KR20230042632A

KR20230042632A - 무선 전력 전송 전력 제어 기술

Info

Publication number: KR20230042632A
Application number: KR1020220108177A
Authority: KR
Inventors: 리신 시; 자키 무사우이; 웨이홍 치우; 젤린 수; 매튜 제이. 차발코
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2022-08-29
Publication date: 2023-03-29
Also published as: US11996707B2; DE102022208903A1; US20230100393A1; CN115842418A

Abstract

무선 전력 전송 시스템은 제1 무선 전력 전송 코일 및 무선 전력 전송 코일에 결합된 무선 전력 전송 회로부를 포함하는 전자 디바이스를 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 제1 무선 전력 전송 코일을 통해 무선으로 전력을 수신 및 전송할 수 있다. 시스템은 제2 무선 전력 전송 코일, 제2 무선 전력 전송 코일에 결합된 정류기, 및 레귤레이터 회로에 의해 정류기에 결합된 에너지 저장 디바이스를 포함하는 액세서리 디바이스를 추가로 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하여 전력을 액세서리 디바이스에 전달할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 전력 제어 기술{WIRELESS POWER TRANSFER POWER CONTROL TECHNIQUES}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2021년 9월 22일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "WIRELESS POWER TRANSFER POWER CONTROL TECHNIQUES"인, 미국 가특허 출원 제63/261,485호의 이익을 주장하며, 그 출원의 개시내용은 모든 목적을 위해 전체적으로 참조로서 포함된다.

전력 송신기(PTx)와 전력 수신기(PRx) 사이의 유도 결합을 통해 전력이 전달되는 무선 전력 전송은 배터리 작동 전자 디바이스들에 전력을 공급하는 데 유용하다. 일부 응용예들에서, 간헐적 무선 전력 전송(예컨대, "버스트 모드" 무선 전력 전송)은 동작 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있다.

간헐적 무선 전력 전송을 최적화하면서도 또한 모든 관련 디바이스들로의 적절한 전력 전달을 보장하기 위해, 제어 기술들은 전력공급 액세서리들을 고려하도록 구성될 수 있다.

펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드는 전력이 액세서리 디바이스에 전달되는 온 시간(on time) 및 전력이 액세서리 디바이스에 전달되지 않는 오프 시간(off time)을 가질 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 가변적인 온 시간을 사용할 수 있고, 온 시간은 에너지 저장 디바이스가 완전히 충전되는 것을 무선 전력 전송 회로부가 검출하는 것에 응답하여 종료된다. 무선 전력 전송 회로부는 액세서리 디바이스에 전달되는 무선 전력량을 모니터링함으로써 에너지 저장 디바이스가 완전히 충전된다는 것을 검출할 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 일정한 오프 시간을 이용하여 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작할 수 있다. 일정한 오프 시간은 액세서리 디바이스의 전력 소비에 관련하여 액세서리 디바이스로부터 수신된 정보에 응답하여 전자 디바이스에 의해 결정될 수 있다. 액세서리 디바이스로부터 수신된 정보는 무선 전력 전송 채널과는 별개의 통신 채널을 통해 수신될 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 가변적인 오프 시간을 이용하여 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작할 수 있다. 가변적인 오프 시간은 액세서리 디바이스로부터의 버스트 모드 요청 펄스에 의해 종료될 수 있다.

무선 전력 전송 시스템은 제3 무선 전력 전송 코일을 갖는 전력 액세서리를 추가로 포함할 수 있고, 전력 액세서리는 또한 전자 디바이스로부터 전력을 수신하고, 액세서리 디바이스의 제2 무선 전력 전송 코일은 전자 디바이스의 제1 무선 전력 전송 코일과 전력 액세서리의 제3 무선 전력 전송 코일 사이에 위치된다. 전력 액세서리는 제3 무선 전력 전송 코일을 통해 전자 디바이스 및 액세서리 디바이스에 전력을 전달할 수 있다.

전자 디바이스는 무선 전력 전송 코일 및 무선 전력 전송 코일에 결합된 무선 전력 전송 회로부를 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 제1 무선 전력 전송 코일을 통해 무선으로 전력을 수신 및 전송할 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하여 전력을 액세서리 디바이스에 무선으로 전달할 수 있다. 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드는 전력이 액세서리 디바이스에 전달되는 온 시간 및 전력이 액세서리 디바이스에 전달되지 않는 오프 시간을 가질 수 있다.

무선 전력 전송 회로부는 가변적인 온 시간을 사용할 수 있다. 온 시간은 무선 전력 전송 회로부가 액세서리 디바이스에 전달되는 전력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 종료될 수 있다. 액세서리 디바이스들에 전달되는 전력의 감소는 액세서리 디바이스의 에너지 저장 디바이스가 완전 충전 상태에 도달하는 것과 연관될 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 일정한 오프 시간을 이용하여 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작할 수 있다. 일정한 오프 시간은 액세서리 디바이스의 전력 소비에 관련하여 액세서리 디바이스로부터 수신된 정보에 응답하여 전자 디바이스에 의해 결정될 수 있다. 액세서리 디바이스로부터 수신된 정보는 무선 전력 전송 채널과는 별개의 통신 채널을 통해 수신될 수 있다. 무선 전력 전송 회로부는 가변적인 오프 시간을 이용하여 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작할 수 있다. 가변적인 오프 시간은 액세서리 디바이스로부터의 버스트 모드 요청 펄스에 의해 종료될 수 있다.

펄스 또는 버스트 모드 전력을 액세서리 디바이스에 제공하기 위해 무선 전력 송신기를 동작시키는 방법은 무선 전력 송신기의 무선 전력 전송 회로부가 액세서리 디바이스에 전력을 전달하도록 동작되는 전력 전송 간격을 개시하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 온 시간의 만료 시, 무선 전력 전송 회로부의 동작을 중단하여, 무선 전력 전송 회로부가 동작되지 않는 오프 시간을 갖는 슬립 모드를 개시함으로써 전력 전송 간격을 종료하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 방법은 오프 시간의 만료 시, 후속 전력 전송 간격을 개시함으로써 슬립 모드를 종료하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

온 시간은 가변적일 수 있고, 무선 전력 송신기가 액세서리 디바이스에 전달되는 전력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 종료될 수 있다. 액세서리 디바이스들에 전달되는 전력의 감소는 액세서리 디바이스의 에너지 저장 디바이스가 완전 충전 상태에 도달하는 것과 연관될 수 있다. 오프 시간은 일정할 수 있다. 일정한 오프 시간은 액세서리 디바이스의 전력 소비에 관련된, 액세서리 디바이스로부터 수신된 정보에 응답하여 무선 전력 송신기에 의해 결정될 수 있다. 오프 시간은 가변적일 수 있다. 가변적인 오프 시간은 액세서리 디바이스로부터의 버스트 모드 요청 펄스에 의해 종료된다.

도 1은 무선 전력 전송 시스템의 높은 레벨의 개략도를 도시한다.
도 2는 정류기 출력 전압을 나타내는, WPT 시스템의 버스트 모드 동작을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 모바일 폰 형태의 개인용 전자 디바이스 및 케이스의 형태의 무선 전력공급 액세서리 및 무선 충전기를 도시한다.
도 4는 모바일 폰 형태의 개인용 전자 디바이스 및 케이스의 형태의 무선 전력공급 액세서리의 단면을 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 무선으로 충전하거나 또는 개인용 전자 디바이스에 의해 충전될 수 있는 개인용 전자 디바이스, 무선 전력공급 액세서리, 및 전력 액세서리의 다양한 사용 사례들을 도시하는 블록도들이다.
도 6은 펄스 또는 버스트 모드 무선 전력 전송 동작에 대응하는 단순화된 타이밍 다이어그램들을 도시한다.
도 7은 적응적 T_on 제어를 갖는 예시적인 펄스 충전 모드에 대한 전력 대 시간 곡선을 도시한다.
도 8은 버스트 또는 펄스 무선 전력 전송의 선도들을 수신기 리플 전압 및 전달되는 부하 전력의 대응하는 선도들과 함께 도시한다.
도 9는 버스트 모드 요청 펄스 무선 전력 수신 액세서리의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 10은 다양한 무선 전력 전송 제어 기술들에 대응하는 단순화된 상태 다이어그램들을 도시한다.

