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KR101813011B1 - 무선 전력 및 데이터 전송 시스템 - Google Patents

무선 전력 및 데이터 전송 시스템 Download PDF

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KR101813011B1
KR101813011B1 KR1020110050505A KR20110050505A KR101813011B1 KR 101813011 B1 KR101813011 B1 KR 101813011B1 KR 1020110050505 A KR1020110050505 A KR 1020110050505A KR 20110050505 A KR20110050505 A KR 20110050505A KR 101813011 B1 KR101813011 B1 KR 101813011B1
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KR
South Korea
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capacitors
power
unit
capacitor
wireless power
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권의근
김상준
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to JP2012101252A priority patent/JP6138424B2/ja
Publication of KR20120131973A publication Critical patent/KR20120131973A/ko
Priority to US15/165,223 priority patent/US10658871B2/en
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Abstract

무선 전력을 전송할 때, 전송 전력량을 높이고, 무선 전력을 이용하여 데이터를 전송하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 무선 전력 전송 장치는 캐패시터들 및 상기 캐패시터들이 충전되는 경우에는 상기 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환하고, 상기 캐패시터들에 저장된 전력이 방전되는 경우에는 충전된 상기 캐패시터들 중 적어도 두 개의 충전된 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬로 변환한다.

Description

무선 전력 및 데이터 전송 시스템{WIRELESS POWER AND DATA TRANSMISSION SYSTEM}
기술분야는 무선 전력을 전송할 때, 전송 전력량을 높이고, 무선 전력을 이용하여 데이터를 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 그 중에서도 근거리 무선 전력 전송에 대한 연구가 집중되고 있다. 근거리 무선 전력 전송이라 함은 동작 주파수에서 파장의 길이에 비해 송수신 코일간의 거리가 충분히 작은 경우를 의미한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 송수신 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 캐패시터들 및 상기 캐패시터들이 충전되는 경우에는 상기 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환하고, 상기 캐패시터들에 저장된 전력이 방전되는 경우에는 충전된 상기 캐패시터들 중 적어도 두 개의 충전된 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬로 변환하는 변환부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 병렬로 연결된 상기 캐패시터들을 충전하는 전력 입력부 및 직렬로 연결된 상기 적어도 두 개의 충전된 캐패시터들에 저장된 전력을 전송하는 전력 전송부를 더 포함할 수 있다.
상기 변환부는 N개의 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환하고, 병렬로 연결된 상기 N개의 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬로 변환하며, 상기 전력 입력부는 상기 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 병렬로 연결된 상기 N개의 캐패시터들을 충전하고, 상기 전력 전송부는 직렬로 연결된 상기 N개의 캐패시터들에 저장된 전력을 전송할 수 있다.
상기 캐패시터들은 서로 동일한 용량의 캐패시턴스를 가질 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 장치는 상기 병렬로 연결된 캐패시터들에 소정의 전력이 충전된 경우, 상기 병렬로 연결된 캐패시터들이 직렬로 연결되도록, 상기 병렬로 연결된 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 캐패시터들 중 소정 개수의 캐패시터들과 상기 전력 전송부를 전기적으로 직렬 연결하여, 소스 공진기의 공진 주파수를 제어할 수 있다.
상기 전력 입력부는 DC 전원 공급 장치 또는 AC 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 상기 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들을 충전할 수 있다.
상기 제어부는 상기 직렬로 연결된 캐패시터들에 저장된 전력이 기 설정된 값 이하로 방전되거나 혹은 기 설정된 시간이 지난 경우, 상기 직렬로 연결된 캐패시터들이 병렬로 연결되도록, 상기 직렬로 연결된 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어할 수 있다.
상기 변환부는 상기 N개의 캐패시터들이 병렬로 연결된 경우, 상기 N개의 캐패시터들과 상기 전력 입력부를 전기적으로 연결하고, 상기 N개의 캐패시터들이 직렬로 연결된 경우, 상기 N개의 캐패시터들과 상기 전력 전송부를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 변환부는 상기 전력 입력부, 상기 전력 전송부와 상기 캐패시터들 각각의 전기적 연결을 온/오프하는 제1 스위치부, 상기 캐패시터들 간의 전기적 연결을 온/오프하는 제2 스위치부 및 상기 캐패시터들과 접지(ground) 간의 전기적 연결을 온/오프하는 제3 스위치부를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치는 서로 다른 용량의 전력을 충전하는 캐패시터 세트들, 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 상기 캐패시터 세트들을 충전하는 전력 입력부 및 상기 캐패시터 세트들 각각에 충전된 전력량을 전송하는 전송부를 포함하고, 상기 캐패시터 세트들 각각은, 전기적인 연결의 변환에 따라 상기 전력 입력부 또는 상기 전송부에 연결되는 복수의 캐패시터들 및 상기 전기적인 연결을 변환하는 변환부를 포함한다.
상기 전력 입력부는 상기 캐패시터 세트들 각각을 동시에 충전할 수 있다.
상기 전력 입력부는 상기 캐패시터 세트들 각각을 선택적으로 충전할 수 있다.
상기 변환부는 방전된 복수의 캐패시터들과 상기 전력 입력부가 병렬로 연결되도록 상기 전기적 연결을 변환하고, 충전된 복수의 캐패시터들과 상기 전송부가 직렬로 연결되도록 상기 전기적 연결을 변환할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치는 상기 전력 입력부와 상기 전송부가 물리적으로 분리되도록 상기 복수의 캐패시터들에 연결된 스위치들을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 캐패시터 세트들은 제1 캐패시터 세트 및 제2 캐패시터 세트를 포함하고, 상기 제1 캐패시터 세트는 N개의 캐패시터들을 포함하고, 상기 제2 캐패시터 세트는 M개의 캐패시터들을 포함할 수 있다.
상기 변환부는 상기 N개의 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어하여, 상기 N개의 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬 연결 또는 병렬 연결로 변환하고, 상기 M개의 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어하여, 상기 M개의 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬 연결 또는 병렬 연결로 변환할 수 있다.
상기 제1 캐패시터 세트의 상기 N개의 캐패시터들은 서로 동일한 용량의 캐패시턴스를 가질 수 있고, 상기 제2 캐패시터 세트의 상기 M개의 캐패시터들은 서로 동일한 용량의 캐패시턴스를 가질 수 있다.
상기 전송부는 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들을 포함하는 상기 제1 캐패시터 세트에 충전된 전력량 및 직렬로 연결된 M개의 캐패시터들을 포함하는 상기 제2 캐패시터 세트에 충전된 전력량 중 어느 하나를 이용하여 변조된 데이터를 선택적으로 전송할 수 있다.
상기 제어부는 상기 복수의 캐패시터들 중 소정 개수의 캐패시터들과 상기 전송부를 전기적으로 연결하여, 소스 공진기의 공진 주파수를 제어할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 수신 장치는 적어도 하나의 캐패시터, 무선 전력을 수신하여 상기 적어도 하나의 캐패시터를 충전하는 수신부, 상기 적어도 하나의 캐패시터에 충전된 전력을 부하에 전달하는 전력 출력부 및 상기 수신부와 상기 전력 출력부가 전기적으로 연결되지 않도록 상기 적어도 하나의 캐패시터에 연결된 스위치들을 제어하는 스위치부를 포함한다.
상기 스위치부는 상기 적어도 하나의 캐패시터에 저장된 전력량에 기초하여, 상기 적어도 하나의 캐패시터가 상기 수신부 또는 상기 전력 출력부와 전기적으로 연결되도록 상기 적어도 하나의 캐패시터에 연결된 스위치들을 제어할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치는 적어도 하나의 캐패시터, 무선 전력을 수신하여 상기 적어도 하나의 캐패시터를 충전하는 수신부, 상기 적어도 하나의 캐패시터에 충전된 전력량에 기초하여, 소스 공진기에서 전송한 데이터를 복조하는 복조부 및 상기 적어도 하나의 캐패시터에 충전된 전력 및 상기 복조된 데이터를 부하에 전달하는 전력 출력부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치는 상기 수신부와 상기 전력 출력부가 전기적으로 연결되지 않도록 상기 적어도 하나의 캐패시터에 연결된 스위치들을 제어하는 스위치부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들을 충전하는 단계, 상기 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들이 직렬로 연결되고, 상기 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들이 다시 병렬로 연결되도록 상기 N개의 캐패시터들의 전기적 연결을 변환하는 단계 및 상기 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들에 충전된 전력을 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 마그네틱 커플링을 통하여 전송하는 단계를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 방법은 상기 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들에 소정의 전력이 충전된 경우, 상기 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들이 직렬로 연결되도록, 상기 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제어하는 단계는 상기 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들에 저장된 전력이 기 설정된 값 이하로 방전되거나 혹은 기 설정된 시간이 지난 경우,, 상기 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들이 병렬로 연결되도록, 상기 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에서 복수의 캐패시터들이 병렬로 연결되어 충전됨으로써 큰 용량의 등가 캐패시터가 생성될 수 있고, 큰 용량의 등가 캐패시터가 이용되어 전력 전송부에 보다 많은 전력이 전달될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템에서 충전된 복수의 캐패시터들이 직렬로 연결됨으로써 작은 용량의 등가 캐패시터가 생성될 수 있고, 작은 용량의 등가 캐패시터를 이용하여 높은 Q(quality factor)값의 소스 공진기가 형성됨으로써, 타겟 디바이스에 많은 전력이 전달될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템에서 서로 다른 개수의 캐패시터들을 포함하는 캐패시터 세트를 이용하여, 하나의 전원 공급 장치로부터 양자화된 전압이 생성됨으로써, 무선 전력 및 데이터가 동시에 전송될 수 있다.
또한, 다수의 병렬 충전된 캐패시터들을 선택적으로 조합하여 직렬 연결된 캐패시터를 구성함으로써 공진기의 공진 주파수를 자유롭게 변화 시킬 수 있다.
도 1은 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 물리적으로 분리된 근거리 무선 전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 개념도이다.
도 4는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 캐패시터들이 병렬 연결되는 경우의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 캐패시터들이 직렬 연결되는 경우의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치의 블록도이다.
도 8은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치의 개념도이다.
도 9는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 11은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치의 블록도이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일측에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치의 전력 입력부와 송신 코일, 무선 전력 수신 장치의 전력 출력부와 수신 코일이 물리적으로 연결된 회로는 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 몇 가지 고려해야 할 사항이 있다.
무선 전력 전송 장치의 전력 입력부와 송신 코일, 무선 전력 수신 장치의 전력 출력부와 수신 코일이 물리적으로 연결된 회로는 전송 효율을 높이기 위해 동작 환경의 변화(예를 들면, 공진기간 거리, 타겟의 임피던스 변화)에 따라 주파수 정합, 임피던스 매칭 및 높은 효율의 전력 증폭기, 정류기가 필요하다.
따라서, 일 측면에 따른 무선 전력 전송 시스템은 임피던스 매칭 등의 제약으로부터 자유로운, 무선 전력 전송 장치의 전력 입력부와 송신 코일이 물리적으로 분리되고, 무선 전력 수신 장치의 전력 출력부와 수신 코일이 물리적으로 분리된 회로를 고려한다.
무선 전력 전송 시스템은 전력 입력부와 송신 코일 사이에 위치한 캐패시터들을 이용하여 물리적으로 분리된다. 전력 입력부와 캐패시터들이 연결된 경우에는 캐패시터들은 송신 코일에 연결되지 않는다. 전력 입력부를 통해 충전된 캐패시터들은 송신 코일과 연결되어 방전될 수 있다. 즉, 캐패시터들은 전력 입력부와 송신 코일에 동시에 연결되지 않는다.
수신 코일과 전력 출력부의 경우에도, 수신 코일과 전력 출력부 사이에 위치한 캐패시터들을 이용하여 물리적으로 분리된다. 송신 코일로부터 방전된 전력이 송신 코일과 수신 코일 간에 마그네틱 커플링을 통하여, 수신 코일에서 수신되면, 수신 코일에 연결된 캐패시터들이 충전될 수 있다. 이때, 캐패시터들은 전력 출력부와 분리되어 있다. 충전된 캐패시터들은 전력 출력부에 연결되고, 전력 출력부는 원하는 타겟 디바이스 또는 부하에 전력을 전달할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템은 캐패시터들이 전력 입력부 또는 송신 코일에 연결되는 타이밍을 제어하고, 캐패시터들이 수신 코일 또는 전력 출력부에 연결되는 타이밍을 제어할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에서 송신 코일과 수신 코일 간에 높은 전송 효율로 전력이 전달되기 위해서는 Q(quality factor) 값이 큰 공진기를 사용해야 한다. Q값은 공진기의 캐패시턴스의 제곱근에 반비례한다. 따라서, Q값이 큰 공진기를 설계하기 위해서는 캐패시턴스가 작은 캐패시터를 사용할 필요가 있다.
그런데, 캐패시턴스가 작은 캐패시터를 사용하면, 캐패시터에 전력 입력부로부터 한번에 충전될 수 있는 전력 용량이 작아진다. 따라서, 송신 코일에서 효율이 높더라도 수신 코일에 전달할 수 있는 전력량이 줄어들게 된다.
한번에 충전될 수 있는 전력용량을 크게 하기 위해 전력 입력부에서 충전되는 캐패시터의 용량은 크게 하고, 수신 코일과의 전송 효율을 높이기 위해 송신 코일에 연결되는 캐패시터의 용량은 작게 할 필요가 있다.
또한, 하나의 입력 전원으로부터 여러 레벨(level)의 입력 전압을 공급할 수 있는 캐패시터의 조합을 생각해 볼 필요가 있다. 여러 레벨의 입력 전압을 통해 무선 전력 전송 시스템은 데이터를 송수신할 수 있다.
일 측면에 따른 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 전송을 필요로 하는 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 핸드폰의 무선 충전 또는 wireless TV 등을 대표적인 예로 들 수 있다. 또한, 바이오 헬스 케어(bio health care) 분야에 응용이 가능하여, 인체에 삽입된 디바이스에 원격으로 전력을 전송하거나, 심박수 측정을 위한 붕대 타입의 디바이스에 무선으로 전력을 전송하는데 응용될 수 있다.
또한, 일 측면에 따른 무선 전력 전송 시스템은 전원 소스가 없는 정보 저장 장치의 원격 제어에 응용될 수 있다. 일 측면에 따른 무선 전력 전송 시스템은 정보 저장 장치에 원격으로 장치를 구동할 수 있는 전력을 공급함과 동시에, 무선으로 저장 장치에 저장된 정보를 불러오는 시스템에 응용될 수 있다.
도 1은 전력 입력부와 전력 전송부, 수신부와 전력 출력부가 물리적으로 분리된 근거리 무선 전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치는 전력 입력부(110), 전력 전송부(120) 및 스위치부(130)를 포함한다. 전력 입력부(110)는 전원 공급 장치로부터 에너지를 수신하여 캐패시터에 에너지를 저장한다. 스위치부(130)는 캐패시터에 에너지를 저장하는 동안에는 전력 입력부(110)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 방전하는 동안에는 캐패시터를 전력 전송부(120)에 연결한다. 스위치부(130)는 캐패시터가 동시에 전력 입력부(110) 및 전력 전송부(120)에 연결되지 않도록 한다.
전력 전송부(120)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신부(140)로 전달(transferring)한다. 보다 구체적으로 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)은 수신부(130)의 수신 코일(L2)과의 마그네틱 커플링을 통해 전력을 전달한다. 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2) 간에 발생하는 마그네틱 커플링은 상호 인덕턴스 M으로 표시될 수 있다.
간략하게, 전력 입력부(110)는 입력 전압(VDC), 내부 저항(Rin) 및 캐패시터(C1)로, 전력 전송부(120)는 전력 전송부(120)에 대응하는 물리적 성질을 반영하여, 기초 회로 소자(R1, L1, C1)로, 스위치부(130)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 스위치로는 온/오프 기능을 수행할 수 있는 능동소자가 사용될 수 있다. R은 저항 성분, L은 인덕터 성분, C는 캐패시터 성분을 의미한다. 입력 전압(VDC) 중 캐패시터(C1)에 걸리는 전압은 Vin으로 표시될 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 수신부(140), 전력 출력부(150) 및 스위치부(160)를 포함한다. 수신부(140)는 전력 전송부(120)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 수신부(140)는 수신한 전자기 에너지를 연결된 캐패시터들에 저장한다. 스위치부(160)는 캐패시터에 에너지를 저장하는 동안에는 수신부(140)에 캐패시터를 연결하고, 캐패시터에 저장된 에너지를 부하에 전달하는 동안에는 캐패시터를 전력 출력부(150)에 연결한다. 스위치부(160)는 캐패시터가 동시에 수신부(140) 및 전력 출력부(150)에 연결되지 않도록 한다.
보다 구체적으로 수신부(140)의 수신 코일(L2)은 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)과의 마그네틱 커플링을 통하여 전력을 수신할 수 있다. 전력 출력부(150)는 수신된 전력을 배터리로 전달한다. 전력 출력부(150)는 배터리 대신, 부하 또는 타겟 디바이스에 전력을 전달할 수 있다.
간략하게, 수신부(140)는 수신부(140)에 대응하는 물리적 성질을 기초 회로 소자(R2, L2, C2)로, 전력 출력부(150)는 연결되는 캐패시터 (C2) 및 배터리로, 스위치부(160)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 수신 코일(L2)에서 수신되는 에너지 중, 캐패시터(C2)에 걸리는 전압은 Vout으로 표시될 수 있다.
소스 공진기와 전력을 공급하는 전원 소스가 분리되고, 타겟 공진기와 타겟 디바이스가 분리됨으로써, 동작 환경의 변화에 따른 주파수 정합, 임피던스 매칭에서 자유로울 수 있다. 소스 공진기에 전달 되는 전력은 연결된 캐패시터의 충전 전력에 의해 결정되고, 타겟 디바이스에 전달되는 전력은 연결된 캐패시터의 충전 전력에 의해 결정되기 때문이다. 즉, 전송 효율은 동작 환경의 변화와 관계 없이 캐패시터의 충전 및 전달에 의해 결정되기 때문이다.
도 1과 같이 캐패시터(C1)가 하나인 경우에는 전력 입력부(110)에 연결되는 캐패시터의 캐패시턴스와 전력 전송부(120)에 연결되는 캐패시터의 캐패시턴스가 동일하다. 캐패시터의 충전 용량은 캐패시턴스에 비례하고, 소스 공진기의 Q값은 캐패시턴스의 제곱근에 반비례한다. 이 경우에는 동시에, 캐패시터의 충전 용량을 크게 하면서, 소스 공진기의 Q값을 크게 할 수 없다.
캐패시터의 충전 용량을 크게 하면서, 소스 공진기의 Q값을 크게 하기 위해서는, 복수의 캐패시터들을 사용할 수 있다. 또한, 복수의 캐패시터들의 연결방식에 따라 전력 입력부(110)에서는 캐패시터의 충전 용량을 크게 하고, 전력 전송부(120)에서는 Q값을 크게 할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 전력 입력부(210), 변환부(220), 전력 전송부(230) 및 제어부(240)를 포함한다.
전력 입력부(210)는 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여, 캐패시터들을 충전한다. 전원 공급 장치는 전력 입력부(210)에 포함될 수도 있고, 전력 입력부(210)의 외부에 위치할 수도 있다. 전력 입력부(210)는 DC 전원 공급 장치 또는 AC 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 캐패시터들을 충전할 수 있다.
전력 입력부(210)는 DC 전원 공급 장치를 이용하여 캐패시터를 충전하는 것이 용이하다. 그러나, 전력 입력부(210)는 AC 전원 공급 장치를 이용하는 경우에도, AC-DC 컨버터를 이용하여 DC로 전원을 치환하거나, 스위치를 추가하여 스위치의 적절한 타이밍 조절을 통해 캐패시터를 충전할 수 있다.
변환부(220)는 캐패시터들의 전기적 연결을 변환할 수 있다.
변환부(220)는 전력 입력부(210)에 캐패시터들이 연결되는 경우에는 전기적 연결을 병렬로 변환할 수 있다. 병렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 각 캐패시터들의 캐패시턴스를 합한 것과 동일하므로, 전체 캐패시턴스의 값은 각 캐패시터들의 캐패시턴스보다 커진다. 즉, 변환부(220)는 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환함으로써, 전력 입력부(210)에서 충전할 수 있는 전력의 용량을 크게 할 수 있다.
변환부(220)는 전력 전송부(230)에 캐패시터들이 연결되는 경우에는 전기적 연결을 직렬로 변환할 수 있다. 직렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 각 캐패시터들의 캐패시턴스 보다 작아진다. 이때, 각 캐패시터들은 동일한 용량의 캐패시턴스를 가질 수 있다. 즉, 변환부(220)는 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬로 변환함으로써, 전력 전송부(230)에 포함된 소스 공진기의 Q값을 크게 할 수 있다.
