KR20120071626A - 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 송수신 시스템 - Google Patents

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Abstract

무선 전력을 전송할 때, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 송수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 인 밴드(In-Band) 공진기들에게 전송하는 소스 공진기를 포함하고, 상기 소스 공진기의 공진 주파수 및 임피던스를 제어하고, 상기 인 밴드 공진기들 중 무선 전력 수신 장치에 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출하고, 상기 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성한다. 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 무선 전력 수신 장치에 관한 식별 정보를 상기 인 밴드 공진기들을 통하여 수신 및 복조하고, 상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 및 전송 데이터를 동시에 전송한다.

Description

인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 송수신 시스템{SYSTEM FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION AND RECEPTION USING IN-BAND COMMUNICATION}
기술분야는 무선 전력을 전송할 때, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 battery 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공진(resonance) 특성을 이용한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 인 밴드(In-Band) 공진기들에게 전송하는 소스 공진기를 포함하는 소스 공진부, 상기 소스 공진기의 공진 주파수 및 임피던스를 제어하고, 상기 인 밴드 공진기들 중 무선 전력 수신 장치에 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출하고, 상기 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성하는 소스 제어부 및 무선 전력 수신 장치에 관한 식별 정보를 상기 인 밴드 공진기들을 통하여 수신 및 복조하고, 상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 및 전송 데이터를 동시에 전송하는 인 밴드 공진부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 소정의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정 레벨의 DC 전압을 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부, 상기 AC 전력을 기 설정된 값 이상의 AC 전력으로 증폭하는 전력 증폭부 및 상기 복조된 식별 정보에 기초하여, 상기 증폭된 AC 전력을 전송할 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 매칭 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 인 밴드 공진부는 일정 영역에 대해서 무선 전력 및 전송데이터를 전송하는 복수의 인 밴드 공진기가 어레이를 형성하여 구비되는 어레이 공진부, 상기 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프하여, 상기 전송데이터를, 변조하는 변조부, 상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신된 수신데이터를 복조하는 복조부, 상기 전송데이터의 변조 및 상기 수신데이터의 복조를 제어하는 인 밴드 공진기 제어부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 인 밴드 공진기는 상기 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 무선 전력 전송 거리를 증가시키기 위해, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이에 위치할 수 있다.
상기 어레이 공진부는 상기 복수의 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 수신 장치로부터 상기 수신데이터를 수신할 수 있다.
상기 어레이 공진부는 상기 복수의 인 밴드 공진기 중 상기 무선 전력을 전송하는 인 밴드 공진기의 스위치만 온(On)시키고, 나머지 인 밴드 공진기들의 스위치는 오프(Off)시킬 수 있다.
상기 변조부는 상기 복수의 인 밴드 공진기 중 일부 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프하여 상기 전송데이터를 변조할 수 있다.
상기 변조부는 상기 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프 하여, 상기 전송 데이터를 아날로그 변조 또는 디지털 변조할 수 있다.
상기 소스 제어부는 상기 복조된 수신데이터를 전달받아, 상기 무선 전력 수신 장치의 충전 여부를 결정하고, 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 상기 인 밴드 공진기를 통해 무선 전력이 전송 되도록, 상기 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성할 수 있다.
일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 포함하는 수신데이터를 수신하는 타겟 공진부, 상기 웨이크 업 신호를 포함하는 수신데이터를 복조하는 복조부, 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호 및 웨이크 업 된 타겟 공진기의 아이디를 포함하는 전송데이터를 변조하는 변조부 및 상기 소스 공진기, 상기 인 밴드 공진기 및 상기 웨이크 업 된 타겟 공진기간의 임피던스를 매칭시키기 위해 상기 임피던스를 제어하는 타겟 제어부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 상기 수신데이터에 기초하여 웨이크 업 되었는지 여부 및 부하의 충전 필요 여부를 판단하는 전력 판단부를 더 포함할 수 있다.
상기 타겟 공진부는 상기 변조된 전송데이터를 상기 인 밴드 공진기로 전송할 수 있다.
일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 방법은 무선 전력 수신 장치에 관한 식별 정보를 인 밴드(In-Band) 공진기들을 통하여 수신하는 단계, 상기 수신된 식별 정보를 복조하는 단계, 상기 복조된 식별 정보에 기초하여, 소스 공진기의 공진 주파수 및 임피던스를 제어하는 단계, 마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력을 상기 인 밴드 공진기들에게 전송하는 단계 및 상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 및 전송데이터를 동시에 전송하는 단계를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 방법은 상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출하는 단계 및 상기 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 인 밴드 공진기를 통하여 무선 전력 및 전송데이터를 동시에 전송하는 단계는 상기 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프 하여, 상기 전송데이터를 변조하는 단계, 상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신된 수신데이터를 복조하는 단계 및 복수의 인 밴드 공진기가 어레이를 형성하여 구비된 어레이 인 밴드 공진기를 통하여 일정 영역에 대해서 무선 전력 및 전송데이터를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 방법은 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 포함하는 수신데이터를 수신하는 단계, 상기 웨이크 업 신호를 포함하는 수신데이터를 복조하는 단계, 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호 및 웨이크 업 된 타겟 공진기의 아이디를 포함하는 전송데이터를 변조하는 단계 및 상기 소스 공진기, 상기 인 밴드 공진기 및 상기 웨이크 업 된 타겟 공진기간의 임피던스를 매칭시키기 위해 상기 임피던스를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 방법은 상기 수신데이터에 기초하여 웨이크 업 되었는지 여부 및 부하의 충전 필요 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
인 밴드(In-Band) 공진기를 통한 인 밴드(In-Band) 통신을 이용함으로써, 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치간에 별도의 추가 회로 없이 통신기능을 수행할 수 있다. 따라서, 추가 회로로 인해 소모되는 전력손실을 최소화할 수 있다.
또한, 어레이(array)로 구현된 인 밴드 공진기를 이용함으로써, 무선 전력의 전송 범위를 확장시킬 수 있고, 전송 데이터를 변조할 수 있다.
또한, 어레이로 구현된 인 밴드 공진기를 이용하여 전력 전송 및 데이터 전송을 동시에 할 수 있다.
또한, 어레이로 구현된 인 밴드 공진기를 이용함으로써 별도의 국부 발진기(Local Oscillator)없이 I/Q(In phase/Quadrature) 변조를 할 수 있다.
또한, 인 밴드 공진기의 온/오프 제어를 통하여 고용량 데이터의 전송이 가능하다.
