KR20210056933A - 무선 전력 시스템 - Google Patents

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KR20210056933A
KR20210056933A KR1020200150017A KR20200150017A KR20210056933A KR 20210056933 A KR20210056933 A KR 20210056933A KR 1020200150017 A KR1020200150017 A KR 1020200150017A KR 20200150017 A KR20200150017 A KR 20200150017A KR 20210056933 A KR20210056933 A KR 20210056933A
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푸자 아그라왈
아드난 드제빅
타오 치
스티브 제이콕스
찬 영 정
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르네사스 일렉트로닉스 아메리카 인크.
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Abstract

고전력 모드에서 동작하는 무선 전력 수신기에서의 과전류 보호 방법은 출력 전류 신호를 디지털 방식으로 수신하는 단계, 출력 전류 신호가 전류 제한값보다 큰 경우에 OC INT 신호를 생성하는 단계, 및 OC INT 신호가 생성되는 경우에 카운트 A개의 EPT(End Power Transfer) 패킷을 송신하는 단계를 포함한다. 무선 전력 송신이 중단되지 않았다면, 값 B를 갖는 카운트 C개의 CEP(Control Error Packet)를 송신한다. 출력 전류 IL이 전류 제한값 미만이도록 무선 전력 송신이 감소되지 않았다면, 무선 전력 수신기의 전력 블록 내의 LDO 전류 제한 회로를 인에이블시킨다. 저전력 모드에서, 수신기는 출력 전류가 전류 제한을 초과할 때 OC INT 신호를 생성하는 하드웨어 과전류 회로를 인에이블한다.

Description

무선 전력 시스템{WIRELESS POWER SYSTEM}
본 출원은 2019년 11월 11일에 출원된 미국 가출원 제62/933,855호에 대한 우선권 주장하며, 이 가출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명의 실시예들은 전력의 무선 송신에 관한 것으로, 특히 고전력 무선 전력 시스템에서의 전류 제한에 관한 것이다.
이동 디바이스들, 예를 들어, 스마트 폰들, 태블릿들, 웨어러블들 및 그 밖의 다른 디바이스들은 점점 더 무선 전력 충전 시스템들을 사용하고 있다. 일반적으로, 무선 전력 전송은 송신 코일을 구동하는 송신기 및 송신 코일에 가까이 배치된 수신기 코일을 갖는 수신기를 포함한다. 수신기 코일은 송신 코일에 의해 생성된 무선 전력을 수신하고 그 수신된 전력을 사용하여 부하를 구동하고, 예를 들어, 배터리 충전기에 전력을 제공한다.
더 높은 전력의 무선 전력 시스템들에 대한 필요성이 또한 존재한다. 고전력 시스템들은 더 높은 전류와 전압을 초래할 수 있으며, 이는 고전류, 고전압, 및 고온으로 인해 시스템에 부착된 부하들 및 그 자체에 더 높은 가열 및 손상을 초래할 수 있다. 가열은 관련된 무선 디바이스들에 손상을 초래할 수 있다. 더 높은 전력 시스템들에서의 과전압 및 과전류 상태들에서 전력을 제어하는데 추가적인 어려움이 더 있어서, 관련된 디바이스들을 보호하기에 충분히 빠르게 반응할 수 없는 더 복잡한 시스템들을 초래한다.
따라서, 더 나은 과전류 처리를 갖는 더 나은 무선 전력 수신기들을 개발할 필요가 있다.
일부 실시예들에 따르면, 고전력 모드에서 동작하는 무선 전력 시스템이 제공된다. 고전력 모드에서 동작하는 무선 전력 수신기에서의 과전류 보호 방법은 아날로그-디지털 변환기로부터 출력 전류 신호를 수신하는 단계; 출력 전류 신호를 전류 제한값과 비교하는 단계; 출력 전류 신호가 전류 제한값보다 크면 OC INT 신호를 생성하는 단계; 및 OC INT 신호가 생성되면, 카운트 A개의 EPT(End Power Transfer) 패킷을 송신하는 단계를 포함한다. 본 방법은 무선 전력 송신이 중단되었는지를 판정하는 단계; 및 무선 전력 송신이 중단되지 않았다면, 값 B를 갖는 카운트 C개의 CEP(Control Error Packet)를 송신하는 단계를 추가로 포함한다. 본 방법은 출력 전류 IL이 전류 제한값 미만이도록 무선 전력 송신이 감소되지 않았다면, 무선 전력 수신기의 전력 블록 내의 LDO 전류 제한 회로를 인에이블시키는 단계를 추가로 포함한다. 저전력 모드에서, 수신기는 출력 전류가 전류 제한을 초과할 때 OC INT 신호를 생성하는 하드웨어 과전류 회로를 인에이블한다.
