
KR101829257B1 (ko) 셀 분할에 기초한 무선 전력 전송 시스템
JP6023785B2 (ja) 無線電力送信の制御方法、及び無線電力送信装置
KR101768404B1 (ko) 무선 전력 디바이스의 패키징 및 세부사항
KR101398367B1 (ko) 확장된 무선 충전 영역을 위한 방법 및 장치
US9330836B2 (en) Self-resonant apparatus for wireless power transmission system
KR20150032366A (ko) 안정적인 무선 전력 전송을 위해 격리도가 향상된 공진기 장치
KR20120019578A (ko) 다중 대역으로 공진전력을 전송하는 무선전력전송 장치 및 방법
KR20110032260A (ko) 공진 및 자기장 통신을 이용한 무선 충전 시스템
KR20150017814A (ko) 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 중계 장치
US11722010B2 (en) Wireless power transmission device
KR20150010033A (ko) 무선 전력 전송 시스템에서의 동기 제어 방법 및 장치
KR101925842B1 (ko) 무선 전력 전송 시스템을 위한 자가 공진 장치
US11011938B2 (en) Magnetic field adjusting three-dimensional flexible resonator for wireless power transmission system
CN205248923U (zh) 一种电能接收结构及无线电能接收模块
KR102028057B1 (ko) 격리도가 향상된 공진기
KR20140036953A (ko) 무선 전력 수신 장치 및 방법, 무선 전력 전송 장치 및 방법, 무선 전력 전송 시스템
CN104427659A (zh) 无线接入点设备
KR102040726B1 (ko) 무선 전력 전송을 위한 공진 장치
KR101413490B1 (ko) 무선전력 전송장치 및 이를 이용한 무선충전공간을 구축하는 방법
Pu et al. A new definition of power transmission efficiency for wireless charging systems by using coil arrays
RU141723U1 (ru) Беспроводная зарядная система с дополнительным каналом одновременного обмена данными

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant