KR20160100754A - 무선 전력 수신 장치 및 방법 - Google Patents

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이동혁
송지연
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 실시 예는 무선 전력 수신 장치 및 단말기에 관한 것이다.
본 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치는 전력을 수신하는 코일; 상기 무선 전력 송신 장치에 의해 감지되기 위한 금속부재를 포함하고, 상기 코일은 비어 있는 중앙 영역을 가지고, 상기 금속부재는 상기 코일의 상기 중앙 영역에 배치되며, 상기 금속부재는 스테인레스 스틸 강판을 포함한다.

Description

무선 전력 수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECEIVING WIRELESS POWER AND TERMINAL}
본 발명은 무선전력 충전 시스템의 무선전력 송신 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선 전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 전자기 유도는 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 말한다. 전자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 전력의 전송 거리가 짧은 문제가 있다.
현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 전자기 유도 이외에 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.
공진을 이용한 무선 전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측의 코일을 통해 전력이 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
송신측에 의해 의해 감지될 수 있도록 수신측에 자석이 구비된다. 송신측은 수신측의 자석의 자기장을 감지하여 수신측을 충전시킬지 여부를 결정한다.
그러나, 종래의 수신측의 자석은 희토류 재질로 형성되는데, 이러한 휘토류 재질의 자석은 고가이므로 제조 비용 증가가 발생되는 문제가 있다.
아울러, 종래의 수신측의 자석은 표준에서 요구되는 배치 규격을 충족하지 못하고 있다.
실시예는 비용을 절감한 무선 전력 수신 장치 및 단말기를 제공한다.
실시예는 표준에 요구되는 규격을 충족하도록 배치된 금속부재를 포함하는 무선 전력 수신 장치 및 단말기를 제공한다.
실시예는 후면 커버(bottom cover)의 두께가 두꺼워도 무선 전력 송신 장치 또는 거치대에 의해 충분히 감지될 수 있도록 금속부재의 배치가 최적화된 무선 전력 수신 장치 및 단말기를 제공한다.
본 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치는 전력을 수신하는 코일; 상기 무선 전력 송신 장치에 의해 감지되기 위한 금속부재를 포함하고, 상기 코일은 비어 있는 중앙 영역을 가지고, 상기 금속부재는 상기 코일의 상기 중앙 영역에 배치되며, 상기 금속부재는 스테인레스 스틸 강판을 포함한다.
또한, 본 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신 방법에 있어서, 무선전력 수신장치에 구성되는 금속부재에 의해 상기 무선전력 송신장치의 센서를 트리거하는 단계; 상기 무선전력 송신장치에 유효 신호를 송신하는 단계; 상기 무선전력 송신장치로부터 식별신호를 수신하는 단계 상기 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 단계;를 포함하고,상기 금속부재는 스테인레스 스틸 강판을 포함한다.
실시예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 단말기에 구비되는 금속부재로 비용이 저렴한 스테인레스 스틸 강판이 사용됨으로써, 제품 단가를 낮추어 줄 수 있다.
둘째, 단말기에 구비되는 금속부재의 배치를 최적화함으로써, 자성부재가 규격에서 정의되고 있는 자속 밀도 세기를 갖도록 할 수 있다.
셋째, 단말기에 구비되는 금속부재의 직경과 후면 커버의 두께를 최적화하여, 거치대에 의한 단말기의 근접 여부에 대한 판단 오류 가능성을 최소화할 수 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 실시예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.
도 2는 자기 공진 방식 등가회로이다.
도 3은 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다.
도 4는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도이다.
도 5는 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시된 사시도이다.
도 6은 도 5의 단말기의 후면을 도시한 사시도이다.
도 7은 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에 대한 블록도이다.
도 9는 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 거치대와 단말기 사이의 거리에 따라 홀 센서에서 검출된 전압 신호를 보여주는 도면이다.
도 11은 와인딩 코일 구조에서 금속부재가 배치되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 12는 리드 프레임 코일 구조에서 금속부재가 배치되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 13은 리드 프레임 코일 구조에서의 금속부재의 배치에 따른 자속 밀도의 세기를 보여주는 도면이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템의 지원이 필요하다.
실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.
실시예는 기기를 제공한 하나 또는 복수개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.
실시예에 따르면 스마트폰, 노트북 등 모바일 기기에서의 배터리 부족문제를 해결할 수 있고, 일 예로 테이블에 무선충전패드를 놓고 그 위에서 스마트폰, 노트북을 사용하면 자동으로 배터리가 충전되어 장시간 사용할 수 있게 된다. 또한 까페, 공항, 택시, 사무실, 식당 등 공공장소에 무선충전패드를 설치하면 모바일기기 제조사별로 상이한 충전단자에 상관없이 다양한 모바일기기를 충전이 가능하다. 또한 무선전력전송 기술이 청소기, 선풍기 등의 생활가전제품에 적용되면 전원케이블을 찾아 다닐 필요가 없게 되고 가정 내에서 복잡한 전선이 사라지면서 건물 내 배선이 줄고 공간활용 폭도 넓어질 수 있다. 또한 현재의 가정용 전원으로 전기자동차를 충전할 경우 많은 시간이 소요되지만 무선전력전송 기술을 통해서 고전력을 전송한다면 충전시간을 줄일 수 있게 되고 주차장 바닥에 무선충전시설을 설치하게 되면 전기자동차 주변에 전원케이블을 준비 해야 하는 불편함을 해소 할 수 있다.
실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.
무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템
송신부(Wireless Power Transfer System-Charger): 자기장 영역 내에서 다수기기의 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치.
수신부(Wireless Power Transfer System-Deivce): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치.
충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.
S 파라미터(Scattering parameter): S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압 대 출력전압의 비로 입력 포트 대 출력 포트의 비(Transmission; S21) 또는 각각의 입/출력 포트의 자체 반사값, 즉 자신의 입력에 의해 반사되어 돌아오는 출력의 값(Reflection; S11, S22).
품질 지수 Q(Quality factor): 공진에서 Q의 값은 주파수 선택의 품질을 의미하고 Q 값이 높을수록 공진 특성이 좋으며, Q 값은 공진기에서 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 표현됨.
무선으로 전력을 전송하는 원리를 살펴보면, 무선 전력 전송 원리로 크게 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 있다.
