JP2014519798A - 無線電力送信システムにおける送信機及び受信機、前記装置らの無線電力送受信方法 - Google Patents

Abstract

本発明による無線電力送信システムにおける送信機は、ＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換し、変換された第１のＡＣ電圧を増幅して第２のＡＣ電圧に変換するＴｘ電力変換部と、第２のＡＣ電圧を伝送するために第２のＡＣ電圧を受信する受信機とインピーダンスをマッチングするＴｘマッチング回路と、第２のＡＣ電圧を受信機に伝送するために第２のＡＣ電圧を共鳴波で共振するＴｘ共振器と、第１のＡＣ電圧の増幅率を決定し、決定された増幅率によって第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換するようにＴｘ電力変換部を制御するＴｘ制御部と、を含む。

Description

本発明は、無線電力送信システムに関し、より詳細には高い共振特性を有することができる無線電力送信システムにおける送信機及び受信機、前記装置らの無線電力送受信方法に関する。

無線通信技術の発達につれて、いつでもどこでも誰でも所望の情報をやり取りすることができるユビキタス情報環境となっている。しかし、今でも通信情報機器は、大部分がバッテリーに依存しており、有線電源コードを介して電源が供給され、通信情報機器の使用が制限される。したがって、無線情報ネットワーク環境は、端末機の電源に対する問題解決なしには、本当に自由になることができない。
このような問題を解決するために、無線で電力を伝達するための多くの技術が開発されている。まず、電波(Microwave)を利用した電波受信型技術、そして磁場を利用した磁気誘導型技術、また磁場と電気場のエネルギー転換による磁気共鳴技術などが代表的である。

ここで、電波受信型技術は、アンテナを通じて電波を大気中に放射することによって遠い距離まで電力送信が可能という長所があるが、大気中で消耗される放射損失(Radiation loss)が非常に大きくて、電力送信の効率性に限界がある。また、磁気誘導型技術は、送信側の１次コイルと受信側の２次コイルによる磁気エネルギー結合を利用した技術であり、高い電力送信の効率性を有する長所があるが、電力送信のために送信側の１次コイルと受信側の２次コイルが数ｍｍ程度の短い距離に隣接していなければならなく、送信側の１次コイルと受信側の２次コイルのコイル整列によって電力送信の効率性が急激に変化して、発熱量が大きいという短所がある。

したがって、最近、磁気誘導型技術と類似するが、コイル型のインダクタ(Ｌ)とキャパシター(Ｃ)による特定共振周波数にエネルギーが集中するようにして、磁気エネルギー形態で電力を送信する磁気共鳴技術が開発されている。この技術は、比較的に大きい電力を数メートルまで送ることができるという長所があるが、高い共振特性(High Quality factor)を要求する。したがって、高い共振特性を有する無線電力送信システムの設計が要求される。

本発明の目的は、少なくとも上述した問題点及び／又は不都合に取り組み、少なくとも以下の便宜を提供することにある。

本発明による無線電力送信システムにおける送信機は、ＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換し、変換された第１のＡＣ電圧を増幅して第２のＡＣ電圧に変換するＴｘ電力変換部と、第２のＡＣ電圧を伝送するために第２のＡＣ電圧を受信する受信機とインピーダンスをマッチングするＴｘマッチング回路と、第２のＡＣ電圧を受信機に伝送するために第２のＡＣ電圧を共鳴波で共振するＴｘ共振器と、上記第１のＡＣ電圧の増幅率を決定し、決定された上記増幅率によって上記第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換するように上記Ｔｘ電力変換部を制御するＴｘ制御部と、を含む。

無線電力送信システムにおける受信機は、送信機によって共鳴波として共振されるＡＣ電圧を受信するＲｘ共振器と、上記送信機から上記ＡＣ電圧を受信するために上記送信機とインピーダンスをマッチングするＲｘマッチング回路と、上記ＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧で整流し、上記第１のＤＣ電圧を増幅して第２のＤＣ電圧に変換するＲｘ電力変換部と、上記第１のＤＣ電圧の増幅率を決定し、決定された上記増幅率によって上記第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換するように上記Ｒｘ電力変換部を制御するＲｘ制御部と、を含む。

本発明による無線電力送信システムにおける送信機は、ＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換するＥ級増幅器及び変換された第１のＡＣ電圧を増幅して第２のＡＣ電圧に変換するドライバー増幅器を含むＴｘ電力変換部と、第２のＡＣ電圧を伝送するために第２のＡＣ電圧を受信する受信機とインピーダンスをマッチングするＴｘマッチング回路と、第２のＡＣ電圧を受信機に伝送するために第２のＡＣ電圧を共鳴波として共振するＴｘ共振器と、上記第１のＡＣ電圧の増幅率を決定し、決定された上記増幅率によって上記第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換するように上記Ｔｘ電力変換部を制御するＴｘ制御部と、を含み、上記Ｔｘ制御部は、上記Ｅ級増幅器に含まれたトランジスタの駆動電圧をモニタリングして上記トランジスタに印加された駆動電圧によって上記Ｅ級増幅器に過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生したか否かを判断し、判断の結果、上記過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生した場合、送信機の動作を停止させることを特徴とする。

本発明による無線電力送信システムにおける受信機は、送信機によって共鳴波として共振されるＡＣ電圧を受信するＲｘ共振器と、上記送信機から上記ＡＣ電圧を受信するために上記送信機とインピーダンスをマッチングするＲｘマッチング回路と、上記ＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧で整流し、上記第１のＤＣ電圧を増幅して第２のＤＣ電圧に変換するＲｘ電力変換部と、上記第１のＤＣ電圧の増幅率を決定し、決定された上記増幅率によって上記第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換するように上記Ｒｘ電力変換部を制御するＲｘ制御部と、を含み、上記Ｒｘ制御部は、上記Ｒｘ共振器を通じて受信する上記ＡＣ電圧をモニタリングして上記ＡＣ電圧によって受信機の少なくとも一部に過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生したかを判断し、判断の結果、上記過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生した場合、上記受信機の動作を停止させることを特徴とする。

本発明による無線電力送信システムにおける送信機の無線電力送受信方法は、インターフェースでの負荷変動をモニタリングするために所定時間ごとに第１の電力を供給し、上記負荷変動が発生したか否かをチェックする検出段階と、上記負荷変動が発生した場合、上記第１の電力よりも大きい第２の電力を上記インターフェースに供給して第２の電力を受信した受信機から応答を受信すると、上記受信機に短い識別子(Short identification：ＳＩＤ)及び上記受信機に対応するタイムスロットを割り当てる登録段階と、上記受信機から出力電圧、出力電流のうち少なくとも一つを含む情報を受信し、上記情報によって上記受信機から要求される要求電力を計算し、上記要求電力を上記受信機に伝送することができるか否かを判断する構成段階と、上記判断の結果、上記要求電力を上記受信機に伝送することができる場合、上記受信機に上記要求電力を伝送する充電段階と、を含むことを特徴とする。

本発明による無線電力送信システムにおける受信機の無線電力送受信方法は、送信機から所定時間ごとに供給される第１の電力を受信し、上記第１の電力を用いて上記送信機に加入を要請する段階と、上記送信機から上記第１の電力よりも大きい第２の電力を受信して、上記送信機に充電を要請する段階と、上記送信機から短い識別子(Short identification：ＳＩＤ)及びタイムスロットの割り当てを受け、出力電圧、出力電流のうち少なくとも一つを含む情報を上記送信機に伝送して要求電力の伝送を要請する段階と、上記送信機から上記要求電力を受信する段階と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、高い共振特性を有することができる無線電力送信システムにおける送信機及び受信機、前記装置の無線電力送受信方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による無線電力送信システムの送信機及び受信機の構成を示したブロック図である。 抵抗(Ｒ)、キャパシタ(Ｃ)及びインダクタ(Ｌ)が直列で接続された直列共振器を示した回路図である。 抵抗(Ｒ)、キャパシタ(Ｃ)及びインダクタ(Ｌ)が並列で接続された並列共振器を示した回路図である。 イプシロンネガティブ回路を示した回路図である。 ミューネガティブ回路を示した回路図である。 共振周波数の特性を示したグラフである。 メタ物質ＭＮＧ共振器(meta material ＭＮＧ resonator)の一例を示した図である。 本発明による２類型のＭＮＧ共振器の構造を示した図である。 本発明によるＴｘ共振器の一例を示した図である。 Ａ級(Class-A)増幅器に含まれたトランジスタのドレインとソース間の電圧及び電流を示したグラフである。 Ｂ級(Class-B)増幅器に含まれたトランジスタのドレインとソース間の電圧及び電流を示したグラフである。 Ｅ級(Class-E)増幅器に含まれたトランジスタのドレインとソース間の電圧及び電流を示したグラフである。 スイッチングタイプの電力増幅器(Power Amplifier)であるＥ級増幅器１３−１を示した回路である。 図９のスイッチングタイプ電力増幅器でスイッチング動作を実行した時の電圧波及び電流波を示したグラフである。 Ｅ級増幅器１３−１でＦＥＴのドレインとソース間の内部キャパシタンス(Coss)と外部シャントキャパシタンス(C's)間の電圧を示したグラフである。 出力マッチング回路を示した回路図である。 入力マッチング回路を示した回路図である。 図１２及び図１３のマッチング回路を含むＥ級増幅器１３−１の最終等価回路を示した回路図である。 本発明によって製造されたＥ級増幅器１３−１のプロトタイプを示した図である。 一般的な送信機１０を示したブロック図である。 電力追跡ＳＭＰＳ(Switching Mode Power Supply)を含む送信機の構成を示したブロック図である。 図１７に示した電力追跡ＳＭＰＳの構成を示したブロック図である。 本発明による送信機１０での６．７８ＭＨｚ周波数を発生させるための周波数発生器の構成を示したブロック図である。 本発明による送信機における過電圧保護回路の一例を示した回路図である。 過電圧保護回路の基本的な動作原理を示すための回路である。 本発明による送信機での保護回路の別の例を示した回路図である。 本発明による送信機での保護回路のさらに別の例を示した回路図である。 本発明による電力送信システムにおける送信機１０から送信されるＤＣ電力に対して上記ＤＣ電力を受信する受信機２０のＤＣ電力を割合で示した図である。 送信機１０に発生する損失を説明するための回路図である。 Ｑ値を高めるためにインダクタＬＰ１、ＬＰ２、ＬＰ３を並列で接続させた回路である。 電力増幅器の効率別出力電力のレベルを示したグラフである。 ６．７８ＭＨｚの周波数発生器と電力増幅器を含む送信機１０の効率を測定するための回路を示した回路図である。 図２８の電力増幅器で発生する高周波の振幅を示したグラフである。 本発明によって具現された送信機１０に含まれる共振器１１を示した図である。 本発明によって具現された受信機２０に含まれる共振器２１を示した図である。 受信機２０がシングル受信機である場合の結合特性及び送信効率を測定するための測定セットアップを示した図である。 Ｒｘ共振器２１での入力される信号を測定する測定領域を示した図である。 受信機２０が複数である場合、すなわちマルチ受信機である場合に受信機２０の各々に含まれたＲｘ共振器２１に入力される信号を測定する測定領域を示した図である。 本発明によるＲｘ共振器２１で具現されることができるＭＮＧ ＴＬ共振器を示した図である。 本発明によるＲｘ共振器２１として具現されたＭＮＧ ＴＬ共振器を示した図である。 ショットキーダイオード及び上記ショットキーダイオードの等価回路を示した図である。 電力送信システムで使用することができるショットキーダイオードの電流レベル及び電圧レベルを示したグラフである。 電力送信システムで使用することができるショットキーダイオードの電流レベル及び電圧レベルを示したグラフである。 全波(full-wave)ブリッジダイオード整流回路を示した回路図である。 信号発生器を利用して全波ブリッジ整流回路をテストする回路図である。 信号発生器を利用して全波ブリッジ整流回路をテストする回路図である。 ある会社で製造されたデュアルダイオードの電圧レベル及び電流レベルを示したグラフである。 別の会社で製造されたデュアルダイオードの電圧レベル及び電流レベルを示したグラフである。 ＭＯＳ(Metal-Oxide Semiconductor)トランジスタをスイッチとして用いる全波活性整流器の一例を示した回路図である。 本発明によるＤＣ／ＤＣバックコンバータを示した回路図である。 受信機２０及び受信機２０を保護するための保護装置の一例を示した図である。 保護構造を有する最適化された受信機２０の回路を示した図である。 マスキング剤を使用しない場合の磁場分布を示した図である。 マスキング剤を使用した場合の磁場分布を示した図である。 共振器とマスキング剤との間に空間がない場合を示した図である。 共振器とマスキング剤との間に空間がある場合を示した図である。 マスキング剤及び装置の大きさとＲｘ共振器２１の位置を示した図である。 マスキング剤及び装置の大きさとＲｘ共振器２１の位置を示した図である。 図４８Ａ及び図４８Ｂに示したマスキング剤及びコンダクタの大きさに従うそれぞれの結合効率を示したグラフである。 送信機１０の例示的な機能ブロック図である。 本発明による受信機２０のＲｘ共振器２１を示した図である。 本発明による受信機２０のＲｘ共振器２１を示した図である。 本発明による受信機２０のＲｘ共振器２１を示した図である。 本発明による受信機２０のＲｘ共振器２１を示した図である。 本発明による受信機２０のＲｘ共振器２１を示した図である。 本発明によるＡＣ／ＤＣ整流器２３−１の効率を測定するための測定セットアップを示した図である。 本発明による受信機２０でのＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２の効率を測定するための測定セットアップを示した図である。 本発明によって具現された受信機のシステムボードを示した図である。 本発明によって具現された受信機を示した図である。 受信機２０の効率を測定するための測定セットアップを示した図である。 送信機１０から出力される電力が３５．４ｄＢｍであり、負荷が１０Ωである場合、各段で測定される波形を示したグラフである。 単一の移動通信端末機を充電している無線電力送受信システムを示した図である。 複数の移動通信端末機を充電している無線電力送受信システムを示した図である。 検出、登録、充電及び待機状態での無線電力送信システムでの無線電力送信手順に対する状態図である。 受信機(Transmitter)２０が送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド)上にまだ配置されない場合の検出状態手順を示した図である。 受信機(Receiver)２０を送信機(Transmitter)１０に登録(registration)させる手順を示した図である。 送信機(Transmitter)１０が第１の受信機(Receiver１)または第２の受信機(Receiver２)から発送されるACK_Frameパケットを受信しない、パケットエラー状況の一例を示した図である。 金属物体または不適合装置(rogue deivce、Non-compliant device)が送信機(Tranmsmitter)１０のインターフェース上に置かれてパケットエラーが発生した状況を示した図である。 無線電力送信システムでの構成(configuration)段階の正常動作流れを示した図である。 単一受信機２０の充電動作を示した図である。 単一受信機(Reciver)２０が充電状態で送信機(Transmitter)１０のインターフェースから除去される場合の手順を示した図である。 受信機(Receiver)２０の全体充電(full charge)または再充電(recharge)に従う手順を示した図である。 少なくとも一つの受信機２０(以下、第１の受信機(Receiver１))が既に充電状態にある時、新たな受信機２０(以下、第２の受信機(Receiver２))が登録される手順を示した図である。 複数の第１の受信機(Receiver１)が既に充電状態にある時、第２の受信機(Receiver２)が充電状態に進入する過程を示した図である。 複数の第１の受信機(Receiver１)の充電過程を示した図である。 送信機１０によって充電されていた複数の受信機のうち一つの受信機が除去される過程を示した図である。 第１の受信機(Receiver１)及び第２の受信機(Receiver２)の充電過程で第１の受信機(Receiver１)が再充電される過程を示した図である。 複数の受信機間のＳＩＤ(short identification)交換過程を示した図である。 スーパーフレームのタイムスロット区間を示した図である。 スーパーフレームのタイムスロット区間及び競合区間を示した図である。 検出(detection)状態でのタイミング制約を示した図である。 登録状態でのタイミング制約を示した図である。 構成(configuration)状態でのタイミング制約を示した図である。 充電(charge)状態でのタイミング制約を示した図である。 送信機１０が過電流から電力送信システムを保護する方法を示した順序図である。 送信機１０が過電圧から電力送信システムを保護する方法を示した順序図である。 送信機１０が過温度から電力送信システムを保護する方法を示した順序図である。 受信機２０が過電圧から電力送信システムを保護する方法を示した順序図である。 本発明による無線電力送信システムにおける送信機と受信機間の通信の一例を示した図である。 本発明による無線電力送信システムでの物理的フレーム構造を示した図である。 本発明によるＭＡＣフレーム構造を示した図である。 本発明によるNotice_Frameパケットの構造を示した図である。 本発明によるReport_Frameパケットの構造を示した図である。 Standby状態でのReport_Frameパケットの構造を示した図である。 Charge状態でのReport_Frameパケットの構造を示した図である。 Error状態でのReport_Frameパケットの構造を示した図である。 本発明によるACK_Frameパケットの構造を示した図である。 本発明によるInteractive_Frameパケットの一般的な構造を示した図である。 本発明によるInteractive_Request_Join_Frameパケットの構造を示した図である。 本発明によるInteractive_Response_Join_Frameパケットの構造を示した図である。 本発明によるInteractive_Request_Charge_Frameパケットの構造を示した図である。 本発明によるInteractive_Response_Charge_Frameパケットの構造を示した図である。 本発明による無線電力送信システムでのスタートポロジーを示した図である。

本発明の様々な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。下記の説明は、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なもの範囲内で定められるような本発明の実施形態の包括的な理解を助けるために提供するものであり、この理解を助けるために様々な特定の詳細を含むが、これは一つの実施形態にすぎない。従って、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、ここに説明する実施形態の様々な変更及び修正が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。

本発明は、２つの装置間の共振結合(resonant coupling)で動作する無線電力送信システムに関する。本発明による電力送信システムにおいて、電力を供給する装置は、電力送信プラットフォーム(Power Transmitting Platform)、すなわち送信機(Power Transmitter)として定義され、電力を受信する装置は、電力受信部(Power Receiving Unit)、すなわち受信機(Power Receiver)として定義される。以下では、説明の便宜のために、電力を供給する電力送信プラットフォームを‘送信機(transmitter)'とし、電力を受信する電力受信部を‘受信機(Receiver)'とする。

共振結合は、λ／２πの近距離範囲にある共振器間で発生し、本発明では、上記の共振結合現象を利用して送信機から受信機に無線電力が送信される。これによって、従来の送信機及び受信機に内蔵されていた電力ケーブルを使用しなくても、送信機は、受信機に電力を供給できるようになる。また共振結合現象を利用した無線電力送信システムは、既存の送信機及び受信機間の誘導結合(inductive coupling)に比べて、インピーダンスマッチング(impedance matching)のためのインピーダンスの配置が自由である。それだけでなく本発明による無線電力送信システムは、多重充電(multiple charging)が容易であり、複数個の受信機を一度に充電することによってユーザの便利を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態による無線電力送信システムの送信機及び受信機の構成を示したブロック図である。図１では、図示しないが、送信機１０は、少なくとも一つの受信機２０に電力をサービング(serve)、すなわち伝送することができる。
送信機１０は、Ｔｘ共振器(Resonator)１１及びＴｘマッチング回路(Matching Ｌ／Ｃ)１２、電力増幅器(Power Amplifier)であるＥ級増幅器(Class-E Amp)１３−１及びドライバー増幅器(Driver Amp)１３−２を含むＴｘ電力変換部１３、Ｔｘ通信部１４及びＴｘ制御部(MCU Control Unit)１５を含む。
送信機１０は、例えば、７−１５ＶのＤＣ電圧を出力するＤＣアダプター(Adaptor)であるシステムユニット(System Unit)３０から上記７−１５ＶのＤＣ電圧を受信する。ＤＣ電圧が入力されると、Ｔｘ制御部１５は、Ｔｘ電力変換部１３がＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換し、変換されたＡＣ電圧を増幅させるように制御する。一実施形態によれば、Ｔｘ制御部１５は、Ｔｘ電力変換部１３でのＡＣ電圧の増幅率を調節することができる。増幅されたＡＣ電圧は、Ｔｘ共振器１１によって受信機２０のＲｘ共振器２１に送信される。

Ｔｘ制御部１５は、送信機１０の全般的な動作を制御する。制御部１５は、システムユニット３０からＤＣ電圧を受信するように送信機１０を制御し、電力変換部１３を制御して増幅されたＡＣ電圧の倍率を調節する。また受信機２０の充電が完了した場合、これ以上の電力を受信機２０に送信しないように送信機１０を制御することができる。また、一実施形態によれば、Ｔｘ制御部１５は、Ｔｘマッチング回路１２のインピーダンスを調節することによって、送信機１０の電力送信をより円滑にすることができる。Ｔｘ制御部１５は、送信機１０から送信される電力と受信機２０に送信される電力とを比較して電力効率を計算することができる。計算された電力効率に基づいて、Ｔｘ制御部１５は、上記電力効率が最大になるようにＴｘマッチング回路１２のインピーダンスを調節することができる。

Ｔｘ通信部１４は、送信機１０の有線または無線通信を遂行する。Ｔｘ通信部１４は、受信機２０から電力供給要請を受信するか、または電力供給の中止要請を受信することができる。
Ｔｘ共振器１１は、受信機２０のＲｘ共振器(Resonator)２１とカップリングされＡＣ電圧を共鳴波で共振することによって受信機２０に電力を供給する。

受信機２０は、Ｒｘ共振器(Resonator)２１及びＲｘマッチング回路(Matching Ｌ／Ｃ)２２、ＡＣ／ＤＣ整流器(Rectifier)２３−１及びＤＣ／ＤＣコンバータ(Converter)２３−２を含むＲｘ電力変換部２３、Ｒｘ通信部２４及びＲｘ制御部(MCU Control Unit)２５を含む。
Ｔｘマッチング回路１２のインピーダンスとＲｘマッチング回路２２のインピーダンスがマッチングされると、Ｒｘ共振器２１は、送信機１０のＴｘ共振器(Resonator)１１とカップリングされ送信機１０からＡＣ電圧の供給を受ける。
Ｒｘ電力変換部２３は、Ｒｘ共振器２１を通じて受信したＡＣ電圧をＡＣ／ＤＣ整流器２３−１を通じてＤＣ電圧に変換する。またＲｘ電力変換部２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２を通じて上記変換されたＤＣ電圧を増幅させる。Ｒｘ電力変換部２３は、上記のように変換及び増幅されたＤＣ電圧を端末機４０に送信することによって、端末機４０が上記ＤＣ電圧を利用して駆動されるようにする。

Ｒｘ制御部２５は、受信機２０の全般的な動作を制御する。Ｒｘ制御部２５は、受信機２０と接続された端末機４０を駆動させるためのＤＣ電圧を伝達するように受信機２０を制御する。
Ｒｘ制御部２５は、Ｒｘ電力変換部２３を制御して増幅されるＤＣ電圧の増幅倍率を調節する。またＲｘマッチング部２２のインピーダンスを調節することによって、送信機１０のＴｘ共振器１１を通じて送信される電力をより円滑に受信することができるようにする。
Ｒｘ通信部２４は、受信機２０の有線または無線通信を遂行する。Ｒｘ通信部１３は、送信機１０から電力供給を要請するか、または電力供給中止を要請することができる。

本発明で、送信機１０は、複数の受信機２０に電力を供給することができる。このために送信機１０は、慎重に考慮されるべきいくつの設計パラメータを含む。上記設計パラメータのうち最も重要なことは、電力送信のための共振周波数を選択することである。これは、ＢＯＭ(bill of material)費用だけでなく、システム性能にも影響を及ぼす。また、送信機１０は、高効率で可変出力電力を受信機２０に提供するためにＴｘ共振器１１またはＥ級増幅器１３−１を含み、スイッチングモード電力供給(Switching Mode Power Supply；ＳＭＰＳ)と同じ方法を取ることができる。

(共振周波数の選択)
以下では、Ｔｘ共振器１１がＲｘ共振器２１と共振結合を実行できるようにするための共振周波数を送信機１０のＴｘ制御部１５が決定する方法に対して説明する。
一般的に無線電力送信システムでは高いインダクタンスと低い抵抗を有するフェライト(ferrite)及びインダクタ(inductor)が広く利用されたが、上記フェライト及びインダクタは、周波数が１０ＭＨｚ以上である場合には、費用(cost)が急激に増加される短所がある。それによって、本発明では、１０ＭＨｚ以下の共振周波数を使用して無線電力送信システムを具現するようにする。望ましくは、本発明による無線電力送信システムでは、６．７８ＭＨｚの周波数を用いて電力を送受信することができる。

一般的に、共振周波数が増加するほど、より高いＱ値(共振周波数の選択性を示す指標)を有する共振システムが容易に達成されることができる。特に、ＭＨｚ周波数の範囲では、６．７８ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ及び２７．１２ＭＨｚのようなＩＳＭ(Industrial Scientific Medical band)帯域周波数が共振周波数として望ましい。
効率的なＦＥＴ(field effect transistor)でのＣｏｓｓ(internal capacitance)値の設計のためには、高電力ＰＡ(power amplitude)が必要である。Ｃｏｓｓは、周波数値を減少させるので、低費用のＦＥＴに利用可能である。ＦＥＴの固有効率は、高周波数帯域よりも低周波数帯域でより良好であるので、６．７８ＭＨｚ周波数範囲の効率が２７．１２ＭＨｚの周波数範囲の効率よりも約３％程良い。

Ｔｘ共振器１１で誘導されるＡＣ電力は、受信機２０に含まれた電力ダイオード整流器、すなわちＡＣ／ＤＣ整流器２３−１に必要であり、周波数が高いほどＡＣ電力誘導の効率が低くなる。ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１に含まれたダイオードを利用して、受信機２０は、Ｒｘ共振器２１からＡＣ／ＤＣ整流器２３−１に伝送されるＡＣ電力を整流することができる。ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１に含まれたダイオードは、効率性は高いが、周波数特性を低下させることがある。特に自己発熱(self-heating)は、低周波数で増加する可能性があるので、自己発熱効果を考慮して元来周波数で約２−３ＭＨｚ以上の共振周波数を用いて共振結合を誘導することが安全である。結論的に本発明では、上記の条件を満足させるために一例として６．７８ＭＨｚ帯域の共振周波数を利用する。

本発明で使用するＴｘ共振器１１は、抵抗(resistor)、キャパシタ(capacitor)及びインダクタ(inductor)などの接続方式によって２タイプの共振器を考慮することができる。
まず、図２Ａは、抵抗(Ｒ)、キャパシタ(Ｃ)及びインダクタ(Ｌ)が直列で接続された直列共振器を示した回路図である。図２Ａのような直列共振器は、磁気双極子(magnetic dipole)を有する小さなループアンテナを有することが一般的である。
図２Ｂは、抵抗(Ｒ)、キャパシタ(Ｃ)及びインダクタ(Ｌ)が並列で接続された並列共振器を示した回路図である。図２Ｂのような並列共振器は、磁気双極子を有する小さなワイヤーアンテナを有することが一般的な特徴である。図２Ａまたは図２Ｂに示した直列共振器または並列共振器の共振周波数は、インダクタンス(Ｌ)によって調節されることができ、共振周波数の品質因子(quality factor)は、下記のような＜数式１＞で定義されることができる。

一方、無線電力送信が人体に及ぼす影響を最小化するためには、近距離に支配的磁場(dominant magnetic field)を有する直列共振器が適している。人体及び世界の大部分の物質が非磁気的な物質であるからである。
人工メタ物質送信ライン(Metamaterial Transmission Line：ＭＴＬ)を具現するために、送信機１０の送信ライン(図示せず)には、人工ビアホール(artificial via hole)、ギャップ(gap)及びスタッブ(stub)が上記送信ラインに追加されることができる。以下では、上記メタ物質送信ラインを用いてＴｘ共振器１１を設計する二つの方法に対して説明する。第１は、イプシロンネガティブ(epsilon-negative)ＭＴＬであり、第２は、ミューネガティブ(mu-negative)ＭＴＬである。

図３Ａは、イプシロンネガティブ回路を示した回路図であり、図３Ｂは、ミューネガティブ回路を示した回路図である。
図３Ａに示したように、イプシロンネガティブ(epsilion-negative：ＥＮＧ)送信ライン(Epsilon Negative Transmission Line)は、並列インダクタンス(Ｌ’_Ｌ)を送信ライン等価回路に追加することによって達成できる。
また図３Ｂに示したように、ミューネガティブ(mu-negative：ＭＮＧ)送信ライン(Mu-negative Transmission Line)は、直列キャパシタンス(Ｃ’_Ｌ，Ｃ’_Ｒ)を送信ライン等価回路に追加することによって達成できる。本発明によるＴｘ共振器１１が損失の少ない(lose-less)送信ラインであると仮定すると、送信ラインの伝播(propagation)定数(constant)は、
であり、ここで、Ｚ’とＹ’とは、各々単位長さのインピーダンス(impedance)とアドミタンス(admittance)である。伝播定数が計算されると、下記のような送信ラインの透磁率(permeability、μ)及び誘電率(permittivity、ε)が算出される。透磁率及び誘電率は、下記の＜数式２＞及び＜数式３＞で表すことができる。

上記の＜数式３＞から分かるように、ＥＮＧ送信ラインの透磁率(μ)は、常に正(positive)の値であるが、誘電率(ε)は、周波数によって０、負の値及び正の値であり得る。同様にＭＮＧ送信ラインは、ＥＮＧ送信ラインのように０、負及び正の透磁率値を有する。
それによってＥＮＧ及びＭＮＧ送信ラインの各々は、低周波数で終了(stop)帯域を有するようになる。終了帯域を有するようになることは、上記ラインそれぞれの周波数が増加しながら誘電率(ε)と透磁率(μ)が０になるからであり、各送信ラインの伝播定数が０になることができるからである。上記のように伝播定数が０になることによって、２つの送信ライン、すなわちＥＮＧ及びＭＮＧ送信ラインは、無限値の波長を有するようになる。
この時、Ｔｘ共振器１１の共振周波数は、下記の＜数式４＞に示したようである。

一般的に共振器の共振周波数は、共振器の大きさに依存するので、周波数を調整して小さな共振器を作ることが容易でない。図４は、共振周波数の特性を示したグラフである。図４を参照すると、ＥＮＧとＭＮＧの０次(zero-th order)共振を通じて共振器の大きさの制限無しで共振器を設計することができる。例えば、メタ物質共振器の共振周波数は、共振器の大きさと独立的であるので、小さな共振器を作って周波数を調整することが容易である。
一方、ＥＮＧ及びＭＮＧ送信ラインに従う共振器は、各々近距離で支配的な磁場を有する。その中でも近距離で支配的な磁場を有するＭＮＧ送信ラインに従う共振器は、他の物質、特に人体に及ぼす影響が少なくて無線電力送信システムに適している。

(ＭＮＧ(mu-negative)ＴＬ(Transmission Line)共振器)
メタ物質共振器の主要な長所は、共振周波数が共振器の実際の大きさに依存しないという点である。例えば、ヘリックス(Helix)共振器の場合、１０ＭＨｚを有する共振周波数を獲得するためには、０．６メートル直径の共振器が必要である。同様に螺旋型コイル構造の共振器の場合にも同じ直径の共振器が必要である。一般的に受信機の共振周波数を減少させるためには、共振器の大きさが増加されなければならない。上記のような短所は、携帯可能な無線電力送信システムを具現しようとする要求と一致しない。

図５は、メタ物質ＭＮＧ共振器(meta material MNG resonator)の一例を示した図である。
ＭＮＧ共振器は、ＭＮＧ送信ラインとキャパシタで構成される。本発明でキャパシタは、ＭＮＧ送信ラインの任意位置に配置され、電場は、上記キャパシタによりキャプチャーされる。また電流は、ＭＮＧ送信ラインを通じて流れる。共振器が波長よりもはるかに小さいと、電流は、ＭＮＧ送信ラインの位置に関わらず一定になる。したがって、電流方向により共振器の中央からｙ軸方向に磁場が強く形成されることができる。
図５に示したように、ＭＮＧ共振器は、一般的に３次元構造を有する。しかし、ＭＮＧ送信ラインをｘ−ｚ表面に配置すると、共振器が２次元構造を有することもできる。高効率のために、共振器は、非常に小さな抵抗(ohmic)損失を有する構造であることが望ましい。共振器が２次元構造を有する場合、それによる抵抗損失を減らすために共振器のｘ軸またはｚ軸方向に送信ラインの幅を増加させるか、並列構造共振器を利用することができる。

実際設計過程で、キャパシタ(capacitor)は、集中された(lumped)要素または分散された要素によりＭＮＧ送信ラインに挿入されることができるが、このキャパシタは、中央に高い誘電率ボード(board)を有するインターデジタルキャパシタ(inter-digital capacitor)またはギャップキャパシタ(gap captacitor)であり得る。ＭＮＧ送信ラインへのキャパシタ挿入は、共振器がメタ物質の特性を有することができるようにする。

共振周波数は、ＭＮＧ送信ラインの固定送信ライン長さとＭＮＧ共振器の共振器大きさでキャパシタンスを変更することによって達成されることができる。またＭＮＧ共振器は、フィードスルー(feed through)にマッチング装置(matching device)ｂ１を備えることが望ましい。マッチング装置ｂ１のループ大きさは、図５に示したように、調整可能でなければならない。マッチング装置のループ大きさを調整可能であれば、マッチング装置がＭＮＧ共振器との磁気結合の強さを調整することができる。コネクター(connector)に入力される電流(current)は、マッチング装置を通じてＭＮＧ共振器に流れる。

送信機１０及び受信機２０間の共振周波数をマッチングし、効率を増加させるために本発明による共振器では、内部ループ(inside loop)の最上のバー(bar)ｂ１を上下に動かすことができるようにする。図６は、本発明による２類型のＭＮＧ共振器の構造を示した図である。図６を参照すると、本発明による共振器では、内部ループの最上のバー(bar)ｂ１が上下に動くだけでなく、内部ループの左右バーｂ２、ｂ３各々が左右に動くことができる。

図７は、本発明によるＴｘ共振器の一例を示した図である。本発明による共振器も広いマッチング特性を達成することが望ましい。したがって、Ｔｘ共振器１１は、図７に示したようにクローバー(clover)の形態で具現されることができる。また本発明による共振器の機械的及び電気的パラメータは、下記の＜表１＞及び＜表２＞のようである。

(電力増幅器)
図８Ａ乃至図８Ｃは、Ａ級増幅器、Ｂ級増幅器及びＥ級増幅器の各々に含まれたトランジスタのドレインとソース間の電圧及び電流を示したグラフである。一般的に、増幅器の効率性は、主に上記トランジスタのドレインとソース間の電圧と電流の乗算(multiplication)で計算され得る電力損失によって低下する。
図８Ａ乃至図８Ｃを参照すると、理論的には、図８Ｃに示したＥ級増幅器で最大１００％の効率性が達成されることができる。従って、本発明では、Ｅ級増幅器１３−１を含むように送信機１０を設計する。

図９は、スイッチングタイプの電力増幅器(Power Amplifier)であるＥ級増幅器１３−１を示した回路である。また図１０は、図９のスイッチングタイプ電力増幅器でスイッチング動作を実行した時の電圧波及び電流波を示したグラフである。図１０に示したように、スイッチングタイプ電力増幅器であるＥ級増幅器１３−１は、スイッチング動作を遂行することによって電圧波及び電流波の重複(overlap)を除去することができ、それによってＥ級増幅器１３−１での電力損失が最小化されることができる。一実施形態によれば、図９のＥ級増幅器１３−１では、スイッチング区間の間にキャパシタ(Ｃ’ｓ)でのエネルギー損失を減らすために、０−電圧スイッチング(zero-voltage switching)、すなわち０電圧で上記スイッチングが発生することが望ましい。

図１１は、Ｅ級増幅器１３−１でＦＥＴのドレインとソース間の内部キャパシタンス(Ｃｏｓｓ)と外部シャントキャパシタンス(Ｃ’ｓ)間の電圧を示したグラフである。
図１１を参照すると、ＣｏｓｓとＣ’ｓの和は、Ｅ級増幅器１３−１の特徴的キャパシタンスとして、ＣｏｓｓとＣ’ｓの和の最適値(Ｃｏｐｔ)は、下記の＜数式５＞のＣｓから算出することができる。

しかし、＜数式５＞を利用するとしても、Ｖ_ＤＤの範囲でＣｏｐｔよりも小さなＣｏｓｓを有するＭＯＳＦＥＴを探すことが容易でない。
例えば、３７４ｐＦ及び１５ｐＦのＣｏｐｔは、１０Ｗの出力電力を有するＥ級増幅器１３−１を設計するためには、Ｖ_ＤＤが各々１０Ｖ及び５０Ｖであるべきである。しかし、通常的なＭＯＳＦＥＴは、各々１０Ｖと５０ＶのＶ_ＤＤに対して１１００ｐＦと２５０ｐＦのＣｏｓｓを有する。
このように、ＭＯＳＦＥＴのＣｏｓｓの値は、０−電圧スイッチング(Zero-Voltage-Switching；ＺＶＳ)動作を遂行する場合、Ｃｏｐｔの値よりも非常に大きい値を有する。従って、本発明では、通常的なＭＯＳＦＥＴよりもはるかに小さなＣｏｓｓを有する側面拡散金属酸化物半導体(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor；ＬＤＭＯＳ)の一つのタイプを利用した。

以下では、図９に示したＥ級増幅器１３−１に対して説明する。まず、ＲＦチョーク(Choke)インダクタのインダクタンスは、共振周波数で十分に大きくなければならなく、小さなＤＣＲ(direct conversion receiver)のインダクタが望ましい。ＦＥＴのブレークダウン電圧(breakdown voltage)は、下記の＜数式６＞により与えられるＦＥＴのソースでのピーク対ピーク電圧よりも大きくなければならない。またＣｏｐｔは、下記の＜数式７＞のようにＶ_ＤＤの代りにＶｐで表すことができる。またＲ_ＬｏａｄとＬ_Ｌｏａｄは、下記の＜数式８＞及び＜数式９＞により算出されることができる。

しかし、５０Ωで設計された共振器の特性インピーダンスは、負荷(load)インピーダンスと一致しない。またこのように特性インピーダンスと負荷インピーダンスが一致しないと、共振のためのマッチング回路を設計する時、Ｅ級増幅器１３−１波形の２番目及び３番目の高周波(harmonics)を除去しなければならない。それに従って、本発明では、図１２に示したようにＥ級増幅器１３−１と共振器との間にインピーダンスマッチング回路を挿入した。図１２は、本発明によるＴｘマッチング回路１２、すなわち上記インピーダンスマッチング回路の一例を示した回路図である。図１２に示したインピーダンスマッチング回路を通じて、本発明は、より高い効率のＥ級増幅器１３−１を達成することができる。図１２は、出力マッチング回路を示した回路図である。図１２の各構成要素の値は、下記の＜数式１０＞を通じて算出でき、特にインダクタンスＬ_ａｄｄの値は、＜数式１０＞により算出できる。

同じ方式で、本発明では、下記の＜数式１１＞に示したように電力増幅器の効率(Power Amplifier effiency：ＰＡＥ)を増加させるための入力マッチングが必要である。図１３は、入力マッチング回路を示した回路図である。図１２で、トランジスタのゲートに印加されるキャパシタンスをキャパシタＣ_ｉｓｓとする。共振入力駆動回路は、Ｃ_ｉｓｓの影響を除去するように設計される。

図１４は、上述したマッチング回路を含むＥ級増幅器１３−１の最終等価回路を示した回路図である。図１４の回路に含まれたそれぞれの構成要素は、例えば、下記の＜表３＞に示した値を有することができる。図１５は、本発明によって製造されたＥ級増幅器１３−１のプロトタイプを示した図である。

(電力追跡ＳＭＰＳ(Power Tracking ＳＭＰＳ))
図１６は、一般的な送信機１０を示したブロック図である。図１６を参照すると、送信機１０は、ＲＦ信号生成器(ＲＦ Signal Generator)、可変利得増幅器(Variable Gain Amplifier)、電力増幅器(Power Amplifier)を含み、システムユニット３０、例えば、ＳＭＰＳから固定電圧の供給を受けることができる。
送信機１０のＴｘ制御部１５は、受信機２０から要求される出力電力を合せるためにＥ級増幅器１３−１の入力レベルを調整する。スイッチングモード電力供給(Switching Mode Power Supply；ＳＭＰＳ)から出力される固定電圧(fixed supply voltage)は、電力増幅器(Power Amplifier)に提供される。送信機１０の最大効率は、一般的に最大出力電力の領域近くで獲得される。また低出力電力の領域で送信効率が急激に落ちる問題点がある。

上記の問題を克服するために、本発明では、送信機１０が図１７に示したように出力電力の全ての範囲にかけて高い効率を維持するように電力追跡(Power Tracking)ＳＭＰＳを含むことができる。図１７を参照すると、送信機１０は、ＲＦ信号生成器(ＲＦ Signal Generator)、可変利得増幅器(Variable Gain Amplifier)、Ｅ級電力増幅器(ＰＡ：Power Amplifier)を含み、電力追跡ＳＭＰＳから固定電圧の供給を受けることができる。送信機１０の出力電力は、送信機１０から電力の供給を受ける受信機２０の数によって変化する。

図１８は、図１７に示した電力追跡ＳＭＰＳの構成を示したブロック図である。
図１８を参照すると、電力追跡ＳＭＰＳは、整流器(Rectifier)及びＤＣ／ＤＣコンバータを含むことができる。図１８を参照して説明すると、６０Ｈｚの２２０Ｖ直流電圧は、整流器(Rectifier)に入力されて交流電圧に変換される。変換された交流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータに入力されてさらに直流電圧に変換され出力される。図１８でＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電圧がＶ_ＤＤとして５−２５Ｖである。

図１９は、本発明による送信機１０での６．７８ＭＨｚ周波数を発生させるための周波数発生器の構成を示したブロック図である。図１９を参照すると、周波数発生器は、ＰＬＬ(phase locked loop)ブロック、ローパスフィルター(ＬＰＦ：low pass filter)、ドライバー(driver)を含む。ＰＬＬブロックで発生する電力信号の周波数は、Ｔｘ制御部１５で送信されたＰＬＬ_cont信号により制御される。ＰＬＬブロックで発生されたＲＦ信号は、高周波と雑音を減らすために１０ＭＨｚ遮断(cut-off)周波数を有するＬＰＦによりフィルタリングされる。フィルタリングされたＲＦ信号は、ドライバーに入力される。この時、ドライバーには、電力増幅器、すなわちＥ級増幅器１３−１が充分な電力を出力するように充分の電流が提供されることができる。

(電力送信システムにおける送信機または受信機の保護方法)
本発明による電力送信システムは、送信機１０と受信機２０間の共振現象を利用して電力を送受信する。しかし、電力送信システムの共振周波数は、望まぬ事故(unwanted accident)や正常でない動作の影響を受けて上記電力送信システムが致命的問題に陥るようにすることもある。例えば、不適切な物体の流入や送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド(図示せず))上の誤配置(misplacement)により結合特性が変更され、電力送信の効率性が低下されることがある。送信機１０は、出力電力を維持するために入力電力を増加させなければならないので、電力増幅器、すなわちＥ級増幅器１３−１に含まれたトランジスタの駆動電圧が増加されなければならない。駆動電圧が増加すると、上記トランジスタがブレークダウン電圧に達することもある。その結果、上記トランジスタで増加された電圧が過電圧、過電流及び過温度を誘発させて送信機１０に深刻な問題点をもたらすことがある。従って、本発明では、電力送受信システムを保護するためのシステム保護機能を提供する。

図２０は、本発明による送信機における過電圧保護回路の一例を示した回路図であり、図２１は、過電圧保護回路の基本的な動作原理を示すための回路である。
図２１を参照してＦＥＴドレインのＤＣバイアス電圧と共振器のＡＣ出力電圧を説明する。ＤＣバイアス電圧及びＡＣ出力電圧は、高いインピーダンス抵抗分割器により電力増幅器の性能損失を起こさないでサンプリングされる。共振器電圧モニタリングの場合、ＡＣサンプリングされた出力電圧は、半波整流器(half rectifier)により整流されＤＣ電圧に変換される。２つのモニタリングされた電圧、すなわちＤＣバイアス電圧及びＡＣ出力電圧の値は、Ｔｘ制御部１５に送信される。この時、モニタリングされた電圧レベル、すなわちＤＣバイアス電圧またはＡＣ出力電圧の電圧レベルが各臨界値よりも大きい場合、保護が必要である。過電圧保護(over-voltage protection：ＯＶＰ)のために、Ｔｘ制御部１５は、ＦＥＴのドレインバイアス電圧を減らすための制御信号をＳＭＰＳに送信する。送信機１０は、モニタリング電圧レベルを再充電し始め、これらが各臨界値を超過するかをモニタリングする。過電圧が再度発生すると、Ｔｘ制御部１５は、送信機１０の動作を終了(shut-down)させることができる。

図２２は、本発明による送信機での保護回路の別の例を示した回路図である。
図２２に示した回路は、過電流から回路を保護するための保護回路の一例である。電力装置、すなわち送信機１０は、オン抵抗(on-resistance)を有するので、上記電力装置がスイッチとして動作する高効率電力増幅器といってもスイッチ−オン状況(regime)では、上記電力装置に小さな電圧が印加される。このように電力装置、すなわち送信機１０に印加される電圧の電圧レベルは、送信機１０に流れる電流レベルに比例する。したがって、送信機１０に印加された電圧のレベルは、過電流が流れる時に増加する。送信機１０の電源が入る電源オン状態での電圧レベルを測定すべきであるので、本実施形態では、上記電圧レベルを検出するためのスイッチが含まれて設計されることができる。スイッチは、入力信号と同期化されたパルスにより制御され、ヒステリシス(hysteresis)を有する比較装置(図示せず)により望ましいパルスオン／オフ時間を制御することができる。この時、上記比較装置は、Ｔｘ制御部１５に含まれる形態で具現されることができる。

オンモード(on-mode)で、抵抗は非常に小さいので、上記スイッチの出力電圧レベルも低い。従って、本実施形態では、上記スイッチの出力電圧を増幅させるための増幅器をさらに含むことができる。増幅器を通じて増幅された信号、すなわちスイッチの出力電圧を用いて、Ｔｘ制御部１５は、回路の保護が必要であるか否かを決定する。送信機１０のピーク電流レベルが増加すると、増幅器を通じて増幅された信号、すなわち、スイッチの出力電圧のピーク電圧も増加するので、Ｔｘ制御部１５は、適切なヒステリシス臨界レベルを設定して保護レベルを設定することができる。

図２３は、本発明による送信機での保護回路のさらに別の例を示した回路図である。
図２３に示した回路は、過温度保護回路を示した回路図である。図２３を参照すると、回路は、ＦＥＴスイッチ近くの温度センサー(例えば、サーミスタ(thermistor))を具備して送信機１０の過温度を検出する。一実施形態によれば、上記温度センサーとしてＴＭＰ３０２Ｂシリーズ温度センサースイッチを利用することができる。ＦＥＴスイッチ周辺の温度が予め設定された特定温度まで上昇すると、温度センサースイッチの出力は、ハイレバルからローレベルに転換される。このように、温度センサースイッチの出力がローレベルになれば、Ｔｘ制御部１５は、過温度が発生したことを認知する。Ｔｘ制御部１５は、アイドルモード状態電圧(idle mode state voltage)としてＦＥＴに印加される命令に該当する電圧Ｖ_ＤＤにＳＭＰＳ制御信号を適用して送信する。ＦＥＴに印加される電圧が減少すれば、Ｔｘ制御部１５は、上記過温度を減らしながら送信機１０を保護することができる。

一実施形態によれば、送信機１０以外の他の混入物体が現れることもある。送信機１０以外の他の混入物体が無線電力送信システムのＴｘ共振器１１に現れて、Ｔｘ共振器１１を通じてＴｘ電力が受信機２０に送信されていると仮定する。このように電力が送信されている時、送信機１０に渦流(Eddy current)が発生して金属の表面温度が上がってシステムに損傷を与える。
送信機１０は、上記渦流が発生するようになった原因となる物質、すなわち金属混入物体が外部物体であるか、またはＲｘ共振器２１であるか否かを判断して電力送信を制御すべきである。特定混入物体がＴｘ共振器１１に現れると、上記混入物体によって送信機１０内部の電圧または電流が可変(varying)共振インピーダンスによって変更されることがある。上記可変共振インピーダンスの変化を認識すると、送信機１０は、受信機２０に上記インピーダンスの変化を知らせるための制御信号を送信する。

受信機２０は、送信機１０から転送された制御信号及び電力、例えば、電気信号を受信する。しかし、上記混入物体が金属混入物体の場合、送信機１０は、制御信号を送信できない。送信機１０のＴｘ制御部１５は、Ｔｘ共振器１１上に配置された混入物体が受信機２０であるか、または他の物体であるかを判断することができる。
一実施形態によれば、電力送信システム１のＱ値と共振周波数は、特にＴｘ共振器１１に含まれた共振コンダクタ周囲の電磁気場を妨害する金属に容易に影響を受けてしまう。送信機１０のＴｘ共振器１１の場合、電磁気場の妨害は、Ｔｘ共振器１１の性能を非常に悪化させる。したがって、送信機１０に対する外部環境の影響を最小化するために、電磁気遮蔽技術を送信機１０または受信機２０に具現することが望ましい。

(電力送信効率(Power Transfer efficiency：ＰＴＥ))
以下では、本発明による電力送信システムにおける送信機１０の性能を確認するために、上述したＥ級増幅器１３−１である電力増幅器(Power Amplifier)、ＳＭＰＳ及びＴｘ共振器１１に対するシミュレーションに対して説明する。
図２４は、本発明による電力送信システムにおける送信機１０から送信されるＤＣ電力に対してＤＣ電力を受信する受信機２０のＤＣ電力を割合で示した図である。送信機１０が受信機２０に送信する電力を‘ＤＣ送信電力'とし、受信機２０が上記ＤＣ送信電力の中で実際に受信する電力を‘ＤＣ受信電力'とする。

送信機１０の送信機電子効率(Transmitter electronic efficiency；ＴＥＥ)は、ＳＭＰＳから送信機１０に入力されるＤＣ入力(ＴｘＤＣ input)に対する送信機１０のＡＣ出力(ＡＣ output)の割合として定義され得る。下記の＜数式１２＞は、送信機電子効率を求めるためのものである。
共振結合効率(resonance coupling efficiency；ＲＣＥ)は、Ｔｘ共振器１１とＲｘ共振器２１間の共振結合、すなわちＴｘ共振器１１から出力されるＡＣ電力(ＴｘＡＣ)及びＲｘ共振器２１に入力されるＡＣ電力(ＲｘＡＣ)の割合として定義され得る。下記の＜数式１３＞は、共振結合効率を算出するためのものである。受信機電子効率(receiver electronic efficiency；ＲＥＥ)は、受信機２０から入力されるＡＣ電力(ＲｘＡＣ input)と、受信機２０から出力されるＤＣ電力(ＤＣ output)の割合として定義され得る。＜数式１４＞は、受信機電子効率を求めるためのものである。電力送信効率(Power Transfer efficiency；ＰＴＥ)は、下記の＜数式１５＞に示したように、ＴＥＥ、ＲＣＥ及びＲＥＥの乗算関数である。

送信機１０の具現結果として電力増幅器、すなわちＥ級増幅器１３−１が８８％の効率を有するとしても、依然として若干の損失が発生する。図２５は、送信機１０に発生する損失を説明するための回路図である。
入出力キャパシタンスは、共鳴ゲート派生値(resonant gate derive)とＺＶＳ(zero-voltage switching)によって除去されるが、図２５に示したようにチョークインダクタ(Lchoke)のＤＣＲ、トランジスタのドレイン及びソース間の抵抗Ｒ_ＤＳ、インダクタ(Ｌ)のＥＳＲ(electron spin resonance)による損失は除去されない。図２５は、電力増幅器で発生する残余(remaining)損失を説明するための回路図であり、下記の＜表４＞は、Ｑ値であるＬ_Ｔに対応する電力増幅器(Power Amplifier；ＰＡ)、すなわち、Ｅ級増幅器１３−１の効率を示したものである。

Ｒ_ＤＳだけを考慮すれば、Ｅ級増幅器１３−１の効率は、９５％までの効率性を有することができる。しかし、ＥＳＲ(electrical series resistance)を含むと、約８６％までの効率性を達成することができる。電力増幅器の効率性をさらに増加させるために、Ｑ値
に従う電力増幅器の効率性変化を確認することができる。
Ｑ値が高いほど電力増幅器が高い効率性を有することができる。薄い厚さ(１５ｍｍ以下)を維持しながら直列インダクタのＱ値を増加させるためには、図２６のように高いＱ値のインダクタを並列で接続することができる。図２６は、Ｑ値を高めるためにインダクタＬ_Ｐ１、Ｌ_Ｐ２、Ｌ_Ｐ３を並列で接続させた回路である。図２６のようにインダクタＬ_Ｐ１、Ｌ_Ｐ２、Ｌ_Ｐ３を並列で接続すると、ＥＳＲを減らし、Ｑ値を約５程度増加させることができる。図２７は、電力増幅器の効率別出力電力のレベルを示したグラフである。

図２６のような並列インダクタＬ_Ｐ１、Ｌ_Ｐ２、Ｌ_Ｐ３を電力増幅器に適用すると、ＥＳＲによる損失が減少させ、上記電力増幅器の効率性が８８％から８９％まで増加することができる。
一方、Ｅ級増幅器１３−１は、ＳＭＰＳの観点で１６Ωの負荷として見なされるので、出力負荷１６Ωインピーダンスを有する出力電力によってＳＭＰＳの効率を推定することができる。例えば、ＳＭＰＳは、９Ｖの電圧が入力される低モード(low mode)動作構造では、約６７％の効率を有する。またＳＭＰＳは、１５Ｖが入力される高モード(high-mode)動作構造では、８０％ＳＭＰＳ効率を有することができる。
下記の＜表５＞は、出力電力(Ｖ_ＤＤ)に従うＳＭＰＳの効率を示したものである。

図２８は、６．７８ＭＨｚの周波数発生器と電力増幅器を含む送信機１０の効率を測定するための回路を示した回路図であり、図２９は、図２８の電力増幅器で発生する高周波の振幅を示したグラフである。
図２８に示した回路図は、３−１０Ｗの出力電力範囲内で約６５％の効率を有する。図２９は、図２８の回路で中央周波数が６．７８ＭＨｚである時、上記６．７８ＭＨｚの中央周波数の２倍乃至３倍の周波数を有する出力高周波の振幅を示している。上記出力高周波は、第２の高周波で−５２．５１ｄＢｃであり、第３の高周波では、−３５．２９ｄＢｃである。

上述したように、本発明による送信機１０は、低モード動作領域(９Ｖ入力電圧)では、約６７％のＳＭＰＳ効率を有し、高モード動作領域(１５Ｖ入力電圧)では、約８０％のＳＭＰＳ効率を有することができる。このように、現在の送信器１０では、二つの動作モード、すなわち低／高モード動作が存在する。＜表６＞は、本発明による上記低モードまたは高モードに従う送信機１０上の入力電圧、入力電流、入力電力を示した表である。

送信機１０及び受信機２０の共振器１１、２１の両方で、総電気直列抵抗(electrical series resistance；ＥＳＲ)値を減らすために、単一キャパシタを利用する代わりに、複数のキャパシタを並列で接続する。受信機２０の場合、並列コンダクタの構造は、コンダクタの抵抗を減らすのに利用されることができる。送信機１０及び受信機２０の共振器１１、２１の大きさ及び特性は、＜表７＞のようである。ｆ０は、共振器１１、２１の共振周波数である。３ｄＢ帯域幅のｆ０の場合、下部及び上部周波数を各々ｆ１及びｆ２として定義する。この時、送信機１０及び受信機２０のＱ値は、各々約‘〜９００'及び‘〜２００'である。Ｑ因子は、受信機２０が設置される装置のうち、受信機２０がＲｘ共振器２１上に置かれる時に、測定されることができる。

図３０Ｂは、移動通信端末機(mobile communication terminal)に挿入されることができる受信機２０でのＲｘ共振器２１の一例を示した図である。図３０Ｂを参照すると、遮蔽シート(shield sheet)(μ＝１３０、μ''＝１．１５、誘電損失(loss tangent)＝０．００８８４)は、Ｒｘ共振器２１の下に配置される。マスキング剤(masking reagent)の大きさは、受信機２０のＲｘ共振器２１よりも２ｍｍ大きい‘７４ｍｍ×４４ｍｍ'であり得る。またマスキング剤の厚さは、１ｍｍで設定されることができる。
移動通信端末機の充電の場合、送信機１０及び受信機２０がパッキングされる時、送信機１０及び受信機２０間には、３ｍｍ以上の送信距離を置いて結合特性及び送信効率が測定されることが望ましい。また移動通信端末機は、通信モジュール、整流器及びマッチング回路を上記移動通信端末機内に挿入する形態で具現されることができる。

図３１は、受信機２０がシングル受信機である場合の結合特性及び送信効率を測定するための測定セットアップを示した図である。６．７８ＭＨｚの信号ソース及び電圧Ｖ_ＤＤ及び電流Ｉ_ＤＤが印加されるＥ級増幅器１３−１と接続されたＴｘ共振器１１にＲｘ共振器２１が結合される。Ｒｘ共振器２１には、Ｒｘマッチングネットワーク(Ｒｘ matching network)であるＲｘロード(load)及び電気的ローダー(electrical loader)が接続される。このような構成要素は、図３２に示したように移動通信端末機に挿入されることができる。

図３２は、Ｒｘ共振器２１での入力される信号を測定する測定領域を示した図である。Ｒｘ共振器２１での共振強度を測定するために、Ｒｘ共振器２１は、図３２のように対称的な部分を除外した９個の領域(１〜９)で分かれた後に２つに分割されて測定されることができる。移動通信端末機の大きさと上記移動通信端末機内に設置されたＲｘ共振器２１の位置を考慮すれば、領域５、７及び８は、受信機２０のＲｘ共振器２１が位置できる中央位置に該当する。下記の＜表８＞は、Ｒｘ共振器２１でのシミュレーションされた効率、測定された効率及び電力増幅器の効率を考慮したＤＣ／ＤＣ変換効率を示した図である。単一受信機２０の場合、効率分散は、７４．３５％〜９１．８３％として測定される。

図３３は、受信機２０が複数である場合、すなわちマルチ受信機である場合に受信機２０の各々に含まれたＲｘ共振器２１に入力される信号を測定する測定領域を示した図である。図３３を参照すると、図３３に示した測定領域では、３つの受信機が対称的に及び非対称的に位置する時の測定位置を示している。図３３で、Ｔは、送信機１０に含まれたＴｘ共振器１１の最上位位置であり、Ｃは中央、Ｂは最下位を示すと仮定する。図３３では、Ｔｘ共振器１１を基準にしてＴ１に位置した移動通信端末機、Ｂ２に位置した移動通信端末機及びＣ３に位置した移動通信端末機を示している。図３３では、測定領域のうち、中央からエッジへの位置は、数字０から７で表した。
下記の＜表９＞は、マルチ受信機である場合の各測定領域での受信機２０の電力受信効率及び電力分布を示したものである。

＜表９＞から分かるように、対称となるマルチ受信機の場合のシミュレーション及び測定効率は、各々８１．１１％〜９０．５３％及び８０．２４％〜８８．１％であり、これらは、約８％以下の差を有する。＜表９＞に示したように、電力は、２つの受信機２０によく分散されている。非対称となるマルチ受信機の場合でも、電力が受信される総効率は、８４％〜８６．５９％として測定され、電力は、２つの受信機２０によく分散されていることが＜表９＞から分かる。

(受信機(Receiver))
以下では、２つの共振器、すなわち送信機１０のＴｘ共振器１１及び受信機２０のＲｘ共振器２１間の近距離磁気誘導(near-field magnetic induction)に基づいた電力送信システムを説明する。本発明による受信機２０は、図１に示したようにＲｘ共振器２１、ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２、Ｒｘ通信部２４及びＲｘ制御部２５を含み、保護回路をさらに含むことができる。

(受信機のＲｘ共振器)
本発明の一実施形態によれば、Ｒｘ共振器２１は、ミューネガティブ送信ライン(mu-negative Transmission Line)共振器で具現されることができる。銅で作られたＭＮＧ ＴＬ共振器は、直列キャパシタを有する内部ループ(inside loop)及び外部ループ(outside loop)で構成される。それによってＭＮＧ ＴＬ共振器は、より良好な共振効率のために内部ループ位置を移動させてマッチング特性を制御することができる。
またＭＮＧ ＴＬ共振器に含まれた数十個の直列キャパシタが低い等価直列抵抗のために利用されることができる。送信機１０のＴｘ共振器１１のように、受信機２０のＲｘ共振器２１も人体の影響を避けるために近距離に支配的な磁場を有する双極子(dipole)を有することが望ましい。また、キャパシタンス値を通じて周波数を容易に調整することができる直列共振が受信機２０のＲｘ共振器２１に利用される。

図３４は、本発明によるＲｘ共振器２１で具現されることができるＭＮＧ ＴＬ共振器を示した図である。図３４のＭＮＧ ＴＬ共振器は、共振周波数をマッチングし共振効率を増加させるために、‘内部ループ'の最上位部分を上下に動かすことができる。
下記の＜表１０＞には、ＭＮＧ ＴＬ共振器に対するパラメータが列挙されている。また図３５は、本発明によるＲｘ共振器２１として具現されたＭＮＧ ＴＬ共振器を示した図である。

(受信機のＡＣ／ＤＣ整流器)
１ＭＨｚまたはより高いＲＦ(radio frequency)帯域でＡＣ／ＤＣ整流器２３−１が９０％以上の効率を有するようにするためには、基本的にＡＣ／ＤＣ整流器２３−１に含まれるダイオードがショットキーダイオード(Schottky Diode)であることが望ましい。ショットキーダイオードは、電荷が多数のキャリアにより伝えられるので、少数キャリアによる電荷蓄積がなくて低い降下電圧と速い速度を有する。したがって、１ＭＨｚ〜１５ＭＨｚのＲＦ帯域で共振タイプの無線電力受信は、低い降下電圧を有するショットキーダイオードを利用することが望ましい。

図３６は、ショットキーダイオード及び前記ショットキーダイオードの等価回路を示した図である。ショットキーダイオードは、アイドルダイオード(ideal diode)ターンオンに必要な電圧Ｖｏｎと、ショットキーダイオードに印加される電流によって特性が変わる抵抗Ｒｏｎで構成されることができる。製造会社及び製造工程によって多様なショットキーダイオードが具現されることができる。本発明による高効率整流器回路を設計するためには、特定電流レベルで特定値以下の降下電圧を有するショットキーダイオードを選択することが望ましい。

図３７Ａ及び図３７Ｂは、電力送信システムで使用することができるショットキーダイオードの電流レベル及び電圧レベルを示したグラフである。この時、図３７Ａのショットキーダイオード(以下、第１のショットキーダイオード)と図３７Ｂのショットキーダイオード(以下、第２のショットキーダイオード)は、それぞれ異なる会社で製造されたものである。
図３７Ａ及び図３７Ｂを参照すると、電流レベルが増加しながら、降下電圧も増加する。図３７Ａは、第１のショットキーダイオードの曲線ｆ_０を示している。図３７Ａを参照すると、電流が０．５Ａであれば、第１のショットキーダイオードの降下電圧は、０．４８Ｖとなる。図３７Ｂは、第２のショットキーダイオードの曲線ｆ_０を示している。第２のショットキーダイオードの場合、０．５Ａの電流が流れれば、第２のショットキーダイオードでの降下電圧は、０．３Ｖである。

図３８は、全波(full-wave)ブリッジダイオード整流回路を示した回路図である。全波ブリッジダイオード整流回路は、一つの経路当たり２個のダイオードを有するので、第１のショットキーダイオードを利用して具現すれば、０．５Ａの電流が流れる時、降下電圧は、‘２×０．４８＝０．９６Ｖ’になる。したがって、第１のショットキーダイオードで消費される電力は、‘０．９６Ｖ×０．５Ａ＝０．４８Ｗ'である。負荷で２．５Ｗ電力が消費され、受信機２０の効率が８０％と仮定すれば、入力ＲＦ電力は、‘２．５−０．８＝３．１２５Ｗ'であるから、第１のショットキーダイオードを使用した全波ブリッジダイオード整流回路の最終効率は、下記の＜数式１６＞のようである。

第２のショットキーダイオードを用いて全波ブリッジダイオード整流回路を具現することもできる。第２のショットキーダイオードを利用した場合、第２のショットキーダイオードに電流０．５Ａが流れれば、第２のショットキーダイオードでの電圧降下は‘２×０．３＝０．６Ｖ’になる。したがって、第２のショットキーダイオードで消費される電力は、‘０．６Ｖ×０．５Ａ＝０．３Ｗ'である。負荷で２．５Ｗ電力が消費され、受信機２０の効率が８０％と仮定すれば、入力ＲＦ電力は、‘２．５−０．８＝３．１２５Ｗ'であるから、全波ブリッジダイオード整流回路の最終効率は、下記の＜数式１７＞のようである。

上記の＜数式１６＞及び＜数式１７＞を通じて９０％以上の効率を有する全波ブリッジダイオード整流回路を具現しようとする場合には、第２のショットキーダイオードを使用することが望ましいことが分かる。

図３９及び図４０は、信号発生器を用いて全波ブリッジ整流回路をテストする回路図である。信号発生器(signal generator)を用いて全波ブリッジ整流回路をテストする場合、図３９に示したように信号発生器からの信号が全波ブリッジ整流回路の接地に接続され、差動信号の役割を遂行することができない。したがって、全波ブリッジ整流回路をテストする時には、バラン(Balun)のようなジグ(Zig)測定部が必要である。図４０は、上記ジグ測定部を含めた全波ブリッジ整流回路を示す。

図４１Ａ及び図４１Ｂは、異なる会社で製造されたデュアルダイオードの電圧レベル及び電流レベルを示したグラフである。図４１Ａのデュアルダイオードを‘第１のデュアルダイオード'とし、図４１Ｂのデュアルダイオードを‘第２のデュアルダイオード'とする。第１及び第２のデュアルダイオードは、並列ダイオードすなわちデュアルダイオードを利用して電流を２つの経路で分離することによって降下電圧を減少させるものである。

第１のショットキーダイオードの場合、電流が０．５Ａである時、第１のショットキーダイオードの降下電圧は、０．４８Ｖである。またデュアルダイオード全波ブリッジ整流回路で０．２５Ａの電流が各経路に印加される時、二つのダイオードが並列で接続された第１のデュアルダイオードを利用すると、各ダイオードに対する降下電圧は、０．４Ｖとなる。デュアルダイオード全波ブリッジ整流回路の各経路に直列で接続された２個のダイオードが存在するので、総降下電圧は、２×０．４＝０．８Ｖである。したがって、ダイオードの電力消費は、‘０．８Ｖ×０．５Ａ＝０．４Ｗ'である。負荷で２．５Ｗ電力が消費され、受信機２０の効率が８０％と仮定すれば、入力ＲＦ電力は、‘２．５−０．８＝３．１２５Ｗ’であるから、第１のデュアルダイオードを使用するデュアルダイオード全波ブリッジ整流回路の全体効率は、下記の＜数式１８＞のようである。

また、第２のショットキーダイオードの場合、電流が０．５Ａであれば、第２のショットキーダイオードの降下電圧は、０．３Ｖとなる。またデュアルダイオード全波ブリッジ整流回路の各経路で０．２５Ａの電流が流れる時、第２のデュアルダイオードを利用すると、各ダイオードに対して降下電圧は、０．２６Ｖとなる。デュアルダイオード全波ブリッジ整流回路の場合、各経路に直列の２個のダイオードが存在するので、総降下電圧は、‘２×０．４×０．２６＝０．５２Ｖ’になる。したがって、ダイオードの電力消費は、‘０．５２Ｖ×０．５Ａ＝０．２６Ｗ’である。負荷で２．５Ｗ電力が消費され、受信機２０の効率が８０％と仮定すれば、入力ＲＦ電力は、‘２．５−０．８＝３．１２５Ｗ’であるから、第２のデュアルダイオードを使用するデュアルダイオード全波ブリッジ整流回路の全体効率は、下記の＜数式１９＞のようである。

上記から分かるように、デュアルダイオードを使用して整流器が設計される場合、整流器の効率は、２〜３％増加する。第１のショットキーダイオードを並列で３個接続した並列ダイオードを利用すると仮定する。第１のショットキーダイオードの場合、０．５Ａの電流があれば、第１のショットキーダイオードの降下電圧は、０．４８Ｖになる。全波ブリッジ整流回路の各経路で０．１７Ａの電流が流れる時、３個の並列ダイオードを利用すると、各ダイオードに対して降下電圧は、０．３８Ｖになるので、全波ブリッジ整流回路の全体効率は、下記の＜数式２０＞のようである。

また第２のショットキーダイオードを並列で三つ接続した並列ダイオードを利用すると仮定する。０．５Ａの電流があれば、第２のショットキーダイオードの降下電圧は、０．３Ｖになり、全波ブリッジ整流回路の各経路で０．１７Ａ電流が流れる時、３個の並列ダイオードを利用すると、各ダイオードに対する降下電圧は、０．２５Ｖになるので、全波ブリッジ整流回路の全体効率は、下記の＜数式２１＞のようである。

上記のように、３個の第１または第２のショットキーダイオードを並列で接続した並列ダイオードを利用すると、デュアルダイオードの場合に比べて効率が０．４〜０．６％だけ増加される。したがって、チップ大きさと費用増加を考慮する時、３個の並列ダイオードを利用することは、非効率的である。しかし、上記で列挙した値は、理想的な状態に該当するものとして、実際測定では、多くの寄生的因子を考慮すべきである。それによって３個の並列ダイオードを使用する全波ブリッジ整流回路の全体効率は、上記で列挙した値と異なることがある。

一方、ＭＯＳトランジスタを用いる活性整流器は、ＲＦＩＤ(radio frequency identification)のような無線電力送信システムで電力効率を増加させるために使用される。ＲＦＩＤのみが最大数十のｍＷ電力を必要とするので、無線電力送信システムとは、大きい電力差が存在する。しかし、出力電力大きさを除外すれば、ＭＯＳトランジスタを有する活性整流器の長所は、無線電力送信システムにも適用されることができる。ＭＯＳトランジスタを有する活性整流器は、２つのカテゴリーに分割されることができる。一つは、ＭＯＳトランジスタをダイオード接続として利用するものであり、もう一つは、ＭＯＳトランジスタをスイッチとして利用するものである。ダイオード接続を有するＭＯＳトランジスタを利用する場合、通常的なダイオードが整流器に利用される時と同一の問題が発生する。したがって、電力効率を増加させるためには、ＭＯＳトランジスタがスイッチとして利用されることが望ましい。

図４２は、ＭＯＳトランジスタをスイッチとして利用する全波活性整流器の一例を示した回路図である。Ｖ_ｉｎが｜Ｖ_ｔｐ｜よりも大きいか、−｜Ｖ_ｔｐ｜よりも小さいと、Ｖ_ｏｕｔに対して電力供給を準備するためにＭ_ｐ１とＭ_ｐ２がターンオンされる。Ｖ＝０と仮定すれば、Ｖ_ｉｎは、０Ｖよりも大きく、電圧は時間によってますます大きくなる。Ｖ_ｉｎが｜Ｖ_ｔｐ｜よりも大きくなると、Ｍ_ｐ１は、ターンオンされる。Ｖ_ｉｎは、０Ｖよりも大きいので、Ｖ_ｉｎ２は、０Ｖよりも小さくなってＣＭＰ２の出力がハイ(HIGH)になり、Ｍｎ２は、ターンオンされる。
この時、Ｖ_ｉｎが時間によって減少すると仮定する。Ｖ_ｉｎは、減少し、Ｖ_ｉｎ２が０Ｖよりも小さくなると、Ｍ_ｎ２は、ターンオフされなければならないが、ＣＭＰ２の出力が０Ｖになるためには、制限された時間が必要である。一方、Ｍ_ｐ１及びＭ_ｎ２は、両方ともターンオンされる。Ｖ_ｉｎは、既にピーク値から減少しているので、Ｖ_ｏｕｔよりも小さな電圧を有する。

それによって、電流はＶ_ｏｕｔからＶ_ｉｎに流れて逆漏れ電流が発生する。逆漏れ電流の発生は、電力効率を深刻に減少させる問題を発生させることがある。上記の問題を解決するために、Ｖは、０Ｖよりも高く設定されてＭ_ｎ２(Ｍ_ｎ１)がまずシャットオフ(shut-off)されなければならない。このような方式は、電力効率を増加させることができるが、このような方式を無線電力送信システムに適用させるには、多くの制限がある。無線電力送信システムから受信された電圧の振幅は、多様な状況で異なるので、逆漏れ電流を除去するためには、異なるＶ値を設定することが望ましい。

共振整流器は、整流器の電力効率を増加させるために利用される。Ｅ級整流器は、共振整流器の普遍的なタイプであり得る。共振整流器は、送信側のＥ級増幅器１３−１と類似の概念で理解することができる。特定の周波数で共振条件を満足させるために共振整流器の入力インピーダンスを設定しなければならない。入力インピーダンスを設定するためにインダクタが必要であるが、移動システムの場合、インダクタを利用すると、インダクタの大きさがＭＨｚ帯域で非常に大きくなるので、形態(form)因子が増加する。
多くのＭＯＳトランジスタタイプがあるが、無線電力送信の整流器回路に対して低いＲ_ｏｎ抵抗と低い入力キャパシタンスを有するＭＯＳトランジスタを選択することが望ましい。

(ＤＣ／ＤＣコンバータ)
ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２は、スイッチング調節器(regulator)であるバックコンバータ(buck converter)を利用する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２を線形調節器であるＬＤＯとして利用すると、負荷に適合した電力を送信機１０が送信するので、単一装置の充電には問題がない。しかし、複数の装置を充電する場合で、いくつかの負荷を占める大きい電力を送信機１０が送信する時、電力分散が完璧でないと、一つの装置のＬＤＯは、他の装置を充電することになっている全ての電力を熱(heat)として消費することもある。図４３は、本発明の別のＤＣ／ＤＣバックコンバータを示した回路図である。図４３のＤＣ／ＤＣバックコンバータでは、充電される各装置、すなわち複数の受信機２０を最適化する。

(受信機２０の保護回路)
図４４は、受信機２０及び受信機２０を保護するための保護装置の一例を示した図である。図４４に示したように、ＲＦバリスタ(varistor)とＤＣバリスタが保護装置に利用されることができる。ショットキーダイオードは、低い降下電圧と速い速度を有するが、また低い逆ブレークダウン電圧を有する。例えば、１Ａのキャパシタンスを有するショットキーダイオードの逆ブレークダウン電圧は、約２０〜３０Ｖである。通常的な充電構造で、負荷抵抗は約１０ＢΩであるから、ＲＦ入力電圧は、約２０Ｖになるが、充電構造の開始及び終わりで、負荷インピーダンスは、数ＫΩ増加され、ＲＦ入力電圧が３０Ｖよりも大きくなり、それによってショットキーダイオードの破壊(destruction)が引起こされる。複数の装置の充電の場合にも、一時的に大きい電力が受信されてＲＦ入力電圧が大きくなってショットキーダイオードが破壊されることがある。したがって、ＲＦバリスタが差動入力にかけて挿入されることによって、ショットキーダイオードがサージ(surge)電圧から保護されるようにすることが望ましい。ＲＦバリスタは、約２７Ｖのブレークダウン電圧を有すると同時に、インピーダンスでの影響を防止するために３０ｐＦ以下のキャパシタンスを有するＲＦバリスタを選択することが望ましい。

また整流器で、整流器キャパシタは４μＦ以上のキャパシタンスを有する小さな大きさのキャパシタを利用することが望ましい。しかし、小さな大きさのセラミックキャパシタは約２０Ｖの小さな逆ブレークダウン電圧を有する。ＲＦバリスタは、特定のレベルの電圧を予防するので、キャパシタは入力電力によりブレークダウン(breakdown)されない。しかし、負荷が完全に充電されると、インピーダンスは、数kΩになるので、３０Ｖ以上のサージ電圧が発生し、これは、キャパシタを破壊させることができる。したがって、約１８Ｖのブレークダウン電圧を有するＤＣバリスタがキャパシタを保護するのに利用されることができる。図４５は、保護構造を有する最適化された受信機２０の回路を示した図である。
一方、共振タイプの無線送信機１０の場合、Ｒｘ共振器１１を送信機１０に挿入する時、送信機１０のコンダクタとＲｘ共振器１１が隣接して位置する場合、逆相(reverse-phase)磁場を誘発する渦流が発生して電力送信効率が減少する。また渦流は、不要な磁場により送信機１０の劣化を引き起こす可能性がある。渦流を予防するためには、低損失の磁気マスキング剤(masking reagent)が必要である。

図４６Ａは、マスキング剤を使用しない場合の磁場分布を示した図であり、図４６Ｂは、マスキング剤を使用した場合の磁場分布を示した図である。図４６Ａ及び図４６Ｂを参照すると、マスキング剤が大気よりも高い透磁率を有するので、マスキング剤があれば、磁場はマスキング剤に集まる。したがって、以前に言及した電力送信損失を予防し、装置に対する不要な影響を除去することができる。しかし、損失要素(loss component)を有するマスキング剤は、コンダクタを有するので、最小損失要素を有するマスキング剤を選択することが望ましい。

図４７Ａは、共振器とマスキング剤との間に空間がない場合を示した図であり、図４７Ｂは、共振器とマスキング剤との間に空間がある場合を示した図である。図４７Ｂで共振器とマスキング剤との間は、０．６ｍｍと仮定する。また＜表１１＞は、図４７ＡでのＱ値と図４７ＢでのＱ値を示したものである。

図４７Ａ及び図４７Ｂ、＜表１１＞は、共振器とマスキング剤の位置に従う多様なＱ値を示している。マスキング剤を利用する場合、磁場の強さが増加する。磁場は、共振器のＬ値に直接影響を及ぼすので、マスキング剤を利用する場合、Ｌ値が増加しながら共振周波数が減少することを確認することができる。またマスキング剤の厚さが増加するほど磁場の強さが増加するので、より大きいＬ及びＱ値を獲得することができる。しかし、マスキング剤に損失要素があるので、マスキング剤を利用する場合のＱ値は、マスキング剤を利用しない場合のＱ値よりも小さい。また共振器とマスキング剤との間に空間がある場合には、共振器特性損失がよりも小さいことが分かる。

図４８Ａ及び図４８Ｂは、マスキング剤及び装置の大きさとＲｘ共振器２１の位置を示した図である。図４８Ａは、マスキング剤の大きさがコンダクタよりも大きい場合を示し、図４８Ｂは、マスキング剤の大きさがコンダクタと同一の場合を示す。Ｔｘ共振器１１からの磁場が受信機２０及びＲｘ共振器２１に近づくほど、電力送信効率が減少する。
図４９は、図４８Ａ及び図４８Ｂに示したマスキング剤及びコンダクタの大きさに従うそれぞれの結合効率を示したグラフである。図４９では、マスキング剤の厚さ及び大きさに従う効率差を示している。実験で使用されるマスキング剤は、‘μ＝１３０’、‘μ＝１１５’及び‘誘電損失＝０．００８８４’を有する。これは、マスキング剤の厚さが０であるとき、ベア状況(bare situation)結合効率を意味する。Ｒｘ共振器２１が移動通信端末機に挿入される場合を考慮して、マスキング剤の厚さ及び大きさに従う結果が分かる。マスキング剤の大きさがコンダクタよりも５ｍｍ大きい場合、最大７％の効率増加がある。そしてマスキング剤の厚さが増加するほど、効率はベアケース(bare case)と類似となる。

(無線電力送信システムにおける受信機２０の具現)
図５０は、送信機１０の例示的な機能ブロック図である。無線電力送信システムにおける受信機２０は、Ｒｘ共振器(Ｒｘ Resonator)２１、ＡＣ／ＤＣ整流器(ＡＣ−ＤＣ Rectifier)２３−１及びＤＣ／ＤＣコンバータ(ＤＣ−ＤＣ Converter)２３−２を含む電力変換部２３及びＲｘ制御部(MCU Control Unit)２５を含み、Ｒｘマッチング回路(Matching Ｌ／Ｃ)２２及びＲｘ通信部２４(図示せず)をさらに含み得る。また受信機２０を通じて出力される電力は、受信機２０と接続された装置、例えば、移動通信端末機(Phone Load)に駆動電力として供給されることができる。

