KR20120015921A - 무선 전력 전송 장치 및 그 전송 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 장치 및 그 전송 방법에 관한 것으로, 상기 무선 전력 전송 장치는, 무선 전력 신호를 생성하여 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하고, 반사 무선 전력 신호를 수신하여 부하 장치의 존재 유무를 파악한 후 상기 부하 장치에 전력이 공급되도록 무선 전력 신호를 전송하는 무선 전력 송신부; 및 상기 부하 장치에 연결되고, 송신된 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 수신하여 접속된 부하 장치에 제공하며, 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부에 반사하는 무선 전력 수신부를 포함하여 구성되며, 이로써 별도의 통신 장비나 시스템 없이 송신 장치가 수신 환경을 인지가 가능하고 공진 특성이 개선된다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 그 전송 방법 {Wireless power transmission apparatus and transmission method thereof}
본 발명은 무선 전력 전송 장치 및 그 전송 방법에 관한 것이다.
무선통신기술의 발달로 언제 어디서나 누구나 원하는 모든 정보를 주고 받을 수 있는 유비쿼터스 정보환경이 되고 있다. 하지만, 아직까지 통신정보기기들은 대부분 배터리에 의존하고 있고, 유선 전원코드에 의한 전원을 공급받아 통신정보기기의 사용이 제한을 받고 있다. 따라서, 무선정보 네트워크 환경은 단말기 전원에 대한 문제를 해결하지 않고서는 진정으로 자유로워질 수 없다.
이런 문제를 해결하기 위하여 무선으로 전력을 전달하기 위한 많은 기술이 개발되고 있다.
우선, 전파(Microwave)를 이용한 전파수신형 기술, 그리고 자기장을 이용한 자기유도형 기술, 또한 자기장과 전기장의 에너지 전환에 의한 자기공명 기술 등이 대표적이다.
여기서, 전파수신형 기술은 안테나를 통해 전파를 공기 중으로 방사함으로써 먼 거리까지 전력전송이 가능하다는 장점이 있으나, 공기 중에서 소모되는 방사손실(radiation loss)이 매우 커서 전력전송의 효율성에 한계가 있다. 또한, 자기유도형 기술은 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일에 의한 자기 에너지 결합을 이용한 기술로 높은 전력전송의 효율성을 갖는 장점이 있다. 그러나, 자기유도형 기술은 전력전송을 위해서 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일이 수 mm 정도의 짧은 거리에 인접해 있어야 한다. 또한, 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일의 코일정렬에 따라 전력전송의 효율성이 급격히 변하며, 발열량이 크다는 단점이 있다.
따라서, 최근에 자기유도형 기술과 유사하나 코일형의 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 특정 공진 주파수에 에너지가 집중되게 하여 자기에너지 형태로 전력을 송신하는 자기공명 기술이 개발되고 있다.
이러한 자기공명 기술은 비교적 큰 전력을 수 미터까지 보낼 수 있다는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High Quality factor)을 요구하고 있다.
다시 말해, 자기공명 기술은 임피던스 정합 여부, 송신측의 LC 코일과 수신측의 LC 코일 사이의 공진 주파수 일치 여부에 따라 효율이 급격하게 변하는 단점이 있다.
특히, 송신측과 수신측 간의 거리 변화에 따른 임피던스 부정합은 무선 전력 전송에 있어 최대 무선 전력 전송을 방해하는 주요한 원인이 된다.
종래의 자기유도형 기술은 송신측과 수신측에 통신 디바이스(예컨대, 트랜시버)를 장착하여 송신측과 수신측의 통신을 통해 상술한 문제점을 제어하였다.
그러나, 통신 디바이스(예컨대, 트랜시버)를 별도로 장착하면 무선 전력 송신 장치와 수신 장치의 비용이 증가하며, 장치의 구성이 복잡해지는 문제점이 발생한다.
본 발명은 송신측과 수신측의 통신을 위해서 별도의 통신 디바이스 모듈을 구비하지 않고, 수신 환경을 자동으로 인지하여 최적의 무선 전력 전송 상태로 무선 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 그 전송 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 송신측과 수신측 간의 거리 변화에 따라 임피던스의 실수부 성분과 허수부 성분을 조절하여 보다 정확하고 세밀한 임피던스 정합을 수행하는 무선 전력 전송 장치 및 그 전송 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 외부로부터 입력되는 전력을 받아서 무선으로 전송할 무선 전력 신호를 생성하고, 생성된 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하며, 반사 무선 전력 신호를 수신하여 부하 장치의 존재 유무를 파악하고, 상기 부하 장치의 존재 시 상기 부하 장치에 대응되는 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 무선 송신하여 상기 부하 장치에 전력이 공급되도록 무선 전력 신호를 전송하는 무선 전력 송신부; 및 상기 부하 장치에 연결되며, 상기 무선 전력 송신부에서 송신된 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 수신하여 접속된 부하 장치에 제공하고, 소모되지 않은 잔여 무선 전력 신호는 상기 무선 전력 송신부에 반사시키는 무선 전력 수신부를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 무선 전력 송신부는, 외부에서 입력되는 전력을 받아서 전송을 원하는 무선 전력 신호를 생성하는 주파수 발진기; 상기 주파수 발진기에서 생성된 무선 전력 신호를 증폭하여 출력하는 전력 증폭기; 가변 캐패시터 회로와 가변 인덕터 회로를 포함하여 구성되고, 상기 가변 캐패시터 회로와 상기 인덕터 회로에 의한 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변에 의해 탐색된 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 송신하며, 상기 무선 전력 수신부에서 반사되는 반사 무선 전력 신호를 수신하여 출력하는 제1 공진형 안테나; 상기 전력 증폭기와 상기 제1 공진형 안테나 사이에 위치하여 상기 전력 증폭기와 상기 제1 공진형 안테나 사이의 임피던스 정합을 제공하는 임피던스 정합기; 상기 전력 증폭기와 상기 임피던스 정합기 사이에 또는 상기 임피던스 정합기와 상기 제1 공진형 안테나 사이에 위치하며, 상기 전력 증폭기 또는 상기 임피던스 정합기에서 제1 포트를 통해 입력되는 상기 무선 전력 신호를 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나로 출력하고, 상기 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나로부터 입력된 상기 반사 무선 전력 신호를 제3 포트를 통해 출력되도록 방향성을 갖는 방향성 전력 결합기; 상기 방향성 전력 결합기의 제2 포트로부터 출력된 상기 무선 전력 신호의 출력 전력을 검출하여 출력하는 출력 전력 검출기; 상기 방향성 전력 결합기의 제3 포트로부터 출력된 상기 반사 무선 전력 신호의 반사 전력을 검출하여 출력하는 반사 전력 검출기; 및 상기 출력 전력에 대한 상기 반사 전력의 비율을 계산하여 상기 계산된 출력-반사 전력비에 따라 부하 장치의 존재 유무를 파악하고, 상기 부하 장치에 대응되는 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 송신하도록 상기 제1 공진형 안테나를 제어하는 송신 제어기를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 무선 전력 수신부는, 부하 장치에 연결되며, 가변 캐패시터 회로와 가변 인덕터 회로를 포함하여 구성되고, 상기 가변 캐패시터 회로와 상기 인덕터 회로로부터 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변에 의해 설정된 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 송신부에서 전송한 무선 전력 신호를 자기공명 방식에 의해 수신하며, 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부로 반사시키는 제2 공진형 안테나; 상기 제2 공진형 안테나에 의해 수신된 무선 전력 신호를 정류하는 정류기; 부하 장치가 접속되어 있으며, 상기 정류기에 의해 정류된 무선 전력 신호를 전력 공급 방식에 따른 전력 신호로 변환하여 상기 부하 장치에 제공하는 전력 신호 변환기; 및 상기 제2 공진형 안테나에서 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 신호를 수신하여 상기 부하 장치에 전력이 공급되도록 제어하는 수신 제어기를 포함하여 이루어진다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 방법은, (A) 무선 전력 송신부가 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 수신부로 전송하여, 반사된 무선 전력 신호를 검출하여 상기 부하 장치의 존재 유무를 확인하는 단계; 및 (B) 상기 무선 전력 송신부가 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 존재가 확인된 경우에 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수 및 최적 임피던스를 탐색하고, 탐색된 공진 주파수와 최적 임피던스를 이용하여 무선 전력 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 방법은, (A) 무선 전력 송신부가 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 수신부로 전송하는 단계; (B) 무선 전력 송신부가 무선 전력 수신부에서 반사되는 반사 무선 전력 신호를 수신하여 전력 세기를 검출한 후에 부하 장치의 존재 유무를 확인하는 단계; 및 (C) 상기 무선 전력 송신부가 부하 장치의 존재가 확인된 경우에 최대 전력 전송이 이루어지는 최적 임피던스와 공진 주파수를 탐색하여 탐색된 최적 임피던스와 공진 주파수를 이용하여 무선 전력 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신 방법은, (A) 무선 전력 수신부가 무선 전력 송신부로부터 전송된 무선 전력 신호를 수신하여 반사되고 남은 무선 전력을 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치에 제공하는 단계; 및 (B) 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치가 접속이 해제된 경우에 상기 무선 전력 송신부에서 전송되는 무선 전력 신호의 수신을 중지하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 별도의 통신 장비나 시스템 없이 송신 장치가 수신 환경을 인지할 수 있으므로 무선 전력 송수신 장치의 비용이 감소하며, 장치의 구성 및 제어가 단순해진다.
