KR101882273B1 - 무선 전력 수신 장치 및 방법, 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

무선으로 전력을 수신하는 장치 및 방법, 무선으로 전력을 전송하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 수신하고, 상기 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하에 인가되는 전압 값에 기초하여 클럭 신호의 길이를 제어하며, 상기 클럭 신호의 길이에 기초하여 임피던스를 변화시켜 로드 모듈레이션(load modulation)을 수행할 수 있다.

Description

무선 전력 수신 장치 및 방법, 무선 전력 전송 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR WIRELESS POWER RECEPTION AND METHOD AND APPARATUS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION}
아래의 실시예들은 무선으로 전력을 수신하는 장치 및 방법, 무선으로 전력을 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 전기 자동차(electric vehicle) 및 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. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 수신하는 수신부, 상기 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하에 인가되는 전압 값에 기초하여 클럭 신호의 길이를 제어하는 제어부 및 상기 클럭 신호의 길이에 기초하여 임피던스를 변화시켜 로드 모듈레이션(load modulation)을 수행하는 변조부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 부하에 인가되는 전압 값과 레퍼런스 전압을 비교하여 하이(high) 신호 및 로우(low) 신호 중 하나를 출력하는 비교부 및 상기 하이 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력하는 제어신호 출력부를 포함할 수 있다.
상기 레퍼런스 전압은 상기 부하의 완충 전압 값과 동일한 값으로 설정될 수 있다.
상기 제어신호 출력부는 상기 설정된 주기 동안 제1 클럭 신호를 발생시키는 제1 클럭 발생기, 기 설정된 주파수의 제2 클럭 신호를 연속적으로 발생시키는 제2 클럭 발생기, 상기 제1 클럭 신호가 입력되면, 상기 제2 클럭 신호의 개수를 비트 단위로 카운트하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 비트 카운터 및 상기 제2 클럭 발생기의 출력 신호 및 상기 비트 카운터의 출력 신호를 입력으로 하여, 상기 비교부로부터 상기 하이 신호를 수신하면 상기 제2 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 멀티플렉서를 포함할 수 있다.
상기 변조부는 트랜지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터의 게이트에 인가되는 상기 클럭 신호의 길이에 기초하여 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 조절할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 상기 타겟 공진기에서 수신한 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류부, 상기 정류부에서 정류된 직류 신호의 전압을 상기 부하에서 요구하는 크기로 변환하는 직류-직류 변환부, 상기 부하에 인가되는 전압을 측정하는 충전상태 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어 신호 출력부는 상기 무선 전력 전송 장치로부터 전송되는 핑 신호를 통하여 상기 클럭 신호를 출력하는데 필요한 최소한의 전력을 충전할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 전송하는 전송부, 상기 전송부에서 전송되는 RF 신호의 파형의 변화에 기초하여 무선 전력 수신 장치에서 로드 모듈레이션(load modulation) 방식으로 변조한 신호를 복조하는 복조부 및 상기 복조부에서 복조한 메시지에 기초하여 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 여부를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 복조부는 상기 RF 신호의 파형의 변화가 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 나타내면, 상기 무선 전력 전송 장치의 충전 영역 안에 상기 무선 전력 수신 장치가 위치하여, 충전 준비가 되었음을 나타내는 메시지로 해석할 수 있다.
상기 복조부는 상기 RF 신호의 파형의 변화가 연속적으로 클럭 신호를 나타내면, 상기 무선 전력 수신 장치의 충전이 완료 되었음을 나타내는 메시지로 해석할 수 있다.
상기 전송부는 무선 전력 수신 장치가 클럭 신호를 생성하는데 필요한 최소 전력에 대응하는 핑 신호를 전송할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 방법은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 수신하는 단계, 상기 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하에 인가되는 전압 값에 기초하여 클럭 신호의 길이를 제어하는 단계 및 상기 클럭 신호의 길이에 기초하여 임피던스를 변화시켜 로드 모듈레이션(load modulation)을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어하는 단계는 비교기에서 상기 부하에 인가되는 전압 값과 레퍼런스 전압을 비교하여 하이(high) 신호 및 로우(low) 신호 중 하나를 출력하는 단계 및 상기 하이 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하이 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력하는 단계는 제1 클럭 발생기를 통하여 상기 설정된 주기 동안 제1 클럭 신호를 발생시키는 단계, 제2 클럭 발생기를 통하여 기 설정된 주파수의 제2 클럭 신호를 연속적으로 발생시키는 단계, 비트 카운터를 통하여 상기 제1 클럭 신호가 입력되면, 상기 제2 클럭 신호의 개수를 비트 단위로 카운트하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 단계 및 상기 제2 클럭 발생기의 출력 신호 및 상기 비트 카운터의 출력 신호를 입력으로 하여, 상기 비교기로부터 상기 하이 신호를 수신하면 상기 제2 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 전송하는 단계, 상기 소스 공진기로부터 RF 신호의 형태로 전송되는 전력의 파형의 변화에 기초하여 무선 전력 수신 장치에서 로드 모듈레이션(load modulation) 방식으로 변조한 신호를 복조하는 단계 및 상기 복조한 메시지에 기초하여 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복조하는 단계는 상기 RF 신호의 파형의 변화가 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 나타내는 것으로 감지되면, 상기 무선 전력 전송 장치의 충전 영역 안에 상기 무선 전력 수신 장치가 위치하여, 충전 준비가 되었음을 나타내는 메시지로 해석할 수 있다.
상기 복조하는 단계는 상기 RF 신호의 파형의 변화가 연속적으로 클럭 신호를 나타내는 것으로 감지되면, 상기 무선 전력 수신 장치의 충전이 완료 되었음을 나타내는 메시지로 해석할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 개념도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 부분을 원 칩의 구성으로 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서, 무선 전력의 전송 시작, 중지여부, 완료여부 등을 인식하는 경우를 나타낸다.
도 13은 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 클럭 신호를 이용하여 제어정보를 전송하는 예를 나타낸다.
도 15는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 아날로그 회로를 이용하여 제어정보를 생성하는 구성을 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 충전 시작을 요청하는 제어정보 및 충전 중임을 나타내는 제어정보를 나타낸다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 충전 완료를 나타내는 제어정보를 나타낸다.
도 18은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법에서, 최초 충전 인식의 경우, 충전 지속 중인 경우, 완전 충전된 경우를 나타낸 그래프이다.
도 20은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 21은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 22는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
도 23은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
소스와 타겟 간에 통신을 수행하는 방식에는 인 밴드 통신 방식과 아웃 밴드 통신 방식이 있다. 인 밴드 통신 방식은 소스와 타겟이 전력 전송에 이용하는 주파수와 동일한 주파수에서 통신하는 것을 의미하고, 아웃 밴드 통신 방식은 소스와 타겟이 전력 전송에 이용하는 주파수와는 별도의 주파수를 이용하여 통신하는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 타겟(120)을 포함할 수 있다. 소스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV, 의료기기, 전기 자동차(electric vehicle) 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟(120)은 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 이때, 전자기기에는 패드, 단말, 태블릿, 의료기기, 전기 자동차(electric vehicle) 등이 포함될 수 있다.
소스(110)는 Variable SMPS(111), Power Amplifier(112), 매칭 네트워크(113), 제어부(114) 및 통신부(115)를 포함할 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 Power Amplifier(112)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, Power Amplifier(112)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 Power Amplifier(112)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, Power Amplifier(112)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, 복수의 타겟 디바이스들에서 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 명세서에서, "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 포함할 수 있다.
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.
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.
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, 기준 공진 주파수FRef를 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.
제어부(114)는 소스(110)의 온도변화, 타겟(120)의 배터리 상태, 수신 전력량의 변화, 또는 타겟(120)의 온도 변화를 고려하여 타겟(120)으로 전송할 초기 무선 전력을 결정한다.
