WO2019203420A1 - 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 장치 및 방법 - Google Patents

무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 장치 및 방법 Download PDF

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WO2019203420A1
WO2019203420A1 PCT/KR2018/016960 KR2018016960W WO2019203420A1 WO 2019203420 A1 WO2019203420 A1 WO 2019203420A1 KR 2018016960 W KR2018016960 W KR 2018016960W WO 2019203420 A1 WO2019203420 A1 WO 2019203420A1
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WO
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wireless power
factor value
factor
value
power transmitter
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/016960
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English (en)
French (fr)
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김경환
박용철
육경환
이지현
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엘지전자 주식회사
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Publication date
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    • H02J7/00034—Charger exchanging data with an electronic device, i.e. telephone, whose internal battery is under charge

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission system, and more particularly, to an apparatus and method for performing foreign matter detection in a wireless power transmission system.
  • Wireless power transfer technology is a technology for wirelessly transferring power between a power source and an electronic device.
  • Wireless power transfer technology for example, enables users to charge the battery of a wireless terminal simply by placing a wireless terminal such as a smartphone or tablet on the wireless charging pad, which is superior to a wired charging environment using a conventional wired charging connector. It can provide mobility, convenience and safety.
  • Wireless power transmission technology is attracting attention to replace the existing wired power transmission environment in a variety of fields, such as consumer electronics, industrial devices, military equipment, automobiles, infrastructure, medical devices.
  • the Wireless Power Consortium The Wireless Power Consortium (WPC), the organization that leads the standardization of wireless power transmission technology, classifies several groups according to the amount of power transmitted and received by electronic devices, and sets standards for each group.
  • the first group includes wearable devices such as smart watch, smart glass, head mounted display (HMD), and smart ring and earphones, remote controls, smartphones, PDAs,
  • a small power (about 5W or less or about 30W or less) standard is established for mobile electronic devices (or portable electronic devices) such as a tablet PC.
  • the second group establishes medium-power (less than about 60W or less than about 200W) standards for small and medium-sized consumer electronic devices such as laptops, robotic cleaners, televisions, acoustics, vacuum cleaners, and monitors.
  • the third group targets large power targets for personal mobile devices (or electronic devices / means) such as blenders, microwave ovens, kitchen appliances such as electric cookers, wheelchairs, electric kickboards, electric bicycles, and electric vehicles. About 2 kW or less or 22 kW or less)
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for improving the reliability and accuracy of foreign material detection in a wireless power transmission system.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an optimal Q factor that ensures reliable foreign material detection in a wireless power transmission system.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an apparatus and method for performing foreign matter detection based on an optimal Q factor in a wireless power transmission system.
  • a method for a wireless power receiver to receive wireless power from a wireless power transmitter based on foreign material detection in a wireless power transmission system comprises receiving a digital ping from the wireless power transmitter, transmitting an identification and configuration packet to the wireless power transmitter, a reference Q factor, Q of the wireless power receiver. ref ) transmitting a foreign object detection status packet indicating a value) to the wireless power transmitter, and based on a foreign object detection result of the wireless power transmitter using the reference Q factor value.
  • the reference Q factor value is a Q factor of a reference wireless power transmitter for the wireless power receiver when there is no foreign material nearby, and the reference Q factor value is the reference wireless power transmitter. It may be greater than or equal to the minimum reference Q factor value Q ref_min required for any wireless power receiver that is compatible with.
  • the minimum reference Q factor value may be defined based on the threshold Q factor value.
  • the first Q factor value is a Q factor value of a reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is no foreign material in the surroundings
  • the second Q factor value is representative of the surroundings. It may be a Q factor value of the reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is a foreign object.
  • the minimum reference Q factor value may be defined as a value obtained by correcting the threshold Q factor value by a Q factor measurement error.
  • the threshold Q factor value may be a value in the range of 22 to 23
  • the Q factor measurement error is 10% of the threshold Q factor value
  • the minimum reference Q factor value may be a value in the range of 24 to 26.
  • the threshold Q factor value may be 22.2.
  • the minimum reference Q factor value may be a value in the range of 24.7 to 25.
  • the representative foreign matter may be a representative foreign matter such that the critical Q factor value of the various representative foreign matters is maximized.
  • a wireless power transmitter in a wireless power transmission system provides a method for transmitting wireless power from a wireless power receiver based on foreign material detection.
  • the method includes transmitting a digital ping to the wireless power receiver, receiving an identification and configuration packet from the wireless power receiver, a reference Q factor, Q of the wireless power receiver. ref ) receiving a foreign object detection status packet indicating a value from the wireless power receiver, performing a foreign object detection using the reference Q factor value, and performing wireless detection based on a foreign object detection result And transmitting wireless power by magnetic coupling to the power receiver.
  • the reference Q factor value is a Q factor of a reference wireless power transmitter for the wireless power receiver when there is no foreign material nearby, and the reference Q factor value is the reference wireless power transmitter. It may be greater than or equal to the minimum reference Q factor value Q ref_min required for any wireless power receiver that is compatible with.
  • the first Q factor value (Q RX ) of the reference wireless power transmitter for any wireless power receiver when there is no foreign material in the surroundings, and the reference FO (RFO) in the surroundings A threshold that can detect the representative foreign object with the first Q factor value when the second Q factor value (Q RX, RFO ) of the reference wireless power transmitter for any wireless power receiver is the same.
  • the minimum reference Q factor value may be defined based on the threshold Q factor value.
  • the first Q factor value is a Q factor value of a reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is no foreign material in the surroundings
  • the second Q factor value is representative of the surroundings. It may be a Q factor value of the reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is a foreign object.
  • the minimum reference Q factor value may be defined as a value obtained by correcting the threshold Q factor value by a Q factor measurement error.
  • the threshold Q factor value may be a value in the range of 22 to 23
  • the Q factor measurement error is 10% of the threshold Q factor value
  • the minimum reference Q factor value may be a value in the range of 24 to 26.
  • the threshold Q factor value may be 22.2.
  • a method for testing a foreign substance detection performance of a wireless power receiver in a wireless power transmission system includes measuring a Q factor value for a wireless power receiver at a predetermined test location on a reference wireless power transmitter, the measured Q factor value, and a reference Q factor value provided by the wireless power receiver. Comparing, and the reference Q factor value is greater than or equal to a minimum reference Q factor value Q ref_min required for any wireless power receiver compatible with the reference wireless power transmitter, and the measured Q If the factor value is in the error range with respect to the reference Q factor value, it comprises the step of determining the foreign material detection performance test of the wireless power receiver as a success.
  • the first Q factor value (Q RX ) of the reference wireless power transmitter for any wireless power receiver when there is no foreign material in the surroundings, and the reference FO (RFO) in the surroundings A threshold that can detect the representative foreign object with the first Q factor value when the second Q factor value (Q RX, RFO ) of the reference wireless power transmitter for any wireless power receiver is the same.
  • the minimum reference Q factor value may be defined based on the threshold Q factor value.
  • the first Q factor value is a Q factor value of a reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is no foreign material in the surroundings
  • the second Q factor value is representative of the surroundings. It may be a Q factor value of the reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is a foreign object.
  • the minimum reference Q factor value may be defined as a value obtained by correcting the threshold Q factor value by a Q factor measurement error.
  • the threshold Q factor value may be a value in the range of 22 to 23
  • the Q factor measurement error is 10% of the threshold Q factor value
  • the minimum reference Q factor value may be a value in the range of 24 to 26.
  • the threshold Q factor value may be 22.2.
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power system 10 according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power system 10 according to another embodiment.
  • FIG. 3 illustrates an embodiment of various electronic devices into which a wireless power transmission system is introduced.
  • FIG. 4 is a block diagram of a wireless power transfer system according to another embodiment.
  • 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure.
  • FIG. 6 illustrates a power control control method according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram of a wireless power transmission apparatus according to another embodiment.
  • FIG 8 illustrates a wireless power receiver according to another embodiment.
  • FIG 9 illustrates a communication frame structure according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a structure of a sync pattern according to an embodiment.
  • 11 is a diagram illustrating an operating state of a wireless power transmitter and a wireless power receiver in a shared mode according to an embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating the primary coil and the shield member of the reference wireless power transmitter used in the experiment of this embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a primary coil, a shield member, and four representative foreign bodies of the reference wireless power transmitter used in the experiment of this embodiment.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating a primary coil and a shielding member of the reference wireless power transmitter, and a secondary coil, a shielding member, and a metal case member of the reference wireless power receiver used in the experiment of this embodiment.
  • FIG. 16 is a perspective view illustrating a primary coil and a shield member of a reference wireless power transmitter and a secondary coil and a shield member, a metal case member, and representative foreign bodies of the reference wireless power receiver used in the experiment of this embodiment.
  • 17A to 17D are graphs showing the results of the simulation in the environment of FIG. 16 according to the present embodiment.
  • FIG. 18 is a flowchart illustrating a method of receiving, by a wireless power receiver, wireless power from a wireless power transmitter based on foreign material detection, according to an exemplary embodiment.
  • 19 is a flowchart illustrating a method of transmitting wireless power to a wireless power receiver by a wireless power transmitter based on foreign material detection, according to an exemplary embodiment.
  • 20 is a flowchart illustrating a method of testing a foreign substance detection performance of a wireless power receiver in a wireless power transmission system according to an embodiment.
  • 21 is a block diagram of a FOD status packet according to an embodiment.
  • wireless power refers to any form associated with an electric field, magnetic field, electromagnetic field, etc., transferred from a wireless power transmitter to a wireless power receiver without the use of physical electromagnetic conductors. It is used to mean the energy of.
  • Wireless power may be referred to as a wireless power signal, and may mean an oscillating magnetic flux enclosed by the primary coil and the secondary coil.
  • power conversion in a system is described herein to wirelessly charge devices including mobile phones, cordless phones, iPods, MP3 players, headsets, and the like.
  • the basic principles of wireless power transfer include, for example, a method of delivering power through magnetic coupling, a method of delivering power via radio frequency (RF), and a microwave. It includes both the method of delivering power through) and the method of delivering power via ultrasound.
  • RF radio frequency
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power system 10 according to one embodiment.
  • the wireless power system 10 includes a wireless power transmitter 100 and a wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter 100 generates a magnetic field by receiving power from an external power source S.
  • the wireless power receiver 200 generates a current by using the generated magnetic field to receive power wirelessly.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may transmit and receive various information required for wireless power transmission.
  • the communication between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may be performed in-band communication using a magnetic field used for wireless power transmission or out-band communication using a separate communication carrier. may be performed according to any one of out-band communication.
  • the wireless power transmission apparatus 100 may be provided in a fixed or mobile type.
  • the fixed type are embedded in furniture such as ceilings, walls, or tables in the interior, implants in outdoor parking lots, bus stops, subway stations, or in vehicles or trains. There is this.
  • the mobile wireless power transfer device 100 may be implemented as part of another device such as a mobile device of a movable weight or size or a cover of a notebook computer.
  • the wireless power receiver 200 should be interpreted as a comprehensive concept including various electronic devices including batteries and various home appliances which are driven and driven by wireless power instead of a power cable.
  • Representative examples of the wireless power receiver 200 include a mobile terminal, a cellular phone, a smart phone, a personal digital assistant (PDA), and a portable media player (PMP).
  • Portable Media Players Wibro terminals, tablets, tablets, notebooks, digital cameras, navigation terminals, televisions, and electric vehicles (EVs).
  • the wireless power receiver 200 may be one or plural.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 are represented as one-to-one power, but as shown in FIG. 2, one wireless power transmitter 100 is a plurality of wireless power receivers. It is also possible to deliver power to (200-1, 200-2, ..., 200-M).
  • one wireless power transmitter 100 may simultaneously or simultaneously transmit multiple wireless power receivers 200-1, 200-2, by applying a time division transmission scheme. ... 200-M) can deliver power.
  • FIG. 1 illustrates a state in which the wireless power transmitter 100 directly transfers power to the wireless power receiver 200
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 are wirelessly connected.
  • a separate wireless power transceiver may be provided, such as a relay or repeater, to increase the power transmission distance. In this case, power is transferred from the wireless power transmitter 100 to the wireless power transceiver, and the wireless power transceiver may transmit power to the wireless power receiver 200 again.
  • the wireless power receiver, the power receiver, and the receiver referred to herein refer to the wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter, power transmitter, and transmitter referred to in the present specification refer to the wireless power reception transmitter 100.
  • FIG. 3 illustrates an embodiment of various electronic devices into which a wireless power transmission system is introduced.
  • FIG. 3 illustrates electronic devices classified according to the amount of power transmitted and received in the wireless power transmission system.
  • wearable devices such as a smart watch, smart glass, head mounted display (HMD), and a smart ring, and earphones, a remote controller, a smartphone, a PDA, and a tablet
  • a low power (about 5W or less or about 30W) wireless charging method may be applied to mobile electronic devices (or portable electronic devices) such as a PC.
  • Medium and small household appliances such as laptops, robot cleaners, TVs, acoustic devices, cleaners, and monitors may be applied with a medium power (less than about 50W or less than about 200W) wireless charging scheme.
  • Personal mobile devices or electronic devices / means
  • blenders, microwave ovens, kitchen appliances such as electric cookers, wheelchairs, electric kickboards, electric bicycles, and electric vehicles are powered by high power (about 2 kW or less or 22 kW or less).
  • Wireless charging may be applied.
  • the electronic devices / moving means described above may each include a wireless power receiver described below. Therefore, the above-described electronic devices / moving means can be charged by receiving power wirelessly from the wireless power transmitter.
  • Wireless power transmitters and receivers can provide a very convenient user experience and interface (UX / UI). That is, the smart wireless charging service may be provided.
  • the smart wireless charging service may be implemented based on the UX / UI of the smart phone including the wireless power transmitter.
  • the interface between the smartphone's processor and the wireless charging receiver allows for "drop and play" bidirectional communication between the wireless power transmitter and the receiver.
  • a user may experience a smart wireless charging service at a hotel.
  • the wireless charger transmits the wireless power to the smartphone, and the smartphone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smartphone detects that the smartphone is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or when the smartphone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smartphone receives an agreement as an additional feature to the user. opt-in) is entered.
  • the smartphone may display a message on the screen in a manner with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include phrases such as "Welcome to ### hotel.
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone sends the information to the wireless charger. And smartphones and wireless chargers perform a smart charging function.
  • the smart wireless charging service may also include receiving WiFi credentials auto-filled.
  • the wireless charger transmits WiFi credentials to the smartphone, and the smartphone automatically enters the WiFi credentials received from the wireless charger by running the appropriate app.
  • the smart wireless charging service may also include running a hotel application that provides hotel promotions, or obtaining remote check in / check out and contact information.
  • a user may experience a smart wireless charging service in a vehicle.
  • the wireless charger transmits wireless power to the smartphone, and the smartphone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smartphone detects that it is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or when the smartphone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smartphone confirms the identity to the user. Enter the inquiry state.
  • the smartphone is automatically connected to the car via WiFi and / or Bluetooth.
  • the smartphone may display the message on the screen in a manner with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include phrases such as "Welcome to your car. Select" Yes "to synch device with in-car controls: Yes
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone sends the information to the wireless charger.
  • the smart phone and the wireless charger can perform in-vehicle smart control functions by driving in-vehicle application / display software. The user can enjoy the desired music and can check the regular map position.
  • In-vehicle application / display software may include the capability to provide a synchronized access for passers-by.
  • a user may experience smart wireless charging at home.
  • the wireless charger transmits the wireless power to the smartphone, and the smartphone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smartphone detects that the smartphone is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or when the smartphone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smartphone receives an agreement as an additional feature to the user. opt-in) is entered.
  • the smartphone may display a message on the screen in a manner with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include phrases such as "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building ?: Yes
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone sends the information to the wireless charger. Smartphones and wireless chargers can at least recognize the user's pattern and invite the user to lock the doors and windows, turn off the lights, or set an alarm.
  • WPC wireless power consortium
  • AFA air fuel alliance
  • PMA power matters alliance
  • the WPC standard defines a baseline power profile (BPP) and an extended power profile (EPP).
  • BPP relates to a wireless power transmitter and receiver supporting 5W power transmission
  • EPP relates to a wireless power transmitter and receiver supporting power transmission in a range larger than 5W and smaller than 30W.
  • the WPC classifies wireless power transmitters and receivers into power class (PC) -1, PC0, PC1, and PC2, and provides standard documents for each PC.
  • PC power class
  • the PC-1 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide less than 5W of guaranteed power.
  • Applications of the PC-1 include wearable devices such as smart watches.
  • the PC0 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide 5W guaranteed power.
  • the PC0 standard includes EPP with guaranteed power up to 30W.
  • In-band (IB) communication is the mandatory communication protocol of PC0, but out-of-band (OBB) communication may also be used, which is used as an optional backup channel.
  • the wireless power receiver can identify whether or not the OOB is supported by setting the OOB flag in a configuration pack.
  • the wireless power transmitter supporting the OOB may enter the OOB handover phase by transmitting a bit pattern for OOB handover as a response to the configuration packet.
  • the response to the configuration packet may be a NAK, ND or newly defined 8 bit pattern.
  • Applications of PC0 include smartphones.
  • the PC1 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide 30W to 150W of guaranteed power.
  • OOB is an essential communication channel for PC1
  • IB is used as initialization and link establishment to OOB.
  • the wireless power transmitter may enter a bit pattern for OOB handover into the OOB handover phase.
  • Applications in PC1 include laptops and power tools.
  • the PC2 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide guaranteed power from 200W to 2kW. Applications include kitchen appliances.
  • PCs may be distinguished according to power levels, and whether to support compatibility between the same PCs may be optional or required.
  • compatibility between the same PCs means power transmission and reception between the same PCs.
  • the wireless power transmitter that is PC x is capable of charging the wireless power receiver having the same PC x
  • the compatibility between the same PCs may be maintained.
  • compatibility between different PCs may also be supported.
  • compatibility between different PCs means power transmission and reception between different PCs.
  • compatibility between different PCs may be maintained.
  • a lap-top charging wireless power receiver that can be reliably charged only when power is continuously transmitted is a wireless power transmitter of the same PC. Even so, there may be a problem in receiving power stably from a wireless power transmitter of an electric tool type that transmits power discontinuously.
  • a wireless power transmitter having a minimum guaranteed power of 200 W may transmit power to a wireless power receiver having a maximum guaranteed power of 5 W. There is a risk of breakage. As a result, PCs are unlikely to be indicators / criteria that represent / indicate compatibility.
  • a 'profile' will be newly defined as an index / standard representing / compatibility.
  • compatibility between wireless power transmitters and receivers having the same 'profile' is maintained to enable stable power transmission and reception, and power transmission and reception between wireless power transceivers having different 'profiles' may be interpreted as impossible.
  • Profiles may be defined depending on the application and / or compatibility, regardless of power class (or independently).
  • the profile can be divided into four categories: i) mobile, ii) power tools, iii) kitchen, and iv) wearable.
  • the PC may be defined as PC0 and / or PC1, the communication protocol / method as IB and OOB, and the operating frequency as 87 to 205 kHz.
  • the application include a smartphone, a laptop-laptop, and the like. Can be.
  • the PC may be defined as PC1
  • the communication protocol / method as IB the operating frequency is 87 to 145 kHz.
  • Examples of the application may include a power tool.
  • the PC may be defined as PC2, the communication protocol / method is NFC-based, and the operating frequency is less than 100 kHz. Examples of the application may include a kitchen / home appliance.
  • the PC may be defined as PC-1, the communication protocol / method as an IB, and an operating frequency of 87 to 205 kHz, and an example of an application may include a wearable device worn on the user's body.
