KR20160142524A - 무선 충전 장치 - Google Patents

Abstract

무선 충전 장치가 개시된다. 예시적인 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 스위칭 가능한 Class-E 전력 증폭기; 무선 전력 수신부와 무선 통신을 수행하는 통신부; 상기 통신부를 통해 무선 전력 수신부의 임피던스 변화를 수신하고, 상기 임피던스 변화에 따라 상기 전력 증폭기의 전압 및 전류 제어를 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

무선 충전 장치{WIRELESS CHARGING DEVICE}

본 발명의 실시예는 무선 충전 기술에 관련된다.

소출력 RF 에너지 전송 시스템을 적용하기 위하여 A4WP, WPC, PMA 등 여러 단체에서 무선 충전 표준을 만들며 시장 형성을 위하여 노력하고 있다. 국내에서는 6.78MHz을 사용 할 수 있게 기술 마련을 준비하고 있어 무선 충전 제품을 이 주파수에 맞게 소형 고효율의 제품을 개발 할 필요가 있다.

본 발명의 실시예는 전력 소비량을 줄일 수 있는 무선 충전 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있는 무선 충전 장치를 제공하고자 한다.

예시적인 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 스위칭 가능한 Class-E 전력 증폭기; 무선 전력 수신부와 무선 통신을 수행하는 통신부; 및 상기 통신부를 통해 무선 전력 수신부의 임피던스 변화를 수신하고, 상기 임피던스 변화에 따라 상기 전력 증폭기의 전압 및 전류 제어를 수행하는 제어부를 포함한다.

예시적인 실시예에 의하면, 모바일 기기의 충전을 하지 않는 경우 저전력으로 동작하여 전력 소비량을 줄일 수 있게 된다. 또한, 무선 전력 수신측 기기의 전력 변화를 피드백하여 무선 전력 송신측 기기로 전달하고 이에 따라 무선 전력 송신측 내의 증폭기의 전압/전류 제어를 통해 임피던스 매칭을 하도록 함으로써, 무선 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 무전 전송 시스템을 나타낸 블록 다이어그램
도 2는 저전력 시스템 설계를 위한 회로도
도 3은 Class-E 증폭기의 구조를 나타낸 도면
도 4는 Class-E전력 증폭기의 회로도
도 5는 Rectifier, ADC, LDO, Monitoring 회로를 나타낸 도면
도 6은 DC/DC 컨버터 회로를 나타낸 도면
도 7은 제작된 소출력 RF 에너지 전송 모듈
도 8은 배터리 충전 시 CVCC 모드를 이용할 경우의 전류 전압 그래프
도 9의 (a)는 전력, 송신, 수신, 부하의 4개 코일로 구성된 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면
도 9의 (b)는 도 9의 (a)에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성을 나타낸 도면
도 10은 도 9의 (b)에 도시한 무선 전력 전송 시스템 회로의 등가 회로를 나타낸 도면
도 11은 제어기가 DC/DC 컨버터를 제어하여 증폭기에 입력되는 전압 전류를 제어하는 상태를 나타낸 개략적인 블록도 및 증록기의 구조를 나타낸 도면
도 12는 예시적인 실시에에 따른 6.78MHz 무선 충전의 송신 블록을 나타낸 다이어그램
도 13은 유선 충전과 무선 충전 시간을 비교한 그래프
도 14는 무선 충전 송신부의 증폭기 전류, 전압 제어를 위한 회로도

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 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. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

이하의 설명에 있어서, 신호 또는 정보의 "전송", "통신", "송신", "수신" 기타 이와 유사한 의미의 용어는 일 구성요소에서 다른 구성요소로 신호 또는 정보가 직접 전달되는 것뿐만이 아니라 다른 구성요소를 거쳐 전달되는 것도 포함한다. 특히 신호 또는 정보를 일 구성요소로 "전송" 또는 "송신"한다는 것은 그 신호 또는 정보의 최종 목적지를 지시하는 것이고 직접적인 목적지를 의미하는 것이 아니다. 이는 신호 또는 정보의 "수신"에 있어서도 동일하다. 또한 본 명세서에 있어서, 2 이상의 데이터 또는 정보가 "관련"된다는 것은 하나의 데이터(또는 정보)를 획득하면, 그에 기초하여 다른 데이터(또는 정보)의 적어도 일부를 획득할 수 있음을 의미한다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 무전 전송 시스템을 나타낸 블록 다이어그램이다.

무선 전송 시스템에서, 시스템의 효율은 DC/RF 변환하여 증폭하는 증폭기의 효율이 좌우되기 때문에 스위칭 가능한 Class-E 전력증폭기를 이용하였다. 수신부(도 1에서는 무선 충전기로 도시)의 충전 상황 인식 및 2대 이상의 동시 충전을 지원하기 위하여 2.4GHz 블루투스 양방향 통신을 사용하였다. 수신부에서는 RF/DC 전력변환 회로를 사용하여 모바일 기기의 충전을 지원한다.

