KR20130009645A - 무선 전력 수신기 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 송신기로부터 구동 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신기가 개시된다. 본 발명에 의한 무선 전력 수신기는, 상기 무선 전력 송신기로부터 상기 구동 전력을 무선으로 수신하는 전력 수신부, 상기 전력 수신부로부터 출력되는 상기 구동 전력을 직류 형태로 정류하는 정류부, 상기 정류부로부터 출력되는 상기 정류된 구동 전력을 저장하는 로드부, 상기 로드부에 저장되는 구동 전력의 전력량을 검출하여, 상기 로드부로 출력되는 구동 전력의 전력량을 조정하는 제어부 및 상기 로드부로 출력되는 구동 전력의 전력량에 따라서 상기 전력 수신부에서의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부를 포함한다.

Description

무선 전력 수신기 { WIRELESS POWER RECEIVER }
본 발명은 무선 전력 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 전력의 전송 효율을 극대화할 수 있는 무선 전력 수신기에 관한 것이다.
휴대전화 또는 PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 이동 단말기는 그 특성상 재충전이 가능한 배터리로 구동되며, 이러한 배터리를 충전하기 위해서는 별도의 충전 장치를 이용하여 이동단말기의 배터리에 전기 에너지를 공급한다. 통상적으로 충전장치와 배터리에는 외부에 각각 별도의 접촉 단자가 구성되어 있어서 이를 서로 접촉시킴으로 인하여 충전장치와 배터리를 전기적으로 연결한다.
하지만, 이와 같은 접촉식 충전방식은 접촉 단자가 외부에 돌출되어 있으므로, 이물질에 의한 오염이 쉽고 이러한 이유로 배터리 충전이 올바르게 수행되지 않는 문제점이 발생한다. 또한 접촉 단자가 습기에 노출되는 경우에도 충전이 올바르게 수행되지 않는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다.
이러한 무선충전 기술은 무선 전력 송수신을 이용한 것으로서, 예를 들어 휴대폰을 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고, 단지 충전 패드에 올려놓기만하면 자동으로 배터리가 충전이 될 수 있는 시스템이다. 일반적으로 무선 전동 칫솔이나 무선 전기 면도기 등으로 일반인들에게 알려져 있다. 이러한 무선충전 기술은 전자제품을 무선으로 충전함으로써 방수 기능을 높일 수 있고, 유선 충전기가 필요하지 않으므로 전자 기기 휴대성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 다가오는 전기차 시대에도 관련 기술이 크게 발전할 것으로 전망된다.
이러한 무선 충전 기술에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation) 방식이 있다.
현재까지는 전자기 유도를 이용한 방식이 주류를 이루고 있으나, 최근 국내외에서 마이크로파를 이용하여 수십 미터 거리에서 무선으로 전력을 전송하는 실험에 성공하고 있어, 가까운 미래에는 언제 어디서나 전선 없이 모든 전자제품을 무선으로 충전하는 세상이 열릴 것으로 보인다.
전자기 유도에 의한 전력 전송 방법은 1차 코일과 2차 코일 간의 전력을 전송하는 방식이다. 코일에 자석을 움직이면 유도 전류가 발생하는데, 이를 이용하여 송신단에서 자기장을 발생시키고 수신단에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 낸다. 이러한 현상을 자기 유도 현상이라고 일컬으며 이를 이용한 전력 전송 방법은 에너지 전송 효율이 뛰어나다.
공진 방식은, 2005년 MIT의 Soljacic 교수가 Coupled Mode Theory로 공진 방식 전력 전송 원리를 사용하여 충전장치와 몇 미터(m)나 떨어져 있어도 전기가 무선으로 전달되는 시스템을 발표했다. MIT팀의 무선 충전시스템은 공명(resonance)이란 소리굽쇠를 울리면 옆에 있는 와인잔도 그와 같은 진동수로 울리는 물리학 개념을 이용한 것이다. 연구팀은 소리를 공명시키는 대신, 전기 에너지를 담은 전자기파를 공명시켰다. 공명된 전기 에너지는 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 경우에만 직접 전달되고 사용되지 않는 부분은 공기 중으로 퍼지는 대신 전자장으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 기계나 신체에는 영향을 미치지 않을 것으로 보고 있다.
