KR20200088015A - 무선 충전 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20200088015A
KR20200088015A KR1020190004485A KR20190004485A KR20200088015A KR 20200088015 A KR20200088015 A KR 20200088015A KR 1020190004485 A KR1020190004485 A KR 1020190004485A KR 20190004485 A KR20190004485 A KR 20190004485A KR 20200088015 A KR20200088015 A KR 20200088015A
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김형종
박신호
은상기
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 공진형 무선 충전 방법 및 장치에 관한 것으로서, 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법은 부팅 후 다운트랜스의 권선비를 최저로 초기화하는 단계와 무선 전력 송신기로부터 적정 전압 구간의 전력이 수신될 때까지 다운 트랜스의 권선비를 단계적으로 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 공진형 무선 충전 시스템에서 송수신기 사이의 이격 거리에 관계 없이 안전한 충전이 가능한 공진형 무선 전력 수신기를 제공하는 장점이 있다.

Description

무선 충전 방법 및 장치{Method and apparatus for transmitting wireless power}
본 발명은 무선 충전 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 공진형 무선 전력 수신기에서 송수신기 사이의 이격 거리에 상관 없이 안전한 충전이 가능한 무선 충전 방법 및 그를 위한 장치에 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 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 전자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
전자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 전자기 유도 방식은 수 와트(W)부터 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리-즉, 충전이 가능한 송수신기가 최대 이격 거리-가 1센티미터(cm) 이하인 단점이 있다.
전자기 공진 방식은 송수신기가 공진 주파수를 사용하여 효율을 극대화시킴으로써, 전자 유도 방식에 비해 보다 원거리의 무선 충전이 가능한 장점이 있다.
하지만, 전자기 공진 방식은 최대 효율인 공진 주파수를 이용하므로 송신기의 출력 전력이 높다. 따라서, 근접 거리에 접근한 수신기에는 과전력이 전달될 수 있다. 만약 수신기 부품의 한계 규격을 넘어서는 전력이 수신기에 수신되면 수신기는 파손될 수 있다.
특히, 공진형 무선 충전 시스템의 경우, 송신수신기가 공진 주파수에 매칭된 상태에서는 작은 입력 전류에서 큰 출력이 발생되므로, 송수신기간 이격 거리가 짧은 경우, 일반적인 폐루프 전력 제어만으로 수신기 파손을 방지하기 힘든 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 공진형 무선 전력 수신기를 위한 무선 충전 방법 및 그를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공진형 무선 충전에 있어서 트랜스 제어를 통해 송수신기 사이의 이격 거리에 상관 없이 안전한 충전이 가능한 무선 전력 수신기 및 그것의 무선 충전 방법을 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 공진형 무선 전력 수신기 및 그것의 무선 충전 방법을 제공할 수 있다.
실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법은 부팅 후 다운트랜스의 권선비를 최저로 초기화하는 단계와 무선 전력 송신기로부터 적정 전압 구간의 전력이 수신될 때까지 다운 트랜스의 권선비를 단계적으로 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무선 전력 수신기는 구비된 정류기의 출력 전압을 상기 적정 전압 구간과 비교하여 상기 다운트랜스의 권선비를 조절할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 수신기는 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 적정 전압 구간을 벗어나면 상기 다운트랜스의 권선비를 조절할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 수신기는 상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간을 유지하면 상기 무선 전력 송신기와 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 폐루프 전력 제어는 상기 정류기의 출력 전압에 관한 정보가 포함된 피드백 신호를 상기 무선 전력 송신기로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 무선 전력 송신기가 상기 정류기의 출력 전압에 따라 인버터로 인가되는 펄스 변조 신호의 위상 및(또는) 듀티를 제어하여 상기 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 적정 전압 구간은 제1 기준과 제2 기준 사이이고, 상기 무선 전력 수신기가 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 제1 기준과 소정 상한 사이이면 단계적으로 상기 권선비를 감소시키고, 상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 소정 하한과 상기 제2 기준 사이이면 단계적으로 상기 권선비를 증가시킬 수 있다. 여기서, 상기 상한은 상기 제1 기준보다 크고, 상기 제2 기준은 상기 하한보다 클 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 수신기가 상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 상한을 초과하면 상기 충전을 중단시킬 수도 있다.
또한, 상기 무선 전력 수신기가 상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 하한 미만이면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화시킬 수도 있다.
또한, 상기 무선 전력 송신기와의 통신 연결이 해제되면 상기 무선 전력 수신기가 상기 권선비를 상기 최저로 초기화시킬 수도 있다.
또한, 충전이 완료되면, 상기 무선 전력 수신기가 상기 권선비를 상기 최저로 초기화시킬 수 있다.
다른 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 공진 주파수를 이용하여 무선 전력을 수신하는 수신 공진 회로와 상기 수신 공진 회로를 통해 수신된 교류 전력 신호를 직류 전력 신호로 변환하는 정류기와 상기 정류기로 인가되는 상기 교류 전력 신호의 세기를 제어하기 위한 수신 효율 제어 회로와 상기 정류기의 출력 전압에 기초하여 상기 수신 효율 제어 회로를 제어하는 수신 제어기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수신 효율 제어 회로는 상기 교류 전력 신호의 전압을 강하하는 다운트랜스와 상이한 권선비를 가지는 복수의 트랜스 패스 중 어느 하나를 선택하기 위한 패스 선택 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 효율 제어 회로는 상기 트랜스 패스 별 임피던스 매칭을 위한 패스 매칭 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 제어기는 부팅 후 상기 패스 선택 스위치를 제어하여 상기 다운트랜스의 권선비를 최저로 초기화시키고, 상기 정류기의 출력 전압이 적정 전압 구간에 도달할 때까지 상기 패스 선택 스위치를 제어하여 상기 다운트랜스의 권선비를 단계적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 수신 제어기는 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간을 벗어나면 상기 다운트랜서의 권선비를 조절할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 수신기는 대역외 근거리 무선 통신을 위한 통신 안테나와 상기 통신 안테나를 통해 송수신되는 신호를 처리하는 모뎀을 더 포함하고, 상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간을 유지하면 상기 수신 제어기가 상기 대역외 근거리 무선 통신을 통해 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 적정 전압 구간은 제1 기준과 제2 기준 사이이고, 상기 수신 제어기가 상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 제1 기준과 소정 상한 사이이면 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간에 도달할 때까지 단계적으로 상기 권선비를 감소시키고, 상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 소정 하한과 상기 제2 기준 사이이면 상기 적정 전압 구간에 도달할 때까지 단계적으로 상기 권선비를 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 상한은 상기 제1 기준보다 크고, 상기 제2 기준은 상기 하한보다 클 수 있다.
또한, 상기 수신 제어기가 상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 상한을 초과하면 상기 충전을 중단시킬 수 있다.
또한, 상기 수신 제어기가 상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 하한 미만이면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화시킬 수 있다.
또한, 상기 대역외 근거리 무선 통신 연결이 해제되거나 상기 충전이 완료되면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예는 상기 무선 충전 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시 예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시 예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 공진형 무선 충전 시스템을 위한 무선 충전 방법 및 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 송수신기 사이의 이격 거리에 상관없이 트랜스 제어를 통해 안전한 충전이 가능한 무선 전력 수신기 및 그것의 무선 충전 방법을 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 충전의 자유도와 안정성 개선으로 상품 경쟁력이 높은 무선 충전 기기를 제공할 수 있는 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.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 실시 예에 따른 공진형 무선 전력 전송 시스템의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 유도형 무선 충전 방식에서의 공진 주파수와 동작 주파수를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 상기 도 3에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5b는 상기 도 5a의 무선 전력 수신기에 구비되는 수신 효율 제어 회로의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실시 예에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.
도 7은 실시 예에 따른 전기기 공진 방식을 지원하는 무선 전력 송신기의 상태 천이 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시 예에 따른 공진형 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 공진형 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 또 다른 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예들이 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.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시 예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및"전(앞) 또는 후(뒤)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
실시 예의 설명에 있어서, 무선 전력 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 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 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.
실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태, 차량 매립 형태, 차량 거치 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 동시에 파워를 전송할 수 있다.
