KR101949797B1 - 무선 전력을 이용한 통신 시스템 - Google Patents

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Abstract

무선 전력을 이용하여 통신을 수행하는 장치 및 시스템에 관한 것으로, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 타겟 공진기와, 자체 공진하는 소스 공진기 간의 상호 공진 여부를 심볼 주기 단위로 결정하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여 데이터를 변조한다. 또한, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 소스 공진기와, 자체 공진하는 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로부터 데이터를 수신하고, 상기 소스 공진기에 저장된 전력량에 기초하여 상기 데이터를 복조한다.

Description

무선 전력을 이용한 통신 시스템{COMMUNICATION SYSTEM USING WIRELESS POWER}
기술분야는 무선 전력을 이용하여 통신을 수행하는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 봉착 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. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 송수신 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다. 무선 전력을 전송하고 수신하는 과정에서 소스와 타겟은 제어 정보를 공유할 필요가 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 타겟 공진기와, 자체 공진하는 소스 공진기 간의 상호 공진 여부를 심볼 주기 단위로 결정하는 제어부 및 상기 상호 공진 여부에 기초하여 데이터를 변조하는 변조부를 포함한다.
상기 타겟 공진기는 인덕터 및 캐패시터를 포함하고, 다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 상호 공진을 통하여 상기 인덕터 및 상기 캐패시터에 전력을 충전하는 충전부, 상기 캐패시터에 충전된 전력을 부하에 전달하는 전력 전달부 및 상기 제어부의 결정에 따라, 상기 캐패시터를 상기 충전부 또는 상기 전력 전달부에 연결하는 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 제어부는 상기 상호 공진을 수행하기 위해, 상기 캐패시터가 상기 충전부와 연결되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
상기 타겟 공진기는 인덕터 및 캐패시터를 포함하고, 다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 상호 공진을 통하여 상기 인덕터 및 상기 캐패시터에 전력을 충전하는 충전부, 상기 인덕터 및 상기 캐패시터에 충전된 전력을 부하에 전달하는 전력 전달부 및 상기 제어부의 결정에 따라, 상기 충전부와 상기 전력 전달부를 연결하는 스위치의 온/오프를 제어하는 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 심볼 주기 단위로 상기 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경하고, 상기 공진 주파수의 변경 후, 소정 시간 내에 상기 타겟 공진기에 충전된 전력을 채득(capture)할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 상호 공진이 종료하는 경우, 상기 타겟 공진기에 충전된 전력량에 기초하여 데이터를 복조하는 복조부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간에 상호 공진하는 타이밍을 제어할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 포락선을 검출하는 포락선 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전류 또는 상기 전압을 입력으로 하여 포락선 검출용 아날로그 회로의 출력으로부터 상기 포락선을 획득할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성하는 하향 변환부, 상기 하향 변환된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부, 상기 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부 및 상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부를 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부, 상기 주파수 영역 신호를 소정의 주파수만큼 순환 이동(circular shift)시키는 순환 이동부, 상기 순환 이동된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부 및 상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부를 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성하는 하향 변환부 및 시간 영역에서 컨볼루션을 통해 상기 하향 변환된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여, 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 소스 공진기와, 자체 공진하는 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로부터 데이터를 수신하는 수신부 및 상기 소스 공진기에 저장된 전력량에 기초하여 상기 데이터를 복조하는 복조부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 상기 소스 공진기를 충전하는 전력 충전부 및 상기 소스 공진기에 충전되는 전력량을 조절하고, 상기 충전된 전력량에 기초하여 데이터를 변조하는 변조부를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 심볼 주기 내에서 상기 소스 공진기를 충전하는 타이밍을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 복조부는 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간에 상호 공진하는 경우에 상기 소스 공진기에 저장된 전력량과, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간에 상호 공진하지 않는 경우에 상기 소스 공진기에 저장된 전력량을 비교하여, 상기 데이터를 복조할 수 있다.
상기 복조부는 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간에 상호 공진 여부에 기초하여 상기 데이터를 복조할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 상기 소스 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 포락선을 검출하는 포락선 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 복조부는 상기 검출된 포락선과 소정의 값을 비교하여, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부를 판단하고, 상기 상호 공진 여부에 기초하여 상기 데이터를 복조할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전류 또는 상기 전압을 입력으로 하여 포락선 검출용 아날로그 회로의 출력으로부터 상기 포락선을 획득할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성하는 하향 변환부, 상기 하향 변환된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부, 상기 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부 및 상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부를 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 이산 푸리에 변환 또는 고속 푸리에 변환하여 주파수 영역 신호로 변환하는 변환부, 상기 주파수 영역 신호를 소정의 주파수만큼 순환 이동(circular shift)시키는 순환 이동부, 상기 순환 이동된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부 및 상기 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환 또는 고속 푸리에 역변환하여 시간 영역 신호로 변환하는 역변환부를 포함할 수 있다.
상기 포락선 검출부는 상기 전압 또는 상기 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성하는 하향 변환부 및 시간 영역에서 컨볼루션을 통해 상기 하향 변환된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여, 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 필터링부를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 타겟 공진기와, 자체 공진하는 소스 공진기 간의 상호 공진 여부를 심볼 주기 단위로 결정하는 제어부, 상기 상호 공진 여부에 기초하여 데이터를 변조하는 변조부, 상기 소스 공진기와, 자체 공진하는 상기 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 상기 타겟 공진기로부터 데이터를 수신하는 수신부 및 상기 소스 공진기에 저장된 전력량에 기초하여 상기 데이터를 복조하는 복조부를 포함한다.
도 1은 일실시예에 따른 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 캐패시터 및 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 전력 충전부와 전송부, 충전부와 전력 출력부가 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 강하게 커플링 된(Strongly coupled) 무선 전력 전송 시스템의 자연 응답(natural response)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 약하게 커플링 된(Weakly coupled) 무선 전력 전송 시스템의 자연 응답(natural response)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 수신단의 블록도이다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 송신단의 블록도이다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 송신단에서 전송한 데이터 및 수신단에서 수신한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일실시예에 따른 캐패시터의 전압 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 상호 공진을 통하여 수신단에서 송신단으로 데이터를 전송하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 전류 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 상호 공진을 통하여 수신단에서 송신단으로 데이터를 전송하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 강하게 커플링 된 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 커플링 된 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 일실시예에 따른 포락선 검출용 아날로그 회로를 나타낸 도면이다.
