JP6523679B2 - 無線電力送信装置とその制御方法及びコンピュータ読出可能記録媒体並びにエネルギー充電装置 - Google Patents

無線電力送信装置とその制御方法及びコンピュータ読出可能記録媒体並びにエネルギー充電装置 Download PDF

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Description

本発明は、無線で電力を送信する技術及びインダクターにエネルギーを充電する技術に関し、特に孤立共振システムで共振器に注入されるエネルギー効率を向上させることのできる無線電力送信装置及びその制御方法並びにエネルギー充電装置に関する。
無線電力送信に対する研究は、携帯用端末を含む様々な電子機器の爆発的な増加による有線電力供給に対する不便さの増加及び既存のバッテリ容量の限界などを克服するために始まった。
その中でも近距離無線電力送信に対する研究が集中している。
近距離無線電力送信とは、動作周波数で波長の長さに比べて送受信コイル間の距離が十分に小さい場合を意味する。
このような近距離無線電力送信には、孤立共振システムが用いられる。共振特性を用いる孤立共振システムは、電力を供給するソースと電力が供給されるターゲットを含む。
しかしながら、孤立共振システムでの電力送信効率は充分高いとは言えないという問題があり、近年では電力を効率的に送信するための研究が続いて行われている。
本発明は上記従来の孤立共振システムにおける問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、共振器に注入されるエネルギー効率を向上させることのできる無線電力送信装置及びその制御方法並びにエネルギー充電装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、共振器に流入するエネルギー量を効果的に調整することのできる無線電力送信装置及びその制御方法並びにエネルギー充電装置を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明による無線電力送信装置は、第1共振器との共振によって電力を送信する第2共振器と、電源と前記第2共振器との間を接続するスイッチと、前記第2共振器に流入する目標電流量を設定する設定部と、前記目標電流量に基づいて前記スイッチを制御する制御部と、前記第2共振器に流入する実際電流量をセンシングするセンシング部と、前記第1共振器に送信されるデータを生成するデータ生成部と、を有し、前記制御部は、前記実際電流量と前記目標電流量とを比較することによって前記スイッチを制御し、前記設定部は、前記第1共振器に送信されるデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記データ生成部の出力信号に応じて前記目標電流量を動的に設定し、前記制御部は、前記第2共振器が正常状態であるか否かに関わらず前記第2共振器に流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するとき前記スイッチをオフすることを特徴とする。
記設定部は、前記第2共振器の充放電サイクルにより前記目標電流量を設定することが好ましい。
前記設定部は、第1シンボル区間で第1データに対応する目標電流量を設定し、第2シンボル区間で第2データに対応する目標電流量を設定し、前記第1シンボル区間は、前記第2共振器の第1充放電サイクルに対応し、前記第2シンボル区間は、前記第2共振器の第2充放電サイクルに対応することが好ましい。
前記設定部は、前記第2共振器に流入する実際電流量に基づいて前記目標電流量を設定することが好ましい。
前記設定部は、前記第2共振器に流入する実際電流量に基づいて前記第1共振器の存在の有無、前記第1共振器の電力受信状態、及び前記第2共振器の残存エネルギー量の内の少なくとも1つを分析することが好ましい。
前記設定部は、前記第2共振器の共振波形に基づいて前記目標電流量を設定することが好ましい。
前記設定部は、前記第2共振器の共振波形に基づいて前記第1共振器から送信されたフィードバックを分析することが好ましい。
前記設定部は、前記第1共振器に送信するデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも2つに基づいて前記目標電流量を設定することが好ましい。
前記設定部は、所定の複数の目標電流量候補の内からいずれか1つを目標電流量として選択することが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明によるエネルギー充電装置は、エネルギーを格納するインダクターと、電源と前記インダクターとの間を接続するスイッチと、前記インダクターに格納される目標エネルギー量を設定する設定部と、前記目標エネルギー量に基づいて前記スイッチを制御する制御部と、前記インダクターに流入する実際電流量をセンシングするセンシング部と、前記インダクターから電力を受信する第1共振器に送信されるデータを生成するデータ生成部と、を有し、前記制御部は、前記目標エネルギー量に対応する目標電流量と前記実際電流量とを比較することによって前記スイッチを制御し、前記設定部は、前記第1共振器に送信されるデータ、前記インダクターに流入する実際電流量、及び前記インダクターの共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記データ生成部の出力信号に応じて前記目標電流量を動的に設定し、前記制御部は、前記インダクターが正常状態であるか否かに関わらず前記インダクターに流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するとき前記スイッチをオフすることを特徴とする。
記インダクターは、第1共振器との共振によって電力を送信する第2共振器を構成することが好ましい。
前記設定部は、前記インダクターを用いて送信するデータに基づいて前記目標エネルギー量を設定することが好ましい。
前記設定部は、前記インダクターに流入する実際電流量に基づいて前記目標エネルギー量を設定することが好ましい。
前記設定部は、前記インダクターの両端にかかる電圧の波形に基づいて前記目標エネルギー量を設定することが好ましい。
前記設定部は、前記インダクターを用いて送信するデータ、前記インダクターに流入する実際電流量、及び前記インダクターの両端にかかる電圧の波形の内の少なくとも2つに基づいて前記目標エネルギー量を設定することが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明による無線電力送信装置の制御方法は、第1共振器との共振によって電力を送信する第2共振器を含む無線電力送信装置の制御方法であって、前記第1共振器に送信するデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも1つの情報に基づいて前記第2共振器に流入する目標電流量を設定するステップと、前記第2共振器の充放電サイクルに従い、前記第2共振器に電流を流入させるか否かを決定するステップと、を有し、前記目標電流量は、前記第1共振器に送信されるデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記無線電力送信装置のデータ生成部の出力信号に応じて動的に設定され、前記無線電力送信装置の電源と前記第2共振器との間を接続するスイッチは、前記第2共振器が正常状態であるか否かに関わらず前記第2共振器に流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するときオフすることを特徴とする。
また、上記目的を達成するためになされた本発明による無線電力送信装置は、他の共振器に電力を送信する共振器と、前記共振器と電源を接続するスイッチと、前記他の共振器に送信するデータ、前記共振器に流入する実際電流量、及び前記共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記共振器に流入する目標電流量を設定する設定部と、前記目標電流量に基づいて前記スイッチを制御する制御部と、前記共振器に流入する実際電流量をセンシングするセンシング部と、前記他の共振器に送信されるデータを生成するデータ生成部と、を有し、前記設定部は、前記他の共振器に送信されるデータ、前記共振器に流入する実際電流量、及び前記共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記データ生成部の出力信号に応じて前記目標電流量を動的に設定し、前記制御部は、前記共振器が正常状態であるか否かに関わらず前記共振器に流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するとき前記スイッチをオフすることを特徴とする。
記他の共振器に送信するデータを生成するデータ生成部をさらに有することが好ましい。
前記共振器と直列に接続し、前記共振器に流入する前記実際電流量をセンシングするセンサをさらに有することが好ましい。
前記共振器の共振波形をセンシングするセンサをさらに有することが好ましい。
前記共振器と並列に接続し、前記共振器に流入する前記実際電流量をセンシングするセンサをさらに有することが好ましい。

本発明に係る無線電力送信装置及びその制御方法並びにエネルギー充電装置によれば、共振器に注入されるエネルギー効率を向上させる方式を提供することができるという効果がある。
また、共振器に流入されるエネルギー量を効果的に調整する方式を提供することができるという効果がある。
