KR20150093588A - 무선 전력 수신 및 전송 방법, 무선 전력 전송장치, 수신장치 및 무선 충전 시스템 - Google Patents

무선 전력 수신 및 전송 방법, 무선 전력 전송장치, 수신장치 및 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 및 수신분야에서, 무선 전력 수신방법, 무선 전력 수신장치 및 무선 충전 시스템에 관한 것으로, 무선으로 전력이 수신되도록 자속을 전류로 변경하는 전력 수신부와 상기 전력 수신부와 연결되어, 상기 전력 수신부로부터 수신되는 전력을 제어하도록 공진 주파수를 변경하는 전력 제어부를 포함하고, 상기 전력 제어부는 제1커패시터와 상기 제1커패시터와 병렬로 연결된 제2커패시터와 상기 제2커패시터와 직렬로 연결되어, 제1방향의 전류를 통과시키는 제1스위치 및 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향의 전류를 통과시키는 제2스위치 및 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 스위치 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

무선 전력 수신 및 전송 방법, 무선 전력 전송장치, 수신장치 및 무선 충전 시스템{WIRELESS POWER TRANSFER AND RECEIVE METHOD, APPARATUS AND SYSTEM}
본 발명은 무선 전력 전송 및 수신분야에서, 무선 전력 수신방법, 무선 전력 수신장치 및 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
전통적으로 무선 전력 수신장치들에게 유선으로 전기 에너지를 공급하는 방법 대신에, 최근에는 접촉 없이 무선으로 전기 에너지를 공급하는 방법이 사용된다. 무선으로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력에 의하여 직접 구동되거나, 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전하고 상기 충전된 전력에 의하여 구동될 수 있다.
상기 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송장치와 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치 간에 원활한 무선 전력을 전송하기 위하여, 무선 전력의 전송과 관련된 기술의 규격화(즉, 표준화)가 진행되고 있다.
상기 무선 전력의 전송과 관련된 기술의 표준화의 일환으로, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송에 대한 기술을 다루는 무선 전력 협의체(Wireless Power Consortium)는 2010년 4월 12일에 무선 전력 전송에서의 호환성(interoperability)에 대한 "무선 전력 전송 시스템 설명서, 제1권, 저전력, 파트 1: 인터페이스 정의, 버전 1.00 RC1(System Description Wireless Power Transfer, Volume 1, Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.00 Release Candidate 1)" 표준 문서를 공개하였다.
한편, 또 다른 기술표준협의체인 파워매터스얼라이언스(Power Matters Alliance)는 2012년 3월 설립되어, 인터페이스 표준의 제품군을 발전시키고, 유도 공진 전력을 제공하기 위하여 유도 결합 기술을 기반으로 한 표준 문서를 공개하였다.
상기와 같은 전자기유도를 이용한 무선 충전 방식은 우리 생활에서 이미 자주 접하고 있다. 예를 들어, 전자기유도를 이용한 무선 충전 방식은 전동 칫솔, 무선커피포트 등에서 상용화되어 활용되고 있다.
최근에는 기존의 일대일로 무선 전력을 전송하는 방법에서 나아가, 하나의 무선 전력 전송장치가 다수의 무선 전력 수신장치에 전력을 전송하는 방법이 개발되고 있다.
기존에 무선 전력 전송장치는 무선 전력의 구동 주파수나, 구동 전압을 변경함으로써 전력을 제어하였지만, 다수의 무선 전력 수신장치에게 동시에 전력을 전송하는 경우, 각 무선 전력 수신장치마다 전력을 제어하는데 문제점이 발생하였다.
이에, 본 발명에서는, 무선 전력 수신장치에서 전력을 제어하는 방법 및 가변 커패시터를 이용하여 전력을 제어하는 방법을 제안한다.
본 발명은 가변 커패시터를 전기적으로 구현하는 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가변 커패시터의 구현 시, 과전류를 방지하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 무선 전력 수신장치 또는 무선 전력 전송장치에서 전력을 제어하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치에 있어서, 무선으로 전력이 수신되도록 자속을 전류로 변경하는 전력 수신부 및 상기 전력 수신부와 연결되어, 상기 전력 수신부로부터 수신되는 전력을 제어하도록 공진 주파수를 결정하는 전력 제어부를 포함하고, 상기 전력 제어부는 제1커패시터, 제2커패시터와 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2스위치를 포함하고, 상기 제1커패시터와 병렬로 연결된 가변커패시터부, 상기 제1 및 제2 스위치와 연결되어, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 포함하고, 상기 스위치 제어부는 상기 가변커패시터부 및 상기 제1커패시터에 해당하는 등가 커패시터 값이 상기 결정된 공진 주파수에 대응되는 커패시터 값을 갖도록 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 스위치 제어부는 기 설정된 공진 주파수에 해당하는 커패시터 값을 갖도록 상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티(effective duty) 조절하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티가 길어지는 것에 근거하여, 상기 제1 및 제2 커패시터를 이용하여 산출된 등가 커패시터 값이 증가되고, 상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티가 짧아지는 것에 근거하여, 상기 등가 커패시터 값이 감소되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 스위치 제어부는 상기 제1스위치를 상기 제1커패시터의 전압이 증가하는 구간의 적어도 일부에서 닫고, 상기 제2스위치를 상기 제1커패시터의 전압이 감소하는 구간의 적어도 일부에서 닫는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티는 상기 제1커패시터의 전압값이 0이 되는 시점을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2스위치 중 어느 하나의 스위치가 닫히는 시점은 제1커패시터의 전압의 절대값이 상기 제2커패시터의 전압의 절대값보다 큰 값을 가지는 시점인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 스위치 제어부는 상기 제 1 및 제2스위치의 유효 듀티를 나타내는 시점보다 이전 시점에 상기 제1 및 제2 스위치를 닫는 것을 특징으로 한다.
무선으로 전력을 수신하고, 제1커패시터 및 상기 제1커패시터와 병렬로 연결된 제2커패시터, 제1스위치 및 제2스위치를 포함하는 무선 전력 수신장치의 제어방법에 있어서, 무선 전력 전송장치로부터 전력 수신부를 통하여, 특정 구동 주파수를 갖는 무선 전력을 수신하는 단계와 전력 제어부를 통하여, 상기 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하기 위한 공진 주파수를 산출하는 단계와 상기 무선 전력 수신장치가 상기 공진 주파수를 갖도록 상기 공진 주파수에 해당하는 커패시터 값을 검출하는 단계와 상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터를 이용하여 산출된 등가 커패시터의 값이 상기 검출된 커패시터값을 갖도록 상기 제2커패시터에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치의 유효 듀티값을 검출하는 단계; 및 상기 유효 듀티값에 기초하여, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 단계에서는 상기 유효 듀티가 갖는 시간 구간 이전에 상기 제1 및 제2 스위치가 열리도록 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송장치에 있어서, 무선으로 전력을 전송하도록 전류를 자속으로 변경하는 복수의 코일과 상기 복수의 코일에 각각 연결된 복수의 서브 하프 브리지와 상기 복수의 서브 하프 브리지 전부와 연결된 메인 하프 브리지를 구비하는 전력 전달부 및 상기 복수의 코일 중 적어도 하나를 이용하여 무선 전력 수신장치에 전력을 전송하도록 상기 적어도 하나의 코일을 제어하는 전력 송신 제어부를 포함하고, 상기 전력 송신 제어부는 상기 적어도 하나의 코일에 연결된 적어도 하나의 서브 하프 브리지 및 상기 메인 하프 브리지를 이용하여 페이즈 쉬프트 풀 브리지(phase shifted full bridge) 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 메인 하프 브리지에 인가된 기준 전압을 기준으로, 상기 서브 하프 브리지에 인가된 전압의 위상차를 통하여, 전력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 메인 하프 브리지에 인가된 전압과 상기 서브 하프 브리지에 인가된 전압이 180도의 위상차를 가질 때 상기 무선 전력 수신장치에 최대 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 서브 하프 브리지에 인가되는 전압은 상기 서브 하프 브리지에 연결된 코일에서 전송하는 전력량에 의하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 적어도 하나의 코일에 연결된 복수의 서브 하프 브리지에 인가되는 전압이 서로 다른 전압을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 복수의 코일 중 전력을 전달하지 않는 코일에 연결된 서브 하프 브리지에 인가되는 전압을 상기 메인 하프 브리지에 인가되는 기준 전압과 동위상을 갖도록 상기 서브 하프 브리지를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 스위치 및 커패시터를 이용하여 가변 커패시터를 전기적으로 구현함으로써, 무선 전력을 제어할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은 주파수 제한 및 커패시터 및 인덕터의 산포 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 구동 주파수 변경 또는 구동 전압을 변경하여, 전력을 제어함으로써, 주파수 범위의 한정, 커패시터 및 인덕터의 산포 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 무선 전력 수신장치 자체에서 전력을 제어함으로써, 무선 전력 전송장치와의 추가적인 통신을 수행하지 않아, 통신에 필요한 시간을 줄이고, 통신 에러로 인한 문제점 발생을 감소시킬 수 있다. 즉, 무선 전력 수신장치에서 신속하고 정확하게 전력을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 공진 주파수를 변경하여, 필요한 전력만을 수신함으로써, 기존의 무선 전력 수신장치에 별도의 컨버터(예를 들어, DC/DC 컨버터)를 구비하지 않고도, 원하는 전력을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 각 코일에 하프 브리지를 구비하고, 상기 하프 브리지 전부와 연결된 공통 하프 브리지를 통하여, 각 코일을 개별적으로 제어함으로써, 복수의 무선 전력 수신장치에 서로 다른 전력을 동시에 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 공통 하프 브리지를 통하여, 본 발명은 스위치의 개수를 감소시켜, 전력 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 하프 브리지를 구비하는 스위치에 포함된 바디 다이오드(body diode)를 통하여, 인덕터에 과전류가 흐르는 문제점을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 2a 및 2b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 9는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 전력 제어 메시지를 송수신하기 위한 구성을 도시한다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 수행되는 변조 및 복조에서의 신호의 형태를 도시한다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 동작 상태들을 도시한다.
