KR20230102683A - Apparatus for wireless power and two-way data transmission using single coil - Google Patents

Apparatus for wireless power and two-way data transmission using single coil Download PDF

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KR20230102683A
KR20230102683A KR1020210193013A KR20210193013A KR20230102683A KR 20230102683 A KR20230102683 A KR 20230102683A KR 1020210193013 A KR1020210193013 A KR 1020210193013A KR 20210193013 A KR20210193013 A KR 20210193013A KR 20230102683 A KR20230102683 A KR 20230102683A
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이병훈
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 단일 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치로서, 무선 전력 신호를 변조하는 하향 링크 변조 모듈, 상기 변조된 무선 전력 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭 모듈, 전송 코일 모듈을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 및 임피던스를 매칭시켜 상기 증폭된 무선 전력 신호를 전송하고, 상기 무선 전력 수신 장치로부터 신호를 수신하는 제1 매칭 모듈, 및 상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터를 복조하는 상향 링크 복조 모듈을 포함하고, 상기 제1 매칭 모듈은, 상기 무선 전력 신호의 전송 및 상기 무선 전력 수신 장치로부터 신호의 수신을 동시에 수행할 수 있다.The present invention is a wireless power transmission device using a single coil, including a downlink modulation module for modulating a wireless power signal, a power amplification module for amplifying power of the modulated wireless power signal, and a transmission coil module, the wireless power transmission A first matching module that transmits the amplified wireless power signal by matching the resonant frequency and impedance of the device and the wireless power receiver, and receives a signal from the wireless power receiver, and data received from the wireless power receiver and an uplink demodulation module that demodulates, and the first matching module may transmit the wireless power signal and receive the signal from the wireless power receiver at the same time.

Figure P1020210193013
Figure P1020210193013

Description

단일 코일을 이용한 무선 전력 및 양방향 데이터 송수신 장치{APPARATUS FOR WIRELESS POWER AND TWO-WAY DATA TRANSMISSION USING SINGLE COIL}Wireless power and two-way data transmission and reception device using a single coil {APPARATUS FOR WIRELESS POWER AND TWO-WAY DATA TRANSMISSION USING SINGLE COIL}

본 발명은 무선 전력 및 양방향 데이터 전송 장치에 관한 것으로, 특히, 단일 코일을 사용하여 소형화 가능하며, 무선 전력 전송과 데이터 송수신을 동시에 수행할 수 있는 무선 전력 및 양방향 데이터 송수신 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless power and two-way data transmission device, and more particularly, to a wireless power and two-way data transmission and reception device that can be miniaturized using a single coil and can perform wireless power transmission and data transmission and reception simultaneously.

무선 전력 전송은 전선 없이 전력을 전송할 수 있는 기술이다. 무선 전력 전송은 유선 연결이 위험하거나 불가능한 상황을 극복하고 전원을 공급할 수 있는 이점으로 인하여 그 활용분야가 확대되고 있다. 특히, 최근 무선 전력 전송 기술은 체내 삽입형 의료기기(Implantable medical device, IMD)분야에 널리 활용되고 있다. 체내 삽입형 의료기기(IMD) 분야에서 무선 전력을 전송하는 기술은 인체에 이식되는 기기의 특성상 크기 및 환경의 제약으로 인하여 효율이 낮을 수 밖에 없다. 따라서, 무선 전력 전송 장치의 전력 사용을 최소화 할 필요가 있고, 전력 사용을 최소화기 위해서는 데이터 전송에 사용하는 전력을 줄이는 것이 가장 효율적인 방법이다.Wireless power transmission is a technology that can transmit power without wires. Wireless power transmission is expanding its application due to its advantage of overcoming situations where wired connection is dangerous or impossible and supplying power. In particular, recent wireless power transmission technology has been widely used in the field of implantable medical devices (IMD). In the field of implantable medical devices (IMD), wireless power transmission technology is inevitably low in efficiency due to limitations in size and environment due to the characteristics of devices implanted in the human body. Therefore, it is necessary to minimize the power use of the wireless power transmission device, and reducing the power used for data transmission is the most efficient way to minimize the power use.

현재, 체내 삽입형 의료기기(IMD)의 경우 무선 전력 코일을 활용한 저전력 근거리 데이터 전송 방식을 활용하고 있으나, 기존의 방식은 단일 코일을 사용하여 업 링크(uplink) 또는 다운 링크(downlink)의 단방향 통신만이 가능하다. 기존의 방식을 통하여 양방향 통신을 구현하기 위해서는 무선 전력을 위한 코일 이외에 통신 채널을 위한 코일 또는 안테나를 추가적으로 더 구비해야 하는 문제가 있어, 소형화하는데 어려움이 있다. 또한, 무선 전력용 코일을 이용하면서 업링크 및 다운링크를 분할 시간을 통해서 사용하는 반이중 방식(Half-duplex, HD) 을 이용하여 통신으로 양방향 통신을 구현하는 경우, 시분할 데이터 전송을 위한 별도의 프로토콜이 필요한 문제가 있다.Currently, in the case of implantable medical devices (IMD), a low-power, short-distance data transmission method using a wireless power coil is used, but the existing method uses a single coil for uplink or downlink unidirectional communication. only is possible In order to implement two-way communication through the existing method, there is a problem in that a coil or an antenna for a communication channel must be additionally provided in addition to a coil for wireless power, so there is difficulty in miniaturization. In addition, when bidirectional communication is implemented using a half-duplex (HD) method in which uplink and downlink are used through time division while using a coil for wireless power, a separate protocol for time division data transmission is used. There is a problem that needs this.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 추가적인 코일 또는 안테나 없이, 단일 무선 전력 코일을 이용하여 무전 전력을 전송하면서 동시에 양방향 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention to solve the above problems is to provide a wireless power transmitter capable of transmitting and receiving two-way data while simultaneously transmitting radio power using a single wireless power coil without an additional coil or antenna.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 추가적인 코일 또는 안테나 없이, 단일 무선 전력 코일을 이용하여 무전 전력을 수신하면서 동시에 양방향 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신 장치를 제공하는데 있다. An object of the present invention to solve the above problems is to provide a wireless power receiver capable of transmitting and receiving two-way data while simultaneously receiving radio power using a single wireless power coil without an additional coil or antenna.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 추가적인 코일 또는 안테나 없이, 단일 무선 전력 코일을 이용하여 무전 전력을 전송하면서 동시에 양방향 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 및 양방향 데이터 송수신 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention to solve the above problems is to provide a wireless power and two-way data transmission and reception device capable of transmitting and receiving two-way data while simultaneously transmitting radio power using a single wireless power coil without an additional coil or antenna.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 단일 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치로서, 무선 전력 신호를 변조하는 하향 링크 변조 모듈, 상기 변조된 무선 전력 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭 모듈, 전송 코일 모듈을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 및 임피던스를 매칭시켜 상기 증폭된 무선 전력 신호를 전송하고, 상기 무선 전력 수신 장치로부터 신호를 수신하는 제1 매칭 모듈, 및 상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터를 복조하는 상향 링크 복조 모듈을 포함하고, 상기 제1 매칭 모듈은, 상기 무선 전력 신호의 전송 및 상기 무선 전력 수신 장치로부터 신호의 수신을 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.A wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a wireless power transmitter using a single coil, a downlink modulation module for modulating a wireless power signal, and amplifying the power of the modulated wireless power signal. A power amplification module and a transmission coil module to transmit the amplified wireless power signal by matching the resonance frequency and impedance of the wireless power transmitter and the wireless power receiver, and to receive a signal from the wireless power receiver A first matching module and an uplink demodulation module for demodulating data received from the wireless power receiver, wherein the first matching module performs transmission of the wireless power signal and reception of a signal from the wireless power receiver. characterized in that they are performed simultaneously.