다음의 설명에서, 설명의 목적을 위해, 개시된 개념의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 상세사항들이 기재된다. 이러한 설명의 일부로서, 본 개시내용의 도면들의 일부는 단순함을 위해 구조들 및 디바이스들을 블록도 형태로 표현한다. 명료함을 위해, 실제 구현예의 모든 특징부들이 본 개시내용에 기술되지는 않는다. 게다가, 본 개시내용에 사용된 표현은 가독성 및 교육 목적들을 위해 선택되었고, 개시된 요지를 상세히 기술하거나 제한하기 위해 선택되지 않았다. 오히려, 첨부된 청구범위는 그러한 목적을 위해 의도된다.

개시된 개념들의 다양한 실시예들은 첨부 도면에서 제한으로서가 아니라 예로서 도시되며, 첨부 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 요소들을 표시한다. 예시의 단순함 및 명료함을 위해, 적절한 경우, 대응하는 또는 유사한 요소들을 나타내기 위해 상이한 도면들 사이에서 참조 부호들이 반복되었다. 추가적으로, 많은 구체적인 상세사항들이 본 명세서에 기술된 구현예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 기재된다. 다른 경우들에 있어서, 방법들, 절차들 및 컴포넌트들은 기술되고 있는 관련된 유관 기능을 모호하지 않게 하기 위해 상세히 기술되지 않았다. 본 개시내용에서 "일", "하나의", 또는 "다른 하나의" 실시예에 대한 언급들은 반드시 동일한 또는 상이한 실시예에 대한 것은 아니며, 이들은 적어도 하나를 의미한다. 하나 초과의 실시예의 특징부들 또는 본 개시내용의 하나 초과의 종류들을 예시하기 위해 주어진 도면이 여기에 사용될 수 있고, 도면에서의 모든 요소들이 소정 실시예 또는 종류들에 필요하지는 않을 수 있다. 주어진 도면에 제공될 때, 참조 부호는 여러 도면 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지칭하지만, 그것은 모든 도면에서 반복되지 않을 수도 있다. 도면은 달리 지시되지 않는 한 축척대로 도시되지 않으며, 소정 부분들의 비율들은 본 개시내용의 상세 사항들 및 특징부들을 더 잘 예시하기 위해 과장될 수 있다.

도 1은 무선 전력 전송 시스템(100)의 높은 레벨의 개략도를 도시한다. 도면의 좌측은 전력 송신기(PTx)(103)를 도시하는데, 이는 입력 전압(Vin)을 수신하고, 에너지를 수신기에 자기 유도를 통해, 즉, 인덕터들(L1, L2)로 각각 표현되는 전송 및 수신 코일들 사이에서 커플링함으로써 전송한다. (각각의 코일/인덕터는 또한 대응하는 고유/기생 저항: R1/R2을 갖는다. 이들은 도 1의 개략도에 도시되어 있지만, 별개의 물리적 컴포넌트들이 아니다.) 도면의 우측은 유도 결합을 통해 전력을 수신하고 전류원(Iload)에 의해 도시된 부하에 전력을 전달하는 전력 수신기(PRx)(105)를 도시한다. 입력 전압(Vin)이 인버터(102)에 공급된다. 인버터(102)는 입력 전압(Vin)에 의해 결정되는 사전결정된 주파수 및 크기를 갖는 AC 출력을 생성하는데, 이는 별개의 레귤레이터(미도시)에 의해 조절될 수 있다. 이러한 인버터(102)의 AC 출력 전압은 인덕터(L1)로 표현되는 전송 코일에 제공되는데, 이는 인덕터(L2)로 표현되는 대응하는 수신 코일에 자기적으로 커플링된다. 이는 PRx(105)로의 에너지 전달을 초래한다. PRx(105)는 인덕터(L2)로 표현되는 수신 코일을 포함하고, 전송 코일(L1)을 통한 자기 유도에 의해 유도되는 전압을 갖는다. 이 AC 전압은 수신된 AC 전압을 부하에 공급될 수 있는 출력 DC 전압(Vrect)으로 변환하는, 아래 더 상세하게 논의되는, 정류기(106)에 제공될 수 있다. 무선 전력 전송 시스템(100)은 시스템의 동작 효율을 개선하기 위해 전송 회로 및 수신 회로의 공진 주파수를 튜닝하는 데 사용될 수 있는 송신기 튜닝 커패시터(Cpri) 및 수신기 튜닝 커패시터(C2)와 같은 추가 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

도시된 실시예에서, 인버터(102)는 4개의 스위칭 디바이스들(Q1 내지 Q4)로 이루어진 풀 브릿지 인버터이지만, 다른 인버터 토폴로지가 주어진 응용예에 대해 적절하게 사용될 수 있다. 또한 PWM 제어기(108)가 높은 레벨에 도시되어 있는데, 이는 펄스 폭 변조 신호들을 스위칭 디바이스들(Q1 내지 Q4)에 제공하여 원하는 출력 전압 및/또는 전류를 생성한다. 이러한 스위칭 디바이스들이 MOSFET들(금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터)로서 도시되어 있지만, 다른 유형들의 스위칭 디바이스들(예를 들어, IGBT들(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들), 접합형 전계 효과 트랜지스터들(JFET들) 등을 포함)이 주어진 실시예에 적절하게 사용될 수 있다. 마찬가지로, 규소, 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN)과 같은 임의의 적합한 반도체 기술이 특정 응용에 따라 사용될 수 있다. 본 출원에서 논의된 모든 다른 스위칭 디바이스들(다이오드들 포함)에 동일하게 적용된다. 스위칭 디바이스들(Q1 내지 Q4)은 교대로 스위칭되어 입력 DC 전압을 (예컨대, 부스트 레귤레이터(108)로부터) 전송 권선(L1)에 연결하여, 전술한 바와 같이 Prx에 커플링될 수 있는 AC 전압을 생성할 수 있다.

인버터(102)의 동작은 유도 결합된 PRx 수신기 코일(L2)에 AC 전압을 유도할 것이다. 이 AC 전압은 정류기(106)에 커플링될 수 있다. 도시된 실시예에서, 정류기(106)는 4개의 스위치(Q5 내지 Q7)로 이루어진 풀 브릿지 능동 정류기이다. MOSFET 스위치로 도시되어 있지만, 임의의 적합한 반도체 기술을 이용하여 구성된 다른 정류기 유형들도 또한 사용될 수 있다. 이러한 대안적인 구성들은 일부 응용예들에서 동작 효율 증가를 제공할 수 있다.

무선 전력 전송 시스템을 간헐적으로, 예컨대, 버스트 모드에서, 동작하는 것은 특정 부하 상황의 시스템과 연관된 비효율성을 처리할 수 있다. 버스트 모드에서, 전력은 연속 대신에 짧은 버스트들에서 전송된다. 따라서, 버스트는 인버터로부터의 하나 이상의 AC 펄스들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 버스트 펄스들 이후에, AC 전력이 전송되지 않는 중간 기간이 있을 수 있다. 이 중간 기간에 이어서 하나 이상의 AC 펄스들의 다른 버스트가 뒤따를 수 있다. 이는 스위칭 손실 및 대기 전류 손실을 감소시킴으로써 가벼운 부하 비효율성을 완화시킬 수 있다. 추가적으로, 버스트 모드의 세심하게 제어된 사용은 시스템이 효과적으로 그것의 최적의 출력 저항에 로딩되어, 실제 출력 전력에 상관 없이 AC/AC 시스템이 그것의 피크 효율성에서 또는 그 근처에서 동작되도록 할 수 있다. 마지막으로, 버스트 모드의 사용은 시스템의 전압 이득, 즉, 출력 전압(Vrect) 대 입력 전압(Vin)의 비를 제어하는 데 사용될 수 있다.

