KR102622053B1 - 전자장치, 디스플레이 장치 및 그 장치들의 구동방법 - Google Patents

전자장치, 디스플레이 장치 및 그 장치들의 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 전자장치, 디스플레이 장치 및 그 장치들의 구동방법에 관한 것으로서, 본 개시의 실시예에 따른 디스플레이 장치는 외부 장치에 의해 발생된 유도 기전력을 이용하여 전압을 생성하는 공진 회로부, 공진 회로부의 출력 전압을 정류시키는 정류부, 및 외부 장치와의 거리에 따라 결정된 목표 전압 및 듀티 정보를 근거로 듀티를 가변하여 정류부의 정류 전압을 목표 전압으로 출력하는 컨버터를 포함할 수 있다.

Description

전자장치, 디스플레이 장치 및 그 장치들의 구동방법{Electronic Apparatus, Display Apparatus, and Driving Method Thereof}
본 개시는 전자장치, 디스플레이 장치 및 그 장치들의 구동방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 가령 DTV와 같은 디스플레이 장치가 그 주변장치와의 거리에 관계없이 전력을 수신하여 목표 전력을 일정하게 유지하는 전자장치, 디스플레이 장치 및 그 장치들의 구동방법에 관한 것이다.
무선전력전송(wireless power transfer)은 전선 없이 전력을 전송할 수 있는 기술을 가리킨다. 언제 어디서나 무선 어댑터만 있으면 인터넷에 접속할 수 있는 와이파이(Wi-Fi) 기술에 비유해 와이파워(Wi-power)라고도 한다.
스마트폰 무선충전에 활용되는 자기유도(Inductive Power Transfer System, IPTS) 방식, 전기차, 고속철 등에 활용이 추진되고 있는 자기공진(Coupled Magnetic Resonance System, CMRS) 방식, 그리고 우주태양광발전에 활용하기 위해 기술을 개발 중인 원거리 마이크로파 방식 등이 있다.
최근 들어서는 유선의 거추장스러움을 개선하고, 인테리어 측면에서 이러한 기술을 TV와 같은 디스플레이 장치에 적용해 보려는 욕구가 발현하고 있다.
물론 위의 기술을 그대로 TV에 적용할 수 있겠지만, TV의 특성상 벽걸이용으로 사용하는 경우 사용자들마다 다양한 공간에 다양한 형태로 설치될 수 있기 때문에 이로 인해 안정된 전력 전송이 어려운 문제가 발생하게 된다.
본 개시의 실시예는 가령 DTV와 같은 디스플레이 장치가 그 주변장치와의 거리에 관계없이 전력을 수신하여 목표 전력을 일정하게 유지하는 전자장치, 디스플레이 장치 및 그 장치들의 구동방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 개시의 실시예에 따른 디스플레이 장치는 고주파 동작 인버터 및 송신 코일(혹은 제1 코일부)이 포함된 외부 장치에 의해 발생된 자기장을 통한 유도 기전력을 이용하여 전력을 수신하는 공진 회로부, 상기 공진 회로부의 출력 전압을 정류시키는 정류부, 및 상기 외부 장치와의 거리에 따라 결정된 인버터의 목표 전압 및 주파수/듀티 정보를 근거로 컨버터의 듀티/주파수를 가변하여 상기 정류부의 정류 전압을 상기 목표 전압으로 출력하는 컨버터를 포함한다.
상기 컨버터는 듀티/주파수 가변을 통해 상기 컨버터에 연결된 부하 저항의 유효저항값을 변경하여 상기 정류 전압을 상기 목표 전압으로 조정하여 출력할 수 있다.
상기 컨버터는 거리에 따른 수신전압의 변동폭이 클 경우(예: 100V ~ 400V) 일정목표 전압을 출력하기 위하여 하프 브리지 또는 풀 브리지 형태의 토폴로지(Topology) 변형이 가능한 DC-DC 컨버터가 될 수도 있다. 수신전압이 클 경우(예:250V ~ 400V) 하프 브리지로 동작하고 수신전압이 작은 경우(예: 100V ~ 250V) 풀 브리지로 동작할 수도 있다.
상기 디스플레이 장치는, 상기 거리가 기설정된 거리 내에 존재하여 상기 컨버터의 내부 저항이 임계값을 넘으면, 상기 컨버터를 기설정된 듀티/주파수로 동작시키고 상기 외부 장치로 인버터의 동작 주파수/듀티를 변경하도록 요청하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시예에 따른 전자장치는, 디스플레이 장치와 연계하여 비디오 신호 및 오디오 신호 중 적어도 하나의 신호를 처리하는 인터페이스부, 상기 디스플레이 장치와의 거리에 따라 결정된 동작 주파수로 동작하여 외부에서 입력된 DC 전압을 AC 전압으로 변경하는 인버터, 및 상기 변경한 AC 전압에 의해 발생한 자기장을 디스플레이 장치에서 수신하여 유도 기전력을 발생시키는 제2 코일부를 포함한다.
상기 전자장치는 상기 디스플레이 장치의 주변에 위치하는 주변 장치를 포함할 수 있다.
상기 전자장치는, 상기 전자장치의 초기 구동시 상기 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리에 상응하는 동작 주파수로 상기 인버터를 동작시키는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 동작 주파수를 감소하는 다운 스캐닝 방식으로 상기 거리를 측정하거나 동작 주파수를 증가하는 업 스캐닝 방식으로 상기 거리를 측정할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 업 스캐닝 방식에 의해 센싱된 전류값 중 최대값을 찾아서 공진점을 찾고, 이 공진점을 기준으로 거리를 판단하여 기설정된 인버터의 (최적) 동작 주파수/듀티를 결정할 수 있다.
상기 인버터의 출력단과 공진부 사이에 구비되며, 상기 거리가 가까워졌을때, 임피던스 증가로 인한 전류 부족 현상으로 인해 하드스위칭(Hard Switching)을 방지하기 위한 별도의 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작시키기 위한 ZVS 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 디스플레이장치에 포함된 전력 수신부의 무부하 상태를 방지하기 위하여 상기 전력 수신부의 직렬 공진회로에 병렬 커패시터가 연결된 상태에서, 다운 스캐닝 또는 업 스캐닝을 수행할 수 있다.
상기 프로세서는, 업 스캐닝시 상기 인버터의 입력 전압을 상기 디스플레이장치에 포함된 전력 수신부의 최대 부하 동작 기준에 필요한 전압보다 낮은 전압을 인가하여 스캔하거나, 상기 인버터의 듀티를 낮게 설정하여 상기 인버터의 유효입력 전압을 낮추어 스캔할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 디스플레이장치에 포함된 수신부 컨버터와 부하 사이의 스위치가 오프된 상태에서 초기 스캐닝 동작을 수행하며, 상기 스위치가 온될 때 정상적인 무선전력 전송을 수행할 수 있다.
나아가, 본 개시의 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구동방법은 외부 장치에 의해 발생된 유도 기전력을 이용하여 전압을 생성하는 단계, 상기 공진 회로부의 출력 전압을 정류시키는 단계, 및 상기 외부 장치와의 거리에 따라 결정된 목표 전압 및 듀티 정보를 근거로 듀티를 가변하여 상기 정류부의 정류 전압을 상기 목표 전압으로 출력하는 단계를 포함한다.
상기 출력하는 단계는, 상기 컨버터의 듀티/주파수 가변을 통해 상기 컨버터에 연결된 부하 저항의 유효저항값을 변경하여 상기 정류 전압을 상기 목표 전압으로 생성하여 출력할 수 있다.
상기 컨버터는 DC-DC 컨버팅을 수행할 수 있다.
