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WO2019194524A1 - 무선전력 전송 시스템에서 전력 전송을 제어하는 장치 및 방법 - Google Patents

무선전력 전송 시스템에서 전력 전송을 제어하는 장치 및 방법 Download PDF

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Publication number
WO2019194524A1
WO2019194524A1 PCT/KR2019/003849 KR2019003849W WO2019194524A1 WO 2019194524 A1 WO2019194524 A1 WO 2019194524A1 KR 2019003849 W KR2019003849 W KR 2019003849W WO 2019194524 A1 WO2019194524 A1 WO 2019194524A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wireless power
coil
primary
communication
ping
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/003849
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박준호
곽봉식
김성규
이지현
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to US17/044,600 priority Critical patent/US20210028653A1/en
Publication of WO2019194524A1 publication Critical patent/WO2019194524A1/ko

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/40—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices
    • H02J50/402—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices the two or more transmitting or the two or more receiving devices being integrated in the same unit, e.g. power mats with several coils or antennas with several sub-antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/60—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power responsive to the presence of foreign objects, e.g. detection of living beings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems

Definitions

  • the present invention relates to wireless charging, and more particularly, to an apparatus and method for controlling power transmission in a wireless power transmission system.
  • Wireless power transfer technology is a technology for wirelessly transferring power between a power source and an electronic device.
  • wireless power transfer technology allows a wireless terminal such as a smartphone or a tablet to be charged on a wireless charging pad by simply placing it on a wireless charging pad, and thus compared to a wired charging environment using a conventional wired charging connector. It can provide excellent mobility, convenience and safety.
  • wireless power transfer technology can be applied to various wearable devices such as electric vehicles, Bluetooth earphones, 3D glasses, home appliances, furniture, underground facilities, buildings, medical devices, robots, and leisure. It is drawing attention to replace the existing wired power transmission environment.
  • the wireless power transmission method is also referred to as a contactless power transmission method, a no point of contact power transmission method, or a wireless charging method.
  • the wireless power transmission system includes a wireless power transmission device for supplying electrical energy through a wireless power transmission method, and a wireless power reception device for receiving electric energy supplied wirelessly from the wireless power transmission device and supplying power to a power receiving device such as a battery cell. It can be configured as a device.
  • the wireless power transmission technology transmits power through magnetic coupling, transmits power through radio frequency (RF), transmits power through microwaves, and ultrasonic waves.
  • RF radio frequency
  • Magnetic coupling based methods are further classified into magnetic induction and magnetic resonance.
  • Magnetic induction is a method of transmitting energy by using a current induced in the receiving coil due to the magnetic field generated by the transmitting coil according to the electromagnetic coupling between the transmitting coil and the receiving coil.
  • the magnetic resonance method is similar to the magnetic induction method in that it uses a magnetic field.
  • the low power standard has already been enacted in various versions, and commercialization is being actively conducted. New designs of wireless power transceivers are being developed to compensate for the existing shortcomings such as the expansion of the charging area. In addition, standards on medium and large power are gradually being discussed.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for controlling power transmission in a wireless power transmission system.
  • Another technical problem of the present invention is to provide a structure of a wireless power transmitter having a multi-coil in a wireless power transmission system.
  • Another technical problem of the present invention is to provide a method of controlling a multi-coil operation by a wireless power transmitter having a multi-coil.
  • Another technical problem of the present invention is to provide an apparatus and method for selecting and simultaneously driving an appropriate multi-coil according to the position of a wireless power receiver.
  • a wireless power transmission apparatus for transmitting wireless power.
  • the apparatus comprises a primary coil array configured to transmit wireless power to the wireless power receiver by using a magnetic coil formed with a secondary coil provided in the wireless power receiver.
  • the primary coil array comprises a plurality of primary coils, a power conversion unit electrically connected to the primary coil array and configured to apply a driving voltage to the plurality of primary coils to form the magnetic coupling; And digitally ping each of the plurality of coil combinations formed from the plurality of primary coils, receive a signal strength packet for each coil combination from the wireless power receiver, and based on the signal strength packet.
  • a communication / control unit for controlling the power conversion unit to drive the selected coil combination.
  • the communication / control unit may be configured to set the strength of the digital ping for each primary coil.
  • the communication / control unit is configured to determine the output of the digital ping signal for each primary coil such that the rectifier stage output voltage at the wireless power receiver by the digital ping signal is the same for every primary coil.
  • the intensity can be set individually.
  • the communication / control unit performs an analog ping on each of the plurality of primary coils and from the at least one primary coil from which there is a response to the analog ping.
  • Coil combinations can be constructed.
  • the dual coil when the selected coil combination is a dual coil, includes at least one main coil for in-band communication and at least one adjacent coil for power transmission. It may include.
  • a wireless power by a wireless power transmitter including a plurality of primary coils configured to form a magnetic coupling with a secondary coil provided in the wireless power receiver Provide a transmission method.
  • the method includes performing digital ping on each of the plurality of coil combinations formed from the plurality of primary coils, receiving a signal strength packet for each coil combination from the wireless power receiver, and
  • the magnetic coupling may be driven by driving a selected coil combination based on a signal strength packet, and wireless power may be transmitted to the wireless power receiver based on the magnetic coupling.
  • the method may further comprise setting the strength of the digital ping for each primary coil before performing the digital ping.
  • the method includes prior to performing the digital ping, the digital ping signal for each primary coil such that the rectifier stage output voltage at the wireless power receiver by the digital ping signal is the same for every primary coil. It may further comprise the step of setting the intensity individually.
  • the method further includes performing an analog ping on each of the plurality of primary coils prior to performing the digital ping, wherein the plurality of coil combinations have a response to the analog ping. It may be configured from at least one primary coil.
  • the dual coil when the selected coil combination is a dual coil, includes at least one main coil for in-band communication and at least one adjacent coil for power transmission. It may include.
  • a wireless power receiver for receiving wireless power.
  • the device is a secondary coil configured to receive wireless power from the wireless power transmitter using a primary coil array and magnetic coupling formed in the wireless power transmitter.
  • the primary coil arrangement includes a plurality of primary coils, a rectifier electrically connected to the secondary coil and rectifying a current formed in the secondary coil to obtain a rectified voltage; and
  • a communication / control unit configured to receive a digital ping signal from each of a plurality of coil combinations formed from a plurality of primary coils and to transmit a single signal strength packet for each coil combination to the wireless power transmitter.
  • the communication / control unit receives an analog ping from each of the plurality of primary coils, wherein the plurality of coil combinations comprises at least one primary coil having a response to the analog ping. It can be configured from.
  • the dual coil when the selected coil combination is a dual coil, includes at least one main coil for in-band communication and at least one adjacent coil for power transmission. can do.
  • a wireless power receiver by a wireless power receiver including a primary coil array provided in the wireless power transmitter and a secondary coil configured to form magnetic coupling. It provides a power receiving method. The method includes receiving a digital ping signal from each of a plurality of coil combinations formed from the plurality of primary coils, transmitting a single signal strength packet for each coil combination to the wireless power transmitter, and Wireless power may be received through the magnetic coupling formed by the coil combination selected based on the signal strength packet.
  • the method receives an analog ping from each of the plurality of primary coils prior to receiving the digital ping signal, wherein the plurality of coil combinations comprises at least one primary having a response to the analog ping. It can be constructed from a coil.
  • the dual coil when the selected coil combination is a dual coil, includes at least one main coil for in-band communication and at least one adjacent coil for power transmission. can do.
  • an optimal multi-coil can be quickly selected.
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power system 10 according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power system 10 according to another embodiment.
  • 3A illustrates an embodiment of various electronic devices into which a wireless power transfer system is introduced.
  • 3B illustrates an example of a WPC NDEF in a wireless power transfer system.
  • 4A is a block diagram of a wireless power transfer system according to another embodiment.
  • 4B is a diagram illustrating an example of a Bluetooth communication architecture to which the present invention can be applied.
  • 4C is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to an example.
  • 4D is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to another example.
  • 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure.
  • FIG. 6 illustrates a power control control method according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram of a wireless power transmission apparatus according to another embodiment.
  • FIG 8 illustrates a wireless power receiver according to another embodiment.
  • FIG 9 illustrates a communication frame structure according to an embodiment.
  • FIG. 10 is a structure of a sync pattern according to an embodiment.
  • 11 is a diagram illustrating an operating state of a wireless power transmitter and a wireless power receiver in a shared mode according to an embodiment.
  • FIG. 12A and 12B are plan and side views illustrating a primary coil array and a shield member included in a wireless power transmitter according to an embodiment, and FIG. 12C is physical parameters of each primary coil.
  • 13A is a view for explaining various coil driving methods according to an example.
  • 13B illustrates an example of comparing the size of the charging region during driving of a single coil and driving a dual coil according to an example.
  • FIG. 14 is a flowchart of performing primary coil selection according to an embodiment.
  • FIG. 15 illustrates a process of acquiring a signal strength packet by performing a digital ping on each combination of the wireless power transmitter according to an example.
  • 16 is a flowchart of performing primary coil selection according to another embodiment.
  • 17 illustrates a combination of primary coils configured using only selectable primary coils according to an example.
  • FIG. 18 illustrates a process of acquiring a signal strength packet by performing a digital ping on each combination in a wireless power transmitter according to another example.
  • FIG. 19 illustrates an example of a method of setting a ping level, according to an exemplary embodiment.
  • wireless power refers to any form associated with an electric field, magnetic field, electromagnetic field, etc., transferred from a wireless power transmitter to a wireless power receiver without the use of physical electromagnetic conductors. It is used to mean the energy of.
  • Wireless power may be referred to as a wireless power signal, and may mean an oscillating magnetic flux enclosed by the primary coil and the secondary coil.
  • power conversion in a system is described herein to wirelessly charge devices including mobile phones, cordless phones, iPods, MP3 players, headsets, and the like.
  • the basic principles of wireless power transfer include, for example, a method of delivering power through magnetic coupling, a method of delivering power via radio frequency (RF), and a microwave. It includes both the method of delivering power through) and the method of delivering power via ultrasound.
  • RF radio frequency
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power system 10 according to one embodiment.
  • the wireless power system 10 includes a wireless power transmitter 100 and a wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter 100 generates a magnetic field by receiving power from an external power source S.
  • the wireless power receiver 200 generates a current by using the generated magnetic field to receive power wirelessly.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may transmit and receive various information required for wireless power transmission.
  • the communication between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may be performed in-band communication using a magnetic field used for wireless power transmission or out-band communication using a separate communication carrier. may be performed according to any one of out-band communication.
  • Out-band communication may be referred to as out-of-band communication. In the following description, the term is uniformly described as out-band communication. Examples of out-band communication may include NFC, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), and the like.
  • the wireless power transmission apparatus 100 may be provided in a fixed or mobile type.
  • the fixed type are embedded in furniture such as ceilings, walls, or tables in the interior, implants in outdoor parking lots, bus stops, subway stations, or in vehicles or trains. There is this.
  • the mobile wireless power transfer device 100 may be implemented as part of another device such as a mobile device of a movable weight or size or a cover of a notebook computer.
  • the wireless power receiver 200 should be interpreted as a comprehensive concept including various electronic devices including batteries and various home appliances which are driven and driven by wireless power instead of a power cable.
  • Representative examples of the wireless power receiver 200 include a mobile terminal, a cellular phone, a smart phone, a personal digital assistant (PDA), and a portable media player (PMP).
  • Portable Media Players Wibro terminals, tablets, tablets, notebooks, digital cameras, navigation terminals, televisions, and electric vehicles (EVs).
  • the wireless power receiver 200 may be one or plural.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 are represented as one-to-one power, but as shown in FIG. 2, one wireless power transmitter 100 is a plurality of wireless power receivers. It is also possible to deliver power to (200-1, 200-2, ..., 200-M).
  • one wireless power transmitter 100 may simultaneously or simultaneously transmit multiple wireless power receivers 200-1, 200-2, by applying a time division transmission scheme. ... 200-M) can deliver power.
  • FIG. 1 illustrates a state in which the wireless power transmitter 100 directly transfers power to the wireless power receiver 200
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 are wirelessly connected.
  • a separate wireless power transceiver may be provided, such as a relay or repeater, to increase the power transmission distance. In this case, power is transferred from the wireless power transmitter 100 to the wireless power transceiver, and the wireless power transceiver may transmit power to the wireless power receiver 200 again.
  • the wireless power receiver, the power receiver, and the receiver referred to herein refer to the wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter, power transmitter, and transmitter referred to in the present specification refer to the wireless power reception transmitter 100.
  • 3A illustrates an embodiment of various electronic devices into which a wireless power transfer system is introduced.
  • 3A illustrates electronic devices classified according to the amount of power transmitted and received in the wireless power transmission system.
  • wearable devices such as a smart watch, a smart glass, a head mounted display, and a smart ring and earphones, a remote controller, a smartphone, a PDA, a tablet
  • a small power (about 5W or less or about 20W or less) wireless charging method may be applied to mobile electronic devices (or portable electronic devices) such as a PC.
  • Medium and small household appliances such as laptops, robot cleaners, TVs, acoustic devices, cleaners, and monitors may be applied with a medium power (less than about 50W or less than about 200W) wireless charging scheme.
  • Personal mobile devices or electronic devices / means
  • blenders, microwave ovens, kitchen appliances such as electric cookers, wheelchairs, electric kickboards, electric bicycles, and electric vehicles are powered by high power (about 2 kW or less or 22 kW or less).
  • Wireless charging may be applied.
  • the electronic devices / moving means described above may each include a wireless power receiver described below. Therefore, the above-described electronic devices / moving means can be charged by receiving power wirelessly from the wireless power transmitter.
  • WPC wireless power consortium
  • AFA air fuel alliance
  • PMA power matters alliance
  • the WPC standard defines a baseline power profile (BPP) and an extended power profile (EPP).
  • BPP relates to a wireless power transmitter and receiver supporting 5W power transmission
  • EPP relates to a wireless power transmitter and receiver supporting power transmission in a range larger than 5W and smaller than 30W.
  • the WPC classifies wireless power transmitters and receivers into power class (PC) -1, PC0, PC1, and PC2, and provides standard documents for each PC.
  • PC power class
  • the PC-1 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide less than 5W of guaranteed power.
  • Applications of the PC-1 include wearable devices such as smart watches.
  • the PC0 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide 5W guaranteed power.
  • the PC0 standard includes EPP with guaranteed power up to 30W.
  • In-band (IB) communication is the mandatory communication protocol of PC0, but out-band (OB) communication, which is used as an optional backup channel, can also be used.
  • the wireless power receiver can identify whether or not the OB is supported by setting an OB flag in a configuration pack.
  • the wireless power transmitter supporting the OB may enter the OB handover phase by transmitting a bit pattern for OB handover as a response to the configuration packet.
  • the response to the configuration packet may be a NAK, ND or newly defined 8 bit pattern.
  • Applications of PC0 include smartphones.
  • the PC1 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide 30W to 150W of guaranteed power.
  • OB is an essential communication channel for PC1
  • IB is used as an initialization and link establishment to OB.
  • the wireless power transmitter may enter the OB handover phase using a bit pattern for OB handover as a response to the configuration packet.
  • Applications in PC1 include laptops and power tools.
  • the PC2 standard relates to wireless power transmitters and receivers that provide guaranteed power from 200W to 2kW. Applications include kitchen appliances.
  • PCs may be distinguished according to power levels, and whether to support compatibility between the same PCs may be optional or required.
  • compatibility between the same PCs means power transmission and reception between the same PCs.
  • the wireless power transmitter that is PC x is capable of charging the wireless power receiver having the same PC x
  • the compatibility between the same PCs may be maintained.
  • compatibility between different PCs may also be supported.
  • compatibility between different PCs means power transmission and reception between different PCs.
  • compatibility between different PCs may be maintained.
  • a lap-top charging wireless power receiver that can be reliably charged only when power is continuously transmitted is a wireless power transmitter of the same PC. Even so, there may be a problem in receiving power stably from a wireless power transmitter of an electric tool type that transmits power discontinuously.
  • a wireless power transmitter having a minimum guaranteed power of 200 W may transmit power to a wireless power receiver having a maximum guaranteed power of 5 W. There is a risk of breakage. As a result, PCs are unlikely to be indicators / criteria that represent / indicate compatibility.
  • Wireless transmit and receive devices can provide a very convenient user experience and interface (UX / UI). That is, the smart wireless charging service may be provided.
  • the smart wireless charging service may be implemented based on the UX / UI of the smart phone including the wireless power transmitter.
  • the interface between the smartphone's processor and the wireless charging receiver allows for "drop and play" bidirectional communication between the wireless power transmitter and the receiver.
  • a user may experience a smart wireless charging service at a hotel.
  • the wireless charger transmits the wireless power to the smartphone, and the smartphone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smartphone detects that the smartphone is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or when the smartphone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smartphone receives an agreement as an additional feature to the user. opt-in) is entered.
  • the smartphone may display a message on the screen in a manner with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include phrases such as "Welcome to ### hotel.
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone sends the information to the wireless charger. And smartphones and wireless chargers perform a smart charging function.
  • the smart wireless charging service may also include receiving WiFi credentials auto-filled.
  • the wireless charger transmits WiFi credentials to the smartphone, and the smartphone automatically enters the WiFi credentials received from the wireless charger by running the appropriate app.
  • the smart wireless charging service may also include running a hotel application that provides hotel promotions, or obtaining remote check in / check out and contact information.
  • a user may experience a smart wireless charging service in a vehicle.
  • the wireless charger transmits wireless power to the smartphone, and the smartphone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smartphone detects that it is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or when the smartphone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smartphone confirms the identity to the user. Enter the inquiry state.
  • the smartphone is automatically connected to the car via WiFi and / or Bluetooth.
  • the smartphone may display the message on the screen in a manner with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include phrases such as "Welcome to your car. Select" Yes "to synch device with in-car controls: Yes
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone sends the information to the wireless charger.
  • the smart phone and the wireless charger can perform in-vehicle smart control functions by driving in-vehicle application / display software. The user can enjoy the desired music and can check the regular map position.
  • In-vehicle application / display software may include the capability to provide a synchronized access for passers-by.
  • a user may experience smart wireless charging at home.
  • the wireless charger transmits the wireless power to the smartphone, and the smartphone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless charging service to the smartphone.
  • the smartphone detects that the smartphone is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or when the smartphone receives information about the smart wireless charging service from the wireless charger, the smartphone receives an agreement as an additional feature to the user. opt-in) is entered.
  • the smartphone may display a message on the screen in a manner with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include phrases such as "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building ?: Yes
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone sends the information to the wireless charger. Smartphones and wireless chargers can at least recognize the user's pattern and invite the user to lock the doors and windows, turn off the lights, or set an alarm.
  • a 'profile' will be newly defined as an index / standard representing / compatibility.
  • compatibility between wireless power transmitters and receivers having the same 'profile' is maintained to enable stable power transmission and reception, and power transmission and reception between wireless power transceivers having different 'profiles' may be interpreted as impossible.
  • Profiles may be defined depending on the application and / or compatibility, regardless of power class (or independently).
  • Profiles can be broadly divided into three categories: i) mobile and computing, ii) power tools, and iii) kitchens.
  • the profile can be divided into four categories: i) mobile, ii) power tools, iii) kitchen, and iv) wearable.
  • the PC may be defined as PC0 and / or PC1, the communication protocol / method as IB and OB, and the operating frequency as 87 to 205 kHz.
  • Examples of the application include a smartphone, a laptop-laptop, and the like. Can be.
  • the PC may be defined as PC1
  • the communication protocol / method as IB the operating frequency is 87 to 145 kHz.
  • Examples of the application may include a power tool.
  • the PC may be defined as PC2, the communication protocol / method is NFC-based, and the operating frequency is less than 100 kHz. Examples of the application may include a kitchen / home appliance.
  • NFC communication may be used between the wireless power transmitter and the receiver.
  • the wireless power transmitter and the receiver can confirm that they are NFC devices by exchanging WPC NDEF (NFC Data Exchange Profile Format).
  • WPC NDEF NFC Data Exchange Profile Format
  • the WPC NDEF may include an application profile field (eg 1B), a version field (eg 1B), and profile specific data (eg 1B) as shown in FIG. 3B.
  • the application profile field indicates whether the device is i) mobile and computing, ii) power tools, and iii) kitchen, the upper nibble of the version field indicates the major version and the lower nibble. (lower nibble) indicates a minor version.
  • Profile-specific data also defines the content for the kitchen.
  • the PC may be defined as PC-1, the communication protocol / method as an IB, and an operating frequency of 87 to 205 kHz, and an example of an application may include a wearable device worn on the user's body.
  • Maintaining compatibility between the same profiles may be mandatory, and maintaining compatibility between different profiles may be optional.
  • the above-described profiles may be generalized and expressed as the first to nth profiles, and new profiles may be added / replaced according to the WPC standard and the embodiment.
  • the wireless power transmitter selectively transmits power only to the wireless power receiver having the same profile as that of the wireless power transmitter, thereby enabling more stable power transmission.
  • the burden on the wireless power transmitter is reduced, and the power transmission to the incompatible wireless power receiver is not attempted, thereby reducing the risk of damage to the wireless power receiver.
  • PC1 in the 'mobile' profile can be defined by borrowing an optional extension such as OB based on PC0, and in the case of the 'power tool' profile, the PC1 'mobile' profile can simply be defined as a modified version.
  • the purpose of maintaining compatibility between the same profile is defined, but in the future, technology may be developed toward maintaining compatibility between different profiles.
  • the wireless power transmitter or the wireless power receiver may inform its counterpart of its profile through various methods.
  • the AFA standard refers to a wireless power transmitter as a power transmitting unit (PTU), a wireless power receiver as a power receiving unit (PRU), and PTUs are classified into a number of classes as shown in Table 1, and PRUs as shown in Table 2 It is classified into a number of categories.
  • PRU P RX_OUT_MAX Example application Category 1 TBD Bluetooth headset Category 2 3.5 W Feature Phone Category 3 6.5 W Smartphone Category 4 13 W Tablet, leaflet Category 5 25 W Small form factor laptops Category 6 37.5 W Generic laptop Category 7 50 W Home Appliances
  • the maximum output power capability (capability) of PTU class n is greater than or equal to P TX_IN_MAX value of the class.
  • the PRU may not draw more power than specified in that category.
  • 4A is a block diagram of a wireless power transfer system according to another embodiment.
  • the wireless power transmission system 10 includes a mobile device 450 that receives power wirelessly and a base station 400 that transmits power wirelessly.
  • the base station 400 is an apparatus for providing induced power or resonance power, and may include at least one wireless power transmitter 100 and a system unit 405.
  • the wireless power transmitter 100 may transmit induced power or resonant power and control transmission.
  • the wireless power transmitter 100 transmits power to an appropriate level and a power conversion unit 110 that converts electrical energy into a power signal by generating a magnetic field through a primary coil (s).
  • a communication / control unit 120 to control communication and power transfer with the wireless power receiver 200.
  • the system unit 405 may perform other operational control of the base station 400, such as input power provisioning, control of a plurality of wireless power transmitters, and user interface control.
  • the primary coil can generate an electromagnetic field using alternating current power (or voltage or current).
  • the primary coil may receive AC power (or voltage or current) of a specific frequency output from the power conversion unit 110, thereby generating a magnetic field of a specific frequency.
  • the magnetic field may be generated non-radially or radially, and the wireless power receiver 200 receives this to generate a current. In other words, the primary coil transmits power wirelessly.
  • the primary coil and the secondary coil may have any suitable forms, for example, copper wire wound around a high permeability formation such as, for example, ferrite or amorphous metal.
  • the primary coil may also be called a transmitting coil, a primary core, a primary winding, a primary loop antenna, or the like.
  • the secondary coil may be referred to as a receiving coil, a secondary core, a secondary winding, a secondary loop antenna, a pickup antenna, or the like. .
  • the primary coil and the secondary coil may be provided in the form of a primary resonance antenna and a secondary resonance antenna, respectively.
  • the resonant antenna may have a resonant structure including a coil and a capacitor.
  • the resonant frequency of the resonant antenna is determined by the inductance of the coil and the capacitance of the capacitor.
  • the coil may be in the form of a loop.
  • a core may be disposed inside the loop.
  • the core may include a physical core such as a ferrite core or an air core.
  • the resonance phenomenon refers to a phenomenon in which a high efficiency energy transfer occurs between two resonant antennas when two resonant antennas are coupled to each other when a near field corresponding to a resonant frequency occurs in one resonant antenna.
  • a magnetic field corresponding to a resonance frequency is generated between the primary resonance antenna and the secondary resonance antenna antenna, a phenomenon occurs in which the primary resonance antenna and the secondary resonance antenna resonate with each other.
  • the magnetic field is focused toward the secondary resonant antenna with higher efficiency than when the magnetic field is radiated into free space, and thus energy can be transferred from the primary resonant antenna to the secondary resonant antenna with high efficiency.
  • the magnetic induction method may be implemented similarly to the magnetic resonance method, but in this case, the frequency of the magnetic field does not need to be the resonance frequency. Instead, magnetic induction requires matching between the loops that make up the primary and secondary coils, and the spacing between the loops must be very close.
  • the wireless power transmitter 100 may further include a communication antenna.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals using communication carriers other than magnetic field communication.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the communication / control unit 120 may transmit / receive information with the wireless power receiver 200.
  • the communication / control unit 120 may include at least one of an IB communication module or an OB communication module.