일부 실시예들에 따른 무선 전력 수신기는 수신기 코일로부터 전력을 수신하고 정류된 전압을 생성하는 정류기; 정류된 전압을 수신하고 출력 전압을 제공하도록 결합된 전력 블록- 전력 블록은 출력 전류 IL을 추가로 제공함 -; 수신기 코일 상의 전력으로 디지털 데이터 패킷들을 송신하도록 결합된 ASK(amplitude shift key) 변조기; 출력 전류 IL로부터 디지털화된 출력 전류 IL을 제공하도록 결합된 아날로그-디지털 변환기; 및 정류기와 전력 블록을 제어하도록 결합되고, ASK 변조기를 통해 데이터 패킷들을 송신하도록 결합되고, 디지털화된 출력 전류 IL을 수신하도록 결합된 프로세서- 프로세서는 고전력 모드에서, 디지털화된 출력 전류 IL을 전류 제한값과 비교하고, 출력 전류 신호가 전류 제한값보다 크면 OC INT 신호를 생성하고, OC INT 신호가 생성되면 카운트 A개의 EPT(End Power Transfer) 패킷을 송신하기 위한 명령어들을 실행함 -를 포함한다. 프로세서는 무선 전력 송신이 중단되지 않았다면 값 B를 갖는 카운트 C개의 CEP(Control Error Packet)를 송신하기 위한 명령어들을 추가로 실행한다. 프로세서는 출력 전류 IL이 전류 제한값 미만이도록 무선 전력 송신이 감소되지 않았다면 전력 블록 내의 LDO 전류 제한 회로를 인에이블시키기 위한 명령어들을 추가로 실행한다. 무선 전력 수신기는 출력 전류 IL을 수신하고 출력 전류 IL이 저전력 모드에서 인에이블될 수 있는 전류 제한을 초과하는 경우 과전류 인터럽트 신호를 제공하는 하드웨어 과전류 회로를 추가로 포함한다.
이러한 실시예들 및 다른 실시예들은 아래에서 다음의 도면들과 관련하여 논의된다.
도 1은 무선 전력 송신기에 가까이 배치된 일부 실시예들에 따른 무선 전력 수신기를 갖는 무선 전력 시스템을 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 무선 전력 송신기를 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 일부 실시예들에 따른 예시적인 무선 전력 수신기를 도시한다.
도 4a는 도 3에 도시된 바와 같은 무선 전력 송신기 상에서 동작할 수 있는 일부 실시예들에 따른 상태도를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 바와 같은 상태도를 더 상세히 설명하는 흐름도를 도시한다.
이러한 도면들은 아래에서 추가로 논의된다.
다음의 설명에서, 본 발명의 일부 실시예들을 설명하는 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 관련 기술분야에서 통상의 기술자에게는 일부 실시예들이 일부 또는 전부의 이러한 특정 세부사항없이 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 본원에서 설명되는 구체적인 실시예들은 예시적이며 제한적이지 않도록 의도된다. 본 기술분야의 통상의 기술자는, 비록 여기에 구체적으로 설명되어 있지는 않지만, 이 개시내용의 범위 및 사상 내에 있는 다른 요소들을 인식할 것이다.
이러한 설명은 본 발명의 양태들을 예시하며, 실시예들은 제한적인 것으로 간주되어서는 안되고, 청구 범위는 보호된 발명을 정의한다. 이러한 설명 및 청구범위의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 일부 사례에서, 잘 알려진 구조들 및 기술들은 본 발명을 모호하지 않도록 하기 위해 상세하게 도시되거나 설명되지 않았다.
도 1은 예시적인 무선 전력 송신 시스템(100)을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(102)는 송신 코일(106)을 구동하여 시변 자기장을 생성하도록 결합된다. 시변 자기장은 무선 전력 수신기(104)의 수신 코일(108)에 전류를 유도한다. 결과적으로, 무선 전력은 무선 전력 송신기(102)와 무선 전력 수신기(104) 사이에서 송신된다. 그 후, 무선 전력 수신기(104)는 배터리 충전기 또는 다른 디바이스와 같은 부하 디바이스(110)에 전력을 제공할 수 있다. 송신기(102)는 통상적으로 외부 전원, 예를 들어, 표준 AC 전력 출력에 의해 전력을 공급받거나, DC 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 수신기(104)는 통상적으로 수신된 전력에 의해 전력을 공급받고 수신기(104) 및 부하(110)에 전력을 공급하기 위한 정류 및 DC-DC 회로를 포함한다.
무선 전력 송신기(102)와 무선 전력 수신기(104)는 무선 전력 송신기 표준을 따를 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(102)와 무선 전력 수신기(104)는 Qi 표준인 WPC(Wireless Power Consortium)에 의해 제시된 표준을 따를 수 있다. 본 개시내용에서 제공되는 무선 전력 송신기(102)와 무선 전력 수신기(104)의 구체적인 예들은 Qi를 준수할 수 있다. 그러나, 본 개시내용에 따른 실시예들은 송신기와 수신기 사이에서 무선 전력을 송신하기 위한 임의의 무선 전력 시스템(100)에 적용가능할 수 있다.
결과적으로, 송신기(102)와 수신기(104) 사이의 전력 전송에 추가하여, 송신 코일(106)과 수신기 코일(108) 사이에서 송신되는 시변 자기장을 변조함으로써 송신기(102)와 수신기(104) 사이의 통신이 확립될 수 있다. 송신기(102)는 FSK(Frequency Shift Keying)를 사용하여 수신기(104)에 데이터를 송신할 수 있는 한편, 수신기(104)는 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, ASK(Amplitude Shift Keying)를 사용하여 송신기(102)에 데이터를 송신할 수 있다. 결과적으로, 데이터는 송신기(102)와 수신기(104) 사이에서 패킷 포맷으로 디지털 방식으로 송신될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 무선 전력 송신기(102)와 무선 전력 수신기(104)는 고전력 레벨들을 송신하고 있으며 고전력 디바이스들(예를 들어, 40W 이상)이다. 결과적으로, 일부 실시예들에 따르면, 무선 전력 수신기(104)의 출력 전류는 무선 전력 수신기(104)의 프로세스에서 실행되는 프로세스에 의해 모니터링되고, 과전류 상태가 검출될 때, 인터럽트(INT)가 발생되어 프로세서가 EPT(End Power Transfer) 패킷을 송신기(102)에 반복적으로 전송하게 한다. 만약 EPT 신호들이 전력 전송을 중단하는데 성공적이지 않다면, 수신기(104)는 CEP(Control Error Packets)를 송신기(102)에 반복적으로 전송할 수 있다. 다시 성공하지 못한 경우, 수신기(104)는 부하(110)와 수신기(104)를 보호하기 위해 내부적으로 부하(110)로의 출력 전류를 제한할 수 있다. 저전력 모드에서, 무선 전력 수신기는 OC INT 신호를 생성하는 하드웨어 기반 과전류 검출기를 인에이블할 수 있다.
