KR20120124732A - 무선 전력 송수신 시스템 - Google Patents

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KR20120124732A
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Abstract

복수의 타겟 디바이스들에 무선 전력을 전송할 때, 선택적으로 무선 전력을 전송하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력 전송 장치는 AC 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 웨이크 업(wake-up) 시키는 웨이크 업 신호를 생성하고, 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 상기 복수의 타겟 디바이스들을 검출하며, 소스 공진기와 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 결정하고, 상기 AC 전력이 순차적으로 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 전송되도록 상기 복수의 공진 주파수들을 제어하며, 상기 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 마그네틱 커플링을 통하여, 상기 AC 전력을 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 순차적으로 전송한다.

Description

무선 전력 송수신 시스템{WIRELESS POWER TRANSMISSION AND RECEPTION SYSTEM}
기술분야는 복수의 타겟 디바이스들에 무선 전력을 전송할 때, 선택적으로 무선 전력을 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 battery 용량의 한계 봉착 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 타겟 디바이스들을 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 AC 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 웨이크 업(wake-up) 시키는 웨이크 업 신호를 생성하고, 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 상기 복수의 타겟 디바이스들을 검출하는 검출부, 소스 공진기와 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 결정하고, 상기 AC 전력이 순차적으로 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 전송되도록 상기 복수의 공진 주파수들을 제어하는 제어부 및 상기 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 마그네틱 커플링을 통하여, 상기 AC 전력을 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 순차적으로 전송하는 소스 공진부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 공진기들 간의 커플링 팩터(coupling factor)에 기초하여 상기 복수의 공진 주파수들을 결정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들과 매칭되는 상기 복수의 공진 주파수들 중 각각의 공진주파수의 이용시간을 순차적으로 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보에 기초하여, 상기 AC 전력의 전송구간인 운행 사이클(duty cycle)을 가변적으로 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대하여 기 설정된 범위에서 초기 공진 주파수를 설정하여 상기 AC 전력을 전송하고, 상기 AC 전력을 수신한 타겟 디바이스로부터 무선 전력 전송 효율에 관한 정보를 수신하여 적응적으로 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 공진기들 각각에 대하여, 무선 전력 전송 효율이 피크 값을 가지도록 상기 소스 공진기의 임피던스를 제어하여, 상기 복수의 공진 주파수들을 결정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 소스 공진기에서 전송하는 상기 AC 전력과 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들에서 수신하는 수신전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 상기 소스 공진기에서 전송하는 상기 AC 전력과 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로부터 반사된 반사전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 상기 복수의 타겟 디바이스들로부터 웨이크 업 신호에 대한 응답신호, 상기 복수의 타겟 디바이스들에 포함된 타겟 공진기들의 아이디들(IDs), 상기 복수의 타겟 디바이스들의 아이디들(IDs) 및 상기 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보를 수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 통신부는 상기 복수의 타겟 디바이스들로부터, 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 디바이스들 간의 임피던스 매칭에 필요한 정보 및 무선 전력 전송 효율의 계산을 위해 필요한 정보를 인 밴드(In-Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 획득할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 소정의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정 레벨의 DC 전력을 상기 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 AC 전력 또는 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 타겟 공진부, 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호, 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 아이디 및 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 상태정보를 송수신하는 통신부 및 상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스간에 매칭되는 공진 주파수를 결정하는 제어부를 포함한다.
상기 타겟 공진부는 상기 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 상기 AC 전력을 일정 운행 사이클(duty cycle) 동안 수신할 수 있다.
상기 제어부는 상기 AC 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스 간의 공진 주파수를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 AC 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 임피던스를 제어함으로써, 상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스 간의 공진 주파수를 제어할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 AC 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 웨이크 업(wake-up) 시키는 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 상기 복수의 타겟 디바이스들을 검출하는 단계, 소스 공진기와 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 결정하는 단계, 상기 AC 전력이 순차적으로 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 전송되도록 상기 복수의 공진 주파수들을 제어하는 단계 및 상기 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 마그네틱 커플링을 통하여, 상기 AC 전력을 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 순차적으로 전송하는 단계를 포함한다.
상기 결정하는 단계는 상기 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 공진기들 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 상기 복수의 타겟 공진기들이 상기 소스 공진기 상에 놓인 위치에 기초하여 상기 복수의 공진 주파수들을 결정할 수 있다.
상기 제어하는 단계는 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들과 매칭되는 상기 복수의 공진 주파수들 중 각각의 공진주파수의 이용시간을 순차적으로 제어할 수 있다.
상기 제어하는 단계는 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보에 기초하여, 상기 AC 전력의 전송구간인 운행 사이클(duty cycle)을 가변적으로 제어할 수 있다.
상기 결정하는 단계는 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대하여 기 설정된 범위에서 초기 공진 주파수를 설정하여 상기 AC 전력을 전송하고, 상기 AC 전력을 수신한 타겟 디바이스로부터 무선 전력 전송 효율에 관한 정보를 수신하여 적응적으로 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 상기 복수의 타겟 디바이스들로부터 웨이크 업 신호에 대한 응답신호, 상기 복수의 타겟 디바이스들에 포함된 타겟 공진기들의 아이디들(IDs), 상기 복수의 타겟 디바이스들의 아이디들(IDs) 및 상기 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 방법은 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 AC 전력 또는 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 단계, 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호, 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 아이디 및 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 상태정보를 전송하는 단계 및 상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스간에 매칭되는 공진 주파수를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 수신하는 단계는 상기 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 상기 AC 전력을 일정 운행 사이클(duty cycle) 동안 수신할 수 있다.
상기 결정하는 단계는 상기 AC 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스 간의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 복수의 타겟 디바이스에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 이용하여 운행 사이클(duty cycle)동안 무선 전력을 전송함으로써 복수의 타겟 디바이스들을 효율적으로 충전할 수 있다.
또한, 복수의 공진 주파수들을 이용하여 순차적으로 무선 전력을 전송함으로써 상대적으로 작은 전력으로 복수의 타겟 디바이스들을 충전할 수 있다.
또한, 상대적으로 작은 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 충전함으로써, 전력 증폭기에서 발생하는 고조파(harmonic)의 발생을 최소화 할 수 있다.
또한, 상대적으로 작은 전력을 이용하여 타겟 디바이스를 충전함으로써, 무선 전력 전송 장치의 온도 상승을 억제할 수 있고, 따라서, 전력 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 복수의 공진 주파수들을 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다른 일실시예에 따른 복수의 공진 주파수들을 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 복수의 공진 주파수들 각각을 이용하여 순차적으로 무선 전력을 전송하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력을 전송하는 구간, 운행 사이클(duty cycle)을 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 운행 사이클을 가변적으로 제어하여, 무선 전력 전송량을 조절하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 8은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 9는 일실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
도 10은 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 11은 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 12는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 15는 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 16은 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 17은 도 10에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 18은 일실시예에 따른 마그네틱 커플링 시스템의 등가회로이다.
도 19는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 도면이다.
도 20은 일실시예에 따른 커플링 팩터의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 도면이다.
도 21은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 22는 다른 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 23은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템의 블록도이다.
도 24는 다른 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 25는 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서 무선 전력 전송 효율 및 반사전력의 크기를 나타낸 도면이다.
