KR20230162624A - 무선 전력 전송 시스템에서 커플링 인자를 활용하는방법 및 장치 - Google Patents
무선 전력 전송 시스템에서 커플링 인자를 활용하는방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 명세서(present disclosure)는 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 전송기에 의해 수행되는 무선 전력을 전달하는 방법에 있어서, 무선 전력 수신기로부터 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 수신하고, 상기 정보에 기반하여 무선 전력의 전달 이전에 상기 FO가 존재하는지 여부를 감지하고, 상기 FO가 존재하지 않음을 감지함에 기반하여 상기 무선 전력 수신기에게 상기 무선 전력을 전달하고 및 상기 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하되, 상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및 상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자인 것을 특징으로 하는 방법 및 이를 이용하는 장치를 제공한다.
Description
본 명세서는 무선 전력 전송에 관련된다.
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 배터리 셀 등 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 코일 배터리 셀에서 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.
한편, 무선 충전에 있어서, 무선 전력 전달 중에 품질 인자 및 커플링 인자를 측정하는 방법과 이를 이용하는 장치를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하되, 상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및 상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자인 것을 특징으로 하는 방법 및 장치가 제공될 수 있다.
본 명세서에 따르면, 정렬 변화에 따른 재-보정을 수행하여 FOD 기능의 유효성을 유지하는 효과가 발생할 수 있다.
본 명세서의 구체적인 일례를 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 나열된 효과로 제한되지 않는다. 예를 들어, 관련된 기술분야의 통상의 지식을 자긴 자(a person having ordinary skill in the related art)가 본 명세서로부터 이해하거나 유도할 수 있는 다양한 기술적 효과가 존재할 수 있다. 이에 따라 본 명세서의 구체적인 효과는 본 명세서에 명시적으로 기재된 것에 제한되지 않고, 본 명세서의 기술적 특징으로부터 이해되거나 유도될 수 있는 다양한 효과를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 4는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 5는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 6은 본 명세서에 따른 일 실시예가 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 7은 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 8은 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 9는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 11은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 핑 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 구성 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 협상 단계 또는 재협상 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 전력 전송 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 19는 보정 프로토콜의 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 20 내지 도 21 은 품질 인자의 측정/계산의 예시를 도시한 것이다.
도 22는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯
도 23은 본 명세서의 예시에 따른, 슬롯을 개략적으로 도시한 것이다.
도 24는 본 명세서의 다른 실시예에 따른, 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하는 방법의 순서도다.
도 25는 품질 인자(전력 전달 전의 Q 및 전력 전달 도중의 슬롯 Q) 및 커플링 인자(K)에 기반하여 FO의 감지 및 정렬의 변경을 감지하는 구체적인 예를 도시한 것이다.
도 26은 인자(factor)의 개수에 따라 충전 용량을 다르게 하는 방법의 순서도다.
도 27은 무선 전력 전송기에 의해 재-보정이 개시될 때, TX의 K값 측정 후 정렬 변화를 감지하고 재보정을 수행하는 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 28은 FOD 상태 데이터 패킷의 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 29는 본 명세서의 일 실시예에 따른, FO 존재 확률에 기반하여 무선 전력을 수신하는 방법의 순서도다.
도 30은 무선 전력 수신기가 무선 전력 전송기로부터 K에 대한 정보를 수신하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 31은 RX에 의해 개시되는 재-보정에 대한 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 32는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력 전송기에 의해 수행되는 무선 전력을 전달하는 방법의 순서도다.
도 33은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력 수신기에 의해 수행되는 무선 전력을 수신하는 방법의 순서도다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 4는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 5는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
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도 8은 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 9는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 11은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 핑 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 구성 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 협상 단계 또는 재협상 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 전력 전송 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 19는 보정 프로토콜의 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 20 내지 도 21 은 품질 인자의 측정/계산의 예시를 도시한 것이다.
도 22는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯
도 23은 본 명세서의 예시에 따른, 슬롯을 개략적으로 도시한 것이다.
도 24는 본 명세서의 다른 실시예에 따른, 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하는 방법의 순서도다.
도 25는 품질 인자(전력 전달 전의 Q 및 전력 전달 도중의 슬롯 Q) 및 커플링 인자(K)에 기반하여 FO의 감지 및 정렬의 변경을 감지하는 구체적인 예를 도시한 것이다.
도 26은 인자(factor)의 개수에 따라 충전 용량을 다르게 하는 방법의 순서도다.
도 27은 무선 전력 전송기에 의해 재-보정이 개시될 때, TX의 K값 측정 후 정렬 변화를 감지하고 재보정을 수행하는 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 28은 FOD 상태 데이터 패킷의 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 29는 본 명세서의 일 실시예에 따른, FO 존재 확률에 기반하여 무선 전력을 수신하는 방법의 순서도다.
도 30은 무선 전력 수신기가 무선 전력 전송기로부터 K에 대한 정보를 수신하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 31은 RX에 의해 개시되는 재-보정에 대한 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 32는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력 전송기에 의해 수행되는 무선 전력을 전달하는 방법의 순서도다.
도 33은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력 수신기에 의해 수행되는 무선 전력을 수신하는 방법의 순서도다.
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 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 3을 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.
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 3이지로 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 4는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 4를 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 5는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다. 도 5를 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 5에는 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.
통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)이 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE일 경우, 통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)은 각각 도 6와 같은 통신 아키텍처로 구현되어 동작할 수 있다.
도 6은 본 명세서에 따른 일 실시예가 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 6를 참고하면, 도 6의 (a)는 GATT를 지원하는 블루투스 BR(Basic Rate)/EDR(Enhanced Data Rate)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타내며, (b)는 블루투스 LE(Low Energy)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타낸다.
구체적으로, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 블루투스 BR/EDR 프로토콜 스택은 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, HCI, 18)를 기준으로 상부의 컨트롤러 스택(Controller stack, 460)과 하부의 호스트 스택(Host Stack, 470)을 포함할 수 있다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈)(470)은 2.4GHz의 블루투스 신호를 받는 무선 송수신 모듈과 블루투스 패킷을 전송하거나 수신하기 위한 하드웨어를 말하며, 상기 컨트롤러 스택(460)은 블루투스 모듈과 연결되어 블루투스 모듈을 제어하고 동작을 수행한다.
상기 호스트 스택(470)은 BR/EDR PHY 계층(12), BR/EDR Baseband 계층(14), 링크 매니저 계층(Link Manager, 16)을 포함할 수 있다.
상기 BR/EDR PHY 계층(12)은 2.4GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation을 사용하는 경우 79 개의 RF 채널을 hopping 하여 데이터를 전송할 수 있다.
상기 BR/EDR Baseband 계층(14)은 Digital Signal을 전송하는 역할을 담당하며, 초당 1400번 hopping 하는 채널 시퀀스를 선택하며, 각 채널 별 625us 길이의 time slot을 전송한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 LMP(Link Manager Protocol)을 활용하여 Bluetooth Connection의 전반적인 동작(link setup, control, security)을 제어한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 아래와 같은 기능을 수행할 수 있다.
- ACL/SCO logical transport, logical link setup 및 control을 한다.
- Detach: connection을 중단하고, 중단 이유를 상대 디바이스에게 알려준다.
- Power control 및 Role switch를 한다.
- Security(authentication, pairing, encryption) 기능을 수행한다.
상기 호스트 컨트롤러 인터페이스 계층(18)은 Host 모듈과 Controller 모듈 사이의 인터페이스 제공하여 Host 가 command와 Data를 Controller에게 제공하게 하며, Controller가 event와 Data를 Host에게 제공할 수 있도록 해준다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈, 20)은 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21), 속성 프로토콜(Protocol, 22), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 23), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24), BR/EDR 프로파일(25)을 포함한다.
상기 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21)은 특정 프로토콜 또는 포로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(21)은 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 멀티플렉싱(multiplexing)할 수 있다.
블루투스 BR/EDR의 L2CAP에서는 dynamic 채널 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode를 지원하고, Segmentation 및 reassembly, per-channel flow control, error control을 제공한다.
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 23)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(22)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(23)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(23) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 22)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
상기 속성 프로토콜(22) 및 상기 BR/EDR 프로파일(25)은 블루트스 BR/EDR를 이용하는 서비스(profile)의 정의 및 이들 데이터를 주고 받기 위한 application 프로토콜을 정의하며, 상기 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24)은 디바이스 발견, 연결, 및 보안 수준을 정의한다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 블루투스 LE 프로토콜 스택은 타이밍이 중요한 무선장치 인터페이스를 처리하도록 동작 가능한 컨트롤러 스택(Controller stack, 480)과 고레벨(high level) 데이터를 처리하도록 동작 가능한 호스트 스택(Host stack, 490)을 포함한다.
먼저, 컨트롤러 스택(480)은 블루투스 무선장치를 포함할 수 있는 통신 모듈, 예를 들어, 마이크로프로세서와 같은 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있는 프로세서 모듈을 이용하여 구현될 수 있다.
호스트 스택(490)은 프로세서 모듈 상에서 작동되는 OS의 일부로서, 또는 OS 위의 패키지(package)의 인스턴스 생성(instantiation)으로서 구현될 수 있다.
일부 사례들에서, 컨트롤러 스택 및 호스트 스택은 프로세서 모듈 내의 동일한 프로세싱 디바이스 상에서 작동 또는 실행될 수 있다.
상기 컨트롤러 스택(480)은 물리 계층(Physical Layer, PHY, 32), 링크 레이어(Link Layer, 34) 및 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, 36)를 포함한다.
상기 물리 계층(PHY, 무선 송수신 모듈, 32)은 2.4 GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation과 40 개의 RF 채널로 구성된 frequency hopping 기법을 사용한다.
블루투스 패킷을 전송하거나 수신하는 역할을 하는 상기 링크 레이어(34)는 3개의 Advertising 채널을 이용하여 Advertising, Scanning 기능을 수행한 후에 디바이스 간 연결을 생성하고, 37개 Data 채널을 통해 최대 257bytes 의 데이터 패킷을 주고 받는 기능을 제공한다.
상기 호스트 스택은 GAP(Generic Access Profile, 40), 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 41), 보안 매니저(Security Manager, SM, 42), 속성 프로토콜(Attribute Protocol, ATT, 440), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 44), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, 25), LT 프로파일(46)을 포함할 수 있다. 다만, 상기 호스트 스택(490)은 이것으로 한정되지는 않고 다양한 프로토콜들 및 프로파일들을 포함할 수 있다.
호스트 스택은 L2CAP을 사용하여 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 다중화(multiplexing)한다.
먼저, L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol, 41)은 특정 프로토콜 또는 프로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(41)은 상위 계층 프로토콜들 사이에서 데이터를 다중화(multiplex)하고, 패키지(package)들을 분할(segment) 및 재조립(reassemble)하고, 멀티캐스트 데이터 송신을 관리하도록 동작 가능할 수 있다.
블루투스 LE 에서는 3개의 고정 채널(signaling CH을 위해 1개, Security Manager를 위해 1개, Attribute protocol을 위해 1개)을 기본적으로 사용한다. 그리고, 필요에 따라 동적 채널을 사용할 수도 있다.
반면, BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate)에서는 동적인 채널을 기본적으로 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode 등을 지원한다.
SM(Security Manager, 42)은 디바이스를 인증하며, 키 분배(key distribution)를 제공하기 위한 프로토콜이다.
ATT(Attribute Protocol, 43)는 서버-클라이언트(Server-Client) 구조로 상대 디바이스의 데이터를 접근하기 위한 규칙을 정의한다. ATT에는 아래의 6이지의 메시지 유형(Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation)이 있다.
① Request 및 Response 메시지: Request 메시지는 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 정보 요청 및 전달 하기 위한 메시지이며, Response 메시지는 Request 메시지에 대한 응답 메시지로서, 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 전송하는 용도로 사용할 수 있는 메시지를 말한다.
② Command 메시지: 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 주로 특정 동작의 명령을 지시하기 위해 전송하는 메시지로, 서버 디바이스는 Command 메시지에 대한 응답을 클라이언트 디바이스로 전송하지 않는다.
