KR20160108156A - 듀얼 밴드 무선 전력 수신기 - Google Patents

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Abstract

듀얼 밴드 무선 전력 수신기가 개시된다. 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는, 제1 공진기와, 제1 공진기와 병렬 연결되는 제2 공진기와, 제1 공진기 및 제2 공진기의 출력이 서로 병렬 연결된 노드를 입력으로 하는 단일의 정류기와, 제1 출력과 제2 출력 및 입력을 가지며 제2 출력은 접지에 연결되는 적어도 하나의 스위치와, 제2 공진기와 병렬 연결되며 일 단자가 스위치의 제1 출력과 연결되고 다른 단자는 정류기 입력과 연결되는 적어도 하나의 커패시터와, 정류기 입력으로부터 입력 주파수를 감지하고 출력이 스위치의 입력과 연결되는 주파수 감지기를 포함한다.

Description

듀얼 밴드 무선 전력 수신기 {Dual band Wireless Power Receiving Unit}
본 발명은 무선 전력 수신기에 관한 것이다.
최근 무선 충전 시스템은 크게 2가지 방법으로 구현되고 있다. 그 중 하나는 무선 전력 송신기(Power Transmitting Unit: PTU)의 안테나와 무선 전력 수신기(Power Receiving Unit: PRU)의 안테나가 위치적으로 잘 정합되어야 하고 거리가 가까워야 하는 밀착 결합(tightly coupled) 방식이다. 이 방식은 동작 주파수가 낮고 전력 송신기의 안테나와 전력 수신기의 안테나가 근거리에서 비교적 정확히 정합되어 있으므로 효율이 우수하고 제어방식이 기존의 공진 인버터(resonant inverter) 방식과 유사하여 제어방식이 확립되어 있다는 장점을 가진다. 이러한 기술을 채택하고 있는 표준으로는 무선충전 국제 표준화 단체(Wireless Power Consortium: WPC, 이하 WPC라 칭함)의 Qi 방식과 Power Matters Alliance(PMA, 이하 PMA라 칭함) 방식이 있다.
Qi, PMA 방식은 효율이 우수하고 비교적 저렴하게 제작이 가능하다. 그러나 하나의 전력 송신기가 2개 이상의 전력 수신기에 동시에 에너지를 공급하기 어렵고, 전력 송신기와 전력 수신기 안테나가 위치적으로 정합되지 않으면 충전 효율이 급격히 감소하는 문제가 있다. 또한, 전력 송신기와 전력 수신기의 거리가 조금만 멀어져도 역시 충전 효율이 감소하므로 일반 사용자가 사용하기에 불편함이 따른다.
이러한 문제를 해결하기 위해 자기 공명(magnetic resonance) 기술을 이용하며 에너지 전송 주파수를 높여서 위의 표준에 비해 거리 및 위치상으로 자유로이 충전할 수 있는 표준이 제안되었다. 무선 충전 연합(Alliance for Wireless Power: A4WP, 이하 A4WP라 칭함)이 그 대표적인 표준이라 할 수 있다. Qi, PMA 방식이 80kHz ~ 200kHz 남짓의 주파수로 에너지를 전송하는 반면, A4WP는 6.78MHz의 고주파수를 사용하므로 안테나 크기가 작아도 되며, 전력 수신기와 전력 송신기의 공진기의 공진 주파수를 일치시킴으로써 안테나 간의 거리가 떨어져도 무선 충전이 가능하다. A4WP 방식을 사용하면, 수 cm에서 수 Watt를 부하에 공급하는 것이 어렵지 않고, 여러 개의 전력 수신기에 동시에 에너지를 전송하는 것도 가능하다. 이러한 방식을 느슨한 결합(loosely coupled) 방식이라고도 한다. 단, 이 방식은 구동 주파수가 높아서 제작이 어려우며 높은 주파수로 능동 소자를 구동하게 되어 효율이 밀착 결합(tightly coupled) 방식에 비해 낮다.
