KR20160118350A - 유도 충전 시스템들의 온도 관리 - Google Patents
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Abstract
전자기 유도 전력 전달 시스템을 위한 열 관리 시스템. 시스템은 계면 표면을 정의하는 하우징을 포함하는 충전 장치를 포함할 수 있다. 액세서리 또는 유도 전력 소모 장치는 계면 표면에 근접하게 위치설정될 수 있다. 충전 장치의 하우징은 전원, 및 전원에 결합되고 계면 표면 아래에 위치되는 전력 전달 코일을 포함할 수 있다. 축열체는 하우징 내에 위치설정되고 계면 표면으로부터 이격될 수 있다. 하우징은 계면 표면으로부터 축열체로 열을 전도하도록 구성된 열 경로를 포함할 수 있다.
Description
관련 출원들과의 상호 참조
본 특허협력조약 특허 출원은 2014년 3월 26일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "Temperature Management for Inductive Charging Systems"인 미국 가특허 출원 제61/970,627호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원의 개시내용은 전체적으로 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 개시내용은 전자기 유도 전력 전달 시스템들의 온도 제어에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 전력 소모 전자 디바이스의 계면 표면(interface surface)으로부터 열을 방산(dissipate)하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
스마트 폰, 태블릿 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 스포츠 디바이스, 건강 디바이스, 의료 디바이스, 및 내비게이션 디바이스와 같은 전자 디바이스들은, 물리적 케이블 또는 무선 충전 장치를 통해 배터리들을 외부 전원에 접속시킴으로써 충전될 수 있는 하나 이상의 내부 배터리에 의해 전력 공급될 수 있다. 충전 동작은 열을 생성할 수 있으며, 이는 바람직하지 않을 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예들은, 적어도, 계면 표면을 정의하는 하우징, 하우징 내의 전원, 전원에 결합되고 계면 표면 아래에 위치설정되는 전력 전달 코일, 및 하우징 내에 있으며 계면 표면으로부터 이격된 축열체(thermal mass)를 포함하는 충전 장치(예컨대, 도크(dock))에 관한 것이거나, 이를 포함하거나, 또는 그 형태를 취할 수 있다. 이들 실시예는 또한 계면 표면으로부터 축열체로 열을 전도하도록 구성된 열 경로(thermal path)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 열은 열 경로를 통해 계면 표면으로부터 축열체로 전달될 수 있으며, 여기서, 그 후에, 축적된 열은 제어된 방식으로 방산될 수 있다.
일부 실시예들은 또한 충전 장치에 전력 또는 데이터를 전달하는 케이블을 포함할 수 있다. 케이블은 하우징에 부착될 수 있고, 전도체 쌍 및 전도체 쌍을 둘러싸는 열 전도성 차폐층을 포함할 수 있다. 이들 실시예에서, 전도성 차폐층은 축열체에 열적으로 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 축열체에 축적된 열은 케이블을 통해 제어된 방식으로 방산될 수 있다. 일부 실시예들은, 케이블이 전도체 쌍 및 열 전도성 차폐층을 둘러싸는 열 전도성 피복(sheath)을 추가로 포함하는 구성을 포함할 수 있다. 이들 실시예에서, 열 전도성 피복은 열 전도성 차폐층에 열적으로 결합될 수 있다.
다른 실시예들은, 계면 표면이 외부 전력 소모 장치(예를 들어, 액세서리)의 표면과 맞물리도록 구성될 수 있는 구성을 포함할 수 있다. 이들 실시예에서 전력 전달 코일은 전력 소모 장치 내의 전력 소모 코일에 유도적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 이들 실시예에서, 계면 표면은 열을 전력 소모 장치로부터 열 경로로 안내하도록 구성될 수 있으며, 이는 결국 축열체로 열을 안내할 수 있다.
일부 실시예들은, 계면 표면이 전력 소모 장치의 표면과 맞물리도록 구성될 수 있는 표면 특징부를 포함하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들은, 표면 특징부가 축방향 대칭이며 곡선형 오목부(curved indentation)인 구성을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 표면 특징부는 계면 표면과 전력 소모 장치의 표면 사이에 공극을 제공하도록 구성될 수 있다. 이들 예에서, 공극은 충전 장치로부터 전력 소모 장치로 전달되는 것으로부터의 열량(amount of heat)을 감소시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력 소모 코일은 전력 전달 코일 내의 자화 인덕턴스를 감소시키도록 선택된 구성된 선택 권선수를 포함할 수 있다. 더 추가적인 실시예들은, 열 경로가 하나 이상의 열 비아(thermal via)를 포함하는 구성을 포함할 수 있으며, 열 비아들은, 특정 구현예들에서, 축열체에 계면 표면을 직접 결합할 수 있다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예들은, 적어도, 상부 부분을 갖는 하우징, 축열체를 포함하는 베이스 부분, 및 상부 부분(또는 그것의 계면 표면)과 축열체를 열적으로 결합하는 열 경로를 포함하는 유도 전력 전달 장치에 관한 것이거나, 이를 포함하거나, 또는 그 형태를 취할 수 있다. 이들 실시예에서, 열 경로는 상부 부분으로부터 축열체로의 열 전달을 용이하게 하기 위하여 상부 부분보다 큰 열 전도율를 가질 수 있다. 이들 실시예에서, 열 경로는 계면 표면으로부터 축열체로 연장되는 열 비아를 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들은, 열 경로가 금속, 열 전도성 재료로 도핑된 폴리머, 또는 열 전도성 재료로 도핑된 세라믹으로 형성될 수 있는 구성을 포함할 수 있다.
일부 경우들에서 축열체는 특수화된 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들의 축열체는, 그것의 적어도 일부분이 전자기 간섭 차폐부를 형성하는 구성을 포함할 수 있다. 더 추가적인 실시예들은, 전력 전달 장치의 상부 부분이, 전기 절연성 및 열 전도성 재료를 포함하거나 그것으로 형성되는 구성을 포함할 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 상부 부분은 열 전도성 금속 필라멘트들로 도핑된 플라스틱으로 형성될 수 있다. 많은 실시예들에서, 전력 전달 코일은 구리 합금 재료, 은 합금 재료, 또는 구리-은 합금 재료 중 하나 이상을 포함하는 재료로 형성될 수 있다.
특정한 추가적인 실시예들은, 축열체의 적어도 일부분이 하우징 내에 배치된 컴포넌트를 위한 히트 싱크로서 또한 동작하는 구성을 포함할 수 있다. 많은 예들에서, 컴포넌트는 아날로그 또는 디지털 전기적 컴포넌트와 같은 전기적 컴포넌트일 수 있다.
추가적인 실시예들은, 전력 전달 장치가 또한 처리 유닛을 포함하는 구성을 포함할 수 있다. 많은 예들에서, 처리 유닛은 온도 센서에 결합될 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 이들 실시예에서, 처리 유닛은, 선택된 온도 임계치에 도달될 수 있다고 결정할 시 전력 전달 코일로의 전류를 중단하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 기재된 더 추가적인 실시예들은 전자기 유도 전력 전달 장치의 온도를 관리하기 위한 방법에 관한 것이거나, 이를 포함하거나, 또는 그 형태를 취할 수 있으며, 그 방법은 적어도, 장치의 계면 표면에서, 장치에 근접하게 위치설정된 액세서리로부터 열을 수용하는 동작, 수용된 열을 적어도 하나의 열 경로를 통해 축열체로 안내하는 동작, 및 축열체 내의 열을, 전원 콘센트(power outlet)에 접속하기 위한 케이블로 안내하는 동작 - 케이블은 열 전도성 층을 가짐 - 을 포함한다. 이들 실시예는, 축열체 내의 열을 케이블로 안내하는 동작이, 케이블의 전도체 쌍을 둘러싸는 전기 전도성 층으로 열을 안내하는 것을 포함하는 구성을 포함할 수 있다.
추가적인 실시예들은, 액세서리로부터 열을 수용하는 동작이, 액세서리를 계면 표면과 접촉하도록 정렬 또는 위치설정하는 것, 액세서리에 유도 전력을 전송하는 것, 및 유도 전력을 전송한 결과로서 액세서리 내에서 생성된 열을 수용하는 것을 포함하는 구성을 포함할 수 있다.
일부 실시예들은, 적어도 하나의 열 경로를 통해 축열체로 열을 안내하는 동작이, 유도 전력을 전송한 결과로서 장치 내에서 생성된 열을 축열체로 안내하는 것을 포함하는 구성을 포함할 수 있다. 더 추가적인 실시예들은, 액세서리로부터 열을 수용하는 것이, 계면 표면의 축을 따라 액세서리를 정렬하는 것 - 액세서리는 공극에 의해 계면 표면의 표면으로부터 분리됨 -, 액세서리에 유도 전력을 전송하는 것, 및 유도 전력을 전송한 결과로서 액세서리 내에서 생성된 열을 수용하는 것을 포함하는 구성을 포함할 수 있으며, 여기서 공극은 유도 전력 전달 장치로부터 액세서리로의 열의 전달을 억제한다.
이제, 첨부 도면들에 도시된 대표적인 실시예들을 참조할 것이다. 하기의 설명이 본 개시내용을 하나의 바람직한 실시예로 한정하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 한정된 바와 같은 기술된 실시예들의 기술적 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 대안예, 수정예 및 등가물을 포함하고자 한다.
도 1a는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 정면 등각도를 도시한다.
도 1b는 웨어러블 전자 디바이스로서 구현되는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 정면 사시도를 도시한다.
도 2는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 3은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 하나의 예시적 구성의 단면도를 도시하며, 이는 유도 전력 소모 장치의 간략화된 프로세스 흐름도 및 유도 전력 전달 장치의 간략화된 프로세스 흐름도를 포함한다.
도 4는 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면도를 도시한다.
도 5는 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면도를 도시하며, 이는 유도 전력 전달 시스템 내에 공극을 정의하는 복수의 표면 특징부를 도시한다.
도 6은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 간략화된 단면도를 도시하며, 이는 유도 전력 전달 장치와 연관된 축열체로의 복수의 예시적인 열 경로를 도시한다.
도 7은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면도를 도시하며, 이는 상부 표면(104b)의 적어도 일부분과, 유도 전력 전달 장치와 연관된 축열체(130)를 열적으로 결합하는 열 비아를 도시한다.
상이한 도면들에서 동일한 또는 유사한 도면 부호들의 사용은 유사하거나, 관련되거나, 동일한 항목을 표시한다. 첨부 도면들에서 크로스-해칭 또는 음영의 사용은 일반적으로, 인접하는 요소들 사이의 경계들을 명확하게 하기 위해 그리고 또한 도면들의 가독성을 용이하게 하기 위해 제공된다. 따라서, 크로스-해칭 또는 음영의 존재이든 부재이든, 특정한 재료, 재료 특성, 비율, 치수, 유사하게-도시된 요소들의 공통점, 또는 첨부 도면들에 도시된 임의의 요소에 대한 임의의 다른 특성, 속성, 또는 성질에 대한 어떠한 선호도 암시하거나 나타내지 않는다.
