KR20210099488A - 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 수신 방법 - Google Patents

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KR20210099488A
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정승철
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Abstract

무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 수신 방법이 개시된다. 무선 전력 수신 장치는 충전 소자, 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신 코일, 수신 코일로부터 생성된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 출력하는 정류기, 정류기로부터 출력된 직류 전압에 기초하여, 충전 소자를 충전시키기 위한 충전 전류를 생성하는 전압 컨버터, 충전 소자에 전달되는 충전 전류를 측정하는 전류 측정기, 및 측정 결과에 기초하여 전압 컨버터를 제어하는 제어기를 포함한다. 전압 컨버터의 해당 제어에 의해 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기가 조절된다.

Description

무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 수신 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECEIVING POWER WIRELESSLY}
아래의 실시예들은 장치들 간에 전력을 무선으로 송수신하는 기술에 관한 것이다.
무선 전력은 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스(source device)와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스(target device)를 포함한다. 이 때, 소스 디바이스는 무선 전력 송신 장치라 칭하고, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있고, 이러한 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링을 통해 전력이 소스 디바이스에서 타겟 디바이스로 무선으로 전달될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는, 충전 소자; 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신 코일; 상기 수신 코일로부터 생성된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 상기 직류 전압을 출력하는 정류기; 상기 정류기로부터 출력된 상기 직류 전압에 기초하여, 상기 충전 소자를 충전시키기 위한 충전 전류를 생성하는 전압 컨버터; 상기 충전 소자에 전달되는 상기 충전 전류를 측정하는 전류 측정기; 및 상기 측정 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 전압 컨버터의 상기 제어에 의해 상기 충전 전류의 크기가 조절될 수 있다.
상기 제어기는, 상기 충전 전류에 대한 측정 결과 및 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기와 전압 임계치를 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어할지 여부를 결정할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 출력 전압의 크기가 상기 전압 임계치보다 큰 경우, 상기 전압 컨버터에 전압 제어 신호를 전달하고, 상기 전압 컨버터는, 상기 전압 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절할 수 있다.
상기 전압 컨버터에 의해 상기 정류기의 출력 전압의 크기는, 상기 전압 임계치에 도달하도록 조절될 수 있다.
상기 제어기는, 상기 충전 전류의 크기 변화에 기초하여 상기 전압 임계치의 크기를 조절할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 전압 임계치의 조절에 따른 상기 충전 전류의 크기 변화를 기초로 상기 충전 전류의 크기를 최대화할 수 있는 타겟 전압 임계치를 탐색할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 충전 전류의 크기가 가장 큰 값을 가질 때의 전압 임계치인 타겟 전압 임계치를 결정하고, 상기 결정된 타겟 전압 임계치를 기초로 상기 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는, 상기 정류기가 출력하는 직류 전압을 저장하는 커패시터를 더 포함하고, 상기 커패시터의 일단은 상기 전압 컨버터와 상기 정류기에 연결되고, 상기 커패시터의 타단은 기준 전압 단자에 연결될 수 있다.
상기 무선 전력 수신 장치는, 생체 내부에 삽입이 가능한 무선 전력 수신 장치이고, 상기 무선 전력 송신 장치는, 스마트폰, 태블릿, 휴대폰, 전자수첩, 또는 웨어러블 전자기기일 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 수신 방법은, 수신 코일을 통해 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 단계; 정류기를 이용하여 상기 수신 코일로부터 생성된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 단계; 상기 직류 전압을 입력으로 하는 전압 컨버터를 이용하여 충전 소자를 충전시키기 위한 충전 전류를 생성하고, 상기 생성된 충전 전류를 상기 충전 소자에 전달하는 단계; 상기 충전 소자에 전달되는 상기 충전 전류를 측정하는 단계; 및 상기 측정 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는, 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기와 전압 임계치를 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어할지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전압 컨버터를 제어할지 여부를 결정하는 단계는, 상기 출력 전압의 크기가 상기 전압 임계치보다 큰 경우, 상기 전압 컨버터에 전압 제어 신호를 전달하는 단계를 포함하고, 상기 전압 컨버터는, 상기 전압 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절할 수 있다.
상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는, 상기 충전 전류의 크기 변화에 기초하여 상기 전압 임계치를 조절할지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는, 상기 전압 임계치의 조절에 따른 상기 충전 전류의 크기 변화를 기초로 상기 충전 전류의 크기를 최대화할 수 있는 타겟 전압 임계치를 탐색하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는, 상기 충전 전류의 크기가 가장 큰 값을 가질 때의 전압 임계치인 타겟 전압 임계치를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 타겟 전압 임계치를 기초로 상기 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 릴레이 코일 모듈이 생체에 부착된 예시를 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 타겟 충전 전류를 탐색하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 달리 명시되지 않는 한 일반적으로 "하나 이상의"를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(100)은 생체 외부에 위치하는 무선 전력 송신 장치(110)로부터 생체 내부에 위치하는(또는 생체에 부착된) 무선 전력 수신 장치(130)로 전력을 무선으로 전송하는 시스템이다. 무선 전력 전송 시스템(100)은 무선 전력 송신 장치(110), 릴레이 코일 모듈(120), 및 무선 전력 수신 장치(130)를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(110)는 생체 외부에 위치하여 무선으로 전력을 송신하는 장치일 수 있고, 예를 들어 스마트폰, 태블릿, 휴대폰, 전자수첩, 또는 웨어러블 전자기기일 수 있다. 무선 전력 송신 장치(110)가 스마트폰인 경우, 무선 전력 송신 장치(110)는 근거리 자기장 통신(Near Field Communications; NFC) 기능을 이용하여 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
릴레이 코일 모듈(120)은 생체 외부에 위치하여, 무선 전력 송신 장치(110)로부터 수신한 전력을, 생체 내부의 무선 전력 수신 장치(130)로 중계(relay)하는 모듈일 수 있다. 릴레이 코일 모듈(120)은 임피던스 매칭 네트워크로서 이용될 수 있다. 릴레이 코일 모듈(120)은, 예를 들어 무선 전력 송신 장치(110)로부터 일정 간격만큼 이격되어 전력 송신 장치(110)와 무선으로 연결되거나, 생체의 외부 표면에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 릴레이 코일 모듈(120)은 생체의 외부 표면에 부착되는 패치 형태로 구현될 수 있다.