자기 유도 방식은 소스 인덕터(Ls)와 부하 인덕터(Ll)를 서로 근접시켜 한쪽의 소스 인덕터(Ls)에 전류를 흘리면 발생한 자속을 매개로 부하 인덕터(Ll)에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술이다. 그리고 자기 공진 방식은 2개의 공진기를 결합하는 것으로 2개의 공진기 간의 고유의 주파수에 의한 자기 공진이 발생하여 동일 주파수로 진동 하면서 동일 파장 범위에서 전기장 및 자기장을 형성시키는 공명 기법을 활용하여 에너지를 무선으로 전송하는 기술이다.
도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.
도 1을 참조하면, 자기 유도 방식 등가회로에서 송신부는 전원을 공급하는 장치에 따른 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs), 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs) 그리고 수신부와의 자기적 결합을 위한 소스 코일(Ls)로 구현될 수 있고, 수신부는 수신부의 등가 저항인 부하 저항(Rl), 임피던스 매칭을 위한 부하 커패시터(Cl) 그리고 송신부와의 자기적 결합을 위한 부하 코일(Ll)로 구현될 수 있고, 소스 코일(Ls)과 부하 코일(Ll)의 자기적 결합 정도는 상호 인덕턴스(Msl)로 나타낼 수 있다.
도 1에서 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs)와 부하 커패시터(Cl)이 없는 오로지 코일로만 이루어진 자기 유도 등가회로로부터 입력전압 대 출력전압의 비(S21)를 구하여 이로부터 최대 전력 전송 조건을 찾으면 최대 전력 전송 조건은 이하 수학식 1을 충족한다.
수학식 1
Ls/Rs=Ll/Rl
상기 수학식 1에 따라 송신 코일(Ls)의 인덕턴스와 소스 저항(Rs)의 비와 부하 코일(Ll)의 인덕턴스와 부하 저항(Rl)의 비가 같을 때 최대 전력 전송이 가능하다. 인덕턴스만 존재하는 시스템에서는 리액턴스를 보상할 수 있는 커패시터가 존재하지 않기 때문에 최대 전력 전달이 이루이지는 지점에서 입/출력 포트의 자체 반사값(S11)의 값은 0이 될 수 없고, 상호 인덕턴스(Msl) 값에 따라 전력 전달 효율이 크게 변화할 수 있다. 그리하여 임피던스 매칭을 위한 보상 커패시터로써 송신부에 소스 커패시터(Cs)가 부가될 수 있고, 수신부에 부하 커패시터(Cl)가 부가될 수 있다. 상기 보상 커패시터(Cs, Cl)는 예로 수신 코일(Ls) 및 부하 코일(Ll) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 송신부 및 수신부 각각에는 보상 커패시터 뿐만 아니라 추가적인 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자가 더 부가될 수 있다.
도 2는 자기 공진 방식 등가회로이다.
도 2를 참조하면, 자기 공진 방식 등가회로에서 송신부는 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs) 그리고 소스 인덕터(Ls)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 소스 코일(Source coil)과 송신측 공진 인덕터(L1)와 송신측 공진 커패시터(C1)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 송신측 공진 코일(Resonant coil)로 구현되고, 수신부는 부하 저항(Rl)와 부하 인덕터(Ll)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 부하 코일(Load coil)과 수신측 공진 인덕터(L2)와 수신측 공진 커패시터(C2)의 질렬 연결로 폐회로를 구성하는 수신측 공진 코일로 구현되며, 소스 인덕터(Ls)와 송신측 인덕터(L1)는 K01의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 부하 인덕터(Ll)와 부하측 공진 인덕터(L2)는 K23의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 송신측 공진 인덕터(L1)와 수신측 공진 인덕터(L2)는 L12의 결합 계수로 자기적으로 결합된다.
자기 공진 방식은 두 공진기의 공진 주파수가 동일할 때에는 송신부의 공진기의 에너지의 대부분이 수신부의 공진기로 전달되어 전력 전달 효율이 향상될 수 있고, 자기 공진 방식에서의 효율은 이하 수학식 2를 충족할 때 좋아진다.
수학식 2
k/Γ >> 1 (k는 결합계수, Γ 감쇄율)
자기 공진 방식에서 효율을 증가시키기 위하여 임피던스 매칭을 위한 소자를 부가할 수 있고, 임피던스 매칭 소자는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 소자가 될 수 있다.
이와 같은 무선 전력 전송 원리를 바탕으로 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전달하기 위한 무선전력전송 시스템을 살펴본다.
도 3은 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있고, 상기 송신부(1000)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300), 송신 코일부(1400) 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)을 포함할 수 있다.
송신측 교류/직류 변환부(1100)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 외부로부터 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 전력 변환부로써, 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)는 서브 시스템으로 정류기(1110)와 송신측 직류/직류 변환부(1120)을 포함할 수 있다. 상기 정류기(1110)는 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 시스템으로써 이를 구현하는 실시예로 고주파수 동작 시 상대적으로 높은 효율을 가지는 다이오드 정류기, 원-칩(one-chip)화가 가능한 동기 정류기 또는 원가 및 공간 절약이 가능하고 및 데드 타임(Dead time)의 자유도가 높은 하이브리드 정류기가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 정류기(1110)으로부터 제공되는 직류 신호의 레벨을 조절하는 것으로 이를 구현하는 예로 입력 신호의 레벨을 낮추는 벅 컨버터(Buck converter), 입력 신호의 레벨을 높이는 부스트 컨버터(Boost converter), 입력 신호의 레벨을 낮추거나 높일 수 있는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost converter) 또는 축 컨버터(Cuk converter)가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 전력 변환 제어 기능을 하는 스위치소자와 전력 변환 매개 역할 또는 출력 전압 평활 기능을 하는 인덕터 및 커패시터, 전압 이득을 조절 또는 전기적인 분리 기능(절연 기능)을 하는 트랜스 등을 포함할 수 있으며, 입력되는 직류 신호에 포함된 리플 성분 또는 맥동 성분(직류 신호에 포함된 교류 성분)을 제거하는 기능을 할 수 있다. 그리고 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)의 출력 신호의 지령치와 실제 출력 치와의 오차는 피드백 방식을 통해 조절될 수 있고, 이는 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 이루어 질 수 있다.
송신측 직류/교류 변환부(1200)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 송신측 교류/직류 변환부(1100)으로부터 출력되는 직류 신호를 교류 신호로 변환하고, 변환된 교류 신호의 주파수를 조절할 수 있는 시스템으로 이를 구현하는 예로 하프 브릿지 인버터(Half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)가 있다. 또한 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 출력 신호의 주파수를 생성하는 오실레이터(Ocillator)와 출력 신호를 증폭하는 파워 증폭부를 포함할 수 있다.