③ Notification 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, 클라이언트 디바이스는 Notification 메시지에 대한 확인 메시지를 서버 디바이스로 전송하지 않는다.
④ Indication 및 Confirm 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, Notification 메시지와는 달리, 클라이언트 디바이스는 Indication 메시지에 대한 확인 메시지(Confirm message)를 서버 디바이스로 전송한다.
본 명세서는 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)을 사용하는 GATT 프로파일에서 긴 데이터 요청 시 데이터 길이에 대한 값을 전송하여 클라이언트가 데이터 길이를 명확히 알 수 있게 하며, UUID를 이용하여 서버로부터 특성(Characteristic) 값을 전송 받을 수 있다.
상기 일반 접근 프로파일(GAP, 45)은 블루투스 LE 기술을 위해 새롭게 구현된 계층으로, 블루투스 LE 디바이스들 간의 통신을 위한 역할 선택, 멀티 프로파일 작동이 어떻게 일어나는지를 제어하는데 사용된다.
또한, 상기 일반 접근 프로파일(45)은 디바이스 발견, 연결 생성 및 보안 절차 부분에 주로 사용되며, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, 하기와 같은 attribute의 type을 정의한다.
① Service: 데이터와 관련된 behavior의 조합으로 디바이스의 기본적인 동작을 정의
② Include: 서비스 사이의 관계를 정의
③ Characteristics: 서비스에서 사용되는 data 값
④ Behavior: UUID(Universal Unique Identifier, value type)로 정의된 컴퓨터가 읽을 수 있는 포맷
상기 LE 프로파일(46)은 GATT에 의존성을 가지는 profile 들로 주로 블루투스 LE 디바이스에 적용된다. LE 프로파일(46)은 예를 들면, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time 등이 있을 수 있으며, GATT-based Profiles의 구체적인 내용은 하기와 같다.
①Battery: 배터리 정보 교환 방법
②Time: 시간 정보 교환 방법
③FindMe: 거리에 따른 알람 서비스 제공
④Proximity: 배터리 정보 교환 방법
⑤Time: 시간 정보 교환 방법
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 44)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(43)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(44)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(44) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
이하에서, 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE) 기술의 절차(Procedure)들에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
BLE 절차는 디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure), 광고 절차(Advertising Procedure), 스캐닝 절차(Scanning Procedure), 디스커버링 절차(Discovering Procedure), 연결 절차(Connecting Procedure) 등으로 구분될 수 있다.
디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure)
디바이스 필터링 절차는 컨트롤러 스택에서 요청, 지시, 알림 등에 대한 응답을 수행하는 디바이스들의 수를 줄이기 위한 방법이다.
모든 디바이스에서 요청 수신 시, 이에 대해 응답하는 것이 불필요하기 때문에, 컨트롤러 스택은 요청을 전송하는 개수를 줄여서, BLE 컨트롤러 스택에서 전력 소비가 줄 수 있도록 제어할 수 있다.
광고 디바이스 또는 스캐닝 디바이스는 광고 패킷, 스캔 요청 또는 연결 요청을 수신하는 디바이스를 제한하기 위해 상기 디바이스 필터링 절차를 수행할 수 있다.
여기서, 광고 디바이스는 광고 이벤트를 전송하는 즉, 광고를 수행하는 디바이스를 말하며, 광고자(Advertiser)라고도 표현된다.
스캐닝 디바이스는 스캐닝을 수행하는 디바이스, 스캔 요청을 전송하는 디바이스를 말한다.
BLE에서는, 스캐닝 디바이스가 일부 광고 패킷들을 광고 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 상기 광고 디바이스로 스캔 요청을 전송해야 한다.
하지만, 디바이스 필터링 절차가 사용되어 스캔 요청 전송이 불필요한 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 전송되는 광고 패킷들을 무시할 수 있다.
연결 요청 과정에서도 디바이스 필터링 절차가 사용될 수 있다. 만약, 연결 요청 과정에서 디바이스 필터링이 사용되는 경우, 연결 요청을 무시함으로써 상기 연결 요청에 대한 응답을 전송할 필요가 없게 된다.
광고 절차(Advertising Procedure)
광고 디바이스는 영역 내 디바이스들로 비지향성의 브로드캐스트를 수행하기 위해 광고 절차를 수행한다.
여기서, 비지향성의 브로드캐스트(Undirected Advertising)는 특정 디바이스를 향한 브로드캐스트가 아닌 전(모든) 디바이스를 향한 광고(Advertising)이며, 모든 디바이스가 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
이와 달리, 지향성 브로드캐스트(Directed advertising)는 수신 디바이스로 지정된 디바이스만 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
광고 절차는 근처의 개시 디바이스와 블루투스 연결을 확립하기 위해 사용된다.
또는, 광고 절차는 광고 채널에서 리스닝을 수행하고 있는 스캐닝 디바이스들에게 사용자 데이터의 주기적인 브로드캐스트를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
광고 절차에서 모든 광고(또는 광고 이벤트)는 광고 물리 채널을 통해 브로드캐스트된다.
광고 디바이스들은 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 얻기 위해 리스닝을 수행하고 있는 리스닝 디바이스들로부터 스캔 요청을 수신할 수 있다. 광고 디바이스는 스캔 요청을 수신한 광고 물리 채널과 동일한 광고 물리 채널을 통해, 스캔 요청을 전송한 디바이스로 스캔 요청에 대한 응답을 전송한다.
광고 패킷들의 일 부분으로서 보내지는 브로드캐스트 사용자 데이터는 동적인 데이터인 반면에, 스캔 응답 데이터는 일반적으로 정적인 데이터이다.
광고 디바이스는 광고 (브로드캐스트) 물리 채널 상에서 개시 디바이스로부터 연결 요청을 수신할 수 있다. 만약, 광고 디바이스가 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하였고, 개시 디바이스가 디바이스 필터링 절차에 의해 필터링 되지 않았다면, 광고 디바이스는 광고를 멈추고 연결 모드(connected mode)로 진입한다. 광고 디바이스는 연결 모드 이후에 다시 광고를 시작할 수 있다.
스캐닝 절차(Scanning Procedure)
스캐닝을 수행하는 디바이스 즉, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 사용하는 광고 디바이스들로부터 사용자 데이터의 비지향성 브로드캐스트를 청취하기 위해 스캐닝 절차를 수행한다.
스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 추가적인 데이터를 요청 하기 위해, 광고 물리 채널을 통해 스캔 요청을 광고 디바이스로 전송한다. 광고 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 스캐닝 디바이스에서 요청한 추가적인 데이터를 포함하여 상기 스캔 요청에 대한 응답인 스캔 응답을 전송한다.
상기 스캐닝 절차는 BLE 피코넷에서 다른 BLE 디바이스와 연결되는 동안 사용될 수 있다.
만약, 스캐닝 디바이스가 브로드캐스트되는 광고 이벤트를 수신하고, 연결 요청을 개시할 수 있는 개시자 모드(initiator mode)에 있는 경우, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 광고 디바이스와 블루투스 연결을 시작할 수 있다.
스캐닝 디바이스가 광고 디바이스로 연결 요청을 전송하는 경우, 스캐닝 디바이스는 추가적인 브로드캐스트를 위한 개시자 모드 스캐닝을 중지하고, 연결 모드로 진입한다.
디스커버링 절차(Discovering Procedure)
블루투스 통신이 가능한 디바이스(이하, '블루투스 디바이스'라 한다.)들은 근처에 존재하는 디바이스들을 발견하기 위해 또는 주어진 영역 내에서 다른 디바이스들에 의해 발견되기 위해 광고 절차와 스캐닝 절차를 수행한다.
디스커버링 절차는 비대칭적으로 수행된다. 주위의 다른 디바이스를 찾으려고 하는 블루투스 디바이스를 디스커버링 디바이스(discovering device)라 하며, 스캔 가능한 광고 이벤트를 광고하는 디바이스들을 찾기 위해 리스닝한다. 다른 디바이스로부터 발견되어 이용 가능한 블루투스 디바이스를 디스커버러블 디바이스(discoverable device)라 하며, 적극적으로 광고 (브로드캐스트) 물리 채널을 통해 다른 디바이스가 스캔 가능하도록 광고 이벤트를 브로드캐스트한다.
디스커버링 디바이스와 디스커버러블 디바이스 모두 피코넷에서 다른 블루투스 디바이스들과 이미 연결되어 있을 수 있다.
연결 절차(Connecting Procedure)
연결 절차는 비대칭적이며, 연결 절차는 특정 블루투스 디바이스가 광고 절차를 수행하는 동안 다른 블루투스 디바이스는 스캐닝 절차를 수행할 것을 요구한다.
즉, 광고 절차가 목적이 될 수 있으며, 그 결과 단지 하나의 디바이스만 광고에 응답할 것이다. 광고 디바이스로부터 접속 가능한 광고 이벤트를 수신한 이후, 광고 (브로트캐스트) 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 연결을 개시할 수 있다.
다음으로, BLE 기술에서의 동작 상태 즉, 광고 상태(Advertising State), 스캐닝 상태(Scanning State), 개시 상태(Initiating State), 연결 상태(connection state)에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
광고 상태(Advertising State)
링크 계층(LL)은 호스트 (스택)의 지시에 의해, 광고 상태로 들어간다. 링크 계층이 광고 상태에 있을 경우, 링크 계층은 광고 이벤트들에서 광고 PDU(Packet Data Circuit)들을 전송한다.
각각의 광고 이벤트는 적어도 하나의 광고 PDU들로 구성되며, 광고 PDU들은 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 전송된다. 광고 이벤트는 광고 PDU가 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 각각 전송되었을 경우, 종료되거나 광고 디바이스가 다른 기능 수행을 위해 공간을 확보할 필요가 있을 경우 좀 더 일찍 광고 이벤트를 종료할 수 있다.
스캐닝 상태(Scanning State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 스캐닝 상태로 들어간다. 스캐닝 상태에서, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들을 리스닝한다.
스캐닝 상태에는 수동적 스캐닝(passive scanning), 적극적 스캐닝(active scanning)의 두 타입이 있으며, 각 스캐닝 타입은 호스트에 의해 결정된다.
스캐닝을 수행하기 위한 별도의 시간이나 광고 채널 인덱스가 정의되지는 않는다.
스캐닝 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우(scanWindow) 구간(duration) 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다. 스캔인터벌(scanInterval)은 두 개의 연속적인 스캔 윈도우의 시작점 사이의 간격(인터벌)으로서 정의된다.
링크 계층은 스케쥴링의 충돌이 없는 경우, 호스트에 의해 지시되는 바와 같이 스캔윈도우의 모든 스캔인터벌 완성을 위해 리스닝해야한다. 각 스캔윈도우에서, 링크 계층은 다른 광고 채널 인덱스를 스캔해야한다. 링크 계층은 사용 가능한 모든 광고 채널 인덱스들을 사용한다.
수동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 단지 패킷들만 수신하고, 어떤 패킷들도 전송하지 못한다.
능동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 광고 디바이스로 광고 PDU들과 광고 디바이스 관련 추가적인 정보를 요청할 수 있는 광고 PDU 타입에 의존하기 위해 리스닝을 수행한다.
개시 상태(Initiating State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 개시 상태로 들어간다.
링크 계층이 개시 상태에 있을 때, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들에 대한 리스닝을 수행한다.
개시 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우 구간 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다.
연결 상태(connection state)
링크 계층은 연결 요청을 수행하는 디바이스 즉, 개시 디바이스가 CONNECT_REQ PDU를 광고 디바이스로 전송할 때 또는 광고 디바이스가 개시 디바이스로부터 CONNECT_REQ PDU를 수신할 때 연결 상태로 들어간다.
연결 상태로 들어간 이후, 연결이 생성되는 것으로 고려된다. 다만, 연결이 연결 상태로 들어간 시점에서 확립되도록 고려될 필요는 없다. 새로 생성된 연결과 기 확립된 연결 간의 유일한 차이는 링크 계층 연결 감독 타임아웃(supervision timeout) 값뿐이다.
두 디바이스가 연결되어 있을 때, 두 디바이스들은 다른 역할로 활동한다.
