KR102099940B1 - 무선 전력 전송 시스템에서의 동기 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 시스템에서의 동기 제어 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법은 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서의 동기 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SYNCHRONIZATION CONTROL IN WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
아래의 실시 예들은 무선 전력 전송 시스템에서의 동기 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 전력은, 자기 공진 커플링(Magnetic resonant coupling)을 통해 전력 전송 유닛으로부터 전력 수신 유닛으로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 전송 시스템 또는 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스(source device)와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스(target device)를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 소스(source) 또는 전력 전송 유닛이라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 타겟(target) 또는 전력 수신 유닛이라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기는 자기 공진 커플링을 일으킬 수 있다.
일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법은 동작 모드를 마스터 모드로 설정하여 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 단계; 및 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 수신 유닛(Power Receiving Unit: PRU)에 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 신호는, 비콘(Beacon) 신호를 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 상기 전력 수신 유닛에 전송하는 신호 시퀀스의 전송 시작 시간을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 상기 전력 수신 유닛에 전송하는 신호 시퀀스의 전송 주기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 하나의 시간 슬롯 동안 상기 전력 수신 유닛이 하나의 신호를 수신하도록 상기 슬레이브로 동작하는 전력 전송 유닛에 제어 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 이전에 설정된 상기 신호에 대한 정보를 고려하여 상기 통신 시간 또는 상기 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 상기 전력 전송 유닛이 전송하는 신호에 대한 정보를 기초로 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 상기 통신 시간 또는 상기 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 주파수 호핑(frequency hopping)을 이용하여 상기 통신 주파수를 제어할 수 있다.
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 상기 전력 전송 유닛 및 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 주파수 호핑 시퀀스를 설정하는 단계; 및 상기 주파수 호핑 시퀀스에 따라 상기 통신 주파수를 제어하여 상기 전력 수신 유닛에 상기 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다
상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는, 상기 전력 수신 유닛에 전송하는 주파수 호핑 시퀀스의 호핑 시작 주파수를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 단계는, 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 인덱스를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 인덱스를 설정하는 단계는, 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 상기 인덱스에 대한 정보를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 상기 인덱스에 대한 정보를 전송하는 단계는, 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛이 복수 개인 경우, 상기 복수 개의 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛들이 상기 전력 전송 유닛에 상기 네트워크 연결된 순서를 고려하여 상기 인덱스에 대한 정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법은 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛에 네트워크 연결하는 단계; 상기 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛이 제거된 경우, 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 장치와 인덱스를 비교하는 단계; 및 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛보다 인덱스가 높을 경우, 동작 모드를 상기 마스터 모드로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동작 모드를 마스터 모드로 설정하는 단계는, 상기 동작 모드를 상기 마스터 모드로 설정하여 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전력 전송 유닛은 동작 모드를 마스터 모드로 설정하여 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 네트워크 연결부; 및 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 수신 유닛(Power Receiving Unit: PRU)에 신호를 전송하는 신호 전송부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 전력 전송 유닛은 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛에 네트워크 연결하는 네트워크 연결부; 상기 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛이 제거된 경우, 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 장치와 인덱스를 비교하는 인덱스 비교부; 및 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛보다 인덱스가 높을 경우, 동작 모드를 상기 마스터 모드로 설정하는 동작 모드 설정부를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 피더의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛간의 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 일 실시예에 따른 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 주파수 호핑을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 네트워크 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 구성을 나타낸 도면이다.
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.
소스(source)와 타겟(target) 또는 소스와 다른 소스 간에 통신을 수행하는 방식은 인 밴드 통신 방식과 아웃 밴드 통신 방식을 포함할 수 있다.
인 밴드 통신 방식에서, 소스와 타겟 또는 소스와 다른 소스는 전력의 전송에 이용하는 주파수와 동일한 주파수를 사용하여 통신할 수 있다.
아웃 밴드 통신 방식에서, 소스와 타겟 또는 소스와 다른 소스는 전력 전송에 이용되는 주파수와는 다른 별도의 주파수를 이용하여 통신할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 타겟(120)을 포함한다. 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 가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply: Variable SMPS)(111), 파워 증폭기(Power Amplifier)(112), 매칭 네트워크(113), 송신 제어부(114) 및 통신부(115)를 포함할 수 있다.
가변 SMPS(111)는 파워 공급기(Power Supply)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 직류(DC) 전압을 생성한다. 가변 SMPS(Variable SMPS)(111)는 일정한 레벨의 직류 전압을 출력하거나 송신 제어부(Tx Control Logic)(114)의 제어에 따라 직류 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
가변 SMPS(111)는 Class-E 타입의 파워 증폭기(Power Amplifier)(112)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 파워 증폭기(Power Amplifier)(112)의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하도록 한다.
가변 SMPS(111) 대신에 일반적으로 사용되는 상용 SMPS를 사용하는 경우에는, 추가적으로 가변 직류-직류(Variable 직류-직류) 변환기를 사용해야 한다. 상용 SMPS와 가변 직류-직류 변환기는 Class-E 타입의 파워 증폭기(Power Amplifier)(112)가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 파워 증폭기(112)의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하게 할 수 있다.
파워 검출기(Power Detector)(116)는 가변 SMPS(Variable SMPS)(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 송신 제어부(114)로 전달할 수 있다. 또한, 파워 검출기(116)는 파워 증폭기(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
파워 증폭기(Power Amplifier)(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 직류 전압을 교류(AC) 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 파워 증폭기(Power Amplifier)(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 파워 증폭기(Power Amplifier)(112)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.
수 킬로와트(KW)~수십 킬로와트에 해당하는 대 전력을 수십 KHz ~ 수백 KHz 대역의 공진 주파수를 이용하여 전송하는 경우에는 파워 증폭기(112)가 사용되지 않을 수 있다. 대신에 가변 SMPS(111) 또는 대전력 전원으로부터 전력이 소스 공진기(131)로 전달될 수 있다. 이 경우, 파워 증폭기(112) 대신 인버터(inverter)가 사용될 수 있다. 인버터는 대전력 전원으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 인버터는 수십 KHz ~ 수백 KHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써 전력을 변환할 수 있다. 예를 들어, 인버터는 소스 공진기의 수십 KHz ~ 수백 KHz 대역의 공진 주파수를 이용하여 일정한 레벨의 직류 전압을 교류 전압으로 변환할 수 있다.