상기 디스플레이 장치의 구동방법은 상기 거리가 기설정된 거리를 벗어나면 상기 인버터는 하프 브리지 방식으로 동작시키고, 상기 기설정된 거리 내에 있으면 상기 인버터는 풀 브리지 방식으로 동작시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 장치의 구동방법은 상기 거리가 기설정된 거리 내에 존재하여 상기 컨버터의 내부 저항이 임계값을 넘으면, 상기 컨버터를 기설정된 듀티로 동작시키고 상기 외부 장치로 인버터의 동작 주파수/듀티를 변경하도록 요청하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 개시의 실시예에 따른 전자장치의 구동방법은, 디스플레이 장치와 연계하여 비디오 신호 및 오디오 신호 중 적어도 하나의 신호를 처리하는 단계, 상기 디스플레이 장치와의 거리에 따라 결정된 동작 주파수/듀티로 동작하여 외부에서 입력된 DC 전압을 AC 전압으로 변경하는 단계, 및 상기 변경한 AC 전압에 의해 상기 디스플레이 장치에 유도 기전력을 발생시키는 단계를 포함한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 무선전력 송수신이 가능한 영상처리시스템을 나타내는 도면,
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른 영상처리시스템을 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 무선전력전송부의 세부 구조를 예시하여 나타낸 블록다이어그램,
도 4는 도 2의 무선전력수신부의 세부 구조를 예시하여 나타낸 블록다이어그램,
도 5는 전압원 입력 자기유도시스템(IPTS)의 거리 변화에 따른 출력 전력 및 효율 특성을 나타내는 도면,
도 6은 부하 동작 전(RL = ∞) 초기 상황하의 IPTS의 등가 회로도,
도 7은 초기 구동시 송수신부 간 거리 식별을 위한 주파수 스캐닝의 예를 나타내는 도면,
도 8은 주파수 가변을 통한 정전력 출력 제어가 적용된 IPTS 전체 회로도,
도 9는 동작 주파수 변화시의 출력전력 특성을 나타내는 도면,
도 10은 송수신부 간 거리 변화시 목표 전력을 만족하는 동작 주파수와 효율을 나타내는 도면,
도 11은 DC-DC 컨버터를 이용한 정전력 출력 제어 적용 IPTS의 전체 회로도,
도 12는 유효저항 변경 적용 회로도(Cp = O㎌ 가정)의 등가 모델링 회로도,
도 13은 송수신부 완전 공진 가정시 최종 등가 회로도,
도 14는 송수신부 간 거리 변화시 내부 저항 특성 및 내부 저항 변화에 따른 출력 전력 특성을 나타내는 도면,
도 15 내지 도 17은 송수신부 간 거리 변화시 목표 전력만족을 위한 부하 저항 별 효율 그래프를 나타내는 도면,
도 18은 송수신부 간 거리 변화시 목표 전력 만족을 위한 부하 저항 및 효율을 나타내는 도면,
도 19는 가변 고주파 인버터를 나타내는 도면,
도 20은 도 19의 인버터를 풀 브리지 또는 하프 브리지로 동작시키는 예를 나타내는 도면,
도 21은 본 개시의 제1 실시예에 따른 전자장치의 구동 과정을 나타내는 흐름도, 그리고
도 22는 본 개시의 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구동 과정을 나타내는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 무선전력 송수신이 가능한 영상처리시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따른 영상처리시스템(90)은 음향출력장치(100) 및 디스플레이 장치(110)를 포함한다.
음향출력장치(100)는 본 개시의 실시예에 따른 무선전력전송장치를 포함한다. 물론 여기서 음향출력장치(100)는 디스플레이 장치(110)의 주변에 위치하는 주변장치를 예시한 것으로서, 그 이외에도 셋탑박스(STB), BD(Blu-ray Disk) 재생기, 액세스포인트(AP) 등 다양한 장치로 대체될 수 있을 것이다. 음향출력장치(100)는 전원 라인이 상용전원(ex. 85 ~ 265V 범위 내의 상용 전원)을 제공하는 전원 콘센트에 연결될 것이고, 음향출력장치(100)는 상용전원을 디스플레이 장치(110)에 필요한 전압으로 변환하여 안정되게 디스플레이 장치(110)로 전송하게 된다. 본 개시의 실시예에서는 디스플레이 장치(110)가 DC 200V와 150W의 전력을 사용하는 것이 바람직하다.
디스플레이 장치(110)는 특정 공간에서 효율적인 전력 전송이 이루어지도록 하기 위하여 음향출력장치(100)와 일정 거리(ex. 10 ~ 70㎝ 범위 내)를 유지하여 설치된다. 이때 음향출력장치(100)는 두 장치 사이의 거리(d)에 따른 적정한 전력을 디스플레이 장치(110)로 전송하기 위한 초기 구동을 수행하게 된다. 일종의 두 장치 사이의 설정 동작 과정이라 볼 수 있다.
다시 말해, 음향출력장치(100)는 두 장치 사이의 거리를 측정하고, 측정 결과 거리가 기설정된 범위 내에 있으며, 즉 임계 거리 이내이면 디스플레이 장치(110)와 연계하여 적절한 동작을 수행하게 된다. 가령, 거리가 가까우면 음향출력장치(100)는 전력전송을 위한 이득(Gain)이 감소하게 되므로 디스플레이 장치(110)로 이를 알리고, 디스플레이 장치(110)는 감소한 이득을 보상하기 위하여 PWM 방식으로 동작하는 DC/DC 컨버터의 듀티비를 조정할 수 있다. 기타 자세한 내용은 이후에 다시 다루기로 한다. 만약, 너무 가까운 경우 음향출력장치(100)는 듀티(비)를 조정하는 대신, 가령 가변 고주파 인버터(Convertible High-Frequency Inverter)의 구동 방식을 변경할 수 있다. 가령, 하프 브리지 인버터를 풀 브리지 인버터로 전환할 수 있을 것이다.
디스플레이 장치(110)는 무선전력수신장치를 포함한다. 무선전력수신장치는 무선전력전송장치에서 무선으로 전송한 전력을 수신(혹은 유도 기전력에 의한 전압을 생성)하여 디스플레이 장치(110)를 동작시키게 된다. 무선전력수신장치는 무선전력전송장치와의 거리에 따라 DC/DC 컨버터의 PWM 제어시 듀티를 조절할 수 있다.
두 장치 사이의 거리가 가까워지면 무선전력의 제1 코일부와 제2 코일부 간의 상호인덕턴스 증가 및 누설인덕턴스 감소로 인한 출력특성이 변하여, 원하는 목표 전력전송을 할 수 없다. 이를 감안해 디스플레이 장치(110)는 부하 저항(혹은 유효 저항)의 저항값을 변동시켜 목표 전력에 이르도록 하기 위하여 컨버터의 듀티/주파수를 조절하게 되는 것이다. 이의 과정에서 가령 두 장치 사이의 거리가 너무 가까워져 단순히 듀티/주파수 가변만으로 목표 전력에 이를 수 없다고 판단되는 경우에는 하프 브리지 방식으로 인버터를 구동하던 것을 풀 브리지 방식으로 구동시킬 수 있을 것이다. 나아가, 이와 같이 구동 방식에 의해서도 제어가 어렵다고 판단되면, 지정된 주파수/듀티로 동작하되 음향출력장치(100)로 인버터의 동작 주파수를 이득이 증가하는 방향으로 변경하도록 요청할 수 있다.
여기서, 듀티를 얼마로 조정해야 하는 것과 관련해 보면 단순하게는 인버터에서 출력되는 전류를 센싱하여 센싱한 전류값과 기저장된 전류값을 비교하는 방식으로 그 결과에 따라 듀티 가변을 수행할 수 있다. 이때 기저장된 전류값은 실험 등에 의해 기설정된 값을 의미할 수 있을 것이다. 또한, 컨버터의 구동 방식에 있어서도 전압 센싱을 통해 센싱된 전압값을 통해 두 장치 사이의 거리를 판단할 수 있으므로, 판단 결과에 따라 구동 방식을 제어하는 것도 얼마든지 가능하다. 따라서, 본 개시의 실시예에서는 상기의 동작들이 어떠한 방식이 동작으로 이루어지는 것인지 특별히 한정하지는 않을 것이다.
또한, 무선전력수신장치는 큰 유효 저항점이 아닌 가급적 작은 유효 저항점에서 동작하도록 DC/DC 컨버터의 입력전압범위를 설계함으로써 거리가 가까울 때도 고효율 동작 및 광역 범위의 거리 범위에서 정전력 출력 제어가 가능할 수 있을 것이다.
상기의 결과, 본 개시의 실시예에 따른 영상처리시스템(90)은 무선전력 송수신 장치 사이에 거리에 관계없이 안정된 전력 전송이 이루어지게 된다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른 영상처리시스템을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 개시의 다른 실시예에 따른 영상처리시스템(190)은 영상중계장치(200) 및 디스플레이 장치(210)를 포함할 수 있다.
