KR101850527B1

KR101850527B1 - 휴대용 디바이스 및 휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 시스템

Info

Publication number: KR101850527B1
Application number: KR1020110027043A
Authority: KR
Inventors: 김남윤; 권상욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2018-04-19
Also published as: US20180198316A1; US9142996B2; US9647485B2; KR20120108759A; US10840728B2; US10554071B2; US20190207410A1; US20120242283A1; US9935489B2; US20200144863A1; US20170237281A1; US20150380981A1; US10230258B2

Abstract

휴대용 디바이스 및 휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 시스템이 개시된다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 휴대용 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 휴대용 디바이스는 타겟 장치 또는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다. 휴대용 디바이스는 안정적으로 전력을 공급 받을 수 있다.

Description

휴대용 디바이스 및 휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 시스템{Portable Device and Wireless Power Charging system}

기술분야는 휴대용 디바이스 및 휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 시스템에 관한 것이다. 이때, 전력은 마그네틱 커플링을 통해 소스 전자기기로부터 휴대용 디바이스에 전송될 수 있다.

무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 휴대용 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 휴대용 디바이스는 타겟 디바이스 또는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.

소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 휴대용 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다. 무선 환경의 특성 상, 소스 공진기(source resonator) 및 타겟 공진기(target resonator) 사이의 거리가 시간에 따라 변할 가능성이 높고, 양 공진기의 매칭(matching) 조건 역시 변할 수 있다.

일 측면에 있어서, 휴대용 디바이스는, 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 전송 장치로부터 "통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지" 또는 "배터리를 충전하기 위한 에너지"를 수신하는 전력 수신부와, "상기 통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"로부터 웨이크-업(wake-up) 전압을 생성하거나, "상기 배터리를 충전하기 위한 에너지"로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 전압을 생성하는 전압 생성부와, 상기 웨이크-업 전압에 의해 활성화되고, 상기 통신 및 제어 기능을 수행하는 제어부 및 상기 제어부의 제어에 따라서 상기 무선 전력 전송 장치와 통신을 수행하는 통신부를 포함한다.

일 측면에 있어서, 휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 방법은, 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 전송 장치로부터 "통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"를 수신하는 단계와, "상기 통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"로부터 웨이크-업(wake-up) 전압을 생성하는 단계와, 상기 웨이크-업 전압을 사용하여 통신 모듈을 활성화시키는 단계와, 상기 활성화된 통신 모듈을 통해 상기 무선 전력 전송 장치로부터 웨이크-업(wake-up) 요청 신호를 수신하는 단계 및 상기 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송하는 단계를 포함한다.

상기 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호는 상기 휴대용 디바이스의 식별자를 포함한다.

휴대용 단말기에 내장된 통신 기능을 사용함으로써, 전력 전송을 위한 공진 주파수를 이용하지 않고 소스 디바이스와 휴대용 디바이스 간에 통신이 가능하다.

소스 디바이스와 휴대용 디바이스 간의 통신을 통해서, 전력 전송 효율을 높이기 위한 제어 프로시저의 수행이 가능하다.

휴대용 디바이스가 완전 방전된 경우에도, 휴대용 디바이스를 활성화 시키기 위한 전력을 공급함으로써, 소스 디바이스는 휴대용 디바이스와 안정적으로 통신을 수행할 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 휴대용 디바이스의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선 전력 충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다른 일 실시 예에 따른 무선 전력 충전 방법을 설명하기 위한 도면
도 5는 일 실시 예에 따른 무선 전력 충전 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 소스 공진부의 구성 예를 나타낸다.
도 8 내지 도 14는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 15는 도 8에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 충전 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 소스 디바이스(110)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 전력을 발생시키는 소스부(111) 및 소스 공진기(115)를 포함한다. 또한, 소스 디바이스(110)는 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부(Matching control)(113)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

소스부(111)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 전력을 발생시킨다. 소스부(111)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.

매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기(115)의 Q-factor가 결정될 수 있다.

소스 공진기(115)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(115)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링(101)을 통해 전력을 휴대용 디바이스(120)로 전달한다. 이때, 소스 공진기(115)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.

휴대용 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 Matching control부(123) 및 수신된 공진 전력을 부하로 전달하기 위한 타겟부(125)를 포함한다.

타겟 공진기(121)는 소스 공진기(115)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 이때, 타겟 공진기(121)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.

Matching control부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다. Matching control부(123)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 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다.

타겟부(125)는 수신된 전력을 부하로 전달한다. 이때, 타겟부(125)는 소스 공진기(115)로부터 타겟 공진기(121)로 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.

