WO2023080681A1 - 영구 자석을 포함하는 멀티 코일 무선 충전 시스템 - Google Patents

영구 자석을 포함하는 멀티 코일 무선 충전 시스템 Download PDF

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WO2023080681A1
WO2023080681A1 PCT/KR2022/017149 KR2022017149W WO2023080681A1 WO 2023080681 A1 WO2023080681 A1 WO 2023080681A1 KR 2022017149 W KR2022017149 W KR 2022017149W WO 2023080681 A1 WO2023080681 A1 WO 2023080681A1
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wireless power
power transmitter
permanent magnet
coil
power receiver
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PCT/KR2022/017149
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French (fr)
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김경환
이성훈
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엘지전자 주식회사
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    • H02J50/90—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment

Definitions

  • This specification relates to wireless power transfer.
  • Wireless power transfer technology is a technology for wirelessly transferring power between a power source and an electronic device.
  • the wireless power transmission technology allows a wireless terminal such as a smartphone or tablet to be charged by simply placing the wireless terminal on a wireless charging pad, thereby providing a more efficient wired charging environment than a wired charging environment using an existing wired charging connector. It can provide excellent mobility, convenience and safety.
  • wireless power transmission technology is used in various fields such as electric vehicles, various wearable devices such as Bluetooth earphones or 3D glasses, home appliances, furniture, underground facilities, buildings, medical devices, robots, and leisure. It is attracting attention as a replacement for the existing wired power transmission environment.
  • the wireless power transmission method is also referred to as a contactless power transmission method, a no point of contact power transmission method, or a wireless charging method.
  • a wireless power transmission system includes a wireless power transmission device for supplying electrical energy in a wireless power transmission method, and a wireless power reception device for receiving electrical energy wirelessly supplied from the wireless power transmission device and supplying power to a power receiving device such as a battery cell. device can be configured.
  • Wireless power transfer technology is a method of transferring power through magnetic coupling, a method of transferring power through radio frequency (RF), a method of transferring power through microwave, and ultrasonic waves.
  • RF radio frequency
  • the magnetic induction method is a method of transmitting energy using a current induced in a receiving coil due to a magnetic field generated in a transmitting coil battery cell according to electromagnetic coupling between a transmitting coil and a receiving coil.
  • the magnetic resonance method is similar to the magnetic induction method in that it uses a magnetic field.
  • wireless charging it is intended to provide a wireless power transmitter including a permanent magnet.
  • the wireless power transmitter includes a plurality of primary coils that transmit wireless power through magnetic coupling with a secondary coil of a wireless power receiver and disposed not to overlap with the plurality of primary coils
  • a plurality of permanent magnets are provided, wherein the plurality of primary coils are disposed side by side in a width direction on a first plane without overlapping with each other, a first bottom coil and a second bottom coil, and an upper portion of the first plane.
  • Wireless power transmitters are provided that are spaced apart at predetermined intervals along a concentric circle direction.
  • an effect of enabling an existing WPC standard transmitting coil system to support charging of a 'MagSafe' dedicated receiving device may occur.
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power system 10 according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power system 10 according to another embodiment.
  • FIG 3 shows an embodiment of various electronic devices to which a wireless power transmission system is introduced.
  • FIG. 4 is a block diagram of a wireless power transmission system according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a Bluetooth communication architecture to which an embodiment according to the present specification may be applied.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to an example.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to another example.
  • FIG. 8 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure.
  • FIG. 10 schematically illustrates an example of the protocol of the configuration phase 820 .
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a message field of a configuration packet (CFG) of a wireless power receiver according to an embodiment.
  • CFG configuration packet
  • FIG. 12 is a flowchart schematically illustrating a protocol of a negotiation step or a renegotiation step according to an embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a message field of a capability packet (CAP) of a wireless power transmitter according to an embodiment.
  • CAP capability packet
  • FIG. 14 schematically illustrates a flow diagram of data flow for power transfer phase 840 in the baseline protocol.
  • 15 schematically illustrates a flow diagram of data flow for power transfer phase 840 in the extended protocol.
  • 16 illustrates an application-level data stream between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 according to an example.
  • FIG. 17 illustrates a power control method according to an embodiment.
  • 21 and 22 schematically show protocols in MPP pull mode.
  • FIG. 23 is an exploded view of a coil module for an example of a MagSafe-only receiver.
  • FIG. 24 schematically illustrates the structure of a wireless power transmitter 100 that can be a reference model.
  • 25 and 26 schematically show the structure of a wireless power receiver 200 that can be a reference model.
  • 27 and 28 schematically show a structure in which permanent magnets 103 are disposed in a plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021.
  • 29 schematically shows a section of the permanent magnet 103.
  • 34 and 35 schematically show another structure in which permanent magnets 103 are disposed in a plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021.
  • 46 and 47 schematically show a structure in an embodiment of the present specification (a plurality of permanent magnets 1031 and 1032 + a plurality of primary coils 1011, 1012 and 1021) and a charging area in this case. it did
  • a or B may mean “only A”, “only B” or “both A and B”.
  • a or B (A or B)” in the present specification may be interpreted as “A and / or B (A and / or B)”.
  • A, B or C herein means “only A”, “only B”, “only C”, or “any combination of A, B and C ( any combination of A, B and C)”.
  • a slash (/) or comma (comma) used in this specification may mean “and/or”.
  • A/B may mean “A and/or B”. Accordingly, “A/B” can mean “only A”, “only B”, or “both A and B”.
  • A, B, C may mean “A, B or C”.
  • At least one of A and B may mean “only A”, “only B” or “both A and B”.
  • the expression “at least one of A or B” or “at least one of A and/or B” means “at least one of A and B (at least one of A and B)”.
  • At least one of A, B and C means “only A”, “only B”, “only C”, or “A, B and C”. It may mean any combination of A, B and C”. Also, “at least one of A, B or C” or “at least one of A, B and/or C” means It can mean “at least one of A, B and C”.
  • parentheses used in this specification may mean “for example”. Specifically, when it is indicated as “control information (PDCCH)”, “PDCCH” may be suggested as an example of “control information”. In other words, “control information” in this specification is not limited to “PDCCH”, and “PDDCH” may be suggested as an example of “control information”. Also, even when displayed as “control information (ie, PDCCH)”, “PDCCH” may be suggested as an example of “control information”.
  • wireless power refers to any form related to an electric field, a magnetic field, an electromagnetic field, etc. transmitted from a wireless power transmitter to a wireless power receiver without using physical electromagnetic conductors.
  • Wireless power may also be called a wireless power signal, and may mean an oscillating magnetic flux enclosed by a primary coil and a secondary coil.
  • Power conversion in a system is described herein to wirelessly charge devices including, for example, mobile phones, cordless phones, iPods, MP3 players, headsets, and the like.
  • the basic principle of wireless power transmission is, for example, a method of transferring power through magnetic coupling, a method of transferring power through radio frequency (RF), and microwave ) and a method of transmitting power through ultrasonic waves.
  • RF radio frequency
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power system 10 according to one embodiment.
  • a wireless power system 10 includes a wireless power transmitter 100 and a wireless power receiver 200 .
  • the wireless power transmitter 100 generates a magnetic field by receiving power from an external power source S.
  • the wireless power receiver 200 receives power wirelessly by generating a current using the generated magnetic field.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may transmit and receive various information required for wireless power transmission.
  • communication between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 is in-band communication using a magnetic field used for wireless power transmission or out-band communication using a separate communication carrier.
  • (out-band communication) may be performed according to any one method.
  • Out-band communication may also be referred to as out-of-band communication.
  • terminology is uniformly described as out-band communication. Examples of out-band communication may include NFC, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), and the like.
  • the wireless power transmitter 100 may be provided in a fixed or mobile type.
  • the fixed type include a form embedded in furniture such as an indoor ceiling, wall, or table, a form installed in an implant form in an outdoor parking lot, a bus stop or a subway station, a form installed in a vehicle or a vehicle, or a form of transportation such as a train, etc.
  • the mobile wireless power transmitter 100 may be implemented as a part of another device, such as a mobile device having a movable weight or size or a cover of a notebook computer.
  • the wireless power receiving device 200 should be interpreted as a comprehensive concept including various electronic devices having batteries and various home appliances powered by wireless power instead of power cables.
  • Representative examples of the wireless power receiver 200 include a portable terminal, a cellular phone, a smart phone, a personal digital assistant (PDA), and a portable media player (PMP: Portable Media Player), Wibro terminal, tablet, phablet, notebook, digital camera, navigation terminal, television, electric vehicle (EV), and the like.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power system 10 according to another embodiment.
  • one or more wireless power receivers 200 may be provided in the wireless power system 10 .
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 are represented as exchanging power one-to-one, but as shown in FIG. 2, one wireless power transmitter 100 is connected to a plurality of wireless power receivers. It is also possible to transfer power to (200-1, 200-2,..., 200-M).
  • one wireless power transmitter 100 simultaneously transmits multiple wireless power receivers 200-1, 200-2, ...,200-M) can deliver power.
  • FIG. 1 shows a state in which the wireless power transmitter 100 directly transfers power to the wireless power receiver 200, but a wireless connection between 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 a power transmission distance may be provided.
  • power may be transferred from the wireless power transmitter 100 to the wireless power transmitter/receiver, and the wireless power transmitter/receiver may transfer power to the wireless power receiver 200 again.
  • the wireless power receiver, power receiver, and receiver referred to in this specification refer to the wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter, power transmitter, and transmitter referred to in this specification refer to the wireless power receiving and transmitting apparatus 100.
  • FIG 3 shows an embodiment of various electronic devices to which a wireless power transmission system is introduced.
  • FIG. 3 shows electronic devices classified according to the amount of power transmitted and received in the wireless power transmission system.
  • wearable devices such as smart watches, smart glasses, HMDs (Head Mounted Displays), and smart rings, earphones, remote controls, smartphones, PDAs, and 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/medium-sized home appliances such as laptop computers, robot vacuum cleaners, TVs, sound devices, vacuum cleaners, and monitors.
  • Kitchen appliances such as blenders, microwave ovens, and electric rice cookers, personal mobile devices (or electronic devices/transportation devices) such as wheelchairs, electric kickboards, electric bicycles, and electric vehicles are of high power (approximately 2kW or less or 22kW or less)
  • a wireless charging method may be applied.
  • the above-described (or illustrated in FIG. 1 ) electronic devices/mobile devices may each include a wireless power receiver described later. Accordingly, the above-described electronic devices/mobile means may be charged by wirelessly receiving power from the wireless power transmitter.
  • WPC wireless power consortium
  • AFA air fuel alliance
  • PMA power matters alliance
  • the WPC standard defines a baseline power profile (BPP) and an extended power profile (EPP).
  • BPP relates to a wireless power transmitter and receiver supporting power transmission of 5W
  • EPP relates to a wireless power transmitter and receiver supporting power transmission in a range greater than 5W and less than 30W.
  • WPC classifies wireless power transmitter and receiver into power class (PC) -1, PC0, PC1, and PC2, and provides standard documents for each PC.
  • PC power class
  • the PC-1 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide guaranteed power of less than 5W.
  • Applications of PC-1 include wearable devices such as smart watches.
  • the PC0 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide guaranteed power of 5W.
  • the PC0 standard includes EPP with guaranteed power up to 30W.
  • In-band (IB) communication is a mandatory communication protocol of PC0, but out-band (OB) communication used as an optional backup channel may also be used.
  • the wireless power receiver may identify whether OB is supported by setting an OB flag in a configuration packet.
  • a wireless power transmitter supporting OB may enter an OB handover phase by transmitting a bit-pattern for OB handover as a response to the configuration packet.
  • a response to the configuration packet may be NAK, ND, or a newly defined 8-bit pattern.
  • Applications of PC0 include smartphones.
  • the PC1 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide guaranteed power of 30W to 150W.
  • OB is the essential communication channel for PC1
  • IB is used as initialization and link establishment to OB.
  • the wireless power transmitter may enter the OB handover phase using a bit pattern for OB handover.
  • Applications of PC1 include laptops or power tools.
  • the PC2 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide guaranteed power of 200W to 2kW, and its applications include kitchen appliances.
  • PCs can be distinguished according to power levels, and whether or not compatibility between identical PCs is supported may be optional or mandatory.
  • compatibility between identical PCs means that power can be transmitted and received between identical PCs.
  • compatibility between different PCs may also be supported.
  • compatibility between different PCs means that power can be transmitted and received between different PCs.
  • a wireless power transmitter of PC x can charge a wireless power receiver of PC y, it can be considered that compatibility between different PCs is maintained.
  • a wireless power receiver of the lap-top charging method which can be stably charged only when power is continuously transmitted, is a wireless power transmitter of the same PC.
  • a wireless power transmitter of the same PC there may be a problem in stably receiving power from a power tool type wireless power transmitter that transmits power discontinuously.
  • the wireless power receiver may There is a risk of breakage. As a result, it is difficult to use the PC as an indicator/standard for representing/indicating compatibility.
  • Wireless power transmission and reception devices can provide a very convenient user experience and interface (UX/UI). That is, a smart wireless charging service can be provided.
  • the smart wireless charging service can be implemented based on the UX/UI of a smart phone including a wireless power transmitter.
  • the interface between the smartphone's processor and the wireless charging receiver allows "drop and play" bi-directional communication between the wireless power transmitter and receiver.
  • a user may experience a smart wireless charging service in a hotel.
  • the wireless charger transmits wireless power to the smartphone and the smartphone receives wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smart phone detects that it is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or the smart phone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smart phone gives the user consent as an additional feature ( Enter into the state of inquiring about opt-in.
  • the smartphone may display a message on the screen in a manner that includes or does not include an alarm sound.
  • An example of the message may include a phrase such as “Welcome to ### hotel. Select “Yes” to activate smart charging functions: Yes
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks, and performs the next procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone transmits the corresponding information to the wireless charger. And smart phones and wireless chargers perform smart charging functions together.
  • a smart wireless charging service may also include receiving auto-filled WiFi credentials.
  • the wireless charger transmits the WiFi qualification to the smartphone, and the smartphone automatically enters the WiFi qualification received from the wireless charger by running an appropriate app.
  • the smart wireless charging service may also include running a hotel application providing hotel promotions, remote check-in/check-out and obtaining contact information.
  • a user may experience a smart wireless charging service in a vehicle.
  • the wireless charger transmits wireless power to the smart phone and the smart phone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smart phone.
  • the smartphone detects that it is placed on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smartphone prompts the user for identity verification. Enter into inquiry state.
  • the smartphone automatically connects to the car via WiFi and/or Bluetooth.
  • a smartphone may display a message on the screen with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include a phrase such as “Welcome to your car. Select “Yes” to synch device with in-car controls: Yes
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks, and performs the next procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone transmits the corresponding information to the wireless charger.
  • smart phones and wireless chargers can perform in-vehicle smart control functions together by driving in-vehicle application/display software. The user can enjoy the desired music and check regular map locations.
  • the in-vehicle application/display software may include capabilities to provide synchronized access for pedestrians.
  • users can experience smart wireless charging at home.
  • the wireless charger transmits wireless power to the smart phone and the smart phone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smart phone detects that it is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or the smart phone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smart phone gives the user consent as an additional feature ( Enter into the state of inquiring about opt-in.
  • the smartphone may display a message on the screen in a manner that includes or does not include an alarm sound.
  • 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 of selecting Yes or No Thanks, and performs the next procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone transmits the corresponding information to the wireless charger. Smartphones and wireless chargers can at least recognize user patterns and encourage users to lock doors and windows, turn off lights, or set alarms.
  • a 'profile' will be newly defined as an index/standard representing/indicating compatibility. That is, it can be interpreted that compatibility is maintained between wireless power transmission and reception devices having the same 'profile' and stable power transmission and reception is possible, and power transmission and reception is impossible between wireless power transmission and reception devices having different 'profiles'.
  • Profiles can be defined independently of (or independently of) power classes for compatibility and/or according to applications.
  • Profiles can be largely divided into three categories: i) mobile and computing, ii) electric tools, and iii) kitchen.
  • the profile can be largely divided into four categories: i) mobile, ii) electric tool, iii) kitchen, and iv) wearable.
  • the PC can be defined as PC0 and/or PC1, the communication protocol/method as IB and OB, and the operating frequency as 87-205kHz.
  • Examples of applications include smartphones and laptop-tops.
  • the PC may be defined as PC1, the communication protocol/method as IB, and the operating frequency as 87 to 145kHz, and examples of applications may include electric tools.
  • the PC may be defined as PC2, the communication protocol/method as NFC-based, and the operating frequency as less than 100 kHz, and examples of applications may include kitchen/home appliances.
  • NFC communication may be used between the wireless power transmitter and receiver.
  • the wireless power transmitter and receiver can confirm that they are NFC devices with each other by exchanging WPC NDEF (NFC Data Exchange Profile Format).
  • WPC NDEF NFC Data Exchange Profile Format
  • FIG. 4 is a block diagram of a wireless power transmission system according to an embodiment.
  • the wireless power transmission system 10 includes a mobile device 450 that wirelessly receives power and a base station 400 that wirelessly transmits power.
  • the base station 400 is a device that provides inductive power or resonant power, and may include at least one wireless power transmitter 100 and a system circuit 405 .
  • the wireless power transmitter 100 may transmit inductive power or resonant power and control the transmission.
  • the wireless power transmitter 100 includes a power conversion circuit 110 that converts electrical energy into a power signal by generating a magnetic field through a primary coil(s) and delivering power at an appropriate level It may include a communication/control circuit (communications & control circuit, 120) for controlling communication and power transmission with the wireless power receiver 200 so as to
  • the system circuit 405 may perform other operation control of the base station 400, such as input power provisioning, control of a plurality of wireless power transmitters, and user interface control.
  • the primary coil may generate an electromagnetic field using AC power (or voltage or current).
  • the primary coil receives AC power (or voltage or current) of a specific frequency output from the power conversion circuit 110, and thus generates a magnetic field of a specific frequency.
  • the magnetic field may be generated in a nonradiative or radial manner, and the wireless power receiver 200 receives it to generate current. In other words, the primary coil transmits power wirelessly.
  • the primary and secondary coils may have any suitable shapes, and may be, for example, copper wire wound around a formation of high permeability such as ferrite or an amorphous metal.
  • the primary coil may also be called a transmitting coil, a primary core, a primary winding, a primary loop antenna, or the like.
  • the secondary coil may also be called a receiving coil, a secondary core, a secondary winding, a secondary loop antenna, a pickup antenna, and the like. .
  • 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 resonance antenna may have a resonance 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 form of a loop.
  • a core may be disposed inside the loop.
  • the core may include a physical core such as a ferrite core or an air core.
  • the resonance phenomenon refers to a phenomenon in which, when a near field corresponding to a resonance frequency is generated in one resonance antenna and another resonance antenna is located nearby, both resonance antennas are coupled to each other and energy transfer occurs with high efficiency between the resonance antennas. .
  • a magnetic field corresponding to the resonance frequency is generated between the primary resonance antenna and the secondary resonance antenna, a phenomenon in which the primary resonance antenna and the secondary resonance antenna resonate with each other occurs.
  • the magnetic field generated by the primary resonance antenna The magnetic field is focused toward the secondary resonance antenna with higher efficiency than when radiated into the free space, and thus energy can be transferred from the primary resonance antenna to the secondary resonance antenna with high efficiency.
  • the magnetic induction method may be implemented similarly to the magnetic resonance method, but in this case, the frequency of the magnetic field does not need to be the resonant frequency. Instead, in the magnetic induction method, matching between the loops constituting the primary coil and the secondary coil is required, and the distance 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 a communication carrier 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 receiver 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 transmitting communication information on the operating frequency of wireless power transmission through a primary coil or receiving an operating frequency containing information through a primary coil. can do.
  • a modulation method 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) coding, etc., can be used to contain information in magnetic waves or to interpret magnetic waves containing information.
  • BPSK binary phase shift keying
  • FSK frequency shift keying
  • ASK amplitude shift keying
  • NZR non-zero return level
  • the communication/control circuit 120 can transmit and receive information up to a distance of several meters at a data rate of several kbps.
  • the OB communication module may perform out-band communication through a communication antenna.
  • the communication/control circuit 120 may be provided as a short-range communication module.
  • Examples of the short-distance communication module include communication modules such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the communication/control circuit 120 may control overall operations of the wireless power transmitter 100 .
  • the communication/control circuit 120 may perform calculations and processing of various information and control each component of the wireless power transmitter 100.
  • the communication/control circuit 120 may be implemented in a computer or 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 terms of software, it is in the form of a program that drives the communication/control circuit 120 in hardware. can be provided.
  • the communication/control circuit 120 may control transmit power by controlling an operating point.
  • the operating point to control may correspond to a combination of frequency (or phase), duty cycle, duty ratio and voltage amplitude.
  • the communication/control circuit 120 may control transmission power by adjusting at least one of a frequency (or phase), a duty cycle, a duty ratio, and a voltage amplitude.
  • the wireless power transmitter 100 may supply constant power
  • the wireless power receiver 200 may control the received power by controlling a resonant frequency.
  • the wireless power transmitter 100 may be classified, for example, in terms of power transmission amount.
  • the wireless power transmitter 100 supporting a wireless power transmission amount of up to 5 W is, for example, a type A wireless power transmitter 100 and a type It can be classified as B (type B) wireless power transmitters 100, and the wireless power transmitter 100 supporting a wireless power transmission amount of up to 15 W (ie, the wireless power transmitter 100 supporting the EPP protocol)
  • the wireless power transmitter 100 supporting the EPP protocol For example, it may be classified into a type MP-A wireless power transmitter 100 and a type MP-B wireless power transmitter 100.
  • the type A and type MP A wireless power transmitter 100 may have one or more primary coils. Since the type A and type MP A wireless power transmitters 100 activate a single primary coil at a time, a single primary cell matching the activated primary coil can be used.
  • Type B and Type MP B power transmitters may have a primary coil array. And, Type B and Type MP B power transmitters can enable free positioning. To this end, Type B and Type MP B power transmitters can activate one or more primary coils in the array to realize primary cells at different locations on the interface surface.
  • the mobile device 450 receives, stores, and supplies the power received from the wireless power receiver 200 and the wireless power receiver 200 that receives wireless power through the secondary coil. It includes a load (load, 455) that does.
  • 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 the AC signal obtained through the secondary coil and converts it into a DC signal.
  • the communication/control circuit 220 may control transmission and reception of wireless power (transmission and reception of power).
  • the secondary coil may receive wireless power transmitted from the wireless power transmitter 100 .
  • the secondary coil may receive power using a magnetic field generated by the primary coil.
  • the specific frequency is a resonant frequency
  • a magnetic resonance phenomenon occurs between the primary coil and the secondary coil, so that power can be received more efficiently.
  • the communication/control circuit 220 may further include a communication antenna.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals using a communication carrier 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 220 may transmit and receive information to and from the wireless power transmitter 100 .
  • the communication/control circuit 220 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 220 may perform IB communication by carrying information on magnetic waves and transmitting them through a secondary coil or receiving magnetic waves containing information through a secondary coil.
  • a modulation method 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) coding, etc., can be used to contain information in magnetic waves or to interpret magnetic waves containing information.
  • BPSK binary phase shift keying
  • FSK frequency shift keying
  • ASK amplitude shift keying
  • NZR non-zero return level
  • NZR non-return-to-zero level
  • the OB communication module may perform out-band communication through a communication antenna.
  • the communication/control circuit 220 may be provided as a short-range communication module.
  • Examples of the short-distance communication module include communication modules such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the communication/control circuit 220 may control overall operations of the wireless power receiver 200 .
  • the communication/control circuit 220 may perform calculation and processing of various types of information and control each component of the wireless power receiver 200 .
  • the communication/control circuit 220 may be implemented in a computer or similar device using hardware, software, or a combination thereof.
  • the communication/control circuit 220 may be provided in the form of an electronic circuit that performs a control function by processing electrical signals, and in terms of software, it is in the form of a program that drives the communication/control circuit 220 in hardware. can be provided.
  • 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. 5 It can be implemented and operated in the same communication architecture.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a Bluetooth communication architecture to which an embodiment according to the present specification may be applied.
  • FIG. 5 shows an example of a Bluetooth BR (Basic Rate)/EDR (Enhanced Data Rate) protocol stack supporting GATT, and (b) is a Bluetooth LE (Low Energy) protocol stack.
  • a Bluetooth BR Basic Rate
  • EDR Enhanced Data Rate
  • B Bluetooth LE
  • the Bluetooth BR/EDR protocol stack is based on the host controller interface (HCI) 18, and the controller stack (460) on the top and the bottom A Host Stack (470) may be included.
  • the host stack (or host module) 470 refers to a wireless transmission/reception module receiving a 2.4 GHz Bluetooth signal and hardware for transmitting or receiving Bluetooth packets, and the controller stack 460 is connected to the Bluetooth module to operate the Bluetooth module. control and act.
