KR101467211B1 - 무선 전력 전송장치, 무선 전력 전송 송신장치 및 그것의 데이터 전송방법 - Google Patents

무선 전력 전송장치, 무선 전력 전송 송신장치 및 그것의 데이터 전송방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 그리고 바이어스 스위칭 회로에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 E급 증폭기를 사용하는 공진형 무선 전력 전송장치 및 제어방법, 그리고 이를 위한 바이어스 스위칭 회로에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 송신장치는 공진 주파수에 대응되는 동작신호를 출력하는 게이트 드라이버(Gate Driver), 상기 동작신호에 기초하여 온-오프되도록 형성되는 인버터부, 데이터 신호에 따라 상기 인버터부의 드레인 단자에 서로 다른 바이어스 전압을 공급하는 바이어스(bias) 스위칭부 및 상기 공진 주파수에 대응되는 주파수 정보를 상기 게이트 드라이버로 전달하고, 상기 데이터 신호를 상기 바이어스 스위칭부에 전달하는 제어부를 포함하고, 상기 인버터부는 상기 인버터부의 게이트 단자에 인가되는 상기 동작신호에 기초하여 온-오프되고, 상기 바이어스 스위칭부로부터 공급되는 상기 서로 다른 바이어스 전압에 기초하여 출력레벨이 달라지는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 전력 전송장치, 무선 전력 전송 송신장치 및 그것의 데이터 전송방법{WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE, WIRELESS POWER TRANSMITTER AND METHOD}
본 발명은 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 그리고 바이어스 스위칭 회로에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 E급 증폭기를 사용하는 공진형 무선 전력 전송장치 및 제어방법, 그리고 이를 위한 바이어스 스위칭 회로에 관한 것이다.
최근 들어 전 세계적으로 무선 전력 전송(WPT:Wireless Power Transfer)에 대한 연구 및 상용화가 활발하다. 무선 전력 전송이란, 휴대용 IT기기 또는 전기 자동차 등에 전원을 공급하는 전원선 대신, 무선으로 전원을 공급할 수 있는 기술을 말한다. 현재 무선 전력 전송의 기술개발 수준은 이미 가능성을 확인하는 수준을 넘어 사용화를 염두에 둔 표준화 단계에 도달했다. 이러한 표준화를 위한, 대표적인 표준화 단체인 WPC(Wirelss Power Consortium)에서 스마트폰 등의 충전을 목표로 발표한 Qi 표준은 이미 상용화가 된 상태이다. 나아가, 최근에는, A4WP(Alliance for Wireless Power)라는 표준화 단체는 6.78MHz를 사용하는 공진 방식의 무선 전력 전송 표준을 출시할 예정이다.
한편, 무선 전력 전송을 위해서는, 전력을 전송하고자 하는 송전부(Transmitter)와 전력을 수신하고자 하는 수전부(Receiver) 간의 디지털 정보 교환이 이루어져야 한다. 여기에서, 송전부와 수전부 간에 교환되는 정보는, 송전부에서 수전부로 전력을 공급할 필요가 있는지, 수전부에 충전되고 있는 전력의 양은 얼만큼인지 등과 관련된 정보이다.
한편, WPC의 Qi표준에서는 무선 전력 전송 장치에서의 디지털 정보 교환을 위하여 도 1a에 도시된 것과 같이, 전력 전송을 위한 중심주파수와 정보 교환을 위한 중심주파수가 같은 인밴드(in-band) 통신방식을 사용하였다. 그리고, A4WP에서는, 전력 전송을 위한 중심주파수와 정보 교환을 위한 중심주파수가 다른 아웃오브밴드(out-of-band) 통신방식을 사용하였다.
그러나, 인밴드 통신방식에서는, 전력 전송 효율의 문제상 정보 교환을 위한 통신 경로가 수전부에서 송전부(역방향) 쪽으로만, 즉, 한쪽 방향으로만 이루어지기 때문에, 수전부와 송전부 간의 쌍방향 정보전달이 어려워, 효율적인 정보교환이 어려웠다. 또한, 아웃오브밴드 통신방식에서는, 정보교환을 위한 주파수(예를 들어, 2.4GHz의 Bluetooth 주파수)를 별도로 사용하므로, 쌍방향 정보전달은 쉽게 이루어지지만, 수전부의 배터리가 방전되어 수전부가 오프(off)되었을 때는, 송전부와 수전부 간의 정보전달이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 목적은 순방향(송전부에서 수전부로의 방향)과 역방향(수전부에서 송전부로의 방향)으로의 통신이 모두 가능한 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 전력전송 효율이 떨어지지 않으면서 정보를 효율적으로 전송할 수 있도록, 전력과 전송할 정보에 대응하는 디지털 신호를 동시에 제공하는 것이 가능한 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 송신장치는 공진 주파수에 대응되는 동작신호를 출력하는 게이트 드라이버(Gate Driver), 상기 동작신호에 기초하여 온-오프되도록 형성되는 인버터부, 데이터 신호에 따라 상기 인버터부의 드레인 단자에 서로 다른 바이어스 전압을 공급하는 바이어스(bias) 스위칭부 및 상기 공진 주파수에 대응되는 주파수 정보를 상기 게이트 드라이버로 전달하고, 상기 데이터 신호를 상기 바이어스 스위칭부에 전달하는 제어부를 포함하고, 상기 인버터부는 상기 인버터부의 게이트 단자에 인가되는 상기 동작신호에 기초하여 온-오프되고, 상기 바이어스 스위칭부로부터 공급되는 상기 서로 다른 바이어스 전압에 기초하여 출력레벨이 달라지는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 인버터부는 상기 서로 다른 바이어스 전압에 기초하여 출력레벨이 달라지는 E급 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 데이터 신호는 상기 데이터 신호에 따라 상기 인버터부의 드레인 단자에 공급되는 서로 다른 전압을 통해 수신측으로 전달되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 