KR20140007223A - 무선 전력 전송 공진기 - Google Patents

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KR20140007223A
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김준일
박세호
박성범
여성구
이우람
이정석
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 무선 전력 송수신 시스템에 있어서, 공진하여 무선 전력을 전송하는 TX 공진기와, 상기 TX 공진기와 일정거리 이격되고, 공진하여 상기 전송되는 무선 전력을 수신하는 RX 공진기를 포함하고, 상기 RX 공진기와 상기 TX 공진기 이격 거리 사이에서 측정된 S 파라미터의 값이 미리 정해진 값을 가지도록 상기 TX 공진기의 임피던스(Ztx)와 상기 RX 공진기 임피던스(Zrx)가 결정되는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 Tx 임피던스 값(Ztx)과 Rx 임피던스값(Zrx)에 따라서 TX 공진기 및 RX 공진기의 효율(S21)과 송신 전력 및 수신 전력에 대한 정의가 가능해지며, 무선 전력 전송 공진기의 전송 효율을 S 파라미터를 이용하여 결정함으로써, 특정 효율 이상의 전력 전송 효율을 갖는 무선 전력 전송 공진기를 개발할 수 있으며, 구조나 소재에 대한 제한 없이 공진기의 효율을 관리할 수 있는 효과가 있다.

Description

무선 전력 전송 공진기{RESONATOR FOR WIRELESS POWER TRANSFER}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 전력의 전송 효율을 극대화할 수 있는 무선 전력 전송 공진기에 관한 것이다.
최근 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다. 이러한 무선충전 기술은 무선 전력 전송 기술을 이용한 것으로서, 예를 들어 무선 전력 전송 기술은 휴대폰을 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고, 단지 충전 패드에 올려놓으면 자동으로 배터리가 충전이 될 수 있는 시스템에 이용되고 있다. 또한, 일반적으로 무선 전력 전송 기술은 무선 전동 칫솔이나 무선 전기 면도기 등에 이용되는 것으로 일반인들에게 알려져 있다. 이러한 무선 전력 전송 기술은 무선 충전에 이용되어 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 전력 전송 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, 상기한 바와 같은 무선 전력 전송 기술에서는 최소의 손실 특성을 가지고 전력을 무선으로 송수신하는 것이 중요하다. 이에 따라 무선 전력 전송 기술분야의 많은 기술자들이 무선전력 전송을 하는데 있어서 송신단(이하 '무선 전력 송신기'라 칭함)에서 출력한 전력을 최소한의 손실을 가지고 수신단(이하'무선 전력 수신기'라 칭함)로 입력시킬 수 있도록 하기 위해 다양한 노력을 수행하고 있다.
최소의 손실 특성을 가지고 전력을 송수신하기 위해서는 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기간 고효율의 전력 전달 매개체가 필요하다. 예컨대 전력 전달 매개체로서 공진기가 이용되고 있는데, 공진기는 전력 전달 시 전력 손실이 발생하므로 손실을 줄이기 위한 기술이 필요하다. 공진기에서 손실을 증가시키는 원인으로는 매개체 즉, 공진기 자체의 전력 포화 특성 (이하 'Q factor'라 칭함), 방사 손실(이하 'Radiations'라 칭함) 그리고 반사 손실(이하 'Impedance Matching'이라 칭함) 특성 등이 있다.
종래 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 간 사용되는 공진기는 설계될 때 주로 Q factor를 고려하여 설계되어 전력 손실율이 낮아지도록 하였다. 그런데 종래와 같이 Q factor만 고려하는 경우, 실제 설계된 공진기는 전력 전달 효율이 좋지 못한 경우가 발생하는 경우가 많아 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기간 전력 전송 시 보다 좋은 전력 전달 효율 특성 가지는 무선 전력 전송 공진기를 제공하고자 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 Q factor외에 공진기의 성능을 나타내는 파라미터인 S 파라미터 즉, S21, S11, S22등을 이용하여 고효율의 전력 전달율을 가지는 무선 전력 전송 공진기를 제공하고자 한다.