소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.

한편, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.

도 2는 일 실시 예에 따른 휴대용 디바이스의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 휴대용 디바이스(200)는 전력 수신부(210), 전압 생성부(220), 제어부(230), 배터리(240) 및 통신부(250)를 포함한다. 또한, 휴대용 디바이스(200)는 RF(Radio Frequency) Front-end(270) 및 Base Band Processor(260)를 더 포함할 수 있다.

전력 수신부(210)는 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 전송 장치로부터 "통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지" 또는 "배터리를 충전하기 위한 에너지"를 수신한다. 전력 수신부(210)는 타겟 공진기(211) 및 매칭 제어부(213)을 포함할 수 있다.

타겟 공진기(211)는 무선 전력 전송 장치의 소스 공진기와 마그네틱 커플링을 형성하고, 상기 마그네틱 커플링에 의해 "상기 통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지" 또는 "상기 배터리를 충전하기 위한 에너지"를 수신한다.

매칭 제어부(213)는 제어부(230)의 제어에 따라서 상기 타겟 공진기(211)의 공진 주파수 또는 임피던스를 조정한다.

전압 생성부(220)는 "상기 통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"로부터 웨이크-업(wake-up) 전압을 생성하거나, "상기 배터리를 충전하기 위한 에너지"로부터 상기 배터리(240)를 충전하기 위한 전압을 생성한다. 전압 생성부(220)는 AC/DC 인버터(221), DC 레벨 조정부(223) 및 경로 결정부(225)를 포함할 수 있다.

AC/DC 인버터(221)는 "상기 통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"를 정류하여 상기 웨이크-업 전압을 생성하고, "상기 배터리를 충전하기 위한 에너지"를 정류하여 상기 배터리를 충전하기 위한 전압을 생성한다. 즉, AC/DC 인버터(221)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성할 수 있다.

DC 레벨 조정부(223)는 AC/DC 인버터(221)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 배터리(240)의 충전을 위한 레벨로 조정한다.

경로 결정부(225)는 전력의 공급 경로를 결정한다. 경로 결정부(225)는 웨이크-업 전압은 상기 제어부로 공급되고 상기 배터리를 충전하기 위한 전압은 상기 배터리로 공급되도록, 전력의 공급 경로를 결정할 수 있다. 즉, 경로 결정부(225)는 웨이크-업 전압을 제어부(230) 또는 통신부(250)로 제공할 수 있다. 경로 결정부(225)는 무선 전력 전송 장치로부터 수신되는 전력의 양이 기설정된 값 보다 작으면, 무선 전력 전송 장치로부터 수신되는 전력을 "통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"로 결정할 수 있다. 경로 결정부(225)에 의해 수행되는 "전력의 공급 경로 결정"의 결과로, 제어부(230) 및 통신부(250)는 배터리(240)로부터 전력을 공급받지 못하는 경우에도 "무선 전력 전송 장치와의 통신"을 끊어짐 없이 수행할 수 있다. 또한, 제어부(230)는 전력 공급의 끊어짐 없이, 매칭 제어부(213)를 제어할 수 있다. 따라서, 매칭 제어부(213)에 의해 수행되는 임피던스 매칭 등도 끊어짐 없이 수행될 수 있다.

제어부(230)는 웨이크-업 전압에 의해 활성화되고, 상기 통신 및 제어 기능을 수행한다. 제어부(230)는 통신 및 제어 기능을 수행하도록 구성된(configured) 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 제어 기능이란, 전력 수신부(210), 전압 생성부(220), 통신부(250) 각각의 기능을 제어하는 것을 의미한다.

제어부(230)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이크-업 전압에 의해 활성화되면, 상기 배터리로부터 상기 제어부 및 상기 통신부에 전압이 공급되도록 스위치(301)를 온(on) 시킬 수 있다. 이때, 제어부(230)는 배터리(240)의 잔류 용량(remaining power)을 확인하고 상기 배터리(240)의 잔류 용량이 기 설정된 값 이상이면, 상기 배터리(240)로부터 상기 제어부(230) 및 상기 통신부(250)에 전압이 공급되도록 상기 스위치(301)를 온(on) 시킬 수 있다. 만일, 배터리(240)의 잔류 용량이 기 설정된 값 보다 작으면, 스위치(301)의 상태는 오프(off)로 유지될 수 있다.

