KR20160118907A - 무선 전력 수신 장치 및 그를 이용한 무선 충전 시스템 - Google Patents

무선 전력 수신 장치 및 그를 이용한 무선 충전 시스템 Download PDF

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KR20160118907A
KR20160118907A KR1020150125054A KR20150125054A KR20160118907A KR 20160118907 A KR20160118907 A KR 20160118907A KR 1020150125054 A KR1020150125054 A KR 1020150125054A KR 20150125054 A KR20150125054 A KR 20150125054A KR 20160118907 A KR20160118907 A KR 20160118907A
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resonator
capacitor
variable
unit
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KR1020150125054A
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조상호
성재석
박철균
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삼성전기주식회사
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    • H02J17/00—
    • H02J7/025—

Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 무선 전력 수신 장치는 가변 공진기를 포함하는 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신받는다. 상기 무선 전력 수신 장치는, 상기 가변 공진기와 자기적으로 결합하여 무선으로 전력을 수신하는 수신 공진기 및 상기 수신 공진부의 출력을 정류하는 정류부를 포함한다. 상기 수신 공진기는 하나의 인덕터로 구성된다.

Description

무선 전력 수신 장치 및 그를 이용한 무선 충전 시스템 {APPARATUS FOR RECEIVING POWER WIRELESSLY AND WIRELESS CHARGING SYSTEM USING THE SAME}
무선 전력 수신 장치 및 그를 이용한 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
무선 기술의 발전에 따라, 무선 기술은 데이터뿐만 아니라 전력까지 전송하는 등 다양하게 발전되고 있다. 특히, 최근에는 비 접촉 상태에서도 전자 기기에 전력 충전이 가능한 무선 전력 충전 기술이 개발되고 있다.
무선으로 전력을 송신 또는 수신하기 위해서, 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치는 공진기를 이용하여 전기적 또는 자기적으로 결합하여 무선으로 전력을 공급한다. 이러한 공진기는 코일과 커패시터를 포함하여 구성된다.
그러나, 일반적인 공진기는 코일과 커패시터가 필수적으로 요구되며, 그러한 코일 및 커패시터를 위한 소정 이상의 공간이 필요하게 된다. 그로 인하여 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치의 부피가 일정 이상으로 커지게 된다.
특히, 무선 전력 수신 장치는 전자 기기 등에 내포되므로, 종래의 공진기를 사용하는 무선 전력 수신 장치나 이러한 무선 전력 수신 장치가 적용되는 전자 기기는 일정 이상의 부피가 요구되는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제2013-0087708호 한국 공개특허공보 제2012-0125659호
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은, 무선 전력 수신 장치의 크기를 소형화 할 수 있고, 다양한 전자기기에서도 효율적으로 충전이 가능한 무선 충전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 기술적 측면은 무선 전력 수신 장치를 제안한다. 상기 무선 전력 수신 장치는 가변 공진기를 포함하는 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신받는다. 상기 무선 전력 수신 장치는, 상기 가변 공진기와 자기적으로 결합하여 무선으로 전력을 수신하는 수신 공진기 및 상기 수신 공진부의 출력을 정류하는 정류부를 포함한다. 상기 수신 공진기는 하나의 인덕터로 구성된다.
본 발명의 다른 일 기술적 측면은 무선 충전 시스템을 제안한다. 상기 무선 충전 시스템은, 하나의 인덕터로 구성된 수신 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치 및 상기 수신 공진기와 자기적으로 결합하는 가변 공진기를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 포함한다. 상기 무선 전력 송신 장치는 상기 수신 공진기에 대응하여 상기 가변 공진기의 커패시턴스를 변경한다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 전력 수신 장치는, 무선 전력 수신 장치의 크기를 소형화 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 무선 충전 시스템은 다양한 전자기기에서도 무선 충전의 효율성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 회로도이다.
도 8은 무선 전력 전송 중에 모듈레이션이 적용된 무선 전력 파형을 도시하는 그래프이다.
