WO2012157927A2 - 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기, 상기 장치들의 무선 전력 송수신 방법 - Google Patents

무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기, 상기 장치들의 무선 전력 송수신 방법 Download PDF

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이경우
변강호
이영민
박세호
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삼성전자 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission system, and more particularly, to a transmitter and a receiver in a wireless power transmission system that can have a high resonance characteristics, and a wireless power transmission and reception method of the devices.
  • the radio wave reception type technology using the microwave the magnetic induction type technology using the magnetic field
  • the magnetic resonance technology by the energy conversion of the magnetic field and the electric field are typical.
  • the radio wave reception type technology has an advantage that power can be transmitted over a long distance by radiating radio waves into the air through an antenna, but the radiation loss consumed in the air is so large that the efficiency of power transmission is limited.
  • the magnetic induction type has the advantage of having high power transmission efficiency by using magnetic energy coupling by the primary coil of the transmitting side and the secondary coil of the receiving side.
  • the secondary coil should be adjacent to a short distance of a few mm, the efficiency of power transmission is drastically changed according to the coil alignment of the transmitting primary coil and the receiving secondary coil has a disadvantage of large heat generation.
  • magnetic resonance technology which is similar to a magnetic induction type technology, transmits power in the form of magnetic energy by concentrating energy at a specific resonance frequency by a coil type inductor (L) and a capacitor (C). It has the advantage of being able to send relatively large power up to several meters, but requires a high quality factor. Therefore, the design of a wireless power transmission system having a high resonance characteristics is required.
  • a transmitter in the wireless power transmission system according to the present invention, includes a Tx power converter converting a DC voltage into a first AC voltage, amplifying the converted first AC voltage, and converting the converted first AC voltage into a second AC voltage, and transmitting the second AC voltage.
  • a Tx matching circuit for matching an impedance with a receiver for receiving the second AC voltage, and a Tx resonator for resonating the second AC voltage with a resonance wave to transmit the second AC voltage to the receiver, and amplifying the first AC voltage.
  • a Tx controller configured to determine a ratio and control the Tx power converter to convert the first AC voltage to a second AC voltage according to the determined amplification ratio.
  • a receiver in a wireless power transmission system includes an Rx resonator for receiving an AC voltage resonated by a transmitter with a resonance wave, an Rx matching circuit for matching an impedance with the transmitter to receive the AC voltage from the transmitter, and the AC A Rx power converter configured to rectify the voltage into a first DC voltage, amplify the first DC voltage, and convert the first DC voltage into a second DC voltage; and determine an amplification rate of the first DC voltage, and determine the amplification rate of the first DC voltage according to the determined amplification rate. And an Rx controller for controlling the Rx power converter to convert to a second DC voltage.
  • a transmitter includes: a Tx power converter including a Class- amplifier converting a DC voltage into a first AC voltage and a driver amplifier amplifying the converted first AC voltage into a second AC voltage; A Tx matching circuit for matching an impedance with a receiver receiving the second AC voltage to transmit the second AC voltage, a Tx resonator to resonate the second AC voltage with a resonance wave to transmit the second AC voltage to the receiver; And a Tx controller configured to determine an amplification ratio of the first AC voltage and to control the Tx power converter to convert the first AC voltage into a second AC voltage according to the determined amplification ratio, wherein the Tx controller is the Class-E.
  • the driving voltage of the transistor included in the amplifier is monitored so that the overvoltage and overvoltage of the Class-E amplifier due to the driving voltage applied to the transistor. It is determined whether at least one of the current and the over temperature has occurred, and the operation of the transmitter is stopped when at least one of the over voltage, the over current, and the over temperature occurs.
  • a receiver in the wireless power transmission system according to the present invention, includes an Rx resonator for receiving an AC voltage resonated by a resonant wave by a transmitter, and an Rx matching circuit for matching impedance with the transmitter to receive the AC voltage from the transmitter. And an Rx power converter configured to rectify the AC voltage into a first DC voltage, amplify the first DC voltage, and convert the first DC voltage into a second DC voltage, determine an amplification rate of the first DC voltage, and determine the amplification rate of the first DC voltage. And an Rx controller for controlling the Rx power converter to convert a first DC voltage to a second DC voltage, wherein the Rx controller monitors the AC voltage received through the Rx resonator to at least part of the receiver due to the AC voltage. It is determined whether at least one of overvoltage, overcurrent, and overtemperature has occurred, and as a result of the determination, The operation of the receiver is stopped when at least one occurs.
  • SID short identifier
  • a wireless power transmission / reception method of a receiver may include receiving a first power supplied at a predetermined time from a transmitter and requesting subscription to the transmitter using the first power; Receiving a second power greater than the first power from the transmitter and requesting the transmitter to be charged, receiving a short identification (SID) and a time slot from the transmitter, and receiving at least one of an output voltage and an output current; Requesting transmission of the required power by transmitting information including one to the transmitter, and receiving the required power from the transmitter.
  • SID short identification
  • the transmitter and the receiver in the wireless power transmission system according to the present invention are characterized in that the data is transmitted and received using a MAC frame consisting of a MAC frame header, a frame payload, and a checksum.
  • a transmitter and a receiver in a wireless power transmission system which can have a high resonance characteristic, and a wireless power transmission / reception method of the devices.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a transmitter and a receiver of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention
  • 2A is a circuit diagram illustrating a series resonator in which a resistor R, a capacitor C, and an inductor L are connected in series;
  • 2B is a circuit diagram illustrating a parallel resonator in which a resistor R, a capacitor C, and an inductor L are connected in parallel;
  • FIG. 3A is a circuit diagram showing an epsilon-negative circuit
  • FIG. 3B is a circuit diagram showing a mu-negative circuit
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a meta material MNG resonator
  • FIG. 6 is a view showing the structure of two types of MNG resonators according to the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing an example of a Tx resonator according to the present invention.
  • 8A to 8C are graphs showing voltages and currents between drains and sources of transistors included in Class-A amplifiers, Class-B amplifiers, and Class-E amplifiers, respectively;
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing a Class-E amplifier 13-1, which is a switching amplifier of a power amplifier,
  • FIG. 10 is a graph showing a voltage wave and a current wave when a switching operation is performed in the switching type power amplifier of FIG. 9;
  • 11 is a graph showing the voltage between the internal capacitance Coss and the external shunt capacitance C's between the drain and the source of the FET in the Class-E amplifier 13-1;
  • 13 is a circuit diagram illustrating an input matching circuit
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a final equivalent circuit of the Class-E amplifier 13-1 including the matching circuits of FIGS. 12 and 13;
  • 16 is a block diagram showing a general transmitter 10,
  • 17 is a block diagram illustrating a configuration of a transmitter including a power tracking SMPS
  • FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of a power tracking SMPS shown in FIG. 17;
  • 19 is a block diagram showing the configuration of a frequency generator for generating a 6.78 MHz frequency in the transmitter 10 according to the present invention.
  • 20 is a circuit diagram showing an example of an overvoltage protection circuit in a transmitter according to the present invention.
  • 21 is a circuit for showing a basic operating principle of the overvoltage protection circuit
  • 22 is a circuit diagram showing another example of a protection circuit in a transmitter according to the present invention.
  • FIG. 23 is a circuit diagram showing still another example of a protection circuit in a transmitter according to the present invention.
  • 24 is a diagram showing the DC power of the receiver 20 for receiving the DC power to the DC power transmitted from the transmitter 10 in the power transmission system according to the present invention
  • 25 is a circuit diagram for explaining a loss occurring in the transmitter 10.
  • 26 is a circuit in which inductors LP1, LP2, LP3 are connected in parallel to increase the Q value;
  • 27 is a graph showing the level of output power for each power amplifier efficiency
  • FIG. 28 is a circuit diagram illustrating a circuit for measuring the efficiency of a transmitter 10 including a frequency generator and a power amplifier of 6.78 MHz;
  • 29 is a graph showing the amplitude of the high frequency generated in the power amplifier of FIG. 28,
  • 30A and 30B illustrate resonators 11 and 21 included in the transmitter 10 and the receiver 20 implemented according to the present invention
  • 31 shows a measurement setup for measuring coupling characteristics and transmission efficiency when the receiver 20 is a single receiver
  • FIG. 32 is a view showing a measurement area for measuring a signal input from the Rx resonator 21;
  • FIG 33 is a diagram showing a measurement area for measuring a signal input to the Rx resonator 21 included in each of the receivers 20 when there are a plurality of receivers, that is, multiple receivers.
  • 37A and 37B are graphs showing current and voltage levels of a Schottky diode that can be used in a power transmission system
  • 38 is a circuit diagram showing a full-wave bridge diode rectifier circuit
  • 39 and 40 are circuit diagrams for testing a full wave bridge rectifier circuit using a signal generator
  • 41A and 41B are graphs showing voltage levels and current levels of dual diodes manufactured by different companies.
  • FIG. 42 is a circuit diagram showing an example of a full wave active rectifier using a MOS transistor as a switch
  • FIG. 43 is a circuit diagram illustrating another DC / DC buck converter according to the present invention.
  • 44 is a view showing an example of a protection device for protecting the receiver 20 and the receiver 20,
  • FIG. 46A is a diagram showing a magnetic field distribution when no masking agent is used
  • FIG. 46B is a diagram showing a magnetic field distribution when a masking agent is used
  • FIG. 47A is a diagram illustrating a case where there is no space between the resonator and a masking agent
  • FIG. 47B is a diagram illustrating a case where there is a space between the resonator and a masking agent.
  • 48A and 48B show the size of the masking agent and the device and the position of the Rx resonator 21;
  • FIG. 49 is a graph showing the respective coupling efficiency according to the masking agent and the conductor size shown in Figures 48a and 48b,
  • FIG. 57 is a graph showing waveforms measured at each stage when the power output from the transmitter 10 is 35.4 dBm and the load is 10?
  • 58A and 58B illustrate a wireless power transmission / reception system charging a single or multiple mobile communication terminals.
  • 59 is a state diagram for a wireless power transmission procedure in a wireless power transmission system in a detection, registration, charging and standby state;
  • 60 shows a detection state procedure when the transmitter 20 is not yet placed on the interface (e.g., charging pad) of the transmitter 10.
  • FIG. 61 is a view showing a procedure of registering a receiver 20 to a transmitter 10;
  • FIG. 62 is a diagram illustrating an example of a packet error situation in which a transmitter 10 does not receive an ACK_Frame packet sent from a first receiver 2 or a receiver 2;
  • FIG. 63 is a view illustrating a situation in which a packet error occurs because a metal object or a non-compliant device is placed on an interface of a transmitter 10;
  • 64 is a view illustrating a normal operation flow of a configuration step in a wireless power transmission system
  • 65 is a view showing a charging operation of a single receiver 20
  • FIG. 66 shows the procedure when the single receiver 20 is removed from the interface of the transmitter 10 in the charged state
  • 67 is a view showing a procedure according to full charge or recharge of a receiver 20;
  • FIG. 68 illustrates a procedure in which a new receiver 20 (hereinafter referred to as receiver 2) is registered when at least one receiver 20 (hereinafter referred to as receiver 1) is already in a charged state. Shown,
  • FIG. 69 is a view illustrating a process in which a second receiver 2 enters a charged state when a plurality of first receivers 1 are already in a charged state;
  • 70 is a view illustrating a charging process of a plurality of first receivers Receiver 1;
  • 71 is a view illustrating a process of removing one of the plurality of receivers that has been charged by the transmitter 10;
  • FIG. 72 is a view illustrating a process of recharging a first receiver (Receiver 1) during a charging process of a first receiver (Receiver 1) and a second receiver (Receiver 2);
  • 73 is a view illustrating a SID exchange process between a plurality of receivers
  • 74A is a diagram illustrating a time slot interval of a superframe
  • 74b is a diagram illustrating a time slot interval and a competition interval of a superframe
  • 76 is a view showing timing constraints in a registered state
  • 77 is a view showing timing constraints in a configuration state
  • 79 is a flow chart showing how the transmitter 10 protects the power transmission system from overcurrent
  • 80 is a flow chart showing how the transmitter 10 protects the power transmission system from overvoltage
  • 81 is a flowchart showing how the transmitter 10 protects the power transmission system from over temperature
  • 82 is a flow chart showing how the receiver 20 protects the power transmission system from overvoltage
  • 83 illustrates an example of communication between a transmitter and a receiver in a wireless power transmission system according to the present invention
  • FIG. 84 is a view showing a physical frame structure in a wireless power transmission system according to the present invention.
  • 86 is a view showing a structure of a Notice_Frame packet according to the present invention.
  • 87 is a view showing a structure of a Report_Frame packet according to the present invention.
  • 89 is a view showing a structure of a Report_Frame packet in a charged state
  • 90 is a view showing a structure of a Report_Frame packet in an Error state
  • 91 is a view showing a structure of an ACK_Frame packet according to the present invention.
  • FIG. 92 is a view showing a general structure of an Interactive_Frame packet according to the present invention.
  • FIG. 93 is a view showing a structure of a packet Interactive_Request_Join_Frame according to the present invention.
  • FIG. 94 is a view showing a structure of a packet Interactive_Response_Join_Frame according to the present invention.
  • 96 is a view showing a structure of a packet Interactive_Response_Charge_Frame according to the present invention.
  • 97 is a diagram illustrating a star topology in the wireless power transmission system according to the present invention.
  • the present invention relates to a wireless power transmission system operating with resonant coupling between two devices.
  • an apparatus for supplying power is defined as a power transmitting platform, that is, a transmitter
  • the apparatus for receiving power is a power receiving unit, that is, a receiver. It is defined as (Power Receiver).
  • a power transmission platform for supplying power will be referred to as a 'transmitter'
  • a power receiver for receiving power will be referred to as a 'receiver'.
  • Resonant coupling occurs between resonators in the near range of [lambda] / 2 [pi], and in the present invention, wireless power is transmitted from the transmitter to the receiver using the above resonance coupling phenomenon.
  • the transmitter can supply power to the receiver without using a power cable built in a conventional transmitter and receiver.
  • the arrangement of impedances for impedance matching is free compared with the inductive coupling between the conventional transmitter and the receiver.
  • the wireless power transmission system according to the present invention is easy to multiple charging (multiple charging) it is possible to provide a user convenience by charging a plurality of receivers at once.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a transmitter and a receiver of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitter 10 may serve, i.e., transmit, power to at least one receiver 20.
  • the transmitter 10 includes a Tx Resonator 11 and a Tx Matching L / C 12, a Class-E Amp 13-1, which is a power amplifier, and a driver.
  • a Tx power converter 13 including an amplifier 13-2, a Tx communication unit 14, and a Tx control unit 15 are included.
  • the transmitter 10 receives the DC voltage of the 7-15V from a system unit 30 which is a DC adapter that outputs a DC voltage of 7-15V, for example.
  • the Tx controller 15 controls the Tx power converter 13 to convert the DC voltage into an AC voltage and amplify the converted AC voltage.
  • the Tx controller 15 may adjust an amplification rate of the AC voltage in the Tx power converter 13.
  • the amplified AC voltage is transmitted to the Rx resonator 21 of the receiver 20 by the Tx resonator 11.
  • the Tx controller 15 controls the overall operation of the transmitter 10.
  • the controller 15 may control the transmitter 10 to receive a DC voltage from the system unit 30, and control the power converter 13 to adjust the magnification of the amplified AC voltage.
  • the transmitter 10 may be controlled not to transmit any more power to the receiver 20.
  • the Tx controller 15 may smoothly transmit power of the transmitter 10 by adjusting the impedance of the Tx matching circuit 12.
  • the Tx controller 15 may calculate power efficiency by comparing the power transmitted from the transmitter 10 and the power transmitted to the receiver 20. Based on the calculated power efficiency, the Tx controller 15 may adjust the impedance of the Tx matching circuit 12 to maximize the power efficiency.
  • the Tx communication unit 14 performs wired or wireless communication of the transmitter 10.
  • the Tx communication unit 13 may receive a power supply request from the receiver 20 or receive a power supply stop request.
  • the Tx resonator 11 is coupled to an Rx resonator 21 of the receiver 20 to supply power to the receiver 20 by resonating the AC w voltage with a resonance wave.
  • the receiver 20 includes an Rx resonator 21 and an Rx matching circuit 22, an AC-DC rectifier 23-1, and a DC / DC converter 23-. And an Rx power converter 23, an Rx communication unit 24, and an Rx control unit 25 including 2).
  • the Rx resonator 21 is coupled with the Tx Resonator 11 of the transmitter 10 and is separated from the transmitter 10. It is supplied with AC voltage.
  • the Rx power converter 23 converts the AC voltage received through the Rx resonator 21 into a DC voltage through the AC / DC rectifier 23-1. In addition, the Rx power converter 23 amplifies the converted DC voltage through the DC / DC converter 23-2. The Rx power converter 23 transmits the converted and amplified DC voltage to the terminal 40 so that the terminal 40 is driven by using the DC voltage.
  • the Rx controller 25 controls the overall operation of the receiver 20.
  • the Rx controller 25 controls the receiver 20 to transmit a DC voltage for driving the terminal 40 connected to the receiver 20.
  • the Rx controller 25 may control the Rx power converter 23 to adjust the amplification factor of the DC voltage to be amplified.
  • the impedance of the Rx matching unit 22 is adjusted to more smoothly receive power transmitted through the Tx resonator 11 of the transmitter 10.
  • the Rx communication unit 24 performs wired or wireless communication of the receiver 20.
  • the Rx communication unit 13 may request power supply or stop power supply from the transmitter 10.
  • the transmitter 10 may power a plurality of receivers 20.
  • the transmitter 10 includes several design parameters that must be carefully considered. The most important of these design parameters is the selection of a resonant frequency for power transmission, which can affect system performance as well as bill of material (BOM) costs.
  • the transmitter 10 includes a Tx resonator 11 or a Class-E amplifier 13-1 to provide a variable output power with high efficiency to the receiver 20, and includes a switching mode power supply (SMPS). ) Can be taken.
  • SMPS switching mode power supply
  • a wireless power transmission system is implemented using a resonance frequency of 10 MHz or less.
  • the wireless power transmission system according to the present invention can transmit and receive power using a frequency of 6.78 MHz.
  • Industrial Scientific Medical band (ISM) band frequencies such as 6.78 MHz, 13.56 MHz and 27.12 MHz may be preferred as resonant frequencies.
  • High power PA power amplitude
  • FETs field effect transistors
  • Coss reduces frequency values and is therefore available for low cost FETs.
  • the inherent efficiency of the FETs is better in the low frequency band than in the high frequency band, so that the efficiency in the 6.78 MHz frequency range is about 3% better than the efficiency in the 27.12 MHz frequency range.
  • AC power induced in the Tx resonator 11 is required for the power diode rectifier, that is, the AC / DC rectifier 23-1 included in the receiver 20, and the higher the frequency, the lower the efficiency of AC power induction.
  • the receiver 20 may rectify AC power transferred from the Rx resonator 21 to the AC / DC rectifier 23-1 by using a diode included in the AC / DC rectifier 23-1.
  • the diode included in the AC / DC rectifier 23-1 may have high efficiency but lower frequency characteristics.
  • self-heating may increase at low frequencies, it is safe to induce resonance coupling by using a resonant frequency of about 2-3 MHz or more at the original frequency in consideration of the self-heating effect.
  • the resonance frequency of the 6.78 MHz band is used as an example to satisfy the above conditions.
  • the Tx resonator 11 used in the present invention may consider two types of resonators according to a connection method such as a resistor, a capacitor, and an inductor.
  • FIG. 2A is a circuit diagram illustrating a series resonator in which a resistor R, a capacitor C, and an inductor L are connected in series.
  • a series resonator such as FIG. 2A typically has a small loop antenna with magnetic dipoles.
  • FIG. 2B is a circuit diagram illustrating a parallel resonator in which a resistor R, a capacitor C, and an inductor L are connected in parallel.
  • a parallel resonator such as FIG. 2B has a general feature of having a small wire antenna having a magnetic dipole.
  • the resonance frequency of the series resonator or the parallel resonator illustrated in FIG. 2A or 2B may be adjusted according to the inductance L, and the quality factor of the resonance frequency may be defined by Equation (1) below. .
  • a series resonator having a dominant magnetic field in the near field is suitable to minimize the effect of the powerless transmission on the human body. Because the human body and almost all of the world's materials are nonmagnetic materials.
  • FIG. 3A is a circuit diagram showing an epsilon-negative circuit
  • FIG. 3B is a circuit diagram showing a mu-negative circuit.
  • an epsilion-negative (ENG) transmission line (Epsilon Negative Transmission Line) can be achieved by adding parallel inductance (L ′ L ) to the transmission line equivalent circuit.
  • a mu-negative (MNG) transmission line (MNG) Mu-Negative Transmission Line can be achieved by adding serial capacitances C ' L , C' R to the transmission line equivalent circuit.
  • MNG mu-negative
  • the propagation constant of the transmission line is Where Z 'and Y' are the unit length's impedance and admittance, respectively.
  • the permeability ( ⁇ ) and permittivity ( ⁇ ) of the transmission line are calculated as follows. Permeability and permittivity can be represented by Equations 2 and 3 below.
  • the permeability ( ⁇ ) of the ENG transmission line is always a positive value, while the permittivity ( ⁇ ) may be zero, negative and positive values depending on frequency.
  • MNG transmission lines have zero, negative and positive permeability values like ENG transmission lines.
  • each of the ENG and MNG transmission lines has a stop band at low frequency. This is because the propagation constant of each transmission line may be zero because the permittivity ( ⁇ ) and permeability ( ⁇ ) become zero as the frequency of each of the lines increases. As described above, since the propagation constant becomes 0, two transmission lines, that is, ENG and MNG transmission lines, may have infinite wavelengths.
  • the resonance frequency of the Tx resonator 11 is as shown in Equation 4 below.
  • a resonator may be designed without limiting the size of the resonator through zero-th order resonance of ENG and MNG.
  • the resonant frequency of the metamaterial resonator is independent of the size of the resonator, it is easy to make a small resonator and adjust the frequency.
  • resonators along the ENG and MNG transmission lines each have dominant magnetic fields at close range.
  • the resonator of the MNG transmission line having a dominant magnetic field in the near field is suitable for a wireless power transmission system because it has little influence on other materials, especially the human body.
  • the main advantage of the metamaterial resonator is that the resonant frequency does not depend on the actual size of the resonator. For example, a Helix resonator requires a 0.6 meter diameter resonator to have a resonant frequency with 10 MHz. Similarly, in the case of a spiral coil structured resonator, a resonator of the same diameter is required. In general, to reduce the resonant frequency of the receiver, the size of the resonator should be increased. The above disadvantages do not coincide with the desire to implement and implement a portable wireless power transmission system.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a meta material MNG resonator.
  • the MNG resonator may be composed of an MNG transmission line and a capacitor.
  • the capacitor is placed anywhere in the MNG transmission line, and the electric field is captured by the capacitor. Current also flows through the MNG transmission line. If the resonator is much smaller than the wavelength, the current is constant regardless of the position of the MNG transmission line. Therefore, the magnetic field can be strongly formed in the y-axis direction from the center of the resonator by the current direction.
  • the MNG resonator typically has a three-dimensional structure. However, if the MNG transmission line is placed on the x-z surface, the resonator may have a two-dimensional structure. In order to have high efficiency, the resonator is preferably a structure having a very small ohmic loss. When the resonator has a two-dimensional structure, the width of the transmission line in the x-axis or z-axis direction of the resonator may be increased or a parallel structure resonator may be used to reduce the resistance loss.
  • a capacitor can be inserted into an MNG transmission line by lumped or distributed elements, which are inter-digital capacitors with a high dielectric constant board in the center. ) Or a gap captacitor. Inserting the capacitor into the MNG transmission line allows the resonator to be characterized by metamaterials.
  • the resonant frequency can be achieved by varying the capacitance with a fixed transmission line length of the MNG transmission line and a resonator size of the MNG resonator.
  • the MNG resonator also preferably has a matching device b1 at feed through.
  • the loop size of the matching device should be adjustable, as shown in FIG. If the loop size of the matching device is adjustable, the matching device may adjust the strength of magnetic coupling with the MNG resonator. The current input to the connector flows through the matching device to the MNG resonator.
  • the top bar b 1 of the inner loop can be moved up and down.
  • Make sure 6 is a view showing the structure of two types of MNG resonators according to the present invention. Referring to FIG. 6, in the resonator according to the present invention, not only the top bar b1 of the inner loop may move up and down, but each of the left and right bars b2 and b3 of the inner loop may move left and right.
  • Tx resonator 11 is a diagram illustrating an example of a Tx resonator according to the present invention.
  • the resonator according to the invention also preferably achieves a wide matching characteristic. Therefore, the Tx resonator 11 may be implemented in the form of a clover as shown in FIG. 7.
  • the mechanical and electrical parameters of the resonators according to the present invention are shown in Tables 1 and 2 below.
  • 8A to 8C are graphs showing voltages and currents between drains and sources of transistors included in Class-A amplifiers, Class-B amplifiers, and Class-E amplifiers, respectively.
  • the efficiency of an amplifier is degraded mainly due to power losses, which can be calculated as the multiplication of the voltage and current between the drain and source of the transistor.
  • 8A to 8C in theory, efficiency of up to 100% can be achieved in the Class-E amplifier shown in FIG. 8C. Therefore, in the present invention, the transmitter 10 is designed to include the Class-E amplifier 13-1.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing a Class-E amplifier 13-1 which is a switching type power amplifier.
  • 10 is a graph showing a voltage wave and a current wave when a switching operation is performed in the switching type power amplifier of FIG. 9.
  • the Class-E amplifier 13-1 which is a switching type power amplifier, can eliminate overlapping of the voltage wave and the current wave by performing a switching operation, and thereby the Class-E amplifier 13- Power loss in 1) can be minimized.
  • the Class-E amplifier 13-1 of FIG. 9 generates zero-voltage switching, i.e., switching at zero voltage, to reduce energy loss in the capacitor C's during the switching period. It is desirable to.
  • FIG. 11 is a graph showing the voltage between the internal capacitance Coss and the external shunt capacitance C's between the drain and the source of the FET in the Class-E amplifier 13-1.
  • the sum of Coss and C's is a characteristic capacitance of the Class-E amplifier 13-1, and the optimal value Copt of the sum of Coss and C's may be calculated from Cs of Equation 5 below.
  • a Copt of 374pF and 15pF requires V DD to be 10V and 50V, respectively, to design a Class-E amplifier 13-1 with 10W output power.
  • a typical MOSFET has 1100pF and 250pF Coss for 10V and 50V V DD , respectively.
  • the value of Coss of the MOSFET has a larger value than that of Copt when performing a zero-voltage switching (ZVS) operation. Therefore, the present invention uses a type of latery diffused metal oxide semiconductor (LDMOS) having a much smaller Coss than a conventional MOSFET.
  • LDMOS latery diffused metal oxide semiconductor
  • the inductance of the RF choke inductor should be large enough at the resonant frequency, and a small direct conversion receiver (DCR) inductor is preferred.
  • the breakdown voltage of the FET must be greater than the peak-to-peak voltage at the source of the FET given by Equation 6 below.
  • Copt may be represented by Vp instead of V DD as shown in Equation 7 below.
  • R Load and L Load may be calculated through Equations 8 and 9 below.
  • an impedance matching circuit is inserted between the Class-E amplifier 13-1 and the resonator.
  • 12 is a circuit diagram showing an example of the Tx matching circuit 12, that is, the impedance matching circuit according to the present invention. Through the impedance matching circuit shown in Fig. 12, the present invention can achieve a higher efficiency Class-E amplifier 13-1.
  • 12 is a circuit diagram illustrating an output matching circuit. The value of each component of FIG. 12 may be calculated through the following equations, and in particular, the value of the inductance L add may be calculated through equation (10).
  • FIG. 12 is a circuit diagram illustrating an input matching circuit.
  • the capacitance applied to the gate of the transistor will be referred to as capacitor C iss .
  • the resonant input drive circuit is designed to eliminate the effects of C iss .
  • Fig. 14 is a circuit diagram showing the final equivalent circuit of the Class-E amplifier 13-1 including the matching circuits described above.
  • Each of the components included in the circuit of FIG. 14 may have, for example, a value shown in Table 3 below.
  • 15 is a diagram showing a prototype of a Class-E amplifier 13-1 manufactured according to the present invention.
  • the transmitter 10 includes an RF signal generator, a variable gain amplifier, and a power amplifier, from the system unit 30, for example SMPS. A fixed voltage can be supplied.
  • the Tx controller 15 of the transmitter 10 adjusts the input level of the Class-E amplifier 13-1 to match the output power required from the receiver 20.
  • the fixed supply voltage output from the switching mode power supply (SMPS) is provided to a power amplifier.
  • the maximum efficiency of the transmitter 10 is generally obtained near the region of maximum output power. In addition, there is a problem in that the transmission efficiency drops sharply in the region of low output power.
  • the transmitter 10 may include a power tracking SMPS to maintain high efficiency over the entire range of output power as shown in FIG. 17.
  • the transmitter 10 includes an RF signal generator, a variable gain amplifier, a Class-E power amplifier (PA), and a fixed voltage from the power tracking SMPS. Can be supplied.
  • the output power of the transmitter 10 varies with the number of receivers 20 powered from the transmitter 10.
  • FIG. 18 is a block diagram illustrating a configuration of a power tracking SMPS shown in FIG. 17.
  • the power tracking SMPS may include a rectifier and a DC / DC converter.
  • a 220V DC voltage of 60 Hz is input to a rectifier and converted into an AC voltage.
  • the converted AC voltage is input to the DC / DC converter and converted into a DC voltage and output.
  • the voltage output from the DC / DC converter is 5-25V as V DD .
  • the frequency generator includes a phase locked loop (PLL) block, a low pass filter (LPF), and a driver.
  • the frequency of the power signal generated in the PLL block is controlled by the PLL_cont signal transmitted from the Tx controller 15.
  • RF signals generated in the PLL block are filtered by LPF with a 10MHz cut-off frequency to reduce high frequencies and noise.
  • the filtered RF signal is input to the driver.
  • the driver may be provided with sufficient current so that the power amplifier, that is, the Class-E amplifier 13-1, outputs sufficient power.
  • the power transmission system transmits and receives power using a resonance phenomenon between the transmitter 10 and the receiver 20.
  • the resonant frequency of the power transmission system may be affected by an undesired accident or abnormal operation, which may cause the power transmission system to become fatal.
  • coupling characteristics may change due to inflow of inappropriate objects or misplacement on the interface of the transmitter 10 (for example, a charging pad (not shown)), thereby reducing the efficiency of power transmission.
  • the driving voltage of the transistor included in the power amplifier that is, the Class-E amplifier 13-1, must be increased. When the driving voltage increases, the transistor may reach a breakdown voltage. As a result, increased voltage in the transistor can cause overvoltage, overcurrent, and overtemperature, causing serious problems for the transmitter 10. Therefore, the present invention provides a system protection function for protecting the power transmission and reception system.
  • FIG. 20 is a circuit diagram showing an example of an overvoltage protection circuit in the transmitter according to the present invention
  • FIG. 21 is a circuit for showing the basic operating principle of the overvoltage protection circuit.
  • a DC bias voltage of the FET drain and an AC output voltage of the resonator will be described with reference to FIG. 21.
  • the DC bias voltage and AC output voltages are sampled by the high impedance resistive divider without causing performance loss of the power amplifier.
  • the AC sampled output voltage is rectified by a half rectifier and converted to a DC voltage.
  • the values of the two monitored voltages namely the DC bias voltage and the AC output voltage, are sent to the Tx controller 15. If the monitored voltage levels, ie the voltage levels of the DC bias voltage or the AC output voltage, are greater than each threshold, protection is required.
  • OVP over-voltage protection
  • the Tx controller 15 sends a control signal to the SMPS to reduce the drain bias voltage of the FET.
  • the transmitter 10 begins to recharge the monitoring voltage levels, monitoring whether they exceed each threshold. If the overvoltage occurs again, the Tx controller 15 may shut down the operation of the transmitter 10.
  • 22 is a circuit diagram showing another example of a protection circuit in a transmitter according to the present invention.
  • the circuit shown in FIG. 22 is an example of a protection circuit for protecting the circuit from overcurrent. Since the power device, that is, the transmitter 10, has on-resistance, even if the power device is a high efficiency power amplifier operating as a switch, a small voltage is applied to the power device in a switch-on regime. . As such, the voltage level of the voltage applied to the power device, that is, the transmitter 10, is proportional to the current level flowing through the transmitter 10. Therefore, the level of the voltage applied to the transmitter 10 increases when overcurrent flows. Since the voltage level in the power-on state where the power of the transmitter 10 is turned on must be measured, the present embodiment may be designed to include a switch for detecting the voltage level.
  • the switch can be controlled by a pulse synchronized with the input signal to control the desired pulse on / off time by a comparator (not shown) with hysteresis.
  • the comparison device may be implemented in a form included in the Tx controller 15.
  • the present embodiment may further include an amplifier for amplifying the output voltage of the switch. Using the signal amplified by the amplifier, that is, the output voltage of the switch, the Tx controller 15 determines whether the protection of the circuit is necessary. If the peak current level of the transmitter 10 is increased, the signal amplified by the amplifier, that is, the peak voltage of the output voltage of the switch is also increased, so that the Tx controller 15 may set the protection level by setting an appropriate hysteresis threshold level. .
  • FIG. 23 is a circuit diagram showing still another example of a protection circuit in a transmitter according to the present invention.
  • the circuit shown in Fig. 23 is a circuit diagram showing an over temperature protection circuit.
  • the circuit includes a temperature sensor (eg, a thermistor) near the FET switch to detect over temperature of the transmitter 10.
  • a TMP302B series temperature sensor switch may be used as the temperature sensor.
  • the Tx controller 15 recognizes that an over temperature has occurred.
  • the Tx control unit 15 applies an SMPS control signal to a voltage V DD corresponding to a command applied to the FET as an idle mode state voltage and transmits it.
  • the Tx controller 15 may protect the transmitter 10 while reducing the overtemperature.
  • the transmitter 10 should control the power transmission by determining whether the material causing the eddy current, that is, the metal contaminant is an external material or the Rx resonator 21. When a particular pollutant appears on the Tx resonator 11, the pollutant may change the voltage or current inside the transmitter 10 due to the varying resonance impedance. When the change in the variable resonance impedance is recognized, the transmitter 10 transmits a control signal for notifying the change in the impedance to the receiver 20.
  • the receiver 20 also receives control signals and power, for example electrical signals, transmitted from the transmitter 10. However, if the contaminant is a metal contaminant, the transmitter 10 may not transmit a control signal.
  • the Tx controller 15 of the transmitter 10 may determine whether the pollutant disposed on the Tx resonator 11 is the receiver 20 or other materials.
  • the Q value and the resonant frequency of the power transmission system 1 can be easily influenced by the metal which disturbs the electromagnetic field around the resonant conductor included in the Tx resonator 11, in particular.
  • the Tx resonator 11 of the transmitter 10 interference of the electromagnetic field may severely deteriorate the performance of the Tx resonator 11. Therefore, in order to minimize the influence of the external environment on the transmitter 10, it is desirable to implement an electromagnetic shielding technique in the transmitter 10 or the receiver 20.
  • FIG. 24 is a diagram showing the DC power of the receiver 20 that receives the DC power to the DC power transmitted from the transmitter 10 in the power transmission system according to the present invention as a ratio.
  • the power transmitted by the transmitter 10 to the receiver 20 will be referred to as 'DC transmit power', and the power actually received by the receiver 20 from the DC transmit power will be referred to as 'DC received power'.
  • the transmitter electronic efficiency (TEE) of the transmitter 10 may be defined as the ratio of the AC output of the transmitter 10 to the Tx DC input input from the SMPS to the transmitter 10. Can be. Equation 12 below is for obtaining transmitter electronic efficiency.
  • the resonance coupling efficiency is input to the resonance coupling between the Tx resonator 11 and the Rx resonator 21, that is, the AC power (Tx AC) and the Rx resonator 21 output from the Tx resonator 11. It can be defined as the ratio of AC power (Rx AC) to be. Equation 13 below is for calculating the resonance coupling efficiency.
  • the receiver electronic efficiency (REE) may be defined as the ratio of the AC power input from the receiver 20 to the DC power output from the receiver 20. Equation 14 is for obtaining receiver electronic efficiency.
  • Power transfer efficiency (PTE) is a function of the product of TEE, RCE and REE as shown in Equation 15 below.
  • 25 is a circuit diagram for describing a loss occurring in the transmitter 10.
  • FIG. 25 is a circuit diagram illustrating a residual loss occurring in a power amplifier, and Table 4 below shows a power amplifier (PA) corresponding to the Q value L T , that is, a Class-E amplifier 13-1. It shows the efficiency.
  • PA power amplifier
  • the efficiency of the Class-E amplifier 13-1 may have an efficiency of up to 95%. However, including electrical series resistance (ESR) can achieve efficiencies up to about 86%. To increase the efficiency of the power amplifier, the Q value ( We can see the change of efficiency of power amplifier according to).
  • FIG. 26 is a circuit in which inductors L P1 , L P2 and L P3 are connected in parallel to increase the Q value. If the inductors L P1 , L P2 , L P3 are connected in parallel as shown in FIG. 26, the ESR may be reduced and the Q value may be increased by about 5.
  • 27 is a graph showing the level of output power for each power amplifier efficiency.
  • the loss caused by the ESR may be reduced, thereby increasing the efficiency of the power amplifier from 88% to 89%.
  • the efficiency of the SMPS can be estimated according to the output power having the output load of 16 ⁇ impedance.
  • SMPS has an efficiency of about 67% in a low-mode operating structure where a voltage of 9V is input.
  • SMPS can also have 80% SMPS efficiency in high-mode operating structures with 15V input.
  • Table 5 shows the efficiency of the SMPS according to the output power (V DD ).
