KR20120102316A - 무선 전력 송수신 시스템 - Google Patents

무선 전력 송수신 시스템 Download PDF

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KR20120102316A
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band communication
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김남윤
권상욱
홍영택
김동조
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삼성전자주식회사
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Abstract

마그네틱 커플링(magnetic coupling)을 이용하여 무선 전력을 송수신하는 무선 전력 송수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하고, 상기 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값을 검출하며, 상기 무선 전력을 전달하려는 부하(load)와의 관계에서, 상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단하여, 상기 판단의 결과를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송한다.

Description

무선 전력 송수신 시스템{SYSTEM FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION AND RECEPTION}
기술분야는 마그네틱 커플링(magnetic coupling)을 이용하여 무선 전력을 송수신하는 무선 전력 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기가 폭발적으로 증가함에 따라, 다양한 전기기기에 대한 유선전력공급의 불편 및 기존 배터리 용량의 한계 등을 극복하기 위해 시작되었다. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공진(resonance) 특성을 이용한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 수신부, 상기 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값을 검출하는 검출부, 상기 무선 전력을 전달하려는 부하(load)와의 관계에서, 상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단하는 제어부 및 상기 판단의 결과를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송하는 통신부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 상기 무선 전력을 교류 신호에서 직류 신호로 변환하는 정류부를 더 포함할 수 있다.
상기 검출부는 상기 웨이크 업 신호에 의하여 웨이크 업 되는 단말의 개수, 상기 단말의 식별정보 및 상기 단말의 충전 요청여부를 검출할 수 있다.
상기 통신부는 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기인 밴드 통신을 수행하는 인 밴드 통신부 및 별도의 통신 장치를 통하여 무선 전력 전송 장치와 상기 아웃 밴드 통신을 수행하는 아웃 밴드 통신부를 포함할 수 있다.
상기 통신부는 무선 전력 전송 장치의 임피던스 매칭 주파수 및 공진 주파수를 트래킹(tracking)하기 위한 정보로써, 상기 수신된 무선 전력의 값을 상기 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 상기 부하와의 관계에서 일정한 범위의 값을 가지도록 제한하는 전류 제한기(Current Limiter) 또는 전압 제한기(Voltage Limiter)를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 상기 부하에서 요구하는 전류 값 또는 전압 값에 도달하도록 승압하는 부스트 레귤레이터(Boost Regulator)를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 수신하는 통신부, 상기 정보에 기초하여, 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)하는 제어부 및 상기 필요전력에 대응하도록, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 타겟 공진기로 무선 전력을 전송하는 전송부를 포함한다.
상기 통신부는 상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값을 상기 인 밴드 통신 또는 상기 아웃 밴드 통신을 통하여 수신할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 상기 타겟 공진기로 전송된 무선 전력과 상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값에 기초하여, 반사 전력을 계산하는 반사 전력 계산부 및 상기 반사 전력에 기초하여 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 공진 주파수 및 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 매칭 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 정보에 기초하여 전력 증폭기에 공급되는 소정의 동작 전원을 제어하는 전원 제어부 및 상기 동작 전원에서 출력된 신호의 전류 값 또는 전압 값을 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 무선 전력 수신장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는 경우에, 상기 동작 전원에서 출력된 전력을 상기 필요전력에 대응하는 경우로 추정할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 방법은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 단계, 상기 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값을 검출하는 단계, 상기 무선 전력을 전달하려는 부하(load)와의 관계에서, 상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 판단의 결과를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송하는 단계를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 방법은 상기 무선 전력을 교류 신호에서 직류 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전송하는 단계는 무선 전력 전송 장치의 임피던스 매칭 주파수 및 공진 주파수를 트래킹(tracking)하기 위한 정보로써, 상기 수신된 무선 전력의 값을 상기 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 수신하는 단계, 상기 정보에 기초하여, 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)하는 단계 및 상기 필요전력에 대응하도록, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 타겟 공진기로 무선 전력을 전송하는 단계를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 상기 무선 전력 수신 장치에 상기 마그네틱 커플링을 통하여 초기 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up)신호를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수신하는 단계는 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기인 밴드 통신을 수행하는 단계 및 별도의 통신 장치를 통하여 무선 전력 전송 장치와 상기 아웃 밴드 통신을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수신하는 단계는 상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값을 상기 인 밴드 통신 또는 상기 아웃 밴드 통신을 통하여 수신할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 상기 타겟 공진기로 전송된 무선 전력과 상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값에 기초하여, 반사 전력을 계산하는 단계 및 상기 반사 전력에 기초하여 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 공진 주파수 및 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
무선 전력 수신 장치에서, 직류-직류 변환기(DC-DC converter) 대신, 수신되는 무선 전력의 전압 값 또는 전류 값을 무선 전력 전송 장치에 전송하여, 무선 전력 전송 장치가 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)하게 함으로써, 무선 전력 송수신 시스템의 무선 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
무선 전력 수신 장치에서 부하의 필요전력에 대한 정보를 무선 전력 전송 장치와 인 밴드 통신 또는 아웃 밴드 통신을 통해 공유함으로써, 무선 전력 전송 장치는 상기 필요전력에 대응하는 무선 전력을 효율적으로 전송할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 4는 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 수신되는 무선 전력 및 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 전력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 8 내지 도 14는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 15는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
공진 특성을 이용한 무선 전력 송수신 시스템에서, 기존의 무선 전력 수신 장치는 수신한 무선 전력의 교류 전압을 직류 전압으로 정류하고, 정류된 직류 전압을 부하(load)에 필요한 전압으로 변환하였다. 정류된 직류 전압을 부하에 필요한 전압으로 변환하는데 직류-직류 변환기가 사용된다. 예를 들면, 직류-직류 변환기는 전압 레귤레이터(voltage regulator)를 의미할 수 있다. 그런데, 직류-직류 변환기는 부하에 필요한 전압보다 작은 전압이 입력되는 경우, 동작하지 않는다. 따라서, 부하에 필요한 전압보다 작은 전압이 입력되는 경우에는, 부하에 전력이 전달되지 못하므로, 무선 전력 송수신 시스템의 무선 전력 전송 효율이 떨어진다.
또한, 직류-직류 변환기의 자체 동작 효율을 고려해 볼 때, 직류-직류 변환기를 대체할 수 있는 기술이 있다면, 상기 대체 기술은 무선 전력 송수신 시스템의 무선 전력 전송 효율을 증가시킬 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치 간에 부하에 필요한 전력 및 수신전력에 대한 정보를 통신 기능을 이용하여, 공유함으로써, 직류-직류 변환기를 대신하는 장치 및 방법을 제공한다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
무선 전력 전송 장치는 마그네틱 커플링(magnetic coupling)을 통하여 무선 전력을 전송하는 소스 공진기를 포함하고, 무선 전력 수신 장치는 마그네틱 커플링(magnetic coupling)을 통하여 무선 전력을 수신하는 타겟 공진기를 포함한다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 수신부(110), 정류부(120), 검출부(130), 통신부(140), 제어부(150)를 포함한다.
수신부(110)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신한다. 웨이크 업 신호는 타겟 공진기가 데이터를 전송하기 위해 필요한 최소한의 전력 신호를 의미한다. 상기 데이터는 상기 소스 공진기로부터 수신한 무선 전력, 즉 수신 전력에 대한 정보 및 부하(160)를 충전하는데 필요한 전력, 즉 필요 전력에 대한 정보를 포함할 수 있다. 또한, 웨이크 업 신호는 무선 전력 수신 장치를 구동시키는데 필요한 최소한의 전력 신호를 의미할 수 있다.
또한, 수신부(110)는 부하의 필요전력에 대응하는 무선 전력을 수신할 수 있다.
정류부(120)는 무선 전력을 교류 신호에서 직류 신호로 변환한다. 무선 전력은 마그네틱 커플링을 통하여 전자기 유도의 방식으로 타겟 공진기에서 수신될 수 있다. 무선 전력은 전류 및 전압의 측정을 통해 계산될 수 있다. 전자기 유도의 방식으로 무선 전력이 수신되므로, 무선 전력은 교류 신호의 형태일 수 있다. 정류부(120)는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환할 수 있다.
검출부(130)는 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값을 검출한다. 검출부(130)는 정류된 직류 신호의 전압 값을 검출할 수 있다. 또한, 검출부(130)는 정류된 직류 신호의 전류 값을 검출할 수 있다. 검출된 전압 값 및 전류 값은 무선 전력 수신 장치에서 수신된 무선 전력의 계산을 위해 사용될 수 있다. 검출부(130)는 전류 값을 검출하는 전류 센서 및 전압 값을 검출하는 전압 센서로 구현될 수 있다.
또한, 검출부(130)는 무선 전력 전송 장치에서 전송된 무선 전력과 무선 전력 수신 장치에서 수신한 무선 전력의 비율에 기초하여 전력 전송 효율을 검출할 수 있다. 무선 전력 전송 장치에서 전송된 무선 전력은 통신부(140)를 통해 알 수 있다.
또한, 검출부(130)는 웨이크 업 신호에 의하여 웨이크 업 되는 단말의 개수, 상기 단말의 식별정보 및 상기 단말의 충전 요청여부를 검출할 수 있다. 여기서 단말은 무선 전력 수신 장치 또는 부하(160)에 대응될 수 있다.
또한, 검출부(130)는 주변 환경 정보를 검출할 수 있다. 주변 환경 정보는 무선 전력 수신 장치의 주변 온도, 습도 등을 포함할 수 있다.
통신부(140)는 검출부(130)에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송한다. 통신부(140)는 무선 전력 수신 장치에서 수신된 무선 전력에 대한 정보를 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다. 여기서, 수신된 무선 전력에 대한 정보는 부하(160)의 필요전력에 대응하는 만큼 무선 전력이 수신되는 지 여부를 포함할 수 있다. 부하(160)의 필요전력은 검출부(130)에서 검출될 수 있다. 부하(160)의 필요전력은 부하(160)의 정격 전압으로 표현될 수 있다.
통신부(140)는 인 밴드 통신부(141) 및 아웃 밴드 통신부(143)를 포함할 수 있다. 인 밴드 통신부(141)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드(In-Band) 통신을 수행할 수 있다. 인 밴드 통신은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 이용하여 데이터를 송수신하는 것을 의미한다. 아웃 밴드 통신부(143)는 별도의 통신 장치를 통하여 무선 전력 전송 장치와 아웃 밴드 통신을 수행할 수 있다. 아웃 밴드 통신은 소스 공진기와 타겟 공진기가 아닌 별도의 통신 장치를 이용하여, 일반적인 통신 방식으로 데이터를 송수신하는 것을 의미한다.
통신부(140)는 무선 전력 전송 장치의 임피던스 매칭 주파수 및 공진 주파수를 트래킹(tracking)하기 위한 정보로써, 수신된 무선 전력의 값을 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다. 여기서 수신된 무선 전력의 값은 수신된 무선 전력의 전압 값 및 전류 값을 의미할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 상기 무선 전력 수신 장치에서 수신된 무선 전력 값에 기초하여, 반사 전력을 계산할 수 있다. 반사 전력은 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 전송 전력과 무선 전력 수신 장치가 수신하는 수신 전력의 차이에 기초하여 계산될 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 반사 전력을 최소화하도록 임피던스 매칭 주파수 및 공진 주파수를 트래킹 할 수 있다.
또한, 통신부(140)는 부하(160)의 충전이 완료되면, 충전 완료 신호를 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다. 또한, 통신부(140)는 검출부(130)에서 검출된 전력 전송 효율을 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
제어부(150)는 무선 전력을 전달하려는 부하(160)와의 관계에서, 검출부(130)에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단한다. 부하(160)는 무선 전력 수신 장치에 포함되거나, 외부 단자를 통해 무선 전력 수신 장치와 연결될 수 있다. 수신부(110)를 통하여 수신되는 무선 전력이 부하(160)의 필요전력과 일치하는 경우, 수신되는 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값은 피크 값을 가진다. 부하(160)의 필요전력은 제어부(150)에 기 설정될 수도 있고, 검출부(130)에 의해 검출 될 수도 있다. 또한, 부하(160)의 필요전력은 주변 환경 또는 사용자의 요구에 따라, 일정 전류 범위 및 전압 범위에서 변동될 수 있다.
제어부(150)는 수신되는 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값이 피크 값을 가지지 않는 경우에는, 무선 전력 전송 장치에서 좀 더 높은 전력으로 전송하도록, 통신부(140)가 수신된 무선 전력에 대한 정보를 전송하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(150)는 수신되는 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값이 피크 값을 가지는 경우에는, 무선 전력 전송 장치에서 현재와 동일한 전력으로 전송하도록, 통신부(140)가 수신된 무선 전력에 대한 정보를 전송하도록 제어할 수 있다. 이때, 무선 전력 전송 장치는 부하(160)의 필요전력에 대응하여, 일정하게 전력을 전송함으로써, 무선 전력 전송 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 제어부(150)는 부하(160)의 필요전력에 대응하여, 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 일정한 전력을 통해, 부하(160)의 충전이 완료될 때까지, 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 소스 공진기 및 타겟 공진기는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기, 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
이미 잘 알려진 내용들이지만, 이해의 편의를 위하여 관련 용어들을 기술한다. 모든 물질들은 고유의 투자율(Mu) 및 유전율(epsilon)을 갖는다. 투자율은 해당 물질에서 주어진 자계(magnetic field)에 대해 발생하는 자기력선속밀도(magnetic flux density)와 진공 중에서 그 자계에 대해 발생하는 자기력선속밀도의 비를 의미한다. 그리고, 유전율은 해당 물질에서 주어진 전계(electric field)에 대해 발생하는 전기력선속밀도(electric flux density)와 진공 중에서 그 전계에 대해 발생하는 전기력선속밀도의 비를 의미한다. 투자율 및 유전율은 주어진 주파수 또는 파장에서 해당 물질의 전파 상수를 결정하며, 투자율 및 유전율에 따라 그 물질의 전자기 특성이 결정된다. 특히, 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가지며, 인공적으로 설계된 물질을 메타 물질이라고 하며, 메타 물질은 매우 큰 파장(wavelength) 또는 매우 낮은 주파수 영역에서도 쉽게(즉, 물질의 사이즈가 많이 변하지 않더라도) 공진 상태에 놓일 수 있다.
일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서, 소스 공진기 및 타겟 공진기는 도 8 내지 도 14에서 설명하는 구조로 형성될 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
(a)를 참조하면, 무선 전력 수신 장치는 전류 제한기(Current Limiter)(210) 또는 전압 제한기(Voltage Limiter)(210)를 포함할 수 있다. 전류 제한기(210)는 검출부(130)에서 검출된 전류 값이 부하의 필요전력에서 일정 범위를 초과하지 않도록 제한한다. 부하의 필요전력에서 일정 범위를 초과하는 수신된 무선 전력이 부하에 전달되는 경우, 부하는 손상될 수 있기 때문이다.
전압 제한기(210)는 검출부(130)에서 검출된 전압 값이 부하의 필요전력에서 일정 범위를 초과하지 않도록 제한한다. 부하의 필요전력에서 일정 범위를 초과하는 수신된 무선 전력이 부하에 전달되는 경우, 부하는 손상될 수 있기 때문이다.
(b)를 참조하면, 무선 전력 수신장치는 부스트 레귤레이터(Boost Regulator)(220)를 포함할 수 있다. 부스트 레귤레이터(220)는 검출부(130)에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 부하에서 요구하는 필요전력의 전류 값 또는 전압 값에 도달하도록 승압 할 수 있다. 예를 들면, 검출된 전압 값이 3V인 경우에, 필요전력의 전압 값이 5V이면, 부스트 레귤레이터(220)는 3V를 5V로 승압 할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 전송부(310), 통신부(320), 제어부(330), 반사 전력 계산부(340) 및 매칭 제어부(350)를 포함한다.
전송부(310)는 부하의 필요전력에 대응하도록, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 타겟 공진기로 무선 전력을 전송한다. 전송부(310)는 부하의 필요전력을 트래킹 하기 위한 목적으로, 초기 무선 전력을 전송할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 수신된 초기 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값이 피크 값에 도달하였는지 여부를 무선 전력 전송 장치에 피드백 할 수 있다. 상기 피드백의 반복을 통해, 무전 전력 전송 장치는 부하의 필요전력을 트래킹 할 수 있다.
또한, 전송부(310)는 웨이크 업(wake-up) 신호를 전송할 수 있다. 웨이크 업 신호는 타겟 공진기가 데이터를 전송하기 위해 필요한 최소한의 전력 신호를 의미한다.
통신부(320)는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보를, 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 수신한다. 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크 값을 가지는 경우, 무선 전력 수신 장치에서 수신된 무선 전력은 부하의 필요전력과 일치한다. 따라서, 통신부(320)를 통해 피크 값을 가지는 경우의 전류 값 또는 전압 값을 알게 되면, 제어부(330)는 전력 전송 효율에 기초하여 부하의 필요전력에 대응하는 무선 전력을 전송하도록 할 수 있다. 전력 전송 효율은 검출부(333)에서 검출 될 수 있다.
통신부(320)는 인 밴드 통신부(321) 및 아웃 밴드 통신부(323)를 포함할 수 있다. 인 밴드 통신부(321)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드(In-Band) 통신을 수행할 수 있다. 아웃 밴드 통신부(323)는 별도의 통신 장치를 통하여 무선 전력 수신 장치와 아웃 밴드 통신을 수행할 수 있다.
통신부(320)는 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값을 인 밴드 통신 또는 아웃 밴드 통신을 통하여 수신할 수 있다.
제어부(330)는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보에 기초하여, 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)한다. 제어부(330)는 피크 값을 가지는 경우의 전류 값 또는 전압 값과 무선 전력 전송 효율에 기초하여, 무선 전력 전송 장치에서 전송할 전력을 결정할 수 있다. 이때, 상기 결정된 전력은 부하의 필요전력에 대응한다. 즉, 제어부(330)를 통해 상기 결정된 전력이 무선 전력 전송장치에서 전송되면, 부하의 필요전력만큼 수신된다. 제어부(330)의 동작은 프로세서를 통해 수행될 수 있다.
제어부(330)는 전원 제어부(331) 및 검출부(333)를 포함할 수 있다.
전원 제어부(331)는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보에 기초하여 전력 증폭기에 공급되는 소정의 동작 전원을 제어한다. 여기서 소정의 동작 전원은 SMPS(Switching-mode Power Supply)일 수 있다.
무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크 값이 아닌 경우, 전원 제어부(331)는 동작 전원을 제어하여, 전력 증폭기에 공급되는 전압 또는 전류를 증가시킬 수 있다. 증가된 전압 또는 전류로 인해, 전송부(310)에서 전송되는 무선 전력은 증가하고, 무선 전력 수신 장치에서 수신하는 전력도 증가할 것이다. 전원 제어부(331)는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크 값에 도달할 때까지, 동작 전원을 제어하여, 전력 증폭기에 공급되는 전압 또는 전류를 증가시킬 수 있다. 무선 전력이 전송된 후, 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크 값에 도달하였는지 여부는 통신부(320)를 통해 알 수 있다.
검출부(333)는 상기 동작 전원에서 출력된 신호의 전류 값 또는 전압 값을 검출할 수 있다. 검출된 전류 값 또는 전압 값은 전송부(310)에서 전송되는 무선 전력량을 계산하는데 사용될 수 있다. 또한, 검출된 전류 값 또는 전압 값은 전력 전송 효율을 고려하여, 부하의 필요전력에 대응하도록 전원 제어부(331)에 의해 적절하게 전압 또는 전류가 증가하였는지 여부를 판단하는데 사용될 수 있다. 검출부(333)는 전류 값을 검출하는 전류 센서 및 전압 값을 검출하는 전압 센서로 구현될 수 있다.
또한, 검출부(333)는 전력 증폭기에서 출력된 신호의 전류 값 또는 전압 값을 검출할 수도 있다.
또한, 검출부(333)는 무선 전력 전송 장치에서 전송된 무선 전력과 무선 전력 수신 장치에서 수신한 무선 전력의 비율에 기초하여 전력 전송 효율을 검출할 수 있다. 무선 전력 수신 장치에서 수신한 무선 전력에 대한 정보는 통신부(320)를 통해 획득할 수 있다.
