KR20170085069A

KR20170085069A - 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20170085069A
Application number: KR1020177015605A
Authority: KR
Inventors: 한민석; 경종민
Original assignee: 재단법인 다차원 스마트 아이티 융합시스템 연구단
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2017-07-21
Also published as: WO2016098927A1; US20170353055A1; KR101962555B1; US10389183B2; CN107155385A

Abstract

멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법이 개시된다. 외부 루프(Outer Loop)와 내부 루프(Inner Loop)로 구성되는 안테나 모듈; 상기 안테나 모듈의 동작 모드를 제어하는 모드 제어부; 상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 연결하고, 상기 모드 제어부에 의해 동작하는 스위치; 및 상기 스위치의 동작에 따라, 상기 외부 루프를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 지원하는 외부 루프 모듈; 및 상기 스위치의 동작에 따라, 상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 동시에 이용하여 자기 유도 방식을 지원하여 전력을 전송하는 내부 루프 모듈을 포함할 수 있다.

Description

멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법

본 발명은 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 자기 유도 및 자기 공진과 NFC 통신을 지원하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법에 관한 것이다.

휴대전화 또는 PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 이동 단말기는 그 특성상 재충전이 가능한 배터리로 구동되며, 이러한 배터리를 충전하기 위해서는 별도의 충전 장치를 이용하여 이동단말기의 배터리에 전기 에너지를 공급한다. 통상적으로 충전장치와 배터리에는 외부에 각각 별도의 접촉 단자가 구성되어 있어서 이를 서로 접촉시킴으로 인하여 충전장치와 배터리를 전기적으로 연결한다.

최근에는 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있으며, 현재 상용화 또는 연구 중인 무선전력전송 기술은 크게 4가지 방식으로 분류할 수 있다.

그 중 하나는 고출력 마이크로파 방사 방식으로서, 이 방식은 수 GHz 대의 주파수를 사용하여 고출력 전송이 가능하므로 원거리 전송을 할 수 있는 반면에, 인체에의 유해성 및 직진성 등의 문제로 인해 상용화되지 못하고 있다. 다른 하나는 방사(radiative) 방식의 근거리 전송 방식으로서, 이 방식은 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 RFID/USN 주파수 대역 또는 2.4 GHz ISM 대역을 이용한 RFID 서비스이며, 현재는 유통 및 물류 분야 등의 일정 분야에서 상용화된 상태이며, 방사 손실에 의해 최대 수십 mW의 전력 전송만이 가능하다는 단점이 있다. 또한, 이와 같은 RFID 표준을 확장한 것으로 NFC 등의 초단거리 무선통신 기술이 있다.

한편, 유도결합을 이용하는 접촉식 전송 방식은 수 mm ~ 수 cm 의 거리에서 접촉식으로 수 W의 전력을 전송하는 방식으로서, 125kHz 또는 135kHz 등의 주파수를 사용하고 있으며, 현재는 교통카드, 무선 면도기, 전동 칫솔 등에 적용되고 있다.

그리고, 비방사(nonradiated) 자기공명 방식은 공진 결합(resonant coupling) 방식을 기반으로 하는 방식이다. 공진 결합이란, 자기공명의 경우에 두 매체가 같은 주파수로 공진하게 되면 전자파가 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 현상을 말하며, 이 방식은 수 m 이내의 거리에서 수십 W의 대전력 전송이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 실제 구현을 위해서는 공진기의 Q(Quality Factor)값을 높게 유지할 필요가 있다.

한편, 최근에 출시되는 상당수의 모바일 단말에는 NFC 통신이 가능하도록 NFC 모듈이 장착되어 출시되고 있다.

NFC(Near Field Communication)는 13.56MHz 대역의 주파수를 사용하여 10cm 정도의 거리에서 데이터를 송수신하는 근접통신 기술이다. NFC 모듈은 모바일 단말에 탑재되어 사용자 인증, 신분증, 신용카드, 모바일 티켓, 모바일 쿠폰 등의 다양한 분야에서 사용된다. 이러한, NFC 통신을 하기 위해 안테나가 필요하다. NFC 안테나는 NFC 리더와 NFC 태그의 안테나가 각각 독립적으로 구비되며, 실제 모바일 단말 상에 구현되는 경우에는 일반적으로 NFC 리더 안테나와 태그 안테나를 적층 구조로 집적한 통합형 이중안테나 구조가 사용된다.

한국공개특허 10-2013-0053856호는 이러한 무선 전력 수신기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 전자기 공진 방식에 기초하여 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신기 및 그 제어 방법에 관한 기술을 기재하고 있다.

