KR102208550B1 - Q-팩터 검출 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

Q 검출 장치 및 그 방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 Q-팩터 검출 장치는, 무선 전력 송신기를 구성하는 전력 증폭기가 송신 공진기에 전력을 공급할 때 송신 공진기 내 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선(envelope)을 검출하여 포락선 출력전압 VENV(t)을 제공하는 포락선 검출기와, 전력 증폭기가 전력 공급을 정지할 때의 포락선 출력전압 V(0)을 저장 및 유지하는 샘플 및 홀드부와, 무선 전력 송신기 주변의 외부물질 존재 여부 판단을 위해, 포락선 출력전압 VENV(t)와 V(0)을 이용하여 송신 공진기의 Q-팩터를 측정하는 Q-팩터 측정부를 포함한다.

Description

Q-팩터 검출 장치 및 그 방법 {Apparatus and method for Q-factor detection}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것이다.
무선 전력 송신기(Wireless Power Transmitter: Tx, 이하 '송신기'라 칭함) 주변의 외부물질(Foreign object: FO, 이하 'FO'라 칭함)은 무선 전력을 전송하려는 목표 소자가 아니면서 전력을 소모하는 물체를 통칭하는 것으로서, 전력 송신 효율을 감소시키는 문제를 발생시킨다. 특히, 수 100kHz 이하의 저주파로 구동되는 무선 전력 시스템에서는 금속소재의 FO가 고주파 무선 전력 시스템에 비해 상대적으로 높은 전력을 수신하게 된다. FO가 자기장(magnetic field)에 의해 에너지를 수신하게 되어 와전류(Eddy current)가 유기되면, 금속소재의 낮은 저항 성분 때문에 상당히 큰 전력이 소모될 수 있으며, FO가 가열될 수도 있다. 전자유도조리기(Induction cooker)에서 금속소재의 용기를 가열하는 것과 동일한 현상이 발생하는 것이다. FO는 전력 소모를 일으켜 효율을 감소시키기도 하고, 가열된 FO의 경우 사람이나 동물 접촉시 화상의 우려도 있다. 따라서, FO를 검출해서 보호하는 것이 매우 중요하다. 고주파 시스템에서는 와전류가 표피효과(skin effect)에 의해 금속 표면으로만 흐르기 때문에 상대적으로 FO의 저항성분이 커지는 효과가 있어서 많은 전류가 유기되지 않으므로 저주파 시스템에 비해 큰 문제가 되지 않는다.
FO 검출 방법 중 하나는 공진 파형을 이용하는 방식이다. 안테나 L과 커패시터 C로 구성된 송신 공진기에 전압을 인가하게 되면 LC 공진에 의해 공진 파형이 나타난다. 이때 인가한 전압은 스텝 펄스(step pulse) 형태의 DC 전압이므로, 전압이 갑자기 인가될 때의 에너지에 의해 LC 공진이 발생한다. 입력을 DC로 인가했으므로 공진 파형은 지속되지 않고 점차 그 진폭이 감소하여 공진은 소멸이 된다. 이때 안테나 L 근처에 금속소재의 FO가 있을 경우, 공진기의 자기공진(self resonance)에 의해 발생하는 자기장이 FO에 와전류를 유기시켜서 에너지가 소비된다. 따라서, 공진 파형은 에너지 손실에 의해 급속도로 진폭이 감소하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 전압을 인가하고 진폭이 유지되는 시간을 검출한다면 FO를 검출할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 정상적인 무선 전력 수신기(Wireless Power Receiver: Rx, 이하 '수신기'라 칭함)가 송신기 위에 있어도 이와 유사한 현상이 발생한다. 이 경우 정상적인 수신기를 FO로 판단하여 송신 동작을 정지한다면 무선 전력 전송을 할 수 없게 되므로 정상적인 무선 전력 전송이 이루어지지 않을 수 있다.