도 1a는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 정면 등각도를 도시한다.
도 1b는 웨어러블 전자 디바이스로서 구현되는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 정면 사시도를 도시한다.
도 2는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 간략화된 블록도를 도시한다.
도 3은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 하나의 예시적 구성의 단면도를 도시하며, 이는 유도 전력 소모 장치의 간략화된 프로세스 흐름도 및 유도 전력 전달 장치의 간략화된 프로세스 흐름도를 포함한다.
도 4는 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면도를 도시한다.
도 5는 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면도를 도시하며, 이는 유도 전력 전달 시스템 내에 공극을 정의하는 복수의 표면 특징부를 도시한다.
도 6은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 간략화된 단면도를 도시하며, 이는 유도 전력 전달 장치와 연관된 축열체로의 복수의 예시적인 열 경로를 도시한다.
도 7은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면도를 도시하며, 이는 상부 표면(104b)의 적어도 일부분과, 유도 전력 전달 장치와 연관된 축열체(130)를 열적으로 결합하는 열 비아를 도시한다.
상이한 도면들에서 동일한 또는 유사한 도면 부호들의 사용은 유사하거나, 관련되거나, 동일한 항목을 표시한다. 첨부 도면들에서 크로스-해칭 또는 음영의 사용은 일반적으로, 인접하는 요소들 사이의 경계들을 명확하게 하기 위해 그리고 또한 도면들의 가독성을 용이하게 하기 위해 제공된다. 따라서, 크로스-해칭 또는 음영의 존재이든 부재이든, 특정한 재료, 재료 특성, 비율, 치수, 유사하게-도시된 요소들의 공통점, 또는 첨부 도면들에 도시된 임의의 요소에 대한 임의의 다른 특성, 속성, 또는 성질에 대한 어떠한 선호도 암시하거나 나타내지 않는다.
본 명세서에 기재된 실시예들은, 무선 충전 인터페이스의 온도를 관리하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이고 그 형태를 취한다. 본 명세서에 기재된 일부 실시예들은, 유도 충전 인터페이스의 동작에 의해 생성된 열을 관리하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이거나 그 형태를 취할 수 있다. 실시예들은, 능동 또는 수동 히트 싱크, 하나 이상의 열점(hot spot)(예컨대 유도 코일)으로부터 축열체(열을 방사(radiate), 방산, 또는 싱크(sink)할 수 있음)로 열을 전달하는 열 경로(들), 충전 효율을 향상시킴으로써 낭비되는 열을 감소시키는 충전 방법, 및 유도 충전 인터페이스를 가로지르는 전력 전달의 효율을 향상시키는 다른 구조들 및 방법들을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 전력 전달 효율은, 충전기의 활성 시간을 가변하는 것, 유도 전력이 전송되는 주파수를 변경하는 것, 유도 전송기 상의 부하를 모니터링하는 것, 및 그에 따라 전송되는 전력을 가변하는 것 등에 의해 달성될 수 있다.
유도 충전 시스템은 전력을 전송하는 유도 전력 전달 장치(예컨대, "도크" 또는 "충전 스테이션"), 및 전력을 수신하는 휴대용 전자 디바이스(예컨대, "액세서리")와 같은 전력 소모 장치를 포함할 수 있다. 이러한 전자 디바이스들은 미디어 플레이어, 미디어 저장 디바이스, 개인 휴대 정보 단말기, 태블릿 컴퓨터, 셀룰러 전화기, 랩톱 컴퓨터, 스마트 폰, 스타일러스, 글로벌 포지셔닝 센서 유닛, 원격 제어 디바이스, 웨어러블 디바이스, 전기 자동차, 가전 제품, 의료 디바이스, 건강 모니터링 디바이스, 스포츠 디바이스, 액세서리 디바이스 등을 포함할 수 있다.
도크는 전력 전달 인덕터(예를 들어, "전력 전달 코일")를 포함할 수 있고, 액세서리는 전력 소모 인덕터(예를 들어, "전력 소모 코일")를 포함할 수 있다. 이들 예에서, 액세서리의 온도 유지는 도크의 온도 유지보다 우선순위가 훨씬 더 높을 수 있다. 이러한 방식으로, 도크는 액세서리로부터 가능한 한 많은 열을 희생적으로 수용할 수 있다. 특정 경우들에서, 도크는 액세서리의 온도를 능동적으로 감소시키기 위해, 펠티에 요소(Peltier element)와 같은 냉각 요소를 포함할 수 있다. 다른 경우들에서, 도크는, 도크 내에 포함된 축열체에 액세서리의 표면을 열적으로 결합함으로써 액세서리의 온도를 수동적으로 감소시킬 수 있다.
관련된 실시예들은, 액세서리가 배치될 수 있는 계면 표면 또는 영역을 갖는 상부 부분, 축열체를 갖는 베이스 부분, 및 그 둘을 열적으로 결합하는 열 경로를 갖는 하우징을 포함하는 도크의 구성을 포함할 수 있다.
많은 경우들에서, 축열체는 알루미늄 또는 다른 금속들로 제조될 수 있다. 축열체의 재료 및 질량(mass)은, 적어도 부분적으로, 축열체 용으로 선택된 재료의 열 용량에 따라 선택될 수 있다. 예를 들면, 구리로 구성된 축열체는 알루미늄으로 구성된 축열체보다 낮은 열 용량을 가질 수 있고, 따라서 구리 축열체의 질량은 일부 경우들에서 알루미늄으로 구성된 축열체의 질량보다 클 수 있다. 다른 경우들에서 금속 합금들이 사용될 수 있다. 더 추가적인 실시예들에서, 축열체는, 은으로 도금된 알루미늄에 의해 둘러싸인 액체 코어와 같은, 상이한 재료들의 다수의 층들로 형성될 수 있다. 이들 실시예에서, 계면 표면(예컨대, 계면 영역) 상에 배치된 액세서리에 의해 생성되고/되거나 도크에 의해 생성된 열 또는 열은 축열체 내에서 흡수되어, 제어된 방식으로 방산될 수 있다.
많은 경우들에서, 도크는 전원 콘센트에 접속하기 위한 케이블 또는 케이블 커넥터를 포함할 수 있다. 케이블은 축열체에 열적으로 결합된 열 전도성 차폐층 또는 피복을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 "열 전도성"은, 전형적으로 금속 재료들과 연관된 열 전도율 이상의 열 전도율을 지칭하는 것으로 이해될 수 있다. 많은 경우들에서, 열 전도성 차폐층은 금속으로 제조될 수 있고, 재료의 열 전도율에 대해 특별히 선택된 재료의 특정 두께를 가질 수 있다. 이들 및 관련된 경우들에서, 축열체 내에 저장된 열은 축열체로부터 케이블 내로 안전하게 그리고 효율적으로 전달될 수 있다.
이러한 방식으로, 도크는 액세서리로부터 축열체의 벌크 내로 가능한 한 많은 열을 희생적으로 수용할 수 있으며, 그 후에 벌크 내의 열은 케이블 내로 또는 주변 환경으로 방산될 수 있다.
액세서리 또는 도크는 열을 생성할 수 있으며, 이는 여러 방법들로 축열체로 전달되거나 그에 축적될 수 있다. 예를 들어, 유도 전력 전달 시스템의 동작 동안, 액세서리는 도크로부터 수신된 전력을 관리 및 분배하는 것과 연관된 회로부를 활성화시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 도크에 유도적으로 근접하게 배치될 때, 액세서리는, 액세서리가 전력을 수신할 준비가 되어 있음을 무선 또는 유선 통신 채널을 통해 도크에 전달할 수 있다. 이러한 신호를 수신한 후, 도크는 교류 또는 스위칭 전류를 그것의 전력 전달 코일에 인가할 수 있으며, 이는 결국 액세서리 내의 전력 소모 코일 내에 전류를 유도할 수 있다. 액세서리는, 하나의 예에서, 수신된 전류를 사용하여, 액세서리 내에 배치된 하나 이상의 재충전가능 배터리의 전하를 보충할 수 있다.
그러나, 많은 경우들에서, 전력 전달 코일에 근접한 임의의 전도체 내에 와전류(eddy current)들이 유도될 수 있다. 일반적으로, 와전류는 시변 자기장의 존재 시 전도성 요소들 내에서 여기되는 전류이다. 많은 경우들에서, 와전류들은 전도성 요소들의 가열을 야기할 수 있으며, 이는 결국 전도성 요소들 및 근처의 다른 요소들의 온도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 와전류들은 회로부의 전도성 컴포넌트들(예를 들어, 구리 트레이스들, 리드들 등) 및/또는 전도성 구조적 요소들(예를 들어, 체결구, 하우징 등)에서 여기되어, 디바이스 전체의 온도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기재된 많은 실시예들은, 유도 전력 전달 인터페이스의 동작 동안 액세서리의 불필요하거나 바람직하지 않은 가열을 완화시키기 위해 그러한 열을 도크 내의 축열체로 전달한다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예들은 도크와 같은 무선 충전 베이스 내의 전력 효율 관리 시스템들의 형태를 취한다. 일반적으로, 유도 인터페이스를 가로지르는 전력 전달의 효율을 증가시키는 것은, 열 형태로 손실되는 에너지를 감소시킨다. 다시 말하면, 전력 전달 효율의 증가는, 전력이 전달되고 있는 동안에 더 낮은 온도와 연관될 수 있거나, 이를 야기할 수 있다.
전력 관리 실시예들은, 유도 에너지의 전송기 및 수신기(예를 들어, 각각 도크 및 액세서리) 둘 모두 내에서 적응적 전력 효율 관리 시스템들의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 액세서리가 도크에 유도적으로 근접하게 배치되면, 도크는 유도 전력 전달 회로부를 활성화시킬 수 있다. 모든 다른 시간들에서, 상호작용식 전력 전달 회로부는 완전히 전원이 오프될 수 있다.
이들 및 관련된 실시예들에서, 도크 내의 전력 전달 코일은 액세서리 내의 전력 소모 코일과 유도적으로 결합할 수 있다. 결합 시, 전력 전달 코일은 증가된 부하를 겪을 수 있다. 따라서, 액세서리의 전력 요건들이 변할 때, 전력 전달 코일에 의해 겪게 되는 부하 또한 변할 수 있다. 다양한 액세서리들의 전력 요건들 또는 단일 액세서리의 상이한 동작 모드들의 변화들을 설명하기 위해(account for), 도크 내의 유도 전력 전달 회로부는 전류 모니터(current monitor)를 포함할 수 있다. 전류 모니터는 전력 전달 코일에 전력을 제공하는 회로부 내의 알려진 저항의 저항기를 가로질러 위치설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 전력 전달 코일을 통한 전류 부하는 임의의 주어진 시간에 추정될 수 있고 전송되는 전력은 그에 따라 조정될 수 있다.