여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 부하에서 소비되는 수 밀리와트(mW)~수십 킬로와트(KW)의 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.
송신 제어부(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(Target Resonator)(133)와 소스 공진기(Source Resonator)(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 송신 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
매칭 네트워크(113)는 송신 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 송신 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.
수십 KHz ~ 수백 KHz 대역의 공진 주파수를 이용하여 대전력을 전송하는 경우에는, 소스(110)에서 매칭 네트워크(113)의 구성이 생략될 수도 있다. 대전력의 전송 시에는 매칭 네트워크(113)의 영향이 감소할 수 있기 때문이다.
송신 제어부(114)는 소스 공진기(131) 또는 파워 증폭기(112)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio: VSWR)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 커지면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, 송신 제어부(114)는 상기 전압정재파비(VSWR)가 기 설정된 값보다 커지면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹 주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 기준 공진 주파수 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 송신 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 송신 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 송신 제어부(114)는 파워 증폭기(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)과 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, 송신 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
송신 제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드(in-band) 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 송신 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 송신 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 송신 제어부(114)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
송신 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 결정할 수 있다.
소스(110)는 온도 변화를 감지하기 위한 온도 측정 센서(미도시)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, 송신 제어부(114)는 소스(110)의 온도의 변화에 따라 파워 증폭기(112)로 공급되는 전압의 조정 량이 저장된 룩업-테이블을 이용하여 파워 증폭기(112)로 공급되는 전압을 조정할 수 있다. 예를 들어, 소스(110)의 온도가 상승한 경우, 송신 제어부(114)는 파워 증폭기(112)로 공급되는 전압을 낮출 수 있다.
한편, 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(115)는 지그비(Zigbee), 블루투스(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. 여기서, 소스 공진기(131)는 초전도체 물질로 구성될 수 있다. 또한, 도 1에서 도시되지는 않았지만 소스 공진기(131)가 초전도 성질을 유지하도록, 소스 공진기(131)는 냉각제를 포함하는 컨테이너에 위치할 수 있다. 가열된 냉각제는 냉각기에 의해 기체에서 액체로 액화될 수 있다. 다른 일예로, 타겟 공진기(133)가 초전도체 물질로 구성될 수도 있다. 이 경우 타겟 공진기(133)가 초전도 성질을 유지하도록 타겟 공진기(131)는 냉각제를 포함하는 컨테이너에 위치할 수 있다.
타겟(120)은 매칭 네트워크(121), 정류부(122), 직류-직류 변환기(123), 통신부(124) 및 수신 제어부(Rx Control Logic)(125)를 포함할 수 있다.
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 수신할 수 있다. 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, 직류 전압을 생성한다. 정류부(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류할 수 있다.
직류-직류 변환기(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, 직류-직류 변환기(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
파워 검출기(Power Detector)(127)는 직류-직류 변환기(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 수신 제어부(Rx Control Logic)(125)가 부하(Load)에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 소스(110)의 송신 제어부(114)는 부하(Load)의 필요전력과 부하(Load)에 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, 수신 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, 수신 제어부(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 수신 제어부(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, 수신 제어부(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 송신 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 송신 제어부(114)는 제1 값(예를 들어, 이진수 "0") 또는 제2 값(예를 들어, 이진수 "1")을 검출할 수 있다.
통신부(124)는 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟의 모델명", "해당 타겟의 배터리 유형(Battery type)", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 부하(Load)의 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 지그비(Zigbee), 블루투스(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, 파워 검출기(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 "직류-직류 변환기(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
도 2 내지 도 4에서 "공진기"는 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함한다.
도 2 내지 도 4의 공진기는 도 1, 도 5 내지 도 9에서 설명된 공진기에 적용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더(feeder)에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
소스 공진기 및 상기 타겟 공진기는 외부 루프 및 내부 루프로 구성되는 이중 루프 구조를 가질 수 있다.
도 2의 (a)를 참조하면, 피더(210)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(230)이 발생한다. 피더(210) 내부에서 자기장의 방향(231)과 외부에서 자기장의 방향(233)은 서로 반대이다. 피더(210)에서 발생하는 자기장(230)에 의해 공진기(220)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 공진기(220)에서 자기장(240)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(220)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(220)에 의해 피더(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(241)과 피더(210)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(243)은 동일하다.
피더(210)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(220)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(210)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(210)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 2와 같은 구조의 피더(210)를 통해 공진기(220)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(220) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(220) 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.
도 2의 (b)는 공진기(250)와 피더(260)가 공통의 접지를 가진 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸다. 공진기(250)는 캐패시터(251)를 포함할 수 있다. 피더(260)는 포트(261)를 통하여, RF 신호를 입력 받을 수 있다. 피더(260)에는 RF 신호가 입력되어, 입력 전류가 생성될 수 있다. 피더(260)에 흐르는 입력 전류는 자기장을 생성하고, 상기 자기장으로부터 공진기(250)에 유도 전류가 유도된다. 또한, 공진기(250)를 흐르는 유도 전류로부터 자기장이 발생한다. 이때, 피더(260)에 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(250)에 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가진다. 따라서, 공진기(250)와 피더(260) 사이의 영역에서, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(271)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(273)은 동일한 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 강화된다. 피더(260)의 내부에서는, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(281)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(283)은 반대 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 약화된다. 공진기(250)의 중심에서는 자기장의 세기가 약해지고, 공진기(250)의 외곽에서는 자기장의 세기가 강화될 수 있다.
피더(260)는 피더(260) 내부의 면적을 조절하여, 입력 임피던스를 결정할 수 있다. 여기서 입력 임피던스는 피더(260)에서 공진기(250)를 바라볼 때, 보이는 임피던스를 의미한다. 피더(260) 내부의 면적이 커지면 입력 임피던스는 증가하고, 내부의 면적이 작아지면 입력 임피던스는 감소한다. 입력 임피던스가 감소하는 경우에도, 공진기(250) 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 3은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 공진기(310)는 캐패시터(311)를 포함할 수 있다. 피딩부(320)는 캐패시터(311)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3의 (b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(310)는 제1 전송선로, 제1 도체(341), 제2 도체(342), 적어도 하나의 제1 캐패시터(350)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(350)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(331)과 제2 신호 도체 부분(332) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(350) 내로 제한된다. 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(331)과 제2 신호 도체 부분(332)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(333)으로 부르기로 한다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(333)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)과 제1 그라운드 도체 부분(333)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)을 통하여 흐른다.