도 13은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 커플링 된 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답과 포락선을 나타낸 그래프이다.
도 14는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 커플링 된 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답을 주파수 영역에서 나타낸 그래프이다.
도 15는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 디지털 프로세싱을 통해 포락선을 검출하는 과정을 나타낸 도면이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일 측면에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 무선 전력 전송을 필요로 하는 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 핸드폰 또는 wireless TV 등 무선 전력 전송을 사용하는 시스템에서, 송수신단 간의 제어 정보 및 기타 정보 교환에 이용될수 있다. 또한, 바이오 헬스 케어(bio health care) 분야에 응용이 가능하여, 인체에 삽입된 디바이스에 원격으로 전력을 전송하거나, 심박수 측정을 위한 붕대 타입의 디바이스에 무선으로 전력을 전송하는데 응용될 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 전원 소스가 없는 정보 저장 장치의 원격 제어에 응용될 수 있다. 일 측면에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 정보 저장 장치에 원격으로 장치를 구동할 수 있는 전력을 공급함과 동시에, 무선으로 저장 장치에 저장된 정보를 불러오는 시스템에 응용될 수 있다.
무선 전력을 이용한 통신 시스템은 신호의 발생을 위해 전원 공급 장치로부터 에너지를 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 현성에 의해 에너지를 전달받는 공진기를 의미한다.
도 1은 일실시예에 따른 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 캐패시터 및 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치는 전력 입력부(110), 전력 전송부(120) 및 스위치부(130)를 포함한다. 전력 입력부(110)는 전원 공급 장치를 이용하여 캐패시터에 에너지를 저장한다. 스위치부(130)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 전력 입력부(110)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 방전하는 동안에는 전력 입력부(110)에 연결되었던 캐패시터를 전력 전송부(120)에 연결한다. 스위치부(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)의 송신 코일(L1)은 수신부(130)의 수신 코일(L2)과의 상호 공진을 통해 전력을 전달한다. 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2) 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 전력 전송부(120)에 대응하는 물리적 성질을 반영하여, 기초 회로 소자(R1, L1, C1)로, 스위치부(130)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 스위치로는 온/오프 기능을 수행할 수 있는 능동소자가 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 전력 수신 장치는 수신부(140), 전력 출력부(150) 및 스위치부(160)를 포함한다. 수신부(140)는 전력 전송부(120)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 수신부(140)는 수신한 전자기 에너지를 연결된 캐패시터들에 저장한다. 스위치부(160)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 수신부(140)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 부하에 전달하는 동안에는 수신부(140)에 연결되었던 캐패시터를 전력 출력부(150)에 연결한다. 스위치부(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 수신부(140)에 대응하는 물리적 성질을 기초 회로 소자(R2, L2, C2)로, 전력 출력부(150)는 연결되는 캐패시터(C2) 및 배터리로, 스위치부(160)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 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), 수신부(140)와 전력 출력부(150)를 물리적으로 분리하여 전력을 전송하는 이른바 RI(Resonator Isolation) 시스템은 임피던스 매칭을 사용한 기존의 방식에 비하여 여러 가지의 장점을 가진다. 첫째, DC 전원으로부터 소스 공진기에 직접 전력 공급이 가능하기 때문에, 전력 증폭기를 사용하지 않을 수 있다. 둘째, 수신단의 캐패시터에 충전된 전력에서 에너지를 채득(capture)하기 때문에, 정류기를 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 전력을 이용한 통신 시스템으로의 확장이 용이하다.
도 2는 일실시예에 따른 전력 충전부와 전송부, 충전부와 전력 출력부가 스위치에 의하여 물리적으로 분리된 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치는 전력 충전부(210), 제어부(220) 및 전송부(230)를 포함할 수 있다. 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 인가될 수 있다. 정상 상태에 도달하게 되면, 캐패시터(C1)에 인가되는 전압은 0이되고, 인덕터(L1)에 흐르는 전류 는 Vin/ Rin의 값을 가지게 된다. 정상 상태에서 인덕터(L1)에는 인가되는 전류를 통하여 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 설정될 수 있다. 전력 충전부(210)와 전송부(230)는 분리된다. 이때, 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)간에 자체 공진을 시작한다. 상호 인덕턴스 M(270)를 고려한, 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.
Figure 112017098925308-pat00001
Figure 112017098925308-pat00002
무선 전력 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 발생할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 온(on)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(250)에 설정될 수 있다. 스위치가 온 되면, 캐패시터(CL)이 연결되어, 타겟 공진기의 공진 주파수가 변경된다.
Figure 112017098925308-pat00003
따라서, 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.
제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값 미만의 값을 갖게되면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 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 감소를 예방할 수 있다.
도 1의 경우와 비교하여, 캐패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식에 비해 타겟 공진기에 저장된 에너지의 채득(capture) 시점을 제어하는 것이 좀 더 용이하다. 캐패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식은 캐패시터에 충전된 에너지만 채득을 할 수 있지만, 공진 주파수를 변경하여 에너지를 채득하는 방식은 타겟 공진기의 인덕터 및 캐패시터에 저장된 에너지를 채득하므로, 에너지의 채득 시점에 대한 자유도가 향상된다.
도 3은 강하게 커플링 된(Strongly coupled) 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 자연 응답(natural response)을 나타낸 그래프이다.
무선 전력을 이용한 통신 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 소스는 소스 공진기에 저장하는 에너지의 양을 조절하여 데이터를 전송할 수 있다. 즉, 소스는 양자화된 에너지를 이용하여 데이터를 전송할 수 있다. 타겟은 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 저장되는 에너지의 양에 기초하여 데이터를 수신할 수 있다. 즉, 타겟은 양자화 된 에너지에 맵핑된 데이터를 수신할 수 있다. 또한, 타겟은 타겟 공진기에 저장하는 에너지의 양을 조절하여 데이터를 전송할 수 있다. 그런데, 이때 타겟은 데이터의 전송을 위해 타겟 공진기에 저장하는 에너지의 양을 소스로부터 수신하는 에너지의 양보다 작게 유지해야 한다. 왜냐하면, 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 타겟은 별도의 전원 공급 장치로부터 에너지의 공급 없이 소스로부터 에너지를 수신함을 전제로 하기 때문이다.