本発明の実施形態に係る無線電力送信システムの等価回路を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る無線電力送信システムの等価回路を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る充放電サイクルに該当するシンボル区間の間無線電力送信装置内部の回路動作を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態に係る充放電サイクルに該当するシンボル区間の間無線電力送信装置内部の回路動作を説明するためのグラフであり、エネルギー受信端の有無による充電電流量の変化を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態に係る充放電サイクルに該当するシンボル区間の間無線電力送信装置内部の回路動作を説明するためのグラフであり、エネルギー受信端の有無による充電電流量の変化を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と直列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と直列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と直列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と直列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と直列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と直列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と並列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と並列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と並列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と並列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るソース共振器と並列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。
次に、本発明に係る無線電力送信装置及びその制御方法並びにエネルギー充電装置を実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
しかし、本発明が一実施形態によって制限されたり限定されることはない。
また、各図面に提示した同一の参照符号は同一の部材を示す。
無線電力送信システムは、無線で電力を必要とする様々なシステムに応用することができる。
無線電力送信システムは、モバイルデバイス又は無線TV(wireless TV)など、無線電力の使用が可能なシステムに用いられる。また、バイオヘルスケア(bio health care)分野に応用可能であり、人体に挿入されたデバイスに遠隔で電力を送信したり、心拍数を測定するための包帯形のデバイスに無線で電力を送信するために応用され得る。
無線電力送信システムは少ない電力で動作し、少ない電力消費が求められる低電力センサなどのデバイスに応用され得る。
また、無線電力送信システムは、電源ソースがない情報記憶装置の遠隔制御にも応用され得る。
無線電力送信システムは、情報記憶装置に遠隔で装置を駆動できる電力を供給すると同時に、無線で情報記憶装置に格納された情報を呼び出すシステムにも応用される。
無線電力送信システムは、信号の発生のために電源供給装置からエネルギーが供給され、ソース共振器に格納して電源供給装置とソース共振器を電気的に接続するスイッチをオフすることで、ソース共振器の自己共振を誘導する。
自己共振するソース共振器と相互誘導で共振するほど十分に近い距離にソース共振器の共振周波数と同じ共振周波数を有するターゲット共振器が存在する場合、ソース共振器とターゲット共振器との間に相互誘導共振現象が発生する。
ソース共振器は、電源供給装置からエネルギーが供給される共振器を意味し、ターゲット共振器は相互誘導共振現象によってソース共振器からエネルギーが伝達される共振器を意味する。
無線電力送信システムは、共振器孤立(Resonator Isolation:RI)システムであると定義してもよい。
図1及び図2は、本発明の実施形態に係る無線電力送信システムの等価回路を示す回路図である。
図1は、共振器孤立システムの例として、容量性充電(Capacitive Charging;CC)方式を示す。
図1を参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信システムは、ソースとターゲットで構成されるソース−ターゲット構造である。
無線電力送信システムは、ソースに該当する無線電力送信装置とターゲットに該当する無線電力受信装置を含む。
無線電力送信装置は、電力入力部110、電力送信部120、及びスイッチング部130を含む。
電力入力部110は、電源供給装置を用いてキャパシタにエネルギーを格納する。
スイッチング部130は、キャパシタにエネルギーが格納される間には電力入力部110にキャパシタを接続し、スイッチング部130は、キャパシタに格納されたエネルギーを放電する間にはキャパシタを電力送信部120に接続する。言い換えれば、スイッチング部130は、キャパシタが同時に電力入力部110及び電力送信部120に接続されないようにする。
電力送信部120は、電磁気エネルギーを無線電力受信装置の受信部140に伝達する。
より具体的には、電力送信部120は、電力送信部120のソース共振器と無線電力受信装置の受信部140のターゲット共振器との間の相互誘導の共振によって電力を伝達する。
ここで、ソース共振器は、キャパシタC及び送信コイルLを含み、ターゲット共振器は、キャパシタC及び受信コイルLを含む。
ソース共振器とターゲット共振器との間に発生する相互誘導の共振の程度は相互インダクタンスMの影響を受ける。ここで、相互インダクタンスMは、相互誘導作用で1次側の電流の時間変動分と2次側に誘導される電圧の比例係数として、単位はヘンリー(H)である。
電力入力部110は、入力電圧VDC、内部抵抗Rin及びキャパシタCとして、電力送信部120は、基礎回路素子R、L、Cとして、スイッチング部130は少なくとも1つのスイッチにモデリングされる。
キャパシタCは、スイッチング部130の動作により電力入力部110に属したり、電力送信部120に属したりする。スイッチとしてオン/オフ機能を行うことのできる能動素子を用いてもよい。Rは抵抗成分、Lはインダクター成分、Cはキャパシタ成分を意味する。入力電圧VDCのうちキャパシタCにかかる電圧はVinのように表示される。
無線電力受信装置は、受信部140、電力出力部150、及びスイッチング部160を含む。
受信部140は、無線電力送信装置の電力送信部120から電磁気(electromagnetic)エネルギーを受信する。
受信部140は、受信した電磁気エネルギーを接続したキャパシタに格納する。
スイッチング部160は、受信部140にキャパシタを接続してキャパシタにエネルギーを格納し、又、スイッチング部160はキャパシタを電力出力部150に接続してキャパシタに格納されたエネルギーを負荷に伝達する。
スイッチング部160は、キャパシタが同時に受信部140及び電力出力部150に接続されないようにする。
受信部140の受信コイルLは、無線電力送信装置の電力送信部120の送信コイルLとの相互誘導の共振によって電力を受信する。
受信した電力を用いて受信コイルLと接続されたキャパシタが充電される。
電力出力部150は、キャパシタに充電された電力をバッテリに伝達する。電力出力部150は、バッテリの代わりに、負荷又はターゲット装置に電力を伝達してもよい。
受信部140は、基礎回路素子R、L、Cとして、電力出力部150は接続されるキャパシタC及びバッテリとして、スイッチング部160は少なくとも1つのスイッチとしてモデリングされる。
キャパシタCは、スイッチング部160の動作により受信部140に属したり、電力出力部150に属したりする。
受信コイルLで受信されるエネルギーのうち、キャパシタCにかかる電圧はVoutのように表示される。
上述したように、無線電力送信装置の電力入力部110と電力送信部120を物理的に分離し、無線電力受信装置の受信部140と電力出力部150を物理的に分離することで電力を送信するRI(Resonator Isolation)システムは、インピーダンスマッチングを用いた従来の電力送信方式に比べて相違点がある。
第1に、DC電源からソース共振器に直接電力の供給が可能であるため、電力増幅器を使用しなくてもよい。
第2に、バッテリの充電のために受信端のキャパシタに充電された電力でエネルギーをキャプチャー(capture)するため、整流器を通した整流作業を必要としない。
第3に、インピーダンスマッチングする必要がないため、送信効率が送信端と受信端との間の距離変化に敏感ではない。また、複数の送信端及び複数の受信端を含む無線エネルギー送信システムへの拡張が容易である。
図2は、本発明の実施形態に係る無線電力送信システムの等価回路で、共振器孤立システムの異なる例として、誘導充電(Inductive Charging;IC)方式を示す。
図2を参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信システムは、ソースとターゲットで構成されるソース−ターゲット構造である。
無線電力送信システムは、ソースに該当する無線電力送信装置とターゲットに該当する無線電力受信装置を含む。
無線電力送信装置は、電力充電部210、スイッチング部220、及び送信部230を含む。
電力充電部210は、電源供給装置Vinと抵抗Rinから構成される。
ソース共振器は、キャパシタCとインダクターLから構成される。
送信部230は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互誘導の共振によってソース共振器に格納されたエネルギーを送信する。
スイッチング部220は、電力充電部210からソース共振器に電力を供給するためにスイッチをオン(ON)する。
電源供給装置VinからキャパシタCに電圧が印加され、インダクターLに電流が印加される。
ソース共振器が正常状態に達すれば、キャパシタCに印加される電圧は0になり、インダクターLに流れる電流はVin/Rinの値を有する。正常状態では、インダクターLに印加される電流を用いてインダクターLに電力が充電される。