전력 입력부(210)에서 병렬로 연결된 캐패시터들의 충전이 완료되면, 변환부(220)는 충전된 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬로 변환하여 전력 전송부(230)에 연결할 수 있다. 여기서 충전이 완료되는 기준은 캐패시터에 충전될 수 있는 최대값으로 설정될 수 있다. 또한, 캐패시터의 안정성을 고려한 임의의 값으로 설정될 수 있다.
변환부(220)는 캐패시터들에 연결된 스위치들의 온/오프(on/off)를 통하여, 캐패시터들의 전기적 연결을 변환할 수 있다. 캐패시터들에 연결된 스위치들 중, 어느 스위치들을 온/오프 할 것인지에 대한 정보는 제어부(240)에서 제공될 수 있다. 제어부(240)는 캐패시터들에 저장된 에너지의 레벨에 따라, 변환부(220)가 캐패시터들에 연결된 스위치들의 온/오프를 제어하도록 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(240)는 캐패시터들에 저장된 에너지를 측정 또는 센싱 할 수 있다. 이때, 저장된 에너지의 측정은 측정기를 통하여, 센싱은 센서를 통하여 이루어 질 수 있다.
일 측면에 있어서, 변환부(220)는 제1 스위치부(221), 제2 스위치부(223) 및 제3 스위치부(225)를 포함할 수 있다. 제1 스위치부(221)는 전력 입력부(210)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온/오프할 수 있고, 전력 전송부(230)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온/오프할 수 있다. 제2 스위치부(223)는 캐패시터들 간의 전기적 연결을 온/오프할 수 있다. 제3 스위치부(225)는 캐패시터들과 접지(ground) 간의 전기적 연결을 온/오프할 수 있다.
예를 들면, 전력 입력부(210)와 캐패시터들을 병렬로 연결하기 위해, 제1 스위치부(221)는 전력 입력부(210)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온(on)하고, 제2 스위치부(223)는 캐패시터들 간의 전기적 연결을 오프(off)하고, 제3 스위치부(225)는 캐패시터들과 접지 간의 전기적 연결을 온(on)할 수 있다. 또한, 전력 전송부(230)와 캐패시터들을 직렬로 연결하기 위해, 제1 스위치부(221)는 전력 전송부(230)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온(on)하고, 제2 스위치부는 (223)는 캐패시터들 간의 전기적 연결을 온(on)하고, 제3 스위치부(225)는 캐패시터들과 접기 간의 전기적 연결을 오프(off)할 수 있다.
캐패시터들과 전력 입력부(210)가 연결된 동안에는 캐패시터들은 전력 전송부(230)와 분리된다. 전력 입력부(210)와 전력 전송부(230)는 변환부(220)의 스위치 온/오프에 의하여 분리될 수 있다.
캐패시터들에 충전된 전력을 전력 전송부(230)의 소스 공진기로 전달하는 과정은 캐패시터들을 소스 공진기에 연결함으로써 이루어질 수 있다. 다만, 병렬로 연결된 캐패시터들은 변환부(220)에 의하여, 직렬로 전기적 연결이 변환된 후에, 소스 공진기에 연결된다.
전력 전송부(230)는 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로 전달된 전력을 전송한다. 전송부(230)는 충전되고, 직렬로 연결된 캐패시터들이 소스 공진기와 연결되면, 캐패시터들에 충전된 전력을 마그네틱 커플링을 통하여 전송할 수 있다.
전력 입력부(210)와 전송부(230)는 독립적으로 동작할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치의 동작 환경의 변화에 영향을 받지 않는다. 또한, 전력 입력부(210)는 복수의 캐패시터들을 이용함으로써, 전력 증폭기 없이, 무선 전력 수신 장치에서 요구하는 전력을 생성할 수 있다.
제어부(240)는 복수의 캐패시터들 중 소정 개수의 캐패시터들과 전력 전송부(230)를 전기적으로 직렬 연결하여, 소스 공진기의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 소스 공진기의 공진 주파수는 전력 전송부(230)와 연결되는 캐패시터들의 개수에 따라 변경될 수 있다. 무선 전력 전송 대상이 아닌 무선 전력 수신 장치가 전력을 수신하는 경우에, 제어부(240)는 공진 주파수를 변경하여, 상기 전력의 수신을 차단할 수 있다. 또한, 제어부(240)는 공진 주파수를 변경하여 다른 무선 전력 수신 장치와의 간섭 회피나 기타 다른 통신 기법에 응용될 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 전력 입력부(310)는 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들(311)을 충전하고, 전력 전송부(320)는 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들(321)로부터 공급되는 전력을 송신 코일(L)을 통하여 전송한다.
N개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스가 NC인 경우에, 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들(311)의 전체 캐패시턴스는 N^2C이다. N개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스가 NC인 경우에, 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들(321)의 전체 캐패시턴스는 C이다.
전력 입력부(310)는 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들(311)을 충전하여, N^2C의 충전 용량을 확보할 수 있다. 전력 전송부(320)는 전체 캐패시턴스가 C인 직렬로 연결된 N개의 캐패시터들(321)로부터, 높은 Q값을 가지는 소스 공진기를 구성할 수 있다. 즉, 전력 입력부(310)는 큰 용량의 등가 캐패시터에 에너지를 저장할 수 있고, 전력 전송부(320)는 작은 용량의 등가 캐패시터를 이용하여, 큰 Q값의 소스 공진기를 구성할 수 있다
캐패시턴스가 C인 하나의 캐패시터를 충전하고, 방전하는 경우와 비교해보면, 전력 입력부(310)에서는 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들(311)에 N^2배 만큼 큰 전력을 저장할 수 있고, 전력 전송부(320)는 동일한 캐패시턴스 C로 소스 공진기를 구성할 수 있다. 따라서, 전력 전송부(320)는 캐패시턴스가 C인 하나의 캐패시터의 경우와 동일한 Q값을 가지는 소스 공진기를 구성하면서도, 보다 많은 전력을 무선 전력 수신 장치에 공급할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 전력 입력부(410), 전력 전송부(420) 및 변환부(430)를 포함한다.
전력 입력부(410)는 입력 전원(Vin)으로부터 공급되는 전력을 통하여 병렬로 연결된 캐패시터들을 충전한다. 이때, 변환부(430)는 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환할 수 있다. 변환부(430)는 제1 스위치부(431), 제2 스위치부(433) 및 제3 스위치부(435)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 스위치부(431)는 전력 입력부(410)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온(on) 한다. 제2 스위치부(433)는 캐패시터들 간의 전기적 연결을 오프(off)한다. 제3 스위치부(435)는 캐패시터들과 접지(ground) 간의 전기적 연결을 온(on) 한다. 각 캐패시터의 캐패시턴스가 NC이고, 캐패시터들의 개수가 N개인 경우에 병렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 N^2C이다.