이렇게 소스 공진기로부터 타겟 공진기에 유도된 에너지의 양을 조절하여 데이터를 변조하는 방식을 유도 에너지 변조 방식이라고 부를 수 있다.
유도 에너지 변조 방식에서는 소스와 타겟 간의 거리가 멀어짐에 따라 타겟이 소스로 전송하는 데이터에서 에러가 발생할 확률이 높아진다. 상호 공진을 이용하는 무선 전력 전송 시스템에서는 소스와 타겟 간의 거리가 멀어짐에 따라 에너지의 전송 효율이 급격하게 감소한다. 즉, 소스에서 전송하는 에너지 중 타겟에서 수신하는 에너지가 크게 감소하는 것을 의미한다. 이런 상황에서, 타겟이 소스로 에러 없이 데이터를 전송하기 위해서는 소스로부터 수신한 에너지 보다 더 많은 에너지가 필요할 수 있다. 그런데 타겟은 소스로부터만 에너지를 수신하므로, 타겟이 전송하는 데이터에서 에러가 발생할 확률이 높아진다.
또한, 소스와 타겟 간의 거리가 멀어짐에 따라 맥놀이 현상이 발생하지 않는다. 즉, 소스와 타겟 간에 데이터 전송을 위한 한 심볼의 주기 안에서 소스 공진기에 저장된 에너지 또는 타겟 공진기에 저장된 에너지가 완전히 방전되지 않음을 의미한다. 소스 공진기에 잔존하는 에너지로 인하여, 타겟으로부터 수신한 데이터에 에러가 발생할 수 있다. 타겟 공진기에 잔존하는 에너지로 인하여, 소스로부터 수신한 데이터에 에러가 발생할 수 있다.
커플링의 정도는 커플링 계수 값 k에 의해 결정되고, k는 거리의 함수이다. 따라서, k는 소스와 타겟 간의 거리가 멀어짐에 따라 작아진다. 도 3은 소스와 타겟 간에 강하게 커플링 경우를 나타낸다. 도 3을 참조하면, Input은 소스 공진기에서 전송되는 전력을 나타내고, Output은 타겟 공진기에 전달되는 전력을 나타낸다. 커플링이 강한 경우에는 Input 값과 Output 값이 주기적으로 크고 작아지는 맥놀이 현상이 발생한다.
도 4는 약하게 커플링 된(Weakly coupled) 무선 전력을 이용한 통신 시스템의 자연 응답(natural response)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 소스와 타겟 간에 약하게 커플링 경우를 나타낸다. 도 4를 참조하면, Input은 소스 공진기에서 전송되는 전력을 나타내고, Output은 타겟 공진기에 전달되는 전력을 나타낸다. 커플링이 약한 경우에는 Input 값과 Output 값이 주기적으로 크고 작아지는 맥놀이 현상이 발생하지 않는다. 또한, 타겟 공진기에서 유도되는 에너지의 양이 줄어든다. 따라서, 데이터 전송 심볼 주기 안에서 소스 공진기에 저장된 전력 및 타겟 공진기에 저장된 전력이 완전히 방전될 수 없다. 이 경우에 소스 및 타겟이 유도 에너지 변조 방식을 사용하면, 데이터 전송에 에러가 발생할 확률이 높다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 수신단의 블록도이다.
일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 수신단은 무선 전력을 이용한 통신 장치로 불리 울 수 있다. 이하의 설명에서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 무선 전력을 수신하는 수신단을 의미한다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치는 충전부(510), 스위치 제어부(520), 전력 전달부(530), 제어부(540), 변조부(550), 복조부(560) 및 포락선 검출부(570)를 포함할 수 있다.
수신단의 타겟 공진기는 인덕터 및 캐패시터로 구성될 수 있다. 충전부(510)는 상호 공진을 통하여 타겟 공진기의 인덕터 및 타겟 공진기의 캐패시터에 전력을 충전할 수 있다.
제어부(540)는 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진 여부를 심볼 주기 단위로 결정할 수 있다. 심볼 주기는 하나의 데이터 정보를 전송하는데 필요한 시간을 의미할 수 있다. 예를 들면, 1비트를 전송하는데 필요한 시간을 의미할 수 있다. 자체 공진하는 타겟 공진기와 동일한 공진 주파수로 자체 공진하는 소스 공진기가 소정 거리만큼 가까워지면 상호 공진이 발생할 수 있다. 제어부(540)는 타겟 공진기가 소스 공진기와 동일한 공진 주파수에서 자체 공진 하도록 인덕터 및 캐패시터의 연결을 조절할 수 있다. 제어부(540)는 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경하여 소스 공진기와의 상호 공진 여부를 제어할 수 있다.
제어부(540)의 결정에 따라 타겟 공진기는 특정 심볼 주기에서 소스 공진기와 상호 공진 할 수 있고, 다른 심볼 주기에서 소스 공진기와 상호 공진하지 않을 수 있다. 제어부(540)의 결정은 수신단에서 전송하려는 데이터에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 데이터 10111을 전송하고 싶은 경우에, 제어부(540)는 1을 전송하는 경우에는 타겟 공진기가 소스 공진기와 상호 공진 하도록 결정할 수 있고, 0을 전송하는 경우에는 타겟 공진기가 소스 공진기와 상호 공진을 하지 않도록 결정할 수 있다. 물론, 반대로 제어부(540)는 1을 전송하는 경우에 상호 공진을 하지 않도록 결정하고, 0을 전송하는 경우에 상호 공진 하도록 결정할 수도 있다. 수신단에서 타겟 공진기와 소스 공진기 간에 상호 공진하는 경우에 1을 전송하는 것인지, 0을 전송하는 것인지는 수신단과 송신단 간에 미리 약속으로 설정될 수 있다.
또한, 제어부(540)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진하는 타이밍을 제어할 수 있다. 제어부(540)는 심볼 주기 내에서 상호 공진 타이밍을 제어하여, 상호 공진 타이밍의 정도에 따라 데이터를 구별하여 전송할 수 있다.