또한, 인 밴드 공진기의 온/오프 제어를 통하여 충전이 필요한 타겟에만 무선 전력을 전송할 수 있다.
또한, 인 밴드 공진기의 온/오프 제어를 통하여 복수의 타겟에 동시에 무선 전력을 전송할 수 있으므로, 기존에 비해 적은 전력으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
또한, 인 밴드 공진기는 아날로그 변조와 디지털 변조를 수행할 수 있으므로, 적용 어플리케이션에 따라 변조방식을 선택할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 인 밴드 공진부를 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 인 밴드 공진기를 통한 변조 방식을 나타낸 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 인 밴드 공진부의 변조 및 복조 방식을 나타낸 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 인 밴드 공진기를 통한 전송 데이터의 변조 방식을 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 7은 일실시예에 따른 소스 공진기, 인 밴드 공진기, 타겟 공진기 간의 무선 전력 및 데이터 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 9는 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
도 10은 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 11은 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 12은 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13는 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 14은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 15는 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 16는 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 17은 도 10에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
공진 특성을 이용한 무선 전력 전송에서, 전송 효율은 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치간의 임피던스 매칭 및 공진 주파수 매칭에 의해 결정된다. 임피던스 및 공진 주파수 매칭은 임피던스 트래킹(tracking) 및 공진 주파수 트래킹 방법을 통해 수행된다. 이때, 트래킹을 위한 별도의 통신 장치 및 모니터링 장치가 추가된다. 추가되는 회로로부터 전력손실이 발생하고, 생산과정에 복잡도를 증가시키므로, 추가되는 회로 없이, 트래킹을 위한 방법이 필요하다.
도 1은 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 1의 예에서, 무선 전력 전송 장치를 통해 전송되는 무선 전력은 공진 전력(resonance power)이라 가정한다. 무선 전력 전송 장치는 무선 전력을 전송하는 소스 공진기를 포함하고, 무선 전력 수신 장치는 무선 전력을 수신하는 타겟 공진기를 포함한다.
인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 전력 변환부(110), 전력 증폭부(120), 매칭 제어부(130), 소스 공진부(140), 소스 제어부(150) 및 인 밴드 공진부(160)를 포함한다.
전력 변환부(110)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 무선 전력을 발생시킨다. 전력 변환부(110)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter에서 출력되는 DC 전압을 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다.
전력 증폭부(120)는 무선 전력을 기 설정된 값으로 증폭한다. 기 설정된 값은 무선 전력 전송 과정의 잡음 및 왜곡이 반영된 전송효율을 고려하여 설정될 수 있다. 여기서, 무선 전력은 AC 전력으로 표현될 수 있다.
매칭 제어부(130)는 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 매칭 제어부(130)는 소스 제어부(150)의 제어신호에 따라, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 임피던스 매칭 주파수를 설정할 수 있다.
매칭 제어부 (130)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기의 Q-factor가 결정될 수 있다.
한편, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다.
매칭 제어부(130)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(130)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(130)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
소스 공진부(140)는 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 인 밴드(In-Band) 공진기들에게 전송하는 소스 공진기를 포함한다. 소스 공진기에 의해 전파(propagate)되는 파동(wave)에 의해 전력이 무선으로 전송된다. 또한, 소스 공진부(140)는 일정 영역에 대해서 무선 전력을 전송하는 복수개의 소스 공진기가 어레이를 형성하여 구비된 어레이 소스 공진기를 포함할 수 있다. 이때, 각 소스 공진기는 각 인 밴드 공진기와 매칭되도록 어레이가 형성될 수 있다.
마그네틱 커플링은 전자기 유도현상을 포함할 수 있다. 인 밴드 공진기는 소스 공진기와 타겟 공진기간의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 이용한다.
또한, 인 밴드 공진기는 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 위치한다. 인 밴드 공진기는 소스 공진기에서 전송 받은 무선 전력을 타겟 공진기에 전달한다.
결합계수는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 유도계수(Mutual Inductance)에 의해 결정되며, 상호 유도계수의 값은 소스 공진기와 타겟 공진기 사이의 거리와 두 공진기의 크기에 따라 결정된다. 인 밴드 공진기가 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 위치함으로써, 무선 전력 전송 거리에 따른 결합계수가 커지고, 전송 효율이 높아진다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간의 결합계수가 커질수록 마그네틱 커플링을 통한 무선 전력 전송 효율이 높아진다. 또한, 인 밴드 공진기가 없는 경우에 비하여 소스 공진기에서 무선 전력을 일정 효율이상으로 전송할 수 있는 무선 전력 전송 거리가 증가한다.
또한, 인 밴드 공진기는 상기 동일한 공진 주파수를 이용하여 데이터를 전송한다. 인 밴드 공진기는 인 밴드(In-Band) 통신을 통하여 데이터를 전송한다. 즉, 인 밴드(In-Band) 통신은 공진 주파수를 통해 무선 전력 수신 장치와 데이터를 송수신하는 것을 의미한다. 아웃 밴드(Out Band) 통신은 데이터 통신을 위해 별도로 할당된 주파수를 통해 무선 전력 수신 장치와 데이터를 송수신하는 것을 의미한다.
소스 제어부(150)는 소스 공진기의 공진 주파수 및 임피던스를 제어한다. 소스 제어부(150)는 인 밴드 공진기를 통하여 무선 전력 수신 장치에 대한 식별정보를 수신한다. 소스 제어부(150)는 상기 식별정보에 기초하여 무선 전력 전송 장치와 무선 전력 수신 장치간에 공진 주파수 및 임피던스가 매칭되도록 매칭 제어부(130)를 제어한다. 무선 전력 수신 장치에 대한 식별정보는 무선 전력 수신 장치의 위치, 배터리 상태, 충전 요청 여부 및 ID 등을 포함할 수 있다.
또한, 소스 제어부(150)는 상기 식별정보에 기초하여, 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출한다. 소스 제어부(150)는 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성한다. 복수의 인 밴드 공진기는 어레이를 형성하여 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 소스 제어부(150)는 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치에, 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출할 수 있다. 또한, 소스 제어부(150)는 상기 검출된 인 밴드 공진기를 동작시켜, 타겟 공진기에 무선 전력을 전송할 수 있다.
소스 제어부(150)는 인 밴드 공진부(160)로부터 복조된 수신데이터를 전달받아, 무선 전력 수신 장치의 충전 여부를 결정한다. 소스 제어부(150)는 충전이 결정된 상기 무선 전력 수신 장치에, 대응하는 인 밴드 공진기를 통해 무선 전력이 전송 되도록, 상기 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성할 수 있다.