데이터 신호는 상기 공진 주파수에 대응되도록 상기 수신측에 전달되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 E급 증폭기의 출력은 PIE 신호에 대응되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 바이어스 스위칭부는 상기 데이터 신호에 따라 제1 바이어스 전압 및 상기 제1 바이어스 전압의 크기와 다른 제2 바이어스 전압을 상기 인버터부의 드레인 단자로 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 바이어스 스위칭부는 동일한 전압 레벨을 갖는 제1 및 제2 전압원 및 상기 데이터 신호에 따라 제1 및 제2 전압원의 전압 레벨을 가감하기 위한 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 바이어스 스위칭부는 '0'(Low) 데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원 중 어느 하나의 전압 레벨에 대응하는 바이어스 전압을 출력하고, '1'(High)데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원의 전압 레벨을 모두 합한 전압 레벨에 대응하는 바이어스 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 바이어스 스위칭부는 상기 제1 및 제2 전압원에 각각 대응되는 전압 레벨이 합해질 경우, 안정된 동작을 위하여 기 설정된 일 방향으로만 전압이 흐르도록 유도하는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 수신측과 공진하는 공진기에 포함된 코일의 전압 및 전류를 센싱하는 센싱부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 센싱부로부터 인가되는 센싱정보에 근거하여 상기 게이트 드라이버의 공진 주파수 및 듀티비(duty raitio) 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어정보를 상기 게이트 드라이버로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 주파수에 대응되는 동작 신호를 출력하는 게이트 드라이버 및 상기 동작 신호에 기초하여 온-오프 되도록 형성되는 인버터부를 포함하는 무선 전력 전송 송신장치의 데이터 전송방법은 데이터 신호에 따른 바이어스 전압이 생성되는 단계, 상기 바이어스 전압이 상기 인버터부로 전달되는 단계, 상기 바이어스 전압에 대응되는 크기의 출력레벨이 생성되는 단계 및 상기 생성된 출력레벨이 상기 공진 주파수에 대응되도록 수신측으로 전송되는 단계를 포함하고, 상기 바이어스 전압이 생성되는 단계에서는 상기 데이터 신호에 따라 서로 다른 전압레벨을 갖는 바이어스 전압이 생성되며, 상기 출력레벨이 생성되는 단계에서는 상기 바이어스 전압의 크기에 따라 서로 다른 크기의 출력레벨이 생성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 바이어스 전압이 생성되는 단계에서는 상기 데이터 신호에 따라 제1 바이어스 전압 또는 상기 제1 바이어스 전압의 크기와 다른 제2 바이어스 전압이 생성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, '0'(Low) 데이터 신호에 대해서는 제1 및 제2 전압원 중 어느 하나의 전압 레벨에 대응하는 제1 바이어스 전압이 생성되고, '1'(High)데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원의 전압 레벨을 모두 합한 전압 레벨에 대응하는 제2 바이어스 전압이 생성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 데이터와 전력을 동시에 전송하는 송전부 및
상기 송전부에서 출력되는 전력을 공급받는 수전부를 포함하고, 상기 송전부는 공진 주파수에 대응되는 동작신호를 출력하는 게이트 드라이버(Gate Driver), 상기 동작신호에 기초하여 온-오프되되고, 드레인 단자에 입력되는 바이어스 전압에 따라 출력레벨이 달라지는 E급 증폭기, 데이터 신호에 따라 상기 E급 증폭기의 드레인 단자에 서로 다른 바이어스 전압을 공급하는 바이어스(bias) 스위칭부 및 상기 공진 주파수에 대응되는 주파수 정보를 상기 게이트 드라이버로 전달하고, 상기 데이터 신호를 상기 바이어스 스위칭부에 전달하는 제어부를 포함하고, 상기 수전부는 상기 송전부의 E급 증폭기로부터 출력되는 전력을 수신하고, 수신된 전력을 정류하는 정류부, 상기 정류부에서 출력된 전력을 공급받는 부하부 및 상기 E급 증폭기로부터 출력되는 전력의 크기에 기초하여 데이터를 추출하는 데이터 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 수전부의 데이터 수신부는 상호 병렬로 연결된 저항 및 캐패시터 및 상기 병렬로 연결된 저항 및 캐패시터와 직렬로 연결되는 다이오드를 포함하는 저역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로는 바이어스 전압을 입력 데이터에 따라 두 가지 레벨로 가변하여 공급함으로써, 정보교환을 위하여 디지털 신호를 전송하는 경우, 높은 전압의 'High'전원이 필요없이, 'Low'전압과 'High-Low'의 두 개의 낮은 전압만을 이용하여, 디지털 통신이 가능하다. 따라서, 무선 전력 전송장치의 송전부와 수전부 간의 정보교환시 필요한 전력소모를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로는 인밴드 통신방식을 통해 데이터를 전송함으로써, 전력 전송을 위한 중심주파수가 변화되지 않아, 국제적으로 협약을 맺은 6.78MHz, 13.56MHz인 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역 주파수를 사용할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로는 넓은 주파수 할당을 필요로 하지 않으므로, 주파수 할당에 있어서, 유리하다.