마스터 역할을 수행하는 링크 계층은 마스터로 불리며, 슬레이브 역할을 수행하는 링크 계층은 슬레이브로 불린다. 마스터는 연결 이벤트의 타이밍을 조절하고, 연결 이벤트는 마스터와 슬레이브 간 동기화되는 시점을 말한다.
이하에서, 블루투스 인터페이스에서 정의되는 패킷에 대해 간략히 살펴보기로 한다. BLE 디바이스들은 하기에서 정의되는 패킷들을 사용한다.
패킷 포맷(Packet Format)
링크 계층(Link Layer)은 광고 채널 패킷과 데이터 채널 패킷 둘 다를 위해 사용되는 단지 하나의 패킷 포맷만을 가진다.
각 패킷은 프리앰블(Preamble), 접속 주소(Access Address), PDU 및 CRC 4개의 필드로 구성된다.
하나의 패킷이 광고 채널에서 송신될 때, PDU는 광고 채널 PDU가 될 것이며, 하나의 패킷이 데이터 채널에서 전송될 때, PDU는 데이터 채널 PDU가 될 것이다.
광고 채널 PDU(Advertising Channel PDU)
광고 채널 PDU(Packet Data Circuit)는 16비트 헤더와 다양한 크기의 페이로드를 가진다.
헤더에 포함되는 광고 채널 PDU의 PDU 타입 필드는 하기 표 3에서 정의된 바와 같은 PDU 타입을 나타낸다.
| PDU Type | Packet Name |
| 0000 | ADV_IND |
| 0001 | ADV_DIRECT_IND |
| 0010 | ADV_NONCONN_IND |
| 0011 | SCAN_REQ |
| 0100 | SCAN_RSP |
| 0101 | CONNECT_REQ |
| 0110 | ADV_SCAN_IND |
| 0111-1111 | Reserved |
광고 PDU(Advertising PDU)아래 광고 채널 PDU 타입들은 광고 PDU로 불리고 구체적인 이벤트에서 사용된다.ADV_IND: 연결 가능한 비지향성 광고 이벤트
ADV_DIRECT_IND: 연결 가능한 지향성 광고 이벤트
ADV_NONCONN_IND: 연결 가능하지 않은 비지향성 광고 이벤트
ADV_SCAN_IND: 스캔 가능한 비지향성 광고 이벤트
상기 PDU들은 광고 상태에서 링크 계층(Link Layer)에서 전송되고, 스캐닝 상태 또는 개시 상태(Initiating State)에서 링크 계층에 의해 수신된다.
스캐닝 PDU(Scanning PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 스캐닝 PDU로 불리며, 하기에서 설명되는 상태에서 사용된다.
SCAN_REQ: 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
SCAN_RSP: 광고 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
개시 PDU(Initiating PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 개시 PDU로 불린다.
CONNECT_REQ: 개시 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
데이터 채널 PDU(Data Channel PDU)
데이터 채널 PDU는 16 비트 헤더, 다양한 크기의 페이로드를 가지고, 메시지 무결점 체크(Message Integrity Check: MIC) 필드를 포함할 수 있다.
앞에서 살펴본, BLE 기술에서의 절차, 상태, 패킷 포맷 등은 본 명세서에서 제안하는 방법들을 수행하기 위해 적용될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 부하(455)는 배터리일 수 있다. 배터리는 전력 픽업 회로(210)으로부터 출력되는 전력을 이용하여 에너지를 저장할 수 있다. 한편, 모바일 기기(450)에 배터리가 반드시 포함되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리는 탈부착이 가능한 형태의 외부 구성으로 제공될 수 있다. 다른 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(200)에는 전자 기기의 다양한 동작을 구동하는 구동 수단이 배터리 대신 포함될 수도 있다.
모바일 기기(450)는 무선전력 수신장치(200)을 포함하는 것을 도시되어 있고, 베이스 스테이션(400)은 무선전력 전송장치(100)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 넓은 의미에서는 무선전력 수신장치(200)는 모바일 기기(450)와 동일시될 수 있고 무선전력 전송장치(100)는 베이스 스테이션(400)와 동일시 될 수도 있다.
통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)이 IB 통신 모듈 이외에 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE을 포함하는 경우, 통신/컨트롤 회로(120)을 포함하는 무선전력 전송장치(100)와 통신/컨트롤 회로(220)을 포함하는 무선전력 수신장치(200)은 도 7와 같은 단순화된 블록도로 표현될 수 있다.
도 7은 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 7를 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 전력 변환 회로(110)과 통신/컨트롤 회로(120)을 포함한다. 통신/컨트롤 회로(120)은 인밴드 통신 모듈(121) 및 BLE 통신 모듈(122)를 포함한다.
한편 무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 회로(210)과 통신/컨트롤 회로(220)을 포함한다. 통신/컨트롤 회로(220)은 인밴드 통신 모듈(221) 및 BLE 통신 모듈(222)를 포함한다.
일 측면에서, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 도 6에 따른 아키텍처 및 동작을 수행한다. 예를 들어, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 무선전력 전송장치(100)와 무선전력 수신장치(200) 사이의 접속을 수립하고, 무선전력 전송에 필요한 제어 정보와 패킷들을 교환하는데 사용될 수도 있다.
다른 측면에서, 통신/컨트롤 회로(120)은 무선충전을 위한 프로파일을 동작시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 무선충전을 위한 프로파일은 BLE 전송을 사용하는 GATT일 수 있다.
도 8은 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 8를 참조하면, 통신/컨트롤 회로들(120, 220)은 각각 인밴드 통신 모듈들(121, 221)만을 포함하고, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 통신/컨트롤 회로들(120, 220)과 분리되어 구비되는 형태도 가능하다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.
도 9는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 9를 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 10은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 10에서 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 컨트롤 에러 패킷으로서 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다.
그리고 무선전력 전송장치는 수신한 컨트롤 에러 패킷을 사용하여 새로운 동작 포인트- 진폭, 주파수 및 듀티 사이클-를 설정/컨트롤하여 전력 전달을 제어할 수 있다. 따라서 컨트롤 에러 패킷은 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 컨트롤 에러 패킷을 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 10에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 10의 방법으로 수행할 수도 있다.
도 11은 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 11을 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 12는 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 12에서, 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 9 등에서 설명한 바와 같이, 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치는 핑 단계(Ping Phase), 구성 단계(Configuration Phase)를 거쳐 협상 단계(Negotiation Phase)로 진입하거나, 핑 단계, 구성 단계, 협상 단계를 거쳐 전력 전송 단계(Power Transfer Phase)에 진입하였다가 재협상 단계(Re-negotiation Phase)로 진입할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 핑 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 13 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 14는 일 실시예에 따른 구성 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
구성 단계(또는 식별 및 구성 단계)에서, 무선전력 수신장치(1020)는 자신의 식별 정보를 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 14을 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 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).
도 15는 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 18를 참조하면, 5 바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있다.
도 15을 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 인증기능 지원여부 및 아웃밴드 통신 지원여부를 확인할 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 협상 단계 또는 재협상 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선전력 수신장치와 무선전력 전송장치 사이의 무선전력의 수신/전송과 관련한 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 확장 또는 변경하거나, 전력 전송 계약의 요소 중 적어도 일부를 조정하는 전력 전송 계약의 갱신이 이루어지거나, 아웃밴드 통신을 수립하기 위한 정보의 교환이 이루어질 수 있다.
도 16를 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.
일반요청패킷(GRQ)는 0x07의 헤더값을 가질 수 있고, 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 16를 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 16를 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 17은 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 20을 참조하면, 3 바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있다.
도 17을 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, 도 16를 참조하면, 무선전력 수신장치(1020)는 협상 단계 또는 재협상 단계에서 적어도 하나의 특정 요청 패킷(SRQ, Specific Request data packet)을 이용해 전력 전송 단계에서 제공받을 전력과 관련한 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)의 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).
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.
별도로 도시하지는 않았지만, CAP 패킷의 확장을 위해, 무선 전력 전송기의 능력에 관한 정보인 XCAP 패킷이 별도로 제공될 수 있다. 여기서, XCAP 패킷에는 CAP와 유사하게, 1 비트의 아웃밴드(OB) 플래그가 포함될 수도 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 전력 전송 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
전력 전송 단계에서, 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 전력 전송 계약에 기초하여 무선전력을 전송/수신할 수 있다.
도 18를 참조하면, 전력 전송 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)는 실제 동작점(actual operating point)과 목표 동작점(target operating point)의 차이에 대한 정보를 포함하는 제어오류패킷(CE, control error data packet)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송한다(S1401).
또한, 전력 전송 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)는 무선전력 전송장치(1010)로부터 수신한 무선전력의 수신 전력값에 대한 정보를 포함하는 수신전력패킷(RP, Received Power data packet)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송한다(S1402).
전력 전송 단계에서, 제어오류패킷(CE)와 수신전력패킷(RP)는, 무선전력의 제어를 위해, 요구되는 타이밍 제약(timing constraint)에 맞추어 반복적으로 전송/수신되어야 하는 데이터 패킷이다.
무선전력 전송장치(1010)는 무선전력 수신장치(1020)로부터 수신한 제어오류패킷(CE)와 수신전력패킷(RP)을 기초로 전송하는 무선전력의 레벨을 제어할 수 있다.
무선전력 전송장치(1010)는 수신전력패킷(RP)에 대해 ACK, NAK, ATN 등의 8비트의 비트 패턴으로 응답할 수 있다(S1403).
모드 값이 0인 수신전력패킷(RP/0)에 대해, 무선전력 전송장치(1010)가 ACK으로 응답하는 것은, 전력 전송이 현재의 레벨로 계속 진행될 수 있음을 의미한다.
모드 값이 0인 수신전력패킷(RP/0)에 대해, 무선전력 전송장치(1010)가 NAK으로 응답하는 것은, 무선전력 수신장치(1020)가 전력 소비를 줄여야 함을 의미한다.
모드 값이 1 또는 2인 수신전력패킷(RP/1 또는 RP/2)에 대해, 무선전력 전송장치(1010)가 ACK으로 응답하는 것은, 무선전력 수신장치(1020)가 수신전력패킷(RP/1 또는 RP/2)에 포함된 전력 보정값을 받아들였음을 의미한다.
모드 값이 1 또는 2인 수신전력패킷(RP/1 또는 RP/2)에 대해, 무선전력 전송장치(1010)가 NAK으로 응답하는 것은, 무선전력 수신장치(1020)가 수신전력패킷(RP/1 또는 RP/2)에 포함된 전력 보정값을 받아들이지 않았음을 의미한다.
수신전력패킷(RP)에 대해 무선전력 전송장치(1010)가 ATN으로 응답하는 것은, 무선전력 전송장치(1010)가 통신의 허용을 요청함을 의미한다.
무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 제어오류패킷(CE), 수신전력패킷(RP) 및 수신전력패킷(RP)에 대한 응답을 기초로 전송/수신되는 전력 레벨을 제어할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)는 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 포함하는 충전상태패킷(CHS, Charge Status data packet)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송한다(S1404). 무선전력 전송장치(1010)는 충전상태패킷(CHS)에 포함된 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 기초로 무선전력의 전력 레벨을 제어할 수 있다.
한편, 전력 전송 단계에서, 무선전력 전송장치(1010) 및/또는 무선전력 수신장치(1020)는 전력 전송 계약의 갱신 등을 위해 재협상 단계로 진입할 수 있다.
전력 전송 단계에서, 무선전력 전송장치(1010)가 재협상 단계로 진입하고자 하는 경우, 무선전력 전송장치(1010)는 수신전력패킷(RP)에 대해 ATN으로 응답한다. 이 경우, 무선전력 수신장치(1020)는 DSR/poll 패킷을 무선전력 전송장치(1010)로 전송하여 무선전력 전송장치(1010)가 데이터 패킷을 전송할 기회를 부여할 수 있다(S1405).
