KR20230015917A - 무선전력 전송장치, 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법, 무선전력 수신장치 및 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법 - Google Patents

무선전력 전송장치, 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법, 무선전력 수신장치 및 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법은, 디지털 핑을 전송하고, 무선전력 수신장치로부터 상기 디지털 핑에 대한 응답을 수신하는 핑 단계;, 상기 무선전력 수신장치로부터, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 수신하는 구성 단계;, 상기 무선전력 수신장치로부터, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 수신하는 협상 단계; 및 상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 전력 전송 단계;를 포함하고, 상기 전력 전송 단계에서, 상기 무선전력 수신장치로부터 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 수신하고, 상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 상기 무선전력 수신장치로 전송한다.

Description

무선전력 전송장치, 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법, 무선전력 수신장치 및 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법
본 명세서는 무선전력을 제공하는 무선전력 전송장치와, 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 무선전력 수신장치, 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법 및 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법 등에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전원 소스와 전자 기기 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술이다. 일 예로 무선 전력 전송 기술은 스마트폰이나 태블릿 등의 무선 단말기를 단지 무선 충전 패드 상에 올려놓는 것만으로 무선 단말기의 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써, 기존의 유선 충전 커넥터를 이용하는 유선 충전 환경에 비해 보다 뛰어난 이동성과 편의성 그리고 안전성을 제공할 수 있다. 무선 전력 전송 기술은 무선 단말기의 무선 충전 이외에도, 전기 자동차, 블루투스 이어폰이나 3D 안경 등 각종 웨어러블 디바이스(wearable device), 가전기기, 가구, 지중시설물, 건물, 의료기기, 로봇, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 주목받고 있다.
무선전력 전송방식을 비접촉(contactless) 전력 전송방식 또는 무접점(no point of contact) 전력 전송방식, 무선충전(wireless charging) 방식이라 하기도 한다. 무선전력 전송 시스템은, 무선전력 전송방식으로 전기에너지를 공급하는 무선전력 전송장치와, 상기 무선전력 전송장치로부터 무선으로 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리셀등 수전장치에 전력을 공급하는 무선전력 수신장치로 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 기술은 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식 등 다양하다. 자기 커플링에 기반한 방식은 다시 자기 유도(magnetic induction) 방식과 자기 공진(magnetic resonance) 방식으로 분류된다. 자기유도 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일 간의 전자기결합에 따라 전송 측 코일배터리셀에서 발생시킨 자기장로 인해 수신 측 코일에 유도되는 전류를 이용하여 에너지를 전송하는 방식이다. 자기공진 방식은 자기장을 이용한다는 점에서 자기유도 방식과 유사하다. 하지만, 자기공진 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일에 특정 공진 주파수가 인가될 때 공진이 발생하고, 이로 인해 전송 측과 수신 측 양단에 자기장이 집중되는 현상에 의해 에너지가 전달되는 측면에서 자기유도와는 차이가 있다.
본 명세서의 기술적 과제는 전력 전송 단계에서 무선전력 전송장치에게 특정 패킷을 요청할 수 있는 무선전력 전송방법 및 무선전력 수신방법 등을 제공함에 있다.
본 명세서의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법은, 디지털 핑을 전송하고, 무선전력 수신장치로부터 상기 디지털 핑에 대한 응답을 수신하는 핑 단계;, 상기 무선전력 수신장치로부터, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 수신하는 구성 단계;, 상기 무선전력 수신장치로부터, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 수신하는 협상 단계; 및 상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 전력 전송 단계;를 포함하고, 상기 전력 전송 단계에서, 상기 무선전력 수신장치로부터 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 수신하고, 상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 상기 무선전력 수신장치로 전송한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하며, 동작 주파수(operating frequency)에서 상기 무선전력 수신장치와의 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 상기 무선전력 수신장치로 상기 무선전력을 전송하는 전력 컨버터; 및 상기 무선전력 수신장치와 통신하며 상기 무선전력의 전송을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 디지털 핑을 전송하고, 상기 무선전력 수신장치로부터 상기 디지털 핑에 대한 응답을 수신하는 핑 단계를 수행하고, 상기 무선전력 수신장치로부터, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 수신하는 구성 단계를 수행하고, 상기 무선전력 수신장치로부터, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 수신하는 협상 단계를 수행하고, 상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 수신장치로 상기 무선전력을 전송하는 전력 전송 단계를 수행하며, 상기 전력 전송 단계에서, 상기 무선전력 수신장치로부터 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 수신하고, 상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 상기 무선전력 수신장치로 전송한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법은, 디지털 핑을 수신하고, 무선전력 전송장치로 상기 디지털 핑에 대한 응답을 전송하는 핑 단계;, 상기 무선전력 전송장치로, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 전송하는 구성 단계;, 상기 무선전력 전송장치로, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 전송하는 협상 단계; 및 상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 전력 전송 단계;를 포함하고, 상기 전력 전송 단계에서, 상기 무선전력 전송장치로 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 전송하고, 상기 무선전력 전송장치로부터 상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 수신한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하고, 동작 주파수(operating frequency)에서 상기 무선전력 전송장치와의 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 상기 무선전력 전송장치로부터 상기 무선전력을 수신하는 전력 픽업; 및 상기 무선전력 전송장치와 통신하며 상기 무선전력의 수신을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 디지털 핑을 수신하고, 무선전력 전송장치로 상기 디지털 핑에 대한 응답을 전송하는 핑 단계를 수행하고, 상기 무선전력 전송장치로, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 전송하는 구성 단계를 수행하고, 상기 무선전력 전송장치로, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 전송하는 협상 단계를 수행하고, 상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 전송장치로부터 상기 무선전력을 수신하는 전력 전송 단계를 수행하며, 상기 전력 전송 단계에서, 상기 무선전력 전송장치로 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 전송하고, 상기 무선전력 전송장치로부터 상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 수신한다.
본 명세서의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
재협상 단계로 진입할 필요없이, 전력 전송 단계에서도 무선전력 수신장치가 원하는 특정 데이터 패킷을 무선전력 전송장치에게 요청하고, 특정 데이터 패킷을 수신할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3a는 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3b는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 10은 일 실시예에 따른 핑 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 구성 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 협상 단계 또는 재협상 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 16은 종래의 Qi 표준에 따른 전력 전송 단계의 상태 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 전력 전송 단계의 상태 다이어 그램을 도시한 도면이다.
도 18은 전력 전송 단계에서 무선전력 전송장치로부터 성능패킷(CAP)을 수신하는 프로토콜을 도시한 흐름도이다.
도 19는 전력 전송 단계에서 무선전력 전송장치로부터 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)을 수신하는 프로토콜을 도시한 흐름도이다.
도 20은 일 예에 따른 무선전력 전송장치의 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
본 명세서에서 “A 또는 B(A or B)”는 “오직 A”, “오직 B” 또는 “A와 B 모두”를 의미할 수 있다. 달리 표현하면, 본 명세서에서 “A 또는 B(A or B)”는 “A 및/또는 B(A and/or B)”으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 “A, B 또는 C(A, B or C)”는 “오직 A”, “오직 B”, “오직 C”, 또는 “A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)”를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 슬래쉬(/)나 쉼표(comma)는 “및/또는(and/or)”을 의미할 수 있다. 예를 들어, “A/B”는 “A 및/또는 B”를 의미할 수 있다. 이에 따라 “A/B”는 “오직 A”, “오직 B”, 또는 “A와 B 모두”를 의미할 수 있다. 예를 들어, “A, B, C”는 “A, B 또는 C”를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 “적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)”는, “오직 A”, “오직 B” 또는 “A와 B 모두”를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 “적어도 하나의 A 또는 B(at least one of A or B)”나 “적어도 하나의 A 및/또는 B(at least one of A and/or B)”라는 표현은 “적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)”와 동일하게 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 “적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)”는, “오직 A”, “오직 B”, “오직 C”, 또는 “A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)”를 의미할 수 있다. 또한, “적어도 하나의 A, B 또는 C(at least one of A, B or C)”나 “적어도 하나의 A, B 및/또는 C(at least one of A, B and/or C)”는 “적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)”를 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 괄호는 “예를 들어(for example)”를 의미할 수 있다. 구체적으로, “제어 정보(PDCCH)”로 표시된 경우, “제어 정보”의 일례로 “PDCCH”가 제안된 것일 수 있다. 달리 표현하면 본 명세서의 “제어 정보”는 “PDCCH”로 제한(limit)되지 않고, “PDDCH”가 “제어 정보”의 일례로 제안될 것일 수 있다. 또한, “제어 정보(즉, PDCCH)”로 표시된 경우에도, “제어 정보”의 일례로 “PDCCH”가 제안된 것일 수 있다.
