KR102039352B1 - 무선 전력 송신기 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기가 개시된다. 본 발명에 의한 무선 전력 송신기는, 전력을 제공하는 전력 공급부, 상기 전력 공급부로부터 공급된 전력을 기설정된 이득으로 증폭한 출력 전력을 출력하고, 측정되는 임피던스의 크기가 증가할수록 상기 출력 전력의 전력 값을 증가시켜 출력하는 증폭기; 및 상기 증폭된 전력을 상기 무선 전력 수신기로 송신하는 전력 송신부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신기 { WIRELESS POWER TRANSMITTER }
본 발명은 무선 전력 송신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 전력 수신기에 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기에 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.
한편, 종래의 무선 전력 송신기는 일반적으로 클래스 E의 증폭기를 포함한다. 하지만, 클래스 E 증폭기는 로드 임피던스가 변화하는 공진 방식과 같은 상황에서는 일정한 크기의 출력을 유지하기 어렵다는 문제점이 존재한다. 이에 따라, 클래스 E 증폭기는 로드 임피던스가 변경됨에 따라서 요구되는 소자의 값이 변경된다. 한편, 클래스 D의 증폭기는 로드 저항이 변경됨에 따라서 요구되는 소자의 값이 변경되지 않는다. 다만, 종래의 클래스 D의 증폭기는 로드 저항이 증가하는 경우에 출력 전력이 감소하는 문제점을 가져 무선 전력 송신기의 이용에 적합하지 않은 문제점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 로드 저항이 증가하는 경우에 출력 전력이 증가하는 클래스 D의 증폭기를 포함하는 무선 전력 송신기를 제공한다.
상술한 바를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기는, 전력을 제공하는 전력 공급부; 상기 전력 공급부로부터 공급된 전력을 기설정된 이득으로 증폭한 출력 전력을 출력하고, 측정되는 임피던스의 크기가 증가할수록 상기 출력 전력의 전력 값을 증가시켜 출력하는 증폭기; 및 상기 증폭된 전력을 상기 무선 전력 수신기로 송신하는 전력 송신부;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 의한 D 클래스 증폭기는, 전력 공급부로부터 전력을 공급받는 RF 초크(choke) 소자, 상기 RF 초크 소자의 일단에 연결되는 제 1 노드, 상기 RF 초크 소자의 타단에 연결되는 제 2 노드, 로드 저항 및 일단이 제 1 노드에 연결되며 타단이 제 2 노드와 상기 로드 저항의 일단에 연결되는 커패시터와, 일단이 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 로드 저항의 타단에 연결되는 코일을 포함하는 임피던스 변환 및 필터부를 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 D 클래스 증폭기는, 전력 공급부에 연결되어, 상기 전력 공급부로부터 전력을 공급받는 RF 초크(choke) 소자, 상기 RF 초크 소자의 일단에 연결되는 제 1 노드, 상기 RF 초크 소자의 타단에 연결되는 제 2 노드, 로드 저항 및 일단이 제 1 노드에 연결되며 타단이 제 2 노드와 상기 로드 저항의 일단에 연결되는 커패시터와, 일단이 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 로드 저항의 타단에 연결되는 제 1 코일과, 일단이 상기 제 2 노드에 연결되며 타단이 상기 로드 저항의 일단에 연결되는 제 2 코일을 포함하는 임피던스 변환 및 필터부를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 의하여, 로드 저항이 증가하는 경우에 출력 전력이 증가하는 클래스 D의 증폭기를 포함하는 무선 전력 송신기가 제공될 수 있다. 이에 따라, 특정한 전압 및 로드 저항 조건 하에서 출력 전력을 임의적으로 조절 가능한 무선 전력 송신기가 제공될 수 있다. 또한 로드 저항이 커질 때 출력 전력도 커지며, 로드 저항이 없는 경우에는 출력 전력이 없이 안전하게 대기 상태로 진입하는 무선 전력 송신기가 제공될 수 있다. 또한, 종래의 클래스 D 증폭기의 하모닉 제거 필터에 임피던스 변환기를 추가하는 것이 아니라, 본 발명에 의한 하나의 회로로 상기의 구성이 구현 가능하게 되어 원가 절감 및 고효율의 달성이 가능하다.
