KR102309240B1 - 자기 시그니처를 갖는 전력 수신기 및 이를 작동시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
비접촉식 전력 시스템, 전력 수신기 및 이를 작동시키는 방법이 제공되며, 이 때, 상기 시스템의 전력 수신기는 상응하는 수신 코일 및 송신 코일의 비접촉식 전자기 커플링을 통해 상기 시스템의 전력 송신기에 의해 송신된 전력을 수신하도록 구성된다. 또한, 상기 전력 수신기는 상기 전력 수신기의 수신기 코일에 의해 전력 펄스를 수신할 때, 고유한 자기 신호를 상기 전력 송신기의 송신 코일에게 반사하기 위한 회로를 갖는다.
Description
본 발명은 비접촉식 유도 결합 전력 전달(inductively coupled power transfer; ICPT) 시스템들의 기술 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 비록 독점적이지는 않지만, 본 발명은 자기 시그니처(magnetic signature)를 제공하는 프리로드 회로(preload circuit)를 갖는 전력 수신기에 관한 것이다.
비접촉식 전력 시스템은 교번하는 자기장을 생성하는 전력 송신기, 그리고 상기 생성된 자기장에 결합되어 로컬 전력 공급을 제공하는 하나 이상의 전력 수신기들로 구성되는 것이 보통이다. 이러한 비접촉식 전력 수신기들은 상기 전력 송신기와 근접한 곳에 있지만, 상기 전력 송신기로부터 전기적으로 격리된다. 비접촉식 전력 수신기는 상기 전력 송신기에 의해 생성된 자기장에 의해 전류가 유도되는 전력 수신 코일을 포함하며, 그리고 전력을 전기적 부하로 공급한다.
통상적으로, 송신기 측과 수신기 측이 커플링되자마자 바로 상기 수신기 측 부하로 전력이 전달된다. 2012년 11월 5일에 출원된 출원인의 미국 가출원 제61/722,564호, "유도 결합 전력 전달 방법 및 시스템(Inductively coupled power transfer method and systems)"(2013년 11월 5일의 국제출원일을 가진 PCT 팜플릿 제2014/070026호로서 출원됨)에서, 저전력 대기 상태(standby state)를 갖는 전력 송신기에 대한 설명이 제공된다 : 상기 저전력 대기 상태에서, 상기 송신기는 전력 수신기의 커플링을 감지할 수 있으며; 오직 이러한 커플링이 감지될 때에만, 상기 송신기는 상기 대기 상태로부터 깨어나며, 또는 "활성화"된다; 그리고 그러한 커플링이 중단될 때, 상기 송신기는 저전력 대기 상태로 진입한다. 상기 미국 가출원의 전체 내용은 본원에 참고로 편입된다. 다양한 감지 회로 및 방법들이 설명되며, 일반적으로 다양한 감지 회로 및 방법들은 송신기 측 코일을 통한 낮은 에너지 펄스들의 전달, 그리고 상기 송신기 측 회로 내의 전기적 상태들의 변화 검출을 포함한다.
그러나 많은 ICPT 시스템들에서, 전력이 상기 수신기 측 부하에게 전달되기 전에, 송신기와 수신기 간의 호환성을 보장하는 것이 더욱 유리할 것이다.
예시적 실시예에 따라, 송신 코일을 갖는 전력 송신기 및 수신 코일을 갖는 전력 수신기를 포함하는 비접촉식 전력 시스템으로서, 상기 전력 수신기는 각각의 코일들의 비접촉식 전자기 커플링을 통해 상기 전력 송신기에 의해 송신된 전력 펄스를 수신하도록 구성되며, 상기 전력 수신기는 상기 전력 펄스의 수신 시, 고유한 자기 신호를 상기 송신 코일에게 반사하기 위한 프리로드 회로(preload circuitry)를 포함하는, 비접촉식 전력 시스템이 제공된다.
상기 전력 수신기의 프리로드 회로는 : 미리 정해진 시간 동안 상기 수신된 전력 펄스에 의해 상기 전력 수신기 내에서 생성된 에너지량을 감소시키는 스위칭 가능한 부하(switchable load)를 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 에너지량은 상기 고유한 자기 신호를 제공한다.
상기 스위치 가능한 부하는 : 상기 수신된 전력 펄스에 의해 상기 전력 수신기 내에 생성된 에너지의 선택된 양을 감소시켜, 선택된 자기 신호를 생성하도록 선택된 저항값들을 갖는 하나 이상의 저항성 소자들을 포함할 수 있다.