도 14 내지 도 18은 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치 간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 19는 무선 전력 전송장치가 하나 이상의 무선 전력 수신장치들에게 전력을 전달하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신장치의 서로 다른 회로 구조를 나타낸 회로도들이다.
도 22 및 도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어를 위한 스위칭 방식을 나타낸 개념도들이다.
도 24, 도 25 및 도 26은 복수의 코일을 구비한 무선 전력 전송장치에서, 구동 주파수를 변경하기 위하여 제안된 종래 회로도이다.
도 27은 본 발명에 따른 복수의 코일을 구비한 무선 전력 전송장치에서, 구동 주파수 변경을 위하여 제안된 회로도이다.
도 28 및 도 29는 상기 도 27의 회로도의 구동을 나타낸 개념도들이다.
본 명세서에 개시된 기술은 무선 전력 전송(wireless power transmission)에 적용된다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 전력 전송 시스템 및 방법, 무선 충전회로 및 방법, 그 외 무선으로 전송되는 전력을 이용하는 방법 및 장치에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
정의
다대일 통신 방법: 송신기 (Tx) 하나가 다수의 수신기 (Rx)와 통신하는 방법
단방향 통신: 단지 수신기가 송신기 쪽으로만 필요한 메세지를 전송하는 통신 방법
양방향 통신: 송신기는 수신기로, 수신기는 송신기로, 즉 양쪽에서 메시지 전송이 가능한 통신 방법
여기서, 송신기 및 수신기는 각각 송신장치 및 수신장치와 동일한 의미이며, 이하, 이들 용어는 혼용될 수 있다.
무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치 개념도
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 필요로 하는 무선으로 전력을 전달하는 전력 전달 장치일 수 있다 .
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 전달함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 배터리를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있다.
그 밖에도, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 무선 전력 수신장치(200)에게 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기이다. 또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 설명되는 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예컨대 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력장치를 비롯하여, 휴대폰, 셀룰러폰, 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player)와, 태블릿, 혹은 멀티미디어 기기 등을 포괄하는 의미로 해석되어야 한다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는, 후술하는 바와 같이, 이동 통신 단말기(예컨대 휴대폰, 셀룰러폰, 태블릿) 또는 멀티미디어 기기일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방법을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 상호간 접촉이 없이 무선으로 전력을 전달할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 신호에 의한 자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정한 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Magnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술로, 자기 유도 현상에 의하여 하나의 코일에서 변화하는 자기장 통해 다른 코일 쪽에 전류가 유도됨으로써 전력이 전달되는 것을 말한다.
상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 전송한 무선 전력 신호에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진이 발생하고, 상기 공진 현상에 의하여 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력이 전달되는 것을 말한다.
이하에서는 본 명세서에 개시된 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)에 관한 실시 예들을 구체적으로 설명한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.
도 2A 및 2B는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
무선 전력 전송장치
도 2A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력 전달부(Power Transmission Unit)(110)를 포함하도록 구성된다. 상기 전력 전달부(110)는 전력 변환부(Power Conversion Unit)(111) 및 전력 송신 제어부(Power Transmission Control Unit)(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 송신측 전원 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 전력 신호(wireless power signal)로 변환하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전달한다. 상기 전력 변환부(111)에 의하여 전달되는 무선 전력 신호는 진동(oscillation)하는 특성을 가진 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field)의 형태로 형성된다. 이를 위하여 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호가 발생하는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 각 전력 전달 방식에 따라 다른 형태의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 변환부(111)는 유도 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)의 2차 코일에 전류를 유도시키기 위하여 변화하는 자기장을 형성시키는 1차 코일을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 공진 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)에 공진 현상을 발생시키기 위하여 특정 공진 주파수를 가진 자기장을 형성시키는 코일(또는 안테나)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 전술된 유도 결합 방식과 공진 결합 방식 중 하나 이상의 방법을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 전력 변환부(111)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4 및 도 5를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7 및 도 8을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 인가되는 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 전달부(110)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 공급 장치(100)를 제어하는 다른 제어부(미도시)와 통합되도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역은 두 가지로 구분될 수 있다. 먼저, 활동 영역(active area)은 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전달하는 무선 전력 신호가 통과하는 영역을 말한다. 다음으로, 감지 영역(semi-active area)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 관심 영역을 말한다. 여기서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치(placement)되거나 제거(removal)되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있다. 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 변환부(111)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나, 별도로 구비된 센서에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감지 영역에 존재하는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 인하여 상기 무선 전력 신호가 영향을 받아, 상기 전력 변환부(111)의 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 다만, 상기 활동 영역 및 감지 영역은 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식 등의 무선 전력 전달방식에 따라 다를 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나, 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 상기 특성의 결정은 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 조건에 의하여 또는 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 조건에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있으며, 그 밖에 상기 전력 제어 메시지를 기초로 다른 제어 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 정류된 전력량 정보, 충전 상태 정보 및 식별 정보 중 하나 이상을 포함하는 전력 제어 메시지에 따라 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 제어 메시지를 이용하는 그 밖의 다른 제어 동작으로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 전달과 관련된 일반적인 제어 동작을 상기 전력 제어 메시지를 기초로 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 제어 메시지를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와 관련된 청각적 또는 시각적으로 출력할 정보를 수신하거나, 기기간의 인증 등에 필요한 정보를 수신할 수도 있다.
이와 같은 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 수신하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 수신하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 변환부(111)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(113)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하여 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여 사용될 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예에서는 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 수신함으로써 전력 제어 메시지를 획득할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)로 데이터를 전송할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)가 전송하는 데이터는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전력 제어 메시지를 보내도록 요청하는 것일 수 있다.
무선 전력 수신장치
도 2B를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치는(200)는 전원 공급부(290)를 포함하도록 구성된다. 상기 전원 공급부(290)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 작동에 필요한 전력을 공급한다. 상기 전원 공급부(290)는 전력 수신부(291) 및 전력 수신 제어부(292)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신한다.
상기 전력 수신부(291)는 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 무선 전력 신호를 수신하기 위해 필요한 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신할 수 있으며, 이 경우 상기 전력 수신부(291)는 각 방식에 따라 필요한 서로 구성 요소들을 함께 포함할 수 있다.
먼저, 상기 전력 수신부(291)는 진동하는 특성을 가진 자기장 또는 전자기장의 형태로 전달되는 무선 전력 신호를 수신하기 위한 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 유도 결합 방식에 따른 구성 요소로서, 상기 전력 수신부(291)는 변화되는 자기장에 의하여 전류가 유도되는 2차 코일을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 공진 결합 방식에 따른 구성 요소로서 특정 공진 주파수를 가진 자기장에 의하여 공진 현상이 발생되는 코일 및 공진 회로를 포함할 수 있다.
다만, 상기 전력 수신부(291)가 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신하는 경우, 상기 전력 수신부(291)는 하나의 코일을 이용하여 수신하도록 구현되거나, 또는 각 전력 전달 방식에 따라 다르게 형성된 코일을 이용하여 수신하도록 구현될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(rectifier) 및 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 수신된 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전원 공급부(290)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다.
구체적으로, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 것일 수 있다. 또한 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 상기 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 것일 수 있다.
이와 갈은 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 전송하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 통하여 전송하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 수신부(291)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(293)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는, 전술된 상기 무선 전력 전송장치(100)의 경우와 마찬가지로, 상기 무선 전력 신호를 통하여 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 송신장치(100)의 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 및/또는 전압을 조절하는 수단으로 사용될 수 있다. 이하, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 각각의 변복조부(113 및 293)가 무선 전력 신호를 통한 전력 제어 메시지의 송수신을 위하여 사용되는 방법에 대하여 설명된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 의하여 수신된다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하도록 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 변복조부(293)를 제어한다. 예컨대, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)과 연결된 변복조부(293)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 상기 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 그에 따라 변하도록 변조 과정을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량의 변경은 상기 무선 전력 신호를 형성시키는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 가져온다. 이 때, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(113)는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조(demodulation) 과정을 수행한다.
즉, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전달하고자 하는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷(packet)을 생성하여 상기 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호를 변조하고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)의 복조 과정 수행 결과를 기초로 상기 패킷을 디코드함으로써, 상기 패킷에 포함되어 있는 상기 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예들에서는 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 전송함으로써 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터를 수신할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터는 전력 제어 메시지를 전송할 것을 요청하는 것일 수 있다.
그 밖에, 상기 전원 공급부(290)는 충전부(298) 및 배터리(299)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전원 공급부(290)로부터 동작을 위한 전원을 공급받는 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전달된 전력에 의하여 동작하거나, 또는 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 배터리(299)를 충전한 후 상기 배터리(299)에 충전된 전력에 의하여 동작할 수 있다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전달된 전력을 이용하여 충전을 수행하도록 상기 충전부(298)를 제어할 수 있다.
이하에서, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치에 대하여 설명된다. 먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치가 상기 무선 전력 수신장치로 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
유도 결합 방식
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
무선 전력 전송장치(100) 의 전력 전달이 유도 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110) 내의 1차 코일(primary coil)에 흐르는 전류의 세기가 변화되면, 그 전류에 의해 1차 코일을 통과하는 자기장이 변화한다. 이와 같이 변화된 자기장은 상기 무선 전력 수신장치(200) 내의 2차 코일(secondary coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
이 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기 유도에서의 1차 코일로 동작하는 전송 코일(Tx coil)(1111a)를 포함하도록 구성된다. 또한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 자기 유도에서의 2차 코일로 동작하는 수신 코일(Rx coil)(2911a)을 포함하도록 구성된다.
먼저 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 상기 전송 코일(1111a)과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)를 배치한다. 그 후 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 전송 코일(1111a)의 전류가 변화되도록 제어하면, 상기 전력 수신부(291)는 상기 수신 코일(2911a)에 유도된 기전력을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전원을 공급하도록 제어한다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받게 된다.
한편, 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달을 위하여 상기 무선 전력 전송장치(100)는 평평한 표면(flat surface) 형태의 인터페이스 표면(interface surface)(미도시)을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인터페이스 표면의 상부에는 하나 이상의 무선 전력 수신장치가 놓일 수 있으며, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 상기 전송 코일(1111a)가 장착될 수 있다. 그 경우, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 장착된 상기 전송 코일(1111a)과 상기 인터페이스 표면의 상부에 위치한 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a) 사이의 수직 공간(vertical spacing)이 작게 형성됨으로써 상기 코일들 간의 거리는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 충분히 작게 된다.
