KR20180012675A

KR20180012675A - 통신신호 크기를 제어하는 무선 전력 수신기

Info

Publication number: KR20180012675A
Application number: KR1020160163749A
Authority: KR
Inventors: 황종태; 진기웅; 박성민; 강기원; 신현익; 준 이
Original assignee: 주식회사 맵스
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2018-02-06
Also published as: KR101853913B1; CN109314408A; US20200274402A1

Abstract

통신신호 크기를 제어하는 무선 전력 수신기가 개시된다. 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력을 수신하는 공진기와, 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 정류기 출력전압을 출력하는 정류기와, 통신신호를 입력받아 스위칭을 통해 정류기 출력전압을 제어하는 스위치와, 통신신호에 변조를 가하여 정류기 출력전압의 전압 변동을 조정하는 레귤레이터를 포함한다.

Description

통신신호 크기를 제어하는 무선 전력 수신기 {Wireless power transmitter for controlling communication depth}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것이다.

무선 전력 송신기는 안테나를 통해 무선으로 전력을 무선 전력 수신기에 전송한다. 이때 안테나를 구동하는 주파수는 무선 전력 전송(wireless power transfer: WPT, 이하 WPT라 칭함) 표준(standard)에 따라 달라진다. WPT 표준은 다양하다. 예를 들어, WPC(Wireless Power Consortium)에 의한 Qi 방식과 PMA(Power Matters Alliance) 방식이 있다. 또한, A4WP(Alliance for Wireless Power) 방식이 있다.

일 실시 예에 따라, 무선 전력 전송 시스템에서 Qi 방식과 같이 진폭 변조 기법을 이용하여 송신기와 수신기 사이에 통신을 하는 경우, 수신기의 정류기의 출력전압 변동이 과도하여 수신기 출력전압의 변동을 유발하거나, 혹은 정류기 출력전압이 과전압 보호 레벨(over-voltage protection level)까지 증가하여 통신에 장애가 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위한 무선 전력 수신기를 제안한다.

일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력을 수신하는 공진기와, 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 정류기 출력전압을 출력하는 정류기와, 통신신호를 입력받아 스위칭을 통해 정류기 출력전압을 제어하는 스위치와, 통신신호에 변조를 가하여 정류기 출력전압의 전압 변동을 조정하는 레귤레이터를 포함한다.

레귤레이터는 통신신호를 변조시켜 변조된 통신신호를 이용하여 정류기 출력전압의 크기를 일정하게 레귤레이션함에 따라, 정류기 출력전압이 감소하여 수신기 출력전압이 변동되는 것을 방지하고 정류기 출력전압이 과전압 보호 레벨 이상으로 증가하여 과전압 보호 기능에 의해 통신 장애가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

레귤레이터는 통신 시 정류기 출력전압이 미리 설정된 최대전압보다 크지 않도록 정류기 출력전압의 최대 크기를 제어하고, 미리 설정된 최소전압보다 작지 않도록 정류기 출력전압의 최소크기를 제어할 수 있다.

레귤레이터는 정류기 출력전압을 감지하는 정류기 출력전압 감지회로와, 감지된 정류기 출력전압을 기준전압과 비교하여 비교에 따른 비교기 출력신호를 출력하는 비교기와, 비교기 출력신호와 통신신호를 논리곱 연산하여 변조 통신신호를 출력함에 따라 변조 통신신호에 의해 스위치를 온오프 시키는 논리곱 회로를 포함할 수 있다. 비교기 출력신호가 로우(low) 상태이면 정류기 출력전압이 미리 설정된 최대전압보다 높거나 미리 설정된 최소전압보다 낮다는 의미로서, 논리곱 회로에 의해 통신신호가 하이(high) 상태여도 변조 통신신호는 로우(low) 상태가 되어 스위치를 오프(off) 시킴에 따라 정류기 출력전압이 더 이상 최대전압보다 높아지거나 최소전압보다 낮아지지 않고 통신신호가 인가되기 이전 상태가 되어 정류기 출력전압을 최대전압과 최소전압의 구간 내로 수렴시키고, 정류기 출력전압이 최대전압과 최소전압의 구간 내로 수렴되면, 비교기 출력신호가 다시 하이(high) 상태가 되어 논리곱 회로에 의해 스위치를 온(on) 시켜 의도한 통신 상태를 유지하도록 하며 통신 기간 동안 정류기 출력전압이 최대전압 또는 최소전압에 도달하는 경우 스위치의 온오프를 반복하여 정류기 출력전압이 기준전압 범위 내에서 레귤레이션될 수 있다.

레귤레이터는 정류기 출력전압을 감지하는 정류기 출력전압 감지회로와, 감지된 정류기 출력전압을 제1 기준전압과 비교하여 비교에 따른 제1 비교기 출력신호를 출력하는 제1 비교기와, 정류기 출력전압 감지회로를 통해 감지된 정류기 출력전압과 제2 기준전압(제2 기준전압은 제1 기준전압보다 큼)을 비교하여 제2 비교기 출력신호를 출력하는 제2 비교기와, 제1 비교기 출력신호와 제2 비교기 출력신호를 논리곱 연산하여 논리곱 출력신호를 출력하는 제1 논리곱 회로와, 논리곱 출력신호와 통신신호를 논리곱 연산하여 변조 통신신호를 출력함에 따라 스위치를 온오프 시키는 제2 논리곱 회로를 포함할 수 있다. 레귤레이터는 정류기 출력전압이 제2 기준전압보다 크면, 제1 비교기 출력신호는 로우(low) 상태가 되고 제1 논리곱 회로에 의해 출력되는 논리곱 출력신호는 로우(low) 상태가 되어 통신신호가 하이(high) 상태여도 제2 논리곱 회로를 통해 출력되는 변조 통신신호는 로우(low) 상태가 되어 스위치가 오프됨에 따라 정류기 출력전압을 감소시킬 수 있다.

레귤레이터는 통신신호를 감지하여 샘플 스트로브 신호를 발생시키는 통신 패킷 감지기와, 샘플 스트로브 신호에 의해 정류기 출력전압을 감지해서 샘플신호를 샘플링하고 샘플신호를 이용하여 제1 기준전압과 제2 기준전압(제2 기준전압은 제1 기준전압보다 큼)을 발생시켜 홀딩시키는 샘플 홀드부와, 제1 기준전압과 정류기 출력전압을 입력받아 비교에 따른 제1 비교기 출력신호를 출력하는 제1 비교기와, 제2 기준전압과 정류기 출력전압을 입력받아 비교에 따른 제2 비교기 출력신호를 출력하는 제2 비교기와, 제1 비교기 출력신호와 제2 비교기 출력신호를 논리곱 연산하여 클램프 신호를 출력하는 제1 논리곱 회로와, 클램프 신호와 통신신호를 논리곱 연산하여 변조된 통신신호를 출력하는 제2 논리곱 회로를 포함할 수 있다. 제1 기준전압은 미리 설정된 최소전압이고, 제2 기준전압은 미리 설정된 최대전압이며, 레귤레이터는 통신 시 정류기 출력전압이 제1 기준전압보다 작지 않도록 정류기 출력전압의 최소크기를 제어하고 제2 기준전압보다 크지 않도록 정류기 출력전압의 최대 크기를 제어할 수 있다.

