KR102644215B1 - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

이 명세서는 무선 전력 전송 장치와 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법은, 무선 전력 신호를 통해 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계; 저주파 통과 필터를 이용하여 수신 장치가 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 아날로그 신호를 얻는 단계; 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 단계; 디지털 신호로부터 데이터 비트를 추출하는 단계; 추출된 데이터 비트에서 에러가 발생하는지 여부를 확인하는 단계; 및 에러가 발생할 때, 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성할 때 사용하는 방법을 기준 값 비교 방법에서 피크 값 비교 방법으로 또는 피크 값 비교 방법에서 기준 값 비교 방법으로 바꾸는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 방법 {Apparatus and method for transmitting power wirelessly}
이 명세서는 무선으로 전력을 전송하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 수신 장치로부터 전송되는 신호를 디코딩 하는 방법에 관한 것이다.
통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰이나 태블릿 PC 등과 같은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.
최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.
무선으로 전기 에너지를 공급하거나 공급받기 위한 방법이 몇 가지 있는데, 대표적으로 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식이 있다.
두 방식 모두 무선 충전 장치와 스마트 단말과 같은 전자 기기 사이에 통신 채널을 형성하여 데이터를 주고 받음으로써 전력 전송의 안정성을 확보하고 전송 효율을 높일 수 있다.
하지만, 수신 장치로부터 전송되는 신호에 노이즈가 많이 침입하여 비정상적인 파형이 되는 경우가 있고, 이러한 파형의 신호로부터는 정확한 디지털 데이터를 추출하기 어렵게 된다. 수신 장치로부터 데이터가 제대로 전송되지 않으면, 전송 장치는 수신 장치의 상태 변화를 파악하지 못하고 전력을 높은 효율로 전송하지 못하게 된다.
이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 통신 품질을 향상시키는 방법을 제공하는 데 있다.
명세서의 다른 목적은, 수신 장치가 전송하는 신호로부터 데이터 비트를 정확하게 디코딩 하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법은, 무선 전력 신호를 통해 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계; 저주파 통과 필터를 이용하여 수신 장치가 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 아날로그 신호를 얻는 단계; 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 단계; 디지털 신호로부터 데이터 비트를 추출하는 단계; 추출된 데이터 비트에서 에러가 발생하는지 여부를 확인하는 단계; 및 에러가 발생할 때, 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성할 때 사용하는 방법을 기준 값 비교 방법에서 피크 값 비교 방법으로 또는 피크 값 비교 방법에서 기준 값 비교 방법으로 바꾸는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합으로 무선 전력 신호를 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로; 수신 장치가 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 메시지를 추출하기 위한 디모듈레이터; 및 디모듈레이터가 추출한 메시지에 맞는 무선 전력 신호를 생성하도록 인버터를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되고, 디모듈레이터는, 저주파 통과 필터를 이용하여 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실린 아날로그 신호를 얻고, 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하고, 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하고, 추출된 데이터 비트에서 에러가 발생할 때 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성할 때 사용하는 방법을 기준 값 비교 방법에서 피크 값 비교 방법으로 또는 피크 값 비교 방법에서 기준 값 비교 방법으로 바꾸는 것을 특징으로 한다.
따라서, 무선 전력 수신 장치로부터 전송되는 ASK 신호가 왜곡되더라도 정확하게 디코딩 또는 디모듈레이션 할 수 있게 되어, 전송 장치와 수신 장치 사이에 안정적인 통신 품질을 유지할 수 있고, 전송 장치가 수신 장치에 높은 효율로 전력을 전송할 수 있게 된다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5는 전력을 무선으로 수신하는 수신 장치가 전송하는 ASK 신호를 전송 장치가 디모듈레이션 하는 무선 전력 시스템을 블록으로 도시한 것이고,
도 6a는 ASK 신호를 디모듈레이션 하기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 6b는 정상적인 파형의 ASK 신호를 디모듈레이션 하여 디지털 데이터를 얻는 과정을 도시한 것이고,
도 7은 비정상적인 파형의 ASK 신호를 디모듈레이션 하여 디지털 데이터를 제대로 얻지 못하는 예를 도시한 것이고,
도 8은 비정상적인 파형의 ASK 신호를 피크 값 검출 방법으로 복조하는 예를 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기준 값 비교 방법과 피크 값 검출 방법을 번갈아 가면서 ASK 신호를 복조하는 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 10은 디퍼런셜 바이-페이즈 인코딩(Differential Bi-phase Encoding) 방법으로 생성된 디지털 신호와 이에 대응하는 데이터 비트를 도시한 것이고,
도 11a와 도 11b는 각각 ASK 신호로부터 생성되는 디지털 신호 중에서 정상적인 디지털 신호와 비정상적인 디지털 신호를 도시한 것이고,
도 12a와 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 ASK 신호로부터 생성되는 디지털 신호로부터 데이터 비트를 판단하는 알고리즘을 도시한 것이고,
도 13은 본 발명이 적용되는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
이하, 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.
무선 전력 전송 장치(100)는, 무선 전력 수신 장치 또는 전자 기기(200)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(200)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(200)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전자 기기(200)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.
