KR20210042968A - 무선 전력 전송을 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents
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Abstract
무선 전력 전송 시스템의 전력 수신기 또는 전력 송신기인 디바이스가 전력 전송 신호를 통해 전력을 전송한다: 디바이스는 전력 전송 신호를 수신하거나 생성하기 위한 전력 전송 코일(103, 107) 및 통신 신호를 통해 전력 수신기(105) 또는 전력 송신기(101)와 통신하기 위한 통신 안테나(207, 307)를 포함한다. 통신 안테나(207, 307)는 전력 전송 코일(103, 107)과 중첩된다. 자기 차폐 요소(503, 505)가 전력 전송 코일(103, 107)과 통신 안테나(207, 307) 사이에 위치된다. 제어기(201, 301)가 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 디바이스를 제어하며, 전력 전송 간격들과 통신 시간 간격들은 공통 부분이 없다. 자기 차폐 요소(503, 505)는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하도록 배열된 자기 차폐 재료를 포함한다.
Description
본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이며 특히, 그러나 비배타적으로, 고전력 무선 전력 전송을 지원하기 위한, 이를테면 예를 들어 주방 기기들을 지원하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
대부분의 오늘날의 전기 제품들은 외부 파워 서플라이로부터 전력을 공급받기 위해 전용 전기 접촉을 필요로 한다. 그러나, 이것은 비실용적인 경향이 있으며 사용자가 커넥터를 물리적으로 삽입하거나 달리 물리적 전기 접촉을 확립할 것을 요구한다. 전형적으로, 전력 요건들이 또한 현저히 상이하고, 현재 대부분의 디바이스들에는 그들 자신의 전용 파워 서플라이가 제공되며, 그 결과 일반 사용자는 각각의 파워 서플라이가 특정 디바이스에 전용되는 다수의 상이한 파워 서플라이를 가지고 있다. 비록, 내부 배터리의 사용이 사용 동안 파워 서플라이에 대한 유선 연결에 대한 필요성을 회피할 수 있지만, 배터리는 재충전(또는 교체)을 필요로 할 것이기 때문에 이것은 부분적인 해결책만을 제공한다. 배터리의 사용은 또한 디바이스의 무게와 잠재적으로 비용 및 크기를 상당히 증가시킬 수 있다.
현저히 개선된 사용자 경험을 제공하기 위해, 전력이 전력 송신기 디바이스 내의 송신기 코일로부터 개별 디바이스 내의 수신기 코일로 유도적으로 전송되는 무선 파워 서플라이를 사용하는 것이 제안되었다.
자기 유도를 통한 전력 송신은 1차 송신기 인덕터/코일과 2차 수신기 코일 간의 긴밀한 결합을 갖는 변압기에서 대부분 적용되는 잘 알려진 개념이다. 2개의 디바이스 간에 1차 송신기 코일과 2차 수신기 코일을 분리함으로써, 이들 간의 무선 전력 전송이 느슨하게 결합된 변압기의 원리에 기초하여 가능해진다.
그러한 배열은 어떠한 유선 또는 물리적 전기 연결도 이루어질 것을 요구함이 없이 디바이스로의 무선 전력 전송을 허용한다. 실제로, 그것은 외부에서 재충전되거나 전력을 공급받기 위해 간단히 디바이스가 송신기 코일에 인접하게 또는 그 위에 배치되도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 전력 송신기 디바이스들은 디바이스가 전력을 공급받기 위해 간단히 그 상에 배치될 수 있는 수평 표면을 갖도록 배열될 수 있다.
더욱이, 그러한 무선 전력 전송 배열들은 전력 송신기 디바이스가 다양한 전력 수신기 디바이스들과 함께 사용될 수 있도록 유리하게 설계될 수 있다. 특히, Qi 사양으로 알려진 무선 전력 전송 접근법이 정의되었으며 현재 더욱 발전되고 있다. 이 접근법은 Qi 사양을 충족시키는 전력 송신기 디바이스들과 Qi 사양을 또한 충족시키는 전력 수신기 디바이스들이 동일 제조사로부터의 것이어야 함 또는 서로 전용되어야 함이 없이 이들이 함께 사용되도록 허용한다. Qi 표준은 동작이 특정 전력 수신기 디바이스에 적응(예를 들어, 특정 전력 소모에 의존)되도록 허용하기 위한 어떤 기능을 추가로 포함한다.
Qi 사양은 무선 전력 컨소시엄(Wireless Power Consortium)에 의해 개발되고 더 많은 정보를 예를 들어 그들의 웹사이트: http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html에서 찾아볼 수 있으며, 그곳에서 특히 정의된 사양 문서들을 찾아볼 수 있다.
Qi와 같은 전력 전송 시스템들에서, 요구되는 레벨의 전력을 전력 수신기로 전송하기 위해 생성되는 전자기 필드는 종종 매우 상당하다. 그러한 강한 필드의 존재는 많은 상황에서 환경에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송의 잠재적인 문제는 전력이 예를 들어 우연히 전력 송신기의 부근에 있는 금속 물체로 의도치 않게 전송될 수 있다는 것이다.
효율적인 무선 전력 전송을 지원하기 위해, Qi 기반 시스템들과 같은 무선 전력 전송 시스템들은 전력 송신기와 전력 수신기 간의 상당한 통신을 이용한다. 처음에, Qi는 전력 전송 신호의 부하 변조를 사용하여 전력 수신기로부터 전력 송신기로의 통신만을 지원하였다. 그러나, 표준의 발전은 쌍방 통신을 도입하였고 전력 수신기와 전력 송신기 간의 통신 교환에 의해 많은 기능이 지원된다. 많은 시스템에서, 전력 송신기로부터 전력 수신기로의 통신은 전력 전송 신호를 변조함으로써 달성된다. 그러나, 전력 전송 신호와는 무관하고 전력 전송 신호를 변조되는 반송파로서 사용하지 않는 통신 기능을 사용하는 것이 또한 제안되었다. 예를 들어, 전력 송신기와 전력 수신기 간의 통신은 RFID/NFC 통신 접근법들과 같은 단거리 통신 시스템에 의해 달성될 수 있다.
별개의 통신 접근법을 사용하는 것은 많은 상황에서 개선된 성능을 제공할 수 있고 예를 들어 더 높은 통신 신뢰성 및 진행 중인 전력 전송에 대한 감소된 영향을 갖는 더 빠른 통신을 제공할 수 있다. 그러나, 별개의 통신 접근법을 사용하는 것에 관한 특정 문제는 전력 전송 기능 및 동작이 통신과 간섭하는 경향이 있고 통신 성능의 현저한 저하를 야기할 수 있다는 것이다.
따라서, 개선된 전력 전송 디바이스 및 그를 위한 방법이 유리할 것이고, 특히, 증가된 유연성, 감소된 비용, 감소된 복잡성, 개선된 통신, 하위 호환성, 개선된 전력 전송 동작, 전력 전송과 통신 간의 감소된 간섭, 및/또는 개선된 성능을 허용하는 접근법이 유리할 것이다.
따라서, 본 발명은 전술한 불리한 점들 중 하나 이상을 단독으로 또는 임의의 조합으로 바람직하게 완화, 경감 또는 제거하고자 한다.
본 발명의 태양에 따르면, 전자기 전력 전송 신호를 사용하는 전력 송신기로부터 전력 수신기로의 무선 전력 전송을 위한 디바이스로서, 디바이스는 전력 송신기 및 전력 수신기 중 하나이고, 디바이스는, 전력 전송 신호를 수신하거나 생성하기 위한 전력 전송 코일; 통신 신호를 통해 전력 수신기 및 전력 송신기 중 다른 디바이스인 상보적 디바이스(complementary device)와 통신하기 위한 통신 안테나로서, 전력 전송 코일과 중첩되는, 상기 통신 안테나; 전력 전송 코일과 통신 안테나 사이에 위치된 자기 차폐 요소; 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 디바이스를 제어하기 위한 제어기를 포함하며, 자기 차폐 요소는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 포화점을 갖는 자기 차폐 재료를 포함하고, 포화점은 통신 시간 간격들 동안 통신 신호에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 신호에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하고, 전력 전송 코일 및 통신 안테나는 통신 안테나가 전력 전송 동작 동안 전력 전송 코일과 상보적 디바이스의 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되는, 디바이스가 제공된다.
본 발명은 많은 시나리오들에서 개선된 성능을 제공할 수 있다. 그것은 많은 실시예들에서 전력 전송 코일들 간의 그리고 통신 안테나들 간의 긴밀한 결합을 허용하는 동시에 이들이 중첩되고 잠재적으로 공통 축을 갖도록 허용할 수 있다. 이 접근법은 많은 실시예들에서 개선된 통신 및/또는 개선된 전력 전송을 제공할 수 있다. 이 접근법은 통신 동작에 대한 그리고 통신을 위해 사용되는 전자기 신호에 대한 전력 전송 코일의 영향을 감소시키거나 완화시킬 수 있다. 이 접근법은 허용 불가능한 전력 전송의 저하를 도입함이 없이 통신 동안 통신 안테나와 전력 전송 코일 간의 분리를 달성할 수 있다. 많은 실시예들에서, 전력 전송에 대한 무시해도 될 정도의 영향만이 도입되면서 통신에 대한 전력 전송 코일의 영향이 상당히 감소될 수 있다.
자기 차폐 요소는 통신 시간 간격들 동안 통신 안테나에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 코일에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하는 포화점을 갖는 것에 의해 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하도록 배열될 수 있다. 포화점은 통신 시간 간격들 동안 자기 차폐 요소에서 생성되는 최대 필드 강도보다 높지만 전력 전송 시간 간격들 동안 자기 차폐 요소에서 생성되는 (최소) 필드 강도보다 낮은 자기 필드 강도에 대한 것일 수 있다. 많은 실시예들에서, 동작은 100 mT 내지 1 T의 범위 그리고 종종 200 mT 내지 400 mT의 범위의 포화점을 갖도록 자기 차폐 요소를 설계하는 것에 의해 달성된다.