제어부(230)는 휴대용 단말기의 상태 정보를 생성할 수 있다. 이때, 휴대용 단말기의 상태 정보는, 타겟 공진기(211)에 흐르는 전류 및 상기 타겟 공진기(211)의 전압에 대한 정보, 상기 배터리(240)의 충전 상태에 대한 정보를 포함할 수 있다.

통신부(250)는 제어부(230)의 제어에 따라서 상기 무선 전력 전송 장치와 통신을 수행한다. 통신부(250)는 휴대용 디바이스(200)에 내장된 블루투스(Bluetooth), 무선랜(WLAN), 또는 기타 다른 무선통신 모듈을 이용하여 상기 무선 전력 전송 장치와 통신을 수행할 수 있다. 통신부(250)는 웨이크-업 전압에 의해 활성화되고, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 웨이크-업(wake-up) 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송할 수 있다. 이때, 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호는 상기 휴대용 디바이스(200)의 식별자를 포함할 수 있다. 통신부(250)는 응답 신호를 전송한 후, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 공진 주파수에 대한 정보를 포함하는 상태 정보 요청 메시지를 수신하고, 상기 휴대용 단말기의 상태 정보를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송할 수 있다. 이때, 휴대용 단말기의 상태 정보는 타겟 공진기에 흐르는 전류 및 상기 타겟 공진기의 전압에 대한 정보, 상기 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 포함할 수 있다.

또한, 통신부(250)는, 공진 주파수가 변경되는 경우 무선 전력 전송 장치로부터 변경된 공진 주파수에 대한 정보를 수신할 수 있다. 또한, 통신부(250)는 무선 전력 전송 장치와 "충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신"을 수행할 수 있다. "충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신"에 대해서는, 도 5를 통해 상세히 설명하기로 한다.

RF(Radio Frequency) Front-end(270) 및 Base Band Processor(260)는 RF 신호를 송수신하고, RF 신호를 기저대역 신호로 처리하는 동작을 수행할 수 있다.

한편, 휴대용 디바이스(600)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 웨이크-업(wake-up) 전압을 저장(charging)하고 저장된 웨이크-업 전압을 상기 제어부(230) 및 상기 통신부(250)로 제공하는 충전 커패시터(401)를 더 포함할 수 있다.

도 5는 일 실시 예에 따른 무선 전력 충전 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, "Source"는 무선 전력 전송 장치를 의미하고, "Target"은 휴대용 디바이스를 의미한다.

510단계에서 "Source"는, "웨이크-업 전력"을 주기적 또는 비주기적으로 방사한다. "웨이크-업 전력"을 주기적 또는 비주기적으로 방사하는 이유는 주변에 "Target"이 있는지를 탐색(discovery)하기 위한 것이다. 만일, 방사되는 "웨이크-업 전력"에 대한 반사신호(reflection signal)가 기준값 이하로 줄어 들면, 주변에 "Target"이 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, "Source"는 후술하는 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답 신호를 수신함으로써, 주변에 "Target"이 있는 것을 인지할 수 도 있다.

510 단계에서 "Target"은 "통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"를 수신한다. "Target"은 "상기 통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"로부터 웨이크-업(wake-up) 전압을 생성한다. 다음에, "Target"은 웨이크-업 전압을 사용하여 통신 모듈을 활성화 시킨다. 활성화된 통신 모듈은 520 단계에서 웨이크-업(wake-up) 요청 신호를 수신한다. 즉, 520단계에서 "Source"는 웨이크-업(wake-up) 요청 신호를 브로드캐스트한다. 한편, 510 단계 및 520 단계는 동시에 수행될 수도 있다.

530 단계에서 "Target"은 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호를 "Source"에 전송한다. 이때, 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호는 상기 휴대용 디바이스의 식별자를 포함한다.

540 단계에서 "Source"와 "Target"은 "충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신"을 수행할 수 있다.

"충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신"은 "Target"이 복수인 경우에 수행될 수 있다. 즉, "Target"이 복수인 경우 "Target"들 간의 통신 충돌 방지 및 "Target"들 각각을 구분하기 위해, "충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신"이 수행될 수 있다.

"충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신"은 RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) 매커니즘을 사용할 수 있다. 즉, "Source"는 "Target"에 RTS 프레임을 전송하고, "Target"은 CTS 프레임을 "Source"에 전송할 수 있다. 또한, "Source" 또는 "Target"은 데이터 수신시 ACK 프렘임을 상대방에서 전송함으로써, 충돌을 방지하고 상대방을 확인할 수 있다.