도 2는 일부 실시예들에서 사용될 수 있는 통상적인 무선 전력 송신기를 도시한다. 무선 전력 송신기(102)는 메모리(204)에 결합되는 프로세서(202)를 포함한다. 프로세서(202)는 본 개시내용에서 설명된 바와 같은 기능들을 수행하기 위한 명령어들을 실행할 수 있는 임의의 컴퓨팅 디바이스(마이크로프로세서, 마이크로컴퓨터, ASIC, 또는 디바이스들의 조합들을 포함하지만 이에 한정되지 않음)일 수 있다. 메모리(204)는 프로세서(202)에 의해 실행되는 데이터 및 명령어들의 저장을 위한 휘발성 및 비휘발성 메모리 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 메모리(204)는 송신기(102)에 대한 동작 데이터를 저장하기 위한 레지스터들을 추가로 포함할 수 있다.
프로세서(202)는 충분한 전력 전송을 제공하기 위해 프로세서(202)에 의해 설정된 특정 주파수 및 듀티 사이클의 게이트 드라이버(212)에 신호를 제공하는 펄스파 변조 발생기(206)에 결합된다. 게이트 드라이버(212)는 FET 브리지(214) 내의 FET들의 게이트들을 구동한다. FET 브리지(214)는 송신 코일(106)을 통해 AC 전류를 제공하는 하프-브리지 또는 풀-브리지 DC-AC 변환기일 수 있다. FET 브리지(214)는 입력 전압 Vin으로 전력을 공급받을 수 있다. 입력 전압 Vin과 함께, 게이트 드라이버(212)에 제공되는 PWM 발생기(206)로부터의 주파수 및 듀티 사이클은, 일부 실시예들에서, 무선 전력 송신기(102)로부터 송신되는 출력 전력을 제어하기 위해 프로세서(202)에 의해 변경될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(102)는 입력 전압을 갖는 전력 블록(222)에서 전력을 공급받을 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력(222)은 FET 브리지(214)에 전압을 제공할 수 있지만, 도 2에서 입력 전압이 FET 브리지(214)에도 인가된다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 프로세서(202)는 디지털 데이터를 무선 전력 수신기(104)에 전송하기 위해 PWM 발생기(206)에 의해 제공되는 출력 주파수를 변조하는 FSK 변조기(208)에 디지털 데이터를 제공할 수 있다.
추가적으로, 센서 블록(215)은 송신 코일(106) 양단의 피크 전압들, 송신 코일(106)을 통한 전류, 온도, 및 다른 동작 파라미터들을 모니터링하기 위해 FET 브리지(214)에 결합될 수 있다. 센서들(216)로부터의 피크 전압은 수신기(104)로부터 수신된 진폭 변조된 데이터를 복조하기 위해 ASK 복조기(210)에 제공될 수 있다. 그 후, 디지털 데이터는 추가 분석을 위해 프로세서(202)에 제공될 수 있다. 센서 블록(216)에 의해 수신된 다른 데이터는 아날로그-디지털 변환기(218)에서 디지털화되어 프로세서(202)에 제공될 수 있다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 프로세서(202)는 인터페이스(220)를 통해 다른 디바이스들과 데이터를 전송하도록 결합될 수 있다. 인터페이스(220)는 예를 들어, GPIO, I2C, USB, 또는 디바이스들 간의 또는 사용자와의 통신을 위한 다른 인터페이스들을 나타낼 수 있다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 프로세서(202), 메모리(204), PWM 발생기(206), FSK 변조기(208), ASK 복조기(210), 게이트 드라이버(212), ADC(218), 인터페이스들(220), 및 다른 회로가 단일 집적 회로(IC)(200) 상에 형성될 수 있다. FET 브리지(214), 송신 코일(106), 및 센서들(216)은 IC(200)의 외부에 있을 수 있다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 무선 전력 수신기(104)를 도시한다. 무선 전력은 수신 코일(108)에서 수신된다. 커패시터(332)와 직렬로 수신 코일(108)에 의해 형성된 LC 회로 양단의 AC 전압은 노드 AC1과 노드 AC2 사이에 제공된다. 정류기(306)는 AC1과 AC2 양단의 AC 전압을 수신하도록 결합된다. 정류기(306)는 FET 트랜지스터들로 형성된 풀-브리지 또는 하프-브리지 정류기일 수 있고 AC1과 AC2 양단의 AC 전압으로부터 정류된 전압 Vrect를 생성한다. 정류기(306)는 커패시터들(330)을 통해 노드들 AC1 및 AC2에 결합된 노드들 BST1 및 BST2에서 수신된 신호들 그리고 그밖에 프로세서(302)로부터의 신호들에 따라 정류기 제어(308)에 의해 제어될 수 있다. 프로세서(302)는 수신 코일(108)에 의해 수신된 전력을 효율적으로 수신하기 위해 정류기 제어(308)를 제어할 수 있다.
