KR102508492B1 - 무선 충전 송신기를 위한 피드백신호 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 신호를 송신하는 적어도 하나의 코일, 무선 전력 신호를 수신하는 무선충전 수신기로부터 인밴드(In-band) 통신을 통해 전달되는 피드백 신호를 수신하여 디지털 복조 신호로 변환하는 복조부, 디지털 복조 신호의 노이즈를 제거하고 디지털 복조 신호의 간격을 조절하여 복원 신호를 출력하는 신호 처리부, 및 복원 신호를 수신하여 무선충전 수신기의 상태를 인지하고 무선 전력 신호를 제어하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신기를 제공한다.

Description

무선 충전 송신기를 위한 피드백신호 처리 장치{Apparatus For Handling Feedback Signal In Wireless Power Transmitter}

본 발명은 무선 충전 기술에 관한 것으로서, 상세하게 무선 충전 수신기로부터 전달되는 피드백신호를 처리하기 위한 장치를 포함하는 무선 충전 송신기를 제공하는 것이다.

무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저, 고주파, 마이크로웨이브와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.

현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.

자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.

자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.

단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 전송 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 차량, IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.

무선 충전의 효율을 높이기 위해, 무선 충전 송신기에서 무선 충전 수신기로 전달하는 전력 신호가 더 세질 수 있다. 반면, 무선 충전 수신기가 무선 충전 송신기에 전달하는 피드백 신호는 무선 충전 송신기가 무선 충전 수신기에 전달하는 전력 신호보다 세기가 크게 작다. 예를 들어, 중 전력(약, 20~100W)의 전력 신호를 송수신하는 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기 간 인밴드(In-Band) 통신에 많은 노이즈가 발생할 수 있고, 이로 인하여 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기 간에 통신이 원활하지 않을 수 있다. 이 경우, 무선 충전 송신기가 수신하는 피드백 신호에 노이즈로 인한 왜곡이 발생하거나, 피드백 신호가 정상적으로 동기화되지 못하는 경우 무선 충전 송신기는 무선 충전 수신기가 전달하는 피드백 신호를 정상적으로 인지할 수 없게 된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명은 중 전력(20~100W)을 가지는 전력 신호를 송수신하는 충전 과정 중 전력 신호에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 통해 무선 충전 송신기에 전달되는 피드백 신호에 포함된 노이즈를 효과적으로 줄일 수 있는 장치와 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 충전 과정 중 전력 신호에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 통해 무선 충전 송신기에 전달되는 피드백 신호의 통신 주기를 조정할 수 있는 장치와 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 무선 충전 송신기와 무선 충전 수신기와의 원활한 통신을 위해 피드백 신호의 복조(Demodulation) 과정에서 발행하는 노이즈 문제를 해결할 수 있는 장치와 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 무선 충전을 위해 중 전력(20~100W) 혹은 그 이상의 전력 신호를 송출하는 무선 전력 송신 장치에서 무선 전력 수신 장치로부터 전달되는 피드백 신호의 노이즈를 제거하는 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 신호를 송신하는 적어도 하나의 코일; 상기 무선 전력 신호를 수신하는 무선충전 수신기로부터 인밴드(In-band) 통신을 통해 전달되는 피드백 신호를 수신하여 디지털 복조 신호로 변환하는 복조부; 상기 디지털 복조 신호의 노이즈를 제거하고 상기 디지털 복조 신호의 간격을 조절하여 복원 신호를 출력하는 신호 처리부; 및 상기 복원 신호를 수신하여 상기 무선충전 수신기의 상태를 인지하고 상기 무선 전력 신호를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 복원 신호의 주파수는 오차범위 ±4%이하의 2 kHz이고, 반 주기(half cycle time)가 200~300μs의 범위(한 주기(full cycle time)은 400~600μs의 범위)일 수 있다.

또한, 상기 복원 신호의 최대 천이 시간(Maximum transition time)은 100μs이고, 상기 복원 신호의 최소 유지 시간(Minimum stable time)은 150μs일 수 있다.

또한, 상기 무선 전력 신호는 0.8kHz~10GHz의 주파수 범위를 가질 수 있다.

또한, 상기 무선 전력 신호는 20~100W의 전력을 가질 수 있다.

