KR102023499B1 - 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치 - Google Patents

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    • H04B5/70—

Abstract

본 발명은 전력용 증폭기(Power Amplifier: PA)에서 방출되는 체배 성분(harmonics)이 외부로 방사되지 않도록 하기 위하여 무선 충전용 공진기에 션트 캐패시터(shunt capacitor)를 연결하며, 션트 캐패시터의 전단 또는 뒷단에 NFC 주파수 대역(13.56MHz)에 대하여 높은 임피던스를 갖는 회로를 하나 이상 형성한다.

Description

공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치{RESONATOR CIRCUIT FOR RESONANCE WIRELESS POWER RECEIVING APPARATUS}
본 발명은 무선 충전 기술 등에 적용되는 무선 전력 송수신 기술에 관한 것으로, 특히 공진 방식의 무선 전력 송수신(Wireless Power technology: WPT) 기술의 수신 시스템에서 근거리 무선통신(Near Field Communication; NFC)을 위한 안테나와의 전자기 간섭 등을 저감시키기 위한 공진단 장치에 관한 것이다.
최근, 무선 전력 송수신 방식을 이용한, 무선 충전(또는 무접점 충전) 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다. 무선 충전 기술은, 예를 들어 휴대폰을 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고, 단지 충전 데크에 올려놓기만 하면 자동으로 배터리가 충전이 될 수 있는 시스템이다.
무선 전력 송수신 기술(WPT)에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation) 방식 등이 있다. 전자기 유도에 의한 전력 전송 방법은 전송 장치의 1차 코일과 수신 장치의 2차 코일 간의 전력을 전송 하는 방식이다. 공진 방식은 미리 정해진 공진 주파수를 이용한 송신 장치와 수신 장치간의 주파수 공진 기술을 이용한 방식으로서, 본 발명은 공진 방식을 이용한 무선 전력 송수신 기술이 적용된다.
이러한 무선 전력 송수신 기술(WPT)은 최근 휴대용 단말기의 무선 충전을 위해 그 적용이 활발히 연구되고 있다. 즉, 휴대용 단말기는 착탈식 또는 내장형 배터리 팩을 구비하는데, 사용의 편의를 위해 무선 전력 송수신 기술을 이용한 무선 충전 기능을 상용화하기 위한 노력이 지속되고 있다.
한편, 교통 카드, 출입자 인증용 보안 카드, 신용 카드 등은 근거리 무선통신(NFC)을 이용하여 결재나 사용자 인증을 하게 되는데, 휴대용 단말기의 사용이 보편화되면서 휴대용 단말기에도 NFC 기능이 탑재되고 있다. 따라서 휴대용 단말기는 NFC 기능을 수행하기 위한 별도의 안테나를 구비한다. 이러한 NFC 기술은 국내공개특허 제2009-126323호(2009. 12. 08. 공개) 등을 통해 개시되고 있다.
