KR20150075506A - 무선전력 송신기 및 무선전력 송신 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기공진방식의 무선전력 송수신 시스템과 무선전력 송수신 시스템에서 임피던스를 매칭하는 방법에 관한 것으로서, 무선전력 송신기, 수신기의 안테나에 흐르는 전류 또는 안테나 주변 전류 루프의 전류 값을 조절하여 정교한 임피던스 매칭을 수행함으로써 무선전력 송수신의 효율을 높인 무선전력 송수신 시스템을 제공한다.

Description

무선전력 송신기 및 무선전력 송신 방법 {Wireless Power Transmitter and Wireless Power Transmitting Method}

본 발명은 자기공진방식의 무선충전 장치에서 임피던스 매칭 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는, 무선전력 송신기와 수신기 사이의 거리 및 위치에 따른 임피던스 매칭을 수행하고 무선전력을 송수신하는 무선전력 송신기, 수신기 및 무선전력 송신 방법에 관한 것이다.

현재 IT 기술, 특히 이동통신기기의 발전은 급속도로 진행되어서 최근 한 명의 개인이 휴대폰, MP3 플레이어, 디지털 카메라 등 여러 개의 휴대 가능한 디지털기기를 보유하고 있는 상황이다. 이와 같은 발전 속에 유일하게 발전이 지체되고 있는 분야가 바로 전원공급 관련 분야이며, 근래 다양한 모바일기기의 급속한 보급 속에 전원공급을 유선으로 하고 있다는 불편함은 무선충전 및 무선전력전송에 대한 관심을 크게 증대시키면서 관련 산업 분야에 새로운 시장을 창출하고 있다.

무선전력전송기술에는 기존에 전동칫솔, 전자캔들과 같이 주로 접촉에 가까운 수 mm 거리에서 충전을 제공하는 자기유도방식의 기술과 송신코일과 수신코일 간의 공진 주파수를 일치시켜 근거리 상에서 전력전송 효율이 높은 자기공진을 이용한 무선전력전송 방식이 있다.

자기공진방식에서는 전력 전송 효율을 극대화하기 위하여 송신기와 수신기 사이의 임피던스 매칭 방식에 초점을 맞추고 있다. 자기 공진 안테나를 이용하여 무선전력전송시에 자기 공진 안테나의 특성상 안테나의 거리에 따라 임피던스가 변화하는데 입출력단의 임피던스와 매칭이 이루어지지 않는다면 최대 효율을 기대하기 어렵다. 즉, 에너지 송신단과 수신단의 임피던스 차에 의한 반사파를 줄여야 에너지 전송효율을 높일 수 있다.

기존에 송수신단의 Capacitor 또는 Inductor의 값을 스위칭하여 변경하여 임피던스를 변경하는 방식이 있으나, 스위치를 사용하게 되면 공진단의 Q 값을 떨어트리는 문제점이 있다. 또한 Capacitor와 Inductor의 값이 클 경우 소형으로 제작하는 것이 힘든 문제점이 존재한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 자기공진방식 전력전송에서 송수신 안테나 또는 부가적인 전류전송 Loop를 이용하여 임피던스를 변경하는 방식을 사용하는 무선전력 송신기, 수신기 및 무선전력 송신 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 무선으로 송신할 전력을 공급하는 전원부; 상기 전원부로부터 공급받은 전력을 무선으로 송신하는 안테나; 및 상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하여 무선전력 수신기와의 임피던스 매칭을 수행하는 전류제어부를 포함하는 무선전력 송신기를 제공한다.

본 발명의 일면에 따르면, 상기 전류제어부는 상기 무선전력 수신기로부터 임피던스 정보를 수신하고 상기 수신한 임피던스 정보에 기초하여 상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하고 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것인 무선전력 송신기를 제공한다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 전류제어부는 상기 안테나 주변의 전류 루프의 전류 값을 조절하여 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것인 무선전력 송신기를 제공한다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 전류제어부는 상기 안테나에 흐르는 전류 조절을 통해 인덕턴스의 값을 변화시켜 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것인 무선전력 송신기를 제공한다.

본 발명은 무선전력 송신기가 무선으로 송신하는 전력을 수신하는 안테나; 상기 수신한 전력을 저장하는 전원부; 및 상기 무선전력 송신기로부터 임피던스 정보를 수신하고 상기 수신한 임피던스 정보를 토대로 상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하여 임피던스 매칭을 수행하는 전류제어부를 포함하는 무선전력 수신기를 제공한다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 전류제어부는 상기 무선전력 송신기로부터 수신한 임피던스 정보가 이전에 수신한 임피던스 정보와 일치하지 않으면 상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하여 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것인 무선전력 수신기를 제공한다.

한편 본 발명은 무선전력 송신기가 무선전력 수신기와 임피던스 매칭을 수행하고 무선으로 전력을 송신하는 단계; 상기 전력을 수신한 무선전력 수신기로부터 임피던스 정보를 수신하는 단계; 및 상기 임피던스 정보에 따라 상기 무선전력 송신기의 안테나에 흐르는 전류를 조절하고 새로운 임피던스 매칭을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 새로운 임피던스 매칭을 수행하는 단계는 상기 무선전력 송신기의 안테나 주변의 전류 루프의 전류 값을 조절하여 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것인 무선전력 송신 방법으로 이용될 수 있다.

본 발명은 무선전력을 송수신함에 있어서 전류 제어를 통한 정교한 임피던스 매칭이 가능하도록 하며 임피던스 매칭에 따른 전송효율을 향상시킴으로써 무선전력 송신 시스템과 수신 전자기기의 위치와 거리에 따라 최적 충전 환경이 형성될 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 송신기와 무선전력 수신기의 구조를 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 송신기와 무선전력 수신기가 임피던스 매칭을 위해 전류를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 송수신 방법의 과정을 나타낸 흐름도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서의 무선전력전송 시스템은 자기공진방식에 기반을 두고 있다. 기존의 자기유도방식은 전송되는 전력에 비해 주변으로 새어나가는 전력이 더욱 많기 때문에 근접거리를 벗어나면 전송효율이 낮아지는 문제점이 있지만 자기공진방식은 송신과 수신 측 사이에 공진을 일으켜서 일종의 자기장 터널링 효과를 발생시켜서 대부분의 자기장이 수신 측으로 갈 수 있도록 시스템을 구성 및 조절하여 전송효율을 극대화시킨다.

이러한 특성을 위해서는 주파수 공진이 반드시 필요하게 된다. 공진이 맞춰지는 시점은 리액턴스(Reactance) 성분이 상쇄되고 이때 전체 임피던스가 낮아지게 된다. 임피던스는 주파수 특성을 갖는 AC 회로의 직렬 공진 회로에서 주파수와 무관한 R 성분과 주파수 개념이 포함된 L 과 C에 대한 저항 성분이며 수식으로 표현하면 수학식 1과 같이 된다.

임피던스 매칭을 한다는 것은 임피던스 Z를 전송 선로 상의 특성 임피던스와 같게 한다는 의미로서, 매칭이 되었다면 S 파라미터의 Reflection이 최소가 되어 전송 손실이 최소가 될 것이다. 즉, 임피던스 매칭이 되었다는 의미는 특정 주파수의 신호의 흐름을 좋게 만들게 되고 주파수 선택적 특성인 공진의 개념에 포함된다.

L과 C의 조합인 Reactance 성분을 제거하면 LC 공진 특성을 얻을 수 있다. 수학식 2는 직/병렬로 조합된 LC 회로에서의 공진 주파수를 측정하는 식이다.

수학식 2는 L과 C가 조합될 때 특정 주파수에서 공진 특성을 발생시킬 수 있게 한다. 자기 공진 안테나의 특성상 에너지 수신 안테나의 거리에 따라 Mutual Induction(M)의 변화가 발생하여 공진 주파수가 변화되는 문제점이 있는데 커플러에 Inductor를 Tuning하는 방식으로 공진 주파수를 맞출 수 있다.

본 발명은 이러한 특성을 개선하고자 전류 조절을 통해 Inductance의 값을 변화시켜 임피던스의 값을 변경 가능하도록 한다. Inductance는 Inductor를 형성하는 안테나 자체 혹은 안테나 주변의 전류 루프(loop)의 전류 값을 조절하여 변화 시킬 수 있다. 또한 매칭단의 공진 주파수 또한 L 값 조절을 통해 변경 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 송신기와 무선전력 수신기의 구조를 나타낸 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 송신기는 전원부(110), 전류제어부(120) 및 안테나(130)를 포함하고, 무선전력 수신기는 전원부(210), 전류제어부(220) 및 안테나(230)를 포함한다.

무선전력 송신기의 전원부(110)는 무선으로 송신할 전원을 공급하고, 무선전력 송신기의 안테나(130)는 임피던스 매칭을 수행한 후 무선으로 전력을 전송한다.

무선전력 송신기의 전류제어부(120)는 무선전력 송신기가 임피던스 매칭을 수행함에 있어서, 무선전력 송신기의 안테나(130)에 흐르는 전류를 조절하여 임피던스의 매칭이 가능하도록 한다. 전류제어부(120)는 전류 조절을 통해 인덕턴스의 값을 변화시켜 임피던스의 값을 변경한다.

무선전력 송신기의 전류제어부(120)는 무선전력 송신기의 안테나(130)의 주변 전류 루프의 전류 값을 조절하여 임피던스를 변화시킬 수도 있다.

도 2가 무선전력 송신기, 수신기의 안테나(A: Main Antenna)와 안테나 주변의 전류 루프(B: Current Control Loop)를 나타낸 것이다. 본 발명은 도 2에 도시된 안테나에 흐르는 전류 또는 안테나 주변 전류 루프의 전류 값을 조절하여 정교한 임피던스 매칭이 가능하도록 한다.

무선전력 송신기의 전류제어부(120)는 무선전력 수신기로부터 임피던스 정보를 수신하고 상기 임피던스 정보에 기초하여 임피던스 매칭을 수행할 수도 있다. 즉, 무선전력 송신을 시작한 이후라고 하더라도 무선전력 수신기의 임피던스 정보를 확인하고 무선전력 송신기의 안테나(130)에 흐르는 전류 또는 안테나 주변 전류 루프의 전류 값을 조절하여 임피던스를 변경한다. 따라서 전류 조절을 통한 정교한 임피던스 매칭을 함으로써 무선전력 전송효율을 높일 수 있도록 한다.

무선전력 수신기의 안테나(230)는 무선전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하고 전원부(210)에 저장한다.

무선전력 수신기의 전류제어부(220)는 무선전력 수신기의 안테나(230)에 흐르는 전류 또는 안테나 주변 전류 루프의 전류 값을 조절하여 임피던스 매칭을 수행한다. 전류제어부(220)는 무선전력 송신기로부터 임피던스 정보를 수신하고 수신한 임피던스 정보에 기초하여 임피던스 매칭을 수행할 수도 있다.

도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 송수신 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 3은 무선전력 송신기가 무선으로 전력을 송신하며 임피던스 매칭을 수행하는 방법의 과정을 나타낸 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 송신기는 임피던스 매칭을 하고 무선전력을 송신한다(S300). 그리고 무선전력 수신기의 임피던스를 지속적 또는 일정 시간 간격으로 확인하고(S320), 임피던스를 매칭할 필요가 있는 경우이면(S340) 무선전력 송신기의 안테나에 흐르는 전류 또는 안테나의 주변 전류 루프의 전류 값을 조절하여 임피던스 매칭을 수행한다(S360). 따라서 무선전력 송신기는 정교한 임피던스 매칭을 수행하고 무선전력을 전송함으로써(S380) 무선전력 전송효율을 향상시킬 수 있다.

도 4는 무선전력 수신기가 무선으로 전력을 수신하며 임피던스 매칭을 수행하는 방법의 과정을 나타낸 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 무선전력 수신기는 무선전력 송신기로부터 무선전력을 수신하며(S400) 무선전력 송신기의 임피던스 정보를 확인한다(S420). 그리고 임피던스 매칭이 필요한 경우이면(S440, 예컨대, 이전에 수신한 임피던스 정보와 상이하여 새로운 임피던스 매칭일 필요한 경우 등) 무선전력 수신기의 안테나에 흐르는 전류 또는 안테나 주변 전류 루프의 전류 값을 조절하여 임피던스 매칭을 수행한다(S460). 무선전력 수신기는 새로운 임피던스 매칭에 따라 무선전력을 수신함으로써(S480) 전류 제어를 통한 정교한 임피던스 매칭으로 인하여 무선전력 수신효율을 높일 수 있도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110, 210 : 전원부
120, 220 : 전류제어부
130, 230 : 안테나

Claims (8)

1. 무선으로 송신할 전력을 공급하는 전원부;
   상기 전원부로부터 공급받은 전력을 무선으로 송신하는 안테나; 및
   상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하여 무선전력 수신기와의 임피던스 매칭을 수행하는 전류제어부
   를 포함하는 무선전력 송신기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 전류제어부는
   상기 무선전력 수신기로부터 임피던스 정보를 수신하고 상기 수신한 임피던스 정보에 기초하여 상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하고 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것
   인 무선전력 송신기.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 전류제어부는
   상기 안테나 주변의 전류 루프의 전류 값을 조절하여 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것
   인 무선전력 송신기.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 전류제어부는
   상기 안테나에 흐르는 전류 조절을 통해 인덕턴스의 값을 변화시켜 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것
   인 무선전력 송신기.
   
5. 무선전력 송신기가 무선으로 송신하는 전력을 수신하는 안테나;
   상기 수신한 전력을 저장하는 전원부; 및
   상기 무선전력 송신기로부터 임피던스 정보를 수신하고 상기 수신한 임피던스 정보를 토대로 상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하여 임피던스 매칭을 수행하는 전류제어부
   를 포함하는 무선전력 수신기.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 전류제어부는
   상기 무선전력 송신기로부터 수신한 임피던스 정보가 이전에 수신한 임피던스 정보와 일치하지 않으면 상기 안테나에 흐르는 전류를 조절하여 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것
   인 무선전력 수신기.
   
7. 무선전력 송신기가 무선전력 수신기와 임피던스 매칭을 수행하고 무선으로 전력을 송신하는 단계;
   상기 전력을 수신한 무선전력 수신기로부터 임피던스 정보를 수신하는 단계; 및
   상기 임피던스 정보에 따라 상기 무선전력 송신기의 안테나에 흐르는 전류를 조절하고 새로운 임피던스 매칭을 수행하는 단계
   를 포함하는 무선전력 송신 방법.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 새로운 임피던스 매칭을 수행하는 단계는
   상기 무선전력 송신기의 안테나 주변의 전류 루프의 전류 값을 조절하여 상기 임피던스 매칭을 수행하는 것
   인 무선전력 송신 방법.
   

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