KR20120134999A - 무선 전력 전송 및 충전 시스템, 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 및 충전 시스템, 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법 Download PDF

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Abstract

무선 전력 전송 및 충전 시스템, 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법이 개시된다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 전송 및 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다. 소스 디바이스와 타겟 디바이스는 무선 전력 충전을 위한 통신을 수행할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 및 충전 시스템, 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법{WIRELESS POWER TRANSMISSION AND CHARGING SYSTEM, POWER CONTROL AND COMMUNICATION METHOD OF WIRELESS POWER TRANSMISSION AND CHARGING SYSTEM}
기술분야는 무선전력 전송 및 충전 시스템, 무선전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법에 관한 것이다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법은, 적어도 하나의 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 단계와, 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스의 충전을 위한 충전 전력을 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송하는 단계와, 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신하는 단계 및 반사파의 검출 및 상기 타겟 디바이스의 임피던스 변화에 기초하여, 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출하는 단계를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치는, 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성하는 전력변환부와, 마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기 및 아웃-밴드 통신을 통해 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신하고, 반사파의 검출 및 상기 타겟 디바이스의 임피던스 변화 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출하는 제어 및 통신부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치는, 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성하는 전력변환부와, 마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기 및 아웃-밴드 통신을 통해 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 충전 전력의 전송 타이밍을 제어하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보를 수신하는 제어 및 통신부를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 수신 장치는,마그네틱 커플링을 통해, 소스 디바이스로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전을 위한 충전 전력을 수신하는 타겟 공진기와, 상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, 상기 소스 디바이스로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 상기 소스 디바이스로 전송하는 통신 모듈 및 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도, 상기 소스 디바이스로부터 임피던스 변경 명령을 수신하면, 상기 임피던스 변경 명령에 따라 타겟 디바이스의 임피던스를 변경하는 제어부를 포함한다.
멀티 소스 환경에서 전력 셀을 구분할 수 있기 때문에, 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 효율적으로 운영할 수 있다.
특정 조건에서 전력을 전송함으로써, 소스 디바이스의 전력 낭비를 방지할 수 있다.
소스 디바이스는 제어 ID를 타겟 디바이스에 할당함으로써, 독립적으로 타겟 디바이스에 무선 전력 및 데이터를 전송할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시 예에 따른 멀티 소스 환경을 나타내는 예시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 타겟 디바이스 검출 기준을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 전송 패킷의 기본 포맷을 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 ID 할당 명령어의 기본 포맷을 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 타겟 디바이스의 ACK 명령어의 기본 포맷을 나타낸 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 통신 타이밍 및 전력 전송 타이밍의 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 명령어(command) 의 종류를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 소스 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 12는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타낸 도면이다.
도 13은 일실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 소스 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)를 포함한다.
소스 디바이스(110)는 AC/DC 컨버터(111), Power Detector(113), 전력변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함한다.
타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 충전부(125) 및 제어부(126)를 포함한다. 또한, 타겟 디바이스(120)는 통신 모듈을 더 포함할 수 있다.
AC/DC 컨버터(111)는 Power Supply(112)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Power Detector(113)는 AC/DC 컨버터(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(115)로 전달한다. 또한, Power Detector(113)는 전력변환부(114)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수 도 있다.
전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성한다.
전력변환부(114)는 수십 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 디바이스에서 사용되는 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 생성할 수 있다. 전력변환부(114)는 스위칭 펄스 신호에 따라 DC 전압을 증폭하는 전력증폭기를 포함할 수 있다.
여기서, "웨이크-업 전력"은 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키기 위한 에너지를 의미한다. 충전 전력은 소정 시간 동안 계속 전송될 수 있으며, "웨이크-업 전력" 보다 높은 전력 레벨로 전송될 수 있다. 예를 들어, " 웨이크-업 전력"의 전력 레벨은 0.1~1Watt이고, "충전 전력"의 전력 레벨은 1~20Watt일 수 있다.
또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 예를 들어, "충전 전력"은 타겟 디바이스의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 또는 타겟 디바이스의 동작에 소비되는 전력을 의미한다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 제어할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(120)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신한다. 여기서, 제어 및 통신부(115)는 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도가 기 설정된 값 이상이고 상기 충전 전력의 수신 레벨이 기 설정된 레벨 이상인 경우, 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 전송한 타겟 디바이스를 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스로 결정할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 충전 전력의 전송 타이밍을 제어하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보, 상기 타겟 디바이스의 웨이크-업 시간 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신할 수 있다.
여기서, 제어 및 통신부(115)는 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한, 상기 타겟 디바이스의 웨이크-업 시간 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도가 기 설정된 값 이상이고 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보가 상기 기 설정된 전송 타이밍과 매칭되는 경우, 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보를 전송한 타겟 디바이스를 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스로 결정할 수 있다.
또한, 제어 및 통신부(115)는 반사파의 검출 또는 타겟 디바이스(120)의 임피던스 변화를 통해 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 타겟 디바이스(120)의 임피던스를 변경하기 위한 임피던스 변경 명령을 상기 타겟 디바이스(120)로 전송할 수 있다.
소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 타겟 디바이스(120)로 전달한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(110)로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 "웨이크-업 전력" 또는 충전을 위한 "충전 전력"을 수신한다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 충전부(125)의 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.
충전부(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 충전부(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
도 1에서, 제어부(126) 및 통신 모듈은 상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화된다. 통신 모듈은 상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, 상기 소스 디바이스로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 상기 소스 디바이스(110)로 전송한다. 통신 모듈은 아웃-밴드 통신을 통해 소스 디바이스(110)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
제어부(126)는 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도, 상기 충전 전력의 수신 레벨, 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보를 검출한다. 충전 전력의 수신 레벨 및 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보는 타겟 공진기(121)와 정류부(122) 사이 또는 정류부(122)와 DC/DC 컨버터(123) 사이에서 측정될 수 있다.
제어부(126)는 소스 디바이스(110)로부터 임피던스 변경 명령을 수신하면, 상기 임피던스 변경 명령에 따라 타겟 디바이스(120)의 임피던스를 변경한다.
제어부(126)는 정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 검출하고, 검출된 정보를 상기 통신 모듈을 통해 소스 디바이스로 전송할 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 멀티 소스 환경을 나타내는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 멀티 소스 환경은 복수의 소스 디바이스들(211, 221)을 포함한다. Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220)과 겹치지 않도록 설정될 수 있다. Source Device 2(221)는 Source Device 1(211)으로부터 기 설정된 거리 내에 위치한 이웃 소스 디바이스라 칭할 수 있다.
Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210) 내에 위치한다. Target Device 3(223)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220) 내에 위치한다. 따라서, Target Device 3(223)의 타겟 공진기는 마그네틱 커플링을 통해 Source Device 2(221)로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 수신할 수 있다.