상기 전력 수신기의 프리로드 회로는 제1 용량성 소자를 포함할 수 있으며, 상기 제1 용량성 소자는 : 제1 시간 기간동안 상기 전력 펄스의 수신 시 충전하도록 구성되며; 그리고 상기 제1 시간 기간의 말기에 상기 스위치 가능한 부하의 스위칭을 유발하도록 구성된다.
상기 스위치 가능한 부하는 상기 제1 시간 기간의 말기에 off 상태로 전환될 수 있으며, 그렇게 함으로써 상기 스위치 가능한 부하에 의한 에너지 감소를 중단시킨다. 상기 제1 용량성 소자의 용량값들은 : 상기 제1 시간 기간으로 인해 상기 스위치 가능한 부하가 상기 수신된 전력 펄스에 의해 상기 전력 수신기 내에 생성된 에너지의 선택된 양을 감소시켜, 선택된 자기 신호를 생성하도록 선택될 수 있다.
상기 전력 수신기의 프리로드 회로는 제2 용량성 소자를 포함할 수 있으며, 상기 제2 용량성 소자는 : 상기 전력 펄스의 수신 시 충전하도록 구성되며; 그리고 상기 전력 펄스의 중단 시 방전하도록 구성되고, 이 때, 충전 및 방전 사이의 경과 시간은 제2 시간 기간을 제공하며, 상기 제2 용량성 소자는 상기 제1 용량성 소자에 연결되어, 상기 제2 시간 기간의 말기에 상기 제1 용량성 소자의 방전을 유발한다.
본 명세서에 통합되고 그리고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 실시예들을 예시하며, 그리고 상기에서 주어진 본 발명의 일반적인 설명 및 아래에서 실시예들의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원칙들을 설명하기 위해 기여한다.
도 1은 프리로드 회로를 포함하는 전력 수신기에 동작 가능하게 결합된(operatively coupled) 전력 송신기를 갖는 ICPT 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1의 프리로드 회로의 블록도를 도시한다.
도 3은 도 2의 프리로드 회로의 예시적 구현을 위한 전체 회로도를 도시한다.
도 4a는 상기 프리로드 회로의 동작 동안 상기 전력 송신기로부터 상기 전력 수신기에 의해 수신된 예시적 AC 입력의 뷰를 도시한다.
도 4b는 상기 프리로드 회로의 전압/전류 상태들의 뷰를 도시한다.
도 4c는 상기 프리로드 회로의 동작 동안 상기 전력 수신기의 중간 전압에 대응하는 전압 상태들의 뷰를 도시한다.
도 1은 프리로드 회로를 포함하는 전력 수신기에 동작 가능하게 결합된(operatively coupled) 전력 송신기를 갖는 ICPT 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1의 프리로드 회로의 블록도를 도시한다.
도 3은 도 2의 프리로드 회로의 예시적 구현을 위한 전체 회로도를 도시한다.
도 4a는 상기 프리로드 회로의 동작 동안 상기 전력 송신기로부터 상기 전력 수신기에 의해 수신된 예시적 AC 입력의 뷰를 도시한다.
도 4b는 상기 프리로드 회로의 전압/전류 상태들의 뷰를 도시한다.
도 4c는 상기 프리로드 회로의 동작 동안 상기 전력 수신기의 중간 전압에 대응하는 전압 상태들의 뷰를 도시한다.
도 1에 도시된 예시적 비접촉식 또는 유도 결합 전력 전달(inductively coupled power transfer; ICPT) 시스템은 전력 송신기(100) 및 전력 수신기(101)를 포함한다. 상기 송신기(100)는 자기장을 생성하기 위해 전력 송신 코일(103)을 구동하는 제어기(102)를 포함한다. 상기 송신 코일(103)은 교번하는 자기장을 생성하도록 구동될 수 있다. 상기 수신기(101)는 전력 수신 코일(105), 동조 회로(106), 정류기(107), 부하(108) 및 전력 조류 제어 회로(109)를 포함한다. 상기 수신 코일(105) 및 상기 동조 회로(106)는 공진 회로를 나타낸다. 상기 송신기(100)는 튜닝 컴포넌트(tuning component)를 가지거나 가지지 않은 유사 공진 회로를 포함한다.