  • V DD (V) I DD (A) P AC (W) efficiency (%) 8 0.501 6.3 63.61 9 0.569 7.63 67.11 10 0.634 9.18 69.07 11 0.697 10.84 70.72 12 0.761 12.66 72.13 13 0.825 14.47 74.11 14 0.887 16.18 76.74 15 0.95 17.76 80.23
  • FIG. 28 is a circuit diagram illustrating a circuit for measuring the efficiency of the transmitter 10 including the frequency generator and the power amplifier of 6.78 MHz
  • FIG. 29 is a graph showing the amplitude of the high frequency generated in the power amplifier of FIG.
  • FIG. 28 has an efficiency of about 65% within an output power range of 3-10W.
  • FIG. 29 illustrates the amplitudes of output high frequencies having a frequency two to three times the center frequency of 6.78 MHz when the center frequency is 6.78 MHz in the circuit of FIG.
  • the above-described output high frequency is -52.51 dBc at the second high frequency and -35.29 dB at the third high frequency.
  • the transmitter 10 according to the present invention has an SMPS efficiency of about 67% in the low-mode operating region (9V input voltage) and an SMPS of about 80% in the high-mode operating region (15V input voltage). Can have efficiency.
  • the current transmitter 10 there are two modes of operation, namely low / high mode of operation.
  • Table 6 is a table showing the input voltage, input current, input power on the transmitter 10 according to the low-mode or high-mode according to the present invention.
  • the capacitors are connected in parallel.
  • a parallel conductor structure can be used to reduce the resistance of the conductor.
  • Table 7 shows sizes and characteristics of the resonators 11 and 21 of the transmitter 10 and the receiver 20.
  • f0 is the resonance frequency of the resonators 11 and 21.
  • f1 and f2 lower and upper frequencies are defined as f1 and f2, respectively.
  • the Q values of the transmitter 10 and the receiver 20 are about '900' and ' ⁇ 200', respectively.
  • the Q factor may be measured when the receiver 20 is placed on the Rx resonator 21 of the devices in which the receiver 20 is installed.
  • FIG. 30B shows an example of an Rx resonator 21 in a receiver 20 that can be inserted into a mobile communication terminal.
  • the size of the masking reagent may be '74 mm x 44 mm 'which is 2 mm larger than the Rx resonator 21 of the receiver 20.
  • the thickness of the masking agent may be set to 1 mm.
  • the mobile communication terminal may be implemented by inserting a communication module, a rectifier and a matching circuit into the mobile communication terminal.
  • FIG. 31 shows a measurement setup for measuring coupling characteristics and transmission efficiency when the receiver 20 is a single receiver.
  • the Rx resonator 21 is coupled to a Tx resonator 11 connected with a signal source of 6.78 MHz and a Class-E amplifier 13-1 to which a voltage V DD and a current I DD are applied.
  • the Rx resonator 21 is connected to an Rx load, which is an Rx matching network, and an electrical loader. Such components may be inserted into the mobile communication terminal as illustrated in FIG. 32.
  • the Rx resonator 21 is divided into nine regions ((1) to (9)) except for the symmetrical portion as shown in FIG. Can be measured.
  • the areas 5, 7 and 8 may be located in the Rx resonator 21 of the receiver 20. It corresponds to the central location.
  • Table 8 below shows the DC / DC conversion efficiency considering the simulated efficiency, measured efficiency, and power amplifier efficiency in the Rx resonator 21. For a single receiver 20, the efficiency variance is measured between 74.35% and 91.83%.
  • FIG. 33 is a diagram illustrating a measurement area for measuring a signal input to the Rx resonator 21 included in each of the receivers 20 when there are a plurality of receivers, that is, multiple receivers.
  • T is the highest position of the Tx resonator 11 included in the transmitter 10
  • C is the center
  • B is the lowest.
  • 3 illustrates a mobile communication terminal located in T1, a mobile communication terminal located in B2, and a mobile communication terminal located in C3 based on the Tx resonator 11.
  • positions from the center to the edge of the measurement areas are represented by numbers 0 to 7.
  • FIG. 33 positions from the center to the edge of the measurement areas are represented by numbers 0 to 7.
  • Table 9 below shows power reception efficiency and power distribution of the receiver 20 in each measurement area in the case of a multi-receiver.
  • the simulation and measurement efficiencies of the symmetric multi-receiver case are 81.11% to 90.53% and 80.24% to 88.1%, respectively, with a difference of about 8% or less.
  • the power is well distributed across the two receivers 20. Even in the case of multi-asymmetric receivers, the total efficiency at which power is received is measured at 84% to 86.59%, and it can be seen from Table 9 that the power is well distributed to the two receivers 20.
  • Receiver 20 according to the present invention, as shown in Figure 1 Rx resonator 21, AC / DC rectifier 23-1, DC / DC converter 23-2, Rx communication unit 24 and Rx
  • the control unit 25 may further include a protection circuit.
  • the Rx resonator 21 may be implemented as a mu-negative transmission line resonator.
  • MNG TL resonators made of copper consist of an inner loop and an outer loop with series capacitors.
  • the MNG TL resonator can control the matching characteristics by moving the inner loop position for better resonance efficiency.
  • the Rx resonator 21 of the receiver 20 preferably has a magnetic dipole having a magnetic field that is dominant in the near field to avoid the influence of the human body.
  • a series resonance is used for the Rx resonator 21 of the receiver 20 which can easily adjust the frequency through the capacitance value.
  • FIG. 34 illustrates an MNG TL resonator that may be implemented with an Rx resonator 21 according to the present invention.
  • the MNG TL resonator of FIG. 34 may move the top portion of the 'inner loop' up and down to match the resonant frequency and increase the resonant efficiency.
  • 35 is a view showing an MNG TL resonator implemented as an Rx resonator 21 according to the present invention.
  • a diode included in the AC / DC rectifier 23-1 is basically a Schottky diode ( Schottky Diode) is preferable.
  • Schottky diodes have low dropout voltage and high speed because the charge is transferred by the majority carriers, so there is no charge accumulation by the minority carriers. Therefore, it is preferable to use a Schottky diode having a low drop voltage for the resonance type wireless power reception in the 1MHz to 15MHz RF band.
  • the Schottky diode may be composed of a voltage Von necessary for turning on an idle diode and a resistor Ron whose characteristics change according to a current applied to the Schottky diode.
  • Various Schottky diodes can be implemented depending on the manufacturer and the manufacturing process. In order to design a high efficiency rectifier circuit according to the present invention, it is preferable to select a Schottky diode having a drop voltage below a certain value at a specific current level.
  • FIG. 37A and 37B are graphs showing current and voltage levels of a Schottky diode that can be used in a power transmission system.
  • the Schottky diode of FIG. 37A (hereinafter referred to as a first Schottky diode) and the Schottky diode of FIG. 37B (hereinafter referred to as a second Schottky diode) are manufactured by different companies.
  • 37A and 37B as the current level increases, the drop voltage also increases.
  • 37A shows curve f 0 of the first Schottky diode.
  • the drop voltage of the first Schottky diode is 0.48V.
  • 37B shows curve f 0 of the second Schottky diode.
  • the second Schottky diode when a current of 0.5 A flows, the drop voltage at the second Schottky diode is 0.3V.
  • a full wave bridge diode rectifying circuit may be implemented using the second Schottky diode.
  • 39 and 40 are circuit diagrams for testing a full wave bridge rectifier circuit using a signal generator.
  • a signal from the signal generator may be connected to the ground of the full wave bridge rectifier circuit to serve as a differential signal. none. Therefore, when testing the full wave bridge rectifier circuit, a Zig measurement unit such as Balun is required.
  • 40 shows a full wave bridge rectifier circuit including the jig measurement unit.
  • the first and second dual diodes are to reduce the drop voltage by separating the current into two paths using parallel diodes or dual diodes.
  • the drop voltage of the first Schottky diode is 0.48V.
  • Equation 18 the overall efficiency is expressed by Equation 18 below.
  • the drop voltage of the second Schottky diode is 0.3V.
  • the drop voltage becomes 0.26V for each diode.
  • the efficiency of the rectifier is increased by 2-3%.
  • a parallel diode having three first Schottky diodes connected in parallel is used.
  • the drop voltage of the first Schottky diode is 0.48V. If three parallel diodes are used when 0.17A current flows in each path of the full-wave bridge rectifier circuit, the drop voltage is 0.38V for each diode, so the overall efficiency of the full-wave bridge rectifier circuit is same.
  • the efficiency is increased by 0.4 to 0.6% compared to the dual diode.
  • the values listed above are for ideal situations, and many parasitic factors must be considered in actual measurements. Accordingly, the overall efficiency of the full wave bridge rectifier circuit using three parallel diodes may differ from those listed above.
  • Active rectifiers using MOS transistors are used to increase power efficiency in wireless power transmission systems such as radio frequency identification (RFID). Since only RFID requires up to several tens of mW power, there is a large power difference from wireless power transmission systems. However, apart from the output power magnitude, the advantages of an active rectifier with MOS transistors can also be applied to wireless power transmission systems.
  • An active rectifier with a MOS transistor can be divided into two categories. One uses MOS transistors as diode connections and the other uses MOS transistors as switches. When using MOS transistors with diode connections, the same problems arise as when conventional diodes are used in rectifiers. Therefore, in order to increase power efficiency, it is preferable that a MOS transistor is used as a switch.
  • V in is greater than
  • V in decreases with time.
  • V in2 is less than 0V
  • M N2 must be turned off, but a limited time is required for the output of CMP2 to become 0V.
  • both M p1 and M n2 are turned on. Since V in is already decreasing at its peak, it has a voltage less than V out .
  • V is set higher than 0V so that M n2 (M n1 ) must be shut off first. While this approach can increase power efficiency, there are many limitations to applying this approach to wireless power transmission systems. Since the amplitude of the voltage received from the wireless power transmission system varies in various situations, it is desirable to set a different V value to eliminate reverse leakage current.
  • Resonant rectifiers are used to increase the power efficiency of the rectifier.
  • Class-E rectifiers may be the most common type of resonant rectifiers.
  • the resonant rectifier can be understood as a concept similar to the Class-E amplifier 13-1 on the transmitting side.
  • the input impedance of the resonant rectifier must be set to satisfy the resonant conditions at a particular frequency.
  • An inductor is needed to set the input impedance, but for mobile systems, using an inductor increases the form factor as the size of the inductor becomes very large in the MHz band.
  • MOS transistors Although there are many MOS transistor types, it is desirable to select MOS transistors with low R on resistance and low input capacitance for the rectifier circuit of wireless power transmission.
  • the DC / DC converter 23-2 uses a buck converter, which is a switching regulator.
  • a buck converter which is a switching regulator.
  • LDO linear regulator of the DC / DC converter 23-2
  • the LDO of one device opens all the powers that are supposed to charge the other devices. may be consumed as heat.
  • 43 is a circuit diagram illustrating a DC / DC buck converter according to the present invention. In the DC / DC buck converter of FIG. 43, each device to be charged, that is, a plurality of receivers 20, is optimized.
  • RF varistors and DC varistors may be used in the protection device.
  • Schottky diodes have low dropout voltages and high speeds, but they also have low reverse breakdown voltages.
  • a reverse breakdown voltage of a Schottky diode with a capacitance of 1A is about 20-30V.
  • the load resistance is about 10 ⁇ , so the RF input voltage is about 20V, but at the beginning and end of the charging scheme, the load impedance is increased by a few K ⁇ , resulting in an RF input voltage greater than 30V, resulting in a Schottky diode Destruction can be caused.
  • the RF varistor preferably has a breakdown voltage of about 27 V, and at the same time, it is preferable to select an RF varistor having a capacitance of 30 pF or less in order to prevent the influence on the impedance.
  • the rectifier capacitors it is desirable for the rectifier capacitors to use small size capacitors having a capacitance of 4 ⁇ F or more.
  • small ceramic capacitors have a small reverse breakdown voltage of about 20V.
  • RF varistors prevent certain levels of voltage, so the capacitors are not broken down by the input power.
  • the impedance is several k ⁇ , resulting in surge voltages above 30V, which can destroy the capacitor.
  • a DC varistor with a breakdown voltage of about 18V can be used to protect the capacitor.
  • 45 shows a circuit of an optimized receiver 20 having a protection structure.
  • the wireless transmitter 10 of the resonant type when the conductor of the transmitter 10 and the Rx resonator 11 are positioned adjacent to each other when the Rx resonator 11 is inserted into the transmitter 10, the reverse-phase (Reverse-phase) Vortex causing magnetic field occurs, which reduces power transmission efficiency. Vortex may also cause degradation of transmitter 10 due to unwanted magnetic fields. In order to prevent eddy currents, a low loss of magnetic masking reagent is required.
  • FIG. 46A is a diagram showing the magnetic field distribution when no masking agent is used
  • FIG. 46B is a diagram showing the magnetic field distribution when the masking agent is used.
  • 46A and 46B since the masking agent has a higher permeability than air, the magnetic field gathers into the masking agent when the masking agent is present. Thus, the previously mentioned power transmission loss can be prevented and unwanted effects on the device can be eliminated.
  • masking agents with loss components have conductors, so it is desirable to select masking agents with minimum loss components.
  • FIG. 47A is a diagram showing a case where there is no space between the resonator and a masking agent
  • FIG. 47B is a diagram showing a case where there is a space between the resonator and a masking agent.
  • FIG. 47B it is assumed that between the resonator and the masking agent is 0.6 mm.
  • Table 11 shows the Q value in FIG. 47A and the Q value in FIG. 47B.
  • Table 11 show various Q values depending on the resonator and masking agent positions.
  • the use of masking agents increases the strength of the magnetic field. Since the magnetic field directly affects the L value of the resonator, when the masking agent is used, the resonant frequency decreases as the L value increases. In addition, as the thickness of the masking agent increases, the magnetic field strength increases, so that the L and Q values may be larger. However, since there is a loss factor in a masking agent, the Q value in the case of using a masking agent is smaller than the Q value in the case of not using a masking agent. It can also be seen that the resonator characteristic loss is smaller when there is a space between the resonator and the masking agent.
  • FIG. 48A and 48B show the size of the masking agent and device and the position of the Rx resonator 21.
  • FIG. 48A shows the case where the size of the masking agent is larger than the conductor
  • FIG. 48B shows the case where the size of the masking agent is the same as the conductor.
  • FIG. 49 is a graph showing the respective coupling efficiency according to the masking agent and the conductor size shown in FIGS. 48A and 48B.
  • FIG. 49 illustrates the difference in efficiency according to the thickness and size of the masking agent.
  • the result according to the thickness and size of the masking agent can be known. If the masking agent is 5 mm larger than the conductor, there is an efficiency increase of up to 7%. And as the thickness of the masking agent increases, the efficiency becomes similar to the bare case.
  • the receiver 20 in the wireless power transmission system includes an Rx resonator 21, an AC-DC rectifier 23-1, and a DC / DC converter 23-. 2) a power conversion unit 23 and an Rx control unit (MCU Control Unit) 25, and further Rx matching circuit (L / C) 22 and Rx communication unit 24 (not shown) It may include.
  • the power output through the receiver 20 may be supplied as driving power to a device connected to the receiver 20, for example, a mobile terminal (Phone Load).
  • the Rx resonator 21 has internal and external loop lines and capacitors to improve power transmission efficiency. According to an embodiment, when the impedance of the Rx matching circuit 22 is matched with the impedance of the Tx matching circuit 12, the Rx resonator 21 may be coupled to the Tx resonator 12 to receive power from the transmitter 10. Will be.
  • the rectifier circuit provides full wave rectification of the AC waveform using four Schottky barrier diodes in a full-bridge configuration. At this time, the AC / DC rectifier 23-1 may provide DC power to the power converter 23 and the Rx controller 25.
  • the DC / DC converter 23-2 amplifies the DC power output from the AC / DC rectifier 23-1 to a device connected to the receiver 20 (for example, a mobile communication terminal installed in the receiver 20). to provide. As such, there may be 5V in the power amplified by the DC / DC converter 23-2.
  • the Rx controller 25 executes power control algorithms and protocols according to the present invention. In addition, the Rx controller 25 may control an analog power conversion block (not shown) and monitor some sensing circuits (not shown). In addition, the Rx communication unit 24 performs a communication operation of the receiver 20. The Rx communication unit 24 may communicate with a device (for example, a mobile communication terminal) or a transmitter 10 provided with the receiver 20 under the control of the Rx control unit 24 to exchange various packets described below with the devices. have.
  • 51A to 51E show the Rx resonator 21 of the receiver 20 according to the present invention.
  • 51A shows the structure of the implemented Rx resonator 21
  • FIG. 51B shows the thickness of the implemented Rx resonator 21
  • FIG. 51C shows a parallel capacitor of the implemented Rx resonator 21
  • FIG. 51D shows the implemented Rx resonator 21.
  • 51E shows the thickness outline of the implemented Rx resonator 21.
  • the Rx resonator 21 of the receiver 20 may have a parallel structure with 1 oz (0.034 mm) copper as in FIG. 51E.
  • the total conductor sheet can be connected to one so that the current flow can have the same direction in all conductors. Accordingly, when a person skilled in the art wants to implement the Rx resonator 21, the number and thickness of sheets having a maximum Q value may be selected in consideration of near effects and conductor resistances.
  • Table 12 is a table showing the width of the Rx resonator 21 according to the present invention and the various parameters in the Rx resonator 21 according to the width.
  • the frequency f1 represents a low frequency when S21 is 3dB
  • f2 represents a high frequency
  • f0 represents a resonance frequency.
  • the Q value of the receiver 20 is about ⁇ 200.
  • the Q value of the Rx resonator 21 slightly increases as the sheet increases, but depending on the receiver 20, six sheets of the Rx resonator 21 having a width of 0.53 mm may be applied to the mobile communication terminal.
  • Fig. 52 shows a measurement setup for measuring the efficiency of the AC / DC rectifier 23-1 according to the present invention.
  • Table 13 below shows the results of measuring the efficiency of the AC / DC rectifier 23-1 according to the measurement setup of FIG.
  • full-wave bridge rectifiers require a differential RF input signal, requiring a measurement jig such as a balloon.
  • a measurement jig such as a balloon.
  • the measurement setup is set up using a resonator described below.
  • a Tx resonator 11 having a size of 15 cm x 15 cm and a Rx resonator 21 having a size of 4 cm x 6 cm are used.
  • Tx resonator 11 to Rx resonator 21 has a 50 ⁇ to 50 ⁇ match, and a matching circuit (L / C) that converts 50 ⁇ to 10 ⁇ is connected to resonators 11 and 21. Therefore, the efficiency of the Tx resonator 11 vs. the Rx resonator 21 that matches 50 ⁇ to 10 ⁇ is fixed at 83%.
  • the AC / DC rectifier 23-1 is connected to the Rx resonator 21 and a 10 ⁇ load is placed, DC to DC voltage and current can be measured.
  • the DC voltage and current across the load included in the receiver 20 are 4.97V and 509mA.
  • the DC current meter has a 0.6 ⁇ loss. Compensating for this loss, the output power at the DC load is 2685 mW, and the overall efficiency of the AC / DC rectifier 23-1 is about 89%.
  • Fig. 53 shows a measurement setup for measuring the efficiency of the DC / DC converter 23-2 in the receiver 20 according to the present invention.
  • Table 14 below shows the efficiency of the DC / DC converter 23-2 of FIG.
  • an input voltage level input to the DC / DC converter 23-2 is 5.5V to 8V.
  • FIG. 54 illustrates a system board of a receiver implemented according to the present invention
  • FIG. 55 illustrates a receiver implemented according to the present invention.
  • the total size of the receiver 20 may be '47 ⁇ 5 ⁇ 2.6mm '.
  • the signal characteristics of the receiver 20 may be checked at each stage of the system board illustrated in FIG. 54.
  • the thickest components are matching L, C, and 100 ⁇ F capacitors constituting the Rx matching circuit 22, and the total thickness of the matching L, C, and 100 ⁇ F capacitors may be 2 mm.
  • the thickness of the printed circuit board (PCB) on the system board can be set to 0.6 mm, so the total thickness of the system board can be 2.6 mm. In some embodiments, the thickness of the PCB may be further reduced.
  • FIG. 55 illustrates the receiver 20 installed in the rear case of the mobile communication terminal.
  • the rear of the mobile communication terminal has a receiver 20, a communication module, and the like.
  • the DC output port of the receiver 20 is connected to the mobile communication terminal.
  • the measurement setup for measuring the efficiency of the receiver 20 is similar to the measurement setup for measuring the efficiency of the AC / DC rectifier 23-1. As shown in Fig. 56, a DC / DC converter 23-2 has been added in the circuit for measuring the efficiency of the AC / DC rectifier 23-1. In the present embodiment, the actual charging efficiency of the receiver 20 may be measured together with the mobile load of the mobile communication terminal through the circuit of FIG. 56.
  • the output power at the DC load is 2909 mW and the efficiency of the receiver 20 is about 80.3%.
  • the efficiency of 80.3% is similar to the previously measured (89% efficiency of AC / DC rectifier x 92% efficiency of DC / DC converter).
  • the slight difference between the efficiency of the receiver 20 and the efficiency of the AC-DC rectifier x the efficiency of the DC / DC converter is due to the moving load and other input power.
  • FIG. 57 is a graph showing waveforms measured at each stage when the power output from the transmitter 10 is 35.4 dBm and the load is 10 ⁇ .
  • the measurement outlet of the differential RF input of the RF input matching circuit is a graph located at the top that swings from 0 to 7V.
  • the output graph of the AC / DC rectifier 23-1 is a graph located at the bottom, and a voltage of about 5.7 V is input to the DC / DC converter 23-2.
  • the power output from the DC / DC converter 23-2 is about 4.5V.
  • 58A and 58B illustrate a wireless power transmission system charging a single or multiple mobile communication terminals.
  • the power transmission / reception system according to the present invention controls the power level according to the number of mobile communication terminals, and the power transmission / reception system according to the present invention transmits wireless power to each of single and multiple mobile communication terminals.
  • the transmitter 10 according to the present invention can successfully supply power to the receiver 20 safely and efficiently even in an environment of a plurality of devices based on the wireless power transmission control and communication protocol.
  • the control and communication protocol of the wireless power transmission network according to the present invention is basically designed as a bidirectional & half duplex structure.
  • the wireless power transmission network has a star topology in which the transmitter 10 is a master and the plurality of receivers are slaves.
  • the transmitter 10 and the receiver 20 perform bidirectional communication with each other to identify device compliance and exchange power negotiation information.
  • a time division collision prevention algorithm for communication packets exchanged between the transmitter 10 and the receiver 20 may be applied to the power transmission / reception system according to the present invention.
  • the time division collision avoidance algorithm may be modified from an IEEE802.15.4 slotted carrier sense multiple access / collision avoidance (CSMA / CA) algorithm.
  • a superframe structure having a slotted slot and a contention section is designed for the collision avoidance algorithm of the communication packet between the transmitter 10 or the receivers 20.
  • control and communication protocol consists of a notification, interactive, report, and acknowledgment (ACK) frame.
  • the transmitter 10 Each time the user turns on the power of the transmitter 10, the transmitter 10 periodically monitors the power load of the Tx resonator 11 and compares the value with a predetermined threshold. Before rogue devices and receivers 20 turn on the transmitter 10, if the devices are located simultaneously on the transmitter 10, the transmitter 10 may send the unauthorized devices to the receivers 20. Cannot be verified from In this case, the transmitter 10 stops applying power to the Tx resonator 11. In addition, the transmitter 10 may continuously send a warning message to the user interface of the transmitter 10 or the receiver 20 until the user removes an object and turns off the power switch of the transmitter 10 for safety. Can be. Therefore, it is preferable that the transmitter 10 is turned on without other devices or objects on the interface of the transmitter 10.
  • 59 is a state diagram for a wireless power transmission procedure in the wireless power transmission system in the detection, registration, charging and standby states.
  • the transmitter 10 in the detection state, the transmitter 10 periodically supplies a small amount of power to the Tx resonator 11 for a short duty time to monitor the load variation at the interface. If a positive load variation is detected that is higher than a predetermined value, the transmitter 10 provides more power to the Tx resonator 11 so that the new receiver 20 can enter a registration state. do. On the other hand, if there is no corresponding response from the receiver 20, the transmitter 10 returns to the detection state.
  • the new receiver 20 transmits an Interactive_Request_Join_Frame packet including its identifier and basic load characteristics to the transmitter 10.
  • the transmitter assigns a short identifier (SID) to the new receiver and transmits an Interactive_Response_Join_Frame packet including the SID and time slot assignment to the new receiver 20.
  • SID short identifier
  • the transmitter 10 recognizes that the load variation is caused by a metal object or a non-complying device.
  • the transmitter 10 displays a warning message to the user and stops applying power to the Tx resonator 11. Thereafter, the transmitter 10 returns to the detection state when a predetermined time elapses.
  • the new receiver 20 transmits to the transmitter 10 an Interactive_Request_Charge_Frame packet containing the required output voltage, output current and power transmission efficiency.
  • the transmitter 10 calculates the requested power based on the information transmitted from the receiver 20.
  • the transmitter 10 determines whether the current power transmission capacity satisfies the power requested from the new receiver 20.
  • the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet including permission data to the new receiver 20 so that the new receiver 20 enters a charging state.
  • the transmitter 10 transmits No Permission data (or packet) to the new receiver 20, so that the new receiver 20 enters the standby state.
  • the transmitter 10 broadcasts a Notice_Frame packet to each receiver 20.
  • the Notice_Frame packet contains a sync packet, instructions for each receiver and the status of the overall system.
  • the receiver 20 periodically transmits a Report_Frame packet having respective power negotiation information to the transmitter 10 during the time slot allocated to the receiver 20.
  • the transmitter 10 starts adjusting the output power to the required power level value of the receiver 20 after each Report_Frame packet is received.
  • the transmitter 10 may increase or decrease the total power in accordance with power negotiation information from one or multiple receiver (s) 20. If there is no response from a particular receiver 20 for a predetermined time, the transmitter 10 recognizes that the receiver 20 has been removed and reduces the output power. As such, when the receiver 20 is removed, the transmitter 10 may reallocate the SID (s) and time slot (s) to the other receiver (s) 20.
  • the receiver 20 continues to communicate with the transmitter 10 even though it has not received the required power from the transmitter 10. There are two cases in which the receiver 20 enters the standby state.
  • the device battery of the receiver 20 is fully charged or the device keeps charging for some reason.
  • the receiver 20 transmits a Report_Frame packet including the Charge Status of Complete & Wait data to the transmitter 10, and the receiver 20 enters a standby state.
  • the transmitter 10 may then stop or reduce power transmission to the receiver 20 in the standby state.
  • the current power transmission capacity of the transmitter 10 does not meet the total required power for the new receiver 20 as well as other receiver (s) 20 in the charged state.
  • the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet including No Permission data to the new receiver 20, and the new receiver 20 enters a standby state. If the current power transmission capacity of the transmitter 10 does not satisfy the power required from the new receiver 20, the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet including a Permission packet to the new receiver 20 and the new receiver 20 ) Enters the charging state.
  • FIG. 60 is a diagram illustrating a detection state procedure when a transmitter 20 is not yet disposed on an interface (eg, a charging pad) of the transmitter 10.
  • the transmitter 10 periodically applies the power P det to the Tx resonator 11 at each detection time of t det .
  • the transmitter 10 monitors the load variation to see if the receiver 20 lies on the interface of the transmitter 10 (eg, a charging pad (not shown)).
  • the load variation is defined as the difference between the present value of the load and the preset value of the load. If the load variation is greater than the preset threshold, the transmitter 10 recognizes that there is no receiver 20 placed on the interface of the transmitter 10. If the load variation is greater than the predetermined threshold, the transmitter 10 recognizes that a new receiver 20 lies on the interface of the transmitter 10. If recognized by the transmitter 10 as described above, the receiver 20 may enter the registration state.
  • the transmitter 10 in the detecting step it is the only power during detection time (t det), to reduce the power loss during the detection period (t per_det) other than the detection time (t det) have.
  • FIG. 61 is a diagram illustrating a procedure of registering a receiver 20 to a transmitter 10.
  • the transmitter 10 may allow the receiver 20 to communicate with the transmitter 10.
  • the output power is increased so as to be transmitted to the receiver 20.
  • the receiver 20 transmits an Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10 within the registration time t reg .
  • the Interactive_Request_Join_Frame packet includes ID and load characteristics of the receiver 20 itself. As soon as the transmitter 10 receives the ID of the receiver 20, the transmitter 10 converts the ID into an SID having a smaller capacity and a shorter length than the ID.
  • the transmitter 10 manages the receiver 20 by issuing an SID to the receiver 20 in the process of registering the receiver 20. Can be facilitated.
  • the transmitter 10 may register the SID and load characteristics of the newly registered receiver 20 in the device control table of the transmitter 10 as described above. Device control tables can be designed for power transmission management of individual receiver (s) 20.
  • Table 16 shows an example of the device control table structure managed by the transmitter 10.
  • the device control table stores whether to update and current power transmission information for each receiver 20.
  • the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Join_Frame packet including a newly allocated SID to the receiver 20.
  • the receiver 20 sends an acknowledgment (ACK) to the transmitter 10.
  • ACK acknowledgment
  • FIG. 62 is a diagram illustrating an example of a packet error situation in which the transmitter 10 does not receive an ACK_Frame packet sent from the first receiver 2 or the receiver 2.
  • the transmitter (Transmitter) (10) t is the t reg_ret reg_ret at intervals of (n reg_ret - 1) in which the power P reg-fold increase can be applied again to the first receiver. If the ACK_Frame packet is successfully delivered from the first receiver to the transmitter 10 within these procedures, the power transmission / reception system proceeds to the configuration state. Otherwise, if the transmitter 10 does not receive the ACK_Frame packet at all from the first receiver, the transmitter 10 stops applying power to the first receiver. In addition, the transmitter 10 may transmit a warning message to a user through a user interface (not shown). According to an embodiment, the state of the transmitter 10 may return to the detection state only when the receiver 20 causing the above error is removed from the interface of the transmitter 10.
  • FIG. 63 is a view illustrating a situation in which a packet error occurs because a metal object or a non-compliant device is placed on an interface of a transmitter 10.
  • the transmitter 10 may not receive the Interactive_Request_Join_Frame packet from the receiver 20.
  • the transmitter 10 reapplies the power P reg of increasing t reg_ret by (n reg_ret -1) times to the receiver 20. Since the device or object to which power P reg has been reapplied is a non-compliant device or object, the transmitter 10 may not receive an Interactive_Request_Join_Frame packet from the device or object. Accordingly, the transmitter 10 may stop the application of the power P reg and display a warning message to the user through the user interface. The warning state may be maintained until unauthorized devices or metal objects are removed from the interface of the transmitter 10. When the unauthorized device or metal object is removed from the interface, the transmitter 10 returns to the detection state.
  • FIG. 64 is a diagram illustrating a normal operation flow of a configuration step in a wireless power transmission system.
  • the receiver 20 transmits an Interactive_Request_Charge_Frame packet to the transmitter 10.
  • the Interactive_Request_Charge_Frame packet includes electrical characteristics of the receiver 20 such as current, voltage and power transmission efficiency.
  • the transmitter 10 calculates the power requested from the receiver 20 based on the information transmitted from the receiver 20, that is, the Interactive_Request_Charge_Frame packet.
  • the transmitter 10 determines whether the current power transmission capacity satisfies the power requested from the receiver 20.
  • the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet including Permission data for charging to the new receiver 20.
  • the receiver 20 immediately transmits the ACK_Frame packet to the transmitter 10.
  • the receiver 20 may enter a charging state, that is, a state in which power is transmitted from the transmitter 10.
  • the transmitter 10 transmits No Permission data to the receiver 20.
  • the receiver 20 that has received the No Permission data may enter a standby state.
  • the above operations may be time-limited. If the transmitter 10 does not receive the Interactive_Request_Charge_Frame packet from the receiver 20 within t req_char time after receiving the ACK_Frame packet from the receiver 20, the transmitter 10 causes the receiver 20 to interface with the transmitter 10. It can be recognized that it has been removed from.
  • the transmitter 10 deletes the information of the unresponsive receiver 20 from the device control table by not transmitting the Interactive_Request_Charge_Frame packet. The transmitter 10 then returns to the detection state. On the other hand, if the receiver 20 does not receive the Interactive_Response_Charge_Frame packet within the t data_res time and does not transmit the ACK_Frame packet, the transmitter 10 transmits the Interactive_Response_Charge_Frame packet to the receiver 20 again within the t random time.
  • the transmitter 10 may repeat the operation of transmitting the Interactive_Response_Charge_Frame packet to the receiver 20 (n reg_ret -1) times. According to an exemplary embodiment, if the Interactive_Response_Charge_Frame packet is still delivered to the receiver 20 even after n reg_ret attempts have been made by the transmitter 10, the receiver 20 may return to the detection state.
  • the transmitter 10 may repeat the operation of transmitting the Interactive_Response_Charge_Frame packet including the permission data to the receiver 20 n reg_ret times. have. If the transmitter 10 does not receive the ACK_Frame packet from the receiver 20 even after the n reg_ret meeting attempts, the transmitter 10 may recognize that the receiver 20 is removed from the interface of the transmitter 10. In this case, the transmitter 10 may delete the information of the non-responsive receiver 20 as described above from the device control table and return to the detection state.
  • the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet without Permission data to the receiver, and the receiver waits. Enter the state.
  • the transmitter 10 may transmit an Interactive_Response_Charge_Frame packet including a Reset of Over Power to the receiver.
  • the transmitter 10 may display the corresponding warning message of the overpower capacity on the user interface of the transmitter 10.
  • the receiver receiving the Interactive_Response_Charge_Frame packet including the Reset of Over Power may return to the detection state.
  • the t ack time is a grant time interval for the transmitter 10 to receive the ACK_Frame packet from the receiver 20.
  • n reg_ret is the number of times that the transmitter 10 retries the transmission of the Interactive Response Frame packet to the receiver 20 to wait for the reception of the ACK_Frame packet from the receiver 20.
  • the transmitter 10 broadcasts a Notice_Frame packet to each receiver 20, and each receiver 20 transmits a Report_Frame packet including its own state to the transmitter 10. do.
  • the Notice_Frame packet is assigned to time slot 0, and the time slot number of the Report_Frame packet is assigned to the receiver 20 having the SID assigned by the transmitter 10 as shown in FIG. 65 is a view illustrating a charging operation of the single receiver 20.
  • the Notice_Frame packet includes various information about the receiver 20, such as a command for a specific receiver 20 such as charging start, charging complete, reset, power off, and SID change.
  • the transmitter 10 may also broadcast a Notice_Frame packet to all receivers 20 that includes instructions for power off, power on, synchronization and reset.
  • the Report_Frame packet includes charging state and power information of the receiver 20.
  • the Report_Frame packet of the receiver 20 must reach the transmitter 10 in a slot allocated to the receiver 20. Otherwise, a collision may occur with the Report_Frame packet of another receiver 20. Therefore, the transmitter 10 and the receiver 20 must be accurately synchronized.
  • the transmitter 10 includes the Sub Frame of Synch data in the Notice_Frame packet, which enables the receiver 20 to synchronize its clock with the clock of the transmitter 10. It may transmit to the receiver 20.
  • the transmitter 10 Based on the power information contained in the Report_Frame packet from the receiver 20, the transmitter 10 updates the device control table in the registry corresponding to each receiver 20 state. The transmitter 10 calculates the sum of the power required from the receivers 20 and increases or decreases the power applied to the Tx resonator 11. According to an embodiment, the above-listed procedure may be performed periodically at a t cycle time interval.
  • the receiver 20 If the receiver 20 does not receive the ACK_Frame packet from the transmitter 10 within the t ack time, the receiver 20 attempts to transmit a Report_Frame packet in its next time slot coming at a t cycle time interval. If the receiver 20 does not obtain an ACK_Frame packet during three superframe periods of (3 xt cycle ), the receiver 20 transmits a Report_Frame packet including the Charge Status of Error data to the transmitter 10 and returns to the registration state. Goes.
  • FIG. 66 shows the procedure when the single receiver 20 is removed from the interface of the transmitter 10 in the state of charge.
  • the transmitter 10 may not receive a Report_Frame packet from the removed receiver 20.
  • the transmitter 10 attempts to receive the Report_Frame packet of the receiver 20 removed during the time slot period (n absence xt cycle ). In an interval (n absence xt cycle ), the transmitter 10 may gently reduce the power level of power P charge transmitted to the receiver 20 to P reg .
  • the transmitter 10 recognizes that the receiver 20 is removed.
  • the transmitter 10 accordingly cuts the power to update the device control table and transmit it to the removed receiver 20.
  • the transmitter 10 since there is no receiver 20 located on the interface of the transmitter 10, the transmitter 10 returns to the detection state.
  • FIG. 67 is a view illustrating a procedure according to full charge or recharge of a receiver 20.
  • the receiver 20 transmits a Report_Frame packet including the Charge Status of Complete and Standby data to the transmitter 10.
  • the receiver 20 then enters a standby state.
  • the transmitter 10 updates the device control table and smoothes the power output to the receiver 20 to the power level P reg to prevent the sudden rise and fall of the voltage. To reduce.
  • the receiver 20 transmits a Report_Frame packet including the Charge Status of CC data to the transmitter 10 when the battery is to be recharged. Thereafter, the receiver 20 may enter a charging state.
  • the transmitter 10 receiving the Report_Frame packet updates the device control table and increases the power applied to the Tx resonator 11 to deliver power to the receiver 20.
  • FIG. 68 illustrates a procedure in which a new receiver 20 (hereinafter referred to as receiver 2) is registered when at least one receiver 20 (hereinafter referred to as receiver 1) is already in a charged state. The figure shown.
  • the second receiver transmits the Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10 in the contention period, other receivers 20 that communicate with the transmitter 10 in each allocation time slot, that is, the first receiver, are transmitted. Packet collision with the receiver 1 does not occur.
  • the transmitter 10 registers the load characteristics of the SID and the second receiver (Receiver 2) in the device control table.
  • the transmitter 10 transmits the Interactive_Response_Join_Frame packet including the SID to the second receiver (Receiver 2).
  • the second receiver Receiver 2 sends an ACK_Frame packet to the transmitter 10.
  • the second receiver Receiver 1 transmits an Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10 during a slotted period, that is, a time slot period allocated to another receiver (for example, the first receiver Receiver 1), the Interactive_Request_Join_Frame packet is generated.