인 밴드 공진부(160)는 무선 전력 수신 장치에 관한 식별 정보를 인 밴드 공진기들을 통하여 수신 및 복조한다. 인 밴드 공진부(160)는 인 밴드 공진기들 중 무선 전력 수신 장치에 대응하는 인 밴드 공진기를 통하여 무선 전력 및 전송데이터를 동시에 전송한다.
전송데이터는 무선 전력 전송 장치에서 무선 전력 수신 장치로 전송하는 데이터를 의미하고, 수신데이터는 무선 전력 수신 장치에서 무선 전력 전송 장치로 수신되는 데이터를 의미한다.
전송데이터는 소스 공진기의 ID, 인 밴드 공진기의 ID, 타겟 공진기의 ID 요청 신호, 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID 요청 신호 및 무선 전력 수신 장치의 상태 요청 정보 등을 포함할 수 있다. 수신데이터는 전송데이터를 수신하였음을 나타내는 ACK신호, 타겟 공진기의 ID, 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID, 무선 전력 수신 장치의 상태 정보 및 충전 요청 신호 등을 포함할 수 있다.
전송데이터 및 수신데이터는 임피던스 매칭에 필요한 정보를 포함할 수 있다. 임피던스 매칭에 필요한 정보는 소스 공진기와 타겟 공진기간의 거리, 위치, 부하 임피던스의 차이, 소스 공진기로부터 타겟 공진기로 방사(radiation)되는 파동(wave)의 반사 계수, 전력 전송 이득 또는 커플링 효율 등에 관한 것을 포함한다.
인 밴드 공진부(160)는 어레이 공진부(161), 변조부(163), 복조부(165) 및 인 밴드 공진기 제어부(167)를 포함할 수 있다.
어레이 공진부(161)는 일정 영역에 대해서 무선 전력 및 전송데이터를 전송하는 복수의 인 밴드 공진기가, 어레이를 형성하여 구비될 수 있다. 일정 영역은 어레이가 형성되는 영역을 의미한다. 여기서 각 인 밴드 공진기는 무선 전력을 전송할 수 있는 일정 영역이 할당될 수 있다.
어레이 공진부(161)는 인 밴드 공진기 제어부(167)의 제어 신호에 따라, 어레이를 형성하는 인 밴드 공진기 전부가 무선 전력을 전송할 수도 있고, 인 밴드 공진기 일부만 무선 전력을 전송할 수도 있다.
또한, 어레이 공진부(161)는 변조부(163)에서 변조된 전송데이터를 전송할 수 있다. 또한, 어레이 공진부(161)는 복수의 인 밴드 공진기를 통하여 무선 전력 수신 장치로부터 수신데이터를 수신할 수 있다. 어레이 공진부(161)는 인 밴드 공진기 제어부(167)의 제어 신호에 따라 복수의 인 밴드 공진기들 중 무선 전력을 전송하는 인 밴드 공진기의 스위치만 온(On)시키고, 나머지 인 밴드 공진기들의 스위치는 오프(Off)시킬 수 있다.
변조부(163)는 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프하여, 전송데이터를 변조할 수 있다. 어레이 공진부(131)의 인 밴드 공진기 각각은 어레이에서 위치가 서로 다르다. 변조부(163)는 각 인 밴드 공진기의 스위치의 온/오프 동작을 통해 위상이 서로 다른 신호를 생성할 수 있고, 결과적으로 I/Q 신호를 생성하는 것과 같다. 변조부(163)는 인 밴드 공진기 제어부(167)의 제어 신호에 따라 인 밴드 공진기의 스위치 동작을 제어할 수 있다. 도 2 내지 도 5에서 보다 상세하게 설명한다.
변조부(163)는 복수의 인 밴드 공진기 중 일부 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프하여 전송데이터를 변조할 수 있다. 변조부(163)는 일부의 인 밴드 공진기의 스위치 동작을 통해서도 전송데이터를 변조할 수 있다. 인 밴드 공진기의 수에 따라 변조할 수 있는 경우의 수가 결정된다.
변조부(163)는 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프 하여, 전송 데이터를 아날로그 변조 또는 디지털 변조할 수 있다. 변조부(163)는 인 밴드 공진기의 스위치 동작을 제어하여, ASK(Amplitude Shift Keying), FSK(Frequency Shift Keying) 및 PSK(Phase Shift Keying)와 같은 디지털 변조를 수행할 수 있다. 또한, 변조부(163)는 인 밴드 공진기의 스위치 동작을 제어하여, 진폭 변조(Amplitude Modulation), 주파수 변조(Frequency Modulation) 및 위상 변조(Phase Modulation)와 같은 아날로그 변조를 수행할 수 있다.
복조부(165)는 무선 전력 수신 장치로부터 수신된 수신데이터를 복조할 수 있다. 복조부(165)는 무선 전력 수신 장치에서 변조되어 전송된 수신데이터를 복조할 수 있다. 복조부(165)는 무선 전력 수신 장치의 변조 방식과 반대되는 방식으로 수신데이터의 복조를 수행할 수 있다. 복조부(165)는 복조된 수신데이터를 소스 제어부(150)에 전달할 수 있다.
인 밴드 공진기 제어부(167)는 전송데이터의 변조 및 수신데이터의 복조를 제어할 수 있다. 인 밴드 공진기 제어부(167)는 인 밴드 공진기의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 인 밴드 공진기 제어부(167)는 소스 제어부(150)에서 생성된 제어 신호에 따라 전송데이터를 변조하기 위하여, 인 밴드 공진기의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 또한, 인 밴드 공진기 제어부(167)는 복조된 수신데이터가 소스 제어부(150)에 전달되도록 복조부(165)를 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 소스 공진기, 인 밴드 공진기 및 타겟공진기는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기, 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
이미 잘 알려진 내용들이지만, 이해의 편의를 위하여 관련 용어들을 기술한다. 모든 물질들은 고유의 투자율(Mu) 및 유전율(epsilon)을 갖는다. 투자율은 해당 물질에서 주어진 자계(magnetic field)에 대해 발생하는 자기력선속밀도(magnetic flux density)와 진공 중에서 그 자계에 대해 발생하는 자기력선속밀도의 비를 의미한다. 그리고, 유전율은 해당 물질에서 주어진 전계(electric field)에 대해 발생하는 전기력선속밀도(electric flux density)와 진공 중에서 그 전계에 대해 발생하는 전기력선속밀도의 비를 의미한다. 투자율 및 유전율은 주어진 주파수 또는 파장에서 해당 물질의 전파 상수를 결정하며, 투자율 및 유전율에 따라 그 물질의 전자기 특성이 결정된다. 특히, 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가지며, 인공적으로 설계된 물질을 메타 물질이라고 하며, 메타 물질은 매우 큰 파장(wavelength) 또는 매우 낮은 주파수 영역에서도 쉽게(즉, 물질의 사이즈가 많이 변하지 않더라도) 공진 상태에 놓일 수 있다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 송수신 시스템에서, 소스 공진기, 인 밴드 공진기 및 타겟 공진기는 도 10 내지 도 17에서 설명하는 구조로 형성될 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 인 밴드 공진부를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 소스 공진기(210)는 매칭 제어부(130)를 통하여 임피던스 및 공진 주파수가 매칭된 무선 전력을 인 밴드 공진부(220)에 전송한다.
