KR20130045213A - 무선 전력 송신기 및 그 제어 방법 - Google Patents

무선 전력 송신기 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기가 제공된다. 본 발명에 의한 무선 전력 송신기는, 충전 전력을 공급하는 전력 공급부, 충전 전력을 무선 전력 수신기로 송신하는 전력 송신부, 충전 전력의 전류 값이 기설정된 임계값 이상이 되지 않도록 무선 전력 송신기의 임피던스를 변경하는 과전류 보호부 및 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값 이상이면 과전류 보호부를 전력 송신부에 연결하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신기 및 그 제어 방법 { WIRELESS POWER TRANSMITTER AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF }
본 발명은 무선 전력 송신기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 수신기 및 그 제어 방법에 대한 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 올려놓기만 하면 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.
사용자는 무선 전력 수신기를 무선 전력 송신기에 배치할 수 있다. 무선 전력 수신기가 무선 전력 송신기에 배치되는 경우에는, 무선 전력 송신기의 특정 지점에서의 임피던스가 급격하게 변경될 수 있다. 한편, 임피던스의 변경에 의하여 무선 전력 송신기에 과전류가 인가될 가능성이 있다. 상술한 바와 같은 과전류는 무선 전력 송신기 내부의 증폭기를 불안정하게 동작시킨다. 아울러, 용량을 초과하는 전류 수급에 의한 전력 공급원 자체가 소손될 수 있는 문제가 발생할 수도 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 과전류가 인가되지 않도록 하는 무선 전력 송신기 및 그 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상술한 바를 달성하기 위하여 본 발명에 의한 무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기는, 상기 충전 전력을 공급하는 전력 공급부; 상기 충전 전력을 상기 무선 전력 수신기로 송신하는 전력 송신부; 상기 충전 전력의 전류 값이 기설정된 임계값 이상이 되지 않도록 상기 무선 전력 송신기의 임피던스를 변경하는 과전류 보호부; 및 상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상이면 상기 과전류 보호부를 상기 전력 송신부에 연결하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기의 제어 방법은, 상기 무선 전력 수신기로 상기 충전 전력을 인가하는 단계; 상기 충전 전력의 전류 값이 기설정된 임계값 이상인지를 판단하는 단계; 및 상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상이면 과전류 보호부를 동작시키도록 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 의하여, 급격한 임피던스 변경에 의한 과전류 인가가 방지될 수 있다. 이에 따라, 과전류 인가에 의한 증폭기의 불안정한 동작 또는 전력 공급원의 소손과 같은 문제가 방지될 수 있다.
특히, 임피던스 변경 시, 무선 전력 송신기의 특정 지점에서의 임피던스의 변경 과정에서 저효율-고출력 영역을 지나지 않도록 제어될 수 있으며, 과전류의 인가가 방지될 수 있다.
도 1은 무선 충전 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 실시 예에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 블록도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 수신기의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 4b는 본 발명의 실시 예에 의한 임피던스 변경을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5a 및 도 5b는 무선 전력 수신기가 배치되는 경우의 임피던스 변경을 스미스 차트에 표시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 수신기의 블록도이다.
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 무선 충전 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신기(100) 및 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)를 포함한다.
무선 전력 송신기(100)는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)에 무선으로 각각 전력(1-1,1-2,1-n)을 송신할 수 있다. 더욱 상세하게는, 무선 전력 송신기(100)는 소정의 인증절차를 수행한 인증된 무선 전력 수신기에 대하여서만 무선으로 전력(1-1,1-2,1-n)을 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)와 전기적 연결을 형성할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)로 전자기파 형태의 무선 전력을 송신할 수 있다.
한편, 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-n)는 소정의 프레임으로 구성된 패킷(2-1,2-2,2-n)을 처리하거나 송수신할 수 있다. 상술한 프레임에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다. 무선 전력 수신기는 특히, 이동통신단말기, 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 송신기(100)가 공진 방식을 채택한 경우, 무선 전력 송신기(100)와 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,1110-n) 사이의 거리는 바람직하게는 30m 이하일 수 있다. 또한 무선 전력 송신기(100)가 전자기 유도 방식을 채택한 경우, 전력제공장치(100)와 복수 개의 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n) 사이의 거리는 바람직하게는 10cm 이하일 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.
