KR20200003495A - 무선 전력 송신 장치에서의 데이터 통신 방법 - Google Patents

무선 전력 송신 장치에서의 데이터 통신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개선된 복조 성능을 가지는 무선 전력 송신기 및 그를 위한 데이터 통신 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 교류 신호를 출력하는 인버터와 상기 인버터에 연결되는 송신 코일과 상기 송신 코일과 연결되어 진폭 변조 신호(amplitude modulated signal)인 제1 신호를 수신하는 복조기와 상기 교류 신호의 동작 주파수를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 복조기는 상기 제어기가 출력하는 인버터 제어 신호를 지연시켜 상기 진폭 변조 신호와 제1 위상차를 갖고, 상기 진폭 변조 신호와 동일한 주파수인 제2 신호를 생성하고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 혼합(Mixing)하고, 상기 혼합된 신호의 전압 또는 전류를 기준 전압(reference voltage) 또는 기준 전류(reference current)와 비교하여 상기 진폭 변조 신호에 인코딩된 비트 데이터를 복조할 수 있다. 따라서, 본 발명은 인밴드 신호에 대한 복조 성능이 우수한 무선 전력 송신기를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

무선 전력 송신 장치에서의 데이터 통신 방법{Data Communication Method In Wireless Power Transmitter}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 인밴드 신호를 복조하는 무선 전력 송신 장치 및 그를 위한 데이터 통신 방법에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다.
따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰 뿐만아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다.
현재 전자기 유도 방식의 무선 충전은 인밴드 통신을 이용한다.
특히, 무선 전력 송신 장치는 충전 중 무선 전력 수신 장치로부터 주기적으로 피드백 신호를 수신하고, 수신된 피드백 신호에 기초하여 전력 제어를 수행한다.
전자기 유도 방식에서 무선 전력 송신 장치의 무선 충전 가능 영역은 무선 전력 수신 장치에서 수신되는 전력의 세기에 의해 결정되기 보다 무선 전력 송수신 장치 사이의 통신이 가능한 영역으로 정의될 수 있다.
따라서, 무선 전력 송신 장치의 복조 성능은 충전 가능 영역을 극대화시키는데 있어서 필수적인 요소이다.
일반적으로 무선 충전 중단은 무선 전력 수신 장치에 수신되는 전력의 세기가 기준치 이하로 미약할 때 발생하는 경우보다 무선 전력 수신 장치에 의해 생성된 피드백 신호가 무선 전력 송신 장치에서 정상적으로 복조되지 않을 때 발생된다.
따라서, 종래의 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치에 수신되는 전력의 세기가 충분함에도 불구하고, 복조 성능이 열화되어 무선 충전을 중단시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 송신기 및 그것의 데이터 통신 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인밴드 통신의 피드백 신호에 대한 복조 성능 개선을 통해 충전 가능 영역을 확대하는 것이 가능한 무선 전력 송신기를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 전력 송신기 및 그것의 데이터 통신 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 교류 신호를 출력하는 인버터와 상기 인버터에 연결되는 송신 코일과 상기 송신 코일과 연결되어 진폭 변조 신호(amplitude modulated signal)인 제1 신호를 수신하는 복조기와 상기 교류 신호의 동작 주파수를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 복조기는 상기 제어기가 출력하는 인버터 제어 신호를 지연시켜 상기 진폭 변조 신호와 제1 위상차를 갖고, 상기 진폭 변조 신호와 동일한 주파수인 제2 신호를 생성하고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 혼합(Mixing)하고, 상기 혼합된 신호의 전압 또는 전류를 기준 전압(reference voltage) 또는 기준 전류(reference current)와 비교하여 상기 진폭 변조 신호에 인코딩된 비트 데이터를 복조할 수 있다.
또한, 상기 복조기는 상기 인버터 제어 신호의 위상을 지연시키는 지연기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복조기는 상기 혼합된 신호를 저역 통과 필터링하는 저역 통과 필터와 상기 필터링된 신호를 기준 전압 또는 기준 전류와 비교하여 디지털 신호로 변환하는 비교기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 위상 차는 상기 혼합된 신호의 전압이 최대인 위상 차일 수 있다.
또한, 상기 제1 위상 차는 상기 제1 신호의 위상에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어 신호는 상기 교류 신호 생성을 위해 상기 인버터의 스위치에 인가되는 펄스 폭 변조 신호일 수 있다.
여기서, 상기 펄스 폭 변조 신호는 제1 내지 제N 스위치 제어 신호를 포함하고, 상기 제1 내지 제N 스위치 제어 신호 중 어느 하나를 지연하여 상기 제2 신호가 생성될 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 비트 데이터로부터 전송 전력의 조절 여부를 판단하고, 상기 전송 전력을 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작주파수를 변경할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 비트 데이터로부터 상기 송신 코일에 흐르는 전류 세기의 조절 여부를 판단하고, 상기 송신 코일의 전류 세기를 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작 주파수를 변경할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법은 인버터를 통해 교류 전력을 생성하는 단계와 상기 교류 전력이 입력되는 전송 안테나로부터 진폭 변조 신호인 제1 신호를 획득하는 단계와 상기 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어 신호를 지연시켜 상기 제1 신호와 제1 위상 차를 갖고, 상기 제1 신호와 동일한 주파수인 제2 신호를 생성하는 단계와 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 혼합(mixing)하는 단계와 상기 혼합된 신호의 전압 또는 전류를 기준 전압(reference voltage) 또는 기준 전류(reference current)와 비교하여 상기 제1 신호에 인코딩된 비트 데이터를 복조하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 혼합된 신호의 전압 또는 전류를 기준 전압(reference voltage) 또는 기준 전류(reference current)와 비교하여 상기 제1 신호에 인코딩된 비트 데이터를 복조하는 단계는 상기 혼합된 신호를 저역 통과 필터링하는 단계와 상기 필터링된 신호를 기준 전압 또는 기준 전류와 비교하여 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 위상 차는 상기 혼합된 신호의 전압이 최대인 위상차일 수 있다.
또한, 상기 제1 위상 차는 상기 제1 신호의 위상에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 전송 안테나는 공진 캐패시터와 인덕터를 포함하고, 상기 제1 신호는 상기 공진 캐패시터와 상기 인덕터 사이의 신호일 수 있다.
또한, 상기 인버터 제어 신호는 상기 교류 신호 생성을 위해 상기 인버터에 구비된 스위치에 인가되는 펄스 폭 변조 신호일 수 있다.
여기서, 상기 펄스 폭 변조 신호는 제1 내지 제N 스위치 제어 신호를 포함하고, 상기 제1 내지 제N 스위치 제어 신호 중 어느 하나를 지연하여 상기 제2 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 데이터 통신 방법은 상기 비트 데이터로부터 전송 전력의 조절여부를 판단하고, 상기 전송 전력을 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작주파수를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터 통신 방법은 상기 비트 데이터로부터 상기 전송 안테나에 흐르는 전류 세기의 조절 여부를 판단하고, 상기 전송 안테나에 흐르는 전류 세기를 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작 주파수를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예는 상기한 데이터 통신 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법, 장치 및 시스템에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무선 전력 송신기 및 그것의 데이터 통신 방법을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 인밴드 통신의 피드백 신호에 대한 개선된 복조 성능을 가지는 무선 전력 송신기를 제공함으로써, 무선 전력 송신기의 충전 가능 영역을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 복조 성능 열화에 따른 충전 중단 현상을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 송신기를 제공하는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템상에서의 전력 전송 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 상기 도 6의 전송 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 종래의 무선 전력 송신기에 구비되는 복조기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에 구비되는 복조기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서의 복조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 교류 전력 전송기의 구조를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 12a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 복조기에 구비되는 주파수 믹서의 구조를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에 배치되는 복조기의 저역 통과 필터와 비교기의 구성을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 도 6의 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선 전력 송신기에 배치되는 복조기에서의 신호 복조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서의 복조 성능 개선 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서 신호 복조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 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.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 기능이 탑재된 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다.