Ｒｘ共振器２１は、電力送信効率を向上させるために、内部及び外部ループラインとキャパシタを有する。一実施形態によれば、Ｒｘマッチング回路２２のインピーダンスがＴｘマッチング回路１２のインピーダンスとマッチングされると、Ｒｘ共振器２１はＴｘ共振器１２と共振結合して送信機１０からの電力が供給される。整流回路は、全体−ブリッジ構成で４個のショットキーバリアーダイオードを利用してＡＣ波形の全波整流を提供する。この時、ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１は、電力変換部２３とＲｘ制御部２５にＤＣ電力を提供することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２は、ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１から出力されたＤＣ電力を増幅して受信機２０に接続された装置(例えば、受信機２０に設置された移動通信端末機)に提供する。このようにＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２によって増幅される電力は、５Ｖであり得る。Ｒｘ制御部２５は、本発明による電力制御アルゴリズとプロトコルを実行する。またＲｘ制御部２５は、アナログ電力変換ブロック(図示せず)を制御し、いくつのセンシング回路(図示せず)をモニタリングすることができる。またＲｘ通信部２４は、受信機２０の通信動作を遂行する。Ｒｘ通信部２４は、Ｒｘ制御部２４の制御下に受信機２０が設置された装置(例えば、移動通信端末機)または送信機１０と通信して後述する各種パケットを上記装置と交換することができる。

図５１Ａ乃至図５１Ｅは、本発明による受信機２０のＲｘ共振器２１を示した図である。図５１Ａは具現されたＲｘ共振器２１の構造、図５１Ｂは具現されたＲｘ共振器２１の厚さ、図５１Ｃは具現されたＲｘ共振器２１の並列キャパシタ、図５１Ｄは具現されたＲｘ共振器２１のアウトライン、図５１Ｅは具現されたＲｘ共振器２１の厚さアウトラインを示す。

受信機２０のＲｘ共振器２１は、図５１Ｅのように１ｏｚ(０．０３４ｍｍ)銅を有する並列構造であり得る。また図５１Ｄで示したように複数のビアインキャップ(via in cap)部分を用いて、総コンダクタシートが一つに接続され電流の流れが全てのコンダクタで同じ方向であり得る。それによって当業者がＲｘ共振器２１を具現しようとする場合には、近距離効果(near effect)とコンダクタ抵抗を考慮して最大Ｑ値を有するシート数と厚さを選択することができる。この時、コンダクタ抵抗と磁場が通過できる領域(結合でカッパ(kappa)値と関連する)を考慮して、最高の送信効率を有するＲｘ共振器２１の幅(ＳＷ)(６ｍｍ：移動通信端末機に挿入されたＲｘ共振器２１の場合)を設定することが望ましい。
＜表１２＞は、本発明によるＲｘ共振器２１の幅及び該当幅に従うＲｘ共振器２１での各種パラメータの特徴を示した表である。

＜表１２＞を参照すると、周波数ｆ１は、Ｓ２１が３ｄＢである場合の低周波数を示し、ｆ２は高周波数、ｆ０は共振周波数を示す。それぞれの場合で、受信機２０のＱ値は、約〜２００である。Ｒｘ共振器２１のＱ値は、シートが増加しながら若干増加するが、受信機２０によって、０．５３ｍｍ幅を有するＲｘ共振器２１である６シートが移動通信端末機に適用されることができる。

(ＡＣ／ＤＣ整流器)
図５２は、本発明によるＡＣ／ＤＣ整流器２３−１の効率を測定するための測定セットアップを示した図である。下記の＜表１３＞は、図５２の測定セットアップによってＡＣ／ＤＣ整流器２３−１の効率を測定した結果を示す。

上述したように全波ブリッジ整流器は、差動ＲＦ入力信号を必要としてバラン(Balun)のような測定ジグ(Zig)が要求される。しかし、１０Ｗよりも高い電力に耐えることができ、１３．５６ＭＨｚで動作する商業的バランを見つけることは難しいので、本実施形態では、以下で説明する共振器を用いて測定セットアップを設定する。

本実施形態では、‘１５cm×１５cm’の大きさのＴｘ共振器１１と‘４cm×６cm’の大きさのＲｘ共振器２１を利用した。Ｔｘ共振器１１対Ｒｘ共振器２１は、５０Ω対５０Ωのマッチングを有し、５０Ω対１０Ωに変換するマッチング回路(Matching Ｌ／Ｃ)が共振器１１、２１に接続される。したがって、５０Ω対１０ΩにマッチングされるＴｘ共振器１１対Ｒｘ共振器２１の効率を８３％で固定する。ここで、Ｒｘ共振器２１にＡＣ／ＤＣ整流器２３−１が接続され、１０Ωの負荷が入力されると、ＤＣ対ＤＣ電圧及び電流を測定することができる。３５．６ｄＢｍの順方向(forward)電力がＥ級増幅器１３−１に提供されると、上記電力は、８３％効率のＴｘ共振器１１を通じて出力される。送信機１０から出力された電力は、＜表１３＞に示したように３０２０MwとしてＡＣ／ＤＣ整流器２３−１に入力される。
一方、受信機２０に含まれた負荷にかけたＤＣ電圧及び電流は、４．９７Ｖ及び５０９ｍＡである。ＤＣ電流メートルは、０．６Ω損失を有する。上記損失を補償すると、ＤＣ負荷での出力電力は、２６８５ｍＷであり、ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１の全体効率は、約８９％である。

(ＤＣ／ＤＣコンバータ)
図５３は、本発明による受信機２０でのＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２の効率を測定するための測定セットアップを示した図である。下記の＜表１４＞は、図５３のＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２の効率を示したものである。

図５３で、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２に入力される入力電圧レベルは、５．５Ｖ〜８Ｖと仮定する。本実施形態では、電源を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２に５．５Ｖ〜１０Ｖ電圧を供給し、移動負荷を接続した後に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２から出力される出力ＤＣ電圧及び電流を測定する。測定過程で発生する入力／出力ＤＣ電流メートル測定損失を補償すると、＜表１４＞に示したように入力電力に従うＤＣ／２ＤＣコンバータ２３−２の全体効率は、約９２％である。

図５４は、本発明によって具現された受信機のシステムボードを示した図であり、図５５は、本発明によって具現された受信機を示した図である。
受信機２０の総大きさは、‘４７×５×２．６ｍｍ’であり得る。また図５４に示したシステムボードの各段(stage)で受信機２０の信号特性を確認することができる。図５４及び図５５の受信機２０で最も厚い構成要素は、Ｒｘマッチング回路２２を構成するマッチングＬ、Ｃ及び１００μＦキャパシタであり、上記マッチングＬ、Ｃ及び１００μＦキャパシタの総厚さは、２ｍｍであり得る。システムボードでのＰＣＢ(printed circuit board)の厚さは、０．６ｍｍで設定でき、それによってシステムボードの総厚さは、２．６ｍｍであり得る。一実施形態によれば、ＰＣＢの厚さをより小さくすることもできる。

特に、図５５では、移動通信端末機の後面ケースに設置される受信機２０を示している。移動通信端末機の後面には、受信機２０、通信モジュールなどが内蔵されている。移動通信端末機の後面ケースが閉鎖されると、受信機２０のＤＣ出力ポートが上記移動通信端末機に接続される。
図５６は、受信機２０の効率を測定するための測定セットアップを示した図である。下記の＜表１５＞は、図５６での受信機２０の効率を測定した結果を示したものである。

受信機２０の効率測定のための測定セットアップは、ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１の効率を測定するための測定セットアップと類似している。図５６に示したように、ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１の効率を測定するための回路でＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２が追加された。本実施形態では、図５６の回路を通じて受信機２０の実際充電効率を移動通信端末機の移動負荷(mobile load)と共に測定することができる。
３６．４ｄＢｍの順方向(forward)電力が受信機２０に入力されると、８３％効率のＲｘ共振器２１を通じて＜表１５＞に示したように３６２３ｍＷの電力がＡＣ／ＤＣ整流器２３−１に入力される。この時、移動負荷にかけたＤＣ電圧及び電流は、４．６７Ｖ及び５８０ｍＡと仮定する。
ＤＣ電流メートルは、０．６Ω損失を有するので、上記損失を補償すると、ＤＣ負荷での出力電力は、２９０９ｍＷであり、受信機２０の効率は、約８０．３％になる。８０．３％の効率は、以前に測定された(ＡＣ／ＤＣ整流器の効率８９％ｘＤＣ／ＤＣコンバータの効率９２％)と類似している。受信機２０の効率と(ＡＣ／ＤＣ整流器の効率ｘＤＣ／ＤＣコンバータの効率)との間の若干の差は、移動負荷及び異なる入力電力によるものである。

図５７は、送信機１０から出力される電力が３５．４ｄＢｍであり、負荷が１０Ωである場合、各段で測定される波形を示したグラフである。
ＲＦ入力マッチング回路の差動ＲＦ入力信号(differential ＲＦ input)の測定アウトレット(outlet)は、上段に位置したグラフとして、０〜７Ｖ間でスイングする。ＡＣ／ＤＣ整流器２３−１の出力グラフは、下段に位置したグラフとして、約５．７Ｖの電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２に入力されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３−２から出力される電力は、約４．５Ｖである。
図５８Ａ及び図５８Ｂは、単一または複数の移動通信端末機を充電している無線電力送信システムを示した図である。移動通信端末機の数に従って、本発明による電力送受信システムは、電力レベルを制御し、また本発明による電力送受信システムでは、単一及び複数の移動通信端末機の各々に対して無線電力を送信する。

本発明による送信機１０は、無線電力送信制御及び通信プロトコルに基づいて複数の装置の環境でも安全であり、効率的に受信機２０に電力を成功的に供給することができる。本発明による無線電力送信ネットワークの制御及び通信プロトコルは、基本的に双方向及び半(half)デュプレックス構造として設計される。無線電力送信ネットワークは、送信機１０がマスター(master)であり、複数の受信機がスレーブ(slaves)であるスタートポロジー(star topology)を有する。送信機１０と受信機２０は、装置コンプライアンス(device compliance)を識別し、電力交渉情報を交換するためにお互いに双方向通信を遂行する。送信機１０及び受信機２０間に交換される通信パケットのための時間分割衝突防止アルゴリズムが本発明による電力送受信システムに適用されることができる。上記時間分割衝突防止アルゴリズムは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４スロット(slotted)キャリアセンス多重接続／衝突回避(ＣＳＭＡ／ＣＡ：Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)アルゴリズムから修正されたものであり得る。

以下では、単一の受信機２０及び複数の受信機２０の各々に対する送信機１０の検出、登録、構成、充電及び待機状態で、いかなる方式で制御及び通信プロトコルが適用されるかを説明する。本発明では、スロット(slotted)及び競合区間を有するスーパーフレーム構造が送信機１０または受信機２０間の通信パケットの衝突防止アルゴリズムのために設計される。
また、以下では、制御及び通信プロトコルのシーケンス及びタイミングを各無線充電状態の場合に対して説明する。以下では、送信機１０または受信機２０の安全のための無線電力送受信の中断(interrupt)制御アルゴリズムについても、各々過温度、過電圧及び過電流の状況に対して説明する。本発明における制御及び通信プロトコルは、通知(Notice)、対話(Interactive)、報告及び確認応答(ＡＣＫ)フレームで構成される。

ユーザが送信機１０の電力をターンオンするごとに、送信機１０は、Ｔｘ共振器１１の電力負荷を周期的にモニターし、その値を所定の臨界値と比較する。不適合装置(rogue device)と受信機２０が送信機１０をターンオンする前に、上記装置らが送信機１０上に同時に位置されると、送信機１０は、上記不適合装置を上記受信機２０から検証できない。このような場合、送信機１０は、Ｔｘ共振器１１への電力の印加を中止する。またユーザが物体を除去して安全のために送信機１０の電力スイッチをターンオフするまで、送信機１０は、持続的に警告メッセージを送信機１０または受信機２０のユーザインターフェースに送信することができる。したがって、送信機１０のインターフェース上に他の装置または物体が無しで送信機１０がターンオンされることが望ましい。

図５９は、検出、登録、充電及び待機状態での無線電力送信システムでの無線電力送信手順に対する状態図である。
図５９を参照すると、検出(detection)状態で、送信機１０は、インターフェースでの負荷変動をモニターするために短いデューティ(duty)時間の間にＴｘ共振器１１に小さな電力を周期的に供給する。正(positive)の負荷変動が所定の値よりも高いことが検出されると、送信機１０は、Ｔｘ共振器１１により多くの電力を提供して新たな受信機２０が登録(registration)状態に進入できるようにする。逆に、受信機２０から該当応答がなければ、送信機１０は、検出状態に戻る。

登録状態で、新たな受信機２０は、自身の識別子と基本的負荷特性を含むInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信機１０に送信する。送信機は、新たな受信機に短い識別子(short identification；ＳＩＤ)を割り当て、ＳＩＤとタイムスロット割当てを含むInteractive_Response_Join_Frameパケットを新たな受信機２０に送信する。新たな受信機２０から応答がない場合、送信機１０は、負荷変動が金属物体または不適合(non-complying)装置により誘発されたことと認識する。金属物体または不適合装置が認識された場合、送信機１０は、ユーザに警告メッセージを表示し、Ｔｘ共振器１１への電力の印加を中止する。以後、送信機１０は、所定の時間が経過すると、検出状態に戻る。

構成(conifiguration)状態では、新たな受信機２０は、要求する出力電圧、出力電流及び電力送信効率を含むInteractive_Request_Charge_Frameパケットを、送信機１０に送信する。送信機１０は、受信機２０から伝えられた情報に基づいて要請された電力を計算する。送信機１０は、現在電力送信キャパシティが新たな受信機２０から要請された電力を満足するか否かを判断する。送信機１０が充分な電力を有する場合、送信機１０は、許可(Permission)データを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを新たな受信機２０に送信し、新たな受信機２０が充電状態に進入するようにする。逆に、要請された電力を満足しない場合、送信機１０は、新たな受信機２０にNo Permissionデータ(またはパケット)を送信して、新たな受信機２０が待機状態に進入するようにする。

充電(charge)状態では、送信機１０は、各受信機２０にNotice_Frameパケットをブロードキャストする。Notice_Frameパケットは、同期パケット、各受信機に対する命令及び全体システムの状態を含む。受信機２０は、自身に割り当てられたタイムスロットの間に、各電力交渉情報を有するReport_Frameパケットを送信機１０に周期的に送信する。送信機１０は、各Report_Frameパケットが受信された後、出力電力を受信機２０の要求電力レベル値で調整し始める。送信機１０は、一つまたは複数の受信機２０からの電力交渉情報によって総電力を増加させるか、減少させることができる。所定の時間の間に特定の受信機２０から応答がなければ、送信機１０は、受信機２０が除去されたことを認識して出力電力を減らす。このように受信機２０が除去された場合、送信機１０は、残りの他の受信機２０にＳＩＤとタイムスロットを再割当てすることができる。

待機(standby)状態で、受信機２０は、送信機１０から要求される電力を受信していないとしても、送信機１０と継続通信する。受信機２０が待機状態に進入する場合は、次の二つがある。
最初に、受信機２０の装置バッテリーが完全に充電されるか、装置が所定の理由により充電を維持する場合である。この時、受信機２０は、Charge Status of Complete&Waitデータを含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信し、受信機２０は、待機状態に進入する。以後、送信機１０は、待機状態で受信機２０への電力送信を中止させるか、減少させることができる。

二番目に、送信機１０の現在電力送信キャパシティが充電状態の他の受信機(または複数の受信機)２０だけでなく、新たな受信機２０に対して総要求電力を満足させない場合である。この時、送信機１０は、No Permissionデータを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを新たな受信機２０に送信し、新たな受信機２０は、待機状態に進入する。送信機１０の現在電力送信キャパシティが新たな受信機２０から要求される電力を満足させないと、送信機１０は、Permissionパケットを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを新たな受信機２０に送信し、新たな受信機２０は、充電状態に進入する。

(単一受信機に対する電力送受信)
図６０は、受信機(Transmitter)２０が送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド)上にまだ配置されない場合の検出状態手順を示した図である。送信機１０は、ｔ_ｄｅｔの検出時間ごとにＴｘ共振器１１に電力Ｐ_ｄｅｔを周期的に印加する。ｔ_ｄｅｔの間、送信機１０は、受信機２０が送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド(図示せず))上に置かれているかを確認するために負荷の変動をモニタリングする。

上記のような検出段階で、負荷変動は、負荷の現在値及び負荷の予め設定された値間の差として定義する。負荷変動が予め設定された臨界値よりも大きいと、送信機１０は、送信機１０のインターフェース上に置かれた受信機２０がないと認識する。負荷変動が所定の臨界値よりも大きいと、送信機１０は、新たな受信機２０が送信機１０のインターフェース上に置かれてあると認識する。その結果、受信機２０は、登録状態に進入することができる。
上記のように、本発明では、検出段階で、送信機１０は、検出時間(ｔ_ｄｅｔ)の間のみに電力を印加するので、上記検出時間(ｔ_ｄｅｔ)以外の検出期間(ｔ_{ｐｅｒ_ｄｅｔ})の間の電力損失を低減することができる。

図６１は、受信機２０を送信機１０に登録(registration)させる手順を示した図である。
図６１を参照すると、受信機２０が送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド)(図示せず)上にあれば、送信機１０は、受信機２０が送信機１０と通信できるように出力電力を増加させて受信機２０に伝達する。受信機２０は、登録時間(ｔ_ｒｅｇ)内に送信機１０にInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信する。Interactive_Request_Join_Frameパケットは、受信機２０自身のＩＤと負荷特性を含む。送信機１０は、受信機２０のＩＤを受信すると直ちに、上記ＩＤを該当ＩＤよりも相対的に容量が少なく、長さが短いＳＩＤに変換する。受信機２０から送信機１０に転送される受信機２０のＩＤが長いために、送信機１０は、受信機２０を登録する過程で受信機２０にＳＩＤを発行することによって、受信機２０の管理を容易にすることができる。送信機１０は、上記のように新しく登録される受信機２０のＳＩＤと負荷特性を送信機１０の装置制御テーブルに登録することができる。装置制御テーブルは、個別的な受信機(又は複数の受信機)２０の電力送信管理のために設計されることができる。
＜表１６＞は、送信機１０により管理される装置制御テーブル構造の一例を示している。

＜表１６＞を参照すると、装置制御テーブルには、アップデートに関する情報と、受信機２０ごとの現在電力送信情報が保存される。送信機１０は、新しく割り当てられたＳＩＤを含むInteractive_Response_Join_Frameパケットを受信機２０に送信する。それに対する応答として、受信機２０は確認応答(ＡＣＫ)を送信機１０に送信する。送信機１０が成功的にＡＣＫを受信すると、無線で電力を送受信する電力送信システムは、構成(configuration)段階に移動する。
パケット衝突、ＣＲＣエラー及び受信機失敗(receiver failure)のようなパケットエラーが発生する場合、受信機２０から伝送されるInteractive_Request_Join_Frameパケットは、送信機１０に伝達されない。

図６２は、送信機(Transmitter)１０が第１の受信機(Receiver１)または第２の受信機(Receiver２)から発送されるACK_Frameパケットを受信しない、パケットエラー状況の一例を示した図である。図６２を参照すると、送信機(Transmitter)１０は、ｔ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}の間隔で上記ｔ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}を(ｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}−１)倍増加させた電力Ｐ_ｒｅｇを第１の受信機に再度印加することができる。このような手順内でACK_Frameパケットが第１の受信機から送信機１０に成功的に伝えられば、電力送受信システムは、構成状態に進行する。その外に送信機１０が第１の受信機からACK_Frameパケットを全く受信することができなければ、送信機１０は、第１の受信機への電力印加を中止する。また送信機１０は、ユーザインターフェース(図示せず)を通じてユーザに警告メッセージを送信できる。一実施形態によれば、上記のようなエラーを誘発した受信機２０が送信機１０のインターフェースから除去された場合にのみ、送信機１０の状態が検出状態に戻ることができる。

図６３は、金属物体または不適合装置(rogue deivce、Non-compliant device)が送信機(Tranmsmitter)１０のインターフェース上に置かれてパケットエラーが発生した状況を示した図である。
図６３を参照すると、金属物体または不適合(non-compliant)装置が送信機１０のインターフェース上に置かれてあると、送信機１０が受信機２０からInteractive_Request_Join_Frameパケットを受信することができない。送信機１０は、図６３に示したようにｔ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}を(ｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}−１倍)増加させた電力Ｐ_ｒｅｇを、受信機２０に再印加する。電力Ｐ_ｒｅｇが再印加された装置または物体は、不適合装置または物体であるから、送信機１０は、上記装置または物体からInteractive_Request_Join_Frameパケットを受信することができない。それによって送信機１０は、電力Ｐ_ｒｅｇの印加を中止し、ユーザインターフェースを通じてユーザに警告メッセージを表示する。警告状態は、不適合装置または金属物体が送信機１０のインターフェースから除去されるまで維持される。上記不適合装置または金属物体がインターフェースから除去されると、送信機１０は検出状態に戻る。