송신측 임피던스 매칭부(1300)는 서로 다른 임피던스를 가진 지점에서 반사파를 최소화하여 신호의 흐름을 좋게 한다. 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 코일은 공간적으로 분리되어 있어 자기장의 누설이 많으므로 상기 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하여 전력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 인덕터, 커패시터 그리고 저항 소자로 구성될 수 있고, 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 인덕터의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스 그리고 저항의 저항 값을 가변하여 임피던스 매칭을 위한 임피던스 값을 조정할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 직렬 공진 구조 또는 병렬 공진 구조를 가질 수 있고, 송신부(1000)와 수신부(2000) 사이의 유도 결합 계수를 증가시켜 에너지 손실을 최소화 할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 송신부(1000)와 수신부(2000) 간의 이격 거리가 변화되거나 금속성 이물질, 다수의 디바이스에 의한 상호 영향 등에 따라 코일의 특성의 변화로 에너지 전송 선로상의 매칭 임피던스 변화에 따른 임피던스 매칭의 실시간 보정을 가능하게 할 수 있고, 그 보정 방식으로써 커패시터를 이용한 멀티 매칭 방식, 멀티 안테나를 이용한 매칭 방식, 멀티 루프를 이용한 방식 등이 될 수 있다.
송신측 코일(1400)은 복수개의 코일 또는 단수개의 코일로 구현될 수 있고, 송신측 코일(1400)이 복수개로 구비되는 경우 이들은 서로 이격되어 배치되거나 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 이들이 중첩되어 배치되는 경우 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정할 수 있다. 또한 송신측 코일(1400)을 제작할 때 내부 저항 및 방사 저항을 고려하여 제작할 수 있고, 이 때 저항 성분이 작으면 품질 지수(Quality factor)가 높아지고 전송 효율이 상승할 수 있다.
통신 및 제어부(1500)는 서브 시스템으로써 송신측 제어부(1510)와 송신측 통신부(1520)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 제어부(1510)는 수신부(2000)의 전력 요구량, 현재 충전량 그리고 무선 전력 방식을 고려하여 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그리고 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다. 또한 수신부(2000)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 수신부(2000)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 한편 상기 송신측 제어부(1510)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 지칭할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)는 수신측 통신부(2620)와 통신을 수행할 수 있고, 통신 방식의 일 예로 블루투스 방식을 이용할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)와 수신측 통신부(2620)는 서로간에 충전 상황 정보 및 충전 제어 명령 등의 송수신을 진행할 수 있다. 그리고 상기 충전 상황 정보로는 수신부(2000)의 개수, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 그리고 송신부(1000)의 전송 전력량 등을 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(1520)는 수신부(2000)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있고, 상기 충전 기능 제어 신호는 수신부(2000)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.
한편 송신부(1000)는 송신측 통신부(1520)와 상이한 하드웨어로 구성되어 송신부(1000)가 아웃-밴드(out-band) 형식으로 통신될 수 도 있다. 그리고, 송신부(1000)와 송신측 통신부(1520)가 하나의 하드웨어로 구현되어, 송신부(1000)가 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다. 또한 상기 송신측 통신부(1520)는 상기 송신측 제어부(1510)와 별로로 구성될 수 있고, 상기 수신부(2000) 또한 수신측 통신부(2620)가 수신 장치의 제어부(2610)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.
도 4는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있고, 상기 수신부(2000)는 수신측 코일부(2100), 수신측 임피던스 매칭부(2200), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 직류/직류변환부(2400), 부하(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다.
수신측 코일부(2100)은 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신용 안테나(Near Field Communication)를 함께 구비할 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은 송신측 코일부(1400)와 동일할 수 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.
수신측 임피던스 매칭부(2200)는 송신기(1000)와 수신기(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.
상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다.
수신측 직류/직류변환부(2400)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 출력되는 직류 신호의 레벨을 부하(2500)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.
상기 부하(2500)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.
수신측 통신 및 제어부(2600)는 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)와 통신을 수행하고, 수신부(2000)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.
상기 수신부(2000)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(1000)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 자기 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신부(1000)로부터 복수의 타켓 수신부(2000)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신부(1000)의 송신측 매칭부(1300)는 복수개의 수신부(2000)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다. 이는 자기 유도 방식에서 서로 독립적인 수신측 코일부를 복수개 구비하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
또한 상기 수신부(2000)가 복수개로 구성된 경우 전력 수신 방식이 동일한 시스템이거나, 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다. 이 경우, 송신부(1000)는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 시스템이거나 양 방식을 혼용한 시스템일 수 있다.
한편 무선전력전송 시스템의 신호의 크기와 주파수 관계를 살펴보면, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 110V~220V의 60Hz의 교류 신호를 인가 받아 10V 내지 20V의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가받아 125KHz의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 125KHz의 교류 신호를 입력 받아 10V 내지 20V의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 수신측 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다. 그리고 자기 공진 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 110V~220V의 60Hz의 교류 신호를 인가 받아 10V 내지 20V의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가받아 6.78MHz의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 6.78MHz의 교류 신호를 입력 받아 10V 내지 20V의 수신측 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다.
도 5는 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 거치대(10)와 단말기(20)를 포함할 수 있다.
거치대(10)는 도 1에 도시된 전력 소스 및 무선 전력 송신 장치를 포함할 수 있다. 즉, 전력 소스와 무선 전력 송신 장치가 거치대(10)에 내장될 수 있다.
거치대(10)는 위에서 보았을 때 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형을 가질 수 있지만 이에 대해서는 한정하지 않는다.
거치대(10)의 상면은 단말기(20)의 배면과 면접촉될 수 있다. 거치대(10)의 상면 중 적어도 일부 영역의 형상은 단말기(20)의 배면이 형성과 동일할 수 있지만 이에 대해서는 한정하지 않는다.
거치대(10)에 내장된 무선 전력 송신 장치의 송신 코일(도 1의 210, 220)은 거치대(10)의 상면과 면 대향되도록 배치될 수 있다. 송신 코일(210, 220)의 전력이 균일하게 단말기(20)로 전송되도록 송신코일(210, 220)은 거치대(10)의 상면과 평행하도록 배치될 수 있다.
단말기(20)는 충전을 위한 배터리(36)를 포함하고, 배터리(36)에 충전된 전원을 이용하여 소정의 전자적인 기능을 수행할 수 있는 모든 전자기기를 지칭할 수 있다. 예컨대, 단말기(20)는 스마트폰 또는 태블릿 PC와 같은 모바일 기기나 텔레비전, 냉장고 또는 세탁기와 같은 가전 기기, 자동차와 같은 운송수단 또는 운송수단의 부속품을 포함할 수 있다.