スイッチング部220は、正常状態でソース共振器に充電された電力が所定の値に達すると、スイッチをオフ(OFF)する。
所定の値に関する情報は、スイッチング部220に予め設定されてもよい。
一例として、送信部230に流入する電流が所定の目標電流になった場合、スイッチング部220はスイッチをオフする。
電力充電部210と送信部230は、スイッチ動作によって分離する。
スイッチがオフされれば、ソース共振器はキャパシタCとインダクターL間で自己共振を開始する。
また、相互インダクタンスM(270)の影響を受けるソース共振器とターゲット共振器との間の相互誘導の共振によって、ソース共振器に格納されたエネルギーはターゲット共振器に伝えられる。
ここで、相互インダクタンスM(270)は、相互誘導作用で1次側電流の時間変動分と2次側に誘導される電圧の比例係数として、単位はヘンリー(H)である。
ここで、ソース共振器の共振周波数fとターゲット共振器の共振周波数fは同一である。ソース共振器の共振周波数fとターゲット共振器の共振周波数fは以下の数式(1)によって算出される。
Figure 0006523679
無線電力受信装置は、充電部240、スイッチング部250、及び電力出力部260を含む。
ターゲット共振器は、キャパシタCとインダクターLから構成される。
ソース共振器とターゲット共振器との間で相互誘導により共振するとき、ソース共振器は電源供給装置Vinと分離し、ターゲット共振器は負荷(LOAD)及びキャパシタCと分離している。
ターゲット共振器のキャパシタCとインダクターLは相互誘導による共振によって電力を充電する。
スイッチング部250は、ターゲット共振器が電力を充電するため、スイッチをオフ(OFF)する。スイッチがオフの間にターゲット共振器の共振周波数とソース共振器の共振周波数は一致し、相互誘導による共振が発生する。スイッチング部250は、ターゲット共振器に充電された電力が所定の値に達すると、スイッチをオン(ON)する。所定の値に関する情報は、スイッチング部250に予め設定されてもよい。
スイッチがオンされれば、キャパシタCが接続されてターゲット共振器の共振周波数が以下の数式(2)のように変更される。
Figure 0006523679
したがって、ソース共振器とターゲット共振器との間の共振周波数が一致せず、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互誘導による共振が終了する。
より詳しくは、ターゲット共振器のQを考慮してf’がfより十分小さければ、相互誘導による共振チャネルが消滅する。
また、電力出力部260は、キャパシタCとインダクターLに充電された電力を負荷(LOAD)に伝達する。電力出力部260は負荷(LOAD)の必要に適する方式で電力を伝達してもよい。例えば、電力出力部260は、負荷で要求する定格電圧に電圧をレギュレーション(regulation)して電力を伝達してもよい。
スイッチング部250は、ターゲット共振器に充電された電力が所定の値未満の値を有すれば、スイッチをオフ(OFF)する。
オフ(OFF)によってソース共振器とターゲット共振器の共振周波数が再び一致すれば、充電部240は、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互誘導による共振によって再びターゲット共振器は電力を充電する。ソース共振器とターゲット共振器との間に相互誘導による共振が発生するときスイッチが接続されない。
したがって、スイッチの接続による送信効率の減少を予防することができる。
図1に示すCC方式に比べて、図2に示すIC方式はターゲット共振器に格納されたエネルギーのキャプチャー時点を制御することが容易である。
図1に示すCC方式では、無線電力受信装置がキャパシタに充電されたエネルギーをキャプチャーできるが、図2に示すIC方式はターゲット共振器のインダクター及びキャパシタに格納されたエネルギーをキャプチャーするため、エネルギーのキャプチャー時点に対する自由度が向上する。
共振器孤立システムの送信端は、電力を送信したりデータを送信するため、スイッチの接続によってソース共振器にエネルギーの充電と放電を繰り返して行う。
このような一回のエネルギーの充電と放電工程は、1つのシンボルとして定義されてもよい。
受信端は、送信端からエネルギー又はデータを受信するため、送信端の充電及び放電を繰り返すスイッチの動作周期にあわせて受信端のスイッチを制御する。
受信端は、送信端からエラーなしで電力又はデータを受信するため、送信端のスイッチがいつオフ(OFF)して、いつオン(ON)するか、そして、いつ相互誘導による共振を開始して、いつターゲット共振器に格納されたエネルギーがピーク値(所定の値)を有するかを把握する必要がある。送信端スイッチのオン/オフタイムに関する情報を把握して受信端のオン/オフタイムを送信端スイッチのオン/オフタイムに関する情報に適用させて調整する工程を時間同期化工程と定義する。
共振器孤立システムは情報を伝達するため、ソース共振器とターゲット共振器との間の相互誘導による共振現象を用いる。
より具体的には、送信端は所定の時間区間の間電源からソース共振器にエネルギーを注入したり/注入しない動作によって当該時間区間の間に相互誘導による共振を発生させたり/発生させない状態をスイッチングする。
より詳細には、ソース共振器と電源の接続をスイッチングして相互誘導による共振現象をスイッチングする。相互誘導による共振が発生する状態及び相互誘導による共振が発生しない状態それぞれに情報を割り当ててもよい。
例えば、送信端は、相互誘導による共振が発生する状態にビット「1」を、相互誘導による共振が発生しない状態にビット「0」を割り当ててもよい。ここで、所定の時間区間は、例えば、1つのシンボルとして定義される。
受信端は、上記時間区間の間にターゲット共振器の共振周波数をソース共振器の共振周波数と合わせたり(tune)/合わせない(de−tune)動作により相互誘導による共振が発生する/発生しない状態をスイッチングする。
ここで、受信端は、それぞれの現象に情報を割り当て(assign)てもよい。
例えば、受信端は、相互誘導による共振が発生する状態にビット「1」を、相互誘導による共振が発生しない状態にビット「0」を割り当ててもよい。
シンボル単位で情報伝達する方法において、シンボルの同期を合わせる作業が先行しなければならない。
シンボルの同期を合わせるために受信端又は送信端で同期整合の作業を行う。
同期整合の作業が行われると、所定のプロトコルによって送信端と受信端との間で双方向にデータを送/受信することができる。
図3A〜図3Cは、本発明の実施形態に係る充放電サイクルに該当するシンボル区間の間に無線電力送信装置の内部の回路動作を説明するためのグラフである。
図3Aは、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置でのスイッチの動作による充電効率を説明する。
ここで、図3Aは誘導充電(IC)方式による共振器孤立システムを考慮する。
図3Aを参照すると、符号310は、無線電力送信装置でのスイッチのオン/オフ動作によるエネルギー充電区間を示す。
無線電力送信装置は、充電(charging)及び放電(discharging)工程を繰り返すことによって無線電力受信装置にエネルギーを送信する。
一回のエネルギーの充電と放電工程は1つのシンボルとして定義される。
無線電力送信装置のスイッチがオン状態である場合、ソース共振器はエネルギーを充電し、無線電力送信装置のスイッチがオフ状態である場合、ソース共振器のエネルギーは放電される。
符号320は、符号310のエネルギー充電区間内での時間による電流及び電圧の変化量を示す。
充電が開始すると、無線電力送信装置のソース共振器で電圧は急激に減少し、ソース共振器が正常状態(steady state)に到達すれば、ソース共振器のキャパシタに印加される電圧は「0」になる。
充電が開始すると、無線電力送信装置のソース共振器で電流は急激に増加し、ソース共振器が正常状態に到達すれば、ソース共振器のインダクターに流れる電流は一定の値(例えば、I=Vin/Rin)に至る。
正常状態ではインダクターに印加される電流によってLI /2のエネルギーが充電される。ここで、Lはソース共振器インダクターのインダクタンス値である。
符号330は、エネルギー充電区間内でのエネルギー充電効率を示す。
ここで、エネルギー充電効率は(充電されるエネルギー量)/(供給される総エネルギー量)として定義される。
インダクターに充電されるエネルギー量はLI /2であり、入力電圧Vinが一定の場合はIは入力抵抗Rinの関数であるため、充電されるエネルギー量は入力抵抗Rinの関数である。
また、供給される総エネルギー量は、充電されるエネルギー量と損失されるエネルギー量の和として算出される。エネルギーは、主に入力抵抗Rinから熱エネルギーの形態に損失され、これにより損失されるエネルギーも入力抵抗Rinの関数である。言い換えれば、エネルギー充電区間内でエネルギー充電効率は入力抵抗Rinの関数である。
符号330を参照すると、エネルギー充電が開始すると、インダクターに流れる電流が増加することによって充電されるエネルギーが増加し、エネルギー充電効率が上昇する。
ソース共振器が正常状態になると、インダクターに流れる電流がこれ以上増加しないため、ソース共振器に充電されるエネルギー量はこれ以上増加しない。
ただし、共振器が正常状態に達しても入力抵抗Rinには電流が続けて流れることから、電力損失は続いて発生する。そのため、時間の流れによりエネルギー充電効率は最高点に達した後、次第に減少する。
符号310〜330を考慮すると、入力抵抗Rinを減少させたり、エネルギー充電区間の時間を短縮させたり、無線電力送信装置のスイッチを精密に制御できるとき、エネルギー充電効率は向上することができる。
図3B及び図3Cは、本発明の実施形態に係る充放電サイクルに該当するシンボル区間の間無線電力送信装置内部の回路動作を説明するためのグラフであり、エネルギー受信端の有無による充電電流量の変化を説明するためのグラフである。
図3Bを参照すると、スイッチ信号340がオン(ON)されれば、電流量350が急激に増加してVin/Rinに収斂する。
