KR20220033248A - 무선 전력 중계 장치 및 무선 전력 중계 방법 - Google Patents

무선 전력 중계 장치 및 무선 전력 중계 방법 Download PDF

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Abstract

무선 전력 중계 장치 및 무선 전력 중계 방법이 개시된다. 무선 전력 중계 장치는 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하는 제1 안테나, 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하는 정류기, 정류기로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 저장하는 저장 소자, 정류기의 출력 전류와 저장 소자에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 전력 발진기, 및 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송하는 제2 안테나를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 중계 장치 및 무선 전력 중계 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RELAYING POWER WIRELESSLY}
아래의 실시예들은 장치들 간에 전력을 무선으로 송수신하는 기술에 관한 것이다.
무선 전력은 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 전송 장치와 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다. 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 무선 전력 수신 장치는 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 무선 전력 전송 장치에서 무선 전력 수신 장치로 무선으로 전달될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치는, 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하는 제1 안테나; 상기 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하는 정류기; 상기 정류기로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 저장하는 저장 소자; 상기 정류기의 출력 전류와 상기 저장 소자에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 전력 발진기; 및 상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송하는 제2 안테나를 포함할 수 있다.
상기 전력 발진기는, 상기 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 시작하고 나서 상기 저장 소자에 저장된 직류 전압이 기준 값에 도달하는 경우에 발진하기 시작할 수 있다.
상기 전력 발진기는, 제어 신호에 의한 제어 없이, 상기 직류 전압이 기준 값에 도달하기 전까지는 오프 상태로 있다가 상기 직류 전압이 기준 값에 도달하는 시점에 상기 발진을 시작하여 상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성할 수 있다.
상기 전력 발진기는, 상기 저장 소자에서 공급되는 직류 전압과 상기 정류기에서 공급되는 전류에 기초하여 상기 제2 주파수로 발진할 수 있다.
상기 정류기, 상기 저장 소자 및 상기 제2 안테나는 공통 노드에 연결될 수 있다.
상기 저장 소자는, 커패시터이고, 상기 커패시터의 일단은 그라운드 단자에 연결되고, 상기 커패시터의 타단은 상기 정류기 및 상기 제2 안테나와 연결될 수 있다.
상기 무선 전력 중계 장치는, 상기 무선 전력 전송 장치의 일면에 탈부착될 수 있다.
상기 무선 전력 전송 장치는, 모바일 전자 기기이고, 상기 제1 주파수의 교류 전력 신호는, 상기 모바일 전자 기기의 배터리에 저장된 전기 에너지로부터 생성될 수 있다.
상기 무선 전력 수신 장치는, 체내 삽입형 기기 또는 신체 부착형 기기일 수 있다.
상기 정류기는, 복수의 다이오드들을 포함하고, 상기 전력 발진기는, 2개의 트랜지스터들과 상기 2개 트랜지스터들의 일단에 각각 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 전송하는 무선 전력 전송 장치; 및 상기 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하고, 상기 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하며, 상기 직류 전력에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하고, 상기 생성된 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송하는 무선 전력 중계 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 중계 방법은, 제1 안테나를 통해, 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하는 단계; 정류기를 이용하여, 상기 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하는 단계; 상기 정류기로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 저장 소자에 저장하는 단계; 전력 발진기를 이용하여, 상기 정류기의 출력 전류와 상기 저장 소자에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 단계; 및 제2 안테나를 통해, 상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 단계는, 상기 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 시작하고 나서 상기 직류 전압이 기준 값에 도달하는 경우에 발진을 시작하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치의 일례들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치를 구현하기 위한 회로를 도시하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 다른 무선 전력 중계 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 전력 발진기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 방법의 동작을 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 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(100)은 무선 전력 전송 장치(110)의 전력을 무선으로 무선 전력 수신 장치(130)에 전송하는 시스템이다. 무선 전력 전송 시스템(100)은 무선 전력 전송 장치(110)와 무선 전력 수신 장치(130) 뿐만 아니라 무선 전력 전송 장치(110)와 무선 전력 수신 장치(130) 사이에서 전력의 전송을 중계하는 무선 전력 중계 장치(120)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 무선 전력 전송 시스템(100)은 생체 외부에 위치하는 무선 전력 전송 장치(110)가 무선 전력 중계 장치(120)를 경유하여 생체 내부에 위치하는(또는 생체에 부착된) 무선 전력 수신 장치(130)로 전력을 무선으로 전송하는 시스템일 수 있다.