이러한 NFC 기능과 무선충전 기능을 하나의 단말기에 탑재하기 위해서는 대체로 루프형 안테나 구조를 가지는 NFC 안테나와 무선충전을 위한 공진기를 단말기에 실장해야 한다. 이때, NFC 안테나와 WPT 공진기간의 간섭 등에 의해 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 무선 충전 공진기 및 회로를 구현할 때, 무선 충전에 의한 노이즈 성분 방사 문제와 무선 충전 공진기의 NFC 안테나와의 간섭 문제로 인한 NFC 신호 및 전력 송수신 감도 저하 문제를 동시에 해결하기 위한, 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전력용 증폭기(Power Amplifier: PA)에서 방출되는 체배 성분(harmonics)이 외부로 방사되지 않도록 하기 위하여 무선 충전용 공진기에 션트 캐패시터(shunt capacitor)를 연결하였으며, 이는 ENG(Negative ε) 및 MNG(Negative μ) 조건을 동시에 만족시킴으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, ZOR(zero order resonance)를 이룰 수 있도록 한다. 이와 같은 회로는 공진 방식 무선 충전용 주파수 이외의 신호 또는 전력이 외부로 유출되지 않도록 할 수 있다. 또한 바람직하게는, 상기 션트 캐패시터의 전단 또는 후단에 NFC 주파수 대역(13.56MHz)에 대하여 높은 임피던스를 갖는 회로를 하나 이상 형성한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치는, 무선 충전 공진기 및 회로를 구현할 때, 무선 충전에 의한 노이즈 성분 방사 문제와 무선 충전 공진기의 NFC 안테나와의 간섭 문제로 인한 NFC 신호 및 전력 송수신 감도 저하 문제를 동시에 해결할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명이 적용되는 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 NFC 안테나 및 WPT 공진기의 평면상 배치 구조를 나타낸 예시도
도 2는 본 발명이 적용되는 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에 NFC 안테나 및 WPT 공진기의 휴대용 단말기 상에서의 배치 구조를 나타낸 예시도
도 3은 도 2에서의 NFC 안테나 및 WPT 공진기의 측면 배치 구조를 나타낸 예시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치의 회로도
도 5는 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치의 특성 파형도
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 NFC 안테나 및 WPT 공진기의 평면상 배치 구조를 나타낸 예시도이며, 도 2는 NFC 안테나 및 WPT 공진기의 휴대용 단말기 상에서의 배치 구조를 나타내며, 도 3은 도 2에서의 NFC 안테나 및 WPT 공진기의 측면 배치 구조를 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 먼저 본 발명이 적용되는 무선 전력 수신 시스템, 예를 들어 휴대용 단말기에서 NFC 안테나(10) 및 WPT 공진기(20)의 기구적인 실장 상태를 살펴보면, 평면적으로 루프형 안테나 구조를NFC 안테나(10)는 마찬가지로 루프형 안테나 구조를 가지는 WPT 공진기(20)의 내측에 위치하도록 설치될 수 있다. 또한, NFC 안테나(10)는 휴대용 단말기의 본체(1) 뒷면에서 (착탈 가능하게 설치될 수 있는 배터리 부위에) 설치될 수 있으며, WPT 안테나(20)는 휴대용 단말기의 뒷면 커버(2)에 설치될 수 있다.
이때, NFC 안테나(10)와 WPT 공진기(20) 사이에는, 도 3에 보다 명확히 도시된 바와 같이, 아이솔레이션 특성 확보를 위해, 적절히 설계된 이격 거리(Isolation d, Isolation h)가 발생한다. 이와 같은 이격 거리에 의해 NFC 안테나(10)와 WPT 공진기(20)두 주파수(@13.56MHz, 6.78MHz)의 아이솔레이션 특성이 기구적으로 결정된다. 이와 같은 아이솔레이션 특성을 확보하기 위하여 이격 거리를 조정하기 위해서는 NFC 안테나(10)를 작게, WPT 공진기(20)를 크게 설계해야 하지만, 휴대용 단말기와 같이, 그 사이즈 및 기구적 구조에 설계에 매우 민감한 단말기에서는 실장 면적 및 위치상 이와 같은 방식을 적용하기가 매우 제한적이게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치의 회로도이다. 도4를 참조하여, 본 발명의 특징에 따른 공진단 장치는 먼저, WPT 전력용 증폭기(Power Amplifier: PA)(미도시)에서 방출되는 체배 성분(harmonics)이 외부로 방사되지 않도록 하기 위하여 WPT 공진기(20)에 션트 캐패시터(shunt capacitor)(40)를 연결한다. 이는 ENG(Negative ε) 및 MNG(Negative μ) 조건을 동시에 만족시킴으로써, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, ZOR(zero order resonance)를 이룰 수 있도록 한다. 이와 같은 회로는 공진 방식 무선 충전용 주파수 이외의 신호 또는 전력이 외부로 유출되지 않도록 할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 통상적으로 6.78MHz 또는 13.56MHz의 WPT 공진기(20)를 설계하는데 있어서, WPT 공진기(20)의 전기적 길이에 의하여 발생되는 체배 방사 특성을 없애기 위하여 예를 들어, 메타(Meta) 구조 등을 이용하는 방식을 적용할 수 있다. 이는 짧은 전기적 길이로 인해 체배의 배수를 증가시키는 데에는 유용할 수 있으나, 체배를 완벽히 제거할 수 없는 구조이다. 따라서 공진기 설계에 따라 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 20체배 또는 40체배에 체배 방사 특성이 나타남을 확인하였다. 또한 이러한 구조는 완벽한 ZOR 공진을 이루지 못하였다.