상기 수신 코일(105)이 상기 송신 코일(103)에 근접할 때, 상기 전력 송신기(100)의 자기장은 상기 수신 코일(105)에 전류를 유도한다. 자기장이 교번함에 따라, 유도된 교번 전류는 상기 정류기(107)에 의해 정류되어 직류로 변환되며, 이에 따라 상기 부하(108)에게 DC 전력을 전달한다. 이를 달성하기 위해, 상기 정류기(107)는 하프-브리지(half-bridge) 정류기 또는 풀-브리지(full-bridge) 정류기일 수 있으나, 다른 구현들도 가능하다. 또한, 상기 수신기 측 부하에 AC 전력이 전달되는 구현들이 본 발명에 적용될 수 있다. 예를 들어 소비자 장치의 충전 가능한 배터리를 나타낼 수 있는 상기 부하(108)는, 용량성 및 저항성 소자들을 포함하는 것으로 묘사되었지만, 이는 단지 예시적일 뿐이며, 더 복잡한 부하들 또한 가능하다.
수신된 전력의 레벨은 상기 수신기(101)의 공진 회로가 상기 동조 회로(106)에 의해 공진하도록 유발되게 하는 주파수에 의존한다. 상기 송신기 및 수신기 공진 회로들의 공진 주파수들의 매칭은 최대 전력 전달을 가능하게 한다. 상기 수신기 측 부하에 전달되는 전력의 제어는 다수의 방식으로 제공된다. 예를 들어, 상기 송신기 측에서의 동작 주파수를 조정함으로써, 상기 수신기 측에서의 공진 주파수를 조정함으로써, 또는 상기 송신기 측에서의 동작 주파수 및 상기 수신기 측에서의 공진 주파수 모두를 조정함으로써 제어가 적용될 수 있다. 추가로, 상기 부하(108)에 대한 전력 조류 제어는, 부하의 전력 요건들이 충족되도록 상기 부하(108)에 전달되는 전력을 조절하는 상기 제어 회로(109)에 의해 제공된다. 예를 들어, 상기 제어 회로(109)는 상기 수신기 부하의 요건들에 따라 벅(Buck), 부스트(boost) 등 같은 구성을 갖는 전력 변환기일 수 있다.
통상적으로, 사용된 전력 조류 제어 체계(regime)와 상관없이, 상기 송신기 측 및 상기 수신기 측이 커플링되자마자, 전력은 상기 전력측 부하로 바로 전달된다. 본 발명은 상기 수신기 측 회로에 프리로드 회로를 포함시킴으로써, 이전에 참고로 편입된 미국 가출원 제61/722,564호에 기술된 검출 체계들(regimes)의 기능을 연장하여, 상기 수신기 측에 전력이 전달되기 전에 상기 송신기 및 상기 수신기 간의 호환성을 보장한다.
도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 ICPT 시스템은 상기 정류기(107) 및 상기 제어 회로(109)에 의해 제공된 정류 스테이지 및 전력 조류 제어 스테이지 사이에 프리로드 회로(110)가 더 제공된다. 상기 프리로드 회로(110)는, 라인(111)을 통해 수신된 상기 송신기의 검출 신호에 의해 상기 수신기 측 공진 회로에 유도된 비-정류된 수신 전력 Pin을 사용하여 동작하는 스위칭 회로의 제어 하에서, 상기 정류기(107)로부터 출력된 정류된 전압 Vint을 수신하는 스위칭 가능한 부하(switchable load)를 나타낸다. 상기 프리로드 회로(110)의 목적은 미리 정해진 시간 동안 상기 송신기 측 검출 신호에 의해 제공된 에너지를 줄여서, 상기 송신기에게, 고유한 수신기 검출 신호를 제공하기 위함이다. 이제 도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 프리로드 회로의 이러한 양상 및 다른 양상들이 설명된다.
도 2는 예시적 프리로드 회로(210)를 블록도로 도시하며, 그리고 도 3은 상기 프리로드 회로(210)를 예시적 전체 회로도로 도시한다. 도 2 및 도 3에 도시된 프리로드 회로들의 유사 소자들은 유사 참조 번호들로 라벨링되었다. 이제 본 발명의 프리로드 회로의 구성 및 예시적 동작이 설명된다.
상기 프리로드 회로(210)는 상기 정류된 전압 Vint을 수신하는 프리로드(211), 상기 프리로드(211)를 상기 전력 수신기 회로에 연결/분리하기 위한 프리로드 스위치(212), 프리로드 셋/리셋(set/reset) 회로(213) 및 프리로드 분리 회로(214), 그리고 상기 프리로드 회로(210)를 리셋하도록 작동하는 프리로드 리셋 스위치(215)를 갖는다. 상기 프리로드 셋/리셋(set/reset) 회로(213) 및 상기 프리로드 분리 회로(214)는 각각 작동을 위한 상기 수신된 전력 Pin을 수신하며, 상기 프리로드 스위치(212)의 동작의 타이밍 제어를 함께 제공한다. 또한, 상기 셋/리셋 회로(213) 및 상기 리셋 스위치(215) 사이에 있는 참조번호 216의 게이트 스위치, 그리고 상기 분리 회로(214) 및 상기 프리로드 스위치(212) 사이에 있는 참조번호 217의 게이트 스위치가 제공되며, 상기 게이트 스위치들(216, 217)은 프리로드 파워 서플라이(218)로부터의 보조 전력 Paux의 제어 하에 작동한다.