본 명세서에서 하나의 도면 내에서 개별적으로 설명되는 기술적 특징은, 개별적으로 구현될 수도 있고, 동시에 구현될 수도 있다. 이하에서 사용되는 "무선 전력" 이라는 용어는, 물리적인 전자기 전도체들의 사용없이 무선전력 전송기(wireless power transmitter)로부터 무선전력 수신장치(wireless power receiver)로 전달되는 전기장, 자기장, 전자기장 등과 관련된 임의의 형태의 에너지를 의미하도록 사용된다. 무선전력은 무선 전력 신호(wireless power signal)이라고 불릴 수도 있으며, 1차 코일과 2차 코일에 의해 둘러싸이는(enclosed) 진동하는 자속(oscillating magnetic flux)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이동 전화기, 코드리스 전화기, iPod, MP3 플레이어, 헤드셋 등을 포함하는 디바이스들을 무선으로 충전하기 위해 시스템에서의 전력 변환이 여기에 설명된다. 일반적으로, 무선 전력 전송의 기본적인 원리는, 예를 들어, 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식을 모두 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 시스템(10)은 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(100)는 외부의 전원 소스(S)로부터 전원을 인가받아 자기장을 발생시킨다. 무선 전력 수신 장치(200)는 발생된 자기장을 이용하여 전류를 발생시켜 무선으로 전력을 수신받는다.
또한, 무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송에 필요한 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)간의 통신은 무선 전력 전송에 이용되는 자기장을 이용하는 인-밴드 통신(in-band communication)이나 별도의 통신 캐리어를 이용하는 아웃-밴드 통신(out-band communication) 중 어느 하나의 방식에 따라 수행될 수 있다. 아웃-밴드 통신은 아웃-오브-밴드(out-of-band) 통신이라 불릴 수도 있다. 이하에서는 아웃-밴드 통신으로 용어를 통일하여 기술한다. 아웃-밴드 통신의 예로서 NFC, 블루투스(bluetooth), BLE(bluetooth low energy) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 제공될 수 있다. 고정형의 예로는 실내의 천장이나 벽면 또는 테이블 등의 가구에 임베디드(embedded)되는 형태, 실외의 주차장, 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치되는 형태나 차량이나 기차 등의 운송 수단에 설치되는 형태 등이 있다. 이동형인 무선 전력 전송 장치(100)는 이동 가능한 무게나 크기의 이동형 장치나 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 장치의 일부로 구현될 수 있다.
또 무선 전력 수신 장치(200)는 배터리를 구비하는 각종 전자 기기 및 전원 케이블 대신 무선으로 전원을 공급받아 구동되는 각종 가전 기기를 포함하는 포괄적인 개념으로 해석되어야 한다. 무선 전력 수신 장치(200)의 대표적인 예로는, 이동 단말기(portable terminal), 휴대 전화기(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 개인 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대 미디어 플레이어(PMP: Portable Media Player), 와이브로 단말기(Wibro terminal), 태블릿(tablet), 패블릿(phablet), 노트북(notebook), 디지털 카메라, 네비게이션 단말기, 텔레비전, 전기차량(EV: Electronic Vehicle) 등이 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 수신 장치(200)는 하나 또는 복수일 수 있다. 도 1에서는 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)가 일대일로 전력을 주고 받는 것으로 표현되고 있으나, 도 2와 같이 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 복수의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,..., 200-M)로 전력을 전달하는 것도 가능하다. 특히, 자기 공진 방식으로 무선 전력 전송을 수행하는 경우에는 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 동시 전송 방식이나 시분할 전송 방식을 응용하여 동시에 여러 대의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,...,200-M)로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 도 1에는 무선 전력 전송 장치(100)가 무선 전력 수신 장치(200)에 바로 전력을 전달하는 모습이 도시되어 있으나, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이에 무선전력 전송 거리를 증대시키기 위한 릴레이(relay) 또는 중계기(repeater)와 같은 별도의 무선 전력 송수신 장치가 구비될 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선 전력 송수신 장치로 전력이 전달되고, 무선 전력 송수신 장치가 다시 무선 전력 수신 장치(200)로 전력을 전달할 수 있다.
이하 본 명세서에서 언급되는 무선전력 수신기, 전력 수신기, 수신기는 무선 전력 수신 장치(200)를 지칭한다. 또한 본 명세서에서 언급되는 무선전력 전송기, 전력 전송기, 전송기는 무선 전력 수신 전송 장치(100)를 지칭한다.
도 3a은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3a에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 3a을 참조하면, 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)에는 소전력(약 5W이하 또는 약 20W 이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들에는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)은 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
상술한(또는 도 1에 도시된) 전자 기기들/이동 수단들은 후술하는 무선 전력 수신기를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 전자 기기들/이동 수단들은 무선 전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
이하에서는 전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 명세서에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
무선전력 전송에 관한 표준(standard)은 WPC(wireless power consortium), AFA(air fuel alliance), PMA(power matters alliance)을 포함한다.
WPC 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다. BPP는 5W의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이고, EPP는 5W보다 크고 30W보다 작은 범위의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다.
서로 다른 전력레벨(power level)을 사용하는 다양한 무선전력 전송장치와 수신장치들이 각 표준별로 커버되고, 서로 다른 전력 클래스(power class) 또는 카테고리로 분류될 수 있다.
예를 들어, WPC는 무선전력 전송장치와 수신장치를 전력 클래스(power class :PC) -1, PC0, PC1, PC2로 분류하고, 각 PC에 대한 표준문서를 제공한다. PC-1 표준은 5W 미만의 보장전력(guaranteed power)을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC-1의 어플리케이션은 스마트 시계와 같은 웨어러블 기기를 포함한다.
PC0 표준은 5W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC0 표준은 보장전력이 30W까지인 EPP를 포함한다. 인-밴드(in-band :IB) 통신이 PC0의 필수적인(mandatory) 통신 프로토콜이나, 옵션의 백업 채널로 사용되는 아웃-밴드(out-band : OB) 통신도 사용될 수 있다. 무선전력 수신장치는 OB의 지원 여부를 구성 패킷(configuration packe)내의 OB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OB를 지원하는 무선전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OB 핸드오버 페이즈(handover phase)로 진입할 수 있다. 상기 구성 패킷에 대한 응답은 NAK, ND 또는 새롭게 정의되는 8비트의 패턴일 수 있다. PC0의 어플리케이션은 스마트폰을 포함한다.
PC1 표준은 30W~150W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. OB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴을 이용하여 OB 핸드오버 페이즈로 진입할 수 있다. PC1의 어플리케이션은 랩탑이나 전동 공구(power tool)을 포함한다.
PC2 표준은 200W~2kW의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것으로서, 그 어플리케이션은 주방가전을 포함한다.
이렇듯 전력 레벨에 따라 PC가 구별될 수 있으며, 동일한 PC간 호환성(compatibility)을 지원할지 여부는 선택 또는 필수 사항일 수 있다. 여기서 동일한 PC간 호환성은, 동일한 PC 간에는 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 동일한 PC x를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 동일한 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다. 이와 유사하게 서로 다른 PC간의 호환성 역시 지원 가능할 수 있다. 여기서 서로 다른 PC간 호환성은, 서로 다른 PC 간에도 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 PC y를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 서로 다른 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다.
PC간 호환성의 지원은 사용자 경험(User Experience) 및 인프라 구축 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 다만, PC간 호환성 유지에는 기술적으로 아래와 같은 여러 문제점이 존재한다.
동일한 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 연속적으로 전력이 전송되는 경우에만 안정적으로 충전이 가능한 랩-탑 충전(lap-top charging) 방식의 무선 전력 수신장치는, 동일한 PC의 무선 전력 송신장치라 하더라도, 불연속적으로 전력을 전송하는 전동 툴 방식의 무선 전력 송신장치로부터 전력을 안정적으로 공급받는 데 문제가 있을 수 있다. 또한, 서로 다른 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 최소 보장 전력이 200W인 무선 전력 송신장치는 최대 보장 전력이 5W인 무선 전력 수신장치로 전력을 송신하는 경우, 과전압으로 인해 무선전력 수신장치가 파손될 위험이 있다. 그 결과, PC는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 삼기 어렵다.
무선전력 전송 및 수신장치들은 매우 편리한 사용자 경험과 인터페이스(UX/UI)를 제공할 수 있다. 즉, 스마트 무선충전 서비스가 제공될 수 있다, 스마트 무선충전 서비스는 무선전력 전송장치를 포함하는 스마트폰의 UX/UI에 기초하여 구현될 수 있다. 이러한 어플리케이션을 위해, 스마트폰의 프로세서와 무선충전 수신장치간의 인터페이스는 무선전력 전송장치와 수신장치간의 "드롭 앤 플레이(drop and play)" 양방향 통신을 허용한다.
일례로서, 사용자는 호텔에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 호텔 방으로 입장하고 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to ### hotel. Select "Yes" to activate smart charging functions : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 스마트 충전 기능을 함께 수행한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 WiFi 자격(wifi credentials) 자동 입력(auto-filled)을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선충전기는 WiFi 자격을 스마트폰으로 전송하고, 스마트폰은 적절한 앱을 실행하여 무선충전기로부터 수신된 WiFi 자격을 자동적으로 입력한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 호텔 프로모션을 제공하는 호텔 어플리케이션을 실행하거나, 원격 체크인/체크아웃 및 컨택 정보들을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 사용자는 차량 내에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 차량에 탑승하고 스마트폰을 무선충전기 위에 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰에 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이러한 과정에서, 무선 충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 신분(identity)를 확인을 문의하는 상태로 진입한다.