한편, 종래의 무선 전력 수신기는 충전량에 따라서 임피던스가 변경되며, 이에 따라 무선 충전 효율이 감소하는 문제점을 가진다. 이에 따라, 충전량에 기초하여 무선 전력 수신기의 임피던스를 변경하는 기술의 개발이 요청된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소하면서, 동시에 상술한 기술 개발 요청에 응답하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 충전량의 변경에 대응하여 스스로 임피던스를 변경하는 무선 전력 수신기 및 그 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상술한 바를 달성하기 위한 무선 전력 송신기로부터 구동 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신기는, 상기 무선 전력 송신기로부터 상기 구동 전력을 무선으로 수신하는 전력 수신부; 상기 전력 수신부로부터 출력되는 상기 구동 전력을 직류 형태로 정류하는 정류부; 상기 정류부로부터 출력되는 상기 정류된 구동 전력을 저장하는 로드부; 상기 로드부에 저장되는 구동 전력의 전력량을 검출하여, 상기 로드부로 출력되는 구동 전력의 전력량을 조정하는 제어부; 및 상기 로드부로 출력되는 구동 전력의 전력량에 따라서 상기 전력 수신부에서의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부;를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 의하여 충전량의 변경에 대응하여 스스로 임피던스를 변경하는 무선 전력 수신기 및 그 제어 방법이 제공된다. 이에 따라, 충전량의 변경에도 충전 효율이 감소하지 않는 효과가 창출될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송수신 시스템의 개념도이다.
도 2a는 본 발명과의 비교를 위한 비교 예이다.
도 2b는 도 2a의 비교 예에 대한 전송 효율이다.
도 2c 및 2d는 도 2a에 대한 등가 회로이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 블록도이다.
도 4a 및 4b는 무선 전력 수신기의 구현 예의 개념도이다.
도 5는 도 4a 및 4b에 대한 전송 효율이다.
도 6a는 본 발명과의 비교를 위한 비교 예이다.
도 6b는 도 6a의 비교 예에 대한 전송 효율이다.
도 6c 및 6d는 도 6a에 대한 등가 회로이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기-제1 무선 전력 수신기-제2 무선 전력 수신기의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 의한 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송수신 시스템의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 무선 전력 송수신 시스템은 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)를 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)와 전기적 연결을 형성할 수 있다. 도 1의 실시 예에서, 무선 전력 송신기(100)는 전자기파의 형태로 무선 전력을 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)로 공급할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)와 양방향 통신을 수행할 수 있다. 여기에서 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-3,110-4)는 소정의 통신 패킷을 처리하거나 송수신할 수 있는 장치일 수 있으며, 예를 들어 핸드폰, PDA, PMP, 스마트폰 등으로 구현될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)로 무선으로 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어 무선 전력 송신기(100)는 공진 방식을 통하여 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)에 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 전력을 수신하여 내부에 구비된 배터리의 충전을 수행할 수 있다. 또한 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 무선 전력 전송을 요청하는 신호나, 무선 전력 수신에 필요한 정보, 무선 전력 수신기 상태 정보 또는 무선 전력 송신기(100) 제어 정보 등을 무선 전력 송신기(100)에 송신할 수 있다. 상기의 송신 신호의 정보에 관하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
아울러, 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)의 위치정보메시지를 송신할 수 있다. 여기에서 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)의 위치정보메시지는, RF신호 또는 블루투스와 같은 근거리 통신에 의하여 구현될 수 있으며, 이에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
또한 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 각각의 충전상태를 나타내는 충전상태메시지를 무선 전력 송신기(100)로 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 디스플레이와 같은 표시수단을 포함할 수 있으며, 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각으로부터 수신한 메시지에 기초하여 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각의 상태를 표시할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기(100)는 각각의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)가 충전이 완료되기까지 예상되는 시간을 함께 표시할 수도 있다.