또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(331)의 한쪽 단은 제1 도체(341)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(350)와 연결된다. 제2 신호 도체 부분(332)의 한쪽 단은 제2 도체(342)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(350)와 연결된다. 제1 신호 도체 부분(331), 제2 신호 도체 부분(332) 및 제1 그라운드 도체 부분(333), 도체들(341, 342)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(350)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(350)는 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(350)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(350)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. 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(350)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(350)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(350)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. 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(1350)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(1350)에 집중되므로, 제1 캐패시터(1350)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(350)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, 도 3의 (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 피딩부(320)는 제2 전송선로, 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381) 및 제6 도체(382)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(363)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)과 제2 그라운드 도체 부분(363)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)을 통하여 흐른다.
또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(361)의 한쪽 단은 제3 도체(371)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(381)와 연결된다. 제4 신호 도체 부분(362)의 한쪽 단은 제4 도체(372)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체(382)와 연결된다. 제5 도체(381)는 제1 신호 도체 부분(331)과 연결되고, 제6 도체(382)는 제2 신호 도체 부분(332)과 연결된다. 제5 도체(381)와 제6 도체(382)는 제1 캐패시터(350)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(381) 및 제6 도체(382)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
제3 신호 도체 부분(361), 제4 신호 도체 부분(362) 및 제2 그라운드 도체 부분(363), 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381), 제6 도체(382) 및 공진기(310)는 서로 연결됨으로써, 공진기(310) 및 피딩부(320)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(381) 또는 제6 도체(382)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(320) 및 공진기(310)를 통해 흐르고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(310)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(320)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(310)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(310)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(310)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(310)와 피딩부(320) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않을 수 있다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(320)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(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381), 제6 도체(382) 는 공진기(310)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 공진기(310)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(320)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(310)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(320)도 원형 구조일 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 피더의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 교류 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. 도 4의 (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, 도 4의 (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. 도 4의 (a)는 도 13의 공진기(310) 및 피딩부(320)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. 도 4의 (b)는 피딩부와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 4의 (a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(410)로 사용될 수 있다. 입력 포트(410)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(410)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 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. 도 4의 (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(421)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(423)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(433)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(431)은 서로 반대이다. 따라서, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 도 4의 (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. 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 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.
도 4의 (b)를 참조하면, 피딩부(440) 및 공진기(450)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(440)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112013064457981-pat00001
여기서, M은 피딩부(440)와 공진기(450) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고,
Figure 112013064457981-pat00002
는 피딩부(440)와 공진기(450) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(450)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(440)와 공진기(450) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(440)와 공진기(450) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피딩부(440)의 크기에 따라 피딩부(440)와 공진기(450) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(\440)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, 도 4의 (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.
이하, 설명의 편의를 위하여 "소스", "무선 전력 전송 장치", "Tx" 또는 "PTU(Power Transmitting Unit)"는 "전력 전송 유닛"이라 칭하기로 한다. 또한, "타겟", "무선 전력 수신 장치, "Rx" 또는 "PRU(Power Receiving Unit)"는 "전력 수신 유닛"이라 칭하기로 한다. 또한, 동작 모드가 마스터 모드(master mode)인 전력 전송 유닛은 "마스터 디바이스"라고 칭하고, 동작 모드가 슬레이브 모드(slave mode)인 전력 전송 유닛은 "슬레이브 디바이스"라고 칭하기로 한다.
마스터 디바이스는 적어도 하나의 슬레이브 디바이스와 네트워크 연결될 수 있다. 여기서, 네트워크 연결은 디바이스 간에 데이터를 송수신하도록 네트워크를 구성하는 것을 의미할 수 있다. 네트워크에서, 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스의 제어 주체가 될 수 있다. 슬레이브 디바이스는 마스터 디바이스의 제어에 따른다.
도 5는 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법은 동작 모드를 마스터 모드로 설정하여 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결할 수 있다(510). 여기서, 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛은 복수 개일 수 있다. 전력 전송 유닛에 전원이 공급되면, 전력 전송 유닛은 주변에 마스터 디바이스가 존재하는지 여부를 검색할 수 있다. 이 때, 전력 전송 유닛은 아웃 밴드 통신을 이용하여 탐색 신호를 전송 또는 수신함으로써, 주변에 마스터 디바이스가 있는지 여부를 검색할 수 있다. 여기서, 탐색 신호는 알림(advertisement) 신호 또는 검색(inquiry) 신호를 포함할 수 있다. 주변에 마스터 디바이스가 존재하는 경우, 전력 전송 유닛은 동작 모드를 슬레이브 모드로 설정하여 마스터 디바이스에 네트워크 연결될 수 있다. 주변에 마스터 디바이스가 존재하지 않는 경우, 전력 전송 유닛은 동작 모드를 마스터 모드로 설정할 수 있다.
동작 모드를 마스터 모드로 설정한 후, 전력 전송 유닛은 주변에 슬레이브 디바이스가 존재하는지 여부를 주기적으로 모니터링 할 수 있다. 슬레이브 디바이스가 검출된 경우, 전력 전송 유닛은 슬레이브 디바이스에 연결 요청 신호를 전송할 수 있다. 여기서, 연결 요청 신호는 connecting request 신호 또는 페이지(page) 신호를 포함할 수 있다. 슬레이브 디바이스로부터 연결 요청 신호에 대한 응답 신호를 수신하는 경우, 전력 전송 유닛은 슬레이브 디바이스와 네트워크 연결할 수 있다.