무선 전력 수신기는 무선 충전에서 Qi 방식에 기반하여 인밴드(in-band) 통신을 할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, WPT 시스템에서 통신신호를 변조시켜 변조된 통신신호를 이용하여 정류기 출력전압의 크기를 일정하게 레귤레이션함에 따라, 정류기 출력전압이 감소하여 수신기 출력전압이 변동되는 것을 방지하고 정류기 출력전압이 과전압 보호 레벨 이상으로 증가하여 과전압 보호 기능에 의해 통신 장애가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 특히, Qi 방식과 같이 진폭 변조 기법을 이용하여 송신기와 수신기 사이에 통신을 하는 경우 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성도,
도 2는 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT의 전압 변동을 보여주는 파형도,
도 3은 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT의 전압 감소가 과도하여 수신기 출력전압 Vout이 변화되고 있는 상황을 보여주는 파형도,
도 4는 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT가 증가하여 과전압 보호(over-voltage protection: OVP) 레벨(level)보다 높아지는 상황을 보여주는 파형도,
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 통신신호의 변조를 통해 정류기 출력전압의 크기(depth)를 제어하는 레귤레이터를 포함한 수신기의 구성도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 회로가 동작할 때의 파형도,
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 통신신호의 변조를 통해 정류기 출력전압의 크기를 제어하는 레귤레이터를 포함한 수신기의 구성도,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 7의 회로의 효과를 설명하기 위한 파형도,
도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 통신신호의 변조를 통해 정류기 출력전압의 크기를 제어하는 레귤레이터를 포함한 수신기의 구성도,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 9의 회로의 동작 파형도,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 통신 시 정류기 출력전압 VRECT의 최소전압을 제어하는 동작에 대한 실험 파형도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 무선으로 전력신호를 송신하는 송신기(transmitter)(1)와 무선으로 전력신호를 수신하는 수신기(receiver)(2)를 포함한다. 무선 전력 전송방식은 여러 가지 방식이 있지만, 본 발명에서는 특히 WPC(Wireless Power Consortium)에서 제안하고 있는 Qi 방식을 중심으로 설명한다. Qi 방식은 진폭을 변화시켜 통신을 하는 방식으로, Qi 방식과 유사하게 진폭을 변화시켜 통신하는 방식이면 어느 방식이든 적용 가능하다. 무선 전력 전송 시스템은 무선 충전에서 Qi 방식에 기반하여 인밴드(in-band) 통신을 할 수 있다.

송신기(1)는 인덕터 L1(10)과 공진 커패시터 C1(11)를 포함하는 공진기가 전력 증폭기(12)로부터 전달되는 전력을 무선 전력으로 변경한다. 변경된 전력은 전기장으로 변환되어 송신기(1)와 자기 결합(magnetic coupling) 하고 있는 수신기(2)의 인덕터 L2(20)에 전류를 유기한다. 송신기(1)로부터 효율적으로 전력을 수신하기 위해, 수신기(2)는 공진 커패시터 C2(21)를 이용하여 인덕터 L2(20)와 공진 커패시터 C2(21)에 의한 공진 주파수를, 인덕터 L1(10)과 공진 커패시터 C1(11)에 의한 공진 주파수와 유사하도록 조정한다.

인덕터 L2(20)에 의한 전류는 AC 전류이므로 이것을 DC 형태의 정류기 출력전압 VRECT(2100)로 변경하기 위해 정류기(rectifier)(22)를 사용한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 정류기(22)는 다이오드를 이용한 수동 정류기(passive rectifier)일 수 있으나, 스위치 소자를 사용한 능동 정류기(active rectifier)로 변경하여도 동작 및 효과는 동일하다. 정류기 출력전압 VRECT(2100)는 DC 형태이지만 제어되지 않은 전압이므로, 이것을 부하(load)가 원하는 정교한 전압으로 바꾸기 위해 DC-DC 전력 변환기(power converter)(26)를 사용하여 정확한 수신기 출력전압 Vout(2200)을 발생시킨다. 전력 변환기(26)는 벅 변환기(buck converter)와 같은 스위칭 변환기나, LDO와 같은 선형 레귤레이터(linear regulator)를 사용해도 무방하다.

송신기(1)와 수신기(2)는 상호 간에 통신한다. 송신기(1)와 수신기(2)는 소정의 프레임으로 구성된 패킷을 처리하거나 송수신할 수 있다. 수신기(2)는 예를 들어, 이동통신단말기, PDA, PMP, 스마트폰 등일 수 있다. 수신기(2)는 무선 전력 전송을 요청하는 신호, 무선 전력 수신에 필요한 정보, 수신기 상태정보, 송신기 제어정보 등을 송신기(2)에 송신할 수 있다.