한편, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 각각에 무선 충전 기능을 디스에이블(disabled)하도록 하는 제어 신호를 송신할 수도 있다. 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 충전 기능의 디스에이블 제어 신호를 수신한 무선 전력 수신기는 무선 충전 기능을 디스에이블할 수 있다.
도 2a는 본 발명과의 비교를 위한 비교 예이다. 도 2a의 비교 예에 의한 무선 전력 송신기는 증폭부(201) 및 전력 송신부(211)를 포함한다. 아울러, 무선 전력 수신기는 전력 수신부(221), 정류부(222), 내부 저항(223), 외부 저항(224) 및 스위치부(225)를 포함한다. 증폭부(201)는 전력 공급부(미도시)로부터 VDD의 전압 및 IDD의 전류를 가지는 전력을 공급받으며, ω0의 교류로 변환하여 출력할 수 있으며, 예를 들어 6.78MHz일 수 있다. 증폭부(201)는 Class E Amp일 수 있다. 전력 송신부(211)는 전력을 무선으로 전력 수신부(221)로 송신하다. 정류부(222)는 수신된 전력을 정류한다. 한편, 충전 모드에서는 스위치부(225)가 온(on) 상태를 유지하며, 완충 모드에서는 스위치부(225)가 오프(off) 상태를 유지한다. 스위치부(225)가 온 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 10Ω이며, 스위치부(225)가 오프 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 135Ω이다. 상술한 바와 같은 임피던스 변경에 따라서, 도 2b와 같이 전력 송신부(221)로부터 전력 수신부(222)로의 전송 효율(S21)이 -1dB에서 -8dB로 감소할 수 있다.
상술한 전송 효율 감소는 도 2c를 참조하여 설명한다. 도 2c의 좌측은 충전 모드에서의 무선 전력 송신기-수신기의 등가 회로이다. 등가회로는 접지(251), 일단이 접지(251)에 연결되는 저항(252), 일단이 저항(252)의 타단에 연결되는 로드(253), 일단이 로드(253)의 타단에 연결되는 로드(254) 및 일단이 로드(254)의 타단에 연결되는 저항(255)을 포함할 수 있다. 여기에서, 로드(253)의 임피던스는 50Ω이며, 로드(254)의 임피던스는 10Ω일 수 있다.
한편, 도 2c의 우측은 완충 모드에서의 무선 전력 송신기-수신기의 등가 회로이다. 완충 모드에서는 로드(264)의 임피던스가 135Ω으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 로드(253)으로부터 로드(264)로 인가되는 전력 중 일부가 반사(reflection)되며, 전체 전력 송수신 효율이 감소한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신기(300)는 전력 수신부(301), 정류부(303), 스위치부(305), 로드부(307), 임피던스 조정부(309) 및 제어부(311)를 포함할 수 있다.
전력 수신부(301)는 무선 전력 송신기로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다. 전력 수신부(301)는, 예를 들어 소정의 인덕턴스를 가지는 루프 코일로 구현될 수 있다.
전력 수신부(301)로부터 입력되는 전력은 정류부(303)로 출력될 수 있다.
정류부(303)는 입력받은 전력을 정류할 수 있다. 정류부(303)는 공지된 정류 수단, 예를 들어 다이오드와 같은 수단으로 구현될 수 있으며, 정류를 할 수 있는 수단이라면 제한이 없음은 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 정류부(303)는 풀 브리지 다이오드(full-bridge diode)의 형태로 구현될 수 있다. 정류부(303)는 입력된 교류 형태의 전력을 직류 형태의 전력으로 정류할 수 있다.
정류부(303)는 스위치부(305)에 연결될 수 있으며, 스위치부(305)는 로드부(307) 및 정류부(303)의 연결을 온/오프할 수 있다.