상술한 바를 달성하기 위한 무선 전력 전송 공진기에 있어서, RX 공진기와 일정 거리 이격되고, 공진하여 무선 전력을 전송하는 TX 공진기를 포함하고, 상기 RX 공진기와 상기 TX 공진기 사이에서 측정된 S 파라미터의 값이 미리 정해진 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 무선 전력 전송 공진기에 있어서, TX 공진기와 일정 거리 이격되고, 공진하여 무선 전력을 수신하는 RX 공진기를 포함하고, 상기 RX 공진기와 상기 TX 공진기 사이에서 측정된 S 파라미터의 값이 미리 정해진 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 무선 전력 송수신 시스템에 있어서, 공진하여 무선 전력을 전송하는 TX 공진기와, 상기 TX 공진기와 일정거리 이격되고, 공진하여 상기 전송되는 무선 전력을 수신하는 RX 공진기를 포함하고, 상기 RX 공진기와 상기 TX 공진기 사이에서 측정된 S 파라미터의 값이 미리 정해진 값을 가지도록 상기 TX 공진기의 임피던스(Ztx)와 상기 RX 공진기 임피던스(Zrx)가 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 Tx 임피던스 값(Ztx)과 Rx 임피던스값(Zrx)에 따라서 TX 공진기 및 RX 공진기의 효율(S21)과 송신 전력 및 수신 전력에 대한 정의가 가능해지는 효과가 있다.
또한 본 발명은 무선 전력 전송 공진기의 전송 효율을 S 파라미터를 이용하여 결정함으로써, 특정 효율 이상의 전력 전송 효율을 갖는 무선 전력 전송 공진기를 개발할 수 있으며, 구조나 소재에 대한 제한 없이 공진기의 효율을 관리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 공진기의 S 파라미터 특성을 나타낸 예시도이
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 TX부와 TX 공진기의 구성도
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 TX부에서 PA의 출력 파워와 효율의 분포를 나타낸 스미스 차트를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 RX 공진기와 RX부의 구성도
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따라 S 파라미터(S11, S22)를 이용하여 설계된 공진기의 임피던스 산포도를 나타낸 도면
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 전송 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 송신기(10) 및 무선 전력 수신기(20)를 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기(10)는 무선 전력 수신기(20)와 전기적 연결을 형성할 수 있다. 도 1의 실시 예에서, 무선 전력 송신기(10)는 전자기파의 형태로 무선 전력을 무선 전력 수신기(20)로 공급할 수 있다.
무선 전력 송신기(10)는 무선 전력 수신기(20)와 양방향 통신을 수행할 수 있다. 여기에서 무선 전력 송신기(10) 및 무선 전력 수신기(20)는 소정의 통신 패킷을 처리하거나 송수신할 수 있는 장치일 수 있으며, 예를 들어 핸드폰, PDA, PMP, 스마트폰 등으로 구현될 수 있다.
무선 전력 송신기(10)는 복수 개의 무선 전력 수신기(미도시)로 무선으로 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어 무선 전력 송신기(10)는 공진 방식을 통하여 복수 개의 무선 전력 수신기에 전력을 전송할 수 있다. 무선 전력 송신기(10)가 공진 방식을 채택한 경우, 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(20) 사이의 거리는 바람직하게는 30m 이하일 수 있다. 무선 전력 수신기(20)는 무선 전력 송신기(10)로부터 무선 전력을 수신하여 내부에 구비된 배터리의 충전을 수행할 수 있다. 또한 무선 전력 수신기(20)는 무선 전력 전송을 요청하는 신호나, 무선 전력 수신에 필요한 정보, 무선 전력 수신기 상태 정보 또는 무선 전력 송신기(10) 제어 정보 등을 무선 전력 송신기(10)에 송신할 수 있다.
또한 무선 전력 수신기(20)는 각각의 충전상태를 나타내는 충전상태메시지를 무선 전력 송신기(10)로 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(10)는 디스플레이와 같은 표시수단을 포함할 수 있으며, 무선 전력 수신기(20) 각각으로부터 수신한 메시지에 기초하여 무선 전력 수신기(10) 각각의 상태를 표시할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기(10)는 각각의 무선 전력 수신기(20)가 충전이 완료되기까지 예상되는 시간을 함께 표시할 수도 있다.
한편, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(20) 각각에 무선 충전 기능을 디스에이블(disabled)하도록 하는 제어 신호를 송신할 수도 있다. 무선 전력 송신기(10)로부터 무선 충전 기능의 디스에이블 제어 신호를 수신한 무선 전력 수신기는 무선 충전 기능을 디스에이블할 수 있다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 송신기(10)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)(120) 및 TX부(110), TX 공진기(100)를 포함한다. 아울러, 무선 전력 수신기(20)는 RX 공진기(200), RX부(210), Load부(220)을 포함한다.