또한, 상기 인터페이스 표면의 상부에는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 놓일 위치를 지시하는 배열 지시부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착된 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a) 사이의 배열이 적합하게 이루어질 수 있는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 지시한다. 상기 배열 지시부는 단순한 표시(marks)이거나, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 가이드하는 돌출 구조의 형태로 형성될 수 있다. 또는 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착되는 자석과 같은 자성체의 형태로 형성되어, 상기 무선 전력 수신장치(200) 내부에 장착된 다른 극의 자성체와의 상호간 인력에 의하여 상기 코일들이 적합한 배열을 이루도록 가이드할 수도 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 하나 이상의 전송 코일 중에서 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 적합하게 배열된 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 무선 전력 전송장치(100)에 관하여 도 5를 참조하여 후술된다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다. 도 4A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명하고, 도 4B를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명한다.
도 4A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111a) 및 인버터(1112)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)는, 전술된 바와 같이, 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111a)은 평판 나선형태(Planar Spiral type) 또는 원통형 솔레노이드 형태(Cylindrical Solenoid type)로 구현될 수 있다.
상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190)로부터 얻은 직류 입력(DC input)을 교류 파형(AC waveform)으로 변형시킨다. 상기 인버터(1112)에 의해 변형된 교류 전류는 상기 전송 코일(1111a) 및 커패시터(capacitor)(미도시)를 포함하는 진동 회로(resonant circuit)를 구동시킴으로써 자기장이 상기 전송 코일(1111a)에서 형성된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 위치 결정부(Positioning Unit)(1114)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 위치 결정부(1114)는 상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 상기 전송 코일(1111a)을 이동 또는 회전시킬 수 있다. 이는, 전술된 바와 같이, 유도 결합 방식에 의한 전력 전달은 1차 및 2차 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받기 때문이다. 특히, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
따라서, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전송 코일(1111a)과 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 수신 코일(2911a)의 중심간 거리(distance)가 일정 범위 이내가 되도록 상기 전송 코일(1111a)을 이동시키거나, 상기 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a)의 중심이 중첩되도록 상기 전송 코일(1111a)를 회전시키는 구동부(미도시)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지하는 센서로 이루어진 위치 감지부(detection unit)(미도시)를 더 구비할 수 있고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 위치 감지 센서로부터 수신한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
또한, 이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고, 상기 수신된 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
만약, 상기 전력 변환부(111)가 복수의 전송 코일을 포함하도록 구성되었다면, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 복수의 전송 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다. 상기 복수의 전송 코일을 포함한 무선 전력 전송장치(100)의 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 센싱부(1115)는 상기 전송 코일(1111a)에 흐르는 전류 또는 전압을 모니터링한다. 상기 전력 센싱부(1115)는 무선 전력 전송장치(100)의 정상동작 여부를 확인하기 위한 것으로, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하고, 상기 검출된 전압 또는 전류가 임계값을 초과하는지를 확인할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)는, 도시되지 않았으나, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하기 위한 저항과 상기 검출된 전원의 전압값 또는 전류값과 임계값을 비교하여 그 비교 결과를 출력하는 비교기를 포함할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 상기 확인 결과를 기초로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 스위칭부(미도시)를 제어하여 상기 전송 코일(1111a)로 인가되는 전원을 차단할 수 있다.
도 4B를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전원 공급부(290)는 수신 코일(Rx 코일)(2911a) 및 정류 회로(2913)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)로부터 형성된 자기장에 변화에 의하여 상기 수신 코일(2911a)에서 전류가 유도된다. 상기 수신 코일(2911a)의 구현 형태는, 상기 전송 코일(1111a)의 경우와 마찬가지로, 평판 나선 형태 또는 원통형 솔레노이드 형태일 수 있다.
또한, 무선 전력의 수신 효율을 높이거나 공진 감지(resonant detection)를 위해 직/병렬 커패시터들(series and parallel capacitors)이 상기 수신 코일(2911a)과 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 수신 코일(2911a)은 단일 코일 또는 복수의 코일 형태일 수 있다.
상기 정류 회로(2913)는 교류를 직류로 변환시키기 위하여 전류에 대하여 전파 정류(full-wave rectification)를 수행한다. 상기 정류 회로(2913)는, 예컨대, 4개의 다이오드로 이루어진 브릿지(full bridge) 정류 회로, 또는 능동 소자(active components)를 이용한 회로로 구현될 수 있다.
그 밖에, 상기 정류 회로(2913)는 정류된 전류를 보다 평탄하고 안정적인 직류로 만들어 주는 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 정류 회로(2913)의 출력 전원은 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소들에게 공급된다. 또한, 상기 정류 회로(2913)은 출력되는 직류 전원을 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소(예컨대, 충전부(298)와 같은 회로)에 필요한 전원에 맞추기 위하여 적정한 전압으로 변환하는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 더 포함할 수 있다.
상기 변복조부(293)는 상기 전력 수신부(291)과 연결되고, 직류 전류에 대해서는 저항(resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다. 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 변복조부(293)의 저항 또는 리액턴스를 변경시킴으로써 상기 전력 수신부(291)에 수신되는 무선 전력 신호를 변조할 수 있다.
한편, 상기 전원 공급부(290)는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 전력 센싱부(2914)는 상기 정류 회로(2913)에 의하여 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과 상기 정류된 전원의 전압 및/또는 전류가 임계값을 초과하는 경우 상기 전력 수신 제어부(292)는 적절한 전력을 전달하도록 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전력 제어 메시지를 송신한다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)로 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 부분적으로 겹치는 1차 코일들의 배열(an array of partly overlapping primary coils)일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 일부에 의하여 활동 영역이 결정될 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치가 감지되면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 고려하여 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 유도 결합 관계에 놓일 수 있는 코일들이 연결될 수 있도록 상기 다중화기(1113)를 제어할 수 있다.
이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에 구비된 상기 위치 감지부(미도시)에 의하여 상기 인터페이스 표면 상의 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 획득할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)을 각각 이용하여 상기 인터페이스 표면 상의 물체로부터 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 전력 제어 메시지 또는 상기 물체의 식별 정보를 나타내는 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신된 결과를 기초로 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 어느 코일의 위치와 근접한지를 판단함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수도 있다.
한편, 상기 활동 영역은 상기 인터페이스 표면의 일부로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 부분을 의미할 수 있다. 이 때, 상기 활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 전송 코일 또는 하나 이상의 전송 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있다. 따라서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 기초로 활동 영역을 결정하고, 상기 활동 영역에 대응되는 주요 셀의 연결을 수립하여 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)와 상기 주요 셀에 속한 코일들이 유도 결합 관계에 놓일 수 있도록 상기 다중화기(1113)을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 연결된 코일들과 진동 회로(resonant circuit)를 형성하도록 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭부(impedance matching unit)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 도 6 내지 도 8을 참조하여 무선 전력 전송장치가 공진 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
공진 결합 방식
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
먼저, 공진(resonance)(또는 공명)에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 공진(resonance)이란, 진동계가 그 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 말한다. 공진은 역학적 진동 및 전기적 진동 등 모든 진동에서 일어나는 현상이다. 일반적으로 외부에서 진동계에 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때 그 진동계의 고유 진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 그 진동은 심해지고 진폭도 커진다.
같은 원리로, 일정 거리 내에서 떨어져 있는 복수의 진동체들이 서로 동일한 주파수로 진동하는 경우, 상기 복수의 진동체들은 상호 공진하며, 이 경우 상기 복수의 진동체들 간에는 저항이 감소하게 된다. 전기 회로에서는 인덕터과 커패시터를 사용하여 공진 회로를 만들 수 있다.
무선 전력 전송장치(100)의 전력 전달이 공진 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110)에서 교류 전원에 의하여 특정한 진동 주파수를 가진 자기장이 형성된다. 상기 형성된 자기장에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진 현상이 일어나는 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 내에서는 상기 공진 현상에 의하여 전력이 발생된다.
공진 주파수는, 예를 들어, 다음 수학식 1과 같은 수식에 의하여 결정될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 공진 주파수(f)는 회로 내의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)에 의하여 결정된다. 코일을 사용하여 자기장을 형성하는 회로에 있어서 상기 인덕턴스는 상기 코일의 회전 수 등에 의하여 결정되고, 상기 커패시턴스는 상기 코일 사이의 간격, 면적 등에 의하여 결정될 수 있다. 상기 공진 주파수를 결정하기 위하여 상기 코일 외에 용량성 공진 회로가 연결되도록 구성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력이 전송되는 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기장이 형성되는 전송 코일(Tx coil)(1111b) 및 상기 전송 코일(1111b)와 연결되고 특정한 진동 주파수를 결정하기 위한 공진 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 공진 회로(1116)는 용량성 회로(capacitors)를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 상기 특정한 진동 주파수가 결정된다.
상기 공진 회로(1116)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 변환부(111)가 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 전송 코일(1111b)과 병렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 형성된 자기장에 의하여 공진 현상이 일어날 수 있도록 구성된 공진 회로(2912) 및 수신 코일(Rx coil)(2911b)을 포함한다. 즉, 상기 공진 회로(2912)는 역시 용량성 회로를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 공진 회로(2912)는 상기 수신 코일(2911b)의 인덕턴스와 상기 공진 회로(2912)의 커패시턴스를 기초로 결정되는 공진 주파수가 상기 형성된 자기장의 공진 주파수와 동일하도록 구성된다.
상기 공진 회로(2912)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 수신부(291)가 상기 자기장에 의하여 공진이 일어날 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 수신 코일(2911b)과 직렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)에서의 상기 특정한 진동 주파수는 LTx, CTx를 가지고 상기 수학식 1을 이용하여 획득될 수 있다. 여기서, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LRX 및 CRX를 상기 수학식 1에 대입한 결과가 상기 특정한 진동 주파수와 동일한 경우에 상기 무선 전력 수신장치(200)에서는 공진이 일어난다.
공진 결합에 의한 무선 전력 전송 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 각각 동일 주파수로 공진하는 경우 전자파가 근거리 전자장을 통해 전달되게 되므로, 주파수가 다르면 상기 기기간 에너지 전달이 없게 된다.