  • Maintaining compatibility between the same profiles may be mandatory, and maintaining compatibility between different profiles may be optional.
  • the above-described profiles may be generalized and expressed as the first to nth profiles, and new profiles may be added / replaced according to the WPC standard and the embodiment.
  • the wireless power transmitter selectively transmits power only to the wireless power receiver having the same profile as that of the wireless power transmitter, thereby enabling more stable power transmission.
  • the burden on the wireless power transmitter is reduced, and the power transmission to the incompatible wireless power receiver is not attempted, thereby reducing the risk of damage to the wireless power receiver.
  • PC1 in the 'mobile' profile can be defined by borrowing an optional extension such as OOB based on PC0, and in the case of the 'power tool' profile, the PC1 'mobile' profile can simply be defined as a modified version.
  • OOB optional extension
  • the purpose of maintaining compatibility between the same profile is defined, but in the future, technology may be developed toward maintaining compatibility between different profiles.
  • the wireless power transmitter or the wireless power receiver may inform its counterpart of its profile through various methods.
  • the AFA standard refers to a wireless power transmitter as a power transmitting unit (PTU), a wireless power receiver as a power receiving unit (PRU), and PTUs are classified into a number of classes as shown in Table 1, and PRUs as shown in Table 2 It is classified into a number of categories.
  • PRU P RX_OUT_MAX Example application Category 1 TBD Bluetooth headset Category 2 3.5 W Feature Phone Category 3 6.5 W Smartphone Category 4 13 W Tablet, leaflet Category 5 25 W Small form factor laptops Category 6 37.5 W Generic laptop Category 7 50 W Home Appliances
  • the maximum output power capability of a class n PTU is greater than or equal to a value of P TX_IN_MAX of that class.
  • the PRU may not draw more power than specified in that category.
  • 4 is a block diagram of a wireless power transfer system according to another embodiment.
  • the wireless power transmission system 10 includes a mobile device 450 that receives power wirelessly and a base station 400 that transmits power wirelessly.
  • the base station 400 is an apparatus for providing induced power or resonance power, and may include at least one wireless power transmitter 100 and a system unit 405.
  • the wireless power transmitter 100 may transmit induced power or resonant power and control transmission.
  • the wireless power transmitter 100 transmits power to an appropriate level and a power conversion unit 110 that converts electrical energy into a power signal by generating a magnetic field through a primary coil (s).
  • a communication / control unit 120 to control communication and power transfer with the wireless power receiver 200.
  • the system unit 405 may perform other operational control of the base station 100, such as input power provisioning, control of a plurality of wireless power transmitters, and user interface control.
  • the primary coil can generate an electromagnetic field using alternating current power (or voltage or current).
  • the primary coil may receive AC power (or voltage or current) of a specific frequency output from the power conversion unit 110, thereby generating a magnetic field of a specific frequency.
  • the magnetic field may be generated non-radially or radially, and the wireless power receiver 200 receives this to generate a current. In other words, the primary coil transmits power wirelessly.
  • the primary coil and the secondary coil may have any suitable forms, for example, copper wire wound around a high permeability formation such as, for example, ferrite or amorphous metal.
  • the primary coil may be referred to as a primary core, primary winding, primary loop antenna, or the like.
  • the secondary coil may also be referred to as a secondary core (secondary core), secondary winding (secondary winding), secondary loop antenna (secondary loop antenna), pickup antenna (pickup antenna).
  • the primary coil and the secondary coil may be provided in the form of a primary resonance antenna and a secondary resonance antenna, respectively.
  • the resonant antenna may have a resonant structure including a coil and a capacitor.
  • the resonant frequency of the resonant antenna is determined by the inductance of the coil and the capacitance of the capacitor.
  • the coil may be in the form of a loop.
  • a core may be disposed inside the loop.
  • the core may include a physical core such as a ferrite core or an air core.
  • the resonance phenomenon refers to a phenomenon in which a high efficiency energy transfer occurs between two resonant antennas when two resonant antennas are coupled to each other when a near field corresponding to a resonant frequency occurs in one resonant antenna.
  • a magnetic field corresponding to a resonance frequency is generated between the primary resonance antenna and the secondary resonance antenna antenna, a phenomenon occurs in which the primary resonance antenna and the secondary resonance antenna resonate with each other.
  • the magnetic field is focused toward the secondary resonant antenna with higher efficiency than when the magnetic field is radiated into free space, and thus energy can be transferred from the primary resonant antenna to the secondary resonant antenna with high efficiency.
  • the magnetic induction method may be implemented similarly to the magnetic resonance method, but in this case, the frequency of the magnetic field does not need to be the resonance frequency. Instead, magnetic induction requires matching between the loops that make up the primary and secondary coils, and the spacing between the loops must be very close.
  • the wireless power transmitter 1100 may further include a communication antenna.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals using communication carriers other than magnetic field communication.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the communication / control unit 120 may transmit / receive information with the wireless power receiver 200.
  • the communication / control unit 120 may include at least one of an IB communication module and an OOB communication module.
  • the IB communication module may transmit and receive information using a magnetic wave having a specific frequency as a center frequency.
  • the communication / control unit 120 may perform in-band communication by loading information on magnetic waves through a primary coil or receiving magnetic waves containing information through a primary coil.
  • modulation schemes such as binary phase shift keying (BPSK) or amplitude shift keying (ASK) and Manchester coding or non-return-to-zero (NZR-L)
  • BPSK binary phase shift keying
  • ASK amplitude shift keying
  • NZR-L non-return-to-zero
  • the OOB communication module may perform out-band communication via a communication antenna.
  • the communication / control unit 120 may be provided as a short range communication module.
  • Examples of a short range communication module include a communication module such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, NFC, and the like.
  • the communication / control unit 120 may control the overall operation of the wireless power transmitter 100.
  • the communication / control unit 120 may perform calculation and processing of various types of information and control each component of the wireless power transmission apparatus 100.
  • the communication / control unit 120 may be implemented in a computer or similar device using hardware, software, or a combination thereof.
  • the communication / control unit 120 may be provided in the form of an electronic circuit that processes an electrical signal to perform a control function.
  • the communication / control unit 120 may be configured to drive a hardware communication / control unit 120. Can be provided.
  • the communication / control unit 120 may control the transmit power by controlling the operating point.
  • the controlling operating point may correspond to a combination of frequency (or phase), duty cycle, duty ratio, and voltage amplitude.
  • the communication / control unit 120 may control the transmission power by adjusting at least one of frequency (or phase), duty cycle, duty ratio, and voltage amplitude.
  • the wireless power transmitter 100 may supply constant power
  • the wireless power receiver 200 may control the reception power by controlling the resonance frequency.
  • the mobile device 450 receives and stores the power received from the wireless power receiver 200 and the wireless power receiver 200 that receive the wireless power through the secondary coil. It includes a load (455) for supplying.
  • the wireless power receiver 200 may include a power pick-up unit 210 and a communication & control unit 220.
  • the power pickup unit 210 may receive wireless power through the secondary coil and convert the wireless power into electrical energy.
  • the power pickup unit 210 rectifies and converts an AC signal obtained through the secondary coil into a DC signal.
  • the communication / control unit 220 may control the transmission and reception (power transmission and reception) of wireless power.
  • the secondary coil may receive wireless power transmitted from the wireless power transmitter 100.
  • the secondary coil may receive power by using a magnetic field generated by the primary coil.
  • a specific frequency is a resonant frequency
  • a magnetic resonance phenomenon may occur between the primary coil and the secondary coil, so that power may be more efficiently transmitted.
  • the communication / control unit 220 may further include a communication antenna.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals using communication carriers other than magnetic field communication.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the communication / control unit 220 may transmit / receive information with the wireless power transmitter 100.
  • the communication / control unit 220 may include at least one of an IB communication module or an OOB communication module.
  • the IB communication module may transmit and receive information using a magnetic wave having a specific frequency as a center frequency.
  • the communication / control unit 220 may perform IB communication by loading information on magnetic waves through a secondary coil or receiving magnetic waves containing information through a secondary coil.
  • modulation schemes such as binary phase shift keying (BPSK) or amplitude shift keying (ASK) and Manchester coding or non-return-to-zero (NZR-L)
  • BPSK binary phase shift keying
  • ASK amplitude shift keying
  • NZR-L non-return-to-zero
  • the OOB module may perform out-band communication via a communication antenna.
  • the communication / control unit 220 may be provided as a short range communication module.
  • Examples of a short range communication module include a communication module such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, NFC, and the like.
  • the communication / control unit 220 may control the overall operation of the wireless power receiver 200.
  • the communication / control unit 220 may perform calculation and processing of various types of information, and control each component of the wireless power receiver 200.
  • the communication / control unit 220 may be implemented in a computer or similar device using hardware, software, or a combination thereof.
  • the communication / control unit 220 may be provided in the form of an electronic circuit that processes an electrical signal to perform a control function.
  • the communication / control unit 220 may be configured to drive a hardware communication / control unit 220. Can be provided.
  • the load 455 may be a battery.
  • the battery may store energy using the power output from the power pickup unit 210.
  • the battery does not necessarily need to be included in the mobile device 450.
  • the battery may be provided in an external configuration of a removable form.
  • the wireless power receiver 200 may include driving means for driving various operations of the electronic device instead of a battery.
  • the mobile device 450 is illustrated to include a wireless power receiver 200
  • the base station 400 is illustrated to include a wireless power transmitter 100, but in a broad sense, the wireless power receiver ( 200 may be identified with the mobile device 450 and the wireless power transmitter 100 may be identified with the base station 400.
  • the coil or coil unit may be referred to as a coil assembly, a coil cell, or a cell including the coil and at least one element adjacent to the coil.
  • 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure.
  • power transmission from a wireless power transmitter to a receiver is largely selected in a selection phase 510, a ping phase 520, an identification and configuration phase. and configuration phase (530), negotiation phase (negotiation phase, 540), calibration phase (calibration phase, 550), power transfer phase (power transfer phase, 560) and renegotiation phase (renegotiation phase, 570). .
  • the selection step 510 is a step of transitioning when a specific error or a specific event is detected while initiating or maintaining power transmission, for example, including reference numerals S502, S504, S508, S510 and S512. Can be.
  • the wireless power transmitter may monitor whether an object exists on the interface surface. If the wireless power transmitter detects that an object is placed on the interface surface, it may transition to the ping step 520. In the selection step 510, the wireless power transmitter transmits a very short pulse of an analog ping signal, and an active area of the interface surface based on a change in current of a transmitting coil or a primary coil. You can detect the presence of an object in).
  • the wireless power transmitter may measure a Q factor or quality factor of the wireless power resonant circuit (eg, the power transmission coil and / or the resonant capacitor).
  • the Q factor may be measured to determine whether the wireless power receiver is placed together with the foreign matter in the charging area. Coils provided in the wireless power transmitter may reduce inductance and / or series resistance components in the coil due to environmental changes, thereby decreasing the Q factor value.
  • the wireless power transmitter may receive a reference Q factor value measured in advance from the wireless power receiver without the foreign substance disposed in the charging area. Can be.
  • the presence of the foreign matter may be determined by comparing the reference Q factor value received in the negotiation step S540 with the measured Q factor value.
  • a wireless power receiver having a low reference Q factor value for example, a specific wireless power receiver may have a low Q factor value according to the type, use, and characteristic of the wireless power receiver—if a foreign substance exists. Since there is no big difference between the Q factor value and the reference Q factor value measured at the X-axis, it may be difficult to determine whether there is a foreign substance. Therefore, other judgment factors should be considered or other methods should be used to determine the presence of foreign substances.
  • a quality factor value in a specific frequency range may be measured to determine whether is disposed with a foreign substance in the charging region.
  • the inductance and / or the series resistance component in the coil may be reduced due to environmental changes, and thus the resonance frequency of the coil of the wireless power transmitter may be changed (shifted). That is, the Q factor peak frequency, which is the frequency at which the maximum Q factor value in the operating frequency band is measured, may be shifted.
  • step 520 when the object is detected, the wireless power transmitter wakes up the receiver and transmits a digital ping to identify whether the detected object is a wireless power receiver. If the wireless power transmitter does not receive a response signal (eg, a signal strength packet) for the digital ping from the receiver in the ping step 520, it may transition back to the selection step 510. In addition, in the ping step 520, if the wireless power transmitter receives a signal indicating that the power transmission is completed, that is, a charging completion packet, the wireless power transmitter may transition to the selection step 510.
  • a response signal eg, a signal strength packet
  • the wireless power transmitter may transition to the identification and configuration step 530 for identifying the receiver and collecting receiver configuration and status information.
  • the wireless power transmitter receives an unexpected packet, a desired packet has not been received for a predefined time, a packet transmission error, or a transmission error. If a power transfer contract is not established (no power transfer contract) it may transition to selection step 510.
  • the wireless power transmitter may check whether entry into the negotiation step 540 is necessary based on a negotiation field value of the configuration packet received in the identification and configuration step 530. As a result of the check, if negotiation is necessary, the wireless power transmitter may enter a negotiation step 540 and perform a predetermined FOD detection procedure. On the other hand, if it is determined that negotiation is not necessary, the wireless power transmitter may directly enter the power transmission step 560.
  • the wireless power transmitter may receive a Foreign Object Detection (FOD) status packet including a reference Q factor value.
  • FOD status packet including the reference peak frequency value may be received.
  • a status packet including a reference Q factor value and a reference peak frequency value may be received.
  • the wireless power transmitter may determine the Q factor threshold for FO detection based on the reference Q factor value.
  • the wireless power transmitter may determine a peak frequency threshold for FO detection based on the reference peak frequency value.
  • the wireless power transmitter may detect whether the FO exists in the charging region by using the determined Q factor threshold for detecting the FO and the currently measured Q factor value (Q factor value measured before the ping step). Accordingly, power transmission can be controlled. For example, when the FO is detected, power transmission may be stopped, but is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter may detect whether the FO exists in the charging region by using the determined peak frequency threshold for detecting the FO and the currently measured peak frequency value (the peak frequency value measured before the ping step). Accordingly, power transmission can be controlled. For example, when the FO is detected, power transmission may be stopped, but is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter may return to selection step 510.
  • the wireless power transmitter may enter the power transmission step 560 through the correction step 550.
  • the wireless power transmitter determines the strength of the power received at the receiver in the correction step 550, and determines the strength of the power transmitted by the transmitter.
  • the power loss at the transmitter can be measured. That is, the wireless power transmitter may predict the power loss based on the difference between the transmit power of the transmitter and the receive power of the receiver in the correction step 550.
  • the wireless power transmitter according to an embodiment may correct the threshold for detecting the FOD by reflecting the predicted power loss.
  • the wireless power transmitter receives an unexpected packet, a desired packet is not received for a predefined time, or a violation of a predetermined power transmission contract occurs. Power transfer contract violation or, if charging is complete, transition to optional step 510.
  • the wireless power transmitter may transition to the renegotiation step 570, if it is necessary to reconfigure the power transmission contract in accordance with the state change of the wireless power transmitter. At this time, if the renegotiation is normally completed, the wireless power transmitter may return to the power transmission step (560).
  • the power transmission contract may be set based on state and characteristic information of the wireless power transmitter and the receiver.
  • the wireless power transmitter state information may include information about the maximum amount of power that can be transmitted, information about the maximum number of receivers that can be accommodated, and the receiver state information may include information about required power.
  • FIG. 6 illustrates a power control control method according to an embodiment.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may control the amount of power delivered by performing communication in parallel with power transmission and reception.
  • the wireless power transmitter and the wireless power receiver operate at specific control points.
  • the control point represents the combination of voltage and current provided at the output of the wireless power receiver when power delivery is performed.
  • the wireless power receiver selects the desired control point-the desired output current / voltage, the temperature at a particular location of the mobile device, and additionally the actual control point currently operating. Is determined.
  • the wireless power receiver may calculate a control error value using a desired control point and an actual control point, and transmit the control error value to the wireless power transmitter as a control error packet.
  • the wireless power transmitter may control power delivery by setting / controlling a new operation point—amplitude, frequency, and duty cycle—using the received control error packet. Therefore, the control error packet is transmitted / received at predetermined time intervals in the strategy delivery step.
  • the wireless power receiver attempts to reduce the current of the wireless power transmitter to a negative control error value and to increase the current. The value can be set to a positive number to send.
  • the wireless power receiver may control power transfer by transmitting a control error packet to the wireless power transmitter.
  • the resonance mode may operate in a manner different from that of the induction mode.
  • one wireless power transmitter should be able to simultaneously serve a plurality of wireless power receivers.
  • the wireless power transmitter commonly transmits basic power, and uses a method of controlling the amount of power received by the wireless power receiver by controlling its resonance frequency.
  • the method described with reference to FIG. 6 is not completely excluded even in the operation of the resonance mode, and the additional transmission power may be controlled by the method of FIG. 6.
  • the shared mode may refer to a mode in which one-to-many communication and charging are performed between the wireless power transmitter and the wireless power receiver.
  • the shared mode may be implemented by a magnetic induction method or a resonance method.
  • the wireless power transmitter 700 includes a cover 720 covering a coil assembly, a power adapter 730 for supplying power to a power transmitting unit 740, and a power transmitter for transmitting wireless power. 740 or a user interface 750 that provides power delivery progress and other related information.
  • the user interface 750 may be optional or may be included as another user interface 750 of the wireless power transmission apparatus 700.
  • the power transmitter 740 may include at least one of the coil assembly 760, the impedance matching circuit 770, the inverter 780, the communication unit 790, or the control unit 710.
  • Coil assembly 760 includes at least one primary coil that generates a magnetic field, which may be referred to as a coil cell.
  • Impedance matching circuit 770 may provide impedance matching between the inverter and the primary coil (s). Impedance matching circuit 770 may generate resonance at a suitable frequency that boosts the primary coil current.
  • the impedance matching circuit in the multi-coil power transmitter 740 may further include a multiplex that routes the signal to a subset of primary coils in the inverter.
  • the impedance matching circuit may be referred to as a tank circuit.
  • the impedance matching circuit 770 may include a capacitor, an inductor, and a switching element for switching their connection.
  • the impedance matching detects the reflected wave of the wireless power transmitted through the coil assembly 760 and switches the switching element based on the detected reflected wave to adjust the connection state of the capacitor or the inductor, adjust the capacitance of the capacitor, or the inductance of the inductor. This can be done by adjusting.
  • the impedance matching circuit 770 may be omitted, and the present specification also includes an embodiment of the wireless power transmitter 700 in which the impedance matching circuit 770 is omitted.
  • Inverter 780 may convert the DC input into an AC signal. Inverter 780 may be driven half-bridge or full-bridge to generate pulse waves and duty cycles of adjustable frequency. The inverter may also include a plurality of stages to adjust the input voltage level.
  • the communication unit 790 can perform communication with the power receiver.
  • the power receiver performs load modulation to communicate requests and information to the power transmitter.
  • the power transmitter 740 may use the communication unit 790 to monitor the amplitude and / or phase of the current and / or voltage of the primary coil to demodulate the data transmitted by the power receiver.
  • the power transmitter 740 may control the output power to transmit data by using a frequency shift keying (FSK) scheme through the communication unit 790.
  • FSK frequency shift keying
  • the control unit 710 may control communication and power delivery of the power transmitter 740.
  • the control unit 710 may control the power transmission by adjusting the operating point described above.
  • the operating point may be determined by at least one of an operating frequency, a duty cycle, and an input voltage, for example.
  • the communication unit 790 and the control unit 710 may be provided as separate units / elements / chipsets or may be provided as one unit / elements / chipsets.
  • FIG. 8 illustrates a wireless power receiver according to another embodiment. It may belong to a wireless power transfer system in a self-resonant or shared mode.