スイッチ信号340がオン(ON)の区間で、電流量350は、図2に示すスイッチング部220がオン(ON)である場合、送信部230に含まれたインダクターLに流れる電流の量である。
スイッチ信号340がオフ(OFF)されれば、電流量350は、共振周波数及び上下の振幅をもって共振を開始する。
ここで、電流量の包絡(envelop)線355は、Vin/Rinから「0」に徐々に減少する。
スイッチ信号340がオフ(OFF)の区間で、電流量350は図2に示すスイッチング部220がオフ(OFF)である場合、送信部230に含まれたインダクターLに流れる電流の量である。
図3Cを参照すると、ソース共振器とカップリングされたターゲット共振器が存在する場合、送信端に注入されるエネルギーの形態が変わることがある。
例えば、スイッチオン(ON)区間で、電流量360がVin/Rinに収斂する速度は、電流量350がVin/Rinに収斂する速度よりも遅いこともある。
ターゲット共振器とカップリングされる場合、ソース共振器の充電速度が遅くなるためである。
この場合、電流量360は、同一のスイッチオン(ON)期間の間にVin/Rinよりも小さい値、符号361に達する。そのため、ソース共振器に意図するだけのエネルギーが充電されない可能性がある。
スイッチ信号340がオフ(OFF)されれば、電流量360は共振周波数及び上下の振幅をもって共振を開始する。ここで、電流量の包絡線365はVin/Rinよりも小さい値、符号361から「0」に徐々に減少する。
本発明の実施形態に係る無線電力送信装置は、入力抵抗Rinのような受動素子ではない能動素子を用いてソース共振器に流入する電流量を制御する。
例えば、本発明の実施形態に係る無線電力送信装置は、精巧に制御できるスイッチを用いてソース共振器に流入する電流量を制御する。
本発明の実施形態に係る無線電力送信装置は、入力抵抗Rinによるエネルギー損失を画期的に減少させ得る。
さらに、本発明の実施形態に係る無線電力送信装置は、様々な情報に基づいてソース共振器に流入することを所望する目標電流量を動的に設定することで、ソース共振器に充電されるエネルギー量を動的に制御することができる。
また、本発明の実施形態に係る無線電力送信装置は、ソース共振器に充電されるエネルギー量を動的に制御することによって、ターゲット共振器に電力だけではなく、データも送信できる。
また、本発明の実施形態に係る無線電力送信装置は、ソース共振器に実際流入する電流量がフィードバックされてより精巧にスイッチを制御することができる。
また、本発明の実施形態に係る無線電力送信装置は、ターゲット共振器からフィードバックされる情報を受信し、フィードバックされた情報を用いてソース共振器を動的に制御することができる。
図4は、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置の構成を示すブロック図である。
図4を参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置は、ソース共振器430、スイッチ420、制御部440、及び設定部450を含む。
ソース共振器430は、ターゲット共振器との相互共振によって電力を送信する。
電源410は、ソース共振器430に電力を供給する。電源410は、直流電圧源又は直流電流源のいずれか1つであってもよい。電源410は、スイッチ420によってソース共振器430と接続される場合に電力を供給する。
スイッチ420は、電源410とソース共振器430とを接続する。スイッチ420は、制御部440の制御によりオン(ON)又はオフ(OFF)動作を行う。オン状態で電源410とソース共振器430は接続され、オフ状態で電源410とソース共振器430との接続は切れる。
設定部450は、ソース共振器に流入する目標電流量を動的に設定し、制御部440は設定部450によって設定された目標電流量に基づいてスイッチ420を制御する。
例えば、制御部440は、設定部450によって設定された目標電流量がソース共振器430に流入するようスイッチ420を制御する。
設定部450は、様々な情報に基づいて目標電流量を動的に設定する。例えば、設定部450は、ターゲット共振器に送信するデータに基づいて目標電流量を動的に設定してもよい。又は、設定部450は、ソース共振器に実際流入する電流量に基づいて目標電流量を動的に設定してもよい。又は、設定部450は、ソース共振器430の共振波形に基づいて目標電流量を動的に設定してもよい。又は、設定部450は、2つ以上の情報を組み合わせて目標電流量を動的に設定してもよい。制御部440と設定部450の動作に対する詳細な説明は、図5A〜図14Bを参照して後述する。
図5A〜図5Eは、本発明の実施形態に係るソース共振器と直列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。
図5Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置は、図4の無線電力送信装置と比べ、センシング部510をさらに含む。
センシング部510は、電源410とソース共振器430との間に直列に配置される。センシング部510は、ソース共振器430に流入する実際電流量をセンシングする。又、センシング部510は、スイッチ420とソース共振器430との間に直列に配置されてもよい。
以下、説明の便宜のためにセンシング部510がスイッチ420の前段に位置する場合を例に挙げて説明するが、実施形態におけるセンシング部510は、スイッチ420の後段に位置する場合にもそのまま適用され得る。
制御部440は、ソース共振器430に流入する電流量に応じてスイッチ420を制御する。例えば、センシング部510によって検知された実際電流量と設定部450によって設定された目標電流量とを比較することでスイッチ420を制御する。
図5Bを参照すると、本発明の一実施形態に係るソース共振器430は、IC方式として、インダクターLとキャパシタCから構成される。
スイッチ420は、トランジスタSW1から構成される。図5Eを参照して後述するが、スイッチ420は、トランジスタとダイオードの組み合わせから構成されてもよい。
スイッチ420がオフ(OFF)されれば、スイッチ420は正方向の電流又は電圧だけではなく、逆方向の電流又は電圧も遮断することができる。
センシング部510は、センシング抵抗Rinから構成される。センシング部510は、センシング抵抗の両端に発生する電位差によってセンシング抵抗を介して流れる電流量をセンシングする。ここで、電力損失を防止するためにセンシング抵抗Rinの抵抗値は極めて小さく設定してもよい。センシング抵抗を小さく設定する場合、センシング抵抗で消費される電力は減少することにより、エネルギー充電効率は向上し得る。
センシング抵抗が閾値よりも小さい場合、ソース共振器430に流入する閾値電流量よりも多い電流がソース共振器430に印加される。そのため、ソース共振器430は正常な動作を行わない可能性が生じる。
センシング部510は、ソース共振器430に流入する実際電流量をセンシングし、制御部440は設定部450によって設定された目標電流量を基準としてスイッチ420をオフさせる。本発明の実施形態によれば、目標電流量よりも小さいか同じ電流だけがソース共振器430に流入するため、無線電力送信装置はソース共振器430を正常に動作しながら、エネルギーの充電効率を向上させることができる。
制御部440は、スイッチ420にオフ信号を送信することでスイッチ420をオフさせる。
制御部440は、検知された実際電流量が設定された目標電流量よりも大きいか同一である場合、スイッチ420にオフ信号を送信することでスイッチ420をオフさせる。例えば、スイッチ420のトランジスタSW1がPMOSである場合、PMOSのソースに印加される電圧とPMOSのゲートに印加される電圧との間の電圧差がPMOSの閾値電圧の大きさよりも小さい場合、スイッチ420がオフされる。
センシング部510で検知された実際電流量が設定された目標電流量よりも大きいか同一である場合、制御部440は、PMOSのソースに印加される電圧−PMOSの閾値電圧よりも大きい電圧の制御信号をPMOSのゲートに印加する。そのため、スイッチ420は、電源410とソース共振器430の接続をオフする。
制御部440は、制御信号を生成し、制御信号の振幅及び周期を制御する。
制御部440は、トランジスタSW1のオン又はオフ動作に必要な大きさで制御信号の振幅及び周期を制御する。一例として、制御部440は、クロック信号に反応して制御信号を第1状態に切り替え、検知された実際電流量と設定された目標電流量との比較によって制御信号を第2状態に切り替える。
クロック信号は、図3Aを参照して記述したシンボル区間の周期(例えば、1マイクロ秒)を有してもよい。
制御部440は、クロック信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジに反応して制御信号を第1状態に切り替える。第1状態の制御信号はトランジスタSW1をオンにする。
制御部440は、検知された実際電流量が設定された目標電流量よりも大きくなる場合、制御信号を第2状態に切り替える。第2状態の制御信号はトランジスタSW1をオフにする。
制御部440は、クロック信号の次の立ち上がりエッジ又は次の立ち下がりエッジに反応して制御信号を再び第1状態に切り替える。制御部440は上述した工程を繰り返す。
図5Cは、本発明の一実施形態に係る制御部440及び設定部450を具体的に示すブロック図である。
図5Cを参照すると、本発明の一実施形態に係る制御部440は、センシング部510及びスイッチ420に接続される。例えば、制御部440は、センシング部510に含まれたセンシング抵抗の両端に接続され、センシング抵抗の両端にかかる電圧(以下、「センシング電圧」と称する)と設定部450によって設定される電圧(以下、「設定電圧」と称する)とを比較する比較器441を含む。ここで、設定部450によって設定される電圧は目標電流量に対応する。
