KR102612015B1 - 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템 - Google Patents

웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정적이면서 효율적인 전력 증폭 시스템의 구현을 위해, 수신부(부하측)에서 필요로 하는 적절량의 전력을 공급하여 안정적이면서 효율적인 전력 증폭 시스템을 구현하는 것으로, 기존의 전력 증폭기의 바이어스 전압을 가변시키어 송신부의 출력 전력을 제어하는 방식이 아닌 전력 증폭기의 동작 모드를 가변시키어 출력 전력을 제어함으로써 전력의 손실을 최소화하고, 동시에 수신부에서 필요로 하는 전력에 대응하는 전력을 공급하는 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
특히, 본 발명에서는 전력 전송 시스템의 송신부에 포함된 D급 전력 증폭기의 출력을 낮추고자 할 때, 바이어스 전압을 가변시키지 않고 2개의 트랜지스터 중 1개의 트랜지스터만 동작시켜 적절한 전력을 수신부에 공급하는 고효율 무선 충전전력 증폭 시스템을 제공한다.

Description

웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템{High-efficiency wireless charging power amplification system for wearable devices}
본 발명은 웨어러블 디바이스를 대상으로 무선 전력 전송을 구현할 때 전력 전송 효율을 높일 수 있는 무선 충전 전력 증폭 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 음향 증폭기에는 선형성이 우수한 A급, B급 및 AB급 증폭기가 채용되어 왔는데 이러한 형태의 증폭기는 대출력 증폭기를 구현할 경우, 막대한 전력 손실이 발생한다. 따라서 음향 증폭기에서 음성 에너지로 변환되어 출력되는 에너지 이외는 모두 열로 변환되어 버리기 때문에 증폭기의 온도가 증가하는 요인이 되며, 이를 강제로 냉각하기 위해서는 필연적으로 방대한 크기의 방열판이 필요하게 되므로, 결국 부피가 커지게 되는 단점을 갖게 된다 따라서, 위의 형태의 증폭기는 선형성은 좋은 장점을 갖는 반면 효율은 나쁘게 된다.
이러한 특징을 가장 극명하게 나타내고 있는 것이 A급 증폭기이다. A급 증폭기는 증폭기의 최대 출력보다 더 큰 출력손실이 존재하는 증폭기로 그 효율은 50%를 넘지 못하는 구조적인 결함이 있다.
한편, 이를 개선하기 위하여 채택하고 있는 푸시풀(push-pull) B급 증폭기의 경우에는, 에너지 손실을 줄이기 위하여 2개의 트랜지스터를 에미터 폴로워(emitter-follower) 형태로 결합하여 사용하는데, 효율은 비교적 높은 편으로 최대 78.5%까지 얻을 수 있으나 신호가 작은 경우 교차 왜곡(crossover distortion)이 발생하는 단점이 있다.
A급과 B급의 중간 형태인 AB급 증폭기는 무신호 시에도 소량의 전류가 흐르지만, 그 전류량은 A급 증폭기의 바이어스 전류보다는 훨씬 적은 양이다. AB급 증폭기의 특성은 바이어스 전류가 많이 흐를수록 A급에 근사하게 되는 반면, 바이어스 전류가 적게 흐를수록 B급에 근사해진다.
A급, B급 및 AB급 증폭기의 경우 손실량의 차이는 존재하지만 이론상 가해 주는 에너지의 21.5% ∼ 50%가 열로 손실되며, 실제는 40% ∼ 70% 정도가 열로 손실된다. 그 결과 방열을 위한 수단으로 방열판이나 냉각용 팬이 필요하게 된다. 그러나 방열판과 냉각용 팬의 부가는 결국 부피의 증가라는 문제와 강제 냉각용 팬의 소음 공해라는 문제를 유발하게 된다.
이러한 기존의 A급, B급 및 AB급 증폭기가 안고 있는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이 다름 아닌 D급 증폭기다.