도 1a는 인밴드 디지털 신호 전송 방식을 사용하는 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1b는 아웃오브밴드 디지털 신호 전송 방식을 사용하는 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 SPDT 스위치와 두 개의 전압원을 이용하여 드레인(Drain) 바이어스 전압을 조절하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에 적용되는 바이어스 스위칭부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 도 4에서 살펴본 바이어스 스위칭부의 상세 회로도이다.
도 6은 바이어스 변화에 따른 E급 증폭기의 특성 변화를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 PIE 코딩 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 따른 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 그리고, 바이어스 스위칭 회로에 대하여 구체적으로 설명한다.
여기서는 본 발명의 실시 예들로서 무선 전력 전송장치에 적용되는 것을 전제로 하지만 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서 다른 장치에 적용될 수 있다.
본 발명에서는 전력을 공급하는 송전부 측에서 전력을 공급받는 수전부 측으로, 전력과 함께 데이터를 함께 전송하는 것이 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공한다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전련 전송 장치, 특히, 무선 전력 전송 송신 장치에서 공급되는 전력은 데이터를 포함할 수 있다.
여기에서, 송전부 측에서 수전부 측으로의 통신방향은 '순방향' 통신으로 표현되고, 수전부 측에서 송전부 측으로의 통신방향은 '역방향' 통신으로 표현될 수 있다. 또한, 여기에서, 송전부와 수전부 간의 통신으로 교환되는 데이터(또는 정보 또는 디지털 신호) 그 정보의 제한이 없으며, 사용자의 요청에 의하여 다양한 종류의 데이터가 교환될 수 있다. 나아가, 상기 송전부와 수전부 간의 통신으로 교환되는 데이터는 송전부와 수전부 간에 전달되는 전력에 대한 정보일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 인밴드 디지털 신호 전송 방식을 사용하는 무선 전력 전송 장치 및 아웃오브 밴드 디지털 신호 전송방식을 사용하는 무선 전력 전송 장치를 첨부된 도면과 함께 각각 살펴본다. 도 1a는 인밴드 디지털 신호 전송 방식을 사용하는 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1b는 아웃오브밴드 디지털 신호 전송 방식을 사용하는 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
먼저, 도 1a를 살펴보면, 인밴드 디지털 신호전송 방식의 무선 전력 전송 장치는, 송전부(또는 무선 전력 전송 송신장치), 수전부(또는 무선 전력 전송 수신장치) 및 전력 전달을 위한 공진기(코일과 캐패시터 쌍)를 포함한다.
이러한, 인밴드 디지털 신호전송 방식의 무선 전력 전송장치에서, 전력(Power) 전달 방향은 송전부에서 수전부 방향으로 이루어지고, 데이터(또는 정보)의 전달 방향은, 수전부에서 송전부 측으로만 이루어진다. 여기에서, 상기 데이터는 디지털 신호에 대응된다.
한편, 도시된 것과 같이, 인밴드 디지털 신호전송 방식의 무선 전력 전송 장치에서 송전부는, 게이트 드라이버(Gate Driver), 인버터부(Inverter), 제어부(Controller), 센싱부(Sensing unit)를 포함할 수 있다. 한편, 센싱부는, 전압 및 전류 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 수전부는, 정류부(Rectifier), 전압 안정기(Votage Regulator), 제어부(Controller), 부하부(Load)를 포함할 수 있다.
한편, 수전부의 정류부는, 특히 풀브릿지 정류기(Full-bridge Rectifier)로 구성될 수 있다. 그리고, 부하부는, 전자기기이거나, 전력을 충전하기 위한 배터리(battery) 일 수 있다.
또한, 수전부 공진기(코일 및 캐패시터)의 끝단에는 스위치(switch)가 접지에 연결되어 있어, 스위치가 오프(OFF) 상태일 경우에는, 부하부까지 회로가 연결되는 반면, 스위치가 온(ON) 상태일 경우에는, 부하까지 회로가 연결되지 않을 수 있다. 이와 같이, 스위치가 온 상태여서 부하까지 회로가 연결되지 않은 경우에는, 수전부의 상태가 변화하게 되고, 송전부와 수전부 간에 상호 결합된 공진기 쌍에 영향을 주어 송전부 코일의 전압과 전류가 변화될 수 있다. 즉, 이러한 전압과 전류의 변화는 수전부 스위치가 온 상태 일때와, 오프 상태일때에 대응하여 변화하므로, 송전부 측, 특히, 센싱부에서는, 수전부 스위치가 온 상태 일때와, 오프 상태일때에 대응하여 변화하는 전압 및 전류의 변화로부터, 데이터를 획득할 수 있다. 이와 같이, 송전부의 제어부는 센싱부에서 센싱된 데이터를 복조할 수 있다.