또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 기능이 탑재된 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 파워를 전송할 수도 있다.
이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 파워를 수신할 수도 있다.
본 발명에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(20)로 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역에서 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다.
여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로만 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 통신 방식일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다.
일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다.
무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이의 인 밴드 통신에 있어서, 무선 전력 수신단(20)은 수신 안테나에 연결된 스위치 제어를 통해 부하를 변화시킴으로써, 무선 전력 송신단(10)의 전송 안테나에 진폭 변조 신호를 발생시킬 수 있다. 무선 전력 송신단(10)은 전송 안테나로부터 진폭 변조 신호를 복조할 수 있다.
이하, 전자기 유도 방식을 지원하는 무선 충전 시스템에서의 인밴드 통신을 간단히 설명하기로 한다.
무선 전력 송신기는 생성된 교류 전력 신호를 구비된 송신 코일을 통해 출력한다. 무선 전력 수신기는 피드백 신호-즉, 피드백 비트 데이터-에 따라 수신된 교류 전력 신호의 진폭을 변화시킴으로써-즉, 수신된 교류 전력 신호를 진폭 변조하여- 무선 전력 송신기로 피드백 신호를 전달할 수 있다. 무선 전력 송신기는 진폭 변조 신호로부터 피드백 신호를 복조하고, 복조된 피드백 신호에 따라 내부 동작을 제어할 수 있다.
일 예로, 피드백 신호는 전력 제어를 위한 제어 오류 패킷일 수 있으며, 무선 전력 송신기는 제어 오류 패킷에 기반하여 전송 전력의 세기를 동적으로 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템상에서의 전력 전송 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 수신기(210)는 무선 전력 송신기(210)로부터 교류 전력을 수신할 수 있다(S211).
무선 전력 수신기(210)는 수신된 전력의 세기에 기초하여 실제 제어 포인트(Actual Control Point)를 결정할 수 있다(S212).
또한, 무선 전력 수신기(210)는 요구 제어 포인트(Desired Control Point)를 선택할 수 있다(S213).
여기서, 요구 제어 포인트는 해당 무선 전력 수신기(210)의 타입 및 전력 수신 등급 등에 기초하여 선택될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 요구 제어 포인트는 무선 전력 송신기(220)와의 소정 협상 절차를 통해 동적으로 선택될 수도 있다.
하지만, 이 또한, 실시 예에 불과하며, 요구 제어 포인트의 선택 방법은 당업자의 설계에 따라 상이할 수 있음을 주의해야 한다.
무선 전력 수신기(210)는 결정된 실제 제어 포인트와 선택된 요구 제어 포인트에 기반하여 제어 오류 값을 산출할 수 있다(S214).
무선 전력 수신기(210)는 제어 오류 값이 포함된 제어 오류 패킷을 생성하여 무선 전력 송신기(220)로 전송할 수 있다(S230).
일 예로, 무선 전력 송신기(220)는 인밴드 통신 신호를 복조하여 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값을 식별할 수 있다.
무선 전력 송신기(220)는 송신 코일에 흐르는 전류의 세기를 측정하여 실제 송신 코일 전류를 결정할 수 있다(S221).
무선 전력 송신기(220)는 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값과 결정된 실제 송신 코일 전류에 기반하여 새로운 송신 코일 전류를 결정할 수 있다(S222).
무선 전력 송신기(220)는 실제 송신 코일 전류가 결정된 새로운 송신 코일 전류에 수렴하도록 제어할 수 있다(S223).
이때, 무선 전력 송신기(220)는 현재 송신 코일에 흐르는 전류를 결정된 새로운 송신 코일 전류로 조절하기 위한 제어 방법을 결정할 수 있다. 여기서, 결정된 제어 방법에 따라 무선 전력 송신기(220)는 새로운 동작 포인트를 산출할 수 있다.
무선 전력 송신기(220)는 산출된 새로운 동작 포인트를 설정할 수 있다(S224).
무선 전력 송신기(220)는 설정된 새로운 동작 포인트에 따라 전력을 변환하여 무선 전력 수신기(210)로 전송할 수 있다(S225).
상기한 도 2의 실시 예에 있어서, 현재 송신 코일에 흐르는 전류를 결정된 새로운 송신 코일 전류로 조절하기 위한 제어 방법은 다음의 네 가지 제어 방법 중 적어도 하나로 결정될 수 있다.
1) 전력 변환기에 입력되는 DC 전압-즉, 인버터 동작 전압-을 제어하는 전압 제어 방법.
2) 인버터에 인가되는 펄스 폭 변조 신호의 위상을 제어하는 위상 제어 방법.
3) 인버터에 인가되는 펄스 폭 변조 신호의 듀티 레이트를 제어하는 듀티 제어 방법.
4) 인버터에 인가되는 펄스 폭 변조 신호의 주파수(동작 주파수)를 제어하는 주파수 제어 방법.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩될 수 있으며, 무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(117)를 순차적으로 송출하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116)가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다.
연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(127)를 순차적으로 송출하고, 신호 세기 지시자(126)가 수신된 송신 코일(111, 112) 중 전력 전송 효율(또는 충전 효율)-즉, 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태-이 좋은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 통해 전력이 송출되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.
상기의 도 3에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송출 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.
만약, 상기한 도 3의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 신호 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 신호 세기 지시자(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.
무선 전력 송신기는 충전 중 소정 이유로 인해 전력 전송을 중단하면, 일정 시간이 경과한 후 다시 무선 전력 수신기를 식별하기 위한 감지 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 충전 중 무선 전력 수신기의 과열 상태가 확인되면 전력 전송을 중단할 수 있다.
특히, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 과열 상태가 감지된 경우, 해당 무선 전력 수신기의 과열 상태가 해소될 때까지 감지 신호의 전송을 지연시킬 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 과열 상태 감지에 따라 전력 전송이 중단되면, 미리 설정된 제1 시간 동안 대기 후 감지 신호의 전송을 재개할 수 있다.
여기서, 제1 시간은 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기의 협상을 통해 결정될 수 있다. 만약, 과열 상태가 다시 감지되면, 무선 전력 송신기는 다시 제1 시간 동안 대기 후 감지 신호의 전송을 재개할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 과열 상태 감지에 따라 전력 전송이 중단되면, 미리 정의된 제2 시간 동안 대기 후 감지 신호의 전송을 재개할 수 있다.
감지 신호의 전송을 재개한 후 다시 과열 상태가 다시 감지되면, 무선 전력 송신기는 대기 시간을 일정 시간만큼 증가시킬 수 있다. 무선 전력 송신기는 과열 상태가 다시 감지될 때마다 소정 최대 시간까지 대기 시간을 증가시킬 수 있다.
상기한 도 3의 실시 예에서는 무선 전력 송신기에 복수의 송신 코일이 구비되는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 무선 전력 송신기는 하나의 송신 코일만을 구비하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4를 참조하면, 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 410), 핑 단계(Ping Phase, 420), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 430), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 440) 단계로 구분될 수 있다.
선택 단계(410)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다.
여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다.
또한, 선택 단계(410)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다.
만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(420)로 천이할 수 있다(S401).
선택 단계(410)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일의 전류 변화-즉, 부하 변화-에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(420)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 해당 표준에 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다.
핑 단계(420)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 지시자-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S402).
또한, 핑 단계(420)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 신호-를 수신하면, 선택 단계(410)로 천이할 수도 있다(S403).
핑 단계(420)가 완료되면, 송신기는 수신기 식별 및 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S404).
식별 및 구성 단계(430)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S405).
수신기에 대한 식별 및 구성이 완료되면, 송신기는 무선 전력을 전송하는 전력 전송 단계(240)로 천이할 수 있다(S406).
전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S407).
