KR100451606B1 - 유도 결합에 의한 비접촉식 충전 시스템 - Google Patents

유도 결합에 의한 비접촉식 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고주파 자계를 발생시켜 유도 결합을 통하여 휴대형 장치의 축전지를 충전하기 위한 시스템에 관한 것으로, 유도 결합을 위한 고주파 변압기의 1차 측은 동심원 형태의 페라이트 코어를 사용하여 권선을 감아서 구성하고, 2차 측은 1차측과는 일정한 간극을 사이에 두고 얇고 편평한 페라이트 시트 상에 역시 얇은 평면형으로 권선을 설치해서 구성하여 휴대폰과 같이 부피와 무게가 작고 가벼운 장치에 설치가 용이하도록 하였으며, 충전을 위한 에너지는 1차측으로부터 2차측으로 전기적 접촉점이 없이 전자 유도결합에 의해 비접촉 방식에 의하여 전달된다. 또한, 축전지의 충전상태는 2차 측으로부터 1차 측으로 무선으로 전달하는 방식을 사용하되 역시 평면형의 1차 및 2차권선을 각각 감아서 서로 약간의 간극을 사이에 두고 대향시켜 배치함으로써 송신과 수신이 이루어지도록 하였다.

Description

유도 결합에 의한 비접촉식 충전 시스템 {CONTACTLESS BATTERY CHARGING SYSTEM USING INDUCTION COUPLING METHOD}

본 발명은 휴대형 장치에 사용되는 축전지를 비접촉식으로 충전하기 위한 소형경량화된 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전 모체로부터 축전지측에 고주파 자계를 발생시켜 얇은 평면형의 분리된 공간을 사이에 두고 유도 결합을 통하여 에너지를 전달하는 방식을 사용함으로써 휴대형 장치내의 축전지에 접촉단자를 통하지 않고 충전하기 위한 비접촉식 충전 시스템에 관한 것이다.

일반적인 휴대형 장치에는 축전지가 장착되어 있어서 사용자가 이동하면서 사용할 수 있도록 되어 있다. 이러한 축전지를 충전하기 위해서는 일반 전원과 연결하여 휴대형 장치의 축전지에 에너지를 제공하기 위한 충전 모체가 필요하다. 통상적으로 충전 모체와 축전지에는 외부에 각각 별도의 접촉 단자가 구성되어 있어서, 두 접촉 단자를 서로 접속시킴으로써 필요에 따라 선택적으로 축전지를 충전할 수 있도록 되어 있다.

그러나, 축전지와 충전 모체에 접촉 단자를 구성하면 접촉 단자가 외부에 돌출됨에 따라 미관상 좋지 않고, 접촉 단자가 외부의 이물질에 오염되어 접촉 상태가 불량해질 수 있는 단점이 있다. 또한, 사용자의 부주의로 인해 축전지에 단락이 발생하거나 습기에 노출되면 충전 에너지가 소실될 수 있다.

종래에도 이러한 문제를 해결하기 위하여, 축전지와 충전 모체에 각각 접촉 단자를 구성하지 않고 비접촉식으로 충전할 수 있는 방식이 개발되어 있으며, 일부 응용 분야 (예를 들어, 전동 칫솔, 전기 면도기 등)에서 이용되고 있다. 이러한 종래의 비접촉식 충전 방법도 역시 고주파로 동작하는 변압기의 1차 회로를 충전 모체에 구성하고, 2차 회로를 휴대형 장치 내에 구성함으로써 충전 모체로부터 에너지를 자기 결합에 의하여 휴대형 장치의 축전지에 제공하는 방식이라는 점에서는 본 발명과 공통되는 점이 있다.

그러나 상기의 비접촉식 충전 방식은 통상적으로 변압기의 1차 회로뿐만 아니라 2차 회로에도 무게와 부피가 있는 페라이트 코어가 이용되며, 페라이트 코어의 무게와 부피 때문에 휴대폰과 같이 초소형 기기에 적용하기에는 적합하지 못하다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제점의 해결을 위해, 충전 모체와 휴대형 장치 사이에 약간의 간극을 두고 고주파로 변환시킨 자기장의 유도 결합을 이용하여 휴대형 장치 내의 축전지를 충전하기 위한 충전 시스템에 있어서, 휴대형 장치 측에 설치되는 결합부를 평면형으로 제작하여 소형경량화한 비접촉식 충전 시스템을 제공함을 목적으로 한다.

또한, 축전지의 충방전 상태를 체크하여 실시간으로 제어하는 비접촉식 방식의 충전 장치를 제공함을 목적으로 한다.