통상 D급 증폭기를 이용한 음향기기의 원리는 스위칭 레귤레이터(switching regulator) 혹은 PWM(Pulse Width Modulation) 변환기와 동일한 원리를 갖지만, 다만 음향기기용 D급 증폭기가 PWM 변환기에 비하여 약 20Hz ∼ 20KHz의 상당히 넓은 범위의 가청주파수 대역의 밴드 폭을 갖는다는 점에서 서로 다르다.
D급 증폭기는 하이 파워 스위치가 이상적일 경우 이론적으로는 거의 100%의 효율을 얻을 수 있으나, 실제로는 스위칭 주파수에 비례하는 열 손실이 발생하며, 제어회로에서의 전력소비가 불가피하므로, 대략 90% 전후의 효율을 기대할 수 있다.
이러한 특성으로 인해 최근, 공진 전자기유도(resonant electromagnetic induction)를 이용한 무선 전송 시스템("에너지 전송 시스템"이라고도 한다)에서 상기 D급 증폭기를 많이 사용하고 있다.
일반적으로, 이러한 시스템은 전력을 공급받게 되는 디바이스(즉, 부하)에 연결된 수신 코일뿐만 아니라 전원과 송신 코일을 포함한다. 무선 전송 시스템은 전원으로부터 디바이스에 에너지를 전송하는데 사용되는 고주파 교류 자기장을 생성하도록 코일의 사용에 집중되어 있다. 전원은, 인가되는 전압과 전류가 변화함에 따라 변화하는 자기장을 송신 코일의 주위로 생성하는 송신 코일에, 에너지를 전압과 전류의 형태로 전달한다. 전자기파는 자유 공간을 거쳐 상기 코일에서부터 부하와 연결된 수신 코일로 이동한다. 전자기파가 수신 코일을 지나감에 따라, 안테나가 포획한 에너지에 비례하는 전류가 수신 코일에 유도된다.
무선 전송 동안에 전원과 부하가 연결될 때, 그 결과의 구성은 저 결합계수의 변압기를 효율적으로 형성한다. 이 결과의 변압기는 자화 인덕턴스보다 훨씬 더 클 수 있는 누설 인덕턴스를 갖는다. 이러한 조건에 있는 변압기 모델을 분석해보면 일차측 누설 인덕턴스가 거의 전적으로 에너지 전송 효율을 결정하는 것으로 나타난다.
누설 인덕턴스를 극복하기 위해, 일부 시스템은 누설 인덕턴스 양단의 전압을 증가시키고, 따라서 자화 인덕턴스를 증가시켜 결과적으로 전력 전달을 증가시키도록 공진을 사용한다.
다음, 도 1은 D급 증폭기(VMCD 증폭기)의 회로도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, D 증폭기(100)는 전력 증폭기(110)와 부하(120)를 포함한다. 전력 증폭기(110)는 전압원(VDD)과 접지 사이에 직렬로 연결된 2개의 트랜지스터(111,112)를 포함한다. 2개의 트랜지스터(111,112)는 하프 브리지 토폴로지를 형성하도록 180° 위상차로 구동된다. 통상적으로, 트랜지스터(111,112)는 예를 들어 인핸스먼트 모드 n채널 모스펫(MOSFET)일 수 있다. 또한, 전력 증폭기(110)는 공진 동조 회로를 형성하도록 부하(120)에 직렬로 연결되는 제1 커패시터(113) 및 인덕터(114)를 포함한다. 이러한 종래의 설계에 있어서, 전력 증폭기(110)는 증폭기(110)의 동작과 동일한 주파수의 공진을 갖도록 부하를 동조한다. 제로 전류 스위칭에도 불구하고 전력 증폭기(110)는 전압 전이가 일어날 때마다 트랜지스터(111,112)의 출력 커패시턴스(COSS)로 인해 높은 손실이 여전히 발생한다. 주파수가 증가함에 따라 손실도 또한 비례해서 증가한다.
따라서 무선 송전 시스템의 효율을 향상시키기 위해서는 부하의 상태(용량 갯수, 위치 등)에 따라 최적화된 전력 공급 및 송신 기술이 필요하다. 그러나 종래 무선 전력 송전 시스템은 부하의 상태 및 변화에 대해 가변적이지 않으며, 이에 따른 전력 손실이 발생하는 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 전력 증폭기의 바이어스 전압을 제어하는 방식이 많이 제안되고 있다.