지금까지 소개한 Qi, PMA, A4WP 방식은 각각 장단점을 가지고 있어서, 3가지 방식이 혼재되어 사용되고 있다. 이러한 표준들에서는 서로 간의 주파수가 상이하므로 무선 충전 표준이 서로 호환이 안 된다는 단점이 있다. 따라서, 어떠한 표준을 따르는 전력 송신기 위에서도 무선 전력 수신이 되는 전력 수신기가 필요하다.
일 실시 예에 따라, 하나의 정류기로 서로 다른 공진기로부터 에너지를 수신하는 것이 가능한 듀얼 밴드 무선 전력 수신기를 제안한다.
일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는, 제1 공진기와, 제1 공진기와 병렬 연결되는 제2 공진기와, 제1 공진기 및 제2 공진기의 출력이 서로 병렬 연결된 노드를 입력으로 하는 단일의 정류기와, 제1 출력과 제2 출력 및 입력을 가지며 제2 출력은 접지에 연결되는 적어도 하나의 스위치와, 제2 공진기와 병렬 연결되며 일 단자가 스위치의 제1 출력과 연결되고 다른 단자는 정류기 입력과 연결되는 적어도 하나의 커패시터와, 정류기 입력으로부터 입력 주파수를 감지하고 출력이 스위치의 입력과 연결되는 주파수 감지기를 포함한다.
제1 공진기는 고주파 공진기이고 제2 공진기는 저주파 공진기일 수 있다. 제1 공진기는 적어도 하나의 인덕터와 적어도 하나의 커패시터가 직렬로 연결되는 직렬 공진기일 수 있다. 제2 공진기는 적어도 하나의 인덕터와 적어도 하나의 커패시터가 직렬로 연결되는 직렬 공진기일 수 있다.
주파수 감지기가 감지한 주파수가 저주파수이면 스위치는 스위치 온되어 커패시터가 정류기 입력에 연결되고, 주파수 감지기가 감지한 주파수가 고주파수이면 스위치는 스위치 오프되어 커캐시터가 정류기 입력으로부터 분리될 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 정류기를 이용하여 공진 주파수가 다른 두 개의 공진기를 연결하여 무선으로 전력을 수신하는 듀얼 밴드 무선 전력 수신기를 제안한다. 하나의 공진기로 에너지가 전달될 때 다른 공진기로 에너지가 전달되어 정류기로 에너지가 원활하게 전달되지 않은 문제점이 있어서 기존의 기술에서는 2개의 정류기를 사용해야 하지만, 본 발명은 추가적인 스위치를 이용하여 이 문제를 해결하여 하나의 정류기로 서로 다른 공진기로부터 에너지를 수신하는 것이 가능하다. A4WP와 같은 고주파 충전 방식과 Qi나 PMA와 같은 저주파 충전 방식이 동시에 지원되는 무선 전력 수신기를 제작할 수 있다.
도 1은 Qi 방식 및 A4WP 방식을 동시에 수용하기 위해 2개의 공진기(resonator)와 2개의 정류기(rectifier)를 가지는 무선 전력 수신기의 회로도,
도 2a는 직렬 공진 회로를, 도 2b는 직렬 공진 회로와 병렬 커패시터를 도시한 회로도,
도 3은 Qi 주파수로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신기의 회로도,
도 4는 A4WP 주파수로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신기의 회로도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일의 정류기를 가지는 듀얼 밴드 무선 전력 수신기의 회로도,
도 6a 및 도 6b는 A4WP 주파수로 전력을 수신한 경우(Qi 공진기에 병렬 커패시터 없음)의 실험 결과와 그 무선 전력 수신기의 회로도,
도 7a 및 도 7b는 Qi 주파수로 전력을 수신하는 경우(Qi 공진기에 병렬 커패시터 없음)의 실험 결과와 그 무선 전력 수신기의 회로도,
도 8a 및 도 8b는 Qi 공진기에 병렬 커패시터를 부착하는 경우의 실험 결과와 그 무선 전력 수신기의 회로도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명에서 제안하는 방법으로 Qi 공진기의 병렬 커패시터를 Qi 공진기가 동작할 때 접지 방향으로 연결한 경우의 실험 결과 및 그 무선 전력 수신기의 회로도,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반파 정류기를 이용한 듀얼 밴드 무선 전력 수신기의 회로도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 Qi 방식 및 A4WP 방식을 동시에 수용하기 위해 2개의 공진기(resonator)와 2개의 정류기(rectifier)를 가지는 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 듀얼 밴드 무선 전력 수신기는 고주파수에 적합한 공진기 및 정류기와, 저주파수에 적합한 공진기 및 정류기를 각각 포함한다. 고주파 방식은 A4WP 방식을 사용할 수 있다. 이하, 고주파 공진기 및 정류기는 A4WP 공진기(10-1) 및 A4WP 정류기(20-1)를 위주로 설명한다. 저주파 방식은 Qi 또는 PMA 방식을 사용할 수 있는데, Qi, PMA 방식은 주파수 대역이 유사하고 방식도 유사하다. 이하, 저주파 공진기 및 정류기는 Qi 공진기(10-2)와 Qi 정류기(20-2)를 위주로 설명한다. 그러나 이는 설명의 편의를 위한 것으로, Qi 및 A4WP 방식이 동시에 사용 가능하다면, 쉽게 PMA 및 A4WP 방식도 동시에 사용 가능하다.