도 9는 전압 이득과 스위칭 주파수의 관계를 도시하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 송신 장치(100)에 인접하여, 무선 전력 송신 장치(100)와 자기적으로 결합-예컨대, 자기 공명이나 자기 유도-하여 무선으로 전력을 수신할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)는 수신한 전력을 전자 기기(300)에 제공할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(200)는 전자 기기(300) 내에 일 구성으로서 존재하거나, 또는 전자 기기(300)에 연결되는 별도의 장치일 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)는 소형 또는 박형으로 구현될 수 있다. 예컨대, 도시된 예와 같이 전자 기기(300)가 웨어러블 기기이면, 그러한 소형의 전자 기기 내에 구현되어야 하므로 무선 전력 수신 장치(200)는 소형화되어야 한다. 또는 전자 기기(300)가 도시된 웨어러블 기기가 아닌 다른 전자 기기이더라도, 무선 전력 수신 장치(200)에 대하여 소형화의 니즈가 있다.
또한, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 송신 장치(100)와 다양한 각도를 가지도록 무선 전력 송신 장치(100)에 거치될 수 있다. 도시된 예에서, 웨어러블 기기(300)의 몸체는 무선 전력 송신 장치(100)와 수직에 가까운 각도로 거치되어 있음을 알 수 있다.
따라서, 무선 전력 송신 장치(100)는 다양한 거치 상태에서도, 또한 소형으로 구현되어, 충전 상황의 변화에 적응적으로 전력을 수신할 수 있다.
이하 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(100)는 전원 공급부(110), 송전부(120), 송신 공진부(130), 검출부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(110)는 외부에서 입력되는 전원을 이용하여, 소정 레벨의 전력을 생성할 수 있다. 전원 공급부(110)에서 생성된 상기 전력은 송전부(120)로 입력된다.
송전부(120)는 전원 공급부(110)에서 제공된 상기 전력을 이용하여 송신 공진부(130)를 동작시켜, 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
송전부(120)는 적어도 하나의 스위치 소자를 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 스위치 소자에 대한 스위칭 동작에 따라 송신 공진부(130)에 제공되는 전력을 조절할 수 있다.
송신 공진부(130)는 가변 공진기를 포함할 수 있다. 가변 공진기는 무선 전력 수신 장치의 공진기와 자기적으로 결합하여 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
가변 공진기는 가변 커패시터를 포함할 수 있다. 즉, 송신 공진부(130)의 커패시턴스는 가변되도록 제어될 수 있다. 따라서, 송신 공진부(130)는 이러한 가변적인 커패시턴스에 대응하여 공진 주파수를 가변적으로 설정할 수 있다.
가변 공진기는 가변적인 커패시턴스를 제공할 수 있으므로, 송신 공진부(130)는 무선 전력 수신 장치의 종류, 요구 출력, 거리, 위치의 변화 등이 발생하더라도, 커패시턴스를 가변시킴으로서 적응적으로 무선 전력 수신 장치에 대한 공진 주파수를 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 전력 수신 장치의 공진 회로는 커패시터 없이 인덕터만으로 구성될 수 있으며, 이러한 실시예에서도 송신 공진부(130)는 무선 전력 수신 장치와의 전력 전송의 효율이 높아지도록 커패시턴스를 변경할 수 있다.
또는, 무선 전력 수신 장치의 위치가 가변되거나 또는 송신 공진부(130)와 무선 전력 수신 장치의 대향하는 각도가 일부 비틀어지는 등의 경우에도, 송신 공진부(130)는 그에 적응적으로 전력 전송의 효율이 높아지도록 커패시턴스를 변경할 수 있다.
검출부(140)는 송전부(130)에서 전류 또는 전압을 검출하여 제어부(150)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 검출부(140)는 송신 공진부(130)의 전압 또는 전류를 검출하도록 변형 실시될 수도 있다.
제어부(150)는 검출부(140)에서 검출된 전류 또는 전압을 기초로, 전원 공급부(110) 또는 송전부(120)를 제어하여 무선으로 전력을 전송하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(100)는 전원 공급부(110), 송전부(120), 송신 공진부(130), 검출부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전원 공급부(110)는 직류 전압을 입력받아 소정 레벨의 직류 전압을 출력하는 직류-직류 변환 회로를 포함할 수 있다.