무선 전력 수신 장치(130)는 외부로부터 무선으로 전력을 수신하는 장치이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(130)는 생체 내부에 삽입되거나 생체에 부착되어 생체 정보를 센싱하거나 또는 치료를 위한 생체 자극을 제공할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(130)는 초소형 의료 기기일 수 있다. 다만, 무선 전력 수신 장치(130)의 종류는 초소형 의료 기기에 한정되지 않으며, 무선으로 전력을 수신할 수 있는 장치는 제한 없이 해당될 수 있다.
일 실시예에서, 무선 전력 수신 장치(130)는 배터리나 커패시터 등의 충전이 가능한 충전 소자에 무선 전력 전송을 통해 수신한 에너지를 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 무선 전력 수신 장치(130)는 충전 소자에 의해 동작하면서 충전 소자의 충전을 위하여 또는 충전 소자 없이 동작하기 위하여 생체 외부의 무선 전력 송신 장치(110)로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(130)는, 예를 들어 생체의 생체 정보(예를 들어, 생체 전위, 심박수, 움직임 등)를 센싱하거나 생체에 전기 신호를 인가하는 동작 등을 수행할 수 있으나, 무신 전력 수신 장치(130)의 동작이 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 무선 전력 수신 장치(130)에 포함된 수신 코일은 무선 전력 송신 장치(110)에 포함된 송신 코일보다 크기가 작고, 무선 전력 송신 장치(110)와 무선 전력 수신 장치(130) 간의 거리도 항상 일정한 것이 아니므로, 부하 임피던스 부정합(load impedance mismatching)이 발생할 수 있다. 이러한 부하 임피던스 부정합은 출력 전력을 감소시키는 문제를 야기할 수 있고, 해당 문제는 무선 전력 송신 장치(110)와 무선 전력 수신 장치(130) 사이에 릴레이 코일 모듈(120)을 배치시킴으로써 해소될 수 있다. 릴레이 코일 모듈(120)은 송신 코일의 부하 임피던스를 최적의 부하 임피던스로 매칭시킴으로써 무선 전력 송신 장치(110)로부터 전달되는 송신 전력을 증가시킬 수 있다.
또한, 무선 전력 수신 장치(130)가 생체 내부에 깊이 삽입되거나 무선 전력 수신 장치(130)가 지나치게 작은 경우, 무선 전력 송신 장치(110)의 송신 코일에서의 임피던스 매칭은 어려울 수 있다. 일 실시예에 따르면, 릴레이 코일 모듈(120)을 통해 무선 전력 송신 장치(110)의 송신 코일의 임피던스가 타겟 임피던스로 매칭될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 무선 전력 송신 장치(110) 및 릴레이 코일 모듈(120) 간의 간격이 변경되거나, 릴레이 코일 모듈(120) 내에 포함된 보조 코일의 크기가 변경될 수 있다.
실시예에 따라, 무선 전력 송신 장치(110)는 릴레이 코일 모듈(120)을 거치지 않고 무선 전력 수신 장치(130)에 전력을 무선으로 전송할 수도 있다. 그리고, 본 명세서에서 설명된 실시예들에서 '코일'은 '안테나'로 대체될 수도 있다.
무선 전력 송신 장치(110), 릴레이 코일 모듈(120) 및 무선 전력 수신 장치(130)는 각각 코일을 포함하는데, 각 코일에는 최적의 전력 전송을 위한 최적의 부하 임피던스가 존재한다. 여기서, 최적의 부하 임피던스는 코일로 수신되는 전력을 최대한 전달할 수 있는 부하 임피던스 값을 나타낸다. 아래에서 설명되는 실시예들은 무선 전력 수신 장치(130)에 포함된 전압 컨버터의 제어를 통해 전압 컨버터에 입력되는 전압 값을 조절함으로써, 무선 전력 수신 장치(130)의 전력 수신단에서의 부하 임피던스를 최적의 부하 임피던스 값으로 맞추는 방법을 설명한다. 해당 방법을 통해, 무선 전력 수신 장치(130)의 자동으로 최적의 임피던스 매칭이 이루어져, 무선 전력 수신 장치(130)가 수신하는 전력을 입력 전력에 따라 최적화하는 것이 가능해 진다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(210)는 송신 코일(211), 제어기(212), 전원(213), 통신 장치(214), 입력 장치(215), 출력 장치(216), 및 임피던스 매칭 회로(217)를 포함할 수 있다.
송신 코일(211)은 생체(290) 외부에 배치된 릴레이 코일 모듈의 보조 코일(220)과 상호 결합(mutual coupling)을 형성하도록 구성된 코일일 수 있다. 예를 들어, 송신 코일(211)에는 커패시터(미도시)가 연결될 수 있고, 송신 코일(211) 및 커패시터의 공진 주파수는, 보조 코일(220)의 공진 주파수와 동일 또는 유사할 수 있다. 송신 코일(211)은 전력이 공급되는 것에 응답하여, 보조 코일(220)과 상호 결합을 형성하고 형성된 상호 결합을 통해 전력을 보조 코일(220)로 무선으로 전달할 수 있다.
제어기(212)는 무선 전력 송신 장치(210)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어기(212)는 송신 코일(211)에 대한 전원(power source, 213)에 의한 전력 공급을 제어할 수 있다. 제어기(212)는 전력 공급을 제어함으로써, 상호 결합에 의해 송신 코일(211)로부터 보조 코일(220)을 경유하여 생체(290) 내부에 배치된 무선 전력 수신 장치(230)로 전력을 무선 전송(wirelessly transmit)할 수 있다. 제어기(212)는 전원(213)으로부터 송신 코일(211)로의 전력 공급을 개시 또는 중단할 수 있다. 도 2에서는 제어기(212)가 전원(213)을 제어하는 것처럼 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 제어기(212)는 전원(213) 및 송신 코일(211) 간의 전기적 연결을 제어할 수도 있다.