FO 검출 방법 중 다른 하나는 보조 안테나를 이용하는 방식이다. LC 공진이 감소하는 특성을 이용하여 FO를 검출하는 것은 전술한 공진 파형을 이용하는 방식과 유사하지만, 송신 안테나로 수신기를 프리차지(precharge) 하는 기능을 수행하고, 이후 보조 안테나로 FO를 검출하는 방법을 사용하여 정상적인 부하와 FO를 분리하여 검출하는 방식이다. 프리차지 방법에 의해 송신기에서 적은 양의 전력을 출력하여 수신기에 미리 에너지를 충전해 놓는다. 이후 작은 보조 안테나에 잠깐 에너지를 주어 자기공진을 발생시키게 되면 수신기가 이미 에너지를 충전한 상태이므로 작은 보조 안테나가 방사하는 에너지에는 반응을 하지 않게 된다. 따라서, 작은 안테나에서 방사된 에너지는 혹 존재할 수 있는 FO에만 작용하게 된다. 이때 공진 파형의 감쇄 속도로부터 FO의 유무를 판단할 수 있다. 해당 방식은 전술한 공진 파형을 이용하는 방식에 비해 정상적인 수신기와 FO를 분리하여 검출할 수 있으므로 훨씬 효과적이라 할 수 있다. 단, 보조 안테나가 필요한 것은 제조 원가가 증가하며 별도의 구동 회로가 필요하므로 단점이라 할 수 있다.
위 두 가지 방식에서 공진 파형이 급속하게 감소하는 것은 에너지를 소모하는 소자가 있기 때문이고, 이는 안테나를 포함한 공진기의 Q-팩터(quality factor: Q-factor, 이하 'Q'라 칭함)가 낮아지는 효과와 동일하다. 따라서, 공진기의 Q를 감지하고 감지된 Q 값이 너무 낮다면 FO가 있는 것으로 판단하여 전력 송신을 중단할 수 있다. 따라서 Q를 감지하는 것이 중요하며, 특히 정상적인 수신기가 Q에 영향을 미치는 것은 배제시킬 수 있어야 한다.
일 실시 예에 따라, 송신기 근처에서 송신기의 전력 손실을 유발할거나 과도한 발열을 유발할 수 있는 FO를 검출하는 방법 및 그 장치를 제안한다. 나아가, FO를 검출하기 위해 공진기의 Q를 안정적으로 측정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제안한다.
일 실시 예에 따른 Q-팩터 검출 장치는, 무선 전력 송신기를 구성하는 전력 증폭기가 송신 공진기에 전력을 공급할 때 송신 공진기 내 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선(envelope)을 검출하여 포락선 출력전압 VENV(t)을 제공하는 포락선 검출기와, 전력 증폭기가 전력 공급을 정지할 때의 포락선 초기값 V(0)을 저장 및 유지하는 샘플 및 홀드부와, 무선 전력 송신기 주변의 외부물질 존재 여부 판단을 위해, 포락선 출력전압 VENV(t)와 포락선 초기값 V(0)을 이용하여 송신 공진기의 Q-팩터를 측정하는 Q-팩터 측정부를 포함한다.
샘플 및 홀드부는, Q-팩터 검출을 위한 Q_DECT 신호를 제어신호로 입력받고, Q_DECT 신호가 low 상태가 될 때의 포락선 초기값 V(0)를 저장 및 유지할 수 있다.
포락선 검출기는, 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선을 검출하기 위해 다이오드 D1 및 커패시터 C1를 포함하는 회로와, 저항 R1 및 R2의 비율에 따라 포락선 검출기의 포락선 초기값 V(0)을 조절하는 저항 회로를 포함할 수 있다.
Q-팩터 측정부는, 포락선 검출기의 포락선 출력전압 VENV(t)와 샘플 및 홀드부의 포락선 초기값 V(0)을 비교하여 비교전압 VCOMP를 출력하는 비교기를 통해 포락선 출력전압 VENV(t)이 포락선 초기값 V(0)보다 낮아지는 시간을 측정할 수 있다. 이때, Q-팩터 측정부는 포락선 출력전압 VENV(t)가 포락선 초기값 V(0)의 1/N배 되는 시간 T1을 계산할 수 있다. Q-팩터 측정부는 Q-팩터 Q를 수식
Figure 112020038144567-pat00001
을 통해 계산하며, N은 포락선 검출기를 구성하는 저항들의 저항 비이고, ω0는 공진 주파수일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 Q-팩터 검출 장치는, 무선 전력 송신기를 구성하는 전력 증폭기가 송신 공진기에 전력을 공급할 때 송신 공진기 내 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선을 검출하여 포락선 출력전압 VENV(t)을 제공하는 포락선 검출기와, 포락선 출력전압 VENV(t)을 양자화하는 A/D 컨버터와, 무선 전력 송신기 주변의 외부물질 존재 여부 판단을 위해 포락선 출력전압 VENV(t)을 이용하여 송신 공진기의 Q-팩터를 측정하는 Q-팩터 측정부를 포함한다.
