KR102203183B1

KR102203183B1 - 무선 전력 통신

Info

Publication number: KR102203183B1
Application number: KR1020167009650A
Authority: KR
Inventors: 조슈아 비 테일러; 콜린 제이 무어; 로버트 디 그리치
Original assignee: 필립스 아이피 벤쳐스 비.브이.
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2021-01-15
Also published as: JP6526644B2; KR20160065866A; CN105637771B; JP2016535569A; WO2015057923A1; US20170310119A1; US10348099B2; TWI670912B; US9735584B2; CN105637771A; TW201534016A; US20150108847A1

Abstract

본 발명에 따른 원격 장치는 유도에 의해 무선 전원으로부터 무선 전력을 수신하는 적응성 전력 수신기를 포함한다. 적응성 전력 수신기는 예를 들어 하이-Q 모드 및 로우-Q 모드를 포함하는 2개 이상의 동작 모드 사이에서 스위칭될 수 있다. 모드들 간의 스위칭의 듀티 사이클을 제어함으로써, 적응성 수신기에 의해 수신되는 에너지의 양은 무선 전원에 통신하도록 제어될 수 있다. 이러한 제어는 일 형태의 적응성 공진 통신 또는 Q 제어 통신이다. 중간 듀티 사이클 값들로의 조정을 이용하여 듀티 사이클들 사이에서 램핑함으로써 왜곡을 줄이거나 제거할 수 있다.

Description

무선 전력 통신{WIRELESS POWER COMMUNICATION}

본 발명은 무선 전력 전송에 관한 것이다.

무선 전원 시스템들은 직접적인 전기 접속 없이도 휴대용 장치와 같은 전자 장치로의 전력 전송을 가능하게 한다. 무선 전력 전송은 인덕터들을 이용하여 달성될 수 있으며, 그들은 그들을 통해 전류가 흐를 때 자장들을 생성한다. 역으로, 다른 인덕터에 의해 생성되는 자장과 같은 자장이 존재할 때 인덕터에서 전류가 유도될 수 있다. 2개의 인덕터가 근접 배치되고, 하나의 인덕터가 전류로 구동되는 경우, 다른 인덕터는 2개의 인덕터가 직접 접속되지 않더라도 전류를 생성할 것이다. 2개의 인덕터 간의 이러한 상관 관계는 일반적으로 유도성 결합으로 지칭되며, 이러한 현상은 전기 접속 없이 전력을 전송하는 데에 많이 이용되어 왔다.

실제로, 무선 전력 전송의 기본 원리들 중 다수는 100년 이상 동안 알려져 왔다. 무선 전력 전송의 아버지로 널리 간주되는 니콜라 테슬라(Nicola Tesla)는 1893년 정도로 이르게 전구에 무선 급전하기 위한 시스템을 입증한 것으로 여겨진다. 테슬라는 그 분야에서의 연구 개발을 수행하는 데에 여러 해를 소비하였고, 무선 전력 전송에 관한 특허들의 상당한 포트폴리오를 축적하였다. 우리가 무선 전력에 대한 관심의 부활을 목격함에 따라, 그의 발명들의 일부가 오늘날 무선 전력 시스템들을 개발하는 사람들에 의해 이용되고 있다. 예를 들어, 테슬라의 미국 특허 제649,621호 및 제685,012호는 발진을 확대하고 프라이머리 유닛과 세컨더리 유닛 사이에서 전력을 통신하기 위한 "공진" 코일들로서 기능하는 중간 코일들의 추가 세트를 포함함으로써 프라이머리 코일과 세컨더리 코일 사이의 유도성 전력 전송이 개선될 수 있다는 것을 개시한다. 더 구체적으로, 프라이머리 유닛은 전력을 세컨더리 유닛으로 전송하도록 함께 동작하는 코일들의 쌍을 포함하며, 세컨더리 유닛은 전력을 수신하도록 함께 동작하는 코일들의 쌍을 포함한다. 프라이머리 유닛은 전원에 전기적으로 접속되고 그로부터 전력을 직접 수신하는 프라이머리 코일은 물론, 직접 급전 코일에 유도적으로 결합되는 공진 코일도 포함한다. 공진 코일은 프라이머리 코일로부터 전력을 유도적으로 수신하고, 발진을 확대하고, 세컨더리 유닛으로 전력을 통신하기 위해 전자기장을 생성한다. 테슬라는 공진 코일과 함께 사용되는 용량이 공진 코일 자체보다 훨씬 더 큰 발진을 생성할 수 있다는 것도 입증하였다. 세컨더리 유닛은 프라이머리 유닛 공진 코일에 의해 생성되는 전자기장을 수신하는 다른 공진 코일 및 세컨더리 부하로 전력을 직접 전송하기 위해 세컨더리 공진 코일에 유도적으로 결합되는 세컨더리 코일을 포함한다. 따라서, 알 수 있듯이, 개선된 성능을 갖는 유도성 결합을 제공하기 위해 중간 코일들의 개별 세트를 이용하는 개념은 1 세기 이상 동안 알려져 왔다.

무선 전력 전송의 기본 개념들이 여러 해 동안 알려져 왔지만, 그러한 기술에 대한 관심의 비교적 최근의 부활이 있었고, 실용적이고 효율적인 무선 전력 전송 시스템들을 구현하기 위해 광범위한 노력들이 행해지고 있다. 효율적인 시스템들의 개발을 복잡하게 하는 다양한 팩터들이 존재한다. 예를 들어, 동작 특성들(즉, 시스템이 동작하는 조건들)은 전력 전송의 품질 및 효율에 상당한 영향을 줄 수 있다. 상호 인덕턴스는 프라이머리 유닛과 세컨더리 유닛 사이의 전력 전송의 효율에 영향을 줄 수도 있다. 상호 인덕턴스는 프라이머리 유닛과 세컨더리 유닛 사이의 거리를 포함하는 다수의 회로 파라미터에 의존한다. 프라이머리 유닛과 세컨더리 유닛 간의 거리가 최소화됨에 따라, 상호 인덕턴스가 증가한다. 거리와 상호 인덕턴스 간의 이러한 역관계는 시스템의 동작 파라미터들에 대한 제한을 부과할 수 있다.

유도성 코일에 의해 구동되는 공진 코일들을 이용하는, 테슬라의 4 코일 구성을 포함하는 과거의 설계들은 더 먼 거리에 걸쳐 전력을 전송하는 데에 이용되어 왔다. 이러한 타입의 구성들은 고도 공진 또는 자기 공진과 같은 다양한 명칭으로 지칭되어 왔다. 시스템은 부하에 의해 감쇠되지 않는 비결합 공진 조건을 유지하기 위해 추가적인 코일들의 이용으로 인해 소정의 효율을 얻을 수 있지만, 결합이 강화되거나 코일들이 물리적으로 더 가까워질 때 효율을 잃을 수 있다.

전통적인 솔루션들은 또한 고도 공진 구성들 또는 강하게 결합되는 구성들에서 자장을 유도하기 위해 유도성 결합을 위한 추가 코일들을 사용하도록 설계되었다. 그러나, 추가적인 코일들이 이러한 구성들에서 사용될 때, 추가 와이어로 인해 비용이 증가할 수 있고, 추가 재료에 비례하여 크기가 증가할 수 있다. 추가 코일들의 추가된 등가 직렬 저항(ESR)으로 인해 효율도 떨어질 수 있다.

발명의 요약

본 발명은 무선 전력 송신기와 통신하는 데 사용될 수 있는 전력을 무선으로 수신하기 위한 적응성 전력 수신기를 갖는 원격 장치를 제공한다. 적응성 전력 수신기는 전력 수신 사이클의 일부 동안 무선 전력 송신기 또는 전원에 의해 급전되고, 전력 수신 사이클의 일부 동안 방전된다. 일 실시예에서, 적응성 전력 수신기는 사이클의 급전 부분 동안 부하로부터 전기적으로 분리되어, 더 쉽게 급전될 수 있는 하이-Q 공진 회로(high-Q resonating circuit)로서 기능한다. 적응성 전력 수신기는 방전 부분 동안 부하에 전기적으로 결합되어, 급전된 적응성 전력 수신기로부터 부하로 전력을 전송하기 위한 직접 전기 경로를 제공할 수 있다. 일반적으로 Q-제어로서 지칭되는 전력 수신 사이클의 방전 및 급전 기간의 변경에 의해, 원격 장치에 의해 수신되고 부하로 공급되는 전력의 양이 변할 수 있다.

원격 장치는 2개의 상이한 Q-제어 듀티 사이클 사이의 Q-제어 듀티 사이클을 선택적으로 조정하여, 원격 장치의 임피던스를 시프트하고 무선 전력 송신기로 통신할 수 있다. 일부 실시예들에서, Q-제어 듀티 사이클의 선택적 조정은 2개의 상이한 개별 Q-제어 듀티 사이클 사이의 하나 이상의 중간 Q-제어 듀티 사이클 값으로 조정하는 것을 포함할 수 있다.

원격 장치는 부하에 공급되는 전력의 양을 제어하기 위해 전력 수신 사이클의 급전 및 방전 부분들의 기간을 변경할 수 있는 제어기를 포함한다. 예를 들어, 제어기는 급전 부분의 기간을 증가시키고 방전 부분의 기간을 감소시켜, 부하에 공급되는 전력을 증가시킬 수 있다. Q-제어 듀티 사이클은 부하에 전력이 공급되는 시간, 즉 Q-제어 FET들이 열리는 전력 수신 사이클의 방전 부분의 백분율로 또는 전력이 부하로부터 분리되는 시간, 즉 Q-제어 FET들이 닫히는 전력 수신 사이클의 급전 부분의 백분율로 표현될 수 있다.

일 실시예에서, 적응성 전력 수신기는 Q-제어를 이용하여 무선 전원에 통신할 수 있다. Q-제어에 의해 유발되는 임피던스의 시프트는 반사 임피던스의 변화를 유발할 것이다. 반사 임피던스의 변화는 무선 전원에서의 전류 또는 전압의 진폭의 변화에 의해 감지될 수 있다. 따라서, Q-제어로 전력 신호를 변조하여 반사 임피던스를 변경함으로써, 무선 전력의 수신기는 무선 전원과 효과적으로 통신할 수 있으며, 이는 일반적으로 후방 산란 변조로 지칭된다.

임피던스 시프트를 이용하여 데이터를 인코딩하기 위해 후방 산란 변조를 이용하는 것이 가능하다. 본질적으로, 임의의 후방 산란 변조 인코딩 스킴은 Q-제어를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, "1"을 지시하기 위해 비트 시간 동안 20% 듀티 사이클과 30% 듀티 사이클 사이에서 스위칭하고 "0"을 지시하기 위해 비트 시간 동안 일정한 듀티 사이클로 유지함으로써 2상 인코딩이 달성될 수 있다.

통신을 생성하기 위한 개별 듀티 사이클 값들 간의 스위칭은 통신을 왜곡할 수 있는 링잉(ringing)과 같은 문제들을 유발할 수 있다. 왜곡은 듀티 사이클 값들 사이에서 램핑(ramping)함으로써 감소 또는 제거될 수 있다. 예를 들어, 듀티 사이클을 직접 20%에서 30%로 조정하는 대신, 듀티 사이클은 램핑 기간 동안 일련의 스텝들을 통해 20%와 30% 사이의 값들로 조정될 수 있으며, 이는 통신 왜곡을 줄이거나 제거할 수 있다. 원격 장치의 통신 스킴은 듀티 사이클이 램핑 기간 후에 일정하게 유지되는 기간을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.