도 26은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 27은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 주파수 발생부(101), 전력 제어부(103), 전력 변환부(110), 제어부(120), 소스 공진부(130), 통신부(140) 및 검출부(150)를 포함한다.
주파수 발생부(101)는 제어부(120)에서 결정된 공진 주파수로 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 동작하도록 공진 주파수를 발생시킬 수 있다. 전력 제어부(103)는 무선 전력 전송 장치에서 무선 전력 수신 장치로 전달되는 전력의 최고 값을 제어할 수 있다. 즉, 전력 제어부(103)는 전송되는 AC 전력의 진폭의 최대 값을 제어할 수 있다.
전력 변환부(110)는 소정의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정 레벨의 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 이때, 소정의 스위칭 펄스 신호는 전력 제어부(103)에서 생성될 수 있다. 여기서 DC는 직류를 의미하고, AC는 교류를 의미한다. 전력 변환부(110)는 DC/AC 인버터를 포함하여 구성될 수 있다. DC/AC 인버터는 일정레벨의 DC 신호를 AC 신호로 변환함으로써 무선 전력을 생성한다. DC/AC 인버터는 고속 스위칭을 위한 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 이때, 스위칭 소자는 스위칭 펄스 신호가 "high"일 때 On되고, 스위칭 펄스 신호가 "Low"일 때 off 되도록 구성될 수 있다. DC/AC 인버터는 DC 신호를 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성할 수 있다. 또한, 전력 변환부(110)는 AC 신호를 증폭하는 전력 증폭기를 포함할 수 있다.
또한, 전력 변환부(110)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC/AC 컨버터, AC/AC 컨버터로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 소스 공진기와 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 결정한다. 제어부(120)는 소스 공진기와 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 커플링 팩터(coupling factor)에 기초하여 복수의 공진 주파수들을 결정한다.
소스 공진기와 타겟 공진기간에 마그네틱 커플링을 발생시키는 공진 주파수는 소스 공진기의 고유 공진 주파수와 타겟 공진기의 고유 공진 주파수, 커플링 팩터에 기초하여 결정될 수 있다. 커플링 팩터에는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리, 공진 임피던스, 상호 인덕턴스(mutual inductance) 등이 포함될 수 있다.
타겟 공진기를 포함하는 타겟 디바이스가 여러 개인 경우, 복수의 타겟 디바이스들과 소스 공진기 간에 매칭되는 공진 주파수는 여러 개일 수 있다. 이때, 각각의 타겟 디바이스와 소스 공진기 간에 매칭되는 공진 주파수는 서로 다를 수 있다. 또한, 일정 그룹의 타겟 디바이스들과 소스 공진기 간에 매칭되는 공진 주파수는 서로 동일할 수 있다. 도 2에서 좀 더 구체적으로 설명한다.
제어부(120)는 복수의 공진 주파수들을 제어하여, AC 전력이 순차적으로 검출부(150)에서 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 전송되도록 할 수 있다. 제어부(120)는 서로 다른 값을 가지는 공진 주파수 각각의 이용시간을 제어할 수 있다. 타겟 디바이스 별로 소스 공진기와 매칭되는 공진 주파수가 상이한 경우에, 제어부(120)는 각각의 공진 주파수가 이용되는 시간에 해당 공진 주파수와 매칭되는 타겟 디바이스에만 AC 전력을 전송하도록 할 수 있다.
제어부(120)는 특정시간에 복수의 공진 주파수들 중에서 하나의 공진 주파수를 출력하도록 멀티플렉서로 구현될 수 있다. 제어부(120)는 소정의 시간 각각에 대응하는 공진 주파수를 설정할 수 있다. 이때, 멀티플렉서는 상기 소정의 시간을 선택신호로 하여, 상기 소정의 시간에 대응하는 공진 주파수를 출력 할 수 있다.
제어부(120)는 검출된 복수의 타겟 디바이스들과 매칭되는 복수의 공진 주파수들 중 각각의 공진주파수의 이용시간을 순차적으로 제어할 수 있다. 소스 공진기와 제1 타겟 디바이스(160) 간의 공진 주파수가 f1이고, 소스 공진기와 제2 타겟 디바이스(170) 간의 공진 주파수가 f2인 경우에, 제어부(120)는 f1, f2의 이용시간을 순차적으로 제어할 수 있다. 제어부(120)는 먼저 f1을 이용하여 제1 타겟 디바이스(160)에 AC 전력을 전송할 수 있고, 그 후, f2를 이용하여 제2 타겟 디바이스(170)에 AC 전력을 전송할 수 있다. 제어부(120)는 f1, f2를 이용하는 시간을 조절하여, 제1 타겟 디바이스(160) 및 제2 타겟 디바이스(170)에 전달하는 전력을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 복수의 타겟 공진기들이 소스 공진기 상에 놓인 위치에 기초하여 복수의 공진 주파수들을 결정할 수 있다. 커플링 팩터에는 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 복수의 타겟 공진기들이 소스 공진기 상에 놓인 위치 등이 고려될 수 있다. 소스 공진기가 패드(pad) 타입인 경우에, 소스 공진기 상부에 위치한 타겟 공진기와 소스 공진기 사이의 거리에 기초하여 공진 주파수가 결정될 수 있다.
제어부(120)는 일정 AC 전력을 시간에 따라 분배하여 복수의 타겟 디바이스들에 전달되도록 함으로써, 멀티 디바이스의 충전이 가능하다. 또한, 상대적으로 적은 AC 전력을, 시간에 따라 분배하여 멀티 디바이스를 충전함으로써, 무선 전력 전송 장치에서 고주파로 인한 전력 손실이 감소한다.
제어부(120)는 검출된 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보에 기초하여, 운행 사이클(duty cycle)을 가변적으로 제어할 수 있다. 운행 사이클은 AC 전력이 타겟 디바이스에 전송되는 구간을 의미한다. 타겟 디바이스의 상태정보는 타겟 디바이스의 충전 상태, 타겟 디바이스에 갑작스럽게 걸리는 부하, 사용자의 요청에 따른 전력 필요 등을 포함할 수 있다.
제어부(120)는 동일한 시간에 좀 더 빠르게 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송하기 위해, 운행 사이클의 값을 크게 할 수 있다. 운행 사이클은 복수의 타겟 디바이스들에 AC 전력을 전송하는 시간 중에서 특정 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송하는 시간의 비율을 의미한다. 제어부(120)는 특정 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송하는 시간을 증가시킴으로써, 운행 사이클의 값을 크게 할 수 있다.
또한, 제어부(120)는 검출된 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대하여 기 설정된 범위에서 초기 공진 주파수를 설정하여 AC 전력을 전송하고, 상기 AC 전력을 수신한 타겟 디바이스로부터 무선 전력 전송 효율에 관한 정보를 수신하여 적응적으로 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다. 도 3에서 좀 더 구체적으로 설명한다. 초기 공진 주파수는 소스 공진기와 타겟 디바이스 간의 공진 대역폭에서 설정될 수 있다. 제어부(120)는 무선 전력 전송 효율이 피크 값을 가지는 경우의 공진 주파수를 최적의 공진 주파수로 결정할 수 있다. 무선 전력 전송 효율에 대한 정보는 통신부(140)를 통하여 수신할 수 있다.