소스(110)는 온도 변화를 감지하기 위한 온도 측정 센서(도시 되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 타겟(120)의 배터리 상태, 수신 전력량의 변화, 또는 타겟(120)의 온도 변화에 대한 정보는 통신을 통해 타겟(120)으로부터 수신할 수 있다.
즉, 타겟(120)의 온도 변화는 타겟(120)으로부터 수신된 데이터에 기초하여 검출될 수 있다.
이때, 제어부(114)는 소스(110)의 온도의 변화에 따라 Power Amplifier(112)로 공급되는 전압의 조정 량이 저장된 룩업-테이블을 이용하여 Power Amplifier(112)로 공급되는 전압을 조정할 수 있다. 예를 들어, 소스(110)의 온도가 상승한 경우, 제어부(114)는 Power Amplifier(112)로 공급되는 전압을 낮출 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. 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.
타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(133)는 인-밴드 통신을 통해 소스(110)로부터 다양한 데이터(140)를 수신할 수 있다.
타겟 공진기(133)는 소스(110)의 온도변화, 타겟(120)의 배터리 상태, 수신 전력량의 변화, 또는 타겟(120)의 온도 변화를 고려하여 결정된 초기 무선 전력을 수신한다.
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)는 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.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 한 개의 전력의 송신단(Tx) 및 한 개의 전력의 수신단(Rx)을 포함할 수 있다.
송신단은 Power Supply로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 전력 증폭기(PA)를 통해 송신 공진기(Tx Resonator)와 수신 공진기(Rx Resonator) 간의 공진 주파수 대역 및 타겟 디바이스에서 필요로 하는 전력의 레벨로 증폭할 수 있다.
송신 공진기(Tx Resonator)는 공진 주파수 대역에서 수신 공진기(Rx Resonator)와의 상호 공진을 통하여 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
수신단은 수신 공진기(Rx Resonator), Rx 파트 및 타겟 디바이스를 포함할 수 있다. 수신 공진기(Rx Resonator)는 송신 공진기(Tx Resonator)로부터 전력을 수신하고, Rx 파트는 교류 신호를 직류 신호로 정류하고, 정류된 직류 신호를 타겟 디바이스에서 요구하는 정격 전압으로 변환할 수 있다. 즉, Rx 파트는 수신 공진기(Rx Resonator)를 통하여 수신한 전력을 타겟 디바이스에서 요구하는 형태 및 크기로 변환하는 역할을 수행할 수 있다. 타겟 디바이스(Target Device)는 Rx 파트와 물리적으로 연결되는 부하를 의미하며, 타겟 디바이스에는 일정 용량의 전력을 저장하는 배터리, 실시간으로 전력을 수신하여 동작하는 패드, 단말, 태블릿, 의료기기, 전기 자동차(electric vehicle) 등이 포함될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 수신부(310), 제어부(320) 및 변조부(330)를 포함할 수 있다.
수신부(310)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 수신부(310)는 소스 공진기와 타겟 공진기가 상호 공진하는 공진 주파수 대역에서 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신할 수 있다. 무선 전력 전송 장치에 탑재된 공진기는 소스 공진기로 동작하고, 무선 전력 수신 장치에 탑재된 공진기는 타겟 공진기로 동작할 수 있다.
제어부(320)는 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하에 인가되는 전압 값에 기초하여 클럭 신호의 길이를 제어할 수 있다. 부하가 충전됨에 따라, 부하에 인가되는 전압 값이 변할 수 있다. 제어부(320)는 부하에 인가되는 전압 값에 기초하여, 부하의 충전 상태를 판단할 수 있다. 제어부(320)는 부하의 충전 상태에 따라 클럭 신호의 길이를 제어할 수 있다. 클럭 신호는 소정 주파수를 가지는 펄스파를 의미할 수 있다. 이때, 소정 주파수로는 예를 들면 100kHz, 150kHz 등이 사용될 수 있다. 여기서 클럭 신호의 길이라 함은 소정 주파수의 클럭 신호가 유지되는 시간을 의미한다.
예를 들면, 제어부(320)는 부하가 충전이 필요한 경우, 소정 주기로 클럭 신호를 출력할 수 있다. 이때, 제어부(320)는 소정 주기 내에서 클럭 신호의 개수를 조절할 수 있다. 예를 들면, 제어부(320)는 소정 주기 내에서 8개의 클럭 신호가 출력되도록 할 수 있다. 8개의 클럭 신호가 제어부(320)에서 출력되는 경우는 무선 전력 전송 장치에서 부하의 충전이 필요한 경우로 해석할 수 있다. 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치 간에는 8개의 클럭 신호가 부하의 충전이 필요함을 나타내는 메시지임이 미리 약속되어 있다. 또한, 8개의 클럭 신호가 제어부(320)에서 출력되는 경우는 무선 전력 전송 장치에서 부하의 충전이 이루어지고 있는 경우로 해석할 수 있다. 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치 간에는 8개의 클럭 신호가 부하의 충전이 계속 중 임을 나타내는 메시지임이 미리 약속되어 있다.
또는 제어부(320)는 충전이 완료된 경우, 연속적으로 클럭 신호를 출력할 수 있다. 이때, 제어부(320)는 클럭 신호의 개수에 상관없이, 지속적으로 클럭 신호를 출력할 수 있다. 또는 제어부(320)는 충전이 필요한 경우에 해당하는 클럭 신호의 개수보다 적은 수의 클럭 신호를 출력할 수 있다. 또는 제어부(320)는 충전이 필요한 경우에 해당하는 클럭 신호의 개수보다 많은 수의 클럭 신호를 출력할 수도 있다.
변조부(330)는 클럭 신호의 길이에 기초하여 임피던스를 변화시켜 로드 모듈레이션(load modulation)을 수행할 수 있다. 로드 모듈레이션이라 함은 로드의 변화량에 정보를 매핑하는 변조방식을 의미한다. 로드의 변화량은 임피던스의 변화량과 동일한 의미이다. 변조부(330)는 클럭 신호의 개수에 기초하여, 임피던스를 변화시킬 수 있다. 변조부(330)는 클럭 신호가 입력되는 경우, 클럭 신호가 입력되지 않는 경우와 비교하여, 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 무선 전력 수신 장치의 임피던스가 증가 또는 감소하면, 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 RF 신호의 파형에 변화가 발생할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 미리 약속된 규칙에 따라 RF 신호의 파형의 변화가 감지되면, 그 감지된 변화에 매핑되는 정보를 해석할 수 있다.
변조부(330)는 소정 주기 단위로 입력되는 미리 약속된 개수의 클럭 신호에 기초하여 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 변경시킬 수 있다. 이때, 변경된 임피던스에는 무선 전력 수신 장치가 충전을 요청하는 메시지가 매핑될 수 있다. 또한, 이때, 변경된 임피던스에는 무선 전력 수신 장치가 충전 중임을 나타내는 메시지가 매핑될 수 있다.
변조부(330)는 연속적으로 입력되는 클럭 신호에 기초하여 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 변경시킬 수 있다. 이때, 변경된 임피던스에는 무선 전력 수신 장치에서 충전이 완료되었음을 나타내는 메시지가 매핑될 수 있다.
변조부(330)는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 트랜지스터는 스위치로 동작할 수 있다. 트랜지스터의 예로 NMOS 트랜지스터 또는 PMOS 트랜지스터가 사용될 수 있다. 변조부(330)는 트랜지스터의 게이트에 인가되는 클럭 신호의 길이에 기초하여 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 조절할 수 있다. 예를 들면, 게이트에 클럭 신호가 인가되면, 트랜지스터는 온(on)되어 무선 전력 수신 장치의 임피던스가 클럭 신호가 인가되기 전보다 작아질 수 있다. 소정 개수의 클럭 신호가 게이트에 인가되면, 소정 개수의 클럭 신호가 인가되는 동안, 무선 전력 수신 장치의 임피던스가 작아질 수 있다.