램핑의 스텝들의 수 및 크기는 구성에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 원격 장치는 20%와 30% 사이에서 램핑하기 위해 듀티 사이클을 1%씩 10번 증가/감소시킬 수 있다. 스텝들의 크기는 통신 신호의 전체 형상의 형성을 돕기 위해 일차, 이차, 대수(logarithm) 또는 임의의 다른 함수일 수 있다.

램핑의 기간은 변할 수 있다. 예를 들어, 비트 시간 동안의 램핑을 위한 기간은 비트 시간 내의 전이들의 수에 의존할 수 있다. 게다가, 제1 듀티 사이클로의 램핑을 위한 기간은 제2 듀티 사이클로의 램핑을 위한 기간과 다를 수 있다. 예를 들어, 램핑을 위한 기간은 소정의 듀티 사이클 값에 도달하는 것을 가속화하거나 지연시켜 듀티 사이클이 비트 시간의 시작, 중간 또는 끝 근처에서 달성되는지를 결정하도록 선택될 수 있다. 지연된 피크 듀티 사이클 전이들은 빠른 0 비트 지연들을 줄일 수 있다.

일 실시예에서, 2개의 듀티 사이클 값은 제1 듀티 사이클 값에 더 가까운 중간 듀티 사이클 값들로 듀티 사이클을 반복 조정하여 소정 기간 동안 그러한 제1 듀티 사이클 값을 유지함으로써 제1 듀티 사이클 값으로 램핑하는 것과 제2 듀티 사이클 값에 더 가까운 중간 듀티 사이클 값들로 듀티 사이클을 반복 조정함으로써 제2 듀티 사이클 값으로 램핑하는 것 사이에서 스위칭될 수 있다. 이러한 프로세스는 데이터의 비트들을 형성하기 위해 체계적으로 반복될 수 있다. 예를 들어, 2상 비트 인코딩 스킴은 각각의 비트 시간의 시작과 끝에서 전이를 이용한다. 비트 시간 내에 전이가 발생하는 경우, 비트 시간은 "1"로서 정의되고, 비트 시간 내에 어떠한 전이도 발생하지 않는 경우, 비트 시간은 "0"으로 정의된다.

본 발명의 이들 및 다른 목적들, 장점들 및 특징들은 현재 실시예의 설명 및 도면들을 참조하여 더 충분히 이해되고 인식될 것이다.

본 발명의 실시예들이 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 동작의 상세들로 또는 아래의 설명에서 설명되고 도면들에 예시되는 컴포넌트들의 구성 및 배열의 상세들로 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다양한 다른 실시예들에서 구현될 수 있고, 본 명세서에서 명확히 개시되지 않는 대안 방식들로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 표현 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 한정으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해해야 한다. "포함하는(including, comprising)" 및 그의 변형들의 사용은 그 뒤에 열거된 아이템들 및 그들의 균등물들은 물론, 추가적인 아이템들 및 그들의 균등물들을 포함하는 것을 의도한다. 또한, 다양한 실시예들의 설명에서 열거가 이용될 수 있다. 명확히 달리 언급되지 않는 한은, 열거의 이용은 본 발명을 컴포넌트들의 임의의 특정 순서 또는 수로 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한, 열거의 이용은 열거된 단계들 또는 컴포넌트들과 또는 그들 안으로 결합될 수 있는 임의의 추가 단계들 또는 컴포넌트들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

도 1은 3 또는 4 코일 유도성 무선 전력 시스템을 나타낸다.
도 2는 적응성 수신기 및 보완 수신기를 갖는 원격 장치를 개략적으로 나타내며, 적응성 수신기 Q-제어 FET들은 통신을 위해 사용될 수 있다.
도 3은 적응성 수신기를 갖는 원격 장치를 개략적으로 나타내며, 적응성 수신기 Q-제어 FET들은 통신을 위해 사용될 수 있다.
도 4는 Q-제어 통신 신호의 일 실시예에서의 2개의 비트의 그래프를 나타낸다.
도 5a는 클럭 신호 파형의 그래프를 나타낸다.
도 5b는 2상 인코딩 통신 신호 파형의 그래프를 나타낸다.
도 6a는 원격 장치에 의해 수신된 무선 전력 신호 파형 상에 오버레이된 Q-제어 듀티 사이클 조정들의 그래프를 나타낸다.
도 6b는 2상 인코딩 통신 신호의 그래프를 나타낸다.
도 7a-7f는 Q-제어 통신 신호들을 생성하기 위한 Q-제어 듀티 사이클 값들의 다양한 전형적인 그래프들을 나타낸다.
도 8a는 원격 장치에 의해 수신된 무선 전력 신호 상에 오버레이된 램핑을 갖는 Q-제어 조정들의 그래프를 나타낸다.
도 8b는 도 8a에 도시된 무선 전력 신호에 의해 생성된 2상 인코딩 통신 신호를 나타낸다.
도 8c는 램핑 Q-제어 통신을 생성하는 데 사용되는 Q-제어 듀티 사이클 값들의 그래프를 나타낸다.
도 9a는 Q-제어 통신에 의해 생성된 왜곡된 통신 신호 파형의 그래프를 나타낸다.
도 9b는 Q-제어 통신 동안의 무선 전력 송신기에서의 코일 전류의 그래프를 나타낸다.
도 9c는 Q-제어 통신을 생성하는 데 사용되는 Q-제어 듀티 사이클 값들의 그래프를 나타낸다.
도 10a는 램핑 Q-제어 통신에 의해 생성된 개선된 통신 신호의 그래프를 나타낸다.
도 10b는 램핑 Q-제어 통신 동안의 무선 전력 송신기에서의 코일 전류의 그래프를 나타낸다.
도 10c는 램핑 Q-제어 통신을 생성하는 데 사용되는 램핑 Q-제어 듀티 사이클 값들의 그래프를 나타낸다.
도 11a는 램핑 Q-제어 통신에 의해 생성된 개선된 통신 신호의 그래프를 나타낸다.
도 11b는 0 비트 지연을 강조하는 램핑 Q-제어 통신 동안의 무선 전력 송신기에서의 코일 전류의 그래프를 나타낸다.
도 11c는 램핑 Q-제어 통신을 생성하는 데 사용되는 램핑 Q-제어 듀티 사이클 값들의 그래프를 나타낸다.
도 12a는 지연된 피크 듀티 사이클 전이를 갖는 램핑 Q-제어 통신에 의해 생성된 개선된 통신 신호의 그래프를 나타낸다.
도 12b는 지연된 피크 듀티 사이클 전이를 갖는 램핑 Q-제어 통신 동안의 무선 전력 송신기에서의 코일 전류의 그래프를 나타낸다.
도 12c는 램핑 Q-제어 통신을 생성하는 데 사용되는 지연된 피크 듀티 사이클 전이를 갖는 램핑 Q-제어 듀티 사이클 값들의 그래프를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전원 시스템이 도 1에 도시되고 10으로 지시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 장치는 유연한 전력 전송을 가능하게 할 수 있어서, 예를 들어 원격 장치로 하여금 통신을 행하고/행하거나 적절한 양의 전력을 부하에 제공하는 데 사용될 수 있는 그가 수신하는 전력의 양을 제어하는 것을 가능하게 한다. 무선 전원 시스템(10)은 무선 전력을 수신하도록 구성되는 원격 장치(14) 및 전력을 송신하도록 구성되는 무선 전원(12)을 포함한다. 단일 원격 장치(14)와 관련하여 설명되지만, 본 발명은 하나의 원격 장치(14)만으로의 전력 전송으로 한정되지 않으며, 예를 들어 전력을 순차적으로 또는 동시에 공급함으로써 다수의 원격 장치에 전력을 공급하는 데 적합하다. 이러한 상황에서의 원격 장치들(14) 중 하나 이상은 통상적인 원격 장치들일 수 있다.

원격 장치는 통신을 행하거나 그의 전력 요구를 충족시키기 위해 또는 본질적으로 임의의 다른 이유로 인해 그가 수신하는 전력의 양을 제어할 수 있다. 배터리 또는 부하로의 전력 공급 전에 또는 동안에 원격 장치들에 의해 무선 전원으로 정보가 통신될 수 있다.

본 발명은 일 형태의 적응성 공진 제어를 구현하는 무선 전원 시스템과 관련하여 설명된다. 많은 가운데 특히, 적응성 공진 제어는 시스템이 무선 전원의 전원 제한들, 원격 장치들의 수, 원격 장치들의 전력 요구들, 외부 물체들(기생 금속)의 존재 및 무선 전원, 원격 장치들 및/또는 임의의 중간 코일들 사이의 결합 계수들(예로서, 각도, 배향 및 거리)과 같은 다양한 잠재적 가변 파라미터들에 적응하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 무선 전원은 송신기의 공진 주파수, 구동 신호의 레일 전압, 구동 신호의 듀티 사이클, 구동 신호의 동작 주파수 또는 구동 신호의 위상을 조정함으로써 그의 출력 전력을 제어하는 능력을 가질 수 있다. 무선 전원은 원격 장치들의 전력 요구들에 대응하도록 또는 시스템의 전력 전송 효율을 개선하도록 그의 출력 전력을 변경할 수 있다. 적응성 공진 제어 또는 Q-제어는 Baarman 등의 2013년 3월 14일자의 국제 특허 출원 번호 PCT/US13/31137에서 설명되며, 이에 따라 이 출원은 그 전체가 참고로 포함된다.

적응성 공진 제어의 일부로서, 각각의 원격 장치는 무선 전원으로부터 인출되는 전력의 양을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 각각의 원격 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 적응성 전력 수신기를 포함할 수 있다. 각각의 원격 장치는 무선 전원 및/또는 다른 원격 장치들에 의해 해당 원격 장치로 통신되는 정보에 기초하여 무선 전원으로부터 인출되는 전력의 양을 제어할 수 있다. 추가로 또는 통신들에 대한 대안으로서, 원격 장치는 그가 동작 파라미터들을 결정하는 것을 가능하게 하는 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 원격 장치는 원격 장치가 시스템의 양태들을 모니터링하고 그의 전력 인출을 조정하는 것을 가능하게 하는 전압, 전류 및/또는 전력 센서들을 포함할 수 있다. 무선 전원이 모든 원격 장치들에 대한 충분한 전력을 제공할 수 없을 때, 원격 장치들 중 하나 이상은 그의 전력 인출을 줄일 수 있다. 예를 들어, 더 적은 전력으로 동작할 수 있는 원격 장치가 그의 전력 인출을 줄임으로써 다른 원격 장치들에 대한 더 많은 전력을 남길 수 있다. 무선 전원 및/또는 원격 장치들은 다양한 원격 장치들 사이에 어떻게 전력을 할당할지를 결정할 수 있다. 적응성 공진 제어의 추가 부분으로서, 무선 전원은 적응성 중간 코일들(예로서, 무선 송신기 내의 또는 장 확장기 내의 공진 코일)을 포함할 수 있으며, 이들은 중간 코일들을 통해 중계되는 전력의 양을 제어하도록 조정될 수 있다.

적응성 공진 제어와 관련하여 원격 장치에 의해 수신되는 전력의 양을 제어하는 능력과 별개로, 원격 장치는 무선 전원에서 통신으로서 감지되고 복조될 수 있는 임피던스의 시프트를 생성하기 위해 수신되는 전력의 양을 제어할 수 있다. 이러한 통신 능력은 원격 장치에 의해 제공되는 임의의 적응성 공진 제어에 추가될 수 있다. 즉, 원격 장치는 부하에 대한 전력 제어를 위한 어떠한 적응성 공진도 수행하지 않을 수 있으며, 대신에 단지 무선 전원과 통신하기 위해 수신되는 전력의 양을 제어하는 능력을 이용할 수 있다.