또한, "Source"는 복수의 "Target"들 각각에 대한 타임 슬롯을 할당함으로써, "Target"들 간의 통신 충돌을 방지할 수도 있다. 즉, 복수의 "Target"들 각각은 할당된 타임 슬롯에서만 통신함으로써, 서로 통신 충돌이 발생하지 않을 수 있다.

550 단계에서 "Target"은 "Source"로부터 공진 주파수에 대한 정보를 포함하는 상태 정보 요청 메시지를 수신한다. 이때, 공진 주파수에 대한 정보는, 소스 공진기의 공진 주파수 또는 전력 전송의 효율이 좋은 공진주파수에 대한 정보일 수 있다.

560 단계에서 "Target"은 휴대용 단말기의 상태 정보를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송한다. 이때, 휴대용 단말기의 상태 정보는 타겟 공진기에 흐르는 전류 및 상기 타겟 공진기의 전압에 대한 정보, 상기 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 포함할 수 있다. "Source"는 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 통해 배터리의 충전에 얼마만큼의 전력이 필요한지를 알 수 있다.

570 단계에서 "Target"은 "Source"로부터 "배터리를 충전하기 위한 에너지"를 수신하고, "상기 배터리를 충전하기 위한 에너지"로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 전압을 생성한다.

도 6은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 7은 도 6의 소스 공진부의 구성 예를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(600)는 검출부(610), 제어부(620) 및 소스 공진부(630)를 포함한다. 또한, 무선 전력 전송장치(600)는 전력 생성부(640), 매칭제어부(650), 정류부(660) 및 정전압 제어부(670)를 더 포함할 수 있다.

검출부(610)는 전력을 무선으로 수신하는 복수의 타겟 디바이스들을 검출한다. 검출부(610)는 웨이크-업(wake-up) 요청 신호를 브로드캐스트하고, 상기 복수의 타겟 디바이스들 각각으로부터 상기 웨이크-업(wake-up) 요청 신호에 대한 응답신호들을 수신하는 통신부를 포함할 수 있다. 또한, 검출부(610)는 반사 전력을 검출하는 반사전력 검출부를 더 포함할 수 있다. 이때, 응답신호들 각각은 해당 타겟 디바이스의 식별자 및 해당 타겟 디바이스에서 사용될 전력의 양에 대한 정보를 포함할 수 있다. 검출부(610)는 복수의 타겟 디바이스들로부터 복수의 타겟 디바이스들 각각의 위치 정보를 수신할 수도 있다. 여기서, 복수의 타겟 디바이스들 각각의 위치 정보는 소스 공진기들(631, 633, 635, 637) 각각의 식별자 정보일 수 있다. 예를 들어, 소스 공진부(631)에 인접한 제1 타겟 디바이스는 소스 공진부(631)로부터 소스 공진부(631)의 식별자 "S1"을 수신하고, 수신된 "S1"을 상기 웨이크-업(wake-up) 요청 신호에 대한 응답신호에 포함시켜 검출부(610)로 전송할 수 있다. 여기서, 소스 공진부(631)가 패드 형태인 경우, 소스 공진부(631) 위에 놓인 타겟 디바이스는 소스 공진부(631)에 인접한 제1 타겟 디바이스라 칭할 수 있다. 한편, 소스 공진부(631) 위에 2개의 타겟 디바이스가 놓인 경우, "해당 타겟 디바이스에서 사용될 전력의 양"은 2개의 타겟 디바이스 각각에서 사용될 전력의 양을 합한 값일 수 있다.

소스 공진부(630)는 복수의 소스 공진기들(631, 633, 635, 637)을 포함한다. 하기의 설명에 있어서, 소스 공진부(631)에 인접한 타겟 디바이스를 제1 타겟 디바이스라 칭하고, 소스 공진부(633)에 인접한 타겟 디바이스를 제2 타겟 디바이스라 칭하기로 한다.

제어부(620)는 "상기 복수의 타겟 디바이스들 각각에 전송할 전력의 양" 또는 "상기 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대한 커플링 팩터"에 기초하여, 상기 복수의 디바이스들 각각에 인접한 복수의 소스 공진기들(631, 633, 635, 637) 중 어느 하나의 소스 공진기를 선택할 수 있다. 이때, 상기 선택된 소스 공진기는 마그네틱 커플링을 통해 상기 선택된 소스 공진부에 인접한 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송한다.