자기 차폐 요소에 대한 포화점은 투자율이 0 T의 자기 필드 강도에 대한 투자율의 1/10로 감소되는 자기 차폐 요소에서의 필드 강도일 수 있다.
자기 차폐 재료는 전형적으로 필드 강도가 포화점보다 높으면 포화된 것으로 간주되고 필드 강도가 포화점보다 낮으면 포화되지 않은 것으로 간주될 수 있다.
통신 안테나는 통신 안테나의 적어도 일부가 전력 전송을 위한 2개의 디바이스의 공칭/최적 공간 위치를 위해 디바이스의 전력 전송 코일과 상보적 디바이스의 전력 전송 코일 사이에 있도록 전력 코일과 중첩될 수 있다. 전력 전송 코일은 중심축을 가질 수 있고, 구체적으로 축에 수직인 평면에서 실질적으로 평면 배열을 가질 수 있다. 통신 안테나는 통신 안테나의 적어도 일부가 전력 전송 코일의 영역을 축의 방향으로 병진시킴으로써 형성되는 3D 도형 내에 들어가도록 전력 코일과 중첩될 수 있다(3D 도형은 전력 전송 코일의 영역에 대응하는 일정한 단면을 갖는 것으로 그리고 축을 따라 연장되는 것으로 간주될 수 있다).
전력 전송 간격들과 통신 시간 간격들은 전형적으로 중첩되지 않는다.
전력 전송 코일과 통신 안테나는 전형적으로 전력 전송이 그를 통해 일어나는 표면에 통신 안테나가 전력 전송 코일보다 더 가깝도록 배열된다. 그 배열은 전형적으로 통신 안테나가 전력 전송 동작 동안 전력 전송 코일과 상보적 디바이스의 상보적 전력 전송 코일 사이에 위치되게 한다. 통신 안테나는 전력 전송 코일과 상보적 디바이스에 결합하기 위한 디바이스의 표면 사이에 위치될 수 있다.
포화점은 통신 시간 간격들 동안 통신 신호에 의해 (자기 차폐 요소/재료에서) 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 신호에 의해 생성되는 것보다 낮은 (자기 차폐 요소/재료에서의) 자기 필드 강도에 대응할 수 있다. 구체적으로, 이것은 포화점이 통신 시간 간격들 동안 통신 안테나에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 코일에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응한다는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 자기 차폐 요소는 1 mm를 초과하지 않는 두께를 갖는 시트 요소(sheet element)이다.
이것은 많은 실시예들에서 효율적인 차폐 효과를 제공하면서도 콤팩트한 치수들 및 높은 결합 계수들이 달성되도록 허용할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시트 요소는 0.5 mm, 2 mm 또는 5 mm를 초과하지 않는 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 자기 차폐 재료는 페라이트 재료이다.
이것은 많은 실시예들에서 특히 유리한 동작 및 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 디바이스는 전력 수신기이고 상보적 디바이스는 전력 송신기이다.
이 접근법은 많은 실시예들에서 개선된 전력 수신기를 제공할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 디바이스는 전력 송신기이고 상보적 디바이스는 전력 수신기이다.
이 접근법은 많은 실시예들에서 개선된 전력 송신기를 제공할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 통신 안테나는 30 ㎠ 이상의 면적을 갖는 평면 안테나이다.
이것은 많은 실시예들에서 개선된 성능을 제공할 수 있고 예를 들어 전력 송신기에 대한 전력 수신기의 위치 선정에 있어서 증가된 유연성을 제공할 수 있다. 이 접근법은 많은 실시예들에서 효율적인 구현을 제공할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 평면 안테나는 20 ㎠, 50 ㎠, 또는 심지어 100 ㎠ 이상의 면적을 갖는다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 전력 전송 코일의 면적은 50 ㎠ 이상이다.
이것은 많은 실시예들에서 개선된 성능을 제공할 수 있고 예를 들어 더 높은 전력 전송 전력 레벨을 지원할 수 있다. 이 접근법은 많은 실시예들에서 효율적인 구현을 제공할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 평면 안테나는 70 ㎠, 100 ㎠, 또는 심지어 250 ㎠ 이상의 면적을 갖는다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 통신 안테나 및 전력 전송 코일은 평면 코일들이다.
이것은 개선된 성능 및/또는 구현을 제공할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 통신 안테나와 전력 전송 코일은 동축이다.
이것은 개선된 성능 및/또는 구현을 제공할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 포화점은 통신 시간 간격들 동안 통신 안테나에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 코일에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응한다.
이것은 많은 실시예들에서 개선된 성능 및/또는 구현을 제공할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 전력 전송 간격들과 통신 시간 간격들은 공통 부분이 없다(disjoint).
이것은 특히 유리한 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 자기 차폐 요소에 대한 포화점은 100 mT 내지 1 T의 범위이다.
이것은 많은 실시예들에서 특히 효율적인 동작을 제공할 수 있고, 구체적으로 많은 실시예들에서 자기 차폐 재료가 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하도록 배열된다는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 자기 차폐 요소에 대한 포화점은 200 mT 내지 400 mT의 범위이다.
이것은 많은 실시예들에서 특히 효율적인 동작을 제공할 수 있고, 구체적으로 많은 실시예들에서 자기 차폐 재료가 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하도록 배열된다는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 무선 전력 전송 시스템으로서, 전력 송신기로서, 전력 수신기로 전력을 전송하기 위한 전력 전송 신호를 생성하기 위한 제1 전력 전송 코일, 통신 신호를 통해 전력 수신기와 통신하기 위한 제1 통신 안테나로서, 제1 전력 전송 코일과 중첩되는, 상기 제1 통신 안테나, 제1 전력 전송 코일과 제1 통신 안테나 사이에 위치된 제1 자기 차폐 요소, 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 전력 송신기를 제어하기 위한 제1 제어기를 포함하는, 상기 전력 송신기; 및 전력 수신기로서, 전력 전송 신호를 수신하거나 생성하기 위한 제2 전력 전송 코일, 통신 신호를 통해 전력 송신기와 통신하기 위한 제2 통신 안테나로서, 제2 전력 전송 코일과 중첩되는, 상기 제2 통신 안테나, 제2 전력 전송 코일과 제2 통신 안테나 사이에 위치된 제2 자기 차폐 요소, 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 전력 수신기를 제어하기 위한 제2 제어기를 포함하는, 상기 전력 수신기를 포함하며, 제1 전력 전송 코일 및 제1 통신 안테나는 제1 통신 안테나가 전력 전송 동작 동안 제1 전력 전송 코일과 제2 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되고, 제2 전력 전송 코일 및 제2 통신 안테나는 제2 통신 안테나가 전력 전송 동작 동안 제1 전력 전송 코일과 제2 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되고, 제1 자기 차폐 요소는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 제1 포화점을 갖는 제1 자기 차폐 재료를 포함하고, 제1 포화점은 통신 시간 간격들 동안 제1 통신 안테나에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 제1 전력 전송 코일에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하며, 제2 자기 차폐 요소는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 제2 포화점을 갖는 제2 자기 차폐 재료를 포함하고, 제2 포화점은 통신 시간 간격들 동안 제1 통신 안테나에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 제1 전력 전송 코일에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하는, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
본 발명의 태양에 따르면, 전자기 전력 전송 신호를 사용하는 전력 송신기로부터 전력 수신기로의 무선 전력 전송을 위한 디바이스를 위한 동작 방법으로서, 디바이스는 전력 송신기 및 전력 수신기 중 하나이고, 방법은, 전력 전송 코일이 전력 전송 신호를 수신하거나 생성하는 단계; 통신 안테나가 통신 신호를 통해 전력 수신기 및 전력 송신기 중 다른 디바이스인 상보적 디바이스와 통신하는 단계로서, 통신 안테나는 전력 전송 코일과 중첩되는, 상기 단계; 전력 전송 코일과 통신 안테나 사이에 위치된 자기 차폐 요소를 제공하는 단계; 제어기가 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 디바이스를 제어하는 단계를 포함하며, 자기 차폐 요소는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 포화점을 갖는 자기 차폐 재료를 포함하고, 포화점은 통신 시간 간격들 동안 통신 신호에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 신호에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하고, 전력 전송 코일 및 통신 안테나는 통신 안테나가 전력 전송 동작 동안 전력 전송 코일과 상보적 디바이스의 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되는, 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 전자기 전력 전송 신호를 사용하여 전력 수신기로의 무선 전력 전송을 수행하기 위한 전력 송신기로서, 전력 전송 신호를 생성하기 위한 전력 전송 코일; 통신 신호를 통해 전력 수신기와 통신하기 위한 통신 안테나로서, 전력 전송 코일과 중첩되는, 상기 통신 안테나; 전력 전송 코일과 통신 안테나 사이에 위치된 자기 차폐 요소; 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 전력 송신기를 제어하기 위한 제어기를 포함하며, 자기 차폐 요소는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 포화점을 갖는 자기 차폐 재료를 포함하고, 포화점은 통신 시간 간격들 동안 통신 신호/통신 안테나에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 신호/전력 전송 코일에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하고, 전력 전송 코일 및 통신 안테나는 통신 안테나가 전력 전송 동작 동안 전력 전송 코일과 전력 수신기의 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되는, 전력 송신기가 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전자기 전력 전송 신호를 사용하는 전력 송신기로부터의 무선 전력 전송을 위한 전력 수신기로서, 전력 전송 신호를 수신하기 위한 전력 전송 코일; 통신 신호를 통해 전력 송신기와 통신하기 위한 통신 안테나로서, 전력 전송 코일과 중첩되는, 상기 통신 안테나; 전력 전송 코일과 통신 안테나 사이에 위치된 자기 차폐 요소; 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 디바이스를 제어하기 위한 제어기를 포함하며, 자기 차폐 요소는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 포화점을 갖는 자기 차폐 재료를 포함하고, 포화점은 통신 시간 간격들 동안 통신 신호/전력 송신기의 통신 안테나에 의해 생성되는 것보다 높고 전력 전송 시간 간격들 동안 전력 전송 신호/전력 송신기의 전력 전송 코일에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하고, 전력 전송 코일 및 통신 안테나는 통신 안테나가 전력 전송 동작 동안 전력 전송 코일과 전력 송신기의 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되는, 전력 수신기가 제공될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 태양들, 특징들 및 이점들이 이하에 설명되는 실시예(들)로부터 명백할 것이고 그것을 참조하여 설명될 것이다.