또한, 전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S408).
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 510), 핑 단계(Ping Phase, 520), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 530), 협상 단계(Negotiation Phase, 540), 보정 단계(Calibration Phase, 550), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 560) 단계 및 재협상 단계(Renegotiation Phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다.
여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다.
만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(520)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 WPC 표준이 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 핑 단계(520)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 송신기는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
송신기는 식별 및 구성 단계(530)에서 수신된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 협상이 필요하면, 송신기는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 이물질 검출 절차(FOD(Foreign Object Detection) Procedure)를 수행할 수 있다.
반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 송신기는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 송신기는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 송신기는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 임계치를 결정할 수 있다.
송신기는 결정된 FO 검출을 위한 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 송신기는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
상세하게, 송신기는 FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다.
즉, 송신기는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다.
일 실시예에 따른 송신기는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(540)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다.
이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 송신기는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 전력 전송 단계에서 과열 감지 시 리핑 코드 또는 과열 보호 코드가 포함된 전력 전송 종료 패킷을 무선 전력 송신기에 전송할 수도 있다.
이 경우, 무선 전력 송신기는 리핑 코드 또는 과열 보호 코드가 포함된 전력 전송 종료 패킷이 수신되면, 전력 전송을 중단하고, 선택 단계(510)로 진입하여 리핑 타이머를 구동할 수 있다.
여기서, 리핑 타이머 구동 시간은 협상 단계(540) 및 재협상 단계(570)에서 리핑 시간 협상 결과에 기반하여 결정될 수 있다.
리핑 시간 협상이 성공하면, 협상된 리핑 시간으로 리핑 타이머가 구동될 수 있다. 반면, 리핑 시간 협상이 실패하면, 미리 정의된 디폴트 리핑 시간으로 리핑 타이머가 구동될 수 있다.
무선 전력 송신기는 리핑 타이머가 만료되면, 핑 단계(520)로 진입하여 디지털 핑 전송을 개시하고, 신호 세기 패킷을 수신할 수 있다.
무선 전력 송신기는 식별 및 구성 단계(530)에서 리핑 코드 또는 과열 보호 코드가 포함된 전력 전송 종료 패킷이 무선 전력 수신기로부터 수신되면, 리핑 시간을 증가시킬 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 과열 현상이 해소되지 않으면, 리핑 시간을 미리 정의된 최대 시간까지 단계적으로 증가시킬 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 과열 현상이 해소되면, 해당 무선 전력 수신기로의 충전을 재개할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기에서의 리핑 시간 제어 방법은 후술할 도면들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(600)는 제어기(Controller, 610), 게이트 드라이버(Gate Driver, 620), 인버터(Invertor, 630), 전송 안테나(Trasmission Antenna, 640), 전원(Power Source, 650), 전력공급기(Power Supply, 660) 및 복조기(670)을 포함하여 구성될 수 있다. 이하의 설명에서는, 인버터(630)와 전송 안테나(640)를 통합하여 교류 전력 전송기(680)라 명하기로 한다.
전력공급기(660)는 전원(650)로부터 인가되는 전력을 변환하여 인버터(630)의 동작 전원을 공급할 수 있다.
일 예로, 전력공급기(660)는 전원(650)으로부터 인가되는 제1 직류 전압(V_in)을 제2 직류 전압-즉, 브이 레일(V_rail)-로 변환할 수 있다.
다른 일 예로, 전력공급기(660)는 전원(650)으로부터 인가되는 제1 교류 전압을 정류한 후, 정류된 직류 전압을 제2 직류 전압으로 변환할 수도 있다.
전력공급기(660)의 출력 직류 전압의 세기는 제어기(610)에 의해 제어될 수 있다.
제어기(610)가 전송 안테나(또는 송신 코일)(640)를 통해 전송되는 교류 전력의 세기를 제어하는 방법은 크게 3가지로 분류될 수 있다.첫째로, 제어기(660)는 전력공급기(660)로부터 출력되는 직류 전압의 세기를 조절하여 전송 안테나(640)를 통해 송출되는 교류 전력의 세기를 제어할 수 있다.
둘째로, 제어기(660)는 동작 주파수(Operating frequency)를 제어하여 전송 안테나(640)를 통해 전송되는 교류 전력의 세기를 조절할 수도 있다. 예를 들어, 전송 안테나의 공진 주파수 또는 무선전력 수신기가 충전영역에 놓인 상태에서 전송 안테나의 셀프 공진 주파수에 근접하거나 멀어지게 동작 주파수를 제어하여 전력의 세기를 조절하는 것이다.
셋째로, 제어기(660)는 인버터(630)에 인가되는 복수의 PWM 신호(SC_0 ~ SC_N)의 위상을 제어하여 전송 안테나(640)를 통해 전송되는 교류 전력의 세기를 조절할 수도 있다.
제어기(610)는 무선 전력 수신기로부터 수신되는 전력 제어 신호-예를 들면, WPC 표준의 제어 오류 패킷을 포함함-에 기반하여 동작 점(Operating Point)을 결정할 수 있다.
제어기(610)는 결정된 동작 점에 따라 소정 제어 신호를 하부 모듈로 전송하여 전송 안테나(640)를 통해 전송되는 교류 전력의 세기를 동적으로 조절할 수 있다. 여기서, 하부 모듈은 전력 공급기(660)를포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
일 예로, 동작 점은 전력 공급기(660)의 출력 전압 조절에 필요한 제1 동작 파라메터, 동작 주파수에 상응하는 제2 동작 파라메터 및 인버터(630)로 공급되는 복수의 PWM 신호(SC_0 ~ SC_N)의 위상에 상응하는 제3 동작 파라메터 중 적어도 하나의 파라메터에 기반하여 결정될 수 있다.
제어기(610)는 교류 신호 생성을 위해 인버터(630)에 구비된 복수의 스위치로 복수의 PWM 신호를 생성하여 제공할 수 있다. 이때, 제어기(610)의 복수의 PWM 신호-즉, 인버터 제어 신호-에 대한 위상을 제어할 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해, 전력공급기(660)로부터 인버터(630)에 공급되는 직류 전압을 인버터 입력 전압, 인버터 동작 전압, 인버터 구동 전압 또는 브이 레일(V_rail) 등을 혼용하여 명하기로 한다.
전력공급기(660)는 전원(650)으로부터 인가되는 전력의 타입에 따라, 교류/직류 변환기(AC/DC Converter) 및 직류/직류 변환기(DC/DC Converter) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
일 예로, 전력 공급기(660)는 스위칭 모드 전력 공급기(Switching Mode Power Supply, SMPS)일 수 있으며, 스위칭 트랜지스터, 필터 및 정류기 등을 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 스위치 제어 방식을 사용할 수 있다. 여기서, 정류기 및 필터가 독립적으로 구성되어 AC 전원과 SMPS 사이에 배치될 수도 있다.
SMPS는 반도체 스위치 소자의 온/오프(on/off) 시간 비율을 제어하여 출력이 안정화된 직류 전원을 해당 디바이스, 또는 회로 소자에 공급하는 전원 장치로서, 고효율, 소형 및 경량화가 가능하여 대부분의 전자기기 및 장비 등에 널리 사용되고 있다.
일 실시 예에 따른 제어기(610)는 전력 공급기(660)가 스위칭 모드 전력 공급기인 경우, 스위칭 트랜지스터를 제어하기 위한 PWM 신호의 듀티를 제어하여 전송 안테나(640)에 흐르는 전류의 세기를 제어할 수 있다.
전원의 품질에 따라 전자 회로 동작의 안정성이나 정밀도가 좌우되는 경우가 많을 수 있다. 일반적으로 배터리 및 상용 AC 전원으로부터 안정적 전원을 변환하여 공급하는 방식에는 크게 선형 제어(series regulator) 방식과 스위치 모드(switched mode) 방식이 있다.