무선 전력 전송 장치(100)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(200) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
무선 전력 전송 장치(100) 측의 1차 코일과 전자 기기(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(100) 및 전자 기기(200)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(200)는 수신 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.
유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(100)와 전자 기기(200) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(100)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 수신 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.
인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 수신 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 수신 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치는 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 수신 장치에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.
공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.
인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 장치의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 장치의 전송 효율을 변경할 수 있다.
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이다.
전력 변환부는 수신 장치의 수신 상태와 상관 없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 장치의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 장치로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 장치에 필요하다.
무선 전력 전송 장치(100)는 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 장치(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 수신 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 수신 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
수신 장치의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 장치에 전송할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 수신 장치에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 장치(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 장치의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 장치(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 장치(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 장치의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.
전송 장치(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 장치의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.
수신 장치의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 장치의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 장치(100)에 전송할 수 있다.
전송 장치의 통신부(120)는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 장치가 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 장치가 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.
무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer)을 포함하여 4가지 단계로 이루어질 수 있다. 선택 단계는 전송 장치가 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 장치를 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 장치에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 장치로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 장치와 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 장치와 수신 장치의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계이다.
핑 단계에서는, 수신 장치(200)가 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 장치(100)에 전송하는데, 신호 강도 패킷(SSP)은 수신 장치에서 정류한 전압을 모니터링 하여 생성하는 메시지로서, 전송 장치(100)는 이를 수신 장치(200)로부터 수신하여 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하는 데 활용할 수 있다.
식별/구성 단계에서는, 수신 장치(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 장치(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
파워 전송 단계에서는, 수신 장치(200)가 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 장치(200)가 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
수신 파워 패킷(RPP)은, 수신 장치의 전력 수신부(210)의 정류 전압, 부하 전류, 옵셋 전력 등을 감안한 수신 전력량 데이터로, 수신 장치(200)에 의해 전력을 수신 중에 계속하여 전송 장치(100)로 전송되고, 전송 장치(100)는 이를 수신하여 전력 제어를 위한 연산 인자로 사용한다.
전송 장치의 통신부(120)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 제어부(130)는 추출되는 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고 이를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)가 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
한편, 유도 결합에 의해 전력을 무선으로 전달 방식에서 그 효율은 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 전송 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 배열과 거리의 영향을 받게 된다.
무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역을 두 가지로 구분할 수 있는데, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라고 할 수 있고, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 영역을 감지 영역이라 할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되거나 제거되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있는데, 전력 변환부(110)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비되는 센서에 의하여 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다.
예를 들어, 전송 장치의 제어부(130)는 감지 영역에 존재하는 수신 장치(200)로 인하여 무선 전력 신호가 영향을 받아 전력 변환부(110)의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링 함으로써 수신 장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 전송 장치의 제어부(130)는 수신 장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 수신 장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부 등을 결정할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)는 위치 결정부를 더 포함할 수 있는데, 위치 결정부는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 1차 코일을 이동 또는 회전시킬 수 있고, 특히 수신 장치(200)가 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
위치 결정부는 전송 장치(100)의 1차 코일과 수신 장치(200)의 수신 코일의 중심간 거리가 일정 범위 이내가 되도록 1차 코일을 이동시키거나 1차 코일과 수신 코일의 중심이 중첩되도록 1차 코일을 이동시키는 구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 전송 장치(100)는 수신 장치(200)의 위치를 감지하기 위한 센서나 감지부를 더 구비할 수 있고, 전송 장치의 제어부(130)는 감지부의 센서로부터 수신하는 수신 장치(200)에 대한 위치 정보를 기초로 위치 결정부를 제어할 수 있다.
또는, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통하여 수신 장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고 이를 기초로 위치 결정부를 제어할 수도 있다.
또한, 전송 장치(100)는 둘 이상 복수의 1차 코일을 포함하도록 형성되어 복수의 1차 코일 중에서 수신 장치(200)의 수신 코일과 적합하게 배열되는 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전송 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 위치 결정부는 복수의 1차 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다.
활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 1차 코일 또는 하나 이상의 1차 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있는데, 전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)의 위치를 감지하고 이를 기초로 활동 영역을 결정하고, 활동 영역에 대응되는 주요 셀을 구성하는 전송 모듈을 연결하고 해당 전송 모듈의 1차 코일과 수신 장치(200)의 수신 코일이 유도 결합될 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 수신 장치(200)는 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 전송 장치(100)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 전송 장치는 넓은 활동 영역을 필요로 한다.
활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 전송 코일을 사용할 경우, 전송 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 전송 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 장치 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 전송 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.
위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.
이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 장치의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적일 수 있다.
도 5는 전력을 무선으로 수신하는 수신 장치가 전송하는 ASK 신호를 전송 장치가 디모듈레이션 하는 무선 전력 시스템을 블록으로 도시한 것이다.
도 5의 무선 전력 시스템은 전송기(PTx)와 수신기(PRx)로 구성되고, 전송기(PTx)가 무선으로 전력을 수신기(PRx)에 전송하고(Power), 수신기(PRx)가 무선으로 메시지를 전송기(PTx)에 피드백 한다(Communication).