따라서, 상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향이 큰 반면, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열 및 거리에 따른 영향은 유도 결합 방식에 비해 상대적으로 작다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 7A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명된다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111b), 인버터(1112) 및 공진 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인버터(1112)는 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)와 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111b)은 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하기 위한 전송 코일(1111a)과 별도로 장착될 수 있으나, 하나의 단일 코일을 이용하여 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식으로 전력을 전달할 수도 있다.
상기 전송 코일(1111b)은, 전술된 바와 같이, 전력을 전달하기 위한 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)는 교류 전원이 인가되면 진동이 발생할 수 있으며, 이 때 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 진동 주파수가 결정될 수 있다.
이를 위하여 상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190) 로부터 얻은 직류 입력을 교류 파형으로 변형시키고, 상기 변형된 교류 전류가 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)에 인가된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수 값을 변경시키기 위한 주파수 조절부(1117)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수는 수학식 1에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 구성하는 회로내의 인덕턴스 및 커패시턴스를 기초로 결정되므로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변경되도록 상기 주파수 조절부(1117)를 제어함으로써 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
상기 주파수 조절부(1117)는, 예를 들어, 상기 공진 회로(1116)에 포함된 커패시터 간의 거리를 조절하여 커패시턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 전송 코일(1111b)의 회전 수(number of turns) 또는 직경을 조절하여 인덕턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 결정하는 능동 소자들을 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 동작에 대해서는 전술된 바와 동일하다.
도 7B를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명된다. 상기 전원 공급부(290)는, 전술된 바와 같이, 상기 수신 코일(Rx coil)(2911b) 및 공진 회로(2912)를 포함하도록 구성될 수 있다.
그 외에도, 상기 전원 공급부(290)의 전력 수신부(291)는 공진 현상에 의하여 생성된 교류 전류를 직류로 변환시키는 정류 회로(2913)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 정류 회로(2913)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 수신부(291)는 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(2914)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 및 각 전송 코일들과 연결된 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)은 동일한 공진 주파수를 갖도록 설정되거나, 일부가 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 설정될 수 있다. 이는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들이 어떠한 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 갖는지에 따라 결정된다.
이를 위하여, 상기 주파수 조절부(1117)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변경시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
In - band communication
도 9는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 변환부(111)는 무선 전력 신호를 형성한다. 상기 무선 전력 신호는 상기 전력 변환부(111)에 포함된 전송 코일(1111)을 통하여 형성된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 전자 기기(200)에 도달하여, 상기 전자 기기(200)에 포함된 전력 수신부(291)를 통하여 수신된다. 상기 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 포함된 수신 코일(2911)을 통하여 수신된다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)와 연결된 상기 변복조부(293)을 제어하여 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)한다. 상기 수신되는 무선 전력 신호가 변조되는 경우에 상기 무선 전력 신호는 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field) 내에서 폐루프(closed-loop)를 형성하므로 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하는 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 변조된 무선 전력 신호(10b)를 감지할 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 감지된 무선 전력 신호를 복조(demodulation)하고, 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 패킷을 디코드할 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 전자 기기(200) 간의 통신에 사용되는 변조 방법은 진폭 변조(Amplitude Modulation)일 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 진폭 변조 방식은 상기 전력 변환부(111)가 형성한 무선 전력 신호(10a)의 진폭을 상기 전자 기기(200) 측의 변복조부(293)가 변경시켜 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(293)가 상기 변조된 무선 전력 신호(10b)의 진폭을 검출하는 백스캐터 변조(backscatter modulation) 방식일 수 있다.
무선 전력 신호의 변조 및 복조
이하, 도 10 및 도 11A, 도 11B 및 도 11C를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200) 사이에서 송수신되는 패킷의 변조 및 복조에 대하여 설명된다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 전력 제어 메시지를 송수신하기 위한 구성을 도시한다. 도 11은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 수행되는 변조 및 복조에서의 신호의 형태를 도시한다.
도 10을 참조하면, 상기 전자 기기(200) 측의 상기 전력 수신부(291)를 통하여 수신되는 무선 전력 신호는 도 11A에 도시된 바와 같이 변조되지 않은 무선 전력 신호(51)이다. 상기 전력 수신부(291) 내의 공진 형성 회로(2912)에 의하여 설정된 공진 주파수에 따라 상기 전자 기기(200) 및 상기 무선 전력 전송장치(100) 사이에 공진 결합이 이루어지고, 상기 수신 코일(2911b)을 통하여 상기 무선 전력 신호(51)가 수신된다.
전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)을 통하여 수신되는 무선 전력 신호(51)를 상기 변복조부(293) 내의 부하 임피던스(Impedance)를 변경시킴으로써 변조한다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 신호(51)를 변조하기 위한 수동 소자(2931) 및 능동 소자(2932)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송하고자 하는 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호(51)를 변조한다. 이때, 상기 패킷은 상기 변복조부(293) 내의 상기 능동 소자(2932)에 입력될 수 있다.
그 후, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 송신 제어부(112)는 상기 변조된 무선 전력 신호(52)를 포락선 검출(Envelop Detection) 과정을 통하여 복조하고, 상기 검출된 신호(53)를 디지털 데이터(54)로 디코드한다. 상기 복조 과정은 변조된 무선 전력 신호에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 또는 전압이 HI 상태(HI state) 및 LO 상태(state)로 두 가지 상태로 구분되는 것을 감지하고, 상기 상태들에 따라 구분되는 디지털 데이터를 기초로 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 패킷을 획득하는 것이다.
이하에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 복조된 디지털 데이터로부터 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 전력 제어 메시지를 획득하는 과정을 설명한다.
도 11B를 참조하면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 포락선 검출된 신호로부터 클럭 신호(CLK)를 이용하여 인코딩된 비트를 검출한다. 상기 검출되는 인코딩된 비트는 상기 전자 기기(200) 측의 변조 과정에서 사용된 비트 인코딩 방법에 따라 인코딩 된 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비트 인코딩 방법은 NRZ(non-return to zero)일 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 비트 인코딩 방법이 2-위상(bi-phase) 인코딩일 수 있다.
예컨대, 어떤 실시 예들에서, 상기 검출되는 비트는 차동 2-위상(differential bi-phase; DBP) 인코딩된 것일 수 있다. 상기 DBP 인코딩에 의하면, 상기 전자 기기(200) 측의 전력 수신 제어부(292)는 데이터 비트 1을 인코딩하기 위하여 두 번의 상태 전이(transitions)를 갖도록 하고, 데이터 비트 0을 인코딩하기 위하여 한 번의 상태 전이를 갖도록 한다. 즉, 데이터 비트 1은 상기 클럭 신호의 상승 에지(rising edge) 및 하강 에지(falling edge)에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것이고, 데이터 비트 0은 상기 클럭 신호의 상승 에지에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것일 수 있다.
한편, 상기 전력 송신 제어부(112)는 비트 인코딩 방법에 따라 검출된 비트열로부터 패킷을 구성하는 바이트 포맷(byte format)을 이용하여 바이트 단위의 데이터를 획득할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 검출된 비트열은 도 11C에 도시된 바와 같은 11 비트 비동기 직렬 포맷(11-bit asynchronous serial format)을 이용하여 전송된 것일 수 있다. 즉, 바이트의 시작을 알리는 시작 비트(start bit)와 종료를 알리는 종료 비트(stop)를 포함하고, 시작 비트와 종료 비트 사이에 데이터 비트들(b0 내지 b7)을 포함할 수 있다. 또한, 데이터의 오류를 검사하기 위한 패러티 비트(parity bit)가 추가될 수 있다. 상기 바이트 단위의 데이터는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 구성한다.
[in-band two-way communication을 지원하는 경우]
이상, 도 9에는 상기 무선 전력 전송 장치(100)가 형성한 반송파 신호(carrier signal)(10a)를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 패킷을 송신하는 것에 대하여 도시되었으나, 상기 무선 전력 전송 장치(100)도 위와 유사한 방식으로 상기 무선 전력 수신장치(200)에 데이터를 전송할 수 있다.
즉, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 제어하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 보낼 데이터가 상기 반송파 신호(10a)에 실리도록 변조할 수 있다. 이와 같은 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 변조된 상기 반송파 신호(10a)로부터 데이터를 획득할 수 있도록 상기 변복조부(293)를 제어하여 복조를 수행할 수 있다.
패킷 포맷
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 신호를 이용한 통신에서 사용되는 패킷의 구조가 설명된다.
도 12A, 도 12B 및 도 12C는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 12A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 전송하고자 하는 데이터를 명령 패킷(command_packet)(510)의 형태로 송수신할 수 있다. 상기 명령 패킷(510)은 헤더(511) 및 메시지(512)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 헤더(511)는 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터의 종류를 지시하는 필드를 포함할 수 있다. 상기 데이터의 종류를 지시하는 필드가 나타내는 값을 기초로 상기 메시지의 크기 및 그 종류가 결정될 수 있다.
또한, 상기 헤더(511)는 상기 패킷의 발신자를 식별할 수 있는 주소 필드를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 주소 필드는 상기 전자 기기(200)의 식별자 또는 상기 전자 기기(200)가 속한 그룹의 식별자를 나타낼 수 있다. 상기 전자 기기(200)가 상기 패킷(510)을 전송하고자 하는 경우에, 상기 전자 기기(200)는 상기 패킷(510)의 상기 주소 필드가 자신의 식별 정보를 나타내도록 상기 패킷(510)을 생성할 수 있다.
상기 메시지(512)는 상기 패킷(510)의 발신자가 전송하고자 하는 데이터를 포함한다. 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터는 상대방에 대한 보고 사항(report), 요청 사항(request) 또는 응답 사항(response)일 수 있다.
한편, 어떤 실시 예에 있어서, 상기 명령 패킷(510)은 도 12B에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 상기 명령 패킷(510)에 포함된 상기 헤더(511)는 일정한 크기로 표현될 수 있다. 예컨대, 상기 헤더(511)는 두 바이트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 수신 주소 필드를 포함하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 수신 주소 필드는 6 비트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 OCF(Operation command field) 또는 OGF(Operation group field)를 포함하도록 구성될 수 있다. OGF는 상기 전자 기기(200)를 위한 커맨드의 그룹별로 부여되는 값이며, OCF는 상기 전자 기기(200)가 포함된 각 그룹 내에 존재하는 커맨드 별로 부여되는 값이다.