A4WP 공진기(10-1)는 인덕터 L1(100-1)과, 커패시터 Cs1(102-1), Cp1(104-1)를 포함한다. Qi 공진기(10-2)는 인덕터 L2(100-2)와, 커패시터 Cs2(102-2), Cp2(104-2)를 포함한다. 도 1에 있어서 L1(100-1), Cs1(102-1), Cp1(104-1), L2(100-2), Cs2(102-2), Cp2(104-2)의 값은 안정적인 회로 구현을 위해 가정한 값으로 이에 한정되는 것은 아니다.
각 공진기(10-1,10-2)는 A4WP 정류기(20-1)와 Qi 정류기(20-2)의 입력전압인 VACP(200-1), VACN(202-1), VACP2(200-2), VACN2(202-2)에 각각 연결되고, 정류기 출력전압 VRECT(220)에는 커패시터 CRECT(222)가 연결되어 수신된 AC 전력을 DC로 바꾸고 있다. 벅 컨버터(buck converter)(30)는 정류기 출력전압 VRECT(220)를 부하에 필요한 정교한 전압으로 변환하여, 부하에 안정적인 전압을 공급한다. 도 1에서는 벅 컨버터(30)가 5V를 출력하고 있다고 가정한다.
도 1을 참조로 하여 전술한 무선 전력 수신기는 A4WP 및 Qi 방식의 주파수 입력을 별도의 정류기(20-1,20-2)를 이용하여 처리하므로 두 가지 방식 모두에서 사용이 가능하다. 그러나 도 1의 무선 전력 수신기는 2개의 정류기(20-1,20-2)가 모두 필요하므로, 추가적인 비용이 들고 휴대용 기기에 적합한 작은 무선 전력 수신기를 구현하는 데 걸림돌이 된다. 이 문제를 해결하기에 앞서, 도 2a 및 도 2b를 참조로 하여 공진기에 대해 분석하고자 한다.
도 2a는 직렬 공진 회로를, 도 2b는 직렬 공진 회로와 병렬 커패시터를 도시한 회로도이다.
도 1의 2개의 공진기(10-1,10-2)에서 Cp1(104-1), Cp2(104-2)를 제거하면, 도 2a에 도시된 바와 같은 형태로 공진기가 형성된다. 인덕터 L(100)과 커패시터 Cs(102)가 직렬로 연결되어 있으므로 직렬 공진기가 된다. 이때 인덕터 L(100), 커패시터 Cs(102)에 의한 공진 주파수는 대략 전력 송신기의 전력 송신 주파수와 같거나 유사한 주파수가 되도록 설정해야 높은 효율의 수신이 가능하다. 따라서, 도 1에서 인덕터 L1(100-1), 커패시터 Cs1(102-1)의 공진 주파수는 인덕터 L2(100-2), 커패시터 Cs2(102-2)의 공진 주파수보다 높은 상태이다.