캐패시터의 전압 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서, 스위치 제어부(520)는 제어부(540)의 결정에 따라, 캐패시터를 충전부(510) 또는 전력 전달부(530)에 연결하는 스위치를 제어할 수 있다. 캐패시터의 전압 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 도 1과 같은 구조를 가질 수 있다. 스위치 제어부(520)는 상호 공진을 수행하기 위해, 캐패시터가 충전부(510)와 연결되도록 스위치를 제어할 수 있다. 전력 전달부(530)는 캐패시터에 충전된 전력을 부하에 전달할 수 있다. 이때, 스위치 제어부(520)는 캐패시터가 부하에 연결되도록 스위치를 제어할 수 있다.
전류 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서, 스위치 제어부(520)는 제어부(540)의 결정에 따라, 충전부(510)와 전력 전달부(530)를 연결하는 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다. 전류 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 도 2과 같은 구조를 가질 수 있다. 스위치 제어부(520)는 상호 공진을 수행하기 위해, 충전부(510)와 전력 전달부(530)를 연결하는 스위치를 오프(off) 시킬 수 있다. 전력 전달부(530)는 인덕터 및 캐패시터에 충전된 전력을 부하에 전달할 수 있다. 이때, 스위치 제어부(520)는 충전부(510)와 전력 전달부(530)를 연결하는 스위치를 온(on) 시킬 수 있다.
제어부(540)는 심볼 주기 단위로 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경할 수 있다. 제어부(540)는 타겟 공진기에 추가적으로 캐패시터를 연결하여 타겟 공진기의 공진 주파수를 변경할 수도 있다. 또한, 제어부(540)는 타겟 공진기를 구성하는 캐패시터가 복수인 경우, 소정의 캐패시터의 전기적 연결을 끊음으로써 공진 주파수를 변경할 수도 있다.
제어부(540)는 공진 주파수의 변경 후, 소정 시간 내에 타겟 공진기에 충전된 전력을 채득(capture)할 수 있다. 제어부(540)는 채득한 전력의 량에 기초하여 타겟 공진기에서 수신한 데이터를 인식할 수 있다. 또한, 제어부(540)는 채득한 전력이 부하로 전달되도록 스위치 제어부(520)를 제어할 수 있다.
변조부(550)는 타겟 공진기와 소스 공진기 간의 상호 공진 여부에 기초하여 데이터를 변조할 수 있다. 즉, 변조부(550)는 상호 공진을 하는 경우와, 상호 공진을 하지 않는 경우에 각각 데이터를 할당할 수 있다. 데이터는 제어부(540)로부터 제공될 수 있다. 또한, 변조부(550)는 타겟 공진기와 소스 공진기 간에 상호 공진하는 타이밍에 따라 데이터를 변조할 수 있다. 예를 들면, 변조부(550)는 상호 공진하는 타이밍이 길고 짧음에 따라 데이터를 변조할 수도 있다.
복조부(560)는 심볼 주기 단위로 타겟 공진기에 충전된 전력량에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다. 송신단에서 소스는 심볼 주기 단위로 소스 공진기에 충전되는 전력량을 조절하여 데이터를 변조할 수 있다. 복조부(560)는 심볼 주기 단위로, 타겟 공진기에 충전된 전력량에 매칭되는 데이터를 복조할 수 있다. 충전된 전력량과 데이터의 맵핑 관계는 제어부(540)에 기 설정될 수 있다. 또한, 맵핑 관계에 대한 정보는 송신단과 수신단 간에 미리 공유될 수 있다.
타겟 공진기에 충전된 전력량의 검출은 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링을 통해 이루어질 수 있다. 그런데 정확한 전력량의 검출을 위해서는 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트(sampling rate)가 타겟 공진기의 공진 주파수보다 충분히 빨라야 한다. 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트가 빨라지면, 아날로그-디지털 변환기 자체의 전력 소모가 크고, 에너지 전송 효율과 데이터 전송 효율이 전적으로 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트 및 양자화 비트(quantization bit) 수의 영향을 받게 된다. 포락선 검출부(570)는 적정한 빠르기의 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트를 사용하면서도, 정확하게 타겟 공진기에 충전된 전력량을 검출할 수 있다.
포락선 검출부(570)는 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 포락선을 검출할 수 있다. 이때, 포락선 검출부(570)는 포락선 검출용 아날로그 회로를 이용할 수 있다. 포락선 검출용 아날로그 회로는 타겟 공진기에 인가된 전류 또는 타겟 공진기에 인가된 전압을 입력으로 하여, 상기 전류 또는 상기 전압의 포락선을 출력할 수 있다.
포락선 검출부(570)는 하향 변환부(571), 변환부(573), 순환 이동부(575), 필터링부(577) 및 역변환부(579)를 포함할 수 있다.
하향 변환부(571)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성할 수 있다. 이때, 특정 신호 파형들에는 공진 주파수의 사인(sine) 파형, 코사인(cosine) 파형 및 지수형(exponential) 파형이 포함될 수 있다. 하향 변환 방식은 일반적으로 통신에서 사용하는 방식이 사용될 수 있다. 예를 들면, 하향 변환부(571)는 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 기저대역으로 하향 변환할 수도 있다. 변환부(573)는 하향 변환된 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 또는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)하여 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다. 필터링부(577)는 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 하모닉 성분은 주파수 영역 신호에 포함된 노이즈 성분을 의미할 수 있다. 역변환부(579)는 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환(Inverse DFT, IDFT) 또는 고속 푸리에 역변환(Inverse FFT, IFFT)하여 시간 영역 신호로 변환할 수 있다. 이때, 변환된 시간 영역 신호는 타겟 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다.
또한, 변환부(573)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 이산 푸리에 변환(DFT) 또는 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다. 순환 이동부(575)는 주파수 영역 신호를 소정의 주파수만큼 순환 이동(circular shift)시킬 수 있다. 예를 들면, 순환 이동부(575)는 주파수 영역 신호를 기저대역으로 순환 이동시킬 수 있다. 순환 이동부(575)는 주파수 영역 신호를 소정 주파수만큼 순환 이동함으로써, 필터링부(577)가 필터링을 수월하게 할 수 있다. 필터링부(577)는 순환 이동된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 역변환부(579)는 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환(IDFT) 또는 고속 푸리에 역변환(IFFT)하여 시간 영역 신호로 변환할 수 있다. 이때, 변환된 시간 영역 신호는 타겟 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다.