図６４は、無線電力送信システムでの構成(configuration)段階の正常動作流れを示した図である。図６４を参照すると、受信機(Receiver)２０が登録されると、受信機２０は、送信機(Transmitter)１０にInteractive_Request_Charge_Frameパケットを送信する。Interactive_Request_Charge_Frameパケットは、電流、電圧及び電力送信効率のような受信機２０の電気的特性を含む。送信機１０は、受信機２０から伝えられた情報、すなわちInteractive_Request_Charge_Frameパケットに基づいて受信機２０から要請された電力を計算する。送信機１０は、現在電力送信キャパシティが受信機２０から要請された電力を満足させるか否かを判断する。判断の結果、送信機１０が充分な電力を有すると、送信機１０は、充電に対するPermissionデータを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを新たな受信機２０に送信する。Interactive_Response_Charge_Frameパケットを受信した受信機２０は、直ちにACK_Frameパケットを送信機１０に送信する。その結果、受信機２０は、充電状態、すなわち送信機１０からの電力を受信可能な状態に進入することができる。
一方、上記判断の結果、送信機１０が充分な電力を有していないと、送信機１０は、受信機２０にNo Permissionデータ送信する。上記No Permissionデータを受信した受信機２０は、待機(standby)状態に進入することができる。

一実施形態によれば、上記の動作には、時間が制約されることもある。送信機１０が受信機２０からACK_Frameパケットを受信した後、ｔ_{ｒｅｑ_ｃｈａｒ}時間以内に受信機２０からInteractive_Request_Charge_Frameパケットを受信できないと、送信機１０は、受信機２０が送信機１０のインターフェースから除去されたと認識する。
受信機２０が除去されたと判断されると、送信機１０は、Interactive_Request_Charge_Frameパケットを送信しないことによって、非応答した受信機２０の情報を装置制御テーブルから削除する。以後、送信機１０は、検出状態に戻る。一方、受信機２０がｔ_{ｄａｔａ_ｒｅｓ}時間内にInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信せずACK_Frameパケットを送信しないと、送信機１０は、さらにｔ_{ｒａｎｄｏｍ}時間内にInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信機２０に送信する。送信機１０は、受信機２０からACK_Frameパケットを受信するためにInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信機２０に送信する動作を(ｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}−１)回さらに反復することができる。一実施形態によれば、送信機１０からのパケット伝送動作がｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回さらに試みられた後にも、依然としてInteractive_Response_Charge_Frameパケットが受信機２０に伝えられば、受信機２０は、検出状態に戻ることができる。

送信機１０がｔ_ａｃｋ時間内に受信機２０からACK_Frameパケットを受信しないと、送信機１０は、Permissionデータを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを、受信機２０に送信する動作をｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回さらに反復することができる。上記のｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回の試み後にも、送信機１０が受信機２０からのACK_Frameパケットの受信に失敗すると、送信機１０は、受信機２０が送信機１０のインターフェースから除去されたと認識することができる。上記のような場合、送信機１０は、上記のように応答しなかった受信機２０の情報を装置制御テーブルから削除し、検出状態に戻ることができる。

一実施形態によれば、送信機１０の現在電力送信キャパシティが新しく登録された受信機により要求される電力を満足させない場合、送信機１０は、PermissionデータがないInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信機に送信し、受信機は、待機状態に進入する。この時、送信機１０は、過電力再設定(Reset of Over Power)を含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信機に送信することができる。このような場合、送信機１０は、過電力キャパシティの該当警告メッセージを、送信機１０のユーザインターフェースに表示することができる。また上記過電力再設定(Reset of Over Power)を含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信した受信機は、検出状態に戻ることができる。
ここで、ｔ_ａｃｋ時間は、送信機１０が受信機２０からACK_Frameパケットを受信するための許可時間区間である。またｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}は、送信機１０が受信機２０からACK_Frameパケットの受信を待機するために受信機２０にInteractive Response Frameパケットの送信を再試みする回数である。

充電(charge)状態で、送信機１０は、各受信機２０にNotice_Frameパケットをブロードキャストし、各受信機２０は、自身の状態を含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。Notice_Frameパケットは、タイムスロット０で割り当てられ、Report_Frameパケットのタイムスロット番号は、図６５に示したように送信機１０により割り当てられたＳＩＤを有する受信機２０に割り当てられる。図６５は、単一受信機２０の充電動作を示した図である。
Notice_Frameパケットは、充電開始、充電完了、再設定、電力オフ及びＳＩＤ変更のような特定の受信機２０に対する命令のように、受信機２０に対する多様な情報を含む。送信機１０は、また電力オフ、電力オン、同期及び再設定のための命令を含むNotice_Frameパケットを全ての受信機２０にブロードキャストすることもできる。

Report_Frameパケットは、受信機２０の充電状態及び電力情報を含む。受信機２０のReport_Frameパケットは、受信機２０に割り当てられたスロット内に送信機１０に到達すべきである。そうでない場合、他の受信機２０のReport_Frameパケットと衝突が起こることがある。したがって、送信機１０及び受信機２０は、正確に同期されなければならない。送信機１０及び受信機２０間の同期化のために、送信機１０は、受信機２０が自身のクロックを送信機１０のクロックに同期化させることができるSub Frame of SynchデータをNotice_Frameパケットを通じて受信機２０に送信することができる。
受信機２０からのReport_Frameパケットに含まれた電力情報に基づいて、送信機１０は、各受信機２０状態に対応するレジストリの装置制御テーブルをアップデートする。送信機１０は、受信機２０から要求される電力の和を計算し、Ｔｘ共振器１１に印加される電力を増加させるか、減少させる。一実施形態によれば、上述した手順は、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}時間の間隔で周期的に遂行されることができる。

受信機２０がｔ_ａｃｋ時間内に送信機１０からACK_Frameパケットを受信しないと、受信機２０は、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}時間の間隔で来る、自身の次のタイムスロット内にReport_Frameパケットの送信を試みる。受信機２０が(３xｔ_{ｃｙｃｌｅ})の３つのスーパーフレーム区間の間にACK_Frameパケットを得られなければ、受信機２０は、Charge Status of Errorデータを含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信し、登録状態に戻る。

図６６は、単一受信機(Reciver)２０が充電状態で送信機(Transmitter)１０のインターフェースから除去される場合の手順を示した図である。受信機２０が充電状態で送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド)(図示せず)から除去されると、送信機１０は、除去された受信機２０からReport_Frameパケットを受信することができない。上記のように受信機２０が除去された場合をパケット衝突と区別するために送信機１０は、タイムスロット区間(ｎ_{ａｂｓｅｎｃｅ}xｔ_{ｃｙｃｌｅ})の間に除去された受信機２０のReport_Frameパケットの受信を試みる。区間(ｎ_{ａｂｓｅｎｃｅ}xｔ_{ｃｙｃｌｅ})で、送信機１０は、受信機２０に送信する電力(Pcharge)の電力レベルをＰ_ｒｅｇに緩やかに減らすことができる。区間(ｎ_{ａｂｓｅｎｃｅ}xｔ_{ｃｙｃｌｅ})以後にも、除去された受信機２０からReport_Frameパケットの送信が発生しなければ、送信機１０は、受信機２０が除去されたと認識する。それによって、送信機１０は、装置制御テーブルをアップデートして除去された受信機２０に送信する電力を遮断する。一実施形態によれば、送信機１０のインターフェース上に位置した受信機２０がないので、送信機１０は検出状態に戻る。

図６７は、受信機(Receiver)２０の全体充電(full charge)または再充電(recharge)に従う手順を示した図である。受信機２０の装置バッテリーが完全に充電されると、受信機２０は、Charge Status of Complete and Standbyデータを含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。以後、受信機２０は、待機(standby)状態に進入する。受信機２０からReport_Frameパケットを受信した送信機１０は、装置制御テーブルをアップデートし、突然な電圧の上昇及び下降を防止するために、受信機２０に出力していた電力を電力レベルＰ_ｒｅｇに緩やかに減少させる。
受信機２０は、バッテリーを再充電しようとする時、Charge Status of CCデータを含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。以後、受信機２０は、充電状態に進入することができる。Report_Frameパケットを受信した送信機１０は、装置制御テーブルをアップデートし、受信機２０に電力を伝達するためにＴｘ共振器１１に印加された電力を増加させる。

(複数の受信機に対する電力送受信)
図６８は、少なくとも一つの受信機２０(以下、第１の受信機(Receiver１))が既に充電状態にある時、新たな受信機２０(以下、第２の受信機(Receiver２))が登録される手順を示した図である。第２の受信機(Receiver)が競合区間(contention period)で送信機(Transmitter)１０にInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信すると、各割当てタイムスロットで送信機１０と通信する他の受信機２０、すなわち第１の受信機(Receiver１)とのパケット衝突が発生しない。送信機１０は、ＳＩＤと第２の受信機(Receiver２)の負荷特性を装置制御テーブルに登録する。送信機１０は、ＳＩＤを含むInteractive_Response_Join_Frameパケットを第２の受信機(Receiver２)に送信する。応答として、第２の受信機(Receiver２)は送信機１０にACK_Frameパケットを送信する。

第２の受信機(Receiver１)がスロット分けされた区間、すなわち他の受信機(例えば第１の受信機(Receiver１))に割り当てられたタイムスロット区間の間にInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信機１０に送信すると、Interactive_Request_Join_Frameパケットは、第１の受信機(Receiver１)のReport_Frameパケットと衝突することもある。上記パケット間の衝突によって第１の受信機(Receiver１)がｔ_{ｄａｔａ_ｒｅｓ}の応答時間内に送信機１０からInteractive_Response_Join_Frameパケットを受信できないと、第２の受信機(Receiver２)は、送信機１０からInteractive_Respond_Join_Frameパケットを受信するまで、ｔｒａｎｄｏｍの時間の間隔でInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信機１０に再送信することを試みる。

スロット分けされた区間でパケット間の衝突が発生すると、送信機１０は、現在充電中である第１の受信機(Receiver１)から損傷を受けた(corrupted)Report_Frameパケットを受信することがある。送信機１０は、上記損傷を受けたReport_Frameパケットを廃棄し、次のサイクルに第１の受信機(Receiver１)からReport_Frameパケットを受信する。一実施形態によれば、第１の受信機(Receiver１)のReport_Frameパケット伝達過程で連続ｎ_{ｃｏｌ_ｒｅｔ}回の衝突がある場合、送信機１０は、全ての第１の受信機(Receiver１)または第２の受信機(Receiver２)にReset of Schedule Errorデータを含むNotice_Frameパケットを送信し、検出状態に戻る。

少なくとも一つの受信機２０、すなわち第１の受信機(Receiver１)の充電の中に不適合または金属物体が置かれると、送信機１０は、臨界値以上の正(＋)の負荷変動を検出する。それによって、送信機１０は、第１の受信機(Receiver１)からReport_Frameパケットを受信できない可能性もある。送信機１０は、(３xｔ_{ｃｙｃｌｅ})の区間の間程度、客体からInteractive_Request_Join_Frameパケットを受信するために待機する。上記客体からいかなる応答もないと、送信機１０は、上記負荷の変動が不適合装置または金属物体により誘発されたと決定することができる。上記のような場合、送信機１０は、Power Off of Abnormal Object Detectionデータを含むNotice_Frameパケットを全ての第１の受信機(Receiver１)に送信して電力供給を中止することができる。送信機１０は、上記不適合物体または金属物体を除去するためにユーザに警告メッセージを表示することができる。一実施形態によれば、送信機１０は、第１の受信機(Receiver１)への電力供給を中止し、ユーザに警告メッセージを表示する警告区間の間には、電力をターンオフすることもある。

送信機１０がｔ_ａｃｋの時間の間に第２の受信機(Receiver２)からACK_Frameパケットを受信できないと、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)にInteractive_Response_Join_Frameパケットの送信をｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回反復する。しかし、ｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回の試み以後にも、送信機１０が第２の受信機(Receiver２)からACK_Frameパケットを受信できないと、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)が送信機１０のインターフェースから除去されたことを認識する。この場合、送信機は、装置制御テーブルから非応答受信機の情報を削除する。

第１の受信機(Receiver１)の数が送信機１０の最大タイムスロット数以上である場合、すなわち送信機１０が同時に充電可能な最大受信機２０の数以上である場合、送信機１０は、Not Permission of Over Nodeデータを含むInteractive_Response_Frameパケットを第２の受信機(Receiver２)に送信し、第２の受信機(Receiver２)がユーザにより除去されるまでユーザに警告メッセージを表示する。

図６９は、複数の第１の受信機(Receiver１)が既に充電状態にある時、第２の受信機(Receiver２)が充電状態に進入する過程を示した図である。
登録状態後に、第２の受信機(Receiver２)は、送信機１０にInteractive_Request_Charge_Frameパケットを送信する。
Interactive_Request_Charge_Frameパケットは、電流、電圧及び電力送信効率のような第２の受信機(Receiver２)の電気的特性を含む。電力送信効率は、基準送信機システムで予め測定された値である。送信機１０は、現在電力送信キャパシティが第１の受信機(Receiver１)から要請された電力を満足するか否かを判断する。送信機１０が充分な電力を有していると、送信機１０は、充電のためのPermissionデータを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを第２の受信機(Receiver２)に送信する。判断の結果、充分な電力を有していない場合には、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)にNo Permissionデータを送信する。No Permissionデータを受信した第２の受信機(Receiver２)は、待機状態に進入する。

Permissionデータを受信した直後、第２の受信機(Receiver２)は、送信機１０にACK_Frameパケットを送信する。その結果、第２の受信機(Receiver２)は充電状態に進入することができる。
送信機１０がInteractive_Response_Join_Frameパケットを送信した以後、時間ｔ_{ｒｅｑ_ｃｈａｒ}内に第２の受信機(Receiver２)からInteractive_Request_Charge_Frameパケットを受信できないと、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)が送信機インターフェースから除去されたと認識する。この場合、送信機１０は、装置制御テーブルから非応答受信機の情報を削除する。その結果、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)にInteractive_Response_Chargeパケットを送信しない。第２の受信機(Receiver２)は、時間ｔ_{ｄａｔａ_ｒｅｓ}内に送信機１０からInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信せず、ｔ_{ｒａｎｄｏｍ}の時間の間隔後に検出状態に戻る。

送信機１０がｔ_ａｃｋの時間内に第２の受信機(Receiver２)からACK_Frameパケットを受信できないと、送信機１０は、Permissionデータを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを第２の受信機(Receiver２)に送信するためにｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回反復する。しかし、送信機１０がｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回の試み後にも第２の受信機(Receiver２)からACK_Frameパケットを受信できないと、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)が送信機インターフェースから除去されたと認識する。この場合、送信機１０は、装置制御テーブルから非応答受信機の情報を削除する。第２の受信機(Receiver２)は、充電状態に進入できず、登録状態に戻る。

送信機１０の現在電力送信キャパシティが第２の受信機(Receiver２)により要求される電力に達し得なければ、送信機１０は、PermissionデータがないInteractive_Response_Charge_Frameパケットを第２の受信機(Receiver２)に送信し、第２の受信機(Receiver２)は待機状態に進入する。第２の受信機(Receiver２)により要請された電力が送信機１０の最大全体電力キャパシティを超過すると、送信機１０は、Reset of Over Powerデータを含むInteractive_Response_Charge_Frameパケットを第２の受信機(Receiver２)に送信する。この場合、送信機１０は、ユーザインターフェースに過電力キャパシティの該当警告メッセージを送信し、送信機１０は検出状態に戻る。

充電(charge)状態で、送信機１０は、各タイムスロットで第１の受信機(Receiver１)にNotice_Frameパケットをブロードキャストする。第１の受信機(Receiver１)は、自身の状態を含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。Notice_Frameパケットは、タイムスロット０で割り当てられ、第１の受信機(Receiver１)に割り当てられたReport_Frameパケットのタイムスロット番号は、図７０に示したようにＳＩＤと同一である。図７０は、複数の第１の受信機(Receiver１)の充電過程を示した図である。
送信機１０は、全ての第１の受信機(Receiver１)に対する電力オフ、電力オン及び再設定のための命令を含むNotice_Frameパケットをブロードキャストする。Notice_Frameパケットは、充電開始、充電完了、再設定、電力オフ、同期化及びスロット変更のような特定の受信機に対する多様な命令なども含む。

Report_Frameパケットは、第１の受信機(Receiver１)の充電状態及び電力情報を含む。送信機１０は、第１の受信機(Receiver１)の各々に割り当てられたタイムスロット内で第１の受信機(Receiver１)の各々からReport_Frameパケットを受信する。そうでない場合、第１の受信機(Receiver１)間で発送されるReport_Frameパケットの衝突が発生することがある。したがって、送信機１０と第１の受信機(Receiver１)は、正確に同期化されることが望ましい。正確な同期化のためにNotice_Frameパケットは、第１の受信機(Receiver１)が自身のクロックを送信機１０のクロックに同期化させることができるSub Frame of Synchデータを有することができる。
第１の受信機(Receiver１)から送信されたReport_Frameパケットに含まれた電力情報に基づいて、送信機１０は、第１の受信機(Receiver１)のそれぞれの状態に対応するレジストリの装置制御テーブルをアップデートする。送信機１０は、第１の受信機(Receiver１)から要求される電力の和を計算し、上記計算結果によってＴｘ共振器１１に印加された電力を増加させるか、または減少させる。上記の送信機１０の動作は、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}時間の間隔で周期的に遂行されることができる。

少なくとも一つの第１の受信機(Receiver１)のパケットが、第１の受信機(Receiver１)が割り当てられたタイムスロット区間で、第２の受信機(Receiver２)のパケットのうち、少なくとも一つと衝突すると、第１の受信機(Receiver１)から発送されたパケット、Report_Frameパケットは、損傷を受ける。送信機１０は、第１の受信機(Receiver１)及び第２の受信機(Receiver２)のうちタイムスロットを先取りした(preoccupying)第１の受信機(Receiver１)から受信した、上記損傷を受けたReport_Frameパケットを廃棄する。送信機１０は、次のスーパーフレームで先取りした第１の受信機(Receiver１)のReport_Frameパケットを再受信する。送信機１０は、衝突が発生せず、損傷を受けないReport_Frameパケットを受信するまで、Report_Frameパケットを再受信する動作を最大ｎ_{ｃｏｌ_ｒｅｔ}回反復することができる。第１の受信機(Receiver１)がReport_Frameパケットを送信機１０に送信する過程で、Report_Frameパケットが第２の受信機(Receiver２)のパケットなどと連続にｎ_{ｃｏｌ_ｒｅｔ}回衝突する場合、送信機１０は、Reset of Schedule Errorデータを含むNotice_Frameパケットを全ての第１の受信機(Receiver１)または第２の受信機(Receiver２)に送信し、検出状態に戻る。

第１の受信機(Receiver１)がｔ_ａｃｋ時間内に送信機１０からACK_Frameパケットを受信できないと、第１の受信機(Receiver１)は、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}時間の間隔で来る自身の次のタイムスロットでReport_Frameパケットの送信を試みる。第１の受信機(Receiver１)が(３xｔ_{ｃｙｃｌｅ})の次にくる、３回のスーパーフレーム区間の間に送信機１０からACK_Frameパケットを受信できないと、第１の受信機(Receiver１)は、Charge Status of Errorデータを含むReport_Frameパケットを第１の送信機に送信して登録状態に戻る。

図６６に示したように、充電状態で複数の第１の受信機(Receiver１)のうち一つの第１の受信機(Receiver１)が送信機１０のインターフェースから除去された場合、送信機は、除去された第１の受信機(Receiver１)からReport_Frameパケットを受信することができない。図７１は、送信機１０によって充電されていた複数の受信機のうち一つの受信機が除去される過程を示した図である。以下では、除去されない受信機を第１の受信機(Receiver１)とし、除去される受信機(Receiver２)を第２の受信機とする。