한편, 수전부의 제어부는, 상기 수전부 공진기의 끝단에 위치한 스위치의 온-오프를 제어하여, 송전부 측으로 데이터가 전송되도록 할 수 있다.
한편, 이러한 신호전송방식은 부하변조(load-modultation)방식 또는 LSK(load shift ceying) 방식이라고 표현될 수 있다. 한편, 송전부의 제어부는, 수전부에서 보내고자하는 데이터를 복조하여, 이를 인버터부의 바이어스(bias)나 게이트 드라이버의 주파수 또는 듀티비(duty ration)를 가변시켜, 수전부 측으로 송전하고자 하는 전력의 크기를 제어할 수 있다.
한편, 이러한 인밴드 디지털 신호전송 방식의 무선 전력 전송 장치는, 통신 경로가 수전부에서 송전부의 한 쪽 방향으로만 이루어지므로, 쌍방향 정보전달이 어려어 효율적인 정보 교환이 어렵고, 프로토콜이 복잡해질 수 있다. 또한, 수전부가 여러개 존재하는 경우에는, 복수개의 수전부가 동시에 데이터를 보내어 데이터 충돌이 일어나더라도 송전부 측에서 이를 인지할 수 없고, 수전부 역시 데이터를 성공적으로 보냈는지 바로 확인하기 어려울 수 있다.
다음으로, 도 1b를 살펴보면, 아웃오브밴드 디지털 신호전송 방식의 무선 전력 전송 장치는, 송전부(또는 무선 전력 전송 송신장치), 수전부(또는 무선 전력 전송 수신장치) 및 전력 전달을 위한 공진기(코일과 캐패시터 쌍)를 포함한다.
이러한, 인밴드 디지털 신호전송 방식의 무선 전력 전송장치에서, 전력(Power) 전달 방향은 송전부에서 수전부 방향으로 이루어지고, 데이터(또는 정보)의 전달 방향은, 수전부에서 송전부 측 및 송전부에서 수전부 측, 즉 양방향으로 이루어질 수 있다. 여기에서, 상기 데이터는 디지털 신호에 대응된다.
한편, 도시된 것과 같이, 아웃오브밴드 디지털 신호전송 방식의 무선 전력 전송 장치에서 송전부는, 게이트 드라이버(Gate Driver), E급 증폭기(Class-E Amplifier), 제어부(Controller 또는 마이컴) 및 블루투스 송수신기(Bluetooth Transceiver)를 포함할 수 있다.
그리고, 수전부는, 정류부(Rectifier), 전압 안정기(Votage Regulator), 제어부(Controller), 부하부(Load) 및 블루투스 송수신기(Bluetooth Transceiver)를 포함할 수 있다.
한편, 수전부의 정류부는, 특히 풀브릿지 정류기(Full-bridge Rectifier)로 구성될 수 있다. 그리고, 부하부는, 전자기기이거나, 전력을 충전하기 위한 배터리(battery) 일 수 있다.
아웃오브밴드 통신방식에서는, 전력전달을 위한 주파수와, 데이터 통신을 위한 주파수를 별도로 사용할 수 있다. 예를 들어, 전력전달 주파수는 6.78MHz 또는 13.56MHz인 ISM 대역 주파수를 사용하여, 데이터 통신 주파수는 2.4GHz를 사용할 수 있다.
이와 같이, 아웃오브밴트 통신방식의 무선 전력 전송장치에서는, 송전부와 수전부에 각각 위치한 블루투스 장치를 통해 데이터 통신이 별도로 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 경우에, 송전부와 수전부 간의 양방향 데이터 통신은 가능하지만, 수전부의 배터리가 완전히 방전되어 수전부에 위치한 블루투스 송수신기에 전력공급이 되지 못하는 경우, 송전부와 수전부 간의 데이터 통신이 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 아웃오브밴트 통신방식의 무선 전력 전송 장치에서는, 블루투스 송수신기의 전력이 남아 있는 경우에만 무선 전력 전송이 이루어지게 되는 단점이 있다. 또한, 블루투스 통신이 어려운 환경에 있거나 블루투스 송수신기가 고장났을 경우에도, 무선 전력 전송이 이루어지지 않는다는 문제점이 있다.
따라서, 무선 전력 전송 장치에서는, 블루투스 송수신기가 구비되어야 하는 아웃오브 밴드 방식보다, 인밴드 통신방식을 사용하는 것이 필요하며, 이러한 인밴드 통신방식을 사용할 경우에, 한쪽 방향으로만 데이터 통신이 이루어지는 것보다, 양방향으로 데이터 통신이 이루어지는 것이 필요하다.
이하에서는, 인밴드 통신방식을 사용하면서, 양방향 통신이 모두 가능한 무선 전력 전송장치에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다. 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명에 따른 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송 장치는, 송전부(또는 무선 전력 전송 송신장치, 200), 수전부(또는 무선 전력 전송 수신장치, 250) 및 전력 전달을 위한 공진기(코일과 캐패시터 쌍, 280)를 포함한다.