제어부(320)는 무선 전력 수신 장치의 전반적인 제어를 담당하고, 수신부(310) 및 변조부(330)의 기능을 수행할 수 있다. 도 3의 실시 예에서 이를 별도로 구성하여 도시한 것은 각 기능들을 구별하여 설명하기 위함이다. 따라서 실제로 제품을 구현하는 경우에 이들 모두를 제어부(320)에서 처리하도록 구성할 수도 있으며, 이들 중 일부만을 제어부(320)에서 처리하도록 구성할 수도 있다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 수신부(410), 정류부(420), 직류-직류 변환부(430), 충전상태 측정부(440), 변조부(460) 및 제어부(470) 를 포함할 수 있다.
수신부(410)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 수신부(410)는 소스 공진기와 타겟 공진기가 상호 공진하는 공진 주파수 대역에서 무선 전력 전송 장치로부터 전력을 수신할 수 있다. 무선 전력 전송 장치에 탑재된 공진기는 소스 공진기로 동작하고, 무선 전력 수신 장치에 탑재된 공진기는 타겟 공진기로 동작할 수 있다.
정류부(420)는 타겟 공진기에서 수신한 교류 신호를 직류 신호로 정류할 수 있다. 전력은 타겟 공진기에서 교류 신호의 형태로 수신된다.
직류-직류 변환부(430)는 정류부(420)에서 정류된 직류 신호의 전압을 부하(450)에서 요구하는 크기로 변환할 수 있다. 부하(450)는 무선 전력 수신 장치의 일 구성요소일 수도 있고, 무선 전력 수신 장치로부터 탈 부착되는 별도의 구성일 수도 있다.
예를 들면, 부하(450)가 배터리인 경우, 배터리의 종류에 따라 정격 전압이 결정되어 있다. 직류-직류 변환부(430)는 정류부(420)에서 정류된 직류 신호의 전압을 정격 전압에 맞추어 변환할 수 있다.
충전상태 측정부(440)는 부하(450)에 인가되는 전압을 측정할 수 있다. 부하(450)가 충전됨에 따라, 부하(450)에 인가되는 전압 값도 커진다. 충전상태 측정부(440)는 주기적으로 또는 실시간으로 부하(450)에 인가되는 전압을 측정할 수 있다. 충전상태 측정부(440)는 부하(450)에 인가되는 전압을 제어부(470)로 전달할 수 있다.
변조부(460)는 클럭 신호의 길이에 기초하여 임피던스를 변화시켜 로드 모듈레이션(load modulation)을 수행할 수 있다. 로드 모듈레이션이라 함은 로드의 변화량에 정보를 매핑하는 변조방식을 의미한다. 로드의 변화량은 임피던스의 변화량과 동일한 의미이다. 변조부(460)는 클럭 신호의 개수에 기초하여, 임피던스를 변화시킬 수 있다. 변조부(460)는 클럭 신호가 입력되는 경우, 클럭 신호가 입력되지 않는 경우와 비교하여, 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 무선 전력 수신 장치의 임피던스가 증가 또는 감소하면, 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 RF 신호의 파형에 변화가 발생할 수 있다.
제어부(470)는 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하(450)에 인가되는 전압 값에 기초하여 클럭 신호의 길이를 제어할 수 있다. 부하(450)가 충전됨에 따라, 부하(450)에 인가되는 전압 값이 변할 수 있다. 제어부(470)는 부하(450)에 인가되는 전압 값에 기초하여, 부하(450)의 충전 상태를 판단할 수 있다. 제어부(320)는 부하(450)의 충전 상태에 따라 클럭 신호의 길이를 제어할 수 있다. 클럭 신호는 소정 주파수를 가지는 펄스파를 의미할 수 있다. 이때, 소정 주파수로는 예를 들면 100kHz, 150kHz 등이 사용될 수 있다. 여기서 클럭 신호의 길이라 함은 소정 주파수의 클럭 신호가 유지되는 시간을 의미한다.
제어부(470)는 비교부(471), 제어신호 출력부(472)를 포함할 수 있다.
비교부(471)는 부하(450)에 인가되는 전압 값과 레퍼런스 전압을 비교하여 하이(high) 신호 및 로우(low) 신호 중 하나를 출력할 수 있다. 하이 신호는 디지털 신호 1을 의미할 수 있고, 로우 신호는 디지털 신호 0을 의미할 수 있다.
레퍼런스 전압은 부하(450)의 완충 전압 값과 동일한 값으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 부하(450)가 배터리인 경우에, 배터리의 완전 충전시의 전압 값이 4.2V이면, 레퍼런스 전압으로 4.2V가 설정될 수 있다.
비교부(471)는 부하(450)에 인가되는 전압 값이 레퍼런스 전압보다 작으면, 로우 신호를 출력할 수 있다. 비교부(471)는 부하(450)에 인가되는 전압 값이 레퍼런스 전압 이상이면, 하이 신호를 출력할 수 있다.
제어신호 출력부(472)는 하이 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력할 수 있다.
다른 실시예로, 비교부(471)는 부하(450)에 인가되는 전압 값이 레퍼런스 전압보다 작으면, 하이 신호를 출력할 수 있다. 비교부(471)는 부하(450)에 인가되는 전압 값이 레퍼런스 전압 이상이면, 로우 신호를 출력할 수 있다. 이때, 제어신호 출력부(472)는 로우 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 하이 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력할 수 있다.
제어신호 출력부(472)는 제2 클럭 발생기(473), 비트 카운터(474), 제1 클럭 발생기(475), 멀티플렉서(476)를 포함할 수 있다.
제2 클럭 발생기(473)는 기 설정된 주파수의 제2 클럭 신호를 연속적으로 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 기 설정된 주파수로는 100kHz, 150kHz 등이 사용될 수 있다.
제1 클럭 발생기(475)는 설정된 주기 동안 제1 클럭 신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 설정된 주기로는 0.1초가 사용될 수 있다. 제1 클럭 신호의 주파수는 10Hz가 될 수 있다.
비트 카운터(474)는 제1 클럭 신호가 입력되면, 제2 클럭 발생기(473)로부터입력되는 제2 클럭 신호의 개수를 비트 단위로 카운트하고, 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 제2 클럭 신호를 출력할 수 있다. 비트 카운터(474)는 상기 약속된 개수 이상의 제2 클럭 신호는 출력하지 않을 수 있다. 약속된 개수의 제2 클럭 신호를 이용하여 변경되는 임피던스에는 부하(450)의 충전 요청 또는 부하(450)가 충전 중임을 나타내는 메시지가 매핑될 수 있다.
멀티플렉서(476)는 제2 클럭 발생기(473)의 출력 신호 및 비트 카운터(474)의 출력 신호를 입력으로 하여, 비교부(471)로부터 하이 신호를 수신하면 연속적으로 제2 클럭 신호를 출력하고, 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 제2 클럭 신호를 출력할 수 있다. 연속적으로 출력되는 제2 클럭 신호를 이용하여 변경되는 임피던스에는 부하(450)의 충전 완료를 나타내는 메시지가 매핑될 수 있다.
제어 신호 출력부(472)는 무선 전력 전송 장치로부터 전송되는 핑 신호(ping signal)를 통하여 클럭 신호를 출력하는데 필요한 최소한의 전력을 충전할 수 있다. 수신부(410)에서 수신한 전력은 제어부(470)로 전달되어, 제2 클럭 발생기(473), 비트 카운터(474), 제1 클럭 발생기(475), 멀티플렉서(476)의 동작에 필요한 전력이 충전될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 제어부(510), 복조부(520) 및 전송부(530)를 포함할 수 있다.
제어부(510)는 복조부(520)에서 복조한 메시지에 기초하여 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 여부를 결정할 수 있다.