제어부(620)는 상기 복수의 소스 공진기들(631, 633, 635, 637) 중, 상기 복수의 타겟 디바이스들 각각에 전송할 전력의 양이 큰 소스 공진부 또는 상기 복수의 타겟 디바이스들 각각에 대한 커플링 팩터가 큰 소스 공진기를 선택한다. 이때, 제어부(620)는 선택된 소스 공진기를 온(on) 시키고, 선택된 소스 공진기 이외의 소스 공진기들을 오프(off) 시킬 수 있다.

전력 생성부(640)는 무선 전력 수신 장치로 전송될 전력을 생성한다. 전력 생성부(640)는 제어부(620)의 제어에 따라 전력을 생성할 수 있다. 전력 생성부(640)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정 레벨의 DC 전류를 AC 전류로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 따라서, 전력 생성부(640)는 AC/DC 인버터를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 일정 레벨의 DC 전류는 정전압 제어부(670)로부터 제공될 수 있다. AC/DC 인버터는 고속 스위칭을 위한 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 이때, 스위칭 소자는 스위칭 펄스 신호가 "high"일 때 On되고, 스위칭 펄스 신호가 "Low" 일 때 off 되도록 구성될 수 있다.

전력 생성부(640)에서 생성되는 전력의 양은, 타겟 디바이스가 검출되기 전과 타겟 디바이스가 검출된 후가 다를 수 있다. 즉, 전력 생성부(640)는 타겟 디바이스가 검출되기 전, 또는 타겟 디바이스의 배터리 충전 상태를 파악하기 전까지는, 타겟 디바이스의 "통신 및 제어 기능을 수행하는데 필요한 양"의 전력을 생성한다. 그리고, 전력 생성부(640)는 타겟 디바이스가 검출된 후에는, "타겟 디바이스의 배터리를 충전하는데 필요한 양"의 전력을 생성할 수 있다. 여기서, "통신 및 제어 기능을 수행하는데 필요한 양"이란, 타겟 디바이스의 프로세서가 활성화되고, 통신 모듈이 동작할 수 있는 수 밀리 와트의 적은 양을 의미한다. 본 명세서에서 "통신 및 제어 기능을 수행하는데 필요한 양"의 전력을 편의상 "웨이크-업 전력" 또는 "통신 및 제어 기능을 수행하기 위한 에너지"라 칭하기로 한다.

매칭제어부(650)는 소스 공진부(630)와 상기 전력 생성부(640) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다. 즉, 매칭 제어부(650)는 제어부(620)의 제어에 따라서 복수의 소스 공진기들(631, 633, 635, 637)의 임피던스를 조정할 수 있다.

정류부(660)는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다.

정전압 제어부(670)는 정류부(660)로부터 DC 전압을 입력 받고, 제어부(620)의 제어에 따라서 일정 레벨의 DC 전압을 출력한다. 정전압 제어부(670)는 일정 레벨의 DC 전압을 출력하기 위한 안정화 회로를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 무선 전력 전송 장치(600)와 타겟 디바이스 간의 거리가 달라지거나, 타겟 디바이스의 부하(load)가 변하면, 공진 주파수를 변경할 필요가 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(600)는 통신을 통해 공진 주파수의 변경을 타겟 디바이스에 알려 줄 수 있다.

도 7을 참조하면, 소스 공진부(630)는 4개의 소스 공진기들(710, 720, 730, 740)를 포함할 수 있다.

도 7을 참조하면, 소스 공진기(710)에서 웨이크 업 요청 신호가 타겟 디바이스(760)로 전송된 후, 상기 웨이크 업 요청 신호에 대한 응답신호를 통해 타겟 디바이스(760)가 검출될 수도 있다. 이때, 소스 공진기(710)에서 타겟 디바이스(760)로 전송되는 웨이크 업 요청 신호는 소스 공진기(710)의 식별자 정보를 포함한다. 즉, 도 6의 통신부는 데이터 통신을 위해 할당된 주파수를 이용하여 아웃-밴드 통신을 수행하고, 소스 공진부(630)는 "공진 주파수를 사용하여 타겟 디바이스와 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신"을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 웨이크 업 요청 신호에 대한 응답신호는 인-밴드 통신을 통해 무선 전력 전송 장치(600)에 수신되거나, 아웃-밴드 통신을 통해 무선 전력 전송 장치(600)에 수신될 수 있다.

한편, 일정 시간 동안 상기 웨이크 업 요청 신호에 대한 응답신호가 없으면 다음 소스 공진기(720)로 스위칭 될 수 있다. 소스 공진기(720)는 웨이크 업 요청 신호를 전송하고, 일정 시간 동안 상기 웨이크 업 요청 신호에 대한 응답 신호가 없으면, 상태를 오프(Off) 상태로 유지한다. 위와 마찬가지 방식으로 소스 공진기(730, 740)에서 타겟 디바이스(770)의 검출 과정이 진행될 수 있다.