단계(510)에서, 기존에 네트워크 연결된 마스터 디바이스가 오프 또는 제거된 경우, 슬레이브 디바이스들 중 하나의 슬레이브 디바이스는 동작 모드를 마스터 모드로 설정하여 주변의 슬레이브 디바이스와 네트워크 연결할 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스의 인덱스를 설정할 수 있다. 여기서, 인덱스는 슬레이브 디바이스를 넘버링하기 위한 표식을 의미할 수 있다. 마스터 디바이스는 주변의 슬레이브 디바이스에 인덱스에 대한 정보를 전송할 수 있다. 주변의 슬레이브 디바이스가 복수 개인 경우, 전력 전송 유닛은 복수 개의 슬레이브 디바이스들이 전력 전송 유닛에 네트워크 연결된 순서를 고려하여 인덱스에 대한 정보를 생성할 수 있다. 복수 개의 슬레이브 디바이스들의 인덱스에 대한 정보는 복수 개의 슬레이브 디바이스들에 공유될 수 있고, 복수 개의 슬레이브 디바이스들에 연결된 전력 수신 유닛에게도 공유될 수 있다. 이후, 마스터 디바이스가 오프 또는 제거될 경우, 슬레이브 디바이스는 주변의 슬레이브 디바이스와 인덱스를 비교할 수 있다. 인덱스가 가장 높은 슬레이브 디바이스는 동작 모드를 마스터 모드로 설정할 수 있다. 동작 모드를 마스터 모드로 설정한 전력 전송 유닛은 슬레이브 디바이스를 네트워크 연결할 수 있고, 슬레이브 디바이스의 제어 주체가 될 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스에 제1 슬레이브 디바이스가 가장 먼저 네트워크 연결되고, 이후에 제2 슬레이브 디바이스가 네트워크 연결되는 경우, 마스터 디바이스는 제1 슬레이브 디바이스의 인덱스에 대한 정보를 1로 설정할 수 있고, 제2 슬레이브 디바이스의 인덱스에 대한 정보를 2로 설정할 수 있다. 이후, 마스터 디바이스가 제거되는 경우, 슬레이브 디바이스들 중 인덱스가 가장 높은 제1 슬레이브 디바이스는 동작 모드를 마스터 모드로 설정할 수 있고, 제2 슬레이브 디바이스와 네트워크 연결하여, 제2 슬레이브 디바이스의 제어 주체가 될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법은 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 수신 유닛(Power Receiving Unit: PRU)에 신호를 전송할 수 있다(520). 이 때, 전력 전송 유닛은 아웃 밴드 통신을 이용하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 전력 수신 유닛에 전송하는 신호는 비콘(beacon) 신호를 포함할 수 있다. 비콘 신호는 숏 비콘(short beacon) 신호 및 롱 비콘(long beacon) 신호를 포함할 수 있다. 숏 비콘 신호는 일정 범위내에 오브젝트(예를 들어, 전력 수신 유닛, 이물질)가 존재하는지 여부를 검출하기 위한 신호이다. 롱 비콘 신호는 전력 수신 유닛을 웨이크 업 시키기 위한 신호이다. 또한, 전력 수신 유닛에 전송하는 신호는 비콘 신호 이외에 다른 신호(예를 들어, 연결 요청 신호, 제어 신호, 데이터 신호)를 포함할 수 있다.
<통신 시간을 이용한 동기 제어 방법>
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스의 통신 시간을 제어할 수 있다. 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스는 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 복수 개의 전력 전송 유닛들이 하나의 전력 수신 유닛에 동시에 신호(예를 들어, 비콘 신호)를 전송하는 경우, 크로스 커넥션(cross connection)이 발생할 수 있다. 여기서, 크로스 커넥션은 전력 전송 유닛들이 밀집한 환경으로 인하여 발생하는 통신 접속 오류를 의미한다. 이에 따라, 마스터 디바이스는 하나의 시간 슬롯(time slot) 동안 하나의 전력 수신 유닛에 하나의 전력 전송 유닛이 신호를 전송하도록 제어할 수 있다. 여기서, 시간 슬롯은 식별 가능한 미리 정해진 시간 간격을 의미하는 것으로, 예를 들어, 하나의 타임 슬롯은 625
Figure 112013064457981-pat00003
일 수 있다.
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스들의 전송 신호에 대한 정보를 획득할 수 있다. 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스들의 전송 신호가 오버랩되는 시간 슬롯이 존재하는 경우, 마스터 디바이스는 전송 신호가 오버랩되지 않도록 슬레이브 디바이스들의 전송 신호에 대한 정보를 재설정할 수 있다.
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 전력 수신 유닛에 전송하는 신호 시퀀스의 전송 시작 시간을 제어할 수 있다. 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들이 전력 수신 유닛에 전송하는 신호 시퀀스의 전송 주기가 동일한 경우, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들의 전송 시작 시간이 동일하다면, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들의 신호 시퀀스가 일치하게 되어, 동일한 시간 슬롯 동안 신호를 전송할 수 있다. 반면에, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들의 전송 시작 시간이 상이하다면, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들은 서로 다른 시간 슬롯 동안 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 이전에 설정된 신호에 대한 정보를 고려하여 슬레이브 디바이스들의 전송 시작 시간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제2 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스의 설정 이전에 마스터 디바이스 및 제1 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 설정하였다면, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스 및 제1 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스와 오버랩되지 않도록 제2 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 제어할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스가 전송하는 신호에 대한 정보를 기초로 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스의 신호 시퀀스를 우선적으로 설정하고, 마스터 디바이스의 신호 시퀀스와 오버랩되지 않도록 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 제어할 수 있다.
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 전력 수신 유닛에 전송하는 신호 시퀀스의 전송 주기를 제어할 수 있다. 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들 각각의 신호 시퀀스의 전송 주기는 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 신호 시퀀스의 전송 주기가 동일한 경우, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들의 전송 시작 시간을 상이하게 하여, 신호 시퀀스가 오버랩되지 않도록 제어할 수 있다. 반면에, 신호 시퀀스들의 전송 주기가 상이할 경우, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들의 전송 시작 시간이 상이할 때에도, 신호 시퀀스들은 오버랩될 수 있다. 이를 위해, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스들의 전송 시작 시간을 설정하고, 신호 시퀀스들의 전송 주기를 조절하여 신호 시퀀스가 오버랩되지 않게 신호를 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 이전에 설정된 신호에 대한 정보를 고려하여 슬레이브 디바이스들의 전송 주기를 제어할 수 있다. 또한, 다른 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스가 전송하는 신호에 대한 정보를 기초로 슬레이브 디바이스의 전송 주기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스의 신호 시퀀스를 먼저 설정하고, 마스터 디바이스의 신호 시퀀스와 오버랩되지 않도록 슬레이브 디바이스의 전송 주기를 조절할 수 있다.