임피던스 조정부(309)는, 인덕터, 커패시터, 저항 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 정류부(303)의 전단에 연결될 수 있다. 한편, 임피던스 조정부(309) 및 정류부(303) 사이에는 추가적으로 스위치부(미도시)가 포함될 수도 있으며, 제어부(311)의 제어에 따라서 임피던스 조정부(309)가 정류부(303)에 연결되거나 또는 연결되지 않을 수 있다. 예를 들어, 제어부(311)는, 스위치부(305)가 오프 상태인 경우에, 임피던스 조정부(309)가 정류부(303)에 연결되도록 제어할 수 있다. 상술한 인덕터의 인덕턴스, 커패시터의 커패시턴스, 저항의 레지스턴스는 변경 가능하다.
한편, 임피던스 조정부(309)는 도 3에서는 정류부(303)의 전단에 연결된 것과 같이 도시되었지만, 정류부(303)의 후단에 연결될 수도 있다. 이러한 경우에, 정류부(303)는 적어도 하나의 저항을 포함할 수 있다. 상술한 저항의 레지스턴스는 변경 가능하다.
제어부(311)는 무선 전력 수신기(300)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(311)는 스위치부(305)의 온/오프 상태를 검출할 수 있다. 제어부(311)는 스위치부(305)가 온 상태를 유지하는 경우에는 임피던스 조정부(309)가 정류부(303)에 연결되지 않도록 제어한다. 예를 들어, 제어부(311)는 정류부(303) 및 임피던스 조정부(309) 사이에 배치되는 스위치부(미도시)를 오프 상태로 제어할 수 있다. 한편, 제어부(311)는 스위치부(305)가 오프 상태를 유지하는 경우에는 임피던스 조정부(309)가 정류부(303)에 연결되도록 제어한다. 예를 들어, 제어부(311)는 정류부(303) 및 임피던스 조정부(309) 상이에 배치되는 스위치부(미도시)를 온 상태로 제어할 수 있다.
즉, 제어부(311)는 무선 전력 수신기(300)가 충전 모드로 작동하는 경우에는, 임피던스 조정부(309)를 정류부(303)에 연결하지 않도록 제어한다. 아울러, 제어부(311)는 무선 전력 수신기(300)가 완충 모드로 작동하는 경우에는, 임피던스 조정부(309)를 정류부(303)에 연결하도록 제어한다. 여기에서, 충전 모드는 CC(constant current) 모드일 수 있으며, 완충 모드는 CV(constant voltage) 모드일 수 있다.
임피던스 조정부(309)는 완충 모드인 경우에, 임피던스 매칭을 수행할 수 있으며, 이에 따라 완충 모드에서 증가되는 임피던스를 경감하여 충전 모드의 임피던스로 변경할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 조정부(309)는 도 2c의 로드(264)의 임피던스를 10Ω으로 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 전력 전송의 반사를 경감시킬 수 있다.
한편, 도시되지는 않았지만, 정류부(303) 및 로드부(307) 사이에는 레귤레이터부(regulator)부(미도시)가 배치될 수도 있다. 레귤레이터(regulator)부(미도시)는, 입력된 정류된 무선 전력로부터 리플(ripple)을 필터링하여 출력할 수 있다. 레귤레이터부(미도시)는 일 실시 예로, LC 필터로 구현될 수 있으며, 이에 따라 정류된 무선 전력을 더욱 직류 파형에 가깝게 보정할 수 있다. 또한 레귤레이터부(미도시)는, 출력단으로 무선 전력이 출력됨에 있어, 오버플로우(overflow) 등이 발생하지 않도록 무선 전력의 출력을 제어할 수도 있다. 레귤레이터부(미도시)에 의하여 출력되는 무선 전력은 외부로 출력되어 로드(load)로 인가되거나 또는 로드부(307)에 저장될 수 있다.
도 4a 및 4b는 무선 전력 수신기의 구현 예의 개념도이다.