추가적인 실시예들에서, 전류 모니터로부터의 출력은 전력 전달 코일의 선택된 동작 주파수를 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 상위 주파수들에서보다 하위 주파수들에서 더 많은 전력이 전달될 수 있다. 따라서, 전류 모니터가 전력 전달 코일의 로딩이 증가했다고 결정하는 경우, 전원의 출력의 주파수는 더 많은 전력을 전송하기 위해 감소될 수 있다. 대안적으로, 전류 모니터가 전력 전달 코일의 로딩이 감소했다고 결정하는 경우, 전원의 출력의 주파수는 더 적은 전력을 전송하기 위해 증가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부하의 증가는 주파수의 증가를 야기할 수 있고, 부하의 감소는 주파수의 감소를 야기할 수 있다. 이러한 방식으로, 유도 충전 시스템은, 전력 전달 코일과 결합된 디바이스에서 요구되는 것보다 더 많은 전력을 전송하지 않음으로써 증가된 전력 효율을 획득 또는 생성한다.
더 추가적인 실시예들에서, 전원의 출력의 다른 속성들은 전력 전달 코일의 로딩의 검출된 변화들의 결과로서 변화될 수 있다. 예를 들어, 전력 전달 코일에 인가된 전압은, 전력 전달 코일에 인가된 부하의 증가들 또는 감소들에 응답하여 증가 또는 감소될 수 있다. 이들 실시예에서, 전력 전달의 증가된 효율은, 생성되는 열의 감소와 연관될 수 있다.
특정한 추가적인 실시예들에서, 도크로부터의 전력 출력은 액세서리 자체로부터의 주기적 보고들에 의해 제어되거나 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 액세서리는 도크에 정보를 전송하도록 구성된 무선 전송기를 포함할 수 있다. 이러한 정보는 식별 정보, 인증 정보, 열적 정보(예컨대, 동작 온도, 온도의 변화, 최대 동작 온도 등), 및/또는 전력 상태 정보를 포함할 수 있다. 전력 상태 정보는 현재 또는 미래의 전력 요건들, 배터리가 완전히 충전될 때까지의 시간 추정치들, 배터리의 현재 충전, 또는 다른 전력 관련 정보를 포함할 수 있다. 액세서리는 초당 한 번 이상, 주기적 업데이트들을 송신할 수 있다. 무선 전송기는, 예를 들어, Wi-Fi, RF, 블루투스, 근거리 통신, 또는 적외선과 같은 임의의 적합한 기술일 수 있다. 특정 실시예들에서, 무선 전송기는 카메라 플래시 또는 디스플레이와 같은, 액세서리의 기존의 컴포넌트일 수 있다.
도크는 유도적으로 결합된 액세서리로부터의 송신된 신호들을 수신하는 수신기를 포함할 수 있다. 도크는 전원의 출력 주파수를 보강(augment), 조정, 또는 다른 식으로 변경하기 위해 이들 신호를 해석할 수 있다. 예를 들어, 액세서리가 그것이 1 암페어에서 5 볼트를 요구한다는 신호를 송신하는 경우, 전원의 출력 주파수는 액세서리가 그것이 1 암페어에서 3 볼트를 요구한다는 신호를 송신하는 경우와 상이한 값일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도크는 전원의 출력의 특정한 변경가능한 속성들을 보강, 조정, 또는 다른 식으로 변경하기 위해 수신기에 의해 수신된 신호들을 해석할 수 있다. 예를 들어, 출력 신호의 전압, 전류, 주파수, 및 다른 특성들은 이에 따라 수정될 수 있다.
추가적인 실시예들에서, 도크는 동적으로, 지능적으로, 그리고 빠르게 액세서리로부터 수신된 정보 및 전류 모니터로부터 측정된 정보의 조합을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전류 모니터는, 액세서리로부터 다음 업데이트 신호가 수신되기 수백 밀리초 전에 전력 전달 코일 상의 증가된 부하를 알아차릴 수 있다. 이러한 경우, 전류 모니터는 전력 출력을 즉시 증가시킬 수 있고, 액세서리의 전력 요건들이 다음 신호에서 증가했다는 것을 확인 시, 새롭게-결정된 더 높은 전력 전송 주파수를 유지할 수 있다. 대안적으로, 전류 모니터가 증가된 부하를 알아차리지만 이것이 액세서리로부터 다음 신호의 수신 시 확인되지 않는 경우, 전력 전송 주파수는 이전 값으로 재설정될 수 있다.
전술한 그리고 관련된 실시예들은 유도 전력 전달 인터페이스에 내재하는 손실 및 비효율에 의해 생성되는 열의 양을 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템의 온도는 감소될 수 있다.
본 명세서에 기재된 일부 실시예들은 유도 충전 인터페이스에 걸친 온도 증가를 관리하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이고 그 형태를 취할 수 있다. 이들 경우에서, 유도 전력 전달 인터페이스에 내재적인 손실 및 비효율에 의해 생성된 열은 액세서리로부터, 도크 내에 배치된 축열체로 효과적으로 그리고 효율적으로 안내될 수 있다.
도 1a는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 정면 등각도이다. 유도 충전 시스템(100)은 하우징(102a) 내에 배치된 유도 전력 수신기(102) 및 하우징(104a) 내에 배치된 유도 전력 전송기(104)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 유도 전력 전송기(104)는 케이블(108)에 의해 전원 본선(mains power)(예를 들어, 전원 콘센트)에 접속될 수 있다. 다양한 구현예들 및 실시예들에서, 유도 전력 전송기(104) 및 유도 전력 수신기(102)는 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 내비게이션 디바이스, 스포츠 디바이스, 건강 디바이스, 의료 디바이스, 액세서리 디바이스, 주변장치 입력 디바이스 등과 같은, 임의의 종류 또는 유형의 전자 디바이스 내에 또는 그 컴포넌트로서 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 유도 충전 시스템은 도 1b에 도시된 스마트 시계와 같은 웨어러블 전자 디바이스 내에 구현될 수 있다.
도시된 바와 같이, 유도 전력 수신기(102)는 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 상부 부분에 형성된 계면 표면(106)과 인터페이스하거나, 정렬하거나, 또는 다른 식으로 접촉할 수 있는 하부 표면을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 유도 전력 수신기(102)와 유도 전력 전송기(104)는 서로에 대해 위치설정가능할 수 있다. 특정 실시예들에서, 계면 표면(106)은 유도 전력 수신기(102)의 상보적 형상과 정합하도록 의도되는 특정 형상으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 계면 표면(106)은 선택 곡선을 따르는 오목한 형상(예를 들어, 곡선형 오목부)으로서 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면 표면(106)은 다른 형상, 예를 들어, 볼록한 형상 또는 평면 형상을 취할 수 있다. 특정 실시예들에서, 계면 표면(106)은 축방향 대칭일 수 있는 반면, 다른 실시예들에서 표면은 축방향 비대칭일 수 있다.
일부 예들에서, 그리고 도 1b에 도시된 바와 같이, 계면 표면(106)은 유도 전력 수신기(102)(본 명세서에서 시계로서 도시됨)의 하부 표면 상에 형성된 볼록한 형상과 매칭되거나 정합하는 오목한 형상을 취할 수 있다. 이러한 방식으로, 계면 표면(106)의 곡률은, 유도 전력 수신기(102)가 유도 전력 전송기(104) 상에 위치설정될 때 실질적으로 정합된 구성(예를 들어, 볼록 및 오목 곡률 정점들이 서로에 인접하게 받쳐짐(rest))으로 궁극적으로 받쳐지도록 유도 전력 수신기(102)를 안내할 수 있다. 다른 예들에서, 계면 표면(106)은 평탄하거나, 면이 있거나(faceted), 또는 오목할 수 있다. 추가적인 실시예들에서, 계면 표면(106)은 임의의 적합한 형상을 취할 수 있다.
유도 전력 수신기(102)가 유도 전력 전송기(104)의 것보다 작은 수평 단면의 크기를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 관계는 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 유도 전력 수신기(102)는 유도 전력 전송기(104)보다 더 큰 수평 단면을 포함할 수 있다(예를 들어, 도 1b 참조). 이들 예에서, 유도 전력 수신기(102)의 계면 영역은, 유도 전력 수신기(102)의 저면의 단지 일부분으로서 크기가 정해진 계면 표면(106)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 유도 전력 수신기(102)는 임의의 수의 전자 디바이스들로서(또는 그 일부분으로서) 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 유도 전력 수신기(102)는 도 1b에 도시된 웨어러블 전자 디바이스로서 구현될 수 있다. 이 예에서, 웨어러블 전자 디바이스는 프로세서, 메모리, 전원 및/또는 배터리, 네트워크 통신, 터치 센서, 입력 센서, 힘 센서, 환경 센서, 하나 이상의 디스플레이 스크린, 음향 요소, 입력/출력 포트, 촉각 요소, 웨어러블 전자 디바이스의 작업들을 수행하고/하거나 조정하기 위한 디지털 및/또는 아날로그 회로부 등을, 하우징(102a) 내에 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 웨어러블 전자 디바이스는 하나 이상의 전용 그리고/또는 표준화된 유선 및/또는 무선 인터페이스를 통해 별개의 전자 디바이스와 통신할 수 있다. 예시의 간략화를 위해, 웨어러블 전자 디바이스는 도 1b에서 이들 요소 중 많은 것들이 없이 도시되며, 그 각각은 하우징(102a) 내에 부분적으로, 선택적으로, 또는 전체적으로 포함될 수 있다.
도 2는 예시적인 유도 전력 전달 시스템의 간략화된 블록도이다. 유도 충전 시스템(200)은 전송기 부분(200a) 및 수신기 부분(200b)을 포함할 수 있다. 전송기 부분(200a)은 제어기(206) 및 직류 변환기(direct current converter)(204)에 동작가능하게 접속된 클록 회로(202)를 포함할 수 있다. 클록 회로(202)는 유도 충전 시스템(200)을 위한 하나 이상의 타이밍 신호를 생성할 수 있다. 제어기(206)는 직류 변환기(204)의 상태를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 클록 회로(202)는 사이클당 기준으로 직류 변환기(204) 내의 스위치들을 활성화 및 비활성화하기 위해 제어기(206)에 의해 사용되는 주기적 신호들을 생성한다. 임의의 적합한 직류 변환기가 유도 충전 시스템(200)에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, H 브리지가 직류 변환기로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, H 브리지는 필수적인 것이 아닐 수 있다. 예를 들어, 단일 스위치가 직류 변환기(204)로부터의 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 직류 변환기(204)는 구형파 생성기로서 기능할 수 있다.
직류 변환기(204)에 의해 생성된 시변 신호(예를 들어, 교류 신호) 또는 구형파 신호는 변압기(212)로 입력될 수 있다. 직류 변환기(204)와 변압기(212) 사이에 커패시터가 하이 패스 필터링을 제공하기 위해 배치될 수 있다. 전형적으로, 위에서 언급한 테더링된(tethered) 전력 전달 시스템들에서 사용되는 것들과 같은 변압기는 전력 소모 코일에 결합된 전력 전달 코일을 포함하는데, 이때 각각의 코일은 공통 코어 둘레에 감싸진다. 그러나, 본 명세서에 기재된 바와 같은 유도 충전 시스템은 전형적으로, 간극에 의해 분리된 일차 코일 및 전력 소모 코일을 포함하고, 그리고 일부 경우들에서는, 각각의 코일을 포함하는 각자의 하우징들(102a, 104a)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 변압기(212)는 반드시 물리적 요소인 것은 아닐 수 있지만, 대신에 전력 전달 코일(208) 및 전력 소모 코일(210)과 같은 2개의 유도적으로 근접한 전자기 코일들 사이의 관계 및 인터페이스를 지칭할 수 있다.
전술한 내용은 전송기 부분(200a) 및, 유도 충전 시스템(200)의 수신기 부분(200b)의 전력 소모 코일(210)과의 그것의 상호작용의 간략화된 설명일 수 있다. 전송기 부분(200a)은 전력 소모 코일(210) 내에 전압을 유도하기 위해 전력 전달 코일(208)에 시변 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 교류 및 구형파 둘 모두가 예들로서 언급되었지만, 당업자는 다른 파형들이 고려된다는 것을 인식할 수 있다. 이러한 경우에서, 제어기(206)는 직류 변환기(204)의 복수의 상태를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(206)는 전압, 전류, 듀티 사이클, 파형, 주파수, 또는 이들의 임의의 조합을 제어할 수 있다.
제어기(206)는 전력 전달 회로의 동작 효율을 향상시키기 위해 전력 전달 코일(208)에 인가되는 파형들의 다양한 특성들을 주기적으로 수정할 수 있다. 다양한 수정들은 미리결정된 순서로, 실시간으로 이루어질 수 있거나, 또는 때때로 고정될 수 있다. 당업자는, 특정 수정들이 특정 상황들에 바람직할 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
예를 들어, 특정 경우들에서, 제어기(206)는, 전력 소모 코일(210)이 전력 전달 코일(208)에 유도적으로 근접해 있지 않다고 결정되는 경우, 전력 전달 코일(208)로의 모든 전력을 중단할 수 있다. 이 결정은 임의의 수의 적합한 방식들로 달성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208) 상의 유도 부하를 검출하도록 구성될 수 있다. 유도 부하가 특정한 선택된 임계치 미만으로 떨어지는 경우, 제어기(206)는 전력 소모 코일(210)이 전력 전달 코일(208)에 유도적으로 근접해 있지 않을 수 있다고 결론을 내릴 수 있다. 이러한 경우, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208)로의 모든 전력을 중단할 수 있다.
다른 경우들에서, 일 실시예에서 제어기(206)는 변압기(212)의 공진 주파수에 또는 그 근방에 있도록 듀티 사이클을 설정할 수 있다. 다른 예에서, 듀티 사이클의 활성 상태(예컨대, 하이(high))를 정의하는 파형의 주기는 변압기(212)의 공진 주파수에 또는 그 근방에 있도록 선택될 수 있다. 당업자는, 그러한 선택들이 전력 전달 코일(208)과 전력 소모 코일(210) 사이의 전력 전달 효율을 증가시키고, 이에 따라, 시스템 내의 열적 손실을 감소시킬 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
대안적인 예에서, 제어기(206)는 유도 부하의 갑작스런 스파이크가 감지되는 경우 전력 전달 코일(208)로의 모든 전력을 중단할 수 있다. 예를 들어, 유도 부하가 특정한 선택된 임계치 초과의 특정 속도(rate)로 스파이크하는 경우, 제어기(206)는, 중간 물체가 전력 전달 코일(208)에 유도적으로 근접하게 배치될 수 있다고 결론을 내릴 수 있다. 이러한 경우, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208)로의 모든 전력을 중단할 수 있다. 대안적으로, 유도 부하 내의 그러한 스파이크는 능동 유도 충전에 대한 신호로서 사용될 수 있으며 따라서 전력 전달 코일(208)에 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
더 추가적인 예들에서, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208)에 인가되는 파형들의 다른 특성들을 수정할 수 있다. 예를 들어, 수신기 회로가 추가 전력을 요구하는 경우, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208)에 인가되는 파형의 듀티 사이클을 증가시킬 수 있다. 관련된 예에서, 수신기 회로가 더 적은 전력을 요구하는 경우, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208)에 인가되는 파형의 듀티 사이클을 감소시킬 수 있다. 이 예들 각각에서, 전력 전달 코일(208)에 인가되는 시간 평균 전력은 수정될 수 있다.
다른 예에서, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208)에 인가되는 파형의 진폭을 수정하도록 구성될 수 있다. 이러한 예에서, 수신기 회로가 추가 전력을 요구하는 경우, 제어기(206)는 전력 전달 코일(208)에 인가되는 파형의 최대 전압을 증폭할 수 있다. 관련된 경우에서, 수신기 회로가 더 적은 전력을 요구하는 경우, 파형의 최대 전압은 감소될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 그리고 전술한 바와 같이, 유도 충전 시스템(200)의 전송기 부분(200a)은, 전력 전달 코일(208)과 전력 소모 코일(210) 사이의 유도 결합을 통해 수신기 부분(200b)의 전력 소모 코일(210) 내에 전압을 유도하기 위하여, 전력 전달 코일(208)에 시변 신호를 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전력 전달 코일(208) 내의 시변 신호에 의한 가변 자속의 생성을 통해, 전력 전달 코일(208)로부터 전력 소모 코일(210)로 전력이 전달될 수 있다.
전력 소모 코일(210)에서 생성된 시변 신호는, 시변 신호를 DC 신호로 변환하는 직류 변환기(214)에 의해 수신될 수 있다. 일부 실시예들에서, 필터 커패시터가 직류 변환기(214)와 전력 소모 코일(210) 사이에 위치설정될 수 있다. 임의의 적합한 직류 변환기가 유도 충전 시스템(200)에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 정류기가 직류 변환기로서 사용될 수 있다. DC 신호는 이어서 프로그램가능 부하(216)에 의해 수신될 수 있다. 일부 실시예들에서, 로우 패스 필터 커패시터는 직류 변환기(214)와 회로 접지 사이에 위치설정되어, 프로그램가능 부하(216)에 의한 사용 이전에 직류 신호를 안정화시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 수신기 직류 변환기는 하프 브리지일 수 있다. 이러한 예들에서, 전력 소모 코일(210)은 증가된 권선수를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전력 소모 코일은 두 배의 권선들을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 전력 소모 코일(210)에 걸친 유도된 전압은 하프 브리지 정류기에 의해 효과적으로 절반으로 감소될 수 있다. 특정 경우들에서, 이러한 구성은 훨씬 더 적은 전자 컴포넌트들을 요구할 수 있다. 예를 들어, 하프 브리지 정류기는 전파(full wave) 브리지 정류기에 비하여 절반의 트랜지스터들을 요구할 수 있다. 더 적은 전자 컴포넌트들의 결과로서, 저항 손실이 현저하게 감소될 수 있다.
특정 일부 실시예들에서, 수신기는 또한, 전송기 내에 존재하는 자화 인덕턴스를 튜닝 아웃(tune out)하거나 감소시키는 회로부를 포함할 수 있다. 일반적으로, 자화 인덕턴스는 불완전하게 결합된 코일들에 의해 형성되는, 변압기 내의 손실을 생성할 수 있다. 이러한 자화 인덕턴스는, 다른 누설 인덕턴스 중에서, 전송기의 효율을 현저하게 감소시킬 수 있다. 당업자는 또한, 자화 인덕턴스가 전송과 전력 소모 코일 사이의 결합의 함수일 수 있기 때문에 그것은 반드시 전송기 자체 내에서 완전히 보상되지는 않을 수 있다는 것을, 인식할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 논의된 특정 실시예들에서, 튜닝 회로부가 수신기 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 커패시터가 프로그램가능 부하(216)에 병렬로 위치설정될 수 있다.
더 추가적인 예들에서, 위에서 언급된 예시적 수정들의 조합이 제어기에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제어기(206)는 듀티 사이클을 감소시키는 것에 부가하여 전압을 두 배로 할 수 있다. 다른 예에서, 제어기는 시간에 지남에 따라 듀티 사이클을 감소시키면서, 시간에 지남에 따라 전압을 증가시킬 수 있다. 당업자는 임의의 수의 적합한 조합들이 본 명세서에서 고려된다는 것을 인식할 수 있다.
일부 실시예들은 다수의 전력 전달 코일들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2개의 전력 전달 코일이 존재하는 경우, 각각은 독립적으로 또는 동시에 활성화 또는 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 개별적인 코일들은 각각 제어기(206)에 결합될 수 있다. 추가적인 예들에서, 여러 개의 개별적인 전력 전달 코일들 중 하나는 선택적으로 단락될 수 있다. 예를 들어, 스위치가 제2 전력 전달 코일에 병렬로 위치설정되어, 스위치가 오프일 때 전류가 인덕터를 통해 흐를 수 있도록 할 수 있다. 반면에, 스위치가 온일 때, 전류는 제2 전력 전달 코일을 통해 흐르지 않을 것이며; 다른 스위치들이, 스위치가 온일 때에만 전류 흐름을 허용하도록, 구성될 수 있다. 스위치는 임의의 적합한 유형의 수동, 고체 상태, 또는 릴레이 기반 스위치일 수 있다. 이러한 방식으로, 여러 개의 코일들 각각을 통하는 전류의 증가량은 선택적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 높은 유도 부하를 갖는 동작에서, 스위치는, 전력 전달 코일(208)을 갖는 회로 내에 제2 전력 전달 코일을 포함하도록, 오프될 수 있다.