멀티 소스 환경에서 아웃 밴드 통신을 사용하면, Source Device 1(211)의 통신 가능 영역(230)은 전력 전송 영역(210) 보다 넓게 형성될 수 있다. 복수의 소스 디바이스들(211, 221) 각각은, 전력 전송이 가능한 영역 내에 존재하는 타겟 디바이스를 정확하게 검출하여야 한다. Target Device 3(223)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220) 내에 위치하지만, Source Device 1(211)의 통신 가능 영역(230) 내에도 위치한다. 따라서, Target Device 3(223)의 통신모듈은 Source Device 2(221)로부터 수신된 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, Source Device 1(211)으로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신할 수 있다. Target Device 3(223)은 웨이크-업 전력을 Source Device 2(221)로부터 수신하고, 웨이크-업 요청 신호를 Source Device 1(211)로부터 수신할 수 있다. Source Device 1(211)으로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신한 경우, Target Device 3(223)의 통신모듈은 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보를 Source Device 1(211)로 전송하여야 한다.
Source Device 1(211)은 Target Device 3(223)이 전력 전송 영역(210) 내에 위치하지 않음을 검출하여야 한다. Source Device 1(211)은 전력 전송 영역(220) 내에 위치하는 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)에 제어 ID를 부여한다. 여기서, 제어 ID는 충전 모드에서 소스 디바이스가 타겟 디바이스를 식별하기 위한 식별자이다.
이하, 도 2 내지 도 5를 통해, 전력 전송이 가능한 영역 내에 존재하는 타겟 디바이스를 정확하게 검출하기 위한 예들이 설명된다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 동작 모드는 크게 대기 모드, 접속 모드 및 충전 모드로 구분된다. 대기 모드는 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 타겟 디바이스가 존재하지 않기 때문에 소스 디바이스가 아무런 동작을 하지 않는 상태를 나타낸다. 대기 모드가 특정 이벤트에 의해 종료되면, 소스 디바이스는 아웃 밴드 통신을 수행하기 위한 채널을 검색한다. 즉, 소스 디바이스는 복수의 통신 채널을 검출하고, 복수의 통신 채널 중 채널 상태가 가장 좋은 채널을 선택한다. 채널 상태가 가장 좋은 채널이 선택되면, 소스 디바이스는 접속 모드로 동작한다. 소스 디바이스는 채널 상태가 가장 좋은 채널을 통해 상기 웨이크-업 요청 신호를 전송할 수 있다. 접속 모드는 소스 디바이스와 타겟 디바이스가 통신을 통해 데이터를 송수신하는 모드이다. 충전 모드는 충전 전력을 전달하는 모드이다. 도 3에 도시된 동작 모드는 예시적인 것일 뿐, 다양한 동작 모드가 있을 수 있다. 충전 모드에서 소스 디바이스는, 통신 채널의 품질을 확인하고 통신 채널 변경 모드로 동작할 수 있다. 이때, 통신 채널 변경은 아웃 밴드 통신을 통해 수행되기 때문에, 충전 전력의 전송은 끊김 없이 수행될 수 있다. 통신 채널 변경 모드에서 소스 디바이스는 통신 채널의 품질을 확인하고, 통신 채널 변경을 요청하기 위한 명령어를 타겟 디바이스로 전송할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210) 내에 위치하고, Target Device 3(223)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220) 내에 위치한다.
410단계에서 Source Device 1(211)은, 적어도 하나의 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송한다. 즉, Source Device 1(211)은 웨이크-업 전력을 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)로 전송할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 웨이크-업 전력은 410단계부터 440단계까지 끊어짐 없이 전송될 수 있다. 또한, 웨이크-업 전력은 주기적으로 전송될 수 도 있다. Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 웨이크-업 전력을 이용하여 통신 모듈을 활성화시킨다.
420단계에서 Source Device 1(211)는 통신을 통해 타겟 디바이스를 검출한다.
421단계에서 Source Device 1(211)은 적어도 하나의 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송한다. 즉, Source Device 1(211)는 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)로 웨이크-업 요청 신호를 전송한다. 한편, Target Device 3(223)은 Source Device 1(211)의 통신 가능 영역(230) 내에 위치하기 때문에, 웨이크-업 요청 신호를 수신할 수 있다.
웨이크-업 요청 신호는 소스 디바이스에 의해 선택된 통신 채널을 유지하도록 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스에게 요청하는 채널 고정 명령어를 포함한다. 또한, 웨이크-업 요청 신호는 도 6에 도시된 전송 패킷일 수 있다. 웨이크-업 요청 신호는 채널 고정 명령어뿐만 아니라, 수신 전력량에 대한 정보를 요청하는 명령어, 통신 신호의 수신 감도(RSSI; received signal strength indicator)를 요청하는 명령어 및 LQI (Link Quality Indicator)를 요청하는 명령어를 포함할 수 있다. 여기서, LQI는 통신의 품질 상태를 나타내는 정보이다. 통신 신호의 수신 감도가 좋은 경우에도 통신 품질이 좋지 않을 수 있기 때문에, LQI 값을 통해 통신 채널이 좋은 채널을 선택할 수 있다.
423단계 내지 427 단계에서 타겟 디바이스들 각각은 웨이크-업 요청 신호에 대한 ACK 신호를 Source Device 1(211)로 전송한다.
430단계에서 Source Device 1(211)은 충전 전력을 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송한다. 즉, Source Device 1(211)은 충전 전력을 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)로 전송한다. 여기서, Target Device 3(223)은 Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210) 밖에 있기 때문에, 충전 전력을 수신하지 못한다.
또한, 430단계에서 Source Device 1(211)은 충전 전력을 기 설정된 전송 타이밍에 따라 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송할 수도 있다.
440단계에서 Source Device 1(211)은 적어도 하나의 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신한다. 즉, Target Device 1(213), Target Device 2(215) 및 Target Device 3(223)은 441단계 내지 445 단계에서 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 Source Device 1(211)에 보고한다.
Target Device 1(213), Target Device 2(215) 및 Target Device 3(223)은 441단계 내지 445 단계에서, 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보를 Source Device 1(211)에 보고할 수 도 있다. 여기서, 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보는, 상기 충전 전력의 수신 주기에 대한 정보, 상기 충전 전력의 수신 시작 시간에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 종료 시간에 대한 정보를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 기 설정된 전송 타이밍은 상기 소스 디바이스로부터 기 설정된 거리 내에 위치한 이웃 소스 디바이스의 충전 전력 전송 타이밍과 다르게 설정될 수 있다. Source Device 1(211)과 Source Device 2(221)는 충전 전력 전송 타이밍을 조율하기 위한 통신을 수행할 수 있다.
450단계에서 Source Device 1(211)은 전력 전송 영역 내에 있는 타겟 디바이스를 검출한다. 450단계 이후, Source Device 1(211)는 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 식별하기 위한 제어 ID를 할당한다. 즉, Source Device 1(211)는 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)에 제어 ID를 할당한다. Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보에 기초하여, 제어 ID를 할당 받는다. Target Device 3(223)은 충전 전력의 수신 레벨이 기 설정된 레벨보다 작거나 0에 가까운 레벨일 수 있다. 따라서, Target Device 3(223)은 Source Device 1(211)로부터 제어 ID를 할당 받지 못한다.