인 밴드 공진부(220)는 인 밴드 공진기(221,223)가 어레이를 형성하여 구비된 어레이 공진부를 포함한다. 인 밴드 공진기(221,223)는 소스 공진기(210)로부터 무선 전력을 수신한다. 인 밴드 공진기(223)는 타겟 공진기(230)에 무선 전력을 전달한다. 타겟 공진기(230)는 전달 받은 무선 전력을 부하(231)에 전달하여 충전한다.
이때, 인 밴드 공진기 제어부(167)는 타겟 공진기(230)가 위치한 영역에 대응되는 인 밴드 공진기(223)의 스위치를 온(On)시킬 수 있다.
변조부(163)는 무선 전력 수신 장치에 식별정보를 요청하는 전송데이터를 변조할 수 있다. 인 밴드 공진기(221,223)는 변조된 전송데이터를 전송할 수 있다. 또한, 인 밴드 공진기(223)는 타겟 공진기(230)로부터 식별정보를 포함하는 수신데이터를 수신할 수 있다.
복조부(165)는 상기 식별정보를 포함하는 수신데이터를 복조한다. 소스 제어부(150)는 복조된 수신데이터에 기초하여 타겟 공진기(230)의 위치를 결정하고, 타겟 공진기(230)에 대응하는 인 밴드 공진기(223)를 결정한다.
또한, 소스 제어부(150)는 인 밴드 공진기(223)를 통하여 무선 전력을 전송하도록 제어신호를 생성한다. 상기 제어신호에 따라 인 밴드 공진기 제어부(167)는 인 밴드 공진기(223)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기에 대응하는 인 밴드 공진기를 이용하여 무선 전력을 전달할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 소스 공진기를 통해, 일정 무선 전력을 시간에 따라 분배하여 복수개의 인 밴드 공진기에 전달되도록 함으로써, 복수의 무선 전력 수신 장치의 충전이 가능하다. 또한, 상대적으로 적은 무선 전력을 통해 복수의 무선 전력 수신 장치를 충전함으로써, 무선 전력 전송 장치에서 고주파로 인한 전력 손실이 감소한다.
또한, 무선 전력 전송 장치는 인 밴드 공진기를 이용하여 무선 전력을 전송함으로써, 무선 전력의 전송 범위를 확장시킬 수 있다. 왜냐하면, 무선 전력을 전송하는 공진기와 무선 전력을 수신하는 공진기 간에 거리가 가까워 질수록 결합계수가 증가한다.
무선 전력 전송효율은 결합계수가 클수록 높아진다. 따라서, 소스 공진기에서 기존과 동일한 무선 전력을 전송한다고 가정하면, 기존에 비해 인 밴드 공진기를 통하여 전송효율이 높아지고, 전송범위 또한 확장된다.
도 3은 일실시예에 따른 인 밴드 공진기를 통한 변조 방식을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 인 밴드 공진기(330,340)의 스위치의 온/오프 동작을 통해 변조되는 신호는 I/Q 신호에 대한 그래프 상에서 점(310, 320)으로 표시될 수 있다. 어레이 공진부를 구성하는 복수의 인 밴드 공진기들의 위치는 서로 다르다. 따라서, 각 인 밴드 공진기에서 스위칭 동작을 통해 변조되는 신호의 크기 및 위상은 서로 다르다. 즉, 신호의 크기 및 위상의 차이를 이용하여 전송데이터를 변조할 수 있다. 일반적으로 I/Q 신호를 생성하기 위해, 국부 발진기(Local Oscillator)를 이용하는데, 인 밴드 공진부의 경우, 인 밴드 공진기의 스위칭 동작을 통하여 I/Q 신호를 생성할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 인 밴드 공진부의 변조 및 복조 방식을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 변조부(163)는 인 밴드 공진기의 스위칭 동작(410)을 통해 전송데이터를 변조한다. 인 밴드 공진기의 스위치가 열려 있는 경우(Off)와 닫혀 있는 경우(On)로 구별하여 전송데이터를 변조할 수 있다. 복조부(165)는 수신데이터를 DC 정류하고, 변조신호를 복원하여 수신데이터를 복조한다.
도 5는 일실시예에 따른 인 밴드 공진기를 통한 전송 데이터의 변조 방식을 나타낸 도면이다.
소스 공진기(510)는 무선 전력을 전송한다. 무선 전력의 진폭은 A0이고, 위상은
Figure pat00001
이다. 인 밴드 공진기(520)의 스위치가 오프(Off)인 경우이며, 비트로 표현하면 0을 나타내는 경우이다. 이때, 0으로 변조된 데이터는 진폭은 A1이고, 위상은
Figure pat00002
이다. 진폭 A1 및 위상
Figure pat00003
은 인 밴드 공진기(520)의 어레이 상에서의 위치에 따라 다르다. 진폭 및 위상이 반영된 변조된 데이터는 I/Q 신호 그래프에서 점(530)으로 표현될 수 있다.
소스 공진기(540)는 무선 전력을 전송한다. 무선 전력의 진폭은 A0이고, 위상은
Figure pat00004
이다. 인 밴드 공진기(550)의 스위치가 온(On)인 경우이며, 비트로 표현하면 1을 나타내는 경우이다. 이때, 1로 변조된 데이터는 진폭은 A2이고, 위상은
Figure pat00005
이다. 진폭 A2 및 위상
Figure pat00006
는 인 밴드 공진기(550)의 어레이 상에서의 위치에 따라 다르다. 진폭 및 위상이 반영된 변조된 데이터는 I/Q 신호 그래프에서 점(560)으로 표현될 수 있다.
