KR20180101822A - 부스트 컨버터와 송전 코일 구조체를 구비한 무선 충전 시스템 - Google Patents

부스트 컨버터와 송전 코일 구조체를 구비한 무선 충전 시스템 Download PDF

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KR20180101822A
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김진욱
오승엽
이인환
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명은 송전 측에 부스트 컨버터와 송전 코일 구조체를 포함하는 무선 충전 시스템에 관한 것이다. 이러한 무선 충전 시스템은, 입력단으로 입력되는 제1 DC 전압을 제2 DC 전압으로 부스팅하도록 구성되는 부스트 컨버터(150), 부스트 컨버터로부터 부스팅된 제2 DC 전압을 공급받아 AC 전력으로 변환하도록 구성되는 DC/AC 인버터(160), 및 DC/AC 인버터(160)에 전기적으로 연결되어 AC 전력으로부터 무선 급전을 위한 시변 자기장을 생성하도록 구성되는 송전 코일 구조체(170)를 포함한다. 부스트 컨버터(150)의 제1 DC 전압과 제2 DC 전압은 사전설정된 고정 값들로 유지되는 것을 특징으로 한다. 송전 코일 구조체(170)는 자성 시트 상에 와이어가 나선형으로 복수회 권선되어 형성되며, 이러한 권선 코일은 소정의 내측 반경과 외측 반경, 피치, 턴수를 갖는 원형 형상으로 이루어진다. 나아가, 송전 코일 구조체는 복수의 코일 구조체를 포함할 수 있으며, 이러한 복수의 코일 구조체는 서로 상이한 단면적의 와이어가 직렬로 연결되어 서로 적층된 구조를 이룰 수 있다.

Description

부스트 컨버터와 송전 코일 구조체를 구비한 무선 충전 시스템{WIRELESS CHARGING SYSTEM INCLUDING BOOST CONVERTER AND TRANSMISSION COIL STRUCTURE}
본 발명은 부스트 컨버터와 송전 코일 구조체를 구비하는 무선 충전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 송전 측의 부스트 컨버터와 전력 송전 코일 구조체를 이용하여 무선 통신 디바이스에 대한 충전 효율을 개선하고 충전 유효 범위를 넓힐 수 있는 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 이동 단말기는 사용자에게 다양한 기능을 제공하고 있으며 사진, 동영상, 음악 파일 등의 멀티미디어 파일을 처리하기 위해 고성능의 처리 시스템과 디스플레이 장치를 요하게 된다. 이러한 처리 시스템과 디스플레이 장치는 그 기능을 신속히 수행하기 위해 많은 전력을 소비하게 된다. 그러나 휴대 가능한 배터리의 용량은 한정되어 있으므로 이동 단말기를 빈번하게 충전해야 하는 번거로움이 있다.
이동 단말기용 충전기는 충전 케이블을 연결하여 유선으로 충전하는 방식과 전자기 유도 등의 현상을 이용하여 무선으로 충전하는 방식으로 나뉜다. 전자의 방식은 이동 단말기의 휴대성과 자유로운 사용에 방해가 되기 때문에 후자의 무선 방식 충전기의 사용이 점차 증가하는 추세이다.
하지만 상용화된 무선 충전기는 충전 가능한 범위가 매우 제한되어 있다. 예를 들어, 이동 단말기가 무선 충전기 상에 정확히 거치되지 않고 충전기의 중심부로부터 수평으로 벗어나 있거나 무선 충전기로부터 일정 간격만큼 이격되어 있는 경우 충전이 이루어지지 않게 되는 문제가 있다. 나아가, 이동 단말기의 사용자는 통상적으로 고가의 스마트폰을 스크래치, 낙하 충격 등으로부터 보호하기 위해 보호용 케이스를 사용하게 된다. 이러한 보호용 케이스가 충격 흡수 기능을 제대로 수행하기 위해서는 그 두께가 적절히 보장될 필요가 있다. 일부 보호용 케이스는 그 두께로 인하여 종래의 무선 충전기의 최대 충전 가능 범위를 벗어나기도 한다.