영상중계장치(200)는 셋탑박스, BD 재생기 또는 중계기(ex. AP) 등의 주변 장치를 포함한다. 만약, 영상중계장치(200)가 영상처리 동작을 수행하지 않는 경우라면, 상용전원을 제공받아 디스플레이 장치(210)로 전력을 전송하는 역할만 수행하므로, 이의 경우에는 전력전송장치라 명명될 수 있을 것이다.
본 개시의 실시예에 따른 영상중계장치(200)는 가령 셋탑박스로서 인터페이스부(201) 및 무선전력전송부(203)를 포함할 수 있다.
먼저, 인터페이스부(201)는 가령 그래픽 카드와 같은 영상 보드(board)로서 외부에서 입력된 영상 데이터를 디스플레이 장치(210)의 해상도에 적합하게 변환하여 출력하는 역할을 수행할 수 있다. 여기서 영상 데이터는 가령 8 비트 이상의 R, G, B의 비디오 데이터로 구성될 수 있으며, 인터페이스부(201)는 디스플레이 장치(210)의 해상도에 적합한 클럭신호(DCLK)와 수직/수평 동기신호(Vsync, Hsync) 등의 제어 신호들을 발생한다. 이후 인터페이스부(201)는 수직/수평 동기신호 및 영상 데이터를 컨트롤러(211)에 제공한다. 인터페이스부(201)에서 컨트롤러(211)로의 데이터 전송은 무선도 가능하지만, USB 케이블 등과 같이 유선을 통해서도 얼마든지 가능하므로 본 개시의 실시예에서는 이에 특별히 한정하지는 않을 것이다.
그 이외에도 인터페이스부(201)는 방송국에서 제공되는 특정 방송 프로그램을 수신하기 위한 튜너, 튜너를 통해 입력된 영상 신호를 복조하는 복조기, 복조된 영상 신호를 비디오/오디오 데이터 및 부가 정보로 분리하는 디멀티플렉서, 분리된 비디오/오디오 데이터를 각각 디코딩하는 디코딩부, 그리고 디코딩된 오디오 데이터를 스피커에 적합한 포맷으로 변환하는 오디오 처리부 등을 포함할 수 있으며, 이들의 동작을 전반적으로 제어하기 위한 제어부(ex. MCU)를 포함할 수 있다.
무선전력전송부(203)는 85 ~ 265V 범위 내의 상용 전원을 이용하여 디스플레이 장치(210)에서 필요한 전압을 생성한다. 그리고, 생성한 전압을 디스플레이 장치(210), 더 정확하게는 무선전력수신부(216)로 무선으로 전송한다. 여기서, 전력 전송은 사실 어떠한 정보 등을 실제로 전송한다기보다는 무선전력전송부(203)의 전력 발생 및 변동에 의해 무선전력전송부(203)의 전력이 발생 또는 변동하는 것을 의미한다고 볼 수 있다. 가령, 변압기의 1차 코일(혹은 인덕터)에 전압이 발생하면 2차 코일에 유도 기전력이 발생하여 이에 의해 전압을 얻는 원리와 유사하다.
본 개시의 실시예에 따라 무선전력전송부(203)는 사용자가 영상중계장치(200) 및 디스플레이 장치(210)를 설치한 위치에 따라 적절한 동작을 수행할 수 있다. 다시 말해, 무선전력전송부(203)는 무선전력수신부(216)와 기설정된 범위 내에 있다면 무선전력수신부(216)로 제1 전압의 크기로 전송하고, 범위 내를 벗어나면 제2 전압의 크기로 전송할 수 있다.
한편, 본 개시의 실시예에 따른 디스플레이 장치(210)는 컨트롤러(211), 스캔 드라이버(212), 데이터 드라이버(213), 표시 패널(214), 방전 수행부(215) 및 무선전력수신부(216)의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
여기서, "일부 또는 전부를 포함한다"는 것은 스캔드라이버(212) 및/또는 데이터드라이버(213) 등이 표시 패널(214)에 통합(ex. COG 방식) 또는 일체화(ex. AMOLED 등)되어 형성되거나, 방전 수행부(215) 등이 생략되어 디스플레이 장치(210)가 구성될 수 있는 것 등을 의미하는 것으로서, 본 개시의 충분한 이해를 돕기 위하여 전부 포함하는 것으로 설명한다.
컨트롤러(211)는 인터페이스부(201)에서 입력된 RGB의 영상 데이터를 표시 패널(214)에 표시하기 위하여 스캔 드라이버(212) 및 데이터 드라이버(213)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 또한 컨트롤러(211)는 무선전력수신부(216)에서 제공되는 논리 전압(Vlog)을 이용하여 R, G, B 데이터의 계조 정보를 표현할 수 있다. 예를 들어, 3.3V의 논리 전압을 이용하여 R의 계조 정보를 생성하는 경우, 3.3V는 1로, OV는 O으로 표현하여 8비트 정보 '10001001'을 생성할 수 있다.
컨트롤러(211)는 스캔 드라이버(212)를 제어하기 위한 게이트 제어신호로서 게이트시프트클럭(GSC: Gate Shift Clock), 게이트출력인에이블(GOE: Gate Output Enable), 게이트시작펄스(GSP: Gate Start Pulse) 등을 발생시킬 수 있다. 여기서 GSC는 R, G, B LED(혹은 OLED)와 같은 발광소자에 연결된 스위칭소자가 온/오프(On/Off) 되는 시간을 결정하는 신호이고, GOE는 스캔 드라이버(212)의 출력을 제어하는 신호이며, GSP는 하나의 수직동기신호 중에서 화면의 첫 번째 구동라인을 알려주는 신호에 해당될 수 있다.
또한 컨트롤러(211)는 데이터 제어신호로서 소스샘플링클럭(SSC: Source Sampling Clock), 소스출력인에이블(SOE: Source Output Enable), 소스시작펄스(SSP: Source Start Pulse) 등을 생성할 수 있다. 여기서 SSC는 데이터 드라이버(230)에서 데이터를 래치시키기 위한 샘플링 클럭으로 사용되며, SOE는 SSC에 의해 래치된 데이터들을 표시 패널(214)로 전달하게 된다. SSP는 1 수평동기기간 중에 데이터의 래치 또는 샘플링 시작을 알리는 신호이다.
좀더 구체적으로, 데이터 드라이버(213)가 가령 텍사스 인스트루먼트 사(社)의 TCL 5958 시리즈의 IC로 구성된다면, 본 개시의 실시예에 따른 컨트롤러(211)는 해당 IC와 데이터(data) 신호, S CLK(serial data shift clock), LAT, G CLK(Grayscale(GS) pulse width modulation(PWM) reference clock) 등의 신호를 처리할 수 있도록 구성될 수 있다. 여기서, 데이터 신호는 R, G, B의 계조 데이터이다. 또한 S CLK는 데이터 드라이버(213)로 입력된 데이터를 S CLK의 상승 에지에 동기시켜 시프트 레지스터(ex. 48-bit common shift register, MSB)로 시프트시키기 위한 신호이다. 시프트 레지스터에 저장된 데이터는 각 S CLK 상승 에지에서 MSB로 시프트된다. 또한 LAT는 하강 에지에서 데이터를 MSB에서 메모리(ex. GS 데이터 메모리)로 래치하기 위한 신호이다. 그리고, G CLK는 PWM 제어를 위해 각 G CLK 상승 에지에서 GS 카운터를 하나씩 증가시키기 위한 신호이다. 상기한 다양한 신호들은 얼마든지 변경 가능하므로 본 개시의 실시예에서는 위의 내용에 특별히 한정하지는 않을 것이다.
위의 내용들에 근거해 볼 때, 컨트롤러(211)는 제어신호 생성부(미도시) 및 데이터 재정렬부(미도시) 등을 포함할 수 있다. 여기서 제어신호 생성부는 가령 단위 프레임의 영상을 표시 패널(213)에 표시하기 위한 시간이 16.7ms라 가정하면, 해당 시간 내에 단위 프레임 영상을 표시할 수 있도록 제어 신호를 생성한다. 또한 데이터 재정렬부는 입력된 RGB 영상 데이터를 표시 패널(214)에 적합하게 재가공할 수 있다. 가령, 8비트 데이터를 64비트 등으로 변환하는 동작을 수행할 수 있다.