무선전력 전송장치(1010)가 DSR/poll 패킷에 대한 응답으로 성능 패킷(CAP 또는 XCAP)을 무선전력 수신장치(1020)로 전송하면(S1406), 무선전력 수신장치(1020)는 재협상 단계의 진행을 요청하는 재협상 패킷(NEGO)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송하고(S1407), 무선전력 전송장치(1010)가 재협상 패킷(NEGO)에 대해 ACK로 응답하면(S1408), 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 재협상 단계로 진입하게 된다.
전력 전송 단계에서, 무선전력 수신장치(1020)가 재협상 단계로 진입하고자 하는 경우, 무선전력 수신장치(1020)는 재협상 단계의 진행을 요청하는 재협상 패킷(NEGO)을 무선전력 전송장치(1010)로 전송하고(S1407), 무선전력 전송장치(1010)가 재협상 패킷(NEGO)에 대해 ACK로 응답하면(S1408), 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020)는 재협상 단계로 진입하게 된다.
한편, 무선전력 전송 시스템은 다양한 응용 분야로의 확장을 지원하기 위해 응용 계층의 메시지의 교환 기능을 구비할 수 있다. 이러한 기능에 기반하여, 기기의 인증 관련 정보 또는 기타 어플리케이션 레벨의 메시지들이 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020) 간에 송수신될 수 있다. 이와 같이 무선전력 전송장치(1010)와 무선전력 수신장치(1020) 간에 상위계층의 메시지들이 교환되기 위하여, 데이터 전송을 위한 별도의 계층적 아키텍쳐(architecture)가 요구되며, 계층적 아키텍쳐의 효율적인 관리 및 운영 방법이 요구된다.
이하, 본 명세서에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
무선 충전 방식에는 1차 코일과 2차 코일간의 자기 유도 현상을 이용한 자기 유도 방식과, 수십kHz에서 수MHz 대역의 주파수를 사용하여 자기적 공명을 이루어 전력을 전송하는 자기 공명 방식이 있다. 여기서, 자기 공명 방식에 대한 무선 충전 표준은 A4WP라는 협의회에서 주도하며 자기 유도 방식은 WPC(Wireless Power Consortium)에서 표준을 주도한다. 여기서, WPC에서는 무선 충전 시스템과 관련된 다양한 상태 정보 및 명령어를 인 밴드로 주고 받을 수 있도록 설계되어 있다.
한편, 무선 충전에 있어 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간에 이물질의 존재는, 무선 전력 전송기 및 무선 전력 수신기 간의 무선 충전에 대해 리스크가 될 수 있다.
그 이유로, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 자장의 발생으로 인해, 사이에 존재하는 이물질에 발열 등이 발생함으로써, 충전 효율이 저하될 수 있기 때문이다. 아울러, 단순히 충전 효율이 떨어지는 것을 떠나서, 이물질의 발열로 인하여 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기의 기기가 고장나는 원인이 될 수도 있다.
이에, 무선 전력 전달 시스템에서는 이물질 검출에 대한 프로토콜을 제공하고 있으며, WPC에서는 보정(Calibration) 절차 및 품질 인자(quality factor; Q-factor)의 측정을 제공하고 있다.
이하, 보정 절차에 대해 설명하도록 한다.
도 19는 보정 프로토콜의 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 19에 따르면, 무선 전력 전송기는 무선 전력 전달 중에 전력 로스에 기반하여 이물질 삽입에 대해 개략적으로 파악할 수 있다.
상태 11-1에서 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 RP/1을 전송할 수 있다. 그리고, 아울러, 상태 11-1에서 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 CE를 전송할 수 있다.
무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 RP/1을 수신하면, 상태 13-1로 진입하게 된다. 상태 13-1에서, 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기에게 ACK를 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기가 위 ACK를 수신하면, 상태 11-2로 진입하게 된다. 상태 11-2에서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 RP/2를 전송하고, 아울러, 무선 전력 전송기에게 CE를 전송할 수 있다.
무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 RP/2를 수신하면, 상태 13-2로 진입하게 된다. 상태 13-2에서, 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기에게 ACK를 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기가 위 ACK를 수신하면, 상태 11-3으로 진입하게 된다. 상태 11-3에서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 추가적으로 RP/2를 전송할 수 있고, 혹은, RP/0, RP/4를 전송할 수도 있다. 아울러, 본 상태에서도, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 CE를 전송할 수 있다.
정리하면, 충전을 시작할 때, 무선 전력 수신기는 라이트 로드(light load) 정보(RP/1), 헤비 로드(heavy load) 정보 (RP/2) 패킷을 무선 전력 전송기에게 보낼 수 있고, 무선 전력 전송기는 이 데이터를 기반으로 보정을 수행할 수 있다.
무선 전력 전송기는 위 보정 데이터와 무선 전력 수신기에서 보내주는 전력 정보(e.g. RP/0 or RP/4) 값을 기반으로 충전 중 파워 로스를 추정할 수 있다.
여기서, 파워 로스가 문턱 값 보다 커질 경우에는, 무선 전력 전송기는 FO가 있는 것으로 판단하고 충전을 중단할 수 있다.
이하, 품질 인자(quality factor; Q-factor)의 측정에 대해 설명하도록 한다.
도 20 내지 도 21은 품질 인자의 측정/계산의 예시를 도시한 것이다.
도 20 내지 도 21에서의 품질 인자, 즉, Q-팩터는 wL/R로, 주어진 인덕턴스(inductance; L), 주파수(w) 조건에서 레지스턴스(resistance; R )성분을 찾아내는데 활용되는 물성치에 해당한다. 그리고, 위 품질 인자는 무선 전력 전송기 및 무선 전력 수신기 간의 이물질 검출(foreign object detection; FOD)에 사용되는 값일 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신기는 사전에 본인의 레퍼런스 Q 팩터의 값을 기억해두고, 협상 페이즈에서 패킷을 통해 레퍼런스 Q 팩터의 값을 무선 전력 전송기에게 전송할 수 있다. 이때 레퍼런스 Q 팩터의 값은 예컨대, 협상 페이즈에서의 FOD/xx(e.g. FOD/rf, FOD/qf)를 통해 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 전송기에게 전송될 수 있다.
무선 전력 전송기는 무선 충전 전(즉, 전력 전달 전에) 작은 신호를 발생시켜 Q-팩터를 측정할 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기는 본인이 측정한 Q 팩터 값과 무선 전력 수신기가 보고해주는 값(예컨대, 레퍼런스 Q-팩터의 값)을 비교하여 FOD 여부를 판단할 수 있다.
지금까지, 무선 전력 전달 중 보정에 의한 외부 물질 감지 기법 및 무선 전력 전달 전 품질 인자에 기반한 외부 물질 감지 기법에 대해 설명하였다.
그러나, 앞서 설명했던 방법과 같은 외부 물질 감지 기법들이 있음에도 불구하고, 위 외부 물질 감지 기법들에는 한계가 존재한다.
우선, 도 19와 같은, 무선 전력 전달 중 보정에 의한 외부 물질 감지 기법에 따르면, 보정(Calibration)은 충전 시작 시점에 단 1회만 수행하기에, 충전 중 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 정렬 변경 가능성이 있음에도 불구하고 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기가 이를 감지할 수 없게 된다.
위와 같이, (정렬이 변경될 경우에는) 보정 데이터(Calibration Data)의 유효성이 사라지기에, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 잘못된 기준 값으로 FOD를 수행하게 된다. 그리고, 이로 인해, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 펄스 포지티브 FOD(False Positive FOD)로 인한 IOP 실패(Failure)라는 위험에, 그리고, 펄스 네거티브 FOD(False Negative FOD)로 인한 히팅(Heating) 위험에 노출되게 된다.
또한, 도 20과 같은, 무선 전력 전달 전 품질 인자에 기반한 물질 감지 기법에 따르면, Q 인자의 측정 시점과 FOD의 판단 시점 간에는 1 내지 2초의 차이가 존재하기에, 무선 충전 관점에서 상대적으로 긴 시간에 해당하는 위 시점(1 내지 2초) 내에 FO가 삽입될 가능성이 있다는 문제가 있다.
이에, 본 명세서에서는 무선 전력 전달 중에도 품질 인자를 측정하여, 무선 전력 전달 내에 FO의 삽입 여부를 기민하고 정확하게 판단하는 방법을 제공하고자 한다. 그리고, 본 명세서에서는 무선 전력 전달 중에 품질 인자 뿐만 아니라, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 커플링 인자까지 더 측정하여, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간에 단순히 정렬만이 흐트러졌는지 여부를 판단하는 방법을 제공하고자 한다.
이하의 도면은 본 명세서의 구체적인 일례를 설명하기 위해 작성되었다. 도면에 기재된 구체적인 장치의 명칭이나 구체적인 신호/메시지/필드의 명칭은 예시적으로 제시된 것이므로, 본 명세서의 기술적 특징이 이하의 도면에 사용된 구체적인 명칭에 제한되지 않는다.
도 22는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하는 방법의 순서도다.
도 22에 따르면, 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기로부터 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 수신할 수 있다(S2210).
여기서, 무선 전력 전송기가 수신한 FO가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보는 앞서 설명했던, FOD 상태 정보(예컨대, FOD/rf, FOD/qf)일 수 있다.
무선 전력 전송기가 수신한 FOD 상태 정보에는 타입 정보 및 FOD 지원 데이터가 포함될 수 있으며, 만약 타입 정보가 0을 지시할 경우 FOD 상태 정보는 FOD/qf이고, 타입 정보가 1을 지시할 경우 FOD 상태 정보는 FOD/rf일 수 있다.
FOD 지원 데이터는 타입 정보에 포함된 값에 따라 결정될 수 있다.
구체적으로, FOD/qf의 경우에는 FOD 지원 데이터가 레퍼런스 품질 인자(reference quality factor)을 포함할 수 있으며, FOD/rf의 경우에는 FOD 지원 데이터가 레퍼런스 레조넌스 주파수(reference resonance frequency)를 포함할 수 있다.
무선 전력 전송기는 상기 정보에 기반하여 무선 전력의 전달 이전에 FO가 존재하는지 여부를 감지할 수 있다(S2220).
예컨대, 무선 전력 전송기는 무선 전력 전송기에 의해 측정된 품질 인자, 무선 전력 전송기에 의해 측정된 레조넌스 주파수, 무선 전력 수신기로부터 수신한 레퍼런스 품질 인자, 및/또는 무선 전력 수신기로부터 수신한 레퍼런스 레조넌스 주파수에 기반하여 FO의 존재 여부를 감지/결정할 수 있다.
이후, 무선 전력 전송기는 FO가 존재하지 않음을 감지함에 기반하여 무선 전력 수신기에게 무선 전력을 전달할 수 있다(S2230).
여기서, 무선 전력 전송기는 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행할 수 있다(S2240).
이후, 무선 전력 수신기는 위 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정에 기반하여, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간에 FO가 삽입되었는지 여부 및/또는 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 정렬이 변화하였는지 여부를 감지할 수 있다.
여기서, 예컨대, 무선 전력 전달 도중 FO를 감지한 경우, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 전달되는 전력을 줄일 수 있다. 예시로써, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 무선 전력 전달 도중 FO를 감지하는 경우, EPP 내에서 전력 전달 계약을 낮출 수 있을 것이다. 다만, 본 명세서에서는 전력 전달 계약을 EPP에서 BPP로 낮추는 것을 권리 범위에서 배제하는 것은 아니다.
한편, 예컨대, 무선 전력 전달 도중 정렬의 변화 만을 감지한 경우, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 기존의 전력 전달을 계속 수행할 수 있다. 즉, 정렬의 변화 만이 감지되는 경우, 정렬의 변화는 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 안전에는 큰 영향을 주지 않기에, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기는 기존에 계약된 전력 전달 값에 기반하여 무선 충전을 수행할 수 있다.
이하에서는, 본 명세서에서 제공되는 구성들에 대해 각각 분설하여 설명하도록 한다. 우선, 슬롯이 무엇인지에 대해 도면을 통해 설명하도록 한다.
- 슬롯
도 23은 본 명세서의 예시에 따른, 슬롯을 개략적으로 도시한 것이다.
도 23에 따르면, 슬롯은 TX가 코일의 구동을 멈추어 전압이 감쇄하는 구간을 의미할 수 있다. 다른 식으로 설명하자면, 슬롯은 충전이 잠시 중단되는 구간을 의미할 수 있다.