그러나 바이어스 전압을 제어하여 전력의 손실을 최소화하기 위해서는 고가, 고성능의 AD 컨버터/DA 커버터 및 DSP와 복잡한 알고리즘이 필요한 실정이다.
특히, 2개의 트랜지스터를 사용하는 D급 전력 증폭기는, 2개의 트랜지스터가 서로 반대로 동작하며 전력을 공급하는 구조로서, 이 중 하나의 트랜지스터가 동작을 하지 않는 경우 D급 전력증폭기로서 정상 동작을 할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 웨어러블 디바이스의 충전 시, 웨어러블 디바이스의 수신부에서 낮은 전력의 요구에도 불구하고 높은 출력 전력을 계속 공급하게 됨으로써 전력이 낭비되어 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0972155호
본 발명은 안정적이면서 효율적인 무선 전력 증폭 시스템 구현을 위해, 송신부(부하측)에서 필요로 하는 적절량의 전력을 공급하여 안정적이면서 효율적인 전력 증폭 시스템을 구현하는 것으로, 기존의 전력 증폭기의 바이어스 전압을 가변시키어 송신부의 출력 전력을 제어하는 방식이 아닌 전력 증폭기의 동작 모드를 가변시키어 출력 전력을 제어함으로써 전력의 손실을 최소화하고, 동시에 수신부에서 필요로 하는 전력을 공급하는 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
특히, 본 발명에서는 무선 충전 전력 증폭 시스템의 송신부에 포함된 D급 전력 증폭기의 출력을 낮추고자 할 때, 바이어스 전압을 가변시키지 않고 2개의 트랜지스터 중 1개의 트랜지스터만 동작시켜 적절한 전력을 수신부에 공급하는 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템을 제공한다.
따라서 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로,
전원부;
상기 전원부의 출력 전압을 가변하여 출력하는 컨버터부;
직렬로 연결되는 적어도 2개의 제1, 제2 트랜지스터 및 상기 컨버터부에 신호 연결되고, 상기 제1, 제2 트랜지스터를 각각 제어하는 제1, 제2 구동드라이버를 갖는 전력 증폭부; 및
외부의 수신부와 신호 교환하고, 상기 전력 증폭부의 출력 전력을 수신부로 출력하는 송신부;를 포함하고,
상기 송신부에 감지되는 수신부의 필요 전력 값을 인지하고, 상기 필요 전력 값에 대응하는 출력 전압 값을 연산하며, 상기 연산된 출력 전압 값에 따라 상기 제1, 제2 구동드라이버를 제어하는 자동이득제어부; 및
상기 전원부에 신호 연결되고, 상기 자동이득제어부의 제어신호에 따라 전원부와 제1 트랜지스터를 신호 연결하거나 해제시키는 스위칭부;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 전력 증폭부는, 상호 직렬로 연결되는 제3, 제4 트랜지스터 및 자동이득제어부의 신호에 따라 상기 제3, 제4 트랜지스터를 제어하는 제3, 제4 구동드라이버가 더 구비되고,
상기 스위칭부는 송신부의 인덕터와 제4 트랜지스터의 커넥터에 신호 연결되며,
상기 자동이득제어부는 상기 제1 내지 제4 구동드라이브를 온(on) 시켜 상기 제1 내지 제4 트랜지스터가 온(on) 동작하는 제3 작동모드;를 더 포함한다.