또한, 하향 변환부(571)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성할 수 있다. 필터링부(577)는 시간 영역에서 컨볼루션(convolution)을 통해 상기 하향 변환된 신호에 저역 통과 필터링을 수행할 수 있고, 이로부터 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 필터링부(577)는 주파수 영역뿐만 아니라 시간영역에서도 저역 통과 필터링을 수행할 수 있다. 이때, 하모닉 성분이 제거된 신호는 타겟 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다.
그 밖에, 포락선 검출부(570)는 디지털 영역(digital domain)에서의 다양한 신호 처리 기법을 이용하여 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 포락선을 검출할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 송신단의 블록도이다.
일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 송신단은 무선 전력을 이용한 통신 장치로 불리 울 수 있다. 이하의 설명에서, 무선 전력을 이용한 통신 장치는 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 무선 전력을 전송하는 송신단을 의미한다.
도 6을 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 장치는 전력 충전부(610), 제어부(620), 수신부(630), 변조부(640), 복조부(650) 및 포락선 검출부(660)를 포함할 수 있다.
전력 충전부(610)는 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 소스 공진기를 충전한다. 제어부(620)는 심볼 주기 내에서 소스 공진기에 충전되는 전력량을 조절할 수 있다. 데이터는 소스 공진기에 충전되는 전력량에 따라 구별되어 할당될 수 있다. 또한, 제어부(620)는 심볼 주기 내에서 소스 공진기를 충전하는 타이밍을 조절할 수 있다. 소스 공진기를 충전하는 타이밍에 따라 소스 공진기에 충전되는 전력량이 달라질 수 있다.
수신부(630)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 데이터를 수신한다. 이때, 소스 공진기에 저장되어 있는 에너지는 타겟 공진기와의 상호 공진 여부에 따라 감쇄율이 변화할 수 있다. 상호 공진을 하는 경우에 소스 공진기와 타겟 공진기는 에너지를 주고 받으므로, 소스 공진기에 저장된 에너지의 감쇄율의 변화는 상대적으로 상호 공진을 하지 않는 경우보다 크다. 상호 공진을 하지 않는 경우에, 소스 공진기는 타겟 공진기에 에너지를 전달하지 못하므로, 소스 공진기에 저장된 에너지는 자연 감쇄율에 따라 감쇄할 수 있다. 수신부(630)는 상호 공진 여부에 따라 할당된 데이터를 수신할 수 있다.
변조부(640)는 소스 공진기에 충전되는 전력량을 조절하고, 소스 공진기에 충전된 전력량에 기초하여 데이터를 변조할 수 있다. 충전된 전력량에 따라 데이터가 할당될 수 있다. 충전된 전력량과 데이터의 맵핑 관계는 제어부(620)에 기 설정될 수 있다.
복조부(650)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다. 예를 들면, 수신단에서 타겟은 상호 공진 하는 경우를 1로, 상호 공진 하지 않는 경우를 0으로 하여, 10111을 전송할 수 있다. 복조부(650)는 소스 공진기의 상호 공진 여부를 식별하여 10111을 복조할 수 있다.
복조부(650)는 소스 공진기에 저장된 전력량에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다. 소스 공진기에 저장된 전력량은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부에 따라 달라질 수 있다. 복조부(650)는 심볼 주기 단위로 소스 공진기에 저장된 전력량에 따라 데이터를 복조할 수 있다. 복조부(650)는 상호 공진하는 경우에 소스 공진기에 저장된 전력량과 상호 공진 하지 않는 경우에 소스 공진기에 저장된 전력량의 차이를 식별하고, 상기 식별에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다.
복조부(650)는 소스 공진기에 저장된 전력의 변화량에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다. 복조부(650)는 상호 공진하는 경우에는 저장된 전력의 변화량이 크고, 상호 공진하지 않는 경우에는 저장된 전력의 변화량이 상대적으로 크기 않음을 이용할 수 있다.
복조부(650)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진하는 타이밍에 기초하여 데이터를 복조할 수도 있다. 복조부(650)는 상호 공진하는 타이밍의 길고 짧음에 따라 데이터를 복조할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부에 대한 식별은 타겟 공진기에 인가되는 전류 또는 전압에서 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링을 통해 이루어질 수 있다. 그런데 정확한 식별을 위해서는 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트(sampling rate)가 소스 공진기의 공진 주파수보다 충분히 빨라야 한다. 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트가 빨라지면, 아날로그-디지털 변환기 자체의 전력 소모가 크고, 에너지 전송 효율과 데이터 전송 효율이 전적으로 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트 및 양자화 비트(quantization bit) 수의 영향을 받게 된다. 포락선 검출부(660)는 검출되는 포락선을 통하여 적정한 빠르기의 아날로그-디지털 변환 샘플링 레이트를 사용하면서도, 정확하게 상호 공진 여부를 식별하게 할 수 있다.
포락선 검출부(660)는 소스 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 포락선을 검출할 수 있다. 복조부(650)는 검출된 포락선과 소정의 값을 비교하여, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 여부를 판단하고, 상호 공진 여부에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다. 복조부(650)는 심볼 주기 단위로 검출된 포락선들의 감쇄율들을 비교하여, 데이터를 복조할 수 있다. 예를 들면, 복조부(650)는 검출된 포락선의 감쇄율이 상대적으로 큰 경우를 상호 공진하는 경우로 판단하고, 검출된 포락선의 감쇄율이 상대적으로 작은 경우를 상호 공진하지 않는 경우로 판단할 수 있다.
포락선 검출부(660)는 포락선 검출용 아날로그 회로를 이용할 수 있다. 포락선 검출용 아날로그 회로는 소스 공진기에 인가된 전류 또는 소스 공진기에 인가된 전압을 입력으로 하여, 상기 전류 또는 상기 전압의 포락선을 출력할 수 있다.
또한, 포락선 검출부(660)는 디지털 영역(digital domain)에서 신호 처리를 통하여 포락선을 검출할 수 있다. 이때, 포락선 검출부(660)는 하향 변환부(661), 변환부(663), 순환 이동부(665), 필터링부(667) 및 역변환부(669)를 포함할 수 있다.