이 상태에서, 스마트폰은 WiFi 및/또는 블루투스를 통해 자동적으로 자동차와 연결된다. 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to your car. Select "Yes" to synch device with in-car controls : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 차량내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어를 구동함으로서, 차량 내 스마트 제어 기능을 함께 수행할 수 있다. 사용자는 원하는 음악을 즐길 수 있고, 정규적인 맵 위치를 확인할 수 있다. 차량 내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어는 통행자들을 위한 동기화 접근을 제공하는 성능을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 사용자는 스마트 무선 충전을 댁내에서 경험할 수 있다. 사용자가 방으로 들어가서 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building?: Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 스마트폰과 무선 충전기는 적어도 사용자의 패턴을 인지하고 사용자에게 문과 창문을 잠그거나 불을 끄거나, 알람을 설정하도록 권유할 수 있다.
이하에서는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 '프로필(profile)'을 새롭게 정의하기로 한다. 즉, 동일한 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신 장치간에는 호환성이 유지되어 안정적인 전력 송수신이 가능하며, 서로 다른 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신장치간에는 전력 송수신이 불가한 것으로 해석될 수 있다. 프로필은 전력 클래스와 무관하게(또는 독립적으로) 호환 가능 여부 및/또는 어플리케이션에 따라 정의될 수 있다.
프로필은 크게 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 이렇게 3가지로 구분될 수 있다.
또는, 프로필은 크게 i) 모바일, ii) 전동 툴, iii) 주방 및 iv) 웨어러블 이렇게 4가지로 구분될 수 있다.
'모바일' 프로필의 경우, PC는 PC0 및/또는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB 및 OB, 동작 주파수는 87~205kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 스마트폰, 랩-탑 등이 존재할 수 있다.
'전동 툴' 프로필의 경우, PC는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~145kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 전동 툴 등이 존재할 수 있다.
'주방' 프로필의 경우, PC는 PC2, 통신 프로토콜/방식은 NFC-기반, 동작 주파수는 100kHz 미만으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 주방/가전 기기 등이 존재할 수 있다.
전동 툴과 주방 프로필의 경우, 무선전력 전송장치와 수신장치 간에 NFC 통신이 사용될 수 있다. 무선전력 전송장치와 수신장치는 WPC NDEF(NFC Data Exchange Profile Format)을 교환함으로써 상호간에 NFC 기기임을 확인할 수 있다.
도 3b는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 3b를 참조하면, WPC NDEF는 예를 들어, 어플리케이션 프로파일(application profile) 필드(예를 들어 1B), 버전 필드(예를 들어 1B), 및 프로파일 특정 데이터(profile specific data, 예를 들어 1B)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로파일 필드는 해당 장치가 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 중 어느 것인지를 지시하고, 버전 필드의 상위 니블(upper nibble)은 메이저 버전(major version)을 지시하고 하위 니블(lower nibble)은 마이너 버전(minor version)을 지시한다. 또한 프로파일 특정 데이터는 주방을 위한 컨텐츠를 정의한다.
'웨어러블' 프로필의 경우, PC는 PC-1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~205kHz으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 사용자 몸에 착용하는 웨어러블 기기 등이 존재할 수 있다.
동일한 프로필간에는 호환성 유지는 필수 사항일 수 있으며, 다른 프로필간의 호환성 유지는 선택 사항일 수 있다.
상술한 프로필(모바일 프로필, 전동 툴 프로필, 주방 프로필 및 웨어러블 프로필)들은 제1 내지 제n 프로필로 일반화되어 표현될 수 있으며, WPC 규격 및 실시예에 따라 새로운 프로필이 추가/대체될 수 있다.
이와 같이 프로필이 정의되는 경우, 무선 전력 전송장치가 자신과 동일한 프로필의 무선 전력 수신장치에 대해서만 선택적으로 전력 송신을 수행하여 보다 안정적으로 전력 송신이 가능하다. 또한 무선 전력 전송장치의 부담이 줄어들고, 호환이 불가능한 무선 전력 수신장치로의 전력 송신을 시도하지 않게 되므로 무선 전력 수신장치의 파손 위험이 줄어든다는 효과가 발생한다.
'모바일' 프로필 내의 PC1은 PC0를 기반으로 OB와 같은 선택적 확장을 차용함으로써 정의될 수 있으며, '전동 툴' 프로필의 경우, PC1 '모바일' 프로필이 단순히 변경된 버전으로서 정의될 수 있다. 또한, 현재까지는 동일한 프로필간의 호환성 유지를 목적으로 정의되었으나, 추후에는 서로 다른 프로필간의 호환성 유지 방향으로 기술이 발전될 수 있다. 무선 전력 전송장치 또는 무선 전력 수신장치는 다양한 방식을 통해 자신의 프로필을 상대방에게 알려줄 수 있다.
AFA 표준은 무선 전력 전송장치를 PTU(power transmitting circuit)이라 칭하고, 무선 전력 수신장치를 PRU(power receiving circuit)이라 칭하며, PTU는 표 1과 같이 다수의 클래스로 분류되고, PRU는 표 2와 같이 다수의 카테고리로 분류된다.
PTU PTX_IN_MAX 최소 카테고리 지원 요구사항 지원되는 최대 기기 개수를 위한 최소값
Class 1 2W 1x 카테고리 1 1x 카테고리 1
Class 2 10W 1x 카테고리 3 2x 카테고리 2
Class 3 16W 1x 카테고리 4 2x 카테고리 3
Class 4 33W 1x 카테고리 5 3x 카테고리 3
Class 5 50W 1x 카테고리 6 4x 카테고리 3
Class 6 70W 1x 카테고리 7 5x 카테고리 3
PRU PRX_OUT_MAX' 예시 어플리케이션
Category 1 TBD 블루투스 헤드셋
Category 2 3.5W 피쳐폰
Category 3 6.5W 스마트폰
Category 4 13W 태블릿, 패플릿
Category 5 25W 작은 폼팩터 랩탑
Category 6 37.5W 일반 랩탑
Category 7 50W 가전
표 1에서와 같이, 클래스 n PTU의 최대 출력 전력 성능(capability)은 해당 클래스의 PTX_IN_MAX 값보다 크거나 같다. PRU는 해당 카테고리에서 명세된(specified) 전력보다 더 큰 전력을 끌어당길(draw) 수는 없다.
도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(450) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(400)을 포함한다.
베이스 스테이션(400)은 유도 전력 또는 공진 전력을 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 무선 전력 전송장치(power transmitter, 100) 및 시스템 회로(405)을 포함할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는, 1차 코일(primary coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 회로(power conversion circuit, 110) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 무선 전력 수신장치(200)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 회로(communications & control circuit, 120)을 포함할 수 있다. 시스템 회로(405)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 무선전력 전송장치들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(400)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.
1차 코일은 교류 전력(또는 전압 또는 전류)을 이용하여 전자기장을 발생시킬 수 있다. 1차 코일은 전력 변환 회로(110)에서 출력되는 특정 주파수의 교류전력(또는 전압 또는 전류)을 인가받고, 이에 따라 특정 주파수의 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기장은 비방사형 또는 방사형으로 발생할 수 있는데, 무선 전력 수신 장치(200)는 이를 수신하여 전류를 생성하게 된다. 다시 말해 1차 코일은 무선으로 전력을 전송하는 것이다.
자기 유도 방식에서, 1차 코일과 2차 코일은 임의의 적합한 형태들을 가질 수 있으며, 예컨대, 페라이트 또는 비정질 금속과 같은 고투자율의 형성물의 주위에 감긴 동선일 수 있다. 1차 코일은 전송 코일(transmitting coil), 1차 코어(primary core), 1차 와인딩(primary winding), 1차 루프 안테나(primary loop antenna) 등으로 불릴 수도 있다. 한편, 2차 코일은 수신 코일(receiving coil), 2차 코어(secondary core), 2차 와인딩(secondary winding), 2차 루프 안테나(secondary loop antenna), 픽업 안테나(pickup antenna) 등으로 불릴 수도 있다.
자기 공진 방식을 이용하는 경우에는 1차 코일과 2차 코일은 각각 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 형태로 제공될 수 있다. 공진 안테나는 코일과 캐패시터를 포함하는 공진 구조를 가질 수 있다. 이때 공진 안테나의 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다. 여기서, 코일은 루프의 형태로 이루어질 수 있다. 또 루프의 내부에는 코어가 배치될 수 있다. 코어는 페라이트 코어(ferrite core)와 같은 물리적인 코어나 공심 코어(air core)를 포함할 수 있다.
1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 간의 에너지 전송은 자기장의 공진 현상을 통해 이루어질 수 있다. 공진 현상이란 하나의 공진 안테나에서 공진 주파수에 해당하는 근접장이 발생할 때 주위에 다른 공진 안테나가 위치하는 경우, 양 공진 안테나가 서로 커플링되어 공진 안테나 사이에서 높은 효율의 에너지 전달이 일어나는 현상을 의미한다. 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 안테나 사이에서 공진 주파수에 해당하는 자기장이 발생하면, 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나가 서로 공진하는 현상이 발생되고, 이에 따라 일반적인 경우 1차 공진 안테나에서 발생한 자기장이 자유공간으로 방사되는 경우에 비해 보다 높은 효율로 2차 공진 안테나를 향해 자기장이 집속되며, 따라서 1차 공진 안테나로부터 2차 공진 안테나에 높은 효율로 에너지가 전달될 수 있다. 자기 유도 방식은 자기 공진 방식과 유사하게 구현될 수 있으나 이때에는 자기장의 주파수가 공진 주파수일 필요가 없다. 대신 자기 유도 방식에서는 1차 코일과 2차 코일을 구성하는 루프 간의 정합이 필요하며 루프 간의 간격이 매우 근접해야 한다.
