KR101681055B1 - 복수의 공진기를 구비하는 공진 전력 수신 장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 공진기를 구비하는 공진 전력 수신 장치가 개시된다. 본 발명의 일측에 따른 공진 전력 수신 장치는, 공진 전력을 수신하는 제1 공진기 및 제2 공진기와, 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상 및 상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상과 동위상이 되도록 쉬프트하는 위상 쉬프터 및 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호를 결합하는 결합기를 포함한다.
공진기, 무선 전력 전송, 공진 전력 수신

Description

복수의 공진기를 구비하는 공진 전력 수신 장치{RESONANCE POWER RECEIVER}
기술분야는 무선 전력 전송 시스템, 예를 들어 공진 전력 전송 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로,
IT 기술 발전과 함께 다양한 휴대용 전자제품이 출시되었고, 이들의 보급도 늘고 있다. 휴대용 전자제품의 특성 상, 해당 휴대용 전자제품의 배터리 성능이 중요한 문제로 대두되고 있다. 휴대용 전자제품뿐 아니라 생활가전제품에서 데이터를 무선으로 전송하는 기능이 제공되고 있으나, 전력(power)은 전력선(power line)을 통하여 제공 받는다.
최근 들어 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선 전력 전송 기술 (wireless power transmission)이 연구되고 있다. 예를 들어 공진 전력 발생 장치는 전원 공진기를 통해 무선으로 전력을 전송하고, 공진 전력 수신 장치는 수신 공진기 또는 대상 공진기를 통해 무선으로 전력을 수신한다.
본 명세서에서는 필요 전력을 효율적으로 높일 수 있는 공진 전력 수신 장치를 제안한다.
본 발명의 일측에 따른 공진 전력 수신 장치는, 공진 전력을 수신하는 제1 공진기 및 제2 공진기와, 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상 및 상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출하는 위상 검출부와, 상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상과 동위상이 되도록 쉬프트하는 위상 쉬프터 및 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호를 결합하는 결합기를 포함한다.
상기 공진 전력 수신 장치는, 상기 결합기 출력 신호를 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류기를 더 포함할 수 있다.
상기 공진 전력 수신 장치는, 상기 정류기의 출력 전압을 부하로 제공하기 위한 직류/직류 변환기를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 공진 전력 수신 장치는, 상기 결합기에 의하여 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호가 동위상 결합된 경우, 상기 정류기의 출력 전압을 부하로 연결하는 스위치부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일측에 따른 공진 전력 수신 장치는, 공진 전력을 수신하는 복수의 공진기들을 포함하는 수신 공진부와, 상기 복수의 공진기 각각의 출력 신호를 정류하는 복수의 정류기들을 포함하는 정류부와, 상기 복수의 정류기들 각각의 출력 전압을 저장하는 충전부 및 전력 소모 모드에 따라 상기 충전부에 저장된 전압을 선택적으로 스위칭하는 스위치부를 포함한다.
상기 충전부는, 상기 복수의 정류기들 각각에 연결되는 복수의 입력 단자를 통해 상기 복수의 정류기들 각각의 출력 전압을 수신하고, 하나의 출력 단자를 통해 상기 스위치부와 연결될 수 있다.
상기 충전부는, 상기 복수의 정류기들 각각에 연결되는 복수의 충전기를 포함하고, 상기 스위치부는 전력 소모 모드에 따라 상기 복수의 충전기들 각각을 선택적으로 스위칭할 수 있다.
상기 전력 소모 모드는 동작(operating) 모드이고, 상기 스위치부는 전력이 필요한 모든 부하로 상기 충전부에 저장된 전압이 제공되도록 스위칭할 수 있다.
상기 전력 소모 모드는 슬립(sleep) 모드 또는 세이브(save) 모드이고, 상기 스위치부는 공진 전력 수신 장치의 대기 동작을 수행하기 위한 특정 부하로만 상기 충전부에 저장된 전압이 제공되도록 스위칭할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일측에 따른 공진 전력 수신 장치는, 상기 복수의 공진기 중 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출하는 제1 위상 검출부;
상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상과 동위상이 되도록 쉬프트하는 제1 위상 쉬프터; 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 제1 위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호를 결합하는 제1 결합기; 상기 복수의 공진기 중 제3 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제4 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출하는 제2 위상 검출부; 상기 제4 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 상기 제3 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상과 동위상이 되도록 쉬프트하는 제2 위상 쉬프터; 및 상기 제3 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 제2위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호를 결합하는 제2 결합기를 더 포함할 수 있다.