이와 같이, 소스 공진기들(710, 720, 730, 740)이 순차적으로 온/오프 되어 웨이크 업 요청 신호를 브로드캐스트 함으로써, 어느 소스 공진기에 타겟 디바이스가 인접해 있는지를 검출할 수 있다.

소스 공진기들(710, 720, 730, 740) 각각은 소스 공진기 식별자에 의해 구분될 수 있다. 이때, 도 6의 제어부(620)는 상기 소스 공진기들(710, 720, 730, 740) 각각의 소스 공진기 식별자를 이용하여 상기 복수의 타겟 디바이스들 각각의 위치를 인식할 수 도 있다.

도 8 내지 도 14는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 2 차원 구조의 공진기는 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813)을 포함하는 전송 선로, 커패시터(820), 매칭기(830) 및 도체들(841, 842)을 포함한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 커패시터(820)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(811)과 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 커패시터(820)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 그라운드된다(grounded). 본 명세서에서는 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(811)과 제2 신호 도체 부분(812)로 나누어 부르고, 전송 선로의 하부에 있는 도체를 그라운드 도체 부분(813)으로 부르기로 한다.

도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(800)는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(813)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)과 그라운드 도체 부분(813)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812)을 통하여 흐른다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(811)의 한쪽 단은 도체(842)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(820)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(812)의 한쪽 단은 도체(841)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(820)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(811), 제2 신호 도체 부분(812) 및 그라운드 도체 부분(813), 도체들(1641, 1642)은 서로 연결됨으로써, 공진기(800)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(820)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 커패시터(820)는 제1 신호 도체 부분(811) 및 제2 신호 도체 부분(812) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(820)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(820)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(800)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(820)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(800)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(820)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(800)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(820)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(800)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 상기 공진기(800)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 상기 공진기(800)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(820)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.

상기 MNG 공진기(800)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(800)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기(800)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(820)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(800)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.

또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 커패시터(820)에 집중되므로, 커패시터(820)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기(800)는 집중 소자의 커패시터(820)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(800)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(830)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(830)는 MNG 공진기(800) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(830)에 의해 MNG 공진기(800)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(840)를 통하여 MNG 공진기(800)로 유입되거나 MNG 공진기(800)로부터 유출될 수 있다. 여기서, 커넥터(840)는 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830)와 연결될 수 있다. 다만, 커넥터(840)와 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830) 사이에는 물리적인 연결이 형성될 수도 있고, 커넥터(840)와 그라운드 도체 부분(813) 또는 매칭기(830) 사이의 물리적인 연결 없이 커플링을 통하여 전력이 전달될 수도 있다.

보다 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 매칭기(830)는 공진기(800)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(830)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(800)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(830)는 그라운드 도체 부분(813)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체(831)를 포함할 수 있으며, 공진기(800)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.

도 8에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(830)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(830)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(830)의 도체(831)와 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(830)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다.

매칭기(830)는 도 8에 도시된 바와 같이, 도체 부분(831)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(830)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(800)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(830)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(800)의 임피던스가 조절될 수 있다.

또한, 도 8에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(800)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(900)는 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913)을 포함하는 전송 선로 및 커패시터(920)를 포함한다. 여기서 커패시터(920)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(911)과 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터(920)에 갇히게 된다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이 공진기(900)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(913)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)과 그라운드 도체 부분(913)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 9에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(911)의 한쪽 단은 도체(942)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(912)의 한쪽 단은 도체(941)와 접지되며, 다른 쪽 단은 커패시터(920)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(911), 제2 신호 도체 부분(912) 및 그라운드 도체 부분(913), 도체들(941, 942)은 서로 연결됨으로써, 공진기(900)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 9에 도시된 바와 같이 커패시터(920)는 제1 신호 도체 부분(911) 및 제2 신호 도체 부분(912) 사이에 삽입된다. 이 때, 커패시터(920)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 9에 도시된 바와 같이 커패시터(920)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(900)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 커패시터(920)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기(900)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터(920)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(900)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기(900)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 커패시터(920)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(900)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 상기 공진기(900)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 상기 공진기(900)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 커패시터(920)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.