본 발명은 무선 충전 전력 증폭 시스템은 송신부(부하측)에서 필요로 하는 적절량의 전력을 공급하여 안정적이면서 효율적인 전력 증폭 시스템을 구현하는 것으로, 기존의 전력 증폭기의 바이어스 전압을 가변시키어 송신부의 출력 전력을 제어하는 방식이 아닌 전력 증폭기의 동작 모드를 가변시키어 출력 전력을 제어함으로써, 부하에 전달하기 위한 최소한의 전력만을 송신부에 공급하여 불필요한 전력의 낭비를 최소화하여 충전 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 D급 전력 증폭기의 회동도
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템의 바람직한 실시예를 도시한 회로도
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템의 또 다른 일 실시예를 도시한 회로도
본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 기존의 전력 증폭기의 바이어스 전압을 가변시키어 송신부의 출력 전력을 제어하는 방식이 아닌 전력 증폭기의 작동모드를 가변시키어 출력 전력을 제어함으로써 출력 전력의 손실을 최소화하고, 동시에 수신부에서 필요로 하는 전력을 공급하여 고효율 전력 증폭 시스템을 제공하는 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템에 관한 것으로, 특히 본 발명의 송신부의 출력을 낮추고자 할 때 바이어스 전압을 가변시키지 않고 전력 증폭부에 구비되는 2개의 트랜지스터 중 1개의 트랜지스터만 작동시켜 적절한 전력을 송신부에 공급함으로써 전력 송신의 효율을 최대화할 수 있는 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템은, 소정의 전압을 출력하는 전원부(10)와; 상기 전원부(10)의 출력 전압을 각각의 소자가 구동될 수 있는 전압으로 가변하여 출력하는 컨버터부(20)와; 직렬로 연결되는 적어도 2개의 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)와 상기 컨버터(20)부에 신호 연결되고, 상기 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)를 각각 제어하는 제1, 제2 구동드라이버(41a,41b)를 갖는 전력 증폭부(40)와; 외부의 수신부와 신호 교환하고, 상기 전력 증폭부(40)의 출력 전력을 수신부로 출력하는 송신부(60); 상기 송신부(60)에 감지되는 수신부의 필요 전력 값을 인지하고, 상기 필요 전력 값에 대응하는 출력 전압 값을 연산하며, 상기 연산된 출력 전압 값에 따라 상기 제1, 제2 구동드라이버(41a,41b)를 제어하는 자동이득제어부(30); 및 상기 전원부(10)에 신호 연결되고, 상기 자동이득제어부(30)의 제어신호에 따라 전원부(10)와 제1 트랜지스터를 신호 연결하거나 해제시키는 스위칭부(50);를 포함한다.
상기 컨버터부(20)는 DC/DC 컨버터로, 전원부(10)의 전압을 상기 자동이득제어부(MCU,30)와 제1 구동드라이버(41a) 및 제2 구동드라이버(41b)의 구동에 필요한 전압(V1,V2)으로 각각 가변하여 출력하는 것이다.
상기 자동이득제어부(MCU,30)는 상기 컨버터부(20)로부터 출력되는 전압(V1)에 의해 구동하여 상기 제1 구동드라이버(41a) 및 제2 구동드라이버(41b)를 온(on)/오프(off) 제어하며, 송신부(60)에 감지되는 수신부(미도시)의 필요 전력 값을 인지하고, 상기 필요 전력 값에 대응하는 출력 전압 값을 연산하며, 상기 연산된 출력 전압 값에 따라 상기 제1, 제2 구동드라이버(41a,41b)를 제어하는 것이다.
상기 제1, 제2 구동드라이버(41a,41b)는 2개의 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)가 각각 신호 연결되며, 상기 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)는 상기 제1, 제2 구동드라이버(41a,41b)의 출력신호에 따라 온(on)/오프(off)되는 것으로, 2개의 제1, 제2 트랜지스터(41a,41b)가 교대로 작동하여 180° 위상차로 구동된다.
상기 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)는 BJT, FET, JFET, MOSFET, IGBT 등을 모두 포함한다.
상기 송신부(60)는 상기 전력 증폭부(40)에서 증폭된 출력 전력을 커패시터(61)와 인턱터(62)의 공진에 의해 수신부로 전송한다.
그리고 본 발명은 상기 자동이득제어부(MCU,30)의 제어신호에 따라 제1 트랜지스터(42a)를 전원부(10)와 신호 연결하거나, 제1 트랜지스터와(42a)와 전원부(10)의 신호 연결을 해제하고 전원부(10)와 제2 트랜지스터(42b)를 신호 연결하는 스위칭부(50)가 더 구비된다.