상기 하향 링크 변조 모듈은 주파수 편이 변조(FSK)를 활용하여 변조할 수 있다.The downlink modulation module may perform modulation using frequency shift keying (FSK).

상기 하향 링크 변조 모듈은 이중 대역(Dual Band) 주파수 편이 변조(FSK)를 수행할 수 있다.The downlink modulation module may perform dual band frequency shift keying (FSK).

상기 주파수 편이 변조(FSK)는 제1 공진 주파수(

Figure pat00001
) 및 제2 공진 주파수(
Figure pat00002
)를 이용하여 변조하며, 제1 공진 주파수는 수학식 1과 같고, 제2 공진 주파수는 수학식 2와 같을 수 있다.The frequency shift keying (FSK) is a first resonant frequency (
Figure pat00001
) and the second resonant frequency (
Figure pat00002
), the first resonant frequency may be the same as Equation 1, and the second resonant frequency may be the same as Equation 2.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure pat00003
Figure pat00003

(수학식 2)(Equation 2)

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 상향 링크 복조 모듈은, 포락선 검파기(Envelope Detector), 또는 로우 패스 필터(Low Pass Filter, LPF)와 Threshold Detection 을 이용하여 복조 할 수 있다.The uplink demodulation module may demodulate using an envelope detector or a low pass filter (LPF) and threshold detection.

상기 하향 링크 변조 모듈은 스위치를 포함하여 주파수를 변조할 수 있다.The downlink modulation module may modulate a frequency by including a switch.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 단일 코일을 이용한 무선 전력 수신 장치로서, 무선 전력 전송 장치로부터 수신된 무선 전력 신호를 복조하는 하향 링크 복조 모듈, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 수신된 무선 전력을 직류로 변환 시켜주는 정류 모듈, 상기 무선 전력 전송 장치로 보내는 신호를 변조하는 상향 링크 변조 모듈, 및 수신 코일 모듈을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 상기 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 및 임피던스를 매칭시켜 상기 무선 전력 신호를 수신하고, 상기 상향 링크 변조 모듈에 의해 변조된 신호를 상기 무선 전력 전송 장치로 전송하는 제2 매칭 모듈을 포함하고, 상기 제2 매칭 모듈은, 상기 무선 전력 신호의 수신 및 상기 무선 전력 전송 장치로의 신호 전송을 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.A wireless power receiver according to another embodiment of the present invention for achieving the above object is a wireless power receiver using a single coil, a downlink demodulation module for demodulating a wireless power signal received from a wireless power transmitter, the wireless power A rectifier module for converting wireless power received from a transmission device into direct current, an uplink modulation module for modulating a signal transmitted to the wireless power transmitter, and a receiving coil module, wherein the wireless power transmitter and the wireless power receiver A second matching module for receiving the wireless power signal by matching the resonance frequency and impedance of the device and transmitting the signal modulated by the uplink modulation module to the wireless power transmitter, the second matching module comprising: , It is characterized in that the reception of the wireless power signal and the transmission of the signal to the wireless power transmission device are performed simultaneously.

상기 상향 링크 변조 모듈은 부하 편이 변조(LSK) 방식으로 데이터를 변조할 수 있다.The uplink modulation module may modulate data using a load shift keying (LSK) method.

제2 매칭 모듈은, 상기 무선 전력 전송 장치의 주파수 편이 변조된 신호를 송수신할 수 있는 럼프드(Lumped) 인턱터(L) 및 캐퍼시터(C)를 더 포함할 수 있다.The second matching module may further include a lumped inductor (L) and a capacitor (C) capable of transmitting and receiving a frequency shift modulated signal of the wireless power transmitter.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치를 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 및 데이터 송수신 및 무선 전력 수신 장치의 데이터 송수신을 동시에 수행하는 단일 코일을 이용한 무선 전력 및 양방향 데이터 송수신 장치로서, 상기 무선 전력 전송 장치는: 무선 전력 신호를 변조하는 하향 링크 변조 모듈, 상기 변조된 무선 전력 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭 모듈, 전송 코일 모듈을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 및 임피던스를 매칭시켜 상기 증폭된 무선 전력 신호를 전송하고, 상기 무선 전력 수신 장치로부터 신호를 수신하는 제1 매칭 모듈, 및 상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터를 복조하는 상향 링크 복조 모듈,을 포함하고, 상기 무선 전력 수신 장치는: 단일 코일을 이용한 무선 전력 수신 장치로서, 무선 전력 전송 장치로부터 수신된 무선 전력 신호를 복조하는 하향 링크 복조 모듈, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 수신된 무선 전력을 직류로 변환 시켜주는 정류 모듈, 상기 무선 전력 전송 장치로 보내는 신호를 변조하는 상향 링크 변조 모듈, 및 수신 코일 모듈을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 상기 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 및 임피던스를 매칭시켜 상기 무선 전력 신호를 수신하고, 상기 상향 링크 변조 모듈에 의해 변조된 신호를 상기 무선 전력 전송 장치로 전송하는 제2 매칭 모듈,을 포함한다. A wireless power transmitter and a wireless power receiver according to another embodiment of the present invention for achieving the above object are included, and the wireless power transmitter transmits/receives wireless power and data and the wireless power receiver simultaneously transmits and receives data. A wireless power and bidirectional data transmission and reception device using a single coil for transmitting and receiving wireless power, the wireless power transmission device comprising: a downlink modulation module for modulating a wireless power signal, a power amplification module for amplifying power of the modulated wireless power signal, and a transmission coil module A first matching module for transmitting the amplified wireless power signal by matching resonance frequencies and impedances of the wireless power transmitter and the wireless power receiver, and receiving a signal from the wireless power receiver, and the wireless An uplink demodulation module demodulating data received from a power receiver, wherein the wireless power receiver is a wireless power receiver using a single coil, and demodulates a wireless power signal received from a wireless power transmitter. A link demodulation module, a rectification module for converting wireless power received from the wireless power transmitter into direct current, an uplink modulation module for modulating a signal sent to the wireless power transmitter, and a receiving coil module, wherein the wireless power A second matching module for receiving the wireless power signal by matching the resonance frequency and impedance of the transmitting device and the wireless power receiving device, and transmitting the signal modulated by the uplink modulation module to the wireless power transmitting device. do.

상기 하향 링크 변조 모듈은 주파수 편이 변조(FSK)를 활용하여 변조할 수 있다. The downlink modulation module may perform modulation using frequency shift keying (FSK).

상기 하향 링크 변조 모듈은 이중 대역(Dual Band) 주파수 편이 변조(FSK)를 수행할 수 있다.The downlink modulation module may perform dual band frequency shift keying (FSK).