소스 공진부(130)는 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 마그네틱 커플링을 통하여, AC 전력을 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 순차적으로 전송한다. 소스 공진부(130)는 제어부(120)에서 결정된 복수의 공진 주파수들의 이용시간에 따라 AC 전력을 순차적으로 전송할 수 있다.
소스 공진부(130)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진부(130)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력을 타겟 디바이스로 전달한다. 이때, 소스 공진기는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
통신부(140)는 복수의 타겟 디바이스들로부터 웨이크 업 신호에 대한 응답신호, 상기 복수의 타겟 디바이스들에 포함된 타겟 공진기들의 아이디들(IDs), 상기 복수의 타겟 디바이스들의 아이디들(IDs) 및 상기 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보를 수신한다. 통신부(140)는 타겟 디바이스에 수신 전력에 대한 정보를 요청하는 신호, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 설정되는 주파수에 대한 정보 및 소스 공진부(130)에서 전송되는 전송 전력에 대한 정보를 포함하는 신호를 전송할 수 있다.
통신부(140)는 복수의 타겟 디바이스들로부터, 소스 공진기와 복수의 타겟 디바이스들 간의 임피던스 매칭에 필요한 정보 및 및 무선 전력 전송 효율의 계산을 위해 필요한 정보를 인 밴드(In-Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 획득할 수 있다.
임피던스 매칭에 필요한 정보는 소스 공진기와 타겟 공진기간의 거리, 위치, 부하 임피던스의 차이, 소스 공진기로부터 타겟 공진기로 방사(radiation)되는 파동(wave)의 반사 계수, 전력 전송 이득 또는 커플링 효율 등에 관한 것을 포함한다. 인 밴드(In-Band) 통신은 공진 주파수를 통해 타겟 디바이스와 데이터를 송수신하는 것을 의미하고, 아웃 밴드(Out Band) 통신은 데이터 통신을 위해 할당된 별도의 주파수를 통해 타겟 디바이스와 데이터를 송수신하는 것을 의미한다.
무선 전력 전송 효율 계산을 위해 필요한 정보는 소스 공진기에서 전송되는 전송 전력, 타겟 공진기에서 수신하는 수신 전력, 타겟 공진기에서 반사 되는 반사전력에 대한 정보를 의미할 수 있다.
검출부(150)는 AC 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 웨이크 업(wake-up) 시키는 웨이크 업 신호를 생성한다. 검출부(150)는 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 복수의 타겟 디바이스들을 검출한다. 또한, 검출부(150)는 압력센서를 통하여, 타겟 디바이스의 위치를 감지할 수도 있다.
또한, 검출부(150)는 소스 공진부(130)에서 전송하는 전송 전력을 검출할 수 있다.
소스 공진기 및 타겟 공진기는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
또한, 소스 공진기 및 타겟 공진기는 도 10내지 도 16을 통해 설명된 공진기일 수 있으며, 소스 공진기에 의해 전파(propagate)되는 파동(wave)에 의해 전력이 무선으로 전송된다.
한편, 소스 공진기와 타겟 공진기간의 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. 제어부(120)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 제어부(120)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 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.
도 2는 일실시예에 따른 복수의 공진 주파수들을 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 소스 공진기(210) 상에 타겟 공진기(221, 223, 225)가 위치한 구조이다. 소스 공진기(210)는 패드 타입일 수 있다.
무선 전력 전송 장치의 제어부(120)는 소스 공진기(210)의 고유 공진 주파수와 타겟 공진기(221,223,225)의 고유 공진 주파수, 소스 공진기(210)와 타겟 공진기 간(221,223,225)의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 타겟 공진기(221,223,225)이 소스 공진기(210) 상에 놓인 위치에 기초하여 공진 주파수를 결정할 수 있다.
제어부(120)는 소스 공진기(210) 상에 타겟 공진기(221, 223, 225)가 위치하면, 소스 공진기(210)와 타겟 공진기(221) 간의 공진 주파수, 소스 공진기(210)와 타겟 공진기(223) 간의 공진 주파수, 소스 공진기(210)와 타겟 공진기(225) 간의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
이때, 위의 세 공진 주파수들은 소스 공진기(210) 상에 타겟 공진기(221, 223, 225)가 어느 곳에 위치하였는지에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 또한, 위의 세 공진 주파수들은 소스 공진기(210)와 타겟 공진기(221, 223,225) 사이의 거리에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
영역(230)에서 타겟 공진기(221)와 타겟 공진기(223)는 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다. 영역(240)에서 타겟 공진기(225)의 공진 주파수는 타겟 공진기(221) 및 타겟 공진기(223)의 공진 주파수와 다른 값을 가질 수 있다.
도 3은 다른 일실시예에 따른 복수의 공진 주파수들을 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 소스 공진기(310) 상에 타겟 디바이스(320, 330, 340)가 위치한 구조이다. 소스 공진기(310)는 패드 타입일 수 있다.
무선 전력 전송 장치의 제어부(120)는 타겟 디바이스(320)에 대하여 기 설정된 범위에서 초기 공진 주파수를 설정하여 AC 전력을 전송하도록 할 수 있다. 타겟 디바이스(320)의 아이디 및 위치 정보는 통신부(240)를 통하여 획득할 수 있다. 상기 AC 전력을 수신한 타겟 디바이스(320)로부터 무선 전력 전송 효율에 관한 정보를 수신하여 제어부(120)는 적응적으로 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다. 제어부(120)는 무선 전력 전송 효율이 피크 값을 갖는 경우의 공진 주파수를 최적의 공진 주파수로 결정할 수 있다. 제어부(120)는 공진 대역폭에서 공진 주파수를 변경하면서, 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
제어부(120)는 타겟 디바이스(320)에 대하여 최적의 공진 주파수를 결정한 후에, 타겟 디바이스(330) 및 타겟 디바이스(340)에 대하여 순차적으로 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 복수의 공진 주파수들 각각을 이용하여 순차적으로 무선 전력을 전송하는 과정을 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송 장치는 구간(410)에서, 공진 주파수 RF1을 이용하여 제1 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 구간(410)에서 전송되는 AC 전력 Pi는 증가한다. 구간(410)과 구간(415) 사이에서 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수 RF2, RF3을 이용하여 제2 타겟 디바이스 및 제3 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 따라서, 구간(410)과 구간(415) 사이에서 제1 타겟 디바이스에는 AC 전력이 전송되지 않는다. 구간(415)에서, 무선 전력 전송 장치는 다시 공진 주파수 RF1을 이용하여 제1 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다.
구간(410)은 공진 주파수 RF1을 이용하여 AC 전력을 전송할 수 있는 운행 시간(Duty Time, DT)에 해당한다. 무선 전력 전송 장치는 주기적으로 RF1, RF2, RF3를 이용하여 제1 타겟 디바이스, 제2 타겟 디바이스, 제3 타겟 디바이스에 순차적으로 AC 전력을 전송할 수 있다. 이때, 제1 타겟 디바이스, 제2 타겟 디바이스, 제3 타겟 디바이스에서 수신하는 전력의 평균, 즉 평균 전력은 일정한 값을 가질 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 구간(420)에서, 공진 주파수 RF2를 이용하여 제2 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 구간(420)에서 전송되는 AC 전력 Pi는 증가한다. 구간(420)과 구간(425) 사이에서 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수 RF3, RF1을 이용하여 제3 타겟 디바이스 및 제1 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 따라서, 구간(420)과 구간(425) 사이에서 제2 타겟 디바이스에는 AC 전력이 전송되지 않는다. 구간(425)에서, 무선 전력 전송 장치는 다시 공진 주파수 RF2를 이용하여 제2 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다.