또한, 본 발명에 따르면, 주파수 조절과 보다 정확하고 세밀한 임피던스 정합을 통한 보정(calibration)을 수행함으로써 송신측과 수신측 간 매우 협대역의 공진 특성하에서도 최적의 무선 전력 송수신 환경을 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 개략적으로 도시한 기능 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 임피던스 정합기의 구성을 나타내는 상세 블럭도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 공진형 안테나의 구성을 나타내는 상세 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 존재 시 시간에 따른 반사 전력 곡선을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 존재 시 주파수에 따른 반사 전력 곡선을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에서 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 존재 시 임피던스에 따른 반사 전력 곡선을 나타내는 도면이다.
도 7은 임피던스 조정을 수행하지 않은 종래 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 임피던스 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기를 이용하여 임피던스 조정을 수행한 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 임피던스 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 임피던스 조정을 수행하지 않은 종래 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 전력 전송을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기를 이용하여 임피던스 조정을 수행한 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 전력 전송을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 송신부의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 수신부의 동작을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 개략적으로 도시한 기능 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(1000)는 크게 무선 전력 송신부(100)와 무선 전력 수신부(200)로 구성된다.
상기 무선 전력 송신부(100)는 주파수 발진기(110), 전력 패스(pass) 스위치(120), 전력 증폭기(130), 임피던스 정합기(140), 방향성 전력 결합기(150), 제1 공진형 안테나(160), 출력 전력 검출기(170), 반사 전력 검출기(180) 및 송신 제어기(190)를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 무선 전력 수신부(200)는 제2 공진형 안테나(210), 스위치(220), 정류기(230), 전력 신호 변환기(240), 충전 회로(250) 및 수신 제어기(260)를 포함하여 구성된다.
상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(100) 간의 무선 전력 전송은 자기공명 방식으로 이루어진다.
즉, 상기 무선 전력 송신부(100)로부터 자기공명 방식에 의해 전송된 무선 전력이 상기 무선 전력 수신부(200)에서 자기공명 방식에 의해 수신되고, 이렇게 수신된 무선 전력은 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하(Load) 장치 (300)에 공급되거나 저장된다.
상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(200) 간의 자기공명 방식에 의한 무선 전력 전송 과정을 개략적으로 살펴보면, 먼저, 상기 무선 전력 송신부(100)에서 무선 전력 신호를 생성하여 상기 무선 전력 신호가 가변 인덕터와 가변 캐패시터로 구성된 제1 공진형 안테나(160)에서 LC 공진에 의한 자기 에너지로 변환된다.
그러면, 상기 변환된 자기 에너지가 상기 무선 전력 수신부(200)의 가변 인덕터와 가변 캐패시터로 구성된 제2 공진형 안테나(210)와 자기 결합(Magnetic coupling)함으로써 이루어진다.
이때, 상기 제1 공진형 안테나(160)의 LC 공진 주파수와 상기 제2 공진형 안테나(210)의 LC 공진 주파수를 동일하게 맞춤으로써 동조를 일으켜 자기 에너지 결합을 극대화할 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 공진형 안테나(160, 210))의 공진 주파수 일치 정도에 따라 전송 효율은 급격히 증가하므로, 상기 제1 공진형 안테나(160)와 상기 제2 공진형 안테나(210) 사이의 공진 주파수를 일치시키기 위한 주파수 보정(Calibration)이 수행될 수 있다.
또한, 전송될 무선 전력의 세기를 키우거나 조절하기 위해서, 상기 무선 전력 송신부(100)에는 전력 증폭기(130)가 사용된다.
이때, 상기 전력 증폭기(130)를 구동하기 위한 로드 임피던스는 수십 오옴[Ω]이 필요한 반면, 공진 특성(Q-factor)를 크게 하기 위한 상기 제1 공진형 안테나(160)의 실제 LC 코일의 임피던스는 수 오옴[Ω]에 지나지 않는다.
이러한 상기 전력 증폭기(130)와 상기 제1 공진형 안테나 (160) 간의 임피던스 부정합에 의해서도 전송 효율은 크게 감소하므로 임피던스 정합에 대한 보정(Calibration) 또한 필수적이다.
한편, 상기 자기 결합에 의한 자기력(Magnetic field)은, 전자기파(Electromagnetic wave)에 대한 맥스웰(Maxwell) 방정식의 제4 법칙에 따르면 "자기력은 항상 폐루프(Closed-Loop)를 이룬다" 라고 정의하고 있다.
따라서, 물결파와 같이 멀리 퍼져나가는 성질의 전기력(Electric field)과 달리, 자기력은 원을 그리며 되돌아 오는 성질로 인해 매질에 의한 손실이 없다면 항상 에너지는 보존된다고 해석할 수 있다.
이러한 성질을 활용하면 상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(200) 사이에 통신이 이루어 지지 않은 환경(이를 테면, 무선통신을 위한 트랜스시버(transceiver)를 구비하지 않은 환경) 하에서, 상기 무선 전력 송신부(100)가 상기 무선 전력 수신부(200)의 환경을 인지하도록 할 수 있다.
즉, 상기 무선 전력 송신부(100)가 켜져 있을 때 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 없거나 켜져 있지 않다면(즉, 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속되어 있지 않다면), 상기 무선 전력 송신부(100)에서 볼 때 에너지 손실이 없으므로 무선 전력 전송 환경 내에 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 존재하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
반대로, 만약 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 존재한다면, 상기 무선 전력 송신부(100)에서 볼 때 에너지 손실이 발생하므로 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 존재한다고 판단할 수 있다.
따라서, 상기 무선 전력 송신부(100)로부터 송신된 무선 전력이 반사되는 반사 전력을 측정하여 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 존재 유무를 판별하고, 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 존재 시 공진 주파수 조절 및 임피던스 조절을 통해 최적의 상태로 무선 전력을 전송하여 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 부하 장치(300)는 상기 무선 전력 송신부(100)로부터 상기 무선 전력 수신부(200)로 전달된 무선 전력을 수신하여 상기 부하 장치(300)에 전력을 충전하거나 가정용 전원을 공급하도록 하여 공급된 전력을 소모하는 장치이다.
예를 들면, 상기 부하 장치는 텔레비전 및 컴퓨터와 같은 전자/가전 기기들 또는 배터리일 수 있다.
이제, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(1000)의 무선 전력 송신부(100)와 부하 장치(300)가 연결될 수 있는 무선 전력 수신부(200)의 각 구성과 동작 방법을 보다 자세하게 기술하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 무선 전력 송신부(100)의 구성 및 동작 방법을 살펴보기로 한다.
상기 주파수 발진기(110)는 외부전력을 무선 전력 신호로 변환한다. 이때, 무선 전력 신호는 교류신호로써, 외부에서 입력되는 교류신호가 무선 전력 전송에 적절하지 않은 교류신호의 형태를 가질 수 있으므로 상기 주파수 발진기(110)는 외부전력을 무선으로 송신하기에 적절한 교류신호로 변환하여 출력한다.
상기 주파수 발진기(110)에서 생성된 무선 전력 신호의 발진 주파수는 제1 공진형 안테나(160)의 가변 인덕터와 가변 캐패시터 값에 의해 설정된 공진 주파수보다 작으며, 상기 제1 공진형 안테나(160)에서 수신측까지 바라본 상호 인덕턴스 값이 더해져서 계산된 공진 주파수와 같다.