도면에 도시되지 않았으나, 무선 전력 전송장치(100)는 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신 할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 무선 전력 수신 장치(200)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 IB 통신 모듈 또는 OB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(120)은 무선전력 전송의 동작 주파수에 통신 정보를 실어 1차 코일을 통해 전송하거나 또는 정보가 담긴 동작 주파수를 1차 코일을 통해 수신함으로써 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying), 주파수 편이(FSK: Frequency Shift Keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 회로(120)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(120)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다. 근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 무선 전력 전송 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력전송 장치(100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 회로(120)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 회로(120)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 동작 포인트(operating point)를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 일정한 전력을 공급하고, 무선 전력 수신장치(200)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.
모바일 기기(450)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 무선전력 수신장치(power receiver, 200)와 무선전력 수신장치(200)에서 수신된 전력을 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 부하(load, 455)를 포함한다.
무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 회로(power pick-up circuit, 210) 및 통신/컨트롤 회로(communications & control circuit, 220)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 회로(210)은 2차 코일을 통해 무선 전력을 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 전력 픽업 회로(210)은 2차 코일을 통해 얻어지는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환한다. 통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력의 송신과 수신(전력 전달 및 수신)을 제어할 수 있다.
2차 코일은 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송되는 무선 전력을 수신할 수 있다. 2차 코일은 1차 코일에서 발생하는 자기장을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 특정 주파수가 공진 주파수인 경우에는 1차 코일과 2차 코일 간에 자기 공진 현상이 발생하여 보다 효율적으로 전력을 전달받을 수 있다.
도 4에는 도시되지 않았으나 통신/컨트롤 회로(220)은 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력 전송 장치(100)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(220)은 IB 통신 모듈 또는 OB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(220)은 자기파에 정보를 실어 2차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 2차 코일을 통해 수신함으로써 IB 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying), 주파수 편이(FSK: Frequency Shift Keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 회로(220)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(220)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다.
근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력 수신 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(220)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력수신 장치(200)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 회로(220)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 회로(220)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(selection phase, 510), 핑 단계(ping phase, 520), 식별 및 구성 단계(identification and configuration phase, 530), 협상 단계(negotiation phase, 540), 보정 단계(calibration phase, 550), 전력 전송 단계(power transfer phase, 560) 단계 및 재협상 단계(renegotiation phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계-예를 들면, 도면 부호 S502, S504, S508, S510 및 S512를 포함함-일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 무선전력 전송장치가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 매우 짧은 구간(duration)에 해당하는 전력 신호(또는 펄스)인 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
선택 단계(510)에서 물체가 감지되는 경우, 무선전력 전송장치는 무선전력 공진 회로(예를 들어 전력전송 코일 및/또는 공진 캐패시터)의 품질 인자를 측정할 수 있다. 본 명세서의 일 실시예에서는 선택단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선전력 수신장치가 놓였는지 판단하기 위하여 품질 인자를 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치에 구비되는 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 품질 인자 값이 감소하게 된다. 측정된 품질 인자 값을 이용하여 이물질의 존재 여부를 판단하기 위해, 무선전력 전송장치는 충전 영역에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 미리 측정된 기준 품질 인자 값을 무선전력 수신장치로부터 수신할 수 있다. 협상 단계(540)에서 수신된 기준 품질 인자 값과 측정된 품질 인자 값을 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다. 그러나 기준 품질 인자 값이 낮은 무선전력 수신장치의 경우-일 예로, 무선전력 수신장치의 타입, 용도 및 특성 등에 따라 특정 무선전력 수신장치는 낮은 기준 품질 인자 값을 가질 수 있음-, 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 품질 인자 값과 기준 품질 인자 값 사이의 큰 차이가 없어 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 따라서 다른 판단 요소를 더 고려하거나, 다른 방법을 이용하여 이물질 존재 여부를 판단해야 한다.
본 명세서의 또 다른 실시예에서는 선택 단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 배치되었는지 판단하기 위하여 특정 주파수 영역 내(ex 동작 주파수 영역) 품질 인자 값을 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치의 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬 저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 무선전력 전송장치의 코일의 공진 주파수가 변경(시프트)될 수 있다. 즉, 동작 주파수 대역 내 최대 품질 인자 값이 측정되는 주파수인 품질 인자 피크(peak) 주파수가 이동될 수 있다.
핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 무선전력 전송장치는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
무선전력 전송장치는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 협상이 필요하면, 무선전력 전송장치는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다. 반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 피크 주파수 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 품질 인자 값 및 기준 피크 주파수 값이 포함된 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치를 결정할 수 있다. 무선전력 전송장치는 기준 피크 주파수 값에 기반하여 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치를 결정할 수 있다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값(핑 단계 이전에 측정된 품질인자 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치 및 현재 측정된 피크 주파수 값(핑 단계 이전에 측정된 피크 주파수 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 무선전력 전송장치는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 무선전력 전송장치는 FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 무선전력 전송장치 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 무선전력 전송장치는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
본 실시예에서는 보정 단계(550과 전력 전송 단계(560)를 별개의 단계로 구분하였지만, 보정 단계(550)는 전력 전송 단계(560)에 통합될 수 있다. 이 경우 보정 단계(550)에서의 동작들은 전력 전송 단계(560)에서 수행될 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 무선전력 전송장치와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 무선전력 전송장치 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 6에서 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치(100) 및 무선전력 수신장치(200)는 전력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트롤할 수 있다. 무선전력 전송장치 및 무선전력 수신장치는 특정 컨트롤 포인트에서 동작한다. 컨트롤 포인트는 전력 전달이 수행될 때 무선전력 수신장치의 출력단(output)에서 제공되는 전압 및 전류의 조합(combination)을 나타낸다.
더 상세히 설명하면, 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트(desired Control Point)- 원하는 출력 전류/전압, 모바일 기기의 특정 위치의 온도 등을 선택하고, 추가로 현재 동작하고 있는 실제 컨트롤 포인트(actual control point)를 결정한다. 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트와 실제 컨트롤 포인트를 사용하여, 컨트롤 에러 값(control error value)을 산출하고, 이를 제어오류패킷(CE)으로서 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다.
그리고 무선전력 전송장치는 수신한 제어오류패킷(CE)을 사용하여 새로운 동작 포인트- 진폭, 주파수 및 듀티 사이클-를 설정/컨트롤하여 전력 전달을 제어할 수 있다. 따라서 제어오류패킷(CE)은 전략 전달 단계에서 일정 시간 간격으로 전송/수신되며, 실시예로서 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치의 전류를 저감하려는 경우 컨트롤 에러 값을 음수로, 전류를 증가시키려는 경우 컨트롤 에러 값을 양수로 설정하여 전송할 수 있다. 이와 같이 유도 모드에서는 무선전력 수신장치가 제어오류패킷(CE)을 무선전력 전송장치로 송신함으로써 전력 전달을 제어할 수 있다.
이하에서 설명할 공진 모드에서는 유도 모드에서와는 다른 방식으로 동작할 수 있다. 공진 모드에서는 하나의 무선전력 전송장치가 복수의 무선전력 수신장치를 동시에 서빙할 수 있어야 한다. 다만 상술한 유도 모드와 같이 전력 전달을 컨트롤하는 경우, 전달되는 전력이 하나의 무선전력 수신장치와의 통신에 의해 컨트롤되므로 추가적인 무선전력 수신장치들에 대한 전력 전달은 컨트롤이 어려울 수 있다. 따라서 본 명세서의 공진 모드에서는 무선전력 전송장치는 기본 전력을 공통적으로 전달하고, 무선전력 수신장치가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤하는 방법을 사용하고자 한다. 다만, 이러한 공진 모드의 동작에서도 도 6에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 6의 방법으로 수행할 수도 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다. 쉐어드 모드는 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치간에 1대다 통신 및 충전을 수행하는 모드를 지칭할 수 있다. 쉐어드 모드는 자기 유도 방식 또는 공진 방식으로 구현될 수 있다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(700)는 코일 어셈블리를 덮는 커버(720), 전력 송신기(740)로 전력을 공급하는 전력 어답터(730), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(740) 또는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(750) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(750)는 옵셔널하게 포함되거나, 무선 전력 전송 장치(700)의 다른 사용자 인터페이스(750)로서 포함될 수도 있다.
전력 송신기(740)는 코일 어셈블리(760), 임피던스 매칭 회로(770), 인버터(780), 통신 회로(790) 또는 컨트롤 회로(710) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
코일 어셈블리(760)는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하며, 코일 셀로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 인버터와 1차 코일(들) 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 임피던스 매칭 회로(770)는 1차 코일 전류를 부스팅(boost)하는 적합한(suitable) 주파수에서 공진(resonance)을 발생시킬 수 있다. 다중-코일(multi-coil) 전력 송신기(740)에서 임피던스 매칭 회로는 인버터에서 1차 코일들의 서브세트로 신호를 라우팅하는 멀티플렉스를 추가로 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 회로는 탱크 회로(tank circuit)로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 연결을 스위칭하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 임피던스의 매칭은 코일 어셈블리(760)를 통해 전송되는 무선전력의 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 스위칭 소자를 스위칭하여 캐패시터나 인덕터의 연결 상태를 조정하거나 캐패시터의 캐패시턴스를 조정하거나 인덕터의 인덕턴스를 조정함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(770)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(770)가 생략된 무선전력 전송장치(700)의 실시예도 포함한다.