상기 하향 링크 변조 모듈은 상기 주파수 편이 변조(FSK)시에 제1 공진 주파수(

Figure pat00005
) 및 제2 공진 주파수(
Figure pat00006
)를 이용하여 변조하며, 제1 공진 주파수는 수학식 1과 같고, 제2 공진 주파수는 수학식 2와 같을 수 있다. The downlink modulation module has a first resonant frequency (for frequency shift keying (FSK))
Figure pat00005
) and the second resonant frequency (
Figure pat00006
), the first resonant frequency may be the same as Equation 1, and the second resonant frequency may be the same as Equation 2.

상기 상향 링크 복조 모듈은, 포락선 검파기(Envelope Detector), 또는 로우 패스 필터(Low Pass Filter, LPF)와 Threshold Detection 을 이용하여 복조 할 수 있다.The uplink demodulation module may demodulate using an envelope detector or a low pass filter (LPF) and threshold detection.

상기 하향 링크 변조 모듈은 스위치를 이용하여 주파수를 변조할 수 있다.The downlink modulation module may modulate a frequency using a switch.

상기 상향 링크 변조 모듈은 부하 편이 변조(LSK) 방식으로 데이터를 변조할 수 있다.The uplink modulation module may modulate data using a load shift keying (LSK) method.

제2 매칭 모듈은, 상기 무선 전력 전송 장치의 주파수 편이 변조된 신호를 송수신할 수 있는 럼프드(Lumped) 인턱터(L) 및 캐퍼시터(C)를 더 포함할 수 있다.The second matching module may further include a lumped inductor (L) and a capacitor (C) capable of transmitting and receiving a frequency shift modulated signal of the wireless power transmitter.

본 발명은 무선 전력 전송과 양방향 데이터 송수신을 동시에 수행 가능케함으로써, 기존의 시분할 방식을 통해 데이터를 송수신하는 경우에 비하여, 시분할 데이터 송수신을 위한 별도의 프로토콜이 필요 없이 데이터를 주고 받을 수 있는 장점이 있다.The present invention enables wireless power transmission and bi-directional data transmission and reception to be simultaneously performed, so that compared to the case of transmitting and receiving data through the existing time-division method, there is an advantage in that data can be transmitted and received without the need for a separate protocol for time-division data transmission and reception. .

또한, 본 발명은 무선 전력 전송과 양방향 데이터 송수신을 동시에 수행 가능케함으로써, 기존의 시분할 방식을 통해 데이터 통신하는 경우에 비하여, 데이터를 임시적으로 저장하는 추가적인 메모리를 구비할 필요가 없어 무선 전력 전송과 양방향 데이터 송수신 장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention enables wireless power transmission and bi-directional data transmission and reception to be simultaneously performed, compared to the case of data communication through the existing time-division method, there is no need to provide an additional memory for temporarily storing data, and thus wireless power transmission and bi-directional data communication are not required. There is an advantage in that the data transmission/reception device can be miniaturized.

또한, 본 발명은 추가적인 코일 또는 안테나의 사용 없이, 단일 코일을 이용하여 무선 전력과 양방향 데이터 송수신을 동시에 수행 가능케함으로써, 장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention has the advantage of miniaturizing the device by simultaneously performing wireless power and bi-directional data transmission and reception using a single coil without using an additional coil or antenna.

또한, 본 발명에 의하면, 두개의 공진점을 활용하여 주파수 편이 변조를 수행함으로써, 데이터 송수신 중에도 높은 효율의 무전 전력 전송 효율을 유지 할 수 있다.In addition, according to the present invention, by performing frequency shift modulation using two resonance points, it is possible to maintain high efficiency of radio power transmission even during data transmission and reception.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 코일을 이용한 무선 전력 및 양방향 데이터 송수신 장치의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 및 양방향 데이터 전송을 보여주는 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 및 하향 링크 데이터 전송을 보여주는 도면이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상향 링크 데이터 전송을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 및 전이중 방식 데이터 전송의 주요 파형을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 성능 시험을 위해 제작한 장치를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시험 결과를 보여주는 도면이다.
1 is a block diagram of an apparatus for transmitting and receiving wireless power and bi-directional data using a single coil according to an embodiment of the present invention.
2A is a block diagram illustrating wireless power and bi-directional data transmission according to an embodiment of the present invention.
2B is a diagram showing wireless power and downlink data transmission according to an embodiment of the present invention.
2C is a diagram showing uplink data transmission according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing main waveforms of wireless power and full-duplex data transmission according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a device fabricated for a performance test according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing test results according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The term “and/or” includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

본 출원의 실시예들에서, “A 및 B 중에서 적어도 하나”는 “A 또는 B 중에서 적어도 하나” 또는 “A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나”를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, “A 및 B 중에서 하나 이상”은 “A 또는 B 중에서 하나 이상” 또는 “A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상”을 의미할 수 있다.In embodiments of the present application, “at least one of A and B” may mean “at least one of A or B” or “at least one of combinations of one or more of A and B”. Also, in the embodiments of the present application, “one or more of A and B” may mean “one or more of A or B” or “one or more of combinations of one or more of A and B”.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 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.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail. In order to facilitate overall understanding in the description of the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and redundant descriptions of the same components are omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(100) 및 무선 전력 수신 장치(200)의 블록도이다.1 is a block diagram of a wireless power transmitter 100 and a wireless power receiver 200 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(100)는 상기 무선 전력 수신 장치(200)에 무선을 필요 전력과 데이터를 동시에 전달 하는 장치 일 수 있다. Referring to FIG. 1 , the wireless power transmitter 100 may be a device that simultaneously transmits required power and data wirelessly to the wireless power receiver 200 .

상기 무선 전력 수신 장치(200)는 상기 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작 가능한 장치 일 수 있다. 본 발명의 특성 상, 상기 무선 전력 수신 장치(200)는 체내 삽입 장치, 또는 근거리 무선 통신(Near Field Communication; NFC)에 이용되는 장치와 같이 소형화 된 무선 전력 수신 장치(200)가 필요한 장치에 적용될 수 있으나, 이에 국한되지 않고, 이동 통신 단말기 또는 멀티미디어 기기 등 다양한 장치에 적용될 수 있다.The wireless power receiver 200 may be a device capable of receiving power wirelessly from the wireless power transmitter 100 and operating. In view of the characteristics of the present invention, the wireless power receiver 200 is applied to a device requiring a miniaturized wireless power receiver 200, such as a device inserted into the body or a device used for Near Field Communication (NFC). However, it is not limited thereto, and may be applied to various devices such as mobile communication terminals or multimedia devices.

한편, 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식을 이용하여 상기 무선 전력 수신 장치(200)로 상호 간 접촉 없이도 무선으로 전력을 전달할 수 있다.Meanwhile, the wireless power transmitter 100 may wirelessly transfer power to the wireless power receiver 200 without mutual contact by using an inductive coupling method based on a magnetic induction phenomenon.

