KR20140066068A - 고효율 무선 충전기 - Google Patents

Abstract

무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 시스템에서, 전력 에너지를 송신하거나 전력 에너지를 수신할 수 있는 코일이 구비되며, 상기 코일은 상기 각 코일은 회전 형상을 가져 제 1 번 부터 제 n 번까지의 회전을 형성하고, 상기 코일은 2층 이상의 다층 구조를 형성하고, 상기 코일은 상호 중첩 구조를 가지며, 상기 코일에 전류가 흐를 수 있는 별도 경로를 가지 더미 코일을 더 형성므로서, 무선전력 송신부의 상태에 따라 선택적으로 무선 전력을 수신 받을 수 있고 수신 효율도 높이는 효과를 얻게 되는 무선전력 시스템용 수신부를 제공한다.

Description

고효율 무선 충전기{The high efficiency wireless charger}

본 발명은 무선 충전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 충전기에서 무선으로 전력을 효율적으로 송수신하기 위해 새로운 설계 구조를 제공하는 고효율 무선 충전기이다.

전자기기에서 무선 송,수신부가 구비되어 무선충전이 이루어지는 기술이 개발되고 있는 실정이다. 최근의 이동통신단말기는 다양한 형태로 개발되고, 이에 따라 다양한 전원충전기의 형태만큼 다양한 충전잭이 있었다. 이에 따른 충전기의 호환성 문제가 부각되었으나 이러한 충전잭들은 24핀 충전잭으로 표준화되어 이용자들에게 충전기간의 호환성 문제를 해결하였다.

하지만, 이는 여전히 충전기와 기기 간 유선케이블을 통해 충전이 이루어지기 때문에 거리의 제약으로 인해 이용자들에게 상당한 번거로움과 불편함을 주고 있다. 또한, 충전기 하나로 다수개의 단말기를 충전하는 경우, 충전기와 단말기잭의 수동적인 착탈로 인한 번거로움과 연결부의 마모나 훼손으로 인해 단말기에 손상이 가해질 수 있는 문제점이 있었다.

그러나, 상기와 같은 접속 단자 방식은 기기에 따라 단자의 규격과 모양이 다르게 되어, 사용자는 매번 새로운 충전 장치를 구입해야 하는 어려움이 따르게 되며, 이러한 방식은 새로운 기기를 구입하게 되면 종래 충전기는 폐기하게 되는 새로운 문제를 발생시키게 된다.

그리고, 이러한 문제를 해결하기 위하여 비 접촉식 자기 유도 방법, 즉 무선 충전 방식이 고안되었다. 비접촉식 충전 방법은 고주파로 동작하는 1차 회로를 충전 모체에 구성하고 2차 회로를 밧데리측 즉, 휴대형 전자기기 내 또는 축전지 내에 구성함으로써, 충전 모체의 전류 즉, 에너지를 유도 결합에 의하여 휴대형 전자기기의 축전지에 제공하는 방식이다. 유도 결합을 이용한 비접촉식 충전 방식은 이미 일부 응용분야(예: 전동 칫솔, 전기 면도기 등)에 이용되고 있다.

그러나 휴대전화, 휴대형 MP3 플레이어, CD 플레이어, MD 플레이어, 카세트 테이프 플레이어, 노트북 컴퓨터, PDA 등의 휴대형 전자기기에 응용하고자 할 경우에는, 축전지 측에 추가되는 부피와 무게가 작아야 한다는 요구 조건 이외에도, 휴대형 전자기기 또는 축전지가 놓여지는 위치에 따른 충전효율의 편차를 개선하여야 한다.

그리고, 휴대폰이나 스마트폰에 적용할 경우 편차 개선뿐 아니라 무선 충전기도 정해진 방식에 따라 방식에 따라 몇 가지 방법이 출시되고 있는 실정이어서, 무선 충전기도 방식이 다르면 충전되지 못하는 문제점에 제기되고 있다.

또한, 두 개 이상의 코일을 구비하지 않고, 각 코일간의 설계 규격이 정해지지 않았으며, 또한 각각의 코일이 단말기에 위치하는 정확한 구조에 대해서도 서술되어 있지 않고 있는 실정이다.

즉, 선행기술 1(대한민국 등록특허 10-0928439)은 제1상부코어(코일)와 제2상부코어 사이에 위치되도록 구비되며, 컨트롤부는 무접점전력수신장치로부터 전송되는 신호가, 상기 저부코어, 제1상부코어, 제2상부코어중 어느 코어로 수신되는지를 판별하고, 판별결과에 대응하여 해당 코어를 통해 전력신호를 전송제어하는 것을 특징으로 하지만, 복합 기능을 가진 코일(안테나)를 제시하지는 않으며, 최적의 설계 조건이나 구조를 제시하지 않는다.

또한, 선행기술 2(대한민국 등록특허 10-0928439)는 1차측코어부의 유도패턴 코어는 피씨비베이스의 상부로 다수의 코어로 되는 저부코어레이어가 구비되고, 저부코어레이어 상부의 간격패널 상부로 다수의 코어로 되는 상부코어레이어가 구비되며, 상기 저부코어레이어와 상기 상부코어레이어는 서로 교차되어 위치되어 구비되고 복층형으로 구비된 것이 특징이나, 복합 기능을 가진 코일(안테나)에 대한 구조를 제시하지 않을 뿐더러, 최적의 설계 조건을 구체적으로 제시하지 않고 있다.

아울러, 선행기술 3(대한민국 등록특허 10-1001262)은 휴대용 단말기가 탈착 가능하게 안착되는 거치대; 및상기 거치대에 상기 휴대용 단말기가 안착되면 외부로부터 공급받은 전원으로부터 발생되는 자기장이 전자기 유도에 의하여 상기 휴대용 단말기측으로 전달되면서 무선 충전이 이루어지도록 상기 거치대에 마련되는 충전 모듈;을 포함하는 충전 가능한 휴대폰용 케이스를 제공하지만, 마찬가지로 복합 기능을 가진 코일(안테나)에 대한 구조를 제시하지 않을 뿐더러, 최적의 설계 조건을 구체적으로 제시하지 않고 있다.

따라서, 복합 기능도 가지면서 최적의 설계 조건을 가지는 무선충전 방식의 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허 10-0928439. 등록일 : 2009년11월18일 대한민국 등록특허 10-0971714. 등록일 : 2010년07월15일 대한민국 공개특허 10-2011-0040622, 공개일 : 2010년4월20일

본 발명의 목적은, 무선충전 시스템에서 무선 전력을 효과적으로 송송신하기 위해, 무선전력 송수신부의 설계 구조를 제공하며, 상세하게는 코일의 새로운 모양, 선택 방법 및 설계 방법 등의 구조를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적은, 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 시스템에서, 전력 에너지를 송신하거나 전력 에너지를 수신할 수 있는 코일이 구비되며, 상기 코일은 상기 각 코일은 회전 형상을 가져 제 1 번 부터 제 n 번까지의 회전을 형성하고, 상기 코일은 2층 이상의 다층 구조를 형성하고, 상기 코일은 상호 중첩 구조를 가지며, 상기 코일에 전류가 흐를 수 있는 별도 경로를 가지 더미 코일을 더 형성하는 것으로서 달성된다.

그리고, 상기 코일과 별도 경로를 가지는 더미 코일은 절연막 혹은 피씨비 기판을 경계로 별도 층에 구비되고, 상기 코일이 회전할 때 회전하는 각 턴과 연결되는 더미 코일이다.

또한, 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 시스템에서, 전력 에너지를 송신하거나 전력 에너지를 수신할 수 있는 코일이 구비되며, 상기 코일이 무선 전력 에너지를 송수신 할 때, 일정 영역의 주파수가 정해지며, 상기 코일을 통하는 전력 에너지의 주파수를 감지하는 주파수 모니터를 더 구비하고, 상기 주파수 모니터에 감지된 값에 의하여 무선 전력 에너지의 송 수신의 진행을 중단할 수 있게 한다.

본 발명에 따르면, 무선충전 시스템에서 무선 전력을 효과적으로 송송신하기 위해, 무선전력 송수신부의 설계 구조를 제공하며, 무선 전력 에너지를 송수신 하는 효율을 높이는 실현 가능한 구조를 제공하게 된다.