무선 전력 전송 장치는 구간(430)에서, 공진 주파수 RF3을 이용하여 제3 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 구간(430)에서 전송되는 AC 전력 Pi는 증가한다. 구간(430)과 구간(435) 사이에서 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수 RF1, RF2을 이용하여 제1 타겟 디바이스 및 제2 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 따라서, 구간(430)과 구간(435) 사이에서 제3 타겟 디바이스에는 AC 전력이 전송되지 않는다. 구간(435)에서, 무선 전력 전송 장치는 다시 공진 주파수 RF3을 이용하여 제3 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다.
결과적으로 무선 전력 전송 장치는 초기의 일정한 전력을 시간에 따라 순차적으로, 공진 주파수 RF1, RF2, RF3을 이용하여, 제1 타겟 디바이스, 제2 타겟 디바이스, 제3 타겟 디바이스에 전송한다. 일정한 전력을 시간에 따라 나누어 주기적으로 타겟 디바이스들에 전송하므로, 타겟 디바이스들에서 수신하는 순간 전력은 감소할 수 있지만, 평균 전력은 일정하다.
무선 전력 전송 장치는 제1 타겟 디바이스, 제2 타겟 디바이스, 제3 타겟 디바이스 매칭되는 공진 주파수 RF1, RF2, RF3을 이용하여 운행 사이클(duty cycle)동안 무선 전력을 전송함으로써 복수의 타겟 디바이스들을 효율적으로 충전할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력을 전송하는 구간, 운행 사이클(duty cycle)을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 운행 사이클은 AC 전력의 전송 주기에서 실제로 AC 전력을 전송하는 구간의 비율을 의미한다. 구간(501) 및 구간(511)은 AC 전력을 전송하는 구간이다. 또는 구간(501) 및 구간(511)은 동작시간(On time)이라고 표현될 수 있다. 구간(503) 및 구간(513)은 AC 전력을 전송하지 않는 구간이다. 또는 구간(503) 및 구간(513)은 비동작시간(Off time)이라고 표현될 수 있다. 다르게 표현하면, 구간(501) 및 구간 (511)은 충전하려는 타겟 디바이스의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수가 일치하는 구간이고, 구간(503) 및 구간(513)은 충전하려는 타겟 디바이스의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수가 일치하지 않는 구간이다.
구간(501)은 10ms, 구간(503)은 5ms이다. 여기서, AC 전력의 전송 주기는 15ms이다. 그러므로, 운행 사이클은 10/15 x 100% = 66.7% 이다. 1000A의 전원을 이용하는 경우, 전원이 제공하는 전류의 평균 값은 1000A 이다. 무선 전력 전송 장치에 흐르는 기본 전류 값을 300A라고 가정한다. 이때, 무선 전력 전송 장치가 전송할 수 있는 AC 전력의 최대 전류 값은 다음의 식을 통하여 계산될 수 있다.
최대 전류 값=(100 x 평균 전류 값/운행 사이클) - (기본 전류 값 x 비동작시간/동작시간)
따라서, 최대 전류 값은 (100 x 1000/66.7) - (300 x 5/10) = 1350 A 이다.
구간(511)은 5ms, 구간(513)은 10ms이다. 여기서, AC 전력의 전송 주기는 15ms이다. 그러므로, 운행 사이클은 5/15 x 100% = 33.3% 이다. 1000A의 전원을 이용하는 경우, 전원이 제공하는 전류의 평균 값은 1000A 이다. 무선 전력 전송 장치에 흐르는 기본 전류 값을 300A라고 가정한다. 이때, 무선 전력 전송 장치가 전송할 수 있는 AC 전력의 최대 전류 값은 (100 x 1000/33.3) - (300 x 10/5) = 2367 A 이다. 무선 전력 전송 장치가 전송하는 AC 전력의 평균 전류 값은 다음의 식을 통하여 계산될 수 있다.
평균 전류 값=[(운행 사이클 x 최대 전류 값) + (기본 전류 값 x 비동작시간/동작시간)]/100
따라서, 평균 전류 값은 [(33.3 x 2367)+(300 x 10/5)]/100 = 795A 이다.
결과적으로, 운행 사이클을 66.7%에서 33.3%을 조절함으로써, 전송하는 AC 전력량을 조절할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 타겟 디바이스의 필요에 따라 운행 사이클을 가변적으로 조절하여 AC 전력량을 조절할 수 있다. 예를 들면, 빠른 시간 내에 타겟 디바이스의 충전이 필요한 경우, 무선 전력 전송 장치는 운행 사이클을 기존 값보다 크게 하여, 더 많은 AC 전력을 전송할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 운행 사이클을 가변적으로 제어하여, 무선 전력 전송량을 조절하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 구간(611)에서 공진 주파수 F1을 이용하여 해당 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 구간(613)에서는 공진 주파수 F1을 이용할 수 없으므로 상기 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송할 수 없다. 구간(615)에서 무선 전력 전송 장치는 다시 공진 주파수 F1을 이용하여 상기 타겟 디바이스에 AC 전력을 전송한다. 이때, 타겟 디바이스에서 수신되는 순간 전력은 증감을 반복하지만, 평균 전력을 일정한 값을 갖는다.
구간(621)은 구간(611)보다 짧고, 구간(623)은 구간(613)보다 짧다. 즉, 운행 사이클이 작아지는 경우를 나타낸다. 운행 사이클이 작아지는 경우에, 전송되는 AC 전력의 피크 값은 커지지만, 평균 전력 값은 작아진다.
따라서, 무선 전력 전송 장치는 운행 사이클을 가변적으로 조절하여 타겟 디바이스의 필요에 따라 AC 전력을 전송할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 타겟 공진부(710), 제어부(720) 및 통신부(730)를 포함한다.
타겟 공진부(710)는 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 AC 전력 또는 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신한다. 타겟 공진부(710)는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 AC 전력을 일정 운행 사이클(duty cycle) 동안 수신할 수 있다.
제어부(720)는 소스 공진기와 웨이크 업 된 타겟 디바이스간에 매칭되는 공진 주파수를 결정한다. 제어부(720)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 타겟 공진기가 소스 공진기 상에 놓인 위치에 기초하여 공진 주파수를 결정할 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 타겟 공진기가 소스 공진기 상에 놓인 위치에 대한 정보는 통신부(730)를 통하여 무선 전력 전송 장치로부터 수신할 수 있다.
제어부(720)는 AC 전력의 전송 효율에 기초하여 소스 공진기와 웨이크 업 된 타겟 디바이스 간의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 제어부(720)는 수신한 AC 전력의 전송 효율을 계산할 수 있고, AC 전력의 전송 효율이 피크 값을 가지도록 공진 주파수를 제어할 수 있다.
제어부(720)는 타겟 디바이스 내부에서, 타겟 공진기와 부하 간의 임피던스가 매칭되도록 임피던스를 제어할 수 있다. 제어부(720)는 수신된 AC 전력이 부하에 효율적을 전달되도록 타겟 공진기와 부하 간의 임피던스를 제어할 수 있다.