전력 전송부(420)는 직렬로 연결된 캐패시터들에 충전된 전력을 소스 공진기와 타겟 공진기간의 마그네틱 커플링을 통하여 전송한다. 소스 공진기는 직렬 R, L, C의 회로로 표현될 수 있다. 변환부(430)는 전력 입력부(410)와 병렬로 연결되어 있던 캐패시터들의 전기적 연결을 전력 전송부(420)와 직렬로 연결되도록 변환할 수 있다. 이때, 제1 스위치부(431)는 전력 전송부(420)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온(on) 한다. 제2 스위치부(433)는 캐패시터들 간의 전기적 연결을 온(on)한다. 제3 스위치부(435)는 캐패시터들과 접지(ground) 간의 전기적 연결을 온(off) 한다. 각 캐패시터의 캐패시턴스가 NC이고, 캐패시터들의 개수가 N개인 경우에 직렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 C이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 캐패시터들이 병렬 연결되는 경우의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 스위치부(510)는 전력 입력부와 캐패시터들 간에 연결될 수 있는 스위치들은 온(on)하고, 전력 전송부와 캐패시터들 간에 연결되 수 있는 스위치들은 오프(off)한다. 캐패시터들 간의 스위치들은 오프(off)되어 있다. 스위치부(520)는 캐패시터들과 접지(ground)간의 스위치들은 온(on)한다. 이러한 스위치 동작을 통해 캐패시터들은 전력 입력부와 병렬로 연결된다.
도 6은 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 캐패시터들이 직렬 연결되는 경우의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 스위치부(620)는 전력 전송부와 캐패시터 간에 연결될 수 있는 스위치를 온(on)한다. 스위치부(610)는 캐패시터들 간의 스위치들을 온(on)한다. 캐패시터들과 접지(ground)간의 스위치들은 오프(off)된다. 직렬로 연결된 캐패시터들의 양 끝단 중 적어도 한쪽 끝단은 접지된다. 이러한 스위치 동작을 통해 캐패시터들은 전력 전송부와 직렬로 연결된다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치의 블록도이다.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치는 전력 입력부(710), 캐패시터 세트들(720), 전송부(730) 및 제어부(740)를 포함한다.
전력 입력부(710)는 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여, 캐패시터 세트들(720)을 충전한다. 캐패시터 세트들(720)은 캐패시터 세트(721,724)를 포함한다. 각각의 캐패시터 세트(721,724)는 서로 다른 용량의 전력을 충전한다. 각각의 캐패시터 세트(721,724)는 서로 다른 개수의 캐패시터들(723,726)로 구성될 수 있다. 즉, 동일한 캐패시턴스를 가지는 캐패시터들을 개수만 다르게 하여 캐패시터 세트들을 구성하면, 각각의 캐패시터 세트(721,724)에 저장되는 전력의 용량은 달라질 수 있다.
전원 공급 장치는 전력 입력부(710)에 포함될 수도 있고, 전력 입력부(710)의 외부에 위치할 수도 있다. 전력 입력부(710)는 DC 전원 공급 장치 또는 AC 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 캐패시터들을 충전할 수 있다. 전력 입력부(710)는 하나의 전원 공급 전원 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 캐패시터 세트들(720)을 충전할 수 있다.
전력 입력부(710)는 DC 전원 공급 장치를 이용하여 캐패시터를 충전하는 것이 용이하다. 그러나, 전력 입력부(710)는 AC 전원 공급 장치를 이용하는 경우에도, AC-DC 컨버터를 이용하여 DC로 전원을 치환하거나, 스위치를 추가하여 스위치의 적절한 타이밍 조절을 통해 캐패시터를 충전할 수 있다.
각각의 캐패시터 세트(721,724)는 복수의 캐패시터들(723,726)을 포함하고, 변환부(722,725)에 의해 복수의 캐패시터들(723,726)의 전기적 연결이 변환된다.
캐패시터 세트(721)에서 변환부(722)는 복수의 캐패시터들(723)의 전기적 연결을 변환할 수 있다. 변환부(722)는 복수의 캐패시터들(723)의 전기적 연결을 병렬로 변환하여 전력 입력부(710)에 연결할 수 있다. 변환부(722)는 충전되고, 병렬로 연결된 캐패시터들(723)의 전기적 연결을 직렬로 변환하고, 직렬로 연결된 캐패시터들을(723) 전송부(730)에 연결할 수 있다.
캐패시터 세트(724)에서 변환부(725)도 복수의 캐패시터들(726)의 전기적 연결을 변환할 수 있다. 변환부(725)는 복수의 캐패시터들(726)의 전기적 연결을 병렬로 변환하여 전력 입력부(710)에 연결할 수 있다. 변환부(725)는 충전되고, 병렬로 연결된 캐패시터들(726)의 전기적 연결을 직렬로 변환하고, 직렬로 연결된 캐패시터들을(726) 전송부(730)에 연결할 수 있다.
변환부(722,725)는 캐패시터들에 연결된 스위치들의 온/오프(on/off)를 통하여, 캐패시터들의 전기적 연결을 변환할 수 있다. 캐패시터들에 연결된 스위치들 중, 어느 스위치들을 온/오프 할 것인지에 대한 정보는 제어부(740)에서 제공될 수 있다. 제어부(740)는 캐패시터들에 저장된 에너지의 레벨에 따라, 변환부(722,725)가 캐패시터들에 연결된 스위치들의 온/오프를 제어하도록 제어신호를 생성할 수 있다. 제어부(740)는 캐패시터들에 저장된 에너지를 측정 또는 센싱 할 수 있다. 이때, 저장된 에너지의 측정은 측정기를 통하여, 센싱은 센서를 통하여 이루어 질 수 있다.
전력 입력부(710)는 캐패시터 세트들 각각(721,724)을 동시에 충전할 수도 있고, 선택적으로 충전할 수도 있다. 보다 구체적으로, 전력 입력부(710)는 캐패시터 세트들 중, 전력 입력부(710)와 병렬로 연결된 캐패시터들을 충전할 수 있다.
전력 입력부(710)와 병렬로 연결되는 캐패시터들에는 캐패시터들 간에 동일한 전압이 걸린다. 그런데, 변환부(722, 725)를 통하여, 캐패시터들의 전기적 연결이 직렬로 변환되는 경우에는 캐패시터 세트(721)와 캐패시터 세트(724)에 걸리는 전압이 서로 다르다. 캐패시터 세트(721)에 포함된 캐패시터들(723)과 캐패시터 세트(724)에 포함된 캐패시터들(726)의 개수가 서로 다르기 때문이다.
예를 들면, 캐패시터 세트(721)에는 2개의 캐패시터들(723)이 포함되고, 캐패시터 세트(724)에는 3개의 캐패시터들(726)이 포함된 경우, 전력 입력부(710)에 의하여 병렬로 연결된 2개의 캐패시터들(723) 각각에 1V의 전압이 충전되고, 병렬로 연결된 3개의 캐패시터들(726) 각각에 1V의 전압이 충전될 수 있다. 이렇게 충전된 2개의 캐패시터들(723)이 직렬로 연결되면, 캐패시터 세트(721)에 걸리는 전압은 2V이다. 또한, 충전된 3개의 캐패시터들(726)이 직렬로 연결되면, 캐패시터 세트(724)에 걸리는 전압은 3V이다.
전송부(730)는 캐패시터 세트들 각각에 충전된 전력량에 따라 변조된 데이터를 전송할 수 있다. 캐패시터 세트들마다 걸리는 전압이 다르므로, 캐패시터 세트들마다 다른 전압을 이용하여 데이터가 변조될 수 있다. 전송부(730)는 원하는 데이터를 전송하기 위해, 원하는 데이터가 맵핑된 전압을 가지는 캐패시터 세트들과 연결될 수 있다. 제어부(740)는 캐패시터 세트 각각에 걸리는 전압에 대한 정보 및 각 전압과 맵핑되는 데이터에 대한 정보를 전송부(730)에 제공할 수 있다. 또한, 제어부(740)는 전송부(730)와 해당 전압이 걸리는 캐패시터 세트가 연결될 수 있도록 변환부(722, 725)를 제어할 수 있다.
제어부(740)는 복수의 캐패시터들(723,726) 중 소정 개수의 캐패시터들과 전송부(730)를 전기적으로 연결하여, 소스 공진기의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 소스 공진기의 공진 주파수는 전송부(730)와 연결되는 캐패시터들의 개수에 따라 변경될 수 있다. 무선 전력 전송 대상이 아닌 무선 전력 수신 장치가 전력을 수신하는 경우에, 제어부(740)는 공진 주파수를 변경하여, 상기 전력의 수신을 차단할 수 있다. 또한, 제어부(740)는 공진 주파수를 변경하여 다른 무선 전력 수신 장치와의 간섭을 회피할 수 있다. 또한, 제어부(740)는 소정의 캐패시터들을 전기적으로 전송부(730)와 직렬 연결하여 공진 주파수를 변경하는 방식은 기타 다른 통신 기법에 응용될 수 있다.
캐패시터들과 전력 입력부(710)가 연결된 동안에는 캐패시터들은 전송부(730)와 분리된다. 전력 입력부(710)와 전송부(730)는 변환부(722,725)의 스위치 온/오프에 의하여 분리될 수 있다. 제어부(740)는 전력 입력부(710)와 전송부(730)가 물리적으로 분리되도록 변환부(722,725)를 제어하는 신호를 생성할 수 있다.
전송부(730)는 마그네틱 커플링을 통하여 소스 공진기로 전달된 전력을 전송한다. 전송부(730)는 충전되고, 직렬로 연결된 캐패시터들이 소스 공진기와 연결되면, 캐패시터들에 충전된 전력을 마그네틱 커플링을 통하여 전송할 수 있다. 이때, 전송부(730)는 연결된, 각각의 캐패시터 세트별로 다른 전력량을 전송함으로써, 변조된 데이터들 전송할 수 있다.
전력 입력부(710)와 전송부(730)는 독립적으로 동작할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치의 동작 환경의 변화에 영향을 받지 않는다.
도 8은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치의 개념도이다.
도 8을 참조하면, 전력 입력부(310)는 캐패시터 세트(811) 및 캐패시터 세트(813)를 충전한다. 캐패시터 세트(811)는 병렬로 연결된 N개의 캐패시터들을 포함한다. 이때, N개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스는 NC이다. 캐패시터 세트(813)는 병렬로 연결된 M개의 캐패시터 세트들을 포함한다. 이때, M개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스는 MC이다.
N개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스가 NC인 경우에, 캐패시터 세트(811)의 전체 캐패시턴스는 N^2C이다. M개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스가 MC인 경우에, 캐패시터 세트(813)의 전체 캐패시턴스는 M^2C이다.
N개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스가 NC인 경우에, 캐패시터 세트(821)의 전체 캐패시턴스는 C이다. M개의 캐패시터들 각각의 캐패시턴스가 MC인 경우에, 캐패시터 세트(823)의 전체 캐패시턴스는 C이다. 직렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스가 C로 유지됨으로써, 전송부(820)의 소스 공진기는 캐패시터 세트(821) 또는 캐패시터 세트(823) 중 어느 것에 연결되는 것과 관계없이 동일한 공진 주파수를 유지할 수 있다.
병렬로 연결된 N개의 캐패시터들에는 입력 전원(Vin)으로부터 동일한 전압이 걸린다. 또한, 병렬로 연결된 M개의 캐패시터들에도 입력 전원(Vin)으로부터 동일한 전압이 걸린다.
N개의 캐패시터들이 직렬로 연결된 캐패시터 세트(821)에 걸리는 전압은 NVin이고, M개의 캐패시터들이 직렬로 연결된 캐패시터 세트(823)에 걸리는 전압은 MVin이다. 즉, 캐패시터 세트(821,823)에 포함된 캐패시터들의 개수에 따라 캐패시터 세트(821,823)에 걸리는 전압이 달라질 수 있다.
전송부(820)는 캐패시터 세트(821) 또는 캐패시터 세트(823)에 저장된 전력량을 이용하여 변조된 데이터를 전송할 수 있다. 캐패시터 세트(821) 및 캐패시터 세트(823)에 걸리는 양자화된 전압에 따라 데이터가 변조될 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치는 전력 입력부(910), 전송부(920), 및 캐패시터 세트(930, 940)를 포함한다.
전력 입력부(910)는 입력 전원(Vin)으로부터 공급되는 전력을 통하여 캐패시터 세트(930, 940)를 충전한다. 이때, 각각의 캐패시터 세트(930, 940)에서 변환부는 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환할 수 있다. 병렬로 연결된 캐패시터들에는 입력 전원(Vin)으로부터 동일한 전압이 걸린다. 변환부는 제1 스위치부(931,941), 제2 스위치부(933,943) 및 제3 스위치부(935,945)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 스위치부(931,941)는 전력 입력부(910)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온(on) 한다. 제2 스위치부(933,943)는 캐패시터들 간의 전기적 연결을 오프(off)한다. 제3 스위치부(935,945)는 캐패시터들과 접지(ground) 간의 전기적 연결을 온(on) 한다.
캐패시터 세트(930)에서 각 캐패시터의 캐패시턴스가 NC이고, 캐패시터들의 개수가 N개인 경우에 병렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 N^2C이다. 또한, 캐패시터 세트(940)에서 각 캐패시터의 캐패시턴스가 MC이고, 캐패시터들의 개수가 M개인 경우에 병렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 M^2C이다.
전송부(920)는 직렬로 연결된 캐패시터들에 충전된 전력을 소스 공진기와 타겟 공진기간의 마그네틱 커플링을 통하여 전송한다. 소스 공진기는 직렬 R, L, C의 회로로 표현될 수 있다. 변환부는 전력 입력부(910)와 병렬로 연결되어 있던 캐패시터들의 전기적 연결을 전송부(920)와 직렬로 연결되도록 변환할 수 있다. 이때, 제1 스위치부(931,941)는 전송부(920)와 캐패시터들의 전기적 연결을 온(on) 한다. 제2 스위치부(933,943)는 캐패시터들 간의 전기적 연결을 온(on)한다. 제3 스위치부(935,945)는 캐패시터들과 접지(ground) 간의 전기적 연결을 온(off) 한다.
캐패시터 세트(930)에서 각 캐패시터의 캐패시턴스가 NC이고, 캐패시터들의 개수가 N개인 경우에 직렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 C이다. 캐패시터 세트(940)에서 각 캐패시터의 캐패시턴스가 MC이고, 캐패시터들의 개수가 M개인 경우에 직렬로 연결된 캐패시터들의 전체 캐패시턴스는 C이다.
직렬로 연결된 캐패시터들을 포함하는 캐패시터 세트(930)에 걸리는 전압은 NVin이고, 직렬로 연결된 캐패시터들을 포함하는 캐패시터 세트(930)에 걸리는 전압은 MVin이다. 전송부(920)는 각각 다른 전압을 가지는 캐패시터 세트들 중 하나를 이용하여 변조된 데이터를 전송할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다..
도 10을 참조하면, 무선 전력 수신 장치는 수신부(1010), 캐패시터(1020), 전력 출력부(1030), 스위치부(1040) 및 제어부(1050)를 포함한다.
수신부(1010)는 무선 전력을 수신하여 적어도 하나의 캐패시터(1020)를 충전한다. 수신부(1010)는 타겟 공진기를 통하여 무선 전력을 수신할 수 있다. 캐패시터(1020)와 수신부(1010)의 연결은 스위치의 온/오프 동작에 의해 이루어질 수 있다. 캐패시터(1020)와 수신부(1010)가 연결된 동안에 캐패시터(1020)는 전력 출력부(1030)와 분리되어 있다. 수신부(1010)와 전력 출력부(1030)는 스위치부(1040)의 스위치 동작에 의하여 분리될 수 있다.
타겟 공진기의 Q값이 클수록 소스 공진기로부터 효율적으로 무선 전력을 수신할 수 있다. 타겟 공진기의 Q값은 타겟 공진기와 연결되는 캐패시터(1020)의 캐패시턴스에 따라 결정된다. 캐패시터(1020)의 캐패시턴스가 작을수록 타겟 공진기의 Q값은 커질 수 있다. 복수의 캐패시터들이 직렬로 연결된 구조를 이용하여 작은 캐패시턴스를 가지는 등가 캐패시터를 구성할 수 있다. 그러므로 캐패시터(1020)는 복수의 캐패시터가 직렬로 연결된 등가 캐패시터를 의미할 수도 있다.
또한, 많은 전력량을 타겟 디바이스에 전달하기 위해서는 캐패시터의 용량이 커야한다. 따라서, 복수의 캐패시터들이 병렬로 연결된 구조를 이용하여 큰 캐패시턴스를 가지는 등가 캐패시터를 구성할 수 있다. 스위치부(1040)는 제어부(1050)의 제어에 따라 복수의 캐패시터들이 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되도록 할 수 있다. 스위치부(1040)는 수신부(1010)와 복수의 캐패시터들이 연결될 때는 직렬로 연결하고, 전력 출력부(1030)와 복수의 캐패시터들이 연결될 때는 병렬로 연결할 수 있다.
캐패시터(1020)에 충전된 전력은 캐패시터(1020)를 전력 출력부(1030)에 연결함으로써 이루어질 수 있다. 충전된 캐패시터(1020)는 전력 출력부(1030)에 연결되는 동안, 수신부(1010)와는 연결되지 않는다.
전력 출력부(1030)는 캐패시터(1020)에 충전된 전력을 타겟 디바이스에 전달한다. 수신부(1010)에서 충전된 캐패시터(1020)는 스위치부(1040)를 통하여, 타겟 디바이스에 연결될 수 있다.
제어부(1050)는 캐패시터(1020)에 저장된 전력을 감지하여 기 설정된 값 이상이 충전되면, 캐패시터(1020)가 전력 출력부(1030)에 연결되도록 스위치부(1040)를 제어할 수 있다. 여기서 기 설정된 값은 캐패시터에 충전될 수 있는 최대값으로 설정될 수 있다. 캐패시터에 저장된 전력이 최대값에 도달하였는지 여부는 저장된 전력의 1차 미분 값이 0에 근사한지 여부로 판별할 수 있다. 또한, 현재 저장된 전력과 직전 샘플링 타임에서 저장된 전력의 차이가 기 설정된 값보다 작은 경우, 최대값에 도달하였다고 판단할 수 있다.
또한, 제어부(1050)는 전력 출력부(1030)에 연결된 캐패시터(1020)에 저장된 전력을 감지하여, 일정 값 이하로 방전되거나 혹은 기 설정된 시간이 지난 경우, 캐패시터(1020)가 수신부(1010)에 연결되도록 스위치부(1040)를 제어할 수 있다. 여기서 일정 값은 완전 방전되어 전력이 제로(zero)인 경우를 의미할 수 있다. 또한, 기 설정된 시간은 제어부(1050)에 미리 설정된 시간을 의미할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 스위치부(1040)에 의하여 수신부(1010)와 전력 출력부(1030)가 분리될 수 있다. 이때, 수신부(1010)는 연결된 캐패시터(1020)를 충전한다. 이때, 캐패시터(1020)는 직렬로 연결된 복수의 캐패시터들을 의미하는 등가 캐패시터(1020)일 수 있다. 전력 출력부(1030)는 연결된 캐패시터(1020)에 충전된 전력을 타겟 디바이스에 전달할 수 있다. 이때, 캐패시터(1020)는 병렬로 연결된 복수의 캐패시터들을 의미하는 등가 캐패시터(1020)일 수 있다. 수신부(1010)와 전력 출력부(1030)는 물리적으로 분리되어 있으므로, 독립적으로 동작할 수 있다. 따라서, 무선 전력 수신 장치의 동작 환경의 변화에 영향을 받지 않는다. 또한, 수신부(1010)는 캐패시터를 이용함으로써, 정류기 없이, 타겟 디바이스에서 전력을 전달할 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치의 블록도이다.
도 11을 참조하면, 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치는 수신부(1110), 캐패시터(1120), 복조부(1130), 전력 출력부(1140), 스위치부(1150) 및 제어부(1160)를 포함한다.
수신부(1110)는 무선 전력을 수신하여 적어도 하나의 캐패시터(1120)를 충전한다. 수신부(1110)는 타겟 공진기와 소스 공진기간의 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신할 수 있다. 복조부(1130)는 캐패시터(1120)에 충전된 전력량에 기초하여, 변조된 데이터를 복조할 수 있다. 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치는 양자화된 전압마다 데이터를 맵핑하여 데이터를 변조할 수 있다. 따라서, 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치는 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치와 이루어진 약속에 따라, 캐패시터(1120)에 충전되는 전압에 따라 변조된 데이터를 복조할 수 있다. 제어부(1160)는 양자화된 전압마다 맵핑된 데이터에 관한 정보를 복조부(1130)에 제공할 수 있다.
전력 출력부(1140)는 캐패시터(1120)에 충전된 전력 및 복조부(1130)에서 복조된 데이터를 부하에 전달한다. 이때, 부하는 타겟 디바이스 또는 배터리를 포함하는 용어로 사용될 수 있다. 스위치부(1150)는 수신부(1110)와 전력 출력부(1140)가 전기적으로 연결되지 않도록 캐패시터(1120)에 연결된 스위치들을 제어할 수 있다. 캐패시터는 수신부(1110)에 연결되는 동안에는 전력 출력부(1140)에 연결되지 않고, 전력 출력부(1140)에 연결되는 동안에는 수신부(1110)에 연결되지 않는다.
상술한 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 (20)

  1. 캐패시터들;
    상기 캐패시터들이 충전되는 경우에는 상기 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환하고, 상기 캐패시터들에 저장된 전력이 방전되는 경우에는 충전된 상기 캐패시터들 중 적어도 두 개의 충전된 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬로 변환하는 변환부; 및
    직렬로 연결된 상기 적어도 두 개의 충전된 캐패시터들에 저장된 전력을 소스 공진기를 통해 무선 전력 수신 장치로 전송하는 전력 전송부
    를 포함하고,
    상기 소스 공진기의 공진 주파수는 상기 적어도 두 개의 충전된 캐패시터들의 전기적 연결의 변환에 기초하여 변경되는, 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 병렬로 연결된 상기 캐패시터들을 충전하는 전력 입력부
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변환부는 N개의 캐패시터들의 전기적 연결을 병렬로 변환하고, 병렬로 연결된 상기 N개의 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬로 변환하며,
    상기 전력 입력부는 상기 전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 병렬로 연결된 상기 N개의 캐패시터들을 충전하고,
    상기 전력 전송부는 직렬로 연결된 상기 N개의 캐패시터들에 저장된 전력을 전송하는
    무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캐패시터들은 서로 동일한 용량의 캐패시턴스를 가지는
    무선 전력 전송 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 병렬로 연결된 캐패시터들에 소정의 전력이 충전된 경우, 상기 병렬로 연결된 캐패시터들이 직렬로 연결되도록, 상기 병렬로 연결된 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 변환부는
    상기 N개의 캐패시터들이 병렬로 연결된 경우, 상기 N개의 캐패시터들과 상기 전력 입력부를 전기적으로 연결하고,
    상기 N개의 캐패시터들이 직렬로 연결된 경우, 상기 N개의 캐패시터들과 상기 전력 전송부를 전기적으로 연결하는
    무선 전력 전송 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 변환부는
    상기 전력 입력부, 상기 전력 전송부와 상기 캐패시터들 각각의 전기적 연결을 온/오프하는 제1 스위치부;
    상기 캐패시터들 간의 전기적 연결을 온/오프하는 제2 스위치부; 및
    상기 캐패시터들과 접지(ground) 간의 전기적 연결을 온/오프하는 제3 스위치부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 캐패시터들 중 소정 개수의 캐패시터들과 상기 전력 전송부를 전기적으로 직렬 연결하여, 소스 공진기의 공진 주파수를 제어하는
    무선 전력 전송 장치.
  9. 서로 다른 용량의 전력을 충전하는 캐패시터 세트들;
    전원 공급 장치로부터 공급되는 전력을 통하여 상기 캐패시터 세트들을 충전하는 전력 입력부; 및
    상기 캐패시터 세트들 각각에 충전된 전력량을 소스 공진기를 통해 전송하는 전송부를 포함하고,
    상기 캐패시터 세트들 각각은,
    전기적인 연결의 변환에 따라 상기 전력 입력부 또는 상기 전송부에 연결되는 복수의 캐패시터들; 및
    상기 전기적인 연결을 변환하는 변환부를 포함하고,
    상기 소스 공진기의 공진 주파수는 상기 전기적인 연결의 변환에 기초하여 변경되는,
    무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변환부는
    방전된 복수의 캐패시터들과 상기 전력 입력부가 병렬로 연결되도록 상기 전기적 연결을 변환하고, 충전된 복수의 캐패시터들과 상기 전송부가 직렬로 연결되도록 상기 전기적 연결을 변환하는
    무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전력 입력부와 상기 전송부가 물리적으로 분리되도록 상기 복수의 캐패시터들에 연결된 스위치들을 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 캐패시터 세트들은 제1 캐패시터 세트 및 제2 캐패시터 세트를 포함하고, 상기 제1 캐패시터 세트는 N개의 캐패시터들을 포함하고, 상기 제2 캐패시터 세트는 M개의 캐패시터들을 포함하는
    무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변환부는
    상기 N개의 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어하여, 상기 N개의 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬 연결 또는 병렬 연결로 변환하고,
    상기 M개의 캐패시터들과 연결된 스위치들을 제어하여, 상기 M개의 캐패시터들의 전기적 연결을 직렬 연결 또는 병렬 연결로 변환하는
    무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 캐패시터 세트의 상기 N개의 캐패시터들은 서로 동일한 용량의 캐패시턴스를 가지고,
    상기 제2 캐패시터 세트의 상기 M개의 캐패시터들은 서로 동일한 용량의 캐패시턴스를 가지는
    무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전송부는
    직렬로 연결된 N개의 캐패시터들을 포함하는 상기 제1 캐패시터 세트에 충전된 전력량 및 직렬로 연결된 M개의 캐패시터들을 포함하는 상기 제2 캐패시터 세트에 충전된 전력량 중 어느 하나를 이용하여 변조된 데이터를 선택적으로 전송하는
    무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수의 캐패시터들 중 소정 개수의 캐패시터들과 상기 전송부를 전기적으로 직렬 연결하여, 소스 공진기의 공진 주파수를 제어하는
    무선 전력을 이용한 데이터 전송 장치.
  17. 복수의 캐패시터들;
    타겟 공진기를 통해 무선 전력을 수신하여 상기 복수의 캐패시터들을 충전하는 수신부;
    상기 복수의 캐패시터들에 충전된 전력을 부하에 전달하는 전력 출력부; 및
    상기 수신부와 상기 전력 출력부가 전기적으로 연결되지 않도록 상기 복수의 커패시터들 중 적어도 하나에 연결된 스위치들을 제어하는 스위치부
    를 포함하고,
    상기 스위치부는 상기 복수의 캐패시터들의 전기적 연결을 변환하고,
    상기 타겟 공진기의 공진 주파수는 상기 복수의 캐패시터들의 전기적 연결의 변환에 기초하여 변경되는, 무선 전력 수신 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스위치부는
    상기 적어도 하나의 캐패시터에 저장된 전력량에 기초하여, 상기 적어도 하나의 캐패시터가 상기 수신부 또는 상기 전력 출력부와 전기적으로 연결되도록 상기 적어도 하나의 캐패시터에 연결된 스위치들을 제어하는
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  19. 적어도 하나의 캐패시터;
    무선 전력을 수신하여 상기 적어도 하나의 캐패시터를 충전하는 수신부;
    상기 적어도 하나의 캐패시터에 충전된 전력량에 기초하여, 소스 공진기에서 전송한 데이터를 복조하는 복조부; 및
    상기 적어도 하나의 캐패시터에 충전된 전력 및 상기 복조된 데이터를 부하에 전달하는 전력 출력부
    를 포함하는 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 수신부와 상기 전력 출력부가 전기적으로 연결되지 않도록 상기 적어도 하나의 캐패시터에 연결된 스위치들을 제어하는 스위치부
    를 더 포함하는 무선 전력을 이용한 데이터 수신 장치.
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