복조부(520)는 전송부(530)에서 전송되는 RF 신호의 파형의 변화에 기초하여 무선 전력 수신 장치에서 로드 모듈레이션(load modulation) 방식으로 변조한 신호를 복조할 수 있다. 로드 모듈레이션 방식은 임피던스의 변화여부 또는 임피던스의 변화량을 이용하여 신호를 변조하는 방식을 의미한다. 무선 전력 수신 장치의 임피던스가 변경되면, 전송부(530)에서 전송되는 RF 신호의 파형에 변화가 발생할 수 있다. 따라서, 복조부(520)는 RF 신호의 파형의 변화에 기초하여, 변조된 신호를 복조할 수 있다. RF 신호의 파형의 변화의 종류에 매핑되는 메시지는 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치간에 미리 약속될 수 있다.
전송부(530)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 전송부(530)는 소스 공진기와 타겟 공진기가 상호 공진하는 공진 주파수 대역에서 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 수 있다. 무선 전력 전송 장치에 탑재된 공진기는 소스 공진기로 동작하고, 무선 전력 수신 장치에 탑재된 공진기는 타겟 공진기로 동작할 수 있다. 전력은 소스 공진기에서 교류 신호의 형태로 전송된다. 보다 구체적으로 여기서, 교류 신호는 RF 신호를 의미할 수 있다.
복조부(520)는 RF 신호의 파형의 변화가 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 나타내면, 무선 전력 전송 장치의 충전 영역 안에 무선 전력 수신 장치가 위치하여, 충전 준비가 되었음을 나타내는 메시지로 해석할 수 있다. 제어부(510)는 충전 준비 완료의 메시지를 해석하면, 전송부(530)를 통하여 전력을 전송하기 시작한다.
또한, 복조부(520)는 RF 신호의 파형의 변화가 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 나타내면, 무선 전력 수신 장치가 충전 계속 중임을 나타내는 메시지로 해석할 수 있다. 제어부(510)는 충전 계속의 메시지를 해석하면, 전송부(530)를 통하여 전력을 전송하는 상태를 유지할 수 있다.
복조부(520)는 RF 신호의 파형의 변화가 연속적으로 클럭 신호를 나타내면, 무선 전력 수신 장치의 충전이 완료 되었음을 나타내는 메시지로 해석할 수 있다. 제어부(510)는 충전 완료의 메시지를 해석하면, 전송부(530)의 동작을 종료시킬 수 있다.
전송부(530)는 핑 신호(ping signal)를 전송할 수 있다. 핑 신호는 무선 전력 수신 장치가 클럭 신호를 생성하는데 필요한 최소 전력에 대응하는 신호를 의미한다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 6을 참조하면, (a)는 패드(610)와 모바일 단말(620) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 패드들(630, 640)과 보청기들(650, 660) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(610)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(620)에 탑재될 수 있다. 이때, 패드(610)는 하나의 모바일 단말(620)을 충전할 수 있다.
일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 전송 장치는 패드(630) 및 패드(640) 각각에 탑재될 수 있다. 보청기(650)는 왼쪽 귀의 보청기를 나타내고, 보청기(660)는 오른쪽 귀의 보청기를 나타낸다. 일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 수신 장치는 보청기(650) 및 보청기(660) 각각에 탑재될 수 있다.
도 7을 참조하면, (a)는 모바일 단말(710)과 태블릿 PC(720) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 모바일 단말(730)과 모바일 단말(740) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(710)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 태블릿 PC(720)에 탑재될 수 있다. 모바일 단말(710)과 태블릿 PC(720)는 무선으로 전력을 주고 받을 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(730)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(740)에 탑재될 수 있다. 모바일 단말(730)과 모바일 단말(740)은 무선으로 전력을 주고 받을 수 있다.
도 8을 참조하면, (a)는 인체에 삽입된 전자기기(810)와 모바일 단말(820) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 보청기(830)와 모바일 단말(840) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(820)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 인체에 삽입된 전자기기(810)에 탑재될 수 있다. 인체에 삽입된 전자기기(810)는 모바일 단말(820)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(840)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 보청기(830)에 탑재될 수 있다. 보청기(830)는 모바일 단말(840)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다. 보청기(830)뿐만 아니라, 블루투스 이어폰과 같은 저전력 전자기기들도 모바일 단말(840)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 부분을 원 칩의 구성으로 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, RX IC(900)는 원 칩으로 구현될 수 있다. RX IC(900)는 정류부(910), 직류-직류 변환부(920), 충전상태 측정부(930), 아날로그 회로(940) 및 변조부(950)를 포함할 수 있다.
아날로그 회로(940)를 이용함으로써, 로드 모듈레이션을 이용하기 위해 별도의 MCU(Main Control Unit)를 고려할 필요가 없고, 또한, 단순한 충전 요청 메시지, 충전 완료 메시지에 해당하는 신호를 아날로그 회로(940)로 구현함으로써, 데이터 코딩을 위한 외부 데이터 연결 포트를 생성할 필요가 없다. 따라서, 아날로그 회로(940)를 이용함으로써, RXIC(900)의 칩 사이즈가 작아질 수 있다.
RX IC(900)는 별도의 MCU를 사용하지 않고, 아날로그 회로(940)를 이용하여 변조부의 데이터를 생성할 수 있다.
아날로그 회로(940)의 물리적인 동작에 통신제어 프로토콜이 들어있으므로 외부에서 데이터를 프로그래밍하는 작업이 필요 없다. 보다 구체적으로, 아날로그 회로(940)의 구체적인 구성에 대해서는 도 15에서 설명한다.
도 10 내지 도 12는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서, 무선 전력의 전송 시작, 중지여부, 완료여부 등을 인식하는 경우를 나타낸다.
도 10을 참조하면, (a)는 패드(1010)에 모바일 단말(1020)이 위치한 경우를 나타내고, (b)는 패드(1010)에 금속성 물건(1030)이 위치한 경우를 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(1010)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1020)에 탑재될 수 있다. 패드(1010)는 패드(1010)의 상부에 모바일 단말(1020)이 위치한 경우와 열쇠와 같은 금속성 물건(1030)이 위치한 경우를 구별할 수 있어야 한다.
패드(1010)는 모바일 단말(1020)로부터 로드 모듈레이션을 통해 약속된 신호를 수신함으로써, 모바일 단말(1020)이 패드(1010)의 충전영역에 위치하였음을 인식할 수 있다. 패드(1010)는 약속된 신호를 수신하지 못하는 경우, 충전을 시작하지 않는다. 모바일 단말(1020)은 아날로그 회로를 이용하여, 약속된 개수의 클럭 신호에 따라 로드 모듈레이션 된 메시지를 패드(1010)로 전송할 수 있다.
도 11을 참조하면, (a)는 패드(1110)로부터 모바일 단말(1120)이 충전 중인 경우를 나타내고, (b)는 패드(1110)로부터 모바일 단말(1120)이 이동하여, 충전이 중단되어야 할 경우를 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(1110)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1120)에 탑재될 수 있다.
안정적인 무선 충전의 동작을 위해서는 충전중인 모바일 단말(1120)이 충전 영역을 이탈하였을 경우, 패드(1110)가 모바일 단말(1120)의 이탈을 인식하고 전력 전송을 중단하여야 한다.
패드(1110)가 전력 전송을 중단하지 않으면, 모바일 단말(1120)의 충전 상태와 관계 없는 전력 레벨로 전력을 전송할 수 있고, 반사파가 크게 발생하여, 패드(1110)가 파손될 염려가 있다.
패드(1110)는 모바일 단말(1120)로부터 로드 모듈레이션을 통해 약속된 신호를 수신함으로써, 모바일 단말(1120)이 패드(1110)로부터 충전되고 있음을 인식할 수 있다. 패드(1110)는 약속된 신호를 수신하지 못하는 경우, 전력 전송을 중단할 수 있다. 모바일 단말(1120)은 아날로그 회로를 이용하여, 약속된 개수의 클럭 신호에 따라 로드 모듈레이션 된 메시지를 패드(1110)로 전송할 수 있다.