먼저, SMPS(120)는 VDD의 전압 및 IDD의 전류를 가지는 일정한 전력(TXDC)을 공급한다. TX부(110)는 증폭기(PA: Power Amplifier)를 포함하며 VDD의 전압 및 IDD의 전류를 가지는 전력(TXDC)을 공급받아 ω0의 교류(AC)로 변환하여 출력한다. 예를 들어 TX부(110)는 6.78MHz의 교류 또는 13.56MHz의 교류를 출력할 수 있다. 이때 증폭기는 Class E Amp일 수 있다. TX 공진기(100)는 TX부(110)로부터 출력되는 교류에 따라 공진되어 교류 전력(TXAC)을 무선으로 무선 전력 수신기(20)의 RX 공진기(200)로 송신한다.
한편, RX 공진기(200)는 TX 공진기(100)와 일정거리 이격되어 있을 수 있으며, 동일한 주파수로 공진하여 전력을 수신하고, 수신된 전력을 RX부(210)로 제공한다. RX부(210)는 정류부와 DC-DC 변환부를 포함할 수 있으며, 정류부를 통해 수신된 전력을 정류하고, DC-DC 변환부를 통해 직류전압입력을 다른 직류전압 출력으로 변환하여 출력한다. Load부(220)는 직류 전압을 배터리(미도시) 등으로 제공한다.
즉, 상기한 바와 같이 구성된 무선 전력 전송 시스템에서는 무선 전력 송신기(10)의 TX 공진기(100)의 공진에 의해 자기장이 발생되면 자기장의 영향으로 RX 공진기(200)에 전기가 유도되는 방식으로 전력이 전송된다.
이러한 무선 전력 전송 시스템에서 TX 공진기(100)로부터 출력된 전력이 얼마나 효율적으로 RX 공진기(200)에 전달되는지가 무선 전력 전송 성능에 영향을 미친다. 예컨대 TX 공진기(100)로부터 출력된 전력이 손실없이 RX 공진기(200)에 잘 전달될수록 무선 전력 전송 성능이 좋은 것이다. 따라서 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200) 사이에 무선 전력 전송 효율(RCE: Resonance Coupled Efficiency)은 무선 전력 전송 성능 판단의 척도가 될 수 있다.
그런데 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200) 사이에 전력 송수신 시에는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200) 각각 자체의 전력 포화 특성 (이하 'Q factor'라 칭함), 방사 손실(이하 'Radiations'라 칭함) 그리고 반사 손실(이하 'Impedance Matching'이라 칭함) 특성 등으로 인해 전력 손실이 발생할 수 있다. 즉 TX 공진기(100)로부터의 전력이 RX 공진기(200)로 100% 전송되지 못하고 손실이 발생할 수 있다.
따라서 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200) 사이에 전력 송수신 시 전력 전송 효율을 높이기 위해 전력 손실을 줄이기 위한 기술이 필요하다.
TX 공진기(100)와 RX 공진기(200) 사이에 전력 전송 효율을 높이기 위해 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)의 Q factor(Quality factor)를 개선하고 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)의 상호 결합 상수(k, coupling coefficient)를 극대화하면 전력 전송 효율이 높아질 수 있다.
그러나 이는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)의 내재적인 (potential) 전력 전송 특성만을 개선할 뿐, 실제 전력 전송이 발생하는 상황에서 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)외에 다른 구성요소들 즉, SMPS(120) 및 TX부(110), RX부(210) 및 Load부(220)에 의한 전력 전송 특성을 개선하기가 어렵다.
다시 말해, Q Factor는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200) 자체의 물성이므로 Q Factor가 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)의 효율을 직접적으로 정의하기가 힘들다. 따라서 본 발명에서는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)의 효율을 직접적으로 정의하기 위해서 특정 임피던스에서의 S 파라미터(S21, S11, S22)를 이용한다.
S 파라미터란 주파수 분포상에서 입력전압대 출력전압의 비를 의미한다. S21은 제1 포트에서 입력한 전압과 제2 포트에서 출력된 전압의 비율을 의미하는데, 본 발명에서는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)가 일정 거리에 있을 때 TX부(110)에서 입력한 전압과 RX부(210)에서 출력된 전압의 비율을 의미한다. 즉, TX 공진기(100)로 입력된 전력이 RX 공진기(200)에서는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치이다. S11은 TX 공진기(100)의 자체 반사값을 의미하고, S22 는 RX 공진기(200)의 자체 반사값을 의미한다.
여기서 S21, S11, S22는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
S21값은 클수록 전력 전송 효율이 높고, S11값과 S22값은 작을수록 전력 전송 효율이 높다.