공진 전력 수신 장치에서, 필요한 전력을 효율적으로 높일 수 있다.
또한, 부하의 전력 소모 모드에 따라 필요한 전력을 효율적으로 분배할 수 있다.
또한, 수신 전력의 동위상 결합(combine)을 통하여 필요한 전력을 효율적으로 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 관련기술에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1은 공명 특성을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 데스티네이션(120)을 포함한다. 여기서, 소스(110)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공명기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공명기를 이용하여 데스티네이션(120)으로 전력을 공급한다고 가정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치는, 적어도 두 개의 공진기들(201, 203), 위상 검출부(210), 제어부(220), 위상 쉬프터(230), 결합기(combiner)(240)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치는 정류기(250), DC/DC 컨버터(270) 및 스위치부(270)를 더 포함할 수 있다.
두 개의 공진기들(201, 203)은 균형-공진기(balanced-resonator)로 구성될 수 있다. 두 개의 공진기들(201, 203)은 소스(110)로부터 공진 전력을 수신한다. 한편, 두 개의 공진기들(201, 203)은 N개의 균형-공진기로 대체될 수 있다.
위상 검출부(210)는 두 개의 공진기들(201, 203)를 통해 수신된 신호, 즉 공진 전력의 위상을 검출한다. 이때, 공진 전력의 위상은 수신 전압 또는 수신 전류의 위상 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제어부(220)는 공진 전력 수신기의 전체적인 동작을 제어한다. 또한, 제어부(220)는 제1 공진기(201)를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제2 공진기(203)를 통해 수신되는 신호의 위상을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 위상 쉬프터(230)를 제어할 수 있다.
위상 쉬프터(230)는 제어부(220)의 제어에 따라, 제1 공진기(201)를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제2 공진기(203)를 통해 수신되는 신호의 위상이 동위상 이 되도록, 제1 공진기(201)를 통해 수신되는 신호의 위상을 쉬프트한다.
결합기(combiner)(240)는 위상 쉬프터(230)에 의하여 위상 쉬프트된 신호와 제2 공진기(203)를 통해 수신되는 신호를 결합한다. 즉, 결합기(combiner)(240)는 두 개의 균형-공진기를 이용하여 두 개의 경로를 통해 수신된 신호를 동위상으로 결합한다. 예를 들어, 동위상 결합 전의 출력 전압이 aV인 경우, 동위상 결합 후의 출력 전압은 2aV가 된다. 따라서, 두 개의 공진기들(201, 203)을 통해 수신된 전력은 동위상 결합되고, 참조번호 241에 도시된 바와 같이, 동위상 전력 결합은 전압이 3dB 증가하게 되어, 전력측면에서는 두배의 전력 증가효과가 있다.
정류기(250)는 결합기(240) 출력 신호를 정류하여 직류 전압을 생성한다. 이때, 정류기(250)는 적어도 하나의 다이오드, 저항, 콘텐서, 코일을 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 정류기(250)는 평활 회로를 포함하여 구성될 수 있으며, 평활 회로를 이용하여 고주파 신호를 직류 신호로 변환할 수 있다.
DC/DC 컨버터(270)는 정류기(250)에서 출력되는 직류 전압을 부하(280)로 제공하기 위하여, 직류/직류 변환한다.
스위치부(270)는 DC/DC 컨버터(270)의 출력 전압을 부하로 스위칭한다. 이때, 스위치부(270)는 결합기(240)에 의하여 제1 공진기(201)를 통해 수신되는 신호와 위상 쉬프터(230)에 의해 위상 쉬프트된 신호가 동위상 결합된 경우, 정류기(250)의 출력 전압을 부하(280)로 연결할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치는, 수신공진부(310), 정류부(320), 충전부(330) 및 스위치부(340)을 포함한다. 또한, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치는, 통신모듈 등의 부하(360) 및 메인 프로세서의 기능을 수행하는 제어부(350)를 더 포함할 수 있다.