도 2는 스위칭되는 온 시간 및 오프 시간을 갖는 버스트 모드 동작을 도시하며, 정류기 출력 전압(210)을 도시한다. 우선, 예를 들어, 시간 t1에서, 인버터의 온 시간이 시작될 수 있다. 일부 응용예들에서, 이 동작은 수신기로부터의 버스트 모드 요청 펄스에 의해 트리거될 수 있다. 다른 응용예들에서, 동작은 다른 트리거들에 의해 개시될 수 있고, 이들의 일부 예들이 본 명세서에 기재되어 있다. 이러한 온 시간 동안, 인버터 측에서의 스위칭은 수신기 측으로 전력을 전달하여, 정류기 전압(Vrect)으로 하여금 버스트가 종료되는, 즉, 인버터가 스위칭을 중단하는 때에 대응하는 시간 t2에 피크 값으로 증가되게 할 수 있다. 이어서, 오프 시간(t2에서 t3) 동안, 인버터가 스위칭하지 않을 때, 정류기 전압(Vrect)은 밸리 임계치(Vth_valley)까지 감소할 수 있다. 일부 응용예들에서, 이는 수신기로 하여금 시간 t3에 다른 버스트 모드 요청 펄스를 송신하게 하여, 사이클을 반복할 수 있다. 다른 응용예들에서, 오프 시간의 듀레이션은 다른 메커니즘들에 의해 결정될 수 있다.

버스트 모드 무선 전력 전송의 예시적인 구현예에서, 전력 수신 디바이스는 버스트 모드 요청 펄스를 개시함으로써 전력이 요구되는 전력 전송 디바이스와 통신할 수 있다. 이 펄스는 정류기 스위치들을 이용하여 사전결정된 스위칭 패턴, 시퀀스, 또는 상태를 수신기 코일에 적용함으로써 수신기에 의해 생성될 수 있다. 이러한 사전결정된 스위칭 패턴, 시퀀스, 또는 상태는 송신기 권선 및 수신기 권선을 통해 전력 송신기/인버터에 자기적으로 커플링된 반사 임피던스를 변경한다. 이 펄스의 검출 시, 송신기/인버터는 전술한 바와 같이 펄스들의 버스트를 개시한다. 버스트 모드 제어 회로부의 예시적인 구현예들은 2021년 7월 28일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "Efficient Wireless Power Transfer Control"인 출원인의 공동계류중인 미국 특허 출원 17/386,542호, 및 2021년 6월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Wireless Power Transfer with Integrated Communications"인 63/216,831호에 개시되어 있고, 이들은 전체적으로 참조로서 포함된다.

도 3a 및 도 3b는 모바일 폰 형태의 개인용 전자 디바이스(320), 및 케이스의 형태의 무선 전력공급 액세서리(321), 및 무선 충전기(327)를 도시한다. 주어진 예가 모바일 폰 및 케이스를 포함하지만, 개인용 전자 디바이스, 및 무선 전력공급 액세서리(321)는 다양한 디바이스들 중 임의의 것이 될 수 있고, 폰 및 케이스의 예는 하나의 예시적인 맥락으로서 제공되고 본 명세서의 교시가 적용가능한 유일한 맥락으로서 해석되어서는 안된다. 개인용 전자 디바이스(320)는 개인용 전자 디바이스(320)의 내부 배터리의 충전 및 또한 옵션적으로 액세서리 디바이스(321)로의 전력의 무선 전달을 포함하는, 무선 전력 전송을 허용하도록 구성될 수 있다. 이러한 무선 전력 전송을 가능하게 하기 위해, 개인용 전자 디바이스(320)는 무선 전력 전송 코일(322)을 포함할 수 있다. 개인용 전자 디바이스(320)는 또한 자석 어레이(324)를 포함할 수 있는데, 이는 액세서리 및/또는 충전기의 위치설정을 보조하는 데 적합한 구성으로 배열된 복수의 자석들을 포함할 수 있다. 링 구성으로 도시되어 있지만, 위치결정 자석들은 임의의 원하는 구성으로 배치될 수 있고 임의의 수의 자석들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 특정 응용예에 적절하게 다른 위치설정 보조가 제공될 수 있거나 또는 위치설정 보조가 제공되지 않을 수 있다.

무선 전력공급 액세서리(321)는 무선 전력 전송 코일(323)(무선 전력 전송 코일(322)에 대응함) 및 자석 어레이(325)(자석 어레이(324)에 대응함)를 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 코일(321)은 양 방향에서 (즉, 전력을 개인용 전자 디바이스(320)로 전달하거나 또는 그로부터 전달) 개인용 전자 디바이스(320)와의 무선 전력 전송(331)을 가능하게 할 수 있다. 마찬가지로, 자석 어레이(325)는 자석 어레이(324)와 협력하여 원하는 대로 액세서리(321)에 대해 개인용 전자 디바이스(320)를 적합하게 위치시킬 수 있다. 또는, 위에서 언급된 바와 같이, 다른 위치설정 보조가 또한 사용될 수 있거나 또는 위치설정 보조가 또한 사용되지 않을 수 있다. 액세서리 디바이스(321)는 기능할 액세서리에 필요한 다른 컴포넌트들을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력공급 액세서리(321)는 배터리 케이스일 수 있는데, 여기에 개인용 전자 디바이스(320)를 위한 추가 배터리 용량이 무선 전력 전송을 통해 제공될 수 있거나, 또는 배터리 케이스가 개인용 전자 디바이스(320)에 의해 충전될 수 있다.

도 3b는 추가적인 무선 충전기(327)를 구비한 전술된 개인용 전자 디바이스(320) 및 무선 전력공급 액세서리(321)를 도시한다. 무선 충전기(327)는 또한 무선 전력 전송 코일들(322, 323)에 대응하는 무선 전력 전송 코일(328)을 가져서, 충전기(327)가 전력(332a, 332b)을 무선 전력공급 액세서리(321) 및 개인용 전자 디바이스(320)에, 각각 전달하도록 할 수 있다. 이러한 구성에서, 무선 전력 전송은 충전기(327)와 개인용 전자 디바이스(320) 사이에서 발생하는 것으로 생각될 수 있으며, 무선 전력공급 액세서리(321)는 전달되는 전력의 일부분을 가로채는 작용을 한다. 이러한 구성들의 추가적인 상세사항들은 도 5a 내지 도 5c에 관련하여 아래 기술되어 있다.

도 4는 케이스의 형태의 무선 전력공급 액세서리(321)와 함께 모바일 폰 형태의 개인용 전자 디바이스(320)의 단순화된 단면을 도시한다. 또한 도 4에는 개인용 전자 디바이스(320)의 무선 전력 전송 코일(322) 및 자석(324), 및 무선 전력공급 액세서리(321)의 무선 전력 전송 코일(323) 및 자석(325)이 도시되어 있다. 도 4의 단면도는 통상적 사용 구성에서 이러한 컴포넌트들의 상대적 위치설정을 도시한다.

도 5a 내지 도 5c는 무선으로 충전하거나 또는 개인용 전자 디바이스에 의해 충전될 수 있는 개인용 전자 디바이스(540), 액세서리(550), 및 전력 액세서리(560)의 다양한 사용 사례들을 도시하는 블록도들이다. 위에 기재된 바와 같이, 개인용 전자 디바이스(540)는 모바일 폰일 수 있지만, 태블릿, 랩톱, 또는 노트북 컴퓨터와 같은 임의의 다른 디바이스일 수 있고, 액세서리(550)는: a) 개인용 전자 디바이스(540)(도 5a를 참조하여 아래 기재된 바와 같음)에 의해 전력공급되거나; (b) 전력 액세서리(560)가 개인용 전자 디바이스(540)(도 5b를 참조하여 아래 기재된 바와 같음)에 전력공급할 때 전력 액세서리(560)로부터 전력을 수신하거나; (c) 전자 디바이스(540)가 전력 액세서리(560)(도 5c를 참조하여 아래 기재된 바와 같음)에 전력공급할 때 개인용 전자 디바이스(540)로부터 전력을 수신하도록 의도되는 임의의 디바이스일 수 있다.