또한, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보에 기초하여, 상기 소스 디바이스로부터 제어 ID를 할당 받을 수 있다. Target Device 3(223)이 Source Device 2(221)로부터 충전 전력을 수신하는 경우, Source Device 1(211)과 Source Device 2(221)의 충전 전력 전송 타이밍은 다르기 때문에, Target Device 3(223)은 Source Device 1(211)로부터 제어 ID를 할당 받지 못한다.
일 측면에 있어서, 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 웨이크-업 시간을 통해 전력 전송 영역 내에 존재하는 타겟 디바이스를 정확하게 검출할 수 도 있다. 여기서, 웨이크-업 시간은 타겟 디바이스의 제어부 또는 통신 모듈이 활성화된 시간일 수 있다. 즉, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 웨이크-업 전력에 의해 통신 기능 및 제어 기능이 활성화 된 후, 제어부 또는 통신 모듈이 활성화된 시간을 Source Device 1(211)로 전송할 수 있다. Source Device 1(211)는 웨이크-업 전력의 전송 시간과 웨이크-업 시간이 일치하는 경우, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)에 제어 ID를 할당할 수 있다.
한편, Source Device 1(211), Target Device 1(213), Target Device 2(215) 및 Target Device 3(223)은 아웃 밴드 통신을 수행한다. 따라서, 마그네틱 커플링을 형성하기 위한 공진 주파수의 대역 및 상기 웨이크-업 요청 신호를 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송하기 위한 통신용 주파수의 대역은 서로 다른 주파수 대역이다. 예를 들어, 공진 주파수의 대역은 5MHz~20MHz이고, 통신용 주파수의 대역은 6MHz~70GHz일 수 있다. 상기 웨이크-업 전력 및 상기 충전 전력은 상기 소스 디바이스의 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스의 타겟 공진기 사이에 형성되는 마그네틱 커플링을 통해 전달된다.
일 실시예에 있어서, 소스 디바이스는 반사파의 검출 또는 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 통해 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 결정할 수 있다.
즉, 소스 디바이스는 도 4의 420단계에서 타겟 디바이스를 검출한 후, 검출된 타겟 디바이스가 전력 전송 영역 내에 위치하는 지를 결정하기 위해 반사파를 검출하거나, 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 검출할 수 있다.
소스 디바이스는 타겟 디바이스가 검출되면, 전력 증폭기를 이용하여 충전 전력을 생성한다. 타겟 디바이스가 소스 디바이스의 전력 전송 영역 밖에 있으면, 마그네틱 커플링은 형성되지 않고, 많은 양의 반사파가 발생한다. 따라서, 소스 디바이스는 검출되는 반사파의 세기가 기준값 보다 큰 경우 타겟 디바이스가 소스 디바이스의 전력 전송 영역 밖에 있는 것으로 판단할 수 있다.
소스 디바이스는 타겟 디바이스가 검출되면, 검출된 타겟 디바이스가 전력 전송 영역 내에 위치하는 지를 결정하기 위해 임피던스 변경 명령을 검출된 타겟 디바이스로 전송할 수 도 있다.
타겟 디바이스는 임피던스 변경 명령을 수신하면, 다양한 방법을 이용하여 임피던스를 변경할 수 있다. 타겟 디바이스가 임피던스를 변경하는 다양한 방법은 도 14 내지 도 16을 통해 설명하기로 한다.
소스 디바이스는 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 정확하게 검출하기 위하여, 임피던스 변경 명령을 반복 전송할 수 있다.
또한, 소스 디바이스는 임피던스 변경 명령에 임피던스 변경을 위한 특정 패턴을 포함시켜 타겟 디바이스로 전송할 수 도 있다. 여기서, 임피던스 변경을 위한 특정 패턴은 임피던스 변경 횟수, 임피던스 변경 주기, 임피던스 변경 시간 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 변경 횟수가 5회인 경우, 타겟 디바이스는 부하의 연결을 5회 온/오프 반복함으로써 임피던스 변화를 발생시킬 수 있다. 또한, 임피던스 변경 주기가 5ms (1/200 초)인 경우, 타겟 디바이스는 5ms를 주기로 부하의 연결을 온/오프할 수 도 있다. 또한, 임피던스 변경 시간이 10ms(1/100 초)인 경우, 타겟 디바이스는 부하의 연결을 10ms동안 오프 시킬 수 있다.
따라서, 소스 디바이스는 임피던스 변경을 위한 특정 패턴을 포함하는 임피던스 변경 명령을 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 특정 패턴에 대응하는 상기 타겟 디바이스의 임피던스 변화가 감지되면, 상기 검출된 타겟 디바이스를 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스로 결정할 수 있다.
소스 디바이스는 다양한 방법을 이용하여 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 감지할 수 있다.
예를 들어, 소스 디바이스는 전력변환부 내의 전력 증폭기로 입력되는 입력 파형의 위상과 소스 공진기의 입력 파형의 위상 변화를 통해 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 감지할 수 있다.
전력변환부 내의 전력 증폭기로 입력되는 입력 파형의 위상은 일정한 값을 가진다. 그러나, 소스공진기의 입력 파형의 위상은 타겟 디바이스의 임피던스 변화에 따라 변할 수 있다. 만일, 전력 증폭기의 입력 파형의 위상과 소스공진기의 입력 파형의 위상 차가 기 설정된 값 보다 크면, 타겟 디바이스의 임피던스 변화가 발생한 것으로 판단될 수 있다.
또한, 타겟 디바이스의 임피던스 변화가 매우 큰 경우 소스 디바이스는 반사파를 검출함으로써, 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 감지할 수 도 있다. 따라서, 도 1, 도 14 내지 도 16에 도시된 스위치들(124, 1421, 1511, 1631)이 온 또는 오프되어 타겟 디바이스의 임피던스가 커지면 소스 디바이스는 반사파를 검출함으로써, 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 감지할 수 도 있다.
한편, 소스 디바이스는 타겟 디바이스로부터 수신되는 파라미터를 통해 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 감지할 수 도 있다.
예를 들어, 소스 디바이스는 "Target의 DC/DC 출력 전압 값 및 전류 값"의 변화, "Target의 입력 전압 및 전류"의 변화를 이용하여 타겟 디바이스의 임피던스 변화를 감지할 수 도 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 타겟 디바이스 검출 기준을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, Power(receive power)는 웨이크-업 신호의 수신 감도 또는 충전 전력의 수신 레벨일 수 있다. Target Device 1 및 Target Device 2는 기설정된 기준(510)보다 큰 전력을 수신하기 때문에, 소스 디바이스로부터 제어 ID를 할당 받을 수 있다. 그러나, Target Device 3은 기설정된 기준(510)보다 작은 전력을 수신하기 때문에, 소스 디바이스로부터 제어 ID를 할당 받을 수 없다. 또한, Target Device 1 및 Target Device 2는 기설정된 기준(510)보다 웨이크-업 신호의 수신 감도가 크기 때문에, 소스 디바이스로부터 제어 ID를 할당 받을 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 전송 패킷의 기본 포맷을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 전송 패킷은 소스 디바이스에서 타겟 디바이스로 전송되는 전송 패킷을 의미한다. 도 6을 참조하면, (a)는 전송 패킷에 포함되는 필드들을 나타낸다. 전송 패킷은 Start Bit(SB)필드(801), Target ID필드(T_ID)(803), Command(CMD)필드(805), 기준점 필드(807), 호출인수 필드(809), 이동인수 필드(811) 및 Check Bit(CB)필드(813)를 포함할 수 있다. 타겟 디바이스는 전송 패킷을 통해, 접속규격을 수신함으로써 타겟 디바이스의 식별에 필요한 정보를 생성할 수 있다. 한편, 기준점 필드(807), 호출인수 필드(809) 및 이동인수 필드(811)는 Command(CMD)필드(805)에 포함되는 명령어에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 기준점 필드(807), 호출인수 필드(809) 및 이동인수 필드(811)는 데이터를 전송하기 위한 DATA 필드로 사용될 수 있다.
