WO2020185051A1 - 저전력 및 중전력 호환 무선충전 수신 장치 및 방법 - Google Patents

저전력 및 중전력 호환 무선충전 수신 장치 및 방법 Download PDF

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WO2020185051A1
WO2020185051A1 PCT/KR2020/003589 KR2020003589W WO2020185051A1 WO 2020185051 A1 WO2020185051 A1 WO 2020185051A1 KR 2020003589 W KR2020003589 W KR 2020003589W WO 2020185051 A1 WO2020185051 A1 WO 2020185051A1
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wireless power
power
wireless
communication
receiver
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최형철
곽봉식
곽형걸
김성규
김종구
김진홍
박수용
박용철
박준호
이성훈
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엘지전자 주식회사
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    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/72—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for local intradevice communication
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
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    • H04B5/26—Inductive coupling using coils
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer

Definitions

  • the wireless power receiver may classify the power class of the wireless power transmitter.
  • 3B shows an example of WPC NDEF in a wireless power transmission system.
  • 4D is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to another example.
  • FIG. 9 shows a communication frame structure according to an embodiment.
  • FIG. 14 is a configuration packet structure of a wireless power receiver according to an embodiment.
  • FIG. 15 illustrates an application-level data stream between a wireless power transmission device and a reception device according to an example.
  • parentheses used in the present specification may mean "for example”. Specifically, when displayed as “control information (PDCCH)”, “PDCCH” may be proposed as an example of “control information”. In other words, “control information” of the present specification is not limited to “PDCCH”, and “PDDCH” may be suggested as an example of “control information”. In addition, even when indicated as “control information (ie, PDCCH)”, “PDCCH” may be proposed as an example of “control information”.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power system 10 according to another embodiment.
  • the wireless power transmission apparatus 100 and the wireless power reception apparatus 200 exchange power on a one-to-one basis, but as shown in FIG. 2, one wireless power transmission apparatus 100 is a plurality of wireless power reception apparatuses. It is also possible to deliver power by (200-1, 200-2,..., 200-M).
  • one wireless power transmission device 100 applies a simultaneous transmission method or a time-division transmission method, so that several wireless power reception devices 200-1, 200-2, and ...,200-M).
  • FIG. 1 shows a state in which the wireless power transmitter 100 directly transmits power to the wireless power receiver 200
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 A separate wireless power transmission/reception device such as a relay or a repeater for increasing the power transmission distance may be provided.
  • power is transmitted from the wireless power transmission device 100 to the wireless power transmission/reception device, and the wireless power transmission/reception device may transfer power to the wireless power reception device 200 again.
  • a wireless power receiver, a power receiver, and a receiver referred to in the present specification refer to the wireless power receiving apparatus 200.
  • a wireless power transmitter, a power transmitter, and a transmitter referred to in the present specification refer to the wireless power reception and transmission apparatus 100.
  • FIG. 3A electronic devices are classified according to the amount of power transmitted and received in the wireless power transmission system.
  • wearable devices such as a smart watch, a smart glass, a head mounted display (HMD), and a smart ring, and earphones, remote controls, smart phones, PDAs, tablets
  • a low power (about 5W or less or about 20W or less) wireless charging method may be applied to mobile electronic devices (or portable electronic devices) such as PCs.
  • a medium power (less than about 50W or less than about 200W) wireless charging method may be applied to small and medium-sized home appliances such as notebook computers, robot cleaners, TVs, sound devices, vacuum cleaners, and monitors.
  • Kitchen appliances such as blenders, microwave ovens, electric rice cookers, personal mobile devices such as wheelchairs, electric kickboards, electric bicycles, and electric vehicles (or electronic devices/transport means) are high power (about 2kW or less or 22kW or less) Wireless charging method can be applied.
  • the electronic devices/moving means described above may each include a wireless power receiver to be described later. Accordingly, the electronic devices/transport means described above may be charged by receiving power wirelessly from the wireless power transmitter.
  • PCs may be distinguished according to power levels, and whether or not to support the same compatibility between PCs may be optional or essential.
  • the same compatibility between PCs means that power transmission and reception are possible between the same PCs.
  • compatibility between different PCs may also be supported.
  • the compatibility between different PCs means that power transmission/reception is possible between different PCs.
  • a wireless power transmitter with PC x can charge a wireless power receiver with PC y, it can be seen that compatibility between different PCs is maintained.
  • An example of the message may include a phrase such as "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building?: Yes
  • the smartphone receives the user's input to select Yes or No Thanks, and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone transmits the information to the wireless charger. Smartphones and wireless chargers can at least recognize the user's pattern and encourage the user to lock doors and windows, turn off lights, or set an alarm.
  • Profiles can be divided into three broad categories: i) mobile and computing, ii) electric tools, and iii) kitchen.
  • profiles can be largely divided into four categories: i) mobile, ii) electric tools, iii) kitchen and iv) wearable.
  • 3B shows an example of WPC NDEF in a wireless power transmission system.
  • the wireless power transmitter selectively transmits power only to the wireless power receiver having the same profile as the wireless power transmitter, thereby enabling more stable power transmission.
  • the burden of the wireless power transmitter is reduced and power transmission to an incompatible wireless power receiver is not attempted, the risk of damage to the wireless power receiver is reduced.
  • PC1 in the'mobile' profile can be defined by borrowing optional extensions such as OB based on PC0, and in the case of the'power tool' profile, the PC1'mobile' profile can be defined simply as a modified version. Also, up to now, it has been defined for the purpose of maintaining compatibility between the same profiles, but technology may be developed in the direction of maintaining compatibility between different profiles in the future.
  • the wireless power transmitter or the wireless power receiver may inform the other party of its own profile through various methods.
  • P TX _IN_MAX Minimum category support requirements Minimum value for maximum number of devices supported Class 1 2W 1x Category 1 1x Category 1 Class 2 10W 1x Category 3 2x category 2 Class 3 16W 1x Category 4 2x category 3 Class 4 33W 1x Category 5 3x Category 3 Class 5 50W 1x Category 6 4x category 3 Class 6 70W 1x Category 7 5x category 3
  • the primary coil may generate an electromagnetic field using AC 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 circuit 110, and accordingly, may generate a magnetic field of a specific frequency.
  • the magnetic field may be generated non-radiatively or radially, and the wireless power receiving apparatus 200 generates current by receiving it. In other words, the primary coil transmits power wirelessly.
  • 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 formed in the shape of a loop.
  • a core may be disposed inside the roof.
  • the core may include a physical core such as a ferrite core or an air core.
  • the magnetic field is focused toward the secondary resonant antenna with higher efficiency, 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 need not be the resonance frequency. Instead, in the magnetic induction method, matching between the loops constituting the primary coil and the secondary coil is required, and the gap between the loops must be very close.
  • the wireless power transmitter 100 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 circuit 120 may transmit and receive information to and from the wireless power receiving device 200.
  • the communication/control circuit 120 may include at least one of an IB communication module and an OB 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 circuit 120 performs in-band communication by loading communication information on the operating frequency of wireless power transmission and transmitting it through the primary coil or receiving the operating frequency containing the information through the primary coil. can do.
  • modulation schemes such as binary phase shift keying (BPSK), frequency shift keying (FSK), or amplitude shift keying (ASK), and Manchester coding or non-zero return level (NZR) -L: Non-return-to-zero level
  • BPSK binary phase shift keying
  • FSK frequency shift keying
  • ASK amplitude shift keying
  • NZR non-zero return level
  • the communication/control circuit 120 may control the overall operation of the wireless power transmission device 100.
  • the communication/control circuit 120 may perform calculations and processing of various types of information, and control each component of the wireless power transmission device 100.
  • the communication/control circuit 120 may be implemented as a computer or a similar device using hardware, software, or a combination thereof.
  • the communication/control circuit 120 may be provided in the form of an electronic circuit that performs a control function by processing electrical signals, and in software, it is in the form of a program that drives the hardware communication/control circuit 120. Can be provided.
  • the mobile device 450 receives and stores the power received from the wireless power receiver 200 and the wireless power receiver 200 for receiving wireless power through a secondary coil. Includes a load (455) to supply to.
  • the wireless power receiver 200 may include a power pick-up circuit 210 and a communication/control circuit 220.
  • the power pickup circuit 210 may receive wireless power through a secondary coil and convert it into electrical energy.
  • the power pickup circuit 210 rectifies an AC signal obtained through the secondary coil and converts it into a DC signal.
  • the communication/control circuit 220 may control transmission and reception (power transmission and reception) of wireless power.
  • the communication/control circuit 220 may transmit and receive information with the wireless power transmission device 100.
  • the communication/control circuit 220 may include at least one of an IB communication module and an OB communication module.
  • Examples of short-range communication modules include communication modules such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the communication/control circuit 220 may control the overall operation of the wireless power receiving apparatus 200.
  • the communication/control circuit 220 may perform calculations and processing of various types of information, and may control each component of the wireless power receiving apparatus 200.
  • the communication/control circuit 120 and the communication/control circuit 220 are Bluetooth or Bluetooth LE as an OB communication module or a short-range communication module
  • the communication/control circuit 120 and the communication/control circuit 220 are respectively shown in FIG. 4B. It can be implemented and operated with the same communication architecture.
  • 4B is a diagram illustrating an example of a Bluetooth communication architecture to which an embodiment according to the present specification can be applied.
  • FIG. 4B shows an example of a protocol stack of a Bluetooth Basic Rate (BR)/Enhanced Data Rate (EDR) supporting GATT, and (b) is a Bluetooth Low Energy (LE). Shows an example of a protocol stack.
  • BR Bluetooth Basic Rate
  • EDR Enhanced Data Rate
  • LE Bluetooth Low Energy
  • the BR/EDR PHY layer 12 is a layer that transmits and receives a 2.4 GHz radio signal, and when using GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation, data can be transmitted by hopping 79 RF channels.
  • GFSK Gausian Frequency Shift Keying
  • the host stack (or host module, 20) includes a logical link control and adaptation protocol (L2CAP, 21), an attribute protocol (Protocol, 22), a generic attribute profile (GATT, 23), and a generic access profile (Generic Access). Profile, GAP, 24), and BR/EDR profile 25.
  • L2CAP logical link control and adaptation protocol
  • Protocol 22
  • GATT generic attribute profile
  • GAP Generic Access
  • BR/EDR profile 25 BR/EDR profile
  • the L2CAP 21 may multiplex various protocols, profiles, etc. provided by the upper level of Bluetooth.
  • the attribute protocol 22 and the BR/EDR profile 25 define a service (profile) using Bluetooth BR/EDR and an application protocol for exchanging these data, and the generic access profile (Generic Access Profile) , GAP, 24) defines the device discovery, connection, and security level.
  • the controller stack 480 may be implemented using a communication module that may include a Bluetooth wireless device, for example, a processor module that may include a processing device such as a microprocessor.
  • controller stack and the host stack may operate or run on the same processing device within a processor module.
  • the controller stack 480 includes a physical layer (PHY, 32), a link layer (34), and a host controller interface (36).
  • PHY physical layer
  • link layer 34
  • 36 host controller interface
  • the physical layer (PHY, wireless transmission/reception module, 32) is a layer that transmits and receives a 2.4 GHz radio signal, and uses GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation and a frequency hopping technique composed of 40 RF channels.
  • GFSK Gausian Frequency Shift Keying
  • the link layer 34 which transmits or receives Bluetooth packets, creates a connection between devices after performing advertising and scanning functions using three advertising channels, and data packets of up to 257 bytes through 37 data channels. It provides the function of sending and receiving.
  • L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol 41 may provide one bidirectional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • the L2CAP 41 may be operable to multiplex data between higher layer protocols, segment and reassemble packages, and manage multicast data transmission.
  • Bluetooth LE 3 fixed channels (1 for signaling CH, 1 for Security Manager, 1 for Attribute protocol) are basically used. And, if necessary, a dynamic channel may be used.
  • BR/EDR Base Rate/Enhanced Data Rate
  • SM Security Manager
  • ATT Attribute Protocol, 43
  • ATT has the following 6 message types (Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation).
  • Command message This is a message sent mainly to instruct a command for a specific operation from a client device to a server device.
  • the server device does not transmit a response to the command message to the client device.
  • Notification message This message is sent from the server device to the client device for notification such as an event, and the client device does not send a confirmation message for the notification message to the server device.
  • Indication and Confirm message This message is sent from the server device to the client device for notification such as an event. Unlike the Notification message, the client device transmits a Confirm message for the Indication message to the server device.
  • This specification allows the client to clearly know the data length by transmitting a value for the data length when a long data request is made in the GATT profile using the attribute protocol (ATT, 43), and characteristic from the server using UUID. Can receive values.
  • the general access profile 45 is mainly used for device discovery, connection creation, and security procedures, defines a method of providing information to a user, and defines the following attribute types.
  • the general attribute profile GATT 44 may operate as a protocol describing how the attribute protocol 43 is used when configuring services.
  • the general attribute profile 44 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe features associated with services.
  • the controller stack can control the BLE controller stack to reduce power consumption by reducing the number of transmitting requests.
  • the advertising device or scanning device may perform the device filtering procedure to limit devices that receive an advertisement packet, a scan request, or a connection request.
  • the scanning device refers to a device that performs scanning and a device that transmits a scan request.
  • a scanning device when a scanning device receives some advertisement packets from an advertisement device, the scanning device must transmit a scan request to the advertisement device.
  • the device filtering procedure can also be used in the connection request process. If device filtering is used in the connection request process, it is not necessary to transmit a response to the connection request by disregarding the connection request.
  • undirected advertising is advertising directed to all (all) devices, not broadcasting directed to a specific device, and all devices scan advertising to request additional information or You can make a connection request.
  • Directed Advertising only a device designated as a receiving device can scan advertisements to request additional information or request a connection.
  • the advertising procedure is used to establish a Bluetooth connection with a nearby initiating device.
  • the advertisement procedure may be used to provide periodic broadcast of user data to scanning devices that are listening on the advertisement channel.
  • the advertisement devices may receive scan requests from listening devices that are listening to obtain additional user data from the advertisement device.
  • the advertisement device transmits a response to the scan request to the device that transmitted the scan request through the same advertisement physical channel as the advertisement physical channel receiving the scan request.
  • Broadcast user data sent as part of advertisement packets is dynamic data, while scan response data is generally static data.
  • the advertising device may receive a connection request from the initiating device on the advertising (broadcast) physical channel. If the advertisement device uses a connectable advertisement event and the initiating device is not filtered by the device filtering procedure, the advertisement device stops advertisement and enters a connected mode. The advertising device may start advertising again after the connected mode.
  • a device performing scanning that is, a scanning device, performs a scanning procedure to listen to a non-directional broadcast of user data from advertisement devices using an advertisement physical channel.
  • the scanning device transmits a scan request to the advertisement device through an advertisement physical channel in order to request additional data from the advertisement device.
  • the advertisement device transmits a scan response, which is a response to the scan request, including additional data requested by the scanning device through the advertisement physical channel.
  • the scanning procedure may be used while the BLE piconet is connected to another BLE device.
  • the scanning device If the scanning device receives a broadcast advertisement event and is in an initiator mode capable of initiating a connection request, the scanning device transmits a connection request to the advertisement device through the advertisement physical channel. And you can start a Bluetooth connection.
  • the scanning device When the scanning device transmits a connection request to the advertisement device, the scanning device stops scanning the initiator mode for additional broadcast and enters the connection mode.
  • Bluetooth devices capable of Bluetooth communication (hereinafter, referred to as'Bluetooth devices') perform an advertisement procedure and a scanning procedure to discover nearby devices or to be discovered by other devices within a given area.
  • the discovery procedure is performed asymmetrically.
  • a Bluetooth device that tries to find other devices around it is called a discovery device, and listens to find devices that advertise scannable advertising events.
  • a Bluetooth device that is discovered and available from another device is called a discoverable device, and actively broadcasts an advertisement event so that other devices can scan through an advertisement (broadcast) physical channel.
  • Both the discovering device and the discoverable device may already be connected to other Bluetooth devices in the piconet.
  • connection procedure is asymmetric, and the connection procedure requires that a specific Bluetooth device perform an advertisement procedure while another Bluetooth device performs a scanning procedure.
  • the advertising procedure may be the goal, and as a result, only one device will respond to the advertisement.
  • the connection After receiving an advertisement event accessible from the advertisement device, the connection may be initiated by sending a connection request to the advertisement device through an advertisement (broadcast) physical channel.
  • the link layer enters the advertisement state by the instruction of the host (stack).
  • the link layer transmits advertisement packet data circuits (PDUs) in advertisement events.
  • PDUs advertisement packet data circuits
  • scanning states There are two types of scanning states: passive scanning and active scanning, and each scanning type is determined by the host.
  • the link layer must listen to complete all scan intervals of the scan window as indicated by the host. In each scan window, the link layer must scan a different advertising channel index. The link layer uses all available advertising channel indices.
  • the link layer In passive scanning, the link layer only receives packets and cannot transmit any packets.
  • the link layer performs listening to rely on the advertisement PDU type that can request advertisement PDUs and additional information related to the advertisement device to the advertisement device.
  • the link layer enters the start state by the instruction of the host (stack).