정류기(306)로부터의 정류된 전압 VRECT는 DC-DC 전력 모듈(310)에 입력된다. 전력 모듈(310)은 다수의 전력 변환 모듈들, 예를 들어, 벅(buck) 또는 부스트 회로들, LDO(low-dropout regulator)들, 필터들, 또는 출력 전압 OUT을 제공하는 다른 전력 회로들을 포함한다. 도 3에 도시된 예에서, 전력 모듈(310)은 도 1에 도시된 바와 같이 부하(110)에 결합될 수 있는 다양한 전압 레벨들 V 및 출력 전압 Out을 제공하는 LDO들(332)의 어레이를 포함한다. 도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 전력 모듈(310)은 출력 전압들 상의 출력 전류 IL을 모니터링하는 전류 모니터링 모듈(326) 및 출력 전류 IL을 제한할 수 있는 전류 제한 모듈(324)을 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 프로세서(302)는 수신된 전력과 처리된 전력을 제어하기 위해 정류기 제어(308) 및 전력 모듈(310)에 결합된다. 프로세서(302)는 데이터 및 명령어들을 저장하는 메모리(304)에 결합된다. 프로세서(302)는 본 개시내용에서 설명된 바와 같은 기능들을 수행하기 위해 명령어들을 실행할 수 있는 임의의 컴퓨팅 디바이스(마이크로프로세서들, 마이크로컴퓨터들, ASIC들, 또는 이러한 디바이스들의 조합들을 포함하지만 이에 한정되지 않음)일 수 있다. 메모리(304)는 프로세서(302)에 의해 실행되는 데이터 및 명령어들의 저장을 위한 휘발성 및 비휘발성 메모리 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 메모리(304)는 수신기(104)의 동작을 위한 동작 데이터 파라미터들을 설정하는 레지스터들을 추가로 포함할 수 있다.
프로세서(302)는 FSK 복조기(314)에 추가로 결합된다. FSK 복조기(314)는 정류기 제어에 결합되고, 프로세서(302)에 제공될 수 있는 디지털 데이터를 생성하도록 복조되는 주파수 신호를 수신한다.
또한, 프로세서(302)는 ASK 변조기(312)에 결합된다. ASK 변조기(312)는 무선 전력 신호에 대한 부하를 변조함으로써 수신 코일(108)에서 수신된 무선 전력 신호를 진폭 변조한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어, ASK 변조기(312)는 수신 코일(108)에 의해 수신된 무선 전력에 추가적인 부하를 제공하기 위해 AC1 및 AC2에 결합된 커패시터들(328)을 활성화 또는 비활성화하도록 결합된다.
결과적으로, "1" 및 "0"의 시퀀스로서의 디지털 데이터는 전술한 변조들을 사용하여 무선 전력 송신기(102)와 무선 전력 수신기(104) 사이에서 송신된다. 일부 실시예들에서, 데이터는 표준, 예를 들어, 위의 Qi 표준에 따라 송신기(102)와 수신기(104) 사이에서 송신되지만, 커스텀 포맷이 사용될 수 있다. 예로서, 본 발명의 실시예들이 다른 표준들과 함께 사용될 수도 있지만, Qi 패킷 포맷이 논의될 것이다. 패킷 포맷은 다음과 같을 수 있다:
프리앰블 헤더 메시지 체크섬
프리앰블은 11 내지 25 비트로 구성되며, 모두 "1"로 설정되며, 이는 인입 데이터의 동기화를 허용하고 헤더의 시작 비트의 정확한 검출을 허용한다. 헤더는 송신되는 패킷의 타입을 식별하는 단일 바이트(8 비트)의 데이터이다. 다수의 패킷 타입이 Qi 표준에서 식별되지만, 본 개시내용의 목적들을 위해 EPT(End Power Transfer) 및 CEP(Control Error Packet)가 논의된다. Qi 표준에서, EPT 패킷은 "0x02"의 헤더 값으로 식별되는 반면, CEP 패킷은 "0x03"의 헤더 값으로 식별된다.
EPT 패킷은 무선 전력의 송신을 중단하기 위해 무선 전력 수신기(104)로부터 무선 전력 송신기(102)로 송신된다. 결과적으로, 무선 전력 송신기가 EPT 패킷을 수신할 때, 전력 송신을 중단하고 대기 상태에 진입할 수 있다. EPT 패킷에 대한 메시지 크기는 1 바이트이고, 이는 일반적으로 전력이 중단되는 이유를 제공하는데 사용된다. 일반적인 이유들에는 충전 완료(0x01), 내부 고장("0x02"), 온도 초과("0x03"), 전압 초과("0x04"), 전류 초과("0x05"), 배터리 고장("0x06"), 또는 Qi 표준에서 식별된 바와 같은 다른 메시지가 포함된다.
CEP 패킷은 또한 무선 전력 송신기(102)에 의해 송신된 전력 레벨을 조정하기 위해 무선 전력 수신기(104)로부터 무선 전력 송신기(102)로 송신된다. CEP 패킷에 대한 메시지 크기는 1 바이트이고, 현재 전력 레벨의 조정(위 또는 아래)을 결정하는 -128과 127 사이의 값을 포함한다.