도시된 전원 공급부(110)는 인덕터(L), 제1 스위치(Q1), 다이오드(D) 및 커패시터(C)를 포함하는 승압형 DC/DC 컨버터이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 강압형 DC/DC 컨버터와 같은 다양한 종류의 DC/DC 컨버터가 대체 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 전원 공급부(110)에서 출력되는 직류 전압의 레벨은 부하의 요구 전력에 의하여 결정될 수 있다.
상술한 부하의 요구 전력은 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 수행하는 인 밴드 방식의 통신을 이용하여 무선 전력 수신 장치로부터 수신할 수 있다.
즉, 송신 공진부와 수신 공진부 사이에 형성되는 무선 전력 신호는 자기장 또는 전자기장 내에서 폐루프를 형성하므로, 무선 전력 수신 장치가 무선 전력 신호를 수신하는 중에 무선 전력 신호를 변조하는 경우 무선 전력 송신 장치(100)는 변조된 무선 신호를 감지할 수 있다. 이러한 선 전력 송신 장치(100)의 변조에 대해서는 도 6 내지 도 7을 참조하여 후술한다.
무선 전력 송신 장치(100)는 변조된 무선 신호를 복조하여 부하의 요구 전력을 포함하는 커맨드를 알 수 있다. 예를 들어, 검출부(140)는 송신 공진부(130)의 전압을 검출하고, 제어부(150)는 전압에 나타난 파형의 변화에 대하여 복조하여, 무선 신호에서 상기 커맨드를 확인할 수 있다.
상기 커맨드는 무선 충전 표준인 WPC(Wireless Power Consortium), PMA(Power Matters Alliance)에 따라 다르게 설정될 수 있다. 확인된 커맨드에 따라 제어부(150)는 제1 스위치(Q1)의 듀티를 가변시켜 입력 전압(Vin)의 레벨을 가변시킬 수 있다.
송전부(120)는 전원 공급부(110)의 출력 전압을 무선 전력 전송에 적합한 형태-예를 들어, 교류 전압-로 변환할 수 있다.
도시된 송전부(120)는 2개의 스위치(Q2, Q3)가 직렬 연결된 하프 브리지 인버터이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 송전부(120)는 풀 브리지 인버터와 같은 다른 타입의 인버터도 사용될 수 있다. 그리고 이들의 제어를 위해 일반적으로 널리 알려진 고정 주파수 방식, 가변 주파수 방식, 시비율 변조 방식, 위상 천이 방식 등이 사용될 수 있다.
송신 공진부(130)는 송전부(120)에서 제공된 교류 전압에 의하여, 무선 전력 수신 장치의 공진 회로와 자기적으로 결합할 수 있다.
송신 공진부(130)는 가변 공진기를 포함할 수 있다. 가변 공진기는 인덕터(Lr)와 가변 커패시터(131)로 구성될 수 있다. 따라서, 가변 커패시터(131)가 가변됨에 따라, 송신 공진부(130)의 전압 이득이 조절될 수 있다.
가변 커패시터(131)는 메인 커패시터(C)와, 메인 커패시터(C)에 병렬 연결된 복수의 보조 커패시터(C1 내지 C3) 및 복수의 보조 커패시터(C1 내지 C3) 각각에 직렬 연결된 복수의 스위치들(SW1 내지 SW3)을 포함할 수 있다.
검출부(140)는 비교기(141)를 포함할 수 있다. 비교기(141)는 송전부(120)의 입력 전압(Vinv)과 미리 설정된 전압 임계값(Vlimit_n)을 비교한 후, 그 비교 결과를 제어부(150)로 전달할 수 있다.
제어부(150)는 전원 공급부(110) 또는 송전부(120)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(150)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛을 포함할 수 있다. 실시예에 따라 제어부(150)는 메모리(1120)를 더 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
이하에서는, 제어부(150)에서 수행되는, 무선 전력 수신 장치에 적응적으로 공진 주파수를 조절하는 제어 방식에 대하여 설명한다.