상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술로, 자기 유도 현상에 의하여 하나의 코일에서 변화하는 자기장 통해 다른 코일 쪽에 전류가 유도됨으로써 전력이 전달되는 것을 말한다.The wireless power transmission by the inductive coupling method is a technology for wirelessly transmitting power using a primary coil and a secondary coil, and a current is induced toward the other coil through a magnetic field that changes in one coil by a magnetic induction phenomenon, thereby generating power that is conveyed

도 1을 참조하면, 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 제어 모듈(101), 하향 링크 변조 모듈(103), 전력 증폭 모듈(105), 제1 매칭 모듈(107), 및 상향 링크 복조 모듈(109)을 포함하고 있다.Referring to FIG. 1, the wireless power transmitter 100 includes a control module 101, a downlink modulation module 103, a power amplification module 105, a first matching module 107, and an uplink demodulation module ( 109) are included.

상기 제어 모듈(101)은 하향 링크 변조 모듈(103), 전력 증폭 모듈(105), 제1 매칭 모듈(107), 상향 링크 복조 모듈(109) 등 상기 무선 전력 전송 장치(100)의 구성요소를 제어한다. 또한, 상기 제어 모듈(101)은 상기 무선 전력 전송 장치(100)를 제어하는 다른 제어 모듈(미도시)과 통합되도록 구현될 수 있다. 상기 제어 모듈(101)은 상기 무선 전력 수신 장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 상기 제어 모듈(101)은 상기 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.The control module 101 includes components of the wireless power transmitter 100, such as a downlink modulation module 103, a power amplification module 105, a first matching module 107, and an uplink demodulation module 109. Control. In addition, the control module 101 may be implemented to be integrated with another control module (not shown) that controls the wireless power transmitter 100 . The control module 101 may receive a power control message from the wireless power receiver 200 . The control module 101 may determine one or more characteristics of frequency, voltage, and current based on the received power control message.

상기 하향 링크 변조 모듈(103)은 상기 제어 모듈(101)의 제어를 받아 신호를 변조 할 수 있다. 상기 하향 링크 변조 모듈(103)은 주파수 편이 변조(Frequency Shift Keying Modulation, FSK) 변조할 수 있다. 상기 하향 링크 변조 모듈(103)은 직류 전류에 대해서는 저항(Resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(Reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다. The downlink modulation module 103 may modulate a signal under the control of the control module 101 . The downlink modulation module 103 may perform frequency shift keying modulation (FSK) modulation. The downlink modulation module 103 may be composed of a resistive element whose resistance changes with respect to direct current, and may be composed of a capacitive element whose reactance changes with respect to alternating current.

상기 전력 증폭 모듈(105)은 변조된 신호를 미리 설정된 크기로 증폭할 수 있다. The power amplification module 105 may amplify the modulated signal to a preset level.

상기 제1 매칭 모듈(107)은 공진 주파수와 임피던스 매칭시킴으로써, 상기 전력 증폭 모듈(105)로부터 전달받은 증폭된 신호를 송신 코일 모듈을 통해 송신 할 수 있다. 상기 제1 매칭 모듈(107)은 송신 코일 모듈을 더 포함할 수 있다. 상기 송신 코일 모듈은 변조된 신호 및 무선 전력을 상기 무선 전력 수신 장치(200)로 전송할 수 있다.The first matching module 107 may transmit the amplified signal received from the power amplification module 105 through the transmission coil module by matching the resonant frequency and impedance. The first matching module 107 may further include a transmitting coil module. The transmit coil module may transmit the modulated signal and wireless power to the wireless power receiver 200 .

상기 상향 링크 복조 모듈(109)은 상기 무선 전력 수신 장치(200)가 상향 링크 변조 모듈(209)을 통해 변조하여 송신된 신호를 수신하여 복조 할 수 있다. 상기 상향 링크 복조 모듈(109)은 직류 전류에 대해서는 저항(resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다.The uplink demodulation module 109 may receive and demodulate a signal modulated and transmitted by the wireless power receiver 200 through the uplink modulation module 209. The uplink demodulation module 109 may be composed of a resistive element whose resistance changes with respect to DC current, and may be composed of a capacitive element whose reactance changes with respect to AC current.

다시 도 1을 참조하면, 상기 무선 전력 수신 장치(200)는 제2 매칭 모듈(203), 하향 링크 복조 모듈(201), 정류 모듈(205) 및 상향 링크 변조 모듈(209) 및 부하 모듈(207)을 포함할 수 있다.Referring back to FIG. 1, the wireless power receiver 200 includes a second matching module 203, a downlink demodulation module 201, a rectification module 205, an uplink modulation module 209, and a load module 207. ) may be included.

상기 제2 매칭 모듈(203)은 공진 주파수와 임피던스 매칭시킴으로써, 상향 링크 변조 모듈(209)로부터 전달받은 변조된 신호를 수신 코일 모듈을 통해 상기 무선 전력 전송 장치(100)로 송신 할 수 있다. 상기 제2 매칭 모듈(203)은 수신 코일 모듈을 더 포함할 수 있다. 상기 수신 코일 모듈은 상기 무선 전력 전송 장치(100)의 송신 코일 모듈을 통해 전송되는 변조된 신호 및 무선 전력을 수신할 수 있다.The second matching module 203 may transmit the modulated signal received from the uplink modulation module 209 to the wireless power transmitter 100 through the receiving coil module by matching the resonant frequency and impedance. The second matching module 203 may further include a receiving coil module. The receiving coil module may receive a modulated signal and wireless power transmitted through the transmitting coil module of the wireless power transmitter 100 .

상기 하향 링크 복조 모듈(201)은 상기 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전송 받은 변조된 신호를 복조 할 수 있다. 상기 하향 링크 복조 모듈(201)은 직류 전류에 대해서는 저항(Resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(Reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다. The downlink demodulation module 201 may demodulate the modulated signal received from the wireless power transmitter 100. The downlink demodulation module 201 may be composed of a resistive element whose resistance changes with respect to direct current, and may be composed of a capacitive element whose reactance changes with respect to alternating current.

상기 정류 모듈(205)은 상기 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전송 받은 무선 전력을 정류하여 직류로 변환하여 부하 모듈(207)로 전달 할 수 있다. 상기 정류 모듈(205)은 정류된 전류를 보다 안정적인 직류로 만들어 주는 레귤레이터(Regulator)를 더 포함할 수 있다. The rectification module 205 may rectify the wireless power received from the wireless power transmitter 100, convert it into direct current, and deliver it to the load module 207. The rectification module 205 may further include a regulator that converts the rectified current into a more stable direct current.

상기 부하 모듈(207)은 상기 정류 모듈(205)로부터 전달받은 전력을 상향 링크 변조 모듈(209)을 통해 제2 매칭 모듈(203)로 전달하여 상기 무선 전력 수신 장치(200)의 신호를 전송하게끔 할 수 있다. 상기 부하 모듈(207)은 잔여 전력을 상기 무선 전력 수신 장치(200)와 연결된 전원 저장소(미도시)에 전달할 수도 있다. The load module 207 transmits the power received from the rectification module 205 to the second matching module 203 through the uplink modulation module 209 to transmit the signal of the wireless power receiver 200. can do. The load module 207 may transfer remaining power to a power storage (not shown) connected to the wireless power receiver 200 .

