KR20210009966A - 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신 방법, 및 무선 전력 전달 시스템 - Google Patents

무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신 방법, 및 무선 전력 전달 시스템 Download PDF

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Abstract

무선 전력 수신 장치는 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신하는 전력 수신부, 전력에 의해 생성된 전류를 전력 수신부로부터 수신하는 배터리, 그리고 전류의 전달을 중단하는 때의 전력 수신부의 잔여 에너지에 기초하여, 전류의 전달을 개시하는 전달 개시 조건을 설정하는 타이밍 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신 방법, 및 무선 전력 전달 시스템{WIRELESS POWER RECEIVIG APPARATUS, WIRELESS POWER RECEIVIG METHOD, AND WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 개시는 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신 방법, 및 무선 전력 전달 시스템에 관한 것이다.
무선 전력 전송(WPT: wireless power transmission)에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 그 중에서도 근거리 무선 전력 전송에 대한 연구가 집중되고 있다.
무선 전력 전송 기술에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도방식과, 공진(resonance)을 이용하는 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/micro wave radiation) 방식이 있다.
종래의 공진 방식의 무선 전력 수신 장치는 공진기(공진 회로)에 에너지가 축적되면, 축적된 에너지를 부하(예를 들어, 배터리)에 전달한다. 특히 무선 전력 수신 장치는 공진기에 흐르는 전류가 최대인 때 에너지를 부하에 전달한다.
실시예들은 상술한 문제 또는 다른 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 에너지를 손실 없이 부하에 전달하는 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신 방법, 및 무선 전력 전달 시스템을 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신하는 전력 수신부, 전력에 의해 생성된 전류를 전력 수신부로부터 수신하는 배터리, 그리고 전류의 전달을 중단하는 때의 전력 수신부의 잔여 에너지에 기초하여, 전류의 전달을 개시하는 전달 개시 조건을 설정하는 타이밍 제어부를 포함한다.
전력 수신부는, 인덕터 및 커패시터를 포함하는 공진기, 및 커패시터의 양단의 전압 차이를 출력하는 제1 비교기를 포함하고, 잔여 에너지는 커패시터의 양단의 전압 차이일 수 있다.
타이밍 제어부는 커패시터의 양단의 전압 차이가 제1 전압 레벨에 도달한 후로부터 경과된 시간이 제1 기간인지를, 전달 개시 조건으로서 판정하고, 전달 개시 조건이 만족되면 전류의 전달을 개시할 수 있다.
타이밍 제어부는 전류의 전달을 중단하는 때의 커패시터의 양단의 전압 차이가 음수이면, 제1 기간을 감소시켜 전달 개시 조건을 설정할 수 있다.
타이밍 제어부는 전류의 전달을 중단하는 때의 커패시터의 양단의 전압 차이가 양수이면, 제1 기간을 증가시켜, 전달 개시 조건을 설정할 수 있다.
제1 기간은 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/n배만큼 증감되고, n은 정수일 수 있다.
제1 기간은 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/m배로 설정되고, m은 정수일 수 있다.
전력 수신부는, 공진기와 배터리 사이에 연결되어 있는 스위치, 및 스위치의 양단의 전압 차이를 출력하는 제2 비교기를 더 포함하고, 타이밍 제어부는 전류의 전달을 중단하는 때의 스위치의 양단의 전압 차이에 기초하여, 전류의 전달을 중단하는 전달 중단 조건을 더 설정할 수 있다.
타이밍 제어부는 스위치의 양단의 전압 차이가 양수이면, 전류의 전달을 개시할 때부터 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 증가되도록 전달 중단 조건을 설정할 수 있다.
타이밍 제어부는 스위치의 양단의 전압 차이가 음수이면, 전류의 전달을 개시할 때부터 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 감소되도록 전달 중단 조건을 설정할 수 있다.
인덕터 및 커패시터는 직렬로 연결되어 있다.
일 실시예에 따른 전력 수신부, 배터리, 및 타이밍 제어부를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 의해 수행되는 무선 전력 송신 장치로부터 전력을 수신하는 방법으로서, 무선 전력 수신 방법은 전력 수신부가, 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신하는 단계, 전력 수신부가, 타이밍 제어부의 제어에 의해, 전력에 의해 생성된 전류를 배터리에 전달하는 단계, 그리고 타이밍 제어부가, 전류의 전달을 중단하는 때의 전력 수신부의 잔여 에너지에 기초하여, 전류의 전달을 개시하는 전달 개시 조건을 설정하는 단계를 포함한다.
전력 수신부는, 인덕터 및 커패시터를 포함하는 공진기, 및 커패시터의 양단의 전압 차이를 출력하는 제1 비교기를 포함하고, 잔여 에너지는 커패시터의 양단의 전압 차이일 수 있다.
전력에 의해 생성된 전류를 배터리에 전달하는 단계는, 타이밍 제어부가 커패시터의 양단의 전압 차이가 제1 전압 레벨에 도달한 후로부터 경과된 시간이 제1 기간인지를, 전달 개시 조건으로서 판정하는 단계, 그리고 타이밍 제어부가 전달 개시 조건이 만족되면 전류의 전달을 개시하도록 전력 수신부를 제어하는 단계를 포함힐 수 있다.
전달 개시 조건을 설정하는 단계는, 타이밍 제어부가 전류의 전달을 중단하는 때의 커패시터의 양단의 전압 차이가 음수이면, 제1 기간을 감소시켜, 전달 개시 조건을 설정하는 단계를 포함힐 수 있다.
전달 개시 조건을 설정하는 단계는, 타이밍 제어부는 전류의 전달을 중단하는 때의 커패시터의 양단의 전압 차이가 양수이면, 제1 기간을 증가시켜, 전달 개시 조건을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 기간은 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/n배만큼 증감되고, n은 정수일 수 있다.
제1 기간은 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/m배로 설정되고, m은 정수일 수 있다.
전력 수신부는, 공진기와 배터리 사이에 연결되어 있는 스위치, 및 스위치의 양단의 전압 차이를 출력하는 제2 비교기를 더 포함하고, 방법은, 전류의 전달을 중단하는 때의 스위치의 양단의 전압 차이에 기초하여, 전류의 전달을 중단하는 전달 중단 조건을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전달 중단 조건을 설정하는 단계는, 스위치의 양단의 전압 차이가 양수이면, 전류의 전달을 개시할 때부터 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 증가되도록 전달 중단 조건을 설정하는 단계를 포함힐 수 있다.
전달 중단 조건을 설정하는 단계는, 스위치의 양단의 전압 차이가 음수이면, 전류의 전달을 개시할 때부터 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 감소되도록 전달 중단 조건을 설정하는 단계를 포함힐 수 있다.
무선 전력 전달 시스템은 무선으로 전력을 전달하는 무선 전력 송신 장치, 그리고 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
실시예들에 따르면, 무선 전력 수신 장치의 급속 충전을 구현할 수 있는 효과가 있다.
실시예들에 따르면, 전력 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
실시예들에 따르면, 무선 전력 송신 장치의 소비 전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 무선 전력 전달 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 실시예들에 따른 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치를 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치의 일부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5 및 도 6은 무선 전력 수신 장치의 전력 전송이 수행되는 때의 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 무선 충전 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신 장치(100) 및 적어도 하나의 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c)를 포함한다.
무선 전력 송신 장치(100)는 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c)와 전기적 연결을 형성할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신 장치(100)는 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c)로 전자기파 형태의 무선 전력을 송신할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(100)는 복수의 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c)로 무선으로 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어 무선 전력 송신 장치(100)는 공진 방식을 통하여 복수 개의 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c)에 전력을 전송할 수 있다. 무선 전력 송신 장치(100)가 공진 방식을 채택한 경우, 무선 전력 송신 장치(100)와 복수 개의 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c) 사이의 거리는 바람직하게는 30m 이하일 수 있다. 또한 무선 전력 송신 장치(100)가 전자기 유도 방식을 채택한 경우, 무선 전력 송신 장치(100)와 복수 개의 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c) 사이의 거리는 바람직하게는 10cm 이하일 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c)는 무선 전력 송신 장치(100)로부터 무선 전력을 수신하여 내부에 구비된 배터리의 충전을 수행할 수 있다.
한편, 무선 전력 송신 장치(100)는 전력 송신과 동시에, 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c)와 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신 장치(100)는 무선 전력 수신 장치(200a, 200b, 200c) 각각에 무선 충전 기능을 디세이블(disabled)하도록 하는 제어 신호를 송신할 수도 있다. 무선 전력 송신 장치(100)로부터 무선 충전 기능의 디세이블 제어 신호를 수신한 무선 전력 수신 장치는 무선 충전 기능을 디세이블할 수 있다.
도 2는 실시예들에 따른 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치를 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치(100)는 전력 송신부(110), 제어부(120), 표시부(130), 및 저장부(140)를 포함한다.
전력 송신부(110)는 무선 전력 송신 장치(100)가 요구하는 전력을 제공할 수 있으며, 무선으로 무선 전력 수신 장치(200)에 전력을 제공할 수 있다. 여기에서, 전력 송신부(110)는 교류 파형의 형태로 전력을 공급할 수 있으며, 직류 파형의 전력을 인버터를 이용하여 교류 파형으로 변환하여 교류 파형의 전력을 공급할 수도 있다. 전력 송신부(110)는 무선 전력 송신 장치(100)에 내장된 배터리 또는 외부 전원으로부터 전력을 수신하여 무선 전력 수신 장치(200)에 전력을 공급할 수 있다. 전력 송신부(110)는 교류 파형의 전력을 제공할 수 있는 수단이라면 제한이 없다는 것은 당업자가 용이하게 이해할 것이다.
제어부(120)는 무선 전력 송신 장치(100)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(120)는 저장부(140)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램, 또는 어플리케이션을 이용하여 무선 전력 송신 장치(100)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(120)는 CPU, 마이크로프로세서, 미니 컴퓨터와 같은 형태로 구현될 수 있다. 이에 따라, 제어부(120)는 컨트롤러로 명명될 수도 있으며, 구현에 따라 MCU(micro controlling unit)으로 명명될 수도 있다.
제어부(120)는 전력 송신부(110)에서 송신되는 전력량을 조절하여 데이터를 송신할 수 있다. 구체적으로, 제어부(120)는 데이터를 변조하여 전력 송신부(110)에 제공되는 제어 신호를 생성하고, 전력 송신부(110)는 제어 신호에 따라 전압 크기를 조절할 수 있다. 전압 크기에 따라 무선 전력 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에 에너지가 충전되는 시간이 상이하다. 그러면, 제어부(230)는 상이한 시간에 기초하여 무선 전력 송신 장치(100)로부터 전달되는 데이터를 복조할 수 있다.
예를 들어, 제어부(120)는 전력 송신부(110)를 통해 무선 전력 수신 장치(200)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있다. 충전 기능 제어 신호는 특정 무선 전력 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)를 제어하여 충전 기능을 이네이블(enabled) 또는 디세이블(disabled)시키는 제어 신호일 수 있다.
또한 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 배터리(220), 제어부(230), 및 저장부(240) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 수신부(210)는 무선 전력 송신 장치(100)로부터 전송된 전력을 무선으로 수신할 수 있다. 여기에서, 전력 수신부(210)는 교류 파형의 형태로 전력을 수신할 수 있다.
제어부(230)는 무선 전력 수신 장치(200)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(230)는 저장부(240)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램, 또는 어플리케이션을 이용하여 무선 전력 송신 장치(250)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(230)는 CPU, 마이크로프로세서, 미니 컴퓨터와 같은 형태로 구현될 수 있으며, 이제 제한되지 않는다.
또한 앞서 설명한 바와 같이, 제어부(230)는 전력 수신부(210)를 통해 데이터를 수신할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에 에너지가 충전되는 상이한 시간에 기초하여 무선 전력 송신 장치(100)로부터 전달되는 데이터를 복조할 수 있다.
저장부(140) 및 저장부(240)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory), 레지스터(register) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
이러한 무선 전력 송신 장치(100) 및 무선 전력 수신 장치(200)에 대해 도 3 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치의 일부를 구체적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 제어 방법을 나타낸 순서도이며, 도 5 및 도 6은 무선 전력 수신 장치의 전력 전송이 수행되는 때의 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치(100)의 전력 송신부(110)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 무선 전력 수신 장치(200)에 전달(transferring)한다.