원격 장치(14)는 셀폰, 미디어 플레이어, 핸드헬드 라디오, 카메라, 플래시라이트 또는 본질적으로 임의의 다른 휴대용 전자 장치와 같은 대체로 통상적인 전자 장치를 포함할 수 있다. 원격 장치(14)는 배터리, 커패시터 또는 수퍼 커패시터와 같은 전기 에너지 저장 장치를 포함할 수 있거나, 전기 에너지 저장 장치 없이 동작할 수 있다. 원격 장치(14)의 주요 동작과 관련된(그리고 무선 전력 전송과 무관한) 컴포넌트들은 대체로 통상적이며, 따라서 상세히 설명되지 않는다. 대신, 원격 장치(14)의 주요 동작과 관련된 컴포넌트들은 일반적으로 주요 부하(30)로서 지칭된다. 예를 들어, 셀폰과 관련하여, 배터리 또는 디스플레이와 같은 셀폰 자체와 관련된 전자 컴포넌트들을 설명하기 위한 노력이 행해지지 않는다.

도 2 및 3의 예시된 실시예들에 따른 원격 장치는 유도에 의해 무선 전원으로부터 무선 전력을 수신하는 적응성 전력 수신기(20)를 포함한다. 도 2는 적응성 수신기(L3) 및 보완 수신기(L4)를 갖는 원격 장치를 나타낸다. 도 3은 보완 수신기(L4) 없이 적응성 수신기(L3)를 갖는 원격 장치를 나타낸다. 원격 장치(14)는 무선 전력의 수신을 제어하기 위해 적응성 전력 수신기(20)를 제어할 수 있는 제어기(28)도 포함한다. 도시된 실시예에서의 제어기(28)는 예를 들어 하이-Q 모드 및 로우-Q 모드를 포함하는 둘 이상의 동작 모드 사이에서 적응성 전력 수신기(20)를 스위칭할 수 있다. 모드들 간의 스위칭을 제어함으로써, 제어기(28)는 적응성 전력 수신기(20)에 의해 수신되는 에너지의 양을 제어할 수 있다. 이러한 제어는 일 형태의 적응성 공진 제어 또는 Q 제어이다.

도 2 및 3의 원격 장치들은 공진 및 비공진 동작 모드들에 대한 L3 상의 변조를 가능하게 한다. Q-제어 통신이 양 원격 장치들에서 구현되므로, 통상적인 통신을 위한 컴포넌트들이 제거될 수 있다. 이것은 장치들의 생산 비용을 줄일 수 있다. Q-제어 FET들은 본질적으로 2개의 상이한 레이트로: 전력/전압 제어를 위한 마이크로 조정들 및 통신 변조를 위한 매크로 조정들로 구동될 수 있다.

도 2의 선택 사항인 병렬 커패시터(Cd)(68)는 공진 주파수 식별 시그니처를 형성하는 데 사용될 수 있으며, 전력 전송과 다른 공진 주파수로 튜닝된다. 이러한 병렬 커패시터는 공진 주파수의 차이로 인해 전력 전송의 전체 효율에 대해 거의 영향을 주지 않는다.

때때로 단지 Q로 지칭되는 Q 팩터는 공진기의 중심 주파수에 대한 공진기의 대역폭을 설명할 수 있다. Q는 공진기에 저장된 에너지 대 저장된 에너지가 시간에 대해 일정한 주파수에서 신호 진폭을 일정하게 유지하기 위해 사이클별로 발전기에 의해 공급되는 에너지의 비율로 정의될 수 있다. 저장된 에너지는 임의의 인덕터들 및 커패시터들에 저장된 에너지의 합이며, 손실된 에너지는 사이클별로 저항기들에서 소모되는 에너지의 합이다. 저항기들은 등가 직렬 저항들 또는 설계된 부하일 수 있다.

4 코일 무선 전원 수신기에서, L4 코일은 통상적으로 L3/C3이 공진할 때 생성되는 장을 획득하는 데 사용된다. L3/C3은 전기적으로 격리되므로, 그의 하이 Q 팩터는 그가 더 낮은 결합 팩터들에서 장을 생성하는 것을 가능하게 하여, 원격 장치가 더 먼 거리들에서 전력을 수신하는 것을 가능하게 한다. 일부 상황들에서, 하이 Q는 L3에서 그의 ESR에 의해 소모되지 않는 전류가 유도되는 것을 가능하게 할 수 있다. 이어서, 이러한 유도 전류는 자장을 재생성, 확장, 포커싱 또는 지속할 수 있다.

본 발명의 도시된 실시예들에서, L4는 회로로부터 제거될 수 있으며, L3/C3은 소정 시간들에 부하로부터 선택적으로 전기적으로 분리되고, 다른 시간들에 부하에 전기적으로 결합될 수 있다. L3/C3이 전기적으로 분리될 때 생성되는 에너지는 L3/C3을 부하에 전기적으로 결합함으로써 획득될 수 있다. L3/C3이 부하에 대해 전기적으로 분리되는 것 대 전기적으로 결합되는 것의 레이트를 변경하는 것은 부하에 전달되는 전력의 양을 제어할 수 있으며, 이는 일 형태의 적응성 공진 제어 또는 Q-제어이다.

원격 장치(14)는 적응성 전력 수신기(20)를 제어할 수 있는 제어기(28)도 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(28)는 (본 명세서에서 더 상세히 설명되는) 적응성 전력 수신기(20)의 하나 이상의 스위치에 결합되어, 적응성 전력 수신기(20)가 하이-Q 모드 또는 로우-Q 모드에서 동작하는지를 선택할 수 있다. 제어기(28)는 적응성 전력 수신기(20)에서 수신되는 전력 파형에 따라 다양한 동작 모드들 사이의 사이클링을 제어할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제어기(28)는 전류 파형의 각각의 기간의 하나 이상의 부분 동안 적응성 전력 수신기(20)를 하이-Q 모드에서 동작시키고, 각각의 기간의 나머지 동안 적응성 전력 수신기(20)를 로우-Q 모드에서 동작시킬 수 있다.

도시된 실시예에서, 원격 장치(14)는 적응성 전력 수신기(20)에서 수신되는 전력을 정류하기 위한, 예로서 적응성 전력 수신기(20)로부터 출력되는 교류를 원격 장치(14)에 의해 사용되는 직류로 변환하기 위한 정류 회로(22)도 포함한다. 그러한 회로는 예를 들어 다이오드 정류, 반동기 정류(semi-synchronous rectification), 불연속 모드 정류 및 전동기 정류(full-synchronous rectification)를 포함하는 하나 이상의 정류 모드를 제공하기 위해 다이오드들, 스위치들 또는 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다. 정류 회로(22)가 동기(또는 능동) 정류를 행할 수 있는 구성들에서, 제어기(28) 또는 자기 구동 동기 정류 회로는 정류를 제어할 수 있다.

적응성 전력 수신기(20)는 다양한 모드들 사이에서 구성될 수 있는 경우, 시스템이 일 형태의 적응성 공진 제어 또는 Q-제어를 구현하는 것을 가능하게 한다. 일 실시예에서의 적응성 공진의 사용은 적응성 전력 수신기(20)와 아래에서 상세히 설명되는 무선 전원(12)의 송신기(56) 사이의 부하 및 결합의 변동들을 포함하는 다양한 구성들에 적응하기 위해 소정 시간들에 고도 공진 적응성 전력 수신기(20)(예로서, 하이-Q 수신기)의 사용을 허가할 수 있다. 이러한 제어 방법은 밀접하게 또는 단단하게 결합된 (더 높은 k 계수) 구성들 내지 느슨하게 결합된 (더 낮은 k 계수) 구성들의 범위에 걸치는 구성들에 대한 융통성 있는 제어를 가능하게 할 수 있다. 이러한 방법은 기간들 동안 적응성 전력 수신기(20) 내에 에너지를 저장한 후에 에너지를 원격 장치(14) 내로 방출함으로써 더 높은 효율을 가능하게 할 수도 있다. 따라서, 확장된 범위의 전력 전송은 물론, 적응성 전력 수신기(20) 내의 추가 ESR(등가 직렬 저항)의 잠재적 제거도 달성될 수 있다. 예를 들어, 이러한 구성을 이용하여, 무선 전원으로부터 떨어져서 전력을 수신할 수 있는 2 코일 수신기(예로서, 전기적으로 격리된 공진 회로 및 부하에 접속된 공진 회로)의 이익들이 2개의 모드 - 전기적으로 분리된 공진 회로로서 구성되는 하나의 모드 및 부하에 전기적으로 결합되는 공진 회로인 제2 모드 - 사이에서 스위칭할 수 있는 단일 코일을 이용하여 실현될 수 있다. 이익들은 2개의 모드 사이의 스위칭이 전력 수신 사이클 내에서 실행될 때 향상될 수 있다. 즉, 적응성 전력 수신기 내의 전류 파형의 사이클당 하나 이상.

이제, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 장치(14)가 도시된다. 도 3은 적응성 전력 수신기 회로를 갖는 원격 장치의 일 실시예를 나타낸다. 동작시에, 마이크로프로세서는 초기화 알고리즘을 가질 수 있다. 저장 요소로부터의 충분한 장 또는 에너지를 이용하여, 마이크로프로세서를 턴온하고 Q-제어 FET들을 동작시킬 수 있다. Q-제어 FET들은 L3/C3이 전기적으로 분리된 공진 회로가 되게 하도록 동작할 수 있다. 원격 장치는 Q-제어 FET 제어 신호의 듀티 사이클과 전류 파형을 동기화할 수 있다. 예를 들어, 원격 장치는 전류 파형의 0 교점들을 검출하고, 이들을 이용하여 Q-제어 FET들을 턴온할 수 있다. 전류 파형의 주파수가 변할 때 일정한 듀티 사이클을 유지하는 것이 바람직한 경우에, 원격 장치는 전류 파형의 주파수에 기초하여 조정들을 행할 수 있다. 예를 들어, 원격 장치는 전류 파형의 주파수를 검출할 수 있거나, 전력 송신기로부터 주파수를 수신할 수 있거나, 다른 파라미터들에 기초하여 메모리 내에 저장된 테이블 내에서 그것을 탐색할 수 있다. 대안으로서, 스위치들의 타이밍이 디지털 방식으로 제어될 수 있지만, 아날로그 제어를 이용하여 Q-제어 FET들을 제어하는 것도 가능하다. 예를 들어, 원격 장치는 센서를 포함할 수 있고, Q-제어 FET들의 타이밍은 센서로부터의 출력에 기초하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 센서는 정류된 전압을 검출할 수 있고, 전압 제어 발진기는 Q-제어 FET들이 열리는 시기를 지시함으로써 Q-제어 FET들의 타이밍의 일부를 제어할 수 있다.

도시된 실시예에서, 원격 장치(14)는 2개의 모드: 하이-Q 모드와 로우-Q 모드 사이에서 구성 가능한 적응성 전력 수신기(20)를 포함한다. 이 실시예에서의 적응성 전력 수신기(20)는 세컨더리(62), 공진 커패시터(63), 및 하이-Q 모드와 로우-Q 모드 사이에서 스위칭될 수 있는 직렬 공진 탱크 회로를 형성하도록 배열되는 하나 이상의 스위치(64a-b)를 포함한다. 본 발명은 직렬 공진 탱크 회로들과 함께 사용하는 것으로 제한되지 않는 대신, 다른 타입의 공진 탱크 회로들과 함께 그리고 심지어는 매칭 용량을 갖지 않는 단순 인덕터와 같은 비공진 탱크 회로들 또는 병렬 공진 탱크 회로들과 함께 사용될 수 있다.