사용시, 상기 송신기 검출 신호로부터 수신된 AC 전력 Pin은 상기 프리로드 회로(210)를 활성화시키기 위해 입력되는 반면, 상기 전력 수신기(101)의 상기 정류 스테이지 및 상기 조절 스테이지의 중간에 있기 때문에 본원에서 "중간 전압(intermediate voltage)"이라고 지칭되는 상기 정류된 전압 Vint은 상기 프리로드 파워 서플라이(218)를 활성화시키기 위해 입력되어, 상기 프리로드 스위치(212) 및 상기 리셋 스위치(215)를 on 상태로 전환시킨다. 이는 상기 프리로드(211)가 상기 중간 전압 Vint에 의해 제공된 에너지를 소산함으로써 에너지 "폐기장(dump)" 또는 전력 "하수구(sink)"로서 행동하는 것을 가능하게 한다. 이러한 에너지 폐기장은 상기 전력 송신기(100)에게 되돌아가는 돌발적 돌입 전류(sudden current inrush)를 유발한다. 이전에 참고로 편입된 미국 가출원 제61/722,564호에 기술된 바와 같이, 그러한 반사된 돌입 신호는 상기 전력 수신기에 대한 커플링을 검출하기 위해 상기 전력 송신기에 의해 사용된다. 그러나 이전 전력 수신기 구성과는 달리, 본 발명의 상기 전력 수신기 내로의 프리로드 회로 추가는 상기 전력 수신기 커플링의 검출뿐만 아니라, 특정 전력 수신기 유형들의 식별을 가능하게 한다. 이제 이러한 식별이 설명된다.
상기 프리로드(211)는 상기 중간 전압 Vint에 대한 임피던스로 구성되며, 예를 들어, 도 3에서, 상기 프리로드(211)는 저항성 소자들을 포함하는 것으로 묘사되어 있다. 이에 따라, 상이한 값들을 갖는 그리고/또는 서로 다른 조합들로 저항들, 커패시터들 및/또는 인덕터들을 갖는 프리로드(211)를 구성함으로써, 상기 프리로드(211)에 의해 "폐기된(dumped)" 에너지양은 변경될 수 있으며, 이로써, 그와 연관된 반사 돌입 신호의 특성들을 변경시킨다. 이와 같이, 고유하게 구성된 프리로드 회로를 갖는 전력 수신기를 제공하는 것은, 특정 전력 수신기들을 식별하고 구별하기 위해 상기 전력 송신기에 의해 사용될 수 있는 상기 전력 수신기의 고유한 자기 신호(magnetic signal) 또는 시그니처(signature)를 제공한다. 이는 많은 이점들을 갖는다.
예를 들어, 전력 전달을 개시하기 위한 조건으로서, 단지 상기 송신기에 의해 송신되는 전력을 본질적으로(inherently) 수신할 수 있는 수신기의 커플링에만 의존하는 것 보다는, 본 발명의 ICPT 시스템은 전력 전달 전에 상기 송신기에 의해 상기 수신기를 검증하는 것을 가능하게 한다. 이러한 초기 검증(또는 응답확인방식(handshake)은 다음의 것들을 개별적으로 또는 다양한 조합들로 완전하지 않게(non-exhaustively) 포함하는 여러 가지 이유로 바람직하다 :
1) 향상된 안전성 : 금속 물체 같은 전기 전도성 물체들이 상기 송신기 코일에 근접할 때, 상기 송신기 코일에 전원이 공급되지 않는다. 이로써, 상기 물체들의 원하지 않는 가열을 방지하며, 이로써 향상된 소위 외부 물체 검출 기능(foreign object detection; FOD)을 제공한다;
2) 증가된 견고성(robustness) : 상기 송신기에 의해 구동되는 중인 호환성이 없는 수신기로 인한 상기 수신기 및/또는 송신기의 고장이 방지된다;
3) 증가된 효율 : 상기 송신기의 동작 주파수는 상기 검증된 호환 가능한 수신기의 공진 주파수로 동적으로 미세-조정될 수 있어서, 최대 전력이 전달된다;
4) 소비 전력 절감 : 호환성이 없는 수신기들 또는 외부 물체들이 상기 송신기의 작동 시작을 트리거하지 않기 때문에, 상기 송신기는 호환 가능한 수신기가 검출될 때까지 저전력 대기 상태 또는 슬립 모드(sleep mode)로 유지될 수 있다;
5) 향상된 호환성 : 다양한 호환 가능한 수신기들을 고유하게 식별할 수 있는 능력은, 전력의 적절한 양이 전달될 수 있어서, 단일의 송신기가 여러 서로 다른 유형들의 수신기들을 구동하는데 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 다양한 전력 레벨들을 전달하도록 구성된 송신기는 전달의 효과를 감소시키지 않으면서, 7.5W를 요구하는 스마트폰 뿐만 아니라 15W를 요구하는 태블릿을 충전하는데 사용될 수 있다; 그리고
6) 데이터 수집 : 상기 송신기 코일 및 상기 수신기 코일 간의 오정렬(misalignment) 등 같은 중요한 정보가 수집될 수도 있다.