제어부(150)는 송전부(120)의 입력 전압의 크기를 가변시킬 수 있다.
예를 들어, 큰 전압 이득이 필요한 경우 -예컨대, 웨어러블 기기에 포함된 무선 전력 수신장치와 송전부(120)의 각도가 커지거나 양자가 멀리 이격되어 있는 경우-에는, 송전부(120)의 입력 전압의 크기를 증가하거나 감소하여
다른 예를 들어, 작은 전압 이득이 필요한 경우 -예컨대, 웨어러블 기기에 포함된 무선 전력 수신장치와 송전부(120)와의 각도가 작거나 양자가 가까운 거리에 있는 경우-에는 송전부(120)의 입력 전압의 크기를 감소시킨다.
무선 전력 송수신 장치에서 충전 환경의 변화 등에 따라 전압 이득 곡선이 변하게 되면, 그에 따라 공진 주파수에서의 전압 이득이 변경된다. 이를 도식화하면 도 9의 그래프와 같다.
전압 이득(G)은 하기와 같은 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, G는 전압 이득, Vinv는 송전부(120)의 입력 전압, Vo는 무선 전력 수신 장치의 정류부(220, 도4에 도시됨)의 출력 전압이다.
도 9에서 알 수 있듯이, 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)가 동일한 스위칭 주파수 f1(여기서, 스위칭 주파수 f1은 송전부(120)의 스위칭 주파수에 해당함)로 동작한다고 가정할 경우, 공진 주파수가 높을수록 더 큰 전압 이득(G1)을 얻을 수 있으며, 공진 주파수가 낮을수록 더 작은 전압 이득(G2)을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한, 수학식 1에 도시된 바와 같이, 전압 이득(G)은 송전부(120)의 입력 전압(Vinv)과 무선 전력 수신 장치(300)의 정류부(320)의 출력 전압(Vo)의 비로 정의된다. 따라서, 전압 이득(G)을 적절히 가변시킬 경우 동일한 입력 전압(Vinv)으로 높은 출력 전압(Vo)을 얻을 수 있다. 상술한 전압 이득(G)은 후술하는 바와 같이 송신 공진부(230)의 커패시턴스를 조절함에 의해 가별될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 무선 전력 송신 장치(100)의 공진 주파수를 가변시킴으로써, 전압 이득을 조절하여 무선으로 전송되는 전력의 양을 조절할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 비교기(141)는 송전부(120)의 입력 전압(Vinv)과 미리 설정된 전압 임계값(Vlimit_n)을 비교한 후, 그 비교 결과를 제어부(150)로 전달할 수 있다.
제어부(150)는 비교기(141)의 비교 결과에 따라 가변 커패시터(131)의 커패시턴스를 조절할 수 있다. 비교기(141)의 상기 전압 임계값(Vlimit_n)은 상한 전압 임계값과 하한 전압 임계값을 포함할 수 있다.
제어부(150)는 송전부(120)의 입력 전압(Vinv)이 상한 전압 임계값과 하한 전압 임계값 사이의 값인 경우에는 커패시턴스를 조절하지 않을 수 있다.
송전부(120)의 입력 전압(Vinv)이 상한 전압 임계값을 초과할 경우, 제어부(150)는 가변 커패시터(131)의 커패시턴스를 감소시킬 수 있다.
즉, 입력 전압(Vinv)이 상한 전압 임계값을 초과하는 것은 부하의 요구 전력이 점진적으로 증가되는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 제어부(150)는 송전부(120)의 입력 전압(Vinv)이 상한 전압 임계값을 초과하는 시점에서 복수의 보조 커패시터(C1 내지 C3) 각각에 직렬 연결된 복수의 스위치들(SW1 내지 SW3)(SW1 내지 SW3는 턴온 상태이라 가정함)을 순차로 턴 오프시킴으로써, 커패시턴스를 단계적으로 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 공진 주파수는 점진적으로 증가되므로, 전압 이득이 단계적으로 증가될 수 있다.