인버터(780)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(780)는 가변(adjustable) 주파수의 펄스 웨이브 및 듀티 사이클을 생성하도록 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구동될 수 있다. 또한 인버터는 입력 전압 레벨을 조정하도록 복수의 스테이지들을 포함할 수도 있다.
통신 회로(790)은 전력 수신기와의 통신을 수행할 수 있다. 전력 수신기는 전력 송신기에 대한 요청 및 정보를 통신하기 위해 로드(load) 변조를 수행한다. 따라서 전력 송신기(740)는 통신 회로(790)을 사용하여 전력 수신기가 전송하는 데이터를 복조하기 위해 1차 코일의 전류 및/또는 전압의 진폭 및/또는 위상을 모니터링할 수 있다.
또한, 전력 송신기(740)는 통신 회로(790)을 통해 FSK(Frequency Shift Keying) 방식 등을 사용하여 데이터를 전송하도록 출력 전력을 컨트롤할 수도 있다.
컨트롤 회로(710)은 전력 송신기(740)의 통신 및 전력 전달을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤 회로(710)은 상술한 동작 포인트를 조정하여 전력 전송을 제어할 수 있다. 동작 포인트는, 예를 들면, 동작 주파수, 듀티 사이클 및 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
통신 회로(790) 및 컨트롤 회로(710)은 별개의 회로/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 회로/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다.
도 8에서, 무선전력 수신 장치(800)는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(820), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(830), 로드 회로(load circuit, 840) 또는 코일 어셈블리를 받치며 커버하는 베이스(850) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(820)는 옵셔널하게 포함되거나, 전력 수신 장비의 다른 사용자 인터페이스(82)로서 포함될 수도 있다.
전력 수신기(830)는 전력 컨버터(860), 임피던스 매칭 회로(870), 코일 어셈블리(880), 통신 회로(890) 또는 컨트롤 회로(810) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 컨버터(860)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 실시예로서, 전력 컨버터(860)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 정류기는 수신된 무선 전력을 정류하여 교류에서 직류로 변환할 수 있다. 정류기는 다이오드나 트랜지스터를 이용하여 교류를 직류로 변환하고, 캐패시터와 저항을 이용하여 이를 평활할 수 있다. 정류기로는 브릿지 회로 등으로 구현되는 전파 정류기, 반파 정류기, 전압 체배기 등이 이용될 수 있다. 추가로, 전력 컨버터는 전력 수신기의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(870)는 전력 컨버터(860) 및 로드 회로(840)의 조합과 2차 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 실시예로서, 임피던스 매칭 회로는 전력 전달을 강화할 수 있는 100kHz 근방의 공진을 발생시킬 수 있다. 임피던스 매칭 회로(870)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 조합을 스위칭하는 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 임피던스의 정합은 수신되는 무선 전력의 전압값이나 전류값, 전력값, 주파수값 등에 기초하여 임피던스 매칭 회로(870)를 구성하는 회로의 스위칭 소자를 제어함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(870)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(870)가 생략된 무선전력 수신장치(200)의 실시예도 포함한다.
코일 어셈블리(880)는 적어도 하나의 2차 코일을 포함하며, 옵셔널하게는 자기장으로부터 수신기의 금속 부분을 쉴딩(shield)하는 엘러먼트(element)를 더 포함할 수도 있다.
통신 회로(890)은 전력 송신기로 요청(request) 및 다른 정보를 통신하기 위해 로드 변조를 수행할 수 있다.
이를 위해 전력 수신기(830)는 반사 임피던스를 변경하도록 저항 또는 커패시터를 스위칭할 수도 있다.
컨트롤 회로(810)은 수신 전력을 컨트롤할 수 있다. 이를 위해 컨트롤 회로(810)은 전력 수신기(830)의 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 결정/산출할 수 있다. 그리고 컨트롤 회로(810)은 전력 송신기의 반사 임피던스의 조정 및/또는 전력 송신기의 동작 포인트 조정 요청을 수행함으로써 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 조정/저감할 수 있다. 이 차이를 최소화하는 경우 최적의 전력 수신을 수행할 수 있다.
통신 회로(890) 및 컨트롤 회로(810)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 9를 참조하면, 쉐어드 모드로 동작하는 무선 전력 수신장치는, 선택 상태(Selection Phase) (1100), 도입 상태(Introduction Phase)(1110), 설정 상태(Configuration Phase) (1120), 교섭 상태(Negotiation Phase)(1130) 및 전력 전송 상태(Power Transfer Phase) (1140) 중 어느 하나의 상태로 동작할 수 있다.
우선, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 수신장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 신호를 전송할 수 있다. 즉, 무선 전력 신호를 이용하여, 무선 전력 수신장치를 감지하는 과정을 아날로그 핑(Analog ping)이라 할 수 있다.
한편, 무선 전력 신호를 수신한 무선 전력 수신장치는 선택 상태(1100)에 진입할 수 있다. 선택 상태(1100)에 진입한 무선 전력 수신장치는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 무선 전력 신호 상에 FSK 신호의 존재를 감지할 수 있다.
즉, 무선 전력 수신장치는 FSK 신호의 존재 여부에 따라 익스클루시브 모드 또는 쉐어드 모드 중 어느 하나의 방식으로 통신을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신장치는 무선 전력 신호에 FSK 신호가 포함되어 있으면, 쉐어드 모드로 동작하고, 그렇지 않은 경우, 익스클루시브 모드로 동작할 수 있다.
무선 전력 수신장치가 쉐어드 모드로 동작하는 경우, 상기 무선 전력 수신장치는 도입 상태(1110)에 진입할 수 있다. 도입 상태(1110)에서, 무선 전력 수신장치는, 설정 상태, 교섭 상태 및 전력 전송 상태에서, 제어 정보 패킷(CI, Control Information packet)을 전송하기 위하여, 무선 전력 전송장치에게 제어 정보 패킷을 전송할 수 있다. 제어 정보 패킷은, 헤더(Header) 및 제어와 관련된 정보를 가질 수 있다. 예를 들어, 제어 정보 패킷은, 헤더가 0X53일 수 있다.
도입 상태(1110)에서, 무선전력 수신장치는 제어정보(control information: CI) 패킷을 전송하기 위해 자유슬롯(free slot)을 요청하는 시도를 다음의 구성, 협상, 전력 전송 단계에 걸쳐 수행한다. 이때 무선전력 수신장치는 자유슬롯을 선택하고 최초 CI 패킷을 전송한다. 만약 무선전력 전송장치가 해당 CI 패킷에 ACK으로 응답하면, 무선전력 전송장치는 구성 단계로 진입한다. 만약 무선전력 전송장치가 NAK으로 응답하면, 다른 무선전력 수신장치가 구성 및 협상 단계를 통해 진행되고 있는 것이다. 이 경우, 무선전력 수신장치는 자유슬롯의 요구를 재시도한다.
만약 무선전력 수신장치가 CI 패킷에 대한 응답으로 ACK을 수신하면, 무선전력 수신장치는 최초 프레임 싱크까지 나머지 슬롯 싱크들을 카운팅함으로써 프레임 내의 개인 슬롯(private slot)의 위치를 결정한다. 모든 후속 슬롯 기반 프레임들에서, 무선전력 수신장치는 해당 슬롯을 통해 CI 패킷을 전송한다.
만약 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 구성 단계로 진행함을 허락하면, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치의 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯(locked slot) 시리즈를 제공한다. 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 구성 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 2개의 식별 데이터 패킷들(IDHI와 IDLO)와 같은 데이터 패킷의 시퀀스들을 잠금 슬롯을 사용하여 전송한다. 본 단계를 완료하면, 무선전력 수신장치는 협상 단계로 진입한다. 협상 단계에서, 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯을 계속 제공한다. 이는 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 협상 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 해당 잠금 슬롯을 사용하여 하나 또는 그 이상의 협상 데이터 패킷들을 전송하며, 이는 사적 데이터 패킷들과 섞일 수도 있다. 결국 해당 시퀀스는 특정 요청 (specific request (SRQ)) 패킷과 함께 종료된다. 해당 시퀀스를 완료하면, 무선전력 수신장치는 전력 전송 단계로 진입하고, 무선전력 전송장치는 잠금 슬롯의 제공을 중단한다.
전력 전송 상태에서, 무선전력 수신장치는 할당된 슬롯을 사용하여 CI 패킷의 전송을 수행하며, 전력을 수신한다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 포함할 수 있다. 레귤레이터 회로는 통신/제어 회로에 포함될 수 있다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 통해 무선전력 수신장치의 반사 임피턴스를 자가-조절(self-regulate)할 수 있다. 다시 말해, 무선전력 수신장치는 외부 부하에 의해 요구되는 양의 파워를 전송하기 위해 반사되는 임피던스를 조정할 수 있다. 이는 과도한 전력의 수신과 과열을 방지할 수 있다.
쉐어드 모드에서, 무선전력 전송장치는 수신되는 CI 패킷에 대한 응답으로서 전력을 조정하는 것을 수행하지 않을 수 있기 때문에(동작 모드에 따라), 이 경우에는 과전압 상태를 막기 위한 제어가 필요할 수 있다.