본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 단지 예로서 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템의 요소들의 예를 예시한다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 송신기의 요소들의 예를 예시한다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 수신기의 요소들의 예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템에 대한 시간 프레임의 예를 예시한다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 코일 배열들의 예를 예시한다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 코일 배열을 위한 자기 필드 분포의 예를 예시한다.
도 7 내지 도 13은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 예시적인 프로토타입 코일 배열을 예시한다.
도 14는 페라이트 자기 차폐 층에 대한 몇몇 성능 특성들을 예시한다.
도 15는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 통신 코일의 예를 예시한다.
도 16은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 통신 코일의 예를 예시한다.
도 17은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 상이한 통신 코일들에 대한 결합 계수들의 측정치들을 예시한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템의 요소들의 예를 예시한다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 송신기의 요소들의 예를 예시한다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 수신기의 요소들의 예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템에 대한 시간 프레임의 예를 예시한다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 코일 배열들의 예를 예시한다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 코일 배열을 위한 자기 필드 분포의 예를 예시한다.
도 7 내지 도 13은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 예시적인 프로토타입 코일 배열을 예시한다.
도 14는 페라이트 자기 차폐 층에 대한 몇몇 성능 특성들을 예시한다.
도 15는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 통신 코일의 예를 예시한다.
도 16은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 통신 코일의 예를 예시한다.
도 17은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템을 위한 상이한 통신 코일들에 대한 결합 계수들의 측정치들을 예시한다.
다음의 설명은 Qi 사양으로부터 알려진 것과 같은 전력 전송 접근법을 이용하는 무선 전력 전송 시스템에 적용 가능한 본 발명의 실시예들에 중점을 둔다. 그러나, 본 발명은 이러한 응용으로 제한되는 것이 아니라 많은 다른 무선 전력 전송 시스템들에 적용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템의 예를 예시한다. 전력 전송 시스템은 송신기 전력 전송 코일/인덕터(103)를 포함하는(또는 그에 결합되는) 전력 송신기(101)를 포함한다. 시스템은 수신기 전력 전송 코일/인덕터(107)를 포함하는(또는 그에 결합되는) 전력 수신기(105)를 추가로 포함한다.
시스템은 전력 송신기(101)로부터 전력 수신기(105)로 전력을 유도적으로 전송할 수 있는 전자기 전력 전송 신호를 제공한다. 구체적으로, 전력 송신기(101)는 전자기 신호를 생성하며, 이는 송신기 코일 또는 인덕터(103)에 의해 자속으로서 전파된다. 전력 전송 신호는 전력 송신기로부터 전력 수신기로의 에너지 전송을 나타내는 전자기 전력 전송 성분에 대응할 수 있고, 전력 송신기로부터 전력 수신기로 전력을 전송하는 생성된 전자기 필드의 성분에 대응하는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 수신기 전력 전송 코일(107)의 부하가 없다면, 생성된 전자기 필드로부터 전력 수신기에 의해 전력이 추출되지 않을 것이다(손실을 제외하고). 그러한 시나리오에서, 송신기 전력 전송 코일(103)의 구동은 잠재적으로 높은 필드 강도의 전자기 필드를 생성할 수 있지만 전력 전송 신호의 전력 레벨은 0일 것이다(손실을 제외하고).
전력 전송 신호는 전형적으로 약 20 ㎑ 내지 약 500 ㎑의, 그리고 종종 Qi 호환 가능 시스템에 대해 전형적으로 95 ㎑ 내지 205 ㎑의 범위의 주파수를 가질 수 있다(또는 예를 들어 고전력 주방 응용들에 대해, 주파수는 전형적으로 20 ㎑ 내지 80 ㎑의 범위일 수 있다). 송신기 전력 전송 코일(103)과 수신기 전력 전송 코일(107)은 느슨하게 결합되고 이에 따라 수신기 전력 전송 코일(107)은 전력 송신기(101)로부터 전력 전송 신호(그것의 적어도 일부)를 픽업한다. 따라서, 전력은 송신기 전력 전송 코일(103)로부터 수신기 전력 전송 코일(107)로의 무선 유도 결합을 통해 전력 송신기(101)로부터 전력 수신기(105)로 전송된다. 용어 '전력 전송 신호'는 주로 송신기 전력 전송 코일(103)과 수신기 전력 전송 코일(107) 간의 유도 신호/자기 필드(자속 신호)를 지칭하는 데 사용되지만, 동등하게 그것은 또한 송신기 전력 전송 코일(103)에 제공되는 또는 수신기 전력 전송 코일(107)에 의해 픽업되는 전기 신호에 대한 지칭으로서 간주되고 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
예에서, 전력 수신기(105)는 구체적으로 수신기 전력 전송 코일(107)을 통해 전력을 수신하는 전력 수신기이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전력 수신기(105)는 금속 가열 요소와 같은 금속 요소를 포함할 수 있으며, 그 경우에 전력 전송 신호는 요소의 직접 가열을 야기하는 와전류(eddy current)를 직접 유도한다.
시스템은 상당한 전력 레벨들을 전송하도록 배열되고, 구체적으로 전력 송신기는 많은 실시예들에서 500 mW, 1 W, 5 W, 50 W, 100 W 또는 500 W를 초과하는 전력 레벨들을 지원할 수 있다. 예를 들어, Qi 대응 응용들에 대해, 전력 전송은 전형적으로 저전력 응용들에 대해 1 - 5 W 전력 범위(기본 전력 프로파일), Qi 사양 버전 1.2에 대해 최대 15 W, 전동 공구, 랩톱, 드론, 로봇 등과 같은 더 높은 전력 응용들에 대해 최대 100 W의 범위, 그리고 예를 들어 주방 응용들과 같은 매우 높은 전력 응용들에 대해 100 W 초과 및 최대 1000 W 초과일 수 있다.
이하에서, 전력 송신기(101) 및 전력 수신기(105)의 동작이 일반적으로 Qi 사양(본 명세서에 설명된(또는 결과적인) 수정들 및 향상들을 제외하고)에 따른 또는 무선 전력 컨소시엄에 의해 개발되고 있는 더 높은 전력의 주방 사양에 적합한 실시예를 특히 참조하여 설명될 것이다. 특히, 전력 송신기(101) 및 전력 수신기(105)는 Qi 사양 버전 1.0, 1.1 또는 1.2의 요소들을 따르거나 그와 실질적으로 호환 가능할 수 있다(본 명세서에 설명된(또는 결과적인) 수정들 및 향상들을 제외하고).
도 1의 것과 같은 무선 전력 전송 시스템에서 최적의 성능을 갖기 위해, 전력 송신기(101)와 전력 수신기(105)의 전력 전송 코일들(103, 107)이 최대량의 자속을 공유하도록 그들이 밀접하게 정렬되는 것이 바람직하다. 따라서 코일들(103, 107)이 송신기 코일과 수신기 코일 간의 결합 계수(κ)를 최대화하도록 기하학적으로 정렬되는 것이 바람직하다.
도 2는 전력 송신기(101)의 요소들을 예시하고 도 3은 도 1의 전력 수신기(105)의 요소들을 더 상세히 예시한다.
전력 송신기(101)는 송신기 전력 전송 코일(103)에 공급되는 구동 신호를 생성할 수 있는 구동기(201)를 포함하고, 그 송신기 전력 전송 코일은 응답으로 전자기 필드 및 이에 따라 전력 수신기(105)에 전력 전송을 제공하는 전자기 전력 전송 신호를 생성한다. 전력 전송 신호는 (적어도) 전력 전송 단계 동안 제공된다.
구동기(201)는 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 전형적으로 풀 또는 하프 브리지를 구동시킴으로써 형성되는, 인버터의 형태의 출력 회로를 전형적으로 포함할 수 있다.
전력 송신기(101)는 원하는 동작 원리들에 따라 전력 송신기(101)의 동작을 제어하도록 배열된 전력 송신기 제어기(203)를 추가로 포함한다. 구체적으로, 전력 송신기(101)는 Qi 사양에 따라 전력 제어를 수행하기 위해 요구되는 기능들 중 많은 것을 포함할 수 있다.
전력 송신기 제어기(203)는 특히 구동기(201)에 의한 구동 신호의 생성을 제어하도록 배열되고, 그것은 구체적으로 구동 신호의 전력 레벨, 및 따라서 생성된 전력 전송 신호/전자기 필드의 레벨을 제어할 수 있다. 전력 송신기 제어기(203)는 전력 제어 단계 동안 전력 수신기(105)로부터 수신된 전력 제어 메시지들에 응답하여 전력 전송 신호의 전력 레벨을 제어하는 전력 루프 제어기를 포함한다.
전력 수신기(105)로부터 데이터 및 메시지들을 수신하기 위해, 전력 송신기(101)는 전력 수신기(105)로부터 데이터 및 메시지들을 수신하도록 배열된 제1 통신기(205)를 포함한다(당업자에 의해 인식될 바와 같이, 데이터 메시지는 하나 이상의 정보 비트를 제공할 수 있다).
제1 통신기(205)는, 예에서 제1 통신 코일(207)인, 제1 통신 안테나에 결합되고, 전력 송신기와 전력 수신기 간의 통신은 이 전용 통신 안테나를 사용하여 수행된다. 따라서, 상이한 수단들과 인덕터들 및 안테나들이 전력 전송에 그리고 통신에 사용된다는 점에서 통신은 전력 전송으로부터 분리된다.