이를 위해, 무선 파워 송신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식-예를 들면, 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식 등을 포함함-을 제공할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 전송 방식은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 전자기 유도 방식의 무선파워 전송 표준은 WPC(Wireless Power Consortium) 또는/및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
다른 예로, 무선 전력 전송 방식은 무선 파워 송신기의 송신 코일에 의해 발생되는 자기장을 특정 공진 주파수에 동조하여 근거리에 위치한 무선 파워 수신기에 전력을 전송하는 전자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식이 이용될 수도 있다. 일 예로, 전자기 공진 방식은 무선 충전 기술 표준 기구인 A4WP(Alliance for Wireless Power)에서 정의된 공진 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또 다른 예로, 무선 전력 전송 방식은 RF 신호에 저전력의 에너지를 실어 원거리에 위치한 무선 파워 수신기로 전력을 전송하는 RF 무선 파워 전송 방식이 이용될 수도 있다.
또 다른 예로, 본 발명에 따른 무선 파워 송신기는 상기한 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 파워 전송 방식 중 적어도 2개 이상의 무선 전력 전송 방식을 지원할 수 있도록 설계될 수도 있다.
이 경우, 무선 파워 송신기는 무선 파워 송신기 및 무선 파워 수신기에서 지원 가능한 무선 전력 전송 방식뿐만 아니라 무선 파워 수신기의 종류, 상태, 요구 전력 등에 기반하여 적응적으로 해당 무선 파워 수신기를 위해 사용될 무선 전력 전송 방식을 결정할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선 파워 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 무선 파워 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 방식은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 파워 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 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 등의 소형 전자 기기 등에 탑재될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다. 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 파워 수신기는 차량, 무인 항공기, 에어 드론 등에도 탑재될 수 있다.
도 1은 실시 예에 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(30)로 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다.
인밴드 통신에 있어서, 무선 전력 송신단(10)에 의해 송출된 전력 신호(41)가 무선 전력 수신단(20)에 수신되면, 무선 전력 수신단(20)은 수신된 전력 신호를 변조하고, 변조된 신호(42)가 무선 전력 송신단(10)에 전송될 수 있다.
다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 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 실시 예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시 예에 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 특징이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 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 실시 예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 접속된 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다. 전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.
도 2는 실시 예에 따른 공진형 무선 전력 전송 시스템의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 공진형 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2에는 무선 전력 송신기(100)가 공진 결합(resonant coupling)을 통해 하나의 무선 전력 수신기(200)에 무선으로 전력을 전송하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기(100)는 복수의 무선 전력 수신기(200)에 무선 전력을 전송할 수도 있다. 또 다른 실시 예에 따른 무선 전력 수신기(200)는 복수의 무선 전력 송신기(100)로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있음을 주의해야 한다.
무선 전력 송신기(100)는 특정 주파수의 전자기장을 발생시키고, 무선 전력 수신기(200)는 해당 전자기장을 흡수하여 전력을 수신할 수 있다.
일반적으로 공진형 무선 전력 수신기(100)는 무선 전력 송신기(100)가 전력 전송에 사용하는 주파수와 동일한 주파수로 동조하여 전력을 수신할 수 있다.
즉, 무선 전력 송신기(100)의 출력 전력은 무선 전력 송신기(100)와 공진 결합을 가지는 무선 전력 수신기(200)로 전달될 수 있다.
하나의 무선 전력 송신기(100)로부터 전력을 수신할 수 있는 무선 전력 수신기(200)의 최대 개수는 무선 전력 송신기(100)의 최대 전송 파워 레벨, 무선 전력 수신기(200)의 최대 전력 수신 레벨, 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(200)의 물리적인 구조에 기반하여 결정될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송을 위해 사용되는 주파수 대역-즉, 공진 주파수 대역-과는 상이한 주파수 대역을 이용하여 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 양방향 통신은 반이중 방식의 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신 프로토콜이 사용될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 양방향 통신을 통해 서로의 특성 정보 및 상태 정보-즉, 전력 협상 정보-를 교환할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 송신기(100)로부터 수신되는 전력 레벨을 제어하기 위한 소정 전력 수신 상태 정보를 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수 있으며, 무선 전력 송신기(100)는 수신된 전력 수신 상태 정보에 기반하여 동적으로 전송 전력 레벨을 제어할 수 있다. 이를 통해, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(200)에 의해 요구되는 전력을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 과전압(Over-Voltage)/과전류(Over-Current)/과열(Over-Heat) 등에 의한 기기 또는 부하 파손을 방지하는 기능, 저전압(Under-Voltage)에 따라 불필요한 전력이 낭비되는 것을 방지하는 기능 등을 제공할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기(100)는 양방향 통신을 통해 무선 전력 수신기(100)에 대한 인증 및 식별하는 기능, 호환되지 않는 장치 또는 충전이 불가능한 물체-즉, 이물질(Foreign Object)를 식별하는 기능, 유효한 부하를 식별하는 기능 등을 수행할 수도 있다.
이하에서는, 보다 구체적으로 공진형 무선 전력 전송 시스템에서의 무선 전력 전송 과정을 설명하기로 한다.
무선 전력 송신기(100)는 전원공급부(power supplier, 110), 전력변환부(Power Conversion Unit, 120), 매칭회로(Matching Circuit, 130), 송신공진기(Transmission Resonator, 140), 주제어부(Main Controller, 150) 및 통신부(Communication Unit, 160)를 포함하여 구성될 수 있다.
전원공급부(110)는 주제어부(150)의 제어에 따라 전력변환부(120)에 특정 공급 전압을 공급할 수 있다. 이때, 공급 전압은 DC 전압 또는 AC 전압일 수 있다.
전력변환부(210)는 주제어부(150)의 제어에 따라 전력공급부(110)로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있다. 이를 위해, 전력변환부(210)는 DC/DC 변환기, AC/DC 변환기, 파워 증폭기, 인버터, 스위칭 모드 전력 공급기(Switching Mode Power Supply, SMPS) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
매칭회로(130)는 전력 전송 효율을 극대화시키기 위해 전력변환부(210)와 송신공진기(140) 사이의 임피던스를 정합하는 회로이다.
송신공진기(140)는 매칭회로(130)로부터 인가된 전압에 따라 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기(100)는 수신공진기(Reception Resonator, 210), 정류기(Rectifier, 220), DC-DC 변환기(DC-DC Converter, 230), 부하(Load, 240), 주제어부(Main Controller, 250) 및 통신부(Communication Unit, 260)를 포함하여 구성될 수 있다.
수신공진기(210)는 공진 현상을 통해 송신공진기(140)에 의해 출력되는 전력을 무선으로 수신할 수 있다.
정류기(210)는 수신공진기(210)로부터 인가되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
DC-DC 변환기(230)는 정류된 DC 전압을 부하(240)에 의해 요구되는 특정 DC 전압으로 변환할 수 있다.
주제어부(250)는 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어하거나 무선 전력 수신기(200)의 특성 및 상태 정보를 생성하여 통신부(260)에 전송할 수 있다. 일 예로, 주제어부(250)는 정류기(220)와 DC-DC 변환기(230)에서의 출력 전압 및 전류의 세기를 모니터링하여 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어할 수 있다.
모니터링된 출력 전압 및 전류의 세기 정보는 통신부(260)를 통해 무선 전력 송신기(100)에 실시간으로 전송될 수 있다.
또한, 주제어부(250)는 정류된 DC 전압을 소정 기준 전압과 비교하여 과전압 상태(Over-Voltage State)인지 저전압 상태(Under-Voltage State)인지를 판단하고, 판단 결과에 따라 소정 시스템 오류 상태가 감지되면, 감지 결과를 통신부(260)를 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수도 있다.
또한, 주제어부(250)는 시스템 오류 상태가 감지되면, 부하의 훼손을 방지하기 위해 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어하거나 스위치 또는(및) 제너 다이오드를 포함한 소정 과전류 차단 회로를 이용하여 부하(240)에 인간되는 전력을 제어할 수도 있다.
도 3은 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송신기(300)는 송신 공진 회로(310), 인버터(330), 통신 안테나(340), 모뎀(350) 및 송신 제어기(360)를 포함하여 구성될 수 있다.
통신 안테나(340)를 통해 수신되는 신호는 모뎀(350)에 의해 복조되어 송신 제어기(360)로 전달될 수 있다.
송신 제어기(360)는 무선 전력 수신기로 전송할 메시지가 존재하면, 해당 메시지를 모뎀(350)으로 전송하고, 모뎀(350)은 송신 제어기(360)로부터 수신된 메시지를 변조하여 통신 안테나(340)에 전송할 수 있다.
실시 예에 따른 무선 전력 송신기(300)는 통신 안테나(340)와 모뎀(350)을 이용하여 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신을 수행할 수 있다.
인버터(330)는 구동 DC 전압인 브이 레일(V_Rail)과 송신 제어기(360)로부터 인가되는 레퍼런스 신호(Reference Signal)에 기반하여 교류 전력 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 레퍼런스 신호는 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호일 수 있다. 인버터(330)에 인가되는 PWM 신호의 개수는 인버터(330)의 타입-즉, 인버터(330)에 구비되는 스위치의 개수-에 따라 결정될 수 있다.
일 예로, 인버터(330)가 하프 브릿지(Half-Bridge) 타입이면, PWM 신호의 개수는 2이고, 인버터(330)가 풀 브릿지(Full-Bridge) 타입이면, PWM 신호의 개수는 4일 수 있다.
송신 제어기(360)는 레퍼런스 신호의 듀티(Duty), 위상(Phase) 중 적어도 하나를 제어하여 교류 전력 신호의 세기를 제어할 수 있다.
인버터(330)의 출력은 송신 공진 회로(310)에 인가될 수 있다.
송신 공진 회로(310)는 공진을 위한 LC 회로(미도시)와 임피던스 매칭을 위한 매칭 회로(미도시)를 포함할 수 있다.
공진형 무선 전력 전송 시스템은 유도형 무선 전력 전송 시스템과 비교할 때 원거리 무선 충전이 가능한 장점이 있다.
즉, 보다 먼 거리의 무선 충전을 위해서는 송신 공진 회로(310)를 통해 보다 높은 세기의 전력 전송이 요구된다. 이를 위해, 공진형 무선 전력 전송 시스템은 최대 전력 전송이 가능한 동작 주파수-즉, 공진 주파수-를 사용한다.
반면, 유도형 무선 전력 전송 시스템은 근접 무선 충전을 목적으로 설계되므로, 최대 전력 전송이 가능한 주파수-즉, 공진 주파수-보다 낮은 이득을 가지는 주파수를 동작 주파수로 사용한다.
공진형 무선 전력 전송 시스템과 유도형 무선 전력 전송 시스템의 사용 주파수 대역은 후술할 도 4의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
무선 전력 송신기(300)가 공진 주파수를 이용해 높은 교류 전력 신호를 출력하므로, 무선 전력 송신기(300)에 너무 근접한 무선 전력 수신기는 부품 한계치를 넘는 과전력에 의해 파손될 수 있다.
송신 제어기(360)는 모뎀(350)을 통해 수신되는 수신기 상태 정보에 기초하여 인버터(330)에 의해 출력되는 교류 전력 신호의 세기를 조절하여 송신 공진 회로(310)의 출력을 동적으로 제어할 수 있다.
여기서, 수신기 상태 정보는 무선 전력 수신기의 정류기 후단에서 측정되는 전압인 V_RECT을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
실시 예에 따른 송신 제어기(360)는 V_RECT이 소정 정상 동작 범위 내에 유지되도록 인버터(330)의 출력을 제어할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 송신 제어기(360)는 V_RECT이 소정 상한 기준을 초과하면, 전력 전송을 중단시킬 수 있다.
상기 도 3의 실시 예에서는 송신 제어기(360)가 인버터(330)에 PWM 신호를 전송하는 것으로 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 송신 제어기(360)와 인버터(330) 사이에 배치되는 게이트 드라이버(Gate Driver, 미도시)를 더 포함할 수도 있다.
이 경우, 송신 제어기(360)는 레퍼런스 클락(Reference Clock) 신호를 게이트 드라이버에 제공하고, 게이트 드라이버가 레퍼런스 클락 신호를 이용하여 PWM 신호를 생성할 수 있다. 게이트 드라이버에 의해 생성된 PWM 신호는 인버터(330)로 인가될 수 있다.
도 4는 유도형 무선 충전 방식에서의 공진 주파수와 동작 주파수를 설명하기 위한 도면이다.
상세하게 도 4는 유도형 무선 충전 방식의 하나인 WPC에서 전송 전력이 5와트(W)일 때의 주파수에 따른 이득 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4을 참조하면, WPC 표준에서의 동작 주파수 대역은 110KHz~205KHz로 공진 주파수인 100KHz보다 높은 주파수 대역이다.
공진 주파수에서의 이득(Gain)은 약 35dBV이나 동작 주파수 대역에서의 이득은 최대 15dBV로 매우 낮은 것을 알 수 있다.
유도형 무선 충전 시스템은 항상 공진 주파수보다 낮은 이득 구간에서 동작하도록 동작 주파수 대역을 할당한다.
이를 위해, WPC는 공진 회로의 인덕턴스와 캐패시턴스에 의해 결정되는 공진 주파수와 동작 주파수인 레퍼런스 클락을 강제적으로 미스 매칭(Miss Matching)시켜 송신기의 LC 공진 회로를 통해 출력되는 AC 전압의 세기를 근접 무선 충전에도 안전한 레벨로 낮춘다.
반면, 일반적인 공진형 무선 충전 방식은 원거리 무선 충전을 위한 동작 주파수를 공진 주파수로 고정시켜 품질 인자인 Q 값을 최대로 유지시킨다.
동작 주파수가 공진 주파수인 경우, 주파수 응답 이득이 최대이므로 공진 회로의 AC 출력 전압도 최대가 된다.
따라서, 공진형 무선 충전 방식은 송수신기 사이의 이격 거리가 멀어져서 발생되는 전력 손실을 공진 주파수를 이용한 높은 주파수 이득을 통해 보상하여 극복할 수 있다.
하지만, 충전 중 송수신기 사이의 이격 거리가 순간적으로 줄어드는 경우, 전력 손실이 급격이 감소하여 수신기에 높은 전압(또는 전류)가 인가될 수 있으며, 이로 인해 수신기에 치명적인 손상이 발생될 수 있다.
특히, 갑작스런 수신기 이동에 따라 수신기에 높은 전압이 인가되는 경우, 정상적인 폐루프 전력 제어 알고리즘을 통해서는 발생된 과전압을 빠르게 정상 전압으로 낮추기 힘든 문제점이 있다.
도 5a는 상기 도 3에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5a를 참조하면, 무선 전력 수신기(500)는 수신 공진 회로(510), 수신 효율 제어 회로(515), 정류기(520), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 530), 차단 회로(540), 부하(550), 센서(560), 통신 안테나(570), 모뎀(580) 및 수신 제어기(590)를 포함하여 구성될 수 있다.
통신 안테나(570)를 통해 수신되는 신호는 모뎀(550)에 의해 복조되어 수신 제어기(590)로 전달될 수 있다. 수신 제어기(360)는 무선 전력 송신기(300)로 전송할 메시지가 존재하면, 해당 메시지를 모뎀(550)으로 전송하고, 모뎀(550)은 수신 제어기(590)로부터 수신된 메시지를 변조하여 통신 안테나(570)에 전송할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 무선 전력 수신기(500)는 인밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기(300)와 신호를 교환할 수도 있다.
수신 공진 회로(510)는 서로 직렬로 연결된 인덕터와 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 송신기(300)에 의해 전송된 AC 전력은 수신 공진 회로(510) 및 수신 효율 제어 회로(515)를 통해 정류기(520)에 전달할 수 있다.
정류기(520)는 수신 효율 제어 회로(515)를 통해 전달 받은 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(530)에 전송할 수 있다.
실시 예에 따른 수신 효율 제어 회로(515)는 복수의 권선비를 가지는 다운 트랜스를 포함하여 구성될 수 있다.
수신 제어기(590)는 수신 효율 제어 회로(515)에 구비된 다운 트랜스의 권선비를 동적으로 제어할 수 있다.
다운 트랜스의 권선비에 대해서는 후술할 도 6을 통해 상세히 설명하기로 한다.
실시 예에 다른 수신 제어기(590)는 부팅 후 다운 트랜스의 초기 권선비가 최저가 되도록 수신 효율 제어 회로(515)를 제어할 수 있다.
수신 제어기(590)는 원하는 레벨의 전력이 수신될 때까지 단계적으로 다운 트랜스의 권선비를 증가시킬 수 있다.
실시 예에 따른 수신 제어기(590)는 정류기(520) 출력 전압에 기초하여 동적으로 다운 트랜스의 권선비를 제어할 수도 있다.
일 예로, 수신 제어기(590)는 제1 권선비로의 충전 중 측정된 정류기(520) 출력 전압이 소정 한계치를 초과하는 경우, 다운 트랜스의 권선비를 제1 권선비에서 제2 권선비로 감소시킬 수 있다.
이때, 제1 권선비와 제2 권선비는 두 단계 이상의 권선비 차이 값을 가질 수 있다.
일 예로, 후술할 도 5b의 실시 예에서, 권선비 1로 충전 중인 상태에서 정류기(520) 출력 전압이 소정 과전압 판단 기준치를 초과하면, 수신 제어기(590)는 다운 트랜스의 권선비를 최저 값인 1/75로 변경할 수 있다. 이를 통해, 실시 예에 따른 무선 전력 수신기(500)는 송수신기 사이의 갑작스런 거리 변화 등으로 인한 급격한 전압 변화에도 부품 및 기기 파손을 효과적으로 방지하거나 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
직류/직류 변환기(530)는 정류기(520)의 출력 DC 전력의 세기를 부하(550)에 의해 요구되는 특정 세기로 DC 전력으로 변환할 수 있다.
센서(560)는 정류기(520)의 출력 DC 전력 세기-즉, V_RECT-를 측정하고, 측정 결과를 수신 제어기(590)에 제공할 수 있다.
수신 제어기(590)는 정류기(520)의 출력 DC 전력 V_RECT에 기반하여 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다.
이를 위해, 수신 제어기(590)는 적어도 V_RECT 정보가 포함된 수신기 상태 정보를 모뎀(580) 및 통신 안테나(570)를 통해 무선 전력 송신기(300)에 전송할 수 있다.
또한, 센서(560)는 무선 전력 수신에 따라 수신 공진 회로(510)에 흐르는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 수신 제어기(590)에 전송할 수도 있다.
또한, 센서(560)는 무선 전력 수신기(500) 또는 무선 전력 수신기(500)가 장착된 전자 기기의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도에 관한 정보를 수신 제어기(590)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 수신 제어기(590)는 측정된 정류기 출력 DC 전력의 세기 V_RECT을 소정 기준치와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 수신 제어기(590)는 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 패킷을 모뎀(580)을 통해 무선 전력 송신기(300)에 전송할 수 있다.
수신 제어기(590)는 V_RECT이 소정 기준치 이상일 때 부팅되어 구동될 수 있다.
수신 제어기(590)는 부팅이 완료되면, 수신 효율 제어 회로(515)의 트랜스 권선비를 최대값으로 설정할 수 있다. 이는 무선 전력 수신기(500)가 송수신기 사이의 이격 거리에 상관없이 안전한 초기 전력 수신을 가능하게 할 수 있다.
수신 제어기(590)는 정류기(520) 출력 전압을 실시간 모니터링하고, 모티터링 결과에 기초하여 트랜스의 권선비를 동적으로 제어할 수 있다.
수신 제어기(590)는 측정된 내부 온도가 소정 기준치를 초과하면, 차단 회로(540)를 제어하여 직류/직류 변환기(530)의 출력 DC 전력이 부하(550)에 전달되지 않도록 제어할 수도 있다.
이때, 수신 제어기(590)는 과열 코드가 포함된 전력 전송 중단 패킷을 모뎀(580)을 통해 무선 전력 송신기(300)에 전송할 수 있다.
수신 제어기(590)는 무선 전력 수신기(500)가 장착된 전자 기기의 내부 전력을 제어하는 전력 관리 소자(미도시)-예를 들면, PMIC(Power Management IC)와 연동될 수 있다. 이 경우, 직류/직류 변환기(530)의 출력 DC 전력은 차단 회로(540)를 통해 전력 관리 소자로 전달될 수 있으며, 전력 관리 소자는 배터리 충전 및 전자 기기 내부 부품으로의 전력 공급을 제어할 수 있다. 전력 관리 소자는 배터리 충전 상태 정보를 수신 제어기(590)에 제공할 수도 있다. 수신 제어기(590)는 배터리 충전 상태 정보 및 내부 온도 정보에 기반하여 충전의 진행 여부를 판단할 수 있다.
수신 제어기(590)는 센서(560)로부터 수신되는 센싱 정보에 기초하여 차단 회로(540)를 제어할 수도 있다.
일 예로, 센싱 정보는 정류기 출력 전압 정보, 수신 공진 회로(510)에 흐르는 전류의 세기 정보, 부하 또는(및) 무선 전력 수신기 또는(및) 무선 전력 수신기가 장착된 디바이스 중 적어도 하나에 상응하여 측정한 온도 정보 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 정류기 출력 전압이 소정 상한 기준치를 초과하면, 수신 제어기(580)는 차단 회로(540)에 구비된 스위치(미도시)를 OFF시켜 부하(550)로 전달되는 전력을 차단할 수 있다.
다른 일 예로, 차단 회로(540)에는 전압 흡수 소자-예를 들면, 제너 다이오드-가 구비될 수 있으며, 이 경우, 정류기(520) 출력 전압이 기준치를 초과하면, 기준치를 초과하는 전압은 전압 흡수 소자에 의해 흡수되고, 기준치에 상응하는 전압만이 부하(550)에 전달될 수 있도록 제어될 수 있다.
도 5b는 상기 도 5a의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기에 구비되는 수신 효율 제어 회로의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b를 참조하면, 수신 효율 제어 회로(515)는 수신 공진 회로(510)와 정류기(520) 사이에 배치될 수 있다.
수신 공진 회로(510)는 직렬 연결된 인덕터(511)와 캐패시터(512)를 포함하여 구성될 수 있다.
수신 효율 제어 회로(515)는 크게 다운 트랜스(610), 패스 매칭 회로(620), 패스 연결 단자(630) 및 패스 선택 스위치(640)를 포함할 수 있다.
수신 공진 회로(510)에 인가되는 교류 전력 신호는 다운 트랜스(512)에 설정된 권선비에 따라 전압 강하되어 정류기(520)로 전달될 수 있다.
다운 트랜스(515)는 그것의 양단이 수신 공진 회로(510)에 연결된 1차 코일(611), 그것의 양단이 패스 선택 스위치(640)를 통해 정류기(520)의 입력단에 연결되는 2차 코일(612) 및 1차 코일(611)과 2차 코일(612) 사이에 배치되는 절심 또는 페라이트(613)를 포함하여 구성될 수 있다.
수신 효율 제어 회로(515)의 전압 강하 비율은 1차 코일(611)과 2차 코일(612) 사이의 권선비인 NP/NS에 기반하여 결정된다.
수신 제어기(590)는 패스 선택 스위치(640)를 제어하여 복수의 트랜스 패스(631 내지 634) 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
따라서, 다운 트랜스(512)의 권선비는 트랜스 패스 선택을 통해 동적으로 제어될 수 있다.
일 예로, 패스 선택 스위치(640)가 제1 패스 연결 단자(631)에 연결되면, 다운 트랜스(512)의 권선비는 1:1이 되고, 패스 선택 스위치(640)가 제2 패스 연결 단자(633)에 연결되면, 다운 트랜스(512)의 권선비는 1:25가 되고, 패스 선택 스위치(640)가 제3 패스 연결 단자(633)에 연결되면, 다운 트랜스(512)의 권선비는 1:50이 되고, 패스 선택 스위치(640)가 제4 패스 연결 단자(634)에 연결되면, 다운 트랜스(512)의 권선비는 1:75가 될 수 있다.
상기한 도 5b의 실시 예에서는 트랜스 패스가 4개인 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다른 실시 예에 따른 수신 효율 제어 회로(515)는 4개보다 적거나 많은 트랜스 패스를 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 각 트랜스 패스에 대응하는 권선비도 당업자의 설계에 따라 상이할 수 있음을 주의해야 한다.
각 트랜스 패스에는 도면 번호 620에 도시된 바와 같이, 패스 매칭 소자-예를 들면, 캐패시터-가 배치될 수 있다.
패스 매칭 회로(620)는 선택된 트랜스 패스에 상응하여 임피던스를 매칭시킬 수 있다.
각 트랜스 패스 별 배치되는 캐패시터의 캐패시턴스는 트랜스 패스 별 권선비 설계에 따라 상이하게 결정될 수 있다.
트랜스 패스 별 정류기(520)로 인가되는 전압은 해당 트랜스 패스의 권선비에 비례하고, 트랜스 패스 별 정류기(520)로 인가되는 전류는 해당 트랜스 패스의 권선비에 반비례하고, 트랜스 패스 별 임피던스는 해당 트랜스 패스의 권선비의 제곱에 비례할 수 있다.
실시 예에 따른 수신 제어기(590)는 부팅이 완료되면, 다운 트랜스(610)의 초기 권선비를 최저 값인 1:75로 설정할 수 있다. 만약, 권선비 1:75에서 안정적으로 원하는 전력이 수신되면, 수신 제어기(590)는 트랜스 패스 설정을 완료하고 충전을 수행할 수 있다. 여기서, 수신 제어기(590)는 원하는 전력의 수신 여부를 정류기(520) 출력 전압에 기초하여 결정할 수 있다.
실시 예에 따른 원하는 전력은 수신기에 의해 요구되는 적정 전압 구간의 전력일 수 있다. 여기서, 적정 전압 구간은 수신기의 정류기 출력 전압을 기반으로 설정될 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 원하는 전력은 적정 전압 구간의 전력, 요구 전력, 기대 전력 등을 혼용하여 사용하기로 한다.
만약, 초기 권선비를 최저 값인 1:75로 설정한 후 폐루프 전력 제어를 통해 기대 전력이 수신되지 않는 경우, 수신 제어기(590)는 보다 높은 권선비의 트랜스 패스를 선택할 수 있다. 일 예로, 수신 제어기(590)는 기대 전력이 수신될 때까지 트랜스(610)의 권선비를 단계적으로 증가시켜 과전압에 의한 기기 파손을 효과적으로 방지할 수 있다.
수신 제어기(590)는 송수신기 사이의 거리 변화로 정류기(520) 출력 전압이 소정 한계치를 초과한 경우, 상기 도 5a의 차단 회로(540)를 제어하여 부하(550) 또는 무선 전력 수신기(500)가 장착된 전자 기기에 과전압이 전달되는 것을 차단시킬 수 있다.
실시 예에 따른 수신 제어기(590)는 송수신기 사이의 거리 변화로 정류기(520) 출력 전압이 소정 한계치를 초과한 경우, 다운 트랜스(610)의 권선비를 최저 값으로 설정할 수도 있다.
도 6은 실시 예에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 수신기의 상태는 크게 비활성화 상태(Disable State, 610), 부트 상태(Boot State, 620), 활성화 상태(Enable State, 630)(또는, On state) 및 시스템 오류 상태(System Error State, 640)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 무선 전력 수신기의 상태는 무선 전력 수신기의 정류기단에서의 출력 전압의 세기-이하, 설명의 편의를 위해 VRECT이라 명함-에 기반하여 결정될 수 있다.
활성화 상태(630)는 VRECT의 값에 따라 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 631), 저전압 상태(Low Voltage State, 632) 및 고전압 상태(High Voltage State, 633)로 구분될 수 있다.
비활성화 상태(610)의 무선 전력 수신기는 측정된 VRECT 값이 미리 정의된 VRECT_BOOT 값보다 크거나 같으면, 부트 상태(620)로 천이할 수 있다.
부트 상태(620)에서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기와의 대역외 통신 링크를 설정하고 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달할 때까지 대기할 수 있다.
부트 상태(620)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달된 것이 확인되면, 활성화 상태(630)로 천이하여 충전을 시작할 수 있다.
활성화 상태(630)의 무선 전력 수신기는 충전이 완료되거나 충전이 중단된 것이 확인되면, 부트 상태(620)로 천이될 수 있다.
또한, 활성화 상태(630)의 무선 전력 수신기는 소정 시스템 오류가 감지되면, 시스템 오류 상태(640)로 천이할 수 있다. 여기서, 시스템 오류는 과전압, 과전류 및 과열뿐만 아니라 미리 정의된 다른 시스템 오류 조건이 포함될 수 있다.
또한, 활성화 상태(630)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT_BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(610)로 천이될 수도 있다.
또한, 부트 상태(620) 또는 시스템 오류 상태(640)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT_BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(610)로 천이될 수도 있다.
활성화 상태(630)는 VRECT의 값에 따라 저전압 상태(Low Voltage State, 632), 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 631) 및 고전압 상태(High Voltage State, 633)로 구분될 수 있다.
저전압 상태(632)는 VRECT_BOOT <= VRECT <= VRECT_MIN인 상태를 의미하고, 최적 전압 상태(631)은 VRECT_MIN < VRECT <=VRECT_HIGH인 상태를 의미하고, 고전압 상태(633)는 VRECT_HIGH < VRECT <=VRECT_MAX인 상태를 의미할 수 있다.
특히, 고전압 상태(633)로 천이된 무선 전력 수신기는 부하에 공급되는 전력을 차단하는 동작을 미리 지정된 시간-이하 설명의 편의를 위해 고전압 상태 유지 시간이라 명함- 동안 유보시킬 수도 있다. 이때, 고전압 상태 유지 시간은 고전압 상태(633)에서 무선 전력 수신기 및 부하에 피해가 발생되지 않도록 미리 결정될 수 있다.
무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(640)로 천이되면, 과전압 발생을 지시하는 소정 메시지를 미리 지정된 시간 이내에 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.
또한, 무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(630)에서 과전압에 따른 부하의 피해를 방지하기 위해 구비된 과전압 차단 수단을 이용하여 부하에 인가되는 전압을 제어할 수도 있다. 여기서, 과전압 차단 수단으로 ON/OFF 스위치 또는/및 제너다이오드 등이 사용될 수 있다.
상기 실시 예에서는 무선 전력 수신기에 과전압이 발생되어 시스템 오류 상태(640)로 천이된 경우, 무선 전력 수신기에서의 시스템 오류 대응 방법 및 수단을 설명하고 있으나 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 본 발명의 다른 실시 예는 무선 전력 수신기에 과열, 과전류 등에 의해서도 시스템 오류 상태로 천이될 수도 있다.
일 예로, 과열에 따라 시스템 오류 상태로 천이된 경우, 무선 전력 수신기는 과열 발생을 알리는 소정 메시지를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 구비된 냉각팬 등을 구동하여 내부 발생된 열을 감소시킬 수도 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 복수의 무선 전력 송신기와 연동하여 무선 전력을 수신할 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기는 실제 무선 전력을 수신하기로 결정된 무선 전력 송신기와 실제 대역외 통신 링크가 설정된 무선 전력 송신기가 서로 상이한 것으로 판단되면, 시스템 오류 상태(640)로 천이할 수도 있다.
도 7은 실시 예에 따른 전기기 공진 방식을 지원하는 무선 전력 송신기의 상태 천이 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 송신기의 상태는 크게 구성 상태(Configuration State, 710), 전력 절약 상태(Power Save State, 720), 저전력 상태(Low Power State, 730), 전력 전송 상태(Power Transfer State, 740), 로컬 장애 상태(Local Fault State, 750) 및 잠금 장애 상태(Latching Fault State, 760)을 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 송신기에 전력이 인가되면, 무선 전력 송신기는 구성 상태(710)로 천이할 수 있다. 무선 전력 송신기는 구성 상태(710)에서 소정 리셋 타이머가 만료되거나 초기화 절차가 완료되면, 전력 절약 상태(720)로 천이할 수 있다.
전력 절약 상태(720)에 진입하면, 무선 전력 송신기는 비콘 시퀀스를 생성할 수 있다.
무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(720)에 진입한 후 소정 시간 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 구성 상태(710)에서 전력 절약 상태(720)로 천이한 후 50ms 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
전력 절약 상태(720)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기를 감지하기 위한 제1 비콘 시퀀스(First Beacon Sequence)를 일정 주기로 생성하여 전송하고, 임피던스 변화-즉, 부하 변화(Load Variation)-를 감지할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제1 비콘과 제1 비콘 시퀀스를 각각 Short Beacon과 Short Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.
Short Beacon 시퀀스는 충전 영역에 배치된 물체가 감지하기 위한 저전력 비콘 신호의 전송 패턴을 의미한다.
Short Beacon 시퀀스는 짧은 구간 동안(tSHORT_BEACON) 일정 시간 간격(tCYCLE)으로 반복 생성되어 저전력의 비연속적인 신호이므로 대기 전력 소모를 최소화시킬 수 있다.
일 예로, tSHORT_BEACON은 30ms이하, tCYCLE은 250ms ±5 ms로 각각 설정될 수 있다. 또한, Short Beacon의 전류 세기는 소정 기준치 이상이어야 하고, 일정 시간 구간 동안 점증적으로 증가할 수도 있다.
무선 전력 송신기는 Short Beacon에 따른 수신 공진기에서의 리액턴스(reactance) 및 저항(resistance) 변화를 감지하기 위한 소정 센싱 수단이 구비될 수 있다.
또한, 전력 절약 상태(720)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 부팅(Booting) 및 응답에 필요한 충분한 전력을 공급하기 위한 제2 비콘 시퀀스를 주기적으로 생성하여 전송할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제2 비콘과 제2 비콘 시퀀스를 각각 Long Beacon과 Long Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.
무선 전력 수신기는 제2 비콘 시퀀스를 통해 수신된 전력을 이용하여 부팅될 수 있으며, 부팅 후 대역외 통신 채널을 통해 소정 응답 신호를 브로드캐스팅할 수 있다.
Long Beacon 시퀀스는 무선 전력 수신기의 부팅에 필요한 충분한 전원을 공급하기 위해 Short Beacon에 비해 상대적으로 긴 구간 동안(tLONG_BEACON)동안 일정 시간 간격(tLONG_BEACON_PERIOD)으로 생성되어 전송될 수 있다.
일 예로, tLONG_BEACON은 105 ms+5 ms, tLONG_BEACON_PERIOD 은 850ms로 각각 설정될 수 있으며, Long Beacon의 전류 세기는 Short Beacon의 전류 세기에 비해 상대적으로 강할 수 있다. 또한, Long Beacon은 전송 구간 동안 일정 세기의 파워가 유지될 수 있다.
이 후, 무선 전력 송신기는 수신 공진기의 임피던스 변화를 감지하면, Long Beacon 시퀀스를 개시하고, Long Beacon을 전송하는 동안 소정 응답 신호의 수신을 대기할 수 있다.
일 예로, 응답 신호는 광고 신호(Advertisement Signal)일 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, Long Beacon에 대한 응답 신호를 광고 신호 또는 광고 시그널이라 명하기로 한다. 여기서, 무선 전력 수신기는 공진 주파수 대역과는 상이한 대역외 통신 주파수 대역을 통해 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다.
일 예로, 광고 시그널은 해당 대역외 통신 표준에 정의된 메시지를 식별하기 위한 메시지 식별 정보, 무선 전력 수신기가 적법한 또는 해당 무선 전력 송신기에 호환 가능한 수신기인지를 식별하기 위한 고유한 서비스 또는 무선 전력 수신기 식별 정보, 무선 전력 수신기의 출력 파워 정보, 부하에 인가되는 정격 전압/전류 정보, 무선 전력 수신기의 안테나 이득 정보, 무선 전력 수신기의 카테고리를 식별하기 위한 정보, 무선 전력 수신기 인증 정보, 과전압 보호 기능의 탑재 여부에 관한 정보, 무선 전력 수신기에 탑재된 소프트웨어 버전 정보 중 적어도 하나 또는 어느 하나를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신기는 광고 시그널을 수신하면, 전력 절약 상태(720)에서 저전력 상태(730)로 천이한 후, 무선 전력 수신기와의 대역외 통신 연결을 시도할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 설정된 대역외 통신 링크를 통해 식별된 무선 전력 수신기에 대한 소정 등록 절차를 수행할 수도 있다.
일 예로, 대역외 통신이 블루투스 저전력 통신인 경우, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기와 블루투스 페어링을 수행하고, 페어링된 블루투스 링크를 통해 서로의 상태 정보, 특성 정보 및 제어 정보 중 적어도 하나를 교환할 수 있다.
무선 전력 송신기가 저전력 상태(730)에서 대역외 통신을 통해 충전을 개시하기 위한 소정 제어 신호-즉, 무선 전력 수신기가 부하에 전력을 전달하도록 요청하는 소정 제어 신호-를 무선 전력 수신기에 전송하면, 무선 전력 송신기는 저전력 상태(730)에서 전력 전송 상태(740)로 천이할 수 있다.
만약, 저전력 상태(730)에서 대역외 통신 링크 설정 절차 또는 등록 절차가 정상적으로 완료되지 않은 경우, 무선 전력 송신기는 저전력 상태(730)에서 전력 절약 상태(720)로 천이할 수 있다.
무선 전력 송신기는 각각의 무선 전력 수신기와 접속하기 위한 별도의 분리된 링크 만료 타이머(Link Expiration Timer)를 구동시킬 수 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기는 소정 시간 주기로 무선 전력 송신기에 자신이 충전 영역에 존재함을 알리기 위한 소정 제1 메시지를 링크 만료 타이머가 만료되기 이전에 전송해야 한다.
링크 만료 타이머는 제1 메시지가 수신될 때마다 리셋될 수 있다.
링크 만료 타이머가 만료되지 않으면 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크는 유지될 수 있다.
하지만, 링크 만료 타이머가 만료되면, 무선 전력 송신기와 해당 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크는 연결 해제될 수 있다.
만약, 저전력 상태(730) 또는 전력 전송 상태(740)에서, 무선 전력 송신기와 적어도 하나의 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크에 대응되는 모든 링크 만료 타이머가 만료된 경우, 무선 전력 송신기의 상태는 전력 절약 상태(720)로 천이될 수 있다.
또한, 저전력 상태(730)의 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 유효한 광고 시그널이 수신되면 소정 등록 타이머를 구동시킬 수 있다.
여기서, 등록 타이머가 만료되면, 저전력 상태(730)의 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(720)로 천이할 수 있다.
무선 전력 송신기는 등록에 실패하였음을 알리는 소정 알림 신호를 무선 전력 송신기에 구비된 알림 표시 수단-예를 들면, LED 램프, 디스플레이 화면, 비퍼(beeper) 등을 포함함-을 통해 출력할 수도 있다.
또한, 전력 전송 상태(740)에서, 무선 전력 송신기는 접속된 모든 무선 전력 수신기의 충전이 완료되면, 저전력 상태(730)로 천이될 수 있다.
특히, 무선 전력 수신기는 구성 상태(710), 로컬 장애 상태(750) 및 잠금 장애 상태(760)를 제외한 나머지 상태에서 새로운 무선 전력 수신기의 등록을 허용할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 전력 전송 상태(740)에서 무선 전력 수신기로부터 수신되는 상태 정보에 기반하여 전송 전력을 동적으로 제어할 수 있다.
이때, 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 요구 전력 정보, 정류기 후단에서 측정된 전압 및/또는 전류 정보, 충전 상태 정보, 과전류 및/또는 과전압 및/또는 과열 상태를 통보하기 위한 정보, 과전류 또는 과전압에 따라 부하에 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키는 수단이 활성화되었는지 여부를 지시하는 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
수신기 상태 정보는 미리 지정된 주기로 전송되거나 특정 이벤트가 발생될 때마다 전송될 수 있다.
무선 전력 수신기는 과전류 또는 과전압 감지 시 부하로 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키기 위한 수단은 스위치, 제너 다이오드 등의 과전력 차단 수단이 구비될 수 있다.
다른 실시 예로, 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 무선 전력 수신기에 유선으로 외부 전원이 연결되었음을 알리는 정보, 대역외 통신 방식이 변경되었음을 알리는 정보-일 예로, NFC(Near Field Communication)에서 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신으로 변경될 수도 있음- 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다.
또 다른 실시 예로, 무선 전력 송신기는 자신의 현재 가용한 전력, 무선 전력 수신기 별 우선 순위, 접속된 무선 전력 수신기의 개수 중 적어도 하나에 기반하여 무선 전력 수신기 별 전송 전력을 동적으로 할당할 수도 있다.
여기서, 무선 전력 수신기 별 할당되는 전력은 해당 무선 전력 수신기의 정류기에서 처리 가능한 최대 파워 대비 얼마의 비율로 파워를 수신해야 하는지로 결정될 수 있다.
여기서, 무선 전력 수신기 별 우선 순위는 수신기에 의해 요구되는 전력의 세기, 수신기의 종류, 수신기의 현재 사용 여부, 현재 충전량, 현재 소비되고 있는 전력량 등에 따라 결정될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
예를 들면, 수신기의 종류 별 우선 순위는 휴대폰, 테블릿, 블루투스 헤드셋, 전동 칫솔 순으로 결정될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
다른 일 예로, 수신기가 현재 사용되고 있는 경우, 사용되지 않는 수신기에 비해 보다 높은 우선 순위가 부여될 수 있다.
또 다른 일 예로, 수신기에 의해 요구되는 전력의 세기가 클수록 보다 높은 우선 순위가 부여될 수 있다.
또 다른 일 예로, 해당 수신기에 탑재된 부하의 현재 충전량-즉, 잔여 충전량-에 기반하여 우선 순위가 결정될 수도 있다.
또 다른 일 예로, 현재 소비되고 있는 전력량에 기반하여 우선 순위가 결정될 수도 있다.
또한, 상술한 우선 순위 결정 요소들 중 적어도 하나의 조합으로 우선 순위가 결정될 수도 있음을 주의해야 한다.
이 후, 무선 전력 송신기는 결정된 파워 세기에 관한 정보가 포함된 소정 전력 제어 명령을 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.
여기서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기에 의해 결정된 파워 세기로 전력 제어가 가능한지 여부를 판단하고, 판단 결과를 소정 전력 제어 응답 메시지를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.
실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기의 전력 제어 명령에 따른 전력 제어가 가능한지 여부를 지시하는 소정 수신기 상태 정보를 전송할 수 있다.
다른 실시 예로, 상기 무선 전력 수신기는 상기 전력 제어 명령을 수신하기 이전에 자신이 어떠한 전력 제어가 가능한지 여부를 지시하는 수신기 상태 정보를 무선 전력 송신기에 전송할 수도 있다.
전력 전송 상태(740)는 접속된 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태에 따라 제1 상태(741), 제2 상태(742) 및 제3 상태(743) 중 어느 하나의 상태일 수 있다.
일 예로, 제1 상태(741)는 무선 전력 송신기에 접속된 모든 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 정상 전압인 상태임을 의미할 수 있다.
제2 상태(742)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 상태이고 고전압 상태인 무선 전력 수신기가 존재하지 않음을 의미할 수 있다.
제3 상태(743)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 고전압 상태임을 의미할 수 있다.
무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(720) 또는 저전력 상태(730) 또는 전력 전송 상태(740)에서 시스템 오류가 감지되면, 잠금 장애 상태(760)로 천이될 수 있다.
무선 전력 송신기는 잠금 장애 상태(760)에서 접속된 모든 무선 전력 수신기가 충전 영역에서 제거된 것으로 판단하면, 구성 상태(710) 또는 전력 절약 상태(720)로 천이할 수 있다.
또한, 잠금 장애 상태(760)에서, 무선 전력 송신기는 로컬 장애를 감지하면, 로컬 장애 상태(750)로 천이할 수 있다.
여기서, 로컬 장애 상태(750)인 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 해제되면, 다시 잠금 장애 상태(760)로 천이될 수 있다.
반면, 무선 전력 송신기가 구성 상태(710), 전력 절약 상태(720), 저전력 상태(730), 전력 전송 상태(740) 중 어느 하나의 상태에서 로컬 장애 상태(750)로 천이한 후 로컬 장애가 해제되면, 구성 상태(710)로 천이할 수 있다.
무선 전력 송신기는 로컬 장애 상태(750)로 천이하면, 무선 전력 송신기에 공급되는 전원을 차단할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등의 장애를 감지하면 로컬 장애 상태(750)로 천이할 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.
실시 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압 및 과열 중 적어도 하나를 감지하면, 무선 전력 수신기에서 수신되는 전력의 세기를 감소시키기 위한 소정 전력 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
다른 실시 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압 및 과열 중 적어도 하나를 감지하면, 무선 전력 수신기의 충전을 중단시키기 위한 소정 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
상기와 같은 전력 제어 절차를 통해, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등에 따른 기기 파손을 미연에 방지할 수 있다.
무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이상인 경우, 잠금 장애 상태(760)로 천이할 수 있다.
잠금 장애 상태(760)로 천이된 무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기를 미리 지정된 시간 동안 소정 기준치 이하가 되도록 시도할 수 있다.
여기서, 상기 시도는 미리 지정된 회수 동안 반복 수행될 수 있다.
만약, 반복 수행에도 불구하고, 잠금 장애 상태(760)가 해제되지 않는 경우, 무선 전력 송신기는 소정 알림 수단을 이용하여 사용자에게 잠금 장애 상태(760)가 해제되지 않음을 지시하는 소정 알림 신호를 송출할 수 있다.
무선 전력 송신기의 충전 영역에 위치한 모든 무선 전력 수신기가 사용자에 의해 충전 영역에서 제거되면, 잠금 장애 상태(760)가 해제될 수 있다.
반면, 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 미리 지정된 시간 이내에 기준치 이하로 떨어지거나 상기 미리 지정된 반복 수행 동안 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이하로 떨어지는 경우, 잠금 장애 상태(760)는 자동으로 해제될 수 있다.
이때, 무선 전력 송신기는 잠금 장애 상태(760)에서 전력 절약 상태(720)로 자동 천이하여 무선 전력 수신기에 대한 감지 및 식별 절차를 다시 수행할 수도 있다.
무선 전력 송신기는 전력 전송 상태(740)에서 끊김 없이 전력을 전송하고, 무선 전력 수신기의 상태 정보 및 미리 정의된 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터에 기반하여 적응적으로 전송 전력의 세기를 제어할 수 있다.
일 예로, 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터는 저전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 최적 전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 고전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 과전압 영역을 식별하기 위한 파라메터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 영역에 있으면, 전송 전력의 세기를 증가시키고, 고전압 영역에 있으면, 전송 전력의 세기를 감소시킬 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기에 의해 요구된 전력량의 편차가 기준치 이하가 되도록 전송 전력을 제어할 수도 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 정류기 출력 전압이 소정 과전압 영역에 도달한 경우-즉, Over Voltage가 감지된 경우-, 전력 전송을 중단할 수도 있다.
도 8은 실시 예에 따른 공진형 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 무선 전력 수신기(500)는 부팅이 완료되면 최저 권선비를 가지도록 구비된 다운 트랜스의 초기 트랜스 패스를 설정할 수 있다(S801).
무선 전력 수신기(500)는 원하는 전력이 수신되는지 확인할 수 있다(S803). 여기서, 원하는 전력의 수신 여부는 정류기 출력 전압을 요구 전력과 비교하여 결정될 수 있다.
확인 결과, 원하는 전력이 수신되고 있지 않으면, 무선 전력 수신기(500)는 우선 무선 전력 송신기(300)와 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다(S805).
무선 전력 송신기(300)는 정류기 출력 전압에 관한 정보가 포함된 피드백 신호를 무선 전력 수신기(500)로부터 수신할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기(300)는 수신된 피드백 정보에 기초하여 인버터에 인가되는 PWM 신호의 듀티(duty) 또는(및) 위상(Phase)를 조절하는 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다.
무선 전력 수신기(500)는 폐루프 전력 제어를 통해 원하는 전력의 수신이 가능한지 여부를 확인할 수 있다(S807).
판단 결과, 폐루프 전력 제어를 통해 원하는 전력의 수신이 불가능한 경우, 무선 전력 수신기는 차상위 권선비에 상응하게 다운 트랜스의 트랜스 패스를 변경할 수 있다(S811). 이후, 무선 전력 수신기(500)는 상기한 803 단계로 회귀할 수 있다.
상기한 807 단계의 확인 결과, 폐루프 전력 제어를 통해 원하는 전력이 수신되는 경우, 무선 전력 수신기(500)는 트랜스 패스 설정을 종료하고 충전을 수행할 수 있다(S809).
만약, 상기한 803 단계의 확인 결과, 초기 설정된 트랜스 패스를 통해 원하는 전력이 수신되는 경우, 무선 전력 수신기(500)는 트랜스 패스 설정을 종료하고 충전을 수행할 수도 있다.
상기 도 8의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 송수신기 사이의 이격 거리에 상관없이 안정적인 충전이 가능한 장점이 있다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 공진형 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 수신기(500)는 전력 전송 상태에서 정류기 출력 전압 V_RECT을 측정할 수 있다(S901).
무선 전력 수신기(500)는 V_RECT을 제1 기준과 비교할 수 있다(S903).
비교 결과, V_RECT이 제1 기준을 초과하면, 무선 전력 수신기(500)는 구비된 다운 트랜스의 권선비를 단계적으로 낮출 수 있다(S905). 이후, 무선 전력 수신기(500)는 상기한 901 단계로 회귀할 수 있다.
상기한 903 단계의 비교 결과, V_RECT이 제1 기준 이하이면, 무선 전력 수신기(500)는 V_RECT을 제2 기준과 비교할 수 있다(S907). 여기서, 제2 기준은 제1 기준 보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
V_RECT이 제2 기준 미만이면, 무선 전력 수신기는 다운 트랜스의 권선비를 단계적으로 높일 수 있다(S909). 이후, 무선 전력 수신기(500)는 상기한 901 단계로 회귀할 수 있다.
상기한 907 단계의 비교 결과, V_RECT이 제2 기준 이상이면, 무선 전력 수신기(500)는 V_RECT에 기초하여 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다(S911).
도 10은 또 다른 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 무선 전력 수신기(500)는 정류기 출력 전압인 V_RECT이 소정 상한(Upper Limit)를 초과하면, 충전을 중단시킬 수 있다.
일 예로, 무선 전력 수신기(500)는 송수신기 사이의 순간적인 거리 변화로 정류기 출력 전압이 상한을 초과하면, 구비된 폴리 스위치(Poly Switch)를 래치 오프(Latch OFF)하여 수신 회로 및(또는) 전자 기기의 파손을 방지할 수 있다.
무선 전력 수신기(500)는 V_RECT이 적정 전압 구간인 제1 기준(First Reference)와 제2 기준(Second Reference) 사이인 경우, 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다.
무선 전력 수신기(500)는 V_RECT이 상한과 제1 기준 사이인 경우, V_RECT이 적정 전압 구간에 들어오도록 단계적으로 다운 트랜스의 권선비를 감소시킬 수 있다.
무선 전력 수신기(500)는 V_RECT이 제2 기준과 하한(Lower Limit) 사이의 값인 경우, V_RECT이 적정 전압 구간에 들어오도록 단계적으로 다운 트랜스의 권선비를 증가시킬 수 있다.
여기서, V_RECT이 하한(Lower Limit) 이하인 경우, 송신기와 수신기 사이의 통신 연결이 해제될 수 있으며, 더 이상 피드백 정보가 수신되지 않을 수 있다.
실시 예로, 폐루프 전력 제어가 중단되어 무선 전력 송신기(300)로의 V_RECT 전송이 중단된 경우, 무선 전력 수신기(500)는 다운 트랜스의 권선비를 최저 값으로 초기화시킬 수 있다.
다른 실시 예로, 충전이 정상적으로 완료되었거나, 통신 연결이 정상적으로 해제된 경우, 무선 전력 수신기(500)는 다운 트랜스의 권선비를 최저 값으로 초기화시킬 수도 있다.
또 다른 실시 예로, 충전이 중단되었거나 통신 연결이 비정상적으로 해제된 경우, 무선 전력 수신기(500)는 다운 트랜스의 권선비를 최저 값으로 초기화시킬 수도 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 (20)

  1. 부팅 후 다운트랜스의 권선비를 최저로 초기화하는 단계; 및
    무선 전력 송신기로부터 적정 전압 구간의 전력이 수신될 때까지 다운 트랜스의 권선비를 단계적으로 증가시키는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    구비된 정류기의 출력 전압을 상기 적정 전압 구간과 비교하여 상기 다운트랜스의 권선비를 조절하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 적정 전압 구간을 벗어나면 상기 다운트랜스의 권선비를 조절하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간을 유지하면 상기 무선 전력 송신기와 폐루프 전력 제어를 수행하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폐루프 전력 제어는 상기 정류기의 출력 전압에 관한 정보가 포함된 피드백 신호를 상기 무선 전력 송신기로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 무선 전력 송신기가 상기 정류기의 출력 전압에 따라 인버터로 인가되는 펄스 변조 신호의 위상 및(또는) 듀티를 제어하여 상기 폐루프 전력 제어를 수행하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 적정 전압 구간은 제1 기준과 제2 기준 사이이고,
    충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 제1 기준과 소정 상한 사이이면 단계적으로 상기 권선비를 감소시키고,
    상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 소정 하한과 상기 제2 기준 사이이면 단계적으로 상기 권선비를 증가시키고,
    상기 상한은 상기 제1 기준보다 크고, 상기 제2 기준은 상기 하한보다 큰 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 상한을 초과하면 상기 충전을 중단시키는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 하한 미만이면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신기와의 통신 연결이 해제되면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    충전이 완료되면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화하는 무선 전력 수신기의 무선 충전 방법.
  11. 공진 주파수를 이용하여 무선 전력을 수신하는 수신 공진 회로;
    상기 수신 공진 회로를 통해 수신된 교류 전력 신호를 직류 전력 신호로 변환하는 정류기;
    상기 정류기로 인가되는 상기 교류 전력 신호의 세기를 제어하는 수신 효율 제어 회로; 및
    상기 정류기의 출력 전압에 기초하여 상기 수신 효율 제어 회로를 제어하는 수신 제어기
    를 포함하는 무선 전력 수신기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신 효율 제어 회로는
    상기 교류 전력 신호의 전압을 강하하는 다운트랜스; 및
    상이한 권선비를 가지는 복수의 트랜스 패스 중 어느 하나를 선택하기 위한 패스 선택 스위치
    를 포함하는 무선 전력 수신기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수신 효율 제어 회로는 상기 트랜스 패스 별 임피던스 매칭을 위한 패스 매칭 회로를 더 포함하는 무선 전력 수신기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 수신 제어기가
    부팅 후 상기 패스 선택 스위치를 제어하여 상기 다운트랜스의 권선비를 최저로 초기화하고, 상기 정류기의 출력 전압이 적정 전압 구간에 도달할 때까지 상기 다운트랜스의 권선비를 단계적으로 증가시키는 무선 전력 수신기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수신 제어기가 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간을 벗어나면 상기 다운트랜서의 권선비를 조절하는 무선 전력 수신기.
  16. 제15항에 있어서,
    대역외 근거리 무선 통신을 위한 통신 안테나; 및
    상기 통신 안테나를 통해 송수신되는 신호를 처리하는 모뎀
    을 더 포함하고,
    상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간을 유지하면 상기 수신 제어기가 상기 대역외 근거리 무선 통신을 통해 폐루프 전력 제어를 수행하는 무선 전력 수신기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 적정 전압 구간은 제1 기준과 제2 기준 사이이고,
    상기 수신 제어기가,
    상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 상기 제1 기준과 소정 상한 사이이면 상기 정류기의 출력 전압이 상기 적정 전압 구간에 도달할 때까지 단계적으로 상기 권선비를 감소시키고,
    상기 충전 중 상기 정류기의 출력 전압이 소정 하한과 상기 제2 기준 사이이면 상기 적정 전압 구간에 도달할 때까지 단계적으로 상기 권선비를 증가시키고,
    상기 상한은 상기 제1 기준보다 크고, 상기 제2 기준은 상기 하한보다 큰 무선 전력 수신기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수신 제어기가 상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 상한을 초과하면 상기 충전을 중단시키는 무선 전력 수신기.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 수신 제어기가 상기 충전 중 상기 정류기 출력 전압이 상기 하한 미만이면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화시키는 무선 전력 수신기.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 대역외 근거리 무선 통신 연결이 해제되거나 상기 충전이 완료되면 상기 권선비를 상기 최저로 초기화시키는 무선 전력 수신기.
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