KR101883742B1 - 무선 전력 송신기 및 그 제어 방법 - Google Patents

무선 전력 송신기 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신기가 개시된다. 본 발명에 의한 무선 전력 송신기는 기설정된 효율로 기설정된 출력 값의 출력 전력을 증폭하여 출력하는 전력 증폭부, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는 전력 송신부 및 상기 전력 증폭부 및 상기 전력 송신부 사이에 배치되어, 상기 전력 증폭부의 상기 출력 값의 변경 방향을 상기 전력 송신부에서의 임피던스 값의 변경 방향과 일치하도록 임피던스 매칭을 수행하는 매칭부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신기 및 그 제어 방법 { WIRELESS POWER TRANSMITTER AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF }
본 발명은 무선 전력 송신기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 전력 송신기의 매칭 회로 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
휴대전화 또는 PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 이동 단말기는 그 특성상 재충전이 가능한 배터리로 구동되며, 이러한 배터리를 충전하기 위해서는 별도의 충전 장치를 이용하여 이동단말기의 배터리에 전기 에너지를 공급한다. 통상적으로 충전장치와 배터리에는 외부에 각각 별도의 접촉 단자가 구성되어 있어서 이를 서로 접촉시킴으로 인하여 충전장치와 배터리를 전기적으로 연결한다.
하지만, 이와 같은 접촉식 충전방식은 접촉 단자가 외부에 돌출되어 있으므로, 이물질에 의한 오염이 쉽고 이러한 이유로 배터리 충전이 올바르게 수행되지 않는 문제점이 발생한다. 또한 접촉 단자가 습기에 노출되는 경우에도 충전이 올바르게 수행되지 않는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다.
이러한 무선충전 기술은 무선 전력 송수신을 이용한 것으로서, 예를 들어 휴대폰을 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고, 단지 충전 패드에 올려놓기만하면 자동으로 배터리가 충전이 될 수 있는 시스템이다. 일반적으로 무선 전동 칫솔이나 무선 전기 면도기 등으로 일반인들에게 알려져 있다. 이러한 무선충전 기술은 전자제품을 무선으로 충전함으로써 방수 기능을 높일 수 있고, 유선 충전기가 필요하지 않으므로 전자 기기 휴대성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 다가오는 전기차 시대에도 관련 기술이 크게 발전할 것으로 전망된다.
이러한 무선 충전 기술에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation) 방식이 있다.
현재까지는 전자기 유도를 이용한 방식이 주류를 이루고 있으나, 최근 국내외에서 마이크로파를 이용하여 수십 미터 거리에서 무선으로 전력을 전송하는 실험에 성공하고 있어, 가까운 미래에는 언제 어디서나 전선 없이 모든 전자제품을 무선으로 충전하는 세상이 열릴 것으로 보인다.
전자기 유도에 의한 전력 전송 방법은 1차 코일과 2차 코일 간의 전력을 전송하는 방식이다. 코일에 자석을 움직이면 유도 전류가 발생하는데, 이를 이용하여 송신단에서 자기장을 발생시키고 수신단에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 낸다. 이러한 현상을 자기 유도 현상이라고 일컬으며 이를 이용한 전력 전송 방법은 에너지 전송 효율이 뛰어나다.
공진 방식은, 2005년 MIT의 Soljacic 교수가 Coupled Mode Theory로 공진 방식 전력 전송 원리를 사용하여 충전장치와 몇 미터(m)나 떨어져 있어도 전기가 무선으로 전달되는 시스템을 발표했다. MIT팀의 무선 충전시스템은 공명(resonance)이란 소리굽쇠를 울리면 옆에 있는 와인잔도 그와 같은 진동수로 울리는 물리학 개념을 이용한 것이다. 연구팀은 소리를 공명시키는 대신, 전기 에너지를 담은 전자기파를 공명시켰다. 공명된 전기 에너지는 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 경우에만 직접 전달되고 사용되지 않는 부분은 공기 중으로 퍼지는 대신 전자장으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 기계나 신체에는 영향을 미치지 않을 것으로 보고 있다.
종래의 무선 전력 송신기는 전력 증폭 수단 및 전력 송신 수단을 포함한다. 아울러, 종래의 무선 전력 송신기는 전력 증폭 수단 및 전력 송신 수단 사이의 매칭회로를 더 포함한다. 다만, 종래의 무선 전력 송신기의 매칭회로는 단순히 무선 전력 송신기가 요구하는 임피던스만으로 매칭하며, 이에 따라 무선 전력 수신기의 로드 특성의 변경 또는 충전을 요구하는 무선 전력 수신기의 개수의 변경 등에 의한 임피던스 매칭을 수행할 수 없는 문제점이 존재한다.