또한, 상기 신호 처리부는 전원 전압을 인가 받아 적어도 두 개의 저항의 사이에서 기준 전압을 출력하는 기준 전압 결정기; 및 상기 디지털 복조 신호를 일측으로 수신하고, 상기 기준 전압을 타측으로 수신하여 비교 결과를 상기 복원 신호로서 출력하는 비교기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 적어도 두 개의 저항이 가지는 저항값은 상기 코일의 전자기 특성에 의해 결정될 수 있다.

또한, 상기 적어도 두 개의 저항이 가지는 저항값은 상기 무선 전력 신호의 전력에 대응하여 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 제어 방법은 무선 전력 신호를 송신하는 단계; 상기 무선 전력 신호를 수신하는 무선충전 수신기로부터 인밴드(In-band) 통신을 통해 전달되는 피드백 신호를 수신하여 디지털 복조 신호로 변환하는 단계; 상기 디지털 복조 신호의 노이즈를 제거하고 상기 디지털 복조 신호의 간격을 조절하여 복원 신호를 출력하는 단계; 및 상기 복원 신호를 수신하여 상기 무선충전 수신기의 상태를 인지하고 상기 무선 전력 신호를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 복원 신호를 출력하는 단계는 상기 디지털 복조 신호를 기준전압과 비교하여, 비교결과에 따라 상기 복원 신호를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 기준전압은 상기 무선 전력 신호를 전달하는 코일의 전자기 특성 또는 상기 무선 전력 신호의 전력 중 적어도 하나에 대응하여 결정될 수 있다.

상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 무선 충전 송신기에서 인밴드(In-band) 통신을 통해 수신한 피드백 신호을 복조(demodulation)하는 과정에서 발생한 노이즈를 제거할 수 있다.

또한, 본 발명은 무선 충전 송신기에서 피드백 신호가 복조되어 제어기에 전달되는 디지털 신호의 간격이 반 주기(half cycle time)가 200~300μs의 범위(즉, 한 주기(full cycle time)은 400~600μs의 범위)를 벗어나지 않도록 조정할 수 있어 전 부하조건(0W~60W)에서 디지털 신호가 왜곡되지 않고 인식될 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기와 무선 전력 송신기를 설명하는 도면이다.
도 5는 무선 전력 송신기의 복호부에서 출력된 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 신호 처리부의 저항값을 결정하는 방법을 설명한다.
도 8은 무선 전력 송신기의 제어 방법을 설명한다.
도 9는 무선 전력 송신기 내 신호 처리부의 효과를 설명한다.

이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 바닥 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송할 수도 있다. 이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단에는 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 일 예로, 무선 파워 전송 수단은 WPC(Wireless Power Consortium), AFA(AirFuel Alliance) 등의 무선 충전 기술 표준 기구에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium), AFA(AirFuel Alliance) 등에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 운송 장치의 일측에 장착될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송신된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(30)로 구성될 수 있다.

일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다. 여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.

상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.

일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.

반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 접속된 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다. 전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.

또한, 전자 기기(30) 사용자는 액정 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다. 이 경우, 전자 기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선 전력 송신단(10)에 전송함으로써, 일반 저전력 충전 모드를 고속 충전 모드로 전환시킬 수 있다.

도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

일 예로, 도면 부호 200a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신단(10)에 복수의 무선 전력 수신 장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 송신단(10)은 시분할 방식으로 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송신할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며. 다른 일 예로, 무선 전력 송신단(10)은 무선 전력 수신 장치 별 할당된 상이한 주파수 대역을 이용하여 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송신할 수 있다.

이때, 하나의 무선 전력 송신 장치(10)에 연결 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수는 무선 전력 수신 장치 별 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.

다른 일 예로, 도면 부호 200b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)은 복수의 무선 전력 송신 장치로 구성될 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며, 연결된 무선 전력 송신 장치들로부터 동시에 전력을 수신하여 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 수신단(20)과 연결된 무선 전력 송신 장치의 개수는 무선 전력 수신단(20)의 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.

일 예로, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩되도록 배치될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 서로 중첩되지 않게 배치되거나 하나의 송신 코일이 장착될 수도 있다.

무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송신한다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송신 절차가 개시되면 감지 신호(117)를 순차적으로 송신하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 소정 응답 신호-예를 들면, 감지 신호에 대응되는 수신 신호 세기 정보가 포함된 신호일 수 있으며, 이하 설명의 편의를 위해, 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116) 또는 신호 세기 패킷(Signal Strength Packet)이라 명함-가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송신 절차가 개시되면 감지 신호(127)를 순차적으로 송신하고, 신호 세기 지시자(126)가 수신된 송신 코일(111, 112) 중 전력 전송 효율(또는 충전 효율)-즉, 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태-이 좋은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 통해 전력이 송신되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.