전송기(PTx)는 전원(Power Supply)이 공급하는 전력을 스위칭 하여 교류 전기장을 생성하여 자기장을 형성하고, 이에 의해 수신기(PRx)의 코일에 교류 전력이 유기되고 이를 정류기(Rectifier)가 직류로 변환하고 LDO(Low Drop Out)가 전압을 변경하여 부하(Loader)에 전력을 공급한다.
수신기(PRx)에서, 도 3의 수신 장치(200)의 통신부(220)에 해당하는 ASK 신호 모듈레이터(ASK Signal Modulator)가 전송기(PTx)가 전송하는 무선 전력 신호를 진폭 편이 방식(ASK: Amplitude Shift Keying)으로 변조하여 전송기(PTx)에 전송한다. 전송기(PTx)에서, 도 3의 전송 장치(100)의 통신부(120)에 해당하는 ASK 신호 디모듈레이터(ASK Signal Demodulator)가 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식(ASK: Amplitude Shift Keying)으로 실린 ASK 신호를 복조하여 수신기(PRx)가 전송하는 메시지를 해독한다.
수신기(PRx)가 전송하는 ASK 신호는 수신기와 관련된 정보 및 전력 전송 중인 파워의 세기 정보 등을 포함한다. 전송기(PTx)는 ASK 신호에 실린 메시지를 디모듈레이션 하고 이를 근거로 수신기(PRx)에 전송하는 무선 전력 신호의 특성을 변경할 수 있다.
도 6a는 ASK 신호를 디모듈레이션 하기 위한 구성을 도시한 것이고, 도 6b는 정상적인 파형의 ASK 신호를 디모듈레이션 하여 디지털 데이터를 얻는 과정을 도시한 것이다.
전송기(PTx)의 디모듈레이터는 일반적으로 저역 통과 필터(LPF: Low Pass Filter)와 비교기(Comparator)로 구성되어 ASK 신호를 복조하는데, LPF가 무선 전력 신호의 고주파 성분을 제거하여 저주파의 아날로그 신호를 얻고, 비교기가 이를 기준 전압(Reference Voltage)과 비교하여 기준 전압보다 큰지 또는 작은지에 따라 디지털 신호로 변경한다.
비교기는, 예를 들어 아날로그 입력 신호(Input signal)가 기준 전압(Reference Voltage)보다 크면 하이 레벨의 신호(Output signal)를 출력하고, 아날로그 입력 신호가 기준 전압보다 작으면 로우 레벨의 신호를 출력할 수 있다.
수신기(PRx)가 디퍼런셜 바이-페이즈(Differential Bi-phase) 방식으로 메시지의 데이터 비트를 ASK 신호에 싣는 경우, 데이터 비트 '1'에 대해서는 소정 시간 간격의 중간에 하이 레벨에서 로우 레벨로 천이를 발생시키고, 데이터 비트 '0'에 대해서는 소정 시간 간격 동안 레벨을 바꾸지 않을 수 있다.
도 7은 비정상적인 파형의 ASK 신호를 디모듈레이션 하여 디지털 데이터를 제대로 얻지 못하는 예를 도시한 것이다.
수신기(PRx)가 전송 전력의 진폭을 변조하여 메시지를 전송하기 때문에, 수신기(PRx)로부터 전달되는 ASK 신호가 노이즈 등의 영향 받아 비정상적일 파형이 되는 경우가 많다. 이러한 비정상적인 파형은 기존의 비교기를 통해서는 정확히 디지털 신호로 변환할 수 없다.
ASK 신호가 도 7과 같이 복조될 때, 비교기를 통해 이를 기준 전압과 비교하여 로우 레벨과 하이 레벨로 구성되는 디지털 신호로 출력하면, 디지털 신호로부터 제대로 디지털 데이터인 데이터 비트를 추출할 수 없게 된다. 즉, 디지털 신호에서 하이 레벨에서 로우 레벨로 또는 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이가 발생하는 타이밍이 디지털 신호로부터 데이터 비트를 검출하기 위한 기준 시간 간격과 어긋나, 데이터 비트를 정확하게 결정할 수 없게 된다.
도 8은 비정상적인 파형의 ASK 신호를 피크 값 검출 방법으로 복조하는 예를 도시한 것이다.
ASK 신호를 디지털 신호로 변환할 때, ASK 신호를 기준 전압(Reference Voltage)과 비교하여 하이 레벨과 로우 레벨의 디지털 신호를 생성하는 방법 대신, ASK 신호가 최대 값일 때 하이 레벨로 디지털 신호를 생성하고 최소 값일 때 로우 레벨로 디지털 신호를 생성하는 피크 값 검출 방법을 사용할 수 있다.
경우에 따라, 도 8과 같이 피크 값 검출 방법을 사용하여 ASK 신호를 디지털 신호로 변환하면, 기준 값 비교 방법 보다 ASK 신호로부터 데이터 비트를 더 정확하게 추출할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기준 값 비교 방법과 피크 값 검출 방법을 번갈아 가면서 ASK 신호를 복조하는 동작 흐름도를 도시한 것이다.
