KR101949127B1 - 하이브리드 동기화 기법을 적용한 무선 에너지 수신 방법 및 장치 - Google Patents

하이브리드 동기화 기법을 적용한 무선 에너지 수신 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

하이브리드 동기화 기법을 적용한 무선 에너지 수신 방법 및 장치가 제공된다. 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치는 에너지 전송단에서 에너지 수신단으로 에너지를 전송하는 기준이 되는 심볼 구간에서, 소스 공진기와의 공진을 통하여 에너지 전송단으로부터 프레임 단위로 에너지를 수신하는 타겟 공진기, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리를 기초로 심볼의 시작점을 검출하여 심볼 동기를 제어하는 제어부를 포함한다. 제어부는 타겟 공진기가 수신하는 에너지를 기초로 에너지 프레임을 검출하고, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하며, 소스 공진기와 타겟 공진기의 거리에 따라 심볼의 시작점을 검출할 수 있다.

Description

하이브리드 동기화 기법을 적용한 무선 에너지 수신 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR WIRELESS ENERGY TRANSMISSION WITH HYBRID SYNCHRONIZATION SCHEME}
아래의 실시 예들은 하이브리드 동기화 기법을 적용한 무선 에너지 수신 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송에 대한 연구는 휴대용 단말을 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 등을 극복하기 위해 시작되었다. 그 중에서도 근거리 무선 전력 전송에 대한 연구가 집중되고 있다. 근거리 무선 전력 전송이라 함은 동작 주파수에서 파장의 길이에 비해 송수신 코일간의 거리가 충분히 작은 경우를 의미한다. 이러한 근거리 무선 전력 전송에는 고립 공진 시스템이 이용된다. 공진 특성을 이용하는 고립 공진 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다. 무선 전력을 전송하고 수신하는 과정에서 소스와 타겟은 제어 정보를 공유할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치는 에너지 전송단에서 에너지 수신단으로 에너지를 전송하는 기준이 되는 심볼 구간에서, 소스 공진기와의 공진을 통하여 에너지 전송단으로부터 프레임 단위로 에너지를 수신하는 타겟 공진기; 상기 타겟 공진기로부터 전력을 수신하는 부하단; 상기 타겟 공진기와 상기 부하단의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부; 및 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출하여 심볼 동기를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 미리 정해진 제1 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 에너지 프레임을 검출하는 에너지 프레임 검출부; 상기 에너지 프레임이 검출된 경우, 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 거리 판단부; 및 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리에 따라 상기 심볼의 시작점을 검출하는 심볼 시작점 검출부를 포함할 수 있다.
상기 거리 판단부는, 상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 크거나 같을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 근거리로 판단하고, 상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 작을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 원거리로 판단할 수 있다.
상기 거리 판단부는, 상기 미리 정해진 제2 구간의 후단에서 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단할 수 있다.
상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리인 경우, 상기 심볼 시작점 검출부는, 상기 수신되는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값과 최초로 같아지는 시점을 상기 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다.
상기 심볼 시작점 검출부는, 상기 검출된 심볼의 시작점을 미리 정해진 시점만큼 보정하는 심볼 시작점 보정부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치는 상기 수신되는 에너지의 포락선을 검출하는 포락선 검출부; 및 상기 검출된 포락선의 기울기를 계산하는 기울기 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리인 경우, 상기 심볼 시작점 검출부는, 상기 계산된 포락선의 기울기가 최대가 되는 시점을 상기 심볼 시작점으로 추정할 수 있다.
상기 심볼 시작점 검출부는, 상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출할 수 있다.
상기 부하단은, 상기 타겟 공진기에서 수신되는 에너지로 충전되는 부하; 및 상기 타겟 공진기와 연결되면 상기 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경시키는 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 스위칭부는, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리인 경우, 상기 타겟 공진기와 상기 부하단의 연결을 오프하고, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리인 경우, 상기 심볼 구간 내에서 상기 타겟 공진기와 상기 부하단의 연결을 반복하여 온/오프할 수 있다.
상기 에너지 프레임은, 상기 에너지 수신단이 상기 에너지 프레임을 수신하는데 필요한 사전 정보를 포함하는 프리앰블(Preamble), 상기 프리앰블의 시작을 나타내는 스타트 오브 프레임(Start of Frame: SoF), 제어 정보를 포함하는 에너지 프레임 헤더(Energy Frame Header: EFH), 상기 에너지 수신단이 수신하는 에너지를 포함하는 에너지 프레임 바디(Energy Frame Body: EFB) 및 상기 에너지 프레임 바디에 슈퍼-프레임 구조로 삽입된 데이터 프레임을 포함할 수 있다.
상기 미리 정해진 제1 구간은, 상기 미리 정해진 제2 구간에 포함될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 방법은 에너지 전송단에서 에너지 수신단으로 에너지를 전송하는 기준이 되는 심볼 구간에서, 소스 공진기와 타겟 공진기와의 공진을 통하여 에너지 전송단으로부터 프레임 단위로 에너지를 수신하는 단계; 및 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출하여 심볼 동기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 심볼 동기를 제어하는 단계는, 미리 정해진 제1 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 에너지 프레임을 검출하는 단계; 상기 에너지 프레임이 검출된 경우, 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 단계; 및 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리에 따라 상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 단계는, 상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 크거나 같을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 근거리로 판단하고, 상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 작을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 원거리로 판단할 수 있다.
상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 단계는, 상기 미리 정해진 제2 구간의 후단에서 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단할 수 있다.
상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리인 경우, 상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는, 상기 수신되는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값과 최초로 같아지는 시점을 상기 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다.
상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는, 상기 검출된 심볼의 시작점을 미리 정해진 시점만큼 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 방법은 상기 수신되는 에너지의 포락선을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 포락선의 기울기를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리인 경우, 상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는, 상기 계산된 포락선의 기울기가 최대가 되는 시점을 상기 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다.
상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는, 상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에서 에너지 송신단과 에너지 수신단의 스위치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 에너지 프레임을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치의 에너지 프레임 검출부 및 거리 판단부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치에서 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리일 경우에, 수신되는 신호의 포락선 및 포락선의 각 지점에서의 기울기 값을 나타낸 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치에서 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리일 경우에, 소스 공진기, 타겟 공진기 및 부하단의 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 일 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
무선 에너지 전송 시스템은 무선으로 에너지를 필요로 하는 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 무선 에너지 전송 시스템은 모바일 디바이스 또는 wireless TV 등 무선 에너지의 사용이 가능한 시스템에 이용될 수 있다. 또한, 바이오 헬스 케어(bio health care) 분야에 응용이 가능하여, 인체에 삽입된 디바이스에 원격으로 전력을 전송하거나, 심박수 측정을 위한 붕대 모양의 디바이스에 무선으로 전력을 전송하는데 응용될 수 있다.