도 9에 도시된 상기 MNG 공진기(900)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(900)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(900)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터(920)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(900)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(900)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(910)에 삽입된 커패시터(920)에 집중되므로, 커패시터(920)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(900)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 커패시터(920)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 커패시터(920)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(900)는 집중 소자의 커패시터(920)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 MNG 공진기(900)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(930)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(930)는 MNG 공진기(900)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(930)에 의해 MNG 공진기(900)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(940)를 통하여 MNG 공진기(900)로 유입되거나 MNG 공진기(900)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(940)는 그라운드 도체 부분(913) 또는 매칭기(930)와 연결될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 매칭기(930)는 공진기(900)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(930)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(900)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(930)는 그라운드 도체 부분(913)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(931)을 포함할 수 있으며, 공진기(900)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.

도 9에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(930)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(930)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(930)의 도체(931)과 그라운드 도체 부분(930) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(930)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(930)의 도체(931)과 그라운드 도체 부분(930) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(930)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(931)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. 컨트롤러가 제어 신호를 생성하는 것에 대해서는 아래에서 설명한다.

매칭기(930)는 도 9에 도시된 바와 같이, 도체 부분(931)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(930)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(900)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(930)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(900)의 임피던스가 조절될 수 있다.

또한, 도 9에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(900)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.

도 10은 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 제1 신호 도체 부분(1011)과 도체(1042)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.

제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(1050)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(1012)과 도체(1041)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(1041)와 그라운드 도체 부분(1013)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(1012)과 그라운드 도체 부분(1013)는 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(1011)과 그라운드 도체 부분(1013)는 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.

도 11은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.

주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(1100)의 무게 또는 공진기(1100)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(1100)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(1100)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.

예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(1112)의 두께는 d m로 정해질 수 있고, d는

를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수,

는 투자율,

는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(1111), 제2 신호 도체 부분(1112), 그라운드 도체 부분(1113), 도체들(1141, 1142) 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 12는 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 12를 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.

제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212)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(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 12의 부분(1270)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.

제1 신호 도체 부분(1211), 제2 신호 도체 부분(1212) 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 13은 분산된 커패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 커패시터(1320)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(1320)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.

분산 소자로서의 커패시터(1320)는 도 13에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 커패시터(1320)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.

뿐만 아니라, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 커패시터(1320)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 14는 2 차원 구조의 공진기 및 3 차원 구조의 공진기에서 사용되는 매칭기들의 예들을 나타낸 도면이다.

도 14의 A는 매칭기를 포함하는 도 8에 도시된 2 차원 공진기의 일부를 나타내며, 도 14의 B는 매칭기를 포함하는 도 9에 도시된 3 차원 공진기의 일부를 나타낸다.

도 14의 A를 참조하면, 매칭기는 도체(831), 도체(832) 및 도체(833)을 포함하며, 도체(832) 및 도체(833)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(813) 및 도체(831)와 연결된다. 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h에 따라 2 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 도체(831) 및 그라운드 도체 부분(813) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있으며, 도체(831)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(831)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.

도 14의 B를 참조하면, 매칭기는 도체(931), 도체(932) 및 도체(933)을 포함하며, 도체(932) 및 도체(933)는 전송 선로의 그라운드 도체 부분(913) 및 도체(931)와 연결된다. 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h에 따라 3 차원 공진기의 임피던스는 결정되며, 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 컨트롤러에 의해 제어된다. 2 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기와 마찬가지로, 3 차원 구조의 공진기에 포함되는 매칭기에서도 도체(931) 및 그라운드 도체 부분(913) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 예를 들어, 도체(931)가 될 수 있는 여러 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h를 조절하는 방식, 도체(931)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h를 조절하는 방식 등이 있을 수 있다.

도 14에 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 임피던스가 조절될 수 있다.

도 15는 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 15에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 15의 등가 회로에서 C_L은 도 8의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.

이 때, 도 8에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는

를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수

는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.

[수학식 1]