상기 전력 증폭기(130)는 무선 전력 송신의 효율을 높이기 위해 상기 무선 전력 신호의 세기를 크게 하거나 소정의 세기로 조절되도록 증폭하여 출력한다.
이때, 상기 주파수 발진기(110)와 상기 전력 증폭기(130) 사이에는 전력 패스 스위치(120)가 구비될 수 있다.
이러한 상기 전력 패스 스위치(120)는 상기 수신부(200) 자체나 상기 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 존재 유무를 판별하기 위하여 주기적으로 무선 전력을 송신해야 할 필요가 있는데, 이때 전력의 낭비를 최소화하기 위하여 상기 주파수 발생기(110)와 상기 임피던스 정합기(140)(또는 상기 방향성 전력 결합기(150))가 연결되도록 상기 전력 증폭기(130)를 바이패스(Bypass)하는 경로를 제공한다.
즉, 상기 수신부(200) 또는 상기 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 존재 유무를 판별하는 경우, 상기 전력 패스 스위치(120)를 통해 상기 주파수 발생기(110)로부터 생성된 무선 전력 신호를 증폭하지 않고 바이패스 시킴으로써 주기적으로 이루어지는 수신측 존재 유무 판별을 수행할 수 있고 불필요한 전력 낭비를 최소화할 수 있다.
상기 임피던스 정합기(140)는 상기 전력 증폭기(120)와 상기 제1 공진형 안테나(160) 사이에 위치며, 상술한 바와 같이 최적의 전송 효율로 상기 무선 전력 신호를 전송하기 위해, 상기 전력 증폭기(130)의 로드 임피던스와 상기 제1 공진형 안테나(160)의 LC 코일의 간 임피던스 정합을 제공한다.
이러한 상기 임피던스 정합기(140)는 트랜스포머(transformer)로 구현되며, 상기 트랜스포머의 권선비를 조절함으로써 임피던스 정합을 수행할 수 있다.
특히, 상기 트랜스포머의 권선비를 이용한 임피던스 정합은 임피던스의 실수부(Real) 성분을 정합할 수 있게 된다.
구체적으로, 상기 전력 증폭기(130) 측에서 주파수 발생기(110) 쪽으로 바라본 임피던스를 Z1, Z1에 연결된 1차측 코일의 권선수를 N1이라 하고, 상기 제1 공진형 안테나(160) 측에서 수신부 측으로 바라본 임피던스를 Z2, Z2에 연결된 2차측 코일의 권선수를 N2라 가정하면, 상기 1차측 코일과 상기 2차측 코일로 구성된 트랜스포머의 권선비(n)는 식(1)과 같을 때 상기 임피던스 Z1과 Z2가 정합된다:
Figure pat00001
(1)
그러나, 상기 제1 공진형 안테나(160) 측에서 수신부 측으로 바라본 임피던스(Z2)는 수신측에 접속된 부하 장치(300)에 따라 변동될 수 있으므로, 상기 전력 증폭기(130)와 상기 제1 공진형 안테나(160) 간의 임피던스 정합을 위해서는 상기 권선비(n)가 가변될 수 있어야 한다.
따라서, 상기 임피던스 정합기(140)에 사용된 트랜스포머는 가변 트랜스포머로 구현될 수 있으며, 그 일례가 도 2에 도시된다.
도 2는 도 1에 도시된 임피던스 정합기의 구성을 나타내는 상세 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 상기 임피턴스 정합기(140)는 1차측 권선(N1)과 2차측 권선(N2)으로 구성된 변압 모듈(141), 상기 1차측 권선(N1)에 설치된 다수의 제1 스위치(SW1), 및 상기 2차측 권선(N2)에 설치된 다수의 제2 스위치(SW2), 및 상기 다수의 제1 및 제2 스위치(SW1, SW2)에 연결되며, 임피던스의 실수부 성분을 조절하기 위해 상기 1차측 권선(N1)과 상기 2차측 권선(N2)의 권선비(n)가 가변되도록 상기 제1 및 제2 스위치들(SW1, SW2)을 턴-온 또는 턴-오프시킴으로써 제어하는 스위치 제어기(143)를 포함한다.
상기 방향성 전력 결합기(150)는 상기 전력 증폭기(130)와 상기 임피던스 정합기(140) 사이 또는 상기 임피던스 정합기(140)와 상기 제1 공진형 안테나(160) 사이에 설치될 수 있다.
이러한 상기 방향성 전력 결합기(150)는 다수의 단자로 구성되며, 한 단자로 입력된 신호가 나머지 단자 중 하나로만 출력되고 다른 나머지 단자로는 출력되지 않도록 함으로써 입력되는 신호의 방향을 변환한다. 이때, 상기 입력되는 신호의 방향은 일정한 방향성을 갖게 된다.
이러한 방향성 전력 결합기(150)는 그를 통해 입력된 상기 무선 전력 신호를 상기 제1 공진형 안테나(160)로 출력하여 전달하고, 상기 제1 공진형 안테나(160)를 통해 폐루프를 형성하는 자기 결합 에너지로부터 반사되는 무선 전력 신호(이하 '반사 무선 전력 신호'라 칭함)를 입력 받아 출력한다.
예를 들어, 상기 방향성 전력 결합기(150)는 상기 전력 증폭기(130) 또는 상기 임피던스 정합기(140)에서 제1 포트를 통해 입력되는 상기 무선 전력 신호를 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나(160)로 출력하고, 상기 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나(160)로부터 입력된 상기 반사 무선 전력 신호를 제3 포트를 통해 출력되도록 방향성을 갖는다.
이처럼, 상기 방향성 전력 결합기(150)는 다수개의 단자를 갖는 써큘레이터(circulator)로 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 써큘레이터는 다수개의 단자를 포함하나, 어느 단자로 입력된 신호든지 한 방향으로만 전달한다.
이때, 상기 방향성 전력 결합기(150)에는 효율적인 무선 전력 전송을 위해 출력 전력에 대한 반사 전력의 비율을 계산하기 위한 전력 검출기가 연결된다.
이러한 검출기는 출력 전력 검출기(170) 및 반사 전력 검출기(180)가 사용된다.
상기 출력 전력 검출기(170)는 상기 방향성 전력 결합기(150)를 통해 제1 공진형 안테나(160)로 전달되어 수신측으로 출력된(예컨대, 상기 방향성 전력 결합기(150)의 제1 포트로부터 입력 받아 제2 포트로 출력된) 상기 무선 전력 신호의 출력 전력(Pout=Pdetect)을 측정한다.
그리고, 상기 반사 전력 검출기(180)는 상기 제1 공진형 안테나(160)로부터 상기 방향성 전력 결합기(150)를 통해 입력 받아 출력된(예컨대, 상기 방향성 전력 결합기(150)의 제2 포트로부터 입력 받아 제3 포트로 출력된) 상기 반사 무선 전력 신호의 반사 전력(Preflect)을 검출한다.
이렇게 검출된 상기 출력 전력(Pout=Pdetect) 대 상기 반사 전력(Preflect)의 비율에 따라 상기 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 존재 유무를 파악한다.
상기 제1 공진형 안테나(160)는 가변 인덕터와 가변 캐패시터를 포함하여 구성되며, 상기 무선 전력 신호가 입력되면 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변에 의한 LC 공진에 의해 자기 에너지로 변환되어 폐루프를 형성한다.
상기 제1 공진형 안테나(160)는 수신측과의 LC 공진에 의한 공진 주파수를 조절할 뿐만 아니라 상기 LC 가변에 의한 임피던스 정합을 수행한다.
이때, 상술한 상기 임피던스 정합기(140)가 임피던스의 실수부 성분을 조절하는 정합인 반면, 상기 제1 공진형 안테나(160)는 임피던스의 허부수(Imaginary) 성분을 조절하는 정합을 수행한다.
상기 임피던스의 허수부 성분은 상기 제1 공진형 안테나(160)의 가변 인덕터와 가변 캐패시터를 가변하여 인덕턴스와 캐패시턴스에 변화를 줌으로써 조절된다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 공진형 안테나의 구성을 나타내는 상세 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 공진형 안테나(160)는 가변 캐패시터 회로(161)와 가변 인덕터 회로(163)가 직렬로 연결되어 있는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 가변 캐패시터 회로(161)와 상기 가변 인덕터 회로(163)가 병렬로 연결되거나 또는 다른 구성의 다양한 LC 가변 회로로 구성될 수도 있다.