스캔 드라이버(212)는 무선전력수신부(216)에서 제공되는 게이트 온/오프 전압(Vdd/Vss)을 제공받아 컨트롤러(211)의 제어에 따라 표시 패널(214)로 해당 전압을 인가하게 된다. 다만, 본 개시의 실시예에서는 게이트 오프 전압을 접지 전압으로 설계한다. 게이트 온 전압(Vdd)은 표시 패널(214)에 단위 프레임 영상의 구현을 위하여 스캔 라인 1(GL1)에서 스캔 라인 N(GLn)까지 순차적으로 제공된다. 물론 스캔 드라이버(212)는 본 개시의 실시예에 따라 컨트롤러(211)에서 생성된 스캔 신호에 응답하여 동작하게 된다. 이를 위하여 스캔 드라이버(212)는 도 2에 도시된 바와 같이 전원전압원과 각 스캔 라인마다 연결된 스위칭소자를 포함할 수 있다. 물론 이러한 스위칭소자는 TFT 소자를 사용할 수 있지만, 트랜지스터(TR) 및 MOSFET를 사용할 수도 있을 것이다.
데이터 드라이버(213)는 컨트롤러(211)에서 직렬(serial)로 제공되는 R, G, B의 비디오 데이터를 병렬(parallel)로 변환하고, 디지털 데이터를 아날로그 전류 또는 듀티 온 전류(ex. 펄스 전류)로 변환하여 하나의 수평 라인분에 해당되는 비디오 데이터를 표시 패널(214)로 동시에, 그리고 각 수평 라인마다 순차적으로 제공할 수 있다. 가령, 컨트롤러(211)에서 제공되는 비디오 데이터의 디지털 정보는 컬러의 계조를 표현할 수 있는 아날로그 전류로 변환되어 표시 패널(214)에 제공되는 것이다. 물론 아날로그 전류는 펄스 형태의 전류일 수 있다. 이때 데이터 드라이버(213) 또한 스캔 드라이버(212)에 제공된 게이트 신호에 동기되어 단위 프레임 데이터를 출력하는 것이 바람직하다.
데이터 드라이버(213)의 구체적인 구성과 관련해서는 당업자에게 이미 잘 알려져 있으므로 본 개시의 요지를 흐릴 수 있어 생략하고자 한다. 다시 말해, 데이터 드라이버(213)의 구성은 발광소자를 정전류로 구동하느냐 정전압으로 구동하느냐에 따라 다양한 구성이 가능할 수 있을 것이다. 데이터 드라이버(213)는 텍사스 인스트루먼트사의 TLC5958 시리즈 IC가 사용될 수 있다.
표시 패널(214)은 서로 교차하여 화소 영역을 정의하기 위한 다수의 스캔 라인과 데이터 라인이 형성되고, 그 교차하는 화소 영역에는 LED(혹은 OLED)와 같은 R, G, B의 발광소자가 형성된다. 표시 패널(214)의 각 스캔 라인에 전원전압이 인가된 후, 데이터 드라이버(213)를 통해 접지와의 사이에 전류 경로가 형성되면, 전원전압이 제공된 해당 스캔 라인에 연결된 데이터 라인을 통해 발광소자들은 자신의 계조 정보에 해당되는 전류를 생성하게 된다. 본 개시의 실시예에 따른 표시 패널(214)은 이와 같이 전류 경로를 통해 흐르는 전하량에 따라 밝기가 조절되어 영상이 표시된다. 물론 발광소자는 정전압에 의해서도 구동이 얼마든지 가능하므로 본 개시의 실시예에서는 위의 내용에 특별히 한정하지는 않을 것이다.
방전 수행부(215)는 표시 패널(214)의 각 스캔 라인이 방전 동작할 때, 각 스캔 라인의 기생 커패시터에 의한 기생 전하를 접지로 방전시킨다. 이때 방전 수행부(215)는 컨트롤러(211)에 의해 제어될 수 있다. 물론 제어 시점은 스캔 라인 1에 제공되는 전원전압(Vdd)이 차단되고, 스캔 라인 2에 전원전압이 제공되는 시점 사이에 이루어지게 된다.
무선전력수신부(216)는 무선전력전송부(203)와의 거리에 관계없이 디스플레이 장치(210)에서 안정된 전력이 사용될 수 있도록 한다. 따라서, 무선전력전송부(203)와의 연동에 따라 무선전력전송부(203)와 거리가 기설정된 범위 내에 있을 때에는 인버터의 듀티비를 변경하지 않지만, 기설정된 범위를 벗어나면 듀티비를 변경할 수 있다. 예를 들어, 무선전력수신부(216)와 무선전력전송부(203)의 거리에 너무 가까우면, 주파수 분리(Frequency Splitting) 현상에 의해 송수신부간 전압이득이 매우 낮아지므로, 무선전력전송부(203)에서 인버터의 구동 방식을 변경하는 것이 필요하다.
이와 같이 무선전력수신부(216)는 컨버터를 통해 제1 전압(ex. DC 200V) 및 제2 전압(ex. DC 13V)을 생성하여 생성한 전압을 각 기능블록(ex. 표시 패널, 드라이버 등)으로 제공한다. 무선전력수신부(216)는 예를 들어 컨트롤러(211)를 위해서는 계조를 표현할 수 있도록 논리전압으로서 DC 3.3V의 전압을 생성하여 제공할 수 있고, 스캔 드라이버(220)를 위해서는 게이트 온 전압(Vdd)으로서 가령 DC 4.5V 전압을 생성하는 등 다양한 크기의 전압을 생성하여 제공할 수 있다.
물론 무선전력수신부(216)는 컨트롤러(211), 스캔 드라이버(212) 및 데이터 드라이버(213)가 IC 형태로 구성되는 경우에는 IC에 입력되는 Vcc 전압(ex. DC 13V)을 생성할 수 있을 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 무선전력전송부의 세부 구조를 예시하여 나타낸 블록다이어그램이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무선전력전송부(203)는 필터부(300), PFC부(310), 컨버터(320), 스위칭부(330), 레귤레이터(340), 제어부(350), 인버터(360), ZVS부(370) 및 1차 코일부(380)의 일부 또는 전부를 포함한다.
여기서, 무선전력전송부(203)는 스탠드얼론 형태의 개별 장치로 형성될 수 있으며, "일부 또는 전부를 포함한다"는 것은 일부 구성요소가 생략되어 구성될 수 있는 것 등을 의미하는 것으로서, 본 개시의 충분한 이해를 돕기 위하여 전부 포함하는 것으로 설명한다.
필터부(300)는 입력된 상용 전원을 정류 및 평활하여 일정 레벨의 DC 전압으로 출력한다. 정류를 위해 반파 또는 전파 정류회로가 사용될 수 있고, 평활을 위해 커패시터가 정류회로의 출력단에 병렬로 연결될 수 있을 것이다.
PFC부(310)는 필터부(300)에서 출력된 전압을 컨버터를 통해 DC 400V의 전압으로 변경하여 출력한다. 이를 위하여 PFC부(310)는 플라이백(Fly-back) 컨버터를 포함할 수 있다.
또한, 컨버터(320)는 필터부(300)에서 출력된 평활 전압을 제공받아 13V의 DC 전압을 생성하여 스위칭부(330) 및 레귤레이터(340)로 제공한다.
스위칭부(330)는 제1 제어부(350)의 제어 하에 선택된 DC 13V의 제1 전압 또는 DC 400V의 제2 전압을 출력한다.
레귤레이터(340)는 제1 제어부(350)로 안정화된 전압을 제공하기 위한 동작을 수행한다. 다시 말해, 레귤레이터(340)는 출력 전압에 리플(ripple)이 개선되도록 하는 것이다.
제1 제어부(350)는 도 2의 영상중계장치(220) 및 디스플레이 장치(210)가 설치되어 초기 구동할 때, 자동으로 또는 시스템 설계자나 사용자의 명령에 의해 영상중계장치(220) 및 디스플레이 장치(210) 사이의 거리, 더 정확하게는 도 2에서 무선전력전송부(203) 및 무선전력수신부(216) 사이의 거리를 측정한다.