전원(213)은 제어기(212)의 제어에 따라 송신 코일(211)로 전력을 공급할 수 있다. 전원(213)은 예를 들어, 교류(AC) 전압을 가지는 전력을 제공할 수 있다.
통신 장치(214)는 릴레이 코일 모듈과 통신할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치(214)는 릴레이 코일 모듈로부터 릴레이 코일 모듈에 의해 센싱된 전력 관련 정보를 수신하거나, 릴레이 코일 모듈로 전력 전송과 관련된 명령을 송신할 수 있다. 통신 장치(214)는 저전력 통신, 예를 들어, NFC 또는 BLE(Bluetooth low energy) 통신 등을 이용하여 릴레이 코일 모듈과 정보를 송수신할 수 있다.
입력 장치(215)는 사용자로부터 입력을 수신할 수 있다. 입력 장치(215)는 사용자로부터 키 스트로크를 입력 받는 키보드, 터치 조작을 입력 받는 터치 스크린 또는 터치 패드 등을 포함할 수 있다. 또한, 입력 장치(215)는 사용자의 음성을 입력 받는 마이크로폰을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 입력 장치(215)는 사용자로부터 무선 전력 송신 장치(210)로부터 무선 전력 수신 장치(230)로 전력을 전송하라는 전력 전송 입력을 수신할 수 있다. 제어기(212)는 입력 장치(215)를 통해 사용자로부터 전력 전송 입력을 수신한 것에 응답하여, 전원(213)으로부터 송신 코일(211)로 전력을 전달할 수 있다.
출력 장치(216)는 사용자에게 무선 전력 전송과 관련된 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력 장치(216)는 사용자에게 무선 전력 송신 장치(210)의 위치를 이동시키라는 지시를 출력하거나, 무선 전력 송신 장치(210)의 위치를 유지하라는 지시를 출력할 수 있다. 출력 장치(216)는 시각 정보(visual information), 촉각 정보(haptic information), 및 소리 정보(acoustic information) 중 적어도 하나를 출력할 수 있다.
임피던스 매칭 회로(217)는 무선 전력 송신 장치(210)의 출력 임피던스 Rout를 타겟 임피던스로 매칭시킬 수 있다. 본 명세서에서 무선 전력 송신 장치(210)의 출력 임피던스 Rout는, 임피던스 매칭 회로(217)를 기준으로 전원(213)을 바라본 임피던스를 나타낼 수 있다. 타겟 임피던스는 무선 전력 송신 장치(210)의 설계 및/또는 동작 등에 따라 달라질 수 있다. 임피던스 매칭 회로(217)를 기준으로 송신 코일(211)을 바라본 임피던스는 송신 코일(211)의 임피던스 Rin라고 나타낼 수 있다. 임피던스 Rin가 타겟 임피던스와 동일 또는 유사한 값을 가지도록 매칭된 경우, 전원(213)으로부터 출력된 전력이 송신 코일(211)까지 전달될 때 발생하는 손실이 최소화될 수 있다. 송신 코일(211)의 임피던스 Rin가 타겟 임피던스에 매칭되지 않은 경우에는 전원(213)으로부터 출력된 전력이 송신 코일(211)의 입력단에서 반사되지만, 임피던스 Rin가 타겟 임피던스에 매칭된 경우에는 이러한 전력 반사가 최소화되기 때문이다.
일 실시예에 따르면, 송신 코일(211)은 무선 전력 수신 장치(230)의 수신 코일(231)에 대해 임계값 미만의 상호 결합 계수(weakly coupling coefficient)를 가질 수 있다. 예를 들어, 송신 코일(211)은 수신 코일(231)의 크기보다 큰 크기를 가질 수 있다.
보조 코일(220)이 없는 경우, 송신 코일(211)과 수신 코일(231) 간의 약한 상호 결합으로 인하여, 송신 코일(211) 및 수신 코일(231) 만으로는 송신 코일(2110)의 임피던스 Rin가 타겟 임피던스에 매칭될 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 예를 들어, 송신 코일(211) 및 수신 코일(231) 간의 거리가 생체 활동 등에 의하여 증가되거나, 수신 코일(231)의 크기가 작은 경우 임피던스 Rin가 타겟 임피던스에 매칭되지 못할 수 있다.
이와 달리, 일 실시예에 따른 송신 코일(211)의 임피던스는 릴레이 코일 모듈에 의해 타겟 임피던스에 용이하게 매칭될 수 있다. 생체(290) 외부에 배치된 송신 코일(211)의 위치, 생체(290) 외부에서 보조 코일(220)의 위치, 생체(290) 내부 수신 코일(231)의 크기, 및 수신 코일(231)의 생체(290) 내부 깊이 등에 따라, 적절한 크기의 보조 코일(220)이 송신 코일(211)에 대해 적절한 간격(221)에 위치될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(210)에서 보조 코일(220)의 크기(222)를 선택하거나 및/또는 송신 코일(211)과 보조 코일(220) 간의 간격(221)을 조정하는 것을 통해 송신 코일(211)의 임피던스 Rin가 타겟 임피던스에 용이하게 매칭될 수 있다. 따라서, 전원(213)으로부터 송신 코일(211)로 출력 전력이 효과적으로 전달될 수 있다.
릴레이 코일 모듈은 하나 이상의 보조 코일(220)을 포함할 수 있다. 릴레이 코일 모듈은 예를 들어 유연한 소재로 구성된 패치 형태로 구현되어 생체(290)의 피부에 부착 가능할 수 있다. 일 실시예에서, 릴레이 코일 모듈은 송신 코일(211) 및 보조 코일(220) 간의 간격(221)을 유지하는 하우징을 포함할 수 있다. 이 때, 릴레이 코일 모듈은 다른 크기의 다른 보조 코일(220) 및 다른 간격을 가지는 다른 릴레이 코일 모듈로 교체 가능하도록 구성되거나, 릴레이 코일 모듈의 하우징이 상술한 간격(221)을 조정하도록 구성될 수 있다. 송신 코일(211) 및 보조 코일(220) 간의 간격(221)은 변경 가능하도록 구성될 수 있다.