  • the second receiver attempts to retransmit the Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10 at a time interval of t random until receiving the Interactive_Respond_Join_Frame packet from the transmitter 10.
  • the transmitter 10 may receive a corrupted Report_Frame packet from the first receiver (Receiver 1) currently being charged.
  • the transmitter 10 discards the corrupted Report_Frame packet and receives the Report_Frame packet from the first receiver Receiver 1 again in the next cycle.
  • the transmitter 10 resets all the first receivers (Receiver 1) or the second receiver (Receiver 2). Sends a Notice_Frame packet containing of Schedule Error data and returns to the detection state.
  • the transmitter 10 detects a positive load change above the threshold. Therefore, the transmitter 10 may not receive the Report_Frame packet from the first receivers Receiver 1.
  • the transmitter 10 waits to receive the Interactive_Request_Join_Frame packet from the object for a period of (3 xt cycle ). If there is no response from the object, the transmitter 10 may determine that the load variation is caused by a noncompliant device or a metal object. In this case, the transmitter 10 may transmit a Notice_Frame packet including the Power Off of Abnormal Object Detection data to all the first receivers Receiver 1 and stop the power supply.
  • the transmitter 10 may display a warning message to the user to remove the non-compliant object or the metal object. According to an exemplary embodiment, the transmitter 10 may stop supplying power to the first receiver Receiver 1 and turn off the power during a warning period in which a warning message is displayed to the user.
  • the transmitter 10 If the transmitter 10 does not receive the ACK_Frame packet from the second receiver Receiver 2 for the time t ack , the transmitter 10 repeats the transmission of the Interactive_Response_Join_Frame packet n reg_ret times to the second receiver Receiver 2. However, even after n reg_ret attempts, if the transmitter 10 does not receive the ACK_Frame packet from the second receiver (Receiver 2), the transmitter 10 recognizes that the second receiver (Receiver 2) has been removed from the interface of the transmitter 10. do. In this case, the transmitter deletes the information of the non-responsive receiver from the device control table.
  • the transmitter 10 may receive Not Permission of Over Node data.
  • the Interactive_Response_Frame packet including the packet is transmitted to the second receiver 2 and a warning message is displayed to the user until the second receiver 2 is removed by the user.
  • FIG. 69 is a view illustrating a process in which a second receiver 2 enters a charged state when a plurality of first receivers 1 are already in a charged state.
  • the second receiver (Receiver 2) transmits the Interactive_Request_Charge_Frame packet to the transmitter 10.
  • the Interactive_Request_Charge_Frame packet includes electrical characteristics of the second receiver (Receiver 2) such as current, voltage, and power transmission efficiency. Power transmission efficiency is a value previously measured with reference transmitter systems.
  • the transmitter 10 determines whether the current power transmission capacity satisfies the power requested from the first receiver Receiver 1. If the transmitter 10 has sufficient power, the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet including Permission data for charging to the second receiver Receiver 2. As a result of the determination, when there is not enough power, the transmitter 10 transmits the No Permission data to the second receiver (Receiver 2). After receiving the No Permission data, the second receiver 2 enters a standby state.
  • the second receiver Receiver 2 Immediately after receiving the permission data, the second receiver Receiver 2 transmits an ACK_Frame packet to the transmitter 10. As a result, the second receiver 2 may enter a charging state.
  • the transmitter 10 If the transmitter 10 does not receive the Interactive_Request_Charge_Frame packet from the second receiver (Receiver 2) within the time treq_char after transmitting the Interactive_Response_Join_Frame packet, the transmitter 10 recognizes that the second receiver (Receiver 2) has been removed from the transmitter interface. In this case, the transmitter 10 deletes the information of the non-responsive receiver from the device control table. As a result, the transmitter 10 does not transmit the Interactive_Response_Charge packet to the second receiver Receiver 2. The second receiver Receiver 2 does not receive the Interactive_Response_Charge_Frame packet from the transmitter 10 within the time t data_res and returns to the detection state after a time interval of tr andom .
  • the transmitter 10 If the transmitter 10 does not receive the ACK_Frame packet from the second receiver (Receiver 2) within the time of t ack , the transmitter 10 sends n reg_ret to send the Interactive_Response_Charge_Frame packet including the permission data to the second receiver (Receiver 2). Repeat times. However, if the transmitter 10 does not receive the ACK_Frame packet from the second receiver Receiver 2 even after n reg_ret attempts, the transmitter 10 recognizes that the second receiver Receiver 2 has been removed from the transmitter interface. In this case, the transmitter 10 deletes the information of the non-responsive receiver from the device control table. The second receiver 2 may not enter the charged state and returns to the registered state.
  • the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet without Permission data to the second receiver (Receiver 2), The second receiver 2 enters a standby state.
  • the transmitter 10 transmits an Interactive_Response_Charge_Frame packet including Reset of Over Power data to the second receiver (Receiver 2).
  • the transmitter 10 transmits the corresponding warning message of the overpower capacity to the user interface, and the transmitter 10 returns to the detection state.
  • the transmitter 10 broadcasts a Notice_Frame packet to the first receiver Receiver 1 in each time slot.
  • the first receiver Receiver 1 transmits a Report_Frame packet including its state to the transmitter 10.
  • the Notice_Frame packet is allocated in time slot 0, and the time slot number of the Report_Frame packet allocated to the first receiver (Receiver 1) is the same as the SID as shown in FIG. 70 is a view illustrating a charging process of a plurality of first receivers Receiver 1.
  • the transmitter 10 broadcasts a Notice_Frame packet including instructions for powering off, powering on and resetting all the first receivers Receiver 1.
  • the Notice_Frame packet also contains various instructions for a particular receiver such as charging start, charging complete, reset, power off, synchronization, and slot change.
  • the Report_Frame packet includes charging state and power information of the first receiver (Receiver 1).
  • the transmitter 10 receives a Report_Frame packet from each of the first receivers 1 in a time slot allocated to each of the first receivers 1. Otherwise, collision of Report_Frame packets sent between the first receivers 1 may occur. Therefore, it is preferable that the transmitter 10 and the first receivers Receiver 1 are accurately synchronized.
  • the Notice_Frame packet may have Sub Frame of Synch data that allows the first receiver Receiver 1 to synchronize its clock with the clock of the transmitter 10.
  • the transmitter 10 Based on the power information included in the Report_Frame packet transmitted from the first receiver (Receiver 1), the transmitter 10 updates the device control table of the registry corresponding to the state of each of the first receivers (Receiver 1). The transmitter 10 calculates the sum of the power required from the first receivers Receiver 1 and increases or decreases the power applied to the Tx resonator 11 according to the calculation result. The operation of the transmitter 10 may be periodically performed at a t cycle time interval.
  • the first receiver Packets sent from (Receiver 1) and Report_Frame packets are lost.
  • the transmitter 10 discards the lost Report_Frame packet received from the first receiver 1 that preoccupies the time slots of the first receiver 2 and the receiver 2.
  • the transmitter 10 receives the Report_Frame packet of the first receiver (Receiver 1) preempted in the next superframe.
  • the transmitter 10 may repeat the operation of receiving the Report_Frame packet at most n col_ret times until a collision does not occur and thus receives the Report_Frame packet which is not lost.
  • the first receiver (Receiver 1) If the first receiver (Receiver 1) does not receive the ACK_Frame packet from the transmitter 10 within the t ack time, the first receiver (Receiver 1) attempts to transmit a Report_Frame packet in its next time slot coming in a t cycle time interval do. If the first receiver (Receiver 1) does not receive the ACK_Frame packet from the transmitter 10 during the three superframe periods following (3 xt cycle) , the first receiver (Receiver 1) receives the Charge Status of Error data The included Report_Frame packet is transmitted to the transmitter 1 and returned to the registered state.
  • FIG. 71 is a view illustrating a process of removing one of the plurality of receivers which has been charged by the transmitter 10.
  • a receiver which is not removed is called a first receiver Receiver 1 and a receiver that is removed is called a receiver 2.
  • the transmitter 10 receives the second receiver 2 during the period n absence ⁇ t cycle . It may wait to receive a Report_Frame packet from it.
  • the transmitter 10 may gently reduce the power applied to the second receiver Receiver 2 to the power level of P reg . If there is no transmission of the Report_Frame packet from the second receiver (Receiver 2) even though the second receiver (Receiver 2) is waiting for (n absence x t cycle ) transmission of the Report_Frame packet, the transmitter 10 receives the second receiver (Receiver 2). ) Is removed. The transmitter 10 updates the device control table and blocks power transmission to the removed second receiver Receiver 2.
  • the transmitter 10 is the SID (s) for the remaining receivers, that is, the first receiver (s) (Receiver 1) ) And time slot (s) can be reallocated. Due to the removal of the second receiver Receiver 2, an empty slot is generated among the time slots allocated by the transmitter 10 to the first receivers 2 and the receiver 2. It is not efficient to leave empty time slots between occupied time slots. Accordingly, the transmitter 10 may remove the empty time slot by reallocating the empty slot used by the second receiver Receiver 2 to the first receiver Receiver 1 occupying the last time slot among the allocated time slots. Can be.
  • the transmitter 10 transmits a Notice_Frame packet including the reassigned SID to the first receiver Receiver 1 occupying the last time slot, and updates its device control table. Accordingly, the first receiver (Receiver 1) to which the time slot is reallocated transmits a Report_Frame packet to the transmitter 10 in the next superframe period.
  • FIG. 72 is a diagram illustrating a process of recharging a first receiver 1 during a charging process of a first receiver 2 and a receiver 2.
  • the first receiver (Receiver 1) When the device battery of the first receiver (Receiver 1) is fully charged, the first receiver (Receiver 1) transmits a Report_Frame packet including the Charge Status of Complete and Standby data to the transmitter 10, the first receiver (Receiver 1) ) Enters the standby state. Since charging of the first receiver Receiver 1 is completed, the transmitter 10 updates the device control table. In addition, the transmitter 10 may gently reduce the power applied to the Tx resonator 11 with respect to the first receiver Receiver 1 to the level P reg in order to prevent sudden voltage fluctuations.
  • the first receiver (Receiver 1) When the first receiver (Receiver 1) needs to recharge the battery, the first receiver (Receiver 1) transmits a Report_Frame packet including the Charge Status of CC data to the transmitter 10. As a result, the first receiver Receiver 1 may enter a charging state.
  • the transmitter 10 receiving the Report_Frame packet from the first receiver 1 updates the device control table and increases the power applied to the Tx resonator 11 with respect to the first receiver 1. In FIG. 72, it is assumed that the second receiver 2 is constantly being charged.
  • 73 is a view illustrating a SID exchange process between a plurality of receivers.
  • the transmitter 10 When multiple receivers, for example the first receiver Receiver 1, the second receiver Receiver 2, and the third receiver Receiver 3 are placed on the interface of the transmitter 10, the transmitter 10
  • the power capacity of may be less than the total power required from multiple receivers (first to third receivers).
  • the power capacity of the transmitter 10 is smaller than the total power required by the receivers, the most recently subscribed or registered receiver in time order stays in the standby state rather than the charged state.
  • the first receiver Receiver 1 and the second receiver Receiver 2 are in a charged state, and the third receiver is in a standby state.
  • the first to third receivers have been assigned a first time slot (Slot 1), a second time slot (Slot 2), and a third time slot (Slot 3), respectively.
  • the second receiver Receiver 2 of the first receiver Receiver 1 and the second receiver Receiver 2 in the charged state is completely charged and entered the standby state.
  • the transmitter 10 transmits a Notice_Frame packet including Charge Start data to the third receiver Receiver 3 that is waiting. Since the power information transmitted from the receiver 20 in the charged state is more important, the transmitter 10 may determine the SIDs of the two receivers that are currently charged, that is, the first receiver Receiver 1 or the third receiver Receiver 3. You can exchange it by reallocating it. Accordingly, as shown in FIG. 73, the third receiver Receiver 3 is reassigned to the second time slot Slot 2.
  • a superframe including a time slot and a contention period according to the present invention may be designed by an anti-collision algorithm of a communication packet modified from the IEEE 802.15.4 CSMA / CA algorithm.
  • the length of time of the superframe is defined as the cycle time of t cycle .
  • 74A is a diagram illustrating a time slot interval of a superframe
  • 74b is a diagram illustrating a time slot interval and a competition interval of a superframe.
  • t cycle is a time length of a superframe (for example, 250 ms)
  • t slot is a duration of a time slot (for example, 5 ms)
  • n slot is allocated by the transmitter 10. Is the total number of time slots.
  • t cont represents the length of time during the contention period, and t cont is expressed by Equation 22 below.
  • the superframe may be composed of two parts, a slot time section and a contention section.
  • the receiver 20 is allowed to transmit the Report_Frame packet to the transmitter 10 only during its assigned time slot in the slot time interval, and not to transmit the Report_Frame packet to the transmitter 10 in the contention interval.
  • the receiver 20 is allowed to transmit the Report_Frame packet to the transmitter 10 only during its assigned time slot in the slot time interval, and not to transmit the Report_Frame packet to the transmitter 10 in the contention interval.
  • collision between communication packets that may occur between the plurality of receivers 20 is minimized.
  • an existing receiver is called a first receiver (Receiver 1) and a newly subscribed receiver is a second receiver (Receiver 2).
  • the second receiver transmits the Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10 during the time slot period
  • the Interactive_Request_Join_Frame packet transmitted from the second receiver (2) is transmitted from at least one first receiver (Receiver 1). It can cause collisions with incoming packets.
  • the first receiver Receiver 1 When packets transmitted from different receivers (first and second receivers) collide with each other as described above, the first receiver Receiver 1 does not receive the ACK_Frame packet from the transmitter 10. The first receiver (Receiver 1) transmits a Report_Frame packet to the transmitter 10 again during the time slot period allocated to the next superframe.
  • the second receiver (Receiver 2) also transmits the Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10 for a random delay time t random that is less than t cycle time.
  • the new receiver that is, the second receiver (Receiver 2)
  • the transmitter 10 may transmit an Interactive_Request_Join_Frame packet from the second receiver Receiver 2 in a contention period. In the contention period, the first receiver Receiver 1 does not transmit a Report_Frame packet to the transmitter 10. Accordingly, the transmitter may minimize the possibility of packet collision that may occur between the first receivers Receiver 1 and the second receiver Receiver 2 by receiving the Interactive_Request_Join_Frame packet in a contention period from the second receiver Receiver 2.
  • the zero slot Slot 0 is a section in which a Notice_Frame packet is transmitted from the transmitter 10 to the first receiver 2 or the receiver 2.
  • the Notice_Frame packet includes clock synchronization information and SID for synchronizing a clock with a transmitter 10 by a first receiver 2 or a receiver 2.
  • the transmitter 10 may transmit a command to the first receiver Receiver 1 or the receiver 2 corresponding to the specific SID by including the specific SID in the Notice_Frame packet.
  • a time slot section of t slots is allocated to each of the first or second receivers.
  • the first slot Slot 1 is assigned to the first or second receiver having the first SID
  • the second slot Slot 2 is assigned to the first or second receiver having the second SID
  • Slot N is assigned to the first or second receiver having the Nth SID.
  • the slot number assigned to the first or second receiver may be 10 or less. Assuming that the total number of slots allocated to the first or second receiver by the transmitter 10 is ten, the time slot interval is about (10 x t slot ).
  • the transmitter 10 sends an interactive response frame packet including Not Permission of Over Node data to a new receiver, i.
  • a warning message may be displayed on the user interface of the transmitter 10 until the receiver 2) is transmitted and the second receiver 2 is removed by the user.
  • Time constraints for the proper operation of the power transmission system according to the present invention are as shown in FIG.
  • the time constraints shown in FIGS. 60-74 are shown in Table 17 below.
  • the transmitter 10 transmits power for a time of t det for each time interval t det_per to detect a new load 20 while detecting a positive load change. ) Is applied.
  • the value of the power P det output from the transmitter 10 may be determined by the load sensitivity of the transmitter 10.
  • the transmitter 10 is sufficient for the Rx controller 25 of the receiver 20 to wake up the power applied to the Tx resonator 11 when a positive load change is detected. Increase power, level P reg .
  • this step is before charging is started, and the receiver 20 does not supply the power received from the transmitter 10 to the battery charging system of the device in which the receiver 20 is included.
  • the receiver 20 responds to the Interactive_Request_Join_Frame packet sent from the transmitter 10 in time t reg . If there is no response from the receiver 20 in t reg , the transmitter 10 stops applying power to the Tx resonator 11 during the time interval of t reg_ret .
  • the transmitter 10 may repeat the above procedure n reg_ret times. If the Interactive_Request_Join_Frame packet is not received from the receiver 20 after n reg_ret retries, the transmitter 10 stops applying the power P reg to the Tx resonator 11 and returns to the detection state.
  • the receiver 20 transmits an ACK_Frame packet to the transmitter 10 as a response to the Interactive_Response_Join_Frame packet transmitted from the transmitter 10.
  • the receiver 20 transmits an Interactive_Request_Charge_Frame packet to the transmitter 10 within t req_char time.
  • the transmitter 10 receiving the Interactive_Request_Charge_Frame packet from the receiver 20 transmits the Interactive_Response_Charge_Frame packet to the receiver 20 within t data_res time.
  • the receiver 20 transmits an ACK_Frame packet to the transmitter 10 within t ack time as a response to the Interactive_Response_Charge_Frame packet. Through the above process, the receiver 20 enters a charging state and can receive power output from the transmitter.
  • a zero slot Slot 0 is a time slot section in which the transmitter 10 broadcasts a Notice_Frame packet to a receiver 20 in a charging state. As such, the transmitter 10 does not assign zero slots to the receiver 20.
  • the first slot Slot 1 is allocated to the first receiver Receiver 1, and the first receiver Receiver 1 transmits a Report_Frame packet to the transmitter 10 for t data_res time.
  • Transmitter 10 receiving the Report_Frame packet from the first receiver (Receiver 1) transmits the ACK_Frame packet to the first receiver (Receiver 1) within a t ack time.
  • the transmitter 10 and the first receiver 1 may periodically share power negotiation information such as voltage, current, and power transmission efficiency. If the first receiver (Receiver 1) is removed from the interface (e.g., charging pad) of the transmitter 10, and there is no Report from the first receiver (Receiver) (unless a Report_Frame packet is transmitted to the transmitter 10). The transmitter 10 determines that the first receiver Receiver 1 has been removed. Since the first receiver Receiver 1 has been removed, the transmitter reassigns the time slots assigned to the first receiver Receiver 1, that is, the first slot Slot 1 to the last receiver in the charged state. As described above, the transmitter 10 according to the present invention may reduce the number of slots allocated to the receiver 20 and minimize the possibility of communication collision while increasing the contention period.
  • the timing constraints are the same as the timing constraints in the charged state.
  • the transmitter 10 transmits a Notice_Frame packet including the Power Off of Internal Error data to the receiver 20.
  • the transmitter 10 may stop applying power to the Tx resonator 11 to protect the circuit and the receiver 20 from damages such as over temperature, over current and over voltage.
  • FIG. 79 is a flowchart showing how the transmitter 10 protects the power transmission system from overcurrent
  • FIG. 80 is a flowchart showing how the transmitter 10 protects the power transmission system from overvoltage
  • FIG. 81 is a transmitter 10. Is a flowchart showing how to protect the power transmission system from over temperature.
  • the receiver 20 can detect interrupts associated with safety. When the interrupt is detected, the receiver 20 transmits a Report_Frame packet including Error of corresponding Reason data such as Over Current, Over Voltage data, and Over Temperature data to the transmitter 10. As a result, the transmitter 10 may stop applying power to the Tx resonator 11 to protect the circuits of the receiver 20 and the transmitter 10 itself from over temperature, over current, over voltage, and the like.
  • a Report_Frame packet including Error of corresponding Reason data such as Over Current, Over Voltage data, and Over Temperature data
  • the transmitter 10 may stop applying power to the Tx resonator 11 to protect the circuits of the receiver 20 and the transmitter 10 itself from over temperature, over current, over voltage, and the like.
  • FIGS. 82 is a flowchart illustrating how the receiver 20 protects the power transmission system from overvoltage. Since the method of protecting the power transmission system from the overcurrent and the overtemperature of the receiver 20 is the same as the method of protecting the power transmission system from the overcurrent and the overtemperature of the transmitter 10 shown in FIGS. It will be omitted.
  • the communication protocol of the wireless power transmission system according to the present invention is based on IEEE 802.15.4 for the sensor network environment.
  • IEEE 802.15.4 has unnecessary functions for the wireless power transmission system according to the present invention
  • the present invention has been modified and redesigned the IEEE 802.15.4 protocol.
  • the present invention excludes some of the physical layer functions from IEEE 802.15.4, and has been redesigned to be suitable for the wireless transmission system according to the present invention.
  • 83 is a diagram illustrating an example of communication between a transmitter and a receiver in a wireless power transmission system according to the present invention.
  • the transmitter 10 senses a load and supplies power for the operation of a communication integrated circuit (IC) of the transmitter 10 so that the receiver 20 can communicate with the transmitter 10.
  • the receiver 20 requests registration with the transmitter 10 by transmitting an Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10.
  • the transmitter 10 checks whether the receiver 20 is a valid device, and if it is a valid device, replaces the ID of the receiver 20 included in the Interactive_Request_Join_Frame packet with a short ID, that is, an SID.
  • the transmitter 10 transmits the Interactive_Response_Join_Frame packet to the receiver 20 in response to the Interactive_Request_Join_Frame packet.
  • the receiver 20 determines that the registration for receiving power from the transmitter 10 has been granted, and may enter a configuration state.
  • the receiver 20 sends an Interactive_Request_Charge_Frame packet to the transmitter 10 to request the transmitter 10 to transmit power.
  • the transmitter 10 checks valid power.
  • the transmitter 10 checks the active power and determines whether the power requested from the receiver 20 can be transmitted to the receiver 20. In FIG. 83, it is assumed that the transmitter 10 is in a state capable of transmitting power requested by the receiver 20.
  • the transmitter 10 notifies the receiver 20 by transmitting an Interactive_Response_Charge_Frame packet to transmit power requested by the receiver 20.
  • the receiver 20 determines that a setting for receiving power from the transmitter 10 has been approved, and may enter a charged state.
  • the transmitter 10 transmits a Notice_Synch_Frame packet so that the receiver 20 synchronizes synch with the transmitter 10.
  • the receiver 20 adjusts the sink to the sink of the transmitter 10 according to the Notice_Sysnch_Frame packet, and transmits a Report_Frame packet for the receiver 20 to the transmitter 10. Thereafter, the receiver 20 is in a charge mode in which power is supplied from the transmitter 10 to perform battery charging.
  • the transmitter 10 may receive a Report_Charge_complete packet from the receiver 20. According to an embodiment, the transmitter 10 may determine a charge finish of the receiver 20. The transmitter 10 may determine that charging for the receiver 20 is completed when it is determined that power has been supplied to the receiver 20 for a predetermined time or that the predetermined power has been supplied to the receiver 20. When charging is completed, the transmitter 10 transmits a Notice_Charge_Finish_Frame packet to the receiver 20. The receiver 20 recognizes that charging is completed and enters a standby state.
  • the receiver 20 may transmit a Report_Frame packet to the transmitter 10.
  • the receiver 20 may be ready to charge when recharging is required, and may maintain a simple standby state when the charging is completed.
  • the transmitter 10 transmits a Notice_Synch_Frame packet to the receiver 20, and in response, the receiver 20 may transmit a Report_Frame packet to the transmitter 10.
  • the transmitter 10 may request a user to separate the receiver 20 from which charging is completed from an interface (eg, a charging pad) of the transmitter 10.
  • the 2.4 GHz ISM band described in the communication standard IEEE 802.15.4 can be preferably used as the frequency.
  • the wireless power transmission system according to the present invention may use 16 channels having a frequency of 2.4 GHz as defined in IEEE 802.15.4.
  • CCA clear channel assessment
  • CSMA-CA carrier sense multiple access-collision avoidance
  • FIG. 84 is a diagram illustrating a physical frame structure in a wireless power transmission system according to the present invention.
  • the physical frame structure according to the present invention may be identical to the physical frame structure of IEEE 802.15.4 as illustrated in FIG. 84.
  • the 4 byte preamble is a signal for the receivers 20 to be synchronized with the transmitter 10.
  • the synchronization header consists of 4 bytes of preamble and 1 byte of Start Frame Delimiter.
  • the 1 byte SFD Start Frame Delimiter declares the start of a frame.
  • the PHY header of the frame consists of a 7-bit Frame Length representing the total length of the frame and 1 bit of Reserved, and the PHY payload includes a MAC header.
  • the leftmost field of the physical frames shown in FIG. 84 may be transmitted or received first. All multibyte fields are transmitted or received from the lowest octet, and each octet is transmitted or received first from the least significant bit (LSB).
  • LSB least significant bit
  • the above transmission order is also applicable to data fields transferred between the PHY and the MAC layer.
  • binary integers and bit patterns can be represented by sequences of zeros and ones in single quotes ('').
  • the MAC frame of the wireless power transmission system according to the present invention is included in the PHY payload and follows the PHY header.
  • 85 is a view showing a MAC frame structure according to the present invention.
  • a MAC frame includes a MAC frame header, a frame payload, and a checksum.
  • the Checksum field contains a 16 bit ITU-T CRC.
  • the MAC Frame Header includes a Frame Type field, a Short ID field, and a Sequence Number field.
  • the Frame Type field is used to distinguish a frame included in the frame payload, and the Short ID field is used as a receiver object address or a transmitter address according to the frame class.
  • the 3-bit Frame Type field is defined in Table 18 below.
  • the Frame Type field is assigned 000 for the Notice_Frame.
  • the Notice_Frame packet is used when there is a notification from the transmitter 10 to the receiver 20. Notice_Frame packets are sent periodically and are located at the front of the time slot duration.
  • the Frame Type field is assigned 001 for the Report_Frame packet.
  • the Report_Frame packet is used when the receiver 20 periodically transmits its information to the transmitter 10.
  • the Report_Frame packet is periodically transmitted in the time slot allocated for each receiver 20 after the Notice_Frame packet is received.
  • the Frame Type field is assigned 010 for the ACK_Frame packet.
  • the ACK_Frame packet is used when the device receiving the given frame packet confirms that the frame packet is properly received.
  • the Frame Type field is assigned 011 for an Interactive_Frame packet.
  • the Interactive_Frame packet is used when the opposite device (transmitter 10 or receiver 20) requests to provide some information, not a one-way information purpose such as a Notice_Frame packet or a Report_Frame packet.
  • ID 0000 is an ID used by receivers that have not been assigned a Short ID from the transmitter 10. These receivers 20 request a join to the transmitter 10 using the address 0000 as a Request_Join_Frame packet.
  • the addresses 0001-1110 are addresses available for the transmitter 10 to assign to the receivers 20.
  • Address 1111 is the broadcast address that the transmitter 10 transmits to all receivers 20.
  • the Notice_Frame packet has a function to keep the network alive and manage receivers by synchronizing with the receivers.
  • 86 is a diagram showing the structure of a Notice_Frame packet according to the present invention.
  • the Notice_Frame packet is a message transmitted only by the transmitter 10.
  • the 4-bit short ID field is filled with the addresses of the receivers 20 in the MAC Frame header.
  • the 3-bit notification type field indicates the class of the Notice_Frame packet.
  • the 3-bit Notice Info field has different information according to the value of the Notice Type field. Table 20 below defines the value of Notice Type and the corresponding information to be included in Notice Info.
  • the Notice Info field is filled with the value of Slot Number.
  • Slot Number means the number of time slots managed by the transmitter 10.
  • the receiver 20 may determine the slot duration in the network by checking the value of the slot number. Accordingly, the receiver 20 avoids slot duration and transmits an Interactive_Request_Join_Frame packet to the transmitter 10. If the value of the Notice Type field is 001, the Notice Info field is filled with a value of Reset Reason. The meaning of reset reason is as defined in Table 21 below.
  • the Notice Info field is filled with the value of Power off Reason.
  • the meaning of power off reason is as defined in Table 22 below.
  • the Notice Info field is filled with the value of the short ID to be changed.
  • the value of the Notice Type field is 100 or 101, the Notice Info field is pre-filled with zeros.
  • the value of the Notice Type field is 100, it is used to notify the receiver 20 having the Receiver Short ID address in the MAC Frame header to start charging.
  • the value of the Notice Type field is 101, it is used to notify the receiver 20 having the Receiver Short ID address in the MAC Frame header to end the charging.
  • the Report_Frame packet is used when the receiver 20 periodically transmits its information to the transmitter 10.
  • 87 is a view showing the structure of a Report_Frame packet according to the present invention.
  • the Report_Frame packet is a message used only by the receivers 20 participating in the network. Thus, in order for the transmitter 10 receiving the Report_Frame packet to know which receiver 20 has transmitted the Report_Frame packet, the receiver 20 fills the 4-bit length Short ID field with the receiver's own address.
  • the Charge Status field is 3 bits long and indicates the charging status information.
  • the Charge Status field is defined as shown in Table 23 below.
  • the Charge Status field contains information about the charging state of the receiver 20 itself. As defined in Table 23, there are five types of charging states of the receiver 20 that maintains communication with the transmitter 10. In the standby state, the receiver 20 waits for charging but the charging is not completed. For example, the transmitter 10 cannot charge the receiver 20 but maintains communication with the receiver 20 and waits for charging because the transmitter charges the other receivers 20.
  • Charging CC mode is a state in which current and voltage remain at a regular level during charging.
  • Charging CV mode the voltage remains at its normal level during charging, but the current is reduced.
  • Complete and Standby mode charging is completed, but communication remains alive after charging is completed.
  • Error is a state in which the receiver 20 alone detects an error and stops charging.
  • the transmitter 10 that receives the Report_Error_Frame packet having the Charge Status field set to Error stops supplying power to the receiver 20 that has transmitted the Report_Error_Frame.
  • the Reason field is 4 bits long and is used only when the Charge Status field is set to Error.
  • the Reason field contains the reason why the receiver 20 alone considered the state as Error. Table 24 defines Reason.
  • the Power Info field includes power information of the receiver 20 and is 2 bytes or 4 bytes according to the value of the Charge Status field.
  • the Charge Status field is Charge Standby 000 or Complete and Standby 011
  • the Power Info field has a request voltage value of 1 byte and a request current value of 1 byte.
  • the Charge Status field is Charging CC mode 001 or Charging CV mode 010
  • the Power Info field is input of 1 byte as well as 1 byte of required voltage value and 1 byte of required current value. It has a voltage value and an input current value of 1 byte.
  • the Charge Status field is Error, since the receiver 20 should stop charging, the Power Info field is omitted.
  • FIG. 88 is a diagram illustrating a structure of a Report_Frame packet in a standby state
  • FIG. 89 is a diagram showing a structure of a Report_Frame packet in a charge state
  • FIG. 90 is a diagram showing a structure of a Report_Frame packet in an Error state.
  • the ACK_Frame packet includes a MAC frame header and a checksum.
  • 91 illustrates a structure of an ACK_Frame packet according to the present invention.
  • the Interactive_Frame packet is used when the transmitter 10 and the receiver 20 exchange information with each other.
  • the Interactive_Frame packet may be used in contention periods.
  • the 4-bit length Short ID field in the MAC frame header is filled with the address of the receiver 20 itself.
  • the 4-bit length Short ID field in the MAC frame header is filled with the address of the receiving receiver 20.
  • the Interactive_Frame packet has various frame structures according to the value of the Interactive Type field.
  • the Interactive_Frame packet is an Interactive_Request_Join_Frame packet.
  • the Interactive_Request_Join_Frame packet is used when the receiver 20 requests the transmitter 10 to join the wireless charging networks.
  • the Interactive_Request_Join_Frame packet is transmitted to the transmitter 10 by the receiver 20 which cannot be assigned a Short ID (SID), and the Short ID field is set to 0000 for transmission.
  • SID Short ID
  • the ID Size Type field is 2 bits long and indicates the length of the ID field. Table 26 below defines the value of ID Size Type.
  • the receiver 20 fills its load characteristic in the 1 byte Load Characteristic field.
  • the ID field is filled with a unique receiver ID.
  • the transmitter 10 maps and manages the values of the ID field, the Short ID assigned by it and other management parameters for the receivers 20 in its memory.
  • the Interactive_Frame packet is an Interactive_Response_Join_Frame packet.
  • the Interactive_Response_Join_Frame packet is used when the transmitter 10 receiving the Interactive_Request_Join_Frame packet transmits to the receiver 20 about whether the receiver 20 has participated in wireless charging networks.
  • the Interactive_Response_Join_Frame packet is transmitted to the receiver 20 that has not been assigned a Short ID by the transmitter 10, and the Short ID field is set to 0000 for transmission.
  • the 1 bit Permission field indicates whether the transmitter 10 allows the receiver 20 to join the networks. If this field is set to 0, the permission is denied. If set to 1, the permission is accepted.
  • the Allocated Short ID field is 4 bits long and includes an address allocated by the transmitter 10 to the receiver 20. If the Permission field is set to 0, the Allocated Short ID is blank to be set to 0000. Short ID also means slot number.
  • the receiver 20 may transmit a Report_Frame packet after receiving a Notice_Frame packet and waiting 10 ms as shown in Equation 23 below.
  • the Interactive_Frame packet is an Interactive_Request_Charge_Frame packet.
  • the Interactive_Request_Charge_Frame packet is a frame transmitted by the receiver 20 that receives the Interactive_Response_Join_Frame packet or the Notice_Charge_Start packet.
  • the Interactive_Request_Charge_Frame packet includes the charging characteristic of the receiver 20 and is sent to the transmitter 10 for a charging request.
  • 95 is a diagram showing the structure of a packet Interactive_Request_Charge_Frame according to the present invention. Power Characteristic is 3 bytes long and includes the receiver's reference current, reference voltage and reference efficiency.
  • the Interactive_Frame packet is an Interactive_Response_Charge_Frame packet.
  • the Interactive_Response_Charge_Frame packet is a frame transmitted by the transmitter 10 that receives the Interactive_Request_Charge_Frame packet.
  • the transmitter 10 informs the receiver 20 whether charging is permitted by this frame.
  • 96 is a view showing a structure of a packet Interactive_Response_Charge_Frame according to the present invention.
  • the Reason field is 3 bits long and contains the reason for charging permission or prohibition. Table 27 below defines the value of the Reason field.
  • the network of a wireless power transmission system comprises a transmitter 10 for supplying power and a single receiver or multiple receivers for receiving power.
  • the transmitter 10 collects the information of the receivers by the Report_Frame packet, determines the required power, and supplies the receivers 20 with power.
  • the receivers 20 periodically transmit their information to the transmitter 10 by means of a Notice_Frame packet, and periodically receive information from the transmitter 10 for synchronization and network management.
  • a star topology is preferred for the networks of the wireless power transmission system according to the present invention.
  • 97 is a diagram illustrating a star topology in the wireless power transmission system according to the present invention.
  • Tx matching circuit 13 Tx power converter
  • Tx communication unit 15 Tx control unit
  • Rx matching circuit 23 Rx power converter

Abstract

본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기는, DC 전압을 제1AC 전압으로 변환하고, 변환된 제1AC 전압을 증폭하여 제2AC 전압으로 변환하는 Tx 전력 변환부와, 제2AC 전압을 전송하기 위하여 제2AC 전압을 수신하는 수신기와 임피던스를 매칭하는 Tx 매칭회로와, 제2AC 전압을 수신기에 전송하기 위하여 제2AC 전압을 공명파로 공진하는 Tx 공진기와, 제1AC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 증폭율에 따라 제1AC 전압을 제2AC 전압으로 변환하도록 Tx 전력 변환부를 제어하는 Tx 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기, 상기 장치들의 무선 전력 송수신 방법
본 발명은 무선 전력 송신 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세히는 높은 공진 특성을 가질 수 있는 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기, 상기 장치들의 무선 전력 송수신 방법에 관한 것이다.
무선통신기술의 발달로 언제 어디서나 누구나 원하는 모든 정보를 주고 받을 수 있는 유비쿼터스 정보환경이 되고 있다. 하지만, 아직까지 통신정보기기들은 대부분 배터리에 의존하고 있고, 유선 전원코드에 의한 전원을 공급받아 통신정보기기의 사용이 제한을 받고 있다. 따라서, 무선정보 네트워크 환경은 단말기 전원에 대한 문제를 해결하지 않고서는 진정으로 자유로워질 수 없다.
이런 문제를 해결하기 위하여 무선으로 전력을 전달하기 위한 많은 기술이 개발되고 있다. 우선, 전파(Microwave)를 이용한 전파수신형 기술, 그리고 자기장을 이용한 자기유도형 기술, 또한 자기장과 전기장의 에너지 전환에 의한 자기공명 기술 등이 대표적이다.
여기서, 전파수신형 기술은 안테나를 통해 전파를 공기 중으로 방사함으로써 먼 거리까지 전력전송이 가능하다는 장점이 있으나, 공기 중에서 소모되는 방사손실(Radiation loss)이 매우 커서 전력전송의 효율성에 한계가 있다. 또한, 자기유도형 기술은 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일에 의한 자기 에너지 결합을 이용한 기술로 높은 전력전송의 효율성을 갖는 장점이 있으나, 전력전송을 위해서 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일이 수 mm 정도의 짧은 거리에 인접해 있어야 하며, 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일의 코일정렬에 따라 전력전송의 효율성이 급격히 변하며, 발열량이 크다는 단점이 있다.
따라서, 최근에 자기유도형 기술과 유사하나 코일형의 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 특정 공진 주파수에 에너지가 집중되게 하여 자기에너지 형태로 전력을 송신하는 자기공명 기술이 개발되고 있다. 비교적 큰 전력을 수 미터까지 보낼 수 있다는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High Quality factor)을 요구한다. 따라서 높은 공진 특성을 가지는 무선 전력 송신 시스템의 설계가 요구된다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기는, DC 전압을 제1AC 전압으로 변환하고, 변환된 제1AC 전압을 증폭하여 제2AC 전압으로 변환하는 Tx 전력 변환부와, 상기 제2AC 전압을 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 수신하는 수신기와 임피던스를 매칭하는 Tx 매칭회로와, 상기 제2AC 전압을 수신기에 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 공명파로 공진하는 Tx 공진기를 포함하고, 상기 제1AC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1AC 전압을 제2AC 전압으로 변환하도록 상기 Tx 전력 변환부를 제어하는 Tx 제어부를 포함한다.