수신공진부(310)는 복수의 공진기들을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 공진기들은 균형-공진기(balanced-resonator)로 구성될 수 있다.
정류부(320)는 복수의 공진기들 각각의 출력 신호를 정류하는 복수의 정류기들(321, 321n)을 포함한다.
충전부(330)는 복수의 정류기들(321, 321n) 각각의 출력 전압을 저장한다. 이때, 충전부(330)는 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 구성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 충전부(330)는 Multi Charging Battery를 포함하고, 복수의 정류기들(321, 321n) 각각에 연결되는 복수의 입력 단자(Input1,,,Inputn)를 통해 상기 복수의 정류기들(321, 321n) 각각의 출력 전압을 수신하고, 하나의 출력 단자(Output)를 통해 스위치부(340)와 연결될 수 있다. 도 5를 참조하면, 충전부(330)는 복수의 정류기들(321, 321n) 각각에 연결되는 복수의 충전기들(331, 331n)을 포함할 수 있다. 충전부(330)가 도 5와 같이 구성되는 경우, 스위치부(340)는 전력 소모 모드에 따라 복수의 충전기들(331, 331n) 각각을 선택적으로 스위칭할 수 있다.
스위치부(340)는 공진 전력 수신 장치의 전력 소모 모드에 따라 충전 부(330)에 저장된 전압을 선택적으로 스위칭한다.
예를 들어, 공진 전력 수신 장치의 전력 소모 모드는 동작(operating) 모드이고, 스위치부(340)는 전력이 필요한 모든 부하들(360, 350)로 상기 충전부에 저장된 전압이 제공되도록 스위칭(341)할 수 있다. 이때, 동작(operating) 모드는 공진 전력 수신 장치가 전력을 소모하는 정상 동작 상태일 수 있다.
또한, 공진 전력 수신 장치의 전력 소모 모드는 슬립(sleep) 모드 또는 세이브(save) 모드이고, 스위치부(340)는 공진 전력 수신 장치의 대기 동작을 수행하기 위한 특정 부하(예를 들어, 제어부(350))로만 충전부(330)에 저장된 전압이 제공되도록 스위칭(343)할 수 있다. 이때, 슬립(sleep) 모드는 공진 전력 수신 장치가 통신 대기 등 제한적인 동작만을 수행하는 상태일 수 있다. 세이브(save) 모드는 전력을 소모하는 부하가 없거나 전력이 남는 경우 충전부(330)에 전압을 충전하는 상태를 의미한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 6에 도시된 공진 전력 수신 장치는, 도 2에 도시된 공진 전력 수신 장치와 도 3에 도시된 공진 전력 수신 장치의 결합된 형태를 갖는다. 즉, 도 6을 참조하면, 공진 전력 수신 장치는, 제1 위상 검출부(미 도시 함), 제1 위상 쉬프터(610), 제1 결합기(630), 제1 정류기(650), 제2 위상 검출부(미 도시 함), 제2 위상 쉬프터(620), 제2 결합기(640), 제2 정류기(660) 및 스위치부(670)를 포함한 다.
제1 위상 검출부 및 제2 위상 검출부는 도 2의 위상검출부(210)와 동일한 기능을 수행할 수 있다. 즉, 제1 위상 검출부는 복수의 공진기들 중 제1 공진기(601)를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제2 공진기(603)를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출한다. 제2 위상 검출부는 복수의 공진기들 중 제3 공진기(605)를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제4 공진기(607)를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출한다.
제1 위상 쉬프터(610)는 제어부(미 도시 함)의 제어에 따라 제1 공진기(601)를 통해 수신되는 신호의 위상을 쉬프트 한다. 즉, 제1 위상 쉬프터(610)는 제1 공진기(601)를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제2 공진기(603)를 통해 수신되는 신호의 위상이 동위상이 되도록 한다.