하향 변환부(661)는 소스 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성할 수 있다. 이때, 특정 신호 파형들에는 공진 주파수의 사인(sine) 파형, 코사인(cosine) 파형 및 지수형(exponential) 파형이 포함될 수 있다. 하향 변환 방식은 일반적으로 통신에서 사용하는 방식이 사용될 수 있다. 변환부(663)는 하향 변환된 신호를 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 또는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)하여 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다. 필터링부(667)는 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 하모닉 성분은 주파수 영역 신호에 포함된 노이즈 성분을 의미할 수 있다. 역변환부(669)는 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환(Inverse DFT, IDFT) 또는 고속 푸리에 역변환(Inverse FFT, IFFT)하여 시간 영역 신호로 변환할 수 있다. 이때, 변환된 시간 영역 신호는 소스 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다.
또한, 변환부(663)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 이산 푸리에 변환(DFT) 또는 고속 푸리에 변환(FFT)하여 주파수 영역 신호로 변환할 수 있다. 순환 이동부(665)는 주파수 영역 신호를 소정의 주파수만큼 순환 이동(circular shift)시킬 수 있다. 예를 들면, 순환 이동부(665)는 주파수 영역 신호를 기저대역으로 순환 이동시킬 수 있다. 순환 이동부(665)는 주파수 영역 신호를 소정 주파수만큼 순환 이동함으로써, 필터링부(667)가 필터링을 수월하게 할 수 있다. 필터링부(667)는 순환 이동된 신호에 저역 통과 필터링을 수행하여 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 역변환부(669)는 하모닉 성분이 제거된 신호를 이산 푸리에 역변환(IDFT) 또는 고속 푸리에 역변환(IFFT)하여 시간 영역 신호로 변환할 수 있다. 이때, 변환된 시간 영역 신호는 소스 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다.
또한, 하향 변환부(661)는 타겟 공진기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 아날로그-디지털 변환(ADC) 샘플링 된 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱하여 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성할 수 있다. 필터링부(667)는 시간 영역에서 컨볼루션(convolution)을 통해 상기 하향 변환된 신호에 저역 통과 필터링을 수행할 수 있고, 이로부터 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성할 수 있다. 필터링부(667)는 주파수 영역뿐만 아니라 시간영역에서도 저역 통과 필터링을 수행할 수 있다. 이때, 하모닉 성분이 제거된 신호는 소스 공진기에 인가되는 전류 파형 또는 전압 파형의 포락선을 나타낸다.
그 밖에, 포락선 검출부(660)는 디지털 영역(digital domain)에서의 다양한 신호 처리 기법을 이용하여 소스 공진기에 인가되는 전류 또는 전압의 파형에서 포락선을 검출할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 송신단에서 전송한 데이터 및 수신단에서 수신한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 송신단(Tx)은 소스 공진기에 저장되는 에너지를 조절하여 데이터를 전송하고, 수신단(Rx)은 타겟 공진기에 저장되는 에너지에 따라 데이터를 수신한다.
송수신단 간에는 사전에 약속된 n+1개의 에너지 레벨이 있고, 각각의 에너지 레벨에는 데이터가 할당될 수 있다. 송신단에서는 하나의 심볼 주기에서 log(n+1) 비트의 정보를 전송할 수 있다.
소스 공진기에 저장된 에너지는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 타겟 공진기에 전달될 수 있다. Ts는 소스 공진기가 상호 공진의 준비를 위해 필요한 시간으로, 도 1에서 소스 공진기에 캐패시터가 연결되는데 필요한 시간, 도 2에서는 전원 공급 장치와 소스 공진기를 연결하는 스위치가 오프(off) 되는데 필요한 시간을 의미할 수 있다. Tp -Tf 시간 동안 소스 공진기에 저장된 에너지는 타겟 공진기로 모두 전달될 수 있다. Tp -Tf 시점에서 수신단(Rx)은 타겟 공진기의 상호 공진을 종료하고, 타겟 공진기에 저장된 에너지에 기초하여 수신한 데이터를 복조할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 캐패시터의 전압 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 상호 공진을 통하여 수신단에서 송신단으로 데이터를 전송하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 송신단은 캐패시터(C1)에 전압을 인가하여 전력을 충전(Charging)하고, 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 구성된 소스 공진기를 통하여 캐패시터(C1)에 충전된 전력을 방전(Discharging)할 수 있다. 송신단은 스위치(SW1)를 통하여 충전(Charging)과 방전(Discharging)을 조절할 수 있다. 소스 공진기는 타겟 공진기와의 커플링(Coupling)을 통하여 캐패시터(C1)에 충전된 전력을 타겟 공진기에 전달할 수 있다. 여기서 커플링은 상호 공진을 의미할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간의 커플링은 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
타겟 공진기는 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)로 구성된다. 타겟 공진기는 커플링(Coupling)을 통하여 소스 공진기로부터 전력을 전달받는다. 이때, 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)에 전력이 충전된다. 수신단은 캐패시터(C2)에 충전된 전력을 채득(Capturing)하여, 부하(LOAD)로 전달할 수 있다. 수신단은 스위치(SW2)를 통하여 커플링(Coupling)과 채득(Capturing)을 조절할 수 있다. 수신단은 인덕터(L2)에 연결된 스위치(SW2)를 오프(off)하고 부하로 연결하여, 소스 공진기와의 커플링을 종료시킬 수 있다.