부하에서 요구하는 전력에 따라 송신기(1)의 전력을 제어할 필요가 있다. 따라서, 수신기(2)에서는 통신을 통해 송신기(1)에 전력을 요구하게 된다. 통신 진폭편이변조(Amplitude Shift Keying: ASK)와 유사한 방식으로 이루어지게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통신신호 COMM_IN에 의해 스위치 M1(23-1), M2(23-2)를 온(on) 시키게 되면, 스위치 M1(23-1), M2(23-2)와 연결된 커패시터 Cm(24)이 공진 주파수를 변화시켜서 인덕터 L2(20)의 전압 변동을 유발한다. 인덕터 L2(20)와 인덕터 L1(10)은 자기 결합 되어 있으므로 인덕터 L1(10)에도 전압 변동이 나타난다. 송신기(1)가 인덕터 L1(10)의 전압 변동을 다이오드, 저항, 커패시터 등을 이용하여 센싱하고 필터링하여 디지털 신호를 출력하면, 신호 검출기(signal detector)(13)가 디지털 신호를 수신하여 이를 디코더(14)(decoder)에 전달한다. 디코더(14)는 이 신호를 분석하고, 전력 제어기(power controller)(15)가 디코더(14)의 분석 결과에 따라 전력 증폭기(12)의 출력전력 OUT1, OUT2을 제어한다.

도 2는 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT의 전압 변동을 보여주는 파형도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 수신기(2)가 통신할 때 스위치 M1(23-1), M2(23-2)에 의한 전압 변동은 인덕터 L2(20)의 전압 변동을 유발하기도 하지만, 도 2에 도시된 바와 같이 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 전압 변동을 유발한다. 도 2에서는 통신신호 COMM_IN(2000)에 의해 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 감소하는 형태로 변동되는 예를 도시하고 있다. 이 경우는 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 전력 변환기(26)의 동작에 영향을 안 줄 정도로만 감소하여, 수신기 출력전압 Vout(2200)은 변화가 발생하지 않는다.

도 3은 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT의 전압 감소가 과도하여 수신기 출력전압 Vout이 변화되고 있는 상황을 보여주는 파형도이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 커패시터 Cm(24)의 크기가 클 경우, 혹은 통신 시 공진 특성의 변화에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 과도하게 감소할 수 있다. 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 수신기 출력전압 Vout(2200) 보다 감소함에 따라 수신기 출력전압 Vout(2200)이 통신신호 COMM_IN(2000)에 동기되어 감소하고 있다. 이 경우는 수신기 출력전압 Vout(2200)이 레귤레이션(regulation) 되지 못하고 있는 상황으로, 수신기 출력전압 Vout(2200)에 연결되는 시스템의 잡음을 유발하는 등의 좋지 않은 영향을 끼치며, 수신기 출력전압 Vout(2200)이 낮아지기 때문에 출력전력도 낮아지게 되는 문제점이 발생한다.

도 4는 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT가 증가하여 과전압 보호(over-voltage protection: OVP, 이하 OVP라 칭함) 레벨(level)보다 높아지는 상황을 보여주는 파형도이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 통신 시 공진 주파수 변동은 커패시터 Cm(24)의 크기뿐만 아니라 수신기의 출력전력에도 영향을 주고, 경부하의 경우 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 오히려 증가하기도 한다. 도 4의 경우가 이에 해당한다. 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 증가이 과도하여 수신기(2)를 보호하기 위한 OVP 레벨 이상이 되면, 도 1의 OVP_CTRL 신호(230)가 하이(high)가 되어 OVP_CTRL 신호(230)에 의해 스위치 M3(23-3), M4(23-4)가 스위치 온(on) 되고, 스위치 M3(23-3), M4(23-4)가 정류기(22)에 과도하게 공급되는 에너지를 커패시터 Covp(25)를 통해 빠져나가게 하여 정류기 출력전압 VRECT(2100)를 감소시킨다. 이때 정류기 입력전압이 낮아지고 이것이 인덕터 L2(20)의 전압을 변경하게 된다. 따라서, 송신기(1)에서는 OVP_CTRL 신호(230)가 또 다른 통신신호로 작용한다. 문제는 통신신호 COMM_IN(2000)은 코딩(coding) 규격에 의해 만들어진 신호인데 비해, OVP_CTRL 신호(230)는 그렇지 못하므로 송신기(1)에서 이를 인식할 수 없는 점이다. 따라서, 이러한 현상이 반복되면 송신기(1)는 전력 공급을 중단하고 동작을 정지한다. 따라서 무선 전력 전송이 되지 않는다.