제어부(720)는 수신된 AC 전력을 부하로 전달한다. 제어부(720)는 AC 전력으로부터 DC 전압을 획득하고, 상기 획득된 DC 전압을 부하(Load)(740)로 공급한다. 제어부(720)는 AC 신호를 DC 신호로 변환하는 AC/DC 변환기 및 DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 디바이스(device) 또는 부하(load)로 공급하는 DC/DC 변환기를 포함할 수 있다.
제어부(720)는 웨이크 업 신호에 의하여 타겟 디바이스가 웨이크 업 되었는지 여부 및 타겟 디바이스의 충전 필요 여부를 판단할 수 있다. 제어부(720)는 타겟 디바이스의 내부 상황에 따라 충전 필요 여부를 판단할 수 있다. 여기서 내부 상황이란, 배터리의 수명, 배터리의 방전 상태 등을 의미할 수 있다.
통신부(730)는 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호, 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 아이디 및 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 상태정보를 송수신한다. 타겟 디바이스의 상태정보는 타겟 디바이스의 수신 전력, 타겟 디바이스의 충전 상태, 타겟 디바이스에 갑작스럽게 걸리는 부하, 사용자의 요청에 따른 전력 필요 등을 포함할 수 있다.
통신부(730)는 인 밴드(In-Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호, 웨이크 업 된 타겟 공진기의 아이디 및 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 아이디에 대한 정보를 전송할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
810단계에서, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 AC 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 웨이크 업(wake-up) 시키는 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 복수의 타겟 디바이스들을 검출한다.
820단계에서, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기와 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 결정한다.
일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 복수의 타겟 공진기들이 소스 공진기 상에 놓인 위치에 기초하여 복수의 공진 주파수들을 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 검출된 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대하여 기 설정된 범위에서 초기 공진 주파수를 설정하여 AC 전력을 전송하고, 상기 AC 전력을 수신한 타겟 디바이스로부터 무선 전력 전송 효율에 관한 정보를 수신하여 적응적으로 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
830단계에서, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 AC 전력이 순차적으로 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 전송되도록 복수의 공진 주파수들을 제어한다.
일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 검출된 복수의 타겟 디바이스들과 매칭되는 복수의 공진 주파수들 중 각각의 공진주파수의 이용시간을 순차적으로 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 검출된 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보에 기초하여, AC 전력의 전송구간인 운행 사이클(duty cycle)을 가변적으로 제어할 수 있다.
840단계에서, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 마그네틱 커플링을 통하여, AC 전력을 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 순차적으로 전송한다.
또한, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 복수의 타겟 디바이스들로부터 웨이크 업 신호에 대한 응답신호, 복수의 타겟 디바이스들에 포함된 타겟 공진기들의 아이디들(IDs), 복수의 타겟 디바이스들의 아이디들(IDs) 및 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보를 수신할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
910단계에서, 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 AC 전력 또는 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신한다.
일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 AC 전력을 일정 운행 사이클(duty cycle) 동안 수신할 수 있다.
920단계에서, 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호, 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 아이디 및 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 상태정보를 전송할 수 있다.
930단계에서, 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 웨이크 업 된 타겟 디바이스간에 매칭되는 공진 주파수를 결정할 수 있다. 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 타겟 공진기가 소스 공진기 상에 놓인 위치에 기초하여 공진 주파수를 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 AC 전력의 전송 효율에 기초하여 소스 공진기와 웨이크 업 된 타겟 디바이스 간의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기는 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012) 및 그라운드 도체 부분(1013)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(1020), 매칭기(1030) 및 도체들(1041, 1042)을 포함한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 커패시터(1020)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1011)과 제2 신호 도체 부분(1012) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(1020)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(1011)과 제2 신호 도체 부분(1012)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(1013)으로 부르기로 한다.
도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1000)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(1013)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012)과 그라운드 도체 부분(1013)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012)을 통하여 흐른다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1011)의 한쪽 단은 도체(1042)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(1020)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1012)의 한쪽 단은 도체(1041)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(1020)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012) 및 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042)은 서로 연결됨으로써, 공진기(1000)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(1020)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(1020)는 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(1020)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(1020)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 공진기(1000)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(1020)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(1000)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(1020)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1000)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(1020)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(1000)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(1000)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(1000)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(1020)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기(1000)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(1000)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(1000)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(1000)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(1020)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(1000)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(1020)에 집중되므로, 커패시터(1020)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(1000)는 집중 소자의 커패시터(1020)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(1000)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(1030)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(1030)는 MNG 공진기(1000) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(1030)에 의해 MNG 공진기(1000)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(1040)를 통하여 MNG 공진기(1000)로 유입되거나 MNG 공진기(1000)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(1040)는 그라운드 도체 부분(1013) 또는 매칭기(1030)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(1040)와 그라운드 도체 부분(1013) 또는 매칭기(1030) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(1040)와 그라운드 도체 부분(1013) 또는 매칭기(1030) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 매칭기(1030)는 공진기(1000)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(1030)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(1000)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(1030)는 그라운드 도체 부분(1013)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(1031)를 포함할 수 있으며, 공진기(1000)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 10에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(1030)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(1030)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(1030)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(1030)의 도체(1031)와 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(1030)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(1000)의 임피던스는 조절될 수 있다.
매칭기(1030)는 도 10에 도시된 바와 같이, 도체 부분(1031)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(1030)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(1000)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(1030)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off' 상태에 있는지에 따라 공진기(1000)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 10에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(1000)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(1100)는 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 및 그라운드 도체 부분(1113)을 포함하는 전송 선로 및 커패시터(1120)를 포함한다. 여기서 커패시터(1120)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1111)과 제2 신호 도체 부분(1112) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터(1120)에 갇히게 된다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이 공진기(1100)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(1113)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112)과 그라운드 도체 부분(1113)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 11에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1111)의 한쪽 단은 도체(1142)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(1120)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1112)의 한쪽 단은 도체(1141)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(1120)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 및 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142)은 서로 연결됨으로써, 공진기(1100)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 11에 도시된 바와 같이 커패시터(1120)는 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(1120)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 11에 도시된 바와 같이 커패시터(1120)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 공진기(1100)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 커패시터(1120)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(1100)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(1120)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(1100)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1100)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(1120)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(1100)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(1100)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(1100)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(1120)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
도 11에 도시된 MNG 공진기(1100)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(1100)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(1100)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(1100)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(1120)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(1100)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(1100)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(1110)에 삽입된 커패시터(1120)에 집중되므로, 커패시터(1120)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(1100)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 커패시터(1120)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 커패시터(1120)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(1100)는 집중 소자의 커패시터(1120)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 MNG 공진기(1100)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(1130)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(1130)는 MNG 공진기(1100)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(1130)에 의해 MNG 공진기(1100)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(1140)를 통하여 MNG 공진기(1100)로 유입되거나 MNG 공진기(1100)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(1140)는 그라운드 도체 부분(1113) 또는 매칭기(1130)와 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 매칭기(1130)는 공진기(1100)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(1130)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(1100)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(1130)는 그라운드 도체 부분(1113)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(1131)을 포함할 수 있으며, 공진기(1100)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 11에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(1130)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(1130)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(1130)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(1130)의 도체(1131)과 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(1130)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(1100)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(1130)의 도체(1131)과 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(1130)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(1131)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(1130)는 도 11에 도시된 바와 같이, 도체 부분(1131)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(1130)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(1100)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(1130)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off' 상태에 있는지에 따라 공진기(1100)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 11에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(1100)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 12는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 제1 신호 도체 부분(1211)과 도체(1242)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(1212)과 도체(1241) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(1212)과 도체(1241)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(1250)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(1212)과 도체(1241)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(1241)와 그라운드 도체 부분(1213)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(1212)과 그라운드 도체 부분(1213)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(1211)과 그라운드 도체 부분(1213)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 13은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(1300)의 무게 또는 공진기(1300)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(1300)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(1300)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(1312)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(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 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 14는 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412)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(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 14의 부분(1470)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 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 15는 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(1520)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(1520)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 커패시터(1520)는 도 15에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(1520)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1520)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 16은 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 16의 A는 매칭기를 포함하는 도 10에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 16의 B는 매칭기를 포함하는 도 11에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.