특히 무선 전력 증폭 수단 및 무선 전력 송신 수단의 출력 또는 효율 특성이 상충하는 경우에는 상술한 문제점이 더욱 심화될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신 수단의 특성 및 무선 전력 증폭 수단의 특성을 일치시킬 수 있는 매칭 회로의 개발이 요청된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하는 동시에 상술한 개발 요청에 응답하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전력 증폭 수단의 전력 증가 방향 및 전력 송신 수단의 임피던스 변화 방향이 일치하게 할 수 있는 무선 전력 송신기의 매칭회로 및 그 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상술한 바를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신기는, 기설정된 효율로 기설정된 출력 값의 출력 전력을 증폭하여 출력하는 전력 증폭부, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는 전력 송신부 및 상기 전력 증폭부 및 상기 전력 송신부 사이에 배치되어, 상기 전력 증폭부의 상기 출력 값의 변경 방향을 상기 전력 송신부에서의 임피던스 값의 변경 방향과 일치하도록 임피던스 매칭을 수행하는 매칭부를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는, 전력 증폭부 및 전력 송신부를 포함하는 무선 전력 송신기의 제어 방법은, 기설정된 효율로 기설정된 출력 값의 출력 전력을 증폭하여 출력하는 단계, 상기 전력 증폭부의 상기 출력 값의 변경 방향을 상기 전력 송신부에서의 임피던스 값의 변경 방향과 일치하도록 임피던스 매칭을 수행하는 단계 및 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 의하여 전력 증폭 수단의 전력 증가 방향 및 전력 송신 수단의 임피던스 변화 방향이 일치하게 할 수 있는 무선 전력 송신기의 매칭회로 및 그 제어 방법이 제공될 수 있다. 이에 따라 무선 전력 수신기의 로드 또는 개수의 변경에 유연하게 임피던스 매칭이 수행될 수 있어, 무선 전력 수신기에 적절한 출력을 제공해 주어 무선 전력 충전 효율이 개선되는 효과가 창출될 수 있다. 특히 전력 송신 수단 및 전력 증폭 수단의 효율 또는 출력 특성이 무선 전력 수신기가 요구하는 출력 특성과 동일하도록 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송/수신 시스템의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 매칭부의 회로도이다.
도 2b는 도 2a에 의한 매칭부의 채용에 따른 스미스 차트이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 매칭부의 회로도이다.
도 3b는 도 3a에 의한 매칭부의 채용에 따른 스미스 차트이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 매칭부의 회로도이다.
도 4b는 도 4a에 의한 매칭부의 채용에 따른 스미스 차트이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 매칭부의 회로도이다.
도 5b는 도 5a에 의한 매칭부의 채용에 따른 스미스 차트이다.
도 6 및 7은 각각 전력 증폭부 및 전력 송신부의 스미스차트이다.
도 8a 및 8b는, 도 2a에 의한 매칭 회로에 따른 임피던스 특성을 설명하기 위한 스미스 차트이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 매칭부를 채용한 경우의 스미스 차트이다.
도 10 및 도 11은 임피던스 매칭을 이용한 경우에 있어, 매칭 이후 임피던스가 상술한 소정의 저출력 영역을 벗어난 것을 설명하기 위한 스미스 차트이다.
도 12 및 도 13은 임피던스 매칭을 이용한 경우에 있어, 매칭 이후 임피던스가 상술한 소정의 저출력 영역에 포함됨을 설명하기 위한 스미스 차트이다.
도 14a 내지 14c는 복수 개의 무선 전력 수신기가 존재하는 경우의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 스미스 차트들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 의한 매칭 회로의 제어 방법에 관한 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송/수신 시스템의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 무선 전력 송/수신 시스템은 무선 전력 송신기(100) 및 적어도 하나의 무선 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)를 포함할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기(100)는 전력 증폭부(110), 매칭부(120) 및 전력 송신부(130)를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)에 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
전력 증폭부(110)는 전력 제공부(미도시)로부터 입력되는 전력의 전압 또는 전류를 소정의 배율로 증폭할 수 있다. 전력 증폭부(110)는 공지된 증폭 수단, 예를 들어 증폭기로 구현될 수 있으며, 무선 전력 송신에 요구되는 특정 전압 또는 전류를 가지도록 입력 전력을 증폭할 수 있다. 전력 증폭부(110)가 증폭한 전력은 표준에 따른 전압 또는 전류를 가지는 전력 또는 무선 전력 충전의 효율을 극대화할 수 있는 전압 또는 전류를 가지는 전력일 수 있다.