한편, 송전부(200)는 게이트 드라이버(Gate Driver, 205), 인버터부(Inverter, 210), 바이어스 스위칭부(Bias Switching Circuit, 215), 제어부(Controller, 220), 센싱부(Sensing unit, 225)를 포함할 수 있다. 한편, 센싱부는, 전압 및 전류 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기에서, 게이트 드라이버(205)는 일정 듀티비에 따라 공진 주파수에 대응되는 동작신호를 출력할 수 있다. 한편, 게이트 드라이버(205)는 듀티비 및 공진 주파수와 관련된 정보는 제어부(220)로부터 전달받을 수 있다. 비록 도시되지는 않았지만, 게이트 드라이버(205)와 제어부(220) 사이에는 함수 발생기(function generator)가 더 포함될 수 있다.
인버터부(210)는, 게이트 드라이버(205)에서 전달되는 주파수 정보에 근거하여, 수전부(250) 측으로 전력을 공급할 수 있다. 즉, 인버터부(210)는 게이터 드라이버(205)로부터 전달되는 동작신호에 기초하여 온-오프 될 수 있다.
한편, 인버터부(210)는 E급 증폭기(Class-E Amplifier)를 포함할 수 있다. 이러한 E급 증폭기는 바이어스 전압의 크기에 따라 출력 전압레벨이 변화하므로, 데이터 신호 '0' 및 '1'에 따라 수전부(250) 측으로 전달되는 전력의 크기를 변화시킴으로써, 전력과 함께, 데이터를 전달할 수 있다. 또한, E급 증폭기의 출력은 PIE 신호에 대응될 수 있다.
또한, 바이어스 스위칭부(215)는 데이터 신호에 따라 인버터부(210)의 드레인 단자에 서로 다른 전압을 공급할 수 있다. 한편, 바이어스 스위칭부(215)로 공급되는 데이터 신호(Tx data)는 제어부(220)로부터 입력받을 수 있다.
즉, 바이어스 스위칭부(215)는 데이터 신호에 따라 서로 다른 바이어스 전압을 생성하고, 이러한, 서로 다른 바이어스 전압을 인버터부(210)의 드레인 단자에 출력할 수 있다. 따라서, 인버터부(210)는 드레인 단자에 공급되는 서로 다른 바이어스 전압에 따라 출력 전압레벨을 서로 다르게 증폭시킴으로써, 전력과 함께 데이터를 수전부(250) 측으로 전달할 수 있다.
또한, 제어부(220)는 게이트 드라이버(205)에 주파수 정보 및 듀티비 정보를 제공하고, 바이어스 스위칭부(215)에 데이터 신호를 제공할 수 있다. 그리고, 제어부(220)는 게이트 드라이버(205), 인버터부(210), 바이어스 스위칭부(215) 및 센싱부(225) 중 적어도 하나의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 센싱부(225)는 앞서, 도 1a에서 살펴본 것과 같이, 수전부(250) 측에서 전달되는 데이터를 전달받기 위하여, 전압 및 전류 변화를 센싱하는 역할을 할 수 있다. 즉, 센싱부(225)는 수진측과 공진하는 공기에 포함된 코일의 전압 및 전류를 센싱할 수 있다. 이 경우, 제어부(220)는, 센싱부(225)로부터 인가되는 센싱정보에 근거하여, 게이트 드라이버(205)의 공진 주파수 및 듀티비 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어정보를 생성할 수 있다. 그리고, 이렇게 생성된 제어정보는 게이트 드라이버(205) 측으로 전달될 수 있다.
다음으로, 수전부(250)를 살펴보면, 수전부는(250)는 정류부(Rectifier), 전압 안정기(Votage Regulator, 260), 제어부(Controller, 265), 부하부(Load, 280), 데이터 수신부(270) 및 스위치(275) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 수전부의 정류부(255)는, 특히 풀브릿지 정류기(Full-bridge Rectifier)로 구성될 수 있다. 그리고, 부하부(280)는, 전자기기이거나, 전력을 충전하기 위한 배터리(battery) 일 수 있다.
여기에서, 데이터 수신부(270)는, 저역 통과 필더로 이루어질 수 있다. 이러한 저역 통과 필터는 저상호 병렬로 연결된 저항 및 캐패시터와, 상기 상호 병렬로 연결된 저항 및 캐패시터와 직렬로 연결되는 다이오드를 포함할 수 있다. 데이터 수신부(270)는 포락선 검파기(envelop detector)를 이용하여 송전부(200) 측에서 수신되는 데이터 신호를 복조할 수 있다.
또한, 수전부(250)의 공진기(코일 및 캐패시터)의 끝단에는 스위치(switch, 275)가 접지에 연결되어 있어, 스위치가 오프(OFF) 상태일 경우에는, 부하부(280)까지 회로가 연결되는 반면, 스위치가 온(ON) 상태일 경우에는, 부하부(280)까지 회로가 연결되지 않을 수 있다. 이와 같이, 스위치(275)가 온 상태여서 부하까지 회로가 연결되지 않은 경우에는, 송전부(200)와 수전부(250) 간에 상호 결합된 공진기 쌍(280)에 영향을 주어 송전부(200) 코일의 전압과 전류가 변화될 수 있다. 즉, 이러한 전압과 전류의 변화는 수전부(250) 스위치(275)가 온 상태 일때와, 오프 상태일때에 대응하여 변화하므로, 송전부(200) 측, 특히, 센싱부(225)에서는, 수전부(250) 스위치(275)가 온 상태 일때와, 오프 상태일때에 대응하여 변화하는 전압 및 전류의 변화로부터, 데이터를 획득할 수 있다. 이와 같이, 송전부(200)의 제어부(200)는 센싱부(225)에서 센싱된 데이터를 복조할 수 있다.