  • the host stack 470 may include a BR/EDR PHY layer 12, a BR/EDR baseband layer 14, and a link manager layer 16.
  • the BR/EDR PHY layer 12 is a layer that transmits and receives 2.4 GHz radio signals, and can transmit data by hopping 79 RF channels when using Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) modulation.
  • GFSK Gaussian Frequency Shift Keying
  • the BR/EDR baseband layer 14 is responsible for transmitting a digital signal, selects a channel sequence hopping 1400 times per second, and transmits a 625us long time slot for each channel.
  • the link manager layer 16 controls overall operations (link setup, control, and security) of a Bluetooth connection by utilizing Link Manager Protocol (LMP).
  • LMP Link Manager Protocol
  • the link manager layer 16 may perform the following functions.
  • the host controller interface layer 18 provides an interface between a host module and a controller module so that the host can provide commands and data to the controller, and the controller can provide events and data to the host.
  • 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 Profile
  • BR/EDR profile BR/EDR profile
  • the logical link control and adaptation protocol may provide one bi-directional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • the L2CAP 21 can multiplex various protocols and profiles provided by Bluetooth.
  • L2CAP of Bluetooth BR/EDR uses dynamic channel, supports protocol service multiplexer, retransmission, and streaming mode, and provides segmentation and reassembly, per-channel flow control, and error control.
  • the generic attribute profile may be operable as a protocol describing how the attribute protocol 22 is used in the configuration of services.
  • the generic attribute profile 23 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe characteristics associated with services.
  • the Generic Attribute Profile 23 and the Attribute Protocol can use features to describe the status and services of a device, how features relate to each other and how they are used.
  • 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 device discovery, connection, and security levels.
  • GAP Global System for Mobile communications
  • the Bluetooth LE protocol stack includes a controller stack (480) operable to process the timing-critical radio interface and a host stack operable to process high level data. (Host stack, 490).
  • controller stack 480
  • host stack operable to process high level data.
  • the controller stack 480 may be implemented using a communication module that may include a Bluetooth radio, for example, a processor module that may include a processing device such as a microprocessor.
  • the host stack 490 may be implemented as part of an OS running on the processor module or as an instantiation of a package on the OS.
  • a controller stack and a 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
  • host controller interface 36
  • 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 consisting 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 3 advertising channels, and transmits data packets of up to 257 bytes through 37 data channels. It provides the ability to send and receive.
  • the host stack includes Generic Access Profile (GAP) 40, Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP, 41), Security Manager (SM, 42), Attribute Protocol (ATT, 440), and Generic Attribute Profile. (Generic Attribute Profile, GATT, 44), generic access profile (Generic Access Profile, 25), and LT profile (46).
  • GAP Generic Access Profile
  • L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol
  • SM Security Manager
  • ATT Attribute Protocol
  • GATT Generic Attribute Profile
  • GATT Generic Attribute Profile
  • GATT Generic Attribute Profile
  • GATT Generic Access Profile
  • the host stack 490 is not limited thereto and may include various protocols and profiles.
  • the host stack uses L2CAP to multiplex various protocols and profiles provided by Bluetooth.
  • Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) 41 may provide one bi-directional 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 three fixed channels (one for signaling CH, one for Security Manager, and one for Attribute protocol) are basically used.
  • a dynamic channel may be used as needed.
  • BR/EDR Base Rate/Enhanced Data Rate
  • a dynamic channel is basically used, and protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode, etc. are supported.
  • a Security Manager (SM) 42 is a protocol for authenticating devices and providing key distribution.
  • ATT Attribute Protocol, 43
  • ATT has the following 6 message types (Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation).
  • the Request message is a message for requesting and delivering specific information from the client device to the server device
  • the Response message is a response message to the Request message, which can be used to transmit from the server device to the client device.
  • Command message This is a message transmitted from the client device to the server device mainly to instruct a specific operation command.
  • the server device does not transmit a response to the command message to the client device.
  • Notification message This is a message sent from the server device to the client device to notify such as an event.
  • the client device does not transmit a confirmation message for the notification message to the server device.
  • Indication and Confirm message This is a message sent from the server device to the client device to notify such as an event. Unlike the notification message, the client device transmits a confirmation message for the indication message to the server device.
  • a value for the data length is transmitted so that the client can clearly know the data length, and the UUID is used to obtain a characteristic from the server value can be transmitted.
  • the general access profile (GAP) 45 is a newly implemented layer for Bluetooth LE technology, and is used to control how role selection and multi-profile operations for communication between Bluetooth LE devices occur.
  • the general access profile 45 is mainly used for device discovery, connection creation, and security procedures, defines a method of providing information to the user, and defines the following attribute types.
  • the LE profiles 46 are profiles dependent on GATT and are mainly applied to Bluetooth LE devices.
  • the LE profile 46 may include, for example, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time, and the like, and details of the GATT-based Profiles are as follows.
  • the generic attribute profile may be operable as a protocol describing how the attribute protocol 43 is used in the configuration of services.
  • the generic attribute profile 44 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe characteristics associated with services.
  • the Generic Attribute Profile 44 and the Attribute Protocol can use features to describe the status and services of a device, how they relate to each other and how they are used.
  • the BLE procedure may be divided into a device filtering procedure, an advertising procedure, a scanning procedure, a discovering procedure, and a connecting procedure.
  • the device filtering procedure is a method for reducing the number of devices performing responses to requests, instructions, notifications, etc. in the controller stack.
  • the controller stack can control the BLE controller stack to reduce power consumption by reducing the number of requests sent.
  • An advertising device or a scanning device may perform the above device filtering procedure to restrict devices receiving advertising packets, scan requests, or connection requests.
  • the advertisement device refers to a device that transmits an advertisement event, that is, performs an advertisement, and is also referred to as an advertiser.
  • a 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 advertising packets from an advertising device, the scanning device should send a scan request to the advertising device.
  • the scanning device may ignore advertisement packets transmitted from the advertisement device.
  • a device filtering procedure may 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 ignoring the connection request.
  • the advertising device performs an advertising procedure to perform non-directional broadcasting to devices within the area.
  • undirected advertising is advertising directed to all (all) devices rather than broadcast to a specific device, and all devices scan advertising to request additional information or You can request a connection.
  • a device designated as a receiving device may scan for advertising and request additional information or connection.
  • the advertising procedure is used to establish a Bluetooth connection with a nearby initiating device.
  • the advertising procedure may be used to provide periodic broadcast of user data to scanning devices that are listening on the advertising channel.
  • all advertisements are broadcast through advertisement physical channels.
  • Advertising devices may receive scan requests from listening devices that are listening to obtain additional user data from the advertising device.
  • the advertising device transmits a response to the scan request to the device that sent the scan request through the same advertising physical channel as the advertising physical channel that received the scan request.
  • Broadcast user data sent as part of advertisement packets is dynamic data, whereas scan response data is generally static data.
  • An advertising device may receive a connection request from an initiating device on an advertising (broadcast) physical channel. If the advertising device uses a connectable advertising event and the initiating device is not filtered by the device filtering procedure, the advertising device stops advertising and enters a connected mode. The advertising device may start advertising again after the connection mode.
  • a device that performs scanning that is, a scanning device performs a scanning procedure to listen to a non-directional broadcast of user data from advertising devices using an advertising physical channel.
  • the scanning device transmits a scan request to the advertising device through an advertising physical channel to request additional data from the advertising device.
  • the advertising device transmits a scan response, which is a response to the scan request, including additional data requested by the scanning device through the advertising physical channel.
  • the scanning procedure may be used while being connected to another BLE device in a BLE piconet.
  • the scanning device If the scanning device receives a broadcast advertising event and is in an initiator mode capable of initiating a connection request, the scanning device transmits a connection request to the advertising device through the advertising physical channel, thereby and start a Bluetooth connection.
  • the scanning device When the scanning device sends a connection request to the advertising device, the scanning device stops initiator mode scanning for additional broadcasting and enters a connection mode.
  • 'Bluetooth devices' Devices capable of Bluetooth communication (hereinafter, referred to as 'Bluetooth devices') perform advertising procedures and scanning procedures to discover nearby devices or to be discovered by other devices within a given area.
  • the discovery procedure is performed asymmetrically.
  • a Bluetooth device trying to find other nearby devices is called a discovering device, and listens to find devices that advertise scannable advertisement events.
  • a Bluetooth device discovered and available from other devices is called a discoverable device, and actively broadcasts an advertisement event through an advertisement (broadcast) physical channel so that other devices can scan it.
  • 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 another Bluetooth device perform a scanning procedure while a specific Bluetooth device performs an advertising procedure.
  • connection After receiving an accessible advertising event from the advertising device, connection may be initiated by transmitting a connection request to the advertising device through an advertising (broadcast) physical channel.
  • the Link Layer enters the advertised state, at the direction of the host (stack).
  • the link layer transmits advertising Packet Data Circuits (PDUs) in advertising events.
  • PDUs Packet Data Circuits
  • Each advertising event consists of at least one advertising PDU, and the advertising PDUs are transmitted through the used advertising channel indices.
  • the advertising event may be terminated when the advertising PDU is transmitted through each of the advertising channel indexes used, or the advertising event may be terminated earlier if the advertising device needs to secure space for performing other functions.
  • the link layer enters the scanning state at the direction of the host (stack). In the scanning state, the link layer listens for advertising channel indices.
  • scanning states There are two types of scanning states: passive scanning and active scanning, and each scanning type is determined by the host.
  • a separate time or advertising channel index for performing scanning is not defined.
  • the link layer listens for an advertising channel index during the scanWindow duration.
  • the scanInterval is defined as the interval (interval) between the starting points of two consecutive scan windows.
  • the link layer has to scan different advertising channel indices.
  • the link layer uses all available advertising channel indices.
  • the link layer When passive scanning, the link layer only receives packets and does not transmit any packets.
  • the link layer listens to the advertising device for advertising PDUs and depending on the advertising PDU type it can request additional information about the advertising device.
  • the link layer enters the initiation state at the direction of the host (stack).
  • the link layer listens for advertising channel indices.
  • the link layer listens to the advertising channel index during the scan window period.
  • the link layer enters the connected state when the device making the connection request, that is, when the initiating device sends a CONNECT_REQ PDU to the advertising device or when the advertising 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 at the time 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.
  • a link layer performing a master role is called a master, and a link layer performing a slave role 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.
  • the Link Layer has only one packet format used for both Advertising Channel Packets and Data Channel Packets.
  • Each packet consists of four fields: Preamble, Access Address, PDU, and CRC.
  • the PDU When one packet is transmitted on the advertising channel, the PDU will be an advertising channel PDU, and when one packet is transmitted on the data channel, the PDU will be a data channel PDU.
  • An advertising channel PDU Packet Data Circuit
  • PDU Packet Data Circuit
  • the PDU type field of the advertising channel PDU included in the header indicates the PDU type as defined in Table 1 below.
  • the advertising channel PDU types below are referred to as advertising PDUs and are used in specific events.
  • ADV_IND chainable non-directional advertising event
  • ADV_DIRECT_IND directive advertising events that can be chained
  • ADV_NONCONN_IND non-connectable non-direction advertising event
  • ADV_SCAN_IND scannable non-directional ad event
  • the PDUs are transmitted in the link layer in an advertising state and received by the link layer in a scanning state or initiating state.
  • the advertising channel PDU type below is called a scanning PDU and is used in the conditions described below.
  • SCAN_REQ Sent by the link layer in the scanning state and received by the link layer in the advertising state.
  • SCAN_RSP Sent by the link layer in the advertising state and received by the link layer in the scanning state.
  • the advertising channel PDU type below is called an initiation PDU.
  • CONNECT_REQ Sent by the link layer in the initiating state and received by the link layer in the advertising state.
  • a 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 using power output from the power pickup circuit 210 .
  • a battery is not necessarily included in the mobile device 450 .
  • the battery may be provided as a detachable external component.
  • the wireless power receiver 200 may include a driving means for driving various operations of the 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. 6 .
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to an example.
  • the wireless power transmitter 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 wireless power receiver 200 includes a power pickup circuit 210 and a communication/control circuit 220.
  • the communication/control circuit 220 includes an in-band communication module 221 and a BLE communication module 222.
  • the BLE communication modules 122 and 222 perform the architecture and operation according to FIG. 5 .
  • 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 to exchange control information and packets required for wireless power transmission there is.
  • the communication/control circuitry 120 may be configured to operate a profile for wireless charging.
  • the profile for wireless charging may be GATT using BLE transmission.
  • FIG. 7 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 the in-band communication modules 121 and 221, respectively, and the BLE communication modules 122 and 222 include the communication/control circuits 120 and 222, respectively. 220) is also possible.
  • a coil or a coil unit may be referred to as a coil assembly, a coil cell, or a cell including a coil and at least one element close to the coil.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 communicate for the purpose of configuring and controlling power transmission.
  • the power signal may provide a carrier for all communications, and a protocol for communications may be composed of several steps.
  • the communication protocol will be described.
  • FIG. 8 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure.
  • BPP Baseline protocol
  • EPP Extended protocol
  • FOD foreign object detection
  • the power transmission operation between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 includes a ping phase 810 (Ping Phase) and a configuration phase 820. It may be divided into a configuration phase, a negotiation phase 830 (Negotiation Phase), and a power transfer phase.
  • the wireless power transmitter 100 may attempt to establish communication with the wireless power receiver 200. Before attempting to establish communication, measurements may be taken, which may determine if there are any objects such as bank cards, coins, or other metals that may be damaged or heated during power transfer. Here, this measurement may be performed without waking up the wireless power receiver 200 .
  • the wireless power transmitter 100 obtains design information from the wireless power receiver 200 and then concludes whether the detected metal is a foreign object or a friendly metal in the negotiation phase. (830) can be postponed.
  • the wireless power receiver 200 may send basic identification and configuration data to the wireless power receiver 200.
  • both the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may generate a baseline power transfer contract using this information.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may determine whether to continue the baseline protocol or the extended protocol in the configuration phase 820 .
  • the wireless power receiver 200 may use functions such as enhanced FOD, data transport stream, and authentication only when implementing an extended protocol.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may establish an extended power transfer contract including additional settings and restrictions. Also, the wireless power receiver 200 may provide design information to the wireless power transmitter 100 . Later, the design information can be used to complete the FOD before transitioning to power delivery phase 840 .
  • the negotiation phase 830 may correspond to a phase that does not exist in the baseline protocol.
  • the power delivery phase 840 may be a phase in which power is delivered to the load of the wireless power receiver 200 .
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may perform system calibration when this step starts. This step may occasionally be interrupted to renegotiate elements of the power delivery contract. However, power delivery may continue during this renegotiation.
  • the wireless power transmitter 100 does not yet know whether the wireless power receiver 200 is within the operating volume. In addition, the wireless power transmitter 100 cannot recognize the wireless power receiver 200. For that reason, this system is usually inactive due to lack of power signal.
  • the wireless power transmitter 100 may go through the following steps.
  • the wireless power transmitter 100 may perform analog ping (S910). That is, the wireless power transmitter 100 may transmit an analog ping to determine whether an object exists in an operating volume. For example, the wireless power transmitter may detect whether an object exists within the operating space based on a current change of a transmission coil or a primary coil.
  • the wireless power transmitter 100 may apply NFC tag protection (S920).
  • NFC tag protection may be performed through the following procedure.
  • the wireless power transmitter 100 determines that the NFC tag cannot withstand the power signal, the digital ping is not started and the ping phase is maintained, and the wireless power transmitter 100 may inform the user of the reason why it cannot continue there is.
  • the wireless power transmitter 100 may detect foreign matter (S930). That is, the wireless power transmitter 100 may collect information that is helpful in determining whether foreign substances other than the wireless power receiver 200 exist. To this end, the wireless power transmitter 100 may use various methods such as a pre-power FOD method.
  • the radio power receiver may not operate.
  • the wireless power transmitter 100 may start digital ping (S940).
  • the digital ping may request a response such as a signal strength (SIG) data packet or an end power transfer (EPT) data packet from the wireless power receiver 200 .
  • SIG signal strength
  • EPT end power transfer
  • the wireless power transmitter 100 may receive SIG or EPT from the wireless power receiver 200 (S950).
  • the SIG data packet may provide a measurement of coupling, and the SIG data packet may include information about a signal strength value.
  • the EPT data packet may provide a request for stopping power transmission and a reason for the request.
  • the wireless power transmitter 100 stays in the ping phase 810 and repeats the above steps.
  • the configuration phase 820 is part of the protocol as follows.
  • the wireless power receiver 200 may identify itself to the wireless power transmitter 100.
  • the wireless power receiver 200 and the wireless power transmitter 100 may establish a baseline power transfer contract.
  • the wireless power receiver 200 and the wireless power transmitter 100 may determine a protocol variant to be used for power transmission.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may continue to operate using the digital ping parameter. This may mean that the power and current levels of both the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 change only when the user moves the wireless power receiver 200 at a location within the operating volume.
  • FIG. 10 schematically illustrates an example of the protocol of the configuration phase 820 .
  • the wireless power transmitter 100 may receive identification (ID) from the wireless power receiver 200 (S1010).
  • the wireless power transmitter 100 may also receive XID (extended identification) from the wireless power receiver 200 (S1020). That is, the wireless power receiver 200 may identify itself using an ID data packet and, optionally, an XID data packet.
  • the wireless power transmitter 100 may selectively receive a power control hold-off (PCH) data packet from the wireless power receiver 200 (S1030), and the wireless power transmitter 100 may receive a CFG from the wireless power receiver 200.
  • a data packet may be received (S1040). That is, the wireless power receiver 200 may provide data for use in a power transmission contract using PCH and/or CFG data packets.
  • PCH power control hold-off
  • the wireless power transmitter 100 may check the extended protocol if possible (S1050).
  • the ID data packet may be information for identifying the wireless power receiver 200.
  • the ID may include a manufacturer code, a basic device identifier, and the like.
  • the ID may also include information for identifying the presence or absence of the XID data packet in the setting phase.
  • XID data packets may contain additional identification data.
  • the PCH data packet may constitute a delay between reception of the CE data packet and the wireless power transmitter 100 starting to adjust the coil current.
  • the CFG data packet may provide basic configuration data.
  • CFG data packets may provide all parameters governing power transfer in the baseline protocol.
  • the CFG data packet can provide all FSK communication parameters used in the extended protocol.
  • the CFG data packet may provide additional functions of the wireless power receiver 200.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a message field of a configuration packet (CFG) of a wireless power receiver according to an embodiment.
  • CFG configuration packet
  • a configuration packet may have a header value of 0x51, and a message field of the configuration packet (CFG) includes a 1-bit authentication (AI) flag and a 1-bit outband (OB). ) flags may be included.
  • AI authentication
  • OB outband
  • the authentication flag (AI) indicates whether the wireless power receiver supports the authentication function. For example, if the value of the authentication flag (AI) is '1', it indicates that the wireless power receiver supports an authentication function or can operate as an authentication initiator, and the value of the authentication flag (AI) is '0' may indicate that the wireless power receiver does not support the authentication function or cannot operate as an authentication initiator.
  • the out-of-band (OB) flag indicates whether the wireless power receiver supports out-of-band communication. For example, if the value of the out-of-band (OB) flag is '1', the wireless power receiver instructs out-band communication, and if the value of the out-of-band (OB) flag is '0', the wireless power receiver performs out-of-band communication. can indicate that it does not support .
  • ID and/or XID as described above is for identification.
  • PCH and/or CFG is for building a power delivery contract.
  • the negotiation phase 830 is a part of an extended protocol in which the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 can change a power transmission contract. There are two types of this step.
  • the negotiation phase 830 directly follows the configuration phase 820 and serves to create an initial extended power transfer contract.
  • the negotiation phase 830 also serves to complete the pre-power FOD function.
  • the length of the negotiation phase is not limited.
  • the renegotiation phase may interrupt the power delivery phase 840 multiple times and generally serves to coordinate a single element of the power delivery contract.
  • FOD/qf, FOD/rf and SRQ/rpr data packets may not be used in the renegotiation phase.
  • the constraint on CE data packets in the power transfer phase 840 limits the length of the renegotiation phase.
  • the power transfer contract related to the reception/transmission of wireless power between the wireless power receiver and the wireless power transmitter is expanded or changed, or at least some of the elements of the power transfer contract are adjusted. Renewal of a power transmission contract to be performed, or exchange of information for establishing out-of-band communication may be performed.
  • FIG. 12 is a flowchart schematically illustrating a protocol of a negotiation step or a renegotiation step according to an embodiment.
  • the wireless power transmitter 100 may receive an FOD status data packet (eg FOD) from the wireless power receiver 200 (S1210).
  • FOD FOD status data packet
  • the wireless power receiver 200 may inform the wireless power transmitter 100 of the influence of the presence of the FOD on the selected attribute of the reference wireless power transmitter 100 by using the FOD status data packet.
  • the wireless power transmitter 100 may configure the FOD function using this information.
  • the wireless power transmitter 100 may transmit ACK/NAK for the FOD status data packet to the wireless power receiver 200 (S1215).
  • the wireless power receiver 200 may receive an identification data packet (ID), capabilities data packet (CAP), and extended CAP (XCAP) of the wireless power transmitter 100 by using a general request data packet (GRQ).
  • ID identification data packet
  • CAP capabilities data packet
  • XCAP extended CAP
  • the general request packet may have a header value of 0x07 and may include a 1-byte message field.
  • a message field of the general request packet (GRQ) may include a header value of a data packet requested by the wireless power receiver 200 to the wireless power transmitter 100 using the GRQ packet.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a GRQ packet (GRQ/id) requesting an ID packet of the wireless power transmitter 100 to the wireless power transmitter 100 (S1220).
  • GRQ/id GRQ/id
  • the wireless power transmitter 100 may transmit an ID packet to the wireless power receiver 200 (S1225).
  • the ID packet of the wireless power transmitter 100 includes information on 'Manufacturer Code'.
  • the ID packet including information on the 'Manufacturer Code' enables identification of the manufacturer of the wireless power transmitter 100.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a GRQ packet (GRQ/cap) requesting a capability packet (CAP) of the wireless power transmitter 100 to the wireless power transmitter 100 ( S1230).
  • GRQ/cap GRQ packet
  • a message field of GRQ/cap may include a header value (0x31) of a performance packet (CAP).
  • the wireless power transmitter 100 may transmit a capability packet (CAP) to the wireless power receiver 200 (S1235).
  • CAP capability packet
  • the wireless power receiver 200 may transmit a GRQ packet (GRQ/xcap) requesting a capability packet (CAP) of the wireless power transmitter 100 to the wireless power transmitter 100 ( S1240).
  • GRQ/xcap may include the header value (0x32) of the performance packet (XCAP).
  • the wireless power transmitter 100 may transmit a capability packet (XCAP) to the wireless power receiver 200 (S1245).
  • XCAP capability packet
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a message field of a capability packet (CAP) of a wireless power transmitter according to an embodiment.
  • CAP capability packet
  • a capability packet (CAP) may have a header value of 0x31 and may include a message field of 3 bytes, referring to FIG. 19 .
  • a 1-bit authentication (AR) flag and a 1-bit out-of-band (OB) flag may be included in the message field of the capability packet (CAP).
  • the authentication flag AR indicates whether the wireless power transmitter 100 supports the authentication function. For example, if the value of the authentication flag (AR) is '1', it indicates that the wireless power transmitter 100 supports the authentication function or operates as an authentication responder, and the value of the authentication flag (AR) If this is '0', it may indicate that the wireless power transmitter 100 does not support the authentication function or cannot operate as an authentication responder.
  • the out-of-band (OB) flag indicates whether the wireless power transmitter 100 supports out-of-band communication. For example, if the value of the out-of-band (OB) flag is '1', the wireless power transmitter 100 instructs out-of-band communication, and if the value of the out-of-band (OB) flag is '0', the wireless power transmitter 100 may indicate that out-of-band communication is not supported.
  • the wireless power receiver 200 may receive the capability packet (CAP) of the wireless power transmitter 100 and check whether the wireless power transmitter 100 supports an authentication function and supports out-of-band communication.
  • CAP capability packet
  • the wireless power receiver 200 uses at least one specific request data packet (SRQ) in the negotiation phase or the renegotiation phase to form a power transfer contract related to power to be provided in the power transfer phase.
  • Contract) elements can be updated (S1250), and ACK/NAK for this can be received (S1255).
  • the wireless power receiver 200 transmits SRQ/en to the wireless power transmitter 100 (S1260), and receives an ACK from the wireless power transmitter 100 It can (S1265).
  • the power delivery phase 840 is a part of a protocol in which actual power is transmitted to the load of the wireless power receiver 200 .
  • power transfer may proceed according to the conditions of the power transfer contract generated in the negotiation phase 830 .
  • the wireless power receiver 200 may control the power level by transmitting control error (CE) data measuring a deviation between a target and an actual operating point of the wireless power receiver 200 to the wireless power transmitter 100. there is.