Q-팩터 측정부는, 일정 시간 T 이후 포락선 출력전압 VENV(T)를 측정하고, Q-팩터 Q는 수식
Figure 112020038144567-pat00002
을 통해 계산하며, V(0)는 전력 증폭기 동작이 정지할 때 포락선 초기값이고, ω0는 공진 주파수일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 Q-팩터 검출 방법은, 무선 전력 송신기를 구성하는 전력 증폭기를 통해 송신 공진기에 전력을 공급하고 포락선 검출기를 통해 송신 공진기 내 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선을 검출하여 포락선 출력전압 VENV(t)을 출력하는 단계와, 전력 증폭기가 전력 공급을 정지할 때의 포락선 초기값 V(0)을 측정하는 단계와, 포락선 출력전압 VENV(t)이 포락선 초기값 V(0)의 1/N배 되는 시간 T1을 계산하는 단계를 포함한다.
Q-팩터 검출 방법은, Q-팩터 Q를 수식
Figure 112018053286816-pat00003
을 통해 계산하는 단계를 더 포함하며, N은 포락선 검출기를 구성하는 저항들의 저항 비이고, ω0는 공진 주파수일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 Q-팩터 검출 방법은, 무선 전력 송신기를 구성하는 전력 증폭기를 통해 송신 공진기에 전력을 공급하고 송신 공진기 내 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선을 검출하여 포락선 출력전압 VENV(t)을 출력하는 단계와, 전력 증폭기가 전력 공급을 정지할 때 포락선 초기값 V(0)을 측정하는 단계와, 일정 시간 T 이후 포락선 출력전압 VENV(T)를 측정하는 단계를 포함한다.
Q-팩터 검출 방법은, Q-팩터 Q를 수식
Figure 112020038144567-pat00004
을 통해 계산하는 단계를 더 포함하며, V(0)는 전력 증폭기 동작이 정지할 때 포락선 초기값이고, ω0는 공진 주파수일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, (1) 송신기의 공진기 Q를 측정함에 있어서, 전력 증폭기가 공진기의 공진 주파수와 동일한 주파수로 구동하지 않아도 되고, (2) 공진 파형의 감쇄 시간을 측정하는 방법을 적용하여 수신기의 유무에 관계없이 FO의 존재 여부를 판단할 수 있으며, (3) 수신기의 유무에 관계없이 정확히 FO에 의한 Q에 비례하는 시간을 측정하여 Q를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 송신기 회로를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신기와 수신기 및 금속 소재의 FO 회로를 도시한 도면,
도 3은 도 2의 회로에서의 공진 파형을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 공진기에 에너지 공급이 중단된 시점의 송신 공진기의 등가 회로를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 Q-팩터 검출 장치의 구성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 방식을 구현한 송신기 회로를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 방식을 구현한 송신기 회로를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포락선 출력전압을 측정해서 소프트웨어로 Q를 측정하는 방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 송신기 회로를 도시한 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 일 실시 예에 따른 송신기(1)는 전력 증폭기(10)와 송신 공진기(12)를 포함한다. 도 1에서는 스위치 M1, M2(101, 102)로 구성된 D-클래스 전력 증폭기(class-D power amp)를 예를 들어 도시하고 있으나, 전력 증폭기(10)의 종류는 이에 한정되지는 않는다. 스위치 M1, M2(101, 102)는 스위칭 동작이 가능한 능동소자, 예를 들어 BJT, SiC FET, GaN FET 등의 소자로 대체하여도 동일한 기능을 수행할 수 있다. 스위치 M1(101)은 하이 측 스위치(High Switch: HS)로서, HS 펄스를 발생시키고, 스위치 M2(102)는 로우 측 스위치(Low Switch: LS)로서, LS 펄스를 발생시킨다. 스위치 M1, M2(101, 102)의 스위칭 동작(on, off)에 의해 전력 증폭기(10)가 구동하고 구동에 의해 유기된 전류가 송신 공진기(12)의 송신 안테나 L(120)에 공급된다.