무선 전력 송신 시스템에서의 수신기는, 송신기에 의하여 공명파로써 공진되는 AC 전압을 수신하는 Rx 공진기와, 상기 송신기로부터 상기 AC 전압을 수신하기 위하여 상기 송신기와 임피던스를 매칭하는 Rx 매칭회로와, 상기 AC 전압을 제1DC 전압으로 정류하고, 상기 제1DC 전압을 증폭하여 제2DC 전압으로 변환하는 Rx 전력 변환부와, 상기 제1DC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1DC 전압을 제2DC 전압으로 변환하도록 상기 Rx 전력 변환부를 제어하는 Rx 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기는, DC 전압을 제1AC 전압으로 변환하는 Class- 증폭기 및 변환된 제1AC 전압을 증폭하여 제2AC 전압으로 변환하는 드라이버 증폭기를 포함하는 Tx 전력 변환부와, 상기 제2AC 전압을 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 수신하는 수신기와 임피던스를 매칭하는 Tx 매칭회로와, 상기 제2AC 전압을 수신기에 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 공명파로 공진하는 Tx 공진기와, 상기 제1AC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1AC 전압을 제2AC 전압으로 변환하도록 상기 Tx 전력 변환부를 제어하는 Tx 제어부를 포함하고, 상기 Tx 제어부는, 상기 Class-E 증폭기에 포함된 트랜지스터의 구동 전압을 모니터링하여 상기 트랜지스터에 인가된 구동 전압으로 인하여 상기 Class-E 증폭기에 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생하였는지 여부를 판단하고, 판단결과 상기 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생한 경우 송신기의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 수신기는, 송신기에 의하여 공명파로써 공진되는 AC 전압을 수신하는 Rx 공진기와, 상기 송신기로부터 상기 AC 전압을 수신하기 위하여 상기 송신기와 임피던스를 매칭하는 Rx 매칭회로와, 상기 AC 전압을 제1DC 전압으로 정류하고, 상기 제1DC 전압을 증폭하여 제2DC 전압으로 변환하는 Rx 전력 변환부와, 상기 제1DC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1DC 전압을 제2DC 전압으로 변환하도록 상기 Rx 전력 변환부를 제어하는 Rx 제어부를 포함하고, 상기 Rx 제어부는, 상기 Rx 공진기를 통해 수신하는 상기 AC 전압을 모니터링하여 상기 AC 전압으로 인하여 수신기의 적어도 일부에 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생하였는지 판단하고, 판단결과 상기 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생한 경우 상기 수신기의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기의 무선 전력 송수신 방법은, 인터페이스에서의 부하 변동을 모니터링하기 위하여 미리 저장된 시간마다 제1전력을 공급하고, 상기 부하 변동을 발생하였는지 여부를 체크하는 검출 단계와, 상기 부하 변동이 발생한 경우, 상기 제1전력보다 큰 제2전력을 상기 인터페이스에 공급하여 상기 제2전력을 수신한 수신기로부터 응답을 수신하면 상기 수신기에 짧은 식별자(SID: Short identification) 및 상기 수신기에 대응하는 타임 슬롯을 할당하는 등록 단계와, 상기 수신기로부터 출력 전압, 출력 전류 중 적어도 하나를 포함하는 정보를 수신하고, 상기 정보에 따라 상기 수신기로부터 요구되는 요구 전력을 계산하고, 상기 요구 전력을 상기 수신기에 전송하여 줄 수 있는지 여부를 판단하는 구성 단계와, 상기 판단 결과 상기 요구 전력을 상기 수신기에 전송하여 줄 수 있는 경우, 상기 수신기에 상기 요구 전력을 전송하는 충전 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 수신기의 무선 전력 송수신 방법은, 송신기로부터 미리 지정된 시간마다 공급되는 제1전력을 수신하고, 상기 제1전력을 이용하여 상기 송신기에 가입을 요청하는 단계와, 상기 송신기로부터 상기 제1전력보다 큰 제2전력을 공급받아서 상기 송신기에 충전을 요청하는 단계와, 상기 송신기로부터 짧은 식별자(SID: Short identification) 및 타임 슬롯을 할당받고, 출력 전압, 출력 전류 중 적어도 하나를 포함하는 정보를 상기 송신기에 전송하여 요구 전력의 전송을 요청하는 단계와, 상기 송신기로부터 상기 요구 전력을 수신하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기는, MAC 프레임 헤더와, 프레임 페이로드, 체크썸(Checksum)으로 구성되는 MAC 프레임을 사용하여 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 높은 공진 특성을 가질 수 있는 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기, 상기 장치들의 무선 전력 송수신 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 시스템의 송신기 및 수신기의 구성을 도시한 블록도,
도 2a는 저항(R), 커패시터(C) 및 인덕터(L)가 직렬로 연결된 직렬 공진기를 도시한 회로도,
도 2b는 저항(R), 커패시터(C) 및 인덕터(L)가 병렬로 연결된 병렬 공진기를 도시한 회로도,
도 3a는 엡실론-네거티브 회로를 도시한 회로도이고, 도 3b는 뮤-네거티브 회로를 도시한 회로도,
도 4는 공진 주파수의 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 메타 물질 MNG 공진기(meta material MNG resonator)의 일 예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 2가지 유형의 MNG 공진기들의 구조를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 Tx 공진기를 일 예를 나타낸 도면,
도 8a 내지 도 8c는 Class-A 증폭기, Class-B 증폭기 및 Class-E 증폭기 각각에 포함된 트랜지스터의 드레인과 소스 사이의 전압 및 전류를 나타낸 그래프,
도 9는 스위칭 타입의 전력 증폭기(Power Amplifier)인 Class-E 증폭기(13-1)를 도시한 회로,
도 10은 도 9의 스위칭 타입 전력 증폭기에서 스위칭 동작을 실행하였을 때의 전압파 및 전류파를 나타낸 그래프,
도 11은 Class-E 증폭기(13-1)에서 FET의 드레인과 소스 간의 내부 커패시턴스(Coss)와 외부 션트 커패시턴스(C's) 사이의 전압을 나타낸 그래프,
도 12는 출력 매칭 회로를 나타낸 회로도,
도 13은 입력 매칭 회로를 나타낸 회로도,
도 14는 도 12 및 도 13의 매칭 회로들을 포함한 Class-E 증폭기(13-1)의 최종 등가 회로를 나타낸 회로도,
도 15는 본 발명에 따라 제조된 Class-E 증폭기(13-1)의 프로토 타입을 나타낸 도면,
도 16은 일반적인 송신기(10)를 나타낸 블록도,
도 17은 전력 추적 SMPS를 포함하는 송신기의 구성을 도시한 블록도,
도 18은 도 17에 도시된 전력 추적 SMPS의 구성을 도시한 블록도,
도 19는 본 발명에 따른 송신기(10)에서의 6.78MHz 주파수를 발생시키기 위한 주파수 발생기의 구성을 도시한 블록도,
도 20은 본 발명에 따른 송신기에 있어서의 과전압 보호 회로의 일 예를 나타낸 회로도,
도 21은 과전압 보호 회로의 기본적인 동작 원리를 나타내기 위한 회로,
도 22는 본 발명에 따른 송신기에서의 보호 회로의 다른 예를 나타낸 회로도,
도 23은 본 발명에 따른 송신기에서의 보호 회로의 또 다른 예를 나타낸 회로도,
도 24는 본 발명에 따른 전력 송신 시스템에서의 송신기(10)로부터 송신되는 DC 전력에 대하여 상기 DC 전력을 수신하는 수신기(20)의 DC 전력을 비율로 나타낸 도면,
도 25는 송신기(10)에 발생하는 손실을 설명하기 위한 회로도,
도 26은 Q값을 높이기 위하여 인덕터들(LP1, LP2, LP3)을 병렬로 연결시킨 회로,
도 27은 전력 증폭기 효율별 출력 전력의 레벨을 나타낸 그래프,
도 28은 6.78MHz의 주파수 발생기와 전력 증폭기를 포함하는 송신기(10)의 효율을 측정하기 위한 회로를 나타낸 회로도,
도 29는 상기 도 28의 전력 증폭기에서 발생하는 고주파의 진폭을 나타낸 그래프,
도 30a 및 도 30b는 본 발명에 따라 구현된 송신기(10) 및 수신기(20)에 포함되는 공진기들(11, 21)을 나타낸 도면,
도 31은 상기 수신기(20)가 싱글 수신기인 경우의 결합 특징 및 송신 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 도시한 도면,
도 32는 Rx 공진기(21)에서의 입력되는 신호를 측정하는 측정 영역을 나타낸 도면,
도 33은 수신기(20)가 다수인 경우, 즉 멀티 수신기인 경우에 수신기(20) 각각에 포함된 Rx 공진기(21)에 입력되는 신호를 측정하는 측정 영역을 도시한 도면,
도 34는 본 발명에 따른 Rx 공진기(21)로 구현될 수 있는 MNG TL 공진기를 도시한 도면,
도 35는 본 발명에 따른 Rx 공진기(21)로써 구현된 MNG TL 공진기를 나타낸 도면,
도 36은 쇼트키 다이오드 및 상기 쇼트키 다이오드의 등가 회로를 나타낸 도면,
도 37a 및 도 37b는 전력 송신 시스템에서 사용할 수 있는 쇼트키 다이오드의 전류 레벨 및 전압 레벨을 나타낸 그래프,
도 38은 전체파(full-wave) 브릿지 다이오드 정류회로를 나타낸 회로도,
도 39 및 도 40은 신호 발생기를 이용하여 전체파 브릿지 정류회로를 테스트하는 회로도,
도 41a 및 도 41b는 각기 다른 회사에서 제조된 듀얼 다이오드의 전압 레벨 및 전류 레벨을 나타낸 그래프,
도 42는 MOS 트랜지스터를 스위치로 이용하는 전체파 활성 정류기의 일 예를 나타낸 회로도,
도 43은 본 발명에 다른 DC/DC 벅 컨버터를 나타낸 회로도,
도 44은 수신기(20) 및 상기 수신기(20)를 보호하기 위한 보호 장치의 일 예를 나타낸 도면,
도 45는 보호 구조를 갖는 최적화된 수신기(20)의 회로를 나타낸 도면,
도 46a는 마스킹제를 사용하지 않는 경우의 자기장 분포를 나타낸 도면이고, 도 46b는 마스킹제를 사용한 경우의 자기장 분포를 나타낸 도면,
도 47a는 공진기와 마스킹제 사이에 공간이 없는 경우를 나타낸 도면이고, 도 47b는 공진기와 마스킹제 사이에 공간이 있는 경우를 나타낸 도면,
도 48a 및 도 48b는 마스킹제 및 장치의 크기와 Rx 공진기(21)의 위치를 도시한 도면,
도 49는 도 48a 및 도 48b에 도시된 마스킹제 및 컨덕터 크기에 따른 각각의 결합 효율을 나타낸 그래프,
도 50은 송신기(10)의 예시적인 기능 블록도,
도 51a 내지 도 51e는 본 발명의 따른 수신기(20)의 Rx 공진기(21)를 나타낸 도면,
도 52는 본 발명에 따른 AC/DC 정류기(23-1)의 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 나타낸 도면,
도 53은 본 발명에 따른 수신기(20)에서의 DC/DC 컨버터(23-2)의 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 도시한 도면,
도 54는 본 발명에 따라 구현된 수신기의 시스템 보드를 나타낸 도면,
도 55는 본 발명에 따라 구현된 수신기를 나타낸 도면,
도 56은 수신기(20)의 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 나타낸 도면,
도 57은 송신기(10)로부터 출력되는 전력이 35.4dBm이고, 부하가 10Ω인 경우, 각 단에서 측정되는 파형을 나타낸 그래프,
도 58a 및 도 58b는 단일 또는 다수의 이동통신 단말기들을 충전하고 있는 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸 도면,
도 59는 검출, 등록, 충전 및 대기 상태에서의 무선 전력 송신 시스템에서의 무선 전력 송신 절차에 대한 상태도,
도60은 수신기(Transmitter)(20)가 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어, 충전패드) 상에 아직 배치되지 않은 경우의 검출 상태 절차를 나타낸 도면,
도 61은 수신기(Receiver)(20)를 송신기(Transmitter)(10)에 등록(registration)시키는 절차를 나타낸 도면,
도 62는 송신기(Transmitter)(10)가 제1수신기(Receiver 1) 또는 제2수신기(Receiver 2)로부터 발송되는 ACK_Frame 패킷을 수신하지 않은, 패킷 에러 상황의 일 예를 나타낸 도면,
도 63은 금속 물체 또는 비준수 장치(rogue deivce, Non-compliant device)가 송신기(Tranmsmitter)(10)의 인터페이스 상에 놓여져 패킷 에러가 발생한 상황을 나타낸 도면,
도 64은 무선 전력 송신 시스템에서의 구성(configuration) 단계의 정상적 동작 흐름을 나타낸 도면,
도 65는 단일 수신기(20)의 충전 동작을 나타낸 도면,
도 66은 단일 수신기(Reciver)(20)가 충전 상태에서 송신기(Transmitter)(10)의 인터페이스로부터 제거되는 경우의 절차를 나타낸 도면,
도 67은 수신기(Receiver)(20)의 전체 충전(full charge) 또는 재충전(recharge)에 따른 절차를 나타낸 도면,
도 68은 적어도 하나의 수신기(20)(이하, 제1수신기(Receiver 1))가 이미 충전상태에 있을 때, 새로운 수신기(20)(이하, 제2수신기(Receiver 2))가 등록되는 절차를 나타낸 도면,
도 69는 다수의 제1수신기들(Receiver 1)이 이미 충전 상태에 있을 때, 제2수신기(Receiver 2)가 충전 상태에 진입하는 과정을 나타낸 도면,
도 70은 다수의 제1수신기들(Receiver 1)의 충전 과정을 나타낸 도면,
도 71은 송신기(10)에 의하여 충전되고 있던 다수의 수신기들 중 하나의 수신기가 제거되는 과정을 나타낸 도면,
도 72는 제1수신기(Receiver 1) 및 제2수신기(Receiver 2)의 충전 과정에서 제1수신기(Receiver 1)가 재충전되는 과정을 나타낸 도면,
도 73은 다수의 수신기들 간의 SID 교환 과정을 나타낸 도면,
도 74a는 수퍼프레임의 타임 슬롯 구간을 나타낸 도면이고, 74b는 수퍼프레임의 타임 슬롯 구간 및 경쟁 구간을 나타낸 도면,
도 75는 검출(detection) 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면,
도 76은 등록 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면,
도 77은 구성(configuration) 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면,
도 78은 충전(charge) 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면,
도 79는 송신기(10)가 과전류로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도,
도 80은 송신기(10)가 과전압으로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도,
도 81은 송신기(10)가 과온도로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도,
도 82는 수신기(20)가 과전압으로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도,
도 83은 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기와 수신기 간의 통신의 일 예를 도시한 도면,
도 84는 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 물리적 프레임 구조를 나타낸 도면,
도 85는 본 발명에 따른 MAC 프레임 구조를 나타낸 도면,
도 86은 본 발명에 따른 Notice_Frame 패킷의 구조를 도시한 도면,
도 87은 본 발명에 따른 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면,
도 88은 standby 상태에서의 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면,
도 89는 Charge 상태에서의 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면,
도 90은 Error 상태에서의 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면,
도 91은 본 발명에 따른 ACK_Frame 패킷의 구조를 도시한 도면,
도 92는 본 발명에 따른 Interactive_Frame 패킷의 일반적인 구조를 나타낸 도면,
도 93은 본 발명에 따른 Interactive_Request_Join_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면,
도 94는 본 발명에 따른 Interactive_Response_Join_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면,
도 95는 본 발명에 따른 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면,
도 96은 본 발명에 따른 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면, 그리고
도 97은 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 스타 토폴로지를 도시한 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
본 발명은 2개의 장치들 간의 공진 결합(resonant coupling)으로 동작하는 무선 전력 송신 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전력 송신 시스템에서, 전력을 공급하는 장치는 전력 송신 플랫폼(Power Transmitting Platform), 즉 송신기(Power Transmitter)으로 정의되고, 전력을 수신하는 장치는 전력 수신부(Power Receiving Unit), 즉 수신기(Power Receiver)로 정의된다. 이하에서는 설명의 편이를 위하여 전력을 공급하는 전력 송신 플랫폼을 '송신기(transmitter)'라 하고, 전력을 수신하는 전력 수신부를 '수신기(Receiver)'라 하기로 한다.
공진 결합은 λ/2π의 근거리 범위에 잇는 공진기들 간에 일어나며, 본 발명에서는 상기의 공진 결합 현상을 이용하여 송신기로부터 수신기로 무선 전력이 송신된다. 이로써, 종래의 송신기 및 수신기에 내장되어 있던 전력 케이블을 사용하지 않고도 송신기는 수신기에 전력을 공급할 수 있게 된다. 또한 공진 결합 현상을 이용한 무선 전력 송신 시스템은, 기존의 송신기 및 수신기 간의 유도 결합(inductive coupling)에 비하여 임피던스 매칭(impedance matching)를 위한 임피던스들의 배치가 자유롭다. 뿐만 아니라 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템은 다중 충전(multiple charging)이 용이하여 보다 복수 개의 수신기를 한꺼번에 충전함으로써 사용자가 편이를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 시스템의 송신기 및 수신기의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1에서는 도시되지 않았지만, 송신기(10)는 적어도 하나의 수신기(20)에 전력을 서빙(serve), 즉 전송할 수 있다.
송신기(10)는 Tx 공진기(Resonator)(11) 및 Tx 매칭회로(Matching L/C)(12), 전력 증폭기(Power Amplifier)인 Class-E 증폭기Class-E Amp)(13-1) 및 드라이버 증폭기(Driver Amp)(13-2)를 포함하는 Tx 전력 변환부(13), Tx 통신부(14) 및 Tx 제어부(MCU Control Unit)(15)를 포함한다.
송신기(10)는 예를 들어, 7-15V의 DC 전압을 출력하는 DC 어댑터(Adaptor)인 시스템 유닛(System Unit)(30)로부터 상기 7-15V의 DC 전압을 입력받는다. DC 전압이 입력되면, Tx 제어부(15)는 Tx 전력 변환부(13)가 상기 DC 전압을 AC 전압으로 변환하고, 변환된 AC 전압을 증폭시키도록 제어한다. 실시예에 따라 Tx 제어부(15)는 Tx 전력 변환부(13)에서의 AC 전압을 증폭율을 조절할 수 있다. 증폭된 AC 전압은 Tx 공진기(11)에 의하여 수신기(20)의 Rx 공진기(21)에 전달된다.
Tx 제어부(15)는 송신기(10)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(15)는 시스템 유닛(30)으로부터 DC 전압을 입력받도록 송신기(10)를 제어하고, 전력 변환부(13)를 제어하여 증폭된 AC 전압의 배율을 조절할 수 있다. 또한 수신기(20)의 충전이 완료된 경우, 더 이상의 전력을 수신기(20)에 송신하지 않도록 송신기(10)를 제어할 수도 있다. 또한 실시예에 따라 Tx 제어부(15)는 Tx 매칭회로(12)의 임피던스를 조절함으로써 보다 원활하게 송신기(10)의 전력 송신이 이루어지도록 할 수 있다. Tx 제어부(15)는 송신기(10)로부터 전송되는 전력과, 수신기(20)에 전달되는 전력을 비교하여 전력 효율을 계산할 수 있다. 계산된 전력 효율을 기초로, Tx 제어부(15)는 상기 전력 효율이 최대가 되도록 Tx 매칭회로(12)의 임피던스를 조절할 수 있다.
Tx 통신부(14)는 송신기(10)의 유선 또는 무선 통신을 수행한다. Tx 통신부(13)는 수신기(20)로부터 전력 공급 요청을 수신하거나 또는 전력 공급 중지 요청을 수신할 수 있다.
Tx 공진기(11)는 수신기(20)의 Rx 공진기(Resonator)(21)와 커플링되어 AC w전압을 공명파로 공진함으로써 수신기(20)에 전력을 공급한다.
수신기(20)는 Rx 공진기(Resonator)(21) 및 Rx 매칭회로(Matching L/C)(22), AC-DC 정류기(Rectifier)(23-1) 및 DC/DC 컨버터(Converter)(23-2)를 포함하는 Rx 전력 변환부(23), Rx 통신부(24) 및 Rx 제어부(MCU Control Unit)(25)를 포함한다.
Tx 매칭회로(12)의 임피던스와 Rx 매칭회로(22)의 임피던스가 매칭되면, Rx 공진기(21)는 송신기(10)의 Tx 공진기(Resonator)(11)와 커플링되어 상기 송신기(10)로부터 AC 전압을 공급받는다.
Rx 전력 변환부(23)는 Rx 공진기(21)를 통해 수신한 AC 전압을 AC/DC 정류기(23-1)를 통해 DC 전압으로 변환한다. 또한 Rx 전력 변환부(23)는 상기 변환된 DC 전압을 DC/DC 컨버터(23-2)를 통해 상기 변환된 DC 전압을 증폭시킨다. Rx 전력 변환부(23)는 상기와 같이 변환 및 증폭된 DC 전압을 단말기(40)에 전달함으로써 단말기(40)가 상기 DC 전압을 이용하여 구동되도록 한다.
Rx 제어부(25)는 수신기(20)의 전반적인 동작을 제어한다. Rx 제어부(25)는 수신기(20)와 연결된 단말기(40)를 구동시키기 위한 DC 전압을 전달하도록 상기 수신기(20)를 제어한다.
Rx 제어부(25)는 Rx 전력 변환부(23)를 제어하여 증폭되는 DC 전압의 증폭 배율을 조절할 수 있다. 또한 Rx 매칭부(22)의 임피던스를 조절함으로써 보다 원활하게 송신기(10)의 Tx 공진기(11)를 통해 전달되는 전력을 수신할 수 있도록 한다.
Rx 통신부(24)는 수신기(20)의 유선 또는 무선 통신을 수행한다. Rx 통신부(13)는 송신기(10)로부터 전력 공급을 요청하거나 또는 전력 공급 중지를 요청할 수 있다.
본 발명에서, 송신기(10)는 다수의 수신기들(20)에게 전력을 공급할 수 있다. 이를 위하여 송신기(10)는 신중히 고려되어야 할 몇 가지 설계 파라미터들을 포함한다. 상기 설계 파라미터들 중 가장 중요한 것은, 전력 전송을 위한 공진 주파수를 선택하는 것인데, 이는 BOM(bill of material) 비용뿐만 아니라 시스템 성능에도 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 수신기(20)에 고효율로 가변 출력 전력을 제공하도록 송신기(10)는 Tx 공진기(11) 또는 Class-E 증폭기(13-1)를 포함하며, 스위칭 모드 전력 공급(SMPS: Switching Mode Power Supply)과 같은 방식을 취할 수 있다.
(공진 주파수의 선택)
이하에서는, Tx 공진기(11)가 Rx 공진기(21)와 공진 결합을 할 수 있도록 하기 위한 공진 주파수를 송신기(10)의 Tx 제어부(15)가 결정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
일반적으로 무선 전력 송신 시스템에서는, 높은 인덕턴스와 낮은 저항을 가지는 페라이트(ferrite), 인덕터(inductor)가 널리 이용되었지만, 상기 페라이트와 인덕터는 주파수가 10 MHz 이상일 경우에는 비용(cost)이 급격히 증가되는 단점이 있다. 그에 따라 본 발명에서는 10 MHz 이하의 공진 주파수를 사용하여 무선 전력 송신 시스템을 구현하기로 한다. 바람직하게, 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서는 6.78 MHz의 주파수를 이용하여 전력을 송수신할 수 있다.
일반적으로, 공진 주파수가 높아질수록 더 높은 Q(공진 주파수의 선택성을 나타내는 지표)를 갖는 공진 시스템이 용이하게 달성될 수 있다. 특히나 MHz 주파수들의 범위에서는 6.78MHz, 13.56 MHz 및 27.12 MHz와 같은 ISM(Industrial Scientific Medical band) 대역 주파수가 공진 주파수로서 바람직할 수 있다.
효율적인 FET(field effect transistor)에서의 Coss(internal capacitance)값들의 설계를 위해서는 고전력 PA(power amplitude)이 필요하다. Coss는 주파수 값들을 감소시키므로, 낮은 비용의 FET들에 이용 가능하다. FET들의 고유 효율은 고주파수 대역보다 저주파수 대역에서 더 양호하므로, 6.78 MHz 주파수 범위의 효율이 27.12 MHz의 주파수 범위의 효율보다 약 3% 가량 좋다.
Tx 공진기(11)에서 유도되는 AC 전력은 수신기(20)에 포함된 전력 다이오드 정류기, 즉 AC/DC 정류기(23-1)에 필요하며, 주파수가 높을수록 AC 전력 유도의 효율이 낮아진다. AC/DC 정류기(23-1)에 포함된 다이오드를 이용하여 수신기(20)는 Rx 공진기(21)로부터 상기 AC/DC 정류기(23-1)로 전달되는 AC 전력을 정류할 수 있다. 상기 AC/DC 정류기(23-1)에 포함된 다이오드는, 효율성은 높으나 주파수 특성을 저하시킬 수 있다. 특히나 자기발열(self-heating)은 저주파수에서 증가할 수 있으므로, 자기발열 효과를 고려하여 원래 주파수에서 약 2-3 MHz 이상의 공진 주파수를 이용하여 공진 결합을 유도하는 것이 안전하다. 결론적으로 본 발명에서는 상기의 조건들을 만족시키기 위해 일 예로서 6.78 MHz 대역의 공진 주파수를 이용하기로 한다.
본 발명에서 사용하는 Tx 공진기(11)는 저항(resistor), 커패시터(capacitor) 및 인덕터(inductor) 등의 연결 방식에 따라 2가지 타입의 공진기를 고려할 수 있다.
먼저 도 2a는 저항(R), 커패시터(C) 및 인덕터(L)가 직렬로 연결된 직렬 공진기를 도시한 회로도이다. 도 2a와 같은 직렬 공진기는, 자기 쌍극자(magnetic dipole)을 갖는 작은 루프 안테나를 갖는 것이 일반적이다.
도 2b는 저항(R), 커패시터(C) 및 인덕터(L)가 병렬로 연결된 병렬 공진기를 도시한 회로도이다. 도 2b와 같은 병렬 공진기는, 자기 쌍극자를 갖는 작은 와이어 안테나를 갖는 것이 일반적인 특징이다. 도 2a 또는 도 2b에 도시된 직렬 공진기 또는 병렬 공진기의 공진 주파수는 인덕턴스(L)에 따라 조절될 수 있으며, 공진 주파수의 품질 인자(quality factor)는 아래와 같은 수학식 (1)로 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000001
....................수학식 (1)
한편, 무 전력 송신이 인체에 미치는 영향을 최소화하기 위해서는 근거리에 지배적 자기장(dominant magnetic field)을 갖는 직렬 공진기가 적합하다. 인체 및 거의 세계의 거의 대부분의 물질들이 비자기적 물질이기 때문이다.
인공 메타 물질 송신 라인(MTL: Meta material Transmission Line)을 구현하기 위하여 송신기(10)의 송신 라인(미도시)에는 인공 비아 홀(artificial via hole), 갭(gap) 및 스터브(stub)가 상기 송신 라인에 추가될 수 있다. 이하에서는 상기 메타 물질 송신 라인을 이용하여 Tx 공진기(11)를 설계하는 2가지 방법들에 대해 설명하기로 한다. 첫 번째는 엡실론-네거티브(epsilon-negative) MTL이고, 두 번째가 뮤-네거티브(mu-negative) MTL이다.
도 3a는 엡실론-네거티브 회로를 도시한 회로도이고, 도 3b는 뮤-네거티브 회로를 도시한 회로도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 엡실론 네거티브(epsilion-negative: ENG) 송신 라인(Epsilon Negative Transmission Line)은 병렬 인덕턴스(L'L)를 송신 라인 등가 회로에 추가함으로써 달성될 수 있다.
또한 도 3b에 도시된 바와 같이, 뮤-네거티브(mu-negative: MNG) 송신 라인(Mu-Negative Transmission Line)은 직렬 커패시턴스(C'L, C'R)를 송신 라인 등가 회로에 추가함으로써 달성될 수 있다. 본 발명에 따른 Tx 공진기(11)가 손실이 적은(lose-less) 송신 라인이라고 가정하면, 송신 라인의 전파(propagation) 상수(constant)는
Figure PCTKR2012003772-appb-I000002
이며, 여기서 Z'와 Y'는 각각 단위 길이의 임피던스(impedance)와 어드미턴스(admittance)이다. 전파 상수가 계산되면, 하기와 같은 송신 라인의 투자율(permeability, μ) 및 유전율(permittivity, ε)이 산출된다. 투자율 및 유전율은 아래 수학식 2 및 3으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000003
..........(수학식 2)
Figure PCTKR2012003772-appb-I000004
..........(수학식 3)
상기의 수학식 3에서 확인할 수 있듯이, ENG 송신 라인의 투자율(μ)은 항상 양(positive)의 값인 반면에 유전율(ε)은 주파수에 따라 0, 음의 값 및 양의 값일 수 있다. 마찬가지로 MNG 송신 라인은 ENG 송신 라인처럼 0, 음 및 양의 투자율 값을 갖는다.
그에 따라 ENG 및 MNG 송신 라인들 각각은 저주파수에서 종료(stop) 대역을 갖게 된다. 종료 대역을 갖게 되는 것은, 상기 라인들 각각의 주파수가 증가하면서 유전율(ε)과 투자율(μ)이 0이 되기 때문으로, 각 송신 라인의 전파 상수가 0이 될 수 있기 때문이다. 상기와 같이 전파 상수가 0이 됨으로써, 2개의 송신 라인들, 즉 ENG 및 MNG 송신 라인들은 무한값의 파장을 가질 수 있게 된다.
이때, Tx 공진기(11)의 공진 주파수는 아래 수학식 4에 나타낸 바와 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000005
..........(수학식 4)
일반적으로 공진기의 공진 주파수는 공진기의 크기에 의존하므로, 주파수를 조정하고 작은 공진기를 만드는 것이 용이하지 않다. 도 4는 공진 주파수의 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, ENG와 MNG의 0차(zero-th order) 공진을 통해 공진기 크기의 제한 없이 공진기를 설계할 수 있다. 예를 들어, 메타 물질 공진기의 공진 주파수는 공진기의 크기와 독립적이므로, 작은 공진기를 만들고 주파수를 조정하는 것이 용이하다.
한편, ENG 및 MNG 송신 라인들에 따른 공진기들은 각각 근거리에서 지배적인 자기장들을 가진다. 그 중에서도 근거리에서 지배적인 자기장을 갖는 MNG 송신 라인에 따른 공진기는 다른 물질들, 특히 인체에 미치는 영향이 적어 무선 전력 송신 시스템에 적합하다.
(MNG(mu-negative) TL(transmission line) 공진기)
메타 물질 공진기의 주요한 장점은, 공진 주파수가 공진기의 실제 크기에 의존하지 않는다는 점이다. 예를 들어, Helix 공진기의 경우 10 MHz를 가지는 공진 주파수를 가지려면, 0.6미터 직경의 공진기가 필요하다. 마찬가지로 나선형 코일 구조의 공진기의 경우에도 동일한 직경의 공진기가 필요하다. 일반적으로 수신기의 공진 주파수를 줄이기 위해서는 공진기의 크기가 증가되어야 한다. 상기와 같은 단점은 휴대 가능한 무선 전력 송신 시스템을 구현하고 하고자 하는 요구와 일치하지 않는다.
도 5는 메타 물질 MNG 공진기(meta material MNG resonator)의 일 예를 나타낸 도면이다.
MNG 공진기는 MNG 송신 라인과 커패시터로 구성될 수 있다. 본 발명에서 커패시터는 MNG 송신 라인의 임의 위치에 배치되고, 전기장은 상기 커패시터에 의해 캡쳐된다. 또한 전류는 MNG 송신 라인을 통해 흐른다. 공진기가 파장보다 훨씬 작으면, 전류는 MNG 송신 라인의 위치에 관계없이 일정해진다. 따라서 전류 방향에 의해 공진기의 중앙으로부터 y축 방향으로 자기장이 강하게 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, MNG 공진기는 통상적으로 3차원 구조를 갖는다. 그러나 MNG 송신 라인을 x-z 표면에 배치하면, 공진기가 2차원 구조를 가질 수도 있다. 고효율을 가지기 위해서 공진기는 매우 작은 저항(ohmic) 손실을 갖는 구조인 것이 바람직하다. 공진기가 2차원 구조를 가지는 경우, 그로 인한 저항 손실을 줄이기 위하여 공진기의 x축 또는 z축 방향으로 송신 라인의 너비를 증가시키거나 병렬 구조 공진기를 이용할 수 있다.
실제 설계에서 커패시터(capacitor)는 집중된(lumped) 요소 또는 분산된 요소에 의해 MNG 송신 라인으로 삽입될 수 있는데, 이 커패시터는 중앙에 높은 유전율 보드(board)를 갖는 인터-디지털 커패시터(inter-digital capacitor) 또는 갭 커패시터(gap captacitor)일 수 있다. MNG 송신 라인으로의 커패시터 삽입은 공진기가 메타 물질의 특성을 가질 수 있도록 한다.
공진 주파수는 MNG 송신 라인의 고정 송신 라인 길이와 MNG 공진기의 공진기 크기로 커패시턴스를 변경함으로써 달성될 수 있다. 또한 MNG 공진기는 피드 스루(feed through)에 매칭 장치(matching device)(b1)를 구비하는 것이 바람직하다. 매칭 장치의 루프 크기는 도 5에 도시된 바와 같이, 조정 가능해야 한다. 매칭 장치의 루프 크기를 조정 가능하면, 매칭 장치가 MNG 공진기와의 자기 결합의 세기를 조정할 수 있다. 커넥터(connector)로 입력되는 전류(current)는 매칭 장치를 통해 MNG 공진기로 흐른다.
송신기(10) 및 수신기(20) 간의 공진 주파수를 매칭하고 효율을 증가시키기 위하여 본 발명에 따른 공진기에서는, 내부 루프(inside loop)의 맨 위 바(bar)(b1)를 위 아래로 움직일 수 있도록 한다. 도 6은 본 발명에 따른 2가지 유형의 MNG 공진기들의 구조를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 공진기에서는 내부 루프의 맨 위 바(bar)(b1)가 상하로 움직일 뿐만 아니라 내부 루프의 좌우 바들(b2, b3) 각각이 좌우로 움직일 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 Tx 공진기를 일 예를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 공진기 또한 넓은 매칭 특성을 달성하는 것이 바람직하다. 따라서 Tx 공진기(11)는 도 7에 도시된 바와 같이 클로버(clover)의 형태로 구현될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 공진기들의 기계적 및 전기적 파라미터들은 아래 표 1 및 표 2와 같다.
표 1
Parameter Symbol Value
Material(물질) - copper
Width(너비) dx 200 mm
Length(길이) dy 200 mm
Thickness(두께) dz 2 mm
outside loop width(외부 루프 너비) dw 10mm
Inside loop width(내부 루프 공간) di 5mm.
Inside-ouside loop space(내부-외부 루프 공간) dc 5mm
Capacitor(커패시터) C 1230pF
Parameter(파라미터) Symbol Value
표 2
Parameter Symbol Value
Material(물질) - copper
Width(너비) dx 200 mm
Length(길이) dy 200 mm
Thickness(두께) dz 2 mm
outside loop width(외부 루프 너비) dw 10mm
Inside loop width(내부 루프 너비) di 2mm
Inside-ouside loop space(내부-외부 루프 공간) dc 3mm
Inner corner width(내부 코너 너비) da 50mm
Inner corner space(내부 코너 공간) db 5mm
Capacitor(커패시터) C 5700pF
(전력 증폭기)
도 8a 내지 도 8c는 Class-A 증폭기, Class-B 증폭기 및 Class-E 증폭기 각각에 포함된 트랜지스터의 드레인과 소스 사이의 전압 및 전류를 나타낸 그래프이다. 일반적으로, 증폭기의 효율성은 주로 상기 트랜지스터의 드레인과 소스 사이의 전압과 전류의 곱(multiplication)으로 계산될 수 있는 전력 손실로 인해 저하된다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 이론적으로는 도 8c에 도시된 Class-E 증폭기에서 최대 100%의 효율성이 달성될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 Class-E 증폭기(13-1)를 포함하도록 송신기(10)를 설계하기로 한다.
도 9는 스위칭 타입의 전력 증폭기(Power Amplifier)인 Class-E 증폭기(13-1)를 도시한 회로이다. 또한 도 10은 도 9의 스위칭 타입 전력 증폭기에서 스위칭 동작을 실행하였을 때의 전압파 및 전류파를 나타낸 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 스위칭 타입 전력 증폭기인 Class-E 증폭기(13-1)는 스위칭 동작을 수행함으로써 전압파 및 전류파의 중첩을 제거할 수 있으며, 그로 인하여 Class-E 증폭기(13-1)에서의 전력 손실이 최소화될 수 있다. 실시예에 따라 도 9의 Class-E 증폭기(13-1)서는 스위칭 구간 동안 커패시터(C's)에서의 에너지 손실을 줄이기 위해 0-전압 스위칭(zero-voltage switching), 즉 0 전압에서 상기 스위칭이 발생하는 것이 바람직하다.
도 11은 Class-E 증폭기(13-1)에서 FET의 드레인과 소스 간의 내부 커패시턴스(Coss)와 외부 션트 커패시턴스(C's) 사이의 전압을 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, Coss와 C's의 합은 Class-E 증폭기(13-1)의 특징적 커패시턴스로서, 상기 Coss와 C's의 합의 최적 값(Copt)은 아래 수학식 5의 Cs로부터 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000006
..........(수학식 5)
그러나 상기 수학식 5를 이용한다 하더라도, VDD의 범위에서 Copt보다 작은 Coss를 가지는 MOSFET를 찾는 것이 용이하지는 않다.