무선 전력 전송 장치(110)는 무선으로 전력을 송신하는 장치로서, 예를 들어 무선 전력 전송 장치(110)는 스마트폰, 태블릿, 휴대폰, 넷북, 전자수첩, 웨어러블 기기, 무선 전력 충전기 등일 수 있다. 일 실시예에서, 무선 전력 전송 장치(110)는 근거리 자기장 통신(Near Field Communications; NFC) 등을 이용하여 제1 주파수의 교류 전력 신호를 무선으로 전송할 수 있다.
무선 전력 중계 장치(120)는 무선 전력 전송 장치(110)로부터 수신한 전력을 무선 전력 수신 장치(130)로 중계(relay)하는 장치일 수 있다. 일 실시예에서, 무선 전력 중계 장치(120)는 무선 전력 전송 장치(110)로부터 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하고, 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환할 수 있다. 무선 전력 중계 장치(120)는 직류 전력에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하고, 생성된 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치(130)로 전송할 수 있다. 여기서, 제2 주파수는 제1 주파수와 다를 수 있다.
무선 전력 수신 장치(130)는 무선으로 전력을 수신하여 수신한 전력을 기초로 특정한 기능을 수행하는 장치로서, 체내 삽입형 기기 또는 신체 부착형 기기일 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(130)는 생체에 부착되거나 체내에 삽입되어 생체 정보를 센싱하거나 치료를 위한 생체 자극을 제공하는 의료 기기일 수 있다. 다만, 무선 전력 수신 장치(130)의 종류는 의료 기기에 한정되지 않으며, 무선으로 전력을 수신할 수 있는 장치는 제한 없이 해당될 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(130)는 센서 장치, IoT 기기 등일 수도 있다.
무선 전력 수신 장치(130)가 체내 삽입형 기기인 경우, 해당 기기에 전력을 공급하기 위해 외부에서 무선으로 전력을 체내에 삽입된 기기에 전송하는 것이 필요하다. 이 경우, 체내의 전력 전달률과 무선 전력 수신 장치(130)의 수신기의 크기를 고려하여 고유의 최적화된 무선 전력 전송 주파수를 사용하는 경우가 많다. 일반적으로 무선 전력 전송 주파수가 낮을수록 체내의 전력 전달률이 증가하고 수신기의 크기가 증가하는 경향이 있고, 필요한 충전 전력, 허용 가능한 수신기의 크기, 무선 전력 수신 장치(130)의 체내 삽입 깊이 등을 고려하여 체내 삽입형 기기에 대한 최적의 무선 전력 전송 주파수가 설정되게 된다.
일반적으로 무선 전력 전송 장치(110)의 무선 전력 전송 주파수는 고정되어 있기 때문에, 무선 전력 전송 장치(110)의 무선 전력 전송 주파수와 무선 전력 수신 장치(130)를 위한 최적의 무선 전력 전송 주파수가 일치하지 않는 경우가 발생할 수 있고, 이 경우 무선 전력 전송의 최적 효율을 달성하기가 어렵게 된다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(130)는 최적의 무선 전력 전송 주파수를 위한 전용 충전기를 사용해야 하는 경우가 있는데, 이는 전용 충전기를 휴대 및 관리해야 하는 점에서 사용자의 편의성을 저하시킬 수 있다.