송신 공진기(12)는 송신 안테나(Tx antenna) L(120) 및 공진 커패시터(Resonant capacitor) C(122)를 포함한다. 전력 증폭기(10)가 송신 공진기(12)에 전력을 공급할 때, 송신 안테나 L(120)이 형성하는 자기장 범위 내에 금속소재의 FO(3)가 존재한다면, FO(3)는 에너지를 수신하게 된다. 이러한 현상은 도 1의 (a)의 등가회로인 (b)에 도시된 바와 같이, 전력을 소비하는 저항소자 R(124)이 송신 공진기(12)에 연결된 것으로 등가화할 수 있다. 이때 저항소자 R(124)의 저항값이 크면 클수록 손실이 큰 것을 의미하고, 송신 공진기(12)의 Q는 낮아지게 된다.
도 1의 (a) 회로에서 송신 공진기(12)를 공진 주파수와 동일한 구동 주파수로 구동할 경우 커패시터 전압 Vc의 피크 전압(peak voltage)은 주파수 영역에서 수학식 1과 같이 해석될 수 있다.
Figure 112018053286816-pat00005
.. (수학식 1)
이때 구동 전압원 Vs(104)의 구동 주파수가 수학식 2의 공진 주파수 ω0와 동일하다고 가정한다.
Figure 112018053286816-pat00006
.. (수학식 2)
이때 R/L은 Q와 공진 주파수로 표현할 수 있으므로 최종적으로 아래와 같은 수학식3을 얻을 수 있다.
Figure 112018053286816-pat00007
.. (수학식 3)
수학식 3에 의하면, 커패시터 전압 Vc의 절대값, 즉 커패시터 전압 Vc의 크기 정보는 Q와 구동 전압 Vs의 크기 정보에 비례함을 알 수 있다. 구동 전압 Vs의 크기는 인가한 신호여서 이미 알고 있는 값이므로, 커패시터 전압 Vc의 크기만 측정한다면 Q를 구할 수 있게 된다. 이때 Q가 낮으면 FO가 있는 것이고, Q가 높으면 FO가 없는 안전한 상태일 것이다.
수학식만 보고 판단했을 때는 매우 간단하면서도 명쾌하게 Q를 측정하는 방법이 증명되지만, 이 방식에는 몇 가지 문제점이 있다. 이 방식을 사용하려면 송신 공진기(12)를 구동하는 구동 주파수가 송신 공진기(12)의 공진 주파수와 일치해야 하는데, 만약 FO(3)가 없는 상황이라면 송신 공진기(12)의 Q가 매우 높아서 매우 큰 전류가 흐르게 된다. 따라서 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 펄스 폭을 작게 해서 에너지 공급을 작게 해야지만 문제가 발생하지 않는다. 또 다른 문제는 수신기가 송신 안테나 L(120) 위에 있는 경우 수신기에 에너지를 공급하게 되므로 이때도 Q가 낮아지게 된다. 그러므로 FO(3)가 아님에도 불구하고 FO(3)로 판단할 수 있는 여지가 생기게 된다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 새로운 방법을 제안하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신기와 수신기 및 금속 소재의 FO 회로를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 회로에서의 공진 파형을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 송신기(1)의 스위치 M1, M2(101, 102)를 구동하여 송신 공진기(12)에 에너지를 전달하면 송신 안테나 L(120)은 자기장을 발생시키고 근처에 있는 수신기(2)와 FO(3)는 에너지를 수신하게 된다. 이때, 구동 주파수는 공진 주파수와 동일하지 않아도 상관없다.