대부분의 이동 단말기와 그 무선 충전기는 기기간 호환성을 위해 WPC(Wireless Power Consortium)의 Qi 표준, PMA(Power Matters Alliance) 표준 등을 채용하고 있다. 이러한 표준에 따라 기준 코일로서 수많은 표준 송전 코일이 제시되어 있으며, 특히 리츠 와이어로 구성된 단일 층의 원형 나선 코일이 WPC 무선 충전기에 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 코일은 전기 부하가 5V/1A인 경우 이동 단말기와의 사이에 최대 충전 가능 간격이 8mm 내외에 불과하며 이동 단말기가 무선 충전기의 중심으로부터 수평으로 5mm 정도만 벗어나는 경우에도 충전 효율이 급격히 떨어지거나 충전 기능에 문제가 생긴다. 그에 따라 충전기의 송전 코일과 이동 단말기의 수전 코일이 오정렬되어 있거나 충전기와 이동 단말기 사이의 간격이 1cm를 넘어서는 경우 무선 충전이 제대로 이루어지지 않게 된다. 이로 인하여 종래 무선 충전기의 사용자는 이동 단말기를 무선 충전기상에 거치할 때 상당한 주의를 기울여야 한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 스마트폰 등의 이동 단말기에 대해 개선된 충전 범위와 충전 효율을 갖는 무선 충전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 충전 시스템은, 무선 충전이 이루어지는 수평 범위와 최대로 이격될 수 있는 수직 간격을 늘리기 위해, 송전 코일에 고주파수의 AC 전력을 공급하는 직류/교류(DC/AC) 인버터의 전 단계에서 DC 전압을 부스팅하여 인가하는 부스트 컨버터를 채용함과 동시에, 종래 기술과는 상이한 송전 코일 배열 및 치수를 조합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 무선 충전 시스템이 제공되며, 이러한 무선 충전 시스템은, 입력단으로 입력되는 제1 DC 전압을 제2 DC 전압으로 부스팅하도록 구성되는 부스트 컨버터, 부스트 컨버터로부터 부스팅된 제2 DC 전압을 공급받아 AC 전력으로 변환하도록 구성되는 DC/AC 인버터, 및 DC/AC 인버터에 전기적으로 연결되어 AC 전력으로부터 무선 급전을 위한 시변 자기장을 생성하도록 구성되는 송전 코일 구조체를 포함한다. 또한 부스트 컨버터의 제2 DC 전압은 사전설정된 고정 값으로 유지되며, 송전 코일 구조체는 자성 시트 상에 와이어가 나선형으로 복수회 권선되어 내측 반경 rin, 외측 반경 rout인 원형으로 형성된다.
부가적으로, 부스트 컨버터는 무선 충전 시스템 외부에 위치하는 전원 공급 장치와 DC/AC 인버터 사이에 위치하여 부스팅된 전압을 DC/AC 인버터에 제공하기 위한 것이며, 예를 들면 부스트 컨버터의 제1 DC 전압은 3.5V 내지 5.1V, 바람직하게는 4.5V 내지 5.0V 범위 내의 값이고, 제2 DC 전압의 사전설정된 고정 값은 6V 내지 7V 범위 내의 고정된 값일 수 있다. 무선 충전 시스템은, 특히 무선 통신 디바이스에 비접촉식으로 급전하기 위한 것이다.
추가 실시예에 따르면, 송전 코일 구조체는 서로 상이한 단면적의 와이어가 직렬로 연결되어 형성되는 복수의 코일 구조체를 포함할 수 있다. 나아가 이러한 복수의 코일 구조체는 제1 코일 구조체 및 제1 코일 구조체 상에 적층된 제2 코일 구조체를 포함하되, 상부층의 제2 코일 구조체의 와이어의 단면 반경은 하부층의 제1 코일 구조체의 와이어의 단면 반경과 다를 수 있다.
본 발명에 따른 무선 충전 시스템에 따르면, WPC 표준을 따르는 종래의 무선 충전기에 비해 충전 가능한 수직 간격과 수평 범위를 넓힐 수 있게 된다. 늘어난 수평 범위로 인하여 사용자가 이동 단말기를 무선 충전 시스템의 중심부 상에 정확히 정해진 위치에 거치하지 않아도 무선 충전이 이루어질 수 있다. 또한, 무선 충전기와 이동 단말기 사이의 충전 가능한 수직 간격이 증가하기 때문에, 스마트폰을 충격으로부터 보호하기 위해 두꺼운 케이스를 사용하는 경우에도 무선 충전이 가능해져 사용자에게 편의를 제공하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 충전 시스템과 전원 공급 장치의 개략도.
도 2는 종래의 무선 충전용 송전 코일의 평면도.
도 3은 무선 송전 코일의 개략적인 치수가 표시된 도면.
도 4는 일정 치수를 갖는 본 발명에 따른 송전 코일의 실제 평면도.
도 5는 서로 상이한 단면적을 갖는 두 종류의 와이어로 형성된 복수의 송전 코일 구조체의 단면을 나타낸 도면.
도 6은 도 5의 일 실시예에 따른 적층 구조의 송전 코일 구조체의 사시도 및 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 무선 충전 시스템의 성능 개선 효과를 예시하는 도면.