Start Bit(SB)필드(801)는 패킷의 시작을 나타내는 비트형 인식자를 포함할 수 있다. Start Bit(SB)필드(801)에는 전체 패킷의 사이즈에 따라 소정의 N비트가 할당될 수도 있다.
Target ID필드(T_ID)(803)는 타겟 디바이스에 제어 ID를 할당하는 경우에, 제어 ID를 포함할 수 있다. Target ID필드(T_ID)(803)는 제어 ID가 어느 타겟 디바이스에도 할당되지 않은 경우에는 null값을 포함할 수 있다.
Command(CMD)필드(805)는 소스의 동작을 정의하는 명령어를 포함할 수 있다. 명령어에는 리셋, 타겟 디바이스의 입력 전압/전류 요청, 타겟 디바이스의 직류/직류 변환 출력단에서의 전압/전류 요청, ACK(Acknowledge), 타겟 디바이스의 부하에 파워 온(On) 요청, 타겟 디바이스의 부하에 파워 오프(Off) 요청, 타겟 디바이스의 상태 정보 요청, 접속규칙 전달, NACK, 제어 ID 할당, 타겟 디바이스의 등록 정보 요청 등이 포함될 수 있다. 각각의 명령어에는 코드가 할당될 수 있다.
기준점 필드(807)는 기준점을 포함한다. 기준점은 타겟 디바이스의 고유 ID 중에서 임시 ID를 생성하는 기준을 의미한다. 기준점은 타겟 디바이스의 고유 ID 비트들 중 최상위 비트(Most Significant Bit, MSB) 또는 최하위 비트(Least Significant Bit, LSB)일 수 있다. 또는 기준점은 타겟 디바이스의 고유 ID 중에서 소정의 위치를 나타낼 수 있다. 소스와 타겟 디바이스간에 임시 ID를 생성하는 기준점에 대하여 미리 약속된 경우에는 기준점 필드(807)가 접속규격 명령어에서 생략될 수도 있다. 또한, 언제나 기준점을 타겟 디바이스의 고유 ID 비트들 중 최상위 비트(Most Significant Bit, MSB) 또는 최하위 비트(Least Significant Bit, LSB)로 미리 설정된 경우에도 기준점 필드(807)는 접속규격 명령어에서 생략될 수 있다. 점선은 접속규격 명령어에서 기준점 필드(807)가 생략될 수도 있음을 나타낸다.
호출인수 필드(809)는 호출인수를 포함한다. 호출인수는 기준점으로부터 연속되는 소정의 n비트를 의미한다. 호출인자는 소스가 타겟 디바이스로부터 소정의 비트를 호출하는데 사용되는 값이다. 호출인자는 호출인수에 기초하여 결정될 수 있다. 호출인수가 3비트인 경우에, 호출인자는 000부터 111까지 값을 가질 수 있다.
이동인수 필드(811)는 이동인수를 포함한다. 이동인수는 기준점의 이동 비트 수를 의미한다. 이동인수는 기준점이 얼마만큼 이동하는 지를 나타낸다. 예를 들면, 이동인수가 1인 경우에 기준점은 1비트만큼 오른쪽 또는 왼쪽으로 이동할 수 있다. 이동인수 필드(811)에 할당되는 비트 수는 전체 패킷의 사이즈에 따라 조절될 수 있다.
Check Bit(CB)필드(813)는 패킷의 정확한 전송을 확인하는 check bit를 포함할 수 있다.
접속규격 명령어는 기준점 필드(807), 호출인수 필드(809) 및 이동인수 필드(811)외에 추가적으로 다양한 필드들을 포함할 수 있다. 즉, 접속규격 명령어는 비트단위 또는 바이트단위로 할당되는 다양한 필드들을 포함할 수 있다.
(b)는 기준점 필드(807), 호출인수 필드(809) 및 이동인수 필드(811)들을 좀 더 구체적으로 나타낸다. 기준점 필드(807)에는 기준점이 설정될 수 있다. 기준점이 최상위 비트(MSB)인 경우에는 M 또는 1이 설정될 수 있고, 최하위 비트(LSB)인 경우에는 L 또는 0이 설정될 수 있다. 호출인수 필드(809)에는 호출인수가 설정될 수 있다. 호출인수는 감지된 타겟 디바이스의 개수에 따라 결정될 수 있으며, 1부터 n까지의 값을 가질 수 있다. 이동인수 필드(811)에는 이동인수가 설정될 수 있다. 이동인수 또한 감지된 타겟 디바이스의 개수에 따라 결정될 수 있으며, 0부터 n까지의 값을 가질 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 ID 할당 명령어의 기본 포맷을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, ID 할당 명령어는 Start Bit(SB)필드(710), 제어 ID필드(T_No)(720), Command(CMD)필드(730) 및 Check Bit(CB)필드(740)를 포함할 수 있다.
Start Bit(SB)필드(710)는 패킷의 시작을 나타내는 비트형 인식자를 포함할 수 있다. Start Bit(SB)필드(710)에는 전체 패킷의 사이즈에 따라 소정의 N비트가 할당될 수도 있다.
제어 ID필드(T_No)(720)는 소스에서 할당되는 타겟 디바이스의 제어 ID를 포함할 수 있다. 타겟 디바이스는 제어 ID필드(T_No)(720)의 제어 ID를 통하여 소스와 독립적으로 통신 가능한 ID를 획득할 수 있다.
Command(CMD)필드(730)는 소스의 동작을 정의하는 명령어를 포함할 수 있다. 도 5의 경우는, ID 할당 명령어 이므로, Command(CMD)필드(730)에는 ID 할당 명령어가 포함될 것이다. 명령어에는 코드가 할당될 수 있다.
Check Bit(CB)필드(740)는 패킷의 정확한 전송을 확인하는 check bit를 포함할 수 있다.
ID 할당 명령어는 Start Bit(SB)필드(710), 제어 ID필드(T_No)(720), Command(CMD)필드(730) 및 Check Bit(CB)필드(740)외에 추가적으로 다양한 필드들을 포함할 수 있다. 즉, 접속규격 명령어는 비트단위 또는 바이트단위로 할당되는 다양한 필드들을 포함할 수 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 타겟 디바이스의 ACK 명령어의 기본 포맷을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 응답 명령어는 Preamble(PA)필드(810), Start Code필드(SC)(820), Command(CMD)필드(830) 및 CRC-5필드(840)를 포함할 수 있다.