도 1a는 본 발명에 따른 비접촉식 충전 시스템의 충전 모체 위에 휴대형 장치를 올려놓은 상태에서 변압기를 중심으로 하여 도시한 단면도(102) 및 각각의 평면도(101, 103),

도 1b는 휴대형 장치내의 분리형 변압기 2차권선을 얇은 박막형태의 권선으로 구현하기 위한 방안으로 얇은 플렉시블(flexible) 기판 상에 양면을 이용하여 구현한 모습을 예시한 도면,

도1c는 휴대형 장치내의 2차권선을 충전 모체의 1차권선으로부터의 거리(d2)가 어긋나게 하면서, 1차권선에 일정 크기의 고주파 교류전압을 인가할 때 2차권선 양단에 나타나는 단자전압을 도시한 그래프,

도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 충전 시스템의 구성 및 제어방식을 보여주는 블록도,

도 3은 저주파 AC/DC 정류기의 회로를 예시한 도면,

도 4는 파워 MOSFET을 사용하여 구성한 프리볼트 DC/DC 컨버터의 회로를 예시한 도면,

도 5는 고주파 병렬공진형 인버터의 회로를 도시한 도면,

도 6은 도 5의 게이트증폭기의 구조를 예시한 도면,

도 7a 내지 도 7c는 휴대형 장치 내의 분리형 변압기 2차권선에 연결하여 설치한 고주파 AC/DC 정류기의 세가지 다른 구조를 예시한 도면,

도 8은 전류모드와 전압모드 중에서 하나를 선택하여 충전하도록 하기 위한 제어회로를 도시한 도면,

도 9는 본 발명에 따른 RF 변조 및 송신회로를 예시한 도면,

도 10은 본 발명의 RF 수신 및 복조회로를 예시한 도면,

도 11a 및 도 11b는 각각 PWM 제어회로의 구성 및 회로를 예시한 도면.

본 발명은 상기 목적의 해결을 위해, 유도 결합 방식을 사용하여 충전 모체로부터 휴대형 장치에 장착된 축전지를 충전하는 비접촉식 충전 시스템에 있어서, 상기 충전 모체는, 저주파 교류입력 전압을 받아 직류전압으로 변환하여 출력하는 저주파 AC/DC 정류기; 상기 직류전압의 크기에 관계없이 일정한 직류전압을 만들어 출력하는 프리볼트 DC/DC 컨버터; 상기 일정한 직류전압을 받아 고주파 교류 전력으로 변환하여 출력하는 고주파 병렬공진형 인버터; 상기 고주파 병렬공진형 인버터에 연결되는 페라이트 코어; 및 상기 페라이트 코어의 중앙돌출부와 외곽돌출부 사이에 설치되고, 상기 고주파 교류 전력을 받아 유도결합에 의해 상기 휴대형 장치 측으로 전달하는 1차권선;을 구비하고, 상기 휴대형 장치는, 얇은 페라이트 시트; 상기 1차권선으로부터 상기 교류 전력을 수수하기 위하여 상기 1차권선에 대향하도록 상기 페라이트 시트 상에 설치되는 얇은 박막형의 2차권선; 및 상기 2차권선이 수수한 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 축전지에 제공하는 고주파 AC/DC 정류기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템을 제공한다.

또한, 상기 휴대형 장치는, 상기 축전지의 충전상태를 검사하여 제어신호를 생성하고 출력하는 충전제어회로; 및 상기 제어신호를 받아 RF 신호로 변조하여 무선 송출하는 RF 변조 및 송신회로;를 더 구비하고, 상기 충전 모체는, 상기 RF 신호를 수신하고 복조하여 상기 제어신호를 검출하여 출력하는 RF 수신 및 복조회로; 및 상기 제어신호를 받아 펄스폭 변조 신호를 만들어 상기 프리볼트 DC/DC 컨버터에 인가함으로써 직류전압을 조정하도록 하는 PWM 제어회로;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템을 제공한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다.

도 1a는 본 발명에 따른 충전 시스템에 있어서 변압기의 원리인 자력선을 매개로 하여 비접촉 방법으로 에너지를 전달하기 위한 코어 부분에 대한 단면도(102)와 평면도(101, 103)를 동시에 도시하고 있다.

본 발명에서 제안하는 충전 시스템은 단면도(102)에 도시된 바와 같이 충전 모체(1) 측과 휴대형 장치(2) 측으로 나누어서 생각할 수 있다. 충전 모체(1)에는 에너지 송출을 위한 분리형 변압기의 1차권선이 설치되는데, 자계를 형성하는 주권선(4)과 주권선에 의해 형성된 자계로부터 교류 전력을 유도하는 보조권선(10)으로 구성된다. 또한, RF(고주파)신호 수신을 위한 4차권선(6)이 1차권선(4)과 일정한간격을 두고 설치된다. 한편, 휴대형 장치(2)에는 에너지 수수를 위한 변압기의 2차권선(5)이 설치되며 RF신호 송출을 위한 3차권선(7)이 일정한 간격을 두고 설치된다.

평면도(101)는 휴대형 장치(2)에 설치된 각각의 변압기 권선(5, 7)의 형태를 도시한 것이고, 단면도(102)는 충전 모체(1) 위에 휴대형 장치(2)를 올려놓은 상태에서 변압기를 중심으로 하여 절단한 모습을 도시한 것이며, 평면도(103)는 충전 모체(1)에 설치된 각각의 변압기 권선(4, 6)을 도시한 것이다.

에너지 송출을 위한 변압기의 1차 측은 충전 모체에 중앙 돌출부(3-1)와 외곽 돌출부(3-2)로 구성되는 원통형의 페라이트 코어(3)로 구현된다. 페라이트 코어(3)의 중앙 돌출부(3-1)와 외곽 돌출부(3-2) 사이에는 변압기의 2차 측으로 에너지를 전달하기 위한 변압기의 1차 측의 주권선(4)과 전력회로의 제어를 위한 수단으로서의 보조권선(10)이 권취된다.