도 2a의 직렬 공진기는 공진 주파수에서 임피던스 Ztank가 이론적으로는 0이 되어 수신되는 전류가 최대가 되게 된다. 이에 비해, 전력 송신기에서 공급되는 전력의 주파수가 공진 주파수보다 낮거나 높으면 임피던스 Ztank가 증가하여, 공진기의 출력 전류가 급격히 작아지게 된다. 즉, 공진 주파수가 아니면 임피던스 Ztank가 매우 높은 상태가 됨을 알 수 있다.
도 2b를 참조하면, 커패시터 Cp(104)는 공진기와 병렬로 연결되는 커패시터로, 공진기의 에너지가 정류기로 전달되지 않을 때 에너지를 순환할 수 있도록 만든 일종의 에너지 순환 통로이다. 커패시터 Cp(104)가 없으면, 도 1의 정류기가 동작하지 않을 때 VACP(200-1), VACN(202-1)에 발생하는 기생 커패시터와 직렬 공진 회로가 반응을 하여 고주파의 잡음이 발생하게 된다. 이것은 전력 수신기의 동작의 안정성에 영향을 주고 EMI를 증가시키게 되므로, 이러한 현상을 억제하기 위해 커패시터 Cp(104)를 추가한다. 커패시터 Cp(104)는 커패시터 Cs(102)보다는 적당히 작은 값으로 설정하는 것이 일반적이다. 커패시터 Cs(102)보다 그 값이 매우 작으면 잡음을 제거하는 효과가 사라지고, 너무 크게 되면 큰 전류가 커패시터 Cp(104)를 통해 공진기로 되돌아가므로 정류기로 공급되는 전류가 작아지게 되어 부하에 원활한 전력 공급이 되지 않게 된다. 따라서, 도 1에 도시되어 있는 것처럼 커패시터 Cs1(102-1), Cp1(104-1)은 pF 영역이고 커패시터 Cs2(102-2), Cp2(104-2)는 nF의 크기로 서로 비슷한 값으로 설정하는 것이 바람직하다.
도 1의 A4WP 공진기(10-1)의 커패시터 Cp1(104-1)의 경우 매우 작은 값이고 A4WP 정류기(20-1) 입력에서 보이는 기생 커패시터와 비슷한 수준일 수도 있으므로, 커패시터 Cp1(104-1)이 없어도 동작에는 문제가 없을 수 있다. 즉, 고주파 공진기에서는 커패시터 Cp1(104-1)을 제거해도 무방할 수 있다.
도 3은 Qi 주파수로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 수신기가 Qi 주파수로 동작할 때는 Qi 공진기(10-2)의 L2(100-2), Cs2(102-2)의 임피던스가 매우 작아지고, 반대로 L1(100-1), Cs1(102-1)으로 구성된 A4WP 공진기(10-1)의 공진 주파수가 Qi 공진기(10-2)의 공진 주파수와 매우 많이 차이가 난다. 따라서, A4WP 공진기(10-1)의 L1(100-1), Cs1(102-1)의 임피던스는 매우 커지게 되어, Qi 공진기(10-2) 입장에서는 A4WP 공진기(10-1)는 무시할 만하다.
반대의 경우로 A4WP 주파수로 에너지가 전송되는 경우, A4WP 공진기(10-1)의 L1(100-1), Cs1(102-1)의 임피던스는 매우 작아지며, Qi 공진기(10-2)의 L2(100-2), Cs2(102-2)의 공진 주파수는 매우 낮으므로 Qi 공진기(10-2)의 임피던스는 매우 증가되어 Qi용 직렬 공진 회로는 없다고 보아도 무방한 상태가 된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 공진기 2개(10-1,10-2)를 병렬연결하고 하나의 정류기(20)만을 사용해도 동작에는 문제가 없으며, 각각의 공진기(10-1,10-2)가 수신되는 주파수에 따라 배타적으로 동작할 수 있음을 의미한다.
그러나 잡음을 제거하기 위한 Cp1(104-1), Cp2(104-2)를 연결한 경우 문제가 발생할 수 있다. 도 3은 전력 수신기가 Qi 주파수로 에너지를 수신하는 경우의 예이다. 전술한 바처럼, A4WP 공진기(10-1)의 L1(100-1), Cs1(102-1)에 의한 임피던스는 매우 커지고 Cp1(104-1) 값이 매우 작으므로 Cp1(104-1)의 임피던스도 매우 커서 Qi 공진기(10-2)의 전류는 대부분 정류기(20)로 공급되어 부하에 전력을 공급하는 데 사용되게 된다. 따라서 이 경우는 문제가 없다.