도 16의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(1031), 도체(1032) 및 도체(1033)을 포함하며, 도체(1032) 및 도체(1033)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1013) 및 도체(1031)와 연결된다. 도체(1031) 및 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(1031) 및 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(1031) 및 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(1031)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1031)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 16의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(1131), 도체(1132) 및 도체(1133)을 포함하며, 도체(1132) 및 도체(1133)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1113) 및 도체(1131)와 연결된다. 도체(1131) 및 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(1131) 및 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기에서도 도체(1131) 및 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(1131)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1131)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 16에 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 17은 도 10에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 17에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 17의 등가 회로에서 CL은 도 10의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 10에 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.
도 18은 일실시예에 따른 마그네틱 커플링 시스템의 등가회로이다.
도 18을 참조하면, S는 소스를 나타내고, D는 디바이스를 나타낸다. L은 부하를 나타낸다. 마그네틱 커플링 시스템의 기본적인 형태는 직렬 RLC 공진 회로가 무선 전력을 전송하는 소스단과 무선 전력을 수신하는 디바이스단에 각각 포함될 수 있다. 소스단은 소스단과 디바이스단의 공진주파수에서, 상호 인덕턴스(mutual inductance, M)를 이용하여 디바이스단에 에너지를 전달할 수 있다.
도 18의 소스단과 디바이스단은 Coupled Mode Theory를 이용하여 다음의 두 수식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00011
,
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 소스단의 공진 주파수를 나타내고,
Figure pat00014
는 디바이스단의 공진 주파수를 나타낸다.
Figure pat00015
는 소스단의 저항에 의한 감쇄율(decay rate)을 의미하며,
Figure pat00016
의 관계를 가진다.
Figure pat00017
는 디바이스단의 저항에 의한 감쇄율을 의미하고,
Figure pat00018
는 부하에서 저항에 의한 감쇄율을 의미한다.
Figure pat00019
는 소스와 디바이스 간의 커플링(coupling) 계수를 의미하며,
Figure pat00020
로 표현될 수 있다.
도 19는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 도면이다.
도 19를 참조하면, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 0.2m이내로 가까워지면, RF영역의 odd mode와 even mode에서 공진 주파수가 서로 다른 값을 가지게 됨을 알 수 있다. 그러므로, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 0.2m이내에서 점점 가까워지면, 공진 주파수의 변화량이 커지게 된다.
공진 주파수는 다음의 식을 통하여 계산될 수 있다.
Figure pat00021
여기서,
Figure pat00022
은 소스 공진기의 공진 주파수이고,
Figure pat00023
는 타겟 공진기의 공진 주파수이고, k는 커플링 팩터(coupling factor)를 나타낸다. 공진 주파수의 계산에 커플링 팩터가 영향을 미침을 알 수 있다. 도 19와 관련하여 생각해보면, 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리가 커플링 팩터에 영향을 미친다고 추정할 수 있다.
도 20은 일실시예에 따른 커플링 팩터의 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 도면이다.
도 20은 커플링 팩터(k)가 변하기 전의 공진 주파수(2010)와 커플링 팩터의 변화에 따라 공진 주파수가 변한 경우(2020, 2030)를 나타낸다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리변화, 소스 공진기 상에서 타겟 공진기의 위치 변화에 따른 커플링 레이트(coupling rate)에 따라 coupled mode 중심 주파수가 odd mode와 even mode로 나누어 지면서 공진 주파수가 변하게 된다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리변화, 소스 공진기 상에서 타겟 공진기의 위치 변화는 커플링 팩터의 일 요소이다.
무선 전력 전송 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에서 변하는 공진 주파수를 검출하여, 커플링 대역에서 일정 간격으로 주파수를 제어하고, 변하는 공진 주파수에서 무선 전력 전송 효율을 검출하여, 무선 전력 전송 효율이 가장 좋은 공진 주파수를 전력을 전송할 주파수로 선택할 수 있다.
도 21은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 21의 무선 전력 전송 장치는 인 밴드 통신 방법을 이용하여, 소스 공진기에서 전송되는 전송 전력과 타겟 공진기에서 수신하는 수신 전력에 대한 정보를 획득함으로써, 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 인 밴드 통신은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수를 이용하여 통신을 수행하는 것을 의미한다.
변조부(2110)는 무선 전력 수신 장치에 전송할 데이터를 변조한다. 이때, 변조부(2110)는 제어부(2140)에서 제공되는 펄스 신호를 이용하여 데이터를 변조할 수 있다. 수신 장치에 전송할 데이터에는 수신 전력에 대한 정보를 요청하는 신호, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 설정되는 주파수에 대한 정보, 전송 전력에 대한 정보가 포함될 수 있다.
전력 검출부(2120)는 전력 변환부에 공급되는 전력을 검출한다. 검출된 전력은 무선 전력 전송 장치에서 출력되는 전송 전력을 계산하는데 사용될 수 있다.
복조부(2130)는 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터를 복조할 수 있다. 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터에는 타겟 공진기에서 수신하는 수신 전력에 대한 정보, 무선 전력 수신 장치의 아이디, 타겟 공진기의 아이디, 무선 전력 수신 장치의 상태정보 등이 포함될 수 있다.
제어부(2140)는 무선 전력 전송 장치의 전송 전력과 무선 전력 수신 장치의 수신 전력에 기초하여, 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 제어부(2140)는 무선 전력 전송 효율이 높아지도록 커플링 대역에서 일정 간격으로 주파수를 제어할 수 있다. 주파수 발생부는 제어부(2140)의 제어 신호에 따라 주파수를 발생시킬 수 있다.
도 22는 다른 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 22의 무선 전력 수신 장치는 도 21의 무선 전력 전송 장치에 대응하여 인 밴드 통신 방법을 이용한다.
AC-DC 변환부(2210)는 타겟 공진부에서 수신된 AC 전력을 DC 신호로 변환한다. AC-DC 변환부(2210)는 정류기, 조정기, 선형 및 스위칭 변환기를 포함할 수 있다. DC-DC 변환부(2220)는 변환된 DC 신호를 부하에 적합한 에너지 레벨로 변환한다. 예를 들면, 부하에 필요한 정격 전압으로 변환될 수 있다.
부하 스위치(2230)는 부하에 필요한 전력이 충전 완료되면, 전달되는 전력을 차단할 수 있다. 전력 검출부(2240)는 부하에 전달되는 수신 전력을 검출할 수 있다.