예를 들어, 374pF 및 15pF의 Copt는 10W 출력 전력을 가지는 Class-E 증폭기(13-1)를 설계하기 위해서는 VDD가 각각 10V 및 50V여야 한다. 그러나 통상적인 MOSFET는 각각 10V와 50V의 VDD에 대해 1100pF와 250pF의 Coss를 갖는다.
이와 같이, MOSFET의 Coss의 값은, 0-전압 스위칭(ZVS: Zero-Voltage-Switching) 동작을 수행하는 경우, Copt의 값보다 더 큰 값을 가진다. 따라서 본 발명에서는 통상적인 MOSFET보다 훨씬 작은 Coss를 갖는 측면 확산 금속 산화물 반도체(LDMOS: latery diffused metal oxide semiconductor)의 일 타입을 이용하였다.
이하에서는, 도 9에 도시된 Class-E 증폭기(13-1)에 대해 설명하기로 한다. 우선, RF 쵸크(Choke) 인덕터의 인덕턴스는 공진 주파수에서 충분히 커야 하며, 작은 DCR(direct conversion receiver)의 인덕터가 바람직하다. FET의 항복전압(breakdown voltage)은 아래 수학식 6으로 주어지는 FET의 소스에서의 피크-대-피크 전압보다 커야 한다. 또한 Copt는 아래 수학식 7과 같이 VDD 대신에 Vp로 나타낼 수 있다. 또한 RLoad와 LLoad는 아래 수학식 8 및 9를 통해 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000007
..........(수학식 6)
Figure PCTKR2012003772-appb-I000008
..........(수학식 7)
Figure PCTKR2012003772-appb-I000009
........(수학식 8)
Figure PCTKR2012003772-appb-I000010
.........(수학식 9)
그러나 50Ω으로 설계된 공진기의 특성 임피던스는 부하(load) 임피던스와 일치하지 않는다. 또한 이와 같이 특성 임피던스와 부하 임피던스가 일치하지 않으면, 공진을 위한 매칭 회로를 설계할 때, Class-E 증폭기(13-1) 파형의 2번째 및 3번째 고주파(harmonics)를 제거하여야 한다. 그에 따라 본 발명에서는 도 12에 도시된 바와 같이 Class-E 증폭기(13-1)와 공진기 사이에 임피던스 매칭 회로를 삽입하였다. 도 12는 본 발명에 따른 Tx 매칭 회로(12), 즉 상기 임피던스 매칭 회로의 일 예를 나타낸 회로도이다. 도 12에 도시된 임피던스 매칭 회로를 통하여 본 발명은 더 높은 효율의 Class-E 증폭기(13-1)를 달성할 수 있다. 도 12는 출력 매칭 회로를 나타낸 회로도이다. 도 12의 각 구성요소들의 값은 아래 수학식들을 통해서 산출될 수 있으며, 특히나 인덕턴스 Ladd의 값은 수학식 10을 통해 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000011
Figure PCTKR2012003772-appb-I000012
.........(수학식 10)
같은 방식으로, 본 발명에서는 아래 수학식 11에 나타나 바와 같이 전력 증폭기의 효율(power amplifier effiency: PAE)을 증가시키기 위한 입력 매칭이 필요하다. 도 13은 입력 매칭 회로를 나타낸 회로도이다. 도 12에서, 트랜지스터의 게이트에 인가되는 커패시턴스를 커패시터 Ciss라 하기로 한다. 공진 입력 구동 회로는 Ciss의 영향을 제거하도록 설계된다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000013
..........(수학식 11)
도 14는 상기에서 서술한 매칭 회로들을 포함한 Class-E 증폭기(13-1)의 최종 등가 회로를 나타낸 회로도이다. 도 14의 회로에 포함된 구성요소들 각각은 예를 들어, 아래 표 3에 나타난 값을 가질 수 있다. 또한 도 15는 본 발명에 따라 제조된 Class-E 증폭기(13-1)의 프로토 타입을 나타낸 도면이다.
표 3
구성요소 값
FET Freescale, MRF6S9125NRB1
CT 3.8 nF
C1 603 pF
C2 100 nF
C3 112 pF.
C4, C5 22uF
Cs 230 pF
LT + Ladd 1 uH
L1 228 nH
L2 1350 nH
L3 22 uH
L4 10 uH
(전력 추적 SMPS(Power Tracking SMPS))
도 16은 일반적인 송신기(10)를 나타낸 블록도이다. 도 16을 참조하면, 송신기(10)는 RF 신호 생성기(RF Signal Generator), 가변 이득 증폭기(Variable Gain Amplifier), 전력 증폭기(Power Amplifier)를 포함하며, 시스템 유닛(30), 예를 들어 SMPS로부터 고정 전압을 공급받을 수 있다.
송신기(10)의 Tx 제어부(15)는 수신기(20)로부터 요구되는 출력 전력을 맞추기 위해 Class- E 증폭기(13-1)의 입력 레벨을 조정한다. 스위칭 모드 전력 공급(SMPS: switching mode power supply)로부터 출력되는 고정 전압(fixed supply voltage)은 전력 증폭기(power amplifier)로 제공된다. 송신기(10)의 최대 효율은 일반적으로 최대 출력 전력의 영역 근처에서 얻어진다. 또한 저출력 전력의 영역에서 송신 효율이 급격히 떨어지는 문제점이 있다.
상기의 문제를 극복하기 위하여 본 발명에서는, 송신기(10)가 도 17에 도시된 바와 같이 출력 전력의 모든 범위에 걸쳐 높은 효율을 유지하도록 전력 추적(power tracking) SMPS를 포함할 수 있다. 도 17을 참조하면, 송신기(10)는 RF 신호 생성기(RF Signal Generator), 가변 이득 증폭기(Variable Gain Amplifier), Class-E 전력 증폭기(PA: power amplifier)를 포함하며, 전력 추적 SMPS로부터 고정 전압을 공급받을 수 있다. 송신기(10)의 출력 전력은 상기 송신기(10)로부터 전력을 공급받는 수신기들(20)의 수에 따라 변화한다.
도 18은 도 17에 도시된 전력 추적 SMPS의 구성을 도시한 블록도이다. 도 18을 참조하면, 전력 추적 SMPS는 정류기(Rectifier) 및 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다. 도 18을 참조하여 설명하면, 60Hz의 220V 직류 전압은 정류기(Rectifier)로 입력되어 교류 전압으로 변환된다. 변환된 교류 전압은 DC/DC 컨버터로 입력되어 다시 직류 전압으로 변환되어 출력된다. 도 18에서 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 전압이 VDD로써 5-25V이다.
도 19는 본 발명에 따른 송신기(10)에서의 6.78MHz 주파수를 발생시키기 위한 주파수 발생기의 구성을 도시한 블록도이다. 도 19를 참조하면, 주파수 발생기는 PLL(phase locked loop) 블록, 로우 패스 필터(LPF: low pass filter), 드라이버(driver)를 포함한다. PLL 블록에서 발생하는 전력 신호의 주파수는 Tx 제어부(15)에서 송신된 PLL_cont 신호에 의해 제어된다. PLL 블록에서 발생된 RF 신호는 고주파와 잡음을 줄이기 위해 10MHz 차단(cut-off) 주파수를 갖는 LPF에 의해 필터링된다. 필터링된 RF는 신호는 드라이버로 입력된다. 이때 드라이버에는 전력 증폭기, 즉 Class-E 증폭기(13-1)가 충분한 전력을 출력하도록 충분한 전류가 제공될 수 있다.
(전력 송신 시스템에서의 송신기 또는 수신기의 보호 방법)
본 발명에 따른 전력 송신 시스템은 송신기(10)와 수신기(20) 사이의 공진 현상을 이용하여 전력을 송수신한다. 그러나 전력 송신 시스템의 공진 주파수는 원하지 않는 사고나 비정상적인 동작의 영향을 받아서 상기 전력 송신 시스템을 치명적 문제에 빠지게 할 수도 있다. 예를 들면, 부적절한 물체의 유입이나 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어, 충전패드(미도시)) 상의 오배치(misplacement)로 인해 결합 특성이 변경되어, 전력 송신의 효율성이 저하될 수 있다. 송신기(10)는 출력 전력을 유지하기 위해 입력 전력을 증가시켜야 하므로, 전력 증폭기, 즉 Class-E 증폭기(13-1)에 포함된 트랜지스터의 구동 전압이 증가되어야 한다. 구동 전압이 증가하면, 상기 트랜지스터가 항복전압에 이를 수도 있다. 그 결과, 상기 트랜지스터에서 증가된 전압이 과전압, 과전류 및 과온도를 유발시켜 송신기(10)에 심각한 문제점들을 야기시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 전력 송수신 시스템을 보호하기 위한 시스템 보호 기능을 제공한다.
도 20은 본 발명에 따른 송신기에 있어서의 과전압 보호 회로의 일 예를 나타낸 회로도이고, 도 21은 과전압 보호 회로의 기본적인 동작 원리를 나타내기 위한 회로이다.
도 21을 참조하여 FET 드레인의 DC 바이어스 전압과 공진기의 AC 출력 전압을 살펴보기로 한다. 상기 DC 바이어스 전압 및 AC 출력 전압들은 높은 임피던스 저항 분할기에 의해 전력 증폭기의 성능 손실을 일으키지 않고 샘플링된다. 공진기 전압 모니터링의 경우, AC 샘플링된 출력 전압은 반파 정류기(half rectifier)에 의해 정류되어 DC 전압으로 변환된다. 2개의 모니터링된 전압들, 즉 DC 바이어스 전압 및 AC 출력 전압의 값들은 Tx 제어부(15)로 송신된다. 이때 모니터링된 전압 레벨들, 즉 DC 바이어스 전압 또는 AC 출력 전압의 전압 레벨들이 각 임계값보다 큰 경우, 보호가 필요하다. 과전압 보호(over-voltage protection: OVP)를 위해, Tx 제어부(15)는 FET의 드레인 바이어스 전압을 줄이기 위한 제어 신호를 SMPS로 송신한다. 송신기(10)는 모니터링 전압 레벨들을 재충전하기 시작하여, 이들이 각 임계값을 초과하는지 모니터링한다. 과전압이 다시 발생하면, Tx 제어부(15)는 송신기(10)의 동작을 중단(shut-down)시킬 수 있다.
도 22는 본 발명에 따른 송신기에서의 보호 회로의 다른 예를 나타낸 회로도이다.
도 22에 도시된 회로는 과전류로부터 회로를 보호하기 위한 보호 회로의 일 예이다. 전력 장치, 즉 송신기(10)는 온저항(on-resistance)을 가지므로, 상기 전력 장치가 스위치로 동작하는 고효율 전력 증폭기라고 하더라도 스위치-온 상황(regime)에서는 상기 전력 장치에 작은 전압이 인가된다. 이와 같이 전력 장치, 즉 송신기(10)에 인가되는 전압의 전압 레벨은 상기 송신기(10)에 흐르는 전류 레벨에 비례한다. 따라서 송신기(10)에 인가된 전압의 레벨은 과전류가 흐를 때 증가한다. 송신기(10)의 전원이 켜지는 전원 온 상태에서의 전압 레벨을 측정하여야 하므로 본 실시예에서는 상기 전압 레벨을 검출하기 위한 스위치를 포함하여 설계될 수 있다. 스위치는 입력 신호와 동기화된 펄스에 의해 제어되어, 이력현상(hysteresis)을 갖는 비교 장치(미도시)에 의해 바람직한 펄스 온/오프 시간을 제어할 수 있다. 이때 상기 비교 장치는 Tx 제어부(15)에 포함되는 형태로 구현될 수 있다.
온 모드(on-mode)에서 저항은 매우 작으므로, 상기 스위치의 출력 전압 레벨도 낮다. 따라서 본 실시예에서는 상기 스위치의 출력 전압을 증폭시키기 위한 증폭기를 더 포함할 수 있다. 증폭기를 통해 증폭된 신호, 즉 스위치의 출력 전압을 이용하여 Tx 제어부(15)는 회로의 보호가 필요한지 여부를 결정한다. 송신기(10)의 피크 전류 레벨이 증가하면, 증폭기를 통해 증폭된 신호, 즉 스위치의 출력 전압의 피크 전압 또한 증가하므로, Tx 제어부(15)는 적절한 이력 임계 레벨을 설정하여 보호 레벨을 설정할 수 있다.
도 23은 본 발명에 따른 송신기에서의 보호 회로의 또 다른 예를 나타낸 회로도이다.
도 23에 도시된 회로는 과온도 보호 회로를 도시한 회로도이다. 도 23을 참조하면, 회로는 FET 스위치 근처의 온도 센서(예를 들어, 서미스터(thermistor))를 구비하여 송신기(10)의 과온도를 검출한다. 실시예에 따라 상기 온도 센서로서, TMP302B 시리즈 온도 센서 스위치를 이용할 수 있다. FET 스위치 주변의 온도가 미리 설정된 특정 온도까지 올라가면, 온도 센서 스위치의 출력은 하이 레벨에서 로우 레벨로 전환된다. 이와 같이, 온도 센서 스위치의 출력이 로우 레벨이 되면, Tx 제어부(15)는 과온도가 발생하였음을 알아차린다. Tx 제어부(15)는, 아이들 모드 상태 전압(idle mode state voltage)으로서 FET에 인가되는 명령에 해당하는 전압 VDD에 SMPS 제어 신호를 적용하여 송신한다. FET에 인가되는 전압이 감소하면, Tx 제어부(15)는 상기 과온도를 줄이면서 송신기(10)를 보호할 수 있다.
실시예에 따라 송신기(10) 외의 다른 오염 물질들이 나타날 수도 있다. 송신기(10) 외의 다른 오염 물질들이 무선 전력 송신 시스템의 Tx 공진기(11)에 나타나고, 상기 Tx 공진기(11)를 통하여 Tx 전력이 수신기(20)로 송신되고 있다고 가정한다. 이와 같이 전력이 송신되고 있을 때 송신기(10)에 와류(Eddy current)가 발생하여 금속의 표면 온도가 올라가고 시스템에 손상을 입힐 수 있다.
송신기(10)는 상기 와류가 발생하게 된 원인이 되는 물질, 즉 금속 오염 물질이 외부 물질인지 또는 Rx 공진기(21)인지 여부를 판단하여 전력 송신을 제어하여야 한다. 특정 오염 물체가 Tx 공진기(11)에 나타나면, 상기 오염 물체로 인하여 송신기(10) 내부의 전압 또는 전류가 가변(varying) 공진 임피던스로 인하여 변경될 수 있다. 상기 가변 공진 임피던스의 변화를 인식하면, 송신기(10)는 수신기(20)에 상기 임피던스의 변화를 알리기 위한 제어 신호를 송신한다.
또한 수신기(20)는 상기 송신기(10)로부터 전송된 제어 신호 및 전력, 예를 들어 전기 신호를 수신한다. 그러나 상기 오염 물체가 금속 오염물의 경우, 송신기(10)는 제어 신호를 송신할 수 없다. 송신기(10)의 Tx 제어부(15)는 Tx 공진기(11) 상에 배치된 오염 물질이 수신기(20)인지 또는 다른 물질들인지를 판단할 수 있다.
실시예에 따라 전력 송신 시스템(1)의 Q값과 공진 주파수는, 특히 Tx 공진기(11)에 포함된 공진 컨덕터 주위의 전자기장을 방해하는 금속에 쉽게 영향을 받을 수 있다. 송신기(10)의 Tx 공진기(11)의 경우, 전자기장의 방해는 상기 Tx 공진기(11)의 성능을 심하게 악화시킬 수 있다. 따라서 송신기(10)에 대한 외부 환경의 영향을 최소화하기 위해서 전자기 차폐 기술을 송신기(10) 또는 수신기(20)에 구현하는 것이 바람직하다.
(전력 송신 효율(power transfer efficiency: PTE))
이하에서는 본 발명에 따른 전력 송신 시스템에서의 송신기(10)의 성능을 확인하기 위하여 위에서 서술한 Class-E 증폭기(13-1)인 전력 증폭기(power amplifier), SMPS 및 Tx 공진기(11)에 대한 시뮬레이션을 수행한 것에 대하여 서술하기로 한다.
도 24는 본 발명에 따른 전력 송신 시스템에서의 송신기(10)로부터 송신되는 DC 전력에 대하여 상기 DC 전력을 수신하는 수신기(20)의 DC 전력을 비율로 나타낸 도면이다. 송신기(10)가 수신기(20)로 송신하는 전력을 'DC 송신 전력'이라 하고, 수신기(20)가 상기 DC 송신 전력 중에서 실제로 수신하는 전력을 'DC 수신 전력'이라 하기로 한다.
송신기(10)의 송신기 전자 효율(TEE: Transmitter electronic efficiency)은 SMPS로부터 송신기(10)로 입력되는 DC 입력(Tx DC input)에 대한 송신기(10)의 AC 출력(AC output)의 비율로서 정의될 수 있다. 아래 수학식 12는 송신기 전자 효율을 구하기 위한 것이다.
또한 공진 결합 효율(RCE: resonance coupling efficiency)은 Tx 공진기(11)와 Rx 공진기(21) 간의 공진 결합, 즉 Tx 공진기(11)로부터 출력되는 AC 전력(Tx AC) 및 Rx 공진기(21)로 입력되는 AC 전력(Rx AC)의 비율로서 정의될 수 있다. 아래 수학식 13은 공진 결합 효율을 산출하기 위한 것이다. 수신기 전자 효율(REE: receiver electronic efficiency)은 수신기(20)로부터 입력되는 AC 전력(Rx AC input)과, 상기 수신기(20)로부터 출력되는 DC 전력(DC output)의 비율로서 정의될 수 있다. 수학식 14는 수신기 전자 효율을 구하기 위한 것이다. 전력 송신 효율(PTE: power transfer efficiency)은 아래 수학식 15에 나타난 바와 같이 TEE, RCE 및 REE의 곱의 함수이다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000014
.........(수학식 12)
Figure PCTKR2012003772-appb-I000015
.........(수학식 13)
Figure PCTKR2012003772-appb-I000016
..........(수학식 14)
Figure PCTKR2012003772-appb-I000017
..........(수학식 15)
송신기(10)의 구현 결과로써 전력 증폭기, 즉 Class-E 증폭기(13-1)가 88%의 효율을 가진다고 하여도 여전히 약간의 손실이 발생한다. 도 25는 송신기(10)에 발생하는 손실을 설명하기 위한 회로도이다.
입출력 커패시턴스들은 공명 게이트 파생값(resonant gate derive)과 ZVS(zero-voltage switching)에 의하여 제거되지만, 도 25에 도시된 바와 같이 쵸크 인덕터(Lchoke)의 DCR, 트랜지스터의 드레인 및 소스 간의 저항 RDS, 인덕터(L)의 ESR(electron spin resonance)로 인한 손실은 제거되지 않는다. 도 25는 전력 증폭기에서 발생하는 잔여(remaining) 손실을 설명하기 위한 회로도이고, 아래 표 4는 Q값인 LT에 대응하는 전력 증폭기(PA: power amplifier), 즉 Class-E 증폭기(13-1)의 효율을 나타낸 것이다.
표 4
Q 값 LT PA 효율
이상적인 값 86 %
70 82 %
30 78 %
10 66 %
RDS만을 고려하면, Class-E 증폭기(13-1)의 효율은 95%까지의 효율성을 가질 수 있다. 그러나 ESR(electrical series resistance)을 포함한다면 약 86%까지의 효율성을 달성할 수 있다. 전력 증폭기의 효율성을 더 높이기 위하여 Q값(
Figure PCTKR2012003772-appb-I000018
)에 따른 전력 증폭기의 효율성 변화를 확인할 수 있다.
Q값이 높을수록 전력 증폭기가 높은 효율성을 가질 수 있다. 얇은 두께(15mm 이하)를 유지하면서 직렬 인덕터의 Q값을 증가시키기 위해서는, 도 26에서와 같이 높은 Q값의 인덕터를 병렬로 연결할 수 있다. 도 26은 Q값을 높이기 위하여 인덕터들(LP1, LP2, LP3)을 병렬로 연결시킨 회로이다. 도 26과 같이 인덕터들(LP1, LP2, LP3)을 병렬로 연결하면, ESR을 줄이고 Q값을 약 5 정도 증가시킬 수 있다. 도 27은 전력 증폭기 효율별 출력 전력의 레벨을 나타낸 그래프이다.
이와 같이 도 26과 같은 병렬 인덕터들(LP1, LP2, LP3)을 전력 증폭기에 적용하면 ESR에 의한 손실이 줄어들어 상기 전력 증폭기의 효율성이 88%에서 89%까지 증가할 수 있다.
한편, Class-E 증폭기(13-1)는 SMPS의 관점에서 16Ω의 부하로 여겨지므로, 출력 부하 16Ω 임피던스를 갖는 출력 전력에 따라 SMPS의 효율을 추정할 수 있다. 예를 들어, SMPS는 9V의 전압이 입력되는 저-모드(low-mode) 동작 구조에서는 약 67%의 효율을 가진다. 또한 SMPS는 15V가 입력되는 고-모드(high-mode) 동작 구조에서는 80% SMPS 효율을 가질 수 있다
아래 표 5는 출력 전력(VDD)에 따른 SMPS의 효율을 나타낸 것이다.
표 5
VDD (V) IDD(A) PAC(W) 효율 (%)
8 0.501 6.3 63.61
9 0.569 7.63 67.11
10 0.634 9.18 69.07
11 0.697 10.84 70.72
12 0.761 12.66 72.13
13 0.825 14.47 74.11
14 0.887 16.18 76.74
15 0.95 17.76 80.23
도 28은 6.78MHz의 주파수 발생기와 전력 증폭기를 포함하는 송신기(10)의 효율을 측정하기 위한 회로를 나타낸 회로도이고, 도 29는 상기 도 28의 전력 증폭기에서 발생하는 고주파의 진폭을 나타낸 그래프이다.
도 28에 도시된 회로도는, 3-10W의 출력 전력 범위 내에서 약 65%의 효율을 가진다. 도 29는 상기 도 28의 회로에서 중앙 주파수가 6.78MHz일 때 상기 6.78MHz의 중앙 주파수의 2배 내지는 3의 주파수를 가지는 출력 고주파들의 진폭을 나타내고 있다. 상술한 출력 고주파는, 제2고주파에서 -52.51dBc이고, 제3고주파에서는 -35.29dB이다.
위에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 송신기(10)는 저-모드 동작 영역(9V 입력 전압)에서는 약 67%의 SMPS 효율을, 고-모드 동작 영역(15V 입력 전압)에서는 약 80%의 SMPS 효율을 가질 수 있다. 이와 같이, 현재의 전송기(10)에서는 2가지 동작 모드들, 즉 저/고 모드 동작이 존재한다. 표 6은 본 발명에 따른 상기 저-모드 또는 고-모드에 따른 송신기(10) 상의 입력 전압, 입력 전류, 입력 전력을 나타낸 표이다.
표 6
모드 입력 전압 입력 전류 입력 전력
저 모드 9V 0.569A 7.63W
고 모드 15V 0.95A 17.76W
표 7
크기(mm) f1(MHz) f2(MHz) Q f0(MHz) Cap(pF)
6시트(0.53mm) 70x40x0.52 6.836 6.563 36.6 6.47 5130
송신기 200X200X2 6.828 6.842 488.6 6.84 1700
송신기(10) 및 수신기(20)의 공진기들(11, 21) 모두에서, 총 전기 직렬 저항(ESR: electrical series resistance)값을 줄이기 위해 단일 커패시터를 이용하는 대신, 커패시터들을 병렬로 연결한다. 수신기(20)의 경우, 병렬 컨덕터 구조는 컨덕터의 저항을 줄이는데 이용될 수 있다. 송신기(10) 및 수신기(20)의 공진기들(11, 21)의 크기 및 특성은 표 7과 같다. f0는 공진기(11, 21)의 공진 주파수이다. 3dB 대역폭의 f0의 경우, 하부 및 상부 주파수들을 각각 f1 및 f2로 정의한다. 이때 송신기(10) 및 수신기(20)의 Q값들은 각각 약 '~900' 및 '~200'이다. Q인자는 상기 수신기(20)가 설치되는 장치 중 상기 수신기(20)가 Rx 공진기(21) 상에 놓여질 때 측정될 수 있다.
도 30b는 이동통신 단말기(mobile communication terminal)에 삽입될 수 있는 수신기(20)에서의 Rx 공진기(21)의 일 예를 도시한 것이다. 도 30b를 참조하여 설명하면, 차폐 시트(shield sheet)(μ=130, μ''=1.15, 유전손실(loss tangent) = 0.00884)는 Rx 공진기(21) 아래에 배치된다. 마스킹제(masking reagent)의 크기는 수신기(20)의 Rx 공진기(21)보다 2mm 더 큰 '74mm × 44mm'일 수 있다. 또한 마스킹제의 두께는 1mm로 설정될 수 있다.
이동통신 단말기 충전의 경우 송신기(10) 및 수신기(20)가 패킹될 때 상기 송신기(10) 및 수신기(20) 간에는 3mm 이상의 송신 거리를 두고 결합 특징 및 송신 효율이 측정되는 것이 바람직하다. 또한 이동통신 단말기는, 통신 모듈, 정류기 및 매칭 회로를 상기 이동통신 단말기 내에 삽입하는 형태로 구현될 수 있다.
도 31은 상기 수신기(20)가 싱글 수신기인 경우의 결합 특징 및 송신 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 도시한 도면이다. 6.78MHz의 신호 소스 및 전압 VDD 및 전류 IDD가 인가되는 Class-E 증폭기(13-1)와 연결된 Tx 공진기(11)에 Rx 공진기(21)가 결합된다. Rx 공진기(21)에는 Rx 매칭 네트워크(Rx matching network)인 Rx 로드(load) 및 전기적 로더(electrical loader)가 연결된다. 이와 같은 구성 요소들은 도 32에 도시된 바와 같이 이동통신 단말기에 삽입될 수 있다.
도 32는 Rx 공진기(21)에서의 입력되는 신호를 측정하는 측정 영역을 나타낸 도면이다. Rx 공진기(21)에서의 공진 강도를 측정하기 위하여, Rx 공진기(21)는 도 32와 같이 대칭적인 부분을 제외한 9개의 영역들((1)~(9))로 나누어진 후에 반으로 분할되어 측정될 수 있다. 이동통신 단말기의 크기와 상기 이동통신 단말기 내에 설치된 Rx 공진기(21)의 위치를 고려하면, 영역 (5), (7) 및 (8)은 수신기(20)의 Rx 공진기(21)가 위치할 수 있는 중앙 위치에 해당한다고 볼 수 있다. 아래 표 8은 Rx 공진기(21)에서의 시뮬레이션된 효율, 측정된 효율 및 전력 증폭기의 효율을 고려한 DC/DC 변환 효율을 도시한 것이다. 단일 수신기(20)의 경우, 효율 분산은 74.35% ~ 91.83%로 측정된다.
표 8
위치 측정 효율(%)
TRX 공진기 시스템 (PA + 공진기 + RX)
(1) 71.2 38.5
(2) 70.7 38.2
(3) 71.7 38.4
(4) 59.3 32.0
(5) 51.2 28.0
(6) 58.5 31.6
도 33은 수신기(20)가 다수인 경우, 즉 멀티 수신기인 경우에 수신기(20) 각각에 포함된 Rx 공진기(21)에 입력되는 신호를 측정하는 측정 영역을 도시한 도면이다. 도 33을 참조하여 설명하면, 도 33에 도시된 측정 영역에서는 3개의 수신기들이 대칭적으로 및 비대칭적으로 위치할 때의 측정 위치를 나타내고 있다. 도 33에서, T는 송신기(10)에 포함된 Tx 공진기(11)의 최상위 위치이고, C는 중앙, B는 최하위를 나타내는 것으로 가정한다. 도 3에서는 Tx 공진기(11)를 기준으로 T1에 위치한 이동통신 단말기, B2에 위치한 이동통신 단말기 및 C3에 위치한 이동통신 단말기를 도시하고 있다. 또한 도 33에서는 측정 영역들 중 중앙에서 에지로의 위치들은 숫자 0부터 7로 나타내었다.
아래 표 9는 멀티 수신기인 경우의 각 측정 영역에서의 수신기(20)의 전력 수신 효율 및 전력 분포를 나타낸 것이다.
표 9
측정 효율 (%)(공진기 효율, 시스템 효율)
위치 (T2) (T3) (C1) (C2) (C3) (B1) (B2) (B3)
(T1) (?,?) (50.5,27.3) (?,?) (?,?) (50.7,27.4) (?,?) (?,?) (51.5,27.8)
(T2) - (44.4,24.0) (?,?) (?,?) (35.0,18.9) (?,?) (?,?) (24.8,13.4)
(T3) - - (52.8,28.5) (50.4,27.2) (?,?) (45.9,24.8) (40.1,21.7) (?,?)
(C1) - - - (?,?) (56.1,30.3) (?,?) (?,?) (36.7,19.8)
(C2) - - - - (47.4,25.6) (?,?) (?,?) (43.0,23.2)
(C3) - - - - - (42.9,23.2) (44.3,23.9) (?,?)
(B1) - - - - - - (?,?) (50.5,27.3)
(B2) - - - - - - - (25.0,13.5)
표 9에서 알 수 있듯이, 대칭이 되는 멀티 수신기 경우의 시뮬레이션 및 측정 효율은 각각 81.11%~90.53% 및 80.24%~88.1%이고, 이들은 약 8% 이하의 차이를 갖는다. 표 9에 나타난 바와 같이, 전력은 2개의 수신기들(20)에 잘 분포되어 있다. 비대칭이 되는 멀티 수신기의 경우에서도, 전력이 수신되는 총 효율은 84%~86.59%로 측정되고, 전력은 2개의 수신기들(20)에 잘 분산되어 있음을 표 9를 통해 알 수 있다.
(수신기(Receiver))
이하에서는 2개의 공진기들, 즉 송신기(10)의 Tx 공진기(11) 및 수신기(20)의 Rx 공진기(21) 간의 근거리 자기 유도에 기초한 전력 송신 시스템을 설명하고자 한다. 본 발명에 따른 수신기(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이 Rx 공진기(21), AC/DC 정류기(23-1), DC/DC 컨버터(23-2), Rx 통신부(24) 및 Rx 제어부(25)를 포함하며, 보호회로를 더 포함할 수 있다.
(수신기의 Rx 공진기)
본 발명의 일 실시예에 따라 Rx 공진기(21)는 뮤 네거티브 송신 라인(mu-negative transmission line) 공진기로 구현될 수 있다. 구리로 만들어진 MNG TL 공진기는 직렬 커패시터를 갖는 내부 루프(inside loop) 및 외부 루프(outside loop)로 구성된다. 그에 따라 MNG TL 공진기는 더 양호한 공진 효율을 위해 내부 루프 위치를 이동시켜 매칭 특성을 제어할 수 있다.
또한 MNG TL 공진기에 포함된 몇 십 개의 직렬 커패시터들이 낮은 등가 직렬 저항을 위해 이용될 수 있다. 송신기(10)의 Tx 공진기(11)처럼, 수신기(20)의 Rx 공진기(21)도 인체의 영향을 피하기 위해서 근거리에 지배적인 자기장을 갖는 자기 쌍극(dipole)을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 커패시턴스 값을 통해 주파수를 쉽게 조정할 수 있는 직렬 공진이 수신기(20)의 Rx 공진기(21)에 이용된다.
도 34는 본 발명에 따른 Rx 공진기(21)로 구현될 수 있는 MNG TL 공진기를 도시한 도면이다. 도 34의 MNG TL 공진기는 공진 주파수를 매칭하고 공진 효율을 증가시키기 위해, '내부 루프'의 최상위 부분을 위아래로 움직일 수 있다.
아래 표 10에는 MNG TL 공진기에 대한 파라미터들이 열거되어 있다. 또한 도 35는 본 발명에 따른 Rx 공진기(21)로써 구현된 MNG TL 공진기를 나타낸 도면이다.
표 10
파라미터 심볼 값
재료 - 구리(구리의 저항 손실을 줄이기 위한 6층 구조)
너비 dx 78mm
길이 dy 45mm
두께 dz 0.53mm
내부 루프 너비 di 0.85mm
내부-외부 루프 공간 dc 2.1mm
커패시터 C 1230pF(병렬로 연결된 20개 이상의 커패시터들)
(수신기의 AC/DC 정류기)
1MHz 또는 더 높은 RF(radio frequency) 대역에서 AC/DC 정류기(23-1)가 90% 이상의 효율을 갖도록 하기 위해서는, 기본적으로 AC/DC 정류기(23-1)에 포함되는 다이오드가 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)인 것이 바람직하다. 쇼트키 다이오드는 전하가 다수 캐리어에 의해 전달되므로 소수 캐리어에 의한 전하 축적이 없어 낮은 강하 전압과 빠른 속도를 갖는다. 따라서 1MHz~15MHz RF 대역에서 공진 타입의 무선 전력 수신은 낮은 강하 전압을 갖는 쇼트키 다이오드를 이용하는 것이 바람직하다.
도 36은 쇼트키 다이오드 및 상기 쇼트키 다이오드의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 쇼트키 다이오드는 아이들 다이오드(ideal diode) 턴 온에 필요한 전압 Von과, 쇼트키 다이오드에 인가되는 전류에 따라 특성이 변하는 저항 Ron으로 구성될 수 있다. 제조 회사 및 제조 공정에 따라 다양한 쇼트키 다이오드가 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 고효율 정류기 회로를 설계하기 위해서는 특정 전류 레벨에서 특정값 이하의 강하 전압을 갖는 쇼트키 다이오드를 선택하는 것이 바람직하다.
도 37a 및 도 37b는 전력 송신 시스템에서 사용할 수 있는 쇼트키 다이오드의 전류 레벨 및 전압 레벨을 나타낸 그래프이다. 이때 도 37a의 쇼트키 다이오드(이하, 제1쇼트키 다이오드)와 도 37b의 쇼트키 다이오드(이하, 제2쇼트키 다이오드)는 각기 다른 회사에서 제조된 것이다.
도 37a 및 도 37b를 참조하면, 전류 레벨이 증가하면서, 강하 전압 또한 증가한다. 도 37a는 제1쇼트키 다이오드의 곡선f0을 도시하고 있다. 도 37a를 참조하면 전류가 0.5A이면, 제1쇼트키 다이오드의 강하 전압은 0.48V가 된다. 도 37b는 제2쇼트키 다이오드의 곡선 f0을 도시하고 있다. 제2쇼트키 다이오드의 경우, 0.5A의 전류가 흐르면 제2쇼트키 다이오드에서의 강하 전압은 0.3V이다.
도 38은 전체파(full-wave) 브릿지 다이오드 정류회로를 나타낸 회로도이다. 전체파 브릿지 다이오드 정류회로는 한 경로당 2개의 다이오드들을 가지므로, 제1쇼트키 다이오드를 이용하여 구현하면, 0.5A 전류가 흐를 때 강하 전압은 '2 × 0.48 = 0.96V'이 된다. 따라서 제1쇼트키 다이오드에서 소비되는 전력은 '0.96V × 0.5A = 0.48W'이다. 부하에서 2.5W 전력이 소비되고, 수신기(20)의 효율이 80%라고 가정하면, 입력 RF 전력은 '2.5 - 0.8 = 3.125W'이므로, 제1쇼트키 다이오드를 사용한 전체파 브릿지 다이오드 정류회로의 최종 효율은 아래 수학식 16과 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000019
……………수학식 (16)
또한 제2쇼트키 다이오드를 이용하여 전체파 브릿지 다이오드 정류회로를 구현할 수도 있다. 제2쇼트키 다이오드를 이용한 경우, 제2쇼트키 다이오드에 전류 0.5A가 흐르면 상기 제2쇼트키 다이오드에서의 전압 강하는 '2 × 0.3 = 0.6V'이 된다. 따라서 제2쇼트키 다이오드에서 소비되는 전력은 '0.6V × 0.5A = 0.3W'이다. 부하에서 2.5W 전력이 소비되고, 수신기(20)의 효율이 80%라고 가정하면, 입력 RF 전력은 '2.5 - 0.8 = 3.125W'이므로, 전체파 브릿지 다이오드 정류회로의 최종 효율은 아래 수학식 17과 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000020
……………수학식 (17)
상기의 수학식 16 및 17을 통해 90% 이상의 효율을 갖는 전체파 브릿지 다이오드 정류회로를 구현하고자 하는 경우에는 제2쇼트키 다이오드를 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 39 및 도 40은 신호 발생기를 이용하여 전체파 브릿지 정류회로를 테스트하는 회로도이다. 신호 발생기(signal generator)를 이용하여 전체파 브릿지 정류회로를 테스트하는 경우, 도 39에 도시된 바와 같이 신호 발생기로부터의 신호가 전체파 브릿지 정류회로의 접지에 연결되어 차동 신호의 역할을 수행할 수 없다. 따라서 전체파 브릿지 정류회로를 테스트할 때에는 Balun과 같은 지그(Zig) 측정부가 필요하다. 도 40은 상기 지그 측정부를 포함시킨 전체파 브릿지 정류회로를 나타낸다.
도 41a 및 도 41b는 각기 다른 회사에서 제조된 듀얼 다이오드의 전압 레벨 및 전류 레벨을 나타낸 그래프이다. 도 41a의 듀얼 다이오드를 '제1듀얼 다이오드'라 하고, 도 41b의 듀얼 다이오드를 '제2듀얼 다이오드'라 하기로 한다. 제1 및 제2듀얼 다이오드는, 병렬 다이오드 즉 듀얼 다이오드를 이용하여 전류를 2개의 경로들로 분리함으로써 강하 전압을 감소시키는 것이다.