특정한 특성들에 따라 상이한 실시예들에서 상이한 유형의 통신 안테나들이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 그러나, 많은 실시예들에서, 전력 송신기 및 전력 수신기 둘 모두의 통신 안테나들은, 전형적으로 평면 통신 코일들인, 통신 코일들로서 구현된다. 따라서, 다음의 설명은 통신 코일들의 형태의 통신 안테나들에 중점을 둘 것이고, 통신 안테나들은 특별히 통신 코일들로 지칭될 것이다. 그러나, 이것은 단지 예시적인 것이고 다른 형태의 안테나들이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 1 내지 도 3의 시스템에서, 통신이 별개의 통신 코일을 사용하여 구현된 별개의 통신 채널을 통해 수행될 수 있다. 별개의 그리고 전용의 통신 시스템의 사용은 통신과 전력 전송 기능 및 동작이 그들의 특정 목적에 개별적으로 최적화될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 송신기 전력 전송 코일(103)과 제1 통신 코일(207)의 특성들은, 각각, 높은 레벨의 전력을 전송하는 데 그리고 데이터를 효율적으로 통신하는 데 개별적으로 최적화될 수 있다. 유사하게, 상이한 기능들을 위해 사용되는 신호들이 개별적으로 최적화될 수 있다. 예로서, 효율적인 전력 전송은 종종 예를 들어 20 ㎑ 내지 500 ㎑의 범위의 비교적 낮은 주파수들을 갖는 신호들에 대해 달성될 수 있는 반면 효율적인 단거리 통신은 종종 예를 들어 10 ㎒ 초과 또는 실제로 훨씬 더 높은 주파수와 같은, 훨씬 더 높은 주파수에 대해 달성될 수 있다.
특정 예로서, 통신은 NFC 또는 RFID 통신 시스템들과 같은 단거리 통신 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 그러한 통신 접근법들은 13.56 ㎒의 주파수를 사용하고 제1 통신 코일(207) 및 제1 통신기(205)는 이러한 주파수를 갖는 반송파들을 사용하여 그리고 특정 NFC 또는 RFID 표준들을 따라 통신하도록 배열될 수 있다.
별개의 통신 시스템의 사용은 다수의 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, NFC는 다음을 포함하는 이점들을 제공할 수 있다:
도 3은 전력 수신기(105)의 몇몇 예시적인 요소들을 예시한다.
수신기 전력 전송 코일(107)은 수신기 전력 전송 코일(107)을 부하(303)에 결합하는 전력 수신기 제어기(301)에 결합된다. 전력 수신기 제어기(301)는 수신기 전력 전송 코일(107)에 의해 추출된 전력을 부하(303)를 위한 적합한 서플라이로 변환하는 전력 제어 경로를 포함한다. 또한, 전력 수신기 제어기(301)는 전력 전송을 수행하기 위해 필요한 다양한 전력 수신기 제어기 기능, 및 특히 Qi 사양에 따라 전력 전송을 수행하기 위해 필요한 기능을 포함할 수 있다.
전력 수신기(105)로부터 전력 송신기(101)로의 통신을 지원하기 위해, 전력 수신기(105)는 제2 통신기(305)를 포함한다.
제2 통신기(305)는 전력 송신기(101)에 관하여 이전에 설명된 바와 같이 전력 전송으로부터 분리된 통신 접근법을 사용하여 전력 송신기(101)와 통신하도록 배열된다. 예를 들어, 제2 통신기(305)는 NFC 통신 접근법을 사용하여 제1 통신기(205)와 통신하도록 배열될 수 있다.
제2 통신기(305)는 특정 예에서 언급된 바와 같이 제2 통신 코일(307)인 제2 통신 안테나에 결합된다. 제2 통신 코일(307)은 전력 송신기의 제1 통신 코일(207)에 결합되며, 따라서 이들 통신 코일(207, 307)을 통해 통신이 교환될 수 있다.
따라서 제2 통신기(305) 및 제2 통신 코일(307)은 제1 통신기(205) 및 제1 통신 코일(207)과 동일한 통신 접근법을 사용하여 통신을 지원할 수 있고 그에 의해 전력 전송으로부터 분리된 통신을 가능하게 할 수 있다. 구체적으로, 통신은 NFC 통신과 같은 단거리 통신을 사용한다.
몇몇 실시예들에서, 전력 송신기로부터 전력 수신기로 그리고 전력 수신기로부터 전력 송신기로 상이한 통신 접근법들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 통신 코일(207)은 한 방향으로의 통신을 위해서만 사용될 수 있는 반면 반대 방향으로의 통신은 전력 전송 신호를 변조함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 전력 수신기(105)는 송신기 전력 전송 코일(103)에 의해 생성된 전력 전송 신호를 부하 변조하도록 배열될 수 있고, 제1 통신기(205)는 송신기 전력 전송 코일(103)의 전압 및/또는 전류에 있어서의 변화를 감지하도록 그리고 이들에 기초하여 부하 변조를 복조하도록 배열될 수 있다. 당업자는 예를 들어 Qi 무선 전력 전송 시스템에서 사용되는 바와 같은 부하 변조의 원리들을 알 것이며, 따라서 이들은 더 상세히 설명되지 않을 것이다. 동시에, 제1 통신기(205)는 제1 통신 코일(207)을 사용하여 전송을 위한 반송파를 생성 및 변조할 수 있다. 예를 들어, 전력 송신기는 NFC 통신을 사용하여 데이터를 송신할 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 송신기는 데이터를 송신하기 위해 전력 전송 신호를 변조할 수 있고 전력 수신기는 예를 들어 NFC 통신을 사용하여 데이터를 송신할 수 있다. 그러나, 대부분의 실시예들에서, 별개의 통신 코일들을 사용하는 별개의 통신 시스템이 전력 송신기로 그리고 전력 송신기로부터 둘 모두의 쌍방 통신을 위해 사용될 수 있다.
언급된 바와 같이, 통신 기능과 전력 전송 기능을 분리하는 것은 개별 최적화를 허용하는 것을 포함한 다수의 이점들을 제공한다. 그러나, 그러한 접근법과 관련된 문제는, 구현된 기능 또는 서로에게 해로운 영향을 미치는 동작들에 의해, 상이한 시스템들이 서로 간섭하지 않는 것을 보장하는 것이 전형적으로 중요하다는 것이다.
기능들을 서로 격리시키기 위한 한 가지 접근법은 전력 전송 및 통신을 위해 상당히 상이한 주파수들을 사용하는 것이다. 많은 실시예들에서, 전력 전송은 구체적으로 20 ㎑ - 200 ㎑ 범위의 주파수를 갖는 전력 전송 신호를 사용할 수 있는 반면 통신은 구체적으로 13.56 ㎒의 NFC 반송파 주파수와 같은 10 ㎒ 초과의 반송파를 사용한다.
그러나, 그러한 상당한 주파수 차이에도, 특히 전력 전송은 매우 높은 전력 레벨들에서 이루어지고 통신은 낮은 주파수들에서 이루어지는 시나리오들에서, 기능들 간의 원치 않는 간섭이 여전히 발생할 수 있다. 실제로, 무선 주방 기기들이 큰 송신기 전력 전송 코일로부터 큰 수신기 코일로 전력을 무선으로 전송하는 것에 의해 전력을 공급받는 때와 같은 시나리오들에서, 송신기 전력 전송 코일은 송신기 전력 전송 코일을 포함하는 공진 회로에 최대 2.5 kW의 전력을 전달할 수 있는 인버터에 의해 구동될 수 있다. 통신이 훨씬 더 높은 주파수에서 수행되는 경우에도, 전력 전송 신호는 상당한 간섭을 제공할 수 있고 또한 예를 들어 포화 효과 등을 야기할 수 있다.
도 1 내지 도 3의 시스템에서, 전력 전송과 통신이 상이한 시간 간격들에서 수행되는 시분할 접근법이 적용된다. 구체적으로, 제1 통신기(205) 및 제2 통신기(305)는 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 전력 송신기 및 전력 수신기를 각각 제어하도록 배열되며, 여기서 전력 전송 간격들과 통신 시간 간격들은 전형적으로 공통 부분을 갖지 않으며 구체적으로 중첩되지 않는다. 이 접근법의 예가 도 4에 도시되어 있으며 여기서 반복되는 시간 프레임은 전력 전송이 수행되는(그리고 통신은 수행되지 않음) 전력 전송 간격 PT 및 통신이 수행되는(그리고 전력 전송은 수행되지 않음) 통신 시간 간격 C를 포함한다. 따라서, 이 예에서, 시간 프레임은 전력 전송 신호가 생성되지만 전형적으로 통신 신호는 생성되지 않는 전력 전송 간격들/시간 슬롯들과, 전력 전송 신호가 생성되지 않고 통신이 수행되는(통신 신호가 생성됨) 통신 간격들/시간 슬롯들로 나누어진다. 이 예에서, 송신기 전력 전송 코일(103) 및 수신기 전력 전송 코일(107)은 전력 전송 간격들 동안 활성이고 제1 통신 코일(207) 및 제2 통신 코일(307)은 통신 간격들 동안 활성이다.
몇몇 실시예들에서, 시간 간격들은 동적으로 변화하는 지속기간들을 가질 수 있고 시간 프레임은 동적으로 변화하는 지속기간을 가질 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 통신 간격은 현재 계류 중인 데이터가 모두 송신될 때까지 종료되지 않을 수 있다. 시간 프레임은 다른 동작들 또는 조합들이 수행되는 다른 시간 간격들을 포함할 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다(예를 들어, 시간 프레임은 예를 들어 전력 전송 및 통신 둘 모두에 조합된 시간 슬롯들을 포함할 수 있음(예를 들어, 중요하지 않은 통신이 수행됨).
시간 도메인에서의 전력 전송과 통신의 분리는 하나의 동작의 다른 동작에 대한 영향의 특히 효율적인 분리를 제공할 수 있으며, 구체적으로 통신에 대해 전력 전송 신호에 의해 야기되는 간섭이 완전히 감소되거나 제거될 수 있다. 그러나, 이 경우에도 별개의 통신 기능과 전력 전송 기능이 서로에게 영향을 미칠 수 있다. 특히, 기능들을 지원하기 위해 필요한 기능이 영향을 미칠 수 있다. 구체적으로, 전력 전송 코일 및 안테나 코일 둘 모두의 존재는 영향을 미칠 수 있다. 실제로, 통신 코일들의 존재는 전력 전송 코일들 간의 위치 선정 및 결과적인 거리에 영향을 미칠 수 있다. 유사하게, 종종 큰 전력 전송 코일들의 존재는 통신 전자기 필드 및 신호에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 상이한 기능들의 특정 구성 및 설계는 해결할 중요한 문제이다.