여기서, 슬롯의 구간 길이는 주파수 및 파형의 개수에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 도 23에서 도시된 바와 같이, 고유 주파수에서 코일의 전압이 감쇄하는 파형이 대략적으로 10개 이상 정도 발생하는 구간 정도로 슬롯의 구간 길이는 정해질 수 있다.
그리고, 시간 차원에서는 위와 같은 슬롯의 구간 길이는 예컨대, 100us 내지 200us 정도의 구간에 기반하여 결정될 수 있다.
위와 같이 슬롯이 정의된 상태에서, 무선 전력 전송기는 앞서 설명한 바와 같이, 슬롯 품질 인자 및/또는 커플링 인자를 측정할 수 있다.
- 슬롯 품질 인자
여기서, 슬롯 품질 인자(slot Q-factor)는 상기 슬롯 구간 동안 앞서 도 20 내지 도 21에서 설명한 바와 같이, 품질 인자(Q-factor)를 계산함으로써 도출될 수 있다. 즉, 무선 전력 전송기는 슬롯 구간 동안 wL/R을 계산함으로써 슬롯 품질 인자를 계산할 수 있다.
품질 인자를 계산하는 구체적인 내용은 앞서 도 20 내지 도 21에서 설명한 바와 같기에, 이하에서는 무선 전력 전송기가 커플링 인자를 계산하는 내용에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
- 커플링 인자
커플링 인자란, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기가 얼마나 잘 커플링 되었는지 여부를 알려주는 인자, 즉, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 거리나 각도가 얼마나 잘 정렬되었는지를 알려주는 인자일 수 있다.
여기서, 커플링 인자(k)는 아래와 같은 수식을 통해 정의될 수 있다.
<수식 1>
여기서, L_12는 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기가 결합될 때의 인덕턴스에 대한 값을 의미할 수 있다. 아울러, L_11은 무선 전력 전송기에서의 코일의 단독 인덕턴스에 대한 값을 의미할 수 있다. 또한, L_22는 무선 전력 수신기에서의 코일의 단독 인덕턴스에 대한 값을 의미할 수 있다.
한편, 위와 같은 수식 1을 아래 수식들과 같이 다시 정리할 경우에, 커플링 인자는 무선 전력 전송기에서의 전압, 무선 전력 수신기에서의 전압, 무선 전력 전송기에서의 인덕턴스, 및 무선 전력 수신기에서의 인덕턴스에 기반하여 정의될 수 있다.
아래 수식은, 커플링된 인덕터(coupled inductor)에 걸리는 전압을 정리한 수식이다.
<수식 2>
여기서, U_1은 TX 코일 양단 전압의 차를 의미할 수 있으며, 달리 말하면 V_1라고도 명명될 수 있다. U_2는 RX 코일 양단 전압의 차를 의미할 수 있으며, 달리 말하면 V_2라고도 명명될 수 있다.
위와 같은 수식 1 및 수식 2의 상황에서, 슬롯에서 TX의 동작이 멈추게 되면, RX의 전류가 0이 될 수 있다. 전류가 0이 된 상황에서 위 수식 1 및 수식 2를 정리하면 아래와 같은 수식이 도출될 수 있다.
<수식 3>
즉, 슬롯에서 TX 및 RX 각각의 코일에 걸리는 전압 U1, U2와, RX 및 TX 코일 각각의 L 값을 알면, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 현재의 K를 알 수 있게 된다.
위와 같은 수식의 상황에서, 슬롯에서의 커플링 인자(및/또는 정렬)을 계산/결정/측정하는 예를 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
충전 중 TX가 코일의 구동을 멈추고 폐 루프 상태를 만드는 슬롯을 생성할 경우, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 그때의 TX, RX 코일의 전압 값을 측정하여 K를 계산할 수 있다.
여기서, RX는 TX에게 셀프 인덕턴스(Self Inductance; L2) 값을 제공할 수 있으며, 충전 중에는 무선 전력 수신기가 슬롯 구간에서 RX 코일 양단 전압의 차(U2)를 측정해서 측정 값을 무선 전력 전송기에게 제공할 수 있다. 이하, 무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 L2 및 U2를 수신하는 내용에 대해 설명하도록 한다.
RX측 L2값은 (설정 페이즈에서의) 설정 패킷(Configuration packet)를 통해 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 전송기에게 전송될 수 있다. 또는 L2 값은 협상 페이즈(negotiation phase)에서 정의되는 신규 패킷을 통해 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 전송기에게 전송될 수 있다.
무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 RX측의 L2 값을 받지 않은 경우에는, 무선 전력 전송기(또는 무선 전력 수신기)는 상대적인 k값을 계산하고 상대적인 k값 변동을 이용해 위치 변화의 검출을 가능하게 할 수 있다.
무선 전력 수신기는 RPP 패킷(i.e. RP 패킷)으로 슬롯 Q를 무선 전력 전송기에게 지시한 후, 코일 양단 전압/전류의 변화를 측정해 PTx의 슬롯 타이밍(예컨대, 슬롯의 구간)을 검출할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 슬롯 Q를 트리거할 수 있다. 달리 말하면, 무선 전력 수신기로부터 트리거됨에 기반하여, 무선 전력 전송기는 슬롯 상에서 Q 값 및 K 값을 측정할 수 있다.
(슬롯 타이밍의 검출에 기반하여) 무선 전력 수신기는 슬롯이 시작할 때 무선 전력 수신기의 코일 양단 전압 차와 전류 값을 측정하여, 측정 값들을 무선 전력 전송기에게 전송할 수 있다.
이후, 무선 전력 전송기는 RX로부터 수신한 L2, U2값과 자신의 셀프 인덕턴스(Self Inductance; L1) 값, 슬롯 구간에서의 TX 코일의 양단 전압의 차 (U1)를 측정하여 K 또는 상대적 K를 계산할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 수신한(즉 전송 받은) 전류 값을 확인하였을 때, 위 전류 값이 '0'이 아닌 경우에는, 무선 전력 전송기는 (회로의 노이즈 등으로 인하여) 무선 전력 전송기에 의해 측정된 슬롯 Q(Slot Q) 및 K가 정확히 측정되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기는, 해당 값(전류 값이 0이 아닌 상태에서 측정된 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자에 대한 값)을 사용하지 않는다.
한편, 충전 진입 초기에 수행하는 보정(Calibration)에서도 위와 같은 방법으로 초기 K 값을 확보할 수 있다. 이후, 충전 중에서 슬롯을 통해 추가 K 값을 확보할 수 있다. 일반적으로 정렬의 변화에 따라 K 값이 민감하게 변화할 수 있다. 보정 데이터(Calibration Data)를 얻었을 때에 비해 K 값이 달라졌을 경우에는, 정렬(Alignment)(달리 말하면, 충전 조건)이 달라졌음을 추정하고 재-보정(Re-calibration)을 요청(TX)할 수 있다.
위와 같이, 무선 전력 전송기가 슬롯 품질 인자(즉, 슬롯 Q-팩터)와 커플링 인자를 측정하였을 때, 이를 어떤 식으로 이용할 것인지에 대해 이하에서 설명하도록 한다.
- 슬롯 품질 인자 및/또는 커플링 인자의 활용
무선 전력 전송기가 슬롯에서 측정한 K의 변화와 슬롯에서 측정한 Q의 변화를 함께 고려할 경우, FO 삽입으로 인한 K 변화와 정렬(Alignment) 변화로 인한 K 변화를 더욱 명확히 판단할 수 있다.
이러한 판단의 근거는, 정렬 변화에는 (슬롯) Q 값이 K 값에 비해 변화가 적다는 점, 그리고, K 값의 경우 정렬과 FO 삽입 모두에 반응한다는 점에 근거한다.
달리 말하면, 정렬이 변화한다고 할 지라도 슬롯 Q의 값은 그 변화가 크지 않으나, 정렬이 변화할 경우에는 K 값은 그 변화가 상대적으로 크다는 점에 근거하여, 무선 전력 전송기는 무선 전력 전달 중에 FO가 발생(삽입)하였는지 혹은 단순히 무선 전력 수신기와의 정렬이 흐트러졌는지 여부를 판단할 수 있다.
즉, 무선 전력 전송기는 슬롯에서 두 값(슬롯 Q 값 및 K 값)을 모두 측정하여 K의 변화가 FO의 영향인지 정렬의 영향인지 판단할 수 있다.
도면을 통해, 무선 전력 전송기가 슬롯 Q 및 K 모두를 측정하여, 무선 전력 전달 도중 FO가 삽입되었는지 혹은 정렬이 흐트러졌는지 여부를 결정하는 구성을 설명하도록 한다.
도 24는 본 명세서의 다른 실시예에 따른, 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하는 방법의 순서도다.
도 24에 따르면, 무선 전력 전송기는 슬롯 품질 인자의 변화 여부를 확인할 수 있다(S2410). 여기서, 슬롯 품질 인자의 변화 여부를 확인한다 함은, 예컨대, 무선 전력 전송기가 무선 전력을 전달하기 이전에 측정한 품질 인자의 값과, 무선 전력을 전달하는 도중에 측정한 슬롯 품질 인자의 값을 비교하는 것을 의미할 수 있다.
만약, 슬롯 품질 인자의 값이 무선 전력 전달 전에 측정한 품질 인자의 값에 비해 그 값이 변한 경우, 무선 전력 전송기는 슬롯 품질 인자의 변화에 기반하여 FO의 삽입을 감지할 수 있다(S2420). 그리고, FO가 감지되는 경우, 앞서 설명한 바와 같이 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기에게 전달하는 전력의 크기를 줄일 수 있다.
한편, 슬롯 품질 인자의 값이 무선 전력 전달 전에 측정한 품질 인자의 값에 비해 그 값이 변하지 않은 경우, 무선 전력 전송기는 커플링 인자의 변화 여부를 확인할 수 있다(S2430). 여기서, 슬롯 품질 인자의 변화 여부를 확인한다 함은, 예컨대, 앞서 설명했던 충전 진입 초기에 수행하는 보정 중 측정한 초기 K 값과, 무선 전력 전달 동안 슬롯 상에서 측정한 K 값을 비교하는 것을 의미할 수 있다.
만약, 커플링 인자의 값이 무선 전력 전달 전에 초기 커플링 인자의 값에 비해 그 값이 변한 경우, 무선 전력 전송기는 정렬이 변화하였음을 감지할 수 있다(S2440). 여기서, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간에 단순히 정렬만이 변화하였음을 감지할 경우, 앞서 설명한 바와 같이 기존의 (협상된) 계약된 전력 전달 값에 기반하여 무선 전력 전달이 수행될 수 있다.
한편, 커플링 인자의 값 또한 초기 커플링 인자의 값에 비해 변하지 않은 경우, 무선 전력 전송기는 FO의 미삽입 및 정렬의 미변화를 감지할 수 있다(S2450). 이때의 경우는, 무선 전력 전송기 및 무선 전력 수신기 간에는 전력 전달에 큰 문제가 없기에, 기존의 (협상된) 전력 전달 계약에 기반하여 전력 전달이 수행될 수 있다.
이하, 이해의 편의를 위해, FO의 감지 및 정렬의 변경을 감지하는 예시를, 도면을 통해 설명하도록 한다.
도 25는 품질 인자(전력 전달 전의 Q 및 전력 전달 도중의 슬롯 Q) 및 커플링 인자(K)에 기반하여 FO의 감지 및 정렬의 변경을 감지하는 구체적인 예를 도시한 것이다.
도 25에 따르면, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간에 정렬된 경우에는 예컨대, 품질 인자의 값은 약 50, K의 값은 약 0.5(0.48)일 수 있다.
이와 같은 상황에서, 무선 전력 수신기의 위치를 정 가운데에 비해 1cm정도 이동시킬 경우, 품질 인자의 값은 기존에 비해 크게 변하지 않음(약 50)에 비해, K의 값은 상대적으로 더 많이 변화(정 가운데의 경우 0.48 -> 1cm 이동시 0.42)하게 될 수 있다.