제1 결합기(630)는 제1 위상 쉬프터(610)의 출력 신호와 제2 공진기(603)를 통해 수신되는 신호를 결합한다. 따라서, 제1 공진기(601)를 통해 수신되는 신호와 제2 공진기(603)를 통해 수신되는 신호는 제1 결합기(630)에 의하여 동위상 결합된다.
제1정류기는(650)는 제1 결합기(630)의 출력 신호를 정류하여 직류 전압을 생성한다.
제2 위상 쉬프터(620), 제2 결합기(640) 및 제2 정류기(660)는 복수의 공진기들 중 제3 공진기(605)를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제4 공진기(607)를 통해 수신되는 신호에 대하여, 각각 제1 위상 쉬프터(610), 제1 결합기(630) 및 제1 정 류기(650)와 동일한 기능을 수행한다.
스위치부(670)는 도 3의 스위치부(340)와 동일한 기능을 수행한다.
한편, 도 6에 명시적으로 도시하지는 않았지만, 도 6에 도시된 공진 전력 수신 장치는 도 3에 도시된 충전부(330)를 더 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 관련기술에 따른 무선 전력 전송을 위한 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 4 및 도 5는 도 3의 충전부의 구성 예를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 공진 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 공진 전력을 수신하는 제1 공진기 및 제2 공진기;
    상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상 및 상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출하는 위상 검출부;
    상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상과 동위상이 되도록 쉬프트하는 위상 쉬프터;
    상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호를 결합하는 결합기; 및
    상기 결합기의 출력 신호를 선택적으로 부하에 출력할지를 제어하는 스위치부를 포함하는, 공진 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합기 출력 신호를 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류기를 더 포함하는, 공진 전력 수신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 정류기의 출력 전압을 부하로 제공하기 위한 직류/직류 변환기를 더 포함하는, 공진 전력 수신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 결합기에 의하여 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호가 동위상 결합된 경우, 상기 정류기의 출력 전압을 부하로 연결하는, 공진 전력 수신 장치.
  5. 공진 전력을 수신하는 복수의 공진기들을 포함하는 수신 공진부;
    상기 복수의 공진기들 각각의 출력 신호를 정류하는 복수의 정류기들을 포함하는 정류부;
    상기 복수의 정류기들 각각의 출력 전압을 저장하는 충전부; 및
    전력 소모 모드에 따라 상기 충전부에 저장된 전압을 선택적으로 부하로 출력하는 스위치부를 포함하는, 공진 전력 수신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 충전부는,
    상기 복수의 정류기들 각각에 연결되는 복수의 입력 단자를 통해 상기 복수의 정류기들 각각의 출력 전압을 수신하고, 하나의 출력 단자를 통해 상기 스위치부와 연결되는, 공진 전력 수신 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 충전부는,
    상기 복수의 정류기들 각각에 연결되는 복수의 충전기를 포함하고,
    상기 스위치부는 전력 소모 모드에 따라 상기 복수의 충전기들 각각을 선택 적으로 스위칭하는, 공진 전력 수신 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전력 소모 모드는 동작(operating) 모드이고,
    상기 스위치부는 전력이 필요한 모든 부하로 상기 충전부에 저장된 전압이 제공되도록 스위칭하는, 공진 전력 수신 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 전력 소모 모드는 슬립(sleep) 모드 또는 세이브(save) 모드이고,
    상기 스위치부는 공진 전력 수신 장치의 대기 동작을 수행하기 위한 특정 부하로만 상기 충전부에 저장된 전압이 제공되도록 스위칭하는, 공진 전력 수신 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 공진기들 중 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출하는 제1 위상 검출부;
    상기 제2 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상과 동위상이 되도록 쉬프트하는 제1 위상 쉬프터;
    상기 제1 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 제1 위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호를 결합하는 제1 결합기;
    상기 복수의 공진기들 중 제3 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상 및 제4 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 검출하는 제2 위상 검출부;
    상기 제4 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상을 상기 제3 공진기를 통해 수신되는 신호의 위상과 동위상이 되도록 쉬프트하는 제2 위상 쉬프터; 및
    상기 제3 공진기를 통해 수신되는 신호와 상기 제2위상 쉬프터에 의해 위상 쉬프트된 신호를 결합하는 제2 결합기를 더 포함하는, 공진 전력 수신 장치.
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