본 발명은 Qi 혹은 Qi와 유사하게 진폭을 변화시켜 통신을 하는 무선 전력 전송 시스템에서 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 흔들림을 적절하게 제어함에 따라 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 과도하게 낮아져서 출력이 훼손되는 것을 방지하고, 반대로 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 과도하게 높아져서 OVP에 의해 통신 장애가 발생하는 것을 억제하는 것에 그 목적이 있다.

도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 통신신호의 변조를 통해 정류기 출력전압의 크기(depth)를 제어하는 레귤레이터를 포함한 수신기의 구성도이다.

도 5를 참조하면, 레귤레이터(27)는 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 크기를 레귤레이션(regulation)하여 도 3에 도시된 바와 같이 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 과도하게 낮아지는 것을 방지한다. 이를 위해, 레귤레이터(27)는 정류기 출력전압 감지회로, 비교기(271) 및 논리곱 회로(273)를 포함한다.

정류기 출력전압 감지회로는 정류기 출력전압 VRECT(2100)를 감지하는데, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 저항 R1(2700)과 R2(2702)로 구성될 수 있다. 비교기(271)는 저항 R1(2700), R2(2702)에 의해 감지된 정류기 출력전압 VRECT(2100)과 기준전압 VREFL(2600)을 비교하여 비교에 따른 비교기 출력신호 CLAMP1(2500)를 출력한다.

레귤레이터(27)는 스위치 M1(23-1), M2(23-2)를 통신신호 COMM_IN(2000)으로 제어하지 않고, 변형된 변조 통신신호 COMM_mod(2400)로 제어한다. 변조 통신신호 COMM_mod(2400)는 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 다음과 같은 조건이면 로우(low) 상태가 된다. 비교기 출력신호 CLAMP1(2500)이 로우(low)가 되는 조건은 수학식 1과 같다.

VRECT < (1+R2/R1)×VREFL ... (수학식 1)

비교기 출력신호 CLAMP1(2500)이 로우(low) 상태이면, 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 미리 설정된 최대전압보다 높거나 미리 설정된 최소전압보다 낮다는 의미로서, 논리곱 회로(273)에 의해 통신신호 COMM_IN(2000)이 하이(high) 상태여도 논리곱 회로(273)의 출력신호인 변조 통신신호 COMM_mod(2400)는 로우(low) 상태가 된다. 변조 통신신호 COMM_mod(2400)가 로우(low) 상태이면, 스위치 M1(23-1), M2(23-2)가 오프(off) 된다. 이렇게 되면 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 더 이상 최대전압보다 높아지거나 최소전압보다 낮아지지 않고 통신신호 COMM_IN(2000)가 인가되기 이전 상태가 되므로 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 최대전압과 최소전압의 구간 내로 수렴된다.

정류기 출력전압 VRECT(2100)이 최대전압과 최소전압의 구간 내로 수렴 되면, 비교기 출력신호 CLAMP1(2500)가 다시 하이(high) 상태가 되므로 이번에는 논리곱 회로(273)에 의해 통신신호 COMM_IN(2000)이 스위치 M1(23-1), M2(23-2)에 전달되어 스위치 M1(23-1), M2(23-2)를 온(on) 시켜 의도한 통신 상태를 유지하도록 한다. 통신 기간 동안 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 최대전압 또는 최소전압에 도달하는 경우 이러한 과정을 반복하면서 정류기 출력전압 VRECT(2100)는 (1+R2/R1)×VREFL이 되도록 레귤레이션 된다. 이러한 동작이 될 때의 동작 파형은 도 6에 도시된 바와 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5의 회로가 동작할 때의 파형도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 정류기 출력전압 VRECT(2100)이, 통신신호 COMM_IN(2100)를 변조한 변조 통신신호 COMM_mod(2400)에 의해 통신 크기가 레귤레이션(Communication depth regulation) 되어 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 5의 회로를 확장하여 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 과도하게 증가하는 것을 억제할 수도 있다. 도 7에 확장된 동작을 하는 회로를 소개하고 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 통신신호의 변조를 통해 정류기 출력전압의 크기를 제어하는 레귤레이터를 포함한 수신기의 구성도이다.