상기 가변 캐패시터 회로(161)는 다수의 캐패시터(C1, C2, C3, ..., Cn)가 병렬로 연결되고, 상기 다수의 캐패시터(C1, C2, C3, ..., Cn) 각각에는 다수의 제3 스위치(SW3)가 직렬로 연결된다.
상기 가변 인덕터 회로(163)는 다수의 인덕터(L1, L2, L3, ..., Ln)가 직렬로 연결되고, 상기 다수의 인덕터(L1, L2, L3, ..., Ln) 각각에는 다수의 제4 스위치(SW4)가 병렬로 연결된다.
그리고, 상기 스위치 제어기(165)는 상기 제3 및 제4 스위치들(SW3, SW4)에 연결되며, 수신측과의 공진 주파수 및 최적 임피던스에 대응되는 인덕턴스와 캐패시턴스를 탐색하기 위해 상기 다수의 인덕터와 상기 다수의 캐패시터가 가변되도록 상기 다수의 제3 및 제4 스위치들(SW3, SW4)을 턴-온 또는 턴-오프 시킴으로써 제어한다.
이때, 상기 임피던스의 허부수 성분 중 음의 허수부 성분은 상기 가변 캐패시터 회로(161)에 의한 캐패시턴스의 가변에 의해 조절되며, 양의 허수부 성분은 상기 가변 인덕터 회로(163)에 의한 인덕턴스의 가변에 의해 조절될 수 있다.
상기 송신 제어기(190)는 상기 무선 전력 송신부(100)를 전반적으로 제어한다.
보다 구체적으로, 상기 송신 제어기(190)는 초기 공진 주파수를 설정하고 설정된 초기 공진 주파수를 이용하여 상기 제1 공진형 안테나(160)를 통해 전송될 무선 전력 신호를 생성하여 증폭하며, 상기 증폭된 무선 전력 신호를 상기 제1 공진형 안테나(160)의 인덕터(L)와 캐패시터(C)의 LC 공진에 의해 폐루프를 형성하는 자기 에너지로 변환한 후, 부하 장치(300)가 접속된 무선 전력 수신부(200)와의 자기 결합을 통한 자기 결합 에너지로부터 반사 무선 전력 신호를 상기 제1 공진형 안테나(160)를 통하여 수신하여 검출하도록 제어한다.
이때, 상기 송신 제어기(190)는 상기 출력 전력 검출기(170)와 상기 반사 전력 검출기(180)로부터 검출된 상기 무선 전력 신호의 출력 전력(Pout=Pdetect)과 상기 반사 무선 전력 신호의 반사 전력(Preflect)을 입력받아 상기 출력 전력(Pout=Pdetect)에 대한 상기 반사 전력의 변화 정도에 따라 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 존재 유무를 파악한다.
상기 부하 장치(300)가 존재하는 것으로 파악된 경우, 상기 송신 제어기(190)는 상기 부하 장치(300)로 전송될 무선 전송 전력의 세기에 해당하는 전력 세기를 갖도록 상기 주파수 발생기(110)로부터 생성된 무선 전력 신호의 전력을 증폭시키며, 전력이 증폭된 상태에서의 무선 전력 신호가 상기 제1 공진형 안테나(160)를 통해 수신부(200)로 전송되도록 제어한다.
이때, 상기 송신 제어기(190)는 최대 전력 전송이 일어나도록 상기 임피던스 정합기(140) 및 상기 제1 공진형 안테나(160)를 제어하여 공진 주파수 조정 및 임피던스 정합을 수행한다.
즉, 상기 송신기 제어기(190)는 상기 임피던스 정합기(140)의 임피던스의 실수부 성분을 변화시키면서 상기 반사 전력 검출기(180)에서 수신된 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 최소 변곡점에 해당하는 임피던스의 실수부 성분을 상기 임피던스 정합기의 최적 임피던스의 실수부 성분으로 설정한다.
또한, 상기 송신 제어기(190)는 상기 제1 공진형 안테나(160)의 주파수와 임피던스의 허수부 성분을 각각 변화시키면서 상기 반사 전력 검출기(180)에서 수신된 각각의 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 각각의 최소변곡점에 해당하는 주파수와 임피던스의 허수부 성분을 상기 제1 공진형 안테나(160)의 공진 주파수와 최적 임피던스의 허수부 성분으로 설정한다.
이하에서, 상기 송신 제어기(190)가 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)를 파악하고, 상기 부하 장치(300) 존재 시, 최적의 상태로 무선 전력을 전송하기 위한 공진 주파수 설정 및 최적 임피던스 설정에 과정을 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 존재 시 시간에 따른 반사 전력 곡선을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 존재 시 주파수에 따른 반사 전력 곡선을 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에서 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 존재 시 임피던스에 따른 반사 전력 곡선을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 반사 전력은 일정하게 유지되다가 시간이 점점 흐름에 따라 급격히 감소되는 구간(T)이 발생된다.
상기 송신 제어기(190)는 상기 구간(T), 즉 반사 전력이 급격히 감소하는 구간(T)에서 상기 무선 전력 수신부(200)에 부하 장치(300)가 연결되거나 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 전원이 턴-온 된 것으로 판단할 수 있다.
상기 반사 전력이 급격히 감소하는 구간(T)의 기준은, 예를 들어, 상기 무선 전력 송신부(100)의 미리 설정된 설정값 1에 따라 상기 출력 전력(Pout=Pdetect)에 대한 상기 반사 전력(Preflect)의 비율(이하 '출력 대 반사 전력비'로 칭함)이 상기 설정값 1과 같거나 크면 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 없는 것으로 판단한다.
예를 들어, 상기 출력 전력(Pout=Pdetect) = 1, 상기 설정값 1 = 0.8로 가정하였을 때, 상기 출력 대 반사 전력비≥0.8이면, 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)에 의한 전력 손실이 아닌 공중에서 손실된 오차 범위 내의 반사 손실로 보고 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 없는 것으로 판단한다.
반대로, 상기 반사 전력비< 0.8이면, 이는 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)에 의한 전력 손실로 보고 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 있는 것으로 판단한다.
이와 같이, 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 존재하는 것으로 판단되면, 최적의 상태로 무선 전력을 전송하기 위해 공진 주파수 설정 및 임피던스 정합이 다음과 같이 수행된다:
먼저, 상기 송신 제어기(190)는 상기 제1 공진형 안테나(160)의 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변을 통한 주파수 조절(주파수 튜닝)에 따른 상기 반사 무선 전력 신호로부터 반사 전력(Preflect)을 검출하도록 제어한다.
이러한 과정을 거치면, 도 5에 도시된 바와 같은 주파수에 따른 반사 전력 곡선을 얻을 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, 반사 전력 곡선에 최소 변곡점(P)이 존재하는 것을 알 수 있으며, 상기 최소 변곡점(P)에 해당하는 주파수에서 반사 전력(Preflect)이 최저임을 알 수 있다.
이는 상기 최소 변곡점(P)에 해당하는 주파수에서 공진이 일어났음을 의미하며, 따라서 상기 최소 변곡점(P)에 해당하는 주파수가 공진 주파수가 된다.
이처럼, 상기 송신 제어기(190)는 상기 공진 주파수를 설정하기 위해 상기 제1 공진형 안테나(160)의 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변을 통해 주파수를 조절하게 된다.
한편, 상기 송신 제어기(190)는 또한 상기 임피던스 정합기(140) 및 제1 공진형 안테나(160)의 임피던스 가변을 통한 임피던스 조절(임피던스 튜닝)에 따른 상기 반사 무선 전력 신호로부터 상기 반사 전력(Preflect)을 검출하도록 제어한다.
이러한 과정을 거치면, 도 6에 도시된 바와 같은 임피던스에 따른 반사 전력 곡선을 얻을 수 있다.
도 6에 도시된 것처럼, 반사 전력 곡선에 최소 변곡점(P)이 존재하는 것을 알 수 있으며, 상기 최소 변곡점(P)에 해당하는 임피던스에서 반사 전력(Preflect)이 최저임을 알 수 있다.
이는 상기 최소 변곡점(P)에 해당하는 임피던스에서 LC 공진이 일어났음을 의미하며, 따라서 상기 최소 변곡점(P)에 해당하는 임피던스가 정합된 최적 임피던스가 된다.