상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수

는

에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수

와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수

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

무선 전력 전송 장치로부터 통신 기능을 수행하기 위한 제1 에너지 또는 배터리를 충전하기 위한 제2 에너지를 수신하는 전력 수신부;
상기 제1 에너지로부터 웨이크-업(wake-up) 전압을 생성하거나, 상기 제2 에너지로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 전압을 생성하는 전압 생성부;
상기 무선 전력 전송 장치와 통신을 수행하는 통신부; 및
상기 웨이크-업 전압에 의해 활성화되어 상기 통신 기능을 위해 상기 통신부를 제어하는 제어부
를 포함하고,
상기 통신부를 통해 상기 무선 전력 전송 장치와 "충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신이 수행되는,
휴대용 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 전력 수신부는,
상기 무선 전력 전송 장치의 소스 공진기와 마그네틱 커플링을 형성하고, 상기 마그네틱 커플링에 의해 상기 제1 에너지 또는 상기 제2 에너지를 수신하는 타겟 공진기; 및
상기 제어부의 제어에 따라서 상기 타겟 공진기의 공진 주파수 또는 임피던스를 조정하는 매칭 제어부를 포함하는,
휴대용 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 전압 생성부는,
상기 제1 에너지를 정류하여 상기 웨이크-업 전압을 생성하고, 상기 제2 에너지를 정류하여 상기 배터리를 충전하기 위한 전압을 생성하는 AC/DC 인버터; 및
상기 웨이크-업 전압은 상기 제어부로 공급되고 상기 배터리를 충전하기 위한 전압은 상기 배터리로 공급되도록, 전력의 공급 경로를 결정하는 경로 결정부를 포함하는,
휴대용 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 웨이크-업 전압에 의해 활성화되면, 상기 배터리로부터 상기 제어부 및 상기 통신부에 전압이 공급되도록 스위치를 온(on) 시키는,
휴대용 디바이스.
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 배터리의 잔류 용량(remaining power)을 확인하고 상기 배터리의 잔류 용량이 기 설정된 값 이상이면, 상기 배터리로부터 상기 제어부 및 상기 통신부에 전압이 공급되도록 상기 스위치를 온(on) 시키는,
휴대용 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 웨이크-업(wake-up) 전압을 저장(charging)하고, 저장된 웨이크-업 전압을 상기 제어부 및 상기 통신부로 제공하는 충전 커패시터를 더 포함하는,
휴대용 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 통신부는,
상기 휴대용 디바이스에 내장된 블루투스(Bluetooth), 무선랜, 또는 무선통신 모듈을 이용하여 상기 무선 전력 전송 장치와 통신을 수행하는,
휴대용 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 통신부는,
상기 웨이크-업 전압에 의해 활성화되고, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 웨이크-업(wake-up) 요청 신호를 수신하고, 상기 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송하고,
상기 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호는 상기 휴대용 디바이스의 식별자를 포함하는,
휴대용 디바이스.
제8항에 있어서,
상기 통신부는,
상기 응답 신호를 전송한 후, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 공진 주파수에 대한 정보를 포함하는 상태 정보 요청 메시지를 수신하고, 상기 휴대용 디바이스의 상태 정보를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송하고,
상기 휴대용 디바이스의 상태 정보는 타겟 공진기에 흐르는 전류 및 상기 타겟 공진기의 전압에 대한 정보, 상기 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 포함하는,
휴대용 디바이스.
삭제
휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 방법에 있어서,
무선 전력 전송 장치로부터 통신 기능을 수행하기 위한 제1 에너지 또는 배터리를 충전하기 위한 제2 에너지를 수신하는 단계;
상기 제1 에너지로부터 웨이크-업(wake-up) 전압을 생성하거나, 상기 제2 에너지로부터 상기 배터리를 충전하기 위한 전압을 생성하는 단계;
상기 통신 기능을 위해 상기 웨이크-업 전압을 사용하여 제어부를 활성화시키는 단계; 및
상기 제어부의 제어 하에 상기 무선 전력 전송 장치와 통신을 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 통신을 수행하는 단계는 상기 무선 전력 전송 장치와 충돌 방지(anti-collision)를 위한 통신을 수행하는 단계를 포함하는,
휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 방법.
삭제
제11항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 장치로부터 공진 주파수에 대한 정보를 포함하는 상태 정보 요청 메시지를 수신하는 단계; 및
상기 휴대용 디바이스의 상태 정보를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송하는 단계를 더 포함하고,
상기 휴대용 디바이스의 상태 정보는 타겟 공진기에 흐르는 전류 및 상기 타겟 공진기의 전압에 대한 정보, 상기 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 포함하는,
휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 방법.
제11항에 있어서,
상기 웨이크-업 전압을 사용하여 통신 모듈을 활성화시키는 단계;
상기 활성화된 통신 모듈을 통해 상기 무선 전력 전송 장치로부터 웨이크-업(wake-up) 요청 신호를 수신하는 단계; 및
상기 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호를 상기 무선 전력 전송 장치에 전송하는 단계
를 더 포함하고,
상기 웨이크-업 요청 신호에 대한 응답신호는 상기 휴대용 디바이스의 식별자를 포함하는,
휴대용 디바이스의 무선 전력 충전 방법.