이를 위하여 제1 제어부(350)는 스위칭부(330)를 제어하여 DC 13V 전압을 인버터(360)로 출력시킨다. 여기서, DC 13V 전압을 거리 측정을 위한 전압에 해당될 수 있다. 그리고, 제1 제어부(350)는 인버터(360)의 전류를 센싱하여 두 장치 사이의 거리를 측정한다. 가령, 센싱된 전류의 전류값과 저장된 전류값의 일치 여부를 판단하여 거리를 측정하고 측정된 거리에 따라 동작 주파수를 결정할 수 있다. 다시 말해, 거리에 따라 최대 전류값과 동작 주파수가 지정되어 있으므로 가령 동작 주파수를 점차 증가시키면서 센싱한 전류값을 기준으로 공진점의 피크에 해당하는 주파수를 찾고 이 주파수에 해당하는 미리 저장된 최적의 동작 주파수/듀티를 인버터의 초기 동작 조건으로 할 수 있다.
제1 제어부(350)는 거리를 측정하기 위하여 다운 스캐닝 또는 업 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 다운 스캐닝은 주어진 범위에서 최대 주파수로 무선전력전송장치(203)를 동작시켜 점차 주파수를 다운시키면서 전류가 센싱되는 시점의 주파수를 판단하여 거리를 결정하는 것이다. 물론 제1 제어부(350)는 주파수에 매칭된 거리 정보를 이미 저장하고 있기 때문에 이를 통해 거리를 판단하게 된다. 한편, 제1 제어부(350)는 업 스캐닝 방식으로도 거리를 측정할 수 있다. 다시 말해, 주어진 범위에서 동작 주파수를 순차적으로 증가시키면서 전류값이 최대가 되는 지점을 찾는 것이다. 판단된 최대 전류값을 통해 거리를 판단하는 것이다. 이 또한, 최대 전류값에 매칭되어 거리 정보가 설정되어 있기 때문에 이를 검색하여 판단한다고 볼 수 있다.
이와 같이, 거리를 측정하기 위한 주파수 스캐닝 동작이 완료되면, 제1 제어부(350)는 스위칭부(330)를 제어하여 DC 400V의 전압이 인버터(360)의 입력이 되도록 한다. 이를 통해 무선전력동작이 시작된다.
업스캐닝을 통한 최대 공진점 피크점을 찾는 데 있어서 별도 스위칭부(330)없이 인버터를 하프 브리지로 구성하고, 인버터의 입력 유효 전압을 낮추기 위해 듀티비를 낮추어 구동하여 최대 공진점에서의 높은 전류로 인한 공진회로 소자의 파괴를 방지할 수도 있다. 인버터(360)는 입력된 DC 400V의 전압을 교류로 변환하여 출력한다. 예를 들어, 인버터(360)는 제1 제어부(350)에 의해 PWM 제어가 가능하도록 PWM 회로를 포함할 수 있다. 제1 제어부(350)는 인버터(360)를 제어하여 동작 주파수 및 듀티 온 타임을 조정할 수 있고, 거리 측정이 완료되면 이때 결정된 동작 주파수와 듀티비를 고정값으로 동작할 수 있다. PWM 회로와 관련해서는 잘 알려진 바 있으므로 더 이상의 설명은 생략하도록 한다. 다만, 본 개시의 실시예에 따른 인버터(360)는 가변 고주파 인버터를 포함할 수 있다.
다시 말해, 인버터(360)는 거리에 따라 풀 브리지 방식의 인버터 또는 하프 브리지 방식의 인버터를 구동시키는 것이다. 여기서, 풀 브리지 방식은 하프 브리지 방식의 스위칭 소자가 하나 더 구성된 것이므로, 본 개시의 실시예에서는 풀 브리지 방식에서 하나의 폴(pole)에 상응하는 스위칭 소자들만 구동함으로써 인버터(360)를 편리하게 하프 브리지 방식으로 동작시킬 수 있을 것이다.
ZVS(Zero Voltage Switching)부(370)는 ZVS 소자(필터)를 포함할 수 있다. 이러한 ZVS부(370)는 무선전력전송부(203)와 무선전력수신부(216)의 거리가 가까울 때 동작하게 된다. 무선전력전송부(203)와 무선전력수신부(216)의 거리가 너무 가까워지게 되면, 이로 인해 전력전송을 위한 송수신부간 전압이득이 크게 감소하게 된다. 그 결과 디스플레이 장치(210)가 원하는 전력을 얻을 수 없게 된다. 이득이 낮아지는 이유는 거리(ex. 30㎝)가 너무 가까워져 상호 인덕턴스가 누설인덕턴스 대비 매우 커져, 1차 코일에 목표 출력전력을 만족하는 충분한 전류가 흐르지 않기 때문이다. 이에 의해 전력 전송이 제대로 이루어지지 않게 된다. 이때, ZVS부(370)는 ZVS 소자를 통해 전류가 스위칭 소자 내부에 포함된 다이오드에 역방향으로 흐르도록 함으로써 전력 전송의 효율을 지속할 수 있게 된다.
1차 코일부(380)는 코일 즉 인덕터를 포함하며, 통상 1차 코일에 전류가 흐르게 되고, 이에 의해 무선전력수신부에 유도 기전력이 발생하게 된다.
도 4는 도 2의 무선전력수신부의 세부 구조를 예시하여 나타낸 블록다이어그램이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따른 무선전력수신부(216)는 제2 코일부(400), 정류부(410), 평활회로부(420), 컨버터부(430), 과전압 검출부(440), 제2 제어부(450) 및 스위칭부(460)의 일부 또는 전부를 포함한다.
여기서, "일부 또는 전부를 포함한다는 것"은 과전압 검출부(440)가 생략되어 구성되거나 일부 구성요소가 다른 구성요소에 통합되어 구성될 수 있는 것 등을 의미하는 것으로서, 본 개시의 충분한 이해를 돕기 위하여 전부 포함하는 것으로 설명한다.
2차 코일부(400)는 코일 즉 인덕터를 포함하며, 무선전력전송부(203)의 1차 코일부(380)에 인가된 전압 또는 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 유도 기전력이 발생한다. 이러한 유도 기전력은 전압의 단위를 갖는다.
정류부(410) 및 평활회로부(420)는 2차 코일부(400)에서 제공된 교류 전압을 다시 정류 및 평활하여 DC 전압으로 변환한다.
그리고, 컨버터부(430)는 DC-DC 컨버터를 포함하며, DC 200V 및 DC 13V 전압을 생성하여 출력한다. 여기서, DC 200V의 전압은 도 2의 표시 패널(214)에 구성된 LED 스트링을 구동하기 위하여 제공된다. 또한, DC 13V는 컨트롤러(211)나 스캔 및 데이터 드라이버(213)의 Vcc 전원으로 사용될 수 있을 것이다. 컨버터부(430)를 구성하는 DC-DC 컨버터는 PWM 제어되며, 측정 거리에 따라 듀티비가 조정될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따라 컨버터부(430)는 3가지 방식으로 동작이 가능하다. 다시 말해, 도 3의 무선전력전송부(203)에서 인버터(360)의 동작 주파수가 거리에 따라 결정되는 경우에는 별도의 듀티 조정없이 기설정된 듀티로 동작할 수 있다. 만약, 인버터(360)의 동작 주파수가 거리에 관계없이 일정하다면, 컨버터부(430)는 정류기에 입력되는 전압의 크기에 따라 주파수 및 듀티를 조정하여 동작하게 된다. 나아가, 거리가 너무 가까워지는 경우에는 인버터의 동작 주파수 변경과 함께 듀티를 조정하는 것도 얼마든지 가능하게 된다.
과전압 검출부(440)는 제2 코일부(400)에서 정류부(410)로 인가되는 전압이 과전압일 때 이를 검출하여 제2 제어부(450)로 전달한다. 그러면 제2 제어부(450)는 가령 정류부(410)로 인가되는 전압을 일시적으로 차단할 수 있을 것이다.
제2 제어부(450)는 무선전력전송부(203)의 요청에 따라 컨버터부(430)를 제어한다. 예를 들어, 컨버터부(430)가 내부 저항의 증가에 따라 듀티비를 조정해야 할 필요가 있다고 판단되면, 제2 제어부(450)는 컨버터부(430)를 제어하여 듀티비를 조정한다.