制御部440は、比較器441の出力信号に基づいてスイッチ420のゲートに印加される電圧を出力するゲートドライバ442を含む。例えば、スイッチ420のトランジスタSW1がPMOSである場合、比較器441での比較の結果、センシング電圧が設定電圧よりも大きいか同一である場合、ゲートドライバ442は(PMOSのソースに印加される電圧−PMOSの閾値電圧よりも)大きい電圧の制御信号をPMOSのゲートに印加する。そのため、スイッチ420は電源410とソース共振器430の接続をオフする。
又は、制御部440は、クロック信号に同期化されてスイッチ420のゲートに印加される電圧を出力してもよい。例えば、同期化されたクロック信号の周期ごとに制御部440はPMOSのソースに印加される電圧−PMOSの閾値電圧よりも小さいか同じ電圧の制御信号をPMOSのゲートに印加する。そのため、スイッチ420は電源410とソース共振器430の接続をオンにする。
設定部450は、コントローラ451とDAC(Digital−to−Analog Converter)452で構成される。
コントローラ451は、様々な情報に基づいてソース共振器430に流入する目標電流量を動的に設定する。
制御部440は、コントローラ451によって設定された目標電流量に基づいてスイッチ420を制御する。
コントローラ451は、様々な情報に基づいて目標電流量を動的に設定してもよい。例えば、コントローラ451は、ターゲット共振器に送信するデータ、ソース共振器に実際流入する電流量、又は、ソース共振器の共振波形(例えば、インダクターLの両端にかかる電圧の波形)に基づいて目標電流量を動的に設定してもよい。
コントローラ451は、ソフトウェアを実行するプロセッサ又はハードウェア的に特定機能に特化されたHWA(Hardware Accelerator)などで実現してもよい。
コントローラ451の動作と関連する詳細な説明は、図6A〜図9Bを参照して後述する。
DAC452は、デジタル信号をアナログ信号に変換する装置として、例えば、コントローラ451から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。変換されたアナログ信号は、制御部440の比較器441に入力される。
図5Dは、本発明の他の実施形態に係る制御部440と設定部450を具体的に示すブロック図である。
図5Dを参照すると、制御部440は、論理ゲート443をさらに含む。論理ゲート443の第1入力には比較器441の出力信号が印加される。論理ゲート443の第2入力には設定部450のコントローラ451の出力信号が印加される。
コントローラ451は、論理ゲート443の第2入力として印加される出力信号を用いてスイッチ420のオン区間(ON duration)及びオフ区間(OFF duration)を設定する。
例えば、論理ゲート443はANDゲートであってもよい。コントローラ451は、ANDゲートの第2入力として論理的に「1」の値を指示する出力信号を印加することで、スイッチ420をオン区間で動作させる。オン区間で、ゲートドライバ442は比較器441の出力信号によりスイッチ420をオン又はオフする。
また、コントローラ451は、ANDゲートの第2入力として論理的に「0」の値を指示する出力信号を印加することで、スイッチ420をオフ区間で動作させる。オフ区間で、ゲートドライバ442は比較器441の出力信号に関わらずスイッチ420をオフする。
図5Eは、本発明の一実施形態に係るスイッチ420を具体的に示す回路図である。
図5Eを参照すると、本発明の一実施形態に係るスイッチ420は、電源410とソース共振器430との間に位置するトランジスタ421及びトランジスタと直列に接続したダイオード422を含む。ダイオード422は、トランジスタ421の前段又は後段のいずれにも位置してもよい。
トランジスタ421は、CMOS、NMOS、及びPMOSのいずれか1つであってもよい。スイッチ420がオフ(OFF)されれば、共振器は正の振幅及び負の振幅をもって共振する。
ここで、ダイオード422は、負の振幅に該当する電流がスイッチ420の反対側に逆流したり、負の振幅に該当する電圧がスイッチ420反対側に印加されることを防止する。
トランジスタ421は、制御部440で送信する制御信号により電源410とソース共振器430の接続をオン又はオフする。
トランジスタ421の種類に応じて制御信号の値が基準値よりも小さい場合にオン動作を行ってもよく、制御信号の値が基準値よりも大きいか同じ場合にオン動作を行ってもよい。また、トランジスタ421の種類に応じて制御信号の値が基準値よりも大きいか同じ場合にオフ動作を行ってもよく、制御信号の値が基準値よりも小さい場合にオフ動作を行ってもよい。
ダイオード422はトランジスタ421と直列に接続される。トランジスタ421及びダイオード422は、オン状態で電源410の直流信号を通過させ、オフ状態でソース共振器430から交流信号の流入を遮断する。
図6A〜図9Bは、本発明の実施形態に係るセンシング部510がソース共振器430と直列に接続される場合、設定部450の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。
図6Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置は、図4の無線電力送信装置と比べデータ生成部610をさらに含む。
データ生成部610は、ターゲット共振器に送信するデータを出力する。設定部450は、データ生成部610の出力信号に基づいて目標電流量を動的に設定する。例えば、無線電力送信装置は、オン・オフキー(ON−OFF key)方式でデータを送信してもよい。
設定部450は、データ生成部610の出力信号が論理的に「0」を指示する場合に目標電流量を「0」に設定する。また、設定部450はデータ生成部610の出力信号が論理的に「1」を指示する場合に目標電流量を「0」よりも大きい値に設定する。受信端は、受信されるエネルギーの有無に応じて受信されるデータを復号化する。
又は、無線電力送信装置は、2ビット以上のデータを送信してもよい。
設定部450は、所定の複数の目標電流量候補のうちデータに対応する目標電流量候補を選択してもよい。例えば、設定部450は、データ生成部610の出力信号が「00」を指示する場合、目標電流量を「00」に対応する第1目標電流量候補を選択する。
設定部450は、データ生成部610の出力信号が「01」を指示する場合、目標電流量を「01」に対応する第2目標電流量候補を選択する。
設定部450は、データ生成部610の出力信号が「10」を指示する場合、目標電流量を「10」に対応する第3目標電流量候補を選択する。
設定部450は、データ生成部610の出力信号が「11」を指示する場合、目標電流量を「11」に対応する第4目標電流量候補を選択する。
設定部450は、ソース共振器430の充放電サイクルにより目標電流量を動的に設定してもよい。
図3Aに示す符号310を参照すると、一回の充電区間と一回の放電区間を含むようシンボル区間が定義される。
設定部450は、シンボル区間を用いて連続的なデータを送信する。例えば、設定部450は第1シンボル区間で第1データに対応する目標電流量を設定し、第2シンボル区間で第2データに対応する目標電流量を設定する。
受信端は第1シンボル区間で第1データを復号化し、第2シンボル区間で第2データを復号化する。
図6Bを参照すると、本発明の一実施形態に係るデータ生成部610は、設定部450のコントローラ451に接続される。
データ生成部610は、ターゲット共振器に送信されるデータを含むメモリであってもよい。
コントローラ451は、データ生成部610からデータを取得して目標電流量を動的に設定する。
図7Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る設定部450は、センシング部510と接続される。
設定部450は、ソース共振器430に流入する実際電流量に基づいて目標電流量を動的に設定する。図3Cを参照すると、ソース共振器430とカップリングされたターゲット共振器によってソース共振器430のエネルギー波形が変わることがある。又は、シンボル単位で周期的にエネルギーを注入するとき、ソース共振器430に残っている残存エネルギー量に応じてエネルギーが注入されるパターンが変わることがある。
設定部450は、センシング部510の出力信号を用いてソース共振器430に実際流入する電流の量をモニタリングする。
設定部450は、実際電流量を用いて目標電流量を設定したり、予め設定された目標電流量を修正してもよい。例えば、設定部450は、ソース共振器430とカップリングされたターゲット共振器が存在するか否かを分析する。
設定部450は、ソース共振器430とカップリングされたターゲット共振器がソース共振器430と近距離に存在する場合の流入電流量、及びそうではない場合の流入電流量に関する情報に基づいて、ソース共振器430とカップリングされたターゲット共振器が存在するか否かを分析する。
又は、設定部450は、ターゲット共振器430の電力受信状態、ソース共振器430とターゲット共振器との間のカップリング状態などを分析してもよい。
設定部450は、ターゲット共振器の電力受信状態やカップリング状態に応じて変わる流入電流量に関する情報に基づいて、ターゲット共振器の電力受信状態、ソース共振器430とターゲット共振器との間のカップリング状態などを分析してもよい。
又は、設定部450は、ソース共振器430の残存エネルギー量を分析してもよい。
設定部450は、ソース共振器430の残存エネルギー量に影響を受ける流入電流量に関する情報に基づいてソース共振器430の残存エネルギー量を分析してもよい。
設定部450は、分析された情報を用いて目標電流量を設定したり、予め設定された目標電流量を修正する。
図7Bを参照すると、本発明の一実施形態に係る設定部450のコントローラ451は、センシング部510のセンシング抵抗両端の電圧が入力される。
図に示していないが、コントローラ451は、ADC(Analog−to−Digital Converter)を介してセンシング抵抗両端の電圧が入力されてもよい。
コントローラ451は、センシング抵抗両端の電圧差からソース共振器430に流入する実際電流量を分析し、分析された情報を用いて目標電流量を動的に設定する。
図8Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置は、図5Aの無線電力送信装置と比べ第2センシング部810をさらに含む。