스위치 M1, M2(101, 102)가 스위칭 동작(on, off)을 시작하여 버스트 구동 신호(burst drive signal)가 송신 공진기(12)에 인가되면, 송신 공진기(12)의 커패시터 전압 Vc이 도 3에 도시된 바와 같이 증가하기 시작한다. 이 증가하는 시간은 수신기(2)와 FO(3)에 영향을 받는다. 커패시터 전압 Vc를 포락선(envelope) 만을 본다면, 지수적으로 커패시터 전압 Vc의 피크 전압이 증가하게 되고 일정 시간 뒤에 정상 상태(steady-state)에 진입하여 일정한 폭을 갖게 된다. 이때까지 Q를 검출하기 위한 Q_DECT 신호는 high 상태이다. 이후 Q를 검출하기 위한 Q_DECT 신호가 low 상태가 되고, 이때 스위치 M1(101)을 off 하여 전력 공급을 중단하고 스위치 M2(102)를 on 하여 공진 전류가 흐를 수 있도록 한다면 커패시터 전압 Vc 파형은 감쇄하기 시작하여 진폭이 작아지게 된다. Q_DECT 신호는 Q-팩터 검출을 위한 제어신호이다.
송신 공진기(12)를 구동하는 동안 만약 수신기(2)가 있다면 수신 안테나 Lrx(20)에서 에너지를 수신하므로 수신기(2)의 정류기 출력전압 VRECT는 서서히 증가하게 된다. 정상상태에서는 일정한 진폭으로 정류기(rectifier)(22)를 구동하게 될 것이고 정류기 자체가 피크 검출기(peak detector)이므로 수신된 전압의 최대치를 커패시터 CRECT에 충전하게 된다. 따라서 Q_DECT 신호가 low 상태가 되는 시점에 송신 공진기(12)에 에너지 공급이 중단된다면 수신기(2)에 공급되는 에너지가 작아지므로 커패시터 CRECT를 충전할 정도가 되지 못한다. 따라서, 송신기(1)에서 방사된 에너지는 수신기(2)에 영향을 주지 않게 된다. 이때, FO(3)가 존재하면 FO(3)만 에너지를 수신하게 되므로 공진 전압이 감쇄하는 정도는 FO(3)의 유무에 따라 결정되게 된다. 따라서 공진 파형의 감쇄 시간을 측정한다면 FO(3)에 의해 변형된 Q를 측정할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 공진기에 에너지 공급이 중단된 시점의 송신 공진기의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 공진 파형의 감쇄 시간과 Q의 관계를 정확하게 분석해 본다. 도 4는 Q_DECT 신호가 low 상태가 되어 에너지 전송이 중단된 시점의 송신 공진기(12)의 등가 회로이다. 커패시터 C(122)에는 최대 전압이 충전(precharged)되어 있다고 가정할 수 있고, 커패시터 C(122)가 충전하고 있는 에너지가 소모될 때까지 공진이 유지될 것이다.
Q_DECT 신호가 low 상태가 된 시점의 공진 커패시터 전압을 V(0)라고 가정하고, 커패시터 전압 Vc를 구해 보면 수학식 4와 같다.
Figure 112018053286816-pat00008
.. (수학식 4)
수학식 5 및 6과 같이 파라미터를 정리한 후 수학식 4를 주파수 영역에서 시간 영역으로 변환해 본다.
Figure 112018053286816-pat00009
.. (수학식 5)
Figure 112018053286816-pat00010
.. (수학식 6)
위의 정리된 파라미터를 이용하여 커패시터 전압 Vc의 시간에 따라 변화되는 형태를 구하면 수학식 7과 같다.
Figure 112018053286816-pat00011
.. (수학식 7)
즉, V(0)로부터 지수적으로 감소하는 정현파가 발생한다. 이 수학식 7에서 정현파의 크기에 해당하는 포락선만을 VENV로 표현하면 수학식 8과 같다.
Figure 112018053286816-pat00012
.. (수학식 8)
수학식 8을 살펴보면 지수적으로 감소하는 정도가 Q에 영향받음을 알 수 있다. 그러나 초기값 V(0)가 수신기의 유무 혹은 FO의 유무에 따라 달라지는 값이므로, VENV의 감쇄 그 자체보다는 상대적인 감쇄 비율을 측정하는 것이 중요하다. 따라서, 수학식 8에서 VENV가 V(0)/N (VENV = V(0)/N)가 되는 시간 T1을 구해 보면, Q는 수학식 9와 같다.