이에 대응하는 에너지 수수를 위한 변압기 2차권선(5)은 휴대형 장치 하부의 페라이트 시트(8) 상에 구성된다. 2차권선(5)은 충전 모체(1)의 에너지 송출용 변압기 1차권선(4)과 대향하는 위치에 수직으로 약간의 간격을 두고 형성된다. 이 수직 간격은 작을수록 바람직하지만, 페라이트 시트(8)가 휴대형 장치(2) 내부에 장착되게 됨으로써 휴대형 장치의 케이스 외벽 두께에 의하여 불가피하게 발생하는 공간 때문에 약 1mm 내외의 간격을 두게 된다.

페라이트 시트(8) 위에서 에너지 수수용 변압기의 2차권선(5)이 권취되는 위치는 원통형 페라이트 코어(3)의 중앙 돌출부(3-1)와 외곽 돌출부(3-2) 사이에 대응하는 위치에 설치된다. 때문에, 2차권선(5)으로는 얇은 박막형태의 권선을 이용하는 것이 바람직하다.

RF신호의 송신을 위한 3차권선(7)은 휴대형 장치(2)의 페라이트 시트(8) 상에 에너지 수수용 변압기의 2차권선(5)과 수평으로 일정한 거리를 두고 별도로 설치되며, 1차 또는 2차권선과는 가급적 자기적인 결합을 최소화할 수 있도록 하여야 한다. 한편, RF신호의 수신을 위한 4차권선(6)은 충전 모체(1) 측에 설치하되 3차권선(7)과는 자기적으로 잘 결합될 수 있도록 하여야 하며, 보통의 PCB기판(9) 상에 설치가 가능하다. 이 두 권선(6, 7)은 배터리의 충전 상태에 관한 정보를 RF신호로 변조시켜 송수신하기 위한 목적으로 설치되는 것이며, 전력의 전달을 목적으로 하지 않기 때문에 가느다란 권선을 사용하여 작은 크기의 원형 또는 다각형으로 구현할 수 있다.

도 1b는 2차권선(5)을 얇은 박막형태의 권선으로 구현하기 위한 방안으로 얇은 플렉시블(flexible) 기판 상에 양면을 이용하여 구현한 모습을 예시한 것이다. 특히, 도시된 바와 같이 2차권선(5)의 권선과 권선사이에 일정한 간격을 두고 형성시킨다면 하나의 바람직한 특성을 얻는데 도움이 된다. 실제 상황에서 사용자가 휴대형 장치(2)내의 축전지를 충전하기 위하여 충전 모체(1) 위에 휴대형 장치(2)를 올려놓는다고 할 때, 충전 모체(1)의 1차권선(4) 위치 위에 휴대형 장치(2)의 2차권선(5) 위치를 정확하게 일치시켜서 올려놓는 일이 쉽지 않다. 이 두 권선 간의 위치가 어긋나게 되면 1차 측에서 2차 측으로의 에너지 전달 효율이 나빠지게 된다. 본 발명에서는 이와 같은 경우를 미리 고려하여 2차권선(5)의 권선과 권선사이에 일정한 간격을 두고 형성시킴으로써, 사용자가 휴대형 장치를 충전 모체 위에 올려놓을 때 상당한 위치의 오차가 존재하는 경우에도 불구하고 충전에 미치는 영향을 최소화하도록 하였다.

도 1c는 휴대형 장치(2)의 2차권선(5)을 충전 모체(1)의 1차권선(4)으로부터의 거리(가로축:d2)가 각각 0mm에서 6mm 까지 어긋나게 위치시키면서, 1차권선(4)에 일정 크기의 고주파 교류전압을 인가할 때 2차권선(5) 양단에 나타나는 단자전압(Vo)을 도시한 그래프이다. 또한, a, b, c, d는 각각 2차권선(5)의 권선과 권선사이에 간격을 몇가지 값으로 변화시킨 경우를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 d2 의 변화에 대하여 가장 변화가 적은 것은 c의 경우이며, 이는 2차권선(5)의 권선과 권선사이에 간격을 4mm 정도로 하는 것이 가장 바람직함을 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 충전 시스템의 구조 및 제어회로를 블록다이아그램 형태로 정리한 것이다. 이하 각 블록의 구성 및 기능에 대하여 상술한다.

저주파 AC/DC 정류기(11)는 상용의 110V 또는 220V 등의 저주파 교류입력 전압을 받아서 직류로 변환하기 위한 것이며, 이렇게 변환된 직류전압(Vdc)은 입력전압의 변화에 따라 달라진다.

프리볼트(Free Volt) DC/DC 컨버터(12)는 상기 저주파 AC/DC 정류기로(11)부터 얻어지는 직류전압(Vdc)의 변화에도 불구하고 일정한 직류전압(Vs)을 출력한다.

고주파 병렬공진형 인버터(13)는 상기 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)에서 입력되는 직류전압(Vs)을 받아서 고주파 교류 전력으로 변환한다.