제1쇼트키 다이오드의 경우, 전류가 0.5A일 때, 제1쇼트키 다이오드의 강하 전압은 0.48V이다. 또한 듀얼 다이오드 전체파 브릿지 정류회로에서 0.25A의 전류가 각 경로에 인가될 때 두 개의 다이오드가 병렬로 연결된 제1듀얼 다이오드를 이용하면, 각 다이오드에 대한 강하 전압은 0.4V가 된다. 듀얼 다이오드 전체파 브릿지 정류회로의 각 경로에 직렬로 연결된 2개의 다이오드들이 존재하므로, 총 강하 전압은 2 × 0.4 = 0.8V이다. 따라서, 다이오드의 전력 소비는 '0.8V × 0.5A = 0.4W'이다. 부하에서 2.5W 전력이 소비되고 수신기(20)의 효율이 80%라고 가정하면, 입력 RF 전력은 '2.5 - 0.8 = 3.125W'이므로, 제1듀얼 다이오드를 사용하는 듀얼 다이오드 전체파 브릿지 정류회로의 전체 효율은 아래 수학식 18과 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000021
……………수학식 (18)
또한, 제2쇼트키 다이오드의 경우, 전류가 0.5A이면 제2쇼트키 다이오드의 강하 전압은 0.3V가 된다. 또한 듀얼 다이오드 전체파 브릿지 정류회로의 각 경로에서 0.25A의 전류가 흐를 때 제2듀얼 다이오드를 이용하면, 각 다이오드에 대해 강하 전압은 0.26V가 된다. 듀얼 다이오드 전체파 브릿지 정류회로의 경우 각 경로에 직렬의 2개의 다이오드들이 존재하므로, 총 강하 전압은 '2 × 0.4 × 0.26 = 0.52V'이 된다. 따라서 다이오드의 전력 소비는 '0.52V × 0.5A = 0.26W'이다. 부하에서 2.5W 전력이 소비되고 수신기(20)의 효율이 80%라고 가정하면, 입력 RF 전력은 '2.5 - 0.8 = 3.125W'이므로, 제2듀얼 다이오드를 사용하는 듀얼 다이오드 전체파 브릿지 정류회로의 전체 효율은 아래 수학식 19와 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000022
……………수학식 (19)
상기에서 알 수 있듯이, 듀얼 다이오드를 사용하여 정류기가 설계되는 경우 정류기의 효율은 2~3% 증가한다. 제1쇼트키 다이오드를 병렬로 3개 연결한 병렬 다이오드를 이용한다고 가정한다. 제1쇼트키 다이오드의 경우, 0.5A의 전류가 있으면 제1쇼트키 다이오드의 강하 전압은 0.48V이 된다. 전체파 브릿지 정류회로의 각 경로에서 0.17A의 전류가 흐를 때 3개의 병렬 다이오드를 이용하면, 각 다이오드에 대해 강하 전압은 0.38V가 되므로, 전체파 브릿지 정류회로의 전체 효율은 아래 수학식 20과 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000023
……………수학식 (20)
또한 제2쇼트키 다이오드를 병렬로 3개 연결한 병렬 다이오드를 이용한다고 가정한다. 0.5A의 전류가 있으면, 제2쇼트키 다이오드의 강하 전압은 0.3V가 되고, 전체파 브릿지 정류회로의 각 경로에 0.17A 전류가 흐를 때 3개의 병렬 다이오드들을 이용하면, 각 다이오드에 대한 강하 전압은 0.25V가 되므로, 전체파 브릿지 정류회로의 전체 효율은 아래 수학식 21과 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000024
……………수학식 (21)
상기와 같이, 3개의 제1 또는 제2쇼트키 다이오드를 병렬로 연결한 병렬 다이오드들을 이용하면, 듀얼 다이오드의 경우에 비해 효율이 0.4~0.6%만 증가된다. 따라서 칩 크기와 비용 증가를 고려할 때, 3개의 병렬 다이오드들을 이용하는 것은 비효율적일 수 있다. 그러나 위에서 열거한 값들은 이상적인 상태인 경우에 해당하는 것들로써, 실제 측정에서는 많은 기생적 인자들을 고려하여야 한다. 그에 따라 3개의 병렬 다이오드들을 사용하여 전체파 브릿지 정류회로의 전체 효율은 상기에서 열거한 값들과 다를 수 있다.
한편, MOS 트랜지스터를 이용하는 활성 정류기는 RFID(radio frequency identification)와 같은 무선 전력 송신 시스템에서 전력 효율을 증가시키기 위해 이용된다. RFID만 최대 몇 십의 mW 전력을 필요로 하므로, 무선 전력 송신 시스템들과는 큰 전력 차이가 존재한다. 그러나 출력 전력 크기를 제외하면, MOS 트랜지스터를 갖는 활성 정류기의 장점은 무선 전력 송신 시스템에도 적용될 수 있다. MOS 트랜지스터를 갖는 활성 정류기는 2개의 카테고리들로 분할될 수 있다. 하나는 MOS 트랜지스터를 다이오드 연결로 이용하는 것이고, 다른 하나는 MOS 트랜지스터를 스위치로 이용하는 것이다. 다이오드 연결을 갖는 MOS 트랜지스터를 이용하는 경우, 통상적인 다이오드가 정류기에 이용될 때와 동일한 문제들이 발생한다. 따라서 전력 효율을 증가시키기 위해서는, MOS 트랜지스터가 스위치로 이용되는 것이 바람직하다.
도 42는 MOS 트랜지스터를 스위치로 이용하는 전체파 활성 정류기의 일 예를 나타낸 회로도이다. Vin이 |Vtp|보다 크거나 -|Vtp|보다 작으면, Vout에 대해 전력 공급을 준비하기 위해 Mp1와 Mp2가 턴온된다. V=0를 가정하면, Vin는 0V보다 크고 전압은 시간에 따라 점점 커진다. Vin이 |Vtp|보다 커지면, Mp1은 턴온된다. Vin은 0V보다 크므로, Vin2은 0V보다 작아져서 CMP2의 출력이 하이(HIGH)가 되고 Mn2는 턴온된다.
이때, Vin가 시간에 따라 감소한다고 가정한다. Vin은 감소하고, Vin2이 0V보다 작아지면, MN2은 턴오프되어야 하지만, CMP2의 출력이 0V가 되기 위해서는 제한된 시간이 필요하다. 한편 Mp1과 Mn2은 모두 턴온된다. Vin은 이미 피크값에서 감소하고 있으므로 Vout보다 작은 전압을 갖는다.
그에 따라 전류는 Vout으로부터 Vin으로 흘러 역 누설전류가 발생한다. 역 누설전류의 발생은 전력 효율을 심각하게 감소시키는 문제를 발생시킬 수 있다. 상기의 문제를 해결하기 위해 V는 0V보다 더 높이 설정되어 Mn2(Mn1)이 우선 셧오프(shut-off)되어야 한다. 이와 같은 방식은 전력 효율을 증가시킬 수 있지만, 이러한 방식을 무선 전력 송신 시스템에 적용시키는 데는 많은 제한이 따른다. 무선 전력 송신 시스템으로부터 수신된 전압의 진폭은 다양한 상황들에서 다르므로, 역 누설전류를 제거하기 위해서는 다른 V값을 설정하는 것이 바람직하다.
공진 정류기는 정류기의 전력 효율을 증가시키기 위해 이용된다. Class-E 정류기는 공진 정류기의 가장 보편적인 타입일 수 있다. 공진 정류기는 송신측의 Class-E 증폭기(13-1)와 유사한 개념으로 이해할 수 있다. 특정 주파수에서 공진 조건을 만족시키기 위해서 공진 정류기의 입력 임피던스를 설정해야 한다. 입력 임피던스를 설정하기 위해 인덕터가 필요하지만, 이동 시스템의 경우 인덕터를 이용하면, 인덕터의 크기가 MHz 대역에서 매우 커지게 되면서 형태(form) 인자가 증가한다.
많은 MOS 트랜지스터 타입들이 있지만, 무선 전력 송신의 정류기 회로에 대해 낮은 Ron 저항과 낮은 입력 커패시턴스를 갖는 MOS 트랜지스터를 선택하는 것이 바람직하다.
(DC/DC 컨버터)
DC/DC 컨버터(23-2)는 스위칭 조절기(regulator)인 벅 컨버터(buck converter)를 이용한다. DC/DC 컨버터(23-2) 선형 조절기인 LDO로서 이용하면, 부하에 알맞은 전력을 송신기(10)가 송신하므로 단일 장치 충전에는 문제가 없다. 그러나 다수의 장치를 충전하는 경우에서 몇몇 부하들을 차지하는 큰 전력을 송신기(10)가 송신할 때, 전력 분산이 완벽하지 못하면 하나의 장치의 LDO는 다른 장치들을 충전하기로 되어 있는 모든 전력을 열(heat)로서 소비할 수도 있다. 도 43은 본 발명에 다른 DC/DC 벅 컨버터를 나타낸 회로도이다. 도 43의 DC/DC 벅 컨버터에서는 충전되는 각 장치들 즉 다수의 수신기들(20)을 최적화한다.
(수신기(20)의 보호 회로)
도 44은 수신기(20) 및 상기 수신기(20)를 보호하기 위한 보호 장치의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 44에 도시된 바와 같이, RF 배리스터(varistor)와 DC 배리스터가 보호 장치에 이용될 수 있다. 쇼트키 다이오드는 낮은 강하 전압과 빠른 속도를 가지지만, 또한 낮은 역 항복전압을 갖기도 한다. 예를 들어, 1A의 커패시턴스를 갖는 쇼트키 다이오드의 역 항복전압은 약 20~30V이다. 통상적인 충전 구조에서 부하 저항은 약 10ＢΩ이므로 RF 입력 전압은 약 20V가 되지만 충전 구조의 시작 및 끝에서, 부하 임피던스는 몇 KΩ 증가되어 RF 입력 전압이 30V보다 커지게 되며, 그로 인하여 쇼트키 다이오드의 파괴(destruction)가 야기될 수 있다. 다수 장치 충전의 경우에도 일시적으로 큰 전력이 수신되고 RF 입력 전압이 커져서 쇼트키 다이오드가 파괴될 수 있다. 따라서 RF 배리스터가 다른 입력에 걸쳐 삽입됨으로써 쇼트키 다이오드가 서지(surge) 전압으로부터 보호되도록 하는 것이 바람직하다. RF 배리스터는 약 27V의 항복전압을 갖는 동시에, 임피던스에서의 영향을 방지하기 위해서 30pF 이하의 커패시턴스를 갖는 RF 배리스터를 선택되는 것이 바람직하다.
또한 정류기에서, 정류기 커패시터는 4μF 이상의 커패시턴스를 갖는 작은 크기의 커패시터를 이용하는 것이 바람직하다. 그러나 작은 크기의 세라믹 커패시터는 약 20V의 작은 역 항복전압을 갖는다. RF 배리스터는 특정 레벨의 전압을 예방하므로, 커패시터는 입력 전력에 의해 항복(breakdown)되지 않는다. 그러나 부하가 완전히 충전되면, 임피던스는 몇 kΩ이 되므로, 30V 이상의 서지 전압이 발생하고, 이는 커패시터를 파괴시킬 수 있다. 따라서 약 18V의 항복 전압을 갖는 DC 배리스터가 커패시터를 보호하는데 이용될 수 있다. 도 45는 보호 구조를 갖는 최적화된 수신기(20)의 회로를 나타낸 도면이다.
한편 공진 타입의 무선 송신기(10)의 경우, Rx 공진기(11)를 상기 송신기(10) 에 삽입할 때, 송신기(10)의 컨덕터와 Rx 공진기(11)가 인접하여 위치된 경우, 역-상(reverse-phase) 자기장을 유발하는 와류가 발생하여 전력 송신 효율이 감소된다. 또한 와류는 원치 않는 자기장으로 인해 송신기(10)의 열화를 유발할 수 있다. 와류를 예방하기 위해서는 저손실의 자기 마스킹제(masking reagent)가 필요하다.
도 46a는 마스킹제를 사용하지 않는 경우의 자기장 분포를 나타낸 도면이고, 도 46b는 마스킹제를 사용한 경우의 자기장 분포를 나타낸 도면이다. 도 46a 및 도 46b를 참조하면 마스킹제가 공기보다 높은 투자율을 가지므로, 마스킹제가 있으면 자기장은 마스킹제로 모인다. 따라서 이전에 언급한 전력 송신 손실을 예방하고, 장치에 대한 원치 않는 영향을 제거할 수 있다. 그러나 손실 요소(loss component)를 갖는 마스킹제는 컨덕터를 가지므로 최소 손실 요소를 갖는 마스킹제를 선택하는 것이 바람직하다.
도 47a는 공진기와 마스킹제 사이에 공간이 없는 경우를 나타낸 도면이고, 도 47b는 공진기와 마스킹제 사이에 공간이 있는 경우를 나타낸 도면이다. 도 47b에서 공진기와 마스킹제 사이는 0.6mm로 가정한다. 또한 표 11은 도 47a에서의 Q값과 도 47b에서의 Q값을 나타낸 것이다.
표 11
마스킹제의 두께 (mm) Q 값 (마스킹제를 이용하지 않는 경우) Q 값 (마스킹제를 이용하는 경우)
0 192 192
0.5 150 163
1 155 171
1.5 158 173
도 47a 및 도 47b, 표 11은 공진기와 마스킹제 위치에 따른 다양한 Q값들을 도시하고 있다. 마스킹제를 이용하는 경우 자기장의 세기가 증가한다. 자기장은 공진기의 L값에 직접 영향을 미치므로, 마스킹제를 이용하는 경우 L값이 증가하면서 공진 주파수가 감소함을 확인할 수 있다. 또한 마스킹제의 두께가 증가할수록 자기장 세기가 증가하므로 더 큰 L 및 Q값들을 가질 수 있다. 그러나 마스킹제에 손실 요소가 있으므로, 마스킹제를 이용하는 경우의 Q값은 마스킹제를 이용하지 않는 경우의 Q값보다 작다. 또한 공진기와 마스킹제 사이에 공간이 있는 경우에는 공진기 특성 손실이 더 작음을 알 수 있다.
도 48a 및 도 48b는 마스킹제 및 장치의 크기와 Rx 공진기(21)의 위치를 도시한 도면이다. 도 48a는 마스킹제의 크기가 컨덕터보다 큰 경우를 나타낸 것이고, 도 48b는 마스킹제의 크기가 컨덕터와 같은 경우를 나타낸다. Tx 공진기(11)로부터의 자기장이 수신기(20) 및 Rx 공진기(21)로 가까워질수록, 전력 송신 효율이 감소한다.
도 49는 도 48a 및 도 48b에 도시된 마스킹제 및 컨덕터 크기에 따른 각각의 결합 효율을 나타낸 그래프이다. 도 49에서는 마스킹제의 두께 및 크기에 따른 효율 차이를 도시하고 있다. 실험에서 이용되는 마스킹제는 'μ=130', 'μ''=115' 및 '유전손실 = 0.00884' 을 갖는다. 이는 마스킹제의 두께가 0일 때 베어 상황(bare situation) 결합 효율을 의미한다. Rx 공진기(21)가 이동통신 단말기에 삽입되는 경우를 고려하여, 마스킹제의 두께 및 크기에 따른 결과를 알 수 있다. 마스킹제의 크기가 컨덕터보다 5mm 큰 경우 최대 7%의 효율 증가가 있다. 그리고 마스킹제의 두께가 증가할수록 효율은 베어 케이스(bare case)와 유사해진다.
(무선 전력 송신 시스템에서의 수신기(20)의 구현)
도 50은 송신기(10)의 예시적인 기능 블록도이다. 무선 전력 송신 시스템에서의 수신기(20)는 Rx 공진기(Rx Resonator)(21), AC/DC 정류기(AC-DC Rectifier)(23-1) 및 DC/DC 컨버터(DC-DC Converter)(23-2)를 포함하는 전력 변환부(23) 및 Rx 제어부(MCU Control Unit)(25)를 포함하고, Rx 매칭 회로(matching L/C)(22) 및 Rx 통신부(24)(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한 수신기(20)를 통해 출력되는 전력은 상기 수신기(20)와 연결된 장치, 예를 들어 이동통신 단말기(Phone Load)에 구동 전력으로서 공급될 수 있다.
Rx 공진기(21)는 전력 송신 효율을 향상시키기 위해 내부 및 외부 루프 라인과 커패시터를 갖는다. 실시예에 따라 Rx 매칭회로(22)의 임피던스가 Tx 매칭회로(12)의 임피던스와 매칭되면, Rx 공진기(21)는 Tx 공진기(12)와 공진 결합하여 송신기(10)로부터 전력을 전달받을 수 있게 된다. 정류회로는 전체-브릿지 구성에서 4개의 쇼트키 배리어 다이오드들을 이용하여 AC 파형의 전체파 정류를 제공한다. 이 때, AC/DC 정류기(23-1) 는 전력 변환부(23)와 Rx 제어부(25)에 DC 전력을 제공할 수 있다. DC/DC 컨버터(23-2)는 AC/DC 정류기(23-1)로부터 출력된 DC 전력을 증폭하여 수신기(20)에 연결된 장치(예를 들어, 수신기(20)에 설치된 이동통신 단말기)에 제공한다. 이와 같이 DC/DC 컨버터(23-2)에 의하여 증폭되는 전력에는 5V가 있을 수 있다. Rx 제어부(25)는 본 발명에 따른 전력 제어 알고리즘들과 프로토콜들을 실행한다. 또한 Rx 제어부(25)는 아날로그 전력 변환 블록(미도시)을 제어하고 몇 개의 센싱 회로(미도시)를 모니터링할 수 있다. 또한 Rx 통신부(24)는 수신기(20)의 통신 동작을 수행한다. Rx 통신부(24)는 Rx 제어부(24)의 제어 하에 수신기(20)가 설치된 장치(예를 들어, 이동통신 단말기) 또는 송신기(10)에 통신하여 후술하는 각종 패킷들을 상기 장치들과 교환할 수 있다.
도 51a 내지 도 51e는 본 발명의 따른 수신기(20)의 Rx 공진기(21)를 나타낸 도면이다. 도 51a는 구현된 Rx 공진기(21)의 구조, 도 51b는 구현된 Rx 공진기(21)의 두께, 도 51c는 구현된 Rx 공진기(21)의 병렬 커패시터, 도 51d는 구현된 Rx 공진기(21)의 아웃라인, 도 51e는 구현된 Rx 공진기(21)의 두께 아웃라인을 나타낸다.
수신기(20)의 Rx 공진기(21)는 도 51e에서와 같이 1oz(0.034mm) 구리를 갖는 병렬 구조를 가질 수 있다. 또한 도 51d에서 도시된 바와 같이 다수의 비아 인 캡(via in cap) 부분들을 이용하여, 총 컨덕터 시트가 하나에 연결되어 전류 흐름이 모든 컨덕터에서 동일한 방향을 가질 수 있다. 그에 따라 당업자가 Rx 공진기(21)를 구현하고자 할 경우에는 근거리 효과(near effect)와 컨덕터 저항을 고려하여 최대 Q값을 갖는 시트 수와 두께를 선택할 수 있다. 이때, 컨덕터 저항과 자기장이 통과할 수 있는 영역(결합에서 카파(kappa)값과 연관됨)을 고려하여 가장 높은 송신 효율을 갖는 Rx 공진기(21) 너비(SW)(6mm: 이동통신 단말기에 삽입된 Rx 공진기(21)의 경우)를 설정하는 것이 바람직하다.
표 12는 본 발명에 따른 Rx 공진기(21)의 너비 및 상기 너비에 따른 상기 Rx 공진기(21)에서의 각종 파라미터를 특징을 나타낸 표이다.
표 12
공진기의 너비 크기(MM) f1(MHz) f2(MHz) Q f0(MHz) Cap(pF)
6시트(0.53mm) 70x40x0.52 13.5056 13.6189 239.4042 13.5619 1483
4시트(0.32mm) 70x40x0.34 13.5058 13.627 223.868 13.5663 1460
표 12를 참조하면, 주파수 f1은 S21이 3dB인 경우의 저주파수를 나타내고, f2는 고주파수 및 f0은 공진 주파수를 나타낸다. 각 경우에서, 수신기(20)의 Q값은 약 ~200이다. Rx 공진기(21)의 Q값은 시트가 증가하면서 약간 증가하지만, 수신기(20)에 따라, 0.53mm 너비를 갖는 Rx 공진기(21)인 6시트가 이동통신 단말기에 적용될 수 있다.
(AC/DC 정류기)
도 52는 본 발명에 따른 AC/DC 정류기(23-1)의 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 나타낸 도면이다. 또한 아래 표 13은 상기 도 52의 측정 셋업에 따라 AC/DC 정류기(23-1)의 효율을 측정한 결과를 나타낸다.
표 13
FWD[dBm] 공진기 효율 입력 전력[mW] DCVout[V] DCIout[mA] 전류 미터 손실 [mW] DC 총 전력 [mW] RX 시스템 효율
듀얼 다이오드 정류기 35.6 0.83 3020 4.97 509 155 2685 0.89
이전에 설명한 바와 같이 전체파 브릿지 정류기는 차동 RF 입력 신호를 필요로 하여 벌룬(Balun)과 같은 측정 지그(Zig)가 요구된다. 그러나 10W보다 높은 전력을 견딜 수 있고 13.56MHz로 동작하는 상업적 벌룬을 찾기는 어려우므로 본 실시예에서는 이하에서 설명하는 공진기를 이용하여 측정 셋업을 설정하도록 한다.
본 실시예에서는, '15cm × 15cm' 크기의 Tx 공진기(11)와 '4cm × 6cm' 크기 Rx 공진기(21)를 이용하였다. Tx 공진기(11) 대 Rx 공진기(21)는 50Ω 대 50Ω 매칭을 가지며, 50Ω 대 10Ω으로 변환하는 매칭 회로(matching L/C)가 공진기들(11, 21)에 연결된다. 따라서 50Ω 대 10Ω으로 매칭되는 Tx 공진기(11) 대 Rx 공진기(21)의 효율을 83%으로 고정한다. 여기서 Rx 공진기(21)에 AC/DC정류기(23-1)가 연결하고, 10Ω 부하를 놓으면, DC 대 DC 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 35.6dBm의 순방향(forward) 전력이 Class-E 증폭기(13-1)에 제공되면, 상기 전력은 83% 효율의 Tx 공진기(11)를 지나 출력된다. 송신기(10)로부터 출력된 전력은 표 13에 도시된 바와 같이 3020mW로써 AC/DC 정류기(23-1)에 입력한다.
한편 수신기(20)에 포함된 부하에 걸친 DC 전압 및 전류는 4.97V 및 509mA이다. DC 전류 미터는 0.6Ω 손실을 가진다. 상기 손실을 보상하면, DC 부하에서의 출력 전력은 2685mW이고, AC/DC 정류기(23-1)의 전체 효율은 약 89%가 된다.
(DC/DC 컨버터)
도 53은 본 발명에 따른 수신기(20)에서의 DC/DC 컨버터(23-2)의 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 도시한 도면이다. 또한 아래 표 14는 도 53의 DC/DC 컨버터(23-2)의 효율을 나타낸 것이다.
표 14
Vin Iin Win Iin 손실 Win 합계 Vout Iout Wout Iout 손실 Wout 합계 Eff
5.50 0.38 2.07 0.23 2.29 4.56 0.42 1.90 0.25 2.15 93.59
6.00 0.52 3.12 0.31 3.43 4.83 0.58 2.81 0.35 3.16 92.08
7.00 0.44 3.10 0.27 3.37 4.83 0.58 2.78 0.35 3.13 92.90
8.00 0.39 3.12 0.23 3.35 4.83 0.58 2.78 0.35 3.12 93.09
9.00 0.35 3.13 0.21 3.34 4.83 0.57 2.77 0.34 3.12 93.30
10.00 0.32 3.15 0.19 3.34 4.83 0.57 2.77 0.34 3.11 93.18
도 53에서 DC/DC 컨버터(23-2)로 입력되는 입력 전압 레벨은 5.5V~8V라 가정한다. 본 실시예에서는 전원을 이용하여 DC/DC 컨버터(23-2)에 5.5V~10V 전압을 공급하고, 이동 부하를 연결한 후에 상기 DC/DC 컨버터(23-2)로부터 출력되는 출력 DC 전압 및 전류를 측정하기로 한다. 측정 과정에서 발생하는 입력/출력 DC 전류 미터 측정 손실을 보상하면, 표 14에 도시된 바와 같이 입력 전력에 따른 DC/2DC 컨버터(23-2)의 전체 효율은 약 92%이다.
도 54는 본 발명에 따라 구현된 수신기의 시스템 보드를 나타낸 도면이고, 도 55는 본 발명에 따라 구현된 수신기를 나타낸 도면이다.
수신기(20)의 총 크기는 '47×5×2.6mm'일 수 있다. 또한 도 54에 도시된 시스템 보드의 각 단(stage)에서 수신기(20)의 신호 특성을 확인할 수 있다. 도 54 및 도 55의 수신기(20)에서 가장 두꺼운 구성요소는 Rx 매칭회로(22)를 구성하는 매칭 L, C 및 100μF 커패시터이며, 상기 매칭 L, C 및 100μF 커패시터의 총 두께는 2mm일 수 있다. 시스템 보드에서의 PCB(printed circuit board)의 두께는 0.6mm로 설정할 수 있으며 그에 따라 시스템 보드의 총 두께는 2.6mm일 수 있다. 실시예에 따라 상기 PCB의 두께를 더 줄일 수도 있다.
특히나 도 55에서는 이동통신 단말기의 후면 케이스에 설치되는 수신기(20)를 도시하고 있다. 이동통신 단말기의 후면에는 수신기(20), 통신 모듈 등이 내장되어 있다. 이동통신 단말기의 후면 케이스가 폐쇄되면, 수신기(20)의 DC 출력 포트가 상기 이동통신 단말기에 연결된다.
도 56은 수신기(20)의 효율을 측정하기 위한 측정 셋업을 나타낸 도면이다. 또한 아래 표 15는 도 56에서의 수신기(20)의 효율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
표 15
FWD[dBm] 공진기 효율 입력 전력[mW] DC V out[V] DC I out[mA] 전류 미터 손실 [mW] DC 총 전력 [mW] RX 시스템 효율
수신기 36.4 0.83 3623.08 4.67 580 201 2909.6 0.803
수신기(20)의 효율 측정을 위한 측정 셋업은 AC/DC 정류기(23-1)의 효율을 측정하기 위한 측정 셋업과 유사하다. 도56에 도시된 바와 같이, AC/DC 정류기(23-1)의 효율을 측정하기 위한 회로에서 DC/DC 컨버터(23-2)가 추가되었다. 본 실시예에서는 도 56의 회로를 통하여 수신기(20)의 실제 충전 효율을 이동통신 단말기의 이동 부하(mobile load)와 함께 측정할 수 있다.
36.4dBm의 순방향(forward) 전력이 수신기(20)에 입력되면, 83% 효율의 Rx 공진기(21)를 지나 표 15에 도시된 바와 같이 3623mW의 전력이 AC/DC 정류기(23-1)로 입력된다. 이때, 이동 부하에 걸친 DC 전압 및 전류는 4.67V 및 580mA이라 가정한다.
DC 전류 미터는 0.6Ω 손실을 가지므로, 상기 손실을 보상하면, DC 부하에서의 출력 전력은 2909mW이고 수신기(20)의 효율은 약 80.3%이 된다. 80.3%의 효율은 이전에 측정된 (AC/DC 정류기의 효율 89% x DC/DC 컨버터의 효율 92%)와 유사하다. 수신기(20)의 효율과 (AC-DC 정류기의 효율 x DC/DC 컨버터의 효율) 간의 약간의 차이는 이동 부하 및 다른 입력 전력에 의한 것이다.
도 57은 송신기(10)로부터 출력되는 전력이 35.4dBm이고, 부하가 10Ω인 경우, 각 단에서 측정되는 파형을 나타낸 그래프이다.
RF 입력 매칭 회로의 차동 RF 입력 신호(differential RF input)의 측정 콘센트(outlet)는 상단에 위치한 그래프로서, 0~7V에서 스윙한다. AC/DC 정류기(23-1)의 출력 그래프는 하단에 위치한 그래프로서, 약 5.7V의 전압이 DC/DC 컨버터(23-2)에 입력되고 있다. DC/DC 컨버터(23-2)로부터 출력되는 전력은 약 4.5V이다.
도 58a 및 도 58b는 단일 또는 다수의 이동통신 단말기들을 충전하고 있는 무선 전력 송신 시스템을 나타낸 도면이다. 이동통신 단말기들의 수에 따라 본 발명에 따른 전력 송수신 시스템은 전력 레벨을 제어하며, 또한 본 발명에 따른 전력 송수신 시스템에서는 단일 및 다수의 이동통신 단말기들 각각에 대하여 무선 전력을 전송한다.
본 발명에 따른 송신기(10)는 무선 전력 송신 제어 및 통신 프로토콜에 기초하여 다수의 장치들의 환경에서도 안전하고 효율적으로 수신기(20)에 전력을 성공적으로 공급할 수 있다. 본 발명에 따른 무선 전력 송신 네트워크의 제어 및 통신 프로토콜은 기본적으로 양방향 & 반(half) 듀플렉스 구조로서 설계된다. 무선 전력 송신 네트워크는 송신기(10)가 마스터(master)이고 다수의 수신기들이 슬레이브들(slaves)인 스타 토폴로지(star topology)를 갖는다. 송신기(10)와 수신기(20)는 장치 준수(device compliance)를 식별하고 전력 협상 정보를 교환하기 위해서 서로 양방향 통신을 수행한다. 송신기(10) 및 수신기(20) 간에 교환되는 통신 패킷을 위한 시간 분할 충돌 방지 알고리즘이 본 발명에 따른 전력 송수신 시스템에 적용될 수 있다. 상기 시간 분할 충돌 방지 알고리즘은 알고리즘은 IEEE802.15.4 슬롯(slotted) 캐리어 센스 다중 접속/충돌 회피(CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 알고리즘으로부터 수정된 것일 수 있다.
이하에서는, 단일의 수신기(20) 및 다수의 수신기들(20) 각각에 대한 송신기(10)의 검출, 등록, 구성, 충전 및 대기 상태에서 어떠한 방식으로 제어 및 통신 프로토콜이 적용되는지를 설명할 것이다. 본 발명에서는 슬롯(slotted) 및 경쟁 구간을 갖는 슈퍼프레임 구조가 송신기(10) 또는 수신기들(20) 간의 통신 패킷의 충돌 방지 알고리즘을 위해 설계된다.
또한 이하에서는, 제어 및 통신 프로토콜의 시퀀스 및 타이밍을 각 무선 충전 상태의 경우에 대해 설명한다. 또한 이하에서는 송신기(10) 또는 수신기(20)의 안전을 위한 무선 전력 송수신의 중단(interrupt) 제어 알고리즘 또한 각각 과온도, 과전압 및 과전류의 상황에 대해 설명하기로 한다. 본 발명에서 제어 및 통신 프로토콜은 통보(Notice), 상호작용(Interactive), 보고 및 확인응답(ACK) 프레임으로 구성된다.
사용자가 송신기(10)의 전력을 턴온할 때마다, 송신기(10)는 Tx 공진기(11)의 전력 부하를 주기적으로 모니터하고 그 값을 소정의 임계값과 비교한다. 비인가 장치(rogue device)들과 수신기들(20)이 송신기(10)를 턴온하기 전에, 상기 장치들이 송신기(10) 상에 동시에 위치되면 송신기(10)는 상기 비인가 장치들을 상기 수신기들(20)로부터 검증할 수 없다. 이와 같은 경우, 송신기(10)는 Tx 공진기(11)에 전력의 인가를 중단한다. 또한 사용자가 물체를 제거하고 안전을 위해 송신기(10)의 전력 스위치를 턴오프할 때까지, 상기 송신기(10)는 지속적으로 경고 메시지를 송신기(10) 또는 수신기(20)의 사용자 인터페이스에 송신할 수 있다. 따라서 송신기(10)의 인터페이스 상에 타 장치 또는 물체가 없이 송신기(10)가 턴온되는 것이 바람직하다.
도 59는 검출, 등록, 충전 및 대기 상태에서의 무선 전력 송신 시스템에서의 무선 전력 송신 절차에 대한 상태도이다.
도 59를 참조하면, 검출(detection) 상태에서 송신기(10)는 인터페이스에서의 부하 변동을 모니터하기 위해 짧은 듀티(duty) 시간 동안 Tx 공진기(11)에 작은 전력을 주기적으로 공급한다. 양(positive)의 부하 변동이 소정의 값보다 높은 것으로 검출되면, 송신기(10)는 Tx 공진기(11)에 더 많은 전력을 제공하여 새로운 수신기(20)가 등록(registration) 상태에 진입할 수 있도록 한다. 반면에 수신기(20)로부터 해당 응답이 없으면, 송신기(10)는 검출 상태로 돌아간다.
등록 상태에서 새로운 수신기(20)는 자신의 식별자와 기본적 부하 특성을 포함하는 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. 송신기는 새로운 수신기에 짧은 식별자(SID: short identification)를 할당하고, SID와 타임 슬롯 할당을 포함하는 Interactive_Response_Join_Frame 패킷을 새로운 수신기(20)에 송신한다. 새로운 수신기(20)로부터 응답이 없는 경우, 송신기(10)는 부하 변동이 금속 물체 또는 비준수(non-complying) 장치에 의해 유발된 것으로 인식한다. 금속 물체 또는 비준수 장치가 인식된 경우, 송신기(10)는 사용자에게 경고 메시지를 표시하고, Tx 공진기(11)에 전력의 인가를 중단한다. 이후, 송신기(10)는 소정의 시간이 경과되면 검출 상태로 돌아간다.
구성(conifiguration) 상태에서는, 새로운 수신기(20)는 요구하는 출력 전압, 출력 전류 및 전력 송신 효율을 포함하는 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을, 송신기(10)에 송신한다. 송신기(10)는 수신기(20)로부터 전달된 정보에 기초하여 요청된 전력을 계산한다. 송신기(10)는 현재 전력 송신 커패시티가 새로운 수신기(20)로부터 요청된 전력을 만족하는지 여부를 판단한다. 송신기(10)가 충분한 전력을 갖는 경우, 송신기(10)는 허가(Permission) 데이터를 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 새로운 수신기(20)로 송신하여, 새로운 수신기(20)가 충전 상태에 진입하도록 한다. 반면에, 요청된 전력을 만족하지 못하는 경우, 송신기(10)는 새로운 수신기(20)로 No Permission 데이터(또는 패킷)을 송신하여, 새로운 수신기(20)가 대기 상태로 진입하도록 한다.
충전(charge) 상태에서는 송신기(10)는 각 수신기(20)에 Notice_Frame 패킷을 방송한다. Notice_Frame 패킷은 동기 패킷, 각 수신기에 대한 명령들 및 전체 시스템의 상태를 포함한다. 수신기(20)는 자신에게 할당된 타임 슬롯 동안 각 전력 협상 정보를 갖는 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 주기적으로 송신한다. 송신기(10)는 각 Report_Frame 패킷이 수신된 후 출력 전력을 수신기(20)의 요구 전력 레벨값으로 조정하기 시작한다. 송신기(10)는 하나 또는 다수의 수신기(들)(20)로부터의 전력 협상 정보에 따라 총 전력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 소정의 시간 동안 특정 수신기(20)로부터 응답이 없으면, 송신기(10)는 수신기(20)가 제거되었음을 인식하고 출력 전력을 줄인다. 이와 같이 수신기(20)가 제거된 경우, 송신기(10)는 나머지 타 수신기(들)(20)에 SID(들)과 타임 슬롯(들)을 재할당할 수 있다.
대기(standby) 상태에서, 수신기(20)는 송신기(10)로부터 요구되는 전력을 수신하지 않았을지라도 송신기(10)와 계속 통신한다. 수신기(20)가 대기 상태에 진입하는 경우는 다음의 2가지가 있다.
첫 번째로, 수신기(20)의 장치 배터리가 완전히 충전되거나 장치가 어떤 이유로 충전을 유지하는 경우이다. 이때, 수신기(20)는 Charge Status of Complete & Wait 데이터를 포함하는 Report_Frame 패킷을 송신기(10)로 송신하고, 수신기(20)는 대기 상태에 진입한다. 이후 송신기(10)는 대기 상태에서 수신기(20)로의 전력 송신을 중지시키거나 감소시킬 수 있다.
둘째로, 송신기(10)의 현재 전력 송신 커패시티가 충전 상태의 다른 수신기(들)(20)뿐만 아니라 새로운 수신기(20)에 대해 총 요구 전력을 만족시키지 못하는 경우이다. 이때 송신기(10)는 No Permission 데이터를 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 새로운 수신기(20)로 송신하고, 새로운 수신기(20)는 대기 상태로 진입한다. 송신기(10)의 현재 전력 송신 커패시티가 새로운 수신기(20)로부터 요구되는 전력을 만족시키지 못하면, 송신기(10)는 Permission 패킷을 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 새로운 수신기(20)에 송신하고 새로운 수신기(20)는 충전 상태에 진입한다.
(단일 수신기에 대한 전력 송수신)
도60은 수신기(Transmitter)(20)가 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어, 충전패드) 상에 아직 배치되지 않은 경우의 검출 상태 절차를 나타낸 도면이다. 송신기(10)는 tdet의 검출 시간마다 Tx 공진기(11)에 전력 Pdet을 주기적으로 인가한다. tdet 동안, 송신기(10)는 수신기(20)가 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어, 충전 패드(미도시)) 상에 놓여있는지를 확인하기 위해 부하의 변동을 모니터링한다.
상기와 같은 검출 단계에서, 부하 변동은 부하의 현재값 및 부하의 미리 설정된 값 사이의 차이로 정의한다. 부하 변동이 미리 설정된 임계값보다 크면, 송신기(10)는 송신기(10)의 인터페이스 상에 놓여진 수신기(20)가 없는 것으로 인식한다. 부하 변동이 소정의 임계값보다 크면, 송신기(10)는 새로운 수신기(20)가 송신기(10)의 인터페이스 상에 놓여져 있다고 인식한다. 상기와 같이 송신기(10)에 의하여 인식되면, 수신기(20)는 등록 상태에 진입할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 검출 단계에서 송신기(10)는 검출 시간(tdet) 동안에만 전력을 인가하므로, 상기 검출 시간(tdet) 이외의 검출 기간(tper_det) 동안의 전력 손실을 줄일 수 있다.