도 3을 추가로 참조하면, 무선 전력 수신기(104)는 과전압(OV) 검출기(334), 과온(OT) 검출기(340) 및 과전류(OC) 검출기(338)를 포함할 수 있다. OV 검출기(334)는 정류기 전압 VRECT을 임계 전압 Vlimit과 비교하고, VRECT가 Vlimit의 값을 초과하면 인터럽트 신호를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, OV 검출기(334)는 VRECT가 미리 결정된 시간 동안 Vlimit의 값을 초과할 때 OV INT 신호를 생성할 수 있다.
전력 모듈(310)은 Iout 블록(326)에서 출력 전류를 측정할 수 있고 출력 전류를 나타내는 IL 신호를 제공한다. 일부 실시예들에서, 출력 전류는 필터(336)를 통해 필터링되어 IL 신호를 제공할 수 있다. OC(338)는 하드웨어(HW) 과전류 검출 블록을 나타낸다. OC(338)는 전류 신호 IL을 임계 전류 제한값과 비교하고, IL이 제한을 초과할 때 OC 인터럽트 신호(OC INT)를 프로세서(302)에 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, OC INT 신호는 IL이 미리 결정된 시간 동안 Ilimit를 초과할 때 생성된다.
OT 검출기(340)는 무선 수신기(104)의 어떤 지점에서 온도를 결정한다. OT(340)는 온도 신호(도시되지 않음)로부터 온도 신호를 수신하고, 온도가 결정된 온도 값을 초과하는 경우, 온도 인터럽트 신호를 프로세서(302)에 생성한다.
프로세서(302)는 또한 전류 신호 IL을 포함하여, 측정된 신호들을 수신하도록 결합된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 다양한 아날로그 신호들이 멀티플렉서(MUX)(316)에 입력되고 아날로그-디지털 변환기(318)를 통해 처리되어 프로세서(302)에 아날로그 신호의 디지털 표현을 제공할 수 있다. 도 3의 예에서, MUX(316)는 Vrect, IL, 출력 전압 Out, 온도 신호, 및 다양한 다른 아날로그 신호들을 수신한다. 프로세서(302)는 신호를 MUX(316)로 전송함으로써 이들 아날로그 신호 중 어느 것이 ADC(318)에 제공되는지를 결정한다. ADC(318)는 프로세서(302)에서 실행되는 알고리즘에 의해 사용가능한 디지털 데이터를 제공하기에 충분한 해상도를 갖는다.
프로세서(302)는 인터페이스 블록(320)에도 결합될 수 있다. 인터페이스 블록(320)은 임의의 표준, 예를 들어, GPIO, I2C, USB, 이더넷, 또는 다른 표준 프로토콜들 하에서 인터페이스들을 제공할 수 있다. 이와 같이, 동작 파라미터들 및 데이터는 메모리(304)에 업로드되어 무선 전력 수신기(104)의 동작에 사용될 수 있다.
도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신기(104)의 많은 컴포넌트들이 단일 수신기 칩(300) 상에 형성될 수 있다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 수신 코일(108), 커패시터들(330), 및 커패시터들(328)을 제외한 논의된 컴포넌트들 모두가 IC(300) 상에 형성될 수 있다.
과전류 검출 및 제어를 위해 하드웨어 OC 검출기(338)를 사용하는 것은 저전력 시스템에 적절할 수 있다. 결과적으로, 저전력 시스템들에서, OC 검출기(338)가 OC INT 신호를 프로세서(302)에 전송할 때, 프로세서(302)는 이후 전력 블록(310)의 LDO Ilim(324)에서의 전류를 제한하거나 또는 전력을 감소시키기 위해 CEP 패킷을 전송하는 단계를 취할 수 있다. 그러나, 고전력 시스템들에서는, 하드웨어 기반 과전류 검출 시스템의 사용이 덜 바람직하다. 특히, 더 높은 전류들은 손상을 매우 빠르게 발생시킬 수 있다. 그러나, 저전력 사용을 위해, 하드웨어 OC 검출기(338)가 인에이블될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 고전력 동작을 위한 비-하드웨어 과전류 검출기를 제공한다. 그 경우에, OC 검출기(338)는 디스에이블될 수 있고, 과전류 검출은 프로세서(302)에 의해 실행되는 명령어들로 구현되어, 소프트웨어 OC 프로세스를 인에이블시킨다. 저전력 동작에 사용되는 OC 검출기(338)를 사용하는 하드웨어 과전류 보호와 고전력 동작에 대한 비-하드웨어 또는 소프트웨어 기반 과전류 보호 사이의 스위칭은 메모리(304)의 레지스터 내의 값을 설정함으로써 또는 메모리(304)에 유지되는 천이값과 출력 전류 IL의 비교로부터 저전력 모드와 고전력 모드 사이의 결정에 의해 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 모드 플래그 또는 천이값은 외부 사용자에 의해 인터페이스(320)를 통해 설정될 수 있다.