도 5a는 개인용 전자 디바이스(540)가 전력 송신기 모드에서 무선으로 액세서리(550)에 전력을 공급하도록 작동하는 예시적인 구성을 도시한다. 개인용 전자 디바이스(540)는 배터리(544)를 포함할 수 있고, 이는 무선 전력 전송을 통해 개인용 전자 디바이스(540) 자체 및 액세서리(550) 둘 모두에 전력공급하는 데 사용될 수 있다. 개인용 전자 디바이스(540)는 (중간 전력 관리 유닛 및/또는 레귤레이터(미도시)를 통해) 배터리(544)에 의해 전력공급되는 시스템(545)을 추가로 포함할 수 있다. 시스템(545)은 다양한 다수의 서브시스템들, 예컨대 프로세싱 서브시스템들, 입력/출력 서브시스템들, 통신 서브시스템들, 저장 서브시스템들 등 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(545)은 통신 서브시스템들, 예를 들어 액세서리(550)와 통신하는 데 사용될 수 있는 NFC/블루투스 통신 시스템을 포함할 수 있다. 배터리(544)는 또한 무선 전력 전송 모듈(542)에 전력을 공급할 수 있다. 이는 옵션적인 중간 레귤레이터(543)를 통해 발생할 수 있는데, 이는, 예를 들어, 부스트 컨버터일 수 있다. 이는, 일반적인 케이스들과 같이, 무선 전력 전송 모듈(542)에 의해 필요한 전압이 최소 배터리 전압보다 크다는 것을 가정한다. 그러나, 일부 응용예들에서, 부스트 컨버터(543)는 임의의 적합한 스위칭 또는 리니어 레귤레이터로 대체될 수 있다. 무선 전력 전송 모듈(542)은 무선 전력 전송 코일(541)을 구동하여 전력을 무선으로 액세서리(550)에 전달할 수 있다.

액세서리(550)는 개인용 전자 디바이스(540)(또는 임의의 다른 호환가능한 무선 전력 전송 디바이스)로부터 전력을 수신할 수 있는 무선 전력 전송 코일(541)을 포함할 수 있다. 이러한 무선 전력 전송에 의해 유도된 AC 전압은 정류기(552)에 의해 DC로 변환될 수 있는데, 이는 다이오드 정류기 또는 적합한 스위칭 디바이스들로 이루어진 능동 정류기일 수 있다. 이러한 정류로부터 생성된 DC 전압은 슈퍼커패시터 또는 배터리와 같은 에너지 저장 디바이스(554)에 전력을 전달할 수 있는 충전기 회로(553)에 제공될 수 있다. 일부 응용예들에서, 충전기 회로(553)는 벅 충전기(buck charger) 또는 로우 드롭아웃 레귤레이터(low dropout regulator)일 수 있다. 다른 응용예들에서, 주어진 응용예에 적절한 경우, 정류된 DC 전압을 더 높은 레벨로 증가시키는 레귤레이터들을 포함하는 임의의 적합한 스위칭 또는 리니어 레귤레이터가 사용될 수 있다. 마지막으로, 에너지 저장 디바이스(554)는 액세서리(550)의 시스템 부하(555)에 전력공급하는 데 사용될 수 있고, 프로세싱 서브시스템들, 입력/출력 서브시스템들, 통신 서브시스템들, 저장 서브시스템들 등을 포함하는 다양한 서브시스템들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(555)은 통신 서브시스템들, 예를 들어 개인용 전자 디바이스(540)와 통신하는 데 사용될 수 있는 NFC/블루투스 통신 시스템을 포함할 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 도 5a의 구성에서, 개인용 전자 디바이스(540)는 무선 전력 수신기의 역할을 하는 전력 액세서리(550)에 대해 무선 전력 송신기의 역할을 할 수 있다. 동작 효율을 개선하기 위해, 액세서리(550)는 펄스 또는 버스트 모드 충전 동작을 사용할 수 있고, 이는 아래 더 상세하게 기재되는 바와 같다. 간략하게 요약하기 위해, 펄스 또는 버스트 모드 충전에서, 액세서리(550)는 개인용 전자 디바이스(540)로부터 전력의 펄스들 또는 버스트들을 주기적으로 끌어들여 에너지 저장 디바이스(554) 및 전력 시스템 부하(555)를 충전한다. 이러한 펄스들 또는 버스트들 사이에서, 시스템 부하(555)는 에너지 저장 디바이스(554)를 방전시킨다.

도 5b는 전력 액세서리(560)가 전력 수신기 모드에서 작동하는 개인용 전자 디바이스(540)에 무선으로 전력공급하기 위해 전력 송신기 모드에서 작동하는 예시적인 구성을 도시한다. 전력 액세서리(560)와 개인용 전자 디바이스(540) 사이의 전달로부터 전력을 취하도록 배열된 액세서리(550)가 도 5b에 추가적으로 도시되어 있다. 전력 액세서리(560)는 전원(564)을 포함할 수 있고, 이는 AC 어댑터(메인 전력을 수신하기 위함) 또는 배터리(DC 전력의 전원)일 수 있다. 이러한 전원은 옵션적인 중간 레귤레이터(563)를 통해 무선 전력 전송 회로부(562)에 결합될 수 있다. 레귤레이터(563)는, 일부 응용예들에서, 전원(564)으로부터 무선 전력 전송 회로부(562)에 의해 필요한 레벨로 전압을 증가시키는 부스트 컨버터일 수 있다. 그러나, 다른 응용예들에서, 레귤레이터(563)는 스위칭 또는 리니어 레귤레이터의 임의의 적합한 형태일 수 있다. 레귤레이터(563)의 조절된 전압 출력은 무선 전력 전송 회로부(562)에 전달될 수 있는데, 이는 무선 전력 전송 코일(561)을 구동하여 무선 전력 전송 코일(551)을 포함하는 무선 전력 전송 코일(541), 및 액세서리(550)를 포함하는 개인용 전자 디바이스(540)에 무선으로 전력을 전달할 수 있다.

무선 전력 전송 회로부(562)는 무선으로 전달되는 전압, 전류, 및/또는 전력의 변조를 이용하여, 개인용 전자 디바이스(540)의, 예컨대, 무선 전력 전송 회로부(542)의 대응하는 회로부와의 통신을 허용하도록 구성된 대역내 통신 회로부를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 대역내 통신 회로부는 주파수 시프트 키잉된 통신, 진폭 시프트 키잉된 통신, 또는 임의의 다른 적합한 대역내 통신 기술을 사용하도록 구성될 수 있다.

개인용 전자 디바이스(540)는 도 5a에 관련하여 전술된 다양한 컴포넌트들을 포함한다. 도 5b의 구성에서, 무선 전력 전송 회로부(542)는 무선 전력 수신기의 역할을 한다. 마찬가지로, 레귤레이터(543)는 도 5a에 관련하여 전술한 바와 같이 부스트 레귤레이터보다는 배터리(544)를 충전하기 위한 벅 레귤레이터로서 동작할 수 있다. 따라서 레귤레이터(543)는 양방향 벅/부스트 레귤레이터(또는 임의의 다른 적합한 레귤레이터 구성)일 수 있다. 수신기 모드에서, 전력 액세서리(560)의 무선 전력 전송 회로부(562) 및 무선 전력 전송 코일(561)의 동작에 의해 무선 전력 전송 코일(541)에서 AC 전압이 유도된다. 이 유도된 전압은 무선 전력 전송 회로부(542)에 의해 정류되고 결국에 전술한 바와 같이 시스템 부하(545)에 전력공급하는 배터리(544)를 충전할 수 있는 레귤레이터(543)에 제공된다. 무선 전력 전송 회로부(542)는 무선으로 전달되는 전압, 전류, 및/또는 전력의 변조를 이용하여, 전력 액세서리(560)의, 예컨대, 무선 전력 전송 회로부(562)의 대응하는 회로부와의 통신을 허용하도록 구성된 대역내 통신 회로부를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 대역내 통신 회로부는 주파수 시프트 키잉된 통신, 진폭 시프트 키잉된 통신, 또는 임의의 다른 적합한 대역내 통신 기술을 사용하도록 구성될 수 있다.

추가적으로, 액세서리(553)는 도 5a에 관련하여 전술된 다양한 컴포넌트들을 포함한다. 추가적으로, 이러한 컴포넌트들은 위에 기재된 바와 같이 동작하며, 아래 더 상세하게 설명되는 펄스 또는 버스트 모드 동작을 포함한다. 액세서리(553)의 무선 충전 코일(551)은 전력 액세서리(560)와 개인용 전자 디바이스(540) 사이의 전력 전송 스트림으로부터 전력을 취하도록 전력 액세서리(560)의 무선 전력 전송 코일(561) 및 개인용 전자 디바이스(540)의 무선 전력 전송 코일(541)에 대해 위치될 수 있다. 예를 들어, 액세서리(550)는 그것의 무선 전력 전송 코일(551)이 전력 액세서리(560) 및 개인용 전자 디바이스(540)의 각각의 무선 전력 전송 코일들(561, 541) 사이에 배치되도록 전력 액세서리(560) 및 개인용 전자 디바이스(540)에 대해 위치될 수 있다.