  • CE control error
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 aim to make the control error data zero, at which point the system operates at the target power level.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may exchange information to facilitate FOD.
  • the wireless power receiver 200 regularly reports the amount of received power (received power level) to the wireless power transmitter 100, and the wireless power transmitter 100 determines whether or not a foreign substance is detected. The receiver 200 may be notified.
  • a method that may be used for FOD in the power delivery phase may correspond to power loss calculation, for example.
  • the wireless power transmitter 100 compares the received power level reported by the wireless power receiver 200 with the amount of transmit power (transmit power level) and when the difference exceeds a threshold value, the wireless power receiver 200 ) can be sent a signal (about whether foreign substances have been monitored).
  • the wireless power transmitter 100 or the wireless power receiver 200 may request renegotiation of a power transmission contract during a power transfer phase.
  • An example of a changed situation in which a renegotiation of a power transmission contract may occur may be as follows.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may start a data transmission stream and exchange application level data throughout the power delivery phase 840 .
  • the wireless power receiver 200 may want to check the credentials of the wireless power transmitter 100 to determine whether the wireless power transmitter 100 can be trusted to safely operate at a high power level. Having the proper credentials can mean that the compliance test has passed.
  • the present specification may provide a method of starting power delivery at a low power level and controlling power to a higher level only after successfully completing an authentication protocol.
  • FIG. 14 schematically illustrates a flow diagram of data flow for power transfer phase 840 in the baseline protocol.
  • the wireless power receiver 200 may transmit CE to the wireless power transmitter 100 (S1410).
  • the wireless power receiver 200 may generally transmit CE data packets several times per second.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a received power (RP) data packet (RP8 in the baseline protocol) to the wireless power transmitter 100 generally once every 1.5 seconds (S1420).
  • RP received power
  • the wireless power receiver 200 may transmit a charge status (CHS) data packet to the wireless power transmitter 100 (S1430).
  • CHS charge status
  • CE data packets can provide feedback on the desired power level.
  • the CE data packet may include a control error value, where the control error value may be a signed integer value that is a relative measurement value for a deviation between an actual operating point and a target operating point of the wireless power receiver 200. . If the control error value at this time is a positive value, it indicates that the actual operating point is below the target operating point, and may request the wireless power transmitter 100 to increase the power signal. If the control error value is a negative value, it indicates that the actual operating point is above the target operating point, and the wireless power transmitter 100 may be requested to reduce the power signal.
  • the RP8 data packet may report the received power level.
  • the RP8 data packet may be included only in the baseline protocol.
  • a CHS data packet can provide the charge level of the battery in the load.
  • 15 schematically illustrates a flow diagram of data flow for power transfer phase 840 in the extended protocol.
  • the wireless power receiver 200 may transmit CE to the wireless power transmitter 100 (S1510).
  • the wireless power receiver 200 may generally transmit CE data packets several times per second.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a received power (RP) data packet (RP in the extended protocol) to the wireless power transmitter 100 generally once every 1.5 seconds (S1515).
  • RP received power
  • control error packet (CE) and the received power packet (RP) are data packets that must be repeatedly transmitted/received according to required timing constraints for wireless power control.
  • the wireless power transmitter 100 may control the level of wireless power to be transmitted based on the control error packet (CE) and the received power packet (RP) received from the wireless power receiver 200 .
  • CE control error packet
  • RP received power packet
  • the wireless power transmitter 100 may respond to the received power packet (RP) with a bit pattern such as ACK, NAK, or ATN (S1520).
  • the wireless power transmitter 100 When the wireless power transmitter 100 responds with an ACK to the received power packet (RP/0) having a mode value of 0, it means that power transmission can continue at the current level.
  • the wireless power transmitter 100 responds with an NAK to the received power packet (RP/0) having a mode value of 0, it means that the wireless power receiver 200 should reduce power consumption.
  • the wireless power receiver 200 responds to the received power packet (RP/1 or RP/2) It means that the power correction value included in RP/2) has been accepted.
  • the wireless power transmitter 100 responds with NAK to the received power packet (RP/1 or RP/2) having a mode value of 1 or 2, so that the wireless power receiver 200 receives the received power packet (RP/1 or RP/2). It means that the power correction value included in RP/2) was not accepted.
  • the previously described received power packet (RP/1) with a mode value of 1 may mean a first calibration data point, and the received power packet (RP/2) with a mode value of 2 is additional calibration data. It may mean an additional calibration data point.
  • the wireless power receiver may transmit a plurality of additional power correction values by transmitting a received power packet (RP/2) having a mode value of 2 to the wireless power transmitter several times, and the wireless power transmitter may transmit a plurality of additional power correction values.
  • a calibration procedure may be performed based on the dog's RP/2.
  • the wireless power transmitter 100 When the wireless power transmitter 100 responds to the received power packet (RP) with ATN, it means that the wireless power transmitter 100 requests permission of communication. That is, the wireless power transmitter 100 may transmit an attention (ATN) response pattern to request permission to transmit a data packet in response to the RP data packet. In other words, the wireless power transmitter 100 may request permission to transmit the data packet from the wireless power receiver 200 by transmitting ATN to the wireless power receiver 200 in response to the RP data packet.
  • ATN attention
  • the wireless power receiver 200 may transmit a charge status (CHS) data packet to the wireless power transmitter 100 (S1525).
  • CHS charge status
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 in order to initiate renegotiation for an element (generally guaranteed load power) in a power transmission contract, DSR (data stream response) data packet, CAP data packets, NEGO data packets can be exchanged.
  • DSR data stream response
  • the wireless power receiver 200 may transmit a DSR data packet to the wireless power transmitter 100 (S1530), and the wireless power transmitter 100 may transmit a CAP to the wireless power receiver 200 (S1535).
  • the wireless power receiver 200 transmits a NEGO data packet to the wireless power transmitter 100 (S1540), and the wireless power transmitter 100 responds to the NEGO data packet. Can transmit an ACK to the wireless power receiver 200 Yes (S1545).
  • i) 0x00-DSR/nak indicates that the last received data packet of the wireless power transmitter 100 is rejected.
  • iii) 0x55-DSR/nd indicates that the last received data packet of the wireless power transmitter 100 was not expected.
  • the CAP data packet provides information about the function of the wireless power transmitter 100. Details are as described above.
  • the NEGO data packet may request the wireless power transmitter 100 to proceed to the renegotiation step.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may use auxiliary data transport (ADC), auxiliary data transport (ADT), and DSR data packets to exchange application level data.
  • ADC auxiliary data transport
  • ADT auxiliary data transport
  • DSR DSR data packets
  • the wireless power receiver 200 may transmit ADC/ADT to the wireless power transmitter 100 (S1550), and the wireless power transmitter 100 accordingly In response, ACK/NAK may be transmitted to the wireless power receiver 200 (S1555).
  • the wireless power receiver 200 may transmit DSR to the wireless power transmitter 100 (S1560), and the wireless power transmitter may transmit ADC/ADT to the wireless power receiver (S1565).
  • the data transport stream serves to deliver application level data from the data stream initiator to the data stream responder.
  • application level data can be largely classified into i) authentication application and ii) proprietary (general purpose) application.
  • Messages/information related to authentication applications among application level data can be organized as follows.
  • a message used in an authentication procedure is called an authentication message.
  • Authentication messages are used to convey information related to authentication. There are two types of authentication messages. One is an authentication request and the other is an authentication response. An authentication request is sent by an authentication initiator, and an authentication response is sent by an authentication responder.
  • the wireless power transmitter and receiver 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, GET_CERTIFICATE, and CHALLENGE.
  • This request can be used to retrieve certificate chain digests.
  • the wireless power receiver 200 may request a desired number of digests at one time.
  • This request can be used to read a segment of the target certificate chain.
  • This request may be used to initiate certification of Power Transmitter Product Devices.
  • the authentication response message includes DIGESTS, CERTIFICATE, CHALLENGE_AUTH, and ERROR.
  • the wireless power transmitter 100 may send a certificate chain summary using a DIGESTS response and report a slot including a valid certificate chain summary.
  • This response may be used by the wireless power transmitter 100 to send the requested segment of the certificate chain.
  • the wireless power transmitter 100 may respond to the CHALLENGE request using CHALLENGE_AUTH.
  • This response may be used to transmit error information in the power transmitter.
  • the authentication message may be called an authentication packet, or may be called authentication data or authentication control information. Also, messages such as GET_DIGEST and DIGESTS may be called GET_DIGEST packets and DIGEST packets.
  • the wireless power receiver 200 and the wireless power transmitter 100 may transmit application level data through a data transport stream.
  • Application level data delivered through a data transport stream may consist of a sequence of data packets having the following structure.
  • 16 illustrates an application-level data stream between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 according to an example.
  • the data stream may include auxiliary data control (ADC) data packets and/or auxiliary data transport (ADT) data packets.
  • ADC 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 a data transport stream may be limited to 2047.
  • ACK or NAC is used to inform whether ADC data packets and ADT data packets are normally received.
  • control information necessary for wireless charging such as a control error packet (CE) or DSR, may be transmitted.
  • CE control error packet
  • DSR DSR
  • authentication related information or other application level information may be transmitted and received between the wireless power transmitter and the receiver.
  • FIG. 17 illustrates a power control method according to an embodiment.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may control the amount of power transmitted by performing communication together with power transmission/reception.
  • a wireless power transmitter and a wireless power receiver operate at a specific control point.
  • the control point represents a combination of voltage and current provided from an output terminal of the wireless power receiver when power transfer is performed.
  • the wireless power receiver selects the desired control point - the desired output current/voltage, temperature of a specific location of the mobile device, and additionally selects the actual control point currently operating (actual control point). ) to determine
  • the wireless power receiver may calculate a control error value using the desired control point and the actual control point, and transmit it as a control error packet to the wireless power transmitter.
  • the wireless power transmitter can control power transfer by setting/controlling new operating points—amplitude, frequency, and duty cycle—using the received control error packet. Therefore, the control error packet is transmitted/received at regular time intervals in the strategy transfer step.
  • the control error value is negative, and when the current is to be increased, the control error It can be transmitted by setting the value to a positive number. In this way, in the induction mode, the wireless power receiver can control power transfer by transmitting a control error packet to the wireless power transmitter.
  • resonance mode it can operate in a different way than in induction mode.
  • one wireless power transmitter In the resonance mode, one wireless power transmitter must be able to simultaneously serve a plurality of wireless power receivers.
  • the wireless power transmitter commonly transmits basic power, and the wireless power receiver controls the resonance frequency of the wireless power receiver to control the amount of power received.
  • the method described in FIG. 17 is not completely excluded, and additional transmission power control may be performed by the method of FIG. 17 .
  • Wireless charging methods include a magnetic induction method using a magnetic induction phenomenon between a primary coil and a secondary coil, and a magnetic resonance method in which magnetic resonance is achieved using a frequency in a band of several tens of kHz to several MHz to transmit power.
  • the wireless charging standard for the magnetic resonance method is led by a conference called A4WP
  • the magnetic induction method is led by the WPC (Wireless Power Consortium).
  • the WPC is designed to exchange various status information and commands related to the wireless charging system in-band.
  • BPP baseline power profile
  • EPP extended power profile
  • BPP Baseline power profile
  • BPP relates to a power transfer profile between a wireless power transmitter and a receiver supporting power transmission of up to 5W. And, in BPP, unidirectional communication from a wireless power receiver to a wireless power transmitter is supported. The communication method at this time may correspond to amplitude shift keying (ASK). In BPP, protocol phases of ping, setup, and power delivery may exist.
  • ASK amplitude shift keying
  • EPP relates to a power transfer profile between a wireless power transmitter and a receiver supporting power transmission of up to 15W. And, in the EPP, bidirectional communication between the wireless power receiver and the wireless power transmitter is supported.
  • a communication method from the wireless power receiver to the wireless power transmitter may correspond to amplitude shift keying (ASK), and a communication method from the wireless power transmitter to the wireless power receiver may correspond to frequency shift keying (FSK).
  • ASK amplitude shift keying
  • FSK frequency shift keying
  • protocol phases of ping, setup, negotiation, and power transfer may exist.
  • EPP may correspond to a higher profile of BPP.
  • the EPP wireless power transmitter may operate as the BPP wireless power transmitter.
  • the EPP wireless power receiver may operate as the BPP wireless power receiver.
  • EPP can maintain compatibility with BPP.
  • the EPP wireless power receiver may indicate that it is an EPP wireless power receiver by setting the 'neg' bit in the configuration packet (i.e. CFG) to 1.
  • CFG configuration packet
  • a specific example of the configuration packet is as described above.
  • the EPP wireless power transmitter may respond to the wireless power receiver with an ACK FSK bit pattern.
  • the BPP wireless power transmitter since the BPP wireless power transmitter does not support the FSK communication method, the BPP wireless power transmitter cannot transmit the FSK bit pattern. Accordingly, the EPP wireless power receiver that has transmitted the configuration packet to the BPP wireless power transmitter with the 'neg' bit set to 1 does not receive the ACK response, thereby identifying that the other wireless power transmitter is the BPP wireless power transmitter. .
  • MPP magnetic power profile
  • MPP relates to a power transfer profile between a wireless power transmitter and a receiver supporting power transmission of up to 15W. And, in MPP, bidirectional communication between a wireless power receiver and a wireless power transmitter is supported.
  • a communication method from the wireless power receiver to the wireless power transmitter may correspond to amplitude shift keying (ASK), and a communication method from the wireless power transmitter to the wireless power receiver may correspond to frequency shift keying (FSK).
  • ASK amplitude shift keying
  • FSK frequency shift keying
  • protocol phases of ping, setup, MPP negotiation, and MPP power delivery may exist.
  • MPP may correspond to a higher profile of BPP.
  • the MPP wireless power transmitter may operate as the BPP wireless power transmitter.
  • the MPP wireless power receiver when placed on a BPP wireless power transmitter, the MPP wireless power receiver can operate as a BPP wireless power receiver.
  • MPP can maintain compatibility with BPP.
  • the MPP wireless power receiver may use a specific MPP indicator in an extended ID packet.
  • An ID packet transmitted by the MPP wireless power receiver may be as follows.
  • the value of the major version field from b4 to b7 of B0 may be set to 1.
  • the value of the minor version field from b0 to b3 of B0 may be a value determined later.
  • values of manufacturer codes of B1 and B2 may be allocated as PRMC codes.
  • the value of the 'ext' field of b7 of B3 may be set to 1 to indicate that an additional XID packet is transmitted.
  • values of random identifier fields of b0 to b6 of B3 and b3 to b7 of B4 and B5 may be set according to a random device identification policy.
  • an XID packet in MPP may include an 'XID Selector' field, a 'Restricted' field, a 'Freq Mask' field, and the like.
  • whether MPP is supported can be determined according to whether the value of 'XID selector' is 0xFE. That is, when the value of B_0 of the XID is 0xFE, the XID at this time may correspond to information notifying that the wireless power receiver supports MPP.
  • the 'Restricted' field may correspond to information indicating whether the wireless power receiver operates in the MPP restricted mode or the MPP full mode. If the wireless power receiver selects to operate in the MPP limited mode, the above field may be set to 1. Meanwhile, in other cases (eg, when the wireless power receiver selects not to operate in the MPP limited mode), the above field may be set to 0.
  • the 'Preferred Frequency' field may mean an MPP preferred frequency.
  • the wireless power receiver may set this field to 128 kHz if it wishes to retrieve information from the wireless power transmitter before frequency switching (in the negotiation phase). In other cases, the wireless power receiver may set this field to 360 kHz.
  • the 'Freq Mask' field corresponds to a field for determining whether an operating frequency of 360 kHz is supported. That is, when the 'Freq Mask' field is set to 0, 360 kHz is supported.
  • the wireless power transmitter determines whether the 'Ext' bit of the ID received from the wireless power receiver is set to 1 and determines whether B_0 of the XID is set to 0xFE. support can be determined.
  • the MPP wireless power transmitter can use the information contained in the ID and XID packets to perform a digital ping and identify the receiver.
  • the wireless power transmitter may determine that the wireless power receiver supports MPP when all of the following conditions are satisfied.
  • the lower header (byte 0) of the XID packet is set as the MPP selector.
  • the wireless power transmitter may proceed with subsequent procedures according to the Qi v1.3 specification.
  • the wireless power transmitter performs the following.
  • MPP restricted mode when 'restricted' flag is set to 1.
  • MPP full mode when 'restricted' flag is set to 0.
  • the MPP wireless power transmitter when the MPP wireless power transmitter receives a setup packet in which the 'neg' bit is set to 1 from the wireless power receiver, the MPP wireless power transmitter (in the MPP pull mode) receives an MPP ACK FSK bit pattern for this It can respond to the wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter in the MPP limited mode since the wireless power transmitter in the MPP limited mode does not support the FSK communication method, the wireless power transmitter in the MPP limited mode cannot transmit the FSK bit pattern. However, since the wireless power transmitter in MPP limited mode uses a 360 kHz operation signal for power transfer, the 'neg' bit is set to 1 and the configuration packet is transmitted to the wireless power transmitter operating in MPP limited mode.
  • the MPP wireless power receiver may identify that the counterpart wireless power transmitter is the wireless power transmitter in the MPP limited mode through the operating frequency.
  • MPP Mobility GP
  • MPP Restricted mode in other words, MPP baseline profile
  • MPP Full mode in other words, MPP full profile
  • the 'restricted' field in XID is set to 1, but in MPP full mode, the 'restricted' field in XID is set to 0.
  • FSK communication is not supported in the MPP limited mode, but FSK communication may be supported in the MPP full mode.
  • MPP negotiation is not supported in MPP limited mode.
  • FSK communication is supported in the MPP full mode, an MPP ACK for the CFG can be transmitted. Accordingly, MPP negotiation can be supported in the MPP full mode.
  • the MPP limited mode may be mixed with the MPP baseline profile
  • the MPP full mode may be mixed with the MPP full profile
  • FSK communication is not supported in MPP restricted mode. That is, in the MPP limited mode, there may not be a data packet transmitted from the wireless power transmitter to the wireless power receiver.
  • MPP limited mode there may not be a data packet transmitted from the wireless power transmitter to the wireless power receiver.
  • the wireless power receiver may transmit SIG to the wireless power transmitter on a first operating frequency (eg, 128 kHz).
  • the first operating frequency may correspond to an operating frequency at which BPP and/or EPP may be performed.
  • the first operating frequency at this time corresponds to the frequency at which the wireless power transmitter is driven.
  • the wireless power receiver may transmit an ID packet to the wireless power transmitter on a first operating frequency.
  • the 'ext' bit of the ID may be set to 1 to indicate that the XID is additionally transmitted.
  • the wireless power receiver may transmit an XID packet to the wireless power transmitter on a first operating frequency.
  • the value of B0 in the XID may be 0xFE, and if the value of B0 in the XID is set to 0xFE, this may correspond to information notifying that the wireless power receiver supports MPP.
  • the 'Restricted' field in the XID at this time may be set to 1 so that the wireless power receiver can inform that it operates in the MPP restricted mode.
  • the wireless power transmitter may remove the power signal and restart the ping phase at a new operating frequency.
  • the wireless power receiver starts again from transmitting the SIG.
  • the operating frequency at this time may be the second operating frequency (eg, 360 kHz).
  • the wireless power receiver transmits ID, XID, and CFG packets to the wireless power transmitter at the second operating frequency, respectively.
  • the wireless power receiver may receive wireless power based on the MPP baseline from the wireless power transmitter by transmitting the CEP to the wireless power transmitter.
  • FSK communication may be supported in the MPP pull mode. That is, in the MPP full mode, there may be data packets transmitted from the wireless power transmitter to the wireless power receiver. In other words, MPP negotiation or the like may be performed between the wireless power transmitter and the wireless power receiver. Under this background, the protocol in the MPP full mode will be described through the drawings.
  • 21 and 22 schematically show protocols in MPP pull mode.
  • the wireless power receiver may transmit SIG to the wireless power transmitter on a first operating frequency (eg, 128 kHz).
  • the first operating frequency may correspond to an operating frequency at which BPP and/or EPP may be performed.
  • the first operating frequency at this time corresponds to the frequency at which the wireless power transmitter is driven.
  • the wireless power receiver may transmit an ID packet to the wireless power transmitter on a first operating frequency.
  • the 'ext' bit of the ID may be set to 1 to indicate that the XID is additionally transmitted.
  • the wireless power receiver may transmit an XID packet to the wireless power transmitter on a first operating frequency.
  • the value of B0 in the XID may be 0xFE, and if the value of B0 in the XID is set to 0xFE, this may correspond to information notifying that the wireless power receiver supports MPP.
  • the 'Restricted' field in the XID at this time may be set to 0 to notify that the wireless power receiver operates in the MPP full mode.
  • the power signal is not removed even though the wireless power transmitter receives the XID packet from the wireless power receiver. At this time, since the power signal is still not removed, the wireless power receiver transmits the CFG packet after the XID packet to the wireless power transmitter.
  • the wireless power receiver may receive an MPP ACK from the wireless power transmitter as a response to the CFG packet.
  • the wireless power receiver receiving the MPP ACK enters a negotiation phase with the wireless power transmitter, and both the wireless power receiver and the wireless power transmitter may proceed with negotiation.
  • the wireless power receiver may enter a power delivery phase with the wireless power transmitter.
  • the wireless power receiver transmits an EPT packet to the wireless power transmitter.
  • the wireless power transmitter that has received the EPT packet removes the power signal and can then restart the ping phase at a new operating frequency.
  • the wireless power receiver starts again from SIG transmission.
  • the operating frequency at this time may be the second operating frequency (eg, 360 kHz).
  • the wireless power receiver transmits ID, XID, and CFG packets to the wireless power transmitter at the second operating frequency, respectively. And, the wireless power receiver can receive the MPP ACK from the wireless power transmitter.
  • the wireless power receiver receiving the MPP ACK enters a negotiation phase with the wireless power transmitter at the second operating frequency, and both the wireless power receiver and the wireless power transmitter may proceed with negotiation.
  • the wireless power receiver After negotiation, the wireless power receiver enters a power transfer phase with the wireless power transmitter at the second operating frequency.
  • the wireless power receiver may receive wireless power based on the MPP pull mode from the wireless power transmitter by transmitting XCE to the wireless power transmitter and responding thereto (eg, receiving an ACK).
  • Wireless charging methods include a magnetic induction method using a magnetic induction phenomenon between a primary coil and a secondary coil, and a magnetic resonance method in which magnetic resonance is achieved using a frequency in a band of several tens of kHz to several MHz to transmit power.
  • the wireless charging standard for the magnetic resonance method is led by a conference called A4WP
  • the magnetic induction method is led by the WPC (Wireless Power Consortium).
  • the WPC is designed to exchange various status information and commands related to the wireless charging system in-band.
  • BPP baseline power profile
  • EPP extended power profile
  • the market wants to provide a new power delivery profile different from BPP or EPP in a wireless power delivery system, and as part of that, Apple has recently proposed a MagSafe, that is, an MPP profile.
  • FIG. 23 is an exploded view of a coil module for an example of a MagSafe-only receiver.
  • a permanent magnet is included outside the coil included in the exclusive MagSafe receiver. Due to the permanent magnets included in the wireless power transmitter according to Magsafe, when the exclusive receiver for Magsafe is located on the surface of the wireless power transmitter according to Magsafe, due to the attraction between the two permanent magnets, the center of the transmit/receive coil Inter-alignment can be made.
  • a multi-coil wireless power transmitter including a permanent magnet that is, a multi-coil wireless charging system, is proposed as one means of solving the corresponding issue.
  • this specification proposes a configuration in which a permanent magnet is applied to a WPC standard transmission coil.
  • a permanent magnet is applied to a WPC standard transmission coil.
  • MP-A12 which is a representative WPC standard transmission coil widely used as a wireless charger for vehicles.
  • this is only for the convenience of understanding the present specification, and an embodiment of the present specification, that is, an example of applying a permanent magnet to a charging coil may be applied to coils in other standards as well as WPC.
  • the configuration according to the present specification may correspond to an effective means for enabling an existing WPC standard transmitting coil system to support charging of a 'MagSafe' dedicated receiving device.
  • the wireless power transmitter 100 that can be a reference model will be described.
  • FIG. 24 schematically illustrates the structure of a wireless power transmitter 100 that can be a reference model.
  • a coil of the MP-A12 type may be a reference model of the wireless power transmitter 100.
  • the wireless power transmitter 100 may include a plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 that transmit wireless power through magnetic coupling with the secondary coil 2001 of the wireless power receiver 200. .
  • the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 include a first bottom coil 1011 and a second bottom coil 1012 disposed side by side in the width direction on a first plane without overlapping with each other, and the first plane It may include a top coil 1021 disposed on a second plane located above.
  • One side of the top coil 1021 may be positioned above the first bottom coil 1011 and the other side of the top coil 1021 may be positioned above the second bottom coil 1012 .