전력 송신부(130)는 전력 증폭부(110)로부터 제공되는 전력을 무선으로 무선 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)로 송신할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기(100)는 공진 방식에 기초하여 무선 전력을 송신할 수 있으며, 이에 따라 소정의 인덕턴스를 가지는 루프 코일로 구현될 수 있다.
전력 송신부(130)는 무선 전력 수신기의 루프 코일에 의하여 전자기장이 공진하는 경우, 무선 전력을 송신할 수 있다. 전력 송신부(110)가 루프 코일로 구현되는 경우, 루프 코일의 인덕턴스(L)는 변경가능하며, 이에 따라 다양한 주파수의 전자기파, 즉 무선 전력을 송신하는 구성이 가능하다. 또한 루프 코일은 복수 개일 수 있으며, 전자기파에 공진하여 무선 전력을 송신할 수 있는 수단이라면 제한이 없는 것은 당업자는 용이하게 이해할 것이다.
한편, 매칭부(120)는 전력 증폭부(110) 및 전력 송신부(130)의 사이에 배치될 수 있으며, 전력 증폭부(110) 및 전력 증폭부(110) 이외의 구성 요소들 사이의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 여기에서 전력 증폭부(110) 이외의 구성 요소들이라 함은, 전력 송신기(100) 단독으로 존재하는 경우에는 전력 송신부(130)일 수 있다. 아울러, 전력 송신기(100) 이외의 적어도 하나의 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)가 존재하는 경우에는 전력 송신부(130) 및 상기의 적어도 하나의 전력 수신기(150-1,150-2,150-n) 및 그 연결 상태까지 포함할 수도 있다.
매칭부(120)는 티(T) 매칭 또는 파이(Π) 매칭으로 구현될 수 있다. 종래의 매칭 구조인 인덕터 및 캐패시터를 하나씩만 채용한 것과는 상이하게 본 발명에 의한 매칭부(120)는 티 매칭 또는 파이 매칭을 채용할 수 있다.
매칭부(120)는 무선 전력 송신기(100)가 무선 전력 수신기 없이 단독으로 존재하는 경우에, 무선 전력 송신기(100)의 임피던스 값을 고효율 및 저출력 영역으로 조정할 수 있다.
아울러, 매칭부(120)는 적어도 하나의 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)의 저항이 변경되는 경우의 전력 증폭부(110) 및 전력 송신부(130)의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 더욱 상세하게는, 매칭부(120)는 적어도 하나의 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)의 저항이 변경되어 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스와 전력 증폭부(110)에서 바라본 임피던스가 동일한 특성을 가지도록 매칭할 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)의 저항이 증가하는 경우에는, 전력 증폭부(110)로부터의 전력 출력량이 감소할 필요가 있다. 다만, 전력 증폭부(110)로부터의 전력 출력량이 감소하는 방향과 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스 변경 방향이 일치하지 않을 수 있으며, 매칭부(120)는 상술한 불일치를 임피던스 매칭으로 일치시킬 수 있다.
또 다른 예로, 적어도 하나의 전력 수신기(150-1,150-2,150-n)의 저항이 감소하는 경우에는, 전력 증폭부(110)로부터의 전력 출력량이 증가할 필요가 있다. 다만, 전력 증폭부(110)로부터의 전력 출력량이 증가하는 방향과 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스 변경 방향이 일치하지 않을 수 있으며, 매칭부(120)는 상술한 불일치를 임피던스 매칭으로 일치시킬 수 있다.
무선 전력 수신기는 충전이 진행되어 완충 상태에 근접할수록 수신 전력이 감소된다. 이에 따라, 무선 전력 수신기의 저항이 증가하는 것으로 해석될 수 있으며, 매칭부(120)는 전력 증폭부(110)로부터의 전력 출력량이 증가하는 방향으로 전력 증폭부(110) 및 전력 송신부(130) 사이를 매칭할 수 있다.
한편, 매칭부(120)는 무선 전력 수신기의 갯수가 증가하는 경우에는 전력 증폭부(110)로부터의 출력 전력이 증가할 필요가 있다. 다만, 전력 증폭부(110)로부터의 전력 출력량이 증가하는 방향과 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스 변경 방향이 일치하지 않을 수 있으며, 매칭부(120)는 상술한 불일치를 임피던스 매칭으로 일치시킬 수 있다.