상기의 도 3에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송신 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.

만약, 상기한 도 3의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 신호 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 신호 세기 지시자(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.

현재 출시되고 있는 무선 전력 송수신기는 5W 수준의 전력을 무선으로 송수신하고 있으나, 충전 시간을 단축하기 위하여 5W~15W 수준의 전력을 무선으로 송수신하기 위한 노력이 진행 중이다. 또한, 향후 20W~100W 수준의 전력을 무선으로 송수신하기 위한 준비가 필요한 상황이다. 예를 들어, 60W 수준의 전력을 무선으로 송수신하기 위해서는 5W~15W 수준의 전력을 송수신하는 구조로는 충전효율, 발열 및 안전성에 문제가 있어 적용을 하기 어려우므로 새로운 구조의 송수신기 제안이 필요한 상황이다. 따라서, 실시 예에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기는 20W~100W 수준의 전력, 예를 들어 60W 수준의 전력을 송수신할 수 있는 구조를 제안한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기와 무선 전력 송신기를 설명하는 도면이다.

도시된 바와 같이, 무선 전력 수신기(10)와 무선 전력 송신기(20)는 코일(16, 24)을 포함할 수 있다. 무선 충전 과정에서 무선 전력 송신기(20)의 코일(24)을 통해 전송되는 전력 신호는 무선 전력 수신기(10)의 코일(16)을 통해 수신될 수 있고, 무선 전력 수신기(10) 내 포함된 배터리 등의 전기에너지 저장 장치(미도시)에 저장될 수 있다.

무선 전력 수신기(10)는 코일(16)을 통해 전달된 전력 신호로를 정류기(12)를 통해 충전 가능한 전력으로 변환할 수 있다. 한편, 무선 전력 수신기(10)는 충전 과정에서 발생하는 여러 이벤트 등을 감지하고, 충전 상태 등을 확인하여 피드백 신호를 생성하는 수신기 제어부(14)를 포함할 수 있다. 피드백 신호는 변조(modulation)를 거쳐 코일(16)을 통해 인밴드(In-band) 통신 방법으로 무선 전력 송신기(20)에 전달될 수 있다.

무선 전력 송신기(20)는 코일(24)을 통해 피드백 신호를 수신할 수 있고, 수신된 피드백 신호를 복조(Demodulation)하는 복조부(26)를 거쳐 송신기 제어부(28)에 전달될 수 있다. 송신기 제어부(28)는 복조부(26)를 거쳐 전달되는 신호를 통해 무선 전력 수신기(10)의 상태를 인식할 수 있고, 인버터(22)를 제어하여 코일(24)을 통해 무선 전력 수신기(10)로 전달되는 전력 신호를 제어할 수 있다.

예를 들어, 무선 전력 송신기(20)가 무선 전력 수신기(10)로 전달하는 전력 신호는 중 전력(60Watt)의 크기를 가질 수 있다. 이 경우 전력 신호의 크기가 피드백 신호보다 상대적으로 매우 커서, 무선 전력 송신기(20) 내에 0~3A의 부하(Load)가 있는 경우에 복조부(26)에서 출력되는 신호에 노이즈가 발생하여, 송신기 제어부(28)에 정상적인 피드백 신호를 공급하는 것이 어려울 수 있다.

무선 전력 수신기(10)에서 변조(Modulation)하여 보내준 피드백 신호가 무선 전력 송신기(20) 내 송신기 제어부(28)에 왜곡되어 전달되는 경우, 송신기 제어부(28)는 피드백 신호를 정상적으로 판독할 수 없을 수 있다. 또한, 노이즈 등에 의해 신호의 간격 또는 신호의 주기가 달라져 표준 규격(예, WPC 표준 Qi 규격)을 벗어나는 경우 송신기 제어부(28)가 피드백 신호를 정상적으로 이해할 수 없게 된다.

도 5는 무선 전력 송신기의 복조부에서 출력된 신호를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 복조부(26, 도4참조)에서 출력되는 신호는 디지털 신호의 형태를 가질 수 있다. 다만, 복조부(26)에서 출력되는 신호에 노이즈가 발생하는 경우 신호의 형태가 일그러지거나 왜곡(48)될 수 있다.