무선 에너지 전송 시스템은 작은 전력으로 동작하고, 전력의 소모가 적은 저전력 센서 등의 디바이스에 응용될 수 있다.
또한, 무선 에너지 전송 시스템은 전력 소스(power source)가 없는 정보 저장 장치의 원격 제어에 응용될 수 있다. 무선 에너지 전송 시스템은 정보 저장 장치에 원격으로 장치를 구동할 수 있는 전력을 공급함과 동시에, 무선으로 정보 저장 장치에 저장된 정보를 불러오는 시스템에 응용될 수 있다.
무선 에너지 전송 시스템은 신호의 발생을 위해 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받아, 소스 공진기에 저장하고, 전원 공급 장치와 소스 공진기를 전기적으로 연결하는 스위치를 오프 시킴으로써, 소스 공진기의 자체 공진을 유도할 수 있다. 자체 공진 하는 소스 공진기와 상호 공진을 할 만큼 충분히 가까운 거리에 소스 공진기의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 가지는 타겟 공진기가 존재하는 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진 현상이 발생한다. 소스 공진기는 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받는 공진기를 의미하고, 타겟 공진기는 상호 공진 현상에 의해 소스 공진기로부터 에너지를 전달받는 공진기를 의미한다.
무선 에너지 전송 시스템은 고립 공진 시스템(Resonator Isolation: RI) 시스템이라고 정의될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 도 1은 고립 공진 시스템의 예로서, 캐패시티브 차징(Capacitive Charging: CC) 방식을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 에너지 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 에너지 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 에너지 수신 장치를 포함할 수 있다.
무선 에너지 전송 장치는 전력 입력부(110), 전력 전송부(120) 및 스위칭부(130)를 포함한다. 전력 입력부(110)는 전원 공급 장치를 이용하여 캐패시터에 에너지를 저장한다. 스위칭부(130)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 전력 입력부(110)에 캐패시터를 연결하고, 스위칭부(130)는 캐패시터에 저장된 에너지를 방전하는 동안에는 캐패시터를 전력 전송부(120)에 연결한다. 즉, 스위칭부(130)는 캐패시터가 동시에 전력 입력부(110) 및 전력 전송부(120)에 연결되지 않도록 한다.
전력 전송부(120)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신부(140)로 전달(transferring)한다. 보다 구체적으로 전력 전송부(120)는 전력 전송부(120)의 소스 공진기와 수신부(130)의 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통해 전력을 전달할 수 있다. 이때, 소스 공진기는 캐패시터(C1) 및 송신 코일(L1)을 포함할 수 있고, 타겟 공진기는 캐패시터(C2) 및 수신 코일(L2)을 포함할 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 발생하는 상호 공진의 정도는 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
전력 입력부(110)는 입력 전압(VDC), 내부 저항(Rin) 및 캐패시터(C1)로, 전력 전송부(120)는 기초 회로 소자(R1, L1, C1)로, 스위칭부(130)는 적어도 하나의 스위치로 모델링 될 수 있다. 캐패시터(C1)는 스위칭부(130)의 동작에 따라 전력 입력부(110)에 속하기도 하고, 전력 전송부(120)에 속하기도 한다. 스위치로는 온/오프 기능을 수행할 수 있는 능동소자(active element)가 사용될 수 있다. R은 저항 성분, L은 인덕터 성분, C는 캐패시터 성분을 의미한다. 입력 전압(VDC) 중 캐패시터(C1)에 걸리는 전압은 Vin으로 표시될 수 있다.
무선 에너지 수신 장치는 수신부(140), 전력 출력부(150) 및 스위칭부(160)를 포함한다. 수신부(140)는 전력 전송부(120)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 수신부(140)는 수신한 전자기 에너지를 연결된 캐패시터들에 저장한다. 스위칭부(160)는 수신부(140)에 캐패시터를 연결하여 캐패시터에 에너지를 저장하고, 스위칭부(160)는 캐패시터를 전력 출력부(150)에 연결하여 캐패시터에 저장된 에너지를 부하에 전달할 수 있다. 즉, 스위칭부(160)는 캐패시터가 동시에 수신부(140) 및 전력 출력부(150)에 연결되지 않도록 한다.
보다 구체적으로, 수신부(140)의 수신 코일(L2)은 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)과의 상호 공진을 통하여 전력을 수신할 수 있다. 수신된 전력을 통하여 수신 코일(L2)과 연결된 캐패시터가 충전될 수 있다. 전력 출력부(150)는 캐패시터에 충전된 전력을 배터리로 전달한다. 전력 출력부(150)는 배터리 대신, 부하 또는 타겟 디바이스에 전력을 전달할 수 있다.
수신부(140)는 기초 회로 소자(R2, L2 , C2)로, 전력 출력부(150)는 연결되는 캐패시터(C2) 및 배터리로, 스위칭부(160)는 적어도 하나의 스위치로 모델링 될 수 있다. 캐패시터(C2)는 스위칭부(160)의 동작에 따라 수신부(140)에 속하기도 하고, 전력 출력부(150)에 속하기도 한다. 수신 코일(L2)에서 수신되는 에너지 중, 캐패시터(C2)에 걸리는 전압은 Vout으로 표시될 수 있다.
위와 같이 전력 입력부(110)와 전력 전송부(120)를 물리적으로 이격시키고, 수신부(140)와 전력 출력부(150)를 물리적으로 이격시켜 전력을 전송하는 RI(Resonator Isolation) 시스템은 임피던스 매칭을 사용한 기존의 전력 전송 방식에 비하여 여러 가지의 차이점이 있다. 첫째, DC 전원으로부터 소스 공진기에 직접 전력 공급이 가능하기 때문에, 전력 증폭기를 사용하지 않을 수 있다. 둘째, 배터리의 충전을 위해 수신단의 캐패시터에 충전된 전력에서 에너지를 캡쳐(capture)하기 때문에, 정류기(rectifier)를 통한 정류작업이 필요 없다. 셋째, 임피던스 매칭을 할 필요가 없으므로 전송 효율이 송신단과 수신단 사이의 거리변화에 민감하지 않다. 또한, 복수의 송신단 및 복수의 수신단을 포함하는 무선 에너지 전송 시스템으로의 확장이 용이하다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 도 2는 고립 공진 시스템의 다른 예로서, 인덕티브 차징(Inductive Charging; IC) 방식을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 에너지 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 에너지 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 에너지 수신 장치를 포함한다.
