WO2013172630A1 - 무선 전력 전송장치 및 이를 구비하는 무선 충전 시스템 - Google Patents

무선 전력 전송장치 및 이를 구비하는 무선 충전 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the bidirectional communication method includes assigning, by the wireless power transmitter, a time slot to the wireless power receiver and assigning an ID for access.
  • Fig. 27 is a graph showing the reactance change rate for each coil type.
  • the power receiver 291 may include components required to receive the wireless power signal according to a wireless power transfer method.
  • the power receiver 291 may receive power according to one or more wireless power transfer schemes.
  • the power receiver 291 may include components required for each scheme.
  • the position determiner 1114 may determine which of the plurality of transmission coils will be used for power transmission.
  • the configuration of the wireless power transmitter 100 including the plurality of transmission coils will be described later with reference to FIG. 5.
  • the power transmission control unit 112 When the position of the wireless power receiver 200 placed on the upper surface of the interface is detected, the power transmission control unit 112 considers the sensed position of the wireless power receiver 200 to determine the one or more transmission coils ( The multiplexer 1113 may be controlled to connect coils which may be in an inductive coupling relationship with the receiving coil 2911a of the wireless power receiver 200 among 1111a-1 to 1111a-n.
  • the power reception control unit 292 modulates the wireless power signal 51 received through the power reception unit 291 by changing the load impedance in the modulator 293.
  • the modulation and demodulation unit 293 may be configured to include a passive element 2931 and an active element 2932 for modulating the wireless power signal 51.
  • the modulation / demodulation unit 293 modulates the wireless power signal 51 to include a packet to be transmitted to the wireless power transmitter 100. In this case, the packet may be input to the active element 2932 in the modulation and demodulation unit 293.
  • the power transmission control unit 112 may obtain data in units of bytes using a byte format constituting a packet from the detected bit string according to the bit encoding method.
  • the detected bit string may be transmitted using an 11-bit asynchronous serial format as shown in (c) of FIG. 11. That is, it may include a start bit for notifying the start of the byte and a stop bit for notifying the end of the byte, and include data bits b0 to b7 between the start bit and the end bit.
  • a parity bit may be added to check for errors in the data.
  • the byte data constitutes a packet including a power control message.
  • the wireless power transmitter 100 in the detection state 620 detects the wireless power receiver 200 existing in the detection area through a power control message. Compared with the detection process of the wireless power receiver 200 using the characteristics of the wireless power signal in the selection state 610, the detection process in the detection state 620 may be referred to as a digital ping process. have.

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Abstract

본 명세서는, 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하도록 형성되는 무선 전력 전송장치에 있어서, 상기 무선 전력 전송장치의 전력 전달부는, 유도 방식의 전력을 송신하게 자기장을 발생시키도록 형성되는 제1 코일, 및 상기 제1 코일을 감싸도록 권선되며, 공진 방식의 전력을 송신하게 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하도록 이루어지는 제2 코일을 포함하는 무선 전력 전송장치를 제공한다.

Description

무선 전력 전송장치 및 이를 구비하는 무선 충전 시스템
본 명세서는 무선 전력 전송에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 무선 전력 전송에서 유도 방식과 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 전송장치 및 통신방법에 관한 것이다.
전통적으로 무선 전력 수신장치들에게 유선으로 전기 에너지를 공급하는 방법 대신에, 최근에는 접촉 없이 무선으로 전기 에너지를 공급하는 방법이 사용된다. 무선으로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력에 의하여 직접 구동되거나, 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전하고 상기 충전된 전력에 의하여 구동될 수 있다.
자기 유도 방식의 무선 전력 전송에 대한 기술을 다루는 무선 전력 협의체(Wireless Power Consortium)는 2010년 4월 12일에 무선 전력 전송에서의 호환성(interoperability)에 대한 "무선 전력 전송 시스템 설명서, 제1권, 저전력, 파트 1: 인터페이스 정의, 버젼 1.00 RC1(System Description Wireless Power Transfer, Volume 1, Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.00 Release Candidate 1)" 표준 문서를 공개하였다. 상기 무선 전력 협의체의 표준 문서는 자기 유도 방식에 의하여 하나의 무선 전력 전송장치로부터 하나의 무선 전력 수신장치로 전력을 전달하는 방식을 설명하고 있다.
하나의 전송장치와 하나의 수신장치가 일대일로 통신하는 일대일 단방향 통신 방법으로 전송장치는 수신장치에 전력을 전송할 수 있다. 그러나, 하나의 전송장치와 복수의 수신장치가 통신을 해야 할 경우 종래의 방법으로는 통신이 어려울 수 있다.
본 명세서는 무선 충전 시스템에서 유도 방식과 공진 방식 호환이 가능한 전송장치 및 통신 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 명세서는 무선 충전 시스템에서 양방향 통신 방법을 구현하는 것에 다른 목적이 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 무선 전력 전송장치는 전력 전달부를 구비하고, 상기 무선 전력 전송장치의 전력 전달부는, 유도 방식의 전력을 송신하게 자기장을 발생시키도록 형성되는 제1 코일; 및 상기 제1 코일을 감싸도록 권선되며, 공진 방식의 전력을 송신하게 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하도록 이루어지는 제2 코일을 포함한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제2 코일의 Q 값이 100 내지 200 이 될 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제2 코일의 센터의 임피던스 실수부에 대한 가장자리 임피던스 실수부의 비율은 1.2보다 큰 것일 수 있다. 상기 제2 코일의 센터의 임피던스 허수부에 대한 가장자리 임피던스 허수부의 비율은 1보다 작은 것일 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제2 코일은 평판형 나선구조로 이루어지며, 상기 제2 코일의 간격은 비등간격이 될 수 있다. 상기 제2 코일의 간격은 내주에서 외주를 향하여 점차적으로 좁아질 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제1 코일은 원형으로 권선되고, 상기 제2 코일은 적어도 일부가 직선인 사변형으로 권선된다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 무선 전력 전송장치의 제어부는, 상기 제1 및 제2 코일에 개별적으로 전력을 인가하고, 상기 전력 인가에 대한 상기 무선 전력 수신장치의 반응을 이용하여 상기 유도 방식 및 공진 방식 중 어느 방식으로 전력을 전송할 것인지 결정할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, WPC 규격의 단방향 통신에 따라 상기 무선 전력 수신장치로부터 송신된 신호를 검출할 수 있다. 상기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, 전력 외 채널을 이용하여 양방향 통신방법으로 상기 무선 전력 수신장치와 통신할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 양방향 통신방법은 상기 무선 전력 전송장치가 상기 무선 전력 수신장치에 대하여 타임 슬롯(time slot)을 할당하고, 접근을 위한 아이디를 부여하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 유도 방식의 제1 코일과, 공진 방식의 제2 코일을 구비하고, 무선 전력을 송신하도록 형성되는 전송장치, 및 상기 전송장치로부터 무선 전력을 수신하도록 형성되는 수신장치를 포함하고, 상기 제1 및 제2 코일에 개별적으로 전력을 인가하고, 상기 전력 인가에 대한 상기 수신장치의 반응을 이용하여 상기 유도 방식 및 공진 방식 중 어느 방식으로 전력을 전송할 것인지 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템을 제시한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 수신장치는 지원가능한 통신 규약의 목록을 상기 전송장치에 송신하고, 상기 전송장치는 수신한 목록에서 지원가능한 통신 규약을 회신한다. 상기 통신 규약의 목록은 WPC에서 정의되는 통신 규약 일람표 중에서 선택될 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시 예에 따르면, 유도 방식의 코일이 공진 방식의 코일에 의하여 감싸지는 구조에 의하여, 유도/공진 호환형 코일이 구현될 수 있다. 또한, 코일의 Q 값을 제한함에 따라, 상기 구조에서 호환형 코일이 정상적으로 구동할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 유도/공진 호환형 코일 및 통신 방법은 기존에 이미 상용화된 유도 방식에 대해, 공진 방식으로 발전하기 위한 과도기적 기술을 제공할 수 있다. 또한, 유도/공진 호환형 통신 방법에 의하여, 하나의 송신장치와 복수의 수신장치간의 통신이 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 수신장치가 지원가능한 통신 규약의 목록을 전송장치에 송신함에 따라, 통신 규약 호환의 무선 충전 시스템을 구현한다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 2A 및 2B는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 9는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 전력 제어 메시지를 송수신하기 위한 구성을 도시한다.
도 11은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 수행되는 변조 및 복조에서의 신호의 형태를 도시한다.
도 12는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 동작 상태들을 도시한다.
도 14 내지 도 18은 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치 간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 19는 무선 전력 전송장치가 하나 이상의 무선 전력 수신장치들에게 전력을 전달하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 20은 WPC 통신 흐름을 나타내는 개념도이다,
도 21은 본 발명의 일실시예에 따라는 방법에서의 통신 흐름도이다.
도 22은 도 21의 통신 흐름에 대응하는 순서도이다.
도 23은 유도/공진 송신부 코일에 대한 개략도이다.
도 24는 유도 방식과 공진 방식 호환이 가능한 송신부 구조 예시 및 실험군의 사진이다.
도 25는 코일 형태별 Q 값(Q value, Q factor)을 나타내는 그래프이다.
도 26은 코일 형태별 임피던스 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 27은 코일 형태별 리액턴스 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 28은 형태별 Re{lm} 대비 효율을 나타내는 그래프이다.
도 29A, 도29B 및 도 29C는 본 발명의 다른 일 실시예를 나타내는 평면도, 정면도 및 사시도이다.