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 하나의 시간 슬롯 동안 전력 수신 유닛이 하나의 신호를 수신하도록 슬레이브 디바이스들에 제어 신호를 전송할 수 있다. 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스들의 제어 주체이므로, 슬레이브 디바이스들은 마스터 디바이스의 제어 신호에 따라 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 전력 수신 유닛이 검색된 경우, 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스들은 검색된 전력 수신 유닛에 비콘 신호를 전송할 수 있다. 이 경우, 마스터 디바이스는 하나의 시간 슬롯동안 직접 비콘 신호를 전송할 수 있다. 또한, 마스터 디바이스는 하나의 시간 슬롯 동안 슬레이브 디바이스들 중 하나의 슬레이브 디바이스에 제어 신호를 전송할 수 있고, 제어 신호를 수신한 슬레이브 디바이스는 검색된 전력 수신 유닛에 비콘 신호를 전송할 수 있다.
<통신 주파수를 이용한 동기 제어 방법>
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스의 통신 주파수를 제어할 수 있다. 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스는 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 복수 개의 전력 전송 유닛들이 하나의 전력 수신 유닛에 동일한 주파수(또는 동일한 채널)를 통하여 신호를 전송하는 경우, 간섭 신호가 발생될 수 있다. 이에 따라, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스가 각각 상이한 주파수(또는, 상이한 채널)를 이용하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송하도록 통신 주파수를 제어할 수 있다
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 주파수 호핑을 이용하여 통신 주파수를 제어할 수 있다. 주파수 호핑은 전송 신호를 한 주파수에서 다른 주파수로 도약(hopping)시켜 주파수 스펙트럼을 확신시키는 기법을 의미한다. 전력 전송 유닛은 전송 신호를 여러 주파수에 분할하여 전송할 수 있다. 예를 들어, 전력 전송 유닛은 제1 시간 슬롯 동안 2404MHz의 주파수로 신호를 전송할 수 있고, 제2 시간 슬롯 동안 2434MHz 주파수로 신호를 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 전력 전송 유닛이 블루투스 통신을 수행하는 경우, 전력 전송 유닛은 1MHz 단위의 79개의 주파수 호핑 채널을 이용할 수 있다. 전력 전송 유닛이 블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy: BLE)통신을 수행하는 경우, 전력 전송 유닛은 2MHz 단위의 40개의 주파수 호핑 채널을 이용할 수 있다.
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 주파수 호핑 시퀀스를 설정하고, 주파수 호핑 시퀀스에 따라 통신 주파수를 제어하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 사용하는 주파수의 대역폭을 설정하고, 설정된 대역폭에서 주파수를 일정 간격으로 pseudo-random 방식을 통해 나열하여 주파수 호핑 시퀀스를 설정할 수 있다. 이 경우, 마스터 디바이스는 하나의 전력 전송 유닛이 일정 시간 슬롯 동안 하나의 주파수를 이용하도록 주파수 호핑 시퀀스를 설정할 수 있다. 예를 들어, 주파수 호핑 시퀀스에 의해, 제1 시간 슬롯 동안, 마스터 디바이스는 제1 채널, 제1 슬레이브 디바이스는 제2 채널, 제2 슬레이브 디바이스는 제3 채널을 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 마스터 디바이스는 이전에 설정된 신호에 대한 정보를 고려하여 슬레이브 디바이스의 통신 주파수를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제2 슬레이브 디바이스의 채널 설정 이전에 마스터 디바이스가 제1 채널을 이용하고, 제1 슬레이브 디바이스가 제2 채널을 이용하도록 설정된 경우, 마스터 디바이스는 제2 슬레이브 디바이스는 제3 채널을 이용하도록 제어할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스가 전송하는 신호에 대한 정보를 기초로 슬레이브 디바이스의 통신 주파수를 제어할 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스의 주파수 호핑 시퀀스를 먼저 설정하고, 마스터 디바이스의 주파수 호핑 시퀀스와 오버랩되지 않도록 슬레이브 디바이스의 주파수 호핑 시퀀스를 제어할 수 있다.
단계(520)에서, 마스터 디바이스는 주파수 호핑 시퀀스의 호핑 시작 주파수를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스는 동일한 주파수 호핑 시퀀스를 이용할 수 있다. 예를 들어, 전력 전송 유닛들은 피코넷을 구성할 수 있다. 여기서, 피코넷은 하나의 마스터 디바이스에 하나 이상의 슬레이브 디바이스가 연결된 네트워크를 의미한다. 각각의 피코넷은 다른 피코넷과 서로 다른 주파수 호핑 시퀀스로 식별될 수 있고, 동일한 피코넷에 속하는 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스는 동일한 주파수 호핑 시퀀스에 의해 동기화될 수 있다.