Figure 112018053286816-pat00013
.. (수학식 9)
수학식 9로부터 V(0)와 관계없는 시간 T1과 Q의 관계식을 얻을 수 있다. 수신기의 유무에 따라 V(0) 값은 달라질 것인데, 수신기의 유무에 관계없이 FO에 의한 Q 변화를 측정할 수 있는 것이다. 수학식 9로부터 알 수 있듯이 Q가 클수록 감쇄 시간은 길어지게 된다.
또 다른 예로, 일정 시간 T 이후에 VENV(T)를 검출하는 방법을 생각할 수 있다. 일정 시간 T 이후의 VENV(T)는 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018053286816-pat00014
.. (수학식 10)
이 수학식 10으로부터 수학식 11과 같이 Q를 구할 수 있다.
Figure 112018053286816-pat00015
.. (수학식 11)
즉, V(0)를 알고 있다면 수학식 11에서와 같이 일정 시간 T 이후의 VENV(T)를 측정하거나, 수학식 9에서와 같이 VENV(t)가 V(0)보다 N배 낮아지는 시간을 측정하여 Q를 측정할 수 있음을 의미한다. 이상에서 설명한 Q를 측정하기 위해서는 도 5에 도시된 바와 같은 구성 요소가 필요하다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 Q-팩터 검출 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, Q-팩터 검출 장치(14)는 포락선 검출기(Envelop detector)(140), 샘플 및 홀드부(sample & holder)(142) 및 Q-팩터 측정부(Q-factor measurement block)(144)를 포함한다.
전력 증폭기(10)는 Q_DECT 신호가 high 상태(Q_DECT=H)인 구간 동안 스위치 M1, M2(101, 102)를 구동하는 HS, LS 펄스를 발생시킨다. 따라서 송신 안테나 L(120)은 에너지를 방사하게 된다. Q_DECT 신호가 Low 상태(Q_DECT=L)가 되면 HS=L, LS=H로 하여 에너지 공급은 중단하되 공진 전류는 스위치 M2(102)를 통해 흐를 수 있도록 한다.
포락선 검출기(140)는 송신 공진기(12)의 커패시터 전압 Vc의 포락선을 검출하는 회로이다. 포락선 검출기(140)의 출력이 VENV(t)가 된다. 이 포락선 검출기(140)의 출력전압을 Q_DECT 신호가 low 상태(Q_DECT=L)가 될 때 샘플 앤드 홀드부(142)를 이용하여 저장한다. 이때 저장된 값이 V(0)가 된다.
Q-팩터 측정부(144)는 V(0) 전압과 감쇄하는 VENV(t) 전압을 이용하여 Q를 측정한다. 이때 Q를 측정하는 방법은 수학식 9 및 수학식 11에 각각 기재되어 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 방식을 구현한 송신기 회로를 도시한 도면으로, 일정 비율로 감쇄하는 VENV(t) 전압을 측정하여 Q에 비례하는 시간을 측정하는 방법을 설명하기 위한 송신기 회로를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 포락선 검출기(140)는 다이오드 D1(1400), 커패시터 C1(1402), 저항 R1(1404) 및 저항 R2(1406)를 포함한다. 다이오드 D1(1400)과 커패시터 C1(1402)은 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선 검출 기능을 수행한다.
2개의 저항 R1, R2(1404, 1406)는 2개의 저항 R1, R2(1404, 1406)의 저항 비에 따라 포락선 검출기(140)의 출력을 변화시킨다. 예를 들어, 포락선 검출기(140)의 출력을 N배 낮추는 기능을 한다. 이때, N은 (1+R2/R1)이 된다. 만약 R1=R2라면, N=2가 된다. N은 양의 실수이다.