도 8은 종래의 무선 충전 시스템과 본 발명에 따른 무선 충전 시스템의 성능 실험 결과를 비교한 도면.
도 9는 무선 충전 시스템의 충전 성능을 측정하기 위한 테스트 환경을 예시한 개략도.
이하, 첨부한 개략적인 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명의 특징 및 그에 따른 장점은 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 기술된 실시예로 한정되지 않으며 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 도면에 도시된 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시된 바로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 충전 시스템과 이러한 시스템에 전력을 공급하는 전원 공급 장치의 개략도이다. 먼저 무선 충전 시스템(140) 외부에 AC 전원 공급부(110)로부터 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 AC/DC 어댑터(120)가 도시되어 있으며, AC/DC 어댑터(120)로부터 케이블(130)을 통해 소정의 DC 전력이 무선 충전 시스템(140)에 공급되고 있다. AC/DC 어댑터(120)는, 예컨대 110V, 220V 등의 AC 전력을 통상적으로 5V의 DC 전압으로 변환하는 기능을 수행하며, 종래의 무선 충전 시스템에서는 이러한 5V의 DC 전력이 그대로 무선 충전 시스템 내의 DC/AC 인버터에 공급된 바 있다.
본 발명자는, 무선 충전 시스템(140)의 DC/AC 인버터(160)의 전 단계에서 부스트 컨버터(150)를 이용하여 보다 높은 전압(예컨대, 6V 내지 7V 범위 내의 고정 값)으로 DC 전력을 공급하면, 무선 충전 가능한 수평 범위와 수직 간격을 상당히 늘릴 수 있다는 점을 알게 되었다. 이는 높은 입력 전압을 이용하는 경우 일반적으로 Qi 통신 데이터를 양호하게 검출할 수 있기 때문이다. 이러한 통신의 성공 여부가 유효 충전 범위와 간격을 결정하는 주요한 요인이 된다. 하지만, 입력 전압이 높아짐에 따라 충전 효율은 떨어질 수 있으므로 입력 전압을 높인다고 해서 충전 범위와 충전 간격이 반드시 향상되는 것은 아니다.
참고로 Qi 무선 충전 시스템에서는, 송전부와 수전부 사이의 통신을 위해 부하 변조 방식을 사용한다. 이러한 방식은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
(1) 수전부에서의 부하 임피던스가 커패시터 또는 저항기를 턴온/턴오프함으로써 변조되고,
(2) 부하 임피던스의 변화에 의해 입력 전류가 변하게 되며,
(3) 송전부가 입력 전류의 진폭 차이를 검출하고,
(4) 아날로그-디지털 컨버터에 의하여 진폭 차이를 통신 데이터로 변환한다.
이러한 점을 감안하여 본 발명에서는, 전원 공급 장치와 무선 충전 시스템의 DC/AC 인버터(160) 사이에 부스트 컨버터(150)를 부가함으로써 전원 공급 장치로부터 공급되는 3.5V 내지 5.1V, 바람직하게는 4.5V 내지 5.0V 범위 내의 입력 전압(예컨대, 외장 배터리를 사용하는 경우 입력 전압이 5V 미만일 수 있음)을 6V 내지 7V 범위 내의 고정된 값, 예를 들면 6V로 부스팅하여 인가함과 동시에, 후술하는 바와 같이 송전 코일의 배열과 치수를 종래의 송전 코일과는 상이하게 구성한다. 즉, 본 발명의 주요 기술적 특징은, (i) 전원 공급 장치와 무선 충전 시스템의 DC/AC 인버터 사이에 배치되어 3.5V 내지 5.1V, 바람직하게는 4.5V 내지 5.0V 범위 내의 입력 전압을 6V 내지 7V 범위 내의 고정된 특정 값으로 부스팅하도록 구성된 부스트 컨버터와, (ii) 종래의 Qi 기준 코일과는 다르게 설정된 배열 및 치수를 갖는 송전 코일을 조합함으로써 충전 가능 범위를 넓힌다는 점이다.
더불어 부스트 컨버터에 의해, 연결 케이블(130)의 길이에 따른 전압 강하와는 무관하게 안정된 전압을 무선 충전기에 공급할 수 있게 된다. 구체적으로는 앞서 언급한 바와 같이 6V 내지 7V 범위 내의 고정된 값으로 부스팅된 전압이 DC/AC 인버터(160)에 공급된다. DC/AC 인버터(160)는 이로부터 고주파수의 AC 전력을 생성하여 이와 전기적으로 연결되어 있는 송전 코일 구조체(170)에 공급하게 되고, 송전 코일 구조체(170)는 고주파수의 AC 전력으로부터 시간적으로 변화하는 자기장을 생성한다. 송전 코일 구조체(170)와 마주하는 적절한 위치에 이동 단말기의 수전 코일 구조체(미도시)가 거치되면, 전자기 유도 현상에 의해 무선 급전 내지 충전이 이루어지게 되는 것이다.