도 12를 참조하면, (a)는 패드(1210)로부터 모바일 단말(1220)이 충전 중인 경우를 나타내고, (b)는 패드(1210)로부터 모바일 단말(1220)의 충전이 완료된 경우를 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(1210)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1220)에 탑재될 수 있다.
안정적인 무선 충전의 동작을 위해서는 충전중인 모바일 단말(1220)의 충전이 완료된 경우, 패드(1210)가 모바일 단말(1220)의 충전완료를 인식하고 전력 전송을 중단하여야 한다.
패드(1210)가 전력 전송을 중단하지 않으면, 모바일 단말(1220)의 충전 상태와 관계 없는 전력 레벨로 전력을 전송할 수 있고, 반사파가 크게 발생하여, 패드(1210)가 파손될 염려가 있다. 또한, 충전 완료된 모바일 단말(1220)은 계속해서 전력을 수신함으로써, 파손될 염려가 있다.
패드(1210)는 모바일 단말(1220)로부터 로드 모듈레이션을 통해 약속된 신호를 수신함으로써, 모바일 단말(1220)이 패드(1210)로부터 충전이 완료되었음을 인식할 수 있다. 패드(1210)는 약속된 신호를 수신하는 경우, 전력 전송을 중단할 수 있다. 모바일 단말(1220)은 아날로그 회로를 이용하여, 연속적인 클럭 신호에 따라 로드 모듈레이션 된 메시지를 패드(1210)로 전송할 수 있다.
도 13은 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력을 전송하는 TX단(1310) 및 무선 전력을 수신하는 RX단(1320)을 포함할 수 있다.
RX단(1320)은 클럭 신호의 길이를 이용한 변조신호를 전송함으로써, TX단(1310)으로부터의 충전을 제어할 수 있다. TX단(1310) 및 RX단(1320)은 인 밴드 통신을 이용하여 공진 주파수(fp)에서 통신 제어를 수행하는 로드 모듈레이션(Load modulation) 방식을 사용할 수 있다.
예를 들면, 공진 주파수(fp)로는 6.78MHz 또는 13.56MHz 등이 사용될 수 있고, 클럭 신호의 주파수(fc)로는 100kHz 또는 150kHz 등이 사용될 수 있다.
RX단(1320)은 제어부(1321)를 이용하여 로드 모듈레이터의 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어부(1321)는 충전 회로(Charger Circuit)로부터 입력되는 클럭 온 타임 제어(Clock On-time Control) 신호에 기초하여, 아날로그 회로에서 클럭 신호가 출력되는 시간을 제어하여 클럭 신호의 길이를 조절할 수 있다.
아날로그 회로는 데이터의 내용에 따라 클럭 신호의 길이가 다른 제어 신호를 출력할 수 있다. 데이터는 내용 별로 충전 요청 정보, 충전 계속 정보, 충전 완료 정보 등이 포함될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 클럭 신호를 이용하여 제어정보를 전송하는 예를 나타낸다.
도 14는 아날로그 회로를 통해 생성된 2가지 경우의 클럭 신호들을 나타낸다. 2가지 경우의 데이터는 모듈레이터 제어 데이터로 사용되며, 로드 모듈레이터에 입력될 수 있다.
도 14를 참조하면, (a)는 충전 요청 정보 또는 충전 계속 정보를 나타내는 경우의 모듈레이터 제어 데이터를 나타낸다. (b)는 충전 완료 정보를 나타내는 경우의 모듈레이터 제어 데이터를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 무선 전력 수신 장치는 아날로그 회로를 이용하여 충전의 요청 또는 충전 계속 중임을 나타내기 위한 정보를 제공하기 위해 클럭 신호를 N개씩, 수 ms 또는 수 s 마다 주기적으로 출력할 수 있다. 클럭 신호의 주파수는 fc이다. 출력되는 클럭 신호의 개수 N개가 클럭 신호의 길이에 해당할 수 있다.
예를 들면, 무선 전력 전송 장치로부터 초기 핑 신호(Ping Signal)의 무선전력을 수신하여, 무선 전력 수신 장치의 동작에 필요한 최소 전력이 충전되면, 무선 전력 수신 장치는 아날로그 회로에서 100kHz의 클럭 신호 8개를 0.1초 마다 주기적으로 발생시킬 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 100kHz의 클럭 신호 8개를 수신하면, 무선 전력 수신 장치가 충전 영역에 존재하는 것으로 인식하고, 무선 전력을 클럭 신호의 주기보다 긴 시간인 약 2초 동안 송신할 수 있다. 충전 중에도 무선 전력 수신 장치는 100kHz의 클럭 신호 8개를 주기적으로 전송할 수 있다.
충전 중 무선 전력 수신 장치가 충전 영역을 이탈하면, 무선 전력 전송 장치는 8개의 클럭 신호를 수신하지 못하므로, 8개의 클럭 신호들 중 마지막 신호를 수신한 시점으로부터 2초 정도 후에 전력 전송을 중단할 수 있다.
(b)를 참조하면, 무선 전력 수신 장치는 아날로그 회로를 이용하여 충전이 완료되었음을 나타내기 위한 정보를 제공하기 위해 클럭 신호를 M개 이상 또는 무한 개를 출력할 수 있다. 출력되는 클럭 신호의 개수 M개가 클럭 신호의 길이에 해당할 수 있다.
예를 들면, 무선 전력 수신 장치는 완전충전이 감지되면 아날로그 회로에서 100kHz의 클럭 신호들이 지속적으로 출력되도록 할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 100kHz의 클럭 신호 M개(예, 20개) 이상의 연속적인 클럭 신호들을 수신하면, 무선 전력 수신 장치가 완전 충전 상태가 된 것을 인식하고, 전력 전송을 중단할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 아날로그 회로를 이용하여 제어정보를 생성하는 구성을 나타낸다.
도 15를 참조하면, 아날로그 회로(1500)는 비교기(1510), 클럭 발생기(1520), 비트 카운터(1530), 클럭 발생기(1540) 및 멀티플렉서(1550)를 포함할 수 있다.
비교기(1510)는 충전 회로(Charger Circuit)의 전압 Vout과 레퍼런스 전압 Vref1를 비교하여, 1 또는 0을 출력할 수 있다.
예를 들면, Vout이 Vref1 보다 작은 경우, 비교기(1510)는 0을 출력하고, Vout이 Vref1 이상이면, 비교기(1510)는 1을 출력할 수 있다. Vout이 Vref1 보다 작은 경우는 배터리의 충전이 필요한 경우를 나타내고, Vout이 Vref1이상인 경우는 배터리의 충전이 완료된 경우를 나타낼 수 있다.
이때, 1 또는 0은 멀티플렉서(1550)의 선택신호로 사용될 수 있다. 멀티플렉서(1550)는 1이 입력되면, In1을 출력하고, 0이 입력되면 In2를 출력할 수 있다. 전압 Vout은 충전 중인 배터리에 인가되는 전압을 나타낸다. 레퍼런스 전압 Vref1으로는 배터리의 완전 충전 시의 전압 값이 설정될 수 있다.
클럭 발생기(1520)는 클럭 신호의 주파수를 fd로 하여, 클럭 신호를 발생시킬 수 있다. 이때, 클럭 신호는 비트 카운터(1530)의 활성화 신호로 이용될 수 있다. 즉, 클럭 발생기(1520)의 클럭 신호는 비트 카운터(1530)의 동작을 온/오프 시킬 수 있다. 예를 들면, 클럭 발생기(1520)의 클럭 신호가 비트 카운터(1530)에 입력되면, 비트 카운터(1530)가 동작을 시작할 수 있다. fd는 10Hz로 설정될 수 있다.