  • the IB communication module may transmit and receive information using a magnetic wave having a specific frequency as a center frequency.
  • the communication / control unit 120 may perform in-band communication by loading information on magnetic waves through a primary coil or receiving magnetic waves containing information through a primary coil.
  • modulation schemes such as binary phase shift keying (BPSK) or amplitude shift keying (ASK) and Manchester coding or non-return-to-zero (NZR-L)
  • BPSK binary phase shift keying
  • ASK amplitude shift keying
  • NZR-L non-return-to-zero
  • the OB communication module may perform out-band communication via a communication antenna.
  • the communication / control unit 120 may be provided as a short range communication module.
  • Examples of a short range communication module include a communication module such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, NFC, and the like.
  • the communication / control unit 120 may control the overall operation of the wireless power transmitter 100.
  • the communication / control unit 120 may perform calculation and processing of various types of information and control each component of the wireless power transmission apparatus 100.
  • the communication / control unit 120 may be implemented in a computer or similar device using hardware, software, or a combination thereof.
  • the communication / control unit 120 may be provided in the form of an electronic circuit that processes an electrical signal to perform a control function.
  • the communication / control unit 120 may be configured to drive a hardware communication / control unit 120. Can be provided.
  • the communication / control unit 120 may control the transmit power by controlling the operating point.
  • the controlling operating point may correspond to a combination of frequency (or phase), duty cycle, duty ratio, and voltage amplitude.
  • the communication / control unit 120 may control the transmission power by adjusting at least one of frequency (or phase), duty cycle, duty ratio, and voltage amplitude.
  • the wireless power transmitter 100 may supply constant power
  • the wireless power receiver 200 may control the reception power by controlling the resonance frequency.
  • the mobile device 450 receives and stores the power received from the wireless power receiver 200 and the wireless power receiver 200 that receive the wireless power through the secondary coil. It includes a load (455) for supplying.
  • the wireless power receiver 200 may include a power pick-up unit 210 and a communication & control unit 220.
  • the power pickup unit 210 may receive wireless power through the secondary coil and convert the wireless power into electrical energy.
  • the power pickup unit 210 rectifies and converts an AC signal obtained through the secondary coil into a DC signal.
  • the communication / control unit 220 may control the transmission and reception (power transmission and reception) of wireless power.
  • the secondary coil may receive wireless power transmitted from the wireless power transmitter 100.
  • the secondary coil may receive power by using a magnetic field generated by the primary coil.
  • a specific frequency is a resonant frequency
  • a magnetic resonance phenomenon may occur between the primary coil and the secondary coil, so that power may be more efficiently transmitted.
  • the communication / control unit 220 may further include a communication antenna.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals using communication carriers other than magnetic field communication.
  • the communication antenna may transmit and receive communication signals such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the communication / control unit 220 may transmit / receive information with the wireless power transmitter 100.
  • the communication / control unit 220 may include at least one of an IB communication module or an OB communication module.
  • the IB communication module may transmit and receive information using a magnetic wave having a specific frequency as a center frequency.
  • the communication / control unit 220 may perform IB communication by loading information on magnetic waves through a secondary coil or receiving magnetic waves containing information through a secondary coil.
  • modulation schemes such as binary phase shift keying (BPSK) or amplitude shift keying (ASK) and Manchester coding or non-return-to-zero (NZR-L)
  • BPSK binary phase shift keying
  • ASK amplitude shift keying
  • NZR-L non-return-to-zero
  • the OB communication module may perform out-band communication via a communication antenna.
  • the communication / control unit 220 may be provided as a short range communication module.
  • Examples of a short range communication module include a communication module such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, NFC, and the like.
  • the communication / control unit 220 may control the overall operation of the wireless power receiver 200.
  • the communication / control unit 220 may perform calculation and processing of various types of information, and control each component of the wireless power receiver 200.
  • the communication / control unit 220 may be implemented in a computer or similar device using hardware, software, or a combination thereof.
  • the communication / control unit 220 may be provided in the form of an electronic circuit that processes an electrical signal to perform a control function.
  • the communication / control unit 220 may be configured to drive a hardware communication / control unit 220. Can be provided.
  • the communication / control unit 120 and the communication / control unit 220 are Bluetooth or Bluetooth LE as the OB communication module or the near field communication module
  • the communication / control unit 120 and the communication / control unit 220 are respectively shown in FIG. 4B. It can be implemented and operated with a communication architecture such as
  • 4B is a diagram illustrating an example of a Bluetooth communication architecture to which the present invention can be applied.
  • FIG. 4B illustrates an example of a protocol stack of Bluetooth Basic Rate (BR) / Enhanced Data Rate (EDR) supporting GATT, and (b) illustrates Bluetooth Low Energy (LE).
  • BR Basic Rate
  • EDR Enhanced Data Rate
  • LE Bluetooth Low Energy
  • the Bluetooth BR / EDR protocol stack includes a controller stack 460 and an upper controller stack based on a host controller interface (HCI) 18. It may include a host stack (470).
  • HCI host controller interface
  • the host stack (or host module) 470 refers to a wireless transceiver module receiving a 2.4 GHz Bluetooth signal and hardware for transmitting or receiving a Bluetooth packet, and the controller stack 460 is connected to a Bluetooth module to connect a Bluetooth module. Control and perform actions.
  • the host stack 470 may include a BR / EDR PHY layer 12, a BR / EDR baseband layer 14, and a link manager layer 16.
  • the BR / EDR PHY layer 12 is a layer for transmitting / receiving a 2.4 GHz radio signal and may transmit data by hopping 79 RF channels when using Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) modulation.
  • GFSK Gaussian Frequency Shift Keying
  • the BR / EDR baseband layer 14 plays a role of transmitting a digital signal, selects a channel sequence hopping 1400 times per second, and transmits a 625us length time slot for each channel.
  • the link manager layer 16 controls the overall operation (link setup, control, security) of the Bluetooth connection by using a link manager protocol (LMP).
  • LMP link manager protocol
  • the link manager layer 16 may perform the following functions.
  • the host controller interface layer 18 provides an interface between the host module and the controller module so that the host can provide commands and data to the controller, and the controller can provide events and data to the host.
  • the host stack (or host module) 20 may include a logical link control and adaptation protocol (L2CAP, 21), an attribute protocol (Protocol, 22), a generic attribute profile (GATT, 23), and a generic access profile. Profile, GAP, 24), BR / EDR profile 25.
  • L2CAP logical link control and adaptation protocol
  • Protocol 22
  • GATT generic attribute profile
  • GAP BR / EDR profile
  • the logical link control and adaptation protocol (L2CAP) 21 may provide one bidirectional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • the L2CAP 21 may multiplex various protocols, profiles, etc. provided by a higher layer of Bluetooth.
  • L2CAP of Bluetooth BR / EDR uses dynamic channel, supports protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode, and provides segmentation, reassembly, per-channel flow control, and error control.
  • the generic attribute profile (GATT) 23 may be operable as a protocol describing how the attribute protocol 22 is used in the construction of services.
  • the general attribute profile 23 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe features associated with the services.
  • the generic attribute profile 23 and the attribute protocol ATT 22 may use features to describe the state and services of a device and to describe how features relate to each other and how they are used.
  • the attribute protocol 22 and the BR / EDR profile 25 define a service profile using Bluet BR / EDR and an application protocol for sending and receiving these data, and the generic access profile.
  • GAP, 24 define device discovery, connectivity, and security levels.
  • the Bluetooth LE protocol stack is a controller stack 480 operable to handle timing critical radio interface and a host stack operable to process high level data. (Host stack, 490).
  • the controller stack 480 may be implemented using a communication module that may include a Bluetooth radio, eg, a processor module that may include a processing device such as a microprocessor.
  • the host stack 490 may be implemented as part of an OS running on a processor module, or as an instance of a package on the OS.
  • controller stack and the host stack can be operated or executed on the same processing device in the processor module.
  • the controller stack 480 includes a physical layer (PHY) 32, a link layer 34, and a host controller interface 36.
  • PHY physical layer
  • link layer 34 link layer
  • host controller interface 36 host controller interface
  • the physical layer (PHY) 32 is a layer that transmits and receives a 2.4 GHz radio signal and uses GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation and a frequency hopping technique composed of 40 RF channels.
  • GFSK Gausian Frequency Shift Keying
  • the link layer 34 which transmits or receives a Bluetooth packet, creates a connection between devices after performing advertising and scanning functions using three advertising channels, and generates up to 257 bytes of data packets through 37 data channels. Provides the ability to send and receive.
  • the host stack includes a generic access profile (GAP) 40, a logical link control and adaptation protocol (L2CAP, 41), a security manager (SM, 42), an attribute protocol (ATT, 440), and a general attribute profile.
  • GAP generic access profile
  • L2CAP logical link control and adaptation protocol
  • SM security manager
  • ATT attribute protocol
  • 440 general attribute profile
  • GATT Generic Attribute Profile
  • GATT Generic Access Profile
  • LT profile 46 may be included.
  • the host stack 490 is not limited thereto and may include various protocols and profiles.
  • the host stack uses L2CAP to multiplex the various protocols, profiles, etc. provided by Bluetooth.
  • L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol 41 may provide one bidirectional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • the L2CAP 41 may be operable to multiplex data among higher layer protocols, segment and reassemble packages, and manage multicast data transmission.
  • Bluetooth LE In Bluetooth LE, three fixed channels (one for the signaling channel, one for the Security Manager, and one for the Attribute protocol) are used by default. And, if necessary, the dynamic channel may be used.
  • BR / EDR Base Rate / Enhanced Data Rate
  • the SM (Security Manager) 42 is a protocol for authenticating a device and providing key distribution.
  • Attribute Protocol (ATT) 43 defines a rule for accessing data of a counterpart device in a server-client structure. ATT has six message types (Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation).
  • the Request message is a message for requesting and delivering specific information from the client device to the server device
  • the Response message is a response message for the request message, which can be used for transmission from the server device to the client device.
  • Command message A message sent mainly from the client device to the server device to indicate a command of a specific operation.
  • the server device does not transmit a response to the command message to the client device.
  • Notification message This message is sent from the server device to the client device for notification such as an event.
  • the client device does not transmit a confirmation message for the notification message to the server device.
  • Indication and Confirm message This message is transmitted from the server device to the client device for notification such as an event. Unlike the notification message, the client device transmits a confirmation message for the Indication message to the server device.
  • the present invention transmits a value for the data length when a long data request is made in the GATT profile using the attribute protocol (ATT, 43) so that the client can know the data length clearly, and from the server using the UUID (Characteristic) Can receive the value.
  • ATT attribute protocol
  • UUID Consumer User Data
  • the General Access Profile (GAP) 45 is a newly implemented layer for Bluetooth LE technology, and is used to control role selection and multi-profile operation for communication between Bluetooth LE devices.
  • the general access profile 45 is mainly used for device discovery, connection creation, and security procedures, and defines a method of providing information to a user, and defines the type of an attribute as follows.
  • UUID Universal Unique Identifier, value type
  • the LE profile 46 is mainly applied to a Bluetooth LE device as profiles having a dependency on GATT.
  • the LE profile 46 may include, for example, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time, and the like. Details of GATT-based Profiles are as follows.
  • the generic attribute profile GATT 44 may be operable as a protocol describing how the attribute protocol 43 is used in the construction of services.
  • the generic attribute profile 44 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe features associated with the services.
  • the generic attribute profile 44 and the attribute protocol may use features to describe the state and services of a device, and how features relate to each other and how they are used.
  • the BLE procedure may be classified into a device filtering procedure, an advertising procedure, a scanning procedure, a discovery procedure, a connecting procedure, and the like.
  • the device filtering procedure is a method for reducing the number of devices performing a response to a request, an indication, a notification, and the like in the controller stack.
  • the controller stack can control the number of requests sent, reducing power consumption in the BLE controller stack.
  • the advertising device or scanning device may perform the device filtering procedure to limit the device receiving the advertising packet, scan request or connection request.
  • the advertising device refers to a device that transmits an advertising event, that is, performs an advertisement, and is also referred to as an advertiser.
  • the scanning device refers to a device that performs scanning and a device that transmits a scan request.
  • the scanning device when the scanning device receives some advertising packets from the advertising device, the scanning device should send a scan request to the advertising device.
  • the scanning device may ignore the advertisement packets transmitted from the advertisement device.
  • the device filtering procedure may also be used in the connection request process. If device filtering is used in the connection request process, it is not necessary to transmit a response to the connection request by ignoring the connection request.
  • the advertising device performs an advertising procedure to perform a non-directional broadcast to the devices in the area.
  • undirected advertising is advertising directed to all (all) devices, not broadcast to a specific device, and all devices scan advertising to request additional information. You can make a connection request.
  • the device designated as the receiving device can scan an advertising and request an additional information or a connection request.
  • the advertising procedure is used to establish a Bluetooth connection with a nearby initiating device.
  • the advertising procedure may be used to provide periodic broadcast of user data to the scanning devices that are listening on the advertising channel.
  • the advertising devices may receive a scan request from listening devices that are listening to obtain additional user data from the advertising device.
  • the advertising device transmits a response to the scan request to the device that sent the scan request through the same advertising physical channel as the received advertising physical channel.
  • Broadcast user data sent as part of an advertisement packet is dynamic data, while scan response data is generally static data.
  • the advertising device may receive a connection request from the initiating device on the advertising (broadcast) physical channel. If the advertising device used a connectable advertising event and the initiating device was not filtered by the device filtering procedure, the advertising device stops the advertising and enters the connected mode. The advertising device may start advertising again after the connected mode.
  • the device performing the scanning i.e., the scanning device, performs a scanning procedure to listen to the non-directional broadcast of the user data from the advertising devices using the advertising physical channel.
  • the scanning device sends a scan request to the advertising device via the advertising physical channel to request additional data from the advertising device.
  • the advertising device transmits a scan response that is a response to the scan request, including additional data requested by the scanning device over the advertising physical channel.
  • the scanning procedure can be used while connected to other BLE devices in the BLE piconet.
  • the scanning device If the scanning device is in an initiator mode that can receive the broadcasted advertising event and initiate a connection request, the scanning device sends the connection request to the advertising device via the advertising physical channel to the advertising device. You can start a Bluetooth connection with.
  • the scanning device When the scanning device sends a connection request to the advertising device, the scanning device stops initiator mode scanning for further broadcast and enters the connected mode.
  • 'Bluetooth devices' Devices capable of Bluetooth communication (hereinafter referred to as 'Bluetooth devices') perform an advertisement procedure and a scanning procedure to find devices that are nearby or to be found by other devices within a given area.
  • the discovery procedure is performed asymmetrically.
  • a Bluetooth device that attempts to find another device around it is called a discovering device and listens for devices that advertise a scannable advertisement event.
  • Bluetooth devices discovered and available from other devices are referred to as discoverable devices, and actively broadcast advertising events so that other devices can scan through an advertising (broadcast) physical channel.
  • Both the discovering device and the discoverable device may already be connected with other Bluetooth devices in the piconet.
  • connection procedure is asymmetric, and the connection procedure requires the other Bluetooth device to perform the scanning procedure while the specific Bluetooth device performs the advertisement procedure.
  • the advertising procedure can be the goal, so that only one device will respond to the advertising.
  • the connection may be initiated by sending a connection request to the advertising device via the advertising (broadcast) physical channel.
  • the link layer LL enters the advertisement state by the instruction of the host (stack). If the link layer is in the advertisement state, the link layer sends advertisement packet data units (PDUs) in the advertisement events.
  • PDUs advertisement packet data units
  • Each advertising event consists of at least one advertising PDU, which is transmitted via the advertising channel indexes used.
  • the advertisement event may terminate when the advertisement PDU is transmitted through each of the advertisement channel indexes used, or may terminate the advertisement event earlier when the advertisement device needs to make space for performing another function.
  • the link layer enters the scanning state by the indication of the host (stack). In the scanning state, the link layer listens for advertising channel indices.
  • scanning states There are two types of scanning states: passive scanning and active scanning, each scanning type being determined by the host.
  • ScanInterval is defined as the interval (interval) between the starting points of two consecutive scan windows.
  • the link layer must listen for completion of all scan intervals in the scan window as instructed by the host. In each scan window, the link layer must scan a different advertising channel index. The link layer uses all available advertising channel indexes.
  • the link layer When passive scanning, the link layer only receives packets and does not transmit any packets.
  • the link layer When active scanning, the link layer performs listening to rely on the advertising PDU type, which may request advertising PDUs and additional information related to the advertising device from the advertising device.
  • the link layer enters the initiation state by the indication of the host (stack).
  • the link layer When the link layer is in the initiating state, the link layer performs listening for the advertising channel indexes.
  • the link layer listens for the advertising channel index during the scan window period.
  • the link layer enters the connected state when the device performing the connection request, i.e., the initiating device, sends the CONNECT_REQ PDU to the advertising device or when the advertising device receives the CONNECT_REQ PDU from the initiating device.
  • connection After entering the connected state, the connection is considered to be created. However, it does not need to be considered to be established at the time the connection enters the connected state. The only difference between the newly created connection and the established connection is the link layer connection supervision timeout value.
  • the link layer that performs the master role is called a master, and the link layer that performs the slave role is called a slave.
  • the master controls the timing of the connection event, and the connection event is the point in time when the master and the slave are synchronized.
  • BLE devices use the packets defined below.
  • the link layer has only one packet format used for both advertisement channel packets and data channel packets.
  • Each packet consists of four fields: Preamble, Access Address, PDU, and CRC.
  • the PDU When one packet is sent on an advertising channel, the PDU will be an advertising channel PDU, and when one packet is sent on a data channel, the PDU will be a data channel PDU.
  • the advertising channel PDU Packet Data Unit
  • PDU Packet Data Unit
  • the PDU type field of the advertising channel PDU included in the header indicates a PDU type as defined in Table 3 below.
  • Modulation level Number of cycles per bit 0 (default) 256 One 128 2 64 3 32 4 16 5 8
  • advertising channel PDU types are called advertising PDUs and are used in specific events.
  • ADV_IND Connectable Non-Oriented Ads Event
  • ADV_DIRECT_IND Connectable Directional Advertising Event
  • ADV_NONCONN_IND Non-Connectable Non-Oriented Ads Event
  • ADV_SCAN_IND Scannable Non-Oriented Ads Event
  • the PDUs are transmitted at the link layer in the advertisement state and received by the link layer in the scanning state or initiating state.
  • the advertising channel PDU type below is called a scanning PDU and is used in the state described below.
  • SCAN_REQ Sent by the link layer in the scanning state and received by the link layer in the advertising state.
  • SCAN_RSP Sent by the link layer in the advertising state and received by the link layer in the scanning state.
  • the advertising channel PDU type below is called the initiating PDU.
  • CONNECT_REQ Sent by the link layer in the initiating state and received by the link layer in the advertising state.
  • the data channel PDU has a 16-bit header, payloads of various sizes, and may include a message integrity check (MIC) field.
  • MIC message integrity check
  • the procedure, state, packet format, etc. in the BLE technology may be applied to perform the methods proposed herein.
  • the load 455 may be a battery.
  • the battery may store energy using the power output from the power pickup unit 210.
  • the battery does not necessarily need to be included in the mobile device 450.
  • the battery may be provided in an external configuration of a removable form.
  • the wireless power receiver 200 may include driving means for driving various operations of the electronic device instead of a battery.
  • the mobile device 450 is illustrated to include a wireless power receiver 200
  • the base station 400 is illustrated to include a wireless power transmitter 100, but in a broad sense, the wireless power receiver ( 200 may be identified with the mobile device 450 and the wireless power transmitter 100 may be identified with the base station 400.
  • wireless power transmission including the communication / control unit 120 is performed.
  • the wireless power receiver 200 including the device 100 and the communication / control unit 220 may be represented by a simplified block diagram as shown in FIG. 4C.
  • 4C is a block diagram illustrating a wireless power transmission system using BLE communication according to an example.
  • the wireless power transmitter 100 includes a power conversion unit 110 and a communication / control unit 120.
  • the communication / control unit 120 includes an in-band communication module 121 and a BLE communication module 122.
  • the wireless power receiver 200 includes a power pickup unit 210 and a communication / control unit 220.
  • the communication / control unit 220 includes an in-band communication module 221 and a BLE communication module 222.
  • the BLE communication modules 122, 222 perform the architecture and operation according to FIG. 4B.
  • the BLE communication modules 122 and 222 may be used to establish a connection between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 and exchange packets and control information necessary for wireless power transmission. have.
  • the communication / control unit 120 may be configured to operate a profile for wireless charging.
  • the profile for wireless charging may be a GATT using BLE transmission.
  • the communication / control units 120 and 220 include only in-band communication modules 121 and 221, respectively, as shown in FIG. 4D, and the BLE communication modules 122 and 222 may include the communication / control units 120, It is also possible to form separate from the 220).
  • the coil or coil unit may be referred to as a coil assembly, a coil cell, or a cell including the coil and at least one element adjacent to the coil.
  • 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure.
  • power transmission from a wireless power transmitter to a receiver is largely selected in a selection phase 510, a ping phase 520, an identification and configuration phase. and configuration phase (530), negotiation phase (negotiation phase, 540), calibration phase (calibration phase, 550), power transfer phase (power transfer phase, 560) and renegotiation phase (renegotiation phase, 570). .
  • the selection step 510 is a step of transitioning when a specific error or a specific event is detected while initiating or maintaining power transmission, for example, including reference numerals S502, S504, S508, S510 and S512. Can be.
  • the wireless power transmitter may monitor whether an object exists on the interface surface. If the wireless power transmitter detects that an object is placed on the interface surface, it may transition to the ping step 520.
  • the wireless power transmitter transmits an analog ping signal, which is a power signal (or pulse) corresponding to a very short duration, and a current of a transmitting coil or a primary coil. Based on the change, it can detect whether an object exists in the active area of the interface surface.
  • the wireless power transmitter may measure a quality factor of the wireless power resonant circuit (eg, the power transmission coil and / or the resonant capacitor).
  • a quality factor may be measured to determine whether a wireless power receiver is placed together with a foreign material in the charging area.
  • inductance and / or series resistance components in the coil may be reduced due to environmental changes, thereby reducing the quality factor value.
  • the wireless power transmitter may receive a reference quality factor value measured in advance from the wireless power receiver in a state where no foreign matter is disposed in the charging area.
  • the presence of the foreign matter may be determined by comparing the reference quality factor value received in the negotiation step 540 with the measured quality factor value.
  • a wireless power receiver having a low reference quality factor value for example, a specific wireless power receiver may have a low reference quality factor value depending on the type, use, and characteristics of the wireless power receiver. In this case, there is no big difference between the measured quality factor value and the reference quality factor value, so it may be difficult to determine the presence of foreign substances. Therefore, other judgment factors should be considered or other methods should be used to determine the presence of foreign substances.
  • a quality factor value in a specific frequency region may be measured to determine whether the object is disposed with a foreign substance in the charging region.
  • the inductance and / or the series resistance component in the coil may be reduced due to environmental changes, and thus the resonance frequency of the coil of the wireless power transmitter may be changed (shifted). That is, the quality factor peak frequency, which is the frequency at which the maximum quality factor value in the operating frequency band is measured, may be shifted.
  • step 520 when the object is detected, the wireless power transmitter wakes up the receiver and transmits a digital ping to identify whether the detected object is a wireless power receiver. If the wireless power transmitter does not receive a response signal (eg, a signal strength packet) for the digital ping from the receiver in the ping step 520, it may transition back to the selection step 510. In addition, in the ping step 520, if the wireless power transmitter receives a signal indicating that power transmission is completed, that is, a charging completion packet, it may transition to the selection step 510.
  • a response signal eg, a signal strength packet
  • the wireless power transmitter may transition to the identification and configuration step 530 for identifying the receiver and collecting receiver configuration and status information.
  • the wireless power transmitter receives an unexpected packet, a desired packet has not been received for a predefined time, a packet transmission error, or a transmission error. If a power transfer contract is not established (no power transfer contract) it may transition to selection step 510.
  • the wireless power transmitter may check whether entry into the negotiation step 540 is necessary based on a negotiation field value of the configuration packet received in the identification and configuration step 530. As a result of the check, if negotiation is necessary, the wireless power transmitter may enter a negotiation step 540 and perform a predetermined FOD detection procedure. On the other hand, if it is determined that negotiation is not necessary, the wireless power transmitter may directly enter the power transmission step 560.
  • the wireless power transmitter may receive a Foreign Object Detection (FOD) status packet including a reference quality factor value.
  • FOD status packet including the reference peak frequency value may be received.
  • a status packet including a reference quality factor value and a reference peak frequency value may be received.
  • the wireless power transmitter may determine a quality factor threshold for FO detection based on a reference quality factor value.
  • the wireless power transmitter may determine a peak frequency threshold for FO detection based on the reference peak frequency value.
  • the wireless power transmitter may detect whether the FO exists in the charging region by using the determined quality factor threshold for detecting the FO and the currently measured quality factor value (the quality factor value measured before the ping step). Accordingly, power transmission can be controlled. For example, when the FO is detected, power transmission may be stopped, but is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter may detect whether the FO exists in the charging region by using the determined peak frequency threshold for detecting the FO and the currently measured peak frequency value (the peak frequency value measured before the ping step). Accordingly, power transmission can be controlled. For example, when the FO is detected, power transmission may be stopped, but is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter may return to selection step 510.
  • the wireless power transmitter may enter the power transmission step 560 through the correction step 550.
  • the wireless power transmitter determines the strength of the power received at the receiver in the correction step 550, and determines the strength of the power transmitted by the transmitter.
