WO2016140465A1 - 무선 전력 송신기 및 수신기 - Google Patents

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WO2016140465A1
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power receiver
receiver
shared mode
protocol
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박용철
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LG Electronics Inc
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    • H04B5/26—Inductive coupling using coils
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    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention is directed to wireless power transmitters and receivers and methods of controlling them.
  • Contactless wireless charging is an energy transfer method that removes lines and transfers energy electromagnetically in a method of transmitting energy through a conventional wire and using it as a power source of an electronic device.
  • electromagnetic induction method and resonance method exist.
  • the electromagnetic induction method is a method of generating a magnetic field through the power transmission coil (primary coil) in the power transmission unit and transferring power by placing a receiving coil (secondary coil) at a position where a current can be induced.
  • the resonance method energy is transmitted by using a resonance phenomenon between a transmitting coil and a receiving coil.
  • the resonance mode energy coupling between coils is used by constructing a system in which the resonance frequency of the primary coil and the resonance frequency of the secondary coil are the same.
  • the present invention proposes an operation of a power transmitter that flexibly adjusts the amount of power transmitted to each power receiver according to a change in the number of power receivers being charged.
  • a wireless power transmission method of a power transmitter including a plurality of coils, the method comprising: sensing a second power receiver while transmitting power to a first power receiver; Determining at least one primary coil suitable for power transmission; Determining whether the second power receiver supports a shared mode protocol using the determined at least one primary coil; And when the second power receiver supports the shared mode protocol, transmitting power to the first and second power receivers in accordance with the shared mode protocol.
  • the shared mode protocol may be a protocol for simultaneously managing the information exchange between the power transmitter and a plurality of power receivers.
  • determining whether the second power receiver supports the shared mode protocol comprises: receiving a configuration packet from the second power receiver; Determining whether the second power receiver supports the shared mode protocol through a mode field included in the configuration packet; It may include.
  • the determining of whether the second power receiver supports the shared mode protocol through the mode field may include: when the mode field is set to '1', the second power receiver supports the shared mode protocol. Determining that the second power receiver does not support the shared mode protocol when the mode field is set to '0'; It may include.
  • the wireless power transmission method may further include starting power transmission to the second power receiver at the start of a next slotted frame when the second power receiver supports the shared mode protocol; It may further include.
  • the second power receiver does not support the shared mode protocol, not transmitting power to the second power receiver until it is ready to serve the second power receiver in an exclusive mode;
  • the exclusive mode may be a mode of serving one power receiver at a time.
  • a wireless power receiving method of a power receiver comprising: sensing by a power transmitter transmitting power to another power receiver; Sending a configuration packet to the power transmitter indicating whether the power receiver supports a shared mode protocol; And when the power receiver supports the shared mode protocol, detects a frequency shift keying (FSK) from the power signal received from the power transmitter, and powers the power transmitter together with the other power receiver according to the shared mode protocol. Participating in the transmission; Including, The shared mode protocol may be a protocol for simultaneously managing the information exchange between the power transmitter and a plurality of power receivers.
  • FSK frequency shift keying
  • whether the power receiver supports the shared mode protocol may be indicated by a mode field included in the configuration packet.
  • the mode field when the mode field is set to '1', it indicates that the power receiver supports the shared mode protocol, and when the mode field is set to '0', the power receiver does not support the shared mode protocol. Can be indicated.
  • the wireless power receiving method may further include starting power reception from the power transmitter at the start of a next slotted frame when the power receiver supports the shared mode protocol; It may further include.
  • the power receiver does not support the shared mode protocol, not receiving power from the power transmitter until the power transmitter is ready to serve the power receiver in an exclusive mode;
  • the exclusive mode may be a mode in which the power transmitter serves one power receiver at a time.
  • a power transmitter comprising: a coil assembly comprising a plurality of coils; An inverter, converting the DC signal into an AC signal; A tank circuit, providing impedance matching; A communication unit for communicating with the power receiver; And a control unit for controlling power delivery; Including, The power transmitter, During the transmission of power to the first power receiver, and detects the second power receiver, determine at least one primary coil suitable for power transmission, and the determined at least one 1 A second coil is used to determine whether the second power receiver supports a shared mode protocol. When the second power receiver supports the shared mode protocol, the second power receiver supports the shared mode protocol. The power may be transmitted to the first and second power receivers, and the shared mode protocol may be a protocol for simultaneously managing information exchange between the power transmitter and a plurality of power receivers.
  • the power transmitter may also receive a configuration packet from the second power receiver and determine whether the second power receiver supports the shared mode protocol through a mode field included in the configuration packet. have.
  • the power transmitter determines that the second power receiver supports the shared mode protocol when the mode field is set to '1', and when the mode field is set to '0', the second power. It may be determined that the receiver does not support the shared mode protocol.
  • the power transmitter may start power transmission to the second power receiver at the start of a next slotted frame.
  • the power transmitter transmits power to the second power receiver until it is ready to serve the second power receiver in an exclusive mode.
  • the exclusive mode may be a mode of serving one power receiver at a time.
  • a power receiver comprising: a coil assembly comprising a plurality of coils; A power converter for converting AC power into voltages and currents suitable for the load circuit; A tank circuit, providing impedance matching; A communication unit for communicating with the power receiver; And a control unit for controlling power delivery; Wherein the power receiver is configured to transmit a configuration packet to the power transmitter that is sensed by a power transmitter that is transmitting power to another power receiver and indicates whether the power receiver supports a shared mode protocol.
  • the shared mode protocol When the power receiver supports the shared mode protocol, detects a frequency shift keying (FSK) from the power signal received from the power transmitter, and powers the power transmitter together with the other power receiver according to the shared mode protocol; Participating in the transmission, the shared mode protocol may be a protocol for simultaneously managing information exchange between the power transmitter and a plurality of power receivers.
  • FSK frequency shift keying
  • whether the power receiver supports the shared mode protocol may be indicated by a mode field included in the configuration packet.
  • the mode field when the mode field is set to '1', it indicates that the power receiver supports the shared mode protocol, and when the mode field is set to '0', the power receiver does not support the shared mode protocol. Can be indicated.
  • the power receiver may start receiving power from the power transmitter at the start of a next slotted frame.
  • the power receiver does not receive power from the power transmitter until the power transmitter is ready to serve the power receiver in exclusive mode if the power receiver does not support the shared mode protocol.
  • the exclusive mode may be a mode in which the power transmitter serves one power receiver at a time.
  • the new power receiver may be efficiently engaged in power transmission without being interrupted by power transmission to the existing power receiver. Has the effect that it can.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of various electronic devices into which a wireless charging system is introduced.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power transmission / reception system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of power transmission equipment according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a power receiving device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an operating mode of a wireless power transmission / reception system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a state diagram of a wireless power transmitter in exclusive mode.
  • FIG. 7 illustrates a method for controlling power delivery in exclusive mode.
  • FIG. 8 is a state diagram of a power receiver in shared mode.
  • FIG. 9 illustrates a frame structure for data communication.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a format of a sync pattern according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration packet according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration packet according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram of an embodiment in which the number of power receivers being charged according to one embodiment of the present invention increases.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a shared mode protocol of a power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a flowchart illustrating a shared mode protocol of a power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • Wireless charging systems which have been developed until recently, can support low power transmission and reception of up to about 5W.
  • a wireless charging system supporting intermediate power transmission / reception of about 15W to 20W has been developed.
  • a wireless charging system in which a resonance method for simultaneously charging a plurality of electronic devices is added has also been developed.
  • the present invention relates to a wireless charging system in which a resonance method is added, and proposes a resonance type wireless charging transmitter / receiver compatible with a wireless charging / receiver of a low power / medium power electromagnetic induction method.
  • the wireless power transmitter may be abbreviated as a power transmitter or a transmitter
  • the wireless power receiver may be referred to as a power receiver or a receiver.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of various electronic devices into which a wireless charging system is introduced.
  • FIG. 1 illustrates electronic devices classified according to the amount of power transmitted and received in a wireless charging system.
  • wearable devices such as a smart watch, smart glass, head mounted display, and smart ring and earphones, a remote controller, a smartphone, a PDA, and a tablet
  • a small 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 a PC.
  • Mobile electronic devices or portable electronic devices
  • Medium and small household appliances such as laptops, robot cleaners, TVs, acoustic devices, cleaners, and monitors may be applied with a medium power (less than about 50W or less than about 200W) wireless charging scheme.
  • Personal mobile devices such as blenders, microwaves, kitchen appliances such as electric cookers, wheelchairs, electric kickboards, electric bicycles, electric vehicles, etc., are large power (about 2 kW or less or 22 kW or less).
  • the charging method may be applied.
  • the electronic devices / moving means described above may each include a wireless power receiver described below. Therefore, the above-described electronic devices / moving means can be charged by receiving power wirelessly from the wireless power transmitter.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power transmission / reception system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmission / reception system 2000 includes a mobile device 2010 that wirelessly receives power, and a base station 2020 that wirelessly transmits power.
  • the mobile device may be referred to as a 'power receiver product' and the base station may be referred to as a 'power transmitter product'.
  • the mobile device 2010 receives a power receiver 2011 that receives wireless power through a secondary coil and a load that receives and stores the power received from the power receiver 2011 and supplies the power to the device. Load) (2012).
  • the power receiver 2011 may include a power pick-up unit 2013 and a communications & control unit 2014.
  • the power pickup unit 2013 may receive the wireless power signal through the secondary coil and convert it into electrical energy.
  • the communication / control unit 2014 may control power signal transmission / reception (power transmission / reception).
  • the base station 2020 is an apparatus for providing inductive power or resonant power, and may include at least one power transmitter 2021 and a system unit 2024.
  • the power transmitter 2021 may transmit induced power or resonant power and control transmission.
  • the power transmitter 2021 is configured to transfer power to an appropriate level and a power conversion unit 2022 that converts electrical energy into a power signal by generating a magnetic field through a primary coil (s).
  • a Communication / Control Unit 2023 that controls communication and power delivery with the power receiver 2011.
  • System unit 2024 may perform other operational control of base station 2020 such as input power provisioning, control of a plurality of power transmitters, and user interface control.
  • the power transmitter 2021 may control the transmission power by controlling the operating point.
  • the controlling operating point may correspond to a combination of frequency (or phase), duty cycle, duty ratio, and voltage amplitude.
  • the power transmitter 2021 may control the transmission power by adjusting at least one of frequency (or phase), duty cycle, duty ratio, and voltage amplitude.
  • the power transmitter 2021 may supply constant power
  • the power receiver 2011 may control the reception power by controlling the resonance frequency.
  • the coil or coil unit may be referred to as a coil assembly, a coil cell, or a cell including the coil and at least one element adjacent to the coil.
  • FIG. 3 is a block diagram of power transmission equipment according to an embodiment of the present invention.
  • a power transmitter may include a cover covering a coil assembly 3020, a power adapter 3070 for supplying power to a power transmitter PTx, and a power transmitter for transmitting wireless power.
  • PTx or a user interface 3060 for providing power delivery progress and other related information.
  • user interface 3060 may optionally be included in power transmission equipment (PTP) or may be included as another user interface of power transmission equipment (PTP).
  • the power transmitter PTx may include at least one of a coil assembly 3020, a tank circuit (or impedance matching circuit) 3040, an inverter 3080, a communication unit 3030, or a control unit 3050. Can be.
  • the coil assembly 3020 may include at least one primary coil that generates a magnetic field.
  • Tank circuit 3040 may provide impedance matching between inverter 3080 and primary coil (s).
  • the tank circuit 3040 may generate a resonance at a frequency suitable for boosting the primary coil current.
  • Tank circuit 3040 in a multi-coil power transmitter PTx may further include a multiplex that routes the signal from inverter 3080 to a subset of primary coils.
  • Tank circuit 3040 may be referred to as an impedance matching circuit.
  • the inverter 3080 may convert a DC input into an AC signal.
  • the inverter 3080 may be driven half-bridge or full-bridge to generate pulse waves and duty cycles of adjustable frequency.
  • Inverter 3080 may also include a plurality of stages to adjust the input voltage level.
  • the communication unit 3030 may perform communication with the power receiver.
  • the power receiver performs load modulation to communicate requests and information to the power transmitter PTx.