마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스가 동일한 주파수 호핑 시퀀스를 이용하는 경우, 동일한 주파수에서 호핑이 시작된다면, 계속하여 동일한 주파수로 호핑됨으로써 간섭 신호가 발생할 수 있다. 반면에, 서로 다른 주파수에서 호핑이 시작된다면, 주파수가 오버랩되지 않음에 따라, 간섭 신호의 발생은 최소화될 수 있다. 예를 들어, '1 ― 2 ― 3 ― 4 ― 5'의 주파수 호핑 시퀀스가 설정되는 경우, 마스터 디바이스는 제1 슬레이브 디바이스의 호핑 시작 주파수를 2로 설정할 수 있고, 제2 슬레이브 디바이스의 주파수를 5로 설정할 수 있다. 이에 따라, 다섯 개의 시간 슬롯들 동안, 제1 슬레이브 디바이스는 '2 ― 3 ― 4 ― 5 ― 1'의 순서로 주파수를 호핑할 수 있고, 제2 슬레이브 디바이스는 '5 ― 1 ― 2 ― 3 ― 4'의 순서로 주파수를 호핑할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛간의 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, (a)에서, 전력 전송 유닛 간의 네트워크는 마스터 디바이스(610), 제1 슬레이브 디바이스(620) 및 제2 슬레이브 디바이스(630)를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 슬레이브 디바이스(620)의 인덱스는 제2 슬레이브 디바이스(630)보다 높을 수 있다. 전송 유닛 간의 네트워크의 주변에 전력 수신 유닛들(641 내지 643)이 존재할 수 있다. 전력 수신 유닛들(641 내지 643)은 마스터 디바이스(610), 제1 슬레이브 디바이스(620) 및 제2 슬레이브 디바이스(630)로부터 전력 또는 신호를 전송받을 수 있는 영역(650) 내에 위치할 수 있다. 마스터 디바이스(610), 제1 슬레이브 디바이스(620) 및 제2 슬레이브 디바이스(630)는 전력 수신 유닛들(641 내지 643)에 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 전력 수신 유닛들(641 내지 643)을 웨이크 업 시키기 위하여, 마스터 디바이스(610), 제1 슬레이브 디바이스(620) 및 제2 슬레이브 디바이스(630)는 전력 수신 유닛들(641 내지 643)에 비콘 신호를 전송할 수 있다. 이 경우, 마스터 디바이스(610), 제1 슬레이브 디바이스(620) 및 제2 슬레이브 디바이스(630)가 동시에 비콘 신호를 전송하는 경우, 크로스 커넥션이 발생할 수 있다. 다른 예에서, 마스터 디바이스(610), 제1 슬레이브 디바이스(620) 및 제2 슬레이브 디바이스(630)는 전력 수신 유닛들(641 내지 643)에 데이터 신호를 전송할 수 있다. 이 때, 마스터 디바이스(610), 제1 슬레이브 디바이스(620) 및 제2 슬레이브 디바이스(630)가 하나의 채널을 이용하여 데이터 신호를 전송한다면, 간섭 신호가 발생할 수 있다.
(b)에서, 전력 전송 유닛 간의 네트워크는 마스터 디바이스(661), 제1 슬레이브 디바이스(662) 및 제2 슬레이브 디바이스(663)를 포함할 수 있다. 전력 수신 유닛들(671 내지 673)은 각각 마스터 디바이스(661), 제1 슬레이브 디바이스(662) 및 제2 슬레이브 디바이스(663) 위에 위치할 수 있다. 이 경우, 전력 수신 유닛들(671 내지 673)은 각각 대응되는 전력 전송 유닛들(661, 662, 663)로부터 전력 또는 신호를 전송받을 수 있다. 또한, 마스터 디바이스(661), 제1 슬레이브 디바이스(662) 및 제2 슬레이브 디바이스(663) 대응되는 전력 전송 유닛이 아닌 주변의 전력 전송 유닛들로부터 전력 또는 신호를 전송받을 수 있다. 이에 따라, (a)에서와 같이, 크로스 커넥션 또는 간섭 신호가 발생될 수 있다.
크로스 커넥션 또는 간섭 신호의 발생을 방지하기 위하여, 마스터 디바이스(610, 661)는 슬레이브 디바이스들(620, 630 662, 663)의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 전송 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 이하, 도 7a 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 7a 내지 도 7d는 일 실시예에 따른 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 7a는 전송 주기가 동일한 경우의 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 7a를 참조하면, f(k), f(k+1) 등은 각각 시간 슬롯을 나타낸다. k는 시간 슬롯의 번호를 의미한다. 도 7a의 예에서, 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들의 전송 주기는 시간 슬롯 3으로 모두 동일하다. 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간이 동일하다면 전력 수신 유닛은 시간 슬롯 3마다 동시에 3개의 전송 전력 유닛으로부터 신호를 수신할 수 있다. 이 때, 신호가 비콘 신호인 경우, 크로스 커넥션이 발생할 수 있다. 이를 위해, 마스터 디바이스는 동시에 두 개 이상의 전력 전송 유닛들이 신호를 전송하지 않도록 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 제어할 수 있다.
예를 들어, 마스터 디바이스는 시간 슬롯 3의 주기로 f(k), f(k+3), f(k+6)의 시간 슬롯 마다 신호를 전송할 수 있다. 마스터 디바이스의 전송 시작 시간 제어에 의해, 제1 슬레이브 디바이스는 f(k+1), f(k+4), f(k+7)의 시간 슬롯 마다 신호를 전송할 수 있고, 제2 슬레이브 디바이스는 f(k+2), f(k+5), f(k+8)의 시간 슬롯 마다 신호를 전송할 수 있다.
도 7b는 전송 주기가 상이한 경우의 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 7b를 참조하면, 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스의 전송 주기를 상이하게 설정하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 도 7b의 예에서, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스의 전송 시작 시간을 f(k)로 설정할 수 있고, 제1 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 f(k+1)로 설정할 수 있으며, 제2 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 f(k+3)으로 설정할 수 있다. 마스터 디바이스는 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들이 동시에 신호를 전송하지 않도록, 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스들의 전송 주기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스의 전송 주기를 시간 슬롯 2로 설정할 있고, 제1 슬레이브 디바이스의 전송 주기를 시간 슬롯 4로 설정할 수 있으며, 제2 슬레이브 디바이스의 전송 주기를 시간 슬롯 8로 설정할 수 있다. 이에 따라, 마스터 디바이스는 f(k), f(k+2), f(k+4)의 시간 슬롯마다 신호를 전송할 수 있고, 제1 슬레이브 디바이스는 f(k+1), f(k+5), f(k+9)의 시간 슬롯 마다 신호를 전송할 수 있고, 제2 슬레이브 디바이스는 f(k+3), f(k+11)의 시간 슬롯 마다 신호를 전송할 수 있다.