  • the power loss at the transmitter can be measured. That is, the wireless power transmitter may predict the power loss based on the difference between the transmit power of the transmitter and the receive power of the receiver in the correction step 550.
  • the wireless power transmitter according to an embodiment may correct the threshold for detecting the FOD by reflecting the predicted power loss.
  • the wireless power transmitter receives an unexpected packet, a desired packet has not been received for a predefined time, or a violation of a preset power transmission contract occurs. Power transfer contract violation or, if charging is complete, transition to optional step 510.
  • the wireless power transmitter may transition to the renegotiation step 570, if it is necessary to reconfigure the power transmission contract in accordance with the state change of the wireless power transmitter. At this time, if the renegotiation is normally completed, the wireless power transmitter may return to the power transmission step (560).
  • the correction step 550 and the power transfer step 560 are divided into separate steps, but the correction step 550 may be integrated into the power transfer step 560. In this case, the correction step 550 The operations may be performed at power transfer step 560.
  • the power transmission contract may be set based on state and characteristic information of the wireless power transmitter and the receiver.
  • the wireless power transmitter state information may include information about the maximum amount of power that can be transmitted, information about the maximum number of receivers that can be accommodated, and the receiver state information may include information about required power.
  • FIG. 6 illustrates a power control control method according to an embodiment.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may control the amount of power delivered by performing communication in parallel with power transmission and reception.
  • the wireless power transmitter and the wireless power receiver operate at specific control points.
  • the control point represents the combination of voltage and current provided at the output of the wireless power receiver when power delivery is performed.
  • the wireless power receiver selects the desired control point-the desired output current / voltage, the temperature at a particular location of the mobile device, and additionally the actual control point currently operating. Is determined.
  • the wireless power receiver may calculate a control error value using a desired control point and an actual control point, and transmit the control error value to the wireless power transmitter as a control error packet.
  • the wireless power transmitter may control power delivery by setting / controlling a new operation point—amplitude, frequency, and duty cycle—using the received control error packet. Therefore, the control error packet is transmitted / received at predetermined time intervals in the strategy delivery step.
  • the wireless power receiver attempts to reduce the current of the wireless power transmitter to a negative control error value and to increase the current. The value can be set to a positive number to send.
  • the wireless power receiver may control power transfer by transmitting a control error packet to the wireless power transmitter.
  • the resonance mode may operate in a manner different from that of the induction mode.
  • one wireless power transmitter should be able to simultaneously serve a plurality of wireless power receivers.
  • the wireless power transmitter commonly transmits basic power, and uses a method of controlling the amount of power received by the wireless power receiver by controlling its resonance frequency.
  • the method described with reference to FIG. 6 is not completely excluded even in the operation of the resonance mode, and the additional transmission power may be controlled by the method of FIG. 6.
  • the shared mode may refer to a mode in which one-to-many communication and charging are performed between the wireless power transmitter and the wireless power receiver.
  • the shared mode may be implemented by a magnetic induction method or a resonance method.
  • the wireless power transmitter 700 includes a cover 720 covering a coil assembly, a power adapter 730 for supplying power to the power transmitter 740, a power transmitter 740 for transmitting wireless power, or It may include at least one of the user interface 750 for providing power delivery progress and other related information.
  • the user interface 750 may be optional or may be included as another user interface 750 of the wireless power transmission apparatus 700.
  • the power transmitter 740 may include at least one of the coil assembly 760, the impedance matching circuit 770, the inverter 780, the communication unit 790, or the control unit 710.
  • Coil assembly 760 includes at least one primary coil that generates a magnetic field, which may be referred to as a coil cell.
  • Impedance matching circuit 770 may provide impedance matching between the inverter and the primary coil (s). Impedance matching circuit 770 may generate resonance at a suitable frequency that boosts the primary coil current.
  • the impedance matching circuit in the multi-coil power transmitter 740 may further include a multiplex that routes the signal to a subset of primary coils in the inverter.
  • the impedance matching circuit may be referred to as a tank circuit.
  • the impedance matching circuit 770 may include a capacitor, an inductor, and a switching element for switching their connection.
  • the impedance matching detects the reflected wave of the wireless power transmitted through the coil assembly 760, and switches the switching element based on the detected reflected wave to adjust the connection state of the capacitor or the inductor, adjust the capacitance of the capacitor, or the inductance of the inductor. This can be done by adjusting.
  • the impedance matching circuit 770 may be omitted, and the present specification also includes an embodiment of the wireless power transmitter 700 in which the impedance matching circuit 770 is omitted.
  • Inverter 780 may convert the DC input into an AC signal. Inverter 780 may be driven half-bridge or full-bridge to generate pulse waves and duty cycles of adjustable frequency. The inverter may also include a plurality of stages to adjust the input voltage level.
  • the communication unit 790 can perform communication with the power receiver.
  • the power receiver performs load modulation to communicate requests and information to the power transmitter.
  • the power transmitter 740 may use the communication unit 790 to monitor the amplitude and / or phase of the current and / or voltage of the primary coil to demodulate the data transmitted by the power receiver.
  • the power transmitter 740 may control the output power to transmit data by using a frequency shift keying (FSK) scheme through the communication unit 790.
  • FSK frequency shift keying
  • the control unit 710 may control communication and power delivery of the power transmitter 740.
  • the control unit 710 may control the power transmission by adjusting the operating point described above.
  • the operating point may be determined by at least one of an operating frequency, a duty cycle, and an input voltage, for example.
  • the communication unit 790 and the control unit 710 may be provided as separate units / devices / chipsets or may be provided as one unit / device / chipsets.
  • FIG. 8 illustrates a wireless power receiver according to another embodiment. It may belong to a wireless power transfer system in a self-resonant or shared mode.
  • the wireless power receiver 800 includes a user interface 820 for providing power delivery progress and other related information, a power receiver 830 for receiving wireless power, a load circuit 840, or a coil assembly. It may include at least one of the base 850 supporting and covering. In particular, the user interface 820 may be optional or may be included as another user interface 82 of the power receiving equipment.
  • the power receiver 830 may include at least one of the power converter 860, the impedance matching circuit 870, the coil assembly 880, the communication unit 890, or the control unit 810.
  • the power converter 860 may convert AC power received from the secondary coil to a voltage and current suitable for the load circuit.
  • the power converter 860 may include a rectifier.
  • the rectifier may rectify the received wireless power and convert it from AC to DC.
  • Rectifiers can convert alternating current into direct current using diodes or transistors, and smooth them using capacitors and resistors.
  • a full-wave rectifier, a half-wave rectifier, a voltage multiplier, or the like implemented by a bridge circuit may be used.
  • the power converter may adapt the reflected impedance of the power receiver.
  • Impedance matching circuit 870 may provide impedance matching between the combination of power converter 860 and load circuit 840 and the secondary coil. As an embodiment, the impedance matching circuit can generate a resonance near 100 kHz that can enhance power transfer.
  • the impedance matching circuit 870 may be composed of a switching element for switching a capacitor, an inductor, and a combination thereof. The matching of the impedance may be performed by controlling the switching elements of the circuit constituting the impedance matching circuit 870 based on the voltage value, current value, power value, frequency value, etc. of the received wireless power. In some cases, the impedance matching circuit 870 may be omitted, and the present specification also includes an embodiment of the wireless power receiver 200 in which the impedance matching circuit 870 is omitted.
  • the coil assembly 880 includes at least one secondary coil and may optionally further include an element that shields a metal part of the receiver from the magnetic field.
  • the communication unit 890 can perform load modulation to communicate requests and other information to the power transmitter.
  • the power receiver 830 may switch a resistor or a capacitor to change the reflection impedance.
  • the control unit 810 may control the received power. To this end, the control unit 810 may determine / calculate a difference between an actual operating point of the power receiver 830 and a desired operating point. The control unit 810 may adjust / reduce the difference between the actual operating point and the desired operating point by performing the adjustment of the reflection impedance of the power transmitter and / or the operation point adjustment request of the power transmitter. Minimizing this difference can achieve optimal power reception.
  • the communication unit 890 and the control unit 810 may be provided as separate devices / chipsets or may be provided as one device / chipset.
  • FIG 9 illustrates a communication frame structure according to an embodiment. This may be a communication frame structure in shared mode.
  • a slotted frame having a plurality of slots such as (A) and a free format frame having no specific form such as (B) may be used.
  • the slot frame is a frame for the transmission of short data packets from the wireless power receiver 200 to the wireless power transmitter 100, and the free form frame does not have a plurality of slots, The frame may be transmitted.
  • the slot frame and the free form frame may be changed to various names by those skilled in the art.
  • the slot frame may be renamed as a channel frame and the free frame may be changed to a message frame.
  • the slot frame may include a sync pattern indicating the start of a slot, a measurement slot, nine slots, and additional sync patterns having the same time interval before each of the nine slots.
  • the additional sync pattern is a sync pattern different from the sync pattern indicating the start of the frame described above. More specifically, the additional sync pattern may indicate information related to adjacent slots (ie, two consecutive slots located next to the sync pattern) without indicating the start of the frame.
  • a sync pattern may be positioned between two consecutive slots of the nine slots.
  • the sync pattern may provide information related to the two consecutive slots.
  • the nine slots and the sync patterns provided in advance of each of the nine slots may have the same time interval.
  • the nine slots may have a time interval of 50 ms.
  • the nine sync patterns may have a time length of 50 ms.
  • the free-form frame as shown in (B) may not have a specific shape other than the sync pattern and the measurement slot indicating the start of the frame. That is, the free-form frame is to play a different role than the slot frame, for example, long data packets (eg, additional owner information packets) between the wireless power transmitter and the wireless power receiver.
  • the coil may be used for selecting any one of a plurality of coils.
  • FIG. 10 is a structure of a sync pattern according to an embodiment.
  • the sync pattern includes a preamble, a start bit, a response field, a type field, an information field, and a parity bit. Can be.
  • the start bit is shown as ZERO.
  • the preamble consists of consecutive bits and may be set to all zeros. That is, the preamble may be bits for adjusting the time length of the sync pattern.
  • the number of bits constituting the preamble may be dependent on the operating frequency such that the length of the sync pattern is closest to 50 ms, but not exceeding 50 ms.
  • the sync pattern may consist of two preamble bits, and when the operating frequency is 105 kHz, the sync pattern may consist of three preamble bits.
  • the start bit is a bit following the preamble and may mean zero.
  • the zero may be a bit indicating the type of sync pattern.
  • the type of sync pattern may include a frame sync including frame related information and a slot sync including slot information. That is, the sync pattern is located between successive frames, and is a frame sync indicating the start of a frame, or is located between successive slots among a plurality of slots constituting a frame, and includes information related to the successive slots. It may be a slot sync.
  • the slot is a slot sync, located between the slot and the slot, and if 1, the sync pattern is a frame sync located between the frame and the frame.
  • the parity bit is the last bit of the sync pattern and may indicate information on the number of bits constituting data fields (ie, response field, type field, and information field) of the sync pattern.
  • the parity bit may be 1 when the number of bits constituting the data fields of the sync pattern is even, and in other cases (ie, odd), 0.
  • the Response field may include response information of the wireless power transmitter for communication with the wireless power receiver in the slot before the sync pattern.
  • the response field may have '00' when the performance of communication with the wireless power receiver is not detected.
  • the response field may have '01' when a communication error is detected during communication with the wireless power receiver.
  • the communication error may be a case where two or more wireless power receivers attempt to access one slot, and thus a collision between two or more wireless power receivers occurs.
  • the response field may include information indicating whether the data packet is correctly received from the wireless power receiver. More specifically, the response field is "10" (10-not acknowledge, NAK) when the wireless power transmitter denies the data packet, and when the wireless power transmitter confirms the data packet. , "11" (11-acknowledge, ACK).
  • the type field may indicate the type of sync pattern. More specifically, the type field may have a '1' indicating that the sync pattern is a frame sync when the sync pattern is the first sync pattern of the frame (ie, the first sync pattern of the frame, located before the measurement slot).
  • the type field may have '0' indicating that the sync is a slot sync when the sync pattern is not the first sync pattern of the frame in the slot frame.
  • the meaning of the value of the information field may be determined according to the type of the sync pattern indicated by the type field. For example, when the type field is 1 (that is, indicating a frame sync), the meaning of the information field may indicate the type of the frame. That is, the information field may indicate whether the current frame is a slotted frame or a free-format frame. For example, when the information field is '00', the slot frame may be indicated, and when the information field is '01', the free frame may be indicated.
  • the information field may indicate a state of a next slot located behind the sync pattern. More specifically, the information field is '00' if the next slot is an allocated slot to a specific wireless power receiver, if the slot is locked for temporary use by a specific wireless power receiver, '01', or if any wireless power receiver is a slot freely available, may have a '10'.
  • 11 is a diagram illustrating an operating state of a wireless power transmitter and a wireless power receiver in a shared mode according to an embodiment.
  • the wireless power receiver operating in the shared mode includes a selection phase 1100, an introduction phase 1110, a configuration phase 1120, and a negotiation state. It may operate in any one of a (Negotiation Phase) 1130 and a Power Transfer Phase 1140.
  • the wireless power transmitter may transmit a wireless power signal to detect the wireless power receiver. That is, the process of detecting the wireless power receiver using the wireless power signal may be referred to as analog ping.
  • the wireless power receiver that receives the wireless power signal may enter the selection state 1100.
  • the wireless power receiver entering the selection state 1100 may detect the presence of the FSK signal on the wireless power signal.
  • the wireless power receiver may perform communication in either of the exclusive mode or the shared mode according to the presence of the FSK signal.
  • the wireless power receiver may operate in the shared mode if the FSK signal is included in the wireless power signal, and may operate in the exclusive mode.
  • the wireless power receiver When the wireless power receiver operates in the shared mode, the wireless power receiver may enter the introduction state 1110. In the introductory state 1110, the wireless power receiver may transmit a control information packet to the wireless power transmitter to transmit a control information packet (CI) in a setup state, a negotiation state, and a power transfer state.
  • the control information packet may have information related to a header and control. For example, the control information packet may have a header of 0X53.
  • the wireless power receiver performs an attempt to request a free slot to transmit a control information (CI) packet through the following configuration, negotiation, and power transmission steps.
  • the wireless power receiver selects a free slot and transmits the first CI packet. If the wireless power transmitter responds with an ACK to the corresponding CI packet, the wireless power transmitter enters the configuration step. If the wireless power transmitter responds with a NACK, another wireless power receiver is in the process of configuration and negotiation. In this case, the wireless power receiver retries the request of the free slot.
  • CI control information
  • the wireless power receiver determines the position of the private slot in the frame by counting the remaining slot sinks up to the first frame sink. In all subsequent slot based frames, the wireless power receiver transmits the CI packet through that slot.
  • the wireless power transmitter allows the wireless power receiver to proceed to the configuration step, the wireless power transmitter provides a series of locked slots for exclusive use of the wireless power receiver. This ensures that the wireless power receiver goes through the configuration steps without crashing.
  • the wireless power receiver transmits sequences of data packets, such as two identification data packets IDHI and IDLO, using a lock slot. Upon completion of this step, the wireless power receiver enters the negotiation phase. In the negotiation phase, the wireless power transmitter continues to provide the wireless power receiver with a lock slot for exclusive use. This ensures that the wireless power receiver proceeds to the negotiation phase without collision.
  • the wireless power receiver transmits one or more negotiation data packets using the corresponding lock slot, which may be mixed with private data packets.
  • a specific request (SRQ) packet Upon completion of the sequence, the wireless power receiver enters the power transfer phase and the wireless power transmitter stops providing lock slots.
  • the wireless power receiver performs transmission of the CI packet using the allocated slot and receives power.
  • the wireless power receiver may include a regulator circuit.
  • the regulator circuit may be included in the communication / control unit.
  • the wireless power receiver may self-regulate the reflected impedance of the wireless power receiver via a regulator circuit. In other words, the wireless power receiver may adjust the reflected impedance to transmit the amount of power required by the external load. This can prevent excessive power reception and overheating.
  • the wireless power transmitter may not perform power adjustment as a response to the received CI packet (depending on the operation mode), in this case, control may be required to prevent overvoltage conditions.
  • FIG. 12A and 12B are plan and side views illustrating a primary coil array and a shield member included in a wireless power transmitter according to an embodiment, and FIG. 12C is physical parameters of each primary coil.
  • the wireless power transmitter includes a primary coil array 1201 and 1202 disposed on the shield member 1210 and the shield member 1210, wherein a plurality of primary coils are arranged to overlap each other.
  • the wireless power transmitter may be the wireless power transmitter 100 of FIG. 4, and the module 1200 may be the power conversion unit 110.
  • the primary coil arrays 1201, 1202, 1203, and 1204 are stacked structures in which each primary coil forms one layer in the vertical (z direction), and one layer of the first layer in the horizontal plane (xy plane).
  • the primary coil 1204 to the four-layer primary coil 1201 overlaps with the counterclockwise (or clockwise) structure.
  • the primary coils of each layer are evenly disposed in each quadrant.
  • a first-layer primary coil 1201 is disposed in the third quadrant
  • a second-layer primary coil 1204 is disposed in the fourth quadrant
  • a third-layer primary coil 1203 is disposed in the first quadrant.
  • Four-layer primary coils 1202 are arranged in two quadrants. That is, the primary coil arrays 1201, 1202, 1203, and 1204 have a square shape of 2 ⁇ 2 in the horizontal plane.
  • the primary coils according to this embodiment may be driven (or activated) individually.
  • a dedicated drive circuit ie an inverter
  • each primary coil may be configured to apply an independent power source.
  • FIG. 13A only one primary coil may be selectively driven (or activated) according to a position where the secondary coil 1205 is placed on the primary coil array (a), and a plurality of primary coils are simultaneously It may optionally be driven (or activated) (b, c).
  • the activation may refer to an operation of applying power or a voltage to the primary coil to transmit power through the primary coil or to switch to a communication.
  • (b) shows a case in which the secondary coils of the wireless power receiver are positioned between two primary coils, so that the two primary coils are simultaneously activated (so-called dual coil driving).
  • At least one primary coil when a plurality of primary coils are activated simultaneously, at least one primary coil is configured to perform both communication and power transfer (comm '& powr) and the remaining primary coils do not communicate. Can be configured to transmit power only.
  • the primary coil configured to perform both communication and power transfer may be referred to as a main coil, and the primary coil configured to perform only power transfer may be referred to as an ambient coil.
  • the main coil and the peripheral coil are not fixed to the primary coil at a specific position, and the main coil and the peripheral coil may be variably selected according to the position of the secondary coil.
  • the communication scheme performed by the main coil includes in-band communication.
  • the primary coil for communicating with the primary coil for transmitting power may be separated from each other. That is, at least one primary coil may be configured to communicate with the wireless power receiver, and the remaining primary coils may be configured to transmit power to the wireless power receiver.
  • (c) shows the case where all primary coils are activated at the same time (so-called quad coil drive) by placing a relatively large secondary coil on the primary coil array.
  • the at least one primary coil (s) when all primary coils are activated at the same time, the at least one primary coil (s) is configured to perform both communication and power transfer (comm '& power) and the remaining primary coil (s) May be configured to transmit power only without performing communication.
  • the primary coil configured to perform both communication and power transfer may be referred to as a main coil
  • the primary coil configured to perform only power transfer may be referred to as a peripheral coil.
  • the main coil and the peripheral coil are not fixed to the primary coil at a specific position, and the main coil and the peripheral coil may be variably selected according to the position of the secondary coil.
  • the primary coil for communicating with the primary coil for transmitting power may be separated from each other. That is, at least one primary coil (s) may be configured to communicate with the wireless power receiver, and the remaining primary coil (s) may be configured to transmit power to the wireless power receiver.
  • the communication scheme performed by the main coil may include in-band communication.
  • the power levels are relatively high because all primary coils transmit power. Due to the high power level, in-band communication using the primary coil can be difficult to communicate due to noise or interference. Therefore, in the quad coil driving method, in-band communication and out-band communication may be mixed and used. For example, in-band communication may be used in the initial driving stage, and out-band communication may be used in the power transmission stage. In this case, handover from inband to outband may be performed separately.
  • the charging region is expanded compared to a single primary coil, thereby increasing the positional or alignment freedom of the receiver.
  • 13B illustrates an example of comparing the size of the charging region during driving of a single coil and driving a dual coil according to an example.
  • (a) is a charging region when driving a single coil.
  • a dead zone is formed in the middle of the charging region.
  • (b) is a charging region when driving a single coil and a dual coil, and when driving a single coil for a BPP or EPP wireless power receiver, a dead zone is removed in the middle of the charging region, thereby charging as compared to (a). It can be confirmed experimentally that the area is further expanded.
  • the primary coil arrangement according to this embodiment can provide individually set maximum power.
  • the maximum power set may be the same for all primary coils or may be different.
  • the maximum output set at the primary coil 1201 of the first floor is 15W
  • the maximum output set at the primary coil 1204 of the second floor is 15W
  • the maximum output set at the primary coil 1203 of the third floor is 15W
  • the maximum power set in the primary coil 1202 of the fourth layer may be 15W.
  • wireless charging is performed with a total output of 15 W, and the two according to the position of the receiver.
  • wireless charging is performed with a total output of 30W, when all four primary coils are driven according to the position and / or request of the receiver (Fig. 13) (c))
  • Wireless charging may be performed at a total output of 60W.
  • the primary coil arrays 1201, 1202, 1203, 1204 may provide adaptive output depending on the location (or misalignment) or power class of the receiver as well as the degrees of freedom described above. It is highly scalable since it is compatible with a variety of applications ranging from several W class low power receivers to tens of W medium power receivers (or 60 W or less receivers).
  • the maximum outputs set for all primary coils included in the primary coil arrays 1201, 1202, 1203, and 1204 are the same, but are not limited thereto.
  • the primary coil array using four primary coils is disclosed, the present invention also includes a case where the number of primary coils included in the primary coil array is two, three, five, or more. It may include.
  • the primary coil selection method for driving in a multi-coil wireless charging system should be defined.
  • FIG. 14 is a flowchart of performing primary coil selection according to an embodiment.
  • the wireless power transmitter and the receiver enter a pre selection phase (S1400).
  • Operation of the wireless power transmitter in the selection preparation step may include setting a ping level.
  • the ping level includes the levels of analog ping and digital ping.
  • the step of setting the ping level may be set individually for each primary coil.
  • the ping levels set individually for each primary coil may be different. This is because the z-axis distances from the primary coils to the secondary coils are different from each other, and the signal strength of the digital ping cannot be accurately measured from the standpoint of the wireless power receiver. Therefore, in the present embodiment, the ping levels may be set differently, and the rectifying voltages applied to the secondary coils may be set to be the same.
  • the wireless power transmitter and the receiver enter a coil selection phase (S1405).
  • the coil selection step is for selecting a primary coil to be activated based on a signal strength (SS) packet.
  • the operation of the wireless power transmitter in the coil selection step may include activating the combination of the primary coils and simultaneously transmitting digital ping signals to the wireless power receiver through the corresponding primary coil (s). Receiving from the wireless power receiver, repeating the transmission of the digital ping signal and the reception of the signal strength packet for the above combinations for the remaining combinations and determining the optimal combination of primary coils. .
  • a combination of primary coils means a combination of one or more primary coils.
  • the primary coils 1201, 1202, 1203, and 1204 are referred to as 1201, 1202, 1203, and 1204 for convenience, and the combination of possible primary coils is combination # 1 ⁇ 1201 ⁇ , combination # 2.
  • FIG. 15 A method of obtaining a signal strength packet by the wireless power transmitter for each combination is shown in FIG. 15.
  • FIG. 15 illustrates a process of acquiring a signal strength packet by performing a digital ping on each combination of the wireless power transmitter according to an example.
  • the wireless power transmitter transmits a digital ping signal (assuming that the voltage across the coil is Vrail) while sequentially activating combinations # 1 to # 4 composed of only primary coils, and each primary coil. Receive a signal strength packet for. In this case, signal strength packets for each single primary coil can be obtained.
  • the wireless power transmitter transmits the digital ping signal by activating the combinations ⁇ 1201, 1202 ⁇ consisting of two primary coils (that is, activating 1201, 1202 simultaneously), and sending the signal strength packet for the above combinations. Receive.
  • the wireless power transmitter transmits (or executes) a digital ping simultaneously at 1201 and 1202.
  • the combination consisting of two primary coils is ⁇ 1201, 1204 ⁇ , ⁇ 1202, 1203 ⁇ , ⁇ 1203, 1204 ⁇ as well, so the wireless power transmitter is sequential for the remaining three combinations comprising two primary coils.
  • the signal strength packet corresponds to a combination of primary coils and does not represent a signal strength packet for a single primary coil. This is to find the best combination when the primary coils are driven simultaneously.
  • the wireless power transmitter has combinations of three primary coils ⁇ 1201, 1202, 1203 ⁇ , ⁇ 1202, 1203, 1204 ⁇ , ⁇ 1203, 1204, 1201 ⁇ , and four primarys. The same operation is repeated for the combination ⁇ 1201, 1202, 1203, 1204 ⁇ composed of coils to obtain signal strength packets for combinations # 1 to # 12.
  • the wireless power transmitter compares the signal strength packets for each combination and determines an optimal combination of primary coils. That is, the wireless power transmitter may determine the number of primary coils to be driven (dual coil drive or quad coil drive) and / or a combination of primary coils to be driven based on the signal strength packet of each combination. For example, the wireless power transmitter may determine a combination corresponding to the largest signal strength packet among the signal strength packets as an optimal combination of primary coils. Alternatively, the wireless power transmitter may determine the combination corresponding to the signal strength packet larger than the threshold among the signal strength packets as the optimal combination of primary coils.
