KR101175297B1 - 전자기 유도방식의 무선 충전회로 - Google Patents

전자기 유도방식의 무선 충전회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본체에 배터리 케이스 수납시 펄스를 발생시켜 1차 코일에 흐르는 전류를 제어하고 2차 코일에서 소비되는 전류값에 따라 펄스의 듀티비를 조절하여 1차 코일에 흐르는 전류값을 제어하는 충전 제어부 및 충전 제어부의 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 2차 코일에서 유도전류를 발생시켜 배터리에 충전시키는 배터리 충전부로 구성된 것으로서 전원 충전장치의 과열을 방지하고 불필요한 전력소비를 줄일 수 있다.

Description

전자기 유도방식의 무선 충전회로{Wireless charging circuit of the electromagnetic induction method}
본 발명은 전자기 유도방식의 무선 충전회로에 관한 것이다. 특히 본 발명은 본체와 배터리 케이스에 전자기 유도를 위한 두 개의 코일을 배치하고 2차 코일에서 소비되는 전류값에 따라 1차 코일에 흐르는 전류의 세기를 PWM 방식으로 조절할 수 있도록 하는 전자기 유도방식의 무선 충전회로에 관한 것이다.
최근, 통신 및 정보처리기술의 발달로 인터넷이나 화상통화, 문서작업 등과 같은 다양한 기능을 가지는 휴대전화나 PDA, 노트북 등과 같이 휴대하기 편리한 휴대용 단말기의 사용이 증가하고 있으며, 기술의 발달에 따라 성능이 향상된 새로운 모델의 휴대용 단말기가 계속해서 보급되는 추세이다.
그리고 현재 가장 많이 사용되고 있는 휴대전화 즉, 이동통신단말기의 충전방식은 별도의 충전기에 이동통신단말기를 거치하는 방식으로 접속하거나 또는 USB 충전기 단자를 이용하여 충전기와 이동통신단말기를 연결하여 충전하는 방식 등이 있다.
상기한 바와 같이 접촉형 충전방식이나 접촉단자가 이용하는 충전방식의 문제점을 해결하기 위하여 이동통신단말기를 충전기에 거치하거나 USB 충전기 단자를 이용하여 충전기와 이동통신단말기를 연결하지 않고도 이동통신단말기를 충전기에 올려 놓거나 근처에 두기만 해도 충전이 이루어지는 충전방식이 등장하였는데, 이것이 무선 충전방식이다.
상기한 바와 같은 무선충전(wireless charger) 방식으로는 자기공명방식과 전자기 유도방식 등을 예로 들 수 있다.
상기 자기공명방식은 1~2m 떨어진 송수신단 간에 동일한 주파수로 전력을 보내는 무선 충전방식이다. 이론적으로 방안이나 사무실 또는 자동차 내에 모인 사람들이 휴대전화 등과 같은 제품을 꺼내지 않고도 충전하는 방식이다. 이는 전자파 안정성이나 주파수 배치 등과 같은 극복해야 하는 문제점이 있으나, 충전범위가 비교적 넓다.
또한, 전자기 유도방식은 가까운 두 개의 코일이 유도전류를 일으켜 충전하는 무전 충전방식이다. 이는 비교적 전송효율은 낮지만 인체에 무해한 장점이 있어 의료장비나 전기제품 등에 많이 사용되는 방식이다.
여기서 전자기 유도방식에 적용된 상호 인덕턴스에 의한 자기유도방식과 패러데이의 자기유도방식에 대해 설명한다.
도1에서와 같이 상호 인덕턴스에 의한 자기 유도방식은 두 개의 코일을 근처에 놓으면 첫번째 코일 자속(B1)은 1차전류(I1)의 공급에 따라 권선수(N1)에 따라 증가된다. 코일(COIL1)에 흐르는 몇 개의 자속은 코일(COIL2)에 유도되어 지나게 되고 2차 자속(Φ21)이 발생하게 된다.