  • inductances of the first bottom coil 1011, the top coil 1021, and the second bottom coil 1012 may have values shown in the table below.
  • the self inductance of the first bottom coil 1011 may be L_0
  • the self inductance of the top coil 1021 may be L_1
  • the self inductance of the second bottom coil 1012 may be L_2.
  • the resistances of the first bottom coil 1011, top coil 1021, and second bottom coil 1012 may have values as shown in the table below.
  • the resistance of the first bottom coil 1011 may be R_0
  • the resistance of the top coil 1021 may be R_1
  • the resistance of the second bottom coil 1012 may be R_2.
  • the quality factors (e.g. Q-factor) of the first bottom coil 1011, top coil 1021, and second bottom coil 1012 are the values shown in the table below. can have In the table below, the quality factor of the first bottom coil 1011 may be Q_0, the quality factor of the top coil 1021 may be Q_1, and the quality factor of the second bottom coil 1012 may be Q_2.
  • FIGS. 25 and 26 schematically show the structure of the wireless power receiver 200 that can be a reference model.
  • the number of windings of the secondary coil 2001 of the wireless power receiver 200 may be 15.
  • the inner diameter of the secondary coil 2001 in the wireless power receiver 200 may be 20 mm
  • the outer diameter of the coil of the wireless power receiver 200 may be 40.5 mm.
  • the inductance and resistance of the secondary coil 2001 of the wireless power receiver 200 may have values as shown in the table below.
  • the inductance of the secondary coil 2001 may be L_s and the resistance of the coil may be R_s.
  • the wireless power transmitter 100 which can be the reference model described above, a configuration in which permanent magnets 103 are disposed on top of the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 may be considered.
  • a description of the structure at this time may be as follows.
  • 27 and 28 schematically show a structure in which permanent magnets 103 are disposed in a plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021.
  • permanent magnets 103 may be disposed above the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 serving as reference models.
  • the wireless power transmitter 100 includes a plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 that transmit wireless power through magnetic coupling with the secondary coil 2001 of the wireless power receiver 200 and the plurality of The primary coils 1011, 1012, and 1021 may include a permanent magnet 103 disposed not to overlap.
  • the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 include a first bottom coil 1011 and a second bottom coil 1012 disposed side by side in the width direction on a first plane without overlapping with each other, and the first plane It may include a top coil 1021 disposed on a second plane located above.
  • top coil 1021 is located above the first bottom coil 1011 and the other side of the top coil 1021 is located above the second bottom coil 1012, and the permanent magnet 103 may be disposed on a third plane positioned above the second plane.
  • the permanent magnets 103 may be disposed between the first bottom coil 1011 and the second bottom coil 1012 at predetermined intervals in a concentric direction based on an axis perpendicular to the first plane.
  • the distance from the inside of the permanent magnet 103 to the shaft may be, for example, 23 mm, and the distance from the outside of the permanent magnet 103 to the shaft may be, for example, 27.05 mm.
  • the inner diameter of the permanent magnet 103 may be, for example, 46 mm
  • the outer diameter of the permanent magnet 103 may be, for example, 54.1 mm.
  • top coil 1021 is in contact with one end of the first bottom coil 1011 and the second bottom coil 1012, and one end of the permanent magnet 103 is in contact with the top coil 1021. It can be located higher than the other tiers.
  • the distance between one end of the permanent magnet 103 and the other end of the top coil 1021 may be, for example, 6 mm.
  • the value at this time is a value assuming that the permanent magnet 103 of the wireless power transmitter 100 is placed in contact with the interface surface in order to maximize the attractive force of the wireless power receiver 200 for 'MacSafe' with the PM. can The other end of the permanent magnet 103 may contact an interface surface of the wireless power transmitter 100 .
  • the permanent magnet 103 may include a first sub-permanent magnet and a second sub-permanent magnet. Assuming such a case, the cross-section A-A of the permanent magnet 103 in FIGS. 27 and 28 may be described through drawings as follows.
  • 29 schematically shows a section of the permanent magnet 103.
  • the first sub-permanent magnet may be disposed on a first circumference with respect to the axis
  • the second sub-permanent magnet may be disposed on a second circumference with respect to the axis.
  • the value of the diameter of the first circumference may have a smaller value than the value of the diameter of the second circumference.
  • a non-magnetic region (NON MAGNETIZED ZONE) may exist between the first sub-permanent magnet and the second sub-permanent magnet.
  • the first sub permanent magnet disposed on the first circumference may correspond to 'INNER POLE' in FIG. 29
  • the second sub permanent magnet disposed on the second circumference may correspond to 'OUTER POLE' in FIG. 29 .
  • POLE' the first sub permanent magnet disposed on the first circumference
  • the columnar permanent magnet 103 when the columnar permanent magnet 103 is disposed above the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021, the columnar permanent magnet 103 forms one eddy current loop. can work as
  • the current density J (A / m ⁇ 2) in the permanent magnet 103 may vary according to the phase of the current .
  • the current density form shown in FIG. 30 is shown.
  • the current density form shown in FIG. 31 is shown.
  • the current density form shown in FIG. 32 is shown.
  • an ohmic loss (density) (W/m3) may occur in proportion to the square of the current density generated in the cylindrical permanent magnet 103.
  • the columnar permanent magnet 103 since the columnar permanent magnet 103 operates as one eddy current loop, resistance loss may occur. And, due to this, the quality factor of the wireless power transmitter 100 shows a significant deterioration. This is because the coupling with the top coil 1021 is equivalent to having a strong conductive circular loop.
  • the results shown in the table below can be derived.
  • the quality factor of the first bottom coil 1011 can be expressed as Q_0, the quality factor of the top coil 1021 as Q_1, and the quality factor of the second bottom coil 1012 as Q_2. .
  • the quality of the wireless power transmitter 100 when the permanent magnet 103 is not present compared to the quality factor of the wireless power transmitter 100 when the permanent magnet 103 is not present.
  • the factor has a remarkably low value.
  • a nanocrystal sheet may be attached instead of a DC shield (low carbon steel) so that a magnetic field for power transmission can avoid the permanent magnet 103 .
  • 34 and 35 schematically show another structure in which permanent magnets 103 are disposed in a plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021.
  • permanent magnets 103 may be disposed above the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 serving as reference models.
  • FIGS. 27 and 28 may be applied to the examples of FIGS. 34 and 35 .
  • one end of the permanent magnet 103 may be in contact with the nanocrystal sheet.
  • a first sub permanent magnet may be disposed on a first circumference with respect to the axis, and a second sub permanent magnet may be disposed on a second circumference with respect to the axis.
  • FIG. 29 may be applied to the example of FIG. 36 .
  • a difference between FIG. 36 and FIG. 29 is that, according to the example of FIG. 36 , a nanocrystal sheet may be disposed under the columnar permanent magnet 103 .
  • the specifications (thickness (eg, 0.70 mm), size (3.85 mm in terms of width), and bonding interval (0.05 mm)) of the nanocrystal sheet may be the same as those of the DC shield.
  • the wireless power transmitter in which the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 described above (excluding the nanocrystal sheet) and the columnar permanent magnet 103 exist Compared to the case in 100, the quality factor does not significantly improve.
  • the results shown in the table below can be derived.
  • the quality factor of the first bottom coil 1011 can be expressed as Q_0, the quality factor of the top coil 1021 as Q_1, and the quality factor of the second bottom coil 1012 as Q_2. .
  • the degree of improvement in Q deterioration is insignificant with the nanocrystal sheet.
  • the reason for the deterioration of the quality factor is that the permanent magnet has a columnar shape. That is, when the permanent magnet has a columnar shape, resistance loss occurs, which inevitably lowers the Q value.
  • each of the permanent magnets 1031 and 1032 may have a shape corresponding to a part of a columnar permanent magnet.
  • the wireless power transmitter 100 includes a plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 that transmit wireless power through magnetic coupling with the secondary coil 2001 of the wireless power receiver 200. ) and a plurality of permanent magnets 1031 and 1032 disposed not to overlap with the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021.
  • the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 include a first bottom coil 1011 and a second bottom coil 1012 disposed side by side in the width direction on a first plane without overlapping with each other, and the first plane It may include a top coil 1021 disposed on a second plane located above.
  • top coil 1021 One side of the top coil 1021 is located above the first bottom coil 1011 and the other side of the top coil 1021 is located above the second bottom coil 1012, and the plurality of permanent magnets (1031, 1032) may be disposed on a third plane located above the second plane.
  • the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 are spaced apart at predetermined intervals along a concentric circle direction based on an axis perpendicular to the first plane between the first bottom coil 1011 and the second bottom coil 1012 and can be placed.
  • the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 may include a first permanent magnet 1031 and a second permanent magnet 1032 .
  • a first permanent magnet 1031 and a second permanent magnet 1032 may correspond to the example of the present specification to the end. That is, according to an embodiment of the present specification, the plurality of permanent magnets may be two, three, or four permanent magnets.
  • first permanent magnet 1031 and the second permanent magnet 1032 may be arranged on a circumferential path based on the axis.
  • the permanent magnet may have some form of the permanent magnet of the wireless power transmitter 100 that can be applied in, for example, MPP.
  • the distance from the inside of the first permanent magnet 1031 and the second permanent magnet 1032 to the shaft may be 24 mm or less.
  • a distance from the outside of the first permanent magnet 1031 and the second permanent magnet 1032 to the shaft may be 27 mm or more.
  • the cross sections of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 may be applied to the examples in FIGS. 29 and 36 described above.
  • the first permanent magnet 1031 includes a first sub-permanent magnet and a second sub-permanent magnet (here, examples of the first sub-permanent magnet in FIGS. 29 and 36 are the first sub-permanent magnet in FIGS. 37 to 39).
  • a sub-permanent magnet and a second sub-permanent magnet examples of the first sub-permanent magnet in FIGS. 29 and 36 are the first sub-permanent magnet in FIGS. 37 to 39.
  • a sub-permanent magnet and a second sub-permanent magnet examples of the first sub-permanent magnet in FIGS. 29 and 36 are the first sub-permanent magnet in FIGS. 37 to 39.
  • the second permanent magnet 1032 includes a third sub-permanent magnet and a fourth sub-permanent magnet (here, the second permanent magnet in FIGS. 29 and 36
  • Examples of the two sub permanent magnets may include the third sub permanent magnet and the fourth sub permanent magnet in FIGS. 37 to 39).
  • the first sub-permanent magnet and the third sub-permanent magnet are disposed on a path on a first circumference with respect to the axis
  • the second sub-permanent magnet and the fourth sub-permanent magnet are disposed on a second circumference with respect to the axis. It can be placed on the path of the image.
  • the first permanent magnet 1031 and the second permanent magnet 1032 may be positioned parallel to each other. Additionally, the first permanent magnet 1031 and the second permanent magnet 1032 are placed on one side (eg, left side) of the wireless power transmitter and the other side (eg, right side) of the wireless power transmitter to widen the charging space of the EPP product. side) may be arranged symmetrically.
  • One end of the top coil 1021 is in contact with one end of the first bottom coil 1011 and the second bottom coil 1012, and one end of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 is in contact with the top It may be located higher than the other end of the coil 1021. In this case, one end of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 may be positioned higher than the other end of the top coil 1021 by 'h'.
  • the other ends of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 may contact the interface surface of the wireless power transmitter 100 .
  • the wireless power transmitter 100 includes a shield, and one ends of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 may contact the shield.
  • the shield may be a nano crystal sheet.
  • the first bottom coil 1011 may be wound while surrounding a first region on the first plane, and the second bottom coil 1012 may be wound while surrounding a second region on the first plane.
  • the first bottom coil 1011 and the second bottom coil 1012 may be connected.
  • the first bottom coil 1011, the second bottom coil 1012, and the top coil 1021 may be wound in a quadrangular shape.
  • the quality factor for this may be measured as follows.
  • the spacing may mean a spacing between the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 and the top coil 1021 .
  • the central angle at this time is the central angle of the virtual sector when forming a virtual sector by connecting each of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 disposed on the circumference in the third plane and the point where the axis passes through the third plane.
  • One axis in one plane of FIGS. 40 and 41 may mean, for example, an axis for a central angle, and another axis in one plane may mean, for example, an axis for an interval.
  • An axis penetrating one plane may be an axis representing a quality factor.
  • FIG. 40 schematically shows the correlation of quality factors according to the central angle and spacing in the top coil 1021 .
  • the value of the quality factor does not change significantly when the central angle corresponds to 40 to 70 degrees and the distance corresponds to 0 to 4.9 mm.
  • FIG. 41 schematically shows the correlation of quality factors according to the central angle and spacing of the first bottom coil 1011 . And, as can be seen in FIG. 41 , the value of the quality factor does not change significantly when the central angle corresponds to 40 to 70 degrees and the distance corresponds to 0 to 4.9 mm.
  • the quality factor of the first bottom coil 1011 can be expressed as Q_0, the quality factor of the top coil 1021 as Q_1, and the quality factor of the second bottom coil 1012 as Q_2. .
  • -h 4.9mm: This value interfaces the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 in order to maximize the attractive force with the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 of the wireless power receiver 200 for MacSafe. It may be a value when placed in contact with the surface.
  • - arg 50°: To stably center-align the wireless power receiver 200 (eg Apple's 'iPhone 12') including a permanent magnet. may correspond to the central angle of the permanent magnet for
  • the value of the quality factor may be maintained even when the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 are added to the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021. That is, even when the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 are added, the charging quality can be maintained.
  • an embodiment for a case where a nanocrystal sheet is attached to a permanent magnet so that a magnetic field for power transmission can avoid the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 may also be provided.
  • FIGS. 42 and 43 All of the previous examples/structures of FIGS. 37 to 39 may be applied to the structures in FIGS. 42 and 43 . If the structures in FIGS. 42 and 43 are different from the structures of FIGS. 37 to 39 above, in the structures of FIGS. 37 to 39, a shield (eg, nanocrystal sheet) is not attached to the permanent magnet, but FIGS. 42 and 43 In the structure of , the shield is attached to the permanent magnet.
  • a shield eg, nanocrystal sheet
  • a nanocrystal sheet may be attached instead of a DC shield (low carbon steel) so that a magnetic field for power transmission can avoid the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 .
  • the thickness may be 0.2 mm
  • the shape and size may be the same as those of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032
  • the bonding interval may be the same as that of the DC shield.
  • the interval h may correspond to a distance from the bottom surface of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 to the top coil 1021 . That is, the distance h at this time is not calculated from the bottom of the shield.
  • the quality factor of the first bottom coil 1011 can be expressed as Q_0, the quality factor of the top coil 1021 as Q_1, and the quality factor of the second bottom coil 1012 as Q_2. .
  • the value of the quality factor can be maintained. there is. That is, even when a plurality of permanent magnets 1031 and 1032 and a shield are added, charging quality can be maintained.
  • the measurement conditions are as follows.
  • 46 and 47 schematically show a structure in an embodiment of the present specification (a plurality of permanent magnets 1031 and 1032 + a plurality of primary coils 1011, 1012 and 1021) and a charging area in this case. it did
  • the maximum charging efficiency is 75.8% and the minimum is 52.8% within a 60 X 20 charging area.
  • a wireless power transmitter 100 including a plurality of permanent magnets 1031 and 1032 in a plurality of primary coils 1011 , 1012 and 1021 is provided.
  • the wireless power transmitter 100 according to the present specification can provide effects from two perspectives.
  • the wireless power transmitter 100 may meet the MPP wireless power receiver 200 and transfer wireless power to the MPP wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter 100 including the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021 only considers wireless power transfer with the BPP and EPP wireless power receivers 200, permanent magnets are used.
  • the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 are included in the wireless power transmitter 100 including the plurality of primary coils 1011, 1012, and 1021.
  • the wireless power transmitter 100 according to the present specification is aligned with the MPP wireless power receiver 200 by attraction. Therefore, since the amount of magnetic flux transferred from the wireless power transmitter 100 to the wireless power receiver 200 according to the present specification can be maximized, the efficiency of wireless power transfer can be maximized.
  • the decrease in the quality factor due to the permanent magnet is insignificant compared to the effect in the present specification due to attraction.
  • the upper ends of the plurality of permanent magnets 1031 and 1032 may be located at the same position as the upper end of the top coil 1021 or higher than the upper end of the top coil 1021 .
  • the permanent magnet in the wireless power transmitter 100 may be located as close as possible to the MPP wireless power receiver 200. Accordingly, since the attractive force between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 can be maximized, the aforementioned effect in this specification can also be maximized.
  • the MPP wireless power receiver 200 includes a permanent magnet, when placed on the wireless power transmitter 100, alignment by manpower is performed.
  • a permanent magnet may not be included in the wireless power receiver 200. This means that in the case of the BPP/EPP wireless power receiver 200, it can be placed anywhere on the surface of the wireless power transmitter 100.
  • the BPP/EPP wireless power receiver 200 is disposed on the wireless power transmitter 100, and the wireless power transmitter 100 tries to transfer wireless power to the BPP/EPP wireless power receiver 200. Even so, an effect of no reduction in charging efficiency and charging area may occur.
  • the wireless power transmitter 100 in the present specification can provide wireless power transfer compatibility with the MPP wireless power receiver 200 and/or the BPP/EPP wireless power receiver 200, and even in this case, charging The effect of minimizing the deterioration of efficiency may occur.
  • the first permanent magnet 1031 and the second permanent magnet 1032 may be positioned parallel to each other. That is, it may be symmetrically arranged on one side (eg, left side) of the wireless power transmitter and the other side (eg, right side) of the wireless power transmitter.
  • the wireless power transmitter provided in this specification can maximize the charging area of the product. In other words, the wireless power transmitter provided in this specification can provide an effect that the charging space of the EPP product can be widened as much as possible.

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Abstract

본 명세서(present disclosure)는 무선 전력 수신기의 세컨더리 코일과 자기 커플링을 통해 무선 전력을 전송하는 복수의 프라이머리 코일들 및 상기 복수의 프라이머리 코일들과 중첩되지 않게 배치되는 복수의 영구 자석들을 포함하되, 상기 복수의 프라이머리 코일들은, 제1 평면 상에서 서로 중첩되지 않게 폭 방향으로 나란하게 배치되는 제1 바텀 코일 및 제2 바텀 코일 및 상기 제1 평면의 상부에 위치하는 제2 평면 상에 배치되는 탑 코일을 포함하고, 상기 탑 코일의 일 측은 상기 제1 바텀 코일의 상부에 위치하고 및 상기 탑 코일의 타 측은 상기 제2 바텀 코일의 상부에 위치하고, 상기 복수의 영구 자석들은 상기 제2 평면의 상부에 위치하는 제3 평면 상에서 배치되고, 및 상기 복수의 영구 자석들은 상기 제1 바텀 코일 및 상기 제2 바텀 코일의 사이에서 상기 제1 평면과 직교하는 축을 기준으로 동심원 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치되는 무선 전력 전송기를 제공할 수 있다.

Description

영구 자석을 포함하는 멀티 코일 무선 충전 시스템
본 명세서는 무선 전력 전송에 관련된다.
무선 전력 전송 기술은 전원 소스와 전자 기기 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술이다. 일 예로 무선 전력 전송 기술은 스마트폰이나 태블릿 등의 무선 단말기를 단지 무선 충전 패드 상에 올려놓는 것만으로 무선 단말기의 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써, 기존의 유선 충전 커넥터를 이용하는 유선 충전 환경에 비해 보다 뛰어난 이동성과 편의성 그리고 안전성을 제공할 수 있다. 무선 전력 전송 기술은 무선 단말기의 무선 충전 이외에도, 전기 자동차, 블루투스 이어폰이나 3D 안경 등 각종 웨어러블 디바이스(wearable device), 가전기기, 가구, 지중시설물, 건물, 의료기기, 로봇, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 주목받고 있다.
무선전력 전송방식을 비접촉(contactless) 전력 전송방식 또는 무접점(no point of contact) 전력 전송방식, 무선충전(wireless charging) 방식이라 하기도 한다. 무선전력 전송 시스템은, 무선전력 전송방식으로 전기에너지를 공급하는 무선전력 전송장치와, 상기 무선전력 전송장치로부터 무선으로 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리 셀 등 수전장치에 전력을 공급하는 무선전력 수신장치로 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 기술은 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식 등 다양하다. 자기 커플링에 기반한 방식은 다시 자기 유도(magnetic induction) 방식과 자기 공진(magnetic resonance) 방식으로 분류된다. 자기유도 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일 간의 전자기결합에 따라 전송 측 코일 배터리 셀에서 발생시킨 자기장로 인해 수신 측 코일에 유도되는 전류를 이용하여 에너지를 전송하는 방식이다. 자기공진 방식은 자기장을 이용한다는 점에서 자기유도 방식과 유사하다. 하지만, 자기공진 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일에 특정 공진 주파수가 인가될 때 공진이 발생하고, 이로 인해 전송 측과 수신 측 양단에 자기장이 집중되는 현상에 의해 에너지가 전달되는 측면에서 자기유도와는 차이가 있다.
한편, 무선 충전에 있어서, 영구 자석을 포함하는 무선 전력 전송기를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송기는, 무선 전력 수신기의 세컨더리 코일과 자기 커플링을 통해 무선 전력을 전송하는 복수의 프라이머리 코일들 및 상기 복수의 프라이머리 코일들과 중첩되지 않게 배치되는 복수의 영구 자석들을 포함하되, 상기 복수의 프라이머리 코일들은, 제1 평면 상에서 서로 중첩되지 않게 폭 방향으로 나란하게 배치되는 제1 바텀 코일 및 제2 바텀 코일, 및 상기 제1 평면의 상부에 위치하는 제2 평면 상에 배치되는 탑 코일을 포함하고, 상기 탑 코일의 일 측은 상기 제1 바텀 코일의 상부에 위치하고 및 상기 탑 코일의 타 측은 상기 제2 바텀 코일의 상부에 위치하고, 상기 복수의 영구 자석들은 상기 제2 평면의 상부에 위치하는 제3 평면 상에서 배치되고, 및 상기 복수의 영구 자석들은 상기 제1 바텀 코일 및 상기 제2 바텀 코일의 사이에서 상기 제1 평면과 직교하는 축을 기준으로 동심원 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치되는 무선 전력 전송기가 제공된다.
본 명세서에 따르면, 기존의 WPC 표준 송신 코일 시스템으로 하여금 'MagSafe' 전용 수신 디바이스의 충전까지 지원할 수 있게 하는 효과가 발생할 수 있다.
본 명세서의 구체적인 일례를 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 나열된 효과로 제한되지 않는다. 예를 들어, 관련된 기술분야의 통상의 지식을 자긴 자(a person having ordinary skill in the related art)가 본 명세서로부터 이해하거나 유도할 수 있는 다양한 기술적 효과가 존재할 수 있다. 이에 따라 본 명세서의 구체적인 효과는 본 명세서에 명시적으로 기재된 것에 제한되지 않고, 본 명세서의 기술적 특징으로부터 이해되거나 유도될 수 있는 다양한 효과를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 명세서에 따른 일 실시예가 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 6은 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 7은 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 8은 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 9는 핑 페이즈(810)의 프로토콜에 대한 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 구성 페이즈(820)의 프로토콜에 대한 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 협상 단계 또는 재협상 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 14는 베이스라인 프로토콜에서의 전력 전달 페이즈(840)에 대한 데이터 플로우의 순서도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 15는 확장된 프로토콜에서의 전력 전달 페이즈(840)에 대한 데이터 플로우의 순서도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 16은 일례에 따른 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200) 간의 어플리이션 레벨의 데이터 스트림을 도시한 것이다.
도 17은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 18은 MPP ID 패킷의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 19는 MPP에서의 XID 패킷의 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 20은 MPP 제한 모드에서의 프로토콜을 개략적으로 도시한 것이다.
도 21 및 도 22는 MPP 풀 모드에서의 프로토콜을 개략적으로 도시한 것이다.
도 23은 마그세이프 전용 수신기의 일례에 대한 코일 모듈의 분해도다.
도 24는 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 전송기(100)의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 25 및 도 26은 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 수신기(200)의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 27 및 도 28은 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 영구 자석(103)을 배치한 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 29는 영구 자석(103)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 30 내지 도 32는 영구 자석(103)이 에디 전류 루프로 동작하는 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 33은 영구 자석(103)에서 저항 손실이 발생하는 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 34 및 도 35는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 영구 자석(103)을 배치한 다른 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 36은 영구 자석(103)과 나노 크리스탈 시트의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 37 내지 도 39는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 복수의 (부분) 영구 자석들(1031, 1032)을 배치한 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 40 및 도 41은 중심각 및 간격에 따른 품질 인자의 상관관계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 42 및 도 43은 본 명세서의 다른 실시예에 따른, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 복수의 (부분) 영구 자석들(1031, 1032)을 배치한 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 44 및 도 45는 MP-A12에서의 구조 및 이 경우의 충전 영역을 개략적으로 도시한 것이다.