도 7c는 전송 주기가 일정하지 않은 경우의 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 7c를 참조하면, 마스터 디바이스는 하나의 시간 슬롯 동안 전력 수신 유닛이 하나의 신호를 수신하도록 슬레이브 디바이스들에 제어 신호를 전송할 수 있다. 마스터 디바이스는 슬레이브 디바이스들의 제어 주체이므로, 슬레이브 디바이스들은 마스터 디바이스의 제어 신호에 따라 신호를 전송할 수 있다. 도 7c의 예에서, 마스터 디바이스는 시간 슬롯 f(k) 동안 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 마스터 디바이스는 시간 슬롯 f(k+1), f(k+2) 동안에 제2 슬레이브 디바이스가 전력 수신 유닛에 신호를 전송하도록 제2 슬레이브 디바이스에 제어 신호를 전송할 수 있다. 제어 신호를 수신한 제2 슬레이브 디바이스는 시간 슬롯 f(k+1), f(k+2) 동안에 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 또한, 마스터 디바이스는 제1 슬레이브 디바이스가 시간 슬롯 f(k+4) 동안에 전력 수신 유닛에 신호를 전송하도록 제1 슬레이브 디바이스에 제어 신호를 전송할 수 있고, 제어 신호를 수신한 제1 슬레이브 디바이스는 시간 슬롯 f(k+4) 동안 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다.
도 7d는 마스터 디바이스의 신호 시퀀스를 기초로 슬레이브 디바이스들의 신호 시퀀스를 설정하는 경우의 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 7d를 참조하면, 마스터 디바이스는 신호 시퀀스의 전송 시작 시간을 f(k)로 설정하고, 전송 주기를 시간 슬롯 2로 설정할 수 있다. 이에 따라, 마스터 디바이스는 f(k), f(k+2), f(k+4)의 시간 슬롯마다 신호를 전송할 수 있다. 마스터 디바이스는 마스터 디바이스의 신호 시퀀스를 기초로 제1 슬레이브 디바이스 및 제2 슬레이브 디바이스의 신호 시퀀스를 설정할 수 있다. 마스터 디바이스는 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스들이 동시에 신호를 전송하지 않도록, 슬레이브 디바이스들의 전송 시작 시간 및 전송 주기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스는 제1 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 f(k+3)으로 설정할 수 있고, 전송 주기를 시간 슬롯 4로 설정할 수 있다. 또한, 마스터 디바이스는 제2 슬레이브 디바이스의 전송 시작 시간을 f(k+1)으로 설정할 수 있고, 전송 주기를 시간 슬롯 4로 설정할 수 있다. 이에 따라, 제1 슬레이브 디바이스는 f(k+3), f(k+7), f(k+11)의 시간 슬롯 마다 신호를 전송할 수 있고, 제2 슬레이브 디바이스는 f(k+1), f(k+5), f(k+9)의 시간 슬롯 마다 신호를 전송할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 주파수 호핑을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스는 아웃 밴드 통신을 이용하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 아웃 밴드 통신은 블루투스 저에너지(BLE) 통신일 수 있다. 블루투스 저에너지 통신의 경우, 2.4GHz 대역의 통신 주파수 및 40개의 통신 채널을 이용할 수 있다. 이 때, 채널 0 내지 채널 36은 데이터 신호를 송수신하기 위한 채널일 수 있고, 채널 37 내지 채널 39는 알림(advertisement) 신호를 송수신하기 위한 채널일 수 있다.
도 8의 예에서, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스의 주파수 호핑 시퀀스를 설정하고, 주파수 호핑 시퀀스에 따라 통신 주파수를 제어하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 디바이스는 사용하는 주파수의 대역폭을 설정하고, 설정된 대역폭에서 주파수를 일정 간격으로 pseudo-random 방식을 통해 나열하여 주파수 호핑 시퀀스를 설정할 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스는 pseudo-random 방식을 이용하여 '채널 1(811) ― 채널 6(812) ― 채널 27(813) ― 채널 9(814) ― 채널 12(815)'의 주파수 호핑 시퀀스를 설정할 수 있다.
설정된 주파수 호핑 시퀀스는 마스터 디바이스 및 슬레이브 디바이스에 적용될 수 있고, 마스터 디바이스는 주파수 호핑 시퀀스의 호핑 시작 채널을 설정할 수 있다. 예를 들어, 마스터 디바이스는 마스터 디바이스의 호핑 시작 채널을 채널 1(811)로 설정할 수 있고, 제1 슬레이브 디바이스의 호핑 시작 채널을 채널 27(813)으로 설정할 수 있으며, 제2 슬레이브 디바이스의 호핑 시작 채널을 채널 12(815)으로 설정할 수 있다. 이에 따라, 마스터 디바이스는 제1 시간 슬롯부터 제5 시간 슬롯까지 '채널 1(811) ― 채널 6(812) ― 채널 27(813) ― 채널 9(814) ― 채널 12(815)'의 순서로 주파수를 호핑할 수 있고, 제1 슬레이브 디바이스는 '채널 27(813) ― 채널 9(814) ― 채널 12(815) ― 채널 1(811) ― 채널 6(812)'의 순서로 주파수를 호핑할 수 있으며, 제2 슬레이브 디바이스는 '채널 12(815) ― 채널 1(811) ― 채널 6(812) ― 채널 27(813) ― 채널 9(814)'의 순서로 주파수를 호핑할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 네트워크 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, (a)에서, 마스터 디바이스(910)는 제1 슬레이브 디바이스(921) 내지 제4 슬레이브 디바이스(924)와 네트워크 연결될 수 있다. 제1 슬레이브 디바이스(921) 내지 제4 슬레이브 디바이스(924)는 마스터 디바이스(910) 로부터 인덱스에 대한 정보를 수신하여 각각 인덱스를 설정할 수 있다. 예를 들어, 인덱스는 마스터 디바이스(910)에 네트워크 연결된 순서와 대응될 수 있다.
마스터 디바이스(910)는 제1 슬레이브 디바이스(921) 내지 제4 슬레이브 디바이스(924)의 제어 주체가 되어 제1 슬레이브 디바이스(921) 내지 제4 슬레이브 디바이스(924)의 통신 시간 및 통신 주파수를 제어할 수 있다. 마스터 디바이스(910)가 오프 또는 제거되는 경우, 제1 슬레이브 디바이스(921) 내지 제4 슬레이브 디바이스(924)는 서로간에 인덱스를 비교할 수 있다. 제1 슬레이브 디바이스(921)의 인덱스가 가장 높은 경우, 제1 슬레이브 디바이스(921)는 동작 모드를 마스터 모드로 설정할 수 있다. 이에 따라, 제1 슬레이브 디바이스(921)는 (b)와 같이, 마스터 디바이스(930)가 되어 슬레이브 디바이스들(941 내지 943)과 네트워크 연결될 수 있다. 마스터 디바이스(930)는 슬레이브 디바이스들(941 내지 943)의 제어 주체가 될 수 있고, 주변에 슬레이브 디바이스가 존재하는지 여부를 주기적으로 모니터링 할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛의 구성을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 전력 전송 유닛(1000)은 공진기(1010), 매칭 회로(1020), 전력 증폭부(1030), 전력 공급부(1040), 검출기(1050) 및 제어 및 통신부(1060)을 포함한다.