도 1a은 무선 충전 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1b는 본 발명의 실시 예에 의한 무선 전력 수신기와 무선 전력 공급기의 일 실시 예를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명과의 비교를 위한 비교 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 D 클래스의 증폭기의 회로도이다.
도 3b는 도 3a에서의 제 1 노드 및 제 2 노드에서 바라본 임피던스를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 D 클래스의 증폭기의 회로도이다.
도 4b는 도 4a에서의 제 1 노드 및 제 2 노드에서 바라본 임피던스를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 회로도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 D 클래스의 증폭기의 회로도이다.
도 6b는 제 1 노드 및 제 2 노드에서 바라본 임피던스를 설명하기 위한 회로도이다.
도 7은 도 2의 비교 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 출력 전력 및 효율을 로드-풀 시뮬레이션(load-pull simulation)한 결과이다.
도 8은 도 3a의 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 출력 전력 및 효율을 로드-풀 시뮬레이션(load-pull simulation)한 결과이다.
도 9는 도 3a의 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 출력 전력 변화를 스미스 차트상에 표시한 것이다.
도 10은 도 3a의 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 효율 변화를 스미스 차트상에 표시한 것이다.
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 1a은 무선 충전 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신기(100) 및 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)를 포함한다.
무선 전력 송신기(100)는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)에 무선으로 각각 전력(1-1,1-2,1-n)을 송신할 수 있다. 더욱 상세하게는, 무선 전력 송신기(100)는 소정의 인증절차를 수행한 인증된 무선 전력 수신기에 대하여서만 무선으로 전력(1-1,1-2,1-n)을 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)와 전기적 연결을 형성할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)로 전자기파 형태의 무선 전력을 송신할 수 있다.
한편, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)와 양방향 통신을 수행할 수 있다. 여기에서 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 소정의 프레임으로 구성된 패킷(2-1,2-2,2-n)을 처리하거나 송수신할 수 있다. 상술한 프레임에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다. 무선 전력 수신기는 특히, 이동통신단말기, PDA, PMP, 스마트폰 등으로 구현될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)로 무선으로 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어 무선 전력 송신기(100)는 공진 방식을 통하여 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)에 전력을 전송할 수 있다. 무선 전력 송신기(100)가 공진 방식을 채택한 경우, 무선 전력 송신기(100)와 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,1110-n) 사이의 거리는 바람직하게는 30m 이하일 수 있다. 또한 무선 전력 송신기(100)가 전자기 유도 방식을 채택한 경우, 전력제공장치(100)와 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 사이의 거리는 바람직하게는 10cm 이하일 수 있다.
무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 전력을 수신하여 내부에 구비된 배터리의 충전을 수행할 수 있다. 또한 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 무선 전력 전송을 요청하는 신호나, 무선 전력 수신에 필요한 정보, 무선 전력 수신기 상태 정보 또는 무선 전력 송신기(100) 제어 정보 등을 무선 전력 송신기(100)에 송신할 수 있다. 상기의 송신 신호의 정보에 관하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
또한 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 각각의 충전상태를 나타내는 메시지를 무선 전력 송신기(100)로 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 디스플레이와 같은 표시수단을 포함할 수 있으며, 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각으로부터 수신한 메시지에 기초하여 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각의 상태를 표시할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기(100)는 각각의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)가 충전이 완료되기까지 예상되는 시간을 함께 표시할 수도 있다.