(1) 저전력 시스템 설계

사용자의 전력 소비량을 줄이기 위하여 모바일기기의 충전을 하지 않을 경우 저전력으로 동작하는 회로 설계가 필요하다. 전력을 전송하지 않을 경우 대기상태에서 전력 소비를 최소화 하는데 필요한 회로를 도 2에 나타내었다. 즉, 도 2는 저전력 시스템 구현을 위한 회로를 나타낸 도면이다. Controller에 3.3V를 공급하여 수신기가 없을 경우 Controller에서 Sleep 신호(High Level)를 내보내게 되어 고 DC/DC Converter는 off된다. R201과 C22를 사용하여 공진 회로를 구성하면 400ms마다 U1 DC/DC Converter가 동작한다.

(2) Class-E 스위칭 증폭기 설계

휴대기기를 충전하기 위해서 10W 정도의 RF 출력을 만들어야 한다. Class-E 증폭기는 PWM 파형을 이용하여 효율은 높지만 주변회로가 복잡하고 스위칭 노이즈가 발생하기 쉽다. Class-E 증폭기는 구조는 복잡하지만 에너지 효율도 좋고 크기를 작게 만들 수 있다. Class-E는 두 개의 Mosfet을 순차적으로 ON/OFF하여 증폭하도록 설계하였다. 도 3은 Class-E 증폭기의 구조를 나타낸 도면이다. 이 구조는 CMOS Class-E 증폭기 설계에 사용되었던 것으로 IMD 개선을 위하여 제안되었다. C0와 L0는 공진 회로이며 6.78MHz Low pass filter와 같다. L0는 송신부 공진 안테나로서 인덕턴스를 설계하고 커패시터로만 매칭을 한다. 기존의 증폭기의 경우 공진안테나를 Load로 보고 인덕터가 추가되어 설계 및 구현이 복잡하여 L0을 공진 안테나의 인덕턴스로 대체하였다. Mosfet의 Gate 입력 신호의 동기를 맞추기 위하여 Gate Driver을 사용하며 위상이 180 차이 나도록 만들기 위해 AND gate와 NAND gate를 사용하였다. 도 4는 Class-E전력 증폭기의 회로도를 나타낸다.

(3) RF/DC 전력 변환 회로 설계

24V 10W 송신 출력에서 공진이 일어났을 경우 공진 코일의 따라 수신 입력 전압이 60V까지 발생한다. Rectifier의 입력 전압은 6.5V ~ 60V로 설계하였다. 4채널 ADC IC를 사용하였고 그 중 2채널(배터리 전압, DC/DC Output 전압 모니터링)을 사용하였다. ADC 입력으로 전압을 감압시켜 주기 위하여 저항을 이용한 회로를 설계하였다. 도 5는 Rectifier, ADC, LDO, Monitoring 회로를 나타낸 도면이다.

TPS54160 IC는 0.5V ~ 58V출력을 갖으며 최대 1.5A 전류 출력을 갖는다. 정류기 출력으로 최대 60V입력으로 예상하여 설계하였다. En pin은 float setting으로 동작하며 RT/CLK ping은 resistor timing and external clock으로 설정하였으며 switching frequency를 외부 저항값 200K로 적용하여 581KHz으로 설정하였다. 분배저항을 5V출력으로 설정하였다. DC/DC 출력은 모니터링 회로를 거쳐 ADC입력으로 들어간다. 도 6은 DC/DC 컨버터 회로를 나타낸 도면이다.

(4) 통신 시스템 및 제어 시스템 설계

블루투스 저전력 통신모드를 사용했다. 마스터 하나에 여러개의 슬레이브가 존재하는 스타구조의 토폴로지를 사용한다. 전력 전송은 슬레이브로만 가능하고 통신은 마스터와 슬레이브 간 양방향 통신이 가능하다. 송신기에 전원을 넣으면 자체 설정 단계를 거쳐 대기 상태에서 비콘을 보내 수신기에게 통신을 위한 전력을 공급하고 수신기가 통신을 위한 전력이 되면 부팅 상태가 되어 접속 신호를 보낸다. 수신기가 접속 신호를 보내면 송신기는 저전력 상태가 되어 전력 전송 을 위한 준비를 한다. 송신기가 전력전송 제어 신호를 보내면서 전력 전송이 시작되고 수신기는 전력 수신 상태가 된다. 송수신부 모두에 전압 및 전류 모니터링 회로를 추가하여 실시간 효율을 계산하여 최적을 출력 전압 전류를 제어한다. 2대 동시 충전 중 하나의 모바일 기기의 충전이 완료 되었을 경우 수신부의 Capacitor와 Mosfet으로 구성된 매칭회로를 제어하여 6.78MHz에서 공진이 일어나지 않도록 하였다. 이 방법을 통하여 동시 충전을 지원하거나 두 대 이상의 모바일 기기에서도 하나의 모바일 기기만 충전을 계속 진행 할 수 있도록 제어한다.