이렇게 변환된 고주파 교류 출력은 충전 모체(1)에 속한 것이며, 이 에너지를 공간적으로 분리되어 있는 휴대형 장치(2)에 전달하기 위해서는 두 장치간에 존재하고 있는 간격을 극복하여야 한다. 이 것은 자기 결합을 통하여 가능하며, 이러한 목적으로 충전 모체(1) 측에는 1차 코어(3)에 권취된 1차권선(4)이 설치되어 상기 고주파 교류 전력에 의한 자계를 형성하며, 이에 대향하는 위치에 상기 1차권선(4)으로부터의 상기 교류 전력을 수수하기 위한 휴대형 장치(2)의 2차권선(5)이 페라이트 시트(8) 상부에 설치되어 있다.

고주파 AC/DC 정류기(15)는 상기 2차권선(5)을 통하여 수수한 고주파 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 휴대형 장치(2)내의 축전지(16)로 제공하는 역할을 한다.

충전제어회로(17)는 상기 축전지(16)의 충전상태를 나타내는 정보를 검출하여 충전모드를 제어하기 위한 목적으로, 고주파 AC/DC 정류기(15)에 흐르는 전류와 축전지(16) 양단의 전압을 검출하고 전류모드 또는 전압모드 중 어느 하나로 제어할 것인지를 결정하여 제어신호를 만들어 출력한다.

RF 변조 및 송신회로(18)는 상기 충전제어회로(17)로부터 입력받은 충전상태를 무선 송출하기 위한 것으로, 입력 데이터를 무선신호로 변조하고 이렇게 변조된 신호를 3차권선(7)에 인가한다. 3차권선(7)은 페라이트 시트(8) 상의 일정 위치에 고주파 자계를 형성하도록 하기 위한 것이다.

RF 수신 및 복조회로(20)는 상기 3차권선(7)과 분리되어 있고, 3차권선에 의해 형성된 상기 고주파 자계로부터 RF 신호를 수신하기 위한 4차권선(6)을 통하여 신호를 수신하고 복조한다.

PWM(Pulse Width Modulation) 제어회로(21)는 상기 RF 수신 및 복조회로(20)에서 복조된 신호를 입력 받고, 상기 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)를 제어하기 위하여 펄스폭 변조된 신호를 만든다.

마지막으로 보상회로(14)는 상기 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)의 출력전압(Vs)으로부터 리플성분만을 PWM 제어회로(21)에 직접 귀환시켜 줌으로써 리플성분을 제거한다. 예컨대, 저주파 AC/DC 정류기(11)의 출력파형에서 저주파 교류 입력 전원 주파수가 60Hz라고 할 때 120Hz에 해당하는 리플성분이 주로 발생하는데, 보상회로(14)는 이 성분이 축전지(16)의 충전 전류에 영향을 주는 현상을 방지하기 위하여 이를 미리 제거하는 것이다.

도 3은 저주파 AC/DC 정류기(11)의 회로를 예시한 것이다. 이것은 기존에 많이 사용되는 회로로서 교류입력 전원이 네 개의 다이오드(D1-D4)를 통하여 정류되어 캐패시터(C1) 양단에 직류전원(Vdc)으로 변환된다.

도 4는 파워 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor: M1)을 사용하여 구현한 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)의 구체적인 회로를 예시한 것이다. 이와 같은 회로 역시 기존에 많이 사용되는 구조로서, 플라이백(flyback) 컨버터라고 부르기도 한다. 플라이백 컨버터는 MOSFET(M1)이 도통할 때 변압기(22)의 1차(N11) 측에 Vdc가 인가되어 전류가 증가하면서 변압기(22)의 여자 인덕턴스내에 에너지가 저장된다. MOSFET(M1)이 꺼지면 2차(N12) 측에서 전류가 다이오드 D6를 통하여 흐르고 캐퍼시터 C2의 전압은 상승한다. 이와 같은 방식으로, 1차 회로에서 여자 인덕턴스 내에 저장되는 에너지가 2차 회로로 방출되면서 C2 양단에 직류전압(Vs)을 발생시킨다. 직류전압(Vs)의 크기는 PWM 제어회로(21)에 의해서 MOSFET(M1)의 도통시간을 조절하여 제어가 가능하다.

도 5는 고주파 병렬공진형 인버터(13)의 구체적인 구조를 도시한 것이다. 이 회로의 역할은 상기 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)의 직류출력 전압(Vs)을 받아서 고주파 교류 전력으로 변환하는 것이다. 병렬공진형 인버터는 두 개의 MOS 트랜지스터 M2, M3를 구비하고 있고, 이 두 트랜지스터에 분리형 변압기의 1차 측(4) 자화인덕턴스와 캐퍼시터(C3)로 구성된 L-C 공진회로가 연결되어 있다. 분리형 변압기의 1차권선(4)의 중앙점은 인덕터(L1)에 연결되며, 이 인덕터(L1)의 다른 단자는 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)의 출력전압(Vs)에 연결된다.