도 30은 도 29A의 코일부를 이용하는 경우에 적용가능한 신호처리의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 31은 무선 전력 채널 외에 Zigbee를 이용한 TX/RX 통신 구성도이다.
도 32는 멀티 충전에 있어서, 단일 충전 채널 및 다중 통신 채널에 대한 개념도이다.
도 33은 신규 RX 접근시 State Flow을 나타내는 순서도이다.
도 34는 Zigbee를 이용한 전력전송 제어 통신 Sequence 을 나타내는 개념도이다.
도 35 및 도 36은 TX/RX간 양방향 통신에서 Half-duplex 통신 방법을 나타내는 개념도들이다.
도 37은 TX Inquiry 의 3가지 형태를 나타내는 예시도이다.
본 명세서에 개시된 기술은 무선 전력 전송(wireless power transmission)에 적용된다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 전력 전송 시스템 및 방법, 무선 충전회로 및 방법, 그 외 무선으로 전송되는 전력을 이용하는 방법 및 장치에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
정의
다대일 통신 방법: 송신기 (Tx) 하나가 다수의 수신기 (Rx)와 통신하는 방법
단방향 통신: 단지 수신기가 송신기 쪽으로만 필요한 메세지를 전송하는 통신 방법
양방향 통신: 송신기는 수신기로, 수신기는 송신기로, 즉 양쪽에서 메시지 전송이 가능한 통신 방법
여기서, 송신기 및 수신기는 각각 송신장치 및 수신장치와 동일한 의미이며, 이하, 이들 용어는 혼용될 수 있다.
무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치 개념도
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 필요로 하는 무선으로 전력을 전달하는 전력 전달 장치일 수 있다 .
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 전달함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 배터리를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있다.
그 밖에도, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 무선 전력 수신장치(200)에게 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기이다. 또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 설명되는 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예컨대 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력장치를 비롯하여, 휴대폰, 셀룰러폰, 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player)와, 태블릿, 혹은 멀티미디어 기기 등을 포괄하는 의미로 해석되어야 한다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는, 후술하는 바와 같이, 이동 통신 단말기(예컨대 휴대폰, 셀룰러폰, 태블릿) 또는 멀티미디어 기기일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방법을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 상호간 접촉이 없이 무선으로 전력을 전달할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 신호에 의한 자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정한 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Magnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술로, 자기 유도 현상에 의하여 하나의 코일에서 변화하는 자기장 통해 다른 코일 쪽에 전류가 유도됨으로써 전력이 전달되는 것을 말한다.
상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 전송한 무선 전력 신호에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진이 발생하고, 상기 공진 현상에 의하여 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력이 전달되는 것을 말한다.
이하에서는 본 명세서에 개시된 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)에 관한 실시 예들을 구체적으로 설명한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.
도 2A 및 2B는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
무선 전력 전송장치
도 2A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력 전달부(Power Transmission Unit)(110)를 포함하도록 구성된다. 상기 전력 전달부(110)는 전력 변환부(Power Conversion Unit)(111) 및 전력 송신 제어부(Power Transmission Control Unit)(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 송신측 전원 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 전력 신호(wireless power signal)로 변환하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전달한다. 상기 전력 변환부(111)에 의하여 전달되는 무선 전력 신호는 진동(oscillation)하는 특성을 가진 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field)의 형태로 형성된다. 이를 위하여 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호가 발생하는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 각 전력 전달 방식에 따라 다른 형태의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 변환부(111)는 유도 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)의 2차 코일에 전류를 유도시키기 위하여 변화하는 자기장을 형성시키는 1차 코일을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 공진 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)에 공진 현상을 발생시키기 위하여 특정 공진 주파수를 가진 자기장을 형성시키는 코일(또는 안테나)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 전술된 유도 결합 방식과 공진 결합 방식 중 하나 이상의 방법을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 전력 변환부(111)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4 및 도 5를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7 및 도 8을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 인가되는 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 전달부(110)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 공급 장치(100)를 제어하는 다른 제어부(미도시)와 통합되도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역은 두 가지로 구분될 수 있다. 먼저, 활동 영역(active area)은 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전달하는 무선 전력 신호가 통과하는 영역을 말한다. 다음으로, 감지 영역(semi-active area)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 관심 영역을 말한다. 여기서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치(placement)되거나 제거(removal)되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있다. 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 변환부(111)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나, 별도로 구비된 센서에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감지 영역에 존재하는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 인하여 상기 무선 전력 신호가 영향을 받아, 상기 전력 변환부(111)의 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 다만, 상기 활동 영역 및 감지 영역은 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식 등의 무선 전력 전달방식에 따라 다를 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나, 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 상기 특성의 결정은 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 조건에 의하여 또는 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 조건에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있으며, 그 밖에 상기 전력 제어 메시지를 기초로 다른 제어 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 정류된 전력량 정보, 충전 상태 정보 및 식별 정보 중 하나 이상을 포함하는 전력 제어 메시지에 따라 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 제어 메시지를 이용하는 그 밖의 다른 제어 동작으로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 전달과 관련된 일반적인 제어 동작을 상기 전력 제어 메시지를 기초로 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 제어 메시지를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와 관련된 청각적 또는 시각적으로 출력할 정보를 수신하거나, 기기간의 인증 등에 필요한 정보를 수신할 수도 있다.
이와 같은 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 수신하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 수신하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 변환부(111)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(113)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하여 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여 사용될 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예에서는 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 수신함으로써 전력 제어 메시지를 획득할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)로 데이터를 전송할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)가 전송하는 데이터는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전력 제어 메시지를 보내도록 요청하는 것일 수 있다.
무선 전력 수신장치
도 2B를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치는(200)는 전원 공급부(290)를 포함하도록 구성된다. 상기 전원 공급부(290)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 작동에 필요한 전력을 공급한다. 상기 전원 공급부(290)는 전력 수신부(291) 및 전력 수신 제어부(292)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신한다.
상기 전력 수신부(291)는 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 무선 전력 신호를 수신하기 위해 필요한 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신할 수 있으며, 이 경우 상기 전력 수신부(291)는 각 방식에 따라 필요한 서로 구성 요소들을 함께 포함할 수 있다.
먼저, 상기 전력 수신부(291)는 진동하는 특성을 가진 자기장 또는 전자기장의 형태로 전달되는 무선 전력 신호를 수신하기 위한 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 유도 결합 방식에 따른 구성 요소로서, 상기 전력 수신부(291)는 변화되는 자기장에 의하여 전류가 유도되는 2차 코일을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 공진 결합 방식에 따른 구성 요소로서 특정 공진 주파수를 가진 자기장에 의하여 공진 현상이 발생되는 코일 및 공진 회로를 포함할 수 있다.
다만, 상기 전력 수신부(291)가 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신하는 경우, 상기 전력 수신부(291)는 하나의 코일을 이용하여 수신하도록 구현되거나, 또는 각 전력 전달 방식에 따라 다르게 형성된 코일을 이용하여 수신하도록 구현될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(rectifier) 및 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 수신된 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전원 공급부(290)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다.
구체적으로, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 것일 수 있다. 또한 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 상기 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 것일 수 있다.
이와 갈은 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 전송하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 통하여 전송하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 수신부(291)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(293)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는, 전술된 상기 무선 전력 전송장치(100)의 경우와 마찬가지로, 상기 무선 전력 신호를 통하여 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 송신장치(100)의 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 및/또는 전압을 조절하는 수단으로 사용될 수 있다. 이하, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 각각의 변복조부(113 및 293)가 무선 전력 신호를 통한 전력 제어 메시지의 송수신을 위하여 사용되는 방법에 대하여 설명된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 의하여 수신된다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하도록 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 변복조부(293)를 제어한다. 예컨대, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)과 연결된 변복조부(293)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 상기 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 그에 따라 변하도록 변조 과정을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량의 변경은 상기 무선 전력 신호를 형성시키는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 가져온다. 이 때, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(113)는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조(demodulation) 과정을 수행한다.
즉, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전달하고자 하는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷(packet)을 생성하여 상기 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호를 변조하고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)의 복조 과정 수행 결과를 기초로 상기 패킷을 디코드함으로써, 상기 패킷에 포함되어 있는 상기 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예들에서는 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 전송함으로써 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터를 수신할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터는 전력 제어 메시지를 전송할 것을 요청하는 것일 수 있다.
그 밖에, 상기 전원 공급부(290)는 충전부(298) 및 배터리(299)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전원 공급부(290)로부터 동작을 위한 전원을 공급받는 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전달된 전력에 의하여 동작하거나, 또는 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 배터리(299)를 충전한 후 상기 배터리(299)에 충전된 전력에 의하여 동작할 수 있다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전달된 전력을 이용하여 충전을 수행하도록 상기 충전부(298)를 제어할 수 있다.
이하에서, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치에 대하여 설명된다. 먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치가 상기 무선 전력 수신장치로 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
유도 결합 방식
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
무선 전력 전송장치(100) 의 전력 전달이 유도 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110) 내의 1차 코일(primary coil)에 흐르는 전류의 세기가 변화되면, 그 전류에 의해 1차 코일을 통과하는 자기장이 변화한다. 이와 같이 변화된 자기장은 상기 무선 전력 수신장치(200) 내의 2차 코일(secondary coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
이 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기 유도에서의 1차 코일로 동작하는 전송 코일(Tx coil)(1111a)를 포함하도록 구성된다. 또한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 자기 유도에서의 2차 코일로 동작하는 수신 코일(Rx coil)(2911a)을 포함하도록 구성된다.
먼저 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 상기 전송 코일(1111a)과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)를 배치한다. 그 후 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 전송 코일(1111a)의 전류가 변화되도록 제어하면, 상기 전력 수신부(291)는 상기 수신 코일(2911a)에 유도된 기전력을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전원을 공급하도록 제어한다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받게 된다.