도 5 및 도 9 등에서 설명한 바와 같이, 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치는 핑 단계(Ping Phase), 구성 단계(Configuration Phase) 및 협상 단계(Negotiation Phase)를 거쳐 전력 전송 단계(Power Transfer Phase)로 진입하거나, 전력 전송 단계에서 재협상 단계(Re-negotiation Phase)로 진입하고 재협상 단계가 종료되면 다시 전력 전송 단계를 수행할 수 있다. 재협상 단계가 진행되는 동안에도 전력 전송은 계속하여 이루어질 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 핑 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 핑 단계에서, 무선전력 전송장치(1010)는 아날로그 핑을 전송하여 작동 공간(operating volume) 내에 물체가 존재하는지 여부를 확인한다(S1101). 무선전력 전송장치(1010)는 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 작동 공간 내에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
아날로그 핑에 의해 작동 공간 내에 물체가 존재하는 것으로 판단되면, 무선전력 전송장치(1010)는 작동 공간(operating volume) 내에 이물질이 존재하는지 여부를 확인하기 위해 전력 전송 전 이물질 검출(FOD)을 수행할 수 있다(S1102). 무선전력 전송장치(1010)는 NFC 카드 및/또는 RFID 태그를 보호하기 위한 동작을 수행할 수도 있다.
이후, 무선전력 전송장치(1010)는 디지털 핑을 전송하여 무선전력 수신장치(1020)를 식별한다(S1103). 무선전력 수신장치(1020)는 디지털 핑을 수신하여 무선전력 전송장치(1010)를 인지하게 된다.
디지털 핑을 수신한 무선전력 수신장치(1020)는 신호 세기 패킷(SIG, Signal Strength data packet)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송한다(S1104).
무선전력 수신장치(1020)로부터 SIG를 수신한 무선전력 전송장치(1010)는 무선전력 수신장치(1020)가 작동 공간(operating volume) 내에 위치하였음을 식별할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 구성 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
구성 단계(또는 식별 및 구성 단계)에서, 무선전력 수신장치(1020)는 자신의 식별 정보 및 구성 정보 등을 무선전력 전송장치(1010)로 전송하고, 무선전력 수신장치(1020)와 무선전력 전송장치(1010)는 기본 전력 전송 계약(baseline Power Transfer Contract)을 수립할 수 있다.
도 11을 참조하면, 구성 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)는, 자신을 식별시키기 위해 ID(identification data packet)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송할 수 있다(S1201). 또한, 무선전력 수신장치(1020)는 XID(Extended Identification data packet)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송할 수 있다(S1202). 또한, 무선전력 수신장치(1020)는 전력 전송 계약 등을 위해 PCH(Power Control Hold-off data packet)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송할 수 있다(S1203). 또한, 무선전력 수신장치(1020)는 전력 전송 계약 등을 위해 구성 패킷(CFG, Configuration data packet)을 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다(S1204).
EPP를 위한 확장된 프로토콜(Extended Protocol)에 따르는 경우, 무선전력 전송장치(1010)는 CFG에 대한 응답으로 ACK를 전송할 수 있다(S1205).
PCH는 tdelay에 대한 정보를 포함할 수 있다. tdelay는 제어오류패킷(CE)와 전력 레벨 조정 윈도우 사이의 딜레이 시간을 의미한다. tdelay는 기본 전력 전송 계약의 요소 중 하나이다. PCH는 1 바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있으며, PCH의 메시지 필드에는 tdelay/1ms 값이 포함될 수 있다. tdelay는 5ms 내지 100ms의 값을 가질 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 구성 패킷(CFG)은 0x51의 헤더값을 가질 수 있고, 도 12를 참조하면, 5 바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드에는 1 비트의 인증(AI) 플래그와 1 비트의 아웃밴드(OB) 플래그가 포함될 수 있다.
인증 플래그(AI)는 무선전력 수신장치(1020)가 인증 기능을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 인증 플래그(AI)의 값이 '1'이면 무선전력 수신장치(1020)가 인증 기능을 지원하거나 인증 개시자(Authentication Initiator)로 동작할 수 있음을 지시하고, 인증 플래그(AI)의 값이 '0'이면 무선전력 수신장치(1020)가 인증 기능을 지원하지 않거나 인증 개시자로 동작할 수 없음을 지시할 수 있다.
아웃밴드(OB) 플래그는 무선전력 수신장치(1020)가 아웃밴드 통신을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '1'이면 무선전력 수신장치(1020)가 아웃밴드 통신을 지시하고, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '0'이면 무선전력 수신장치(1020)가 아웃밴드 통신을 지원하지 않음을 지시할 수 있다.
구성 단계에서 무선전력 전송장치(1010)는 무선전력 수신장치(1020)의 구성 패킷(CFG)을 수신하여, 무선전력 수신장치(1020)의 인증 기능 지원여부 및 아웃밴드 통신 지원여부를 확인할 수 있다.
또한, 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드에는 기본 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보들이 포함될 수 있다. 도 12를 참조하면, 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드에는, Reference Power, window size, window offset 등과 같은 기본 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보가 포함될 수 있다.
Reference Power는 무선전력 수신장치(1020)가 무선전력 전송장치(1010)로부터 수신하는 수신전력과 비교되는 기준 전력과 관련된 정보로서, Pr (ref)/0.5W의 값으로 설정될 수 있으며, 최대 10의 값으로 설정될 수 있다. 즉, 기준 전력(Pr (ref))이 5W인 경우, Reference Power는 10으로 설정될 수 있다.
window size는 무선전력 수신장치(1020)가 수신 전력을 측정하기 위한 타임 윈도우의 크기와 관련된 정보로서, 타임 윈도우(twindow)/4ms로 설정될 수 있으며, 최소 2의 값을 가질 수 있다.
window offset은 후술하는 수신전력패킷(RP)에 사용되는 최대 프리앰블 비트 수(n)/8 보다 큰 정수로 설정될 수 있다.
또한, 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드에는 확장 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보들이 포함될 수 있다. 도 14를 참조하면, 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드에는, FSK 통신 파라미터인 극성(Pol), 깊이(Depth) 등과 같은 확정 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보가 포함될 수 있다.
무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 PCH와 CFG에 포함된 정보를 기초로 기본 전력 전송 계약을 수립할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 협상 단계 또는 재협상 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 구성 단계에서 수립된 기본 전력 전송 계약의 요소들 중 적어도 일부를 조정하여 확장 전력 전송 계약을 수립하거나, 아웃밴드 통신을 수립하기 위한 정보의 교환을 수행할 수 있다.
도 13을 참조하면, 협상 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)는 GRQ(General Request data packet)을 이용해 무선전력 전송장치(1010)의 ID(Identification data packet) 및 CAP(Capabilities data packet)을 수신할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
일반요청패킷(GRQ)는 0x07의 헤더값을 가질 수 있고, 도 14를 참조하면, 1바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있다. 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드에는 무선전력 수신장치(1020)가 GRQ 패킷을 이용해 무선전력 전송장치(1010)에게 요청하는 데이터 패킷의 헤더값이 포함될 수 있다. 예를 들어, 무선전력 수신장치(1020)가 GRQ 패킷을 이용해 무선전력 전송장치(1010)의 ID 패킷을 요청하는 경우, 무선전력 수신장치(1020)는 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드에 무선전력 전송장치(1010)의 ID 패킷의 헤더값(0x30)이 포함된 일반요청패킷(GRQ/id)을 전송한다.
도 13을 참조하면, 협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)의 ID 패킷을 요청하는 GRQ 패킷(GRQ/id)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송할 수 있다(S1301).
GRQ/id를 수신한 무선전력 전송장치(1010)는 ID 패킷을 무선전력 수신장치(1020)로 전송할 수 있다(S1302). 무선전력 전송장치(1010)의 ID 패킷에는 Manufacturer Code에 대한 정보가 포함된다. Manufacturer Code에 대한 정보가 포함된 ID 패킷은 무선전력 전송장치(1010)의 제조자(manufacturer)를 식별할 수 있도록 한다.
도 13을 참조하면, 협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)의 성능 패킷(CAP)을 요청하는 GRQ 패킷(GRQ/cap)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송할 수 있다(S1303). GRQ/cap의 메시지 필드에는 성능패킷(CAP)의 헤더값(0x31)이 포함될 수 있다.
GRQ/cap를 수신한 무선전력 전송장치(1010)는 성능 패킷(CAP)을 무선전력 수신장치(1020)로 전송할 수 있다(S1304).
도 15는 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 성능 패킷(CAP)은 0x31의 헤더값을 가질 수 있고, 도 15를 참조하면, 3 바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있다.
도 15를 참조하면, 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드에는 1 비트의 인증(AR) 플래그와 1 비트의 아웃밴드(OB) 플래그가 포함될 수 있다.
인증 플래그(AR)는 무선전력 전송장치(1010)가 인증 기능을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 인증 플래그(AR)의 값이 '1'이면 무선전력 전송장치(1010)가 인증 기능을 지원하거나 인증 응답자(Authentication Responder)로 동작할 수 있음을 지시하고, 인증 플래그(AR)의 값이 '0'이면 무선전력 전송장치(1010)가 인증 기능을 지원하지 않거나 인증 응답자로 동작할 수 없음을 지시할 수 있다.