한편, 매칭부(120)는 무선 전력 수신기의 갯수가 감소하는 경우에는 전력 증폭부(110)로부터의 출력 전력이 감소할 필요가 있다. 다만, 전력 증폭부(110)로부터의 전력 출력량이 감소하는 방향과 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스 변경 방향이 일치하지 않을 수 있으며, 매칭부(120)는 상술한 불일치를 임피던스 매칭으로 일치시킬 수 있다.
상술한 바에 의하여, 매칭부(120)는 무선 전력 수신기가 존재하지 않는 경우, 무선 전력 수신기의 저항이 변경되는 경우, 무선 전력 수신기의 개수가 변경되는 경우에 대응하여 임피던스 매칭을 수행하여 무선 전력 충전 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 매칭부의 회로도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 매칭부의 노드(201)는 전력 증폭부 및 캐패시터(202)의 일단에 연결될 수 있다. 캐패시터(202)의 타단을 노드(203)에 연결될 수 있다. 노드(203)에는 인덕터(204)의 일단 및 캐패시터(206)의 일단이 연결될 수 있다. 캐패시터(206)의 타단은 전력 송신부로 연결될 수 있다. 인덕터(204)의 타단은 접지될 수 있다. 한편, 노드(201)의 우측 방향을 바라본 임피던스를 Z2라 명명할 수 있으며, 노드(207)의 우측 방향을 바라본 임피던스를 Z1이라 명명할 수 있다.
도 2b는 도2a에 의한 매칭부의 채용에 따른 스미스 차트이다. 도 6과 관련하여 더욱 상세하게 후술할 것으로, 특정한 임피던스 값이 스미스 차트의 좌측으로 수렴할수록 무선 전력 송신기는 고효율 특성을 포함한다. 아울러, 특정한 임피던스 값이 스미스 차트의 우측으로 수렴할수록 무선 전력 송신기는 고출력 특성을 포함한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 도 2a의 매칭부에 의하여 임피던스 값이 다양한 방향(210,220,230)으로 변경됨이 확인될 수 있다. 특히, 전력 증폭부에서의 임피던스 Z2는 캐패시터(202)를 거치면서 임피던스 반전(220)이 되며, 인덕터(204)를 거치면서 임피던스 반전(230)이 되며, 아울러 캐패시터(206)를 거치면서 임피던스 반전(210)되어 전력 송신부에서의 임피던스 Z1와 매칭될 수 있다.
아울러, 충전을 요구하는 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우에 있어서, 무선 전력 송신기의 임피던스 값을 실수 저항 기준 증가하게 하여 무선 전력 송신기가 고효율 특성이 아닌 고출력 특성을 가질 수 있는 방향으로 매칭할 수 있다.
도 3a, 4a 및 5b는 본 발명의 다양한 실시 예들에 의한 매칭부의 회로도이다. 아울러, 도 3b, 4b 및 5b는 각각 도 3a, 4a 및 5b의 회로도에 대응하는 스미스 차트이다. 이하에서는, 다양한 실시 예들에 의한 매칭부의 회로도의 구성 및 스미스 차트에 대하여 설명하도록 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 매칭부의 노드(301)는 전력 증폭부 및 인덕터(302)의 일단에 연결될 수 있다. 인덕터(302)의 타단은 노드(303)에 연결될 수 있다. 노드(303)는 캐패시터(304) 및 인덕터(306) 각각의 일단에 연결될 수 있다. 캐패시터(304)의 타단은 접지(305)될 수 있다. 인덕터(306)의 타단은 전력 송신부(307)에 연결될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 도 3a의 매칭부에 의하여 임피던스 값이 다양한 방향(310,320,330)으로 변경됨이 확인될 수 있다. 특히, 전력 증폭부에서의 임피던스 Z2는 인덕터(302)를 거치면서 임피던스 반전(310)이 되며, 캐패시터(304)를 거치면서 임피던스 반전(330)이 되며, 아울러 인덕터(306)를 거치면서 임피던스 반전(320)되어 전력 송신부에서의 임피던스 Z1와 매칭될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 매칭부의 노드(401)는 전력 증폭부에 연결될 수 있으며, 또 다른 노드(402)에 연결될 수 있다. 