제어부(330)는 무선 전력 수신장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는 경우에, 동작 전원에서 출력된 전력을 필요전력에 대응하는 경우로 추정할 수 있다. 이때, 전원 제어부(331)는 동작 전원에서 출력된 신호의 전압 값 및 전류 값에 기초하여, 일정한 전력이 전송부(310)에서 출력되도록 동작 전원을 제어할 수 있다.
반사 전력 계산부(340)는 타겟 공진기로 전송된 무선 전력과 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값에 기초하여, 반사 전력을 계산할 수 있다. 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력 값은 통신부(320)를 통하여 알 수 있다. 반사 전력은 무선 전력 전송 장치에서 전송된 전력 중, 무선 전력 수신 장치에서 수신되지 않고 반사되는 전력을 의미한다.
매칭 제어부(350)는 계산된 반사 전력에 기초하여 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수 및 임피던스 매칭 주파수를 설정할 수 있다. 반사 전력이 커질 수록 전력 전송 효율이 감소한다. 매칭 제어부(350)는 반사 전력이 최소가 되도록 공진 주파수 및 임피던스 매칭 주파수를 설정할 수 있다.
한편, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다.
매칭 제어부(350)는 반사 전력을 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(350)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(350)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템은 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치는 전력 변환부(403), 제어부(405), 통신부(407) 및 전송부(409)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(403)는 외부의 전압 공급기(401)로부터 에너지를 수신하여 무선 전력을 발생시킨다. 전력 변환부(403)는 외부 전압 공급기(401)로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter에서 출력되는 DC 전압을 SMPC를 통하여 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다.
제어부(405)는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보에 기초하여, 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)한다. 제어부(405)는 피크 값을 가지는 경우의 전류 값 또는 전압 값과 무선 전력 전송 효율에 기초하여, 무선 전력 전송 장치에서 전송할 전력을 결정할 수 있다. 이때, 상기 결정된 전력은 부하의 필요전력에 대응한다. 즉, 제어부(330)를 통해 상기 결정된 전력이 무선 전력 전송장치에서 전송되면, 부하의 필요전력만큼 수신된다. 제어부(405)는 SMPC를 제어하여, 무선 전력 전송 장치에서 전송할 전력을 결정할 수 있다. 제어부(405)는 SMPC에서 출력되는 신호의 전압 값 및 전류 값 또는 전력 증폭기에서 출력되는 신호의 전압 값 및 전류 값을 검출하여, 부하의 필용전력에 대응하는지 여부를 판단할 수 있다.
통신부(407)는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보를, 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 수신한다. 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크 값을 가지는 경우, 무선 전력 수신 장치에서 수신된 무선 전력은 부하의 필요전력과 일치한다.
전송부(409)는 부하의 필요전력에 대응하도록, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 타겟 공진기로 무선 전력을 전송한다. 전송부(409)는 부하의 필요전력을 트래킹 하기 위한 목적으로, 초기 무선 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 수신부(411), 정류부(413), 검출부(415), 통신부(417), 제어부(419)를 포함할 수 있다.
수신부(411)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신한다. 또한, 수신부(110)는 부하의 필요전력에 대응하는 무선 전력을 수신할 수 있다.
정류부(413)는 무선 전력을 교류 신호에서 직류 신호로 변환한다.
검출부(415)는 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값을 검출한다. 검출부(415)는 정류된 직류 신호의 전압 값을 검출할 수 있다. 또한, 검출부(415)는 정류된 직류 신호의 전류 값을 검출할 수 있다. 검출된 전압 값 및 전류 값은 무선 전력 수신 장치에서 수신된 무선 전력의 계산을 위해 사용될 수 있다. 또한, 검출부(415)는 무선 전력 전송 장치에서 전송된 무선 전력과 무선 전력 수신 장치에서 수신한 무선 전력의 비율에 기초하여 전력 전송 효율을 검출할 수 있다.
통신부(417)는 검출부(415)에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송한다.
제어부(419)는 무선 전력을 전달하려는 부하(421)와의 관계에서, 검출부(415)에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단한다. 부하(421)는 무선 전력 수신 장치에 포함되거나, 외부 단자를 통해 무선 전력 수신 장치와 연결될 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서 수신되는 무선 전력 및 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 전력을 나타내는 그래프이다.
(a)는 부하가 1개 및 2개인 경우에, 무선 전력 수신 장치에서 수신되는 무선 전력을 나타낸 그래프이다.
부하가 1개인 경우(510)에 무선 전력 수신 장치에 수신되는 무선 전력의 전압 값이 증가함에 따라, 전류 값도 증가한다. 일정 지점(513)에서 전류 값(511)이 피크 값을 가지고 일정하게 유지된다. 이때, 일정 지점(513)에서의 전압 값과 전류 값(511)은 부하의 필요전력과 일치한다. 무선 전력 수신 장치는 인 밴드 통신 또는 아웃 밴드 통신을 이용하여, 상기 전압 값 및 전류 값(511)을 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 전력 전송 효율, 상기 전압 값 및 전류 값(511)에 기초하여, 전송할 무선 전력의 전압 값 및 전류 값을 결정할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 전류 값이 피크 값이 아닌 경우에도, 검출된 전류 값을 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다. 이 경우에, 무선 전력 전송 장치는 전송할 무선 전력의 전압 값 및 전류 값을 증가시킬 수 있다.