도 4는 A4WP 주파수로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 3과 달리 도 4의 경우는 문제가 발생한다. A4WP의 주파수로 에너지가 수신되는 경우, A4WP 공진기(10-1)가 반응을 하여 전류를 발생시킨다. 이 전류가 정류기(20)로 전달되면 문제가 없으나, Qi 공진기(10-2)의 Cp2(104-2)의 임피던스가 낮기 때문에 많은 전류가 Cp2(104-2)를 통해 순환하므로 정류기(20)로 전달되는 전류량이 작아져서 부하에 전력을 공급하는 데 문제가 발생한다. 물론 이 경우도 Qi 공진기(10-2)의 L2(100-2), Cs2(102-2)에 의한 공진기 임피던스는 매우 큰 상태가 되는 것은 맞다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일의 정류기를 가지는 듀얼 밴드 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 4를 참조로 하여 전술한 문제를 해결하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같은 회로를 제안한다. 도 5를 참조하면, 듀얼 밴드 무선 전력 수신기는 A4WP 공진기(10-1), Qi 공진기(10-2), 1개의 정류기(20), 벅 컨버터(30), 주파수 감지기(frequency detector)(40), Qi 공진기(10-2)로부터 분리된 2개의 커패시터 Cp2(104-2), 2개의 스위치 M1,M2(50-1,50-2)를 포함한다.
A4WP 공진기(10-1)와 Qi 공진기(10-2)는 병렬 연결된다. 정류기(20)는 단일 개로, A4WP 공진기(10-1) 및 Qi 공진기(10-2)의 출력이 서로 병렬 연결된 노드를 입력으로 받는다. 스위치 M1,M2(50-1,50-2)는 각각 제1 출력과 제2 출력 및 입력을 가진다. 제1 출력은 커패시터 Cp2(104-2)와 연결되고 제2 출력은 접지에 연결된다. 커패시터 Cp2(104-2)는 각각 Qi 공진기(10-2)와 병렬 연결되며, 일 단자가 스위치(M1,M2)(50-1,50-2)의 제1 출력과 직렬 연결되고 다른 단자는 정류기 입력(VACP, VACN)(200-1,202-1)과 연결된다. 주파수 감지기(40)는 정류기 입력 VACP, VACN으로부터 입력 주파수를 감지하고, 출력이 스위치 M1,M2(50-1,50-2)의 입력과 연결된다. A4WP 공진기(10-1)는 인덕터 L1(100-1), 커패시터 Cs1(102-1)이 직렬로 연결되고, 커패시터 Cp1(104-1)이 병렬 연결될 수 있다. Qi 공진기(10-2)는 인덕터 L2(100-2), 커패시터 Cs2(102-2)가 직렬로 연결된다.
이하, 전술한 구성을 가진 무선 전력 수신기의 동작 프로세스에 대해 후술한다. 주파수 감지기(40)는 정류기(20)의 입력전압 VACP(200-1), VACN(202-1)의 전압 변동으로부터 입력 주파수를 감지한다. 스위치 M1,M2(50-1,50-2)에 직렬로 커패시터 Cp2(1047-2)가 각각 연결되어, 정류기 입력전압 VACP, VACN에 연결된다. 만약 주파수 감지기(40)가 감지한 주파수가 Qi 영역의 저주파수이면, 주파수 감지기(40)의 출력은 high가 되어 스위치 M1,M2(50-1,50-2)가 스위치 온(on) 되게 된다. 따라서, 커패시터 Cp2(104-2)가 정류기 입력전압 VACP(200-1), VACN(202-1)에 각각 연결된 형태가 된다. 즉, 병렬 연결되어 있던 커패시터 Cp2(104-2)를 접지 방향으로 연결되는 형태로 가변 되게 한 것이다. 이때, 접지 방향으로 연결된다 하더라도 커패시턴스를 크게, 예를 들어 2배로 키워서, 병렬로 연결된 경우와 전기적으로 동일한 특성을 가지도록 할 수 있다.