즉, 상기 스위칭부(50)는 자동이득제어부(30)의 제어신호에 따라 전원부(10)의 전압을 제1 트랜지스터(42a)로 인가하거나, 제1 트랜지스터(42a)와 신호 연결을 해제한 후 제2 트랜지스터(42b)와 신호 연결하여 전원부(10)의 전압을 제2 트랜지스터(42b)로 인가하는 스위칭 동작을 한다.
그리고 상기 전원부(10)와 스위칭부(50) 사이에는 쵸크인턱터(Lch,쵸크코일)이 직렬로 연결하여 잡음을 제거하여 전류를 일정하게 흐르도록 한다.
다음은, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템의 일실시예를 도 2 및 도 3을 참조하여 자세히 설명한다.
도 2는 자동이득제어부(MCU,30)의 제1 작동모드를 나타낸 것으로, 자동이득제어신호(30)의 제어신호에 따라 스위칭부(50)가 제1 트랜지스터(42a)의 커넥터에 연결되고(P1-P2), 제1 구동드라이버(41a) 및 제2 구동드라이버(41b)가 온(on) 되어 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)가 모두 온(ON) 작동하며, 이에 따라 전력 증폭부(40)로 입력되는 전력이 상기 제1 트랜지스터(42a)와 제2 트랜지스터(42b)에 의해 증폭되고, 증폭된 전력을 송신부(60)로 출력하게 된다.
상기 자동이득제어부(30)에 의한 제1 작동모드 상태에서 수신부의 필요 전력이 낮아져 송신부(60)로 공급되는 출력 전력 값을 낮추어야 할 경우, 상기 자동이득제어부(30)는 수신부에 전송할 송신부(60)의 필요 전력을 인지하고, 이를 연산하여 상기 제1 트랜지스터(42a)와 제2 트랜지스터(42b) 중 하나의 트랜지스터만을 구동하여 출력 전력 값을 수신부의 필요 전력에 대응하는 값으로 낮추거나 절반으로 줄임으로써 효율적으로 출력 전력을 제어하게 된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 자동이득제어부(30)는, 상기 제1 작동모드 상태에서 상기 스위칭부(50)에 제어신호를 전송하여 스위칭부(50)가 제1 트랜지스터(42a)와 전원부(10)의 신호 연결을 해제하고 제2 트랜지스터(42b)로 스위칭되어 신호 연결되며(P1-P3), 이로 인해 제1 트랜지스터(42a)가 오프(off)되어 제2 트랜지스터(42b)만이 작동하여 전력을 증폭하는 제2 작동모드로 전환된다. 여기서 상기 스위칭부(50)는 상기 제1 트랜지스터(42a)와 신호 연결 해제 시, 제2 트랜지스터(42b)의 커넥터와 송신부(60)의 커패시터(61) 사이에 신호 연결되고, 전원부(10)의 전압이 제2 트랜지스터(42b)로 인가되며, 상기 제1 트랜지스터(42a) 및 제1 구동드라이버(41a)는 오프(off)되어 구동을 멈춘다.
상술한 자동이득제어부(MCU,30)의 제2 작동모드는 2개의 트랜지스터(42a,42b) 중 하나의 트랜지스터만 사용함으로써, 전력 증폭부(40)에 입력되는 전력이 상기 제2 트랜지스터(42b)에 의해 증폭된 후 송신부(60)로 출력되며, 제2 작동모드에서 송신부(60)로 전송되는 출력 전력은 제1 작동모드의 약 1/2로 감소하게 된다.
즉, 본 발명은 기존의 D급 전력 증폭기에서 1개의 트랜지스터만 동작하는 경우 증폭기가 정상적으로 동작하지 않는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 평상시 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b) 모두를 구동하여 수신부에서 출력 전력을 공급하다가 수신부의 낮은 전력 요구 또는 변경에 따라 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b) 중 제2 트랜지스터(42b) 1개만을 구동하여 수신부의 필요 전력에 대응하는 적절한 전력을 증폭 및 생산하여 출력함으로써, 전력 증폭부(40)에서 증폭되어 출력되는 전력의 낭비를 줄여 효율적으로 출력 전력을 수신부에 공급할 수 있는 현저한 효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템은, H-bridge 및/또는 Full-bridge 증폭기를 기본으로 사용하는 경우, 수신부에 필요로 하는 전력이 감소될 때 동작모드를 변경하여 공급되는 전력량을 조절하여 고효율 전력 증폭 시스템을 구현할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예를 도시한 것으로, 상기 전력 증폭부에는 직렬로 연결되는 제3, 제4 트랜지스터(42c,42d) 및 자동이득제어부(MCU,30)의 신호에 따라 상기 제3, 제4 트랜지스터(42c,42d)를 제어하는 제3, 제4 구동드라이버(41c,41d)가 더 구비되고, 상기 스위칭부(50)는 송신부(60)의 인덕터(62)와 제4 트랜지스터(42d)의 커넥터에 신호 연결된다.