노드(402)는 캐패시터(403) 및 인덕터(405) 각각의 일단에 연결될 수 있다. 캐패시터(403)의 타단은 접지(404)될 수 있다. 인덕터(405)의 타단은 노드(406)에 연결될 수 있다. 노드(406)는 또한 캐패시터(407)의 일단 및 전력 송신부에 연결될 수 있다. 캐패시터(407)의 타단은 접지(408)될 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 도 4a의 매칭부에 의하여 임피던스 값이 다양한 방향(410,420,430)으로 변경됨이 확인될 수 있다. 특히, 전력 증폭부에서의 임피던스 Z2는 커패시터(402)를 거치면서 임피던스 반전(420)이 되며, 인덕터(405)를 거치면서 임피던스 반전(430)이 되며, 아울러 캐패시터(407)를 거치면서 임피던스 반전(410)되어 전력 송신부에서의 임피던스 Z1와 매칭될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 매칭부의 노드(501)는 전력 증폭부에 연결될 수 있으며, 또 다른 노드(502)에 연결될 수 있다. 노드(502)는 인덕터(503) 및 캐패시터(505) 각각의 일단에 연결될 수 있다. 인덕터(503)의 타단은 접지(504)될 수 있다. 캐패시터(505)의 타단은 노드(506)에 연결될 수 있다. 노드(506)는 또한 인덕터(507)의 일단 및 전력 송신부(509)에 연결될 수 있다. 인덕터(507)의 타단은 접지(508)될 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 도 5a의 매칭부에 의하여 임피던스 값이 다양한 방향(510,520,530)으로 변경됨이 확인될 수 있다. 특히, 전력 증폭부에서의 임피던스 Z2는 인덕터(502)를 거치면서 임피던스 반전(510)이 되며, 캐패시터(505)를 거치면서 임피던스 반전(530)이 되며, 아울러 인덕터(507)를 거치면서 임피던스 반전(520)되어 전력 송신부에서의 임피던스 Z1와 매칭될 수 있다.
상술한 도 2a 내지 5a의 다양한 매칭부의 실시 예들에 의하여 무선 전력 수신기의 저항 및 개수 변경에 대하여 적절하게 무선 전력 송신기의 임피던스를 변경할 수 있다. 특히, 무선 전력 송신기의 임피던스를 변경함에 따라서, 무선 전력 송신기가 고효율 특성 또는 고출력 특성을 포함하도록 제어될 수 있다.
한편, 전력 증폭부 및 전력 송신부의 효율 또는 출력 특성이 서로 상충되는 경우가 발생하기도 한다. 도 6 및 7은 각각 전력 증폭부 및 전력 송신부의 스미스차트이다.
도 6은 본 발명의 전력 증폭부의 고효율 특성 또는 고출력 특성을 설명하기 위한 스미스 차트다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스미스 차트는 임피던스 값을 2차원 좌표로 표현하고 있다. 아울러, 스미스 차트는 동일한 특성, 예를 들면 동일한 출력 또는 동일한 효율을 가지는 점들은 연결한 원 형태의 선을 포함하고 있다. 도 6에서의 점선에 의한 원 형태는 동일한 출력의 임피던스 값을 연결한 것이며, 실선에 의한 원 형태는 동일한 효율의 임피던스 값을 연결한 것이다.
아울러, 도 6의 스미스 차트의 우측(601)으로 수렴할수록 고출력 특성을 포함하며, 스미스 차트의 좌측(602)으로 수렴할수록 고효율 특성을 포함한다. 즉, 전력 증폭부에서 바라본 특정 임피던스 값이 603 방향으로 이동한다면, 무선 전력 송신기는 고출력 특성을 포함하며, 저효율 특성을 포함하게 된다. 아울러, 전력 증폭부에서 바라본 특정 임피던스 값이 604 방향으로 이동한다면, 무선 전력 송신기는 저출력 특성을 포함하며, 고효율 특성을 포함하게 된다.
이에 따라, 예를 들어 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우에는, 무선 전력 송신기가 고출력 특성을 포함하여야하기 때문에, 스미스 차트의 우측(601)의 방향(603)으로 임피던스가 반전되어야 할 것이 요구된다. 또한, 무선 전력 수신기의 저항이 증가하는 경우에는, 무선 전력 송신기가 고효율 특성을 포함하여야하기 때문에, 스미스 차트의 좌측(602)의 방향(604)으로 임피던스가 반전되어야 할 것이 요구된다.