Preamble(PA)필드(810)는 무선 패킷에서 패킷의 손실을 막기 위해 임의로 보내는 더미 데이터를 포함할 수 있다.
Start Code필드(SC)(820)는 응답 명령어가 Preamble(PA)필드(810), Start Code필드(SC)(820), Command(CMD)필드(830) 및 CRC-5필드(840)와 같이 4개의 필드로 구성된 경우에 단축형 패킷의 시작을 알리는 인식자를 포함할 수 있다. 단축형 패킷이 아닌 일반형 패킷의 경우에는 기타 추가적으로 송신자의 주소필드, 수신자의 주소필드 및 데이터 필드 등이 포함될 수 있다.
Command(CMD)필드(830)는 타겟 디바이스의 동작을 정의하는 명령어를 포함할 수 있다. 명령어에는 리셋, 타겟 디바이스의 입력 전압/전류 응답, 타겟 디바이스의 직류/직류 변환 출력단에서의 전압/전류 응답, ACK(Acknowledge), 타겟 디바이스의 상태 정보 응답, 타겟 디바이스의 등록 정보 응답 등이 포함될 수 있다. 각각의 명령어에는 코드가 할당될 수 있다. 도 6의 경우는, 응답 명령어이므로, Command(CMD)필드(830)에는 ACK 응답 명령어가 포함될 것 이다. 명령어에는 코드가 할당될 수 있다.
CRC-5필드(840)는 패킷의 정확한 전송을 확인하는 CRC 코드를 포함할 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 통신 타이밍 및 전력 전송 타이밍의 예를 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 예에서, 901은 제1 소스 디바이스의 통신 타이밍을 나타내고, 903은 제1 소스 디바이스의 전력 전송 타이밍을 나타낸다. 또한, 도 9에서 905는 Target Device 1의 통신 타이밍을 나타내고, 906은 Target Device 2의 통신 타이밍을 나타낸다.
제1 소스 디바이스의 전력 전송 타이밍 903을 참조하면, 웨이크-업 전력은 충전 전력 전송 시간 구간들(920, 930)을 제외한 구간에서 전송된다. 물론, 도 9에 도시된 바와 달리, 웨이크-업 전력이 전송되지 않는 시간 구간이 있을 수도 있다. 웨이크-업 신호(910)는 통신 초기에 전송된다.
도 9에서 907은 제2 소스 디바이스의 전력 전송 타이밍을 나타낸다. 이때, 제2 소스 디바이스는 제1 소스 디바이스로부터 기 설정된 거리 내에 위치한 이웃 소스 디바이스이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 소스 디바이스의 충전 전력 전송 시작 시간들(921, 931)은 제2 소스 디바이스의 충전 전력 전송 시작 시간들(941, 951)과 다르게 설정될 수 있다. 따라서, 제1 소스 디바이스로부터 충전 전력을 수신하는 제1 타겟 디바이스의 충전 전력의 수신 시작 시간은 제2 소스 디바이스로부터 충전 전력을 수신하는 제2 타겟 디바이스의 충전 전력 수신 시작 시간은 다르다.
또한, 제1 소스 디바이스의 충전 전력 전송 종료 시간들(923, 933)은 제2 소스 디바이스의 충전 전력 전송 종료 시간들(943, 953)과 다르게 설정될 수 있다. 따라서, 제1 소스 디바이스로부터 충전 전력을 수신하는 제1 타겟 디바이스의 충전 전력의 수신 종료 시간은 제2 소스 디바이스로부터 충전 전력을 수신하는 제2 타겟 디바이스의 충전 전력 수신 종료 시간은 다르다.
또한, 제1 소스 디바이스의 충전 전력 전송 시간 구간들(920, 930) 각각의 지속 시간은 제2 소스 디바이스의 충전 전력 전송 시간 구간들(940, 950) 각각의 지속 시간과 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 소스 디바이스의 충전 전력 전송 시간 구간(920)의 지속 시간은 10ms이고, 제2 소스 디바이스의 충전 전력 전송 시간 구간(940)의 지속 시간은 12ms일 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 명령어(command) 의 종류를 설명하기 위한 도면이다.
도 10에 도시된 코드들 중 어느 하나는 도 6의 CMD 필드(805), 도 7의 CMD 필드(730), 또는 도 8의 CMD 필드(830)에 삽입될 수 있다. 도 10에 도시된 명령어 들은 예시적인 것이며, 코드의 길이는 4bits에서 8bits, 12bits 등으로 늘어날 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시되지는 않았지만, 타겟 디바이스에 전송할 전력량을 파악하기 위한 명령어가 추가될 수 도 있다. 도 10에 도시된 명령어들은 제어 ID의 부여 후에 전송될 수 있다.
Reset 명령어, 0001
"Reset 명령어"는 타겟 디바이스의 동작에 이상이 있는 경우, 타겟 디바이스의 리셋을 요청하기 위한 명령어이다. 타겟 디바이스는 "Reset 명령어"를 수신하면, 소스 디바이스에 ACK를 전송할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 "Reset 명령어"를 수신하면 시스템 리셋을 수행할 수 있다.
Target의 입력 전압 및 전류 요청 명령어, 0010
"Target의 입력 전압 및 전류 요청 명령어"는 타겟 디바이스의 전력 수신 상태를 확인할 필요가 있을 때 사용될 수 있다. "Target의 입력 전압 및 전류 응답 명령어"는 Target의 입력 전압 값 및 전류 값을 요청하기 위한 명령어이다. 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 전력 수신 상태를 확인하기 위하여, CMD 필드(805)에 "0010"을 삽입하고, CMD 필드(805)에 "0010"이 삽입된 패킷을 타겟 디바이스에 전송할 수 있다.
Target의 입력 전압 및 전류 응답 명령어, 0010
"Target의 입력 전압 및 전류 응답 명령어"는 상기 "Target의 입력 전압 및 전류 요청 명령어"에 대한 응답을 위해 사용될 수 있다. 즉, "Target의 입력 전압 및 전류 응답 명령어"는 Target의 입력 전압 값 및 전류 값의 요청에 대한 응답 메시지임을 나타내는 명령어이다. 즉, 타겟 디바이스는 CMD 필드(805)에 "0010"이 삽입된 패킷을 수신하면, 입력 전압 및 전류를 측정한다. 여기서, 입력 전압 및 전류는 도 1의 정류부(122)의 출력 전압 및 전류일 수 있다. 또한, 입력 전압 및 전류는 도 1의 정류부(122)의 입력 전압 및 전류일 수 있다. 소스 디바이스는 "측정된 Target의 입력 전압 값 및 전류 값"을 통해 전력 전송 효율을 알 수 있다. 즉, 소스 디바이스는 "측정된 Target의 입력 전압 값 및 전류 값"을 통해 수신된 전력량을 알 수 있고, 수신된 전력량과 전송된 전력량의 비율을 통해 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
Target의 DC/DC 출력 전압 및 전류 요청 명령어, 0011
"Target의 DC/DC 출력 전압 및 전류 요청 명령어"는 타겟 디바이스의 부하(load)에 공급되는 전력량을 확인하기 위하여 사용된다. 즉, "Target의 DC/DC 출력 전압 및 전류 요청 명령어"는 Target의 DC/DC 출력 전압 값 및 전류 값을 요청하기 위한 명령어이다.