무선 전력 수신 장치(230)는 수신 코일(231) 및 충전 소자(232)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(230)는 수신 코일(231)을 통해 수신된 전력을 충전 소자(232)로 전달할 수 있다.
참고로, 송신 코일(211), 보조 코일(220), 및 수신 코일(231) 각각에는 커패시터가 연결될 수 있다. 송신 코일(211)에 커패시터가 연결된 구조를 송신 공진기, 보조 코일(220)에 커패시터가 연결된 구조를 보조 공진기, 수신 코일(231)에 커패시터가 연결된 구조를 수신 공진기라고 지칭할 수 있다. 송신 공진기, 보조 공진기, 및 수신 공진기의 공진 주파수는 서로 동일하거나 유사할 수 있다. 따라서, 송신 공진기 및 보조 공진기의 조합, 및 보조 공진기 및 수신 공진기의 조합은 상호 결합을 형성할 수 있다. 상호 결합은 상호 공진이라고도 지칭될 수 있다. 다만, 송신 공진기 및 수신 공진기는 서로에 대해 임계값 미만의 상호 결합 계수를 가질 수 있고, 송신 공진기 및 수신 공진기 간에는 약한 상호 결합이 형성될 수 있다. 송신 공진기 및 보조 공진기 간의 상호 결합과 보조 공진기 및 수신 공진기 간의 상호 결합에 비해 송신 공진기 및 수신 공진기 간의 상호 결합은 충분히 작으므로 무시될 수 있다.
도 2에서 송신 코일(211), 보조 코일(220) 및 수신 코일(231)의 형태는 원형 루프로 도시되고, 보조 코일(220)의 크기(222)는 원형 루프의 직경으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 일 실시예에 따른 릴레이 코일 모듈이 생체에 부착된 예시를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 릴레이 코일 모듈(320)은 보조 코일(321)에 더하여 센서 장치(322) 및 통신 장치(323)를 더 포함할 수 있다.
센서 장치(322)는 보조 코일(321)로부터 전력 관련 정보를 센싱할 수 있다. 예를 들어, 센서 장치(322)는 보조 코일(321)에 걸리는 전압 세기, 보조 코일(321)에 흐르는 전류 세기, 및 보조 코일(321)로부터 방사되는 자기장 세기 등을 전력 관련 정보로서 센싱할 수 있다.
통신 장치(323)는 센싱된 전력 관련 정보를 무선 전력 송신 장치(310)로 송신할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 상술한 바와 같이, 릴레이 코일 모듈(320)의 통신 장치(323)는 NFC 또는 BLE 통신 등을 통해 무선 전력 송신 장치(310)와 정보를 송수신할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(310)는 릴레이 코일 모듈(320)로부터 보조 코일(321)의 전력 관련 정보를 수신할 수 있다. 일 실시예에서, 무선 전력 송신 장치(310)는 수신한 전력 관련 정보에 기초하여 송신 코일 및 보조 코일(321) 간의 간격 변경 및 간격 유지 중 적어도 하나를 지시하기 위한 안내 정보(guidance information)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신 장치(310)는 사용자에게 무선 전력 송신 장치(310)를 생체(320)로부터 더 먼 위치로 이동시킬 것을 요청하는 안내 정보를 시각적 정보나 오디오 정보의 형태로 출력할 수 있다.
다른 실시예에서, 무선 전력 송신 장치(310)는 전력 관련 정보, 예를 들어, 보조 코일(321)의 전압, 전류, 및 자기장의 세기가 최대 세기인 경우에 응답하여, 최대 세기를 나타낸 크기 및 간격을 가지는 보조 코일(321)을 활성화할 수도 있다. 무선 전력 송신 장치(310)는 송신 코일의 임피던스 매칭이 이루어진 후에, 보조 코일(321)을 경유하여 무선 전력 수신 장치(330)로 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(400)는 최대의 전력을 수신할 수 있는 입력 임피던스를 설정할 수 있는 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(400)는 수신 코일(410), 정류기(420), 전압 컨버터(430), 전류 측정기(440), 충전 소자(450) 및 제어기(460)를 포함한다. 실시예에 따라, 무선 전력 수신 장치(400)는 정류기(420), 전압 컨버터(430) 및 제어기(460)와 공통 노드로 연결되는 커패시터(470)를 더 포함할 수 있다.
수신 코일(410)은 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신한다. 일 실시예에서, 수신 코일(410)로 전달되는 전력은 위에서 설명된 릴레이 코일 모듈을 거쳐 수신되는 전력일 수 있다. 수신 코일(410)은 수신한 전력을 교류 전압의 형태로 출력할 수 있다.
정류기(420)는 수신 코일(410)로부터 생성된 교류 전압을 직류 전압 VRECT으로 변환하고, 해당 직류 전압 VRECT을 출력한다. 정류기(420)는 예를 들어 높은 전압 변환 효율(voltage conversion ratio)을 가지는 능동 정류기(active rectifier)일 수 있으며, 그 종류에는 제한이 없다.
커패시터(470)는 정류기(420)가 출력하는 직류 전압 VRECT을 저장할 수 있다. 회로에서, 커패시터(470)의 일단은 공통 노드를 통해 전압 컨버터(430)와 정류기(420)에 연결되고, 커패시터(470)의 타단은 기준 전압 단자(예, 그라운드 단자)에 연결될 수 있다.
전압 컨버터(430)는 정류기(420)로부터 출력된 직류 전압 VRECT에 기초하여, 배터리 또는 커패시터 등의 형태를 가지는 충전 소자(450)를 충전시키기 위한 충전 전류를 생성한다. 전압 컨버터(430)는 정류기(420)로부터 전달된 직류 전압 VRECT을 충전 소자(450)를 충전시키기 위한 충전 전압으로 변환할 수 있다. 전압 컨버터(430)는 예를 들어 DC-DC 컨버터로서, 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)일 수 있다. 전압 컨버터(430)는 '충전기(charger)'로도 지칭될 수 있다.