  • the operation of the wireless power receiver in the coil selection step may include receiving a digital ping signal simultaneously applied in the combination of the primary coils from the wireless power transmitter and transmitting a signal strength packet for the combination to the wireless power transmitter. And repeating the reception of the digital ping signal for the above combination and the transmission of the signal strength packet for the remaining combinations, and then receiving the wireless power by the combination of the optimal primary coils.
  • the wireless power transmitter and receiver enter the identification and configuration step (S1410).
  • the identification and configuration stage communication for transmitting and receiving identification and configuration packets is performed between the wireless power transmitter and the receiver, so that the wireless power transmitter and / or the receiver can select a main coil or a main coil and an adjacent coil for communication. have.
  • the selection of the main coil or the main coil and the adjacent coil may be performed in the second selection step.
  • the ID of the wireless power receiver may be used to identify the power class (PC) of the wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter and the receiver enters the power transmission step (S1415).
  • the operation in the power transfer phase may be different.
  • the wireless power receiver is PC0
  • the wireless power transmitter continuously performs power transmission but performs power control.
  • the wireless power receiver is PC1
  • the wireless power transmitter performs power transmission by driving (or activating) all four primary coils to support the PC1 wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter in the embodiment of FIG. 14 corresponds to the wireless power transmitter, the wireless power transmitter, or the power transmitter disclosed in FIGS. 1 to 11. Therefore, the operation of the wireless power transmitter in the present embodiment is implemented by one or a combination of two or more elements of the wireless power transmitter in FIGS.
  • the operation of transmitting the digital ping signal according to step S1405 to the wireless power receiver and the operation of performing power transmission according to S1415 may be performed by the power conversion unit 110.
  • the operation of setting the ping level according to the step S1400, receiving the signal strength packet according to the step S1405 and selecting the optimal primary coil combination, and receiving the identification and configuration packet according to the step S1410 are performed by communication / It may be performed by the control unit 120.
  • the wireless power receiver in the embodiment according to FIG. 14 corresponds to the wireless power receiver or the wireless power receiver or the power receiver disclosed in FIGS. 1 to 11. Therefore, the operation of the wireless power receiver in the present embodiment is implemented by one or a combination of two or more of the respective components of the wireless power receiver in FIGS.
  • the operation of receiving the digital ping signal according to the step S1405 from the wireless power transmitter in the present embodiment and the power transmission according to the S1415 may be performed by the power pickup unit 210.
  • the operation of generating and transmitting the signal strength packet according to step S1405 and the operation of generating and transmitting the identification and configuration packet according to step S1410 may be performed by the communication / control unit 220.
  • 16 is a flowchart of performing primary coil selection according to another embodiment.
  • the wireless power transmitter and the receiver enter an analog ping phase (S1600).
  • the analog ping phase may simply be called a selection phase.
  • the analog ping step is to detect the wireless power receiver or the position of the wireless power receiver.
  • the operation of the wireless power transmitter in the analog ping step may include sequentially applying (or transmitting) an analog ping signal to a plurality of primary coils, and determining a combination of the primary coils according to whether the analog ping is responsive. It may include.
  • the response to the analog ping may vary depending on the position of the secondary coil placed on the primary coil array.
  • a primary coil that overlaps a secondary coil may have a response to an analog ping
  • a primary coil that does not overlap a secondary coil may not have a response to an analog ping.
  • the wireless power transmitter deactivates the primary coil (hereafter selectable primary coil) in which there is no response, and excludes it when configuring the combination of the primary coils.
  • the primary coil with no response is configured not to transmit the digital ping signal in the selection preparation phase.
  • the wireless power transmitter configures a combination of primary coils using only selectable primary coils.
  • the wireless power transmitter may combine the combination with the primary coil # 1 and the primary coil # 2 only. Can be configured. When configuring the combination, the wireless power transmitter can distinguish between the main coil and the adjacent coil.
  • primary coil # 1 is determined to be the main coil, there are two possible combinations: ⁇ # 1 ⁇ and ⁇ # 1, # 2 ⁇ .
  • the combination ⁇ # 1 ⁇ is a combination including only the primary coil # 1, where the primary coil # 1 is the main coil.
  • Combination ⁇ # 1, # 2 ⁇ is a combination including primary coils # 1 and # 2 where primary coil # 1 is the main coil and primary coil # 2 is the adjacent coil.
  • the primary coil # 2 when the primary coil # 2 is determined as the main coil, there are two possible combinations, ⁇ # 2 ⁇ and ⁇ # 2, # 1 ⁇ .
  • the combination ⁇ # 2 ⁇ is a combination including only the primary coil # 2, where the primary coil # 2 is the main coil.
  • Combination ⁇ # 2, # 1 ⁇ is a combination including primary coils # 2 and # 1, where primary coil # 2 is the main coil and primary coil # 1 is the adjacent coil.
  • the number of combinations to be digitally pinged can be reduced from 12 to 4, and as a result, the time required for selecting the optimum coil combination can be reduced.
  • the operation of configuring the combination of the primary coils to the selectable primary coils by the wireless power transmitter is described as performing the analog ping step (S1600). It may be performed in S1605) or may be performed in a separate step.
  • the selection preparation step may include setting a ping level.
  • the ping level includes the level of the digital ping.
  • the setting of the ping level may be set individually for each selectable primary coil.
  • the ping levels set individually for each selectable primary coil may be different. This is because the distance on the z axis from the primary coil to the secondary coil is different.
  • the ping levels may be set differently, but may be set such that the rectified voltages applied to the secondary coils are the same.
  • the wireless power transmitter and the receiver enter a coil selection phase (S1610).
  • the coil selection step is for selecting a primary coil to be activated based on a signal strength (SS) packet.
  • the operation of the wireless power transmitter in the coil selection step may include activating the combination of the primary coils and simultaneously transmitting digital ping signals to the wireless power receiver through the corresponding primary coil (s). Receiving from the wireless power receiver, repeating the transmission of the digital ping signal and the reception of the signal strength packet for the above combinations for the remaining combinations and determining the optimal combination of primary coils. .
  • FIG. 18 A method of obtaining a signal strength packet by the wireless power transmitter for each combination is shown in FIG. 18.
  • FIG. 18 illustrates a process of acquiring a signal strength packet by performing a digital ping on each combination in a wireless power transmitter according to another example.
  • the wireless power transmitter transmits an analog ping signal from each of twelve primary coils. If the time required for transmitting one analog ping signal is 10ms, the analog ping steps at 12 primary coils are completed within about 120ms.
  • the wireless power transmitter configures the combination with only selectable primary coils based on the response to the analog ping.
  • the wireless power transmitter sequentially activates the combinations # 1 to # 4 thus configured, and transmits digital ping signals (assuming that the voltage across the coil is Vrail) and receives signal strength packets for each combination of primary coils. do. If the time required to perform digital ping in one combination is 100ms, a total of 400ms is required.
  • the wireless power transmitter compares the signal strength packets for each combination and determines an optimal combination of primary coils. That is, the wireless power transmitter may determine the number of primary coils to be driven (dual coil drive or quad coil drive) and / or a combination of primary coils to be driven based on the signal strength packet of each combination. For example, the wireless power transmitter may determine a combination corresponding to the largest signal strength packet among the signal strength packets as an optimal combination of primary coils. Alternatively, the wireless power transmitter may determine the combination corresponding to the signal strength packet larger than the threshold among the signal strength packets as the optimal combination of primary coils.
  • the operation of the wireless power receiver in the coil selection step may include receiving a digital ping signal simultaneously applied in the combination of the primary coils from the wireless power transmitter and transmitting a signal strength packet for the combination to the wireless power transmitter. And repeating the reception of the digital ping signal for the above combination and the transmission of the signal strength packet for the remaining combinations, and then receiving the wireless power by the combination of the optimal primary coils.
  • the wireless power transmitter and receiver enter the identification and configuration step (S1615).
  • the identification and configuration stage communication for transmitting and receiving identification and configuration packets is performed between the wireless power transmitter and the receiver, so that the wireless power transmitter and / or the receiver can select a main coil or a main coil and an adjacent coil for communication. have.
  • the selection of the main coil or the main coil and the adjacent coil may be performed in the second selection step.
  • the ID of the wireless power receiver may be used to identify the power class (PC) of the wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter and the receiver enters the power transmission step (S1620).
  • the operation in the power transfer phase may be different.
  • the wireless power receiver is PC0
  • the wireless power transmitter continuously performs power transmission but performs power control.
  • the wireless power receiver is PC1
  • the wireless power transmitter performs power transmission by driving (or activating) all four primary coils to support the PC1 wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter in the embodiment of FIG. 16 corresponds to the wireless power transmitter, the wireless power transmitter, or the power transmitter disclosed in FIGS. 1 to 11. Therefore, the operation of the wireless power transmitter in the present embodiment is implemented by one or a combination of two or more elements of the wireless power transmitter in FIGS. For example, in the present embodiment, an operation of transmitting an analog ping signal according to step S1600 to a wireless power receiver, an operation of transmitting a digital ping signal according to S1610 to a wireless power receiver, and an operation of performing power transmission according to S1620. May be performed by the power conversion unit 110.
  • step S1405 the operation of setting the ping level according to step S1405, receiving the signal strength packet according to step S1610, selecting an optimal primary coil combination, and receiving the identification and configuration packet according to step S1615 are performed by communication / It may be performed by the control unit 120.
  • the wireless power receiver in the embodiment according to FIG. 16 corresponds to the wireless power receiver or the wireless power receiver or the power receiver disclosed in FIGS. 1 to 11. Therefore, the operation of the wireless power receiver in the present embodiment is implemented by one or a combination of two or more of the respective components of the wireless power receiver in FIGS.
  • the operation of receiving the transmission may be performed by the power pickup unit 210.
  • the operation of generating and transmitting the signal strength packet according to step S1610 and the operation of generating and transmitting the identification and configuration packet according to step S1615 may be performed by the communication / control unit 220.
  • the selection preparation step according to step S1400 of FIG. 14 and step S1605 of FIG. 16 includes individually setting a ping level for each primary coil.
  • the reason why the ping level is individually calibrated or set for each primary coil is to make the level of the voltage received by the wireless power receiver from each primary coil nearly equal.
  • a method of setting a ping level is disclosed.
  • FIG. 19 illustrates an example of a method of setting a ping level, according to an exemplary embodiment.
  • the relationship between the driving voltage Vrail in the wireless power transmitter and the rectifier output voltage Vrect in the wireless power receiver is represented by a linear graph.
  • Vrect is linearly proportional to Vrail. Therefore, the wireless power transmitter can set Vrect to a specific value by appropriately adjusting Vrail.
  • Vrail is applied to the primary coil # 0, the primary coil # 1, the primary coil # 2, and the primary coil # 3, the Vrects are different. Therefore, if Vrail is set differently for each primary coil, the Vrect formed by each primary coil can be made identical.
  • a Vrail in which all primary coils are the same Vrect may be set as a first ping level or a second ping level.
  • the Vrail of the primary coil # 0 is about 7 V
  • the Vrail of the primary coil # 1 is about 6 V
  • the Vrail of the primary coil # 2 is about 6.4 V
  • the Vrail of the primary coil # 3 is about 6.6. It can be seen that V.
  • the wireless power transmitter may adjust the ping level (ie, the driving voltage Vrail) for each primary coil appropriately, so that the Vrect for all the primary coils may be the same specific value under the same condition.
  • the ping level ie, the driving voltage Vrail
  • the wireless power transmission method and apparatus, or the receiving apparatus and method according to the embodiment of the present invention described above are not essential to every component or step, the wireless power transmission apparatus and method, or the receiving apparatus and method described above Or some or all of the steps.
  • the above-described wireless power transmitter and method, or embodiments of the receiving device and method may be performed in combination with each other.
  • each component or step described above is not necessarily performed in the order described, it is also possible that the steps described later may be performed before the steps described first.

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Abstract

본 발명은 무선전력 전송 시스템에서 전력 전송을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 본 명세서는 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각에 대해 디지털 핑을 수행하는 단계, 상기 각 코일 조합에 대한 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계, 및 상기 신호 세기 패킷을 기반으로 선택된 코일 조합을 구동하여 상기 자기 커플링을 형성하고, 상기 자기 커플링에 기반하여 무선전력을 상기 무선전력 수신장치로 전송하는 무선전력 전송방법을 개시한다. 무선전력 수신장치의 위치에 따라 최적의 멀티 코일을 신속하게 선택할 수 있는 효과가 있다.

Description

무선전력 전송 시스템에서 전력 전송을 제어하는 장치 및 방법
본 발명은 무선충전에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선전력 전송 시스템에서 전력 전송을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전원 소스와 전자 기기 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술이다. 일 예로 무선 전력 전송 기술은 스마트폰이나 태블릿 등의 무선 단말기를 단지 무선 충전 패드 상에 올려놓는 것만으로 무선 단말기의 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써, 기존의 유선 충전 커넥터를 이용하는 유선 충전 환경에 비해 보다 뛰어난 이동성과 편의성 그리고 안전성을 제공할 수 있다. 무선 전력 전송 기술은 무선 단말기의 무선 충전 이외에도, 전기 자동차, 블루투스 이어폰이나 3D 안경 등 각종 웨어러블 디바이스(wearable device), 가전기기, 가구, 지중시설물, 건물, 의료기기, 로봇, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 주목받고 있다.
무선전력 전송방식을 비접촉(contactless) 전력 전송방식 또는 무접점(no point of contact) 전력 전송방식, 무선충전(wireless charging) 방식이라 하기도 한다. 무선전력 전송 시스템은, 무선전력 전송방식으로 전기에너지를 공급하는 무선전력 전송장치와, 상기 무선전력 전송장치로부터 무선으로 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리셀등 수전장치에 전력을 공급하는 무선전력 수신장치로 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 기술은 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식 등 다양하다. 자기 커플링에 기반한 방식은 다시 자기 유도(magnetic induction) 방식과 자기 공진(magnetic resonance) 방식으로 분류된다. 자기유도 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일 간의 전자기결합에 따라 전송 측 코일에서 발생시킨 자기장로 인해 수신 측 코일에 유도되는 전류를 이용하여 에너지를 전송하는 방식이다. 자기공진 방식은 자기장을 이용한다는 점에서 자기유도 방식과 유사하다. 하지만, 자기공진 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일에 특정 공진 주파수가 인가될 때 공진이 발생하고, 이로 인해 전송 측과 수신 측 양단에 자기장이 집중되는 현상에 의해 에너지가 전달되는 측면에서 자기유도와는 차이가 있다.
소전력 표준은 이미 다양한 버전으로 제정이 완료되어 상용화가 활발하게 이루어지고 있는데, 충전 영역의 확장 등 기존 단점을 보완하기 위한 새로운 디자인의 무선전력 송수신장치들이 개발되고 있다. 이와 함께 중전력과 대전력에 관한 표준도 점진적으로 논의되고 있는 실정이다.
본 발명의 기술적 과제는 무선전력 전송 시스템에서 전력 전송을 제어하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 무선전력 전송 시스템에서 멀티 코일을 구비한 무선전력 전송장치의 구조를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 멀티 코일을 구비한 무선전력 전송장치가 멀티 코일의 동작을 제어하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 무선전력 수신장치의 위치에 따라 적절한 멀티 코일을 선택하여 동시에 구동하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 무선전력을 전송하는 무선전력 전송장치를 제공한다. 상기 장치는 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 형성된 자기 커플링(magnetic coupling)을 이용하여 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하도록 구성된 1차 코일 배열(primary coil array)-1차 코일 배열은 복수의 1차 코일들을 포함함, 상기 1차 코일 배열과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 1차 코일에 구동 전압을 인가하여 상기 자기 커플링을 형성하도록 구성된 전력 변환 유닛, 및 상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각에 대해 디지털 핑을 수행하며, 상기 각 코일 조합에 대한 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하며, 상기 신호 세기 패킷을 기반으로 선택된 코일 조합을 구동하도록 상기 전력 변환 유닛을 제어하는 통신/컨트롤 유닛을 포함한다.
일 측면에서, 선택 준비 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 각 1차 코일에 대한 디지털 핑의 세기를 설정하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에서, 선택 준비 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 디지털 핑 신호에 의한 상기 무선전력 수신장치에서의 정류단 출력 전압이 모든 1차 코일마다 동일해지도록 각 1차 코일에 대한 디지털 핑 신호의 세기를 개별적으로 설정할 수 있다.
또 다른 측면에서, 아날로그 핑 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 상기 복수의 1차 코일 각각에 대해 아날로그 핑을 수행하고, 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 상기 다수의 코일 조합들 구성할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)을 형성하도록 구성된 복수의 1차 코일들을 포함하는 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각에 대해 디지털 핑을 수행하는 단계, 상기 각 코일 조합에 대한 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계, 및 상기 신호 세기 패킷을 기반으로 선택된 코일 조합을 구동하여 상기 자기 커플링을 형성하고, 상기 자기 커플링에 기반하여 무선전력을 상기 무선전력 수신장치로 전송할 수 있다.
일 측면에서, 상기 방법은 상기 디지털 핑을 수행하기 전에, 각 1차 코일에 대한 디지털 핑의 세기를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 상기 방법은 상기 디지털 핑을 수행하기 전에, 디지털 핑 신호에 의한 상기 무선전력 수신장치에서의 정류단 출력 전압이 모든 1차 코일마다 동일해지도록 각 1차 코일에 대한 디지털 핑 신호의 세기를 개별적으로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 방법은 상기 디지털 핑을 수행하기 전에, 상기 복수의 1차 코일 각각에 대해 아날로그 핑을 수행하는 단계를 더 포함하되, 상기 다수의 코일 조합들은 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 구성될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 무선전력을 수신하는 무선전력 수신장치를 제공한다. 상기 장치는 무선전력 전송장치에 구비된 1차 코일 배열(primary coil array)과 형성된 자기 커플링(magnetic coupling)을 이용하여 상기 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하도록 구성된 2차 코일(secondary coil)-상기 1차 코일 배열은 복수의 1차 코일들을 포함함, 상기 2차 코일과 전기적으로 연결되고, 상기 2차 코일에 형성되는 전류를 정류하여 정류 전압(rectified voltage)을 획득하는 정류기, 및 상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각으로부터 디지털 핑 신호를 수신하며, 상기 각 코일 조합에 대한 단일 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하도록 구성된 통신/컨트롤 유닛을 포함한다.
일 측면에서, 아날로그 핑 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 상기 복수의 1차 코일 각각으로부터 아날로그 핑을 수신하되, 상기 다수의 코일 조합들은 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 구성될 수 있다.
다른 측면에서, 상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 무선전력 전송장치에 구비된 1차 코일 배열(primary coil array)과 자기 커플링(magnetic coupling)을 형성하도록 구성된 2차 코일을 포함하는 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각으로부터 디지털 핑 신호를 수신하는 단계, 상기 각 코일 조합에 대한 단일 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계, 및 상기 신호 세기 패킷을 기반으로 선택된 코일 조합에 의해 형성되는 상기 자기 커플링을 통해 무선전력을 수신할 수 있다.
일 측면에서, 상기 방법은 상기 디지털 핑 신호를 수신하기 전에, 상기 복수의 1차 코일 각각으로부터 아날로그 핑을 수신하되, 상기 다수의 코일 조합들은 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 구성될 수 있다.
다른 측면에서, 상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함할 수 있다.
무선전력 수신장치의 위치에 따라 최적의 멀티 코일을 신속하게 선택할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3a는 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3b는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 4a는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4b는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4c는 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4d는 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조이다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 12a 및 12b는 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 포함되는 1차 코일 배열과 차폐부재를 도시한 평면도와 측면도이고, 도 12c는 각 1차 코일의 물리적 파라미터들이다.
도 13a는 일례에 따른 다양한 코일 구동 방법을 설명하는 도면이다.
도 13b는 일례에 따른 단일 코일 구동과 듀얼 코일 구동시 충전 영역의 크기를 비교한 실험예이다.
도 14는 일 실시예에 따른 1차 코일 선택을 수행하는 순서도이다.
도 15는 일례에 따른 무선전력 전송장치가 각 조합에 대해 디지털 핑을 수행하여 신호 세기 패킷을 획득하는 과정을 도시한 것이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 1차 코일 선택을 수행하는 순서도이다.
도 17은 일례에 따른 선택 가능한 1차 코일들만을 이용하여 구성된 1차 코일의 조합을 나타낸 것이다.
도 18은 다른 예에 따른 무선전력 전송장치가 각 조합에 대해 디지털 핑을 수행하여 신호 세기 패킷을 획득하는 과정을 도시한 것이다.
도 19는 일 실시예에 따른 핑 레벨을 설정하는 방법을 도시한 실험예이다.
이하에서 사용되는 "무선 전력" 이라는 용어는, 물리적인 전자기 전도체들의 사용없이 무선전력 전송기(wireless power transmitter)로부터 무선전력 수신장치(wireless power receiver)로 전달되는 전기장, 자기장, 전자기장 등과 관련된 임의의 형태의 에너지를 의미하도록 사용된다. 무선전력은 무선 전력 신호(wireless power signal)이라고 불릴 수도 있으며, 1차 코일과 2차 코일에 의해 둘러싸이는(enclosed) 진동하는 자속(oscillating magnetic flux)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이동 전화기, 코드리스 전화기, iPod, MP3 플레이어, 헤드셋 등을 포함하는 디바이스들을 무선으로 충전하기 위해 시스템에서의 전력 변환이 여기에 설명된다. 일반적으로, 무선 전력 전송의 기본적인 원리는, 예를 들어, 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식을 모두 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 시스템(10)은 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(100)는 외부의 전원 소스(S)로부터 전원을 인가받아 자기장을 발생시킨다. 무선 전력 수신 장치(200)는 발생된 자기장을 이용하여 전류를 발생시켜 무선으로 전력을 수신받는다.
또한, 무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송에 필요한 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)간의 통신은 무선 전력 전송에 이용되는 자기장을 이용하는 인-밴드 통신(in-band communication)이나 별도의 통신 캐리어를 이용하는 아웃-밴드 통신(out-band communication) 중 어느 하나의 방식에 따라 수행될 수 있다. 아웃-밴드 통신은 아웃-오브-밴드(out-of-band) 통신이라 불릴 수도 있다. 이하에서는 아웃-밴드 통신으로 용어를 통일하여 기술한다. 아웃-밴드 통신의 예로서 NFC, 블루투스(bluetooth), BLE(bluetooth low energy) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 제공될 수 있다. 고정형의 예로는 실내의 천장이나 벽면 또는 테이블 등의 가구에 임베디드(embedded)되는 형태, 실외의 주차장, 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치되는 형태나 차량이나 기차 등의 운송 수단에 설치되는 형태 등이 있다. 이동형인 무선 전력 전송 장치(100)는 이동 가능한 무게나 크기의 이동형 장치나 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 장치의 일부로 구현될 수 있다.
또 무선 전력 수신 장치(200)는 배터리를 구비하는 각종 전자 기기 및 전원 케이블 대신 무선으로 전원을 공급받아 구동되는 각종 가전 기기를 포함하는 포괄적인 개념으로 해석되어야 한다. 무선 전력 수신 장치(200)의 대표적인 예로는, 이동 단말기(portable terminal), 휴대 전화기(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 개인 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대 미디어 플레이어(PMP: Portable Media Player), 와이브로 단말기(Wibro terminal), 태블릿(tablet), 패블릿(phablet), 노트북(notebook), 디지털 카메라, 네비게이션 단말기, 텔레비전, 전기차량(EV: Electronic Vehicle) 등이 있다.
무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 수신 장치(200)는 하나 또는 복수일 수 있다. 도 1에서는 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)가 일대일로 전력을 주고 받는 것으로 표현되고 있으나, 도 2와 같이 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 복수의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,..., 200-M)로 전력을 전달하는 것도 가능하다. 특히, 자기 공진 방식으로 무선 전력 전송을 수행하는 경우에는 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 동시 전송 방식이나 시분할 전송 방식을 응용하여 동시에 여러 대의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,...,200-M)로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 도 1에는 무선 전력 전송 장치(100)가 무선 전력 수신 장치(200)에 바로 전력을 전달하는 모습이 도시되어 있으나, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이에 무선전력 전송 거리를 증대시키기 위한 릴레이(relay) 또는 중계기(repeater)와 같은 별도의 무선 전력 송수신 장치가 구비될 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선 전력 송수신 장치로 전력이 전달되고, 무선 전력 송수신 장치가 다시 무선 전력 수신 장치(200)로 전력을 전달할 수 있다.
이하 본 명세서에서 언급되는 무선전력 수신기, 전력 수신기, 수신기는 무선 전력 수신 장치(200)를 지칭한다. 또한 본 명세서에서 언급되는 무선전력 전송기, 전력 전송기, 전송기는 무선 전력 수신 전송 장치(100)를 지칭한다.
도 3a는 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3a에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 3a를 참조하면, 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)에는 소전력(약 5W이하 또는 약 20W 이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들에는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)은 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
상술한(또는 도 1에 도시된) 전자 기기들/이동 수단들은 후술하는 무선 전력 수신기를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 전자 기기들/이동 수단들은 무선 전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
이하에서는 전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
무선전력 전송에 관한 표준(standard)은 WPC(wireless power consortium), AFA(air fuel alliance), PMA(power matters alliance)을 포함한다.