Target의 DC/DC 출력 전압 및 전류 응답 명령어, 0011
"Target의 DC/DC 출력 전압 및 전류 응답 명령어"는 상기 "Target의 DC/DC 출력 전압 및 전류 요청 명령어"에 대한 응답을 위해 사용될 수 있다.
ACK 명령어, 0100
"ACK 명령어"는 메시지를 잘 받았다는 확인이 필요한 경우에 사용된다.
NACK 명령어, 1001
"NACK 명령어"는 수신된 메시지에 오류가 있는 경우에 사용된다.
Power on 요청 명령어, 0101
"Power on 요청 명령어"는 도 1의 스위치부(124)의 on을 요청할 필요가 있는 경우에 사용될 수 있다. 즉, "Power on 요청 명령어"는 부하에 전원 공급을 명령하기 위한 명령어이다. 타겟 디바이스는 "Power on 요청 명령어"를 수신하면, 부하에 전원 공급을 시작한다.
Power off 요청 명령어, 0110
"Power off 요청 명령어"는 도 1의 스위치부(124)의 off를 요청할 필요가 있는 경우에 사용될 수 있다. 즉, "Power off 요청 명령어"는 부하로의 전원 공급 중단을 요청하기 위한 명령어이다. 타겟 디바이스는 "Power off 요청 명령어"를 수신하면, 부하로의 전원 공급을 중단한다. 소스 디바이스는 복수의 타겟 디바이스들 중 특정 타겟 디바이스로의 전력 공급을 중단할 필요가 있는 경우, "Power off 요청 명령어"를 사용할 수 있다. 예를 들어, 소스 디바이스는 복수의 타겟 디바이스들 중, 전력 전송 효율이 기 설정된 기준보다 낮은 타겟 디바이스에 "Power off 요청 명령어"를 전송할 수 도 있다.
Target의 상태 정보 요청 명령어, 0111
"Target의 상태 정보 요청 명령어"는 타겟 디바이스의 상태 정보를 요청하기 위해 사용될 수 있다. 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 충전 상태, 온도, 등을 확인할 필요가 있는 경우, CMD 필드(805)에 "0111"을 삽입하고, 패킷을 타겟 디바이스에 전송한다. 소스 디바이스는 Target의 상태 정보 요청 명령어를 포함하는 웨이크-업 요청 신호를 타겟 디바이스에 전송할 수 있다. 소스 디바이스는 Target의 상태 정보 요청 명령어를 포함하는 웨이크-업 요청 신호의 전송 시간과, 웨이-업 요청 신호에 대한 응답 시간을 비교함으로써, 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출할 수 있다.
Target의 상태 정보 응답 명령어, 0111
"Target의 상태 정보 응답 명령어"는 타겟 디바이스의 상태 정보 요청에 대한 응답임을 나타내는 명령어이다.
접속 규격 명령어, 0111
"접속 규격 명령어"는 타겟 디바이스에게 특정 통신 규칙을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 소스 디바이스는 "접속 규격 명령어"를 통해 통신 주기, 통신 슬롯, 응답 규칙 등을 복수의 타겟 디바이스들에 전송할 수 있다. 이때, 통신 주기, 통신 슬롯, 응답 규칙 등은 DATA 필드(도시되지 않음)에 삽입될 수 있다.
Target의 Device 등록 정보 요청 명령어, 1110
소스 디바이스는 타겟 디바이스의 등록 정보를 요청하기 위하여, "Target의 Device 등록 정보 요청 명령어"를 사용할 수 있다. 여기서, Target의 Device 등록 정보는 타겟 디바이스의 시스템 정보를 의미한다. 즉, Device 등록 정보는 "TV/Camera/Cell Phone 등과 같은 제품의 종류", "제조사 정보", "모델명", "Battery type", "충전 방식", "Load의 임피던스 값", "Target 공진기의 특성에 대한 정보", "사용 주파수 대역에 대한 정보", "소요되는 전력량", "고유의 식별자", "제품의 버전 또는 규격 정보" 등을 포함할 수 있다. 이때, "고유의 식별자"는 N byte의 시리얼 넘버일 수도 있고, 시리얼 넘버를 M bit의 길이로 변환한 짧은(Short) 식별자일 수 도 있다. Target 공진기의 특성에 대한 정보는 타겟 공진기의 Q 및 K값을 포함할 수 있다. 또한, Target 공진기의 특성에 대한 정보는 2차원 공진기 또는 3차원 공진기와 같은 공진기의 타입에 대한 정보, 공진기의 L/C값, 임피던스 매칭 정보 등을 더 포함할 수 있다.
Target의 Device 등록 정보 응답 명령어, 1110
타겟 디바이스는 "Target의 Device 등록 정보 요청 명령어"에 대항 응답으로 "Target의 Device 등록 정보 응답 명령어"를 사용할 수 있다. 즉, "Target의 Device 등록 정보 응답 명령어"는 디바이스의 등록 정보 요청에 대한 응답임을 나타내는 명령어이다.
타겟 공진기의 온/오프를 제어하기 위한 명령어
도 10에서 "타겟 공진기의 오프/온 요청"은, 타겟 공진기의 온/오프를 제어하기 위한 명령어이다. "타겟 공진기의 온/오프를 제어하기 위한 명령어"를 위한 코드는 "0000"을 사용하거나, 기 설정된 다른 코드를 사용할 수 있다. 또한, "타겟 공진기를 온(on) 시키기 위한 명령어"와 "타겟 공진기를 오프(off) 시키기 위한 명령어"를 위한 코드는 서로 다를 수 있다. 소스 디바이스는 복수의 타겟 디바이스들 중 특정 타겟 디바이스의 타겟 공진기를 오프시킬 필요가 있는 경우, "타겟 공진기를 오프(off) 시키기 위한 명령어"를 해당 타겟 디바이스에 전송한다. "타겟 공진기를 오프(off) 시키기 위한 명령어"를 수신한 타겟 디바이스는 타겟 공진기를 오프 시킨다. 타겟 디바이스는 도 1의 타겟 공진기(121)와 정류부(122) 사이 또는 정류부(122)와 DC/DC 컨버터(123) 사이를 오프 시킴으로써, 타겟 공진기(121)를 오프 시킬 수 도 있다.