여기서 이 시간에 따라 증가하면 2차 코일에는 자속 변화와 함께 유도기전력(EMF)이 발생하게 된다.
이를 수식으로 표현하면, 아래의 수학식 1, 2와 같다.
Figure 112010049739759-pat00001
Figure 112010049739759-pat00002
이때 M21은 상호인덕턴스라고 하는데, 두 개의 코일 권선수와 반경에 의한 패러데이의 자기유도법칙에 의거하여 정리되는 것을 알 수 있다.
위의 패러데이의 자기유도법칙에 의하면 도1에서와 같이 코일(COIL2)의 고리속을 지나는 자기력의 수가 시간에 따라 변화하면 코일 자체에서 기전력이 발생하게 된다. 이 유도기전력은 위에서 ε21로 표시되고, 유도기전력(EMF)이라 불리운다.
그리고 코일을 지나가는 자기력의 수(ε21)은 아래의 수학식 3과 같이 표시된다.
Figure 112010049739759-pat00003
여기서, ε21을 바꿀 수 있는 방법으로는 1) 코일 속에 자기장의 세기(B1)를 바꾸거나 2) 자기장 속에서의 코일의 넓이(A2)를 바꾸거나 3) 자기장의 방향에 대한 코일의 방향을 바꾸거나 4) 위의 방법들을 복합적으로 사용하는 것을 예로 들 수 있다.
위의 패러데이의 전자유도법칙을 정리하면, 전류미터(G)는 도2에서와 같이 코일의 자속변화를 빠르게 움직일수록 보다 큰 전류를 얻는다. 한쪽 코일에 전류를 흘리면 또 다른 코일에도 전류가 발생하고 두 코일 사이에는 상대적인 운동이 발생하여 유도전류에 의해 전류미터(G)의 바늘이 움직이게 된다. 두 개의 코일 중 하나가 회전하면 전류가 발생하여 전류미터(G)가 요동하게 된다.
전원을 가하는 코일에 극성을 빠르게 변화를 주면 회전하는 효과를 주게 되므로 또 다른 코일에 전류미터(G)는 요동하게 된다.
패러데이 법칙에서 유도기전력 발생은 EMF로 정의하고 유도기전력은 시간(T)에서 아래의 수학식 4와 같이 된다.
Figure 112010049739759-pat00004
즉, 코일에 유기되는 자속을 변화시켜 배터리 충전을 위한 기전력을 얻는 방법으로는 코일에 자석을 움직이는 방법, 코일을 자계 중에서 회전시키는 방법, 코일을 적당한 용기 안에 넣고 외부에서 자계를 변화시키는 방법, 코일을 불규칙한 자계 위에서 움직이는 방법, 자계 중에 코일의 크기 치수에 변화를 주는 방법 등이 있다. 또한, 코일 상호 간에 상호 인덕턴스를 결정하는 요소로는 코일의 크기와 형상, 코일의 권선수, 코일 간의 거리, 코일 간의 거리 기울기 각도, 코일을 감싸고 있는 재질 등이 있다.