上記のように第２の受信機(Receiver２)が送信機１０のインターフェースから除去されるイベントをフレーム衝突と区別するために、送信機１０は、区間(ｎ_{ａｂｓｅｎｃｅ}×ｔ_{ｃｙｃｌｅ})の間に第２の受信機(Receiver２)からのReport_Frameパケットを受信するために待機することができる。
区間(ｎ_{ａｂｓｅｎｃｅ}×ｔ_{ｃｙｃｌｅ})で、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)に印加された電力をＰ_ｒｅｇの電力レベルで緩やかに減少させることができる。第２の受信機(Receiver２)のReport_Frameパケット送信を(ｎ_{ａｂｓｅｎｃｅ}×ｔ_{ｃｙｃｌｅ})回待機したにもかかわらず、第２の受信機(Receiver２)からのReport_Frameパケットの送信がないと、送信機１０は、第２の受信機(Receiver２)が除去されたと認識する。送信機１０は、装置制御テーブルをアップデートし、除去された第２の受信機(Receiver２)への電力送信を遮断する。

上記のように特定の受信機２０、すなわち第２の受信機(Receiver２)への電力送信が遮断された場合、送信機１０は、残りの受信機、すなわち第１の受信機(複数の受信)(Receiver１)に対するＳＩＤ(又は複数のＳＩＤ)及びタイムスロット(又は複数のタイムスロット)を再割当てすることができる。第２の受信機(Receiver２)の除去によって、送信機１０が第１の受信機(Receiver２)及び第２の受信機(Receiver２)に割り当てたタイムスロットのうち空のスロットが発生する。占有されたタイムスロットの間に空のタイムスロットを残すことは、効率的でない。したがって、送信機１０は、上記割り当てられたタイムスロットのうち最後のタイムスロットを占有した第１の受信機(Receiver１)に第２の受信機(Receiver２)が使用した空のスロットを再割当てすることによって、空のタイムスロットを除去することができる。送信機１０は、再割当てされたＳＩＤを含むNotice_Frameパケットを最後のタイムスロットを占有していた第１の受信機(Receiver１)に送信し、自身の装置制御テーブルをアップデートする。それによって、タイムスロットが再割当てされた第１の受信機(Receiver１)は、次のスーパーフレーム区間にReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。

図７２は、第１の受信機(Receiver１)及び第２の受信機(Receiver２)の充電過程で第１の受信機(Receiver１)が再充電される過程を示した図である。
第１の受信機(Receiver１)の装置バッテリーが完全に充電された場合、第１の受信機(Receiver１)は、Charge Status of Complete and Standbyデータを含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信し、第１の受信機(Receiver１)は待機状態に進入する。第１の受信機(Receiver１)の充電が完了したので、送信機１０は、装置制御テーブルをアップデートする。また送信機１０は、突然な電圧変動を防止するために第１の受信機(Receiver１)に対してＴｘ共振器１１に印加された電力をレベルＰ_ｒｅｇで緩やかに低減することができる。

第１の受信機(Receiver１)がバッテリーを再充電する必要がある時、第１の受信機(Receiver１)は、Charge Status of CCデータを含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。これで第１の受信機(Receiver１)は充電状態に進入できる。第１の受信機(Receiver１)からReport_Frameパケットを受信した送信機１０は、装置制御テーブルをアップデートし、第１の受信機(Receiver１)に対してＴｘ共振器１１に印加される電力を増加させる。図７２で、第２の受信機(Receiver２)は、持続的に充電されている状態であると仮定する。

図７３は、複数の受信機間のＳＩＤ交換過程を示した図である。
複数の受信機、例えば、第１の受信機(Receiver１)、第２の受信機(Receiver２)、第３の受信機(Receiver３)が送信機１０(Transmitter)のインターフェース上に置かれてある時、送信機１０の電力キャパシティは、複数の受信機(第１の乃至第３の受信機)から要求される総電力よりも小さいことがある。上記のように受信機から要求される総電力よりも送信機１０の電力キャパシティが小さな場合、時間順で最も最近に加入または登録された受信機であるほど、充電状態でない待機状態にとどまるようになる。
図７３では、第１の受信機(Receiver１)及び第２の受信機(Receiver２)が充電状態であり、第３の受信機が待機状態のままである。また第１乃至第３の受信機は、各々第１のタイムスロット(Slot１)、第２のタイムスロット(Slot２)、第３のタイムスロット(Slot３)が割り当てられた状態である。

図７３を参照すると、充電状態であった第１の受信機(Receiver１)及び第２の受信機(Receiver２)のうち、第２の受信機(Receiver２)が完全に充電され待機状態に進入した。送信機１０は、Charge Startデータを含むNotice_Frameパケットを待機中であった第３の受信機(Receiver３)に送信する。充電状態の受信機２０から転送される電力情報がより重要なので、送信機１０は、現在充電状態である２つの受信機、すなわち第１の受信機(Receiver１)または第３の受信機(Receiver３)のＳＩＤを再割当てすることによって交換することができる。それによって図７３に示したように、第３の受信機(Receiver３)には、第２のタイムスロット(Slot２)が再割り当てされる。

(スーパーフレームの構造)
本発明によるタイムスロット及び競合区間を含むスーパーフレームは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＣＳＭＡ／ＣＡアルゴリズムから修正された通信パケットの衝突防止アルゴリズムによって設計されることができる。スーパーフレームの時間長さは、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}のサイクル時間として定義される。
図７４Ａは、スーパーフレームのタイムスロット区間を示した図であり、図７４Ｂは、スーパーフレームのタイムスロット区間及び競合区間を示した図である。図７４Ａ及び図７４Ｂで、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}はスーパーフレームの時間長さ(例えば、２５０ｍｓ)であり、ｔ_ｓｌｏｔはタイムスロットの持続区間(例えば、５ｍｓ)であり、ｎ_ｓｌｏｔは送信機１０により割り当てられるタイムスロットの総数である。またｔ_ｃｏｎｔは、競合区間(Contention Period)間の時間長さを示すもので、ｔ_ｃｏｎｔは、下記の＜数式２２＞のようである。

スーパーフレームは、図７４Ａ及び図７４Ｂに示したように、スロットタイム区間と競合区間の２部分で構成されることができる。受信機２０は、スロットタイム区間で自身の割当タイムスロット間のみにReport_Frameパケットを送信機１０に送信するように許可され、競合区間では、Report_Frameパケットを送信機１０に送信するように許可されない。上記のように受信機２０の各々に対して許可されたスロット間のみに自身のReport_Frameパケットを送信機１０に送信するようにすることによって、複数の受信機２０間に発生する通信パケット間の衝突を最小化する。

既存の受信機を第１の受信機(Receiver１)とし、新しく加入した受信機を第２の受信機(Receiver２)と仮定する。第２の受信機(Receiver２)がタイムスロット区間の間に送信機１０にInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信する場合、第２の受信機(Receiver２)から転送されたInteractive_Request_Join_Frameパケットは、少なくとも一つの第１の受信機(Receiver１)から転送されるパケットと衝突を起こすことがある。
上記のように相異なる受信機(第１及び第２の受信機)から転送されたパケットが衝突すると、第１の受信機(Receiver１)は、送信機１０からACK_Frameパケットを受信できない。第１の受信機(Receiver１)は、次のスーパーフレームのうち自身に割り当てられたタイムスロット区間の間にさらにReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。

第２の受信機(Receiver２)は、ｔ_{ｃｙｃｌｅ}時間よりも小さな、任意遅延時間(ｔ_{ｒａｎｄｏｍ})の間に送信機１０にInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信する。上記のような方式で、新たな受信機、すなわち第２の受信機(Receiver２)は、他の受信機(第１の受信機)との通信パケット衝突無しで送信機１０にReport_Frameパケットを送信するためにＳＩＤと、タイムスロットの割当てを受けることができる。一実施形態によれば、送信機１０は、競合区間に第２の受信機(Receiver２)からInteractive_Request_Join_Frameパケットを送信することができる。競合区間では、第１の受信機(Receiver１)が送信機１０にReport_Frameパケットを送信しない。したがって、送信機は、第２の受信機(Receiver２)から競合区間にInteractive_Request_Join_Frameパケットを受信することによって、第１の受信機(Receiver１)及び第２の受信機(Receiver２)間に起こり得るパケット衝突の可能性を最小化する。

スロット区間で、ゼロスロット(Slot０)は、送信機１０から第１の受信機(Receiver１)または第２の受信機(Receiver２)にNotice_Frameパケットが送信される区間である。Notice_Frameパケットは、第１の受信機(Receiver１)または第２の受信機(Receiver２)が送信機１０とクロックを同期化するためのクロック同期化情報及びＳＩＤを含む。送信機１０は、Notice_Frameパケットに特定ＳＩＤを含めることによって、特定ＳＩＤに該当する第１の受信機(Receiver１)または第２の受信機(Receiver２)に命令を送信することができる。

図７４Ａを参照すると、第１または第２の受信機の各々に対してｔ_ｓｌｏｔのタイムスロット区間が割り当てられる。一実施形態によれば、第１のスロット(Slot１)は、一番目のＳＩＤを有する第１または第２の受信機、第２のスロット(Slot２)は、二番目のＳＩＤを有する第１または第２の受信機に割り当てられ、このような方式で第Ｎのスロット(Slot N)は、Ｎ番目のＳＩＤを有する第１または第２の受信機に割り当てられる。一実施形態によれば、第１または第２の受信機に割り当てられるスロットの番号は、１０以下になることができる。送信機１０によって第１または第２の受信機に割り当てられるスロットの数が全部で１０であると仮定すれば、タイムスロット区間は、約(１０×ｔ_ｓｌｏｔ)になる。

第１または第２の受信機の数が送信機１０が割り当てられる最大タイムスロットよりも大きいと、送信機１０は、Not Permission of Over Nodeデータを含むInteractive Response Frameパケットを新たな受信機、すなわち第２の受信機(Receiver２)に送信し、第２の受信機(Receiver２)がユーザにより除去されるまで、送信機１０のユーザインターフェースに警告メッセージを表示する。
本発明による電力送信システムの適切な動作のための時間制約は、図６０に示したようである。図６０乃至図７４に示した時間制約は、下記の＜表１７＞に示したようである。

図７５は、検出(detection)状態でのタイミング制約を示した図である。図７５に示したように、検出状態で送信機(Transmitter)１０は、正の負荷変更を感知しながら新たな受信機２０を検出するために区間ｔ_{ｄｅｔ_ｐｅｒ}ごとにｔ_ｄｅｔの時間の間に電力をＴｘ共振器１１に印加する。この時、送信機１０から出力される電力Ｐ_ｄｅｔの値は、送信機１０の負荷敏感性(sensibility)により決定されることができる。

図７６は、登録状態でのタイミング制約を示した図である。図７６に示したように、送信機(Transmitter)１０は、正の負荷変動が感知されると、Ｔｘ共振器１１に印加された電力を、受信機２０のＲｘ制御部２５がウエイクアップするのに充分な電力、レベルＰ_ｒｅｇまで増加させる。しかし、この段階は、充電が開始される前の段階として、受信機２０は、受信機２０が含まれた装置のバッテリー充電システムに送信機１０から受信した電力を供給しない。受信機２０は、時間ｔ_ｒｅｇ内に送信機１０から転送されたInteractive_Request_Join_Frameパケットに応答する。ｔ_ｒｅｇ内に受信機２０から応答がないと、送信機１０は、ｔ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}の時間の間に隔間Ｔｘ共振器１１への電力印加を中止する。送信機１０は、上記の手順をｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回反復することができる。受信機２０からInteractive_Request_Join_Frameパケットがｎ_{ｒｅｇ_ｒｅｔ}回の再試み以後にも受信されないと、送信機１０は、Ｔｘ共振器１１に電力Ｐ_ｒｅｇの印加を中止し、検出状態に戻る。

図７７は、構成(configuration)状態でのタイミング制約を示した図である。図７７を参照すると、受信機(Receiver)２０は、送信機(Transmitter)１０から送信されたInteractive_Response_Join_Frameパケットに対する応答として、送信機１０にACK_Frameパケットを送信する。受信機２０は、ｔ_{ｒｅｑ_ｃｈａｒ}時間内に送信機１０にInteractive_Request_Charge_Frameパケットを送信する。受信機２０からInteractive_Request_Charge_Frameパケットを受信した送信機１０は、ｔ_{ｄａｔａ_ｒｅｓ}時間内にInteractive_Response_Charge_Frameパケットを受信機２０に送信する。受信機２０は、Interactive_Response_Charge_Frameパケットに対する応答として、ｔ_ａｃｋ時間内に送信機１０にACK_Frameパケットを送信する。上記のような過程を通じて受信機２０は充電状態に進入し、送信機から出力される電力を受信できるようになる。

図７８は、充電(charge)状態でのタイミング制約を示した図である。図７８を参照すると、充電状態でゼロスロット(Slot０)は、送信機１０がNotice_Frameパケットを受信機(Receiver)２０にブロードキャストするタイムスロット区間である。それによって送信機１０は、ゼロスロットを受信機２０に割り当てしない。第１のスロット(Slot１)は、第１の受信機(Receiver１)に割り当てられるもので、第１の受信機(Receiver１)は、ｔ_{ｄａｔａ_ｒｅｓ}時間の間にReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。第１の受信機(Receiver１)からReport_Frameパケットを受信した送信機１０は、ｔ_ａｃｋ時間内に第１の受信機(Receiver１)にACK_Frameパケットを送信する。上記のような方式で、送信機１０と第１の受信機(Receiver１)は、電圧、電流及び電力送信効率のような電力交渉情報を周期的に共有することができる。第１の受信機(Receiver１)が送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド)から除去され、第１の受信機(Receiver)からのReportがないと(Report_Frameパケットが送信機１０に転送されないと)、送信機１０は、第１の受信機(Receiver１)が除去されたと決定する。第１の受信機(Receiver１)が除去されたので、送信機は、第１の受信機(Receiver１)に割り当てられたタイムスロット、すなわち第１のスロット(Slot１)を充電状態であった最後の受信機に再割当てする。上記のように本発明による送信機１０は、受信機２０に割り当てるスロット数を減らし、競合区間を増加させながら通信衝突可能性を最小化させることができる。

待機(standby)状態で、タイミング制約は、充電状態でのタイミング制約と同一である。
一方、受信機２０が安全と関連したインタラプトを検出すると、送信機１０は、Power Off of Internal Errorデータを含むNotice_Frameパケットを受信機２０に送信する。その結果、送信機１０は、過温度、過電流及び過電圧などから自身の回路及び受信機２０の損傷を保護するためにＴｘ共振器１１への電力印加を中止することができる。

図７９は、送信機１０が過電流から電力送信システムを保護する方法を示した順序図であり、図８０は、送信機１０が過電圧から電力送信システムを保護する方法を示した順序図であり、図８１は、送信機１０が過温度から電力送信システムを保護する方法を示した順序図である。
本発明による受信機２０は、安全と関連したインタラプトを検出することができる。上記インタラプトが検出されると、受信機２０は、過電流、過電圧及び過温度のようなError of corresponding Reasonデータを含むReport_Frameパケットを送信機１０に送信する。その結果、送信機１０は、過温度、過電流及び過電圧などから受信機２０と送信機１０自身の回路を保護するためにＴｘ共振器１１への電力印加を中止することができる。
図８２は、受信機２０が過電圧から電力送信システムを保護する方法を示した順序図である。受信機２０の過電流及び過温度から電力送信システムを保護する方法は、図８０及び図８１に示した送信機１０の過電流及び過温度から電力送信システムを保護する方法と同一であるので、別途の説明は省略する。

(無線電力送信システムでの通信インターフェース)
本発明による無線電力送信システムの通信プロトコルは、センサーネットワーク環境に対するＩＥＥＥ８０２．１５．４に基づく。しかし、ＩＥＥＥ８０２．１５．４が本発明に従う無線電力送信システムに対して不要な機能を有するので、本発明では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４プロトコルを修正して再設計した。特に本発明では、物理的階層機能のうち一部をＩＥＥＥ８０２．１５．４から除外させ、リンク階層を本発明に従う無線送信システムに適合するように再設計された。

図８３は、本発明による無線電力送信システムにおける送信機と受信機間の通信の一例を示した図である。
図８３を参照すると、送信機(Transmitter)１０と受信機(Receiver)２０の通信は、次のように遂行される。送信機１０は、負荷(load)を感知し、受信機２０が送信機１０と通信できるように送信機１０の通信ＩＣ(integrated circuit)の作動のための電力を受信機２０に送信する。受信機２０は、Interactive_Request_Join_Frameパケットを送信機１０に送信することによって送信機１０に登録を要請する。送信機１０は、受信機２０が有効な機器であるか否かをチェックして、有効な機器である場合、Interactive_Request_Join_Frameパケットに含まれていた受信機２０のＩＤを短いＩＤ(Short ＩＤ)、すなわちＳＩＤに交替する。送信機１０は、Interactive_Request_Join_Frameパケットに対する応答で、Interactive_Response_Join_Frameパケットを受信機２０に送信する。

Interactive_Response_Join_Frameパケットを受信した受信機２０は、送信機１０からの電力を受信するための登録が承認(permission)されたと判断し、設定(Configuration)状態に進入できる。受信機２０は、Interactive_Request_Charge_Frameパケットを送信機１０に伝送して電力送信を送信機１０に要請する。送信機１０は、有効電力(valid power)をチェックする。送信機１０は、有効電力をチェックして受信機２０から要請された電力を、受信機２０に伝送できるかを判断する。図８３では、送信機１０が、受信機２０が要請した電力を伝送できる状態であると仮定する。送信機１０は、Interactive_Response_Charge_Frameパケットを伝送して受信機２０に、受信機２０が要請した電力を伝送することができることを知らせる。受信機２０は、送信機１０からの電力を受信するための設定が承認(permission)されたと判断し、充電(Charge)状態に進入する。

充電状態に進入すると、送信機１０は、受信機２０と送信機１０との同期(synchronization)のためにNotice_Synch_Frameパケットを伝送する。受信機２０は、Notice_Sysnch_Frameパケットによって送信機１０と同期され、受信機２０自身に対するReport_Frameパケットを送信機１０に伝送する。以後、受信機２０は、送信機１０からの電力供給を受ける充電モード(Charge CC mode)になってバッテリー充電を遂行する。

充電が完了すると、送信機１０は、受信機２０からReport_Charge_completeパケットを受信することができる。一実施形態によれば、送信機１０は、受信機２０の充電終了(charge finish)を決定することができる。送信機１０は、予め定められた時間の間に受信機２０に電力が供給されるか、または予め定められた電力が受信機２０に供給されたと判断されると、受信機２０に対する充電が完了したと決定することができる。充電が完了すると、送信機１０は、受信機２０にNotice_Charge_Finish_Frameパケットを伝送する。受信機２０は、充電が完了したことを認識し、待機状態(stand by state)に進入する。

待機状態でも、受信機２０は、送信機１０にReport_Frameパケットを伝送できる。受信機２０は、再充電が必要な場合には、充電を準備して(charge ready)、充電が完了した状態では、単純な待機状態を維持できる(complete and wait)。再充電が必要な場合、送信機１０は、Notice_Synch_Frameパケットを受信機２０に伝送し、これに応答して、受信機２０は、送信機１０にReport_Frameパケットを伝送できる。一実施形態によれば、送信機１０は、充電が完了した受信機２０を送信機１０のインターフェース(例えば、充電パッド)から分離させることをユーザに要請できる。

一方、本発明による無線送信システムでは、望ましくは、通信標準ＩＥＥＥ８０２．１５．４に記載された２．４ＧＨｚＩＳＭ帯域を周波数として使用することができる。
本発明による無線電力送信システムは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４に定義された２．４ＧＨｚの周波数を有する１６個のチャンネルを利用することができる。
ＩＥＥＥ８０２．１５．４でＣＣＡ(空のチャンネル評価：Clear channel assessment)は、ＣＳＭＡ−ＣＡ(carrier sense multiple access-collision avoidance)チャンネルに信号がある否かを確認するために利用される。またＣＣＡは、ＣＳＭＡ−ＣＡチャンネルと同じ目的で、本発明による無線電力送信システムで利用されることができる。本発明による無線電力送信システムでは、無線電力送信環境に最適化されたＣＳＭＡ−ＣＡアルゴリズムを利用するはずである。