예를 들면, 비트 카운터(1530)가 3비트 카운터인 경우에, 비트 카운터(1530)는 클럭 발생기(1540)로부터 입력되는 클럭 신호의 개수를 8개까지 계산할 수 있다. 비트 카운터(1530)가 n비트 카운터라면, 비트 카운터(1530)는 클럭 발생기(1540)로부터 입력되는 클럭 신호의 개수를 2^n개까지 계산할 수 있다.
클럭 발생기(1540)는 클럭 신호의 주파수를 fc로 하여, 클럭 신호를 발생시킬 수 있다. fc는 100kHz로 설정될 수 있다. In1은 클럭 발생기(1540)에서 발생하는 클럭 신호들이고, In2는 클럭 발생기(1540)에서 발생하는 클럭 신호들 중, 비트 카운터(1530)에서 계산되는 개수만큼의 클럭 신호들이다.
In1은 충전 완료 정보를 나타내는 데이터이고, In2는 충전 요청 정보 또는 충전 계속 정보를 나타내는 데이터이다.
배터리의 충전이 완료되지 않아, Vout이 Vref1보다 작으면, 비교기(1510)는 0을 출력하고, 멀티플렉서(1550)는 In2를 모듈레이터 제어 데이터로 출력할 수 있다. 비트 카운터(1530)가 3비트 카운터라면, 비트 카운터(1530)는 클럭 발생기(1540)에서 발생하는 클럭 신호들 중 8개를 멀티플렉서(1550)로 입력하고, 동작을 중단할 수 있다. 멀티플렉서(1550)는 클럭 발생기(1540)에서 발생하는 클럭 신호들 중 8개를 모듈레이터 제어 데이터로 출력할 수 있다.
배터리의 충전이 완료되면, Vout이 Vref1이상의 값을 가지게 되어, 비교기(1510)는 1을 출력하고, 멀티플렉서(1550)는 In1를 모듈레이터 제어 데이터로 출력할 수 있다. 멀티 플렉서(1510)는 클럭 발생기(1540)에서 발생하는 클럭 신호들을 모듈레이터 제어 데이터로 출력할 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 충전 시작을 요청하는 제어정보 및 충전 중임을 나타내는 제어정보를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 무선 전력 수신 장치가 충전 중이므로 Vout이 Vref1 보다 작다.
Vout이 Vref1 보다 작으면, 도 15의 비교기(1510)는 Mux Control data로 0을 출력하고, 멀티플렉서(1550)는 In2 데이터를 Modulator Control Data로 사용할 수 있다.
클럭 발생기(1520)의 클럭 신호 발생 주기는 0.1초이고, 클럭 신호의 주파수는 10Hz이다. 즉, fd는 10Hz이다. 클럭 발생기(1520)의 클럭 신호(1610)는 비트 카운터(1530)의 Counter Enable Data로 사용될 수 있다.
In2 데이터(1620)는 클럭 발생기(1540)에서 발생하는 100kHz의 클럭 신호가 8개씩 0.1초 주기로 나오는 신호로 구성될 수 있다. fc는 100kHz이다.
클럭 발생기(1520)의 클럭 신호에 의해, 비트 카운터(1530)가 활성화(Enable) 될 때마다, 멀티플렉서(1550)는 클럭 신호 8개를 Modulator Control data(1630)로 사용할 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 충전 완료를 나타내는 제어정보를 나타낸다.
도 17을 참조하면, 무선 전력 수신 장치의 충전이 완료 되는 경우 Vout이 Vref1 이상의 값을 가질 수 있다.
Vout이 Vref1보다 작은 값을 가지는 구간에서는 비교기(1510)가 Mux Control data로 0을 출력하고, 멀티플렉서(1550)는 In2 데이터(1710)를 Modulator Control Data(1730)로 사용할 수 있다.
Vout이 Vref1 이상의 값을 가지면, 도 15의 비교기(1510)는 Mux Control data로 1(1720)을 출력하고, 멀티플렉서(1550)는 In1 데이터를 Modulator Control Data(1740)로 사용할 수 있다.
In1 데이터는 클럭 발생기(1540)에서 발생하는 100kHz의 클럭 신호가 연속적으로 출력되는 신호들로 구성될 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
1810단계에서, 무선 전력 전송 장치는 핑 신호를 주기적으로 송신할 수 있다. 핑 신호의 무선 전력은 무선 전력 수신 장치가 클럭 신호를 발생시키는데 필요한 최소 전력에 대응할 수 있다.
1820 단계에서, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치로부터 최초 충전 인식 데이터를 수신하는지 여부를 판단할 수 있다. 최초 충전 인식 데이터를 수신하지 못하면, 1810 단계의 동작을 수행할 수 있다.
충전 인식 Data가 지속적으로 수신되면 TX Power를 지속적으로 송신하고, 완전충전 Data가 수신되면 충전을 종료한다.
1830 단계에서, 무선 전력 전송 장치는 최초 충전 인식 데이터를 수신하면, 전력을 전송할 수 있다.
1840 단계에서, 무선 전력 전송 장치는 충전 인식 데이터를 지속적으로 수신하는지 확인할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 충전 인식 데이터를 수신하지 못하면, 전력 전송을 중단하고, 1810 단계의 동작을 수행할 수 있다.
1850 단계에서, 무선 전력 전송 장치는 충전 인식 데이터를 지속적으로 수신하면, 전력을 계속하여 송신할 수 있다.
1860 단계에서, 무선 전력 전송 장치는 완전 충전 데이터를 수신하는지 판단할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 완전 충전 데이터를 수신하지 못하면 1830단계의 동작을 수행할 수 있다.
1870 단계에서, 무선 전력 전송 장치는 완전 충전 데이터를 수신하면, 충전을 종료할 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법에서, 최초 충전 인식의 경우, 충전 지속 중인 경우, 완전 충전된 경우를 나타낸 그래프이다.
보다 구체적으로, 도 19는 최초 충전 인식 데이터, 충전 인식 데이터 및 완전 충전 데이터의 형태를 나타낼 수 있다.
도 19를 참조하면, (a)는 핑 신호(1910)를 나타내고, (b)는 최초 충전 인식 데이터(1941)를 수신하는 경우 및 충전 인식 데이터를 수신하지 못하는 경우(1945)를 나타내고, (c)는 완전 충전 데이터(1951)를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 핑 신호(1910)를 주기적으로 전송할 수 있다.
(b)를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치로부터 최초 충전 인식 데이터(1941)를 수신하면, 전력(1920)을 전송할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 지속적으로 충전 인식 데이터를 수신하는지 확인할 수 있다. 충전 인식 데이터의 형태는 최초 충전 인식 데이터(1941)의 형태와 동일할 수 있다. 무선 전력 수신 장치가 충전 영역을 이탈(1943)하여, 충전 인식 데이터를 수신하지 못하면(1945), 무선 전력 전송 장치는 전력 전송을 중단(1930)할 수 있다.
(c)를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 충전 인식 데이터(1947)를 지속적으로 수신하다가, 충전이 완료(1949)되어 완전 충전 데이터(1951)를 수신하면, 전력 전송을 중단(1930)할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 아날로그 회로를 이용하여 충전 요청 메시지, 충전 지속 메시지, 충전 완료 메시지와 같이 설정된 몇 가지의 메시지를 무선 전력 전송 장치로 전달함으로써, 무선 전력 수신 장치의 구현 복잡도가 낮아질 수 있다. 구현 복잡도를 낮춤으로써, 작은 크기(size)의 원 칩(one chip)의 구현이 가능하다.