도 5c는 전력 액세서리(560)가 전력 송신기 모드에서 작동하는 개인용 전자 디바이스(540)로부터 무선으로 전력을 수신하기 위해 전력 수신기 모드에서 작동하는 예시적인 구성을 도시한다. 전력 액세서리(560)와 개인용 전자 디바이스(540) 사이의 전달로부터 전력을 취하도록 배열된 액세서리(550)가 도 5c에 추가적으로 도시되어 있다. 전력 액세서리(560)는 도 5b에 관련하여 전술된 동일한 컴포넌트들을 포함하지만, 개인용 전자 디바이스(540)에 전력을 전달하기 보다는, 그로부터 전력을 수신하도록 동작된다. 따라서, 무선 전력 전송 회로부(562)는 도 5a에 관련하여 전술한 바와 같이 개인용 전자 디바이스(540) 및 무선 전력 전송 코일(541)의 동작에 의해 무선 전력 전송 코일(561)에 걸쳐 유도된 전압을 정류하기 위한 정류기의 역할을 한다. 정류된 전압은 레귤레이터(563)에 제공되는데, 이는, 일부 응용예들에서, 에너지 저장 디바이스/배터리(564)를 충전하기 위한 벅 충전기로서 동작할 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 레귤레이터(563)는 양방향 벅 부스트 컨버터일 수 있지만, 임의의 적합한 레귤레이터 유형이 주어진 응용예에서 사용될 수 있다. 추가적으로, 위에 기재된 바와 같이, WPT 회로부(562)는 전술한 바와 같이 개인용 전자 디바이스(540) 내의 대응하는 회로부/무선 전력 전송 회로부(542)와의 통신을 용이하게 하는 대역내 통신 회로부를 포함할 수 있다.

개인용 전자 디바이스(540)는 도 5a 및 도 5b에 관련하여 위에서 설명된 컴포넌트들을 포함하고, 도 5a에 관련하여 설명된 바와 같이 동작하여 전력 액세서리(560)에 전력을 전달한다. 마찬가지로, WPT 회로부(542)는 전술한 바와 같이 전력 액세서리(560) 내의 대응하는 회로부(예컨대, 무선 전력 전송 회로부(562))와의 통신을 용이하게 하는 대역내 통신 회로부를 포함할 수 있다. 추가적으로, 액세서리(553)는 도 5a 및 도 5b에 관련하여 전술된 다양한 컴포넌트들을 포함한다. 이러한 컴포넌트들은 위에 기재된 바와 같이 동작할 수 있으며, 아래 더 상세하게 설명되는 펄스 또는 버스트 모드 동작을 포함한다. 액세서리(553)의 무선 충전 코일(551)은 전력 액세서리(560)와 개인용 전자 디바이스(540) 사이의 전력 전송 스트림으로부터 전력을 취하도록 전력 액세서리(560)의 무선 전력 전송 코일(561) 및 개인용 전자 디바이스(540)의 무선 전력 전송 코일(541)에 대해 위치될 수 있다. 예를 들어, 액세서리(550)는 그것의 무선 전력 전송 코일(551)이 전력 액세서리(560) 및 개인용 전자 디바이스(540)의 각각의 무선 전력 전송 코일들(561, 541) 사이에 배치되도록 전력 액세서리(560) 및 개인용 전자 디바이스(540)에 대해 위치될 수 있다.

도 6은 펄스 또는 버스트 모드 무선 전력 전송 동작에 대응하는 단순화된 타이밍 다이어그램들을 도시한다. 이러한 펄스 또는 버스트 모드 무선 전력 전송 동작이, 예를 들어, 액세서리(550)에 의해 사용될 수 있는데, 이는 간헐적으로 에너지 저장 디바이스(554)(예컨대, 배터리 또는 슈퍼 커패시터)를 충전하고 간헐적으로 시스템 부하(555)가 에너지 저장 디바이스(554)를 방전하게 할 수 있다. 도6에서, 전력 전송 간격들(664)은 전력 전송 윈도우들에 대응하는데, 전력 전송 윈도우 동안 정류기(552) 및 레귤레이터/충전기/LDO(553)는 무선 전력 전송 코일(551)을 통해 전력을 끌어내고 에너지를 에너지 저장 디바이스(554)에 저장하도록 동작한다. 타이밍 다이어그램(661)은 액세서리(550)에 대한 전체 부하 또는 높은 부하 조건에 대응한다. 이 조건에서, 전력 전송 간격들(664a, 664b, 664c)은 시간 경과에 따라 상대적으로 빈번하게 발생한다. 이러한 전력 전송 간격들(664) 사이에 슬립 모드가 있으며, 이때 에너지는 유도 링크를 통해 액세서리(550)에 전달되지 않는다. 제1 전력 전송 간격(664a)의 시작과 후속 전력 전송 간격의 시작 사이의 시간은 사이클 시간(t_cycle)이다. 전력 전송 간격의 듀레이션은 온 시간(T_on), 즉, 정류기(552)가 스위칭하는 시간 및/또는 레귤레이터(553)가 무선 전력 전송 코일(551)로부터 전력을 끌어오는 시간이다. 슬립 모드의 듀레이션에 대응하는 오프 시간(T_off)은 사이클 시간(t_cycle)과 온 시간(T_on)의 차이다.

타이밍 다이어그램(662)은 액세서리(550)의 보통의 부하 조건에 대응한다. 이 조건에서 전력 전송 간격들(664d, 664e)은 더 멀리 떨어져서, 더 긴 사이클 시간에 대응한다. 타이밍 다이어그램(663)은 액세서리(550)의 가벼운 부하 조건에 대응한다. 이 조건에서 전력 전송 간격(664f)이 발생하고, 사이클 시간(t_cycle)은 훨씬 더 길어서, 후속 전력 전송 간격이 다이어그램의 스케일 상에서 보이지 않는다. 도시된 예들에서, 전력 전송 간격들(664d, 664e, 664f)에 대한 T_on은 타이밍 다이어그램(661)에서와 동일하고, 오프 시간들, 또는 슬립 모드의 듀레이션들은 증가된 사이클 시간(t_cycle)을 제공하기 위해 더 길다. 그러나, 아래 설명된 일부 실시예들에서, 온 시간(T_on)은 가변적인 길이, 즉, 적응적일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 오프 시간(T_off)은 대안적인 기술들에 의해 제어될 수 있다. 제1 기술에서, 오프 시간은 일정하게 유지될 수 있다. 제2 기술에서, 액세서리(550)는 버스트 모드 요청 펄스를 송신하여 필요에 따라 전력공급 디바이스를 트리거할 수 있다. 이러한 제어 기술들은 아래 더 상세하게 설명된다.

온 시간(T_on)의 적응적 제어를 제공하기 위해, 객체들을 동작시키는 다양한 시스템이 고려될 수 있다. 예를 들어, 전력 전송 간격(664) 동안, 에너지 저장 디바이스(554)가 완전히 충전되어야 하는 것을 원하는 것이 바람직할 수 있다. 에너지 저장 디바이스(554)가 완전 충전에 도달하면, 그것의 충전 전류는 상대적으로 빠르게 떨어질 것이고, 이는 또한 무선 전력 전송 회로부가 전력을 제공하는 데 필요한 전력의 감소에 대응한다(예컨대, 도 5a 및 도 5c의 구성의 WPT 회로부(542) 또는 도 5b의 구성의 WPT 회로부(562)). 이는 전력 전송 디바이스, 도 5a 및 도 5c의 구성의 개인용 전자 디바이스(540) 또는 도 5b의 구성의 전력 액세서리(560)가 그것의 무선 전력 전송 회로부(542/562)에 의해 전달되는 전력을 모니터링하여 액세서리(550)의 에너지 저장 디바이스(554)가 완전히 충전되는 때를 검출한다. 에너지 저장 디바이스(554)/액세서리(550)가 완전히 충전되면 전력 전송 디바이스는 무선 전력 전송을 종료한다.