第2センシング部810は、ソース共振器430の共振波形をセンシングする。
例えば、第2センシング部810は、時間の流れにより変動するソース共振器430の電圧Vtxをセンシングする。設定部450は、第2センシング部810によってセンシングされるソース共振器430の共振波形に基づいて目標電流量を動的に設定する。
設定部450は、ソース共振器430の共振波形に基づいてターゲット共振器から送信されたフィードバックを分析する。より具体的には、ソース共振器430の共振波形は、ターゲット共振器から送信されたフィードバック情報を含む。
例えば、無線電力送信装置の受信端の応用によって受信端で要求するエネルギー量が変わることがある。受信端は、送信エネルギー量を増加又は減少させることをリクエストすることができる。
又は、ソース共振器430とターゲット共振器との間の距離に応じて受信エネルギーが変わることがあるため、受信端は受信されるエネルギーに関する情報を含むフィードバックを送信することができる。
設定部450は、フィードバック情報に基づいて目標電流量を動的に設定することで、送信エネルギー量を動的に制御する。
図8Bを参照すると、本発明の一実施形態に係る第2センシング部810は、データ復調器812とADC811から構成される。
ADC811は、アナログ信号のソース共振器430の電圧をデジタル信号に変換し、データ復調器812はデジタル信号を用いてデータを復調する。
場合に応じて、データ復調器812は、設定部450のコントローラ451に含まれるように実現してもよい。
データ復調器812は、復調されたデータをコントローラ451に伝達し、コントローラ451は復調されたデータに基づいて目標電流量を動的に設定する。
図9Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る設定部450は、データ生成部610、センシング部510、及び第2センシング部810と接続される。
設定部450は、様々な組み合わせの入力情報を用いて目標電流量を動的に設定する。
例えば、設定部450は、センシング部510のセンシング情報を用いて受信端が存在するか否かを判断する。
受信端が存在しない場合、設定部450は、消費電力を減少させるために休止モード(idle mode)として動作させる。休止モードでは設定部450はエネルギーを充電させない。
設定部450は、休止モードで所定の時間が経過した後、動作モードに切り替えるか否かを判断する。
一例として、設定部450は、所定の時間が経過した後、エネルギーを充電させ、センシング部510のセンシング情報を用いてカップリングされた受信端が存在するか否かを判断する。受信端が存在すると判断されれば、設定部450は、データ生成部610のデータを用いて目標電流量を設定する。
また、設定部450は、第2センシング部810を用いて受信端からフィードバックされた信号を受信してもよい。
一例として、受信端は、ターゲット共振器を用いて成功裏にデータ受信したことを知らせるフィードバック信号を送信する。設定部450は、フィードバック信号を受信した後、次のデータが送信されるように目標電流量を設定する。
上述した動作は、例示的な事項に過ぎず、設定部450の動作は様々に拡張または変形され得る。
図9Bを参照すると、設定部450のコントローラ451は、データ生成部610、センシング部510、及び第2センシング部810から様々な入力情報を受信する。
図9Bに示した構成要素それぞれには、図1〜図9Aを参照して上述した事項がそのまま適用され得るため、より詳細な説明は省略する。
図10A〜図10Eは、本発明の実施形態に係るソース共振器と並列に接続したセンシング部を含む無線電力送信装置を説明するための図である。
図10Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置は、図4の無線電力送信装置と比べセンシング部1010をさらに含む。センシング部1010は、電源410とソース共振器430との間に並列に配置される。
センシング部1010は、ソース共振器430に流入する実際電流量をセンシングする。例えば、センシング部1010は、スイッチ420を用いて流れる電流がミラーリング(mirroring)された電流を検出する。
ミラーリングされた電流の量は、実際電流の量に比べて1/N(例えば、N=400)であってもよい。センシング部1010は、図5Aに示すセンシング部510に比べて少ない電力を消費しながら実際電流量をセンシングすることができる。
制御部440は、ソース共振器430に流入する電流量に応じてスイッチ420を制御する。例えば、センシング部1010によって検知された実際電流量と設定部450によって設定された目標電流量とを比較することで、スイッチ420を制御する。
図10Bを参照すると、本発明の一実施形態に係るセンシング部1010は、センシングトランジスタ1011とセンシング抵抗1012で構成される。
センシングトランジスタ1011は、スイッチ420のトランジスタSW1よりもサイズが小さい。
センシングトランジスタ1011のゲートとトランジスタSW1のゲートには同一のゲート信号が印加される。また、センシングトランジスタ1011のソースとトランジスタSW1のソースには同一の入力電圧が印加される。
センシングトランジスタ1011に流れる電流は、トランジスタSW1に流れる電流のミラーリングされた電流として、センシングトランジスタ1011に流れる電流量はトランジスタSW1に流れる電流量の1/N倍であってもよい。
センシング部1010は、センシングトランジスタ1011を介して流れる電流量をセンシング抵抗1012の両端にかかる電圧差として出力する。センシング抵抗1012の一端はグラウンド(GND)に接続してもよく、この場合にセンシング部1010はセンシング抵抗1012の残り一端の電圧を出力する。
制御部440は、センシング部1010の出力信号に基づいて実際電流量を取得し、設定部450によって設定された目標電流量と実際電流量とを比較することでスイッチ420を制御する。
図10Cを参照すると、本発明の一実施形態に係るセンシング部1010は、電圧補正部1013をさらに含む。
電圧補正部1013は、差動増幅器及びトランジスタから構成される。電圧補正部1013は、差動増幅器の「−」入力端にかかる電圧(以下、「第1入力電圧」と称する)と「+」入力端にかかる電圧(以下、「第2入力電圧」と称する)を実質的に同一にさせてもよい。例えば、電圧補正部1013は、第1入力電圧を基準として第2入力電圧がさらに低い場合、第2入力電圧をプルアップ(pull−up)させ、第1入力電圧を基準として第2入力電圧がさらに高い場合、第2入力電圧をプルダウン(pull−down)させる。
センシング部1010は実際電流量をより精密にセンシングすることができる。
図10Dを参照すると、本発明の一実施形態に係る制御部440は、比較器441とゲートドライバ442から構成される。
また、設定部450は、コントローラ451とDAC452から構成される。
比較器441は、センシング部1010の出力信号と設定部450の出力信号とを比較し、ゲートドライバ442は比較器441の出力信号によりスイッチ420のトランジスタSW1及びセンシングトランジスタ1011を制御する。
図10Eを参照すると、本発明の一実施形態に係る制御部440は、論理ゲート443をさらに含む。
論理ゲート443の第1入力には比較器441の出力信号が印加され、論理ゲート443の第2入力にはコントローラ451の出力信号が印加される。
コントローラ451は、論理ゲート443の第2入力に印加する出力信号を用いてスイッチ420のオン区間及びオフ区間を設定する。
図11A〜図14Bは、本発明の実施形態に係るセンシング部がソース共振器と並列に接続される場合、設定部の入力を変形する様々な実施形態を説明するための図である。
図11Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置は、図10Aの無線電力送信装置と比べデータ生成部1110をさらに含む。
データ生成部1110は、ターゲット共振器に送信するデータを出力する。
設定部450は、データ生成部1110の出力信号に基づいて目標電流量を動的に設定する。
例えば、無線電力送信装置は、オン・オフキー(ON−OFF key)方式でデータを送信してもよい。設定部450は、データ生成部1110の出力信号が論理的に「0」を指示する場合、目標電流量を「0」に設定する。また、設定部450は、データ生成部1110の出力信号が論理的に「1」を指示する場合、目標電流量を「0」よりも大きい値に設定する。
受信端は、受信されるエネルギーの有無に応じて受信されるデータを復号化する。
又は、無線電力送信装置は、2ビット以上のデータを送信してもよい。
設定部450は、所定の複数の目標電流量候補のうちデータに対応する目標電流量候補を選択してもよい。
例えば、設定部450は、データ生成部1110の出力信号が「00」を指示する場合、目標電流量を「00」に対応する第1目標電流量候補を選択する。
設定部450は、データ生成部1110の出力信号が「01」を指示する場合、目標電流量を「01」に対応する第2目標電流量候補を選択する。
設定部450は、データ生成部1110の出力信号が「10」を指示する場合、目標電流量を「10」に対応する第3目標電流量候補を選択する。
設定部450は、データ生成部1110の出力信号が「11」を指示する場合、目標電流量を「11」に対応する第4目標電流量候補を選択する。
設定部450は、ソース共振器430の充放電サイクルにより目標電流量を動的に設定してもよい。
図3Aに示す符号310を参照すると、一回の充電区間と一回の放電区間を含むようにシンボル区間が定義される。
設定部450は、シンボル区間を用いて連続的なデータを送信してもよい。例えば、設定部450は第1シンボル区間で第1データに対応する目標電流量を設定し、第2シンボル区間で第2データに対応する目標電流量を設定する。
受信端は、第1シンボル区間で第1データを復号化し、第2シンボル区間で第2データを復号化する。
図11Bを参照すると、本発明の一実施形態に係るデータ生成部1110は、設定部450のコントローラ451に接続される。