도시된 실시예에서, 스위치들(64a-b)은 하이-Q 모드와 로우-Q 모드 사이에서 적응성 전력 수신기(20)를 선택적으로 구성하도록 제어기(28)에 의해 제어될 수 있다. 도시된 바와 같이, 2개의 스위치(64a-b)는 제어기(28)에 결합된다. 스위치들(64a-b)은 적응성 전력 수신기(20)를 하이-Q 모드로 구성하도록 제어기(28)에 의해 개별적으로 또는 함께 제어될 수 있다. 더 구체적으로, 스위치들은 원격 장치(14)의 정류 회로(22) 및 부하(30)를 우회하는 세컨더리(62)와 공진 커패시터(63) 사이의 회로 경로를 완성하도록 닫힐 수 있는데, 즉 세컨더리(62) 및 공진 커패시터(63)에 의해 형성되는 공진 회로가 션팅된다. 이러한 방식으로, 세컨더리(62) 및 공진 커패시터(63)는 송신기(56)로부터 에너지를 축적하고 (로우-Q 모드에 비해) 증가된 에너지를 전송할 수 있는 하이-Q 공진기를 형성할 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 본 발명은 적응성 전력 수신기를 선택적으로 구성할 수 있는 2개의 스위치(64a-b)와 관련하여 설명되지만, 단일 스위치 또는 2개보다 많은 스위치가 동일 또는 유사한 결과를 달성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 대안 실시예에서, 스위치들(64a-b)은 정류 회로(22)와 관련하여 설명되는 바와 같이 동기 정류를 수행하는 데 사용될 수 있다.

적응성 전력 수신기(20)를 하이-Q 모드로부터 로우-Q 모드로 구성하기 위해, 제어기(28)는 전압 센서(34) 또는 전류 센서(32) 또는 이들 양자와 같은 센서로부터의 감지된 출력에 기초하여 스위치들(64a-b)을 열 수 있다. 전압 센서(34), 전류 센서(32) 또는 이들 양자는 원격 장치(14) 내의 전력의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위해 적응성 전력 수신기(20) 또는 부하(30)에 결합될 수 있다. 적응성 전력 수신기(20) 또는 부하(30)에 접속되는 것으로 도시되지만, 센서들은 원격 장치(14) 내의 임의의 노드에 접속될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 발명은 전류 또는 전압 센서들로 한정되지 않으며; 원격 장치(14) 내의 임의의 특성들을 모니터링할 수 있는 하나 이상의 센서가 포함될 수 있고, 따라서 센서 출력을 이용하여 적응성 전력 수신기(20)의 구성을 결정할 수 있다.

스위치들(64a-b)이 열릴 경우, (정류 회로(22) 및 부하(30)와 같은) 하이-Q 모드에서 우회되는 원격 장치(14) 내의 회로는 적응성 전력 수신기(20)에 결합되며, 따라서 부하(30)는 적응성 전력 수신기(20)로부터 급전되어, 적응성 전력 수신기(20)의 ESR을 잠재적으로 증가시키고, 그것을 로우-Q 모드로 전이시킬 수 있다. 즉, 스위치들(64a-b)을 개방함으로써 적응성 전력 수신기(20)로부터 직접 부하(30)에 에너지가 결합되는 경우, 저장된 에너지는 부하(30) 내로 방전되어, 적응성 전력 수신기(20)를 로우-Q 모드로 전이시킨다.

로우-Q 모드와 하이-Q 모드 사이에서 사이클링함으로써, 적응성 전력 수신기(20)의 유효 Q는 시간에 대해 제어될 수 있다. 예를 들어, 2개의 모드 사이에서 스위칭하도록 스위치들(64a-b)의 듀티 사이클을 변경함으로써, 적응성 전력 수신기(20)의 유효 Q가 증가 또는 감소할 수 있다. 하이-Q 모드는 주어진 결합에서 충분한 전압 또는 전류를 형성하기에 충분한 에너지를 저장할 만큼 충분히 오래 그러나 부하(30)에 의해 요구되는 것보다 많은 전압 또는 전류를 형성할 만큼은 길지 않게 유지될 수 있다. 이것은 원격 장치(14)에서의 전압 조절 없이 매우 넓은 결합 범위에 걸쳐 무선 전력 전송을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 원격 장치(14)가 매우 느슨하게 결합되는 경우, 듀티 사이클을 증가시켜 하이-Q 모드의 기간을 증가시킴으로써 적응성 전력 수신기(20)가 추가 에너지를 저장하게 할 수 있다. 대안으로서, 증가된 결합 상태에서는, 로우-Q 모드에서 에너지가 적응성 전력 수신기(20)로 더 쉽게 전송될 수 있고, 하이-Q 모드에서 에너지가 더 쉽게 저장될 수 있으므로, 듀티 사이클을 감소시켜 하이-Q 모드의 기간을 줄일 수 있다. 이러한 듀티 사이클의 감소는 로우-Q 모드에서의 에너지 전송 및 하이-Q 모드에서의 저장의 증가를 보상할 수 있다. 하이-Q 모드와 로우-Q 모드 사이에서 듀티 사이클을 증가 또는 감소시킴으로써, 적응성 전력 수신기(20)는 예를 들어 수신기의 브리지 전압에 대한 제어를 포함하여 수신 전력의 양을 제어할 수 있다.

도시된 실시예에서, 적응성 전력 수신기(20)는 하이-Q 및 로우-Q 동작 모드들에서 사용될 수 있는 단일 세컨더리(62)를 포함한다. 결과적으로, 단일 코일 수신기가 전력 조절을 위한 추가적인 코일들 또는 고가의 DC/DC 컨버터들을 이용하지 않고서 광범위한 결합 상태들 및 부하들(30)에 걸쳐 전력을 효율적으로 수신할 수 있다. 즉, 일부 실시예들에서, 도 2 및 3에 도시된 조절기(72)는 선택 사항일 수 있으며, 회로로부터 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 능력은 원격 장치(14)가 복잡한 통신 및 제어 시스템들을 사용하지 않고서 송신기(56)에 의해 제공되는 장 레벨들의 범위에 걸쳐 수신되는 전력의 양을 제어하는 것을 가능하게 할 수 있다. 즉, 원격 장치(14)는 무선 전원(12)으로 요청 또는 정보를 통신할 필요 없이 그리고 추가적인 전력 조절 회로를 사용하지 않고서 무선 전원(12)으로부터 그가 원하는 만큼의 많은 전력을 간단히 수신할 수 있다.

이제, 하이-Q 및 로우-Q 동작 모드들 사이의 사이클링이 도 3과 관련하여 더 상세히 설명된다. 그러나, 이러한 사이클링 방법은 본 명세서에서 설명되는 임의의 다른 실시예와 관련하여 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

전력 전송 동안의 다수의 전력 수신 사이클에 걸친 세컨더리(62) 및 공진 커패시터(63)의 션팅(또는 적응성 전력 수신기(20)의 하이-Q 모드로의 유지)은 전력 전송의 안정성에 영향을 주어서, 정류 회로(22)로부터 출력되는 정류 전압의 큰 변화들을 유발할 수 있다. 이러한 변화들은 적응성 전력 수신기(20)가 하이-Q 모드로 유지되는 동안에 정류 회로 양단의 유도 전압이 크게 감소할 수 있다는 사실로 인해 오버슈트 또는 언더슈트로서 나타날 수 있다. 부하(30)로 전송되는 전력이 실질적으로 안정화되도록 이러한 언더슈트 및 오버슈트를 최소화하기 위해 추가적인 벌크 용량 및 전력 컨디셔닝 회로가 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 하이-Q 모드와 로우-Q 모드 사이에서 사이클링함으로써 그러한 추가 회로 또는 추가 벌크 용량 없이도 안정성을 달성할 수 있다.

일 실시예에서, 하이-Q 및 로우-Q 모드들 사이의 스위칭은 사이클별로 그리고 지정된 듀티 사이클에 따라 수행될 수 있다. 즉, 스위칭은 적응성 전력 수신기(20)에서 수신되는 전력의 사이클들과 정렬될 수 있고, 따라서 전력 파형의 각각의 주기 동안, 적응성 전력 수신기(20)는 해당 주기의 일부 동안 하이-Q 모드로 구성된다. 소정 듀티 사이클에 대해 사이클별로 모드들 사이에서 스위칭함으로써, 정류 회로(22) 양단의 전압의 강하가 허용되는 기간을 줄이는 것이 가능할 수 있다. 이것은 정류 회로(22)의 출력 상의 벌크 용량이 감소하여 원격 장치(14)의 전체 크기 및 비용을 줄일 수 있다는 것을 의미한다.

본 실시예에서, 하이-Q 모드로 스위칭하기 위한 방법은 사이클별로 수행되며, 전류가 세컨더리(62) 내에서 방향들을 스위칭할 때와 같이 적응성 전력 수신기(20) 내의 전류가 0에 접근할 때 하이-Q 모드 전이가 발생한다. 이러한 0 교점 전이들은 예를 들어 제어기(28)에 결합되는 하나 이상의 센서(32, 34)에 의해 검출될 수 있다. 이러한 센서들(32, 34) 중 하나 이상으로부터의 출력은 코일 전류의 0 교점을 검출하기 위해 비교기에 공급될 수 있다.

이제, 개시의 목적을 위해, 무선 전원 시스템(10)이 무선 전원(12)과 관련하여 설명된다. 무선 전원 시스템(10)은 무선 전원(12)에 따라 구성되는 무선 전원으로 한정되지 않으며, 대안 실시예들에서 통상적인 무선 전원이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도 1의 도시된 실시예에서의 무선 전원(12)은 하나 이상의 원격 장치(14)로의 무선 전력 전송을 제어하도록 구성될 수 있다.

도 1의 도시된 실시예에 따른 무선 전원(12)은 송신기(56), 제어 시스템(55), 구동기(54), 전원(53) 및 본선 입력(52)을 포함할 수 있다. 본 실시예의 전원(53)은 본선 입력(52)으로부터의 AC 입력(예로서, 벽 전력)을 송신기(42)를 구동하는 데 적합한 적절한 DC 출력으로 변환하는 통상의 컨버터일 수 있다. 대안으로서, 본선 입력(52)은 전원(53)이 전달하거나 송신기(56)를 구동하기 위한 적절한 DC 출력으로 변환할 수 있는 DC 소스일 수 있다. 이 실시예에서, 전원(53)은 일반적으로 정류기를 갖는 AC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터이다. 정류기 및 DC/DC 컨버터는 적절한 DC 출력을 제공한다. 전원(53)은 대안으로서 입력 전력을 구동기(54)에 의해 사용되는 형태로 변환할 수 있는 본질적으로 임의의 회로를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 제어 시스템(55)은 예를 들어 레일 전압을 포함하는 동작 파라미터들을 조정하여 전력 전송을 위해 송신기(56)에 급전하도록 구성된다. 대안으로서, 전원(53)은 고정 레일 전압을 가질 수 있다. 제어 시스템(55)은 추가로 또는 대안으로서 예를 들어 구동 신호의 동작 주파수, 탱크 회로의 공진 주파수, 스위칭 회로 위상 및 구동 신호의 듀티 사이클을 포함하는 임의의 다른 동작 파라미터를 조정하는 능력을 가질 수 있다. 구동 신호의 레일 전압을 변경함으로써 동작 파라미터들을 조정하는 것이 바람직한 대안 실시예에서, 전원(53)은 가변 출력을 가질 수 있다. 제어 시스템(55)은 전원(53)에 결합되어, 제어 시스템(55)은 전원(53)의 출력을 제어할 수 있다.