또한 무선 전력 수신기(110-1,110-2,110-n)는 각각의 충전상태를 나타내는 메시지를 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.
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 발명의 실시 예에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 블록도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(200)는 전력 송신부(211), 제어부(212) 및 통신부(213)를 포함할 수 있다. 또한 무선 전력 수신기(250)는 전력 수신부(251), 제어부(252) 및 통신부(253)를 포함할 수 있다.
전력 송신부(211)는 무선 전력 송신기(200)가 요구하는 전력을 제공할 수 있으며, 무선으로 무선 전력 수신기(250)에 전력을 제공할 수 있다. 여기에서, 전력 송신부(211)는 교류 파형의 형태로 전력을 공급할 수 있으며, 직류 파형의 형태로 전력을 공급하면서 이를 인버터를 이용하여 교류 파형으로 변환하여 교류 파형의 형태로 공급할 수도 있다. 전력 송신부(211)는 내장된 배터리의 형태로 구현될 수도 있으며, 또는 전력 수신 인터페이스의 형태로 구현되어 외부로부터 전력을 수신하여 다른 구성 요소에 공급하는 형태로도 구현될 수 있다. 전력 송신부(211)는 일정한 교류 파형의 전력을 제공할 수 있는 수단이라면 제한이 없다는 것은 당업자가 용이하게 이해할 것이다.
아울러, 전력 송신부(211)는 교류 파형을 전자기파 형태로 무선 전력 수신기(250)로 제공할 수 있다. 전력 송신부(211)는 추가적으로 루프 코일을 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 소정의 전자기파를 송신 또는 수신할 수 있다. 전력 송신부(211)가 루프 코일로 구현되는 경우, 루프 코일의 인덕턴스(L)는 변경가능할 수도 있다. 한편 전력 송신부(211)는 전자기파를 송수신할 수 있는 수단이라면 제한이 없는 것은 당업자는 용이하게 이해할 것이다. 또는 전력 송신부(211)는 루프 코일 및 커패시터를 포함하는 공진 회로를 포함할 수도 있다.
제어부(212)는 무선 전력 송신기(200)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(212)는 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 무선 전력 송신기(200)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(212)는 CPU, 마이크로프로세서, 미니 컴퓨터와 같은 형태로 구현될 수 있다. 제어부(212)의 세부 동작과 관련하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
제어부(212)는 무선 전력 송신기(200)의 특정 지점에 인가되는 전류 값을 측정할 수도 있다. 제어부(212)는 측정된 전류 값이 기설정된 임계값 이상인 경우, 과전류 보호 회로를 동작하도록 할 수 있다. 이에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)와 소정의 방식으로 통신을 수행할 수 있다. 통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)의 통신부(253)와 NFC(near field communication), Bluetooth, BLE(Bluetooth Low Energy), Wifi, Wifi Direct, Zigbee 통신, 적외선 통신, 가시광선 통신 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 통신부(213)는 IEEE802.15.4 방식의 Zigbee 통신 방식을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 아울러, 통신부(213)는 CSMA/CA 알고리즘을 이용할 수 있다. 통신부(213)가 이용하는 주파수 및 채널 선택에 관한 구성은 더욱 상세하게 후술하도록 한다. 한편, 상술한 통신 방식은 단순히 예시적인 것이며, 본원 발명은 통신부(213)에서 수행하는 특정 통신 방식에 의하여 그 권리범위가 한정되지 않는다.
한편, 통신부(213)는 무선 전력 송신기(200)의 정보에 대한 신호를 송신할 수 있다. 여기에서, 통신부(213)는 상기 신호를 유니캐스트(unicast), 멀티캐스트(multicast) 또는 브로드캐스트(broadcast)할 수 있다.
통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)로부터 전력 정보를 수신할 수 있다. 여기에서 전력 정보는 무선 전력 수신기(250)의 용량, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 통신부(213)는 무선 전력 수신기(250)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있다. 충전 기능 제어 신호는 특정 무선 전력 수신기(250)의 무선 전력 수신부(251)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.