도 46 및 도 47은 본 명세서의 실시예(복수의 영구 자석들(1031, 1032) + 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021))에서의 구조 및 이 경우의 충전 영역을 개략적으로 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 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 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)내의 OB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OB를 지원하는 무선전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OB 핸드오버 페이즈(handover phase)로 진입할 수 있다. 상기 구성 패킷에 대한 응답은 NAK, ND 또는 새롭게 정의되는 8비트의 패턴일 수 있다. PC0의 어플리케이션은 스마트폰을 포함한다.
PC1 표준은 30W~150W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. OB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴을 이용하여 OB 핸드오버 페이즈로 진입할 수 있다. PC1의 어플리케이션은 랩탑이나 전동 공구(power tool)을 포함한다.
PC2 표준은 200W~2kW의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것으로서, 그 어플리케이션은 주방가전을 포함한다.
이렇듯 전력 레벨에 따라 PC가 구별될 수 있으며, 동일한 PC간 호환성(compatibility)을 지원할지 여부는 선택 또는 필수 사항일 수 있다. 여기서 동일한 PC간 호환성은, 동일한 PC 간에는 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 동일한 PC x를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 동일한 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다. 이와 유사하게 서로 다른 PC간의 호환성 역시 지원 가능할 수 있다. 여기서 서로 다른 PC간 호환성은, 서로 다른 PC 간에도 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 PC y를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 서로 다른 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다.
PC간 호환성의 지원은 사용자 경험(User Experience) 및 인프라 구축 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 다만, PC간 호환성 유지에는 기술적으로 아래와 같은 여러 문제점이 존재한다.
동일한 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 연속적으로 전력이 전송되는 경우에만 안정적으로 충전이 가능한 랩-탑 충전(lap-top charging) 방식의 무선 전력 수신장치는, 동일한 PC의 무선 전력 송신장치라 하더라도, 불연속적으로 전력을 전송하는 전동 툴 방식의 무선 전력 송신장치로부터 전력을 안정적으로 공급받는 데 문제가 있을 수 있다. 또한, 서로 다른 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 최소 보장 전력이 200W인 무선 전력 송신장치는 최대 보장 전력이 5W인 무선 전력 수신장치로 전력을 송신하는 경우, 과전압으로 인해 무선전력 수신장치가 파손될 위험이 있다. 그 결과, PC는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 삼기 어렵다.
무선전력 전송 및 수신장치들은 매우 편리한 사용자 경험과 인터페이스(UX/UI)를 제공할 수 있다. 즉, 스마트 무선충전 서비스가 제공될 수 있다, 스마트 무선충전 서비스는 무선전력 전송장치를 포함하는 스마트폰의 UX/UI에 기초하여 구현될 수 있다. 이러한 어플리케이션을 위해, 스마트폰의 프로세서와 무선충전 수신장치간의 인터페이스는 무선전력 전송장치와 수신장치간의 "드롭 앤 플레이(drop and play)" 양방향 통신을 허용한다.
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 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(450) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(400)을 포함한다.
베이스 스테이션(400)은 유도 전력 또는 공진 전력을 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 무선 전력 전송장치(power transmitter, 100) 및 시스템 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 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 전력 전송 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.
한편, WPC 시스템에서 무선 전력 전송기(100)는 예컨대, 전력 전송 량 관점에서 분류될 수 있다. 이때, 최대 5W의 무선 전력 전송 량을 지원하는 무선 전력 전송기(100)(즉, BPP 프로토콜을 지원하는 무선 전력 전송기(100))는 예컨대, 타입 A(type A) 무선 전력 전송기(100) 및 타입 B(type B) 무선 전력 전송기(100)들로 분류될 수 있으며, 최대 15W의 무선 전력 전송 량을 지원하는 무선 전력 전송기(100)(즉, EPP 프로토콜을 지원하는 무선 전력 전송기(100))는 예컨대, 타입 MP A(type MP-A) 무선 전력 전송기(100) 및 타입 MP B(type MP-B) 무선 전력 전송기(100)들로 분류될 수 있다.
- 타입 A 및 타입 MP A 무선 전력 전송기(100)
타입 A 및 타입 MP A 무선 전력 전송기(100)에는 하나 이상의 프라이머리 코일이 있을 수 있다. 타입 A 및 타입 MP A 무선 전력 전송기(100)는 한 번에 단일 프라이머리 코일을 활성화하므로 활성화된 프라이머리 코일과 일치하는 단일 프라이머리 셀이 사용될 수 있다.
- 타입 B 및 타입 MP B 무선 전력 전송기(100)
타입 B 및 타입 MP B 전력 전송기에는 프라이머리 코일 어레이(array)가 있을 수 있다. 그리고, 타입 B 및 타입 MP B 전력 전송기는 자유 위치 지정을 가능하게 할 수 있다. 이를 위해, 타입 B 및 타입 MP B 전력 전송기는 어레이에서 하나 이상의 프라이머리 코일을 활성화하여 인터페이스 표면의 다른 위치에서 프라이머리 셀을 실현할 수 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 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.
한편, 도 4에는 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 전력 수신 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 5와 같은 통신 아키텍처로 구현되어 동작할 수 있다.
도 5는 본 명세서에 따른 일 실시예가 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 5를 참고하면, 도 5의 (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 5의 (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 프로파일에게 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 블루투스 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 5의 (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 (브로드캐스트) 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 1에서 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 4를 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 6와 같은 단순화된 블록도로 표현될 수 있다.
도 6은 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 6을 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 5에 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 7은 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 7을 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.
한편, 사용자가 무선 전력 전송기(100)의 동작 볼륨 내에 무선 전력 수신기(200)를 배치하면 무선 전력 전송기(100) 및 무선 전력 수신기(200) 둘은 전력 전송을 구성 및 제어하기 위한 목적으로 통신을 시작한다. 이때, 전력 시그널은 모든 통신에 대해 캐리어를 제공할 수 있으며, 통신에 대한 프로토콜은 여러 단계로 구성될 수 있다. 이하, 통신 프로토콜에 대해 설명하도록 한다.
도 8은 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
WPC에서는 두 가지 통신 프로토콜을 정의할 수 있다.
- 베이스라인 프로토콜(혹은 BPP): 무선 전력 수신기(200)로부터 무선 전력 전송기(100)로의 일 방향 통신만을 지원하는 오리지널 프로토콜을 의미할 수 있다.
- 확장된 프로토콜(혹은 EPP): 양방향 통신 및 향상된 FOD(foreign object detection) 기능을 지원하며, 데이터 전송 스트림 기능 및 인증 옵션 또한 지원할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른, 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200) 간의 전력 전달 동작은 크게, 핑 페이즈(810)(Ping Phase), 구성 페이즈(820)(Configuration Phase), 협상 페이즈(830)(Negotiation Phase) 및 전력 전달 페이즈(Power Transfer Phase)로 구분될 수 있다.
- 핑 페이즈(810)
핑 페이즈(810)에서, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)와의 통신을 확립하기를 시도(try)할 수 있다. 통신의 확립을 시도하기 전에, 측정이 수행될 수 있으며, 측정에 따라 전력 전송 중에 손상되거나 가열될 수 있는 은행 카드, 동전 또는 기타 금속과 같은 물체가 있는지가 확인될 수 있다. 여기서, 이러한 측정은 무선 전력 수신기(200)를 깨우지 않고 진행될 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)로부터 설계 정보(design information)를 얻은 후 검출된 금속이 이물질(foreign object)인지 또는 친화적인 금속(friendly metal)인지에 대한 결론을 협상 페이즈(830)로 연기할 수 있다.
- 구성 페이즈(820)
구성 페이즈(820)에서, 무선 전력 수신기(200)는 기본 식별 및 구성 데이터(basic identification and configuration data)를 무선 전력 수신기(200)로 보낼 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기(100) 및 무선 전력 수신기(200) 양측은 이 정보를 사용하여 베이스라인(baseline) 전력 전송 계약(power transfer contract)을 생성할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송기(100) 및 무선 전력 수신기(200)는 구성 페이즈(820)에서 베이스라인 프로토콜(Baseline Protocol) 또는 확장된 프로토콜(Extended Protocol)을 계속할지 여부를 결정할 수 있다.
여기서, 무선 전력 수신기(200)는 확장된 프로토콜을 구현하는 경우에만 향상된 FOD, 데이터 전송 스트림 및 인증과 같은 기능을 사용할 수 있다.
- 협상 페이즈(830)
협상 페이즈(830)에서, 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 추가적인 설정 및 제한을 포함하는 확장된 전력 전송 계약(extended power transfer contract)을 설정할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에 설계 정보를 제공할 수 있다. 후에, 설계 정보는 전력 전달 페이즈(840)로 전환하기 전에 FOD를 완료하는 데 사용될 수 있다.
여기서, 협상 페이즈(830)는 베이스라인 프로토콜에서는 존재하지 않는 단계에 해당할 수 있다.
- 전력 전달 페이즈(840)
전력 전달 페이즈(840)는 무선 전력 수신기(200)의 로드로 전력이 전달되는 단계일 수 있다.
확장 프로토콜에서 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 이 단계가 시작될 때 시스템 보정(system calibration)을 수행할 수 있다. 전력 전달 계약의 요소를 재협상하기 위해 이 단계가 가끔 중단될 수 있다. 하지만, 이러한 재협상 중에도 전력 전달은 계속될 수 있다.
이하, 앞서 설명했던, 핑 페이즈(810)(Ping Phase), 구성 페이즈(820)(Configuration Phase), 협상 페이즈(830)(Negotiation Phase) 및 전력 전달 페이즈(840)(Power Transfer Phase)에 대한 프로토콜을 각각 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
1. 핑 페이즈(810)
핑 페이즈(810)가 시작될 때 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)가 작동 볼륨 내에 있는지 여부를 아직 알지 못한다. 아울러, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)를 인지할 수 없다. 그 이유로, 이 시스템은 일반적으로 파워 시그널의 부족으로 인해, 비활성화기 때문이다.
이와 같은 상황에서, 무선 전력 전송기(100)가 무선 전력 수신기(200)로부터의 응답을 요청하기 위한 디지털 핑을 시작하기 전에, 무선 전력 전송기(100)는 다음 단계를 거칠 수 있다.
도 9는 핑 페이즈(810)의 프로토콜에 대한 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9에 따르면, 무선 전력 전송기(100)는 아날로그 핑을 수행할 수 있다(S910). 즉, 무선 전력 전송기(100)는 아날로그 핑을 전송하여 작동 공간(operating volume) 내에 물체가 존재하는지 여부를 확인할 수 있다. 예컨대, 무선전력 전송기는 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 작동 공간 내에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
무선 전력 전송기(100)는 NFC 태그 보호를 적용할 수 있다(S920). 여기서, NFC 태그 보호는 다음과 같은 절차를 통해 수행될 수 있다.
a) 우선, 감지된 개체 중 하나 이상이 NFC 태그를 포함하는지 여부가 확인될 수 있다.
b) 이후, NFC 태그가 포함된 물체의 경우 손상 없이 전원 신호를 견딜 수 있는지 확인할 수 있다.
c) 무선 전력 전송기(100)가 NFC 태그가 전력 신호를 견딜 수 없다고 판단하면, 디지털 핑을 시작하지 않고 핑 단계를 유지하며, 무선 전력 전송기(100)는 계속 진행할 수 없는 이유를 사용자에게 알릴 수 있다.
무선 전력 전송기(100)는 이물질 감지를 수행할 수 있다(S930). 즉, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200) 외의 이물질이 있는지 여부를 판단하는 데 도움이 되는 정보를 수집할 수 있다. 이를 위해, 무선 전력 전송기(100)는 프리-파워 FOD 방식등과 같은 다양한 방식을 사용할 수 있다.
한편, 앞서 설명했던 세 개의 단계(S910, S920, S930)에서는, 무전 전력 수신기가 동작하지 않을 수 있다.
무선 전력 전송기(100)가 위의 단계를 수행하고, 동작 볼륨에 잠재적으로 무선 전력 수신기(200)가 있다고 판단하면, 무선 전력 전송기(100)는 디지털 핑을 시작할 수 있다(S940). 여기서, 디지털 핑은 SIG(signal strength) 데이터 패킷 또는 EPT(End Power Transfer) 데이터 패킷과 같은 응답을 무선 전력 수신기(200)에게 요청할 수 있다.
이후, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)로부터 SIG 또는 EPT를 수신할 수 있다(S950). 여기서, SIG 데이터 패킷은 커플링의 측정을 제공할 수 있으며, SIG 데이터 패킷은 신호 강도 값에 대한 정보를 포함할 수 있다. 아울러, EPT 데이터 패킷은 전원 전송 중지 요청과 요청 이유를 제공할 수 있다.
만약, 무선 전력 전송기(100)가 무선 전력 수신기(200)로부터 위와 같은 응답을 수신하지 못할 경우에는, 무선 전력 전송기(100)는 핑 페이즈(810)에 머물면서 위와 같은 단계들을 반복할 수 있다.
2. 구성 페이즈(820)
구성 페이즈(820)는 다음과 같은 프로토콜의 일부다.
- 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 자신을 식별시킬 수 있다.
- 무선 전력 수신기(200)와 무선 전력 전송기(100)는 베이스라인 전력 전달 계약을 확립할 수 있다.
- 무선 전력 수신기(200)와 무선 전력 전송기(100)는 전력 전송에 사용할 프로토콜 변형을 결정할 수 있다.
구성 페이즈(820)에서 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 디지털 핑 파라미터를 사용하여 계속 동작할 수 있다. 이것은 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200) 모두의 전력 및 전류 레벨은 사용자가 동작 볼륨 내의 위치에서 무선 전력 수신기(200)를 이동하는 경우에만 변경됨을 의미할 수 있다.
이하, 구성 페이즈(820)에서의 프로토콜을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10은 구성 페이즈(820)의 프로토콜에 대한 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10에 따르면, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)로부터 ID(identification)를 수신할 수 있다(S1010). 또는 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)로부터 XID(extended identification) 또한 수신할 수 있다(S1020). 즉, 무선 전력 수신기(200)는 ID 데이터 패킷 및 선택적으로 XID 데이터 패킷을 이용하여 무선 전력 수신기(200) 자신을 식별시킬 수 있다.
무선 전력 전송기(100)는 선택적으로 무선 전력 수신기(200)로부터 PCH(power control hold-off) 데이터 패킷을 수신할 수 있으며(S1030), 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)로부터 CFG 데이터 패킷을 수신할 수 있다(S1040). 즉, 무선 전력 수신기(200)는 PCH 및/또는 CFG 데이터 패킷을 이용하여 전력 전달 계약에서의 사용을 위한 데이터를 제공할 수 있다.
마지막으로, 무선 전력 전송기(100)는 가능하다면 확장된 프로토콜을 확인할 수 있다(S1050).
앞서 설명했던 각 데이터 패킷을 요약하여 정리하면 아래와 같을 수 있다.
- ID: ID 데이터 패킷은 무선 전력 수신기(200)를 식별하는 정보일 수 있다. 여기서, ID에는 제조사 코드, 베이직 디바이스 식별자 등을 포함할 수 있다. 아울러, ID에는 설정 페이즈에서 XID 데이터 패킷의 존재 유무를 식별하는 정보 또한 포함할 수 있다.
- XID: XID 데이터 패킷에는 추가 식별 데이터가 포함될 수 있다.
- PCH: PCH 데이터 패킷은 CE 데이터 패킷의 수신과 무선 전력 전송기(100)가 코일 전류 조정을 시작하는 사이의 지연을 구성할 수 있다.
- CFG: CFG 데이터 패킷은 기본 구성 데이터를 제공할 수 있다.
예컨대, CFG 데이터 패킷은 베이스라인 프로토콜에서 전력 전송을 관장하는 모든 파라미터를 제공할 수 있다. 아울러, CFG 데이터 패킷은 확장 프로토콜에서 사용되는 모든 FSK 통신 파라미터를 제공할 수 있다. 또한, CFG 데이터 패킷은 무선 전력 수신기(200)의 추가 기능을 제공할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
도 11에 따르면, 일 실시예에 따른 구성 패킷(CFG)은 0x51의 헤더값을 가질 수 있고, 구성 패킷(CFG)의 메시지 필드에는 1 비트의 인증(AI) 플래그와 1 비트의 아웃밴드(OB) 플래그가 포함될 수 있다.
인증 플래그(AI)는 무선전력 수신장치가 인증 기능을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 인증 플래그(AI)의 값이 '1'이면 무선전력 수신장치가 인증 기능을 지원하거나 인증 개시자(Authentication Initiator)로 동작할 수 있음을 지시하고, 인증 플래그(AI)의 값이 '0'이면 무선전력 수신장치가 인증 기능을 지원하지 않거나 인증 개시자로 동작할 수 없음을 지시할 수 있다.
아웃밴드(OB) 플래그는 무선전력 수신장치가 아웃밴드 통신을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '1'이면 무선전력 수신장치가 아웃밴드 통신을 지시하고, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '0'이면 무선전력 수신장치가 아웃밴드 통신을 지원하지 않음을 지시할 수 있다.
앞서 설명했던 ID 및/또는 XID의 제공은 식별을 위함이다. 그리고, PCH 및/또는 CFG의 제공은 전력 전달 계약의 구축(build)을 위함이다.
3. 협상 페이즈(830)
협상 페이즈(830)는 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)가 전력 전송 계약을 변경할 수 있는 확장 프로토콜의 일부다. 이 단계에는 두 가지 유형이 있다.
- 협상 페이즈(830): 협상 페이즈(830)는 구성 페이즈(820) 이후에 직접 이어지며, 초기 확장 전력 전송 계약을 생성하는 역할을 한다. 아울러, 협상 페이즈(830)는 사전 전력(pre-power) FOD 기능을 완료하는 역할도 한다. 여기서, 협상 단계의 길이는 제한되지 않는다.
- 재협상 페이즈: 재협상 페이즈는 전력 전달 페이즈(840)를 여러 번 중단할 수 있으며, 일반적으로 전력 전달 계약의 단일 요소를 조정하는 역할을 한다. 아울러, FOD/qf, FOD/rf 및 SRQ/rpr 데이터 패킷은 재협상 단계에서는 이용되지 않을 수 있다. 전력 전달 페이즈(840)에서의 CE 데이터 패킷에 대한 제약은 재협상 단계의 길이를 제한한다.
협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선전력 수신장치와 무선전력 전송장치 사이의 무선전력의 수신/전송과 관련한 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 확장 또는 변경하거나, 전력 전송 계약의 요소 중 적어도 일부를 조정하는 전력 전송 계약의 갱신이 이루어지거나, 아웃밴드 통신을 수립하기 위한 정보의 교환이 이루어질 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 협상 단계 또는 재협상 단계의 프로토콜을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)로부터 FOD 상태 데이터 패킷(e.g. FOD)을 수신할 수 있다(S1210). 여기서, 무선 전력 수신기(200)는 FOD 상태 데이터 패킷을 사용하여 그 존재가 레퍼런스 무선 전력 전송기(100)의 선택된 속성에 미치는 영향을 무선 전력 전송기(100)에게 알릴 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송기(100)는 이 정보를 사용하여 FOD 기능을 구성할 수 있다.
무선 전력 전송기(100)는 위 FOD 상태 데이터 패킷에 대한 ACK/NAK을 무선 전력 수신기(200)에게 전송할 수 있다(S1215).
한편, 무선 전력 수신기(200)는 GRQ(General Request data packet)을 이용해 무선 전력 전송기(100)의 ID(Identification data packet), CAP(Capabilities data packet), XCAP(extended CAP)을 수신할 수 있다.
일반 요청 패킷(GRQ)는 0x07의 헤더값을 가질 수 있고, 1바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있다. 일반요청패킷(GRQ)의 메시지 필드에는 무선 전력 수신기(200)가 GRQ 패킷을 이용해 무선 전력 전송기(100)에게 요청하는 데이터 패킷의 헤더값이 포함될 수 있다.
예컨대, 협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)의 ID 패킷을 요청하는 GRQ 패킷(GRQ/id)을 무선 전력 전송기(100)로 전송할 수 있다(S1220).
GRQ/id를 수신한 무선 전력 전송기(100)는 ID 패킷을 무선 전력 수신기(200)로 전송할 수 있다(S1225). 무선 전력 전송기(100)의 ID 패킷에는 'Manufacturer Code'에 대한 정보가 포함된다. 'Manufacturer Code'에 대한 정보가 포함된 ID 패킷은 무선 전력 전송기(100)의 제조자(manufacturer)를 식별할 수 있도록 한다.
혹은, 협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)의 성능 패킷(CAP)을 요청하는 GRQ 패킷(GRQ/cap)을 무선 전력 전송기(100)로 전송할 수 있다(S1230). GRQ/cap의 메시지 필드에는 성능패킷(CAP)의 헤더값(0x31)이 포함될 수 있다.
GRQ/cap를 수신한 무선 전력 전송기(100)는 성능 패킷(CAP)을 무선 전력 수신기(200)로 전송할 수 있다(S1235).
혹은, 협상 단계 또는 재협상 단계에서, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)의 성능 패킷(CAP)을 요청하는 GRQ 패킷(GRQ/xcap)을 무선 전력 전송기(100)로 전송할 수 있다(S1240). GRQ/xcap의 메시지 필드에는 성능패킷(XCAP)의 헤더값(0x32)이 포함될 수 있다.
GRQ/xcap를 수신한 무선 전력 전송기(100)는 성능 패킷(XCAP)을 무선 전력 수신기(200)로 전송할 수 있다(S1245).
도 13은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 성능 패킷(CAP)은 0x31의 헤더값을 가질 수 있고, 도 19을 참조하면, 3 바이트의 메시지 필드를 포함할 수 있다.
도 13을 참조하면, 성능 패킷(CAP)의 메시지 필드에는 1 비트의 인증(AR) 플래그와 1 비트의 아웃밴드(OB) 플래그가 포함될 수 있다.
인증 플래그(AR)는 무선 전력 전송기(100)가 인증 기능을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 인증 플래그(AR)의 값이 '1'이면 무선 전력 전송기(100)가 인증 기능을 지원하거나 인증 응답자(Authentication Responder)로 동작할 수 있음을 지시하고, 인증 플래그(AR)의 값이 '0'이면 무선 전력 전송기(100)가 인증 기능을 지원하지 않거나 인증 응답자로 동작할 수 없음을 지시할 수 있다.
아웃밴드(OB) 플래그는 무선 전력 전송기(100)가 아웃밴드 통신을 지원하는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '1'이면 무선 전력 전송기(100)가 아웃밴드 통신을 지시하고, 아웃밴드(OB) 플래그의 값이 '0'이면 무선 전력 전송기(100)가 아웃밴드 통신을 지원하지 않음을 지시할 수 있다.
협상 단계에서 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)의 성능 패킷(CAP)을 수신하여, 무선 전력 전송기(100)의 인증기능 지원여부 및 아웃밴드 통신 지원여부를 확인할 수 있다.
다시 도 12로 돌아와서, 무선 전력 수신기(200)는 협상 단계 또는 재협상 단계에서 적어도 하나의 특정 요청 패킷(SRQ, Specific Request data packet)을 이용해 전력 전달 페이즈에서 제공받을 전력과 관련한 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)의 요소들을 갱신할 수 있고(S1250), 이에 대한 ACK/NAK을 수신할 수 있다(S1255).
한편, 확장된 전력 전달 계약 확인하고 협상 단계를 종료하기 위해, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 SRQ/en을 전송하고(S1260), 무선 전력 전송기(100)로부터 ACK을 수신할 수 있다(S1265).
4. 전력 전달 페이즈(840)
전력 전달 페이즈(840)는 실제 전력이 무선 전력 수신기(200)의 부하로 전송되는 프로토콜의 일부다. 여기서, 전력 전달은 협상 페이즈(830)에서 생성된 전력 전달 계약의 조건에 따라 진행될 수 있다.
<CE에 기반한 전력 제어>
무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 수신기(200)의 목표와 실제 동작 지점 사이의 편차를 측정하는 제어 오류(control error; CE) 데이터를 무선 전력 전송기(100)에게 전송하여 전력 레벨을 제어할 수 있다. 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 제어 오류 데이터를 0으로 만드는 것을 목표로 하며, 이 지점에서 시스템은 목표 전력 수준에서 작동하게 된다.
<전력 전달 내에서의 FOD 방법(In-power transfer FOD method)>
제어 오류 데이터 외에도 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 FOD를 용이하게 하기 위한 정보를 교환할 수 있다. 무선 전력 수신기(200)는 수신하는 전력의 양(수신 전력 레벨(received power level))을 정기적으로 무선 전력 전송기(100)에게 보고하고, 무선 전력 전송기(100)는 이물질을 감지했는지 여부를 무선 전력 수신기(200)에게 알릴 수 있다. 전력 전달 페이즈에서 FOD에 대해 사용될 수 있는 방법은 예컨대, 파워 로스 계산에 해당할 수 있다. 이 접근 방식에서 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)에 의해 보고된 수신 전력 레벨을 송신 전력의 양(송신 전력 레벨)과 비교하고 차이가 임계 값을 초과할 때 무선 전력 수신기(200)에게 (이물질을 감시했는지 여부에 대한) 신호를 보낼 수 있다.