한편, 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달을 위하여 상기 무선 전력 전송장치(100)는 평평한 표면(flat surface) 형태의 인터페이스 표면(interface surface)(미도시)을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인터페이스 표면의 상부에는 하나 이상의 무선 전력 수신장치가 놓일 수 있으며, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 상기 전송 코일(1111a)가 장착될 수 있다. 그 경우, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 장착된 상기 전송 코일(1111a)과 상기 인터페이스 표면의 상부에 위치한 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a) 사이의 수직 공간(vertical spacing)이 작게 형성됨으로써 상기 코일들 간의 거리는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 충분히 작게 된다.
또한, 상기 인터페이스 표면의 상부에는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 놓일 위치를 지시하는 배열 지시부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착된 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a) 사이의 배열이 적합하게 이루어질 수 있는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 지시한다. 상기 배열 지시부는 단순한 표시(marks)이거나, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 가이드하는 돌출 구조의 형태로 형성될 수 있다. 또는 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착되는 자석과 같은 자성체의 형태로 형성되어, 상기 무선 전력 수신장치(200) 내부에 장착된 다른 극의 자성체와의 상호간 인력에 의하여 상기 코일들이 적합한 배열을 이루도록 가이드할 수도 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 하나 이상의 전송 코일 중에서 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 적합하게 배열된 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 무선 전력 전송장치(100)에 관하여 도 5를 참조하여 후술된다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다. 도 4A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명하고, 도 4B를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명한다.
도 4A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111a) 및 인버터(1112)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)는, 전술된 바와 같이, 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111a)은 평판 나선형태(Planar Spiral type) 또는 원통형 솔레노이드 형태(Cylindrical Solenoid type)로 구현될 수 있다.
상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190)로부터 얻은 직류 입력(DC input)을 교류 파형(AC waveform)으로 변형시킨다. 상기 인버터(1112)에 의해 변형된 교류 전류는 상기 전송 코일(1111a) 및 커패시터(capacitor)(미도시)를 포함하는 진동 회로(resonant circuit)를 구동시킴으로써 자기장이 상기 전송 코일(1111a)에서 형성된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 위치 결정부(Positioning Unit)(1114)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 위치 결정부(1114)는 상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 상기 전송 코일(1111a)을 이동 또는 회전시킬 수 있다. 이는, 전술된 바와 같이, 유도 결합 방식에 의한 전력 전달은 1차 및 2차 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받기 때문이다. 특히, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
따라서, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전송 코일(1111a)과 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 수신 코일(2911a)의 중심간 거리(distance)가 일정 범위 이내가 되도록 상기 전송 코일(1111a)을 이동시키거나, 상기 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a)의 중심이 중첩되도록 상기 전송 코일(1111a)를 회전시키는 구동부(미도시)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지하는 센서로 이루어진 위치 감지부(detection unit)(미도시)를 더 구비할 수 있고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 위치 감지 센서로부터 수신한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
또한, 이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고, 상기 수신된 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
만약, 상기 전력 변환부(111)가 복수의 전송 코일을 포함하도록 구성되었다면, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 복수의 전송 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다. 상기 복수의 전송 코일을 포함한 무선 전력 전송장치(100)의 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 센싱부(1115)는 상기 전송 코일(1111a)에 흐르는 전류 또는 전압을 모니터링한다. 상기 전력 센싱부(1115)는 무선 전력 전송장치(100)의 정상동작 여부를 확인하기 위한 것으로, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하고, 상기 검출된 전압 또는 전류가 임계값을 초과하는지를 확인할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)는, 도시되지 않았으나, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하기 위한 저항과 상기 검출된 전원의 전압값 또는 전류값과 임계값을 비교하여 그 비교 결과를 출력하는 비교기를 포함할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 상기 확인 결과를 기초로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 스위칭부(미도시)를 제어하여 상기 전송 코일(1111a)로 인가되는 전원을 차단할 수 있다.
도 4B를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전원 공급부(290)는 수신 코일(Rx 코일)(2911a) 및 정류 회로(2913)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)로부터 형성된 자기장에 변화에 의하여 상기 수신 코일(2911a)에서 전류가 유도된다. 상기 수신 코일(2911a)의 구현 형태는, 상기 전송 코일(1111a)의 경우와 마찬가지로, 평판 나선 형태 또는 원통형 솔레노이드 형태일 수 있다.
또한, 무선 전력의 수신 효율을 높이거나 공진 감지(resonant detection)를 위해 직/병렬 커패시터들(series and parallel capacitors)이 상기 수신 코일(2911a)과 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 수신 코일(2911a)은 단일 코일 또는 복수의 코일 형태일 수 있다.
상기 정류 회로(2913)는 교류를 직류로 변환시키기 위하여 전류에 대하여 전파 정류(full-wave rectification)를 수행한다. 상기 정류 회로(2913)는, 예컨대, 4개의 다이오드로 이루어진 브릿지(full bridge) 정류 회로, 또는 능동 소자(active components)를 이용한 회로로 구현될 수 있다.
그 밖에, 상기 정류 회로(2913)는 정류된 전류를 보다 평탄하고 안정적인 직류로 만들어 주는 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 정류 회로(2913)의 출력 전원은 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소들에게 공급된다. 또한, 상기 정류 회로(2913)은 출력되는 직류 전원을 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소(예컨대, 충전부(298)와 같은 회로)에 필요한 전원에 맞추기 위하여 적정한 전압으로 변환하는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 더 포함할 수 있다.
상기 변복조부(293)는 상기 전력 수신부(291)과 연결되고, 직류 전류에 대해서는 저항(resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다. 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 변복조부(293)의 저항 또는 리액턴스를 변경시킴으로써 상기 전력 수신부(291)에 수신되는 무선 전력 신호를 변조할 수 있다.
한편, 상기 전원 공급부(290)는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 전력 센싱부(2914)는 상기 정류 회로(2913)에 의하여 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과 상기 정류된 전원의 전압 및/또는 전류가 임계값을 초과하는 경우 상기 전력 수신 제어부(292)는 적절한 전력을 전달하도록 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전력 제어 메시지를 송신한다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)로 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 부분적으로 겹치는 1차 코일들의 배열(an array of partly overlapping primary coils)일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 일부에 의하여 활동 영역이 결정될 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치가 감지되면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 고려하여 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 유도 결합 관계에 놓일 수 있는 코일들이 연결될 수 있도록 상기 다중화기(1113)를 제어할 수 있다.
이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에 구비된 상기 위치 감지부(미도시)에 의하여 상기 인터페이스 표면 상의 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 획득할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)을 각각 이용하여 상기 인터페이스 표면 상의 물체로부터 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 전력 제어 메시지 또는 상기 물체의 식별 정보를 나타내는 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신된 결과를 기초로 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 어느 코일의 위치와 근접한지를 판단함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수도 있다.
한편, 상기 활동 영역은 상기 인터페이스 표면의 일부로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 부분을 의미할 수 있다. 이 때, 상기 활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 전송 코일 또는 하나 이상의 전송 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있다. 따라서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 기초로 활동 영역을 결정하고, 상기 활동 영역에 대응되는 주요 셀의 연결을 수립하여 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)와 상기 주요 셀에 속한 코일들이 유도 결합 관계에 놓일 수 있도록 상기 다중화기(1113)을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 연결된 코일들과 진동 회로(resonant circuit)를 형성하도록 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭부(impedance matching unit)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 도 6 내지 도 8을 참조하여 무선 전력 전송장치가 공진 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
공진 결합 방식
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
먼저, 공진(resonance)(또는 공명)에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 공진(resonance)이란, 진동계가 그 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 말한다. 공진은 역학적 진동 및 전기적 진동 등 모든 진동에서 일어나는 현상이다. 일반적으로 외부에서 진동계에 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때 그 진동계의 고유 진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 그 진동은 심해지고 진폭도 커진다.
같은 원리로, 일정 거리 내에서 떨어져 있는 복수의 진동체들이 서로 동일한 주파수로 진동하는 경우, 상기 복수의 진동체들은 상호 공진하며, 이 경우 상기 복수의 진동체들 간에는 저항이 감소하게 된다. 전기 회로에서는 인덕터과 커패시터를 사용하여 공진 회로를 만들 수 있다.
무선 전력 전송장치(100)의 전력 전달이 공진 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110)에서 교류 전원에 의하여 특정한 진동 주파수를 가진 자기장이 형성된다. 상기 형성된 자기장에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진 현상이 일어나는 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 내에서는 상기 공진 현상에 의하여 전력이 발생된다.
공진 주파수는, 예를 들어, 다음 수학식 1과 같은 수식에 의하여 결정될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2013004262-appb-M000001
여기서, 공진 주파수(f)는 회로 내의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)에 의하여 결정된다. 코일을 사용하여 자기장을 형성하는 회로에 있어서 상기 인덕턴스는 상기 코일의 회전 수 등에 의하여 결정되고, 상기 커패시턴스는 상기 코일 사이의 간격, 면적 등에 의하여 결정될 수 있다. 상기 공진 주파수를 결정하기 위하여 상기 코일 외에 용량성 공진 회로가 연결되도록 구성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력이 전송되는 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기장이 형성되는 전송 코일(Tx coil)(1111b) 및 상기 전송 코일(1111b)와 연결되고 특정한 진동 주파수를 결정하기 위한 공진 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 공진 회로(1116)는 용량성 회로(capacitors)를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 상기 특정한 진동 주파수가 결정된다.