추가적인 명령어의 사용
도 10에 도시된 명령어 이외에, 다양한 명령어가 추가로 사용될 수 있다. 예를 들어, 타겟 디바이스의 웨이크-업 시간을 요청하는 명령어가 사용될 수 있다. 여기서, 웨이크-업 시간은 타겟 디바이스의 제어부 또는 통신 모듈이 활성화된 시간일 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 소스 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
별도의 피더를 통해 소스 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 소스 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 11의 (a)를 참조하면, 피더(1110)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(1130)이 발생한다. 피더(1110) 내부에서 자기장의 방향(1131)과 외부에서 자기장의 방향(1133)은 서로 반대 위상을 가진다. 피더(1110)에서 발생하는 자기장(1130)에 의해 소스 공진기(1120)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 소스 공진기(1120)에서 자기장(1140)이 발생한다. 자기장의 방향은 소스 공진기(1120)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 소스 공진기(1120)에 의해 피더(1110)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(1141)과 피더(1110)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(1143)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(1110)에 의해서 발생하는 자기장과 소스 공진기(1120)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(1110)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(1120)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 17과 같은 구조의 외부 피더(1110)를 통해 소스 공진기(1120)에 전력을 공급하는 경우에는 소스 공진기(1120) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 소스 공진기(1120) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않으므로, 평균적으로 전력 전송 효율이 감소한다.
타겟 공진기의 경우에도 소스 공진기의 경우와 유사하다. 소스 공진기(1120)에 흐르는 전류는 피더(1110)에 흐르는 입력 전류에 의해 유도된다. 타겟 공진기에 흐르는 전류는 소스 공진기(1120)와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링에 의해 유도된다. 타겟 공진기에 흐르는 전류는 자기장을 발생시키고, 타겟 공진기 내부에 위치한 피더에 유도 전류를 생성할 수 있다. 이 경우에도 피더 내부에서는 타겟 공진기에서 발생하는 자기장의 방향과 피더에서 발생하는 자기장의 방향이 서로 반대 위상이므로, 자기장의 세기가 약화된다.
(b)는 소스 공진기(1150)와 피더(1160)가 공통의 접지를 가진 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸다. 소스 공진기(1150)는 캐패시터(1151)를 포함할 수 있다. 피더(1160)는 포트(1161)를 통하여, RF 신호를 입력 받을 수 있다. 피더(1160)에는 RF 신호가 입력되어, 입력 전류가 생성될 수 있다. 피더(1160)에 흐르는 입력 전류는 자기장을 생성하고, 상기 자기장으로부터 소스 공진기(1150)에 유도 전류가 유도된다. 또한, 소스 공진기(1150)를 흐르는 유도 전류로부터 자기장이 발생한다. 이때, 피더(1160)에 흐르는 입력 전류의 방향과 소스 공진기(1150)에 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가진다. 따라서, 소스 공진기(1150)와 피더(1160) 사이의 영역에서, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1171)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1173)은 동일한 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 강화된다. 반면에, 피더(1160)의 내부에서는, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1181)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1183)은 반대 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 소스 공진기(1150)의 중심에서는 자기장의 세기가 약해지고, 소스 공진기(1150)의 외곽에서는 자기장의 세기가 강화될 수 있다.
피더(1160)는 피더(1160) 내부의 면적을 조절하여, 입력 임피던스를 결정할 수 있다. 여기서 입력 임피던스는 피더(1160)에서 소스 공진기(1150)를 바라볼 때, 보이는 임피던스를 의미한다. 피더(1160) 내부의 면적이 커지면 입력 임피던스는 증가하고, 내부의 면적이 작아지면 입력 임피던스는 감소한다. 그런데, 입력 임피던스가 감소하는 경우에도, 소스 공진기(1150) 내부의 자기장 분포는 일정하지 않으므로, 타겟 디바이스의 위치에 따라 입력 임피던스 값이 일정하지 않다. 따라서, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하다. 입력 임피던스가 증가하는 경우에는 큰 입력 임피던스를 작은 출력 임피던스에 매칭시키기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다.
타겟 공진기가 소스 공진기(1150)와 같은 구성이고, 타겟 공진기의 피더가 피더(1160)와 같은 구성인 경우에도 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다. 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 타겟 공진기의 피더에서 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가지기 때문이다.
도 12는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타낸 도면이다.
도 12의 (a)를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기(1210) 및 피딩부(1220)를 포함할 수 있다. 소스 공진기(1210)는 캐패시터(1211)를 포함할 수 있다. 피딩부(1220)는 캐패시터(1211)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 소스 공진기(1210)는 제1 전송선로, 제1 도체(1241), 제2 도체(1242), 적어도 하나의 제1 캐패시터(1250)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1250)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1231)과 제2 신호 도체 부분(1232) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(1250)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 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(1231)과 제2 신호 도체 부분(1232)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(1233)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 소스 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1231) 및 제2 신호 도체 부분(1232)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(1233)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1231) 및 제2 신호 도체 부분(1232)과 제1 그라운드 도체 부분(1233)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1231) 및 제2 신호 도체 부분(1232)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1231)의 한쪽 단은 제1 도체(1241)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1250)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1232)의 한쪽 단은 제2 도체(1242)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1250)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1231), 제2 신호 도체 부분(1232) 및 제1 그라운드 도체 부분(1233), 도체들(1241, 1242)은 서로 연결됨으로써, 소스 공진기는 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.
제1 캐패시터(1250)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(1250)는 제1 신호 도체 부분(1231) 및 제2 신호 도체 부분(1232) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(1250)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1250)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기는 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 제1 캐패시터(1250)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(1250)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(1250)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(1250)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(1250)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(1250)에 집중되므로, 제1 캐패시터(1250)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(1250)를 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, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(1220)는 제2 전송선로, 제3 도체(1271), 제4 도체(1272), 제5 도체(1281) 및 제6 도체(1282)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(1261) 및 제4 신호 도체 부분(1262)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(1263)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(1261) 및 제4 신호 도체 부분(1262)과 제2 그라운드 도체 부분(1263)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(1261) 및 제4 신호 도체 부분(1262)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(1261)의 한쪽 단은 제3 도체(1271)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(1281)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(1262)의 한쪽 단은 제4 도체(1272)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (1282)와 연결된다. 제5 도체(1281)는 제1 신호 도체 부분(1231)과 연결되고, 제6 도체 (1282)는 제2 신호 도체 부분(1232)과 연결된다. 제5 도체(1281)와 제6 도체(1282)는 제1 캐패시터(1250)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(1281) 및 제6 도체(1282)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(1261), 제4 신호 도체 부분(1262) 및 제2 그라운드 도체 부분(1263), 제3 도체(1271), 제4 도체(1272), 제5 도체(1281), 제6 도체(1282) 및 소스 공진기(1210)는 서로 연결됨으로써, 소스 공진기(1210) 및 피딩부(1220)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(1281) 또는 제6 도체(1282)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(1220) 및 소스 공진기(1210)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 소스 공진기(1210)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(1220)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 소스 공진기(1210)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 소스 공진기(1210)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 소스 공진기(1210)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
소스 공진기(1210)와 피딩부(1220) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(1220)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(1271), 제4 도체(1272), 제5 도체(1281), 제6 도체(1282) 는 소스 공진기(1210)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 소스 공진기(1210)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(1220)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 소스 공진기(1210)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(1220)도 원형 구조일 수 있다.