구체적으로, 전력 송신부(110)는 입력 전압(Vin)과 소스 공진기를 포함한다. 소스 공진기는 커패시터(C1)와 인덕터(L1)를 포함한다. 입력 전압(Vin) 중 제1 캐패시터(C1)에 걸리는 전압은 V1으로 표시되고, 인덕터(L1)를 통해 흐르는 전류는 I1으로 표시될 수 있다.
입력 전압(Vin)에 의해 커패시터(C1)와 인덕터(L1)는 공진할 수 있다. 이때 입력 전압(Vin)의 주파수는 커패시터(C1)와 및 인덕터(L1)의 공진 주파수와 동일할 수 있다.
입력 전압(Vin)의 크기와 주파수, 위상 등은 제어부(120)의 제어 신호(PCS)에 의해 제어될 수 있다. 입력 전압(Vin)의 크기는 무선 전력 송신 장치(100)가 전송할 데이터의 비트에 대응하여 변경될 수도 있다.
인덕터(L1)는 무선 전력 수신 장치(200)의 제2 인덕터(L2)와의 상호 공진을 통해 전력을 전달한다. 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2) 사이에 발생하는 상호 공진의 정도는 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
무선 전력 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)는 무선 전력 송신 장치(100)로부터의 에너지를 수신한다. 전력 수신부(210)는 타깃 공진기, 스위치들(SW1, SW2), 비교기들(212, 213), 및 타이밍 제어부(214)를 포함한다.
타깃 공진기는 직렬로 연결되어 있는 인덕터(L2)와 커패시터(C2)를 포함한다. 타깃 공진기에 상호 공진을 통해 충전된 전력이 충전된다.
스위치들(SW1, SW2)은 타깃 공진기를 접지 또는 부하에 선택적으로 연결한다. 스위치(SW1)는 노드(N1)와 접지 사이에 연결되어 있고, 스위치(SW2)는 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 연결되어 있다.
구체적으로, 스위치(SW1)는 타깃 공진기에 전력이 충전될 수 있도록, 타이밍 제어부(214)로부터 출력된 제어 신호(CS1)에 따라, 노드(N1)와 그라운드를 전기적으로 연결한다. 이때 스위치(SW2)는 타이밍 제어부(214)로부터 출력된 제어 신호(CS2)에 따라, 턴-오프되어 있다.
스위치(SW2)는 타깃 공진기에 저장된 에너지가 배터리(220)에 전달될 수 있도록, 타이밍 제어부(214)로부터 출력된 제어 신호(CS2)에 따라, 노드(N1)와 노드(N2)를 전기적으로 연결한다. 이때 스위치(SW1)는 타이밍 제어부(214)로부터 출력된 제어 신호(CS1)에 따라, 턴-오프되어 있다.
그러면, 스위치(SW2)의 연결에 의해, 타깃 공진기에 저장된 에너지가 전류의 형태로 배터리(220)에 전달될 수 있다. 타깃 공진기에 저장된 에너지를 전류로 부하 측에 전달하는 무선 전력 수신 장치는 전류 모드(CM: current mode) 수신 장치로서 지칭될 수 있다.
비교기(212)는 커패시터(C2)의 양단 전압 값의 차이를 타이밍 제어부(214)에 출력할 수 있다. 예를 들어, 비교기(212)의 반전 입력단(-)은 커패시터(C2)의 일단이 연결되어 있는 노드(N0)에 연결되어 있고, 비교기(212)의 비반전 입력단(+)은 커패시터(C2)의 타단이 연결되어 있는 노드(N1)에 연결되어 있다.
비교기(213)는 노드(N1)와 노드(N2) 사이의 전압 값의 차이를 타이밍 제어부(214)에 출력할 수 있다. 예를 들어, 비교기(213)의 반전 입력단(-)은 커패시터(C2)의 타단이 연결되어 있는 노드(N1)에 연결되어 있고, 비교기(213)의 비반전 입력단(+)은 부하 측의 노드(N2)에 연결되어 있다.
타이밍 제어부(214)는 이러한 스위치들(SW1, SW2)을 제어하는 제어 신호(CS1, CS2) 각각을 스위치들(SW1, SW2)에 개별적으로 출력한다. 타이밍 제어부(214)는 타깃 공진기에 저장된 에너지가 소정 레벨 이상인 때 제어 신호들(CS1, CS2)을 출력할 수 있다. 그러면, 에너지 전달 동작, 즉 타깃 공진기에 저장된 에너지의 부하로의 전달 동작이 수행된다.
예를 들어, 타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2) 레벨을 사용하여 에너지 전달 조건 만족 여부를 판정하고, 에너지 전달 조건을 만족하는 경우, 노드(N1)와 노드(N2)를 전기적으로 연결하도록 스위치(SW2)를 제어하는 제어 신호(CS2)와 스위치(SW1)를 개방하는 제어 신호(CS1)를 출력한다. 즉 타이밍 제어부(214)는 스위치(SW2)가 턴-온되도록 디세이블 레벨의 제어 신호(CS2)의 레벨을 이네이블 레벨로 변경하고, 스위치(SW1)가 턴-오프되도록 이네이블 레벨의 제어 신호(CS1)의 레벨을 디세이블 레벨로 변경할 수 있다. 예를 들어, 스위치(SW1)와 스위치(SW2)가 상보적인 트랜지스터이면(예를 들어, 스위치(SW1)가 p형 트랜지스터이고, 스위치(SW2)가 n형 트랜지스터임), 스위치(SW1)와 스위치(SW2)에 게이트에 단 하나의 제어 신호를 인가할 수도 있다.
여기서 에너지 전달 조건은, 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에 제1 기간이 경과하는지, 타깃 공진기에 흐르는 전류(I2)가 소정 전류 레벨에 도달하는지, 또는 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에 타이밍 제어부(214)에 의해 증감된 제1 기간에 도달하는지 등일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
본 실시예에서는, 비교기(212)를 사용하여 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)의 전압 레벨에 따라 제어 신호들(CS1, CS2)을 출력하는 경우에 대해서 설명한다. 전류(I2)의 전류 레벨에 따라 제어 신호들(CS1, CS2)을 출력하는 경우, 무선 전력 수신 장치(200)에는 전류 센서가 더 포함될 수 있으며, 타이밍 제어부(214)는 전류 센서로부터 검출된 값에 따라 스위치들(SW1, SW2)을 제어하는 제어 신호들(CS1, CS2)을 생성하여 출력할 수도 있다.
타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 기간이 종료되었는지(즉, 경과되었는지) 판정하고, 에너지 전달 기간이 종료되면 에너지 전달 동작을 중단하도록 스위치들(SW1, SW2)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 타이밍 제어부(214)는 스위치들(SW1, SW2)을 제어하는 제어 신호들(CS1, CS2)의 레벨을 변경한 후로부터의 시간이, 에너지 전달 기간에 도달한 때, 스위치들(SW1, SW2)을 제어하는 제어 신호들(CS1, CS2)의 레벨을 다시 변경한다. 이러한 에너지 전달 기간은 저장부(240)에 저장되어 있을 수 있다.
이때, 타이밍 제어부(214)는 노드(N1)와 노드(N2) 사이의 전압 차에 따라, 에너지 전달 기간의 시간 길이를 조정할 수 있다. 예를 들어, 노드(N2) 전압이 노드(N1) 전압보다 더 낮으면, 에너지 전달 기간의 시간 길이가 증가되도록 조정될 수 있다. 노드(N2) 전압이 노드(N1) 전압보다 더 높으면, 에너지 전달 기간의 시간 길이가 감소되도록 조정될 수 있다.
또한, 타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)에 따라, 에너지 전달 조건을 설정할 수 있다. 예를 들어, 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 음수이면(노드(N0)의 전압이 노드(N1)의 전압보다 더 낮으면), 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 조건의 전압 레벨을 높인다. 즉, 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에, 0V에 도달하기 전에 에너지 전달 동작이 수행될 수 있다. 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 양수이면(노드(N0)의 전압이 노드(N1)의 전압보다 더 높으면), 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 조건의 전압 레벨을 낮춘다. 즉, 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에, 0V에 도달한 이후에 에너지 전달 동작이 수행될 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 일 실시예에 따른 무선 수신 장치의 제어 방법에 대해 설명한다.
소스 공진기로부터 타깃 공진기에 에너지가 전달되고, 타깃 공진기에 에너지가 축적된다. 그러면, 비교기(212)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)을 감지(S100)한다.
타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2) 값을 사용하여, 에너지 전달 조건이 만족되는지 판정(S110)한다. 예를 들어, 타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에 경과된 시간이 제1 기간인지를 에너지 전달 조건으로서 판정한다. 타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에 경과된 시간이 타이밍 제어부(214)에 의해 증감된 제1 기간인지를 에너지 전달 조건으로서 판정한다. 또는, 타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에 타이밍 제어부(214)에 의해 설정된 전압 레벨에 도달하면, 에너지 전달 조건이 만족된 것으로 판정할 수도 있다.
에너지 전달 조건이 만족된 것으로 판정하면, 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 동작을 수행(S120)한다. 타이밍 제어부(214)는 타깃 공진기의 에너지가 부하 측으로 전달될 수 있도록, 스위치(SW2)가 턴-온되도록 디세이블 레벨의 제어 신호(CS2)의 레벨을 이네이블 레벨로 변경하고, 스위치(SW1)가 턴-오프되도록 이네이블 레벨의 제어 신호(CS1)의 레벨을 디세이블 레벨로 변경할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에 제1 기간이 경과된 시점(t1)에, 제어 신호(CS1)를 디세이블 레벨(D)로 변경하고, 제어 신호(CS2)를 이네이블 레벨(E)로 변경한다. 이때, 제1 기간은 공진 주파수의 한 주기의 1/m배로 설정될 수 있고, m은 정수이다. 도 5에서 m은 4이다.
다음으로, 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 기간(IN2)이 종료되는지 판정(S130)한다. 여기서 에너지 전달 기간(IN2)은 저장부(240)에 미리 저장되어 있을 수 있으며, 타이밍 제어부(214)에 의해 설정될 수도 있다. 에너지 전달 기간(IN2)은 에너지 전달 동작이 개시된 시점으로부터 에너지 전달 동작이 중지되는 시점까지의 기간일 수 있다. 즉, 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 동작이 개시된 시점으로부터 경과된 시간이, 미리 저장된(또는 미리 설정된) 에너지 전달 기간(IN2)에 도달하는지를 판정할 수 있다.
에너지 전달 기간(IN2)이 종료된 것으로 판정되면, 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 동작을 중단(S140)한다. 타이밍 제어부(214)는 타깃 공진기의 에너지가 부하 측으로 더 이상 전달되지 않도록, 스위치(SW2)가 턴-오프되도록 이네이블 레벨의 제어 신호(CS2)의 레벨을 디세이블 레벨로 변경하고, 스위치(SW1)가 턴-온되도록 디세이블 레벨의 제어 신호(CS1)의 레벨을 이네이블 레벨로 변경할 수 있다.
이때, 타이밍 제어부(214)는 제1 노드(N1) 전압과 제2 노드(N2) 전압이 동일한지 판정(S150)한다. 이는 타깃 공진기에 저장된 에너지가 전류 형태로 부하 측에 전달되는 때, 인덕터(L2)에 흐르는 전류(I2)가 0인지를 검출하기 위함이다.
제1 노드(N1) 전압과 제2 노드(N2) 전압이 동일하지 않으면, 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 기간의 길이를 조정(S160)한다. 예를 들어, 노드(N2) 전압이 노드(N1) 전압보다 더 낮으면, 에너지 전달 기간의 시간 길이가 증가되도록 조정될 수 있다. 노드(N2) 전압이 노드(N1) 전압보다 더 높으면, 에너지 전달 기간의 시간 길이가 감소되도록 조정될 수 있다.
단계들(S100 내지 S160)이 반복되어, 도 5에 도시된 바와 같이, 전류(I2)가 0이 되는 시점(t2)에서, 타이밍 제어부(214)는 스위치(SW2)가 턴-오프되도록 이네이블 레벨의 제어 신호(CS2)의 레벨을 디세이블 레벨로 변경하고, 스위치(SW1)가 턴-온되도록 디세이블 레벨의 제어 신호(CS1)의 레벨을 이네이블 레벨로 변경할 수 있다.
제1 노드(N1) 전압과 제2 노드(N2) 전압이 동일하면, 타이밍 제어부(214)는 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 0V인지를 판정(S170)한다. 부하 측으로 흐르는 전류(I2)에 의해, 커패시터(C2)에 저장된 전하가 흐르게 되고, 이에 따라 노드(N0)의 전위가 접지 전위(0V)보다 더 낮아진다. 그러면, 에너지 전달이 종료되는 시점(도 5의 t2)에서, 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 네거티브 레벨이 되므로, 타깃 공진기에는 잔여(residual) 에너지가 존재한다.
그러므로, 이러한 잔여 에너지가 존재하지 않도록, 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 0V가 아니면, 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 조건을 설정(S180)한다. 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 네거티브 레벨이면(노드(N0)의 전압이 노드(N1)의 전압보다 더 낮으면), 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 조건의 제1 기간을 감소시킨다. 커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 포지티브 레벨이면(노드(N0)의 전압이 노드(N1)의 전압보다 더 높으면), 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 조건의 제1 기간을 증가시킨다. 즉, 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후 에너지 전달 동작을 개시하기까지의 제1 기간이 증감될수 있다. 이때, 제1 기간은 타깃 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/n배만큼 증감될 수 있고, n은 정수이다. 본 실시예에서 n은 100인 것으로 가정한다.
이렇게 에너지 전달 조건이 조정되면, 앞서 단계(S160)에서 조정된 에너지 전달 기간도 다시 조정될 필요가 있다.
커패시터(C2)의 양단 전압(V2)이 0V이면, 타이밍 제어부(214)는 에너지 전달 조건과 에너지 전달 기간을 저장부(240)에 저장(S190)한다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)이 소정 전압 레벨(Vr)에 도달한 후에, 0V에 도달하기 전의 시점(t11)에서 에너지 전달 동작이 개시될 수 있다. 그리고, 에너지 전달 기간(IN12)이 경과된 후의 시점(t12)에서 에너지 전달 동작이 중단된다. 시점(t12)에서 커패시터(C2)에 저장된 전압(V2)와 인덕터(L2)에 흐르는 전류(I2) 모두 0의 값을 가지므로, 타깃 공진기에는 잔여 에너지가 존재하지 않을 수 있다.
상기의 설명과 같이, 실시예들에 따르면, 무선 전력 수신 장치는 타깃 공진기의 잔여 에너지를 제거할 수 있는 효과가 있다.
실시예들에 따르면, 무선 전력 수신 장치의 전력 손실을 최소화하여, 무선 전력 송신 장치의 소비 전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치의 부하를 충전하는 데 소모되는 시간도 단축될 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 사용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (22)

  1. 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신하는 전력 수신부,
    상기 전력에 의해 생성된 전류를 상기 전력 수신부로부터 수신하는 배터리, 그리고
    상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 전력 수신부의 잔여 에너지에 기초하여, 상기 전류의 전달을 개시하는 전달 개시 조건을 설정하는 타이밍 제어부
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신부는,
    인덕터 및 커패시터를 포함하는 공진기, 및
    상기 커패시터의 양단의 전압 차이를 출력하는 제1 비교기를 포함하고,
    상기 잔여 에너지는 상기 커패시터의 양단의 전압 차이인,
    무선 전력 수신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 타이밍 제어부는 상기 커패시터의 양단의 전압 차이가 제1 전압 레벨에 도달한 후로부터 경과된 시간이 제1 기간인지를, 상기 전달 개시 조건으로서 판정하고, 상기 전달 개시 조건이 만족되면 상기 전류의 전달을 개시하는,
    무선 전력 수신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 타이밍 제어부는 상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 커패시터의 양단의 전압 차이가 음수이면, 상기 제1 기간을 감소시켜 상기 전달 개시 조건을 설정하는,
    무선 전력 수신 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 타이밍 제어부는 상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 커패시터의 양단의 전압 차이가 양수이면, 상기 제1 기간을 증가시켜, 상기 전달 개시 조건을 설정하는,
    무선 전력 수신 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1 기간은 상기 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/n배만큼 증감되고, 상기 n은 정수인,
    무선 전력 수신 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 기간은 상기 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/m배로 설정되고, 상기 m은 정수인,
    무선 전력 수신 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 전력 수신부는,
    상기 공진기와 상기 배터리 사이에 연결되어 있는 스위치, 및
    상기 스위치의 양단의 전압 차이를 출력하는 제2 비교기를 더 포함하고,
    상기 타이밍 제어부는 상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 스위치의 양단의 전압 차이에 기초하여, 상기 전류의 전달을 중단하는 전달 중단 조건을 더 설정하는,
    무선 전력 수신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 타이밍 제어부는 상기 스위치의 양단의 전압 차이가 양수이면, 상기 전류의 전달을 개시할 때부터 상기 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 증가되도록 상기 전달 중단 조건을 설정하는,
    무선 전력 수신 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 타이밍 제어부는 상기 스위치의 양단의 전압 차이가 음수이면, 상기 전류의 전달을 개시할 때부터 상기 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 감소되도록 상기 전달 중단 조건을 설정하는,
    무선 전력 수신 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 인덕터 및 상기 커패시터는 직렬로 연결되어 있는,
    무선 전력 수신 장치.
  12. 전력 수신부, 배터리, 및 타이밍 제어부를 포함하는 무선 전력 수신 장치에 의해 수행되는 무선 전력 송신 장치로부터 전력을 수신하는 방법으로서,
    상기 전력 수신부가, 상기 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신하는 단계,
    상기 전력 수신부가, 상기 타이밍 제어부의 제어에 의해, 상기 전력에 의해 생성된 전류를 상기 배터리에 전달하는 단계, 그리고
    상기 타이밍 제어부가, 상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 전력 수신부의 잔여 에너지에 기초하여, 상기 전류의 전달을 개시하는 전달 개시 조건을 설정하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전력 수신부는,
    인덕터 및 커패시터를 포함하는 공진기, 및
    상기 커패시터의 양단의 전압 차이를 출력하는 제1 비교기를 포함하고,
    상기 잔여 에너지는 상기 커패시터의 양단의 전압 차이인,
    무선 전력 수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력에 의해 생성된 전류를 상기 배터리에 전달하는 단계는,
    상기 타이밍 제어부가 상기 커패시터의 양단의 전압 차이가 제1 전압 레벨에 도달한 후로부터 경과된 시간이 제1 기간인지를, 상기 전달 개시 조건으로서 판정하는 단계, 그리고
    상기 타이밍 제어부가 상기 전달 개시 조건이 만족되면 상기 전류의 전달을 개시하도록 상기 전력 수신부를 제어하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 수신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전달 개시 조건을 설정하는 단계는,
    상기 타이밍 제어부가 상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 커패시터의 양단의 전압 차이가 음수이면, 상기 제1 기간을 감소시켜, 상기 전달 개시 조건을 설정하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 수신 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전달 개시 조건을 설정하는 단계는,
    상기 타이밍 제어부는 상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 커패시터의 양단의 전압 차이가 양수이면, 상기 제1 기간을 증가시켜, 상기 전달 개시 조건을 설정하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 수신 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 제1 기간은 상기 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/n배만큼 증감되고, 상기 n은 정수인,
    무선 전력 수신 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 기간은 상기 공진기의 공진 주파수의 한 주기의 1/m배로 설정되고, 상기 m은 정수인,
    무선 전력 수신 장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 전력 수신부는,
    상기 공진기와 상기 배터리 사이에 연결되어 있는 스위치, 및
    상기 스위치의 양단의 전압 차이를 출력하는 제2 비교기를 더 포함하고,
    상기 방법은, 상기 전류의 전달을 중단하는 때의 상기 스위치의 양단의 전압 차이에 기초하여, 상기 전류의 전달을 중단하는 전달 중단 조건을 설정하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전달 중단 조건을 설정하는 단계는,
    상기 스위치의 양단의 전압 차이가 양수이면, 상기 전류의 전달을 개시할 때부터 상기 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 증가되도록 상기 전달 중단 조건을 설정하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 수신 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 전달 중단 조건을 설정하는 단계는,
    상기 스위치의 양단의 전압 차이가 음수이면, 상기 전류의 전달을 개시할 때부터 상기 전류의 전달을 중단할 때까지의 기간의 시간 길이가 감소되도록 상기 전달 중단 조건을 설정하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 수신 방법.
  22. 무선으로 전력을 전달하는 무선 전력 송신 장치, 그리고
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 무선 전력 수신 장치
    를 포함하는 무선 전력 전달 시스템.
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