즉, 변조부(163)는 각 인 밴드 공진기의 스위칭 동작을 통하여 전송데이터를 변조할 수 있다. 예를 들면, 인 밴드 공진기 2개를 이용하는 경우, 변조부(163)는 00, 01, 10, 11의 4가지 경우로 전송데이터를 변조할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치(600)는 타겟 공진부(610), 복조부(620), 정류부(630), 센싱부(640), 타겟 제어부(650) 및 변조부(660)를 포함한다.
타겟 공진부(610)는 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 포함하는 수신데이터를 수신한다. 웨이크 업 신호는 타겟 공진기가 전송데이터를 전송하기 위해 필요한 최소한의 전력 신호를 의미한다. 웨이크 업 신호는 웨이크 업 전력 신호를 의미할 수 있다.
타겟 공진부(610)는 타겟 공진기를 통하여 인 밴드 공진기로부터 무선 전력 및 수신데이터를 수신할 수 있다. 여기서 수신데이터는 무선 전력 수신 장치가 무선 전력 전송 장치로부터 수신하는 데이터를 의미하고, 전송데이터는 무선 전력 수신 장치가 무선 전력 전송 장치로 전송하는 데이터를 의미한다.
수신데이터는 소스 공진기의 ID, 인 밴드 공진기의 ID, 타겟 공진기의 ID 요청 신호, 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID 요청 신호 및 무선 전력 수신 장치의 상태 요청 정보 등을 포함할 수 있다. 전송데이터는 수신데이터를 수신하였음을 나타내는 ACK신호, 타겟 공진기의 ID, 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID, 무선 전력 수신 장치의 상태 정보 및 충전 요청 신호 등을 포함할 수 있다.
타겟 공진부(610)는 변조부(660)에서 변조된 전송데이터를 인 밴드 공진기로 전송할 수 있다.
복조부(620)는 웨이크 업 신호를 포함하는 수신데이터를 복조한다. 복조부(620)는 인 밴드 공진기를 통하여 변조된 수신데이터를 복조한다. 무선 전력 수신 장치(600)는 복조된 수신데이터에 기초하여 무선 전력 수신 장치(600)의 식별 정보를 무선 전력 전송 장치에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(600)의 식별정보는 무선 전력 수신 장치의(600) 위치, 배터리 상태, 충전 요청 여부 및 ID 등을 포함할 수 있다.
정류부(630)는 타겟 공진기를 통하여 수신된 무선 전력을 DC 전압으로 정류한다. 정류된 DC 전압은 부하(670)에 전달되어, 부하(670)를 충전시킬 수 있다. 정류부(630)는 타겟 공진기로 수신되는 AC 신호를 정류하여 DC 신호를 생성하는 AC-DC Converter와, DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 디바이스(device) 또는 부하(load)로 공급하는 DC-DC Converter를 포함할 수 있다.
센싱부(640)는 타겟 공진기를 통하여 수신된 무선 전력의 반사파를 센싱할 수 있다. 센싱된 무선 전력의 반사파에 대한 정보는 타겟 제어부(650)에 전달될 수 있다. 타겟 제어부(650)는 상기 반사파 정보에 기초하여 부하(670), 타겟 공진기, 인 밴드 공진기 및 소스 공진기간에 임피던스 매칭, 공진 주파수 매칭을 수행할 수 있다.
타겟 제어부(650)는 소스 공진기, 인 밴드 공진기 및 웨이크 업 된 타겟 공진기간의 임피던스를 매칭시키기 위해 상기 임피던스를 제어한다. 타겟 제어부(650)는 타겟 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다.
타겟 제어부(650)는 타겟 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 타겟 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 타겟 공진 대역폭 설정부는 타겟 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기의 Q-factor가 결정될 수 있다.
변조부(660)는 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호 및 웨이크 업 된 타겟 공진기의 ID를 포함하는 전송데이터를 변조한다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치(600)는 상기 수신데이터에 기초하여 무선 전력 수신 장치가 웨이크 업 되었는지 여부 및 부하의 충전 필요 여부를 판단하는 전력 판단부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 소스 공진기, 인 밴드 공진기, 타겟 공진기 간의 무선 전력 및 데이터 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 소스 공진기는 지속적으로 무선 전력을 전송한다. 이때,소스 공진무선 전력은 인 밴드 공진기로 전달될 수 있다. 또한, 무선 전력은 직접적으로 타겟 공진기에 전달될 수 있다.
소스 공진기의 초기 무선 전력은 인 밴드 공진기, 타겟 공진기 1, 타겟 공진기 2 및 타겟 공진기 3을 웨이크 업 시키는 웨이크 업 전력 신호(701)일 수 있다. 웨이크 업 전력 신호란 공진기가 데이터를 송신하고 수신하기에 필요한 최소한의 전력 신호를 의미한다. 즉, 공진기를 동작시키기 위한 최소 전력을 의미한다.
인 밴드 공진기가 웨이크 업 되면, 인 밴드 공진기는 전송데이터(703)를 변조하여 전송한다. 전송데이터(703)는 소스 공진기의 ID, 인 밴드 공진기의 ID, 타겟 공진기의 ID 요청 신호, 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID 요청 신호 및 무선 전력 수신 장치의 상태 요청 정보 등을 포함할 수 있다.
타겟 공진기 1은 인밴드 공진기로부터 전송데이터를 수신하고, 이에 대응하여 전송데이터를 수신하였음을 나타내는 ACK신호, 타겟 공진기 1의 ID, 타겟 공진기 1을 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID, 무선 전력 수신 장치의 상태 정보 및 충전 요청 신호 등을 포함하는 데이터(705)를 전송한다.
타겟 공진기 2는 인밴드 공진기로부터 전송데이터를 수신하고, 이에 대응하여 전송데이터를 수신하였음을 나타내는 ACK신호, 타겟 공진기 2의 ID, 타겟 공진기 2를 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID, 무선 전력 수신 장치의 상태 정보 및 충전 요청 신호 등을 포함하는 데이터(707)를 전송한다.
타겟 공진기 3은 인밴드 공진기로부터 전송데이터를 수신하고, 이에 대응하여 전송데이터를 수신하였음을 나타내는 ACK신호, 타겟 공진기 3의 ID, 타겟 공진기 3을 포함하는 무선 전력 수신 장치의 ID, 무선 전력 수신 장치의 상태 정보 및 충전 요청 신호 등을 포함하는 데이터(709)를 전송한다.
인 밴드 공진기는 타겟 공진기 1, 타겟 공진기 2 및 타겟 공진기 3으로부터 타겟 공진기의 ID, 무선 전력 수신 장치의 상태 정보 및 충전 요청 신호를 포함하는 수신데이터(711)를 수신할 수 있다.