무선 에너지 전송 장치는 전력 충전부(210), 제어부(220) 및 전송부(230)를 포함한다. 전력 충전부(210)는 전원 공급 장치(Vin)와 저항(Rin)으로 구성될 수 있다. 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 구성될 수 있다. 전송부(230)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 소스 공진기에 저장된 에너지를 전송할 수 있다. 제어부(220)는 전력 충전부(210)로부터 소스 공진기에 전력을 공급하기 위해 스위치를 온(on) 할 수 있다. 전원 공급 장치(Vin)로부터 캐패시터(C1)에 전압이 인가되고, 인덕터(L1)에 전류가 인가된다. 소스 공진기가 정상 상태에 도달하게 되면, 캐패시터(C1)에 인가되는 전압은 0이 되고, 인덕터(L1)에 흐르는 전류는 Vin/Rin의 값을 갖는다. 정상 상태에서는 인덕터(L1)에 인가되는 전류를 통하여 인덕터(L1)에 전력이 충전된다.
제어부(220)는 정상 상태에서 소스 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(220)에 미리 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 전송부(230)에 유입되는 전류가 미리 정해진 목표 전류와 같아지는 경우, 제어부(220)는 스위치를 오프할 수 있다.
전력 충전부(210)와 전송부(230)는 스위치 동작에 의해 분리된다. 스위치가 오프 되면, 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)간에 자체 공진을 시작한다. 또한, 상호 인덕턴스 M(270)의 영향을 받는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 소스 공진기에 저장된 에너지는 타겟 공진기로 전달될 수 있다. 이때, 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 동일하다. 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 [수학식 1]을 통해서 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112013069890617-pat00001

무선 에너지 수신 장치는 충전부(240), 제어부(250) 및 전력 출력부(260)를 포함할 수 있다. 타겟 공진기는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)로 구성될 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진을 할 때는 소스 공진기는 전원 공급 장치(Vin)와 분리되어 있고, 타겟 공진기는 부하(LOAD) 및 캐패시터(CL)와 분리되어 있다. 타겟 공진기의 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)는 상호 공진을 통하여 전력을 충전할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 전력을 충전하기 위해, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 스위치가 오프인 동안, 타겟 공진기의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수는 일치하여, 상호 공진이 발생한다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 온(on)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(250)에 미리 설정될 수 있다. 스위치가 온 되면, 캐패시터(CL)이 연결되어, 타겟 공진기의 공진 주파수가 [수학식 2]와 같이 변경된다.
[수학식 2]
Figure 112013069890617-pat00002

따라서, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수가 일치하지 않게 되고, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 종료된다. 보다 구체적으로는 타겟 공진기의 Q를 고려하여, f2'이 f2보다 충분히 작다면, 상호 공진 채널이 소멸할 수 있다. 또한, 전력 출력부(260)는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)에 충전된 전력을 부하(LOAD)에 전달할 수 있다. 전력 출력부(260)는 부하(LOAD)의 필요에 적합한 방식으로 전력을 전달할 수 있다. 예를 들면, 전력 출력부(260)는 부하에서 요구하는 정격 전압으로 전압을 레귤레이션(regulation)하여 전력을 전달할 수 있다.
제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값 미만의 값을 갖게 되면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 스위치 오프(off)로 인하여 소스 공진기와 타겟 공진기의 공진 주파수가 다시 일치하게 되면, 충전부(240)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 다시 타겟 공진기에 전력을 충전할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 발생할 때는 스위치가 연결되지 않는다. 따라서, 스위치의 연결에 따른 전송 효율의 감소가 예방될 수 있다.
도 1의 캐패시티브 차징(CC) 방식에 비해, 도 2의 인덕티브 차징(IC) 방식은 타겟 공진기에 저장된 에너지의 캡쳐(capture) 시점을 제어하는 것이 좀 더 용이하다. 도 1의 CC 방식에서는 무선 에너지 수신 장치가 캐패시터에 충전된 에너지를 캡쳐(capture) 할 수 있지만, 도 2의 IC 방식은 타겟 공진기의 인덕터 및 캐패시터에 저장된 에너지를 캡쳐하므로, 에너지의 캡쳐 시점에 대한 자유도가 향상된다.
고립 공진 시스템의 송신단은 전력 혹은 데이터의 전송을 위해, 스위치의 연결을 통해 소스 공진기에 에너지의 충전과 방전을 반복 수행한다. 이러한 한 번의 에너지의 충전과 방전 과정은 하나의 심볼로 정의될 수 있다. 수신단은 송신단으로부터 에너지 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 충전 및 방전을 반복하는 스위치의 동작 주기에 맞추어, 수신단의 스위치를 제어한다.
수신단은 송신단으로부터 오류 없이 전력 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 스위치가 언제 오프(off)되고 언제 온(on)되는지, 그리고 언제 상호 공진을 시작하고, 언제 타겟 공진기에 저장된 에너지가 피크 값을 가지는지 알 필요가 있다. 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보를 알아내고, 수신단의 온/오프 타임을 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보에 맞게 조절하는 과정을 시간 동기화 과정이라고 정의할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템에서 에너지 송신단과 에너지 수신단의 스위치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 무선 에너지 전송 장치는 충전(charging)과 방전(discharging) 과정의 반복을 통해 무선 에너지 수신 장치로 에너지를 전송한다. 한 번의 에너지의 충전과 방전 과정은 하나의 심볼로 정의될 수 있다. 식별 부호(310) 내지 식별 부호(340)는 각각 하나의 심볼 구간을 나타낸다. 무선 에너지 전송 장치의 스위치가 온 상태일 때, 소스 공진기는 에너지를 충전할 수 있고, 무선 에너지 전송 장치의 스위치가 오프 상태일 때, 소스 공진기의 에너지는 방전될 수 있다.
무선 에너지 충전 시스템은 정보를 전달하기 위하여, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 현상을 이용한다. 보다 구체적으로, 송신단은 미리 정해진 시간 구간 동안 전원으로부터 소스 공진기로 에너지를 주입하거나/주입하지 않는 동작을 통해 해당 시간 구간 동안 상호 공진을 일으키거나/일으키지 아니하는 상태(state)를 스위칭할 수 있다. 보다 구체적으로는, 소스 공진기와 전원의 연결을 스위칭하여, 상호 공진 현상을 제어할 수 있다. 상호 공진이 일어나는 상태 및 상호 공진이 일어나지 않는 상태 각각에 정보를 할당(assign)할 수 있다. 예를 들면, 송신단은 상호 공진이 일어나는 상태에 비트 1을, 상호 공진이 일어나지 않는 상태에 비트 0을 할당할 수 있다. 여기서 상기 미리 정해진 시간 구간은 예를 들면, 하나의 심볼로 정의될 수 있다.