도 7을 참조하면, 레귤레이터(27)는 수신기(2)의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 최소전압과 최대전압을 제어한다. 이를 위해, 레귤레이터(27)는 정류기 출력전압 감지회로, 제1 비교기(271-1), 제2 비교기(271-2), 제1 논리곱 회로(273-1) 및 제2 논리곱 회로(273-2)를 포함한다.

제2 비교기(271-2)는 정류기 출력전압 감지회로를 통해 감지된 정류기 출력전압 VRECT(2100)과 제2 기준전압 VREFH(2602)을 비교하여 제2 비교기 출력신호를 출력한다. 제2 기준전압 VREFH(2602)는 제1 기준전압 VREFL(2600)보다 높은 전압이다. 제1 논리곱 회로(273-1)는 제1 비교기 출력신호와 제2 비교기 출력신호를 논리곱 연산하여 CLAMP1 신호(2500)를 출력한다. 제2 논리곱 회로(273-2)는 CLAMP1 신호(2500)와 통신신호 COMM_IN(2000)을 논리곱 연산하여 변조 통신신호 COMM_mod(2400)를 출력한다. 변조 통신신호 COMM_mod(2400)에 의해 스위치 M1(23-1), M2(23-2)가 스위칭 온오프 된다.

만약 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 VREFH×(1+R2/R1)보다 크면(VRECT>VREFH×(1+R2/R1))이면, 제1 비교기 출력신호는 로우(low) 상태가 된다. 그러면, 제1 논리곱 회로(273-1)에 의해 출력되는 CLAMP1 신호(2500)는 로우(low) 상태가 되므로 통신신호 COMM_IN(2000)이 하이(high) 여도 스위치 M1(23-1), M2(23-2)가 스위치 오프(off) 이므로 통신신호 COMM_IN(2000)이 인가 이전의 공진 특성으로 회귀하게 되어 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 낮아지게 된다.

단, 만약 통신 이전의 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 VREFL×(1+R2/R1)보다 낮고 통신신호 COMM_IN(2000)에 의해 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 낮아진다면 아예 통신이 되지 않을 수 있다. 통신 이전 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 VREFH×(1+R2/R1) 보다 크고 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 증가하는 조건에서도 마찬가지도 통신이 되지 않을 수 있다. 이러한 경우를 방지하는 보호회로가 필요한데, 이 발명에서 소개하는 내용을 넘어서는 내용이고, 보호회로의 구현에 대해서는 다양한 방식이 가능하므로 본 발명에서는 소개하지 않도록 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 7의 회로의 효과를 설명하기 위한 파형도이다.

도 8을 참조하면, 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)가 VREFH×(1+R2/R1) 보다 크지 않도록 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 최대크기를 제어하고, VREFL×(1+R2/R1) 보다 작지 않도록 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 최소크기를 제어한다. 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 위로 튀는 경우는 주로 경부하 상태일 때고, 정류기 출력전압 VRECT(2100)이 아래로 튀는 경우는 주로 부하가 큰 경우일 수 있다.

도 9는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 통신신호의 변조를 통해 정류기 출력전압의 크기를 제어하는 레귤레이터를 포함한 수신기의 구성도이다.

도 9를 참조하면, 레귤레이터(27)는 수신기의 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 전압 변동을 동적으로 조정한다. 조정을 통해 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100) 변화량을 항상 일정하게 제어할 수 있다. 이를 위해 레귤레이터(27)는 제1 비교기(271-1), 제2 비교기(271-2), 제1 논리곱 회로(273-1), 제2 논리곱 회로(273-2), 샘플 홀드부(sample & hold: S/H)(275) 및 통신 패킷 감지기(Communication packet duration detector)(276)를 포함한다.