  • the power transmitter PTx may thus monitor the amplitude and / or phase of the current and / or voltage of the primary coil to demodulate the data transmitted by the power receiver using the communication unit 3030.
  • the power transmitter PTx may control the output power to transmit data through the communication unit 3030 using a frequency shift keying (FSK) scheme.
  • the power transmitter PTx may further include a current sensor to detect a power receiver by detecting a change in current of the primary coil, and detect transmission data of the found power receiver.
  • the control unit 3050 may control communication and power delivery of the power transmitter PTx.
  • the control unit 3050 may control the power transmission by adjusting the operating point described above.
  • the operation point may correspond to, for example, at least one of an operating frequency, a duty cycle, a duty ratio, and an input voltage.
  • Configurations of the above-described power transmission equipment may be provided as separate units / devices / chipsets or as one unit / devices / chipsets as shown in FIG. 1.
  • the communication unit and the control unit may be provided as separate devices / chipsets or as one device / chipset as shown in FIG. 1.
  • the above-described configurations of the power transmission equipment (PTP) may optionally be included, or a new configuration may be added to the power transmission equipment (PTP).
  • FIG. 4 is a block diagram of a power receiving device according to an embodiment of the present invention.
  • a power receiver product includes a user interface 4020 for providing power reception progress and other related information, a power receiver (PRx) for receiving wireless power, a load circuit 4080 or It may include at least one of the base 4010 that supports or covers the coil assembly.
  • the user interface 4020 may optionally be included in the power receiving equipment PRP, or may be included as another user interface of the power receiving equipment PRP.
  • the power receiver PRx may include at least one of a power converter 4050, a tank circuit (or impedance matching circuit) 4060, a coil assembly 4070, a communication unit 4040, or a control unit 4030.
  • the power converter 4050 may convert AC power received from the secondary coil to a voltage and current suitable for the load circuit.
  • the power converter 4050 may include a rectifier.
  • the power converter 4050 may adapt the reflected impedance of the power receiver PRx.
  • the tank circuit 4060 may provide impedance matching between the combination of the power converter 4050 and the load circuit 4080 and the secondary coil. As an embodiment, the tank circuit 4060 may generate a resonance near 100 kHz that may enhance power transfer.
  • Coil assembly 4070 includes at least one secondary coil and may optionally further include an element that shields a metal portion of the receiver from a magnetic field.
  • the communication unit 4040 may perform load modulation to communicate requests and other information to the power transmitter PTx.
  • the power receiver PRx may switch a resistor or a capacitor to change the reflection impedance.
  • the control unit 4030 may control the received power. To this end, the control unit 4030 may determine / calculate a difference between an actual operating point of the power receiver PRx and a desired operating point. The control unit 4030 may adjust / reduce the difference between the actual operating point and the desired operating point by adjusting the reflection impedance and / or requesting an operating point adjustment of the power transmitter PTx. Minimizing this difference can achieve optimal power reception.
  • Configurations of the above-described power transmission equipment may be provided as separate units / devices / chipsets or as one unit / devices / chipsets as shown in FIG. 1.
  • the communication unit and the control unit may be provided as separate devices / chipsets or as one device / chipset as shown in FIG. 1.
  • the above-described configurations of the power transmission equipment (PTP) may optionally be included, or a new configuration may be added to the power transmission equipment (PTP).
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an operating mode of a wireless power transmission / reception system according to an embodiment of the present invention.
  • the power transmitter may operate in shared mode and / or exclusive mode.
  • one power transmitter may serve a plurality of power receivers at the same time (ie, may provide power to a plurality of power receivers).
  • the shared mode protocol simultaneously manages the exchange of information between a power transmitter and at least one power receiver in a shared mode.
  • the power transmitter and power receiver optionally support sharing mode. That is, the sharing mode may be selectively supported by the power transmitter and the power receiver. Therefore, when the power transmitter / receiver supports the shared mode, it is necessary to inform the other power transmitter / receiver.
  • the present invention proposes a method for informing this by using a configuration packet (CFG), and a detailed description thereof will be described later with reference to FIGS. 11 to 14.
  • CFG configuration packet
  • the power transmitter serves one power receiver at a time (ie, provides power to one power receiver at a time).
  • the exclusive mode protocol manages the exchange of information between the power transmitter and the power receiver in exclusive mode.
  • Power transmitters and power receivers support exclusive mode as mandatory. That is, the exclusive mode may be essentially supported by the power transmitter and the power receiver.
  • the power receiver has full control over power transmission.
  • the power receiver may control to increase or decrease the amount of power (or amount of magnetic power) transmitted by the power transmitter.
  • the communication protocol between the power transmitter and receiver provides a feedback loop for controlling the power receiver to appropriately increase or decrease the amount of current flowing through the primary coil of the power transmitter.
  • the power receiver may use specific sensors or temperature, voltage and current values included in the power receiving equipment to feed back to the power transmitter.
  • the power transmitter may control the amount of power (or electromagnetic amount) such that each power receiver powered by the power transmitter can share power.
  • the power receiver can change the amount of power it receives from the magnetic field by appropriately adjusting its impedance. If the power receiver is unable to (no longer) adjust its impedance, the power receiver may control (or warn) to increase or decrease the amount of power the power transmitter transmits.
  • the communication protocol between the power transmitter and the power receiver may provide a communication mechanism for synchronizing the power transmitter control of each power receiver. In preparation for a collision of control, a control for increasing the amount of received power may take precedence over a control for reducing the amount of received power.
  • the shared mode may be referred to as resonant mode, and the exclusive mode may be referred to as induction mode.
  • the wireless power transmission / reception system may transmit / receive resonant power in a shared mode, and may transmit / receive inductive power in an exclusive mode.
  • the power transmission method of the power transmitter / receiver operating in the exclusive mode will be described. However, at least one of the methods included in the method or the method described for the exclusive mode may be selectively applied to the shared mode.
  • FIG. 6 is a state diagram of a wireless power transmitter in exclusive mode.
  • wireless charging in exclusive mode may be performed through four phases.
  • the four phases include a selection phase, a ping phase, an identification & configuration phase, and a power transfer phase.
  • the power transmitter monitors the contact / departure of the object with respect to the interface surface provided in the transmitter. To this end, the power transmitter may use various means. If at least one object is found, the power transmitter may attempt to find the exact location of the found object (especially if the power transmitter supports prepositioning). The power transmitter may also distinguish whether the found object is a power receiver or a simple external object (key, coin, etc.). Further, the power transmitter may attempt to select a power receiver for power transmission.
  • the power transmitter may repeatedly perform the ping phase and the identification / configuration phase (which may select different primary coils each time this phase is performed), and provide relevant information. Once collected, you can return to the selection step.
  • the power transmitter may enter a ping phase. Conversely, if the power transmitter fails to select a power receiver for power transmission and / or fails to provide power to the power receiver for more than a predetermined time, the power transmitter may operate in a stand-by mode. .
  • the power transmitter may perform a digital ping and wait for a response from the power receiver.
  • Digital ping represents the application / transmission of a power signal to detect and identify a power receiver. Once the power transmitter finds the power receiver, the power transmitter can extend the digital ping to proceed to the identification / configuration phase.
  • the power transmitter may identify the selected power receiver and obtain configuration information of the power receiver, such as the maximum power amount.
  • the power transmitter may receive identification / configuration information to obtain information about the power receiver and use this information to create a power transfer contract.
  • This power delivery agreement may include restrictions on a plurality of parameters that characterize power delivery in a later power delivery phase.
  • the power transmitter wirelessly provides power to the power receiver.
  • the power transmitter may control power delivery by receiving control data for the transmitted power from the power receiver and adjusting the primary cell current accordingly.
  • the power transmitter may also monitor the parameters included in the power delivery contract. The power transmitter may stop the power delivery and proceed to the selection step if the limitations of the parameters according to the power delivery contract are violated during the power delivery.
  • the state diagram described in this drawing is a state diagram described based on the low power mode, and a new stage (for example, a calibration stage, a negotiation stage, and a renegotiation stage) may be added or some stages may be deleted in the intermediate power mode.
  • a new stage for example, a calibration stage, a negotiation stage, and a renegotiation stage
  • FIG. 7 illustrates a method for controlling power delivery in exclusive mode.
  • a power receiver and a power receiver may include a power conversion unit and a power pickup unit, respectively, as shown in FIG. 1.
  • the power transmitter and the power receiver may control the amount of power delivered by performing communication in parallel with the power transmission and reception.
  • the power receiver can select specific control points and can operate with specific control points.
  • the control point represents the combination of voltage and current provided at the output of the power receiver when power delivery is performed.
  • the power receiver selects the desired control point-the desired output current / voltage, the temperature at a particular location of the mobile device, and further selects the actual control point currently in operation.
  • Decide The power receiver may use the desired control point and the actual control point to calculate a control error value and transmit it as a control error packet to the power transmitter.
  • the control error packet is transmitted / received at regular time intervals during the power delivery phase.
  • the power receiver sets the control error value to a negative value to reduce the current of the power transmitter and a positive control error value to increase the current. Can be sent.
  • the power transmitter can use the received control error value and the actual primary cell current to determine the new primary cell current. After system stabilization from the communication of the control error packet, the power transmitter can control the actual primary cell current to the new primary cell current. At this point, the power transmitter can operate at a new operating point—amplitude, frequency, and duty cycle—applied to the primary cell.
  • the resonance mode may operate in a manner different from that of the exclusive mode.
  • one power transmitter should be able to serve multiple power receivers simultaneously.
  • power transfer to additional power receivers may be difficult to control since power delivered is controlled by communication with one power receiver. Therefore, in the resonant mode, the power transmitter commonly transmits basic power, and controls the amount of power received by the power receiver by controlling its resonant frequency.
  • the method described in FIGS. 6 and 7 is not completely excluded even in the operation of the resonance mode, and the additional transmission power may be controlled by the methods of FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 8 is a state diagram of a power receiver in shared mode. Hereinafter, a description will be given based on the power receiver, but the description of the following states can be equally applied to the power transmitter.
  • the power receiver may be in a selection state, an introduction state, a configuration state, a negotiation state, or a power transfer state.
  • the selection state is the selection phase
  • the introduction state is the introduction phase
  • the configuration state is the configuration phase
  • the negotiation state is the negotiation phase
  • the power delivery state is the power delivery phase, respectively. It can respond.
  • the selection step corresponds to the selection step in which, in exclusive mode, the power transmitter monitors the contact / departure of the object with respect to the interface surface provided in the transmitter.
  • the selection step in the shared mode may be omitted, and thus the power receiver may proceed with the remaining four steps. If the power receiver detects the presence of Frequency Shift Keying (FSK) in the power signal before the wake-up timeout, the power receiver may proceed directly from the selection stage to the introduction stage.
  • FSK Frequency Shift Keying
  • the power receiver may request a free slot to transmit a Control Information (CI) packet for use in the following phases (eg, configuration phase, negotiation phase, or power delivery phase).
  • CI Control Information
  • the power receiver transmits an Initial CI packet.
  • the power transmitter responds with an ACK
  • the power receiver may enter a configuration step.
  • the power transmitter responds with a NACK
  • another power receiver may be in the configuration or negotiation phase.
  • the power receiver may request the free slot from the power transmitter again.
  • the power receiver may determine the location of its private slot in the frame, and then transmit the CI packet using the slot of the determined location.
  • the power transmitter may provide a series of locked slots for exclusive use of the power receiver. This is for the power receiver to proceed with the configuration phase without crashing.
  • the power receiver uses fixed slots to identify two Identification data packets (IDHI and IDLO), a Version Information Packet (VSN), optionally at least one proprietary data packet, and a configuration.
  • a packet may be transmitted (Configuration Packet, CFG). After completing this step, the power receiver may enter the negotiation phase.
  • the power transmitter may continue to provide fixed slots for exclusive use of the power receiver. This is also to allow the power receiver to proceed with the negotiation phase without collision.
  • the power receiver may transmit negotiation data packets (including a specific request (SRQ) and a general request (GRQ)) and / or at least one optional proprietary data packets using fixed slots.
  • the power receiver may terminate the negotiation phase by transmitting an SRQ / en (End-Negotiation) packet. When this phase ends, the power transmitter enters the power delivery phase, which stops providing fixed slots.
  • the power receiver transmits the CI packet using the free slot determined in the introduction phase and receives power.