상기 상향 링크 변조 모듈(209)은 상기 부하 모듈(207)로부터 전달 받은 신호를 전달 받아 변조를 수행하고, 변조된 신호를 제2 매칭 모듈(203)에 전달 할 수 있다. 상기 상향 링크 변조 모듈(209)은 직류 전류에 대해서는 저항(Resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(Reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다.The uplink modulation module 209 may receive the signal transmitted from the load module 207, perform modulation, and transmit the modulated signal to the second matching module 203. The uplink modulation module 209 may be composed of a resistive element whose resistance changes with respect to direct current, and may be composed of a capacitive element whose reactance changes with respect to alternating current.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 및 양방향 데이터 송수신을 보여주는 블록도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 및 하향 링크 데이터 송수신을 보여주는 도면이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상향 링크 데이터 송수신을 보여주는 도면이다.2A is a block diagram showing transmission and reception of wireless power and bi-directional data according to an embodiment of the present invention, FIG. 2B is a diagram showing transmission and reception of wireless power and downlink data according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a diagram showing uplink data transmission and reception according to an embodiment of the present invention.

상기 무선 전력 전송 장치(100)는 무선 전력과 함께 데이터를 전송할 수 있다. 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 데이터 전송을 위해 이중 대역(Dual Band)의 주파수 편이 변조(FSK)를 사용할 수 있다. The wireless power transmitter 100 may transmit data together with wireless power. The wireless power transmitter 100 may use dual band frequency shift keying (FSK) for data transmission.

기존의 동일 대역(Single Band) 주파수 편이 변조(FSK) 방식과 비교하면, 이중 대역(Dual Band)의 주파수 편이 변조(FSK) 방식을 이용하는 경우에 더 높은 Quality Factor(Q)로 무선 전력 전송과 데이터 전송을 수행할 수 있다. Compared to the existing single band frequency shift keying (FSK) method, when using the dual band frequency shift keying (FSK) method, wireless power transmission and data with a higher quality factor (Q) transmission can be performed.

여기서, Quality Factor는 공진 곡선, 즉 주파수 응답 상의 첨예도를 나타내며, 공진 회로에서 축적될 수 있는 최대 에너지와 주기 내에 소실되는 에너지와의 상대적인 크기에 의해 결정되는 값으로, 주파수의 선택 특성 품질을 의미한다.Here, the quality factor represents the sharpness of the resonance curve, that is, the frequency response, and is a value determined by the relative size of the maximum energy that can be accumulated in the resonance circuit and the energy dissipated within a period. do.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 상기 전력 증폭 모듈(105)은 공진 커패시터와 스위치를 포함할 수 있다. 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 상기 공진 커패시터와 스위치를 이용하여 제1 주파수 및 제2 주파수를 생성할 수 있다. 여기서, 공간적 제약이 있는, 예를 들면 체내 삽입형 의료기기(IMD)와 같은, 상기 무선 전력 수신 장치(200)는 럼프드(lumped)

Figure pat00007
Figure pat00008
를 포함할 수 있다. 상기 무선 전력 수신 장치(200)는 럼프드(lumped)
Figure pat00009
Figure pat00010
를 사용하여, 이중 대역(Dual Band) 통신이 가능하게 할 수 있으며, 이를 통하여 주파수 편이 변조(FSK) 데이터 전송시에도 높은 효율의 무선 전력 전송 채널을 유지할 수 있다. 이중 대역(Dual Band) 코일의 최적화를 위한 인덕턴스와 캐패시턴스는 수학식 1 내지 수학식 3과 같을 수 있다.Referring to FIGS. 2A to 2C , the power amplification module 105 may include a resonant capacitor and a switch. The wireless power transmitter 100 may generate a first frequency and a second frequency using the resonant capacitor and the switch. Here, the wireless power receiver 200 with space limitations, such as an implantable medical device (IMD), is lumped
Figure pat00007
and
Figure pat00008
can include The wireless power receiver 200 is lumped
Figure pat00009
and
Figure pat00010
By using, dual band communication can be enabled, and through this, a wireless power transmission channel with high efficiency can be maintained even during frequency shift keying (FSK) data transmission. Inductance and capacitance for optimization of the dual band coil may be as shown in Equations 1 to 3.

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서, 주파수 편이 변조(FSK)는 디지털 신호를 아날로그 전송로를 통하여 전송할 때 사용하는 주파수 변조 방식이다. 주파수 편이 변조(FSK)는 중심 주파수를 삽입한 고주파수와 저주파수 두 개의 주파수에 이진수 1과 0을 대응시킬 수 있다.Here, frequency shift keying (FSK) is a frequency modulation method used when transmitting a digital signal through an analog transmission line. In frequency shift keying (FSK), binary numbers 1 and 0 may correspond to two frequencies, a high frequency and a low frequency with a center frequency inserted therein.

본 발명의 일 실시에에 따르면, 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 추가적인 공진 캐패시터(

Figure pat00014
)와 스위치를 사용하여 제1 주파수(
Figure pat00015
) 및 제2 주파수(
Figure pat00016
)의 두 개의 주파수를 생성 할 수 있다. 한편, 상기 무선 전력 수신 장치(200)와 달리 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 일반적으로 공간적인 제약이 크지 않은 경우가 대다수이므로, 무선 전력 전송 장치(100)는 이에 국한되지 않고, 두개의 공진 주파수를 생성하여 주파수 편이 변조(FSK)를 구현할 수 있는 다양한 방식이 적용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the wireless power transmitter 100 includes an additional resonance capacitor (
Figure pat00014
) and the switch to use the first frequency (
Figure pat00015
) and the second frequency (
Figure pat00016
) can generate two frequencies. On the other hand, unlike the wireless power receiver 200, since the wireless power transmitter 100 generally does not have a large spatial restriction, the wireless power transmitter 100 is not limited to this, and the two resonance Various schemes capable of implementing frequency shift keying (FSK) by generating frequencies may be applied.

도 2a 및 도 2c를 참조하면, 상기 무선 전력 수신 장치(200)는 상기 무선 전력 전송 장치(100)로 데이터를 전송하는 상향 링크(Uplink)는 부하 편이 변조(Load Shift Keying, LSK)를 적용할 수 있다.2A and 2C, the wireless power receiver 200 applies load shift keying (LSK) to an uplink that transmits data to the wireless power transmitter 100. can

체내 삽입형 의료기기(IMD) 분야에서는, 상대적으로 적은 전력 소모 및 간단한 회로 구현으로 인하여 부하 편이 변조(LSK)의 활용성이 매우 높을 수 있다. 특히, 유도결합에 의한 전력공급 방식은 항상 전자기파에 대한 노출로 인한 인체 유해성의 논란이 되어오고 있어, 체내 삽입형 의료기기(IMD)는 자극시간 동안만 전력을 전송하는 방법으로 부하 편이 변조(LSK) 방식을 사용하는 것이 유리하다. 또한, 부하 편이 변조(LSK) 방식은 상기 무선 전력 수신 장치(200)에 별도의 송신 회로 없이 부하 상태 만을 변경함으로써, 상기 무선 전력 수신 장치(200)로부터 상기 무선 전력 전송 장치(100)로 데이터 전송이 가능한 이점이 있다.In the field of implantable medical devices (IMD), utilization of load shift keying (LSK) can be very high due to relatively low power consumption and simple circuit implementation. In particular, the power supply method by inductive coupling has always been controversial about harmfulness to the human body due to exposure to electromagnetic waves, so implantable medical devices (IMD) use load shift modulation (LSK) as a method of transmitting power only during stimulation time. It is advantageous to use the method In addition, the load shift keying (LSK) method transmits data from the wireless power receiver 200 to the wireless power transmitter 100 by changing only a load state without a separate transmission circuit in the wireless power receiver 200. There are possible advantages to this.