송신단은 하나의 심볼 주기(Symbol duration)에서 스위치(SW1)를 제어하여, 충전(Charging)과 방전(Discharging)을 수행한다. 이때, 수신단은 스위치(SW2)를 제어하여 커플링(Coupling)여부를 결정할 수 있다. 수신단은 송신단의 방전 시점 이전에, 송신단과 수신단의 커플링 타임을 동기화하는데 필요한 마진(Synch. Margin)을 확보한다. 수신단은 심볼 주기 단위로 커플링(810)을 수행할 수도 있고, 채득(820)을 수행할 수도 있다. 수신단은 커플링 여부에 따라 데이터를 변조하여 전송할 수 있다. 이때, 커플링 여부에 따라 소스 공진기에 저장된 전력의 자연 응답은 서로 다른 파형을 가지므로, 송신단은 커플링 여부를 구별하여 수신단에서 전송한 데이터를 복조할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 전류 충전을 활용한 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 상호 공진을 통하여 수신단에서 송신단으로 데이터를 전송하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 송신단은 인덕터(L1)에 전류를 인가하여 전력을 충전(Charging)하고, 정상 상태에서, 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 구성된 소스 공진기를 통하여 인덕터(L1)에 충전된 전력을 방전(Discharging)할 수 있다. 송신단은 스위치(SW1)를 통하여 충전(Charging)과 방전(Discharging)을 조절할 수 있다. 소스 공진기는 타겟 공진기와의 커플링(Coupling)을 통하여 인덕터(L1)에 충전된 전력을 타겟 공진기에 전달할 수 있다. 여기서 커플링은 상호 공진을 의미할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간의 커플링은 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
타겟 공진기는 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)로 구성된다. 타겟 공진기는 커플링(Coupling)을 통하여 소스 공진기로부터 전력을 전달받는다. 이때, 인덕터(L2)와 캐패시터(C2)에 전력이 충전된다. 수신단은 인덕터(L2) 및 캐패시터(C2)에 충전된 전력을 채득(Capturing)하여, 부하(LOAD)로 전달할 수 있다. 수신단은 스위치(SW2)를 통하여 커플링(Coupling)과 채득(Capturing)을 조절할 수 있다. 수신단은 스위치(SW2)를 온(on)하여 캐패시터(CL)를 타겟 공진기와 연결하고, 이로 인하여 타겟 공진기의 공진 주파수가 변경됨으로써, 소스 공진기와의 커플링이 종료될 수 있다.
송신단은 하나의 심볼 주기(Symbol duration)에서 스위치(SW1)를 제어하여, 충전(Charging)과 방전(Discharging)을 수행한다. 이때, 수신단은 스위치(SW2)를 제어하여 커플링(Coupling)여부를 결정할 수 있다. 수신단은 송신단의 방전 시점 이전에, 송신단과 수신단의 커플링 타임을 동기화하는데 필요한 마진(Synch. Margin)을 확보한다. 수신단은 심볼 주기 단위로 커플링(910)을 수행할 수도 있고, 채득(920)을 수행할 수도 있다. 수신단은 커플링 여부에 따라 데이터를 변조하여 전송할 수 있다. 이때, 커플링 여부에 따라 소스 공진기에 저장된 전력의 자연 응답은 서로 다른 파형을 가지므로, 송신단은 커플링 여부를 구별하여 수신단에서 전송한 데이터를 복조할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 강하게 커플링 된 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
TX 단에서 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 강하게 커플링 된(Coupled) 경우에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 커플링 되지 않은 경우(Non-coupled)에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 차이가 있다. RX 단에서도 타겟 공진기와 소스 공진기 간에 강하게 커플링 된(Coupled) 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 커플링 되지 않은 경우(Non-coupled)에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 큰 차이가 있다.
RX 단은 커플링 여부를 통하여 데이터를 변조할 수 있고, TX 단은 커플링 된 경우의 신호 파형과 커플링 되지 않은 경우의 신호 파형을 비교하여, 비교 결과에 따라 RX 단에서 전송한 데이터를 복조할 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 커플링 된 소스 공진기 및 타겟 공진기에 인가되는 에너지의 변화를 나타낸 그래프이다.
TX 단에서 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 약하게 커플링 된(Coupled) 경우에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 커플링 되지 않은 경우(Non-coupled)에 소스 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 차이가 있다. RX 단에서도 타겟 공진기와 소스 공진기 간에 약하게 커플링 된(Coupled) 경우에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형과, 커플링 되지 않은 경우(Non-coupled)에, 타겟 공진기에 인가되는 신호의 파형에는 큰 차이가 있다.
RX 단은 커플링 여부를 통하여 데이터를 변조할 수 있고, TX 단은 커플링 된 경우의 신호 파형과 커플링 되지 않은 경우의 신호 파형을 비교하여, 비교 결과에 따라 RX 단에서 전송한 데이터를 복조할 수 있다.
도 12는 일실시예에 따른 포락선 검출용 아날로그 회로를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 일실시예에 따른 포락선 검출용 아날로그 회로는 다이오드(1210), 캐패시터(1220) 및 부하(LOAD)로 구현될 수 있다. 이때, 포락선 검출용 아날로그 회로는 소스 공진기에 인가된 전류 또는 소스 공진기에 인가된 전압을 입력으로 하여, 소스 공진기에 인가된 전류 또는 소스 공진기에 인가된 전압의 포락선을 출력할 수 있다. 또한, 포락선 검출용 아날로그 회로는 타겟 공진기에 인가된 전류 또는 타겟 공진기에 인가된 전압을 입력으로 하여, 타겟 공진기에 인가된 전류 또는 타겟 공진기에 인가된 전압의 포락선을 출력할 수 있다.
도 12에 도시된 회로 이외에도, 용이하게 실시 가능한 다양한 형태의 포락선 검출 회로도 사용될 수 있다.
도 13은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 커플링 된 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답과 포락선을 나타낸 그래프이다.
도 13의 그래프는 소스 공진기와 타겟 공진기가 약하게 커플링 될 수 있는 조건에서, 타겟 공진기와 커플링이 일어난 경우에 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답 신호(1320)와 자연 응답 신호의 포락선(1340)을 나타내고, 타겟 공진기와 커플링이 일어지 않은 경우에 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답 신호(1310)와 자연 응답 신호의 포락선(1330)을 나타낸다. 여기서 커플링은 상호 공진을 의미한다.
자연 응답 신호(1310) 및 자연 응답 신호(1320)에서 아날로그-디지털 변환 샘플링을 통해 커플링 여부를 판단하는 것은 상당한 샘플링 레이트가 요구됨을 알 수 있다. 송신단은 다소 작은 비율로 샘플링된 신호로부터 포락선(1330) 및 포락선(1340)을 검출하여, 소정의 값과 비교 함으로써, 커플링 여부를 좀 더 효율적으로 판단할 수 있다. 또한, 송신단은 포락선(1330)과 포락선(1340)을 비교하여, 커플링 여부를 판단할 수도 있다.