본 명세서에서 설명된 무선 전력 중계 장치(120)의 경우, 무선 전력 전송 장치(110)로부터 수신한 제1 주파수의 무선 전력을 제2 주파수의 무선 전력으로 변환하여 무선 전력 수신 장치(130)에 전달함으로써, 무선 전력 전송 장치(110)와 무선 전력 수신 장치(130) 간의 무선 전력 전송 주파수 특성 차이에 따른 전력 변환 효율의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 무선 전력 중계 장치(120)는 액세서리 형태로 구현이 가능하여 휴대가 간편하고, 무선 전력 수신 장치(130)의 전용 충전기 없이도 무선 전력 전송 기능을 수행할 수 있기 때문에 사용자 편의성을 개선시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치의 일례들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 무선 전력 전송 장치(210)가 스마트폰과 같은 모바일 전자 기기인 경우를 예를 들어 설명한다. 스마트폰과 같이 널리 사용되는 기기가 무선 전력 전송 장치(210)로서 동작할 수 있으며, 무선 전력 전송 장치(210)는 무선 전력 전송을 위해 제1 주파수의 교류 전력 신호를 생성하여 안테나를 통해 무선 전력 전송 장치(210)의 외부로 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 전력 중계 장치(220)는 무선 전력 전송 장치(210)의 일면에 탈부착될 수 있는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2a나 도 2b에 도시된 것과 같이 무선 전력 중계 장치(220)는 무선 전력 전송 장치(210)의 후면에 부착되어 동작할 수 있다. 무선 전력 중계 장치(220)는 코인이나 카드 등과 같이 휴대가 가능한 액세서리 형태로 구현될 수 있으며, 그 구현 형태에는 제한이 없다. 사용자는 무선 전력 중계를 위해 이러한 액세서리 형태의 무선 전력 중계 장치(220)를 가지고 다니면 되므로, 휴대성이 개선되고, 사용자 편의성이 증가할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 스마트폰과 같은 무선 전력 전송 장치(310)는 내부 또는 외부의 배터리에 저장된 전기 에너지에 기초하여 제1 주파수의 교류 전력 신호를 생성하여 외부로 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 무선 전력 중계 장치(320)는 코일 간의 산호 결합(mutual coupling)을 통해 무선 전력 전송 장치(310)로부터 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하고, 수신한 제1 주파수의 교류 전력 신호를 제2 주파수의 교류 전력 신호로 변환하여 무선 전력 수신 장치(340)에 전달할 수 있다.
본 실시예에서는 무선 전력 수신 장치(340)가 사용자(330)의 체내에 삽입된 의료기기라고 가정한다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(340)는 체내에서 생체 신호를 센싱하거나 자극 신호를 출력하는 심뇌 신경 자극기(deep brain neurostimulator), 심박조율기(pacemaker), 인공 귀(cochlear implant), 인슐린 펌프(insulin pump), 위 자극기(gastric stimulator) 등과 같은 생체 삽입형 의료기기일 수 있다. 다만, 무선 전력 수신 장치(340)는 생체 삽입형 의료기기에 한정되지 않으며, 무선 전력을 수신할 수 있는 다양한 전자 기기에 해당할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(310)와 무선 전력 수신 장치(340) 간의 무선 전력 전송에 있어서 동작 주파수가 서로 다를 수 있는데, 무선 전력 중계 장치(320)는 주파수 변환을 통해 이러한 동작 주파수 간의 차이를 줄임으로써 무선 전력 전송의 효율을 개선시킬 수 있다.
무선 전력 중계 장치(320)는 전용 충전기의 필요 없이 다양한 형태의 무선 전력 전송 장치(310)를 체내에 삽입된 무선 전력 수신 장치(310)의 충전기로서 동작하게 하기 위해 무선 전력의 주파수를 변경할 수 있다. 다양한 형태의 무선 전력 전송 장치(310)의 이용이 가능해 짐에 따라 사용자 편의성이 개선될 수 있다. 이러한 무선 전력 중계 장치(320)는 특히 체내 삽입형 의료기기와 같이 배터리의 교체가 자유롭지 않고, 크기, 사용 위치 등의 제약으로 무선 전력 충전을 위해 널리 이용되는 주파수와 다른 최적의 주파수를 이용하는 무선 전력 충전 시스템에서 큰 이점을 제공한다.