샘플 및 홀드부(142)는 스위치 M3(1420)와 커패시터 C3(1422)를 포함한다. 스위치 M3(1420)와 커패시터 C3(1422)는 샘플 및 홀드(sample & hold) 역할을 한다. 스위치 M3(1420)는 Q_DECT 신호를 입력받는다. 이때, Q_DECT 신호가 Low 상태가 되면 커패시터 C3(1422)에 저장된 V(0)을 유지(hold)하게 된다. 만약 R1=R2라면, N=2가 되고, VENV = V(0)/2가 되는 시간이 T1이다.
Q-팩터 측정부(144)는 비교기(comparator)(148) 또는 아날로그 디지털 컨버터(Analog-to-Digital converter: A/D 컨버터, 이하 'A/D 컨버터'라 칭함)(146)를 포함한다.
비교기(148)는 V(0) 전압과 포락선 출력전압 VENV(t)를 비교하여 VCOMP 신호를 출력한다. 비교를 통해, 포락선 출력전압 VENV(t)이 커패시터 C3(1422)에 저장된 V(0) 전압보다 낮아지는 시간(예를 들어, VENV 가 V(0)/N이 되는 시간 T1)을 측정할 수 있다.
이와 같이 Q를 측정한 후, FO가 없을 때의 Q를 측정해 두고 이 값보다 현저히 Q가 낮아졌을 때 FO가 있는 것으로 판단해서 송신기 전력 송신을 중단하면 외부물질 검출기(Foreign object detect: FOD)에 의한 보호(protection)가 완료된다.
아날로그 형태의 샘플 및 홀드부(142)와 비교기(148)를 사용하지 않고 포락선 출력전압 VENV(t)을 A/D 컨버터(146)로 양자화한 후 소프트웨어(software), 예를 들어 프로그램을 통해 동일한 기능을 수행할 수도 있다. 이때는 도 7에 도시된 바와 같은 절차로 Q 측정이 가능하다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포락선 출력전압을 측정해서 소프트웨어로 Q를 측정하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 일정 시간동안 전력 증폭기(10)를 동작시킨다(700). 전력 증폭기(10)는 Q_DECT 신호가 High 상태인 구간동안 동작한다. 이어서, 전력 증폭기(10)의 구동 동작이 정지할 때, 즉 Q_DECT 신호가 Low 상태가 되는 시점에 포락선 검출기(140)로 V(0)를 측정한다(702).
이어서, Q 측정방법 1에 따르면, 포락선 출력전압 VENV(t)가 V(0)보다 1/N배 되는 시간 T1을 측정(704)하고, 수학식 9에 따라 Q를 측정한다(706). 이에 비해, Q 측정방법 2에 따르면, 일정 시간 T 이후 포락선 출력전압 VENV(T)를 측정(708)하고, 수학식 11에 따라 Q-factor를 측정한다(710).
도 1 내지 도 7을 참조로 하여 전술한 바와 같이, 일 실시 예에 따른 Q-factor 측정 장치 및 그 방법으로 인해, (1) Q를 측정함에 있어서, 전력 증폭기가 공진기와 동일한 주파수로 구동을 하지 않아도 되고, (2) 공진 파형의 감쇄 시간을 측정하는 방법을 적용하여 수신기의 유무에 관계없이 FO의 존재 유무를 판단할 수 있으며, (3) 수신기의 유무에 관계없이 정확히 FO에 의한 Q에 비례하는 시간을 측정하여 Q를 측정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 무선 전력 송신기의 전력 증폭기가 송신 공진기에 전력 공급을 중지시킬 때 송신 공진기 내 공진 커패시터와 송신 안테나가 연결되는 지점의 전압 변화 포락선(envelope)을 검출하여 시간에 따라 변화하는 포락선 출력전압 VENV(t)을 제공하는 포락선 검출기;
    전력 증폭기가 전력 공급을 중지시키는 시점의 포락선 초기값 V(0)을 저장 및 유지하는 샘플 및 홀드부; 및
    무선 전력 송신기 주변의 외부물질 존재 여부 판단을 위해, 포락선 출력전압 VENV(t)이 감쇄하는 시간을 이용하여 송신 공진기의 Q-팩터를 측정하는 Q-팩터 측정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 샘플 및 홀드부는
    Q-팩터 검출을 위한 Q_DECT 신호를 제어신호로 입력받고,
    Q_DECT 신호가 low 상태가 될 때의 포락선 초기값 V(0)를 저장 및 유지하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 포락선 검출기는
    공진 커패시터와 송신 안테나가 연결되는 지점의 전압 변화 포락선을 검출하기 위해 다이오드 D1 및 커패시터 C1를 포함하는 회로; 및