부하가 2개인 경우(520)에도, 무선 전력 수신 장치에 수신되는 무선 전력의 전압 값이 증가함에 따라, 전류 값도 증가한다. 부하의 필요전력이 증가하므로, 일정 지점(523)에서 피크 값을 가지는 전류 값(521)이 전류 값(511) 보다 크다.
(b)는 부하가 1개 및 2개인 경우에, 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 무선 전력을 나타낸 그래프이다.
무선 전력 전송 장치는 부하의 필요전력 및 공진 임피던스를 트래킹 하기 위해 주파수 대역(1MHz-20MHz)의 전력을 무선 전력 수신 장치에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 수신한 무선 전력의 전류 값 및 전압 값이 피크 값을 가지는지 여부에 대한 정보를 무선 전력 전송 장치에 전송할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치가 수신하는 무선 전력의 전류 값 및 전압 값이 피크 값에 도달할 때까지, 무선 전력을 전송할 수 있다.
부하가 1개인 경우(530)에 무선 전력 전송 장치에서 전송되는 무선 전력의 전압 값은 증가한다. 무선 전력 수신 장치로부터 피크 값에 도달한 전류 값 및 전압 값에 대한 정보를 수신하면, 무선 전력 전송 장치는 전력 전송 효율을 고려하여, 무선 전력 전송 장치에서 전송할 무선 전력의 전압 값을 결정할 수 있다. 이때, 전송되는 무선 전력은 부하의 필요전력에 대응하며, 무선 전력 전송 장치는 일정한 값을 가지는 무선 전력을 전송할 수 있다. 전압 값(531)은 부하의 필요전력에 대응하는 무선 전력의 전압 값이다. 일정한 무선 전력이 전송되므로 전압 값(531)은 일정한 값으로 유지된다.
부하가 2개인 경우(540)에도 마찬가지로, 무선 전력 수신 장치로부터 피크 값에 도달한 전류 값 및 전압 값에 대한 정보를 수신하면, 부하의 필요전력에 대응하도록 무선 전력의 전압 값(541)을 결정할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
610단계에서, 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신한다.
620단계에서, 무선 전력 수신 장치는 수신한 무선 전력을 교류 신호에서 직류 신호로 변환한다. 무선 전력 수신 장치는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다. 무선 전력은 마그네틱 커플링을 통하여 전자기 유도의 방식으로 타겟 공진기에서 수신될 수 있다. 무선 전력은 전류 및 전압의 측정을 통해 계산될 수 있다.
630단계에서, 무선 전력 수신 장치는 직류 신호의 전류 값 또는 전압 값을 검출한다. 무선 전력 수신 장치는 무선 전력 전송 장치에서 전송된 무선 전력과 무선 전력 수신 장치에서 수신한 무선 전력의 비율에 기초하여 전력 전송 효율을 검출할 수 있다.
640단계에서, 무선 전력 수신 장치는 무선 전력을 전달하려는 부하(load)와의 관계에서, 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단한다.
650단계에서, 무선 전력 수신 장치는 판단의 결과를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송한다. 무선 전력 수신 장치는 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 무선 전력 전송 장치에 전송할 수 있다.
또한, 무선 전력 수신 장치는 무선 전력 전송 장치의 임피던스 매칭 주파수 및 공진 주파수를 트래킹(tracking)하기 위한 정보로써, 수신된 무선 전력의 값을 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
710단계에서, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 수신한다.
무선 전력 전송 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드 통신을 수행할 수 있고, 별도의 통신 장치를 통하여 무선 전력 전송 장치와 아웃 밴드 통신을 수행할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값을 인 밴드 통신 또는 아웃 밴드 통신을 통하여 수신할 수 있다.
720단계에서, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 기초하여, 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)한다. 무선 전력 전송 장치는 피크 값을 가지는 경우의 전류 값 또는 전압 값과 무선 전력 전송 효율에 기초하여, 무선 전력 전송 장치에서 전송할 전력을 결정할 수 있다. 이때, 상기 결정된 전력은 부하의 필요전력에 대응한다
730단계에서, 무선 전력 전송 장치는 부하의 필요전력에 대응하도록, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 타겟 공진기로 무선 전력을 전송한다.
또한, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치에 마그네틱 커플링을 통하여 초기 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up)신호를 전송할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치는 상기 타겟 공진기로 전송된 무선 전력과 상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값에 기초하여, 반사 전력을 계산할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 상기 반사 전력에 기초하여 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수 및 임피던스 매칭 주파수를 설정할 수 있다.