통신부(213)는 무선 전력 수신기(250) 뿐만 아니라, 다른 무선 전력 송신기(미도시)로부터의 신호를 수신할 수도 있다. 예를 들어, 통신부(213)는 다른 무선 전력 송신기로부터 상술한 무선 전력 송신기에 대한 신호를 수신할 수 있다.
한편, 도 2a에서는 전력 송신부(211) 및 통신부(213)가 상이한 하드웨어로 구성되어 무선 전력 송신기(200)가 아웃-밴드(out-band) 형식으로 통신되는 것과 같이 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다. 본 발명은 전력 송신부(211) 및 통신부(213)가 하나의 하드웨어로 구현되어 무선 전력 송신기(200)가 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다.
무선 전력 송신기(200) 및 무선 전력 수신기(250)는 각종 신호를 송수신할 수 있으며, 이에 따라 무선 전력 송신기(200)가 주관하는 무선 전력 네트워크로의 무선 전력 수신기(250)의 가입과 무선 전력 송수신을 통한 충전 과정이 수행될 수 있으며, 상술한 과정은 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 수신기의 블록도이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신기(250)는 전력 수신부(251), 제어부(252), 통신부(253), 정류부(254), DC/DC 컨버터부(255), 스위치부(256) 및 충전부(257)를 포함할 수 있다.
전력 수신부(251), 제어부(252) 및 통신부(253)에 대한 설명은 여기에서는 생략하도록 한다. 정류부(254)는 전력 수신부(251)에 수신되는 무선 전력을 직류 형태로 정류할 수 있으며, 예를 들어 브리지 다이오드의 형태로 구현될 수 있다. DC/DC 컨버터부(255)는 정류된 전력을 기설정된 이득으로 컨버팅할 수 있다. 예를 들어, DC/DC 컨버터부(255)는 출력단(259)의 전압이 5V가 되도록 정류된 전력을 컨버팅할 수 있다. 한편, DC/DC 컨버터부(255)의 전단(258)에는 인가될 수 있는 전압의 최솟값 및 최댓값이 기설정될 수 있다.
스위치부(256)는 DC/DC 컨버터부(255) 및 충전부(257)를 연결할 수 있다. 스위치부(256)는 제어부(252)의 제어에 따라 온(on)/오프(off) 상태를 유지할 수 있다. 충전부(257)는 스위치부(256)가 온 상태인 경우에 DC/DC 컨버터부(255)로부터 입력되는 컨버팅된 전력을 저장할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 충전 전력을 인가할 수 있다(S301). 무선 전력 송신기는 기설정된 크기의 충전 전력을 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 인가할 수 있다.
한편, 사용자는 무선 전력 수신기의 위치를 변경시킬 수 있다. 또는 사용자는 추가적으로 무선 전력 수신기를 무선 전력 송신기 상에 위치시킬 수도 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신기의 특정 지점에서의 임피던스 값이 급격하게 변경될 수 있다. 무선 전력 송신기의 특정 지점에서의 임피던스 값의 변경 과정에서, 무선 전력 송신기에 과전류가 인가될 수도 있다. 무선 전력 송신기는 인가되는 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값 이상인 지 여부를 판단할 수 있다(S303).
인가되는 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값보다 작은 경우에는(S303-N), 무선 전력 송신기는 인가되는 충전 전력의 인가를 유지할 수 있다(S301). 한편, 인가되는 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우에는(S303-Y), 무선 전력 송신기는 과전류 보호 회로를 동작시킬 수 있다(S305). 과전류 보호 회로에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다. 예를 들어, 제어부는 인가되는 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우에 과전류 보호 회로에 연결되는 스위치를 온(on) 상태로 제어할 수 있다. 또는 제어부는 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값보다 작은 경우에 과전류 보호 회로에 연결되는 스위치를 오프(off) 상태로 제어할 수 있다.