도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 이중 대역(Dual Band)의 코일 모듈로 인하여 제1 주파수(

Figure pat00017
) 및 제2 주파수(
Figure pat00018
), 두 개의 독립적인 주파수를 사용하게 됨으로써, 반사 저항을 이용하는 부하 편이 변조(LSK)를 활용하여 노이즈가 적은 상향 링크를 구현할 수 있다. 이를 통하여, 기존의 좁은 데이터 전송 영역과 낮은 Quality Factor(Q)로 인하여 동일 대역(Single Band)의 주파수 편이 변조(FSK)를 사용하는 하향 링크(downlink) 시스템에서, 양방향 통신을 위해 상향 링크(Uplink)로 부하 편이 변조(LSK)를 사용하는 경우에 발생하였던 노이즈에 매우 취약한 문제점을 해결할 수 있다.Referring to FIG. 2C, the wireless power transmitter 100 according to the present invention has a first frequency (dual band) due to a coil module.
Figure pat00017
) and the second frequency (
Figure pat00018
), by using two independent frequencies, it is possible to implement an uplink with less noise by utilizing load shift keying (LSK) using reflection resistance. Through this, in a downlink system using frequency shift keying (FSK) of the same band (Single Band) due to the existing narrow data transmission area and low quality factor (Q), uplink (Uplink) for two-way communication ), it is possible to solve the problem of being very vulnerable to noise that occurred when load shift keying (LSK) was used.

한편, 기존의 부하 편이 변조(LSK)가 사용된 상향 링크를 통한 데이터 전송의 경우, 부하 편이 변조(LSK) 시에 생성된 자기 간섭은 상기 무선 전력 수신 장치(200)에 대한 시변 채널로 동작하여 수신된 하향 링크(Downlink)의 주파수 편이 변조(FSK) 신호의 주파수 응답을 왜곡할 수 있는 문제가 있었다. Meanwhile, in the case of data transmission through uplink using conventional load shift keying (LSK), self-interference generated during load shift keying (LSK) operates as a time-varying channel for the wireless power receiver 200, There is a problem in that a frequency response of a received downlink frequency shift keying (FSK) signal may be distorted.

그러나, 본 발명은 전이중(FD) 방식으로 데이터 전송시, 자체 간섭에 강인한 이중 대역(Dual Band)의 주파수 편이 변조(FSK)를 사용함으로써, 주파수 응답의 왜곡을 최소화 하여, 상기의 문제를 해결하였다.However, the present invention solves the above problem by minimizing the distortion of the frequency response by using dual band frequency shift keying (FSK) that is robust against self-interference when transmitting data in a full duplex (FD) method. .

도 3은 제안된 무선전력 및 전이중(FD)방식 데이터 전송의 주요 파형을 개념적으로 나타낸 것이다. 3 conceptually illustrates the main waveforms of the proposed wireless power and full-duplex (FD) method data transmission.

도 3에 있어서,

Figure pat00019
은 상기 무선 전력 전송 장치(100)에서 상기 무선 전력 수신 장치(200)로 송신하는 데이터이고,
Figure pat00020
은 상기 무선 전력 전송 장치(100)로부터 송신되어 상기 무선 전력 수신 장치(200)에서 수신된 데이터를 의미한다. 또한,
Figure pat00021
은 상기 무선 전력 수신 장치(200)에서 상기 무선 전력 전송 장치(100)로 송신된 데이터를 의미하고,
Figure pat00022
는 상기 전력 수신 장치로부터 송신되어 상기 무선 전력 전송 장치(100)가 수신한 데이터를 의미할 수 있다.In Figure 3,
Figure pat00019
is data transmitted from the wireless power transmitter 100 to the wireless power receiver 200,
Figure pat00020
denotes data transmitted from the wireless power transmitter 100 and received by the wireless power receiver 200. also,
Figure pat00021
denotes data transmitted from the wireless power receiver 200 to the wireless power transmitter 100,
Figure pat00022
may mean data transmitted from the power receiver and received by the wireless power transmitter 100.

상기

Figure pat00023
은 상기 무선 전력 전송 장치(100)의 상기 하향 링크 변조 모듈(103)에 의해 변조되고, 상기 전력 증폭 모듈(105)을 통해 전력이 증폭된 후, 제1 매칭 모듈(107)을 통해 상기 무선 전력 수신 장치(200)로 수신될 수 있다. 상기 수신된
Figure pat00024
은 상기 하향 링크 복조 모듈(201)을 통해 복조되어, 상기 무선 전력 수신 장치(200)에
Figure pat00025
로 수신 될 수 있다. remind
Figure pat00023
is modulated by the downlink modulation module 103 of the wireless power transmitter 100, and after power is amplified through the power amplification module 105, the wireless power through the first matching module 107 It may be received by the receiving device 200. the received
Figure pat00024
is demodulated through the downlink demodulation module 201 and sent to the wireless power receiver 200.
Figure pat00025
can be received as

또한, 상기

Figure pat00026
은 상기 무선 전력 수신 장치(200)의 상기 상향 링크 변조 모듈(209)을 통해 변조되어 제2 매칭 모듈(203)을 통해 상기 무선 전력 전송 장치(100)로 전송될 수 있고, 상기 전달된
Figure pat00027
은 상기 상향 링크 복조 모듈(109)을 통해 복조되어,
Figure pat00028
으로 상시 무선 전력 전송 장치(100)에 정보를 전달 할 수 있다. 여기서, 상기 무선 전력의 진폭은
Figure pat00029
에 따라서 변화하는 상기 무선 전력 수신 장치(200)의 반사 저항에 따라 동시에 변조될 수 있다. 또한, 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 로우 패스 필터(LOW PASS FILTER, LPF)와 임계값 감지(Threshold detection)에 의해서 진폭 변조된 부하 편이 변조(LSK) 데이터를 복조 할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 무선 전력 전송 장치는 포락선 검파기(Envelope Detector)를 사용하여 진폭 변조된 부하 편이 변조(LSK) 데이터를 복조 할 수 도 있다. 여기서, 상기 포락선 검파기는 정류 특성을 갖는 다이오드 및 로우 패스 필터(LPF)를 결합된 다이오드 검파기로써, 매우 저렴하게 구현 가능한 장점이 있다. 상기 무선 전력 수신 장치(200)는 캐리어 주파수의 주파수를 측정하여 주파수 편이 변조(FSK) 데이터를 복조 할 수 있다.Also, the above
Figure pat00026
may be modulated through the uplink modulation module 209 of the wireless power receiver 200 and transmitted to the wireless power transmitter 100 through the second matching module 203, and
Figure pat00027
Is demodulated through the uplink demodulation module 109,
Figure pat00028
Information can be delivered to the wireless power transmitter 100 at all times. Here, the amplitude of the wireless power is
Figure pat00029
It can be simultaneously modulated according to the reflection resistance of the wireless power receiver 200, which changes according to . In addition, the wireless power transmitter 100 may demodulate load shift keying (LSK) data amplitude modulated by a low pass filter (LPF) and threshold detection. In addition, the wireless power transmitter may demodulate amplitude-modulated load shift keying (LSK) data using an envelope detector. Here, the envelope detector is a diode detector in which a diode having rectification characteristics and a low pass filter (LPF) are combined, and has the advantage of being implemented very inexpensively. The wireless power receiver 200 may demodulate frequency shift keying (FSK) data by measuring a frequency of a carrier frequency.

