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KR102028112B1 - 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치, 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치 및 이의 방법 - Google Patents

상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치, 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치 및 이의 방법 Download PDF

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KR102028112B1
KR102028112B1 KR1020130003974A KR20130003974A KR102028112B1 KR 102028112 B1 KR102028112 B1 KR 102028112B1 KR 1020130003974 A KR1020130003974 A KR 1020130003974A KR 20130003974 A KR20130003974 A KR 20130003974A KR 102028112 B1 KR102028112 B1 KR 102028112B1
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박재현
송금수
안치형
유영호
윤창욱
이병희
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Abstract

상호 공진을 이용하여 무선으로 전력과 데이터를 함께 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 일 측면에 있어서, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 무선으로 전력을 전송하고, 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 데이터를 송수신하며, 수신하는 데이터를 이용하여 충전 디바이스의 충전 상태를 확인하고, 상기 충전 상태에 기초하여 상기 전송하는 전력량을 제어할 수 있다.

Description

상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치, 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치 및 이의 방법{APPARATUS FOR POWER AND DATA TRANSMISSION AND DATA RECEPTION USING MUTUAL RESONANCE, APPARATUS FOR POWER AND DATA RECEPTION AND DATA TRANSMISSION USING MUTUAL RESONANCE, METHOD THEREOF}
아래의 실시 예들은 상호 공진을 이용하여 무선으로 전력과 데이터를 함께 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 전기 자동차(electric vehicle) 및 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, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 무선으로 전력을 전송하는 전력 전송부, 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 데이터를 송수신하는 통신부 및 상기 통신부에서 수신하는 데이터를 이용하여 충전 디바이스의 충전 상태를 확인하고, 상기 충전 상태에 기초하여 상기 전송하는 전력량을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 전력 전송부는 상기 전력 전송용 주파수를 생성하는 제1 주파수 생성부, 상기 전력 전송용 주파수를 가지는 신호의 진폭을 증폭시키는 제1 전력 증폭부 및 상기 전력 전송용 주파수에서 공진하는 타겟 공진기로 상호 공진을 통해 상기 증폭시킨 진폭에 해당하는 전력을 전송하는 제1 소스 공진기를 포함할 수 있다.
상기 통신부는 상기 통신용 주파수를 생성하는 제2 주파수 생성부, 상기 통신용 주파수를 가지는 신호의 진폭을 증폭시키는 제2 전력 증폭부, 상기 통신용 주파수에서 공진하는 타겟 공진기로부터 상호 공진을 통해 로드 모듈레이션(load modulation) 된 데이터를 수신하는 제2 소스 공진기 및 상기 상호 공진이 발생하는 동안 상기 통신용 주파수를 가지는 신호의 진폭의 변화량에 기초하여 상기 로드 모듈레이션 된 데이터를 복조하는 복조부를 포함할 수 있다.
상기 통신부는 상기 통신용 주파수를 가지는 신호의 파형을 변형하여 데이터를 변조하는 변조부를 더 포함하고, 상기 제2 소스 공진기는 상기 변조한 데이터를 상기 타겟 공진기로 전송할 수 있다.
상기 통신용 주파수는 상기 전력 전송용 주파수의 2배보다 큰 값이거나, 상기 전력 전송용 주파수의 1/2배보다 작은 값일 수 있다.
상기 전력 전송부에 포함된 제1 소스 공진기는 상기 통신부에 포함된 제2 소스 공진기보다 상대적으로 높은 품질계수(Quality factor)를 가지고, 상기 제1 소스 공진기 및 상기 제2 소스 공진기는 루프 형태일 수 있다.
상기 제2 소스 공진기는 상기 루프 형태의 제1 소스 공진기와 동일한 형태를 가지며, 상기 루프를 구성하는 패턴 라인과 동일한 패턴 라인으로 구성되고, 상기 제1 소스 공진기로부터 소정 거리 내에 위치할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 상기 제1 소스 공진기로부터 상기 제2 소스 공진기로 자기장이 유도되지 않도록 상기 제1 소스 공진기의 전력 전송용 주파수를 차단하는 필터를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 상기 제1 소스 공진기로부터 상기 제2 소스 공진기로 자기장이 유도되지 않도록 상기 제2 소스 공진기의 통신용 주파수를 통과시키는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 데이터의 수신 여부에 기초하여 충전 디바이스의 존재를 검출하는 검출부를 포함하고, 상기 충전 디바이스가 검출되기 전까지는 웨이크 업(wake up) 전력을 전송하도록 상기 전송하는 전력량을 제어하고, 상기 충전 디바이스가 검출된 후에는 충전 전력을 전송하도록 상기 전송하는 전력량을 제어할 수 있다.
일 측면에 있어서, 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치는 무선 전력 전송 장치의 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신부, 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 데이터를 송수신하는 통신부 및 상기 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하의 충전 상태를 확인하고, 상기 확인한 충전 상태에 기초하여 상기 통신부에서 전송할 정보를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 전력 수신부는 상기 전력 전송용 주파수에서 공진하는 소스 공진기로부터 상호 공진을 통해 상기 전력을 수신하는 제1 타겟 공진기, 상기 수신한 전력을 정류하는 정류부, 상기 정류한 전력의 전압 레벨을 부하의 충전에 필요한 전압 레벨로 변환하는 변환부 및 상기 부하의 충전 상태에 기초하여 상기 변환된 전력을 조절함으로써, 상기 부하를 충전하는 충전부를 포함할 수 있다.
상기 통신부는 상기 통신용 주파수에서 공진하는 소스 공진기로 상호 공진을 통해 로드 모듈레이션 된 데이터를 전송하는 제2 타겟 공진기, 상기 상호 공진이 발생하는 동안 부하의 임피던스를 변경하여 상기 데이터를 로드 모듈레이션하는 변조부를 포함할 수 있다.
상기 통신부는 상기 제2 타겟 공진기에서 상기 상호 공진에 의하여 수신하는 통신 신호의 파형의 변화에 기초하여 데이터를 복조하는 복조부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 수신하는 전력에 의해 웨이크 업 되면, 상기 부하의 충전 요청을 상기 통신부에서 전송할 정보로서 결정할 수 있다.
상기 전력 수신부에 포함된 제1 타겟 공진기는 상기 통신부에 포함된 제2 타겟 공진기보다 상대적으로 높은 품질계수(Quality factor)를 가지고, 상기 제1 타겟 공진기 및 상기 제2 타겟 공진기는 루프 형태일 수 있다.
상기 제2 타겟 공진기는 상기 루프 형태의 제1 타겟 공진기와 동일한 형태를 가지며, 상기 루프를 구성하는 패턴 라인과 동일한 패턴 라인으로 구성되고, 상기 제1 타겟 공진기로부터 소정 거리 내에 위치할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치는 상기 제1 타겟 공진기로부터 상기 제2 타겟 공진기로 자기장이 유도되지 않도록 상기 제1 타겟 공진기의 공진 주파수를 차단하거나, 상기 제2 타겟 공진기의 공진 주파수를 통과시키는 필터를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법은 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력 전송용 공진기로부터 상호 공진을 통해 무선으로 웨이크 업 전력을 전송하는 단계, 상기 웨이크 업 전력의 전송과 함께 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 통신용 공진기로부터 상호 공진을 통해 통신 전력을 전송하는 단계 및 상기 전송하는 통신 전력의 진폭의 변화에 기초하여 충전 디바이스의 존재 및 충전 상태를 확인하고, 상기 충전 디바이스의 존재 및 상기 충전 상태에 기초하여 상기 전력 전송용 주파수를 이용하여 전송하는 전력량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법은 상기 충전 디바이스의 충전이 완료되었음을 확인하면, 전력의 전송을 중단하는 단계, 일정 시간 경과 후에, 상기 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 웨이크 업 전력을 전송하고, 상기 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 통신 전력을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치의 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템의 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템에서 사용하는 전력 전송용 주파수와 통신용 주파수를 주파수 영역에서 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템에서 사용하는 전력 전송용 주파수와 통신용 주파수를 시간 영역에서 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템에서 사용하는 전력 전송용 공진기와 통신용 공진기로 구성된 이중 공진기의 구조를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치에서 통신을 통해 타겟의 인식이 가능한 거리를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법의 흐름도이다.