본 발명의 상기 프리로드 회로(210)는 송신기-수신기 검출 체계들의 넓은 범위를 지원하도록 더 구성된다. 즉, 상기 전력 송신기는 상기 전력 수신기를 검출하기 위해 여러 에너지 펄스들을 연속적으로 송신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 송신기는 길이가 200 마이크로초인 에너지 펄스를 발송할 수 있으며, 그 후, 첫 번째 펄스와 동일한 유형(지속 시간 및 주파수)이거나 동일한 유형이 아닐 수 있는 다음 에너지 펄스를 감지하기 전에 50 마이크로초의 기간 동안 기다릴 수 있다. 이에 따라, 상기 프리로드 회로(210)는, 에너지 펄스가 수신되면 고유한 자기 시그니처가 신속하게 전달되고, 그 다음의 에너지 펄스들을 수신하기 전에 상기 회로가 상기 회로에 남아있는 에너지를 소산하도록 신속히 리셋되게 구성된다. 이는, 상기 송신기 에너지 펄스를 수신할 때 초기에 on 상태가 되고 그 뒤에 상기 셋/리셋 회로(213) 및 상기 분리 회로(214)의 작동에 의해 설정되는 미리 정해진 시간 후에 off 상태가 되는 상기 프리로드 스위치(212) 및 상기 프리로드 리셋 스위치(215)의 동작에 의해 달성된다. 상기 미리 정해진 시간은, 상기 프리로드 회로(210)의 분리 및 리셋이 수신기 검출을 위해 상기 전력 송신기에 의해 송신되는 단-기간 에너지 펄스들 간의 타이밍 이내에 발생하도록 설정된다. 상기 프리로드 회로의 분리는 차후의 에너지 펄스가 상기 프리로드 회로에 의해 폐기될 수 있게 하거나, 또는 상기 송신기로부터의 통상의 전력 송신 시 상기 제어 회로(109)를 통한 상기 부하(108)로의 통상의 전력 조류를 가능하게 한다. 상기 프리로드 회로 셋 및 리셋 타이밍은 후술하는 바와 같이 달성된다.
이제 도 3을 다시 참조하여, 프리로드 회로(210)의 예시적 전체 회로도가 설명된다. 상기 셋/리셋 회로(213) 및 상기 분리 회로(214) 각각은 전력 변환기들로서 구성된 용량성 및 저항성 소자들을 포함하며, 이로써, 상기 입력 AC 전력 Pin은 상응하는 용량 및 저항 값들에 따라, 상응하는 DC 신호들로 변환된다. 상기 게이트 스위치들(216, 217)은 반도체 스위치들로서, 즉 npn 유형의 양극성 접합 트랜지스터들로서 구성된다. 상기 npn 유형의 양극성 접합 트랜지스터들에서, 베이스들은 상기 상응하는 DC 신호를 수신하며, 에미터들은 그라운드에 연결되고, 그리고 콜렉터들은 참조번호 216의 게이트 스위치의 경우 상기 프리로드 리셋 스위치(215)에 연결되고 참조번호 217의 게이트 스위치의 경우 상기 프리로드 스위치(212)에 연결된다. 이러한 방식으로, 상기 셋/리셋 회로(213) 및 상기 분리 회로(214)로부터의 DC 신호들은 상기 게이트 스위치들(216, 217)을 작동시킨다.