반면에 주파수 감지기(40)가 감지한 주파수가 고주파수이면, 스위치 M1,M2(50-1,50-2)가 스위치 오프(off) 되어 커패시터 Cp2(104-2)가 보이지 않게 된다. 따라서, 커패시터 Cp2(104-2)가 정류기 입력전압 VACP(200-1), VACN(202-1)과 각각 분리된 형태가 된다.
전술한 바와 같이 회로를 구성하게 되면, A4WP 공진기(10-1)가 동작할 때는 커패시터 Cp2(104-2)가 보이지 않으며, Qi 공진기(10-2)의 L2(100-2), Cs2(102-2)의 임피던스는 매우 커지므로 A4WP 공진기(10-1)의 출력 전류는 대부분 정류기(20)로 공급되어 부하에 전력을 공급하는 데 문제가 없게 된다. 따라서, 제안하는 방식으로 하나의 정류기(20)를 사용하면서 2개의 서로 다른 주파수를 갖는 공진기(10-1,10-2)가 병렬로 위치할 수 있도록 할 수 있으므로 듀얼 밴드 무선 전력 전송이 가능해 진다.
도 5에서 정류기(20)는 다이오드로 구성되어 있으나, 능동 소자를 사용한 능동 정류기(active rectifier)를 사용하여도 무방하다. 정류기(20)는 도 5에 도시된 바와 같이 전파 전류기일 수 있으나, 반파 정류기일 수 있다. 반파 정류기를 사용하는 예에 대해서는 도 10을 참조로 하여 후술한다. 정류기(20) 뒷 단의 벅 컨버터(30)는 전력 컨버터(power converter)의 일례로 든 것으로, 다양한 종류의 전력 컨버터가 위치할 수 있다. 예를 들어, 부스트 컨버터(boost converter), 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter), LDO(Low Drop-out Regulator) 등이 가능하다. 따라서, 정류기(20)의 형태와 뒷 단의 전력 변환기가 이 발명을 한정 짓는 것은 아니다.
이하, 도 5를 참조로 하여 제안된 방식을 검증하기 위해, 도 6a 내지 도 9b를 참조로 하여 실제의 회로로 검증을 하였다. 실험한 회로에서 L1(1.7uH), Cs1(600pF)으로 구성되는 공진기는 A4WP 공진기이고, L2(12uH), Cs2(470nF)로 구성되는 공진기는 Qi 공진기이다. A4WP 공진기로 전력을 공급할 때는 6.78MHz 주파수를 사용하였으며, Qi 공진기로 전력을 공급할 때는 100kHz 주파수를 사용하였다. 따라서 각각의 공진기의 공진 주파수도 6.78MHz 및 100kHz 부근에 위치하게 된다.
도 6a 및 도 6b는 A4WP 주파수로 전력을 수신한 경우(Qi 공진기에 병렬 커패시터 없음)의 실험 결과와 그 무선 전력 수신기의 회로도이다.
주파수는 6.78MHz이고 부하에 1W를 공급하도록 하였다. 이 실험에서는 Qi 공진기(10-2)에 병렬 커패시터를 제거하고 실험한 것이다. 이때 Qi 공진기(10-2)에 흐르는 전류(IQI)는 대략 30mA peak로 매우 작은 값이 된다. 즉, Qi 공진기(10-2)의 공진 주파수에 비해 매우 높은 신호가 들어오므로 직렬 공진기의 임피던스가 높아져서 전류가 많이 흐르지 않으며 대부분의 전류가 정류기(20)로 공급됨을 알 수 있다. 정류기 출력전압 VRECT는 10V 정도이고, 부하는 100Ω이므로, 1W가 공급되고 있다.
도 7a 및 도 7b는 Qi 주파수로 전력을 수신하는 경우(Qi 공진기에 병렬 커패시터 없음)의 실험 결과와 그 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 7b의 회로와 같이 Qi 주파수로 무선 전력을 수신했을 때 파형은 도 7a에 도시된 바와 같다. Qi 공진기(10-2)에 병렬 커패시터가 없으므로 정류기 입력전압 VAC는 기생 커패시터에 의한 공진 현상으로 고주파 잡음이 발생하고 있음을 알 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 Qi 공진기에 병렬 커패시터를 부착하는 경우의 실험 결과와 그 무선 전력 수신기의 회로도이다.