  • a wireless power receiver 800 includes a user interface 820 for providing power delivery progress and other related information, a power receiving unit 830 for receiving wireless power, a load circuit 840. Or a base 850 supporting and covering the coil assembly.
  • the user interface 820 may be optional or may be included as another user interface 82 of the power receiving equipment.
  • the power receiver 830 may include at least one of the power converter 860, the impedance matching circuit 870, the coil assembly 880, the communication unit 890, or the control unit 810.
  • the power converter 860 may convert AC power received from the secondary coil to a voltage and current suitable for the load circuit.
  • the power converter 860 may include a rectifier.
  • the rectifier may rectify the received wireless power and convert it from AC to DC.
  • Rectifiers can convert alternating current into direct current using diodes or transistors, and smooth them using capacitors and resistors.
  • a full-wave rectifier, a half-wave rectifier, a voltage multiplier, or the like implemented by a bridge circuit may be used.
  • the power converter may adapt the reflected impedance of the power receiver.
  • Impedance matching circuit 870 may provide impedance matching between the combination of power converter 860 and load circuit 870 and the secondary coil.
  • the impedance matching circuit can generate a resonance near 100 kHz that can enhance power transfer.
  • the impedance matching circuit 870 may be composed of a switching element for switching a capacitor, an inductor, and a combination thereof. The matching of the impedance may be performed by controlling the switching elements of the circuit constituting the impedance matching circuit 870 based on the voltage value, current value, power value, frequency value, etc. of the received wireless power.
  • the impedance matching circuit 870 may be omitted, and the present specification also includes an embodiment of the wireless power receiver 200 in which the impedance matching circuit 870 is omitted.
  • the coil assembly 880 includes at least one secondary coil and may optionally further include an element that shields a metal part of the receiver from the magnetic field.
  • the communication unit 890 can perform load modulation to communicate requests and other information to the power transmitter.
  • the power receiver 830 may switch a resistor or a capacitor to change the reflection impedance.
  • the control unit 810 may control the received power. To this end, the control unit 810 may determine / calculate a difference between an actual operating point of the power receiver 830 and a desired operating point. The control unit 810 may adjust / reduce the difference between the actual operating point and the desired operating point by performing the adjustment of the reflection impedance of the power transmitter and / or the operation point adjustment request of the power transmitter. Minimizing this difference can achieve optimal power reception.
  • the communication unit 890 and the control unit 810 may be provided as separate devices / chipsets or may be provided as one device / chipset.
  • FIG 9 illustrates a communication frame structure according to an embodiment. This may be a communication frame structure in shared mode.
  • a slotted frame having a plurality of slots such as (A) and a free format frame having no specific form such as (B) may be used.
  • the slot frame is a frame for the transmission of short data packets from the wireless power receiver 200 to the wireless power transmitter 100, and the free form frame does not have a plurality of slots, The frame may be transmitted.
  • the slot frame and the free form frame may be changed to various names by those skilled in the art.
  • the slot frame may be renamed as a channel frame and the free frame may be changed to a message frame.
  • the slot frame may include a sync pattern indicating the start of a slot, a measurement slot, nine slots, and additional sync patterns having the same time interval before each of the nine slots.
  • the additional sync pattern is a sync pattern different from the sync pattern indicating the start of the frame described above. More specifically, the additional sync pattern may indicate information related to adjacent slots (ie, two consecutive slots located next to the sync pattern) without indicating the start of the frame.
  • a sync pattern may be positioned between two consecutive slots of the nine slots.
  • the sync pattern may provide information related to the two consecutive slots.
  • the nine slots and the sync patterns provided in advance of each of the nine slots may have the same time interval.
  • the nine slots may have a time interval of 50 ms.
  • the nine sync patterns may have a time length of 50 ms.
  • the free-form frame as shown in (B) may not have a specific shape other than the sync pattern and the measurement slot indicating the start of the frame. That is, the free-form frame is to play a different role than the slot frame, for example, long data packets (eg, additional owner information packets) between the wireless power transmitter and the wireless power receiver.
  • the coil may be used for selecting any one of a plurality of coils.
  • FIG. 10 is a structure of a sync pattern according to an embodiment.
  • the sync pattern includes a preamble, a start bit, a response field, a type field, an information field, and a parity bit. Can be.
  • the start bit is shown as ZERO.
  • the preamble consists of consecutive bits and may be set to all zeros. That is, the preamble may be bits for adjusting the time length of the sync pattern.
  • the number of bits constituting the preamble may be dependent on the operating frequency such that the length of the sync pattern is closest to 50 ms, but not exceeding 50 ms.
  • the sync pattern may consist of two preamble bits, and when the operating frequency is 105 kHz, the sync pattern may consist of three preamble bits.
  • the start bit is a bit following the preamble and may mean zero.
  • the zero may be a bit indicating the type of sync pattern.
  • the type of sync pattern may include a frame sync including frame related information and a slot sync including slot information. That is, the sync pattern is located between successive frames, and is a frame sync indicating the start of a frame, or is located between successive slots among a plurality of slots constituting a frame, and includes information related to the successive slots. It may be a slot sync.
  • the slot is a slot sync, located between the slot and the slot, and if 1, the sync pattern is a frame sync located between the frame and the frame.
  • the parity bit is the last bit of the sync pattern and may indicate information on the number of bits constituting data fields (ie, response field, type field, and information field) of the sync pattern.
  • the parity bit may be 1 when the number of bits constituting the data fields of the sync pattern is even, and in other cases (ie, odd), 0.
  • the Response field may include response information of the wireless power transmitter for communication with the wireless power receiver in the slot before the sync pattern.
  • the response field may have '00' when the performance of communication with the wireless power receiver is not detected.
  • the response field may have '01' when a communication error is detected during communication with the wireless power receiver.
  • the communication error may be a case where two or more wireless power receivers attempt to access one slot, and thus a collision between two or more wireless power receivers occurs.
  • the response field may include information indicating whether the data packet is correctly received from the wireless power receiver. More specifically, the response field is "10" (10-not acknowledge, NAK) when the wireless power transmitter denies the data packet, and when the wireless power transmitter confirms the data packet. , "11" (11-acknowledge, ACK).
  • the type field may indicate the type of sync pattern. More specifically, the type field may have a '1' indicating that the sync pattern is a frame sync when the sync pattern is the first sync pattern of the frame (ie, the first sync pattern of the frame, located before the measurement slot).
  • the type field may have '0' indicating that the sync is a slot sync when the sync pattern is not the first sync pattern of the frame in the slot frame.
  • the meaning of the value of the information field may be determined according to the type of the sync pattern indicated by the type field. For example, when the type field is 1 (that is, indicating a frame sync), the meaning of the information field may indicate the type of the frame. That is, the information field may indicate whether the current frame is a slotted frame or a free-format frame. For example, when the information field is '00', the slot frame may be indicated, and when the information field is '01', the free frame may be indicated.
  • the information field may indicate a state of a next slot located behind the sync pattern. More specifically, the information field is '00' if the next slot is an allocated slot to a specific wireless power receiver, if the slot is locked for temporary use by a specific wireless power receiver, '01', or if any wireless power receiver is a slot freely available, may have a '10'.
  • 11 is a diagram illustrating an operating state of a wireless power transmitter and a wireless power receiver in a shared mode according to an embodiment.
  • the wireless power receiver operating in the shared mode includes a selection phase 1100, an introduction phase 1110, a configuration phase 1120, and a negotiation state. It may operate in any one of a (Negotiation Phase) 1130 and a Power Transfer Phase 1140.
  • the wireless power transmitter may transmit a wireless power signal to detect the wireless power receiver. That is, the process of detecting the wireless power receiver using the wireless power signal may be referred to as analog ping.
  • the wireless power receiver that receives the wireless power signal may enter the selection state 1100.
  • the wireless power receiver entering the selection state 1100 may detect the presence of the FSK signal on the wireless power signal.
  • the wireless power receiver may perform communication in either of the exclusive mode or the shared mode according to the presence of the FSK signal.
  • the wireless power receiver may operate in the shared mode if the FSK signal is included in the wireless power signal, and may operate in the exclusive mode.
  • the wireless power receiver When the wireless power receiver operates in the shared mode, the wireless power receiver may enter the introduction state 1110. In the introductory state 1110, the wireless power receiver may transmit a control information packet to the wireless power transmitter to transmit a control information packet (CI) in a setup state, a negotiation state, and a power transfer state.
  • the control information packet may have information related to a header and control. For example, the control information packet may have a header of 0X53.
  • the wireless power receiver performs an attempt to request a free slot to transmit a control information (CI) packet through the following configuration, negotiation, and power transmission steps.
  • the wireless power receiver selects a free slot and transmits the first CI packet. If the wireless power transmitter responds with an ACK to the corresponding CI packet, the wireless power transmitter enters the configuration step. If the wireless power transmitter responds with a NACK, another wireless power receiver is in the process of configuration and negotiation. In this case, the wireless power receiver retries the request of the free slot.
  • CI control information
  • the wireless power receiver determines the position of the private slot in the frame by counting the remaining slot sinks up to the first frame sink. In all subsequent slot based frames, the wireless power receiver transmits the CI packet through that slot.
  • the wireless power transmitter allows the wireless power receiver to proceed to the configuration step, the wireless power transmitter provides a series of locked slots for exclusive use of the wireless power receiver. This ensures that the wireless power receiver goes through the configuration steps without crashing.
  • the wireless power receiver transmits sequences of data packets, such as two identification data packets IDHI and IDLO, using a lock slot. Upon completion of this step, the wireless power receiver enters the negotiation phase. In the negotiation phase, the wireless power transmitter continues to provide the wireless power receiver with a lock slot for exclusive use. This ensures that the wireless power receiver proceeds to the negotiation phase without collision.
  • the wireless power receiver transmits one or more negotiation data packets using the corresponding lock slot, which may be mixed with private data packets.
  • a specific request (SRQ) packet Upon completion of the sequence, the wireless power receiver enters the power transfer phase and the wireless power transmitter stops providing lock slots.
  • the wireless power receiver performs transmission of the CI packet using the allocated slot and receives power.
  • the wireless power receiver may include a regulator circuit.
  • the regulator circuit can be included in the communication / control unit.
  • the wireless power receiver may self-regulate the reflected impedance of the wireless power receiver via a regulator circuit. In other words, the wireless power receiver may adjust the reflected impedance to transmit the amount of power required by the external load. This can prevent excessive power reception and overheating.
  • the wireless power transmitter may not perform power adjustment as a response to the received CI packet (depending on the operation mode), in this case, control may be required to prevent overvoltage conditions.
  • an apparatus and method for performing foreign matter detection in a wireless power transmission system and a method for testing a foreign matter detection performance of a wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter and / or the receiver may perform foreign material detection during the power transmission phase, or may perform foreign material detection before the power transmission phase.
  • EPP extended power profile
  • medium power wireless power receivers where the amount of power consumed is relatively large, it is not possible to detect foreign substances before the power transfer phase during the power transfer phase. need. That is, foreign matter detection may proceed in the negotiation phase before the power transmission phase.
  • the wireless power transmitter uses the reference Q factor value to display the interface on the interface of the wireless power transmitter. It can be determined whether foreign matter is present in the system.
  • the wireless power transmitter misjudges that there is no foreign matter, the power transmission phase is entered and a system calibration is performed. Thereafter, the wireless power transmitter continuously transmits the wireless power to the wireless power receiver based on the wrong foreign material detection determination, and thus an accident such as overheating may occur.
  • Such poor foreign matter detection may be due to differences in individual characteristics of the wireless power receiver. For example, in the case of a wireless power receiver having a low reference Q factor value—for example, a specific wireless power receiver may have a low Q factor value according to the type, use, and characteristic of the wireless power receiver. If there is no significant difference between the measured Q factor value and the reference Q factor value, it may be difficult to determine whether there is a foreign substance.
  • Table 3 shows an example of a wireless power receiver, which includes reference Q factors (Q factors when there are no foreign objects in the vicinity) and various types of representative foreign objects (RFOs) of various mobile devices. If present, it is a result of measuring Q factors of a reference wireles power transmitter or a test power transmitter (TPT).
  • reference Q factors Q factors when there are no foreign objects in the vicinity
  • RFOs representative foreign objects
  • the Q factor value when there is no mobile device (none), the Q factor value is 160 when there is no foreign material (without FO), and the Q factor value is 49.5 when there is a first representative foreign material (RFO # 1).
  • Q factor value is 37.1 when there is a second representative foreign substance (RFO # 2)
  • Q factor value is 37.1 when there is a third representative foreign substance (RFO # 3) and 31 when there is a fourth representative foreign substance (RFO # 4).
  • the Q factor value of) was measured at 50, respectively.
  • the representative foreign matter may be a representative foreign matter defined for the compliance test in the WPC standard.
  • the optimal reference Q factor is the minimum reference Q factor that can detect foreign substances independently of the type and characteristics of the mobile device and / or foreign substances.
  • Q ref a reference Q factor
  • Q RFO a reference Q factor that can be obtained from the reference wireless power transmitter when there is no wireless power receiver and there is a representative foreign material around. The other is when the wireless power receiver is placed on the reference wireless power transmitter, and if there is no representative foreign material around the first wireless power transmitter, the first Q factor (Q RX ) obtained from the reference wireless power transmitter. to be.
  • a reference Q factor value Q ref obtained from the reference wireless power transmitter is derived.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating the primary coil and the shield member of the reference wireless power transmitter used in the experiment of this embodiment.
  • a power transmitting unit 1200 of the reference wireless power transmitter includes a primary coil 1210 and a shielding unit 1220.
  • the primary coil 1210 may be wound in a planar spiral pattern and disposed on one surface of the shielding member 1220.
  • a litz coil may be used as the primary coil 1210.
  • the primary coil 1210 and the shield member 1220 model the TPT-QFACTOR, and each physical parameter value follows the physical parameter value for the TPT-QFACTOR defined in the WPC standard ver1.2.3.
  • the measured inductance L REF and reference Q factor Q ref are shown in Table 4 below.
  • the reference Q factor value obtained from the reference wireless power transmitter is 160 as shown in Table 4.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a primary coil, a shield member, and four representative foreign bodies of the reference wireless power transmitter used in the experiment of this embodiment.
  • the representative foreign matter (RFO # 1) used in the experiment (a) is a disk-shaped steel (steel) having a diameter of 15mm and a thickness of 1mm
  • the representative foreign matter (RFO # 2) used in the experiment (b) is Ring aluminum having an outer diameter of 22 mm, an inner diameter of 20 mm, a thickness of 1 mm, and a maximum outer diameter of 26 mm.
  • the representative foreign material (RFO # 3) used in the experiment (c) was a foil aluminum having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.1 mm.
  • the representative foreign material (RFO # 4) used in the experiment (d) is a disk-shaped aluminum having a diameter of 22 mm and a thickness of 1 mm.
  • the experiment is to match the center of each of the representative foreign objects as shown in the lower diagrams of (a), (b), (c), (d) to match the center of the wireless power transmitter 1200, the vertical distance between the center
  • the Q factor was measured while being spaced 2.5mm + 0.5mm.
  • 2.5 mm is the distance from the top of the primary coil to the interface surface of the reference wireless power transmitter
  • 0.5 mm is the distance from the representative foreign material to the bottom of the frame.
  • the first Q factor value Q RX which is a reference Q factor that can be obtained from the reference wireless power transmitter.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating a primary coil and a shielding member of the reference wireless power transmitter, and a secondary coil, a shielding member, and a metal case member of the reference wireless power receiver used in the experiment of this embodiment.
  • a power transmitting unit 1200 of the reference wireless power transmitter includes a primary coil 1210 and a shielding unit 1220, which is the same as FIG. 12.
  • the power receiving unit 1400 of the reference wireless power receiver includes a secondary coil 1410, a shielding unit 1420, and a metal case member 1430 of a mobile device.
  • the secondary coil 1410 may be wound in a planar spiral pattern and disposed on one surface of the shielding member 1420.
  • a litz coil may be used as the secondary coil 1410.
  • the secondary coil and shield member used in the experiment of the present invention is an iPhone X.
  • the horizontal and vertical lengths of the metal case member 1430 are 50 mm, respectively.
  • FIG. 15 is a simulation result according to the embodiment of FIG. 14.
  • axmm means that the center of the secondary coil of the wireless power receiver is spaced apart by x mm from the center of the reference wireless power transmitter.
  • the reference Q factor values are a total of five Q factor values measured by alternating the wireless power receiver at 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° positions at the center of the reference wireless power transmitter and at a distance 5 mm from the center. It can be defined as the smallest value.
  • a second Q factor Q RX_RFO which is a reference Q factor that can be obtained from the reference wireless power transmitter, is derived. do.
  • FIG. 16 is a perspective view illustrating a primary coil and a shield member of a reference wireless power transmitter and a secondary coil and a shield member, a metal case member, and representative foreign bodies of the reference wireless power receiver used in the experiment of this embodiment.
  • the power transmitter and the reference wireless power receiver of the reference wireless power transmitter used in the experiment and simulation of FIG. 16 are the same as the power transmitter 1200 of FIG. 12 and the wireless power receiver of FIG. 14, respectively, (a) , (b), (c), foreign substances used in the experimental group of (d) are the same as the representative foreign substances of FIG.
  • the simulation is performed in the environment of FIG. 16, the same results as in FIGS. 17A to 17D may be obtained.
  • 17A to 17D are graphs showing the results of the simulation in the environment of FIG. 16 according to the present embodiment.
  • FIG. 17A is a simulation result according to the environment of FIG. 16A
  • FIG. 17B is a simulation result according to the environment of FIG. 16B
  • FIG. 17C is a simulation result according to the environment of FIG. 16C
  • FIG. 17D is FIG. (d) The simulation results according to the environment.
  • the Q factor value measured when there is a foreign matter is generally smaller than the reference Q factor value when there is no foreign matter. Therefore, when the foreign material is detected using the Q factor value, it is determined that the foreign material exists when the measured Q factor value is smaller than the reference Q factor value. However, if the measured Q factor value is equal to or even larger than the reference Q factor value despite the presence of the foreign matter, it may be in error to determine that the foreign matter does not exist. In other words, although when the foreign material is inserted, the Q factor value is generally smaller than the reference Q factor value when there is no foreign material due to the loss caused by the foreign material, but rather the measured Q factor value is greater than or equal to the reference Q factor value. (I.e., change amount ⁇ 0), foreign matter cannot be detected.
  • a reference Q factor value (first Q factor value) when an arbitrary wireless power receiver is placed on the reference wireless power transmitter without foreign matter is set as a variable, and measured when a representative foreign matter exists.
  • the optimal reference Q factor is designed using a method of observing how much the changed second Q factor value has changed from the first Q factor value.
  • the x-axis represents a Q factor value Q ref or a first Q factor value Q RX that the wireless power receiver reports to the reference wireless power transmitter
  • the y axis represents the specific reference.
  • the Q factor value Q ref represents a change amount ⁇ Q RFO of the Q factor value that increases or decreases due to the representative foreign matter.
  • the change amount ⁇ Q RFO of the Q factor value may be represented by the following equation.
  • Q RX + RFO is a measured second Q factor value
  • Q ref is a first Q factor value reported to the reference wireless power transmitter.
  • the foreign material may be detected in a section in which the second Q factor value Q RX + RFO measured in the environment in which the representative foreign material is inserted is greater than or equal to the first Q factor value Q ref .
  • Undetectable when the section of the first Q factor value in which an error may occur when detecting the foreign matter based on the Q factor is an undetected section, the undetected section may be confirmed in the simulation results of FIGS. 17A to 17D. (A, b) indicated by the coordinates in the graphs of FIGS.