도 7은 적응적 T_on 제어를 사용하여 전술한 바와 같이 무선 전력 전송 시스템의 다양한 컴포넌트들에 대한 예시적인 전력 대 시간 곡선을 도시한다. 곡선(771)은 전력 전송 디바이스의 무선 전력 전송 회로부(542/562)에 대해 전력 대 시간을 도시한다. 곡선(772)은 무선 전력 전송 회로부(542/562)에 공급되는 레귤레이터, 예컨대, 부스트 컨버터/레귤레이터(543/563)의 전력을 도시한다. 곡선(773)은 액세서리(550)의 벅 충전기/LDO(553)에 의해 전달되는 전력을 도시한다. 전력 전송 간격(664) 동안, 전력 전송 디바이스(540/560)의 무선 전력 전송 회로부(542/562)가 활성이다. 이 상태의 시작은 선행 슬립 모드에 대한 타임 아웃 간격의 만료 시 시간 t0에 트리거될 수 있다. 따라서, 시간 t0에서, 전력 전송 디바이스의 무선 전력 전송 회로부(542/562)는 동작하기 시작하고, 이러한 회로부, 예컨대, 부스트 컨버터(543/563)에 전력공급하는 레귤레이터의 출력은 증가하기 시작할 것이다. 시간 t1에서, WPT 회로부(542/562)의 인버터는 동작하기 시작할 수 있고, 벅 충전기/LDO(553)의 출력은 증가하기 시작할 수 있다. 시간 t2에서, 벅 충전기/LDO(553)는 에너지 저장 디바이스(554)의 최고 속도의 충전을 위한 최대 전력에 도달한다. 시간 t3에서, 에너지 저장 디바이스(554)는 그것의 최대 충전 상태에 도달하고, 충전 전류(및 그에 대응하여 전력)가 감소하기 시작하고, 두 곡선(772, 773)에 반영된다. 시간 t4에서, 전력 전송 디바이스는 전력이 사전결정된 레벨 아래로 떨어지면 그것의 무선 전력 전송 회로부를 중단시켜, 슬립 모드의 시작을 트리거할 수 있다. 이 사이클은 오프 시간의 만료 시 반복될 수 있고, 이는 아래 설명되는 기술들 중 하나에 따라 결정될 수 있다.

오프 시간(T_off), 즉, 전력 전송 간격들(664) 사이의 슬립 모드의 듀레이션을 결정하기 위한 제1 기술은 일정한 오프 시간을 사용하는 것이다. 일정한 오프 시간은 액세서리 에너지 저장 디바이스(554)의 충전/전압의 최소 상태가 시스템(555)을 디스에이블할 임계 값(예컨대, 브라운아웃(brownout) 값)을 초과하여 유지되도록 선택될 수 있다. 이는 다양한 방식들로 달성될 수 있다. 예를 들어, 액세서리(550)는 도시된 NFC/블루투스 통신 채널과 같은 통신 채널을 통해 개인용 전자 디바이스(540)에 그것의 설계의 적절한 파라미터들을 제공할 수 있다. 이러한 파라미터들은, 예를 들어, 완전 부하 전력 레벨, 완전 부하 동안 디폴트 오프 시간, 동작 모드 등을 포함하는 액세서리 디바이스의 전력 소비에 관련될 수 있다. 이 정보로 부터, 개인용 전자 디바이스(540)는 전술한 보장을 제공할 적합한 고정된 오프 시간을 선택 또는 설정할 수 있다. 이러한 오프 시간을 결정하는 방식은 단지 하나의 예이며, 다양한 다른 기술들이 또한 사용될 수 있다. 어느 경우든, 고정된 오프 시간이 결정되면, 전력 전송 디바이스는 도 7에 관련하여 전술한 바와 같이 에너지 저장 디바이스(554)에 전력공급하고 충전할 수 있다. 또한, 전력 전송 디바이스는 전력이 에너지 저장 디바이스(554)가 완전 충전 상태에 도달하는 것에 대응하는 사전결정된 임계치 아래로 떨어지면 전력의 전달을 중단할 수 있다. 도 8은 이러한 시스템에 대한 부하 전력 및 수신기 리플 전압을 도시한다. 전력 전송 디바이스는 이어서 다음 충전 사이클을 개시하기 위하여 결정된 고정된 오프 시간(T_off)을 대기할 수 있다.

도 8은 액세서리(550)에 대한 2개의 예시적인 부하 레벨에 대한 일정한 T_off 동작 모드를 도시한다. 부하 전력 선도(875)를 참조하면, 평균 액세서리 부하는 시간 t0로부터 시간 t3까지 상대적으로 더 높은 레벨에 있고, 이 때 평균 부하는 시간 t6까지 상대적으로 더 낮은 레벨로 감소하고, 이때 그것은 다시 증가한다. 대응하는 전력 전송 간격들(864a, 864b)이 또한 도시되어 있다. 더 높은 평균 전력 기간 동안, 전력 전송 간격들(864a)의 듀레이션은 상대적으로 더 길고, 전술된 적응적 T_on 제어 기술에 대응한다. 더 낮은 평균 전력 기간 동안, 전력 전송 간격들(864b)의 듀레이션은 상대적으로 더 짧고, 다시 전술된 적응적 T_on 제어 기술에 대응한다. 모든 경우들에서, 전력 전송 간격들은 전술한 바와 같이 선택된 고정된 듀레이션 T_off를 갖는 슬립 모드들에 의해 분리된다.

도 8의 선도(874)는 이 동작의 결과로서 액세서리(550)에 의해 경험되는 리플 전압을 도시한다. 예를 들어, 이는 에너지 저장 디바이스(554)의 전압일 수 있고, 이는 또한 그것의 충전 상태에 대응한다. 시간 t0에 시작하면, 액세서리가 더 높은 평균 부하를 경험할 때, 에너지 저장 디바이스(554)는 상대적으로 더 낮은 충전 상태에 있으며, 상대적으로 더 낮은 전압 V3에 대응한다. 전력 전송 윈도우(864a)의 동작은 에너지 저장 디바이스(554)를 충전하는 역할을 하여, 완전 충전 상태에 도달할 때까지 그것의 충전 상태를 증가시키는데, 이는 시간 t1에서 전압 V3에 대응한다. 이 때, 전력 전송 디바이스는 고정된 듀레이션 T_off동안 슬립 모드에 진입한다. 결과적으로, 충전 상태 및 대응하는 전압은 감소한다. 시간 t2에서, 고정된 T_off 듀레이션에 의해 결정되면, 후속 전력 전송 간격이 시작하고, 에너지 저장 디바이스(554)의 충전 상태를 전압 V1에 대응하는 완전히 충전된 상태로 다시 가져가는데, 이 때 후속 고정된 듀레이션 슬립 상태에 진입한다.

그것이 슬립 상태에서 발생하지만 슬립 상태의 시작에 일어날 필요는 없는 시간 t3에서, 액세서리(550)의 평균 부하는 감소한다. 이러한 슬립 상태의 고정된 오프 시간(T_off)은 동일하게 유지되지만, 시간 t4에서, 다음 전력 전송 간격(864b)이 시작하면, 에너지 저장 디바이스(554)를 완전히 충전하는 데 상대적으로 시간이 덜 드는데(t5까지) 그 이유는 전압 V2에 대응하는 상대적으로 더 높은 충전 상태에서 전력 전송 간격(864b)에 진입하기 때문이다. 이는 전술한 바와 같이 더 짧은 온 시간에 대응한다. 그럼에도 불구하고, 오프 시간(T_off)은 이러한 상대적으로 더 낮은 부하 간격 동안 고정된 상태를 유지한다. 시간 t6에서, 액세서리(550)의 평균 부하가 다시 증가하면, 시스템은 전력 전송 간격들의 온 시간을 증가시킴으로써 적응되지만, 오프 시간은 일정하게 유지한다.

전술된 일정한 오프 시간은 단순성의 장점이 있는데, 액세서리(550)와 전력공급 디바이스 사이의 표현 피드백 경로가 필요 없기 때문에, 일부 실시예들에서 초기화 통신 채널이 제공되어 전력 전송 디바이스가 적합한 고정된 오프 시간을 선택하게 할 수 있다. 그러나, 일정한 오프 시간 제어 기술의 하나의 잠재적 단점은 상대적으로 더 높은 부하 조건 동안 액세서리(550)에 의해 경험되는 증가된 리플 전압일 수 있다. 이는 액세서리(550)과 전력 전송 디바이스 사이의 버스트 요청 펄스 제어 기술의 사용에 의해 완화될 수 있는데, 액세서리 디바이스는 필요할 때 전력 전송 간격을 개시하도록 전력 전송 디바이스에 대한 요청을 송신할 수 있지만, 도 9에 도시된 바와 같이 전력 전송 채널일 수 있는 피드백 채널이 펄스들을 수신해야 한다.