도 4a는 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 과전류 보호 프로세스(400)를 도시한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 단계 402에서, ADC(318)에서 디지털화된 출력 전류 IL이 전류 제한값 ILIM을 초과할 때 프로세서(302)에서 소프트웨어 생성 과전류 인터럽트(OC INT)가 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서(302)에서 잘못된 과전류 검출을 방지하기 위해 단계 402에서 필터가 또한 구현될 수 있다. 단계 402에서 사용된 전류 제한값 ILIM은 인터페이스(320)를 통해 로딩된 입력값들에 의해 설정될 수 있다. OC INT가 단계 402에서 생성될 때, 프로세스(400)는 단계 404로 진행한다. 단계 404에서, 프로세서(302)는 A의 카운트에 대한 EPT 패킷을 송신한다. 결과적으로, 과전류 상태를 나타내는 EPT 패킷의 발생들이 송신된다. A는 0으로 설정될 수 있고, 단계 402에서 생성된 OC INT에 응답하여 어떠한 EPT 패킷도 송신되지 않는다는 것에 주목해야 한다. 대안적으로, A는 FFh로 설정될 수 있고, 이 경우 EPT 패킷들은 종료없이 반복적으로 송신된다. A는 임의의 수일 수 있고 디폴트 값, 예를 들어, A=2를 가질 수 있다. 무선 전력 송신기(102)가 전력을 차단하지 않으면(또는 A가 0으로 설정되면), 프로세스(400)는 단계 406으로 진행한다.
단계 406에서, 단계 402에서 생성된 OC INT 또는 단계 404에서 전송된 EPT 패킷들에 대한 응답의 실패에 응답하여, 값 B를 갖는 카운트 C개의 CEP 패킷이 전송된다. 값 B는 전술한 바와 같이 최대 -128의 네거티브 값일 수 있다. 카운트 C는 0(디스에이블) 내지 FFh(반복 송신)의 임의의 수일 수 있다. 카운트 C는 2의 디폴트 값을 가질 수 있다. 값 B는 또한 디폴트 값, 예를 들어 -20을 가질 수 있다.
단계 406이 무선 전력 수신기(106)에 송신되는 전력을 감소시키는데 재차 성공하지 못하면, 프로세스(400)는 단계 408로 진행한다. 단계 408에서, 프로세서(302)는 전력 블록(310) 내의 LDO ILIM 블록(324)을 인에이블하여 전력 블록(310)으로부터의 출력 전류를 제한한다.
전술한 바와 같이, 몇몇 파라미터들은 인터페이스(320)를 통해 동작 파라미터들로서 설정될 수 있다. 특히, 전술한 바와 같이, 카운트 A는 0과 FFh 사이에서 설정될 수 있으며, A=0은 EPT 송신을 디스에이블하고 A=FFh는 부정 수의 EPT 송신을 제공한다. 카운트 A는 디폴트 값, 예를 들어, A=2를 가질 수 있다. 또한, 카운트 C는 0과 FFh 사이에서 설정될 수 있으며, C=0은 CEP의 송신을 디스에이블하는 반면 C=FFh는 부정 수의 CEP 송신의 송신을 나타낼 수 있다. 값 B는 디폴트 값을 갖는 임의의 네거티브 값(-128 내지 0)으로 설정될 수 있는데, 예를 들어, B=-20이다.
도 4b는 일부 실시예들에 따른 프로세스(400)의 세부사항들을 추가로 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 단계 402는 단계 410과 단계 412를 포함한다. 단계 410에서, 프로세서(302)는 출력 전류 IL을 측정한다. 단계 410에서, 프로세서(302)는 단계 410에서 소프트웨어 필터를 추가로 실행한다. 단계 412에서, 프로세서(302)는 전류 IL을 무선 전력 시스템(104)의 개시동안 설정될 수 있는 제한 임계값 전류 Ith와 비교한다. IL이 임계 전류 Ith보다 작으면, 프로세서(302)는 IL을 계속 측정하기 위해 단계 410으로 진행한다.
IL이 Ith보다 커서, OC INT 신호를 생성하면, 프로세서(302)는 전술한 바와 같이 카운트 A개의 EPT 패킷이 송신될 때 단계 404로 진행한다. 그 후, 프로세서(302)는 단계 414로 진행한다.
단계 414에서, 무선 전력의 송신이 중단되면, 프로세서(302)는 과전류 프로세스(400)가 중단되는 단계 416으로 진행한다. 무선 전력 송신이 중단되지 않았다면, 프로세서(302)는 전술한 바와 같이 값 B를 갖는 카운트 C개의 CEP 패킷이 송신되는 단계 406으로 진행한다. 그 후, 프로세서(302)는 단계 418로 진행하고, 여기서 프로세서(302)는 IL<Ith인지를 체크한다. 만약 그렇다면, 프로세서(302)는 단계 410으로 복귀한다. 만약 그렇지 않다면, 프로세서(302)는 단계 408로 진행한다. 단계 408에서, 프로세서(302)는 전력 블록(310)에서 LDO ILIM(324)이 전류 제한을 인에이블하게 한다.
전술한 바와 같이, 저전력 모드와 고전력 모드 사이의 천이는 구현에 따라 상이한 전력 레벨들로 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레지스터는 저전력 모드에서 또는 고전력 모드에서의 동작을 결정하도록 설정되어, 사용자 설정가능 파라미터를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서(302)는 IL의 값에 따라 저전력 모드로부터 고전력 모드로 천이할 수 있다. 무선 전력 수신기(104)가 고전력 모드에서 동작하는 천이값은 인터페이스(320)를 통해 사용자에 의해 설정될 수 있다.
본 발명의 일부 예들에서, 출력 전압은 약 20V일 수 있다. 출력 전류 IL이 2A 미만일 때, 무선 전력 수신기(104)는 하드웨어 과전류 검출기(338)와 함께 저전력 모드에서 동작할 수 있다. 출력 전류 IL이 2A보다 클 때, 무선 전력 수신기는 도 4a 및 도 4b에 도시된 소프트웨어 기반 과전류 프로세스(400)의 구현에 의해 고전력 모드에서 동작한다.