과전류 보호 회로는 무선 전력 송신기의 특정 부부의 임피던스를 변경할 수 있으며, 이에 따라 무선 전력 송신기로부터 인가되는 충전 전력을 기설정된 임계값 미만이 되도록 할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 노드(401)를 포함한다. 노드(401)는 무선 전력 송신기의 전력 공급부(미도시)에 연결될 수 있다. 아울러, 노드(401)는 저항(402) 및 증폭기(403)에 연결될 수 있다. 비교기(403)의 양 입력단에는 각각 저항(402)의 전단 및 저항(402)의 후단이 연결될 수 있다. 비교기(403)의 출력단은 비교기(404)의 입력단으로 연결될 수 있다. 한편, 비교기(404)의 다른 입력단에는 기준 전력(Kref)가 인가될 수 있다. 비교기(404)의 출력단은 과전류 보호 회로에 연결될 수 있다. 과전류 보호 회로는 제 1 스위치(405), 제 2 스위치(406), 코일(407) 및 커패시터(408)를 포함할 수 있다. 한편, 과전류 보호 회로는 접지(409) 및 공진기(408,409)에 연결될 수 있다. 더욱 상세하게는, 비교기(404)의 출력단은 제 1 스위치(405) 및 제 2 스위치(406) 각각의 게이트 단에 연결될 수 있다. 아울러, 제 1 스위치(405)는 접지(409) 및 코일(407)의 일단에 연결될 수 있다. 코일(407)의 타단은 커패시터(408)의 일단에 연결될 수 있다. 아울러, 제 2 스위치(406)는 커패시터(408)의 타단 및 공진기(408,409)의 일단에 연결될 수 있다.
한편, 저항(402)의 후단 및 비교기(403)의 하나의 입력단은 코일(410)의 일단에 연결될 수 있다. 코일(401)의 타단은 노드(411)에 연결된다. 노드(411)는 커패시터(415)의 일단, 커패시터(417)의 일단, 스위치(413)에 연결될 수 있다. 스위치(413)의 게이트 단에는 증폭기(412)가 연결되며, 구동 신호가 입력될 수 있다. 스위치(413)는 아울러 접지(414)에 연결될 수도 있다. 커패시터(415)의 타단은 코일(416)의 일단에 연결될 수 있다. 커패시터(417)의 타단은 접지(414)에 연결될 수 있다. 코일(416)의 타단은 공진기(418,419)의 일단에 연결될 수 있으며, 공진기(418,419)의 타단은 접지(414)에 연결될 수 있다.
한편, 무선 전력 수신기는 공진기(421,422)를 포함한다. 공진기(421,422)는 정류기(423)에 연결될 수 있으며, 정류기(423)는 접지(424) 및 로드(425)에 연결된다. 공진기(418,419)는 공진기(421,422)로 충전 전력을 송신한다.
한편, 도 4a의 실시 예에서는 공진기(418,419)에서 공진기(421,422)로 공진 방식에 의하여 충전 전력을 송신하는 것과 같이 도시되었지만 이는 단순히 예시적인 것이다. 공진기(418,419)는 코일로 치환될 수 있으며, 전자기 유도 방식에 의하여 충전 전력이 송신될 수도 있다.
한편, 무선 전력 송신기의 코일(416)에서 바라본 임피던스를 ZIN으로 명명하도록 한다. 비교기(404)는 무선 전력 공급부에서 입력되는 전류의 크기를 기준 전력 크기(Kref)와 비교할 수 있다.
무선 전력 수신기가 무선 전력 송신기 근린에 배치되는 경우, 임피던스 ZIN는 급격하게 변경될 수 있다. 도 5a는 무선 전력 수신기가 배치되는 경우의 임피던스 변경을 스미스 차트에 표시한 것이다. 스미스 차트의 좌측 부분은 고효율-저출력 영역(501)에 해당한다.
즉, 임피던스 ZIN가 상대적으로 고효율-저출력 영역(501)에 근접한 경우에는, 무선 전력 송신기로부터 무선 전력 수신기로 인가되는 충전 전력의 전력량이 상대적으로 낮으면서, 충전 효율은 고효율일 수 있다. 스미스 차트의 우측 부분은 저효율-고출력 영역(502)에 해당한다. 즉, 임피던스 ZIN가 상대적으로 저효율-고출력 영역(502)에 근접한 경우에는, 무선 전력 송신기로부터 무선 전력 수신기로 인가되는 충전 전력의 전력량이 상대적으로 높으면서, 충전 효율은 저효율일 수 있다. 무선 전력 수신기가 무선 전력 송신기 근린에 배치되는 경우, 임피던스 ZIN는 511의 경로 또는 512의 경로에 따라서 변경될 수 있다.