무선 전력 중계 장치(320)는 무선 전력 전송 장치(310)를 전력 소스(power source)로 사용하기 때문에 자체적으로 무선 전력 수신 장치(340)와의 통신이 필요하지 않아 프로세서와 배터리가 필요하지 않다. 또한, 액세서리 형태로 구현된 무선 전력 중계 장치(320)를 무선 전력 전송 장치(310)의 일면에 부착하여 간편하게 사용할 수 있으며, 어떠한 무선 전력 전송 주파수를 사용하는 무선 전력 전송 장치(310)라도 무선 전력 중계 장치(320)는 무선 전력 수신 장치(340)가 요구하는 최적의 동작 주파수의 교류 전력 신호를 출력하여 무선 전력 충전을 효율적으로 수행할 수 있게 한다.
또한, 무선 전력 중계 장치(320)는 주파수 최적화를 통해 사용자(330)의 신체 투과에 의한 손실을 줄일 수 있고, 전용 충전기의 필요 없이 다양한 형태의 모바일 전자 기기를 무선 전력 전송 장치(310)로 이용할 수 있어 사용자 편의성을 개선시킬 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 중계 장치(400)는 제1 안테나(410), 정류기(420), 저장 소자(430), 전력 발진기(440) 및 제2 안테나(450)를 포함한다. 본 명세서에서 설명된 실시예들에서 '안테나'는 '코일'로 대체될 수 있다.
제1 안테나(410)는 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 전력을 수신한다. 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 충전 모드에서 배터리에 저장된 전기 에너지에 기초하여 제1 주파수의 교류 전력 신호를 생성할 수 있고, 생성된 제1 주파수의 교류 전력 신호를 외부로 방사할 수 있다. 무선 전력 중계 장치(400)가 무선 전력 충전 모드에 있는 무선 전력 전송 장치에 부착되거나 또는 인접하게 배치되었을 때, 제1 안테나(410)는 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신할 수 있다.
정류기(420)는 제1 안테나(410)를 통해 수신한 제1 주파수의 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환한다. 정류기(420)는 교류 전력 신호를 정류(rectification)하여 직류 전압을 생성하고, 해당 직류 전압을 출력할 수 있다. 정류기(420)는 예를 들어 능동 정류기(active rectifier) 또는 수동 정류기(passive rectifier)일 수 있으며, 그 종류에는 제한이 없다.
저장 소자(430)는 정류기(420)로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 저장할 수 있으며, 예를 들어 커패시터일 수 있다. 저장 소자(430)는 정류기(420)로부터 출력되는 직류 전압을 저장할 수 있다.
전력 발진기(440)는 정류기(420)의 출력 전류와 저장 소자(430)에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제2 주파수는 제1 주파수와 다르고 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 수신을 위한 동작 주파수와 동일한 주파수일 수 있다. 전력 발진기(440)는 저장 소자(430)에서 공급되는 직류 전압과 정류기(420)에서 공급되는 전류에 기초하여 제2 주파수로 발진할 수 있다. 전력 발진기(440)는 내부 회로 구조의 특성에 의해 자체적으로 발진을 위한 기준 값을 가진다.
일 실시예에서, 전력 발진기(440)는 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 시작하고 나서 저장 소자(430)에 저장된 직류 전압이 기준 값에 도달하는 경우에 발진하기 시작할 수 있다. 예를 들어, 전력 발진기(440)는 제어 신호에 의한 제어 없이, 직류 전압이 기준 값에 도달하기 전까지는 오프(off) 상태로 있다가 직류 전압이 기준 값에 도달하는 시점에 발진을 시작하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성할 수 있다.
제2 안테나(450)는 전력 발진기(440)에 의해 생성된 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송할 수 있다.