다른 일 예로, 전력공급기(660)는 가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply)가 사용될 수 있다.
가변 SMPS는 교류 전원(AC Power Supply)으로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭 및 정류하여 DC 전압을 생성한다.
가변 SMPS(Variable SMPS)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 제어기(610)의 소정 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수도 있다.
가변 SMPS는 무선 전력 송신기의 전력 증폭기가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기-즉, 인버터(530)-의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대 효율을 유지하게 할 수도 있다.
가변 SMPS 대신에 일반적으로 사용되는 상용 SMPS를 사용하는 경우에는, 추가적으로 가변 DC/DC 변환기(Variable DC/DC)를 사용할 수 있다.
상용 SMPS와 가변 DC/DC 변환기는 전력 증폭기가 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대 효율을 유지하게 할 수 있다.
인버터(630)는 게이트 드라이버(620)를 통해 수신되는 수 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호-즉, 인버터 스위치 제어를 위한 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulated) 신호-에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압(V_rail)을 AC 전압으로 변환시킴으로써 전송 안테나(640)를 통해 전송할 교류 전력 신호를 생성할 수 있다.
게이트 드라이버(620)는 제어기(610)로부터 펄스 폭 변조 신호가 수신되면 인버터(630)에 포함된 복수의 스위치의 구동에 요구되는 적정한 전압으로 증폭할 수 있다.즉, 게이트 드라이버(620)는 인버터(630)에 입력되는 펄스 폭 변조 신호가 적정한 구동 전압을 가지도록 증폭시키는 버퍼의 기능을 수행할 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해 교류 전력 신호를 생성하기 위해 인버터 스위치로 입력되는 펄스 폭 변조 신호를 인버터 제어 신호 또는 인버터 스위치 제어 신호라 명하기로 한다.
인버터(630)가 하프 브릿지 회로를 포함하는 경우, N은 1이고, 인버터(630)가 풀 브릿지 회로를 포함하는 경우, N은 3일 수 있다.
동작 주파수는 미리 고정된 값으로 설정될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다른 실시 예에 따른 제어기(610)는 결정된 동작 점에 따라 동적으로 동작 주파수를 결정할 수도 있다.
일 실시 예에 따른 제어기(610)는 복조된 피드백 신호에 기반하여 전송 전력의 조절 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 동작 주파수를 제어하여 전송 안테나(640)를 통해 전송되는 교류 전력 신호의 세기를 조절할 수도 있다.
또한, 제어기(610)는 복조된 피드백 신호에 기반하여 전송 전력의 조절 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 동작 주파수를 제어하여 전송 안테나(640)-즉, 송신 코일-을 통해 흐르는 전류의 세기를 조절할 수도 있다.
도 6의 실시 예에 있어서, 인버터(630)가 4개의 스위치를 포함하는 풀 브릿지 회로를 포함하는 경우, 인버터(630)는 구비된 각각의 스위치를 제어하기 위한 4개의 PWM 신호(SC_0, SC_1, SC_2, SC_3)를 게이트 드라이버(620)를 통해 수신할 수 있다.
이때, PWM 신호(SC_0, SC_1, SC_2, SC_3)는 제어기(610)에 의해 생성된 후 게이트 드라이버(620)에 제공되면 적절한 구동 전압으로 증폭된 후 인버터(630)에 공급될 수 있다.
도 6의 실시 예에 있어서, 인버터(630)가 2개의 스위치를 포함하는 하프 브릿지 회로를 포함하는 경우, 인버터(630)는 각각의 스위치를 제어하기 위한 2개의 PWM 신호(SC_0, SC_1)를 게이트 드라이버(620)를 통해 수신할 수 있다.
전송 안테나(640)는 인버터(630)에서 출력되는 교류 전력 신호를 무선으로 전송하기 위한 LC 공진 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, LC 공진 회로는 하나의 송신 코일을 포함할 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다른 실시 예에 따른 LC 공진 회로는 복수의 송신 코일을 포함하여 구성될 수 있다.
전송 안테나(640)는 캐패시터(C)와 인덕터(L)가 직렬로 연결된 상기 LC 공진 회로뿐만 아니라 임피던스 매칭을 위한 매칭 회로(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 전송 안테나(640)에 복수의 송신 코일이 구비되는 경우, 전송 안테나(640)는 복수의 송신 코일 중 실제 해당 무선 전력 수신기로의 전력 전송에 사용될 송신 코일을 선택하기 위한 코일 선택 회로(미도시)를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 제어기(610)와 연결된 센서(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
이때, 센서는 인버터(630)에/로부터 입력/출력되는 전력의 세기 또는(및) 송신 코일에 흐르는 전류의 세기, 무선 전력 송신기의 내부 특정 위치에서의 온도 등을 측정하기 위한 각종 센싱 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 센서에 의해 센싱된 정보는 제어기(610)로 전달될 수 있으며, 제어기(610)는 센싱 정보에 기초하여 무선 전력 송신기의 동작을 제어할 수 있다.
일 예로, 센서에 의해 측정된 온도가 기준치를 초과하거나 특정 위치에서 측정된 전압 또는 전류의 세기가 소정 기준치를 초과하는 경우, 제어기(610)는 전송 전력의 세기를 낮추거나 전력 전송을 일시 중단하도록 제어할 수도 있다.
또한, 센서는 상기한 도 4 내지 도 5의 선택 단계(410, 510)에서 아날로그 핑이 전송되는 동안 송신 코일을 흐르는 전류의 세기를 측정하여 제어기(610)에 전달할 수 있다.
제어기(610)는 선택 단계에서 송신 코일에 흐르는 전력의 세기 정보와 소정 기준치를 비교하여 충전 영역에 배치된 물체의 존재 여부를 감지할 수 있다.
무선 전력 송신기(600)가 무선 전력 수신기와 인밴드 통신을 수행하는 경우, 무선 전력 송신기(600)는 전송 안테나(640)와 연결된 복조기(680)를 포함할 수 있다.
복조기(680)는 인밴드 신호를 복조하여 제어기(610)에 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 복조기(670)는 제어기(610)로부터 수신되는 구형파 신호를 이용하여 무선 전력 수신기에 의해 전송된 피드백 신호를 복조할 수 있다. 여기서, 구형파 신호는 인버터(630)로 공급되는 인버터 제어 신호를 이용하여 생성될 수 있다. 일 예로, 구형파 신호는 인버터(630)로 인가되는 펄스 폭 변조 신호 SC_0 내지 SC_N 중 SC_0일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 당업자의 설계에 따라, 인버터 제어 신호들 중 다른 펄스 폭 변조 신호가 이용될 수도 있다.
무선 전력 수신기는 수신 코일을 통해 수신되는 교류 신호의 전압 또는 전류의 진폭을 구비된 스위치 등을 이용하여 변화시키는 진폭 변조 기법을 통해 피드백 신호를 무선 전력 송신기로 전송할 수 있다. 무선 전력 송신기는 전송 안테나(640)상의 진폭 변조 신호를 복조하여 피드백 신호를 획득할 수 있다.
복조기(680)의 세부 구조는 후술할 도면들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
일 예로, 제어기(610)는 복조기(680)로부터 수신된 복조 신호에 기반하여 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator)의 수신 여부를 확인할 수 있다.
제어기(610)는 선택 단계에서 충전 영역에 배치된 물체를 감지하면, 핑 단계로 진입하여 전송 안테나(640)를 통해 디지털 핑이 전송되도록 제어할 수 있다.
제어기(610)는 핑 단계에서 신호 세기 지시자의 수신이 확인되면, 디지털 핑 전송을 중단하고 식별 및 구성 단계로 진입할 수 있다.
본 발명에 따른 제어기(610)는 전력 전송 단계에서 전력 전송 종료 패킷이 수신되면, 전력 전송을 중단하고, 선택 단계로 진입할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 도 6의 전송 안테나 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 도 6의 전송 안테나 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 전송 안테나(640)는 코일 선택 회로(710), 코일 어셈블리(720) 및 공진 캐패시터(730)를 포함하여 구성될 수 있다.