도 1내지 도 5는 중첩 구조를 코일의 실시예의 도면이다.
도 6내지 도 15는 본 발명의 코일을 나타낸 도면이다.
도 16내도 도 22는 2차측 코일에 인가되는 전력의 효율을 높이는 실시예의 방법을 제시한 도면이다.
도 23과 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 충전전류 제한 회로를 적용한 무선 충전기의 구성도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 25와 도 29는 공진기가 구비된 무선충전기의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 30과 도 31은 무선 충전 최적화 방법을 제공하는 또 다른 실시예의 도면이다.
도 32내지 도 38은 송수신부 코일의 최적화를 이루기 위한 또 다른 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 무선충전기 송 수신부의 설계 구조에 대해 상세히 설명한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 발명에서 휴대용 단말기라 함은 휴대폰, 스마트폰 및 태블릿 피씨(Tablet PC) 등을 가르킨다. 즉, 휴대용 통신 기기를 의미한다.

- 실시예 1 -

도 1내지 도 5는 중첩 구조를 코일의 실시예의 도면이다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 1차 측 코일의 배치를 나타낸 도면이다.

1차 코일(본 발명에서는 송신부 코일을 1차 코일이라고 한다.)은 2개 층으로 중첩 구조를 가지며, 하부 코일(31-1)과 상부 코일(31-2) 사이에는 절연막이 구비된다. 그리고, 하부 코일(31-1)과 상부 코일(31-2)은 중첩 구조를 가지게 된다.

물론 본 도면에서는 2 층 구조의 실시예을 나타낸 것이지만, 2 층 이상의 다층 구조를 형성할 수 있음은 당연하다.

중첩 구조를 가지게 되는 이유로는. 도면에서 처럼 코일과 가까운 부분(①)은 자속 밀도가 높게 되고, 코일과 먼 부분(③)은 자속 밀도가 낮게 된다. 그리고 이러한 자속 밀도의 뷸균일성을 해소하기 위해, 하부 코일(31-1)과 상부 코일(31-2)을 중첩하게 하는 구조를 가지게 되는 것이다.

무선 충전기에서 일반적으로 사용하는 방식은 WPC(Wireless Power Consortium) 방식으로, WPC 방식의 무선 전력 에너지가 전달되기 위해서는 일반적으로 아래와 같은 조건을 가진다.

"전압 : 7-15V(수신부 기준), 주파수 : 100 - 200kHz, 전류 : 5V (0.7A), 전력 : 3.5W, 코일의 인덕턴스 값 : 6 - 8 마이크로 헨리(Micro Henry) - 12 마이크로 헨리 "

한편 당사가 자체적으로 개발한 방식인 KTP 방식은 다음과 같은 특징을 가진다.

"전압 : 7-48V(수신부 기준), 주파수: 1 - 3MHz 혹은 3 - 10 MHz, 전류 : 5V(0.4 - 2.5A), 전력 : 5W 혹은 10W, 코일의 인덕턴스 값 : 600nH(Nano Henry) - 6 μH(Micro Henry) "

이때 상기에 표시된 전압과 전류 값은 상기의 숫자에 정확히 일치함을 의미하는 것은 아니고 범위를 나타냄은 당연하다.

하여간, WPC 방식과 KTP 방식의 가장 큰 차이점은 코일의 인덕턴스 값과 주파수 값의 차이이다. 먼저 주파수 값의 차이에서 그 기준을 1MHz 로 할 수가 있다. 즉, WPC 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이하로 저주파이고 KTP 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이상으로 고주파이다.

그러나, 실제 사용하는 주파수로는 WPC 방식은 100 - 200 KHz의 주파수를 사용하며, KTP 방식 1 - 3 혹은 3 - 10 MHz 이상으로 고주파를 사용한다는 것이다.

또한, 코일의 인덕턴스 값으로 WPC 방식은 "7 마이크로 헨리 - 12 마이크로 헨리" 이고, KTP 방식은 " 600 나노 헨리 - 6 마이크로 헨리" 이다.

상기의 특징을 가지는 KTP 방식은 상당한 장점을 가지게 된다. 예을 주파수를 발진 시키는 부품에 있어서도 고 주파수를 사용하므로서 부품의 소형화(고주파는 일반적으로 부품의 크기를 작게 할 수 있다.)가 가능하고, 코일의 인덕턴스 값을 작게 하므로서 안테나 루프 코일을 스파이럴 코일 대신, PCB 기판(혹은 수지 기판)에 인쇄 방식으로 형성한 코일을 사용할 수가 있는 것이다.

기판에 코일을 형성하므로서 양산시 유리하고 단가 절감의 효과를 가져 올 수가 있는 것이다. 그리고 코일의 턴수(Turns, 감김 횟수)도 WPC 방식은 50회 이상을 넘어가게 되는 데, KTP 방식은 50 회 이하로도 가능할 수가 있는 것이다.

한편 상기 턴수는 휴대폰 기기에 적용되는 기준으로 언급된 숫자이다, 통상 휴대폰 기기는 그 면적이 최대 100 cm제곱 이내인 경우에 일반적으로 산정한 숫자이다.

본 발명의 실시예에 따른 1차 측 코일의 구성은 PCB 또는 FPCB(FLEXABLE PCB)로 구성되며, 에나멜로 코팅된 구리 동선을 사용하여 구성할 수 있다. 각 1차 측 코일의 크기 및 권선 수는 전력전달 주파수에 따라 그 크기가 달라진다. 본 발명의 실시예에서는 10Mhz를 사용하였으며, a, b의 길이는 30mm ~ 33mm로 구성하였으며, 권선수를 2 turns를 하였다. 그러나 상기 실시예는 하나의 실시예일 뿐으로 반드시 상기 실시예 값에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

1차 코일의 형상은 사각형이고 가로 a, 세로 b의 길이 비는 1:1~1.3으로 하여 , 2차측 코일도 같은 형상을 유지하도록 설계한 결과 , 2차측 코일을 회전하는 경우 1차측과 같은 같은 형상이 되어 회전에 따른 자속 전달을 최대화 할 수 있는 구조로 형성된다.

1차 코일은 pcb에서 양면 pcb를 사용하였고 배치되며, 실선에 해당하는 코일은 1층 pcb면에 배치되며, 점선에 해당하는 코일은 pcb 2층에 배치된다. 한편, 본 코일의 실장 방법으로써 하나의 pc 시트에 에나멜로 코팅한 동선으로 양면에 실장할 수도 있다.

도 2 은 본 발명의 실시예에 따른 코일의 위상은 동상이면 각 코일에 흐르는 전류는 동일한 방향으로 흐르는 1차 측 코일의 위상 구조도를 개략적으로 나타내는 도 2 은 본 발명의 실시예에 따른 코일의 위상은 동상이면 각 코일에 흐르는 전류는 동일한 방향으로 흐르는 1차 측 코일의 위상 구조도를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 1차 측 코일의 위상 구조도는 동일 위상을 사용하는 것으로 각 코일에 흐르는 전류가 동일한 방향으로 흐르도록 구성하여, 코일간 자속이 상호 간섭에 의해 상쇄되지 않도록 하였다. 즉, 하부 코일(31-1)과 상부 코일(31-2)이 중첩되면서 코일간 자속이 상호 간섭에 의해 상쇄되지 않도록 하였다.

도 3은 코일이 설계 구조와 비율을 나타내는 도면이다.

도 3은 한 개만 형성한 실시예를 보였으나, 실제로는 2 개 이상 즉 N 개의 내부 코일을 형성할 수가 있는 것이다.

도3은 1차 코일(31a,31b)에서 설계 구조와 비율을 나타내는 도면이다.

도면에서처럼 도선으로 만들어진 코일이 차지하는 비율을 나타낸 도면이다. 그리고, 도면에서처럼 비율은 코일 바깥 쪽 거리(D-1) 와 코일 안쪽 거리(D-2)의 관계를 생각해보면 알 수가 있다.

"[(D-1) - (D-2)] / (D-1)" 의 값을 "CA"라고 할 때 상기 "CA"의 비율은 0.1에서 0.4 까지가 자속 밀도를 균일하게 하는 데에 바람직하다고 할 수 있다. 하지만, 디자인 설계 상황에 따라 0.1에서 0.8까지도 가능할 수 있음은 당연하다.