체배 방사 특성을 보완하기 위해서는 ZOR 공진이 이루어져야 하며, 이를 위해서 본 발명의 특징에 따라 WPT 공진기(20)에 두 단자에 미리 설정된 값 이상, 예를 들어 100pF 이상, 바람직하게는 1nF의 용량값을 갖는 션트 캐패시터(shunt capacitor)(40)를 구비하여 EMI(Electro-Magnetic Interference)를 제거 또는 저감시킨다.
그런데, 본 발명의 특징에 따라 구현된 션트 캐패시터(40)를 이용한 회로를 구현할 경우에, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 기구적으로 WPT 공진기(20) 내측 NFC 안테나(10)가 배치되는 구조에서, NFC 통신용 신호 또는 전력이 WPT 공진기(20)와 커플링(Coupling)되어 그 NFC 통신용 신호 및 전력이 무선 충전용 경로를 통해 누설되는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 상기한 바와 같이 휴대용 단말기의 특성 WPT 공진기(20)와 NFC 안테나(10) 사이의 간격이 매우 작아서 발생한다. 즉, WPT 공진기(20)에서 체배 방사 특성을 보완하기 위해서는 ZOR 공진이 이루어져야 하며 이를 위해서는 본 발명에서는 WPT 공진기(20)에 특정 값 이상을 갖는 션트 캐패시터(40)를 구성하였으나, NFC 안테나(10)와 WPT 공진기(20) 사이의 간격이 작을 경우 RF 경로를 통하여 단말기에 실장된 NFC 안테나로부터 수신된 신호 및 전력이 접지되어 WPT 공진기(20)를 통해 그 신호 및 전력이 커플링될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따라, WPT 공진기(20) 및 이와 연결된 신호 및 전력 전송용 경로에 NFC용 주파수 (13.56MHz) 대역에서 임피던스가 높은 회로를 설계함으로써 NFC 안테나로부터 송수신 되는 신호 및 전력이 무선 충전용 공진기를 통해 누설 되는 현상을 제거하도록 한다.
즉, 상기 도 1 내지 도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, NFC 안테나(10) 및 WPT 공진기(20) 사이의 아이솔레이션 특성을 확보하기 위하여 이격 거리를 조정하기 위해서는 NFC 안테나(10)를 작게, WPT 공진기(20)를 크게 설계해야 하지만, 휴대용 단말기와 같이, 그 사이즈 및 기구적 구조에 설계에 매우 민감한 단말기에서는 실장 면적 및 위치상 이와 같은 방식을 적용하기가 매우 제한적이게 된다.
따라서, 본 발명에서는 기구적인 구조가 아니라, 전기적으로 NFC 안테나(10)와 WPT 공진기(20)의 두 주파수 (@13.56MHz, 6.78MHz)의 아이솔레이션 확보를 위해, 션트 캐패시터(40)의 앞단 또는 뒷단에 NFC 주파수 대역(13.56MHz)에 대하여 높은 임피던스(예를 들어, 10ohm)를 갖는 고임피던스 회로(30)를 공진기의 두 단자 중 적어도 하나에 형성한다. 이러한 고임피던스 회로(30)는 상기 NFC 주파수 대역(13.56MHz)에 대한 BSF(Band Stop Filter) 구조로 구현된다.