(5) 제작 및 성능 테스트

도 7은 제작된 소출력 RF 에너지 전송 모듈이다. 도 7에서 좌측 모듈은 송신부측 모듈이고, 우측 모듈은 수신부측 모듈이다. 블루투스 모듈을 사용하여 송수신 간 통신 시스템을 구현하였다. 수신부 PCB는 50x86x3mm으로 공진 안테나를 포함하여 소형화 하였다. 송신부 DC 입력 대비 수신부 5V 출력 전력 효율은 7cm 거리의 5W 수신부하에서 53%의 효율을 나타내었다. 제작된 모듈을 기구와 결합하여 송신패드와 수신 커버를 제작하였다. 수신 배터리 커버가 장착된 모바일 기기를 송신패드 위에 올려놓으면 충전되는 모습을 확인할 수 있도록 하였다. 제작된 모듈을 수신 커버에 실장 할 경우 모바일 기기와 결합되면서 공진 안테나의 인덕턴스가 변하게 되며 효율에 영향을 준다. 통신 시스템과 제어 시스템을 통하여 실시간 전압 및 전류를 측정해 공진 안테나의 임피던스 매칭을 수월하게 할 수 있다.

이하에서는 전압, 전류 제어를 통한 무선 전력 전송 시스템의 효율 향상에 대해 설명하기로 한다.

고정 임피던스 정합회로를 사용하여 설계된 무선전력 전송 시스템은 임피던스 변화에 따라 효율이 크게 변한다. 2가지 상황(안테나 사이의 거리가 가까워짐에 따라 결합 계수가 변하게 됨 및 배터리 충전 시 제어방식에 따라 수신부의 임피던스가 변하여 결합 계수가 변하게 됨)에 따라 결합계수가 변하게 되고, 이 결합계수는 반사 임피던스에 의해 입력 임피던스를 변화시킨다.

이런 문제를 해결하기 위하여 송신부 공진 안테나 매칭시 바렉터 다이오드를 이용한 임피던스 정합 회로를 구성하여 해결하는 방법도 있으나 바렉터 다이오드를 사용시 전력 손실을 피하기 어렵다. 무선충전 시스템에서 통신 시스템이 기본적으로 들어가야 된다. 수신부 전력 변화를 통신 시스템을 통해 송신부에 반영하여 증폭기의 전류, 전압을 제어하면 임피던스 매칭을 해결 할 수 있다.

(1) 배터리 충전 시 임피던스의 변화

도 8은 배터리 충전 시 CVCC 모드를 이용할 경우의 전류 전압 그래프이다. 시간에 따라 충전 전류가 적어져 V=IR에 의해 임피던스의 변화가 커지는 것을 알 수 있다. 이는 공진주파수의 영향을 미칠 뿐만 아니라 송신단의 임피던스에 영향을 미친다.

(2) 수신단의 임피던스 변화에 따른 송신부 임피던스의 변화

도 9의 (a)는 전력, 송신, 수신, 부하의 4개 코일로 구성된 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 회로 구성을 나타낸 도면이다.

도 10은 도 9의 (b)에 도시한 무선 전력 전송 시스템 회로의 등가 회로를 나타낸 도면이다.

증폭기에서 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수학식 1과 같다. 여기서 Zpm은 송신코일에서 수신단을 봤을 때 임피던스이다.

결과적으로 수신단의 부하저항 Z0에 의해 입력 임피던스가 변하는 걸 볼 수 있다.

(3) 전류 전압 센싱 및 통신 시스템

송신단의 증폭기 입력 전압 및 전류의 검출기와 수신단의 정류기 출력의 전압 및 전류의 검출기가 필요하다. 수신단의 제어기가 검출된 전류 전압 정보를 통신 시스템(블루투스 통신, 지그비 통신 등)을 통해 송신단의 제어기에 전달하여 수신단의 임피던스를 계산한다.

(4) 전압 및 전류 제어 방법

도 11은 제어기가 DC/DC 컨버터를 제어하여 증폭기에 입력되는 전압 전류를 제어하는 상태를 나타낸 개략적인 블록도 및 증록기의 구조를 나타낸 도면이다.

제어기가 DC/DC Converter를 제어하여 증폭기에 입력될 전압 전류를 제어 할 수 있다. 전압 전류의 변화에 따라 증폭기에서 수신단을 바라보는 임피던스의 변화를 제어 할 수 있다. 이 경우 수신단 정류기의 전압 전류의 변화가 발생하고 이를 다시 반영하여 전압 전류를 수행한다. 최적의 전송 효율을 찾을 수 있다.

한편, 도 12는 예시적인 실시에에 따른 6.78MHz 무선 충전의 송신 블록을 나타낸 다이어그램이다.

도 13은 유선 충전과 무선 충전 시간을 비교한 그래프이다.

도 14는 무선 충전 송신부의 증폭기 전류, 전압 제어를 위한 회로도이다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 무선 충전 시스템
102 : 무선 전력 송신부
104 : 무선 전력 수신부

Claims (1)

1. 스위칭 가능한 Class-E 전력 증폭기;
   무선 전력 수신부와 무선 통신을 수행하는 통신부; 및
   상기 통신부를 통해 무선 전력 수신부의 임피던스 변화를 수신하고, 상기 임피던스 변화에 따라 상기 전력 증폭기의 전압 및 전류 제어를 수행하는 제어부를 포함하는, 무선 충전 장치.
   

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