본 개시내용의 실시예들이 구현되는 하나의 특정 예에서, 무선 전력 송신기(102)는 급속 충전(QC) 3.0 어댑터를 갖는 IDT(현재 르네사스) P9247 송신기 IC를 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기(102)에 대한 입력 전압 Vin은 19.4V였다. 무선 전력 수신기(104)는 본 개시내용의 실시예들을 구현한 IDT(현재 르네사스) P9415 Rev.G 무선 수신기 칩을 포함했다. 수신 코일(108)은 9μH 수신 코일이었다. LDO ILIM(324)이 디스에이블됨으로써 Ilim 기능이 디스에이블되었다. RX 출력 전압은 20V이었고 출력 전류 IL은 2.3A이었으며, 총 출력 전력은 46W가 되었다. 4개의 층을 갖는 크기 62mmX0.76mm의 평가 키트(EVK) 보드가 무선 전력 송신기(102)와 무선 전력 수신기(104)를 장착하는데 사용될 수 있다. 그 후, 무선 전력 송신 시스템은 55℃의 챔버 온도와 110℃의 다이 온도를 갖는 챔버에 배치되었다.
7일의 테스트가 경과한 40W에서의 송신기/수신기 시스템의 폐루프 벤치 에이징 테스트에서. 다음의 표는 위의 조건들 하에서의 테스트 동안의 시스템의 효율성들 및 표면 온도들을 예시한다.
Vbridge(V) Iin(A) Vout(V) Iout(A) Pin(W) Pout(W) Eff% 온도
(주변: 23℃)
17.679 2.57 19.88 2 45.44 39.76 87.5% 67.8
다음의 표는 테스트 동안의 Iout ADC 판독들을 예시한다.
Iout 부하 2A 2.3A 2.5A 2.8A 2.9A
ADC 판독 2.015A 2.342A 2.547A 2.831A 2.966A
20V/2.3A 폐루프 시스템은 기능적이다(즉, 정류기, 메인 LDO 등). OV 검출기(334)와 OT 검출기(340)는 기능적이었다. OC 검출은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 고전력 모드에서 수행되었다. 전압 제어 및 주파수 제어는 기능적이었다. 테스트는 (시스템 제안을 구현하는) 40W에 대한 시스템 보호를 포함한다.
테스트 동안, 무선 전력 수신기 IC(300), IDT P9415 수신기에 대한 칩-스케일 패키지(CSP)는 40W 이상의 수신된 전력에서 분석되었다. RDL 층, 금속 층들 및 볼들에서 기존 실리콘의 전류 밀도를 분석하기 위해 저항성 3D(R3D) 시뮬레이션들이 수행되었다. RDL 층은 4.5A의 출력 전류까지 정류기 및 MLDO에 양호하다. 2.8A DC 전류 통과가 있을 때 정류기의 metal5에 제한이 있으면 도움이 된다. MLDO는 최대 3A DC 전류까지 양호하다. MLDO는 또한 3A에서 metal5로 제한된다. 2.2A 부하 전류(정류기에서의 1.1A 평균 전류)에서; AC24 및 AC11 볼에서 0.7A가 있고, PGND2 및 PGND4 볼에서 1A가 있으며, OUT1 볼에서 0.8A가 있다. 아드모아 금속들과 볼들은 최대 3A의 부하 전류에서 사용할 수 있다.
위의 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예들을 예시하기 위해 제공되는 것이지 제한하려는 것이 아니다. 본 발명의 범위 내에서 수 많은 변형 및 수정이 가능하다. 본 발명은 다음의 청구범위에 제시된다.

Claims (31)

  1. 무선 전력 수신기에서의 과전류 보호 방법으로서,
    고전력 모드에서,
    아날로그-디지털 변환기로부터 출력 전류 신호를 수신하는 단계;
    상기 출력 전류 신호를 전류 제한값과 비교하는 단계;
    상기 출력 전류 신호가 상기 전류 제한값보다 크면 OC INT 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 OC INT 신호가 생성되면, 카운트 A개의 EPT(End Power Transfer) 패킷을 송신하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    카운트 A는 0과 FFh 사이의 값이고, 값 A=0은 EPT 패킷들의 송신을 디스에이블하고 값 A=FFh는 상기 EPT 패킷들의 반복된 송신들을 나타내는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    카운트 A는 A 디폴트 값으로 설정되는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    카운트 A는 상기 무선 전력 수신기에 대한 사용자 입력에 의해 설정되는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고전력 모드에서,
    무선 전력 송신이 중단되었는지를 판정하는 단계; 및
    무선 전력 송신이 중단되지 않았다면, 값 B를 갖는 카운트 C개의 CEP(Control Error Packet)를 송신하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    카운트 C는 0과 FFh 사이의 값이고, C=0의 값은 CEP들의 송신을 디스에이블하고 A=FFh의 값은 CEP들의 반복된 송신을 나타내는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    카운트 C는 C 디폴트 값으로 설정되는 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    카운트 C는 상기 무선 전력 수신기에 대한 사용자 입력에 의해 설정되는 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    값 B는 -128과 0 사이의 수인 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    값 B는 B 디폴트 값으로 설정되는 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    값 B는 상기 무선 전력 수신기에 대한 사용자 입력에 의해 설정되는 방법.