표준 규격(예, WPC 표준 Qi 규격)에서 피드백 신호는 ±4%이하의 2 kHz의 주파수를 가질 수 있고, 반 주기(half cycle time)가 200~300μs의 범위(한 주기(full cycle time)은 400~600μs의 범위)를 가질 수 있다. 또한, 피드백 신호의 최대 천이 시간(Maximum transition time)은 100μs이고, 피드백 신호의 최소 유지 시간(Minimum stable time)은 150μs일 수 있다. 하지만, 도시된 바와 같이, 복조부(26)에서 출력되는 신호가 왜곡(48)에 의하여 표준 규격에서 요구하는 주기, 최소 유지 시간, 최대 천이 시간 중 적어도 하나라도 만족하지 못할 경우, 송신기 제어부(28, 도4참조)는 피드백 신호를 정상적으로 이해하지 못할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(30)는 무선 전력 신호를 송신하는 적어도 하나의 코일(34), 무선 전력 신호를 수신하는 무선충전 수신기(10)로부터 인밴드(In-band) 통신을 통해 전달되는 피드백 신호를 수신하여 디지털 복조 신호로 변환하는 복조부(36), 디지털 복조 신호의 노이즈를 제거하고 디지털 복조 신호의 간격을 조절하여 복원 신호를 출력하는 신호 처리부(40), 및 복원 신호를 수신하여 무선충전 수신기(10)의 상태를 인지하고 무선 전력 신호를 제어하는 제어부(38)를 포함할 수 있다.

신호 처리부(40)에서 제어부(38)로 전달되는 복원 신호의 주파수는 오차범위 ±4%이하의 2 kHz이고, 반 주기(half cycle time)가 200~300μs의 범위(한 주기(full cycle time)은 400~600μs의 범위)일 수 있다. 또한, 복원 신호의 최대 천이 시간(Maximum transition time)은 100μs이고, 상기 복원 신호의 최소 유지 시간(Minimum stable time)은 150μs일 수 있다.

한편, 실시예에 따라, 무선 전력 송신기(30)에서 무선 전력 수신기(10)로 전달되는 무선 전력 신호는 0.8kHz~10GHz의 주파수 범위를 가질 수 있으며, 무선 전력 신호는 20~100W의 전력을 가질 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 신호의 전력이 커지면 무선 전력 수신기(10)를 충전하는 시간을 단축시킬 수 있거나, 충전 효율을 증가시킬 수 있다.

실시예에 따라, 신호 처리부(40)는 전원 전압을 인가 받아 적어도 두 개의 저항(R1, R2)의 사이에서 기준 전압을 출력하는 기준 전압 결정기(44), 및 디지털 복조 신호를 일측으로 수신하고, 기준 전압을 타측으로 수신하여 비교 결과를 상기 복원 신호로서 출력하는 비교기(42)를 포함할 수 있다.

신호 처리부(40)는 기준 전압 결정기(44)와 비교기(42)만으로 복조부(36)에서 출력되는 디지털 복조 신호의 노이즈를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 디지털 복조 신호의 신호 간격을 조정하여 송신기 제어부(38)가 인식하는 데 어려움이 없는 복원 신호로 변환할 수 있다. 여기서, 기준 전압 결정기(44)에 포함되는 적어도 두 개의 저항(R1, R2)이 가지는 저항값은 코일(34)의 전자기 특성에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 코일(34)의 전자기 특성으로는 무선 충전 과정에서 발생하는 코일의 인덕턴스 등이 포함될 수 있다.

무선 전력 송신기(30)와 무선 전력 수신기(10)에 포함되는 코일의 특성이 일정한 경우, 무선 충전 과정에서 발생하는 코일의 전자기 특성은 일정할 수 있다. 이러한 특성은 복조부(36)에서 출력되는 디지털 복조 신호의 왜곡에 영향을 미칠 수 있는데, 이를 복원하기 위해 기준 전압 결정기(44)가 출력하는 기준 전압의 레벨을 결정하기 위해 적어도 두 개의 저항(R1, R2)이 가지는 저항값이 설정될 수 있다.

한편, 실시예에 따라, 적어도 두 개의 저항(R1, R2)이 가지는 저항값은 무선 전력 신호의 전력 또는 동작 주파수 등에 대응하여 결정될 수도 있다.