이때, 도선이 감기는 회수는 한정된 것은 아니다. 그러나 면적 비율 크기들을 고려하면 10바퀴 혹은 20 바퀴 이내가 적당하다. 그리고, 코일을 형성하는 도선을 굵기도 0.5mm에서 3mm 가 적당하다. 그러나 0.1mm로 매우 얇게 형성할 수도 있다.

지금까지 비율에 대해 여러 실시예를 설명하였으며, 이러한 비율을 설정한 근거는 자속 밀도가 그 근거가 된다. 예를 들어 자속 밀도는 코일과 가까울수록 더 강하게 존재하게 된다.

따라서 100 이라는 면적에서 코일이 하나가 지나갈 때와 두 개가 지나갈 때가 자속 밀도 분포가 다른 것은 당연하며 하나의 코일이 지나 갈 때보다 두 개의 코일이 지나갈 때 자속 밀고가 더 균일할 수 있음도 당연하다, 그리고 코일이 두 개가 지나갈 때 한 쪽 편에 치우쳐 두 개가 지나가는 것 보다, 일정 거리를 두고 두 개가 지나가는 것이 더 균일한 자속 밀도를 보이는 것은 당연할 것이다. 마찬가지로 본 발명의 실시예에서 각 면적의 비율도 너무 치우쳐 존재하는 것 보다 상호간에 일정 면적을 유지하는 것이 바람직하게 된다.

결론적으로 코일 내부에 도선이 존재하지 않은 영역(도 1의 ①②③)이 존재하며, 상기 영역(도 1의 ①②③)은 자속 밀도가 떨어지므로, 코일(31a,31b)을 중첩하도록 하여, 자속 밀도의 균일성을 유지한다는 것이다.

도 4는 송신부에서 무선 전력 에서지를 송신하는 안테나 루프 코일이 3 개 구성된 실시예의 도면이다.

이때, 도 4에서 보는바와 같이 각각의 코일은 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 병렬로 연결된 구조라면 송신부 코일을 2개 사용할 수도 있고, 3개 혹은 그 이상 사용할 수도 있음은 당연하다. 단지, 가장 최적화된 구조가 3개의 코일을 사용하는 것이므로, 본 발명에서는 3개를 사용하는 실시예를 설명한 것이다.

그리고, 도면에서 보는 것처럼 각각의 코일(31)은 공진 필터의 코일 (62a)과는 직렬로 연결되어 있다.

이때, 상기 코일(31)은 송신부 코일 즉 1차 코일을 의미함 상부 코일과 하부 코일을 별도로 구비하지 않고 도시 편의상 하나의 코일(31)로 나타내었다.

또한, 1차 코일(31)에 대응하여, 2 차코일(수신부 코일)(40)이 1개 구비될 수도 있고, 동일 개수 만큼 구비될 수도 있다.

그리고, 통상적으로는 1차 코일은 콘덴서(C1)(C2)(C3)와 코일(31)이 병열로 연결되지만, 본 발명의 실시예인 도 4는 접지와 스위치(S)를 구비하도록 하므로서 같은 효과를 갖도록 한 실시예일 뿐이다. 따라서, 병렬 연결로 하여 상기 스위치(s)를 구지하지 않을 수도 있다. 아울러 2 차코일(수신부 코일)(40)은 콘덴서(C)와 직렬 연결되는 구조를 가진다.

도 5는 본 발명의 코일 구조를 가진다. 코일 구조는 1차 코일과 2차 코일이 비슷하므로 도 5의 도시에서는 별도로 1차 코일과 2차 코일을 구분하여 작성하지 않았다.

도 (A)는 피씨비 기판에 코일이 형성된 실시예의 도면으로, 플라스틱 수지 혹은 금속 재료 피씨비 기판을 구비할 수도 있고 혹은 플렉서블 피씨기 기판을 구비할 수도 있다. 즉, 코일이 형성될 수 있는 통상의 기판은 모두 본 발명에 적용 가능하다.

도 (B)는 스파이럴 코일을 사용한 실시예로 도체의 도선을 평면상에서 나선형으로 감은 형태로 하여 사용할 수 있다는 것을 보이는 도면이다.

- 실시예 2-

도 6내지 도 15는 본 발명의 코일을 나타낸 도면이다.

다층 구조의 코일 혹은 이중 구조의 코일 혹은 중첩 구조의 코일을 효과적으로 설계하기 위한 방법을 나타내는 실시예의 도면이 된다.

도 6과 도 7에서 보는 바와 같이 본 발명에서는 외부 코일(31a, 31b, 31c, 31d)과 내부 코일(32a, 32b, 32c, 32d)이 각각 2 개 이상 형성되는 구조를 가진다. 본 발명의 도면에서는 외부 코일과 내부 코일이 각각 4 개씩 형성되었으나, 그이상의 숫자 즉, 복수의 N 가 형성될 수 있음은 당연하다. 즉, 이중 구조의 코일을 구비하는 실시예의 도면이 된다.

무선 충전에서 코일은 자속 밀도를 만들기 위해 형성되는 데, 이때 자속 밀도의 편차를 줄이기 위해 외부 코일(31)과 내부 코일(32)을 형성하게 된다. 그리고, 단어 그대로 외부 코일(31)의 내부에 형성된 것이 내부 코일(32)이 된다.

또한, 배선(34)도 구비되며, 본 발명의 기판(30)에서는 무선 충전기 부품(36)이 장착되는 영역(35)도 마련되어 있게 된다. 물론 본 발명에서는 별도의 면적이 구별하여 상기 영역(35)을 설정하였지만, 실제는 각각의 부품이 코일 사이에 혹은 가장자리에 존재하도록 하여도 가능하다.

한편, 코일은 표면이 절연재로 피복된 동선을 사용하는 것이 일반적이나, 금, 은, 알루미늄 등 도전성이 우수한 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 나아가, 각 코일은 단선(單線)의 도선이 감긴 것이어도 되나, 다수의 가는 단선을 복수 개 집합시킨 리츠(Litz)선을 사용하는 것도 고주파 전류를 이용한 충전에 바람직하다

또한, 각 코일은 도선이 감긴 형태가 아닌 도체 패턴으로 이루어질 수도 있다. 즉, 각 코일은 PCB 기판 또는 폴리이미드와 같은 플렉시블한 절연 필름(기재 필름) 상에 동, 알루미늄 등의 도전성이 우수한 금속 박막을 적층하고 이를 도 2나 3에 도시된 바와 같은 패턴으로 에칭하여 형성된 도체 패턴일 수 있다.

한편, 외부 코일과 내부 코일은 직렬로 연결되어 1차측 전류를 인가할 수 있도록 배치될 수 있으나, 각각 별체로 형성되어 각각에 별도의 1차측 전류를 인가하도록 배치될 수도 있다.

그리고, 상기 코일로 제조된 무선 충전기 제작에 사용된 사양으로, 전송 주파수는 6.78 MHz, 파워(Power)는 19V(300mA)로 할 수가 있다. 물론 주파수와 코일을 감는 권선수를 다양하게 할 수 있다. 예를들어 6.5Mhz를 사용할 수도 있고, 외각에 있는 코일의 크기는 38mm x 42mm로 할 수 있고, 중앙부에 배열된 내부 코일의 크기는 19mm x 24mm로 할 수도 있다.

한편, 권선수는 총 4회전(turns)으로 외곽 사각형 코일부에 2회(turns), 중앙부의 작은 코일부에 2회(turns)를 만들어, 권선수를 2 turns를 하였다. 이 결과 코일의 인덕턴스는 1uH 이하의 값을 가졌다. 이때, 권선수는 그 이상으로 할 수 있음은 당연하다.

도 6은 기판을 앞면에서 관찰한 도면이고, 도 7은 기판을 뒷 면에서 관찰한 도면이다.

도 8과 9는 단면 개요도이다. 도 8은 중첩되는 코일의 단면 구조를 나타내었다. 즉, 피시비 기판 혹은 플렉서블 기판(30)에 복수개의 코일이 형성되는 단면 구조를 나타낸 도면이 된다. 제 1 코일(31a)과 제 2 코일(31b) 사이에 절연층(33)이 구비되고, 제 3 코일(31c)과 제 4 코일(31d) 사이에도 절연층(33)이 구비된다. 즉, 제 N-1코일과 제 N코일 사이에 절연층이 구비된다는 것이다. 그리고, 피씨비 기판이 반대 면에도 코일(31d)이 형성될 수 있음은 물론이다.