<재협상 페이즈>
상황에 따라 필요한 경우, 무선 전력 전송기(100) 또는 무선 전력 수신기(200)는 전력 전달 페이즈 중에 전력 전송 계약의 재협상을 요청할 수 있다. 전력 전송 계약의 재협상이 이루어질 수 있는 변경된 상황의 예는 다음과 같을 수 있다.
- 무선 전력 수신기(200)가 이전에 협상한 것보다 (실질적으로) 더 많은 전력이 필요할 때.
- 무선 전력 전송기(100)가 낮은 효율로 작동하고 있음을 감지한 때.
- 무선 전력 전송기(100)가 증가된 작동 온도로 인해 더 이상 현재 전력 수준을 유지할 수 없는 때(또는 그 반대의 경우, 즉, 무선 전력 수신기(200)가 충분히 냉각된 후 더 높은 전력 수준에서 작동할 수 있는 때).
여기서, 재협상 페이즈에 대한 구체적인 프로토콜의 예시는 앞서 설명한 바와 같다.
<데이터 전송 스트림>
무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 데이터 전송 스트림을 시작하여 전력 전달 페이즈(840) 전반에 걸쳐 애플리케이션 레벨 데이터를 교환할 수 있다.
여기서, 중요한 공통 어플리케이션은 인증(authentication)이며, 여기에서 양측은 변조 방지 방식으로 상대방의 자격 증명을 확인할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)가 높은 전력 수준에서 안전하게 작동하도록 신뢰할 수 있는지 확인하기 위해 무선 전력 전송기(100)의 자격 증명을 확인하고자 할 수 있다. 적절한 자격 증명이 있으면 규정 준수 테스트를 통과했음을 의미할 수 있다.
따라서, 본 명세서에서는 낮은 전력 레벨 수준에서 전력 전달을 시작하고, 인증 프로토콜을 성공적으로 완료한 후에만 전력을 더 높은 수준으로 제어하는 방식을 제공할 수 있다.
<전력 전달 페이즈(840)에서의 프로토콜>
지금까지는 전력 전달 페이즈(840)에서의 무선 전력 전송기(100) 및 무선 전력 수신기(200) 간의 동작을 개략적으로 설명하였다. 이하, 전력 전달 페이즈(840)에서의 동작에 대한 원활한 이해를 위해, 전력 전달 페이즈(840)에서의 프로토콜을 베이스라인 프로토콜의 경우와 확장된 프로토콜의 경우를 각각 구별하여 설명하도록 한다.
도 14는 베이스라인 프로토콜에서의 전력 전달 페이즈(840)에 대한 데이터 플로우의 순서도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 14에 따르면, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 CE를 전송할 수 있다(S1410). 여기서, 무선 전력 수신기(200)는 일반적으로 CE 데이터 패킷을 초당 여러 번 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 일반적으로 1.5초마다 한 번씩 RP(received power) 데이터 패킷(베이스라인 프로토콜에서는 RP8)을 전송할 수 있다(S1420).
선택적으로, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 CHS(charge status) 데이터 패킷을 전송할 수 있다(S1430).
앞서 설명했던 데이터 패킷을 정리하여 설명하면 아래와 같을 수 있다.
- CE: CE 데이터 패킷은 원하는 전력 수준에 대한 피드백을 제공할 수 있다. CE 데이터 패킷은 제어 오류 값(control error value)를 포함할 수 있으며, 여기서 제어 오류 값은 무선 전력 수신기(200)의 실제 동작 지점과 목표 동작 지점 간의 편차에 대한 상대 측정 값인 부호 있는 정수 값일 수 있다. 이때의 제어 오류 값이 양수 값이면, 실제 동작 지점이 목표 동작 지점 아래에 있음을 나타내며, 무선 전력 전송기(100)에게 전력 신호를 증가시키도록 요청할 수 있다. 제어 오류 값이 음수 값이면, 실제 동작 지점이 목표 동작 지점 위에 있음을 나타내며, 무선 전력 전송기(100)에 전력 신호를 줄이도록 요청할 수 있다.
- RP8: RP8 데이터 패킷은 수신 전력 수준을 보고할 수 있다. 여기서, RP8 데이터 패킷은 베이스라인 프로토콜에만 포함될 수 있다.
- CHS: CHS 데이터 패킷은 부하에서 배터리의 충전 수준을 제공할 수 있다.
도 15는 확장된 프로토콜에서의 전력 전달 페이즈(840)에 대한 데이터 플로우의 순서도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 15에 따르면, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 CE를 전송할 수 있다(S1510). 여기서, 무선 전력 수신기(200)는 일반적으로 CE 데이터 패킷을 초당 여러 번 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 일반적으로 1.5초마다 한 번씩 RP(received power) 데이터 패킷(확장된 프로토콜에서는 RP)을 전송할 수 있다(S1515).
전력 전달 페이즈에서, 제어 오류 패킷(CE)와 수신 전력 패킷(RP)는, 무선전력의 제어를 위해, 요구되는 타이밍 제약(timing constraint)에 맞추어 반복적으로 전송/수신되어야 하는 데이터 패킷이다.
무선전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기 (200)로부터 수신한 제어 오류 패킷(CE)와 수신 전력 패킷(RP)을 기초로 전송하는 무선전력의 레벨을 제어할 수 있다.
한편, 확장된 프로토콜에서는, 무선 전력 전송기(100)는 수신 전력 패킷(RP)에 대해 ACK, NAK, ATN 등의 비트 패턴으로 응답할 수 있다(S1520).
모드 값이 0인 수신 전력 패킷(RP/0)에 대해, 무선 전력 전송기(100)가 ACK으로 응답하는 것은, 전력 전송이 현재의 레벨로 계속 진행될 수 있음을 의미한다.
모드 값이 0인 수신 전력 패킷(RP/0)에 대해, 무선 전력 전송기(100)가 NAK으로 응답하는 것은, 무선 전력 수신기(200)가 전력 소비를 줄여야 함을 의미한다.
모드 값이 1 또는 2인 수신 전력 패킷(RP/1 또는 RP/2)에 대해, 무선 전력 전송기(100)가 ACK으로 응답하는 것은, 무선 전력 수신기(200)가 수신 전력 패킷(RP/1 또는 RP/2)에 포함된 전력 보정 값을 받아들였음을 의미한다.
모드 값이 1 또는 2인 수신 전력 패킷(RP/1 또는 RP/2)에 대해, 무선 전력 전송기(100)가 NAK으로 응답하는 것은, 무선 전력 수신기(200)가 수신 전력 패킷(RP/1 또는 RP/2)에 포함된 전력 보정 값을 받아들이지 않았음을 의미한다.
앞서 설명했던 모드 값이 1인 수신 전력 패킷(RP/1)은 최초 보정 데이터 포인트(first calibration data point)를 의미할 수 있으며, 모드 값이 2인 수신 전력 패킷(RP/2)은 추가적인 보정 데이터 포인트(additional calibration data point)를 의미할 수 있다. 여기서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 모드 값이 2인 수신 전력 패킷(RP/2)를 여러 번 전송하여 복수 개의 추가적인 전력 보정 값을 전송할 수 있으며, 무선 전력 전송기는 수신된 RP/1 및 여러 개의 RP/2에 기반하여 보정 절차를 진행할 수 있다.
수신 전력 패킷(RP)에 대해 무선 전력 전송기(100)가 ATN으로 응답하는 것은, 무선 전력 전송기(100)가 통신의 허용을 요청함을 의미한다. 즉, 무선 전력 전송기(100)는 RP 데이터 패킷에 응답하여 데이터 패킷을 전송하는 권한을 요청하기 위해 ATN(attention) 응답 패턴을 전송할 수 있다. 달리 말하면, 무선 전력 전송기(100)는 RP 데이터 패킷에 응답하여 ATN을 무선 전력 수신기(200)에게 전송하여, 데이터 패킷을 전송하는 권한을 무선 전력 수신기(200)에게 요청할 수 있다.
선택적으로, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 CHS(charge status) 데이터 패킷을 전송할 수 있다(S1525).
한편, 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 전력 전송 계약에서의 요소(일반적으로는 보장된 부하 전력)에 대한 재협상을 개시하기 위하여, DSR(data stream response) 데이터 패킷, CAP 데이터 패킷, NEGO 데이터 패킷을 교환할 수 있다.
예컨대, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 DSR 데이터 패킷을 전송하고(S1530), 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)에게 CAP을 전송할 수 있다(S1535).
아울러, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 NEGO 데이터 패킷을 전송하고(S1540), 무선 전력 전송기(100)는 NEGO 데이터 패킷에 응답하여 무선 전력 수신기(200)에게 ACK을 전송할 수 있다(S1545).
여기서, 재협상 페이즈의 개시에 관련된 데이터 패킷을 정리하면 아래와 같을 수 있다.
- DSR: DSR 데이터 패킷에는 아래와 같은 값들 중 어느 하나의 값이 설정될 수 있다.
i) 0x00-DSR/nak: 마지막으로 수신된 무선 전력 전송기(100)의 데이터 패킷이 거부되었음을 지시함.
ii) 0x33-DSR/poll: 데이터 패킷을 보내도록 무선 전력 전송기(100)를 인바이트 (invite)함.
iii) 0x55-DSR/nd: 마지막으로 수신된 무선 전력 전송기(100)의 데이터 패킷이 예상되지 않았음을 지시함.
iv) 0xFF-DSR/ack: 마지막으로 수신된 무선 전력 전송기(100)의 데이터 패킷이 제대로 처리되었음을 확인함.
- CAP: CAP 데이터 패킷은 무선 전력 전송기(100)의 기능에 대한 정보를 제공한다. 구체적인 내용은 앞서 설명한 바와 같다.
- NEGO: NEGO 데이터 패킷은 재협상 단계로 진행하도록 무선 전력 전송기(100)에 요청할 수 있다.
무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 어플리케이션 레벨 데이터의 교환을 위해 ADC(auxiliary data transport), ADT(auxiliary data transport) 및 DSR 데이터 패킷을 이용할 수 있다.
즉, 어플리케이션 레벨 데이터의 교환을 위한 데이터 전송 스트림의 송수신 관점에서, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 ADC/ADT를 전송할 수 있으며(S1550), 무선 전력 전송기(100)는 이에 대한 응답으로 ACK/NAK을 무선 전력 수신기(200)에게 전송할 수 있다(S1555). 아울러, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송기(100)에게 DSR을 전송할 수 있으며(S1560), 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기에게 ADC/ADT를 전송할 수 있다(S1565).
여기서, 데이터 전송 스트림은 데이터 스트림 개시자에서 데이터 스트림 응답자로 애플리케이션 레벨 데이터를 전달하는 역할을 한다. 그리고, 어플리케이션 레벨 데이터는 크게 i) 인증(authentication) 어플리케이션, ii) 독점(범용) 애플리케이션으로 구별될 수 있다.
어플리케이션 레벨 데이터 중 인증 어플리케이션에 관련된 메시지/정보는 다음과 같이 정리될 수 있다.
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, GET_CERTIFICATE, CHALLENGE를 포함한다.
- GET_DIGESTS: 이 요청은 인증서 체인 다이제스트를 검색하는 데 사용될 수 있다. 무선 전력 수신기(200)는 한 번에 원하는 수의 다이제스트를 요청할 수 있다.
- GET_CERTIFICATE: 이 요청은 대상 인증서 체인의 세그먼트를 읽는 데 사용될 수 있다.
- CHALLENGE: 이 요청은 전력 전송기 제품 장치의 인증을 시작하는 데 사용될 수 있다.
인증 응답 메시지는 DIGESTS, CERTIFICATE, CHALLENGE_AUTH, ERROR를 포함한다.
- DIGESTS: 무선 전력 전송기(100)는 DIGESTS 응답을 사용하여 인증서 체인 요약을 보내고 유효한 인증서 체인 요약이 포함된 슬롯을 보고할 수 있다.
- CERTIFICATE: 이 응답은 무선 전력 전송기(100)가 인증서 체인의 요청된 세그먼트를 보내는 데 사용될 수 있다.
- CHALLENGE_AUTH: 무선 전력 전송기(100)는 CHALLENGE_AUTH를 사용하여 CHALLENGE 요청에 응답할 수 있다.
- ERROR: 이 응답은 전력 송신기에서 오류 정보를 전송하는 데 사용될 수 있다.
인증 메시지는 인증 패킷이라 불릴 수도 있고, 인증 데이터, 인증 제어정보라 불릴 수도 있다. 또한, GET_DIGEST, DIGESTS 등의 메시지는 GET_DIGEST 패킷, DIGEST 패킷 등으로 불릴 수도 있다.
한편, 앞서 설명했던 바와 같이, 무선 전력 수신기(200)와 무선 전력 전송기(100)는 데이터 전송 스트림을 통해 어플리케이션 레벨 데이터를 전달할 수 있다. 데이터 전송 스트림을 통해 전달되는 어플리케이션 레벨 데이터는 다음 구조의 데이터 패킷 시퀀스로 구성될 수 있다.
- 스트림을 여는 초기 ADC 데이터 패킷.
i) 스트림에 포함된 메시지 유형.
ii) 스트림의 데이터 바이트 수.
- 실제 메시지를 포함하는 일련의 ADT 데이터 패킷.
- 스트림을 닫는 최종 ADC/end 데이터 패킷.
이하, 위와 같은 ADC, ADT, ADC/end 데이터 패킷이 이용되는 예시에 대한 데이터 전송 스트림을 도면을 통해 설명하도록 한다.
도 16은 일례에 따른 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200) 간의 어플리이션 레벨의 데이터 스트림을 도시한 것이다.
도 16를 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.
앞서 설명했던, 전력 전달 페이즈(840)에서의 무선 전력 전송기(100) 및 무선 전력 수신기(200) 간의 동작의 이해를 위한 예시를 설명하자면 아래와 같을 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 17에서 전력 전달 페이즈에서, 무선 전력 전송기(100) 및 무선 전력 수신기(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.
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 17에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 17의 방법으로 수행할 수도 있다.
<프로파일에 따른 동작>
무선 충전 방식에는 1차 코일과 2차 코일간의 자기 유도 현상을 이용한 자기 유도 방식과, 수십kHz에서 수MHz 대역의 주파수를 사용하여 자기적 공명을 이루어 전력을 전송하는 자기 공명 방식이 있다. 여기서, 자기 공명 방식에 대한 무선 충전 표준은 A4WP라는 협의회에서 주도하며 자기 유도 방식은 WPC(Wireless Power Consortium)에서 표준을 주도한다. 여기서, WPC에서는 무선 충전 시스템과 관련된 다양한 상태 정보 및 명령어를 인 밴드로 주고 받을 수 있도록 설계되어 있다.
WPC에서의 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다. 이하, BPP 및 EPP에 대해 각각 설명하도록 한다.
A. BPP(baseline power profile)
BPP는 5W까지의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치 간의 전력 전달 프로파일에 관한 것이다. 그리고, BPP에서는 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 전송기로의 일 방향 통신(unidirectional communication)이 지원된다. 이때의 통신 방식은 ASK(amplitude shift keying)에 해당될 수 있다. BPP에서는 핑, 설정, 전력 전달의 프로토콜 페이즈가 존재할 수 있다.
B. EPP(extended power profile)
EPP는 15W까지의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치 간의 전력 전달 프로파일에 관한 것이다. 그리고, EPP에서는 무선 전력 수신기와 무선 전력 전송기 간의 양 방향 통신(bidirectional communication)이 지원된다. 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 전송기로의 통신 방식은 ASK(amplitude shift keying)에 해당될 수 있으며, 무선 전력 전송기로부터 무선 전력 수신기로의 통신 방식은 FSK(frequency shift keying)에 해당될 수 있다. EPP에서는 핑, 설정, 협상, 전력 전달의 프로토콜 페이즈가 존재할 수 있다.
(a) EPP에서의 호환성
EPP는 BPP의 상위 프로파일에 해당할 수 있다.
예컨대, BPP 무선 전력 수신기가 EPP 무선 전력 전송기 상에 배치되면, EPP 무선 전력 전송기는 BPP 무선 전력 전송기로써 동작할 수 있다.
예컨대, EPP 무선 전력 수신기가 BPP 무선 전력 전송기 상에 배치되면, EPP 무선 전력 수신기는 BPP 무선 전력 수신기로써 동작할 수 있다.
즉, EPP는 BPP와의 호환성을 유지할 수 있다.
(b) EPP 무선 전력 수신기의 EPP지시 방법
EPP 무선 전력 수신기는 설정 패킷(i.e. CFG)에서의 'neg' 비트를 1로써 설정함으로써, 자신이 EPP 무선 전력 수신기임을 지시할 수 있다. 설정 패킷에 대한 구체적인 예는 앞서 설명한 바와 같다.
(c) EPP 무선 전력 전송기의 EPP지시 방법
EPP 무선 전력 전송기가 'neg' 비트가 1로 설정된 설정 패킷을 무선 전력 수신기로부터 수신할 경우, EPP 무선 전력 전송기는 이에 대해 ACK FSK 비트 패턴으로써 무선 전력 수신기에게 응답할 수 있다.
참고로, 앞서 설명한 바와 같이 BPP 무선 전력 전송기는 FSK 통신 방법을 지원하지 않기에 BPP 무선 전력 전송기는 FSK 비트 패턴을 전송하지 못한다. 이에, 'neg' 비트를 1로 설정하여 설정 패킷을 BPP 무선 전력 전송기에게 전송한 EPP 무선 전력 수신기는, 위 ACK 응답을 수신하지 못함으로써, 상대 무선 전력 전송기가 BPP 무선 전력 전송기임을 식별할 수 있다.
한편, 무선 전력 전달 시스템에서는 새로운 전력 전달 프로파일을 제공하고자 하며, 이때 제안되는 전력 전달 프로파일 중에는 MPP(magnetic power profile)이 있다. MPP는 Qi v1.3.0에 기반한 'Apple' 사의 전용 확장에 해당할 수 있다.
C. MPP(magnet power profile)
MPP는 15W까지의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치 간의 전력 전달 프로파일에 관한 것이다. 그리고, MPP에서는 무선 전력 수신기와 무선 전력 전송기 간의 양 방향 통신(bidirectional communication)이 지원된다. 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 전송기로의 통신 방식은 ASK(amplitude shift keying)에 해당될 수 있으며, 무선 전력 전송기로부터 무선 전력 수신기로의 통신 방식은 FSK(frequency shift keying)에 해당될 수 있다. 이때, 협상 및 전력 전달 페이즈 동안에는 빠른 FSK(NCYCLE = 128)가 사용될 수 있다.
MPP에서는 핑, 설정, MPP 협상, MPP 전력 전달의 프로토콜 페이즈가 존재할 수 있다.
(a) MPP에서의 호환성
MPP는 BPP의 상위 프로파일에 해당할 수 있다.
예컨대, BPP 무선 전력 수신기가 MPP 무선 전력 전송기 상에 배치되면, MPP 무선 전력 전송기는 BPP 무선 전력 전송기로써 동작할 수 있다.
예컨대, MPP 무선 전력 수신기가 BPP 무선 전력 전송기 상에 배치되면, MPP 무선 전력 수신기는 BPP 무선 전력 수신기로써 동작할 수 있다.
즉, MPP는 BPP와의 호환성을 유지할 수 있다.
(b) MPP 무선 전력 수신기의 MPP 동작(MPP 지시 방법)
MPP 무선 전력 수신기는 확장된 ID 패킷 내에 특정 MPP 지시자를 이용할 수 있다.
MPP 무선 전력 수신기가 XID를 통해 MPP의 지원 여부를 알려주기 위해서는, 무선 전력 수신기는 ID 패킷을 통해 XID가 전송됨을 무선 전력 전송기에게 알려줘야 한다. MPP 무선 전력 수신기가 전송하게 되는 ID 패킷은 아래와 같을 수 있다.
도 18은 MPP ID 패킷의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 18에 따르면, MPP ID 패킷에서, B0의 b4 - b7까지의 메이저 버전 필드의 값은, 1로 설정될 수 있다.
MPP ID 패킷에서, B0의 b0 - b3까지의 마이너 버전 필드의 값은, 추후 결정되는 값일 수 있다.
MPP ID 패킷에서, B1 및 B2의 제조사 코드(manufacture code)의 값은 PRMC 코드로 할당될 수 있다.
MPP ID 패킷에서, B3의 b7의 'ext' 필드의 값은, 1로 설정되어 XID 패킷이 추가 전송됨이 지시될 수 있다.
MPP ID 패킷에서, B3의 b0 내지 b6, B4, B5의 b3 내지 b7의 랜덤 식별자 필드의 값은, 랜덤 디바이스 식별 정책에 따라 설정될 수 있다.
도 19는 MPP에서의 XID 패킷의 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 19에 따르면, MPP에서의 XID 패킷은 'XID Selector' 필드, 'Restricted' 필드, 'Freq Mask' 필드 등을 포함할 수 있다.
여기서, MPP의 지원 유무는 'XID selector'의 값이 0xFE인지 여부에 따라 판단될 수 있다. 즉, XID의 B_0의 값이 0xFE인 경우, 이때의 XID는 무선 전력 수신기가 MPP를 지원함을 알리는 정보에 해당할 수 있다.
'Restricted' 필드는 무선 전력 수신기가 MPP 제한 모드로 동작하는지 혹은 MPP 풀 모드로 동작을 하는지를 알려주는 정보에 해당할 수 있다. 만약, 무선 전력 수신기가 MPP 제한 모드로 동작함을 선택한 경우, 위 필드는 1로 설정될 수 있다. 한편, 다른 경우에는(예컨대, 무선 전력 수신기가 MPP 제한 모드로 동작하지 않음을 선택한 경우), 위 필드는 0으로 설정될 수 있다.
'Preferred Frequency' 필드는 MPP 선호되는 주파수를 의미할 수 있다. 여기서, 무선 전력 수신기는 주파수의 스위칭 전에 (협상 페이즈에서) 무선 전력 전송기로부터 정보를 검색하고자 할 경우에는 이 필드를 128 kHz로 설정할 수 있다. 그 외의 경우에는, 무선 전력 수신기는 이 필드를 360 kHz로 설정할 수 있다.
'Freq Mask' 필드는 360 kHz의 동작 주파수가 지원되는지 여부를 판단하기 위한 필드에 해당한다. 즉, 'Freq Mask' 필드가 0으로 설정된 경우 360kHz가 지원된다.
정리하면, 무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 수신한 ID의 'Ext' 비트가 1로 설정되었는지를 판단하고 XID의 B_0가 0xFE로 설정되었는지를 판단하여, 무선 전력 전송기는 무선 전력 수신기의 MPP에 대한 지원 여부를 판단할 수 있다.
(c) MPP 무선 전력 전송기의 MPP 동작(MPP 지시 방법)
충전 표면에서 무선 전력 수신기의 배치를 감지한 후, MPP 무선 전력 전송기는 ID 및 XID 패킷에 포함된 정보를 사용하여 디지털 핑을 수행하고 수신기를 식별할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송기는 다음 조건이 모두 충족되는 경우 무선 전력 수신기가 MPP를 지원하는 것으로 결정할 수 있다.
- Qi 버전: ID 패킷의 Qi 프로토콜 버전은(Major=1, Minor=TBD) 이상으로 설정됨.
- MPP 지원 알림: XID 패킷의 하위 헤더(바이트 0)가 MPP 셀렉터(selector)로 설정됨.
만약 위 두 가지 조건이 만족되지 않으면, 무선 전력 전송기는 Qi v1.3 사양에 따라 후속 절차를 진행할 수 있다.
한편, XID 패킷에서 MPP 무선 전력 수신기가 요청한 MPP 작동 모드에 따라 무선 전력 전송기는 다음을 수행한다.
- 제한된(restricted) 프로파일 활성화(MPP 제한 모드): 'restricted' 플래그가 1로 설정된 경우.
- 전체(full) 프로파일 활성화(MPP 풀 모드): 'restricted' 플래그가 0으로 설정된 경우.
위 제한된 프로파일에 대한 구체적인 예시와, 풀 프로파일에 대한 구체적인 예시는 후술하도록 한다.
한편, MPP 무선 전력 전송기가 'neg' 비트가 1로 설정된 설정 패킷을 무선 전력 수신기로부터 수신할 경우, (MPP 풀 모드에서) MPP 무선 전력 전송기는 MPP 풀 모드에서) 이에 대해 MPP ACK FSK 비트 패턴으로써 무선 전력 수신기에게 응답할 수 있다.