또한, 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 클럭 신호의 길이를 조절하여 로드 모듈레이션을 수행함으로써, 아날로그 회로를 통하여 메시지를 전송할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 아날로그 회로를 이용함으로써, 충전 시작, 충전 중, 충전 완료를 나타내는 세 가지 경우의 메시지를 무선 전력 전송 장치로 구별하여 전송할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 단일 기기의 무선 충전에 특화 하여, 충전제어에 필요한 데이터를 최소화하고, 아날로그 회로를 통해 구현함으로써, 필수 동작만으로 안정적인 무선충전을 수행할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 클럭 신호의 길이를 서로 다르게 하여 충전 인식 데이터와 충전 완료 데이터로 사용함으로써, 랜덤 데이터를 생성하는 복잡한 MCU를 사용하지 않을 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 MCU를 사용하지 않고 아날로그 회로를 이용하여 통신제어 데이터를 생성함으로써, Rx 파트를 One-Chip으로 제작할 수 있어 수신단의 사이즈 및 비용을 절감할 수 있다.
또한, 무선 전력 수신 장치는 통신 제어를 포함하여 One-Chip 으로 Rx 파트가 제작될 수 있으므로, 보청기 또는 의료 기기(medical devices)와 같이 매우 작은 크기를 요구하는 어플리케이션들에 사용될 수 있다
도 20 내지 도 22에서 "공진기"는 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함한다.
도 20내지 도 22의 공진기는 도 1 내지 도 19에서 설명된 공진기에 적용될 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 20의 (a)를 참조하면, 피더(2010)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(2030)이 발생한다. 피더(2010) 내부에서 자기장의 방향(2031)과 외부에서 자기장의 방향(2033)은 서로 반대 위상을 가진다. 피더(2010)에서 발생하는 자기장(2030)에 의해 공진기(2020)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 공진기(2020)에서 자기장(2040)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(2020)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(2020)에 의해 피더(2010)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(2041)과 피더(2010)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(2043)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(2010)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(2020)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(2010)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(2010)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 20과 같은 구조의 피더(2010)를 통해 공진기(2020)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(2020) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(2020) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않으므로, 평균적으로 전력 전송 효율이 감소한다.
(b)는 공진기(2050)와 피더(2060)가 공통의 접지를 가진 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸다. 공진기(2050)는 캐패시터(2051)를 포함할 수 있다. 피더(2060)는 포트(2061)를 통하여, RF 신호를 입력 받을 수 있다. 피더(2060)에는 RF 신호가 입력되어, 입력 전류가 생성될 수 있다. 피더(2060)에 흐르는 입력 전류는 자기장을 생성하고, 상기 자기장으로부터 공진기(2050)에 유도 전류가 유도된다. 또한, 공진기(2050)를 흐르는 유도 전류로부터 자기장이 발생한다. 이때, 피더(2060)에 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(2050)에 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가진다. 따라서, 공진기(2050)와 피더(2060) 사이의 영역에서, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(2071)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(2073)은 동일한 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 강화된다. 반면에, 피더(2060)의 내부에서는, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(2081)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(2083)은 반대 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 공진기(2050)의 중심에서는 자기장의 세기가 약해지고, 공진기(2050)의 외곽에서는 자기장의 세기가 강화될 수 있다.
피더(2060)는 피더(2060) 내부의 면적을 조절하여, 입력 임피던스를 결정할 수 있다. 여기서 입력 임피던스는 피더(2060)에서 공진기(2050)를 바라볼 때, 보이는 임피던스를 의미한다. 피더(2060) 내부의 면적이 커지면 입력 임피던스는 증가하고, 내부의 면적이 작아지면 입력 임피던스는 감소한다. 그런데, 입력 임피던스가 감소하는 경우에도, 공진기(2050) 내부의 자기장 분포는 일정하지 않으므로, 타겟 디바이스의 위치에 따라 입력 임피던스 값이 일정하지 않다. 따라서, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하다. 입력 임피던스가 증가하는 경우에는 큰 입력 임피던스를 작은 출력 임피던스에 매칭시키기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 21의 (a)를 참조하면, 공진기(2110)는 캐패시터(2111)를 포함할 수 있다. 피딩부(2120)는 캐패시터(2111)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(2110)는 제1 전송선로, 제1 도체(2141), 제2 도체(2142), 적어도 하나의 제1 캐패시터(2150)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(2150)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(2131)과 제2 신호 도체 부분(2132) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(2150)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(2131)과 제2 신호 도체 부분(2132)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(2133)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(2131) 및 제2 신호 도체 부분(2132)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(2133)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(2131) 및 제2 신호 도체 부분(2132)과 제1 그라운드 도체 부분(2133)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(2131) 및 제2 신호 도체 부분(2132)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(2131)의 한쪽 단은 제1 도체(2141)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(2150)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(2132)의 한쪽 단은 제2 도체(2142)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(2150)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(2131), 제2 신호 도체 부분(2132) 및 제1 그라운드 도체 부분(2133), 도체들(2141, 2142)은 서로 연결됨으로써, 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(2150)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(2150)는 제1 신호 도체 부분(2131) 및 제2 신호 도체 부분(2132) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(2150)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(2150)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(2150)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(2150)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(2150)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(2150)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(2150)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(2150)에 집중되므로, 제1 캐패시터(2150)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(2150)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(2120)는 제2 전송선로, 제3 도체(2171), 제4 도체(2172), 제5 도체(2181) 및 제6 도체(2182)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(2161) 및 제4 신호 도체 부분(2162)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(2163)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(2161) 및 제4 신호 도체 부분(2162)과 제2 그라운드 도체 부분(2163)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(2161) 및 제4 신호 도체 부분(2162)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(2161)의 한쪽 단은 제3 도체(2171)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(2181)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(2162)의 한쪽 단은 제4 도체(2172)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체(2182)와 연결된다. 제5 도체(2181)는 제1 신호 도체 부분(2131)과 연결되고, 제6 도체(2182)는 제2 신호 도체 부분(2132)과 연결된다. 제5 도체(2181)와 제6 도체(2182)는 제1 캐패시터(2150)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(2181) 및 제6 도체(2182)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(2161), 제4 신호 도체 부분(2162) 및 제2 그라운드 도체 부분(2163), 제3 도체(2171), 제4 도체(2172), 제5 도체(2181), 제6 도체(2182) 및 공진기(2110)는 서로 연결됨으로써, 공진기(2110) 및 피딩부(2120)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(2181) 또는 제6 도체(2182)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(2120) 및 공진기(2110)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(2110)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(2120)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(2110)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(2110)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(2110)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(2110)와 피딩부(2120) 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(2120)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(2171), 제4 도체(2172), 제5 도체(2181), 제6 도체(2182) 는 공진기(2110)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 공진기(2110)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(2120)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(2110)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(2120)도 원형 구조일 수 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. (a)는 도 21의 공진기(2110) 및 피딩부(2120)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. (b)는 피딩부와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(2210)로 사용될 수 있다. 입력 포트(2210)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(2210)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 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 공진기에도 흐르게 된다. 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. (a)에서 피딩부 및 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 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(2221)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(2223)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(2233)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(2231)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다.
한편, 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.
(b)를 참조하면, 피딩부(2240) 및 공진기(2250)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(2240)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012037068966-pat00001
여기서, M은 피딩부(2240)와 공진기(2250) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피딩부(2240)와 공진기(2250) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(2250)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(2240)와 공진기(2250) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(2240)와 공진기(2250) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피딩부(2240)의 크기에 따라 피딩부(2240)와 공진기(2250) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(2240)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피딩부도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신한다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피딩부에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피딩부가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피딩부에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
도 23은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 23을 참조하면, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 소스 시스템(2310), 소스 공진기(2320), 타겟 공진기(2330), 타겟 시스템(2340) 및 전기 자동차용 배터리(2350)을 포함한다.
전기 자동차 충전 시스템(2300)은 도 1의 무선 전력 전송 시스템과 유사한 구조를 가진다. 즉, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 소스 시스템(2310) 및 소스 공진기(2320)로 구성되는 소스를 포함한다. 또한, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 타겟 공진기(2330) 및 타겟 시스템(2340)로 구성되는 타겟을 포함한다.