더 나아가, 무선 전력 수신기의 위치를 정 가운데에 비해 2cm정도 이동시킬 경우, 품질 인자의 값은 기존에 비해 크게 변하지 않음(약 50)에 비해, K의 값은 크게 변화(정 가운데의 경우 0.48 -> 2cm 이동시 0.27)하게 될 수 있다.
이와 같이 무선 전력 수신기의 위치만을 단순히 이동한 경우에는, 품질 인자의 값은 기존에 비해 크게 변하지 않음에 비해, K 값은 크게 변화하게 된다. 이를 이용하여, 무선 전력 전송기는 위의 상황에서 FO는 삽입되지 않았으나 정렬만이 흐트러졌음을 감지/결정하고 기존에 협상된 전력 전달 계약에 따라 무선 전력 전달을 수행할 수 있다.
한편, FO가 삽입된 경우에는, 무선 전력 전송기는 커플링 인자 뿐만 아니라, 품질 인자 또한 크게 변화(50->30)하였음을 감지할 수 있다. 이와 같은 경우에는, 무선 전력 전송기는 FO가 삽입되었음을 감지하고, 앞서 설명한 바와 같이 전달되는 전력의 크기를 줄일 수 있다.
지금까지 본 명세서에서 제공되는 구성들을 설명하였다. 앞서 설명한 내용에서는 무선 전력 전송기가 품질 인자 및 커플링 인자를 측정하는 것을 위주로 설명하였으나, 본 명세서에서는 무선 전력 수신기가 품질 인자 및 커플링 인자를 측정하는 예시 또한 제공한다.
이하에서는 본 명세서 제공되는 구성들이 적용되는 구체적인 실시예들에 대해 각각 설명하도록 한다.
1. 제공되는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수에 따라, 충전 용량을 다르게 하는 방법.
기존의 경우, 무선 전력 전송기 및 무선 전력 수신기 간에 예컨대, 품질 인자 및 충전 효율 관련된 팩터(예컨대, RP)만이 고려되었다.
이에 반해, 본 명세서에서는 예컨대, 슬롯에서의 품질 인자 및 커플링 인자에 대한 값이 더 제공될 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간에 더 많은 팩터에 기반하여 FO/품질/정렬이 판단될 경우, 무선 전력 전송기 및 무선 전력 수신기 간의 전력 전달의 안정성이 증대될 수 있다.
이에, 본 명세서에서는 예컨대, 제공되는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수에 따라, 충전 용량을 다르게 하는 방법을 제공하도록 한다.
도 26은 인자(factor)의 개수에 따라 충전 용량을 다르게 하는 방법의 순서도다.
도 26에 따르면, 무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 인자의 개수가 한 가지인지 여부를 결정할 수 있다(S2610).
그리고, 무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수가 한 개인 경우, 제1 전력에 기반하여 무선 전력 전달을 수행할 수 있다(S2620).
무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 인자의 개수가 두 가지인지 여부를 결정할 수 있다(S2630).
그리고, 무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수가 두 개인 경우, 제2 전력에 기반하여 무선 전력 전달을 수행할 수 있다(S2640).
무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 인자의 개수가 세 가지인지 여부를 결정할 수 있다(S2650).
그리고, 무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수가 세 개인 경우, 제3 전력에 기반하여 무선 전력 전달을 수행할 수 있다(S2660).
무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 인자의 개수가 네 가지인지 여부를 결정할 수 있다(S2670).
그리고, 무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수가 한 개인 경우, 제4 전력에 기반하여 무선 전력 전달을 수행할 수 있다(S2670).
여기서, 앞서 설명한 바와 같이, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수가 늘어날수록, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 전력 전달의 안정성이 높아진다고 판단할 수 있다.
이에 따라, 무선 전력 전송기는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수가 늘어날수록 점점 더 큰 전력에 기반하여 무선 전력 수신기에게 전력을 전달할 수 있다. 예컨대, 앞서 설명했던 전력들의 경우, 제1 전력 < 제2 전력 < 제3 전력 < 제4 전력 ... 순으로 전력이 더 커지게 된다.
구체적인 예시로써, 무선 전력 전송기 및 무선 전력 수신기 간에 이용될 수 있는 FO/품질/정렬에 관련된 팩터의 개수가 하나도 없을 경우, 최저 전력에 기반하여 무선 충전이 수행될 수 있다.
아울러, 무선 전력 전송기 및 무선 전력 수신기 간에, 전력 전달 전의 품질 인자 및 보정에 기반한 충전 효율의 측정이 지원되는 경우, 현재 EPP에서 제공되는 크기만큼의 전력이 전달될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송기 무선 전력 수신기 간에, 본 명세서에서 제공하는 구성인 슬롯 Q 및 K까지 추가적으로 지원되는 경우, 현재의 EPP에서 제공되는 전력보다 더 큰 전력이 전달될 수 있다.
한편, 무선 전력 전송기에 의해 재-보정(re-calibration)이 개시되는 경우에 본 명세서에서 제공하는 커플링 인자를 측정하는 실시예가 제공될 수 있다.
2. TX에 의한 K의 측정 후 재-보정(Re-calibration)
앞서 설명한 바와 같이, 무선 전력 전송기가 K 값을 계산하기 위해서는 L2 및 U2(V2)를 무선 전력 수신기로부터 수신할 필요가 있다. 그리고, L2의 값의 경우, 설정 페이즈 또는 협상 페이즈에서 무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 전달 받을 수 있다.
이때, 슬롯 Q의 측정이 지시(트리거)된 경우, 무선 전력 전송기가 V2(U2)를 무선 전력 수신기로부터 수신할 수 있으며, 이는, 무선 전력 전송기에 의해 K 값이 측정된 이후, 재-보정이 개시될 때에도 마찬가지일 수 있다. 이에, 이하에는 TX에 의한 K의 측정 이후 재-보정의 경우에, 무선 전력 전송기가 V2를 수신하는 방법에 대해 도면을 통해 설명하도록 한다.
도 27은 무선 전력 전송기에 의해 재-보정이 개시될 때, TX의 K값 측정 후 정렬 변화를 감지하고 재보정을 수행하는 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 27에 따르면, 우선, 무선 전력 전송기에 의한 재-보정의 개시가 다음과 같이 이루어질 수 있다.
무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기로부터 RP/0을 수신할 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기는 RP/0에 대한 응답으로써, 무선 전력 수신기에게 ATN을 전송(응답)할 수 있다.
이후, 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기로부터 DSR/poll을 수신할 수 있으며, 이후, 무선 전력 전송기는 FOD 상태 데이터 패킷(FOD status data packet)의 요청 비트를 '재-보정 요청'으로 세팅하여 무선 전력 수신기에게 전송함으로써, 재-보정을 요청할 수 있다.
FOD 상태 데이터 패킷을 전송한 이후, 무선 전력 전송기는 앞서 설명했던 보정에 관련된 페이즈를 수행할 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기는 새로 취득된 보정 데이터(Calibration Data)(예컨대, RP 값들)를 바탕으로 전력 로스(Power loss)를 추정함으로써 FOD 기능을 수행할 수 있다.
재-보정의 개시를 수행하기 전에 K값을 계산하기 위해, 무선 전력 수신기의 V2가 어떤 식으로 무선 전력 전송기에게 전송될 것인지는 아래와 같이 정의될 수 있다.
- 신규 패킷이 추가되어, 신규 패킷을 통해 V2가 전송될 수 있다. 이때의 패킷은 슬롯 바로 후에 존재하는 첫 번째 패킷일 수 있다.
- 슬롯 후 첫 번째 CE 패킷을 활용하여 V2가 전송될 수 있다. 한편, CE가 무선 전력 전송기에게 자주 전송되는 패킷이라는 점을 고려하면, 이와 같이, CE를 통해 V2가 전송되는 경우에는, 무선 전력 전송기가 V2 값을 자주 확인하여 정밀한 K 값을 계산할 수 있다는 장점이 존재할 수 있다.
- RP의 예약된 비트를 사용하여 V2가 전송될 수 있다. 여기서, RP는 슬롯에서의 품질 인자 및/또는 커플링 인자의 측정을 트리거하는 정보라는 점을 고려하면, 이와 같이 RP를 통해 V2가 전송되는 경우에는 프로토콜의 통일성이 확보될 수 있다는 장점이 존재한다. 아울러, RP에는 예약된 비트가 존재하기에, RP를 통해 V2가 전송되는 경우에는 스팩(spec.) 상의 충격이 적다는 장점이 존재할 수 있다.
한편, 무선 전력 전송기가 FOD 상태 데이터 패킷을 무선 전력 수신기에게 전송할 때, 즉, 무선 전력 수신기가 FOD 상태 데이터 패킷을 수신할 때, 무선 전력 수신기의 동작에는 아래와 같은 실시예가 제공될 수 있다.
3. FOD 상태 데이터 패킷을 수신한 무선 전력 수신기의 동작
우선, 도면을 통해 FOD 상태 데이터 패킷에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 28은 FOD 상태 데이터 패킷의 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 28에 따르면, FOD 상태 데이터 패킷(FOD status data packet)은 예컨대, 0x01의 헤더 코드를 가질 수 있다. 그리고, 이때의 FOD 상태 데이터 패킷에는 FO 존재 확률(FO presence probability)에 대한 정보가 포함될 수 있다. 아울러, FOD 상태 데이터 패킷에는 요청 정보가 포함될 수 있다.
우선, 요청 정보에 대해 설명하면, 예컨대, 요청 정보의 값이 0일 경우에는, 단순히 보고를 지시할 수 있다. 만약 요청 정보의 값이 1일 경우에는 확장된 보정(extended calibration)을 요청하는 것일 수 있으며, 이때 요청되는 정보(즉, 무선 전력 전송기가 받고자 하는 정보)는 예컨대 RP/2일 수 있다. 또한, 요청 정보의 값이 2인 경우, 재-보정을 요청하는 것일 수 있으며, 이때 요청되는 정보(즉, 무선 전력 전송기가 받고자 하는 정보)는 RP/1...RP/2일 수 있다. 요청 정보의 값이 3인 경우는, 예약된 값일 수 있다. 즉, 요청 정보의 값이 3인 경우는 정의되지 않을 수 있다.
한편, 무선 전력 전송기(또는 무선 전력 수신기)가 FO 여부를 확인하는데 있어, FO의 존재 여부가 존재/부 존재 두가지 만으로 명확히 구별되는 것은 아닐 수 있다. 즉, FO의 존재 여부는 일종의 확률의 형태로써 표현될 수 있다.
이와 같은 상황에서, 무선 전력 전송기가 직접 위 확률에 대한 판단을 내려서, FO의 존재 여부를 존재/부 존재 두 가지 중 하나로 결정한 다음, 이를 무선 전력 수신기에게 전송하는 것은 무선 전력 전달 관점에서 바람직하지 않을 수 있다.
그 이유로, 무선 전력 수신기 관점에서는, FO 존재 확률이 다소 높다고 할 지라도 무선 전력을 전달받고자 할 수 있고, 혹은, FO 존재 확률이 낮다고 할지라도 무선 전력 수신기 자신의 기기 보호를 위해 무선 전력을 전달받길 원하지 않을 수 있기 때문이다.
이에, 도 28에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송기는 FOD 상태 데이터 패킷 내에 FO 존재 확률에 대한 정보를 포함시켜 무선 전력 수신기에게 전송할 수 있다.
위와 같은 내용을 순서도 형태로 정리하면 아래와 같다.
도 29는 본 명세서의 일 실시예에 따른, FO 존재 확률에 기반하여 무선 전력을 수신하는 방법의 순서도다.
도 29에 따르면, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기로부터 FOD 상태 데이터 패킷을 수신할 수 있다(S2910). 여기서, FOD 상태 데이터 패킷에는 앞서 설명한 바와 같이 FO 존재 확률에 대한 정보가 포함될 수 있고, 또한 요청 정보 또한 포함될 수 있다. 여기서, FO 존재 확률에 대한 정보 및 요청 정보에 대한 구체적인 예시는 앞서 설명한 바와 같다.
이후, 무선 전력 수신기는 FOD 상태 데이터 패킷에 포함된 FO 존재 확률에 대한 정보에 기반하여 무선 전력을 수신할 수 있다(S2920).