위와 같이, 무선 전력 중계 장치(400)는 무선 전력 전송 장치로부터 제1 주파수의 무선 전력 신호를 수신하고, 수신한 무선 전력을 교류 전압 형태로 저장 소자(430)에 저장한 후 제2 주파수의 무선 전력 신호로 변환하여 이를 무선 전력 수신 장치에 전송할 수 있다. 무선 전력 중계 장치(400)는 무선 전력 전송을 중계하는데 있어 별도의 배터리를 필요로 하지 않으므로 크기 및 생산 비용을 줄일 수 있고, 전력을 변환하는 과정을 최소화하여 전력 변환 효율을 높일 수 있다.
또한, 무선 전력 중계 장치(400)가 무선 전력을 수신하는지 여부에 따라 전력 발진기(440)의 활성화/비활성화 여부가 결정되어, 프로세서와 같은 전력 발진기(440)를 제어하기 위한 별도의 구성이 필요하지 않다. 이에 따라, 무선 전력 중계 장치(400)는 별도의 프로세서와 프로세서를 구동하기 위한 배터리 없이 능동 소자들만을 포함하여, 간단한 액세서리 형태로 구현되는 것이 가능하다. 무선 전력 중계 장치(400)는 단순한 구조로 무선 전력 충전을 위한 주파수를 변경하여 기존 무선 전력 충전 시스템에서 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 구조 변경 없이 무선 전력 전송을 중계할 수 있다.
무선 전력 중계 장치(400)는 체내 삽입형일 필요가 없으며, 제1 안테나(410)의 변경만으로 쉽게 주파수 변경이 가능하여 어떠한 기기라도 무선 전력 전송 장치로 활용할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치를 구현하기 위한 회로를 도시하는 도면이다.
도 5에 도시된 회로를 참조하면, 무선 전력 중계 장치(500)는 무선 전력 전송 장치로부터 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 위한 제1 안테나(510), 제1 안테나(510)로부터 전달되는 제1 주파수의 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하는 정류기(520), 정류기(520)로부터 출력되는 직류 전력을 직류 전압 형태로 저장하는 저장 소자(530), 저장 소자(530)에 저장된 직류 전압과 정류기(520)로부터 공급되는 전류에 기초하여 제2 주파수로 발진하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 전력 발진기(550) 및 전력 발진기(550)에 의해 생성된 제2 주파수의 교류 전력 신호를 전송하기 위한 제2 안테나(540)를 포함할 수 있다.
저장 소자(530)는 커패시터일 수 있고, 커패시터의 일단은 그라운드 단자에 연결되고, 커패시터의 타단은 정류기(520) 및 제2 안테나(540)와 연결될 수 있다. 저장 소자(530)에는 정류기(520)에 의해 정류된 직류 전압 VRECT가 저장된다. 일 실시예에서, 정류기(520)는 복수의 다이오드들을 포함하고, 전력 발진기(550)는 2개의 트랜지스터들과 해당 2개 트랜지스터들 각각의 일단에 연결된 커패시터를 포함할 수 있다. 본 회로에 따른 전력 발진기(550)는 저장 소자(530)로부터 공급되는 직류 전압 VRECT에 자체 기준 값이 존재하기 때문에 별도의 제어 회로가 필요가 없다.
무선 전력 중계 장치(500)는 도 5의 회로와 같이 간단한 구조로 구현될 수 있어, 소형으로 제작이 가능하며 낮은 생산 단가로 생산이 가능하다. 또한, 무선 전력 중계 장치(500)는 무선 전력 충전을 위한 교류 전력 신호의 주파수 변환을 통해 무선 전력 충전 시스템의 전력 효율을 개선시킬 수 있다. 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 충전을 위한 동작 주파수의 변경이 어려운 경우라도, 무선 전력 중계 장치(320)는 제2 안테나의 변경을 통해 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 충전에 최적화된 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 다른 무선 전력 중계 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 중계 장치(620)는 스마트폰과 같은 무선 전력 전송 장치(610)의 일면에 부착 가능한 액세서리 형태로 구현될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 장치(610)는 무선 전력 전송 장치(610)로부터 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 위한 제1 안테나(630), 정류기와 전력 발진기가 배치된 회로 기판(634), 전력 발진기로부터 생성된 제2 주파수의 교류 전력 신호를 전송하기 위한 제2 안테나(638), 제1 안테나(630)와 회로 기판(634) 사이에 배치된 제1 절연 레이어(632) 및 회로 기판(634)과 제2 안테나(638) 사이에 배치된 제2 절연 레이어(636)를 포함할 수 있다. 제1 안테나(630)와 회로 기판(634) 간과 회로 기판(634)꽈 제2 안테나(638) 간에는 배선을 통해 서로 연결되어 있다.