전송기(PTx)는, LPF를 통해 무선 전력 신호에 실린 ASK 신호를 생성하고(Filtering(LPF)), 디모듈레이터를 통해 ASK 신호로부터 데이터 비트를 추출한다.
디모듈레이터는, 기준 값 비교 방법을 이용하여 ASK 신호를 기준 전압과 비교하여 하이 레벨과 로우 레벨로 이루어지는 디지털 신호를 생성하고, 디지털 신호의 천이 타이밍을 이용하여 데이터 비트를 추출한다(Extracting digital data by reference comparing method).
디모듈레이터는, 기준 값 비교 방법으로 추출한 데이터 비트에 에러가 발생하지 않으면(Error occurring?: NO), 줄곧 기준 값 비교 방법을 이용하여 ASK 신호로부터 데이터 비트를 추출한다.
하지만, 기준 값 비교 방법으로 추출한 데이터 비트에 에러가 발생하면(Error occurring?: YES), 디모듈레이터는, 기준 값 비교 방법 대신 피크 값 검출 방법으로 ASK 신호로부터 디지털 신호를 생성하고, 디지털 신호의 천이 타이밍을 이용하여 데이터 비트를 추출한다(Extracting digital data by peak detecting method).
디모듈레이터는, 피크 값 검출 방법으로 추출한 데이터 비트에 에러가 발생하지 않으면(Error occurring?: NO), 줄곧 피크 값 검출 방법을 이용하여 ASK 신호로부터 데이터 비트를 추출한다.
하지만, 피크 값 검출 방법으로 추출한 데이터 비트에 에러가 발생하면(Error occurring?: YES), 디모듈레이터는, 피크 값 검출 방법 대신 다시 기준 값 비교 방법을 적용하여 ASK 신호로부터 데이터 비트를 추출한다.
전송기(PTx)의 디모듈레이터는, 에러 발생 여부에 따라 기준 값 비교 방법과 피크 값 비교 방법을 번갈아 가면서 사용하여 수신기(PRx)가 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 ASK 신호로부터 데이터 비트를 추출할 수 있다.
도 10은 디퍼런셜 바이-페이즈 인코딩(Differential Bi-phase Encoding) 방법으로 생성된 디지털 신호와 이에 대응하는 데이터 비트를 도시한 것이고, 도 11a와 도 11b는 각각 ASK 신호로부터 생성되는 디지털 신호 중에서 정상적인 디지털 신호와 비정상적인 디지털 신호를 도시한 것이다.
디퍼런셜 바이-페이즈 인코딩 방법은 클럭(clock)의 1 주기(tclk)에 하나의 데이터 비트(data bit)를 전달하는데, 하나의 데이터 비트를 결정하는 기간인 비트 타임의 경계에서 디지털 신호(digital signal)가 천이(transition)하고, 데이터 비트 '1'인 경우(ONE) 비트 타임의 중앙에서 천이가 발생하고 데이터 비트 '0'인 경우(ZERO) 비트 타임의 중앙에 천이가 발생하지 않는다.
도 11a와 도 11b에서 클럭의 주기는 500us이다. 도 11a와 같이 ASK 신호에서 생성되는 디지털 신호가 정상적인 경우, 디지털 신호가 비트 타임의 경계에서 천이가 발생하고, 비트 타임의 중앙에서 천이가 발생하지 않으면 해당 비트 타임은 데이터 비트 '0'으로 결정되고, 비트 타임의 중앙에서 천이가 발생하면 해당 비트 타임은 데이터 비트 '1'로 결정된다.
하지만, 도 11b와 같이, ASK 신호에서 생성되는 디지털 신호가 비정상적인 경우, 디지털 비트 타임의 경계에서 디지털 신호의 천이가 발생하지 않는 경우가 있고, 또한 디지털 신호의 천이가 비트 타임의 중앙이 아니라 중앙에서 치우친 위치에서 발생하거나 비트 타임 사이에 천이가 2번 발생하기도 한다. 이러한 경우, 해당 비트 타임의 데이터 비트를 결정하기 어렵다.
실제로 수신기(PRx)가 변조하여 무선 전력 신호로부터 추출한 ASK 신호를 디지털 신호로 변환하면, 주기가 어긋난 디지털 신호가 자주 발생하여, 전송기(PTx)는 수신기(PRx)가 전송하는 메시지를 제 값으로 수신할 수 없게 된다.
도 12a와 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 ASK 신호로부터 생성되는 디지털 신호로부터 데이터 비트를 판단하는 알고리즘을 도시한 것으로, 데이터 비트가 디퍼런셜 바이-페이즈 방법으로 ASK 신호에 인코딩 된 경우이다.