또한 상기 프리로드 스위치(212) 및 상기 프리로드 리셋 스위치(215)도 반도체 스위치들로서 구성되지만, n형의 모스 전계 효과 트랜지스터들(nMOSFET)로서 구성된다. n형의 모스 전계 효과 트랜지스터들(nMOSFET)에서, 게이트들은 상응하는 풀 업 저항성 소자(219, 220)를 통해 상기 프리로드 파워 서플라이(218)로부터 상기 보조 전력 Paux을 수신하며, 소스들은 그라운드에 연결되며(도 2도 참고), 그리고 드레인들은 참조번호 212의 프리로드 스위치의 경우 상기 프리로드(211)에 연결되며, 참조번호 215의 프리로드 리셋 스위치의 경우 상기 게이트 스위치(217)의 베이스에 연결된다. 상기 프리로드 파워 서플라이(218)는 중간 전압 Vint의 수신 시 충전하여 상기 보조 전력 Paux을 상기 프리로드 스위치(212) 및 상기 프리로드 리셋 스위치(215)에게 보조 전력을 공급하고 이로써 상기 스위치들(212, 215)이 기본적으로 on 상태가 되도록 하는 용량성 소자를 포함한다. 또한 상기 프리로드 스위치(212)의 게이트 및 상기 프리로드 리셋 스위치(215)의 게이트는 각각 상응하는 게이트 전압 보호(Zener) 다이오드(221, 222)에 연결되어, 게이트-소스 전압들이 상기 nMOSFET들에게 허용된 최대 정격을 초과하지 않도록 보장한다.
상기 프리로드(211)에 의한 에너지 덤핑(dumping)을 중단시키기 위해, 상기 프리로드 스위치(212)는 제1 시간 기간 후에 상기 분리 회로(214)에 의해 off 상태가 된다. 그 후, 상기 프리로드 회로(210)는 리셋된다. 리셋은, 먼저, 상기 셋/리셋 회로(213)에 의해 상기 전력 송신기(100)로부터의 신호가 수신될 때 off 상태가 되고, 그 후 상기 전력 송신기(100)로부터의 신호가 중단되자마자 on 상태가 되는 상기 프리로드 리셋 스위치(215)에 의해 수행된다. 이는 제2 시간 기간을 제공한다.
특히, AC 전력 Pin의 수신은 상기 셋/리셋 회로(213)의 용량성 소자가 충전하도록 유발하여, 상기 게이트 스위치(216)를 킨다. 이는 상기 프리로드 리셋 스위치(215)의 트랜지스터 게이트를, 그것의 전술한 기본 high 상태로부터 끌어내리며, 이로써, 상기 프리로드 리셋 스위치(215)를 off 상태로 전환한다. 이는 상기 제1 시간 기간 및 상기 제2 시간 기간의 시작을 설정한다. 상기 리셋 스위치(215)가 off 상태로 전환되면, 상기 분리 회로(214)의 용량성 소자는 충전되며, 이로써 상기 게이트 스위치(217)를 on 상태로 전환시킨다. 이는 상기 프리로드 스위치(212)의 트랜지스터 게이트를, 그것의 전술한 기본 high 상태로부터 끌어내리며, 이로써, 상기 프리로드 스위치(212)를 off 상태로 전환한다. 이는 상기 제1 시간 기간의 끝을 설정한다. 상기 제1 시간 기간은 상기 게이트 스위치(217)가 활성화되기 전에 상기 AC 전력 Pin의 수신으로부터 딜레이를 유발하며, 이로써, 상기 프리로드 스위치(212)는 짧은 시간 동안 on 상태를 유지하며, 이렇게 하여 상기 프리로드(211)가 상기 송신기 에너지 펄스로부터의 에너지를 덤핑하여 상기 고유한 자기 시그니처를 형성할 수 있게 한다.
상기 셋/리셋 회로(213) 및 상기 분리 회로(214)의 상대적 구성들은, 상기 프리로드 리셋 스위치(215)는 재빨리 off 상태로 전환되도록, 그리고 상기 분리 회로(214)의 전압이 상승할 수 있도록, 상기 저항성/용량성 소자들의 저항/용량 값들에 대한 적절한 선택에 의해 선택된다. 예를 들어 더 크거나 더 작은 저항/용량 값들을 갖는 저항성 소자들 및/또는 용량성 소자들을 선택함으로써, 상기 분리 회로(214)에 의해 제공된 상기 제1 시간 기간을 선택하는 것은, 상기 자기 시그니처를 변경함으로써 서로 다르고 고유한 자기 시그니처들을 형성하는 또 다른 메커니즘을 제공한다.