データ生成部610は、ターゲット共振器に送信されるデータを含むメモリであってもよい。
コントローラ451は、データ生成部1110からデータを取得し、目標電流量を動的に設定する。
図12Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る設定部450は、センシング部1010とも接続される。
設定部450は、ソース共振器430に流入する実際電流量に基づいて目標電流量を動的に設定する。
図3Cを参照すると、ソース共振器430とカップリングされたターゲット共振器によってソース共振器430のエネルギー波形が変わることがある。又は、シンボル単位で周期的なエネルギーを注入するとき、ソース共振器430に残っている残存エネルギー量に応じてエネルギーが注入されるパターンが変わることがある。
設定部450は、センシング部1010の出力信号を用いてソース共振器430に実際流入する電流量をモニタリングする。
設定部450は、実際電流量を用いて目標電流量を設定したり、所定の目標電流量を修正したりする。
例えば、設定部450は、ソース共振器430とカップリングされたターゲット共振器が存在するか否かを分析する。設定部450は、ソース共振器430とカップリングされたターゲット共振器がソース共振器430と近距離に存在する場合の流入電流量、及びそうではない場合の流入電流量に関する情報を用いる。
又は、設定部450は、ターゲット共振器の電力受信状態、ソース共振器430とターゲット共振器との間のカップリング状態などを分析してもよい。設定部450は、ターゲット共振器の電力受信状態やカップリング状態によって変わる流入電流量に関する情報を用いる。
又は、設定部450は、ソース共振器430の残存エネルギー量を分析してもよい。設定部450は、ソース共振器430の残存エネルギー量に影響を受ける流入電流量に関する情報を用いる。設定部450は、分析された情報を用いて目標電流量を設定したり、所定の目標電流量を修正したりする。
図12Bを参照すると、本発明の一実施形態に係る設定部450のコントローラ451は、センシング部1010のセンシング抵抗1012の一端の電圧が入力される。
図には示していないが、コントローラ451は、ADCを介してセンシング抵抗1012の一端の電圧が入力される。
コントローラ451は、センシング抵抗1012の一端の電圧からソース共振器430に流入する実際電流量を分析し、分析された情報を用いて目標電流量を動的に設定する。
図13Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る無線電力送信装置は、図10Aの無線電力送信装置と比べ第2センシング部1310をさらに含む。
第2センシング部1310は、ソース共振器430の共振波形をセンシングする。
例えば、第2センシング部1310は、時間の流れにより変動するソース共振器430の電圧Vtxをセンシングする。
設定部450は、第2センシング部1310によってセンシングされるソース共振器430の共振波形に基づいて目標電流量を動的に設定する。
設定部450は、ソース共振器430の共振波形に基づいてターゲット共振器から送信されたフィードバックを分析してもよい。
より具体的には、ソース共振器430の共振波形は、ターゲット共振器から送信されたフィードバック情報を含んでもよい。
例えば、無線電力送信装置の受信端の応用により、受信端で要求するエネルギー量が変わることがある。受信端は、送信エネルギー量を増加又は減少させることをリクエストすることができる。
又は、ソース共振器430とターゲット共振器との間の距離に応じて受信エネルギーが変わることがあるため、受信端は受信されるエネルギーに関する情報を含むフィードバックを送信することができる。
設定部450は、フィードバック情報に基づいて目標電流量を動的に設定することによって、送信エネルギー量を動的に制御する。
図13Bを参照すると、本発明の一実施形態に係る第2センシング部1310は、データ復調器1312とADC1311から構成される。
ADC1311は、アナログ信号のソース共振器430の電圧をデジタル信号に変換し、データ復調器1312は、デジタル信号を用いてデータを復調する。
場合に応じて、データ復調器1312は、設定部450のコントローラ451に含まれるように実現させてもよい。
データ復調器1312は、復調されたデータをコントローラ451に伝達し、コントローラ451は復調されたデータに基づいて目標電流量を動的に設定する。
図14Aを参照すると、本発明の一実施形態に係る設定部450は、データ生成部1110、センシング部1010、及び第2センシング部1310と接続される。
設定部450は、様々な組み合わせの入力情報を用いて目標電流量を動的に設定する。
例えば、設定部450は、センシング部1010のセンシング情報を用いて受信端が存在するか否かを判断する。受信端が存在しない場合、設定部450は、消費電力を減少させるために休止モードとして動作させる。休止モードでは設定部450は、エネルギーを充電させない。
設定部450は、休止モードで所定の時間が経過した後、動作モードに切り替えるか否かを判断する。
一例として、設定部450は、所定の時間が経過した後、エネルギーを充電させ、センシング部1010のセンシング情報を用いてカップリングされた受信端が存在するか否かを判断する。受信端が存在すると判断されれば、設定部450は、データ生成部1110のデータを用いて目標電流量を設定する。
また、設定部450は、第2センシング部1310によって受信端からフィードバックされた信号を受信する。
一例として、受信端は、ターゲット共振器を用いて成功的なデータの受信を知らせるフィードバック信号を送信する。
設定部450は、フィードバック信号を受信した後、次のデータが送信されるように目標電流量を設定する。
上述した動作は例示的な事項に過ぎず、設定部450の動作は様々に拡張又は変形してもよい。
図14Bを参照すると、設定部450のコントローラ451は、データ生成部1110、センシング部1010、及び第2センシング部1310から様々な入力情報を受信する。
図14Bに示した構成要素それぞれには、図1〜図14Aを参照して上述した事項がそのまま適用され得るため、より詳細な説明は省略する。
以上、説明の便宜のために無線電力送信装置を例に挙げて説明したが、実施形態は、インダクターにエネルギーを充電する装置にそのまま適用されてもよい。
以上で説明した装置は、ハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、及び/又はハードウェア構成要素、及びソフトウェア構成要素の組み合わせで実現してもよい。
例えば、上記実施形態で説明された装置及び構成要素は、プロセッサ、コントローラ、ALU(arithmetic logic unit)、デジタル信号プロセッサ(digital signal processor)、マイクロコンピュータ、FPGA(field programmable gate array)、PLU(programmable logic unit)、マイクロプロセッサ、又は、命令(instruction)を実行して応答できる種々の装置のように、1つ以上の汎用コンピュータ又は特殊目的コンピュータを用いて実現させてもよい。
処理装置は、オペレーションシステム(OS)及びオペレーションシステム上で行われる1つ以上のソフトウェアアプリケーションを行ってもよい。
また、処理装置は、ソフトウェアの実行に応答してデータをアクセス、格納、操作、処理及び生成することもできる。理解の便宜のために、処理装置は1つが用いられることによって説明される場合もあるが、当技術分野で通常の知識を有する者は、処理装置が複数の処理要素(processing element)及び/又は複数類型の処理要素を含むことが分かる。
例えば、処理装置は、複数のプロセッサまたは1つのプロセッサ及び1つのコントローラを含んでもよい。また、並列プロセッサ(parallel processor)のような、他の処理構成(processing configuration)も可能である。
ソフトウェアは、コンピュータプログラム、コード(code)、命令(instruction)、又は、このうちの1つ以上の組み合わせを含んでもよく、希望するとおりに動作するよう処理装置を構成したり独立的又は結合的に処理装置を命令してもよい。
ソフトウェア及び/又はデータは、処理装置によって解釈されたり処理装置に命令又はデータを提供するために、いずれの類型の機械、構成要素、物理的装置、仮想装置、コンピュータ読取可能記録媒体又は装置、又は送信される信号波(signal wave)に永久的、又は、一時的に具体化することができる。
ソフトウェアは、ネットワークに接続したコンピュータシステム上に分散し、分散した方法で格納されたり実行されてもよい。ソフトウェア及びデータは1つ以上のコンピュータ読取可能記録媒体に格納され得る。
上述の実施形態に係る方法は、多様なコンピュータ手段を介して様々な処理を実行することができるプログラム命令の形態で実現され、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録され得る。
コンピュータ読取可能記録媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などのうち1つ又はその組み合わせを含んでもよい。記録媒体に記録されるプログラム命令は、本発明の目的のために特別に設計されて構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり、使用可能なものであってもよい。
コンピュータ読取可能記録媒体の例としては、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスク及び磁気テープのような磁気媒体、CD−ROM、DVDのような光記録媒体、光ディスクのような光磁気媒体、及びROM、RAM、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を保存して実行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれ得る。