WPC 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다. BPP는 5W의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이고, EPP는 5W보다 크고 30W보다 작은 범위의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다.
서로 다른 전력레벨(power level)을 사용하는 다양한 무선전력 전송장치와 수신장치들이 각 표준별로 커버되고, 서로 다른 전력 클래스(power class) 또는 카테고리로 분류될 수 있다.
예를 들어, WPC는 무선전력 전송장치와 수신장치를 전력 클래스(power class :PC) -1, PC0, PC1, PC2로 분류하고, 각 PC에 대한 표준문서를 제공한다. PC-1 표준은 5W 미만의 보장전력(guaranteed power)을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC-1의 어플리케이션은 스마트 시계와 같은 웨어러블 기기를 포함한다.
PC0 표준은 5W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC0 표준은 보장전력이 30W까지인 EPP를 포함한다. 인-밴드(in-band :IB) 통신이 PC0의 필수적인(mandatory) 통신 프로토콜이나, 옵션의 백업 채널로 사용되는 아웃-밴드(out-band : OB) 통신도 사용될 수 있다. 무선전력 수신장치는 OB의 지원 여부를 구성 패킷(configuration packe)내의 OB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OB를 지원하는 무선전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OB 핸드오버 페이즈(handover phase)로 진입할 수 있다. 상기 구성 패킷에 대한 응답은 NAK, ND 또는 새롭게 정의되는 8비트의 패턴일 수 있다. PC0의 어플리케이션은 스마트폰을 포함한다.
PC1 표준은 30W~150W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. OB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴을 이용하여 OB 핸드오버 페이즈로 진입할 수 있다. PC1의 어플리케이션은 랩탑이나 전동 공구(power tool)을 포함한다.
PC2 표준은 200W~2kW의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것으로서, 그 어플리케이션은 주방가전을 포함한다.
이렇듯 전력 레벨에 따라 PC가 구별될 수 있으며, 동일한 PC간 호환성(compatibility)을 지원할지 여부는 선택 또는 필수 사항일 수 있다. 여기서 동일한 PC간 호환성은, 동일한 PC 간에는 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 동일한 PC x를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 동일한 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다. 이와 유사하게 서로 다른 PC간의 호환성 역시 지원 가능할 수 있다. 여기서 서로 다른 PC간 호환성은, 서로 다른 PC 간에도 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 PC y를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 서로 다른 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다.
PC간 호환성의 지원은 사용자 경험(User Experience) 및 인프라 구축 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 다만, PC간 호환성 유지에는 기술적으로 아래와 같은 여러 문제점이 존재한다.
동일한 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 연속적으로 전력이 전송되는 경우에만 안정적으로 충전이 가능한 랩-탑 충전(lap-top charging) 방식의 무선 전력 수신장치는, 동일한 PC의 무선 전력 송신장치라 하더라도, 불연속적으로 전력을 전송하는 전동 툴 방식의 무선 전력 송신장치로부터 전력을 안정적으로 공급받는 데 문제가 있을 수 있다. 또한, 서로 다른 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 최소 보장 전력이 200W인 무선 전력 송신장치는 최대 보장 전력이 5W인 무선 전력 수신장치로 전력을 송신하는 경우, 과전압으로 인해 무선전력 수신장치가 파손될 위험이 있다. 그 결과, PC는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 삼기 어렵다.
무선전력 전송 및 수신장치들은 매우 편리한 사용자 경험과 인터페이스(UX/UI)를 제공할 수 있다. 즉, 스마트 무선충전 서비스가 제공될 수 있다, 스마트 무선충전 서비스는 무선전력 전송장치를 포함하는 스마트폰의 UX/UI에 기초하여 구현될 수 있다. 이러한 어플리케이션을 위해, 스마트폰의 프로세서와 무선충전 수신장치간의 인터페이스는 무선전력 전송장치와 수신장치간의 "드롭 앤 플레이(drop and play)" 양방향 통신을 허용한다.
일례로서, 사용자는 호텔에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 호텔 방으로 입장하고 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to ### hotel. Select "Yes" to activate smart charging functions : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 스마트 충전 기능을 함께 수행한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 WiFi 자격(wifi credentials) 자동 입력(auto-filled)을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선충전기는 WiFi 자격을 스마트폰으로 전송하고, 스마트폰은 적절한 앱을 실행하여 무선충전기로부터 수신된 WiFi 자격을 자동적으로 입력한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 호텔 프로모션을 제공하는 호텔 어플리케이션을 실행하거나, 원격 체크인/체크아웃 및 컨택 정보들을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 사용자는 차량 내에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 차량에 탑승하고 스마트폰을 무선충전기 위에 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰에 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이러한 과정에서, 무선 충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 신분(identity)를 확인을 문의하는 상태로 진입한다.
이 상태에서, 스마트폰은 WiFi 및/또는 블루투스를 통해 자동적으로 자동차와 연결된다. 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to your car. Select "Yes" to synch device with in-car controls : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 차량내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어를 구동함으로서, 차량 내 스마트 제어 기능을 함께 수행할 수 있다. 사용자는 원하는 음악을 즐길 수 있고, 정규적인 맵 위치를 확인할 수 있다. 차량 내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어는 통행자들을 위한 동기화 접근을 제공하는 성능을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 사용자는 스마트 무선 충전을 댁내에서 경험할 수 있다. 사용자가 방으로 들어가서 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building?: Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 스마트폰과 무선 충전기는 적어도 사용자의 패턴을 인지하고 사용자에게 문과 창문을 잠그거나 불을 끄거나, 알람을 설정하도록 권유할 수 있다.
이하에서는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 '프로필(profile)'을 새롭게 정의하기로 한다. 즉, 동일한 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신 장치간에는 호환성이 유지되어 안정적인 전력 송수신이 가능하며, 서로 다른 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신장치간에는 전력 송수신이 불가한 것으로 해석될 수 있다. 프로필은 전력 클래스와 무관하게(또는 독립적으로) 호환 가능 여부 및/또는 어플리케이션에 따라 정의될 수 있다.
프로필은 크게 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 이렇게 3가지로 구분될 수 있다.
또는, 프로필은 크게 i) 모바일, ii) 전동 툴, iii) 주방 및 iv) 웨어러블 이렇게 4가지로 구분될 수 있다.
'모바일' 프로필의 경우, PC는 PC0 및/또는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB 및 OB, 동작 주파수는 87~205kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 스마트폰, 랩-탑 등이 존재할 수 있다.
'전동 툴' 프로필의 경우, PC는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~145kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 전동 툴 등이 존재할 수 있다.
'주방' 프로필의 경우, PC는 PC2, 통신 프로토콜/방식은 NFC-기반, 동작 주파수는 100kHz 미만으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 주방/가전 기기 등이 존재할 수 있다.
전동 툴과 주방 프로필의 경우, 무선전력 전송장치와 수신장치 간에 NFC 통신이 사용될 수 있다. 무선전력 전송장치와 수신장치는 WPC NDEF(NFC Data Exchange Profile Format)을 교환함으로써 상호간에 NFC 기기임을 확인할 수 있다. 예를 들어 WPC NDEF는 도 3b와 같이 어플리케이션 프로파일(application profile) 필드(예를 들어 1B), 버전 필드(예를 들어 1B), 및 프로파일 특정 데이터(profile specific data, 예를 들어 1B)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로파일 필드는 해당 장치가 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 중 어느 것인지를 지시하고, 버전 필드의 상위 니블(upper nibble)은 메이저 버전(major version)을 지시하고 하위 니블(lower nibble)은 마이너 버전(minor version)을 지시한다. 또한 프로파일 특정 데이터는 주방을 위한 컨텐츠를 정의한다.
'웨어러블' 프로필의 경우, PC는 PC-1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~205kHz으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 사용자 몸에 착용하는 웨어러블 기기 등이 존재할 수 있다.
동일한 프로필간에는 호환성 유지는 필수 사항일 수 있으며, 다른 프로필간의 호환성 유지는 선택 사항일 수 있다.
상술한 프로필(모바일 프로필, 전동 툴 프로필, 주방 프로필 및 웨어러블 프로필)들은 제1 내지 제n 프로필로 일반화되어 표현될 수 있으며, WPC 규격 및 실시예에 따라 새로운 프로필이 추가/대체될 수 있다.
이와 같이 프로필이 정의되는 경우, 무선 전력 전송장치가 자신과 동일한 프로필의 무선 전력 수신장치에 대해서만 선택적으로 전력 송신을 수행하여 보다 안정적으로 전력 송신이 가능하다. 또한 무선 전력 전송장치의 부담이 줄어들고, 호환이 불가능한 무선 전력 수신장치로의 전력 송신을 시도하지 않게 되므로 무선 전력 수신장치의 파손 위험이 줄어든다는 효과가 발생한다.
'모바일' 프로필 내의 PC1은 PC0를 기반으로 OB와 같은 선택적 확장을 차용함으로써 정의될 수 있으며, '전동 툴' 프로필의 경우, PC1 '모바일' 프로필이 단순히 변경된 버전으로서 정의될 수 있다. 또한, 현재까지는 동일한 프로필간의 호환성 유지를 목적으로 정의되었으나, 추후에는 서로 다른 프로필간의 호환성 유지 방향으로 기술이 발전될 수 있다. 무선 전력 전송장치 또는 무선 전력 수신장치는 다양한 방식을 통해 자신의 프로필을 상대방에게 알려줄 수 있다.
AFA 표준은 무선 전력 전송장치를 PTU(power transmitting unit)이라 칭하고, 무선 전력 수신장치를 PRU(power receiving unit)이라 칭하며, PTU는 표 1과 같이 다수의 클래스로 분류되고, PRU는 표 2와 같이 다수의 카테고리로 분류된다.
PTX_IN_MAX 최소 카테고리 지원 요구사항 지원되는 최대 기기 개수를 위한 최소값
Class 1 2W 1x 카테고리 1 1x 카테고리 1
Class 2 10W 1x 카테고리 3 2x 카테고리 2
Class 3 16W 1x 카테고리 4 2x 카테고리 3
Class 4 33W 1x 카테고리 5 3x 카테고리 3
Class 5 50W 1x 카테고리 6 4x 카테고리 3
Class 6 70W 1x 카테고리 7 5x 카테고리 3
PRU PRX_OUT_MAX' 예시 어플리케이션
Category 1 TBD 블루투스 헤드셋
Category 2 3.5W 피쳐폰
Category 3 6.5W 스마트폰
Category 4 13W 태블릿, 패플릿
Category 5 25W 작은 폼팩터 랩탑
Category 6 37.5W 일반 랩탑
Category 7 50W 가전
표 1에서와 같이, 클래스 n PTU의 최대 출력 전력 성능(capability)은 해당 클래스의 PTX_IN_MAX 값보다 크거나 같다. PRU는 해당 카테고리에서 명세된(specified) 전력보다 더 큰 전력을 끌어당길(draw) 수는 없다.
도 4a는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4a를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(450) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(400)을 포함한다.
베이스 스테이션(400)은 유도 전력 또는 공진 전력을 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 무선 전력 전송장치(power transmitter, 100) 및 시스템 유닛(405)을 포함할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는, 1차 코일(primary coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 유닛(power conversion unit, 110) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 무선 전력 수신장치(200)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 유닛(communications & control unit, 120)을 포함할 수 있다. 시스템 유닛(405)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 무선전력 전송장치들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(400)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.
1차 코일은 교류 전력(또는 전압 또는 전류)을 이용하여 전자기장을 발생시킬 수 있다. 1차 코일은 전력 변환 유닛(110)에서 출력되는 특정 주파수의 교류전력(또는 전압 또는 전류)을 인가받고, 이에 따라 특정 주파수의 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기장은 비방사형 또는 방사형으로 발생할 수 있는데, 무선 전력 수신 장치(200)는 이를 수신하여 전류를 생성하게 된다. 다시 말해 1차 코일은 무선으로 전력을 전송하는 것이다.
자기 유도 방식에서, 1차 코일과 2차 코일은 임의의 적합한 형태들을 가질 수 있으며, 예컨대, 페라이트 또는 비정질 금속과 같은 고투자율의 형성물의 주위에 감긴 동선일 수 있다. 1차 코일은 전송 코일(transmitting coil), 1차 코어(primary core), 1차 와인딩(primary winding), 1차 루프 안테나(primary loop antenna) 등으로 불릴 수도 있다. 한편, 2차 코일은 수신 코일(receiving coil), 2차 코어(secondary core), 2차 와인딩(secondary winding), 2차 루프 안테나(secondary loop antenna), 픽업 안테나(pickup antenna) 등으로 불릴 수도 있다.
자기 공진 방식을 이용하는 경우에는 1차 코일과 2차 코일은 각각 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 형태로 제공될 수 있다. 공진 안테나는 코일과 캐패시터를 포함하는 공진 구조를 가질 수 있다. 이때 공진 안테나의 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다. 여기서, 코일은 루프의 형태로 이루어질 수 있다. 또 루프의 내부에는 코어가 배치될 수 있다. 코어는 페라이트 코어(ferrite core)와 같은 물리적인 코어나 공심 코어(air core)를 포함할 수 있다.
1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 간의 에너지 전송은 자기장의 공진 현상을 통해 이루어질 수 있다. 공진 현상이란 하나의 공진 안테나에서 공진 주파수에 해당하는 근접장이 발생할 때 주위에 다른 공진 안테나가 위치하는 경우, 양 공진 안테나가 서로 커플링되어 공진 안테나 사이에서 높은 효율의 에너지 전달이 일어나는 현상을 의미한다. 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 안테나 사이에서 공진 주파수에 해당하는 자기장이 발생하면, 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나가 서로 공진하는 현상이 발생되고, 이에 따라 일반적인 경우 1차 공진 안테나에서 발생한 자기장이 자유공간으로 방사되는 경우에 비해 보다 높은 효율로 2차 공진 안테나를 향해 자기장이 집속되며, 따라서 1차 공진 안테나로부터 2차 공진 안테나에 높은 효율로 에너지가 전달될 수 있다. 자기 유도 방식은 자기 공진 방식과 유사하게 구현될 수 있으나 이때에는 자기장의 주파수가 공진 주파수일 필요가 없다. 대신 자기 유도 방식에서는 1차 코일과 2차 코일을 구성하는 루프 간의 정합이 필요하며 루프 간의 간격이 매우 근접해야 한다.
도면에 도시되지 않았으나, 무선 전력 전송장치(100)는 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신 할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 무선 전력 수신 장치(200)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 IB 통신 모듈 또는 OB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(120)은 자기파에 정보를 실어 1차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 1차 코일을 통해 수신함으로써 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 유닛(120)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(120)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다. 근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 무선 전력 전송 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력전송 장치(100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 유닛(120)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 유닛(120)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 동작 포인트(operating point)를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 일정한 전력을 공급하고, 무선 전력 수신장치(200)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.
모바일 기기(450)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 무선전력 수신장치(power receiver, 200)와 무선전력 수신장치(200)에서 수신된 전력을 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 부하(load, 455)를 포함한다.
무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 유닛(power pick-up unit, 210) 및 통신/컨트롤 유닛(communications & control unit, 220)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 유닛(210)은 2차 코일을 통해 무선 전력을 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 전력 픽업 유닛(210)은 2차 코일을 통해 얻어지는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환한다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력의 송신과 수신(전력 전달 및 수신)을 제어할 수 있다.
2차 코일은 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송되는 무선 전력을 수신할 수 있다. 2차 코일은 1차 코일에서 발생하는 자기장을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 특정 주파수가 공진 주파수인 경우에는 1차 코일과 2차 코일 간에 자기 공진 현상이 발생하여 보다 효율적으로 전력을 전달받을 수 있다.
도 4a에는 도시되지 않았으나 통신/컨트롤 유닛(220)은 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력 전송 장치(100)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 IB 통신 모듈 또는 OB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(220)은 자기파에 정보를 실어 2차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 2차 코일을 통해 수신함으로써 IB 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 유닛(220)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(220)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다.
근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력 수신 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력수신 장치(200)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 유닛(220)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 유닛(220)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)과 통신/컨트롤 유닛(220)이 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE일 경우, 통신/컨트롤 유닛(120)과 통신/컨트롤 유닛(220)은 각각 도 4b와 같은 통신 아키텍처로 구현되어 동작할 수 있다.
도 4b는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4b를 참고하면, 도 4b의 (a)는 GATT를 지원하는 블루투스 BR(Basic Rate)/EDR(Enhanced Data Rate)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타내며, (b)는 블루투스 LE(Low Energy)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타낸다.
구체적으로, 도 4b의 (a)에 도시된 바와 같이, 블루투스 BR/EDR 프로토콜 스택은 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, HCI, 18)를 기준으로 상부의 컨트롤러 스택(Controller stack, 460)과 하부의 호스트 스택(Host Stack, 470)을 포함할 수 있다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈)(470)은 2.4GHz의 블루투스 신호를 받는 무선 송수신 모듈과 블루투스 패킷을 전송하거나 수신하기 위한 하드웨어를 말하며, 상기 컨트롤러 스택(460)은 블루투스 모듈과 연결되어 블루투스 모듈을 제어하고 동작을 수행한다.
상기 호스트 스택(470)은 BR/EDR PHY 계층(12), BR/EDR Baseband 계층(14), 링크 매니저 계층(Link Manager, 16)을 포함할 수 있다.
상기 BR/EDR PHY 계층(12)은 2.4GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation을 사용하는 경우 79 개의 RF 채널을 hopping 하여 데이터를 전송할 수 있다.
상기 BR/EDR Baseband 계층(14)은 Digital Signal을 전송하는 역할을 담당하며, 초당 1400번 hopping 하는 채널 시퀀스를 선택하며, 각 채널 별 625us 길이의 time slot을 전송한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 LMP(Link Manager Protocol)을 활용하여 Bluetooth Connection의 전반적인 동작(link setup, control, security)을 제어한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 아래와 같은 기능을 수행할 수 있다.
- ACL/SCO logical transport, logical link setup 및 control을 한다.
- Detach: connection을 중단하고, 중단 이유를 상대 디바이스에게 알려준다.
- Power control 및 Role switch를 한다.
- Security(authentication, pairing, encryption) 기능을 수행한다.
상기 호스트 컨트롤러 인터페이스 계층(18)은 Host 모듈과 Controller 모듈 사이의 인터페이스 제공하여 Host 가 command와 Data를 Controller에게 제공하게 하며, Controller가 event와 Data를 Host에게 제공할 수 있도록 해준다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈, 20)은 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21), 속성 프로토콜(Protocol, 22), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 23), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24), BR/EDR 프로파일(25)을 포함한다.
상기 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21)은 특정 프로토콜 또는 포로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(21)은 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 멀티플렉싱(multiplexing)할 수 있다.
블루투스 BR/EDR의 L2CAP에서는 dynamic 채널 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode를 지원하고, Segmentation 및 reassembly, per-channel flow control, error control을 제공한다.
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 23)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(22)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(23)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(23) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 22)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
상기 속성 프로토콜(22) 및 상기 BR/EDR 프로파일(25)은 블루트스 BR/EDR를 이용하는 서비스(profile)의 정의 및 이들 데이터를 주고 받기 위한 application 프로토콜을 정의하며, 상기 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24)은 디바이스 발견, 연결, 및 보안 수준을 정의힌다.
도 4b의 (b)에 도시된 바와 같이, 블루투스 LE 프로토콜 스택은 타이밍이 중요한 무선장치 인터페이스를 처리하도록 동작 가능한 컨트롤러 스택(Controller stack, 480)과 고레벨(high level) 데이터를 처리하도록 동작 가능한 호스트 스택(Host stack, 490)을 포함한다.
먼저, 컨트롤러 스택(480)은 블루투스 무선장치를 포함할 수 있는 통신 모듈, 예를 들어, 마이크로프로세서와 같은 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있는 프로세서 모듈을 이용하여 구현될 수 있다.
호스트 스택(490)은 프로세서 모듈 상에서 작동되는 OS의 일부로서, 또는 OS 위의 패키지(package)의 인스턴스 생성(instantiation)으로서 구현될 수 있다.
일부 사례들에서, 컨트롤러 스택 및 호스트 스택은 프로세서 모듈 내의 동일한 프로세싱 디바이스 상에서 작동 또는 실행될 수 있다.
상기 컨트롤러 스택(480)은 물리 계층(Physical Layer, PHY, 32), 링크 레이어(Link Layer, 34) 및 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, 36)를 포함한다.
상기 물리 계층(PHY, 무선 송수신 모듈, 32)은 2.4 GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation과 40 개의 RF 채널로 구성된 frequency hopping 기법을 사용한다.
블루투스 패킷을 전송하거나 수신하는 역할을 하는 상기 링크 레이어(34)는 3개의 Advertising 채널을 이용하여 Advertising, Scanning 기능을 수행한 후에 디바이스 간 연결을 생성하고, 37개 Data 채널을 통해 최대 257bytes 의 데이터 패킷을 주고 받는 기능을 제공한다.
상기 호스트 스택은 GAP(Generic Access Profile, 40), 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 41), 보안 매니저(Security Manager, SM, 42), 속성 프로토콜(Attribute Protocol, ATT, 440), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 44), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, 25), LT 프로파일(46)을 포함할 수 있다. 다만, 상기 호스트 스택(490)은 이것으로 한정되지는 않고 다양한 프로토콜들 및 프로파일들을 포함할 수 있다.
호스트 스택은 L2CAP을 사용하여 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 다중화(multiplexing)한다.
먼저, L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol, 41)은 특정 프로토콜 또는 프로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(41)은 상위 계층 프로토콜들 사이에서 데이터를 다중화(multiplex)하고, 패키지(package)들을 분할(segment) 및 재조립(reassemble)하고, 멀티캐스트 데이터 송신을 관리하도록 동작 가능할 수 있다.
블루투스 LE 에서는 3개의 고정 채널(signaling CH을 위해 1개, Security Manager를 위해 1개, Attribute protocol을 위해 1개)을 기본적으로 사용한다. 그리고, 필요에 따라 동적 채널을 사용할 수도 있다.
반면, BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate)에서는 동적인 채널을 기본적으로 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode 등을 지원한다.
SM(Security Manager, 42)은 디바이스를 인증하며, 키 분배(key distribution)를 제공하기 위한 프로토콜이다.
ATT(Attribute Protocol, 43)는 서버-클라이언트(Server-Client) 구조로 상대 디바이스의 데이터를 접근하기 위한 규칙을 정의한다. ATT에는 아래의 6가지의 메시지 유형(Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation)이 있다.
① Request 및 Response 메시지: Request 메시지는 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 정보 요청 및 전달 하기 위한 메시지이며, Response 메시지는 Request 메시지에 대한 응답 메시지로서, 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 전송하는 용도로 사용할 수 있는 메시지를 말한다.
② Command 메시지: 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 주로 특정 동작의 명령을 지시하기 위해 전송하는 메시지로, 서버 디바이스는 Command 메시지에 대한 응답을 클라이언트 디바이스로 전송하지 않는다.
③ Notification 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, 클라이언트 디바이스는 Notification 메시지에 대한 확인 메시지를 서버 디바이스로 전송하지 않는다.
④ Indication 및 Confirm 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, Notification 메시지와는 달리, 클라이언트 디바이스는 Indication 메시지에 대한 확인 메시지(Confirm message)를 서버 디바이스로 전송한다.
본 발명은 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)을 사용하는 GATT 프로파일에서 긴 데이터 요청 시 데이터 길이에 대한 값을 전송하여 클라이언트가 데이터 길이를 명확히 알 수 있게 하며, UUID를 이용하여 서버로부터 특성(Characteristic) 값을 전송 받을 수 있다.
상기 일반 접근 프로파일(GAP, 45)은 블루투스 LE 기술을 위해 새롭게 구현된 계층으로, 블루투스 LE 디바이스들 간의 통신을 위한 역할 선택, 멀티 프로파일 작동이 어떻게 일어나는지를 제어하는데 사용된다.
또한, 상기 일반 접근 프로파일(45)은 디바이스 발견, 연결 생성 및 보안 절차 부분에 주로 사용되며, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, 하기와 같은 attribute의 type을 정의한다.
① Service: 데이터와 관련된 behavior의 조합으로 디바이스의 기본적인 동작을 정의
② Include: 서비스 사이의 관계를 정의
③ Characteristics: 서비스에서 사용되는 data 값
④ Behavior: UUID(Universal Unique Identifier, value type)로 정의된 컴퓨터가 읽을 수 있는 포맷
상기 LE 프로파일(46)은 GATT에 의존성을 가지는 profile 들로 주로 블루투스 LE 디바이스에 적용된다. LE 프로파일(46)은 예를 들면, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time 등이 있을 수 있으며, GATT-based Profiles의 구체적인 내용은 하기와 같다.
① Battery: 배터리 정보 교환 방법
② Time: 시간 정보 교환 방법
③ FindMe: 거리에 따른 알람 서비스 제공
④ Proximity: 배터리 정보 교환 방법
⑤ Time: 시간 정보 교환 방법
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 44)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(43)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(44)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(44) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
이하에서, 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE) 기술의 절차(Procedure)들에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
BLE 절차는 디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure), 광고 절차(Advertising Procedure), 스캐닝 절차(Scanning Procedure), 디스커버링 절차(Discovering Procedure), 연결 절차(Connecting Procedure) 등으로 구분될 수 있다.
디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure)
디바이스 필터링 절차는 컨트롤러 스택에서 요청, 지시, 알림 등에 대한 응답을 수행하는 디바이스들의 수를 줄이기 위한 방법이다.