무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각에 무선 충전 기능을 디스에이블(disabled)하도록 하는 제어 신호를 송신할 수도 있다. 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 충전 기능의 디스에이블 제어 신호를 수신한 무선 전력 수신기는 무선 충전 기능을 디스에이블할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 실시 예에 의한 무선 전력 수신기와 무선 전력 공급기의 일 실시 예를 나타내는 개념도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 공급기는 증폭기(150), 루프 코일(151) 및 근거리 통신 집적회로(153)을 포함할 수 있다. 증폭기(150)는 주파수 드라이버로부터 유도되는 w0의 주파수를 가지는 전자기파를 입력받을 수 있다. 아울러, 증폭기(150)는 VDD의 구동 전압에 의한 IDD의 구동 전류를 입력받을 수 있으며, Class D의 증폭기로 구현될 수 있다. 루프 코일(151)는 증폭기(150)로부터 입력되는 신호에 기초하여 기설정된 전자기파를 발진할 수 있다. 한편, 근거리 통신 집적회로(153)는 소정의 방식에 기초하는 통신 신호를 송/수신할 수 있다. 여기에서 무선 전력의 주파수 및 통신 신호의 주파수는 동일하거나 상이할 수 있다. 한편, 더욱 상세하게 후술할 것으로, 증폭기(150)는 증폭기(150)에서 바라보는 로드 저항이 증가할수록 전력 값이 증가하는 출력 전력을 출력할 수 있다. 이에 따라, 충전 전력을 수신하는 무선 전력 수신기가 증가할수록, 증폭기(150)로부터 출력되는 출력 전력도 증가할 수 있다. 무선 전력 송신기는 증폭기(150)로 전력을 공급하는 전력 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 한편, 루프 코일(151)은 전력을 송신하는 측면에서 전력 송신부로 명명될 수도 있다.
한편, 무선 전력 수신기는 루프 코일(161), 정류기(162), 제어 유닛(163) 및 근거리 통신 집적회로(164)를 포함할 수 있다. 루프 코일(161)은 루프코일(151)로부터 무선 전력을 수신할 수 있으며, 또한 근거리 통신 집적회로(153)로부터 통신 신호를 수신할 수도 있다. 본 발명에 의한 무선 전력 수신기는 port2에서, 무선 전력은 정류기(162)로 출력하며, 통신 신호는 근거리 통신 집적회로(164)로 출력할 수 있다. 제어 유닛(163)은 무선 전력 수신기 전반의 동작을 제어할 수 있으며, 또한 근거리 통신 집적회로(164)로부터의 통신 신호에 기초하여 이에 대응하는 대응 통신 신호를 생성할 수도 있다.
도 2는 본 발명과의 비교를 위한 비교 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 비교 예에 의한 클래스 D의 증폭기는, RF 초크(choke)(201), 제 1 노드(202), 제 2 노드(203), 제 1 스위치 트랜지스터(204), 접지(205), 제 2 스위치 트랜지스터(206), 접지(207), 필터부(210) 및 로드 저항(220)을 포함할 수 있다. 한편, 필터부(210)는 서로 병렬로 연결되는 커패시터(211) 및 코일(212)을 포함한다. RF 초크(201)에는 VDD의 전압을 가지는 전력이 입력될 수 있다.
비교 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 출력 전력 값은 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure 112013006417646-pat00001
수학식 1에서, POUT은 출력 전력이며, RL은 로드 저항(220)의 저항 값이다. 한편, 충전 전력을 수신하는 무선 전력 수신기의 개수가 증가하면, RL 또한 증가할 수 있다. 수학식 1에서 파악할 수 있듯이 출력 전력은 RL과 반비례하며, 이에 따라 무선 전력 수신기의 개수 증가에 의하여 출력 전력이 감소하는 문제점을 가진다. 또한, 수학식 1로 출력 전력 값이 고정되는 문제점을 가진다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 D 클래스의 증폭기의 회로도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 클래스 D의 증폭기는, RF 초크(choke)(301), 제 1 노드(302), 제 2 노드(303), 제 1 스위치 트랜지스터(304), 접지(305), 제 2 스위치 트랜지스터(306), 접지(307), 임피던스 변화 및 필터부(310) 및 로드 저항(320)을 포함할 수 있다. 한편, 임피던스 변화 및 필터부(310)는 커패시터(311) 및 코일(312)을 포함한다. RF 초크(201)에는 VDD의 전압을 가지는 전력이 입력될 수 있다.
RF 초크(301)는 전력 공급부(미도시)에 연결될 수 있으며, VDD의 전압을 가지는 전력을 공급받을 수 있다. RF 초크(301)는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있으며, RF 잡음을 제거할 수 있다. RF 초크(301)는 제 1 노드(302) 및 제 2 노드(303)에 연결될 수 있다.