도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 증폭부(401) 및 전력 송신부(411)를 포함한다. 아울러, 무선 전력 수신기는 전력 수신부(421), 정류부(422), 내부 저항(423), 외부 저항(424), 스위치부(425), 제어부(426), 스위치부(427), 인덕터부(428), 커패시터부(429) 및 접지부(430)를 포함한다.
증폭부(401)는 전력 공급부(미도시)로부터 VDD의 전압 및 IDD의 전류를 가지는 전력을 공급받으며, ω0의 교류로 변환하여 출력할 수 있으며, 예를 들어 6.78MHz일 수 있다. 증폭부(201)는 Class E Amp일 수 있다. 전력 송신부(411)는 전력을 무선으로 전력 수신부(421)로 송신하다. 정류부(422)는 수신된 전력을 정류한다. 한편, 충전 모드에서는 스위치부(425)가 온(on) 상태를 유지하며, 완충 모드에서는 스위치부(425)가 오프(off) 상태를 유지한다. 스위치부(425)가 온 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 10Ω이며, 스위치부(425)가 오프 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 135Ω이다. 도 4a의 경우에서는, 스위치부(427)이 오프 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 제어부(426)는, 예를 들어 스위치부(425)의 온 상태를 검출하여, 스위치부(427)를 오프 상태로 제어할 수 있다.
한편, 도 4b의 경우에서, 제어부(426)는 스위치부(425)가 오프 상태인 것을 확인하여 완충 모드인 것을 검출할 수 있다. 제어부(426)는 스위치부(427)를 온 상태로 제어할 수 있다. 스위치부(427)가 온 상태가 되면, 인덕터부(428), 커패시터부(429) 및 접지부(430)가 정류부(422)에 연결될 수 있다. 이에 따라서, port 2에서 바라보는 임피던스가 10Ω으로 조정될 수 있다. 여기에서, 인덕터부(428) 및 커패시터부(429)의 합성 임피던스는, 충전 모드에서의 port 2에서 바라본 임피던스, 예를 들어 10Ω 이상이면서, 완충 모드에서의 port 2에서 바라본 임피던스, 예를 들어 135Ω보다는 작을 수 있다.
한편, 인덕터부(428), 커패시터부(429) 이외에도 저항부가 추가적으로 구비될 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 정류부(422) 후단에도 병렬로 스위치 및 저항이 연결될 수도 있다. 아울러, 스위치가 온 상태인 경우에 저항에 의하여 임피던스가 조정될 수도 있다.
즉, 상술한 바와 같이, 완충 모드 또는 CV 모드에서 임피던스 증가를 임피던스 조정부에 기초하여 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이 전송 효율(S21)이 -1dB에서 -3.2dB로 감소할 수 있다. 즉, 도 2b의 전송 효율이 -8dB인 것과 비교하여 전송 효율 감소의 문제가 완화된 것을 확인할 수 있다.
도 6a는 본 발명과의 비교를 위한 비교 예이다. 도 6a의 비교 예에 의한 무선 전력 송신기는 증폭부(201) 및 전력 송신부(211)를 포함한다. 아울러, 제1 무선 전력 수신기는 전력 수신부(221), 정류부(222), 내부 저항(223), 외부 저항(224) 및 스위치부(225)를 포함한다. 또한 제2 무선 전력 수신기는 전력 수신부(251), 정류부(252), 내부 저항(253), 외부 저항(254) 및 스위치부(255)를 포함한다.
증폭부(201)는 전력 공급부(미도시)로부터 VDD의 전압 및 IDD의 전류를 가지는 전력을 공급받으며, ω0의 교류로 변환하여 출력할 수 있으며, 예를 들어 6.78MHz일 수 있다. 증폭부(201)는 Class E Amp일 수 있다. 전력 송신부(211)는 전력을 무선으로 전력 수신부(221)로 송신하다. 정류부(222)는 수신된 전력을 정류한다. 한편, 충전 모드에서는 스위치부(225)가 온(on) 상태를 유지하며, 완충 모드에서는 스위치부(225)가 오프(off) 상태를 유지한다. 스위치부(225)가 온 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 10Ω이며, 스위치부(225)가 오프 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 135Ω이다.