단말기(20)는 도 1에 도시된 무선 전력 수신 장치 및 부하단을 포함할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신 장치 및 부하단은 단말기(20)에 내장될 수 있다.
충전을 위해 단말기(20)가 거치대(10)의 상면에 놓여질 수 있다. 단말기(20)가 놓여질 때 단말기(20)의 전면 커버(22)가 위로 향하고 단말기(20)의 후면 커버(24)가 거치대(10)의 상면과 접촉될 수 있다. 따라서 거치대(10)로부터 무선으로 전력이 제공되어 부하단에 충전될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 거치대(10)의 상면에 대응되는 단말기(20)의 배면에 인접하여 수신 코일(32) 및 금속부재(30)가 배치될 수 있다. 수신 코일(32) 또한 거치대(10)의 송신 코일(210, 220). 거치대(10)의 상면 및 무선 전력 수신 장치의 후면 커버(24)와 면 대향되도록 배치될 수 있다. 특히, 단말기(20)의 수신 코일(32)이 거치대(10)의 송신 코일(210, 220)과 평행하도록 위치될 때 거치대(10)의 송신 코일(210, 220)로부터 단말기(20)의 수신 코일(32)로 전달되는 전력의 전력 전달 효율이 극대화될 수 있다.
도 7을 참조하여 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구조를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 단면도이다.
도 7에 도시한 바와 같이 거치대(10)는 송신 코일(14)과 자성 부재(12)를 포함할 수 있다. 송신 코일(14) 및 자성 부재(12)는 거치대(10)의 상면에 인접하여 배치될 수 있다. 송신 코일(14)과 자성 부재(12)는 동일 면 상에 배치될 수 있다.
송신 코일(14)은 도 1에 도시된 송신 유도 코일 또는 송신 공진 코일일 수 있다. 예컨대, 공진 방식의 경우 송신 유도 코일과 송신 공진 코일 모두가 사용되는데 반해, 전자기 유도 방식의 경우 송신 유도 코일만 사용될 수 있다.
송신 코일(14)은 자성 부재(12)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 송신 코일(14)은 수개의 권수(number of turns)를 가지고, 인접하는 송신 코일(14) 사이는 이격될 수 있지만 이에 대해서는 한정하지 않는다. 송신 코일(14)은 가상의 수평면에 평행하도록 배치될 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 송신 코일(14)의 중앙 영역은 빈 공간일 수 있다.
자성 부재(12)는 송신 코일(14)의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 자성 부재(12)의 두께는 송신 코일(14)의 두께와 같거나 이보다 크거나 작을 수 있다. 자성부재(12)에 요구되는 자속 밀도의 세기와 자성 부재의 점유 면적에 따라 자성부재(12)의 두께와 자성 부재(12)의 면적은 달라질 수 있다.
단말기(2)는 차폐 부재(26), 수신 코일(32) 및 금속부재(30)를 포함할 수 있다. 수신 코일(32) 및 금속부재(30)는 동일 면 상에 배치될 수 있다.
수신 코일(32)은 도 1에 도시된 수신 공진 코일 또는 수신 유도 코일일 수 있다. 예컨대, 공진 방식의 경우 수신 공진 코일 및 수신 유도 코일 모두가 사용되는데 반해, 전자기 유도 방식의 경우 수신 유도 코일만 사용될 수 있다.
수신 코일(32)은 금속부재(30)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 수신 코일(32)은 수개의 권수를 가지고 인접하는 수신 코일(32) 사이는 이격될 수 있다.
수신 코일(32)은 가상의 수평면에 평행하도록 배치될 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 수신 코일(32)의 중앙 영역은 빈 공간일 수 있다.
금속부재(30)는 수신 코일(32)의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 수신 코일(32)의 중앙 영역은 송신 코일(14)의 중앙 영역보다 더 작을 수 있지만 이에 대해서는 한정하지 않는다. 금속부재(30)의 두께는 수신 코일(32)의 두께와 같거나 이보다 크거나 작을 수 있다. 금속부재(30)에 요구되는 자속 밀도의 세기와 금속부재(30)의 점유 면적에 따라 금속부재(30)의 두께와 금속부재 (30)의 면적은 달라질 수 있다.
금속부재(30)는 단말기(20)의 근접 내지 접촉 여부가 거치대(10)에 의해 감지되도록 하여 준다.
이러한 감지를 홀 센서(16)를 더 포함할 수 있다. 홀 센서(16)는 거치대(10)의 상면과 자성부재(12) 사이에 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 홀 센서(16)는 자성부재(12)보다 거치대(10)의 상면과 더 인접하도록 배치될 수 있다. 홀 센서(16)는 거치대(10)의 자성부재(12)와 단말기(20)의 금속부재(30) 사이의 거치대(10)에 배치될 수 있다. 홀 센서(16)는 단말기(20)가 없을 때에는 자성부재(12)의 자속 밀도의 세기만을 감지한다. 하지만 단말기(20)가 거치대(10)로 접근하게 되는 경우 홀 센서(16)는 자성 부재(12)의 자속 밀도의 세기뿐만 아니라 금속부재(30)의 자속 밀도의 세기를 감지할 수 있다. 따라서 거치대(10)는 단말기(2)가 없을 때에 감지되는 자성부재(12)의 자속밀도의 세기를 기준으로 단말기(20)가 거치대(10) 상에 놓여졌을 대 감지되는 자성부재(12)의 자속 밀도의 세기 및 금속부재(30)의 자속 밀도의 세기를 감지하여 그 자속 밀도의 변화폭(α)이 임계값 이상인 경우 단말기(20)가 충전을 위해 거치대(10)에 놓여진 것으로 판단하고 단말기(20)에 대한 충전이 진행될 수 있다.
이를 위해 금속부재(30)는 임계값 이상의 자속 밀도의 변화폭(α)을 유발시키는 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대 임계값은 32G일 수 있다. 또한 표준에서 요구되는 임계값인 40G일 수 있다.
상기 금속부재(30)는 스테인레스 스틸 강판(stainless steel sheet)일 수 있다. 예컨대 스테인레스 스틸 강판은 적어도 8% 이상의 크롬(Cr)과 75% 이상의 철(Fe)이 함유될 수 있다. 특히 금속부재(30)는 스테인레스 스틸 강판 중 크롬(Cr)의 비율이 16~18%이고, 철(Fe)의 비율이 80%이상으로 구성되는 스테인레스 스틸 강판으로 구성될 수 있다. 일례로 금속부재(30)는 상기한 구성의 합금들 중 페라이트계 STS430일 수 있다. 하지만, 이에 대해서는 한정하지 않으며 자속밀도의 변화폭(α)에 따라 금속부재(30)의 합금비는 달라질 수 있다. 예컨대, 수신 코일(32)과 금속부재(30)는 점착제(28)를 이용하여 차폐부재(26)의 배면에 부착될 수 있다. 차폐 부재(26) 상에는 전력 소스, 교류 전력 생성부 및 제어부를 포함하는 전자 부품들이 실장된 인쇄회로기판이 배치될 수 있다.