변복조부(2250)는 무선 전력 전송 장치로부터 수신한 데이터를 복조할 수 있고, 무선 전력 수신 장치에서 전송하는 데이터를 변조할 수 있다. 무선 전력 전송 장치로부터 수신한 데이터에는 수신 전력에 대한 정보를 요청하는 신호, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 설정되는 주파수에 대한 정보, 전송 전력에 대한 정보가 포함될 수 있다. 무선 전력 수신 장치에서 전송하는 데이터에는 전력 검출부(2240)에서 검출된 수신 전력에 대한 정보, 무선 전력 수신 장치의 아이디, 타겟 공진기의 아이디, 무선 전력 수신 장치의 상태정보 등이 포함될 수 있다.
제어부(2260)는 검출된 수신 전력에 대한 정보를 변조하여 무선 전력 전송 장치로 전송하도록 변복조부(2250)를 제어할 수 있고, 부하에 필요한 전력 및 부하의 충전 완료여부에 따라 부하 스위치(2230), DC-DC 변환부(2220)를 제어할 수 있다.
도 23은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템의 블록도이다.
도 23의 무선 전력 송수신 시스템에서, 무선 전력 전송 장치는 아웃 밴드 통신 방법을 이용하여, 소스 공진기에서 전송되는 전송 전력과 타겟 공진기에서 수신하는 수신 전력에 대한 정보를 획득함으로써, 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 아웃 밴드 통신은 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수와는 별개의 주파수를 이용하여 통신을 수행하는 것을 의미한다.
전력 검출부(2310)는 전력 변환부에 공급되는 전력을 검출한다. 검출된 전력은 무선 전력 전송 장치에서 출력되는 전송 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 통신부(2320)는 무선 전력 수신 장치의 통신부(2330)과 아웃 밴드 통신을 수행하여, 무선 전력 수신 장치의 수신 전력에 대한 정보를 수신할 수 있다. 제어부는 무선 전력 전송 장치의 전송 전력과 무선 전력 수신 장치의 수신 전력에 기초하여, 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 제어부는 무선 전력 전송 효율이 높아지도록 커플링 대역에서 일정 간격으로 주파수를 제어할 수 있다. 주파수 발생부는 제어부의 제어 신호에 따라 주파수를 발생시킬 수 있다. 전력 검출부(2340)는 무선 전력 수신 장치에서 수신되는 수신 전력을 검출할 수 있다. 통신부(2330)는 아웃 밴드 통신을 통하여 통신부(2320)에 수신 전력에 대한 정보를 전송할 수 있다.
도 24는 다른 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 24의 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기에서 전송되는 전송 전력과 타겟 공진기에서 반사되는 반사 전력에 대한 정보를 획득함으로써, 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치는 임피던스 매칭을 통하여, 무선 전력을 송수신 할 수 있다. 그러나 다양한 변수들로 인하여, 임피던스 매칭에 변화, 즉 임피던스 미스매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스매칭이 발생하는 경우, 무선 전력 전송 장치에서 전송된 전력은 무선 전력 수신 장치에서 반사될 수 있다.
커플링 제어부(2410)는 소스 공진부를 통하여 전송하는 전송전력 및 소스 공진부를 통하여 수신되는 반사전력 중에서 반사전력을 검출하도록 반사전력 검출부(2420)를 제어할 수 있다. 반사전력 검출부(2420)는 전송 전력 및 반사 전력을 포함하는 신호에서, 전력 변환부에서 소스 공진부로 전달된 전송 전력을 제거함으로써, 반사 전력을 검출할 수 있다. 이때, 반사전력 검출부(2420)는 소스 공진부의 신호를 커플링(coupling)을 통하여 검출할 수 있고, 전력 변환부에서 소스 공진부로 전달되는 전송전력을 커플링을 통하여 검출할 수도 있다.
제어부(2410)는 전력 검출부에서 검출된 전송 전력 및 반사전력 검출부(2420)에서 검출된 반사전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 제어부(2410)는 무선 전력 전송 효율이 높아지도록 커플링 대역에서 일정 간격으로 주파수를 제어할 수 있다. 주파수 발생부는 제어부의 제어 신호에 따라 주파수를 발생시킬 수 있다.
도 25는 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템에서 무선 전력 전송 효율 및 반사전력의 크기를 나타낸 도면이다.
도 25는 무선 전력 송수신 시스템에서 무선 전력 전송 효율(S21) 그래프 및 반사전력의 크기(S11) 그래프의 일 예를 나타낸다. 도 24의 제어부(2430)는 무선 전력 전송 효율(S21)이 최대 값을 가지는 주파수와 반사전력의 크기(S11)가 최소 값을 가지는 주파수(2510) 사이에서 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
도 26은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 26의 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 임피던스를 제어하여 공진 주파수를 변경할 수 있다. 이때, 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수를 결정하기 위해 무선 전력 전송 효율에 대한 정보가 필요하다. 무선 전력 전송 장치는 인 밴드 통신 방법 또는 아웃 밴드 통신 방법을 이용하여 무선 전력 수신 장치의 수신 전력에 대한 정보를 획득할 수 있다. 또는 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치로부터 반사되는 반사 전력을 검출할 수도 있다.
임피던스 제어부(2610)는 제어부(2620)의 제어에 따라 특정 타겟 디바이스의 공진 주파수에 매칭되도록 무선 전력 전송 장치의 임피던스를 제어할 수 있다. 예를 들면, 임피던스 제어부(2610)는 소스 공진기와 제1 타겟 디바이스 간의 공진 주파수가 f1인 경우에, 제1 타겟 디바이스의 공진 주파수가 fT1에서 f1으로 변경되도록, 임피던스를 제어할 수 있다. 또한, 임피던스 제어부(2610)는 소스 공진기와 제2 타겟 디바이스 간의 공진 주파수가 f2인 경우에, 제2 타겟 디바이스의 공진 주파수가 fT2에서 f1으로 변경되도록, 임피던스를 제어할 수 있다. 이때, 임피던스 제어부(2610)는 공진 주파수가 f1, f2로 변경되는 시간을 조절하여, 제1 타겟 디바이스 및 제2 타겟 디바이스에 전달하는 전력을 제어할 수 있다.
제어부(2620)는 전력 검출부에서 검출된 전송 전력과 복조부(2640)에서 복조된 무선 전력 수신 장치의 수신 전력에 대한 정보에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 또한, 제어부(2620)는 전송 전력과 아웃 밴드 통신을 통하여 획득한 수신 전력에 대한 정보에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 또한, 제어부(2620)는 전송 전력과 반사전력 검출부(미도시)에서 검출된 반사전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
제어부(2620)는 무선 전력 전송 효율이 높아지도록 임피던스 제어부(2610)를 제어할 수 있다.
변조부(2630)는 무선 전력 수신 장치에 전송할 데이터를 변조한다. 수신 장치에 전송할 데이터에는 무선 전력 수신 장치에 수신 전력에 대한 정보를 요청하는 신호, 전송 전력에 대한 정보가 포함될 수 있다.
복조부(2640)는 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터를 복조할 수 있다. 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터에는 타겟 공진기에서 수신하는 수신 전력에 대한 정보, 무선 전력 수신 장치의 아이디, 타겟 공진기의 아이디, 무선 전력 수신 장치의 상태정보 등이 포함될 수 있다.