또한, 제2 제어부(450)는 도 2의 영상중계장치(200)와 디스플레이 장치(210)가 설치된 후 초기 구동시, 또는 거리 측정을 위한 스캐닝 동작시에 DC 13V의 전압이 출력되지 않도록 스위칭부(460)를 오프 상태로 유지한다. 이후, 인버터부에서 출력되는 전류를 센싱하여 스캐닝 동작 등이 완료되었다고 판단되면 스위칭부(460)를 턴온시켜 DC 13V의 전압이 출력될 수 있도록 한다.
상기의 결과, 무선전력수신부(216)는 디스플레이 장치(210)에서 요구하는 안정된 전압을 생성한다고 볼 수 있다. 안정된 전압은 표시 패널(214)의 화질에 영향을 미칠 수 있을 것이다.
도 5는 전압원 입력 자기유도시스템(IPTS)의 거리 변화에 따른 출력 전력 및 효율 특성을 나타내는 도면이다.
도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 무선전력송수신부(203, 216) 간 최대 전력(dm)에서 목표 출력 전력을 달성한 상황 하(예컨대, dm = 65㎝에서 목표 출력 전력 150W)에, 송수신부(203, 216) 간 거리(d)가 감소할 경우, 출력 전력은 주파수 분리현상에 의해 증가 후 감소하게 된다.
또한, 거리 감소시 목표 출력 전력과 동일한 지점인 d = dc를 기준으로 d 〉 dc는 약한 영역(Weak region), d 〈 dc는 심한 영역(Strong region)으로서, 심한 영역에서 주파수 분리 현상이 크게 발생하게 된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
약한 영역(dc〈 d〈 dm): 출력 전력 〉목표 전력
심한 영역(d〈 dc): 출력 전력〈 목표 전력
이러한 점에 근거하여, 본 개시의 실시예에서는 송수신부(203, 216) 간 별도의 통신회로 없이, 광역 범위의 송수신부(203, 216) 간 거리 변화에서도(심한 영역 및 약한 영역의) 출력 전력(PL)을 목표 전력과 동일하게 유지할 수 있었고, 동시에 고효율을 달성할 수 있었다.
또한, 동작 초기에 수신부(216)에 연결된 부하(예컨대, TV, 전자레인지, 컴퓨터, 모니터 등의 가전기기들)가 동작하지 않는 상황 하(RL = ∞)에서, 송수신부간 거리 변화시 수신부(216)의 병렬 커패시터 Cp로 인해 수신부(216)에서 송신부(203)로 반사되는 임피던스의 크기 및 위상이 거리별로 다르게 된다.
이에 따라 본 개시의 실시예에서는 동작 주파수를 점점 감소하는 방향으로의 주파수 스캐닝(Frequency Scanning)을 통해 송신부(203)의 전류 크기가 일정 크기의 전류에 도달하는 동작 주파수를 감지함으로써, 별도의 통신회로 없이도 간접적으로 송수신부(203, 216) 간 거리를 판별할 수 있었고, 또 업 스캐닝을 통해서도 거리 판별이 가능할 수 있었다.
앞서 본 개시의 실시예에서는 거리 변화 시 무선전력 정전력 출력 제어를 위하여 동작 주파수 변조를 통한 정전력 출력 제어와, 수신부(216)의 DC/DC 컨버터(430)의 듀티 조절시 유효저항 변경을 통한 정전력 출력 제어를 살펴본 바 있다.
이하에서는 이러한 방법에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 6은 부하 동작 전(RL = ∞) 초기 상황하의 IPTS의 등가 회로를 나타내며, 도 7은 초기 구동시 송수신부 간 거리 식별을 위한 주파수 스캐닝의 예를 나타내는 도면이다.
본 개시의 실시예에 따라, 주파수 스캐닝을 통해 송수신부(203, 216) 간 거리 판별은 도 3의 제1 제어부(350)에서 이루어진다고 볼 수 있다.
송수신부(203, 216) 간 거리 변화시, 송신부(203)에서 수신부(216)로 보는 임피던스의 공진점이 바뀌며(도 6의 (a) 참조), 이는 동작 주파수 별로 송신부(203)의 전류 크기를 다르게 생성(도 6의 (b) 참조))하게 된다. 도 6의 (a) 및 (b)를 각각 수식으로 표현하면 <수학식 1> 및 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
이에 본 개시의 실시예에서는 수신부(216)에 병렬 커패시터(Cp)를 추가함으로써 초기 구동시(RL = ∞), 수신부(216)가 송신부(203)로 등가적으로 자기결합되도록 할 수 있다.
또한, 초기 구동시 송수신부(203, 216) 간 거리는 주파수 스캐닝을 통해 송신부(203)의 전류 I1가 일정 크기의 전류 I1,s에 도달하는 동작 주파수(예컨대, fs1, fs2, fs3 등)를 측정함으로써 식별이 가능할 수 있다(도 7 참조). 이는 본 개시의 실시예에 따른 다운 스캐닝 방식에 해당된다.
송신부(203)에서는 I1 = I1,s가 되는 동작 주파수 별 거리를 (DB와 같은 저장부에) 기저장할 수 있기 때문에, 감지된 동작 주파수에 해당하는 거리를 간접적으로 판별할 수 있다.
한편, 송신부(203)는 거리 측정을 위하여 위의 다운 스캐닝 방식 이외에 업 스캐닝 방식을 이용할 수도 있다. 업 스캐닝을 위해 송신부(203)는 스캔시 13V의 전압을 인가 후 진행하여 첫 번째 공진 주파수의 피크(peak) 지점 즉 전류값이 최대인 지점에 해당하는 주파수 정보를 이용하여 약한/심한 영역을 판단한다.
위의 업 스캐닝 동작 과정에서 최고 꼭지점에서는 비록 13V 전압으로 스캔시도 수신부(216)에서는 비교적 높은 전압 60 ~ 70V가 걸릴 수 있어 스캔시 수신부 보드가 동작 혹은 LED가 깜박일 수 있으므로, DC-DC 컨버터(430)는 약 100 ~ 400V 영역에서 동작하게 하고, 수신부(216)의 MCU 즉 제2 제어부(450)는 DC-DC 출력의 정상적인 입력 전압 범위 내에서 동작할 경우 13V가 출력이 되므로 정상적인 전압이 출력이 되고 전원이 안정화되었을 때 스위칭부(460)를 온/오프 제어하게 된다.
송신부(203)는 스캔이 완료된 후 400V 인가 하에, 150W의 전력을 전달하게 된다.
또한, 심한 영역에서는 단계를 몇 단계로 분할하여 각 영역이 갖는 최적의 미리 계산된 듀티 값으로 인버터(360)를 동작시켜 수신부(216)에 필요한 이상의 과잉 전력을 공급하지 않게 하여 최적의 효율을 달성할 수 있을 것이다.
또한, 본 개시의 실시예에 따라 스위칭 회로는 과전압(혹은 과전류)이 걸렸을 때 장치를 보호하기 위하여 오프시키고, 부하를 보호하기 위한 추가 기능을 수행할 수 있다.
도 8은 주파수 가변을 통한 정전력 출력 제어가 적용된 IPTS 전체 회로도이고, 도 9는 동작 주파수 변화시의 출력전력 특성을 나타내는 도면이며, 도 10은 송수신부 간 거리 변화시 목표 전력을 만족하는 동작 주파수와 효율을 나타내는 도면이다.
도 8에서 인버터(360)의 제어에 따라 동작 주파수를 변경하여 송수신부(203, 216) 간 거리별 목표 전력(ex. PL = 150W)을 만족하는 동작 주파수가 존재하는 것을 도 9에서 확인할 수 있다.
(주파수 분리가) 약한 영역에서는 목표 전력 만족점이 2개, 심한 영역에서는 4개가 존재하고, 약한 영역의 경우 왼쪽에서 1번째 주파수(capacitive 영역)는 힘든(Hard) 스위칭 구간이므로 2번째 주파수(inductive 영역)에서 동작시키게 된다. 심한 영역의 경우 왼쪽에서부터 1번째 또는 2번째 주파수(capacitive 영역)는 힘든 스위칭 구간이므로 3번째 또는 4번째 주파수(inductive 영역)에서 동작시킨다.