차폐 부재(26)는 코일에 의해 유도된 자기장을 차폐하여 자기장이 전자부품에 영향을 미치지 않게 하여 전자 부품의 오동작을 방지할 수 있다.
도 8은 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템에 대한 블록 구성도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 거치대(10)와 단말기(20)를 포함할 수 있다.
거치대(10)와 단말기(2)의 외관 형상에 대해서는 이미 설명한 바 있으므로 이하에서는 거치대(10) 및 단말기(2)에 내장된 회로 구성에 대해 설명하기로 한다.
거치대(10)는 전력 소스 교류 전력 생성부(19), 제어부(17), 송신 코일(14), 자성부재(12) 및 홀 센서(16)를 포함할 수 있다.
전력 소스는 도 1에 도시된 전력 소스이고, 송신 코일(14)은 도 1에 도시된 송신 유도 코일 또는 송신 공진 코일 일 수 있다.
전력 소스는 교류 전력 또는 직류 전력을 생성한다. 전력 소스는 교류 전력을 제1 직류 전력으로 변환하고, 변환된 제1 직류 전력을 제2 직류 전력으로 변환할 수 있다.
교류 전력 생성부(19)는 제어부(17)의 제어 하에 전력 소스의 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 교류 전력 생성부(19)에서 변환된 교류 전력이 송신 코일(14)을 통해 단말기(20)로 송신될 수 있다.
제어부(17)는 홀 센서(16)로부터 검출된 자속 밀도의 세기(B1, B2)의 변화를 바탕으로 교류 전력 생성부(19)를 제어할 수 있다.
도 10을 참조하여 전압 신호 검출에 대해 설명한다.
도 10에 도시한 바와 같이 홀 센서(16)는 거치대(10)에 포함된 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기를 검출할 수 있다. 홀 센서(16)는 단말기(20)가 거치대(10)에 놓여진 경우 단말기(20)에 포함된 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기를 검출할 수 있다. 도면에서는 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기보다 작게 도시되고 잇지만 금속부재 (30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기와 동일하거나 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기보다 클 수 있다.
홀 센서(16)는 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기 및 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기 각각을 전기 신호로 변환하여 제어부(17)로 제공할 수 있다. 예컨대 전기 신호는 전압 신호일 수 잇지만 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대 1G의 자속 밀도가 5mV의 전압 신호로 변환될 수 있다. 예컨대 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기가 10G인 경우 홀 센서(16)는 자성부재(12)에서 검출된 10G의 자속 밀도(B1)의 세기를 50mV의 전압 신호로 변환하여 변환된 전압 신호를 제어부(17)로 제공할 수 있다.
제어부(17)는 단말기(20)가 없을 때 즉, 홀 센서(16)에 의해 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 감지되지 않는 거리 이상에 위치할 때에는 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기에 대한 제1 전압신호(S1)가 검출된다.
단말기(2)의 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 거치대(10)의 홀 센서(16)에 의해 감지 될 수 잇는 감지 가능 구간(P) 내로 이동되면 홀 센서(16)로부터 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)뿐만 아니라 제 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 합쳐진 제2 전압신호(S2)가 검출될 수 있다.
금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 감지되지 않는 거리와 감지 가능 구간(P)사이의 경계 지점이 감지 불능 임계 지점(Q)으로 정의 될 수 있다. 단말기(2)와 거치대(10) 사이의 거리가 감지 불능 임계 지점(Q)보다 커지게 되면 홀 센서(16)에 의해 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 감지되지 않게 된다. 단말기(20)와 거치대(10) 사이의 거리가 감지 불능 임계 지점(Q)보다 작아지게되면 즉, 감지 가능 구간(P)내로 들어오면 홀 센서(16)에 의해 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 감지될 수 있다.
제2 전압 신호(S2)는 단말기(20)가 거치대(10)에 근접할수록 선형적으로 증가될 수 있다.
제2 전압신호(S2)는 일정 지점부터 포화되어 일정한 레벨을 가질 수 있다. 일정 지점으로부터 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기가 최대가 된다. 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)는 금속부재(30)로부터 일정 거리까지 최대로 유지될 수 있고 그 거리 이상부터는 점차 줄어들 수 있다.
따라서 단말기(20)가 거치대(10)에 근접하여 자속 밀도(B2)의 세기가 최대인 영역으로 진입되면 이 영역에서 검출된 홀 센서(16)의 제2 전압 신호(S2)ss 더 이상 증가되지 않고 일정한 레벨로 유지된다. 즉 단말기(20)가 거치대(10)에 놓여지더라도 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기는 최대 이상으로 증가될 수 없다. 따라서 이러한 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기와 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기가 합쳐진 제2 전압 신호(S2)는 일정한 레벨로 유지될 수 있다.
단말기(20)가 거치대(10)에 놓여지면 즉, 단말기(20)와 거치대(10) 사이의 거리가 0인 경우 자성부재(12)의 자속 밀도(B1)의 세기와 금속부재(30)의 자속 밀도(B2)의 세기에 대한 제2 전압 신호(S2)가 일정한 레벨로 검출될 수 있다. 이러한 경우 제2 전압 신호(S2)는 제1 전압 신호(S1)보다 클 수 있다.
예컨대, 이와 같이 제2 전압 신호(S2)와 제1 전압 신호(S1)의 변화폭(α)이 기 설정된 임계값 보다 클 때, 제어부(17)는 단말기(20)가 거치대(10)에 놓여진 것으로 판단하고 교류 전력 생성부(19)를 제어하여 교류 전력이 송신 코일(14)을 통해 송신되도록 제어할 수 있다.
단말기(20)는 수신 코일(32)의 정류부(34), 배터리(26) 및 금속부재(30)를 포함할 수 있다.
수신 코일(32)은 도 1에 도시한 수신 공진 코일 또는 수신 유도 코일일 수 있고 배터리(36)는 도 1에 도시된 부하단일 수 있다.
수신 코일(32)은 거치대(10)의 송신 코일(14)로부터 제공된 교류 전력을 수신한다.
정류부(34)는 수신 코일(32)로부터 제공된 교류 전력을 평활화하고 노이즈를 제거한 직류 전력으로 변환한다.