공진기(1010)는 전력 전송 유닛 또는 전력 수신 유닛의 공진기와 마그네틱 필드 커플링을 발생시킬 수 있다.
매칭 회로(1020)는 제어 및 통신부(1060)의 제어에 따라 전력 전송 유닛 또는 전력 수신 유닛 간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다.
전력 증폭부(1030)는 제어 및 통신부(1060)의 제어에 따라 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다.
전력 공급기(1040)는 제어 및 통신부(1060)의 제어에 따라 전력 증폭부에 전력을 공급할 수 있다.
검출기(1050)는 공진기(1010)로 유입되는 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(1060)에 전달할 수 있다.
제어 및 통신부(1060)는 네트워크 연결부(미도시), 신호 전송부(미도시)를 포함할 수 있다. 네트워크 연결부(미도시)는 동작 모드를 마스터 모드로 설정하여 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하거나, 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛에 네트워크 연결할 수 있다. 신호 전송부(미도시)는 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 수신 유닛에 신호를 전송할 수 있다.
또한, 제어 및 통신부(1060)는 인덱스 비교부(미도시) 및 동작 모드 설정부(미도시)를 포함할 수 있다. 인덱스 비교부(미도시)는 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛이 제거된 경우, 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 장치와 인덱스를 비교할 수 있다. 동작 모드 설정부(미도시)는 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛보다 인덱스가 높을 경우, 동작 모드를 마스터 모드로 설정할 수 있다.
도 10에 도시된 일 실시예에 따른 전력 전송 유닛에는 도 1 내지 도 9를 통해 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 내용은 생략한다.
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 (18)

  1. 전력 전송 유닛(Power Transmitting Unit: PTU)의 동기 제어 방법에 있어서,
    동작 모드를 마스터 모드로 설정하여 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 단계; 및
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛으로부터 전송된 신호가 상기 마스터 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에서 전송하는 신호와 오버랩되지 않도록 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 수신 유닛(Power Receiving Unit: PRU)에 신호를 전송하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호는,
    비콘(Beacon) 신호를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    상기 전력 수신 유닛에 전송하는 신호 시퀀스의 전송 시작 시간을 제어하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    상기 전력 수신 유닛에 전송하는 신호 시퀀스의 전송 주기를 제어하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    하나의 시간 슬롯 동안 상기 전력 수신 유닛이 하나의 신호를 수신하도록 상기 슬레이브로 동작하는 전력 전송 유닛에 제어 신호를 전송하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    이전에 설정된 상기 신호에 대한 정보를 고려하여 상기 통신 시간 또는 상기 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    상기 전력 전송 유닛이 전송하는 신호에 대한 정보를 기초로 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 상기 통신 시간 또는 상기 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    주파수 호핑(frequency hopping)을 이용하여 상기 통신 주파수를 제어하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    상기 전력 전송 유닛 및 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 주파수 호핑 시퀀스를 설정하는 단계; 및
    상기 주파수 호핑 시퀀스에 따라 상기 통신 주파수를 제어하여 상기 전력 수신 유닛에 상기 신호를 전송하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전력 수신 유닛에 신호를 전송하는 단계는,
    상기 전력 수신 유닛에 전송하는 주파수 호핑 시퀀스의 호핑 시작 주파수를 제어하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 단계는,
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 인덱스를 설정하는 단계를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 인덱스를 설정하는 단계는,
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 상기 인덱스에 대한 정보를 전송하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 상기 인덱스에 대한 정보를 전송하는 단계는,
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛이 복수 개인 경우, 상기 복수 개의 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛들이 상기 전력 전송 유닛에 상기 네트워크 연결된 순서를 고려하여 상기 인덱스에 대한 정보를 생성하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  14. 전력 전송 유닛(Power Transmitting Unit: PTU)의 동기 제어 방법에 있어서,
    마스터 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 네트워크 연결하는 단계;
    슬레이브 모드로 동작하는 상기 전력 전송 유닛 및 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛이 상기 마스터 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결되는 순서에 따라, 상기 전력 전송 유닛과 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛의 인덱스를 설정하는 단계;
    상기 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛이 제거된 경우, 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 장치와 인덱스를 비교하는 단계; 및
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛보다 인덱스가 높을 경우, 동작 모드를 상기 마스터 모드로 설정하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 동작 모드를 마스터 모드로 설정하는 단계는,
    상기 동작 모드를 상기 마스터 모드로 설정하여 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 단계
    를 포함하는 전력 전송 유닛의 동기 제어 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
  17. 동작 모드를 마스터 모드로 설정하여 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결하는 네트워크 연결부; 및
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛으로부터 전송된 신호가 상기 마스터 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에서 전송하는 신호와 오버랩되지 않도록 상기 슬레이브 모드로 동작하는 전력 전송 유닛의 통신 시간 또는 통신 주파수 중 적어도 하나를 제어하여 전력 수신 유닛(Power Receiving Unit: PRU)에 신호를 전송하는 신호 전송부
    를 포함하는 전력 전송 유닛.
  18. 마스터 모드로 동작하는 전력 전송 유닛에 네트워크 연결하는 네트워크 연결부;
    슬레이브 모드로 동작하는 상기 전력 전송 유닛 및 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛이 상기 마스터 모드로 동작하는 전력 전송 유닛과 네트워크 연결되는 순서에 따라, 상기 전력 전송 유닛과 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛의 인덱스를 설정하고, 상기 마스터 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛이 제거된 경우, 상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 장치와 인덱스를 비교하는 인덱스 비교부; 및
    상기 슬레이브 모드로 동작하는 주변 전력 전송 유닛보다 인덱스가 높을 경우, 동작 모드를 상기 마스터 모드로 설정하는 동작 모드 설정부
    를 포함하는 전력 전송 유닛.
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