참고로, MPP 제한 모드의 무선 전력 전송기는 FSK 통신 방법을 지원하지 않기에 MPP 제한 모드의 무선 전력 전송기는 FSK 비트 패턴을 전송하지 못한다. 다만, MPP 제한 모드의 무선 전력 전송기는 전력 전달을 위해 360 kHz의 동작 시그널을 이용하기 때문에, 이에, 'neg' 비트를 1로 설정하여 설정 패킷을 MPP 제한 모드로 동작하는 무선 전력 전송기에게 전송한 MPP 무선 전력 수신기는 동작 주파수를 통해 상대 무선 전력 전송기가 MPP 제한 모드의 무선 전력 전송기임을 식별할 수 있다.
(d) MPP의 모드
한편, MPP에서는 두 가지 모드가 존재할 수 있다. 그 중 하나는 MPP 제한 모드(MPP Restricted mode)(다른 말로는 MPP 베이스라인 프로파일)이고, 나머지 하나는 MPP 풀 모드(MPP Full mode)(다른 말로는 MPP 풀 프로파일)이다.
양 자의 차이를 간략히 설명하자면, MPP 제한 모드에서는 XID에서의 'restricted' 필드가 1로 설정되나, MPP 풀 모드에서는 XID에서의 'restricted' 필드가 0으로 설정된다는 점이 있다.
또한, MPP 제한 모드에서는 FSK 통신이 지원되지 않으나, MPP 풀 모드에서는 FSK 통신이 지원될 수 있다.
추가적으로, MPP 제한 모드에서는 FSK 통신이 지원되지 않기에 CFG에 대한 MPP ACK를 전송할 수 없으며, 이에 따라, MPP 제한 모드에서는 MPP 협상이 지원되지 않는다. 이에 반해, MPP 풀 모드에서는 FSK 통신이 지원되기에 CFG에 대한 MPP ACK를 전송할 수 있으며, 이에 따라, MPP 풀 모드에서는 MPP 협상이 지원될 수 있다.
이하, MPP 제한 모드와 MPP 풀 모드에 대해서 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 여기서, MPP 제한 모드는 MPP 베이스라인 프로파일과 혼용될 수 있고, MPP 풀 모드는 MPP 풀 프로파일과 혼용될 수 있다.
이하, MPP 제한 모드와 MPP 풀 모드에 대한 풍부한 이해를 위해, 각 모드에서의 프로토콜에 대해서 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
i) MPP 제한 모드(MPP restricted mode)
앞서 설명한 바와 같이, MPP 제한 모드에서는 FSK 커뮤니케이션이 지원되지 않는다. 즉, MPP 제한 모드에서는 무선 전력 전송기로부터 무선 전력 수신기에게 전송되는 데이터 패킷이 존재하지 않을 수 있다. 이와 같은 배경 하에, 도면을 통해 MPP 제한 모드에서의 프로토콜을 설명하도록 한다.
도 20은 MPP 제한 모드에서의 프로토콜을 개략적으로 도시한 것이다.
도 20에 따르면, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 제1 동작 주파수(예컨대, 128 kHz) 상에서 SIG를 전송할 수 있다. 이때, 제1 동작 주파수는 BPP 및/또는 EPP가 수행될 수 있는 동작 주파수에 해당될 수 있다. 그리고, 이때의 제1 동작 주파수는 무선 전력 전송기가 구동하는 주파수에 해당한다.
무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 제1 동작 주파수 상에서 ID 패킷을 전송할 수 있다. 이때, MPP에서는 XID가 반드시 전송되기에, XID가 추가적으로 전송됨을 지시할 수 있도록 ID의 'ext' 비트가 1로 설정될 수 있다.
무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 제1 동작 주파수 상에서 XID 패킷을 전송할 수 있다.
이때의 XID에서의 B0의 값은 0xFE일 수 있으며, XID에서의 B0의 값이 0xFE로 설정된다면 이는 무선 전력 수신기가 MPP를 지원함을 알리는 정보에 해당할 수 있다. 아울러, 이때의 XID에서의 'Restricted' 필드는 무선 전력 수신기가 MPP 제한 모드로 동작함을 알릴 수 있도록, 위 필드는 1로 설정될 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송기가 MPP 제한 모드를 지시하는 위 XID 패킷을 수신한 경우, 무선 전력 전송기는 전력 시그널을 제거하고, 새로운 동작 주파수에서 핑 페이즈를 재시작 할 수 있다.
핑 페이즈가 재시작 되면, 무선 전력 수신기는 SIG의 전송부터 다시 시작하게 된다. 다만, 이때의 동작 주파수는 제2 동작 주파수(예컨대, 360kHz)일 수 있다.
이후, 무선 전력 수신기는 제2 동작 주파수에서 ID, XID, CFG 패킷들을 무선 전력 전송기에게 각각 전송한다. 아울러, 무선 전력 수신기는 CEP를 무선 전력 전송기에게 전송함으로써 무선 전력 전송기로부터 MPP 베이스라인에 기반한 무선 전력을 수신할 수 있다.
ii) MPP 풀 모드(MPP full mode)
앞서 설명한 바와 같이, MPP 풀 모드에서는 FSK 커뮤니케이션이 지원될 수 있다. 즉, MPP 풀 모드에서는 무선 전력 전송기로부터 무선 전력 수신기에게 전송되는 데이터 패킷이 존재할 수 있다. 이를 달리 말하면, 무선 전력 전송기와 무선 전력 수신기 간에는 MPP 협상 등이 진행될 수 있다. 이와 같은 배경 하에, 도면을 통해 MPP 풀 모드에서의 프로토콜을 설명하도록 한다.
도 21 및 도 22는 MPP 풀 모드에서의 프로토콜을 개략적으로 도시한 것이다.
우선 도 21에 따르면, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 제1 동작 주파수(예컨대, 128 kHz) 상에서 SIG를 전송할 수 있다. 이때, 제1 동작 주파수는 BPP 및/또는 EPP가 수행될 수 있는 동작 주파수에 해당될 수 있다. 그리고, 이때의 제1 동작 주파수는 무선 전력 전송기가 구동하는 주파수에 해당한다.
무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 제1 동작 주파수 상에서 ID 패킷을 전송할 수 있다. 이때, MPP에서는 XID가 반드시 전송되기에, XID가 추가적으로 전송됨을 지시할 수 있도록 ID의 'ext' 비트가 1로 설정될 수 있다.
무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기에게 제1 동작 주파수 상에서 XID 패킷을 전송할 수 있다.
이때의 XID에서의 B0의 값은 0xFE일 수 있으며, XID에서의 B0의 값이 0xFE로 설정된다면 이는 무선 전력 수신기가 MPP를 지원함을 알리는 정보에 해당할 수 있다. 아울러, 이때의 XID에서의 'Restricted' 필드는 무선 전력 수신기가 MPP 풀 모드로 동작함을 알릴 수 있도록, 위 필드는 0으로 설정될 수 있다.
한편, MPP 풀 모드에서는 MPP 제한 모드와는 다르게, 무선 전력 전송기가 무선 전력 수신기로부터 XID 패킷을 수신할 지라도 파워 시그널을 제거하지 않는다. 이때, 무선 전력 수신기는 여전히 파워 시그널이 제거되지 않았기에 XID 패킷 이후 CFG 패킷을 무선 전력 전송기에게 전송한다.
그리고, 무선 전력 수신기는 위 CFG 패킷에 대한 응답으로써, MPP ACK을 무선 전력 전송기로부터 수신할 수 있다.
MPP ACK을 수신한 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기와 협상 페이즈에 진입하고, 무선 전력 수신기 및 무선 전력 전송기 양 자는 협상을 진행할 수 있다.
협상의 진행 이후, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기와 전력 전달 페이즈에 진입할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신기는 EPT 패킷을 무선 전력 전송기에게 전송한다. EPT 패킷을 수신한 무선 전력 전송기는 파워 시그널을 제거하며, 이후에 새로운 동작 주파수에서 핑 페이즈를 재시작 할 수 있다.
도 22에 따르면, 핑 페이즈가 재시작 되면, 무선 전력 수신기는 SIG의 전송부터 다시 시작하게 된다. 다만, 이때의 동작 주파수는 제2 동작 주파수(예컨대, 360kHz)일 수 있다.
이후, 무선 전력 수신기는 제2 동작 주파수에서 ID, XID, CFG 패킷들을 무선 전력 전송기에게 각각 전송한다. 그리고, 무선 전력 수신기는 무선 전력 전송기로부터 MPP ACK을 수신할 수 잇다.
MPP ACK을 수신한 무선 전력 수신기는 제2 동작 주파수에서 무선 전력 전송기와 협상 페이즈에 진입하고, 무선 전력 수신기 및 무선 전력 전송기 양 자는 협상을 진행할 수 있다.
협상의 진행 이후, 무선 전력 수신기는 제2 동작 주파수에서 무선 전력 전송기와 전력 전달 페이즈에 진입한다. 아울러, 무선 전력 수신기는 XCE를 무선 전력 전송기에게 전송하고 이에 대한 응답(예컨대, ACK을 수신)함으로써 무선 전력 전송기로부터 MPP 풀 모드에 기반한 무선 전력을 수신할 수 있다.
이하, 본 명세서에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
무선 충전 방식에는 1차 코일과 2차 코일간의 자기 유도 현상을 이용한 자기 유도 방식과, 수십kHz에서 수MHz 대역의 주파수를 사용하여 자기적 공명을 이루어 전력을 전송하는 자기 공명 방식이 있다. 여기서, 자기 공명 방식에 대한 무선 충전 표준은 A4WP라는 협의회에서 주도하며 자기 유도 방식은 WPC(Wireless Power Consortium)에서 표준을 주도한다. 여기서, WPC에서는 무선 충전 시스템과 관련된 다양한 상태 정보 및 명령어를 인 밴드로 주고 받을 수 있도록 설계되어 있다.
WPC에서의 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다.
한편, 시장은 무선 전력 전달 시스템에서는 BPP 또는 EPP와는 다른, 새로운 전력 전달 프로파일을 제공하고자 하며, 그 일환으로써, 최근 애플 사에서는 마그세이프(MagSafe) 즉, MPP 프로파일을 제안하고 있다.
이하, 마그세이프 전용 수신기의 코일 모듈을 도면을 통해 설명하면 아래와 같다.
도 23은 마그세이프 전용 수신기의 일례에 대한 코일 모듈의 분해도다.
도 23에 따르면, 마그세이프 전용 수신기에 포함된 코일 외곽에는 영구 자석이 포함된다. 마그세이프에 따른 무선 전력 전송기에도 포함되는 영구 자석으로 인하여, 마그세이프에 따른 무선 전력 전송기의 서페이스 상에 마그세이프 전용 수신기가 위치될 경우, 양 자 간의 영구 자석에 의한 인력으로 인해, 송수신 코일의 센터 간 정렬이 이루어질 수 있다.
이와 같은 상황에서, WPC에 등록된 표준 송신 코일(특히, 멀티 코일)의 인터페이스 서페이스 상에 마그세이프를 이용하는 무선 전력 수신기(200)가 위치될 경우에는, 인력에 의한 송수신 코일 간 정렬이 이루어지지 않는다. 그 이유로, WPC에 따른, 표준 송신 코일을 포함하는 무선 전력 전송기는 영구 자석을 포함하고 있지 않기 때문이다.
이에, 본 명세서에서는 해당 이슈를 해결하는 하나의 수단으로써 영구 자석을 포함하는 멀티 코일 무선 전력 전송기, 즉, 멀티 코일 무선 충전 시스템을 제안하고자 한다.
특히 본 명세서에서는 WPC 표준 송신 코일에 대해서도 영구 자석을 적용하는 구성을 제안한다. 이하에서는, 차량 용 무선 충전기로써 널리 사용되고 있는 대표적인 WPC 표준 송신 코일인 MP-A12을 기준으로, 영구 자석을 적용하는 예시를 설명한다. 다만, 이는 어디까지나 본 명세서의 이해의 편의를 위함이고, 본 명세서의 실시예, 즉, 충전 코일에 영구 자석을 적용하는 예는 WPC 뿐만 아니라 다른 표준에서의 코일에도 적용될 수 있다.
본 명세서에 따른 구성은 기존의 WPC 표준 송신 코일 시스템으로 하여금 'MagSafe' 전용 수신 디바이스의 충전까지 지원할 수 있게 하는데 유효한 수단에 해당할 수 있다.
<레퍼런스 모델>
우선, 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 전송기(100)에 대해 설명한다.
도 24는 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 전송기(100)의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 24에 따르면, MP-A12 타입의 코일이 무선 전력 전송기(100)의 레퍼런스 모델이 될 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)의 세컨더리 코일(2001)과 자기 커플링을 통해 무선 전력을 전송하는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)은 제1 평면 상에서 서로 중첩되지 않게 폭 방향으로 나란하게 배치되는 제1 바텀 코일(1011) 및 제2 바텀 코일(1012) 및 상기 제1 평면의 상부에 위치하는 제2 평면 상에 배치되는 탑 코일(1021)을 포함할 수 있다.
상기 탑 코일(1021)의 일 측은 상기 제1 바텀 코일(1011)의 상부에 위치하고 및 상기 탑 코일(1021)의 타 측은 상기 제2 바텀 코일(1012)의 상부에 위치할 수 있다.
이때, 제1 바텀 코일(1011), 탑 코일(1021), 제2 바텀 코일(1012)의 인덕턴스는 아래 표와 같은 값을 가질 수 있다. 이하 표에서, 제1 바텀 코일(1011)의 셀프 인덕턴스는 L_0이고, 탑 코일(1021)의 셀프 인덕턴스는 L_1이고, 제2 바텀 코일(1012)의 셀프 인덕턴스는 L_2일 수 있다.
Self-inductance (uH) L0 L1 L2
실측 11 11.5 11
Simulation 11.01 11.52 11.01
WPC 규격 11.3±0.7
한편, 구동 주파수(operating frequency)가 100KHz일 경우에, 제1 바텀 코일(1011), 탑 코일(1021), 제2 바텀 코일(1012)의 레지스턴스는 아래 표와 같은 값을 가질 수 있다. 이하 표에서, 제1 바텀 코일(1011)의 레지스턴스는 R_0, 탑 코일(1021)의 레지스턴스는 R_1, 제2 바텀 코일(1012)의 레지스턴스는 R_2일 수 있다.
Resistance (mΩ) R0 R1 R2
실측 31 34 31
Simulation 31.26 34.14 31.26
한편, 구동 주파수(operating frequency)가 100KHz일 경우에, 제1 바텀 코일(1011), 탑 코일(1021), 제2 바텀 코일(1012)의 품질 인자(e.g. Q-factor)는 아래 표와 같은 값을 가질 수 있다. 이하 표에서, 제1 바텀 코일(1011)의 품질 인자는 Q_0, 탑 코일(1021)의 품질 인자는 Q_1, 제2 바텀 코일(1012)의 품질 인자는 Q_2일 수 있다.
Q-factor Q0 Q1 Q2
실측 222.9 212.5 222.9
Simulation 221.2 212.0 221.2
이하, 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 수신기(200)에 대해 설명한다.도 25 및 도 26은 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 수신기(200)의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 25 및 도 26에 따르면, 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 수신기(200)의 세컨더리 코일(2001)의 권선 수는 15번일 수 있다. 여기서, 무선 전력 수신기(200)에서의 세컨더리 코일(2001)의 내경은 20mm이고, 무선 전력 수신기(200) 코일의 외경은 40.5mm일 수 있다.
한편, 구동 주파수(operating frequency)가 100KHz일 경우에, 무선 전력 수신기(200)의 세컨더리 코일(2001)의 인덕턴스와 레지스턴스는 아래 표와 같은 값을 가질 수 있다. 이하 표에서, 세컨더리 코일(2001)의 인덕턴스는 L_s이고 코일의 레지스턴스는 R_s일 수 있다.
Ls (uH) Rs (mΩ)
실측 15.6 280.2
Simulation 15.6 280.0
<풀-영구 자석(103) + 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)>
우선, 앞서 설명한 레퍼런스 모델이 될 수 있는 무선 전력 전송기(100)에서, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)의 상부에 영구 자석(103)을 배치하는 구성이 고려될 수 있다. 이때의 구조에 대해 설명하면 아래와 같을 수 있다.
도 27 및 도 28은 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 영구 자석(103)을 배치한 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 27 및 도 28에 따르면, 레퍼런스 모델이 되는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)의 상부에 영구 자석(103)이 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)의 세컨더리 코일(2001)과 자기 커플링을 통해 무선 전력을 전송하는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021) 및 상기 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)과 중첩되지 않게 배치되는 영구 자석(103)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)은 제1 평면 상에서 서로 중첩되지 않게 폭 방향으로 나란하게 배치되는 제1 바텀 코일(1011) 및 제2 바텀 코일(1012) 및 상기 제1 평면의 상부에 위치하는 제2 평면 상에 배치되는 탑 코일(1021)을 포함할 수 있다.
상기 탑 코일(1021)의 일 측은 상기 제1 바텀 코일(1011)의 상부에 위치하고 및 상기 탑 코일(1021)의 타 측은 상기 제2 바텀 코일(1012)의 상부에 위치하고, 상기 영구 자석(103)은 상기 제2 평면의 상부에 위치하는 제3 평면 상에서 배치될 수 있다.
상기 영구 자석(103)은 상기 제1 바텀 코일(1011) 및 상기 제2 바텀 코일(1012)의 사이에서 상기 제1 평면과 직교하는 축을 기준으로 동심원 방향을 따라 소정 간격으로 배치될 수 있다.
상기 영구 자석(103)의 내측으로부터 상기 축까지의 거리는 예컨대, 23mm일 수 있고, 상기 영구 자석(103)의 외측으로부터 상기 축까지의 거리는 예컨대, 27.05mm일 수 있다. 달리 말하면, 상기 영구 자석(103)의 내경은 예컨대, 46mm일 수 있고, 상기 영구 자석(103)의 외경은 예컨대, 54.1mm일 수 있다.
상기 탑 코일(1021)의 일 단은 상기 제1 바텀 코일(1011) 및 상기 제2 바텀 코일(1012)의 일 단과 접하고, 및 상기 영구 자석(103)의 일 단은 상기 탑 코일(1021)의 타 단보다 높은 곳에 위치할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석(103)의 일 단과 상기 탑 코일(1021)의 타 단 간의 간격은 예컨대, 6mm일 수 있다. 이때의 값은, 'MacSafe'용 무선 전력 수신기(200)의 PM과의 인력을 극대화하기 위해, 무선 전력 전송기(100)의 영구 자석(103)을 인터페이스 서페이스에 접하도록 위치시킨 경우를 가정한 값일 수 있다. 상기 영구 자석(103)의 타 단은 무선 전력 전송기(100)의 인터페이스 서페이스와 접할 수 있다.
한편, 영구 자석(103)은 제1 서브 영구 자석 및 제2 서브 영구 자석을 포함할 수 있다. 이와 같은 경우를 가정할 때, 도 27 및 도 28에서의 영구 자석(103)의 단면인 A-A를 도면을 통해 설명하면 아래와 같을 수 있다.
도 29는 영구 자석(103)의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 29에 따르면, 제1 서브 영구 자석은 상기 축을 기준으로 제1 원주 상에 배치될 수 있고, 제2 서브 영구 자석은 상기 축을 기준으로 제2 원주 상에 배치될 수 있다. 여기서 예컨대, 제1 원주의 지름의 값은 제2 원주의 지름의 값 보다 더 작은 값을 가질 수 있다. 그리고, 제1 서브 영구 자석과 제2 서브 영구 자석 간에는 비 자성 영역(NON MAGNETIZED ZONE)이 존재할 수 있다.
이와 같은 경우, 제1 원주 상에 배치되는 제1 서브 영구 자석은 도 29에서의 'INNER POLE'에 해당할 수 있고, 제2 원주 상에 배치되는 제2 서브 영구 자석은 도 29에서의 'OUTER POLE'에 해당할 수 있다.
이와 같이, 원주 형태의 영구 자석(103)을 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021) 상부에 배치할 경우, 원주 형태의 영구 자석(103)이 하나의 에디 전류 루프(eddy current loop)로써 동작할 수 있다.
원주 형태의 영구 자석(103)이 하나의 에디 전류 루프로 동작하는 예시를 도면을 통해 설명하면 아래와 같을 수 있다.
도 30 내지 도 32는 영구 자석(103)이 에디 전류 루프로 동작하는 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 30 내지 도 32에 따르면, 탑 코일(1021)에 1A의 전류가 인가될 때, 영구 자석(103)에는 전류 밀도 J (A/m^2)가 전류의 위상(phase)에 따라 변동될 수 있다.
예컨대, 위상이 0 도일 경우에는 도 30에서와 같은 전류 밀도 형태를 보인다. 그리고, 위상이 120 도일 경우에는 도 31에서와 같은 전류 밀도 형태를 보인다. 아울러, 위상이 240 도일 경우에는 도 32에서와 같은 전류 밀도 형태를 보인다.
도 30 내지 도 32에서 공히 확인할 수 있듯이, 원주 형태의 영구 자석(103)이 에디 전류 루프로 동작하기에, 영구 자석(103)에서 발생하는 전류 밀도의 제곱에 비례하여, 저항 손실(ohmic loss)이 발생하게 된다. 이에 대한 예시를 도면을 통해 설명하면 아래와 같다.
도 33은 영구 자석(103)에서 저항 손실이 발생하는 예시를 개략적으로 도시한 것이다.
도 33에 따르면, 원주 형태의 영구 자석(103)에 발생하는 전류밀도의 제곱에 비례하여 저항 손실(ohmic loss) (밀도) (W/m3)가 발생할 수 있다.
정리하면, 원주 형태의 영구 자석(103)이 하나의 에디 전류 루프로써 동작하여, 저항 손실이 발생할 수 있다. 그리고, 이로 인해 무선 전력 전송기(100)의 품질 인자는 상당히 큰 열화를 보인다. 이는, 탑 코일(1021)과 커플링이 강한 도전성(conductive) 원형 루프가 있는 것과 등가를 가지기 때문이다.
실제로, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)이 존재하는 경우의 무선 전력 전송기(100)에서의 품질 인자와, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 더해 원주 형태의 영구 자석(103)이 부가되는 경우의 무선 전력 전송기(100)에서의 품질 인자를 실측하면, 아래 표와 같은 결과가 도출될 수 있다.
아래 표에서, 제1 바텀 코일(1011)에서의 품질 인자는 Q_0으로, 탑 코일(1021)에서의 품질 인자는 Q_1으로, 제2 바텀 코일(1012)에서의 품질 인자는 Q_2로 표현될 수 있다.
Q-factor Q0 Q1 Q2
MP-A12 221.2 212.0 221.2
+ Full PM 56.7 6.3 56.7
표 6에서 확인할 수 있듯이, 영구 자석(103)이 없을 경우의 무선 전력 전송기(100)에서의 품질 인자에 비해, 원주 형태의 영구 자석(103)이 있을 경우의 무선 전력 전송기(100)에서의 품질 인자는 그 값이 현저히 낮다.한편, 전력 전송을 위한 자계가 영구 자석(103)을 회피할 수 있도록, DC 쉴드(low carbon steel) 대신 나노 크리스탈 시트를 부착할 수 있다.
도 34 및 도 35는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 영구 자석(103)을 배치한 다른 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 34 및 도 35에 따르면, 레퍼런스 모델이 되는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)의 상부에 영구 자석(103)이 배치될 수 있다.
기본적으로 도 34 및 도 35의 예시는 도 27 및 도 28의 예시가 적용될 수 있다. 다만, 도 34 및 도 35의 예시에서는 도 27 및 도 28의 예시에서와는 달리 영구 자석(103)의 일 단은 나노 크리스탈 시트와 접할 수 있다.
이에 대해 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 36은 영구 자석(103)과 나노 크리스탈 시트의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 36에 따르면, 제1 서브 영구 자석은 상기 축을 기준으로 제1 원주 상에 배치될 수 있고, 제2 서브 영구 자석은 상기 축을 기준으로 제2 원주 상에 배치될 수 있다.
기본적으로, 도 36의 예시는 도 29에서의 예시가 적용될 수 있다. 도 36과 도 29 간의 차이점이라면, 도 36의 예시에 따르면, 원주 형태의 영구 자석(103)의 하부에는 나노 크리스탈 시트가 배치될 수 있다는 점이다.
이때의 나노 크리스탈 시트의 규격(두께(예컨대, 0.70mm), 사이즈(너비 기준으로 3.85mm), 접착 간격(0.05mm))은 모두 DC 쉴드의 경우와 동일할 수 있다.
이와 같이 나노 크리스탈 시트를 부착한 경우에도, 앞서 설명한 (나노 크리스탈 시트가 배제된) 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021) 및 원주 형태의 영구 자석(103)이 존재하는 무선 전력 전송기(100)에서의 경우에 비해, 품질 인자의 향상이 크게 발생하지는 않는다.
복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)이 존재하는 경우의 무선 전력 전송기(100)에서의 품질 인자와, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 더해 나노 크리스탈 시트가 부착된 원주 형태의 영구 자석(103)이 부가되는 경우의 무선 전력 전송기(100)에서의 품질 인자를 실측하면, 아래 표와 같은 결과가 도출될 수 있다.