임피던스 ZIN가 511의 경로에 따라서 변경되는 경우에는, 저효율-고출력 영역(502)을 통과하지 않을 수 있다. 이러한 경우에는, 무선 전력 송신기의 전력 공급부(미도시)로부터의 충전 전력이 과전류를 초과하지 않고 안정적으로 공급될 수 있다. 한편, 임피던스 ZIN가 511의 경로에 따라서 변경되는 경우에는, 저효율-고출력 영역(502)을 통과한다. 이러한 경우에는, 무선 전력 송신기의 전력 공급부(미도시)로부터의 충전 전력이 기설정된 임계값 이상일 수 있다. 이에 따라, 증폭기가 소손되는 등의 문제가 발생될 수 있다.
비교기(404)는 충전 전력을 기준 전력의 크기(Kref)와 비교하여, 충전 전력이 기준 전력의 크기보다 크면 과전류 보호 회로를 공진기(418,419)에 연결할 수 있다. 예를 들어, 비교기(404)는 비교 결과 충전 전력이 기준 전력의 크기보다 크면 제 1 스위치(405) 및 제 2 스위치(406)를 온(on) 상태로 제어하는 출력 신호를 출력할 수 있다.
과전류 보호 회로가 공진기(418,419)에 연결되면, 임피던스 ZIN는 변경될 수 있다. 도 5b는 과전류 보호 회로가 연결된 이후의 임피던스 변경을 설명하는 스미스 차트이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 과전류 보호 회로가 연결되면 임피던스 ZIN는 521의 경로로 변경된다.
이에 따라, 임피던스 ZIN는 저효율-고출력 영역(502)을 통과하지 않을 수 있다. 상술한 바에 따라서, 전력 공급부(미도시)로부터 인가되는 충전 전력은 기설정된 임계값 미만을 유지할 수 있다.
한편, 과전류 보호 회로는 커패시터(407) 및 코일(408)을 포함하는 것과 같이 도시되었지만, 이는 예시적인 것이다. 과전류 보호 회로는 커패시터, 코일, 저항 중 적어도 하나의 소자를 포함할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 실시 예에 의한 임피던스 변경을 설명하기 위한 개념도이다. 과전류 보호 회로가 연결되면, 무선 전력 송신기-무선 전력 수신기는 도 4b와 같은 ZIN, ZOCP 및 ZLOAD가 등가 회로로 표현될 수 있다. 여기에서, ZOCP는 과전류 보호 회로의 임피던스이며, ZLOAD는 로드(425)의 임피던스이다. 한편, 과전류 보호 회로가 연결되지 않으면, 무선 전력 송신기-무선 전력 수신기는 ZIN 및 ZLOAD가 직렬로 연결된 것과 같은 등가 회로로 표현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 인가되는 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값 이상인 경우에는, 과전류 보호 회로를 연결시켜 임피던스를 변경시킬 수 있다. 임피던스 변경에 의하여 임피던스는 저효율-고출력 영역(502)에 포함되지 않으며, 이에 따라 과전류가 인가되는 것이 방지될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 송신기의 블록도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(600)는 전력 공급부(601), 제어부(603), 전력 송신부(605) 및 과전류 보호부(607)를 포함할 수 있다. 전력 공급부(601)는 충전 전력을 공급할 수 있다. 전력 송신부(605)는 충전 전력을 무선 전력 수신기로 송신할 수 있다. 과전류 보호부(607)는 충전 전력의 전류 값이 기설정된 임계값 이상이 되지 않도록 무선 전력 수신기의 특정 지점에서의 임피던스를 변경할 수 있다. 제어부(603)는 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상이면 상기 과전류 보호부(607)를 상기 전력 송신부(605)에 연결하도록 제어할 수 있다.
과전류 보호부(607)는, 커패시터, 코일 및 저항 중 적어도 하나의 소자를 포함할 수 있다. 또한 과전류 보호부(607)는, 제어부(603) 및 과전류 보호부(607) 사이를 연결하는 제 1 스위치와, 과전류 보호부(607) 및 전력 송신부(605) 사이를 연결하는 제 2 스위치를 더 포함할 수도 있다.