상기 송신 제어기(190)는 상기 최적 임피던스를 설정하기 위해 상기 임피던스 정합기(140)를 통해 상기 최적 임피던스의 실수부 성분을 조절하고, 상기 제1 공진형 안테나(160)를 통해 상기 최적 임피던스의 허수부 성분을 조절하게 된다.
이때, 최적 임피던스의 실수부 성분 및 허수부 성분의 탐색 및 설정은 도 6에 설명한 과정과 동일하게 수행된다.
도 7 내지 10에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기(140)의 사용 유무에 따른 임피던스 변화 및 전송 전력 변화를 살펴보기로 한다.
도 7은 임피던스 조정을 수행하지 않은 종래 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 임피던스 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기를 이용하여 임피던스 조정을 수행한 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 임피던스 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
또한, 도 9는 임피던스 조정을 수행하지 않은 종래 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 전력 전송을 나타내는 시뮬레이션 결과이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기를 이용하여 임피던스 조정을 수행한 무선 전력 송수신부 간 거리에 따른 전력 전송을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 7과 8을 참조하면, 약 13.56MHz의 주파수를 이용한 무선 전력 전송에 있어 무선 전력 송수신부(100, 200) 간 거리에 따른 임피던스 변화를 비교할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 임피던스 조정을 수행하지 않은 경우, 50[Ω]에 근사한 m3을 기준으로 볼 때, 상기 무선 전력 송수신부(100, 200) 간 거리가 멀수록 상기 m3로부터 멀어지는 것을 알 수 있다.
이는 상기 무선 전력 송수신부(100, 200) 간 거리가 멀수록 커플링(coupling) 계수가 작아지므로 50[Ω]을 기준으로 임피던스가 작아지는 방향으로 변한 것이다.
그러나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기(140)를 사용하여 임피던스 조정을 수행한 경우, 도 7에 비해 50[Ω]에 근사한 m27로 집중되는 것을 알 수 있다.
이는 상기 임피던스 정합기(140)의 가변 트랜스포머의 권선비를 가변하여 임피던스의 실수부 성분을 조절함으로써 향상된 임피던스 정합이 이루어지도록 한 것이다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기(140)를 사용하여 임피던스의 실수부 성분을 50[Ω]에 근사하도록 조절하여 정합할 수 있다.
마찬가지 방법으로, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제1 공진형 안테나(160)를 사용하여 임피던스의 허수부 성분을 조절하여 좀 더 세밀하고 정확한 임피던스 정합이 수행될 수 있다.
도 9과 10을 참조하면, 상기 임피던스 정합기(140)의 가변 트랜스포머의 권선비를 조절하여 임피던스의 실수부를 조절하였을 때 전송 전력 변화를 비교할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 임피던스 조정을 수행하지 않은 경우, 주파수에 따라 전송 전력의 크기가 다른 것을 알 수 있다.
이는 자기공명 방식을 이용한 무선 전력 전송에 있어, 상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(200)의 공진 주파수가 동일하게 설정되었을 때 반사되는 전력을 최소화하고 전송되는 전력을 극대화할 수 있는데, 상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(200)의 거리가 가까워지거나 멀어짐에 따라 상기 무선 전력 송수신부(100, 200) 간 공진 주파수의 재조정(detuing)이 발생하여 전력 전송이 효율적으로 일어나지 않았음을 의미한다.
그러나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 임피던스 정합기(140)를 사용하여 임피던스 조정을 수행한 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 전력 전송 크기가 거의 동일하게 된다.
이때, 상기 임피던스 조정과 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 제1 공진형 안테나(160)를 이용하여, 도 5에 설명한 바와 같은 주파수 조정을 통해 상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(200) 간의 공진 주파수를 재조정하는 과정이 다시 수행될 수도 있다.
이제, 본 발명의 일 실시 예에 무선 전력 수신부(200)의 구성 및 동작 방법을 살펴보기로 한다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 제2 공진형 안테나(210)는 인덕터(또는 가변 인덕터)와 가변 캐피시터(또는 가변 캐패시터)로 구성되며, 인덕턴스와 캐패시턴스에 의한(또는 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변을 통한) LC 공진에 의해 폐루프를 형성하는 자기 에너지로 변환되어 상기 무선 전력 송신부(100)로부터 형성된 자기 에너지와 자기 결합한다.
이렇게 형성된 자기 결합 에너지는 역시 폐루프를 형성하고 있으므로, 상기 자기 결합 에너지로부터 변환된 무선 전력 신호를 자기공명 방식에 의해 수신한다.
그런 다음, 상기 제2 공진형 안테나(210)는 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)에 상기 무선 전력 송신부(100)로부터 수신된 무선 전력 신호를 공급하고, 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부(200)로 반사한다.
이러한 제2 공진형 안테나(210)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기에 상술한 제1 공진형 안테나(160)와 동일한 구성을 가지므로, 이에 대한 상세 설명은 상술한 것으로 대체하기로 한다.
상기 스위치(220)는 상기 제2 공진형 안테나(210)와 정류기(230) 사이에 위치하며, 상기 제2 공진형 안테나(210)가 상기 무선 전력 송신부(100)와의 자기 결합을 수행하거나 차단하도록 스위칭한다.
다시 말해, 상기 스위치(220)는 무선 전력 수신부(200)의 수신대기상태 또는 수신종결상태를 결정한다.
상기 스위치(220)가 온(ON)되면 상기 무선 전력 수신부(200)는 무선 전력 신호를 수신하게 되고, 상기 스위치(220)가 오프(OFF)되면 상기 무선 전력 수신부(200)는 무선 전력 신호의 수신을 중단하게 된다.
예를 들어, 상기 스위치(220)는 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)에서 더 이상 전력이 필요하지 않을 때(예컨대, 배터리의 충전이 완료되었거나 텔레비전이나 컴퓨터 등의 전자/가전기기 등이 오프되었을 때) 상기 무선 전력 송신부(100)와의 자기 결합을 종료하거나, 반대로 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)에서 전력이 필요할 때(예컨대, 배터리의 충전을 시작하거나 텔레비전이나 컴퓨터 등의 전자/가전기기 등이 온 되었을 때) 상기 무선 전력 송신부(100)와의 자기 결합을 시작하도록 스위칭한다.
상기 정류기(230)는 상기 제2 공진형 안테나(210)로부터 수신된 무선 전력 신호를 정류한다.
상기 전력 신호 변환기(240)는 상기 부하 장치(300)가 접속되며, 상기 부하 장치(300)의 전원부(미도시)에 전력을 충전하거나 가정용 전원을 공급하도록 상기 정류기(230)로부터 정류된 무선 전력 신호를 적절한 직류 신호 또는 교류 신호의 형태로 변환한다.
예를 들어, 상기 전력 신호 변환기(240)에 접속된 상기 부하 장치(300)의 전원부가 배터리 충전기와 같이 일정 시간 동안 충전하여 일정한 용량을 저장하는 방식일 경우, 상기 전력 신호 변환기(240)는 상기 부하 장치(300)의 전원부에 전력을 충전하기 위해 상기 수신된 무선 전력 신호를 적절한 직류 신호로 변환한다.
이 경우, 상기 부하 장치(300)가 접속된 무선 전력 수신부(200)는 상기 배터리 충전기의 용량을 검출할 수 있는 배터리 용량 검출기(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 배터리 용량 검출기(미도시)로부터 검출된 신호를 상기 무선 전력 수신부(200)의 수신 제어기(260)로 전달한다.
또한, 상기 부하 장치(300)의 전원부가 전자/가전기기와 같이 계속적으로 전원을 공급해야 하는 방식일 경우, 상기 전력 신호 변환기(240)는 상기 부하 장치(300)의 전원부에 가정용 전원을 공급하기 위해 상기 수신된 무선 전력 신호를 적절한 교류 신호로 변환한다.
따라서, 상기 전력 신호 변환기(240)는 상기 수신된 무선 전력 신호를 적절한 교류 신호 형태로 변환하기 위한 교류 변환기(AC-AC Converter)(미도시)와 상기 수신된 무선 전력 신호를 적절한 직류 신호 형태로 변환하기 위한 교류-직류 변환기(AC-DC Converter)(미도시) 등을 포함할 수 있다.
상기 충전 회로(250)는 상기 전력 신호 변환기(240)로부터 변환된 전력을 충전하는 회로이다. 이러한 충전 회로(250)는 도 1에 도시된 바와 같이 무선 전력 수신부(200)에 포함될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 부하 장치(300)에 포함될 수도 있다.