그리고 상기 자동이득제어부(30)는 상기 제1 내지 제4 구동드라이브(41a,41b,41c,41d)를 온(on) 시켜 상기 제1 내지 제4 트랜지스터(42a,42b,42c,42d)가 온(on) 동작하는 제3 작동모드를 구현하게 된다.
상기 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)는 직렬로 연결되고, 상기 제3, 제4 트랜지스터(42c,42d)도 직렬로 연결되며, 상기 제1, 제2 트랜지스터(42a,42a)와 상기 제3, 제4 트랜지스터(42c,42d)는 상호 병렬로 연결되어 브릿지(bridge)를 형성하며, 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)가 동시에 온(on)/오프(off)되고, 제3, 제4 트랜지스터(42c,42d)가 동시에 온(on)/오프(off)된다.
상기 제1 트랜지스터(42a)는 제3 트랜지스터(42c)와 동일한 위상으로 작동하고, 제2트랜지스터(42b)는 제4 트랜지스터(42d)와 동일한 위상으로 작동하며, 제1, 제3 트랜지스터(42a,42c)와 제2, 제4 트랜지스터(42b,42d)는 서로 번갈아 작동하여 180° 위상차로 구동된다.
제3 작동모드는 제1 내지 제4 트랜지스터(42a,42b,42c,42d)가 모두 작동됨으로 수신부에서 필요로 하는 높은 전력을 빠르게 송신부로 출력할 수 있는 장점이 있다.
상기 제3 작동모드 상태에서 수신부의 필요 전력이 낮아져 송신부에서 출력될 전력 값을 낮추어야 할 경우, 상기 자동이득제어부(30)는 수신부의 필요 전력을 인지하고, 이를 연산하여 한 쌍의 상기 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)와 한 쌍의 제3, 제4 트랜지스터(42c,42d) 중 어느 한 쌍의 트랜지스터(42a,42b or 42c,42d)만을 구동하여 출력 전력 값을 수신부의 필요 전력에 대응하는 값으로 낮추어 효율적으로 출력 전력을 제어하게 된다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 자동이득제어부(30)는, 상기 제3 작동모드 상태에서 상기 스위칭부(50)에 제어신호를 출력하여 스위칭부(50)가 제4 트랜지스터(42d)와 전원부(10)의 신호 연결을 해제하여 한 쌍의 제3, 제4 트랜지스터(42c,42d)가 오프(off)되며(P1-P3), 이로 인해 한 쌍의 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)만이 온(on) 동작하는 제4 작동모드로 전환된다.
상기 제4 작동모드는 상술한 제1 작동모드의 출력 전력과 동일한 출력 전력을 출력하고, 제4 작동모드에 의해 증폭되어 출력되는 전력은 제3 작동모드의 약 1/2로 낮춰지게 된다.
즉, 본 발명은 평상시 제1 내지 제4 트랜지스터(42a,42b,42c,42d) 모두를 구동하여 수신부에 출력 전력을 공급하다가 수신부의 낮은 전력 요구 및/또는 변경에 따라 제1 내지 제4 트랜지스터(42a,42b,42c,42d) 중 절반인 한 쌍의 제1, 제2 트랜지스터(42a,42b)만을 구동함으로써, 전력 증폭부(40)로 입력되어 증폭되는 전력의 낭비를 줄여 효율적으로 출력 전력을 수신부에 공급할 수 있는 현저한 효과가 있다.