따라서, 결과적으로 제 1 코일(31a)과 제 2 코일(31b) 사이와 제 N-1코일과 제 N코일 사이에 절연층(33)이 구비되지만, 기판이 구비될 수도 있다는 것이다. 한편, 통상 절연층(33)은 Sio2(산화규소)나 수지등이 사용된다. 그러나 본 발명에서 절연층(33)이 의미하는 것은 전기가 통하지 않도록 하는 특징을 가진 코팅층은 모두 해당된다고 할 수 있다. 본 발명은 절연층에 대한 발명이 아니라 종래 절연층을 본 발명에 적용하는 것이기 때문이다.

당연히 N 개의 모든 코일을 피씨비 기판의 한쪽 편(예를 들면 앞면 혹은 뒷면)에 만 형성할 수 있고, 피씨비 기판의 앞면과 뒷면에 나누어 형성할 수도 있다.

그리고, 무엇보다 중요한 부분은 외부 코일(31a, 31b, 31c, 31d)과 내부 코일(32a, 32b, 32c, 32d)이 각각 한 쌍을 이루며, 같은 쌍을 이루는 외부 코일과 내부 코일 예를 들어 "31a" 와 "32a"는 동일층에 형성되게 된다는 것이다.

당연히, 외부 코일 내에 형성되는 내부 코일이 반드시 한 개 일 필요는 없으며, 2개 혹은 그 이상으로 임의의 N 개가 형성 될 수가 있다, 이 경우에는 외부 코일 하나와 N 개의 내부 코일은 함께 쌍을 이루게 되며, 하나의 쌍을 이루게 된 코일은 동일한 층에 형성된다는 것이다.

도 9는 중첩되는 코일의 정확한 위치를 나타낸 실시예의 도면이다. 코일을 중첩시키는 이유는 자속 밀도의 균일성을 증가시키기 위한 것이기도 하지만, 자속의 강도를 강화시키기 위한 방법으로 사용될 수도 있다. 그리고, 도 9는 자속의 강도를 강화시키기 위한 실시예의 도면이다.

자속의 강도를 강화시키기 위해서는 코일을 일치시키는 배열이 필요하다. 즉, 맨 위의 내부 코일(32a)은 아래의 내부 코일(32b)과 일치 시키고, 맨위의 외부 코일(31a)은 맨 아래의 외부 코일(31c)와 일치 시킨다. 그리고, 도면에서 처럼 각각의 내부 혹은 외부 코일이 일치된다.

하지만, 일치되는 정도의 오차 범위를 생각할 수가 있다. 즉 코일의 두께를 "dc"라고 하고, 상기 "dc"의 두배 정도 만큼의 오차 범위를 생각할 수가 있는 것이다, 즉, 서로 위치가 일치되는 코일이 길이의 두배 만큼 만 벗어나지 않는다면 구조적으로 원래의 자속의 세기를 유지시킬 수 있기 때문이다.

도 10은 내부 코일이 형성되지 않은 경우의 실시예이며, 따라서 외부 코일(31a, 31b, 31c)이 2 개 이상 복수개 형성되는 것이고, 그에 대한 실시예와 구조는 도 2에서 4에 형성된 경우와 같게 된다.

도 11은 코일이 중첩되었을 때의 면적 비율을 나타내는 도면이다.

예를들어, 기판(30)의 면적(부품이 장착되는 면적(35)는 포◎되지 않는 것으로 한다.)이 6634 mm²(107 mm x 62)이고, 코일(31a, 31b, 31c, 31d) 하나의 면적이 1628 mm²(44 mm x 37 mm)이고, 코일과 코일이 중첩(이를테면 31a 코일과 31b 코일이 중첩되는 면적을 의미함)되는 면적을 651.2 mm² 으로 설계 할 수 있다.

그러면, 모든 코일(31a, 31b, 31c, 31d)의 면적은 1628 x 4 - 651.2 x 3 = 4558.4 mm² 가 된다. 그러므로 전체 기판의 면적에서 코일이 차지하는 면적비율은 68.7 ％ 가 된다.

그러나 코일이 차지하는 면적을 2653.6 mm² 로 할 수가 있으며, 그럴 경우 전체 피씨비 면적에서 코일이 차지하는 면적 비율은 40 ％가 될 수 있다. 물론, 코일을 기판에서 최대한 가깝게 한다면 코일이 차지하는 면적을 최대 99 ％ 이상으로 까지 할 수가 있는 것이다.

도 12는 중첩되는 길이의 비율을 나타낸 실시예의 도면이다. (A)는 중첩되는 않은 경우이며, (B)는 코일 길이 만큼 중첩된 경우이고, (C)는 코일 길이 만큼 만 빼고 중첩된 경우이다.

그리고 각각의 경우를 보면 하나의 코일 만 존재할 경우보다 자속의 균일도는 증가될 수 밖에 없다. 동일한 거리에 코일의 수가 증가되기 때문이다. 그리고 증가된 코일이 일치되지 않는 구조를 가지기 때문이다. 우선 최대한 겹치지 않는 (A)의 경우보다 (B)와 (C)의 경우는 무조건 자속의 균일성이 증가된다.

도면에서 "c"를 코일 전체 길이라고 하고, "d"를 코일 만의 길이라고 하고, 두 개의 코일에서 나오는 자기력선의 총수를 Φ 라고 할 때, 상기 자기력선의 총수를 거리로 나누어 거리당 자속의 밀도를 생각할 수 있다.(실제로는 면적으로 자속의 밀도를 나타내지만, 본 실시예에서는 자속의 상호 비교를 위한 방법의 한 예이다. (A)의 경우에서 거리를 기준으로 한 자속 밀도는 M/2c 이고, (B)의 경우에서 거리를 기준으로 한 자속 밀도는 M/(2c-2d) 이며, (C)의 경우에서 거리를 기준으로 한 자속 밀도는 M/(C+d)가 된다.

즉, (B)와 (C)이 경우 모두 (A)의 경우 보다 자속밀도가 증가되게 된다, 따라서, 중첩될 수 있는 정도를 거리로 나타내면 최소로 중첩될 수 있는 거리는 "d"이고 최대로 중첩될 수 있는 거리는 "c-d" 가 된다. 중첩되는 정도의 거리를 비율로 나타내면, 최소 "d/c"에서 최대 "(c-d)/c"가 된다.

만일 d가 0.4cm이고 c가 4cm 라면 최소 10에서 최대 90이 되는 것이다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전달 주파수 발생기(발진기) 회의 구성도를 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 주파수 발생기(발진기)는(62) 전달 주파수를 발생하는 마이컴(60), 전류 드라이브 회로(63)와도 도면에 도시된 것처럼 연결되며 1차 코일(31)에 연결되어 있다.

도 14 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전달 주파수 발진기 회로 및 동작도를 나타내는 도면이다.

상기 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 본 무선 전력 전달 주파수 발생기(62)의 전압을 높여서 1차측 코일에 높은 전압을 인가하면 보다 많은 전력을 전송할 수 있고, 보다 먼 거리까지 무선 전력을 전송할 수 있다.

1차 코일(31)에 높은 전압을 공급하기 위한 방법으로는 코일 L1(쵸크코일 (31f) 에서 Q1 FET가 ON/OFF를 하면 공급되는 Vdc 입력전압이 코일 L1(31f)에 유기되어 전압 상승이 일어난다. 이때, C(콘덴서) 값에 따라 상승 전압의 최대점이 결정된다.

대체로 전달 주파수가 6.5Mhz 에서는 Q1이 1uH이하, C 에는 100pF 이하에서 입력되는 Vdc전압에 3.5~5 배의 전압으로 상승된다. 즉, 1차 코일(31)에 걸리는 전압은 3.5~ 5 x Vdc 로 나타난다. 이때, vdc를 20Vdc를 사용한다면, 약 80V p-p로 표시된다.

1차측 코일(31)에 인가되는 전압에 따른 2차측으로 무선으로 전달되는 전력의 크기는 다음과 같다. 본 발명의 시험적 결과는 아래 표에 나타낸 값과 같으며, 전압과 전류는 휴대기기의 바테리에 충전되는 전압과 전류를 측정한 것이다.

이처럼 본 실험결과를 보면 1차측에 인가되는 접압이 높을수록 무선전력이 높음을 알 수 있다. 따라서, 전달되는 거기도 보다 많이 될 수 있다.

도 15는 종래 무선충전기의 전력전달 주파수 발생기 회로 구성도를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 15에 도시한 바와 같이, 종래 무선충전기의 전력전달 주파수 발생기 회로 구성도에서의 전압은 주파수 발생 발진기(62)에 인가되는 전압 크기를 1차측 코일(31)로 그대로 전송하는 것이다.

도 15는 종래 무선충전기의 전력전달 주파수 발생기 회로 구성도를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 15에 도시한 바와 같이, 종래 무선충전기의 전력전달 주파수 발생기 회로 구성도에서의 전압은 주파수 발생 발진기(62)에 인가되는 전압 크기를 1차측 코일(31)로 그대로 전송하는 것이다.

- 실시예 3 -

도 16내도 도 22는 2차측 코일에 인가되는 전력의 효율을 높이는 실시예의 방법을 제시한 도면이다.

도 16내지 도 18은 이동 모바일 기기(휴대용 이동기기)의 무선 전력 수신부 회로도 블록도이다.

종래 이동 모바일 기기(휴대용 이동기기)의 무선 전력 전달 수신부의 동작에 따른 효율은 아래와 같다. 종래 무선충전기에서 kV x 800mA 충전 3.2w 충전하는 경우,

1) 효율, 100-28％ = 72％ 효율

(1) 정류기 손실 0.36V on 전압

D1+D2 또는 D3+D4 on

Diode 손실 = P = IV

= 800mA Vf

Vf = 0.36V

정류기 손실 = P = 0.8A x diode 2개 Vf

= 0.8A x 0.36V x 2

= 0.576w 손실

= 18％ 손실

= 0.576w/ 3.2w

이때, 다이오드는 SURFACE MOUNT SCHOTTKY BARRIER RECTIFIER의 PowerDI 123 를 사용하였으며, 그에 따른 결과는 전술한 바와 같다.

(2) DC / DC convertor

손실 10％ (효율90％)이며, 이때, DC / DC convertor는 National Semiconductor의 LM3475를 사용하였으며, 그에 따른 결과는 아래와 같다.

실제 시험한 결과는 일반적으로 bc/oc 변환기의 효율은 85％, 손실은 15％이다.

2) 종래 기술 손실 계 Pdiode+Pdc/dc

= 18％ + 10％ = 28％ 손실

실제시험 18％ + 15％ = 33％ 손실

도 19와 도 20은 본발명의 실시예에 따른 무선전력 전달 회로도이다.

도면에서 보는 바와 같이 DC 정류기(10a)의 회로구성도와 DC 정전압 충전회로(12)를 상세히 나타낸 도면이다, 그리고 상기 구성 부품의 회로는 마이컴(10)이라고 하는 제어장치가 통제하게 된다.

즉, 상기 마이컴(10)은 밧테리 신호를 검출하여 충전 제어 신호를 통해 DC 정전압 충전회로(12)를 제어하게 되는 것이다.

이때 계산할 수 있는 효율은 다음과 같다.

(1) 손실 정류기

정류기 손실계 P=PD+Pcoil= 11％ Diode 1개

①PD = I.Vf = 800mA x 0.36V = 0.288w = 9％ 손실

②coil 손실 L2(4.7 μH, 100MΩ

PL2 = 2％손실(0.064/3.2 W)

P=0.8A² x R = (0.8)² x 0.1Ω = 0.064 = 64mW

(2) 충전기 Q2 손실

P FET = I x RDS

RDS drain source 간 on 저항 73MΩ

= 800mA x 0.073Ω = 0.8 x 0.073 = 0.0584w

손실율 P FET =0.0584/3.2 = 1.81％ 손실

이때, P FET는 N 채널 FET를 사용하였으며, 그에 따른 결과는 전술한 바와 같다.

2) 발명 총 손실계 = 11％+1.81％ = 12.8％

효율 = 87.2％

보다 구체적으로, 효율 개선에 대한 내용은 다음과 같다.

배터리에 충전되는 전류 800mA, 4.0V 로 충전될 때 종래 기술과 발명 기술의 손실을 요약하면 다음과 같다.

즉, 3.2W(800mA, 4.0V) 충전할 때의 손실을 측정한 결과는 아래 표와 같다.

여기서 중요한 것은 현재 부품회사에서 시판되고 있는 DC to DC 변환기의 효율은 부품 규격서(National Semiconductor의 LM3475)에서는 90％로 되어있다.

이처럼 본 발명의 목적인 효율 개선과 충전 발열을 감소시키는 데 있는데,

효율 개선 시 다이오드 1개를 제거하여 발열량이 감소 되었으며, DC to DC 변환기를 사용하지 않고 직접 스위치에 해당하는 FET를 사용하여 손실 약 17.2％ 에 해당하는 열이 감소될 수 있다.

다시 말해, DC to DC 변환기 코일에 해당하는 L1에도 상당한 열이 발생한다.일반적으로 5uH ~ 10uH를 사용하고 있으며 내부저항이 약 100mΩ으로 손실 P= I² X R = 0.8A X 0.8 X 0.1옴 = 64mW(손실율 0.064W / 3.2W = 2.0％)손실 발생된다.

그리고, 또 하나의 목적인 작은 부품수로 수신기를 구성하여 휴대용 이동기기 안에 부품을 실장할 수 있는 것으로 하는데 회로의 부품 감소 내역은 정류기 다이오드를 3개 줄였으며, DC to DC 변환기와 주변 부품을 다수 줄여서 구성한결과 휴대 장치에 실장을 할 수 있는 작은 크기를 만들었다.

부품 실장 크기 면적은 4mm X 45mm X 1.8로 배터리 측면에도 실장 가능하도록 하였다. 그리고, 직류 정류기에서 다이오드 D5와 L2가 직류로 변환되는데, 다이오드 D5를 대체해서 FET를 사용할 수도 있다.

또한 도 21과 도 22에는 수신부 파형도를 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전달 수신부의 전압 파형도는 no load 시 배터리로 충전되지 않을 때, G 포인트, D포인트, E 포인트를 통과한 시점에서의 전압은 P = 4.0V X 800mA = 3.2W가 된다.

- 실시예 4 -

도 23과 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 충전전류 제한 회로를 적용한 무선 충전기의 구성도를 개략적으로 나타내는 도면이다.

1차측 코일에 인가되는 전압에 대하여 트랜스포머(64)의 권선수를 이용하여 전압이 높게 설계되도록 하므로서, 항상 일정한 전류가 고정장치인 무선전력 송신부에 흐르도록 구성되고, 또한 일정한 전류를 공급하여 일정한 무선 전력을 전송할 수 있도록 하기 위해 고정장치인 무선 전력 전송부에, 전류센싱 검출부(62b)를 통해 전류센싱을 검출하여 그 크기를 인식하고, 일정한 전류를 제어할 수 있는 신호를 출력하는 출력부 및 정전류 회로부(62a) 제공하고자 하는 것이다.

종래 무선충전기는 충전 TA( POWER ADAPTOR)부의 출력이 5Vdc 내지 19Vdc가 될 수 있도록 트랜스포머(64)의 n1, n2의 권선비가 구성되었다. 이러한 종래 무선충전기의 기술적인 문제는 유도성 코일 방식을 사용하였고, 무선 전력전달 코일 간의 거리가 0.2mm 이상인 경우에는 충전되는 전류가 급격히 떨어짐에 따라 충분한 무선 전력을 전달할 수 없었다. 이는, 이론적으로 자속의 세기가 1차 측과 2차측과의 거리(r)의 제곱에 반비례 하는 것으로, 거리에 따라 급격히 감소함에 따른 이유이다.

본 발명에서는 도 23에서와 같이 송신부(1차 코일 부분)이 충전 제어의 방법을 제시하고 있다.

1차측 전압을 높게 하는 방법을 따르는 회로를 적용한 무선 충전기에 의하면, Vdc_out을 30Vdc ~ 200Vdc 로 실시한 결과, 보다 먼 거리까지 전력 전송이 가능하였다. 다른 실험예로 Vdc_out을 100Vdc로 한 결과, 4mm까지 3.5W를 전송할 수 있었다. 코일 간의 거리가 0.0mm 인 경우는 4.8W(4.2V×1.14A)가 전달된다.

Vdc_out을 높이는 방법으로는 TA 트랜스포머(64)의 Vdc_out = Vin×N2/N1으로서 N2의 권선수를 높인다.

정전류를 공급하도록 회로를 구성하여, 휴대기기에서 항상 3.5W를 전송할 수 있도록 최대 전류를 제한한다. 즉, 최대 전달 전력이 3.5W가 되도록 고정부에서 전류를 공급한다.

정전류 회로는 전류센싱 회로부(62b)가 있고, 많은 전류가 흐르면 센싱부 회로부 로부터 마이컴(MCU)(62)은 전류크기를 인식하며, 마이컴(62)은 일정한 전류 이상으로 흐르지 않도록 고정부 마이컴(62)에서 PWM 신호(62c)를 발생시켜 이를 흐르는 전류를 제한하는 정전류 회로(62a)로 입력한다. 이때, PWM 신호는 PULSE WIDTH MODULATION이다.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른 이동 모바일 기기부(전력 무선 수신부)에충전전류 제한 회로를 적용한 무선 충전기의 구성도를 개략적으로 나타내는 도면이다. 정전류 회로는 전류센싱 회로부(12b)가 있고, 많은 전류가 흐르면 센싱부 회로부로부터 마이컴(10)은 전류크기를 인식하며, 마이컴은 일정한 전류 이상으로 흐르지 않도록 고정부 마이컴에서 PWM 신호(12a)를 발생시켜 이를 흐르는 전류를 제한하는 정전류 회로(12)로 입력한다.

1차측 코일에 인가되는 전압에 대하여 트랜스포머의 권선수를 이용하여 전압이 높게 설계되고, 항상 일정한 전류가 고정장치인 무선전력 송신부에 흐르도록 구성되며, 일정한 전류를 공급하여 일정한 무선 전력을 전송할 수 있도록 하기 위해 고정장치인 무선 전력 전송부에, 전류센싱 검출부, 전류센싱을 검출하여 그 크기를 인식하는 인식부, 일정한 전류를 제어할 수 있는 신호를 출력하는 출력부 및 정전류 회로부를 구성할 수가 있게 된다.

- 실시예 5 -

도 25와 도 26은 공진기가 구비된 무선충전기의 회로도를 나타낸 도면이다.

도 25는은 수신부(200)에서만 공진기(52a)가 구비한 실시예이며, 도 26은 송신부(300)에서만 공진기가 구비된 실시예의 도면이다.

무선 충전기는 전력에너지를 공급하기 위한 일반적인 구조이며, 먼저 수신부(200)는 무선 전력을 수신하는 안테나 루프 코일(52)이 콘덴서(C)로 직렬 연결된 구조를 가지고, 송신부(300)도 무선 전력을 송신하는 안테나 루프 코일(31)이 콘덴서(C)로 병렬 연결된 구조를 가진다. 이때, 상기 루프 코일과 콘덴서의 직렬과 병렬 연결은 변경될 수 있음은 당연하다.

그리고, 통상적으로는 수신부(200)에도 공진기(52a)(통상적으로 공진기는 코일과 콘덴서(C)를 모두 합쳐서 공진기라고 하지만, 본 발명에서는 도시 편의상 공진기 코일에 만 부호를 부가하였다. 따라서, 본 발명에서도 공진기는 코일과 컨덴서를 모두 포함하는 것을 의미한다.)가 구비되지만 송신부(300)에도 공진기(31a)가 구비되는 것이 일반적이다.

이때, 안테나 루프 코일(31)(52)은 무선 전력 에너지를 송신 혹은 수신하는데 사용되고, 공진기(31a)(52a)는 무선전력 에너지를 증폭하는 역할을 하게 된다.

그리고, 좋은 효율을 갖도록 하기 위해서는 안테나 루프 코일(52)(31)과 공진기(52a)(31a)가 어느정도 이격 거리를 가져야 한다. 하지만 상기의 이격거리를 유지하기 위해서 결과적으로 기기의 두께가 두꺼워지는 문제를 야기하게 되고, 또한 추가로 공진기가 더 구비되므로서 단가 상승의 역할을 갖게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 도 1에서와 같이 수신부(200)에서만 공진기(52a)가 구비될 수도 있고, 도 2에서와 같이 송신부(300)에서만 공진기가 구비될 수도 있도록 하였다.

또한, 본 발명의 무선 충전기에서 제 1 방식은 아래와 같은 조건을 가진다.

"전압 : 7-15V(수신부 기준), 주파수 : 100 - 200kHz, 전류 : 1 - 0.7A, 전력 : 3 - 10W, 코일의 인덕턴스 값 : 1 마이크로 헨리(Micro Henry) - 30 마이크로 헨리 "

한편, 코일과 콘덴서는 직렬로 연결된 구조를 가진다. 무선 전력 에너지 전달에서 매개체는 안테나 루프 코일(52)(53)이며 상기 안테나 코일(52)(53)은 콘덴서와 연결되는 구조를 가지는데 직렬로 연결된다는 것이다.

그리고, 또 다른 방법으로서 제 2 방식은 다음과 같은 조건을 가질 수도 있다.

"전압 : 7-24V(수신부 기준), 주파수: 1MHz - 20 MHz, 전류 : 1A- 3A, 전력 : 5 -30 W, 코일의 인덕턴스 값 : 600nH(Nano Henry) - 100 마이크로 헨리 "

이때 상기 두가지 방식을 구별하는 기준은 주파수 차이가 된다. 즉, 그 기준을 1MHz 로 할 수가 있다. 즉, 제 1 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이하로 저주파이고 제 2 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이상으로 고주파이다.

그러나, 실제 주로 사용하는 주파수로는 100 - 200 KHz의 주파수를 사용하며, 또는 6 - 8 MHz 이상으로 고주파를 사용한다는 것이다.

또한, 코일의 인덕턴스 값으로 제 1 방식은 "8 마이크로 헨리 - 12 마이크로 헨리" 이고, 제 2 방식은 " 600 나노 헨리 - 2 마이크로 헨리" 이다.

이때, 제 2 방식의 장점은 기판에 코일을 형성하므로서 양산시 유리하고 단가 절감의 효과를 가져올 수가 있는 것이다. 그리고 코일의 턴수(Turns, 감김 횟수)도 50 회 이하로도 가능할 수가 있는 것이다.

도 27은 송신부의 회로 구성도를 나타낸 도면이다.

통상의 전원을 공급하는 방법에 의해 송신부(300)에 직류 혹은 교류의 전원을 공급할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 잭(68)을 사용하였다. 잭을 통해 직류 전원이 인가되면, 컨버터(66)를 통해 원하는 전원을 공급받도록 전압 변환을 시켜 주게 된다.

본 발명의 실시예에서는 직류 전원을 공급 받는 실시예를 사용하였으므로 DC/DC 컨버터를 사용하지만 교류 전원을 공급받으면 정류기 기능도 부과되어야 함은 당연하다. 그리고 과 전압 방지를 위한 보호기(67)가 더 구비되어 과전압에서 송신부의 기기를 보호하게 된다.

한편, 과전류 보호기(65)가 더 구비되어 과전류에서도 송신부를 보호하고, 또한 고온에서도 송신부를 보호하기 위한 과 온도 보호기(64)도 구비되게 된다.

그리고, 제어부(60)에서는 근거리 통신 모듈(61)을 제어하고, 또한 공진 필터(62)를 제어하게 된다. 본발명에서는 제어부(60)로 32 Bit를 사용하였으나 반드시 그 성능에 한정되는 것은 아니며 통상의 제어부는 얼마든지 사용가능하다.

한편, 본 밞명에서는 송수신부(200)(300)에서 상호 데이터 통신을 하기 위한 근거리 통신 모듈을 사용하였으며, 근거리 통신 모듈로 지그비(Zigbee)를 사용하였고, 전파를 송수신 하기 위해서 칩 안테나(16)를 사용하였다. 이때에도, 근거리 통신 모듈과 안테나를 통상의 방법으로 할 수 있음은 당연하다.

또한, 본 발명의 제어부(60)에서는 증폭기(63)를 사용하여, 공진필터(62)를 발진시켜 무전전력을 송신하는 송신부 루프 코일(31)(31)을 통해 무선전력 에서지는 송신하게 된다. 여기서, 상기 공진 필터(Resonance Filter)는 코일(52)과 콘덴서(C)가 직렬 연결되는 구조로서 구성되며. 에너지를 갖는 주파수를 발생시켜 안테나 루프 코일(31, 32)이 무선전력에너지를 송신할 수 있도록 한다.

한편, 무선전력 에너지를 송신하는 안테나 루프 코일(31,32)는 본 발명의 송신부(300)와 회로적으로 연결되지만, 상기 송신부와 회로적으로 완전히 분리된 공진기(31a)가 더 구비된다. 그리고, 공진기(31a)(52a)는 무선전력 에너지를 증폭하는 역할을 하게 된다.

도 28은 본 발명의 수신부의 블럭도를 나타낸 도면이다.

통상 무선 충전 시스템은 전력 에너지를 송신하는 송신부와 전력에너지를 수신하는 수신부로 구성되고, 송신부는 일정신호를 감지하기 위해 주기적으로 센서가 구동되고, 충전 요청신호가 감지되는 지를 판단하게 된다. 충전요청신호가 감지되는 경우, 송신부의 송전부는 켜지게 된다. 그리고, 수신부의 신호를 통해 수신부측의 배터리 전압을 확인하고, 충전 가능 상태를 확인하게 되면, 송전이 이루어진다.

이때, 상기의 상태에 돌입하게 되면, 수신부에서는 전력에너지의 수신이 수행되고, 수신부의 밧테리에 전원은 충전되게 된다.

그리고, 상기의 설명에서 송수신부의 상호 신호를 주고 받는 통신 모듈인 지그비(Zigbee)(11), 각각의 신호와 부품을 정해진 프로그램에 의해 제어하는 제어부(10) 및 전압 혹은 전력을 최종적인 휴대폰(60a) 등의 밧테리 전압에 맞도록 하여 주는 컨버터(12)가 구비된다. 이때, 상기 컨버터(12)는 상황에 따라 전압을 높이거나 낮추는 역할을 할 수 있고, 마찬가지로 전력량을 높이거나 낮출 수 있는 것이다.

그리고, 매칭 파트(Matching Part)(15)가 구비되어, 수신된 무선 전력에너지를 제어부에 전달하게 된다.

한편, 무선 전력에너지를 수신할 수 있는 안테나 루프 코일(52)이 구비되고, 상기 안테나 루프 코일(52)은 본 발명의 수신부(200)의 기기들과 회로적으로 연결된다.

하지만, 공진기(52a)는 본 발명의 회로부와 회적적으로 분리된다. 수신부의 공진기(52a) 회로 구조는 송신부의 공진기 회로 구조와 비슷하다.

단지 코일의 모양이나 크기에 있어서는 수신부(200) 공진기(52a)는 수신부 코일(52)와 비슷하고, 송신부(300) 공진기(31a)는 송신부 코일(31)과 비슷하게 된다.

하지만, 공진기는 다양한 형태가 가능하며, 전도성-와이어 루프(capacitively-loaded conducting-wire loop), 유전체 구, 금속 구, 금속유전체, 플라스몬, 폴라리토, 전도성-와이어 루프, 음향 공진 필드 등의 구조를 모두 포함할 수가 있다.

한편, 본 발명에서는 공진기를 송신부(300) 혹은 수신부(200) 중에서 하나만 설치되는 것을 그 특징으로 한다. 따라서 한 부분만 공진기(31a)(52a)기 구비됨에 따라 만약에 발생되는 효율 감소를 근거리 통신 모듈을 동한 프로그램 제어로서 보안을 하게 된다.

즉, 수신부(200) 코일에서 수신하는 전압과 전류량을 매칭 파트(15)를 통해 받아들이면, 커뮤니케이션 파트(13)에서는 전류와 전압의 크기를 파악하여 제어부(10)에 보내주게 된다.

그러면 송신부(200)의 제어부는 정해진 알고리즘에 따라 원하는 전류량이나 전압의 량이 충분히 수신되지 않았거나 너무 많이 수신되게 되면, 그 차이 값을 근거리 통신 모듈(11)을 통해 송신하게 된다.

한편, 송신부(300)의 근거리 통신 모듈(61)(16)은 수신부에서 보낸 신호를 받아 제어부에 보내게 되고, 제어부는 전압 혹은 전류량을 늘리거나 줄이도록 증폭기(62)에 신호를 보내고 공진필터(62)는 제어부의 새로운 명령 값에 맞는 무선전력에너지 신호를 발생하고, 안테나 루프 코일(31,32)는 새롭게 만들어진 무선전력 에너지를 송신하게 된다.

즉, 하나의 송신부와 수신부를 통해 하나의 공진기만 구비된 경우 수신부에서 수신되는 전력 에너지를 판단하여 수신부의 제어부가 추가로 보정해야 할 값을 근거리 통신모듈을 통해 송신부에 보내게 되면, 송신부의 제어부는 공진필터(62)가 그에 맞는 전력 에너지를 발생하도록 하는 것이다.

도 29는 코일의 배치를 나타내는 실시예의 도면이다.

만일 공진기가 수신부에 구비되지 않았다면 도 7은 수신부를 나나탠 것이고, 만일 공진기가 송신부 구비되지 않았다면 도 7은 송신부를 나타낸 도면이 된다.

공진기(31a)(52a)와 안테나 루프 코일(31)(52)사이의 거리는 수 mm에서 10 mm까지 거리가 떨어지게 된다. 따라서 만일 안테나 루프 코일(31)(52)과 기기의 덮개 케이스(25) 사이에 공진기(31a)(52a)가 구비되면, 안테나 루프 코일(31)(52)과 덮개 케이스(25) 사이의 거리 D 는 더 커지게 된다.

그러나 현대의 휴대용 기기는 휴대성을 감안하여 크기를 최대한 줄이게된다. 따라서, 공진기(31a)(52a)를 한쪽에만 구비되게 된다.

따라서, 만일 공진기가 송신부(300) 구비되지 않았다면, 송신부에서 덮개 케이스(25)와 코일(31) 까지의 거리는 2mm 이내로 할 수가 있다. 그리고, 만일 수신부(200)에 공진기가 구비되지 않았다면 수신부에서 덮개 케이스(25)와 코일(52)까지의 거리는 2mm 이내로 할 수가 있는 것이다.

그리고 공진부가 구비될 경우에는 공진기(31a)(52a)와 코일(52)(31) 사이의 거리는 10mm까지 혹은 그 이상 늘어날 수가 있는 것이다.

- 실시에 6 -

도 30과 도 31은 무선 충전 최적화 방법을 제공하는 또 다른 실시예의 도면이다.

무선 전력 에너지를 송수신 할때 수신부 코일(52)과 송신부 코일(31)의 위치가 서로 맞을 때, 무선 전력 에너지가 전송되는 효율이 높은 것은 당연하다. 그러나, 무선 충전 송신기에 무선 충전 하고자 하는 기기를 올려 놓을 때 정확히 올려놓지 않게 되는 경우도 발생하게 된다.

만일 정확한 위치에 올려놓지 않게 될 경우에는 무선 충전 효율이 높지 않게 된다. 따라서, 무선 충전 효율이 높이 않은 상태가 되면 자동으로 무선 충전 수신기의 작동을 차단하게 할 수가 있는 것이다.

무선 충전 송수신 장치의 특성상 에너지 전달이 최적화 상태가 되지 않게 되면 주파수 값이 바뀌게 된다. 즉, 최적화 상태에서의 주파수 값과 다르게 된다. 따라서, 도 30과 도 31에서처럼 별도로 주파수 모니터(Frequency Moniter)(13)를 코일(31)(62) 연결부에 구비하여 변화된 주파수 값을 모니터링 할 수가 있게 된다.

도 30은 수신부에서 주파수를 감지할 수 있는 방법에 대한 실시예의 도면이고, 도 31은 송신부에서 주파수를 감지할 수 있는 방법에 대한 실시예의 도면이다.

그리고, 주파수 모니터(13)가 코일의 주파수 값을 감지하고, 최적화 상태에서의 주파수 값보다 10 ％ 정도 높거나 낮을 경우에는 (MCU)(제어부)(10)(60)이 송수신 장치의 기능을 정지시키게 된다.

또한, 상기의 기능은 제어부 내에 부가된 메모리 기능에 저장된 정보에 따라제어부(10)(60)가 정해진 알고리즘에 의해 수행하게 된다.

이때, 최적화 상태의 주파수 값은 본 발명의 앞의 실시예에 준하게 된다.

- 실시예 7 -

도 32내지 도 38은 송수신부 코일의 최적화를 이루기 위한 또 다른 실시예의 도면이다.

무선 전력 에너지를 송수신하게 되는 코일은 열이 발생되게 되며, 열이 발생되게 되면 코일의 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 코일의 열 발생을 줄이기 위한 구조를 제시할 수가 있는 것이다.

도 32는 코일의 열 발생을 줄여 주기 위한 원리를 나타내는 실시예의 도면이다.

코일(31)(도면에서는 송신부 코일을 예로 들었지만 수신부 코일에도 적용될 수 있음은 당연하다.)의 저항 값을 줄여주기 위하여, 더미(Dummy) 코일(40-2)(40-3)을 더 부가하게 된다. 즉, 코일(31)에 전류가 흐르게 될 때, 전류가 흐를 수 있는 별도 경로의 코일을 더 부가하므로서, 코일의 저항 값을 낮추어 주는 효과를 얻게 한다.

이때, 상기 더미(Dummy) 코일(40-2)(40-3)은 코일과 별도 층(절연막 혹은 피씨비 기판의 다른 층)에 형성되는 것이 배치상 유리하며, 이때에는 비어(via)(40-4)(서로 다른 층 사이에 구멍을 형성하여 전기를 통하게 하는 통상의 방법)을 통해 전기적으로 연결되게 된다.

그리고, 상기 더미 코일은 1개 혹은 그 이상 구비할 수 있다.

도 33과 도 34는 실제 코일에 적용한 방법을 나타내는 실시예의 도면이다.

피씨비 기판 혹은 절연층(30)(33)을 사이에 두고 상하부 코일(31-1)(31-2)의 면적의 일부가 중첩되는 구조를 가지게 된다. 이때 중첩되지 않은 면적에 더미 코일(40-1)(40-2)이 구비되도록 하는 것이다.

그리고, 도 33에서 보는 바와 같이, 코일은 회전 턴(turn)수가 존재하게 되며, 도면에서는 4 개의 턴을 예로 들었다. 내부에서 회전되는 코일부터 외부까지 각각 번호를 부여하게 되면, 가장 내부에서 회전하는 코일을 "①" 로 가장 외부에서 회전하는 코일을 "④" 라고 할 수 있다. 이때, 제 "①" 번부터 제 "④" 번 코일까지 존재한다면, 각각이 코일에 더미 코일을 부여할 수가 있게 된다.

물론 본 발명에서는 도시 편의상 "④" 번 코일까지 만 예를 들었지만. 실제에서는 반드시 "④" 번 회전 턴에 한정되는 것은 아니며, 임의의 n 턴이 될 수 있음은 당연하다.

즉, 더미 코일(40-1)(40-2)도 제 "①" 번부터 제 "④" 번 코일까지 존재하게 된다. 그러므로, "①" 번 더미 코일은 "①" 번 코일과 연결되게 되고, "④" 번 더미 코일은 "④" 번 코일과 연결되게 된다. 이때 연결은 비어(via)를 통하여 하게 된다.

또한, 도 34는 중첩 코일과 더미 코일의 위치를 나타낸 실시예의 단면 도면이다. 코일(31-1)(31-2)은 일부 면적이 중첩되고, 중첩되지 않은 부분의 면적에 더미 코일(40-1)(40-2)이 구비되게 된다. 이때, 하부 코일(31-1)과 겹쳐지는 더비 코일(40-2)와 연결되게 되며, 상기 서로 연결되는 하부 코일(31-1)과 더비 코일(40-2)은 다른 층(절연층 혹은 피씨비 기판)에 위치하게 된다.

도 35내지 도 37은 더미 코일이 구비된 또 다른 실시예의 도면이다.

도 35는 코일(31-1)과 더미 코일(40-2)이 교대로 구비된 실시예의 도면이다. 그리고, 도 35에서는 원형 구조를 나타내었지만, 다각형 구조의 모양으로 코일이 구비될 수 있음은 당연하다.

도 36은 코일과 더미 코일의 배치를 나타낸 도면이다. 절연막 혹은 피시비 기판(30)(33)을 사이에 두고 상부 코일(31-2)과 상부 더미 코일(40-2)가 구비되고, 하부 코일(31-1)과 하부 더미 코일(40-1)이 도면처럼 구비된다.

그리고, 기판(혹은 절연막)(30)(33) 상부에 상부 코일(31-2)과 상부 더미 코일(40-2)이 교대로 구비되고, 마찬가지로 기판(혹은 절연막)(30)(33) 하부에 하부 코일(31-1)과 하부 더미 코일(40-1)이 교대로 구비된다. 또한, 상부 코일은 하부 더비 코일과 비어(via)(40-4)를 통하여 연결되고, 하부 코일도 상부 더비 코일과 비어(via)(40-4)를 통하여 연결된다.

도 37은 각각의 코일의 연결 관계를 나타낸 실시예의 도면이다. 기판(혹은 절연막)(30)(33) 상부에 제 1 번 코일 시작 부분(1S)과 끝 부분(1E)이 구비되고, 상기 끝 부분(1E)이, 하부의 제 2번 코일의 시작 부분(2S)와 연결되고 하부의 2 번 코일의 끝 부분(2E)은 상부의 제 3 번 코일의 시작 부분(3S)와 연결된다. 그리고, 마찬 가지로 3번 코일의 끝 부분(3E)는 4 번 코일의 시작 부분(4S)와 연결되게 된다. 이런식으로 하여 상부 1 번 코일 시작 부분(1S)는 은 5번 코일 (혹은 마즈막 코일) 끝 부분(5E)와 연결되게 된다.

결과적으로 본 발명에 구비된 코일은 전기적으로 전부 연결되게 되며, 또한 더미 코일은 각각의 해당되는 코일과 연결되게 된다. 이때 상기 전기적 연결은 비어(via)(hole를 형성하여 전기를 통하게 하는 통상의 방법)를 통하여 가능하게 한다. 도 38은 코일과 더미 코일의 연결을 나타내는 방법이다, 각 코일의 시작 부분과 끝 부분에 코일의 위 혹은 아래 위치된 더미 코일과 연결되며, 연결되는 비어(40-4)를 시작 부분과 끝 부분 이외에 중간 부분에도 더 구비될 수가 있다.

52 ; 수신부 코일 31 : 1 차 코일
52 : 2차 코일 31-1, 31-2 : 상 하부 코일
30 피씨비 기판 33 : 절연층
40 : 더미 코일 51 : NFC 코일

Claims (4)

1. 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 시스템에서, 전력 에너지를 송신하거나 전력 에너지를 수신할 수 있는 코일이 구비되며,
   상기 코일은 상기 각 코일은 회전 형상을 가져 제 1 번 부터 제 n 번까지의 회전을 형성하고, 상기 코일은 2층 이상의 다층 구조를 형성하고, 상기 코일은 상호 중첩 구조를 가지며,
   상기 코일에 전류가 흐를 수 있는 별도 경로를 더 가지는 더미 코일을 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 무선 충전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일과 별도 경로를 가지는 더미 코일은 절연막 혹은 피씨비 기판을 경계로 별도 층에 구비되는 것을 특징으로 하는 고효율 무선 충전기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 코일이 회전할 때 회전하는 각 턴과 연결되는 더미 코일인 것을 특징으로 하는 고효율 무선 충전기.
4. 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 시스템에서, 전력 에너지를 송신하거나 전력 에너지를 수신할 수 있는 코일이 구비되며,
   상기 코일이 무선 전력 에너지를 송수신 할 때, 일정 영역의 주파수가 정해지며,
   상기 코일을 통하는 전력 에너지의 주파수를 감지하는 주파수 모니터를 더 구비하고, 상기 주파수 모니터에 감지된 값에 의하여 무선 전력 에너지의 송 수신의 진행을 중단할 수 있는 것을 특징으로 하는 고효율 무선 충전기.

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