도 11a는 다른 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법의 흐름도이다.
도 11b는 도 11a의 각 단계별로, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치에서 측정된 전력량을 나타낸 도면이다.
도 12 내지 도 14는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치 또는 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 15는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 17는 일 실시예에 따른 피더의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
무선 공진 방식으로 전력을 송수신하는 시스템에서, 전력을 제공하는 장치는 소스로 정의될 수 있고, 전력을 제공받는 장치는 타겟으로 정의될 수 있다. 상황에 따라, 소스로 동작하던 장치는 타겟으로 동작할 수도 있고, 타겟으로 동작하던 장치는 소스로 동작할 수도 있다.
소스와 타겟은 공진기의 공진 주파수를 이용하여 전력을 제공하고, 제공받을 수 있다. 또한, 소스와 타겟은 전력을 송수신하는 과정에서 제어 정보를 주고 받을 필요가 있다. 전력을 송수신하는데 사용되는 공진 주파수와 통신에 사용되는 공진 주파수가 동일한 통신 방식을 인 밴드(In band) 통신 방식이라고 정의하고, 서로 다른 공진 주파수를 사용하는 통신 방식을 아웃 밴드(Out band) 통신 방식이라고 정의할 수 있다.
인 밴드 통신 방식의 경우, 타겟의 구조가 단순해지는 장점이 있으나, 소스에서 데이터를 복조함에 있어서 전송 전력의 세기가 크고, 전송 전력 신호의 파형의 피크가 크게 변동될 수 있어서, 소스 및 주변기기에 여러 문제를 발생시킬 수 있다.
아웃 밴드 통신 방식의 경우, 무선 전력 전송과 통신 제어가 각각 독립된 시스템에서 수행되므로, 안정적으로 무선 전력 전송과 통신의 제어가 가능한 장점이 있으나, 통신 제어에 기존 GHz 대역의 RF 통신모듈을 사용함으로써, 구조가 복잡해지고, 제어를 위해 별도의 통신 프로토콜이 사용되어야 하고, 통신 가능한 거리가 전력 전송 가능한 거리보다 길기 때문에 의도하지 않은 전자기기를 충전을 위한 타겟으로 잘못 인식할 수도 있다.
일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치, 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치는 아웃 밴드 통신 방식을 이용하면서도, 기존GHz 대역의 RF 통신모듈을 사용하지 않고, 보다 단순한 구조를 이용함으로써, 전력과 데이터를 함께 주고 받을 수 있다. 이하의 설명에서 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 소스로 동작하고, 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치는 타겟으로 동작할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 제어부(110), 전력 전송부(120) 및 통신부(130)를 포함할 수 있다.
전력 전송부(120)는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 전력 전송부(120)는 제1 소스 공진기(125)와 상호 공진하는 공진기로 전력을 전송할 수 있다. 전력 전송용 주파수는 통신용 주파수와 서로 다른 값으로 설정된다.
전력 전송부(120)는 제1 주파수 생성부(121), 제1 전력 증폭부(123) 및 제1 소스 공진기(125)를 포함할 수 있다.
제1 주파수 생성부(121)는 전력 전송용 주파수를 생성할 수 있다. 제1 주파수 생성부(121)는 RF 통신분야에서 일반적으로 사용되는 주파수 발생기(frequency generator)를 이용하여 전력 전송용 주파수를 생성할 수 있다.
제1 전력 증폭부(123)는 전력 전송용 주파수를 가지는 신호의 진폭을 증폭시킬 수 있다. 전력 전송용 주파수를 가지는 신호는 제1 주파수 생성부(121)에서 생성된 전력 전송용 주파수의 신호를 의미한다. 제1 전력 증폭부(123)는 제어부(110)의 제어에 따라 증폭량을 결정할 수 있다. 제1 전력 증폭부(123)는 충전 디바이스에 필요한 전력량에 따라 증폭량을 결정할 수 있다.
제1 소스 공진기(125)는 전력 전송용 주파수에서 공진하는 타겟 공진기로 상호 공진을 통해 제1 전력 증폭부(123)에서 증폭시킨 진폭에 해당하는 전력을 전송할 수 있다. 도 1에서는 하나의 제1 소스 공진기(125)를 예로 들었지만, 전력 전송용 주파수에서 공진하는 복수의 소스 공진기들도 사용될 수 있다.
통신부(130)는 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 데이터를 송수신할 수 있다. 통신부(130)는 데이터를 전송할 수도 있고, 데이터를 수신할 수도 있다. 통신용 주파수는 전력 전송용 주파수의 2배보다 큰 값일 수 있다. 통신용 주파수는 전력 전송용 주파수의 1/2배보다 작은 값일 수 있다. 통신용 주파수와 전력 전송용 주파수는 상호 간에 영향을 미치지 않는 값으로 설정될 수 있다.
통신부(130)는 제2 주파수 생성부(131), 제2 전력 증폭부(133) 및 제2 소스 공진기(135)를 포함할 수 있다.
제2 주파수 생성부(131)는 통신용 주파수를 생성할 수 있다. 제2 주파수 생성부(131)는 RF 통신분야에서 일반적으로 사용되는 주파수 발생기(frequency generator)를 이용하여 통신용 주파수를 생성할 수 있다.
제2 전력 증폭부(133)는 통신용 주파수를 가지는 신호의 진폭을 증폭시킬 수 있다. 제2 전력 증폭부(133)는 통신 신호가 전송되는 주변 환경의 영향을 고려하여, 증폭량을 결정할 수 있다. 주변 환경은 다른 신호의 간섭량, 채널의 상태 등을 의미할 수 있다. 증폭량은 미리 설정될 수도 있고, 제어부(110)에 의하여 결정될 수도 있다.
제2 소스 공진기(135)는 통신용 주파수에서 공진하는 타겟 공진기로부터 상호 공진을 통해 로드 모듈레이션(load modulation) 된 데이터를 수신할 수 있다. 전력을 수신하는 타겟은 타겟의 임피던스를 변경하는 방식으로 로드 모듈레이션을 수행할 수 있다. 제2 소스 공진기(135)는 상호 공진을 통해 소스에서 변조한 데이터를 송신할 수도 있다.
도 1에서는 하나의 제2 소스 공진기(135)를 예로 들었지만, 통신용 주파수에서 공진하는 복수의 소스 공진기들도 사용될 수 있다.
통신부(130)는 변조부(137), 복조부(138) 및 필터(139)를 더 포함할 수 있다.
복조부(138)는 상호 공진이 발생하는 동안 통신용 주파수를 가지는 신호의 진폭의 변화량에 기초하여 로드 모듈레이션 된 데이터를 복조할 수 있다. 타겟에서 임피던스를 변경하면, 통신용 주파수를 가지는 신호의 진폭에 변화가 발생한다. 복조부(138)는 이러한 변화량에 기초하여 타겟에서 전송한 데이터를 복조할 수 있다.
복조부(138)는 통신용 주파수를 가지는 신호의 포락선을 검출하고, 포락선의 변화량에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다.
변조부(137)는 통신용 주파수를 가지는 신호의 파형을 변형하여 데이터를 변조하고, 제2 소스 공진기(135)는 변조부(137)는 변조한 데이터를 타겟 공진기로 전송할 수 있다. 타겟은 수신하는 신호의 파형의 변화를 분석하여 소스에서 전송한 데이터를 복조할 수 있다.
필터(139)는 제1 소스 공진기(125)로부터 제2 소스 공진기(135)로 자기장이 유도되지 않도록 제1 소스 공진기(125)의 전력 전송용 주파수를 차단할 수 있다. 다른 예를 들면, 필터(139)는 제2 소스 공진기(135)와 연결되어, 전력 전송용 주파수가 제2 소스 공진기(135)로 유도되는 것을 차단할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 필터(139)는 제1 소스 공진기(125)와 연결되어, 통신용 주파수가 제1 소스 공진기(125)로 유도되는 것을 차단할 수 있다.