도 9는 버스트 모드 요청 펄스 무선 전력 수신 액세서리(550), 및 전력 전송 디바이스(540)의 단순화된 개략도를 도시한다. 전력 전송 디바이스(540)는 개인용 전자 디바이스(540)일 수 있거나, 일부 실시예들에서, 전력 액세서리(560)일 수 있다. 도 9는 PTx(103)가 도 1에서 위에 도시된 것과 개념적으로 유사한 방식이지만, 단순화된 방식으로 전력 전송 디바이스를 도시한다. 더 구체적으로는, 무선 전력 전송 회로부의 묘사는 아래 더 상세하게 기재되는 제어 회로부(108), 무선 전력 전송 코일(541), 튜닝 커패시터(CTX), 및 버스트 모드 검출 회로부(981)와 함께 스위칭 디바이스들(Q1 내지 Q4)로 구성된 인버터(102)를 도시하기 위해 약간 확대된다. 유사하게, 액세서리(550)는 PRx(105)가 도 1에서 도시된 것과 개념적으로 유사하지만 단순화된 방식으로 도시된다. 더 구체적으로는, 다이오드 정류기(552)는 정류기 다이오드들(552a, 552b)을 도시하도록 확대되고, 에너지 저장 디바이스(554)는 (슈퍼-) 커패시터로서 도시되고, 스위치들(Qr1, Qr2)을 포함하는 버스트 모드 요청 회로부, 및 상태 머신(982)이 추가된다.

버스트 요청 모드 펄스들 및 다양한 장치 및 그것들의 사용 방법들은 2021년 7월 28일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "Efficient Wireless Power Transfer Control"인 출원인의 공동계류중인 미국 특허 출원 17/386,542호, 및 2021년 6월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Wireless Power Transfer with Integrated Communications"인 63/216,831호에 더 상세하게 기재되어 있고, 이들은 전체적으로 참조로서 포함된다. 본 개시내용의 목적을 위해, 이러한 회로부는 액세서리(550)에 위치된 버스트 요청 모드 펄스 생성 회로부(982) 및 무선 전력 전송 디바이스(540)에 위치된 버스트 요청 모드 펄스 검출 회로부(981)로 증류될 수 있다. 버스트 요청 모드 펄스 생성 회로부(982)는 그것의 충전 상태에 대응하는, Vout/에너지 저장 디바이스(554)의 전압을 모니터링하는 임의의 적합한 회로부를 포함할 수 있다. 이 전압이 브라운아웃 임계치에 대응하는 임계치를 초과하면, 시스템은 대기 상태에 있을 수 있다. 이 전압이 임계치/임계 레벨에 도달하면, 회로부(982)는 수신기 LC 탱크가 단락되어, 예를 들어, 스위치(Qr2)를 이용하여 커패시터 CRX를 방전하는 상태로 전환될 수 있다. 순차적으로, 회로부(982)는 수신기 LC 탱크가 Vout/에너지 저장 디바이스(554)에 직접 연결되는 상태로 전환될 수 있다. 이 시퀀스는 출력 전압 Vout이 임계 임계치를 넘어 증가할 때까지 반복될 수 있어서, 일련의 버스트 요청 모드 펄스들이 액세서리 무선 전력 전송 코일(551)과 전력 전송 디바이스 무선 전력 전송 코일(541) 사이의 자기 커플링을 통해 전력 전송 채널을 통해 송신된다.

송신기 측에서, 버스트 요청 모드 펄스 검출 회로부(981)는 송신기 측 LC 탱크(도시됨)의 커패시터(CTX)에 걸친 전압을 모니터링하거나 또는 무선 전력 전송 코일(541)에 걸친 전압을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 어느 경우든, 스위치들(Qr1, Qr2)의 스위칭 동작들은 회로부(981)에 의해 검출되고 무선 전력 송신기 제어 회로부(108)에 제공되어 무선 전력 전송 회로부(542)로 하여금 전력 전송 간격(664)을 개시할 수 있는 일련의 특성 펄스들을 야기하며, 이는 버스트 요청 모드 펄스들이 수신되는 한, 즉, 에너지 저장 디바이스(554) 및 대응하는 전압 Vout이 브라운아웃 임계치를 초과할 때까지 반복적으로 수행될 수 있다.

도 10은 액세서리가 다른 방식으로 구축된 무선 전력 전송 채널로부터 취하는 구성을 포함하는, 무선 전력 전송 디바이스(540/560)로부터 액세서리(550)에 전력공급하기 위한 다양한 무선 전력 전송 제어 기술들에 대응하는 일련의 단순화된 상태 다이어그램들(1091 내지 1094)을 도시한다. 이러한 다양한 기술들은 도 6 내지 도 9를 참조하여 전술된 온 시간 및 오프 시간 제어 기술들의 다양한 조합들을 포함한다. 상태 다이어그램(1091)은 전력 송신기가 Vout(도 9)이 언제 임계 임계치(Vmin)에 도달하는지 "알고 있고", 오프 상태(1091b)(전술한 오프 시간/슬립 모드에 대응함)에서 온 상태(1091a)(온 시간/전력 전송 간격(664)에 대응함)로의 전환에 기초하는 "이상적인" 상황에 대응한다. 이어서 Vout이 Vmax(이를 다시 전력 송신기가 "알고 있음")에 도달하면, 전력 송신기는 온 상태(1091a)에서 오프 상태(1091b)로 다시 전환된다. 이 경우에 송신기 지식은 대역내 통신 또는 별개의 통신 채널에 기초하여 일부 종류의 피드백 채널을 통해 달성될 수 있으며, 이의 예들이 위에서 설명되었다.

상태 다이어그램(1092)은 버스트 요청 모드 펄스 및 전력 클리프 검출 기술에 기초한 제1 제어 기술에 대응한다. 이 경우의 "전력 클리프"는 에너지 저장 디바이스(554)가 그것의 완전 충전 상태에 도달함으로써 야기되는 무선 전력 전송 채널을 통한 전력의 감소이다. 이러한 Pin(power in) 클리프의 검출은 온 상태(1092a)에서 오프 시간이 업데이트될 수 있는 "업데이트 Toff" 상태(1092c)로의 전환을 야기할 수 있다. 하나의 업데이트 기술에서, 예컨대, 온 시간의 듀티 사이클 대 슬립 모드를 이용하여 평균 부하 전류가 결정될 수 있고, 이 부하 전류는, 예컨대 조견표에서 최대 오프 시간을 도출하는 데 사용될 수 있다. 이러한 동작들은 액세서리 자체 또는 전력 전송 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 액세서리에 의해 수행되는 경우, 그것은 이용가능한 통신 채널을 이용하여 최대 오프 시간을 전력 전송 디바이스에 전달할 수 있다. 무선 전력 전송 디바이스에 의해 결정이 이루어지는 경우, 그것 자체의 제어 회로부를 적절하게 업데이트할 수 있다. 어느 경우든, Toff가 업데이트된 후에(필요한 경우), 시스템은 오프 상태(1092b)로 전환될 수 있다. 이어서 결정된 Toff에 도달하거나 또는 버스트 모드 요청 펄스가 수신되는 경우, 전력 전송 디바이스는 온 상태(1092a)로 다시 전환될 수 있다.

상태 다이어그램(1093)은 버스트 요청 모드 펄스 및 입력 전력 추정에 기초하여 제2 제어 기술에 대응한다. 온 상태(1093a)로 시작하여, 사전결정된 온 시간 Ton에 도달하면, 전력 전송 디바이스는 오프 상태(1093b)로 전환될 수 있다. 이어서 사전결정된 오프 시간 Toff에 도달하거나 또는 버스트 모드 요청 펄스가 수신되면, 전력 전송 디바이스는 업데이트 Ton, Toff 상태(1093c)로 전환될 수 있다. 이 상태에서, "순간" 부하 전력은 전력 전송 디바이스(540) 또는 액세서리(550)에 의해 사용되는 임의의 적합한 추정 메커니즘으로부터 결정될 수 있다. 이어서 결정된 전력 레벨은 조견표로부터 적합한 온 시간 Ton 및 오프 시간 Toff을 도출하는 데 사용될 수 있다. 이어서 이 값들은 무선 전력 송신기 디바이스에 제공될 수 있고, 이는 또한 온 상태(1093a)로 전환된다.