상기 AC 전력 Pin이 제거될 때, 즉, 상기 송신기 에너지 펄스가 중단될 때, 상기 셋/리셋 회로(213)의 용량성 소자는 방전하며, 이로써 게이트 스위치(216)를 off 상태로 전환시키며, 상기 보조 전력 Paux 및 상기 풀업 저항성 소자(220)의 영향 하에서 상기 프리로드 리셋 스위치(215)가 다시 high 상태가 되도록 한다. 그 결과, 상기 리셋 스위치(215)는 다시 on 상태가 되며, 이로써 상기 제2 시간 기간의 끝을 설정한다. 이는 상기 분리 회로(214)의 전압을 단락시키며, 이로써 상기 분리 회로(214)의 용량성 소자를 방전시키고, 상기 프리로드 회로(210)를 리셋한다. 예를 들어 상기 저항성/용량성 소자들의 저항/용량 값들에 대한 적절한 선택에 의해, 상기 게이트 스위치(216)의 동작을 위해 가능한 최소 시간을 설정하도록 상기 셋/리셋 회로(213)를 구성하는 것은 상기 차단 회로(214)가 가능한 한 신속하게 방전될 수 있게 한다. 이에 따라 상기 프리로드 회로(210)는 빠르게 리셋되어, 상기 송신기로부터의 임의의 차후 에너지 펄스 때까지 준비된다.
당업자는 도 3에 포함된 회로 소자들 및 그것들의 각각의 값들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 ICPT 시스템의 작동 및 이점들을 제공하면서 다른 구성들 및/또는 값들이 선택될 수 있다는 것을 이해한다. 이와 유사하게, 본 명세서에 설명된 임의의 값들 또한 단지 예시적인 것이다. 추가로, 본 발명의 프리로드 회로는 정류 스테이지 및 전력 조류 제어 스테이지 사이에서 상기 ICPT 전력 수신기의 "중간"(또는 "정류된") 스테이지에 위치한 것으로 설명되었다. 당업자는 본 발명의 ICPT 시스템의 작동 및 이점들을 제공하면서 상기 전력 수신기 내의 상기 프리로드 회로를 위한 다른 및/또는 상이한 위치들이 사용될 수 있다는 것을 이해한다. 또한, 당업자는, 상기 전력 수신기가 상기 송신기를 검증하기 위해 상기 전력 송신기에게 통신 신호들을 송신하도록 구성된다면, 상기 프리로드 회로를 상기 전력 수신기 내에 위치시키는 것 대신에, 또는 상기 프리로드 회로를 상기 전력 수신기 내에 위치시키는 것에 추가하여, 상기 프리로드 회로를 상기 전력 송신기에 위치시키는 것도 가능하며, 여전히 본 발명의 ICPT 시스템의 동작 및 이점들을 제공할 수 있다는 것을 이해한다.
이제 도 3의 예시적 회로에 관해 도 4를 참조하여 상기 프리로드 회로의 예시적 동작이 설명된다. 이 예에서, 상기 수신기(101)가 상기 송신기(100)로부터 AC 전력을 수신할 때, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 송신기(100)에 의해 상기 수신기(101)에게 송신된 초기 '핑(ping)' 전력 신호 동안, 상기 중간 전압 Vint은 상기 프리로드 스위치(212)의 게이트에 충분한 전압이 존재할 때까지(도 4b의 포인트 B), 급작스럽게 증가한다(도 4c에서 영역 A). 이 지점에서, 상기 프리로드 스위치(212)는 'on' 상태가 되며, 상기 중간 전압의 상당히 순간적인 붕괴를 유발한다(도 4c의 포인트 C). 왜냐하면 (상대적으로 매우 작은 값(예를 들어, 약 5 Ohm 내지 10 Ohm)이도록 선택된) 상기 프리로드(211)는 그라운드에 단락되기 때문이다. 상기 프리로드 스위치(212)의 게이트는 특정 기간 동안(예를 들어, 약 200 마이크로초 내지 500 마이크로초 동안)(도 4b의 기간 ton) 'high' 상태를 유지하며, 그 후, 상기 분리 회로(214)에 의해 'low' 상태로 전환된다(도 4b에서 포인트 D). 이는 상기 중간 전압 Vint이 상기 수신기(100)의 정상 작동의 일반적인 수준으로 돌아가도록 유발한다(도 4c의 포인트 E). 이는 상기 프리로드 회로(210)가 정상-상태(steady-state) 작동에 진입하는 지점이다. 상기 정상-상태 작동 동안, 상기 프리로드 스위치(212)의 게이트 전압은 'low' 상태를 유지하며, 상기 프리로드 스위치(212)는 off 상태를 유지한다(도 4b 및 도 4c의 기간 F).