초기 주파수 스캐닝에 따른 거리 식별 이후, 목표 전력을 만족하는 주파수로 동작하여 정전력 출력 제어가 가능하게 된다(도 10 참조).
또한, 고주파 동작 인버터(360)의 ZVS 동작을 위해, 도 9의 인덕티브(inductive) 영역의 주파수가 사용될 수 있을 것이다.
이의 경우, 심한 영역에서는 인덕티브 영역에서 ZVS 동작을 위한 인덕티브 전류가 부족한 구간이 존재하게 되므로. 인버터(360)의 출력단에 ZVS용 수동소자 (필터)를 적용함으로써 ZVS 동작을 보장받을 수 있게 되는 것이다.
도 11은 DC-DC 컨버터를 이용한 정전력 출력 제어 적용 IPTS의 전체 회로도, 도 12는 유효저항 변경 적용 회로도(Cp = O㎌ 가정)의 등가 모델링 회로도, 도 13은 송수신부 완전 공진 가정시 최종 등가 회로도, 그리고, 도 14는 송수신부간 거리 변화시 내부 저항 특성 및 내부 저항 변화에 따른 출력 전력 특성을 나타내는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 수신부(216)의 DC-DC 컨버터 듀티 가변시 유효저항 변경을 이용한 정전력 출력 제어가 가능할 수 있다.
다시 말해, 송수신부(203, 216) 간 거리 감소시 내부 저항 rT는 점점 증가하게 되는데(도 12 및 도 13 참조) 도 13의 송수신부(203, 216)의 완전 공진 가정시 최종 등가 회로를 수식으로 나타내면, 이고, 이므로, 과전위(η)는 <수학식 3>과 같이 표현될 수 있다.
따라서, (누설 리액턴스) 이 되고, (자화 리액턴스) 이 된다.
이와 같이 내부 저항이 증가하므로, 본 개시의 실시예에서는 출력측 유효저항 Re를 가변함으로써 정전력 출력 제어를 가능하게 할 수 있다(도 14 참조).
도 14를 다시 정리해 보면 다음과 같이 표현될 수 있을 것이다.
dm 〉d(M) 〉dk 구간: rT〈 Re로서, Re 증가시 출력 전력 감소
dk〈 d(M) 구간: rT 〉Re로서, Re 증가시 출력 전력 증가
도 15 내지 도 17은 송수신부 간 거리 변화시 목표 전력만족을 위한 부하 저항 별 효율 그래프를 나타내는 도면이다.
도 15에 볼 수 있는 바와 같이, (주파수 분리가) 약한 영역에서는 목표 전력 만족점이 1개, 심한 영역에서는 2개가 존재한다. 약한 영역에서는 목표 전력을 만족하는 1개의 유효 저항(혹은 부하 저항) 동작점에서 동작하게 된다. 또한, 심한 영역의 2개점 중 큰 유효 저항은 DC/DC 컨버터의 동작 범위를 크게 벗어날 수 있고 효율도 낮다.
그러나, 심한 영역의 작은 유효 저항을 동작 범위에 동작하도록 DC/DC 컨버터 설계시, 도 15 내지 도 17에서 볼 수 있는 바와 같이 심한 영역에서 고효율 달성이 가능할 뿐만 아니라 넓은 광범위 거리 변화(약한 영역 및 심한 영역)에서도 유효 저항 가변을 통해 정전력 출력 제어가 가능할 수 있게 된다.
도 18은 송수신부 간 거리 변화시 목표 전력 만족을 위한 부하 저항 및 효율을 나타내는 도면이고, 도 19는 가변 고주파 인버터를 나타내는 도면이며, 도 20은 도 19의 인버터를 풀 브리지 또는 하프 브리지로 동작시키는 예를 나타내는 도면이다.
(주파수 분리가) 심한 영역에서 거리가 매우 가까워져 rT가 매우 커질 경우, 목표 전력점을 만족하는 유효 저항이 존재하지 않을 수 있다. 예컨대, PL = 100W에서 PL = 150W로 목표가 변경된 경우이다.
이 경우, 주파수 스캐닝을 통한 거리 판별시 거리가 심한 영역인 경우, 도 18 내지 도 20에 나타낸 바와 같이, 하프 브리지 인버터를 풀 브리지 인버터로 전환이 가능하도록 가변 고주파 인버터를 적용함으로써 위의 문제를 해결할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 송수신부(203, 216) 간 별도의 통신회로 없이도, 송신부(203)의 전류 정보만을 이용하여 송수신부(203, 216) 간 거리의 식별이 가능하고, 거리 식별에 따른 최적의 동작 주파수를 적용함으로써 복잡한 제어 회로 없이도 광역 거리의 거리 변화에서도 정전력 출력 제어가 가능할 수 있게 된다(ex. 주파수 가변 제어 방법).
또한, 수신부(216)의 DC/DC 컨버터의 최적 설계를 통한 유효 저항 가변 방법 및 가변 고주파 인버터를 적용함으로써 광역 범위의 거리 변화에서도 정전력 출력 제어가 가능할 수 있게 된다(ex. DC/DC 컨버터 제어 방법).
도 21은 본 개시의 제1 실시예에 따른 전자장치(ex. 음향출력장치, 영상중계장치)의 구동 과정을 나타내는 흐름도이다.
설명의 편의상 도 21을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른 전자장치(100, 200)는 디스플레이 장치(110, 210)와 연계하여 비디오 및 오디오 데이터 중 적어도 하나를 처리한다(S2100).
만약, 전자장치(100, 200)가 도 1과 같은 음향출력장치(100)인 경우 오디오 데이터를 처리할 것이고, 셋탑박스나 액세스포인트일 경우에는 비디오 및 오디오 데이터를 처리할 것이다.
이어, 전자장치(100, 200)는 디스플레이 장치(110, 210)와의 거리에 따라 결정된 동작 주파수로 인버터를 동작시켜 외부에 입력된 DC 전압(이는, AC 전압이 변환된 DC 전압에 해당될 수 있음)을 AC 전압으로 변경하고, 변경한 AC 전압에 의해 디스플레이 장치에 유도 기전력을 발생시킨다(S2110).
기타 자세한 내용들은 앞서 충분히 설명하였으므로 더 이상의 설명은 생략하도록 한다.
도 22는 본 개시의 실시예에 따른 디스플레이 장치의 구동 과정을 나타내는 흐름도이다.
설명의 편의상 도 21을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른 디스플레이 장치(110, 210)는 지정된 거리를 두고 위치하는 외부 장치, 가령 전자장치(100, 200)에 의해 발생하는 유도 기전력에 상응하는 전압을 생성하고, 거리에 의해 결정된 공진 주파수로 위의 생성한 전압을 정류하며, 정류 전압을 컨버터의 듀티 가변을 통해 조정하여 목표 전압으로 출력한다(S2210).
이에 따라 디스플레이 장치(110, 210)는 목표 전압을 이용하여 표시 패널에 영상을 표시할 수 있다(S2200).
기타 자세한 내용들은 앞서 충분히 설명하였으므로 더 이상의 설명은 생략하도록 한다.
도 23은 본 개시의 제2 실시예에 따른 전자장치의 구동과정을 나타내는 흐름도로서, 거리 측정 과정을 나타낸다.
설명의 편의상 도 23을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른 전자장치(100, 200)는 디스플레이 장치(110, 210)와의 거리에 따른 동작 주파수 및 전류값을(또는 그 정보를) 저장한다(S2300). 이때, 전류값은 최대 전류값을 포함할 수 있다.
이어, 전자장치(100, 200)는 초기 구동시, 다시 말해 임의의 공간에 설치된 후 초기 구동시 동작 주파수의 변경에 따라 생성된 전압을 디스플레이 장치(110, 210)로 무선으로 전송한다(S2310). 여기서, "무선으로 전송한다"는 것은 전자장치(100, 200)에서 발생된 전압에 의해 디스플레이 장치(110, 210)에 유도 기전력이 발생시키는 것을 의미할 수 있다.
또한, 전자장치(100, 200)는 변경한 동작 주파수에 따른 전류값을 센싱한다(S2320). 이에 따라 특정 주파수에서 최대 전류값이 감지될 수 있다.