병렬공진형 인버터(13)의 동작은 다음과 같다. 두 개의 트랜지스터 M1, M2는 교대로 온/오프되며, 전원측에 연결된 인덕터(L1)가 충분히 클 경우 구형파에 가까운 전류가 변압기의 1차권선(4)에 흐르게 한다. L-C 공진회로는 이와 같은 구형파 전류에 포함되어 있는 기본파 성분의 전압만 변압기 양단에 잘 나타나도록 한다. 따라서, 1차권선(4) 양단에 나타나는 전압파형은 정현파 형태가 되며 두 개의 트랜지스터 M1, M2의 스위칭이 공진주기와 일치하여 일어나도록 하면 스위칭 손실이 극소화되고 스위칭 주파수를 크게 높일 수 있다. 현존하는 파워 MOS 스위치의동작 주파수를 고려할 때, 이 동작 주파수는 대략 수백 kHz 이상 수 MHz의 범위가 적당하다고 할 수 있다.

이 병렬공진형 인버터(13)가 만일 바이폴라 트랜지스터로 구성되어 있다면, 분리형 변압기의 보조권선(10)에 의해 자려식으로 동작할 수 있다. 그러나, 본 발명에서와 같이 MOS 트랜지스터를 사용하여 구현하고자 하는 경우에는 자려식 동작이 잘 되지 않는다. 그 이유는 첫째, 이와 같은 병렬 공진형 인버터에서는 1차권선(4) 양단에 매우 높은 전압이 나타나는데 MOS 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터에 비해서 고압에 약한 단점이 있다. 둘째, MOS 트랜지스터는 게이트 소스간의 임계전압이 높기 때문에 보조권선(10) 양단에 나타나는 전압파형만으로는 쉽게 구동하기가 어렵다는 단점이 있기 때문이다. 이상의 이유로 병렬공진형 인버터에서는 바이폴라 트랜지스터를 주로 사용하여 왔다고 할 수 있다.

본 발명의 특징 중 하나는 병렬공진형 인버터에 MOS 트랜지스터를 사용하여 동작 가능하도록 구현한 것이며, 그렇게 한 이유는 다음과 같다. 첫째는, 본 발명에서 구현하고자 하는 전력이 수W 정도에 불과하므로 전달하고자 하는 전력이 크지 않기 때문에 MOS 트랜지스터가 적당하기 때문이다. 둘째는, 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)를 앞에 두는 방식을 채택함으로써 교류입력전원의 변화에도 불구하고 일정한 직류출력전압(Vs)을 얻을 수 있을 뿐아니라, 직류전압(Vs)을 낮게 제어함으로써 MOS 트랜지스터(M1, M2)의 내압범위에서 동작가능하도록 제어가 가능하다는 점 때문이다. 마지막으로 가장 중요한 이유는, MOS 트랜지스터가 바이폴라 트랜지스터에 비해서 스위칭 속도가 빠르기 때문에 더욱 높은 고주파에서 동작시키는 것이 가능하다는 점이다. 즉 수MHz에서 동작하도록 하는데는 MOS 트랜지스터가 유리한데, 공간적으로 분리되어 있는 휴대형기기에 무게와 부피가 작으면서 고밀도로 에너지를 전달하기 위해서는 고주파 자계의 주파수가 높을수록 효과적이기 때문이다.

그러나, MOS 트랜지스터를 사용한 회로가 자려식으로 동작하기 위해서는 보조권선(10)과 연계시킨 별도의 게이트 증폭기(A1, A2)가 추가로 필요하게 된다. 여기에서 게이트 증폭기의 역할은 크게 두가지이다. 하나는, 1차권선(4)에서 발생되는 전압파형이 정현파 형태이기 때문에 보조권선(10)에서 나타나는 신호 또한 정현파의 형태인데, 이것이 그대로 MOS 트랜지스터의 게이트에 인가되는 경우에는 MOS의 도통과 차단 상태를 결정하는 게이트의 경계전압인 문턱전압이 높아서 회로가 잘 동작하지 않는다. 따라서, 이 회로에서 게이트 증폭기의 역할은 정현파를 구형파로 바꾸어줌으로써 MOS 트랜지스터의 온/오프 상태를 빠른 속도로 변화시키면서 확실하게 스위칭하여 주는 것이다. 두 번째는 정상동작시 MOS 트랜지스터의 게이트에 인가되는 최대전압이 게이트가 견딜 수 있는 최대정격 이하에서 안전한 동작이 이루어지도록 하기 위하여 적절한 값으로 인가해 주는 역할을 하는 것이다.

도 6은 도 5의 병렬공진형 인버터에서 사용될 수 있는 게이트 증폭기(A1, A2)의 구조를 예시한 것으로서, 기존에 상용화되어 있는 고속의 아날로그 비교기 칩을 사용해서도 구현이 가능하지만, 여기에서는 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 구성한 형태를 한가지 예시한 것이다. 트랜지스터 Q1이 증폭을 담당하며, Q2 및 Q3는 전류 증폭을 위한 출력 트랜지스터이다. 분리형 변압기의 보조권선(10)과 트랜지스터 Q1의 베이스 사이에는 두 개의 저항(R2, R3)을 직렬로 연결하고, 그 중간은 다이오드(D7)가 접지와의 사이에 연결되며, 저항 R2 양단에는 하나의 캐패시터(C4)가 병렬로 연결되어 있다. 또한, 보조권선(10)의 중앙점은 저항(R1)을 통하여 제어회로의 전원(Vcc)에 연결되어 있다. 따라서, 초기에는 Vcc 로부터 저항 R1, R2, R3 및 Q1의 베이스로 형성되는 경로를 통해서 흐르는 전류로 인하여 병렬공진회로의 충전이 시작되면서 자려발진이 시동된다. 정상상태의 스위칭 동작에서는 C4의 역할에 의해서 Q1의 턴온 또는 턴오프가 빠른 속도로 가능하게 되므로 고주파 동작이 가능하게 된다.