타겟 공진기 1에 대응하는 위치에 있는 인 밴드 공진기는 전송데이터(713) 및 무선 전력을 전송한다. 타겟 공진기 1은 무선 전력을 수신(717)하여 부하 1을 충전시키고, 전송데이터(713)를 수신할 수 있다. 부하 1의 충전이 완료되면, 타겟 공진기 1은 충전 완료 신호(719)를 인 밴드 공진기에 전송할 수 있다. 인 밴드 공진기는 충전 완료 신호(719)를 수신(715)한다. 이때, 타겟 공진기 2 및 타겟 공진기 3에 대응하는 위치에 있는 인 밴드 공진기의 스위치는 오프되어 타겟 공진기 2 및 타겟 공진기 3은 무선 전력을 수신하지 않는다.
타겟 공진기 2에 대응하는 위치에 있는 인 밴드 공진기는 전송데이터(715) 및 무선 전력을 전송한다. 타겟 공진기 2는 무선 전력을 수신(725)하여 부하 2를 충전시키고, 전송데이터(715)를 수신할 수 있다. 부하 2의 충전이 완료되면, 타겟 공진기 2는 충전 완료 신호(727)를 인 밴드 공진기에 전송할 수 있다. 인 밴드 공진기는 충전 완료 신호(727)를 수신(723)한다. 이때, 타겟 공진기 1 및 타겟 공진기 3에 대응하는 위치에 있는 인 밴드 공진기의 스위치는 오프되어 타겟 공진기 1 및 타겟 공진기 3은 무선 전력을 수신하지 않는다.
타겟 공진기 3에 대응하는 위치에 있는 인 밴드 공진기는 전송데이터(729) 및 무선 전력을 전송한다. 타겟 공진기 3은 무선 전력을 수신(733)하여 부하 3을 충전시키고, 전송데이터(729)를 수신할 수 있다. 부하 3의 충전이 완료되면, 타겟 공진기 3은 충전 완료 신호(735)를 인 밴드 공진기에 전송할 수 있다. 인 밴드 공진기는 충전 완료 신호(735)를 수신(731)한다. 이때, 타겟 공진기 1 및 타겟 공진기 2에 대응하는 위치에 있는 인 밴드 공진기의 스위치는 오프되어 타겟 공진기 1 및 타겟 공진기 2는 무선 전력을 수신하지 않는다.
무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기의 위치에 있는 인 밴드 공진기를 제어하여 무선 전력 및 전송데이터를 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기 1, 타겟 공진기 2 및 타겟 공진기 3에 일정 시간 간격으로 무선 전력을 전송하여 평균적으로는 지속적으로 무선 전력을 전송하는 효과를 가져올 수 있다. 따라서, 상대적으로 적은 공급 전력으로 복수의 무선 전력 수신 장치를 충전시킬 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
810단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치에 관한 식별 정보를 인 밴드(In-Band) 공진기들을 통하여 수신한다. 인 밴드 공진기는 무선 전력 수신 장치로부터 상기 식별 정보를 인 밴드 통신을 통하여 수신한다. 인 밴드(In-Band) 통신은 공진 주파수를 통해 무선 전력 수신 장치와 데이터를 송수신하는 것을 의미한다. 무선 전력 수신 장치에 대한 식별정보는 무선 전력 수신 장치의 위치, 배터리 상태, 충전 요청 여부 및 ID 등을 포함할 수 있다.
820단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 수신된 식별 정보를 복조한다. 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치의 변조 방식과 반대되는 방식으로 수신데이터의 복조를 수행할 수 있다.
830단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 복조된 식별 정보에 기초하여, 소스 공진기의 공진 주파수 및 임피던스를 제어한다.
840단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 마크네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력을 상기 인 밴드 공진기들에게 전송한다. 소스 공진기에 의해 전파(propagate)되는 파동(wave)에 의해 전력이 무선으로 전송된다.
850단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 및 전송데이터를 동시에 전송한다. 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프 하여, 상기 전송데이터를 변조할 수 있다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신된 수신데이터를 복조할 수 있다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 복수의 인 밴드 공진기가 어레이를 형성하여 구비된 어레이 인 밴드 공진기를 통하여 일정 영역에 대해서 무선 전력 및 전송데이터를 전송할 수 있다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출할 수 있다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성할 수 있다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치는 상기 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 통하여 인 밴드 공진기를 통해 타겟 공진기에 무선 전력을 전송할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
910단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 포함하는 수신데이터를 수신한다. 웨이크 업 신호는 타겟 공진기가 전송데이터를 전송하기 위해 필요한 최소한의 전력 신호를 의미한다. 웨이크 업 신호는 웨이크 업 전력 신호를 의미할 수 있다.
920단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 상기 웨이크 업 신호를 포함하는 수신데이터를 복조한다. 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 인 밴드 공진기를 통하여 변조된 수신데이터를 복조한다.
930단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호 및 웨이크 업 된 타겟 공진기의 아이디를 포함하는 전송데이터를 변조한다.
940단계에서, 일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 상기 소스 공진기, 상기 인 밴드 공진기 및 상기 웨이크 업 된 타겟 공진기간의 임피던스를 매칭시키기 위해 상기 임피던스를 제어한다.
일실시예에 따른 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치는 상기 수신데이터에 기초하여 웨이크 업 되었는지 여부 및 부하의 충전 필요 여부를 판단할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기(1000)를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기(1000)는 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012) 및 그라운드 도체 부분(1013)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(1020), 매칭기(1030) 및 도체들(1041, 1042)을 포함한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 커패시터(1020)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1011)과 제2 신호 도체 부분(1012) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(1020)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(1011)과 제2 신호 도체 부분(1012)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(1013)으로 부르기로 한다.
도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1000)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(1013)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012)과 그라운드 도체 부분(1013)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012)을 통하여 흐른다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1011)의 한쪽 단은 도체(1042)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(1020)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1012)의 한쪽 단은 도체(1041)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(1020)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1011), 제2 신호 도체 부분(1012) 및 그라운드 도체 부분(1013), 도체들(1041, 1042)은 서로 연결됨으로써, 공진기(1000)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
커패시터(1020)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(1020)는 제1 신호 도체 부분(1011) 및 제2 신호 도체 부분(1012) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(1020)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
커패시터(1020)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(1000)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터(1020)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(1000)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(1020)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1000)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(1020)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(1000)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(1000)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(1000)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(1020)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기(1000)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(1000)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(1000)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(1000)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(1020)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(1000)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(1020)에 집중되므로, 커패시터(1020)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(1000)는 집중 소자의 커패시터(1020)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, MNG 공진기(1000)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(1030)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(1030)는 MNG 공진기(1000) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(1030)에 의해 MNG 공진기(1000)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(1040)를 통하여 MNG 공진기(1000)로 유입되거나 MNG 공진기(1000)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(1040)는 그라운드 도체 부분(1013) 또는 매칭기(1030)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(1040)와 그라운드 도체 부분(1013) 또는 매칭기(1030) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(1040)와 그라운드 도체 부분(1013) 또는 매칭기(1030) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.