도 2는 종래의 무선 충전용 Qi A11 송전 코일의 평면도이며, 도 3은 무선 송전 코일의 개략적인 치수가 표시된 도면이다. 도 2에 도시된 송전 코일은 통상적으로 17 AWG(직경: 1.2mm)의 리츠 와이어로 이루어져 있으며, 외측 직경은 45mm, 권선 턴수는 10회이다. 이러한 송전 코일은 두께 1.2 mm인 50 mm X 50 mm의 자성 시트상에 배치된다. 자성 시트는 예를 들면, MnZn 페라이트 시트일 수 있다.
150 kHz에서 종래의 송전 코일과 수전 코일의 전기적 파라미터의 측정치는 다음과 같다.
코일 R L Q
기준 Tx 코일 (Qi A11 코일)
(자성 시트: 폴리머 1.2 mm)		 56 mΩ 6.24 μH 105.02
기준 Rx 코일
(자성 시트: 폴리머 0.25 mm)		 244 mΩ 8.33 μH 32.18
위 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 Tx 코일의 저항, 자체 인덕턴스, Q 인자는 각각 56 mΩ, 6.24 μH, 105.02이고, Rx 코일의 저항, 자체 인덕턴스, Q 인자는 각각 244 mΩ, 8.33 μH, 32.18이다. 이러한 종래의 무선 충전 코일의 통상적인 충전 범위는 수직 간격이 8mm일 때 수평 방향으로 5mm, 허용되는 최대 수직 간격은 중심에서 8mm에 불과하다.
이러한 종래의 Qi A11 Tx 코일을 이용하는 경우, 앞서 살펴본 부스트 컨버터(6V로 부스팅) 유무에 따라 측정된 충전 범위와 그 효율은 다음과 같다.
수직 간격(Z) 5 mm 8 mm
충전 범위(ρ) X Y X Y
Vin=5V
(종래 코일 사용)		 10.4 mm 10.2 mm 4.6 mm 4.5 mm
Vin=6V
(부스트 컨버터 조합)		 10.9 mm 12.0 mm 7.6 mm 7.9 mm
중심부에서의 충전 효율 Vin=5V에서 77.3%
Vin=6V에서 75.4%		 Vin=5V에서 70.4%
Vin=6V에서 69.3%
최대 허용 수직 간격 Vin=5V에서 8 mm
Vin=6V에서 10 mm
표 2에서는 입력 전압(Vin)에 따라 수직 방향으로의 간격이 5mm 및 8mm인 경우에 대해 수평 충전 범위가 측정되었다. 그에 따르면, Vin=6V인 경우(전원 공급 장치와 무선 충전 시스템의 DC/AC 인버터 사이에 부스트 컨버터를 배치) Vin=5V에 비해 수평 충전 범위가 넓혀 졌으며 충전 가능한 최대 수직 간격도 8mm에서 10mm로 늘어났다는 점을 알 수 있다. 결과적으로, DC/AC 인버터의 전 단계에서 부스트 컨버터를 이용하여 공급 전압을 6V로 부스팅함으로써 충전 범위에 상당한 개선이 이루어질 수 있다.
도 4는 앞서 살펴본 부스트 컨버터와 조합되어 이용될 수 있는, 본 발명의 일 실시예에 따라 일정 치수로 배열된 송전 코일 구조체의 실제 평면도이다. 도시된 코일은 리츠 와이어(예컨대, 0.08 mm/125 strands)로 만들어진 단일 층으로 이루어져 있으며, 자성 시트 상에 와이어가 나선형으로 복수회 권선되어 내측 반경 rin, 외측 반경 rout인 원형으로 형성되어 있다. 다만, 코일의 형상은 원형으로 한정되지 않으며, 유사한 치수의 타원형으로 형성되거나 한 변이 2rout인 정사각형 모양으로 형성될 수도 있고, 마찬가지의 충전 범위 개선 효과를 나타낸다면 이와 다른 형태의 다양한 코일이 사용될 수도 있다.
일 실시예에 따른 예시적인 코일의 치수는 다음과 같다.