아웃밴드(OB) 플래그는 무선전력 전송장치(1010)가 아웃밴드 통신을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '1'이면 무선전력 전송장치(1010)가 아웃밴드 통신을 지시하고, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '0'이면 무선전력 전송장치(1010)가 아웃밴드 통신을 지원하지 않음을 지시할 수 있다.
협상 단계에서 무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)의 성능 패킷(CAP)을 수신하여, 무선전력 전송장치(1010)의 인증기능 지원여부 및 아웃밴드 통신 지원여부를 확인할 수 있다.
또한, 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드에는 확장 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보가 포함될 수 있다. 도 16을 참조하면, 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드에는 Potential Load Power 등과 같은 확장 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보가 포함될 수 있다.
Potential Load Power는 무선전력 전송장치(1010)가 협상 가능한 최대 무선전력의 파워와 관련된 정보로서, 잠재 부하 전력(PL (pot))/0.5W로 설정될 수 있다.
또한, 도 13을 참조하면, 무선전력 수신장치(1020)는 협상 단계 또는 재협상 단계에서 적어도 하나의 특정 요청 패킷(SRQ, Specific Request data packet)을 이용해 전력 전송 계약의 요소들을 갱신할 수 있고, 협상 단계 또는 재협상 단계를 종료할 수 있다(S1305).
무선전력 전송장치(1010)는 특정 요청 패킷(SRQ)의 종류에 따라 특정 요청 패킷(SRQ)에 대한 응답으로 ACK만을 전송하거나, ACK 또는 NAK만을 전송하거나, ACK 또는 ND만을 전송할 수 있다(S1306).
무선전력 수신장치(1020)는 특정 요청 패킷(SRQ)을 이용해, 기본 전력 전송 계약 및/또는 확장 전력 전송 계약의 요소들 중, Guaranteed Load Power(PL (gtd)), FSK 통신의 극성(Pol) 및/또는 깊이(Depth), 리핑 딜레이(treping), 기준 전력(Pr (ref)) 등에 대한 정보를 전송하여, 무선전력 전송장치(1010)와 확장 전력 전송 계약에 대한 협상을 수행할 수 있다.
Guaranteed Load Power은 협상 전력 레벨을 의미할 수 있으며, 기본값은 5W일 수 있다.
리핑 딜레이는 EPT/rep 패킷과 다음 디지털 핑 사이의 딜레이 시간을 의미할 수 있으며, 기본값은 12.6초일 수 있다.
상술한 핑 단계, 구성 단계, 협상/재협상 단계에서 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020) 사이에 교환되는 데이터 패킷 또는 메시지는 인밴드 통신을 통해 전송/수신될 수 있다.
전력 전송 단계에서, 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 협상 단계에서 수립된 확장 전력 전송 계약에 기초하여 무선전력을 전송/수신할 수 있다. 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 전력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트롤할 수 있다.
전력 전송 단계에서, 무선전력 전송장치(1010) 및/또는 무선전력 수신장치(1020)는 전력 전송 계약의 갱신 등을 위해 협상 단계로 재진입할 수도 있다.
핑 단계, 구성 단계, 협상 단계 및 전력 전송 단계에 대한 기타 자세한 내용은 도 5 및 도 9 등에서 설명하였으므로, 이에 대한 추가적인 설명은 생략한다.
도 16은 종래의 Qi 표준에 따른 전력 전송 단계의 상태 다이어그램을 도시한 도면이다.
종래의 Qi 표준에 따른 전력 전송 단계에서는, 무선전력 수신장치가 원하는 무선전력 전송장치의 데이터 패킷을 수신할 수 없었다.
도 16을 참조하면 전력 전송 단계에서 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치로 데이터 패킷을 전송하는 상태(State 15)가 존재하지만, 이는 무선전력 전송장치가 DSR(Data Stream Response) 패킷에 대한 응답으로 무선전력 전송장치가 전송하기 원하는 데이터 패킷을 전송하는 단계일 뿐, 무선전력 수신장치가 원하는 데이터 패킷을 특정하여 무선전력 전송장치로부터 특정한 데이터 패킷을 수신할 수 있는 프로토콜이 정의되어 있지 않다.
종래의 Qi 표준에 따르면, 무선전력 수신장치가 원하는 특정 데이터 패킷을 무선전력 전송장치로부터 수신하기 위해서는, 무선전력 수신장치는 재협상 단계로 진입하여, 일반요청패킷(GRQ)을 무선전력 전송장치로 전송하여야 했다.
그러나, 전력 전송 단계에서 재협상 단계로 진입하기 위해서는, 무선전력 수신장치가 재협상 단계로의 진입을 요청하는 NEGO 패킷을 전송하고, 무선전력 전송장치로부터 NEGO 패킷에 대한 응답(ACK 또는 ATN)을 수신하여 재협상 단계로 진입하게 된다.
NEGO 패킷에 대한 응답으로 ACK를 수신하는 경우에는 재협상 단계로 바로 진입하고, 무선전력 전송장치로 일반요청패킷(GRQ)를 전송하여 무선전력 수신장치가 원하는 데이터 패킷을 수신할 수 있다.
그러나, NEGO 패킷에 대한 응답으로 ATN을 수신하는 경우에는, 곧바로 재협상 단계로 진입하지 못하고, 무선전력 수신장치는 DSR/poll 패킷을 전송하여 무선전력 전송장치에게 통신 기회를 부여하고, 도 16의 State 15로 전환된다. 따라서, 무선전력 전송장치가 전송하는 데이터 패킷을 수신하고 이를 처리한 이후에야 다시 NEGO 패킷을 전송하여 재협상 단계로의 진입을 시도할 수 있다.
즉, 현재 Qi 표준에 따르면, 무선전력 수신장치가 원하는 특정 데이터 패킷을 무선전력 전송장치로부터 수신하기 위해서는 무선전력 수신장치는 재협상 단계로 진입하여야 하는 번거러움이 수반되고, 재협상 단계로의 진입을 요청하는 NEGO 패킷에 대해 무선전력 수신장치가 ATN으로 응답하는 경우에는 재협상 단계로 즉시 진입하기 어려운 상황도 벌어지게 된다.
전력 전송 단계에서, 수신전력이 감소하는 등, 이물질의 존재가 의심되는 경우, 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치로부터 이물질 존재 가능성에 대한 리포팅을 빠르게 수신하기 원하거나, 전력 전송 계약의 재협상을 위해 무선전력 전송장치의 협상 가능한 부하 전력(Negotiable Load Power) 및/또는 잠재 부하 전력(Potential Load Power)의 확인을 원할 수 있다.
그러나, 현재 Qi 표준에 따르면, 무선전력 수신장치는 전력 전송 단계에서 재협상 단계로 진입하여야만 상기 정보들을 확인할 수 있다.
이에 본 명세서는 전력 전송 단계에서 재협상 단계로 진입하지 않고 무선전력 수신장치가 원하는 특정 데이터 패킷을 무선전력 전송장치로부터 수신할 수 있는 프로토콜을 제안한다.
도 17은 일 실시예에 따른 전력 전송 단계의 상태 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 전력 전송 단계의 프로토콜에 따르면, 무선전력 수신장치는 전력 전송 단계에서도 일반요청패킷(GRQ)를 전송할 수 있다(종래의 Qi 표준에 따르면, 무선전력 수신장치는 협상 단계 또는 재협상 단계에서만 일반요청패킷(GRQ)을 전송할 수 있었음).
무선전력 수신장치는 전력 전송 단계에서, 수신을 원하는 무선전력 전송장치의 데이터 패킷의 헤더값을 포함하는 일반요청패킷(GRQ)을 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다.
전력 전송 단계에서 일반요청패킷(GRQ)을 수신한 무선전력 전송장치는 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드를 확인하고, 메시지 필드의 값이 지시하는 헤더값을 갖는 데이터 패킷을 무선전력 수신장치로 전송한다.
도 18은 전력 전송 단계에서 무선전력 전송장치로부터 성능패킷(CAP)을 수신하는 프로토콜을 도시한 흐름도이다.
도 18을 참조하면, 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 핑 단계(S1100), 구성 단계(S1200), 협상 단계(S1300)를 거쳐 전력 전송 단계(S1400)에 진입할 수 있다.
전력 전송 단계(S1400)에서, 무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)의 성능패킷(CAP)을 요청하기 위해, 메시지 필드에 성능패킷(CAP)의 헤더값(0x31)이 포함된 일반요청패킷(GRQ/cap)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송할 수 있다(S1410).
무선전력 수신장치(1020)는 재협상 단계에 진입하기 이전에, 현재의 전력 전송 계약을 조정할 수 있는지 여부를 확인하기 위해, 무선전력 전송장치(1010)의 성능패킷(CAP)을 요청할 수 있다.
전력 전송 단계(S1400)에서 수신한 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드가 성능패킷(CAP)의 헤더값(0x31)을 지시하는 경우, 무선전력 전송장치(1010)는 성능패킷(CAP)을 전송한다(S1420).
무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)로부터 수신한 성능패킷(CAP)에 포함된 협상 가능한 부하 전력(Negotiable Load Power) 및/또는 잠재 부하 전력(Potential Load Power)을 확인하여 전력 전송 계약을 조정할 수 있는지 여부를 미리 확인하고, 재협상 단계로의 진입 여부를 결정할 수 있다.