  12. 제5항에 있어서,
    출력 전류 IL이 상기 전류 제한값 미만이도록 무선 전력 송신이 감소되지 않았다면, 상기 무선 전력 수신기의 전력 블록 내의 LDO 전류 제한 회로를 인에이블시키는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    저전력 모드에서, 상기 무선 전력 수신기는 상기 출력 전류가 전류 제한을 초과할 때 OC INT 신호를 생성하는 하드웨어 과전류 회로를 인에이블하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기는 사용자 입력 파라미터에 따라 저전력 모드에서 또는 고전력 모드에서 동작하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신기는 상기 출력 전류가 천이값 초과인지 또는 미만인지에 따라 저전력 모드에서 또는 고전력 모드에서 동작하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 천이값은 상기 무선 전력 수신기에 대한 사용자 입력에 의해 설정되는 방법.
  17. 무선 전력 수신기로서,
    수신기 코일로부터 전력을 수신하고 정류된 전압을 생성하는 정류기;
    상기 정류된 전압을 수신하고 출력 전압을 제공하도록 결합된 전력 블록- 상기 전력 블록은 출력 전류 IL을 추가로 제공함 -;
    수신기 코일 상의 전력으로 디지털 데이터 패킷들을 송신하도록 결합된 ASK(amplitude shift key) 변조기;
    상기 출력 전류 IL로부터 디지털화된 출력 전류 IL을 제공하도록 결합된 아날로그-디지털 변환기; 및
    상기 정류기 및 상기 전력 블록을 제어하도록 결합되고, 상기 ASK 변조기를 통해 데이터 패킷들을 송신하도록 결합되고, 상기 디지털화된 출력 전류 IL을 수신하도록 결합된 프로세서- 상기 프로세서는 고전력 모드에서,
    상기 디지털화된 출력 전류 IL을 전류 제한값과 비교하고,
    출력 전류 신호가 상기 전류 제한값보다 크면 OC INT 신호를 생성하고,
    상기 OC INT 신호가 생성되면 카운트 A개의 EPT(End Power Transfer) 패킷을 송신하기 위한 명령어들을 실행함 -를 포함하는 무선 전력 수신기.
  18. 제17항에 있어서,
    카운트 A는 0과 FFh 사이의 값이고, 값 A=0은 EPT 패킷들의 송신을 디스에이블하고 값 A=FFh는 상기 EPT 패킷들의 반복된 송신들을 나타내는 무선 전력 수신기.
  19. 제17항에 있어서,
    카운트 A는 A 디폴트 값으로 설정되는 무선 전력 수신기.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 프로세서에 결합된 인터페이스를 추가로 포함하고, 카운트 A는 상기 무선 전력 수신기에 대한 사용자 입력에 의해 설정되는 무선 전력 수신기.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 고전력 모드에서,
    무선 전력 송신이 중단되었는지를 판정하고;
    무선 전력 송신이 중단되지 않았다면 값 B를 갖는 카운트 C개의 CEP(Control Error Packet)를 송신하기 위한 명령어들을 추가로 실행하는 무선 전력 수신기.
  22. 제21항에 있어서,
    카운트 C는 0과 FFh 사이의 값이고, C=0의 값은 CEP들의 송신을 디스에이블하고 A=FFh의 값은 CEP들의 반복된 송신을 나타내는 무선 전력 수신기.
  23. 제21항에 있어서,
    카운트 C는 C 디폴트 값으로 설정되는 무선 전력 수신기.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 프로세서에 결합된 인터페이스를 추가로 포함하고, 카운트 C는 상기 무선 전력 수신기에 대한 사용자 입력에 의해 설정되는 무선 전력 수신기.
  25. 제21항에 있어서,
    값 B는 -128과 0 사이의 수인 무선 전력 수신기.
  26. 제21항에 있어서,
    값 B는 B 디폴트 값으로 설정되는 무선 전력 수신기.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 프로세서에 결합된 인터페이스를 추가로 포함하고, 값 B는 상기 무선 전력 수신기에 대한 사용자 입력에 의해 설정되는 무선 전력 수신기.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 전력 블록에 LDO 제한 회로를 추가로 포함하고, 상기 프로세서는 상기 출력 전류 IL이 상기 전류 제한값 미만이도록 무선 전력 송신이 감소되지 않았다면 상기 무선 전력 수신기의 전력 블록 내의 상기 LDO 전류 제한 회로를 인에이블시키기 위한 명령어들을 추가로 실행하는 무선 전력 수신기.
  29. 제17항에 있어서,
    상기 출력 전류 IL을 수신하고 상기 출력 전류 IL이 전류 제한을 초과하는 경우 과전류 인터럽트 신호를 제공하는 하드웨어 과전류 회로를 추가로 포함하고, 상기 프로세서는,
    고전력 모드에서 상기 하드웨어 과전류 회로를 디스에이블하고;
    저전력 모드에서 상기 하드웨어 과전류 회로를 인에이블시키기 위한 명령어들을 실행하는 무선 전력 수신기.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 프로세서에 결합된 인터페이스를 추가로 포함하고, 상기 무선 전력 수신기는 사용자 입력 파라미터에 따라 저전력 모드에서 또는 고전력 모드에서 동작하는 무선 전력 수신기.
  31. 제29항에 있어서,
    프로세스는 상기 출력 전류 IL이 천이값 초과인지 또는 미만인지에 따라 저전력 모드에서 동작하거나 또는 고전력 모드에서 동작하게 하는 명령어들을 실행하는 무선 전력 수신기.
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