모든 디바이스에서 요청 수신 시, 이에 대해 응답하는 것이 불필요하기 때문에, 컨트롤러 스택은 요청을 전송하는 개수를 줄여서, BLE 컨트롤러 스택에서 전력 소비가 줄 수 있도록 제어할 수 있다.
광고 디바이스 또는 스캐닝 디바이스는 광고 패킷, 스캔 요청 또는 연결 요청을 수신하는 디바이스를 제한하기 위해 상기 디바이스 필터링 절차를 수행할 수 있다.
여기서, 광고 디바이스는 광고 이벤트를 전송하는 즉, 광고를 수행하는 디바이스를 말하며, 광고자(Advertiser)라고도 표현된다.
스캐닝 디바이스는 스캐닝을 수행하는 디바이스, 스캔 요청을 전송하는 디바이스를 말한다.
BLE에서는, 스캐닝 디바이스가 일부 광고 패킷들을 광고 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 상기 광고 디바이스로 스캔 요청을 전송해야 한다.
하지만, 디바이스 필터링 절차가 사용되어 스캔 요청 전송이 불필요한 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 전송되는 광고 패킷들을 무시할 수 있다.
연결 요청 과정에서도 디바이스 필터링 절차가 사용될 수 있다. 만약, 연결 요청 과정에서 디바이스 필터링이 사용되는 경우, 연결 요청을 무시함으로써 상기 연결 요청에 대한 응답을 전송할 필요가 없게 된다.
광고 절차(Advertising Procedure)
광고 디바이스는 영역 내 디바이스들로 비지향성의 브로드캐스트를 수행하기 위해 광고 절차를 수행한다.
여기서, 비지향성의 브로드캐스트(Undirected Advertising)는 특정 디바이스를 향한 브로드캐스트가 아닌 전(모든) 디바이스를 향한 광고(Advertising)이며, 모든 디바이스가 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
이와 달리, 지향성 브로드캐스트(Directed advertising)는 수신 디바이스로 지정된 디바이스만 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
광고 절차는 근처의 개시 디바이스와 블루투스 연결을 확립하기 위해 사용된다.
또는, 광고 절차는 광고 채널에서 리스닝을 수행하고 있는 스캐닝 디바이스들에게 사용자 데이터의 주기적인 브로드캐스트를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
광고 절차에서 모든 광고(또는 광고 이벤트)는 광고 물리 채널을 통해 브로드캐스트된다.
광고 디바이스들은 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 얻기 위해 리스닝을 수행하고 있는 리스닝 디바이스들로부터 스캔 요청을 수신할 수 있다. 광고 디바이스는 스캔 요청을 수신한 광고 물리 채널과 동일한 광고 물리 채널을 통해, 스캔 요청을 전송한 디바이스로 스캔 요청에 대한 응답을 전송한다.
광고 패킷들의 일 부분으로서 보내지는 브로드캐스트 사용자 데이터는 동적인 데이터인 반면에, 스캔 응답 데이터는 일반적으로 정적인 데이터이다.
광고 디바이스는 광고 (브로드캐스트) 물리 채널 상에서 개시 디바이스로부터 연결 요청을 수신할 수 있다. 만약, 광고 디바이스가 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하였고, 개시 디바이스가 디바이스 필터링 절차에 의해 필터링 되지 않았다면, 광고 디바이스는 광고를 멈추고 연결 모드(connected mode)로 진입한다. 광고 디바이스는 연결 모드 이후에 다시 광고를 시작할 수 있다.
스캐닝 절차(Scanning Procedure)
스캐닝을 수행하는 디바이스 즉, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 사용하는 광고 디바이스들로부터 사용자 데이터의 비지향성 브로드캐스트를 청취하기 위해 스캐닝 절차를 수행한다.
스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 추가적인 데이터를 요청 하기 위해, 광고 물리 채널을 통해 스캔 요청을 광고 디바이스로 전송한다. 광고 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 스캐닝 디바이스에서 요청한 추가적인 데이터를 포함하여 상기 스캔 요청에 대한 응답인 스캔 응답을 전송한다.
상기 스캐닝 절차는 BLE 피코넷에서 다른 BLE 디바이스와 연결되는 동안 사용될 수 있다.
만약, 스캐닝 디바이스가 브로드캐스트되는 광고 이벤트를 수신하고, 연결 요청을 개시할 수 있는 개시자 모드(initiator mode)에 있는 경우, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 광고 디바이스와 블루투스 연결을 시작할 수 있다.
스캐닝 디바이스가 광고 디바이스로 연결 요청을 전송하는 경우, 스캐닝 디바이스는 추가적인 브로드캐스트를 위한 개시자 모드 스캐닝을 중지하고, 연결 모드로 진입한다.
디스커버링 절차(Discovering Procedure)
블루투스 통신이 가능한 디바이스(이하, '블루투스 디바이스'라 한다.)들은 근처에 존재하는 디바이스들을 발견하기 위해 또는 주어진 영역 내에서 다른 디바이스들에 의해 발견되기 위해 광고 절차와 스캐닝 절차를 수행한다.
디스커버링 절차는 비대칭적으로 수행된다. 주위의 다른 디바이스를 찾으려고 하는 블루투스 디바이스를 디스커버링 디바이스(discovering device)라 하며, 스캔 가능한 광고 이벤트를 광고하는 디바이스들을 찾기 위해 리스닝한다. 다른 디바이스로부터 발견되어 이용 가능한 블루투스 디바이스를 디스커버러블 디바이스(discoverable device)라 하며, 적극적으로 광고 (브로드캐스트) 물리 채널을 통해 다른 디바이스가 스캔 가능하도록 광고 이벤트를 브로드캐스트한다.
디스커버링 디바이스와 디스커버러블 디바이스 모두 피코넷에서 다른 블루투스 디바이스들과 이미 연결되어 있을 수 있다.
연결 절차(Connecting Procedure)
연결 절차는 비대칭적이며, 연결 절차는 특정 블루투스 디바이스가 광고 절차를 수행하는 동안 다른 블루투스 디바이스는 스캐닝 절차를 수행할 것을 요구한다.
즉, 광고 절차가 목적이 될 수 있으며, 그 결과 단지 하나의 디바이스만 광고에 응답할 것이다. 광고 디바이스로부터 접속 가능한 광고 이벤트를 수신한 이후, 광고 (브로트캐스트) 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 연결을 개시할 수 있다.
다음으로, BLE 기술에서의 동작 상태 즉, 광고 상태(Advertising State), 스캐닝 상태(Scanning State), 개시 상태(Initiating State), 연결 상태(connection state)에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
광고 상태(Advertising State)
링크 계층(LL)은 호스트 (스택)의 지시에 의해, 광고 상태로 들어간다. 링크 계층이 광고 상태에 있을 경우, 링크 계층은 광고 이벤트들에서 광고 PDU(Packet Data Unit)들을 전송한다.
각각의 광고 이벤트는 적어도 하나의 광고 PDU들로 구성되며, 광고 PDU들은 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 전송된다. 광고 이벤트는 광고 PDU가 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 각각 전송되었을 경우, 종료되거나 광고 디바이스가 다른 기능 수행을 위해 공간을 확보할 필요가 있을 경우 좀 더 일찍 광고 이벤트를 종료할 수 있다.
스캐닝 상태(Scanning State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 스캐닝 상태로 들어간다. 스캐닝 상태에서, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들을 리스닝한다.
스캐닝 상태에는 수동적 스캐닝(passive scanning), 적극적 스캐닝(active scanning)의 두 타입이 있으며, 각 스캐닝 타입은 호스트에 의해 결정된다.
스캐닝을 수행하기 위한 별도의 시간이나 광고 채널 인덱스가 정의되지는 않는다.
스캐닝 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우(scanWindow) 구간(duration) 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다. 스캔인터벌(scanInterval)은 두 개의 연속적인 스캔 윈도우의 시작점 사이의 간격(인터벌)으로서 정의된다.
링크 계층은 스케쥴링의 충돌이 없는 경우, 호스트에 의해 지시되는 바와 같이 스캔윈도우의 모든 스캔인터벌 완성을 위해 리스닝해야한다. 각 스캔윈도우에서, 링크 계층은 다른 광고 채널 인덱스를 스캔해야한다. 링크 계층은 사용 가능한 모든 광고 채널 인덱스들을 사용한다.
수동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 단지 패킷들만 수신하고, 어떤 패킷들도 전송하지 못한다.
능동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 광고 디바이스로 광고 PDU들과 광고 디바이스 관련 추가적인 정보를 요청할 수 있는 광고 PDU 타입에 의존하기 위해 리스닝을 수행한다.
개시 상태(Initiating State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 개시 상태로 들어간다.
링크 계층이 개시 상태에 있을 때, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들에 대한 리스닝을 수행한다.
개시 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우 구간 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다.
연결 상태(connection state)
링크 계층은 연결 요청을 수행하는 디바이스 즉, 개시 디바이스가 CONNECT_REQ PDU를 광고 디바이스로 전송할 때 또는 광고 디바이스가 개시 디바이스로부터 CONNECT_REQ PDU를 수신할 때 연결 상태로 들어간다.
연결 상태로 들어간 이후, 연결이 생성되는 것으로 고려된다. 다만, 연결이 연결 상태로 들어간 시점에서 확립되도록 고려될 필요는 없다. 새로 생성된 연결과 기 확립된 연결 간의 유일한 차이는 링크 계층 연결 감독 타임아웃(supervision timeout) 값뿐이다.
두 디바이스가 연결되어 있을 때, 두 디바이스들은 다른 역할로 활동한다.
마스터 역할을 수행하는 링크 계층은 마스터로 불리며, 슬레이브 역할을 수행하는 링크 계층은 슬레이브로 불린다. 마스터는 연결 이벤트의 타이밍을 조절하고, 연결 이벤트는 마스터와 슬레이브 간 동기화되는 시점을 말한다.
이하에서, 블루투스 인터페이스에서 정의되는 패킷에 대해 간략히 살펴보기로 한다. BLE 디바이스들은 하기에서 정의되는 패킷들을 사용한다.
패킷 포맷(Packet Format)
링크 계층(Link Layer)은 광고 채널 패킷과 데이터 채널 패킷 둘 다를 위해 사용되는 단지 하나의 패킷 포맷만을 가진다.
각 패킷은 프리앰블(Preamble), 접속 주소(Access Address), PDU 및 CRC 4개의 필드로 구성된다.
하나의 패킷이 광고 채널에서 송신될 때, PDU는 광고 채널 PDU가 될 것이며, 하나의 패킷이 데이터 채널에서 전송될 때, PDU는 데이터 채널 PDU가 될 것이다.
광고 채널 PDU(Advertising Channel PDU)
광고 채널 PDU(Packet Data Unit)는 16비트 헤더와 다양한 크기의 페이로드를 가진다.
헤더에 포함되는 광고 채널 PDU의 PDU 타입 필드는 하기 표 3에서 정의된 바와 같은 PDU 타입을 나타낸다.
변조 레벨 비트당 사이클의 개수
0 (default) 256
1 128
2 64
3 32
4 16
5 8
광고 PDU(Advertising PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입들은 광고 PDU로 불리고 구체적인 이벤트에서 사용된다.
ADV_IND: 연결 가능한 비지향성 광고 이벤트
ADV_DIRECT_IND: 연결 가능한 지향성 광고 이벤트
ADV_NONCONN_IND: 연결 가능하지 않은 비지향성 광고 이벤트
ADV_SCAN_IND: 스캔 가능한 비지향성 광고 이벤트
상기 PDU들은 광고 상태에서 링크 계층(Link Layer)에서 전송되고, 스캐닝 상태 또는 개시 상태(Initiating State)에서 링크 계층에 의해 수신된다.
스캐닝 PDU(Scanning PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 스캐닝 PDU로 불리며, 하기에서 설명되는 상태에서 사용된다.
SCAN_REQ: 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
SCAN_RSP: 광고 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
개시 PDU(Initiating PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 개시 PDU로 불린다.
CONNECT_REQ: 개시 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
데이터 채널 PDU(Data Channel PDU)
데이터 채널 PDU는 16 비트 헤더, 다양한 크기의 페이로드를 가지고, 메시지 무결점 체크(Message Integrity Check:MIC) 필드를 포함할 수 있다.
앞에서 살펴본, BLE 기술에서의 절차, 상태, 패킷 포맷 등은 본 명세서에서 제안하는 방법들을 수행하기 위해 적용될 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면, 부하(455)는 배터리일 수 있다. 배터리는 전력 픽업 유닛(210)으로부터 출력되는 전력을 이용하여 에너지를 저장할 수 있다. 한편, 모바일 기기(450)에 배터리가 반드시 포함되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리는 탈부착이 가능한 형태의 외부 구성으로 제공될 수 있다. 다른 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(200)에는 전자 기기의 다양한 동작을 구동하는 구동 수단이 배터리 대신 포함될 수도 있다.
모바일 기기(450)는 무선전력 수신장치(200)을 포함하는 것을 도시되어 있고, 베이스 스테이션(400)은 무선전력 전송장치(100)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 넓은 의미에서는 무선전력 수신장치(200)는 모바일 기기(450)와 동일시될 수 있고 무선전력 전송장치(100)는 베이스 스테이션(400)와 동일시 될 수도 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)과 통신/컨트롤 유닛(220)이 IB 통신 모듈 이외에 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE을 포함하는 경우, 통신/컨트롤 유닛(120)을 포함하는 무선전력 전송장치(100)와 통신/컨트롤 유닛(220)을 포함하는 무선전력 수신장치(200)은 도 4c와 같은 단순화된 블록도로 표현될 수 있다.
도 4c는 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4c를 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 전력 변환 유닛(110)과 통신/컨트롤 유닛(120)을 포함한다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 인밴드 통신 모듈(121) 및 BLE 통신 모듈(122)를 포함한다.
한편 무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 유닛(210)과 통신/컨트롤 유닛(220)을 포함한다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 인밴드 통신 모듈(221) 및 BLE 통신 모듈(222)를 포함한다.
일 측면에서, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 도 4b에 따른 아키텍처 및 동작을 수행한다. 예를 들어, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 무선전력 전송장치(100)와 무선전력 수신장치(200) 사이의 접속을 수립하고, 무선전력 전송에 필요한 제어 정보와 패킷들을 교환하는데 사용될 수도 있다.
다른 측면에서, 통신/컨트롤 유닛(120)은 무선충전을 위한 프로파일을 동작시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 무선충전을 위한 프로파일은 BLE 전송을 사용하는 GATT일 수 있다.
한편, 통신/컨트롤 유닛들(120, 220)은 도 4d와 같이 각각 인밴드 통신 모듈들(121, 221)만을 포함하고, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 통신/컨트롤 유닛들(120, 220)과 분리되어 구비되는 형태도 가능하다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(selection phase, 510), 핑 단계(ping phase, 520), 식별 및 구성 단계(identification and configuration phase, 530), 협상 단계(negotiation phase, 540), 보정 단계(calibration phase, 550), 전력 전송 단계(power transfer phase, 560) 단계 및 재협상 단계(renegotiation phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계-예를 들면, 도면 부호 S502, S504, S508, S510 및 S512를 포함함-일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 무선전력 전송장치가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 매우 짧은 구간(duration)에 해당하는 전력 신호(또는 펄스)인 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
선택 단계(510)에서 물체가 감지되는 경우, 무선전력 전송장치는 무선전력 공진 회로(예를 들어 전력전송 코일 및/또는 공진 캐패시터)의 품질 인자를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 선택단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선전력 수신장치가 놓였는지 판단하기 위하여 품질 인자를 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치에 구비되는 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 품질 인자 값이 감소하게 된다. 측정된 품질 인자 값을 이용하여 이물질의 존재 여부를 판단하기 위해, 무선전력 전송장치는 충전 영역에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 미리 측정된 기준 품질 인자 값을 무선전력 수신장치로부터 수신할 수 있다. 협상 단계(540)에서 수신된 기준 품질 인자 값과 측정된 품질 인자 값을 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다. 그러나 기준 품질 인자 값이 낮은 무선전력 수신장치의 경우-일 예로, 무선전력 수신장치의 타입, 용도 및 특성 등에 따라 특정 무선전력 수신장치는 낮은 기준 품질 인자 값을 가질 수 있음-, 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 품질 인자 값과 기준 품질 인자 값 사이의 큰 차이가 없어 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 따라서 다른 판단 요소를 더 고려하거나, 다른 방법을 이용하여 이물질 존재 여부를 판단해야 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 선택 단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 배치되었는지 판단하기 위하여 특정 주파수 영역 내(ex 동작 주파수 영역) 품질 인자 값을 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치의 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬 저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 무선전력 전송장치의 코일의 공진 주파수가 변경(시프트)될 수 있다. 즉, 동작 주파수 대역 내 최대 품질 인자 값이 측정되는 주파수인 품질 인자 피크(peak) 주파수가 이동될 수 있다.
단계(520)에서 무선전력 전송장치는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 무선전력 전송장치는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
무선전력 전송장치는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 협상이 필요하면, 무선전력 전송장치는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다. 반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 피크 주파수 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 품질 인자 값 및 기준 피크 주파수 값이 포함된 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치를 결정할 수 있다. 무선전력 전송장치는 기준 피크 주파수 값에 기반하여 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치를 결정할 수 있다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값(핑 단계 이전에 측정된 품질인자 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치 및 현재 측정된 피크 주파수 값(핑 단계 이전에 측정된 피크 주파수 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 무선전력 전송장치는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 무선전력 전송장치는 FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 무선전력 전송장치 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 무선전력 전송장치는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
본 실시예에서는 보정 단계(550과 전력 전송 단계(560)를 별개의 단계로 구분하였지만, 보정 단계(550)는 전력 전송 단계(560)에 통합될 수 있다. 이 경우 보정 단계(550)에서의 동작들은 전력 전송 단계(560)에서 수행될 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 무선전력 전송장치와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 무선전력 전송장치 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 6에서 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치(100) 및 무선전력 수신장치(200)는 전력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트롤할 수 있다. 무선전력 전송장치 및 무선전력 수신장치는 특정 컨트롤 포인트에서 동작한다. 컨트롤 포인트는 전력 전달이 수행될 때 무선전력 수신장치의 출력단(output)에서 제공되는 전압 및 전류의 조합(combination)을 나타낸다.
더 상세히 설명하면, 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트(desired Control Point)- 원하는 출력 전류/전압, 모바일 기기의 특정 위치의 온도 등을 선택하고, 추가로 현재 동작하고 있는 실제 컨트롤 포인트(actual control point)를 결정한다. 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트와 실제 컨트롤 포인트를 사용하여, 컨트롤 에러 값(control error value)을 산출하고, 이를 컨트롤 에러 패킷으로서 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다.
그리고 무선전력 전송장치는 수신한 컨트롤 에러 패킷을 사용하여 새로운 동작 포인트- 진폭, 주파수 및 듀티 사이클-를 설정/컨트롤하여 전력 전달을 제어할 수 있다. 따라서 컨트롤 에러 패킷은 전략 전달 단계에서 일정 시간 간격으로 전송/수신되며, 실시예로서 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치의 전류를 저감하려는 경우 컨트롤 에러 값을 음수로, 전류를 증가시키려는 경우 컨트롤 에러 값을 양수로 설정하여 전송할 수 있다. 이와 같이 유도 모드에서는 무선전력 수신장치가 컨트롤 에러 패킷을 무선전력 전송장치로 송신함으로써 전력 전달을 제어할 수 있다.
이하에서 설명할 공진 모드에서는 유도 모드에서와는 다른 방식으로 동작할 수 있다. 공진 모드에서는 하나의 무선전력 전송장치가 복수의 무선전력 수신장치를 동시에 서빙할 수 있어야 한다. 다만 상술한 유도 모드와 같이 전력 전달을 컨트롤하는 경우, 전달되는 전력이 하나의 무선전력 수신장치와의 통신에 의해 컨트롤되므로 추가적인 무선전력 수신장치들에 대한 전력 전달은 컨트롤이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명의 공진 모드에서는 무선전력 전송장치는 기본 전력을 공통적으로 전달하고, 무선전력 수신장치가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤하는 방법을 사용하고자 한다. 다만, 이러한 공진 모드의 동작에서도 도 6에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 6의 방법으로 수행할 수도 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다. 쉐어드 모드는 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치간에 1대다 통신 및 충전을 수행하는 모드를 지칭할 수 있다. 쉐어드 모드는 자기 유도 방식 또는 공진 방식으로 구현될 수 있다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(700)는 코일 어셈블리를 덮는 커버(720), 전력 송신기(740)로 전력을 공급하는 전력 어답터(730), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(740) 또는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(750) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(750)는 옵셔널하게 포함되거나, 무선 전력 전송 장치(700)의 다른 사용자 인터페이스(750)로서 포함될 수도 있다.
전력 송신기(740)는 코일 어셈블리(760), 임피던스 매칭 회로(770), 인버터(780), 통신 유닛(790) 또는 컨트롤 유닛(710) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
코일 어셈블리(760)는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하며, 코일 셀로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 인버터와 1차 코일(들) 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 임피던스 매칭 회로(770)는 1차 코일 전류를 부스팅(boost)하는 적합한(suitable) 주파수에서 공진(resonance)을 발생시킬 수 있다. 다중-코일(multi-coil) 전력 송신기(740)에서 임피던스 매칭 회로는 인버터에서 1차 코일들의 서브세트로 신호를 라우팅하는 멀티플렉스를 추가로 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 회로는 탱크 회로(tank circuit)로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 연결을 스위칭하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 임피던스의 매칭은 코일 어셈블리(760)를 통해 전송되는 무선전력의 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 스위칭 소자를 스위칭하여 캐패시터나 인덕터의 연결 상태를 조정하거나 캐패시터의 캐패시턴스를 조정하거나 인덕터의 인덕턴스를 조정함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(770)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(770)가 생략된 무선전력 전송장치(700)의 실시예도 포함한다.
인버터(780)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(780)는 가변(adjustable) 주파수의 펄스 웨이브 및 듀티 사이클을 생성하도록 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구동될 수 있다. 또한 인버터는 입력 전압 레벨을 조정하도록 복수의 스테이지들을 포함할 수도 있다.
통신 유닛(790)은 전력 수신기와의 통신을 수행할 수 있다. 전력 수신기는 전력 송신기에 대한 요청 및 정보를 통신하기 위해 로드(load) 변조를 수행한다. 따라서 전력 송신기(740)는 통신 유닛(790)을 사용하여 전력 수신기가 전송하는 데이터를 복조하기 위해 1차 코일의 전류 및/또는 전압의 진폭 및/또는 위상을 모니터링할 수 있다.
또한, 전력 송신기(740)는 통신 유닛(790)을 통해 FSK(Frequency Shift Keying) 방식 등을 사용하여 데이터를 전송하도록 출력 전력을 컨트롤할 수도 있다.
컨트롤 유닛(710)은 전력 송신기(740)의 통신 및 전력 전달을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤 유닛(710)은 상술한 동작 포인트를 조정하여 전력 전송을 제어할 수 있다. 동작 포인트는, 예를 들면, 동작 주파수, 듀티 사이클 및 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
통신 유닛(790) 및 컨트롤 유닛(710)은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다.
도 8에서, 무선전력 수신 장치(800)는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(820), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(830), 로드 회로(load circuit, 840) 또는 코일 어셈블리를 받치며 커버하는 베이스(850) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(820)는 옵셔널하게 포함되거나, 전력 수신 장비의 다른 사용자 인터페이스(82)로서 포함될 수도 있다.
전력 수신기(830)는 전력 컨버터(860), 임피던스 매칭 회로(870), 코일 어셈블리(880), 통신 유닛(890) 또는 컨트롤 유닛(810) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 컨버터(860)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 실시예로서, 전력 컨버터(860)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 정류기는 수신된 무선 전력을 정류하여 교류에서 직류로 변환할 수 있다. 정류기는 다이오드나 트랜지스터를 이용하여 교류를 직류로 변환하고, 캐패시터와 저항을 이용하여 이를 평활할 수 있다. 정류기로는 브릿지 회로 등으로 구현되는 전파 정류기, 반파 정류기, 전압 체배기 등이 이용될 수 있다. 추가로, 전력 컨버터는 전력 수신기의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(870)는 전력 컨버터(860) 및 로드 회로(840)의 조합과 2차 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 실시예로서, 임피던스 매칭 회로는 전력 전달을 강화할 수 있는 100kHz 근방의 공진을 발생시킬 수 있다. 임피던스 매칭 회로(870)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 조합을 스위칭하는 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 임피던스의 정합은 수신되는 무선 전력의 전압값이나 전류값, 전력값, 주파수값 등에 기초하여 임피던스 매칭 회로(870)를 구성하는 회로의 스위칭 소자를 제어함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(870)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(870)가 생략된 무선전력 수신장치(200)의 실시예도 포함한다.
코일 어셈블리(880)는 적어도 하나의 2차 코일을 포함하며, 옵셔널하게는 자기장으로부터 수신기의 금속 부분을 쉴딩(shield)하는 엘러먼트(element)를 더 포함할 수도 있다.
통신 유닛(890)은 전력 송신기로 요청(request) 및 다른 정보를 통신하기 위해 로드 변조를 수행할 수 있다.
이를 위해 전력 수신기(830)는 반사 임피던스를 변경하도록 저항 또는 커패시터를 스위칭할 수도 있다.