한편, 수전부(250)의 제어부(265)는, 상기 수전부(250) 공진기의 끝단에 위치한 스위치(275)의 온-오프를 제어하여, 송전부(200) 측으로 데이터가 전송되도록 할 수 있다.
한편, 이러한 신호전송방식은 부하변조(load-modultation)방식 또는 LSK(load shift ceying) 방식이라고 표현될 수 있다. 한편, 송전부(200)의 제어부(220)는, 수전부(250)에서 보내고자하는 데이터를 복조하여, 이를 인버터부(210)의 바이어스(bias)나 게이트 드라이버(205)의 주파수 또는 듀티비(duty ration)를 가변시켜, 수전부(250) 측으로 송전하고자 하는 전력의 크기를 제어할 수 있다.
이하에서는, 송전부(220) 측의 바이어스 스위칭부(215)에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다. 도 3은 SPDT 스위치와 두 개의 전압원을 이용하여 드레인(Drain) 바이어스 전압을 조절하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치에 적용되는 바이어스 스위칭부를 설명하기 위한 개념도이다.
먼저, 도 3은, 종래의 바이어스 스위칭 회로를 설명하기 위한 개념도이다. 종래의 바이어스 스위칭 회로는, 도시된 것과 같이, SPDT 스위치와 두 개의 전압원을 이용하여 E급 증폭기의 드레인 바이어스 전압을 제어하였으나, 이러한 방법은, 고출력의 SPDT 스위치를 전기적으로 구현하는 것이 회로적으로 어렵고, 기계적으로 SPDT 스위치를 온-오프 제어하는 것은 응답속도가 매우 어려운 단점이 있다.
이에, 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 바이어스 스위칭부는, 트랜지스터(410), 제1 및 제2 전압원(420, 430)을 포함할 수 있다.
여기에서, 제1 및 제2 전압원(420, 430)은 동일한 전압레벨을 가질 수 있다. 또한, 트랜지스터(410)에 입력되는 TX Data는 제어부(220, 도 2 참조)로 부터 입력받을 수 있다. 또한, 이러한 바이어스 스위칭부에서 출력되는 데이터(TX Data+Bias 전압)는, 인버터부(210, 특히, E급 증폭기)의 드레인 단자에 입력될 수 있다.
이와 같이, 바이어스 스위칭부에서는, TX Data에 Bias 전압을 더하는 역할한다. 여기에서, Bias 전압은, 수전부(250, 도 2 참조) 측으로 전달하고자 하는 전력에 대응될 수 있다. 한편, 트랜지스터(410)는 TX Data에 근거하여 제1 및 제2 전압원(420, 430)의 전압레벨을 더하는 역할을 할 수 있다.
바이어스 스위칭부의 동작을 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 바이어스 스위칭부는 상기 데이터 신호에 따라 제1 바이어스 전압 및 상기 제1 바이어스 전압의 크기와 다른 제2 바이어스 전압을 상기 인버터부의 드레인 단자로 출력할 수 있다.
즉, 상기 바이어스 스위칭부는 '0'(Low) 데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원 중 어느 하나의 전압 레벨에 대응하는 바이어스 전압을 출력하고, '1'(High)데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원의 전압 레벨을 모두 합한 전압 레벨에 대응하는 바이어스 전압을 출력할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 바이어스 스위칭부에서는, 'High' 신호에 대하여, 높은 전압의 'High' 전압대신, 제1 및 제2 전압원(420, 430)에 대응되는 두 개의 'Low' 전압이 합쳐진 'High-Low' 전압만으로도, 'High' 데이터에 대응되는 바이어스 전압을 생성할 수 있다.
한편, 바이어스 스위칭부는, 제1 및 제2 전압원(420, 430)에 각각 대응되는 전압 레벨이 합해질 경우, 바이어스 스위칭부의 안정된 동작을 위하여 기 설정된 일 방향으로만 전압이 흐르도록 유도하는 다이오드(440)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 20V(볼트)의 전압을 가하면, 5W(와트)의 출력이 생성되고, 10V의 전압을 가하면, 1W의 출력이 생성되는 E급 증폭기가 있다고 가정한다면, 본 발명에 따른 바이어스 스위칭 회로를 사용하는 경우, 데이터를 전송하기 위하여 'high(1)'에 대응하는 데이터에 대해서는 20V, 'low(0)'에 대응하는 데이터에 대해서는 10V이 바이어스 전압이 각각 출력될 수 있다. 엥 따라, E급 증폭기에서는 'high(1)'에 대응하는 데이터에 대해서는 5W의 출력이, 'low(0)'에 대응하는 데이터에 대해서는 1W의 출력이 발생하게 되어, 전력과 데이터가 수전부 측으로 전달 가능하다.