  • 17A to 17D indicate that the wireless power receiver is in a position offset from the center of the reference wireless power transmitter by a on the x axis and b on the y axis. it means.
  • the present embodiment more conservatively defines an undetected section based on (0,5), the coordinate of which the error of the Q factor measurement is larger.
  • the threshold Q factor value When the first Q factor value that is the boundary between the undetected section and the detection section is referred to as a threshold Q factor value (Q ref, 0X ), it is confirmed that the threshold Q factor value is determined differently for each representative foreign substance.
  • the threshold Q factor value In the case of FIG. 17A in which the first representative foreign material RFO # 1 is used, the threshold Q factor value is 21.4, and in FIG. 17B in which the second representative foreign material RFO # 2 is used, the threshold Q factor value is 18.5.
  • the threshold Q factor value In FIG. 17C where the third representative foreign material RFO # 3 is used, the threshold Q factor value is 12.2, and in FIG. 17D when the fourth representative foreign material RFO # 4 is used, the threshold Q factor value is 22.2.
  • the threshold Q factor value may be referred to as a first Q factor value when the first Q factor value and the second Q factor value are equal to each other.
  • Wireless power receivers having a first Q factor value less than or equal to a threshold Q factor value belong to an undetected section, and wireless power receivers having a first Q factor value greater than a threshold Q factor value belong to a detection section.
  • the first Q factor value is less than or equal to the threshold Q factor value (Q ref ⁇ Q ref . 0x )
  • the foreign matter cannot be detected.
  • the first Q factor value is larger than the threshold Q factor value (Q ref > Q ref. 0x )
  • the foreign matter may be detected.
  • a method of designing an optimal reference Q factor is disclosed.
  • the reference Q factor value transmitted by the wireless power receiver to the wireless power transmitter should have an accuracy of ⁇ 10%. That is, the reference value of Q factor (Q ref) is obtained in the design or manufacture of the wireless power receiving device, "in relation to the (ref 0.9 * Q Q Q factor value), which is measured during the actual radio service charge ⁇ Q ref ref The requirements of ⁇ 1.1 * Q ' ref shall be met. That is, the optimal reference Q factor value Q ref_min may be derived in a range in which the above requirement is satisfied. Considering the error, it can be seen that the minimum value of the reference Q factor value Q ref is allowed up to 0.9 * Q ' ref .
  • the optimal reference Q factor value is the minimum reference Q factor value capable of detecting foreign substances, it may be referred to as a minimum reference Q factor value.
  • a minimum reference Q factor value for convenience of description, it is referred to as a minimum reference Q factor value.
  • the minimum reference Q factor value Q ref_min may be designed to fall in the range of 24-26. Accordingly, if the reference Q factor value of any wireless power receiver is less than or less than 24, the arbitrary wireless power receiver fails to pass the foreign material detection performance test.
  • the optimal reference Q factor value Q ref_min may be designed to fall in the range of 24.66-25 . Accordingly, if the reference Q factor value of any wireless power receiver is less than or equal to 24.66, the arbitrary wireless power receiver fails to pass the foreign material detection performance test.
  • the optimal reference Q factor value Q ref_min may be designed as 24.7. Accordingly, if the reference Q factor value of any wireless power receiver is less than or equal to 24.7, the arbitrary wireless power receiver fails to pass the foreign material detection performance test. On the other hand, if the reference Q factor value of any wireless power receiver exceeds 24.7, the arbitrary wireless power receiver passes the foreign matter detection performance test.
  • the optimal reference Q factor value Q ref_min may be designed as 25. Accordingly, if the reference Q factor value of any wireless power receiver is less than 25 or less, the arbitrary wireless power receiver fails to pass the foreign material detection performance test. On the other hand, if the reference Q factor value of any wireless power receiver exceeds 25, the arbitrary wireless power receiver passes the foreign matter detection performance test.
  • FIG. 18 is a flowchart illustrating a method of receiving, by a wireless power receiver, wireless power from a wireless power transmitter based on foreign material detection, according to an exemplary embodiment.
  • the wireless power receiver receives a digital ping from the wireless power transmitter (S1800). Thereafter, the wireless power receiver transmits the identification and configuration packet to the wireless power transmitter (S1805). When the identification and configuration packet is transmitted to the wireless power transmitter, the wireless power receiver and the transmitter enter a negotiation phase.
  • the wireless power receiver transmits a foreign object detection status packet indicating a reference Q factor (Q ref ) value of the wireless power receiver to the wireless power transmitter (S1810).
  • the wireless power receiver receives the wireless power by magnetic coupling from the wireless power transmitter based on a foreign material detection result of the wireless power transmitter using the reference Q factor value (S1815). If it is determined that the foreign matter is detected, the wireless power transmitter does not transmit power based on the extended power profile. In other words, when foreign matter is detected, the wireless power transmitter may transmit power based on the basic power profile, or may stop power transmission and enter a standby state. In this case, the wireless power receiver cannot receive wireless power or receive power based on the basic power profile. On the other hand, if it is determined that no foreign matter is detected, the wireless power transmitter may transmit wireless power based on the extended power profile, and the wireless power receiver may receive the increased wireless power from the wireless power transmitter.
  • the reference Q factor value is a Q factor of a reference wireless power transmitter for the wireless power receiver when there is no foreign material nearby, and the reference Q factor value is the reference wireless power transmitter. It may be greater than or equal to the minimum reference Q factor value Q ref_min required for any wireless power receiver that is compatible with.
  • Threshold Q that can detect the representative foreign matter in the first Q factor value when the second Q factor value (Q RX, RFO ) of the reference wireless power transmitter for the wireless power receiver of the same.
  • the minimum reference Q factor value may be defined based on the threshold Q factor value.
  • the minimum reference Q factor value may be defined as a value obtained by correcting the threshold Q factor value by 10%, which is a Q factor measurement error.
  • the threshold Q factor value is a value in the range of 22 to 23
  • the Q factor measurement error is 10% of the threshold Q factor value
  • the minimum reference Q factor value may be a value in the range of 24 to 26.
  • the threshold Q factor value may be in the range of 22 to 23
  • the Q factor measurement error is 10% of the threshold Q factor value
  • the minimum reference Q factor value may range from 24 to 26.
  • the threshold Q factor value is 22.2 and the minimum reference Q factor value may be designed in the range of 24.7 to 25.
  • the representative foreign matter may be a fourth representative foreign matter such that the threshold Q factor value among the various types of representative foreign matters is maximized.
  • the first Q factor value is a Q factor value of a reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is no foreign material in the surroundings, and the second Q factor value is representative of the surroundings. When there is a foreign object, it may be designed as a Q factor value of the reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver.
  • 19 is a flowchart illustrating a method of transmitting wireless power to a wireless power receiver by a wireless power transmitter based on foreign material detection, according to an exemplary embodiment.
  • the wireless power transmitter transmits a digital ping to the wireless power receiver (S1900).
  • the wireless power transmitter receives the identification and configuration packet from the wireless power receiver (S1905).
  • the wireless power receiver and the transmitter enter the negotiation phase.
  • the wireless power transmitter receives a foreign object detection status packet indicating a reference Q factor (Q ref ) value of the wireless power receiver from the wireless power receiver (S1910).
  • the wireless power transmitter transmits wireless power by magnetic coupling to the wireless power receiver based on a foreign material detection result of the wireless power transmitter using the reference Q factor value (S1915). If it is determined that the foreign matter is detected, the wireless power transmitter does not transmit power based on the extended power profile. In other words, when foreign matter is detected, the wireless power transmitter may transmit power based on the basic power profile, or may stop power transmission and enter a standby state. In this case, the wireless power receiver cannot receive wireless power or receive power based on the basic power profile. On the other hand, if it is determined that no foreign matter is detected, the wireless power transmitter may transmit wireless power based on the extended power profile, and the wireless power receiver may receive the increased wireless power from the wireless power transmitter.
  • the reference Q factor value is a Q factor of a reference wireless power transmitter for the wireless power receiver when there is no foreign material nearby, and the reference Q factor value is the reference wireless power transmitter. It may be greater than or equal to the minimum reference Q factor value Q ref_min required for any wireless power receiver that is compatible with.
  • Threshold Q that can detect the representative foreign matter in the first Q factor value when the second Q factor value (Q RX, RFO ) of the reference wireless power transmitter for the wireless power receiver of the same.
  • the minimum reference Q factor value may be defined based on the threshold Q factor value.
  • the minimum reference Q factor value may be defined as a value obtained by correcting the threshold Q factor value by 10%, which is a Q factor measurement error.
  • the threshold Q factor value is a value in the range of 22 to 23
  • the Q factor measurement error is 10% of the threshold Q factor value
  • the minimum reference Q factor value may be a value in the range of 24 to 26.
  • the threshold Q factor value may be in the range of 22 to 23
  • the Q factor measurement error is 10% of the threshold Q factor value
  • the minimum reference Q factor value may range from 24 to 26.
  • the threshold Q factor value is 22.2 and the minimum reference Q factor value may be designed in the range of 24.7 to 25.
  • the representative foreign matter may be a fourth representative foreign matter such that the threshold Q factor value among the various types of representative foreign matters is maximized.
  • the first Q factor value is a Q factor value of a reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver when there is no foreign material in the surroundings, and the second Q factor value is representative of the surroundings. When there is a foreign object, it may be designed as a Q factor value of the reference wireless power transmitter for the arbitrary wireless power receiver.
  • 20 is a flowchart illustrating a method of testing a foreign substance detection performance of a wireless power receiver in a wireless power transmission system according to an embodiment.
  • the test method measures a Q factor value for a wireless power receiver at a predetermined test position on a reference wireless power transmitter (S2000), and the measured Q factor value;
  • the reference Q factor value reported by the wireless power receiver through the FOD status packet is compared (S2005), and the reference Q factor value is the minimum required for any wireless power receiver compatible with the reference wireless power transmitter ( determine whether the measured Q factor value is within an error range ( ⁇ 10%) with respect to the reference Q factor value after determining whether it is greater than or equal to the reference Q factor value (Q ref_min ).
  • S2015 if it is in the error range includes the step of determining the foreign material detection performance test of the wireless power receiver as a success (S2020).
  • step S2010 determines whether the reference Q factor value is smaller than the minimum reference Q factor value in step S2010. If the Q factor value measured in step S2015 does not belong to the error range (10%) of the reference Q factor value, it is determined that the test has failed (S2025).
  • 21 is a block diagram of a FOD status packet according to an embodiment.
  • the FOD status packet may be composed of, for example, two bytes B1 and B2.
  • the first byte B1 includes an information (Q ref > ⁇ Q' ref ) field, a reserved field, and a mode field indicating a result of comparing the reference Q factor value with the minimum reference Q factor value.
  • the second byte B2 includes a field indicating a reference Q factor value.
  • the information (Q ref > ⁇ Q' ref ) field is 2 bits and is shown as being located in the first byte, but may be located in the second byte, between the spare field and the mode field, or after the mode field.
  • the number of bits may also be one or three or more bits instead of two bits.
  • the information (Q ref > ⁇ Q' ref ) field may indicate the content as shown in Table 6, for example.
  • the wireless power transmission method and apparatus, or the receiving apparatus and method according to the embodiment of the present invention described above are not essential to every component or step, the wireless power transmission apparatus and method, or the receiving apparatus and method described above Or some or all of the steps.
  • the above-described wireless power transmitter and method, or embodiments of the receiving device and method may be performed in combination with each other.
  • each component or step described above is not necessarily performed in the order described, it is also possible that the steps described later may be performed before the steps described first.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 본 명세서는 디지털 핑을 무선전력 전송장치로부터 수신하는 단계, 식별 및 구성 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계, 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터 값을 지시하는 FOD 상태 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계, 및 상기 참조 Q팩터 값을 이용한 상기 무선전력 전송장치의 이물질 검출 결과에 기반하여 상기 무선전력 전송장치로부터 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 무선전력을 수신하는 단계를 포함하는 방법을 개시한다. 무선전력 수신장치의 개별 특성에도 불구하고 이물질을 검출의 정밀도과 신뢰도를 높일 수 있다.

Description

무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 장치 및 방법
본 발명은 무선전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전원 소스와 전자 기기 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술이다. 일 예로 무선 전력 전송 기술은 스마트폰이나 태블릿 등의 무선 단말기를 무선 충전 패드 상에 올려놓는 것만으로 무선 단말기의 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써, 기존의 유선 충전 커넥터를 이용하는 유선 충전 환경에 비해 보다 뛰어난 이동성과 편의성 그리고 안전성을 제공할 수 있다. 무선 전력 전송 기술은 소비자 가전, 산업용 기기, 군용 기기, 자동차, 인프라, 의료기기 등 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 주목받고 있다.
무선전력 전송 기술의 표준화를 주도하는 단체인 WPC(Wireless Power Consortium)는 전자 기기들이 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 몇 개의 그룹들을 분류하고, 각 그룹별로 표준을 제정하고 있다. 예를 들어 제1 그룹은 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)을 대상으로 하는 소전력(약 5W이하 또는 약 30W 이하) 표준을 제정한다. 제2 그룹은 노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들을 대상으로 하는 중전력(약 60W이하 또는 약 200W 이하) 표준을 제정한다. 제3 그룹은 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)을 대상으로 하는 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 표준을 제정한다.
단자공급방식에서는 충전기와 단말기간에 단자연결만 잘 된다면 이물질과 같이 충전을 방해하는 장해요인이 존재할 가능성이 크지 않다. 반면, 무선전력 전송 시스템은 무접점 충전이라는 특성으로 인하여, 충전시에 무선전력 수신장치와 무선전력 전송장치 사이에 불필요한 이물질이 삽입될 수 있다. 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치 사이에 금속과 같은 이물질이 끼게 될 경우, 이물질로 인하여 전력전송이 원활히 이루어지지 못함은 물론, 과부하 및 이물질 발열로 인한 제품의 소손 및 폭발 등의 문제점이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 다양한 이물질 검출 방법이 소개되고 있으나, 무선전력 수신장치의 개별 특성 차이로 인해 이물질 검출이 제대로 되지 않는 경우가 존재할 수 있다. 따라서, 무선전력 수신장치의 개별 특성에도 불구하고 이물질을 검출의 정확도과 신뢰도를 높일 수 있는 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명의 기술적 과제는 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출의 신뢰도와 정확도를 향상시키는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 무선전력 전송 시스템에서 신뢰성있는 이물질 검출을 보장하는 최적의 Q 팩터를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 무선전력 전송 시스템에서 최적의 Q 팩터에 기반하여 이물질 검출을 수행하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 수신장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 디지털 핑(digital ping)을 상기 무선전력 전송장치로부터 수신하는 단계, 식별 및 구성 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계, 상기 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터(reference Q factor, Qref) 값을 지시하는 이물질(foreign object) 검출 상태 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계, 및 상기 참조 Q팩터 값을 이용한 상기 무선전력 전송장치의 이물질 검출 결과에 기반하여 상기 무선전력 전송장치로부터 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 무선전력을 수신하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 참조 Q팩터 값은 주변에(nearby) 이물질이 없을 때 상기 무선전력 수신장치에 대한 참조(reference) 무선전력 전송장치의 Q팩터이고, 상기 참조 Q팩터 값은, 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref_min)보다 크거나 같을 수 있다.
일 측면에서, 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(representative FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의될 수 있다.
다른 측면에서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고, 상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며, 상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 최소 참조 Q팩터 값은, 상기 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차만큼 보정한 값으로 정의될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22 내지 23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24 내지 26 범위 내의 값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22.2일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24.7 내지 25 범위 내의 값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 대표 이물질은 여러 종류의 대표 이물질들 중 상기 임계 Q팩터 값이 최대가 되도록 하는 대표 이물질일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 전송장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 수신장치로부터 무선전력을 전송하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 디지털 핑(digital ping)을 상기 무선전력 수신장치로 전송하는 단계, 식별 및 구성 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계, 상기 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터(reference Q factor, Qref) 값을 지시하는 이물질(foreign object) 검출 상태 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계, 상기 참조 Q팩터 값을 이용하여 이물질 검출을 수행하는 단계, 및 상기 이물질 검출 결과에 기반하여 상기 무선전력 수신장치로 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 무선전력을 전송하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 참조 Q팩터 값은 주변에(nearby) 이물질이 없을 때 상기 무선전력 수신장치에 대한 참조(reference) 무선전력 전송장치의 Q팩터이고, 상기 참조 Q팩터 값은, 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref_min)보다 크거나 같을 수 있다.
일 측면에서, 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(reference FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의될 수 있다.
다른 측면에서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고, 상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며, 상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 최소 참조 Q팩터 값은, 상기 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차만큼 보정한 값으로 정의될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22~23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24~26 범위 내의 값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22.2일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능을 테스트하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 참조 무선전력 전송장치 상의 미리 정해진 테스트 위치에 있는 무선전력 수신장치에 대한 Q팩터 값을 측정하는 단계, 상기 측정된 Q팩터 값과, 상기 무선전력 수신장치가 제공하는 참조 Q팩터 값을 비교하는 단계, 및 상기 참조 Q팩터 값이 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref_min)보다 크거나 같고, 상기 측정된 Q팩터 값이 상기 참조 Q팩터 값에 대한 오차 범위에 속하면, 상기 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능 테스트를 성공으로 판단하는 단계를 포함한다.
일 측면에서, 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(reference FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의될 수 있다.
다른 측면에서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고, 상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며, 상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 최소 참조 Q팩터 값은, 상기 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차만큼 보정한 값으로 정의될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22~23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24~26 범위 내의 값일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22.2일 수 있다.
무선전력 수신장치의 개별 특성에도 불구하고 이물질을 검출의 정밀도과 신뢰도를 높일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조이다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 12는 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재를 도시한 사시도이다.
도 13은 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재, 그리고 4가지 대표 이물질을 도시한 사시도이다.
도 14는 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재, 그리고 참조 무선전력 수신장치의 2차 코일과 차폐부재, 메탈 케이스 부재를 도시한 사시도이다.
도 15는 도 14의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과이다.
도 16은 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재, 그리고 참조 무선전력 수신장치의 2차 코일과 차폐부재, 메탈 케이스 부재, 그리고 대표 이물질들을 도시한 사시도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 실시예에 따른 도 16의 환경에서 시뮬레이션을 수행한 결과를 도시한 그래프이다.
도 18은 일 실시예에 따라 무선전력 수신장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 19는 일 실시예에 따라 무선전력 전송장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 20은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능을 테스트하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 FOD 상태 패킷의 블록도이다.
이하에서 사용되는 "무선 전력" 이라는 용어는, 물리적인 전자기 전도체들의 사용없이 무선전력 전송기(wireless power transmitter)로부터 무선전력 수신장치(wireless power receiver)로 전달되는 전기장, 자기장, 전자기장 등과 관련된 임의의 형태의 에너지를 의미하도록 사용된다. 무선전력은 무선 전력 신호(wireless power signal)이라고 불릴 수도 있으며, 1차 코일과 2차 코일에 의해 둘러싸이는(enclosed) 진동하는 자속(oscillating magnetic flux)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이동 전화기, 코드리스 전화기, iPod, MP3 플레이어, 헤드셋 등을 포함하는 디바이스들을 무선으로 충전하기 위해 시스템에서의 전력 변환이 여기에 설명된다. 일반적으로, 무선 전력 전송의 기본적인 원리는, 예를 들어, 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식을 모두 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 시스템(10)은 무선 전력 전송 장치(wireless power transmitter, 100)와 무선 전력 수신 장치(wireless power receiver, 200)를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(100)는 외부의 전원 소스(S)로부터 전원을 인가받아 자기장을 발생시킨다. 무선 전력 수신 장치(200)는 발생된 자기장을 이용하여 전류를 발생시켜 무선으로 전력을 수신받는다.