プログラム命令の例には、コンパイラによって作られるような機械語コードだけでなく、インタープリタなどを用いてコンピュータによって実行できる高級言語コードが含まれる。上記したハードウェア装置は、本発明の動作を行うために1つ以上のソフトウェアモジュールとして作動するように構成されてもよく、その逆も同様である。
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
110 電力入力部
120 電力送信部
130、220 スイッチング部
140 受信部
150、260 電力出力部
160、250 スイッチング部
210 電力充電部
230 送信部
240 充電部
270 相互インダクタンスM
410 電源
420 スイッチ
421 トランジスタ
422 ダイオード
430 ソース共振器
440 制御部
441 比較器
442 ゲートドライバ
443 論理ゲート
450 設定部
451 コントローラ
452 DAC(Digital/Analog Converter)
510 センシング部
610 データ生成部
810、1310 第2センシング部
811、1311 ADC
812、1312 データ復調器
1010 センシング部
1011 センシングトランジスタ
1012 センシング抵抗
1013 電圧補正部

Claims (22)

  1. 第1共振器との共振によって電力を送信する第2共振器と、
    電源と前記第2共振器との間を接続するスイッチと、
    前記第2共振器に流入する目標電流量を設定する設定部と、
    前記目標電流量に基づいて前記スイッチを制御する制御部と、
    前記第2共振器に流入する実際電流量をセンシングするセンシング部と、
    前記第1共振器に送信されるデータを生成するデータ生成部と、を有し、
    前記制御部は、前記実際電流量と前記目標電流量とを比較することによって前記スイッチを制御し、
    前記設定部は、前記第1共振器に送信されるデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記データ生成部の出力信号に応じて前記目標電流量を動的に設定し、
    前記制御部は、前記第2共振器が正常状態であるか否かに関わらず前記第2共振器に流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するとき前記スイッチをオフすることを特徴とする無線電力送信装置。
  2. 前記設定部は、前記第2共振器の充放電サイクルにより前記目標電流量を設定することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  3. 前記設定部は、第1シンボル区間で第1データに対応する目標電流量を設定し、第2シンボル区間で第2データに対応する目標電流量を設定し、
    前記第1シンボル区間は、前記第2共振器の第1充放電サイクルに対応し、
    前記第2シンボル区間は、前記第2共振器の第2充放電サイクルに対応することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  4. 前記設定部は、前記第2共振器に流入する実際電流量に基づいて前記目標電流量を設定することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  5. 前記設定部は、前記第2共振器に流入する実際電流量に基づいて前記第1共振器の存在の有無、前記第1共振器の電力受信状態、及び前記第2共振器の残存エネルギー量の内の少なくとも1つを分析することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  6. 前記設定部は、前記第2共振器の共振波形に基づいて前記目標電流量を設定することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  7. 前記設定部は、前記第2共振器の共振波形に基づいて前記第1共振器から送信されたフィードバックを分析することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  8. 前記設定部は、前記第1共振器に送信するデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも2つに基づいて前記目標電流量を設定することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  9. 前記設定部は、所定の複数の目標電流量候補の内からいずれか1つを目標電流量として選択することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
  10. エネルギーを格納するインダクターと、
    電源と前記インダクターとの間を接続するスイッチと、
    前記インダクターに格納される目標エネルギー量を設定する設定部と、
    前記目標エネルギー量に基づいて前記スイッチを制御する制御部と、
    前記インダクターに流入する実際電流量をセンシングするセンシング部と、
    前記インダクターから電力を受信する第1共振器に送信されるデータを生成するデータ生成部と、を有し、
    前記制御部は、前記目標エネルギー量に対応する目標電流量と前記実際電流量とを比較することによって前記スイッチを制御し、
    前記設定部は、前記第1共振器に送信されるデータ、前記インダクターに流入する実際電流量、及び前記インダクターの共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記データ生成部の出力信号に応じて前記目標電流量を動的に設定し、
    前記制御部は、前記インダクターが正常状態であるか否かに関わらず前記インダクターに流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するとき前記スイッチをオフすることを特徴とするエネルギー充電装置。
  11. 前記インダクターは、第1共振器との共振によって電力を送信する第2共振器を構成することを特徴とする請求項10に記載のエネルギー充電装置。
  12. 前記設定部は、前記インダクターを用いて送信するデータに基づいて前記目標エネルギー量を設定することを特徴とする請求項10に記載のエネルギー充電装置。
  13. 前記設定部は、前記インダクターに流入する実際電流量に基づいて前記目標エネルギー量を設定することを特徴とする請求項10に記載のエネルギー充電装置。
  14. 前記設定部は、前記インダクターの両端にかかる電圧の波形に基づいて前記目標エネルギー量を設定することを特徴とする請求項10に記載のエネルギー充電装置。
  15. 前記設定部は、前記インダクターを用いて送信するデータ、前記インダクターに流入する実際電流量、及び前記インダクターの両端にかかる電圧の波形の内の少なくとも2つに基づいて前記目標エネルギー量を設定することを特徴とする請求項10に記載のエネルギー充電装置。
  16. 第1共振器との共振によって電力を送信する第2共振器を含む無線電力送信装置の制御方法であって、
    前記第1共振器に送信するデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも1つの情報に基づいて前記第2共振器に流入する目標電流量を設定するステップと、
    前記第2共振器の充放電サイクルに従い、前記第2共振器に電流を流入させるか否かを決定するステップと、を有し、
    前記目標電流量は、前記第1共振器に送信されるデータ、前記第2共振器に流入する実際電流量、及び前記第2共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記無線電力送信装置のデータ生成部の出力信号に応じて動的に設定され、
    前記無線電力送信装置の電源と前記第2共振器との間を接続するスイッチは、前記第2共振器が正常状態であるか否かに関わらず前記第2共振器に流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するときオフすることを特徴とする無線電力送信装置の制御方法。
  17. 請求項16に記載の無線電力送信装置の制御方法を実行させるためのプログラムが記録されたことを特徴とするコンピュータ読出可能記録媒体。
  18. 他の共振器に電力を送信する共振器と、
    前記共振器と電源を接続するスイッチと、
    前記他の共振器に送信するデータ、前記共振器に流入する実際電流量、及び前記共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記共振器に流入する目標電流量を設定する設定部と、
    前記目標電流量に基づいて前記スイッチを制御する制御部と、
    前記共振器に流入する実際電流量をセンシングするセンシング部と、
    前記他の共振器に送信されるデータを生成するデータ生成部と、を有し、
    前記設定部は、前記他の共振器に送信されるデータ、前記共振器に流入する実際電流量、及び前記共振器の共振波形の内の少なくとも1つに基づいて前記データ生成部の出力信号に応じて前記目標電流量を動的に設定し、
    前記制御部は、前記共振器が正常状態であるか否かに関わらず前記共振器に流入する前記実際電流量が前記目標電流量に達するとき前記スイッチをオフすることを特徴とする無線電力送信装置。
  19. 前記他の共振器に送信するデータを生成するデータ生成部をさらに有することを特徴とする請求項18に記載の無線電力送信装置。
  20. 前記共振器と直列に接続し、前記共振器に流入する前記実際電流量をセンシングするセンサをさらに有することを特徴とする請求項18に記載の無線電力送信装置。
  21. 前記共振器の共振波形をセンシングするセンサをさらに有することを特徴とする請求項18に記載の無線電力送信装置。
  22. 前記共振器と並列に接続し、前記共振器に流入する前記実際電流量をセンシングするセンサをさらに有することを特徴とする請求項18に記載の無線電力送信装置。
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