한편, 도 19는 전력 전송 단계에서 무선전력 전송장치로부터 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)을 수신하는 프로토콜을 도시한 흐름도이다.
도 19를 참조하면, 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 핑 단계(S1100), 구성 단계(S1200), 협상 단계(S1300)를 거쳐 전력 전송 단계(S1400)에 진입할 수 있다.
전력 전송 단계(S1400)에서, 무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)의 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)을 요청하기 위해, 메시지 필드에 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)의 헤더값(0x01)이 포함된 일반요청패킷(GRQ/ FOD status)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송할 수 있다(S1430).
도 20은 일 예에 따른 무선전력 전송장치의 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 20을 참조하면, 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)의 메시지 필드는 1 바이트로 구성될 수 있으며, 이물질 존재 가능성을 3비트로 표현한 이물질 존재 가능성 필드를 포함할 수 있다.
이 경우, 이물질 존재 가능성은 8 단계로 구분될 수 있으며, '000'비트인 경우에는 이물질이 없는 상태를 의미하고, '111'비트인 경우에는 이물질의 존재 가능성이 거의 확실한 상태를 의미하며, 3비트로 표현되는 값이 높을수록 이물질의 존재 가능성이 높은 상태를 의미할 수 있다.
무선전력 수신장치(1020)는, 수신 전력이 감소하는 등의 경우, 무선전력 수신장치(1020)와 무선전력 전송장치(1010) 사이에 이물질이 존재하는 것을 의심할 수 있다. 따라서, 무선전력 수신장치(1020)는 이물질의 존재 가능성을 확인하기 위해, 무선전력 전송장치(1010)의 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)을 요청할 수 있다.
전력 전송 단계(S1400)에서 수신한 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드가 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)의 헤더값(0x01)을 지시하는 경우, 무선전력 전송장치(1010)는 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)을 전송한다(S1440).
무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)로부터 수신한 이물질 검출 상태 패킷(FOD status)에 포함된 이물질 존재 가능성에 대한 정보를 확인하고, 이물질 존재 가능성에 따라 EPT 패킷을 이용해 전력 전송의 중단을 요청하거나, 수신 전력의 파워를 낮추고 전력 보정을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 명세서에 따르면, 무선전력 수신장치는 전력 전송 단계에서도 일반요청패킷(GRQ)을 이용해 무선전력 수신장치가 원하는 데이터 패킷을 특정하여 무선전력 전송장치에게 요청할 수 있다. 따라서, 무선전력 수신장치가 원하는 특정 데이터 패킷을 수신하기 위해 전력 전송 단계에서 재협상 단계로 진입하지 않도록 특정 데이터 패킷을 수신할 수 있다. 이는 전력 전송 단계에서 무선전력 수신장치가 보다 빠르게 원하는 정보를 취득할 수 있도록 하며, 그 결과 보다 안전하고 효율적인 무선전력의 전송/수신을 가능하게 한다.
상술한 도 12 내지 도 20에 따른 실시예에서의 무선전력 전송장치는 도 1 내지 도 9에서 개시된 무선전력 전송장치 또는 무선전력 전송기 또는 전력 전송부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 전송장치의 동작은 도 1 내지 도 9에서의 무선전력 전송장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 도 12 내지 도 20에 따른 메시지 또는 데이터 패킷의 수신/전송, 제어 기능, 전력 전송 방법 등은 통신/컨트롤 유닛(120, 710 또는 790)의 동작에 포함된다.
상술한 도 12 내지 도 20에 따른 실시예에서의 무선전력 수신장치는 도 1 내지 도 9에서 개시된 무선전력 수신 또는 무선전력 수신기 또는 전력 수신부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 수신장치의 동작은 도 1 내지 도 9에서의 무선전력 수신장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 도 12 내지 도 20에 따른 메시지 또는 데이터 패킷의 수신/전송, 제어 기능, 전력 수신 방법 등은 통신/컨트롤 유닛(220, 810 또는 890)의 동작에 포함될 수 있다.
상술한 본 명세서의 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법 및 장치, 또는 수신 장치 및 방법은 모든 구성요소 또는 단계가 필수적인 것은 아니므로, 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법은 상술한 구성요소 또는 단계의 일부 또는 전부를 포함하여 수행될 수 있다. 또 상술한 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법의 실시예들은 서로 조합되어 수행될 수도 있다. 또 상술한 각 구성요소 또는 단계들은 반드시 설명한 순서대로 수행되어야 하는 것은 아니며, 나중에 설명된 단계가 먼저 설명된 단계에 앞서 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 명세서의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 명세서에 따른 기술이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 명세서의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현되는 것도 가능하다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 명세서의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 명세서의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 명세서의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 명세서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법에 있어서,
    디지털 핑을 전송하고, 무선전력 수신장치로부터 상기 디지털 핑에 대한 응답을 수신하는 핑 단계;
    상기 무선전력 수신장치로부터, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 수신하는 구성 단계;
    상기 무선전력 수신장치로부터, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 수신하는 협상 단계; 및
    상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 전력 전송 단계;를 포함하고,
    상기 전력 전송 단계에서,
    상기 무선전력 수신장치로부터 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 수신하고,
    상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 상기 무선전력 수신장치로 전송하는, 무선전력 전송방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요청 패킷은 상기 특정 패킷의 헤더값을 포함하는, 무선전력 전송방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 협상 가능한 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 전송방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 잠재 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 전송방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 이물질 검출 결과에 대한 정보를 포함하는 이물질 검출 상태 패킷인, 무선전력 전송방법.
  6. 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 무선전력 전송장치에 있어서,
    동작 주파수(operating frequency)에서 상기 무선전력 수신장치와의 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 상기 무선전력 수신장치로 상기 무선전력을 전송하는 전력 컨버터; 및
    상기 무선전력 수신장치와 통신하며 상기 무선전력의 전송을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    디지털 핑을 전송하고, 상기 무선전력 수신장치로부터 상기 디지털 핑에 대한 응답을 수신하는 핑 단계를 수행하고,
    상기 무선전력 수신장치로부터, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 수신하는 구성 단계를 수행하고,
    상기 무선전력 수신장치로부터, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 수신하는 협상 단계를 수행하고,
    상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 수신장치로 상기 무선전력을 전송하는 전력 전송 단계를 수행하며,
    상기 전력 전송 단계에서,
    상기 무선전력 수신장치로부터 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 수신하고,
    상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 상기 무선전력 수신장치로 전송하는, 무선전력 전송장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 요청 패킷은 상기 특정 패킷의 헤더값을 포함하는, 무선전력 전송장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 협상 가능한 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 전송장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 잠재 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 전송장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 이물질 검출 결과에 대한 정보를 포함하는 이물질 검출 상태 패킷인, 무선전력 전송장치.
  11. 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법에 있어서,
    디지털 핑을 수신하고, 무선전력 전송장치로 상기 디지털 핑에 대한 응답을 전송하는 핑 단계;
    상기 무선전력 전송장치로, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 전송하는 구성 단계;
    상기 무선전력 전송장치로, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 전송하는 협상 단계; 및
    상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 전력 전송 단계;를 포함하고,
    상기 전력 전송 단계에서,
    상기 무선전력 전송장치로 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 전송하고,
    상기 무선전력 전송장치로부터 상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 수신하는, 무선전력 수신방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 요청 패킷은 상기 특정 패킷의 헤더값을 포함하는, 무선전력 수신방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 협상 가능한 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 수신방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 잠재 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 수신방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 이물질 검출 결과에 대한 정보를 포함하는 이물질 검출 상태 패킷인, 무선전력 수신방법.
  16. 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 무선전력 수신장치에 있어서,
    동작 주파수(operating frequency)에서 상기 무선전력 전송장치와의 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 상기 무선전력 전송장치로부터 상기 무선전력을 수신하는 전력 픽업; 및
    상기 무선전력 전송장치와 통신하며 상기 무선전력의 수신을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    디지털 핑을 수신하고, 무선전력 전송장치로 상기 디지털 핑에 대한 응답을 전송하는 핑 단계를 수행하고,
    상기 무선전력 전송장치로, 초기 전력 전송 계약의 요소들에 대한 정보를 포함하는 구성 패킷을 전송하는 구성 단계를 수행하고,
    상기 무선전력 전송장치로, 상기 초기 전력 전송 계약을 확장 전력 전송 계약으로 갱신하기 위한 상기 확장 전력 전송 계약의 요소에 대한 정보를 전송하는 협상 단계를 수행하고,
    상기 확장 전력 전송 계약을 기초로 상기 무선전력 전송장치로부터 상기 무선전력을 수신하는 전력 전송 단계를 수행하며,
    상기 전력 전송 단계에서,
    상기 무선전력 전송장치로 특정 패킷을 요청하는 요청 패킷을 전송하고,
    상기 무선전력 전송장치로부터 상기 요청 패킷에 대한 응답으로 상기 특정 패킷을 수신하는, 무선전력 수신장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 요청 패킷은 상기 특정 패킷의 헤더값을 포함하는, 무선전력 수신장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 협상 가능한 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 수신장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 상기 무선전력 전송장치의 잠재 부하 전력에 대한 정보를 포함하는 패킷인, 무선전력 수신장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 특정 패킷은 이물질 검출 결과에 대한 정보를 포함하는 이물질 검출 상태 패킷인, 무선전력 수신장치.
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