Qi 주파수로 무선 전력을 수신할 때 잡음을 제거하기 위해, 도 8b에 도시된 바와 같이 Qi 공진기(10-2)에 47nF 커패시터 Cp2 2개(104-2)를 병렬로 연결하였다. 이러한 회로에서 A4WP로 에너지를 전송한 경우, Qi 공진기(10-2)로 유입되는 전류는 500mA peak로 크게 증가되었다. 즉, A4WP 공진기(10-1)의 출력전류 대부분이 Qi 공진기(10-2)를 통해 순환하므로 정류기(20)에 공급되는 전력이 약해져서 정류기 출력 전압 VRECT는 4V로 감소하였고 부하에 공급되는 전력도 60% 감소하게 되었다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에서 제안하는 방법으로 Qi 공진기의 병렬 커패시터를 Qi 공진기가 동작할 때 접지 방향으로 연결한 경우의 실험 결과 및 그 무선 전력 수신기의 회로도이다.
이 경우 정류기 입력전압 VAC이 도 7과 비교했을 때 매우 안정적이며 고주파 잡음이 사라졌으며 A4WP 공진기(10-1)로 유입되는 전류도 3mA peak로 매우 작아서 대부분의 전류가 부하로 공급되게 되고 실험 결과에서도 정류기 출력전압 VRECT가 10V가 되었으며 부하에 정상적으로 1W를 공급하고 있다.
이상에서 제안된 방식으로 2개의 서로 다른 주파수를 갖는 공진기와 공통의 정류기를 이용하여 듀얼 밴드 주파수 무선 전력 전송이 가능함을 알 수 있다. 제안된 방식은 스위치 M1, M2가 추가되어 부담이 증가하는 것으로 보이지만, 집적회로로 구현할 때 정류기를 구성하는 소자에 비해 스위치 M1, M2를 구현하는 것이 용이하므로 가격적인 면이나 회로 구성의 난이도를 보았을 때 제안하는 구조가 많은 장점을 가진다고 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반파 정류기를 이용한 듀얼 밴드 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 5에서는 전파 정류기를 이용하여 설명하였으나, 도 10에 도시된 바와 같이 반파 정류기를 이용할 수 있다.
도 10을 참조하면, 도 5의 각 공진기(10-1,10-2)와 병렬 연결되는 커패시터 Cp1(104-1), Cp2(104-2)의 수와, 스위치 M1(50)의 수 및 정류기(20)의 다이오드 수가 변경된 외에는 도 5의 회로 구조와 그 원리가 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 제1 공진기;
    상기 제1 공진기와 병렬 연결되는 제2 공진기;
    상기 제1 공진기 및 제2 공진기의 출력이 서로 병렬 연결된 노드를 입력으로 하는 단일의 정류기;
    제1 출력과 제2 출력 및 입력을 가지며, 제2 출력은 접지에 연결되는 적어도 하나의 스위치;
    상기 제2 공진기와 병렬 연결되며, 일 단자가 상기 스위치의 제1 출력과 연결되고 다른 단자는 정류기 입력과 연결되는 적어도 하나의 커패시터; 및
    정류기 입력으로부터 입력 주파수를 감지하고, 출력이 상기 스위치의 입력과 연결되는 주파수 감지기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는 고주파 공진기이고 상기 제2 공진기는 저주파 공진기인 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 공진기는
    적어도 하나의 인덕터와 적어도 하나의 커패시터가 직렬로 연결되는 직렬 공진기인 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 공진기는
    적어도 하나의 인덕터와 적어도 하나의 커패시터가 직렬로 연결되는 직렬 공진기인 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 감지기가 감지한 주파수가 저주파수이면 상기 스위치는 스위치 온되어 상기 커패시터가 정류기 입력에 연결되고,
    상기 주파수 감지기가 감지한 주파수가 고주파수이면 상기 스위치는 스위치 오프되어 상기 커캐시터가 정류기 입력과 분리되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
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