이 문제는 전력 전송 코일들 및 통신 코일들이 결합이 최대화되고 위치 선정/정렬에 대한 민감성이 최소화되도록 위치되어야 한다는 점에서 그들 둘 모두가 동일한 요건을 갖는다는 사실에 의해 악화된다. 예를 들어, 전력 전송 코일들 또는 통신 코일들의 중심을 벗어난 위치들은 디바이스들의 위치뿐만 아니라 서로에 대한 배향/회전에 대한 민감성을 도입하고 그에 의해 사용자에게 실행 불가능한 추가적인 제약들을 도입할 것이다.
실제로, 통신을 지원하는 것에 더하여, 통신 코일들은 또한 내부 전자 기기들 그리고 구체적으로 통신 기능을 지원하기 위해 전력 수신기에 소량의 전력을 제공할 수 있다(예를 들어, 전력 전송 신호에 의해 전력이 제공되지 않을 때 전력 전송 전에 또는 전력 수신기에 전력 저장이 구현되지 않은 경우 통신 간격들 동안). 이것은 통신 코일들 간의 양호한 결합이 요구된다는 것을 의미한다. 그러나, 통신 코일들 간의 결합 및 코일들의 임피던스는 전형적으로 큰 전력 전송 코일들의 근접에 의해 악영향을 받는다.
많은 실시예들에서, 디바이스(전력 송신기 또는 전력 수신기)의 전력 전송 코일과 통신 코일은 동축이다. 코일들은 그들이 그 주위에 분포되는 공통 중심축을 갖는다. 통신 코일은 예를 들어 전력 전송 코일의 위에 위치될 수 있다(또는 그 반대). 코일들은 축 주위로, 그리고 구체적으로 동일한 축 주위로 회전적으로 불변일 수 있다. 그러한 경우, 전력 수신기가 전력 송신기에 대해 최적으로 위치될 때, 그리고 구체적으로 그것이 전력 송신기 코일들의 축과 전력 수신기 코일들의 축이 일치하도록 위치될 때, 통신 코일들과 전력 전송 코일들 둘 모두가 최대로 중첩되어 각각 통신 코일들과 전력 전송 코일들 간의 결합의 최대화를 야기할 것이다. 따라서, 전력 수신기가 전력 전송을 위해 최적으로 배치될 때 그것은 또한 통신을 위해 최적으로 배치될 것이며, 더욱이 그 상황은 전력 수신기의 배향과는 실질적으로 무관할 것이다. 많은 실시예들에서, 전력 전송 코일들은 중심축 주위의 실질적으로 원형 또는 나선형 평면 코일들일 수 있다. 유사하게, 통신 코일들은, 특별히 디바이스의 통신 코일에 대해 디바이스의 전력 전송 코일에 대해서와 실질적으로 동일한 축인, 중심축 주위의 실질적으로 원형 또는 나선형 평면 코일들일 수 있다.
도 5는 디바이스들이 전력 전송을 위한 (최적) 구성으로 위치된, 전력 송신기 및 전력 수신기 둘 모두에 대한 그러한 배열의 단면을 예시한다. 이 예에서, 전력 수신기(105)는 전력 송신기(101)의 위에 위치된다.
전력 송신기(101)는 전력 전송 신호를 생성하기 위한 송신기 전력 전송 코일(103)을 포함한다. 도 5의 예에서, 송신기 전력 전송 코일(103)은 권선들을 포함하는 영역의 단면을 반영하는 그리고 중심 영역에 권선들이 없는 것을 반영하는 2개의 영역에 의해 예시되어 있다.
제1 통신 코일(207)은 전력 수신기(105)를 향해 송신기 전력 전송 코일(103)의 위에 위치된다. 도 5는 통신 코일이 송신기 전력 전송 코일(103)보다 상당히 더 작은 전형적인 예를 예시한다. 또한, 도 5의 예에서 제1 통신 코일(207)의 권선들은 또한 중심 영역을 채운다.
송신기 전력 전송 코일(103)과 제1 통신 코일(207)은 동축이고 중심축(501) 주위에 대칭적으로 분포된다. 그들은 또한 중심축(501)을 중심으로 한 회전에 대해 실질적으로 불변이다.
유사하게, 전력 수신기(105)는 전력 전송 신호를 수신하기 위한 수신기 전력 전송 코일(107)을 포함한다. 도 5의 예에서, 수신기 전력 전송 코일(107)은 권선들을 포함하는 영역의 단면을 반영하는 그리고 중심 영역에 권선들이 없는 것을 반영하는 2개의 영역에 의해 예시되어 있다.
제2 통신 코일(307)은 전력 송신기(101)를 향해 수신기 전력 전송 코일(107) 아래에 위치된다. 도 5는 통신 코일이 수신기 전력 전송 코일(107)보다 상당히 더 작은 전형적인 예를 예시한다. 또한, 도 5의 예에서 제2 통신 코일(307)의 권선들은 또한 중심 영역을 채운다.
수신기 전력 전송 코일(107)과 제2 통신 코일(307)은 동축이고, 구체적으로 전력 송신기(101)에 대한 중심축과 동일한 중심축(501) 주위에 대칭적으로 분포된다(전력 송신기(101) 상의 전력 수신기(105)의 최적의 위치 선정을 반영함). 그들은 또한 중심축(501)을 중심으로 한 회전에 대해 실질적으로 불변이다.
도 5가 중심축(501)이 전력 송신기를 위한 그리고 전력 수신기를 위한 코일 배열 둘 모두에 공통이도록 전력 수신기가 전력 송신기에 대해 최적으로 배치된 예를 예시하지만, 전력 수신기는 전형적으로 얼마간의 오정렬을 갖고서 배치될 것이고 중심축(501)은 전력 송신기에 대한 전력 수신기를 위해 완전히 정렬되지는 않을 것임이 인식될 것이다. 그러나, 이것은 결합을 얼마간의 양만큼 감소시킬 수 있지만, 오정렬이 너무 크지 않는 한 이 접근법 및 동작은 여전히 적용 가능할 것이고 설명된 이점들 및 이익들을 여전히 제공할 것임이 인식될 것이다. 허용 가능한 정확한 오정렬은 개별 실시예의 특정 선호도들 및 요건들(뿐만 아니라 예를 들어 코일들의 치수들)에 의존할 것이다.
도 5의 배열은 구체적으로 2개의 큰 전력 전송 코일(103, 107)이 송신기로부터 수신기로 전력을 송신하는 데 사용되는 무선 주방 기기들을 위한 것일 수 있다. 전력 전송 코일들(103, 107) 사이에 통신 코일들(207, 307)이 배치된다.
이 배열은 통신 코일들(207, 307) 간의 매우 양호한 결합을 제공할 수 있는데, 왜냐하면 그들이 서로 가깝게 그리고 더욱이 전력 수신기가 전력 전송에 적합하게 위치될 때 큰 중첩을 갖고서 위치될 것이기 때문이다. 또한, 통신 코일들(207, 307)이 얇고 이에 따라 전력 코일들 간의 거리를 크게 증가시키지 않기 때문에 전력 전송 코일들(103, 107) 간의 양호한 결합이 달성된다.
그러나, 그러한 배열에 관한 문제는 통신과 전력 전송 간의 시분할을 사용하는 경우에도 코일들의 존재가 서로에게 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 구체적으로, 큰 전력 전송 코일들은 통신의 성능에, 그리고 구체적으로 생성된 전자기 통신 신호에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
구체적으로, 전력 전송 코일들의 존재는 전력 코일들에서 송신된 전력의 일부를 잃는 것에 의해 통신에 영향을 미칠 수 있다. 전력 전송 코일들은 통신 코일들과 결합되고 전력의 일부를 흡수한다. 이것은 통신에 대한 제동(damping)처럼 작용한다. 전력 전송 코일들(및 그의 부착된 회로)은 또한 통신 시스템에 원치 않는 공진들을 추가할 수 있다. 하나 더의 효과는 전력 전송 코일들이 부근에 있을 때 통신 안테나 인덕턴스 및 저항의 변화이다. 결과적으로, 통신 코일은 디튜닝될 수 있고(상이한 공진 주파수로) 더 적은 전력을 송신할 수 있을 것이다.
도 5의 구성들에서, 자기 차폐 요소(503, 505)가 전력 코일과 통신 안테나 사이에 위치된다. 구체적으로, 제1 자기 차폐 요소(503)가 송신기 전력 전송 코일(103)과 제1 통신 코일(207) 사이에 위치되고 제2 자기 차폐 요소(505)가 수신기 전력 전송 코일(107)과 제2 통신 코일(307) 사이에 위치된다. 자기 차폐 요소는 구체적으로 배열의 높이를 크게 증가시키지 않는 얇은 차폐 시트일 수 있다(그것은 전력 전송 코일과 통신 코일 간의 거리를 실질적으로 증가시키지 않는다).
도 5의 배열에서, 2개의 통신 코일(207, 307)은 전력 전송 동작 동안 그들이 2개의 가장 가까운 코일이도록, 그리고 구체적으로 통신 코일들(207, 307) 둘 모두가 동작 동안 2개의 전력 전송 코일(103, 107) 사이에 있도록 위치된다. 디바이스들 각각에 대해, 전력 전송 코일과 통신 코일은 전력 전송이 그를 통해 일어나는 표면에 통신 코일이 전력 전송 코일보다 더 가깝도록 배열된다. 자기 차폐 요소는 그것이 전력 전송 코일보다 전력 전송 표면에 더 가깝지만 통신 코일보다 전력 전송 표면으로부터 더 멀도록 위치된다. 그 배열은 전형적으로 통신 코일이 전력 전송 동작 동안 디바이스 자체(전력 송신기(101) 또는 전력 수신기(105))의 전력 전송 코일과 다른 디바이스의 전력 전송 코일 사이에 위치되게 하는 것이다. 통신 코일은 구체적으로 전력 전송 코일과 다른 디바이스에 결합하는 표면 사이에 위치된다.