상기 수신 제어기(260)는 상기 무선 전력 수신부(200)를 전반적으로 제어한다.
구체적으로, 상기 수신 제어기(260)는 상기 제2 공진형 안테나(210)에서 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 신호를 수신하여 상기 부하 장치(300)에 전력이 공급되도록 제어하고, 상기 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부(100)로 반사되도록 제어한다.
또한, 상기 수신 제어기(260)는 상기 배터리 용량 검출기로부터 전달받은 배터리 용량에 근거하여 상기 스위치(220)를 온/오프되게 스위칭하도록 제어하거나 상기 부하 장치(300)의 접속 여부에 따라 상기 스위치(220)를 온/오프되게 스위칭하도록 제어한다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 송신부의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 11을 참조하여 상기 무선 전력 송신부(100)에서의 동작을 살펴보면, 상기 무선 전력 송신부(100)의 송신 제어기(190)는 크게 부하 장치 유무 판별 모드(S10), 보정(calibration) 모드(S20), 무선 전력 송신 모드(S30)를 수행한다.
상기 부하 장치 유무 판별 모드(S10)에서는, 먼저 상기 무선 전력 송신부(100)가 온(ON)되면 초기 공진 주파수를 설정한다(S11).
그 다음, 상기 무선 전력 송신부(100)의 제1 공진형 안테나(160)를 통해 상기 설정된 초기 공진 주파수로 송신한 무선 전력 신호가 수신부(200)로부터 반사되는 반사 무선 전력 신호의 반사 전력(Preflcet)을 검출하여 상기 반사 전력(Preflcet)이 설정값 1 보다 작은지를 판단한다(S12).
만약, 상기 반사 전력(Preflect)이 설정값 1보다 작을 경우, 전력 손실이 있는 것으로 판단(즉, 부하 장치가 존재하는 것으로 판단)하고, 설정값 1보다 크거나 같다면 전력 손실이 없는 것으로 판단(즉, 부하 장치가 존재하지 않는 것으로 판단)한다.
이렇게 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 존재 유무가 판별되면, 그 다음 주파수 조절과 임피던스 조절을 통해 최적의 무선 전력 전송 상태를 만들기 위한 보정(calibration) 모드가 수행된다.
상기 보정(calibration) 모드(S20)에서, 상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(200) 간 최적의 무선 전력 전송을 위한 공진 주파수를 찾기 위해 상기 제1 공진형 안테나(160)의 인덕턴스와 캐패시턴스를 가변하여 주파수를 조절(주파수 튜닝)하면서 상기 주파수 변화에 따른 반사 무선 전력 신호의 반사 전력(Preflect)을 검출한다(S21).
그 다음, 상기 반사 전력(Preflect)에 최소 변곡점이 있는지를 판단하여 상기 최소 변곡점에 해당하는 주파수를 공진 주파수로 결정한다(S22).
그리고, 상기 무선 전력 송신부(100)와 상기 무선 전력 수신부(200) 간 최적의 무선 전력 전송을 위한 임피던스 정합을 수행한다(S23).
이러한 임피던스 정합은 상기 주파수 조절과 마찬가지로, 임피던스를 가변하여 임피던스를 조절(임피던스 튜닝)하면서 상기 임피던스 변화에 따른 반사 전력(Preflect)을 검출한다.
그 다음, 상기 반사 전력(Preflect)이 최소 변곡점에 있는지를 판단하여(S24), 상기 최소 변곡점을 최적 임피던스로 설정한다.
이때, 최적 임피던스를 결정하기 위해, 단계(S23)에서, 임피던스를 가변하여 임피던스를 조절할 때 보다 정확하고 세밀한 임피던스 정합을 위해, 상기 무선 전력 송신부(100)의 임피던스 정합기(140)에서 가변 트랜스포머의 권선비를 조절하여 상기 임피던스의 실수부를 조절하고, 상기 무선 전력 송신부(100)의 제1 공진형 안테나(160)에서 인덕턴스와 캐패시턴스를 가변하여 상기 임피던스의 허수부 성분을 조절한다.
이와 같이, 최적 상태로 무선 전력을 전송하기 위한 주파수 보정과 임피던스 보정 단계를 거쳐 최적의 전송 상태에서 무선 전력을 송신할 수 있게 된다.
상기 무선 전력 송신 모드(S30)에 있어서, 상기 보정 모드(S20)를 거친 최적의 전송 상태에서 무선 전력이 송신된다(S31).
그 다음, 초기 반사 무선 전력 신호의 반사 전력과 현재 반사 무선 전력 신호의 반사 전력의 변화량(△Preflect)을 측정하고(S32), 상기 반사 전력의 변화량(△Preflect)이 설정값 2보다 큰지를 판단한다(S33).
만약, 상기 반사 전력의 변화량(△Preflect)이 설정값 2보다 작다면 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)의 충전 중이거나 전원 공급이 계속 유지 중인 것으로 판단하고, 다시 보정(calibration) 모드(S20)를 거쳐 주파수와 임피던스를 조절하여 최적의 전송 상태로 무선 전력을 계속 송신한다.
만약, 상기 반사 전력의 변화량(△Preflect)이 설정값 2보다 크다면, 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)가 충전 완료되거나 전원 공급이 중단되도록 턴-오프된 것으로 판단하고 무선 전력 송신을 중지한다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 수신부의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 12를 참조하여 상기 무선 전력 수신부(200)에서의 동작을 살펴보면, 상기 무선 전력 수신부(200)가 온(ON)되면(S41), 제2 공진형 안테나(210)를 통해 송신측으로부터 전송된 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 수신한다(S42).
그 다음, 수신된 상기 무선 전력 신호를 정류기(230)를 통해 정류한 후(S43), 상기 무선 전력 수신부(200)에 접속된 부하 장치(300)에 따라 적절한 전원이 공급되도록 전력 신호 변환기(240)를 통해 상기 무선 전력 신호의 형태를 교류에서 교류로 또는 교류에서 직류로 변환하여(S44), 상기 부하 장치(300)에 변환된 무선 전력을 공급한다(S45).