그러나 상기한 바와 같은 무선 충전방식은 배터리에 무선으로 전원을 충전할 수 있다는 장점은 있으나, 코일에 흐르는 전류가 조절되지 않아 충전회로가 과열될 우려가 있을 뿐만 아니라 불필요한 전류가 흐르게 되어 불필요한 전력소비를 가져오는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전자기 유도방식으로 충전을 할 때 2차 코일에서 소비되는 전류값에 따라 1차 코일에 흐르는 전류의 세기를 조절하여 과열을 방지하고 불필요한 전력소비를 줄일 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 무선 유도방식의 충전회로는, 본체에 배터리 케이스 수납시 펄스를 발생시켜 1차 코일에 흐르는 전류를 제어하고 2차 코일에서 소비되는 전류값에 따라 펄스의 듀티비를 조절하여 1차 코일에 흐르는 전류값을 제어하는 충전 제어부; 및 상기 충전 제어부의 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 2차 코일에서 유도전류를 발생시켜 배터리에 충전시키는 배터리 충전부;를 포함하고, 상기 충전 제어부에는 상기 본체와 상기 배터리 케이스가 수납상태에 따라 '온/오프'되는 도어 스위치가 구비되며, 상기 배터리 충전부는 상기 충전 제어부의 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 유도전류를 발생시키는 2차 코일과, 상기 2차 코일에서 발생되는 전류를 정류 평활하여 배터리에 충전시키는 레귤레이터를 포함하고, 상기 배터리 충전부에는 2차 코일에서 발생되는 유도전류가 배터리에 충전되는 동안 발광 다이오드를 점등시키는 LED 구동부를 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도방식의 무선 충전회로에 있어서,
상기 충전 제어부는 상기 충전 제어부의 1차 코일에 상기 배터리 충전부의 2차 코일이 근접되게 위치하는가를 감지하는 홀 전류센서와, 상기 배터리 충전부의 2차 코일에서 소비되는 전류값을 감지하는 홀 전류센서와, 상기 홀 전류센서에 의해 얻어진 파형으로부터 공진 주파수를 구하고 상기 홀 전류센서에 의해 얻어진 전류값에 따라 공진 주파수의 듀티비를 조절하여 펄스를 출력하는 마이컴과, 상기 마이컴으로부터 출력되는 공진 주파수에 상응하는 펄스에 의해 구동되어 상기 충전 제어부의 1차 코일에 흐르는 전류의 듀티비를 제어하는 트랜지스터 및 전계효과트랜지스터로 구성된 듀티비 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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따라서 본 발명에 의하면, 본 발명은 전자기 유도방식으로 배터리에 전원을 충전할 때 2차 코일에서 소비되는 전류값에 따라 1차 코일에 흐르는 전류의 세기를 PWM 방식으로 조절함으로써 전원 충전장치의 과열을 방지하고 불필요한 전력소비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도1은 상호 인덕턴스에 의한 전자기유도방식을 설명하기 위한 도면이다.
도2는 패러데이의 전자유도법칙의 정리를 설명하기 위한 도면이다.
도3은 무선충전을 위한 본 발명에 의한 회로도이다.
도4는 도3에 의해 무선 충전이 이루어지는 동작을 설명하기 위한 타임 챠트이다.
도5는 본 발명에 의한 무선 충전회로가 적용된 무선충전장치의 일 예를 보인 사시도이다.
도6은 본 발명에 의한 무선 충전회로가 적용된 무선 충전장치의 일 예를 보인 단면도이다.
도3은 본 발명에 의한 전자기 유도방식의 충전회로를 도시한 것으로서 본 발명에 의한 전자기 유도방식의 충전회로는 전원을 가지는 자동차 등에 위치한 본체(100)에 배터리 케이스(200) 수납시 펄스를 발생시켜 1차 코일(11)에 흐르는 전류를 제어하고 2차 코일(21)에서 소비되는 전류값에 따라 펄스의 듀티비를 조절하여 1차 코일(11)에 흐르는 전류값을 제어하는 충전 제어부(10)와, 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 흐르는 전류에 의해 2차 코일(21)에서 유도전류를 발생시켜 배터리(BT)에 충전시키는 배터리 충전부(20)로 구성되어 있다.
본체(100)에 위치한 충전 제어부(10)는 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 배터리 충전부(20)의 2차 코일(21)이 근접되게 위치하는가를 감지하는 홀 전류센서(U3)와, 배터리 충전부(20)의 2차 코일(21)에서 소비되는 전류값을 감지하는 홀 전류센서(U2)와, 홀 전류센서(U3)에 의해 얻어진 파형으로부터 공진 주파수를 구하고 홀 전류센서(U2)에 의해 얻어진 전류값에 따라 공진 주파수의 듀티비를 조절하여 펄스를 출력하는 마이컴(12)과, 마이컴(12)으로부터 출력되는 공진 주파수에 상응하는 펄스에 의해 구동되어 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 흐르는 전류의 듀티비를 제어하는 트랜지스터(Q4)(Q6) 및 전계효과트랜지스터(FET)로 구성된 듀티비 제어부로 구성되어 있다.