상기 공진 회로(1116)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 변환부(111)가 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 전송 코일(1111b)과 병렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 형성된 자기장에 의하여 공진 현상이 일어날 수 있도록 구성된 공진 회로(2912) 및 수신 코일(Rx coil)(2911b)을 포함한다. 즉, 상기 공진 회로(2912)는 역시 용량성 회로를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 공진 회로(2912)는 상기 수신 코일(2911b)의 인덕턴스와 상기 공진 회로(2912)의 커패시턴스를 기초로 결정되는 공진 주파수가 상기 형성된 자기장의 공진 주파수와 동일하도록 구성된다.
상기 공진 회로(2912)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 수신부(291)가 상기 자기장에 의하여 공진이 일어날 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 수신 코일(2911b)과 직렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)에서의 상기 특정한 진동 주파수는 LTx, CTx를 가지고 상기 수학식 1을 이용하여 획득될 수 있다. 여기서, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LRX 및 CRX를 상기 수학식 1에 대입한 결과가 상기 특정한 진동 주파수와 동일한 경우에 상기 무선 전력 수신장치(200)에서는 공진이 일어난다.
공진 결합에 의한 무선 전력 전송 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 각각 동일 주파수로 공진하는 경우 전자파가 근거리 전자장을 통해 전달되게 되므로, 주파수가 다르면 상기 기기간 에너지 전달이 없게 된다.
따라서, 상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향이 큰 반면, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열 및 거리에 따른 영향은 유도 결합 방식에 비해 상대적으로 작다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 7A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명된다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111b), 인버터(1112) 및 공진 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인버터(1112)는 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)와 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111b)은 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하기 위한 전송 코일(1111a)과 별도로 장착될 수 있으나, 하나의 단일 코일을 이용하여 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식으로 전력을 전달할 수도 있다.
상기 전송 코일(1111b)은, 전술된 바와 같이, 전력을 전달하기 위한 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)는 교류 전원이 인가되면 진동이 발생할 수 있으며, 이 때 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 진동 주파수가 결정될 수 있다.
이를 위하여 상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190) 로부터 얻은 직류 입력을 교류 파형으로 변형시키고, 상기 변형된 교류 전류가 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)에 인가된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수 값을 변경시키기 위한 주파수 조절부(1117)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수는 수학식 1에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 구성하는 회로내의 인덕턴스 및 커패시턴스를 기초로 결정되므로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변경되도록 상기 주파수 조절부(1117)를 제어함으로써 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
상기 주파수 조절부(1117)는, 예를 들어, 상기 공진 회로(1116)에 포함된 커패시터 간의 거리를 조절하여 커패시턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 전송 코일(1111b)의 회전 수(number of turns) 또는 직경을 조절하여 인덕턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 결정하는 능동 소자들을 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 동작에 대해서는 전술된 바와 동일하다.
도 7B를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명된다. 상기 전원 공급부(290)는, 전술된 바와 같이, 상기 수신 코일(Rx coil)(2911b) 및 공진 회로(2912)를 포함하도록 구성될 수 있다.
그 외에도, 상기 전원 공급부(290)의 전력 수신부(291)는 공진 현상에 의하여 생성된 교류 전류를 직류로 변환시키는 정류 회로(2913)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 정류 회로(2913)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 수신부(291)는 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(2914)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 및 각 전송 코일들과 연결된 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)은 동일한 공진 주파수를 갖도록 설정되거나, 일부가 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 설정될 수 있다. 이는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들이 어떠한 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 갖는지에 따라 결정된다.
이를 위하여, 상기 주파수 조절부(1117)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변경시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
In - band communication
도 9는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 변환부(111)는 무선 전력 신호를 형성한다. 상기 무선 전력 신호는 상기 전력 변환부(111)에 포함된 전송 코일(1111)을 통하여 형성된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 전자 기기(200)에 도달하여, 상기 전자 기기(200)에 포함된 전력 수신부(291)를 통하여 수신된다. 상기 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 포함된 수신 코일(2911)을 통하여 수신된다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)와 연결된 상기 변복조부(293)을 제어하여 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)한다. 상기 수신되는 무선 전력 신호가 변조되는 경우에 상기 무선 전력 신호는 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field) 내에서 폐루프(closed-loop)를 형성하므로
상기 무선 전력 전송장치(100)는 변조된 무선 전력 신호(10b)를 감지할 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 감지된 무선 전력 신호를 복조(demodulation)하고, 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 패킷을 디코드할 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 전자 기기(200) 간의 통신에 사용되는 변조 방법은 진폭 변조(Amplitude Modulation)일 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 진폭 변조 방식은 상기 전력 변환부(111)가 형성한 무선 전력 신호(10a)의 진폭을 상기 전자 기기(200) 측의 변복조부(293)가 변경시켜 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(293)가 상기 변조된 무선 전력 신호(10b)의 진폭을 검출하는 백스캐터 변조(backscatter modulation) 방식일 수 있다.
무선 전력 신호의 변조 및 복조
이하, 도 10 및 도 11을 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200) 사이에서 송수신되는 패킷의 변조 및 복조에 대하여 설명된다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 전력 제어 메시지를 송수신하기 위한 구성을 도시한다. 도 11은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 수행되는 변조 및 복조에서의 신호의 형태를 도시한다.
도 10을 참조하면, 상기 전자 기기(200) 측의 상기 전력 수신부(291)를 통하여 수신되는 무선 전력 신호는 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 변조되지 않은 무선 전력 신호(51)이다. 상기 전력 수신부(291) 내의 공진 형성 회로(2912)에 의하여 설정된 공진 주파수에 따라 상기 전자 기기(200) 및 상기 무선 전력 전송장치(100) 사이에 공진 결합이 이루어지고, 상기 수신 코일(2911b)을 통하여 상기 무선 전력 신호(51)가 수신된다.
전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)을 통하여 수신되는 무선 전력 신호(51)를 상기 변복조부(293) 내의 부하 임피던스(Impedance)를 변경시킴으로써 변조한다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 신호(51)를 변조하기 위한 수동 소자(2931) 및 능동 소자(2932)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송하고자 하는 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호(51)를 변조한다. 이때, 상기 패킷은 상기 변복조부(293) 내의 상기 능동 소자(2932)에 입력될 수 있다.
그 후, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 송신 제어부(112)는 상기 변조된 무선 전력 신호(52)를 포락선 검출(Envelop Detection) 과정을 통하여 복조하고, 상기 검출된 신호(53)를 디지털 데이터(54)로 디코드한다. 상기 복조 과정은 변조된 무선 전력 신호에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 또는 전압이 HI 상태(HI state) 및 LO 상태(state)로 두 가지 상태로 구분되는 것을 감지하고, 상기 상태들에 따라 구분되는 디지털 데이터를 기초로 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 패킷을 획득하는 것이다.
이하에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 복조된 디지털 데이터로부터 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 전력 제어 메시지를 획득하는 과정을 설명한다.
도 11의 (b)를 참조하면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 포락선 검출된 신호로부터 클럭 신호(CLK)를 이용하여 인코딩된 비트를 검출한다. 상기 검출되는 인코딩된 비트는 상기 전자 기기(200) 측의 변조 과정에서 사용된 비트 인코딩 방법에 따라 인코딩 된 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비트 인코딩 방법은 NRZ(non-return to zero)일 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 비트 인코딩 방법이 2-위상(bi-phase) 인코딩일 수 있다.
예컨대, 어떤 실시 예들에서, 상기 검출되는 비트는 차동 2-위상(differential bi-phase; DBP) 인코딩된 것일 수 있다. 상기 DBP 인코딩에 의하면, 상기 전자 기기(200) 측의 전력 수신 제어부(292)는 데이터 비트 1을 인코딩하기 위하여 두 번의 상태 전이(transitions)를 갖도록 하고, 데이터 비트 0을 인코딩하기 위하여 한 번의 상태 전이를 갖도록 한다. 즉, 데이터 비트 1은 상기 클럭 신호의 상승 에지(rising edge) 및 하강 에지(falling edge)에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것이고, 데이터 비트 0은 상기 클럭 신호의 상승 에지에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것일 수 있다.
한편, 상기 전력 송신 제어부(112)는 비트 인코딩 방법에 따라 검출된 비트열로부터 패킷을 구성하는 바이트 포맷(byte format)을 이용하여 바이트 단위의 데이터를 획득할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 검출된 비트열은 도 11의 (c)에 도시된 바와 같은 11 비트 비동기 직렬 포맷(11-bit asynchronous serial format)을 이용하여 전송된 것일 수 있다. 즉, 바이트의 시작을 알리는 시작 비트(start bit)와 종료를 알리는 종료 비트(stop)를 포함하고, 시작 비트와 종료 비트 사이에 데이터 비트들(b0 내지 b7)을 포함할 수 있다. 또한, 데이터의 오류를 검사하기 위한 패러티 비트(parity bit)가 추가될 수 있다. 상기 바이트 단위의 데이터는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 구성한다.
[in-band two-way communication을 지원하는 경우]
이상, 도 9에는 상기 무선 전력 전송 장치(100)가 형성한 반송파 신호(carrier signal)(10a)를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 패킷을 송신하는 것에 대하여 도시되었으나, 상기 무선 전력 전송 장치(100)도 위와 유사한 방식으로 상기 무선 전력 수신장치(200)에 데이터를 전송할 수 있다.
즉, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 제어하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 보낼 데이터가 상기 반송파 신호(10a)에 실리도록 변조할 수 있다. 이와 같은 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 변조된 상기 반송파 신호(10a)로부터 데이터를 획득할 수 있도록 상기 변복조부(293)를 제어하여 복조를 수행할 수 있다.