반면, 송전부(120)의 입력 전압(Vinv)이 하한 전압 임계값 미만으로 변화하면, 제어부(150)는 가변 커패시터(131)의 커패시턴스를 증가시킬 수 있다. 즉, 입력 전압(Vinv)이 하한 전압 임계값 미만으로 변화하는 것은, 부하의 요구 전력이 점진적으로 감소되는 것에 해당할 수 있다. 따라서, 제어부(150)는 송전부(120)의 입력 전압(Vinv)이 하한 전압 임계값(Vupper_limit) 미만으로 되는 시점에서 복수의 보조 커패시터(C1 내지 C3) 각각에 직렬 연결된 복수의 스위치들(SW1 내지 SW3)(SW1 내지 SW3는 턴 오프 상태이라 가정함)을 순차로 턴 온시킴으로써, 커패시턴스를 단계적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라 공진 주파수가 감소되므로, 전압 이득이 단계적으로 감소될 수 있다.
상술한 제어부(150)의 일 제어 동작에서, 무선 전력 송신 장치(100)는 동일한 스위칭 주파수에서 송신 공진부(130)의 공진 주파수를 가변시킬 수 있다. 이에 따라, 전압 이득을 조절할 수 있다.
제어부(150)는 수신 공진기에 대응하여 상기 가변 공진기의 커패시턴스를 변경하도록 제어할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신 장치는 공진 커패시터가 없이 공진 인덕터 만으로 구성된 공진 회로를 포함할 수 있다. 이러한 경우에도, 제어부(150)는, 상술한 바와 같이, 무선 전력 수신 장치의 공진 회로에 적응적으로 가변 공진기의 커패시턴스를 가변하여 공진 주파수를 조절할 수 있다.
상술한 제어부(150)의 일 제어 동작은 무선 전력 송신 장치(100)의 부하 전력에 따라 전압 이득을 적응적으로 조정하는 예를 설명하였으나, 이는 부하 전력의 변화에만 한정되는 사항이 아니다. 즉, 상술한 제어 동작은, 부하 전력의 변화가 아닌, 무선 전력 수신 장치 내의 공진 회로의 구성이 다른 경우에도 적응적으로 전압 이득을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 전력 송신 장치(100)는 위치 확인용 공진 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다. 위치 확인용 공진 회로는 무선 전력 수신 장치 측의 위치 확인 공진 회로와 공진하는 회로로서, 위치 확인용 공진 회로를 이용하여 무선 전력 수신 장치와 무선 전력 송신 장치 간의 상대적인 위치를 확인할 수 있다.
이상에서, 무선 전력 수신 장치는 송전부(120)의 입력 전압을 이용하여 가변 공진기의 커패시턴스를 조절하는 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나 실시예에 따라, 무선 전력 수신 장치는 송전부(120)의 주파수를 가변시켜 가변 공진기의 커패시턴스를 조절하도록 변형 실시될 수도 있다.
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 무선 전력 수신 장치의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 수신 공진부(210), 정류부(220)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 무선 전력 수신 장치(200)는 변환부(230) 또는 제어부(240)를 더 포함할 수 있다.
수신 공진부(210)는 인덕터로 구성된 공진 회로를 포함할 수 있다. 공진 회로는 무선 전력 송신 장치의 공진 회로와 자기적으로 결합하여 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
공진 회로는 공진 인덕터으로 구성될 수 있으며, 따라서, 공진 회로는 커패시터를 포함하지 않을 수 있다. 이에 대해서는 도 5를 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.
정류부(220)는 수신 공진부(210)에서 수신된 전력을 정류할 수 있고, 변환부(230)는 정류된 전력을 부하에서 요구하는 레벨로 변환할 수 있다.
제어부(240)는 변환부(230)의 동작을 제어하여, 전력을 무선으로 수신하도록 하거나 또는 수신된 전력을 변환하여 부하에 제공하도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 수신 공진부(210) 및 정류부(220)를 포함할 수 있다.
수신 공진부(210)는 공진 회로(211)를 포함할 수 있다.
공진 회로(211)는 공진 인덕터(L1)으로 구성될 수 있다. 즉, 공진 회로(211)는 커패시터를 포함하지 않을 수 있다.