이 실시예에서, 구동기(54)는 입력 신호를 생성하여 송신기(56)에 인가하도록 구성되는 스위칭 회로를 포함한다. 구동기(54)는 전원(53)으로부터의 DC 출력을 송신기(56)를 구동하기 위한 AC 출력으로 변환하는 인버터를 형성할 수 있다. 구동기(54)는 응용마다 다를 수 있다. 예를 들어, 구동기(54)는 하프 브리지 토폴로지로 또는 풀 브리지 토폴로지로 배열되는 MOSFET들과 같은 복수의 스위치 또는 BJT들 또는 IGBT들과 같은 다른 스위칭 회로를 포함할 수 있다.

이 실시예에서, 송신기(56)는 직렬 구성으로 배열되는 탱크 회로를 형성하기 위해 프라이머리(44) 및 공진 커패시터(42)를 포함한다. 본 발명은 직렬 공진 탱크 회로들과 함께 사용하는 것으로 한정되지 않는 대신, 다른 타입의 공진 탱크 회로들과 함께 그리고 심지어는 매칭 용량을 갖지 않는 단순 인덕터와 같은 비공진 탱크 회로들 또는 병렬 공진 탱크 회로들과 함께 사용될 수 있다. 그리고, 도시된 실시예는 코일들을 포함하지만, 무선 전원(10)은 적절한 전자기장을 생성할 수 있는 대안적인 인덕터들 또는 송신기들을 포함할 수 있다. 도시된 실시예의 송신기(56)는 공진기 코일(또는 인덕터)(47) 및 공진기 커패시터(48)를 갖는 공진기 회로(46)도 포함하여, 프라이머리(44)가 공진기 회로(46)와 연계하여 전력을 송신하는 것을 가능하게 한다. 대안 실시예들에서, 공진기 회로(46)는 존재하지 않을 수 있으며, 따라서 프라이머리(44)는 공진기 회로(46)의 도움으로 무선 전력을 송신한다.

무선 전원(12)은 프라이머리(44) 내의 전력의 특성을 감지할 수 있는 센서(57)도 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서(57)는 제어 시스템(55)에 정보를 제공하는 전류 센서일 수 있고, 이 제어 시스템은 감지된 정보에 기초하여 동작 파라미터들을 조정할 수 있다. 감지될 수 있는 전력의 다른 특성들은 실제 전력, 겉보기 전력, 위상 및 전압을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

제어 시스템(55)은 많은 가운데 특히 송신기(56)에 대한 원하는 전원 신호를 생성하게끔 구동기(54)를 동작시키도록 구성되는 부분들을 포함한다. 예를 들어, 제어 시스템(55)은 원격 장치(14)로부터 수신되는 통신들에 기초하여 구동기(54)를 제어하거나 동작 파라미터들을 조정할 수 있다. 통신들에 기초하는 제어에 대한 대안으로서 또는 그에 더하여, 제어 시스템(55)은 센서(57)에서 감지되는 전력의 특성에 기초하여 동작 파라미터들을 조정할 수 있다. 본 발명은 무선 전력을 전송할 수 있는 본질적으로 임의의 시스템들 및 방법들을 이용하여 구현될 수 있다. 적절한 무선 전력 전송 시스템들 및 다양한 대안들이 2007년 5월 1일자로 ADAPTIVE INDUCTIVE POWER SUPPLY라는 명칭으로 허여된 Baarman의 미국 특허 제7,212,414호에서 그리고 2009년 4월 21일자로 ADAPTIVE INDUCTIVE POWER SUPPLY WITH COMMUNICATION이라는 명칭으로 허여된 Baarman의 미국 특허 제7,522,878호에서 설명되며, 이들 모두는 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.

전술한 바와 같이, Q-제어를 이용하여 후방 산란 변조를 구현할 수 있고, 원격 장치와 유도성 전원 간의 통신을 가능하게 할 수 있다. 후방 산란 변조는 일반적으로 회로 요소를 전력 수신 또는 전력 송신 요소에 접속하고 분리하는 것을 지칭한다. Q-제어 후방 산란 변조는 일반적으로 통신하는 데 사용될 수 있는 무선 전력 캐리어 신호에서 임피던스 시프트를 생성하기 위해 Q-제어 FET들의 듀티 사이클을 변경하는 것을 지칭한다. 즉, 임피던스의 변화들이 전류 또는 전압 센서에 의해 무선 전원에서 검출되고, 제어기 또는 복조기 회로에 의해 복조될 수 있다.

도 2 및 3을 참조하면, 적응성 전력 수신기(20)는 Q-제어 FET들(64a-b)을 이용하여, 임피던스를 시프팅하고 통신 신호를 생성할 수 있다. 도시된 실시예들은 공진 및 비공진 동작 모드들 양자에 대한 후방 산란 변조를 가능하게 한다.

Q-제어 FET들(64a-b)을 제어하는 신호의 듀티 사이클의 조정은 임피던스 시프트를 유발할 수 있다. 효과적인 통신은 다수의 전력 수신 사이클 후의 듀티 사이클의 주기적인 조정을 포함할 수 있다. 듀티 사이클 변경에 의해 유발되는 임피던스의 시프트는 효과적으로 통신하는 데 충분한 프라이머리 코일에 대한 정류 임피던스의 변화를 유발할 것이다. 세컨더리 상의 전압도 듀티 사이클 변화로 인해 시프팅될 수 있다. 일 실시예에서, 프라이머리 코일 전류, 전압, 위상 또는 이들의 임의 조합의 강한 시프트를 유지하는 동안 수신기 전압의 최소 시프트가 존재한다.

그러한 통신 방법의 일례가 도 4에 도시되며, 여기서 비트들 또는 비트 전이들은 20% 내지 30%의 듀티 사이클의 변화에 의해 표현된다. 도 4는 Q-제어 FET들을 20%로 동작시킴으로써 0 비트들이 통신되고 Q-제어 FET들을 30%로 동작시킴으로써 1 비트들이 통신되는 간단한 인코딩 스킴을 나타낸다.

Q-제어를 이용하여 구현될 수 있는 다른 인코딩 스킴은 2상 인코딩이다. 도 5a-5b는 2상 인코딩의 일 실시예를 나타낸다. 2상 인코딩에서는, 1 비트가 2개의 전이를 이용하여 인코딩되고, 제1 전이가 클럭 신호의 상승 에지에 대응하고, 제2 전이가 클럭 신호의 하강 에지에 대응한다. 0 비트가 클럭 신호의 상승 에지에 대응하는 단일 전이를 이용하여 인코딩된다.

도 5a는 클럭 신호를 나타내고, 도 5b는 도 5a의 클럭 신호와 함께 2상 인코딩된 통신 신호를 나타낸다. 비트 시간의 시작과 끝은 tclk의 윈도 내의 전이에 의해 지시된다. 1 비트 시간의 시작에서의 윈도가 500으로 도시된다. tclk는 수신기 통신의 프리앰블에 의해 설정되거나, 송신기 및 수신기 양자에 의해 사전 정의되고 공지되거나, 다른 방식으로 설정될 수 있다. 1 비트는 비트 시간의 중심 윈도 내의 전이의 존재에 의해 검출되는데, 예를 들어 502 윈도는 전이가 발생하는 윈도를 나타낸다. 0 비트는 중심 윈도, 즉 전이가 발생하지 않는 504 윈도 내의 전이의 부재에 의해 검출된다. 윈도들 밖의 전이들은 무시되거나 비트 에러들로서 플래깅(flagging)될 수 있다. 통신의 왜곡으로 인한 추가 또는 누락 전이들은 통신을 방해할 수 있다.

도 6a-6b는 Q-제어를 이용하는 2상 인코딩의 응용을 나타낸다. 도 6a는 무선 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 양을 나타내는 무선 전력 캐리어 신호를 도시한다. 도 6b는 무선 전원으로 통신되는 2상 인코딩된 통신 신호, 이 예에서는 "1" 비트 및 "0" 비트를 도시한다. 양 그래프를 참조하면, Q-제어 FET들의 듀티 사이클 값들이 시간 경과에 따라 변한다는 것을 알 수 있다. 하이 값은 30% 듀티 사이클을 나타내고, 로우 값은 20% 듀티 사이클을 나타낸다. 처음 250 마이크로초 동안, Q-제어 FET들은 30% 듀티 사이클로 동작하고, 다음 250 마이크로초 동안, Q-제어 FET들은 20% 듀티 사이클로 동작하고, 마지막 500 마이크로초 동안, Q-제어 FET들은 30% 듀티 사이클로 다시 동작한다. 처음 500 마이크로초 비트 시간 동안 발생하는 30%에서 20%로의 전이는 그러한 500 마이크로초 동안의 데이터 비트가 1이라는 것을 지시한다. 두 번째 500 마이크로초 동안의 다른 듀티 사이클로의 전이의 부재는 데이터 비트가 그 기간 동안 0이라는 것을 지시한다.

도 9a-9c는 Q-제어 변조를 위해 큰 불연속 듀티 사이클 점프들을 이용하는 것이 복조 정보의 링잉 및 통신 방해를 어떻게 유발할 수 있는지를 나타낸다. 이것은 무선 전력 시스템의 감쇠 부족 응답(under-damped response)에 의해 유발될 수 있다. 4 비트의 데이터를 이용하여 인코딩된 전형적인 Rx 통신 신호가 도 9c에 도시된다. 5 볼트는 30% Q-제어 듀티 사이클을 나타내고, 0 볼트는 20% Q-제어 듀티 사이클을 나타낸다. 마이크로프로세서(28) 내에서, 전압 값은 Q-제어 FET들(64a, 64b)의 타이밍을 제어하는 데 사용될 수 있다. 대안 실시예들에서, 상이한 전압 값들은 상이한 Q-제어 듀티 사이클 값들을 나타낼 수 있다.

일 실시예에서, 무선 전원 내의 코일 전류를 나타내는 전압이 도 9b에 도시된다. Q-제어 듀티 사이클의 급격하고 불연속적인 변화는 코일 전류의 링잉을 유발한다. 링잉은 복조시에 통신을 왜곡하여 추가 또는 누락 전이들을 유발할 수 있다. 복조는 다양한 상이한 방식으로 수행될 수 있다. 본 실시예에서의 복조를 위한 임계치들은 902 및 904로서 도시된다. 코일 전류가 330mV 임계치(902)를 초과하는 경우, 통신 신호는 하이로서 해석된다. 코일 전류가 320mV 임계치(904) 아래로 떨어질 때, 통신 신호는 로우로서 해석된다. 링잉(906)은 복조 윈도들 밖의 추가 전이들 또는 에지들로서 해석될 수 있으므로 통신 신호의 왜곡을 유발할 수 있다. 링잉(901)은 비트 시간 왜곡도 유발할 수 있다. 비트 시간 왜곡(901)은 다음 전이 전의 코일 전류의 상향 스윙을 나타낸다. 이러한 너무 이른 전이는 인식되는 비트 시간이 제2의 '1'에 대해 더 짧고 제3의 '1'에 대해 더 길게 한다. 즉, 코일 전류는 정상보다 더 이른 비트 시간(910)에 임계치(904)와 교차하여 비트 시간을 단축시킨다. 비트 시간(912)은 제2 및 제3 비트의 비트 시간이 정확하기 위해 전이가 발생해야 하는 곳을 나타낸다. 즉, 비트들(914)에 대한 총 비트 시간은 약 1 ms이지만, 2개의 비트 사이의 해당 비트 시간의 할당은 동일하지 않은데, 제2의 1 비트는 제3 비트 시간보다 짧은 비트 시간을 갖는다. 이러한 타입의 왜곡은 통신 문제를 유발할 수 있다.