도 13에서는 소스 공진기에 인가되는 전압의 파형을 예로 들었지만, 소스 공진기에 인가되는 전류의 파형도 유사한 형태를 가진다. 또한, 소스 공진기 내에 저장된 에너지의 양도 유사한 포락선의 형태를 가진다.
도 14는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 약하게 커플링 된 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답을 주파수 영역에서 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 13의 자연 응답 신호가 고속 푸리에 변환(FFT)을 통하여 주파수 영역 신호로 변환된 결과를 나타낸다.
도 15는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 통신 시스템에서 디지털 프로세싱을 통해 포락선을 검출하는 과정을 나타낸 도면이다.
(a)는 도 14의 주파수 영역 신호에 대하여, 공진 주파수의 사인(sine) 파형, 코사인(cosine) 파형 및 지수형(exponential) 파형 중 어느 하나를 합성하여 하향 변환된 주파수 영역 신호들을 나타낸다. 또한, 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 하향 변환된 주파수 영역 신호들에 대해 저역 통과 필터링(Low Pass Filtering, LPF)을 수행하여 하모닉 성분을 제거할 수 있다. 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 하모닉 성분이 제거된 신호를 시간 영역으로 역변환하여 시간 영역에서 포락선을 계산할 수 있다. (b)는 하모닉 성분이 제거된 주파수 영역신호에 대해 고속 푸리에 역변환(IFFT)을 수행한 결과 계산된 포락선들을 나타낸다. 무선 전력을 이용한 통신 시스템은 타겟 공진기와 커플링이 일어지 않은 경우에 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답 신호(1510) 및 타겟 공진기와 커플링이 일어난 경우에 소스 공진기에 인가되는 전압의 자연 응답 신호(1520)로부터 디지털 프로세싱을 통해 포락선(1530) 및 포락선(1540)을 계산할 수 있다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (21)

  1. 무선 전력 수신 장치에 의해 수행되는 무선 전력 전송 장치로 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    무선 전력 전송 장치로 전송할 데이터를 결정하는 단계;
    상기 결정된 데이터에 따라 특정 심볼 주기에 대한 상기 무선 전력 전송 장치와의 상호 공진 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 상호 공진 여부의 결과에 기초하여 상기 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수를 변경함으로써 상기 무선 전력 전송 장치와의 상호 공진을 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 데이터는 상기 제어된 상호 공진에 의해 상기 무선 전력 전송 장치에 저장된 전력량의 변화량에 기초하여 상기 무선 전력 전송 장치에 의해 복조되는,
    무선 전력 수신 장치의 데이터 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치 및 상기 무선 전력 전송 장치 간의 상호 공진이 발생하는 경우에 할당되는 데이터의 비트 및 상호 공진이 발생하지 않는 경우에 할당되는 데이터의 비트는 상기 무선 전력 수신 장치 및 상기 무선 전력 전송 장치 간에 미리 설정되어 있는,
    무선 전력 수신 장치의 데이터 전송 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상호 공진을 제어하는 단계는,
    상기 특정 심볼 주기 내에서 상호 공진 타이밍을 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 데이터는 상기 상호 공진 타이밍의 정도에 따라 구별되는,
    무선 전력 수신 장치의 데이터 전송 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상호 공진을 제어하는 단계는,
    상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신되는 전력을 충전하는 캐패시터 이외의 추가의 캐패시터를 상기 무선 전력 수신 장치에 연결함으로써 상기 공진 주파수를 변경하는 단계
    를 포함하는,
    무선 전력 수신 장치의 데이터 전송 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상호 공진을 제어하는 단계는,
    상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신되는 전력을 충전하는 캐패시터가 복수인 경우, 복수의 캐패시터들 중 적어도 하나의 캐패시터의 전기적 연결을 끊음으로써 상기 공진 주파수를 변경하는 단계
    를 포함하는,
    무선 전력 수신 장치의 데이터 전송 방법.
  6. 무선 전력 전송 장치로 데이터를 전송하는 무선 전력 수신 장치는,
    데이터를 전송하는 프로그램이 기록된 메모리; 및
    상기 프로그램을 수행하는 프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로그램은,
    무선 전력 전송 장치로 전송할 데이터를 결정하는 단계;
    상기 결정된 데이터에 따라 특정 심볼 주기에 대한 상기 무선 전력 전송 장치와의 상호 공진 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 상호 공진 여부의 결과에 기초하여 상기 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수를 변경함으로써 상기 무선 전력 전송 장치와의 상호 공진을 제어하는 단계
    를 수행하고,
    상기 데이터는 상기 제어된 상호 공진에 의해 상기 무선 전력 전송 장치에 저장된 전력량의 변화량에 기초하여 상기 무선 전력 전송 장치에 의해 복조되는,
    무선 전력 수신 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제6항에 있어서,
    상기 프로그램은,
    상호 공진을 통해 상기 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력을 수신하는 단계; 및
    특정 심볼 주기에 수신된 무선 전력량에 매칭되는 데이터를 복조함으로써 데이터를 수신하는 단계
    를 더 포함하는,
    무선 전력 수신 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 데이터를 수신하는 단계는,
    상기 무선 전력 수신 장치에 인가되는 전류 또는 전압의 파형의 포락선을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 포락선에 기초하여 상기 무선 전력량을 검출하는 단계
    를 포함하는,
    무선 전력 수신 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치에 인가되는 전류 또는 전압의 파형의 포락선을 검출하는 단계는,
    상기 전류 또는 전압의 신호를 아날로그-디지털 변환(Analog-Digital Conversion)함으로써 샘플링 신호를 생성하는 단계;
    상기 샘플링 신호를 공진 주파수의 특정 신호 파형 중의 하나와 곱함으로써 하향 변환(down conversion)된 신호를 생성하는 단계;
    상기 하향 변환된 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 단계;
    상기 주파수 영역 신호에 저역 통과 필터링을 수행함으로써 하모닉 성분이 제거된 신호를 생성하는 단계; 및
    하모닉 성분이 제거된 신호를 시간 영역 신호로 변환함으로써 상기 포락선을 검출하는 단계
    를 포함하는,
    무선 전력 수신 장치.
  21. 삭제
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