도 3을 참조하면, 변조된 신호의 주파수와 진폭이 변화하고 있다. 주파수 성분의 경우, 주파수 편이 변조(FSK)에 따라 변화하는 것으로 큰 주파수의 경우, 1이 대응되고, 작은 주파수에는 0을 대응시킬 수 있다. 또한, 진폭 성분의 경우, 부하 편이 변조(LSK)에 따라 변화하는 것으로, 로우 패스 필터(LOW PASS FILTER, LPF)와 임계값 감지(Threshold detection)에 의해서 임계값(Threshold) 이하인 경우, 0에 대응되며, 임계값(Threshold) 이상인 경우 1에 대응되고 있음을 보여준다. Referring to Figure 3, the frequency and amplitude of the modulated signal is changing. In the case of a frequency component, it changes according to frequency shift keying (FSK), and 1 corresponds to a large frequency, and 0 can correspond to a small frequency. In addition, in the case of the amplitude component, it changes according to the load shift keying (LSK), and corresponds to 0 if it is less than the threshold value by the low pass filter (LPF) and threshold detection It shows that it corresponds to 1 if it is above the threshold.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 성능 시험을 위해 제작한 장치를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시험 결과를 보여주는 도면이다.4 is a view showing a device manufactured for a performance test according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a view showing a test result according to an embodiment of the present invention.

도 4는 성능 시험을 위해 제작한 시제품을 보여준다. 상기 시제품의 경우, 상기 무선 전력 송신 장치의 송신 코일은 3.5 cm의 직경을 가지는 Q = 87 및 14 turn의 2-layer Printed Circuit Board(PCB) 코일이고, 상기 무선 전력 수신 장치(200)의 수신 코일은 2.0 cm의 직경을 가지는 Q = 60 및 12-turn의 2-layer PCB 코일이다. 여기서, 두 코일 간의 거리는 1 cm이며 상기 무선 전력 수신 장치(200)의 부하 저항은 170 옴(

Figure pat00030
)으로 설계되었다. 또한, 상기 무선 전력 전송 장치(100) 및 무선 전력 수신 장치(200)의 송, 수신 코일이 모두 무선 전력 주파수인 2 MHz 및 4 MHz에서 공진할 수 있도록, 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 스위치 형태의 최적화된 전력 증폭 모듈(105)(Power Amplifier)를 포함하고 있다. 4 shows a prototype manufactured for performance testing. In the case of the prototype, the transmitting coil of the wireless power transmitter is a 2-layer Printed Circuit Board (PCB) coil of Q = 87 and 14 turns having a diameter of 3.5 cm, and the receiving coil of the wireless power receiver 200 is a 2-layer PCB coil of Q = 60 and 12-turn with a diameter of 2.0 cm. Here, the distance between the two coils is 1 cm and the load resistance of the wireless power receiver 200 is 170 ohms (
Figure pat00030
) was designed. In addition, the wireless power transmitter 100 has a switch so that both the transmitting and receiving coils of the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 can resonate at 2 MHz and 4 MHz, which are wireless power frequencies. It includes an optimized power amplification module 105 (Power Amplifier) of the form.

또한, 도 4에 포함된 그래프를 참조하면, 상기 무선 전력 수신 장치(200)의 수신 코일은 이중 대역(Dual Band) 통신을 위해 럼프드(lumped)

Figure pat00031
Figure pat00032
를 사용하여 2 MHz 와 4 MHz 두 개의 공진점을 갖도록 제작되었다. 또한, 상기 무선 전력 수신 장치(200)의 정류기는 두 개의 다이오드를 이용하여 배전압 정류 회로(voltage doubler) 형태로 제작되었다.In addition, referring to the graph included in FIG. 4, the receiving coil of the wireless power receiver 200 is lumped for dual band communication.
Figure pat00031
and
Figure pat00032
It was manufactured to have two resonance points of 2 MHz and 4 MHz using . In addition, the rectifier of the wireless power receiver 200 is manufactured in the form of a voltage doubler using two diodes.

도 5를 참조하면, 도 4와 같이 제작된 시제품의 측정파형을 보여준다. 상기 무선 전력 수신 장치는 1 cm 거리에서 140 mW의 무선전력을 수신하는 동시에 송수신기간의 양방향 통신을 성공적으로 할 수 있는 것을 확인 할 수 있다. 무선전력전송 효율은 DC-to-DC로 14%로 측정되었으며, 하향 링크(downlink) 데이터 전송 속도는 800 kbps, 상향 링크(uplink) 데이터 전송 속도는 14 kbps로 각각 측정되었음을 보여준다.Referring to FIG. 5, the measured waveform of the prototype manufactured as shown in FIG. 4 is shown. It can be confirmed that the wireless power receiver can receive wireless power of 140 mW at a distance of 1 cm and successfully perform two-way communication between transceivers. The wireless power transmission efficiency was measured at 14% DC-to-DC, and the downlink data transmission rate was measured at 800 kbps and the uplink data transmission rate was measured at 14 kbps, respectively.

본 발명은 단일 코일을 이용하여 무선 전력과 양방향 데이터 통신을 동시에 수행할 수 있어, 시분할 등의 반이중 방식에 필요한 통신 프로토콜 및 임시적으로 데이터를 저장할 수 있는 메모리를 구비할 필요가 없어, 체내 삽입형 의료기기(IMD)또는 근거리 무선 통신(Near Field Communication; NFC) 칩과 같은 소형화된 장치에서 활용도가 높을 수 있다. The present invention can simultaneously perform wireless power and two-way data communication using a single coil, so there is no need to provide a communication protocol required for a half-duplex method such as time division and a memory capable of temporarily storing data, and thus an implantable medical device. Utilization may be high in miniaturized devices such as (IMD) or Near Field Communication (NFC) chips.