한편, S11은 TX 공진기(100)의 자체 반사값을 의미하고, S22 는 RX 공진기(200)의 자체 반사값을 의미하기 때문에, TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)가 일정한 거리에서 커플링(coupling)되었을 때, S11값과 S22값을 구하면, TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)가 일정한 거리에서 커플링(coupling)되었을 때 전력 출력단(TX부(110))(PA)의 출력 파워와 효율 및 전력 입력단(RX부(210)로의 입력 파워와 효율을 구할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 공진기의 S 파라미터 특성을 나타낸 예시도이다. 도 2를 참조하면, 참조부호 C1, C2는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)가 일정한 거리에서 커플링(coupling)되었을 때 S11과 S22 값을 나타낸다.
그리고 Coupling 된 상태에서의 S 파라미터(S11, S22)에 의해서 전력 출력단(TX부(110))(PA)의 출력 파워와 효율 및 전력 입력단(RX부(210)로의 입력 파워와 효율이 결정되면, S21값을 구할 수 있다.
그리고 S21값을 구할 수 있게 되면, S21의 값을 크게 하기 위한 전력 출력단 및 전력 입력단의 설계가 가능해지며, 이를 위해서는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)의 임피던스 설정 및 설계가 필요하다.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 전력 출력단(TX부(110))(PA)과 전력 입력단(RX부(210) 사이의 S21값이 높은 값을 가지도록(-1.0dB 이하가 되도록) 하는 임피던스를 갖는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)를 제공하여 무선 전력 전송 효율이 높은 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(20)를 제공한다.
또한 S 파라미터의 분포값을 VSWR로 나타냈을 때, VSWR값이 2.0값 미만인 값을 가지도록 하는 임피던스를 갖는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)를 제공하여 효율이 높은 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(20)를 제공한다.
또한 S 파라미터의 S11값이 -10.0dB미만이고, S22값이 -10.0dB미만인 값을 가지도록 하는 임피던스를 갖는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)를 제공하여 효율이 높은 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(20)를 제공한다.
즉, 본 발명의 실시 예에서는 전력이 출력되는 TX부(110)측에서의 TX 임피던스(Ztx)와 전력이 입력되는 RX부(210)측에서의 RX 임피던스(Rtx)에 대한 정의를 하고, TX 임피던스(Ztx)와 RX 임피던스(Rtx)를 이용하여 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)를 설계함으로써, 무선 전력 전송 효율(RCE: Resonance Coupled Efficiency) 즉, S21이 높은 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)를 제공한다.
먼저 TX 임피던스(Ztx)와 RX 임피던스(Rtx)에 대해 설명하면, 도 1에서 Ztx 및 Zrx는 각각 TX부(110) 및 RX부(210)가 동작하는 특성 임피던스를 나타내며, TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)는 각각 Ztx' 및 Zrx'의 특성 임피던스를 갖도록 설계되어야 한다.
여기서 Ztx 및 Zrx는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
또한, Ztx' 및 Zrx'는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
상기 수학식 3에서 Re(Ztx), Re(Zrx) 는 무선 충전 시스템의 설계 및 동작 상태에 따라서 각각 10ohm ~ 100ohm, 1ohm ~ 30ohm의 임피던스를 가지는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명은 Ztx, Zrx를 구하고, Re(Ztx), Re(Zrx)를 만족하는 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)를 제공한다.
이하에서는 Ztx와 Zrx를 구하는 방법을 설명한다.
먼저 Ztx를 구하는 방법을 설명하면, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 TX부(110)와 TX 공진기(100)의 구성도이다. 도 3을 참조하면, TX부(110)는 PA(111)를 포함한다. PA(111)는 입력전압(Vin)을 제공받아 증폭하여 증폭된 전압(Vtx)을 출력한다. 증폭된 전압(Vtx)에 의한 교류 전류(Itx)가 TX 공진기(100)로 제공되고, 교류 전류(Itx)에 의해 TX 공진기(100)와 RX 공진기(200)가 공진하여 TX 공진기(100)측의 전력이 RX 공진기(200)측으로 전달된다.
상기한 바와 같은 TX 공진기(100)에서 임피던스 Ztx는 ZL=R+jX로 나타낼 수 있다. 그런데 TX 공진기(100)측의 전력이 RX 공진기(200)측으로 전달되는 시점 즉, 커플링된 상태에서는 TX 공진기(100)에서 임피던스 Ztx의 허수는 0가 되므로, 커플링된 상태에서 ZL은 실수 저항값(Ropt)을 가지게 된다.