상기 전력 송신기(1000)가 전력을 송신하는 것을 중단할 때, 상기 전력 수신기(101)로의(그리고 상기 프리로드 회로(210)로의) AC 입력은 중단된다(도 4a의 포인트 G). 이는 상기 프리로드 스위치(212)의 게이트 전압이 'high'상태가 되도록 한다(도 4b의 영역 H). 이에 따라 상기 프리로드 스위치(212)는 on 상태가 되며, 상기 중간 전압은 상기 프리로드(211)를 통해 그라운드로 단락된다(도 4c의 영역 I). 상기 전력 수신기(101)에 저장된 에너지 전부는 소산되며, 전체 프리로드 회로(210)는 (도 4b의 기간 toff 후에) 상기 프리로드 리셋 스위치(215)의 작동을 통해 재빨리(예를 들어, 약 50 ms 내에) 리셋된다. 이제 상기 프리로드 회로(210)는 상기 전력 송신기로부터의 다음 AC 펄스에 응답할 준비가 되었다.
본 발명이 본 발명의 실시예들의 설명에 의해서 예시되었으며, 그리고 본 실시예들이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 그런 상세한 내용으로 제한하거나 어떤 방식으로 한정하려는 의도가 아니다. 추가적인 이점들 그리고 수정들은 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에게는 쉽게 나타날 것이다. 그러므로, 본 발명의 더 광범위한 모습들에서 본 발명은 특정 상세한 내용들, 대표적인 장치 및 방법 그리고 도시되고 설명된 예시적인 예들로 한정되지 않는다. 따라서 일반적인 특허 개념의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않으면서도 그런 상세한 내용들로부터의 이탈들이 만들어질 수 있다.
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- 비접촉식 전력 시스템을 위한 전력 수신기로서, 상기 전력 수신기는 수신 코일을 갖고, 전력 송신기의 송신 코일과의 비접촉식 전자기 커플링을 통해 상기 전력 송신기에 의해 송신되는 전력 펄스를 수신하도록 구성되며,
상기 전력 수신기는, 상기 전력 펄스의 수신시에 자기 신호를 상기 송신 코일로 반사하기 위한 프리로드 회로(preload circuit)를 포함하고,
상기 전력 수신기의 상기 프리로드 회로는 차단 회로, 스위칭 가능한 부하 및 스위치를 포함하고, 상기 차단 회로는 용량성 소자 및 저항성 소자를 포함하며,
상기 스위칭 가능한 부하는, 상기 자기 신호를 제공하기 위해 제1 시간기간 동안, 상기 수신된 전력 펄스를 이용하여 상기 전력 수신기에서 생성되는 에너지의 양을 싱크하기 위해 상기 저항성 소자의 저항과 상기 용량성 소자의 용량에 의존하는 DC 신호를 사용하여 스위치하도록 구성되며,
상기 용량성 소자는 상기 제1 시간기간 동안 상기 전력 펄스의 수신시에 충전하도록 구성되는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제1 시간기간의 끝에서 상기 스위치의 스위칭을 유발하는 DC 신호를 제공하는, 전력 수신기. - 제7항에 있어서, 상기 프리로드 회로는,
상기 전력 펄스의 수신에 이어지는 상기 제1 시간기간의 시작; 및
상기 전력 펄스의 수신에 이어지는 상기 제1 시간기간의 끝
을 설정하도록 구성되는, 전력 수신기. - 제7항에 있어서, 상기 제1 시간기간은 200-500 마이크로초인, 전력 수신기.
- 제7항에 있어서,
상기 스위치의 스위칭은 상기 제1 시간기간의 끝에서 상기 스위칭 가능한 부하의 스위칭을 유발하는, 전력 수신기. - 제10항에 있어서, 상기 제1 시간기간의 끝에서 상기 스위칭 가능한 부하의 스위칭을 유발하는 것은 상기 스위칭 가능한 부하를 분리하여 상기 스위칭 가능한 부하에 의한 에너지의 감소를 중지시키는 것을 포함하는, 전력 수신기.
- 제7항에 있어서, 상기 프리로드 회로는 상기 전력 펄스의 수신시에 충전되고 상기 전력 펄스의 중단시에 방전되도록 구성되는 제2 커패시터를 포함하고, 충전과 방전 사이의 경과 시간은 제2 시간기간을 제공하고, 상기 제2 커패시터는 상기 제1 커패시터에 연결되어 상기 제2 시간기간의 끝에서 상기 제1 커패시터의 방전을 유발하는, 전력 수신기.
- 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 가능한 부하는 선택된 인덕턴스 값을 갖는 유도성 소자를 포함하는, 전력 수신기.
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Legal Events
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| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |