KR20190063930A

KR20190063930A - 무선 충전 장치 및 시스템

Info

Publication number: KR20190063930A
Application number: KR1020170163099A
Authority: KR
Inventors: 송일종
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-10
Also published as: WO2019107748A1

Abstract

실시예는 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 특히, 무선 충전 장치 및 시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 무선 충전 장치는, 무선 전력 수신기에 무선으로 고출력의 전력을 송신하는 무선 충전 장치에 있어서, 제1 노드에 입력된 직류 전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 공진 캐패시터 및 송신 코일을 포함하며 상기 교류전압이 인가되는 송신부; 상기 무선 전력 수신기로부터 변조된 인밴드 신호를 복조하는 복조부; 상기 제1 노드의 레일 전압 및 레일 전류를 측정하는 센싱부; 주제어부;를 포함하고, 상기 주제어부는 상기 측정된 레일 전압 및 레일 전류에 기초하여 출력 전력을 검출하고, 상기 송신 코일의 턴수는 상기 무선 전력 수신기의 수신 코일을 턴수의 10배 이하일 수 있다.

Description

무선 충전 장치 및 시스템{Wireless Charging Apparatus and System}

실시예는 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 특히, 무선 충전 장치 및 시스템에 관한 것이다.

전동 드릴, 진공 청소기와 같이 전기에너지를 이용하는 전기 기기 또는 휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 단말은 전력을 저장하는 배터리와 배터리의 충전 및 방전을 위한 회로를 포함한다. 이러한 전기 기기의 배터리가 충전되려면, 외부의 충전기로부터 전력을 공급받아야 한다.

일반적으로 배터리에 전력을 충전시키기 위한 충전장치와 배터리 간의 전기적 연결방식의 일 예로, 상용전원을 공급받아 배터리에 대응하는 전압 및 전류로 변환하여 해당 배터리의 단자를 통해 배터리로 전기에너지를 공급하는 단자공급방식을 들 수 있다. 이러한 단자공급방식은 물리적인 케이블(cable) 또는 전선의 사용이 동반된다. 따라서 단자공급방식의 장비들을 많이 취급하는 경우, 많은 케이블들이 상당한 작업 공간을 차지하고 정리가 곤란하며 외관상으로도 좋지 않다. 또한 단자공급방식은 단자들간의 서로 다른 전위차로 인한 순간방전현상, 이물질에 의한 소손 및 화재 발생, 자연방전, 배터리의 수명 및 성능 저하 등의 문제점을 야기할 수 있다.

최근 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전력을 전송하는 방식을 이용한 충전시스템(이하 "무선 충전 시스템"이라 칭함.)과 제어방법들이 제시되고 있다. 일반적으로 무선 충전 시스템은 무선 전력 전송 방식으로 전기에너지를 공급하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 송신기로부터 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리를 충전하는 무선 전력 수신기로 구성된다.

이러한 무선 충전 시스템은 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식(예를 들어, 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 등)에 의해 전력을 전송할 수 있다.

한편, 일부 전기 기기는 전력 소비가 상대적으로 많아 대용량 배터리를 사용한다. 대용량 배터리는 무선 충전을 할 경우 고출력의 무선 전력이 제공되어야 효율적으로 충전되며 충전 시간을 감소 시킬 수 있다.

그러나, 고출력으로 무선 전력을 전송 할 경우 무선 충전 장치 및 전기 기기에서 상대적으로 높은 전압 및 전류가 발생되고 이로 인해 발열 현상, 내부 회로 손상, 배터리 손상 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 무선 충전을 안정적으로 하며 충전 효율이 높은 고출력 무선 충전 장치 및 시스템이 필요한 실정이다.

최근 고출력 무선 충전을 안정적으로 하기 위하여 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기를 고정하여 충전하는 기술이 있으나 이러한 기술은 충전 자유도가 감소하고 사용자의 불편이 발생하였다.

실시예는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 실시예의 목적은 무선 충전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실시예의 또 다른 목적은 충전 효율이 높은 고출력의 무선 충전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실시예의 또 다른 목적은 안정적인 충전이 가능한 고출력의 무선 충전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실시예의 또 다른 목적은 충전 영역이 증가하여 충전 자유도가 높은 고출력의 무선 충전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실시예의 또 다른 목적은 고출력 무선 충전을 지원하는 경우만 무선 충전을 진행하는 무선 충전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실시예의 또 다른 목적은 이물질 검출이 가능한 고출력의 무선 충전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 실시예의 또 다른 목적은 소비 전력을 감소시키는 고출력의 무선 충전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

실시예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 무선 전력 수신기에 무선으로 고출력의 전력을 송신하는 무선 충전 장치에 있어서, 제1 노드에 입력된 직류 전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 공진 캐패시터 및 송신 코일을 포함하며 상기 교류전압이 인가되는 송신부; 상기 무선 전력 수신기로부터 변조된 인밴드 신호를 복조하는 복조부; 상기 제1 노드의 레일 전압 및 레일 전류를 측정하는 센싱부; 주제어부;를 포함하고, 상기 주제어부는 상기 측정된 레일 전압 및 레일 전류에 기초하여 출력 전력을 검출하고, 상기 송신 코일의 턴수는 상기 무선 전력 수신기의 수신 코일을 턴수의 10배 이하일 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 주제어부는 상기 인밴드 신호에 기초하여 상기 무선 전력 수신기가 고출력의 무선 충전이 가능한지 판단할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상용 교류 전원을 상기 직류 전압으로 정류하는 정류부; 상기 정류부와 상기 제1 노드 사이에 배치되는 레일 전압 스위치; 및 상기 레일 전압 스위치를 제어하는 레일 전압 제어부;를 더 포함하고, 상기 레일 전압 제어부는 핑 모드에서 상기 레일 전압 스위치를 오프시키고, 전력 전송 모드에서 상기 레일 전압 스위치를 온시킬 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 정류된 직류 전압을 변압하여 저전압을 생성하는 변압부; 및 상기 저전압을 상기 제1 노드에 제공하는 저전압 제공부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 송신 코일의 송신 코일 전압에 기초하여 비교 신호를 생성하는 검출부;를 포함하고, 상기 검출부는 핑 모드이면 상기 저전압을 이용하여 상기 비교 신호를 생성하고, 전력 전송 모드이면 상기 정류된 직류 전압을 이용하여 상기 비교 신호를 생성할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 주제어부는 상기 비교 신호에 기초하여 상기 무선 전력 수신기의 존부를 판단할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 주제어부는 상기 무선 전력 수신기가 요청하는 동작 주파수로 고정하여 무선 전력을 생성하도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

실시예에 따른 무선 충전 장치는, 무선 전력 송신기로부터 무선으로 고출력의 무선 전력을 수신하여 부하에 충전 전력을 제공하는 무선 충전 장치에 있어서, 공진 캐패시터 및 수신 코일을 포함하며 상기 무선 전력을 수신하는 수신부; 상기 무선 전력을 정류하여 직류 전력을 생성하는 정류부; 상기 직류 전력을 상기 부하에 의해 요구되는 특정 세기의 충전 전력으로 변환하는 직류/직류 변환기; 제어 신호를 인밴드 신호로 변조하여 상기 수신부에 제공하는 변조부; 상기 제어 신호를 제공하는 주제어부;를 포함하고, 상기 수신 코일의 턴수는 상기 무선 전력 송신기의 송신 코일을 턴수의 1/10배 이상일 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 직류/직류 변환기는 스텝 다운 컨버터일 수 있다.

또한, 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 상기 주제어부는 상기 무선 전력 송신기가 소정의 동작 주파수로 고정하여 무선 전력을 생성하도록 요청하는 제어 신호를 생성할 수 있다.

실시예에 따른 무선 충전 장치 및 시스템에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.

실시예는 무선 충전 장치 및 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예는 충전 속도가 빠르고 충전 효율이 높은 고출력의 무선 충전을 할 수 있다.

또한, 실시예는 안정적인 충전이 가능한 고출력의 무선 충전을 할 수 있다.

또한, 실시예는 충전 영역이 증가하여 충전 자유도가 높은 고출력의 무선 충전을 할 수 있다.

또한, 실시예는 고출력 무선 충전을 지원하는 경우만 무선 충전을 진행하여 전력 낭비를 방지하고 주변 기기를 보호할 수 있다.

또한, 실시예는 이물질 검출이 가능한 고출력의 무선 충전을 진행 할 수 있다.

또한, 실시예는 소비 전력을 감소시키는 고출력의 무선 충전을 할 수 있다.

실시예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 실시예에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이하에 첨부되는 도면들은 실시예에 관한 이해를 돕기 위한 것이다. 다만, 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2의 무선 충전 장치의 검출부를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 3의 검출부의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 도 3의 검출부의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 2의 무선 충전 장치의 각 구성이 기판과 차폐재에 배치된 모습이다.
도 7은 상기 도 2에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치와 연동되는 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 도 7의 무선 충전 장치의 직류/직류 변환기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 9는 도 7의 무선 충전 장치의 각 구성이 기판과 차폐재에 배치된 모습이다.

이하, 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

이상에서, 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 실시예의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 실시예의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.

실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤) "에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및 "전(앞) 또는 후(뒤) "는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

그리고 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 전력 송신기, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송기, 무선충전장치 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 단말 등이 혼용되어 사용될 수 있다.

실시예에 따른 무선충전장치는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 송신기는 통상적으로 책상이나 탁자 위 등에서 놓여서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자동차용으로도 개발되어 적용되어 차량 내에서 사용될 수 있다. 차량에 설치되는 무선 전력 송신기는 간편하고 안정적으로 고정 및 거치할 수 있는 거치대 형태로 제공될 수 있다.

실시예에 따른 단말은 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전동 드릴, 진공 청소기, 전기 다리미, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있고, 단말 또는 디바이스라는 용어는 혼용하여 사용될 수 있다. 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 차량, 무인 항공기, 에어 드론 등에도 탑재될 수 있다.

실시예에 따른 무선 전력 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식이 구비될 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송 방식은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적으로, 무선 전력 시스템을 구성하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 인밴드 통신 또는 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신을 통해 제어 신호 또는 정보를 교환할 수 있다. 여기서, 인밴드 통신, BLE 통신은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 주파수 변조 방식, 위상 변조 방식, 진폭 변조 방식, 진폭 및 위상 변조 방식 등으로 수행될 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신기는 수신 코일을 통해 유도된 전류를 소정 패턴으로 ON/OFF 스위칭하여 궤환 신호(feedback signal)를 생성함으로써 무선 전력 송신기에 각종 제어 신호 및 정보를 전송할 수 있다. 무선 전력 수신기에 의해 전송되는 정보는 수신 전력 세기 정보를 포함하는 다양한 상태 정보를 포함할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 수신 전력 세기 정보에 기반하여 충전 효율 또는 전력 전송 효율을 산출할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이고, 도 3은 도 2의 무선 충전 장치의 검출부를 설명하기 위한 회로도이고, 도 4는 도 3의 검출부의 동작을 설명하기 위한 회로도이고, 도 5는 도 3의 검출부의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전기기기(30)로 구성될 수 있다.

일 예로, 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 무선 전력 송신단(10)에 제공하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 무선 전력 송신단(10)에 제공하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)에 제공하는 정보는 무선 전력 수신단(20)의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다.

상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 단방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지않으며, 다른 실시예에 있어서는 반이중 방식의 통신 또는 양방향의 통신을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다. 반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.

실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전기 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전기 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전기 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.

실시예에 따른 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신단(10)에서 무선 전력 수신단(20)으로 고출력의 무선 전력을 제공할 수 있다. 고출력의 무선 전력은 전력의 세기가 소정의 세기 이상일 수 있다. 일 예로, 고출력의 무선 전력은 전력의 세기가 15W 이상일 수 있다. 다른 예로, 고출력의 무선 전력은 15W 내지 100W일 수 있다. 또 다른 예로, 고출력의 무선 전력은 60W의 전력 세기일 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 전원부(110)를 포함할 수 있다. 전원부(110)는 외부 전원 단자로부터 교류 전원을 인가 받아 필터부(120)에 전달할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 필터부(120)를 포함할 수 있다. 필터부(120)는 입력 교류 전원을 따라 새어 들어오는 전자 방해 잡음(EMI: Electro Magnetic Interference), 서지 전압을 제거하여 정류부(130)로 출력할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 정류부(130)를 포함할 수 있다. 정류부(130)는 상기 전원부(110)를 통해 입력된 교류 전원을 정류한다. 일 예로, 정류부(130)는 풀-브릿지 다이오드로 구성될 수 있다. 정류부(130)는 전원부(110)를 통해 입력되는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 정류한다. 정류부(130)는 정류된 직류 전압(Vdc)을 변압부(140)와 레일 전압 스위치(SW)에 제공할 수 있다. 정류된 직류 전압(Vdc)은 고출력의 무선 전력을 생성하기 위해 충분히 큰 전압 세기일 수 있다. 예를 들어, 직류 전압(Vdc)은 310V일 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 변압부(140)를 포함할 수 있다. 변압부(140)는 정류부(130)를 통해 입력된 직류 전압(Vdc)을 무선 충전 장치의 각 구성의 동작에 필요한 소정의 전압으로 변압하고, 각 구성에 변압된 소정의 전압을 제공할 수 있다. 일 예로, 변압부(140)는 정류된 직류 전압(Vdc)을 변압한 제1-1 전압(V11)을 레일 전압 제어부(150)에 제공할 수 있다. 또한, 변압부(140)는 정류된 직류 전압(Vdc)을 변압한 제1-2 전압(V12)을 제공할 수 있다. 제1-2 전압(V12)는 5V일 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 변압부(140)는 정류된 직류 전압(Vdc)을 변압한 제1-3 전압(V13)을 게이트 드라이버(170)에 제공할 수 있다. 제1-3 전압(V13)은 12V일 수 있고, 이에 제한 되는 것은 아니다. 또한, 변압부(140)는 상기 제1-1 전압(V11), 제1-2 전압(V12), 제1-3 전압(13) 이외에 필요에 따라 각 구성이 필요한 전원을 제공할 수 있으므로, 도 2에 제한되는 것은 아니다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 레일 전압 제어부(150)를 포함할 수 있다. 레일 전압 제어부(150)는 변압부(140)에서 제공된 제1-1 전압(V11)에 기초하여 레일 전압 스위치(SW)를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 레일 전압 제어부(150)는 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치의 존부를 판단하거나 이물질을 검출 등을 수행하는 핑 모드에서 레일 전압 스위치(SW)를 오프(off) 시켜 고전압인 직류 전압(Vdc)이 레일 전압단인 제1 노드(N1)에 제공되지 않도록 한다. 핑 모드에서 고전압인 직류 전압(Vdc)이 레일 전압단에 인가되지 않도록 하여 대기 전력을 감소시킬 수 있고 주변 전자 기기의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 레일 전압 제어부(150)는 무선 충전을 진행하는 전력 전송 모드에서 레일 전압 스위치(SW)를 온(on) 시켜 고전압인 직류 전압(Vdc)이 레일 전압단인 제1 노드(N1)에 제공하도록 한다. 고전압인 직류 전압(Vdc)이 레일 전압단에 인가되면 고출력의 무선 전력을 생성 할 수 있다. 또한, 레일 전압 제어부(150)는 주제어부(160)의 핑 모드 또는 전력 전송 모드를 알리는 모드 제어 신호에 기초하여 동작할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 전압 분배부(230)를 포함할 수 있다. 전압 분배부(230)는 변압부(140)에서 제공된 제1-2 전압(V12)을 전압 분배하여 주제어부(160)에 제2-1 전압(V21)을 제공하고 저전압 제공부(240)에 제2-2 전압(V22)을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 전압 분배부(230)는 제1 저항(R1) 내지 제3 저항(R3)을 포함할 수 있다. 전압 분배부(230)는 제1-2 전압(V12) 및 제1 저항(R1) 내지 제3 저항(R3)을 이용하여 주제어부(160)의 구동에 필요한 전압인 제2-1 전압(V21) 및 핑 모드에서 레일 전압단에 제공되는 저전압인 제2-2 전압(V22)을 생성할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 저전압 제공부(240)를 포함할 수 있다. 저전압 제공부(240)는 레일 전압단인 제1 노드(N1)에 저전압인 제2-2 전압(V22)을 제공할 수 있다. 저전압은 핑 모드에서 핑 신호를 생성하기에 충분한 전압 세기일 수 있다. 일 예로, 저전압은 2V 내지 3V일 수 있다. 보다 구체적으로, 저전압 제공부(240)는 제1 다이오드(D1)를 포함할 수 있다. 제1 다이오드(D1)는 제1 노드(N1)에 역방향으로 배치될 수 있다. 즉, 제1 다이오드(D1)는 핑 모드에서 저전압이 레일 전압단에 제공되도록 하지만 전력 전송 단계에서 레일 전압단의 고전압이 변압부(140) 또는 주제어부(160)로 인가되는 것을 방지할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 센싱부(200)를 포함할 수 있다. 센싱부(200)는 레일 전압단인 제1 노드(N1)의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 센싱부(200)는 전압 센서(미도시) 및 전류 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 전압 센서(미도시)는 제1 노드(N1)의 전압을 측정하여 측정된 레일 전압(Vrail)을 주제어부(160)에 제공할 수 있다. 전류 센서(미도시)는 제1 노드(N1)에서 인버터(180)의 입력단으로 흐르는 전류를 측정하여 측정된 레일 전류(Irail)을 주제어부(160)에 제공할 수 있다.

주제어부(160)는 측정된 레일 전압(Vrail)과 레일 전류(Irail)을 이용하여 전력 값을 검출할 수 있다. 즉, 고출력의 무선 충전의 경우, 정교한 전력 검출이 필요한데 일 실시예에 따른 무선 충전 장치는 전압 측정 값 또는 전류 측정 값 중 어느 하나의 값으로 전력을 검출하는 것이 아닌 전압 측정 값 및 전류 측정 값을 모두 이용하므로 정교한 전력 검출이 가능하다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 인버터(180)를 포함할 수 있다. 인버터(180)는 직류 전력을 교류전력으로 변환하기 위해 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 인버터(180)는 도 2와 같이 하프 브리지(Half Bridge) 회로를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 풀 브릿지(Full Bridge) 회로를 포함하여 구성될 수 있다. 인버터(180)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있을 뿐만 아니라 교류 전력의 세기를 변경시킬 수도 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 게이트 드라이버(170)를 포함할 수 있다. 게이트 드라이버(170)는 변압부(140)에서 제공된 제1-3 전압(V13)에 의해 구동되고 펄스 폭 변조 신호에 기초하여 인버터(180)에 구비된 스위치를 제어할 수 있다. 게이트 드라이버(170)는 주제어부(160)로부터 적어도 하나의 펄스 폭 변조 신호를 수신할 수 있으며, 수신된 펄스 폭 변조 신호에 따라 인버터(180)의 스위치를 제어할 수 있다. 또한, 게이트 드라이버(170)는 도시하지 않았지만 피드백 회로로 구성될 수 있다. 고출력의 무선 전력을 생성하기 위해서는 안정성이 매우 중요한데 게이트 드라이버(170)를 피드백 회로로 구성하여 안정성을 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 주제어부(160)는 피드백 회로(미도시)로 구성될 수 있다.

주제어부(160)는 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클(Duty Cycle)-즉, 듀티 레이트(Duty Rate)- 및 위상(Phase)를 제어하여 인버터(180) 출력 전력의 세기 및 동작 주파수를 제어할 수 있다. 주제어부(160)는 무선 전력 수신 장치로부터 수신되는 피드백 신호에 기반하여 적응적으로 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클 및 위상을 제어할 수 있다. 일 예로, 주제어부(160)는 무선 전력 수신 장치가 요구하는 소정의 동작 주파수의 출력 전력 생성하도록 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클 및 위상을 제어할 수 있다. 소정의 동작 주파수는 고출력의 무선 충전시 무선 충전 장치(20)가 안정적으로 무선 전력을 수신할 수 있는 주파수 일 수 있다. 일 예로, 소정의 동작 주파수는 상한치와 하한치를 구성 할 수 있습니다. 소정의 동작 주파수의 상한치는 인체에 유해한 주파수 또는 방송국의 주파수의 주파수 보다 낮은 주파수 값일 수 있다. 소정의 동작 주파수의 하한치는 회로의 공진점 보다 높은 주파수 값일 수 있다. 만약 회로의 공진점과 동작 주파수가 같으면 회로가 파괴될 수 있다. 다른 예로, 소정의 동작 주파수는 135kHz 내지 150kHz일 수 있다. 또 다른 예로, 소정의 동작 주파수는 145KHz일 수 있다. 또한, 주제어부(160)는 무선 전력 수신 장치의 요청에 따라 동작 주파수를 고정시킬 수 있다. 동작 주파수를 고정하여 고출력의 무선 충전을 안정적으로 할 수 있다. 만약 동작 주파수가 변동되면 회로의 공진점과 동일해 질 수 있으므로 동작 주파수가 고정되는 것이 안정적이다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 송신부(190)를 포함할 수 있다. 송신부(190)는 송신 코일(191)과 공진 캐패시터(192)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 송신 코일(191)은 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치의 수신 코일과 소정의 턴 비로 구성될 수 있다. 일 예로, 송신 코일(191)의 턴 수는 수신 코일의 턴 수의 10배 이하일 수 있다. 다른 예로, 수신 코일 대비 송신 코일(191)의 턴비는 10/1 이하일 수 있다. 또 다른 예로, 송신 코일(191)의 턴 수는 40 턴이고 수신 코일의 턴 수는 6 턴일 수 있다. 종래에 고출력 무선 충전 시스템에서 안정성을 위하여 수신 코일 대비 송신 코일의 턴 비를 점차 높여 수신 코일 측에 입력되는 전압을 낮추었고, 이에 충전 효율이 감소하고 충전 자유도가 감소하는 문제가 있었다. 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은 고출력의 무선 충전을 하더라도 정교하고 빠른 피드백이 가능하여 안정되기 때문에 수신 코일 대비 송신 코일의 턴 비를 종래보다 낮출 수 있고 수신 코일 측에 입력되는 전압을 종래보다 높이므로 충전 효율을 증가시키고 충전 자유도를 증가 시킬 수 있다. 공진 캐패시터(192)는 송신 코일(191)의 인덕턴스에 따라 공진회로를 구성하기 위한 커패시턴스 일 수 있다. 예를 들어, 40턴으로 구성된 송신 코일(191)이 330μH이면 공진 캐패시터(192)는 6.6nF일 수 있다. 이 경우 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치의 수신부는 6 턴으로 구성된 수신 코일이 8.8μH이고 공진 캐패시터가 236nF일 수 있다. 즉, 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치의 송신부와 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치의 수신부는 서로 공진하여 무선 충전 효율이 증가할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 복조부(210)를 포함할 수 있다. 복조부(210)는 송신 코일(191)을 통해 수신되는 신호가 감지되면, 감지된 신호를 복조하여 주제어부(160)에 전송할 수 있다. 일 예로, 복조된 신호에는 동작 주파수 값, 수신 전력 값, 신호 세기 지시자, 무선 전력 전송 중 전력 제어를 위한 오류 정정(EC: Error Correction) 지시자, 충전 완료(EOC: End Of Charge) 지시자, 과전압/과전류/과열 지시자 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 수신기의 상태를 식별하기 위한 각종 상태 정보가 포함될 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기(10)는 무선 전력 전송에 사용되는 동일한 주파수를 이용하여 무선 전력 수신기와 통신을 수행하는 인밴드(In-Band) 통신을 통해 상기 신호 세기 지시자를 획득할 수 있다. 이상이 도 2의 설명에서는 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기가 인밴드 통신을 수행하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 근거리 양방향 통신은 저전력 블루투스 통신, RFID 통신, UWB 통신, 지그비 통신 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 검출부(220)를 포함할 수 있다. 검출부(220)는 레일 전압(Vrail)과 송신 코일 전압(Vant)에 기초하여 비교 신호를 생성하고 생성된 비교 신호를 주제어부(160)에 제공할 수 있다. 주제어부(160)는 검출부(220)에서 제공된 비교 신호에 기초하여 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치가 충전 영역에 존재하는지 판단할 수 있다. 고출력의 무선 충전 시스템은 소모 전력이 상당히 크고 주변 전자 기기에 영향을 줄 수 있으므로 수신기가 송신기에 위치해 있을 때 무선 충전을 진행해야 한다. 또한, 주제어부(160)는 검출부(220)에서 제공된 비교 신호에 기초하여 이물질을 검출할 수 있다. 고출력의 무선 충전 시스템에서 충전 영역에 이물질, 특히 금속 이물질이 존재할 경우 발열 현상 및 소모 전력이 증가하므로 이물질을 신속히 검출해야 한다. 또한, 주제어부(160)는 검출부(220)에서 제공된 비교 신호에 기초하여 수신기가 충전 영역에서 멀어져 충전 거리가 증가 여부를 판단할 수 있다. 이에, 무선 충전 시스템은 이물질이 존재하는 경우와 충전 거리가 증가하는 경우를 구분하여 무선 충전을 진행할 수 있어 무선 충전 효율을 증가시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 검출부(220)는 제1 비교부(221), 제2 비교부(222), 분배 저항부(224), 모드 스위치(223)를 포함할 수 있다.

모드 스위치(223)는 주제어부(160)에서 제공하는 모드 스위치 제어 신호(cont)에 기초하여 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 모드 스위치(223)는 일단이 제5 저항(R5)의 타단에 연결되고 타단이 그라운드와 연결될 수 있다. 모드 스위치(223)는 핑 모드에서 오프(off)되고 전력 전송 모드에서 온(on)될 수 있다.

제1 비교부(221)는 제1 기준전압(Vref1)과 송신 코일 전압(Vant)에 기초하여 제1 비교신호(comp1)를 생성하여 주제어부(160)에 제공 할 수 있다. 일 예로, 제1 비교부(221)는 제1 비교기(Amp1)일 수 있다. 제1 비교기(Amp1)는 OP-Amp일 수 있다. 이 경우, 제1 비교기(Amp1)는 비반전 단자에 제1 기준전압(Vref1)이 입력되고, 반전 단자에 송신 코일 전압(Vant)이 입력될 수 있다. 제2 비교부(222)는 제2 기준전압(Vref2)과 송신 코일 전압(Vant)에 기초하여 제2 비교 신호(comp2)를 생성하여 주제어부(160)에 제공할 수 있다. 일 예로, 제2 비교부(222)는 제2 비교기(Amp2)일 수 잇다. 제2 비교기(Amp2)는 OP-Amp일 수 있다. 이 경우, 제2 비교기(Amp2)는 비반전 단자에 제2 기준전압(Vref2)이 입력되고, 반전 단자에 송신 코일 전압(Vant)이 입력될 수 있다.

분배 저항부(224)는 레일 전압(Vrail)을 입력 받아 모드 스위치(223)의 동작에 따라 제1 기준 전압(Vref1)에 분배된 전압을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 분배 저항부(224)는 제4 저항(R4) 및 제5 저항(R5)을 포함할 수 있다. 제4 저항(R4)은 일단에 레일 전압(Vrail)이 제공되고 타단이 제1 비교기(Amp1)의 비반전 단자 및 제5 저항(R5)의 일단에 연결될 수 있다. 제5 저항(R5)은 타단이 모드 스위치(223)의 일단에 연결될 수 있다.

도 4를 참조하면, 도 4는 핑 모드에서 검출부(220)가 제1 비교 신호(comp1) 및 제2 비교 신호(comp2)를 생성하는 방법을 설명하는 도면이다. 앞서 설명 하였듯이 핑 모드에서 레일 전압 스위치(SW)가 오프(off)되고 저전압 제공부(240)에서 제공되는 저전압이 레일 전압(Vrail)으로 입력된다. 이 경우, 레일 전압(Vrail)은 전압 레벨이 충분히 낮기 때문에 전압 레벨을 감소시킬 필요가 없다. 분배 저항부(224)는 모드 스위치(223)가 오프(off)되면 비교기(Amp1)의 비반전 단자 및 제5 저항(R5)에 전류가 흐르지 않기 때문에 레일 전압(Vrail)을 감소시키지 않고 제1 기준전압(Vref1)으로 제공할 수 있다. 즉, 저전압인 레일 전압(Vrail)이 제1 기준전압(Vref1)일 수 있다. 일 예로, 핑 모드에서 제1 기준전압(Vref1)은 2V 내지 3V일 수 있다. 제1 비교부(221)는 송신 코일 전압(Vant)이 제1 기준전압(Vref1) 보다 작으면 하이 레벨의 제1 비교신호(comp1)를 생성할 수 있다. 제1 비교부(221)는 송신 코일 전압(Vant)이 제1 기준 전압(Vref1)보다 크면 로우 레벨의 제1 비교신호(comp1)를 생성할 수 있다. 제2 기준전압(Vref2)은 변압부(140)에서 생성될 수 있다. 제2 기준전압(Vref2)은 제1 기준전압(Vref1)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 기준전압(Vref2)은 5V일 수 있다. 제2 비교부(222)는 송신 코일 전압(Vant)이 제2 기준전압(Vref2)보다 작으면 하이 레벨의 제2 비교신호(comp2)를 생성할 수 있다. 제2 비교부(222)는 송신 코일 전압(Vant)이 제2 기준전압(Vref2)보다 크면 로우 레벨의 제2 비교신호(comp2)를 생성할 수 있다. 핑 모드에서, 주제어부(160)는 제1 비교신호(comp1)가 하이 레벨이고 제2 비교신호(comp2)가 하이 레벨이면 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치가 충전 영역에 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 주제어부(160)는 핑 모드에서 전력 전송 모드로 변경하여 고출력의 무선 충전을 진행할 수 있다. 주제어부(160)는 제1 비교신호(comp1)가 로우 레벨이고 제2 비교신호(comp2)가 로우 레벨이면 이물질이 검출된 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 주제어부(160)는 무선 충전을 중단할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 무선 충전 장치는 무선 충전을 효율적으로 할 수 있고 발열 현상을 개선하고 불필요한 전력 소비를 방지할 수 있다.

도 5를 참조하면, 도 5는 전력 전송 모드에서 검출부(220)가 제1 비교 신호(comp1) 및 제2 비교 신호(comp2)를 생성하는 방법을 설명하는 도면이다. 앞서 설명 하였듯이 전력 전송 모드에서 레일 전압 스위치(sw)가 온(ON)되고 고전압인 직류전압(Vdc)이 레일 전압(vrail)으로 입력된다. 이 경우, 레일 전압(Vrail)은 전압 레벨이 높기 때문에 전압 레벨을 감소시킬 필요가 있다. 분배 저항부(224)는 모드 스위치(223)가 온(on)되면 제5 저항(R5)이 그라운드와 연결되기 때문에 제4 저항(R4)과 제5 저항(R5)의 전압 분배에 의해 레일 전압(Vrail)의 전압 레벨을 감소시켜 제1 기준전압(Vref1)으로 제공할 수 있다. 전력 전송 모드에서의 제1 기준전압(Vref1)은 핑 모드에서의 제1 기준전압(Vref1)보다 전압 레벨이 낮을 수 있다. 예를 들어, 전력 전송 모드에서의 제1 기준전압(Vref1)은 1V 내지 2V일 수 있다. 제1 비교부(221)는 송신 코일 전압(Vant)이 제1 기준전압(Vref1) 보다 작으면 하이 레벨의 제1 비교신호(comp1)를 생성할 수 있다. 제1 비교부(221)는 송신 코일 전압(Vant)이 제1 기준 전압(Vref1)보다 크면 로우 레벨의 제1 비교신호(comp1)를 생성할 수 있다. 제2 기준전압(Vref2)은 변압부(140)에서 생성될 수 있다. 제2 기준전압(Vref2)은 제1 기준전압(Vref1)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제2 기준전압(Vref2)은 5V일 수 있다. 제2 비교부(222)는 송신 코일 전압(Vant)이 제2 기준전압(Vref2)보다 작으면 하이 레벨의 제2 비교신호(comp2)를 생성할 수 있다. 제2 비교부(222)는 송신 코일 전압(Vant)이 제2 기준전압(Vref2)보다 크면 로우 레벨의 제2 비교신호(comp2)를 생성할 수 있다. 전력 전송 모드에서, 주제어부(160)는 제1 비교신호(comp1)가 하이 레벨이고 제2 비교신호(comp2)가 하이 레벨이면 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치가 충전 영역의 정위치에 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 주제어부(160)는 고출력의 무선 충전을 유지할 수 있다. 주제어부(160)는 제1 비교신호(comp1)가 로우 레벨이고 제2 비교신호(comp2)가 하이 레벨이면 수신기가 충전 영역에서 멀어져 충전 거리가 증가한 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 주제어부(160)는 무선 충전을 중단하지 않고 무선 전력의 세기를 조절할 수 있다. 주제어부(160)는 제1 비교신호(comp1)가 로우 레벨이고 제2 비교신호(comp2)가 로우 레벨이면 이물질이 검출되거나 무신기가 충전 영역에 없는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 주제어부(160)는 무선 충전을 중단할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 무선 충전 장치는 무선 충전을 효율적으로 할 수 있고 발열 현상을 개선하고 불필요한 전력 소비를 방지할 수 있다.

도 6은 도 2의 무선 충전 장치의 각 구성이 기판과 차폐재에 배치된 모습이다.

도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치(10)는 기판(11), 차폐재(12)를 포함할 수 있다. 무선 충전 장치(10)는 전원부(110)와 송신 코일(191)을 제외한 구성이 기판(11)에 배치될 수 있다. 기판(11)은 인쇄회로기판일 수 있다. 또한, 기판(11)은 리지드(rigid)하여 배치된 구성들을 지지할 수 있다. 일 예로, 기판(11)은 4층 레이어 구조일 수 있다. 일 예로, 기판(11)은 1.6T의 두께 일 수 있다. 일 예로, 기판(11)은 직사각형 형상일 수 있다. 이 경우, 기판(11)의 장축의 길이(d2)는 1500mm이고 단축의 길이(d1)는 1150mm일 수 있다. 일 예로, 기판(11)과 기판(11)에 배치된 구성을 포함하는 기판 모듈의 두께는 22mm 이내일 수 있다. 기판(11)은 일측에 교류 전력이 입력될 수 있다(AC Input). 차폐재(12)는 상면에 송신 코일(191)이 배치될 수 있다. 차폐재(12)는 송신 코일(191)에서 발생하는 무선 전력을 충전 방향으로 가이드할 수 있다. 일 예로, 차폐재(12)는 원형 형상일 수 있다. 이 경우, 차폐재(12)의 지름(d3)은 90mm일 수 있다. 일 예로, 차폐재(12)는 5.2T의 두께일 수 있다.

도 7은 상기 도 2에 따른 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치와 연동되는 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이고, 도 8은 도 7의 무선 충전 장치의 직류/직류 변환기를 설명하기 위한 회로도이다.

도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 수신부(310)를 포함할 수 있다. 수신부(310)는 수신 코일(311)과 공진 캐패시터(312)를 포함할 수 있다. 수신부(310)는 수신 코일(311)을 통해 수신되는 AC 전력을 정류부(32)에 전달할 수 있다. 보다 구체적으로, 수신 코일(311)은 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치의 송신 코일과 소정의 턴 비로 구성될 수 있다. 일 예로, 수신 코일(311)의 턴 수는 송신 코일의 턴 수의 1/10배 이상일 수 있다. 다른 예로, 송신 코일 대비 수신 코일(311) 의 턴비는 1/10 이상일 수 있다. 다른 예로, 수신 코일(311)의 턴 수는 6턴이고 송신 코일의 턴 수는 40턴 일 수 있다. 종래에 고출력 무선 충전 시스템에서 안정성을 위하여 수신 코일 대비 송신 코일의 턴 비를 점차 높여 수신 코일 측에 입력되는 전압을 낮추었고, 이에 충전 효율이 감소하고 충전 자유도가 감소하는 문제가 있었다. 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은 고출력의 무선 충전을 하더라도 정교하고 빠른 피드백이 가능하여 안정되기 때문에 수신 코일 대비 송신 코일의 턴 비를 종래보다 낮출 수 있고 수신 코일 측에 입력되는 전압을 종래보다 높이므로 충전 효율을 증가시키고 충전 자유도를 증가 시킬 수 있다. 공진 캐패시터(312) 수신 코일(311)의 인덕턴스에 따라 공진회로를 구성하기 위한 커패시턴스 일 수 있다. 예를 들어, 6턴으로 구성된 수신 코일(311)이 8.8μH이면 공진 캐패시터(312)는 235nF일 수 있다. 이 경우 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치의 송신부는 40턴으로 구성된 송신 코일이 330μH이고 공진 캐패시터는 6.6nF일 수 있다. 즉, 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치의 수신부와 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치의 송신부는 서로 공진하여 무선 충전 효율이 증가할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 정류부(320)를 포함할 수 있다. 정류부(320)는 상기 수신부(310)를 통해 입력된 교류 전원을 정류한다. 일 예로, 정류부(320)는 풀-브릿지 다이오드로 구성될 수 있다. 즉, 정류부(320)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 평활부(330)에 전송할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 평활부(330)를 포함할 수 있다. 평활부(330)는 정류부(320)에서 제공된 직류 전압의 리플 성분 등을 제거하여 직류/직류 변환기(340)에 제공할 수 있다. 일 예로, 평활부(330)는 평활 캐패시터(C3)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 직류/직류 변환기(340)를 포함할 수 있다. 직류/직류 변환기(340)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(30)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(30)에 전달할 수 있다. 또한, 직류/직류 변환기(340)는 스텝 다운 컨버터(step down converter)일 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 충전 자유도가 높기 때문에 충전 중에 유동이 발생할 수 있다. 유동이 발생할 경우 입력 전압 불안정 또는 과전압이 발생할 수 있는데, 직류/직류 변환기(340)를 스텝 다운 컨버터로 구성하여 불안정한 전압을 안정화시키고 과전압으로부터 부하를 보호할 수 있다. 일 예로, 도 8과 같이, 스텝 다운 컨버터는 벅(buck) 컨버터일 수 있다. 이 경우, 직류/직류 변환기(340)는 제3 인덕터(L3), 제2 다이오드(D2), 제4 캐패시터(C4)를 포함할 수 있다. 제3 인덕터(L3)의 일단은 제2 다이오드가 역방향으로 연결되고 평활부(330)의 일단과 연결될 수 있다. 제3 인덕터(L3)의 타단은 제4 커패시터(C4)의 일단과 연결되고 부하측과 연결될 수 있다. 직류/직류 변환기(340)는 정류부(320)에서 출력된 직류 전압 또는 평활부(330)에 의해 평활된 직류 전압(V1)을 입력으로 받고 부하(30)에 요구되는 특정 전압(V2)으로 출력할 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 센싱부(370)를 포함할 수 있다. 센싱부(370)는 부하(30)의 직류 전압 입력단의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 센싱부(370)는 전압 센서(미도시) 및 전류 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 전압 센서(미도시)는 부하(30)의 직류 전압 입력단의 전압을 측정하여 측정된 전압 값을 주제어부(350)에 제공할 수 있다. 전류 센서(미도시)는 부하(30)의 직류 전압 입력단의 전류를 측정하여 측정된 전류 값을 주제어부(350)에 제공할 수 있다.

주제어부(350)는 측정된 전압 값과 전류 값을 이용하여 전력 값을 검출할 수 있다. 즉, 고출력의 무선 충전의 경우, 정교한 전력 검출이 필요한데 일 실시예에 따른 무선 충전 장치는 전압 측정 값 또는 전류 측정 값 중 어느 하나의 값으로 전력을 검출하는 것이 아닌 전압 측정 값 및 전류 측정 값을 모두 이용하므로 정교한 전력 검출이 가능하다.

일 예로, 주제어부(350)는 측정된 부하 입력단의 전력의 세기가 소정 기준치와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 패킷을 생성하여 변조부(360)에 전송할 수 있다. 여기서, 변조부(360)에 의해 변조된 신호는 수신 코일(311) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선 전력 송신기에 전송될 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 변조부(360)를 포함할 수 있다. 변조부(360)는 주제어부(350)에 의해 생성된 제어 신호를 변조하여 수신 코일(311)에 전달할 수 있다. 여기서, 제어 신호를 변조하기 위한 변조 방식은 FSK(Frequency Shift Keying) 변조 방식, 맨체스터 코딩(Manchester Coding) 변조 방식, PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 차등 2단계(Differential bi-phase) 변조 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

주제어부(350)는 무선 전력 송신기에게 소정의 동작 주파수로 고정하여 무선 전력을 전송하도록 요청할 수 있다. 소정의 동작 주파수는 고출력의 무선 충전시 무선 충전 장치(20)가 안정적으로 무선 전력을 수신할 수 있는 주파수 일 수 있다. 일 예로, 소정의 동작 주파수는 상한치와 하한치를 구성 할 수 있습니다. 소정의 동작 주파수의 상한치는 인체에 유해한 주파수 또는 방송국의 주파수의 주파수 보다 낮은 주파수 값일 수 있다. 소정의 동작 주파수의 하한치는 회로의 공진점 보다 높은 주파수 값일 수 있다. 만약 회로의 공진점과 동작 주파수가 같으면 회로가 파괴될 수 있다. 다른 예로, 소정의 동작 주파수는 135kHz 내지 150kHz일 수 있다. 또 다른 예로, 소정의 동작 주파수는 145KHz일 수 있다. 주제어부(350)는 소정의 동작 주파수를 요청하기 위하오 소정의 동작 주파수 값을 포함하는 신호는 변조부(360)에 제공할 수 있다. 동작 주파수를 고정하여 고출력의 무선 충전을 안정적으로 할 수 있다. 만약 동작 주파수가 변동되면 회로의 공진점과 동일해 질 수 있으므로 동작 주파수가 고정되는 것이 안정적이다.

도 9는 도 7의 무선 충전 장치의 각 구성이 기판과 차폐재에 배치된 모습이다.

도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)는 기판(21), 차폐재(22)를 포함할 수 있다. 무선 충전 장치(20)는 부하(30)와 수신 코일(311)을 제외한 구성이 기판(21)에 배치될 수 있다. 기판(21)은 인쇄회로기판일 수 있다. 또한, 기판(21)은 리지드(rigid)하여 배치된 구성들을 지지할 수 있다. 일 예로, 기판(21)은 4층 레이어 구조일 수 있다. 일 예로, 기판(21)은 1.6T의 두께 일 수 있다. 일 예로, 기판(21)은 정사각형 형상일 수 있다. 이 경우, 기판(21)의 가로의 길이(d4)는 850mm이고 세로ㅓ 길이(d5)는 850mm일 수 있다. 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)의 기판(21)의 넓이는 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치의 기판의 넓이보다 작을 수 있다. 일 예로, 기판(21)과 기판(21)에 배치된 구성을 포함하는 기판 모듈의 두께는 6.5mm 이내일 수 있다. 기판(21)은 일측에 직류 전력을 출력할 수 있다(DC Output). 출력된 직류 전력은 부하(30)에 입력될 수 있다. 차폐재(22)는 상면에 수신 코일(311)이 배치될 수 있다. 차폐재(22)는 수신되는 무선 전력을 수신 코일(311)로 가이드할 수 있다. 일 예로, 차폐재(22)는 원형 형상일 수 있다. 이 경우, 차폐재(22)의 지름(63)은 90mm일 수 있다. 무선 전력을 수신하는 무선 충전 장치(20)의 차폐재(22)는 무선 전력을 송신하는 무선 충전 장치의 차폐재와 넓이가 동일할 수 있다. 일 예로, 차폐재(22)는 5.2T의 두께일 수 있다.

실시예는 실시예의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.

Claims

무선 전력 수신기에 무선으로 고출력의 전력을 송신하는 무선 충전 장치에 있어서,
제1 노드에 입력된 직류 전압을 교류전압으로 변환하는 인버터;
공진 캐패시터 및 송신 코일을 포함하며 상기 교류전압이 인가되는 송신부;
상기 무선 전력 수신기로부터 변조된 인밴드 신호를 복조하는 복조부;
상기 제1 노드의 레일 전압 및 레일 전류를 측정하는 센싱부;
주제어부;를 포함하고,
상기 주제어부는 상기 측정된 레일 전압 및 레일 전류에 기초하여 출력 전력을 검출하고,
상기 송신 코일의 턴수는 상기 무선 전력 수신기의 수신 코일을 턴수의 10배 이하인 무선 충전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 주제어부는 상기 인밴드 신호에 기초하여 상기 무선 전력 수신기가 고출력의 무선 충전이 가능한지 판단하는 무선 충전 장치.
제1 항에 있어서,
상용 교류 전원을 상기 직류 전압으로 정류하는 정류부;
상기 정류부와 상기 제1 노드 사이에 배치되는 레일 전압 스위치; 및
상기 레일 전압 스위치를 제어하는 레일 전압 제어부;를 더 포함하고,
상기 레일 전압 제어부는 핑 모드에서 상기 레일 전압 스위치를 오프시키고, 전력 전송 모드에서 상기 레일 전압 스위치를 온시키는 무선 충전 장치.
제3 항에 있어서,
상기 정류된 직류 전압을 변압하여 저전압을 생성하는 변압부; 및
상기 저전압을 상기 제1 노드에 제공하는 저전압 제공부;를 더 포함하는 무선 충전 장치.
제4 항에 있어서,
상기 송신 코일의 송신 코일 전압에 기초하여 비교 신호를 생성하는 검출부;를 포함하고,
상기 검출부는 핑 모드이면 상기 저전압을 이용하여 상기 비교 신호를 생성하고, 전력 전송 모드이면 상기 정류된 직류 전압을 이용하여 상기 비교 신호를 생성하는 무선 충전 장치.
제5 항에 있어서,
상기 주제어부는 상기 비교 신호에 기초하여 상기 무선 전력 수신기의 존부를 판단하는 무선 충전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 주제어부는 상기 무선 전력 수신기가 요청하는 동작 주파수로 고정하여 무선 전력을 생성하도록 상기 인버터를 제어하는 무선 충전 장치.
무선 전력 송신기로부터 무선으로 고출력의 무선 전력을 수신하여 부하에 충전 전력을 제공하는 무선 충전 장치에 있어서,
공진 캐패시터 및 수신 코일을 포함하며 상기 무선 전력을 수신하는 수신부;
상기 무선 전력을 정류하여 직류 전력을 생성하는 정류부;
상기 직류 전력을 상기 부하에 의해 요구되는 특정 세기의 충전 전력으로 변환하는 직류/직류 변환기;
제어 신호를 인밴드 신호로 변조하여 상기 수신부에 제공하는 변조부;
상기 제어 신호를 제공하는 주제어부;를 포함하고,
상기 수신 코일의 턴수는 상기 무선 전력 송신기의 송신 코일을 턴수의 1/10배 이상인 무선 충전 장치.
제8 항에 있어서,
상기 직류/직류 변환기는 스텝 다운 컨버터인 무선 충전 장치.
제8 항에 있어서,
상기 주제어부는 상기 무선 전력 송신기가 소정의 동작 주파수로 고정하여 무선 전력을 생성하도록 요청하는 제어 신호를 생성하는 무선 충전 장치.