본 개시내용에서, 개시된 방법들은 회로부 또는 다른 디지털 또는 아날로그 로직 요소들에 의해 구현되거나 다른 식으로 구체화될 수 있다. 예를 들어, "송신", "수신", "결정", "해석", "요청", 인가" 등의 동작들은, 설명된 기능들을 수행하도록 구성된 회로부의 각각의 입력들 및 출력들을 참조하는 것으로 이해될 수 있다. 이 회로들 또는 논리 요소들은 또한 각각 수신기 또는 전송기의 기능성에 대한 직접 또는 간접 제어를 가질 수 있다. 또한, 개시된 방법들 내의 특정 순서 또는 계층은 예시적 접근법들의 예들이고, 특정 상황들에서 다수의 독립적인 회로들 또는 논리 요소들에 의해, 또는 다른 예들에서 단일 회로 또는 논리 요소에 의해 달성될 수 있다는 것이 이해된다. 더 추가적인 예들에서, 언급된 단계들은 반드시 특정한 결정 회로부 또는 지능형 회로부를 포함하거나 요구하지는 않을 수 있다. 다시 말하면, 본 명세서에 기재된 실시예들은 아날로그 회로, 디지털 회로, 또는 소프트웨어의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 임의의 방법 또는 프로세스에서 단계들의 특정 순서 또는 계층은 개시된 요지 내에 남아있으면서 재배열될 수 있다.
도 3은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 하나의 예시적 구성의 단면도이며, 이는 유도 전력 소모 장치의 간략화된 블록도 및 유도 전력 전달 장치의 간략화된 블록도를 포함한다.
도시된 바와 같이, 유도 전력 수신기(102)는 전력 소모 코일을 포함할 수 있으며, 이는 각각 전력 소모 코일 부분들(116a, 116b)로서 단면으로 도시된다. 당업자는, 전력 소모 코일 부분들(116a, 116b)이 전력 소모 코일(116)의 단면에서 직경방향으로 대향 부분들일 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전력 소모 코일(116)은 각각 3개 권선들의 2개 층들을 가져 총 6개 권선들을 갖는다. 그러나, 당업자는, 임의의 적절한 수 또는 구성의 권선들이 실시예에 따라 바람직할 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력 소모 코일(116)은 유도 전력 수신기(102)의 하우징(102a)의 곡률을 따르도록, 기울여지거나(tilted) 반-원뿔형의 형상, 또는 곡선형 표면을 가질 수 있다. 많은 예들에서, 전력 소모 코일(116)은 구리 합금, 은 합금, 또는 구리-은 합금과 같은 전기 전도성 금속으로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 유형의 전기 전도성 재료들이 사용될 수 있다.
유도 전력 수신기(102)는 또한 처리 유닛(110), 저장 매체(112)(예를 들어, 일시적 또는 비일시적), 및 전원(114)을 포함할 수 있다. 저장 매체(112)는 자기 저장장치, 광학 저장장치, 광자기 저장장치, 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 소거가능 프로그램 메모리, 플래시 메모리 등을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 제한되지는 않을 수 있다. 전원(114)은 배터리 전원, 용량성 전원, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 제한되지는 않을 수 있다.
처리 유닛(110)은 유도 전력 수신기(102)의 디바이스 동작들을 수행하기 위해 저장 매체(112) 내에 저장된 명령어들을 실행할 수 있다.
처리 유닛(110)은 또한 센서(111)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 센서(111)는 온도 센서일 수 있고 전원(114) 또는 처리 유닛(110)에 동작가능하게 접속되어, 선택 온도 임계치에 도달되는 경우, 전원은 유도 전력 수신기(102)로의 전류를 중단할 수 있다. 다른 실시예들에서, 처리 유닛(110)은 하나 초과의 센서에 결합될 수 있다.
많은 실시예들에서, 유도 전력 수신기(102)는 디스플레이, 센서, 입력 디바이스, 네트워크 통신 인터페이스 등과 같은 다른 컴포넌트들을 하우징(102a) 내에 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재되고 도시된 다른 실시예들과 같이, 유도 전력 수신기(102)는 도 3에서, 예시의 간략화를 위해 이 컴포넌트들 중 많은 것들이 없이 도시되며, 그것들 각각은 하우징(102a) 내에 부분적으로, 선택적으로, 또는 전체적으로 포함될 수 있다.
유사하게, 유도 전력 전송기(104)는 또한 처리 유닛(120), 저장 매체(122), 및 전원(124)을 포함할 수 있다. 저장 매체(122)는 자기 저장장치, 광학 저장장치, 광자기 저장장치, 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 소거가능 프로그램 메모리, 플래시 메모리 등을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 제한되지는 않을 수 있다. 전원(124)은 배터리 전원, 용량성 전원, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 제한되지는 않을 수 있다.
처리 유닛(120)은 또한 센서(121)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 센서(121)는 온도 센서일 수 있고 전원(124) 또는 처리 유닛(120)으로 되어, 선택 온도 임계치에 도달되는 경우, 전원은 유도 전력 전송기(104)로의 전류를 중단할 수 있다. 다른 실시예들에서, 처리 유닛(120)은 하나 초과의 센서에 결합될 수 있다.
많은 실시예들에서, 유도 전력 전송기(104)는 디스플레이, 센서, 입력 디바이스, 네트워크 통신 인터페이스 등과 같은 다른 컴포넌트들을 하우징(104a) 내에 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재되고 도시된 다른 실시예들과 같이, 유도 전력 전송기(104)는 도 3에서, 예시의 간략화를 위해 이들 다른 컴포넌트들 중 많은 것들이 없이 도시되며, 그것들 각각은 하우징(104a) 내에 부분적으로, 선택적으로, 또는 전체적으로 포함될 수 있다.
도 3은 또한 전원(124)을 보충 또는 보완하기 위해 사용되는 전원 콘센트에 접속하기 위한 케이블(108)을 포함한다. 많은 경우들에서, 케이블(108)은 적어도 하나의 전도체 쌍, 및 적어도 하나의 전도체 쌍을 둘러싸도록 위치설정된 열 전도성 차폐층을 포함할 수 있다.
유도 전력 전송기(104)는 상부 부분(104b) 및 베이스 부분(104c)을 포함할 수 있다. 유도 전력 전송기(104)는 또한 상부 부분(104b) 내에 배치된, 하나 이상의 전력 전달 코일 부분(126a, 126b)을 각각 포함할 수 있다. 당업자는, 전력 전달 코일 부분들(126a, 126b)이 전력 전달 코일(126)의 단면에서 직경방향으로 대향 부분들일 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전력 전달 코일(126)은 각각 3개 권선들의 2개 층들을 가져 총 6개 권선들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 상이한 개수의 층들 및 권선들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 전달 코일은 3개 층들 각각 내에 4개 권선들을 포함하여 총 12개 권선들을 포함할 수 있으며, 전력 소모 코일은 4개 층들 내에 6개 권선들을 포함하여 총 24개 권선들을 포함할 수 있다. 그러나, 당업자는, 임의의 적절한 수 또는 구성의 권선들이 실시예에 따라 바람직할 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 많은 실시예들에서, 전력 전달 코일(126)은 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 곡률을 따르도록, 기울여지거나 반-원뿔형의 형상을 가질 수 있다. 많은 예들에서, 전력 전달 코일(126)은 구리, 은, 또는 구리-은 합금과 같은 전기 전도성 금속으로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 유형의 전기 전도성 재료들이 사용될 수 있다.
유도 전력 전송기(104)는 또한 유도 전력 전송기(104)의 상부 부분(104b) 내에 형성된 실질적으로 곡선형 형상을 취하는 계면 표면(106)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 계면 표면(106)은 선택 곡선을 따르는 오목한 형상으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 계면 표면(106)은 다른 형상, 예를 들어 볼록한 형상을 취할 수 있다. 더 추가적인 실시예들에서, 계면 표면(106)은 축방향 대칭 형상의 형태를 취할 수 있다. 이러한 방식으로, 유도 전력 수신기(102)와 유도 전력 전송기(104)는 서로 인접하게 배치될 때, 계면 표면(106)의 형상은 도 3에 도시된 정렬을 촉진할 수 있다. 일부 구현예들에서, 유도 전력 수신기(102)와 유도 전력 전송기(104)의 표면들 중 하나 이상은 저마찰 재료로 형성되거나 다른 식으로 코팅될 수 있다. 저마찰 재료로 하나 이상의 표면을 형성함으로써, 중력은, 유도 전력 수신기(102)가 도 3에 도시된 바와 같은 정렬 내로 미끄러져 들어가는 것을 용이하게 할 수 있다. 더 추가적인 실시예들에서, 유도 전력 수신기(102)와 유도 전력 전송기(104)는 두 개의 인터페이스하는 표면들 사이의 마찰 계수들(예를 들어, 정적 마찰 계수 및/또는 동적 마찰 계수)을 최소화하기 위해 그에 대응하여 형상화될 수 있다.
계면 표면(106) 내의 와전류들의 발생을 방지하기 위하여, 계면 표면(106)은 열 전도성 및 실질적으로 전기 절연성인 재료로 구성될 수 있다. 많은 예들에서, 시변 자기장의 존재 시 전도체 내에 와전류가 유도될 수 있다. 이러한 방식으로, 와전류들(선회하는 전류들)이 생성될 수 있다. 이들 와전류들은 또한 시변 자기장에 반대인 방향으로 자기장을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 와전류들에 의해 유도된 자기장들은 시변 자기장을 재지향시키거나 그에 반대할(oppose) 수 있다. 유도 전력 전달 시스템들에 대해, 이 효과는 수신 코일에서 수신되는 총 선속(flux)을 감소시킴으로써 전력 전달의 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 와전류들은 어떠한 저항성 요소들도 통과하지 않으면서 전도체 내에서 순환하기 때문에, 와전류에 의해 겪게 되는 저항은 매우 낮을 수 있다. 따라서, 유도된 전류들은 상대적으로 높을 수 있다. 그 결과, 와전류들은 폐열(waste heat)로서 에너지를 방산할 수 있다. 따라서, 와전류들이 계면 표면(106) 내에서 또는 그에 인접하여 발생하는 것을 방지하기 위하여, 계면 표면(106)은 전기 절연성 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 계면 표면(106) 및 상부 부분(104b)의 나머지 부분 중 임의의 것은 세라믹 재료, 결정성 재료, 사파이어 재료, 유리 재료 등과 같은 재료들로부터 형성될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
많은 실시예들에서, 전력 전달 코일(126) 및 전력 소모 코일(116)은 각각 전자기 차폐 요소(117, 127)에 의해 둘러싸일 수 있다. 전자기 차폐 요소들은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 전자기 차폐 요소들(117, 127)은 결정성 철 실리콘과 같은 결정성 합금으로 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전자기 차폐 요소들(117, 127)은 전력 전달 코일(126) 및 전력 소모 코일(116)과 연관된 전기 선속을, 유도 전력 수신기(102)와 유도 전력 전송기(104) 사이의 계면을 향해 재지향시킬 수 있다. 이러한 재지향된 선속의 결과로서, 선택된 전력 전달 코일(126) 및 전력 소모 코일(116)의 재료 및 크기는 작아서, 더 크거나 차폐되지 않은 전송 및 전력 소모 코일들의 쌍에 등가 유도 전력 전달을 제공할 수 있다. 따라서, 그렇지 않으면 전력 소모 코일(116)로부터 밖으로 방사 및 방산했을 수 있는 선속은, 전력 전달 코일(126) 내에서 실질적으로 또는 전체적으로 재지향될 수 있다. 이러한 방식으로, 전력 소모 코일(116)에서 수신된 전력은 전자기 차폐 요소(117, 127)를 배제하는 실시예보다 더 클 수 있다.
일부 실시예들은 도 4에 도시된 바와 같이 구성될 수 있으며, 이는 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면이다. 예시된 바와 같이, 유도 전력 수신기(102) 및 유도 전력 전송기(104)는 그에 따라 각각 정렬 자석(118, 128)을 각각 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재되고 도시된 다른 실시예들처럼, 유도 전력 수신기(102) 또는 유도 전력 전송기(104) 중 어느 하나 또는 둘 모두는, 각각의 개별 하우징(102a, 104a) 내에 많은 다른 컴포넌트들(예를 들어, 프로세서, 메모리, 센서들, 디스플레이들, 입력들 등)을 포함할 수 있으며, 이에 따라, 둘 모두는 도 4에서 이들 추가적 컴포넌트들 없이 도시되며, 이는 각각의 개별 하우징(102a, 104a) 내에 부분적으로, 선택적으로, 또는 전체적으로 포함될 수 있다.
도 4를 계속하면, 정렬 자석들(118, 128)은 일반적으로 서로 끌어당기도록 배치 및/또는 정렬된다. 이러한 방식으로, 정렬 자석들(118, 128) 사이의 자기 인력은 도 3 및 도 4에 도시된 정렬 위치의 달성을 용이하게 하거나, 촉진하거나, 또는 다른 식으로 쉽게 할 수 있는데, 이때 유도 전력 수신기(102)는 유도 전력 전송기(104)의 상부 표면 상에 실질적으로 중심을 두며, 디바이스 및 충전기 둘 모두의 유도 충전 코일들은 실질적으로 정렬된다. 많은 실시예들에서, 정렬 자석들(118, 128)의 각각(또는 일부, 또는 그룹들)은 각각 자기 차폐 요소(119, 129)에 의해 둘러싸일 수 있다.
도 4의 자기 차폐 요소들(119, 129)은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예들에서, 자기 차폐 요소들(119, 129)은 철 코발트와 같은 강자성 합금으로 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 자기 차폐 요소들(119, 129)은 정렬 자석들(118, 128)과 연관된 자속을, 유도 전력 수신기(102)와 유도 전력 전송기(104) 사이의 계면을 향해 재지향시킬 수 있다. 재지향된 자속의 결과로서, 선택된 정렬 자석들(118, 128)은 작아서, 더 작은 영역에 걸친 등가 인력을 더 크거나 차폐되지 않은 정렬 자석에 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 감소된 크기의 정렬 자석들을 채용함으로써, 전력 전달 코일(126)에 유도적으로 근접한 전기 전도성 요소들의 총 질량이 감소될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전기 전도성 질량의 감소는 따라서 와전류들을, 그리고 결국 열 손실들을 감소시킬 수 있다.
유도 전력 전송기(104)는 또한, 전송기의 상부 부분(104b)에 대향하는, 유도 전력 전송기(104)의 베이스 부분(104c)을 따라 실질적으로 위치설정된 축열체(130)를 포함할 수 있다. 특정 구성들에서, 축열체(130)는 알루미늄 또는 다른 금속이다. 많은 경우들에서, 축열체(130)는 전기 전도성일 수 있으며 따라서 유도된 와전류들을 겪을 수 있다. 그 결과, 축열체(130)는 실질적으로 전자기 차폐 요소(127) 아래에 위치설정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 시변 자기장에 의해 전도체 내에 와전류들이 유도될 수 있다. 그러나, 축열체가 실질적으로 전력 전달 코일(126)에 근접하게 위치설정되어 있지 않기 때문에, 와전류들이 축열체 내에서 발생할 가능성이 낮다. 당업자는, 자기장이 
에 비례하여 방산할 수 있거나, 또는 다시 말해서, 자기장은 자기장 소스로부터 떨어진 거리의 세제곱에 비례하여 방산할 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 따라서, 축열체(130)는 전력 전달 코일(126)로부터 소정 거리에 위치설정되어서, 전력 전달 코일(126)을 통해 전송되는 전력에 응답하여 와전류들이 형성되지 않게 할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 전자기 차폐 요소들(117, 127)은 전력 전달 코일(126) 아래에 존재하는 선속의 총량을 감소시킬 수 있다. 다시 말하면, 상부 부분(104b) 내에 전자기 차폐 요소들(117, 127)을 포함하는 실시예들에서, 축열체(130)는 베이스 부분(104c) 내에 그리고 따라서 전력 전달 코일(126)의 저면에 더 가깝게 위치설정될 수 있다.
일부 예들에서, 축열체(130)의 질량은 축열체 용으로 선택된 재료의 열 용량에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 구리로 구성되는 축열체(130)는 알루미늄으로 구성된 축열체(130)보다 더 낮은 열 용량을 가질 수 있다. 이 경우, 구리로 형성된 축열체(130)의 질량은 알루미늄으로 형성된 축열체(130)의 질량보다 클 수 있다. 더 추가적인 실시예들에서, 금속 합금들이 사용될 수 있다. 더 추가적인 실시예들에서, 축열체(130)는 히트 싱킹 또는 열 분산 재료들에 의해 둘러싸인 물 또는 액체 코어와 같은, 상이한 재료들의 다수의 층들로 형성될 수 있으며, 그것의 하나의 예는 알루미늄이고, 은과 같은 열 전도성 재료로 도금된다. 이러한 방식으로, 축열체(130)의 외부 표면은, 열을 저장하도록 구성될 수 있는 축열체(130)의 내부 표면 내로 열을 전도할 수 있다는 것을, 당업자는 인식할 수 있다.
또한, 다수의 층들은 축열체(130)의 하나의 위치로부터 축열체(130)의 다른 위치로 열을 전달하는 것을 용이하게 할 수 있다. 다시 말하면, 축열체(130) 내의 또는 그 위의 상대적 열점은 축열체의 다른 부분들에 비해 냉각될 수 있다.
일부 실시예들에서, 열 경로들(도시되지 않음)은 계면 표면(106)과 같은 표면, 또는 유도 전력 전송기의 다른 표면들을 따라 위치설정될 수 있다. 예를 들어, 열 경로는 열 방산 경로를 촉진하기 위하여, 선택된 표면을 따라 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 경로는, 하우징(104a) 내에 또는 그 위에 형성된 금속 트레이스 또는 다른 금속 요소와 같은 열 전도성 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 경로는 열 전도성 및 전기 절연성 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 금속 필라멘트들, 입자들, 미립자(granule)들 또는 다른 금속 파편들로 도핑된 세라믹이, 열 경로를 형성하는 데 사용될 수 있다.
추가적인 실시예들은, 축열체(130)의 적어도 일부분이 또한 전자기 간섭 차폐부(132)의 적어도 일부분을 형성하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다이 캐스트 슬롯이 축열체(130) 내에서 크기가 정해져서, 기판(140) 상에 위치설정된 전기 회로 요소(142)가 그 아래에 위치설정되게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 축열체(130)는 전기 회로 요소(142)에 대한 전자기 차폐부로서 역할을 한다.
다른 실시예들에서, 축열체(130)는 또한 히트 싱크의 일부분을 포함하거나 또는 그것일 수 있다. 예를 들어, 기판은 열 페이스트(thermal paste)를 포함할 수 있는 열 계면(thermal interface)(144)의 하나 이상의 영역에 의해 축열체(130)에 열적으로 결합되어서, 기판(140)에 결합되거나 위치설정된 요소들에 의해 생성된 열이 축열체(130)로 안내되거나 그 내에서 방산될 수 있다. 이들 실시예에서, 유도 전력 전송기(104)에 의해 생성된 열 또는 계면 표면(106) 상에 배치된 유도 전력 수신기(102)에 의해 생성된 열은 축열체(130) 내에서 흡수되어, 적어도 케이블(108)을 통해 제어된 방식으로 방산될 수 있다.
도 4는 또한 전원 콘센트에 접속하기 위한 케이블(108)을 포함한다. 많은 경우들에서, 케이블(108)은 적어도 하나의 전도체 쌍, 및 적어도 하나의 전도체 쌍을 둘러싸도록 위치설정된 열 전도성 차폐층을 포함할 수 있다. 많은 실시예들에서, 전도성 차폐층은 축열체(130)에 열적으로 결합될 수 있다. 다른 경우들에서, 열 전도성 피복은 전도체 쌍들 및 열 전도성 차폐층을 둘러쌀 수 있으며, 열 전도성 피복은 열 전도성 차폐층에 열적으로 결합된다. 많은 경우들에서, 열 전도성 피복은 축열체(130)에 열적으로 결합될 수 있다.
많은 경우들에서, 케이블(108)의 열 전도성 차폐층은 금속으로 제조될 수 있고, 재료의 열 전도율에 대해 특별히 선택된 재료의 특정 두께를 가질 수 있다. 이들 및 관련된 경우들에서, 축열체(130) 내에 저장된 열은 축열체(130)로부터 케이블 내로 안전하게 그리고 효율적으로 전달될 수 있다.
도 5는 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 다른 예시적 구성의 단면이며, 이는 유도 전력 수신기(102)와 유도 전력 전송기(104) 사이의 공극(152)을 협력하여 정의하는 다수의 돌출 표면 특징부들(150)(예컨대, 리브(rib), 범프, 벽, 링 등)을 도시한다. 이 예에서, 표면 특징부들(150)은 선택된 거리에 의해 유도 전력 전송기(104)로부터 유도 전력 수신기(102)를 분리한다. 공극(152)은 유도 전력 전송기(104) 내로 유도 전력 수신기(102)에 의해 방사되거나, 또는 그로부터 다른 식으로 전달되는 열을 감소시킬 수 있으며; 일부 그러한 열은 공극(152) 내에서 방산될 수 있고/있거나 공극(152)은 그러한 방사를 방지할 수 있다는 것을, 당업자는 인식할 수 있다.
유도 전력 전송기(104)의 계면 표면 상에 존재하는 표면 특징부들(150)을 갖는 것으로 도시되었지만, 복수의 표면 특징부(150)는 또한 유도 전력 수신기(102)의 저면 상에 존재할 수 있다는 것을, 당업자는 인식할 수 있다. 다른 경우들에서, 표면 특징부들은 유도 전력 수신기(102) 및 유도 전력 전송기(104) 둘 모두의 표면을 따라 위치설정될 수 있다. 공극(152)이 특정 거리로 도시되어 있지만, 당업자는 임의의 적합한 거리가 고려된다는 것을 인식할 수 있다. 예를 들어, 공극(152)은 대략 수 마이크로미터일 수 있거나, 또는 다른 경우들에서, 공극(152)은 1 센티미터 이상일 수 있다. 당업자는 또한, 유도 전력 전송기(104)와 유도 전력 수신기(102) 사이의 전력 전달 효율이 공극(152)의 거리에 직접적으로 의존할 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
도 6은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1a의 시스템의 간략화된 단면이며, 이는 유도 전력 전달 장치와 연관된 축열체로의 복수의 예시적인 열 경로를 도시한다. 열 경로들은 유도 전력 수신기(102)에 의해 생성된 열을 유도 전력 전송기(104) 내로 그리고 그것으로부터 멀리 안내할 수 있다.
예를 들어, 그리고 전술한 바와 같이, 많은 실시예들의 유도 전력 수신기(102)는 프로세서, 메모리, 전원 및/또는 배터리, 네트워크 통신, 터치 센서, 입력 센서, 힘 센서, 환경 센서, 하나 이상의 디스플레이 스크린, 음향 요소, 입력/출력 포트, 촉각 요소, 유도 전력 수신기(102)의 작업들을 수행하고/하거나 조정하기 위한 디지털 및/또는 아날로그 회로부 등을, 하우징(102a) 내에 포함할 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 동작 중일 때 이들 요소 중 많은 것들이 열을 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 열은, 유도 전력 수신기(102) 내의 요소들 및 유도 전력 전달 인터페이스 자체의 동작 효율을 감소시킬 수 있다.
유도 전력 수신기(102) 내의 요소들 각각은 전기 전도성 재료들로 형성되고/되거나 전기 전도성 재료들로 형성된 전기 트레이스들에 결합될(또는 그에 인접할) 수 있기 때문에, 이들 전기 전도성 재료들 내에서 유도 전력 전달 인터페이스의 동작에 의해 유도된 와전류들의 결과로서 추가적 열을 생성하는 위험이 있을 수 있다.
또한, 특정 실시예들에서, 열점들은 유도 전력 전달 동안에 유도 전력 전송기(104)의 상부 표면을 따라 발생할 수 있다. 전송 및 전력 소모 코일들에 대한 열점들의 근접성으로 인해, 이들 열점들에서 온도는 증가할 수 있다. 많은 예들에서, 열점들은 유도 전력 전송기(104) 또는 유도 전력 수신기(102)를 동작시키는 사용자에게 바람직하지 않은 사용자 경험을 제공할 수 있다.
따라서, 예시의 간략화를 위해, 유도 전력 수신기(102) 내에 있거나 그와 연관된 모든 열 생성 또는 열 축적 요소들은, 총괄하여 도 6에서 열원(600)으로서 표현된다.
도시된 바와 같이, 여러 개의 가능한 열 경로들이 유도 전력 수신기(102)의 저면으로부터 유도 전력 전송기(104) 내로 열(예컨대, 열 에너지)을 안내하는 것으로 도시된다. 이러한 방식으로, 바람직하지 않은 열점들은 제거(또는 감소)될 수 있고, 유도 전력 수신기(102) 및 유도 전력 전달 인터페이스 둘 모두의 동작 효율은 증가할 수 있다.
열 에너지가 유도 전력 수신기(102)의 저면으로부터 멀리 안내되면, 그것은 축열체(130)로 효과적으로 저장되고/되거나 안내될 수 있으며, 축열체(130)는 높은 열 용량을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 축열체(130)는 유도 전력 수신기(102)로부터 멀리 열을 빠르게 안내해서, 그것이 주변 환경 내로 방사되거나, 유도 전력 수신기(102)의 유도 전력 전송기(104)로부터의 분리 시(예를 들어, 추후에) 방사되거나, 또는 유도 전력 수신기(102)로부터 다른 식으로 방사될 수 있을 때까지, 상기 열을 저장할 수 있다.
많은 예들에서, 열 경로들은 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 상면을 축열체(130)에 결합할 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 경로(602a)는 유도 전력 전송기(104) 자체의 하우징(104a) 내에 형성될 수 있다. 이들 예에서, 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)은 높은 열 전도성인 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)은 금속으로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)은 세라믹 재료로 형성될 수 있으며, 세라믹 재료는 세라믹 재료의 열 전도율을 증가시키기 위해 열 전도성 도펀트로 도핑될 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에 기재된 열 경로들은, 열이 전도되는 계면 영역 또는 계면 표면(106)과 같은 영역의 열 전도율보다 큰 열 전도율을 갖는다.
다른 실시예들에서, 열 경로(602b)는 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 내측 또는 외측 표면 상에 배치된 코팅 내에서 형성될 수 있다. 이 예들에서, 코팅은 높은 열 전도율을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 코팅은 금속 재료로 형성될 수 있다. 다른 예들에서, 코팅은 열 전도성 폴리머 또는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 더 추가적인 구현예들에서, 코팅을 위해 선택된 재료는, 코팅의 열 전도율을 증가시키기 위해 열 전도성 도펀트로 도핑될 수 있다.
많은 예들에서, 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 내측 또는 외측 표면 상의 코팅은 하우징(104a)의 외측 표면 및/또는 측벽들 전체를 덮도록 배치될 수 있다. 다른 예들에서, 코팅은 줄무늬들(stripes) 및/또는 물리적 열 경로들로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅은 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a) 용으로 선택된 재료와 미적으로 매칭되는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 실시예와 같은 일부 실시예들에서, 유도 전력 전송기(104)는 실질적으로 원통형(예를 들어, 디스크) 형상을 취할 수 있다. 이들 예에서, 코팅은 허브-스포크(hub-spoke) 구성으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 열 전도성 코팅은 하우징의 상면의 중심에서 시작되는 방사상 줄무늬들로 적용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 코팅은 다른 패턴으로 적용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 열 경로(602c)는 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 내측 표면 상에 배치된 코팅 내에서 형성될 수 있다. 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 외측 표면 상에 배치될 수 있는 코팅들과 마찬가지로, 열 경로(602)를 형성하는 코팅은 높은 열 전도율을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 코팅은 금속 재료로 형성될 수 있다. 다른 예들에서, 코팅은 열 전도성 폴리머 또는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 더 추가적인 구현예들에서, 코팅을 위해 선택된 재료는, 코팅의 열 전도율을 증가시키기 위해 열 전도성 도펀트로 도핑될 수 있다.
열 경로들(602b)을 정의할 수 있는 코팅들과 마찬가지로, 열 경로(602c)를 정의하는 코팅은 하우징의 내부 표면 및/또는 측벽들 전체를 덮도록 배치될 수 있다. 다른 예들에서, 코팅은 줄무늬들 및/또는 물리적 열 경로들로 형성될 수 있다. 열 경로들(602b)을 정의할 수 있는 코팅들과 마찬가지로, 열 경로(602c)를 정의하는 코팅은 허브-스포크 구성으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 열 전도성 코팅은 하우징(104a)의 상면의 중심에서 시작되는 방사상 줄무늬들로 적용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 코팅은 다른 패턴으로 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 열 경로들(602a, 602b, 602c)은 축열체(130) 내로 열을 안내하도록 구성될 수 있으며, 여기서 열은 일시적으로 축적될 수 있다. 열 경로들(602a, 602b, 602c)이 축열체(130)에 열적으로 결합되는 지점은, (일부 실시예들에서) 열점들(604a, 604b)이 발생하게 할 수 있다. 다른 실시예들에서, 축열체(130)를 형성하는 데 사용되는 재료(또는 재료들)의 열 용량 및 열 전도율은 열점들(604a, 604b)의 발생을 완화시킬 수 있다. 예를 들어, 축열체(130)가 높은 열 전도율을 갖는 재료로 형성되는 경우, 열점들(604a, 604b)은 발생하지 않을 수 있다.
열 경로들(602a, 602b, 602c)을 통해 (열점들(604a, 604b)을 통해) 축열체(130) 내로 전도된 열은 축열체(130)의 벌크(606) 내에 축적되어, 축열체(130)의 순 온도가 상승하게 할 수 있다. 많은 예들에서, 축열체(130) 용으로 선택된 재료(또는 재료들)의 열 용량은 유도 전력 전달 인터페이스의 추정된 최대 사용 시간에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 유도 전력 전달 인터페이스가 한 번에 1시간 이하 동안 동작할 것으로 예상되는 경우, 축열체(130)의 열 용량은 1시간 동안에 열원(600)에 의해 생성되는 열을 효과적으로 흡수, 축적, 및 저장하도록 선택될 수 있다.
다른 예들에서, 그리고 도시된 바와 같이, 축열체(130)의 벌크(606) 내에 축적된 열은 축열체의 저면으로부터 주위 환경으로 열 경로(608)를 통해 방사될 수 있다. 다른 예들에서, 축열체(130)에 의해 축적된 열은 축열체(130)의 하나 이상의 측벽을 통해 주위 환경으로 방사될 수 있다(도시되지 않음).
또한, 축열체(130)의 벌크(606) 내에 축적된 열은 케이블(108)을 통해 밖으로 방사될 수 있다. 이들 예에서, 축열체(130)는 케이블(108)의 하나 이상의 열 전도성 부분에 열적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 케이블(108)은, 그로부터 멀리 열 에너지를 안내하기 위해 축열체(130)에 결합될 수 있는 차폐 및/또는 접지 외피(108a)를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 축열체는 케이블(108) 내의 하나 이상의 와이어 또는 와이어 번들에 열적으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 축열체(130)는 케이블(108) 내의 접지 접속부에 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 축열체(130)는 전기적 불활성이지만 열 전도성인 요소(도시되지 않음)를 통해 전기적 활성인 와이어에 결합될 수 있다.
추가적인 실시예들에서, 축열체(130)는 유도 전력 전송기(104) 자체 내에서 생성된 열을 흡수 및 축적하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 열 경로(612)를 형성하기 위해 유도 전력 전송기(104)의 동작 컴포넌트들 아래에 열 페이스트가 배치될 수 있다.
또한, 많은 실시예들에서, 축열체(130)는, (도시된 바와 같이) 유도 전력 수신기(102) 및 열원(600)과 직접 접촉하는 계면 표면(106)으로부터 특정 거리만큼 떨어지게 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a) 내에 배치될 수 있다. 축열체(130) 및 유도 전력 수신기(102)의 저면의 물리적 분리는, 축열체(130)로부터의 열이 유도 전력 수신기(102)로부터 멀리 방사하는 것을 용이하게 할 수 있다. 따라서 그리고 보다 일반적으로, 열 경로들(예를 들어, 열 경로들(602a, 602b, 602c))은 상부 부분(104b) 또는 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 다른 부분 내에 통합될 수 있다.
언급한 바와 같이, 하우징(104a)은 제1 열 컨덕턴스를 갖는 제1 재료로 제조될 수 있으며, 열 경로는 제2 열 컨덕턴스를 갖는 제2 재료로 제조될 수 있다. 다른 예들에서, 하우징(104a) 및 열 경로들은 동일한 재료로 제조될 수 있다. 예로서, 하우징(104a)은 세라믹 재료로 제조될 수 있고, 열 경로들은 금속 필라멘트들로 도핑된 세라믹 또는 플라스틱 재료로 제조될 수 있다. 많은 경우들에서, 금속 필라멘트들은 그것들의 열 전도율로 선택될 수 있다. 도펀트로 사용되는 금속 필라멘트들은 열 경로의 열 전도율을 증가시킬 수 있지만, 또한 그 내부에 형성되는 와전류들로 인한 효율성 손실들의 위험을 증가시킬 수 있다. 이들 예에서, 금속 필라멘트들은 와전류들이 형성될 가능성이 낮거나, 또는 형성되지 않도록 크기가 정해질 수 있다. 대안적 실시예들에서, 금속 필라멘트들을 포함하는 열 경로들은 특히 선택된 기하학적 구조(예를 들어, 사형 패턴, 스포크-및-허브 패턴, 해치 패턴, 격자 패턴 등)로 배치될 수 있다. 열 경로들의 선택된 기하학적 구조는 와전류들이 발생할 가능성을 감소 또는 제거하도록 선택될 수 있다.
일부 추가적인 실시예들은 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 주위를 감싸는 열 경로들을 포함한다. 예를 들어, 열 경로는 유도 전력 수신기(102)의 열점으로부터 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 외측 에지들로 열을 분산시키도록 정의될 수 있다. 이들 예에서, 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)의 표면적이 열점 자체의 표면적보다 크기 때문에, 열은 더 효율적으로 방산될 수 있다.
많은 실시예들에서, 열 경로들은 유도 전력 전송기(104)의 계면 영역으로부터 축열체를 향해 열을 안내할 수 있다.
더 추가적인 실시예들에서, 열 경로들은 계면 영역으로부터 케이블(108) 내로 열을 안내할 수 있다. 이러한 실시예에서, 케이블(108) 및 열 전도성 차폐층은, 유도 전력 전송기(104)의 하우징(104a)에 열적으로 결합되는 적어도 하나의 전도체 쌍을 둘러싸도록 위치설정된다. 이러한 방식으로, 케이블(108)의 열 전도성 차폐는 추가적인 또는 대안적인 열 경로로서 기능할 수 있다. 다시 말하면, 계면 영역에서 생성된 열은 열 경로들에 의해 축열체(130) 또는 케이블(108) 내로 안내할 수 있다. 이러한 방식으로, 케이블(108)은 유도 전력 전송기(104)로부터 멀리 열을 안내하도록 구성될 수 있다.
도 7은 단면(A-A)을 따라 취한 도 1의 시스템의 예시적 구성에 관련된 단면이며, 이는 열적으로 결합하는 열 비아(700)의 형태를 취하고 그들 사이에 열 경로(702)를 형성하는 열 경로, 유도 전력 전송기(104)의 상부 부분 또는 표면 및 그 아래에 위치설정되는 축열체(130)를 도시한다.
본 개시내용에서, 개시된 방법들은 디바이스에 의해 판독가능한 명령어들의 세트들 또는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 또한, 개시된 방법들에서 단계들의 특정 순서 또는 계층은 예시적인 접근법들의 예들임이 이해된다. 일부 실시예들에서, 방법에서 단계들의 특정 순서 또는 계층은 개시된 요지 내에 남아있으면서 재배열될 수 있다. 첨부된 방법 청구항들은 예시적인 순서로 다양한 단계들의 요소들을 나타내며, 나타낸 특정 순서 또는 계층으로 반드시 제한되는 것을 의미하지는 않는다.
전술한 설명은, 설명의 목적을 위해, 기술된 실시예들의 충분한 이해를 제공하도록 특정 명명법을 사용하였다. 그러나, 특정 상세 사항들이 기재된 실시예들을 실시하는 데 필수적이지는 않다는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서에 기재된 특정 실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제공된다. 이들은 망라하고자 하거나 실시예들을 개시된 정확한 형태들로 제한하려고 하는 것은 아니다. 상기 교시 내용에 비추어 많은 수정들 및 변형들이 가능하다는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.
Claims (23)
- 충전 장치로서,
계면 표면(interface surface)을 정의하는 하우징;
상기 하우징 내의 전원;
상기 전원에 결합되고 상기 계면 표면 아래에 위치설정되는 전력 전달 코일;
상기 하우징 내에 있으며 상기 계면 표면으로부터 이격된 축열체(thermal mass); 및
상기 계면 표면으로부터 상기 축열체로 열을 전도하도록 구성된 열 경로(thermal path)를 포함하는, 충전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 하우징에 부착된 케이블을 추가로 포함하며, 상기 케이블은,
전도체 쌍; 및
상기 전도체 쌍을 둘러싸는 열 전도성 차폐층을 포함하고, 상기 전도성 차폐층은 상기 축열체에 열적으로 결합되는, 충전 장치. - 제2항에 있어서,
상기 케이블은 상기 전도체 쌍 및 상기 열 전도성 차폐층을 둘러싸는 열 전도성 피복(sheath)을 추가로 포함하며,
상기 열 전도성 피복은 상기 열 전도성 차폐층에 열적으로 결합되는, 충전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 계면 표면은 외부 전력 소모 장치의 표면과 맞물리도록 구성되고,
상기 전력 전달 코일은 상기 외부 전력 소모 장치의 전력 소모 코일과 유도적으로 결합하도록 구성되는, 충전 장치. - 제4항에 있어서, 상기 계면 표면은 상기 외부 전력 소모 장치로부터 상기 열 경로로 열을 안내하도록 구성되는, 충전 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 계면 표면은 상기 외부 전력 소모 장치의 상기 표면과 맞물리도록 구성된 표면 특징부를 포함하는, 충전 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 표면 특징부는 축방향 대칭인 곡선형 오목부(curved indentation)를 포함하는, 충전 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 표면 특징부는 상기 계면 표면과 상기 외부 전력 소모 장치의 상기 표면 사이에 공극을 제공하도록 구성된 리브 특징부(rib feature)를 포함하고;
상기 공극은 상기 충전 장치로부터 상기 외부 전력 소모 장치로 전달되는 것으로부터의 열량(amount of heat)을 감소시키도록 구성되는, 충전 장치. - 제4항에 있어서, 상기 열 경로는 하나 이상의 열 비아(thermal via)를 포함하는, 충전 장치.
- 유도 전력 전달 장치로서,
하우징 - 상기 하우징은,
제1 열 전도율을 갖는 계면 표면을 정의하는 상부 부분;
축열체를 포함하는 베이스 부분; 및
상기 계면 표면과 상기 축열체를 열적으로 결합하고 상기 제1 열 전도율보다 큰 제2 열 전도율를 갖는 열 경로를 포함함 -;
상기 하우징 내의 전원; 및
상기 전원에 결합되고 상기 계면 표면 아래에 위치설정되는 전력 전달 코일을 포함하는, 유도 전력 전달 장치. - 제10항에 있어서, 상기 열 경로는 상기 계면 표면으로부터 상기 축열체로 연장되는 열 비아를 포함하는, 유도 전력 전달 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 열 경로는 금속, 열 전도성 재료로 도핑된 폴리머, 또는 상기 열 전도성 재료로 도핑된 세라믹 중 하나로 형성되는, 유도 전력 전달 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 축열체의 적어도 일부분은 전자기 간섭 차폐부인, 유도 전력 전달 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 상부 부분은 전기 절연성 및 열 전도성 재료를 포함하는, 유도 전력 전달 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 상부 부분은 열 전도성 금속 필라멘트들로 도핑된 플라스틱을 포함하는, 유도 전력 전달 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 축열체의 적어도 일부분은 상기 하우징 내에 배치된 컴포넌트를 위한 히트 싱크를 추가로 포함하는, 유도 전력 전달 장치.
- 제10항에 있어서, 선택된 온도 임계치에 도달된다고 결정할 시 상기 전력 전달 코일로의 전류를 중단하도록 구성되는 처리 유닛을 추가로 포함하는, 유도 전력 전달 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 전력 전달 코일은 구리 합금 재료, 은 합금 재료, 또는 구리-은 합금 재료 중 하나 이상을 포함하는 재료로 형성되는, 유도 전력 전달 장치.
- 유도 전력 전달 장치의 온도를 관리하기 위한 방법으로서,
상기 유도 전력 전달 장치의 계면 표면에서, 상기 계면 표면에 근접하게 위치설정된 액세서리로부터 열을 수용하는 단계;
상기 계면 표면에서 수용된 상기 열을 적어도 하나의 열 경로를 통해 축열체로 안내하는 단계; 및
상기 축열체 내의 열을, 전원 콘센트(power outlet)에 접속하기 위한 케이블로 안내하는 단계 - 상기 케이블은 열 전도성 층을 포함함 - 를 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서, 상기 축열체 내의 상기 열을 상기 케이블로 안내하는 단계는 상기 케이블의 전도체 쌍을 둘러싸는 전기 전도성 층으로 열을 안내하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 액세서리로부터 상기 열을 수용하는 단계는,
상기 액세서리를 상기 계면 표면과 접촉하도록 정렬하는 단계;
상기 액세서리에 유도 전력을 전송하는 단계; 및
상기 액세서리 내에서 생성된 열을 수용하는 단계 - 상기 열은 상기 유도 전력을 전송한 결과임 - 를 포함하는, 방법. - 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 경로를 통해 상기 축열체로 열을 안내하는 단계는, 상기 유도 전력을 전송한 결과로서 상기 장치 내에서 생성된 열을 상기 축열체로 안내하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 액세서리로부터 열을 수용하는 단계는,
상기 계면 표면의 축을 따라 상기 액세서리를 정렬하는 단계 - 상기 액세서리는 공극에 의해 상기 계면 표면의 상기 표면으로부터 분리됨 -;
상기 액세서리에 유도 전력을 전송하는 단계; 및
상기 액세서리 내에서 생성된 열을 수용하는 단계 - 상기 열은 유도 전력을 전송한 결과임 - 를 포함하며,
상기 공극은 상기 유도 전력 전달 장치로부터 상기 액세서리로의 열의 전달을 억제하는, 방법.
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