그리고 ZL이 Ropt 이라면, ZL은 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
또한, 수학식 4에 따라 ZL이 VDC/IDC의 값을 가진다면, 적절한 파워 Popt는 하기 수학식 5와 같이 구해질 수 있다.
Figure pat00005
따라서 PA(111)의 적절한 출력 파워를 구한다면, 역산을 통해 적절한 Ropt 값을 구할 수 있고, 적절한 Ropt 값을 구한다면, 커플링된 상태에서의 ZL을 구할 수 있게 된다.
PA(111)의 적절한 출력 파워는 PA(111)의 출력 파워와 효율의 분포를 통해 구할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 TX부(110)에서 PA(111)의 출력 파워와 효율의 분포를 나타낸 스미스 차트이다.
도 4를 참조하면, Pdel_contours_p는 부하(Load)에 따른 PA(111)의 효율 분포를 나타내며, PAE_contours_p는 PA(111)의 출력 파워의 분포를 나타낸다. 도 4에서 참조부호 m1은 PA(111)의 효율이 89.81%로서 가장 높은 효율을 갖는 지점을 나타내고, 참조부호 m2는 PA(111)의 출력 파워가 44.01 dB로서 가장 높은 파워를 갖는 지점을 나타낸다.
TX 공진기(110)의 입력 임피던스는 TX 공진기(110)와 PA(111)를 연결했을 때 적절한 PA(111) 효율과 출력 파워를 확보할 수 있는 영역에서 설정되어야 한다. 예를 들어 도 4에서는 m3가 Re(Ztx)이 약 50ohm이고 Im(Ztx)이 0 일 때를 나타내고 있다. m3에서는 PA(111) 출력 효율이 약 85%이며 출력 파워가 약 38dBm으로 예상된다. 따라서 Ztx를 50ohm 기준으로 적절한 위치별 산포를 갖게 설계할 경우에는 약 85%의 효율로 36dBm에서 38dBm의 파워를 출력할 수 있게 된다. Ztx는 교류 전류에 대해서 저항으로 작용하는 여러 가지 요소들을 나타내는 것으로서, Ztx의 분포는 입력된 전류의 반사량을 나타내는 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)로서 표현될 수 있다.
한편, Zrx를 구하는 방법을 설명하면, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 RX 공진기(200)와, RX부(210)의 구성도이다. 도 5를 참조하면, RX부(210)는 RX 정류부(211), RX DC변환부(212)를 포함한다.
RX 공진기(200)는 공진하여 TX 공진기(100)측으로부터 전력을 수신하여 출력한다. RX 정류부(211)는 RX 공진기(200)로부터 출력된 전력을 입력받아 입력받은 전력을 정류한다. RX 정류부(211)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 RX 정류부(211)는 풀 브리지 다이오드(full-bridge diode)의 형태로 구현될 수 있다. RX 정류부(211)는 입력된 교류 형태의 전력을 직류 형태의 전력으로 정류할 수 있다. RX DC변환부(212)는 정류된 직류 전압을 미리 정해진 다른 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 출력된 직류 전압은 로드부(220)에 의해 배터리(미도시)등에 충전될 수 있다.
이와 같은 RX 공진기(200)에서의 임피던스 Zrx는 하기 수학식 6과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00006
한편, 로드부(220)는 배터리 등과 연결되어, 고정적인 전압을 가지게 되기 때문에 ZL은 하기 수학식 7과 같이 고정적인 값의 RL 이 될 수 있다.
Figure pat00007
RX 공진기(200)를 통해 입력되는 전력은 RX 정류부(211)와 RX DC변환부(212)를 거치면서 전압(VRX)은 증가하고, 전류(IRX)는 감소된다. 또한 RX 공진기(200)에서의 임피던스 Zrx는 RX 정류부(211)와 RX DC변환부(212)를 거치면서 리액턴스(reactance) 성분을 갖게 된다.
따라서 RX 공진기(200)에서의 임피던스 Zrx는 상기 수학식 6 및 수학식 7을 이용하면 Zrx= RL*(A/B)+j*X(A=VRX/VDC, B=IRX/IDC)로 결정된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 방식으로 Ztx 및 Zrx를 결정하고, 결정된 Ztx 및 Zrx를 가지는 공진기를 제공한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따라 S 파라미터(S11, S22)를 이용하여 설계된 공진기의 임피던스 산포도를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 S 파라미터 테이블을 나타낸다. 도 6의 a에서는 S 파라미터 별로 계산된 Tx 임피던스들 및 Rx 임피던스들이 개시되어 있다. 상기 S 파라미터 값들을 이용하여 계산된 Tx 임피던스(Ztx)들 및 Rx 임피던스들(Zrx)을 스미스 차트에 나타내면 도 7b와 같다.