이러한 경우, 제어부(603)는, 충전 전력의 크기가 기설정된 임계값 이상이면, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 온(on) 상태로 제어할 수 있다.
또는 제어부(603)는, 전력 공급부(601)에 연결된 비교기를 포함할 수 있다. 비교기의 제 1 입력단에는 전력 공급부(601)로부터 충전 전력이 입력되고, 비교기의 제 2 입력단에는 임계값을 가지는 기준 전력이 입력될 수 있다. 비교기는, 제 1 입력단의 입력값과 제 2 입력단의 입력값을 비교하여, 비교 결과에 대응하는 출력값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 비교기는, 제 1 입력단의 입력값의 크기가 제 2 입력단의 입력값의 크기보다 크면, 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 온(on) 상태로 제어하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
한편, 과전류 보호부(607)의 커패시터, 코일 및 저항 중 적어도 하나의 소자는 무선 전력 송신기의 특정 지점에서의 임피던스가 저출력-고효율 영역에 포함되지 않도록 구성될 수 있다.
또는, 제어부(603)는 무선 전력 수신기로부터 수신된 충전 관련 신호에 기초하여 과전류 보호부(607)를 전력 송신부(605)에 연결할 수도 있다. 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 충전 관련 신호를 수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다. 제어부(603)는 수신된 무선 전력 수신기에 과전류가 인가되거나 또는 임피던스가 저효율-고출력 영역에 속한다는 충전 관련 신호를 분석할 수 있다. 제어부(603)는 무선 전력 수신기에 과전류가 인가되거나 또는 임피던스가 저효율-고출력 영역에 속하는 경우, 과전류 보호부(607)를 전력 송신부(605)에 연결할 수 있다.

Claims (12)

  1. 무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기에 있어서,
    상기 충전 전력을 공급하는 전력 공급부;
    상기 충전 전력을 상기 무선 전력 수신기로 송신하는 전력 송신부;
    상기 충전 전력의 전류 값이 기설정된 임계값 이상이 되지 않도록 상기 무선 전력 송신기의 임피던스를 변경하는 과전류 보호부; 및
    상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상이면 상기 과전류 보호부를 상기 전력 송신부에 연결하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 무선 전력 송신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 과전류 보호부는, 커패시터, 코일 및 저항 중 적어도 하나의 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 과전류 보호부는, 상기 제어부 및 상기 과전류 보호부 사이를 연결하는 제 1 스위치와, 상기 과전류 보호부 및 상기 전력 송신부 사이를 연결하는 제 2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상이면, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 온(on) 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전력 공급부에 연결된 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비교기의 제 1 입력단에는 상기 전력 공급부로부터 충전 전력이 입력되고, 상기 비교기의 제 2 입력단에는 상기 임계값을 가지는 기준 전력이 입력되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 비교기는, 상기 제 1 입력단의 입력값과 상기 제 2 입력단의 입력값을 비교하여, 비교 결과에 대응하는 출력값을 출력하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 비교기는, 상기 제 1 입력단의 입력값의 크기가 상기 제 2 입력단의 입력값의 크기보다 크면, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 온(on) 상태로 제어하는 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 커패시터, 코일 및 저항 중 적어도 하나의 소자는 상기 무선 전력 송신기의 특정 지점에서의 임피던스가 저출력-고효율 영역에 포함되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기로부터 충전 관련 신호를 수신하는 통신부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 충전 관련 신호를 분석하여 상기 과전류 보호부를 상기 전력 송신부에 연결할지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  11. 무선 전력 수신기로 충전 전력을 송신하는 무선 전력 송신기의 제어 방법에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기로 상기 충전 전력을 인가하는 단계;
    상기 충전 전력의 전류 값이 기설정된 임계값 이상인지를 판단하는 단계;
    상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 이상이면 과전류 보호부를 동작시키도록 제어하는 단계;를 포함하는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 과전류 보호부를 동작시키도록 제어하는 단계는, 상기 무선 전력 수신기의 임피던스 값을 변경하여 상기 충전 전력의 크기가 상기 기설정된 임계값 미만이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기의 제어 방법.
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