필터(139)는 제1 소스 공진기(125)로부터 제2 소스 공진기(135)로 자기장이 유도되지 않도록 제2 소스 공진기(135)의 통신용 주파수를 통과시킬 수 있다. 다른 예를 들면, 필터(139)는 제2 소스 공진기(135)와 연결되어, 통신용 주파수만 통과시킬 수 있다. 또 다른 예를 들면, 필터(139)는 제1 소스 공진기(125)와 연결되어, 전력 전송용 주파수만 통과시킬 수 있다.
제어부(110)는 통신부(130)에서 수신하는 데이터를 이용하여 충전 디바이스의 충전 상태를 확인할 수 있다. 제어부(110)는 복조부(138)에서 복조한 데이터에 기초하여 충전 디바이스의 충전 상태를 확인할 수 있다. 예를 들면, 충전 상태는 충전이 필요한 상태 및 충전이 완료된 상태로 분류될 수 있다. 다른 예를 들면, 충전 상태는 기 설정된 레벨 별로 충전 레벨이 어느 레벨에 해당하는 지로 분류될 수도 있다.
제어부(110)는 충전 디바이스의 충전 상태에 기초하여 전력 전송부(120)에서 전송하는 전력량을 제어할 수 있다. 제어부(110)는 충전이 시작되어야 하는 단계이면, 전력량을 증가시킬 수 있다. 제어부(110)는 충전이 계속되어야 하는 상황이면, 전송하던 전력량을 유지시킬 수 있다. 제어부(110)는 충전이 완료된 상태이면, 전력의 전송을 중단시킬 수 있다.
제어부(110)는 검출부(111)를 포함할 수 있다. 검출부(111)는 통신부(130)의 데이터 수신 여부에 기초하여 충전 디바이스의 존재를 검출할 수 있다. 복조부(138)에서 복조한 데이터에 기초하여, 검출부(111)는 충전 디바이스의 존재 및 식별정보를 획득할 수도 있다.
제어부(110)는 충전 디바이스가 검출되기 전까지는 웨이크 업(wake up) 전력을 전송하도록 전력 전송부(120)에서 전송하는 전력량을 제어하고, 충전 디바이스가 검출된 후에는 충전 전력을 전송하도록 전력 전송부(120)에서 전송하는 전력량을 제어할 수 있다. 웨이크 업 전력은 충전 디바이스의 제어 모듈을 활성화시키는데 필요한 전력을 의미한다. 충전 디바이스의 제어 모듈은 충전 디바이스가 전력을 수신하고, 통신을 수행할 수 있도록 제어 신호를 생성할 수 있다. 충전 전력은 충전 디바이스의 충전에 필요한 전력을 의미한다.
제1 소스 공진기(125)는 제2 소스 공진기(135)보다 상대적으로 높은 품질계수(Quality factor)를 가질 수 있다. 제1 소스 공진기(125)의 구성 물질과 제2 소스 공진기(135)의 구성 물질을 서로 다르게 조성함으로써 제1 소스 공진기(125)가 더 높은 품질 계수를 가지도록 할 수 있다. 제1 소스 공진기(125) 및 제2 소스 공진기(135)는 동일한 루프 형태일 수 있다.
제2 소스 공진기(135)는 루프 형태의 제1 소스 공진기(125)와 동일한 형태를 가지며, 제1 소스 공진기(125)의 루프를 구성하는 패턴 라인과 동일한 패턴 라인으로 구성되고, 제1 소스 공진기(125)로부터 소정 거리 내에 위치할 수 있다. 제1 소스 공진기(125) 및 제2 소스 공진기(135)는 동일한 패턴 라인으로, 서로 밀착하는 구조로 형성됨으로써, 사이즈가 작은 디바이스에 용이하게 탑재될 수 있다.
일 실시 예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 기존의 아웃 밴드 통신 방식과 달리 근접장에서 통신용 주파수로 공진하는 방식을 사용함으로써, 시스템의 구성을 간단히 하면서도 안정적으로 통신제어를 수행할 수 있다.
전력을 수신하는 타겟의 제어 모듈은 전력 전송용 주파수를 이용하여 수신한 전력을 통해 전원을 공급받고, 통신용 주파수를 이용하여 통신을 수행하기 때문에 기존의 인 밴드 통신 방식에 비해, 낮은 전력을 사용하여 로드 모듈레이션을 수행할 수 있다.
제어부(110)는 타겟으로부터 수신하는 데이터에 잠긴 충전 디바이스의 충전 상태에 따라, 충전 디바이스에서 필요로 하는 전력 레벨로 전력을 송신하기 위해, 제1 전력 증폭부(123)를 제어할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치는 전력 수신부(210), 통신부(230) 및 제어부(220)를 포함할 수 있다.
전력 수신부(210)는 무선 전력 전송 장치의 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 무선으로 전력을 수신할 수 있다.
전력 수신부(210)는 제1 타겟 공진기(211), 정류부(213), 변환부(215) 및 충전부(217)를 포함할 수 있다.
제1 타겟 공진기(211)는 전력 전송용 주파수에서 공진하는 소스 공진기로부터 상호 공진을 통해 전력을 수신할 수 있다. 제1 타겟 공진기(211)는 전력 전송용 주파수에서 소스 공진기와 상호 공진한다.
도 2에서는 하나의 제1 타겟 공진기(211)를 예로 들었지만, 다른 예에서는 전력 전송용 주파수에서 공진하는 복수의 타겟 공진기들도 사용될 수 있다.
정류부(213)는 제1 타겟 공진기(211)에서 수신한 전력을 정류할 수 있다. 상호 공진을 통하여 수신된 전력은 교류 전력이다. 정류부(213)는 교류 전력을 직류 전력으로 정류할 수 있다.
변환부(215)는 정류부(213)에서 정류된 전력의 전압 레벨을 부하(240)의 충전에 필요한 전압 레벨로 변환할 수 있다. 변환부(215)는 직류 전압 레벨을 부하(240)의 충전 직류 전압 레벨로 변환할 수있다. 부하(240)의 종류 별로 정격 전압 레벨이 다를 수 있다. 따라서, 변환부(215)는 정격 전압 레벨에 맞게 전압 레벨을 변환할 수 있다.
충전부(217)는 부하(240)의 충전 상태에 기초하여 변환부(215)에서 변환된 전력을 조절하여, 부하(240)를 충전할 수 있다. 예를 들면, 부하(240)의 충전 상태에 따라 CC(Constant Current) 모드 또는 CV(Constant Voltage) 모드로 충전이 필요한 경우에, 충전부(217)는 CC(Constant Current) 모드 또는 CV(Constant Voltage) 모드에 대응하도록 변환된 전력을 조절하여 부하(240)를 충전할 수 있다.
통신부(230)는 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 데이터를 송수신할 수 있다. 전력 전송용 주파수는 통신용 주파수와 서로 다른 값으로 설정된다. 통신용 주파수는 전력 전송용 주파수의 2배보다 큰 값일 수 있다. 통신용 주파수는 전력 전송용 주파수의 1/2배보다 작은 값일 수 있다. 통신용 주파수와 전력 전송용 주파수는 상호 간에 영향을 미치지 않는 값으로 설정될 수 있다.
통신부(230)는 제2 타겟 공진기(231), 변조부(233) 및 복조부(235)를 포함할 수 있다.
제2 타겟 공진기(231)는 통신용 주파수에서 공진하는 소스 공진기로 상호 공진을 통해 로드 모듈레이션 된 데이터를 전송할 수 있다. 도 2에서는 하나의 제2 타겟 공진기(231)를 예로 들었지만, 다른 예에서는 통신용 주파수에서 공진하는 복수의 타겟 공진기들도 사용될 수 있다.
변조부(233)는 부하(240)의 임피던스를 변경함으로써, 데이터를 로드 모듈레이션 할 수 있다. 변조부(233)는 부하(240)에 인덕터, 캐패시터 또는 저항을 연결하여 타겟의 임피던스를 변경시킬 수 있다.
복조부(235)는 제2 타겟 공진기(231)에서 상호 공진에 의하여 수신하는 통신 신호의 파형의 변화에 기초하여 데이터를 복조할 수 있다. 복조부(235)는 통신 신호의 포락선을 검출하여, 포락선의 변화량에 기초하여 데이터를 복조할 수도 있다.
통신부(230)는 필터(237)를 더 포함할 수 있다.
필터(237)는 제1 타겟 공진기(211)로부터 제2 타겟 공진기(231)로 자기장이 유도되지 않도록 제1 타겟 공진기(211)의 공진 주파수를 차단하거나, 제2 타겟 공진기(231)의 공진 주파수만을 통과시킬 수 있다. 예를 들면, 필터(237)는 제2 타겟 공진기(231)와 연결되어 제1 타겟 공진기(211)의 전력 전송용 주파수를 차단할 수 있다. 다른 예를 들면, 필터(237)는 제1 타겟 공진기(211)와 연결되어, 제2 타겟 공진기(231)의 통신용 주파수를 차단할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 필터(237)는 제1 타겟 공진기(211)와 연결되어, 제1 타겟 공진기(231)의 전력 전송용 주파수만 통과시킬 수도 있다.
제어부(220)는 부하(240)의 충전 상태를 확인하고, 확인한 충전 상태에 기초하여 통신부(230)에서 전송할 정보를 결정할 수 있다.
제어부(220)는 전력 수신부(210)에서 수신하는 전력에 의해 웨이크 업 되면, 부하(240)의 충전 요청을 통신부(230)에서 전송할 정보로서 결정할 수 있다. 제어부(220)는 충전 요청 신호를 통신부(230)를 통해서 전송할 수 있다. 제어부(220)는 부하(240)의 충전이 완료되면, 충전 완료 신호를 통신부(230)를 통해서 전송할 수 있다.
부하(240)는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치에 탑재될 수도 있고, 연결단자를 통해 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치의 외부로부터 연결될 수도 있다.
제1 타겟 공진기(211)는 제2 타겟 공진기(231)보다 상대적으로 높은 품질계수(Quality factor)를 가질 수 있다. 제1 타겟 공진기(211)의 구성 물질과 제2 타겟 공진기(231)의 구성 물질을 서로 다르게 조성함으로써, 제1 타겟 공진기(211)가 더 높은 품질 계수를 가지도록 할 수 있다. 제1 타겟 공진기(211) 및 제2 타겟 공진기(231)는 루프 형태일 수 있다.
제2 타겟 공진기(231)는 루프 형태의 제1 타겟 공진기(211)와 동일한 형태를 가지며, 제1 타겟 공진기(211)의 루프를 구성하는 패턴 라인과 동일한 패턴 라인으로 구성되고, 제1 타겟 공진기(211)로부터 소정 거리 내에 위치할 수 있다. 제1 타겟 공진기(211) 및 제2 타겟 공진기(231)는 동일한 패턴 라인으로, 서로 밀착하는 구조로 형성됨으로써, 사이즈가 작은 디바이스에 용이하게 탑재될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템은 소스(310) 및 타겟(320)을 포함할 수 있다.
소스(310)는 타겟(320)으로 전력을 무선으로 공급하고, 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 소스(310)는 타겟(320)으로부터 데이터를 수신할 수 있다.
소스(310)는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 타겟(320)과 공진 방식으로 전력을 전송할 수 있다. 소스(310)는 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 타겟(320)과 공진 방식으로 데이터를 송수신할 수 있다.
소스(310)는 주파수 생성기(301)를 이용하여 전력 전송용 주파수를 생성할 수 있다. 전력 전송용 주파수는 전력 증폭기(302)에 입력된다. 제어부(318)의 제어에 따라 전력 증폭기(302)에 입력된 전력 전송용 주파수의 신호는 증폭될 수 있다. 제어부(318)는 복조기(319)에서 복조한 내용에 기초하여, 전력 증폭기(302)의 증폭량을 결정할 수 있다. 복조기(319)는 통신용 공진기(317)에서 수신한 로드 모듈레이션 된 데이터를 통신용 공진기(317)에 인가되는 신호의 파형의 변화에 기초하여 복조할 수 있다. 증폭된 전력 전송용 주파수의 신호는 전력 전송용 공진기(303)로부터 전력 수신용 공진기(321)로 전달될 수 있다. 전력 전송용 공진기(303)와 전력 수신용 공진기(321)는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진한다.
주파수 생성기(314)는 통신용 주파수를 생성할 수 있다. 통신용 주파수는 변조기(315)에 입력된다. 변조기(315)는 통신용 주파수의 신호의 진폭, 위상 등을 변조할 수 있다. 변조기(315)는 제어부(318)의 제어에 따라 데이터를 변조할 수 있다. 전력 증폭기(316)는 변조된 통신용 주파수의 신호의 진폭을 증폭할 수 있다. 증폭량은 통신용 공진기(317)로부터 통신용 공진기(326)로 데이터가 오류 없이 전송될 수 있도록, 결정될 수 있다. 통신용 공진기(317)와 통신용 공진기(326)는 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진한다.
통신용 주파수와 전력 전송용 주파수는 서로 다른 값으로 설정된다. 통신용 주파수는 전력 전송용 주파수의 2배보다 큰 값일 수 있다. 통신용 주파수는 전력 전송용 주파수의 1/2배보다 작은 값일 수 있다.
타겟(320)은 전력 수신용 공진기(321)에서 수신한 전력을 정류기(322)를 통하여 정류한다. 직류-직류 변환기(323)는 정류된 전력의 전압을 배터리(325)의 정격 전압으로 변환할 수 있다. 충전회로(324)는 배터리(325)의 충전 상태에 따라 직류-직류 변환기(323)에서 변환된 전압이 배터리(325)에 적응적으로 전달되도록 한다. 예를 들면, 충전회로(324)는 CC 모드 또는 CV 모드로 배터리(325)에 전력이 전달되도록 할 수 있다.
직류-직류 변환기(323)에서 변환된 전압은 제어부(329)로 전달되어 제어부(329)를 웨이크 업 시킬 수 있다. 전력 수신용 공진기(321)를 통해 수신된 전력은 우선적으로 제어부(329)로 전달되어, 제어부(329)를 웨이크 업 시키는 데 사용될 수 있다. 제어부(329)의 제어에 따라 로드 모듈레이터(328)는 데이터를 변조할 수 있다. 로드 모듈레이터(328)는 타겟(320)의 임피던스를 변경함으로써, 데이터를 변조할 수 있다. 로드 모듈레이터(328)에서 타겟(320)의 임피던스를 변경하면, 통신용 공진기(326)와 상호 공진하는 통신용 공진기(317)에 인가되는 신호의 파형이 변형될 수 있다. 파형의 모양 또는 진폭이 변경될 수 있다. 통신용 공진기(326)에 인가되는 신호의 파형의 변화에 기초하여 복조기(327)는 데이터를 복조할 수 있다. 복조된 데이터는 제어부(329)로 전달될 수 있다.
타겟(320)은 통신용 공진기(326), 복조기(327), 로드 모듈레이터(328) 및 제어부(329)를 구성으로 하는 통신 모듈을 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 일반적인 GHz의 RF 통신 모듈보다 구성이 간단하고, 별도의 통신 프로토콜이 필요하지 않다. 따라서, 통신 모듈의 제어가 단순해질 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템에서 사용하는 전력 전송용 주파수와 통신용 주파수를 주파수 영역에서 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 전력 전송용 주파수 f_power(410)의 진폭이 통신용 주파수 f_com(420)의 진폭보다 크다. 통신용 주파수 f_com(430)는 변조된 데이터를 나타낸다. 통신용 주파수 f_com(430)에 기초하여 데이터가 복조될 수 있다. 소스에서는 타겟에서 로드 모듈레이션 된 데이터를 통신용 주파수 f_com(430)에 기초하여 복조할 수 있다. 타겟에서는 소스에서 변조된 데이터를 통신용 주파수 f_com(430)에 기초하여 복조할 수 있다.
전력 전송용 주파수 f_power(410)는 P_power의 전력 레벨을 깨끗한 정현파로 전송하는데 사용될 수 있다. 통신용 주파수 f_com(430)는 P_com의 전력레벨로 데이터 통신을 수행하는데 사용되어, 데이터가 P_power의 전력레벨에 관계없이 안정적으로 송수신될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템에서 사용하는 전력 전송용 주파수와 통신용 주파수를 시간 영역에서 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 소스에서 전력 전송용 주파수 f_power를 이용하여, 통신 전력 P_com 보다 많은 전송 전력 P_power이 타겟으로 전송될 수 있다. 통신 전력 P_com 에서 변화하는 피크 값들(510)은 로드 모듈레이션으로 변조된 데이터를 나타낸다. 피크 값들(510)에 기초하여, 변조된 데이터가 복조 될 수 있다. 예를 들면, 피크 값들(510)의 진폭 또는 피크 값들(510)이 발생하는 시간 차 등에 기초하여 변조된 데이터가 복조될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템에서 사용하는 전력 전송용 공진기와 통신용 공진기로 구성된 이중 공진기의 구조를 나타낸다.
도 6은 고격리(High isolation)의 효과를 가지는 이중 공진기의 구조를 나타낸다. 고격리 효과는 전력 전송용 공진기(610)에서 발생하는 자기장이 통신용 공진기(620)에 미치는 영향이 최소화되고, 통신용 공진기(620)에서 발생하는 자기장이 전력 전송용 공진기(610)에 미치는 영향이 최소화되는 것을 의미한다.
도 6을 참조하면, 전력 전송용 공진기(610)는 통신용 공진기(620) 보다 상대적으로 높은 퀄리티 팩터(Quality factor)를 가지도록 설계될 수 있다. 전력 전송용 공진기(610)와 통신용 공진기(620)는 서로 동일한 패턴 라인을 따라 구성될 수 있다. 따라서, 두 개의 공진기(610, 620)를 함께 사용하는 경우에도 전체 공진기들이 소스 또는 타겟에서 차지하는 면적은 크지 않다.
필터(630)는 전력 전송용 공진기(610)에서 통신용 공진기(620)로 전력이 유입되지 않도록, 통신용 공진기(620)에 연결될 수 있다. 필터(630)는 전력 전송용 주파수 f_power를 차단하는 노치 필터(Notch filter)일 수 있다. 필터(630)는 통신용 주파수 f_com만 통과시키는 대역 통과 필터(Band pass filter)일 수도 있다. 또는 f_com < f_power 로 설계된 경우, 필터(630)는 통신용 주파수 f_com만 통과시키는 저역 통과 필터(Low pass filter)일 수 있다.
통신용 공진기(620)는 전력 전송용 공진기(610)로부터 독립적으로, 통신을 수행할 수 있고, 상대적으로 낮은 퀄리티 팩터를 가지므로, 고속의 데이터레이트(datarate)를 전송하는데 유리하다. 데이터레이트가 높으려면, 점유 대역폭이 넓어질 필요가 있는데, 낮은 퀄리티 팩터의 공진기는 넓은 대역폭을 제공할 수 있기 때문이다.
도 6의 예에서는 필터(630)가 통신용 공진기(620)와 연결되었지만, 다른 예에서는 필터(630)가 전력 전송용 공진기(620)와 연결될 수도 있다.
도 7을 참조하면, 전력 전송용 공진기(710)와 통신용 공진기(720)는 서로 분리되어 대칭적인 패턴 라인으로 구성될 수도 있다. 필터(730)는 통신용 공진기(720)에 연결되어, 전력 전송용 주파수를 차단하거나, 통신용 주파수만을 통과시킬 수 있다. 필터(730)로는 노치 필터, 대역 통과 필터, 저역 통과 필터, 고역 통과 필터 및 이들의 결합들 중 하나로 구성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 전력 전송용 공진기(810)의 일부 영역과 통신용 공진기(820)의 일부 영역이 겹치는(overlay) 패턴 라인으로 구성될 수 있다. 필터(830)는 통신용 공진기(820)에 연결되어, 전력 전송용 주파수를 차단하거나, 통신용 주파수만을 통과시킬 수 있다. 필터(830)로는 노치 필터, 대역 통과 필터, 저역 통과 필터, 고역 통과 필터 및 이들의 결합들 중 하나로 구성될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치에서 통신을 통해 타겟의 인식이 가능한 거리를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 소스(910)는 타겟(920)으로 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력 Power #1을 전송할 수 있다. 소스(910)는 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여, 타겟(920)의 식별자 ID #1을 획득할 수 있다. 통신용 주파수를 사용하여 공진 방식으로 인식 가능한 거리는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력의 전송이 가능한 거리와 비슷하거나, 조금 더 길다. 따라서, 소스(910)는 원 거리에 있는 타겟(940)의 식별자 ID #2를 인식할 수 없다. 타겟의 인식 가능한 거리는 통신용 주파수의 조절을 통해 조정 가능하다. 일반 RF 통신 모듈을 사용하는 경우보다 타겟의 인식 가능한 거리가 짧기 때문에, 소스에서 불필요하게 타겟을 인식하는 경우를 예방할 수 있다.
소스(930)는 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 타겟(940)의 식별자 ID #2를 인식하고, 타겟(940)으로 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력을 전송할 수 있다.
소스(910) 및 소스(930)는 인근에서 무선 전력 전송 중인 다른 타겟의 식별정보를 수신하지 않을 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법의 흐름도이다.
1010단계에서, 소스는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력 전송용 공진기로부터 상호 공진을 통해 무선으로 웨이크 업 전력을 전송할 수 있다. 소스는 웨이크 업 전력을 전송하여 타겟의 제어 모듈을 웨이크 업 시킬 수 있다.
1020단계에서, 소스는 웨이크 업 전력의 전송과 함께 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 통신용 공진기로부터 상호 공진을 통해 통신 전력을 전송할 수 있다.
1030단계에서, 소스는 통신 전력의 진폭의 변화에 기초하여 타겟의 존재 및 타겟의 충전 상태를 확인할 수 있다. 타겟의 제어 모듈이 웨이크 업 되면, 타겟은 부하의 충전 상태에 대한 데이터를 로드 모듈레이션 하여 전송할 수 있다. 소스는 전송하는 통신 전력의 진폭의 변화에 기초하여 로드 모듈레이션 된 데이터를 복조할 수 있다.
1040단계에서, 소스는 타겟을 존재를 감지하고, 타겟의 충전 상태에 대한 정보를 획득하면 전력 전송용 주파수를 이용하여 충전 전력을 전송할 수 있다.
1050단계에서, 소스는 타겟으로부터 충전 상태에 대한 정보를 지속적으로 수신할 수 있다. 소스는 수신한 정보에 기초하여 타겟의 충전이 완료되었다는 정보를 확인할 수 있다.
1060단계에서, 소스는 타겟의 충전이 완료되었음을 확인하면, 충전 전력의 전송을 중단할 수 있다.
소스는 일정 시간 경과 후에, 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 웨이크 업 전력을 전송하고, 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 통신 전력을 전송할 수 있다.
또는, 소스는 타겟으로부터 먼저 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 통신용 공진기에 의하여 충전 요청의 정보를 수신하면, 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력 전송용 공진기를 통해 충전 전력을 전송할 수 있다.
도 11a는 다른 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법의 흐름도이다.
1110단계에서, 소스는 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력 전송용 공진기에 의하여 낮은 전력의 Low P_power를 일정시간 간격으로 전송하고, 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 통신용 공진기에 의하여 일정한 전력의 P_com을 일정시간 간격으로 전송할 수 있다. 낮은 전력의 Low P_power는 웨이크 업 전력으로 타겟의 제어 모듈을 구동시키는데 필요한 최소한의 전력에 해당할 수 있다. 일정한 전력의 P_com은 타겟과 통신하는데 필요한 통신 전력을 의미한다.
1120단계에서, 소스는 타겟으로부터 통신용 공진기에 의해 RX 데이터를 수신하는지 확인할 수 있다. 타겟이 낮은 전력의 Low P_power에 의하여 웨이크 업 되면, 타겟의 식별 정보 및 타겟의 충전 상태에 대한 정보를 전송할 수 있다. 여기서 RX 데이터는 타겟의 식별 정보 및 타겟의 충전 상태에 대한 정보를 의미한다. 소스는 RX 데이터를 수신하지 못하면, 1110단계의 과정을 반복할 수 있다.
1130단계에서, 소스는 타겟으로부터 RX 데이터를 수신하면, 높은 전력의 High P_power를 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력 전송용 공진기에 의하여 전송하고, 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 통신용 공진기에 의하여 일정한 전력의 P_com을 전송할 수 있다. 높은 전력의 High P_power는 충전 전력으로 타겟을 충전 시키는데 필요한 전력이다.
1140단계에서, 소스는 타겟으로부터 충전 완료 데이터를 수신하는지 확인할 수 있다.
1150단계에서, 소스는 타겟으로부터 충전 완료 데이터를 수신하지 못한 상태에서, 기 설정된 시간 내에 RX 데이터를 수신하는지 확인할 수 있다. 소스는 기 설정된 시간 내에 RX 데이터를 수신하면 1130단계 및 1140단계의 동작을 수행할 수 있다. 소스는 기 설정된 시간 내에 RX 데이터를 수신하지 못하면, 타겟이 소스의 인식 가능한 거리로부터 이탈한 것으로 확인하고, 1110단계의 동작을 수행할 수 있다.
1160단계에서, 소스는 충전 완료 데이터의 수신을 확인하면, 타겟으로의 전력 전송을 중단할 수 있다.
도 11b는 도 11a의 각 단계별로, 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치에서 측정된 전력량을 나타낸 도면이다. 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 소스로서 동작한다.
1110단계에서, 소스는 전원이 공급되고 소스의 동작이 시작되면, 타겟의 제어 모듈을 웨이크 업 시킬 수 있는 정도의 전력 레벨인 Low P_power와 통신을 위한 P_com을 일정시간 간격으로 전송할 수 있다. 소스는 타겟의 RX 데이터를 수신하지 않으면, 타겟이 충전영역에 위치하지 않은 것으로 인식하여, 계속하여 일정시간 간격으로 Low P_power와 P_com을 전송한다.
1120단계에서, 소스는 통신 전력량의 변화에 기초하여 RX 데이터를 인식할 수 있다.
1130단계에서, 소스는 타겟에서 요구하는 전력량에 맞게 Low P_power를 High P_power로 증가시킨다.
1140단계에서, 소스는 타겟으로부터 지속적으로 RX 데이터를 수신하면 High P_power를 유지시키고, 1150 단계에서, 소스는 RX 데이터가 수신되지 않으면 타겟이 충전영역에 위치하지 않은 것으로 인식하여, High P_power를 중지하고, 다시 Low P_power를 전송할 수 있다.
1160단계에서, 소스는 완전 충전 데이터 신호를 수신하면 High P_power의 전송을 중단하고, 충전동작을 종료할 수 있다.
일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 송수신 및 데이터 송수신 시스템은 서로 다른 주파수에서 공진하는 전력 전송용 공진기, 통신용 공진기를 이용한 통신방식을 사용하여, 타겟의 구성을 간단히 하면서도, 전력레벨에 관계없이 안정적인 통신제어를 수행할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
전력 전송용 주파수와 통신용 주파수를 사용하여 통신인식거리가 충전가능거리와 비슷하도록 설계함으로써, 시스템의 오동작을 방지하는 방법을 제공할 수 있다.
고 격리를 위한 이중 공진기의 구조 및 필터를 포함하는 이중 공진기의 구조를 제공할 수 있다.
동일한 패턴 라인으로 구성되어 공진기가 차지하는 공간을 최소화하는 이중 공진기 구조를 제공할 수 있다.
또한, 전력 전송용 주파수와 통신용 주파수를 사용하여 소스와 타겟 간에 전력과 데이터를 송수신하는 알고리즘이 제공될 수 있다.
도 12 내지 도 14는 일 실시예에 따른 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치 또는 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 12를 참조하면, (a)는 패드(1210)와 모바일 단말(1220) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 패드들(1230, 1240)과 보청기들(1250, 1260) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(1210)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1220)에 탑재될 수 있다. 이때, 패드(1210)는 하나의 모바일 단말(1220)을 충전할 수 있다.
일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 전송 장치는 패드(1230) 및 패드(1240) 각각에 탑재될 수 있다. 보청기(1250)는 왼쪽 귀의 보청기를 나타내고, 보청기(1260)는 오른쪽 귀의 보청기를 나타낸다. 일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 수신 장치는 보청기(1250) 및 보청기(1260) 각각에 탑재될 수 있다.
도 13을 참조하면, (a)는 모바일 단말(1310)과 태블릿 PC(1320) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 모바일 단말(1330)과 모바일 단말(1340) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1310)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 태블릿 PC(1320)에 탑재될 수 있다. 모바일 단말(1310)과 태블릿 PC(1320)는 무선으로 전력을 주고 받을 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1330)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1340)에 탑재될 수 있다. 모바일 단말(1330)과 모바일 단말(1340)은 무선으로 전력을 주고 받을 수 있다.
도 14를 참조하면, (a)는 인체에 삽입된 전자기기(1410)와 모바일 단말(1420) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 보청기(1430)와 모바일 단말(1440) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1420)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 인체에 삽입된 전자기기(1410)에 탑재될 수 있다. 인체에 삽입된 전자기기(1410)는 모바일 단말(1420)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1440)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 보청기(1430)에 탑재될 수 있다. 보청기(1430)는 모바일 단말(1440)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다. 보청기(1430)뿐만 아니라, 블루투스 이어폰과 같은 저전력 전자기기들도 모바일 단말(1440)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
도 15 내지 도 17에서 "공진기"는 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함한다.
도 15내지 도 17의 공진기는 도 1 내지 도 14에서 설명된 공진기에 적용될 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 15의 (a)를 참조하면, 피더(1510)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(1530)이 발생한다. 피더(1510) 내부에서 자기장의 방향(1531)과 외부에서 자기장의 방향(1533)은 서로 반대 위상을 가진다. 피더(1510)에서 발생하는 자기장(1530)에 의해 공진기(1520)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 공진기(1520)에서 자기장(1540)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(1520)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(1520)에 의해 피더(1510)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(1541)과 피더(1510)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(1543)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(1510)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(1520)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(1510)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(1510)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 15와 같은 구조의 피더(1510)를 통해 공진기(1520)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(1520) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(1520) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않으므로, 평균적으로 전력 전송 효율이 감소한다.
(b)는 공진기(1550)와 피더(1560)가 공통의 접지를 가진 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸다. 공진기(1550)는 캐패시터(1551)를 포함할 수 있다. 피더(1560)는 포트(1561)를 통하여, RF 신호를 입력 받을 수 있다. 피더(1560)에는 RF 신호가 입력되어, 입력 전류가 생성될 수 있다. 피더(1560)에 흐르는 입력 전류는 자기장을 생성하고, 상기 자기장으로부터 공진기(1550)에 유도 전류가 유도된다. 또한, 공진기(1550)를 흐르는 유도 전류로부터 자기장이 발생한다. 이때, 피더(1560)에 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(1550)에 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가진다. 따라서, 공진기(1550)와 피더(1560) 사이의 영역에서, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1571)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1573)은 동일한 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 강화된다. 반면에, 피더(1560)의 내부에서는, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1581)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1583)은 반대 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 공진기(1550)의 중심에서는 자기장의 세기가 약해지고, 공진기(1550)의 외곽에서는 자기장의 세기가 강화될 수 있다.
피더(1560)는 피더(1560) 내부의 면적을 조절하여, 입력 임피던스를 결정할 수 있다. 여기서 입력 임피던스는 피더(1560)에서 공진기(1550)를 바라볼 때, 보이는 임피던스를 의미한다. 피더(1560) 내부의 면적이 커지면 입력 임피던스는 증가하고, 내부의 면적이 작아지면 입력 임피던스는 감소한다. 그런데, 입력 임피던스가 감소하는 경우에도, 공진기(1550) 내부의 자기장 분포는 일정하지 않으므로, 타겟 디바이스의 위치에 따라 입력 임피던스 값이 일정하지 않다. 따라서, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하다. 입력 임피던스가 증가하는 경우에는 큰 입력 임피던스를 작은 출력 임피던스에 매칭시키기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 16의 (a)를 참조하면, 공진기(1610)는 캐패시터(1611)를 포함할 수 있다. 피더(1620)는 캐패시터(1611)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(1610)는 제1 전송선로, 제1 도체(1641), 제2 도체(1642), 적어도 하나의 제1 캐패시터(1650)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1650)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1631)과 제2 신호 도체 부분(1632) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(1650)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 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(1631)과 제2 신호 도체 부분(1632)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(1633)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1631) 및 제2 신호 도체 부분(1632)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(1633)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1631) 및 제2 신호 도체 부분(1632)과 제1 그라운드 도체 부분(1633)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1631) 및 제2 신호 도체 부분(1632)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1631)의 한쪽 단은 제1 도체(1641)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1650)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1632)의 한쪽 단은 제2 도체(1642)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1650)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1631), 제2 신호 도체 부분(1632) 및 제1 그라운드 도체 부분(1633), 도체들(1641, 1642)은 서로 연결됨으로써, 공진기는 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.
제1 캐패시터(1650)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(1650)는 제1 신호 도체 부분(1631) 및 제2 신호 도체 부분(1632) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(1650)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1650)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기는 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 제1 캐패시터(1650)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(1650)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(1650)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(1650)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(1650)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(1650)에 집중되므로, 제1 캐패시터(1650)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(1650)를 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, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피더(1620)는 제2 전송선로, 제3 도체(1671), 제4 도체(1672), 제5 도체(1681) 및 제6 도체(1682)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(1661) 및 제4 신호 도체 부분(1662)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(1663)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(1661) 및 제4 신호 도체 부분(1662)과 제2 그라운드 도체 부분(1663)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(1661) 및 제4 신호 도체 부분(1662)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(1661)의 한쪽 단은 제3 도체(1671)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(1681)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(1662)의 한쪽 단은 제4 도체(1672)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체(1682)와 연결된다. 제5 도체(1681)는 제1 신호 도체 부분(1631)과 연결되고, 제6 도체(1682)는 제2 신호 도체 부분(1632)과 연결된다. 제5 도체(1681)와 제6 도체(1682)는 제1 캐패시터(1650)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(1681) 및 제6 도체(1682)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(1661), 제4 신호 도체 부분(1662) 및 제2 그라운드 도체 부분(1663), 제3 도체(1671), 제4 도체(1672), 제5 도체(1681), 제6 도체(1682) 및 공진기(1610)는 서로 연결됨으로써, 공진기(1610) 및 피더(1620)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(1681) 또는 제6 도체(1682)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피더(1620) 및 공진기(1610)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(1610)에 유도 전류가 유도 된다. 피더(1620)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(1610)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(1610)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(1610)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(1610)와 피더(1620) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피더(1620)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(1671), 제4 도체(1672), 제5 도체(1681), 제6 도체(1682) 는 공진기(1610)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 공진기(1610)가 루프 구조인 경우에는 피더(1620)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(1610)가 원형 구조인 경우에는 피더(1620)도 원형 구조일 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 피더의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. (a)는 피더에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, (a)는 피더의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. (a)는 도 16의 공진기(1610) 및 피더(1620)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. (b)는 피더와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 피더의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(1710)로 사용될 수 있다. 입력 포트(1710)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다. 입력 포트(1710)에서 입력된 RF 신호는 피더에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피더를 흐르는 입력 전류는 피더의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피더의 제5 도체는 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피더 뿐만 아니라 공진기에도 흐르게 된다. 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. (a)에서 피더 및 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피더 내부에서, 피더에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1721)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1723)은 서로 동일하다. 따라서, 피더 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피더와 공진기 사이의 영역에서, 피더에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1733)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1731)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피더와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피더가 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 공진기의 유도 전류의 방향과 피더의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 공진기의 유도 전류의 방향과 피더의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피더의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피더의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피더로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다.
한편, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피더(1740) 및 공진기(1750)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피더(1740)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013003566446-pat00001
여기서, M은 피더(1740)와 공진기(1750) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피더(1740)와 공진기(1750) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(1750)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피더(1740)와 공진기(1750) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피더(1740)와 공진기(1750) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피더(1740)의 크기에 따라 피더(1740)와 공진기(1750) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피더(1740)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피더도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신한다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피더에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피더가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피더에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피더의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피더와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 18을 참조하면, 전기 자동차 충전 시스템(1800)은 소스 시스템(1810), 소스 공진기(1820), 타겟 공진기(1830), 타겟 시스템(1840) 및 전기 자동차용 배터리(1850)을 포함한다.
전기 자동차 충전 시스템(1800)은 도 1의 무선 전력 송수신 시스템과 유사한 구조를 가진다. 즉, 전기 자동차 충전 시스템(1800)은 소스 시스템(1810) 및 소스 공진기(1820)로 구성되는 소스를 포함한다. 또한, 전기 자동차 충전 시스템(1800)은 타겟 공진기(1830) 및 타겟 시스템(1840)로 구성되는 타겟을 포함한다.
이때, 소스 시스템(1810)은 도 1의 소스(110)와 같이, 가변 SMPS(Variable SMPS), 전력 증폭기, 매칭 네트워크, 제어부 및 통신부를 포함할 수 있다. 이때, 타겟 시스템(1840)은 도 1의 타겟(120)과 같이, 매칭 네트워크, 정류부, DC/DC 컨버터, 통신부 및 제어부를 포함할 수 있다.
전기 자동차용 배터리(1850)는 타겟 시스템(1840)에 의해 충전 될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템(1800)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용할 수 있다.
소스 시스템(1810)은 충전 차량의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태에 따라 전력을 생성하고, 생성된 전력을 타겟 시스템(1840)으로 공급할 수 있다.
소스 시스템(1810)은 소스 공진기(1820) 및 타겟 공진기(1830)의 정렬(alignment)를 맞추기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 소스 시스템(1810)의 제어부는 소스 공진기(1820)와 타겟 공진기(1830)의 alignment가 맞지 않은 경우, 타겟 시스템(1840)으로 메시지를 전송하여 alignment를 제어할 수 있다.
이때, alignment가 맞지 않은 경우란, 타겟 공진기(1830)의 위치가 마그네틱 레조넌스(magnetic resonance)가 최대로 일어나기 위한 위치에 있지 않은 경우 일 수 있다. 즉, 차량이 정확하게 정차되지 않은 경우, 소스 시스템(1810)은 차량의 위치를 조정하도록 유도함으로써, 소스 공진기(1820)와 타겟 공진기(1830)의 alignment가 맞도록 유도할 수 있다.
소스 시스템(1810)과 타겟 시스템(1840)은 통신을 통해, 차량의 식별자를 송수신할 수 있고, 각종 메시지를 주고 받을 수 있다.
도 2 내지 도 17에서 설명된 내용들은 전기 자동차 충전 시스템(1800)에 적용될 수 있다. 다만, 전기 자동차 충전 시스템(1800)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용하고, 전기 자동차용 배터리(1850)를 충전하기 위해 수십 watt이상의 전력 전송을 수행할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 장치에 있어서,
    전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 타겟 디바이스로 무선으로 전력을 전송하는 전력 전송부;
    통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 상기 타겟 디바이스로 데이터를 송수신하는 통신부; 및
    상기 통신부에서 수신하는 데이터를 이용하여 충전 디바이스의 충전 상태를 확인하고, 상기 충전 상태에 기초하여 상기 전송하는 전력량을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 전력 전송부는 상기 전력 전송용 주파수에서 공진하는 상기 타겟 디바이스의 제1 타겟 공진기로 상기 전력을 전송하는 제1 소스 공진기를 포함하고,
    상기 통신부는 상기 통신용 주파수에서 공진하는 상기 타겟 디바이스의 제2 타겟 공진기로 상기 데이터를 전송하고, 상기 제1 소스 공진기와 겹치는 영역을 가지는 제2 소스 공진기를 포함하고,
    상기 전력 전송 및 데이터 송수신 장치는 상기 제1 소스 공진기 및 상기 제2 소스 공진기 사이에 유도되는 자기장을 막기 위해 상기 전력 전송용 주파수 또는 상기 통신용 주파수의 신호를 차단하는 필터를 더 포함하는,
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 전송부는
    상기 전력 전송용 주파수를 생성하는 제1 주파수 생성부;
    상기 전력 전송용 주파수를 가지는 신호의 진폭을 증폭시키는 제1 전력 증폭부; 및
    를 더 포함하고,
    상기 제1 소스 공진기는 상기 제1 타겟 공진기로 상호 공진을 통해 상기 증폭시킨 진폭에 해당하는 전력을 전송하는,
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 통신용 주파수를 생성하는 제2 주파수 생성부;
    상기 통신용 주파수를 가지는 신호의 진폭을 증폭시키는 제2 전력 증폭부; 및
    상기 상호 공진이 발생하는 동안 상기 통신용 주파수를 가지는 신호의 진폭의 변화량에 기초하여 로드 모듈레이션 된 데이터를 복조하는 복조부
    를 더 포함하고,
    상기 제2 소스 공진기는 상기 제2 타겟 공진기로부터 상호 공진을 통해 상기 로드 모듈레이션(load modulation) 된 데이터를 수신하는,
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 통신부는 상기 통신용 주파수를 가지는 신호의 파형을 변형하여 데이터를 변조하는 변조부를 더 포함하고,
    상기 제2 소스 공진기는 상기 변조한 데이터를 상기 제2 타겟 공진기로 전송하는
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통신용 주파수는
    상기 전력 전송용 주파수의 2배보다 큰 값이거나, 상기 전력 전송용 주파수의 1/2배보다 작은 값인
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소스 공진기는 상기 제2 소스 공진기보다 상대적으로 높은 품질계수(Quality factor)를 가지고, 상기 제1 소스 공진기 및 상기 제2 소스 공진기는 루프 형태인
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 소스 공진기는 상기 루프 형태의 제1 소스 공진기와 동일한 형태를 가지며, 상기 루프를 구성하는 패턴 라인과 동일한 패턴 라인으로 구성되고, 상기 제1 소스 공진기로부터 소정 거리 내에 위치하는
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 필터는 상기 제1 소스 공진기로부터 상기 제2 소스 공진기로 자기장이 유도되지 않도록 상기 제1 소스 공진기의 전력 전송용 주파수의 신호를 차단하는,
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 필터는 상기 제1 소스 공진기로부터 상기 제2 소스 공진기로 자기장이 유도되지 않도록 상기 제2 소스 공진기의 통신용 주파수의 신호를 통과시키는,
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 데이터의 수신 여부에 기초하여 상기 타겟 디바이스의 존재를 검출하는 검출부를 포함하고,
    상기 타겟 디바이스가 검출되기 전까지는 웨이크 업(wake up) 전력을 전송하도록 상기 전송하는 전력량을 제어하고, 상기 타겟 디바이스가 검출된 후에는 충전 전력을 전송하도록 상기 전송하는 전력량을 제어하는
    전력 전송 및 데이터 송수신 장치.
  11. 상호 공진을 이용하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치에 있어서,
    전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신부;
    통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 상기 무선 전력 전송 장치로부터 데이터를 송수신하는 통신부; 및
    상기 수신하는 전력으로부터 충전되는 부하의 충전 상태를 확인하고, 상기 확인한 충전 상태에 기초하여 상기 통신부에서 전송할 정보를 결정하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 전력 수신부는 상기 전력 전송용 주파수에서 공진하는 상기 무선 전력 전송 장치의 제1 소스 공진기로부터 상기 전력을 전송하는 제1 타겟 공진기를 포함하고,
    상기 통신부는 상기 통신용 주파수에서 공진하는 상기 무선 전력 전송 장치의 제2 소스 공진기로부터 상기 데이터를 수신하고, 상기 제1 타겟 공진기와 겹치는 영역을 가지는 제2 타겟 공진기를 포함하고,
    상기 전력 수신 및 데이터 송수신 장치는 상기 제1 타겟 공진기 및 상기 제2 타겟 공진기 사이에 유도되는 자기장을 막기 위해 상기 전력 전송용 주파수 또는 상기 통신용 주파수의 신호를 차단하는 필터를 더 포함하는,
    전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전력 수신부는
    상기 수신한 전력을 정류하는 정류부;
    상기 정류한 전력의 전압 레벨을 부하의 충전에 필요한 전압 레벨로 변환하는 변환부; 및
    상기 부하의 충전 상태에 기초하여 상기 변환된 전력을 조절함으로써, 상기 부하를 충전하는 충전부
    를 더 포함하고,
    상기 제1 타겟 공진기는 상기 제1 소스 공진기로부터 상호 공진을 통해 상기 전력을 수신하는,
    전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 상호 공진이 발생하는 동안 부하의 임피던스를 변경하여 상기 데이터를 로드 모듈레이션하는 변조부
    를 더 포함하고,
    상기 제2 타겟 공진기는 상기 제2 소스 공진기로 상호 공진을 통해 로드 모듈레이션 된 데이터를 전송하는,
    전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 제2 타겟 공진기에서 상기 상호 공진에 의하여 수신하는 통신 신호의 파형의 변화에 기초하여 데이터를 복조하는 복조부
    를 더 포함하는 전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 수신하는 전력에 의해 웨이크 업 되면, 상기 부하의 충전 요청을 상기 통신부에서 전송할 정보로서 결정하는
    전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 타겟 공진기는 상기 제2 타겟 공진기보다 상대적으로 높은 품질계수(Quality factor)를 가지고, 상기 제1 타겟 공진기 및 상기 제2 타겟 공진기는 루프 형태인
    전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 타겟 공진기는 상기 루프 형태의 제1 타겟 공진기와 동일한 형태를 가지며, 상기 루프를 구성하는 패턴 라인과 동일한 패턴 라인으로 구성되고, 상기 제1 타겟 공진기로부터 소정 거리 내에 위치하는
    전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 필터는 상기 제1 타겟 공진기로부터 상기 제2 타겟 공진기로 자기장이 유도되지 않도록 상기 제1 타겟 공진기의 공진 주파수의 신호를 차단하거나, 상기 제2 타겟 공진기의 공진 주파수의 신호를 통과시키는,
    전력 수신 및 데이터 송수신 장치.
  19. 상호 공진을 이용하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법에 있어서,
    전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 전력 전송부를 이용한 상호 공진을 통해 타겟 디바이스로 무선으로 웨이크 업 전력을 전송하는 단계;
    상기 웨이크 업 전력의 전송과 함께 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 통신부를 이용한 상호 공진을 통해 상기 타겟 디바이스로 통신 전력을 전송하는 단계; 및
    상기 전송하는 통신 전력의 진폭의 변화에 기초하여 상기 타겟 디바이스의 존재 및 충전 상태를 확인하고, 상기 타겟 디바이스의 존재 및 상기 충전 상태에 기초하여 상기 전력 전송용 주파수를 이용하여 전송하는 전력량을 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 전력 전송부는 상기 전력 전송용 주파수에서 공진하는 상기 타겟 디바이스의 제1 타겟 공진기로 상기 웨이크 업 전력을 전송하는 제1 소스 공진기를 포함하고,
    상기 통신부는 상기 통신용 주파수에서 공진하는 상기 타겟 디바이스의 제2 타겟 공진기로 상기 통신 전력을 전송하고, 상기 제1 소스 공진기와 겹치는 영역을 가지는 제2 소스 공진기를 포함하고,
    상기 전력 전송 및 데이터 송수신 방법은 상기 제1 소스 공진기 및 상기 제2 소스 공진기 사이에 유도되는 자기장을 막기 위해 상기 전력 전송용 주파수 또는 상기 통신용 주파수의 신호를 차단하는 단계를 더 포함하는,
    전력 전송 및 데이터 송수신 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 타겟 디바이스의 충전이 완료되었음을 확인하면, 전력의 전송을 중단하는 단계; 및
    일정 시간 경과 후에, 상기 전력 전송용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 웨이크 업 전력을 전송하고, 상기 통신용 주파수를 공진 주파수로 하여 상호 공진을 통해 통신 전력을 전송하는 단계
    를 더 포함하는 전력 전송 및 데이터 송수신 방법.
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