전류 측정기(440)는 전압 컨버터(430)에서 충전 소자(450)로 전달되는 충전 전류를 모니터링한다. 전류 측정기(440)는 충전 소자(450)에 전달되는 충전 전류를 측정하고, 측정 결과를 제어기(460)에 전달할 수 있다. 전류 측정기(440)는 예를 들어 직류 연결형 전류 센서뿐만 아니라 병렬, 간접형 등의 다양한 전류 센서를 포함할 수 있다. 전류 측정기(440)는 '전류 모니터(current monitor)'로도 지칭될 수 있다.
제어기(460)는 무선 전력 수신 장치(400)의 각 컴포넌트들의 동작을 제어할 수 있다. 제어기(460)는 무선 전력의 수신과 관련된 기능 및 인스트럭션들을 실행할 수 있고, CPU 및/또는 NPU 등의 프로세서, 및 메모리를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어기(460)는 무선 전력 수신 장치(400)의 최적의 임피던스 매칭 내지 수신 전력의 최적화를 위한 제어 동작을 수행할 수 있다. 이 제어 동작은 충전 소자(450)로 전달되는 충전 전류를 모니터링하는 과정과 충전 전류에 대한 모니터링 결과에 기초하여 전압 컨버터(430)의 동작을 제어하는 과정이 자동적이면서 반복적으로 수행되는 피드백 루프를 포함할 수 있다. 이러한 제어 동작 동안에, 제어기(460)는 최대한의 충전 전류(다시 말하여, 타겟 충전 전류)를 형성하는 타겟 전압 임계치를 탐색한다. 제어기(460)는 전압 컨버터(430)의 제어에 의해 전압을 조정함으로써 최적의 입력 임피던스를 찾을 수 있다. 이와 같은 최적의 임피던스 매칭을 위한 제어 동작 내지 타겟 전압 임계치의 탐색 과정은 주기적으로 수행될 수 있다.
제어기(460)는 전류 측정기(440)로부터 수신한 충전 전류의 측정 결과에 기초하여 전압 임계치를 설정 내지 조정하고, 전압 컨버터(430)를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 전압 임계치의 초기 값은 임의의 값 내지 정해진 값을 가질 수 있고, 제어기(460)는 충전 전류의 측정 결과를 기초로 해당 전압 임계치를 변화시키면서 충전 전류의 크기 변화를 측정하는 것을 통해 충전 전류를 최대화하는 타겟 전압 임계치를 탐색할 수 있다. 탐색된 타겟 전압 임계치가 입력 임피던스를 최적의 부하 임피던스에 매칭되게 하는 전압 임계치에 대응한다.
제어기(460)에 의한 전압 컨버터(430)의 제어에 의해 충전 소자(450)로 전달되는 충전 전류의 크기가 조절될 수 있다. 제어기(460)는 수신 전력의 최적화를 위해 전압 컨버터(430)의 제어를 통한 정류기(420)의 출력 전압인 직류 전압 VRECT의 크기를 조정하여 입력 임피던스를 변경시킬 수 있고, 충전 전류의 크기를 최대화할 수 있는 전압 임계치인 타겟 전압 임계치를 탐색할 수 있다.
일 실시예에서, 제어기(460)는 충전 전류에 대한 측정 결과 및 정류기(420)로부터 출력되는 직류 전압 VRECT에 기초하여 전압 컨버터(430)를 제어할 수 있다. 제어기(460)는 정류기(420)로부터 출력되는 직류 전압 VRECT의 크기와 전압 임계치를 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 전압 컨버터(430)를 제어할지 여부를 결정할 수 있다.
제어기(460)는 정류기(420)로부터 출력되는 직류 전압 VRECT의 크기와 전압 임계치를 비교하는 비교기 및 비교기의 출력에 기초하여 전압 컨버터(430)에 전달할 전압 제어 신호를 생성하는 제어 논리 회로를 포함할 수 있다. 제어 논리 회로는 직류 전압 VRECT의 크기와 현재 설정된 전압 임계치를 비교하여 직류 전압 VRECT의 크기가 전압 임계치보다 큰 경우, 전압 컨버터(430)에 전압 제어 신호(예, 하이(high)의 논리 신호)를 전달할 수 있다.
전압 컨버터(430)는 제어기(460)로부터 해당 전압 제어 신호를 수신하는 경우, 정류기(420)로부터 출력되는 직류 전압 VRECT의 크기를 조절할 수 있다. 전압 제어 신호를 수신하면, 전압 컨버터(430)는 전류기로부터 출력되는 직류 전압 VRECT이 현재 설정된 전압 임계치와 동일 또는 유사한 값으로 만든다. 이에 의해, 직류 전압 VRECT는 전압 임계치의 근처 값에서 변동(fluctuate)되는 형태로 변형될 수 있다. 이와 같이, 전압 컨버터(430)에 의해 정류기(420)의 출력 전압의 크기는, 전압 임계치에 도달하도록 조절될 수 있다.
제어기(460)는 충전 전류의 크기 변화를 측정하고, 충전 전류의 크기 변화에 기초하여 전압 임계치의 크기를 조절할 수 있다. 제어기(460)는 전압 임계치의 조절에 따른 충전 전류의 크기 변화를 기초로 충전 전류의 크기를 최대화할 수 있는 타겟 전압 임계치를 탐색할 수 있다. 예를 들어, 제어기(460)는 충전 전류의 크기가 가장 큰 값을 가질 때의 전압 임계치인 타겟 전압 임계치를 결정하고, 결정된 타겟 전압 임계치를 기초로 전압 컨버터(430)를 제어하는 것에 의해 정류기(420)로부터 출력되는 직류 전압 VRECT의 크기를 조절할 수 있다.