도6을 참조하면, 복조부(36)에서 출력되는 디지털 복조 신호를 비교기(42)의 제1입력단(- Input)에 입력시키고, 제2입력단(+ Input)에는 기준 전압을 입력할 수 있다. 비교기에 의해 기준 전압보다 큰 경우와 기준 전압보다 작은 경우로 나뉘어 디지털 복조 신호의 로우 레벨(low level)과 하이 레벨(high level)을 명확히 구분할 수 있고, 비교기(42)에 의해 이렇게 구분된 복원 신호에서 노이즈를 제거될 수 있다.

한편, 기준 전압을 결정할 수 있는 적어도 두 개의 저항(R1, R2)의 저항값, 보다 구체적으로는 두 개의 저항(R1, R2)의 저항값 비율을 조절하여 복원 신호의 신호간격이 표준 규격(예, WPC 표준 Qi 규격)을 만족하도록 조절할 수 있다.

도 7은 신호 처리부의 저항값을 결정하는 방법을 설명한다. 구체적으로, (a)는 복조부(36, 도6참조)에서 출력되는 노이즈가 포함된 디지털 복조 신호(52)를 설명하고, (b)는 신호 처리부(40)에서 출력되는 복원 신호(54)를 설명하며, (c)는 신호 처리부(40)에 포함된 적어도 두 개의 저항(R1, R2)의 저항값이 결정되는 것을 설명한다.

도7의 (a)를 참조하면, 디지털 복조 신호(52)는 노이즈로 인하여 신호 간격(예, 180μs, 320μs, 650μs)이 일정하지 않고 있으며, 천이되는 데 소요되는 시간이 서로 다를 수 있다. 무선 전력 송신기 내 디지털 복조 신호(52)가 제어부에 전달되는 경우, 정상적으로 신호의 의미가 인식되지 않을 수 있다.

도7의 (b)와 같이 표준 규격에서 설정하는 규격에 대응하는 신호 간격을 가지는 복원 신호(54)를 출력하기 위해서는 기 설정된 신호 간격(예, 250μs 또는 500μs)을 가지도록 조정할 수 있는 기준 전압의 레벨(예, 0.093V)을 산출할 수 있다. 여기서, 디지털 복조 신호(52)의 서로 다른 신호 간격을 조정하여 표준 규격에 맞추기 위한 기준 전압의 레벨은 무선 충전 수신기의 코일의 전자기 특성 또는 전력 신호의 세기 등에 의해 달라질 수 있다. 따라서, 무선 충전 수신기를 테스트하여 노이즈로 인해 왜곡되는 디지털 복조 신호(52)를 측정하고 기 설정된 신호 간격으로 조정하기 위한 기준 전압의 레벨을 테스트를 통해 검출할 수 있다. 기준 전압의 레벨(예, 0.093V)을 검출하면, 기준 전압의 레벨을 구현하기 위해 신호 처리부(40)에 포함된 적어도 두 개의 저항(R1, R2)의 저항값을 아래와 같은 수식을 통하여 결정할 수 있다.

노이즈는 무선 충전 송신기의 코일의 전자기 특성 또는 전력 신호의 세기 중 적어도 하나의 대응할 수 있다. 테스트를 통해 검출된 기준 전압의 레벨은 무선 충전 송신기를 사용하여 충전하는 과정에서도 노이즈의 영향은 매우 유사하게 반복될 수 있기 때문에, 테스트를 통해 결정된 신호 처리부(40)에 포함된 적어도 두 개의 저항(R1, R2)의 저항값을 추후에 조정할 필요가 크지 않을 수 있다.

도 8은 무선 전력 송신기의 제어 방법을 설명한다.

도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기의 제어 방법은 무선 전력 신호를 송신하는 단계(72), 무선 전력 신호를 수신하는 무선충전 수신기로부터 인밴드(In-band) 통신을 통해 전달되는 피드백 신호를 수신하여 디지털 복조 신호로 변환하는 단계(74), 디지털 복조 신호의 노이즈를 제거하고 디지털 복조 신호의 간격을 조절하여 복원 신호를 출력하는 단계(76), 및 복원 신호를 수신하여 무선충전 수신기의 상태를 인지하고 무선 전력 신호를 제어하는 단계(78)를 포함할 수 있다.