그러나, 최근에는 하나의 공진 코일을 이용하여 자기 유도, 자기 공진, NFC를 모두 지원하는 방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하나의 공진 코일을 이용하여 자기 유도와 자기 공진 및 NFC를 지원하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이중 루프 형태의 안테나 모듈은 외부 루프와 내부 루프 각각 듀얼 공진 주파수를 가지며, 스위치의 조작을 통해 외부 루프(자기공진/NFC)와 내부 루프(자기유도 WPC/PMA) 모드로 구분할 수 있는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치에 있어서, 외부 루프(Outer Loop)와 내부 루프(Inner Loop)로 구성되는 안테나 모듈; 상기 안테나 모듈의 동작 모드를 제어하는 모드 제어부; 상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 연결하고, 상기 모드 제어부에 의해 동작하는 스위치; 및 상기 스위치의 동작에 따라, 상기 외부 루프를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 지원하는 외부 루프 모듈; 및 상기 스위치의 동작에 따라, 상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 동시에 이용하여 자기 유도 방식을 지원하여 전력을 전송하는 내부 루프 모듈을 포함한다.

상기 외부 루프 모듈은 상기 스위치가 오프(Off)되는 경우, 상기 외부 루프를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 선택적으로 동작시킬 수 있다.

상기 내부 루프 모듈은 상기 스위치가 온(On)되는 경우, 상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 동시에 이용하여 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 선택적으로 동작시켜 전력을 전송할 수 있다.

상기 외부 루프 모듈과 상기 내부 루프 모듈은 각각 듀얼 동작 주파수를 가질 수 있다.

상기 내부 루프 모듈은 상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하는 정류부; 상기 정류부에서 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하는 전압 제어부; 및 상기 안테나 모듈과 상기 정류부 사이에 위치하여 상기 안테나 모듈과 상기 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다.

상기 임피던스 매칭부는 상기 자기 유도 방식을 이용하는 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부가 될 수 있다.

상기 외부 루프 모듈은 상기 자기 공진 방식을 이용하는 자기공진 임피던스 매칭부를 더 포함하고, 상기 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되는 경우, 상기 내부 루프 모듈의 상기 정류부에 의해 상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하며, 상기 전압 제어부에 의해 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 상기 무선 전력을 전달할 수 있다.

상기 내부 루프 모듈은 출력되는 상기 전력을 이용하여 외부의 부하 기기를 충전하는 충전부를 더 포함할 수 있다.

상기 외부 루프 모듈은 외부 호스트와 통신하여 상기 NFC 통신을 수행하는 NFC 트랜시버; 상기 NFC 트랜시버와 연결되어 동작을 제어하는 NFC 제어부; 상기 외부 호스트와의 통신을 위한 인터페이스부; 및 상기 NFC 트랜시버와 상기 안테나 모듈의 사이에 위치하여, 상기 NFC 트랜시버와 상기 안테나 모듈의 상기 외부 루프 사이의 임피던스를 매칭시키는 NFC 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다.

상기 내부 루프 모듈은 상기 충전부의 동작을 감지하는 충전상태 감지부; 상기 충전상태 감지부로부터 전달받은 충전상태 정보를 이용하여 충전을 제어하는 무선충전 제어부; 및 외부로부터 제어 메시지를 수신하여 상기 무선충전 제어부로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.

상기 통신부는 인 밴드(In Band)와 아웃 오브 밴드(Out of Band) 중 적어도 어느 하나를 선택하고, 상기 인 밴드가 선택되는 경우 상기 스위치가 온(On)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 PMA 임피던스 매칭부와 상기 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상이 선택되며, 상기 아웃 오브 밴드가 선택되는 경우 상기 스위치가 오프(Off)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 자기공진 임피던스 매칭부가 선택될 수 있다.

다른 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 멀티 모드 무선 전력 수신 방법에 있어서, 무선 전력 송신 장치로부터 동일한 동작 주파수를 가지는 무선 전력 및 통신 신호 중 적어도 하나를 수신하는 단계; 모드 제어부에서 스위치를 조작하여 안테나 모듈의 동작 모드를 제어하는 단계; 상기 스위치가 오프(Off)되는 경우, 상기 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 상기 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 단계; 및 상기 스위치가 온(On)되는 경우, 상기 외부 루프와 내부 루프(Inner Loop)가 연결되어 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 지원하여 무선 전력 수신 장치로 상기 무선 전력을 전송하는 단계를 포함한다.

상기 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 지원하여 무선 전력 수신 장치로 상기 무선 전력을 전송하는 단계는 자기 유도 방식을 이용하는 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상에서 상기 안테나 모듈과 상기 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키는 단계; 상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하는 단계; 및 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 상기 무선 전력을 전송하는 단계일 수 있다.

통신부에서 인 밴드(In Band)와 아웃 오브 밴드(Out of Band) 중 적어도 어느 하나를 선택하는 단계; 상기 인 밴드가 선택되는 경우, 상기 스위치가 온(On)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 PMA 임피던스 매칭부와 상기 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상이 선택되어 상기 무선 전력을 전송하는 단계; 및 상기 아웃 오브 밴드가 선택되는 경우, 상기 스위치가 오프(Off)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되어 상기 무선 전력을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 상기 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 단계는 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되는 경우, 상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하며, 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 상기 무선 전력을 전달할 수 있다.

상기 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 상기 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 단계는 NFC 트랜시버와 상기 안테나 모듈의 상기 외부 루프 사이의 임피던스를 매칭시키며, NFC 트랜시버에서 외부 호스트와 통신하여 인터페이스를 통해 상기 NFC 통신을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 하나의 공진 코일을 이용하여 자기 유도와 자기 공진 및 NFC를 지원함으로써, 멀티 모드에서 무선 충전이 가능한 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 이중 루프 형태의 안테나 모듈은 외부 루프와 내부 루프 각각 듀얼 공진 주파수를 가짐으로써, 스위치의 조작을 통해 외부 루프(자기공진/NFC)와 내부 루프(자기유도 WPC/PMA) 모드로 구분할 수 있는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치와 무선 전력 송신 장치의 무선 전력 및 통신 신호를 송/수신하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에 따른 자기 공명을 이용한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 안테나부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 모드 무선 전력 수신 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 모드 무선 전력 수신 방법을 나타내는 흐름도이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치와 무선 전력 송신 장치의 무선 전력 및 통신 신호를 송/수신하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(120)는 무선 전력 송신 장치(110)로부터 무선 전력 및 통신 신호 중 적어도 하나를 수신할 수 있다.

무선 전력 송신 장치(110)는, 예를 들어 소정의 인증 절차를 수행하여 인증된 무선 전력 수신 장치(120)에 대하여 무선 전력을 공급할 수 있다. 무선 전력 송신 장치(110)는 공진 방식에 기초하여 무선 전력을 공급할 수 있으며, 이에 따라 기설정된 주파수를 가지는 공명을 위한 전자기파를 송신할 수 있다. 그리고, 무선 전력 송신 장치(110)는 복수 개의 무선 전력 수신기(120)로 무선 전력을 공급할 수 있다.

무선 전력 수신 장치(120)는 무선 전력 송신 장치(110)로부터 무선 전력을 수신하여 내부에 구비된 배터리의 충전을 수행할 수 있다. 여기에서 무선 전력 수신 장치(120)는 소정의 통신 패킷을 처리하거나 송수신할 수 있는 장치일 수 있으며, 예를 들어 모바일 단말 등으로 구현될 수 있다.

여기서, 모바일 단말은 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 내비게이션 등이 포함될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시에 따른 자기 공명을 이용한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 송신 장치(210)와 무선 전력 수신 장치(220) 간에 비접촉 자기 공명 방식으로 전력을 전송할 수 있다.

무선 전력 송신 장치(210)는 에너지 전송을 위해 송전 안테나부(250)를 이용하여 외부로 전자기장을 방사할 수 있다. 그리고, 무선 전력 송신 장치(210)는 입력 전원(230)을 통해 필요한 구동 전력 및 전자기장의 방사를 위한 전력을 공급받을 수 있다.

이러한, 무선 전력 송신 장치(210)는 입력 전원(230)으로부터 입력된 AC 전원을 AC/DC 컨버터(211), 파워 증폭기(212), 임피던스 매칭 회로(213) 등을 이용하여 전자파 신호로 변환한 후, 송전 안테나부(250)를 통해 무선 전력 수신 장치(220)로 전력을 전송할 수 있다.

무선 전력 수신 장치(220)는 무선 전력 송신 장치(210)로부터 전송된 전자파 신호를 수신할 수 있다. 이를 위하여, 무선 전력 수신 장치(220)는 수전 안테나부(260)를 구비하고 있으며, 이때 수전 안테나부(260)의 공진 주파수는 송전 안테나부(250)의 공진 주파수와 동일하거나 이에 근접한 것이 좋다. 이 경우, 송전 안테나부(250)와 수전 안테나부(260) 간에는 공진 결합(2resonant coupling)에 의해 에너지 전달 채널이 형성될 수 있다.

송전 안테나부(250)로부터 방출된 전자파는 에너지 전달 채널을 통해 수전 안테나부(260)로 전송되며, 수전 안테나부(260)를 통해 입력된 전자파는 무선 전력 수신 장치(220) 내에서 임피던스 매칭 회로(221) 및 정류기(222) 등을 통해 전력으로 변환될 수 있다. 변환된 전력은 무선 전력 수신 장치(220)에 연결된 부하 기기(240)로 전송되어 부하 기기(240)를 충전시키거나 구동 전력을 제공할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 안테나부를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 무선 전력 전송 장치의 송전 안테나부(350)와 수전 안테나부(360)의 세부 구성을 확인할 수 있다. 이는, 도 2의 무선 전력 전송 장치에서 무선 전력 송신 장치(210)에 결합된 송전 안테나부(250) 및 무선 전력 수신 장치(220)에 결합된 수전 안테나부(260)의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 장치는 송전 안테나부(350) 및 수전 안테나부(360) 간에 자기 공명 방식을 이용하여 RF 신호의 형태로 전력을 전송할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치는 송전 안테나부(350) 및 수전 안테나부(360) 간에 자기 유도 방식을 이용하여 전력을 전송할 수 있다.

이를 위하여, 송전 안테나부(350)와 수전 안테나부(360)는 동일한 공진 주파수 또는 매우 근접한 공진 주파수를 가지며, 송전 안테나부(350)와 수전 안테나부(360) 간의 정합된 공진 상태에서 최적의 효율로 전력 전송이 이루어지도록 설계될 수 있다.

송전 안테나부(350)는 송전 안테나(351) 및 송전 공진안테나(352)를 포함할 수 있다. 이러한, 송전 안테나(351) 또는 송전 공진안테나(352)는 루프 형태로 구현될 수 있다. 또한, 송전 공진안테나(352)는 스파이럴 루프 형상 또는 헬리컬 루프 형상일 수도 있다.

그리고, 송전 안테나(351)와 송전 공진안테나(352) 간에는 자기 유도 방식으로 전력을 전달할 수 있다.

마찬가지로, 수전 안테나부(360)는 상기의 송전 안테나(351) 및 송전 공진안테나(352)에 각각 대응하는 수전 안테나(362) 및 수전 공진안테나(361)를 포함할 수 있다. 또한, 수전 안테나(362) 및 수전 공진안테나(361) 간에는 자기 유도 방식으로 전력을 전달할 수 있다.

송전 안테나부(350)로부터 수전 안테나부(360)로의 전력 전송 과정은 아래의 일례와 같이 진행될 수 있다. 우선, 무선 전력 송신 장치를 통해 전력이 송전 안테나부(350)의 송전 안테나(351)로 여기(excitation)되며, 송전 안테나(351)로 여기된 전력은 송전 공진안테나(352)에 자기 유도 방식으로 전달될 수 있다.

송전 공진안테나(352)와 수전 공진안테나(361)는 동일하거나 근접한 공진 주파수에서 상호 공진하여 에너지 전달 채널을 형성할 수 있다. 송전 공진안테나(352)에 전달된 전력은 에너지 전달 채널을 통해 수전 공진안테나(361)로 전송되고, 수전 공진안테나(361)로부터 수전 안테나(362)로 자기 유도 방식을 통해 전달될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 모드 무선 전력 수신 장치를 나타내는 블록도이다.

도 4를 참조하면, 멀티 모드 무선 전력 수신 장치는 안테나 모듈(410, 420), 모드 제어부(430), 스위치(440), 외부 루프 모듈, 그리고 내부 루프 모듈을 포함할 수 있다.

안테나 모듈은 외부 루프(Outer Loop, 410)와 내부 루프(Inner Loop, 420)로 구성되는 이중 루프 형상의 코일로 구현될 수 있다.

모드 제어부(430)는 안테나 모듈의 동작 모드를 제어할 수 있으며, 스위치(440)를 조작하여 안테나 모듈의 외부 루프(410)와 내부 루프(420) 동작을 선택할 수 있다.

스위치(440)는 안테나 모듈의 외부 루프(410)와 내부 루프(420)를 연결하고, 모드 제어부(430)에 의해 온(On)/오프(Off)되어 동작할 수 있다.

외부 루프 모듈은 안테나 모듈과 모드 제어부(430)에 의해 연결되는데, 스위치(440)의 동작에 따라, 외부 루프(410)를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 선택적으로 동작시킬 수 있다.

다시 말하면, 외부 루프 모듈은 스위치가 오프(Off)되는 경우에, 외부 루프(410)를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 선택적으로 동작시킬 수 있다. 즉, 스위치(440)는 오프(Off)되어 외부 루프(410)만 동작하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 지원하는 듀얼 모드가 될 수 있다.

이때, 자기 공진 방식은 A4WP(Alliance for Wireless Power)에 의해 전력을 전송할 수 있다. A4WP의 경우, 동작 주파수가 WPC 및 PMA 범위인 100-205KHz, 277-357KHz 보다 높은 6.78MHz로 고정되어 있어, 패러데이의 유도법칙을 통해 낮은 결합계수(충전 위치 면에서 보다 높은 유연성)로 더욱 효율적인 전력 전송이 가능하다. 그리고, 주파수와 코일 전압이 높을수록 수신 코일은 더 작고 얇아지므로 모바일 기기 등에 부품을 장착하기가 더 용이해질 수 있다.

또한, 동작 주파수가 높을 때 표면 와상 전류(surface eddy currents)가 낮기 때문에 송신기 패드 주변의 외부 금속 물체에 열이 적게 축적될 수 있다. 이는 충전 중인 기기 내에 들어있는 금속(배터리 등)에 발열이 적게 일어나는 것을 의미할 수도 있다. 더욱이, A4WP 표준은 양방향 블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy, BLE) 대역 외 신호 방식을 사용해 충전 중인 기기의 전력 수요를 확인하고 관리할 수 있다. 또한, 공간적 자유도가 높고, 송신기 패드 한 대로 여러 대의 수신기를 지원하여 동시에 무선 전력을 전송할 수 있다.

그리고, 외부 루프 모듈은 NFC 통신(13.56 MHz)을 지원할 수 있는데, 이러한 외부 루프 모듈 내 NFC 모듈은 NFC 임피던스 매칭부(411), NFC 트랜시버(412), NFC 제어부(413), 그리고 인터페이스부(414)를 포함할 수 있다.

NFC 트랜시버(412) 외부 호스트와 통신하여 NFC 통신을 수행할 수 있다.

NFC 제어부(413)는 NFC 트랜시버(412)와 연결되어 동작을 제어할 수 있다.

인터페이스부(414)는 외부 호스트와의 통신을 위한 인터페이스가 될 수 있다.

NFC 임피던스 매칭부(411)는 NFC 트랜시버(412)와 안테나 모듈의 사이에 위치하여, NFC 트랜시버(412)와 안테나 모듈의 외부 루프 사이의 임피던스를 매칭시킬 수 있다.

여기서, 안테나 모듈은 외부 루프(410)가 동작되어 NFC 안테나로 사용될 수 있다. 이때, NFC 안테나는 NFC 리더용 안테나와 NFC 태그용 안테나가 적층 구조로 통합된 이중안테나 구조일 수 있다. 이 경우, PCB 또는 필름의 양면에 각각 형성될 수 있다.

NFC 통신 모드에서 외부 루프(410)는 외부 루프 모듈 또는 외부 루프 모듈 내의 NFC 모듈에 의해 제어될 수 있다. 사용자 또는 모바일 단말 상의 어플의 동작에 의해 NFC 기능이 요청되면 모바일 단말의 AP는 외부 루프 모듈 내의 NFC 모듈을 동작시키며, 모드 제어부(430)는 외부 루프 모듈 내의 NFC 모듈의 동작을 감지하면 안테나 모듈의 동작 모드를 NFC 통신 모드로 변경시킬 수 있다. 그리고, NFC 통신 모드가 유지되는 동안 외부 루프(410)는 NFC 안테나로 동작될 수 있다.

또한, 외부 루프(410)는 무선 전력의 전송을 위한 외부 루프 모듈 및/또는 내부 루프 모듈과 연동되어 동작할 수 있다. 모바일 단말 상에서 무선 전력의 전송 기능이 활성화되면, 모바일 단말의 AP는 외부 루프 모듈 및/또는 내부 루프 모듈을 동작시키며, 모드 제어부(430)는 외부 루프 모듈 및/또는 내부 루프 모듈의 동작이 감지되면 안테나 모듈의 동작 모드를 무선 전력의 전송을 위한 모드로 전환시킬 수 있다. 이때, 무선 전력의 전송을 위해 외부 루프 및/또는 내부 루프를 이용할 수 있다.

한편, 상기의 NFC 통신 모듈 또는 무선 전력을 위한 모듈의 동작 여부를 모드 제어부(430)에서 제어하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 모드 제어부(430)는 NFC 통신 모드인 경우에 스위치를 오프(Off) 상태로 변경하고, 안테나 모듈의 외부 루프(410)를 NFC용 안테나로 동작하도록 제어할 수 있다.

내부 루프 모듈은 안테나 모듈과 모드 제어부(430)에 의해 연결되는데, 스위치(440)의 동작에 따라, 외부 루프(410)와 내부 루프(420)를 동시에 이용하여 자기 유도 방식에 의해 전력을 전송할 수 있다.

다시 말하면, 내부 루프 모듈은 스위치가 온(On)되는 경우에, 외부 루프(410)와 내부 루프(420)를 동시에 이용하여 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 선택적으로 동작시켜 전력을 전송할 수 있다. 즉, 스위치(440)는 온(On)되어 외부 루프(410)와 내부 루프(420) 전체가 동작하여 자기 유도 방식인 WPC와 PMA를 지원하는 듀얼 모드가 될 수 있다.

여기서, 자기 유도 방식의 PMA와 WPC는 자기결합이 탄탄하여 전력 전송 효율이 우수하고, 설계가 용이하다. 또한, 배터리 효율도 높다.

이러한, 내부 루프 모듈은 임피던스 매칭부(421, 422), 정류부(423), 전압 제어부(424), 그리고 충전부(250)를 포함할 수 있다.

정류부(423)는 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 반파 정류 형태로 정류하여 비교류(DC) 전력으로 정류시킬 수 있다. 즉, 무선 전력 수신 장치에 수신되는 무선 전력을 직류 형태로 정류할 수 있다.

전압 제어부(424)는 정류부(423)에서 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환할 수 있다. 이전에, 정류부(423)에서 정류된 DC 신호에서 고주파 노이즈 성분을 제거하는 필터링이 수행될 수도 있다.

임피던스 매칭부는 안테나 모듈과 정류부(423) 사이에 위치하여 안테나 모듈과 정류부(423) 사이의 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 예를 들어, 임피던스 매칭부로부터 바라본 임피던스를 조정하여, 출력 전력이 고효율 또는 고출력이 되도록 제어할 수 있다. 임피던스 매칭부는 모드 제어부 및 통신부의 제어에 기초하여 임피던스를 조정할 수 있다.

여기서, 임피던스 매칭부는 자기 유도 방식을 이용하는 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

그리고, 외부 루프 모듈은 자기 공진 방식을 이용하는 자기공진 임피던스 매칭부를 더 포함할 수 있다. 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되는 경우에, 상기의 임피던스 매칭부와 마찬가지로 내부 루프 모듈의 정류부(423)에 의해 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하며, 전압 제어부(424)에 의해 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 전력을 전달할 수 있다.

더욱이, 내부 루프 모듈은 출력되는 전력을 이용하여 외부의 부하 기기를 충전하는 충전부(425)를 더 포함할 수 있다.

그리고, 내부 루프 모듈은 충전상태 감지부(426), 무선충전 제어부(427), 및 통신부(428)을 더 포함할 수 있다.

충전상태 감지부(426)는 충전부(425)의 동작을 감지할 수 있다. 또한, 충전상태 감지부(426)는 외부의 부하 기기의 충전 상태를 감지할 수 있도록 할 수도 있다.

무선충전 제어부(427)는 충전상태 감지부(426)로부터 전달받은 충전상태 정보를 이용하여 충전을 제어할 수 있다.

통신부(428)는 외부로부터 제어 메시지를 수신하여 무선충전 제어부(427)로 전송할 수 있다.

또한, 통신부(428)는 인 밴드(In Band)와 아웃 오브 밴드(Out of Band) 중 적어도 어느 하나를 선택할 수 있다. 통신부(428)에서 인 밴드가 선택되는 경우에 스위치(440)가 온(On)되어 모드 제어부(430)에 의해 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부가 중 적어도 하나 이상이 선택될 수 있다. 이에 따라, 내부 루프 모듈의 자기 유도 방식의 WPC(100 ~ 205 kHz)와 PMA(277 ~ 357 kHz)가 지원될 수 있다.

그리고, 통신부(428)에서 아웃 오브 밴드가 선택되는 경우에 스위치(440)가 오프(Off)되어 모드 제어부(430)에 의해 자기공진 임피던스 매칭부가 선택될 수 있다. 이에 따라, 외부 루프 모듈의 자기 공진 방식의 A4WP(6.78 MHz) 등이 지원될 수 있다. A4WP 표준은 양방향 블루투스 로우 에너지(Bluetooth Low Energy, BLE) 대역 외 신호 방식을 사용해 충전 중인 기기의 전력 수요를 확인하고 관리할 수 있다. 즉, A4WP는 필요 대역폭의 제한치 이하 또는 이상인 주파수에서 발사되는 평균 전력을 허용할 수 있다.

따라서, 외부 루프 모듈과 내부 루프 모듈은 각각 듀얼 공진 주파수를 가질 수 있고, 이중 루프 형태의 안테나 모듈을 스위치의 조작을 통해 외부 루프(자기공진/NFC)와 내부 루프 (자기유도 WPC/PMA)로 구분할 수 있다.

다시 말하면, 내부 루프와 외부 루프 사이의 스위치가 오프(Off)되는 경우, 외부 루프만 이용해서 MHz 대역의 자기 공진과 NFC 기능을 할 수 있도록 하고, 내부 루프와 외부 루프 사이의 스위치가 온(On)되는 경우, 공진길이가 더 길어지게 되고, 이때, 외부 루프와 내부 루프 모두를 이용해서 kHz 대역의 WPC와 PMA를 모두 지원하도록 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 모드 무선 전력 수신 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 5를 참조하면 멀티 모드 무선 전력 수신 방법은 도 1 내지 도 4에서 설명한 멀티 모드 무선 전력 수신 장치를 이용하여 구체적으로 설명할 수 있다. 각각의 구성에 대한 동작은 앞에서 설명하였으므로 생략하기로 한다.

단계(510)에서, 무선 전력 송신 장치로부터 동일한 동작 주파수를 가지는 무선 전력 및 통신 신호 중 적어도 하나를 수신할 수 있다.

단계(520)에서, 모드 제어부에서 스위치를 조작하여 안테나 모듈의 동작 모드를 제어할 수 있다.

단계(530)에서, 스위치가 오프(Off)되는 경우, 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원할 수 있다.

안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 방법은 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되는 경우, 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하며, 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 무선 전력을 전달할 수 있다.

또한, 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 방법으로, NFC 트랜시버와 안테나 모듈의 외부 루프 사이의 임피던스를 매칭시키며, NFC 트랜시버에서 외부 호스트와 통신하여 인터페이스를 통해 NFC 통신을 수행할 수 있다.

단계(540)에서, 스위치가 온(On)되는 경우, 외부 루프와 내부 루프(Inner Loop)가 연결되어 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 지원하여 무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송할 수 있다.

이러한, 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 지원하여 무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하는 방법은 자기 유도 방식을 이용하는 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상에서 안테나 모듈과 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키고, 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류한 다음, 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 무선 전력을 전송할 수 있다.

그리고, 통신부에서 인 밴드(In Band)와 아웃 오브 밴드(Out of Band) 중 적어도 어느 하나를 선택할 수 있다. 이때, 인 밴드가 선택되는 경우, 스위치가 온(On)되어 모드 제어부에 의해 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상이 선택되어 무선 전력을 전송할 수 있다. 그리고, 아웃 오브 밴드가 선택되는 경우, 스위치가 오프(Off)되어 모드 제어부에 의해 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되어 무선 전력을 전송할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예들에 따르면 하나의 공진 코일을 이용하여 자기 유도와 자기 공진 및 NFC를 지원함으로써, 멀티 모드에서 무선 충전이 가능한 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 이중 루프 형태의 안테나 모듈은 외부 루프와 내부 루프 각각 듀얼 공진 주파수를 가짐으로써, 스위치의 조작을 통해 외부 루프(자기공진/NFC)와 내부 루프(자기유도 WPC/PMA) 모드로 구분할 수 있는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