도 8 내지 도 14는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 8은 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기는 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(820), 매칭기(830) 및 도체들(841, 842)을 포함한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 커패시터(820)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(811)과 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(820)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(811)과 제2 신호 도체 부분(812)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(813)으로 부르기로 한다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(800)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(813)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)과 그라운드 도체 부분(813)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 통하여 흐른다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(811)의 한쪽 단은 도체(842)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(820)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(812)의 한쪽 단은 도체(841)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(820)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813), 도체들(841, 842)은 서로 연결됨으로써, 공진기(800)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
커패시터(820)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(820)는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(820)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
커패시터(820)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(800)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터(820)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(800)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(820)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(800)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(820)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(800)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(800)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(800)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(820)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기(800)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(800)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(800)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(820)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(820)에 집중되므로, 커패시터(820)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(800)는 집중 소자의 커패시터(820)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, MNG 공진기(800)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(830)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(830)는 MNG 공진기(800) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(830)에 의해 MNG 공진기(800)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(840)를 통하여 MNG 공진기(800)로 유입되거나 MNG 공진기(800)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(840)는 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(840)와 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(840)와 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 매칭기(830)는 공진기(800)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(830)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(800)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(830)는 그라운드 도체 부분(813)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(831)를 포함할 수 있으며, 공진기(800)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 8에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(830)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(830)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 도체(831)와 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다.
매칭기(830)는 도 8에 도시된 바와 같이, 도체 부분(831)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(830)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(830)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(800)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 8에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(800)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(900)는 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913)을 포함하는 전송 선로 및 커패시터(920)를 포함한다. 여기서 커패시터(920)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(911)과 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터(920)에 갇히게 된다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 공진기(900)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(913)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)과 그라운드 도체 부분(913)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 9에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(911)의 한쪽 단은 도체(942)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(912)의 한쪽 단은 도체(941)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942)은 서로 연결됨으로써, 공진기(900)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이 커패시터(920)는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(920)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 커패시터(920)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(900)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 커패시터(920)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(900)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(920)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(900)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(900)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(920)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(900)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(900)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(900)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(920)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
도 9에 도시된 MNG 공진기(900)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(900)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(900)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(920)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(900)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(910)에 삽입된 커패시터(920)에 집중되므로, 커패시터(920)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(900)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 커패시터(920)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 커패시터(920)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(900)는 집중 소자의 커패시터(920)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 MNG 공진기(900)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(930)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(930)는 MNG 공진기(900)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(930)에 의해 MNG 공진기(900)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(940)를 통하여 MNG 공진기(900)로 유입되거나 MNG 공진기(900)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(940)는 그라운드 도체 부분(913) 또는 매칭기(930)와 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 매칭기(930)는 공진기(900)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(930)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(900)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(930)는 그라운드 도체 부분(913)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(931)을 포함할 수 있으며, 공진기(900)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 9에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(930)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(930)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 도체(931)과 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(930)의 도체(931)과 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(930)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(931)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h가 조절될 수 있다. 이러한 거리 h는 컨트롤러의 제어 신호에 따라 제어될 수 있으며, 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있다.
매칭기(930)는 도 9에 도시된 바와 같이, 도체 부분(931)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(930)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(930)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(900)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 9에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(900)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 10은 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 신호 도체 부분(1011)과 도체(1042)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(1050)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(1041)와 그라운드 도체 부분(1013)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(1012)과 그라운드 도체 부분(1013)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(1011)과 그라운드 도체 부분(1013)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 11는 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 11를 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(1100)의 무게 또는 공진기(1100)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(1100)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(1100)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(1112)의 두께는 d mm로 정해질 수 있고, d는
Figure pat00001
를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수,
Figure pat00002
는 투자율,
Figure pat00003
는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 이 구리(copper)로서 5.8x10^7의 도전율(conductivity)을 갖는 경우에, 공진 주파수가 10kHz에 대해서는 skin depth가 약 0.6mm일 수 있으며, 공진 주파수가 100MHz에 대해서는 skin depth는 0.006mm일 수 있다.
도 12는 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212)은 완벽한 도체(perfect conductor)가 아니므로, 저항 성분을 가질 수 있고, 그 저항 성분으로 인해 저항 손실(ohmic loss)가 발생할 수 있다. 이러한 저항 손실은 Q 팩터를 감소시키고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 112의 부분(1270)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용하는 경우, 도체 라인들이 병렬적으로 배치되므로, 도체 라인들이 갖는 저항 성분들의 합은 감소된다. 따라서, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다.
도 13은 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(1320)는 분산된 커패시터일 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터는 상대적으로 높은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)을 가질 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터가 갖는 ESR을 줄이기 위한 여러 제안들이 있지만, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1320)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 커패시터(1320)는 도 13에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(1320)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1320)를 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수 개의 집중 소자로서의 커패시터들을 병렬적으로 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 왜냐 하면, 집중 소자로서의 커패시터들 각각이 갖는 저항 성분들은 병렬 연결을 통하여 작아지기 때문에, 병렬적으로 연결된 집중 소자로서의 커패시터들의 유효 저항 또한 작아질 수 있으며, 따라서, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10pF의 커패시터 하나를 사용하는 것을 1pF의 커패시터들 10개를 사용하는 것으로 대체함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다.
도 14는 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 14의 A는 매칭기를 포함하는 도 8에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 14의 B는 매칭기를 포함하는 도 9에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.