특히, 본 발명은 상향 링크에 부하 편이 변조(LSK)를 사용함으로써, 전자기파에 대한 노출로 인한 인체 유해성의 논란이 되고 있는 체내 삽입형 의료기기(IMD)에 적용시, 체내 삽입형 의료기기(IMD)의 자극 시간 동안만 전력을 전송하는 방식에 적용될 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 두 개의 공진점을 이용하여 주파수 편이 변조(FSK)를 수행함으로써, 기존의 단일 코일을 이용하여 부하 편이 변조(LSK)를 사용했을 때의 자기 간섭의 문제를 해소하고, 무선 전력 전송 중에도 데이터 전송 효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.In particular, the present invention uses load shift keying (LSK) for uplink, when applied to an implantable medical device (IMD), which is subject to controversy about harmfulness to the human body due to exposure to electromagnetic waves, There is an advantage that can be applied to a method of transmitting power only during the stimulation time. In addition, the present invention solves the problem of magnetic interference when load shift keying (LSK) is used using a conventional single coil by performing frequency shift keying (FSK) using two resonance points, and wireless power transmission It has the advantage of being able to maintain data transfer efficiency even during operation.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can.

100 무선 전력 전송 장치
101 제어 모듈
103 하향 링크 변조 모듈
105 전력 증폭 모듈
107 제1 매칭 모듈
109 상향 링크 복조 모듈
200 무선 전력 수신 장치
201 하향 링크 복조 모듈
203 제2 매칭 모듈
205 정류 모듈
207 부하 모듈
209 상향 링크 변조 모듈
100 wireless power transfer device
101 control module
103 downlink modulation module
105 power amplification module
107 first matching module
109 uplink demodulation module
200 wireless power receiving device
201 downlink demodulation module
203 second matching module
205 rectification module
207 load module
209 uplink modulation module

Claims (9)

단일 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치로서,
무선 전력 신호를 변조하는 하향 링크 변조 모듈;
상기 변조된 무선 전력 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭 모듈;
전송 코일 모듈을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 및 임피던스를 매칭시켜 상기 증폭된 무선 전력 신호를 전송하며, 상기 무선 전력 수신 장치로부터 송신된 신호를 수신하는 제1 매칭 모듈; 및
상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 데이터를 복조하는 상향 링크 복조 모듈;을 포함하고,
상기 제1 매칭 모듈은,
상기 무선 전력 수신 장치에 무선 전력의 전송 및 상기 무선 전력 수신 장치와의 양방향 데이터 송수신을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 장치.
A wireless power transmission device using a single coil,
a downlink modulation module for modulating a wireless power signal;
a power amplification module that amplifies power of the modulated wireless power signal;
A first matching that includes a transmission coil module, transmits the amplified wireless power signal by matching resonance frequencies and impedances of the wireless power transmitter and wireless power receiver, and receives the signal transmitted from the wireless power receiver. module; and
An uplink demodulation module for demodulating data received from the wireless power receiver,
The first matching module,
Characterized in that transmission of wireless power to the wireless power receiver and bi-directional data transmission and reception with the wireless power receiver are performed simultaneously.
Wireless power transfer device.
청구항 1에 있어서,
상기 하향 링크 변조 모듈은 주파수 편이 변조(FSK)를 활용하여 변조하는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 장치.
The method of claim 1,
Characterized in that the downlink modulation module modulates using frequency shift keying (FSK),
Wireless power transfer device.
청구항 2에 있어서,
상기 하향 링크 변조 모듈은 이중 대역(Dual Band) 주파수 편이 변조(FSK)를 수행하는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 장치.
The method of claim 2,
Characterized in that the downlink modulation module performs dual band frequency shift keying (FSK),
Wireless power transfer device.
청구항 3에 있어서,
상기 주파수 편이 변조(FSK)는 제1 공진 주파수(
Figure pat00033
) 및 제2 공진 주파수(
Figure pat00034
)를 이용하여 변조하며,
제1 공진 주파수는 수학식 1과 같고, 제2 공진 주파수는 수학식 2와 같은 것을 특징으로 하는,
무선 전력 및 양방향 데이터 전송 장치.
(수학식 1)
Figure pat00035

(수학식 2)
Figure pat00036
The method of claim 3,
The frequency shift keying (FSK) is a first resonant frequency (
Figure pat00033
) and the second resonant frequency (
Figure pat00034
) is used to modulate,
Characterized in that the first resonant frequency is equal to Equation 1 and the second resonant frequency is equal to Equation 2,
Wireless power and two-way data transfer device.
(Equation 1)
Figure pat00035

(Equation 2)
Figure pat00036
청구항 2에 있어서,
상기 상향 링크 복조 모듈은 포락선 검파기(Envelope Detector), 또는 로우 패스 필터(Low Pass Filter, LPF)와 Threshold Detection을 이용하여 복조하는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 장치.
The method of claim 2,
Characterized in that the uplink demodulation module demodulates using an envelope detector or a low pass filter (LPF) and threshold detection,
Wireless power transfer device.
청구항 3에 있어서,
상기 하향 링크 변조 모듈은 스위치를 포함하여 주파수를 변조하는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 장치.
The method of claim 3,
Characterized in that the downlink modulation module modulates the frequency by including a switch,
Wireless power transfer device.
단일 코일을 이용한 무선 전력 수신 장치로서,
무선 전력 전송 장치로부터 변조되어 수신된 무선 전력 전송 신호를 복조하는 하향 링크 복조 모듈;
상기 무선 전력 전송 장치로부터 수신된 무선 전력을 직류로 변환 시켜주는 정류 모듈;
상기 무선 전력 전송 장치로 송신하는 신호를 변조하는 상향 링크 변조 모듈; 및
수신 코일 모듈을 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치와 상기 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 및 임피던스를 매칭시켜 상기 무선 전력 전송 신호를 수신하며, 상기 상향 링크 변조 모듈에 의해 변조된 신호를 상기 무선 전력 전송 장치로 전송하는 제2 매칭 모듈;을 포함하고,
상기 제2 매칭 모듈은,
상기 무선 전력 전송 장치로부터 전송된 무선 전력의 수신 및 상기 무선 전력 전송 장치와의 양방향 데이터 송수신을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 수신 장치.
A wireless power receiving device using a single coil,
a downlink demodulation module for demodulating the wireless power transmission signal modulated and received from the wireless power transmission device;
a rectifier module for converting the wireless power received from the wireless power transmitter into direct current;
an uplink modulation module for modulating a signal transmitted to the wireless power transmitter; and
A receiving coil module is included to receive the wireless power transmission signal by matching resonance frequencies and impedances of the wireless power transmitter and the wireless power receiver, and transmit the signal modulated by the uplink modulation module to the wireless power transmission A second matching module for transmitting to the device; includes,
The second matching module,
Characterized in that simultaneous reception of wireless power transmitted from the wireless power transmitter and bi-directional data transmission and reception with the wireless power transmitter,
A wireless power receiving device.
청구항 7에 있어서,
상기 상향 링크 변조 모듈은 부하 편이 변조(LSK) 방식으로 데이터를 변조하는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 수신 장치.
The method of claim 7,
Characterized in that the uplink modulation module modulates data using a load shift keying (LSK) method.
A wireless power receiving device.
청구항 8에 있어서,
상기 제2 매칭 모듈은 상기 무선 전력 전송 장치의 주파수 편이 변조된 신호를 송수신할 수 있는 럼프드(Lumped) 인턱터(L) 및 캐퍼시터(C)를 더 포함하는,
무선 전력 수신 장치.
The method of claim 8,
The second matching module further includes a lumped inductor (L) and a capacitor (C) capable of transmitting and receiving a frequency shift modulated signal of the wireless power transmitter,
A wireless power receiving device.
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