상기 메시지(512)는 파라미터의 길이(length) 필드(5121)와 파라미터의 값(value) 필드(5122)로 구분하여 표현될 수 있다. 즉, 상기 패킷(510)의 발신자는 상기 메시지를 상기 전송하고자 하는 데이터를 표현하기 위해 필요한 하나 이상의 파라미터의 길이-값 쌍(5121a-5122a 등)의 형태로 구성할 수 있다.
도 12C를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 상기 명령 패킷(510)에 전송을 위한 프리앰블(520) 및 체크섬(530)을 부가한 패킷의 형태로 상기 데이터를 송수신 할 수 있다.
상기 프리앰블(520)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 수신되는 데이터와 동기화를 수행하고 상기 명령 패킷(510)의 시작 비트를 정확히 검출하기 위해 사용된다. 상기 프리앰블(520)은 동일한 비트가 반복되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 프리앰블(520)은 상기 DBP 인코딩에 따른 데이터 비트 1이 11번 내지 25번 반복되도록 구성될 수 있다.
상기 체크섬(530)은 전력 제어 메시지가 전송되는 도중에 상기 명령 패킷(510)에 발생할 수 있는 오류를 감지하기 위하여 사용된다.
동작 상태( Phases )
이하에서, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들에 대하여 설명된다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들을 도시한다. 또한, 도 14 내지 도 18은 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태는 선택 상태(Selection Phase) (610), 검출 상태(Ping Phase)(620), 식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)(630), 그리고 전력 전송 상태(Power Transfer Phase)(640)로 구분될 수 있다.
상기 선택 상태(610)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 무선으로 전력을 전송할 수 있는 범위 내에 물체(object)들이 존재하는지 여부를 감지하고, 상기 검출 상태(620)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 감지된 물체로 검출 신호를 보내고, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 검출 신호에 대한 응답을 보낸다.
또한, 상기 식별 및 설정 상태(630)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 이전 상태들을 통하여 선택된 무선 전력 수신장치(200)를 식별하고 전력 전달을 위한 설정 정보를 획득한다. 상기 전력 전송 상태(640)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 수신한 제어 메시지에 대응하여 전송하는 전력을 조절하면서, 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
이하에서는, 상기 각 동작 상태를 구체적으로 설명한다.
1) 선택 상태 ( Selection Phase )
상기 선택 상태(610)에 있는 무선 전력 전송장치(100)는 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행한다. 상기 감지 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 전력 변환부(111)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 말한다. 상기 검출 상태(620)와 비교하여, 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 수신장치(200)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태(610)에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태(620)에서 디지털 형식의 패킷을 이용하지 아니하고 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 불릴 수 있다.
상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 물체가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)와 그 밖의 물체들(예를 들어, 열쇠, 동전 등)을 구분할 수 있다.
전술된 바와 같이, 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리가 다르므로 상기 선택 상태(610)에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.
먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지할 수도 있다. 전술된 바와 같이, 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성된 무선 전력 전송장치(100)는 상기 선택 상태(610)에서 상기 검출 상태(620)로 진입하고, 상기 검출 상태(620)에서 각각의 코일을 이용하여 상기 물체로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태(630)로 진입하여 상기 물체로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 무선 전력 수신장치(200)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.
또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로써 상기 물체를 검출할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들(620, 630, 640)로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)에 있어서, 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들(620, 630, 640)에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 선택 상태(610)는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle phase)에 해당하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나, 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.
2) 검출 상태 ( Ping Phase )
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력 제어 메시지를 통해 상기 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 검출하는 과정을 수행한다. 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 무선 전력 수신장치(200)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태(620)에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 불릴 수 있다.
상기 검출 상태(620)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득한다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 인지 할 수 있다.
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 디지털 검출 과정을 수행하기 위하여 형성하는 검출 신호는 특정 동작 포인트(operating point)의 전력 신호를 일정한 시간 동안 인가함으로써 형성되는 무선 전력 신호일 수 있다. 상기 동작 포인트는 전송 코일(Tx coil)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.
한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 도 14에 도시된 바와 같은 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)(5100)을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5100)은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5120) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지(5130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5130) 내의 전력 신호의 강도는 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태(630)로 진입할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태(630)에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.
다만, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)를 발견하지 못한 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 동작 상태는 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
3) 식별 및 설정 상태 ( Identification and Configuration Phase )
상기 식별 및 설정 상태(630)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 15A에 도시된 바와 같은 무선 전력 수신장치(200)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)(5200) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5200)은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5220) 및 상기 무선 전력 수신장치의 식별 정보를 포함하는 메시지(5230)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5230)는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보(2531 및 5232), 상기 무선 전력 수신장치(200)의 제조 업체를 식별하는 정보(5233), 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234) 및 기본 장치 식별자(5235)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234)에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 도 15B에 도시된 바와 같은 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet)(5300) 이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷(5300)은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5320) 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지(5330)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보(5233), 상기 기본 장치 식별자(5235) 및 상기 확장 장치 식별자(5330)에 기초한 정보가 사용될 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같은 설정 패킷(Configuration Packet)(5400) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더(5420) 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지(5430)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5430)는 전력 클래스(5431), 예상 최대 전력에 대한 정보(5432), 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자(5433), 선택적인 설정 패킷들의 수(5434)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자(5433)는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 무선 전력 수신장치(200)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태(640)에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 상태(640)로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료하고, 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 무선 전력 수신장치를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료할 수 있다.
4) 전력 전송 상태 ( Power Transfer Phase )
상기 전력 전송 상태(640)에서의 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력을 전송하는 도중에 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 전송 코일에 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 전송 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 도 17에 도시된 바와 같은 제어 오류 패킷(Control Error Packet)( 5500)에 포함될 수 있다. 상기 패킷(5500)은 제어 오류 패킷임을 알리는 헤더(5520)와 제어 오류 값을 포함하는 메시지(5530)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 제어 오류 값에 따라 상기 전송 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 상기 제어 오류 값이 0인 경우에 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.
상기 전력 전송 상태(640)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링한 결과, 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송을 취소하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태(640)를 종료할 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태(630)로 되돌아 갈 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)(5600)일 수 있다. 상기 패킷(5600)은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더(5620) 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지(5630)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오류(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오류(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오류(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
다수의 전자 기기의 통신 방법
이하, 하나의 무선 전력 송신장치로부터 하나 이상의 전자 기기들이 무선 전력 신호를 이용하여 통신을 수행하는 방법이 설명된다.
도 19는 무선 전력 전송장치가 하나 이상의 무선 전력 수신장치들에게 전력을 전달하는 방법을 도시한 개념도이다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 수신 장치(200, 200')들을 위하여 전력을 전송할 수 있다. 도 19에는 두 개의 전자 기기들(200, 200')이 도시되어 있으나, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 방법은 도시된 전자 기기들의 숫자로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 활동 영역 및 감지 영역은 차이가 있다. 따라서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 공진 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신장치가 존재하는지 여부, 또는 유도 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신 장치가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다. 상기 판단 결과에 따라 각 무선 전력 전달 방식을 지원하는 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 각 무선 전력 수신장치에 대하여 전력 전달 방식을 변경할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 무선 전력 전송에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 동일한 무선 전력 전달 방식으로 하나 이상의 전자 기기들(200, 200')을 위하여 전력을 전송하는 경우에 상기 전자 기기들(200, 200')이 서로간 충돌없이 상기 무선 전력 신호를 통하여 통신을 수행할 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)에 도달한다. 상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 상기 형성된 무선 전력 신호를 이용하여 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다.
상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신장치로 동작한다. 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 상기 전력 수신장치는 상기 형성된 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신부(291', 291); 상기 수신된 무선 전력 신호에 대하여 변조 및 복조를 수행하는 변복조부(293', 293); 및 전력 수신장치의 각 구성요소들을 제어하는 제어부(292', 292)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 상기 도면에서 설명한 구성요소들과 동일한 구성요소를 동일한 도면부호를 붙여서 설명한다. 도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 21A 및 도 21B는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신장치의 서로 다른 회로 구조를 나타낸 회로도들이다. 도 22 및 도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어를 위한 스위칭 방식을 나타낸 개념도들이다.
종래에는 무선 전력 수신장치(200)에 수신되는 전력을 무선 전력 수신장치(200) 자체에서 제어하지 않고, 무선 전력 전송장치(100)와의 통신을 통하여, 무선 전력 전송장치(100)에서 제어하였다. 즉, 무선 전력 수신장치(200)는 수신될 전력량 정보를 무선 전력 전송장치(100)에 전송하고, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 수신된 전력량 정보에 기초하여, 무선 전력을 전송하였다.
이 경우, 무선 전력 수신장치(200)는 수신되는 전력을 제어하기 위하여, 무선 전력 통신 장치와 통신을 수행하여야 한다는 불편함이 있었다. 또한, 무선 전력 수신장치(200)는 통신을 수행함으로 인한 지연 시간이 발생하는 문제점이 있었다.
나아가, 무선 충전 기술의 발전에 따라, 일대일 충전 방식이 아닌, 다대일 충전 방식(하나의 무선 전력 전송장치가 다수의 무선 전력 수신장치를 함께 충전하는 방식)이 개발되었고, 상기 다대일 충전 방식에서는 하나의 무선 전력 전송장치가 복수의 무선 전력 수신장치의 전력을 각각 제어하기 어려운 문제가 발생하였다.
이에, 본 발명에서는 무선 전력 수신장치(200) 자체에서 전력을 제어하는 방법을 제안한다.
본 발명은, 앞서 도 2B에서 설명한 구성뿐만 아니라, 무선 전력 수신장치(200)에서 무선 전력 전송장치(100)로부터 수신된 전력을 제어하기 위하여, 무선 전력 수신장치의 공진 주파수를 변경시키는 전력 제어부(2921)를 포함할 수 있다.