그 후, 상기 부하 장치(300)에 충전이 완료되거나, 전원 공급이 중단되도록 턴-오프 되었는지를 판단하여(S46), 상기 무선 전력 수신부(200)로부터 수신된 무선 전력을 계속 공급하거나 상기 무선 전력의 수신을 중지하도록 스위치를 오프시킨다(S47).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 무선 전력 송신부 110: 발진기
120: 전력 패스 스위치 130: 전력 증폭기
140: 임피던스 정합기 150: 방향성 전력 결합기
160: 제1 공진형 안테나 170: 출력 전력 검출기
180: 반사 전력 검출기 190: 송신 제어기
200: 무선 전력 수신부 210: 제2 공진형 안테나
220: 스위치 230: 정류기
240: 전력 신호 변환기 250: 충전 회로
260: 수신 제어기 300: 부하 장치

Claims (28)

  1. 외부로부터 입력되는 전력을 받아서 무선으로 전송할 무선 전력 신호를 생성하고, 생성된 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 무선 송신하며, 반사 무선 전력 신호를 수신하여 부하 장치의 존재 유무를 파악하고, 상기 부하 장치의 존재 시 상기 부하 장치에 대응되는 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 무선 송신하여 상기 부하 장치에 전력이 공급되도록 무선 전력 신호를 전송하는 무선 전력 송신부; 및
    상기 부하 장치에 연결되며, 상기 무선 전력 송신부에서 송신된 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 수신하여 접속된 부하 장치에 제공하고, 소모되지 않은 잔여 무선 전력 신호는 상기 무선 전력 송신부에 반사하는 무선 전력 수신부를 포함하여 이루어진 무선 전력 전송 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 무선 전력 송신부는,
    외부에서 입력되는 전력을 받아서 전송을 원하는 무선 전력 신호를 생성하는 주파수 발진기;
    상기 주파수 발진기에서 생성된 무선 전력 신호를 증폭하여 출력하는 전력 증폭기;
    가변 캐패시터 회로와 가변 인덕터 회로를 포함하여 구성되고, 상기 가변 캐패시터 회로와 상기 가변 인덕터 회로에 의한 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변에 의해 탐색된 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 송신하며, 상기 무선 전력 수신부에서 반사되는 반사 무선 전력 신호를 수신하여 출력하는 제1 공진형 안테나;
    상기 전력 증폭기와 상기 제1 공진형 안테나 사이에 위치하여 상기 전력 증폭기와 상기 제1 공진형 안테나 사이의 임피던스 정합을 제공하는 임피던스 정합기;
    상기 전력 증폭기와 상기 임피던스 정합기 사이에 또는 상기 임피던스 정합기와 상기 제1 공진형 안테나 사이에 위치하며, 상기 전력 증폭기 또는 상기 임피던스 정합기에서 제1 포트를 통해 입력되는 상기 무선 전력 신호를 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나로 출력하고, 상기 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나로부터 입력된 상기 반사 무선 전력 신호를 제3 포트를 통해 출력되도록 방향성을 갖는 방향성 전력 결합기;
    상기 방향성 전력 결합기의 제2 포트로부터 출력된 상기 무선 전력 신호의 출력 전력을 검출하여 출력하는 출력 전력 검출기;
    상기 방향성 전력 결합기의 제3 포트로부터 출력된 상기 반사 무선 전력 신호의 반사 전력을 검출하여 출력하는 반사 전력 검출기; 및
    상기 출력 전력에 대한 상기 반사 전력의 비율을 계산하여 상기 계산된 출력-반사 전력비에 따라 부하 장치의 존재 유무를 파악하고, 상기 부하 장치에 대응되는 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 송신하도록 상기 제1 공진형 안테나를 제어하는 송신 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 임피던스 정합기는,
    1차측 권선과 2차측 권선으로 구성된 변압 모듈;
    상기 1차측 권선에 설치된 다수의 제1 스위치;
    상기 2차측 권선에 설치된 다수의 제2 스위치; 및
    상기 다수의 제1 및 제2 스위치에 연결되며, 임피던스의 실수부 성분을 조절하기 위해 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선의 권선비가 가변되도록 상기 다수의 제1 및 제2 스위치들을 제어하는 제1 스위치 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 송신 제어기는 상기 임피던스 정합기의 임피던스의 실수부 성분을 변화시키면서 상기 반사 전력 검출기에서 수신된 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 최소변곡점에 해당하는 임피던스의 실수부 성분을 상기 임피던스 정합기의 최적 임피던스의 실수부 성분으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 공진형 안테나는,
    다수의 캐패시터가 병렬로 연결되고, 상기 다수의 캐패시터 각각에 다수의 제3 스위치가 직렬로 연결되어 캐패시턴스를 가변하는 가변 캐패시터 회로;
    다수의 인덕터가 직렬로 연결되고, 상기 다수의 인덕터 각각에 다수의 제4 스위치가 병렬로 연결되어 인덕턴스를 가변하는 가변 인덕터 회로; 및
    상기 다수의 제3 및 제4 스위치에 연결되며, 공진 주파수와 최적 임피던스의 허수부 성분을 탐색하기 위해 상기 캐패시턴스와 상기 인덕턴스가 가변되도록 상기 다수의 제3 및 제4 스위치들을 제어하는 제2 스위치 제어기를 포함하며,
    상기 가변 캐패시터 회로와 상기 가변 인덕터 회로는 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 송신 제어기는 상기 제1 공진형 안테나의 주파수와 임피던스의 허수부 성분을 각각 변화시키면서 상기 반사 전력 검출기에서 수신된 각각의 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 각각의 최소변곡점에 해당하는 주파수와 임피던스의 허수부 성분을 상기 제1 공진형 안테나의 공진 주파수와 최적 임피던스의 허수부 성분으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 무선 전력 송신부는,
    상기 부하 장치의 존재 유무에 따라 상기 주파수 발진기와 상기 전력 증폭기 사이를 연결하거나, 상기 주파수 발진기와 상기 임피던스 정합기 또는 상기 방향성 전력 결합기가 연결되도록 바이패스 경로를 제공하는 전력 패스 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 무선 전력 수신부는,
    가변 캐패시터 회로와 가변 인덕터 회로를 포함하여 구성되고, 상기 가변 캐패시터 회로와 상기 인덕터 회로로부터 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변에 의해 탐색된 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 송신부에서 전송한 무선 전력 신호를 자기공명 방식에 의해 수신하며, 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부로 반사하는 제2 공진형 안테나;
    상기 제2 공진형 안테나에 의해 수신된 무선 전력 신호를 정류하는 정류기;
    부하 장치가 접속되어 있으며, 상기 정류기에 의해 정류된 무선 전력 신호를 전력 공급 방식에 따른 전력 신호로 변환하여 상기 부하 장치에 제공하는 전력 신호 변환기; 및
    상기 제2 공진형 안테나에서 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 신호를 수신하여 상기 부하 장치에 전력이 공급되도록 제어하고, 상기 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부로 반사되도록 제어하는 수신 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제2 공진형 안테나는,
    다수의 캐패시터가 병렬로 연결되고, 상기 다수의 캐패시터 각각에 다수의 제5 스위치가 직렬로 연결되어 캐패시턴스를 가변하는 가변 캐패시터 회로;
    다수의 인덕터가 직렬로 연결되고, 상기 다수의 인덕터 각각에 다수의 제6 스위치가 병렬로 연결되어 인덕턴스를 가변하는 가변 인덕터 회로; 및
    상기 다수의 제5 및 제6 스위치들에 연결되며, 공진 주파수와 최적 임피던스의 허수부 성분을 탐색하기 위해 상기 캐패시턴스와 상기 인덕턴스가 가변되도록 상기 다수의 제5 및 제6 스위치들을 제어하는 제3 스위치 제어기를 포함하며,
    상기 가변 캐패시터 회로와 상기 가변 인덕터 회로는 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 무선 전력 수신부는,
    상기 제2 공진형 안테나와 상기 정류기 사이에 위치하여 상기 제2 공진형 안테나에서 수신한 무선 전력 전송을 차단하는 스위치를 더 포함하며,
    상기 수신 제어기는 상기 부하 장치의 접속이 해제되는 경우에 상기 스위치를 제어하여 상기 제2 공진형 안테나에서 수신한 전력 전송을 차단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 외부에서 입력되는 전력을 받아서 전송을 원하는 무선 전력 신호를 생성하는 주파수 발진기;
    상기 주파수 발진기에서 생성된 무선 전력 신호를 증폭하여 출력하는 전력 증폭기;
    가변 캐패시터 회로와 가변 인덕터 회로를 포함하여 구성되고, 상기 가변 캐패시터 회로와 상기 인덕터 회로에 의한 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변에 의해 설정된 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 송신하며, 상기 무선 전력 수신부에서 반사되는 반사 무선 전력 신호를 수신하여 출력하는 제1 공진형 안테나;
    상기 전력 증폭기와 상기 제1 공진형 안테나 사이에 위치하여 상기 전력 증폭기와 상기 제1 공진형 안테나 사이의 임피던스 정합을 제공하는 임피던스 정합기;
    상기 전력 증폭기와 상기 임피던스 정합기 사이에 또는 상기 임피던스 정합기와 상기 제1 공진형 안테나 사이에 위치하며, 상기 전력 증폭기 또는 상기 임피던스 정합기에서 제1 포트를 통해 입력되는 상기 무선 전력 신호를 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나로 출력하고, 상기 제2 포트를 통해 상기 제1 공진형 안테나로부터 입력된 상기 반사 무선 전력 신호를 제3 포트를 통해 출력되도록 방향성을 갖는 방향성 전력 결합기;
    상기 방향성 전력 결합기의 제2 포트로부터 출력된 상기 무선 전력 신호의 출력 전력을 검출하여 출력하는 출력 전력 검출기;
    상기 방향성 전력 결합기의 제3 포트로부터 출력된 상기 반사 무선 전력 신호의 반사 전력을 검출하여 출력하는 반사 전력 검출기; 및
    상기 출력 전력에 대한 상기 반사 전력의 비율을 계산하여 상기 계산된 출력-반사 전력비에 따른 부하 장치의 존재 유무를 파악하고, 상기 부하 장치에 대응되는 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 신호를 송신하도록 상기 제1 공진형 안테나를 제어하는 송신 제어기를 포함하여 이루어진 무선 전력 송신부.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 임피던스 정합기는,
    1차측 권선과 2차측 권선으로 구성된 변압 모듈;
    상기 1차측 권선에 설치된 다수의 제1 스위치;
    상기 2차측 권선에 설치된 다수의 제2 스위치; 및
    상기 다수의 제1 및 제2 스위치에 연결되며, 임피던스의 실수부 성분을 조절하기 위해 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선의 권선비가 가변되도록 상기 다수의 제1 및 제2 스위치들을 제어하는 제1 스위치 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신부.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 송신 제어기는 상기 임피던스 정합기의 임피던스의 실수부 성분을 변화시키면서 상기 반사 전력 검출기에서 수신된 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 최소변곡점에 해당하는 임피던스의 실수부 성분을 상기 임피던스 정합기의 최적 임피던스의 실수부 성분으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신부.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 공진형 안테나는,
    다수의 캐패시터가 병렬로 연결되고, 상기 다수의 캐패시터 각각에 다수의 제3 스위치가 직렬로 연결되어 캐패시턴스를 가변하는 가변 캐패시터 회로;
    다수의 인덕터가 직렬로 연결되고, 상기 다수의 인덕터 각각에 다수의 제4 스위치가 병렬로 연결되어 인덕턴스를 가변하는 가변 인덕터 회로; 및
    상기 다수의 제3 및 제4 스위치에 연결되며, 공진 주파수와 최적 임피던스의 허수부 성분을 탐색하기 위해 상기 캐패시턴스와 상기 인덕턴스가 가변되도록 상기 다수의 제3 및 제4 스위치들을 제어하는 제2 스위치 제어기를 포함하며,
    상기 가변 캐패시터 회로와 상기 가변 인덕터 회로는 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신부.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 송신 제어기는 상기 제1 공진형 안테나의 주파수와 임피던스의 허수부 성분을 각각 변화시키면서 상기 반사 전력 검출기에서 수신된 각각의 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하여 탐색된 각각의 최소변곡점에 해당하는 주파수와 임피던스의 허수부 성분을 상기 제1 공진형 안테나의 공진 주파수와 최적 임피던스의 허수부 성분으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신부.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 부하 장치의 존재 유무에 따라 상기 주파수 발진기와 상기 전력 증폭기 사이를 연결하거나, 상기 주파수 발진기와 상기 임피던스 정합기 또는 상기 방향성 전력 결합기가 연결되도록 바이패스 경로를 제공하는 전력 패스 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신부.