이하에서는, 본 발명에 따른 바이어스 스위칭부의 상세회로도에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다. 도 5는 도 4에서 살펴본 바이어스 스위칭부의 상세 회로도의 일 예이다
도 5에 도시된 것과 같이, 바이어스 전압은 low 전압(511)과 high-low 전압(513) 두가지를 포함하며, 각각 병렬로 안정화 캐패시터(512, 514)와 연결된다.
또한, 그리고, 바이어스 스위칭부는 송신용 바이어스 스위칭 회로 저항(521, 522, 523, 528, 526)과, 송신용 바이어스 스위칭 회로 트랜지스터(515, 525, 527), 송신용 바이어스 스위칭 회로 게이트 드라이버 IR2110 IC(520), 송신용 디지털 로직 74HC00(529), 송신용 바이어스 스위칭 회로 마일로 캐패시터(519), 송신용 바이어스 스위칭 회로 다이오드(516, 518), 송신용 바이어스 스위칭 회로 역 전압 방지 다이오드 UF4001(517)를 포함할 수 있다. 게이트 드라이버 IC 전원(524)은 복수개의 바이어스 전압(511, 513) 중 어느 하나에 연결될 수 있다. 또한, 바이어스 스위칭부의 송신 데이터는 디지털 버퍼(529)를 통해 안정화되고, 트랜지스터(525, 528)에 의해 적당한 전압레벨로 조정된 후 게이트 드라이버 IC인 IR2110(520)로 입력될 수 있다. IR2110(520)은 트랜지스터(515)의 게이트 단과 연결되고, 트랜지스터(515)는 온(ON) 상태일 경우, 복수개의 전압(511, 513)의 합을 출력하고, 오프(OFF) 상태일 경우, 복수개의 전압(511, 513) 중 어느 하나의 전압만을 출력할 수 있다. 또한, 이러한 트랜지스터(515)에서 출력되는 전압은 E급 증폭기의 드레인 단으로 인가될 수 있다.
이하에서는, 바이어스 변화에 따른 E급 증폭기의 특성 변화에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다. 도 6은 바이어스 변화에 따른 E급 증폭기의 특성 변화를 설명하기 위한 개념도이다. 도 7은 PIE 코딩 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
E급 증폭기는 IRF510 Power MOSFET 소자 1개를 이용하여 설계되었으며, 시뮬레이션과 실제 제작된 E급 증폭기의 측정결과를 비교하여 나타내었다. 도시된 것과 같이, Drain 전압이 10V에서 20V까지 변할 때, 출력은 1W에서 5W까지 선형적으로 변하게 되며, 전력효율은 상대적으로 일정하다. 따라서, 10V와 20V의 두 개의 바이어스 전압을 가하게 되면, 무선 전력 전송의 효율에 큰 변화없이, 출력전력의 변화만 발생시키므로 안정적인 전력공급이 가능하다.
또한, 도 7에 도시된 것과 같이, 전송 데이터 'hihg(1)', 'low(0)'을 NRZ(Non Return to Zero) 파형으로 송신하는 경우, 'low(0)'에 대응하는 데이터는, 1W, 그리고, 'high(1)'에 대응하는 데이터는 5W이므로, 평균적으로 3W의 전력이 전송될 수 있다. 또한, 전송하고자 하는 전력을 높이기 위해서는, 코딩방식을 NRZ 코딩 방식에서, 전력효율을 높일 수 있는 PIE(Pulse Interval Encoding) 코딩 방식으로 바꾸게 되면, 5W의 구간을 1W의 구간으로 늘릴 수 있으므로, 평균출력을 높이는 것이 가능하다. 한편, 코딩방식은 마이컴을 통해 변경시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로는 바이어스 전압을 입력 데이터에 따라 두 가지 레벨로 가변하여 공급함으로써, 정보교환을 위하여 디지털 신호를 전송하는 경우, 높은 전압의 'High'전원이 필요없이, 'Low'전압과 'High-Low'의 두 개의 낮은 전압만을 이용하여, 디지털 통신이 가능하다. 따라서, 무선 전력 전송장치의 송전부와 수전부 간의 정보교환시 필요한 전력소모를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로는 인밴드 통신방식을 통해 데이터를 전송함으로써, 전력 전송을 위한 중심주파수가 변화되지 않아, 국제적으로 협약을 맺은 6.78MHz, 13.56MHz인 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역 주파수를 사용할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 그것의 제어방법, 바이어스 스위칭 회로는 넓은 주파수 할당을 필요로 하지 않으므로, 주파수 할당에 있어서, 유리하다.