상기 전력 제어부(2921)는 무선 전력 전송장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신부(291) 및 상기 전력을 이용하여 충전을 수행하는 충전부(298)와 연결될 수 있다. 즉, 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 전력 제어부(2921)는 상기 전력 수신부(291)로부터 수신된 전력을 제어하여, 상기 충전부(298)에 전달할 수 있다.
이하에서는 상기 전력 제어부(2921)의 구성 및 동작 방식에 대하여 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
상기 전력 제어부(2921)는 상기 전력 수신부(291)에서 수신된 전력의 적어도 일부를 수신하도록 공진 주파수를 변경할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전력 제어부(2921)는 기 설정된 전력을 수신하여 충전부(298)에 제공하기 위하여, 상기 전력 수신부(291)에 수신된 전력의 적어도 일부를 수신할 수 있다.
이를 위하여, 상기 전력 제어부(2921)는 제1커패시터(C1), 제2커패시터(C2), 제1스위치(M1), 제2스위치(M2) 및 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 스위치 제어부(2922)를 포함할 수 있다. 여기에서, 상기 제2커패시터(C2), 제1스위치(M1) 및 제2스위치(M2)를 가변커패시터부로 명명할 수 있다.
상기 제1커패시터 및 가변커패시터부는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 제1커패시터 및 가변커패시터부가 병렬로 연결된 경우, 상기 전력 제어부(2921)는 제1커패시터 값부터 제1커패시터 값과 제2커패시터 값을 합한 값의 범위 내에서, 등가 커패시터 값을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 커패시터의 값은 기 설정될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 커패시터는 동일한 커패시터 값을 가질 수도 있고, 서로 다른 커패시터 값을 가질 수도 있다.
상기 가변커패시터부는 상기 제1 및 제2 스위치가 상기 제2커패시터에 직렬로 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치는 반도체 소자를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 스위치는 트랜지스터(Transistor), FET(field Effect Transistor), IPS(Intelligent Power Switching) 소자, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor field Effect Transistor), 전자릴레이 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등이 될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치는 서로 직렬로 연결되어, 양방향 스위칭 특성을 가질 수 있다. 상기 양방향 스위칭은 서로 다른 방향의 전류를 스위치를 통하여 통과시키는 특성을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 양방향 스위칭 특성을 갖는 제1 및 제2 스위치에 교류 전류가 흐르는 경우, 상기 제1스위치는 제1방향의 전류(예를 들어, 양의 값을 갖는 전류)를 통과시키고 및 제2스위치는 제2방향의 전류(예를 들어, 전류가 음의 값을 갖는 전류)를 통과시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치는 다양한 형태로 배열될 수 있다.
예를 들어, 도 21A에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 스위치는 상기 양방향 특성을 가지도록 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 21A에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 스위치는 PMOS 및 NMOS의 소스단(Source)이 서로 연결되어, 직렬로 배치될 수 있다.
또 다른 예로, 도 21B에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 스위치는 PMOS와 NMOS의 소스단이 서로 다른 지점에 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 스위치의 사이에는 단방향 트렌지스터를 추가적으로 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 소스단이 서로 다른 지점에 연결되어, 상기 21A의 회로보다 스위치의 제어가 편리하다는 장점을 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치의 배치 상태는 앞서 설명한 예시 이외에도 다양한 형태로 구현될 수 있다.
상기 스위치 제어부(2922)는 상기 제1 및 제2 스위치와 연결되고, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하여, 무선 전력 수신장치의 공진 주파수를 변경시킬 수 있다. 여기에서, 공진 주파수는 무선 전력 수신장치(200)의 동작 주파수를 의미할 수 있다.
즉, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 공진 주파수를 변경함으로써, 무선 전력 전송장치(100)로부터 수신되는 전력의 일부만을 수신할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송장치(100)의 구동 주파수가 제1주파수인 경우, 상기 스위치 제어부(2922)는 기 설정된 전력 값이 수신되도록 상기 제1주파수와 다른 제2주파수를 공진 주파수로 설정하고, 상기 제2주파수에 기초하여, 상기 제1주파수를 가지며 전송된 전력 중 적어도 일부의 전력을 수신할 수 있다.
일 예로, 상기 스위치 제어부(2922)는 최대 전력을 수신하기 위하여, 상기 공진 주파수를 무선 전력 전송장치의 구동 주파수와 동일하게 변경할 수 있다. 또 다른 예로, 상기 스위치 제어부(2922)는 기 설정된 전력량을 수신하도록 상기 구동 주파수와 다른 주파수를 공진 주파수로 설정할 수 있다.
이를 통하여, 본 발명은 무선 전력 수신장치(200) 스스로 무선 전력 전송장치와의 통신을 수행하지 않고 수신되는 전력량을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명은 무선 전력 전송장치(100)의 구동 주파수를 변경하지 않아도 되기 때문에, 주파수 규제 문제에서 자유로울 수 있다. 또한, 본 발명은 무선 전력 전송장치(100)의 구동 전압을 변경하지 않아도 되기 때문에, 코일 및 커패시터의 산포 대응에 유리할 수 있다.
이하에서는 도 21A에 도시된 회로를 기준으로, 상기 스위치 제어부(2922)가 상기 제1 및 제2 스위치의 제어에 따라 커패시터의 값이 변경되는 것에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 도 21A에 도시된 회로 이외에도 다양한 형태의 스위치 배치 상태에서도 모두 적용될 수 있다.
도 22를 참조하면, 상기 전력 제어부(2921)는 교류 전압(Vac)이 흐를 수 있다. 또한, 상기 전력 제어부(2921)에 흐르는 전류(Iac)는 상기 교류 전압과 90도의 위상차를 가질 수 있다.
이때, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티(Effective Duty)를 조절하여, 전력 제어부(2921)의 커패시터의 값을 변경할 수 있다. 상기 유효 듀티는 커패시터의 값과 관련된 변수로, 스위치가 켜진 시간 구간 중 등가 커패시터 값의 변경에 영향을 미치는 시간 구간을 의미할 수 있다. 또한, 상기 유효 듀티는 상기 제1 및 제2스위치가 켜진 시간 구간 중 제2커패시터에 전류가 흐르는 시간 구간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 22를 참조하면, 상기 유효 듀티는 t2부터 t3까지의 시간 구간을 의미할 수 있다.
상기 유효 듀티와 달리 스위치의 주기는 스위치가 커진 시간 구간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 22를 참조하면, 상기 스위치 주기는 t1부터 t3까지의 시간 구간을 의미할 수 있다. 이때, 상기 t1부터 t2시간에는 상기 제2커패시터에 전류가 흐르지 않을 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 t1부터 t2시간에는 제2커패시터의 전압 값이 제1커패시터의 전압 값보다 작기 때문에, 상기 제2커패시터에 전류가 흐르지 않고, 상기 t2부터 t3시간에는 상기 제2커패시터의 전압 값과 제1커패시터의 전압 값이 동일하여, 상기 제1 및 제2 커패시터에 전류가 흐를 수 있다.
한편, 상기 유효 듀티와 상기 스위치 주기는 서로 다른 시간 구간을 가질 수도 있지만, 동일한 시간 구간을 가질 수도 있다.
다만, 상기 유효 듀티와 상기 스위치 주기가 동일한 경우, 상기 스위치가 켜지는 순간에 상기 전력 제어부(2921)에 과전류가 흐르는 위험이 있을 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명은 상기 유효 듀티와 상기 스위치 주기가 서로 다른 시간 구간을 가지도록 상기 제1 및 제2 스위치를 제어할 수 있다. 상기 유효 듀티와 상기 스위치 주기가 서로 다른 시간 구간을 가지도록 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 것을 소프트 스위칭(soft switching)이라고 명명할 수 있다. 상기 소프트 스위칭이라는 용어는 당업자에 의하여 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 본 발명은 유효 듀티와 스위치 주기가 서로 다른 경우뿐만 아니라, 유효 듀티와 스위치 주기가 동일한 경우에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치가 제어되는 방식에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 특정 등가 커패시터 값을 갖기 위한 유효 듀티에 기초하여, 상기 제1 및 제2스위치를 제어할 수 있다.
상기 특정 등가 커패시터 값은 상기 유효 듀티의 길이에 비례할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 특정 등가 커패시터 값은 상기 유효 듀티의 길이가 길어지는 것에 근거하여, 증가하고, 상기 유효 듀티의 길이가 짧아지는 것에 근거하여, 감소할 수 있다.
이때, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 특정 등가 커패시터의 값을 조절하여, 무선 전력 수신장치(200)에서 수신되는 전력량을 제어할 수 있다. 즉, 상기 스위치 제어부(2922)는 특정 등가 커패시터 값을 검출할 수 있다.
상기 특정 등가 커패시터 값은 사용자에 의하여 선택된 특정 전력량에 기초하여 검출될 수 있다. 또한, 상기 특정 등가 커패시터 값은 무선 전력 수신장치(200)의 충전 상태에 기초하여 검출될 수 있다. 예를 들어, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 현재 충전 상태(예를 들어, 충전 정도)에 가장 효율이 좋은 전력 수신량에 기초하여, 등가 커패시터 값을 검출할 수 있다.
상기 스위치 제어부(2922)는 상기 검출된 등가 커패시터의 값을 갖도록 유효 듀티를 산출할 수 있다. 그리고, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 유효 듀티를 갖도록 상기 제1 및 제2 스위치 중 어느 하나가 열리거나 닫히도록 제어할 수 있다.
상기 스위치 제어부(2922)는 상기 교류 전압 값이 증가하는 구간에서, 상기 제1 스위치가 닫히도록 상기 제1 스위치를 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 제1커패시터의 전압 값이 0이 되는 구간을 포함하면서 상기 제1커패시터의 전압 값이 증가하는 구간이 유효 듀티가 되도록 제1스위치를 제어할 수 있다.
또 다른 예로, 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 제1커패시터의 전압 값이 0이 되는 구간을 포함하지 않으면서, 상기 제1커패시터의 전압값이 증가하는 구간 중 적어도 일부가 유효 듀티가 되도록 제1스위치를 제어할 수 있다. 이 경우, 본 발명은 전력 제어부(2921)에 수신된 교류 전압의 양의 전압 값을 갖는 부분 또는 음의 전압 값을 갖는 부분만을 이용할 수 있다.