한편, 다른 전력 수신부(251) 또한 전력 송신부(211)로부터 전력을 무선으로 수신한다. 정류부(252)는 수신된 전력을 정류한다. 한편, 충전 모드에서는 스위치부(255)가 온(on) 상태를 유지하며, 완충 모드에서는 스위치부(255)가 오프(off) 상태를 유지한다. 스위치부(255)가 온 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 10Ω이며, 스위치부(255)가 오프 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 135Ω이다.
여기에서, 제1 무선 전력 수신기는 충전 모드이며, 제2 무선 전력 수신기가 완충 모드로 전환되는 상황을 상정하도록 한다.
제2 무선 전력 수신기가 완충 모드로 전환되어 제2 무선 전력 수신기의 자체 임피던스가 변경되는 경우에는, 제1 무선 전력 수신기의 임피던스에도 영향을 미친다. 아울러, 제2 무선 전력 수신기의 임피던스 변경은 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율(S21)에도 영향을 미친다.
도 6b는 제2 무선 전력 수신기의 자체 임피던스가 변경되는 경우의, 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율(S21)의 그래프이다. 도 6b에서는, 전송 효율(S21)이 -4.5dB에서 -8dB로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제2 무선 전력 수신기의 자체 임피던스 변경이 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율(S21)에도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 상술한 현상은 도 6c를 참조하여 설명하도록 한다.
도 6c 충전 모드에서의 무선 전력 송신기-제1 수신기-제2 수신기의 등가 회로이다. 등가 회로는 일단이 접지되는 저항(611), 일단이 저항(611)의 타단에 연결되는 로드(612), 일단이 로드(612)의 타단에 연결되는 로드(613)과 일단이 로드(612)의 타단에 연결되는 로드(614)를 포함한다. 또한 로드(615)가 로드(613)의 타단 및 로드(614)의 타단 사이에 형성될 수 있다. 로드(615)는 제1 무선 전력 수신기 및 제2 무선 전력 수신기의 커플링(coupling)에 의하여 형성될 수 있다.
한편, 저항(616)의 일단은 로드(613)에 연결되며, 타단은 접지(617)에 연결된다. 아울러, 저항(618)의 일단은 로드(614)에 연결되며, 타단은 접지(619)에 연결된다. 상술한 실시 예는, 제1 무선 전력 수신기가 충전 모드이며, 제2 무선 전력 수신기가 완충 모드인 경우를 상정하도록 한다. 로드(612)는 50Ω, 로드(613)는 10Ω, 로드(614)는 135Ω, 로드(615)는 50Ω일 수 있다.
도 6d는 도 6c의 등가 회로이다. 도 6d에서, 접지(631)에는 저항(632)의 일단이 연결되며, 저항(632)의 타단에는 로드(633)의 일단이 연결된다. 로드(633)의 타단에는 로드(634)의 일단이 연결된다. 로드(634)의 타단에는 로드(635)의 일단 및 로드(636)의 일단이 연결된다. 로드(635)의 타단에는 저항(637)의 일단이 연결되며, 저항(637)의 타단은 접지(638)에 연결된다. 로드(636)의 타단에는 저항(639)의 일단이 연결되며, 저항(639)의 타단은 접지(640)에 연결된다. 여기에서, 로드(633)는 50Ω, 로드(634)는 6.92Ω, 로드(635)는 346Ω, 로드(636)는 2.56Ω일 수 있다.
도 6c의 로드들과 도 6d의 로드들은 하기 수학식 1 내지 3의 관계를 가진다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
수학식 1 내지 3에서, Z1 , Z2 , Z3는 각각 도 6c의 로드(613), 로드(614) 및 로드(615)의 임피던스이다. 아울러, Z1', Z2', Z3'는 각각 도 6d의 로드(634), 로드(635) 및 로드(636)의 임피던스이다.
한편, 도 6d에 도시된 바와 같이, 로드(635)의 임피던스는 도 6c의 로드(613)의 임피던스보다 증가하고, 이에 따라 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율(S21)이 감소한다.