단말기(20)는 정류부(34)와 배터리(36) 사이에 연결되어 정류부(34)에서 변환된 직류 전력을 배터리(36)에 요구되는 정격 전력 또는 정격 전압으로 변환하는 DC-DC 변환부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
단말기(20)는 인밴드 통신 또는 아웃 오브 밴드 통신을 이용하여 거치대(10)와 통신을 수행하여 거치대(10)에 단말기(20)에 요구되는 전력의 세기의 증감이나 단말기(20)의 현재 충전 상태 정보 등을 제공할 수 있다.
도시되지 않았지만, 단말기(20)는 수신되는 교류 전력이나 배터리(36)의 상태를 감지하여 배터리(36)에 과 전력이 공급되지 않도록 관리하는 관리 모듈과 관리 모듈뿐만 아니라 전체적인 제어를 수행하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 거치대(10)의 제어부(17)는 단말기(20)가 거치대(10)에 놓여지지 않는 경우, 어떠한 교류 전력도 방사하지 않으며 내부의 필수 구성 요소, 예컨대 홀 센서(16)만을 구동시켜 전류 소비를 최소화하는 슬립 모드(sleep mode)로 운용한다.
제어부(17)는 홀 센서(16)의 구동에 의해 홀 센서(16)로부터 자성부재(12)의 자속 밀도에 대한 제1 전압 신호(S1)를 제공 받는다.
제어부(17)는 자속 밀도의 변화가 있는지 확인한다. 즉, 제어부(17)는 홀 센서(16)로부터 제공되는 제1 전압 신호(S1)보다 큰 제2 전압 신호(S2)가 제공되는지 확인할 수 잇다. 만일 단말기(20)가 거치대(10)에 근접할 때 단말기(20)가 점점 더 근접할수록 홀 센서(16)로부터 검출된 제2 전압 신호(S2)는 증가될 수 있다. 제2 전압 신호(S2)는 자성부재(12)의 자속 밀도의 세기(B1)뿐만 아니라 금속부재(30)의 자속 밀도의 세기(B@)도 반영된 신호일 수 있다. 예컨대 제2 전압신호(S2)는 자성부재(12)의 자속 밀도 세기(B1)와 금속부재(30)의 자속 밀도의 세기(B2)의 합으로부터 변환될 수 있지만 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제2 전압 신호(S2)는 제1 전압 신호(S1)로부터 증가될 수 있다. 따라서, 제2 전압 신호(S2)와 제1 전압 신호(S1)사이의 변화폭(α)은 도 10에 도시한 바와 같이 단말기(20)가 거치대(10)로 근접할수록 커질 수 있다.
제어부(17)는 제2 전압 신호(S2)와 제1 전압신호(S1)사이의 변화폭(α)이 임계값 이상인지를 확인한다.
확인 결과 그 변화폭(α)이 임계값 이상인 경우 제어부(17)는 슬립 모드를 웨이크업 모드로 전환한다.
웨이크업 모드는 전력을 단말기(20)로 송신하기 위해 활성화하는 과정일 수 있다.
웨이크업 모드로 전환되면, 제어부(17)는 무선 충전을 수행한다. 즉, 제어부(17)의 제어 하에 전력 소스로부터 전력이 제공된다. 교류 전력 생성부(19)는 전력 소스의 전력으로부터 교류 전력을 생성하며, 생성된 교류 전력은 송신 코일(14)을 통해 단말기(20)로 송신될 수 있다.
상기와 같이 거치대(10) 즉, 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신장치인 단말기(20)는 금속부재(30)에 의하여 거치대(10)의 홀 센서(16)를 트리거 할 수 있다. 즉, 단말기(20)가 거치대(10)에 놓여지면 상기 금속부재(30)에 의하여 홀 센서(16)가 활성화될 수 있다.
단말기(20)는 거치대(10)의 홀 센서(16)에 의하여 감지되고, 상기 거치대(10)로 단말기(20)의 유효 신호를 송신한다. 즉, 상기 유효 신호는 상기 거치대(10)로부터 전력을 수신하기 위한 신호일 수 있다.
단말기(20)는 상기 거치대(10) 즉, 무선전력 송신장치로부터 무선전력 수신장치에 할당되는 식별신호(RXID)를 수신할 수 있다.
단말기(20)는 상기와 같이 식별신호를 수신하면, 상기 단말기(20)를 충전하기 위한 전력을 수신할 수 있다. 상기 전력은 임계량 또는 단말기(20) 요청 용량만큼 수신될 수 있다.
이하에서는 실시 예에 따른 단말기(20)에 포함된 금속 부재(30)의 최적 배치 설계 구조를 설명하기로 한다.
단말기(20)에 포함된 수신 코일(32)은 와인딩(winding) 코일 구조(도 11)와 리드 프레임 코일 구조(도 12)로 구분될 수 있다.
와인딩 코일은 2개의 코일이 상부와 하부로 적층되어 형성될 수 있다. 제1 코일(33A)의 일단(41)으로부터 시작하여 기 설정된 권수만큼 점차 직경이 작아지도록 와인딩된 후 타단(42)이 제2 코일(33B)의 일단(43)과 적층된다. 상기 제2 코일(33B)의 일단(43)은 상기 제1 코일(33A)과 적층되도록 기 설정된 권수만큼 점차 직경이 커지도록 와인딩되어 제1 코일(33A)의 일단(41)과 인접하게 제2 코일(33B)의 타단(44)이 위치되도록 할 수 있다. 이때 와인딩된 제1 코일(33A)과 제2 코일(33B)은 절연층을 사이에 두고 상부와 하부로 배치될 수 있다. 따라서, 제1 코일(33A)의 타단(42)과 제2 코일(33B)의 일단은 절연층을 관통하는 관통홀을 형성하여 연결될 수 있다.
따라서 금속부재(30A)는 상기 와인딩된 코일(33)의 내측에 형성되는 중앙 영역에 배치될 수 있다.
와인딩 코일(33)의 규격은 하기의 표 1과 같다
파라미터 최소(Min) Target 최대(Max) 단위(Unit) 비고
Inner diameter(D2) 19.9 20 20.1 mm
Outer diameter(D3) 32.9 33 33.1 mm
Net width 38 40 42 mil
Space between nets 15 mil
Turns per layer 4.5
Layer 2 Top/Bottom
Copper thickness 2 Oz
PCB thickness 0.36 0.4 0.44 mm
여기서 Inner diameter(D3)는 와이딩 코일의 중앙 영역의 직경으로 바람직하게, 19.9 내지 20.1mm일 수 있다. 더 바람직하게, 상기 직경(D2)은 20mm일 수 있다. 또한, Outer diameter(D3)는 와이딩 코일의 외곽까지의 직경으로 바람직하게, 32.9 내지 33.1mm일 수 있다. 더 바람직하게는 상기 직경(D3)은 33mm일 수 있다. 또한, Net width은 코일의 폭을 나타낸다. 또한 Space between nets은 제1 코일(33A) 또는 제2 코일(33B) 사이의 이격 간격을 나타낸다.