Q-제어 듀티 사이클의 큰 불연속 변화들은 통신 링크의 신호 무결성, 특히 송신기 복조의 문제를 유발할 수 있다. 전체적인 무선 전력 시스템은 Q-제어 듀티 사이클의 스텝 변화에 대한 감쇠 부족 응답을 갖는다. 이러한 감쇠 부족 응답은 송신기가 복조를 위해 모니터링하고 있는 송신기 내의 전압 및 전류 상의 발진을 유발할 수 있다. 2상 인코딩된 데이터를 이용하여 통신이 수행될 때, 2 kbps의 비트 레이트(2kHz 및 4kHz 비트 폭 시간들)에서, 발진들은 약 5 kHz의 주파수에서 발생한다. 이것은 대역 통신 잡음을 생성할 수 있고, 송신기에 의한 복조를 방해한다.

부정확하거나 왜곡된 복조 통신 신호를 나타내는 전압이 도 9a에 도시된다. 원 영역들(908)은 결과적인 복조 통신 신호가 왜곡에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지를 나타낸다.

도 9에 도시된 것과 같은 왜곡은 데이터 비트를 알리기 위해 더 작은 스텝들을 통해 Q-제어 듀티 사이클을 램핑함으로써 감소 또는 제거될 수 있다. 데이터 비트는 듀티 사이클이 램핑하지만 듀티 사이클이 일정한 부분들을 포함할 수 있다. 램핑 대 일정 듀티 사이클 시간의 정확한 비율들은 구현들에 기초하여 변할 수 있다. 어떠한 일정한 부분도 없이 듀티 사이클이 항상 위 또는 아래로 램핑하는 데이터 비트들이 존재할 수 있다. 상향 램핑으로부터 하향 램핑으로의 전이는 또한 비트 시간 내에서 변할 수 있다. 상향 램핑으로부터 하향 램핑으로의 전이의 지연은 0 비트가 0을 향해 감쇠되는 것의 방지를 도울 수 있다.

도 8a-c는 도 4 및 7a-b에 도시된 20% 및 30%와 같은 2개의 큰 불연속 값 사이의 점핑 대신에 Q-제어 듀티 사이클이 중간 듀티 사이클 값들로 조정되고 다음 듀티 사이클로 램핑할 수 있는 램핑 Q-제어를 나타낸다. 이것은 복조 통신 신호의 왜곡을 줄일 수 있다. 이것은 일반적으로 램핑 Q-제어로서 지칭된다.

램핑 Q-제어의 방법은 무선 전원과의 유도성 결합을 통해 적응성 전력 수신기에서 전력을 수신하는 단계를 포함한다. 적응성 전력 수신기는 적응성 전력 수신기가 무선 전원으로부터 수신되는 에너지를 저장할 수 있는 제1 모드로 또는 적응성 전력 수신기가 저장된 에너지를 부하로 방출하는 제2 모드로 선택적으로 구성될 수 있다. 적응성 전력 수신기는 적응성 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 양을 제어하기 위해 제1 듀티 사이클 또는 제2 듀티 사이클에서 제1 모드와 제2 모드 사이에서 사이클링하는 능력을 갖는다. 적응성 전력 수신기는 제1 및 제2 듀티 사이클들에서 발생하는 임피던스의 시프트들을 통해 무선 전원과 통신하기 위해 제1 듀티 사이클에서의 사이클링과 제2 듀티 사이클에서의 사이클링 사이에서 전이할 수 있다. 이러한 2개의 듀티 사이클 사이의 전이는 제1 듀티 사이클과 제2 듀티 사이클 사이의 하나 이상의 중간 듀티 사이클에서의 제1 모드와 제2 모드 사이의 사이클링을 포함할 수 있다.

도 8a는 2개의 비트 시간에 걸친 Q-제어 듀티 사이클 조정들의 그래프를 나타낸다. 도 8c는 20%와 30% 사이의 램핑 Q-제어 듀티 사이클 값들의 그래프를 나타낸다. 도 8b는 도 8c의 듀티 사이클 타이밍들을 이용하여 도 8a에 도시된 무선 전력 신호에 의해 생성되는 2상 인코딩된 통신 신호를 나타낸다.

도시된 실시예에서, Q-제어 듀티 사이클은 "1" 비트 동안 각각의 사이클 후에 0.5%만큼 그리고 "0" 비트 동안 각각의 사이클 후에 0.25%만큼 변경된다. 대안 실시예들에서, 듀티 사이클은 더 적게 또는 더 많이 변경될 수 있다. 다른 실시예들에서, 듀티 사이클은 매 사이클 후에 변경되지 않을 수 있는 대신, 한 사이클 걸러, 두 사이클 걸러 또는 소정의 다른 기간 후에 변경될 수 있다. 변경은 도 8의 실시예에서 비트에 따라 일정하지만, 다른 실시예들에서 변경의 양은 비트가 0인지 또는 1인지, 전송되는 전력의 양, 결합 또는 본질적으로 임의의 다른 팩터에 따라 동적일 수 있다.

아마도 도 8a에서 가장 잘 파악될 수 있듯이, Q-제어 듀티 사이클은 25%에서 시작하고, 30%의 그의 피크에 도달할 때까지 약 125 마이크로초에 걸쳐 상향 램핑한다. 그 후, 다음 250 마이크로초에 걸쳐 30%로 하향 램핑한다. 이어서, Q-제어 듀티 사이클은 다음 125 마이크로초에 걸쳐 25%까지 다시 램핑한다. 0 비트에서 전이가 존재하지 않으므로, Q-제어 듀티 사이클은 처음 500 마이크로초 동안보다 긴 기간 250 마이크로초에 걸쳐 30%로 램핑한다. 거기서부터, Q-제어 듀티 사이클은 다음 250 마이크로초에 걸쳐 25%로 다시 램핑한다.

도 10a-c는 Q-제어 변조를 위해 작은 램핑 듀티 사이클 스텝들을 이용하는 것이 어떻게 복조 정보의 링잉을 줄이고 통신의 정확도를 증가시킬 수 있는지를 나타낸다. 3 비트의 데이터를 이용하여 인코딩된 전형적인 Rx 통신 신호가 도 10c에 도시된다. 1.5 볼트는 30% Q-제어 듀티 사이클을 지시하고, .65 볼트는 20% Q-제어 듀티 사이클을 지시한다. 0.65V와 1.5V 사이의 전압들은 전압의 상대적 변화가 듀티 사이클의 상대적 변화에 대응하는 중간 듀티 사이클 값들을 나타낸다. 마이크로프로세서(28) 내에서, 전압 값은 Q-제어 FET들(64a, 64b)의 타이밍을 제어하는 데 사용될 수 있다. 대안 실시예들에서, 상이한 전압들은 상이한 Q-제어 듀티 사이클 값들을 나타낼 수 있다.

도 10c를 참조하면, Q-제어 듀티 사이클은 일정한 듀티 사이클로 유지되거나 하나의 듀티 사이클 값에서 다른 듀티 사이클 값으로 램핑할 수 있다. 처음 2개 비트(1008) 동안, 듀티 사이클은 25%에서 시작하고, 30%와 20% 사이에서 램핑한다. 최종 비트(1010)에서, 듀티 사이클은 25%에서 시작하고, 30%로 램핑하며, 여기서 소정 기간 동안 일정하게 유지된 후에 25%로 다 시 램핑한다.

일 실시예에서, 무선 전원 내의 코일 전류를 나타내는 전압이 도 10b에 도시된다. Q-제어 듀티 사이클에서의 점진적이고 작은 스텝들은 코일 전류의 링잉(1006)을 줄인다. 복조는 다양한 상이한 방식으로 수행될 수 있다. 본 실시예에서의 복조를 위한 임계치들은 1002 및 1004로서 도시된다. 코일 전류가 2.5V 임계치(1002)를 초과하는 경우, 통신 신호는 하이로서 해석된다. 코일 전류가 2.4V 임계치(1004) 아래로 떨어질 때, 통신 신호는 로우로서 해석된다. Q-제어 듀티 사이클에 대해 작은 점진적인 변경들을 행함으로써, 통신 링크의 신호 무결성이 향상된다. 개선된 복조 통신 신호를 나타내는 전압이 도 10a에 도시된다.

Q-제어 통신에서 발생할 수 있는 하나의 문제는 도 11에 도시된 바와 같이 Q-제어를 이용하여 변조할 때 2상 인코딩된 데이터 내의 0 비트가 너무 빠르게 0을 향해 감쇠할 수 있다는 것이다. 여러 경우에, 이것은 기본 통신 신호의 왜곡을 유발할 수 있다. 도 11에 도시된 0 비트 감쇠(1112)는 도 11a의 통신 신호에 영향을 줄 만큼 충분히 심하지 않지만, 대안 실시예들에서는 시스템의 구성에 따라서는 문제가 될 수 있다. 도 11a-c는 도 10a-c와 관련하여 설명된 동일 램핑 구성을 나타낸다. 도 11b의 0 비트(1110)를 나타내는 코일 전류는 임계치들(1102, 1104) 중 교차하는 하나에 가깝다. 이것은 복조 동안 추가 에지들을 생성할 수 있고, 이는 통신 신호를 왜곡하거나 통신이 재전송되게 할 수 있다.

도 12a-c는 피크 듀티 사이클 전이의 지연이 어떻게 0 비트 감쇠를 줄이고 통신을 개선할 수 있는지를 나타낸다. 피크 듀티 사이클 전이의 지연은 중간 듀티 사이클 스텝들의 수 및 크기를 선택적으로 변경함으로써 수행될 수 있다. 도 12a는 지연된 피크 듀티 사이클 전이를 갖는 램핑 Q-제어 통신에 의해 생성되는 개선된 통신 신호의 그래프를 나타낸다. 도 12b는 지연된 피크 듀티 사이클 전이를 갖는 램핑 Q-제어 통신 동안의 무선 전력 송신기 내의 코일 전류의 그래프를 나타낸다. 도 12c는 램핑 Q-제어 통신을 생성하는 데 사용되는 지연된 피크 듀티 사이클 전이를 갖는 램핑 Q-제어 듀티 사이클 값들의 그래프를 나타낸다. 0 비트(1210) 내의 코일 전류(1212)는 이러한 구성에서는 빠르게 감쇠하는 것이 아니라, 오히려 임계치들(1202, 1204) 위에 더 큰 마진으로 유지된다. 대안 실시예들에서, 피크(또는 트로프(trough)) Q-제어 듀티 사이클 값들을 비트 시간 내에 배치하는 것에 대한 다른 장점들이 존재할 수 있다.

도 8은 듀티 사이클이 일정하게 유지되지 않는 대신에 일정하게 램핑하는 램핑 Q-제어의 일례를 나타낸다. 램핑 Q-제어의 다양한 실시예들이 도 7c-7f에 도시된다. 도 7a는 참조를 위한 2상 인코딩된 데이터의 2개 비트를 나타내고, 도 7b는 도 7a의 2상 인코딩된 데이터를 생성할 수 있는 20%와 30% 사이의 불연속 전이들을 이용하는 Q-제어를 나타낸다.

도 7b-7f에서 도시된 실시예들 각각과 관련하여 설명되지 않지만, 적응성 공진 수신기는 전력/전압 제어 및 통신 변조 양자를 위한 Q-제어 조정들을 이용할 수 있지만 이용하지 않을 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 후술하는 실시예들은 무선 전력 캐리어 신호의 진폭을 변조하기 위해 듀티 사이클을 조정하지만, 다른 변조 기술들이 구현될 수 있다. 또한, 도시된 신호들은 2상 인코딩을 이용하여 인코딩되지만, 다른 인코딩 스킴들이 이용될 수 있다.

도 7c-7f는 도 7b에 도시된 Q-제어로부터 발생할 수 있는 왜곡 및 0 비트 시간 지연을 해결할 수 있는 램핑 Q-제어의 몇몇 상이한 전형적인 실시예를 나타낸다.