예컨대, 무선 전력 수신기가 수신한 FO 존재 확률에 대한 정보가 지시하는 FO 존재 확률이, 무선 전력 수신기가 무선 전력을 수신할 수 있는 확률에 대한 문턱 값 보다 낮은 경우(혹은 같거나 낮은 경우) 무선 전력 수신기는 FO가 존재하지 않는다고 판단하고, 이에 따른 후속 절차를 수행(예컨대, 무선 전력 전송기로부터 무선 전력을 수신)할 수 있다.
반대로, 무선 전력 수신기가 수신한 FO 존재 확률에 대한 정보가 지시하는 FO 존재 확률이, 무선 전력 수신기가 무선 전력을 수신할 수 있는 확률에 대한 문턱 값 보다 높은 경우(혹은 같거나 높은 경우) 무선 전력 수신기는 FO가 존재한다고 판단하고, 이에 따른 후속 절차를 수행(예컨대, 무선 전력 전송기로부터 무선 전력을 수신하지 않음)할 수 있다.
구체적인 예시로써, 무선 전력 수신기가 무선 전력 전송기로부터 FO 존재 확률이 50%임을 지시 받은 경우, FO 존재에 대해 관대한 무선 전력 수신기는 FO가 존재하지 않는다고 판단하고, 무선 전력 전송기로부터 무선 전력을 수신할 수 있다. 반대로, 무선 전력 수신기가 무선 전력 전송기로부터 FO 존재 확률이 50%임을 지시 받은 경우, FO 존재에 대해 엄격한 무선 전력 수신기는 FO가 존재한다고 판단하고, 무선 전력 전송기로부터 무선 전력을 수신하지 않을 수 있다.
여기서, 본 실시예에서의 무선 전력 수신기가 무선 전력을 수신 받기로 결정한 경우, 앞서 설명했던 바와 같이, 전력 전달 와중에 무선 전력 수신기가 무선 전력 전송기에게 무선 전력 수신기의 전압(e.g. V2)을 전송해줄 수 있으며, 이에 기반하여, 무선 전력 전송기는 전력 전달 와중에도 슬롯-Q 및 K 값을 측정/계산/결정할 수 있다. 여기서, 무선 전력 수신기는 자신의 인덕턴스(e.g. L2)에 대한 값을 앞서 설명한 바와 같이 설정 페이즈 또는 협상 페이스에서 무선 전력 전송기에게 전송할 수 있다. 본 내용에 대한 구체적인 예시는 앞서 설명한 바와 같다.
앞서 설명한 바와 같이, 무선 전력 수신기가 FO 존재 확률에 대한 정보를 수신하고, 이 정보에 기반하여 무선 전력 수신기가 전력을 수신할 것인지 여부를 결정하는 경우, 무선 전력 수신기는 자신이 감당 가능한 전력만을 수신할 수 있게 된다. 즉, 앞서 설명한 실시예에 따르면, 무선 전력 수신기의 기기 보호에 유리한 점이 발생하게 된다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 무선 전력 전송기는 커플링 인자를 계산하고 이에 기반하여 무선 전력 전송기가 FO 여부 및 정렬의 변경 여부를 판단할 수 있다. 다만, 앞선 설명에서와 같이 무선 전력 전송기 만이 FO 여부 및 정렬의 변경 여부를 판단하는 것은 아니다. 즉, 무선 전력 수신기 또한 FO 여부 및 정렬의 변경 여부를 판단할 수 있다.
이하, 무선 전력 수신기가 FO 여부 및 정렬의 변경 여부를 감지/결정하는 내용에 대해 설명하도록 한다.
4. 무선 전력 전송기에 의해 계산된 K 값을 무선 전력 수신기가 수신
우선, 무선 전력 전송기가 앞서 설명한 바와 같이 K 값을 계산하고, 이를 무선 전력 수신기에게 전송해주는 방법이 제공될 수 있다. 이에 대한 예시는 도 30에 도시되어 있다.
도 30은 무선 전력 수신기가 무선 전력 전송기로부터 K에 대한 정보를 수신하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 30의 (a)에 따르면, 무선 전력 수신기는 전력 전달 페이즈에서 재협상 페이즈로 전환하여 GRQ 패킷을 이용하여 K값을 수신할 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신기는 K 값을 수신하기 위해, 전력 전달 페이즈 동안 NEGO 패킷을 무선 전력 전송기에 전송함으로써, 재협상 페이즈를 개시할 수 있다. 재협상 페이즈가 개시되면, 무선 전력 수신기는 K 값을 요청하는 패킷에 해당하는 GRQ/k를 무선 전력 전송기에게 전송하고, 이후, 무선 전력 수신기는 GRQ/k에 대한 응답으로써 무선 전력 전송기로부터 K 값을 수신할 수 있다.
여기서, GRQ/k 패킷의 예시로써, GRQ 헤더는 0x07이고, k 헤더 패킷은 예컨대, 0x2A일 수 있다.
위 GRQ/k에 대한 응답으로써 무선 전력 수신기가 수신하게 되는 k 패킷의 예시로써, k 패킷의 헤더는 예컨대, 0x2A이고, 만약 k=0.50인 경우 데이터 값은 예컨대, 0x32일 수 있다.
도 30의 (b)에 따르면, 무선 전력 수신기는 재협상 페이즈로의 전환 없이, 전력 전달 페이즈에서 k 값을 수신할 수 있다. 보다 구체적으로, 무선 전력 수신기가 전력 전달 페이즈에서 GRQ 패킷을 전송할 수 있다면, 무선 전력 수신기는 전력 전달 페이즈에서 무선 전력 전송기에게 앞서 설명했던 GRQ/k를 전송하고, 무선 전력 수신기는 위 GRQ/k에 대한 응답으로써 k 값을 수신할 수 있다. 여기서, GRQ/k 및 k 패킷에 대한 구체적인 설명은 앞서 설명한 바와 같다.
도 30의 (c)에 따르면, 무선 전력 수신기는 전력 전달 페이즈에서 별도의 지시 없이 무선 전력 전송기로부터 k 패킷을 수신할 수도 있다. 즉, 무선 전력 전송기는 전력 전송 페이즈에서 k 패킷을 무선 전력 수신기에게 예컨대 주기적으로 전송할 수 있다. 이와 같은 경우, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기로부터 주기적으로 k 값을 수신할 수 있게 되고, 이에 따라 무선 전력 수신기는 k 값을 알 수 있게 된다.
앞선 내용은 주로 무선 전력 수신기가 K를 수신하는 내용을 중점적으로 설명하였으나, 본 명세서에서는 위 프로토콜을 통해 무선 전력 수신기가 품질 인자(예컨대, 슬롯-Q, 혹은 Q)를 수신하는 예시 또한 제공한다. 즉, 무선 전력 수신기는 GRQ를 통해 품질 인자를 요청하여 이에 따른 응답으로 품질 인자를 수신하거나, 혹은 무선 전력 수신기는 주기적으로 품질 인자에 대한 정보를 무선 전력 전송기로부터 수신할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이 RX가 TX로부터 K, Q 값을 송부 받는 경우, 자체적으로 FOD 기능을 수행할 수 있다는 장점이 존재하게 된다. 즉, 무선 전력 수신기는 위 K 및 Q에 기반하여, 무선 전력 수신기의 충전 양에 따라 FOD 기능을 조정하는 것이 가능할 수 있다. 예컨대, 높은 충전 양에서는 FOD 기능을 강화하여 보다 엄격하게 FO 여부를 판단함으로써 기기의 안정성을 확보할 수 있다. 역으로, 낮은 충전 양에서는 FOD 기능을 완화하여 상대적으로 느슨하게 FO 여부를 판단함으로써 충전을 우선시할 수 있다.
지금까지는 무선 전력 전송기가 K를 계산하는 예시에 대해 설명하였다. 이하에서는 무선 전력 수신기가 K를 계산하는 예시에 대해 설명하도록 한다.
5. RX에 의해 개시되는 재-보정(Re-calibration)
RX에서 K값을 계산하고 이를 재-보정(Re-calibration)의 기준으로 사용하고자 할 경우 아래와 같은 방법을 사용할 수 있다.
무선 전력 수신기는 협상 페이즈에서 TX에게 SRQ/rcs 패킷을 전송하여, 무선 전력 전송기에게 RX 주도의 K 값 측정과 이에 따른 보정(Calibration)을 요청할 수 있다. 이후, 무선 전력 전송기는 위 SRQ/rcs의 수신에 대한 응답으로써, 무선 전력 수신기에게 ACK을 전송하여, 위 요청을 허가할 수 있다.
무선 전력 수신기는 협상 페이즈에서 TX에게 GRQ를 전송하여, 무선 전력 전송기에게 L1값을 요청할 수 있다. 이후, 무선 전력 전송기는 수신한 GRQ에 대한 응답으로써 L1 값을 무선 전력 수신기에게 전송할 수 있다.
이후, 무선 전력 수신기는 전력 전달 페이즈에서 재-보정 페이즈로 진입할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 내용을 도면을 통해 설명하면 아래와 같다.
도 31은 RX에 의해 개시되는 재-보정에 대한 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 31에 따르면, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 RP/0 패킷을 전송할 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기는 RX의 RP/0 패킷에 대한 응답으로써 ATN을 무선 전력 수신기에게 전송할 수 있다.
이후, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 DSR/poll 패킷을 전송할 수 있으며, 무선 전력 전송기는 RX의 DSR/poll 패킷에 대한 응답으로써, V1(신규 패킷)을 무선 전력 수신기에게 전송할 수 있다.
위와 같이 무선 전력 수신기가 무선 전력 전송기로부터 전력 전달 페이즈에서 무선 전력 전송기의 전압(V1)에 대한 정보를 수신하고, 전력 전달 페이즈 이전(예컨대, 설정 페이즈 또는 협상 페이즈)에 무선 전력 전송기의 인덕턴스에 대한 정보(L1)을 수신한 경우, 무선 전력 수신기는 K 값을 스스로 계산할 수 있다.
예컨대, 신규 V1, V2 패킷은 아래와 같을 수 있다.
- V1 패킷:
Header 0x61
DATA 0x4E 0x20 (20000mV)
- V2 패킷:
Header 0x62
DATA 0x27 0x10 (10000mV)
여기서, 무선 전력 수신기에서 K의 변화가 감지되는 경우에도, 앞서 설명한 바와 같이, 기존의 보정 페이즈(Calibration Phase)를 동일 하게 재 수행할 수 있다.
이후, 무선 전력 전송기는 새로 취득된 보정 데이터(Calibration Data)(예컨대, RP/x)를 바탕으로 전력 로스를 추정하여 FOD 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 전력 로스에 기반하여 FOD 기능을 수행하는 구체적인 예시는 앞서 설명한 바와 같다.
지금까지 설명한 바와 같이 RX 주도의 K값 측정과 이를 통한 재-보정의 경우, 아래와 같은 활용점이 있다.
기본적으로, 재-보정(Recalibration)은 충전 상태의 변경이 있을 때 필요할 수 있다. 그리고, 충전 상태의 변경은 RX, TX의 정렬이나 FO 삽입 같은 외부적인 변경과 RX의 동작 전압 변화, 로드 량 변화 같은 RX의 내부적인 변경으로 나눌 수 있다. 여기서, RX는 K값 측정을 통해 RX 내부적인 변경 뿐만 아니라 외부적인 충전 상태의 변경을 감지할 수 있다. 이러한 경우 재-보정(Recalibration)을 요청함으로써, FOD 성능이 유지될 수 있다.
이하, 다양한 주체 관점에서, 본 명세서의 실시예를 다시 설명한다.
이하의 도면은 본 명세서의 구체적인 일례를 설명하기 위해 작성되었다. 도면에 기재된 구체적인 장치의 명칭이나 구체적인 신호/메시지/필드의 명칭은 예시적으로 제시된 것이므로, 본 명세서의 기술적 특징이 이하의 도면에 사용된 구체적인 명칭에 제한되지 않는다.
도 32는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력 전송기에 의해 수행되는 무선 전력을 전달하는 방법의 순서도다.