제 1 노드(302)에는 제 1 스위치 트랜지스터(304) 및 임피던스 변화 및 필터부(310)가 연결될 수 있으며, 제 2 노드(303)에는 제 2 스위치 트랜지스터(306) 및 임피던스 변화 및 필터부(310)가 연결될 수 있다. 제 1 스위치 트랜지스터(304)는 접지(305)될 수 있으며, 제 2 스위치 트랜지스터(306)는 접지(307)될 수 있다. 더욱 상세하게는, 제 1 노드(302)에는 커패시터(311)의 일단 및 코일(312)의 일단이 연결될 수 있다. 제 2 노드(303)에는 커패시터(311)의 타단 및 로드 저항(320)의 일단이 연결될 수 있다. 한편, 코일(312)의 일단 및 커패시터(311)의 일단은 연결될 수 있다. 코일(312)의 타단은 로드 저항(320)의 타단에 연결될 수 있으며, 로드 저항(320)의 일단은 커패시터(311)의 타단에 연결될 수 있다. 즉, 도 2의 비교 예에서 커패시터(211), 코일(212) 및 로드 저항(220)은 서로 병렬로 연결되는 것과는 대조적으로, 도 3a의 본 발명의 실시 예에서는 코일(312) 및 저항(320)이 직렬로 연결된다.
도 3b는 도 3a에서의 제 1 노드 및 제 2 노드에서 바라본 임피던스를 설명하기 위한 회로도이다. 도 3b에서와 같이, 코일(312) 및 로드 저항(320)은 직렬로 연결되며, 커패시터(311)는 코일(312) 및 로드 저항(320)과 병렬로 연결된다. 제 1 노드(302) 및 제 2 노드(303)에서 바라본 임피던스(Yin)는 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013006417646-pat00002
수학식 2에서, ω는 공급되는 전력의 주파수이며, L은 코일(312)의 인덕턴스이며, C는 커패시터(311)의 커패시턴스일 수 있다. 한편, 수학식 2의 임피던스(Yin)의 실수 부분인 로드 값(Rin)은 수학식 3과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013006417646-pat00003
이에 따라서, 출력 전력(Pout)은 수학식 4와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013006417646-pat00004
수학식 4에서 파악할 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 출력 전력은 로드 저항(RL)에 비례할 수 있다. 이에 따라, 충전 전력을 수신하는 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우에 있어서, 출력 전력 또한 증가할 수 있어, 도 2의 비교 예가 가지는 문제점이 해소될 수 있다. 뿐만 아니라, 수학식 4에서의 출력 전력은 코일의 인덕턴스(L)를 변경함으로써 출력 전력 값을 변경할 수 있다. 이에 따라, 동일한 임피던스 환경에서도 출력 전력 값을 용이하게 변경할 수 있는 효과가 창출될 수 있다.
한편, 수학식 3에서 Yin의 허수 부분이 0이 되는 주파수가 공진 주파수일 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수는
Figure 112013006417646-pat00005
일 수 있다. 본원 발명에 의한 실시 예에서는, 공진 주파수가 트랜지스터 스위칭 주파수가 일치할 수 있으며, 이러한 경우에는 하모닉 제거 및 zero-voltage switching이 수행될 수 있다. 한편, 공진 주파수는 로드 저항 RL 값에 의하여 변경되며, 커패시터(311) 및 코일(312)의 소자 수치는 RL 값을 고려하여 설정될 수 있다. 한편, 트랜지스터 스위칭 주파수보다 커패시터(311) 및 코일(312)에서만의 공진 주파수가 높게 설정될 수 있다. 코일(312) 및 로드 저항(320)의 직렬 Quality factor 값은 1보다 크게 설정될 수 있으며, 이에 따라 하모닉 필터링이 양호하게 수행될 수 있다.
상술한 바에 따라서, 로드 저항이 증가하는 경우에 출력 전력이 증가하는 클래스 D의 증폭기를 포함하는 무선 전력 송신기가 제공될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 D 클래스의 증폭기의 회로도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 클래스 D의 증폭기는, RF 초크(choke)(401), 제 1 노드(402), 제 2 노드(403), 제 1 스위치 트랜지스터(404), 접지(405), 제 2 스위치 트랜지스터(406), 접지(407), 임피던스 변화 및 필터부(410) 및 로드 저항(320)을 포함할 수 있다. 한편, 임피던스 변화 및 필터부(410)는 커패시터(411), 제 1 코일(412) 및 제 2 코일(413)을 포함한다. RF 초크(201)에는 VDD의 전압을 가지는 전력이 입력될 수 있다.
RF 초크(401)는 전력 공급부(미도시)에 연결될 수 있으며, VDD의 전압을 가지는 전력을 공급받을 수 있다. RF 초크(401)는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있으며, RF 잡음을 제거할 수 있다. RF 초크(401)는 제 1 노드(402) 및 제 2 노드(403)에 연결될 수 있다.
제 1 노드(402)에는 제 1 스위치 트랜지스터(404) 및 임피던스 변화 및 필터부(410)가 연결될 수 있으며, 제 2 노드(403)에는 제 2 스위치 트랜지스터(406) 및 임피던스 변화 및 필터부(410)가 연결될 수 있다. 제 1 스위치 트랜지스터(404)는 접지(405)될 수 있으며, 제 2 스위치 트랜지스터(406)는 접지(407)될 수 있다. 더욱 상세하게는, 제 1 노드(402)에는 커패시터(411)의 일단 및 제 1 코일(412)의 일단이 연결될 수 있다. 제 2 노드(403)에는 커패시터(411)의 타단 및 제 2 코일(413)의 일단이 연결될 수 있다.
한편, 제 1 코일(412)의 일단 및 커패시터(411)의 일단은 연결될 수 있다. 제 1 코일(412)의 타단은 로드 저항(420)의 타단에 연결될 수 있으며, 로드 저항(420)의 일단은 제 2 코일(413)의 타단에 연결될 수 있다. 제 2 코일(413)의 일단은 커패시터(411)의 타단에 연결될 수 있다. 즉, 도 3a의 실시 예와 대조적으로, 제 2 코일(413)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 차동 신호를 이용하는 경우에 있어서, 차동 신호의 대칭성이 더욱 양호하게 유지될 수 있는 효과가 창출될 수 있다.
도 4b는 도 4a에서의 제 1 노드 및 제 2 노드에서 바라본 임피던스를 설명하기 위한 회로도이다. 도 4b에서와 같이, 제 1 코일(412), 로드 저항(420) 및 제 2 코일(413)은 직렬로 연결되며, 커패시터(411)는 제 1 코일(412), 로드 저항(420) 및 제 2 코일(413)과 병렬로 연결된다. 제 1 노드(402) 및 제 2 노드(403)에서 바라본 임피던스(Yin)는 수학식 5와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013006417646-pat00006
수학식 2에서, ω는 공급되는 전력의 주파수이며, L1은 제 1 코일(412)의 인덕턴스이며, L2은 제 2 코일(413)의 인덕턴스이며,C는 커패시터(411)의 커패시턴스일 수 있다. 한편, 수학식 5의 임피던스(Yin)의 실수 부분인 로드 값(Rin)은 수학식 6과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013006417646-pat00007
이에 따라서, 출력 전력(Pout)은 수학식 7와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013006417646-pat00008
수학식 7에서 파악할 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 출력 전력은 로드 저항(RL)에 비례할 수 있다. 이에 따라, 충전 전력을 수신하는 무선 전력 수신기의 개수가 증가하는 경우에 있어서, 출력 전력 또한 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 회로도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 클래스 D의 증폭기는, RF 초크(choke)(501), 제 1 노드(502), 제 2 노드(503), 제 1 스위치 트랜지스터(504), 접지(505), 제 2 스위치 트랜지스터(506), 접지(507), 임피던스 변화 및 필터부(510), 로드 저항(520) 및 공진 필터(530)를 포함할 수 있다. 한편, 임피던스 변화 및 필터부(510)는 제 1 커패시터(511) 및 제 1 코일(512)을 포함한다. 공진 필터(530)는 서로 병렬로 연결되는 커패시터(531) 및 코일(532)을 포함할 수 있다. RF 초크(201)에는 VDD의 전압을 가지는 전력이 입력될 수 있다.
RF 초크(501)는 전력 공급부(미도시)에 연결될 수 있으며, VDD의 전압을 가지는 전력을 공급받을 수 있다. RF 초크(501)는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있으며, RF 잡음을 제거할 수 있다. RF 초크(501)는 제 1 노드(502) 및 제 2 노드(503)에 연결될 수 있다.
제 1 노드(502)에는 제 1 스위치 트랜지스터(504) 및 공진 필터(530)가 연결될 수 있으며, 제 2 노드(503)에는 제 2 스위치 트랜지스터(506) 및 공진 필터(530)가 연결될 수 있다. 제 1 스위치 트랜지스터(504)는 접지(505)될 수 있으며, 제 2 스위치 트랜지스터(506)는 접지(507)될 수 있다. 더욱 상세하게는, 제 1 노드(502)에는 제 2 커패시터(531) 및 제 2 코일(532)의 일단이 연결될 수 있으며, 제 2 노드(503)에는 제 2 커패시터(531) 및 제 2 코일(532)의 타단이 연결될 수 있다.
한편, 공진 필터(530)는 임피던스 변화 및 필터부(510)에 연결될 수 있다. 더욱 상세하게는, 제 1 노드(502), 제 2 커패시터(531) 및 제 2 코일(532)의 일단은 제 1 커패시터(511)의 일단 및 제 1 코일(512)의 일단에 연결될 수 있다. 제 2 노드(503), 제 2 커패시터(531) 및 제 2 코일(532)의 타단은 제 1 커패시터(511)의 타단 및 로드 저항(520)의 일단에 연결될 수 있다. 제 1 코일(512)의 타단은 로드 저항(520)의 타단에 연결될 수 있다. 로드 저항(520)의 일단은 제 1 커패시터(511)의 타단에 연결될 수 있다. 즉, 도 3a의 실시 예와 대조적으로, 도 5의 본 발명의 실시 예에서는 공진 필터(530)가 더 포함될 수 있다. 공진 필터(530)는 트랜지스터의 스위칭 주파수에서 공진되도록 설계될 수 있으며, 손실(loss)을 감소시키기 위하여 높은 Quality factor 값을 가질 수 있다. 한편, 공진 필터(530)는 도 3a와 같은 실시 예뿐만 아니라, 도 4a와 같은 실시 예에서도 추가적으로 포함될 수 있음을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 D 클래스의 증폭기의 회로도이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 클래스 D의 증폭기는, RF 초크(choke)(601), 제 1 노드(602), 제 2 노드(603), 제 1 스위치 트랜지스터(604), 접지(605), 제 2 스위치 트랜지스터(606), 접지(607), 임피던스 변화 및 필터부(610) 및 로드 저항(620)을 포함할 수 있다. 한편, 임피던스 변화 및 필터부(610)는 제 1 커패시터(611), 제 1 코일(612), 제 2 코일(613) 및 제 2 커패시터(614)를 포함한다. 제 1 코일(612) 및 제 2 코일(613)은 상호 유도 결합을 형성할 수 있다. RF 초크(201)에는 VDD의 전압을 가지는 전력이 입력될 수 있다.
RF 초크(601)는 전력 공급부(미도시)에 연결될 수 있으며, VDD의 전압을 가지는 전력을 공급받을 수 있다. RF 초크(601)는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있으며, RF 잡음을 제거할 수 있다. RF 초크(601)는 제 1 노드(602) 및 제 2 노드(603)에 연결될 수 있다.
제 1 노드(602)에는 제 1 스위치 트랜지스터(604) 및 임피던스 변화 및 필터부(610)가 연결될 수 있으며, 제 2 노드(603)에는 제 2 스위치 트랜지스터(606) 및 임피던스 변화 및 필터부(610)가 연결될 수 있다. 제 1 스위치 트랜지스터(604)는 접지(605)될 수 있으며, 제 2 스위치 트랜지스터(606)는 접지(607)될 수 있다.