아래 표에서, 제1 바텀 코일(1011)에서의 품질 인자는 Q_0으로, 탑 코일(1021)에서의 품질 인자는 Q_1으로, 제2 바텀 코일(1012)에서의 품질 인자는 Q_2로 표현될 수 있다.
Q-factor Q0 Q1 Q2
MP-A12 221.2 212.0 221.2
+ Full PM+ Shield 54.8 9.3 54.8
정리하면, 나노 크리스탈 시트로는 Q가 열화되는 것의 개선 정도가 미미하다.
<복수의 (부분) 영구 자석들(1031, 1032) + 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)>
앞서 설명한 바와 같이, 품질 인자가 열화 되는 이유는 영구 자석이 원주 형태를 가지기 때문이다. 즉, 영구 자석이 원주 형태를 가지게 되면, 저항 손실이 발생하게 되며, 이로 인해 Q 값이 낮아질 수 밖에 없다.
이에, 본 명세서에서는 영구 자석들(1031, 1032)을 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021) 상부에 배치하는 구조를 제안한다. 앞서, (부분) 영구 자석들(1031, 1032)이라고 기재한 이유는, 이하에서의 영구 자석들(1031, 1032) 각각은 원주 형태의 영구 자석의 일부에 해당하는 형태를 가질 수 있기 때문이다.
도 37 내지 도 39는 본 명세서의 일 실시예에 따른, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 복수의 (부분) 영구 자석들(1031, 1032)을 배치한 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 37 내지 도 39에 따르면, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)의 세컨더리 코일(2001)과 자기 커플링을 통해 무선 전력을 전송하는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021) 및 상기 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)과 중첩되지 않게 배치되는 복수의 영구 자석들(1031, 1032)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)은 제1 평면 상에서 서로 중첩되지 않게 폭 방향으로 나란하게 배치되는 제1 바텀 코일(1011) 및 제2 바텀 코일(1012) 및 상기 제1 평면의 상부에 위치하는 제2 평면 상에 배치되는 탑 코일(1021)을 포함할 수 있다.
상기 탑 코일(1021)의 일 측은 상기 제1 바텀 코일(1011)의 상부에 위치하고 및 상기 탑 코일(1021)의 타 측은 상기 제2 바텀 코일(1012)의 상부에 위치하고, 상기 복수의 영구 자석들(1031, 1032)은 상기 제2 평면의 상부에 위치하는 제3 평면 상에서 배치될 수 있다.
상기 복수의 영구 자석들(1031, 1032)은 상기 제1 바텀 코일(1011) 및 상기 제2 바텀 코일(1012)의 사이에서 상기 제1 평면과 직교하는 축을 기준으로 동심원 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 복수의 영구 자석들(1031, 1032)은 제1 영구 자석(1031) 및 제2 영구 자석(1032)을 포함할 수 있다. 이하에서는 주로, 영구 자석들(1031, 1032)이 두 개인 예시를 설명하나, 이는 어디까지나 본 명세서의 예시에 해당할 수 있다. 즉, 본 명세서의 실시예에 따르면, 복수의 영구 자석들은 두 개, 세 개, 네 개 등의 개수로 구성되는 영구 자석들일 수 있다.
한편, 상기 제1 영구 자석(1031) 및 상기 제2 영구 자석(1032)은 상기 축을 기준으로 원주 상의 경로에 배치될 수 있다.
이때, 영구 자석은 예컨대, MPP 에서 적용될 수 있는 무선 전력 전송기(100)의 영구 자석의 일부 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 제1 영구 자석(1031) 및 상기 제2 영구 자석(1032)의 내측으로부터 상기 축까지의 거리는 24mm 이하일 수 있다. 상기 제1 영구 자석(1031) 및 상기 제2 영구 자석(1032)의 외측으로부터 상기 축까지의 거리는 27mm 이상일 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 영구 자석들(1031, 1032)의 단면은, 앞서 설명한 도 29 및 도 36에서의 예시가 적용될 수 있다.
예컨대, 상기 제1 영구 자석(1031)은 제1 서브 영구 자석 및 제2 서브 영구 자석(여기서, 도 29 및 도 36에서의 제1 서브 영구 자석에 대한 예시가 도 37 내지 도 39에서의 제1 서브 영구 자석 및 제2 서브 영구 자석에 적용될 수 있음)을 포함하고, 및 상기 제2 영구 자석(1032)은 제3 서브 영구 자석 및 제4 서브 영구 자석(여기서, 도 29 및 도 36에서의 제2 서브 영구 자석에 대한 예시가 도 37 내지 도 39에서의 제3 서브 영구 자석 및 제4 서브 영구 자석에 적용될 수 있음)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 서브 영구 자석 및 상기 제3 서브 영구 자석은 상기 축을 기준으로 제1 원주 상의 경로에 배치되고, 상기 제2 서브 영구 자석 및 상기 제4 서브 영구 자석은 상기 축을 기준을 제2 원주 상의 경로에 배치될 수 있다.
상기 제1 영구 자석(1031) 및 상기 제2 영구 자석(1032)은 서로 평행하게 위치할 수 있다. 추가적으로, 상기 제1 영구 자석(1031) 및 상기 제2 영구 자석(1032)는 EPP 제품의 충전 공간을 넓히기 위하여, 무선 전력 전송기의 일 측(예컨대 좌 측) 및 무선 전력 전송기의 타 측(예컨대 우 측)에 대칭되게 배치될 수도 있다.
상기 탑 코일(1021)의 일 단은 상기 제1 바텀 코일(1011) 및 상기 제2 바텀 코일(1012)의 일 단과 접하고, 및 상기 복수의 영구 자석들(1031, 1032)의 일 단은 상기 탑 코일(1021)의 타 단보다 높은 곳에 위치할 수 있다. 이때, 상기 복수의 영구 자석들(1031, 1032)의 일 단은 상기 탑 코일(1021)의 타 단보다 'h' 만큼 높은 곳에 위치할 수 있다.
상기 복수의 영구 자석들(1031, 1032)의 타 단은 상기 무선 전력 전송기(100)의 인터페이스 서페이스와 접할 수 있다.
상기 무선 전력 전송기(100)는 쉴드를 포함하고, 및 상기 복수의 영구 자석들(1031, 1032)의 일 단은 상기 쉴드와 접할 수 있다. 그리고, 상기 쉴드는 나노 크리스탈 시트일 수 있다.
상기 제1 바텀 코일(1011)은 상기 제1 평면 상에서 제1 영역을 감싸면서 권선되고, 및 상기 제2 바텀 코일(1012)은 상기 제1 평면 상에서 제2 영역을 감싸면서 권선될 수 있다.
상기 제1 바텀 코일(1011)과 상기 제2 바텀 코일(1012)은 연접할 수 있다.
상기 제1 바텀 코일(1011), 상기 제2 바텀 코일(1012) 및 상기 탑 코일(1021)은 사각형으로 권선될 수 있다.
도 37 내지 도 39와 같은 구조가 적용될 경우, 이에 대한 품질 인자를 측정하면 다음과 같을 수 있다.
도 40 및 도 41은 중심각 및 간격에 따른 품질 인자의 상관관계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 40 및 도 41에 따르면, 상기 간격이라 함은, 복수의 영구 자석들(1031, 1032)과 탑 코일(1021) 간의 간격을 의미할 수 있다. 이때의 중심각은 제3 평면에서 원주 상에 배치되는 복수의 영구 자석들(1031, 1032) 각각과 축이 제3 평면을 관통하는 점을 이어서 가상의 부채꼴을 형성할 때, 가상의 부채꼴의 중심각을 의미할 수 있다.
도 40 및 도 41의 일 평면에서의 일 축은 예컨대 중심 각에 대한 축을 의미하며, 일 평면에서의 타 축은 예컨대 간격에 대한 축을 의미할 수 있다. 일 평면을 관통하는 축은 품질 인자를 나타내는 축일 수 있다.
여기서, 도 40에서는 탑 코일(1021)에서의 중심각 및 간격에 따른 품질 인자의 상관관계가 개략적으로 도시되어 있다. 그리고 도 40에서 확인할 수 있듯이, 중심각이 40 내지 70 도에 해당하는 사이, 간격이 0 내지 4.9mm에 해당하는 사이에서는 품질 인자의 값이 크게 변하지 않는다.
여기서, 도 41에서는 제1 바텀 코일(1011)에서의 중심각 및 간격에 따른 품질 인자의 상관관계가 개략적으로 도시되어 있다. 그리고 도 41에서 확인할 수 있듯이, 중심각이 40 내지 70 도에 해당하는 사이, 간격이 0 내지 4.9mm에 해당하는 사이에서는 품질 인자의 값이 크게 변하지 않는다.
정리하면, 간격 'h'가 증가할수록 Q_0, Q_1은 증가할 수 있고, 중심각 'arg'가 증가할수록 Q_0, Q_1은 감소할 수 있다. 하지만 이와 같음에도 불구하고, 도 40 및 도 41에서 주어진 범위 (h = 0 - 4.9mm, arg = 40° - 100°)내에서는 품질 인자에 큰 변화가 없다. 즉, 주어진 범위 내에서는 본 명세서에서 제공하고자 하는 효과가 달성될 수 있다.
이하, 'h = 4.9mm, arg = 50°' 조건에서 품질 인자의 변화를 표를 통해 설명하면 아래와 같을 수 있다. 아래 표에서, 제1 바텀 코일(1011)에서의 품질 인자는 Q_0으로, 탑 코일(1021)에서의 품질 인자는 Q_1으로, 제2 바텀 코일(1012)에서의 품질 인자는 Q_2로 표현될 수 있다.
Q-factor Q0 Q1 Q2
MP-A12 221.2 212.0 221.2
+ Partial PM 221.2 211.5 221.1
- h = 4.9mm: 이때의 값은, MacSafe용 무선 전력 수신기(200)의 복수의 영구 자석들(1031, 1032)과의 인력을 극대화하기 위해, 복수의 영구 자석들(1031, 1032)을 인터페이스 서페이스에 접하도록 위치시킨 경우의 값일 수 있다.- arg = 50°: 영구 자석을 포함하는 무선 전력 수신기(200)(예컨대, 애플 사의 'iPhone 12')를 안정적으로 중심 정렬(center-align) 시키기 위한 영구 자석의 중심각에 해당할 수 있다.
정리하면, 본 명세서의 실시예에 따르면, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 복수의 영구 자석들(1031, 1032)이 추가되는 경우에도 품질 인자의 값이 유지될 수 있다. 즉, 복수의 영구 자석들(1031, 1032)이 추가되는 경우에도 충전 품질은 유지될 수 있다.
한편, 본 명세서에 따르면, 전력 전송을 위한 자계가 복수의 영구 자석들(1031, 1032)을 회피할 수 있도록 영구 자석에 나노 크리스탈 시트를 부착한 경우에 대한 실시예 또한 제공될 수 있다.
도 42 및 도 43은 본 명세서의 다른 실시예에 따른, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 복수의 (부분) 영구 자석들(1031, 1032)을 배치한 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 42 및 도 43에서의 구조에는, 앞선 도 37 내지 도 39의 예시/구조가 모두 적용될 수 있다. 도 42 및 도 43에서의 구조가 앞선 도 37 내지 도 39의 구조와 상이한 점이라면, 도 37 내지 도 39의 구조에서는 영구 자석에 쉴드(예컨대, 나노 크리스탈 시트)가 부착되지 않았으나 도 42 및 도 43의 구조에서는 영구 자석에 쉴드가 부착되었다는 점이다.
정리하면, 도 42 및 도 43에서는 전력 전송을 위한 자계가 복수의 영구 자석들(1031, 1032)을 회피할 수 있도록, DC 쉴드(low carbon steel) 대신에 나노 크리스탈 시트가 부착될 수 있다. 여기서 두께는 0.2mm, 형태 및 사이즈는 복수의 영구 자석들(1031, 1032)과 동일, 접착 간격은 DC 쉴드와 동일할 수 있다.
그리고 앞서 설명한 바와 동일하게, 간격 h는 복수의 영구 자석들(1031, 1032) 밑면으로부터 탑 코일(1021)까지의 거리에 해당할 수 있다. 즉, 이때의 간격 h는 쉴드 밑면에서부터 산정되는 것이 아니다.
이하, 'h = 4.9mm, arg = 50°' 조건에서 품질 인자의 변화를 표를 통해 설명하면 아래와 같을 수 있다. 아래 표에서, 제1 바텀 코일(1011)에서의 품질 인자는 Q_0으로, 탑 코일(1021)에서의 품질 인자는 Q_1으로, 제2 바텀 코일(1012)에서의 품질 인자는 Q_2로 표현될 수 있다.
Q-factor Q0 Q1 Q2
MP-A12 221.2 212.0 221.2
+ Partial PM 221.2 211.5 221.1
+ Partial PM + Shield 218.2 211.6 218.1
정리하면, 본 명세서의 실시예에 따르면, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 복수의 영구 자석들(1031, 1032) 및 쉴드가 추가되는 경우에도 품질 인자의 값이 유지될 수 있다. 즉, 복수의 영구 자석들(1031, 1032) 및 쉴드가 추가되는 경우에도 충전 품질은 유지될 수 있다.
<시뮬레이션 결과 - MP-A12 VS 복수의 영구 자석들(1031, 1032) + 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)>
측정 조건은 다음과 같다.
- 레퍼런스 무선 전력 수신기(200)/수신 전력: 도 25 및 도 26에서의 무선 전력 수신기(200)/15W(12V, 1.25A)
- 송 수신 코일 간 거리: 8mm
- C_res = 180nF (* fres ≒ 110kHz)
- 구동 주파수: 127.7 kHz
도 44 및 도 45는 MP-A12에서의 구조 및 이 경우의 충전 영역을 개략적으로 도시한 것이다.
도 44 및 도 45에 따르면, 앞서 설명한 영구 자석(들)이 없는 경우, 60 X 20 충전영역 내에서 최대 76.1%, 최소 53.1%의 충전 효율을 보인다.
도 46 및 도 47은 본 명세서의 실시예(복수의 영구 자석들(1031, 1032) + 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021))에서의 구조 및 이 경우의 충전 영역을 개략적으로 도시한 것이다.
도 46 및 도 47에 따르면, 앞서 설명한 복수의 영구 자석들(1031, 1032)이 부가된 경우, 60 X 20 충전영역 내에서 최대 75.8%, 최소 52.8%의 충전 효율을 보인다.
정리하면, 주어진 복수의 (부분) 영구 자석들(1031, 1032)이 충전 효율에 미치는 영향은 매우 미미하다. 이는 충전 영역 내에서 최대/최소 효율 차이는 고작 0.3% 정도에 불과하기 때문이다.
뿐만 아니라, 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200) 간의 커플링 정도까지 고려한다고 할 지라도, 임의의 지점에서의 k가 동일함은 자명하기에, (부분) 영구 자석들(1031, 1032)이 Q 변화에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다. 즉, 두 경우(영구 자석들(1031, 1032)이 있는 경우와 없는 경우) 임의의 지점에서의 Q_k(품질 인자+커플링 인자) 값이 거의 동일할 것이기에, 도면에서와 같은 결과는 자명할 수 있다.
지금까지 설명한 본 명세서에서의 효과를 다른 형태로 정리하여 설명하면 아래와 같을 수 있다.
본 명세서에서는 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)에 복수의 영구 자석들(1031, 1032)이 포함되는 무선 전력 전송기(100)가 제공된다. 이 지점에서, 본 명세서에 따른 무선 전력 전송기(100)는 크게 두 가지 관점에서 효과를 제공할 수 있다.
(1) 본 명세서에서의 무선 전력 전송기(100) + MPP 무선 전력 수신기(200)
본 명세서에서의 무선 전력 전송기(100)가 MPP 무선 전력 수신기(200)와 만나, MPP 무선 전력 수신기(200)에게 무선 전력을 전달하고자 할 수 있다.
이때, 종래에 따르면, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)을 포함하는 무선 전력 전송기(100)는 오로지 BPP 및 EPP 무선 전력 수신기(200)와의 무선 전력 전달을 고려하였기에, 영구 자석을 포함하지 않았었다.
이와 같은 종래의 경우, 무선 전력 전송기(100)는 무선 전력 수신기(200)와 인력에 의한 송수신 코일 간의 정렬이 이루어지지 않았고, 이로 인하여, 무선 전력 전송기(100)의 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)로부터 무선 전력 수신기(200)의 세컨더리 코일(2001)로 전달되는 자속이 얼마 되지 않는 문제가 발생하였다.
본 명세서에서는, 복수의 프라이머리 코일들(1011, 1012, 1021)을 포함하는 무선 전력 전송기(100)에도 복수의 영구 자석들(1031, 1032)을 포함시키는 구성을 제공하고자 한다.
이로 인하여, 본 명세서에 따른 무선 전력 전송기(100)는 MPP 무선 전력 수신기(200)와의 인력에 의한 정렬이 수행되게 된다. 따라서, 본 명세서에 따른 무선 전력 전송기(100)로부터 무선 전력 수신기(200)로 전달되는 자속의 양이 극대화 될 수 있기에, 무선 전력의 전달 효율이 극대화 될 수 있다.
참고로, 인력으로 인한 본 명세서에서의 효과에 비했을 때, 영구 자석으로 인한 품질 인자의 감소 양이 미미함은 앞서 설명한 바와 같다.
추가적으로, 본 명세서에서는 복수의 영구 자석들(1031, 1032)의 상단은 탑 코일(1021)의 상단과 동일한 위치 또는 탑 코일(1021)의 상단보다 더 높은 위치에 위치할 수 있다.
즉, 본 명세서에 따른 무선 전력 전송기(100)에서의 영구 자석은 MPP 무선 전력 수신기(200)와 최대한 가깝게 위치할 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전송기(100)와 무선 전력 수신기(200) 간의 인력이 극대화 될 수 있기에, 앞서 설명한 본 명세서에서의 효과 또한 극대화 될 수 있다.
(2) 본 명세서에서의 무선 전력 전송기(100) + BPP/EPP 무선 전력 수신기(200)
앞서 설명한 바와 같이, MPP 무선 전력 수신기(200)의 경우에는 영구 자석을 포함하고 있기에, 무선 전력 전송기(100) 상에 배치될 경우에는, 인력에 의한 정렬이 수행되게 된다.
이에 반해, BPP/EPP 무선 전력 수신기(200)의 경우에는, 무선 전력 수신기(200) 내부에 영구 자석이 포함되어 있지 않을 수 있다. 이 말은 BPP/EPP 무선 전력 수신기(200)의 경우, 무선 전력 전송기(100)의 서페이스 상의 임의의 위치에 올려질 수 있다는 것이다.
이때, 영구 자석으로 인한 품질 인자의 감소 양이 미미함은 앞서 설명한 바와 같다.
즉, 본 명세서에 따르면, 무선 전력 전송기(100) 상에 BPP/EPP 무선 전력 수신기(200)가 배치되어, 무선 전력 전송기(100)가 BPP/EPP 무선 전력 수신기(200)에게 무선 전력을 전달하려고 할 지라도, 충전 효율 및 충전 영역의 감소가 없는 효과가 발생할 수 있다.
정리하면, 본 명세서에서의 무선 전력 전송기(100)는 MPP 무선 전력 수신기(200) 및/또는 BPP/EPP 무선 전력 수신기(200)와의 무선 전력 전달의 호환성을 제공할 수 있으며, 이때의 경우에도 충전 효율의 열화가 최소화 되는 효과가 발생할 수 있다.
추가적으로, 본 명세서에 따르면, 상기 제1 영구 자석(1031) 및 상기 제2 영구 자석(1032)은 서로 평행하게 위치할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송기의 일 측(예컨대 좌 측) 및 무선 전력 전송기의 타 측(예컨대 우 측)에 대칭되게 배치될 수도 있다.
이와 같이 상기 제1 영구 자석(1031) 및 상기 제2 영구 자석(1032)이 복수의 프라이머리 코일들을 피하여 대칭되게 배치될 경우에는, 복수의 영구 자석들이 프라이머리 코일에서 발생하는 자속에 영향을 끼치는 것이 최소화될 수 있다. 즉, 복수의 영구 자석들이 자속에 영향을 끼치는 것이 최소화될 수 있기에, 본 명세서에서 제공하는 무선 전력 전송기는 제품의 충전 영역을 최대화할 수 있다. 달리 말하면, 본 명세서에서 제공하는 무선 전력 전송기는 EPP 제품의 충전 공간이 최대한 넓어질 수 있다는 효과를 제공할 수 있다.
본 명세서의 구체적인 일례를 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 나열된 효과로 제한되지 않는다. 예를 들어, 관련된 기술분야의 통상의 지식을 자긴 자(a person having ordinary skill in the related art)가 본 명세서로부터 이해하거나 유도할 수 있는 다양한 기술적 효과가 존재할 수 있다. 이에 따라 본 명세서의 구체적인 효과는 본 명세서에 명시적으로 기재된 것에 제한되지 않고, 본 명세서의 기술적 특징으로부터 이해되거나 유도될 수 있는 다양한 효과를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 청구항들은 다양한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 명세서의 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 장치로 구현될 수 있고, 본 명세서의 방법 청구항의 기술적 특징과 장치 청구항의 기술적 특징이 조합되어 방법으로 구현될 수 있다.

Claims (14)

  1. 무선 전력 전송기는,
    무선 전력 수신기의 세컨더리 코일과 자기 커플링을 통해 무선 전력을 전송하는 복수의 프라이머리 코일들; 및
    상기 복수의 프라이머리 코일들과 중첩되지 않게 배치되는 복수의 영구 자석들;을 포함하되,
    상기 복수의 프라이머리 코일들은,
    제1 평면 상에서 서로 중첩되지 않게 폭 방향으로 나란하게 배치되는 제1 바텀 코일 및 제2 바텀 코일; 및
    상기 제1 평면의 상부에 위치하는 제2 평면 상에 배치되는 탑 코일;을 포함하고,
    상기 탑 코일의 일 측은 상기 제1 바텀 코일의 상부에 위치하고 및 상기 탑 코일의 타 측은 상기 제2 바텀 코일의 상부에 위치하고,
    상기 복수의 영구 자석들은 상기 제2 평면의 상부에 위치하는 제3 평면 상에서 배치되고, 및
    상기 복수의 영구 자석들은 상기 제1 바텀 코일 및 상기 제2 바텀 코일의 사이에서 상기 제1 평면과 직교하는 축을 기준으로 동심원 방향을 따라 소정 간격으로 이격되어 배치되는, 무선 전력 전송기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 영구 자석들은 제1 영구 자석 및 제2 영구 자석을 포함하는, 무선 전력 전송기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 영구 자석 및 상기 제2 영구 자석은 상기 축을 기준으로 원주 상의 경로에 배치되는, 무선 전력 전송기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 영구 자석 및 상기 제2 영구 자석의 내측으로부터 상기 축까지의 거리는 24mm 이하이고, 및
    상기 제1 영구 자석 및 상기 제2 영구 자석의 외측으로부터 상기 축까지의 거리는 27mm 이상인, 무선 전력 전송기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 영구 자석은 제1 서브 영구 자석 및 제2 서브 영구 자석을 포함하고, 및
    상기 제2 영구 자석은 제3 서브 영구 자석 및 제4 서브 영구 자석을 포함하는, 무선 전력 전송기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 서브 영구 자석 및 상기 제3 서브 영구 자석은 상기 축을 기준으로 제1 원주 상의 경로에 배치되고,
    상기 제2 서브 영구 자석 및 상기 제4 서브 영구 자석은 상기 축을 기준을 제2 원주 상의 경로에 배치되는, 무선 전력 전송기.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1 영구 자석 및 상기 제2 영구 자석은 서로 평행하게 위치한, 무선 전력 전송기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탑 코일의 일 단은 상기 제1 바텀 코일 및 상기 제2 바텀 코일의 일 단과 접하고, 및
    상기 복수의 영구 자석들의 일 단은 상기 탑 코일의 타 단보다 높은 곳에 위치하는, 무선 전력 전송기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 영구 자석들의 타 단은 상기 무선 전력 전송기의 인터페이스 서페이스와 접하는, 무선 전력 전송기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 무선 전력 전송기는 쉴드를 포함하고, 및
    상기 복수의 영구 자석들의 일 단은 상기 쉴드와 접하는, 무선 전력 전송기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 쉴드는 나노 크리스탈 시트인, 무선 전력 전송기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 바텀 코일은 상기 제1 평면 상에서 제1 영역을 감싸면서 권선되고, 및
    상기 제2 바텀 코일은 상기 제1 평면 상에서 제2 영역을 감싸면서 권선되는, 무선 전력 전송기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 바텀 코일과 상기 제2 바텀 코일은 연접하는, 무선 전력 전송기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 바텀 코일, 상기 제2 바텀 코일 및 상기 탑 코일은 사각형으로 권선되는, 무선 전력 전송기.
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