종래의 경우, 공진 회로는 공진 인덕터와 공진 커패시터로 구성된다. 그러나 무선 전력 수신 장치가 적용된 전자 기기가 웨어러블 기기와 같이 소형화가 요구되는 장치인 경우, 무선 전력 수신 장치의 소형화가 필수적으로 요구된다. 그에 따라, 종래에는 대용량의 공진 커패시터를 사용하거나, 또는 이를 대체하여 소형의 공진 커패시터를 복수개 (실시 형태에 따라 10개에서 12개 이상) 사용하여야만 하였다. 이로 인하여, 종래의 공진 회로는 공간적인 요구 사항 외에도 설계가 복잡해지고 가격이 상승하는 등의 문제가 존재하였다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는, 커패시터를 제거하여 공진 인덕터(L1)으로 구성된 공진 회로(211)를 사용함으로써, 무선 전력 수신 장치를 소형화 할 수 있다. 또한, 공진 회로(211)의 소형화 및 박형화에 따라 회로의 설계가 간단하고 가격이 저렴해지는 효과를 가질 수 있다.
공진 회로(211)는 공진 인덕터(L1)로 구성되나, 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 무선 전력 송신 장치(100, 도 3에 개시됨)는 가변적인 전압 이득을 제공하여 안정적으로 전력을 전송할 수 있으므로, 공진 인덕터(L1)로 구성되는 공진 회로(211)로도 전력을 효과적으로 수신할 수 있다. 이는, 공진 회로(211)가 전류형 컨버터의 일종으로서 동작함으로써 커패시터가 없는 공진 회로(211)로도 전력을 효과적으로 수신할 수 있기 때문이다.
본 발명과 같이 공진 인덕터(L1)로 구성되는 공진 회로(211)는 전력 전송의 효율이, 공진 인덕터와 공진 커패시터로 구성되는 종래의 공진 회로보다 뛰어나다.
일 실시예에서, 수신 공진부(210)는 위치 확인용 커패시터(C1)를 더 포함할 수 있다.
위치 확인용 커패시터(C1)는 무선 전력 송신 장치의 공진 회로의 위치를 확인하기 위하여 사용되는 커패시터이다. 즉, 공진 인덕터(L1)와 위치 확인용 커패시터(C1)는 위치 확인을 위한 공진 회로를 구성하고, 이러한 공진 회로는 무선 전력 송신 장치의 위치 확인용 공진 회로와 공진하여 상호 간의 위치를 확인할 수 있다. 따라서, 위치 확인용 커패시터(C1)는 전력 전송에 사용되는 것은 아니다.
정류부(220)는 수신 공진부(210)에서 수신된 전력을 정류할 수 있고, 정류된 전력은 출력 커패시터(C2)에 저장되었다가 부하(R1)로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 무선 전력 수신 장치(200)는 수신 공진부의 공진 전류를 조절하여, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치의 자기적인 결합에 모듈레이션 데이터를 싣는 모듈레이터를 더 포함할 수 있다.
이러한 실시예에 대해서는, 도 6 내지 도 7을 더 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 회로도이다. 도 6에 도시된 다른 일 실시예는 공진 회로를 이용하여 인 밴드 방식의 용량성 모듈레이션을 통하여 정보를 무선 전력 전송 장치에 전송할 수 있는 실시예에 관한 것이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 수신 공진부(210), 정류부(220) 및 용량성 모듈레이터(250)를 포함할 수 있다.
용량성 모듈레이터(250)는 수신 공진기(211)에 연결된 적어도 하나의 커패시터를 포함한다. 용량성 모듈레이터(250)는 상기 적어도 하나의 커패시터에 대하여 스위칭 동작을 수행하여, 무선 전력 송신 장치의 가변 공진기와 상기 수신 공진기(211) 간의 자기적인 결합에 모듈레이션 데이터를 싣을 수 있다.