더욱 상세하게는, 제 1 노드(602)에는 커패시터(611)의 일단 및 코일(612)의 일단이 연결될 수 있다. 제 2 노드(603)에는 커패시터(611)의 타단 및 코일(612)의 타단이 연결될 수 있다. 제 1 코일(612) 및 제 2 코일(613)은 상호 유도 결합을 형성할 수 있다. 제 2 코일(613)의 일단은 제 2 커패시터(614)의 일단에 연결될 수 있다. 제 2 코일(613)의 타단은 로드 저항(620)의 일단에 연결될 수 있다. 제 2 커패시터(614)의 타단은 로드 저항(620)의 타단에 연결될 수 있다.
도 6b는 제 1 노드 및 제 2 노드에서 바라본 임피던스를 설명하기 위한 회로도이다. 도 6b에서와 같이, 제 1 커패시터(611) 및 제 1 코일(612)은 서로 병렬로 연결되고, 제 2 코일(613), 제 2 커패시터(614) 및 로드 저항(620)은 직렬로 연결될 수 있다. 제 1 코일(612) 및 제 2 코일(613)은 k의 유도 상수로 상호 유도 결합을 형성할 수 있다. 여기에서, 상호 유도 결합은 마그네틱 코어(magnetic core) 또는 에어 코어(air core) 등에 의하여 구현될 수 있다. 아울러, 유도 상수 k는 적어도 0.5일 수 있으며, 이러한 유도 상수에 의하여서도 90%의 효율이 창출될 수 있다. 제 1 커패시터(611)의 커패시턴스는 C1, 제 1 코일(612)의 인덕턴스는 L1, 제 2 코일(613)의 인덕턴스는 L2, 제 2 커패시터(614)의 커패시턴스는 C2이다.
필터 공진 주파수는 트랜지스터 스위칭 주파수와 동일할 수 있다. 공진 주파수(ω0)는
Figure 112013006417646-pat00009
일 수 있다. 다만, 상호 유도 결합 계수 k에 의하여 필터 공진 주파수(ωfilter)는
Figure 112013006417646-pat00010
일 수 있다. 필터 공진 주파수(ωfilter)가 트랜지스터 스위칭 주파수와 동일한 경우에 zero-voltage switching이 달성될 수 있다. 이러한 경우에는, 제 1 노드(602) 및 제 2 노드(603)에서 바라본 임피던스(Yin)는 수학식 8와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112013006417646-pat00011
이에 따라, 출력 전압을 C1 및 L2의 조정으로 변경할 수 있다.
도 7은 도 2의 비교 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 출력 전력 및 효율을 로드-풀 시뮬레이션(load-pull simulation)한 결과이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 로드 저항이 상대적으로 작은 경우에는, 출력 전력 값이 크다. 아울러, 로드 저항이 상대적으로 큰 경우에는, 출력 전력 값이 작다. 즉, 충전 전력을 수신하는 무선 전력 수신기의 개수가 증가하면 출력 전력이 감소한다.