도 7a 내지 7c는 휴대형 장치 측 분리형 변압기의 2차권선(5)에 연결하여 설치한 고주파 AC/DC 정류기(15)의 세가지 구조를 예시한 것이다. 이 회로들 역시 본 발명의 특징적인 회로들로서, 도 7a는 분리형 변압기의 2차권선(5)의 중앙점을 이용하여 다이오드(D8, D9) 두 개를 사용하여 전파정류한 구조이고, 도 7b는 중앙점이 없는 2차권선(5)을 사용하되, 네 개의 다이오드(D81, D82, D91, D92)를 사용하여 전파정류한 구조를 보인 것이다. 한편, 도 7c는 앞의 두 구조와는 약간 다른 형태로서 두 개의 다이오드(D81, D91)와 두 개의 캐패시터(C61, C62)를 사용하여 출력전압파형을 전파정류한 형태로 얻으면서 동시에 2배로 상승시켜 배압 정류한 구조이다.

상술한 바와 같은 전파정류 또는 배압정류 회로의 구조는 이미 기존에 잘 알려진 방식이나, 본 발명에서는 수동소자로 구성된 형태를 사용함에 그 특징이 있다. 즉, 2차권선(5)의 양단간에 연결한 R5 및 C5를 포함하여 직류로 변환된 뒤에연결된 필터로서 C6(또는 C61, C62)와 L2로 형성된 필터부의 구성에 본 발명의 특징이 있다. 이러한 구성은 고주파 병렬공진형 인버터부(13)와 연계하여 동작할 때 그 특징이 나타난다. 일반적인 필터의 구성은 다이오드 정류부 바로 다음에 인덕터가 연결되고 그 다음에 캐패시터가 연결되는 것이 보통이나, 본 발명에서 이렇게 순서를 서로 바꾸어 놓은 이유는 이렇게 함으로써 고주파 병렬공진형 인버터부(13)와 연계하여 동작할 때 C6(또는 C61, C62)양단의 전압이 기존의 구조를 채택하는 경우에 비해서 훨씬 낮아지게 되며, 캐패시턴스의 크기 또한 작아지면서 인덕터(L2)에 흐르는 전류의 리플을 더욱 작게 하는데 효과적이기 때문이다. 캐패시터 C6(또는 C61, C62) 양단의 전압이 낮아지는 것은 고주파 병렬공진형 인버터(13) 측에서도 1차권선(4) 양단간의 전압을 낮아지게 하는 효과가 있으며, 이것은 또 MOS 스위치(M2, M3) 양단의 최대 전압 스트레스를 낮추어 주는 효과가 있게 된다.

또한, 도 7a 내지 7c에서 2차권선(5) 양단에 연결한 R5와 C5는 정류다이오드들이 온 상태에서 오프 상태로 변화하는 순간 역회복전류가 흐르면서 차단되게 되는데, 이와 연계하여 발생할 수 있는 고압 스파이크 전압을 줄이면서 동시에 다이오드들의 턴오프 손실을 줄여주기위한 스너버 작용을 담당하는 역할을 한다. 마지막으로 배압정류 회로에 있어서의 캐패시터(C61, C62) 역할은 출력의 직류전압을 두배로 한다는 점이 상이하지만, 나머지의 역할은 C6의 그것과 동일하다. 이와 같은 배압정류회로를 채택한다면 2차권선(5)의 수를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

도 7a 내지 7c에서 마지막으로 언급할 사안은 인덕터(L2)의 구조에 대한 것이다. 즉, 인덕터(L2)의 인덕턴스는 필터의 역할을 수행해야 하기 때문에 상당히 큰 값의 인덕턴스가 요구된다. 그러나 이 인덕터(L2)에는 충전전류가 흘러야 하기 때문에 큰 충전전류가 흐르는 상황에서도 포화상태에 빠져서는 안 된다. 충전회로를 구현함에 있어서 이러한 조건을 만족하는 인덕터(L2)를 별도로 개별소자를 사용하여 구현하고자 한다면 크기가 커지는 문제로 인하여 휴대기기의 경박단소화를 추구함에 있어서 큰 장애요소가 된다. 따라서, 본 발명에서는 도 1b에 예시한 바와 같이, 인덕터(L2)를 분리형변압기의 2차권선(5)과 동일한 평면상에서 일정한 거리를 두고 분리시킨 형태로 평면형으로 구현함으로써 상기 문제를 해결하였다. 이와 같은 방식으로 구현함으로써 충전을 위한 큰 직류전류가 흐르는 상황에서도 인덕터(L2)가 포화되지 않으므로 상당한 크기의 인덕턴스를 유지하는 것이 가능하게 되며 필터로서의 역할을 훌륭하게 수행할 수 있게 된다.