코일 어셈블리(720)는 적어도 하나의 송신 코일-즉, 제1 내지 제N 코일-을 포함하여 구성될 수 있다.
코일 선택 회로(710)는 코일 어셈블리(720)에 포함된 송신 코일 중 어느 하나 또는 적어도 어느 하나에 인버터(630) 출력 전류(I_coil)가 전달되도록 구성된 스위칭 회로를 포함하여 구성될 수 있다.
제어기(610)는 코일 어셈블리(720)에 포함된 송신 코일 중 무선 전력 전송에 사용할 송신 코일을 선택할 수 있다.
제어기(610)는 선택된 송신 코일에 상응하는 스위치는 단락(ON)시키고, 나머지 송신 코일에 상응하는 스위치를 오픈(OFF)시킴으로써, 특정 송신 코일을 통해서만 무선 전력이 전송되도록 제어할 수 있다.
코일 선택 회로(710)에 제1 내지 제N 스위치를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, N은 2이상인 자연수일 수 있다.
코일 선택 회로(710)에 포함된 스위치는 그것의 일단이 인버터(630)의 출력단에 연결되고 타단이 그것에 대응되는 코일에 연결될 수 있다.
코일 어셈블리(720)에 포함된 제1 내지 제N 코일은 그것의 일단이 코일 선택 회로(710)의 대응되는 스위치에 각각 연결되고, 그것의 타단은 공진 캐패시터(730)에 연결될 수 있다.
복조기(680)는 코일 어셈블리(720)와 공진 캐피시터(730) 사이의 신호-즉, 진폭 변조된 신호인 제1 신호-를 제어기(680)로부터 수신되는 레퍼런스 클락(Ref_CLK) 신호와 믹싱한 후, 믹싱된 신호를 저역 통과 필터를 통과시켜 디지털 신호로 복조할 수 있다. 이때, 복조된 신호는 제어기(610)로 전달될 수 있다.
만약, 코일 어셈블리(720)가 하나의 송신 코일로 구성되는 경우, 상술한 도 7의 코일 선택 회로(710)는 전송 안테나(640)의 구성에서 제외될 수도 있음을 주의해야 한다.
이 경우, 복조기(680)는 송신 코일(미도시)과 공진 캐피시터(730) 사이의 신호-즉, 진폭 변조 신호인 제1 신호-와 제어기(680)로부터 수신되어 위상 지연된 정구형파 신호-즉, 제2 신호-를 믹싱한 후, 믹싱된 신호를 저역 통과 필터(미도시) 및 비교기(미도시)에 통과시켜 디지털 신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 복조기(680)는 고전압의 진폭 변조 신호를 복조하기 위해 후술할 도 8에 개시된 감쇠기(Attenuator, 810)가 구비되지 않음을 주의해야 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 복조기(680)의 세부 구성은 후술할 도면들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
도 8은 종래의 무선 전력 송신기에 구비되는 복조기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 종래의 복조기(800)는 감쇠기(Attenuator, 810), 피크 감지기(Peak Detector, 820) 및 비교기(Comparator, 830)를 포함하여 구성될 수 있다.
복조기(800)에 입력된 진폭 변조 신호는 감쇠기(810)에 의해 감쇠될 수 있다. 도면 번호 840에 도시된 바와 같이, 감쇠기(810)에 입력된 진폭 변조 신호
Figure pat00001
는 최대 진폭이 100V이고, 진폭 변동 폭 1V인 것을 보여준다.
하지만, 감쇠기(810)를 통과한 진폭 변조 신호
Figure pat00002
는 도면 번호 840에 도시된 바와 같이, 최대 진폭이 10V로 감소될 뿐만아니라 진폭 변동 폭도 최대 진폭의 감소와 비례하여 0.1V로 감소된다.
진폭 변조 신호의 진폭 변동 폭이 급격히 감소하면, 진폭 변조 신호에 대한 복조기(800)에서의 복조 성능이 급격히 떨어져, 정상적인 신호 복구가 어려운 문제점이 있다.
즉, 감쇠기(810)에 의해 진폭 변조 신호의 진폭 변동 폭이 급격히 감소하면, 피크 감지기(820) 출력 신호 의 전압 레벨 차이도 급격히 감소한다.
따라서, 종래의 복조기(800)는 진폭 변조 신호에 작은 잡음이 섞여도 비교기(830)에서의 신호 판별 오류가 발생될 확률이 높아지는 문제점이 있었다.
특히 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태가 좋지 않은 경우, 신호 A(t)의 진폭 변화가 줄어들기 때문에 피드백 데이터의 복조 에러 확률이 높아질 수 있다.
또한, 송신 전력이 높은 무선 충전 송수신 시스템에서-예를 들면, 60와트(Watt) 급(class)) 진폭 변조 신호의 진폭 편차가 커야 데이터 0과 1의 차이가 분명해지기 때문에 진폭 변조 레벨을 키워야 한다.
하지만, 진폭 변조 레벨을 키우게 되면 EMI또는 EMC 문제가 발생할 수 있기 때문에 값을 크게 키울 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 진폭 변조 레벨을 매우 작게 하면서도 인밴드 통신에서 피드백 신호의 복조 성능을 개선하기 위한 복조기 구조 및 피드백 신호 복조 방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에 구비되는 복조기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 9를 참조하면, 복조기(900)는 주파수 믹서(Frequency Mixer, 910), 저역 통과 필터(Low Pass Filter, 920), 비교기(Comparator, 930) 및 지연기(Delay, 940)을 포함하여 구성될 수 있다.
복조기(900)는 교류 전력 전송기(680) 및 제어기(610)와 연결될 수 있다.
주파수 믹서(910)는 교류 전력 전송기(680)의 전송 안테나(640)로부터 진폭 변조 신호-즉, 제1 신호-
Figure pat00003
를 수신할 수 있다.
여기서,
Figure pat00004
는 인버터(630) 구동 시 내부에서 발생되는 위상 지연을 의미하고,
Figure pat00005
는 무선 전력 수신기에 의해 변조된 전송안테나에 흐르는 교류의 크기(피드백 신호의 진폭 성분)이고,
Figure pat00006
이고,
Figure pat00007
는 동작 주파수이다.
이하 설명의 편의를 위해, 전송 안테나(640)로부터 진폭 변조 신호인 제1 신호를
Figure pat00008
이라 명하기로 한다.
일 예로, 제1 신호는 상기한 도 7에 도시된 바와 같이, 전송 안테나(680)의 공진 캐패시터(730)와 코일 어셈블리(720) (또는 송신 코일) 사이에서 감지되는 신호일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제어기(610)는 인버터 스위치 제어를 위한 제1 내지 제N 펄스 폭 변조 신호(SC_0 ~ SC_N) 중 어느 하나의 신호를 복조기(900)에 제공할 수 있다.
이하의 실시 예에서는 제어기(610)가 제1 펄스 폭 변조 신호인 SC_0를 복조기(900)에 제공하는 것을 예를 들어 설명하기로 한다.
이하 설명의 편의를 위해, 피드백 신호 복조를 위해 제어기(610)가 복조기(900)에 전송하는 신호를
Figure pat00009
라 명하기로 한다.
여기서,
Figure pat00010
는 다음 수식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00011
이때,
Figure pat00012
는 지연기(940)에 입력되며, 지연기(940)의 출력인
Figure pat00013
은 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00014
또한, 주파수 믹서(910)의 출력인
Figure pat00015
은 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
로 표현될 수 있다.
연이어,
Figure pat00018
이 저역 통과 필터(920)를 통과하면, 고주파 성분들이 제거되고, 기저 대역 신호인
Figure pat00019
만이 남을 수 있다.