  • the link layer listens for advertisement channel indexes.
  • the link layer listens for the advertisement channel index during the scan window period.
  • the link layer enters the connected state when the device performing the connection request, that is, when the initiating device transmits a CONNECT_REQ PDU to the advertisement device or when the advertisement device receives a CONNECT_REQ PDU from the initiating device.
  • connection After entering the connected state, the connection is considered to be created. However, it need not be considered to be established when the connection enters the connected state. The only difference between a newly created connection and an established connection is the link layer connection supervision timeout value.
  • the link layer that plays the role of a master is called a master
  • the link layer that plays the role of a slave is called a slave.
  • the master controls the timing of the connection event, and the connection event refers to the timing of synchronization between the master and the slave.
  • BLE devices use packets defined below.
  • the Link Layer has only one packet format used for both advertising channel packets and data channel packets.
  • Each packet is composed of four fields: Preamble, Access Address, PDU and CRC.
  • the advertising channel PDU Packet Data Circuit
  • PDU Packet Data Circuit
  • the PDU type field of the advertisement channel PDU included in the header indicates the PDU type as defined in Table 3 below.
  • advertisement channel PDU types below the advertisement PDU are called advertisement PDUs and are used in specific events.
  • ADV_IND Connectable non-directional advertising event
  • ADV_DIRECT_IND Connectable directional ad event
  • ADV_SCAN_IND scannable non-directional advertising event
  • the PDUs are transmitted in a link layer in an advertisement state, and received by a link layer in a scanning state or an initiating state.
  • the advertisement channel PDU type below is called a scanning PDU and is used in the state described below.
  • SCAN_RSP transmitted by the link layer in the advertisement state, and received by the link layer in the scanning state.
  • the advertisement channel PDU type below is called an initiating PDU.
  • CONNECT_REQ transmitted by the link layer in the initiating state, and received by the link layer in the advertisement state.
  • the data channel PDU has a 16-bit header, payloads of various sizes, and may include a Message Integrity Check (MIC) field.
  • MIC Message Integrity Check
  • the load 455 may be a battery.
  • the battery may store energy by using power output from the power pickup circuit 210.
  • the battery is not necessarily included in the mobile device 450.
  • the battery may be provided in a detachable external configuration.
  • the wireless power receiving apparatus 200 may include a driving means for driving various operations of an electronic device instead of a battery.
  • the mobile device 450 is shown to include the wireless power receiver 200, and the base station 400 is shown to include the 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.
  • wireless power transmission including the communication/control circuit 120 may be represented by a simplified block diagram as shown in FIG. 4C.
  • 4C is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to an example.
  • the wireless power transmission device 100 includes a power conversion circuit 110 and a communication/control circuit 120.
  • the communication/control circuit 120 includes an in-band communication module 121 and a BLE communication module 122.
  • the BLE communication modules 122 and 222 perform the architecture and operation according to FIG. 4B.
  • the BLE communication modules 122 and 222 may be used to establish a connection between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200, and exchange control information and packets required for wireless power transmission. have.
  • the communication/control circuit 120 may be configured to operate a profile for wireless charging.
  • the profile for wireless charging may be GATT using BLE transmission.
  • 4D is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to another example.
  • the communication/control circuits 120 and 220 include only in-band communication modules 121 and 221, respectively, and the BLE communication modules 122 and 222 are communication/control circuits 120, respectively. 220) and separately provided are also possible.
  • 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure.
  • power transmission from the wireless power transmitter according to an embodiment of the present specification to a receiver is largely performed in a selection phase (510), a ping phase (520), and an identification and configuration step (identification). and configuration phase, 530), a negotiation phase (540), a calibration phase (550), a power transfer phase (560), and a renegotiation phase (570). .
  • the selection step 510 is a step in which a transition is made when a specific error or a specific event is detected while starting power transmission or maintaining power transmission-including, for example, reference numerals S502, S504, S508, S510 and S512. I can.
  • specific errors and specific events will be clarified through the following description.
  • the wireless power transmitter may monitor whether an object exists on the interface surface. If the wireless power transmitter detects that an object has been placed on the interface surface, it may transition to the ping step 520.
  • the wireless power transmitter transmits an analog ping signal, which is a power signal (or pulse) corresponding to a very short duration, and the current of the transmitting coil or the primary coil Based on the change, it is possible to detect whether an object exists in the active area of the interface surface.
  • an analog ping signal which is a power signal (or pulse) corresponding to a very short duration
  • the wireless power transmitter may measure a quality factor of a wireless power resonant circuit (eg, a power transfer coil and/or a resonant capacitor).
  • a quality factor may be measured to determine whether a wireless power receiver is placed together with a foreign substance in the charging area.
  • the inductance and/or the series resistance component in the coil may be reduced due to environmental changes, and thus the quality factor value decreases.
  • the wireless power transmitter may receive a reference quality factor value measured in advance from the wireless power receiver in a state in which the foreign substance is not disposed in the charging area.
  • the presence of foreign matter may be determined by comparing the reference quality factor value received in the negotiation step 540 with the measured quality factor value.
  • a specific wireless power receiver may have a low reference quality factor value depending on the type, use, and characteristics of the wireless power receiver- In this case, there is no significant difference between the measured quality factor value and the reference quality factor value, making it difficult to determine the presence of foreign substances. Therefore, it is necessary to further consider other judgment factors or to determine the presence of foreign substances using other methods.
  • a quality factor value within a specific frequency domain may be measured to determine whether an object is disposed together with a foreign material in the charging area.
  • inductance and/or a series resistance component in the coil may be reduced due to environmental changes, and thus the resonant frequency of the coil of the wireless power transmitter may be changed (shifted). That is, the quality factor peak frequency, which is the frequency at which the maximum quality factor value in the operating frequency band is measured, may be shifted.
  • step 520 when an object is detected, the wireless power transmitter activates the receiver, and transmits a digital ping to identify whether the detected object is a wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter does not receive a response signal for a digital ping—for example, a signal strength packet—from the receiver, it may transition to the selection step 510 again.
  • the wireless power transmitter when the wireless power transmitter receives a signal indicating that power transmission has been completed from the receiver, that is, a charging completion packet, it may transition to the selection step 510.
  • 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 transmission device receives an unwanted packet (unexpected packet), a desired packet is not received for a predefined time (time out), or there is a packet transmission error (transmission error), If no power transfer contract is established (no power transfer contract), a transition may be made to the selection step 510.
  • the wireless power transmission apparatus may check whether or not entry into the negotiation step 540 is required based on a negotiation Field value of a configuration packet received in the identification and configuration step 530. As a result of the confirmation, if negotiation is necessary, the wireless power transmitter may enter the negotiation step 540 and perform a predetermined FOD detection procedure. On the other hand, as a result of the confirmation, if negotiation is not necessary, the wireless power transmission device may immediately enter the power transmission step 560.
  • the wireless power transmitter may receive a Foreign Object Detection (FOD) state packet including a reference quality factor value.
  • FOD Foreign Object Detection
  • an FOD state packet including a reference peak frequency value may be received.
  • a status packet including a reference quality factor value and a reference peak frequency value may be received.
  • the wireless power transmitter may determine a quality factor threshold for FO detection based on the reference quality 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 can detect whether FO is present in the charging area by using the determined quality factor threshold for FO detection and the currently measured quality factor value (the quality factor value measured before the ping step). Accordingly, power transmission can be controlled. For example, when FO is detected, power transmission may be stopped, but the present invention is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter can detect whether FO is present in the charging area using the determined peak frequency threshold for FO detection and the currently measured peak frequency value (the peak frequency value measured before the ping step), and the FO detection result Accordingly, power transmission can be controlled. For example, when FO is detected, power transmission may be stopped, but the present invention is not limited thereto.
  • the wireless power transmission device may return to the 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 by the receiver in the correction step 550, and the receiver and the receiver determine the strength of the power transmitted from the transmitter. Power loss at the transmitting end can be measured. That is, the wireless power transmission apparatus may predict the power loss based on the difference between the transmission power of the transmitter and the reception power of the receiver in the correction step 550.
  • the wireless power transmitter may correct a threshold for FOD detection by reflecting the predicted power loss.
  • the power transmission contract may be set based on state and characteristic information of the wireless power transmission device and the receiver.
  • the state information of the wireless power transmitter may include information on a maximum amount of transmittable power, information on a maximum number of receivers, and the like, and the receiver state information may include information on requested power.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may control the amount of power transmitted by performing communication with power transmission/reception.
  • the wireless power transmitter and the wireless power receiver operate at a specific control point.
  • the control point represents a combination of voltage and current provided from an output of the wireless power receiver when power is transmitted.
  • the control circuit 810 may control received power. To this end, the control circuit 810 may determine/calculate a difference between an actual operation point and a desired operation point of the power receiver 830. Further, the control circuit 810 may adjust/reduce a difference between an actual operation point and a desired operation point by adjusting the reflected impedance of the power transmitter and/or requesting to adjust the operation point of the power transmitter. When this difference is minimized, optimal power reception can be performed.
  • slot frame and the free-form frame may be changed to various names by those skilled in the art.
  • a slot frame may be renamed as a channel frame, and a free-form frame may be changed to a message frame or the like.
  • the nine slots and the sync patterns provided prior to each of the nine slots may each have the same time interval.
  • the nine slots may have a time interval of 50 ms.
  • the nine sync patterns may also have a time length of 50 ms.
  • the free-form frame as shown in (B) may not have a specific shape other than a sync pattern and a measurement slot indicating the start of the frame. That is, the free-form frame is for performing a different role than the slot frame, and, for example, long data packets (eg, additional owner information packets) between the wireless power transmitter and the wireless power receiver In a wireless power transmission device configured with a plurality of coils or performing communication of, it may be used for a role of selecting any one of a plurality of coils.
  • long data packets eg, additional owner information packets
  • the preamble is composed of consecutive bits, and all may be set to 0. That is, the preamble may be bits for matching the time length of the sync pattern.
  • the response field may include information indicating whether a data packet has been 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 the wireless power transmitter confirms the data packet. , May be "11” (11-acknowledge, ACK).
  • FIG. 11 illustrates operating states of a wireless power transmitter and a wireless power receiver in a shared mode according to an embodiment.
  • 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 has received the wireless power signal may enter the selection state 1100.
  • the wireless power receiver entering the selection state 1100 may detect the presence of an FSK signal on the wireless power signal, as described above.
  • the wireless power receiver may operate in a shared mode, otherwise, the wireless power receiver may operate in an 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 introduction state 1110, the wireless power receiver may transmit a control information packet to the wireless power transmitter in order to transmit a control information packet (CI) in a setting state, a negotiation state, and a power transmission state.
  • the control information packet may have a header and information related to control. For example, the control information packet may have a header of 0X53.
  • the wireless power transmitter allows the wireless power receiver to proceed to the configuration phase, 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 proceeds through the configuration steps without collision.
  • the wireless power transmitter may not adjust power in response to a received CI packet (depending on the operation mode), in this case, control to prevent an overvoltage condition may be required.
  • Wireless power transmission systems using in-band communication can use USB-C authentication.
  • the authentication includes authentication of a wireless power transmission device by a wireless power receiving device and authentication of a wireless power receiving device by a wireless power transmission device.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a format of a wireless charging certificate according to an embodiment.
  • the certificate type is, for example, 3 bits, and may indicate that the certificate is any one of a root certificate/intermediate certificate/final certificate, and may indicate that it is a certificate for a wireless power transmitter or a certificate for a wireless power receiver. You can also show them all.
  • the certificate type is 3 bits, and may each represent information about a Root Certificate, a Manufacturer/Secondary Certificate, and a Product Unit Certificate (for the Power Transmitter). More specifically, when the certificate type is '001'b, it represents the root certificate, when it is '010'b, it represents the intermediate certificate (Manufacturer/Secondary Certificate), and when it is '111'b, it represents the final certificate, wireless power transmission. It may represent a Product Unit Certificate for the Power Transmitter of the device.
  • the wireless power transmitter can inform the wireless power receiver whether the authentication function is supported by using the capability packet (in the case of authentication of the wireless power transmitter by the wireless power receiver (in the case of authentication of PTx by PRx)). .
  • the wireless power receiver can inform the wireless power transmitter whether it supports the authentication function by using a configuration packet (in the case of authentication of the wireless power receiver by the wireless power transmitter (authentication of PRx by PTx)). ).
  • a configuration packet in the case of authentication of the wireless power receiver by the wireless power transmitter (authentication of PRx by PTx)
  • FIG. 13 is a performance packet structure of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment.
  • a performance packet having a corresponding header value of 0X31 is 3 bytes, and the first byte (B 0 ) includes a power class, a guaranteed power value, and a second byte (B 1 ) contains reserved, potential power value, and the third byte (B 2 ) is an authentication initiator (AI), authentication responder (AR), reserved, WPID , Not Res Sens.
  • AI authentication initiator
  • AR authentication responder
  • WPID reserved, WPID , Not Res Sens.
  • the authentication initiator is 1 bit, for example, if the value is '1b', it indicates that the wireless power transmission device can operate as an authentication initiator.
  • the authentication responder is 1 bit, for example, if the value is '1b', it indicates that the wireless power transmission device can operate as an authentication responder.
  • a configuration packet having a corresponding header value of 0X51 is 5 bytes, and the first byte (B 0 ) includes a power class, a maximum power value, and a second byte (B 1 ).
  • the re-byte (B 4 ) includes Neg, polarity, depth, authentication, and reserve.
  • the authentication initiator is 1 bit, for example, if the value is '1b', it indicates that the wireless power receiver can operate as an authentication initiator.
  • the authentication responder is 1 bit. For example, if the value is '1b', it indicates that the wireless power receiver can operate as an authentication responder.
  • the message used in the authentication procedure is called an authentication message.
  • the authentication message is used to carry information related to authentication.
  • the authentication request is sent by the authentication initiator, and the authentication response is sent by the authentication responder.
  • the wireless power transmitting device and the receiving device may be an authentication initiator or an authentication responder. For example, when the wireless power transmitter is an authentication initiator, the wireless power receiver becomes an authentication responder, and when the wireless power receiver is an authentication initiator, the wireless power transmitter becomes an authentication responder.
  • the authentication request message includes GET_DIGESTS (i.e. 4 bytes), GET_CERTIFICATE (i.e. 8 bytes), and CHALLENGE (i.e. 36 bytes).
  • the authentication message may be called an authentication packet, or authentication data, or authentication control information.
  • messages such as GET_DIGEST and DIGESTS may be referred to as GET_DIGEST packets and DIGEST packets.
  • FIG. 15 illustrates an application-level data stream between a wireless power transmission device and a reception device according to an example.
  • the data stream may include an auxiliary data control (ADT) data packet and/or an auxiliary data transport (ADT) data packet.
  • ADT auxiliary data control
  • ADT auxiliary data transport
  • ADC data packets are used to open the data stream.
  • the ADC data packet may indicate the type of message included in the stream and the number of data bytes.
  • ADT data packets are sequences of data that contain actual messages.
  • ADC/end data packets are used. For example, the maximum number of data bytes in the data transport stream may be limited to 2047.
  • 16 is a block diagram of an apparatus for receiving wireless power according to an embodiment.
  • either of the first power pickup unit 1100 and the second power pickup unit 1200 may be selected to receive wireless power.
  • the first power pickup unit 1100 and the second power pickup unit 1200 may include impedance matching circuits 1120 and 1220 and rectifiers 1130 and 1230, respectively.
  • various electrical elements may be included to receive wireless power and transmit the wireless power to the power converter 1400.
  • the first power pickup unit 1100 may include a first coil assembly 1110, a first impedance matching circuit 1120, and a first rectifier 1130.
  • the first coil assembly 1110, the first impedance matching circuit 1120, and the first rectifier 1130 may be configured in the same manner as those described in FIG. 8.
  • the first power pickup unit 1100 may be optimized and configured to receive wireless power of power class-0, for example.
  • a circuit for in-band communication may be provided in the first power pickup unit 1100.
  • a circuit for ASK modulation and FSK demodulation may be provided.
  • the circuit for in-band communication may be controlled by receiving a signal from the communication/control unit 1300.
  • the second power pickup unit 1200 may include a second coil assembly 1210, a second impedance matching circuit 1220, and a second rectifier 1230.
  • the second power pickup unit 1200 may include the configuration described in FIG. 8.
  • the second power pickup unit 1200 may be configured to be optimized to receive wireless power of power class-1, for example.
  • the second power pickup unit 1200 may include a coil selection switch 1240 provided at a front end or a rear end of the second rectifier 1230.
  • the coil selection switch 1240 may be controlled by the communication/control unit 1300, and it is possible to determine whether wireless charging is performed through the second power pickup unit 1200 according to the operation of the coil selection switch 1240. have.
  • the first rectifier 1130 of the first power pick-up unit 1100 and the first rectifier 1130 of the second power pick-up unit 1200 are connected to the same node at the rear end of each and can be electrically connected to each other.
  • the coil selection switch 1240 of the power pickup unit 1200 is turned off, wireless power is transmitted through the first power pickup unit 1100.
  • the coil selection switch 1240 of the second power pickup unit 1200 is turned on, the voltage Vo and the second power applied to the first rectifier 1130 of the first power pickup unit 1100 are turned on. Movement of the current is determined by the difference in the voltage V1 applied to the second rectifier 1230 of the pickup unit 1200. For example, when V0 ⁇ V1, current flows from the second current pickup unit to the load circuit 1500. At this time, the first power pickup unit 1100 is naturally electrically isolated by the provided first rectifier 1130.
  • the wireless power reception device 200 When the wireless power transmission device 100 supports PC1 and the wireless power reception device 200 receives wireless power through the second power pickup unit 1200, the wireless power reception device 200 is based on out-band communication. Thus, it is possible to communicate with the wireless power transmission device 100. That is, the communication/control unit 1300 of the wireless power receiving device 200 communicates with the wireless power transmission device 100 based on in-band communication to determine the power class of the wireless power transmission device 100, and When it is determined that the transmission device 100 supports PC1, a series of procedures for wireless charging may be performed by handing over from in-band communication to out-band communication.
  • 17 is a flow chart of communication between a wireless power transmission device and a reception device according to an embodiment.
  • the wireless power receiving device 200 may perform a selection step (S2100) to a renegotiation step (S3000) through in-band communication.
  • the wireless power receiving apparatus 200 may perform a negotiation step (S2720) to a renegotiation step (S3010) by handing over to out-of-band communication.
  • the wireless power receiving device 200 turns off the first power pickup unit 1100 for PC0 under the condition that the coil selection switch 1240 of the second power pickup unit 1200 for PC1 is turned off.
  • a (digital) ping signal is received from the wireless power transmission device 100 through the wireless power transmission device 100, and a signal strength (SS) packet is transmitted to the wireless power transmission device 100.
  • the wireless power receiving apparatus 200 first generates Vrect with the first power pickup unit 1100 and generates a signal strength SS.
  • the wireless power receiving apparatus 200 transmits a packet for identification and configuration by communicating with the wireless power transmission apparatus 100, and receives a packet from the wireless power transmission apparatus 100.
  • the wireless power transmission apparatuses 100 and 100 can receive power corresponding to PC0 or PC1. If it is determined that the wireless power transmission apparatuses 100 and 100 are PC0, the wireless power reception apparatus 200 may maintain a state in which the reception coil selection switch 1240 for PC1 is turned off.
  • in-band communication may be used to determine whether the wireless power transmission apparatus 100 is PC0 or PC1. For example, the ASK signal is transmitted and the FSK signal is received by using the resonant capacitor voltage of the first power pickup unit 1100.
  • out-band communication for example, a BLE connection between the wireless power transmission device 100 and the wireless power receiving device 200 is established based on in-band communication.
  • the wireless power receiving device 200 sets the Device Address (6Bytes) to wireless power based on in-band communication. It transmits to the transmission device 100.
  • the wireless power transmission device 100 attempts to pair with the wireless power reception device 200 based on the Device Address.
  • the wireless power receiving device 200 performs handover through out-band communication.
  • the wireless power receiving apparatus 200 may perform handover from out-band communication to in-band communication.
  • the communication/control circuit 1300 is applied to the coil of the second power pickup unit 1200 so that the wireless power receiver 200 can receive the wireless power of the PC1.
  • a signal for closing the selection switch 1240 is generated.
  • the wireless power receiving device 200 performs a negotiation step (S2710) to a renegotiation step (S3010) with the wireless power transmission device 100 based on out-band communication. Therefore, even if the wireless power is transmitted to the first power pickup unit 1100 and the second power pickup unit 1200 at the same time in the wireless transmission step (S2710), the first power pickup unit 1100 is the electromotive force between both ends of the first rectifier 1130. It is isolated by the difference, and the wireless power may be received by the second power pickup unit 1200.
  • a negotiation step (S2700), a correction step (S2800), a power transmission step (S2900), and a renegotiation step (S3000) for wireless charging are performed through in-band communication, respectively.
  • FIG. 18 is a circuit block diagram of a transmitting coil, a receiving coil, and a wireless power receiving apparatus 200 coupled to each coil according to an exemplary embodiment. Meanwhile, in this drawing, the circuit of the wireless power transmission apparatus 100 is omitted for convenience of description.
  • the secondary coil 1110 of PC0 of the wireless power receiving apparatus 200 may be connected to the first rectifier 1130, and the secondary coil 1210 of PC1 may be connected to the second rectifier 1230.
  • a coil selection switch 1240 may be provided at a front end of the second rectifier 1230.
  • FIG. 19 is a conceptual diagram when receiving wireless power of PC0 in the embodiment of FIG. 18.
  • the wireless power receiving device 200 determines the power class of the wireless power transmitting device 100 through in-band communication, and when the wireless power transmitting device 100 is PC1, the coil selection switch 1240 is Switch to the on state. Thereafter, the wireless power receiving apparatus 200 receives the wireless power through the secondary coil 1210 of the PC1 after negotiation and correction with the wireless power transmission apparatus 100 are performed. At this time, even though the wireless power is transmitted to the secondary coil 1110 of PC0, the electromotive force of the first rectifier 1130 (V0) is less than the electromotive force V1 of the second rectifier 1230, so the second coil of PC0 It is isolated up to the rectifier 1130. Meanwhile, in the present embodiment, the wireless power receiving apparatus 200 and the wireless power transmitting apparatus 100 may perform communication by handover from in-band communication to out-band communication.
  • a coil selection switch 1240 may be provided at a rear end of the second rectifier 1230.
  • the wireless power receiving device 200 when the wireless power receiving device 200 identifies the power class of the wireless power transmission device 100 through in-band communication, and the wireless power transmission device 100 is PC0, the foregoing implementation Wireless charging can be performed in the same manner as in the example.
  • the wireless power transmission device 100 when the wireless power transmission device 100 is PC1, the wireless power receiving device 200 switches the coil selection switch 1240 to the ON state. Thereafter, the wireless power receiving apparatus 200 receives the wireless power through the secondary coil 1210 of the PC1 after negotiation and correction with the wireless power transmission apparatus 100 are performed.
  • the wireless power receiving apparatus 200 and the wireless power transmitting apparatus 100 may perform communication by handover from in-band communication to out-band communication.
  • FIG. 22 is a circuit block diagram of a transmitting coil, a receiving coil, and a wireless power receiving apparatus 200 coupled to each coil according to another exemplary embodiment.
  • this embodiment may include a repeater switch 1250 in the embodiment shown in FIG. 18.
  • the wireless charge receiving apparatus may include a repeater switch 1250 on a circuit connected to the PC1 secondary coil 1210.
  • the wireless power receiving device 200 turns on the repeater switch 1250 connected to the secondary coil 1210 of PC1 when receiving wireless power through the secondary coil 1110 of PC0, thereby turning on the secondary coil 1210 of PC1.
  • a circuit including a can be implemented as a repeater circuit.
  • the wireless power transmission apparatus 100 in the embodiment according to FIGS. 16 to 22 corresponds to the wireless power transmission apparatus 100 or the wireless power transmitter or power transmission unit disclosed in FIGS. 1 to 15. Accordingly, the operation of the wireless power transmission apparatus 100 in this embodiment is implemented by one or a combination of two or more of the respective components of the wireless power transmission apparatus 100 in FIGS. 1 to 15.
  • the transmission coil of the wireless power transmission apparatus 100 may be included in the power conversion unit 110.
  • processing, transmission and reception of communication packets may be performed by the communication/control unit 120.
  • the wireless power receiver 200 in the embodiment according to FIGS. 16 to 22 corresponds to the wireless power receiver 200 or the wireless power receiver or power receiver disclosed in FIGS. 1 to 15. Accordingly, the operation of the wireless power receiving apparatus 200 in this embodiment is implemented by one or a combination of two or more of the respective components of the wireless power receiving apparatus 200 in FIGS. 1 to 15.
  • the receiving coil of the wireless power receiving apparatus 200 may be included in the power pickup unit 210.
  • processing, transmission or reception of communication packets may be performed by the communication/control unit 220.
  • 23A, 23B, 23C, 23D, and 23E illustrate a layout or shape of a plurality of receiving coils according to an exemplary embodiment.
  • the layout of secondary coils of the wireless power receiving apparatus 200 may include at least one type of layout.
  • the total inner area of the receiving coil 1210 for PC1 may have a larger area than the inner area of the receiving coil 1110 for PC0.
  • the PC0 coil 1110 and the PC1 coil 1210 may be configured to each have a reception area for a single area.
  • the PC0 coil 1110 may be disposed in a region inside the PC1 coil 1210 on a plane.
  • a plurality of PC1 coils 1210 may be configured, and may be provided and disposed in each divided area on a plane.
  • FIG. 23A the total inner area of the receiving coil 1210 for PC1 may have a larger area than the inner area of the receiving coil 1110 for PC0.
  • the PC0 coil 1110 and the PC1 coil 1210 may be configured to each have a reception area for a single area.
  • the PC0 coil 1110 may be disposed in a region inside the PC1 coil 1210 on a plane.
  • a plurality of PC1 coils 1210 may be configured, and may be provided and disposed in each divided area on a
  • the PC0 coil 1110 may be configured in plural, and may be provided in a divided area on a plane, that is, in a divided area in the inner area of the PC1 coil 1210.
  • the PC1 coil 1210 may be divided and disposed in an overall circular area, and the PC0 coil 1110 may partially overlap and be disposed in the center portion of the plane of the PC1 coil 1210. .
  • the layout of the plurality of receiving coils may be designed on a magnetic field shielding material such as a ferrite sheet, or may include a structure surrounding a shielding agent.
  • the wireless power transmitter in the embodiment according to FIGS. 18 to 22 corresponds to the wireless power transmitter or wireless power transmitter or power transmitter disclosed in FIGS. 1 to 15. Accordingly, the operation of the wireless power transmission device in this embodiment is implemented by one or a combination of two or more of the respective components of the wireless power transmission device in FIGS. 1 to 15.
  • the transmission coil of the wireless power transmission device may be included in the power conversion unit 110.
  • processing, transmission and reception of communication packets may be performed by the communication/control unit 120.
  • the wireless power receiver in the embodiment according to FIGS. 18 to 22 corresponds to the wireless power receiver or wireless power receiver or power receiver disclosed in FIGS. 1 to 15. Accordingly, the operation of the wireless power receiver in this embodiment is implemented by one or a combination of two or more of the components of the wireless power receiver in FIGS. 1 to 15.
  • the receiving coil of the wireless power receiving apparatus may be included in the power pickup unit 210.
  • processing, transmission or reception of communication packets may be performed by the communication/control unit 220.
  • the wireless power transmission apparatus and method, or the reception apparatus and method are the above-described components. Or it may be carried out including some or all of the steps.
  • embodiments of the apparatus and method for transmitting power wirelessly or the apparatus and method for receiving wireless power described above may be performed in combination with each other.
  • each of the components or steps described above does not necessarily have to be performed in the order described, and the steps described later may be performed prior to the steps described earlier.

Landscapes

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Abstract

본 명세서는 수신 코일마다 개별 정류기(Rectifier)를 구비한 하며, 상기 개별 정류기는 PC0를 위한 수신 코일과 PC1를 위한 수신 코일 사이를 아이솔레이팅하는 아이솔레이터(Isolator)를 포함하는 무선전력 수신장치, 수신방법 및 수신 시스템에 관한 것이다.

Description

저전력 및 중전력 호환 무선충전 수신 장치 및 방법
본 명세서는 본 발명은 저전력 및 중전력 호환 무선충전 수신 시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 저전력 및 중전력 호환 기능을 가지는 무선전력 수신장치 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 단지 무선 충전 패드 상에 올려놓는 것만으로 무선 단말기의 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써, 기존의 유선 충전 커넥터를 이용하는 유선 충전 환경에 비해 보다 뛰어난 이동성과 편의성 그리고 안전성을 제공할 수 있다. 무선 전력 전송 기술은 무선 단말기의 무선 충전 이외에도, 전기 자동차, 블루투스 이어폰이나 3D 안경 등 각종 웨어러블 디바이스(wearable device), 가전기기, 가구, 지중시설물, 건물, 의료기기, 로봇, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 주목받고 있다.
무선전력 전송방식을 비접촉(contactless) 전력 전송방식 또는 무접점(no point of contact) 전력 전송방식, 무선충전(wireless charging) 방식이라 하기도 한다. 무선전력 전송 시스템은, 무선전력 전송방식으로 전기에너지를 공급하는 무선전력 전송장치와, 상기 무선전력 전송장치로부터 무선으로 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리셀등 수전장치에 전력을 공급하는 무선전력 수신장치로 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 기술은 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식 등 다양하다. 자기 커플링에 기반한 방식은 다시 자기 유도(magnetic induction) 방식과 자기 공진(magnetic resonance) 방식으로 분류된다. 자기유도 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일 간의 전자기결합에 따라 전송 측 코일배터리셀에서 발생시킨 자기장로 인해 수신 측 코일에 유도되는 전류를 이용하여 에너지를 전송하는 방식이다. 자기공진 방식은 자기장을 이용한다는 점에서 자기유도 방식과 유사하다. 하지만, 자기공진 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일에 특정 공진 주파수가 인가될 때 공진이 발생하고, 이로 인해 전송 측과 수신 측 양단에 자기장이 집중되는 현상에 의해 에너지가 전달되는 측면에서 자기유도와는 차이가 있다.
본 명세서의 일 측면에 따른 기술적 과제는 PC0 및/또는 PC1의 무선전력 수신장치가 안정적으로 무선전력을 수신하는 무선전력 수신장치, 무선전력 수신 방법 및 시스템을 설계하는 것이다.
본 명세서의 구체적인 특징은 이하에서 설명된다.
일 실시예는 서로 다른 레벨의 전력을 수신하도록 구비되는 복수의 수신 코일을 구비하는 무선전력 수신장치 및 그 방법을 포함한다. 일 측면에 따른 본 실시예는 PC0에 최적화된 수신 코일(또는 PC0를 위한 수신 코일)과 PC1에 최적화된 수신 코일(또는 PC1를 위한 수신 코일)을 모두 구비하는 무선전력 수신장치 및 그 방법을 포함한다.
다른 실시예는 수신 코일마다 개별 정류기(Rectifier)를 구비한 무선전력 수신장치 및 그 방법을 포함한다. 이러한 상기 개별 정류기는 PC0를 위한 수신 코일과 PC1를 위한 수신 코일 사이를 아이솔레이팅하는 아이솔레이터(Isolator)일 수 있다.
또 다른 실시예는 PC1을 위한 수신 코일을 온/오프하는 스위치를 구비한 무선전력 수신장치 및 그 방법을 포함한다.
또 다른 실시예는 무선전력 전송장치로부터 전송되는 FSK 데이터를 복수의 수신 코일 중 특정 레벨 전력을 수신하도록 구비된 수신 코일을 통해 수신하는, 무선전력 수신장치 및 방법을 포함한다. 일 측면에서, PC와 상관 없이 FSK 데이터는 PC0를 위한 수신 코일을 통해 수신될 수 있다.
또 다른 실시예는 무선전력 전송장치로부터 전송할 ASK 데이터를 복수의 수신 코일 중 특정 레벨 전력을 수신하도록 구비된 수신 코일을 통해 전송하는, 무선전력 수신장치 및 방법을 포함한다. 일 측면에서, PC와 상관 없이 ASK 데이터는 PC0를 위한 수신 코일을 통해 전송될 수 있다.
또 다른 실시예는 무선전력 전송장치 및/또는 수신장치의 초기 동작(또는 시스템의 시작)은 복수의 수신 코일 중 특정 레벨 전력을 수신하도록 구비된 수신 코일을 기준으로 수행되는, 무선전력 전송장치 및 방법, 그리고 무선전력 수신장치 및 방법을 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, PC1 진입시(또는 PC1으로 전력계약을 갱신하거나 PC1 전력 전송을 시작하는 경우), 무선전력 전송장치와 수신장치간의 통신은 아웃밴드(OB)에 기반한다. 아웃밴드 통신은 BLE, NFC 등과 같은 근거리 통신 규격을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, PC0, PC1 조건에서 목표 전압을 출력하기 위해 무선전력 전송장치 및/또는 수신장치는 벅부스터(Buck Booster) 회로를 포함할 수 있다. 일 측면에서, 무선전력 전송장치 및/또는 수신장치는 PC0을 위해 부스터 회로를 구비할 수 있고, PC1을 위해 벅 회로를 구비할 수 있다.
본 실시예에서, 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치의 전력 클래스를 구분할 수 있다.
본 명세서에 따른 무선전력 수신장치, 수신방법 및 수신 시스템은 무선전력 전송장치의 전력 클래스에 따라 무선 전력 수신 장치가 안정적으로 무선전력이 수신될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3a는 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3b는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 4a는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4b는 본 명세서에 따른 일 실시예가 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4c는 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4d는 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 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 일 실시예에 따른 무선충전 인증서 포맷을 도시한 블록도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷 구조이다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷 구조이다.
도 15는 일례에 따른 무선전력 전송장치와 수신장치간에 어플리이션 레벨의 데이터 스트림을 도시한 것이다.
도 16은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치와 수신장치 간의 통신 흐름도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 전송 코일과 수신 코일, 그리고 각 코일과 커플링되는 무선전력 수신장치의 회로 블록도이다.
도 19는 도 18의 실시예에서 PC0 의 무선전력을 수신할 때의 개념도이다.
도 20은 도 18의 실시예에서 PC1 의 무선전력을 수신할 때의 개념도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 전송 코일과 수신 코일, 그리고 각 코일과 커플링되는 무선전력 수신장치의 회로 블록도이다.
도 22은 또 다른 실시예에 따른 전송 코일과 수신 코일, 그리고 각 코일과 커플링되는 무선전력 수신장치의 회로 블록도이다.
도 23a, 23b, 23c, 23d 및 23e는 일 실시예에 따른 복수의 수신 코일들의 레이아웃(layout) 또는 형상을 도시한 것이다.
본 명세서에서 “A 또는 B(A or B)”는 “오직 A”, “오직 B” 또는 “A와 B 모두”를 의미할 수 있다. 달리 표현하면, 본 명세서에서 “A 또는 B(A or B)”는 “A 및/또는 B(A and/or B)”으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 “A, B 또는 C(A, B or C)”는 “오직 A”, “오직 B”, “오직 C”, 또는 “A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)”를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 슬래쉬(/)나 쉼표(comma)는 “및/또는(and/or)”을 의미할 수 있다. 예를 들어, “A/B”는 “A 및/또는 B”를 의미할 수 있다. 이에 따라 “A/B”는 “오직 A”, “오직 B”, 또는 “A와 B 모두”를 의미할 수 있다. 예를 들어, “A, B, C”는 “A, B 또는 C”를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 “적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)”는, “오직 A”, “오직 B” 또는 “A와 B 모두”를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 “적어도 하나의 A 또는 B(at least one of A or B)”나 “적어도 하나의 A 및/또는 B(at least one of A and/or B)”라는 표현은 “적어도 하나의 A 및 B(at least one of A and B)”와 동일하게 해석될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 “적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)”는, “오직 A”, “오직 B”, “오직 C”, 또는 “A, B 및 C의 임의의 모든 조합(any combination of A, B and C)”를 의미할 수 있다. 또한, “적어도 하나의 A, B 또는 C(at least one of A, B or C)”나 “적어도 하나의 A, B 및/또는 C(at least one of A, B and/or C)”는 “적어도 하나의 A, B 및 C(at least one of A, B and C)”를 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 괄호는 “예를 들어(for example)”를 의미할 수 있다. 구체적으로, “제어 정보(PDCCH)”로 표시된 경우, “제어 정보”의 일례로 “PDCCH”가 제안된 것일 수 있다. 달리 표현하면 본 명세서의 “제어 정보”는 “PDCCH”로 제한(limit)되지 않고, “PDDCH”가 “제어 정보”의 일례로 제안될 것일 수 있다. 또한, “제어 정보(즉, PDCCH)”로 표시된 경우에도, “제어 정보”의 일례로 “PDCCH”가 제안된 것일 수 있다.
본 명세서에서 하나의 도면 내에서 개별적으로 설명되는 기술적 특징은, 개별적으로 구현될 수도 있고, 동시에 구현될 수도 있다. 이하에서 사용되는 "무선 전력" 이라는 용어는, 물리적인 전자기 전도체들의 사용없이 무선전력 전송기(wireless power transmitter)로부터 무선전력 수신장치(wireless power receiver)로 전달되는 전기장, 자기장, 전자기장 등과 관련된 임의의 형태의 에너지를 의미하도록 사용된다. 무선전력은 무선 전력 신호(wireless power signal)이라고 불릴 수도 있으며, 1차 코일과 2차 코일에 의해 둘러싸이는(enclosed) 진동하는 자속(oscillating magnetic flux)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이동 전화기, 코드리스 전화기, iPod, MP3 플레이어, 헤드셋 등을 포함하는 디바이스들을 무선으로 충전하기 위해 시스템에서의 전력 변환이 여기에 설명된다. 일반적으로, 무선 전력 전송의 기본적인 원리는, 예를 들어, 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식을 모두 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 시스템(10)은 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(100)는 외부의 전원 소스(S)로부터 전원을 인가받아 자기장을 발생시킨다. 무선 전력 수신 장치(200)는 발생된 자기장을 이용하여 전류를 발생시켜 무선으로 전력을 수신받는다.
또한, 무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송에 필요한 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)간의 통신은 무선 전력 전송에 이용되는 자기장을 이용하는 인-밴드 통신(in-band communication)이나 별도의 통신 캐리어를 이용하는 아웃-밴드 통신(out-band communication) 중 어느 하나의 방식에 따라 수행될 수 있다. 아웃-밴드 통신은 아웃-오브-밴드(out-of-band) 통신이라 불릴 수도 있다. 이하에서는 아웃-밴드 통신으로 용어를 통일하여 기술한다. 아웃-밴드 통신의 예로서 NFC, 블루투스(bluetooth), BLE(bluetooth low energy) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 제공될 수 있다. 고정형의 예로는 실내의 천장이나 벽면 또는 테이블 등의 가구에 임베디드(embedded)되는 형태, 실외의 주차장, 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치되는 형태나 차량이나 기차 등의 운송 수단에 설치되는 형태 등이 있다. 이동형인 무선 전력 전송 장치(100)는 이동 가능한 무게나 크기의 이동형 장치나 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 장치의 일부로 구현될 수 있다.
또 무선 전력 수신 장치(200)는 배터리를 구비하는 각종 전자 기기 및 전원 케이블 대신 무선으로 전원을 공급받아 구동되는 각종 가전 기기를 포함하는 포괄적인 개념으로 해석되어야 한다. 무선 전력 수신 장치(200)의 대표적인 예로는, 이동 단말기(portable terminal), 휴대 전화기(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 개인 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대 미디어 플레이어(PMP: Portable Media Player), 와이브로 단말기(Wibro terminal), 태블릿(tablet), 패블릿(phablet), 노트북(notebook), 디지털 카메라, 네비게이션 단말기, 텔레비전, 전기차량(EV: Electronic Vehicle) 등이 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 수신 장치(200)는 하나 또는 복수일 수 있다. 도 1에서는 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)가 일대일로 전력을 주고 받는 것으로 표현되고 있으나, 도 2와 같이 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 복수의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,..., 200-M)로 전력을 전달하는 것도 가능하다. 특히, 자기 공진 방식으로 무선 전력 전송을 수행하는 경우에는 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 동시 전송 방식이나 시분할 전송 방식을 응용하여 동시에 여러 대의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,...,200-M)로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 도 1에는 무선 전력 전송 장치(100)가 무선 전력 수신 장치(200)에 바로 전력을 전달하는 모습이 도시되어 있으나, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이에 무선전력 전송 거리를 증대시키기 위한 릴레이(relay) 또는 중계기(repeater)와 같은 별도의 무선 전력 송수신 장치가 구비될 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선 전력 송수신 장치로 전력이 전달되고, 무선 전력 송수신 장치가 다시 무선 전력 수신 장치(200)로 전력을 전달할 수 있다.
이하 본 명세서에서 언급되는 무선전력 수신기, 전력 수신기, 수신기는 무선 전력 수신 장치(200)를 지칭한다. 또한 본 명세서에서 언급되는 무선전력 전송기, 전력 전송기, 전송기는 무선 전력 수신 전송 장치(100)를 지칭한다.
도 3a은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3a에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 3a을 참조하면, 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)에는 소전력(약 5W이하 또는 약 20W 이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들에는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)은 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
상술한(또는 도 1에 도시된) 전자 기기들/이동 수단들은 후술하는 무선 전력 수신기를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 전자 기기들/이동 수단들은 무선 전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
이하에서는 전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 명세서에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
무선전력 전송에 관한 표준(standard)은 WPC(wireless power consortium), AFA(air fuel alliance), PMA(power matters alliance)을 포함한다.
WPC 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다. BPP는 5W의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이고, EPP는 5W보다 크고 30W보다 작은 범위의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다.
서로 다른 전력레벨(power level)을 사용하는 다양한 무선전력 전송장치와 수신장치들이 각 표준별로 커버되고, 서로 다른 전력 클래스(power class) 또는 카테고리로 분류될 수 있다.
예를 들어, WPC는 무선전력 전송장치와 수신장치를 전력 클래스(power class :PC) -1, PC0, PC1, PC2로 분류하고, 각 PC에 대한 표준문서를 제공한다. PC-1 표준은 5W 미만의 보장전력(guaranteed power)을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC-1의 어플리케이션은 스마트 시계와 같은 웨어러블 기기를 포함한다.
PC0 표준은 5W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC0 표준은 보장전력이 30W까지인 EPP를 포함한다. 인-밴드(in-band :IB) 통신이 PC0의 필수적인(mandatory) 통신 프로토콜이나, 옵션의 백업 채널로 사용되는 아웃-밴드(out-band : OB) 통신도 사용될 수 있다. 무선전력 수신장치는 OB의 지원 여부를 구성 패킷(configuration packet)의 OB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OB를 지원하는 무선전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OB 핸드오버 페이즈(handover phase)로 진입할 수 있다. 상기 구성 패킷에 대한 응답은 NAK, ND 또는 새롭게 정의되는 8비트의 패턴일 수 있다. PC0의 어플리케이션은 스마트폰을 포함한다.
PC1 표준은 30W~150W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. OB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴을 이용하여 OB 핸드오버 페이즈로 진입할 수 있다. PC1의 어플리케이션은 랩탑이나 전동 공구(power tool)을 포함한다.
PC2 표준은 200W~2kW의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것으로서, 그 어플리케이션은 주방가전을 포함한다.
이렇듯 전력 레벨에 따라 PC가 구별될 수 있으며, 동일한 PC간 호환성(compatibility)을 지원할지 여부는 선택 또는 필수 사항일 수 있다. 여기서 동일한 PC간 호환성은, 동일한 PC 간에는 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 동일한 PC x를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 동일한 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다. 이와 유사하게 서로 다른 PC간의 호환성 역시 지원 가능할 수 있다. 여기서 서로 다른 PC간 호환성은, 서로 다른 PC 간에도 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 PC y를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 서로 다른 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다.
PC간 호환성의 지원은 사용자 경험(User Experience) 및 인프라 구축 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 다만, PC간 호환성 유지에는 기술적으로 아래와 같은 여러 문제점이 존재한다.
동일한 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 연속적으로 전력이 전송되는 경우에만 안정적으로 충전이 가능한 랩-탑 충전(lap-top charging) 방식의 무선 전력 수신장치는, 동일한 PC의 무선 전력 송신장치라 하더라도, 불연속적으로 전력을 전송하는 전동 툴 방식의 무선 전력 송신장치로부터 전력을 안정적으로 공급받는 데 문제가 있을 수 있다. 또한, 서로 다른 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 최소 보장 전력이 200W인 무선 전력 송신장치는 최대 보장 전력이 5W인 무선 전력 수신장치로 전력을 송신하는 경우, 과전압으로 인해 무선전력 수신장치가 파손될 위험이 있다. 그 결과, PC는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 삼기 어렵다.
무선전력 전송 및 수신장치들은 매우 편리한 사용자 경험과 인터페이스(UX/UI)를 제공할 수 있다. 즉, 스마트 무선충전 서비스가 제공될 수 있다, 스마트 무선충전 서비스는 무선전력 전송장치를 포함하는 스마트폰의 UX/UI에 기초하여 구현될 수 있다. 이러한 어플리케이션을 위해, 스마트폰의 프로세서와 무선충전 수신장치간의 인터페이스는 무선전력 전송장치와 수신장치간의 "드롭 앤 플레이(drop and play)" 양방향 통신을 허용한다.
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.
이하에서는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 '프로필(profile)'을 새롭게 정의하기로 한다. 즉, 동일한 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신 장치간에는 호환성이 유지되어 안정적인 전력 송수신이 가능하며, 서로 다른 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신장치간에는 전력 송수신이 불가한 것으로 해석될 수 있다. 프로필은 전력 클래스와 무관하게(또는 독립적으로) 호환 가능 여부 및/또는 어플리케이션에 따라 정의될 수 있다.
프로필은 크게 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 이렇게 3가지로 구분될 수 있다.
또는, 프로필은 크게 i) 모바일, ii) 전동 툴, iii) 주방 및 iv) 웨어러블 이렇게 4가지로 구분될 수 있다.
'모바일' 프로필의 경우, PC는 PC0 및/또는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB 및 OB, 동작 주파수는 87~205kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 스마트폰, 랩-탑 등이 존재할 수 있다.
'전동 툴' 프로필의 경우, PC는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~145kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 전동 툴 등이 존재할 수 있다.
'주방' 프로필의 경우, PC는 PC2, 통신 프로토콜/방식은 NFC-기반, 동작 주파수는 100kHz 미만으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 주방/가전 기기 등이 존재할 수 있다.
전동 툴과 주방 프로필의 경우, 무선전력 전송장치와 수신장치 간에 NFC 통신이 사용될 수 있다. 무선전력 전송장치와 수신장치는 WPC NDEF(NFC Data Exchange Profile Format)을 교환함으로써 상호간에 NFC 기기임을 확인할 수 있다.
도 3b는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 3b를 참조하면, WPC NDEF는 예를 들어, 어플리케이션 프로파일(application profile) 필드(예를 들어 1B), 버전 필드(예를 들어 1B), 및 프로파일 특정 데이터(profile specific data, 예를 들어 1B)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로파일 필드는 해당 장치가 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 중 어느 것인지를 지시하고, 버전 필드의 상위 니블(upper nibble)은 메이저 버전(major version)을 지시하고 하위 니블(lower nibble)은 마이너 버전(minor version)을 지시한다. 또한 프로파일 특정 데이터는 주방을 위한 컨텐츠를 정의한다.
'웨어러블' 프로필의 경우, PC는 PC-1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~205kHz으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 사용자 몸에 착용하는 웨어러블 기기 등이 존재할 수 있다.
동일한 프로필간에는 호환성 유지는 필수 사항일 수 있으며, 다른 프로필간의 호환성 유지는 선택 사항일 수 있다.
상술한 프로필(모바일 프로필, 전동 툴 프로필, 주방 프로필 및 웨어러블 프로필)들은 제1 내지 제n 프로필로 일반화되어 표현될 수 있으며, WPC 규격 및 실시예에 따라 새로운 프로필이 추가/대체될 수 있다.
이와 같이 프로필이 정의되는 경우, 무선 전력 전송장치가 자신과 동일한 프로필의 무선 전력 수신장치에 대해서만 선택적으로 전력 송신을 수행하여 보다 안정적으로 전력 송신이 가능하다. 또한 무선 전력 전송장치의 부담이 줄어들고, 호환이 불가능한 무선 전력 수신장치로의 전력 송신을 시도하지 않게 되므로 무선 전력 수신장치의 파손 위험이 줄어든다는 효과가 발생한다.
'모바일' 프로필 내의 PC1은 PC0를 기반으로 OB와 같은 선택적 확장을 차용함으로써 정의될 수 있으며, '전동 툴' 프로필의 경우, PC1 '모바일' 프로필이 단순히 변경된 버전으로서 정의될 수 있다. 또한, 현재까지는 동일한 프로필간의 호환성 유지를 목적으로 정의되었으나, 추후에는 서로 다른 프로필간의 호환성 유지 방향으로 기술이 발전될 수 있다. 무선 전력 전송장치 또는 무선 전력 수신장치는 다양한 방식을 통해 자신의 프로필을 상대방에게 알려줄 수 있다.
AFA 표준은 무선 전력 전송장치를 PTU(power transmitting circuit)이라 칭하고, 무선 전력 수신장치를 PRU(power receiving circuit)이라 칭하며, PTU는 표 1과 같이 다수의 클래스로 분류되고, PRU는 표 2와 같이 다수의 카테고리로 분류된다.
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 4a는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4a를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(450) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(400)을 포함한다.
베이스 스테이션(400)은 유도 전력 또는 공진 전력을 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 무선 전력 전송장치(power transmitter, 100) 및 시스템 회로(405)을 포함할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는, 1차 코일(primary coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 회로(power conversion circuit, 110) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 무선 전력 수신장치(200)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 회로(communications & control circuit, 120)을 포함할 수 있다. 시스템 회로(405)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 무선전력 전송장치들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(400)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.
1차 코일은 교류 전력(또는 전압 또는 전류)을 이용하여 전자기장을 발생시킬 수 있다. 1차 코일은 전력 변환 회로(110)에서 출력되는 특정 주파수의 교류전력(또는 전압 또는 전류)을 인가받고, 이에 따라 특정 주파수의 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기장은 비방사형 또는 방사형으로 발생할 수 있는데, 무선 전력 수신 장치(200)는 이를 수신하여 전류를 생성하게 된다. 다시 말해 1차 코일은 무선으로 전력을 전송하는 것이다.
자기 유도 방식에서, 1차 코일과 2차 코일은 임의의 적합한 형태들을 가질 수 있으며, 예컨대, 페라이트 또는 비정질 금속과 같은 고투자율의 형성물의 주위에 감긴 동선일 수 있다. 1차 코일은 전송 코일(transmitting coil), 1차 코어(primary core), 1차 와인딩(primary winding), 1차 루프 안테나(primary loop antenna) 등으로 불릴 수도 있다. 한편, 2차 코일은 수신 코일(receiving coil), 2차 코어(secondary core), 2차 와인딩(secondary winding), 2차 루프 안테나(secondary loop antenna), 픽업 안테나(pickup antenna) 등으로 불릴 수도 있다.
자기 공진 방식을 이용하는 경우에는 1차 코일과 2차 코일은 각각 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 형태로 제공될 수 있다. 공진 안테나는 코일과 캐패시터를 포함하는 공진 구조를 가질 수 있다. 이때 공진 안테나의 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다. 여기서, 코일은 루프의 형태로 이루어질 수 있다. 또 루프의 내부에는 코어가 배치될 수 있다. 코어는 페라이트 코어(ferrite core)와 같은 물리적인 코어나 공심 코어(air core)를 포함할 수 있다.
1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 간의 에너지 전송은 자기장의 공진 현상을 통해 이루어질 수 있다. 공진 현상이란 하나의 공진 안테나에서 공진 주파수에 해당하는 근접장이 발생할 때 주위에 다른 공진 안테나가 위치하는 경우, 양 공진 안테나가 서로 커플링되어 공진 안테나 사이에서 높은 효율의 에너지 전달이 일어나는 현상을 의미한다. 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 안테나 사이에서 공진 주파수에 해당하는 자기장이 발생하면, 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나가 서로 공진하는 현상이 발생되고, 이에 따라 일반적인 경우 1차 공진 안테나에서 발생한 자기장이 자유공간으로 방사되는 경우에 비해 보다 높은 효율로 2차 공진 안테나를 향해 자기장이 집속되며, 따라서 1차 공진 안테나로부터 2차 공진 안테나에 높은 효율로 에너지가 전달될 수 있다. 자기 유도 방식은 자기 공진 방식과 유사하게 구현될 수 있으나 이때에는 자기장의 주파수가 공진 주파수일 필요가 없다. 대신 자기 유도 방식에서는 1차 코일과 2차 코일을 구성하는 루프 간의 정합이 필요하며 루프 간의 간격이 매우 근접해야 한다.
도면에 도시되지 않았으나, 무선 전력 전송장치(100)는 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신 할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 무선 전력 수신 장치(200)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 IB 통신 모듈 또는 OB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(120)은 무선전력 전송의 동작 주파수에 통신 정보를 실어 1차 코일을 통해 전송하거나 또는 정보가 담긴 동작 주파수를 1차 코일을 통해 수신함으로써 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying), 주파수 편이(FSK: Frequency Shift Keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 회로(120)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(120)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다. 근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 무선 전력 전송 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력전송 장치(100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 회로(120)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 회로(120)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 동작 포인트(operating point)를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 일정한 전력을 공급하고, 무선 전력 수신장치(200)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.
모바일 기기(450)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 무선전력 수신장치(power receiver, 200)와 무선전력 수신장치(200)에서 수신된 전력을 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 부하(load, 455)를 포함한다.
무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 회로(power pick-up circuit, 210) 및 통신/컨트롤 회로(communications & control circuit, 220)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 회로(210)은 2차 코일을 통해 무선 전력을 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 전력 픽업 회로(210)은 2차 코일을 통해 얻어지는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환한다. 통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력의 송신과 수신(전력 전달 및 수신)을 제어할 수 있다.
2차 코일은 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송되는 무선 전력을 수신할 수 있다. 2차 코일은 1차 코일에서 발생하는 자기장을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 특정 주파수가 공진 주파수인 경우에는 1차 코일과 2차 코일 간에 자기 공진 현상이 발생하여 보다 효율적으로 전력을 전달받을 수 있다.
도 4a에는 도시되지 않았으나 통신/컨트롤 회로(220)은 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력 전송 장치(100)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(220)은 IB 통신 모듈 또는 OB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(220)은 자기파에 정보를 실어 2차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 2차 코일을 통해 수신함으로써 IB 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying), 주파수 편이(FSK: Frequency Shift Keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 회로(220)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(220)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다.
근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력 수신 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(220)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력수신 장치(200)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 회로(220)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 회로(220)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)이 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE일 경우, 통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)은 각각 도 4b와 같은 통신 아키텍처로 구현되어 동작할 수 있다.
도 4b는 본 명세서에 따른 일 실시예가 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4b를 참고하면, 도 4b의 (a)는 GATT를 지원하는 블루투스 BR(Basic Rate)/EDR(Enhanced Data Rate)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타내며, (b)는 블루투스 LE(Low Energy)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타낸다.
구체적으로, 도 4b의 (a)에 도시된 바와 같이, 블루투스 BR/EDR 프로토콜 스택은 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, HCI, 18)를 기준으로 상부의 컨트롤러 스택(Controller stack, 460)과 하부의 호스트 스택(Host Stack, 470)을 포함할 수 있다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈)(470)은 2.4GHz의 블루투스 신호를 받는 무선 송수신 모듈과 블루투스 패킷을 전송하거나 수신하기 위한 하드웨어를 말하며, 상기 컨트롤러 스택(460)은 블루투스 모듈과 연결되어 블루투스 모듈을 제어하고 동작을 수행한다.
상기 호스트 스택(470)은 BR/EDR PHY 계층(12), BR/EDR Baseband 계층(14), 링크 매니저 계층(Link Manager, 16)을 포함할 수 있다.
상기 BR/EDR PHY 계층(12)은 2.4GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation을 사용하는 경우 79 개의 RF 채널을 hopping 하여 데이터를 전송할 수 있다.
상기 BR/EDR Baseband 계층(14)은 Digital Signal을 전송하는 역할을 담당하며, 초당 1400번 hopping 하는 채널 시퀀스를 선택하며, 각 채널 별 625us 길이의 time slot을 전송한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 LMP(Link Manager Protocol)을 활용하여 Bluetooth Connection의 전반적인 동작(link setup, control, security)을 제어한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 아래와 같은 기능을 수행할 수 있다.
- ACL/SCO logical transport, logical link setup 및 control을 한다.
- Detach: connection을 중단하고, 중단 이유를 상대 디바이스에게 알려준다.
- Power control 및 Role switch를 한다.
- Security(authentication, pairing, encryption) 기능을 수행한다.
상기 호스트 컨트롤러 인터페이스 계층(18)은 Host 모듈과 Controller 모듈 사이의 인터페이스 제공하여 Host 가 command와 Data를 Controller에게 제공하게 하며, Controller가 event와 Data를 Host에게 제공할 수 있도록 해준다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈, 20)은 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21), 속성 프로토콜(Protocol, 22), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 23), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24), BR/EDR 프로파일(25)을 포함한다.
상기 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21)은 특정 프로토콜 또는 포로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(21)은 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 멀티플렉싱(multiplexing)할 수 있다.
블루투스 BR/EDR의 L2CAP에서는 dynamic 채널 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode를 지원하고, Segmentation 및 reassembly, per-channel flow control, error control을 제공한다.
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 23)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(22)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(23)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(23) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 22)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
상기 속성 프로토콜(22) 및 상기 BR/EDR 프로파일(25)은 블루트스 BR/EDR를 이용하는 서비스(profile)의 정의 및 이들 데이터를 주고 받기 위한 application 프로토콜을 정의하며, 상기 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24)은 디바이스 발견, 연결, 및 보안 수준을 정의한다.
도 4b의 (b)에 도시된 바와 같이, 블루투스 LE 프로토콜 스택은 타이밍이 중요한 무선장치 인터페이스를 처리하도록 동작 가능한 컨트롤러 스택(Controller stack, 480)과 고레벨(high level) 데이터를 처리하도록 동작 가능한 호스트 스택(Host stack, 490)을 포함한다.
먼저, 컨트롤러 스택(480)은 블루투스 무선장치를 포함할 수 있는 통신 모듈, 예를 들어, 마이크로프로세서와 같은 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있는 프로세서 모듈을 이용하여 구현될 수 있다.
호스트 스택(490)은 프로세서 모듈 상에서 작동되는 OS의 일부로서, 또는 OS 위의 패키지(package)의 인스턴스 생성(instantiation)으로서 구현될 수 있다.
일부 사례들에서, 컨트롤러 스택 및 호스트 스택은 프로세서 모듈 내의 동일한 프로세싱 디바이스 상에서 작동 또는 실행될 수 있다.
상기 컨트롤러 스택(480)은 물리 계층(Physical Layer, PHY, 32), 링크 레이어(Link Layer, 34) 및 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, 36)를 포함한다.
상기 물리 계층(PHY, 무선 송수신 모듈, 32)은 2.4 GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation과 40 개의 RF 채널로 구성된 frequency hopping 기법을 사용한다.
블루투스 패킷을 전송하거나 수신하는 역할을 하는 상기 링크 레이어(34)는 3개의 Advertising 채널을 이용하여 Advertising, Scanning 기능을 수행한 후에 디바이스 간 연결을 생성하고, 37개 Data 채널을 통해 최대 257bytes 의 데이터 패킷을 주고 받는 기능을 제공한다.
상기 호스트 스택은 GAP(Generic Access Profile, 40), 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 41), 보안 매니저(Security Manager, SM, 42), 속성 프로토콜(Attribute Protocol, ATT, 440), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 44), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, 25), LT 프로파일(46)을 포함할 수 있다. 다만, 상기 호스트 스택(490)은 이것으로 한정되지는 않고 다양한 프로토콜들 및 프로파일들을 포함할 수 있다.
호스트 스택은 L2CAP을 사용하여 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 다중화(multiplexing)한다.
먼저, L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol, 41)은 특정 프로토콜 또는 프로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(41)은 상위 계층 프로토콜들 사이에서 데이터를 다중화(multiplex)하고, 패키지(package)들을 분할(segment) 및 재조립(reassemble)하고, 멀티캐스트 데이터 송신을 관리하도록 동작 가능할 수 있다.
블루투스 LE 에서는 3개의 고정 채널(signaling CH을 위해 1개, Security Manager를 위해 1개, Attribute protocol을 위해 1개)을 기본적으로 사용한다. 그리고, 필요에 따라 동적 채널을 사용할 수도 있다.
반면, BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate)에서는 동적인 채널을 기본적으로 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode 등을 지원한다.
SM(Security Manager, 42)은 디바이스를 인증하며, 키 분배(key distribution)를 제공하기 위한 프로토콜이다.
ATT(Attribute Protocol, 43)는 서버-클라이언트(Server-Client) 구조로 상대 디바이스의 데이터를 접근하기 위한 규칙을 정의한다. ATT에는 아래의 6가지의 메시지 유형(Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation)이 있다.
① Request 및 Response 메시지: Request 메시지는 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 정보 요청 및 전달 하기 위한 메시지이며, Response 메시지는 Request 메시지에 대한 응답 메시지로서, 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 전송하는 용도로 사용할 수 있는 메시지를 말한다.
② Command 메시지: 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 주로 특정 동작의 명령을 지시하기 위해 전송하는 메시지로, 서버 디바이스는 Command 메시지에 대한 응답을 클라이언트 디바이스로 전송하지 않는다.
③ Notification 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, 클라이언트 디바이스는 Notification 메시지에 대한 확인 메시지를 서버 디바이스로 전송하지 않는다.
④ Indication 및 Confirm 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, Notification 메시지와는 달리, 클라이언트 디바이스는 Indication 메시지에 대한 확인 메시지(Confirm message)를 서버 디바이스로 전송한다.
본 명세서는 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)을 사용하는 GATT 프로파일에서 긴 데이터 요청 시 데이터 길이에 대한 값을 전송하여 클라이언트가 데이터 길이를 명확히 알 수 있게 하며, UUID를 이용하여 서버로부터 특성(Characteristic) 값을 전송 받을 수 있다.
상기 일반 접근 프로파일(GAP, 45)은 블루투스 LE 기술을 위해 새롭게 구현된 계층으로, 블루투스 LE 디바이스들 간의 통신을 위한 역할 선택, 멀티 프로파일 작동이 어떻게 일어나는지를 제어하는데 사용된다.
또한, 상기 일반 접근 프로파일(45)은 디바이스 발견, 연결 생성 및 보안 절차 부분에 주로 사용되며, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, 하기와 같은 attribute의 type을 정의한다.
① Service: 데이터와 관련된 behavior의 조합으로 디바이스의 기본적인 동작을 정의
② Include: 서비스 사이의 관계를 정의
③ Characteristics: 서비스에서 사용되는 data 값
④ Behavior: UUID(Universal Unique Identifier, value type)로 정의된 컴퓨터가 읽을 수 있는 포맷
상기 LE 프로파일(46)은 GATT에 의존성을 가지는 profile 들로 주로 블루투스 LE 디바이스에 적용된다. LE 프로파일(46)은 예를 들면, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time 등이 있을 수 있으며, GATT-based Profiles의 구체적인 내용은 하기와 같다.
① Battery: 배터리 정보 교환 방법
② Time: 시간 정보 교환 방법
③ FindMe: 거리에 따른 알람 서비스 제공
④ Proximity: 배터리 정보 교환 방법
⑤ Time: 시간 정보 교환 방법
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 44)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(43)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(44)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(44) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
이하에서, 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE) 기술의 절차(Procedure)들에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
BLE 절차는 디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure), 광고 절차(Advertising Procedure), 스캐닝 절차(Scanning Procedure), 디스커버링 절차(Discovering Procedure), 연결 절차(Connecting Procedure) 등으로 구분될 수 있다.
디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure)
디바이스 필터링 절차는 컨트롤러 스택에서 요청, 지시, 알림 등에 대한 응답을 수행하는 디바이스들의 수를 줄이기 위한 방법이다.
모든 디바이스에서 요청 수신 시, 이에 대해 응답하는 것이 불필요하기 때문에, 컨트롤러 스택은 요청을 전송하는 개수를 줄여서, BLE 컨트롤러 스택에서 전력 소비가 줄 수 있도록 제어할 수 있다.
광고 디바이스 또는 스캐닝 디바이스는 광고 패킷, 스캔 요청 또는 연결 요청을 수신하는 디바이스를 제한하기 위해 상기 디바이스 필터링 절차를 수행할 수 있다.
여기서, 광고 디바이스는 광고 이벤트를 전송하는 즉, 광고를 수행하는 디바이스를 말하며, 광고자(Advertiser)라고도 표현된다.
스캐닝 디바이스는 스캐닝을 수행하는 디바이스, 스캔 요청을 전송하는 디바이스를 말한다.
BLE에서는, 스캐닝 디바이스가 일부 광고 패킷들을 광고 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 상기 광고 디바이스로 스캔 요청을 전송해야 한다.
하지만, 디바이스 필터링 절차가 사용되어 스캔 요청 전송이 불필요한 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 전송되는 광고 패킷들을 무시할 수 있다.
연결 요청 과정에서도 디바이스 필터링 절차가 사용될 수 있다. 만약, 연결 요청 과정에서 디바이스 필터링이 사용되는 경우, 연결 요청을 무시함으로써 상기 연결 요청에 대한 응답을 전송할 필요가 없게 된다.
광고 절차(Advertising Procedure)
광고 디바이스는 영역 내 디바이스들로 비지향성의 브로드캐스트를 수행하기 위해 광고 절차를 수행한다.
여기서, 비지향성의 브로드캐스트(Undirected Advertising)는 특정 디바이스를 향한 브로드캐스트가 아닌 전(모든) 디바이스를 향한 광고(Advertising)이며, 모든 디바이스가 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
이와 달리, 지향성 브로드캐스트(Directed advertising)는 수신 디바이스로 지정된 디바이스만 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
광고 절차는 근처의 개시 디바이스와 블루투스 연결을 확립하기 위해 사용된다.
또는, 광고 절차는 광고 채널에서 리스닝을 수행하고 있는 스캐닝 디바이스들에게 사용자 데이터의 주기적인 브로드캐스트를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
광고 절차에서 모든 광고(또는 광고 이벤트)는 광고 물리 채널을 통해 브로드캐스트된다.
광고 디바이스들은 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 얻기 위해 리스닝을 수행하고 있는 리스닝 디바이스들로부터 스캔 요청을 수신할 수 있다. 광고 디바이스는 스캔 요청을 수신한 광고 물리 채널과 동일한 광고 물리 채널을 통해, 스캔 요청을 전송한 디바이스로 스캔 요청에 대한 응답을 전송한다.
광고 패킷들의 일 부분으로서 보내지는 브로드캐스트 사용자 데이터는 동적인 데이터인 반면에, 스캔 응답 데이터는 일반적으로 정적인 데이터이다.
광고 디바이스는 광고 (브로드캐스트) 물리 채널 상에서 개시 디바이스로부터 연결 요청을 수신할 수 있다. 만약, 광고 디바이스가 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하였고, 개시 디바이스가 디바이스 필터링 절차에 의해 필터링 되지 않았다면, 광고 디바이스는 광고를 멈추고 연결 모드(connected mode)로 진입한다. 광고 디바이스는 연결 모드 이후에 다시 광고를 시작할 수 있다.
스캐닝 절차(Scanning Procedure)
스캐닝을 수행하는 디바이스 즉, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 사용하는 광고 디바이스들로부터 사용자 데이터의 비지향성 브로드캐스트를 청취하기 위해 스캐닝 절차를 수행한다.
스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 추가적인 데이터를 요청 하기 위해, 광고 물리 채널을 통해 스캔 요청을 광고 디바이스로 전송한다. 광고 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 스캐닝 디바이스에서 요청한 추가적인 데이터를 포함하여 상기 스캔 요청에 대한 응답인 스캔 응답을 전송한다.
상기 스캐닝 절차는 BLE 피코넷에서 다른 BLE 디바이스와 연결되는 동안 사용될 수 있다.
만약, 스캐닝 디바이스가 브로드캐스트되는 광고 이벤트를 수신하고, 연결 요청을 개시할 수 있는 개시자 모드(initiator mode)에 있는 경우, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 광고 디바이스와 블루투스 연결을 시작할 수 있다.
스캐닝 디바이스가 광고 디바이스로 연결 요청을 전송하는 경우, 스캐닝 디바이스는 추가적인 브로드캐스트를 위한 개시자 모드 스캐닝을 중지하고, 연결 모드로 진입한다.
디스커버링 절차(Discovering Procedure)
블루투스 통신이 가능한 디바이스(이하, '블루투스 디바이스'라 한다.)들은 근처에 존재하는 디바이스들을 발견하기 위해 또는 주어진 영역 내에서 다른 디바이스들에 의해 발견되기 위해 광고 절차와 스캐닝 절차를 수행한다.
디스커버링 절차는 비대칭적으로 수행된다. 주위의 다른 디바이스를 찾으려고 하는 블루투스 디바이스를 디스커버링 디바이스(discovering device)라 하며, 스캔 가능한 광고 이벤트를 광고하는 디바이스들을 찾기 위해 리스닝한다. 다른 디바이스로부터 발견되어 이용 가능한 블루투스 디바이스를 디스커버러블 디바이스(discoverable device)라 하며, 적극적으로 광고 (브로드캐스트) 물리 채널을 통해 다른 디바이스가 스캔 가능하도록 광고 이벤트를 브로드캐스트한다.
디스커버링 디바이스와 디스커버러블 디바이스 모두 피코넷에서 다른 블루투스 디바이스들과 이미 연결되어 있을 수 있다.
연결 절차(Connecting Procedure)
연결 절차는 비대칭적이며, 연결 절차는 특정 블루투스 디바이스가 광고 절차를 수행하는 동안 다른 블루투스 디바이스는 스캐닝 절차를 수행할 것을 요구한다.
즉, 광고 절차가 목적이 될 수 있으며, 그 결과 단지 하나의 디바이스만 광고에 응답할 것이다. 광고 디바이스로부터 접속 가능한 광고 이벤트를 수신한 이후, 광고 (브로트캐스트) 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 연결을 개시할 수 있다.
다음으로, BLE 기술에서의 동작 상태 즉, 광고 상태(Advertising State), 스캐닝 상태(Scanning State), 개시 상태(Initiating State), 연결 상태(connection state)에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
광고 상태(Advertising State)
링크 계층(LL)은 호스트 (스택)의 지시에 의해, 광고 상태로 들어간다. 링크 계층이 광고 상태에 있을 경우, 링크 계층은 광고 이벤트들에서 광고 PDU(Packet Data Circuit)들을 전송한다.
각각의 광고 이벤트는 적어도 하나의 광고 PDU들로 구성되며, 광고 PDU들은 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 전송된다. 광고 이벤트는 광고 PDU가 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 각각 전송되었을 경우, 종료되거나 광고 디바이스가 다른 기능 수행을 위해 공간을 확보할 필요가 있을 경우 좀 더 일찍 광고 이벤트를 종료할 수 있다.
스캐닝 상태(Scanning State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 스캐닝 상태로 들어간다. 스캐닝 상태에서, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들을 리스닝한다.
스캐닝 상태에는 수동적 스캐닝(passive scanning), 적극적 스캐닝(active scanning)의 두 타입이 있으며, 각 스캐닝 타입은 호스트에 의해 결정된다.
스캐닝을 수행하기 위한 별도의 시간이나 광고 채널 인덱스가 정의되지는 않는다.
스캐닝 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우(scanWindow) 구간(duration) 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다. 스캔인터벌(scanInterval)은 두 개의 연속적인 스캔 윈도우의 시작점 사이의 간격(인터벌)으로서 정의된다.
링크 계층은 스케쥴링의 충돌이 없는 경우, 호스트에 의해 지시되는 바와 같이 스캔윈도우의 모든 스캔인터벌 완성을 위해 리스닝해야한다. 각 스캔윈도우에서, 링크 계층은 다른 광고 채널 인덱스를 스캔해야한다. 링크 계층은 사용 가능한 모든 광고 채널 인덱스들을 사용한다.
수동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 단지 패킷들만 수신하고, 어떤 패킷들도 전송하지 못한다.
능동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 광고 디바이스로 광고 PDU들과 광고 디바이스 관련 추가적인 정보를 요청할 수 있는 광고 PDU 타입에 의존하기 위해 리스닝을 수행한다.
개시 상태(Initiating State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 개시 상태로 들어간다.
링크 계층이 개시 상태에 있을 때, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들에 대한 리스닝을 수행한다.
개시 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우 구간 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다.
연결 상태(connection state)
링크 계층은 연결 요청을 수행하는 디바이스 즉, 개시 디바이스가 CONNECT_REQ PDU를 광고 디바이스로 전송할 때 또는 광고 디바이스가 개시 디바이스로부터 CONNECT_REQ PDU를 수신할 때 연결 상태로 들어간다.
연결 상태로 들어간 이후, 연결이 생성되는 것으로 고려된다. 다만, 연결이 연결 상태로 들어간 시점에서 확립되도록 고려될 필요는 없다. 새로 생성된 연결과 기 확립된 연결 간의 유일한 차이는 링크 계층 연결 감독 타임아웃(supervision timeout) 값뿐이다.
두 디바이스가 연결되어 있을 때, 두 디바이스들은 다른 역할로 활동한다.
마스터 역할을 수행하는 링크 계층은 마스터로 불리며, 슬레이브 역할을 수행하는 링크 계층은 슬레이브로 불린다. 마스터는 연결 이벤트의 타이밍을 조절하고, 연결 이벤트는 마스터와 슬레이브 간 동기화되는 시점을 말한다.
이하에서, 블루투스 인터페이스에서 정의되는 패킷에 대해 간략히 살펴보기로 한다. BLE 디바이스들은 하기에서 정의되는 패킷들을 사용한다.
패킷 포맷(Packet Format)
링크 계층(Link Layer)은 광고 채널 패킷과 데이터 채널 패킷 둘 다를 위해 사용되는 단지 하나의 패킷 포맷만을 가진다.
각 패킷은 프리앰블(Preamble), 접속 주소(Access Address), PDU 및 CRC 4개의 필드로 구성된다.
하나의 패킷이 광고 채널에서 송신될 때, PDU는 광고 채널 PDU가 될 것이며, 하나의 패킷이 데이터 채널에서 전송될 때, PDU는 데이터 채널 PDU가 될 것이다.
광고 채널 PDU(Advertising Channel PDU)
광고 채널 PDU(Packet Data Circuit)는 16비트 헤더와 다양한 크기의 페이로드를 가진다.
헤더에 포함되는 광고 채널 PDU의 PDU 타입 필드는 하기 표 3에서 정의된 바와 같은 PDU 타입을 나타낸다.
PDU Type Packet Name
0000 ADV_IND
0001 ADV_DIRECT_IND
0010 ADV_NONCONN_IND
0011 SCAN_REQ
0100 SCAN_RSP
0101 CONNECT_REQ
0110 ADV_SCAN_IND
0111-1111 Reserved
광고 PDU(Advertising PDU)아래 광고 채널 PDU 타입들은 광고 PDU로 불리고 구체적인 이벤트에서 사용된다.
ADV_IND: 연결 가능한 비지향성 광고 이벤트
ADV_DIRECT_IND: 연결 가능한 지향성 광고 이벤트
ADV_NONCONN_IND: 연결 가능하지 않은 비지향성 광고 이벤트
ADV_SCAN_IND: 스캔 가능한 비지향성 광고 이벤트
상기 PDU들은 광고 상태에서 링크 계층(Link Layer)에서 전송되고, 스캐닝 상태 또는 개시 상태(Initiating State)에서 링크 계층에 의해 수신된다.
스캐닝 PDU(Scanning PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 스캐닝 PDU로 불리며, 하기에서 설명되는 상태에서 사용된다.
SCAN_REQ: 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
SCAN_RSP: 광고 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
개시 PDU(Initiating PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 개시 PDU로 불린다.
CONNECT_REQ: 개시 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
데이터 채널 PDU(Data Channel PDU)
데이터 채널 PDU는 16 비트 헤더, 다양한 크기의 페이로드를 가지고, 메시지 무결점 체크(Message Integrity Check:MIC) 필드를 포함할 수 있다.
앞에서 살펴본, BLE 기술에서의 절차, 상태, 패킷 포맷 등은 본 명세서에서 제안하는 방법들을 수행하기 위해 적용될 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면, 부하(455)는 배터리일 수 있다. 배터리는 전력 픽업 회로(210)으로부터 출력되는 전력을 이용하여 에너지를 저장할 수 있다. 한편, 모바일 기기(450)에 배터리가 반드시 포함되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리는 탈부착이 가능한 형태의 외부 구성으로 제공될 수 있다. 다른 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(200)에는 전자 기기의 다양한 동작을 구동하는 구동 수단이 배터리 대신 포함될 수도 있다.
모바일 기기(450)는 무선전력 수신장치(200)을 포함하는 것을 도시되어 있고, 베이스 스테이션(400)은 무선전력 전송장치(100)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 넓은 의미에서는 무선전력 수신장치(200)는 모바일 기기(450)와 동일시될 수 있고 무선전력 전송장치(100)는 베이스 스테이션(400)와 동일시 될 수도 있다.
통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)이 IB 통신 모듈 이외에 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE을 포함하는 경우, 통신/컨트롤 회로(120)을 포함하는 무선전력 전송장치(100)와 통신/컨트롤 회로(220)을 포함하는 무선전력 수신장치(200)은 도 4C와 같은 단순화된 블록도로 표현될 수 있다.
도 4c는 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4c를 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 전력 변환 회로(110)과 통신/컨트롤 회로(120)을 포함한다. 통신/컨트롤 회로(120)은 인밴드 통신 모듈(121) 및 BLE 통신 모듈(122)를 포함한다.
한편 무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 회로(210)과 통신/컨트롤 회로(220)을 포함한다. 통신/컨트롤 회로(220)은 인밴드 통신 모듈(221) 및 BLE 통신 모듈(222)를 포함한다.
일 측면에서, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 도 4b에 따른 아키텍처 및 동작을 수행한다. 예를 들어, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 무선전력 전송장치(100)와 무선전력 수신장치(200) 사이의 접속을 수립하고, 무선전력 전송에 필요한 제어 정보와 패킷들을 교환하는데 사용될 수도 있다.
다른 측면에서, 통신/컨트롤 회로(120)은 무선충전을 위한 프로파일을 동작시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 무선충전을 위한 프로파일은 BLE 전송을 사용하는 GATT일 수 있다.
도 4d는 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4d를 참조하면, 통신/컨트롤 회로들(120, 220)은 각각 인밴드 통신 모듈들(121, 221)만을 포함하고, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 통신/컨트롤 회로들(120, 220)과 분리되어 구비되는 형태도 가능하다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(selection phase, 510), 핑 단계(ping phase, 520), 식별 및 구성 단계(identification and configuration phase, 530), 협상 단계(negotiation phase, 540), 보정 단계(calibration phase, 550), 전력 전송 단계(power transfer phase, 560) 단계 및 재협상 단계(renegotiation phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계-예를 들면, 도면 부호 S502, S504, S508, S510 및 S512를 포함함-일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 무선전력 전송장치가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 매우 짧은 구간(duration)에 해당하는 전력 신호(또는 펄스)인 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
선택 단계(510)에서 물체가 감지되는 경우, 무선전력 전송장치는 무선전력 공진 회로(예를 들어 전력전송 코일 및/또는 공진 캐패시터)의 품질 인자를 측정할 수 있다. 본 명세서의 일 실시예에서는 선택단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선전력 수신장치가 놓였는지 판단하기 위하여 품질 인자를 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치에 구비되는 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 품질 인자 값이 감소하게 된다. 측정된 품질 인자 값을 이용하여 이물질의 존재 여부를 판단하기 위해, 무선전력 전송장치는 충전 영역에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 미리 측정된 기준 품질 인자 값을 무선전력 수신장치로부터 수신할 수 있다. 협상 단계(540)에서 수신된 기준 품질 인자 값과 측정된 품질 인자 값을 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다. 그러나 기준 품질 인자 값이 낮은 무선전력 수신장치의 경우-일 예로, 무선전력 수신장치의 타입, 용도 및 특성 등에 따라 특정 무선전력 수신장치는 낮은 기준 품질 인자 값을 가질 수 있음-, 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 품질 인자 값과 기준 품질 인자 값 사이의 큰 차이가 없어 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 따라서 다른 판단 요소를 더 고려하거나, 다른 방법을 이용하여 이물질 존재 여부를 판단해야 한다.
본 명세서의 또 다른 실시예에서는 선택 단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 배치되었는지 판단하기 위하여 특정 주파수 영역 내(ex 동작 주파수 영역) 품질 인자 값을 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치의 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬 저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 무선전력 전송장치의 코일의 공진 주파수가 변경(시프트)될 수 있다. 즉, 동작 주파수 대역 내 최대 품질 인자 값이 측정되는 주파수인 품질 인자 피크(peak) 주파수가 이동될 수 있다.
단계(520)에서 무선전력 전송장치는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 무선전력 전송장치는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
무선전력 전송장치는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 협상이 필요하면, 무선전력 전송장치는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다. 반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 피크 주파수 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 품질 인자 값 및 기준 피크 주파수 값이 포함된 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치를 결정할 수 있다. 무선전력 전송장치는 기준 피크 주파수 값에 기반하여 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치를 결정할 수 있다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값(핑 단계 이전에 측정된 품질인자 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치 및 현재 측정된 피크 주파수 값(핑 단계 이전에 측정된 피크 주파수 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 무선전력 전송장치는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 무선전력 전송장치는 FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 무선전력 전송장치 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 무선전력 전송장치는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
본 실시예에서는 보정 단계(550과 전력 전송 단계(560)를 별개의 단계로 구분하였지만, 보정 단계(550)는 전력 전송 단계(560)에 통합될 수 있다. 이 경우 보정 단계(550)에서의 동작들은 전력 전송 단계(560)에서 수행될 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 무선전력 전송장치와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 무선전력 전송장치 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 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 명세서의 공진 모드에서는 무선전력 전송장치는 기본 전력을 공통적으로 전달하고, 무선전력 수신장치가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤하는 방법을 사용하고자 한다. 다만, 이러한 공진 모드의 동작에서도 도 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(740)로 전력을 공급하는 전력 어답터(730), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(740) 또는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(750) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(750)는 옵셔널하게 포함되거나, 무선 전력 전송 장치(700)의 다른 사용자 인터페이스(750)로서 포함될 수도 있다.
전력 송신기(740)는 코일 어셈블리(760), 임피던스 매칭 회로(770), 인버터(780), 통신 회로(790) 또는 컨트롤 회로(710) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
코일 어셈블리(760)는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하며, 코일 셀로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 인버터와 1차 코일(들) 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 임피던스 매칭 회로(770)는 1차 코일 전류를 부스팅(boost)하는 적합한(suitable) 주파수에서 공진(resonance)을 발생시킬 수 있다. 다중-코일(multi-coil) 전력 송신기(740)에서 임피던스 매칭 회로는 인버터에서 1차 코일들의 서브세트로 신호를 라우팅하는 멀티플렉스를 추가로 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 회로는 탱크 회로(tank circuit)로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 연결을 스위칭하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 임피던스의 매칭은 코일 어셈블리(760)를 통해 전송되는 무선전력의 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 스위칭 소자를 스위칭하여 캐패시터나 인덕터의 연결 상태를 조정하거나 캐패시터의 캐패시턴스를 조정하거나 인덕터의 인덕턴스를 조정함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(770)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(770)가 생략된 무선전력 전송장치(700)의 실시예도 포함한다.
인버터(780)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(780)는 가변(adjustable) 주파수의 펄스 웨이브 및 듀티 사이클을 생성하도록 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구동될 수 있다. 또한 인버터는 입력 전압 레벨을 조정하도록 복수의 스테이지들을 포함할 수도 있다.
통신 회로(790)은 전력 수신기와의 통신을 수행할 수 있다. 전력 수신기는 전력 송신기에 대한 요청 및 정보를 통신하기 위해 로드(load) 변조를 수행한다. 따라서 전력 송신기(740)는 통신 회로(790)을 사용하여 전력 수신기가 전송하는 데이터를 복조하기 위해 1차 코일의 전류 및/또는 전압의 진폭 및/또는 위상을 모니터링할 수 있다.
또한, 전력 송신기(740)는 통신 회로(790)을 통해 FSK(Frequency Shift Keying) 방식 등을 사용하여 데이터를 전송하도록 출력 전력을 컨트롤할 수도 있다.
컨트롤 회로(710)은 전력 송신기(740)의 통신 및 전력 전달을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤 회로(710)은 상술한 동작 포인트를 조정하여 전력 전송을 제어할 수 있다. 동작 포인트는, 예를 들면, 동작 주파수, 듀티 사이클 및 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
통신 회로(790) 및 컨트롤 회로(710)은 별개의 회로/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 회로/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 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(830), 로드 회로(load circuit, 840) 또는 코일 어셈블리를 받치며 커버하는 베이스(850) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(820)는 옵셔널하게 포함되거나, 전력 수신 장비의 다른 사용자 인터페이스(82)로서 포함될 수도 있다.
전력 수신기(830)는 전력 컨버터(860), 임피던스 매칭 회로(870), 코일 어셈블리(880), 통신 회로(890) 또는 컨트롤 회로(810) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 컨버터(860)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 실시예로서, 전력 컨버터(860)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 정류기는 수신된 무선 전력을 정류하여 교류에서 직류로 변환할 수 있다. 정류기는 다이오드나 트랜지스터를 이용하여 교류를 직류로 변환하고, 캐패시터와 저항을 이용하여 이를 평활할 수 있다. 정류기로는 브릿지 회로 등으로 구현되는 전파 정류기, 반파 정류기, 전압 체배기 등이 이용될 수 있다. 추가로, 전력 컨버터는 전력 수신기의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(870)는 전력 컨버터(860) 및 로드 회로(840)의 조합과 2차 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 실시예로서, 임피던스 매칭 회로는 전력 전달을 강화할 수 있는 100kHz 근방의 공진을 발생시킬 수 있다. 임피던스 매칭 회로(870)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 조합을 스위칭하는 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 임피던스의 정합은 수신되는 무선 전력의 전압값이나 전류값, 전력값, 주파수값 등에 기초하여 임피던스 매칭 회로(870)를 구성하는 회로의 스위칭 소자를 제어함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(870)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(870)가 생략된 무선전력 수신장치(200)의 실시예도 포함한다.
코일 어셈블리(880)는 적어도 하나의 2차 코일을 포함하며, 옵셔널하게는 자기장으로부터 수신기의 금속 부분을 쉴딩(shield)하는 엘러먼트(element)를 더 포함할 수도 있다.
통신 회로(890)은 전력 송신기로 요청(request) 및 다른 정보를 통신하기 위해 로드 변조를 수행할 수 있다.
이를 위해 전력 수신기(830)는 반사 임피던스를 변경하도록 저항 또는 커패시터를 스위칭할 수도 있다.
컨트롤 회로(810)은 수신 전력을 컨트롤할 수 있다. 이를 위해 컨트롤 회로(810)은 전력 수신기(830)의 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 결정/산출할 수 있다. 그리고 컨트롤 회로(810)은 전력 송신기의 반사 임피던스의 조정 및/또는 전력 송신기의 동작 포인트 조정 요청을 수행함으로써 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 조정/저감할 수 있다. 이 차이를 최소화하는 경우 최적의 전력 수신을 수행할 수 있다.
통신 회로(890) 및 컨트롤 회로(810)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 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 FSK 신호의 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 NAK으로 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/제어 회로에 포함될 수 있다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 통해 무선전력 수신장치의 반사 임피턴스를 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.
이하에서는 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치간에 인증(authentication)에 관하여 개시된다.
인밴드 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템은 USB-C 인증을 사용할 수 있다. 인증은 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 전송장치의 인증과, 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 수신장치의 인증을 포함한다.
도 12는 일 실시예에 따른 무선충전 인증서 포맷을 도시한 블록도이다.
도 12를 참조하면, 무선충전 인증서 포맷은 인증서 구조 버전(Certificate Structure Version), 예비비트, 인증서 타입(certificate type), 서명오프셋(signature offset), 시리얼 번호(serial number), 발행자 ID(issuer ID), 서브젝트 ID(subject ID), 공공키(public key) 및 서명(signature)를 포함한다.
인증서 타입은 예를 들어 3비트로서, 해당 인증서가 루트 인증서/중간 인증서/최종 인증서 중 어느 하나임을 나타낼 수 있으며, 무선전력 전송장치에 관한 인증서 또는 무선전력 수신장치에 관한 인증서임을 나타낼 수도 있으며, 이들을 모두 나타낼 수도 있다.
예를 들어, 인증서 타입은 3비트로서, Root Certificate, Manufacturer/Secondary Certificate, Product Unit Certificate(for the Power Transmitter) 등에 대한 정보를 각각 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 인증서 타입이 '001'b일 경우에는 루트 인증서를 나타내고, '010'b일 경우에는 중간 인증서(Manufacturer/Secondary Certificate)를 나타내고, '111'b일 경우에는 최종 인증서인 무선전력 전송장치의 프로덕트 유닛 인증서(Product Unit Certificate for the Power Transmitter)를 나타낼 수 있다.
무선전력 전송장치는 성능 패킷(capability packet)을 이용하여 무선전력 수신장치에게 인증 기능을 지원하는지를 알려줄 수 있다(무선전력 수신장치에 의한 무선전력 전송장치의 인증(authentication of PTx by PRx)의 경우). 한편 무선전력 수신장치는 구성 패킷(configuration packet)을 이용하여 무선전력 전송장치에게 인증 기능을 지원하는지를 알려줄 수 있다(무선전력 전송장치에 의한 무선전력 수신장치의 인증(authentication of PRx by PTx)의 경우). 이하에서 인증 기능 지원 여부에 관한 지시정보(성능 패킷와 구성 패킷)의 구조에 관하여 보다 상세히 개시된다.
도 13은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷 구조이다.
도 13을 참조하면, 대응하는 헤더(header)값이 0X31인 성능 패킷은, 3바이트로서 첫번째 바이트(B0)는 전력 클래스, 보장된 전력값(guaranteed power value)을 포함하고, 두번째 바이트(B1)는 예비(reserved), 잠재적 전력값(potential power value)을 포함하며, 세번재 바이트(B2)는 인증 개시자(Authentication Initiator: AI), 인증 응답자(Authentication Responder: AR), 예비, WPID, Not Res Sens를 포함한다. 구체적으로, 인증 개시자는 1비트로서, 예를 들어 그 값이 '1b'이면 해당 무선전력 전송장치는 인증 개시자로서 동작할 수 있음을 지시한다. 또한, 인증 응답자는 1비트로서, 예를 들어 그 값이 '1b'이면 해당 무선전력 전송장치는 인증 응답자로서 동작할 수 있음을 지시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷 구조이다.
도 14를 참조하면, 대응하는 헤더(header)값이 0X51인 구성 패킷은, 5바이트로서 첫번째 바이트(B0)는 전력 클래스, 최대 전력값(maximum power value)을 포함하고, 두번째 바이트(B1)는 AI, AR, 예비를 포함하며, 세번째 바이트(B2)는 Prop, 예비, ZERO, Count를 포함하고, 네번째 바이트(B3)는 윈도우 크기(Window size), 윈도우 오프셋을 포함하며, 다섯번재 바이트(B4)는 Neg, 극성(polarity), 깊이(Depth), 인증(Auth), 예비를 포함한다. 구체적으로, 인증 개시자는 1비트로서, 예를 들어 그 값이 '1b'이면 해당 무선전력 수신장치는 인증 개시자로서 동작할 수 있음을 지시한다. 또한, 인증 응답자는 1비트로서, 예를 들어 그 값이 '1b'이면 해당 무선전력 수신장치는 인증 응답자로서 동작할 수 있음을 지시한다.
인증 절차(authentication procedure)에서 사용되는 메시지를 인증 메시지라 한다. 인증 메시지는 인증에 관련된 정보를 운반하는데 사용된다. 인증 메시지에는 2가지 타입이 존재한다. 하나는 인증 요청(authentication request)이고, 다른 하나는 인증 응답(authentication response)이다. 인증 요청은 인증 개시자에 의해 전송되고, 인증 응답은 인증 응답자에 의해 전송된다. 무선전력 전송장치와 수신장치는 인증 개시자 또는 인증 응답자가 될 수 있다. 예를 들어, 무선전력 전송장치가 인증 개시자인 경우 무선전력 수신장치는 인증 응답자가 되고, 무선전력 수신장치가 인증 개시자인 경우 무선전력 전송장치가 인증 응답자가 된다.
인증 요청 메시지는 GET_DIGESTS(i.e. 4 바이트), GET_CERTIFICATE(i.e. 8 바이트), CHALLENGE(i.e. 36 바이트)를 포함한다.
인증 응답 메시지는 DIGESTS(i.e. 4+32 바이트), CERTIFICATE(i.e. 4+인증서 체인(3x512바이트)=1540 바이트), CHALLENGE_AUTH(i.e. 168 바이트), ERROR(i.e. 4 바이트)를 포함한다.
인증 메시지는 인증 패킷이라 불릴 수도 있고, 인증 데이터, 인증 제어정보라 불릴 수도 있다. 또한, GET_DIGEST, DIGESTS 등의 메시지는 GET_DIGEST 패킷, DIGEST 패킷등으로 불릴 수도 있다.
도 15는 일례에 따른 무선전력 전송장치와 수신장치간에 어플리이션 레벨의 데이터 스트림을 도시한 것이다.
도 15를 참조하면, 데이터 스트림은 보조 데이터 제어(auxiliary data control: ADC) 데이터 패킷 및/또는 보조 데이터 전송(auxiliary data transport: ADT) 데이터 패킷을 포함할 수 있다.
ADC 데이터 패킷은 데이터 스트림을 시작(opening)하는데 사용된다. ADC 데이터 패킷은 스트림에 포함된 메시지의 타입과, 데이터 바이트의 개수를 지시할 수 있다. 반면 ADT 데이터 패킷은 실제 메시지를 포함하는 데이터의 시퀀스들이다. 스트림의 종료를 알릴 때에는 ADC/end 데이터 패킷이 사용된다. 예를 들어, 데이터 전송 스트림 내의 데이터 바이트의 최대 개수는 2047로 제한될 수 있다.
ADC 데이터 패킷과 ADT 데이터 패킷의 정상적인 수신 여부를 알리기 위해, ACK 또는 NAC(NACK)이 사용된다. ADC 데이터 패킷과 ADT 데이터 패킷의 전송 타이밍 사이에, 제어 오류 패킷(CE) 또는 DSR 등 무선충전에 필요한 제어 정보들이 전송될 수 있다.
이러한 데이터 스트림 구조를 이용하여, 인증 관련 정보 또는 기타 어플리케이션 레벨의 정보들이 무선전력 전송장치와 수신장치 간에 송수신될 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 16을 참조하면, 제1 전력 픽업 유닛(1100), 제2 전력 픽업 유닛(1200), 통신/컨트롤 유닛(1300), 전력 컨버터(1400), 로드 회로(1500) 및 아웃밴드 안테나(1600)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예의 무선 전력 수신 장치(200)는 제1 전력 픽업 유닛(1100) 및 제2 전력 픽업 유닛(1200)은 어느 하나가 선택되어 무선 전력을 수신하도록 구성될 수 있다. 제1 전력 픽업 유닛(1100)과 제2 전력 픽업 유닛(1200)은 각각 임피던스 매칭 회로(1120, 1220)와 정류기(1130, 1230)를 포함하여 구성될 수 있다. 한편 도시되지는 않았으나, 무선 전력을 수신하여 전력 컨버터(1400)로 전송할 수 있도록 다양한 전기적 요소를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전력 픽업 유닛(1100)은 제1 코일 어셈블리(1110), 제1 임피던스 매칭 회로(1120) 및 제1 정류기(rectifier, 1130)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 코일 어셈블리(1110)와 제1 임피던스 매칭 회로(1120) 및 제1 정류기(1130)는 도 8에서 설명한 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 다만, 제1 전력 픽업 유닛(1100)은 일 예로 전력 클래스-0 의 무선 전력을 수신받을 수 있도록 최적화되어 구성될 수 있다. 또한 제1 전력 픽업 유닛(1100)에는 인밴드 통신을 위한 회로가 구비될 수 있다. 일 예로 ASK modulation 및 FSK demodulation 을 위한 회로가 구비될 수 있다. 인밴드 통신을 위한 회로는 통신/컨트롤 유닛(1300)으로부터 신호를 받아 제어될 수 있다.
제2 전력 픽업 유닛(1200)은 제2 코일 어셈블리(1210), 제2 임피던스 매칭 회로(1220) 및 제2 정류기(1230)를 포함하여 구성될 수 있다. 제2 전력 픽업 유닛(1200)은 도 8에서 설명한 구성을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 제2 전력 픽업 유닛(1200)은 일 예로 전력 클래스-1 의 무선 전력을 수신받을 수 있도록 최적화되어 구성될 수 있다.
제2 전력 픽업 유닛(1200)은 제2 정류기(1230)의 전단 또는 후단에 구비되는 코일 선택 스위치(Coil Selection Switch, 1240)를 포함하여 구성될 수 있다. 코일 선택 스위치(1240)는 통신/컨트롤 유닛(1300)에 의해 제어될 수 있으며, 코일 선택 스위치(1240)의 작동에 따라 제2 전력 픽업 유닛(1200)을 통하여 무선충전이 이루어지는지 여부를 결정할 수 있다.
제1 전력 픽업 유닛(1100)의 제1 정류기(1130) 및 제2 전력 픽업 유닛(1200)의 제1 정류기(1130)는 각각의 후단에서 동일한 노드에 연결되어 서로 전기적으로 연결될 수 있으므로, 제2 전력 픽업 유닛(1200)의 코일 선택 스위치(1240)가 오프(off)되어 있는 경우 제1 전력 픽업 유닛(1100)을 통하여 무선 전력을 전송받게 된다. 반대로 제2 전력 픽업 유닛(1200)의 코일 선택 스위치(1240)가 온(on) 되어 있는 경우 제1 전력 픽업 유닛(1100)의 제1 정류기(1130)에 인가되는 전압(Vo)과 제2 전력 픽업 유닛(1200)의 제2 정류기(1230)에 인가되는 전압(V1)의 차이에 의해 전류의 이동이 결정된다. 일 예로, V0 < V1 인 경우 제2 전류 픽업 유닛으로부터 로드 회로(1500)로 전류가 흐르게 된다. 이때 자연스럽게 제1 전력 픽업 유닛(1100)은 구비된 제1 정류기(1130)에 의해 전기적으로 아이솔레이션(isolation)이 이루어지게 된다.
무선 전력 전송 장치(100)가 PC1을 지원하여 무선 전력 수신 장치(200)가 제2 전력 픽업 유닛(1200)을 통하여 무선 전력을 전송받는 경우, 무선 전력 수신 장치(200)는 아웃밴드 통신에 기반하여 무선 전력 전송 장치(100)와 통신할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신 장치(200)의 통신/컨트롤 유닛(1300)은 인밴드 통신에 기반하여 무선 전력 전송 장치(100)와 통신하여 무선 전력 전송 장치(100)의 전력 클래스를 파악하며, 무선 전력 전송 장치(100)가 PC1을 지원하는 것으로 판단되는 경우 인밴드 통신에서 아웃밴드 통신으로 핸드오버(hand over)하여 무선충전을 위한 일련의 절차를 수행할 수 있다.
이하에서는 도 17을 참조하여 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 통신흐름에 대하여 설명하도록 한다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 간의 통신 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)는 선택 단계(S2100), 핑 단계(S2200), 식별 및 구성 단계(S2300), 전력 클래스 판단 단계(S2400), 핸드오버 단계(S2500), 협상 단계(S2700, S2710), 전력 보정 단계(S2800, 2810), 전력 전송 단계(S2900, S2910) 및 재협상 단계(S3000, S3010)를 수행한다. 여기서, 전력 보정 단계(S2800, 2810)는 독립적인 단계로서 존재하지 않고 전력 전송 단계(S2900, S2910)에 포함될 수 있으며 이 경우 도 17에서의 흐름도에서 전력 보정 단계(S2800, 2810)는 생략될 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)가 PC0인 경우 인밴드 통신으로 선택 단계(S2100) 내지 재협상 단계(S3000)를 수행할 수 있다. 또한 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)가 PC1 인 경우 아웃밴드 통신으로 핸드오버하여 협상 단계(S2720) 내지 재협상 단계(S3010)를 수행할 수 있게 된다.
핑 단계(S2200)에서, 무선 전력 수신 장치(200)는 PC1을 위한 제2 전력 픽업 유닛(1200)의 코일 선택 스위치(1240)를 오프시킨 조건에서 PC0을 위한 제1 전력 픽업 유닛(1100)을 통해 무선 전력 전송 장치(100)로부터 (디지털) 핑 신호를 수신하고, 신호 세기(Signal Strength: SS) 패킷을 무선 전력 전송 장치(100)로 전송한다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(200)는 먼저 제1 전력 픽업 유닛(1100)으로 Vrect를 생성하고 신호세기(SS)를 생성한다.
식별 및 구성 단계(S2300)에서 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)와 통신하여 식별 및 구성을 위한 패킷을 전송하며, 무선 전력 전송 장치(100)로부터 패킷을 수신한다.
이후 전력 클래스 판단 단계(S2400)에서는 무선 전력 전송 장치(100)(100)가 PC0 또는 PC1 에 해당하는 전력을 수신 가능한지를 판단한다. 만약 무선 전력 전송 장치(100)(100)가 PC0인 것으로 확인되면 무선 전력 수신 장치(200)는 PC1을 위한 수신 코일 선택 스위치(1240)를 오프시킨 상태를 유지할 수 있다. 여기서, 전술한 바와 같이 무선 전력 전송 장치(100)가 PC0인지 PC1인지 판단하기 위해 인밴드 통신이 사용될 수 있다. 일 예로 ASK 신호를 전송하며 제1 전력 픽업 유닛(1100)의 공진 커패시터 전압을 이용하여 FSK 신호를 수신한다.
만약, 무선 전력 전송 장치(100)가 PC1인 것으로 확인되면 인밴드 통신에서 아웃밴드 통신으로 핸드오버 단계(S2500)를 수행한다.
인밴드에서 아웃밴드 통신으로 핸드오버하는 단계(S2500)는 인밴드 통신을 기반으로 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 간의 아웃밴드 통신, 예를 들어 BLE 연결을 구축하게 된다. 핸드오버하는 단계(S2500)는 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 간 BLE pairing을 위하여 무선 전력 수신 장치(200)가 Device Address(6Bytes)를 인밴드 통신을 기반으로 무선 전력 전송 장치(100)에 전송한다. 무선 전력 전송 장치(100)는 Device Address를 기반으로 무선 전력 수신 장치(200)와 pairing을 시도한다. 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 간 BLE pairing이 구축되면 아웃밴드 통신으로 핸드오버한다. 한편, 이와 반대로 무선 전력 수신 장치(200)는 아웃밴드 통신이 불가능한 경우, 또는 선택 단계(S2100)로 회기하는 경우 아웃밴드 통신으로부터 인밴드 통신으로 핸드오버할 수 있다.
코일 선택 스위치를 닫는(또는 on)하는 단계(S2600)는 무선 전력 수신 장치(200)가 PC1의 무선 전력을 수신할 수 있도록 통신/컨트롤 회로(1300)가 제2 전력 픽업 유닛(1200)의 코일 선택 스위치(1240)를 닫는 신호를 발생시킨다. 코일 선택 스위치(1240)가 닫혀진 경우 이후 무선 전력 수신 장치(200)가 아웃밴드 통신을 기반으로 무선 전력 전송 장치(100)와 협상 단계(S2710) 내지 재협상 단계(S3010)를 수행한다. 따라서 무선 전송 단계(S2710)에서 무선 전력이 제1 전력 픽업 유닛(1100)과 제2 전력 픽업 유닛(1200)에 동시에 전달되더라도 제1 전력 픽업 유닛(1100)이 제1 정류기(1130)의 양단간 기전력 차이에 의해 아이솔레이션 되며, 무선 전력은 제2 전력 픽업 유닛(1200)에 의해 수신될 수 있다.
한편, 무선 전력 전송 장치(100)가 PC0 인 경우 각각 무선충전을 위한 협상단계(S2700), 보정단계(S2800), 전력 전송 단계(S2900) 및 재협상 단계(S3000)가 인밴드 통신을 통하여 수행될 수 있다.
이하에서는 도 18 내지 도 22을 참조하여 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(200)에 대하여 설명하도록 한다.
도 18은 일 실시예에 따른 전송 코일과 수신 코일, 그리고 각 코일과 커플링되는 무선 전력 수신 장치(200)의 회로 블록도이다. 한편, 본 도면에서는 설명의 편의를 위하여 무선 전력 전송 장치(100)의 회로는 생략되어 있다.
도 18을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(100)는 2개의 1차 코일, 예를 들어 PC0 및 PC1 의 1차 코일이 구비될 수 있다. 무선 전력 수신 장치(200)는 2개의 2차 코일, 예를 들어 PC0 및 PC1 의 2차 코일이 구비될 수 있다. 한편, 도 23a 내지 도 23e 에 도시된 레이아웃과 같이, 무선 전력 수신 장치(200)의 PC0 의 2차 코일(1110)과 PC1의 2차 코일(1210)은 평면상에서 서로 적어도 일부가 겹쳐져 배치되거나 겹쳐지지 않은 상태로 배치될 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)의 PC0 의 2차 코일(1110)은 제1 정류기(1130)와 연결될 수 있으며, PC1 의 2차 코일(1210)은 제2 정류기(1230)와 연결될 수 있다. 또한 제2 정류기(1230)의 전단에는 코일 선택 스위치(1240)가 구비될 수 있다.
도 19는 도 18의 실시예에서 PC0 의 무선 전력을 수신할 때의 개념도이다.
도 19를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 코일 선택 스위치(1240)를 오프된 상태를 기본으로 설정한다. 이후, 무선 전력 수신 장치(200)는 인밴드 통신으로 무선 전력 전송 장치(100)의 전력 클래스를 파악하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 PC0 인 경우 코일 선택 스위치(1240)를 오프한 상태를 유지하면서 PC0의 2차 코일(1110)을 통하여 무선 전력을 수신하게 된다.
도 20은 도 18의 실시예에서 PC1 의 무선 전력을 수신할 때의 개념도이다.
도 20을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)가 인밴드 통신으로 무선 전력 전송 장치(100)의 전력 클래스를 파악하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 PC1 인 경우 코일 선택 스위치(1240)를 온한 상태로 전환한다. 이후 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)와 협상 및 보정을 수행한 이후 무선 전력을 PC1 의 2차 코일(1210)을 통하여 수신하게 된다. 이때, 무선 전력이 PC0의 2차 코일(1110)에 전달되더라도 제1 정류기(1130)(V0)의 기전력은 제2 정류기(1230)의 기전력(V1)보다 작으므로 PC0의 2차 코일부터 제1 정류기(1130)까지 아이솔레이션(isolation)된다. 한편, 본 실시예에서 무선 전력 수신 장치(200)와 무선 전력 전송 장치(100)는 인밴드 통신에서 아웃밴드 통신으로 핸드오버하여 통신을 수행할 수 있다.
도 21은 다른 실시예에 따른 전송 코일과 수신 코일, 그리고 각 코일과 커플링되는 무선 전력 수신 장치(200)의 회로 블록도이다.
도 21을 참조하면, 본 실시예에서는 도 18에 나타난 실시예와 달리 코일 선택 스위치(1240)가 제2 정류기(1230)의 후단에 구비될 수 있다.
본 실시예에서도 전술한 실시예와 같이 무선 전력 수신 장치(200)가 인밴드 통신으로 무선 전력 전송 장치(100)의 전력 클래스를 파악하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 PC0인 경우 전술한 실시예와 동일하게 무선충전이 이루어질 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)가 PC1 인 경우 코일 선택 스위치(1240)를 온한 상태로 전환한다. 이후 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)와 협상 및 보정을 수행한 이후 무선 전력을 PC1 의 2차 코일(1210)을 통하여 수신하게 된다. 이때, 무선 전력이 PC0의 2차 코일(1110)에 전달되더라도 제1 정류기(1130)의 기전력(Vo)은 제2 정류기(1230)의 기전력(V1)보다 작으므로 PC0의 2차 코일(1110)부터 제1 정류기(1130)까지 아이솔레이션(isolation)이 이루어진다. 한편, 본 실시예에서 무선 전력 수신 장치(200)와 무선 전력 전송 장치(100)는 인밴드 통신에서 아웃밴드 통신으로 핸드오버하여 통신을 수행할 수 있다.
도 22은 또 다른 실시예에 따른 전송 코일과 수신 코일, 그리고 각 코일과 커플링되는 무선 전력 수신 장치(200)의 회로 블록도이다.
도 22를 참조하면, 본 실시예는 도 18에 나타난 실시예에서 리피터 스위치(1250)를 포함할 수 있다.
무선충전 수신 장치는 PC1 2차 코일(1210)과 연결된 회로상에서 리피터 스위치(1250)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(200)는 PC0의 2차 코일(1110)을 통하여 무선 전력을 수신할 때 PC1 의 2차 코일(1210)에 연결된 리피터 스위치(1250)를 on 함으로써 PC1 의 2차 코일(1210)을 포함한 회로를 리피터 회로로 구현할 수 있다.
이러한 도 18 내지 22를 참조하여 설명한 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(100)는 적어도 하나의 스위치를 포함하며, 스위치는 PC1을 위한 수신 코일(1210)과 무선 전력 수신 장치(200) 내부의 회로를 연결하거나 연결해제를 수행하여 일부의 아이솔레이션을 수행할 수 있다. 또한 리피터 스위치(1250)의 on/off 동작에 의해 무선 전력 수신 장치(200)의 수신 코일들이 리피터 회로로서 동작할 수 있다.
이러한 도 16 내지 도 22에 따른 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(100)는 도 1 내지 도 15에서 개시된 무선 전력 전송 장치(100) 또는 무선 전력 전송기 또는 전력 전송부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선 전력 전송 장치(100)의 동작은 도 1 내지 도 15에서의 무선 전력 전송 장치(100)의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 무선 전력 전송 장치(100)의 전송 코일은 전력 변환 유닛(110)에 포함될 수 있다. 또한 본 실시예에서 무선 전력 전송 장치(100)에 의한 인밴드 통신, 통신 패킷의 처리, 전송 및 수신 동작은 통신/컨트롤 유닛(120)에 의해 수행될 수 있다.
또한 도 16 내지 도 22에 따른 실시예에서의 무선 전력 수신 장치(200)는 도 1 내지 도 15에서 개시된 무선 전력 수신 장치(200) 또는 무선 전력 수신기 또는 전력 수신부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선 전력 수신 장치(200)의 동작은 도 1 내지 도 15에서의 무선 전력 수신 장치(200)의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 무선 전력 수신 장치(200)의 수신 코일은 전력 픽업 유닛(210)에 포함될 수 있다. 또한 본 실시예에서 무선 전력 수신 장치(200)에 의한 인밴드 통신, 통신 패킷의 처리, 전송 또는 수신 동작은 통신/컨트롤 유닛(220)에 의해 수행될 수 있다.
도 23a, 23b, 23c, 23d 및 23e는 일 실시예에 따른 복수의 수신 코일들의 레이아웃(layout) 또는 형상을 도시한 것이다.
도 23a, 23b, 23c, 23d 및 23e를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)의 2차 코일들의 레이아웃은 적어도 하나의 형태의 레이아웃을 포함할 수 있다.
일 측면에서, PC1을 위한 수신 코일(1210)의 총 내부 면적은 PC0을 위한 수신 코일(1110)의 내부 면적 보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 도 23a 와 같이, PC0 코일(1110)과 PC1 코일(1210)은 각각 단일 영역에 대한 수신 영역을 갖도록 구성될 수 있다. 이때 PC0 코일(1110)은 평면상에서 PC1 코일(1210)보다 내측 영역에 배치될 수 있다. 또한 도 23b와 같이 PC1 코일(1210)이 복수로 구성되며, 평면상의 분할된 영역에 각각 구비되어 배치될 수 있다. 또한, 도 23c와 같이 PC0 코일(1110)이 복수로 구성되며, 평면상의 분할된 영역, 즉 PC1 코일(1210)의 내측영역에 분할된 영역에 각각 구비될 수 있다. 또한 도 23d 및 도 23e와 같이 전체적으로 원형으로 구성된 영역에 PC1 코일(1210)이 분할되어 배치될 수 있으며, PC1 코일(1210)의 평면상의 중심부분에 PC0 코일(1110)이 일부 겹쳐져 배치될 수 있다.
다른 측면에서, 복수의 수신 코일들의 레이아웃은 페라이트 시트와 같은 자계 차페 물질 위에 설계되거나 차폐제를 감싸는 구조를 포함할 수 있다.
이러한 도 18 내지 22에 따른 실시예에서의 무선전력 전송장치는 도 1 내지 도 15에서 개시된 무선전력 전송장치 또는 무선전력 전송기 또는 전력 전송부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 전송장치의 동작은 도 1 내지 도 15에서의 무선전력 전송장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 무선전력 전송장치의 전송 코일은 전력 변환 유닛(110)에 포함될 수 있다. 또한 본 실시예에서 무선전력 전송장치에 의한 인밴드 통신, 통신 패킷의 처리, 전송 및 수신 동작은 통신/컨트롤 유닛(120)에 의해 수행될 수 있다.
또한 도 18 내지 22에 따른 실시예에서의 무선전력 수신장치는 도 1 내지 도 15에서 개시된 무선전력 수신장치 또는 무선전력 수신기 또는 전력 수신부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 수신장치의 동작은 도 1 내지 도 15에서의 무선전력 수신장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 무선전력 수신장치의 수신 코일은 전력 픽업 유닛(210)에 포함될 수 있다. 또한 본 실시예에서 무선전력 수신장치에 의한 인밴드 통신, 통신 패킷의 처리, 전송 또는 수신 동작은 통신/컨트롤 유닛(220)에 의해 수행될 수 있다.
상술한 본 명세서의 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 명세서의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 명세서에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 명세서의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현되는 것도 가능하다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 명세서의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 명세서의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 명세서의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 명세서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 무선전력 수신장치로서,
    동작 주파수(operating frequency)에서 1차 코일을 구비한 무선전력 전송장치와 자기 커플링(magnetic coupling)에 의해 상기 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하고, 상기 무선전력에 의해 발생하는 교류 신호를 직류 신호로 변환하도록 구성된 정류기(Rectifier)를 각각 포함하는 복수의 전력 픽업 유닛(power pick-up circuit);
    상기 무선전력 전송장치와 통신할 수 있도록 상기 무선전력의 전송에 이용되는 자기장을 이용하는 인밴드(in-nand) 통신 및 상기 동작 주파수 이외의 주파수를 이용하여 아웃밴드(out-band) 통신을 수행하는 통신 회로(communication circuit); 및
    상기 전력 픽업 유닛 및 상기 통신 회로를 제어하도록 구성되는 컨트롤 회로를 포함하며,
    상기 컨트롤 회로는,
    상기 인밴드 통신으로 상기 무선전력 전송장치와 통신하여 상기 무선전력 전송장치의 전력 클래스(Power Class)를 판단하며,
    상기 무선전력 전송장치의 전력 클래스(Power Class)에 대응하여 상기 무선전력을 수신할 전력 픽업 유닛을 선택하며, 선택된 상기 전력 픽업 유닛 이외의 전력 픽업 유닛을 전기적으로 아이솔레이션(isolation)하는 무선전력 수신장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 전력 픽업 유닛은 전력 클래스-0(PC0) 에 해당하는 전력을 수신할 수 있도록 구성되는 제1 전력 픽업 유닛 및 전력 클래스-1(PC1)에 해당하는 전력을 수신할 수 있도록 구성되는 제2 전력 픽업 유닛을 포함하여 구성되는 무선전력 수신장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤 회로는,
    상기 제2 전력 픽업 유닛을 선택한 경우 상기 아웃밴드 통신을 기반으로 상기 무선전력 전송장치와 통신할 수 있도록 상기 통신 회로를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 전력 픽업 유닛의 정류기 후단과 상기 제2 전력 픽업 유닛의 정류기 후단은 서로 전기적으로 연결되며,
    상기 제2 전력 픽업 유닛의 전력 이송경로상에 구비되는 코일 선택 스위치를 더 포함하는 무선전력 수신장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 컨트롤 회로는,
    상기 무선전력 전송장치가 전력 클래스-0에 해당하는 전력의 전송이 가능한 것으로 판단한 경우 상기 코일 선택 스위치를 연(open) 상태를 유지하도록 제어하는 무선전력 수신장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 컨트롤 회로는,
    상기 무선전력 전송장치가 전력 클래스-1에 해당하는 전력의 전송이 가능한 것으로 판단한 경우 상기 무선전력 전송장치와 상기 아웃밴드 통신연결을 수행하는 무선전력 수신장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 컨트롤 회로는,
    상기 무선전력 전송장치가 전력 클래스-1에 해당하는 전력의 전송이 가능한 것으로 판단한 경우 상기 제1 전력 픽업 유닛이 아이솔레이션(isolation)될 수 있도록 상기 코일 선택 스위치를 닫는 무선전력 수신장치.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 코일 선택 스위치는 상기 제2 전력 픽업 유닛의 정류기의 전단에 구비되는 하는 무선전력 수신장치.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 코일 선택 스위치는 상기 제2 전력 픽업 유닛의 정류기의 후단에 구비되는 무선전력 수신장치.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 전력 픽업 유닛은 2차 코일의 양단에 각각 연결되는 전력라인 사이에 구비되는 리피터 스위치를 더 포함하여 구성되며,
    상기 컨트롤 회로는 상기 무선전력 전송장치가 전력 클래스-0에 해당하는 전력의 전송이 가능한 것으로 판단한 경우 상기 제2 전력 픽업 유닛의 2차 코일이 리피터가 될 수 있도록 상기 리피터 스위치를 닫는 무선전력 수신장치.
  11. 제4 항에 있어서,
    상기 아웃밴트 통신은 BLE(Bluetooth Low Energy), 블루투스(Bluetooth) 또는 NFC(Near Field Communication) 통신을 기반으로 수행되는 무선전력 수신장치.
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