(無線電力送信システムで使用するパケットのフレーム構造)
図８４は、本発明による無線電力送信システムでの物理的フレーム構造を示した図であり、本発明による物理的フレーム構造は、図８４に示したようにＩＥＥＥ８０２．１５．４の物理的フレーム構造と同一であり得る。
図８４を参照すると、４バイトプリアンブル(preamble)は、受信機２０が送信機１０と同期化されるための信号である。Synchronization headerは、４バイトのプリアンブルと１バイトの開始フレーム境界記号(Start Frame Delimiter；ＳＦＤ)で構成される。１バイトＳＦＤは、フレームの開始を宣言する。フレームのＰＨＹヘッダーは、フレームの全体長さを示す７ビットのFrame Lengthと１ビットのReservedで構成され、ＰＨＹペイロードは、ＭＡＣヘッターなどを含む。

本発明による物理的フレーム構造は、図８４に示した物理的フレームのうち最左側のフィールドが最初に送信されるか、受信されることができる。全ての多重バイトフィールドは、最下位オクテット(octet)から送信されるか受信され、各オクテットは、最下位ビット(ＬＳＢ)から先ず送信されるか、受信される。上記のような送信順序は、ＰＨＹとＭＡＣ階層間に伝えられるデータフィールドにも適用可能である。また２進法の整数及びビットパターンは、一重引用符内の(single quotes；‘’)の０と１のシーケンスで表現される。

本発明による無線電力送信システムのＭＡＣフレームは、ＰＨＹペイロードに含まれて、ＰＨＹヘッダーに後続する。図８５は、本発明によるＭＡＣフレーム構造を示した図である。
図８５を参照すると、ＭＡＣフレームは、ＭＡＣフレームヘッダー、フレームペイロード及びチェックサムで構成される。チェックサムフィールドは、１６ビットＩＴＵ−Ｔ ＣＲＣを含む。ＭＡＣフレームヘッダーは、フレームタイプフィールド、Short ＩＤフィールド及びSequence Numberフィールドを含む。フレームタイプフィールドは、フレームペイロードに含まれたフレームを区別するのに利用され、Short ＩＤフィールドは、フレームクラスによって受信機客体アドレスまたは送信機アドレスとして利用される。
３ビットフレームタイプフィールドは、下記の＜表１８＞のように定義される。

フレームタイプフィールドには、Notice_Frameに対して‘０００’が割り当てられる。Notice_Frameパケットは、送信機１０から受信機２０に通知(notice)がある場合に利用される。Notice_Frameパケットは、周期的に送信され、タイムスロット持続区間で一番先に位置される。フレームタイプフィールドには、Report_Frameパケットに対して‘００１’が割り当てられる。Report_Frameパケットは、受信機２０が自身の情報を送信機１０に周期的に送信する時に利用される。Report_Frameパケットは、Notice_Frameパケットが受信された後に各受信機２０に対して割り当てられたタイムスロットから周期的に送信される。フレームタイプフィールドには、ACK_Frameパケットに対して‘０１０’が割り当てられる。ACK_Frameパケットは、与えられたフレームパケットを受信した装置がフレームパケットが適切に受信されたと確認した場合に利用される。フレームタイプフィールドには、Interactive_Frameパケットに対して‘０１１’が割り当てられる。Interactive_Frameパケットは、相手装置(送信機１０または受信機２００)がNotice_FrameパケットまたはReport_Frameパケットのように一方向情報提供目的でなく、所定の情報を提供することを要請した場合に利用される。
４ビットShort ＩＤは、下記の＜表１９＞に定義されている。

図１９を参照すると、ＩＤ‘００００’は、送信機１０からShort ＩＤが割り当てられない受信機により利用されるＩＤである。このような受信機２０は、アドレス‘００００’をRequest_Join_Frameパケットとして利用して送信機１０に登録(join)を要請する。アドレス‘０００１’乃至‘１１１０’は、送信機１０が受信機２０に割り当てるために利用可能なアドレスである。アドレス‘１１１１’は、送信機１０が全ての受信機２０に送信するブロードキャストアドレスである。

Notice_Frameパケットは、受信機と同期化してネットワークがアライブ(alive)な状態を維持し、受信機を管理するための機能を有する。図８６は、本発明によるNotice_Frameパケットの構造を示した図である。
Notice_Frameパケットは、送信機１０のみによって送信されるメッセージである。したがって、４ビットの長さのShort ＩＤフィールドは、ＭＡＣフレームヘッダーで受信機２０のアドレスで満たされる。３ビット通知タイプ(Notice Type)フィールドは、Notice_Frameパケットのクラスを示す。３ビットNotice Infoフィールドは、通知タイプフィールドの値によって他の情報を有する。下記の＜表２０＞は、Notice Typeの値とNotice Infoに含まれる該当情報を定義する。

通知タイプフィールドの値が‘０００’であるとき、Notice Infoフィールドは、Slot Numberの値で満たされる。Slot Numberは、送信機１０により管理されるタイムスロットの数を意味する。ＩＤが割り当てられない受信機２０がNotice_Synchフレームを受信すると、受信機２０は、Slot Numberの値を確認してネットワークでのSlot Durationの長さが分かる。それによって受信機２０は、Slot Durationを避け、Interactive_Request_Join_Frameパケットを送信機１０に送信する。通知タイプフィールドの値が‘００１’であると、Notice Infoフィールドは、Reset Reasonの値で満たされる。Reset Reasonの意味は、下記の＜表２１＞のように定義される。

通知タイプフィールドの値が‘０１０’であるとき、Notice Infoフィールドは、Power off Reasonの値で満たされる。Power off Reasonの意味は、下記の＜表２２＞に定義されたようである。通知タイプフィールドの値が‘０１１’であるとき、Notice Infoフィールドは、変更される短いＩＤの値で満たされる。通知タイプフィールドの値が‘１００’または‘１０１’であるとき、Notice Infoフィールドは、予備として０で満たされる。通知タイプフィールドの値が‘１００’であるとき、ＭＡＣフレームヘッダーにReceiver Short ＩＤアドレスを有する受信機２０に充電を開始することを通知するのに利用される。通知タイプフィールドの値が‘１０１’であるとき、ＭＡＣフレームヘッダーにReceiver Short ＩＤアドレスを有する受信機２０に充電を終了することを通知するのに利用される。

Report_Frameパケットは、受信機２０が自身の情報を送信機１０に周期的に送信する時に利用される。図８７は、本発明によるReport_Frameパケットの構造を示した図である。
Report_Frameパケットは、ネットワークに参加した受信機２０のみによって利用されるメッセージである。したがって、Report_Frameパケットを受信した送信機１０が、どの受信機２０がReport_Frameパケットを送信したかを知るようにするために、受信機２０は、４ビットの長さのShort ＩＤフィールドを受信機自身のアドレスで満たす。Charge Statusフィールドは、３ビットの長さであり、充電状態の情報を示す。Charge Statusフィールドは、下記の＜表２３＞のように定義される。

Charge Statusフィールドは、受信機２０自体の充電状態の情報を含む。＜表２３＞に定義されたように、送信機１０と通信を維持する受信機２０の充電状態には、５種類がある。Standby状態は、受信機２０が充電のために待機するが、充電が完了していない状態である。例えば、送信機１０が受信機２０を充電することはできないが、受信機２０と通信を維持し、送信機が他の受信機２０を充電するので、充電のために待機する場合である。
Charging CCモードは、電流と電圧が充電の間に正常(regular)レベルで維持される状態である。そしてCharging CVモードは、電圧は、充電の間に正常レベルで維持されるが、電流が減少する状態である。Complete and Standbyモードは、充電が完了したが、充電完了後にも通信がアライブした状態で維持される状態である。
Errorは、受信機２０が単独でエラーを検出して充電を中止する状態である。Charge StatusフィールドがErrorで設定されたReport_Error_Frameパケットを受信した送信機１０は、Report_Error_Frameを送信した受信機２０への電力供給を中止する。Reasonフィールドは、４ビットの長さであり、Charge StatusフィールドがErrorで設定された場合のみに利用される。Reasonフィールドは、受信機２０が単独で状態をErrorと見なした理由を含む。＜表２４＞は、Reasonを定義する。

Power Infoフィールドは、受信機２０の電力情報を含み、Charge Statusフィールドの値によって２バイトまたは４バイトである。Charge StatusフィールドがCharge Standby‘０００’またはComplete and Standby‘０１１’であるとき、受信機２０は、充電されない待機状態であるから、Power Infoフィールドは、１バイトの要求電圧値と１バイトの要求電流値を有する。Charge StatusフィールドがCharging CC mode‘００１’またはCharging CV mode‘０１０’であるとき、受信機２０が充電中である充電状態であるから、Power Infoフィールドは、１バイトの要求電圧値と１バイトの要求電流値だけでなく、１バイトの入力電圧値と１バイトの入力電流値を有する。Charge StatusフィールドがErrorであるとき、受信機２０は、充電を中止しなければならないので、Power Infoフィールドは省略される。

図８８は、standby状態でのReport_Frameパケットの構造を示した図であり、図８９は、Charge状態でのReport_Frameパケットの構造を示した図であり、図９０は、Error状態でのReport_Frameパケットの構造を示した図である。
ACK_Frameパケットは、ＭＡＣフレームヘッダーとチェックサムを含む。図９１は、本発明によるACK_Frameパケットの構造を示した図である。
Interactive_Frameパケットは、送信機１０と受信機２０が互いに情報を交換する時に利用される。またInteractive_Frameパケットは、競合区間内で利用されることができる。受信機２０がInteractive_Frameパケットを送信機１０に送信する時、ＭＡＣフレームヘッダーで４ビット長さのShort ＩＤフィールドは、受信機２０自体のアドレスで満たされる。送信機１０が受信機２０にInteractive_Frameパケットを送信する時、ＭＡＣフレームヘッダーで４ビット長さのShort ＩＤフィールドは、受信する受信機２０のアドレスで満たされる。

図９２は、本発明によるInteractive_Frameパケットの一般的な構造を示した図である。Interactive Typeフィールドは、３ビットの長さであり、Interactive_Frameパケットのタイプを定義する。細部事項は、下記の＜表２５＞に定義されたようである。Interactive_Frameパケットは、Interactive Typeフィールドの値によって多様なフレーム構造を有する。

＜表２５＞を参照すると、Interactive Typeフィールドの値が‘０００’であると、Interactive_Frameパケットは、Interactive_Request_Join_Frameパケットである。Interactive_Request_Join_Frameパケットは、受信機２０が送信機１０に無線充電ネットワークに参加するように要請する時に利用される。
図９３は、本発明によるInteractive_Request_Join_Frameパケットの構造を示した図である。Interactive_Request_Join_Frameパケットは、Short ＩＤ(ＳＩＤ)が割り当てられない受信機２０により送信機１０に送信されるもので、Short ＩＤフィールドが送信のために‘００００’で設定される。ＩＤサイズタイプフィールドは、２ビットの長さであり、ＩＤフィールドの長さを示す。下記の＜表２６＞は、ＩＤサイズタイプの値を定義する。

受信機２０は、自身の負荷特性を１ Byte Load Characteristicフィールドに満たす。ＩＤフィールドは、固有受信機ＩＤで満たされる。ＩＤフィールドの値を受信した送信機１０は、ＩＤフィールドの値、自身により割り当てられたShort ＩＤ及び自身のメモリ内の受信機２０に対する他の管理パラメータをマッピングし管理する。
Interactive Typeフィールドの値が‘００１’であると、Interactive_Frameパケットは、Interactive_Response_Join_Frameパケットである。Interactive_Response_Join_Frameパケットは、Interactive_Request_Join_Frameパケットを受信した送信機１０が、受信機２０に受信機２０が無線充電ネットワークに参加されたかに対して送信するときに利用される。

図９４は、本発明によるInteractive_Response_Join_Frameパケットの構造を示した図である。Interactive_Response_Join_Frameパケットは、送信機１０によりShort ＩＤが割り当てられない受信機２０に送信されるもので、Short ＩＤフィールドは、送信のために‘００００’で設定される。１ビットPermissionフィールドは、送信機１０が、受信機２０がネットワークに参加することを許可するかに関して示す。このフィールドが０に設定されると、許可が否定され、１に設定されると、許可が受諾される。Allocated Short ＩＤフィールドは、４ビットの長さであり、送信機１０が受信機２０に割り当てたアドレスを含む。Permissionフィールドが０に設定されると、Allocated Short ＩＤは、‘００００’に設定される空欄(blank)である。Short ＩＤは、Slot Numberを意味することもある。
例えば、一つの受信機２０には、Short ＩＤ‘００１１’とSlot Time ５ｍｓが割り当てられると仮定する。この受信機２０は、下の＜数式２３＞のようにNotice_Frameパケットを受信し、１０ｍｓを待機した後にReport_Frameパケットを送信することができる。

Interactive Typeフィールドの値が'０１０'であると、Interactive_Frameパケットは、Interactive_Request_Charge_Frameパケットである。Interactive_Request_Charge_Frameパケットは、Interactive_Response_Join_FrameパケットまたはNotice_Charge_Startパケットを受信した受信機２０が送信したフレームである。Interactive_Request_Charge_Frameパケットは、受信機２０の充電特性を含み、充電要請のために送信機１０に送信される。図９５は、本発明によるInteractive_Request_Charge_Frameパケットの構造を示した図である。Power Characteristi Ｃは、３バイトの長さであり、受信機の基準電流、基準電圧及び基準効率を含む。

Interactive Typeフィールドの値が'０１１'であると、Interactive_Frameパケットは、Interactive_Response_Charge_Frameパケットである。Interactive_Response_Charge_Frameパケットは、Interactive_Request_Charge_Frameパケットを受信した送信機１０が送信したフレームである。送信機１０は、このフレームにより充電が許可されたか否かを受信機２０に知らせる。図９６は、本発明によるInteractive_Response_Charge_Frameパケットの構造を示した図である。
１ビットPermissionフィールドが０に設定されると、充電が許可されなく、１に設定されると、充電が許可される。Reasonフィールドは、３ビットの長さであり、充電許可または禁止に対する理由を含む。下記の＜表２７＞は、Reasonフィールドの値を定義する。

本発明による無線電力送信システムのネットワークは、電力を供給する送信機１０と電力を受信する単一受信機または複数の受信機を含む。送信機１０は、Report_Frameパケットにより受信機の情報を収集し、要求される電力を決定して、受信機２０に電力を供給する。また受信機２０は、Notice_Frameパケットにより自身の情報を周期的に送信機１０に送信して、同期化及びネットワーク管理のための情報を周期的に送信機１０から受信する。このようなトラフィック特性のために本発明による無線電力送信システムのネットワークに対しては、スタートポロジーが望ましい。図９７は、本発明による無線電力送信システムでのスタートポロジーを示した図である。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であるということは、当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるべきである。

１０ 送信機
１１ Ｔｘ共振器
１２ Ｔｘマッチング回路
１３ Ｔｘ電力変換部
１３−１ Ｅ級増幅器
１３−２ ドライバー増幅器
１４ Ｔｘ通信部
１５ Ｔｘ制御部
２０ 受信機
２１ Ｒｘ共振器
２２ Ｒｘマッチング回路
２３ Ｒｘ電力変換部
２３−１ ＡＣ／ＤＣ整流器
２３−２ ＤＣ／ＤＣコンバ−タ
２４ Ｒｘ通信部
２５ Ｒｘ制御部
３０ システムユニット
４０ 端末機

Claims (7)

1. 無線電力送信システムにおける送信機であって、
   ＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換し、変換された第１のＡＣ電圧を増幅して第２のＡＣ電圧に変換するＴｘ電力変換部と、
   第２のＡＣ電圧を伝送するために第２のＡＣ電圧を受信する受信機とインピーダンスをマッチングするＴｘマッチング回路と、
   第２のＡＣ電圧を受信機に伝送するために第２のＡＣ電圧を共鳴波で共振するＴｘ共振器と、
   前記第１のＡＣ電圧の増幅率を決定し、決定された前記増幅率によって前記第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換するように前記Ｔｘ電力変換部を制御するＴｘ制御部と、を含むことを特徴とする無線電力システムにおける送信機。
2. 無線電力送信システムにおける受信機であって、
   送信機によって共鳴波として共振されるＡＣ電圧を受信するＲｘ共振器と、
   前記送信機から前記ＡＣ電圧を受信するために前記送信機とインピーダンスをマッチングするＲｘマッチング回路と、
   前記ＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧で整流し、前記第１のＤＣ電圧を増幅して第２のＤＣ電圧に変換するＲｘ電力変換部と、
   前記第１のＤＣ電圧の増幅率を決定し、決定された前記増幅率によって前記第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換するように前記Ｒｘ電力変換部を制御するＲｘ制御部と、を含むことを特徴とする無線電力システムにおける受信機。
3. 無線電力送信システムにおける送信機であって、
   ＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換するＥ級増幅器及び変換された第１のＡＣ電圧を増幅して第２のＡＣ電圧に変換するドライバー増幅器を含むＴｘ電力変換部と、
   第２のＡＣ電圧を伝送するために第２のＡＣ電圧を受信する受信機とインピーダンスをマッチングするＴｘマッチング回路と、
   第２のＡＣ電圧を受信機に伝送するために第２のＡＣ電圧を共鳴波として共振するＴｘ共振器と、
   前記第１のＡＣ電圧の増幅率を決定し、決定された前記増幅率によって前記第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換するように前記Ｔｘ電力変換部を制御するＴｘ制御部と、を含み
   前記Ｔｘ制御部は、
   前記Ｅ級増幅器に含まれたトランジスタの駆動電圧をモニタリングして前記トランジスタに印加された駆動電圧によって前記Ｅ級増幅器に過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生したか否かを判断し、判断の結果、前記過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生した場合、送信機の動作を停止させることを特徴とする無線電力システムにおける送信機。
4. 無線電力送信システムにおける受信機であって、
   送信機によって共鳴波として共振されるＡＣ電圧を受信するＲｘ共振器と、
   前記送信機から前記ＡＣ電圧を受信するために前記送信機とインピーダンスをマッチングするＲｘマッチング回路と、
   前記ＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧で整流し、前記第１のＤＣ電圧を増幅して第２のＤＣ電圧に変換するＲｘ電力変換部と、
   前記第１のＤＣ電圧の増幅率を決定し、決定された前記増幅率によって前記第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換するように前記Ｒｘ電力変換部を制御するＲｘ制御部と、を含み
   前記Ｒｘ制御部は、
   前記Ｒｘ共振器を通じて受信する前記ＡＣ電圧をモニタリングして前記ＡＣ電圧によって受信機の少なくとも一部に過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生したか否かを判断し、判断の結果、前記過電圧、過電流及び過温度のうち少なくとも一つが発生した場合、前記受信機の動作を停止させることを特徴とする無線電力システムにおける受信機。
5. インターフェースでの負荷変動をモニタリングするために所定時間ごとに第１の電力を供給し、前記負荷変動が発生したか否かをチェックする検出段階と、
   前記負荷変動が発生した場合、前記第１の電力よりも大きい第２の電力を前記インターフェースに供給して第２の電力を受信した受信機から応答を受信すると、前記受信機に短い識別子(Short identification：ＳＩＤ)及び前記受信機に対応するタイムスロットを割り当てる登録段階と、
   前記受信機から出力電圧、出力電流のうち少なくとも一つを含む情報を受信し、前記情報によって前記受信機から要求される要求電力を計算し、前記要求電力を前記受信機に伝送することができるか否かを判断する構成段階と、
   前記判断の結果、前記要求電力を前記受信機に伝送することができる場合、前記受信機に前記要求電力を伝送する充電段階と、を含むことを特徴とする無線電力送信システムにおける送信機の無線電力送受信方法。
6. 送信機から所定時間ごとに供給される第１の電力を受信し、前記第１の電力を用いて前記送信機に加入を要請する段階と、
   前記送信機から前記第１の電力よりも大きい第２の電力を受信して、前記送信機に充電を要請する段階と、
   前記送信機から短い識別子(Short identification：ＳＩＤ)及びタイムスロットの割り当てを受け、出力電圧、出力電流のうち少なくとも一つを含む情報を前記送信機に伝送して要求電力の伝送を要請する段階と、
   前記送信機から前記要求電力を受信する段階と、を含むことを特徴とする無線電力送信システムにおける受信機の無線電力送受信方法。
7. 無線電力送信システムにおける送信機及び受信機は、
   ＭＡＣフレームヘッダー、フレームペイロード、チェックサム(Checksum)で構成されるＭＡＣフレームを使用してデータを送受信することを特徴とする無線電力送信システム。