도 7은 전력 송신부에서 바라본 임피던스를 설명하기 위한 스미스 차트다. 도 7에 도시된 바와 같이, 스미스 차트는 임피던스 값을 2차원 좌표로 표현하고 있다. 한편, 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기가 메타구조의 공진기 및 코일 구조의 공진기를 이용하는 경우에는 도 7과 같은 스미스 차트 분포가 결정된다. 상술한 실시 예에서, 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우(704)에는 스미스 차트의 좌측(702)으로 임피던스 반전이 발생하며, 무선 전력 수신기의 저항이 증가하는 경우(703)에는 스미스 차트의 우측(701)으로 임피던스 반전이 발생한다.
즉 도 6에 의한 전력 증폭부에서 바라본 임피던스 반전 경향과 도 7에 의한 전력 송신부에서 바라본 임피던스 반전 경향이 서로 상충된다. 더욱 상세하게 설명하면, 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우, 전력 증폭부에서는 임피던스 반전이 우측 방향(603)으로 발생될 것을 요구하나, 전력 송신부에서는 임피던스 반전이 좌측 방향(704)으로 발생된다. 아울러, 무선 전력 수신기의 저항이 증가하는 경우, 전력 증폭부에서는 임피던스 반전이 좌측 방향(604)로 발생될 것을 요구하나, 전력 송신부에서는 임피던스 반전이 우측 방향(703)으로 발생된다.
상술한 특성 상충에 기인하여, 증폭기에 과전류가 인가되거나 도는 충전 효율이 감소하는 문제점이 발생한다.
매칭부(120)는 전력 증폭부(110) 및 전력 송신부(130) 사이에서 임피던스 매칭을 통하여 상술한 특성 상충을 완화시킬 수 있다. 매칭부(120)는 예를 들어 도 2a와 같이 구현될 수 있으며, 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스 Z1의 변화에 따른 전력 증폭부(110)에서 바라본 임피던스 Z2의 변화는 도 8a와 같은 형태로 표현될 수 있다. 도 8a 및 8b는, 도 2a에 의한 매칭 회로에 따른 임피던스 특성을 설명하기 위한 스미스 차트이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, Z1이 실수 저항 기준으로 증가하는 경우(801 에서 802로의 방향)에는, Z2는 실수 저항 기준으로 감소하는(803에서 804로의 방향) 것을 확인할 수 있다. 아울러 도 8b에 도시된 바와 같이, Z1이 실수 저항 기준으로 증가하는 경우(810 에서 811로의 방향)에는, Z2는 실수 저항 기준으로 감소하는(813에서 812의 방향) 것을 확인할 수 있다.
즉, 매칭부(120)는, 예를 들어 도 8a와 같이 무선 전력 수신기의 저항이 증가하는 경우에 있어서, 전력 증폭부(110)에서 바라본 임피던스가 실수 저항 기준 감소하도록 매칭할 수 있다. 이에 따라, 전력 증폭부(110)로부터의 출력 전력은 저출력 및 고효율 특성을 포함할 수 있다.
또한, 매칭부(120)는, 예를 들어 도 8b와 같이 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우에 있어서, 전력 증폭부(110)에서 바라본 임피던스가 실수 저항 기준 증가하도록 매칭할 수 있다. 이에 따라, 전력 증폭부(110)로부터의 출력 전력은 고출력 및 저효율 특성을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 매칭부(120)의 전력 증폭부(110) 및 전력 송신부(130) 사이의 매칭에 의하여, 전력 증폭부(110)에서 바라본 임피던스 특성 및 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스 특성이 상충하는 문제점이 해결될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 의한 매칭부(120)는 주변에 충전을 요구하는 무선 전력 수신기가 존재하지 않는 경우에 대하여서도 임피던스를 반전시킬 수 있다. 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 매칭부를 채용한 경우의 스미스 차트이다.
도 9의 스미스 차트에서 좌측의 소정의 영역(901)은 저출력 영역일 수 있다. 한편, 충전을 요구하는 무선 전력 수신기가 존재하지 않는 경우에는 무선 전력 송신기는 저출력 특성을 포함하여야 한다. 이에 따라 매칭부(120)는 무선 전력 수신기가 주변에 존재하지 않는 경우, 임피던스를 반전시켜 스미스 차트의 좌측 영역(901)에 임피던스가 포함될 수 있도록 매칭시킬 수 있다.