또한, 무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송에 필요한 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)간의 통신은 무선 전력 전송에 이용되는 자기장을 이용하는 인-밴드 통신(in-band communication)이나 별도의 통신 캐리어를 이용하는 아웃-밴드 통신(out-band communication) 중 어느 하나의 방식에 따라 수행될 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 제공될 수 있다. 고정형의 예로는 실내의 천장이나 벽면 또는 테이블 등의 가구에 임베디드(embedded)되는 형태, 실외의 주차장, 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치되는 형태나 차량이나 기차 등의 운송 수단에 설치되는 형태 등이 있다. 이동형인 무선 전력 전송 장치(100)는 이동 가능한 무게나 크기의 이동형 장치나 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 장치의 일부로 구현될 수 있다.
또 무선 전력 수신 장치(200)는 배터리를 구비하는 각종 전자 기기 및 전원 케이블 대신 무선으로 전원을 공급받아 구동되는 각종 가전 기기를 포함하는 포괄적인 개념으로 해석되어야 한다. 무선 전력 수신 장치(200)의 대표적인 예로는, 이동 단말기(portable terminal), 휴대 전화기(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 개인 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대 미디어 플레이어(PMP: Portable Media Player), 와이브로 단말기(Wibro terminal), 태블릿(tablet), 패블릿(pablet), 노트북(notebook), 디지털 카메라, 네비게이션 단말기, 텔레비전, 전기차량(EV: Electronic Vehicle) 등이 있다.
무선 전력 시스템(100)에서 무선 전력 수신 장치(200)는 하나 또는 복수일 수 있다. 도 1에서는 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)가 일대일로 전력을 주고 받는 것으로 표현되고 있으나, 도 2와 같이 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 복수의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,..., 200-M)로 전력을 전달하는 것도 가능하다. 특히, 자기 공진 방식으로 무선 전력 전송을 수행하는 경우에는 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 동시 전송 방식이나 시분할 전송 방식을 응용하여 동시에 여러 대의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,...,200-M)로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 도 1에는 무선 전력 전송 장치(100)가 무선 전력 수신 장치(200)에 바로 전력을 전달하는 모습이 도시되어 있으나, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이에 무선전력 전송 거리를 증대시키기 위한 릴레이(relay) 또는 중계기(repeater)와 같은 별도의 무선 전력 송수신 장치가 구비될 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선 전력 송수신 장치로 전력이 전달되고, 무선 전력 송수신 장치가 다시 무선 전력 수신 장치(200)로 전력을 전달할 수 있다.
이하 본 명세서에서 언급되는 무선전력 수신기, 전력 수신기, 수신기는 무선 전력 수신 장치(200)를 지칭한다. 또한 본 명세서에서 언급되는 무선전력 전송기, 전력 전송기, 전송기는 무선 전력 수신 전송 장치(100)를 지칭한다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 3을 참조하면, 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)에는 소전력(약 5W이하 또는 약 30W 이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들에는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)은 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
상술한(또는 도 1에 도시된) 전자 기기들/이동 수단들은 후술하는 무선 전력 수신기를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 전자 기기들/이동 수단들은 무선 전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
이하에서는 전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
무선전력 전송장치 및 수신장치들은 매우 편리한 사용자 경험과 인터페이스(UX/UI)를 제공할 수 있다. 즉, 스마트 무선충전 서비스가 제공될 수 있다, 스마트 무선충전 서비스는 무선전력 전송장치를 포함하는 스마트폰의 UX/UI에 기초하여 구현될 수 있다. 이러한 어플리케이션을 위해, 스마트폰의 프로세서와 무선충전 수신장치간의 인터페이스는 무선전력 전송장치와 수신장치간의 "드롭 앤 플레이(drop and play)" 양방향 통신을 허용한다.
일례로서, 사용자는 호텔에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 호텔 방으로 입장하고 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to ### hotel. Select “Yes” to activate smart charging functions : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 스마트 충전 기능을 함께 수행한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 WiFi 자격(wifi credentials) 자동 입력(auto-filled)을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선충전기는 WiFi 자격을 스마트폰으로 전송하고, 스마트폰은 적절한 앱을 실행하여 무선충전기로부터 수신된 WiFi 자격을 자동적으로 입력한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 호텔 프로모션을 제공하는 호텔 어플리케이션을 실행하거나, 원격 체크인/체크아웃 및 컨택 정보들을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 사용자는 차량 내에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 차량에 탑승하고 스마트폰을 무선충전기 위에 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰에 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이러한 과정에서, 무선 충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 신분(identity)를 확인을 문의하는 상태로 진입한다.
이 상태에서, 스마트폰은 WiFi 및/또는 블루투스를 통해 자동적으로 자동차와 연결된다. 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to your car. Select “Yes” to synch device with in-car controls : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 차량내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어를 구동함으로서, 차량 내 스마트 제어 기능을 함께 수행할 수 있다. 사용자는 원하는 음악을 즐길 수 있고, 정규적인 맵 위치를 확인할 수 있다. 차량 내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어는 통행자들을 위한 동기화 접근을 제공하는 성능을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 사용자는 스마트 무선 충전을 댁내에서 경험할 수 있다. 사용자가 방으로 들어가서 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building?: Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 스마트폰과 무선 충전기는 적어도 사용자의 패턴을 인지하고 사용자에게 문과 창문을 잠그거나 불을 끄거나, 알람을 설정하도록 권유할 수 있다.
무선전력 전송에 관한 표준(standard)은 WPC(wireless power consortium), AFA(air fuel alliance), PMA(power matters alliance)을 포함한다.
WPC 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다. BPP는 5W의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이고, EPP는 5W보다 크고 30W보다 작은 범위의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다.
서로 다른 전력레벨(power level)을 사용하는 다양한 무선전력 전송장치와 수신장치들이 각 표준별로 커버되고, 서로 다른 전력 클래스(power class) 또는 카테고리로 분류될 수 있다.
예를 들어, WPC는 무선전력 전송장치와 수신장치를 전력 클래스(power class :PC) -1, PC0, PC1, PC2로 분류하고, 각 PC에 대한 표준문서를 제공한다. PC-1 표준은 5W 미만의 보장전력(guaranteed power)을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC-1의 어플리케이션은 스마트 시계와 같은 웨어러블 기기를 포함한다.
PC0 표준은 5W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC0 표준은 보장전력이 30W까지인 EPP를 포함한다. 인-밴드(in-band :IB) 통신이 PC0의 필수적인(mandatory) 통신 프로토콜이나, 옵션의 백업 채널로 사용되는 아웃-오브-밴드(out-of-band : OBB) 통신도 사용될 수 있다. 무선전력 수신장치는 OOB의 지원 여부를 구성 패킷(configuration packe)내의 OOB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OOB를 지원하는 무선전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OOB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OOB 핸드오버 페이즈(handover phase)로 진입할 수 있다. 상기 구성 패킷에 대한 응답은 NAK, ND 또는 새롭게 정의되는 8비트의 패턴일 수 있다. PC0의 어플리케이션은 스마트폰을 포함한다.
PC1 표준은 30W~150W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. OOB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OOB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OOB 핸드오버를 위한 비트패턴을 OOB 핸드오버 페이즈로 진입할 수 있다. PC1의 어플리케이션은 랩탑이나 전동 공구(power tool)을 포함한다.
PC2 표준은 200W~2kW의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것으로서, 그 어플리케이션은 주방가전을 포함한다.
이렇듯 전력 레벨에 따라 PC가 구별될 수 있으며, 동일한 PC간 호환성(compatibility)을 지원할지 여부는 선택 또는 필수 사항일 수 있다. 여기서 동일한 PC간 호환성은, 동일한 PC 간에는 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 동일한 PC x를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 동일한 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다. 이와 유사하게 서로 다른 PC간의 호환성 역시 지원 가능할 수 있다. 여기서 서로 다른 PC간 호환성은, 서로 다른 PC 간에도 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 PC y를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 서로 다른 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다.
PC간 호환성의 지원은 사용자 경험(User Experience) 및 인프라 구축 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 다만, PC간 호환성 유지에는 기술적으로 아래와 같은 여러 문제점이 존재한다.
동일한 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 연속적으로 전력이 전송되는 경우에만 안정적으로 충전이 가능한 랩-탑 충전(lap-top charging) 방식의 무선 전력 수신장치는, 동일한 PC의 무선 전력 송신장치라 하더라도, 불연속적으로 전력을 전송하는 전동 툴 방식의 무선 전력 송신장치로부터 전력을 안정적으로 공급받는 데 문제가 있을 수 있다. 또한, 서로 다른 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 최소 보장 전력이 200W인 무선 전력 송신장치는 최대 보장 전력이 5W인 무선 전력 수신장치로 전력을 송신하는 경우, 과전압으로 인해 무선전력 수신장치가 파손될 위험이 있다. 그 결과, PC는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 삼기 어렵다.
이하에서는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 '프로필(profile)'을 새롭게 정의하기로 한다. 즉, 동일한 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신 장치간에는 호환성이 유지되어 안정적인 전력 송수신이 가능하며, 서로 다른 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신장치간에는 전력 송수신이 불가한 것으로 해석될 수 있다. 프로필은 전력 클래스와 무관하게(또는 독립적으로) 호환 가능 여부 및/또는 어플리케이션에 따라 정의될 수 있다.
예를 들어, 프로필은 크게 i) 모바일, ii) 전동 툴, iii) 주방 및 iv) 웨어러블 이렇게 4가지로 구분될 수 있다.
'모바일' 프로필의 경우, PC는 PC0 및/또는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB 및 OOB, 동작 주파수는 87~205kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 스마트폰, 랩-탑 등이 존재할 수 있다.
'전동 툴' 프로필의 경우, PC는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~145kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 전동 툴 등이 존재할 수 있다.
'주방' 프로필의 경우, PC는 PC2, 통신 프로토콜/방식은 NFC-기반, 동작 주파수는 100kHz 미만으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 주방/가전 기기 등이 존재할 수 있다.
'웨어러블' 프로필의 경우, PC는 PC-1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~205kHz으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 사용자 몸에 착용하는 웨어러블 기기 등이 존재할 수 있다.
동일한 프로필간에는 호환성 유지는 필수 사항일 수 있으며, 다른 프로필간의 호환성 유지는 선택 사항일 수 있다.
상술한 프로필(모바일 프로필, 전동 툴 프로필, 주방 프로필 및 웨어러블 프로필)들은 제1 내지 제n 프로필로 일반화되어 표현될 수 있으며, WPC 규격 및 실시예에 따라 새로운 프로필이 추가/대체될 수 있다.
이와 같이 프로필이 정의되는 경우, 무선 전력 전송장치가 자신과 동일한 프로필의 무선 전력 수신장치에 대해서만 선택적으로 전력 송신을 수행하여 보다 안정적으로 전력 송신이 가능하다. 또한 무선 전력 전송장치의 부담이 줄어들고, 호환이 불가능한 무선 전력 수신장치로의 전력 송신을 시도하지 않게 되므로 무선 전력 수신장치의 파손 위험이 줄어든다는 효과가 발생한다.
'모바일' 프로필 내의 PC1은 PC0를 기반으로 OOB와 같은 선택적 확장을 차용함으로써 정의될 수 있으며, '전동 툴' 프로필의 경우, PC1 '모바일' 프로필이 단순히 변경된 버전으로서 정의될 수 있다. 또한, 현재까지는 동일한 프로필간의 호환성 유지를 목적으로 정의되었으나, 추후에는 서로 다른 프로필간의 호환성 유지 방향으로 기술이 발전될 수 있다. 무선 전력 전송장치 또는 무선 전력 수신장치는 다양한 방식을 통해 자신의 프로필을 상대방에게 알려줄 수 있다.
AFA 표준은 무선 전력 전송장치를 PTU(power transmitting unit)이라 칭하고, 무선 전력 수신장치를 PRU(power receiving unit)이라 칭하며, PTU는 표 1과 같이 다수의 클래스로 분류되고, PRU는 표 2와 같이 다수의 카테고리로 분류된다.
PTX_IN_MAX 최소 카테고리 지원 요구사항 지원되는 최대 기기 개수를 위한 최소값
Class 1 2W 1x 카테고리 1 1x 카테고리 1
Class 2 10W 1x 카테고리 3 2x 카테고리 2
Class 3 16W 1x 카테고리 4 2x 카테고리 3
Class 4 33W 1x 카테고리 5 3x 카테고리 3
Class 5 50W 1x 카테고리 6 4x 카테고리 3
Class 6 70W 1x 카테고리 7 5x 카테고리 3
PRU PRX_OUT_MAX' 예시 어플리케이션
Category 1 TBD 블루투스 헤드셋
Category 2 3.5W 피쳐폰
Category 3 6.5W 스마트폰
Category 4 13W 태블릿, 패플릿
Category 5 25W 작은 폼팩터 랩탑
Category 6 37.5W 일반 랩탑
Category 7 50W 가전
표 1에서와 같이, 클래스 n PTU의 최대 출력 전력 성능(capability)은 해당 클래스의 PTX_IN_MAX 값보다 크거나 같다. PRU는 해당 카테고리에서 명세된(specified) 전력보다 더 큰 전력을 끌어당길(draw) 수는 없다. 도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(450) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(400)을 포함한다.
베이스 스테이션(400)은 유도 전력 또는 공진 전력을 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 무선 전력 전송장치(power transmitter, 100) 및 시스템 유닛(405)을 포함할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는, 1차 코일(primary coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 유닛(power conversion unit, 110) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 무선 전력 수신장치(200)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 유닛(communications & control unit, 120)을 포함할 수 있다. 시스템 유닛(405)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 무선전력 전송장치들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(100)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.
1차 코일은 교류 전력(또는 전압 또는 전류)을 이용하여 전자기장을 발생시킬 수 있다. 1차 코일은 전력 변환 유닛(110)에서 출력되는 특정 주파수의 교류전력(또는 전압 또는 전류)을 인가받고, 이에 따라 특정 주파수의 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기장은 비방사형 또는 방사형으로 발생할 수 있는데, 무선 전력 수신 장치(200)는 이를 수신하여 전류를 생성하게 된다. 다시 말해 1차 코일은 무선으로 전력을 전송하는 것이다.
자기 유도 방식에서, 1차 코일과 2차 코일은 임의의 적합한 형태들을 가질 수 있으며, 예컨대, 페라이트 또는 비정질 금속과 같은 고투자율의 형성물의 주위에 감긴 동선일 수 있다. 1차 코일은 1차 코어(primary core), 1차 와인딩(primary winding), 1차 루프 안테나(primary loop antenna) 등으로 불릴 수도 있다. 한편, 2차 코일은 2차 코어(secondary core), 2차 와인딩(secondary winding), 2차 루프 안테나(secondary loop antenna), 픽업 안테나(pickup antenna) 등으로 불릴 수도 있다.
자기 공진 방식을 이용하는 경우에는 1차 코일과 2차 코일은 각각 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 형태로 제공될 수 있다. 공진 안테나는 코일과 캐패시터를 포함하는 공진 구조를 가질 수 있다. 이때 공진 안테나의 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다. 여기서, 코일은 루프의 형태로 이루어질 수 있다. 또 루프의 내부에는 코어가 배치될 수 있다. 코어는 페라이트 코어(ferrite core)와 같은 물리적인 코어나 공심 코어(air core)를 포함할 수 있다.
1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 간의 에너지 전송은 자기장의 공진 현상을 통해 이루어질 수 있다. 공진 현상이란 하나의 공진 안테나에서 공진 주파수에 해당하는 근접장이 발생할 때 주위에 다른 공진 안테나가 위치하는 경우, 양 공진 안테나가 서로 커플링되어 공진 안테나 사이에서 높은 효율의 에너지 전달이 일어나는 현상을 의미한다. 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 안테나 사이에서 공진 주파수에 해당하는 자기장이 발생하면, 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나가 서로 공진하는 현상이 발생되고, 이에 따라 일반적인 경우 1차 공진 안테나에서 발생한 자기장이 자유공간으로 방사되는 경우에 비해 보다 높은 효율로 2차 공진 안테나를 향해 자기장이 집속되며, 따라서 1차 공진 안테나로부터 2차 공진 안테나에 높은 효율로 에너지가 전달될 수 있다. 자기 유도 방식은 자기 공진 방식과 유사하게 구현될 수 있으나 이때에는 자기장의 주파수가 공진 주파수일 필요가 없다. 대신 자기 유도 방식에서는 1차 코일과 2차 코일을 구성하는 루프 간의 정합이 필요하며 루프 간의 간격이 매우 근접해야 한다.
도면에 도시되지 않았으나, 무선 전력 전송장치(1100)는 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신 할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 무선 전력 수신 장치(200)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 IB 통신 모듈 또는 OOB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(120)은 자기파에 정보를 실어 1차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 1차 코일을 통해 수신함으로써 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 유닛(120)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OOB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(120)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다. 근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 무선 전력 전송 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력전송 장치(100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 유닛(120)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 유닛(120)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 동작 포인트(operating point)를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 일정한 전력을 공급하고, 무선 전력 수신장치(200)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.
모바일 기기(450)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 무선전력 수신장치(power receiver, 200)와 무선전력 수신장치(200)에서 수신된 전력을 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 부하(load, 455)를 포함한다.
무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 유닛(power pick-up unit, 210) 및 통신/컨트롤 유닛(communications & control unit, 220)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 유닛(210)은 2차 코일을 통해 무선 전력을 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 전력 픽업 유닛(210)은 2차 코일을 통해 얻어지는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환한다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력의 송신과 수신(전력 전달 및 수신)을 제어할 수 있다.
2차 코일은 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송되는 무선 전력을 수신할 수 있다. 2차 코일은 1차 코일에서 발생하는 자기장을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 특정 주파수가 공진 주파수인 경우에는 1차 코일과 2차 코일 간에 자기 공진 현상이 발생하여 보다 효율적으로 전력을 전달받을 수 있다.
도 4에는 도시되지 않았으나 통신/컨트롤 유닛(220)은 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력 전송 장치(100)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 IB 통신 모듈 또는 OOB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(220)은 자기파에 정보를 실어 2차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 2차 코일을 통해 수신함으로써 IB 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 유닛(220)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OOB 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(220)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다.
근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력 수신 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력수신 장치(200)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 유닛(220)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 유닛(220)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
부하(455)는 배터리일 수 있다. 배터리는 전력 픽업 유닛(210)으로부터 출력되는 전력을 이용하여 에너지를 저장할 수 있다. 한편, 모바일 기기(450)에 배터리가 반드시 포함되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리는 탈부착이 가능한 형태의 외부 구성으로 제공될 수 있다. 다른 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(200)에는 전자 기기의 다양한 동작을 구동하는 구동 수단이 배터리 대신 포함될 수도 있다.
모바일 기기(450)는 무선전력 수신장치(200)을 포함하는 것을 도시되어 있고, 베이스 스테이션(400)은 무선전력 전송장치(100)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 넓은 의미에서는 무선전력 수신장치(200)는 모바일 기기(450)와 동일시될 수 있고 무선전력 전송장치(100)는 베이스 스테이션(400)와 동일시 될 수도 있다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(selection phase, 510), 핑 단계(ping phase, 520), 식별 및 구성 단계(identification and configuration phase, 530), 협상 단계(negotiation phase, 540), 보정 단계(calibration phase, 550), 전력 전송 단계(power transfer phase, 560) 단계 및 재협상 단계(renegotiation phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계-예를 들면, 도면 부호 S502, S504, S508, S510 및 S512를 포함함-일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 무선전력 전송장치가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
선택 단계(510)에서 물체가 감지되는 경우, 무선전력 전송장치는 무선전력 공진 회로(예를 들어 전력전송 코일 및/또는 공진 캐패시터)의 Q팩터(quality factor) 또는 품질 인자를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 선택단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선전력 수신장치가 놓였는지 판단하기 위하여 Q팩터를 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치에 구비되는 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 Q팩터 값이 감소하게 된다. 측정된 Q팩터 값을 이용하여 이물질의 존재 여부를 판단하기 위해, 무선전력 전송장치는 충전 영역에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 미리 측정된 참조(reference) Q팩터 값을 무선전력 수신장치로부터 수신할 수 있다. 협상 단계(S540)에서 수신된 참조 Q팩터 값과 측정된 Q팩터 값을 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다. 그러나 참조 Q팩터 값이 낮은 무선전력 수신장치의 경우-일 예로, 무선전력 수신장치의 타입, 용도 및 특성 등에 따라 특정 무선전력 수신장치는 낮은 Q팩터 값을 가질 수 있음-, 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 Q팩터 값과 참조 Q팩터 값 사이의 큰 차이가 없어 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 따라서 다른 판단 요소를 더 고려하거나, 다른 방법을 이용하여 이물질 존재 여부를 판단해야 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 선택 단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 가 배치되었는지 판단하기 위하여 특정 주파수 영역 내(ex 동작 주파수 영역) 품질 인자 값을 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치의 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬 저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 무선전력 전송장치의 코일의 공진 주파수가 변경(시프트)될 수 있다. 즉, 동작 주파수 대역 내 최대 Q팩터 값이 측정되는 주파수인 Q 팩터 피크(peak) 주파수가 이동될 수 있다.
단계(520)에서 무선전력 전송장치는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 무선전력 전송장치는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
무선전력 전송장치는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 협상이 필요하면, 무선전력 전송장치는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다. 반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 무선전력 전송장치는 참조 Q팩터 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 피크 주파수 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 참조 Q팩터 값 및 기준 피크 주파수 값이 포함된 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 무선전력 전송장치는 참조 Q팩터 값에 기반하여 FO 검출을 위한 Q팩터 임계치를 결정할 수 있다. 무선전력 전송장치는 기준 피크 주파수 값에 기반하여 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치를 결정할 수 있다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 Q팩터 임계치 및 현재 측정된 Q팩터 값(핑 단계 이전에 측정된 Q팩터 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치 및 현재 측정된 피크 주파수 값(핑 단계 이전에 측정된 피크 주파수 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 무선전력 전송장치는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 무선전력 전송장치는 FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 무선전력 전송장치 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 무선전력 전송장치는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 무선전력 전송장치와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 무선전력 전송장치 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 6에서 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치(100) 및 무선전력 수신장치(200)는 전력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트롤할 수 있다. 무선전력 전송장치 및 무선전력 수신장치는 특정 컨트롤 포인트에서 동작한다. 컨트롤 포인트는 전력 전달이 수행될 때 무선전력 수신장치의 출력단(output)에서 제공되는 전압 및 전류의 조합(combination)을 나타낸다.
더 상세히 설명하면, 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트(desired Control Point)- 원하는 출력 전류/전압, 모바일 기기의 특정 위치의 온도 등을 선택하고, 추가로 현재 동작하고 있는 실제 컨트롤 포인트(actual control point)를 결정한다. 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트와 실제 컨트롤 포인트를 사용하여, 컨트롤 에러 값(control error value)을 산출하고, 이를 컨트롤 에러 패킷으로서 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다.
그리고 무선전력 전송장치는 수신한 컨트롤 에러 패킷을 사용하여 새로운 동작 포인트- 진폭, 주파수 및 듀티 사이클-를 설정/컨트롤하여 전력 전달을 제어할 수 있다. 따라서 컨트롤 에러 패킷은 전략 전달 단계에서 일정 시간 간격으로 전송/수신되며, 실시예로서 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치의 전류를 저감하려는 경우 컨트롤 에러 값을 음수로, 전류를 증가시키려는 경우 컨트롤 에러 값을 양수로 설정하여 전송할 수 있다. 이와 같이 유도 모드에서는 무선전력 수신장치가 컨트롤 에러 패킷을 무선전력 전송장치로 송신함으로써 전력 전달을 제어할 수 있다.
이하에서 설명할 공진 모드에서는 유도 모드에서와는 다른 방식으로 동작할 수 있다. 공진 모드에서는 하나의 무선전력 전송장치가 복수의 무선전력 수신장치를 동시에 서빙할 수 있어야 한다. 다만 상술한 유도 모드와 같이 전력 전달을 컨트롤하는 경우, 전달되는 전력이 하나의 무선전력 수신장치와의 통신에 의해 컨트롤되므로 추가적인 무선전력 수신장치들에 대한 전력 전달은 컨트롤이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명의 공진 모드에서는 무선전력 전송장치는 기본 전력을 공통적으로 전달하고, 무선전력 수신장치가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤하는 방법을 사용하고자 한다. 다만, 이러한 공진 모드의 동작에서도 도 6에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 6의 방법으로 수행할 수도 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다. 쉐어드 모드는 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치간에 1대다 통신 및 충전을 수행하는 모드를 지칭할 수 있다. 쉐어드 모드는 자기 유도 방식 또는 공진 방식으로 구현될 수 있다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(700)는 코일 어셈블리를 덮는 커버(720), 전력 송신기(power transmitting unit, 740)로 전력을 공급하는 전력 어답터(730), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(740) 또는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(750) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(750)는 옵셔널하게 포함되거나, 무선 전력 전송 장치(700)의 다른 사용자 인터페이스(750)로서 포함될 수도 있다.
전력 송신기(740)는 코일 어셈블리(760), 임피던스 매칭 회로(770), 인버터(780), 통신 유닛(790) 또는 컨트롤 유닛(710) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
코일 어셈블리(760)는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하며, 코일 셀로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 인버터와 1차 코일(들) 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 임피던스 매칭 회로(770)는 1차 코일 전류를 부스팅(boost)하는 적합한(suitable) 주파수에서 공진(resonance)을 발생시킬 수 있다. 다중-코일(multi-coil) 전력 송신기(740)에서 임피던스 매칭 회로는 인버터에서 1차 코일들의 서브세트로 신호를 라우팅하는 멀티플렉스를 추가로 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 회로는 탱크 회로(tank circuit)로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 연결을 스위칭하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 임피던스의 매칭은 코일 어셈블리(760)를 통해 전송되는 무선전력의 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 스위칭 소자를 스위칭하여 캐패시터나 인덕터의 연결 상태를 조정하거나 캐패시터의 캐패시턴스를 조정하거나 인덕터의 인덕턴스를 조정함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(770)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(770)가 생략된 무선전력 전송장치(700)의 실시예도 포함한다.
인버터(780)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(780)는 가변(adjustable) 주파수의 펄스 웨이브 및 듀티 사이클을 생성하도록 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구동될 수 있다. 또한 인버터는 입력 전압 레벨을 조정하도록 복수의 스테이지들을 포함할 수도 있다.
통신 유닛(790)은 전력 수신기와의 통신을 수행할 수 있다. 전력 수신기는 전력 송신기에 대한 요청 및 정보를 통신하기 위해 로드(load) 변조를 수행한다. 따라서 전력 송신기(740)는 통신 유닛(790)을 사용하여 전력 수신기가 전송하는 데이터를 복조하기 위해 1차 코일의 전류 및/또는 전압의 진폭 및/또는 위상을 모니터링할 수 있다.
또한, 전력 송신기(740)는 통신 유닛(790)을 통해 FSK(Frequency Shift Keying) 방식 등을 사용하여 데이터를 전송하도록 출력 전력을 컨트롤할 수도 있다.
컨트롤 유닛(710)은 전력 송신기(740)의 통신 및 전력 전달을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤 유닛(710)은 상술한 동작 포인트를 조정하여 전력 전송을 제어할 수 있다. 동작 포인트는, 예를 들면, 동작 주파수, 듀티 사이클 및 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
통신 유닛(790) 및 컨트롤 유닛(710)은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다.
도 8에서, 무선전력 수신 장치(800)는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(820), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(power receiving unit, 830), 로드 회로(load circuit, 840) 또는 코일 어셈블리를 받치며 커버하는 베이스(850) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(820)는 옵셔널하게 포함되거나, 전력 수신 장비의 다른 사용자 인터페이스(82)로서 포함될 수도 있다.
전력 수신기(830)는 전력 컨버터(860), 임피던스 매칭 회로(870), 코일 어셈블리(880), 통신 유닛(890) 또는 컨트롤 유닛(810) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 컨버터(860)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 실시예로서, 전력 컨버터(860)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 정류기는 수신된 무선 전력을 정류하여 교류에서 직류로 변환할 수 있다. 정류기는 다이오드나 트랜지스터를 이용하여 교류를 직류로 변환하고, 캐패시터와 저항을 이용하여 이를 평활할 수 있다. 정류기로는 브릿지 회로 등으로 구현되는 전파 정류기, 반파 정류기, 전압 체배기 등이 이용될 수 있다. 추가로, 전력 컨버터는 전력 수신기의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(870)는 전력 컨버터(860) 및 로드 회로(870)의 조합과 2차 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 실시예로서, 임피던스 매칭 회로는 전력 전달을 강화할 수 있는 100kHz 근방의 공진을 발생시킬 수 있다. 임피던스 매칭 회로(870)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 조합을 스위칭하는 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 임피던스의 정합은 수신되는 무선 전력의 전압값이나 전류값, 전력값, 주파수값 등에 기초하여 임피던스 매칭 회로(870)를 구성하는 회로의 스위칭 소자를 제어함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(870)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(870)가 생략된 무선전력 수신장치(200)의 실시예도 포함한다.
코일 어셈블리(880)는 적어도 하나의 2차 코일을 포함하며, 옵셔널하게는 자기장으로부터 수신기의 금속 부분을 쉴딩(shield)하는 엘러먼트(element)를 더 포함할 수도 있다.
통신 유닛(890)은 전력 송신기로 요청(request) 및 다른 정보를 통신하기 위해 로드 변조를 수행할 수 있다.
이를 위해 전력 수신기(830)는 반사 임피던스를 변경하도록 저항 또는 커패시터를 스위칭할 수도 있다.
컨트롤 유닛(810)은 수신 전력을 컨트롤할 수 있다. 이를 위해 컨트롤 유닛(810)은 전력 수신기(830)의 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 결정/산출할 수 있다. 그리고 컨트롤 유닛(810)은 전력 송신기의 반사 임피던스의 조정 및/또는 전력 송신기의 동작 포인트 조정 요청을 수행함으로써 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 조정/저감할 수 있다. 이 차이를 최소화하는 경우 최적의 전력 수신을 수행할 수 있다.
통신 유닛(890) 및 컨트롤 유닛(810)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타낸다. 이는 쉐어드 모드(shared mode)에서의 통신 프레임 구조일 수 있다.
도 9를 참조하면, 쉐어드 모드에서는, 서로 다른 형태의 프레임이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉐어드 모드에서는, (A)와 같은 복수의 슬롯을 가지는 슬롯 프레임(slotted frame) 및 (B)와 같은 특정 형태가 없는 자유 형식 프레임(free format frame)을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 슬롯 프레임은 무선 전력 수신장치(200)로부터, 무선 전력 전송장치(100)에게 짧은 데이터 패킷들의 전송을 위한 프레임이고, 자유 형식 프레임은 복수의 슬롯들을 구비하지 않아, 긴 데이터 패킷들의 전송이 가능한 프레임일 수 있다.
한편, 슬롯 프레임 및 자유 형식 프레임은, 당업자에 의하여 다양한 명칭으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 슬롯 프레임은, 채널 프레임으로, 자유 형식 프레임은, 메시지 프레임 등으로 변경되어 명명될 수 있다.
보다 구체적으로, 슬롯 프레임은, 슬롯의 시작을 나타내는 싱크 패턴, 측정 슬롯, 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서, 동일한 시간 간격을 갖는 추가적인 싱크 패턴을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 앞서 설명한 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴과 다른 싱크 패턴이다. 보다 구체적으로, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 프레임의 시작을 나타내지 않고, 인접한 슬롯들(즉, 싱크 패턴의 양 옆에 위치한 연속하는 두 개의 슬롯들)과 관련된 정보를 나타낼 수 있다.
상기 9개의 슬롯들 중 연속하는 두 개의 슬롯들 사이에는, 각각 싱크 패턴이 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 싱크 패턴은, 상기 연속하는 두 개의 슬롯들과 관련된 정보를 제공할 수 있다.
또한, 상기 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서 제공되는 싱크 패턴들은, 각각 동일한 시간 간격을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 9개의 슬롯들은 50ms의 시간 간격을 가질 수 있다. 또한, 상기 9개의 싱크 패턴들도 50ms의 시간 길이를 가질 수 있다.
한편, (B)와 같은 자유 형식 프레임은, 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴 및 측정 슬롯 이외에, 구체적인 형태을 가지지 않을 수 있다. 즉, 상기 자유 형식 프레임은, 상기 슬롯 프레임과 다른 역할을 수행하기 위한 것으로, 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치 간에 긴 데이터 패킷들(예를 들어, 추가 소유자 정보 패킷들)의 통신을 수행하거나, 복수의 코일로 구성된 무선 전력 전송장치에 있어서, 복수의 코일 중 어느 하나의 코일을 선택하는 역할을 위하여 사용될 수 있다.
이하에서는, 각 프레임에 포함된 싱크 패턴(sync pattern)에 대하여 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조이다.
도 10을 참조하면, 싱크 패턴은 프리앰블(preamble), 시작 비트(start bit), 응답 필드(Resonse field), 타입 필드(type field), 정보 필드(info field) 및 패리티 비트(parity bit)로 구성될 수 있다. 도 10에서는 시작 비트가 ZERO로 도시되어 있다.
보다 구체적으로, 프리앰블은 연속되는 비트들로 이루어져 있으며, 모두 0으로 설정될 수 있다. 즉, 프리앰블은 싱크 패턴의 시간 길이를 맞추기 위한 비트들일 수 있다.
프리앰블을 구성하는 비트들의 개수는 싱크 패턴의 길이가 50ms에 가장 가깝도록, 그러나, 50ms를 초과하지 않는 범위 내에서, 동작 주파수에 종속될 수 있다. 예를 들어, 동작 주파수가 100kHz인 경우, 싱크 패턴은 2개의 프리앰블 비트들로 구성되고, 동작 주파수가 105kHz인 경우, 싱크 패턴은, 3개의 프리앰블 비트들로 구성될 수 있다.
시작 비트는 프리앰블 다음에 따라오는 비트로 제로(ZERO)를 의미할 수 있다. 상기 제로(ZERO)는 싱크 패턴의 종류를 나타내는 비트일 수 있다. 여기에서, 싱크 패턴의 종류는, 프레임과 관련된 정보를 포함하는 프레임 싱크(frame sync)와 슬롯의 정보를 포함하는 슬롯 싱크(slot sync)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 싱크 패턴은, 연속하는 프레임들 사이에 위치하며, 프레임의 시작을 나타내는 프레임 싱크이거나, 프레임을 구성하는 복수의 슬롯 중 연속하는 슬롯들 사이에 위치하며, 상기 연속하는 슬롯과 관련된 정보를 포함하는 슬롯 싱크일 수 있다.
예를 들어, 상기 제로가 0인 경우, 해당 슬롯이 슬롯과 슬롯 사이에 위치한, 슬롯 싱크임을 의미하고, 1인 경우, 해당 싱크 패턴이 프레임과 프레임 사이에 위치한 프레임 싱크임을 의미할 수 있다.
패리티 비트는 싱크 패턴의 마지막 비트로, 싱크 패턴의 데이터 필드들(즉, 응답 필드, 타입 필드, 정보 필드)를 구성하는 비트들의 개수 정보를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 기 패리티 비트는 싱크 패턴의 데이터 필드들을 구성하는 비트의 개수가 짝수인 경우, 1, 그 밖의 경우(즉, 홀수인 경우), 0이 될 수 있다.
응답(Response) 필드는 싱크 패턴 이전의 슬롯 내에서, 무선 전력 수신장치와의 통신에 대한, 무선 전력 전송장치의 응답 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응답 필드는 무선 전력 수신장치와 통신의 수행이 감지되지 않은 경우, '00'을 가질 수 있다. 또한, 상기 응답 필드는 무선 전력 수신장치와의 통신에 통신 에러(communication error)가 감지된 경우, '01'을 가질 수 있다. 통신 에러는, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치가 하나의 슬롯에 접근을 시도하여, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치 간의 충돌이 발생한 경우일 수 있다.
또한, 응답 필드는, 무선 전력 수신장치로부터 데이터 패킷을 정확하게 수신하였는지 여부를 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 응답필드는, 무선 전력 전송장치가 데이터 패킷을 거부(deni)한 경우, "10"(10-not acknowledge, NAK), 무선 전력 전송장치가 상기 데이터 패킷을 확인(confirm)한 경우, "11"(11-acknowledge, ACK)이 될 수 있다.
타입 필드는 싱크 패턴의 종류를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 타입 필드는 싱크 패턴이 프레임의 첫번째 싱크 패턴인 경우(즉, 프레임의 첫번째 싱크 패턴으로, 측정 슬롯 이전에 위치한 경우), 프레임 싱크임을 나타내는 ‘1’을 가질 수 있다.
또한, 타입 필드는 슬롯 프레임에서, 싱크 패턴이 프렘임의 첫번째 싱크 패턴이 아닌 경우, 슬롯 싱크임을 나타내는 '0'을 가질 수 있다.
또한, 정보 필드는 타입 필드가 나타내는 싱크 패턴의 종류에 따라 그 값의 의미가 결정될 수 있다. 예를 들어, 타입 필드가 1인 경우(즉, 프레임 싱크를 나타내는 경우), 정보 필드의 의미는 프레임의 종류를 나타낼 수 있다. 즉, 정보 필드는 현재 프레임이 슬롯 프레임(slotted frame)인지 또는 자유 형식 프레임(free-format frame)인지 나타낼 수 있다. 예를 들어, 정보 필드가 '00'인 경우, 슬롯 프레임을, 정보 필드가 '01'인 경우, 자유 형식 프레임을 나타낼 수 있다.
이와 달리, 타입 필드가 0인 경우(즉, 슬롯 싱크인 경우), 정보 필드는 싱크 패턴의 뒤에 위치한 다음 슬롯(next slot)의 상태를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 정보 필드는 다음 슬롯이 특정(specific) 무선 전력 수신장치에 할당된(allocated) 슬롯인 경우, '00', 특정 무선 전력 수신장치가 일시적으로 사용하기 위하여, 잠겨 있는 슬롯인 경우, '01', 또는 임의의 무선 전력 수신장치가 자유롭게 사용 가능한 슬롯인 경우, '10'을 가질 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 11을 참조하면, 쉐어드 모드로 동작하는 무선 전력 수신장치는, 선택 상태(Selection Phase) (1100), 도입 상태(Introduction Phase)(1110), 설정 상태(Configuration Phase) (1120), 교섭 상태(Negotiation Phase)(1130) 및 전력 전송 상태(Power Transfer Phase) (1140) 중 어느 하나의 상태로 동작할 수 있다.
우선, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 수신장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 신호를 전송할 수 있다. 즉, 무선 전력 신호를 이용하여, 무선 전력 수신장치를 감지하는 과정을 아날로그 핑(Analog ping)이라 할 수 있다.
한편, 무선 전력 신호를 수신한 무선 전력 수신장치는 선택 상태(1100)에 진입할 수 있다. 선택 상태(1100)에 진입한 무선 전력 수신장치는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 무선 전력 신호 상에 FSK신호의 존재를 감지할 수 있다.
즉, 무선 전력 수신장치는 FSK 신호의 존재 여부에 따라 익스클루시브 모드 또는 쉐어드 모드 중 어느 하나의 방식으로 통신을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신장치는 무선 전력 신호에 FSK 신호가 포함되어 있으면, 쉐어드 모드로 동작하고, 그렇지 않은 경우, 익스클루시브 모드로 동작할 수 있다.
무선 전력 수신장치가 쉐어드 모드로 동작하는 경우, 상기 무선 전력 수신장치는 도입 상태(1110)에 진입할 수 있다. 도입 상태(1110)에서, 무선 전력 수신장치는, 설정 상태, 교섭 상태 및 전력 전송 상태에서, 제어 정보 패킷(CI, Control Information packet)을 전송하기 위하여, 무선 전력 전송장치에게 제어 정보 패킷을 전송할 수 있다. 제어 정보 패킷은, 헤더(Header) 및 제어와 관련된 정보를 가질 수 있다. 예를 들어, 제어 정보 패킷은, 헤더가 0X53일 수 있다.
도입 상태(1110)에서, 무선전력 수신장치는 제어정보(control information: CI) 패킷을 전송하기 위해 자유슬롯(free slot)을 요청하는 시도를 다음의 구성, 협상, 전력 전송 단계에 걸쳐 수행한다. 이때 무선전력 수신장치는 자유슬롯을 선택하고 최초 CI 패킷을 전송한다. 만약 무선전력 전송장치가 해당 CI 패킷에 ACK으로 응답하면, 무선전력 전송장치는 구성 단계로 진입한다. 만약 무선전력 전송장치가 NACK으로 응답하면, 다른 무선전력 수신장치가 구성 및 협상 단계를 통해 진행되고 있는 것이다. 이 경우, 무선전력 수신장치는 자유슬롯의 요구를 재시도한다.
만약 무선전력 수신장치가 CI 패킷에 대한 응답으로 ACK을 수신하면, 무선전력 수신장치는 최초 프레임 싱크까지 나머지 슬롯 싱크들을 카운팅함으로써 프레임 내의 개인 슬롯(private slot)의 위치를 결정한다. 모든 후속 슬롯 기반 프레임들에서, 무선전력 수신장치는 해당 슬롯을 통해 CI 패킷을 전송한다.
만약 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 구성 단계로 진행함을 허락하면, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치의 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯(locked slot) 시리즈를 제공한다. 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 구성 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 2개의 식별 데이터 패킷들(IDHI와 IDLO)와 같은 데이터 패킷의 시퀀스들을 잠금 슬롯을 사용하여 전송한다. 본 단계를 완료하면, 무선전력 수신장치는 협상 단계로 진입한다. 협상 단계에서, 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯을 계속 제공한다. 이는 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 협상 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 해당 잠금 슬롯을 사용하여 하나 또는 그 이상의 협상 데이터 패킷들을 전송하며, 이는 사적 데이터 패킷들과 섞일 수도 있다. 결국 해당 시퀀스는 특정 요청 (specific request (SRQ)) 패킷과 함께 종료된다. 해당 시퀀스를 완료하면, 무선전력 수신장치는 전력 전송 단계로 진입하고, 무선전력 전송장치는 잠금 슬롯의 제공을 중단한다.
전력 전송 상태에서, 무선전력 수신장치는 할당된 슬롯을 사용하여 CI 패킷의 전송을 수행하며, 전력을 수신한다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 포함할 수 있다. 레귤레이터 회로는 통신/컨트롤 유닛에 포함될 수 있다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 통해 무선전력 수신장치의 반사 임피던스를 자가-조절(self-regulate)할 수 있다. 다시 말해, 무선전력 수신장치는 외부 부하에 의해 요구되는 양의 파워를 전송하기 위해 반사되는 임피던스를 조정할 수 있다. 이는 과도한 전력의 수신과 과열을 방지할 수 있다.
쉐어드 모드에서, 무선전력 전송장치는 수신되는 CI 패킷에 대한 응답으로서 전력을 조정하는 것을 수행하지 않을 수 있기 때문에(동작 모드에 따라), 이 경우에는 과전압 상태를 막기 위한 제어가 필요할 수 있다.
이하에서, 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 장치 및 방법, 그리고 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능을 테스트하는 방법에 관하여 개시된다.
이물질 검출은 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 무선전력 전송장치 및/또는 수신장치는 전력 전송 페이즈 동안에 이물질 검출을 수행할 수도 있고, 전력 전송 페이즈 이전에 이물질 검출을 수행할 수도 있다. 특히 소모하는 전력의 크기가 비교적 큰 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP) 또는 중전력급(medium power) 무선전력 수신장치의 경우, 전력 전송 페이즈 동안에 전력 전송 페이즈 이전에도 이물질을 검출할 수 있는 기능이 필요하다. 즉 전력 전송 페이즈 이전인 협상 페이즈에서 이물질 검출이 진행될 수 있다. 예를 들어, 협상 페이즈에서 무선전력 수신장치가 무선전력 전송장치로 참조 Q팩터(reference quality factor) 값을 전송하면, 무선전력 전송장치는 참조 Q팩터 값을 이용하여 무선전력 전송장치의 인터페이스 표면상에 이물질이 존재하는지 여부를 결정할 수 있다.
그러나, 이물질이 존재함에도 불구하고 협상 페이즈에서도 무선전력 전송장치가 이물질이 없다고 오판할 경우, 전력 전송 페이즈로 진입하고 시스템 캘리브레이션(system calibration)이 수행된다. 이후 무선전력 전송장치는 잘못된 이물질 검출 판단에 기초하여 계속적으로 무선전력을 무선전력 수신장치로 전송하고, 결국 과열 등의 사고가 발생할 수 있다. 이와 같이 이물질 검출이 제대로 되지 않는 것은 무선전력 수신장치의 개별 특성 차이에서 기인할 수 있다. 예를 들어 참조 Q팩터 값이 낮은 무선전력 수신장치의 경우-일 예로, 무선전력 수신장치의 타입, 용도 및 특성 등에 따라 특정 무선전력 수신장치는 낮은 Q팩터 값을 가질 수 있음-, 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 Q팩터 값과 참조 Q팩터 값 사이의 큰 차이가 없어 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
표 3은 무선전력 수신장치의 예시로서 다양한 모바일 기기(mobile device)들의 참조 Q팩터(주변에 이물질이 없는 경우의 Q팩터)와, 미리 규정된 여러 종류의 대표 이물질(representative foreign object: RFO)들이 존재하는 경우 참조 무선전력 전송장치(reference wireles power transmitter) 또는 테스트 무선전력 전송장치(test power transmitter: TPT)의 Q팩터들을 측정한 결과이다.
모바일 기기 Q-factor measured by LCR meter
without FO RFO#1 RFO#2 RFO#3 RFO#4
None 160 49.5 37.1 31 50
A 55 23.7 24.2 20 29
B 47 24.2 25.8 20.1 29
C 46 24.8 25 20 31
D 54 25.7 25.9 21.1 32
E 60 33.8 31.8 26.9 39.5
F 57 26.2 26.9 21.8 31
G 80 36 32.8 27.3 40.6
H 66 32.3 30 25.5 36.5
I 106 33.6 29.1 24.6 36
J 56 24.5 22.6 19.3 27.5
K 29 21.6 23.8 19.4 29
L 20 20.7 22.9 18.9 24
M 25 31.9 32.2 29.1 33
표 3을 참조하면, 모바일 기기가 없는 경우(none)에 있어서, 이물질이 없는 경우(without FO)의 Q팩터 값은 160이고 제1 대표 이물질이 있는 경우(RFO#1)의 Q팩터 값은 49.5, 제2 대표 이물질이 있는 경우(RFO#2)의 Q팩터 값은 37.1, 제3 대표 이물질이 있는 경우(RFO#3)의 Q팩터 값은 31, 제4 대표 이물질이 있는 경우(RFO#4)의 Q팩터 값은 50으로 각각 측정되었다.
한편, 모바일 기기 "K", "L", "M"의 경우, 이물질이 없는 경우의 Q팩터 값(Qw/o FO)에 비하여 대표 이물질이 있는 경우의 Q팩터 값(QRFO#n)보다 크거나 같은 경우가 관찰되었다. 여기서, 대표 이물질은 WPC 표준에서 호환성(compliance) 테스트를 위해 규정된 대표 이물질일 수 있다.
이처럼 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 Q팩터 값과 이물질이 존재하지 않는 경우에 측정된 참조 Q팩터 값 사이의 큰 차이가 없는 경우, 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 이 경우 다른 판단 요소를 더 고려하거나, 다른 방법을 이용하여 이물질 존재 여부를 판단해야 한다. 따라서, 무선전력 수신장치의 개별 특성에도 불구하고 이물질을 검출의 정밀도과 신뢰도를 높일 수 있는 장치 및 방법이 요구된다.
이하에서 본 실시예에 따른 최적의 참조 Q 팩터를 설계하기 위해 위해 진행된 실험 및 시뮬레이션 결과를 개시한다. 최적의 참조 Q팩터는 모바일 기기 및/또는 이물질의 종류와 특성에 독립적으로 이물질을 검출할 수 있는 최소의 참조 Q팩터이다.
본 실시예에 따른 최적의 참조 Q팩터 설계를 위해서 4가지 Q팩터 값을 선결적으로 측정하였다. 하나는 주변에 이물질과 무선전력 수신장치가 모두 없는 경우, 참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터(Qref)이다. 다른 하나는 무선전력 수신장치는 없고 주변에 대표 이물질이 존재하는 경우, 참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터(QRFO)이다. 또 다른 하나는 참조 무선전력 전송장치 위에 무선전력 수신장치가 놓인 경우로서 그 주변에 대표 이물질이 존재하지 않는 경우, 참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터인 제1 Q팩터(QRX)이다. 또 다른 하나는 참조 무선전력 전송장치 위에 무선전력 수신장치가 놓인 경우로서 그 주변에 대표 이물질이 존재하는 경우 참조 무선전력 전송장치에더 얻을 수 있는 참조 Q팩터인 제2 Q팩터(QRX+RFO)이다.
먼저, 주변에 이물질과 무선전력 수신장치가 모두 없는 경우, 참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터 값(Qref)를 도출한다.
도 12는 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재를 도시한 사시도이다.
도 12를 참조하면, 참조 무선전력 전송장치의 전력전송부(power transmitting unit, 1200)는 1차 코일(1210) 및 차폐부재(shielding unit, 1220)를 포함하여 구성된다.
1차 코일(1210)은 평면 나선(planar spiral) 패턴으로 권선(winding)되어, 차폐부재(1220)의 일면상에 배치될 수 있다. 1차 코일(1210)로서 리츠 코일(litz coil)이 사용될 수 있다. 1차 코일(1210)과 차폐부재(1220)는 TPT-QFACTOR를 모델링한 것이고, 각각의 물리적 파라미터 값은 WPC 표준 ver1.2.3에 정의된 TPT-QFACTOR에 관한 물리적 파라미터 값을 따른다.
상기 물리적 파라미터 값을 가지는 전력전송부(1200)에 100kHz 주파수의 입력 신호를 인가할 경우, 측정되는 인덕턴스(LREF)와 참조 Q팩터(Qref)는 다음의 표 4와 같다.
심볼 표준 측정 결과 시뮬레이션 결과
LREF (uH) 124.8±1 - 25.8
Qref 157.6±2%~158.6±2% 160 158.3
참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터 값은 표 4와 같이 160임을 알 수 있다.
다음으로, 무선전력 수신장치는 없고 주변에 대표 이물질이 존재하는 경우, 참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터(QRFO)를 도출한다.
도 13은 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재, 그리고 4가지 대표 이물질을 도시한 사시도이다.
도 13을 참조하면, 실험 (a)에 사용된 대표 이물질(RFO#1)은 지름 15mm이고 두께 1mm인 디스크형 강철(steel)이고, 실험 (b)에 사용된 대표 이물질(RFO#2)은 외측 지름 22mm, 내측 지름 20mm, 두께 1mm 그리고 최대외측 지름 26mm인 반지형 알루미늄이며, 실험 (c)에 사용된 대표 이물질(RFO#3)은 지름 20mm, 두께 0.1mm인 포일(foil) 알루미늄이고, 실험 (d)에 사용된 대표 이물질(RFO#4)은 지름 22mm, 두께 1mm인 디스크형 알루미늄이다. 실험은 (a), (b), (c), (d)의 하단 도면에 도시된 바와 같이 각 대표 이물질들의 중심을 참조 무선전력 전송장치(1200)의 중심을 일치시키되, 중심간의 수직간격을 2.5mm+0.5mm로 이격시킨 상태에서 Q팩터를 측정하였다. 여기서, 2.5mm는 1차 코일의 상단으로부터 참조 무선전력 전송장치의 인터페이스 표면(interface surface)까지의 거리이고, 0.5mm는 대표 이물질로부터 프레임의 하단까지의 거리이다.
각 대표 이물질을 대상으로 100kHz 주파수의 입력 신호를 인가할 경우, 측정되는 참조 Q팩터(QRFO)는 다음의 표 5와 같다.
참조 Q팩터(QRFO) 측정 결과 시뮬레이션 결과
RFO#1 49.5 49.5
RFO#2 37.1 34.4
RFO#3 31 27.1
RFO#4 50 51
다음으로, 참조 무선전력 전송장치 위에 무선전력 수신장치가 놓인 경우로서 그 주변에 대표 이물질이 존재하지 않는 경우, 참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터인 제1 Q팩터 값(QRX)을 도출한다.
도 14는 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재, 그리고 참조 무선전력 수신장치의 2차 코일과 차폐부재, 메탈 케이스 부재를 도시한 사시도이다.
도 14를 참조하면, 참조 무선전력 전송장치의 전력전송부(power transmitting unit, 1200)는 1차 코일(1210) 및 차폐부재(shielding unit, 1220)를 포함하여 구성되며 이는 도 12와 동일하다.
참조 무선전력 수신장치의 전력수신부(power receiving unit, 1400)는 2차 코일(1410), 차폐부재(shielding unit, 1420) 및 모바일 기기의 메탈 케이스 부재(1430)를 포함하여 구성된다.
2차 코일(1410)은 평면 나선(planar spiral) 패턴으로 권선(winding)되어, 차폐부재(1420)의 일면상에 배치될 수 있다. 2차 코일(1410)로서 리츠 코일(litz coil)이 사용될 수 있다. 본 발명의 실험에 사용된 2차 코일 및 차폐 부재는 아이폰 X(iPhone X)이다. 또한 메탈 케이스 부재(1430)의 가로 및 세로 길이는 각각 50mm이다.
상기 물리적 파라미터 값을 가지는 전력전송부(1200)에 100kHz 주파수의 입력 신호를 인가하면서 메탈 케이스의 두께(tFM)을 가변시키는 경우, 측정되는 제1 Q팩터(QRX)는 도 15와 같다. 도 15는 도 14의 실시예에 따른 시뮬레이션 결과이다.
도 15를 참조하면, "ⓐxmm"는 무선전력 수신장치의 2차 코일 중심이 참조 무선전력 전송장치의 중심(center)으로부터 x mm만큼 이격됨을 의미한다. 참조 Q팩터 값은 무선전력 수신장치를 참조 무선전력 전송장치의 중심 및 상기 중심에서 5mm만큼 이격된 거리에서 0°, 90°, 180°, 270°위치에 번갈아 놓으면서 측정한 총 5개의 Q팩터 값 중 가장 작은 값으로 정의될 수 있다.
도 15의 결과에 알 수 있듯이, 참조 무선전력 전송장치의 중심에서 측정한 Q팩터 값(QRx @0mm)과, 중심에서 5mm만큼 이격된 위치에서 측정한 Q팩터 값(QRx @5mm)간에 차이가 있다. 한편, 메탈 케이스의 두께를 증가시킬 때, QRx @0mm 및 QRx @5mm 모두 증가함을 확인할 수 있다.
다음으로, 참조 무선전력 전송장치 위에 무선전력 수신장치가 놓인 경우로서 그 주변에 대표 이물질이 존재하는 경우, 참조 무선전력 전송장치에서 얻을 수 있는 참조 Q팩터인 제2 Q팩터(QRX_RFO)를 도출한다.
도 16은 본 실시예의 실험에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 1차 코일과 차폐부재, 그리고 참조 무선전력 수신장치의 2차 코일과 차폐부재, 메탈 케이스 부재, 그리고 대표 이물질들을 도시한 사시도이다.
도 16의 실험 및 시뮬레이션에 사용된 참조 무선전력 전송장치의 전력전송부 및 참조 무선전력 수신장치는 각각 도 12의 전력전송부(1200)와 도 14의 무선전력 수신장치와 동일하고, (a), (b), (c), (d)의 실험군에 사용된 이물질들은 각각 도 13의 대표 이물질과 동일하다. 도 16의 환경에서 시뮬레이션을 수행하였을 때 도 17a 내지 도 17d와 같은 결과를 얻을 수 있다.
도 17a 내지 도 17d는 본 실시예에 따른 도 16의 환경에서 시뮬레이션을 수행한 결과를 도시한 그래프이다.
도 17a는 도 16(a) 환경에 따른 시뮬레이션 결과이고, 도 17b는 도 16(b) 환경에 따른 시뮬레이션 결과이며, 도 17c는 도 16(c) 환경에 따른 시뮬레이션 결과이고, 도 17d는 도 16(d) 환경에 따른 시뮬레이션 결과이다.
이물질은 Q팩터를 저하시키는 요인이다. 따라서 이물질이 존재하는 경우에 측정된 Q팩터 값은, 이물질이 없을 때의 참조 Q팩터 값에 비해 더 작은 것이 일반적이다. 따라서 Q팩터 값을 이용하여 이물질을 검출하는 방법에 따를 때, 측정된 Q팩터 값이 참조 Q팩터 값이 보다 더 작을 경우 이물질이 존재하는 것으로 판단한다. 그러나, 이물질이 존재함에도 불구하고 측정된 Q팩터 값이 참조 Q팩터 값과 같거나 심지어 더 클 경우, 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단하는 오류에 빠질 수 있다. 다시 말해서, 이물질이 삽입되면 이물질에 의한 손실에 의해 Q팩터 값이 이물질이 없을 때의 참조 Q팩터 값보다 작아지는 것이 일반적임에도 불구하고, 오히려 측정된 Q팩터 값이 참조 Q팩터 값보다 커지거나 같게 되면(즉, 변화량≥0), 이물질이 검출될 수 없다.
따라서, 본 실시예에서는 이물질이 없이 임의의 무선전력 수신장치가 참조 무선전력 전송장치 상에 놓였을 때의 참조 Q팩터 값(제1 Q팩터 값)을 변수로 설정하고, 대표 이물질이 존재할 때 측정된 제2 Q팩터 값이 상기 제1 Q팩터 값에서 얼만큼 변하였는지 그 변화량을 관찰하는 방법을 이용하여 최적의 참조 Q 팩터를 설계한다.