도 8은 도 3a의 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 출력 전력 및 효율을 로드-풀 시뮬레이션(load-pull simulation)한 결과이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 로드 저항이 상대적으로 작아지는 경우(801), 출력 전력 값이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 도 3a의 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 출력 전력 변화를 스미스 차트상에 표시한 것이다. 도 9에서 확인할 수 있듯이 스미스 차트의 원점에서 좌측으로 이동할수록, 즉 로드 저항값이 감소할수록 출력 전력 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 도 3a의 본 발명의 실시 예에 의한 클래스 D의 증폭기의 로드 저항 변화에 따른 효율 변화를 스미스 차트상에 표시한 것이다. 도 10에서 확인할 수 있듯이 전반적으로 90% 정도의 고효율이 달성된 것을 확인할 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 (11)

  1. 무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기에 있어서,
    전력을 제공하는 전력 공급부;
    측정되는 임피던스의 크기가 증가할수록 출력 전력의 전력 값이 증가하도록 상기 전력 공급부로부터 공급된 전력을 증폭하여 상기 출력 전력을 출력하는 증폭기; 및
    송전 코일을 포함하고, 상기 증폭기로부터 상기 증폭된 전력을 수신하고 상기 증폭된 전력에 대응하는 전력을 상기 무선 전력 수신기로 송신하는 전력 송신부;를 포함하는 무선 전력 송신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는 클래스 D 증폭기인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는,
    상기 전력 공급부에 연결되어, 상기 전력 공급부로부터 전력을 공급받는 RF 초크(choke) 소자;
    상기 RF 초크 소자의 일단에 연결되는 제 1 노드;
    상기 RF 초크 소자의 타단에 연결되는 제 2 노드; 및
    일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 제 2 노드와 상기 송전 코일의 일단에 연결되는 커패시터와, 일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 송전 코일의 타단에 연결되는 코일을 포함하는 임피던스 변환 및 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 노드 및 상기 제 2 노드에서 바라본 임피던스는
    Figure 112019035831813-pat00012
    이며, RL은 상기 송전 코일 및 상기 무선 전력 수신기에 대응하는 저항 값이며, ω는 상기 공급되는 전력의 주파수이며, L은 상기 코일의 인덕턴스이며, C는 상기 커패시터의 커패시턴스인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 증폭기에서 출력되는 상기 출력 전력의 전력 값은,
    Figure 112019035831813-pat00013
    이며, VDD는 상기 공급되는 전력의 전압 값인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭기는,
    상기 전력 공급부에 연결되어, 상기 전력 공급부로부터 전력을 공급받는 RF 초크(choke) 소자;
    상기 RF 초크 소자의 일단에 연결되는 제 1 노드;
    상기 RF 초크 소자의 타단에 연결되는 제 2 노드; 및
    일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 제 2 노드와 상기 송전 코일의 일단에 연결되는 커패시터와, 일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 송전 코일의 타단에 연결되는 제 1 코일과, 일단이 상기 제 2 노드에 연결되며 타단이 상기 송전 코일의 일단에 연결되는 제 2 코일을 포함하는 임피던스 변환 및 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  7. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 노드에 연결되고, 상기 임피던스 변환 및 필터부에 연결되고, 특정 주파수를 필터링하는 공진 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 코일에 상호 유도 결합된 결합 공진기;를 더 포함하는 무선 전력 송신기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 결합 공진기는,
    상기 코일과 상호 유도 결합하고, 일단이 상기 송전 코일의 일단에 연결되는 결합 코일; 및
    일단이 상기 결합 코일의 타단에 연결되고 타단이 상기 송전 코일의 타단에 연결되는 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  10. D 클래스 증폭기에 있어서:
    전력 공급부로부터 전력을 공급받는 RF 초크(choke) 소자;
    상기 RF 초크 소자의 일단에 연결되는 제 1 노드;
    상기 RF 초크 소자의 타단에 연결되는 제 2 노드; 및
    일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 제 2 노드에 연결되는 커패시터와 - 상기 커패시터의 상기 타단은, 상기 D 클래스 증폭기로부터 증폭된 전력을 수신하고 상기 증폭된 전력에 대응하는 전력을 송신하는 송전 코일의 일단에 연결됨 -, 일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 송전 코일의 타단에 연결되는 코일을 포함하는 임피던스 변환 및 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 D 클래스 증폭기.
  11. D 클래스 증폭기에 있어서:
    전력 공급부에 연결되어, 상기 전력 공급부로부터 전력을 공급받는 RF 초크(choke) 소자;
    상기 RF 초크 소자의 일단에 연결되는 제 1 노드;
    상기 RF 초크 소자의 타단에 연결되는 제 2 노드; 및
    일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 제 2 노드에 연결되는 커패시터와 - 상기 커패시터의 상기 타단은, 상기 D 클래스 증폭기로부터 증폭된 전력을 수신하고 상기 증폭된 전력에 대응하는 전력을 송신하는 송전 코일의 일단에 연결됨 -, 일단이 상기 제 1 노드에 연결되며 타단이 상기 송전 코일의 타단에 연결되는 제 1 코일과, 일단이 상기 제 2 노드에 연결되며 타단이 상기 송전 코일의 상기 일단에 연결되는 제 2 코일을 포함하는 임피던스 변환 및 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 D 클래스 증폭기.
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