자기 차폐 요소는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 포화점을 갖도록 배열된 자기 차폐 재료를 포함한다. 따라서, 자기 차폐 재료는 전력 전송 동작 동안 더 높은 자기 필드 강도들에 대해 포화에 도달하는 반면 통신 동안 훨씬 더 낮은 필드 강도들에 대해 자기 차폐 재료가 그의 비-포화 모드에서 유지되도록 선택된다. 상이한 실시예들에서 상이한 재료들이 사용될 수 있지만, 많은 실시예들에서 자기 차폐 재료는 페라이트일 수 있고 자기 차폐 요소는 얇은 페라이트 시트일 수 있다는 것이 인식될 것이다. 따라서, 많은 실시예들에서, 얇은 페라이트 시트가 안테나와 전력 코일 사이에 배치된다(많은 시나리오들에서 전력 수신기 또는 전력 송신기만이 그러한 자기 차폐 요소를 이용할 수 있지만, 아마도 송신기와 수신기 측 둘 모두에서).
얇은 페라이트 시트들이 통신 코일과 전력 전송 코일 사이에 놓일 때, 통신 코일은 전력 전송 코일에 의해 훨씬 덜 영향을 받는다. 페라이트 재료는 통신 동안 경험되는 바와 같은 낮은 자기 필드 강도들에 대해 높은 투자율 μ을 가지며 따라서 통신 신호의 자속을 전력 송신기 코일들(예를 들어, 구리로 만들어짐)로부터 멀어지게 가이드할 수 있다. 페라이트 시트들은 통신 동안 전력 전송 코일과 통신 코일 간의 인위적인 전자기 거리 증가를 효과적으로 생성할 수 있다. 이것은 전력 코일들의 전도성 권선들로부터의 통신 코일들의 자기 격리(magnetic isolation)로 간주될 수 있다.
그러나, 전력 전송 시간 간격들 동안, 자기 필드는 훨씬 더 강하고 페라이트는 포화될 것이다. 이것은 효과적으로 자기 차폐 요소의 효과를 사소하게 만들 것이고 그것은 효과적으로 공기/진공과 동일한 효과를 가질 것이다. 다시 말해서, 자기 차폐 요소의 효과는 사라질 것이고, 자기 차폐 요소가 존재하지 않는 것처럼 전력 전송이 진행될 것이다.
따라서, 이 접근법에서, 자기 차폐 요소는 효과적으로 스위치처럼 거동하고 전력 전송 시간 간격들에서보다 통신 시간 간격들 동안 매우 상이한 효과 및 기능을 제공할 수 있다. 이것은 전력 전송에 해로운 영향을 미치지 않으면서 통신 시간 간격들 동안 통신 코일과 전력 전송 코일 간의 격리를 증가시키는 원하는 이점들을 제공할 수 있다.
통신 간격들 동안의 기능이 도 6에 의해 예시될 수 있다. 그러한 간격들 동안, 제1 통신 코일(207)은 전력 수신기가 그로부터 데이터뿐만 아니라 가능하게는 어떤 제어 기능(구체적으로 통신)을 동작시키기 위한 전력을 추출할 수 있는 통신 신호를 생성한다. 이러한 동작 동안, 페라이트 시트는 통신 코일과 전력 전송 코일 간의 차폐물로서의 역할을 한다. 페라이트 시트는 전력 전송 코일로부터 통신 코일을 차폐할 것이고 통신 코일에 대한 전력 전송 코일들의 근접의 악영향이 크게 감소된다.
도 6에 예시된 바와 같이, 필드 라인들은 페라이트 시트들 내에 집중되어 전력 전송 코일들의 매우 감소된 영향을 생성할 수 있다. 자속 라인들은 시트를 통해 가이드되고 전력 전송 코일들의 구리 평면들은 통신 코일들로부터 효과적으로 차폐된다. 자속 라인들이 페라이트 시트들에 집중되고 전력 전송 코일들의 권선들로부터 멀리 유지되어 전력 수신기 및 전력 송신기 둘 모두에 대해 효과가 달성된다는 것을 또한 알 수 있다. 도 6의 예에서, 페라이트 요소(601)가 송신기 전력 전송 코일(103)의 내부 권선들 옆에 위치되고 이에 따라 자속 라인들이 또한 이 요소를 통해 가이드된다는 점에 유의해야 한다(송신기 전력 전송 코일(103)은 도 6에 도시되지 않은 외부 권선들을 포함할 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다).
전력 전송 동안, 유도된 필드는 훨씬 더 강하고, 차폐물은 즉시 포화될 것이다. 차폐물이 포화될 때 그것은 공기처럼 거동할 것이고 전력 전송 코일들을 통한 전력 전송에 최소의 영향을 미칠 것이다.
특정 예에서, 페라이트 시트들이 NFC 안테나들/통신 코일들과 전력 전송 코일들 사이에 위치되고 결과적으로 NFC 안테나들에 대한 전력 전송 코일들의 영향이 적어도 부분적으로 차폐된다. 이것은 기기/코일들의 크기에 영향을 미칠 수 있는데 그 이유는 전력 전송 코일들과 통신 코일들/안테나의 완전한 중첩이 이제는 허용되기 때문이다. 결과적으로, 다음과 같은 다수의 이익들이 가능하다:
안테나의 이웃에 있는 전력 코일들로부터의 영향은 최소화되고 따라서 안테나 설계는 같은 정도로 환경에 의존하지 않는다(구체적으로 그것은 전력 전송 코일들의 특성들에 덜 의존한다).
도 7 내지 도 13은 설명된 원리들 중 일부에 따른 예시적인 프로토타입 배열의 가능한 빌드-업을 예시한다. 도 7은 위쪽을 향하는 송신기 코일의 예를 도시한다. 도 8은 송신기 코일의 위에 배치된 페라이트 시트를 도시한다. 페라이트 자체는 예에서 위쪽을 향하고 있다. 도 9에서, 제1 통신 코일(207)은 페라이트 시트의 위에 배치된다. 제1 통신 코일(207)의 구리 트랙들은 위쪽을 향하고 있다. 도 10은 코일간(coil to coil) 거리를 생성하는 데 사용된 4 cm의 목재 스페이서의 포함을 도시한다(그것은 예를 들어 전력 송신기와 전력 수신기 사이의 조리대(worktop)를 모방한다). 제2 통신 코일은 구리 트랙들이 아래쪽을 향하는 상태로 목재 스페이서의 위에 배치된다. 도 11은 수신기 안테나의 위에 배치된 수신기 페라이트 시트를 도시한다(뒤집혀). 도 12는 수신기 페라이트 시트의 위에 배치된 전력 수신 코일을 도시하고 도 13은 완성된 스택의 측면도를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 통신 코일들과 페라이트 시트들은 전력 전송 코일간 거리를 매우 적은 양만큼만 증가시킨다. 실제로, 통신 코일들과 페라이트 시트는 그들이 전력 전송 코일들 간의 많은 추가 거리를 부가하지 않도록 매우 얇게 만들어질 수 있다.
자기 차폐 요소 및 재료의 특정 특성들은 개별 실시예의 선호도들 및 요건들에 의존할 수 있다.
많은 실시예들에서, 얇은 자기 차폐 요소가 사용될 수 있고 전형적으로 그것은 1 mm를 초과하지 않는(또는 몇몇 요건들에 대해 0.5 mm, 2 mm 또는 심지어 5 mm를 초과하지 않는) 두께를 가질 수 있다. 이것은 많은 실시예들에서 전력 전송 코일들 간의 결과적인 거리와 자기 차폐 간의 유리한 트레이드-오프를 제공할 수 있다. 그것은 전형적으로 전력 전송 동안 성능에 상당한 영향을 미치지 않고 통신 동안 효과적인 차단(screening)을 제공할 수 있다.
따라서, 자기 차폐 요소가 전력 전송 코일들 간의 결합을 감소시킬 수 있지만, 이것은 자기 차폐 요소를 형성하기 위해 매우 얇은 시트를 사용함으로써 낮은 레벨로 유지될 수 있다. 이것은 통신 동안/중에 이점들을 유지하면서 전력 전송에 대한 시트들의 영향이 무시할 만하게 한다. 더욱이, 시트들이 얇을 때, 전력 전송 동안 포화 모드에서 그리고 통신 동안 비-포화 모드에서 동작하는 자기 차폐 요소를 구현하는 것이 더 실용적일 수 있다. 시트의 두께는 구체적으로 통신 코일들을 사용하는 통신이 어떠한 상황들(예를 들어 최대 통신 전력)하에서도 자기 차폐 요소가 안테나들에 의해 포화되는 결과를 가져오지 않도록 설계될 수 있다. 동시에, 두께는 그것이 전력 전송 동안 포화될 수 있게 하도록 충분히 얇도록 설계될 수 있다.
특정 재료는 또한 합리적으로 달성될 수 있는 만큼 최적의 성능에 가깝도록 선택 및 설계될 수 있다. 예를 들어, 재료는 주어진 통신 반송파 주파수에 대해 높은 투자율 및 낮은 손실을 갖도록 선택될 수 있다.
예를 들어, 도 14는 NFC 통신에 사용하기에 적합한 페라이트 재료에 대한 투자율 μ' 및 손실 μ"의 예를 예시한다. NFC 통신은 도 14의 페라이트 재료에 대해 투자율 μ'이 높고 손실 μ"이 낮은 13.56 ㎒의 반송파 주파수를 사용한다.
페라이트 재료가 포화되는 특정 자기 필드 강도는 상이한 실시예들에서 상이할 수 있다. 자기 차폐 요소는 예를 들어 0.5 W, 1 W, 5 W, 또는 10 W 아래의 전력 전송 레벨에 대해 비-포화 모드에서 동작하도록 배열될 수 있다(전형적으로 통신 시간 간격들 동안 전력 전송 레벨은 0이지만 몇몇 실시예들에서, 예를 들어 어떤 전자 회로를 지원하기 위해 소량의 전력이 전송될 수 있다. 그러나, 레벨은 자기 차폐 요소에 대한 포화점 아래이도록 유지된다).