도 6b를 참조하면, VSWR이 도시되고 있는데, VSWR은 입력된 전압의 반사량을 나타내는 것으로 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
본 발명에서는 VSWR가 S11 또는 S22를 의미한다. 도 6b에서는 Tx 임피던스 값(Ztx)은 50ohm 부근에 균일하게 분포되고, Rx 임피던스값(Zrx)은 10ohm 부근에 균일하게 분포되는 것이 확인된다.
따라서 전술한 바와 같은 본 발명에서는 상기한 바와 같이 정의된 Tx 임피던스 값(Ztx)과 Rx 임피던스값(Zrx)에 따라서 TX 공진기(100) 및 RX 공진기(200)의 효율(S21)과 송신 전력 및 수신 전력에 대한 정의가 가능해진다.
또한, 무선 전력 전송 공진기의 전송 효율을 S 파라미터를 이용하여 결정함으로써, 특정 효율 이상의 전력 전송 효율을 갖는 무선 전력 전송 공진기를 개발할 수 있으며, 구조나 소재에 대한 제한 없이 공진기의 효율을 관리할 수 있는 효과가 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 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (16)

  1. 무선 전력 전송 공진기에 있어서,
    RX 공진기와 일정 거리 이격되고, 공진하여 무선 전력을 전송하는 TX 공진기를 포함하고,
    상기 RX 공진기와 상기 TX 공진기간 측정된 S 파라미터의 값이 미리 정해진 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 S 파라미터는 S21값이고, 미리 정해진 값은 -1.0dB 미만인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 S 파라미터의 분포값을 VSWR로 나타냈을 때, VSWR값이 2.0값 미만인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 S 파라미터는 S11, S22값을 포함하고, 미리 정해진 값은 S11값이 -10.0dB미만이고, S22값이 -10.0dB미만인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 S 파라미터의 상기 미리 정해진 값은 상기 TX 공진기 임피던스(Ztx)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 TX 공진기 임피던스(Ztx)는 1.0ohm 내지 100ohm 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 TX 공진기 임피던스(Ztx)는 6.78MHz 주파수에 해당하는 임피던스인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  8. 무선 전력 전송 공진기에 있어서,
    TX 공진기와 일정 거리 이격되고, 공진하여 무선 전력을 수신하는 RX 공진기를 포함하고,
    상기 RX 공진기와 상기 TX 공진기 사이에서 측정된 S 파라미터의 값이 미리 정해진 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 S 파라미터는 S21값이고, 미리 정해진 값은 -1.0dB 미만인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 S 파라미터의 분포값을 VSWR로 나타냈을 때, VSWR값이 2.0값 미만인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 S 파라미터는 S11, S22값을 포함하고, 미리 정해진 값은 S11값이 -10.0dB미만이고, S22값이 -10.0dB미만인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  12. 제8항에 있어서, 상기 S 파라미터의 상기 미리 정해진 값은 상기 RX 공진기 임피던스(Zrx)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 RX 공진기 임피던스(Ztx)는 1.0ohm 내지 30ohm 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  14. 제12항에 있어서, 상기 RX 공진기 임피던스(Zrx)는 6.78MHz 주파수에 해당하는 임피던스인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 공진기.
  15. 무선 전력 송수신 시스템에 있어서,
    공진하여 무선 전력을 전송하는 TX 공진기와,
    상기 TX 공진기와 일정거리 이격되고, 공진하여 상기 전송되는 무선 전력을 수신하는 RX 공진기를 포함하고,
    상기 RX 공진기와 상기 TX 공진기 사이에서 측정된 S 파라미터의 값이 미리 정해진 값을 가지도록 상기 TX 공진기의 임피던스(Ztx)와 상기 RX 공진기 임피던스(Zrx)가 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 TX 공진기의 임피던스(Ztx)와 상기 RX 공진기 임피던스(Zrx)는 6.78MHz 주파수 및 13.56MHz 주파수 중 어느 하나에 해당하는 임피던스인 것을 특징으로 하는 무선 전력 송수신 시스템.
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CN109104001A (zh) * 2018-10-11 2018-12-28 宁夏全福电子科技有限公司 中功率中距离无线电能传输系统阻抗实时调节方法

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