200: 송전부 250: 수전부
205: 게이트 드라이버 210: 인버터부
215: 바이어스 스위칭부 220: 제어부
225: 센싱부 255: 정류부
260: 전압안정기 265: 제어부
270: 스위치 280: 공진기

Claims (15)

  1. 공진 주파수에 대응되는 동작신호를 출력하는 게이트 드라이버(Gate Driver);
    상기 동작신호에 기초하여 온-오프되도록 형성되는 인버터부;
    데이터 신호에 따라 상기 인버터부의 드레인 단자에 서로 다른 바이어스 전압을 공급하는 바이어스(bias) 스위칭부; 및
    상기 공진 주파수에 대응되는 주파수 정보를 상기 게이트 드라이버로 전달하고, 상기 데이터 신호를 상기 바이어스 스위칭부에 전달하는 제어부를 포함하고,
    상기 인버터부는
    상기 인버터부의 게이트 단자에 인가되는 상기 동작신호에 기초하여 온-오프되고,
    상기 바이어스 스위칭부로부터 공급되는 상기 서로 다른 바이어스 전압에 기초하여 출력레벨이 달라지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부는
    상기 서로 다른 바이어스 전압에 기초하여 출력레벨이 달라지는 E급 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 데이터 신호는
    상기 데이터 신호에 따라 상기 인버터부의 드레인 단자에 공급되는 서로 다른 전압을 통해 수신측으로 전달되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터 신호는 상기 공진 주파수에 대응되도록 상기 수신측에 전달되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 E급 증폭기의 출력은 PIE 신호에 대응되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 스위칭부는
    상기 데이터 신호에 따라 제1 바이어스 전압 및 상기 제1 바이어스 전압의 크기와 다른 제2 바이어스 전압을 상기 인버터부의 드레인 단자로 출력하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바이어스 스위칭부는
    동일한 전압 레벨을 갖는 제1 및 제2 전압원 및
    상기 데이터 신호에 따라 제1 및 제2 전압원의 전압 레벨을 가감하기 위한 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스 스위칭부는
    '0'(Low) 데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원 중 어느 하나의 전압 레벨에 대응하는 바이어스 전압을 출력하고,
    '1'(High)데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원의 전압 레벨을 모두 합한 전압 레벨에
    대응하는 바이어스 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스 스위칭부는
    상기 제1 및 제2 전압원에 각각 대응되는 전압 레벨이 합해질 경우, 안정된 동작을 위하여 기 설정된 일 방향으로만 전압이 흐르도록 유도하는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  10. 제1항에 있어서,
    수신측과 공진하는 공진기에 포함된 코일의 전압 및 전류를 센싱하는 센싱부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 센싱부로부터 인가되는 센싱정보에 근거하여 상기 게이트 드라이버의 공진 주파수 및 듀티비(duty raitio) 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어정보를 상기 게이트 드라이버로 전달하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치.
  11. 공진 주파수에 대응되는 동작 신호를 출력하는 게이트 드라이버 및 상기 동작 신호에 기초하여 온-오프 되도록 형성되는 인버터부를 포함하는 무선 전력 전송 송신장치의 데이터 전송방법에 있어서,
    데이터 신호에 따른 바이어스 전압이 생성되는 단계;
    상기 바이어스 전압이 상기 인버터부로 전달되는 단계;
    상기 바이어스 전압에 대응되는 크기의 출력레벨이 생성되는 단계 및
    상기 생성된 출력레벨이 상기 공진 주파수에 대응되도록 수신측으로 전송되는 단계를 포함하고,
    상기 바이어스 전압이 생성되는 단계에서는
    상기 데이터 신호에 따라 서로 다른 전압레벨을 갖는 바이어스 전압이 생성되며,
    상기 출력레벨이 생성되는 단계에서는
    상기 바이어스 전압의 크기에 따라 서로 다른 크기의 출력레벨이 생성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치의 데이터 전송방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 바이어스 전압이 생성되는 단계에서는
    상기 데이터 신호에 따라 제1 바이어스 전압 또는 상기 제1 바이어스 전압의 크기와 다른 제2 바이어스 전압이 생성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치의 데이터 전송방법.
  13. 제11항에 있어서,
    '0'(Low) 데이터 신호에 대해서는 제1 및 제2 전압원 중 어느 하나의 전압 레벨에 대응하는 제1 바이어스 전압이 생성되고, '1'(High)데이터 신호에 대해서는 상기 제1 및 제2 전압원의 전압 레벨을 모두 합한 전압 레벨에 대응하는 제2 바이어스 전압이 생성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 송신장치의 데이터 전송방법.
  14. 데이터와 전력을 동시에 전송하는 송전부; 및
    상기 송전부에서 출력되는 전력을 공급받는 수전부를 포함하고,
    상기 송전부는
    공진 주파수에 대응되는 동작신호를 출력하는 게이트 드라이버(Gate Driver),
    상기 동작신호에 기초하여 온-오프되되고, 드레인 단자에 입력되는 바이어스 전압에 따라 출력레벨이 달라지는 E급 증폭기,
    데이터 신호에 따라 상기 E급 증폭기의 드레인 단자에 서로 다른 바이어스 전압을 공급하는 바이어스(bias) 스위칭부 및
    상기 공진 주파수에 대응되는 주파수 정보를 상기 게이트 드라이버로 전달하고, 상기 데이터 신호를 상기 바이어스 스위칭부에 전달하는 제어부를 포함하고,
    상기 수전부는
    상기 송전부의 E급 증폭기로부터 출력되는 전력을 수신하고, 수신된 전력을 정류하는 정류부,
    상기 정류부에서 출력된 전력을 공급받는 부하부 및
    상기 E급 증폭기로부터 출력되는 전력의 크기에 기초하여 데이터를 추출하는 데이터 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수전부의 데이터 수신부는
    상호 병렬로 연결된 저항 및 캐패시터 및 상기 병렬로 연결된 저항 및 캐패시터와 직렬로 연결되는 다이오드를 포함하는 저역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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