ASK 신호로부터 기준 값 비교 방법 또는 피크 값 검출 방법으로 변환된 디지털 신호가 정확하게 비트 타임의 경계나 비트 타임의 중앙에서 천이가 발생하지 않아 해당 비트 타임의 데이터 비트를 0이나 1로 결정하기 어려울 때는, 데이터 비트의 판단을 보류하고 이후 디지털 신호에 발생하는 하나 또는 두 번의 천이 타이밍을 근거로 데이터 비트를 결정할 수 있다.
도 12 실시예에서는, 디지털 신호에 발생하는 3번의 천이가 발생하는 타이밍 또는 천이 사이 시간 간격을 근거로 데이터 비트를 결정할 수 있다.
도 12 실시예에서 비트 타임의 길이는 500us이다.
제1 비트 타임(BT#1)의 시작 경계 또는 시작 타이밍에 맞추어 디지털 신호에 천이가 발생한 상황에서 시작한다(Start)(①).
첫 번째 천이(1st T)가 발생하면, 제1 비트 타임의 시작 경계(또는 이전 비트 타임의 데이터 비트를 결정하게 하는 천이가 발생한 타이밍)와 첫 번째 천이(1st T)가 발생한 타이밍 사이의 제1 시간 간격(t1)을 확인하고, 도 12b와 같이 제1 시간 간격(t1)의 값에 따라 제1 내지 제7 케이스(case1 ~ case7)로 분기한다.
예를 들어, 제1 시간 간격(t1)이 500us이면, 첫 번째 천이(1st T)의 타이밍은 도 12a에서 424us 내지 625us에 전개되는 제4 케이스(case4)의 시간 띠에 속하므로, 제1 비트 타임(BT#1)의 데이터 비트를 '0'으로 판단하고 다음 천이와 상관 없이 종료하고(End)(②), 다음 비트 타임인 제2 비트 타임(BT#2)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
예를 들어, 제1 시간 간격(t1)이 400us이면, 첫 번째 천이(1st T)의 타이밍은 도 12a에서 375us 내지 425us에 전개되는 제3 케이스(case3)의 시간 띠에 속하므로, 다음 두 번째 천이(2nd T)가 발생할 때까지 제1 비트 타임(BT#1)의 데이터 비트의 판단을 보류한다(③)
두 번째 천이(2nd T)가 발생하면, 첫 번째 천이(1st T)가 발생한 타이밍과 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍 사이의 제2 시간 간격(t2)을 확인하고, 제1 시간 간격(t1)과 제2 시간 간격(t2)의 합(t1+t2)을 근거로 데이터 비트를 판단한다.
예를 들어 (t1+t2)가 500us이면, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍이 도 12a에서 424us 내지 625us에 전개되는 제4 케이스(case4)의 시간 띠에 속하므로, 제1 비트 타임(BT#1)의 데이터 비트를 '1'로 판단하고 다음 천이와 상관 없이 종료하고(④), 다음 비트 타임인 제2 비트 타임(BT#2)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
예를 들어 (t1+t2)가 425us보다 작아, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍이 도 12a에서 제3 케이스(case3)의 시간 띠에 다시 속하는 경우에도, 제1 비트 타임(BT#1)의 데이터 비트를 '1'로 판단하고 다음 천이와 상관 없이 종료하고, 다음 비트 타임인 제2 비트 타임(BT#2)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
또한, 예를 들어 (t1+t2)가 650us로 625us 내지 875us에 전개되는 제5 케이스(case5)의 시간 띠에 속하는 경우, 세 번째 천이(3rd T)가 발생한 타이밍을 더 고려하여 데이터 비트를 결정한다.
세 번째 천이(3rd T)가 발생하면, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍과 세 번째 천이(3rd T)가 발생한 타이밍 사이의 제3 시간 간격(t3)을 확인하고, 제1 시간 간격(t1), 제2 시간 간격(t2) 및 제3 시간 간격(t3)의 합(t1+t2+t3)을 근거로 데이터 비트를 판단한다.
예를 들어 (t1+t2+t3)가 625us 내지 875us에 전개되는 제5 케이스(case5)의 시간 띠에 속하는 경우, 제1 시간 간격(t1)과 제2 시간 간격(t2)의 크기를 비교하여, 제1 시간 간격(t1)이 제2 시간 간격(t2) 이상이면(t2>=t2) 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '01'로 결정하고 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작하고(⑤), 제1 시간 간격(t1)이 제2 시간 간격(t2)보다 작으면(t2>=t2) 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '10'으로 결정하고 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
예를 들어 (t1+t2+t3)가 875us 내지 1250us에 전개되는 제6 케이스(case6)의 시간 띠에 속하는 경우, 제1 시간 간격(t1)과 제2 시간 간격(t2)의 크기를 비교하여, 제1 시간 간격(t1)이 제2 시간 간격(t2) 이상이면(t2>=t2) 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '01'로 결정하고 다시 ①부터 시작하고, 제1 시간 간격(t1)이 제2 시간 간격(t2)보다 작으면(t2>=t2) 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '10'으로 결정하고, 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
반면, 예를 들어 (t1+t2+t3)가 1250us 이상으로 전개되는 제7 케이스(case7)의 시간 띠에 속하는 경우, 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '00'으로 결정하고(⑥), 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 첫 번째 천이가 비트 타임의 절반(half)보다 이전에 발생하는 경우(pre-half)(⑦)에서 다시 시작한다.