앞에서 설명한, 소스 공진기(1210) 및 피딩부(1220)의 구성은 타겟 공진기 및 타겟 공진기의 피딩부에도 동일하게 적용될 수 있다. 타겟 공진기의 피딩부가 앞에서 설명한 구성과 동일한 경우에, 피딩부는 피딩부의 크기를 조절함으로써, 타겟 공진기의 출력 임피던스와 피딩부의 입력 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 따라서, 별도의 매칭 네트워크를 사용하지 않을 수 있다.
도 13은 일실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 소스 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. (a)는 도 18의 소스 공진기(1810) 및 피딩부(1820)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. (b)는 피딩부와 소스 공진기의 등가회로를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(1310)로 사용될 수 있다. 입력 포트(1310)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다. 입력 포트(1310)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피딩부의 제5 도체는 소스 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 소스 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 소스 공진기에도 흐르게 된다. 소스 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 소스 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 소스 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 소스 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 소스 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. (a)에서 피딩부 및 소스 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 소스 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피딩부 내부에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1321)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1323)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 소스 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1333)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1331)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 소스 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 소스 공진기에서는 일반적으로 소스 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 소스 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 소스 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 소스 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 소스 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 소스 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 소스 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 소스 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다. 또한, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(1340) 및 소스 공진기(1350)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(1340)에서 소스 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, M은 피딩부(1340)와 소스 공진기(1350) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피딩부(1340)와 소스 공진기(1350) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 소스 공진기(1350)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(1340)와 소스 공진기(1350) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(1340)와 소스 공진기(1350) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피딩부(1340)의 크기에 따라 피딩부(1340)와 소스 공진기(1350) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(1340)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피딩부도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신한다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피딩부에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피딩부가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피딩부에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
도 14 내지 도 16은 타겟 디바이스의 임피던스를 변경하기 위한 다양한 예들을 나타낸다.
타겟 디바이스는 소스 디바이스로부터 임피던스 변경 명령을 수신하면, 스위치(1421)를 온 시켜 가상 로드(load)(1420)를 연결함으로써, 임피던스를 변경할 수 있다. 이때, 제어 신호는 도 1의 제어부(126)에서 생성되고, 스위치의 온/오프를 제어하기 위한 신호일 수 있다. 가상 로드(load)(1420) DC/DC 컨버터(1410)과 부하(1430) 사이에 구비될 수 있다.
이때, DC/DC 컨버터(1410)는 도 1의 DC/DC 컨버터(123)과 동일한 기능을 수행한다.
또한, 타겟 디바이스는 소스 디바이스로부터 임피던스 변경 명령을 수신하면, 도 1에 도시된 스위치부(124)를 오프 시킴으로써, 임피던스를 변경할 수 도 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 타겟 디바이스는 정류부(1520)와 타겟 공진기(1510) 사이에 구비된 스위치(1511)를 온 시킴으로써, 임피던스를 변경할 수 도 있다.
이때, 정류부(1520)는 도 1에 도시된 정류부(122)와 동일한 기능을 수행한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 타겟 디바이스는 정류부(1520)와 DC/DC 컨버터(1410) 사이에 임피던스 변경 회로(1630)를 더 포함할 수 있다.
임피던스 변경 회로(1630)는 커패시터 및 저항을 포함할 수 있다. 타겟 디바이스는 소스 디바이스로부터 임피던스 변경 명령을 수신하면, 스위치(1631)를 온(on) 시킴으로써, 임피던스를 변경할 수 도 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 (16)

  1. 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법에 있어서,
    적어도 하나의 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 단계;
    상기 적어도 하나의 타겟 디바이스의 충전을 위한 충전 전력을 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송하는 단계;
    상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신하는 단계; 및
    반사파의 검출 및 상기 타겟 디바이스의 임피던스 변화 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 단계 이전에, 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 소스 디바이스가 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송하는 단계를 더 포함하는,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 웨이크-업 전력 및 상기 충전 전력은 상기 소스 디바이스의 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스의 타겟 공진기 사이에 형성되는 마그네틱 커플링을 통해 전달되는,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마그네틱 커플링을 형성하기 위한 공진 주파수의 대역 및 상기 웨이크-업 요청 신호를 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송하기 위한 통신용 주파수의 대역은 서로 다른 주파수 대역인,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 단계는,
    상기 소스 디바이스가 복수의 통신 채널을 검출하는 것,
    상기 복수의 통신 채널 중 채널 상태가 가장 좋은 채널을 선택하는 것, 및
    상기 채널 상태가 가장 좋은 채널을 통해 상기 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 것을 포함하는,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 웨이크-업 요청 신호는,
    상기 소스 디바이스에 의해 선택된 통신 채널을 유지하도록 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스에게 요청하는 채널 고정 명령어를 포함하는,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 식별하기 위한 제어 ID를 할당하는 단계를 더 포함하는,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소스 디바이스는,
    임피던스 변경을 위한 특정 패턴을 포함하는 임피던스 변경 명령을 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 특정 패턴에 대응하는 상기 타겟 디바이스의 임피던스 변화가 감지되면, 상기 검출된 타겟 디바이스를 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스로 결정하는,
    무선 전력 전송 및 충전 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  9. 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성하는 전력변환부;
    마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기; 및
    초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신하고, 반사파의 검출 및 상기 타겟 디바이스의 임피던스 변화 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출하는 제어 및 통신부를 포함하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    임피던스 변경을 위한 특정 패턴을 포함하는 임피던스 변경 명령을 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 특정 패턴에 대응하는 상기 타겟 디바이스의 임피던스 변화가 감지되면, 상기 검출된 타겟 디바이스를 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스로 결정하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도가 기 설정된 값 이상이고 상기 충전 전력의 수신 레벨이 기 설정된 레벨 이상인 경우, 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 전송한 타겟 디바이스를 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스로 결정하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치.
  12. 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성하는 전력변환부;
    마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기; 및
    아웃-밴드 통신을 통해 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 상기 타겟 디바이스로 전송하고, 상기 충전 전력의 전송 타이밍을 제어하고, 상기 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보, 상기 타겟 디바이스의 웨이크-업 시간 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신하는 제어 및 통신부를 포함하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보에 기초하여, 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스를 검출하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도가 기 설정된 값 이상이고 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보가 상기 기 설정된 전송 타이밍과 매칭되는 경우, 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보를 전송한 타겟 디바이스를 상기 소스 디바이스의 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스로 결정하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 전송 장치.
  15. 마그네틱 커플링을 통해, 소스 디바이스로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전을 위한 충전 전력을 수신하는 타겟 공진기;
    상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, 상기 소스 디바이스로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 상기 소스 디바이스로 전송하는 통신 모듈; 및
    상기 소스 디바이스로부터 임피던스 변경 명령을 수신하면, 상기 임피던스 변경 명령에 따라 타겟 디바이스의 임피던스를 변경하는 제어부를 포함하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 수신 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    정류기의 입력 전압 및 출력 전압, 정류기의 입력 전류 및 출력 전류, DC/DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압, DC/DC 컨버터의 입력 전류 및 출력 전류, 또는, 배터리의 전압 및 전류에 대한 정보를 검출하고, 검출된 정보를 상기 통신 모듈을 통해 소스 디바이스로 전송하는,
    무선전력 전송 및 충전 시스템의 무선 전력 수신 장치.
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