도 6e 및 6f는 각각 제2 무선 전력 수신기가 충전 모드인 경우 및 제2 무선 전력 수신기가 완충 모드인 경우에 대응하는 제1 무선 전력 수신기의 송신 효율들이다. 도 6e 및 6f에 도시된 바와 같이, 제2 무선 전력 수신기의 자체 임피던스가 변경되는 경우에도 제1 무선 전력 수신기의 송신 효율이 변경될 수 있다.
이에 따라, 제2 무선 전력 수신기의 자체 임피던스가 변경되는 경우에도 제1 무선 전력 수신기의 송신 효율에 영향을 미치지 않도록 하는 기술 개발이 요청된다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기-제1 무선 전력 수신기-제2 무선 전력 수신기의 개념도이다.
도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 증폭부(711) 및 전력 송신부(712)를 포함한다. 아울러, 제2 무선 전력 수신기는 전력 수신부(721), 정류부(722), 내부 저항(723), 외부 저항(724), 스위치부(725), 제어부(726), 스위치부(727), 인덕터부(728), 커패시터부(729) 및 접지부(730)를 포함한다. 제1 무선 전력 수신기는 전력 수신부(751), 정류부(752), 내부 저항(754), 외부 저항(756), 스위치부(753)를 포함한다.
도 7a의 실시 예에서는, 제1 및 제2 무선 전력 수신기 모두 충전 모드인 경우를 상정하도록 한다.
증폭부(711)는 전력 공급부(미도시)로부터 VDD의 전압 및 IDD의 전류를 가지는 전력을 공급받으며, ω0의 교류로 변환하여 출력할 수 있으며, 예를 들어 6.78MHz일 수 있다. 증폭부(711)는 Class E Amp일 수 있다. 전력 송신부(712)는 전력을 무선으로 전력 수신부(721) 및 전력 수신부(751)로 송신하다. 정류부(722,752)는 수신된 전력을 정류한다.
한편, 충전 모드에서는 스위치부(725,753)가 온(on) 상태를 유지하며, 완충 모드에서는 스위치부(725,753)가 오프(off) 상태를 유지한다. 스위치부(725,753)가 온 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 10Ω이며, 스위치부(725,753)가 오프 상태인 경우에는 port 2에서 바라보는 임피던스가 135Ω이다.
도 7a의 경우에서는, 스위치부(727)이 오프 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 제어부(726)는, 예를 들어 스위치부(725)의 온 상태를 검출하여, 스위치부(727)를 오프 상태로 제어할 수 있다.
한편, 도 7b의 경우에서, 제어부(726)는 스위치부(725)가 오프 상태인 것을 확인하여 완충 모드인 것을 검출할 수 있다. 제어부(726)는 스위치부(727)를 온 상태로 제어할 수 있다. 스위치부(727)가 온 상태가 되면, 인덕터부(728), 커패시터부(729) 및 접지부(730)가 정류부(722)에 연결될 수 있다. 이에 따라서, port 2에서 바라보는 임피던스가 10Ω으로 조정될 수 있다. 뿐만 아니라, 제2 무선 전력 수신기의 자체 임피던스가 재조정됨에 따라서, 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율이 영향을 받지 않는다.
상술한 바는 도 7c 및 7d와 관련하여 설명하도록 한다. 도 7c 및 7d는 도 7b의 등가 회로이다.
도 7c에 의한 등가 회로는 일단이 접지(771)에 연결되는 저항(772), 일단이 저항(772)의 타단에 연결되는 로드(773), 일단이 로드(773)의 타단에 연결되는 로드(774)과 일단이 로드(773)의 타단에 연결되는 로드(775)를 포함한다. 또한 로드(776)가 로드(774)의 타단 및 로드(775)의 타단 사이에 형성될 수 있다. 로드(776)는 제1 무선 전력 수신기 및 제2 무선 전력 수신기의 커플링(coupling)에 의하여 형성될 수 있다.