통신 패킷 감지기(276)는 통신이 시작되는 시점에서 샘플 스트로브 신호 sample_strobe(2800)를 발생시킨다. 샘플 스트로브 신호 sample_strobe(2800)에 의해 샘플 홀드부(275)가 정류기 출력전압 VRECT(2100)을 감지해서 샘플신호 VRECTS를 발생시키고 샘플신호 VRECTS를 이용하여 2개의 기준전압 VREFH(2602), VREFL(2600)을 발생(reference generation)시켜 홀딩한다. 제2 기준전압 VREFH(2602)는 VRECTS+Voff2이고, 제1 기준전압 VREFL(2600)은 VRECTS-Voff1이다.

제1 비교기(271-1)는 제1 기준전압 VREFL(2600)과 정류기 출력전압 VRECT(2100)을 입력받아 비교에 따른 제1 비교기 출력신호를 출력하고, 제2 비교기(272-2)는 제2 기준전압 VREFH(2602)과 정류기 출력전압 VRECT(2100)을 입력받아 비교에 따른 제2 비교기 출력신호를 출력한다. 제1 논리곱 회로(273-1)는 제1 비교기 출력신호와 제2 비교기 출력신호를 논리곱 연산하여 클램프 신호 CLAMP1(2500)를 출력하고, 제2 논리곱 회로(273-2)는 클램프 신호 CLAMP1(2500)와 통신신호 COMM_IN(2000)를 논리곱 연산하여 변조된 통신신호 COMM_mod(2400)를 출력한다. 따라서, 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)는 VERCTS+Voff2 이상이 될 수 없고, VRECTS-Voff1 이하가 될 수 없다.

도 9의 S/H부(275)는 커패시터를 사용해도 되고, ADC(A/D converter)와 DAC(D/A converter)를 이용하여 구현할 수도 있다. 즉, 다양한 구현 방법이 있으므로 이러한 개념으로 동작함을 이해하면 될 것이다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 9의 회로의 동작 파형도이다.

도 10을 참조하면, 정류기 출력전압 VRECT(2100)의 크기를 제어하면, 통신 시 정류기 출력전압 VRECT(2100)는 VERCTS+Voff2 보다 작고, VRECTS-Voff1 보다 크도록 제어될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 통신 시 정류기 출력전압 VRECT의 최소전압을 제어하는 동작에 대한 실험 파형도이다.

도 11을 참조하면, 수신기의 통신 시에 정류기 출력전압 VRECT의 최소전압을 제어하여, 정류기 출력전압 VRECT이 최소전압보다 낮아지지 않도록 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.