도시된 예에서, 용량성 모듈레이터(250)는, 일단이 상기 수신 공진기(211)의 일단에 연결되는 커패시터(C2), 일단이 상기 커패시터(C2)의 타단에 연결되고 타단은 접지되는 제1 스위치(SW1), 일단이 상기 수신 공진기(211)의 타단에 연결되는 커패시터(C3) 및 일단이 상기 커패시터(C3)의 타단에 연결되고, 타단은 접지되는 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다.
도시된 예에서는 용량성 모듈레이터(250)는 한 쌍의 커패시터(C2, C3) 및 한 쌍의 스위치(SW1, SW2)로 구성되었으나, 이는 예시적인 것이므로 커패시터 및 스위치의 개수는 변형 실시될 수 있다.
제어부(미도시)는 스위치(SW1, SW2)의 스위칭을 조절하여 공진 전류를 이용하여 모듈레이션 데이터를 무선 전력 송신 장치에 제공할 수 있다. 이러한 모듈레이션 데이터는 부하의 상태 정보나 용량 정보, 요구 전압 이득 등의 다양한 정보를 포함할 수 있다.
수신 공진부(210), 정류부(220), 출력 커패시터(C2)와 부하(R1)에 대해서는 도 5에서 상술한 바로부터 이해할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시하는 회로도이다. 도 7에 도시된 다른 일 실시예는 공진 회로를 이용하여 인 밴드 방식의 저항성 모듈레이션을 통하여 정보를 전송할 수 있는 실시예에 관한 것이다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 수신 공진부(210), 정류부(220) 및 저항성 모듈레이터(260)를 포함할 수 있다.
저항성 모듈레이터(260)는 정류부(220)에 병렬 연결된 저항을 포함할 수 있다. 저항성 모듈레이터(260)는 상기 저항에 대한 스위칭 동작을 수행하여 무선 전력 송신 장치의 가변 공진기와 수신 공진기(211) 간의 자기적인 결합에 모듈레이션 데이터를 싣을 수 있다.
저항성 모듈레이터(260)는 저항(R2)와 스위치(SW1)를 포함할 수 있다.
저항(R2)은 일단이 정류부(220)의 일단에 연결된다. 스위치(SW1)는 일단이 상기 저항(R2)의 타단에 연결되고, 타단이 정류부(220)의 타단에 연결된다.
제어부(미도시)는 스위치(SW1)의 스위칭을 조절하여 공진 전류를 이용하여 모듈레이션 데이터를 무선 전력 송신 장치에 제공할 수 있다.
수신 공진부(210), 정류부(220), 출력 커패시터(C2)와 부하(R1)에 대해서는 도 5에서 상술한 바로부터 이해할 수 있다.
도 8은 무선 전력 전송 중에 모듈레이션이 적용된 무선 전력 파형을 도시하는 그래프이다.
도 8의 파형은, 무선 전력 전송이 이루어지고 있는 경우에서, 도 6 내지 도 7에 도시된 모듈레이터를 통하여 모듈레이션이 이루어진 예가 도시되어 있다.
식별번호 810은 소정의 데이터를 모듈레이션하여 전력 파형에 싣은 것을 도시하고 있다.