일 예로, 본 실시 예에 따른 무선 충전 시스템의 동작 주파수 범위가 약 90KHz~180KHz인 경우, 저역 통과 필터(920)의 컷 오프 주파수는 약 20KHz로 설계될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 해당 무선 충전 시스템의 동작 주파수 범위 및 당업자의 설계에 따라 저역 통과 필터(920)의 컷 오프 주파수는 상이하게 설계될 수 있음을 주의해야 한다. 여기서, 컷 오프 주파수는 저역 통과 필터(920)를 통과할 수 있는 최대 주파수를 의미할 수 있다.
일 예로, 비교기(930)는 입력된 기저 대역 신호의 전압과 기준 전압(Reference Voltage)를 비교하여 디지털 신호를 출력할 수 있다.
다른 일 예로, 비교기(930)는 입력된 기저 대역 신호의 전류와 기준 전류(Reference Current)를 비교하여 디지털 신호를 출력할 수도 있다.
특히, 상기한 도 9의 실시 예에 있어서, 제1 신호인
Figure pat00020
과 제2 신호인
Figure pat00021
의 위상 차이가 0도에 가까울수록 주파수 믹서(910)의 출력이 커지므로, 신호 피드백 신호 성분인
Figure pat00022
를 정확하게 복조할 수 있다.
이상적으로는 인버터의 위상변화가 없다고 가정할 수 있다. 이 때에는 별도의 위상 지연기는 생략될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서의 복조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 10을 참조하면, 복조기(900)는 전송 안테나(640)로부터 수신되는 제1 신호(
Figure pat00023
, 1010)와 위상 지연된 구형파 신호인 제2 신호(
Figure pat00024
, 1020)를 주파수 믹서(910)에 통과시켜 제3 신호(
Figure pat00025
, 1030)를 생성할 수 있다.
여기서, 제3 신호(1030)는 동작 주파수의 채배 주파수 성분과 기저 대역 성분을 포함할 수 있다.
제3 신호(1030)가 저역 통과 필터(920)를 통과하면 채배 주파수 성분은 제거되고 기저 대역 신호인 제4 신호(
Figure pat00026
, 1040)만이 남는다.
제4 신호(1040)가 비교기(930)을 통과하면, 디지털 신호인 제5 신호(a[Tn], 1050)가 출력될 수 있다. 여기서, 제5 신호(1050)는 심볼 주기가 T인 디지털 신호일 수 있다.
따라서, 도면 번호 1011 및 도면 번호 1031에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복조기(900)는 제3 신호(1030)의 진폭 변동 폭을 제1 신호(1010)의 진폭 변동 폭과 동일하게 유지시킬 수 있다.
도면 번호 1011에, 제1 신호(1010)의 최대 진폭 레벨이 100V이고 진폭 변동 폭 1V인 것으로 도시되어 있으나, 이는 이해를 돕기 위함일 뿐 무선 전력 수신기가 충전 영역에 배치된 정렬 상태에 따라 상이할 수 있다.
일 예로, 송신 코일과 수신 코일이 잘 정렬될수록-예를 들면, 무선 전력 수신기가 충전 가능 영역의 중앙에 배치될수록-, 제1 신호(1010)의 진폭 변동 폭(1011)은 커질 수 있다.
제1 신호(1010)의 진동 변동 폭(1011)은 무선 전력 송신기(600)의 복조 성능을 좌우하므로, 복조 시 진폭 변동 폭(1011)을 최대로 유지시키는 것이 중요할 수 있다.
도면 번호 1041에 도시된 바와 같이, 제4 신호(1040)의 진폭 변동 폭은 제1 신호(1010)의 진폭 변동 폭과 동일하게 유지될 수 있음을 주의해야 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 교류 전력 전송기의 구조를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 11을 참조하면, 교류 전력 전송기(1100)는 풀 브릿지 인버터(1110) 및 LC 공진 회로(1120)를 포함하여 구성될 수 있다.
풀 브릿지 인버터(1110)는 제1 내지 제3 스위치(1111, 1112, 1113, 1114)를 포함하여 구성될 수 있다.
LC 공진 회로(1120)는 직렬 연결된 인덕터(L, 1120)과 제1 캐패시터(C1, 1122)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 내지 제3 스위치(1111, 1112, 1113, 1114) 각각에는 인버터 스위치를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호인 제1 스위치 제어 신호 내지 제3 스위치 제어 신호(SC_0 내지 SC_3)가 인가될 수 있다.
여기서, 제1 스위치 제어 신호 내지 제3 스위치 제어 신호(SC_0 내지 SC_3)는 제어기(610)에 의해 생성된 펄스 폭 변조 신호일 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, LC 공진 회로(1120)의 일단은 제1 스위치(1111)와 제2 스위치(1112) 사이에 연결되고, 타단은 제2 스위치(1113)와 제3 스위치(1114) 사이에 연결될 수 있다.
이때, 상기 도 9에서 복조기(900)에 입력되는 제1 신호는 인덕터(L, 1120)과 제1 캐패시터(C1, 1122) 사이에서 흐르는 신호일 수 있다.
도 12a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에 배치되는 복조기의 주파수 혼합기의 구성을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 12a를 참조하면, 주파수 혼합기(910)는 제1 트랜지스터(Q0, 911), 제2 트랜지스터(Q1, 912), 제3 트랜지스터(Q3, 913) 및 상기 제1 내지 3 트랜지스터(911, 912, 913)에 각각 연결된 제1 내지 제3 저항(914, 915, 916)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 트랜지스터(911)는 지연기(940)와 연결되어 상기한 도 9 내지 10에서 설명된 제2 신호 VDLY가 인가될 수 있다.
제2 트랜지스터(912)는 전송 안테나(640)와 연결되어 상기한 도 9 내지 10에서 설명한 제1 신호 VAM이 인가될 수 있다.
주파수 혼합기(910)의 출력 VOUT은 제3 트랜지스터(913)와 제3 저항(916) 사이에서 출력될 수 있다.
도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에 배치되는 복조기의 저역 통과 필터와 비교기의 구성을 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 12를 참조하면, 저역 통과 필터(1210)는 저항(R, 1211)과 제2 캐패시터(C2, 1212)를 포함하는 RC 회로로 구성되어 고주파 성분을 제거하고 기저 대역 성분만을 통과시킨다.
저역 통과 필터(1210)를 통과한 신호는 비교기(1220)의 제1 입력 단자-예를 들면, ‘+’ 단자-로 인가되고, 비교기(1220)의 제2 입력 단자-예를 들면, ‘-’ 단자-에는 기준 전압(Vref)이 인가될 수 있다.
단위 심볼 구간 동안의 비교기(1220) 출력은 HIGH 또는 LOW 값을 가지는 디지털 신호일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 도 6의 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 수신기(1300)는 수신 안테나(1310), 정류기(1320), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 1330), 스위치(1340), 부하(1350), 센싱부(1360), 변조부(1370) 및 주제어부(1370)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 도 13의 실시 예에 도시된 무선 전력 수신기(1300)는 인밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기(600)와 정보를 교환할 수 있다.
수신 안테나(1310)는 수신 코일인 인덕터(미도시)와 적어도 하나의 캐패시터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 송신기(600)가 전송된 AC 전력은 수신 안테나(1310)을 통해 정류기(1320)에 전달할 수 있다.
정류기(1320)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(1330)에 전송할 수 있다.
직류/직류 변환기(1330)는 정류기(1320)의 출력 DC 전력의 세기를 부하(1350)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환하여 출력할 수 있다.
센싱부(1340)는 정류기(1320) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(1380)에 제공할 수 있다.
주제어부(1380)는 정류기(1320) 출력 DC 전력에 기반하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
전력 제어를 위한 피드백 신호는 주제어부(1380)가 변조부(1370)를 제어하여 이루어질 수 있다.
또한, 센싱부(1340)는 직류/직류 변환기(1330)의 출력 전압 및 전류를 측정하여 주제어부(1380)에 전달할 수도 있다.
주제어부(1380)는 직류/직류 변환기(1330)의 출력 전압 및(또는 전류)가 해당 기준치를 초과하는 경우, 스위치(1340)를 제어하여 과전압/과전류가 부하(1350)에 인가되는 것을 차단할 수도 있다.
또한, 센싱부(1340)는 무선 전력 수신에 따라 수신 안테나(1310)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(1380)에 전송할 수도 있다.
또한, 센싱부(1340)는 무선 전력 수신기(1300) 또는 무선 전력 수신기(1300)가 장착된 전자 기기의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(1380)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 주제어부(1380)는 측정된 정류기 출력 DC 전력의 세기를 소정 기준치와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다.
판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 주제어부(1380)는 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 제어 신호가 무선 전력 송신기(600)에 의해 감지될 수 있도록 변조부(1370)를 제어할 수 있다.
일 예로, 변조부(1370)는 주제어부(1380)로부터 수신되는 제어 신호에 따라 구비된 스위치를 제어하여 수신된 AC 전력 신호의 진폭을 변조시킬 수 있다.
즉, 변조부(1370)의 스위치 제어에 상응하여 무선 전력 송신기(600)의 송신 코일에 흐르는 전류 흐름이 변화할 수 있다.
무선 전력 송신기는 송신 코일에 흐르는 신호의 변화를 감지하여 무선 전력 수신기(1300)에 의해 생성된 피드백 신호를 복조할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선 전력 송신기에 배치되는 복조기에서의 신호 복조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9 및 도 14를 참조하면, 복조기(900)는 구비된 주파수 혼합기(910)로 입력되는 2개의 신호-이하, 제1 신호(VAM) 및 제2 신호(VDLY)라 명함-를 믹싱할 수 있다(S1410).
여기서, 제1 신호는 전송 안테나(640)로부터 입력되는 진폭 변조된 신호이고, 제2 신호는 제1 신호와 동일 주파수를 가지는 위상 지연된 구형파신호일 수 있다.
제1 신호와 제2 신호는 동일 주파수를 가지나 위상이 상이한 신호일 일 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 제1 신호의 위상과 제2 신호의 위상 위상 차이가 0이 되도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 인버터 출력 신호인 제1 신호의 위상을 측정하고, 측정된 제1 신호의 위상에 기반하여 제2 신호의 위상을 결정할 수 있다.
이때, 무선 전력 송신기는 제1 신호의 위상과 제2 신호의 위상 차이가 0이 되도록 제2 신호의 위상을 제어할 수 있다.
주파수 혼합기(910)의 출력 신호는 동작 주파수의 채배 주파수 신호 성분과 기저 대역 신호 성분을 포함한다.
따라서, 주파수 혼합기(910)의 출력 신호는 복조기(900)에 구비된 저역 통과 필터(920)에 입력될 수 있다.
복조기(900)는 구비된 저역 통과 필터(920)를 이용하여 주파수 혼합기(910)의 출력 신호를 필터링할 수 있다(S1420).
여기서, 주파수 혼합기(910)의 출력 신호에 포함된 신호 성분 중 채배 주파수 성분은 저역 통과 필터(920)에 의해 제거되고, 기저 대역 신호 성분만이 저역 통과 필터(920)를 통과할 수 있다.
저역 통과 필터(920)의 출력 신호는 복조기(900)에 구비된 비교기(930)의 제1 입력 단자로 인가될 수 있다. 이때, 비교기(930)의 제2 입력 단자에는 소정 레퍼런스 전압이 인가될 수 있다.
복조기(900)는 구비된 비교기(930)를 이용하여 저역 통과 필터(920)의 출력인 기저 대역 신호-즉, 아날로그 신호인 진폭 변조 신호-를 디지털 신호로 변환할 수 있다(S1430). 비교기(930)는 필터링된 신호와 소정 기준 전압을 비교하여 디지털 신호를 출력할 수 있다.
복조기(900)는 비교기(930)를 통해 변환된 디지털 신호를 제어기(610)로 전송할 수 있다(S1440).
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서의 복조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 15를 참조하면, 무선 전력 송신기는 전송 안테나를 통해 제1 신호를 획득할 수 있다(S1510). 여기서, 제1 신호와 후술할 제2 신호의 주파수는 동일하고, 제1 신호와 제2 신호의 위상은 상이할 수 있다.
무선 전력 송신기는 인버터 제어 신호를 이용하여 제2 신호를 생성할 수 있다(S1520).
여기서, 인버터 제어 신호는 제1 내지 제N 스위치 제어 신호를 포함할 수 있으며, 무선 전력 송신기는 제1 내지 제N 스위치 제어 신호 중 특정 스위치 제어 신호를 이용하여 제2 신호를 생성할 수 있다.
이때, N은 인버터의 타입에 따라 결정되는 상수이며, N값이 1이면, 인버터 타입이 하프 브릿지 인버터임을 의미하고, N 값이 3이면, 인버터 타입이 풀 브릿지 인버터임을 의미한다.
무선 전력 송신기는 해당 스위치 제어 신호의 위상을 지연하여 제2 신호를 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 제1 신호의 위상과 제2 신호의 위상 차이가 0이 되도록 제2 신호의 위상을 제어할 수 있다.
무선 전력 송신기는 제2 신호를 이용하여 제1 신호를 복조할 수 있다(S1530).
여기서, 상기한 1530 단계는 구비된 주파수 혼합기를 이용하여 제1 신호와 제2 신호를 믹싱하는 단계와 믹싱된 신호를 구비된 저역 통과 필터를 이용하여 저역 통과 필터링하는 단계와 구비된 비교기를 통해 필터링된 신호를 기준 전압과 비교하여 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 제1 신호와 상기 제2 신호의 위상 차이는 믹싱된 신호의 출력 전압이 최대가 되도록 결정될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호의 위상 차이가 0도에 가까워지도록 제2 신호의 위상이 제어될 수 있다.
또한, 전송 안테나는 공진 캐패시터와 인덕터를 포함하고, 제1 신호는 공진 캐패시터와 인덕터 사이의 진폭 변조 신호일 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서 신호 복조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16을 참조하면, 무선 전력 송신기는 전송 안테나로부터 진폭 변조된 신호인 제1 주파수의 제1 신호를 획득할 수 있다(S1610).
무선 전력 송신기는 인버터 제어 신호를 위상 지연하여 제1 주파수의 제2 신호를 생성할 수 있다(S1620).
일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 인버터 출력 신호인 제1 신호의 위상을 측정하고, 측정된 제1 신호의 위상에 기반하여 제2 신호의 위상을 결정할 수 있다.
이때, 무선 전력 송신기는 제1 신호의 위상과 제2 신호의 위상 차이가 0이 되도록-즉, 주파수 혼합기의 출력이 최대가 되도록- 제2 신호의 위상을 제어할 수 있다.
무선 전력 송신기는 제1 신호와 제2 신호를 믹싱할 수 있다(S1630).
무선 전력 송신기는 믹싱된 신호에서 채배 주파수 성분을 제거하고 무선 전력 수신기에 의해 진폭 변조된 성분-즉, 기저 대역 성분-만을 추출하는 기저 대역 필터링을 수행할 수 있다(S1640).
무선 전력 송신기는 필터링된 신호를 소정 기준 전압과 비교하여 디지털 신호를 생성할 수 있다(S1650).
여기서, 디지털 신호는 무선 전력 송신기에 구비된 제어기로 전달되며, 제어기는 디지털 신호에 기반하여 피드백 신호를 식별하고, 식별된 피드백 신호에 기반하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에 구비되는 복조기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 9를 참조하면, 복조기(900)는 주파수 믹서(Frequency Mixer, 910), 저역 통과 필터(Low Pass Filter, 920), 비교기(Comparator, 930) 및 지연기(Delay, 940)을 포함하여 구성될 수 있다.
복조기(900)는 교류 전력 전송기(680) 및 제어기(610)와 연결될 수 있다.
주파수 믹서(910)는 교류 전력 전송기(680)의 전송 안테나(640)로부터 진폭 변조 신호-즉, 제1 신호-
Figure pat00027
를 수신할 수 있다.
여기서,
Figure pat00028
는 인버터(630) 구동 시 내부에서 발생되는 위상 지연을 의미하고,
Figure pat00029
는 무선 전력 수신기에 의해 진폭 변조된 피드백 신호 성분이고,
Figure pat00030
이고,
Figure pat00031
는 동작 주파수이다.
이하 설명의 편의를 위해, 전송 안테나(640)로부터 진폭 변조 신호인 제1 신호를
Figure pat00032
이라 명하기로 한다.
일 예로, 제1 신호는 상기한 도 7에 도시된 바와 같이, 전송 안테나(680)의 공진 캐패시터(730)와 코일 어셈블리(720) (또는 송신 코일) 사이에서 감지되는 신호일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제어기(610)는 인버터 스위치 제어를 위한 제1 내지 제N 펄스 폭 변조 신호(SC_0 ~ SC_N) 중 어느 하나의 신호를 복조기(900)에 제공할 수 있다.
이하의 실시 예에서는 제어기(610)가 제1 펄스 폭 변조 신호인 SC_0를 복조기(900)에 제공하는 것을 예를 들어 설명하기로 한다.
이하 설명의 편의를 위해, 피드백 신호 복조를 위해 제어기(610)가 복조기(900)에 전송하는 신호를
Figure pat00033
라 명하기로 한다.
여기서,
Figure pat00034
는 다음 수식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00035
이때,
Figure pat00036
는 지연기(940)에 입력되며, 지연기(940)의 출력인
Figure pat00037
은 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00038
또한, 주파수 믹서(910)의 출력인
Figure pat00039
은 다음의 수식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00040
여기서,
Figure pat00041
로 표현될 수 있다.
연이어,
Figure pat00042
이 저역 통과 필터(920)를 통과하면, 고주파 성분은 제거되고, 기저 대역 성분만을 포함한 신호
Figure pat00043
이 남는다.
여기서,
Figure pat00044
는
Figure pat00045
로 표현될 수 있다.
일 예로, 본 실시 예에 따른 무선 충전 시스템의 동작 주파수 범위가 약 90KHz~180KHz인 경우, 저역 통과 필터(920)의 컷 오프 주파수는 약 20KHz로 설계될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 해당 무선 충전 시스템의 동작 주파수 범위 및 당업자의 설계에 따라 저역 통과 필터(920)의 컷 오프 주파수는 상이하게 설계될 수 있음을 주의해야 한다. 여기서, 컷 오프 주파수는 저역 통과 필토(920)를 통과할 수 있는 최대 주파수를 의미할 수 있다.
비교기(930)는 입력된 기저 대역 신호와 기준 전압(Reference Voltage)를 비교하여 디지털 신호를 출력할 수 있다.
특히, 상기한 도 9의 실시 예에 있어서, 제1 신호인
Figure pat00046
과 제2 신호인
Figure pat00047
의 위상 차이가 0도에 가까울수록 주파수 믹서(910)의 출력이 커지므로, 신호 피드백 신호 성분인
Figure pat00048
를 정확하게 복조할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (18)

  1. 교류 신호를 출력하는 인버터;
    상기 인버터에 연결되는 송신 코일;
    상기 송신 코일과 연결되어 진폭 변조 신호(amplitude modulated signal)인 제1 신호를 수신하는 복조기; 및
    상기 교류 신호의 동작 주파수를 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 복조기는
    상기 제어기가 출력하는 인버터 제어 신호를 지연시켜 상기 진폭 변조 신호와 제1 위상차를 갖고, 상기 진폭 변조 신호와 동일한 주파수인 제2 신호를 생성하고,
    상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 혼합(Mixing)하고,
    상기 혼합된 신호의 전압 또는 전류를 기준 전압(reference voltage) 또는 기준 전류(reference current)와 비교하여 상기 진폭 변조 신호에 인코딩된 비트 데이터를 복조하는 무선 전력 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복조기는 상기 인버터 제어 신호의 위상을 지연시키는 지연기를 포함하는 무선 전력 송신기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복조기는
    상기 혼합된 신호를 저역 통과 필터링하는 저역 통과 필터; 및
    상기 필터링된 신호를 기준 전압 또는 기준 전류와 비교하여 디지털 신호로 변환하는 비교기
    를 더 포함하는 무선 전력 송신기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 위상 차는 상기 혼합된 신호의 전압이 최대인 위상 차인 무선 전력 송신기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 위상 차는 상기 제1 신호의 위상에 따라 결정되는 무선 전력 송신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어 신호는
    상기 교류 신호 생성을 위해 상기 인버터의 스위치에 인가되는 펄스 폭 변조 신호인 무선 전력 송신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 신호는 제1 내지 제N 스위치 제어 신호를 포함하고, 상기 제1 내지 제N 스위치 제어 신호 중 어느 하나를 지연하여 상기 제2 신호를 생성하는 무선 전력 송신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 비트 데이터로부터 전송 전력의 조절 여부를 판단하고, 상기 전송 전력을 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작주파수를 변경하는 무선 전력 송신기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 비트 데이터로부터 상기 송신 코일에 흐르는 전류 세기의 조절 여부를 판단하고, 상기 송신 코일의 전류 세기를 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작 주파수를 변경하는 무선 전력 송신기.
  10. 인버터를 통해 교류 전력을 생성하는 단계;
    상기 교류 전력이 입력되는 전송 안테나로부터 진폭 변조 신호인 제1 신호를 획득하는 단계;
    상기 인버터를 제어하기 위한 인버터 제어 신호를 지연시켜 상기 제1 신호와 제1 위상 차를 갖고, 상기 제1 신호와 동일한 주파수인 제2 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 혼합(mixing)하는 단계; 및
    상기 혼합된 신호의 전압 또는 전류를 기준 전압(reference voltage) 또는 기준 전류(reference current)와 비교하여 상기 제1 신호에 인코딩된 비트 데이터를 복조하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 혼합된 신호의 전압 또는 전류를 기준 전압(reference voltage) 또는 기준 전류(reference current)와 비교하여 상기 제1 신호에 인코딩된 비트 데이터를 복조하는 단계는
    상기 혼합된 신호를 저역 통과 필터링하는 단계; 및
    상기 필터링된 신호를 기준 전압 또는 기준 전류와 비교하여 디지털 신호로 변환하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 위상 차는 상기 혼합된 신호의 전압이 최대인 위상차인 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 위상 차는 상기 제1 신호의 위상에 따라 결정되는 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전송 안테나는 공진 캐패시터와 인덕터를 포함하고,
    상기 제1 신호는 상기 공진 캐패시터와 상기 인덕터 사이의 신호인 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 인버터 제어 신호는
    상기 교류 신호 생성을 위해 상기 인버터에 구비된 스위치에 인가되는 펄스 폭 변조 신호인 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 신호는 제1 내지 제N 스위치 제어 신호를 포함하고, 상기 제1 내지 제N 스위치 제어 신호 중 어느 하나를 지연하여 상기 제2 신호를 생성하는 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 비트 데이터로부터 전송 전력의 조절여부를 판단하고, 상기 전송 전력을 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작주파수를 변경하는 단계를 더 포함하는 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 비트 데이터로부터 상기 전송 안테나에 흐르는 전류 세기의 조절 여부를 판단하고, 상기 전송 안테나에 흐르는 전류 세기를 조절하기 위해 상기 교류 신호의 동작 주파수를 변경하는 단계를 포함하는 무선 전력 송신기의 데이터 통신 방법.
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