한편, 저항(777)의 일단은 로드(774)에 연결되며, 타단은 접지(778)에 연결된다. 아울러, 저항(779)의 일단은 로드(775)에 연결되며, 타단은 접지(780)에 연결된다. 상술한 실시 예는, 제1 무선 전력 수신기가 충전 모드이며, 제2 무선 전력 수신기가 완충 모드인 경우이며, 임피던스 조정부가 연결된 상황을 상정하도록 한다. 로드(773)는 50Ω, 로드(774)는 10Ω, 로드(775)는 10Ω, 로드(776)는 50Ω일 수 있다. 즉, 로드(775)는 임피던스 조정부에 의하여 10Ω으로 임피던스가 변경될 수 있다.
도 7d는 7c의 등가 회로이며, 상술한 바와 같은 수학식 1 내지 3에 의하여 형성될 수 있다. 도 7d에서, 접지(781)에는 저항(782)의 일단이 연결되며, 저항(782)의 타단에는 로드(783)의 일단이 연결된다. 로드(783)의 타단에는 로드(784)의 일단이 연결된다. 로드(784)의 타단에는 로드(785)의 일단 및 로드(788)의 일단이 연결된다. 로드(785)의 타단에는 저항(786)의 일단이 연결되며, 저항(786)의 타단은 접지(787)에 연결된다. 로드(788)의 타단에는 저항(789)의 일단이 연결되며, 저항(789)의 타단은 접지(790)에 연결된다. 여기에서, 로드(783)는 50Ω, 로드(784)는 1.42Ω, 로드(785)는 7.1Ω, 로드(788)는 7.1Ω일 수 있다. 여기에서, 로드(785) 및 로드(788)가 동일한 임피던스를 가지며, 이에 따라 제1 무선 젼력 수신기의 전송 효율 강하되는 문제가 완화될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 의한 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 무선 전력 수신기의 내부 임피던스가 변경되어도, 제1 무선 전력 수신기의 전송 효율은 -1dB에서 -1.5dB로 크게 영향받지 않는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 누구든지 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는다면 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (11)

  1. 무선 전력 송신기로부터 구동 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신기에 있어서,
    상기 무선 전력 송신기로부터 상기 구동 전력을 무선으로 수신하는 전력 수신부;
    상기 전력 수신부로부터 출력되는 상기 구동 전력을 직류 형태로 정류하는 정류부;
    상기 정류부로부터 출력되는 상기 정류된 구동 전력을 저장하는 로드부;
    상기 로드부에 저장되는 구동 전력의 전력량을 검출하여, 상기 로드부로 출력되는 구동 전력의 전력량을 조정하는 제어부; 및
    상기 로드부로 출력되는 구동 전력의 전력량에 따라서 상기 전력 수신부에서의 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 로드부에 저장되는 구동 전력의 전력량이 CC(constant current) 모드에서 CV(constant voltage) 모드로 변경되는 것을 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 구동 전력의 전력량이 CC 모드에서 CV 모드로 변경되는 경우에, 임피던스 조정부가 상기 정류부의 전단 및 후단 중 적어도 하나에 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부와, 상기 정류부의 전단 및 후단 중 적어도 하나의 사이에 배치되는 적어도 하나의 스위치부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 CC 모드에서는 상기 적어도 하나의 스위치부를 오프(off) 상태로 제어하며, 상기 CV 모드에서는 상기 적어도 하나의 스위치부를 온(on) 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 상기 CV 모드에서 상기 정류부의 전단에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 커패시터, 코일 및 저항 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 상기 커패시터, 코일 및 저항은 각각 가변 커패시터, 가변 코일 및 가변 저항인 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 상기 CV 모드에서 상기 정류부의 후단에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 임피던스 조정부는, 적어도 하나의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 저항은 가변 저항인 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 임피던스 조정부는, 상기 CC 모드에서의 임피던스 및 상기 CV 모드에서의 상기 무선 전력 수신기의 임피던스가 동일하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
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