  • the power receiver may include a regulator circuit.
  • the regulator circuit may be included in the communication / control unit described above.
  • the power receiver may self-regulate the reflected impedance of the power receiver via a regulator circuit. That is, the power receiver can adjust the reflected impedance using a regulator circuit to deliver the amount of power needed for an external load, receive excessive power or prevent overheating.
  • the power transmitter may not adjust the transmit power in response to the received CI packet according to the operation mode, in which case the power receiver may control the regulator circuit to prevent over-voltage situations. .
  • the power transmitter In shared mode, the power transmitter must manage the exchange of information with one or more power receivers. To this end, the power transmitter provides a structure for communication with the power receiver, which will be described in detail below with respect to the communication frame structure of FIG. 9.
  • FIG. 9 illustrates a frame structure for data communication.
  • a power transmitter provides a structure that provides a sequence of time slots in which each power receiver can transmit a data packet.
  • a sync pattern is provided between each slot.
  • the sync pattern not only separates the slots but also serves to optimize the communication of the power receiver.
  • the sync pattern may provide power receivers with information for collision resolution and guarantee latency.
  • the shared mode protocol may use two types of frames: slotted frames (see FIG. 9 (a)) and free-format frames (see FIG. 9 (b)).
  • Slot frames can be used by the power receiver to send short data packets to the power transmitter.
  • Free-format frames can be used for purposes such as larger data packet transmission in both directions and coil selection in multi-coil transmitters.
  • Every frame begins with a sync pattern and a measurement slot, which can be used to measure transmit power and receive power.
  • nine slots may be included in one slot frame.
  • the start bit (information) of the sync pattern may indicate the start of the frame.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a format of a sync pattern according to an embodiment of the present invention.
  • the sync pattern may include at least one of a preamble, a start bit, a response field, a type field, an info field, and a parity bit.
  • the preamble includes a sequence of bits set to '1'.
  • the number of bits included may vary depending on the operating frequency.
  • the start bit may be set to '0 (ZERO)'.
  • the parity bit is the last bit of the sync pattern.
  • the parity bit may be set to 1 when the bits set to 1 included in the data fields included in the sync pattern are even and 0 in other cases (ie, odd).
  • the response field may include the response of the power transmitter to the communication using a preceding slot from the power receiver. '00' indicates no communication, '01' indicates a communication error, '10' indicates a Not-Acknowledge that the communication was received correctly, and '11' ' May represent an acknowledgment (acknowledgement) of receiving the communication correctly.
  • the type field may be set to '1' when the sync pattern including the type field is the first sync pattern included in the frame. In addition, the type field may be set to '0' when the sync pattern including the type field is not the first sync pattern included in the frame.
  • the info field has different values and meanings depending on the sync pattern indicated by the sync field (or type field).
  • the info field may indicate whether the frame is a slot frame or a free-format frame. If the info field indicates that the frame is a slot frame, the info field may be set to '00'. In addition, when the info field indicates that the frame is a free-format frame, the info field may be set to '01'.
  • the info field is the next slot assigned to a particular receiver, a locked slot temporarily provided to a specific receiver, or free to use any receiver. It can indicate whether the slot is free. If the info field indicates that the next slot is a slot allocated to a specific receiver, the info field may be set to '00'. In addition, when the info field indicates that the next slot is a fixed slot temporarily provided to a specific receiver, the info field may be set to '01'. In addition, when the info field indicates that the next slot is a free slot that can be used by any receiver, the info field may be set to '10'.
  • the shared mode may optionally be supported by the power transmitter / receiver.
  • a power transmitter that supports shared mode needs to know whether the power receiver to transmit power supports shared mode (or shared mode protocol). For example, suppose a new second power receiver is introduced into a charging area (or wireless charging area) while the power transmitter is transmitting power to the first power receiver. In this case, when the newly introduced power receiver is capable of supporting the shared mode (or shared mode protocol), the power transmitter may simultaneously transmit power to a plurality of power receivers (first and second power receivers) located in the charging area. As such, the power transmitter needs to know whether the second power receiver supports shared mode (or shared mode protocol).
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration packet according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a format of a message payload included in a configuration packet according to the first embodiment of the present invention.
  • a configuration packet includes a Maximum Received Power field, a Power Class field, a Count field, a ZERO field, a Reserved field, a Prop field, a Window Offset field, a Window Size field, an Operation Mode field, a Neg field, and a Pol (Polarity) field. And a Depth field.
  • the Count field contains the number of optional data packets transmitted by the power receiver before the configuration packet. This field may be used only in exclusive mode.
  • the Depth field may include a scaling factor calculated as 2 Depth for the requested FSK modulation depth. This field may be used only in exclusive mode.
  • the Maximum Received Power field may include the highest received power value (which the power receiver expects to report in the received power packet) in units of 0.5W.
  • An operation mode field (1 bit) may indicate whether a power receiver for transmitting a configuration packet supports a shared mode (or shared mode protocol). For example, when the Operation Mode field is set to '0', it may indicate that the power receiver supports an exclusive mode (1: 1 wireless charging mode) (or an exclusive mode protocol). Alternatively, when the Operation Mode field is set to '1', it may indicate that the power receiver supports a sharing mode (1: N wireless charging mode) in addition to the exclusive mode (in addition to the exclusive mode).
  • the Neg field may be set to '1' when the power transmitter requests the start of the negotiation phase in the exclusive mode. Otherwise, the Neg field may be set to '0'. This field may be used only in exclusive mode.
  • the Pol (Polarity) field may be set to '1' when the power transmitter requests to use negative FSK polarity (ie, fop ⁇ fmod). Conversely, the Pol (Polarity) field may be set to '1' when the power transmitter requests to use negative FSK polarity. This field may be used only in exclusive mode.
  • the Power Class field may be set to '00'.
  • the Prop field may be set to '1' when the power transmitter requests a power transmitter to control power transmission using a proprietary method instead of a proportional-integral-differential (PID) algorithm. Otherwise, the Prop field may be set to '0'. This field may be used only in exclusive mode.
  • PID proportional-integral-differential
  • the Reserved field may be set to '0'.
  • the Window Offset field may include a time interval from the end of the window for averaging the received power to the start bit of the received power packet in units of 4 ms. This field may be used only in exclusive mode.
  • the Window Size field may include the size of a window used by the power receiver to average received power in units of 4 ms. This field may be used only in exclusive mode.
  • the power transmitter operating in the shared mode may ignore fields used only in the exclusive mode among the above-described fields.
  • the power transmitter supporting the shared mode protocol may ignore fields used only in the exclusive mode protocol among the above-described fields.
  • bits B4 and b3 at a specific position of a configuration packet are defined as an operation mode field to directly indicate whether the shared mode is supported is not limited thereto. At least one of the reserved fields may be used as a field indicating whether to support a shared mode (or a shared mode protocol).
  • configuration packet is not limited to the first embodiment, and may optionally include at least one of the above-described fields, and may further include a new field.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration packet according to a second embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 12 is a diagram illustrating a format of a message payload included in a configuration packet according to the second embodiment of the present invention. Description of the remaining fields except the Shared Mode field among the fields included in the configuration packet of this figure is the same as described above with reference to FIG. 11, and thus redundant descriptions thereof will be omitted.
  • the configuration packet may include a shared mode field (1 bit) indicating whether a shared mode (or shared mode protocol) is supported.
  • the shared mode field may indicate whether a power receiver for transmitting a configuration packet supports a shared mode (or a shared mode protocol). For example, when the Shared Mode field is set to '0', the power receiver may indicate that the shared mode (or shared mode protocol) is not supported. Alternatively, when the Shared Mode field is set to '1', it may indicate that the power receiver supports a shared mode (1: N wireless charging mode) (or a shared mode protocol) (in addition to the exclusive mode).
  • bits B4 and b3 of a specific position of a configuration packet are defined as a shared mode field to directly indicate whether a shared mode (or shared mode protocol) is supported is not limited thereto.
  • At least one of the preliminary fields included in the configuration packet may be used as a field indicating whether to support the shared mode (or shared mode protocol).
  • configuration packet is not limited to the second embodiment, and may optionally include at least one of the above-described fields, and may further include a new field.
  • the power receiver may inform the power transmitter whether the shared mode (or shared mode protocol) is supported through the configuration packet in the identification / configuration phase (or configuration phase).
  • This embodiment may be used more efficiently when a new power receiver is introduced into a charging region of a multi-coil power transmitter that was charging another power receiver, which will be described later with reference to FIGS. 13 and 14.
  • the Operation Mode field of the first embodiment or the Shared Mode field of the second embodiment may be referred to as a 'mode field', a 'shared field', or a 'shared bit'.
  • FIG. 13 is a diagram of an embodiment in which the number of power receivers being charged according to one embodiment of the present invention increases.
  • the power transmitter PTx may be a power transmitter including multiple coils.
  • the second power receiver Rx2 transmits the configuration packet to the power transmitter in the identification / configuration step (or configuration step) according to the second embodiment, whereby the power transmitter PTx is connected to the first power receiver PRx1.
  • the second power receiver PRx2 may be sensed without interrupting the power transmission.
  • the power transmitter PTx may use a free-format frame to detect whether the object is a power receiver. In addition, if the object is a power receiver, the power transmitter PTx may use a free-format frame to further detect what is the best coil for power transmission.
  • the power transmitter PTx may activate at least one primary coil embedded immediately after the measurement slot and wait for reception of a data packet from the second power receiver PRx2.
  • the second power receiver PRx2 may be started in the exclusive mode because it does not detect the FSK in the power signal, and may transmit a SS (Signal Strength) packet to the power transmitter PTx.
  • the power transmitter PTx receiving the SS packet may shut down the second power receiver PRx2.
  • the process can be performed repeatedly during free-format frames for different primary coil (s) (sets of) Primary Coil (s).
  • the power transmitter PTx can determine (or select) the primary coil most suitable for power transmission.
  • the power transmitter PTx may determine (or determine) whether the second power receiver PRx2 supports the shared mode protocol using the primary coil (s) (set) determined to be suitable for power transmission. have.
  • the power transmitter PTx is able to restart the second power receiver PRx2-still in exclusive mode, possibly in the next free-format frame, and receive a configuration packet from the second power receiver PRx2. Can be.
  • the configuration packet may follow the format of the first or second embodiment.
  • the power transmitter PTx includes a field indicating whether to support the shared mode included in the configuration packet received from the second power receiver PRx2 (Operation Mode field in the first embodiment and Shared Mode field in the second embodiment).
  • the second power receiver PRx2 may recognize (or determine) whether the shared mode is supported.
  • the power transmitter PTx may start the second power receiver PRx2 at the start of the next slot frame ( That is, power may be transmitted to the second power receiver).
  • the second power receiver PRx2 may detect the FSK in the power signal and may follow a shared mode protocol (ie, participate in power transmission (or reception) with the first power receiver PRx1). , Can operate in shared mode).
  • the power transmitter PTx may be configured to serve the second power receiver PRx2 in an exclusive mode until the second power receiver PRx2 is ready to serve the second power receiver PRx2. The power may not be transmitted to the power receiver PRx2 (or may power down the second power receiver PRx2).
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a shared mode protocol of a power transmitter according to an embodiment of the present invention. Descriptions related to the flowchart may be equally applied to those described in FIG. 13, and overlapping descriptions may be omitted.
  • the power transmitter may detect the second power receiver while transmitting power to the first power receiver (S14010).
  • the power transmitter may detect a second power receiver newly introduced into the charging area while transmitting power to the first power receiver located in the charging area.
  • the power transmitter may determine a primary coil suitable for power transmission (S14020). More specifically, the power transmitter can determine at least one primary coil that is most suitable for power transmission to the second power receiver. To this end, at least one primary coil may be sequentially activated, and a process of receiving an SS packet from a second power receiver may be performed during a free-format frame.
  • the power transmitter may determine (or recognize / determine) whether the second power receiver supports the shared mode protocol by using the at least one primary coil determined in the previous step (S14030).
  • the power transmitter may receive a configuration packet (using the primary coil) from the second power receiver, and the mode field included in the configuration packet indicates whether the shared mode protocol of the second power receiver is supported. Accordingly, the power transmitter determines whether to support the shared mode protocol of the second power receiver through the mode field of the received configuration packet.
  • the power transmitter may simultaneously transmit power to the first and second power receivers according to the shared mode protocol (S14040).
  • the power transmitter may not transmit power to the second power receiver until it is ready to serve the second power receiver in exclusive mode. have.
  • FIG. 15 is a flowchart illustrating a shared mode protocol of a power receiver according to an embodiment of the present invention. Since the flowchart corresponds to FIG. 14, the contents described with reference to FIGS. 13 and 14 may be applied in the same manner, and redundant description may be omitted.
  • a power receiver (eg, a second power receiver) may be detected by a power transmitter that is transmitting power to another power receiver (eg, a first power receiver) (S15010).
  • the power receiver may transmit a configuration packet to the power transmitter (S15020). More specifically, the power receiver may generate a configuration packet indicating whether it supports the shared mode protocol and transmit it to the power transmitter. In particular, whether to support the shared mode protocol may be indicated in the mode field of the configuration packet. When the mode field is set to '1', it indicates that the power receiver supports the shared mode protocol, and the mode field is set to '0'. If set, indicates that the power receiver does not support the shared mode protocol.
  • the power receiver may detect the FSK in the power signal and may participate in power transmission (or reception) of the power transmitter together with other power receivers according to the shared mode protocol (S15030).
  • the power receiver when the power receiver does not support the shared mode protocol, the power receiver may not receive power until the power transmitter is ready to serve the power receiver in exclusive mode.
  • the new power receiver can be efficiently involved in power transmission without being interrupted by power transmission to the existing power receiver.
  • the drawings are divided and described, but the embodiments described in each drawing may be merged to implement a new embodiment.
  • the display device is not limited to the configuration and method of the embodiments described as described above, the above embodiments are configured by selectively combining all or some of the embodiments so that various modifications can be made May be
  • the present invention can be applied to various wireless charging technologies.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 코일들(Multi Coils)을 포함하는 전력 송신기의 무선 전력 송신 방법에 있어서, 제1 전력 수신기로 전력을 전송하는 중 제2 전력 수신기를 감지하는 단계; 전력 전송에 적합한 적어도 하나의 1차(Primary) 코일을 결정하는 단계; 상기 결정된 적어도 하나의 1차 코일을 이용하여 상기 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜(Shared Mode Protocol)을 지원하는지 여부를 결정하는 단계; 및 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 제1 및 제2 전력 수신기로 전력을 전송하는 단계; 를 포함하되, 상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜일 수 있다.

Description

무선 전력 송신기 및 수신기
본 발명은 무선 전력 송신기 및 수신기와 이들을 제어하는 방법을 대상으로 한다.
무접점(Contactless) 무선 충전 방식은 기존의 유선을 통해 에너지를 전송하여 전자기기의 전원으로 사용하는 방식에서, 선을 제거하고 전자기적으로 에너지를 전달하는 에너지 전달 방식이다. 무접점 무선 전송 방식에는 전자기 유도 방식 및 공진 방식이 존재한다. 전자기 유도 방식은 전력 송신부에서 전력 송신 코일(1차 코일)을 통해 자기장을 발생시키고, 전류가 유도될 수 있는 위치에 수신 코일(2차 코일)을 위치시킴으로써 전력을 전달하는 방식이다. 공진 방식은, 송신 코일 및 수신 코일 간의 공명 현상을 이용하여 에너지를 전송한다. 다만, 1차 코일의 공진 주파수와 2차 코일의 공진 주파수를 동일하게 시스템을 구성함으로써 코일 간의 공진 모드 에너지 결합을 사용한다.
본 발명은 충전 중인 전력 수신기의 수의 변화에 따라, 각 전력 수신기에 전송하는 전력량을 유동적으로 조절하는 전력 송신기의 동작에 관하여 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 코일들(Multi Coils)을 포함하는 전력 송신기의 무선 전력 송신 방법에 있어서, 제1 전력 수신기로 전력을 전송하는 중 제2 전력 수신기를 감지하는 단계; 전력 전송에 적합한 적어도 하나의 1차(Primary) 코일을 결정하는 단계; 상기 결정된 적어도 하나의 1차 코일을 이용하여 상기 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜(Shared Mode Protocol)을 지원하는지 여부를 결정하는 단계; 및 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 제1 및 제2 전력 수신기로 전력을 전송하는 단계; 를 포함하되, 상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜일 수 있다.
또한, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정하는 단계는, 상기 제2 전력 수신기로부터 구성(configuration) 패킷을 수신하는 단계; 및 상기 구성 패킷에 포함된 모드 필드를 통해 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 모드 필드를 통해 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정하는 단계는, 상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 것으로 결정하고, 상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 것으로 결정하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 송신 방법은 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 제2 전력 수신기로의 전력 전송을 시작하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 제2 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 제2 전력 수신기로 전력을 전송하지 않는 단계; 를 더 포함하되, 상기 배타 모드는 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전력 수신기의 무선 전력 수신 방법에 있어서, 다른 전력 수신기로 전력을 전송 중인 전력 송신기에 의해 감지되는 단계; 상기 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 나타내는 구성(configuration) 패킷을 상기 전력 송신기로 전송하는 단계; 및 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 전력 송신기로부터 수신된 전력 신호에서 FSK(Frequency Shift Keying)를 감지하고, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 다른 전력 수신기와 함께 상기 전력 송신기의 전력 전송에 참여하는 단계; 를 포함하되, 상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜일 수 있다.
또한, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부는 상기 구성(configuration) 패킷에 포함된 모드 필드에 의해 지시될 수 있다.
또한, 상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원함을 지시하며, 상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않음을 지시할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 수신 방법은 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 전력 송신기로부터의 전력 수신을 시작하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 상기 전력 송신기가 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 전력 송신기로부터 전력을 수신하지 않는 단계; 를 더 포함하되, 상기 배타 모드는 상기 전력 송신기가 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 송신기에 있어서, 복수의 코일들을 포함하는, 코일 어셈블리; DC 신호를 AC 신호로 전환하는, 인버터; 임피던스 매칭을 제공하는, 탱크 회로(tank circuit); 전력 수신기와 통신을 수행하는 통신 유닛; 및 전력 전달을 컨트롤하는, 컨트롤 유닛; 을 포함하되, 상기 전력 송신기는, 제1 전력 수신기로 전력을 전송하는 중 제2 전력 수신기를 감지하고, 전력 전송에 적합한 적어도 하나의 1차(Primary) 코일을 결정하고, 상기 결정된 적어도 하나의 1차 코일을 이용하여 상기 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜(Shared Mode Protocol)을 지원하는지 여부를 결정하고, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 제1 및 제2 전력 수신기로 전력을 전송하되, 및 상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜일 수 있다.
또한, 상기 전력 송신기는, 상기 제2 전력 수신기로부터 구성(configuration) 패킷을 수신하고, 및 상기 구성 패킷에 포함된 모드 필드를 통해 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신기는, 상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 것으로 결정하고, 상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 것으로 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신기는, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 제2 전력 수신기로의 전력 전송을 시작할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신기는, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드를 지원하지 않는 경우, 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 제2 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 제2 전력 수신기로 전력을 전송하지 않되, 상기 배타 모드는 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 수신기에 있어서, 복수의 코일들을 포함하는, 코일 어셈블리; AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환하는, 전력 컨버터; 임피던스 매칭을 제공하는, 탱크 회로(tank circuit); 전력 수신기와 통신을 수행하는 통신 유닛; 및 전력 전달을 컨트롤하는, 컨트롤 유닛; 을 포함하되, 상기 전력 수신기는, 다른 전력 수신기로 전력을 전송 중인 전력 송신기에 의해 감지되고, 상기 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 지시하는 구성(configuration) 패킷을 상기 전력 송신기로 전송하고, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 전력 송신기로부터 수신된 전력 신호에서 FSK(Frequency Shift Keying)를 감지하고, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 다른 전력 수신기와 함께 상기 전력 송신기의 전력 전송에 참여하되, 상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜일 수 있다.
또한, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부는 상기 구성(configuration) 패킷에 포함된 모드 필드에 의해 지시될 수 있다.
또한, 상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원함을 지시하며, 상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않음을 지시할 수 있다.
또한, 상기 전력 수신기는, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 전력 송신기로부터의 전력 수신을 시작할 수 있다.
또한, 상기 전력 수신기는, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 상기 전력 송신기가 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 전력 송신기로부터 전력을 수신하지 않되, 상기 배타 모드는 상기 전력 송신기가 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 송신기의 전력 전송 중 새로운 전력 수신기가 충전에 참여하더라도, 기존에 충전 중인 전력 수신기에 대한 전력 전송에 방해 받지 않고, 새로운 전력 수신기를 전력 전송에 효율적으로 참여시킬 수 있다는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공유 모드로 동작 중인 복수의 전력 수신기들 중 배타 모드로 동작하는 전력 수신기를 감지할 수 있다는 효과를 갖는다.
이외에, 본 발명의 실시예에 따른 다양한 효과는 이하에서 상세히 후술하기로 한다.
도 1은 무선 충전 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송/수신 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신 장비의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수신 장비의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송/수신 시스템의 동작 모드(Operating mode)를 나타낸 도면이다.
도 6은 배타 모드인 무선 전력 송신기의 상태도(state diagram)이다.
도 7은 배타 모드에서의 전력 전달 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 8은 공유 모드인 전력 수신기의 상태도(state diagram)이다.
도 9는 데이터 통신을 위한 프레임 스트럭처를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 포맷을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성 패킷을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 구성 패킷을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 중인 전력 수신기의 수가 증가하는 경우의 실시예에 관한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기의 공유 모드 프로토콜에 관한 순서도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수신기의 공유 모드 프로토콜에 관한 순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 아닌 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
더욱이, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
무선 전력 송/수신기(Transmitter/Receiver)들의 표준화를 위해 WPC(Wireless Power Consortium)에서 무선 전력 송/수신 관련 기술을 규격화하고 있다.
최근까지 개발되는 무선 충전 시스템은 약 5W까지의 저전력 송/수신을 지원할 수 있다. 다만, 최근 모바일 기기의 크기가 커지고 배터리 용량도 증가되고 있어, 이러한 저전력 충전 방식의 경우 충전 시간이 길고 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이에, 약 15W~20W까지의 중간 전력 송/수신을 지원하는 무선 충전 시스템이 개발되고 있다. 또한, 충전 효율을 증대시키기 위해 복수의 전자 기기를 동시에 충전하기 위한 공진 방식이 추가된 무선 충전 시스템 또한 개발되고 있다.
본 발명은 공진 방식이 추가된 무선 충전 시스템에 대한 것으로서, 저전력/중간 전력의 전자기 유도 방식의 무선 충선 송/수신기와 호환이 가능한 공진 방식의 무선 충전 송/수신기를 제안하고자 한다.
이하에서, 본 발명이 제안하는 공진 타입(resonant)의 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기와 이들을 사용한 무선 충전 방식 및 통신 프로토콜 등에 대하여 설명하도록 한다. 이하에서 무선 전력 송신기는 전력 송신기 또는 송신기로, 무선 전력 수신기는 전력 수신기 또는 수신기로 약칭할 수도 있다.
도 1은 무선 충전 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 1에는 무선 충전 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다.
도 1을 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 주방 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 설명의 편의를 위해 소전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송/수신 시스템의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송/수신 시스템(2000)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(2010) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(2020)을 포함한다. 이하에서 모바일 기기는 ‘전력 수신 장비(Power Receiver Product)’로, 베이스 스테이션은 ‘전력 송신 장비(Power Transmitter Product)’로 지칭될 수도 있다.
모바일 기기(2010)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(Power Receiver)(2011) 및 전력 수신기(2011)에서 수신한 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 로드(Load)(2012)를 포함한다.
전력 수신기(2011)는 전력 픽업 유닛(Power Pick-Up Unit)(2013) 및 통신/컨트롤 유닛(Communications & Control Unit)(2014)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 유닛(2013)은 2차 코일을 통해 무선 전력 신호를 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(2014)은 전력 신호 송/수신(전력 전달/수신)을 제어할 수 있다.
베이스 스테이션(2020)은 유도 전력(inductive power) 또는 공진 전력(resonant power)를 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 전력 송신기(Power Transmitter)(2021) 및 시스템 유닛(2024)을 포함할 수 있다.
전력 송신기(2021)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 전력 송신기(2021)는, 1차 코일(Primary Coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 유닛(Power Conversion Unit)(2022) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 전력 수신기(2011)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 유닛(Communications & Control Unit)(2023)을 포함할 수 있다. 시스템 유닛(2024)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 전력 송신기들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(2020)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.
전력 송신기(2021)는 동작 포인트를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트(operating point)는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 전력 송신기(2021)는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다.
또한, 전력 송신기(2021)는 일정한 전력을 공급하고, 전력 수신기(2011)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신 장비의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 전력 송신 장비(Power Transmitter Product; PTP)는 코일 어셈블리(3020)를 덮는 커버, 전력 송신기(PTx)로 전력을 공급하는 전력 어답터(3070), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(PTx) 또는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(3060) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(3060)는 전력 송신 장비(PTP)에 선택적으로(optionally) 포함되거나, 전력 송신 장비(PTP)의 다른 사용자 인터페이스로서 포함될 수도 있다.
전력 송신기(PTx)는 코일 어셈블리(3020), 탱크 회로(tank circuit)(또는 임피던스 매칭 회로)(3040), 인버터(3080), 통신 유닛(3030) 또는 컨트롤 유닛(3050) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
코일 어셈블리(3020)는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함할 수 있다.
탱크 회로(3040)는 인버터(3080)와 1차 코일(들) 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 탱크 회로(3040)는 1차 코일 전류를 부스팅(boost)하기에 적합한(suitable) 주파수에서 공진(resonance)을 발생시킬 수 있다. 다중-코일(multi-coil) 전력 송신기(PTx)에서 탱크 회로(3040)는 인버터(3080)에서 1차 코일들의 서브 세트로 신호를 라우팅하는 멀티플렉스를 추가로 포함할 수도 있다. 탱크 회로(3040)는 임피던스 매칭(impedance matching) 회로로 지칭될 수도 있다.
인버터(3080)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(3080)는 가변(adjustable) 주파수의 펄스 웨이브 및 듀티 사이클을 생성하도록 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구동될 수 있다. 또한 인버터(3080)는 입력 전압 레벨을 조정하도록 복수의 스테이지들을 포함할 수도 있다.
통신 유닛(3030)은 전력 수신기와의 통신을 수행할 수 있다. 전력 수신기는 전력 송신기(PTx)에 대한 요청 및 정보를 통신하기 위해 로드(load) 변조를 수행한다. 따라서 전력 송신기(PTx)는 통신 유닛(3030)을 사용하여 전력 수신기가 전송하는 데이터를 복조하기 위해 1차 코일의 전류 및/또는 전압의 진폭 및/또는 위상을 모니터링할 수 있다. 또한, 전력 송신기(PTx)는 통신 유닛(3030)을 통해 FSK(Frequency Shift Keying) 방식 등을 사용하여 데이터를 전송하도록 출력 전력을 컨트롤할 수도 있다. 이를 위해, 전력 송신기(PTx)는 추가로 전류 센서를 포함하여, 1차 코일의 전류 변화를 감지함으로써 전력 수신기를 발견하고, 발견한 전력 수신기의 전송 데이터를 검출할 수 있다.
컨트롤 유닛(3050)은 전력 송신기(PTx)의 통신 및 전력 전달을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤 유닛(3050)은 상술한 동작 포인트를 조정하여 전력 전송을 제어할 수 있다. 동작 포인트는, 예를 들면, 동작 주파수, 듀티 사이클, 듀티 비 및 입력 전압 중 적어도 하나에 해당할 수 있다.
상술한 전력 송신 장비(PTP)의 구성들은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 도 1에서 나타낸 바와 같이 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 예를 들어, 통신 유닛 및 컨트롤 유닛은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 도 1에서 나타낸 바와 같이 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 또한, 상술한 전력 송신 장비(PTP)의 구성들은 선택적으로 포함되거나, 새로운 구성이 전력 송신 장비(PTP)에 추가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수신 장비의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 전력 수신 장비(Power Receiver Product; PRP)는 전력 수신 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(4020), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(PRx), 로드 회로(4080) 또는 코일 어셈블리를 받치거나 커버하는 베이스(4010) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(4020)는 전력 수신 장비(PRP)에 선택적으로(optionally) 포함되거나, 전력 수신 장비(PRP)의 다른 사용자 인터페이스로서 포함될 수도 있다.
전력 수신기(PRx)는 전력 컨버터(4050), 탱크 회로(또는 임피던스 매칭 회로)(4060), 코일 어셈블리(4070), 통신 유닛(4040) 또는 컨트롤 유닛(4030) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 컨버터(4050)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 전력 컨버터(4050)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 추가로, 전력 컨버터(4050)는 전력 수신기(PRx)의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.
탱크 회로(4060)는 전력 컨버터(4050) 및 로드 회로(4080)의 조합과 2차 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 실시예로서, 탱크 회로(4060)는 전력 전달을 강화할 수 있는 100kHz 근방의 공진을 발생시킬 수 있다.
코일 어셈블리(4070)는 적어도 하나의 2차 코일을 포함하며, 옵셔널하게는 자기장으로부터 수신기의 금속 부분을 쉴딩(shield)하는 엘러먼트(element)를 더 포함할 수도 있다.
통신 유닛(4040)은 전력 송신기(PTx)로 요청(request) 및 다른 정보를 통신하기 위해 로드 변조를 수행할 수 있다. 이를 위해 전력 수신기(PRx)는 반사 임피던스를 변경하도록 저항 또는 커패시터를 스위칭할 수도 있다.
컨트롤 유닛(4030)은 수신 전력을 컨트롤할 수 있다. 이를 위해 컨트롤 유닛(4030)은 전력 수신기(PRx)의 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 결정/산출할 수 있다. 그리고 컨트롤 유닛(4030)은 반사 임피던스의 조정 및/또는 전력 송신기(PTx)의 동작 포인트 조정 요청을 수행함으로써 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 조정/저감할 수 있다. 이 차이를 최소화하는 경우 최적의 전력 수신을 수행할 수 있다.
상술한 전력 송신 장비(PTP)의 구성들은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 도 1에서 나타낸 바와 같이 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 예를 들어, 통신 유닛 및 컨트롤 유닛은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 도 1에서 나타낸 바와 같이 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 또한, 상술한 전력 송신 장비(PTP)의 구성들은 선택적으로 포함되거나, 새로운 구성이 전력 송신 장비(PTP)에 추가될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송/수신 시스템의 동작 모드(Operating mode)를 나타낸 도면이다.
전력 송신기는 공유 모드(Shared Mode) 및/또는 배타 모드(Exclusive Mode)로 동작할 수 있다.
공유 모드에서, 하나의 전력 송신기는 동시에 복수의 전력 수신기들을 서빙한다(즉, 복수의 전력 수신기들로 전력을 제공할 수 있다). 공유 모드 프로토콜은 공유 모드에서 전력 송신기와 적어도 하나의 전력 수신기 사이의 정보 교환을 동시에 매니징한다.
전력 송신기 및 전력 수신기는 선택적(Optional)으로 공유 모드를 지원한다. 즉, 공유 모드는 전력 송신기 및 전력 수신기에 의해 선택적으로 지원될 수 있다. 따라서, 전력 송/수신기가 공유 모드를 지원하는 경우 이를 상대 전력 송/수신기에게 알려줄 필요가 있다. 본 발명에서는 구성 패킷(CFG)을 이용하여 이를 알리는 방법을 제안하며, 이와 관련된 상세한 설명은 도 11 내지 14와 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.
배타 모드에서, 전력 송신기는 한번에 하나의 전력 수신기를 서빙한다(즉, 한번에 하나의 전력 수신기로 전력을 제공한다). 배타 모드 프로토콜은 배타 모드에서 전력 송신기와 전력 수신기 사이의 정보 교환을 매니징한다. 전력 송신기 및 전력 수신기는 필수적(Mandatory)으로 배타 모드를 지원한다. 즉, 배타 모드는 전력 송신기 및 전력 수신기에 의해 필수적으로 지원될 수 있다.
배타 모드에서, 전력 수신기는 전력 전송에 있어 전면적인 제어권을 갖는다. 다시 말하면, 전력 수신기는 전력 송신기가 전송하는 전력량(또는 전자기량(amount of magnetic power))을 증가 또는 감소하도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 전력 송신기 및 수신기 사이의 통신 프로토콜은 전력 수신기가 전력 송신기의 1차 코일을 통해 흐르는 전류량을 적절하게 증가시키거나 감소시키도록 제어하기 위한 피드백 루프를 제공한다. 전력 수신기는 전력 송신기로 피드백하기 위해 전력 수신 장비에 포함되어 있는 특정 센서, 또는 온도, 전압, 전류값을 이용할 수 있다.
공유 모드에서, 전력 송신기는 전력 송신기에 의해 전력을 제공받는 각 전력 수신기가 전력을 공유할 수 있도록 전력량(또는 전자기량)을 제어할 수 있다. 전력 수신기는 적절하게 자신의 임피던스를 조절함으로써 자기장으로부터 수신하는 전력량을 변경할 수 있다. 만일 전력 수신기가 자신의 임피던스를 (더 이상) 조절할 수 없는 경우, 전력 수신기는 전력 송신기가 전송하는 전력량을 증가 또는 감소시키도록 제어(또는 경고)할 수 있다. 이를 위해, 전력 송신기 및 전력 수신기 사이의 통신 프로토콜은 각 전력 수신기의 전력 송신기 제어를 동기화하는 통신 메커니즘을 제공할 수 있다. 제어의 충돌을 대비하여, 수신 전력량을 증가시키는 제어가 수신 전력량을 감소시키는 제어보다 우선할 수 있다.
공유 모드는 공진 모드라고 지칭될 수 있으며, 배타 모드는 유도 모드라 지칭될 수 있다. 무선 전력 송/수신 시스템은 공유 모드에서 공진 전력을 송/수신할 수 있으며, 배타 모드에서 유도 전력을 송/수신할 수 있다.
이하에서는 먼저 배타 모드에서 동작하는 전력 송/수신기의 전력 전달 방법에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 배타 모드에 대해 설명한 방법 또는 방법에 포함된 단계들 중 적어도 하나는 선택적으로 공유 모드에 적용될 수도 있다.
도 6은 배타 모드인 무선 전력 송신기의 상태도(state diagram)이다.
도 6을 참조하면, 배타 모드에서 무선 충전은 4개의 단계(phase)들을 통해 수행될 수 있다. 4개의 단계들은 셀렉션 단계(selection phase), 핑 단계(ping phase), 식별/구성 단계(identification & configuration phase), 및 전력 전달 단계(power transfer phase)를 포함한다.
셀렉션 단계에서, 전력 송신기는 송신기에 구비된 인터페이스 표면에 대한 오브젝트의 접촉/이탈을 모니터링한다. 이를 위해 전력 송신기는 다양한 수단을 사용할 수 있다. 만일, 적어도 하나의 오브젝트를 발견한 경우, 전력 송신기는 발견한 오브젝트의 정확한 위치를 찾는 것을 시도할 수 있다(특히, 전력 송신기가 프리 포지셔닝을 지원하는 경우). 또한, 전력 송신기는 발견한 오브젝트가 전력 수신기인지 또는 단순한 외부 오브젝트(열쇠, 동전 등)인지 구별할 수도 있다. 나아가, 전력 송신기는 전력 송신을 위해 전력 수신기의 선택을 시도할 수 있다.
상술한 동작들을 수행하기 위한 충분한 정보가 없는 경우에는, 전력 송신기는 반복적으로 핑 단계 및 식별/구성 단계(본 단계 수행시마다 서로 다른 1차 코일을 선택할 수 있음)를 수행할 수 있으며, 관련 정보를 수집한 후에는 셀렉션 단계로 회귀할 수 있다.
만일, 전력 송신기가 전력 수신기로 전력을 송신하기 위한 1차 코일을 선택한 경우, 전력 송신기는 핑 단계로 진입할 수 있다. 반대로, 전력 송신기가 전력 송신을 위한 전력 수신기를 선택하지 못한 경우 및/또는 기설정된 시간 초과로 전력 수신기로 전력을 제공하지 못한 경우, 전력 송신기는 대기 모드(stand-by mode)로 동작할 수 있다.
핑 단계에서, 전력 송신기는 디지털 핑을 수행하고, 전력 수신기의 응답을 대기할 수 있다. 디지털 핑은 전력 수신기를 검출 및 식별하기 위한 전력 신호의 인가/전송을 나타낸다. 전력 송신기가 전력 수신기를 발견하면, 전력 송신기는 디지털 핑을 확장하여 식별/구성 단계로 진행할 수 있다.
식별/구성 단계에서, 전력 송신기는 선택된 전력 수신기를 식별하고 최대 전력 양과 같은 전력 수신기의 구성(configuration) 정보를 획득할 수 있다. 다시 말하면, 전력 송신기는 식별/구성 정보를 수신하여 전력 수신기에 대한 정보를 획득하고, 이 정보를 사용하여 전력 전달 계약(Power Transfer Contract)을 생성(create)할 수 있다. 이 전력 전달 계약은 이후의 전력 전달 단계에서 전력 전달을 특징짓는 복수의 파라미터들에 대한 제한을 포함할 수 있다.
전력 전달 단계에서, 전력 송신기는 전력 수신기로 무선으로 전력을 제공한다. 전력 송신기는 송신되는 전력에 대한 컨트롤 데이터를 전력 수신기로부터 수신하여 이에 따라 1차 셀 전류(primary cell current)를 조정함으로써 전력 전달을 제어할 수 있다. 또한, 전력 송신기는 전력 전달 계약에 포함된 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 전력 송신기는 전력 전달 중 전력 전달 계약에 따른 파라미터들의 제한이 위반되면 전력 전달을 중지하고 셀렉션 단계로 진행할 수도 있다.
한편, 본 도면에서 설명한 상태도는 저전력 모드를 기준으로 설명한 상태도이며, 중간 전력 모드에서는 새로운 단계(예를 들어, 캘리브레이션 단계, 협상 단계 및 재협상 단계)가 추가되거나 일부 단계가 삭제될 수 있다.
도 7은 배타 모드에서의 전력 전달 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 7에서 전력 송신기(Power Receiver) 및 전력 수신기(Power Receiver)는 도 1에서 도시한 바와 같이 각각 전력 변환 유닛 및 전력 픽업 유닛을 포함할 수 있다.
상술한 배타 모드의 전력 전달 단계에서, 전력 송신기 및 전력 수신기는 전력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트롤할 수 있다. 전력 수신기는 특정 컨트롤 포인트를 선택할 수 있으며, 특정 컨트롤 포인트로 동작할 수 있다. 컨트롤 포인트는 전력 전달이 수행될 때 전력 수신기의 출력단(output)에서 제공되는 전압 및 전류의 조합(combination)을 나타낸다.
보다 상세하게는, 전력 수신기는 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. 전력 수신기는 원하는 컨트롤 포인트와 실제 컨트롤 포인트를 사용하여, 컨트롤 에러 값(Control Error Value)을 산출하고, 이를 컨트롤 에러 패킷으로서 전력 송신기로 전송할 수 있다. 컨트롤 에러 패킷은 전력 전달 단계에서 일정 시간 간격으로 송/수신되며, 실시예로서 전력 수신기는 전력 송신기의 전류를 저감하려는 경우 컨트롤 에러 값을 음수로, 전류를 증가시키려는 경우 컨트롤 에러 값을 양수로 설정하여 전송할 수 있다.
전력 송신기는 수신한 컨트롤 에러 값 및 실제 1차 셀 전류를 새로운 1차 셀 전류를 결정하기 위해 사용할 수 있다. 컨트롤 에러 패킷의 통신으로부터 시스템 안정화 후, 전력 송신기는 실제 1차 셀 전류를 새로운 1차 셀 전류로 제어할 수 있다. 이때, 전력 송신기는 새로운 동작 포인트- 1차 셀에 적용되는 진폭, 주파수 및 듀티 사이클-로 동작할 수 있다.
이하에서 설명할 공진 모드에서는 배타 모드에서와는 다른 방식으로 동작할 수 있다. 공진 모드에서는 하나의 전력 송신기가 복수의 전력 수신기를 동시에 서빙할 수 있어야 한다. 다만 상술한 배타 모드와 같이 전력 전달을 컨트롤하는 경우, 전달되는 전력이 하나의 전력 수신기와의 통신에 의해 컨트롤되므로 추가적인 전력 수신기들에 대한 전력 전달은 컨트롤이 어려울 수 있다. 따라서 공진 모드에서 전력 송신기는 기본 전력을 공통적으로 전달하고, 전력 수신기가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤할 수 있다. 다만, 이러한 공진 모드의 동작에서도 도 6 및 7에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 6 및 7의 방법으로 수행할 수도 있다.
도 8은 공유 모드인 전력 수신기의 상태도(state diagram)이다. 이하에서는 전력 수신기를 기준으로 설명하나, 이하에 후술하는 상태들에 관한 설명은 전력 송신기에도 동일하게 적용될 수 있다.
공유 모드에서, 전력 수신기는 셀렉션(selection) 상태, 소개(introduction) 상태, 구성(configuration) 상태, 협상(Negotiation) 상태 또는 전력 전달(Power Transfer) 상태일 수 있다. 여기서 셀렉션 상태는 셀렉션 단계(phase), 소개 상태는 소개 단계(phase), 구성 상태는 구성 단계(phase), 협상 상태는 협상 단계(phase), 및 전력 전달 상태는 전력 전달 단계(phase)와 각각 대응할 수 있다.
셀렉션 단계는, 배타 모드에서 전력 송신기가 송신기에 구비된 인터페이스 표면에 대한 오브젝트의 접촉/이탈을 모니터링하는 셀렉션 단계와 대응된다. 공유 모드에서의 셀렉션 단계는 생략될 수 있으며, 따라서 전력 수신기는 나머지 4가지 단계를 진행할 수도 있다. 전력 수신기는 웨이크업(wake-up) 타임 아웃 전의 전력 신호에서 FSK(Frequency Shift Keying)의 존재를 디텍팅하면, 셀렉션 단계에서 소개 단계로 바로 진행할 수 있다.
소개 단계에서, 전력 수신기는 다음 단계들(예를 들어, 구성 단계, 협상 단계, 또는 전력 전달 단계)에서 사용할 CI(Control Information) 패킷을 전송할 자유 슬롯을 요청할 수 있다. 이를 위해, 전력 수신기는 최초의(Initial) CI 패킷을 전송한다. 전력 송신기가 ACK로 응답하는 경우, 전력 수신기는 구성 단계로 진입할 수 있다. 전력 송신기가 NACK로 응답하는 경우, 다른 전력 수신기가 구성 단계 또는 협상 단계를 진행 중일 수 있다. 이 경우, 전력 수신기는 다시 자유 슬롯을 전력 송신기로 요청할 수 있다. 전력 수신기가 전력 송신기로부터 ACK를 수신한 경우 전력 수신기는 프레임에서 자신의 전용(private) 슬롯의 위치를 결정하고, 이후에는 결정된 위치의 슬롯을 사용하여 CI 패킷을 전송할 수 있다.
구성 단계에서, 전력 송신기는 전력 수신기의 독점적인(exclusive) 사용을 위해 일련의 고정된 슬롯들(a series of locked slots)을 제공할 수 있다. 이는 전력 수신기가 충돌 없이 구성 단계를 진행하기 위함이다. 전력 수신기는 고정된 슬롯들을 사용하여 2개의 식별 데이터 패킷(Identification data packets; IDHI and IDLO), 버전 정보 패킷(Version Information Packet; VSN), 선택적으로 적어도 하나의 소유(proprietary) 데이터 패킷들, 및 구성 패킷(Configuration Packet, CFG)을 전송할 수 있다. 이 단계를 완료하면, 전력 수신기는 협상 단계로 진입할 수 있다.
협상 단계에서도, 전력 송신기는 전력 수신기의 독점적 사용을 위한 고정된 슬롯들을 계속하여 제공할 수 있다. 이 또한 전력 수신기가 충돌 없이 협상 단계를 진행하도록 하기 위함이다. 전력 수신기는 고정된 슬롯들을 사용하여 협상 데이터 패킷(SRQ(Specific Request) 및 GRQ(General Request)를 포함) 및/또는 적어도 하나의 선택적 소유 데이터 패킷(optional proprietary data packets)을 전송할 수 있다. 그리고 전력 수신기는 SRQ/en(End-Negotiation) 패킷을 전송함으로써 협상 단계를 종료할 수 있다. 이 단계가 종료되면, 전력 송신기는 전력 전달 단계로 진입하며, 전력 송신기는 고정된 슬롯들의 제공을 중단한다.
전력 전달 단계에서 전력 수신기는 소개 단계에서 결정된 자유 슬롯을 사용하여 CI 패킷을 전송하고, 전력을 수신한다. 전력 수신기는 레귤레이터 회로를 포함할 수도 있다. 레귤레이터 회로는 상술한 통신/컨트롤 유닛에 포함될 수 있다. 전력 수신기는 레귤레이터 회로를 통해 전력 수신기의 반사 임피던스를 자기-조정(self-regulate)할 수 있다. 즉, 전력 수신기는 외부 로드에 필요한 전력 양을 전달하고 과도한 전력을 수신하거나 과열을 방지하도록 레귤레이터 회로를 이용하여 반사 임피던스를 조정할 수 있다. 공유 모드에서는 동작 모드에 따라서 전력 송신기가 수신한 CI 패킷에 대응하여 전송 전력을 조정하지 않을 수 있으므로, 이러한 경우 전력 수신기는 전압-초과(over-voltage) 상황을 방지하도록 레귤레이터 회로를 컨트롤할 수 있다.
공유 모드에서, 전력 송신기는 하나 이상의 전력 수신기와의 정보 교환을 매니징하여야 한다. 이를 위해, 전력 송신기는 전력 수신기와의 통신을 위한 스트럭처를 제공하며, 이러한 스트럭처는 도 9의 통신 프레임 스트럭처와 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.
도 9는 데이터 통신을 위한 프레임 스트럭처를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 전력 송신기는 각 전력 수신기가 데이터 패킷을 전송할 수 있는 타임 슬롯들의 시퀀스를 제공하는 스트럭처를 제공한다. 각 슬롯들 사이에는 싱크 패턴이 제공된다. 싱크 패턴은 슬롯들을 분리할 뿐 아니라, 전력 수신기의 통신을 최적화시키는 역할을 수행한다. 특히, 싱크 패턴은 전력 수신기에게 충돌 해결(collision resolution) 및 레이턴시 보장(guaranteed latency)을 위한 정보를 제공할 수도 있다.
공유 모드 프로토콜은 2 종류의 프레임들, 즉, 슬롯(slotted) 프레임(도 9(a) 참조) 및 자유-포맷(free-format) 프레임(도 9(b) 참조)을 사용할 수 있다. 슬롯 프레임은 전력 수신기가 전력 송신기로 짧은 데이터 패킷을 전송하는데 사용될 수 있다. 자유-포맷 프레임은 양방향의 더 큰 데이터 패킷 전송 및 멀티 코일 송신기에서의 코일 선택과 같은 목적으로 사용될 수 있다.
모든 프레임은 싱크 패턴과 측정(measurement) 슬롯으로 시작되며, 측정 슬롯은 송신 전력 및 수신 전력 측정에 사용될 수 있다. 실시예로서 하나의 슬롯 프레임에는 9개의 슬롯들이 포함될 수도 있다. 자유-포맷 프레임의 경우 싱크 패턴과 측정 프레임 이후로는 특정 형식 제한이 없다. 싱크 패턴의 시작 비트(정보)가 프레임의 시작을 나타낼 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 포맷을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 싱크 패턴은 프리앰블, 시작 비트, 응답(response) 필드, 타입 필드, 인포(Info) 필드 및 패리티 비트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
프리앰블은, ‘1’로 설정된 비트들의 시퀀스를 포함한다. 포함되는 비트 수는 동작 주파수에 따라 변경될 수 있다.
시작 비트는, ‘0(ZERO)’으로 설정될 수 있다.
패리티 비트는 싱크 패턴의 마지막 비트로서, 싱크 패턴에 포함된 데이터 필드들에 포함된 1로 설정된 비트들이 짝수인 경우에는 1로, 다른 경우(즉, 홀수인 경우)에는 0으로 설정될 수 있다.
응답 필드는 전력 수신기로부터의 선행 슬롯(preceding slot)을 이용한 통신에 대한 전력 송신기의 응답을 포함할 수 있다. ‘00’은 통신을 디텍팅하지 못하였음을, ‘01’은 통신 에러를 디텍팅하였음을, ‘10’은 통신을 정확히(correctly) 수신하였음에 대한 부정 응답(Not-Acknowledge)을, ‘11’은 통신을 정확히 수신하였음에 대한 긍정 응답(Acknoledge)을 각각 나타낼 수 있다.
타입 필드는 해당 타입 필드를 포함하는 싱크 패턴이 프레임에 포함된 첫 번째 싱크 패턴인 경우 ‘1’로 설정될 수 있다. 또한, 타입 필드는 해당 타입 필드를 포함하는 싱크 패턴이 프레임에 포함된 첫 번째 싱크 패턴이 아닌 경우에는 ‘0’으로 설정될 수 있다.
인포 필드는 싱크 필드(또는 타입 필드)에서 나타내는 싱크 패턴에 따라 상이한 값과 의미를 갖는다.
먼저, 타입 필드가 ‘1’인 경우, 인포 필드는 프레임이 슬롯 프레임인지 또는 자유-포맷 프레임인지를 나타낼 수 있다. 만일, 인포 필드가 프레임이 슬롯 프레임임을 나타내는 경우, 인포 필드는 ‘00’으로 설정될 수 있다. 또한, 인포 필드가 프레임이 자유-포맷 프레임임을 나타내는 경우, 인포 필드는 ‘01’로 설정될 수 있다.
그리고 타입 필드가 ‘0’인 경우, 인포 필드는 다음 슬롯이 특정 수신기에게 배정(allocate)된 슬롯인지, 일시적으로 특정 수신기에게 제공되는 고정된(locked) 슬롯인지, 또는 아무 수신기나 사용할 수 있는 자유(free) 슬롯인지를 나타낼 수 있다. 만일, 인포 필드가 다음 슬롯이 특정 수신기에게 배정된 슬롯임을 나타내는 경우, 인포 필드는 ‘00’으로 설정될 수 있다. 또한, 인포 필드가 다음 슬롯이 일시적으로 특정 수신기에게 제공되는 고정된 슬롯임을 나타내는 경우, 인포 필드는 ‘01’로 설정될 수 있다. 또한, 인포 필드가 다음 슬롯이 아무 수신기나 사용할 수 있는 자유 슬롯임을 나타내는 경우, 인포 필드는 ‘10’으로 설정될 수 있다.
앞서 상술한 바와 같이, 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)는 전력 송/수신기에 의해 선택적으로 지원될 수 있다. 따라서, 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)를 지원하는 전력 송신기는 전력을 전송할 전력 수신기가 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)를 지원하는지 여부를 알 필요가 있다. 예를 들어, 전력 송신기가 제1 전력 수신기로 전력을 전송하는 중에 새로운 제2 전력 수신기가 충전 영역(또는 무선 충전 가능 영역) 내로 유입되는 경우를 가정해볼 수 있다. 이 경우, 새로 유입된 전력 수신기가 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)의 지원이 가능한 경우, 전력 송신기는 충전 영역 내에 위치한 복수의 전력 수신기들(제1 및 제2 전력 수신기)에 동시에 전력을 전송할 수 있기 때문에, 전력 송신기는 제2 전력 수신기가 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)를 지원하는지 여부를 알 필요가 있다.
따라서, 이하에서는 식별/구성 단계(또는 구성 단계)에서 송수신되는 구성 패킷에 공유 모드의 지원 여부를 나타내는 정보를 포함시켜, 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)의 지원 여부를 알리는 새로운 방법을 제안하기로 한다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성 패킷을 도시한 도면이다. 보다 상세하게는, 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성 패킷에 포함되는 메시지 페이로드의 포맷을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 구성 패킷은 Maximum Received Power 필드, Power Class 필드, Count 필드, ZERO 필드, Reserved 필드, Prop 필드, Window Offset 필드, Window Size 필드, Operation Mode 필드, Neg 필드, Pol(Polarity) 필드 및 Depth 필드를 포함할 수 있다.
Count 필드는 구성 패킷 전에 전력 수신기가 전송하는 선택적 데이터 패킷의 개수를 포함한다. 본 필드는 배타 모드에서만 사용될 수 있다.
Depth 필드는 요청된 FSK 변조 깊이를 위해 2 Depth로서 계산된 스케일링 팩터를 포함할 수 있다. 본 필드는 배타 모드에서만 사용될 수 있다.
Maximum Received Power 필드는 수신된 가장 높은 전력 값(전력 수신기가 수신된 전력 패킷에서 보고하길 기대하는)을 0.5W 단위로 포함할 수 있다.
Operation Mode 필드(1 bit)는 구성 패킷을 전송하는 전력 수신기가 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)를 지원하는지 여부를 지시할 수 있다. 예를 들어, Operation Mode 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 전력 수신기가 배타 모드(1:1 무선 충전 모드)(또는 배타 모드 프로토콜)을 지원함을 지시할 수 있다. 또는, Operation Mode 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 전력 수신기가 배타 모드에 추가로 공유 모드(1:N 무선 충전 모드)를 지원함을 지시할 수 있다(배타 모드에 추가로).
Neg 필드는 배타 모드에서의 협상 단계의 시작을 전력 송신기로 요청하는 경우 ‘1’로 설정될 수 있다. 그렇지 않은 경우, Neg 필드는 ‘0’으로 설정될 수 있다. 본 필드는 배타 모드에서만 사용될 수 있다.
Pol(Polarity) 필드는 전력 송신기가 negative FSK 극성을 사용할 것을 요청하는 경우 ‘1’로 설정될 수 있다(즉, fop<fmod). 반대로, Pol(Polarity) 필드는 전력 송신기가 negative FSK 극성을 사용할 것을 요청하는 경우 ‘1’로 설정될 수 있다. 본 필드는 배타 모드에서만 사용될 수 있다.
Power Class 필드는 ‘00’으로 설정될 수 있다.
Prop 필드는 PID(proportional-integral-differential) 알고리즘 대신 proprietary 방법을 사용하여 전력 전송 제어할 것을 전력 송신기로 요청하는 경우 ‘1’로 설정될 수 있으며, 그렇지 않은 경우 ‘0’으로 설정될 수 있다. 본 필드는 배타 모드에서만 사용될 수 있다.
Reserved 필드는 ‘0’으로 설정될 수 있다.
Window Offset 필드는 수신된 전력을 평균내기 위한 윈도우의 끝부터 수신된 전력 패킷의 시작 비트까지의 시간 간격을 4ms 단위로 포함할 수 있다. 본 필드는 배타 모드에서만 사용될 수 있다.
Window Size 필드는 전력 수신기가 수신된 전력을 평균내기 위해 사용하는 윈도우의 사이즈를 4ms 단위로 포함할 수 있다. 본 필드는 배타 모드에서만 사용될 수 있다.
공유 모드로 동작하는 전력 송신기는 상술한 필드들 중 배타 모드에서만 사용되는 필드들은 무시할 수 있다. 또는, 공유 모드 프로토콜을 지원하는 전력 송신기는 상술한 필드들 중 배타 모드 프로토콜에서만 사용되는 필드들은 무시할 수 있다.
제1 실시예에서는 구성 패킷의 특정 위치의 비트(B4, b3)를 Operation Mode 필드로 정의하여 공유 모드의 지원 여부를 직접 지시하는 실시예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구성 패킷에 포함된 예비 필드 중 적어도 하나의 필드를 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)의 지원 여부를 지시하는 필드로 사용할 수 있다.
또한, 구성 패킷은 제1 실시예에 한정되지 않으며, 상술한 필드들 중 적어도 하나의 필드를 선택적으로 포함할 수 있으며, 새로운 필드를 추가로 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 구성 패킷을 도시한 도면이다. 보다 상세하게는, 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 구성 패킷에 포함되는 메시지 페이로드의 포맷을 나타낸 도면이다. 본 도면의 구성 패킷에 포함된 필드들 중 Shared Mode 필드를 제외한 나머지 필드들에 대한 설명은 도 11에서 상술한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 구성 패킷은 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)의 지원 여부를 나타내는 Shared Mode 필드(1 bit)를 포함할 수 있다. Shared Mode 필드는 구성 패킷을 전송하는 전력 수신기가 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)를 지원하는지 여부를 지시할 수 있다. 예를 들어, Shared Mode 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 전력 수신기는 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)를 지원하지 않음을 지시할 수 있다. 또는, Shared Mode 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 전력 수신기가 (배타 모드에 추가로) 공유 모드(1:N 무선 충전 모드) (또는 공유 모드 프로토콜)를 지원함을 지시할 수 있다.
제2 실시예에서는 구성 패킷의 특정 위치의 비트(B4, b3)를 Shared Mode 필드로 정의하여 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)의 지원 여부를 직접 지시하는 실시예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구성 패킷에 포함된 예비 필드 중 적어도 하나의 필드를 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)의 지원 여부를 지시하는 필드로 사용할 수 있다.
또한, 구성 패킷은 제2 실시예에 한정되지 않으며, 상술한 필드들 중 적어도 하나의 필드를 선택적으로 포함할 수 있으며, 새로운 필드를 추가로 포함할 수 있다.
이렇듯, 전력 수신기는 식별/구성 단계(또는 구성 단계)에서 구성 패킷을 통해 공유 모드(또는 공유 모드 프로토콜)의 지원 여부를 전력 송신기에 알려줄 수 있다. 본 실시예는 다른 전력 수신기를 충전 중이던 멀티 코일 전력 송신기의 충전 영역에 새로운 전력 수신기가 유입되는 경우에 보다 효율적으로 사용될 수 있으며, 이에 관하여는 도 13 및 14와 관련하여 이하에서 후술한다.
본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 제1 실시예의 Operation Mode 필드 또는 제2 실시예의 Shared Mode 필드는 ‘Mode 필드', 'Shared 필드' 또는 'Shared 비트'라 지칭될 수도 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 중인 전력 수신기의 수가 증가하는 경우의 실시예에 관한 도면이다.
도 13을 참조하면, 전력 송신기(PTx)가 충전 영역(13010) 내에 위치한 제1 전력 수신기(PRx1)로 전력을 전송하던 중, 새로운 제2 전력 수신기(PRx2)가 충전 영역(13010) 내로 유입된 경우를 가정해볼 수 있다. 이때 전력 송신기(PTx)는 멀티 코일을 포함하는 전력 송신기일 수 있다. 이 경우, 제2 전력 수신기(Rx2)는 제2 실시예에 따라 식별/구성 단계(또는 구성 단계)에서 구성 패킷을 전력 송신기로 전송함으로써, 전력 송신기(PTx)가 제1 전력 수신기(PRx1)에 대한 전력 전송을 중단하지 않고도 제2 전력 수신기(PRx2)를 감지할 수 있다.
보다 상세하게는, 전력 송신기(PTx)가 새로운 오브젝트를 디텍트한 경우, 전력 송신기(PTx)는 해당 오브젝트가 전력 수신기인지 감지하기 위해 자유-포맷 프레임을 이용할 수 있다. 또한, 만일 해당 오브젝트가 전력 수신기인 경우, 전력 송신기(PTx)는 전력 송신을 위해 최적의 코일이 무엇인지를 추가로 감지하기 위해 자유-포맷 프레임을 이용할 수 있다.
이를 위해, 전력 송신기(PTx)는 측정 슬롯 직후에, 내장된 적어도 하나의 1차 코일을 활성화하고, 제2 전력 수신기(PRx2)로부터 데이터 패킷의 수신을 기다릴 수 있다. 제2 전력 수신기(PRx2)는 전력 신호에서 FSK를 감지하지 못했기 때문에 배타 모드로 시작될 수 있으며, SS(Signal Strength) 패킷을 전력 송신기(PTx)로 전송할 수 있다. SS 패킷을 수신한 전력 송신기(PTx)는 제2 전력 수신기(PRx2)를 셧다운할 수 있다. 상기 과정은 서로 다른 1차 코일(들)(세트들)((sets of) Primary Coil(s))에 대한 자유-포맷 프레임동안 반복하여 수행될 수 있다.
이와 같은 방식으로, 전력 송신기(PTx)는 전력 전송에 가장 적합한 1차 코일을 결정(또는 선택)할 수 있다. 다음으로, 전력 송신기(PTx)는 전력 전송에 적합하다고 결정한 1차 코일(들)(세트)을 이용하여 제2 전력 수신기(PRx2)가 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정(또는 판단)할 수 있다. 이를 위해, 전력 송신기(PTx)는 제2 전력 수신기(PRx2)-여전히 배타 모드이며, 가능하면 다음 자유-포맷 프레임에서-를 재시작할 수 있으며, 제2 전력 수신기(PRx2)로부터 구성 패킷을 수신할 수 있다. 이때 구성 패킷은 제1 또는 제2 실시예의 포맷을 따를 수 있다.
전력 송신기(PTx)는 제2 전력 수신기(PRx2)로부터 수신한 구성 패킷에 포함된 공유 모드의 지원 여부를 지시하는 필드(제1 실시예의 경우 Operation Mode 필드, 제2 실시예의 경우 Shared Mode 필드)를 통해 제2 전력 수신기(PRx2)의 공유 모드 지원 여부를 인식(또는 결정)할 수 있다.
만일, 제2 전력 수신기(PRx2)가 공유 모드를 지원하는 것으로 인식(또는 결정, 판단)되면, 전력 송신기(PTx)는 다음 슬롯 프레임의 시작 시점에 제2 전력 수신기(PRx2)를 시작할 수 있다(즉, 제2 전력 수신기로 전력을 전송할 수 있다). 이 경우, 제2 전력 수신기(PRx2)는 전력 신호에서 FSK를 디텍트할 수 있으며, 제1 전력 수신기(PRx1)와 함께 전력 전송(또는 수신)에 참여하기 위해 공유 모드 프로토콜을 따를 수 있다(즉, 공유 모드로 동작할 수 있다).
반대로, 제2 전력 수신기(PRx2)가 공유 모드를 지원하지 않는 것으로 인식(또는 결정)되면, 전력 송신기(PTx)는 배타 모드로 제2 전력 수신기(PRx2)를 서빙할 준비가 될 때까지 제2 전력 수신기(PRx2)로 전력을 전송하지 않을 수 있다(또는 제2 전력 수신기(PRx2)의 전력을 차단(power down)할 수 있다).
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기의 공유 모드 프로토콜에 관한 순서도이다. 본 순서도와 관련된 설명은 도 13에서 설명된 내용이 동일하게 적용될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
우선, 전력 송신기는 제1 전력 수신기로 전력을 전송하던 중, 제2 전력 수신기를 감지할 수 있다(S14010). 예를 들어, 전력 송신기는 충전 영역에 위치한 제1 전력 수신기로 전력을 전송하던 중, 해당 충전 영역으로 새롭게 유입된 제2 전력 수신기를 감지할 수 있다.
다음으로, 전력 송신기는 전력 전송에 적합한 1차 코일을 결정할 수 있다(S14020). 보다 상세하게는, 전력 송신기는 제2 전력 수신기로의 전력 전송에 가장 적합한 적어도 하나의 1차 코일을 결정할 수 있다. 이를 위해 적어도 하나의 1차 코일을 순차적으로 활성화하고, 제2 전력 수신기로부터 SS 패킷을 수신하는 과정을 자유-포맷 프레임동안 수행할 수 있다.
다음으로, 전력 송신기는 전 단계에서 결정된 적어도 하나의 1차 코일을 이용하여 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정(또는 인식/판단)할 수 있다(S14030). 이때, 전력 송신기는 제2 전력 수신기로부터 (1차 코일을 이용하여) 구성 패킷을 수신할 수 있으며, 구성 패킷에 포함된 모드 필드는 제2 전력 수신기의 공유 모드 프로토콜의 지원 여부를 지시한다. 따라서, 전력 송신기는 수신된 구성 패킷의 모드 필드를 통해 제2 전력 수신기의 공유 모드 프로토콜의 지원 여부를 결정하게 된다.
다음으로, 전력 송신기는 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 공유 모드 프로토콜에 따라 제1 및 제2 전력 수신기로 동시에 전력을 전송할 수 있다(S14040).
본 순서도에는 도시하지 않았으나, 만일 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 전력 송신기는 배타 모드로 제2 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 제2 전력 수신기로 전력을 전송하지 않을 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수신기의 공유 모드 프로토콜에 관한 순서도이다. 본 순서도는 도 14와 대응되므로, 도 13 및 14에서 설명된 내용이 동일하게 적용될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
우선, 전력 수신기(예; 제2 전력 수신기)는 다른 전력 수신기(예: 제1 전력 수신기)로 전력을 전송 중인 전력 송신기에 의해 감지될 수 있다(S15010).
다음으로, 전력 수신기는 구성 패킷을 전력 송신기로 전송할 수 있다(S15020). 보다 상세하게는, 전력 수신기는 자신이 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 나타내는 구성 패킷을 생성하여 전력 송신기로 전송할 수 있다. 특히, 공유 모드 프로토콜의 지원 여부는 구성 패킷의 모드 필드에서 지시될 수 있으며, 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원함을 지시하며, 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않음을 지시한다.
다음으로, 전력 수신기는 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 전력 신호에서 FSK를 감지하고, 공유 모드 프로토콜에 따라 다른 전력 수신기와 함께 전력 송신기의 전력 전송(또는 수신)에 참여할 수 있다(S15030).
본 순서도에는 도시하지 않았으나, 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 전력 수신기는 전력 송신기가 배타 모드로 해당 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 전력을 수신하지 않을 수 있다.
본 명세서에서는 공유 모드 프로토콜 및 공유 모드 프로토콜의 지원 여부 지시 방법에 관하여 살펴보았다.
본 발명에 따르면, 전력 송신기의 전력 전송 중 새로운 전력 수신기가 충전에 참여하더라도, 기존에 충전 중인 전력 수신기에 대한 전력 전송에 방해 받지 않고, 새로운 전력 수신기를 전력 전송에 효율적으로 참여시킬 수 있다는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 공유 모드로 동작 중인 복수의 전력 수신기들 중 배타 모드로 동작하는 전력 수신기를 감지할 수 있다는 효과를 갖는다.
설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한, 표시 장치는 상술한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상술한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
다양한 실시예가 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에서 설명되었다.
본 발명은 다양한 무선 충전 기술에 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 복수의 코일들(Multi Coils)을 포함하는 전력 송신기의 무선 전력 송신 방법에 있어서,
    제1 전력 수신기로 전력을 전송하는 중 제2 전력 수신기를 감지하는 단계;
    전력 전송에 적합한 적어도 하나의 1차(Primary) 코일을 결정하는 단계;
    상기 결정된 적어도 하나의 1차 코일을 이용하여 상기 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜(Shared Mode Protocol)을 지원하는지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 제1 및 제2 전력 수신기로 전력을 전송하는 단계; 를 포함하되,
    상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜인, 무선 전력 송신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정하는 단계는,
    상기 제2 전력 수신기로부터 구성(configuration) 패킷을 수신하는 단계; 및
    상기 구성 패킷에 포함된 모드 필드를 통해 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정하는 단계; 를 포함하는, 무선 전력 송신 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 모드 필드를 통해 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정하는 단계는,
    상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 것으로 결정하고,
    상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 것으로 결정하는 단계; 를 포함하는, 무선 전력 송신 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 제2 전력 수신기로의 전력 전송을 시작하는 단계; 를 더 포함하는, 무선 전력 송신 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 제2 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 제2 전력 수신기로 전력을 전송하지 않는 단계; 를 더 포함하되,
    상기 배타 모드는 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드인, 무선 전력 송신 방법.
  6. 전력 수신기의 무선 전력 수신 방법에 있어서,
    다른 전력 수신기로 전력을 전송 중인 전력 송신기에 의해 감지되는 단계;
    상기 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 나타내는 구성(configuration) 패킷을 상기 전력 송신기로 전송하는 단계; 및
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 전력 송신기로부터 수신된 전력 신호에서 FSK(Frequency Shift Keying)를 감지하고, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 다른 전력 수신기와 함께 상기 전력 송신기의 전력 전송에 참여하는 단계; 를 포함하되,
    상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜인, 무선 전력 수신 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부는 상기 구성(configuration) 패킷에 포함된 모드 필드에 의해 지시되는, 무선 전력 수신 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원함을 지시하며,
    상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않음을 지시하는, 무선 전력 수신 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 전력 송신기로부터의 전력 수신을 시작하는 단계; 를 더 포함하는, 무선 전력 수신 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 상기 전력 송신기가 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 전력 송신기로부터 전력을 수신하지 않는 단계; 를 더 포함하되,
    상기 배타 모드는 상기 전력 송신기가 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드인, 무선 전력 수신 방법.
  11. 전력 송신기에 있어서,
    복수의 코일들을 포함하는, 코일 어셈블리;
    DC 신호를 AC 신호로 전환하는, 인버터;
    임피던스 매칭을 제공하는, 탱크 회로(tank circuit);
    전력 수신기와 통신을 수행하는 통신 유닛; 및
    전력 전달을 컨트롤하는, 컨트롤 유닛; 을 포함하되,
    상기 전력 송신기는,
    제1 전력 수신기로 전력을 전송하는 중 제2 전력 수신기를 감지하고,
    전력 전송에 적합한 적어도 하나의 1차(Primary) 코일을 결정하고,
    상기 결정된 적어도 하나의 1차 코일을 이용하여 상기 제2 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜(Shared Mode Protocol)을 지원하는지 여부를 결정하고,
    상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 제1 및 제2 전력 수신기로 전력을 전송하되, 및
    상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜인, 전력 송신기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전력 송신기는,
    상기 제2 전력 수신기로부터 구성(configuration) 패킷을 수신하고, 및
    상기 구성 패킷에 포함된 모드 필드를 통해 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 결정하는, 전력 송신기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전력 송신기는,
    상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 것으로 결정하고,
    상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 것으로 결정하는, 전력 송신기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 전력 송신기는,
    상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 제2 전력 수신기로의 전력 전송을 시작하는, 전력 송신기.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 전력 송신기는,
    상기 제2 전력 수신기가 상기 공유 모드를 지원하지 않는 경우, 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 제2 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 제2 전력 수신기로 전력을 전송하지 않되,
    상기 배타 모드는 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드인, 전력 송신기.
  16. 전력 수신기에 있어서,
    복수의 코일들을 포함하는, 코일 어셈블리;
    AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환하는, 전력 컨버터;
    임피던스 매칭을 제공하는, 탱크 회로(tank circuit);
    전력 수신기와 통신을 수행하는 통신 유닛; 및
    전력 전달을 컨트롤하는, 컨트롤 유닛; 을 포함하되,
    상기 전력 수신기는,
    다른 전력 수신기로 전력을 전송 중인 전력 송신기에 의해 감지되고,
    상기 전력 수신기가 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부를 지시하는 구성(configuration) 패킷을 상기 전력 송신기로 전송하고,
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 상기 전력 송신기로부터 수신된 전력 신호에서 FSK(Frequency Shift Keying)를 감지하고, 상기 공유 모드 프로토콜에 따라 상기 다른 전력 수신기와 함께 상기 전력 송신기의 전력 전송에 참여하되,
    상기 공유 모드 프로토콜은 상기 전력 송신기와 복수의 전력 수신기들 사이의 정보 교환을 동시에 매니징하는 프로토콜인, 전력 수신기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는지 여부는 상기 구성(configuration) 패킷에 포함된 모드 필드에 의해 지시되는, 전력 수신기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 모드 필드가 ‘1’로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원함을 지시하며,
    상기 모드 필드가 ‘0’으로 설정된 경우, 상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않음을 지시하는, 전력 수신기.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 전력 수신기는,
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하는 경우, 다음 슬롯 프레임(next slotted frame)의 시작 시점에 상기 전력 송신기로부터의 전력 수신을 시작하는, 전력 수신기.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전력 수신기는,
    상기 전력 수신기가 상기 공유 모드 프로토콜을 지원하지 않는 경우, 상기 전력 송신기가 배타 모드(Exclusive Mode)로 상기 전력 수신기를 서빙할 준비가 될때까지 상기 전력 송신기로부터 전력을 수신하지 않되,
    상기 배타 모드는 상기 전력 송신기가 한 번에 하나의 전력 수신기를 서빙하는 모드인, 전력 수신기.
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