여기서, 충전 제어부(10)에 자동차 등을 구성하는 도어의 개폐상태 즉, 본체(100)와 배터리 케이스(200)가 수납상태 등에 따라 '온/오프'되는 도어 스위치(SW)가 구비되어 있으므로 마이컴(12)은 도어의 개폐상태를 확인하고 무선 충전동작을 제어 하고 그리고 마이콤&RF(12)에서는 개폐를 확인후 무선으로 개페정보를 배터리 캐이스(20)의 CPU&RF&DRV(23) 에 전달되어 LED 를 구동 하여 내부 실내등를 ON OFF 무선제어 한다. 그리고 아래 공진주파수를 구하는 원리로 배터리 충전부(20)가 본체(10)에 붙었는지 떨어졌는지 알수 가 있다.
위의 본체(100)에 수납되는 배터리 케이스(200)를 구성하는 배터리 충전부(20)는 실질적으로 충전이 이루어지는 것으로서 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 흐르는 전류에 의해 유도전류를 발생시키는 2차 코일(21)과, 2차 코일(21)에서 발생되는 전류를 정류 평활하여 배터리(BT)에 충전시키는 레귤레이터(22)로 구성되어 있다.
특히, 배터리 충전부(20)에 2차 코일(21)에서 발생되는 유도전류가 배터리(BT)에 충전되는 동안 사용자가 볼 수 있는 공간에 위치한 발광 다이오드(LED)를 점등시키는 LED 구동부(23)가 구비되어 있으므로 사용자는 배터리의 충전상태를 시각적으로 인지할 수 있다.
이하, 도3 및 도4에 의해 본 발명에 의한 무선 충전회로에 의한 무선 충전과정을 설명한다.
마이컴(12)에서 도4의 (A)와 같은 펄스를 트랜지스터(Q4)(Q6)에 가하는 경우 본체(100)에 배터리 케이스(200)가 수납되어 두 개의 코일(11)(21)이 근접한 상태를 유지하면, 홀 전류센서(U3)에 의해 도4의 (B)와 같은 파형이 검출되고, 본체(100)에 배터리 케이스(200)가 수납되지 않아 두 개의 코일(11)(21)이 근접한 상태를 유지하지 못하면, 홀 전류센서(U3)에 의해 도4의 (I)와 같은 파형이 검출되게 된다.
홀 전류센서(U3)에 의해 도4의 (I)와 같은 파형이 검출되는 경우 마이컴(12)은 파형의 주기(T)를 연산하여 배터리 충전부(20)의 2차 코일(21)의 공진 주파수를 구한다.
위와 같이 구해진 공진 주파수에 의해 도4의 (C)와 같은 펄스를 트랜지스터(Q4)(Q6)에 지속적으로 가하면서 마이컴(12)은 홀 전류센서(U2)에 의해 검출되는 검출신호를 분석하여 배터리(BT) 무선 충전이 이루어지고 있는 배터리 충전부(20)의 2차 코일(21)에서 소비되는 전류값을 검출할 수 있다.
배터리(BT)의 충전량 증가로 배터리(BT)에 충전되는 전류가 감소함에 따라 마이컴(12)은 트랜지스터(Q4)(Q6)에 가해지던 펄스의 듀티비를 도4의 (C)와 같이 유지하다가, 도4의 (D)(E)(F)(G)(H)와 같이 점진적으로 줄여 2차 코일(21)에서의 소비전류를 줄이게 된다.
충전이 완료되면, 마이컴(12)은 도4의 (I)와 같은 파형을 발생시켜 트랜지스터(Q4)(Q6)에 가하게 된다.
물론, 마이컴(12)은 홀 전류센서(U2)에 의해 검출되는 검출신호를 분석하여 배터리(BT)의 충전상태를 지속적으로 감시하면서 배터리(BT)의 충전상태에 따라 트랜지스터(Q4)(Q6)에 가해지는 펄스를 듀티비를 조절하여 2차 코일(21)에서 발생되는 유도전류를 조절할 수 있다.