상태 다이어그램(1094)은 도 7에 관련하여 설명된 적응적 T_on 기술 및 도 8에 관련하여 위에 설명된 고정된 T_off 기술에 대응한다. 온 상태(1094a)로 시작하면, 전력 전송 디바이스는 에너지 저장 디바이스(554)가 완전 충전 상태에 도달한 것과 연관된 입력 전력(Pin) "클리프"를 검출할 수 있다. 이는 전력 전송 간격들(664) 사이의 슬립 모드에 대응하는 오프 상태(1094b)로의 전환을 트리거할 수 있다. 이어서, 슬립 상태의 듀레이션에 대응하고 액세서리(550)의 최대 부하에 기초하여 결정될 수 있는 고정된 오프 시간 Toff 후에, 전력 전송 디바이스는 온 상태(1094a)로 다시 전환될 수 있다.

전술한 내용은 펄스 또는 버스트 모드 무선 전력 전송의 예시적인 실시예들을 설명한다. 이러한 시스템들은 다양한 응용예들에서 사용될 수 있지만, 무선 전력 전송 시스템들, 모바일 폰, 스마트 워치, 및/또는 태블릿 컴퓨터와 같은 개인용 전자 디바이스들 및 무선 이어폰, 스타일러스, 충전 케이스 등과 같은 이러한 디바이스들을 위한 액세서리들과 함께 사용될 때 특히 유리할 수 있다. 그러나, 매우 다양한 무선 전력 전송 시스템들이 본 명세서에 기재된 기술들을 유리하게 이용할 수 있다. 많은 특정 특징부들 및 다양한 실시예들이 기술되었지만, 달리 상호 배타적인 것으로 언급되지 않는 한, 다양한 특징부들 및 실시예들은 특정 구현에서 다양한 치환들로 조합할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 전술된 다양한 실시예들은 단지 예시로서 제공되고 본 발명의 범주를 제한하도록 구성되지 않아야 한다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 그리고 청구범위의 범주로부터 벗어남이 없이, 본 명세서의 원리들 및 실시예들에 대해 다양한 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있다.

Claims

무선 전력 전송 시스템으로서,
제1 무선 전력 전송 코일 및 상기 무선 전력 전송 코일에 결합된 무선 전력 전송 회로부를 포함하는 전자 디바이스 - 상기 무선 전력 전송 회로부는 상기 제1 무선 전력 전송 코일을 통해 무선으로 전력을 수신하고 전력을 송신하도록 구성됨 -; 및
제2 무선 전력 전송 코일, 상기 제2 무선 전력 전송 코일에 결합된 정류기, 및 레귤레이터 회로에 의해 상기 정류기에 결합된 에너지 저장 디바이스를 포함하는 액세서리 디바이스를 포함하고,
상기 무선 전력 전송 회로부는 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하여 전력을 상기 액세서리 디바이스에 전달하며, 상기 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드는 상기 액세서리 디바이스에 전력이 전달되는 온 시간(on time) 및 상기 액세서리 디바이스에 전력이 전달되지 않는 오프 시간(off time)을 갖는, 무선 전력 전송 시스템.
제1항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 회로부는 가변적인 온 시간을 사용하고, 상기 에너지 저장 디바이스가 완전히 충전되는 것을 상기 무선 전력 전송 회로부가 검출하는 것에 응답하여 상기 온 시간이 종료되는, 무선 전력 전송 시스템.
제2항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 회로부는 상기 액세서리 디바이스에 전달되는 무선 전력량을 모니터링함으로써 상기 에너지 저장 디바이스가 완전히 충전되는 것을 검출하는, 무선 전력 전송 시스템.
제2항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 회로부는 일정한 오프 시간을 이용하여 상기 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하는, 무선 전력 전송 시스템.
제4항에 있어서, 상기 일정한 오프 시간은 상기 액세서리 디바이스의 전력 소비에 관련된, 상기 액세서리 디바이스로부터 수신된 정보에 응답하여 상기 전자 디바이스에 의해 결정되는, 무선 전력 전송 시스템.
제5항에 있어서, 상기 액세서리 디바이스로부터 수신된 상기 정보는 무선 전력 전송 채널과는 별개의 통신 채널을 통해 수신되는, 무선 전력 전송 시스템.
제2항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 회로부는 가변적인 오프 시간을 이용하여 상기 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하는, 무선 전력 전송 시스템.
제7항에 있어서, 상기 가변적인 오프 시간은 상기 액세서리 디바이스로부터의 버스트 모드 요청 펄스에 의해 종료되는, 무선 전력 전송 시스템.
제1항에 있어서, 제3 무선 전력 전송 코일을 갖는 전력 액세서리를 추가로 포함하고, 상기 전력 액세서리는 또한 상기 전자 디바이스로부터 전력을 수신하고, 상기 액세서리 디바이스의 상기 제2 무선 전력 전송 코일은 상기 전자 디바이스의 상기 제1 무선 전력 전송 코일과 상기 전력 액세서리의 상기 제3 무선 전력 전송 코일 사이에 위치되는, 무선 전력 전송 시스템.
제9항에 있어서, 상기 전력 액세서리는 상기 제3 무선 전력 전송 코일을 통해 상기 전자 디바이스 및 상기 액세서리 디바이스에 전력을 전달할 수 있는, 무선 전력 전송 시스템.
전자 디바이스로서,
무선 전력 전송 코일; 및
상기 무선 전력 전송 코일에 결합된 무선 전력 전송 회로부 - 상기 무선 전력 전송 회로부는 상기 제1 무선 전력 전송 코일을 통해 무선으로 전력을 수신하고 전력을 송신하도록 구성됨 -를 포함하고,
상기 무선 전력 전송 회로부는 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하여 전력을 무선으로 액세서리 디바이스에 전달하고, 상기 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드는 상기 액세서리 디바이스에 전력이 전달되는 온 시간 및 상기 액세서리 디바이스에 전력이 전달되지 않는 오프 시간을 갖는, 전자 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 회로부는 가변적인 온 시간을 사용하고, 상기 무선 전력 전송 회로부가 상기 액세서리 디바이스에 전달되는 전력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 상기 온 시간이 종료되는, 전자 디바이스.
제12항에 있어서, 상기 액세서리 디바이스들에 전달되는 전력의 감소는 상기 액세서리 디바이스의 에너지 저장 디바이스가 완전 충전 상태에 도달하는 것과 연관되는, 전자 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 회로부는 일정한 오프 시간을 이용하여 상기 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하는, 전자 디바이스.
제14항에 있어서, 상기 일정한 오프 시간은 상기 액세서리 디바이스의 전력 소비에 관련된, 상기 액세서리 디바이스로부터 수신된 정보에 응답하여 상기 전자 디바이스에 의해 결정되는, 전자 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 액세서리 디바이스로부터 수신된 상기 정보는 무선 전력 전송 채널과는 별개의 통신 채널을 통해 수신되는, 전자 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 회로부는 가변적인 오프 시간을 이용하여 상기 펄스 또는 버스트 무선 전력 전송 모드에서 동작하는, 전자 디바이스.
제17항에 있어서, 상기 가변적인 오프 시간은 상기 액세서리 디바이스로부터의 버스트 모드 요청 펄스에 의해 종료되는, 전자 디바이스.
액세서리 디바이스에 펄스 또는 버스트 모드 전력을 제공하기 위해 무선 전력 송신기를 동작시키는 방법으로서,
상기 무선 전력 송신기의 무선 전력 전송 회로부가 상기 액세서리 디바이스에 전력을 전달하도록 동작되는 전력 전송 간격을 개시하는 단계;
온 시간의 만료 시, 상기 무선 전력 전송 회로부의 동작을 중단하여, 상기 무선 전력 전송 회로부가 동작되지 않는 오프 시간을 갖는 슬립 모드를 개시함으로써 상기 전력 전송 간격을 종료하는 단계; 및
오프 시간의 만료 시, 후속 전력 전송 간격을 개시함으로써 상기 슬립 모드를 종료하는 단계를 포함하는, 방법.
제19항에 있어서,
상기 온 시간은 가변적이고;
상기 온 시간은 상기 무선 전력 송신기가 상기 액세서리 디바이스에 전달되는 전력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 종료되는, 방법.