패킷 포맷
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 신호를 이용한 통신에서 사용되는 패킷의 구조가 설명된다.
도 12는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 12의 (a)를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 전송하고자 하는 데이터를 명령 패킷(command_packet)(510)의 형태로 송수신할 수 있다. 상기 명령 패킷(510)은 헤더(511) 및 메시지(512)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 헤더(511)는 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터의 종류를 지시하는 필드를 포함할 수 있다. 상기 데이터의 종류를 지시하는 필드가 나타내는 값을 기초로 상기 메시지의 크기 및 그 종류가 결정될 수 있다.
또한, 상기 헤더(511)는 상기 패킷의 발신자를 식별할 수 있는 주소 필드를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 주소 필드는 상기 전자 기기(200)의 식별자 또는 상기 전자 기기(200)가 속한 그룹의 식별자를 나타낼 수 있다. 상기 전자 기기(200)가 상기 패킷(510)을 전송하고자 하는 경우에, 상기 전자 기기(200)는 상기 패킷(510)의 상기 주소 필드가 자신의 식별 정보를 나타내도록 상기 패킷(510)을 생성할 수 있다.
상기 메시지(512)는 상기 패킷(510)의 발신자가 전송하고자 하는 데이터를 포함한다. 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터는 상대방에 대한 보고 사항(report), 요청 사항(request) 또는 응답 사항(response)일 수 있다.
한편, 어떤 실시 예에 있어서, 상기 명령 패킷(510)은 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 상기 명령 패킷(510)에 포함된 상기 헤더(511)는 일정한 크기로 표현될 수 있다. 예컨대, 상기 헤더(511)는 두 바이트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 수신 주소 필드를 포함하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 수신 주소 필드는 6 비트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 OCF(Operation command field) 또는 OGF(Operation group field)를 포함하도록 구성될 수 있다. OGF는 상기 전자 기기(200)를 위한 커맨드의 그룹별로 부여되는 값이며, OCF는 상기 전자 기기(200)가 포함된 각 그룹 내에 존재하는 커맨드 별로 부여되는 값이다.
상기 메시지(512)는 파라미터의 길이(length) 필드(5121)와 파라미터의 값(value) 필드(5122)로 구분하여 표현될 수 있다. 즉, 상기 패킷(510)의 발신자는 상기 메시지를 상기 전송하고자 하는 데이터를 표현하기 위해 필요한 하나 이상의 파라미터의 길이-값 쌍(5121a-5122a 등)의 형태로 구성할 수 있다.
도 12의 (c)를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 상기 명령 패킷(510)에 전송을 위한 프리앰블(520) 및 체크섬(530)을 부가한 패킷의 형태로 상기 데이터를 송수신 할 수 있다.
상기 프리앰블(520)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 수신되는 데이터와 동기화를 수행하고 상기 명령 패킷(510)의 시작 비트를 정확히 검출하기 위해 사용된다. 상기 프리앰블(520)은 동일한 비트가 반복되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 프리앰블(520)은 상기 DBP 인코딩에 따른 데이터 비트 1이 11번 내지 25번 반복되도록 구성될 수 있다.
상기 체크섬(530)은 전력 제어 메시지가 전송되는 도중에 상기 명령 패킷(510)에 발생할 수 있는 오류를 감지하기 위하여 사용된다.
동작 상태( Phases )
이하에서, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들에 대하여 설명된다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들을 도시한다. 또한, 도 14 내지 도 18은 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태는 선택 상태(Selection Phase) (610), 검출 상태(Ping Phase)(620), 식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)(630), 그리고 전력 전송 상태(Power Transfer Phase)(640)로 구분될 수 있다.
상기 선택 상태(610)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 무선으로 전력을 전송할 수 있는 범위 내에 물체(object)들이 존재하는지 여부를 감지하고, 상기 검출 상태(620)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 감지된 물체로 검출 신호를 보내고, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 검출 신호에 대한 응답을 보낸다.
또한, 상기 식별 및 설정 상태(630)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 이전 상태들을 통하여 선택된 무선 전력 수신장치(200)를 식별하고 전력 전달을 위한 설정 정보를 획득한다. 상기 전력 전송 상태(640)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 수신한 제어 메시지에 대응하여 전송하는 전력을 조절하면서, 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
이하에서는, 상기 각 동작 상태를 구체적으로 설명한다.
1) 선택 상태 ( Selection Phase )
상기 선택 상태(610)에 있는 무선 전력 전송장치(100)는 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행한다. 상기 감지 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 전력 변환부(111)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 말한다. 상기 검출 상태(620)와 비교하여, 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 수신장치(200)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태(610)에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태(620)에서 디지털 형식의 패킷을 이용하지 아니하고 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 불릴 수 있다.
상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 물체가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)와 그 밖의 물체들(예를 들어, 열쇠, 동전 등)을 구분할 수 있다.
전술된 바와 같이, 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리가 다르므로 상기 선택 상태(610)에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.
먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지할 수도 있다. 전술된 바와 같이, 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성된 무선 전력 전송장치(100)는 상기 선택 상태(610)에서 상기 검출 상태(620)로 진입하고, 상기 검출 상태(620)에서 각각의 코일을 이용하여 상기 물체로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태(630)로 진입하여 상기 물체로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 무선 전력 수신장치(200)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.
또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로 써 상기 물체를 검출할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들(620, 630, 640)로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들(620, 630, 640)에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 선택 상태(610)는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle phase)에 해당하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나, 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.
2) 검출 상태 ( Ping Phase )
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력 제어 메시지를 통해 상기 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 검출하는 과정을 수행한다. 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 무선 전력 수신장치(200)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태(620)에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 불릴 수 있다.
상기 검출 상태(620)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득한다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 인지 할 수 있다.
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 디지털 검출 과정을 수행하기 위하여 형성하는 검출 신호는 특정 동작 포인트(operating point)의 전력 신호를 일정한 시간 동안 인가함으로써 형성되는 무선 전력 신호일 수 있다. 상기 동작 포인트는 전송 코일(Tx coil)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.
한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 도 14에 도시된 바와 같은 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)( 5100)을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5100)은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5120) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지(5130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5130) 내의 전력 신호의 강도는 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태(630)로 진입할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태(630)에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.
다만, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)를 발견하지 못한 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 동작 상태는 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
3) 식별 및 설정 상태 ( Identification and Configuration Phase )
상기 식별 및 설정 상태(630)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 15A에 도시된 바와 같은 무선 전력 수신장치(200)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)(5200) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5200)은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5220) 및 상기 무선 전력 수신장치의 식별 정보를 포함하는 메시지(5230)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5230)는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보(2531 및 5232), 상기 무선 전력 수신장치(200)의 제조 업체를 식별하는 정보(5233), 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234) 및 기본 장치 식별자(5235)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234)에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 도 15B에 도시된 바와 같은 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet)(5300) 이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷(5300)은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5320) 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지(5330)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보(5233), 상기 기본 장치 식별자(5235) 및 상기 확장 장치 식별자(5330)에 기초한 정보가 사용될 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같은 설정 패킷(Configuration Packet)(5400) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더(5420) 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지(5430)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5430)는 전력 클래스(5431), 예상 최대 전력에 대한 정보(5432), 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자(5433), 선택적인 설정 패킷들의 수(5434)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자(5433)는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 무선 전력 수신장치(200)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태(640)에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 상태(640)로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료하고, 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 무선 전력 수신장치를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료할 수 있다.
4) 전력 전송 상태 ( Power Transfer Phase )
상기 전력 전송 상태(640)에서의 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력을 전송하는 도중에 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 전송 코일에 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 전송 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 도 17에 도시된 바와 같은 제어 오류 패킷(Control Error Packet)( 5500)에 포함될 수 있다. 상기 패킷(5500)은 제어 오류 패킷임을 알리는 헤더(5520)와 제어 오류 값을 포함하는 메시지(5530)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 제어 오류 값에 따라 상기 전송 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 상기 제어 오류 값이 0인 경우에 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.
상기 전력 전송 상태(640)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링한 결과, 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송을 취소하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태(640)를 종료할 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태(630)로 되돌아 갈 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)(5600)일 수 있다. 상기 패킷(5600)은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더(5620) 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지(5630)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오류(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오류(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오류(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
다수의 전자 기기의 통신 방법
이하, 하나의 무선 전력 송신장치로부터 하나 이상의 전자 기기들이 무선 전력 신호를 이용하여 통신을 수행하는 방법이 설명된다.
도 19는 무선 전력 전송장치가 하나 이상의 무선 전력 수신장치들에게 전력을 전달하는 방법을 도시한 개념도이다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 수신 장치(200, 200')들을 위하여 전력을 전송할 수 있다. 도 19에는 두 개의 전자 기기들(200, 200')이 도시되어 있으나, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 방법은 도시된 전자 기기들의 숫자로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 활동 영역 및 감지 영역은 차이가 있다. 따라서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 공진 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신장치가 존재하는지 여부, 또는 유도 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신 장치가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다. 상기 판단 결과에 따라 각 무선 전력 전달 방식을 지원 하는 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 각 무선 전력 수신장치에 대하여 전력 전달 방식을 변경할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 무선 전력 전송에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 동일한 무선 전력 전달 방식으로 하나 이상의 전자 기기들(200, 200')을 위하여 전력을 전송하는 경우에 상기 전자 기기들(200, 200')이 서로간 충돌 없이 상기 무선 전력 신호를 통하여 통신을 수행할 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)에 도달한다. 상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 상기 형성된 무선 전력 신호를 이용하여 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다.
상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신장치로 동작한다. 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 상기 전력 수신장치는 상기 형성된 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신부(291', 291); 상기 수신된 무선 전력 신호에 대하여 변조 및 복조를 수행하는 변복조부(293', 293); 및 전력 수신장치의 각 구성요소들을 제어하는 제어부(292', 292)를 포함하도록 구성될 수 있다.
나아가, 본 발명에서는 다중 통신 규약을 사용하는 무선충전 시스템(또는 무선 전력 송수신장치)에서 통신규약 선택방법과, 무선 충전 시스템에서 유도 방식과 공진 방식의 호환이 가능한 송신장치의 구조와, 유도 방식과 공진 방식의 호환이 가능한 송신장치에서의 통신 방법을 제시한다. 이하, 이에 대하여 보다 상세히 설명한다.
다중 통신 규약을 사용하는 무선 전력 송수신장치에서 통신규약 선택 방법
이하, 도 20 내지 도 22를 참조하여, 다중 통신 규약을 사용하는 무선 전력 송수신장치에서 통신규약 선택 방법에 대하여 설명한다.
하기에서 설명되는 내용은 무선전력 전송장치와 수신장치 간에 여러 가지 통신 방법을 지원 가능하도록 하여, 무선전력 전송의 다양한 응용을 가능하게 하는 통신 규약 선택 방법에 관한 것이다.
또한, 이하 설명되는 내용은 Wireless Power Consortium((이하 WPC))의 Wireless Power Specification Part1 System Description 중에 chapter 5 System Control의 Identification & configuration phase와 Power transfer phase 사이에 새로운 phase를 추가하여 Chapter 6 Communication Interface를 확장해서 사용할 수 있도록 한다.
도 20은 WPC 통신 흐름을 나타내는 개념도이고, 도 21은 본 발명의 일실시예에 따라는 방법에서의 통신 흐름도이며, 도 22은 도 21의 통신 흐름에 대응하는 순서도이다.
서로 다른 회사에서 만든 무선 전력 송신기와 수신기가 원활히 제 역할을 수행하기 위해서 WPC에서 무선전력 전송관련 기술을 규격화 하고 있다. WPC 에서 규정하고 있는 무선 전력 전송 방식에서는 안정된 출력 제어를 위해서 전력 수신부에서 전력 송신부로의 단방향 통신만을 지원하고 있다. 이 통신의 주된 용도는 전력 수신부에서 송신부로 제어편차(control error)를 되먹임(feedback)할 수 있도록 하는 것이다. 변조 방식으로는 자기장 변화를 이용한 진폭변조 방식만을 사용하고 있고 전송 속도는 수 KHz에 불과 하다. 따라서, 전기적, 자기적인 외란에 취약하며, 단방향 통신만을 함으로서 전력 송신부에서 전력 수신부로의 정보전달을 필요로 하는 응용을 할 수 없다. 또한, 현재의 통신방법은 특히 전송 속도가 느려서 대량의 정보 전달을 필요로 하는 응용에 한계가 있다.
본 발명은 WPC 규격에서 Power Transfer Phase이전에 무선 전력 송신부와 수신부간의 다수의 통신 규약을 사용할 수 있도록 통신 규약 선택 방법을 제시하여 무선 전력 송수신기의 응용 범위를 넓힐 수 있다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 먼저 무선 전력 송수신 기기는 통신 규약 일람표(Communication Protocol Catalog) 중에 통신 규약 목록(Communication Protocol List)을 만들고 이 중에서 통신 방법을 선택한다.
이 경우에, 무선 전력 송수신 기기 간에 지원 가능 한 모든 통신 규약을 미리 약속하여 통신 규약 일람표를 만든다. 무선 전력 송수신 기기는 이 중에서 선택하여 통신 기능을 구현한다. 상기 통신 규약 일람표 안에는 통신 방법의 내용을 포함하고 이 내용을 전달하고자 통신 방향과 번호를 포함하는 비트 조합으로 구성된 데이터로 구성한다.
또한, 통신 방향과 통신방법을 포함하는 번호로 구성된 데이터는 WPC 규격 상에 명시된 사용자 정의 영역에 포함함으로써 기존 방식과 호환성을 유지할 수 있게 한다.
상기 통신 규약 일람표는, 무선 전력 전송장치에서 지원할 수 있는 사전에 약속된 모든 통신 규약 일람표를 의미하여, WPC 규격에서 정의될 수 있다. 통신 규약은 물리적, 논리적, 응용적인 내용을 모두 포함할 수 있으며 사전에 약속되기만 하면 된다.
또한, 각각의 통신 규약에는 하나의 유일한 통신 규약 번호가 부여될 수 있다. 실시예로 규약은 7bit의 번호를 부여하여 구분하고 최상위 1bit로 통신 방향을 표현 할 수 있다(표 1의 통신 규약 일람표 및 표 2의 통신 규약 번호 구성 참조).
표 1
Figure PCTKR2013004262-appb-T000001
표 2
Figure PCTKR2013004262-appb-T000002
통신 규약 일람표는 상기 실시예의 경우 0x00~7F까지 총 128가지의 통신규약을 표현할 수 있게 된다. 무선 전력 송수신장치는 통신 규약 일람표 중에서 장치 자체가 지원할 수 있는 통신 규약 목록을 만들게 된다(표 3의 통신 규약 목록 참조).
표 3
Figure PCTKR2013004262-appb-T000003
이후에, 수신부는 자신이 지원하는 통신 규약정보를 송신부에 전달하여, 송신부로 하여금 송신 방법을 선택할 수 있게 한다. 또한, 다수의 통신 규약 전달 방법은 기본적으로 송수신부간에 정보 전달을 보장하는 통신 규약을 따른다. 다수의 통신 규약에는 전력 전달 채널 내부적인 변형을 통한 통신 방법이나 전력 외의 다른 채널을 통한 통신 방법 통신 규약을 포함한다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신기는 수신기에서 지원할 수 있는 통신 규약 목록을 만들어 송신기에 기존의 방법으로 전송한다. 무선 전력 수신기는 한 개 이상의 통신 규약을 지원할 수 있다. 이 중 응용에 따라 무선 전력 수신기에서 하나만 선택하여 목록을 만들 수도 있고 지원 가능한 전부를 목록으로 만들 수 있다. 통신 규약 목록의 내용은 지원 가능하기만 하면 되고 그 수는 응용에 따른다. 또한 목록의 상위에 위치한 통신규약을 우선 순위가 높은 것으로 한다.
상기 통신 규약 목록은, 통신 규약 일람표 중에서 실제로 지원 가능한 통신규약을 모아 놓은 목록이 될 수 있다. 복수의 통신 규약을 지원 할 수 있는 경우에는 목록의 순서에 따라 우선 순위가 부여될 수 있다. 우선 순위가 높을수록 목록의 상위에 위치할 수 있다.
무선 전력 전송기는 수신한 목록에서 지원 가능한 규약들로 동일한 형태로 통신규약 목록을 만들어 무선 전력 수신기로 회신한다.
예를 들어, 무선 전력 송신기가 통신 규약 목록을 수신했다면, 수신한 통신 규약 목록 중에 지원 가능한 통신규약 중에 통신 방향에 따라 1개씩 선택하여 통신 규약 목록을 만들어 무선 전력 수신기로 회신한다. 무선 전력 전송기는 선택한 통신규약으로 통신할 준비를 한다. 무선 전력 송신기가 통신 규약 목록을 받지 못하는 경우에는 기존의 방법대로 수신만 수행하여 무선 전력 전송 기능을 한다.
무선 전력 수신기는 회신 되어 온 통신규약 목록을 확인하여 목록에 있는 대로 통신을 준비한다. 회신이 없거나 통신 규약 목록이 없는 상태로 회신이 왔다면 기존의 방법대로 무선 전력 수신의 기능을 한다.
상기에서 설명된 통신규약 선택 방법은, 무선 충전 기기 간에 새로운 통신 규약을 채용할 수 있도록 하여 무선충전 시스템의 응용범위를 넓힐 수 있다. 나아가, 외란에 대응한 통신 규약을 추가하면 성능향상에 기여할 수 있게 된다.
또한, 상기에서 설명된 통신규약 선택 방법은 유도 방식과 공진 방식의 호환이 가능한 무선충전 시스템 및 통신방법에 적용될 수 있으며, 이하, 상기 무선충전 시스템 및 통신방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.
무선충전 시스템에서 유도 방식과 공진 방식 호환이 가능한 송신장치 및 통신 방법
이하, 도 23 내지 도 35를 참조하여 거치형 무선충전기의 동작 영역 확장 방법에 대하여 설명한다. 보다 구체적으로, 무선전력의 이미 상용화된 유도 방식과 상용화되기 전인 공진 방식에 대해 두 가지 수신부에 모두 대응될 수 있는 무선 충전 송신부 구조에 대한 방법과 함께, 송수신기간에 전력 채널이 아닌 다른 통신 채널을 통한 통신 방법에 대하여 설명한다.
WPC는 무선충전에서 이미 유도방식을 취하고 있고 송수신기간의 통신 방법을 정해놓고 있다. 이에 반해 공진 방식은 전자기 유도를 이용하는 기본 원리는 동일하나, 송신부 수신부의 주파수 matching 여부, Q 값의 고저에 따라 구분되고, 일반적으로 Q 값을 키워 송, 수신부간 coupling을 증가, 전송 거리를 향상시킬 수 있다. 즉, 공진 방식에 의하면, 송수신기간의 보다 높은 커플링을 갖추어지며, 거리와 자세에 대한 자유도가 높아질 수 있다.
자유도를 높이면서 동시에 전력 효율을 높이기 위해서는 송수신기에 대한 코일 설계 기술이 필요하다. 둘의 방식이 별개로 개발되어 제품화가 이루어지면 호환이 필요 없겠지만, 이미 시장이 형성된 유도방식에서 새롭게 공진방식으로 진입하기 위해서는 과도기적으로 두 방식을 모두 대응할 수 있는 송신기에 대한 필요성이 고려될 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 무선 충전을 함에 있어 유도 방식의 수신기기와 공진 방식의 수신기기에 대해 호환 가능한 코일 형태를 제시한다.
이러한 예로서, 무선 전력 전송장치의 전력 전달부는 제1 및 제2 코일을 구비한다.
제1 코일은 유도 방식의 전력을 송신하게 자기장을 발생시키도록 형성되고, 제2 코일은 상기 제1 코일을 감싸도록 권선되며, 공진 방식의 전력을 송신하게 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하도록 이루어진다.
상기 구조를 통하여 유도 /공진 수신부에 대해서 모두 대응할 수 있는 코일 형상이 설계될 수 있다. 도 23은 유도/공진 송신부 코일에 대한 개략도이며, 내부에 유도 코일(제1 코일)이 위치하고, 외부에 공진 코일(제2 코일)을 위치시킴으로써 두가지 방식에 모두 대응하게 한다.
이때, 제2 코일의 형태와 특성치에 의해서 제1 코일의 동작이 좌우되기 때문에, 제2 코일의 특성을 정량적으로 제한할 수 있다.
도 24는 유도 방식과 공진 방식 호환이 가능한 송신부 구조 예시 및 실험군의 사진이다. 도 24의 총 10개의 유도/공진 코일 설계 타입에 대하여 특성치를 측정하였고, 측정결과에 따라 4가지 주요 Factor를 정의함으로써 호환을 위한 코일 설계를 가이드를 마련하였다.
도시에 의하면, 상기 제1 코일은 원형으로 권선되고, 상기 제2 코일은 적어도 일부가 직선인 사변형으로 권선된다.
도 25는 코일 형태별 Q 값(Q value, Q factor)을 나타내는 그래프이고, 도 26은 코일 형태별 임피던스 변화율을 나타내는 그래프이며, 도 27은 코일 형태별 리액턴스 변화율을 나타내는 그래프이고, 도 28은 형태별 Re{lm} 대비 효율을 나타내는 그래프이다.
도시된 그래프에 의하면, 5, 8번 형태와 같은 테두리 권선형의 경우에, Q 값은 크나, 공진 전송이 불가능하다. 따라서, 유도 공진 호환형 송신부(제2 코일)의 Q 값은 100 내지 200 사이로 한정될 수 있다.
제2 코일의 센터의 임피던스 실수부에 대한 가장자리 임피던스 실수부의 비율은 아래의 수식2와 같이 정의된다.
수학식 2
Figure PCTKR2013004262-appb-M000002
여기서, Re{f}: f의 실수부
도 26와 같이, 수신부의 위치에 따라(가장자리 또는 중심부인지에 따라) 임피던스 실수부(Re{lm}) 변화값을 비교하면, 중심부에서 Re{lm}이 큰 경우에 전송 가능함을 알 수 있다.
따라서, 상기 제2 코일의 센터의 임피던스 실수부에 대한 가장자리 임피던스 실수부의 비율(Re)은 1.2보다 큰 것으로 한정한다. 상기 비율의 상한은 제한이 없으나, 구현가능한 적정값이 될 수 있다.
상기 제2 코일의 센터의 임피던스 허수부에 대한 가장자리 임피던스 허수부의 비율은 아래의 수식3과 같이 정의된다.
수학식 3
Figure PCTKR2013004262-appb-M000003
여기서, Im{f}: f의 허수부
도 27과 같이, 수신부의 위치에 따라(가장자리 또는 중심부인지에 따라) 리액턴스 변화값을 비교하면, 중심부에서 Ratio{Im}이 1보다 작아야 함을 알 수 있다. 따라서, 상기 제2 코일의 Ratio{Im}은 1보다 작은 것으로 한정한다.
또한, 상기 제2 코일은 평판형 나선구조로 이루어지며, 상기 제2 코일의 간격은 비등간격이 될 수 있다. 예를 들어, 효율이 40%보다 큰 코일의 간격 형태는 상기 비등간격의 경우에 1,2,3,6,10 등이 될 수 있다.
이 경우에, 상기 제2 코일의 간격은 내주에서 외주를 향하여 점차적으로 좁아지며, 상기 제2 코일의 형상은 리츠 와이어 또는 구리 와이어의 단선이 내주에서 외주로 감긴 형상이 될 수 있다. 간격 변화량은 예를 들어, 하기의 표 4와 같이 구성될 수 있다.
표 4
청구예Index 간격 변화량(내주->외주), 단위 mm
1 6->5->4->3->2->2->2->2->2->2
2 6->4->4->2->2->2->2->2->2->2
3 3.5->3->3->3->2.5->2->1.5->1->0.5->0.5
도 29A, 도29B 및 도 29C는 본 발명의 다른 일 실시예를 나타내는 평면도, 정면도 및 사시도이고, 도 30은 도 29A의 코일부를 이용하는 경우에 적용가능한 신호처리의 일 예를 나타낸다.
도 29A, 도29B 및 도 29C를 참조하면, 제1 및 제2 코일이 서로 오버랩되도록 이루어진다.
유도 방식의 제1 코일은 수백 kHz(100~200kHz) 대역을 지원하는 송신 코일이고, 공진 방식의 제2 코일은 ISM band(6.78MHz) 대역을 지원하는 송신 코일이 될 수 있다. 두 코일간 z축 배치는 상하 간격을 두거나 동일 위치에 배치할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 코일은 리츠 와이어나 회로기판(PCB) 2층을 적층한 형태로도 구현될 수 있다. 이 경우에, 제1 코일의 직경이 제2 코일보다 작을 수 있으며, 상하 간격이 있는 경우에 제1 코일이 상측에 배치될 수 있다.
도 30을 참조하면, 송신장치는 ISM band 주파수 대역의 수신부를 wake-up 하기 위한 digital ping 신호와 수백kHz 대역 수신부를 wake-up 하기 위한 digital ping 신호를 TDM 기반으로 순차적으로 생성하여, wake-up 된 수신장치에서 보내는 packet 정보에 따라 송출 주파수를 결정한다. 이를 통하여, 유도 및 공진 방식의 호환이 가능하게 된다.
상기에서 설명한 유도 방식과 공진 방식 호환이 가능한 송신장치는 상기 신호처리뿐만 아니라, 이하 설명되는 통신방법에 의하여 통신을 수행할 수 있다.
하나의 송신기와 복수의 수신기가 통신을 해야 할 경우 종래의 방법으로는 통신이 어려울 수 있다. 그 이유는 다수의 수신기가 송신기로 메시지를 동시에 전송할 때 동일한 타임-슬롯으로 보낸 메시지들 간에 충돌 발생할 수 있고, 상기 충돌로 인하여 전송된 메세지에 에러가 발생할 수 있기 때문이다. 이러한 문제는 단방향 통신 및 양방향 통신방식에서도 동일하게 일어날 수 있다. 결과적으로, 송신기는 복수의 수신기와의 통신 중에 상기 충돌로 인하여 파워 전송이 불가능할 수 있으며, 이하 설명되는 통신방법은 이러한 문제를 해결할 수 있다.
도 31은 무선 전력 채널 외에 Zigbee를 이용한 TX/RX 통신 구성도이고, 도 32는 멀티 충전에 있어서, 단일 충전 채널 및 다중 통신 채널에 대한 개념도이다.
도 31를 참조하면, 기존의 유도방식이 전력선상에 로드를 변화시킴으로써 TX가 이를 검출하여 통신하는 방식인 반면에 이것은 외부통신 IC를 추가로 포함시킴으로써 회로를 단순화 할 수 있다. 또한 RX측에서 전원 인가시 충분히 외부통신 IC를 활성화할 수 있기 때문에 Battery단에 전력을 공급하기 전에 필요한 정보교환 통신이 가능하다.
도 32를 하나의 TX가 다수의 RX에 대응하는 방식이고, TX의 질의(Inquiry)에 RX에 응답하는 방식이다.
상기 통신방법을 위하여, 무선 전력 전송장치의 제어부는, 상기 제1 및 제2 코일에 개별적으로 전력을 인가하고, 상기 전력 인가에 대한 상기 무선 전력 수신장치의 반응을 이용하여 상기 유도 방식 및 공진 방식 중 어느 방식으로 전력을 전송할 것인지 결정하게 된다.
예를 들어, 상기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, WPC 규격의 단방향 통신에 따라 상기 무선 전력 수신장치로부터 송신된 신호를 검출하고, 상기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, 전력 외 채널을 이용하여 양방향 통신방법으로 상기 무선 전력 수신장치와 통신하게 된다. 즉, 무선 충전을 함에 있어 유도/공진 호환 방식에서 유도는 WPC규격의 In-band 통신을 사용하고 공진은 Out-band통신을 이용할 수 있다.
도 33은 신규 RX 접근시 State Flow을 나타내는 순서도이고, 도 34는 Zigbee를 이용한 전력전송 제어 통신 Sequence 을 나타내는 개념도이며, 도 35 및 도 36는 TX/RX간 양방향 통신에서 Half-duplex 통신 방법을 나타내는 개념도들이고, 도 37은 TX Inquiry 의 3가지 형태를 나타내는 예시도이다.
도시에 의하면, 유도/공진 호환 송신부는 유도/공진 코일에 개별적으로 전력을 인가하여 수신부의 반응을 보고 접근한 수신한 방식에 따라 통신 방법 및 전력 인가 방식을 정한다. 예를 들어, 유도 방식일 경우 기존 WPC 규격에서 수신부에서 송신부로의 전력 채널의 부하 변경을 통한 단방향 통신을 취하고, 송신부는 이를 검출하여 수신부의 상태를 보고 유도부 코일의 주파수와 Duty비를 제어한다.
이에 반해, 공진 방식의 경우 송수신부의 거리 및 자세에 따라 전력 채널의 특성이 변화함에 따라 전력 외 채널을 통한 통신방법으로 수신부의 상태를 획득하고 송신부의 주파수나 Duty비를 제어하고 수신부에 지시할 수 있는 양방향 RF 통신 방법을 사용한다.
도 33 및 도 34는 TX가 RX를 검출하기 위하여 Analog Ping을 보내고 이 미세 전력으로 RX를 검출하여 ID를 생성 및 등록 그리고, 여러 대의 RX가 응답할 때, 신호가 충돌되지 않게 하기 위한 과정을 보여주고 있다.
이러한 계약관계를 거치면서, 도 35 및 도 36에서 나타날 수 있는 여러 경우에 대해서도 새로운 RX나 이미 등록된 RX들이 보내는 신호가 출돌되지 않고 송신부가 받아 볼 수 있게 되어 있다.
도 35 및 도 36에서는 TX/RX간 양방향 통신에서 Half-duplex 통신에 방법으로, 기재된 시간은 상대적인 임시값이다. 도 33은 RX가 있고, TX 전원 인가시와, TX 전원 인가시에 새로운 RX가 접근하여 신호 충돌하는 경우를 나타낸다. 첫번째 Inquiry와 두번째 Inquiry의 타임간격에 의하여 첫번째 아이디와 두번째 아이디가 충돌하지 않게 된다.
이에 반해, 도 36은 새로운 RX가 접근시와, 할당된 RX가 있을 때 새로운 RX가 접근하는 경우를 나타낸다. 할당된 RX에 의하여 신호 충돌이 일어나지 않게 된다.
또한, 도 37과 같이 TX는 RX에 3가지 방식으로 질의를 할 수 있다. 모든 RX 응답, 특정 RX 응답 그리고 실질적으로 질의는 하지 않지만 질의가 있다는 가정하에 모든 RX들의 응답이다.
예를 들어, 상기 양방향 통신방법은 상기 무선 전력 전송장치가 상기 무선 전력 수신장치에 대하여 타임 슬롯(time slot)을 할당하고, 접근을 위한 아이디를 부여하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 양방향 RF 통신은 송신부의 요청에 수신부가 응답하는 방식을 취하며, 초기 전력을 받은 수신부가 억세스 아이디(Access ID)로 등록 요청을 하고, 송신부는 허가 타임 슬롯(Timeslot)방식으로 관리할 수 있는 수신부로 판단되면, 해당 수신부에 대하여 타임 슬롯을 할당하고 접근을 위한 억세스 아이디를 수신부에 부여한다.
상기 타임 슬롯은 송신부가 수신부 응답을 요청할 경우, 수신부가 자신에게 부여된 지연 시간 후 응답하는 방식을 의미한다. 여러 개의 수신부가 있을 경우, 각각의 타임 슬롯이 다르기 때문에 신호의 충돌이 피해질 수 있다.
또한, 송신부는 2가지 방식으로 수신부에 지시할 수 있다. 한가지는 모든 수신부 각각의 타임 슬롯에 해당 지시에 대한 정보를 응답하게 하는 것이고, 다른 한가지는 특정 수신부에 정보를 요청하거나 지시할 경우, 해당 수신부는 해당 타임 슬롯에 자신만 응답하게 된다.
상기 타임 슬롯은, 억세스(access) 타임 슬롯과 할당(assign) 타임 슬롯을 구비할 수 있다. 억세스 타임 슬롯은 상기 무선 전력 수신장치에 전원이 인가되어 개별 억세스 아이디를 생성후 상기 무선 전력 전송장치에 응답하는 타임 슬롯이 될 수 있다. 또한, 할당 타임 슬롯은 상기 무선 전력 전송장치에서 인가된 할당 아이디를 근거로 복수의 무선 전력 수신장치들이 순차적으로 응답하는 타임 슬롯이 될 수 있다.
억세스 타임 슬롯과 할당 타임 슬롯은 시간축 상 분리되어 위치할 수 있다. 여기서 억세스 타임 슬롯은 초기 수신부에 전원이 인가되어 개별 억세스 아이디를 임의로 생성 후 수신부가 송신부에 그 정보를 응답하는 타임 슬롯을 말하며, A억세스 타임 슬롯은 송신부에 의해서 인가된 억세스 아이디를 토대로 등록된 여러 개의 수신부들이 충돌되지 않고 응답할 수 있는 타임 구간을 의미한다.
이와 같이, 양방향 통신방법은 상기 무선 전력 전송장치의 요청에 상기 무선 전력 수신장치가 응답하는 방식이나, 상기 요청은 생략하고, 상기 무선 전력 수신장치가 할당(assign) 타임 슬롯에서 응답하도록 이루어질 수도 있다. 즉, 통신 최소화 관점에서, 송신부의 응답요청(Inquiry)은 RX와의 합의에 따라 생략하고 RX들이 일방적으로 Assigned timeslot에서 응답할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 유도/공진 호환형 코일 및 통신 방법은 기존에 이미 상용화된 유도 방식 무선 충전 방식에 대해, 공진 방식으로 발전하기 위하여 과도기적인 대안을 제시한다.
이상 개시된 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치의 구성은 무선 충전기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 도킹 스테이션(docking station), 단말기 크래들 장치(cradle device), 기타 전자 장치 등과 같은 장치에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (21)

  1. 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하도록 형성되는 무선 전력 전송장치에 있어서,
    상기 무선 전력 전송장치의 전력 전달부는,
    유도 방식의 전력을 송신하게 자기장을 발생시키도록 형성되는 제1 코일; 및
    상기 제1 코일을 감싸도록 권선되며, 공진 방식의 전력을 송신하게 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하도록 이루어지는 제2 코일을 포함하는 무선 전력 전송장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일의 Q 값이 100 내지 200 인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일의 센터의 임피던스 실수부에 대한 가장자리 임피던스 실수부의 비율은 1.2보다 큰 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 코일의 센터의 임피던스 허수부에 대한 가장자리 임피던스 허수부의 비율은 1보다 작은 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일은 평판형 나선구조로 이루어지며, 상기 제2 코일의 간격은 비등간격인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일의 간격은 내주에서 외주를 향하여 점차적으로 좁아지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일은 리츠 와이어 또는 구리 와이어의 단선이 내주에서 외주로 감긴 형상인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일은 원형으로 권선되고, 상기 제2 코일은 적어도 일부가 직선인 사변형으로 권선되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송장치의 제어부는,
    상기 제1 및 제2 코일에 개별적으로 전력을 인가하고, 상기 전력 인가에 대한 상기 무선 전력 수신장치의 반응을 이용하여 상기 유도 방식 및 공진 방식 중 어느 방식으로 전력을 전송할 것인지 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, WPC 규격의 단방향 통신에 따라 상기 무선 전력 수신장치로부터 송신된 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, 전력 외 채널을 이용하여 양방향 통신방법으로 상기 무선 전력 수신장치와 통신하는 것을 특징으로 하는무선 전력 전송장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 양방향 통신방법은 상기 무선 전력 전송장치가 상기 무선 전력 수신장치에 대하여 타임 슬롯(time slot)을 할당하고, 접근을 위한 아이디를 부여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 타임 슬롯은,
    상기 무선 전력 수신장치에 전원이 인가되어 개별 억세스 아이디를 생성후 상기 무선 전력 전송장치에 응답하는 억세스(access) 타임 슬롯과,
    상기 무선 전력 전송장치에서 인가된 할당 아이디를 근거로 복수의 무선 전력 수신장치들이 순차적으로 응답하는 할당(assign) 타임 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 양방향 통신방법은,
    상기 무선 전력 전송장치의 요청에 상기 무선 전력 수신장치가 응답하거나,
    상기 요청은 생략하고, 상기 무선 전력 수신장치가 할당(assign) 타임 슬롯에서 응답하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  15. 유도 방식의 제1 코일과, 공진 방식의 제2 코일을 구비하고, 무선 전력을 송신하도록 형성되는 전송장치; 및
    상기 전송장치로부터 무선 전력을 수신하도록 형성되는 수신장치를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 코일에 개별적으로 전력을 인가하고, 상기 전력 인가에 대한 상기 수신장치의 반응을 이용하여 상기 유도 방식 및 공진 방식 중 어느 방식으로 전력을 전송할 것인지 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 수신장치는 지원가능한 통신 규약의 목록을 상기 전송장치에 송신하고, 상기 전송장치는 수신한 목록에서 지원가능한 통신 규약을 회신하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 통신 규약의 목록은 WPC에서 정의되는 통신 규약 일람표 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, WPC 규격의 단방향 통신에 따라 상기 수신장치로부터 송신된 신호를 검출하고,
    상기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우에는, 전력 외 채널을 이용하여 양방향 통신방법으로 상기 수신장치와 통신하는 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 양방향 통신방법은 상기 전송장치가 상기 수신장치에 대하여 타임 슬롯(time slot)을 할당하고, 접근을 위한 아이디를 부여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 전송장치는,
    상기 제2 코일의 Q 값이 100 내지 200 인 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 제2 코일은 평판형 나선구조로 이루어지며, 상기 제2 코일의 간격은 비등간격인 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
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