도 10 및 도 11은 임피던스 매칭을 이용한 경우에 있어, 매칭 이후 임피던스가 상술한 소정의 저출력 영역을 벗어난 것을 설명하기 위한 스미스 차트이다. 도 10은 전력 송신부(130)가 무선 전력 수신기와 커플링이 된 경우의 Z1 및 Z2의 임피던스를 도시한다. 아울러, 도 11은 무선 전력 송신기(100)가 단독으로 존재하는 경우의 Z1 및 Z2를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전력 송신부(130)가 무선 전력 수신기와 커플링이 된 경우에는 매칭 전후의 실수 저항 값의 반전이 발생한다(1001에서 1002 또는 1003에서 1004). 하지만, 도 11에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(100)가 단독으로 존재하는 경우에는, Z2가 상술한 저출력 영역에 포함되지 않음(1104)을 확인할 수 있다.
도 12 및 도 13은 임피던스 매칭을 이용한 경우에 있어, 매칭 이후 임피던스가 상술한 소정의 저출력 영역에 포함됨을 설명하기 위한 스미스 차트이다.
도 12는 전력 송신부(130)가 무선 전력 수신기와 커플링이 된 경우의 Z1 및 Z2의 임피던스를 도시한다. 아울러, 도 13은 무선 전력 송신기(100)가 단독으로 존재하는 경우의 Z1 및 Z2를 도시한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전력 송신부(130)가 무선 전력 수신기와 커플링이 된 경우에는 매칭 전후의 실수 저항 값의 반전이 발생한다(1201에서 1202 또는 1203에서 1204). 도 13에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(100)가 단독으로 존재하는 경우에는, Z2가 상술한 저출력 영역(1304)에 포함됨을 확인할 수 있다.
도 14a 내지 14c는 복수 개의 무선 전력 수신기가 존재하는 경우의 임피던스 매칭을 설명하기 위한 스미스 차트들이다.
도 14a는 본 발명의 실시 예에 따른, 무선 전력 수신기의 위치에 따른 전력 송신부(130)에서 바라본 임피던스 Z1과 매칭 이후의 임피던스 Z2의 분포를 도시한 스미스 차트이다.
도 14a에 도시된 바와 같이, 복수 개의 무선 전력 수신기가 존재하는 경우에는 각각의 무선 전력 수신기에 대응하는 임피던스 값이 스미스 차트상에 표시될 수 있다. 도 14a의 실시 예에서는 무선 전력 송신기 주변에 9개의 무선 전력 수신기가 존재하는 경우를 상정한 것이다. 도 14a의 실선 내부에 9개의 임피던스 값이 표시되어 있는 것을 확인할 수 있다. 한편, 도 14a의 점선 내부에 9개의 임피던스 값은 임피던스 매칭 이후의 전력 송신부(130)에 바라본 임피던스들이다. 실선 및 점선을 확대하여 표시하면 각각 도 14b 및 14c와 같다.
도 14b의 실선(1500)의 내부에는 9개의 점들이 존재하며, 각각의 점(예를 들어 1502)은 각각의 무선 전력 수신기에 의한 임피던스 값을 의미한다. 한편, 최외곽 임피던스 값들을 연결한 선을 지름으로 하는 실선 원(1500)의 중심(1501)에 대하여 VSWR1만큼 매칭 이전의 임피던스가 분포하게 된다.
도 14c의 점선(1510)의 내부에는 9개의 점들이 존재하며, 각각의 점(예를 들어 1512)은 임피던스 매칭 이후의 각각의 무선 전력 수신기에 대응하는 임피던스 값을 의미한다. 한편, 최외곽 임피던스 값들을 연결한 선을 지름으로 하는 점선 원(1510)의 중심(1511)에 대하여 VSWR2만큼 매칭 이후의 임피던스가 분포하게 된다.
매칭부(120)는 VSWR2의 크기가 VSWR1의 1.5배 이하가 되도록 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 의한 매칭 회로의 제어 방법에 관한 흐름도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기의 매칭 회로는 무선 전력 수신기가 존재하지 않는 경우(S1501-N), 무선 전력 송신기의 임피던스 값을 고효율 및 저출력 영역에 속하도록 임피던스 매칭을 수행할 수 있다(S1502).
아울러, 무선 전력 송신기의 매칭 회로는 무선 전력 수신기의 저항의 변경이 있는 경우(S1503-Y), 무선 전력 송신기 내의 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신기의 저항이 증가하는 경우(S1504-Y), 무선 전력 송신기 임피던스 값을 고효율 및 저출력 영역으로 임피던스 매칭을 수행할 수 있다(S1506). 특히, 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이의 출력 또는 효율 특성이 상충하는 경우에도, 무선 전력 송신기가 고효율 및 저출력 특성을 포함하도록 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이를 임피던스 매칭할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신기의 저항이 감소하는 경우(S1504-N), 무선 전력 송신기 임피던스 값을 저효율 및 고출력 영역으로 임피던스 매칭을 수행할 수 있다(S1505). 특히, 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이의 출력 또는 효율 특성이 상충하는 경우에도, 무선 전력 송신기가 고효율 및 저출력 특성을 포함하도록 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이를 임피던스 매칭할 수 있다.