위와 같은 구조를 통해 생산 단가를 낮추면서 크기를 줄이고 전력 변환 효율이 높은 무선 전력 중계 장치(620)의 구현이 가능해 진다.
도 7은 일 실시예에 따른 전력 발진기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 참조번호(710)은 저장 소자(530)에 저장된 직류 전압의 시간에 따른 변화를 나타내고, 참조번호(720)은 전력 발진기(550)가 출력하는 전압 신호의 변화를 나타낸다. 정류기(520)로부터 저장 소자(530)에 공급되는 전류에 의해 저장 소자(530)에 전하가 축적되기 시작하고, 직류 전압의 크기는 점차 증가한다. 전력 발진기(550)는 저장 소자(530)에 저장된 직류 전압이 특정한 기준 값(또는 임계 값)에 도달하는 경우 발진하기 시작한다. 예를 들어, A 시점(point in time)에서 저장 소자(530)에 저장된 직류 전압의 크기가 기준 값에 도달하게 되었다고 가정하면, 전력 발진기(550)는 도 5에 도시된 것과 같은 회로 구조에 의해 A 시점부터 스스로 활성화되어 발진하기 시작한다. 전력 발진기(550)는 제어 신호에 의한 제어 없이, 저장 소장(530)에 저장된 직류 전압이 기준 값에 도달하기 전까지는 오프(off) 상태로 있다가 직류 전압이 기준 값에 도달하는 A 시점에 발진을 시작하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성할 수 있다. 이와 같이, 무선 전력 중계 장치(500)는 전력 발진기(550)를 능동적으로 제어하기 위한 구성을 필요로 하지 않으며, 완전히 패시브하게(full-passive) 동작할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 방법의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 중계 방법은 본 명세서에서 설명되는 무선 전력 중계 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 단계(810)에서 무선 전력 중계 장치는 제1 안테나를 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신할 수 있다. 제1 안테나는 코일로 구현될 수 있으며, 제1 안테나는 코일 간의 상호 결합을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신할 수 있다.
단계(820)에서, 무선 전력 중계 장치는 정류기를 이용하여 제1 주파수의 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환할 수 있다. 직류 전력으로의 변환에 의해 직류 전압이 생성될 수 있다. 단계(830)에서, 무선 전력 중계 장치는 정류기로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 커패시터와 같은 저장 소자에 저장할 수 있다.
단계(840)에서, 무선 전력 중계 장치는 전력 발진기를 이용하여 정류기의 출력 전류와 저장 소자에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제2 주파수는 제1 주파수와 다르고 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 수신을 위한 동작 주파수와 동일한 주파수일 수 있다. 전력 발진기는 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 시작하고 나서 저장 소자에 저장된 직류 전압이 기준 값에 도달하는 경우에 발진을 시작하여 제2 주파수의 교류 전력 신호의 생성을 시작할 수 있다. 단계(850)에서, 무선 전력 중계 장치는 제2 안테나를 통해, 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송할 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, 610: 무선 전력 전송 장치
120, 220, 230, 320, 400, 500, 620: 무선 전력 중계 장치
130, 340: 무선 전력 수신 장치
510, 630: 제1 안테나 520: 정류기
530: 저장 소자 540, 638: 제2 안테나
550: 전력 발진기

Claims (19)

  1. 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하는 제1 안테나;
    상기 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하는 정류기;
    상기 정류기로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 저장하는 저장 소자;
    상기 정류기의 출력 전류와 상기 저장 소자에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 전력 발진기; 및
    상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송하는 제2 안테나
    를 포함하는 무선 전력 중계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 발진기는,
    상기 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 시작하고 나서 상기 저장 소자에 저장된 직류 전압이 기준 값에 도달하는 경우에 발진(oscillation)하기 시작하는,
    무선 전력 중계 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 발진기는,
    제어 신호에 의한 제어 없이, 상기 직류 전압이 기준 값에 도달하기 전까지는 오프(off) 상태로 있다가 상기 직류 전압이 기준 값에 도달하는 시점에 상기 발진을 시작하여 상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는,