도 7c를 참조하면, 통신을 위한 조정은 램프를 생성하는 작은 듀티 사이클 스텝들을 이용하여 수행된다. 이러한 스텝들은 통신 신호의 전체 형상의 형성을 돕기 위해 일차, 이차, 대수 또는 임의의 다른 함수일 수 있다. 비트 시간들은 램핑의 시간들 및 일정 듀티 사이클의 시간들 양자를 포함한다. 듀티 사이클의 더 작은 램핑된 변경들은 수신기로부터 송신기로의 가변 반사 임피던스를 유발한다.

수신기 내의 제어기는 데이터를 다시 송신기로 전송할 수 있다. 제어기는 일반적으로 Q-제어 듀티 사이클을 25%로 유지함으로써 전력/전압을 제어할 수 있다. 2상 인코딩된 "1" 비트를 전송하기 위해, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 30%까지 램핑하여 비트 시간의 일부 동안 일정하게 유지한 후, 250 마이크로초의 시간 프레임 동안 25%까지 다시 하향 램핑한다. 이어서, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 20%까지 아래로 램핑하여 비트 시간의 일부 동안 일정하게 유지한 후에 다음 250 마이크로초 동안 25%로까지 다시 램핑한다. 2상 인코딩된 "0" 비트를 전송하기 위해, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 30%까지 램핑하여 비트 시간의 일부 동안 일정하게 유지한 후에 500 마이크로초의 시간 프레임 동안 25%까지 아래로 다시 램핑한다. 데이터가 전송되면, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 25%로 또는 시스템의 변화(부하/결합 변화)가 주어질 경우에 임의의 적절한 새로운 값으로 유지함으로써 전력/전압을 계속 제어할 수 있다.

도 7d를 참조하면, 통신을 위한 조정은 또한 램프를 생성하는 작은 듀티 사이클 스텝들을 이용하여 수행된다. 이러한 스텝들은 통신 신호의 전체 형상의 형성을 돕기 위해 일차, 이차, 대수 또는 임의의 다른 함수일 수 있다. 비트들은 항상 램핑의 시간들 및/또는 램핑 및 일정 듀티 사이클의 시간들 양자를 포함할 수 있다. 듀티 사이클의 더 작은 램핑된 변화들은 수신기로부터 송신기로의 가변 반사 임피던스를 유발한다.

수신기 내의 제어기는 데이터를 다시 송신기로 전송할 수 있다. 제어기는 일반적으로 Q-제어 듀티 사이클을 25%로 유지함으로써 전력/전압을 제어할 수 있다. 2상 인코딩된 "1" 비트를 전송하기 위해, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 30%까지 램핑한 후, 250 마이크로초의 시간 프레임 동안 25%까지 다시 하향 램핑한다. 이어서, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 20%까지 아래로 램핑한 후에 다음 250 마이크로초 동안 25%로까지 다시 램핑한다. 2상 인코딩된 "0" 비트를 전송하기 위해, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 30%까지 램핑하여 비트 시간의 일부 동안 일정하게 유지한 후에 500 마이크로초의 시간 프레임 동안 25%까지 아래로 다시 램핑한다. 데이터가 전송되면, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 25%로 또는 시스템의 변화(부하/결합 변화)가 주어질 경우에 임의의 적절한 새로운 값으로 유지함으로써 전력/전압을 계속 제어할 수 있다.

도 7e 및 7f를 참조하면, 통신을 위한 Q-제어의 다른 2개의 실시예가 램프를 생성하는 작은 듀티 사이클 스텝을 이용하여 수행된다. 이 실시예에서, Q-제어는 항상 램핑 듀티 사이클이다. 듀티 사이클 스텝들은 통신 신호의 전체 형상의 형성을 돕기 위해 일차, 이차, 대수 또는 임의의 다른 함수일 수 있다. 피크 듀티 사이클은 비트 시간의 중심(도 7e 참조)에 배치되거나, 비트 시간의 끝(도 7f 참조)을 향해 지연되거나, 비트 시간의 다른 곳에 배치될 수 있다. 듀티 사이클의 더 작은 램핑된 변화들은 수신기에서 송신기로의 가변 반사 임피던스를 유발한다.

수신기 내의 제어기는 데이터를 다시 송신기로 전송할 수 있다. 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 25%로 유지함으로써 전력/전압을 제어한다. 2상 인코딩된 "1" 비트를 전송하기 위해, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 30%까지 램핑한 후, 250 마이크로초의 시간 프레임 동안 25%까지 다시 하향 램핑한다. 이어서, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 20%까지 아래로 램핑한 후에 다음 250 마이크로초 동안 25%로까지 다시 램핑한다. 2상 인코딩된 "0" 비트를 전송하기 위해, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 30%까지 램핑한 후에 500 마이크로초의 시간 프레임 동안 25%까지 아래로 다시 램핑한다. 데이터가 전송되면, 제어기는 Q-제어 듀티 사이클을 25%로 또는 시스템의 변화(부하/결합 변화)가 주어질 경우에 임의의 적절한 새로운 값으로 유지함으로써 전력/전압을 계속 제어한다. 1 또는 0에 대해, 듀티 사이클이 상향(또는 하향) 램핑을 멈추는 대신에 하향(또는 상향) 램핑하는 전이 포인트는 비트 시간 내의 중심에 있거나, 비트 시간의 끝을 향해 지연되거나, 비트 시간 내의 다른 곳에 배치될 수 있다.

수신기와 송신기 사이의 통신 링크는 동작 포인트 및 한계, 배터리 충전 레벨, 안전성 및 장치 식별자와 같은 정보를 송신기에 제공할 수 있다. 대안으로서, 통신 링크는 원격 장치 또는 무선 전력 송신기의 동작, 예를 들어 음악 또는 다른 데이터와 무관할 수 있다. 링크는 무선 전력 전송 동안 규칙적으로 피드백을 제공할 수 있다. 이러한 링크는 진폭 변조 신호를 포함할 수 있다. 이러한 진폭 변조는 송신기로 다시 반사되는 전력 신호 상의 임피던스 시프트를 유발함으로써 수신기 내에서 생성될 수 있다. 송신기는 프라이머리 코일 전류 및/또는 추가 신호들을 모니터링하여, 이러한 변조를 검출하고, 어떤 정보가 수신되고 있는지를 결정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 임피던스 시프트는 Q-제어 FET 또는 FET들의 듀티 사이클을 변경함으로써 생성될 수 있다.

동작시에, Q-제어 FET들(64a-b)은 전력/전압 제어를 위해 그리고/또는 통신 변조를 위해 구동될 수 있다. 송신기는 전송되는 전력의 양과 무관하게 통신을 검출할 수 있다. 즉, 후방 산란 신호의 변조들은 많거나 적은 양의 전력이 전송되는지에 관계없이 생성 및 검출될 수 있다. 예를 들어, 변조들의 상대적 크기는 캐리어 신호 - 이 예에서는 전력 전송 신호 -의 진폭에 비례할 수 있다.

전술한 바와 같이, 적응성 전력 수신기의 적응성 공진 제어는 무선 전원으로부터의 입력 없이 수신기에 의해 독립적으로 수행될 수 있다. 대안으로서, 적응성 전력 수신기의 적응성 공진 제어는 무선 전원으로부터의 입력에 기초하여 또는 무선 전원으로부터의 명령에 따라 수행될 수 있다. 명령은 다양한 상이한 통신 방법을 통해 원격 장치로 통신될 수 있다. 예를 들어, 원격 장치로 통신하기 위한 통신 방법들은 주파수 시프트 키잉, 진폭 변조 또는 블루투스, 와이파이, RFID 등과 같은 다른 외부 무선 주파수 링크들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, Q-제어는 수신기에 대한 진폭 변조 통신을 구현하는 데 사용될 수 있다.

적응성 전력 수신기의 적응성 공진 제어는 무선 전원 시스템에서의 유일한 형태의 전력 제어로서, 전체 시스템에서의 다른 타입의 전력 제어 중 한 형태의 전력 제어로서 수행되거나, 결코 전력 제어를 위해 수행되지 않고, Q-제어 통신을 위해서만 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 무선 전원은 고정된 양의 전력을 출력하고, 존재하는 각각의 원격 장치는 적응성 공진 제어를 이용하여, 그가 얼마나 많은 전력을 수신하는지를 제어할 수 있다. 다른 실시예에서, 무선 전원은 존재하는 임의의 원격 장치들과 통신하고, 적응성 공진 제어를 어떻게 실행할지에 대한 명령을 원격 장치들에 제공한다. 무선 전원은 장치들 각각에 대한 적응성 공진 제어 설정들을 결정하기 위해 원격 장치들로부터 정보를 수집하고, 그에 따라 원격 장치들 각각에 명령할 수 있다. 명령은 유도성 전원에 의해 공급되는 전력의 전체 양, 개별 원격 장치 전력 요구 또는 이 둘의 조합에 기초할 수 있다. 대안 실시예들에서, 명령은 추가적인 또는 상이한 팩터들에 기초할 수 있다. 추가 실시예들에서, 원격 장치들은 개별 전력 제어 시스템을 갖고(또는 어떠한 명확한 전력 제어 시스템도 갖지 않고), Q-제어를 이용하여 무선 전원과 통신할 수 있다.

일부 실시예들에서, 추가 타입의 전력 제어가 무선 전력 시스템에 포함된다. 예를 들어, 무선 전력 시스템은 원격 장치들의 요구에 기초하여 전송되는 전력의 양을 적응시킬 수 있다. 이것은 유도성 전원의 동작 주파수의 조정, 유도성 전원의 공진 주파수의 조정, 유도성 전원의 듀티 사이클의 조정 또는 임의의 다른 유도성 전원 설정의 단독 또는 조합 조정과 같은 다양한 상이한 방식으로 수행될 수 있다.

적응성 공진 제어를 이용하여, 무선 전력 전송 시스템은 다수의 포인트에서의 전력 제어를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 수신기 단독 제어를 이용할 수 있으며, 이 경우에 수신기는 적절한 전력이 수신되는 것을 보증하기 위해 (공진 주파수 제어와 같은 전력 제어의 다른 방법들에 더하여 또는 그 대신에) 적응성 공진 제어의 이용을 책임진다. 시스템은 수신기 또는 수신기들에 의해 이용 가능한 전력의 양을 조정하기 위해 송신기 제어를 더 이용할 수 있다. 이러한 시스템은 전력의 조정을 제어하기 위해 통신을 이용하거나 이용하지 않을 수 있다. 예를 들어, 검출된 부하에 관계없이 에너지를 전송하는 송신기 상에 수신기가 배치될 수 있으며, 이 경우에 수신기는 그가 올바른 양의 전력을 수신하는 것을 보증하기 위해 적응성 공진 제어를 조정할 수 있다. 대안으로서, 송신기는 송신기로 다시 반사되는 임피던스를 측정하고, 반사 임피던스에 기초하여 전송되는 전력의 양을 조정할 수 있다. 게다가, 시스템은 이들 모두를 결합하여, 송신기 상에 배치될 수 있는 다수의 장치의 전력 요구의 차이에 관계없이 각각의 장치가 그가 원하는 전력을 수신하게 할 수 있다.