컨트롤 유닛(810)은 수신 전력을 컨트롤할 수 있다. 이를 위해 컨트롤 유닛(810)은 전력 수신기(830)의 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 결정/산출할 수 있다. 그리고 컨트롤 유닛(810)은 전력 송신기의 반사 임피던스의 조정 및/또는 전력 송신기의 동작 포인트 조정 요청을 수행함으로써 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 조정/저감할 수 있다. 이 차이를 최소화하는 경우 최적의 전력 수신을 수행할 수 있다.
통신 유닛(890) 및 컨트롤 유닛(810)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타낸다. 이는 쉐어드 모드(shared mode)에서의 통신 프레임 구조일 수 있다.
도 9를 참조하면, 쉐어드 모드에서는, 서로 다른 형태의 프레임이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉐어드 모드에서는, (A)와 같은 복수의 슬롯을 가지는 슬롯 프레임(slotted frame) 및 (B)와 같은 특정 형태가 없는 자유 형식 프레임(free format frame)을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 슬롯 프레임은 무선 전력 수신장치(200)로부터, 무선 전력 전송장치(100)에게 짧은 데이터 패킷들의 전송을 위한 프레임이고, 자유 형식 프레임은 복수의 슬롯들을 구비하지 않아, 긴 데이터 패킷들의 전송이 가능한 프레임일 수 있다.
한편, 슬롯 프레임 및 자유 형식 프레임은, 당업자에 의하여 다양한 명칭으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 슬롯 프레임은, 채널 프레임으로, 자유 형식 프레임은, 메시지 프레임 등으로 변경되어 명명될 수 있다.
보다 구체적으로, 슬롯 프레임은, 슬롯의 시작을 나타내는 싱크 패턴, 측정 슬롯, 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서, 동일한 시간 간격을 갖는 추가적인 싱크 패턴을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 앞서 설명한 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴과 다른 싱크 패턴이다. 보다 구체적으로, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 프레임의 시작을 나타내지 않고, 인접한 슬롯들(즉, 싱크 패턴의 양 옆에 위치한 연속하는 두 개의 슬롯들)과 관련된 정보를 나타낼 수 있다.
상기 9개의 슬롯들 중 연속하는 두 개의 슬롯들 사이에는, 각각 싱크 패턴이 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 싱크 패턴은, 상기 연속하는 두 개의 슬롯들과 관련된 정보를 제공할 수 있다.
또한, 상기 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서 제공되는 싱크 패턴들은, 각각 동일한 시간 간격을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 9개의 슬롯들은 50ms의 시간 간격을 가질 수 있다. 또한, 상기 9개의 싱크 패턴들도 50ms의 시간 길이를 가질 수 있다.
한편, (B)와 같은 자유 형식 프레임은, 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴 및 측정 슬롯 이외에, 구체적인 형태을 가지지 않을 수 있다. 즉, 상기 자유 형식 프레임은, 상기 슬롯 프레임과 다른 역할을 수행하기 위한 것으로, 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치 간에 긴 데이터 패킷들(예를 들어, 추가 소유자 정보 패킷들)의 통신을 수행하거나, 복수의 코일로 구성된 무선 전력 전송장치에 있어서, 복수의 코일 중 어느 하나의 코일을 선택하는 역할을 위하여 사용될 수 있다.
이하에서는, 각 프레임에 포함된 싱크 패턴(sync pattern)에 대하여 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조이다.
도 10을 참조하면, 싱크 패턴은 프리앰블(preamble), 시작 비트(start bit), 응답 필드(Resonse field), 타입 필드(type field), 정보 필드(info field) 및 패리티 비트(parity bit)로 구성될 수 있다. 도 10에서는 시작 비트가 ZERO로 도시되어 있다.
보다 구체적으로, 프리앰블은 연속되는 비트들로 이루어져 있으며, 모두 0으로 설정될 수 있다. 즉, 프리앰블은 싱크 패턴의 시간 길이를 맞추기 위한 비트들일 수 있다.
프리앰블을 구성하는 비트들의 개수는 싱크 패턴의 길이가 50ms에 가장 가깝도록, 그러나, 50ms를 초과하지 않는 범위 내에서, 동작 주파수에 종속될 수 있다. 예를 들어, 동작 주파수가 100kHz인 경우, 싱크 패턴은 2개의 프리앰블 비트들로 구성되고, 동작 주파수가 105kHz인 경우, 싱크 패턴은, 3개의 프리앰블 비트들로 구성될 수 있다.
시작 비트는 프리앰블 다음에 따라오는 비트로 제로(ZERO)를 의미할 수 있다. 상기 제로(ZERO)는 싱크 패턴의 종류를 나타내는 비트일 수 있다. 여기에서, 싱크 패턴의 종류는, 프레임과 관련된 정보를 포함하는 프레임 싱크(frame sync)와 슬롯의 정보를 포함하는 슬롯 싱크(slot sync)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 싱크 패턴은, 연속하는 프레임들 사이에 위치하며, 프레임의 시작을 나타내는 프레임 싱크이거나, 프레임을 구성하는 복수의 슬롯 중 연속하는 슬롯들 사이에 위치하며, 상기 연속하는 슬롯과 관련된 정보를 포함하는 슬롯 싱크일 수 있다.
예를 들어, 상기 제로가 0인 경우, 해당 슬롯이 슬롯과 슬롯 사이에 위치한, 슬롯 싱크임을 의미하고, 1인 경우, 해당 싱크 패턴이 프레임과 프레임 사이에 위치한 프레임 싱크임을 의미할 수 있다.
패리티 비트는 싱크 패턴의 마지막 비트로, 싱크 패턴의 데이터 필드들(즉, 응답 필드, 타입 필드, 정보 필드)를 구성하는 비트들의 개수 정보를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 기 패리티 비트는 싱크 패턴의 데이터 필드들을 구성하는 비트의 개수가 짝수인 경우, 1, 그 밖의 경우(즉, 홀수인 경우), 0이 될 수 있다.
응답(Response) 필드는 싱크 패턴 이전의 슬롯 내에서, 무선 전력 수신장치와의 통신에 대한, 무선 전력 전송장치의 응답 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응답 필드는 무선 전력 수신장치와 통신의 수행이 감지되지 않은 경우, '00'을 가질 수 있다. 또한, 상기 응답 필드는 무선 전력 수신장치와의 통신에 통신 에러(communication error)가 감지된 경우, '01'을 가질 수 있다. 통신 에러는, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치가 하나의 슬롯에 접근을 시도하여, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치 간의 충돌이 발생한 경우일 수 있다.
또한, 응답 필드는, 무선 전력 수신장치로부터 데이터 패킷을 정확하게 수신하였는지 여부를 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 응답필드는, 무선 전력 전송장치가 데이터 패킷을 거부(deni)한 경우, "10"(10-not acknowledge, NAK), 무선 전력 전송장치가 상기 데이터 패킷을 확인(confirm)한 경우, "11"(11-acknowledge, ACK)이 될 수 있다.
타입 필드는 싱크 패턴의 종류를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 타입 필드는 싱크 패턴이 프레임의 첫번째 싱크 패턴인 경우(즉, 프레임의 첫번째 싱크 패턴으로, 측정 슬롯 이전에 위치한 경우), 프레임 싱크임을 나타내는 '1'을 가질 수 있다.
또한, 타입 필드는 슬롯 프레임에서, 싱크 패턴이 프렘임의 첫번째 싱크 패턴이 아닌 경우, 슬롯 싱크임을 나타내는 '0'을 가질 수 있다.
또한, 정보 필드는 타입 필드가 나타내는 싱크 패턴의 종류에 따라 그 값의 의미가 결정될 수 있다. 예를 들어, 타입 필드가 1인 경우(즉, 프레임 싱크를 나타내는 경우), 정보 필드의 의미는 프레임의 종류를 나타낼 수 있다. 즉, 정보 필드는 현재 프레임이 슬롯 프레임(slotted frame)인지 또는 자유 형식 프레임(free-format frame)인지 나타낼 수 있다. 예를 들어, 정보 필드가 '00'인 경우, 슬롯 프레임을, 정보 필드가 '01'인 경우, 자유 형식 프레임을 나타낼 수 있다.
이와 달리, 타입 필드가 0인 경우(즉, 슬롯 싱크인 경우), 정보 필드는 싱크 패턴의 뒤에 위치한 다음 슬롯(next slot)의 상태를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 정보 필드는 다음 슬롯이 특정(specific) 무선 전력 수신장치에 할당된(allocated) 슬롯인 경우, '00', 특정 무선 전력 수신장치가 일시적으로 사용하기 위하여, 잠겨 있는 슬롯인 경우, '01', 또는 임의의 무선 전력 수신장치가 자유롭게 사용 가능한 슬롯인 경우, '10'을 가질 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 11을 참조하면, 쉐어드 모드로 동작하는 무선 전력 수신장치는, 선택 상태(Selection Phase) (1100), 도입 상태(Introduction Phase)(1110), 설정 상태(Configuration Phase) (1120), 교섭 상태(Negotiation Phase)(1130) 및 전력 전송 상태(Power Transfer Phase) (1140) 중 어느 하나의 상태로 동작할 수 있다.
우선, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 수신장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 신호를 전송할 수 있다. 즉, 무선 전력 신호를 이용하여, 무선 전력 수신장치를 감지하는 과정을 아날로그 핑(Analog ping)이라 할 수 있다.
한편, 무선 전력 신호를 수신한 무선 전력 수신장치는 선택 상태(1100)에 진입할 수 있다. 선택 상태(1100)에 진입한 무선 전력 수신장치는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 무선 전력 신호 상에 FSK신호의 존재를 감지할 수 있다.
즉, 무선 전력 수신장치는 FSK 신호의 존재 여부에 따라 익스클루시브 모드 또는 쉐어드 모드 중 어느 하나의 방식으로 통신을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신장치는 무선 전력 신호에 FSK 신호가 포함되어 있으면, 쉐어드 모드로 동작하고, 그렇지 않은 경우, 익스클루시브 모드로 동작할 수 있다.
무선 전력 수신장치가 쉐어드 모드로 동작하는 경우, 상기 무선 전력 수신장치는 도입 상태(1110)에 진입할 수 있다. 도입 상태(1110)에서, 무선 전력 수신장치는, 설정 상태, 교섭 상태 및 전력 전송 상태에서, 제어 정보 패킷(CI, Control Information packet)을 전송하기 위하여, 무선 전력 전송장치에게 제어 정보 패킷을 전송할 수 있다. 제어 정보 패킷은, 헤더(Header) 및 제어와 관련된 정보를 가질 수 있다. 예를 들어, 제어 정보 패킷은, 헤더가 0X53일 수 있다.
도입 상태(1110)에서, 무선전력 수신장치는 제어정보(control information: CI) 패킷을 전송하기 위해 자유슬롯(free slot)을 요청하는 시도를 다음의 구성, 협상, 전력 전송 단계에 걸쳐 수행한다. 이때 무선전력 수신장치는 자유슬롯을 선택하고 최초 CI 패킷을 전송한다. 만약 무선전력 전송장치가 해당 CI 패킷에 ACK으로 응답하면, 무선전력 전송장치는 구성 단계로 진입한다. 만약 무선전력 전송장치가 NACK으로 응답하면, 다른 무선전력 수신장치가 구성 및 협상 단계를 통해 진행되고 있는 것이다. 이 경우, 무선전력 수신장치는 자유슬롯의 요구를 재시도한다.
만약 무선전력 수신장치가 CI 패킷에 대한 응답으로 ACK을 수신하면, 무선전력 수신장치는 최초 프레임 싱크까지 나머지 슬롯 싱크들을 카운팅함으로써 프레임 내의 개인 슬롯(private slot)의 위치를 결정한다. 모든 후속 슬롯 기반 프레임들에서, 무선전력 수신장치는 해당 슬롯을 통해 CI 패킷을 전송한다.
만약 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 구성 단계로 진행함을 허락하면, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치의 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯(locked slot) 시리즈를 제공한다. 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 구성 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 2개의 식별 데이터 패킷들(IDHI와 IDLO)와 같은 데이터 패킷의 시퀀스들을 잠금 슬롯을 사용하여 전송한다. 본 단계를 완료하면, 무선전력 수신장치는 협상 단계로 진입한다. 협상 단계에서, 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯을 계속 제공한다. 이는 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 협상 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 해당 잠금 슬롯을 사용하여 하나 또는 그 이상의 협상 데이터 패킷들을 전송하며, 이는 사적 데이터 패킷들과 섞일 수도 있다. 결국 해당 시퀀스는 특정 요청 (specific request (SRQ)) 패킷과 함께 종료된다. 해당 시퀀스를 완료하면, 무선전력 수신장치는 전력 전송 단계로 진입하고, 무선전력 전송장치는 잠금 슬롯의 제공을 중단한다.
전력 전송 상태에서, 무선전력 수신장치는 할당된 슬롯을 사용하여 CI 패킷의 전송을 수행하며, 전력을 수신한다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 포함할 수 있다. 레귤레이터 회로는 통신/제어 유닛에 포함될 수 있다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 통해 무선전력 수신장치의 반사 임피턴스를 자가-조절(self-regulate)할 수 있다. 다시 말해, 무선전력 수신장치는 외부 부하에 의해 요구되는 양의 파워를 전송하기 위해 반사되는 임피던스를 조정할 수 있다. 이는 과도한 전력의 수신과 과열을 방지할 수 있다.
쉐어드 모드에서, 무선전력 전송장치는 수신되는 CI 패킷에 대한 응답으로서 전력을 조정하는 것을 수행하지 않을 수 있기 때문에(동작 모드에 따라), 이 경우에는 과전압 상태를 막기 위한 제어가 필요할 수 있다.
이하에서는 멀티 코일을 구비한 무선전력 전송장치에 의한 멀티 코일 구동 제어 방법에 관하여 상세히 개시된다.
도 12a 및 12b는 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 포함되는 1차 코일 배열과 차폐부재를 도시한 평면도와 측면도이고, 도 12c는 각 1차 코일의 물리적 파라미터들이다.
도 12a 내지 12c를 참조하면, 무선전력 전송장치는 차폐부재(1210) 및 차폐부재(1210)상에 배치되되 복수의 1차 코일들이 서로 중첩 배열된 1차 코일 배열(array)(1201, 1202, 1203, 1204)로 구성된 모듈(1200)을 포함한다. 여기서 무선전력 전송장치는 도 4의 무선전력 전송장치(100)일 수 있고, 모듈(1200)은 전력 변환 유닛(110)일 수 있다.
1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)은 수직적(z방향)으로는 각 1차 코일이 하나의 층(layer)을 형성하는 적층 구조이고, 수평면(x-y 평면)으로는 1층의 1차 코일(1201)에서부터 4층의 1차 코일(1204)까지 반시계방향(또는 시계방향)으로 중첩되는 구조이다. 따라서, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)의 중심 C를 기준으로 평면적으로 4 사분면으로 나누었을 때, 각 사분면에 각 층의 1차 코일이 골고루 배치된다. 예를 들어, 3사분면에는 1층의 1차 코일(1201)이 배치되고, 4사분면에는 2층의 1차 코일(1204)이 배치되며, 1사분면에는 3층의 1차 코일(1203)이 배치되고, 2사분면에는 4층의 1차 코일(1202)이 배치된다. 즉, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)은 수평면으로 2×2의 정사각형 형태를 가진다.
본 실시예에 따른 1차 코일은 개별적으로 구동(또는 활성화)될 수 있다. 1차 코일마다 개별적으로 구동(또는 활성화)되기 위해, 각 1차 코일에 전용인(dedicated) 구동회로(즉, 인버터)가 연결될 수 있다. 즉, 각 1차 코일에는 독립적인 전원이 인가되도록 구성될 수 있다. 이로써, 도 13a과 같이 1차 코일 배열 상에 2차 코일(1205)이 놓이는 위치에 따라 하나의 1차 코일만 선택적으로 구동(또는 활성화)될 수도 있고(a), 복수의 1차 코일이 동시에 선택적으로 구동(또는 활성화)될 수도 있다(b, c). 여기서, 활성화라 함은 1차 코일에 전류 또는 전압을 인가하여 1차 코일을 통해 전력을 전송하거나, 또는 통신을 수행하는 상태로 전환하는 동작을 의미할 수 있다.
(b)는 무선전력 수신장치의 2차 코일이 2개의 1차 코일들 사이에 위치함으로써, 2개의 1차 코일들이 동시에 활성화되는 경우(이른바 듀얼 코일 구동)를 보여준다.
일 실시예에 따르면, 복수의 1차 코일들이 동시에 활성화되는 경우, 적어도 하나의 1차 코일은 통신과 전력 전송을 모두 수행하도록 구성되고(comm' & powr), 나머지 1차 코일은 통신을 수행하지 않고 전력만 전송하도록(power only) 구성될 수 있다. 여기서, 통신과 전력 전송을 모두 수행하도록 구성된 1차 코일을 메인 코일(main coil)이라 부르고, 전력 전송만 수행하도록 구성된 1차 코일을 주변 코일(adjacent coil)이라 부를 수 있다. 메인 코일과 주변 코일은 특정 위치의 1차 코일로 고정되는 것은 아니며 2차 코일의 위치에 따라 메인 코일과 주변 코일이 가변적으로 선택될 수 있다. 메인 코일에 의해 수행되는 통신 방식은 인밴드 통신을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 1차 코일들이 동시에 활성화되는 경우, 통신을 수행하는 1차 코일과 전력을 전송하는 1차 코일이 서로 분리될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 1차 코일은 무선전력 수신장치와 통신을 수행하도록 구성되고, 나머지 1차 코일은 무선전력 수신장치에 전력을 전송하도록 구성될 수 있다.
(c)는 비교적 큰 사이즈의 2차 코일이 1차 코일 배열 상에 놓임으로써 모든 1차 코일들이 동시에 활성화되는 경우(이른바 쿼드(quad) 코일 구동)를 보여준다.
일 실시예에 따르면, 모든 1차 코일들이 동시에 활성화되는 경우, 적어도 하나의 1차 코일(들)은 통신과 전력 전송을 모두 수행하도록 구성되고(comm' & power), 나머지 1차 코일(들)은 통신을 수행하지 않고 전력만 전송하도록(power only) 구성될 수 있다. 여기서, 통신과 전력 전송을 모두 수행하도록 구성된 1차 코일을 메인 코일이라 부르고, 전력 전송만 수행하도록 구성된 1차 코일을 주변 코일이라 부를 수 있다. 메인 코일과 주변 코일은 특정 위치의 1차 코일로 고정되는 것은 아니며 2차 코일의 위치에 따라 메인 코일과 주변 코일이 가변적으로 선택될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 복수의 1차 코일들이 동시에 활성화되는 경우, 통신을 수행하는 1차 코일과 전력을 전송하는 1차 코일이 서로 분리될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 1차 코일(들)은 무선전력 수신장치와 통신을 수행하도록 구성되고, 나머지 1차 코일(들)은 무선전력 수신장치에 전력을 전송하도록 구성될 수 있다.
(c)의 실시예에서, 메인 코일에 의해 수행되는 통신 방식은 인밴드 통신을 포함할 수 있다. 쿼드 코일 구동 방식의 경우, 모든 1차 코일들이 전력을 전송하기 때문에 비교적 전력 레벨이 높다. 높은 전력 레벨로 인해 1차 코일을 이용한 인밴드 통신은 노이즈나 간섭으로 인해 통신이 어려울 수 있다. 따라서, 쿼드 코일 구동 방식에서는 인밴드 통신과 아웃밴드 통신이 혼합되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 초기 구동 단계에서는 인밴드 통신이 사용되고, 전력 전송 단계에서는 아웃밴드 통신이 사용될 수 있다. 이 경우 인밴드에서 아웃밴드로의 핸드오버가 별도로 수행될 수 있다.
복수의 1차 코일이 동시에 구동(또는 활성화)되면 도 13b와 같이 단일의 1차 코일 대비 충전 영역을 확장시키기 때문에 수신장치의 위치 또는 정렬 자유도(positional or alignment freedom)를 높이는 효과가 있다.
도 13b는 일례에 따른 단일 코일 구동과 듀얼 코일 구동시 충전 영역의 크기를 비교한 실험예이다.
도 13b를 참조하면, (a)는 단일 코일 구동시 충전 영역으로서, BPP 또는 EPP 무선전력 수신장치에 대해 단일 코일을 구동할 때, 충전 영역 중간에 데드존(dead zone)이 형성됨을 알 수 있다. (b)는 단일 코일 및 듀얼 코일 구동시 충전 영역으로서, BPP 또는 EPP 무선전력 수신장치에 대해 단일 코일을 구동할 때, 충전 영역 중간에 데드존(dead zone)이 제거되어 (a)에 비해 충전 영역이 더 확장됨을 실험적으로 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 1차 코일 배열은 개별적으로 설정된 최대 출력을 제공할 수 있다. 설정된 최대 출력은 모든 1차 코일에 대해 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 예를 들어, 1층의 1차 코일(1201)에 설정된 최대 출력이 15W, 2층의 1차 코일(1204)에 설정된 최대 출력이 15W, 3층의 1차 코일(1203)에 설정된 최대 출력이 15W, 4층의 1차 코일(1202)에 설정된 최대 출력이 15W일 수 있다. 이 경우, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204) 전체에서 제공 가능한 최대 출력은 15W+15W+15W+15W=60W가 된다. 이 상태에서, 수신장치의 위치 및/또는 요구에 따라 1개의 1차 코일만 구동되는 경우(도 13의 (a)) 총 15W의 출력으로 무선충전이 수행되고, 수신장치의 위치에 따라 2개의 1차 코일이 구동되는 경우(도 13의 (b)) 총 30W의 출력으로 무선충전이 수행되며, 수신장치의 위치 및/또는 요구에 따라 4개의 1차 코일들이 모두 구동되는 경우(도 13의 (c)) 총 60W의 출력으로 무선충전이 수행될 수 있다. 따라서, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)은 전술된 정렬 자유도 뿐만 아니라 수신장치의 위치(또는 비정렬(misalignment)) 또는 전력 클래스에 따른 적응적 출력(adaptive output)을 제공할 수 있고, 수 W급의 저전력급 수신장치부터 수십 W의 중전력급 수신장치(또는 60W이하의 수신장치)에 이르기까지 다양한 응용기기와 호환되므로 확장성이 커진다. 이하 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)에 포함된 모든 1차 코일마다 설정된 최대 출력이 동일한 것을 가정하여 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에서는 4개의 1차 코일을 이용한 1차 코일 배열을 개시하고 있으나, 본 발명은 1차 코일 배열에 포함되는 1차 코일의 개수가 2개, 3개, 5개 및 그 이상이 되는 경우도 포함할 수 있다.
이와 같이 1차 코일의 개수, 충전 영역 및 출력이 확장 및 증가함에 따라 무선전력 전송장치와 수신장치 간 통신 제어의 중요성도 높아진다. 멀티 코일 무선충전 시스템에서 구동에 필요한 1차 코일 선택 방법이 정의되어야 한다.
도 14는 일 실시예에 따른 1차 코일 선택을 수행하는 순서도이다.
도 14를 참조하면, 무선전력 전송장치와 수신장치는 선택 준비 단계(pre selection phase)로 진입한다(S1400).
선택 준비 단계에서의 무선전력 전송장치의 동작은, 핑 레벨을 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 핑 레벨은 아날로그 핑(analog ping)과 디지털 핑(digital ping)의 레벨을 포함한다. 일례로서 핑 레벨을 설정하는 단계는, 각 1차 코일에 대해 개별적으로 설정될 수 있다. 또한, 1차 코일마다 개별적으로 설정되는 핑 레벨들은 서로 다를 수 있다. 왜냐하면 1차 코일마다 2차 코일까지의 z 축상 거리가 서로 다르고, 이를 미리 보정하지 않으면 무선전력 수신장치의 입장에서 디지털 핑의 신호 세기가 정확히 측정될 수 없기 때문이다. 따라서 본 실시예에서는 핑 레벨들은 서로 다르게 설정되되, 2차 코일에 적용되는 정류 전압이 서로 동일하게 되도록 설정될 수 있다.
선택 준비 단계가 완료되면, 무선전력 전송장치와 수신장치는 코일 선택 단계(coil selection phase)로 진입한다(S1405). 코일 선택 단계는 신호 세기(signal strength: SS) 패킷을 기반으로 활성화할 1차 코일을 선택하기 위한 것이다.
코일 선택 단계에서의 무선전력 전송장치의 동작은, 1차 코일의 조합을 활성화하여 해당 1차 코일(들)을 통해 동시에 디지털 핑 신호를 무선전력 수신장치로 전송하는 단계, 조합에 대한 신호 세기 패킷을 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계, 위와 같은 조합에 대한 디지털 핑 신호의 전송과 신호 세기 패킷의 수신을 나머지 조합들에 대해 반복 수행한 뒤 최적의 1차 코일의 조합을 결정하는 단계를 포함한다.
여기서, 1차 코일의 조합은 하나 또는 그 이상의 1차 코일들의 조합을 의미한다. 예를 들어, 도 12a에서 1차 코일들(1201, 1202, 1203, 1204)을 편의상 1201, 1202, 1203, 1204라 칭하면, 가능한 1차 코일의 조합은 조합#1{1201}, 조합#2{1202}, 조합#3{1203}, 조합#4{1204}, 조합#5{1201, 1202}, 조합#6{1201, 1204}, 조합#7{1202, 1203}, 조합#8{1203, 1204}, 조합#9{1201, 1202, 1203}, 조합#10{1202, 1203, 1204}, 조합#11{1203, 1204, 1201}, 조합#12{1201, 1202, 1203, 1204}로서, 총 12개이다.