도 61은 수신기(Receiver)(20)를 송신기(Transmitter)(10)에 등록(registration)시키는 절차를 나타낸 도면이다.
도 61을 참조하면, 수신기(20)가 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어, 충전 패드)(미도시) 상에 있으면, 송신기(10)는 수신기(20)가 송신기(10)와 통신할 수 있도록 출력 전력을 증가시켜 수신기(20)에 전달한다. 수신기(20)는 등록 시간(treg) 내에 송신기(10)에 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신한다. Interactive_Request_Join_Frame 패킷은 수신기(20) 자신의 ID와 부하 특성을 포함한다. 송신기(10)는 수신기(20)의 ID를 수신하자마자, 상기 ID를 상기 ID보다 상대적으로 용량이 적고 길이가 짧은 SID로 변환한다. 수신기(20)로부터 송신기(10)로 전송되는 수신기(20)의 아이디가 길기 때문에 송신기(10)는 수신기(20)를 등록하는 과정에서 수신기(20)에 SID를 발급함으로써 수신기(20)의 관리를 용이하게 할 수 있다. 송신기(10)는, 상기와 같이 새로이 등록되는 수신기(20)의 SID와 부하 특성을 송신기(10)의 장치 제어 표에 등록할 수 있다. 장치 제어 표는 개별적인 수신기(들)(20)의 전력 송신 관리를 위해 설계될 수 있다.
표 16은 송신기(10)에 의해 관리되는 장치 제어 표 구조의 일 예를 도시하고 있다.
표 16
Allocated ID(Short ID) ID Load Characteristic Current Characteristic Volatage Characteristic Efficiency Characteristic Status Input Voltage Input Current Output Voltage Output Current
1 0x11111111 25 300mA 5V 75% Complete & Standby - - 5V 300mA
2 0x22222222 30 500mA 3V 70% Charge(CV mode) 3V 400mA 3V 400mA
3 0x33333333 10 100mA 5V 80% Charge(CC mode) 5V 100mA 5V 100mA
4 0x44444444 50 500mA 5V 75% Charge(CCmode) 5V 500mA 5V 500mA
5 0x55555555 100 500mA 12V 75% Standby - - 12V 500mA
표 16을 참조하여 설명하면, 장치 제어 표에는 업데이트 여부와, 수신기(20)마다의 현재 전력 송신 정보가 저장된다. 송신기(10)는 새롭게 할당된 SID를 포함한 Interactive_Response_Join_Frame 패킷을 수신기(20)에 송신한다. 그에 대한 응답으로서 수신기(20)는 확인응답(ACK)을 송신기(10)에 송신한다. 송신기(10)가 성공적으로 ACK를 수신하면, 무선으로 전력을 송수신하는 전력 송신 시스템은 구성(configuration) 단계로 이동한다.
패킷 충돌, CRC 에러 및 수신기 실패(receiver failure)와 같은 패킷 에러가 발생하는 경우, 수신기(20)로부터 전송되는 Interactive_Request_Join_Frame 패킷은 송신기(10)에 전달되지 못한다.
도 62는 송신기(Transmitter)(10)가 제1수신기(Receiver 1) 또는 제2수신기(Receiver 2)로부터 발송되는 ACK_Frame 패킷을 수신하지 않은, 패킷 에러 상황의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 62를 참조하면, 송신기(Transmitter)(10)는 treg_ret의 간격으로 상기 treg_ret를 (nreg_ret - 1)배 증가시킨 전력 Preg를 제1수신기에 다시 인가할 수 있다. 이러한 절차들 내에서 ACK_Frame 패킷이 제1수신기로부터 송신기(10)로 성공적으로 전달되면, 전력 송수신 시스템은 구성 상태로 진행한다. 그 밖에 송신기(10)가 제1수신기로부터 상기 ACK_Frame 패킷을 전혀 수신하지 못하면, 송신기(10)는 제1수신기에의 전력 인가를 중단한다. 또한 송신기(10)는 사용자 인터페이스(미도시)를 통해 사용자에게 경고 메시지를 송신할 수 있다. 실시예에 따라 상기와 같은 에러를 유발한 수신기(20)가 송신기(10)의 인터페이스로부터 제거된 경우에만, 송신기(10)의 상태가 검출 상태로 돌아갈 수 있다.
도 63은 금속 물체 또는 비준수 장치(rogue deivce, Non-compliant device)가 송신기(Tranmsmitter)(10)의 인터페이스 상에 놓여져 패킷 에러가 발생한 상황을 나타낸 도면이다.
도 63을 참조하면, 금속 물체 또는 비준수(non-compliant) 장치가 송신기(10)의 인터페이스 상에 놓여져 있으면, 송신기(10)가 수신기(20)로부터 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 수신할 수 없게 된다. 송신기(10)는 도 63에 도시된 바와 같이 treg_ret를 (nreg_ret - 1)배 증가시킨 전력 Preg를, 상기 수신기(20)에 재인가한다. 전력 Preg가 재인가된 장치 또는 물체는 비준수 장치 또는 물체이므로, 송신기(10)는 상기 장치 또는 물체로부터 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 수신할 수 없다. 그에 따라 송신기(10)는 전력 Preg의 인가를 중단하고, 사용자 인터페이스를 통해 사용자에 경고 메시지를 표시할 수 있다. 경고 상태는 비인가 장치 또는 금속 물체들이 송신기(10)의 인터페이스로부터 제거될 때까지 유지될 수 있다. 상기 비인가 장치 또는 금속 물체들이 인터페이스에서 제거되면, 송신기(10)는 검출 상태로 돌아간다.
도 64은 무선 전력 송신 시스템에서의 구성(configuration) 단계의 정상적 동작 흐름을 나타낸 도면이다. 도 64를 참조하여 설명하면, 수신기(Receiver)(20)가 등록되면 수신기(20)는 송신기(Transmitter)(10)에 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 송신한다. Interactive_Request_Charge_Frame 패킷은 전류, 전압 및 전력 송신 효율과 같은 수신기(20)의 전기적 특성을 포함한다. 송신기(10)는 상기 수신기(20)로부터 전달된 정보, 즉 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷에 기초하여 수신기(20)로부터 요청된 전력을 계산한다. 송신기(10)는 현재 전력 송신 커패시티가 수신기(20)로부터 요청된 전력을 만족시키는지 여부를 판단한다. 판단결과 송신기(10)가 충분한 전력을 가지면, 송신기(10)는 충전에 대한 Permission 데이터를 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 새로운 수신기(20)에 송신한다. Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신한 수신기(20)는 곧바로 ACK_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. 그 결과, 수신기(20)는 충전 상태, 즉 송신기(10)로부터 전력을 전달받는 상태에 진입할 수 있다.
반면에, 상기 판단결과 송신기(10)가 충분한 전력을 가지고 있지 않으면, 송신기(10)는 상기 수신기(20)로 No Permission 데이터 송신한다. 상기 No Permission 데이터를 수신한 수신기(20)는 대기(standby) 상태로 진입할 수 있다.
실시예에 따라 상기의 동작들에는 시간이 제약될 수도 있다. 송신기(10)가 수신기(20)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신한 후 treq_char 시간 이내에 상기 수신기(20)로부터 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 송신기(10)는 상기 수신기(20)가 송신기(10)의 인터페이스로부터 제거되었다고 인식할 수 있다.
수신기(20)가 제거되었다고 판단되면, 송신기(10)는 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 전송하지 않음으로써 비응답한 수신기(20)의 정보를 장치 제어 표에서 삭제한다. 이후, 송신기(10)는 검출 상태로 돌아간다. 반면에 수신기(20)가 tdata_res 시간 내에 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신하지 않고 ACK_Frame 패킷을 송신하지 않으면, 송신기(10)는 다시 trandom 시간 내에 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신기(20)에 송신한다. 송신기(10)는 수신기(20)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하기 위해서 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신기(20)로 전송하는 동작을 (nreg_ret -1)번 더 반복할 수 있다. 실시예에 따라 상기의 송신기(10)로부터의 패킷 전송 동작이 nreg_ret번 더 시도한 후에도 여전히 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷이 수신기(20)로 전달되면, 수신기(20)는 검출 상태로 돌아갈 수 있다.
송신기(10)가 tack 시간 내에 수신기(20)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 않으면, 송신기(10)는 Permission 데이터를 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을, 수신기(20)로 송신하는 동작을 nreg_ret회 반복할 수 있다. 상기의 nreg_ret회의 시도 이후에도 송신기(10)가 수신기(20)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 송신기(10)는 상기 수신기(20)가 송신기(10)의 인터페이스로부터 제거된 것으로 인식할 수 있다. 상기와 경우, 송신기(10)는 상기와 같이 비응답한 수신기(20)의 정보를 장치 제어 표에서 삭제하고, 검출 상태로 돌아갈 수 있다.
실시예에 따라 송신기(10)의 현재 전력 송신 커패시티가 새로이 등록된 수신기에 의해 요구되는 전력을 만족시키지 못하는 경우, 송신기(10)는 Permission 데이터가 없는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신기로 송신하고, 수신기는 대기 상태에 진입한다. 이때 송신기(10)는 과전력 재설정(Reset of Over Power)를 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷를 수신기에 송신할 수 있다. 상기와 경우, 송신기(10)는 과전력 커패시티의 해당 경고 메시지를, 송신기(10)의 사용자 인터페이스에 표시할 수 있다. 또한 상기 과전력 재설정(Reset of Over Power)를 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신한 수신기는 검출 상태로 돌아갈 수 있다.
여기서 tack 시간은 송신기(10)가 수신기(20)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하기 위한 허가 시간 구간이다. 또한 nreg_ret는, 송신기(10)가 수신기(20)로부터 ACK_Frame 패킷의 수신을 대기하기 위해 수신기(20)로 Interactive Response Frame 패킷의 전송을 재시도하는 횟수이다.
충전(charge) 상태에서 송신기(Transmitter)(10)는 각 수신기(Receiver)(20)에 Notice_Frame 패킷을 방송하고, 각 수신기(20)는 자신의 상태를 포함하는 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. Notice_Frame 패킷은 타임 슬롯 0으로 할당되고, Report_Frame 패킷의 타임 슬롯 번호는 도 65에 도시된 바와 같이 송신기(10)에 의해 할당된 SID를 갖는 수신기(20)에 할당된다. 도 65는 단일 수신기(20)의 충전 동작을 나타낸 도면이다.
Notice_Frame 패킷은 충전 시작, 충전 완료, 재설정, 전력 오프 및 SID 변경과 같은 특정 수신기(20)에 대한 명령과 같이 수신기(20)에 대한 다양한 정보를 포함한다. 송신기(10)는 또한 전력 오프, 전력 온, 동기 및 재설정을 위한 명령을 포함하는 Notice_Frame 패킷을 모든 수신기들(20)에 방송할 수도 있다.
Report_Frame 패킷은 수신기(20)의 충전 상태 및 전력 정보를 포함한다. 수신기(20)의 Report_Frame 패킷은, 상기 수신기(20)에게 할당된 슬롯 내에 상기 송신기(10)에 도달하여야 한다. 그렇지 않으면 다른 수신기(20)의 Report_Frame 패킷과 충돌이 일어날 수도 있다. 따라서 송신기(10)와 수신기(20)는 정확하게 동기 되어야 한다. 송신기(10) 및 수신기(20) 간의 동기화를 위해, 송신기(10)는 수신기(20)가 자신의 클록을 송신기(10)의 클록에 동기화시킬 수 있는 Sub Frame of Synch 데이터를 Notice_Frame 패킷에 포함하여 상기 수신기(20)에 전송할 수 있다.
수신기(20)로부터의 Report_Frame 패킷에 포함된 전력 정보에 기초하여, 송신기(10)는 각 수신기(20) 상태에 대응하는 레지스트리의 장치 제어 표를 업데이트한다. 송신기(10)는 수신기들(20)로부터 요구되는 전력의 합을 계산하고, Tx 공진기(11)에 인가되는 전력을 증가시키거나 감소시킨다. 실시예에 따라 상기에서 열거한 절차는 tcycle 시간 간격으로 주기적으로 수행될 수 있다.
수신기(20)가 tack 시간 내에 송신기(10)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 수신기(20)는 tcycle시간 간격으로 오는 자신의 다음 타임 슬롯 내에 Report_Frame 패킷의 송신을 시도한다. 수신기(20)가 (3 x tcycle)의 3개의 슈퍼프레임 구간 동안 ACK_Frame 패킷을 얻지 못하면, 수신기(20)는 Charge Status of Error 데이터를 포함하는 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신하고 등록 상태로 돌아간다.
도 66은 단일 수신기(Reciver)(20)가 충전 상태에서 송신기(Transmitter)(10)의 인터페이스로부터 제거되는 경우의 절차를 나타낸 도면이다. 수신기(20)가 충전 상태에서 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어 충전패드)(미도시)로부터 제거되면, 송신기(10)는 제거된 수신기(20)로부터 Report_Frame 패킷을 수신할 수 없다. 상기와 같이 수신기(20)가 제거된 경우를 패킷 충돌과 구분하기 위해 송신기(10)는 타임 슬롯 구간 (nabsence x tcycle) 동안 제거된 수신기(20)의 Report_Frame 패킷의 수신을 시도한다. 구간 (nabsence x tcycle)에서 송신기(10)는 수신기(20)에 전송하는 전력(Pcharge)의 전력 레벨을 Preg로 완만하게 줄일 수 있다. 구간 (nabsence x tcycle) 이후에도, 제거된 수신기(20)로부터 Report_Frame 패킷의 전송이 발생하지 않으면, 송신기(10)는 수신기(20)가 제거된 것으로 인식한다. 그에 따라 송신기(10)는 장치 제어 표를 업데이트하고 제거된 수신기(20)로 전송하는 전력을 차단한다. 실시예에 따라 송신기(10)의 인터페이스 상에 위치한 수신기(20)가 없으므로, 송신기(10)는 검출 상태로 돌아간다.
도 67은 수신기(Receiver)(20)의 전체 충전(full charge) 또는 재충전(recharge)에 따른 절차를 나타낸 도면이다. 수신기(20)의 장치 배터리가 완전히 충전되면, 수신기(20)는 Charge Status of Complete and Standby 데이터를 포함한 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. 이후 수신기(20)는 대기(standby) 상태에 진입한다. 수신기(20)로부터 상기 Report_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)는 장치 제어 표를 업데이트하고, 갑작스러운 전압의 상승 및 하강을 방지하기 위해 상기 수신기(20)로 출력하던 전력을 전력 레벨 Preg로 완만하게 감소시킨다.
또한 수신기(20)는 배터리를 재충전하고자 할 때, Charge Status of CC 데이터를 포함하는 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. 이후, 수신기(20)는 충전 상태에 진입할 수 있다. 상기 Report_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)는 장치 제어 표를 업데이트하고, 상기 수신기(20)에 전력을 전달하기 위하여 Tx 공진기(11)에 인가된 전력을 증가시킨다.
(다수의 수신기들에 대한 전력 송수신)
도 68은 적어도 하나의 수신기(20)(이하, 제1수신기(Receiver 1))가 이미 충전상태에 있을 때, 새로운 수신기(20)(이하, 제2수신기(Receiver 2))가 등록되는 절차를 나타낸 도면이다. 제2수신기(Receiver )가 경쟁 구간(contention period)에서 송신기(Transmitter)(10)에 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신하면, 각 할당 타임 슬롯에서 송신기(10)와 통신하는 다른 수신기들(20), 즉 제1수신기(Receiver 1)와의 패킷 충돌이 발생하지 않는다. 송신기(10)는 SID와 제2수신기(Receiver 2)의 부하 특성을 장치 제어 표에 등록한다. 송신기(10)는 SID를 포함하는 Interactive_Response_Join_Frame 패킷을 제2수신기(Receiver 2)에 송신한다. 응답으로서, 제2수신기(Receiver 2)는 송신기(10)에 ACK_Frame 패킷을 송신한다.
제2수신기(Receiver 1)가 슬롯된 구간, 즉 타 수신기(예를 들어 제1수신기(Receiver 1)에 할당된 타임 슬롯 구간 동안 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 상기 송신기(10)에 송신하면, 상기 Interactive_Request_Join_Frame 패킷은 제1수신기들(Receiver 1)의 Report_Frame 패킷과 충돌할 수도 있다. 상기 패킷들 간의 충돌로 인하여 제1수신기(Receiver 1)가 tdata_res의 응답 시간 내에 송신기(10)로부터 Interactive_Response_Join_Frame 패킷을 수신할 수 없으면, 상기 제2수신기(Receiver 2)는 송신기(10)로부터 Interactive_Respond_Join_Frame 패킷을 수신할 때까지 trandom의 시간 간격으로 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신기(10)에 재송신하기를 시도한다.
슬롯된 구간에서 패킷들 간의 충돌이 발생하면, 송신기(10)는 현재 충전중인 제1수신기(Receiver 1)로부터 손상된(corrupted) Report_Frame 패킷을 수신할 수 있다. 송신기(10)는 상기 손상된 Report_Frame 패킷을 폐기하고, 다음 사이클에 다시 제1수신기(Receiver 1)로부터 Report_Frame 패킷을 수신한다. 실시예에 따라 제1수신기(Receiver 1)의 Report_Frame 패킷 전달 과정에서 연속 ncol_ret번의 충돌이 있는 경우, 송신기(10)는 모든 제1수신기들(Receiver 1) 또는 제2수신기(Receiver 2)로 Reset of Schedule Error 데이터를 포함한 Notice_Frame 패킷을 송신하고 검출 상태로 돌아갈 수 있다.
적어도 하나의 수신기들(20), 즉 제1수신기들(Receiver 1)의 충전 중에 비준수 또는 금속 물체가 놓여지면, 송신기(10)는 임계값 이상의 양(+)의 부하 변동을 검출하게 된다. 그로 인하여 송신기(10)는 제1수신기들(Receiver 1)로부터 Report_Frame 패킷을 수신하지 못할 수 있다. 송신기(10)는 (3 x tcycle)의 구간 동안만큼 객체로부터 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 수신하기 위해 대기한다. 상기 객체로부터 어떠한 응답도 없다면, 송신기(10)는 상기 부하의 변동이 비준수 장치 또는 금속 물체에 의해 유발된 것으로 결정할 수 있다. 상기와 같은 경우, 송신기(10)는 Power Off of Abnormal Object Detection 데이터를 포함한 Notice_Frame 패킷을 모든 제1수신기들(Receiver 1)에 송신하고 전력 공급을 중단할 수 있다. 송신기(10)는 상기 비준수 물체 또는 금속 물체를 제거하기 위하여 사용자에게 경고 메시지를 표시할 수 있다. 실시예에 따라 송신기(10)는, 제1수신기(Receiver 1)에의 전력 공급을 중단하고, 사용자에게 경고 메시지를 표시하는 경고 구간 동안에는 전력을 턴오프할 수 있다.
송신기(10)가 tack의 시간 동안 제2수신기(Receiver 2)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)에 Interactive_Response_Join_Frame 패킷의 송신을 nreg_ret번 반복한다. 그러나 nreg_ret번의 시도 이후에도, 송신기(10)가 제2수신기(Receiver 2)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)가 송신기(10)의 인터페이스로부터 제거되었음을 인식한다. 이 경우, 송신기는 장치 제어 테이블에서 비응답 수신기의 정보를 삭제한다.
제1수신기(Receiver 1)의 수가 송신기(10)의 최대 타임 슬롯 수 이상인 경우, 즉 송신기(10)가 동시에 충전 가능한 최대 수신기(20)의 수 이상인 경우 송신기(10)는 Not Permission of Over Node 데이터를 포함한 Interactive_Response_Frame 패킷을 제2수신기(Receiver 2)에 송신하고 제2수신기(Receiver 2)가 사용자에 의해 제거될 때까지 사용자에게 경고 메시지를 표시한다.
도 69는 다수의 제1수신기들(Receiver 1)이 이미 충전 상태에 있을 때, 제2수신기(Receiver 2)가 충전 상태에 진입하는 과정을 나타낸 도면이다.
등록 상태 후에, 제2수신기(Receiver 2)는 송신기(10)에 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 송신한다.
Interactive_Request_Charge_Frame 패킷은 전류, 전압 및 전력 송신 효율과 같은 제2수신기(Receiver 2)의 전기적 특성을 포함한다. 전력 송신 효율은 기준 송신기 시스템들로 미리 측정된 값이다. 송신기(10)는 현재 전력 송신 커패시티가 제1수신기(Receiver 1)로부터 요청된 전력을 만족하는지 여부를 판단한다. 송신기(10)가 충분한 전력을 가지고 있으면, 송신기(10)는 충전을 위한 Permission 데이터를 포함한 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 제2수신기(Receiver 2)에 송신한다. 판단결과, 충분한 전력을 가지고 있지 않은 경우에는, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)로 No Permission 데이터를 송신한다. No Permission 데이터를 수신한 제2수신기(Receiver 2)는 대기 상태에 진입한다.
Permission 데이터를 수신한 직후, 제2수신기(Receiver 2)는 송신기(10)에 ACK_Frame 패킷을 송신한다. 그 결과 제2수신기(Receiver 2)는 충전 상태에 진입할 수 있다.
송신기(10)가 Interactive_Response_Join_Frame 패킷을 전송한 이후 시간 treq_char 내에 제2수신기(Receiver 2)로부터 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)가 송신기 인터페이스로부터 제거되었다고 인식한다. 이 경우, 송신기(10)는 장치 제어 표에서 비응답 수신기의 정보를 삭제한다. 그 결과, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)에 Interactive_Response_Charge 패킷를 송신하지 않는다. 제2수신기(Receiver 2)는 시간 tdata_res내에 송신기(10)로부터 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신하지 못하고, trandom의 시간 간격 후에 검출 상태로 돌아간다.
송신기(10)가 tack의 시간 내에 제2수신기(Receiver 2)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 송신기(10)는 Permission 데이터를 포함한 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 제2수신기(Receiver 2)에 송신하기 위해 nreg_ret회 반복한다. 그러나, 송신기(10)가 nreg_ret번의 시도 후에도 제2수신기(Receiver 2)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)가 송신기 인터페이스로부터 제거되었다고 인식한다. 이 경우, 송신기(10)는 장치 제어 표에서 비응답 수신기의 정보를 삭제한다. 제2수신기(Receiver 2)는 충전 상태에 진입할 수 없고, 등록 상태로 돌아간다.
송신기(10)의 현재 전력 송신 커패시티가 제2수신기(Receiver 2)에 의해 요구되는 전력에 미치지 못하면, 송신기(10)는 Permission 데이터가 없는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 제2수신기(Receiver 2)에 송신하고, 제2수신기(Receiver 2)는 대기 상태에 진입한다. 제2수신기(Receiver 2)에 의해 요청된 전력이 송신기(10)의 최대 전체 전력 커패시티를 초과하면, 송신기(10)는 Reset of Over Power 데이터를 포함하는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 제2수신기(Receiver 2)에 송신한다. 이 경우, 송신기(10)는 사용자 인터페이스에 과전력 커패시티의 해당 경고 메시지를 송신하고, 송신기(10)는 검출 상태로 돌아간다.
충전(charge) 상태에서 송신기(10)는 각 타임 슬롯에서 제1수신기(Receiver 1)에 Notice_Frame 패킷을 방송한다. 제1수신기(Receiver 1)는 자신의 상태를 포함하는 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. Notice_Frame 패킷은 타임 슬롯 0에서 할당되고, 제1수신기(Receiver 1)에 할당된 Report_Frame 패킷의 타임 슬롯 번호는 도 70에 도시된 바와 같이 SID와 동일하다. 도 70은 다수의 제1수신기들(Receiver 1)의 충전 과정을 나타낸 도면이다.
송신기(10)는 모든 제1수신기들(Receiver 1)에 대한 전력 오프, 전력 온 및 재설정을 위한 명령을 포함하는 Notice_Frame 패킷을 방송한다. Notice_Frame 패킷은 또한 충전 시작, 충전 완료, 재설정, 전력 오프, 동기화 및 슬롯 변경과 같은 특정 수신기에 대한 다양한 명령들도 포함한다.
Report_Frame 패킷은 제1수신기(Receiver 1)의 충전 상태 및 전력 정보를 포함한다. 송신기(10)는 제1수신기들(Receiver 1) 각각에 할당된 타임 슬롯 내에서 상기 제1수신기들(Receiver 1) 각각으로부터 Report_Frame 패킷을 수신한다. 그렇지 않으면, 제1수신기들(Receiver 1) 간 발송되는 Report_Frame 패킷들의 충돌이 발생할 수 있다. 따라서 송신기(10)와 제1수신기들(Receiver 1)은 정확하게 동기화되는 것이 바람직하다. 정확한 동기화를 위하여 Notice_Frame 패킷은 제1수신기(Receiver 1)가 자신의 클록을 송신기(10)의 클록에 동기화시킬 수 있는 Sub Frame of Synch 데이터를 가질 수 있다.
제1수신기(Receiver 1)로부터 전송된 Report_Frame 패킷에 포함된 전력 정보에 기초하여, 송신기(10)는 제1수신기들(Receiver 1) 각각의 상태에 대응하는 레지스트리의 장치 제어 표를 업데이트한다. 송신기(10)는 제1수신기들(Receiver 1)로부터 요구되는 전력의 합계를 계산하고, 상기 계산 결과에 따라 Tx 공진기(11)에 인가된 전력을 증가시키거나 또는 감소시킨다. 상기의 송신기(10)의 동작은 tcycle 시간 간격으로 주기적으로 수행될 수 있다.
적어도 하나의 제1수신기(Receiver 1)의 패킷이, 상기 제1수신기(Receiver 1)가 할당받은 타임 슬롯 구간에서 제2수신기들(Receiver 2)의 패킷들 중 적어도 하나와 충돌하면, 제1수신기(Receiver 1)로부터 발송된 패킷, Report_Frame 패킷은 손실된다. 송신기(10)는 상기 제1수신기(Receiver 1) 및 제2수신기(Receiver 2) 중 타임 슬롯을 선점한(preoccupying) 제1수신기(Receiver 1)로부터 수신한, 상기 손실된 Report_Frame 패킷을 폐기한다. 송신기(10)는 다음 슈퍼프레임에서 선점한 제1수신기(Receiver 1)의 Report_Frame 패킷을 재수신한다. 송신기(10)는 충돌이 발생하지 않아 손실되지 않은 Report_Frame 패킷을 수신할 때까지, Report_Frame 패킷을 재수신하는 동작을 최대 ncol_ret회 반복할 수 있다. 제1수신기(Receiver 1)가 Report_Frame 패킷을 송신기(10)로 전송하는 과정에서 상기 Report_Frame 패킷이 제2수신기(Receiver 2)의 패킷 등과 연속으로 ncol_ret번 충돌하는 경우, 송신기(10)는 Reset of Schedule Error 데이터를 포함한 Notice_Frame 패킷을 모든 제1수신기들(Receiver 1) 또는 제2수신기(Receiver 2)에 송신하고 검출 상태로 돌아간다.
제1수신기(Receiver 1)가 tack시간 내에 송신기(10)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 제1수신기(Receiver 1)는 tcycle시간 간격으로 오는 자신의 다음 타임 슬롯에서 Report_Frame 패킷의 송신을 시도한다. 제1수신기(Receiver 1)가 (3 x tcycle)의 다음에 오는, 3번의 슈퍼프레임 구간 동안 송신기(10)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못하면, 제1수신기(Receiver 1)는 Charge Status of Error 데이터를 포함한 Report_Frame 패킷을 상기 송신기(1)로 송신하고 등록 상태로 돌아간다.
도 66에 도시된 바와 같이 충전 상태에서 다수 제1수신기들(Receiver 1) 중 하나의 제1수신기(Receiver 1)가 송신기(10)의 인터페이스로부터 제거된 경우, 송신기는 제거된 제1수신기(Receiver 1)로부터 Report_Frame 패킷을 수신할 수 없다. 도 71은 송신기(10)에 의하여 충전되고 있던 다수의 수신기들 중 하나의 수신기가 제거되는 과정을 나타낸 도면이다. 이하에서는, 제거되지 않는 수신기를 제1수신기(Receiver 1)라 하고, 제거되는 수신기(Receiver 2)를 제2수신기라 한다.
상기와 같이 제2수신기(Receiver 2)가 송신기(10)의 인터페이스로부터 제거되는 이벤트를 프레임 충돌과 구별하기 위해서, 송신기(10)는 구간 (nabsence × tcycle) 동안 제2수신기(Receiver 2)로부터의 Report_Frame 패킷을 수신하기 위하여 대기할 수 있다.
구간 (nabsence × tcycle)에서, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)에 인가된 전력을 Preg의 전력 레벨로 완만하게 감소시킬 수 있다. 제2수신기(Receiver 2)의 Report_Frame 패킷 전송을 (nabsence × tcycle)회 대기하였음에도 상기 제2수신기(Receiver 2)로부터의 Report_Frame 패킷의 전송이 없으면, 송신기(10)는 제2수신기(Receiver 2)가 제거되었다고 인식한다. 송신기(10)는 장치 제어 표를 업데이트하고, 제거된 제2수신기(Receiver 2)에의 전력 전송을 차단한다.
상기와 같이 특정 수신기(20), 즉 제2수신기(Receiver 2)에의 전력 전송이 차단된 경우, 송신기(10)는 나머지 수신기들, 즉 제1수신기(들) (Receiver 1)에 대한 SID(들) 및 타임 슬롯(들)을 재할당할 수 있다. 제2수신기(Receiver 2)의 제거로 인해 송신기(10)가 제1수신기들(Receiver 2) 및 제2수신기(Receiver 2)에 할당하였던 타임 슬롯들 중 빈 슬롯이 발생한다. 점유된 타임 슬롯들 사이에 빈 타임 슬롯을 남기는 것은 효율적이지 않다. 따라서 송신기(10)는 상기 할당된 타임 슬롯들 중 마지막 타임 슬롯을 점유한 제1수신기(Receiver 1)에 제2수신기(Receiver 2)가 사용하던 빈 슬롯을 재할당함으로써, 빈 타임 슬롯을 제거할 수 있다. 송신기(10)는 재할당된 SID를 포함하는 Notice_Frame 패킷을 마지막 타임 슬롯을 점유하고 있던 제1수신기(Receiver 1)에 송신하고, 자신의 장치 제어 표를 업데이트한다. 그에 따라 타임 슬롯이 재할당된 제1수신기(Receiver 1)는 다음 슈퍼프레임 구간에 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다.
도 72는 제1수신기(Receiver 1) 및 제2수신기(Receiver 2)의 충전 과정에서 제1수신기(Receiver 1)가 재충전되는 과정을 나타낸 도면이다.
제1수신기(Receiver 1)의 장치 배터리가 완전히 충전된 경우, 제1수신기(Receiver 1)는 Charge Status of Complete and Standby 데이터를 포함한 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신하고, 제1수신기(Receiver 1)는 대기 상태에 진입한다. 제1수신기(Receiver 1)의 충전이 완료되었으므로, 송신기(10)는 장치 제어 표를 업데이트한다. 또한 송신기(10)는 갑작스러운 전압 변동을 방지하기 위하여 제1수신기(Receiver 1)에 대하여 Tx 공진기(11)에 인가된 전력을 레벨 Preg로 완만하게 줄일 수 있다.
제1수신기(Receiver 1)가 배터리를 재충전할 필요가 있을 때, 제1수신기(Receiver 1)는 Charge Status of CC 데이터를 포함한 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. 이로써 제1수신기(Receiver 1)는 충전 상태에 진입할 수 있다. 제1수신기(Receiver 1)로부터 상기 Report_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)는 장치 제어 표를 업데이트하고, 제1수신기(Receiver 1)에 대하여 Tx 공진기(11)에 인가되는 전력을 증가시킨다. 도 72에서 제2수신기(Receiver 2)는 지속적으로 충전되고 있는 상태인 것으로 가정한다.
도 73은 다수의 수신기들 간의 SID 교환 과정을 나타낸 도면이다.
다수 수신기들, 예를 들어 제1수신기(Receiver 1), 제2수신기(Receiver 2), 제3수신기(Receiver 3)가 송신기(10)(Transmitter)의 인터페이스 상에 놓여있을 때, 송신기(10)의 전력 커패시티는 다수 수신기들(제1 내지 제3수신기)로부터 요구되는 총 전력보다 작을 수 있다. 상기와 같이 수신기들로부터 요구되는 총 전력보다 송신기(10)의 전력 커패시티가 작은 경우, 시간순으로 가장 최근에 가입 또는 등록된 수신기일수록 충전 상태가 아닌 대기 상태에 머무르게 된다.
도 73에서는 제1수신기(Receiver 1) 및 제2수신기(Receiver 2)가 충전 상태이고, 제3수신기가 대기 상태에 머무르고 있었다. 또한 제1 내지 제3수신기는 각각 제1타임 슬롯(Slot 1), 제2타임 슬롯(Slot 2), 제3타임 슬롯(Slot 3)을 할당받은 상태이다.
도 73을 참조하여 설명하면, 충전 상태에 있던 제1수신기(Receiver 1) 및 제2수신기(Receiver 2) 중 제2수신기(Receiver 2)가 완전히 충전되어 대기 상태에 진입하였다. 송신기(10)는 Charge Start 데이터를 포함한 Notice_Frame 패킷을 대기 중이던 제3수신기(Receiver 3)에 송신한다. 충전 상태의 수신기(20)로부터 전송되는 전력 정보가 더 중요하므로, 송신기(10)는 현재 충전 상태인 2개의 수신기들, 즉 제1수신기(Receiver 1) 또는 제3수신기(Receiver 3)의 SID들을 재할당함으로써 교환해 줄 수 있다. 그에 따라 도 73에 도시된 바와 같이 제3수신기(Receiver 3)는 제2타임 슬롯(Slot 2)을 재할당받는다.
(슈퍼프레임의 구조)
본 발명에 따른 타임 슬롯 및 경쟁 구간을 포함하는 슈퍼프레임은, IEEE 802.15.4 CSMA/CA 알고리즘으로부터 수정된 통신 패킷의 충돌 방지 알고리즘에 의하여 설계될 수 있다. 슈퍼프레임의 시간 길이는 tcycle의 사이클 시간으로서 정의된다.
도 74a는 수퍼프레임의 타임 슬롯 구간을 나타낸 도면이고, 74b는 수퍼프레임의 타임 슬롯 구간 및 경쟁 구간을 나타낸 도면이다. 도 74a 및 도 74b에서 tcycle는 슈퍼프레임의 시간 길이(예를 들어, 250ms)이고, tslot은 타임 슬롯의 지속 구간(예를 들어, 5ms)이며, nslot은 송신기(10)에 의해 할당되는 타임 슬롯들의 총 개수이다. 또한 tcont는 경쟁 구간(Contention Period) 동안의 시간 길이를 나타내는 것으로, tcont는 아래 수학식 22와 같다.
Figure PCTKR2012003772-appb-I000025
..........(수학식 22)
슈퍼프레임은 도 74a 및 도 74b에 도시된 바와 같이, 슬롯 타임 구간과 경쟁 구간의 2부분들로 구성될 수 있다. 수신기(20)는 슬롯 타임 구간에서 자신의 할당 타임 슬롯 동안에만 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신하도록 허가되고, 경쟁 구간에서는 Report_Frame 패킷을 상기 송신기(10)에 송신하도록 허가되지 않는다. 상기와 같이 수신기(20) 각각에 대하여 허락된 슬롯 동안에만 자신의 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 전송하도록 함으로써 다수의 수신기들(20) 간에 발생할 수 있는 통신 패킷들 간의 충돌을 최소화한다.
기존의 수신기를 제1수신기(Receiver 1)라 하고, 새로이 가입한 수신기를 제2수신기(Receiver 2)라 가정한다. 제2수신기(Receiver 2)가 타임 슬롯 구간 동안 송신기(10)에 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신하는 경우, 상기 제2수신기(Receiver 2)로부터 전송된 Interactive_Request_Join_Frame 패킷은 적어도 하나의 제1수신기(Receiver 1)로부터 전송되는 패킷들과 충돌을 일으킬 수 있다.
상기와 같이 서로 다른 수신기들(제1 및 제2수신기)로부터 전송된 패킷들이 충돌하면, 제1수신기(Receiver 1)는 송신기(10)로부터 ACK_Frame 패킷을 수신하지 못한다. 제1수신기(Receiver 1)는 다음 슈퍼프레임 중 자신에게 할당된 타임 슬롯 구간 동안에 다시 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다.
제2수신기(Receiver 2)는 또한 tcycle시간 보다 작은, 임의 지연 시간(trandom) 동안 송신기(10)에 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신한다. 상기와 같은 방식으로 새로운 수신기, 즉 제2수신기(Receiver 2)는 다른 수신기(제1수신기)들과의 통신 패킷 충돌 없이 송신기(10)에 Report_Frame 패킷을 송신하기 위해 SID와, 타임 슬롯을 할당받을 수 있다. 실시예에 따라 송신기(10)는 경쟁 구간에 제2수신기(Receiver 2)로부터 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 전송할 수 있다. 경쟁 구간에서는 제1수신기(Receiver 1)가 송신기(10)로 Report_Frame 패킷을 송신하지 않는다. 따라서 송신기는 제2수신기(Receiver 2)로부터 경쟁 구간에 상기 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 수신함으로써 제1수신기들(Receiver 1) 및 제2수신기(Receiver 2) 간에 발생할 수 있는 패킷 충돌의 가능성이 최소화할 수 있다.
슬롯 구간에서, 제로 슬롯(Slot 0)은 송신기(10)로부터 제1수신기(Receiver 1) 또는 제2수신기(Receiver 2)에 Notice_Frame 패킷이 전송되는 구간이다. Notice_Frame 패킷은, 제1수신기(Receiver 1) 또는 제2수신기(Receiver 2)가 송신기(10)와 클록을 동기화하기 위한 클록 동기화 정보 및 SID를 포함한다. 또한 송신기(10)는 Notice_Frame 패킷에 특정 SID를 포함시킴으로써 상기 특정 SID에 해당하는 제1수신기(Receiver 1) 또는 제2수신기(Receiver 2)에 명령을 송신할 수 있다.