도 8은 충전제어회로(17)를 상세히 도시한 것으로서, 기존의 축전지를 충전하는 회로에서 일반적으로 사용되는 개념을 구현한 것이라고 할 수 있다.

즉, 축전지의 전압(Vbb)이 기준전압(Vr) 보다 낮은 상태라면 전압비교기(31)의 출력은 'high' 상태에 있게 되며, 따라서 게이트(33)의 출력신호(Vf)는 전류비교기(32)의 출력을 그대로 따라가게 된다. 이런 경우에는 전류비교기(32)의 역할에 의하여 정전류원 형태로 충전되며, 충전전류(Ibb)는 기준전류원(Ir)의 값으로 일정하게 제어된다.

한편, 축전지의 전압(Vbb)이 상승하여 기준전압(Vr) 보다 높아지려고 하면 전압비교기(31)의 역할이 나타나면서 정전압원의 형태로 충전모드가 바뀌게 된다. 이 때에는 충전전류(Ibb)의 크기가 기준전류원(Ir)의 값보다 작아지게 되며 전류비교기(32)의 출력이 'high' 상태에 머물러 있게 되므로, 이 경우의 게이트(33) 출력신호(Vf)는 전압비교기(31)의 출력을 그대로 따라가게 된다.

도 9는 RF 변조 및 송신회로(18)를 예시한 것으로서, 충전제어회로(17)의 출력신호(Vf)에 따라서 RF발생기(36)의 고주파신호를 변조하여 버퍼(35)에 보내주기위한 게이트(34)가 연결되어 있다. 버퍼(35)의 출력은 휴대형 장치(2)의 페라이트 시트(8) 상에 설치된 3차권선(7)에 인가된다.

도 10은 RF 수신 및 복조회로부(20)를 예시한 것으로서, 충전 모체(1)의 PCB기판(9) 상에 설치되어 있는 4차권선(6)을 통하여 RF신호를 수신하고 복조하여, 최종출력신호(Vp)는 충전제어회로(17)에서 보내준 제어신호(Vf)를 복원한 것이 되도록 한다. 여기에서 신호처리를 위한 회로는 고역필터(HPF)와 피크검출기(PD) 및 비교기(36)로 구성되며 각각의 동작은 다음과 같다. 먼저 고역필터(HPF)가 필요한 이유는 4차권선(6)을 통하여 수신한 RF신호에는 저주파 대역의 잡음이 포함되어 있는데, 특히 고주파 병렬공진형 인버터(13)로부터 스위칭 주파수가 큰 값으로 수신되게 되므로 이 성분을 제거하기 위해서 필요하게 된다. 즉, 인버터(13)가 고주파로 동작한다고 하더라도 RF신호에 비해서는 저주파에 해당되므로, RF신호를 분리수신하기 위해서는 고역필터가 필요한 것이다. 이렇게 한 다음에 피크검출기(PD)와비교기(36)를 거치면 출력(Vp)에서는 충전제어회로(17)의 제어신호(Vf)를 복원할 수 있게 된다.

도 11a 및 11b는 각각 PWM(Pulse Width Modulation) 제어회로(21)의 블록도와 회로도를 예시한 것이며, 상기 RF 수신 및 복조회로(20)로부터 복조된 신호(Vp)를 받아서 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)를 제어하기 위한 펄스폭 변조(PWM)된 신호를 만들어 낸다. 이 회로는 적분기(41), 삼각파발생기(42), 비교기(43)로 이루어져 있다. 적분기(41)에서는 복조신호(Vp)를 받아서 적분하는 역할을 하며 적분기(41)의 출력은 비교기(43)에서 삼각파발생기(42)의 출력과 비교되어 PWM 신호를 발생시킨다. 이렇게 하여 발생된 PWM 신호는 프리볼트 DC/DC 컨버터(12)의 MOSFET(M1) 게이트에 인가되어 직류출력전압(Vs)을 제어하게 된다.

본 발명에 따른 비접촉식 충전 시스템은, 충전 장치의 소형경량화를 위하여 유도결합을 이루는 분리형 변압기의 2차 측을 평면상에 구성하여 휴대형 장치의 축전지에 장착하기 쉽게 하였고, 축전지의 충전상태를 무선으로 충전 모체에 전달하여 제어될 수 있도록 하였다. 따라서, 본 발명에 따른 충전 시스템은 앞으로 더욱 더 소형화, 경량화될 휴대폰, MP3 플레이어 등과 같은 휴대형 장치에 대하여 편리성과, 안전성 그리고 미관의 수려함을 위한 디자인의 다양성을 제공하는 효과가 크다고 할 수 있다.