이때, 소스 시스템(2310)은 도 1의 소스(110)와 같이, Variable SMPS, Power Amplifier, 매칭 네트워크, 제어부 및 통신부를 포함할 수 있다. 이때, 타겟 시스템(2340)은 도 1의 타겟(120)과 같이, 매칭 네트워크, 정류부, DC/DC 컨버터, 통신부 및 제어부를 포함할 수 있다.
전기 자동차용 배터리(2350)는 타겟 시스템(1740)에 의해 충전 될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템(2300)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용할 수 있다.
소스 시스템(2310)은 충전 차량의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태에 따라 전력을 생성하고, 생성된 전력을 타겟 시스템(2340)으로 공급할 수 있다.
소스 시스템(2310)은 소스 공진기(2320) 및 타겟 공진기(2330)의 정렬(alignment)를 맞추기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 소스 시스템(2310)의 제어부는 소스 공진기(2320)와 타겟 공진기(2330)의 alignment가 맞지 않은 경우, 타겟 시스템(2340)으로 메시지를 전송하여 alignment를 제어할 수 있다.
이때, alignment가 맞지 않은 경우란, 타겟 공진기(2330)의 위치가 마그네틱 레조넌스(magnetic resonance)가 최대로 일어나기 위한 위치에 있지 않은 경우 일 수 있다. 즉, 차량이 정확하게 정차되지 않은 경우, 소스 시스템(2310)은 차량의 위치를 조정하도록 유도함으로써, 소스 공진기(2320)와 타겟 공진기(2330)의 alignment가 맞도록 유도할 수 있다.
소스 시스템(2310)과 타겟 시스템(2340)은 통신을 통해, 차량의 식별자를 송수신할 수 있고, 각종 메시지를 주고 받을 수 있다.
도 2 내지 도 22에서 설명된 내용들은 전기 자동차 충전 시스템(2300)에 적용될 수 있다. 다만, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용하고, 전기 자동차용 배터리(2350)를 충전하기 위해 수십 watt이상의 전력 전송을 수행할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 수신하는 수신부;
    상기 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하에 인가되는 전압 값에 기초하여 클럭 신호의 길이를 제어하는 제어부; 및
    상기 클럭 신호의 길이에 기초하여 임피던스를 변화시켜 로드 모듈레이션(load modulation)을 수행하는 변조부
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부하에 인가되는 전압 값과 레퍼런스 전압을 비교하여 하이(high) 신호 및 로우(low) 신호 중 하나를 출력하는 비교부; 및
    상기 하이 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력하는 제어신호 출력부
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레퍼런스 전압은
    상기 부하의 완충 전압 값과 동일한 값으로 설정되는
    무선 전력 수신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어신호 출력부는
    상기 설정된 주기 동안 제1 클럭 신호를 발생시키는 제1 클럭 발생기;
    기 설정된 주파수의 제2 클럭 신호를 연속적으로 발생시키는 제2 클럭 발생기;
    상기 제1 클럭 신호가 입력되면, 상기 제2 클럭 신호의 개수를 비트 단위로 카운트하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 비트 카운터; 및
    상기 제2 클럭 발생기의 출력 신호 및 상기 비트 카운터의 출력 신호를 입력으로 하여, 상기 비교부로부터 상기 하이 신호를 수신하면 상기 제2 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 멀티플렉서
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변조부는
    트랜지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터의 게이트에 인가되는 상기 클럭 신호의 길이에 기초하여 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 조절하는
    무선 전력 수신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 공진기에서 수신한 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류부;
    상기 정류부에서 정류된 직류 신호의 전압을 상기 부하에서 요구하는 크기로 변환하는 직류-직류 변환부;
    상기 부하에 인가되는 전압을 측정하는 충전상태 측정부
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어신호 출력부는
    상기 무선 전력 전송 장치로부터 전송되는 핑 신호를 통하여 상기 클럭 신호를 출력하는데 필요한 최소한의 전력을 충전하는
    무선 전력 수신 장치.
  8. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 전송하는 전송부;
    상기 전송부에서 전송되는 RF 신호의 파형의 변화에 기초하여 무선 전력 수신 장치에서 로드 모듈레이션(load modulation) 방식으로 변조한 신호를 복조하여 포함된 클럭 신호의 길이 또는 클럭 신호의 개수를 확인하는 복조부; 및
    상기 복조부에서 복조한 메시지에 포함된 상기 클럭 신호의 길이 또는 상기 클럭 신호의 개수에 기초하여 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 여부를 결정하는 제어부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복조부는
    상기 RF 신호의 파형의 변화가 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 나타내면, 상기 무선 전력 전송 장치의 충전 영역 안에 상기 무선 전력 수신 장치가 위치하여, 충전 준비가 되었음을 나타내는 메시지로 해석하는
    무선 전력 전송 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복조부는
    상기 RF 신호의 파형의 변화가 연속적으로 클럭 신호를 나타내면, 상기 무선 전력 수신 장치의 충전이 완료 되었음을 나타내는 메시지로 해석하는
    무선 전력 전송 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전송부는
    무선 전력 수신 장치가 클럭 신호를 생성하는데 필요한 최소 전력에 대응하는 핑 신호를 전송하는
    무선 전력 전송 장치.
  12. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 수신하는 단계;
    상기 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하에 인가되는 전압 값에 기초하여 클럭 신호의 길이를 제어하는 단계; 및
    상기 클럭 신호의 길이에 기초하여 임피던스를 변화시켜 로드 모듈레이션(load modulation)을 수행하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    비교기에서 상기 부하에 인가되는 전압 값과 레퍼런스 전압을 비교하여 하이(high) 신호 및 로우(low) 신호 중 하나를 출력하는 단계; 및
    상기 하이 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하이 신호를 수신하면 연속적으로 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 설정된 주기 동안 출력하는 단계는
    제1 클럭 발생기를 통하여 상기 설정된 주기 동안 제1 클럭 신호를 발생시키는 단계;
    제2 클럭 발생기를 통하여 기 설정된 주파수의 제2 클럭 신호를 연속적으로 발생시키는 단계;
    비트 카운터를 통하여 상기 제1 클럭 신호가 입력되면, 상기 제2 클럭 신호의 개수를 비트 단위로 카운트하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 제2 클럭 발생기의 출력 신호 및 상기 비트 카운터의 출력 신호를 입력으로 하여, 상기 비교기로부터 상기 하이 신호를 수신하면 상기 제2 클럭 신호를 출력하고, 상기 로우 신호를 수신하면 상기 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 상기 제2 클럭 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  15. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 무선으로 전력을 전송하는 단계;
    상기 소스 공진기로부터 RF 신호의 형태로 전송되는 전력의 파형의 변화에 기초하여 무선 전력 수신 장치에서 로드 모듈레이션(load modulation) 방식으로 변조한 신호를 복조하여 포함된 클럭 신호의 길이 또는 클럭 신호의 개수를 확인하는 단계; 및
    상기 복조한 메시지에 포함된 상기 클럭 신호의 길이 또는 상기 클럭 신호의 개수에 기초하여 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복조하는 단계는
    상기 RF 신호의 파형의 변화가 무선 전력 전송 장치와 약속된 개수의 클럭 신호를 나타내면, 상기 무선 전력 전송 장치의 충전 영역 안에 상기 무선 전력 수신 장치가 위치하여, 충전 준비가 되었음을 나타내는 메시지로 해석하는
    무선 전력 전송 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 복조하는 단계는
    상기 RF 신호의 파형의 변화가 연속적으로 클럭 신호를 나타내면, 상기 무선 전력 수신 장치의 충전이 완료 되었음을 나타내는 메시지로 해석하는
    무선 전력 전송 방법.
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