도 14의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(1431), 도체(1432) 및 도체(1433)을 포함하며, 도체(1432) 및 도체(1433)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1413) 및 도체(1431)와 연결된다. 도체(1431) 및 그라운드 도체 부분(1413) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(1431) 및 그라운드 도체 부분(1413) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(1431) 및 그라운드 도체 부분(1413) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(1431)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1431)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 14의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(1431), 도체(1432) 및 도체(1433)을 포함하며, 도체(1432) 및 도체(1433)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1413) 및 도체(1431)와 연결된다. 도체(1431) 및 그라운드 도체 부분(1413) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(1431) 및 그라운드 도체 부분(1413) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기에서도 도체(1431) 및 그라운드 도체 부분(1413) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(1431)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1431)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 14에 도시되지 아니하였지만, 매칭기는 능동 소자를 포함할 수 있으며, 능동 소자를 이용하여 공진기의 임피던스를 조절하는 방식은 상술한 바와 유사하다. 즉, 능동 소자를 이용하여 매칭기를 통해 흐르는 전류의 경로를 변경함으로써, 공진기의 임피던스는 조절될 수 있다.
도 15는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 15에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 15의 등가 회로에서 CL은 도 8의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure pat00004
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure pat00005
는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
[수학식 1]
Figure pat00006
상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure pat00007
는
Figure pat00008
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure pat00009
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure pat00010
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 수신부;
    상기 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값을 검출하는 검출부;
    상기 무선 전력을 전달하려는 부하(load)와의 관계에서, 상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단하는 제어부; 및
    상기 판단의 결과를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송하는 통신부
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력을 교류 신호에서 직류 신호로 변환하는 정류부
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는
    상기 웨이크 업 신호에 의하여 웨이크 업 되는 단말의 개수, 상기 단말의 식별정보 및 상기 단말의 충전 요청여부를 검출하는
    무선 전력 수신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기인 밴드 통신을 수행하는 인 밴드 통신부; 및
    별도의 통신 장치를 통하여 무선 전력 전송 장치와 상기 아웃 밴드 통신을 수행하는 아웃 밴드 통신부
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는
    무선 전력 전송 장치의 임피던스 매칭 주파수 및 공진 주파수를 트래킹(tracking)하기 위한 정보로써, 상기 수신된 무선 전력의 값을 상기 무선 전력 전송 장치로 전송하는
    무선 전력 수신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 상기 부하와의 관계에서 일정한 범위의 값을 가지도록 제한하는 전류 제한기(Current Limiter) 또는 전압 제한기(Voltage Limiter)
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 상기 부하에서 요구하는 전류 값 또는 전압 값에 도달하도록 승압하는 부스트 레귤레이터(Boost Regulator)
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 수신하는 통신부;
    상기 정보에 기초하여, 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)하는 제어부; 및
    상기 필요전력에 대응하도록, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 타겟 공진기로 무선 전력을 전송하는 전송부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값을 상기 인 밴드 통신 또는 상기 아웃 밴드 통신을 통하여 수신하는
    무선 전력 전송 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 타겟 공진기로 전송된 무선 전력과 상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값에 기초하여, 반사 전력을 계산하는 반사 전력 계산부; 및
    상기 반사 전력에 기초하여 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 공진 주파수 및 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 매칭 제어부
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 정보에 기초하여 전력 증폭기에 공급되는 소정의 동작 전원을 제어하는 전원 제어부; 및
    상기 동작 전원에서 출력된 신호의 전류 값 또는 전압 값을 검출하는 검출부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 무선 전력 수신장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는 경우에, 상기 동작 전원에서 출력된 전력을 상기 필요전력에 대응하는 경우로 추정하는
    무선 전력 전송 장치.
  13. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 단계;
    상기 무선 전력의 전류 값 또는 전압 값을 검출하는 단계;
    상기 무선 전력을 전달하려는 부하(load)와의 관계에서, 상기 검출된 상기 전류 값 또는 상기 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단의 결과를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 전송하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 무선 전력을 교류 신호에서 직류 신호로 변환하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전송하는 단계는
    무선 전력 전송 장치의 임피던스 매칭 주파수 및 공진 주파수를 트래킹(tracking)하기 위한 정보로써, 상기 수신된 무선 전력의 값을 상기 무선 전력 전송 장치로 전송하는
    무선 전력 수신 방법.
  16. 무선 전력 수신 장치에서 검출된 전류 값 또는 전압 값이 피크(peak) 값을 가지는지 여부에 관한 정보를 인 밴드(In Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 수신하는 단계;
    상기 정보에 기초하여, 부하의 필요전력을 트래킹(tracking)하는 단계; 및
    상기 필요전력에 대응하도록, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기 타겟 공진기로 무선 전력을 전송하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치에 상기 마그네틱 커플링을 통하여 초기 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up)신호를 전송하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 상기인 밴드 통신을 수행하는 단계; 및
    별도의 통신 장치를 통하여 무선 전력 전송 장치와 상기 아웃 밴드 통신을 수행하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는
    상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값을 상기 인 밴드 통신 또는 상기 아웃 밴드 통신을 통하여 수신하는
    무선 전력 전송 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 타겟 공진기로 전송된 무선 전력과 상기 무선 전력 수신 장치가 수신한 무선 전력의 값에 기초하여, 반사 전력을 계산하는 단계; 및
    상기 반사 전력에 기초하여 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 간의 공진 주파수 및 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
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