도 74a를 참조하면, 제1 또는 제2수신기 각각에 대하여 tslot의 타임 슬롯 구간이 할당된다. 실시예에 따라 제1슬롯(Slot 1)은 첫번째 SID를 갖는 제1 또는 제2수신기, 제2슬롯(Slot 2)는 두번째 SID를 갖는 제1 또는 제2수신기에 할당되며, 이와 같은 방식으로 제N슬롯(Slot N)은 N번째 SID를 갖는 제1 또는 제2수신기에 할당된다. 실시예에 따라 제1 또는 제2수신기에 할당되는 슬롯의 번호는 10 이하가 될 수 있다. 송신기(10)에 의하여 제1 또는 제2수신기에 할당되는 슬롯의 수가 모두 10개라고 가정하면, 타임 슬롯 구간은 약 (10 × tslot)이 된다.
제1 또는 제2수신기의 수가 송신기(10)가 할당할 수 있는 최대 타임 슬롯 수 보다 크면, 송신기(10)는 Not Permission of Over Node 데이터를 포함한 Interactive Response Frame 패킷을 새로운 수신기, 즉 제2수신기(Receiver 2)에 송신하고 제2수신기(Receiver 2)가 사용자에 의해 제거될 때까지 송신기(10)의 사용자 인터페이스에 경고 메시지를 표시할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 송신 시스템의 적절한 동작을 위한 시간 제약은 도 60에 도시된 바와 같다. 도 60 내지 도 74에 도시된 시간 제약은 아래 표 17에 나타난 바와 같다.
표 17
타이밍 심볼 값 도면
슈퍼프레임 길이 tcycle 250ms 도 74a, 도 74b
타임 슬롯 지속구간 tslot 5ms 도 74a, 도 74b
검출 시간 tdet 5ms 도 70
검출 구간 tdet_per 250ms 도 70
등록 시간 treg 10ms 도 71
등록 재시도 시간 treg ret 50ms 도 62
등록 재시도 횟수 nreg ret 2 도 62
데이터 응답 시간 tdata_res 3ms 도 71
확인응답 시간 tack 1ms 도 71
데이터 응답 시간 tdata_res 3ms 도 71
요청 충전 시간 treq_char 10ms 도 72
임의 시간 trandom 50ms ~ 240ms 도 62
최대 부재 횟수 nabsence 2 도 66
연속 충돌 횟수 ncollision 3
도 75는 검출(detection) 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면이다. 도 75에 도시된 바와 같이, 검출 상태에서 송신기(Transmitter)(10)는 양의 부하 변경을 감지하면서 새로운 수신기(20)를 검출하기 위해서 구간 tdet_per마다 tdet의 시간 동안 전력을 Tx 공진기(11)에 인가한다. 이때, 송신기(10)로부터 출력되는 전력 Pdet의 값은 송신기(10)의 부하 민감성(sensibility)에 의해 결정될 수 있다.
도 76은 등록 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면이다. 도 76에 도시된 바와 같이, 송신기(Transmitter)(10)는, 양의 부하 변동이 감지되면 Tx 공진기(11)에 인가된 전력을, 수신기(20)의 Rx 제어부(25)가 웨이크업하는데 충분한 전력, 레벨 Preg까지 증가시킨다. 그러나 이 단계는 충전이 시작되기 전의 단계로서, 수신기(20)는 상기 수신기(20)가 포함된 장치의 배터리 충전 시스템에 송신기(10)로부터 수신한 전력을 공급하지는 않는다. 수신기(20)는 시간 treg내에 송신기(10)로부터 전송된 Interactive_Request_Join_Frame 패킷에 응답한다. treg내에 수신기(20)로부터 응답이 없으면, 송신기(10)는 treg_ret의 시간 간격 동안 Tx 공진기(11)에의 전력 인가를 중단한다. 송신기(10)는 상기의 절차를 nreg_ret회 반복할 수 있다. 수신기(20)로부터 Interactive_Request_Join_Frame 패킷이 nreg_ret회의 재시도 이후에도 수신되지 않으면, 송신기(10)는 Tx 공진기(11)에 전력 Preg의 인가를 중지하고, 검출 상태로 돌아간다.
도 77은 구성(configuration) 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면이다. 도 77를 참조하면, 수신기(Receiver)(20)는 송신기(Transmitter)(10)로부터 송신된 Interactive_Response_Join_Frame 패킷에 대한 응답으로서, 상기 송신기(10)에 ACK_Frame 패킷를 송신한다. 또한 수신기(20)는 treq_char시간 내에 송신기(10)에 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 송신한다. 수신기(20)로부터 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)는 tdata_res시간 내에 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 수신기(20)로 송신한다. 수신기(20)는 상기 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷에 대한 응답으로서, tack시간 내에 송신기(10)로 ACK_Frame 패킷을 송신한다. 상기와 같은 과정을 거쳐 수신기(20)는 충전 상태에 진입하고, 송신기로부터 출력되는 전력을 수신할 수 있게 된다.
도 78은 충전(charge) 상태에서의 타이밍 제약을 나타낸 도면이다. 도 78을 참조하여 설명하면, 충전 상태에서 제로 슬롯(Slot 0)은 송신기(10)가 Notice_Frame 패킷을 수신기(Receiver)(20)에 방송하는 타임 슬롯 구간이다. 그에 따라 송신기(10)는 제로 슬롯을 수신기(20)에 할당하지 않는다. 제1슬롯(Slot 1)은 제1수신기(Receiver 1)에 할당되는 것으로, 제1수신기(Receiver 1)는 tdata_res 시간 동안 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 전송한다. 제1수신기(Receiver 1)로부터 Report_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)는 tack 시간 내에 제1수신기(Receiver 1)로 ACK_Frame 패킷을 송신한다. 상기와 같은 방식으로, 송신기(10)와 제1수신기(Receiver 1)는 전압, 전류 및 전력 송신 효율과 같은 전력 협상 정보를 주기적으로 공유할 수 있다. 제1수신기(Receiver 1)가 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어 충전패드)로부터 제거되고, 상기 제1수신기(Receiver )로부터의 Report가 없으면(Report_Frame 패킷이 송신기(10)로 전송되지 않으면), 송신기(10)는 상기 제1수신기(Receiver 1)가 제거된 것으로 결정한다. 제1수신기(Receiver 1)가 제거되었으므로, 송신기는 상기 제1수신기(Receiver 1)에 할당되었던 타임 슬롯, 즉 제1슬롯(Slot 1)을 충전 상태에 있던 마지막 수신기에 재할당한다. 상기와 같이 본 발명에 따른 송신기(10)는, 수신기(20)에 할당하는 슬롯 수를 줄이고, 경쟁 구간을 증가시키면서 통신 충돌 가능성을 최소화시킬 수 있다.
대기(standby) 상태에서, 타이밍 제약은 충전 상태에서의 타이밍 제약과 동일하다.
한편, 수신기(20)가 안전과 연관된 인터럽트를 검출하면, 송신기(10)는 Power Off of Internal Error 데이터를 포함한 Notice_Frame 패킷을 수신기(20)로 송신한다. 그 결과 송신기(10)는 과온도, 과전류 및 과전압 등으로부터 자신의 회로 및 수신기(20)의 손상을 보호하기 위해서 Tx 공진기(11)로의 전력 인가를 중단할 수 있다.
도 79는 송신기(10)가 과전류로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도이고, 도 80은 송신기(10)가 과전압으로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도이며, 도 81은 송신기(10)가 과온도로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명에 따른 수신기(20)는 안전과 관련된 인터럽트를 검출할 수 있다. 상기 언터럽트가 검출되면, 수신기(20)는 Over Current, Over Voltage 데이터 및 Over Temperature 데이터와 같은 Error of corresponding Reason 데이터를 포함하는 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. 그 결과 송신기(10)는 과온도, 과전류 및 과전압 등으로부터 수신기(20)와 송신기(10) 자신의 회로를 보호하기 위하여 Tx 공진기(11)로의 전력 인가를 중단할 수 있다.
도 82는 수신기(20)가 과전압으로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법을 나타낸 순서도이다. 수신기(20)의 과전류 및 과온도로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법은 도 80 및 도 81에 도시된 송신기(10)의 과전류 및 과온도로부터 전력 송신 시스템을 보호하는 방법과 동일하므로 별도의 설명은 생략하기로 한다.
(무선 전력 송신 시스템에서의 통신 인터페이스)
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템의 통신 프로토콜은 센서 네트워크 환경에 대한 IEEE 802.15.4에 기초한다. 그러나 IEEE 802.15.4가 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에 대해 불필요한 기능들을 가지므로, 본 발명에서는 IEEE 802.15.4 프로토콜을 수정하고 재설계하였다. 특히 본 발명에서는 물리적 계층 기능들 중 일부를 IEEE 802.15.4로부터 제외시키고, 링크 계층을 본 발명에 따른 무선 송신 시스템에 적합하도록 재설계되었다.
도 83은 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기와 수신기 간의 통신의 일 예를 도시한 도면이다.
도 83을 참조하면, 송신기(Transmitter)(10)와 수신기(Receiver)(20)의 통신은 다음과 같이 이루어진다. 송신기(10)는 부하(load)를 감지하고, 수신기(20)가 송신기(10)와 통신을 할 수 있도록 송신기(10)의 통신 IC(integrated circuit)의 작동을 위한 전력을 상기 수신기(20)에 전송한다. 수신기(20)는 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신기(10)에 전송함으로써 송신기(10)에 등록을 요청한다. 송신기(10)는 상기 수신기(20)가 유효한 기기인지 여부를 체크하고, 유효한 기기인 경우 상기 Interactive_Request_Join_Frame 패킷에 포함되어 있던 수신기(20)의 아이디를 짧은 아이디(Short ID), 즉 SID로 교체한다. 송신기(10)는, 상기 Interactive_Request_Join_Frame 패킷에 대한 응답으로써, 수신기(20)에 Interactive_Response_Join_Frame 패킷을 수신기(20)에 전송한다.
Interactive_Response_Join_Frame 패킷을 수신한 수신기(20)는 송신기(10)로부터의 전력을 공급받기 위한 등록이 승인(permission)된 것으로 판단하고, 설정(Configuration) 상태로 진입할 수 있다. 수신기(20)는 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 송신기(10)에 전송하여 전력 전송을 송신기(10)에 요청한다. 송신기(10)는 유효 전력(valid power)를 체크한다. 송신기(10)는 유효 전력을 체크하여 수신기(20)로부터 요청된 전력을, 상기 수신기(20)에게 전송하여 줄 수 있는지 여부를 판단한다. 도 83에서는 송신기(10)가, 수신기(20)가 요청한 전력을 전송하여 줄 수 있는 상태인 것으로 가정한다. 송신기(10)는 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷을 전송하여 수신기(20)에, 상기 수신기(20)가 요청한 전력을 전송하여 줄 수 있음을 알린다. 수신기(20)는 송신기(10)로부터의 전력을 공급받기 위한 설정이 승인(permission)된 것으로 판단하고, 충전(Charge) 상태로 진입할 수 있다.
충전 상태로 진입하면, 송신기(10)는 수신기(20)가 송신기(10)와 싱크(synch)를 맞출 수 있도록 Notice_Synch_Frame 패킷을 전송한다. 수신기(20)는 상기 Notice_Sysnch_Frame 패킷에 따라 싱크를 송신기(10)의 싱크에 맞추고, 수신기(20) 자신에 대한 Report_Frame 패킷을 송신기(10)에 전송한다. 이후 수신기(20)는 송신기(10)로부터 전력을 공급받는 충전 모드(Charge CC mode)가 되어 배터리 충전을 수행한다.
충전이 완료되면, 송신기(10)는 수신기(20)로부터 Report_Charge_complete 패킷을 수신할 수 있다. 실시예에 따라 송신기(10)는 수신기(20)의 충전 종료(charge finish)를 결정할 수 있다. 송신기(10)는 미리 정해진 시간 동안 수신기(20)에 전력이 공급되었거나 또는 미리 정해진 전력이 수신기(20)에 공급되었다고 판단되면 수신기(20)에 대한 충전이 완료되었다고 결정할 수 있다. 충전이 완료되면, 송신기(10)는 수신기(20)에 Notice_Charge_Finish_Frame 패킷을 전송한다. 수신기(20)는 충전이 완료되었음을 인식하고, 대기 상태(standby state)로 진입한다.
대기 상태에서도 수신기(20)는 송신기(10)에 Report_Frame 패킷을 전송할 수 있다. 수신기(20)는 재충전이 필요한 경우에는 충전을 준비하고(charge ready), 충전이 완료된 상태에서는 단순한 대기 상태를 유지할 수 있다(complete and wait). 재충전이 필요한 경우 송신기(10)는 Notice_Synch_Frame 패킷을 수신기(20)에 전송하며, 이에 응답하여 수신기(20)는 송신기(10)에 Report_Frame 패킷을 전송할 수 있다. 실시예에 따라 송신기(10)는 충전이 완료된 수신기(20)를 송신기(10)의 인터페이스(예를 들어 충전패드)로부터 분리시켜줄 것을 사용자에게 요청할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 무선 송신 시스템에서는, 바람직하게 통신 표준 IEEE 802.15.4에 기재된 2.4GHz ISM 대역을 주파수로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템은 IEEE 802.15.4에 정의된 2.4GHz의 주파수를 갖는 16개의 채널들을 이용할 수 있다.
IEEE 802.15.4에서 CCA(빈 채널 평가: Clear channel assessment)는 CSMA-CA(carrier sense multiple access-collision avoidance) 채널에 신호들이 있는지 여부를 확인하는데 이용된다. 또한 CCA는 CSMA-CA 채널에서와 동일한 목적으로, 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서는 무선 전력 송신 환경에 최적화된 CSMA-CA 알고리즘을 이용할 것이다.
(무선 전력 송신 시스템에서 사용하는 패킷들의 프레임 구조)
도 84는 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 물리적 프레임 구조를 나타낸 도면으로, 본 발명에 따른 물리적 프레임 구조는 도 84에 도시된 바와 같이 IEEE 802.15.4의 물리적 프레임 구조와 동일할 수 있다.
도 84를 참조하면, 4 바이트 프리앰블(preamble)은 수신기들(20)이 송신기(10)와 동기화되기 위한 신호이다. Synchronization header는 4 바이트의 preamble과 1 바이트의 Start Frame Delimiter로 구성된다. 1 바이트 SFD(시작 프레임 경계 기호: Start Frame Delimiter)는 프레임의 시작을 선언한다. 프레임의 PHY 헤더는 프레임의 전체 길이를 나타내는 7비트의 Frame Length와 1비트는 Reserved로 구성되고, PHY 페이로드는 MAC header 등을 포함한다.
본 발명에 따른 물리적 프레임 구조는, 상기 도 84에 도시된 물리적 프레임 중 맨 왼쪽 필드가 제일 먼저 송신되거나 수신될 수 있다. 모든 다중 바이트 필드들은 최하위 옥텟(octet)부터 송신되거나 수신되고, 각 옥텟은 최하위 비트(LSB)부터 먼저 송신되거나 수신된다. 상기와 같은 송신 순서는 PHY와 MAC 계층 간에 전달되는 데이터 필드들에도 적용 가능하다. 또한 이진법의 정수들과 비트 패턴들은 작은 따옴표들('') 안의 0과 1의 시퀀스들로 표현될 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템의 MAC 프레임은 PHY 페이로드에 포함되고, PHY 헤더를 뒤따른다. 도 85는 본 발명에 따른 MAC 프레임 구조를 나타낸 도면이다.
도 85를 참조하면, MAC 프레임은 MAC Frame Header, Frame Payload 및 Checksum으로 구성된다. Checksum 필드는 16 비트 ITU-T CRC를 포함한다. MAC Frame Header는 Frame Type 필드, Short ID 필드 및 Sequence Number 필드를 포함한다. Frame Type 필드는 Frame payload에 포함된 프레임을 구별하는데 이용되고, Short ID 필드는 프레임 클래스에 따라 수신기 객체 어드레스 또는 송신기 어드레스로 이용된다.
3 비트 Frame Type 필드는 아래 표 18에 정의된 바와 같다.
표 18
Frame Type
Bits (0-2) Description
000 Notice
001 Report
010 ACK
011 Interactive
100~111 Reserved
Frame Type 필드는 Notice_Frame 에 대해 000을 할당 받는다. Notice_Frame 패킷은 송신기(10)로부터 수신기(20)로 통보(notice)가 있는 경우에 이용된다. Notice_Frame 패킷은 주기적으로 송신되고, 타임 슬롯 지속구간에서 맨 앞쪽에 위치된다. Frame Type 필드는 Report_Frame 패킷에 대해 001을 할당 받는다. Report_Frame 패킷은 수신기(20)가 자신의 정보를 송신기(10)에 주기적으로 송신할 때 이용된다. Report_Frame 패킷은 Notice_Frame 패킷이 수신된 후에 각 수신기(20)에 대해 할당된 타임 슬롯에서 주기적으로 송신된다. Frame Type 필드는 ACK_Frame 패킷에 대해 010을 할당 받는다. ACK_Frame 패킷은 주어진 프레임 패킷을 수신한 장치가 프레임 패킷이 적절히 수신되었다고 확인한 경우에 이용된다. Frame Type 필드는 Interactive_Frame 패킷에 대해 011을 할당 받는다. Interactive_Frame 패킷은 반대 장치(송신기(10) 또는 수신기(20))가 Notice_Frame 패킷 또는 Report_Frame 패킷과 같이 일방향 정보 제공 목적이 아니라, 어떤 정보를 제공할 것을 요청한 경우에 이용된다.
4 비트 Short ID는 아래 표 19에 정의된 바와 같다.
표 19
Short ID
Bits (3-6) Description
0000 For Targets (No ID)
0001 ~ 1110 Allocated ID for Targets
1111 All Targets
도 19를 참조하면, ID 0000은 송신기(10)로부터 Short ID를 할당받지 않은 수신기들에 의해 이용되는 ID이다. 이러한 수신기들(20)은 어드레스 0000을 Request_Join_Frame 패킷으로서 이용하여 송신기(10)에 등록(join)을 요청한다. 어드레스들 0001 내지 1110은 송신기(10)가 수신기들(20)에 할당하기 위해 이용 가능한 어드레스들이다. 어드레스 1111은 송신기(10)가 모든 수신기들(20)에 송신하는 방송 어드레스이다.
Notice_Frame 패킷은 수신기들과 동기화를 하여 네트워크가 얼라이브(alive)한 상태를 유지하고 수신기들을 관리하기 위한 기능을 갖는다. 도 86은 본 발명에 따른 Notice_Frame 패킷의 구조를 도시한 도면이다.
Notice_Frame 패킷은 송신기(10)에 의해서만 송신되는 메시지이다. 따라서 4 비트 길이의 Short ID 필드는 MAC Frame 헤더에서 수신기들(20)의 어드레스들로 채워진다. 3 비트 통보 타입 필드는 Notice_Frame 패킷의 클래스를 나타낸다. 3 비트 Notice Info 필드는 Notice Type 필드의 값에 따라 다른 정보를 갖는다. 아래 표 20은 Notice Type의 값과 Notice Info에 포함될 해당 정보를 정의한다.
표 20
Sub Frame Bit(0-2) Bit(3) Bits(4-7)
Notice Type Value Reserved Notice Info
Synch 000 Reserved Slot Number
Reset 001 Reserved Reset Reason
Power-off 010 Reserved Power Off Reason
Chnage Short ID 011 Reserved Change ID
Charge Start 100 Reserved Reserved
Charge Finish 101 Reserved Reserved
Reserved 110-111 - -
Notice Type 필드의 값이 000일 때, Notice Info 필드는 Slot Number의 값으로 채워진다. Slot Number는 송신기(10)에 의해 관리되는 타임 슬롯들의 수를 의미한다. ID가 할당되지 않은 수신기(20)가 Notice_Synch 프레임을 수신하면, 상기 수신기(20)는 Slot Number의 값을 확인하여 네트워크에서의 Slot Duration의 길이를 알 수 있다. 그에 따라 상기 수신기(20)는 Slot Duration을 피하고, Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신한다. Notice Type 필드의 값이 001이면, Notice Info 필드는 Reset Reason의 값으로 채워진다. Reset Reason의 의미는 아래 표 21에 정의된 바와 같다.
표 21
Reset Reason
Bits(4 - 7) Description
0000 Unknown
0001 Abnormal Object Dection
0010 ID Error
0011 Power Info Error
0100 Schedule Error
0101 - 1111 Reserved
Notice Type 필드의 값이 010일 때, Notice Info 필드는 Power off Reason의 값으로 채워진다. Power off Reason의 의미는 아래 표 22에 정의된 바와 같다. Notice Type 필드의 값이 011일 때, Notice Info 필드는 변경될 짧은 ID의 값으로 채워진다. Notice Type 필드의 값이 100 또는 101일 때, Notice Info 필드는 0으로 예비되어 채워진다. Notice Type 필드의 값이 100일 때, MAC Frame 헤더에 Receiver Short ID 어드레스를 갖는 수신기(20)에 충전을 시작할 것을 통보하는데 이용된다. Notice Type 필드의 값이 101일 때, MAC Frame 헤더에 Receiver Short ID 어드레스를 갖는 수신기(20)에 충전을 종료할 것을 통보하는데 이용된다.
표 22
Power off Reason
Bits (4-7) Description
0000 Unknown
0001 Abnormal Object Dection
0010 Internal Error
0011 Power Info Error
0100 - 1111 Reserved
Report_Frame 패킷은 수신기(20)가 자신의 정보를 송신기(10)에 주기적으로 송신할 때 이용된다. 도 87은 본 발명에 따른 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이다.
Report_Frame 패킷은 네트워크에 참여한 수신기들(20)에 의해서만 이용되는 메시지이다. 따라서 Report_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)가, 어떤 수신기(20)가 Report_Frame 패킷을 송신했는지 알도록 하기 위해, 수신기(20)는 4 비트 길이 Short ID 필드를 수신기 자신의 어드레스로 채운다. Charge Status 필드는 3 비트 길이이고, 충전 상태의 정보를 나타낸다. Charge Status 필드는 아래 표 23에서와 같이 정의된다.
표 23
Charge Status
Bits (0-2) Description
000 Standby
001 Charging CC mode
010 Charging CV mode
011 Complete & Standby
100 Error
101 - 111 Reserved
Charge Status 필드는 수신기(20) 자체의 충전 상태의 정보를 포함한다. 표 23에 정의된 바와 같이 송신기(10)와 통신을 유지하는 수신기(20)의 충전 상태에는 5가지 종류가 있다. Standby 상태는, 수신기(20)가 충전을 위해 대기하지만 충전이 완료되지는 않은 상태이다. 예를 들어, 송신기(10)가 수신기(20)를 충전할 수는 없지만 수신기(20)와 통신을 유지하고, 송신기가 다른 수신기들(20)을 충전하므로 충전을 위해 대기하는 경우이다.
Charging CC 모드는 전류와 전압이 충전 동안 정상(regular) 레벨로 유지되는 상태이다. 그리고 Charging CV 모드는 전압은 충전 동안 정상 레벨로 유지되나 전류가 감소되는 상태이다. Complete and Standby 모드는 충전이 완료되었으나, 충전 완료 후에도 통신이 얼라이브한 상태로 유지되는 상태이다.
Error는 수신기(20)가 단독으로 에러를 검출하고 충전을 중단하는 상태이다. Charge Status 필드가 Error로 설정된 Report_Error_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)는 Report_Error_Frame 을 송신한 수신기(20)에 전력 공급을 중단한다. Reason 필드는 4 비트 길이이고, Charge Status 필드가 Error로 설정된 경우에만 이용된다. Reason 필드는 수신기(20)가 단독으로 상태를 Error로 간주한 이유를 포함한다. 표 24는 Reason를 정의한다.
표 24
Reason
Bits (3-6) Description
0000 Unknown
0001 Internal Fault
0010 Over Voltage
0011 Over Current
0100 Over Temperature
0101 Battery Error
0101 Reserved
Power Info 필드는 수신기(20)의 전력 정보를 포함하고, Charge Status 필드의 값에 따라 2 바이트 또는 4 바이트이다. Charge Status 필드가 Charge Standby 000 또는 Complete and Standby 011일 때, 수신기(20)는 충전되지 않은 대기 상태이므로, Power Info 필드는 1 바이트의 요구 전압 값과 1 바이트의 요구 전류 값을 갖는다. Charge Status 필드가 Charging CC mode 001 또는 Charging CV mode 010일 때, 수신기(20)가 충전 중인 충전 상태이므로, Power Info 필드는 1 바이트의 요구 전압 값과 1 바이트의 요구 전류 값뿐만 아니라 1 바이트의 입력 전압 값과 1 바이트의 입력 전류 값을 갖는다. Charge Status 필드가 Error일 때, 수신기(20)는 충전을 중단해야 하므로 Power Info 필드는 생략된다.
도 88은 standby 상태에서의 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이고, 도 89는 Charge 상태에서의 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이고, 도 90은 Error 상태에서의 Report_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이다.
ACK_Frame 패킷은 MAC 프레임 헤더와 체크섬을 포함한다. 도 91은 본 발명에 따른 ACK_Frame 패킷의 구조를 도시한 도면이다.
Interactive_Frame 패킷은 송신기(10)와 수신기(20)가 서로 정보를 교환할 때 이용된다. 또한 Interactive_Frame 패킷은 경쟁 구간들 내에서 이용될 수 있다. 수신기(20)가 Interactive_Frame 패킷을 송신기(10)에 송신할 때, MAC 프레임 헤더에서 4 비트 길이 Short ID 필드는 수신기(20) 자체의 어드레스로 채워진다. 송신기(10)가 수신기(20)에 Interactive_Frame 패킷을 송신할 때, MAC 프레임 헤더에서 4 비트 길이 Short ID 필드는 수신하는 수신기(20)의 어드레스로 채워진다.
도 92는 본 발명에 따른 Interactive_Frame 패킷의 일반적인 구조를 나타낸 도면이다. Interactive Type 필드는 3 비트 길이이고, Interactive_Frame 패킷의 타입을 정의한다. 세부사항은 아래 표 25에 정의된 바와 같다. Interactive_Frame 패킷은 Interactive Type 필드의 값에 따라 다양한 프레임 구조를 갖는다.
표 25
Interactive Type
Bits (0-2) Description
000 Request Join Network
001 Response Join Network
010 Request Charge
011 Response Charge
100 - 111 Reserved
표 25를 참조하여 설명하면, Interactive Type 필드의 값이 000이면, Interactive_Frame 패킷은 Interactive_Request_Join_Frame 패킷이다. Interactive_Request_Join_Frame 패킷은 수신기(20)가 송신기(10)에 무선 충전 네트워크들에 참여하도록 요청할 때 이용된다.
도 93은 본 발명에 따른 Interactive_Request_Join_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이다. Interactive_Request_Join_Frame 패킷은 Short ID(SID)를 할당받을 수 없는 수신기(20)에 의해 송신기(10)로 송신되는 것으로, Short ID 필드가 송신을 위해 0000로 설정된다. ID Size Type 필드는 2 비트 길이이고, ID 필드의 길이를 나타낸다. 아래 표 26은 ID Size Type의 값을 정의한다.
표 26
ID Size Type
Bits (3-4) Description
00 4Byte
01 8Byte
10 12Byte
11 Reserved
수신기(20)는 자신의 부하 특성을 1Byte Load Characteristic 필드에 채운다. ID 필드는 고유 수신기 ID로 채워진다. ID 필드의 값을 수신한 송신기(10)는 ID 필드의 값들, 자신에 의해 할당된 Short ID 및 자신의 메모리 내의 수신기들(20)에 대한 다른 관리 파라미터들을 맵핑하고 관리한다.
Interactive Type 필드의 값이 001이면, Interactive_Frame 패킷은 Interactive_Response_Join_Frame 패킷이다. Interactive_Response_Join_Frame 패킷은 Interactive_Request_Join_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)가 수신기(20)에게 수신기(20)가 무선 충전 네트워크들에 참여되었는지에 대해 송신할 때 이용된다.
도 94는 본 발명에 따른 Interactive_Response_Join_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이다. Interactive_Response_Join_Frame 패킷은 송신기(10)에 의해 Short ID를 할당받지 못한 수신기(20)에 송신되는 것으로, Short ID 필드는 송신을 위해 0000로 설정된다. 1 비트 Permission 필드는 송신기(10)가 수신기(20)가 네트워크들에 참여할 것을 허가하는지에 관해 나타낸다. 이 필드가 0으로 설정되면 허가가 부정되고, 1로 설정되면, 허가가 수락된다. Allocated Short ID 필드는 4 비트 길이이고, 송신기(10)가 수신기(20)에 할당한 어드레스를 포함한다. Permission 필드가 0으로 설정되면, Allocated Short ID는 0000으로 설정될 공란(blank)이다. Short ID는 Slot Number를 의미하기도 한다.
예를 들어, 하나의 수신기(20)는 Short ID 0011와 Slot Time 5ms를 할당 받는 것으로 가정한다. 이 수신기(20)는 아래의 수학식 23에서와 같이 Notice_Frame 패킷을 수신하고 10ms를 대기한 후 Report_Frame 패킷을 송신할 수 있다.
(Slot_number(3) - 1) × Slot_time(5ms) = 10ms ..........(수학식 23)
Interactive Type 필드의 값이 010이면, Interactive_Frame 패킷은 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷이다. Interactive_Request_Charge_Frame 패킷은 Interactive_Response_Join_Frame 패킷 또는 Notice_Charge_Start 패킷을 수신한 수신기(20)가 송신한 프레임이다. Interactive_Request_Charge_Frame 패킷은 수신기(20)의 충전 특성을 포함하고, 충전 요청을 위해 송신기(10)에 송신된다. 도 95는 본 발명에 따른 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이다. Power Characteristic은 3 바이트 길이이고, 수신기의 기준 전류, 기준 전압 및 기준 효율을 포함한다.
Interactive Type 필드의 값이 011이면, Interactive_Frame 패킷은 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷이다. Interactive_Response_Charge_Frame 패킷은 Interactive_Request_Charge_Frame 패킷을 수신한 송신기(10)가 송신한 프레임이다. 송신기(10)는 이 프레임에 의해 충전이 허가되었는지 여부를 수신기(20)에 알린다. 도 96은 본 발명에 따른 Interactive_Response_Charge_Frame 패킷의 구조를 나타낸 도면이다.
1 비트 Permission 필드가 0으로 설정되면 충전이 허가되지 않고, 1로 설정되면, 충전이 허가된다. Reason 필드는 3 비트 길이이고, 충전 허가 또는 금지에 대한 이유를 포함한다. 아래 표 27은 Reason 필드의 값을 정의한다.
표 27
Reason
Bits (4-6) Description
000 Permission
001 Over Node
010 Over Power
011 - 111 Reserved
본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템의 네트워크는 전력을 공급하는 송신기(10)와 전력을 수신하는 단일 수신기 또는 다수 수신기들을 포함한다. 송신기(10)는 Report_Frame 패킷에 의해 수신기들의 정보를 수집하고, 요구되는 전력을 결정하고, 수신기들(20)에 전력을 공급한다. 또한 수신기들(20)은 Notice_Frame 패킷에 의해 자신의 정보를 주기적으로 송신기(10)에 송신하고, 동기화 및 네트워크 관리를 위한 정보를 주기적으로 상기 송신기(10)로부터 수신한다. 이러한 트래픽 특성들을 위해 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템의 네트워크들에 대해서는 스타 토폴로지가 바람직하다. 도 97은 본 발명에 따른 무선 전력 송신 시스템에서의 스타 토폴로지를 도시한 도면이다.
이외에도 본 발명의 다양한 실시예 또는 변형예가 있을 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고, 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
<부호의 설명>
10: 송신기 11: Tx 공진기
12: Tx 매칭회로 13: Tx 전력 변환부
13-1: Class-E 증폭기 13-2: 드라이버 증폭기
14: Tx 통신부 15: Tx 제어부
20: 수신기 21: Rx 공진기
22: Rx 매칭회로 23: Rx 전력 변환부
23-1: AC/DC 정류기 23-2: DC/DC 컨버터
24: Rx 통신부 25: Rx 제어부
30: 시스템 유닛 40: 단말기

Claims (7)

  1. 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기에 있어서,
    DC 전압을 제1AC 전압으로 변환하고, 변환된 제1AC 전압을 증폭하여 제2AC 전압으로 변환하는 Tx 전력 변환부와,
    상기 제2AC 전압을 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 수신하는 수신기와 임피던스를 매칭하는 Tx 매칭회로와,
    상기 제2AC 전압을 수신기에 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 공명파로 공진하는 Tx 공진기를 포함하고,
    상기 제1AC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1AC 전압을 제2AC 전압으로 변환하도록 상기 Tx 전력 변환부를 제어하는 Tx 제어부를 포함하는 무선 전력 시스템에서의 송신기.
  2. 무선 전력 송신 시스템에서의 수신기에 있어서,
    송신기에 의하여 공명파로써 공진되는 AC 전압을 수신하는 Rx 공진기와,
    상기 송신기로부터 상기 AC 전압을 수신하기 위하여 상기 송신기와 임피던스를 매칭하는 Rx 매칭회로와,
    상기 AC 전압을 제1DC 전압으로 정류하고, 상기 제1DC 전압을 증폭하여 제2DC 전압으로 변환하는 Rx 전력 변환부와,
    상기 제1DC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1DC 전압을 제2DC 전압으로 변환하도록 상기 Rx 전력 변환부를 제어하는 Rx 제어부를 포함하는 무선 전력 시스템에서의 수신기.
  3. 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기에 있어서,
    DC 전압을 제1AC 전압으로 변환하는 Class- 증폭기 및 변환된 제1AC 전압을 증폭하여 제2AC 전압으로 변환하는 드라이버 증폭기를 포함하는 Tx 전력 변환부와,
    상기 제2AC 전압을 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 수신하는 수신기와 임피던스를 매칭하는 Tx 매칭회로와,
    상기 제2AC 전압을 수신기에 전송하기 위하여 상기 제2AC 전압을 공명파로 공진하는 Tx 공진기와,
    상기 제1AC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1AC 전압을 제2AC 전압으로 변환하도록 상기 Tx 전력 변환부를 제어하는 Tx 제어부를 포함하고,
    상기 Tx 제어부는,
    상기 Class-E 증폭기에 포함된 트랜지스터의 구동 전압을 모니터링하여 상기 트랜지스터에 인가된 구동 전압으로 인하여 상기 Class-E 증폭기에 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생하였는지 여부를 판단하고, 판단결과 상기 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생한 경우 송신기의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 시스템에서의 송신기.
  4. 무선 전력 송신 시스템에서의 수신기에 있어서,
    송신기에 의하여 공명파로써 공진되는 AC 전압을 수신하는 Rx 공진기와,
    상기 송신기로부터 상기 AC 전압을 수신하기 위하여 상기 송신기와 임피던스를 매칭하는 Rx 매칭회로와,
    상기 AC 전압을 제1DC 전압으로 정류하고, 상기 제1DC 전압을 증폭하여 제2DC 전압으로 변환하는 Rx 전력 변환부와,
    상기 제1DC 전압의 증폭율을 결정하고, 결정된 상기 증폭율에 따라 상기 제1DC 전압을 제2DC 전압으로 변환하도록 상기 Rx 전력 변환부를 제어하는 Rx 제어부를 포함하고,
    상기 Rx 제어부는,
    상기 Rx 공진기를 통해 수신하는 상기 AC 전압을 모니터링하여 상기 AC 전압으로 인하여 수신기의 적어도 일부에 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생하였는지 판단하고, 판단결과 상기 과전압, 과전류 및 과온도 중 적어도 하나가 발생한 경우 상기 수신기의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 시스템에서의 수신기.
  5. 인터페이스에서의 부하 변동을 모니터링하기 위하여 미리 저장된 시간마다 제1전력을 공급하고, 상기 부하 변동을 발생하였는지 여부를 체크하는 검출 단계와,
    상기 부하 변동이 발생한 경우, 상기 제1전력보다 큰 제2전력을 상기 인터페이스에 공급하여 상기 제2전력을 수신한 수신기로부터 응답을 수신하면 상기 수신기에 짧은 식별자(SID: Short identification) 및 상기 수신기에 대응하는 타임 슬롯을 할당하는 등록 단계와,
    상기 수신기로부터 출력 전압, 출력 전류 중 적어도 하나를 포함하는 정보를 수신하고, 상기 정보에 따라 상기 수신기로부터 요구되는 요구 전력을 계산하고, 상기 요구 전력을 상기 수신기에 전송하여 줄 수 있는지 여부를 판단하는 구성 단계와,
    상기 판단 결과 상기 요구 전력을 상기 수신기에 전송하여 줄 수 있는 경우, 상기 수신기에 상기 요구 전력을 전송하는 충전 단계를 포함하는 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기의 무선 전력 송수신 방법.
  6. 송신기로부터 미리 지정된 시간마다 공급되는 제1전력을 수신하고, 상기 제1전력을 이용하여 상기 송신기에 가입을 요청하는 단계와,
    상기 송신기로부터 상기 제1전력보다 큰 제2전력을 공급받아서 상기 송신기에 충전을 요청하는 단계와,
    상기 송신기로부터 짧은 식별자(SID: Short identification) 및 타임 슬롯을 할당받고, 출력 전압, 출력 전류 중 적어도 하나를 포함하는 정보를 상기 송신기에 전송하여 요구 전력의 전송을 요청하는 단계와,
    상기 송신기로부터 상기 요구 전력을 수신하는 단계를 포함하는 무선 전력 송신 시스템에서의 수신기의 무선 전력 송수신 방법.
  7. 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기는,
    MAC 프레임 헤더와, 프레임 페이로드, 체크썸(Checksum)으로 구성되는 MAC 프레임을 사용하여 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 시스템.
PCT/KR2012/003772 2011-05-13 2012-05-14 무선 전력 송신 시스템에서의 송신기 및 수신기, 상기 장치들의 무선 전력 송수신 방법 WO2012157927A2 (ko)

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