위와 같은 과정을 통해, 무선 전력 수신 장치(400)는 무선 전력 수신 장치(400)가 생체에 삽입된 깊이나 송신 전력의 크기가 다양한 환경에서, 최적의 임피던스 매칭을 달성하여 수신 전력을 최대화할 수 있고, 수신되는 전력의 변화에 따라 공진 임피던스를 자동으로 조절할 수 있게 된다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(400)가 생체에 삽입된 깊이에서 충전 소자(450)의 충전 전력이 증가되고, 무선 전력의 전송이 가능해 지는 최대 삽입 깊이(maximum chargeable depth)가 증가될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에서의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 수신 장치의 전체 회로 중 일부로서 수신 코일(510), 정류기(520), 전압 컨버터(530) 및 커패시터(540)를 포함하는 회로가 도시되어 있다.
수신 코일(510)은 무선으로 전력을 수신하여 교류 전압을 형성하고, 정류기(520)는 수신 코일(510)로부터 들어오는 교류 전압을 직류 전압 VRECT(556)으로 변환하여 출력한다. 정류기(520)로부터 출력된 직류 전압 VRECT(556)은 커패시터(540)에 저장될 수 있다. 수신 코일(510)로부터 출력되는 교류 전력이 도시된 것과 같이 VINP(552)와 VINN(554)의 전압 파형을 가지는 경우, 정류기(520)로부터 출력되는 직류 전압 VRECT(556)의 전압 파형의 일례는 도 5에 도시된 바와 같다.
일 실시예에서, 생체에 삽입된 무선 전력 수신 장치에서 전력을 수신하는 수신 코일(510)의 부하 임피던스는 무선 전력 수신 장치에 포함된 정류기(520)의 입력 임피던스 RIN,RECT와 같고, 수신 코일(510)에서 요구하는 최적의 부하 임피던스는 무선 전력 수신 장치의 삽입된 깊이에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 무선 전력 수신 장치가 삽입된 깊이가 깊어질수록 최적의 전력 전송을 위해 보다 큰 부하 임피던스 값이 요구된다. 생체에 삽입되는 무선 전력 수신 장치가 다양한 삽입 깊이에서 최적의 부하 임피던스를 가지기 위해서는 정류기(520)의 입력 임피던스 RIN,RECT가 가변되어야 한다.
임피던스는 전압과 전류 간의 비율(ratio)로 나타낼 수 있으며, 임피던스 매칭에서 전압(또는 전류)을 먼저 결정하여 임피던스를 결정하는 것은 가능하다. 무선 전력 수신 장치가 수신 코일(510)을 통해 수신한 수신 전력의 크기와 무관하게 특정한 전압(또는 전류)을 가지도록 제한하면 임피던스의 조절이 가능해 진다. 입력 임피던스 RIN,RECT는 입력 전압(수신 코일(510)에서 발생된 교류 전압 VINP(552)와 VINN(554))과 무선 전력 수신 장치의 입력 전력 PIN의 관계에 따라 결정되므로, 주어진 입력 전력 PIN에서 입력 전압과 거의 동일한 값을 가지는 직류 전압 VRECT(556)를 조절하는 것에 의해 입력 임피던스 RIN,RECT를 조절하는 것이 가능해 진다.
전압 컨버터(530)를 통해 직류 전압 VRECT(556)를 조정하는 것에 의해, 입력 임피던스 RIN,RECT는 다음의 수학식 1에 따라 제어될 수 있다.
Figure pat00001
여기서 VIN,rms는 무선 전력 수신 장치의 입력 전압 VIN의 전압 실효값을 나타내고, PIN은 입력 전력을 나타낸다. 무선 전력 수신 장치는 전압 컨버터(540)의 VRECT(556)에 대한 조정(regulation) 레벨을 변경할 수 있고, 이러한 변경에 의해 임피던스는 증가하거나 감소할 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 정류기(520)의 출력 전압인 직류 전압 VRECT(556)를 조정하여 무선 전력 수신 장치의 입력 임피던스를 조절할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 정류기(520)에 연결된 전압 컨버터(530)를 제어함으로써 직류 전압 VRECT(556)를 조정하여 입력 임피던스 RIN,RECT를 최적의 부하 임피던스에 맞출 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 방법은 본 명세서에서 설명되는 무선 전력 수신 장치에 의해 수행될 수 있다.
단계(610)에서, 무선 전력 수신 장치는 수신 코일을 통해 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 수신 코일은 수신한 수신 전력을 기초로 교류 전압을 생성하고, 생성된 교류 전압을 출력할 수 있다.
단계(620)에서, 무선 전력 수신 장치는 정류기를 이용하여 수신 코일로부터 생성된 교류 전압을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 해당 직류 전압은 커패시터에 저장될 수 있고, 전압 컨버터에 전달될 수 있다.
단계(630)에서, 무선 전력 수신 장치는 직류 전압을 입력으로 하는 전압 컨버터를 이용하여 충전 소자를 충전시키기 위한 충전 전류를 생성하고, 생성된 충전 전류를 충전 소자에 전달할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 전압 컨버터를 이용하여, 정류기로부터 출력된 직류 전압을 충전 소자를 충전시키기 위한 충전 전압으로 변환하고, 충전 전압과 충전 전류에 기초하여 충전 소자를 충전시킬 수 있다.
단계(640)에서, 무선 전력 수신 장치는 전류 측정기를 이용하여 전압 컨버터로부터 충전 소자에 전달되는 충전 전류를 측정할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 예를 들어 전류 센서를 이용하여 실시간으로 해당 충전 전류의 크기 변화를 센싱할 수 있다.
단계(650)에서, 무선 전력 수신 장치는 충전 전류에 대한 측정 결과에 기초하여 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 타겟 충전 전류를 탐색할 수 있다. 타겟 충전 전류는 최적의 임피던스 매칭으로 인하여 충전 전류의 크기가 가장 클 때의 충전 전류에 대응한다. 무선 전력 수신 장치는 조정이 가능한 전압 임계치에 기초하여 전압 컨버터를 제어함으로써 정류기의 출력 전압의 크기를 조정하고, 정류기의 출력 전압의 크기 조정에 따른 충전 전류의 변화를 기초로 타겟 충전 전류를 탐색할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 전압 임계치를 변화시키면서 충전 전류의 크기 변화를 측정하는 것을 통해 타겟 충전 전류를 형성하는 타겟 전압 임계치를 탐색할 수 있다.