한편, 첫 번째 천이(1st T)가 ②에 해당하고, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍인 (t1+t2)가 875us 내지 1250us에 전개되는 제6 케이스(case6)의 시간 띠에 속하는 경우, 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '00'으로 결정하고, 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
첫 번째 천이(1st T)가 ②에 해당하고, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍인 (t1+t2)가 1250us 이상인 제7 케이스(case7)의 시간 띠에 속하는 경우, ASK 신호로부터 생성하는 디지털 신호에 이상이 있다고 판단하여, 데이터 비트 판단을 하지 않고 리셋(reset) 하고, ASK 신호에 대한 디모듈레이션 동작을 다시 시작한다.
한편, 첫 번째 천이(1st T)가 발생하여 제1 비트 타임의 시작 경계와 첫 번째 천이(1st T)가 발생한 타이밍 사이의 제1 시간 간격(t1)이 875us 내지 1250us에 전개되는 제6 케이스(case6)나 1250us 이상에 전개되는 제7 케이스(case7)에 속하면, ASK 신호로부터 생성하는 디지털 신호에 이상이 있다고 판단하여, 데이터 비트 판단을 하지 않고 리셋(reset) 하고, ASK 신호에 대한 디모듈레이션 동작을 다시 시작한다.
반면, 제1 시간 간격(t1)이 0us 내지 125us에 전개되는 제1 케이스(case1)나 125us 내지 375us에 전개되는 제2 케이스(case2)에 속하는 경우, 다음 두 번째 천이(2nd T)가 발생할 때까지 제1 비트 타임(BT#1)의 데이터 비트의 판단을 보류한다(⑦).
제1 시간 간격(t1)이 제1 케이스(case1)나 제2 케이스(case2)에 속하고, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍인 (t1+t2)가 0us 내지 125us에 전개되는 제1 케이스(case1)나 125us 내지 375us에 전개되는 제2 케이스(case2)의 시간 띠에 속하는 경우, ASK 신호로부터 생성하는 디지털 신호에 이상이 있다고 판단하여, 데이터 비트 판단을 하지 않고 리셋(reset) 하고, ASK 신호에 대한 디모듈레이션 동작을 다시 시작한다.
제1 시간 간격(t1)이 제1 케이스(case1)나 제2 케이스(case2)에 속하고, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍인 (t1+t2)가 375us 내지 425us에 전개되는 제3 케이스(case3)나 424us 내지 625us에 전개되는 제4 케이스(case4)의 시간 띠에 속하는 경우, 제1 비트 타임(BT#1)의 데이터 비트를 '1'로 판단하고 다음 천이와 상관 없이 종료하고(End), 다음 비트 타임인 제2 비트 타임(BT#2)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
제1 시간 간격(t1)이 제1 케이스(case1)나 제2 케이스(case2)에 속하고, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍인 (t1+t2)가 650us로 625us 내지 875us에 전개되는 제5 케이스(case5)의 시간 띠에 속하는 경우, 세 번째 천이(3rd T)가 발생한 타이밍을 더 고려하여 데이터 비트를 결정한다.
제1 시간 간격(t1)이 제1 케이스(case1)나 제2 케이스(case2)에 속하고, 제1 시간 간격(t1)과 제2 시간 간격(t2)의 합인 (t1+t2)가 제5 케이스(case5)에 속한 상태에서, 세 번째 천이(3rd T)가 발생하면, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍과 세 번째 천이(3rd T)가 발생한 타이밍 사이의 제3 시간 간격(t3)을 확인하고, 제1 시간 간격(t1), 제2 시간 간격(t2) 및 제3 시간 간격(t3)의 합(t1+t2+t3)을 근거로 데이터 비트를 판단한다.
예를 들어 (t1+t2+t3)가 625us 내지 875us에 전개되는 제5 케이스(case5)나 875us 내지 1250us에 전개되는 제6 케이스(case6)의 시간 띠에 속하는 경우, 제1 시간 간격(t1)과 제2 시간 간격(t2)의 크기를 비교하여, 제1 시간 간격(t1)이 제2 시간 간격(t2) 이상이면(t2>=t2) 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '01'로 결정하고 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작하고(⑤), 제1 시간 간격(t1)이 제2 시간 간격(t2)보다 작으면(t2>=t2) 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '10'으로 결정하고 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
제1 시간 간격(t1)이 제1 케이스(case1)나 제2 케이스(case2)에 속하고, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍인 (t1+t2)가 875us 내지 1250us에 전개되는 제6 케이스(case6)의 시간 띠에 속하는 경우, 제1 및 제2 비트 타임(BT#1, BT#2)의 데이터 비트를 '00'으로 결정하고, 다음 비트 타임인 제3 비트 타임(BT#3)에 대한 동작을 ①부터 다시 시작한다.