아울러, 무선 전력 송신기의 매칭 회로는 무선 전력 수신기의 개수에 변경이 있는 경우(S1507-Y), 무선 전력 송신기 내의 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우(S1508-Y), 무선 전력 송신기 임피던스 값을 저효율 및 고출력 영역으로 임피던스 매칭을 수행할 수 있다(S1510). 특히, 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이의 출력 또는 효율 특성이 상충하는 경우에도, 무선 전력 송신기가 고효율 및 저출력 특성을 포함하도록 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이를 임피던스 매칭할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신기의 개수가 감소하는 경우(S1508-N), 무선 전력 송신기 임피던스 값을 고효율 및 저출력 영역으로 임피던스 매칭을 수행할 수 있다(S1509). 특히, 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이의 출력 또는 효율 특성이 상충하는 경우에도, 무선 전력 송신기가 고효율 및 저출력 특성을 포함하도록 전력 증폭부 및 전력 송신부 사이를 임피던스 매칭할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 누구든지 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는다면 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신기에 있어서,
    기설정된 효율로 기설정된 출력 값의 출력 전력을 증폭하여 출력하는 전력 증폭부;
    상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 상기 출력 전력을 무선으로 송신하는 전력 송신부; 및
    상기 전력 증폭부 및 상기 전력 송신부 사이에 배치되어, 임피던스 매칭을 수행하는 매칭부;를 포함하고,
    상기 매칭부는, 상기 전력 송신부에서의 임피던스 값의 실수 저항의 크기가 증가하는 경우, 상기 전력 증폭부에 의해 출력되는 상기 출력 전력의 크기를 감소시키는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 송신부는 메타(Meta) 공진기 또는 코일(coil) 공진기인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기가 상기 무선 전력 송신기의 전력 송신 범위 내에 포함되지 않은 경우에 있어서,
    상기 매칭부는, 상기 출력 전력의 상기 효율을 임계 효율 이상으로 변경하며, 상기 출력 값을 임계 출력 값 이하로 변경하도록 임피던스 매칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기가 복수 개인 경우에 있어서,
    상기 매칭부는, 상기 복수 개의 무선 전력 수신기 각각에 대응하는 상기 전력 송신부에서의 복수 개의 임피던스를, 스미스 차트상의 기설정된 영역 내의 임피던스 값들로 반전시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기설정된 영역의 크기는, 상기 반전 이전의 복수 개의 임피던스 분포의 스미스 차트상의 영역의 크기의 1.5배 이하인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  11. 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 전력을 무선으로 송신하는, 전력 증폭부 및 전력 송신부를 포함하는 무선 전력 송신기의 제어 방법에 있어서,
    기설정된 효율로 기설정된 출력 값의 출력 전력을 증폭하여 출력하는 단계;
    임피던스 매칭을 수행하는 단계;
    상기 전력 송신부에서의 임피던스 값의 실수 저항의 크기가 증가하는 경우, 상기 전력 증폭부에 의해 출력되는 상기 출력 전력의 크기를 감소시키는 단계;및
    상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 상기 감소된 출력 전력을 무선으로 송신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 전력 송신부는 메타(Meta) 공진기 또는 코일(coil) 공진기인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기가 상기 무선 전력 송신기의 전력 송신 범위 내에 포함되지 않은 경우에 있어서,
    상기 임피던스 매칭을 수행하는 단계는, 상기 출력 전력의 상기 효율을 임계 효율 이상으로 변경하며, 상기 출력 값을 임계 출력 값 이하로 변경하도록 임피던스 매칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기가 복수 개인 경우에 있어서,
    상기 임피던스 매칭을 수행하는 단계는, 상기 복수 개의 무선 전력 수신기 각각에 대응하는 상기 전력 송신부에서의 복수 개의 임피던스를, 스미스 차트상의 기설정된 영역 내의 임피던스 값들로 반전시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 기설정된 영역의 크기는, 상기 반전 이전의 복수 개의 임피던스 분포의 스미스 차트상의 영역의 크기의 1.5배 이하인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
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