도 32에 따르면, 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기로부터 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 수신할 수 있다(S3210).
무선 전력 전송기는 상기 정보에 기반하여 무선 전력의 전달 이전에 상기 FO가 존재하는지 여부를 감지할 수 있다(S3220).
무선 전력 전송기는 상기 FO가 존재하지 않음을 감지함에 기반하여 상기 무선 전력 수신기에게 상기 무선 전력을 전달할 수 있다(S3230).
무선 전력 전송기는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행할 수 있다(S3240). 여기서, 상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및 상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자일 수 있다.
여기서, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기로부터 상기 측정의 수행을 트리거 하는 정보를 수신할 수 있다.
아울러, 상기 슬롯 품질 인자의 값은 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부에 따라 변하고, 상기 커플링 인자의 값은 상기 무선 전력을 전송하는 동안 상기 FO가 삽입되었는지 여부 및 상기 정렬이 변화되었는지 여부에 따라 변할 수 있다.
이때, 상기 슬롯 품질 인자의 값이 변함에 기반하여, 상기 무선 전력 전송기는 상기 FO가 삽입되었음을 감지할 수 있다. 또한, 상기 슬롯 품질 인자의 값이 유지되고 및 상기 커플링 인자의 값이 변함에 기반하여, 상기 무선 전력 전송기는 상기 정렬이 변경되었음을 감지할 수 있다.
여기서, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 전송기의 전압에 관련된 값, 상기 무선 전력 전송기의 인덕턴스에 관련된 값, 상기 무선 전력 수신기의 전압에 관련된 값, 및 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값에 기반하여 상기 커플링 인자의 측정을 수행할 수 있다. 이때, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기의 전압에 관련된 값 및 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값을 상기 무선 전력 수신기로부터 수신할 수 있다. 또한, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값을 설정 페이즈 또는 협상 페이즈 동안 수신할 수 있다. 그리고, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기의 전력에 관련된 값을 CE(control error) 패킷 또는 RP(received power) 패킷을 통해 수신할 수 있다.
별도로 도시하지는 않았지만, 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송기가 제공될 수 있다. 무선 전력 전송기는, 무선 전력 수신기로 무선 전력을 전달하는 것에 관련된 전력 변환기 및 상기 무선 전력 수신기와 통신하고 상기 무선 전력의 전달을 제어하는 것에 관련된 커뮤니케이션기/컨트롤기를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 커뮤니케이션기/컨트롤기는, 무선 전력 수신기로부터 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 수신하도록 구성되고, 상기 정보에 기반하여 무선 전력의 전달 이전에 상기 FO가 존재하는지 여부를 감지하도록 구성되고, 상기 FO가 존재하지 않음을 감지함에 기반하여 상기 무선 전력 수신기에게 상기 무선 전력을 전달하도록 구성되고 및 상기 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및 상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자일 수 있다.
도 33은 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력 수신기에 의해 수행되는 무선 전력을 수신하는 방법의 순서도다.
도 33에 따르면, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 전송할 수 있다(S3310).
무선 전력 수신기는 상기 FO가 존재하지 않음이 감지됨에 기반하여 상기 무선 전력 전송기로부터 상기 무선 전력을 수신할 수 있다(S3320).
이때, 상기 무선 전력이 전송되는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정이 수행될 수 있다. 여기서, 상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및 상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자일 수 있다.
별도로 도시하지는 않았지만, 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 수신기가 제공될 수 있다. 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기로부터 무선 전력을 수신하는 것에 관련된 전력 픽업기 및 상기 무선 전력 전송기와 통신하고 상기 무선 전력의 수신을 제어하는 것에 관련된 커뮤니케이션/컨트롤기를 포함할 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송기에게 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 전송하도록 구성되고 및 상기 FO가 존재하지 않음이 감지됨에 기반하여 상기 무선 전력 전송기로부터 상기 무선 전력을 수신하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 무선 전력이 전송되는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정이 수행되고, 상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및 상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자일 수 있다.
지금까지 본 명세서의 실시예에 대해 설명하였다. 그리고, 앞서 설명한 실시예들에 따르면, 아래와 같은 효과가 공통적으로 발생할 수 있다.
효과의 설명을 위해 앞서 설명했던 문제 상황을 다시 한 번 요약하여 정리하면 아래와 같다.
도 19와 같은, 무선 전력 전달 중 보정에 의한 외부 물질 감지 기법 만을 제공할 경우, 보정(Calibration)은 충전 시작 시점에 단 1회만 수행하기에, 충전 중 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간의 정렬 변경 가능성이 있음에도 불구하고 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기가 이를 감지할 수 없게 된다.
또한, 도 20과 같은, 무선 전력 전달 전 품질 인자에 기반한 물질 감지 기법에 따르면, Q 인자의 측정 시점과 FOD의 판단 시점 간에는 1 내지 2초의 차이가 존재하기에, 무선 충전 관점에서 상대적으로 긴 시간에 해당하는 위 시점(1 내지 2초) 내에 FO가 삽입될 가능성이 있다는 문제가 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 명세서에 따르면, 무선 전력 전달 와중에도, 슬롯이라는 구간 상에서 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 품질 인자를 계산할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 따르면, 무선 전력 전달 와중에 품질 인자 뿐만 아니라 커플링 인자까지 계산할 수 있다.
이에 따라, 본 명세서에 따른 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 무선 전력 전달 중에도 FO의 삽입 여부, 그리고 정렬이 흐트러졌는지 여부를 최대한 빠르게 판단할 수 있다.
이를 통해, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 무선 전력 전달 도중 FO가 삽입된 경우도 무선 전력 전달을 중단하는 등의 동작을 수행할 수 있기에, 전력 전달의 안정성이 증대될 수 있다.
뿐만 아니라, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 실시간으로 커플링 인자를 측정할 수 있기에, 상호간의 정렬의 변화를 신속하게 추정할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 신속하게 정렬의 변화를 추정하고, 이를 바탕으로 보정 데이터의 유효성을 판단할 수 있다. 달리 말하면, 무선 전력 전송기 및/또는 무선 전력 수신기는 정렬 변화에 따른 재-보정을 수행함으로써 FOD 기능의 유효성을 유지할 수 있다.
본 명세서의 구체적인 일례를 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 나열된 효과로 제한되지 않는다. 예를 들어, 관련된 기술분야의 통상의 지식을 자긴 자(a person having ordinary skill in the related art)가 본 명세서로부터 이해하거나 유도할 수 있는 다양한 기술적 효과가 존재할 수 있다. 이에 따라 본 명세서의 구체적인 효과는 본 명세서에 명시적으로 기재된 것에 제한되지 않고, 본 명세서의 기술적 특징으로부터 이해되거나 유도될 수 있는 다양한 효과를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 청구항들은 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 명세서의 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다.
Claims (20)
- 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 전송기에 의해 수행되는 무선 전력을 전달하는 방법에 있어서,
무선 전력 수신기로부터 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 수신하고;
상기 정보에 기반하여 무선 전력의 전달 이전에 상기 FO가 존재하는지 여부를 감지하고;
상기 FO가 존재하지 않음을 감지함에 기반하여 상기 무선 전력 수신기에게 상기 무선 전력을 전달하고; 및
상기 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하되,
상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및
상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기로부터 상기 측정의 수행을 트리거 하는 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 슬롯 품질 인자의 값은 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부에 따라 변하고,
상기 커플링 인자의 값은 상기 무선 전력을 전송하는 동안 상기 FO가 삽입되었는지 여부 및 상기 정렬이 변화되었는지 여부에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제3항에 있어서, 상기 슬롯 품질 인자의 값이 변함에 기반하여, 상기 무선 전력 전송기는 상기 FO가 삽입되었음을 감지하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 슬롯 품질 인자의 값이 유지되고 및 상기 커플링 인자의 값이 변함에 기반하여, 상기 무선 전력 전송기는 상기 정렬이 변경되었음을 감지하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 전송기의 전압에 관련된 값, 상기 무선 전력 전송기의 인덕턴스에 관련된 값, 상기 무선 전력 수신기의 전압에 관련된 값, 및 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값에 기반하여 상기 커플링 인자의 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기의 전압에 관련된 값 및 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값을 상기 무선 전력 수신기로부터 수신하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값을 설정 페이즈 또는 협상 페이즈 동안 수신하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 무선 전력 전송기는 상기 무선 전력 수신기의 전력에 관련된 값을 CE(control error) 패킷 또는 RP(received power) 패킷을 통해 수신하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 무선 전력 전송기는,
무선 전력 수신기로 무선 전력을 전달하는 것에 관련된 전력 변환기; 및
상기 무선 전력 수신기와 통신하고 상기 무선 전력의 전달을 제어하는 것에 관련된 커뮤니케이션기/컨트롤기를 포함하되,
상기 커뮤니케이션기/컨트롤기는,
무선 전력 수신기로부터 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 수신하도록 구성되고;
상기 정보에 기반하여 무선 전력의 전달 이전에 상기 FO가 존재하는지 여부를 감지하도록 구성되고;
상기 FO가 존재하지 않음을 감지함에 기반하여 상기 무선 전력 수신기에게 상기 무선 전력을 전달하도록 구성되고; 및
상기 무선 전력을 전송하는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정을 수행하도록 구성되되,
상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및
상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송기. - 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 수신기에 의해 수행되는 무선 전력을 수신하는 방법에 있어서,
무선 전력 전송기에게 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 전송하고; 및
상기 FO가 존재하지 않음이 감지됨에 기반하여 상기 무선 전력 전송기로부터 상기 무선 전력을 수신하되,
상기 무선 전력이 전송되는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정이 수행되고,
상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및
상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자인 것을 특징으로 하는 방법. - 제11항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기는 상기 무선 전력 전송기에게 상기 측정의 수행을 트리거 하는 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 슬롯 품질 인자의 값은 상기 무선 전력이 전송되는 동안 FO가 삽입되었는지 여부에 따라 변하고,
상기 커플링 인자의 값은 상기 무선 전력이 전송되는 동안 상기 FO가 삽입되었는지 여부 및 상기 정렬이 변화되었는지 여부에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제13항에 있어서, 상기 슬롯 품질 인자의 값이 변함에 기반하여, 상기 FO가 삽입되었음이 감지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 슬롯 품질 인자의 값이 유지되고 및 상기 커플링 인자의 값이 변함에 기반하여, 상기 정렬이 변경되었음이 감지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 무선 전력 전송기의 전압에 관련된 값, 상기 무선 전력 전송기의 인덕턴스에 관련된 값, 상기 무선 전력 수신기의 전압에 관련된 값, 및 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값에 기반하여 상기 커플링 인자의 측정이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기는 상기 무선 전력 수신기의 전압에 관련된 값 및 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값을 상기 무선 전력 전송기에게 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기는 상기 무선 전력 수신기의 인덕턴스에 관련된 값을 설정 페이즈 또는 협상 페이즈 동안 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기는 상기 무선 전력 전송기의 전력에 관련된 값을 CE(control error) 패킷 또는 RP(received power) 패킷을 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 무선 전력 수신기는,
무선 전력 전송기로부터 무선 전력을 수신하는 것에 관련된 전력 픽업기; 및
상기 무선 전력 전송기와 통신하고 상기 무선 전력의 수신을 제어하는 것에 관련된 커뮤니케이션/컨트롤기를 포함하되,
무선 전력 전송기에게 FO(foreign object)가 존재하는지 여부를 감지하기 위한 정보를 전송하도록 구성되고; 및
상기 FO가 존재하지 않음이 감지됨에 기반하여 상기 무선 전력 전송기로부터 상기 무선 전력을 수신하도록 구성되되,
상기 무선 전력이 전송되는 동안 슬롯 상에서 슬롯 품질 인자 및 커플링 인자의 측정이 수행되고,
상기 슬롯 품질 인자는 상기 무선 전력을 전송하는 동안 FO가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위해 사용되는 품질 인자이고, 및
상기 커플링 인자는 상기 무선 전력 전송기와 상기 무선 전력 수신기 간의 정렬에 관련된 인자인 것을 특징으로 하는 방법.
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