"수직", "수평", "상", "하", "상향", "하향", "내측", "안으로", "외측" 및 "밖으로"와 같은 방향 용어들은 도면들에 도시된 실시예들의 배향에 기초하여 본 발명의 설명을 돕기 위해 사용된다. 방향 용어들의 사용은 본 발명을 임의의 특정 배향(들)으로 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

위의 설명은 본 발명의 현재 실시예들의 설명이다. 균등론을 포함하는 특허법의 원리들에 따라 해석되어야 하는 첨부된 청구항들에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 더 넓은 양태들로부터 벗어나지 않고서 다양한 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있다. 본 개시 내용은 예시의 목적으로 제공되며, 본 발명의 모든 실시예들의 포괄적인 설명으로서 또는 청구항들의 범위를 이러한 실시예들과 관련하여 예시 또는 설명되는 특정 요소들로 한정하도록 해석되지 않아야 한다. 한정이 아니라 예로서, 설명되는 발명의 임의의 개별 요소(들)는 실질적으로 유사한 기능을 제공하거나 적절한 동작을 달리 제공하는 대안 요소들에 의해 대체될 수 있다. 이것은 예를 들어 이 분야의 기술자에게 현재 알려졌을 수 있는 것들과 같은 현재 알려진 대안 요소들, 및 이 분야의 기술자가 개발시에 대안으로서 인식할 수 있는 것들과 같은, 미래에 개발될 수 있는 대안 요소들을 포함한다. 또한, 개시되는 실시예들은 연계하여 설명되고 이익들의 집합을 협력하여 제공할 수 있는 복수의 특징을 포함한다. 본 발명은 허여되는 청구항들에서 달리 명확히 설명되는 한도 외에는 이러한 특징들 모두를 포함하거나 설명되는 이익들 모두를 제공하는 실시예들만으로 한정되지 않는다. 예를 들어 관사 "a", "an", "the" 또는 "said"를 이용하는 단수의 청구항 요소들에 대한 임의의 참조는 요소를 단수로 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims

무선 전원(wireless power supply)으로부터 무선 전력을 수신하기 위한 원격 장치로서,
유도성 결합을 통해 상기 무선 전원으로부터 전력을 수신할 수 있는 적응성 전력 수신기 - 상기 적응성 전력 수신기는 제1 모드로 구성될 수 있고 제2 모드로 구성될 수 있음 -;
상기 적응성 전력 수신기에서 생성되는 전력을 수신하기 위한 부하 - 상기 제1 모드에서 상기 적응성 전력 수신기는 상기 무선 전원으로부터 수신되는 에너지를 저장할 수 있고, 상기 제2 모드에서 상기 적응성 전력 수신기는 상기 저장된 에너지를 상기 부하로 방출함 -; 및
상기 적응성 전력 수신기에 동작 가능하게 결합되는 제어기 - 상기 제어기는 상기 적응성 전력 수신기를 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 선택적으로 구성함으로써 상기 무선 전원으로부터 수신되는 전력을 제어할 수 있음 -
를 포함하고,
상기 제어기는 비트 시간에 걸쳐 상기 제2 모드에 관한 상기 제1 모드의 듀티 사이클을 제어함으로써 상기 무선 전원과 통신하기 위해 상기 적응성 전력 수신기에 의해 수신되는 전력을 제어하고, 상기 듀티 사이클의 증가는 상기 적응성 전력 수신기가 상기 제1 모드에 있는 기간을 증가시키고, 상기 듀티 사이클의 감소는 상기 적응성 전력 수신기가 상기 제1 모드에 있는 상기 기간을 감소시키며,
상기 제어기는 상기 원격 장치의 임피던스를 시프팅하기 위해 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 선택적으로 조정함으로써 상기 무선 전원에 통신할 수 있고, 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 조정하는 것은 상기 듀티 사이클을 하나 이상의 중간 듀티 사이클 값 사이에서 조정하는 것을 포함하는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 모드는 하이-Q 모드이고, 상기 제2 모드는 로우-Q 모드인 원격 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어기는 상기 적응성 전력 수신기의 유효 Q를 임계치 위 또는 아래로 유지하여 상기 무선 전원과 상기 원격 장치 사이의 전력 전송의 효율을 개선하기 위해 상기 적응성 전력 수신기가 상기 하이-Q 모드에 있는 기간을 제어하는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 적응성 전력 수신기는 수신 전력을 정류할 뿐만 아니라 상기 적응성 전력 수신기를 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 스위칭할 수 있는 적응성 제어 회로를 포함하는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 중간 듀티 사이클 스텝의 수 및 크기는 상기 통신에서의 링잉을 줄이도록 선택되는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 중간 듀티 사이클 스텝의 수 및 크기는 0 비트 감쇠를 줄이도록 선택되는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 중간 듀티 사이클 스텝의 수 및 크기는 상기 비트 시간의 일부 동안 일정한 듀티 사이클을 생성하도록 선택되는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 중간 듀티 사이클 스텝의 수 및 크기는 전체 비트 시간 동안 가변 듀티 사이클을 생성하도록 선택되는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 모드는 공진하며, 상기 제2 모드는 고도로 공진하는 원격 장치.
제1항에 있어서,
유도성 결합을 통해 상기 무선 전원으로부터 전력을 수신할 수 있는 보완 수신기를 더 포함하고, 상기 제1 모드에서 상기 적응성 전력 수신기는 상기 무선 전원으로부터 상기 보완 수신기로 전력을 제공하고, 상기 부하로의 직접 전력 제공을 우회하며, 상기 제2 모드에서 상기 적응성 전력 수신기는 상기 부하에 직접 전력을 제공하는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 적응성 전력 수신기는 상기 제2 모드에 비해 상기 제1 모드에서 감소된 등가 직렬 저항을 갖는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 수신 전력이 임계치 아래라는 결정에 응답하여 수신 전력의 양을 증가시키도록 상기 적응성 전력 수신기를 제어하는 원격 장치.
제1항에 있어서,
상기 적응성 전력 수신기는 상기 무선 전원과 유도적으로 결합할 수 있는 단일 인덕터를 포함하는 원격 장치.
원격 장치에서 무선 전원으로부터 수신되는 전력을 제어하기 위한 방법으로서,
상기 무선 전원과의 유도성 결합을 통해 적응성 전력 수신기에서 전력을 수신하는 단계;
상기 적응성 전력 수신기가 상기 무선 전원으로부터 수신되는 에너지를 저장할 수 있는 제1 모드로 상기 적응성 전력 수신기를 선택적으로 구성하는 단계;
상기 적응성 전력 수신기가 저장된 에너지를 부하로 방출하는 제2 모드로 상기 적응성 전력 수신기를 선택적으로 구성하는 단계;
상기 적응성 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 양을 제어하기 위해 제1 듀티 사이클에서 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 사이클링하는 단계;
상기 적응성 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 양을 제어하기 위해 제2 듀티 사이클에서 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 사이클링하는 단계;
상기 무선 전원과 통신하기 위해 제1 듀티 사이클에서 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 사이클링하는 것과 제2 듀티 사이클에서 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 사이클링하는 것 사이에서 전이하는 단계 - 상기 전이하는 단계는 하나 이상의 중간 듀티 사이클에서 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 사이클링하는 단계를 포함하고, 상기 중간 듀티 사이클들은 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클 사이에 있음 -
를 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 제1 모드는 하이-Q 모드이고, 상기 제2 모드는 로우-Q 모드인 방법.
제15항에 있어서,
상기 적응성 전력 수신기의 유효 Q를 임계치 위 또는 아래로 유지하여 상기 무선 전원과 상기 원격 장치 사이의 전력 전송의 효율을 개선하기 위해 상기 적응성 전력 수신기가 상기 하이-Q 모드에 있는 기간을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 하나 이상의 중간 듀티 사이클 스텝의 수 및 크기는 상기 통신에서의 링잉을 줄이도록 선택되는 방법.
제14항에 있어서,
상기 하나 이상의 중간 듀티 사이클 스텝의 수 및 크기는 0 비트 감쇠를 줄이도록 선택되는 방법.
무선 전원으로부터 원격 장치로 무선 전력을 전송하고, 상기 원격 장치로부터 상기 무선 전원으로 통신하기 위한 무선 전력 시스템으로서,
원격 장치 - 상기 원격 장치는
유도성 결합을 통해 상기 무선 전원으로부터 전력을 수신할 수 있는 적응성 전력 수신기 - 상기 적응성 전력 수신기는 제1 모드로 구성될 수 있고 제2 모드로 구성될 수 있음 -;
상기 적응성 전력 수신기에서 생성되는 전력을 수신하기 위한 부하 - 상기 제1 모드에서 상기 적응성 전력 수신기는 상기 무선 전원으로부터 수신되는 에너지를 저장할 수 있고, 상기 제2 모드에서 상기 적응성 전력 수신기는 상기 저장된 에너지를 상기 부하로 방출함 -; 및
상기 적응성 전력 수신기에 동작 가능하게 결합되는 제어기 - 상기 제어기는 상기 적응성 전력 수신기를 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 선택적으로 구성함으로써 상기 무선 전원으로부터 수신되는 전력을 제어할 수 있음 -
를 포함하고,
상기 제어기는 비트 시간에 걸쳐 상기 제2 모드에 관한 상기 제1 모드의 듀티 사이클을 제어함으로써 상기 무선 전원과 통신하기 위해 상기 적응성 전력 수신기에 의해 수신되는 전력을 제어하고, 상기 듀티 사이클의 증가는 상기 적응성 전력 수신기가 상기 제1 모드에 있는 기간을 증가시키고, 상기 듀티 사이클의 감소는 상기 적응성 전력 수신기가 상기 제1 모드에 있는 상기 기간을 감소시키며,
상기 제어기는 상기 원격 장치의 임피던스를 시프팅하기 위해 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 선택적으로 조정함으로써 상기 무선 전원에 통신할 수 있고, 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 조정하는 것은 상기 듀티 사이클을 하나 이상의 중간 듀티 사이클 값 사이에서 조정하는 것을 포함함 -; 및
무선 전력 송신기
를 포함하고,
상기 무선 전력 송신기는
무선 전력을 상기 원격 장치로 전송할 수 있는 적응성 전력 송신기 - 상기 적응성 전력 송신기는 제1 모드로 구성될 수 있고, 제2 모드로 구성될 수 있으며,
상기 제1 모드에서 상기 적응성 전력 송신기는 제1 공진 주파수를 갖고, 상기 제2 모드에서 상기 적응성 전력 송신기는 제2의 상이한 공진 주파수를 가짐 -; 및
상기 적응성 전력 수신기에 동작 가능하게 결합되는 제어기 - 상기 제어기는 상기 적응성 전력 송신기를 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이에서 선택적으로 구성함으로써 상기 무선 전원에 의해 송신되는 전력을 제어할 수 있음 -
를 포함하는 무선 전력 시스템.
제19항에 있어서,
상기 원격 장치의 임피던스를 시프팅하기 위해 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 선택적으로 조정함으로써 상기 통신에서의 링잉을 줄이도록 구성되고, 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 조정하는 것은 상기 듀티 사이클을 하나 이상의 중간 듀티 사이클 값 사이에서 조정하는 것을 포함하고, 상기 듀티 사이클은 상기 비트 시간의 적어도 일부 동안 일정하게 유지되는 무선 전력 시스템.
제19항에 있어서,
상기 원격 장치의 임피던스를 시프팅하기 위해 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 선택적으로 조정함으로써 상기 통신에서의 링잉을 줄이도록 구성되고, 상기 듀티 사이클을 2개의 값 사이에서 조정하는 것은 상기 듀티 사이클을 하나 이상의 중간 듀티 사이클 값 사이에서 조정하는 것을 포함하고, 상기 듀티 사이클은 상기 비트 시간의 실질적으로 전부에 걸쳐 변하는 무선 전력 시스템.
제19항에 있어서,
상기 2개의 값 사이의 실질적으로 중간인 듀티 사이클에서 상기 비트 시간을 시작 및 종료하도록 구성되는 무선 전력 시스템.
제19항에 있어서,
상기 하나 이상의 중간 듀티 사이클 스텝의 수 및 크기는 0 비트 감쇠를 줄이도록 선택되는 무선 전력 시스템.