발명의 실시를 위한 형태

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

멀티 모드 무선 전력 수신 장치에 있어서,
외부 루프(Outer Loop)와 내부 루프(Inner Loop)로 구성되는 안테나 모듈;
상기 안테나 모듈의 동작 모드를 제어하는 모드 제어부;
상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 연결하고, 상기 모드 제어부에 의해 동작하는 스위치; 및
상기 스위치의 동작에 따라, 상기 외부 루프를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 지원하는 외부 루프 모듈; 및
상기 스위치의 동작에 따라, 상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 동시에 이용하여 자기 유도 방식을 지원하여 전력을 전송하는 내부 루프 모듈
을 포함하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제1항에 있어서,
상기 외부 루프 모듈은
상기 스위치가 오프(Off)되는 경우, 상기 외부 루프를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 선택적으로 동작시키는 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제1항에 있어서,
상기 내부 루프 모듈은
상기 스위치가 온(On)되는 경우, 상기 외부 루프와 상기 내부 루프를 동시에 이용하여 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 선택적으로 동작시켜 전력을 전송하는 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제1항에 있어서,
상기 외부 루프 모듈과 상기 내부 루프 모듈은 각각 듀얼 동작 주파수를 가지는 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제1항에 있어서,
상기 내부 루프 모듈은
상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하는 정류부;
상기 정류부에서 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하는 전압 제어부; 및
상기 안테나 모듈과 상기 정류부 사이에 위치하여 상기 안테나 모듈과 상기 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부
를 포함하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제5항에 있어서,
상기 임피던스 매칭부는
상기 자기 유도 방식을 이용하는 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부인 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제5항에 있어서,
상기 외부 루프 모듈은
상기 자기 공진 방식을 이용하는 자기공진 임피던스 매칭부를 더 포함하고,
상기 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되는 경우, 상기 내부 루프 모듈의 상기 정류부에 의해 상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하며, 상기 전압 제어부에 의해 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 상기 무선 전력을 전달하는 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 내부 루프 모듈은
출력되는 상기 전력을 이용하여 외부의 부하 기기를 충전하는 충전부
를 더 포함하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제1항에 있어서,
상기 외부 루프 모듈은
외부 호스트와 통신하여 상기 NFC 통신을 수행하는 NFC 트랜시버;
상기 NFC 트랜시버와 연결되어 동작을 제어하는 NFC 제어부;
상기 외부 호스트와의 통신을 위한 인터페이스부; 및
상기 NFC 트랜시버와 상기 안테나 모듈의 사이에 위치하여, 상기 NFC 트랜시버와 상기 안테나 모듈의 상기 외부 루프 사이의 임피던스를 매칭시키는 NFC 임피던스 매칭부
를 더 포함하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제1항에 있어서,
상기 내부 루프 모듈은
상기 충전부의 동작을 감지하는 충전상태 감지부;
상기 충전상태 감지부로부터 전달받은 충전상태 정보를 이용하여 충전을 제어하는 무선충전 제어부; 및
외부로부터 제어 메시지를 수신하여 상기 무선충전 제어부로 전송하는 통신부
를 더 포함하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
제10항에 있어서,
상기 통신부는
인 밴드(In Band)와 아웃 오브 밴드(Out of Band) 중 적어도 어느 하나를 선택하고, 상기 인 밴드가 선택되는 경우 상기 스위치가 온(On)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 PMA 임피던스 매칭부와 상기 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상이 선택되며, 상기 아웃 오브 밴드가 선택되는 경우 상기 스위치가 오프(Off)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되는 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 장치.
멀티 모드 무선 전력 수신 방법에 있어서,
무선 전력 송신 장치로부터 동일한 동작 주파수를 가지는 무선 전력 및 통신 신호 중 적어도 하나를 수신하는 단계;
모드 제어부에서 스위치를 조작하여 안테나 모듈의 동작 모드를 제어하는 단계;
상기 스위치가 오프(Off)되는 경우, 상기 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 상기 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 단계; 및
상기 스위치가 온(On)되는 경우, 상기 외부 루프와 내부 루프(Inner Loop)가 연결되어 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 지원하여 무선 전력 수신 장치로 상기 무선 전력을 전송하는 단계
를 포함하는 멀티 모드 무선 전력 수신 방법.
제12항에 있어서,
상기 자기 유도 방식의 PMA(Power Matters Alliance)와 WPC(Wireless Power Consortium)를 지원하여 무선 전력 수신 장치로 상기 무선 전력을 전송하는 단계는
자기 유도 방식을 이용하는 PMA 임피던스 매칭부와 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상에서 상기 안테나 모듈과 상기 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키는 단계;
상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하는 단계; 및
정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 상기 무선 전력을 전송하는 단계
인 것을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 방법.
제12항에 있어서,
통신부에서 인 밴드(In Band)와 아웃 오브 밴드(Out of Band) 중 적어도 어느 하나를 선택하는 단계;
상기 인 밴드가 선택되는 경우, 상기 스위치가 온(On)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 PMA 임피던스 매칭부와 상기 WPC 임피던스 매칭부 중 적어도 하나 이상이 선택되어 상기 무선 전력을 전송하는 단계; 및
상기 아웃 오브 밴드가 선택되는 경우, 상기 스위치가 오프(Off)되어 상기 모드 제어부에 의해 상기 자기공진 임피던스 매칭부가 선택되어 상기 무선 전력을 전송하는 단계
를 더 포함하는 멀티 모드 무선 전력 수신 방법.
제12항에 있어서,
상기 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 상기 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 단계는
자기공진 임피던스 매칭부가 선택되는 경우, 상기 안테나 모듈을 통해 입력되는 RF 신호를 정류하며, 정류된 DC 신호를 부하 기기에 사용 가능한 전압으로 변환하여 상기 무선 전력을 전달하는 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 방법.
제12항에 있어서,
상기 안테나 모듈의 외부 루프(Outer Loop)를 이용하여 자기 공진 방식의 상기 무선 전력 전송과 NFC 통신을 지원하는 단계는
NFC 트랜시버와 상기 안테나 모듈의 상기 외부 루프 사이의 임피던스를 매칭시키며, NFC 트랜시버에서 외부 호스트와 통신하여 인터페이스를 통해 상기 NFC 통신을 수행하는 것
을 특징으로 하는 멀티 모드 무선 전력 수신 방법.