도 27은 다른 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 27의 무선 전력 수신 장치는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 임피던스를 제어하여 공진 주파수를 변경할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신 장치는 공진 주파수를 결정하기 위해 무선 전력 전송 효율에 대한 정보가 필요하다. 무선 전력 수신 장치는 인 밴드 통신 방법 또는 아웃 밴드 통신 방법을 이용하여 무선 전력 전송 장치의 전송 전력 및 반사 전력에 대한 정보를 획득할 수 있다.
임피던스 제어부(2710)는 제어부(2720)의 제어에 따라 소스 공진기와 타겟 디바이스 사이의 공진 주파수에 매칭되도록 무선 전력 수신 장치의 임피던스를 제어할 수 있다.
제어부(2720)는 전력 검출부에서 검출된 수신 전력과 변복조부(2730)에서 복조된 무선 전력 전송 장치의 전송 전력에 대한 정보에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 또한, 제어부(2720)는 수신 전력과 아웃 밴드 통신을 통하여 획득한 전송 전력에 대한 정보에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 또한, 제어부(2720)는 전송 전력과 인 밴드 통신 또는 아웃 밴드 통신을 통하여 획득한 반사전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
제어부(2720)는 무선 전력 전송 효율이 높아지도록 임피던스 제어부(2710)를 제어할 수 있다.
변복조부(2730)는 무선 전력 전송 장치에 전송할 데이터를 변조한다. 전송할 데이터에는 무선 전력 전송 장치로부터 전송되는 전송 전력에 대한 정보를 요청하는 신호, 수신 전력에 대한 정보가 포함될 수 있다. 변복조부(2730)는 무선 전력 전송 장치로부터 수신한 데이터를 복조할 수 있다. 무선 전력 전송 장치로부터 수신한 데이터에는 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 설정되는 주파수에 대한 정보, 전송 전력에 대한 정보가 포함될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 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 (23)

  1. AC 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 웨이크 업(wake-up) 시키는 웨이크 업 신호를 생성하고, 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 상기 복수의 타겟 디바이스들을 검출하는 검출부;
    소스 공진기와 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 결정하고, 상기 AC 전력을 순차적으로 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 전송하도록 상기 복수의 공진 주파수들을 제어하는 제어부; 및
    상기 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 마그네틱 커플링을 통하여, 상기 AC 전력을 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 순차적으로 전송하는 소스 공진부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 공진기들 간의 커플링 팩터(coupling factor)에 기초하여 상기 복수의 공진 주파수들을 결정하는
    무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들과 매칭되는 상기 복수의 공진 주파수들 중 각각의 공진주파수의 이용시간을 순차적으로 제어하는
    무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보에 기초하여, 상기 AC 전력의 전송구간인 운행 사이클(duty cycle)을 가변적으로 제어하는
    무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대하여 기 설정된 범위에서 초기 공진 주파수를 설정하여 상기 AC 전력을 전송하고, 상기 AC 전력을 수신한 타겟 디바이스로부터 무선 전력 전송 효율에 관한 정보를 수신하여 적응적으로 최적의 공진 주파수를 결정하는
    무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 공진기들 각각에 대하여, 무선 전력 전송 효율이 피크 값을 가지도록 상기 소스 공진기의 임피던스를 제어하여, 상기 복수의 공진 주파수들을 결정하는
    무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 소스 공진기에서 전송하는 상기 AC 전력과 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들에서 수신하는 수신전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산하는
    무선 전력 전송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 소스 공진기에서 전송하는 상기 AC 전력과 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로부터 반사된 반사전력에 기초하여 무선 전력 전송 효율을 계산하는
    무선 전력 전송 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 타겟 디바이스들로부터 웨이크 업 신호에 대한 응답신호, 상기 복수의 타겟 디바이스들에 포함된 타겟 공진기들의 아이디들(IDs), 상기 복수의 타겟 디바이스들의 아이디들(IDs) 및 상기 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보를 수신하는 통신부
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 복수의 타겟 디바이스들로부터, 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 디바이스들 간의 임피던스 매칭에 필요한 정보 및 무선 전력 전송 효율의 계산을 위해 필요한 정보를 인 밴드(In-Band) 통신 또는 아웃 밴드(Out Band) 통신을 통하여 획득하는
    무선 전력 전송 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    소정의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정 레벨의 DC 전력을 상기 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  12. 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 AC 전력 또는 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 타겟 공진부;
    상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호, 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 아이디 및 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 상태정보를 송수신하는 통신부; 및
    상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스간에 매칭되는 공진 주파수를 결정하는 제어부
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 타겟 공진부는
    상기 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 상기 AC 전력을 일정 운행 사이클(duty cycle) 동안 수신하는
    무선 전력 수신 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 AC 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 임피던스를 제어함으로써, 상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스 간의 공진 주파수를 제어하는
    무선 전력 수신 장치.
  15. AC 전력을 이용하여 복수의 타겟 디바이스들을 웨이크 업(wake-up) 시키는 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호에 기초하여 상기 복수의 타겟 디바이스들을 검출하는 단계;
    소스 공진기와 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들간에 매칭되는 복수의 공진 주파수들을 결정하는 단계;
    상기 AC 전력을 순차적으로 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 전송하도록 상기 복수의 공진 주파수들을 제어하는 단계; 및
    상기 소스 공진기와 복수의 타겟 공진기들 간의 마그네틱 커플링을 통하여, 상기 AC 전력을 상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들로 순차적으로 전송하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는
    상기 소스 공진기와 상기 복수의 타겟 공진기들 간의 거리, 공진 임피던스, 임피던스 미스 매칭 및 상기 복수의 타겟 공진기들이 상기 소스 공진기 상에 놓인 위치에 기초하여 상기 복수의 공진 주파수들을 결정하는
    무선 전력 전송 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들과 매칭되는 상기 복수의 공진 주파수들 중 각각의 공진주파수의 이용시간을 순차적으로 제어하는
    무선 전력 전송 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보에 기초하여, 상기 AC 전력의 전송구간인 운행 사이클(duty cycle)을 가변적으로 제어하는
    무선 전력 전송 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는
    상기 검출된 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대하여 기 설정된 범위에서 초기 공진 주파수를 설정하여 상기 AC 전력을 전송하고, 상기 AC 전력을 수신한 타겟 디바이스로부터 무선 전력 전송 효율에 관한 정보를 수신하여 적응적으로 최적의 공진 주파수를 결정하는
    무선 전력 전송 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 타겟 디바이스들로부터 웨이크 업 신호에 대한 응답신호, 상기 복수의 타겟 디바이스들에 포함된 타겟 공진기들의 아이디들(IDs), 상기 복수의 타겟 디바이스들의 아이디들(IDs) 및 상기 복수의 타겟 디바이스들의 상태정보를 수신하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  21. 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로부터 AC 전력 또는 웨이크 업(wake-up) 신호를 수신하는 단계;
    상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호, 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 아이디 및 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스의 상태정보를 전송하는 단계; 및
    상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스간에 매칭되는 공진 주파수를 결정하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는
    상기 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 상기 AC 전력을 일정 운행 사이클(duty cycle) 동안 수신하는
    무선 전력 수신 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는
    상기 AC 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 소스 공진기와 상기 웨이크 업 된 타겟 디바이스 간의 공진 주파수를 결정하는
    무선 전력 수신 방법.
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