    저항 R1 및 R2의 비율에 따라 포락선 검출기의 포락선 초기값 V(0)을 조절하는 저항 회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 Q-팩터 측정부는
    포락선 검출기의 포락선 출력전압 VENV(t)와 샘플 및 홀드부의 포락선 초기값 V(0)을 비교하여 비교전압 VCOMP를 출력하는 비교기를 통해 포락선 출력전압 VENV(t)이 포락선 초기값 V(0)보다 낮아지는 시간을 측정하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 Q-팩터 측정부는
    포락선 출력전압 VENV(t)가 포락선 초기값 V(0)의 1/N배 되는 시간 T1을 계산하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 Q-팩터 측정부는
    Q-팩터 Q를 수식
    Figure 112018053286816-pat00016
    을 통해 계산하며,
    N은 포락선 검출기를 구성하는 저항들의 저항 비이고,
    ω0는 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  7. 무선 전력 송신기의 전력 증폭기가 송신 공진기에 전력 공급을 중지시킬 때 송신 공진기 내 공진 커패시터와 송신 안테나가 연결되는 지점의 전압 변화 포락선(envelope)을 검출하여 시간에 따라 변화하는 포락선 출력전압 VENV(t)을 제공하는 포락선 검출기;
    포락선 출력전압 VENV(t)을 양자화하는 A/D 컨버터; 및
    무선 전력 송신기 주변의 외부물질 존재 여부 판단을 위해 일정 시간 T 이후 감쇄한 포락선 출력전압 VENV(T)을 이용하여 송신 공진기의 Q-팩터를 측정하는 Q-팩터 측정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 Q-팩터 측정부는
    일정 시간 T 이후 포락선 출력전압 VENV(T)를 측정하고,
    Q-팩터 Q는 수식
    Figure 112020038144567-pat00027
    을 통해 계산하며,
    V(0)는 전력 증폭기가 전력을 중지시키는 시점의 포락선 초기값이고,
    ω0는 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 장치.
  9. 무선 전력 송신기의 전력 증폭기가 송신 공진기에 전력 공급을 중지시킬 때 송신 공진기 내 공진 커패시터와 송신 안테나가 연결되는 지점의 전압 변화 포락선(envelope)을 검출하여 시간에 따라 변화하는 포락선 출력전압 VENV(t)을 출력하는 단계;
    전력 증폭기가 전력 공급을 중지시키는 시점의 포락선 초기값 V(0)을 측정하는 단계; 및
    포락선 출력전압 VENV(t)이 포락선 초기값 V(0)의 1/N배 되는 시간 T1을 계산하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 Q-팩터 검출 방법은
    Q-팩터 Q를 수식
    Figure 112018053286816-pat00018
    을 통해 계산하는 단계; 를 더 포함하며,
    N은 포락선 검출기를 구성하는 저항들의 저항 비이고,
    ω0는 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 방법.
  11. 무선 전력 송신기의 전력 증폭기가 송신 공진기에 전력 공급을 중지시킬 때 송신 공진기 내 공진 커패시터와 송신 안테나가 연결되는 지점의 전압 변화 포락선(envelope)을 검출하여 시간에 따라 변화하는 포락선 출력전압 VENV(t)을 출력하는 단계;
    전력 증폭기가 전력 공급을 중지시키는 시점의 포락선 초기값 V(0)을 측정하는 단계; 및
    일정 시간 T 이후 감쇄한 포락선 출력전압 VENV(T)를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 Q-팩터 검출 방법은
    Q-팩터 Q를 수식
    Figure 112020038144567-pat00028
    을 통해 계산하는 단계; 를 더 포함하며,
    V(0)는 전력 증폭기가 전력을 중지시키는 시점의 포락선 초기값이고,
    ω0는 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 Q-팩터 검출 방법.
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