표 1에서와 같이 제1 코일(33A)과 제2 코일(33B)의 권수는 4.5일 수 있다. 와인딩 코일(33)은 구리로 패턴 에칭되어 형성될 수 있으며, 상기 구리의 두께는 2Oz로 형성될 수 있다. 또한, 상기 와이딩 코일(33)을 포함하는 PCB의 두께는 0.36 내지 0.44mm일 수 있다. 바람직하게는 0.4mm일 수 있다.
리드 프레임 코일(34)은 일단(51)이 제1 패드(55)에 연결되고, 타단(53)은 제2 패드(57)에 연결될 수 있다. 리드 프레임 코일(34)의 일단(51)으로부터 시작하여 기 설정된 권수만큼 점차 직경이 작아지도록 와인딩된 후 타단(53)에 연결될 수 있다. 이러한 경우 타단(53)에 연결된 제2 패드(57)는 다수의 권수를 가지는 코일 내에 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이 와인딩 코일(33)과 리드 프레임 코일(34) 모두 그 중앙 영역은 빈 공간을 가진다. 리드 프레임 코일(34)의 타단(53)에 연결된 제2 패드(57)는 중앙 영역 내에 배치될 수 있다.
와이딩 코일(33)의 중앙 영역에는 어떠한 패드도 존재하지 않으므로 금속부재(30A)의 직경(D1)은 중앙 영역의 직경(D2)에 거의 근접한 크기일 수 있다.
이에 반해 리드 프레임 코일(34)의 제2 패드(57)가 중앙 영역에 배치되므로 금속부재(30B)의 직경(D4)는 중앙 영역의 직경(D5)보다 작은 크기일 수 있다.
따라서 와인딩 코일(33)의 중앙 영역에 배치되는 금속부재(30A)의 직경(D1)이 리드 프레임 코일(34)의 중앙 영역에 배치되는 금속부재(30B)의 직경(D4)보다 더 클 수 있다.
도 13은 리드 프레임 코일 구조에서 금속부재의 배치에 따른 자속 밀도의 세기를 보여주는 도면이다.
실험을 위해 하기 표 2과 같은 샘플이 사용되었다. 금속부재(30B)의 두께는 150mm로 고정시켰다.
샘플 후면 커버(24) 두께[mm] 금속부재(30B)의
직경/면적[mm/mm2]		 가용면적 대비
금속부재(30B)의
면적 비율[%]
#1 0.5 8/50 44
#2 0.6 8/50 44
#3 0.7 8/50 44
#4 0.8 9/64 56
#5 0.5 11/95 84
#6 0.6 11/95 84
#7 0.7 12/113 100
#8 0.8 12/113 100
여기서 가용 면적은 금속부재(30B)이 배치될 수 있는 면적으로서, 중앙 영역에 패드가 배치되는지에 따라 달라질 수 있다. 리드 프레임 구조에서는 중앙 영역에 제2 패드(57)가 존재하는데 반해 와인딩 프레임 구조에서는 중앙 영역에 제2 패드(57)가 존재하지 않으므로, 리드 프레임 구조에서의 가용 면적이 와인딩 코일(33) 구조에서의 가용 면적보다 작게 될 수 있다. 이러한 경우 동일한 직경의 금속부재(30B)가 배치되는 경우, 가용면적 대비 금속부재(30B)의 면적 비율은 리드 프레임 코일 구조가 와인딩 코일(33)구조보다 크게 된다.
도 13에서 X1 내지 X5는 금속부재(30B)의 직경을 나타내는 것으로서 X1은 금속부재(30B)의 직경이 8mm, X2는 금속부재(30B)의 직경이 9mm이다. 또한, X3, X4 및 X5 각각은 금속부재(30B)의 직경이 10mm, 11mm 및 12mm이다.
가로축은 단말기(20)의 후면 커버(24)의 두께를 나타내고, 세로축은 금속부재(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)로부터 변환된 전압값을 나타낸다. 전압값은 자속 밀도의 세기(B2)에 5를 곱하여 산출될 수 있다 예컨대, 금속부재(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)가 30G인 경우 전압값은 120mV일 수 있다.
도 13에 도시된 A1은 표준 규격에서 요구하는 바람직한 전압값으로서 200mV이고, A2는 표준 규격에서 요구하는 권장 전압값으로서 160mV이다. 200mV의 바람직한 전압값을 얻기 위해 금속부재(30B)은 40G의 자속 밀도의 세기(B2)를 가져야 하며, 160mV의 권장 전압값을 얻기 위해 금속부재(30B)은 32G의 자속 밀도의 세기(B2)를 가져야 한다.
표준 규격을 만족시키기 위해서는 권장 전압값(160mV)을 이상이 되도록 금속부재(30B)의 배치 구조를 가질 필요가 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 후면 커버(24)의 두께는 0.5mm 내지 0.8mm에서 모두 제2 자석(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)는 160mm를 넘었다.
아울러, 후면 커버(24)의 두께가 0.5mm 내지 0.7mm인 경우, 제2 자석(30)의 직경이 8mm 내지 12mm에서 모두 금속부재(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)는 160mmV를 넘었다.
후면 커버(24)의 두께가 0.8mm인 경우, 금속부재(30B)의 직경이 9mm 내지 12mm에서 모두 금속부재(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)가 160mm를 넘었다. 다만, 금속부재(30B)의 직경이 8mm인 경우 금속부재(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)는 160mm 이하가 되었다.
금속부재(30B)의 직경이 12mm 이상이 되면 금속부재(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)는 더욱 더 커질 수 있다. 하지만, 금속부재(30B)의 직경이 커지면 커질수록 전력 수신 효율이 저하될 수 있다. 즉, 거치대(10)에서 송신된 전력이 효율적으로 수신되어야 전력 수신 효율이 향상될 수 있다. 하지만, 금속부재(30B)의 직경이 커지면 자속 밀도가 커지게 된다. 이와 같이 커지는 자속 밀도는 오히려 단말기(20)의 수신 코일(32B에 의한 전류 생성을 방해하게 되어 단말기(20)에서 거치대(10)의 전력을 효율적으로 수신하지 못하게 될 수 있다.
따라서, 단말기(20)의 전력 수신 효율이 보장되면, 금속부재(30B)의 직경이 12mm 이상이 될 수 있다. 이러한 경우에도 금속부재(30B)의 최대 직경은 가용 면적에 의해 구해진 직경을 초과할 수는 없다. 예컨대, 가용 면적이 130mm2라고 하면, 가용 면적은 3.14r2이므로, 반지름(r)은 6.43mm가 되므로 가용 면적의 직경(D)은 2r이므로 12.86mm가 될 수 있다.
만일 단말기(20)의 전력 수신 효율이 보장되지 못하면, 금속부재(30B)의 직경은 12mm 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
한편 표 3는 와인딩 코일 구조에서의 금속부재(30A)의 배치 규격을 보여준다.
샘플 후면 커버(24) 두께[mm] 금속부재(30A)의
직경/면적[mm/mm2]		 가용면적 대비 금속부재(30A)의
면적 비율[%]
#1 0.5 8/50 22
#2 0.6 8/50 22
#3 0.7 8/50 22
#4 0.8 9/64 28
#5 0.5 11/95 42
#6 0.6 11/95 42
#7 0.7 12/113 50
#8 0.8 12/113 50
[표 3]에서와 같이 와인딩 코일 구조에서의 금속부재(30A)의 배치 규격은 리드 프레임 코일 구조에서의 금속부재(30B)의 배치 규격과 동일하다. 다만, 상술한 바와 같이 와인딩 코일(32)에는 패드가 존재하지 않으므로 와인딩 코일(33)의 중앙 영역에 패드가 없다. 이에 따라 와인딩 코일(33)의 중앙 영역은 오로지 금속부재(30A)을 위한 배치 공간으로 활용될 수 있다. 따라서, 와인딩 코일(33)의 중앙 영역 전체가 가용면적이 될 수 있다. 이에 따라 가용면적 대비 금속부재(30A)의 면적 비율이 와인딩 코일 구조가 리드 프레임 코일 구조보다 작을 수 있다. 예컨대, 표 2에 보여진 바와 같이, 리드 프레임 구조에서의 가용 면적 대비 금속부재(30B)의 면적 비율은 44% 내지 100%인데 반해, 표 3에 보여진 바와 같이, 와인딩 코일 구조에서의 가용 면적 대비 금속부재(30A)의 면적 비율은 22% 내지 50%이다.
표 3를 바탕으로 와인딩 코일 구조에서의 금속부재(30A)의 자속 밀도의 세기(B2)에 대한 실험 데이터가 도시되지는 않고 있지만, 와인딩 코일 구조에서의 금속부재(30A)의 자속 밀도의 세기(B2) 또한 도 13에 도시된 리드 프레임 구조에서의 금속부재(30B)의 자속 밀도의 세기(B2)와 비슷한 경향을 보일 것으로 충분히 예상된다.
또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
10: 거치대
12: 자성부재
14: 송신 코일
16: 홀 센서
17: 제어부
19: 교류 전력 생성부
20: 단말기
22: 전면 커버
24: 후면 커버
26: 차폐 부재
28: 점착제
30, 30A, 30B: 금속부재
32: 수신 코일
33, 33A, 33B: 와인딩 코일
34:리드 프레임 코일
34: 정류부
36: 배터리
41: 일단
43: 타단
45, 47: 패드
1100 송신측 교류/직류 변환부
1110 정류기
1120 송신측 직류/직류 변환부
1200 송신측 직류/교류 변환부
1300 송신측 임피던스 매칭부
1400 송신 코일부
1500 송신측 통신 및 제어부
1510 송신측 제어부
1520 송신측 통신부
2000 수신부
2100 수신측 코일부
2200 수신측 임피던스 매칭부
2300 수신측 교류/직류 변환부
2400 수신측 직류/직류 변환부
2500 부하부
2600 수신측 통신 및 제어부
2610 수신측 제어부
2620 수신측 통신부

Claims (14)

  1. 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선전력 수신장치로서,
    상기 전력을 수신하는 코일;
    상기 무선 전력 송신 장치에 의해 감지되기 위한 금속부재를 포함하고,
    상기 코일은 비어 있는 중앙 영역을 가지고,
    상기 금속부재는 상기 코일의 상기 중앙 영역에 배치되며,
    상기 금속부재는 스테인레스 스틸 강판을 포함하는 무선전력 수신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판은
    8% 이상의 크롬(Cr)과 75% 이상의 철(Fe)을 함유하는 합금인 무선전력 수신장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판은
    16% 내지 18% 의 크롬(Cr)과 80%이상의 철(Fe)을 함유하는 합금인 무선전력 수신장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판은
    STS430인 무선전력 수신장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판의 자속 밀도의 세기는 32G이상인 무선전력 수신장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판의 직경은 8mm내지 12mm인 무선전력 수신장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 와인딩 코일 구조 및 리드 프레임 코일 구조 중 어느 하나인 무선전력 수신장치
  8. 제7항에 있어서,
    상기 와인딩 코일 구조는 제1 코일과 제2 코일을 포함하고,
    상기 제1 코일과 제2 코일이 적층되어 형성되는 무선전력 수신장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 코일은 상기 제1 코일의 일단으로부터 기 설정된 권수만큼 직경이 작아지도록 와인딩되고, 상기 제1 코일의 타단이 상기 제2 코일의 일단과 연결되어 기 설정된 권수만큼 직경이 커지도록 와인딩되는 무선전력 수신장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적층되는 제1 코일과 제2 코일 사이에는 절연층을 포함하고, 상기 제1 코일의 타단과 상기 제2 코일의 일단은 관통홈에 의해 연결되는 무선전력 수신장치.
  11. 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신 방법에 있어서,
    무선전력 수신장치에 구성되는 금속부재에 의해 상기 무선전력 송신장치의 센서를 트리거하는 단계;
    상기 무선전력 송신장치에 유효 신호를 송신하는 단계;
    상기 무선전력 송신장치로부터 식별신호를 수신하는 단계
    상기 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속부재는 스테인레스 스틸 강판을 포함하는 무선전력 수신방법
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판은
    8% 이상의 크롬(Cr)과 75% 이상의 철(Fe)을 함유하는 합금인 무선전력 수신방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판은
    16% 내지 18% 의 크롬(Cr)과 80%이상의 철(Fe)을 함유하는 합금인 무선전력 수신방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 스테인레스 스틸 강판은
    STS430인 무선전력 수신방법.
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