제1 시간 간격(t1)이 제1 케이스(case1)나 제2 케이스(case2)에 속하고, 두 번째 천이(2nd T)가 발생한 타이밍인 (t1+t2)가 1250us 이상으로 전개되는 제7 케이스(case7)의 시간 띠에 속하는 경우, ASK 신호로부터 생성하는 디지털 신호에 이상이 있다고 판단하여, 데이터 비트 판단을 하지 않고 리셋(reset) 하고, ASK 신호에 대한 디모듈레이션 동작을 다시 시작한다.
이와 같이, 디퍼런셜 바이-페이즈 방식으로 데이터가 인코딩 된 ASK 신호로부터 생성되는 디지털 신호로부터 데이터 비트를 추출할 때, 둘 이상 또는 필요에 따라 셋 이상의 천이 타이밍과 천이 타이밍 사이 시간 간격을 근거로 데이터 비트를 결정함으로써, ASK 신호가 왜곡되더라도 수신기와 전송기 사이 안정적인 통신 품질을 유지할 수 있게 되고, 이를 바탕으로 높은 효율로 전력을 전송할 수 있게 된다.
도 13은 본 발명이 적용되는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 13의 충전기(300)는, 유도 전력을 제공하는 무선 전력 전송 장치를 포함하고, 상면에 충전 대상인 수신 장치를 포함하는 전자 기기가 놓이고 동작 영역을 갖는 안착 면이 형성될 수 있고, 안착 면에 전자 기기가 놓이면 충전기가 이를 감지하여 무선 충전을 시작할 수 있다.
충전기(300)는 전면 케이스(311)와 후면 케이스(312) 사이에 전송 장치의 공진 회로(111)를 구성하는 전송 코일(320)이 장착될 수 있고, 전송 코일(320)의 아래에 차폐부(330)가 형성될 수 있다. 즉, 차폐부(330)는, 충전기(300)의 후면 케이스(312)와 전송 코일(320)의 사이에 형성될 수 있고, 전송 코일(320)의 외곽을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성될 수 있다.
차폐부(330)는, 전송 코일(320)의 동작에 의해 회로 기판(미도시)에 장착되어 인버터, 통신부(120) 및 제어부(130)를 구성하는 마이크로 프로세서, 메모리 등의 소자가 전자기적인 영향을 받거나 회로 기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 다중 전송 코일(320)이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지할 수 있는데, 도금이 필요 없는 스테인레스나 티타늄 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 전송 코일(320)과 회로 기판(미도시) 사이에 페라이트 시트(미도시)가 마련되어, 전송 코일(320)이나 회로 기판에서 발생하는 와전류(Eddy current) 등의 전자파 장애가 다른 부품에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
충전기(300)는, 전송 코일을 포함하는 전력 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등이 하나의 몸체에 구비되는 구조로 형성되거나 또는 전송 코일(320)과 차폐부(330)가 장착되는 제1 몸체 및 제1 몸체와 연결되어 전송 코일(320)의 동작을 제어하기 위한 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등을 포함하는 제2 몸체로 분리되어 구성될 수 있다.
또한, 충전기(300)의 몸체에는 디스플레이나 스피커와 같은 출력부, 사용자 입력부, 전원을 공급하기 위한 소켓이나 외부 기기가 결합되는 인터페이스 등이 배치될 수 있다. 디스플레이는 전면 케이스(311)의 상면에 형성될 수 있고, 사용자 입력부와 소켓 등은 몸체 측면에 배치될 수 있다.
디스플레이는 수신 장치의 정렬 여부를 표시할 수 있고, 수신 장치가 오정렬된 경우 사용자에게 스피커를 통해 이를 알릴 수도 있다.
이 명세서에 기재된 무선 전력 전송 장치 및 방법은 아래와 같이 설명될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법은, 무선 전력 신호를 통해 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계; 저주파 통과 필터를 이용하여 수신 장치가 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 아날로그 신호를 얻는 단계; 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 단계; 디지털 신호로부터 데이터 비트를 추출하는 단계; 추출된 데이터 비트에서 에러가 발생하는지 여부를 확인하는 단계; 및 에러가 발생할 때, 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성할 때 사용하는 방법을 기준 값 비교 방법에서 피크 값 비교 방법으로 또는 피크 값 비교 방법에서 기준 값 비교 방법으로 바꾸는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 아날로그 신호는 전송 중인 파워의 세기 정보를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 아날로그 신호는 디퍼런셜 바이-페이즈 방식으로 데이터 비트가 인코딩 될 수 있다.
일 실시예에서, 데이터 비트를 추출하는 단계는, 디지털 신호에서 3번의 천이가 발생하는 타이밍을 근거로 데이터 비트를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 데이터 비트를 추출하는 단계는, 세 번째 천이가 발생할 때 첫 번째 천이가 발생할 때까지 제1 시간 간격과 첫 번째 천이가 발생한 타이밍과 두 번째 천이가 발생한 타이밍 사이의 제2 시간 간격을 비교하여 2개의 비트 타임에 대한 2개의 데이터 비트를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 데이터 비트를 추출하는 단계는, 제1 시간 간격이 제2 시간 간격보다 크거나 같으면 2개의 데이터 비트를 '01'로 결정하고, 제1 시간 간격이 제2 시간 간격보다 작으면 2개의 데이터 비트를 '10'으로 결정할 수 있다.