무선 전력이 전송 중인 경우, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치는 서로 자기적으로 결합되어 있으므로, 무선 전력 수신 장치가 무선 전력 파형에 모듈레이션을 행함으로써, 인밴드 방식의 통신을 수행할 수 있다. 따라서, 무선 전력 송신 장치는 상기 파형을 확인하여 무선 전력 수신 장치에서 송신하는 무선 신호를 획득할 수 있으며, 획득된 무선 신호로부터 소정의 커맨드를 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100 : 무선 전력 송신 장치
110 : 전원 공급부
120 : 송전부
130 : 송신 공진부
140 : 검출부
150 : 제어부
200 : 무선 전력 수신 장치
210 : 수신 공진부
220 : 정류부
230 : 변환부
240 : 제어부
250 : 용량성 모듈레이터
260 : 저항성 모듈레이터

Claims (14)

  1. 가변 공진기를 포함하는 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신받는 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    상기 가변 공진기와 자기적으로 결합하여 무선으로 전력을 수신하는 수신 공진기; 및
    상기 수신 공진부의 출력을 정류하는 정류부;
    를 포함하고,
    상기 수신 공진기는 하나의 인덕터로 구성되는 무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 수신 장치는
    상기 가변 공진기와 자기적으로 결합된 상기 수신 공진부의 공진 전류를 조절하여, 상기 가변 공진기와 상기 수신 공진기 간의 자기적인 결합에 모듈레이션 데이터를 싣는 모듈레이터;
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 수신 장치는
    상기 수신 공진기에 연결된 적어도 하나의 커패시터를 포함하고, 상기 적어도 하나의 커패시터에 대하여 스위칭 동작을 수행하여 상기 가변 공진기와 상기 수신 공진기 간의 자기적인 결합에 모듈레이션 데이터를 싣는 용량성 모듈레이터;
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 용량성 모듈레이터는
    일단이 상기 수신 공진기의 일단에 연결되는 제1 커패시터;
    일단이 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되고, 타단은 접지되는 제1 스위치;
    일단이 상기 수신 공진기의 타단에 연결되는 제2 커패시터; 및
    일단이 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되고, 타단은 접지되는 제2 스위치;
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 수신 장치는
    상기 정류부에 병렬 연결된 저항을 포함하고, 상기 저항에 대한 스위칭 동작을 수행하여 상기 가변 공진기와 상기 수신 공진기 간의 자기적인 결합에 모듈레이션 데이터를 싣는 저항성 모듈레이터;
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 저항성 모듈레이터는
    일단이 상기 정류부의 일단에 연결되는 저항; 및
    일단이 상기 저항의 타단에 연결되고, 타단이 상기 정류부의 타단에 연결되는 스위치;
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 수신 장치는
    상기 수신 공진기를 구성하는 상기 인덕터와 병렬 연결된 커패시터; 를 포함하고,
    상기 커패시터와 상기 인덕터로 구성된 공진 회로는
    상기 무선 전력 송신 장치의 위치 확인용 공진 회로와 자기적으로 결합하는 무선 전력 수신 장치.
  8. 하나의 인덕터로 구성된 수신 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치; 및
    상기 수신 공진기와 자기적으로 결합하는 가변 공진기를 포함하는 무선 전력 송신 장치; 를 포함하고,
    상기 무선 전력 송신 장치는
    상기 수신 공진기에 대응하여 상기 가변 공진기의 커패시턴스를 변경하는 무선 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 무선 전력 수신 장치는
    상기 가변 공진기와 자기적으로 결합하여 무선으로 전력을 수신하는 수신 공진기;
    상기 수신 공진부의 출력을 정류하는 정류부; 및
    상기 가변 공진기와 자기적으로 결합된 상기 수신 공진부의 공진 전류를 조절하여, 상기 가변 공진기와 상기 수신 공진기 간의 자기적인 결합에 모듈레이션 데이터를 싣는 모듈레이터;
    를 포함하는 무선 충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 무선 전력 송신 장치는
    상기 모듈레이션 데이터에서 상기 무선 전력 송신 장치로부터 수신된 커맨드를 확인하고, 상기 커맨드에 따라 출력을 조절하도록 상기 가변 공진기의 커패시턴스를 변경하는 무선 충전 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 무선 전력 송신 장치는
    인덕터 및 가변 커패시터를 포함하는 송신 공진부;
    스위칭 동작하여 상기 송신 공진부를 동작시키는 송전부; 및
    상기 송전부의 상기 스위칭 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 송전부의 입력 전압에 대응하여 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 변경시키는 무선 충전 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가변 커패시터는
    메인 커패시터;
    상기 메인 커패시터에 병렬 연결된 복수의 보조 커패시터; 및
    상기 복수의 보조 커패시터 각각에 연결된 복수의 스위치;
    를 포함하는 무선 충전 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 무선 전력 송신 장치는,
    상기 송전부의 입력 전압과 전압 임계값을 비교하는 비교기;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절하는 무선 충전 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 송전부의 입력 전압이 전압 상한 임계값에 도달하면 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 감소시키며,
    상기 송전부의 입력 전압이 전압 하한 임계값에 도달하면 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 증가시키는 무선 충전 시스템.
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