    무선 전력 중계 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 발진기는,
    상기 저장 소자에서 공급되는 직류 전압과 상기 정류기에서 공급되는 전류에 기초하여 상기 제2 주파수로 발진하는,
    무선 전력 중계 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정류기, 상기 저장 소자 및 상기 제2 안테나는 공통 노드에 연결되는,
    무선 전력 중계 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저장 소자는, 커패시터이고,
    상기 커패시터의 일단은 그라운드(GND) 단자에 연결되고, 상기 커패시터의 타단은 상기 정류기 및 상기 제2 안테나와 연결되는,
    무선 전력 중계 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 중계 장치는,
    상기 무선 전력 전송 장치의 일면에 탈부착될 수 있는,
    무선 전력 중계 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 장치는, 모바일 전자 기기이고,
    상기 제1 주파수의 교류 전력 신호는, 상기 모바일 전자 기기의 배터리에 저장된 전기 에너지로부터 생성되는,
    무선 전력 중계 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치는, 체내 삽입형 기기 또는 신체 부착형 기기인,
    무선 전력 중계 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주파수는,
    상기 제1 주파수와 다르고, 상기 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 수신을 위한 동작 주파수와 동일한 주파수인,
    무선 전력 중계 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 정류기는, 복수의 다이오드들을 포함하고,
    상기 전력 발진기는, 2개의 트랜지스터들과 상기 2개 트랜지스터들 각각의 일단에 연결된 커패시터를 포함하는,
    무선 전력 중계 장치.
  12. 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 전송하는 무선 전력 전송 장치; 및
    상기 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하고, 상기 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하며, 상기 직류 전력에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하고, 상기 생성된 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송하는 무선 전력 중계 장치
    를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 무선 전력 중계 장치는,
    상기 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하는 정류기;
    상기 정류기로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 저장하는 저장 소자; 및
    상기 정류기의 출력 전류와 상기 저장 소자에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 전력 발진기
    를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 무선 전력 중계 장치는,
    상기 무선 전력 전송 장치의 일면에 탈부착될 수 있는,
    무선 전력 전송 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 장치는, 모바일 전자 기기이고,
    상기 무선 전력 수신 장치는, 체내 삽입형 기기 또는 신체 부착형 기기인,
    무선 전력 전송 시스템.
  16. 제1 안테나를 통해, 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하는 단계;
    정류기를 이용하여, 상기 수신한 교류 전력 신호를 직류 전력으로 변환하는 단계;
    상기 정류기로부터 출력된 직류 전력의 전기 에너지를 저장 소자에 저장하는 단계;
    전력 발진기를 이용하여, 상기 정류기의 출력 전류와 상기 저장 소자에 저장된 직류 전압의 전기 에너지에 기초하여 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 단계; 및
    제2 안테나를 통해, 상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 중계 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 주파수의 교류 전력 신호를 생성하는 단계는,
    상기 제1 주파수의 교류 전력 신호를 수신하기 시작하고 나서 상기 직류 전압이 기준 값에 도달하는 경우에 발진을 시작하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 중계 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 장치는, 모바일 전자 기기이고,
    상기 제1 주파수의 교류 전력 신호는, 상기 모바일 전자 기기의 배터리에 저장된 전기 에너지로부터 생성되고,
    상기 무선 전력 수신 장치는, 체내 삽입형 기기 또는 신체 부착형 기기인,
    무선 전력 중계 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 주파수는,
    상기 제1 주파수와 다르고, 상기 무선 전력 수신 장치의 무선 전력 수신을 위한 동작 주파수와 동일한 주파수인,
    무선 전력 중계 방법.
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