무선 전력 송신기가 송신하는 무선 전력 신호의 세기가 커지면서, 무선 전력 수신기로부터 전달되는 피드백 신호를 정상적으로 감지하기가 어려워질 수 있다. 인밴드 통신을 통해 전달되는 피드백 신호의 세기는 무선 전력 신호의 세기보다 매우 작고, 이로 인하여 피드백 신호에 노이즈가 발생할 수 있다. 한편, 피드백 신호를 수신하여 복조를 한 후에도, 복조된 디지털 신호가 여전히 노이즈에 영향을 받을 수가 있다. 이 경우, 무선 전력 송신기 내 제어부는 무선 전력 수신기로부터 전달되는 피드백 신호를 정상적으로 인지하기 어려울 수 있다. 무선 전력 송신기 내 제어부가 피드백 신호를 인지하는 데 어려움이 없도록 하기 위해, 신호 처리 과정을 두어 복조된 디지털 신호의 노이즈를 제거하고, 신호 간격을 조정할 수 있다.

또한, 도시되지 않았지만, 복원 신호를 출력하는 단계(76)는 디지털 복조 신호를 기준전압과 비교하여, 비교결과에 따라 복원 신호를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 기준전압은 무선 전력 신호를 전달하는 코일의 전자기 특성 또는 상기 무선 전력 신호의 전력 중 적어도 하나에 대응하여 결정될 수 있다.

도 9는 무선 전력 송신기 내 신호 처리부의 효과를 설명한다. 신호 처리부를 통해 피드백 신호를 가공하면, 다양한 부하 조건(0W~60W)에서 디지털 신호에 노이즈가 제어되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도9의 (1) 내지 (8)은 부하(Load)별로 무선 전력 송신기 내 제어부에 입력되는 복조된 신호(Demodulation)신호(62)와 제어부에서 신호인식 결과(64)를 테스트 장치를 통해 검출한 것을 표시하고 있다.

도9의 (1) 내지 (8)을 참조하면, 다양한 부하조건(0W~60W)에서 단 하나의 오류(Fail) 없이, 모든 신호가 정확하게 감지되었음을 확인할 수 있다. 입력되는 신호(62)중에 200~300us 간격 Spec에서 벗어나거나, 노이즈로 인해 인식이 불가한 경우 파형이 토글되도록 조정하는 방법을 통해 오류를 없앨 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (10)

1. 적어도 하나의 코일;
   수신 신호를 복조 신호로 변환하는 복조부;
   상기 복조 신호의 노이즈를 제거하여 복원 신호를 출력하는 신호 처리부; 및
   상기 복원 신호를 기반으로 무선 전력 신호를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 신호 처리부는
   전원 전압을 인가 받아 상기 코일의 전자기 특성에 의해 결정되는 저항값을 갖는 적어도 두 개의 저항의 사이에서 기준 전압을 출력하는 기준 전압 결정기; 및
   상기 복조 신호를 일측으로 수신하고, 상기 기준 전압을 타측으로 수신하여 비교 결과를 상기 복원 신호로서 출력하는 비교기를 포함하는 무선 전력 송신기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복원 신호의 주파수는 오차범위 ±4%이하의 2 kHz이고, 반 주기(half cycle time)가 200~300μs의 범위(한 주기(full cycle time)은 400~600μs의 범위)인 무선 전력 송신기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복원 신호의 최대 천이 시간(Maximum transition time)은 100μs이고, 상기 복원 신호의 최소 유지 시간(Minimum stable time)은 150μs인 무선 전력 송신기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 무선 전력 신호는 0.8kHz~10GHz의 주파수 범위를 가지는 무선 전력 송신기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 무선 전력 신호는 20~100W의 전력을 가지는 무선 전력 송신기.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 두 개의 저항이 가지는 저항값은 상기 무선 전력 신호의 전력에 대응하여 결정되는 무선 전력 송신기.
9. 수신 신호를 복조 신호로 변환하는 단계;
   상기 복조 신호의 노이즈를 제거하여 복원 신호를 출력하는 단계; 및
   상기 복원 신호를 기반으로 무선 전력 신호를 제어하는 단계를 포함하고,
   상기 복원 신호를 출력하는 단계는
   상기 복조 신호를 기준전압과 비교하여, 비교결과에 따라 상기 복원 신호를 결정하는 단계를 포함하고,
   상기 기준전압은 상기 무선 전력 신호를 전달하는 코일의 전자기 특성 또는 상기 무선 전력 신호의 전력 중 적어도 하나에 대응하여 결정되는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
10. 삭제

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