수신단은 상기 시간 구간 동안, 타겟 공진기의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수와 맞추거나(tune)/맞추지 아니하는(de-tune) 동작으로 상호 공진이 일어나는/일어나지 않는 상태를 스위칭할 수 있다. 이때, 수신단은 각각의 현상에 정보를 할당(assign)할 수 있다. 예를 들면, 수신단은 상호 공진이 일어나는 상태에 비트 1을, 상호 공진이 일어나지 않는 상태에 비트 0을 할당할 수 있다.
도 3의 예에서, 송신단은 소스 공진기와 전원의 연결을 스위칭하여 심볼 구간(310) 내지 심볼 구간(340) 동안 상호 공진을 일으키거나/일으키지 않을 수 있다. 송신단은 심볼 구간(310), 심볼 구간(320) 및 심볼 구간(340)에 상호 공진을 일으킬 수 있다. 송신단은 심볼 구간(330)에 상호 공진을 일으키지 않을 수 있다. 이에 따라, 송신단은 수신단에 [1, 1, 0, 1]의 비트 시퀀스(bit sequence)를 전송할 수 있다.
심볼 단위로 정보를 전달하는 방법에 있어서, 심볼의 동기를 맞추는 작업이 선행되어야 한다. 심볼의 동기를 맞추기 위해 수신단 또는 송신단에서 동기 정합 작업을 수행할 수 있다. 동기 정합 작업이 이루어지면, 사전에 정해진 프로토콜에 의해 송신단과 수신단 간에 양방향 데이터 전송이 이루어질 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 에너지 프레임을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 전송단은 에너지 프레임 단위로 수신단에 에너지를 전송할 수 있다. 하나의 에너지 프레임은 프리앰블(Preamble)(420), 스타트 오브 프레임(Start of Frame: SoF)(430), 에너지 프레임 헤더(Energy Frame Header: EFH)(440) 및 에너지 프레임 바디(Energy Frame Body: EFB)(450)를 포함할 수 있다. 여기서, 프리앰블(420)는 에너지 프레임을 수신하는데 필요한 사전 정보, 예를 들어, 프레임 검출 및 에너지 전송 채널의 추정에 관한 정보를 포함할 수 있다. 스타트 오브 프레임(430)은 프리앰블의 시작을 알릴 수 있다. 에너지 프레임 헤더(440)는 에너지 프레임(410)의 제어 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 프레임 헤더(440)는 에너지 프레임(410)의 길이 정보, 에너지 프레임(410)을 전송하는 전송단의 ID(Identification) 정보, 에너지 프레임(410)을 수신하는 수신단의 ID 정보를 포함할 수 있다. 에너지 프레임 바디(450)는 수신단이 수신하는 에너지를 포함할 수 있다. 에너지 프레임 헤더(440) 이후의 에너지 프레임 바디(450)를 통해 전송단은 수신단에게 에너지를 전송할 수 있다.
에너지 프레임 바디(450)는 수퍼-프레임 구조로 데이터 프레임(Data Frame: DF)(451, 452)를 포함할 수 있다. 데이터 프레임(451, 452)은 스타트 오브 프레임, 데이터 프레임 헤더(Data Frame Header: DFH) 및 데이터 프레임 바디(Data Frame Body: DFB)로 구성될 수 있다. 스타트 오브 프레임은 데이터 프레임(451, 452)의 시작을 알려 준다. 데이터 프레임 헤더는 데이터 프레임(451, 452)의 길이 정보, 데이터 프레임(451, 452)의 type 정보, 데이터 프레임(451, 452)을 주고 받는 송신단 및 수신단의 ID 정보 및 MCS(Modulation and Coding Scheme) 정보를 포함할 수 있다. 데이터 프레임 바디는 실제 데이터 정보 및 FCS(Frame Check Sequence)를 포함할 수 있다.
에너지 프레임(410)의 전송이 종료되고 다음 에너지 프레임(460)이 전송 되기 위해서는 최소한 사전에 정의된 에너지 프레임간 간격((Inter Energy Frame Space: IEFS)의 시간 동안 아이들(Idle) 상태가 유지되어야 한다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치는 타겟 공진기(510), 제어부(520), 스위칭부(530) 및 부하단(540)을 포함할 수 있다.
타겟 공진기(510)는 에너지 전송단에서 에너지 수신단으로 에너지를 전송하는 기준이 되는 심볼 구간에서, 소스 공진기(미도시)와의 상호 공진을 통하여 에너지를 수신할 수 있다.
부하단(540)은 부하(load) 및 캐패시터를 포함할 수 있다. 스위칭부(530)가 온 상태인 경우, 부하는 타겟 공진기(510)에서 수신되는 에너지로 충전될 수 있고, 캐패시터는 타겟 공진기(510)의 공진 주파수를 변경시킬 수 있다.
스위칭부(530)는 타겟 공진기(510)와 부하단(540)을 연결할 수 있다. 스위칭부(530)는 제어부(520)의 제어에 따라 온(on) 또는 오프(off) 동작을 수행할 수 있다. 온 상태에서, 타겟 공진기(510)와 부하단(540)은 연결되고, 오프 상태에서, 타겟 공진기(510)와 부하단(540)의 연결은 끊어진다.
스위칭부(530)는 다이오드 및 트랜지스터를 포함할 수 있다. 트랜지스터와 다이오드는 직렬로 연결된다. 다이오드는 트랜지스터의 전단 또는 후단 어디에나 위치할 수 있다.
트랜지스터 및 다이오드는 온 상태에서 타겟 공진기(510)로부터 직류 신호를 통과시키고, 오프 상태에서 타겟 공진기(510)로부터 교류 신호의 유입을 차단할 수 있다. 트랜지스터가 온 되면, 다이오드는 타겟 공진기(510)에서 생성된 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 통과시킬 수 있다. 통과한 직류 신호는 부하단(540)에 전달되어 부하단(540)이 충전될 수 있다. 또한, 통과한 직류 신호는 캐패시터에 저장되어, 캐패시터는 부하단(540)에 안정적으로 전력을 전달할 수 있다.
오프 상태에서는 타겟 공진기(510)에서 상호 공진을 통하여 소스 공진기(미도시)로부터 전력을 수신할 수 있다. 상호 공진이 발생하면, 타겟 공진기(510)에서는 교류 신호가 생성될 수 있다. 이때, 교류 신호에는 교류 전류 신호 및 교류 전압 신호가 포함된다. 타겟 공진기(510)의 교류 전류 신호의 플러스 성분이 다이오드에 인가되는 경우, 트랜지스터가 오프 상태로 동작하므로 교류 전류 신호의 플러스 성분이 트랜지스터에 의해 차단되어 트랜지스터 방향으로 유입되지 않을 수 있다. 또한, 타겟 공진기(510)의 교류 전류 신호의 마이너스 성분이 다이오드에 인가되는 경우, 교류 전류 신호의 마이너스 성분이 다이오드에 의해 차단되어 트랜지스터 방향으로 유입되지 않을 수 있다. 따라서, 오프 동작 시에 트랜지스터의 양단이 전기적으로 완전히 분리될 수 있다.
일 실시예에서, 스위칭부(530)는 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 원거리인 경우, 타겟 공진기(510)와 부하단(540)의 연결을 오프하고, 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 근거리인 경우, 공진 주기 내에서 타겟 공진기(510)와 부하단(540)의 연결을 반복하여 온/오프할 수 있다.
예를 들어, 트랜지스터가 피모스(PMOS, P-channel Metal Oxide Semiconductor)이고, 피모스의 게이트에 인가되는 게이트 입력 전압이 0V 일 때, 피모스의 문턱 전압과 다이오드의 문턱 전압의 합 이상의 전압이 피모스의 소스에 인가될 경우, 피모스는 온 상태가 된다. 이에 따라, 스위칭부(530)는 피모스의 소스에 인가되는 전압이 양의 전압일 때 자동으로 온 상태가 되므로, 스위칭부(530)는 normally on 스위치로 동작할 수 있다. 스위칭부(530)에 부하단(540)이 연결된 경우, 피모스의 게이트에 인가되는 게이트 입력 전압이 0V 일 때, 피모스의 문턱 전압, 다이오드의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합 이상의 전압이 피모스의 소스에 인가되면, 피모스는 온 상태가 된다. 따라서, 타겟 공진기(510)에 인가되는 전압이 피모스의 문턱 전압, 다이오드의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합 이상일 때, 스위칭부(530)는 온 상태가 되고, 타겟 공진기(510)에 인가되는 전압이 피모스의 문턱 전압, 다이오드의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합보다 작을 때, 스위칭부(530)는 오프 상태가 될 수 있다. 또한, 피모스의 게이트에 소스 전압보다 낮은 전압이 인가될 때, 스위칭부(530)는 오프 상태가 될 수 있다.
소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 근거리인 경우, 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510)간의 커플링은 강하다(strongly coupled). 이에 따라, 상호 공진에 의해 타겟 공진기(510)는 소스 공진기(미도시)로부터 빠른 속도로 많은 양의 에너지를 수신할 수 있고, 피모스에 소스에 인가되는 전압이 피모스의 문턱 전압, 다이오드의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합보다 크거나 같게 되어, 심볼 구간 내에서 스위칭부(530)는 온 상태가 될 수 있다. 스위칭부(530)가 온 상태가 될 때, 타겟 공진기(510)에 유기된 에너지가 부하단(540)으로 전송될 수 있다. 이에 따라, 피모스의 소스에 인가되는 전압이 피모스의 문턱 전압, 다이오드의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합보다 작아지게 되어, 스위칭부(530)는 오프 상태가 될 수 있다. 따라서, 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 근거리인 경우, 공진 주기 내에서 스위칭부(530)는 반복하여 온/오프 될 수 있다.
소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 원거리인 경우, 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510)간의 커플링은 약하다(weakly coupled). 이에 따라, 심볼 구간 내에서, 소스 공진기(미도시)로부터 타겟 공진기(510)에 상대적으로 느린 속도로 에너지가 인가될 수 있고, 피모스에 소스에 인가되는 전압이 피모스의 문턱 전압, 다이오드의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합보다 작아지게 되어, 공진 주기 내에서 스위칭부(530)는 오프 상태가 될 수 있다.
다이오드는 피모스와 직렬로 연결된다. 다이오드는 피모스의 소스(Source)와 직렬로 연결될 수도 있고, 피모스의 드레인(Drain)과 직렬로 연결될 수도 있다.
피모스 및 다이오드는 피모스에서 온 상태가 유지되는 동안 타겟 공진기(510)로부터 직류 전류 신호를 통과시킬 수 있다.
피모스 및 다이오드는 피모스에서 오프 상태가 유지되는 동안 타겟 공진기(510)로부터 교류 전류 신호의 유입을 차단할 수 있다. 피모스에서 오프 상태가 유지되는 동안, 상호 공진 및 자기 공진으로 인하여 타겟 공진기(510)에서는 교류 전류 신호가 발생할 수 있다. 교류 전류 신호의 마이너스 성분은 다이오드에 의해 유입이 차단되며, 교류 전류 신호의 플러스 성분은 피모스에 의해 유입이 차단될 수 있다.
제어부(540)는 송신단 스위칭부의 온/오프 타임에 대한 정보를 식별하고, 수신단 스위칭부(530)의 온/오프 타임을 송신단 스위칭부의 온/오프 타임에 대한 정보에 맞게 제어하는 시간 동기화를 수행할 수 있다. 제어부(540)는 아이들 리스닝(Idle listening) 상태에서, 소스 공진기(미도시)가 에너지를 전송하면 상호 공진을 통해 타겟 공진기(510)에서 바로 에너지를 수신할 수 있도록, 타겟 공진기(510)를 활성화(active)된 상태로 유지시킬 수 있다. 여기서, 아이들 리스닝 상태는 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 간에 상호 공진하기 이전의 상태를 의미할 수 있다. 타겟 공진기(510)를 활성화 된 상태로 유지시킨다는 것은 타겟 공진기(510)를 공진 상태로 유지시킨다는 것을 의미할 수 있다. 도 1의 RI 시스템에서는 스위치를 온 시키는 경우를 의미하고, 도 2의 RI 시스템에서는 스위치를 오프 시키는 경우를 의미한다.
제어부(540)는 에너지 프레임 검출부(521), 거리 판단부(522) 및 심볼 시작점 검출부(523)를 포함할 수 있다.
에너지 프레임 검출부(521)는 송신단으로부터 에너지 프레임을 수신하였는지 여부를 검출할 수 있다. 에너지 프레임 검출부(521)는 미리 정해진 제1 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 에너지 프레임을 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 미리 정해진 제1 구간은 'sync_half_num' 일 수 있다. 에너지 프레임 검출부(521)는 미리 정해진 제1 구간 동안 수신한 에너지의 합을 계산할 수 있다. 미리 정해진 제1 구간 동안 수신한 에너지의 합이 미리 정해진 기준값보다 크거나 같은 경우, 에너지 프레임 검출부(521)는 에너지 프레임을 수신하는 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 미리 정해진 기준값은 노이즈 레벨보다 클 수 있다. 미리 정해진 제1 구간 동안 수신한 에너지의 합이 미리 정해진 기준값보다 작은 경우, 에너지 프레임 검출부(521)는 에너지 프레임을 수신하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
거리 판단부(522)는 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 근거리인지 또는 원거리인지 여부를 판단할 수 있다. 에너지 프레임 검출부(521)에 의해 에너지 프레임이 검출된 경우, 거리 판단부(522)는 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리를 판단할 수 있다. 여기서, 미리 정해진 제2 구간은 미리 정해진 제1 구간을 포함할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 제2 구간은 'sync_full_num' 일 수 있다.
거리 판단부(522)는 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 크거나 같을 경우, 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리를 근거리로 판단할 수 있다. 또한, 거리 판단부(522)는 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 작을 경우, 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리를 원거리로 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 거리 판단부(522)는 미리 정해진 제2 구간의 후단에서 수신되는 에너지의 크기를 기초로 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리를 판단할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 제1 구간이 sync_half_num 이고, 미리 정해진 제2 구간이 sync_full_num인 경우, 거리 판단부(522)는 sync_full_num 구간 중 sync_half_num 구간을 제외한 나머지 구간에서 수신되는 에너지의 크기를 기초로 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리를 판단할 수 있다.
심볼 시작점 검출부(523)는 에너지 송신단과 에너지 수신단의 시간 동기를 위해 각각의 심볼 구간 내에서 심볼의 시작점을 검출할 수 있다. 이 경우, 심볼 시작점 검출부(523)는 미리 정해진 제2 시간 구간 동안 수신되는 에너지를 기초로 심볼의 시작점을 검출할 수 있다.
심볼 시작점 검출부(523)는 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리에 따라 심볼의 시작점을 검출할 수 있다. 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 원거리인 경우, 심볼 시작점 검출부(523)에 포함된 포락선 검출부는 수신되는 신호의 포락선을 검출할 수 있다. 여기서, 포락선 검출부는 수신되는 에너지의 파형인 변조 신호에 대해 샘플링을 수행하여 포락선을 검출할 수 있다. 심볼 시작점 검출부(523)에 포함된 기울기 계산부는 검출된 포락선의 기울기를 계산할 수 있다. 기울기 계산부는 검출된 포락선에서 일정한 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산할 수 있다. 또한, 기울기 계산부는 검출된 포락선의 각 지점에서 접선의 기울기를 계산할 수 있다.
에너지를 송신하는 소스 공진기(미도시)와 에너지를 수신하는 타겟 공진기(510) 간에 상호 공진이 시작되는 시점에서 포락선의 기울기가 최대가 될 수 있다. 심볼 시작점 검출부(523)는 수학식 3을 이용하여 심볼의 시작점을 추정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013069890617-pat00003

여기서, signal_start_point는 심볼의 시작점(또는, 상호 공진 시작점)을 의미하고, i는 포락선의 지점을 의미하며, gap은 포락선의 두 지점 간의 일정한 간격을 의미한다. signal_start_point는 포락선에서 일정한 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기가 최대가 되는 경우의 i로 추정될 수 있다. 이에 따라, 심볼 시작점 검출부(523)는 계산된 포락선의 기울기가 최대가 되는 시점을 심볼의 시작점으로 검출할 수 있다.
소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 근거리인 경우, 심볼 시작점 검출부(523)는 수신되는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값과 최초로 같아지는 시점을 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다.
소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 근거리일 경우, 타겟 공진기(510)는 소스 공진기(미도시)로부터 빠른 속도로 많은 양의 에너지를 수신할 수 있고, 스위칭부(530)는 공진 주기 내에서도 온/오프를 반복할 수 있다. 이에 따라, 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510) 사이의 거리가 원거리일 경우와는 포락선의 파형이 상이하므로, 심볼의 시작점을 검출하기 위해 포락선의 기울기를 이용한다면, 부정확한 결과를 도출할 수 있다. 소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(510)가 상호 공진시 그렇지 않은 경우보다 많은 에너지가 송수신될 수 있다. 따라서, 심볼 시작점 검출부(523)는 상호 공진이 수행되는 시점의 에너지를 미리 정해진 제2 임계값으로 설정하여, 수신되는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값보다 같아지는 시점을 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다. 또한, 심볼 시작점 검출부(523)는 심볼 시작점 보정부를 포함할 수 있다. 심볼 시작점 보정부는 심볼의 시작점을 미리 정해진 시점만큼 보정할 수 있다. 예를 들어, 수신하는 에너지와 미리 정해진 제2 임계값이 같아지는 최초의 시점이 3㎲ 일 때, 심볼 시작점 검출부(523)는 심볼의 시작점을 3㎲로 추정할 수 있다. 경우에 따라서는, 수신하는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값과 같아지기 전부터 상호 공진은 수행될 수 있다. 이를 위해, 심볼 시작점 검출부가 미리 정해진 시점만금 검출된 심볼의 시작점을 보정함으로써, 심볼 시작점 검출부(523)는 보다 정확하게 심볼의 시작점을 검출할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 무선 에너지 수신 장치는 타겟 공진기(610), 제어부(미도시), 스위칭부(620) 및 부하단(650)을 포함할 수 있다. 부하단(650)은 캐패시터 및 부하를 포함할 수 있다. 스위칭부(620)는 제1 스위치(630) 및 제2 스위치(640)를 포함할 수 있다. 도 6에서, 제2 스위치(640)가 무선 에너지 수신 장치에 포함된 것으로 표현되었지만, 제2 스위치(640)는 무선 에너지 수신 장치에 포함되지 않을 수 있다. 제1 스위치(630)는 피모스(631) 및 다이오드(632)를 포함할 수 있다. 제2 스위치(640)는 엔모스일 수 있다.
피모스(631)의 게이트에 인가되는 게이트 입력 전압이 0V 일 때, 피모스(631)의 문턱 전압, 다이오드(632)의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합 이상의 전압이 피모스(631)의 소스에 인가될 경우, 피모스(631)가 온 상태가 된다. 따라서, 제1 스위치(630)는 normally on 상태를 유지할 수 있다. 타겟 공진기(610)에 피모스(631)의 문턱 전압, 다이오드(632)의 문턱 전압 및 부하단(540)에 인가되는 전압의 합 이상의 전압이 타겟 공진기(610)에 인가될 때, 타겟 공진기(610)에 유기된 에너지가 부하단(650)에 전달될 수 있다. 이에 따라, 아이들 리스닝(Idle listen) 상태에서도, 무선 에너지 수신 장치는 수신 대기 전력을 줄일 수 있다. 반면에, 엔모스의 게이트에 인가되는 게이트 입력 전압이 0V 일 때, 엔모스는 오프 상태가 되므로, 제2 스위치(640)는 normally off 상태를 유지할 수 있다.
소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(610) 사이의 거리가 원거리일 때, 타겟 공진기(610)는 상대적으로 낮은 에너지를 수신할 수 있고, 이에 따라 제1 스위치(630)는 오프 상태가 될 수 있다. 이 경우, 제어부(미도시)에 포함된 심볼 시작점 검출부는 수신되는 신호의 포락선을 검출하고, 검출된 포락선의 기울기를 계산할 수 있다. 제어부(미도시)는 계산된 포락선의 기울기가 최대가 되는 시점을 심볼의 시작점으로 검출할 수 있다.
소스 공진기(미도시)와 타겟 공진기(610) 사이의 거리가 근거리일 때, 타겟 공진기(610)는 상대적으로 빨리 많은 양의 에너지를 수신할 수 있고, 이에 따라 제1 스위치(630)는 공진 주기 내에서도 온/오프 상태를 반복할 수 있다. 이 경우, 제어부(미도시)에 포함된 심볼 시작점 검출부는 수신되는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값과 최초로 같아지는 시점을 심볼의 시작점으로 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 심볼 시작점 검출부는 검출된 심볼의 시작점을 미리 정해진 시점만큼 보정할 수 있다.
심볼 구간이 종료되고, 무선 에너지 수신 장치에는 잔존 에너지가 존재할 수 있다. 이 경우, 제2 스위치(640)가 온 상태가 되어 잔존 에너지를 GND로 제거할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치의 에너지 프레임 검출부 및 거리 판단부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 무선 에너지 수신 장치가 신호(또는, 에너지)(711 내지 713)를 수신할 때, 에너지 프레임 검출부는 에너지 프레임을 검출할 수 있다. 미리 정해진 제1 구간(721)이 sync_half_num인 경우, 에너지 프레임 검출부는 sync_half_num 구간(721) 내에서 수신하는 에너지의 크기의 합을 계산하고, 계산된 에너지의 합과 미리 정해진 기준값을 비교하여 에너지 프레임을 검출할 수 있다. 이 경우, 수신하는 에너지의 크기에 따라 에너지 프레임 검출부가 에너지 프레임을 검출하는 속도는 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 신호(711)의 경우, 신호의 크기가 크므로 수신하는 에너지의 크기의 합이 미리 정해진 기준값에 빠르게 도달할 수 있다. 제3 신호(713)의 경우, 신호의 크기가 작으므로, 수신하는 에너지의 크기의 합이 미리 정해진 기준값에 느리게 도달할 수 있다. 이에 따라, 에너지 프레임 검출부는 제1 신호(711)에 대해서는 에너지 프레임을 상대적으로 빠르게 검출할 수 있고, 제3 신호(713)에 대해서는 에너지 프레임을 상대적으로 느리게 검출할 수 있다.
에너지 프레임이 검출된 경우, 거리 판단부는 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리인지 또는 근거리인지 여부를 판단할 수 있다. 미리 정해진 제2 구간(722)이 sync_full_num인 경우, 거리 판단부는 sync_full_num 구간(722) 동안 수신되는 신호의 크기가 미리 정해진 제1 임계값(미도시)보다 크거나 같을 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리를 근거리로 판단할 수 있고, sync_full_num 구간(722) 동안 수신되는 신호의 크기가 미리 정해진 제1 임계값(미도시) 보다 작을 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리를 원거리로 판단할 수 있다.
또한, 거리 판단부는 sync_full_num 구간(722)의 후단(또는, 종단)에서 수신되는 에너지의 크기를 기초로 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리를 판단할 수 있다.
도 8a는 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치에서 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리일 경우에, 수신되는 신호의 포락선을 나타낸 그래프이다.
도 8a를 참조하면, 심볼 시작점 검출부는 수신되는 신호의 파형에서 검출된 포락선(800)에서, 일정한 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기를 계산할 수 있다. 도 8에는 네 가지의 기울기가 도시되어 있다. 네 가지 경우의 기울기들(810,820,830,840)을 비교해 보면, RI 시스템 상의 소스 공진기와 타겟 공진기가 상호 공진하기 시작하는 지점(start point)에서 기울기가 최대 값을 가짐을 알 수 있다. 포락선의 기울기가 최대인 경우, 일정한 간격을 가지는 두 지점 중 앞선 지점을 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다.
타겟 공진기에 저장된 에너지가 피크 값을 가지는 지점(Peak point)에서 저장된 에너지는 캡쳐될 수 있다. 심볼의 시작점과 피크 포인트 사이에서 타겟 공진기는 소스 공진기와 상호 공진할 수 있다.
도 8b는 도 8a의 경우에, 수신되는 신호의 포락선 및 포락선의 각 지점에서의 기울기 값을 나타낸 그래프이다.
도 8b를 참조하면, 에너지 수신단의 타겟 공진기에 인가되는 전압의 파형 및 포락선에서 상호 공진이 시작되는 점(850)과 Start Point Metric에서, 포락선의 기울기가 최대가 되는 점(860)이 일치함을 알 수 있다. 포락선의 기울기가 최대가 되는 점(860)은 심볼의 시작점(850)으로 추정될 수 있다. Start Point Metric은 도 8a의 포락선(800)에서, 일정한 간격을 가지는 두 지점 간의 기울기 값들을 나타낸 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 장치에서 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리일 경우에, 소스 공진기, 타겟 공진기 및 부하단의 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 소스 공진기(910)와 타겟 공진기(930) 사이의 거리가 근거리일 경우, 무선 에너지 수신 장치의 스위칭부는 공진 주기 내에서 온/오프를 반복할 수 있다. 스위칭부가 오프 상태인 경우, 소스 공진기(910)는 타겟 공진기(930)에 에너지를 전송하고, 타겟 공진기(930)는 소스 공진기(910)로부터 에너지를 수신한다. 타겟 공진기(930)가 에너지를 수신함에 따라 타겟 공진기에 인가되는 전압은 증가한다. 타겟 공진기(930)에 인가되는 전압이 스위칭부의 문턱 전압 및 부하단(920)에 인가되는 전압의 합과 같아질 때, 스위칭부는 온 상태가 된다.