상기와 같은 구성을 가지므로, 본 발명에 따른 공진단 장치는 WPT 공진기(20)의 체배 방사 성분을 억제하기 위하여 캐패시터(40)가 WPT 공진기(20)의 양 단자에 연결되어 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, ZOR 공진을 이루며, 이때 무선 충전 경로 상에 NFC 주파수 (13.56MHz)에서 높은 임피던스를 갖는 고임피던스 회로(30)가 구성되어 NFC 안테나(10)와 WPT 공진기(20) 사이의 작은 이격 거리에 의하여 발생된 NFC 신호 및 전력이 무선 충전 경로를 통해 누설되는 현상을 억제할 수 있게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공진 방식 무선 전력 수신 시스템에서 공진단 장치의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편, 상기의 설명에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 설명하였으나, 이외에도 본 발명의 다양한 변형 또는 변경이 있을 수 있다. 먼저, 상기의 실시예에 대한 설명에서는 본 발명의 실시예가 EMI 특성 개선을 위한 션트 캐패시터(40)와, NFC 특성 개선을 위한 고임피던스 회로(30)를 모두 구비하는 것으로 설명하였으나(물론 이러한 실시예의 구성이 바람직할 수도 있으나), 본 발명의 다른 실시예에서는 이들 중 어느 하나의 구성, 즉 EMI 특성 개선만을 고려하여 션트 캐패시터(40)만을 구비하거나 또는 NFC 특성 개선만을 고려하여 고임피던스 회로(30)만을 구비하는 구성을 선택적으로 채용할 수도 있다.
또한, 상기의 설명에서는, BSF 구조의 고임피던스 회로(30)가 WPT 공진기(20)의 두 단자에BSF1, BSF2로서 모두 적용되는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 BSF 구조의 고임피던스 회로(30)는 WPT 공진기(20)의 두 단자 중 어느 하나에만 구현될 수 있다. 또한, 상기의 설명에서는 고임피던스 회로(30)가 션트 캐패시터(40)의 전단에 구성되는 것으로 설명하였으나, 이외에도 션트 캐패시터(40)의 후단에 구성될 수도 있다.
또한, 상기의 설명에서는 기구적으로, WPT 공진기(20)의 내측에NFC 안테나(10)가 배치되는 것으로 설명하였으나, 반대로 NFC 안테나 내측에 WPT 공진기가 배치되는 구조에서도 본 발명이 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 공진 방식 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    NFC(Near Field Communication) 주파수 대역을 통해 NFC 기능을 수행하는 NFC 안테나와;
    상기 NFC 안테나와 근접한 거리에 설치되며, 제1단자 및 제2단자를 가지며, 상기 NFC 주파수 대역을 포함하지 않는 공진 주파수를 사용하여 무선 전력을 수신하는 공진기와;
    상기 공진기의 제1단자에 직렬로 연결되며, 상기 NFC 주파수 대역 내의 주파수의 신호를 필터링하는 제1필터와;
    상기 공진기의 제2단자에 직렬로 연결되며, 상기 NFC 주파수 대역 내의 주파수의 신호를 필터링 하는 제2필터와;
    상기 제1필터 및 제2필터 사이에 직접 연결되며, 상기 공진기에 의해 발생되는 체배 방사 특성을 제거하기 위해 미리 설정된 용량값을 가지는 션트 캐패시터(shunt capacitor)를 포함함을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1필터 및 제2필터는,
    BSF(Band Stop Filter) 구조로 구현됨을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 션트 캐패시터는 100pF 이상의 용량값을 가짐을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.
  7. 제1항에 있어서, 기구적으로 상기 공진기의 내측에 상기 NFC 안테나가 배치됨을 특징으로 하는 무선 전력 수신 장치.
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