각 조합에 대해서 무선전력 전송장치가 신호 세기 패킷을 획득하는 방법은 도 15와 같다.
도 15는 일례에 따른 무선전력 전송장치가 각 조합에 대해 디지털 핑을 수행하여 신호 세기 패킷을 획득하는 과정을 도시한 것이다.
도 15를 참조하면, 무선전력 전송장치는 각 1차 코일만으로 구성된 조합들#1~#4를 순차적으로 활성화하면서 각각 디지털 핑 신호(코일 양단의 전압은 Vrail로 가정)를 전송하고 각 1차 코일에 대한 신호 세기 패킷을 수신한다. 이 경우, 각 단일 1차 코일에 대한 신호 세기 패킷이 얻어질 수 있다.
다음으로, 무선전력 전송장치는 2개의 1차 코일로 구성된 조합들 {1201, 1202}을 활성화하여(즉, 1201, 1202을 동시에 활성화) 디지털 핑 신호를 전송하고, 위 조합에 대한 신호 세기 패킷을 수신한다. 이 경우, 무선전력 전송장치는 1201, 1202에서 동시에 디지털 핑을 전송(또는 실행(execute))한다. 2개의 1차 코일로 구성된 조합은 그 외에도 {1201, 1204}, {1202, 1203}, {1203, 1204}가 있으므로, 무선전력 전송장치는 2개의 1차 코일을 포함하는 나머지 3 조합에 대해 순차적으로 활성화, 디지털 핑 신호의 전송 및 신호 세기 패킷의 수신을 수행한다. 따라서, 신호 세기 패킷은 1차 코일의 조합에 대응되며, 단일 1차 코일에 대한 신호 세기 패킷을 나타내는 것은 아니다. 이는 1차 코일이 동시 구동될 때 최적의 조합을 찾기 위함이다.
이와 동일한 방식으로, 무선전력 전송장치는 3개의 1차 코일로 구성된 조합들({1201, 1202, 1203}, {1202, 1203, 1204}, {1203, 1204, 1201})과, 4개의 1차 코일로 구성된 조합 {1201, 1202, 1203, 1204}에 대해서도 동일한 동작을 반복 수행하여 조합#1~#12에 대한 신호 세기 패킷들을 획득한다.
다시 도 14를 참조하여, 모든 조합에 대한 신호 세기 패킷의 수신이 완료되면, 무선전력 전송장치는 각 조합별 신호 세기 패킷을 비교하고, 최적의 1차 코일의 조합을 결정한다. 즉, 무선전력 전송장치는 각 조합별 신호 세기 패킷을 기반으로 구동할 1차 코일의 개수(듀얼 코일 구동 또는 쿼드 코일 구동) 및/또는 구동할 1차 코일의 조합을 결정할 수 있다. 예를 들어, 무선전력 전송장치는 신호 세기 패킷들 중 가장 큰 신호 세기 패킷에 해당하는 조합을 최적의 1차 코일의 조합으로 결정할 수 있다. 또는, 무선전력 전송장치는 신호 세기 패킷들 중 임계치 보다 큰 신호 세기 패킷에 해당하는 조합을 최적의 1차 코일의 조합으로 결정할 수 있다.
코일 선택 단계에서의 무선전력 수신장치의 동작은, 1차 코일의 조합에서 동시에 인가되는 디지털 핑 신호를 무선전력 전송장치로부터 수신하는 단계, 조합에 대한 신호 세기 패킷을 무선전력 전송장치로 전송하는 단계, 위와 같은 조합에 대한 디지털 핑 신호의 수신과 신호 세기 패킷의 전송을 나머지 조합들에 대해 반복 수행한 뒤 최적의 1차 코일의 조합에 의해 무선전력을 수신하는 단계를 포함한다.
최적의 1차 코일의 조합이 선택되면, 무선전력 전송장치와 수신장치는 식별 및 구성 단계로 진입한다(S1410). 식별 및 구성 단계에서는 무선전력 전송장치와 수신장치 상호간에 식별 및 구성 패킷을 송수신하는 통신이 수행되므로, 무선전력 전송장치 및/또는 수신장치는 통신을 위한 메인 코일 또는 메인 코일과 인접 코일을 선택할 수 있다. 메인 코일 또는 메인 코일과 인접 코일의 선택은 제2 선택 단계에서 수행될 수 있다. 식별 및 구성 단계에서, 무선전력 수신장치의 전력 클래스(PC)의 식별을 위해 무선전력 수신장치의 ID가 사용될 수 있다.
식별 및 구성 단계의 완료 후, 무선전력 전송장치와 수신장치는 전력 전송 단계로 진입한다(S1415). 전력 클래스에 따라 전력 전송 단계에서의 동작이 서로 다를 수 있다. 무선전력 수신장치가 PC0인 경우, 무선전력 전송장치는 전력 전송을 계속 수행하되 전력 제어를 수행한다. 무선전력 수신장치가 PC1인 경우, 무선전력 전송장치는 PC1 무선전력 수신장치를 지원하기 위해 4개의 1차 코일들을 모두 구동(또는 활성화)하여 전력 전송을 수행한다.
이러한 도 14에 따른 실시예에서의 무선전력 전송장치는 도 1 내지 도 11에서 개시된 무선전력 전송장치 또는 무선전력 전송기 또는 전력 전송부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 전송장치의 동작은 도 1 내지 도 11에서의 무선전력 전송장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 단계 S1405에 따른 디지털 핑 신호를 무선전력 수신장치로 전송하는 동작, S1415에 따른 전력 전송을 수행하는 동작은 전력 변환 유닛(110)에 의해 수행될 수 있다. 또한 단계 S1400에 따른 핑 레벨을 설정하는 동작, 단계 S1405에 따른 신호 세기 패킷을 수신하는 동작과 최적의 1차 코일 조합을 선택하는 동작, 단계 S1410에 따른 식별 및 구성 패킷을 수신하는 동작은 통신/컨트롤 유닛(120)에 의해 수행될 수 있다.
또한 도 14에 따른 실시예에서의 무선전력 수신장치는 도 1 내지 도 11에서 개시된 무선전력 수신장치 또는 무선전력 수신기 또는 전력 수신부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 수신장치의 동작은 도 1 내지 도 11에서의 무선전력 수신장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 본 실시예에서 단계 S1405에 따른 디지털 핑 신호를 무선전력 전송장치로부터 수신하는 동작, S1415에 따른 전력 전송을 수신하는 동작은 전력 픽업 유닛(210)에 의해 수행될 수 있다. 또한 단계 S1405에 따른 신호 세기 패킷을 생성하고 전송하는 동작, 단계 S1410에 따른 식별 및 구성 패킷을 생성하고 전송하는 동작은 통신/컨트롤 유닛(220)에 의해 수행될 수 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 1차 코일 선택을 수행하는 순서도이다.
도 16을 참조하면, 무선전력 전송장치와 수신장치는 아날로그 핑 단계(analog ping phase)로 진입한다(S1600). 여기서, 아날로그 핑 단계는 단순히 선택 단계(selection phase)라 불릴 수도 있다. 아날로그 핑 단계는 무선전력 수신장치를 감지하거나 무선전력 수신장치의 위치를 감지하기 위함이다.
아날로그 핑 단계에서의 무선전력 전송장치의 동작은, 복수의 1차 코일에 순차적으로 아날로그 핑 신호를 인가(또는 전송)하는 단계, 아날로그 핑에 대한 응답 여부에 따라 1차 코일의 조합을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 아날로그 핑에 대한 응답은 1차 코일 배열 상에 놓인 2차 코일의 위치에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 2차 코일과 겹치는 1차 코일은 아날로그 핑에 대한 응답이 존재할 수 있고, 2차 코일과 겹치지 않는 1차 코일은 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하지 않을 수 있다.
무선전력 전송장치는 응답이 존재하지 않는 1차 코일(이하 선택 가능한(selectable) 1차 코일)을 비활성화하고, 1차 코일의 조합을 구성할 때 배제시킨다. 따라서, 응답이 존재하지 않는 1차 코일은 선택 준비 단계에서 디지털 핑 신호를 전송하지 않도록 구성된다. 그리고 무선전력 전송장치는 선택 가능한 1차 코일들만을 이용하여 1차 코일의 조합을 구성한다.
예를 들어, 도 17에서 1차 코일 #1과 1차 코일 #2 이외에 나머지 2개 1차 코일들의 응답이 없을 경우, 무선전력 전송장치는 1차 코일 #1과 1차 코일 #2 만으로 조합을 구성할 수 있다. 조합을 구성할 때, 무선전력 전송장치는 메인 코일과 인접 코일을 구분할 수 있다. 1차 코일 #1이 메인 코일로 결정된 경우, 가능한 조합은 {#1}, {#1, #2} 이렇게 2가지이다. 조합 {#1}은 1차 코일 #1만을 포함하는 조합으로서 1차 코일#1이 메인 코일인 경우이다. 조합 {#1, #2}는 1차 코일 #1과 #2를 포함하는 조합으로서 1차 코일#1이 메인 코일이고 1차 코일#2가 인접 코일인 경우이다. 한편, 1차 코일 #2가 메인 코일로 결정된 경우, 가능한 조합은 {#2}, {#2, #1}이렇게 2가지이다. 조합 {#2}은 1차 코일 #2만을 포함하는 조합으로서 1차 코일#2가 메인 코일인 경우이다. 조합 {#2, #1}는 1차 코일 #2와 #1을 포함하는 조합으로서 1차 코일#2가 메인 코일이고 1차 코일#1이 인접 코일인 경우이다.
이와 같이 응답이 없는 1차 코일을 조합 구성 전에 미리 배제시킴으로써, 디지털 핑을 수행해야 할 조합의 개수가 12개에서 4개로 줄어들 수 있고, 결과적으로 최적 코일 조합 선택에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
본 실시예에서는 무선전력 전송장치가 선택 가능한 1차 코일들로 1차 코일의 조합을 구성하는 동작을 아날로그 핑 단계(S1600)에서 수행하는 것으로 기술하였으나, 상기 조합을 구성하는 동작을 선택 준비 단계(S1605)에서 수행할 수도 있고, 별도의 단계에서 수행할 수도 있다.
다시 도 16을 참조하여, 아날로그 핑 단계가 종료되면, 무선전력 전송장치와 수신장치는 선택 준비 단계(pre selection phase)로 진입한다(S1605). 선택 준비 단계는 핑 레벨을 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 핑 레벨은 디지털 핑(digital ping)의 레벨을 포함한다. 일례로서 핑 레벨을 설정하는 단계는, 선택 가능한 1차 코일마다 개별적으로 설정될 수 있다. 또한, 선택 가능한 1차 코일마다 개별적으로 설정되는 핑 레벨들은 서로 다를 수 있다. 왜냐하면 1차 코일마다 2차 코일까지의 z 축상 거리가 서로 다르기 때문이다. 핑 레벨들은 서로 다르게 설정되되, 2차 코일에 적용되는 정류 전압이 서로 동일하게 되도록 설정될 수 있다.
선택 준비 단계가 완료되면, 무선전력 전송장치와 수신장치는 코일 선택 단계(coil selection phase)로 진입한다(S1610). 코일 선택 단계는 신호 세기(signal strength: SS) 패킷을 기반으로 활성화할 1차 코일을 선택하기 위한 것이다.
코일 선택 단계에서의 무선전력 전송장치의 동작은, 1차 코일의 조합을 활성화하여 해당 1차 코일(들)을 통해 동시에 디지털 핑 신호를 무선전력 수신장치로 전송하는 단계, 조합에 대한 신호 세기 패킷을 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계, 위와 같은 조합에 대한 디지털 핑 신호의 전송과 신호 세기 패킷의 수신을 나머지 조합들에 대해 반복 수행한 뒤 최적의 1차 코일의 조합을 결정하는 단계를 포함한다.
각 조합에 대해서 무선전력 전송장치가 신호 세기 패킷을 획득하는 방법은 도 18과 같다.
도 18은 다른 예에 따른 무선전력 전송장치가 각 조합에 대해 디지털 핑을 수행하여 신호 세기 패킷을 획득하는 과정을 도시한 것이다.
도 18을 참조하면, 무선전력 전송장치는 12개의 1차 코일 각각에서 아날로그 핑 신호를 전송한다. 1회의 아날로그 핑 신호의 전송에 소요되는 시간을 10ms라 하면 약 120ms 이내에서 12개 1차 코일에서의 아날로그 핑 단계가 종료된다.
무선전력 전송장치는 아날로그 핑에 대한 응답에 기초하여 선택 가능한 1차 코일들만으로 조합을 구성한다. 그리고 무선전력 전송장치는 이렇게 구성된 조합들#1~#4를 순차적으로 활성화하면서 각각 디지털 핑 신호(코일 양단의 전압은 Vrail로 가정)를 전송하고 1차 코일의 조합 각각에 대한 신호 세기 패킷을 수신한다. 하나의 조합에서 디지털 핑을 수행할 때 소요되는 시간을 100ms라 하면, 총 400ms가 소요된다.
도 15와 같이 반면 모든 1차 코일로 조합을 구성하였을 때 총 12개 조합에서 디지털 핑을 수행하게 되므로 약 1200ms가 소요된다. 따라서 아날로그 핑 단계를 고려하더라도 도 18과 같이 줄어든 조합에서 디지털 핑을 수행할 경우 코일 선택에 소요되는 시간이 줄어들 수 있음을 알 수 있다.
다시 도 16을 참조하여, 모든 조합에 대한 신호 세기 패킷의 수신이 완료되면, 무선전력 전송장치는 각 조합별 신호 세기 패킷을 비교하고, 최적의 1차 코일의 조합을 결정한다. 즉, 무선전력 전송장치는 각 조합별 신호 세기 패킷을 기반으로 구동할 1차 코일의 개수(듀얼 코일 구동 또는 쿼드 코일 구동) 및/또는 구동할 1차 코일의 조합을 결정할 수 있다. 예를 들어, 무선전력 전송장치는 신호 세기 패킷들 중 가장 큰 신호 세기 패킷에 해당하는 조합을 최적의 1차 코일의 조합으로 결정할 수 있다. 또는, 무선전력 전송장치는 신호 세기 패킷들 중 임계치 보다 큰 신호 세기 패킷에 해당하는 조합을 최적의 1차 코일의 조합으로 결정할 수 있다.
코일 선택 단계에서의 무선전력 수신장치의 동작은, 1차 코일의 조합에서 동시에 인가되는 디지털 핑 신호를 무선전력 전송장치로부터 수신하는 단계, 조합에 대한 신호 세기 패킷을 무선전력 전송장치로 전송하는 단계, 위와 같은 조합에 대한 디지털 핑 신호의 수신과 신호 세기 패킷의 전송을 나머지 조합들에 대해 반복 수행한 뒤 최적의 1차 코일의 조합에 의해 무선전력을 수신하는 단계를 포함한다.
최적의 1차 코일의 조합이 선택되면, 무선전력 전송장치와 수신장치는 식별 및 구성 단계로 진입한다(S1615). 식별 및 구성 단계에서는 무선전력 전송장치와 수신장치 상호간에 식별 및 구성 패킷을 송수신하는 통신이 수행되므로, 무선전력 전송장치 및/또는 수신장치는 통신을 위한 메인 코일 또는 메인 코일과 인접 코일을 선택할 수 있다. 메인 코일 또는 메인 코일과 인접 코일의 선택은 제2 선택 단계에서 수행될 수 있다. 식별 및 구성 단계에서, 무선전력 수신장치의 전력 클래스(PC)의 식별을 위해 무선전력 수신장치의 ID가 사용될 수 있다.
식별 및 구성 단계의 완료 후, 무선전력 전송장치와 수신장치는 전력 전송 단계로 진입한다(S1620). 전력 클래스에 따라 전력 전송 단계에서의 동작이 서로 다를 수 있다. 무선전력 수신장치가 PC0인 경우, 무선전력 전송장치는 전력 전송을 계속 수행하되 전력 제어를 수행한다. 무선전력 수신장치가 PC1인 경우, 무선전력 전송장치는 PC1 무선전력 수신장치를 지원하기 위해 4개의 1차 코일들을 모두 구동(또는 활성화)하여 전력 전송을 수행한다.
이러한 도 16에 따른 실시예에서의 무선전력 전송장치는 도 1 내지 도 11에서 개시된 무선전력 전송장치 또는 무선전력 전송기 또는 전력 전송부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 전송장치의 동작은 도 1 내지 도 11에서의 무선전력 전송장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 단계 S1600에 따른 아날로그 핑 신호를 무선전력 수신장치로 전송하는 동작, S1610에 따른 디지털 핑 신호를 무선전력 수신장치로 전송하는 동작, S1620에 따른 전력 전송을 수행하는 동작은 전력 변환 유닛(110)에 의해 수행될 수 있다. 또한 단계 S1405에 따른 핑 레벨을 설정하는 동작, 단계 S1610에 따른 신호 세기 패킷을 수신하는 동작과 최적의 1차 코일 조합을 선택하는 동작, 단계 S1615에 따른 식별 및 구성 패킷을 수신하는 동작은 통신/컨트롤 유닛(120)에 의해 수행될 수 있다.
또한 도 16에 따른 실시예에서의 무선전력 수신장치는 도 1 내지 도 11에서 개시된 무선전력 수신장치 또는 무선전력 수신기 또는 전력 수신부에 해당한다. 따라서, 본 실시예에서의 무선전력 수신장치의 동작은 도 1 내지 도 11에서의 무선전력 수신장치의 각 구성요소들 중 하나 또는 둘 이상의 조합에 의해 구현된다. 예를 들어, 본 실시예에서 본 실시예에서 단계 S1600에 따른 아날로그 핑 신호를 무선전력 전송장치로부터 수신하는 동작, 단계 S1610에 따른 디지털 핑 신호를 무선전력 전송장치로부터 수신하는 동작, S1620에 따른 전력 전송을 수신하는 동작은 전력 픽업 유닛(210)에 의해 수행될 수 있다. 또한 단계 S1610에 따른 신호 세기 패킷을 생성하고 전송하는 동작, 단계 S1615에 따른 식별 및 구성 패킷을 생성하고 전송하는 동작은 통신/컨트롤 유닛(220)에 의해 수행될 수 있다.
도 14의 단계 S1400과 도 16의 단게 S1605에 따른 선택 준비 단계는 핑 레벨을 각 1차 코일에 대해 개별적으로 설정하는 단계를 포함한다. 핑 레벨을 각 1차 코일에 대해 개별적으로 보정 또는 설정하는 이유는 무선전력 수신장치가 각 1차 코일로부터 수신한 전압의 레벨이 거의 동일하게 하기 위함이다. 이하에서는 핑 레벨을 설정하는 방법에 관하여 개시된다.
도 19는 일 실시예에 따른 핑 레벨을 설정하는 방법을 도시한 실험예이다.
도 19를 참조하면, 무선전력 전송장치에서의 구동 전압 Vrail과 무선전력 수신장치에서의 정류단 출력 전압 Vrect의 관계는 선형 그래프로 나타난다. 즉, Vrect는 Vrail에 선형 비례한다. 따라서, 무선전력 전송장치는 Vrail을 적절히 조정함으로써 Vrect를 특정한 값이 되도록 할 수 있다.
1차 코일#0, 1차 코일#1, 1차 코일#2, 1차 코일#3에 동일한 Vrail이 인가되더라도, Vrect는 각각 다르다. 따라서 Vrail을 1차 코일별로 다르게 설정하면, 각 1차 코일에 의해 형성되는 Vrect를 동일하게 만들 수 있다.
예를 들어 모든 1차 코일들이 동일한 Vrect가 되는 Vrail은 제1 핑 레벨(first ping level) 또는 제2 핑 레벨(second ping level)과 같이 설정될 수 있다. 제1 핑 레벨에서, 1차 코일#0의 Vrail은 약 7V, 1차 코일#1의 Vrail은 약 6V, 1차 코일#2의 Vrail은 약 6.4V, 1차 코일#3의 Vrail은 약 6.6V임을 알 수 있다.
이와 같이, 무선전력 전송장치는 각 1차 코일마다 핑 레벨(즉 구동 전압 Vrail)을 적절히 조정함으로써, 동일 조건 하에서 모든 1차 코일들에 대한 Vrect가 동일한 특정 값이 되도록 할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법 및 장치, 또는 수신 장치 및 방법은 모든 구성요소 또는 단계가 필수적인 것은 아니므로, 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법은 상술한 구성요소 또는 단계의 일부 또는 전부를 포함하여 수행될 수 있다. 또 상술한 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법의 실시예들은 서로 조합되어 수행될 수도 있다. 또 상술한 각 구성요소 또는 단계들은 반드시 설명한 순서대로 수행되어야 하는 것은 아니며, 나중에 설명된 단계가 먼저 설명된 단계에 앞서 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현되는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 무선전력을 전송하는 무선전력 전송장치에 있어서,
    무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 형성된 자기 커플링(magnetic coupling)을 이용하여 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하도록 구성된 1차 코일 배열(primary coil array)-1차 코일 배열은 복수의 1차 코일들을 포함함;
    상기 1차 코일 배열과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 1차 코일에 구동 전압을 인가하여 상기 자기 커플링을 형성하도록 구성된 전력 변환 유닛; 및
    상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각에 대해 디지털 핑을 수행하며, 상기 각 코일 조합에 대한 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하며, 상기 신호 세기 패킷을 기반으로 선택된 코일 조합을 구동하도록 상기 전력 변환 유닛을 제어하는 통신/컨트롤 유닛을 포함하는 무선전력 전송장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    선택 준비 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 각 1차 코일에 대한 디지털 핑의 세기를 설정하도록 구성된, 무선전력 전송장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    선택 준비 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 디지털 핑 신호에 의한 상기 무선전력 수신장치에서의 정류단 출력 전압이 모든 1차 코일마다 동일해지도록 각 1차 코일에 대한 디지털 핑 신호의 세기를 개별적으로 설정함을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    아날로그 핑 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 상기 복수의 1차 코일 각각에 대해 아날로그 핑을 수행하고, 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 상기 다수의 코일 조합들 구성함을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함함을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  6. 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)을 형성하도록 구성된 복수의 1차 코일들을 포함하는 무선전력 전송장치에 의한 무선전력 전송방법으로서,
    상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각에 대해 디지털 핑을 수행하는 단계;
    상기 각 코일 조합에 대한 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 수신장치로부터 수신하는 단계; 및
    상기 신호 세기 패킷을 기반으로 선택된 코일 조합을 구동하여 상기 자기 커플링을 형성하고, 상기 자기 커플링에 기반하여 무선전력을 상기 무선전력 수신장치로 전송하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 디지털 핑을 수행하기 전에, 각 1차 코일에 대한 디지털 핑의 세기를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 디지털 핑을 수행하기 전에, 디지털 핑 신호에 의한 상기 무선전력 수신장치에서의 정류단 출력 전압이 모든 1차 코일마다 동일해지도록 각 1차 코일에 대한 디지털 핑 신호의 세기를 개별적으로 설정하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 디지털 핑을 수행하기 전에, 상기 복수의 1차 코일 각각에 대해 아날로그 핑을 수행하는 단계를 더 포함하되,
    상기 다수의 코일 조합들은 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 구성됨을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함함을 특징으로 하는, 방법.
  11. 무선전력을 수신하는 무선전력 수신장치에 있어서,
    무선전력 전송장치에 구비된 1차 코일 배열(primary coil array)과 형성된 자기 커플링(magnetic coupling)을 이용하여 상기 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하도록 구성된 2차 코일(secondary coil)-상기 1차 코일 배열은 복수의 1차 코일들을 포함함;
    상기 2차 코일과 전기적으로 연결되고, 상기 2차 코일에 형성되는 전류를 정류하여 정류 전압(rectified voltage)을 획득하는 정류기; 및
    상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각으로부터 디지털 핑 신호를 수신하며, 상기 각 코일 조합에 대한 단일 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하도록 구성된 통신/컨트롤 유닛을 포함하는 무선전력 수신장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    아날로그 핑 단계에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 상기 복수의 1차 코일 각각으로부터 아날로그 핑을 수신하되,
    상기 다수의 코일 조합들은 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 구성됨을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함함을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  14. 무선전력 전송장치에 구비된 1차 코일 배열(primary coil array)과 자기 커플링(magnetic coupling)을 형성하도록 구성된 2차 코일을 포함하는 무선전력 수신장치에 의한 무선전력 수신방법으로서,
    상기 복수의 1차 코일들로부터 형성되는 다수의 코일 조합들 각각으로부터 디지털 핑 신호를 수신하는 단계;
    상기 각 코일 조합에 대한 단일 신호 세기 패킷을 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계; 및
    상기 신호 세기 패킷을 기반으로 선택된 코일 조합에 의해 형성되는 상기 자기 커플링을 통해 무선전력을 수신하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 디지털 핑 신호를 수신하기 전에, 상기 복수의 1차 코일 각각으로부터 아날로그 핑을 수신하되,
    상기 다수의 코일 조합들은 상기 아날로그 핑에 대한 응답이 존재하는 적어도 하나의 1차 코일로부터 구성됨을 특징으로 하는, 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 선택된 코일 조합이 듀얼 코일(dual coil)일 경우, 상기 듀얼 코일은 인밴드(in-band) 통신을 위한 적어도 하나의 메인 코일과, 전력 전송을 위한 적어도 하나의 인접 코일을 포함함을 특징으로 하는, 방법.
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