그리고, 전자장치(100, 200)는 센싱한 전류값과 저장한 전류값, 가령 센싱한 최대 전류값이 저장한 전류값과 일치할 때의 동작 주파수를 찾을 수 있다(2330).
이와 같이 동작 주파수가 확인되면, 전자장치(100, 200)는 그에 따른 거리를 알 수 있을 것이다. 다시 말해, 앞서 동작 주파수 및 전류값은 거리에 매칭시켜 저장한 상태에 있기 때문에 이를 확인해 봄으로써 알 수 있게 될 것이다.
본 개시의 실시예에 따르면, 주어진 범위 내에서 거리에 제약받지 않고, 가령 벽걸이용 디스플레이 장치를 벽에 설치할 수 있게 됨으로써 유선 전력선을 없앨 수 있어, 시각적으로 보기 좋고, 인테리어 측면에서도 유용할 수 있을 것이다.
한편, 본 개시의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 개시가 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 개시의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비일시적 저장매체(non-transitory computer readable media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 개시의 실시 예를 구현할 수 있다.
여기서 비일시적 판독 가능 기록매체란, 레지스터, 캐시(cache), 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라, 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로, 상술한 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리 카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독가능 기록매체에 저장되어 제공될 수 있다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
100: 음향출력장치 110, 210: 디스플레이 장치
200: 영상중계장치 201: 인터페이스부
203: 무선전력전송부 211: 컨트롤러
212: 스캔 드라이버 213: 데이터 드라이버
214: 표시 패널 215: 방전 수행부
216: 무선전력수신부

Claims (20)

  1. 무선전력 송신장치에서 발생된 고주파 자기장이 쇄교하면서 생성되는 유도 기전력을 이용하는 코일부;
    상기 코일부에 존재하는 리액턴스 성분을 제거하기 위한 공진 회로부;
    상기 공진 회로부의 출력 전압을 정류시키는 정류부;
    외부 장치와의 거리에 따른 목표 전압 및 듀티 정보를 기초로 주파수 및 듀티 가변을 통해 부하 저항의 유효저항값을 변경하여 상기 정류부가 정류한 전압을 상기 목표 전압으로 조정하여 출력하는 컨버터; 및
    상기 거리가 기설정된 거리 미만임에 따라 상기 컨버터의 내부 저항이 임계값 이상이면, 상기 컨버터를 기설정된 주파수 및 기설정된 듀티로 동작하도록 제어하고,
    상기 외부 장치로 인버터의 동작 주파수 및 듀티 변경에 대응하는 요청을 전송하는 프로세서;를 포함하는, 디스플레이 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 거리가 기설정된 거리를 벗어나면 상기 외부 장치에 포함된 인버터는 하프 브리지 방식 또는 이득이 작은 토폴로지 방식으로 동작하고, 상기 기설정된 거리 내에 있으면 상기 인버터는 풀 브리지 방식 또는 이득이 큰 형태의 토폴로지 로 전환 동작하는 디스플레이 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 하프 브리지 방식으로 동작시키는 하프 브리지 컨버터; 및
    상기 풀 브리지 방식으로 동작시키는 풀 브리지 컨버터;를
    포함하는 디스플레이 장치.
  5. 삭제
  6. 디스플레이 장치와 연계하여 비디오 신호 및 오디오 신호 중 적어도 하나의 신호를 처리하는 인터페이스부;
    상기 디스플레이 장치와의 거리에 따라 결정된 동작 주파수로 동작하여 외부에서 입력된 DC 전압을 AC 전압으로 변경하는 인버터;
    상기 변경한 AC 전압에 의해 상기 디스플레이 장치에 유도 기전력을 발생시키는 코일부; 및
    전자장치의 초기 구동시 상기 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리에 상응하는 동작 주파수로 상기 인버터를 동작시키는 프로세서;를 포함하며,
    상기 인버터의 동작 주파수 및 상기 인버터의 듀티는, 상기 디스플레이 장치와의 거리가 기 설정된 거리 미만임에 기초하여 상기 디스플레이 장치로부터 수신된 요청 신호에 따라 변경되는, 전자장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전자장치는 상기 디스플레이 장치의 주변에 위치하는 주변 장치를 포함하는 전자장치.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    동작 주파수를 감소하는 다운 스캐닝 방식으로 상기 거리를 측정하거나 동작 주파수를 증가하는 업 스캐닝 방식으로 상기 거리를 측정하는 전자장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 업 스캐닝 방식에 의해 센싱된 최대 전류값을 기준으로 공진점의 피크에 해당하는 주파수를 결정하고 상기 결정한 주파수에 해당하는 기저장된 동작 주파수 및 듀티를 상기 인버터의 동작 주파수로 결정하는 전자장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치에 포함된 전력 수신부의 무부하 상태를 방지하기 위하여 상기 전력 수신부의 직렬 공진회로에 병렬 커패시터가 연결된 상태에서, 다운 스캐닝 또는 업 스캐닝을 수행하는 전자장치.
  12. 제9항에 있어서,
    업 스캐닝시 상기 인버터의 입력 전압을 상기 디스플레이 장치에 포함된 전력 수신부의 최대 부하 동작 기준에 필요한 전압보다 낮은 전압을 인가하여 스캔하거나, 상기 인버터의 듀티를 낮게 설정하여 상기 인버터의 유효입력 전압을 낮추어 스캔하는 전자장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치에 포함된 수신부 컨버터와 부하 사이의 스위치가 오프된 상태에서 초기 스캐닝 동작을 수행하며, 상기 스위치가 온될 때 정상적인 무선전력 전송을 수행하는 전자장치.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 인버터의 출력단과 공진 코일 사이에 구비되며, 상기 거리가 임계값을 넘을 때 상기 인버터에 포함된 복수의 스위칭소자의 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작시키기 위한 ZVS 소자를 포함하는 전자장치.
  15. 외부 장치에 의해 발생된 유도 기전력을 이용하여 전압을 생성하는 단계;
    공진 회로부의 출력 전압을 정류시키는 단계;
    상기 외부 장치와의 거리에 따라 인버터의 결정된 목표 전압 및 듀티 정보를 근거로 발생된 유도 기전력을 수신부 컨버터의 주파수 및 듀티를 가변하여 상기 정류된 전압을 상기 목표 전압으로 출력하는 단계; 및
    상기 거리가 기설정된 거리 미만임에 따라 상기 컨버터의 내부 저항이 임계값 이상이면, 상기 컨버터를 기설정된 주파수 및 기설정된 듀티로 동작하도록 제어하고 상기 외부 장치로 인버터의 동작 주파수 및 듀티 변경에 대응하는 요청을 전송하는 단계; 를 포함하고,
    상기 출력하는 단계는,
    상기 컨버터의 상기 주파수 및 듀티 가변을 통해 상기 컨버터에 연결된 부하 저항의 저항값을 변경하여 상기 정류 전압을 상기 목표 전압으로 생성하여 출력하는 디스플레이 장치의 구동방법.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서,
    상기 컨버터는 DC-DC 컨버팅을 수행하는 디스플레이 장치의 구동방법.
  18. 제15항에 있어서,
    정류기 입력 전압의 크기에 따라 상기 컨버터를 공진형으로 구성할 경우 하프 브리지 또는 풀 브리지 방식으로 동작시키는 단계;를 더 포함하는 디스플레이 장치의 구동방법.
  19. 삭제
  20. 디스플레이 장치와 연계하여 비디오 신호 및 오디오 신호 중 적어도 하나의 신호를 처리하는 단계;
    상기 디스플레이 장치와의 거리에 따라 결정된 동작 주파수로 동작하여 외부에서 입력된 DC 전압을 AC 전압으로 변경하는 단계; 및
    상기 변경한 AC 전압에 의해 상기 디스플레이 장치에 유도 기전력을 발생시키는 단계;및
    전자장치의 초기 구동시 상기 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리에 상응하는 동작 주파수로 인버터를 동작시키는 단계;를
    포함하며,
    상기 인버터의 동작 주파수 및 상기 인버터의 듀티는, 상기 디스플레이 장치와의 거리가 기 설정된 거리 미만임에 기초하여 상기 디스플레이 장치로부터 수신된 요청 신호에 따라 변경되는, 전자장치의 구동방법.

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