보다 구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 매칭기(1030)는 공진기(1000)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(1030)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(1000)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(1030)는 그라운드 도체 부분(1013)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(1031)를 포함할 수 있으며, 공진기(1000)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 10에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(1030)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(1030)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(1030)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(1030)의 도체(1031)와 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(1030)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(1000)의 임피던스는 조절될 수 있다.
매칭기(1030)는 도 10에 도시된 바와 같이, 도체 부분(1031)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(1030)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(1000)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(1030)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(1000)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 10에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(1000)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(1100)를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(1100)는 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 및 그라운드 도체 부분(1113)을 포함하는 전송 선로 및 커패시터(1120)를 포함한다. 여기서 커패시터(1120)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1111)과 제2 신호 도체 부분(1112) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터(1120)에 갇히게 된다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이 공진기(1100)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(1113)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112)과 그라운드 도체 부분(1113)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 11에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1111)의 한쪽 단은 도체(1142)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(1120)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1112)의 한쪽 단은 도체(1141)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(1120)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112) 및 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142)은 서로 연결됨으로써, 공진기(1100)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이 커패시터(1120)는 제1 신호 도체 부분(1111) 및 제2 신호 도체 부분(1112) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(1120)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 커패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이 커패시터(1120)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(1100)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 커패시터(1120)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(1100)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(1120)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(1100)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(1100)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(1120)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(1100)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(1100)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(1100)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(1120)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
도 11에 도시된 MNG 공진기(1100)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(1100)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(1100)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(1100)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(1120)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(1100)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(1100)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(1110)에 삽입된 커패시터(1120)에 집중되므로, 커패시터(1120)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(1100)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 커패시터(1120)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 커패시터(1120)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(1100)는 집중 소자의 커패시터(1120)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 MNG 공진기(1100)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(1130)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(1130)는 MNG 공진기(1100)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(1130)에 의해 MNG 공진기(1100)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(1140)를 통하여 MNG 공진기(1100)로 유입되거나 MNG 공진기(1100)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(1140)는 그라운드 도체 부분(1113) 또는 매칭기(1130)와 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 매칭기(1130)는 공진기(1100)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(1130)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(1100)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(1130)는 그라운드 도체 부분(1113)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(1131)을 포함할 수 있으며, 공진기(1100)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 11에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(1130)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(1130)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(1130)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(1130)의 도체(1131)과 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(1130)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(1100)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(1130)의 도체(1131)과 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(1130)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(1131)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h가 조절될 수 있다. 이러한 거리 h는 컨트롤러의 제어 신호에 따라 제어될 수 있으며, 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있다.
매칭기(1130)는 도 11에 도시된 바와 같이, 도체 부분(1131)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(1130)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(1100)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(1130)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(1100)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 11에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(1100)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 12는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 12을 참조하면, 제1 신호 도체 부분(1211)과 도체(1242)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(1212)과 도체(1241) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(1212)과 도체1241)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(1250)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(1212)과 도체(1241)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(1241)와 그라운드 도체 부분(1213)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(1212)과 그라운드 도체 부분(1213)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(1211)과 그라운드 도체 부분(1213)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 13은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(1300)의 무게 또는 공진기(1300)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(1300)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(1300)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(1312)의 두께는 d mm로 정해질 수 있고, d는
Figure pat00007
를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수,
Figure pat00008
는 투자율,
Figure pat00009
는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(1311), 제2 신호 도체 부분(1312), 그라운드 도체 부분(1313), 도체들(1341, 1342) 이 구리(copper)로서 5.8x10^7의 도전율(conductivity)을 갖는 경우에, 공진 주파수가 10kHz에 대해서는 skin depth가 약 0.6mm일 수 있으며, 공진 주파수가 100MHz에 대해서는 skin depth는 0.006mm일 수 있다.
도 14는 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412)은 완벽한 도체(perfect conductor)가 아니므로, 저항 성분을 가질 수 있고, 그 저항 성분으로 인해 저항 손실(ohmic loss)가 발생할 수 있다. 이러한 저항 손실은 Q 팩터를 감소시키고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 14의 부분(1470)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(1411), 제2 신호 도체 부분(1412) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용하는 경우, 도체 라인들이 병렬적으로 배치되므로, 도체 라인들이 갖는 저항 성분들의 합은 감소된다. 따라서, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다.
도 15는 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(1520)는 분산된 커패시터일 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터는 상대적으로 높은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)을 가질 수 있다. 집중 소자로서의 커패시터가 갖는 ESR을 줄이기 위한 여러 제안들이 있지만, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1520)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 커패시터(1520)는 도 15에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(1520)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1520)를 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수 개의 집중 소자로서의 커패시터들을 병렬적으로 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 왜냐 하면, 집중 소자로서의 커패시터들 각각이 갖는 저항 성분들은 병렬 연결을 통하여 작아지기 때문에, 병렬적으로 연결된 집중 소자로서의 커패시터들의 유효 저항 또한 작아질 수 있으며, 따라서, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10pF의 커패시터 하나를 사용하는 것을 1pF의 커패시터들 10개를 사용하는 것으로 대체함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다.
도 16은 2 차원 구조의 공진기(1000) 및 3 차원 구조의 공진기(1100)에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.
도 16의 A는 매칭기(1030)를 포함하는 도 9에 도시된 2 차원 공진기(1000)의 일부를 나타내며, 도 16의 B는 매칭기(1130)를 포함하는 도 10에 도시된 3 차원 공진기(1100)의 일부를 나타낸다.
도 16의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(1031), 도체(1032) 및 도체(1033)을 포함하며, 도체(1032) 및 도체(1033)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1013) 및 도체(1031)와 연결된다. 도체(1031) 및 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기(1000)의 임피던스는 결정되며, 도체(1031) 및 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(1031) 및 그라운드 도체 부분(1013) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(1031)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1031)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 16의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(1131), 도체(1132) 및 도체(1133)을 포함하며, 도체(1132) 및 도체(1133)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(1113) 및 도체(1131)와 연결된다. 도체(1131) 및 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기(1100)의 임피던스는 결정되며, 도체(1131) 및 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기(1000)에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기(1100)에 포함되는 매칭기(1130)에서도 도체(1131) 및 그라운드 도체 부분(1113) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(1131)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(1131)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.