Claims (16)

  1. 유도 결합 방식을 사용하여 충전 모체로부터 휴대형 장치에 장착된 축전지를 충전하는 비접촉식 충전 시스템에 있어서,
    상기 충전 모체는, 저주파 교류전압을 입력 받아 직류전압으로 변환하여 출력하는 저주파 AC/DC 정류기;
    상기 직류전압의 크기에 관계없이 일정한 직류전압을 만들어 출력하는 프리볼트 DC/DC 컨버터;
    상기 일정한 직류전압을 받아 고주파 교류전력으로 변환하여 출력하는 고주파 병렬공진형 인버터;
    상기 고주파 병렬공진형 인버터에 연결되는 페라이트 코어; 및
    상기 페라이트 코어의 중앙돌출부와 외곽돌출부 사이에 설치되고, 상기 고주파 교류전력을 받아 유도 결합을 통해 상기 휴대형 장치 측으로 전달하는 1차권선;을 구비하고,
    상기 휴대형 장치는, 얇은 페라이트 시트;
    상기 1차권선으로부터 상기 교류전력을 수수하기 위하여 상기 1차권선에 대향하도록 상기 페라이트 시트 상에 설치되는 얇은 박막형의 2차권선; 및
    상기 2차권선이 수수한 교류전력을 직류전력으로 변환하여 축전지에 제공하는 고주파 AC/DC 정류기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 휴대형 장치는, 상기 축전지의 충전상태를 검사하여 제어신호를 생성하고 출력하는 충전제어회로; 및
    상기 제어신호를 받아 RF 신호로 변조하여 무선 송출하는 RF 변조 및 송신회로;를 더 구비하고,
    상기 충전 모체는, 상기 RF 신호를 수신하고 복조하여 상기 제어신호를 검출하고 출력하는 RF 수신 및 복조회로; 및
    상기 제어신호를 받아 펄스폭 변조 신호를 만들어 상기 프리볼트 DC/DC 컨버터에 인가함으로써 직류전압을 조정하도록 하는 PWM 제어회로;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 휴대형 장치는, 상기 페라이트 시트 상에 상기 2차권선과 일정한 거리를 두고 설치되고 상기 RF 변조 및 송신회로에 연결되어 상기 RF 신호에 의해 고주파 자계를 형성하는 3차권선;을 더 구비하고,
    상기 충전 모체는, 상기 3차권선에 대향하는 위치에 설치되고 상기 RF 수신 및 복조회로에 연결되어 상기 고주파 자계를 무선으로 수신하여 상기 RF 수신 및 복조회로에 전달하는 4차권선;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전 모체는 상기 프리볼트 DC/DC 컨버터의 출력전압으로부터 리플성분을 검출하여 상기 PWM 제어회로에 귀환시키는 보상회로;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 RF 수신 및 복조회로는, 상기 RF 신호에서 제어신호를 복조하기 전에 상기 RF 신호와 함께 입력된 상기 고주파 병렬공진형 인버터의 구동 주파수 성분을 제거하는 고역필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고주파 병렬공진형 인버터는 인덕터(L1); 캐패시터(C3); 두 개의 MOS 트랜지스터(M2, M3); 및 두 개의 게이트증폭기(A1, A2);를 구비하고,
    상기 1차권선의 세 단자 중 중간단자에는 상기 인덕터를 통하여 직류전원(Vs)이 연결되고, 상기 1차권선의 양끝단자에는 공진을 형성하기 위한 상기 캐패시터와 상기 두 MOS 트랜지스터의 드레인(Drain)이 연결되며,
    상기 두 MOS 트랜지스터의 소스는 모두 접지되고,
    상기 두 게이트증폭기는 각각 상기 1차권선의 주권선과 보조권선으로부터 수신된 신호를 증폭하여 인가하도록, 상기 두 MOS 트랜지스터의 게이트에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 게이트증폭기는 상기 보조권선에서 발생하는 정현파 형태의 전압파형을 구형파 형태로 바꾸어 주는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차권선은 중앙점이 있으며, 상기 고주파 AC/DC 정류기는 상기 중앙점을 이용함으로써 두 개의 다이오드(D8, D9)를 사용하여 전파정류하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차권선은 중앙점이 없으며, 상기 고주파 AC/DC 정류기는 네 개의 다이오드(D81, D82, D91, D92)를 사용하여 전파정류하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 고주파 AC/DC 정류기는 상기 다이오드의 정류부 뒤에 연결되는 캐패시터(C6)와 상기 캐패시터 뒤에 연결되는 인덕터(L2)로 구성된 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 인덕터(L2)는 상기 2차권선과 동일한 평면상에서 일정한 거리를 두고 분리시킨 형태의 평면형 구조인 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  12. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 고주파 AC/DC 정류기는 직렬로 연결된 저항(R5)과 캐패시터(C5)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 AC/DC 정류기는 두 개의 다이오드(D81,D91)와 두 개의 캐패시터(C61,C62)를 구비하여, 출력전압파형을 전파정류한 형태를 얻음과 동시에 2배로 상승시켜 배압정류하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 고주파 AC/DC 정류기는 상기 다이오드의 정류부 뒤에 연결되는 두 개의 캐패시터(C61,C62)와 상기 캐패시터 뒤에 연결되는 인덕터(L2)로 구성된 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 인덕터(L2)는 상기 2차권선과 동일한 평면상에서 일정한 거리를 두고분리시킨 형태의 평면형 구조인 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 고주파 AC/DC 정류기는 직렬로 연결된 저항(R5)과 캐패시터(C5)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 충전 시스템.
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