도 17a 내지 도 17d의 각 그래프에서, x축은 무선전력 수신장치가 참조 무선전력 전송장치로 리포트하는 Q팩터 값(Qref) 또는 제1 Q팩터 값(QRX)을 나타내고, y축은 상기 특정한 참조 Q팩터 값(Qref)이 대표 이물질로 인해 증감하는 Q팩터 값의 변화량(△QRFO)을 나타낸다. 여기서, Q팩터 값의 변화량(△QRFO)은 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2018016960-appb-M000001
수학식 1을 참조하면, QRX+RFO은 측정된 제2 Q팩터 값이고, Qref는 참조 무선전력 전송장치로 리포트하는 제1 Q팩터 값이다.
x축의 제1 Q팩터 값 중, 대표 이물질이 삽입된 환경에서 측정된 제2 Q팩터 값(QRX+RFO)이 제1 Q팩터 값(Qref)보다 크거나 같은 구간은 이물질이 검출될 수 없다(undetectable). 이와 같이 Q팩터에 기반한 이물질 검출시 오류가 발생할 수 있는 제1 Q팩터 값의 구간을 미검출 구간이라 할 때, 미검출 구간은 도 17a 내지 도 17d의 시뮬레이션 결과에서 확인될 수 있다. 도 17a 내지 도 17d의 각 그래프에서 좌표로 표시된 (a,b)는 무선전력 수신장치가 참조 무선전력 전송장치의 중심에서부터 x축으로 a만큼, y축으로 b만큼 오프셋을 가진 위치에 놓인 상태임을 의미한다. 아울러, 본 실시예는 Q팩터 측정의 오차가 더 큰 좌표인 (0,5)를 기준으로 보다 보수적으로 미검출 구간을 정의한다.
그리고 미검출 구간과 검출 구간의 경계가 되는 제1 Q팩터 값을 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때, 시뮬레이션 결과 임계 Q팩터 값은 대표 이물질별로 다르게 결정됨이 확인되었다. 제1 대표 이물질(RFO#1)이 사용된 도 17a의 경우, 임계 Q팩터 값은 21.4이고, 제2 대표 이물질(RFO#2)이 사용된 도 17b의 경우, 임계 Q팩터 값은 18.5이며, 제3 대표 이물질(RFO#3)이 사용된 도 17c의 경우, 임계 Q팩터 값은 12.2이고, 제4 대표 이물질(RFO#4)이 사용된 도 17d의 경우, 임계 Q팩터 값은 22.2로 나타났다. 임계 Q팩터 값은 제1 Q팩터 값과 제2 Q팩터 값이 서로 같을 때의 제1 Q팩터 값이라고 할 수도 있다.
임계 Q팩터 값보다 작거나 같은 제1 Q팩터 값을 가진 무선전력 수신장치들은 미검출 구간에 속하고, 임계 Q팩터 값보다 큰 제1 Q팩터 값을 가진 무선전력 수신장치들은 검출 구간에 속한다. 다시 말해, 제1 Q팩터 값이 임계 Q팩터 값보다 작거나 같을 경우(Qref≤Qref.0x), 이물질은 검출될 수 없다. 반대로 제1 Q팩터 값이 임계 Q팩터 값보다 클 경우(Qref>Qref.0x), 이물질은 검출될 수 있다.
모든 대표 이물질에 대해 공통의 검출 구간은 제1 Q팩터 값이 임계 Q팩터 값=22.2보다 큰 구간이고, 이보다 낮은 제1 Q팩터 값의 구간에서는 대표 이물질의 종류에 따라 이물질이 검출될 수도 있고 검출되지 않을 수도 있다. 따라서, 본 실시예는 모든 이물질을 검출될 수 있는 최적의 임계 Q팩터 값을 22.2로 도출하고, 상기 최적의 임계 Q팩터 값을 기반으로 최적의 참조 Q팩터를 설계한다. 이하에서는 최적의 참조 Q팩터를 설계하는 방법에 관하여 개시된다.
WPC 규격에 따를 때, 무선전력 수신장치가 무선전력 전송장치에게 전송하는 참조 Q팩터 값은 ±10%의 오차 수준의 정확도를 가져야 한다. 즉, 무선전력 수신장치의 설계 또는 제조시에 얻어지는 참조 Q팩터 값(Qref)은, 실제 무선충전 서비스시에 측정되는 Q팩터 값(Q'ref)와의 관계에서 0.9*Q'ref≤Qref≤1.1*Q'ref의 요건을 만족해야 한다. 즉, 최적의 참조 Q팩터 값(Qref_min)은 위 요건이 만족되는 범위에서 도출될 수 있다. 오차를 감안하면, 참조 Q팩터 값(Qref)의 최소값은 0.9*Q'ref까지 허용됨을 알 수 있다.
따라서 적어도 모든 대표 이물질에 대해 이물질 검출이 성공하려면, 측정되는 Q팩터 값에서 허용 가능한 오차값(-10%)이 적어도 최적의 임계 Q팩터 값보다 크도록 최적의 참조 Q팩터 값(Qref_min)을 설계하면 된다(즉, Qref_min=Q'ref, where 0.9*Q'ref>22.2). 이 경우, 최적의 참조 Q팩터 값(Qref_min)>24.666...인 설계 조건이 도출된다. 여기서, 최적의 참조 Q팩터 값은 이물질 검출이 가능한 최소한의 참조 Q팩터 값이므로, 최소 참조 Q팩터 값이라 불릴 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 최소 참조 Q팩터 값이라 칭한다.
일 실시예에 따르면, 최소 참조 Q팩터 값(Qref_min)은 24 내지 26 범위에 속하도록 설계될 수 있다. 이에 따를 때, 임의의 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터 값이 24 미만 또는 이하인 경우, 상기 임의의 무선전력 수신장치는 이물질 검출 성능 테스트를 통과하지 못하고 실패한다.
다른 실시예에 따르면, 최적의 참조 Q팩터 값(Qref_min)은 24.66 내지 25 범위에 속하도록 설계될 수 있다. 이에 따를 때, 임의의 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터 값이 24.66 미만 또는 이하인 경우, 상기 임의의 무선전력 수신장치는 이물질 검출 성능 테스트를 통과하지 못하고 실패한다.
또 다른 실시예에 따르면, 최적의 참조 Q팩터 값(Qref_min)=24.7로 설계될 수 있다. 이에 따를 때, 임의의 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터 값이 24.7 미만 또는 이하인 경우, 상기 임의의 무선전력 수신장치는 이물질 검출 성능 테스트를 통과하지 못하고 실패한다. 반면 임의의 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터 값이 24.7 초과인 경우, 상기 임의의 무선전력 수신장치는 이물질 검출 성능 테스트를 통과한다.
또 다른 실시예에 따르면, 최적의 참조 Q팩터 값(Qref_min)=25로 설계될 수 있다. 이에 따를 때, 임의의 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터 값이 25 미만 또는 이하인 경우, 상기 임의의 무선전력 수신장치는 이물질 검출 성능 테스트를 통과하지 못하고 실패한다. 반면 임의의 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터 값이 25 초과인 경우, 상기 임의의 무선전력 수신장치는 이물질 검출 성능 테스트를 통과한다.
도 18은 일 실시예에 따라 무선전력 수신장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 18을 참조하면, 무선전력 수신장치는 디지털 핑(digital ping)을 무선전력 전송장치로부터 수신한다(S1800). 이후 무선전력 수신장치는 식별 및 구성 패킷을 무선전력 전송장치로 전송한다(S1805). 식별 및 구성 패킷을 무선전력 전송장치로 전송하면, 무선전력 수신장치와 전송장치는 협상 페이즈로 진입한다.
협상 페이즈에서, 무선전력 수신장치는 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터(reference Q factor, Qref) 값을 지시하는 이물질(foreign object) 검출 상태 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송한다(S1810).
무선전력 수신장치는, 상기 참조 Q팩터 값을 이용한 상기 무선전력 전송장치의 이물질 검출 결과에 기반하여 상기 무선전력 전송장치로부터 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 무선전력을 수신한다(S1815). 만약, 이물질이 검출된 것으로 판단되면, 무선전력 전송장치는 확장된 전력 프로파일에 기초하여 전력을 전송하지 않는다. 다시 말해, 이물질이 검출되면, 무선전력 전송장치는 기본 전력 프로파일에 기초하여 전력을 전송하거나, 전력 전송을 중단하고 스탠바이 상태로 진입할 수 있다. 이 경우, 무선전력 수신장치는 기본 전력 프로파일에 기초한 무선전력을 수신하거나, 전력을 수신할 수 없다. 반면 만약 이물질이 검출되지 않은 것으로 판단되면, 무선전력 전송장치는 확장된 전력 프로파일에 기초하여 무선전력을 전송할 수 있으며, 무선전력 수신장치는 증가된 무선전력을 무선전력 전송장치로부터 수신할 수 있다.
여기서, 상기 참조 Q팩터 값은 주변에(nearby) 이물질이 없을 때 상기 무선전력 수신장치에 대한 참조(reference) 무선전력 전송장치의 Q팩터이고, 상기 참조 Q팩터 값은, 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref_min)보다 크거나 같을 수 있다.
일례로서, 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(representative FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의될 수 있다.
여기서, 최소 참조 Q팩터 값은, 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차인 10%만큼 보정한 값으로 정의될 수 있다. 일 측면에서, 임계 Q팩터 값은 22 내지 23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24 내지 26 범위 내의 값일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22 내지 23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24 내지 26 범위일 수 있다. 또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22.2이고, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24.7 내지 25 범위로 설계될 수 있다. 또한, 상기 대표 이물질은 여러 종류의 대표 이물질들 중 상기 임계 Q팩터 값이 최대가 되도록 하는 제4 대표 이물질일 수 있다.
다른 예로서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고, 상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며, 상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값으로 설계될 수 있다.
도 19는 일 실시예에 따라 무선전력 전송장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 19를 참조하면, 무선전력 전송장치는 디지털 핑(digital ping)을 무선전력 수신장치로 전송한다(S1900).
이후 무선전력 전송장치는 식별 및 구성 패킷을 무선전력 수신장치로부터 수신한다(S1905). 식별 및 구성 패킷을 무선전력 수신장치로부터 수신하면, 무선전력 수신장치와 전송장치는 협상 페이즈로 진입한다.
협상 페이즈에서, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터(reference Q factor, Qref) 값을 지시하는 이물질(foreign object) 검출 상태 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신한다(S1910).
무선전력 전송장치는, 상기 참조 Q팩터 값을 이용한 상기 무선전력 전송장치의 이물질 검출 결과에 기반하여 상기 무선전력 수신장치로 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 무선전력을 전송한다(S1915). 만약, 이물질이 검출된 것으로 판단되면, 무선전력 전송장치는 확장된 전력 프로파일에 기초하여 전력을 전송하지 않는다. 다시 말해, 이물질이 검출되면, 무선전력 전송장치는 기본 전력 프로파일에 기초하여 전력을 전송하거나, 전력 전송을 중단하고 스탠바이 상태로 진입할 수 있다. 이 경우, 무선전력 수신장치는 기본 전력 프로파일에 기초한 무선전력을 수신하거나, 전력을 수신할 수 없다. 반면 만약 이물질이 검출되지 않은 것으로 판단되면, 무선전력 전송장치는 확장된 전력 프로파일에 기초하여 무선전력을 전송할 수 있으며, 무선전력 수신장치는 증가된 무선전력을 무선전력 전송장치로부터 수신할 수 있다.
여기서, 상기 참조 Q팩터 값은 주변에(nearby) 이물질이 없을 때 상기 무선전력 수신장치에 대한 참조(reference) 무선전력 전송장치의 Q팩터이고, 상기 참조 Q팩터 값은, 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref_min)보다 크거나 같을 수 있다.
일례로서, 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(representative FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의될 수 있다.
여기서, 최소 참조 Q팩터 값은, 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차인 10%만큼 보정한 값으로 정의될 수 있다. 일 측면에서, 임계 Q팩터 값은 22 내지 23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24 내지 26 범위 내의 값일 수 있다. 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22 내지 23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24 내지 26 범위일 수 있다. 또 다른 측면에서, 상기 임계 Q팩터 값은 22.2이고, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24.7 내지 25 범위로 설계될 수 있다. 또한, 상기 대표 이물질은 여러 종류의 대표 이물질들 중 상기 임계 Q팩터 값이 최대가 되도록 하는 제4 대표 이물질일 수 있다.
다른 예로서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고, 상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며, 상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값으로 설계될 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능을 테스트하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 20을 참조하면, 본 실시예에 따른 테스트 방법은 참조 무선전력 전송장치 상의 미리 정해진 테스트 위치에 있는 무선전력 수신장치에 대한 Q팩터 값을 측정하고(S2000), 상기 측정된 Q팩터 값과, 상기 무선전력 수신장치가 FOD 상태 패킷을 통해 보고하는 참조 Q팩터 값을 비교하며(S2005), 상기 참조 Q팩터 값이 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref_min)보다 크거나 같은지 판단한 뒤(S2010), 만일 그렇다면(yes) 상기 측정된 Q팩터 값이 상기 참조 Q팩터 값에 대한 오차 범위(±10%)에 속하는지 판단하고(S2015), 오차 범위에 속할 경우 상기 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능 테스트를 성공으로 판단하는 단계(S2020)를 포함한다.
한편, 단계 S2010에서 상기 참조 Q팩터 값이 최소 참조 Q팩터 값보다 작으면 테스트에 실패한 것으로 판단한다(S2025). 또한 단계 S2015에서 측정된 Q팩터 값이 참조 Q팩터 값에 대한 오차 범위(10%)에 속하지 않으면 테스트에 실패한 것으로 판단한다(S2025).
도 21은 일 실시예에 따른 FOD 상태 패킷의 블록도이다.
도 21을 참조하면, FOD 상태 패킷은 예를 들어 2바이트(B1, B2)로 구성될 수 있다. 이 중에서 첫 번째 바이트(B1)은 참조 Q팩터 값과 최소 참조 Q팩터 값을 비교한 결과를 표시하는 정보(Qref><Q'ref)필드, 예비 필드(reserved) 및 모드 필드를 포함한다. 두번째 바이트(B2)는 참조 Q팩터 값을 지시하는 필드를 포함한다. 정보(Qref><Q'ref)필드는 2비트이고 첫 번째 바이트에 위치하는 것으로 도시하였으나, 2번째 바이트에 위치할 수도 있고, 예비 필드와 모드 필드의 사이 또는 모드 필드 뒤에 위치할 수도 있으며, 비트수 또한 2비트가 아닌 1비트 또는 3비트 이상이 될 수도 있다.
한편 정보(Qref><Q'ref)필드는 예를 들어 표 6과 같은 내용을 지시할 수 있다.
Qref><Q'ref 지시내용
00 Qref>Q'ref
01 Reserved
10 Reserved
11 Qref≤Q'ref
표 6을 참조하면, 정보((Qref><Q'ref)필드가 11을 지시할 경우, Q팩터에 기반한 이물질 검출 방식이 신뢰성이 없음을 지시하고, 사용자로 하여금 이물질이 존재하는지를 직접 확인할 수 있는 알람 제공 등의 이물질 검출 방식이 호출될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법 및 장치, 또는 수신 장치 및 방법은 모든 구성요소 또는 단계가 필수적인 것은 아니므로, 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법은 상술한 구성요소 또는 단계의 일부 또는 전부를 포함하여 수행될 수 있다. 또 상술한 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법의 실시예들은 서로 조합되어 수행될 수도 있다. 또 상술한 각 구성요소 또는 단계들은 반드시 설명한 순서대로 수행되어야 하는 것은 아니며, 나중에 설명된 단계가 먼저 설명된 단계에 앞서 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현되는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 수신장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 방법에 있어서,
    디지털 핑(digital ping)을 상기 무선전력 전송장치로부터 수신하는 단계;
    식별 및 구성 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계;
    상기 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터(reference Q factor, Qref) 값을 지시하는 이물질(foreign object) 검출 상태 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계; 및
    상기 참조 Q팩터 값을 이용한 상기 무선전력 전송장치의 이물질 검출 결과에 기반하여 상기 무선전력 전송장치로부터 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 무선전력을 수신하는 단계를 포함하되,
    상기 참조 Q팩터 값은 주변에(nearby) 이물질이 없을 때 상기 무선전력 수신장치에 대한 참조(reference) 무선전력 전송장치의 Q팩터이고,
    상기 참조 Q팩터 값은, 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref _min)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(representative FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때,
    상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우,
    상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고,
    상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며,
    상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값인 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 최소 참조 Q팩터 값은,
    상기 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차만큼 보정한 값으로 정의됨을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 임계 Q팩터 값은 22 내지 23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24 내지 26 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 임계 Q팩터 값은 22.2인 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 최소 참조 Q팩터 값은 24.7 내지 25 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 대표 이물질은 여러 종류의 대표 이물질들 중 상기 임계 Q팩터 값이 최대가 되도록 하는 대표 이물질인 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 전송장치가 이물질 검출에 기반하여 무선전력 수신장치로부터 무선전력을 전송하는 방법에 있어서,
    디지털 핑(digital ping)을 상기 무선전력 수신장치로 전송하는 단계;
    식별 및 구성 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계;
    상기 무선전력 수신장치의 참조 Q팩터(reference Q factor, Qref) 값을 지시하는 이물질(foreign object) 검출 상태 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계;
    상기 참조 Q팩터 값을 이용하여 이물질 검출을 수행하는 단계; 및
    상기 이물질 검출 결과에 기반하여 상기 무선전력 수신장치로 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 무선전력을 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 참조 Q팩터 값은 주변에(nearby) 이물질이 없을 때 상기 무선전력 수신장치에 대한 참조(reference) 무선전력 전송장치의 Q팩터이고,
    상기 참조 Q팩터 값은, 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref _min)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(reference FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때,
    상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우,
    상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고,
    상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며,
    상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값인 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 최소 참조 Q팩터 값은,
    상기 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차만큼 보정한 값으로 정의됨을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 임계 Q팩터 값은 22~23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24~26 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 임계 Q팩터 값은 22.2인 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 무선전력 전송 시스템에서 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능을 테스트하는 방법에 있어서,
    참조 무선전력 전송장치 상의 미리 정해진 테스트 위치에 있는 무선전력 수신장치에 대한 Q팩터 값을 측정하는 단계;
    상기 측정된 Q팩터 값과, 상기 무선전력 수신장치가 제공하는 참조 Q팩터 값을 비교하는 단계; 및
    상기 참조 Q팩터 값이 상기 참조 무선전력 전송장치와 호환되는 임의의 무선전력 수신장치에 요구되는 최소(minimum) 참조 Q팩터 값(Qref_min)보다 크거나 같고, 상기 측정된 Q팩터 값이 상기 참조 Q팩터 값에 대한 오차 범위에 속하면, 상기 무선전력 수신장치의 이물질 검출 성능 테스트를 성공으로 판단하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 제1 Q팩터 값(QRX)과, 주변에 대표 이물질(reference FO: RFO)이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 제2 Q팩터 값(QRX,RFO)이 서로 같은 경우의 상기 제1 Q팩터 값을 상기 대표 이물질을 검출할 수 있는 임계(threshold) Q팩터 값(Qref,0X)이라 할 때,
    상기 최소 참조 Q팩터 값은 상기 임계 Q팩터 값에 기반하여 정의되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, (△Q팩터 값)=(제2 Q팩터 값-제1 Q팩터 값)인 경우,
    상기 최소 참조 Q팩터 값은 (△Q팩터 값)=0을 만족하는 상기 제1 Q팩터 값에 기반하여 정의되고,
    상기 제1 Q팩터 값은 주변에 이물질이 없을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값이며,
    상기 제2 Q팩터 값은 주변에 대표 이물질이 있을 때 상기 임의의 무선전력 수신장치에 대한 상기 참조 무선전력 전송장치의 Q팩터 값인 것을 특징으로 하는, 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 최소 참조 Q팩터 값은,
    상기 임계 Q팩터 값을 Q팩터 측정 오차만큼 보정한 값으로 정의됨을 특징으로 하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 임계 Q팩터 값은 22~23 범위 내의 값이고, 상기 Q팩터 측정 오차는 상기 임계 Q팩터 값의 10%이며, 상기 최소 참조 Q팩터 값은 24~26 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 임계 Q팩터 값은 22.2인 것을 특징으로 하는, 방법.
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