  17. 청구항 11에 있어서, 상기 방향성 전력 결합기는 써큘레이터(Circulator)인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신부.
  18. 부하 장치에 연결되며,
    가변 캐패시터 회로와 가변 인덕터 회로를 포함하여 구성되고, 상기 가변 캐패시터 회로와 상기 인덕터 회로로부터 인덕턴스와 캐패시턴스의 가변에 의해 설정된 최적 임피던스와 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 송신부에서 전송한 무선 전력 신호를 자기공명 방식에 의해 수신하며, 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부로 반사시키는 제2 공진형 안테나;
    상기 제2 공진형 안테나에 의해 수신된 무선 전력 신호를 정류하는 정류기;
    부하 장치가 접속되어 있으며, 상기 정류기에 의해 정류된 무선 전력 신호를 전력 공급 방식에 따른 전력 신호로 변환하여 상기 부하 장치에 제공하는 전력 신호 변환기; 및
    상기 제2 공진형 안테나에서 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 신호를 수신하여 상기 부하 장치에 전력이 공급되도록 제어하고, 상기 잔여 무선 전력 신호를 상기 무선 전력 송신부로 반사되도록 제어하는 수신 제어기를 포함하여 이루어진 무선 전력 수신부.

  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2 공진형 안테나와 상기 정류기 사이에 위치하여 상기 제2 공진형 안테나에서 수신한 무선 전력 전송을 차단하는 스위치를 더 포함하며,
    상기 수신 제어기는 상기 부하 장치의 접속이 해제되는 경우에 상기 스위치를 제어하여 상기 제2 공진형 안테나에서 수신한 전력 전송을 차단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신부.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 제2 공진형 안테나는,
    다수의 캐패시터가 병렬로 연결되고, 상기 다수의 캐패시터 각각에 다수의 제5 스위치가 직렬로 연결되어 캐패시턴스를 가변하는 가변 캐패시터 회로;
    다수의 인덕터가 직렬로 연결되고, 상기 다수의 인덕터 각각에 다수의 제6 스위치가 병렬로 연결되어 인덕턴스를 가변하는 가변 인덕터 회로; 및
    상기 다수의 제5 및 제6 스위치들에 연결되며, 공진 주파수와 최적 임피던스의 허수부 성분을 탐색하기 위해 상기 캐패시턴스와 상기 인덕턴스가 가변되도록 상기 다수의 제5 및 제6 스위치들을 제어하는 제3 스위치 제어기를 포함하며,
    상기 가변 캐패시터 회로와 상기 가변 인덕터 회로는 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신부.
  21. 제18항에 있어서, 상기 전력 신호 변환기는,
    상기 정류된 무선 전력 신호를 교류 신호로 변환하는 교류 변환기; 및
    상기 정류된 무선 전력 신호를 직류 신호로 변환하는 교류-직류 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신부.
  22. (A) 무선 전력 송신부가 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 수신부로 전송하여, 반사된 무선 전력 신호를 검출하여상기 부하 장치의 존재 유무를 확인하는 단계; 및
    (B) 상기 무선 전력 송신부가 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치가 존재하는 것으로 확인된 경우에 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수 및 최적 임피던스를 탐색하고, 탐색된 공진 주파수와 최적 임피던스를 이용하여 무선 전력 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진 무선 전력 전송 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 (A) 단계는,
    (A-1) 무선 전력 송신부가 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 수신부로 전송하는 단계;
    (A-2) 상기 무선 전력 수신부가 상기 전송된 무선 전력 신호를 수신하고, 잔여 무선 전력 신호를 반사하는 단계; 및
    (A-3) 상기 무선 전력 송신부가 반사 무선 전력 신호를 수신하여 반사 전력 세기를 검출한 후, 상기 반사 전력 세기에 따라 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 접속 여부를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 (B) 단계는,
    (B-1) 상기 무선 전력 송신부가 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치의 접속이 확인된 경우에, 주파수를 가변하면서 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하고, 임피던스를 가변하면서 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하는 단계;
    (B-2) 상기 무선 전력 송신부가 탐색된 각각의 최소 변곡점에 해당하는 주파수와 임피던스를 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수와 최적 임피던스로 설정하는 단계; 및
    (B-3) 상기 공진 주파수에서 상기 최적 임피던스로 정합된 상태로 무선 전력 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  25. (A) 무선 전력 송신부가 무선 전력 신호를 자기 공명 방식에 의해 무선 전력 수신부로 전송하는 단계;
    (B) 무선 전력 송신부가 무선 전력 수신부에서 반사되는 반사 무선 전력 신호를 수신하여 전력 세기를 검출한 후에 부하 장치의 존재 여부를 확인하는 단계; 및
    (C) 상기 무선 전력 송신부가 부하 장치의 존재가 확인된 경우에 최대 전력 전송이 이루어지는 최적 임피던스와 공진 주파수를 탐색하여 탐색된 최적 임피던스와 공진 주파수를 이용하여 무선 전력 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진 무선 전력 송신 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 (C) 단계는,
    (C-1) 상기 무선 전력 송신부가 부하 장치의 접속이 확인된 경우에, 주파수를 가변하면서 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하고, 임피던스를 가변하면서 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하는 단계; 및
    (C-2) 상기 무선 전력 송신부가 탐색된 각각의 최소 변곡점에 해당하는 주파수와 임피던스를 최대 전력 전송이 이루어지는 공진 주파수와 최적 임피던스로 설정하고, 상기 공진 주파수에서 상기 최적 임피던스로 정합된 상태로 무선 전력 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 방법.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 (C-1) 단계는,
    상기 임피던스의 실수부 성분을 가변하면서 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하는 단계; 및
    상기 임피던스의 허수부 성분을 가변하면서 반사 무선 전력 신호의 최소 변곡점을 탐색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 방법.
  28. (A) 무선 전력 수신부가 무선 전력 송신부로부터 전송된 무선 전력 신호를 수신하여 반사되고 남은 무선 전력을 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치에 제공하는 단계; 및
    (B) 상기 무선 전력 수신부에 접속된 부하 장치가 접속이 해제된 경우에 상기 무선 전력 송신부에서 전송되는 무선 전력 신호의 수신을 중지하는 단계를 포함하여 이루어진 무선 전력 수신 방법.
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