외측 반경
rout 		내측 반경
rin 		피치
p		 와이어 단면 반경
r0 		턴수
N
24 mm 9.65 mm 1.39 mm 0.645 mm 11
이는 도 2의 종래 Tx 코일의 치수와는 차이가 있으며, 전원 공급 장치와 무선 충전 시스템의 DC/AC 인버터(160) 사이에 배치된 부스트 컨버터(3.5V 내지 5.1V, 바람직하게는 4.5V 내지 5.0V 범위 내의 입력 전압을 6V 내지 7V 범위 내의 고정 값으로 부스팅)와 조합되도록 그 치수가 최적화된 것이다. 이러한 코일의 자체 인덕턴스와 저항은 150 kHz에서 7.25 μH 및 22.1 mΩ로 측정되었다.
이러한 치수의 코일과 부스트 컨버터(6V로 부스팅)를 조합하면 다음과 같은 충전 범위와 효율을 얻게 된다.
수직 간격(Z) 5 mm 8 mm
충전 범위(ρ) X X
V in =6V 13. 9 mm 11. 7 mm
중심부에서의 충전 효율 Vin=6V에서 75.9% Vin=6V에서 70.3%
최대 허용 수직 간격 Vin=6V에서 13 mm
표 4와 표 2의 실험 결과를 비교해보면, 수직 간격 Z=8mm일 때 코일의 충전 범위는, Vin=5V 조건 하에 종래 코일을 사용한 경우에 비하여 2배 이상 증가하였고(4.6mm→11.7mm), Vin=6V 조건 하에 종래의 코일을 사용한 경우에 비하여 54% 가량 증가하였음을 알 수 있다. 중심부에서의 최대 허용 수직 간격은, Vin=5V 조건 하에 종래 코일을 사용한 경우에 비하여 62.5% 가량 증가하였고, Vin=6V 조건 하에 종래의 코일을 사용한 경우에 비하여 30% 가량 증가하였다. 이러한 실험 결과에 대해서는 추후 도 7 및 8을 참조하여 추가로 다루어 볼 것이다.
한편, 도 5는 서로 상이한 단면적을 갖는 두 종류의 와이어로 형성된 2개의 송전 코일 구조체가 서로 직렬로 연결된 형태의 송전 코일 구조 및 그 단면을 나타낸다. 도면 우측의 단면에 나타난 바와 같이, 2개의 송전 코일 구조체는 동일 평면 상에 평면적으로 배치될 수도 있으며(위의 두 경우), 서로 적층된 구조를 이룰 수도 있다(아래 두 경우). 특히 적층 구조를 이루게 되는 후자의 경우에는, 상부층의 와이어의 단면 반경이 하부층의 와이어의 단면 반경과 다를 수 있다. 부가적으로, 두 코일 구조체는 서로 다른 피치(p)로 형성될 수도 있다. 이와 같이 두 종류의 와이어로 송전 코일을 구성하게 되면, 2개의 송전 코일 구조체의 내외측 반경, 턴수, 피치 등을 적절히 조절함으로써 무선 급전용으로 생성되는 자기장 패턴을 다양하게 조정할 수 있다는 장점을 가진다.
도 6은 도 5의 일 실시예에 따른 적층 구조의 송전 코일 구조체를 사시도와 단면도로 나타낸 것이다. 도시된 송전 코일은 리츠 와이어로 형성된 것이고, 와이어 하부에 위치하는 자성 시트로는 MnZn 페라이트 시트(크기: 50mm X 50mm X 0.75mm)를 사용할 수 있다. 서로 적층된 2개의 송전 코일 구조체의 치수는 다음과 같다.
rout rin p r0 N
하부층 20 mm 12.25 mm 1.55 mm 1.45 mm 6
상부층 16 mm 12 mm 1 mm 0.45 mm 5
도 7은 종래 기술과 본 발명에 따른 무선 충전 시스템의 충전 성능을 비교하고 그 성능 개선 효과를 예시하는 도면이다. 전기 부하가 Vout=5V, Iout=1A인 경우 무선 충전이 성공적으로 이루어지는 최대 수평 충전 범위를 ρ로 표기하였다. 도면에 나타난 바와 같이, 도 7(b)에 예시된 종래의 무선 충전 시스템에서는 충전 가능한 최대 수직 간격(Z)이 8mm이지만, 도 7(c)에 예시된 본 발명의 무선 충전 시스템(부스트 컨버터와 표 3의 치수를 갖는 코일 구조체를 조합)에서는 충전 가능한 최대 수직 간격(Z)이 13mm에 이른다. 이에 더하여 충전 가능한 수평 범위도 2배 이상 늘어나게 된다.