유사하게, 자기 차폐 요소는 예를 들어 0.5 W, 1 W, 5 W, 또는 10 W 위의 전력 전송 레벨에 대해 포화 모드에서 동작하도록 배열될 수 있다. 포화점에 대응하는 전력 레벨은 전형적으로 정상 전력 전송 동안 허용되거나 예상되는 최소 전력 전송 레벨 아래일 것이다.
전형적으로, 통신 시간 간격들 동안 및 전력 전송 시간 간격들 동안 생성되는 전력 레벨들/자기 필드 강도 간의 차이는 상당히 상이하다. 예를 들어, NFC 통신을 위한 전형적인 전력 레벨들은 수백 mW의 범위일 수 있는 반면 전력 전송 동안 전력 레벨들은 10 W 이상의 범위일 수 있고, 실제로 예를 들어 주방 기기들에 대해 그것은 상당히 더 높을 수 있다. 따라서 전형적으로 얼마간의 마진을 갖고서 각각 전력 전송 및 통신 시간 간격들에서 포화 모드와 비-포화 모드 간에 전환하는 자기 차폐 요소를 제공하는 것이 가능하다.
많은 실시예들에서, 자기 차폐 요소에 대한 포화점은 100 mT 내지 1 T의 범위의 자기 필드 강도에 대한 것일 수 있다. 이 범위의 포화점은 전형적으로 통신 시간 간격들에서의 비-포화 모드와 전력 전송 시간 간격들에서의 포화 모드 간의 매우 효율적이고 신뢰성 있는 전환을 제공한다. 이 범위는 전형적으로 전형적인 통신 및 전력 전송 기능들 및 동작들을 위한 실용적인/전형적인 전력 레벨에 대한 그러한 효율적인 전환을 제공한다. 많은 실시예들에서, 특히 유리한 성능이 200 mT 내지 400 mT의 범위의 자기 필드 강도에 대한 것인 자기 차폐 요소에 대한 포화점에 대해 달성될 수 있다.
설명된 배열의 이점은 그것이 큰 코일들에 대해 효율적인 동작 및 결합들이 달성되도록 허용하고, 실제로 그것이 큰 통신 코일들 및 큰 전력 전송 코일들 둘 모두를 허용한다는 점이다.
많은 실시예들에서, 통신 코일의 면적은 20 ㎠ 이상(또는 몇몇 사용들에 대해 아마도 10 ㎠, 30 ㎠, 50 ㎠, 100 ㎠ 이상)이다. 많은 실시예들에서, 전력 전송의 면적은 50 ㎠ 이상(또는 몇몇 사용들에 대해 아마도 30 ㎠, 100 ㎠, 200 ㎠, 500 ㎠ 이상)이다. 면적은 평면 코일들/안테나들의 평면에서 측정될 수 있다. 면적은 코일/안테나의 가장 큰 단면의 면적일 수 있다.
그러한 큰 코일의 사용은 많은 시나리오들 및 실시예들에서 다수의 이점들을 제공한다. 예를 들어, 그것은 큰 면적의 높은 자기 필드 강도를 제공하고 그에 따라 전력 수신기의 배치에 있어서의 증가된 자유를 제공한다. 예를 들어 10 cm의 직경을 갖는 통신 코일들에 대해, 전력 수신기는 통신 코일들 간의 중첩을 여전히 제공하면서 최대 10 cm만큼 잘못 배치될 수 있다.
또한, 큰 전력 전송 코일은 전형적으로 더 높은 전력 레벨들(더 많은 권선들, 더 두꺼운 와이어들)에 대한 효율적인 설계를 허용하고 이에 따라 예를 들어 주방 응용들에서 경험되는 것들과 같은 더 높은 전력 레벨들에 특히 적합하다.
이전의 설명은 전력 수신기 및 전력 송신기에서의 대응하는/대칭적인 구현들 및 배열들에 중점을 두었다. 그러나, 이것이 유리한 구현을 위해 필요하거나 요구되지 않는다는 것이 인식될 것이다. 실제로, 전력 송신기 및 전력 수신기는 여전히 설명된 이점들이 생성될 수 있게 하면서 상당히 상이한 배열들 및 코일들/안테나들을 가질 수 있다. 실제로, 몇몇 실시예들에서, 설명된 배열, 및 구체적으로 자기 차폐 요소의 포함은 전력 송신기 또는 전력 수신기 중 어느 하나에서만 제공될 수 있다. 따라서, 전력 송신기에서의 코일/안테나 구성에 대한 이전 설명은 전력 수신기에서의 임의의 특정 코일/안테나 구성에 의존하지 않고, 유사하게 전력 수신기에서의 코일/안테나 구성에 대한 이전 설명은 전력 송신기에서의 임의의 특정 코일/안테나 구성에 의존하지 않는다는 것이 인식되어야 한다. 자기 차폐 요소를 사용하는 설명된 접근법은 실제로 전력 송신기 및 전력 수신기 구현들 둘 모두에 개별적으로 적용 가능하다.
통신 안테나에 대한 이전 설명은 이것을 평면 코일로서 구현하는 것에 중점을 두었다. 그러한 코일들은 전형적으로 중심축까지의 거리가 계속해서 증가하는 평면 나선형 코일로서 구현된다. 그러나, 많은 실시예들에서, 전력 수신기 또는 전력 송신기는 적어도 부분적으로 방사 방향을 갖는 전이 도체 요소들(즉, 전이 도체 요소의 방향은 방사 방향 컴포넌트를 포함함)에 의해 연결된 중단된 동심 원형 도체 요소들의 세트에 의해 형성되는 통신 코일을 사용할 수 있다. 따라서, 계속해서 나선형을 그리기보다는, 통신 코일은, 전형적으로 실질적인, 방사 방향을 갖는 요소들에 의해 연결되는 원형 요소들에 의해 형성될 수 있다.
따라서, 이 예에서, 통신 코일의 권선의 각각의 턴(turn)은 중심축까지의 일정한 거리를 갖는 원형 부분 및 2개의 인접한 턴의 원형 부분들을 연결하는 전이 부분에 의해 형성될 수 있다. 전이 부분은 중심축까지의 일정한 거리를 갖지 않지만 방사상 컴포넌트를 포함한다. 전형적으로, 원형 부분은 270° 이상, 그리고 전형적으로 315°, 340°, 또는 심지어 350° 이상의 각도를 커버할 수 있다.
많은 실시예들에서, 안테나는 원형 도체 요소들이 서로에 대해 등거리에 있도록 배열될 수 있다. 따라서, 주어진 원형 도체 요소로부터 가장 가까운 이웃(들)까지의 거리는 상이한 원형 도체 요소들에 대해 일정할 수 있다. 많은 실시예들에서, 전이 도체들이 또한 다른 전이 도체들에 대해 등거리에 있을 수 있고, 실제로 2개의 가장 가까운 이웃 턴 간의 거리는 가장 가까운 이웃 턴들의 복수의, 그리고 전형적으로 모든, 쌍들에 대해 일정할 수 있다.
그러한 통신 코일의 예가 도 15에 도시되어 있다. 도 15의 통신 코일 설계는 구체적으로 제1 통신 코일(207)에 대해 사용될 수 있다. 나선형 안테나 대신에, 턴들은 작은 전이 영역들을 제외하고는 대부분의 원형 부분에 대한 것이며 여기서 부분적으로 방사상 도체들이 상이한 턴들을 연결한다. 도 16은 제2 통신 코일(307)에 대한 대응하는 설계를 예시한다.
도 17은 동일한 치수들을 갖는 나선형 코일과 비교하여 도 15 및 도 16의 통신 코일들에 대한 측정치들의 예들을 도시한다. 도 17은 나선형 통신 코일들에 대한 결합(1703)과 비교하여 원형 통신 코일들에 대한 결합(1701)을 예시한다. 알 수 있는 바와 같이, 이 특정 접근법은 종래의 나선형 코일에 비해 개선된 결합을 제공하고, 이에 따라 개선된 전반적인 성능이 전형적으로 달성될 수 있다. 나선은 그것이 대각선과 교차하는 곳에서 대각선에 결코 완전히 수직은 아닌 반면, 원은 항상 그렇다. 전형적으로 몇 도의 각도의 이러한 차이는 또한 필드의 방향을 변화시킨다. 특히 오정렬이 고려될 필요가 있을 때, 수신기 및 송신기 통신 코일 둘 모두에서 각도에 있어서 유사한 변화를 생성하는 것은 매우 어렵다. 나선형 안테나의 이점은 권선들 간의 일정한 거리이고 권선 레이아웃에 급격한 코너들이 존재하지 않으며, 이는 완성된 안테나에 걸친 연속적인 임피던스의 결과를 가져온다. 그러나, 대응하는 효과가 도 15 및 도 16의 안테나에 의해 달성될 수 있고, 특히 그 설계는 원형 부분들 간의 연결들이 등거리에 있도록 그리고 급격한 코너들을 포함하지 않도록 만들어지는 원형 안테나를 구현할 수 있다.
위의 설명은 명료함을 위해 상이한 기능 회로들, 유닛들 및 프로세서들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였음을 알 것이다. 그러나, 본 발명으로부터 벗어남이 없이 상이한 기능 회로들, 유닛들 또는 프로세서들 간의 기능의 임의의 적합한 분산이 사용될 수 있음이 명백할 것이다. 예를 들어, 별개의 프로세서들 또는 컨트롤러들에 의해 수행되도록 예시된 기능이 동일한 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 특정 기능 유닛들 또는 회로들에 대한 언급들은 오로지 엄격한 논리적 또는 물리적 구조 또는 조직을 나타내기보다는 설명된 기능을 제공하기 위한 적합한 수단에 대한 언급들로 간주되어야 한다.
본 발명은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합을 포함한 임의의 적합한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명은 선택적으로 하나 이상의 데이터 프로세서 및/또는 디지털 신호 프로세서 상에서 실행되는 컴퓨터 소프트웨어로서 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예의 요소들 및 컴포넌트들은 임의의 적합한 방식으로 물리적으로, 기능적으로 그리고 논리적으로 구현될 수 있다. 실제로, 기능은 단일 유닛에서, 복수의 유닛에서 또는 다른 기능 유닛들의 일부로서 구현될 수 있다. 그렇기 때문에, 본 발명은 단일 유닛에서 구현될 수 있거나, 상이한 유닛들, 회로들 및 프로세서들 간에 물리적으로 그리고 기능적으로 분산될 수 있다.