스위칭부가 온 상태인 경우, 소스 공진기(910)는 타겟 공진기(930)로의 에너지의 전달을 중단하고, 타겟 공진기(930)는 부하단(920)으로 에너지를 전달한다. 이에 따라, 부하단에 인가되는 전압은 증가되고 타겟 공진기(930)에 인가되는 전압은 감소된다. 타겟 공진기(930)에 인가되는 전압이 스위칭부의 문턱 전압 및 부하단(920)에 인가되는 전압의 합보다 작아질 때, 스위칭부는 오프 상태가 된다. 온/오프가 반복됨에 따라, 소스 공진기(910), 타겟 공진기(930) 및 부하단(920)는 상술한 일련의 동작을 반복한다.
일 실시예에서, 미리 정해진 제2 임계값(940)이 설정된 경우, 제어부의 심볼 시작점 검출부는 타겟 공진기(930)에 인가되는 전압과 미리 정해진 제2 임계값(940)이 최초로 같아지는 시점을 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다. 시점(941)에서, 타겟 공진기(930)에 인가되는 전압과 미리 정해진 제2 임계값(940)이 최초로 같아지므로, 심볼 시작점 검출부는 시점(941)을 심볼의 시작점으로 추정할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 방법은 에너지 전송단에서 에너지 수신단으로 에너지를 전송하는 기준이 되는 심볼 구간에서, 소스 공진기와 타겟 공진기와의 공진을 통하여 에너지 전송단으로부터 프레임 단위로 에너지를 수신할 수 있다(1010).
또한, 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 방법은 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리를 기초로 심볼의 시작점을 검출하여 심볼 동기를 제어할 수 있다(1020).
도 10에 도시된 일 실시예에 따른 무선 에너지 수신 방법에는 도 1 내지 도 9를 통해 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 내용은 생략한다.
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 (20)

  1. 에너지 전송단에서 에너지 수신단으로 에너지를 전송하는 기준이 되는 심볼 구간에서, 소스 공진기와의 공진을 통하여 에너지 전송단으로부터 프레임 단위로 에너지를 수신하는 타겟 공진기;
    상기 타겟 공진기로부터 전력을 수신하는 부하단;
    상기 타겟 공진기와 상기 부하단의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부; 및
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하고, 상기 판단된 거리를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출하여 심볼 동기를 제어하는 제어부
    를 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    미리 정해진 제1 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 에너지 프레임을 검출하는 에너지 프레임 검출부;
    상기 에너지 프레임이 검출된 경우, 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 거리 판단부; 및
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리에 따라 상기 심볼의 시작점을 검출하는 심볼 시작점 검출부
    를 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 거리 판단부는,
    상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 크거나 같을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 근거리로 판단하고,
    상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 작을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 원거리로 판단하는 무선 에너지 수신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 거리 판단부는,
    상기 미리 정해진 제2 구간의 후단에서 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 무선 에너지 수신 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리인 경우,
    상기 심볼 시작점 검출부는,
    상기 수신되는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값과 최초로 같아지는 시점을 상기 심볼의 시작점으로 추정하는 무선 에너지 수신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 심볼 시작점 검출부는,
    상기 검출된 심볼의 시작점을 미리 정해진 시점만큼 보정하는 심볼 시작점 보정부
    를 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 수신되는 에너지의 포락선을 검출하는 포락선 검출부; 및
    상기 검출된 포락선의 기울기를 계산하는 기울기 계산부
    를 더 포함하고,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리인 경우,
    상기 심볼 시작점 검출부는,
    상기 계산된 포락선의 기울기가 최대가 되는 시점을 상기 심볼 시작점으로 추정하는 무선 에너지 수신 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 심볼 시작점 검출부는,
    상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출하는 무선 에너지 수신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 부하단은,
    상기 타겟 공진기에서 수신되는 에너지로 충전되는 부하; 및
    상기 타겟 공진기와 연결되면 상기 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경시키는 캐패시터
    를 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리인 경우, 상기 타겟 공진기와 상기 부하단의 연결을 오프하고,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리인 경우, 상기 심볼 구간 내에서 상기 타겟 공진기와 상기 부하단의 연결을 반복하여 온/오프하는 무선 에너지 수신 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 프레임은,
    상기 에너지 수신단이 상기 에너지 프레임을 수신하는데 필요한 사전 정보를 포함하는 프리앰블(Preamble), 상기 프리앰블의 시작을 나타내는 스타트 오브 프레임(Start of Frame: SoF), 제어 정보를 포함하는 에너지 프레임 헤더(Energy Frame Header: EFH), 상기 에너지 수신단이 수신하는 에너지를 포함하는 에너지 프레임 바디(Energy Frame Body: EFB) 및 상기 에너지 프레임 바디에 슈퍼-프레임 구조로 삽입된 데이터 프레임을 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 미리 정해진 제1 구간은,
    상기 미리 정해진 제2 구간에 포함되는 무선 에너지 수신 장치.
  13. 에너지 전송단에서 에너지 수신단으로 에너지를 전송하는 기준이 되는 심볼 구간에서, 소스 공진기와 타겟 공진기와의 공진을 통하여 에너지 전송단으로부터 프레임 단위로 에너지를 수신하는 단계; 및
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하고, 상기 판단된 거리를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출하여 심볼 동기를 제어하는 단계
    를 포함하는 무선 에너지 수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 심볼 동기를 제어하는 단계는,
    미리 정해진 제1 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 에너지 프레임을 검출하는 단계;
    상기 에너지 프레임이 검출된 경우, 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 단계; 및
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리에 따라 상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계
    를 포함하는 무선 에너지 수신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 단계는,
    상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 크거나 같을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 근거리로 판단하고,
    상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지의 크기가 미리 정해진 제1 임계값보다 작을 경우, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 원거리로 판단하는 무선 에너지 수신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 단계는,
    상기 미리 정해진 제2 구간의 후단에서 수신되는 에너지의 크기를 기초로 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리를 판단하는 무선 에너지 수신 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 근거리인 경우,
    상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는,
    상기 수신되는 에너지가 미리 정해진 제2 임계값과 최초로 같아지는 시점을 상기 심볼의 시작점으로 추정하는 무선 에너지 수신 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는,
    상기 검출된 심볼의 시작점을 미리 정해진 시점만큼 보정하는 단계
    를 포함하는 무선 에너지 수신 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 수신되는 에너지의 포락선을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 포락선의 기울기를 계산하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 거리가 원거리인 경우,
    상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는,
    상기 계산된 포락선의 기울기가 최대가 되는 시점을 상기 심볼의 시작점으로 추정하는 무선 에너지 수신 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 심볼의 시작점을 검출하는 단계는,
    상기 미리 정해진 제2 구간 동안 수신되는 에너지를 기초로 상기 심볼의 시작점을 검출하는 무선 에너지 수신 방법.
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