도 8에는 구체적인 실험 결과의 비교가 나타나 있다. 이는 참고로 도 9의 측정 환경을 통해 얻은 측정 결과이다. 도 8(a) 및 8(b)의 그래프는 각각 종래의 무선 충전 시스템과 본 발명의 무선 충전 시스템에 대응하는 수전 회로에서 측정된 통신 데이터이며, 이는 정류기를 거친 노드에서 측정된 것이다. 중심부, Z=2mm에서 송전 코일과 수전 코일이 서로 강하게 커플링될 때에는 정류 전압이 신속하게 정상 상태로 진입하고 있지만, 송신 코일과 수신 코일 사이의 간극이 커짐에 따라 정상 상태에 도달하는 시간이 늘어나고 있다.
도 8(a) 및 8(b)에서 화살표로 표시한 부분을 살펴보면, 종래의 무선 충전 시스템에 비해 본 발명에 따른 무선 충전 시스템의 경우 정상 상태에 도달하는데 소요되는 시간이 상당히 줄어든다는 점을 알 수 있다. 나아가 본 발명에 따른 무선 충전 시스템에서는 종래의 시스템에 비해 최외곽 충전 가능 수평 범위가 중심부에서부터 훨씬 더 멀리 떨어져 있음에도 불구하고, 이러한 최외곽 충전 가능 범위에서조차 정상 상태 도달하는데 더 적은 시간이 소요되고 있다(예컨대, 1.2초에서 1.0초로 감소됨).
도 9에서는 무선 충전 시스템의 충전 범위, 수직 간격, 충전 효율 등을 측정하기 위한 테스트 환경을 예시하고 있다. 도시된 바와 같이, 송전부는 전원 공급부, 인버터, 직렬 커패시터, 송전 코일 등으로 이루어져 있고, 수전부는 수전 코일, 임피던스 매칭 회로, 정류기, DC/DC 컨버터, 전기 부하 등으로 구성되어 있다. 그리고 측정에 사용되는 Qi 기준 수전 코일이 확대도로 표현되어 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 충전 시스템에서는, DC 전원 공급 장치와 무선 충전 시스템의 DC/AC 인버터 사이에 부스트 컨버터를 배치하여 3.5V 내지 5.1V, 바람직하게는 4.5V 내지 5.0V 범위 내의 입력 전압을 6V 내지 7V 범위 내의 고정된 특정 값으로 부스팅하여 공급함과 동시에, 송전 코일의 배열 및 치수를 종래의 Qi 기준 코일과는 달리 설정하였다. 실험 결과에 따르면, 본 발명은 이러한 조합에 의해 WPC 표준을 따르는 종래의 무선 충전기에 비해 충전 가능한 수직 간격과 수평 범위를 상당히 넓힐 수 있게 된다. 이로써 이동 단말기가 무선 충전기의 중심에서 다소 벗어나 거치되거나 두꺼운 보호용 케이스를 사용하는 경우에도 정상적인 무선 충전이 이루어질 수 있다는 이점을 제공하게 된다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였지만, 이러한 실시예는 예시적인 것이고 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 통상의 기술자라면, 이하의 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이, 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면을 참조하여 여러 가지로 변형·수정하여 실시하는 것이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 이어지는 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등 범위도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
110: AC 전원 공급부
120: AC/DC 어댑터
130: 케이블
140: 무선 충전 시스템
150: 부스트 컨버터
160: DC/AC 인버터
170: 송전 코일 구조체
200: 종래 Tx 코일
300, 400: 무선 충전용 송전 코일
900: 무선 충전 성능 측정 시스템

Claims (10)

  1. 무선 충전 시스템으로서,
    입력단으로 입력되는 제1 DC 전압을 제2 DC 전압으로 부스팅하도록 구성되는 부스트 컨버터,
    상기 부스트 컨버터로부터 부스팅된 상기 제2 DC 전압을 공급받아 AC 전력으로 변환하도록 구성되는 DC/AC 인버터, 및
    상기 DC/AC 인버터에 전기적으로 연결되어 상기 AC 전력으로부터 무선 급전을 위한 시변 자기장을 생성하도록 구성되는 송전 코일 구조체를 포함하고,
    상기 부스트 컨버터에서 출력되는 상기 제2 DC 전압은 6V 내지 7V 범위 내의 사전설정된 고정 값으로 유지되며,
    상기 송전 코일 구조체는 자성 시트 상에 와이어가 복수회 권선되어 내측 반경 rin, 외측 반경 rout인 원형 또는 한 변이 2rout인 정사각형으로 형성되는, 무선 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터는 상기 무선 충전 시스템 외부에 위치하는 전원 공급 장치와 상기 DC/AC 인버터 사이에 위치하여, 전원 공급 장치의 공급 전압과는 상이한 부스팅된 일정 전압을 상기 DC/AC 인버터에 인가하기 위한 것인, 무선 충전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 무선 충전 시스템은 무선 통신 디바이스에 비접촉식으로 급전하기 위한 것인, 무선 충전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 DC 전압은 4.5V 내지 5.0V 범위 내의 값인, 무선 충전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 송전 코일 구조체를 형성하는 와이어의 단면 반경 r0는 0.645 mm이고, 권선의 내측 반경 rin은 9.65 mm, 외측 반경 rout은 24 mm이며, 상기 권선의 피치 p 는 1.39 mm이고 코일의 턴수 N은 11회인, 무선 충전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 부스트 컨버터에 의해 부스팅된 제2 DC 전압의 사전설정된 고정 값이 6V일 때,
    (i) 상기 송전 코일 구조체의 중심으로부터 수전 코일 구조체까지의 수직 거리 Z가 5mm이고 상기 수전 코일 구조체의 중심과 상기 송전 코일 구조체의 중심 간의 수평 방향으로의 변위가 13.9mm인 경우 중심부에서의 충전 효율은 75% 이상이며,