본 발명은 2개 이상의 트랜지스터를 사용하는 전력 증폭기에 모두 적용 가능하다 할 것이고, 이로 인해 D급 전력 증폭기뿐만 아니라 E급, F급, 푸시풀(push-pull), 밸런스(balanced) 구조 및 또는 선형 증폭기 등의 전력 증폭기에 모두 적용 가능할 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 전원부 20 : 컨버터부
30 : 자동이득제어부(MCU) 40 : 전력 증폭부
41a,41b,41c,41d : 제1,제2,제3,제4 구동드라이버
42a,42b,42c,42d : 제1,제2,제3,제4 트랜지스터
50 : 스위칭부 60 : 송신부

Claims (6)

  1. 전원부;
    상기 전원부의 출력 전압을 가변하여 출력하는 컨버터부;
    직렬로 연결되는 적어도 2개의 제1, 제2 트랜지스터와, 상기 컨버터부에 신호 연결되고 상기 제1, 제2 트랜지스터를 각각 제어하는 제1, 제2 구동드라이버가 구비되며, 입력되는 전력을 증폭하여 출력하는 전력 증폭부;
    외부의 수신부와 신호 교환하고, 상기 전력 증폭부의 출력 전력을 수신부로 전송하는 송신부;
    상기 송신부에 감지되는 수신부의 필요 전력 값을 인지하고, 상기 필요 전력 값에 대응하는 출력 전압 값을 연산하며, 상기 연산된 출력 전압 값에 따라 상기 제1, 제2 구동드라이버를 제어하는 자동이득제어부;
    상기 전원부에 신호 연결되고, 상기 자동이득제어부의 제어신호에 따라 전원부를 제1 트랜지스터 또는 제2 트랜지스터와 신호 연결하는 스위칭부; 및
    상기 전원부와 스위칭부 사이에 구비되는 쵸크인턱터;를 포함하며,
    상기 자동이득제어부는,
    상기 스위칭부에 제어신호를 출력하여 제1 트랜지스터와 전원부를 신호 연결하고, 제1 및 제2 구동드라이버를 온(on) 시켜 제1 및 제2 트랜지스터가 온(on) 되며, 전력 증폭부로 입력되는 전력을 상기 제1 트랜지스터와 제2 트랜지스터를 통해 증폭하여 송신부로 출력하는 제1 작동모드; 및
    상기 제1 작동모드 상태에서, 수신부의 필요 전력이 낮아져 송신부로 공급되는 출력 전력을 낮추어야 할 경우, 제1 트랜지스터와 전원부의 신호 연결을 해제하여 제1 구동드라이버와 제1 트랜지스터가 오프(off)되도록 상기 스위칭부에 제어신호를 출력하고, 전력 증폭부로 입력되는 전력을 제2 구동드라이버에 의해 작동하는 제2 트랜지스터에 의해 증폭하여 수신부의 필요 전력에 대응하는 전력으로 낮추어 송신부로 출력하는 제2 작동모드;를 포함하며,
    상기 스위칭부는, 상기 제1 트랜지스터와 신호 연결 해제 시, 제2 트랜지스터의 커넥터 또는 제2 트랜지스터의 커넥터와 송신부의 커패시터 사이에 신호 연결되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 증폭부는,
    제3, 제4 트랜지스터 및 자동이득제어부의 신호에 따라 상기 제3, 제4 트랜지스터를 제어하는 제3, 제4 구동드라이버가 더 구비되고,
    상기 스위칭부는 송신부의 인덕터와 제4 트랜지스터의 커넥터에 신호 연결되며,
    상기 자동이득제어부는 상기 제1 내지 제4 구동드라이브를 온(on) 시켜 상기 제1 내지 제4 트랜지스터가 온(on) 동작하는 제3 작동모드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자동이득제어부는,
    제3 작동모드 상태에서, 스위칭부가 제4 트랜지스터와의 신호 연결을 해제하도록 상기 스위칭부에 제어신호를 출력하고,
    제3, 제4 구동드라이버를 오프(off)시켜 제3, 제4 트랜지스터가 오프되는 제4 작동모드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스를 위한 고효율 무선 충전 전력 증폭 시스템.
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