본 발명이 몇몇 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 형태로 제한되도록 의도되지 않는다. 오히려, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 제한된다. 또한, 소정 특징이 특정 실시예들과 관련하여 설명되는 것처럼 보일 수 있지만, 당업자는 설명된 실시예들의 다양한 특징들이 본 발명에 따라 조합될 수 있음을 인식할 것이다. 청구항들에서, 용어 '포함하는'은 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.
바람직한 값에 대한 언급은 그것이 이물질 검출 초기화 모드에서 결정된 값임을 넘어서 어떠한 제한도 암시하지 않는다는 것, 즉 그것은 적응 과정에서 결정되는 덕분에 바람직하다는 것이 인식될 것이다. 바람직한 값에 대한 언급들은 예를 들어 제1 값에 대한 언급들을 대신할 수 있다.
또한, 개별적으로 열거되지만, 복수의 수단, 요소, 회로 또는 방법 단계는 예를 들어 단일 회로, 유닛 또는 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 또한, 개별 특징들이 상이한 청구항들에 포함될 수 있지만, 이들은 아마도 유리하게 조합될 수 있으며, 상이한 청구항들에의 포함은 특징들의 조합이 실현 가능하지 않고/않거나 유리하지 않다는 것을 암시하지는 않는다. 또한, 하나의 카테고리의 청구항들에의 소정 특징의 포함은 이 카테고리로의 제한을 암시하는 것이 아니라, 오히려 그 특징이 적절한 바에 따라 다른 청구항 카테고리들에 동등하게 적용될 수 있음을 나타낸다. 또한, 청구항들에서의 특징들의 순서는 특징들이 작용되어야 하는 임의의 특정 순서를 암시하지는 않으며, 특히 방법 청구항에서의 개별 단계들의 순서는 단계들이 이 순서대로 수행되어야 함을 암시하지는 않는다. 오히려, 단계들은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 단수형 언급은 복수를 배제하지 않는다. 따라서, "부정관사(a, an)", "제1", "제2" 등에 대한 언급은 복수를 배제하지 않는다. 청구항들에서의 참조 부호들은 단지 명료화 예로서 제공되며, 어떤 방식으로도 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
Claims (14)
- 전자기 전력 전송 신호를 사용하는 전력 송신기(101)로부터 전력 수신기(105)로의 무선 전력 전송을 위한 디바이스로서, 상기 디바이스는 상기 전력 송신기(101) 및 상기 전력 수신기(105) 중 하나이고, 상기 디바이스는,
상기 전력 전송 신호를 수신하거나 생성하기 위한 전력 전송 코일(103, 107);
통신 신호를 통해 상기 전력 수신기(105) 및 상기 전력 송신기(101) 중 다른 디바이스인 상보적 디바이스(complementary device)와 통신하기 위한 통신 안테나(207, 307)로서, 상기 전력 전송 코일(103, 107)과 중첩되는, 상기 통신 안테나(207, 307);
상기 전력 전송 코일(103, 107)과 상기 통신 안테나(207, 307) 사이에 위치된 자기 차폐 요소(503, 505);
전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 상기 디바이스를 제어하기 위한 제어기(201, 301)를 포함하며,
상기 자기 차폐 요소(503, 505)는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 포화점을 갖는 자기 차폐 재료를 포함하고,
상기 포화점은 상기 통신 시간 간격들 동안 상기 통신 신호에 의해 생성되는 것보다 높고 상기 전력 전송 시간 간격들 동안 상기 전력 전송 신호에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하고,
상기 전력 전송 코일(103, 107) 및 상기 통신 안테나(207, 307)는 상기 통신 안테나(207, 307)가 전력 전송 동작 동안 상기 전력 전송 코일(103, 107)과 상기 상보적 디바이스의 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되는, 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 자기 차폐 요소(503, 505)는 1 mm를 초과하지 않는 두께를 갖는 시트 요소(sheet element)인, 디바이스.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기 차폐 재료는 페라이트 재료인, 디바이스.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 전력 수신기(105)이고 상기 상보적 디바이스는 상기 전력 송신기(101)인, 디바이스.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 전력 송신기(101)이고 상기 상보적 디바이스는 상기 전력 수신기(105)인, 디바이스.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통신 안테나(207, 307)는 30 ㎠ 이상의 면적을 갖는 평면 안테나인, 디바이스.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 전송 코일(103, 107)의 면적은 50 ㎠ 이상인, 디바이스.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통신 안테나(207, 307) 및 상기 전력 전송 코일(103, 107)은 평면 코일들인, 디바이스.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통신 안테나(207, 307)와 상기 전력 전송 코일(103, 107)은 동축인, 디바이스.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 전송 간격들과 상기 통신 시간 간격들은 공통 부분이 없는(disjoint), 디바이스.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 차폐 요소(503, 505)에 대한 상기 포화점은 100 mT 내지 1 T의 범위인, 디바이스.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 차폐 요소(503, 505)에 대한 상기 포화점은 200 mT 내지 400 mT의 범위인, 디바이스.
- 무선 전력 전송 시스템으로서,
전력 송신기(101)로서,
전력 수신기로 전력을 전송하기 위한 전력 전송 신호를 생성하기 위한 제1 전력 전송 코일(103),
통신 신호를 통해 상기 전력 수신기(105)와 통신하기 위한 제1 통신 안테나(207)로서, 상기 제1 전력 전송 코일(103)과 중첩되는, 상기 제1 통신 안테나(207),
상기 제1 전력 전송 코일(103)과 상기 제1 통신 안테나(207) 사이에 위치된 제1 자기 차폐 요소(503),
전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 상기 전력 송신기(101)를 제어하기 위한 제1 제어기(203)를 포함하는, 상기 전력 송신기(101); 및
전력 수신기(105)로서,
상기 전력 전송 신호를 수신하거나 생성하기 위한 제2 전력 전송 코일(107),
상기 통신 신호를 통해 상기 전력 송신기(101)와 통신하기 위한 제2 통신 안테나(307)로서, 상기 제2 전력 전송 코일(107)과 중첩되는, 상기 제2 통신 안테나(307),
상기 제2 전력 전송 코일(107)과 상기 제2 통신 안테나(307) 사이에 위치된 제2 자기 차폐 요소(505),
상기 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 상기 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 상기 전력 수신기(105)를 제어하기 위한 제2 제어기(301)를 포함하는, 상기 전력 수신기(105)를 포함하며,
상기 제1 전력 전송 코일(103) 및 상기 제1 통신 안테나(207)는 상기 제1 통신 안테나(207)가 전력 전송 동작 동안 상기 제1 전력 전송 코일(103)과 상기 제2 전력 전송 코일(107) 사이에 위치되도록 배열되고,
상기 제2 전력 전송 코일(107) 및 상기 제2 통신 안테나(307)는 상기 제2 통신 안테나(307)가 전력 전송 동작 동안 상기 제1 전력 전송 코일(103)과 상기 제2 전력 전송 코일(107) 사이에 위치되도록 배열되고,
상기 제1 자기 차폐 요소(503)는 상기 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 상기 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 제1 포화점을 갖는 제1 자기 차폐 재료를 포함하고, 상기 제1 포화점은 상기 통신 시간 간격들 동안 상기 제1 통신 안테나(207)에 의해 생성되는 것보다 높고 상기 전력 전송 시간 간격들 동안 상기 제1 전력 전송 코일(103)에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하며,
상기 제2 자기 차폐 요소(503)는 상기 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 상기 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 제2 포화점을 갖는 제2 자기 차폐 재료를 포함하고, 상기 제2 포화점은 상기 통신 시간 간격들 동안 상기 제1 통신 안테나(207)에 의해 생성되는 것보다 높고 상기 전력 전송 시간 간격들 동안 상기 제1 전력 전송 코일(103)에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하는, 무선 전력 전송 시스템. - 전자기 전력 전송 신호를 사용하는 전력 송신기(101)로부터 전력 수신기(105)로의 무선 전력 전송을 위한 디바이스를 위한 동작 방법으로서, 상기 디바이스는 상기 전력 송신기(101) 및 상기 전력 수신기(105) 중 하나이고, 상기 방법은,
전력 전송 코일(103, 107)이 상기 전력 전송 신호를 수신하거나 생성하는 단계;
통신 안테나(207, 307)가 통신 신호를 통해 상기 전력 수신기(105) 및 상기 전력 송신기(101) 중 다른 디바이스인 상보적 디바이스와 통신하는 단계로서, 상기 통신 안테나(207, 307)는 상기 전력 전송 코일(103, 107)과 중첩되는, 상기 단계;
상기 전력 전송 코일(103, 107)과 상기 통신 안테나(207, 307) 사이에 위치된 자기 차폐 요소(503, 505)를 제공하는 단계;
제어기(201, 301)가 전력 전송 간격들 동안 전력 전송을 그리고 통신 시간 간격들 동안 통신을 수행하도록 상기 디바이스를 제어하는 단계를 포함하며,
상기 자기 차폐 요소(503, 505)는 전력 전송 간격들 동안 포화 모드에서 그리고 통신 시간 간격들 동안 비-포화 모드에서 동작하게 하는 포화점을 갖는 자기 차폐 재료를 포함하고,
상기 포화점은 상기 통신 시간 간격들 동안 상기 통신 신호에 의해 생성되는 것보다 높고 상기 전력 전송 시간 간격들 동안 상기 전력 전송 신호에 의해 생성되는 것보다 낮은 자기 필드 강도에 대응하고,
상기 전력 전송 코일(103, 107) 및 상기 통신 안테나(207, 307)는 상기 통신 안테나(207, 307)가 전력 전송 동작 동안 상기 전력 전송 코일(103, 107)과 상기 상보적 디바이스의 전력 전송 코일 사이에 위치되도록 배열되는, 방법.
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