    (ii) 수직 거리 Z가 8mm이고, 상기 수평 방향으로의 변위가 11.7mm인 경우 중심부에서의 충전 효율은 70% 이상인, 무선 충전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 송전 코일 구조체는 서로 상이한 단면적의 와이어가 직렬로 연결되어 형성되는 복수의 코일 구조체를 포함하는, 무선 충전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 코일 구조체는 제1 코일 구조체 및 상기 제1 코일 구조체 상에 적층된 제2 코일 구조체를 포함하되, 상기 제2 코일 구조체를 형성하는 와이어의 단면 반경은 상기 제1 코일 구조체를 형성하는 와이어의 단면 반경보다 작은 것인, 무선 충전 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 코일 구조체는 제1 코일 구조체 및 제2 코일 구조체를 포함하되, 상기 제1 코일 구조체와 상기 제2 코일 구조체는 동일 평면 상에 위치하는, 무선 충전 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 코일 구조체와 상기 제2 코일 구조체는 서로 다른 피치로 형성된 것인, 무선 충전 시스템.
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US16/480,819 US11139671B2 (en) 2017-03-06 2018-03-05 Wireless charging system including boost converter and transmission coil structure
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021252271A1 (en) * 2020-06-08 2021-12-16 Safer Planet Inc. Portable sanitizing arrangement

Family Cites Families (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USD286594S (en) 1984-05-14 1986-11-11 Engineering & Research Assoc., Inc. Support stand for a sphere
US6937125B1 (en) 1999-10-18 2005-08-30 William W. French Self rotating display spherical device
AU1329001A (en) 1999-10-18 2001-04-30 William W. French Self rotating display spherical device
EP1278039B8 (de) 2001-07-16 2006-03-15 RWM Schweiz AG Sicherungs- und Armierungsvorrichtung und deren Verwendung
US7626353B2 (en) * 2004-10-19 2009-12-01 Hitachi, Ltd. Mobile type information terminal and self diagnosis method and operation method thereof
KR100819604B1 (ko) * 2005-07-27 2008-04-03 엘에스전선 주식회사 충전효율의 편차가 개선된 무선 충전기
US8960988B2 (en) 2010-02-23 2015-02-24 Tseng-Lu Chien LED light with special effects
CN101971452B (zh) 2008-03-13 2014-06-04 捷通国际有限公司 具有多个线圈初级的感应电源系统
US9909739B2 (en) 2012-07-03 2018-03-06 Tseng-Lu Chien LED bulb or LED night light having a moving projection image
US10509304B2 (en) 2008-11-12 2019-12-17 Tseng-Lu Chien LED projection light has features
JP5471283B2 (ja) * 2009-10-19 2014-04-16 Ｔｄｋ株式会社 ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システム
JP5279797B2 (ja) * 2010-11-01 2013-09-04 三菱電機株式会社 電力変換装置
WO2012079948A1 (en) 2010-12-16 2012-06-21 International Business Machines Corporation A human interface device with two three-axis-accelerometers
US20130285605A1 (en) * 2011-01-18 2013-10-31 Mojo Mobility, Inc. Systems and methods for wireless power transfer
KR20120134030A (ko) 2011-05-31 2012-12-11 삼성전자주식회사 무선전력 전송 및 충전 시스템, 무선전력 전송 및 충전 시스템의 전력 제어 방법
WO2012169719A1 (ko) 2011-06-10 2012-12-13 유노시스템 주식회사 무접점 충전 시스템의 다층 코일 구조
US20130026981A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Broadcom Corporation Dual mode wireless power
US20130033565A1 (en) 2011-08-03 2013-02-07 Harlan Ray Sandidge Three-coordinate Three Dimensional Television system in Cubic and Spherical configurations, with Domed Theater Display and other curved shapes
JP4983999B1 (ja) * 2011-09-09 2012-07-25 パナソニック株式会社 非接触充電モジュール及びこれを用いた非接触充電機器