상기 제1스위치가 닫히는 시점은 상기 유효 듀티를 갖는 시점보다 이전 시점에 닫힐 수 있다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 유효 듀티가 t2부터 t3 사이의 시간 구간인 경우, t2보다 이전 시점인 t1 시점에 상기 제1스위치를 닫을 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은 스위치가 순간적으로 켜짐으로 인하여, 커패시터에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 t2 시점부터, 상기 제2커패시터에는 상기 제1커패시터와 동일한 전류가 흐르고, 상기 제2커패시터의 전압 값은 상기 제1커패시터에 흐르는 전압 값과 동일한 전압 값을 가질 수 있다. 그 후, 상기 t3 시점에서, 상기 제1스위치는 열릴 수 있다. 이때, 상기 제2커패시터는 상기 제1 및 제2 스위치 중 어느 하나의 스위치가 열리기 전까지, 상기 t3 시점의 Vc2,max의 전압 값을 가질 수 있다.
상기 t3 시점에서, 상기 제1스위치가 열린 후, 상기 제1커패시터의 전압 값은 상기 전력 제어부(2921)에 흐르는 전압 값과 동일한 전압 값으로, 전압 값이 계속하여, 증가할 수 있다. 이와 함께, 상기 제2커패시터의 전압 값은 Vc2,max 값으로 고정될 수 있다.
상기 제1 및 제2스위치가 열린 상태에서, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 제1스위치의 유효 듀티와 대응되는 유효 듀티를 갖도록 상기 제2스위치를 제어할 수 있다. 즉, 상기 스위치 제어부(2922)는 제1커패시터의 전압 값이 감소하는 구간 중 상기 제1스위치의 유효 듀티와 동일한 시간 구간을 가지며, 전압 값이 반대가 되는 구간을 유효 듀티로 가지도록 상기 제2스위치를 닫을 수 있다.
또한, 상기 스위치 제어부(2922)는 스위칭에 의하여, 제1 및 제2 커패시터에 과전류가 흐르는 것을 방지하도록 상기 제1커패시터의 전압의 절대값이 상기 제2커패시터의 전압의 절대값보다 큰 시점에서, 상기 제2스위치를 닫을 수 있다. 예를 들어, 도 22를 참조하면, 상기 스위치 제어부(2922)는 t5 시점에 상기 제1커패시터가 Vc2,max값을 갖는 경우, 상기 t5 시점보다 이전 시점인 t4 시점에 상기 제2스위치를 닫을 수 있다. 즉, 상기 t4 시점에서, 상기 제1커패시터의 전압값의 절대값은 제2커패시터의 전압값의 절대값보다 클 수 있다.
이 경우, 상기 제2커패시터에는 상기 제1커패시터가 Vc2,max와 동일한 전압 값을 갖는 상기 t5 시점부터 전류가 흐를 수 있다. 즉, 상기 제2커패시터는 t4 시점에서 상기 제2스위치가 닫히더라도, t4시점부터 t5시점까지 전류가 흐르지 않으며, t5 시점부터 전류가 흐를 수 있다. 그 후, 상기 제2커패시터의 전압값은 t5부터 상기 제2스위치가 닫히는 t6시점까지 제1커패시터의 전압값과 동일할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은, 제1 및 제2 커패시터에 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 스위치 제어부(2922)는 상기 제1 및 제2 커패시터의 전압 값이 Vc2,max가 되는 t6 시점에서, 상기 제2스위치를 열 수 있다. 이때, 상기 제2커패시터의 전압 값은 Vc2,max로 고정되고, 상기 제1커패시터의 전압값은 상기 전력 제어부(2921)의 교류 전압과 함께 감소할 수 있다.
상기 제1 및 제2 스위치 중 어느 하나의 스위치가 닫히는 경우, 상기 등가 커패시터의 값은 제1 및 제2 커패시터의 합의 값이고, 상기 제1 및 제2 스위치가 모두 열린 경우, 상기 등가 커패시터의 값은 제1커패시터의 값이 될 수 있다.
이를 통하여, 본 발명은 전체 시간 구간에서, 제1 커패시터 값부터 제1 및 제2 커패시터의 합의 값 사이의 값을 갖는 등가 커패시터 값을 가지는 회로를 구현할 수 있다. 즉, 본 발명은 전기적 제어만으로, 가변 커패시터를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 구동 주파수 변경 또는 구동 전압을 변경하여, 전력을 제어함으로써, 주파수 범위의 한정, 커패시터 및 인덕터의 산포 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 무선 전력 수신장치 자체에서 전력을 제어함으로써, 무선 전력 전송장치와의 추가적인 통신을 수행하지 않아, 통신에 필요한 시간을 줄이고, 통신 에러로 인한 문제점 발생을 감소시킬 수 있다. 즉, 무선 전력 수신장치에서 신속하고 정확하게 전력을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 공진 주파수를 변경하여, 필요한 전력만을 수신함으로써, 기존의 무선 전력 수신장치에 별도의 컨버터(예를 들어, DC/DC 컨버터)를 구비하지 않고도, 원하는 전력을 제공할 수 있다.
한편, 이상에서는 무선 전력 수신장치(200)에서 가변 커패시터를 이용하여 전력을 제어하는 방법에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 무선 전력 전송장치(100)에서도 동일한 방식으로 가변 커패시터를 이용하여 전력을 제어할 수 있다.
이 경우, 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 수신장치(200)로부터 수신된 전력 정보에 근거하여, 구동 주파수를 결정할 수 있다. 그리고, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 수신장치(200)에서의 제어방법과 동일하게 상기 결정된 구동 주파수를 갖도록 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티를 조절할 수 있다.
이하에서는 풀브리지를 이용하여 무선 전력 전송장치의 구동 주파수를 변경하여 전력을 제어하는 방법에 대하여 설명한다. 도 24, 도 25 및 도 26은 복수의 코일을 구비한 무선 전력 전송장치에서, 구동 주파수를 변경하기 위하여 제안된 종래 회로도이다. 도 27은 본 발명에 따른 복수의 코일을 구비한 무선 전력 전송장치에서, 구동 주파수 변경을 위하여 제안된 회로도이다. 도 28 및 도 29는 상기 도 27의 회로도의 구동을 나타낸 개념도들이다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 앞서 설명한 가변 커패시터를 사용하는 방법 이외에도 풀 브리지를 이용하여 무선 전력 수신장치(200)에 전송되는 전력을 제어할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송장치는 풀 브리지가 스위칭되는 전력 전달부를 구비할 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 전력 전달부는 복수의 코일 및 복수의 커패시터를 구비할 수 있다. 또한, 상기 복수의 코일 및 커패시터에는 하프 브리지 또는 풀 브리지가 연결될 수 있다.
상기 전력 전달부는 복수의 코일을 이용하여, 복수의 무선 전력 수신장치에게 개별적으로 전력을 전달할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 복수의 코일을 구비함으로써, 복수의 무선 전력 수신장치에게 동시 또는 이시에 전력을 전달할 수 있다.
상기 전력 전달부는 구동 주파수(Operating Frequency), 듀티 사이클(Duty cycle) 또는 파워 시그널 위상(phase of the Power Signal)의 조합을 풀 브리지에 적용하여, 전송될 전력의 크기를 제어할 수 있다.
이때, 상기 복수의 코일 각각을 제어하기 위하여, 상기 전력 전달부는 복수의 인버터 토폴리지를 구비하여야 한다. 예를 들어, 도 24에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 코일 각각에 풀 브리지가 연결될 수 있다. 이때, 상기 코일이 N개인 경우, 풀 브리지의 개수 또한, N개가 필요하다. 또한, 상기 풀 브리지는 4개의 스위치로 구성되고, 상기 풀 브리지가 N개인 경우, 4N 개가 필요하게 된다.
상기 구조는, 복수의 코일 각각에 인버터가 연결된 구조의 경우, 코일의 개수만큼 무선 전력 전송장치를 구비하는 것과 동일하여, 비용 및 크기 측면에서 이점이 없었다.
이러한 단점을 극복하기 위한 또 다른 구조로써, 도 25에 도시된 바와 같이, 하나의 풀 브리지를 구비하고, 복수의 코일 각각에 스위치를 구비하는 구조가 제안되었다. 여기에서, 상기 스위치는 양방향 스위치이다. 이러한 구조의 경우, 코일이 N개인 경우, 스위치의 개수가 4+2N가 필요하다.
다만, 이러한 구조의 경우, 각각의 코일의 온/오프(On/Off) 제어는 가능하나, 각각의 코일의 전력을 제어할 수 없다. 즉, 도 25의 구조는 코일이 전달하는 전력량을 개별적으로 제어할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 도 25의 구조는 양방향 스위치의 온/오프로 인하여, 코일에 흐르는 과전류가 흐르지 않게 하기 위한 자연감쇠 시간 및 과전류 방지 알고리즘이 별도로 필요하다. 또한, 도 25의 구조는 코일의 구동 시, 최소 6개의 스위치를 통과하기 때문에, 스위치에 의한 효율이 감소하는 문제점이 발생하였다.
또 다른 구조의 일 예로, 도 26에 도시된 바와 같이, M개의 인버터와 N개의 코일 사이에 멀티플렉서(Multiplexer)가 구비될 수 있다. 이와 같은 구조의 경우, 각 코일이 별도의 제어를 수행할 수 있다. 그러나, 이 구조에서 사용되는 멀티 플렉서는 양방향 스위치로 구성되며 총 2XNXM개의 스위치로 구성될 수 있다. 따라서, 스위치의 개수 면에서 이득이 없으며, 코일의 구동시, 많은 수의 스위치를 통과하기 때문에, 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이에, 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 도 27과 같은 구조를 제안한다. 즉, 도 27에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 전달부는 복수의 코일 각각에 서브 하프 브리지가 연결될 수 있다. 이때, 상기 각 코일이 연결된 서브 하프 브리지는 메인 하프 브리지와 연결될 수 있다. 상기 메인 하프 브리지는 각 코일에 연결된 서브 하프 브리지 전부와 연결된 하프 브리지일 수 있다. 즉, 상기 메인 하프 브리지는 각 코일에 연결된 복수의 서브 하프 브리지가 모두 연결되어, 메인 하프 브리지의 기능을 공유하는 하프 브리지일 수 있다. 비록 도면에는 생략되어 있지만, 상기 복수의 서브 하프 브리지 및 메인 하프 브리지는 모두 전력 송신 제어부(112)에 연결되어 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 전력 송신 제어부(112)는 무선 전력 수신장치(200)에 전력을 전달하도록 상기 복수의 코일 중 적어도 하나의 코일을 활성화할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 복수의 코일 중 n번째 코일을 활성화시킬 수 있다.