일 실시예에 따른 타겟 충전 전류의 탐색 과정은, 정류기로부터 출력되는 직류 전압의 크기와 전압 임계치를 비교하는 단계와 해당 비교 결과에 기초하여 전압 컨버터를 제어할지 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 정류기로부터 출력되는 출력 전압의 크기가 전압 임계치보다 큰 경우, 무선 전력 수신 장치는 전압 컨버터에 전압 제어 신호를 전달할 수 있다. 전압 컨버터가 해당 전압 제어 신호를 수신하는 경우, 전압 컨버터는 정류기로부터 출력되는 직류 전압의 크기를 조절할 수 있다. 이에 의해, 정류기로부터 출력되는 직류 전압의 크기는 전압 임계치와 동일한 값 또는 유사한 값을 가지도록 조절될 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 충전 전류의 크기 변화에 기초하여 전압 임계치를 조절할지 여부를 결정할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 전압 임계치의 조절에 따른 충전 전류의 크기 변화를 기초로, 충전 전류의 크기를 최대화할 수 있는 타겟 전압 임계치를 탐색할 수 있다. 무선 전력 수신 장치는 충전 소자에 전달되는 충전 전류의 크기가 가장 큰 값을 가질 때의 전압 임계치인 타겟 전압 임계치를 결정하고, 결정된 타겟 전압 임계치를 기초로 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 정류기로부터 출력되는 직류 전압의 크기를 조절할 수 있다.
위 무선 전력 수신 장치의 임피던스 매칭 최적화를 위한 타겟 충전 전류(또는 타겟 전압 임계치)의 탐색 과정은 도 7을 통해 이하에서 보다 자세히 설명한다.
도 7은 일 실시예에 따른 타겟 충전 전류를 탐색하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 단계(710)에서 무선 전력 수신 장치는 전압 임계치의 초기값을 설정한다. 전압 임계치의 초기값은 임의의 값 내지 미리 정해진 값으로 설정될 수 있다. 단계(715)에서, 무선 전력 수신 장치는 전압 컨버터에서 출력되어 충전 소자에 전달되는 충전 전류를 모니터링한다.
단계(720)에서, 무선 전력 수신 장치는 단계(710)에서 초기값으로 설정된 전압 임계치를 증가시킨다. 일 실시예에서, 전압 임계치는 미리 정의된 기본 단위만큼 증가될 수 있다. 전압 임계치의 크기가 디지털 비트 값으로 표현될 수 있다면, 예를 들어 전압 임계치의 크기는 '1' 에 해당하는 디지털 비트 값만큼 증가될 수 있다.
전압 임계치가 증가된 이후에, 무선 전력 수신 장치의 정류기에서 출력되는 직류 전압의 크기와 증가된 전압 임계치가 비교되고, 비교 결과에 따라 전압 컨버터에 전압 제어 신호가 전달될지 여부가 결정된다. 예를 들어, 정류기에서 출력되는 직류 전압의 크기와 증가된 전압 임계치보다 크다면, 제어기로부터 전압 컨버터에 전압 제어 신호가 전달되고, 전압 컨버터는 해당 전압 임계치에 기초하여 정류기에서 출력되는 직류 전압의 크기를 조절한다.
단계(725)에서, 무선 전력 수신 장치는 전압 임계치의 증가에 따른 충전 전류의 변화를 측정할 수 있다. 단계(730)에서, 무선 전력 수신 장치는 전압 임계치의 증가에 의해 충전 전류의 크기가 증가되었는지 여부를 판단한다. 충전 전류의 크기가 증가된 경우, 무선 전력 수신 장치는 단계(720)로 되돌아가 현재의 전압 임계치를 증가시킨다. 무선 전력 수신 장치는 충전 전류의 크기가 증가되지 않을 때까지 전압 임계치를 계속 증가시켜가며 전압 임계치의 조정에 따른 충전 전류의 변화를 측정한다.
단계(730)의 판단 결과, 충전 전류의 크기가 증가되지 않은 경우, 무선 전력 수신 장치는 단계(735)에서 현재의 전압 임계치의 크기를 감소시킨다. 예를 들어, 다음의 전압 임계치의 크기는 현재의 전압 임계치의 크기에서 '1' 에 해당하는 디지털 비트 값만큼 감소된 값을 가질 수 있다. 이후에, 단계(740)에서 무선 전력 수신 장치는 전압 임계치의 감소에 의한 충전 전류의 변화를 측정한다. 단계(7345)에서, 무선 전력 수신 장치는 전압 임계치의 감소에 의해 충전 전류의 크기가 증가되었는지 여부를 판단한다. 충전 전류의 크기가 증가된 경우, 무선 전력 수신 장치는 단계(735)로 되돌아가 현재의 전압 임계치를 감소시킨다. 무선 전력 수신 장치는 충전 전류의 크기가 증가되지 않을 때까지 전압 임계치를 계속 감소시켜가며 전압 임계치의 조정에 따른 충전 전류의 변화를 측정한다.
단계(745)의 판단 결과, 충전 전류의 크기가 증가되지 않은 경우, 무선 전력 수신 장치는 단계(750)에서 현재의 전압 임계치를 증가시킨다. 현재의 전압 임계치의 크기에서 미리 정의된 단위만큼 크기가 증가될 수 있다. 단계(755)에서, 무선 전력 수신 장치는 단계(750)에서 전압 임계치의 증가에 의해 결정된 전압 임계치를 타겟 전압 임계치로 결정하고, 타겟 전압 임계치를 유지(hold)할 수 있다. 타겟 전압 임계치로 설정되었을 때 충전 소자에 전달되는 충전 전류가 타겟 충전 전류에 대응한다.
무선 전력 수신 장치는 단계(760)에서 충전 전류를 계속 모니터링하고, 단계(765)에서 충전 전류의 크기가 변화되었는지 여부를 판단한다. 충전 전류의 크기가 변화되지 않은 경우, 무선 전력 수신 장치는 단계(755)로 되돌아가 타겟 전압 임계치를 계속 유지하고, 단계(760)에서 충전 전류를 모니터링한다. 단계(765)의 판단 결과, 충전 전류의 크기가 변화되었다면, 무선 전력 수신 장치는 단계(720)로 되돌아가 현재의 전압 임계치를 증가시키고, 이후의 단계들을 수행할 수 있다.