도5 및 도6은 본 발명에 의한 전자기 유도방식의 무선 충전회로가 적용된 무선 충전장치를 보인 것으로서 충전을 위한 전원을 공급하는 충전 제어부(10)를 구비한 본체(100)와, 본체(100)에 수납 가능한 구조로 충전 제어부(10)로부터 공급되는 전원을 배터리(BT)에 충전하는 배터리 충전부(20)를 포함하는 배터리 케이스(200)로 구성되어 있다.
도5 및 도6에서 보이는 바와 같이 본 발명은 본체(100)에 배터리 케이스(200)를 수납했을 경우 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)과 배터리 충전부(20)의 2차 코일(21)이 근접되게 배치되면서 1차 코일(11)에 흐르는 전류에 의해 2차 코일(21)에서 유도전류가 발생되어 충전 제어부(10)와 배터리 충전부(20) 간에 전기적인 접속 없이도 배터리(BT)에 전류가 충전되게 된다.
10 : 충전 제어부 11 : 1차 코일
12 : 마이컴&RF 20 : 배터리 충전부
21 : 2차 코일 22 : 정류기&레귤레이터
23 : 마이컴&RF&LED 구동부 100 : 본체
200 : 배터리 케이스 BT : 배터리
LED : 발광 다이오드 U2, U3 : 홀 전류센서
Q4, Q6 : 트랜지스터 FET : 전계효과트랜지스터
SW : 도어 스위치

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 본체(100)에 배터리 케이스(200) 수납시 펄스를 발생시켜 1차 코일(11)에 흐르는 전류를 제어하고 2차 코일(21)에서 소비되는 전류값에 따라 펄스의 듀티비를 조절하여 1차 코일(11)에 흐르는 전류값을 제어하는 충전 제어부(10); 및
    상기 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 흐르는 전류에 의해 2차 코일(21)에서 유도전류를 발생시켜 배터리(BT)에 충전시키는 배터리 충전부(20);를 포함하고,
    상기 충전 제어부(10)에는 상기 본체(100)와 상기 배터리 케이스(200)가 수납상태에 따라 '온/오프'되는 도어 스위치(SW)가 구비되며,
    상기 배터리 충전부(20)는 상기 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 흐르는 전류에 의해 유도전류를 발생시키는 2차 코일(21)과, 상기 2차 코일(21)에서 발생되는 전류를 정류 평활하여 배터리(BT)에 충전시키는 레귤레이터(22)를 포함하고,
    상기 배터리 충전부(20)에는 2차 코일(21)에서 발생되는 유도전류가 배터리(BT)에 충전되는 동안 발광 다이오드(LED)를 점등시키는 LED 구동부(23)를 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전자기 유도방식의 무선 충전회로에 있어서,
    상기 충전 제어부(10)는 상기 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 상기 배터리 충전부(20)의 2차 코일(21)이 근접되게 위치하는가를 감지하는 홀 전류센서(U3)와, 상기 배터리 충전부(20)의 2차 코일(21)에서 소비되는 전류값을 감지하는 홀 전류센서(U2)와, 상기 홀 전류센서(U3)에 의해 얻어진 파형으로부터 공진 주파수를 구하고 상기 홀 전류센서(U2)에 의해 얻어진 전류값에 따라 공진 주파수의 듀티비를 조절하여 펄스를 출력하는 마이컴(12)과, 상기 마이컴(12)으로부터 출력되는 공진 주파수에 상응하는 펄스에 의해 구동되어 상기 충전 제어부(10)의 1차 코일(11)에 흐르는 전류의 듀티비를 제어하는 트랜지스터(Q4)(Q6) 및 전계효과트랜지스터(FET)로 구성된 듀티비 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 유도방식의 무선 충전회로.





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  4. 삭제
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