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

무선 전력을 수신하는 공진기;
상기 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 정류기 출력전압을 출력하는 정류기;
통신신호를 입력받아 스위칭을 통해 정류기 출력전압을 제어하는 스위치; 및
상기 통신신호에 변조를 가하여 정류기 출력전압의 전압 변동을 조정하는 레귤레이터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 레귤레이터는
통신신호를 변조시켜 변조된 통신신호를 이용하여 정류기 출력전압의 크기를 일정하게 레귤레이션함에 따라, 정류기 출력전압이 감소하여 수신기 출력전압이 변동되는 것을 방지하고 정류기 출력전압이 과전압 보호 레벨 이상으로 증가하여 과전압 보호 기능에 의해 통신 장애가 발생하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 레귤레이터는
통신 시 정류기 출력전압이 미리 설정된 최대전압보다 크지 않도록 정류기 출력전압의 최대 크기를 제어하고, 미리 설정된 최소전압보다 작지 않도록 정류기 출력전압의 최소크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 레귤레이터는
정류기 출력전압을 감지하는 정류기 출력전압 감지회로;
감지된 정류기 출력전압을 기준전압과 비교하여 비교에 따른 비교기 출력신호를 출력하는 비교기; 및
비교기 출력신호와 통신신호를 논리곱 연산하여 변조 통신신호를 출력함에 따라 변조 통신신호에 의해 상기 스위치를 온오프 시키는 논리곱 회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 4 항에 있어서,
비교기 출력신호가 로우(low) 상태이면, 정류기 출력전압이 미리 설정된 최대전압보다 높거나 미리 설정된 최소전압보다 낮다는 의미로서, 상기 논리곱 회로에 의해 통신신호가 하이(high) 상태여도 변조 통신신호는 로우(low) 상태가 되어 상기 스위치를 오프(off) 시킴에 따라 정류기 출력전압이 더 이상 최대전압보다 높아지거나 최소전압보다 낮아지지 않고 통신신호가 인가되기 이전 상태가 되어 정류기 출력전압을 최대전압과 최소전압의 구간 내로 수렴시키고,
정류기 출력전압이 최대전압과 최소전압의 구간 내로 수렴되면, 비교기 출력신호가 다시 하이(high) 상태가 되어 상기 논리곱 회로에 의해 상기 스위치를 온(on) 시켜 의도한 통신 상태를 유지하도록 하며,
통신 기간 동안 정류기 출력전압이 최대전압 또는 최소전압에 도달하는 경우 스위치의 온오프를 반복하여 정류기 출력전압이 기준전압 범위 내에서 레귤레이션되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 레귤레이터는
정류기 출력전압을 감지하는 정류기 출력전압 감지회로;
감지된 정류기 출력전압을 제1 기준전압과 비교하여 비교에 따른 제1 비교기 출력신호를 출력하는 제1 비교기; 및
정류기 출력전압 감지회로를 통해 감지된 정류기 출력전압과 제2 기준전압(제2 기준전압은 제1 기준전압보다 큼)을 비교하여 제2 비교기 출력신호를 출력하는 제2 비교기;
제1 비교기 출력신호와 제2 비교기 출력신호를 논리곱 연산하여 논리곱 출력신호를 출력하는 제1 논리곱 회로; 및
논리곱 출력신호와 통신신호를 논리곱 연산하여 변조 통신신호를 출력함에 따라 스위치를 온오프 시키는 제2 논리곱 회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 6 항에 있어서, 상기 레귤레이터는
정류기 출력전압이 제2 기준전압보다 크면, 제1 비교기 출력신호는 로우(low) 상태가 되고 제1 논리곱 회로에 의해 출력되는 논리곱 출력신호는 로우(low) 상태가 되어 통신신호가 하이(high) 상태여도 제2 논리곱 회로를 통해 출력되는 변조 통신신호는 로우(low) 상태가 되어 상기 스위치가 오프됨에 따라 정류기 출력전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 레귤레이터는
통신신호를 감지하여 샘플 스트로브 신호를 발생시키는 통신 패킷 감지기;
샘플 스트로브 신호에 의해 정류기 출력전압을 감지해서 샘플신호를 샘플링하고 샘플신호를 이용하여 제1 기준전압과 제2 기준전압(제2 기준전압은 제1 기준전압보다 큼)을 발생시켜 홀딩시키는 샘플 홀드부;
제1 기준전압과 정류기 출력전압을 입력받아 비교에 따른 제1 비교기 출력신호를 출력하는 제1 비교기;
제2 기준전압과 정류기 출력전압을 입력받아 비교에 따른 제2 비교기 출력신호를 출력하는 제2 비교기;
제1 비교기 출력신호와 제2 비교기 출력신호를 논리곱 연산하여 클램프 신호를 출력하는 제1 논리곱 회로; 및
클램프 신호와 통신신호를 논리곱 연산하여 변조된 통신신호를 출력하는 제2 논리곱 회로;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 8 항에 있어서,
제1 기준전압은 미리 설정된 최소전압이고, 제2 기준전압은 미리 설정된 최대전압이며,
상기 레귤레이터는 통신 시 정류기 출력전압이 제1 기준전압보다 작지 않도록 정류기 출력전압의 최소크기를 제어하고 제2 기준전압보다 크지 않도록 정류기 출력전압의 최대 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
제 1 항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기는
무선 충전에서 Qi 방식에 기반하여 인밴드(in-band) 통신을 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.