위 과정과 같이, 무선 전력 수신 장치는 충전 전류의 모니터링 결과 및 정류기의 출력 전압에 기초하여 자동으로 타겟 전압 임계치를 탐색할 수 있다. 해당 타겟 전압 임계치에 의해 임피던스 매칭의 최적화가 달성되어 충전 전류의 크기가 최대화되고, 무선 전력 수신 장치의 전력 수신 효율이 개선될 수 있다. 또한, 이러한 임피던스 매칭의 최적화 과정은 자동으로, 계속적으로 수행될 수 있기 때문에, 무선 전력 수신 장치의 생체 내 삽입 깊이나 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 거리 등과 같은 환경 변화에 강인하게 임피던스 매칭의 최적화가 달성될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 무선 전력 전송 시스템 110, 210, 310: 무선 전력 송신 장치
120, 320: 릴레이 코일 모듈 130, 230, 330, 400: 무선 전력 수신 장치
220, 321: 보조 코일 211: 송신 코일
212, 460: 제어기 213: 전원
214, 323: 통신 장치 215: 입력 장치
216: 출력 장치 232, 450: 충전 소자
322: 센서 장치 410, 510: 수신 코일
420, 520: 정류기 430, 530: 전압 컨버터
470, 540: 커패시터

Claims (20)

  1. 충전 소자;
    무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신 코일;
    상기 수신 코일로부터 생성된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 상기 직류 전압을 출력하는 정류기;
    상기 정류기로부터 출력된 상기 직류 전압에 기초하여, 상기 충전 소자를 충전시키기 위한 충전 전류를 생성하는 전압 컨버터;
    상기 충전 소자에 전달되는 상기 충전 전류를 측정하는 전류 측정기; 및
    상기 측정 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 전압 컨버터의 상기 제어에 의해 상기 충전 전류의 크기(level)가 조절되는,
    무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 충전 전류에 대한 측정 결과 및 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어하는,
    무선 전력 수신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기와 전압 임계치를 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어할지 여부를 결정하는,
    무선 전력 수신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 출력 전압의 크기가 상기 전압 임계치보다 큰 경우, 상기 전압 컨버터에 전압 제어 신호를 전달하고,
    상기 전압 컨버터는,
    상기 전압 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절하는,
    무선 전력 수신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 컨버터에 의해 상기 정류기의 출력 전압의 크기는, 상기 전압 임계치에 도달하도록 조절되는,
    무선 전력 수신 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 충전 전류의 크기(level) 변화에 기초하여 상기 전압 임계치의 크기를 조절하는,
    무선 전력 수신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 전압 임계치의 조절에 따른 상기 충전 전류의 크기 변화를 기초로 상기 충전 전류의 크기를 최대화할 수 있는 타겟 전압 임계치를 탐색하는,
    무선 전력 수신 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 충전 전류의 크기가 가장 큰 값을 가질 때의 전압 임계치인 타겟 전압 임계치를 결정하고, 상기 결정된 타겟 전압 임계치를 기초로 상기 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절하는,
    무선 전력 수신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정류기가 출력하는 직류 전압을 저장하는 커패시터를 더 포함하고,
    상기 커패시터의 일단은 상기 전압 컨버터와 상기 정류기에 연결되고,
    상기 커패시터의 타단은 기준 전압 단자에 연결되는,
    무선 전력 수신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치는,
    생체 내부에 삽입이 가능한(implantable) 무선 전력 수신 장치인,
    무선 전력 수신 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신 장치는,
    스마트폰, 태블릿, 휴대폰, 전자수첩, 또는 웨어러블 전자기기인,
    무선 전력 수신 장치.
  12. 무선 전력 수신 장치에 의해 수행되는 무선 전력 수신 방법에 있어서,
    수신 코일을 통해 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 단계;
    정류기를 이용하여 상기 수신 코일로부터 생성된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 단계;
    상기 직류 전압을 입력으로 하는 전압 컨버터를 이용하여 충전 소자를 충전시키기 위한 충전 전류를 생성하고, 상기 생성된 충전 전류를 상기 충전 소자에 전달하는 단계;
    상기 충전 소자에 전달되는 상기 충전 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 측정 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 컨버터의 상기 제어에 의해 상기 충전 전류의 크기가 조절되는,
    무선 전력 수신 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는,
    상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기와 전압 임계치를 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 전압 컨버터를 제어할지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전압 컨버터를 제어할지 여부를 결정하는 단계는,
    상기 출력 전압의 크기가 상기 전압 임계치보다 큰 경우, 상기 전압 컨버터에 전압 제어 신호를 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 전압 컨버터는,
    상기 전압 제어 신호를 수신하는 경우, 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절하는,
    무선 전력 수신 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는,
    상기 충전 전류의 크기 변화에 기초하여 상기 전압 임계치를 조절할지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는,
    상기 전압 임계치의 조절에 따른 상기 충전 전류의 크기 변화를 기초로 상기 충전 전류의 크기를 최대화할 수 있는 타겟 전압 임계치를 탐색하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 타겟 충전 전류를 탐색하는 단계는,
    상기 충전 전류의 크기가 가장 큰 값을 가질 때의 전압 임계치인 타겟 전압 임계치를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 타겟 전압 임계치를 기초로 상기 전압 컨버터를 제어하는 것에 의해 상기 정류기로부터 출력되는 상기 직류 전압의 크기를 조절하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치는,
    생체 내부에 삽입이 가능한 무선 전력 수신 장치이고,
    상기 무선 전력 송신 장치는,
    스마트폰, 태블릿, 휴대폰, 전자수첩, 또는 웨어러블 전자기기인,
    무선 전력 수신 방법.
  20. 제12항 내지 제19항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행하기 위한 인스트럭션들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능한 저장매체.
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