다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합으로 무선 전력 신호를 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로; 수신 장치가 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 메시지를 추출하기 위한 디모듈레이터; 및 디모듈레이터가 추출한 메시지에 맞는 무선 전력 신호를 생성하도록 인버터를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되고, 디모듈레이터는, 저주파 통과 필터를 이용하여 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실린 아날로그 신호를 얻고, 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하고, 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하고, 추출된 데이터 비트에서 에러가 발생할 때 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성할 때 사용하는 방법을 기준 값 비교 방법에서 피크 값 비교 방법으로 또는 피크 값 비교 방법에서 기준 값 비교 방법으로 바꿀 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 무선 전력 전송 장치 110: 전력 변환부
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 장치
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 250: 충전부
300: 충전기 311: 전면 케이스
312: 후면 케이스 320: 전송 코일
330: 차폐부

Claims (11)

  1. 무선 전력 신호를 통해 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계;
    저주파 통과 필터를 이용하여 상기 수신 장치가 상기 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 아날로그 신호를 얻는 단계;
    상기 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 단계;
    상기 디지털 신호로부터 데이터 비트를 추출하는 단계;
    상기 아날로그 신호를 기준 값과 비교하여 디지털 신호를 출력하는 기준 값 비교 방법을 사용할 때 상기 추출된 데이터 비트에서 에러가 발생하면 상기 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 방법을 상기 아날로그 신호의 최대와 최소의 피크 값에서 디지털 신호를 출력하는 피크 값 비교 방법으로 바꾸고, 상기 피크 값 비교 방법을 사용할 때 상기 추출된 데이터 비트에서 에러가 발생하면 상기 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 방법을 상기 기준 값 비교 방법으로 바꾸는 단계를 포함하여 이루어지는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 아날로그 신호는 전송 중인 파워의 세기 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 아날로그 신호는 디퍼런셜 바이-페이즈 방식으로 상기 데이터 비트가 인코딩 되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 데이터 비트를 추출하는 단계는, 상기 디지털 신호에서 3번의 천이가 발생하는 타이밍을 근거로 상기 데이터 비트를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 데이터 비트를 추출하는 단계는, 세 번째 천이가 발생할 때 첫 번째 천이가 발생할 때까지 제1 시간 간격과 상기 첫 번째 천이가 발생한 타이밍과 두 번째 천이가 발생한 타이밍 사이의 제2 시간 간격을 비교하여 2개의 비트 타임에 대한 2개의 데이터 비트를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 데이터 비트를 추출하는 단계는, 상기 제1 시간 간격이 제2 시간 간격보다 크거나 같으면 상기 2개의 데이터 비트를 '01'로 결정하고, 상기 제1 시간 간격이 제2 시간 간격보다 작으면 상기 2개의 데이터 비트를 '10'으로 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  7. 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터;
    수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합으로 무선 전력 신호를 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로;
    상기 수신 장치가 상기 무선 전력 신호에 진폭 편이 방식으로 실은 메시지를 추출하기 위한 디모듈레이터; 및
    상기 디모듈레이터가 추출한 메시지에 맞는 무선 전력 신호를 생성하도록 상기 인버터를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 디모듈레이터는, 저주파 통과 필터를 이용하여 상기 무선 전력 신호에 상기 진폭 편이 방식으로 실린 아날로그 신호를 얻고, 상기 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하고, 상기 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하고, 상기 아날로그 신호를 기준 값과 비교하여 디지털 신호를 출력하는 기준 값 비교 방법을 사용할 때 상기 디지털 신호에서 추출한 데이터 비트에서 에러가 발생하면 상기 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 방법을 상기 아날로그 신호의 최대와 최소의 피크 값에서 디지털 신호를 출력하는 피크 값 비교 방법으로 바꾸고, 상기 피크 값 비교 방법을 사용할 때 상기 디지털 신호에서 추출한 데이터 비트에서 에러가 발생하면 상기 아날로그 신호로부터 디지털 신호를 생성하는 방법을 상기 기준 값 비교 방법으로 바꾸는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 아날로그 신호는 디퍼런셜 바이-페이즈 방식으로 상기 데이터 비트가 인코딩 되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 디모듈레이터는 상기 디지털 신호에서 3번의 천이가 발생하는 타이밍을 근거로 상기 데이터 비트를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 디모듈레이터는 세 번째 천이가 발생할 때 첫 번째 천이가 발생할 때까지 제1 시간 간격과 상기 첫 번째 천이가 발생한 타이밍과 두 번째 천이가 발생한 타이밍 사이의 제2 시간 간격을 비교하여 2개의 비트 타임에 대한 2개의 데이터 비트를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 디모듈레이터는 상기 제1 시간 간격이 제2 시간 간격보다 크거나 같으면 상기 2개의 데이터 비트를 '01'로 결정하고, 상기 제1 시간 간격이 제2 시간 간격보다 작으면 상기 2개의 데이터 비트를 '10'으로 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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