JP2013183496A (ja) * 2012-02-29 2013-09-12 Equos Research Co Ltd 電力伝送システム
KR101438880B1 (ko) 2012-03-19 2014-11-03 엘지이노텍 주식회사 무선전력 송신장치 및 무선전력 전송 방법
KR101449123B1 (ko) 2012-09-13 2014-10-08 엘지이노텍 주식회사 코일, 무선 전력 장치 및 단말기
KR101305790B1 (ko) 2012-04-18 2013-09-06 엘지이노텍 주식회사 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치
US20140336550A1 (en) 2012-06-18 2014-11-13 James E. Zedaker Rolling Ball Massager
US9118193B2 (en) * 2012-10-10 2015-08-25 Ming-Hsiang Yeh Bidirectional wireless charging/discharging device for portable electronic device
KR101436314B1 (ko) 2012-11-13 2014-09-02 주식회사 에스엔파워콤 출력케이블 전압드롭을 보상하는 무선충전 장치용 전원 어뎁터
CN104781725A (zh) * 2012-11-15 2015-07-15 夏普株式会社 液晶模块和电子设备
TW201427227A (zh) * 2012-12-28 2014-07-01 Samya Technology Co Ltd 可攜式無線充電器
US20160001662A1 (en) * 2013-02-25 2016-01-07 Ut-Battelle, Llc Buffering energy storage systems for reduced grid and vehicle battery stress for in-motion wireless power transfer systems
US20160074759A1 (en) 2014-09-16 2016-03-17 Lightuptoys.Com Llc Omni spinner
CN103746462B (zh) * 2013-07-11 2016-01-20 重庆米亚车辆技术有限公司 一种用于无线电能传输的双边lcc补偿网络及其调谐方法
KR102107768B1 (ko) * 2013-07-24 2020-05-07 엘지이노텍 주식회사 보조 전원을 내장한 무선 충전 장치와 보조 전원 장치
USD701831S1 (en) 2013-07-25 2014-04-01 Lg Electronics Inc. Wireless charger for cellular phone
US9148071B2 (en) * 2013-07-29 2015-09-29 Rhombus Energy Solutions, Inc. DC source-to-AC grid tie-in power enhancement using multilevel inverter topology and resonant matrix tank converter
KR101788603B1 (ko) 2013-12-01 2017-10-20 엘지전자 주식회사 무선 전력 전송방법, 무선 전력 전송장치 및 무선 충전 시스템
US9800076B2 (en) * 2014-02-14 2017-10-24 Massachusetts Institute Of Technology Wireless power transfer
KR20150112160A (ko) 2014-03-27 2015-10-07 엘지이노텍 주식회사 무선전력전송 송신 장치를 구비한 무선전력전송 시스템
KR20160105079A (ko) * 2015-02-27 2016-09-06 엘지이노텍 주식회사 무선 전력 수신 장치 및 이를 포함하는 무선전력전송 시스템
WO2016172916A1 (en) * 2015-04-30 2016-11-03 The University Of Hong Kong Transmitter-side control of wireless power transfer systems without using mutual coupling information or wireless feedback
WO2018107392A1 (en) * 2016-12-14 2018-06-21 The University Of Hong Kong A single-stage single-inductor multiple-output (simo) inverter topology with precise and independent amplitude control for each ac output
KR102381711B1 (ko) 2017-03-22 2022-03-31 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 거치 각도 조절이 자유로운 이동통신 디바이스 거치대
US10389274B2 (en) * 2017-04-07 2019-08-20 Apple Inc. Boosted output inverter for electronic devices
KR102453478B1 (ko) * 2017-12-06 2022-10-12 주식회사 위츠 무선 전력 송신 장치
US20190326782A1 (en) * 2018-04-24 2019-10-24 Apple Inc. Wireless Charging System With Metallic Object Detection
US11387678B2 (en) * 2019-09-27 2022-07-12 Apple Inc. Stacked resonant structures for wireless power systems
US11101848B2 (en) * 2020-01-03 2021-08-24 Nucurrent, Inc. Wireless power transmission system utilizing multiple transmission antennas with common electronics

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Publication number Publication date
US11139671B2 (en) 2021-10-05
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