도 16에 도시되지 아니하였지만, 매칭기는 능동 소자를 포함할 수 있으며, 능동 소자를 이용하여 공진기의 임피던스를 조절하는 방식은 상술한 바와 유사하다. 즉, 능동 소자를 이용하여 매칭기를 통해 흐르는 전류의 경로를 변경함으로써, 공진기의 임피던스는 조절될 수 있다.
도 17은 도 10에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기(1000)의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기(1000)는 도 17에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 17의 등가 회로에서 CL은 도 10의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 10에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure pat00010
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure pat00011
는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
[수학식 1]
Figure pat00012

상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure pat00013
는
Figure pat00014
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure pat00015
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure pat00016
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (17)

  1. 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 인 밴드(In-Band) 공진기들에게 전송하는 소스 공진기를 포함하는 소스 공진부;
    상기 소스 공진기의 공진 주파수 및 임피던스를 제어하고, 상기 인 밴드 공진기들 중 무선 전력 수신 장치에 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출하고, 상기 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성하는 소스 제어부; 및
    상기 무선 전력 수신 장치에 관한 식별 정보를 상기 인 밴드 공진기들을 통하여 수신 및 복조하고, 상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 및 전송 데이터를 동시에 전송하는 인 밴드 공진부
    를 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    소정의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정 레벨의 DC 전압을 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부;
    상기 AC 전력을 기 설정된 값 이상의 AC 전력으로 증폭하는 전력 증폭부; 및
    상기 복조된 식별 정보에 기초하여, 상기 증폭된 AC 전력을 전송할 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 매칭 제어부
    를 더 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인 밴드 공진부는
    일정 영역에 대해서 무선 전력 및 전송데이터를 전송하는 복수의 인 밴드 공진기가, 어레이를 형성하여 구비되는 어레이 공진부;
    상기 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프하여, 상기 전송데이터를, 변조하는 변조부;
    상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신된 수신데이터를 복조하는 복조부; 및
    상기 전송데이터의 변조 및 상기 수신데이터의 복조를 제어하는 인 밴드 공진기 제어부
    를 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 인 밴드 공진기는
    상기 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 무선 전력 전송 거리를 증가시키기 위해, 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이에 위치하는
    인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 어레이 공진부는
    상기 복수의 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 수신 장치로부터 상기 수신데이터를 수신하는
    인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 어레이 공진부는
    상기 복수의 인 밴드 공진기 중 상기 무선 전력을 전송하는 인 밴드 공진기의 스위치만 온(On)시키고, 나머지 인 밴드 공진기들의 스위치는 오프(Off)시키는
    인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 변조부는
    상기 복수의 인 밴드 공진기 중 일부 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프하여 상기 전송데이터를 변조하는
    인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 변조부는
    상기 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프 하여, 상기 전송 데이터를 아날로그 변조 또는 디지털 변조하는
    인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 소스 제어부는
    상기 복조된 수신데이터를 전달받아, 상기 무선 전력 수신 장치의 충전 여부를 결정하고, 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 상기 인 밴드 공진기를 통해 무선 전력이 전송 되도록, 상기 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성하는
    인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 장치.
  10. 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 포함하는 수신데이터를 수신하는 타겟 공진부;
    상기 웨이크 업 신호를 포함하는 수신데이터를 복조하는 복조부;
    상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호 및 웨이크 업 된 타겟 공진기의 아이디를 포함하는 전송데이터를 변조하는 변조부; 및
    상기 소스 공진기, 상기 인 밴드 공진기 및 상기 웨이크 업 된 타겟 공진기간의 임피던스를 매칭시키기 위해 상기 임피던스를 제어하는 타겟 제어부
    를 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수신데이터에 기초하여 웨이크 업 되었는지 여부 및 부하의 충전 필요 여부를 판단하는 전력 판단부
    를 더 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 타겟 공진부는
    상기 변조된 전송데이터를 상기 인 밴드 공진기로 전송하는
    인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 장치.
  13. 무선 전력 수신 장치에 관한 식별 정보를 인 밴드(In-Band) 공진기들을 통하여 수신하는 단계;
    상기 수신된 식별 정보를 복조하는 단계;
    상기 복조된 식별 정보에 기초하여, 소스 공진기의 공진 주파수 및 임피던스를 제어하는 단계;
    마그네틱 커플링을 통하여 상기 소스 공진기로부터 무선 전력을 상기 인 밴드 공진기들에게 전송하는 단계; 및
    상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 인 밴드 공진기를 통하여 상기 무선 전력 및 전송데이터를 동시에 전송하는 단계
    를 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 인 밴드 공진기들 중 상기 무선 전력 수신 장치에 대응하는 위치의 인 밴드 공진기를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 인 밴드 공진기의 제어신호를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 인 밴드 공진기를 통하여 무선 전력 및 전송데이터를 동시에 전송하는 단계는
    상기 복수의 인 밴드 공진기의 스위치를 온/오프 하여, 상기 전송데이터를 변조하는 단계;
    상기 무선 전력 수신 장치로부터 수신된 수신데이터를 복조하는 단계; 및
    복수의 인 밴드 공진기가 어레이를 형성하여 구비된 어레이 인 밴드 공진기를 통하여 일정 영역에 대해서 무선 전력 및 전송데이터를 전송하는 단계
    를 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 전송 방법.
  16. 마그네틱 커플링을 통하여 인 밴드 공진기로부터 무선 전력 및 웨이크 업(wake-up) 신호를 포함하는 수신데이터를 수신하는 단계;
    상기 웨이크 업 신호를 포함하는 수신데이터를 복조하는 단계;
    상기 웨이크 업 신호에 대한 응답 신호, 충전 요청 신호 및 웨이크 업 된 타겟 공진기의 아이디를 포함하는 전송데이터를 변조하는 단계; 및
    상기 소스 공진기, 상기 인 밴드 공진기 및 상기 웨이크 업 된 타겟 공진기간의 임피던스를 매칭시키기 위해 상기 임피던스를 제어하는 단계
    를 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수신데이터에 기초하여 웨이크 업 되었는지 여부 및 부하의 충전 필요 여부를 판단하는 단계
    를 더 포함하는 인 밴드 통신을 이용한 무선 전력 수신 방법.
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