이때, 상기 활성화시킬 코일을 선택은 WPC 표준에 개시된 방법을 따를 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 복수의 코일 중 무선 전력 수신장치를 검출하기 위한 검출 신호에 대한 응답 신호가 수신된 코일을 활성화시킬 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 복수의 코일 중 활성화시킬 코일이 결정되면, 상기 활성화 시킬 코일에 연결된 서브 하프 브리지 및 공통 하프 브리지를 통하여 전력을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 n번째 코일을 통하여 전송할 전력에 기초하여, 상기 n번째 코일에 연결된 n번째 서브 하프 브리지 및 메인 하프 브리지를 제어할 수 있다. 즉, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 n번째 코일에 대하여 페이즈 쉬프트 풀 브리짓 제어를 수행할 수 있다. 이때, 상기 n번째 코일에 전송할 전력은 n번째 코일로부터 무선 전력을 수신할 무선 전력 수신장치로부터 수신된 설정 정보에 의하여 결정될 수 있다.상기 페이즈 쉬프트 풀 브리지 제어는 각 하프 브리지에 인가되는 전압의 위상차를 제어함으로써, 전력을 제어하는 방법이다.
상기 전력을 제어하는 방법에 대하여 도 28과 함께 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 메인 하프 브리지는 기준 전압을 가질 수 있다. 상기 기준 전압은 변하지 않는 값으로, 상기 코일 상에 연결된 서브 하프 브리지가 가지는 전압들의 위상차의 기준이 되는 전압일 수 있다. 예를 들어, 도 28을 참조하면, 상기 메인 하프 브리지는 Vcom의 전압을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 기준 전압은 9V ± 5%의 크기를 가질 수 있다. 또한, 전력 전달부의 동작 주파수는 110 ± 3 kHz(Duty : 63도)일 수 있다.
상기 복수의 코일은 인덕티브 방식 및 레조난스 방식을 모두 지원하는 코일일 수 있다. 즉, 상기 복수의 코일은 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치가 따르는 방식에 기초하여 전력 전달 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 코일 중 어느 하나의 코일은 코일의 인덕턴스 범위가 9.6uH ± 10%이거나, 9.5uH ± 10%를 가질 수 있다. 또한, 상기 코일과 연결된 공진 커패시터는 460nF ± 5%일 수 있다.
또한, 상기 각 코일들과 연결된 서브 하프 브리지는 상기 기준 전압을 기준으로 위상이 서로 다른 위상차를 갖는 전압이 걸릴 수 있다. 즉, 상기 복수의 코일들은 각각 서로 다른 전력이 전송되도록 상기 코일에 연결된 서브 하프 브리지가 가지는 전압의 위상차를 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 28을 참조하면, 상기 N개의 코일들 중 제1코일에 연결된 제1 서브 하프 브리지는 V1의 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 V1의 전압은 상기 기준 전압과 180도 위상차를 갖는 전압일 수 있다.
이때, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 Vcom과 V1의 위상차를 통하여, 전력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 Vcom과 V1의 위상차가 180도인 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 최대 전력을 전송할 수 있다.
또 다른 예로, 도 29에 도시된 바와 같이, 상기 N개의 코일들 중 제n코일에 연결된 제n 서브 하프 브리지는 Vn의 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 Vn의 전압은 상기 기준 전압과 90도 위상차를 갖는 전압일 수 있다.
이때, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 Vcom과 Vn의 위상차를 통하여, 전력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 29에 도시된 바와 같이, 상기 Vcom과 Vn의 위상차가 90도인 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 90도 위상차에 의하여 최대 전력을 기준으로 일부 전력을 전송할 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 복수의 코일 중 전력을 전송하지 않는 코일에 연결된 서브 하프 브리지에 상기 기준 전압(Vcom)을 가지도록 상기 코일에 연결된 서브 하프 브리지를 제어할 수 있다. 이를 위하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 메인 하프 브리지와 동위상의 전압을 가지도록 상기 서브 하프 브리지를 구성하는 2개의 스위치를 모두 오프시킬 수 있다. 또는, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 메인 하프 브리지와 동위상의 전압을 상기 전력을 전송하지 않는 코일에 연결된 서브 하프 브리지에 인가할 수 있다.
이를 통하여, 본 발명은 전력 전달부를 구성하는 코일이 N개일 경우, 스위치의 개수는 2N+2개만으로 복수의 코일을 개별적으로 제어할 수 있다. 즉, 본 발명은 각 코일을 개별적으로 제어함으로써, 복수의 무선 전력 수신장치에 서로 다른 전력을 동시에 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 메인 하프 브리지를 통하여, 본 발명은 스위치의 개수를 감소시켜, 전력 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 서브 하프 브리지를 구비하는 스위치에 포함된 바디 다이오드(body diode)를 통하여, 인덕터에 과전류가 흐르는 문제점을 방지할 수 있다.
이상 개시된 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치의 구성은 무선 충전기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 도킹 스테이션(docking station), 단말기 크래들 장치(cradle device), 기타 전자 장치 등과 같은 장치에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (15)

  1. 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치에 있어서,
    무선으로 전력이 수신되도록 자속을 전류로 변경하는 전력 수신부; 및
    상기 전력 수신부와 연결되어, 상기 전력 수신부로부터 수신되는 전력을 제어하도록 공진 주파수를 결정하는 전력 제어부를 포함하고,
    상기 전력 제어부는
    제1커패시터;
    제2커패시터와 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2스위치를 포함하고, 상기 제1커패시터와 병렬로 연결된 가변커패시터부;
    상기 제1 및 제2 스위치와 연결되어, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 스위치 제어부를 포함하고,
    상기 스위치 제어부는
    상기 가변커패시터부 및 상기 제1커패시터에 해당하는 등가 커패시터 값이 상기 결정된 공진 주파수에 대응되는 커패시터 값을 갖도록 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    기 설정된 공진 주파수에 해당하는 커패시터 값을 갖도록 상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티(effective duty) 조절하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티가 길어지는 것에 근거하여, 상기 제1 및 제2 커패시터를 이용하여 산출된 등가 커패시터 값이 증가되고,
    상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티가 짧아지는 것에 근거하여, 상기 등가 커패시터 값이 감소되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
  4. 제2항에 있어서,
    스위치 제어부는
    상기 제1스위치를 상기 제1커패시터의 전압이 증가하는 구간의 적어도 일부에서 닫고,
    상기 제2스위치를 상기 제1커패시터의 전압이 감소하는 구간의 적어도 일부에서 닫는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치의 유효 듀티는 상기 제1커패시터의 전압값이 0이 되는 시점을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2스위치 중 어느 하나의 스위치가 닫히는 시점은
    제1커패시터의 전압의 절대값이 상기 제2커패시터의 전압의 절대값보다 큰 값을 가지는 시점인 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는
    상기 제 1 및 제2스위치의 유효 듀티를 나타내는 시점보다 이전 시점에 상기 제1 및 제2 스위치를 닫는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치.
  8. 무선으로 전력을 수신하고, 제1커패시터 및 상기 제1커패시터와 병렬로 연결된 제2커패시터, 제1스위치 및 제2스위치를 포함하는 무선 전력 수신장치의 제어방법에 있어서,
    무선 전력 전송장치로부터 전력 수신부를 통하여, 특정 구동 주파수를 갖는 무선 전력을 수신하는 단계;
    전력 제어부를 통하여, 상기 수신된 전력 중 적어도 일부를 수신하기 위한 공진 주파수를 산출하는 단계;
    상기 무선 전력 수신장치가 상기 공진 주파수를 갖도록 상기 공진 주파수에 해당하는 커패시터 값을 검출하는 단계;
    상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터를 이용하여 산출된 등가 커패시터의 값이 상기 검출된 커패시터값을 갖도록 상기 제2커패시터에 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치의 유효 듀티값을 검출하는 단계; 및
    상기 유효 듀티값에 기초하여, 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 단계를 포함하는 무선 전력 수신장치의 제어방법.
  9. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 단계에서는
    상기 유효 듀티가 갖는 시간 구간 이전에 상기 제1 및 제2 스위치가 열리도록 상기 제1 및 제2 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신장치의 제어방법.
  10. 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송장치에 있어서,
    무선으로 전력을 전송하도록 전류를 자속으로 변경하는 복수의 코일과 상기 복수의 코일에 각각 연결된 복수의 서브 하프 브리지와 상기 복수의 서브 하프 브리지 전부와 연결된 메인 하프 브리지를 구비하는 전력 전달부 및
    상기 복수의 코일 중 적어도 하나를 이용하여 무선 전력 수신장치에 전력을 전송하도록 상기 적어도 하나의 코일을 제어하는 전력 송신 제어부를 포함하고,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 적어도 하나의 코일에 연결된 적어도 하나의 서브 하프 브리지 및 상기 메인 하프 브리지를 이용하여 페이즈 쉬프트 풀 브리지(phase shifted full bridge) 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 메인 하프 브리지에 인가된 기준 전압을 기준으로, 상기 서브 하프 브리지에 인가된 전압의 위상차를 통하여, 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 메인 하프 브리지에 인가된 전압과 상기 서브 하프 브리지에 인가된 전압이 180도의 위상차를 가질 때 상기 무선 전력 수신장치에 최대 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 서브 하프 브리지에 인가되는 전압은 상기 서브 하프 브리지에 연결된 코일에서 전송하는 전력량에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 적어도 하나의 코일에 연결된 복수의 서브 하프 브리지에 인가되는 전압이 서로 다른 전압을 갖도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 복수의 코일 중 전력을 전달하지 않는 코일에 연결된 서브 하프 브리지에 인가되는 전압을 상기 메인 하프 브리지에 인가되는 기준 전압과 동위상을 갖도록 상기 서브 하프 브리지를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
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