KR20210092404A - 큐 인자 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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KR20210092404A
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박성민
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주식회사 맵스
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Abstract

큐 인자 측정 장치 및 그 방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 큐 인자 측정장치는, 안테나를 포함하는 공진기와, 공진기를 구동하는 구동회로와, 공진기의 안테나 전압으로부터 포락선을 검출하여 포락선 신호를 출력하는 포락선 검출기와, 포락선 출력신호를 미리 설정된 시간 구간 동안 적분하여 면적 값을 계산하는 적분기와, 적분기에서 계산된 면적 값을 이용하여 공진기의 큐 인자를 계산하는 계산기를 포함한다.

Description

큐 인자 측정 장치 및 그 방법 {Q factor detection apparatus and method thereof}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 전력 전송 송신기의 큐 인자를 측정하는 기술에 관한 것이다.
무선 전력 송신기(Wireless Power Transmitter: Tx, 이하 '송신기'라 칭함) 주변의 외부물질(Foreign object: FO, 이하 'FO'라 칭함)은 무선 전력을 전송하려는 목표 소자가 아니면서 전력을 소모하는 물체를 통칭하는 것으로서, 전력 송신 효율을 감소시키는 문제를 발생시킨다. 특히, 수 100kHz 이하의 저주파로 구동되는 무선 전력 시스템에서는 금속소재의 FO가 고주파 무선 전력 시스템에 비해 상대적으로 높은 전력을 수신하게 된다. FO가 자기장(magnetic field)에 의해 에너지를 수신하게 되어 와전류(Eddy current)가 유기되면, 금속소재의 낮은 저항 성분 때문에 상당히 큰 전력이 소모될 수 있으며, FO가 가열될 수도 있다. 전자유도조리기(Induction cooker)에서 금속소재의 용기를 가열하는 것과 동일한 현상이 발생하는 것이다. FO는 전력 소모를 일으켜 효율을 감소시키기도 하고, 가열된 FO의 경우 사람이나 동물 접촉 시 화상의 우려도 있다. 따라서, FO를 검출해서 보호하는 것이 매우 중요하다. 고주파 시스템에서는 와전류가 표피효과(skin effect)에 의해 금속 표면으로만 흐르기 때문에 상대적으로 FO의 저항성분이 커지는 효과가 있어서 많은 전류가 유기되지 않으므로 저주파 시스템에 비해 큰 문제가 되지 않는다.
FO 검출 방법 중 하나는 공진 파형을 이용하는 방식이다. 안테나 L과 커패시터 C로 구성된 공진기에 전압을 인가하게 되면 LC 공진에 의해 공진 파형이 나타난다. 이때 스텝 펄스(step pulse) 형태의 DC 전압을 인가하면, 전압이 갑자기 인가될 때의 에너지에 의해 LC 공진이 발생한다. 입력을 DC로 인가했으므로 공진 파형은 지속되지 않고 점차 그 진폭이 감소하여 공진은 소멸된다. 이때 안테나 L 근처에 금속소재의 FO가 있을 경우, 공진기의 자기공진(self-resonance)에 의해 발생하는 자기장이 FO에 와전류를 유기시켜서 에너지가 소비된다. 따라서, 공진 파형은 에너지 손실에 의해 그 진폭이 급속도로 감소하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 전압을 인가하고 진폭이 유지되는 시간을 계산하면 FO를 검출할 수 있다.
도 1은 큐 인자(quality factor: Q-factor, 이하, 'Q'라 칭함)에 따른 공진 파형을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, FO를 검출하기 위해 공진 회로의 Q를 측정하는 방법이 있다. Q가 낮은 경우는 공진 파형이 빠르게 감소하고, 반면 Q가 높은 경우는 공진 파형이 장시간 유지된다. 이때, 감쇄 시간을 측정하여 Q를 측정하는 방법이 있다.
도 2는 감쇄 시간을 이용하여 Q를 측정하는 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 발생기(Generator)를 통해 펄스를 공진 회로(LC circuit)에 인가하고 모노플롭(MONOFLOP)으로 펄스를 인가한 시점을 시작점으로 플립플롭(FLIP-FLOP) 회로의 출력이 high가 되게 한다. 이후 슈미트 트리거(SCHMITT-TRIGGER)로 공진 회로(LC circuit)의 포락선(envelop) 신호가 감소하여 특정 레벨이 됨을 감지하여 플립플롭 회로의 출력이 low가 되게 한다. 이때 플립플롭 회로의 출력이 high로 유지된 시간이 길면 길수록 Q가 높다. 따라서, 시간이 Q와 비례하는 값이 되므로, 이 시간을 측정하여 Q에 비례하는 값을 얻을 수 있다.
이 방법은 일정 전압 레벨에 도달할 때까지 시간을 측정하는 방법이므로 Q에 비례하는 측정은 가능하다. 그러나 정확한 Q를 측정하는 방법으로는 적당하지 않다. 또한 검출 코일(detection coil)이라는 근접 센서를 이용하여 공진 회로의 Q를 측정해야 한다.
FO 검출 방법 중 다른 하나는 보조 안테나를 이용하는 방식이다. LC 공진이 감소하는 특성을 이용하여 FO를 검출하는 것은 도 2를 참조로 하여 전술한 공진 파형을 이용하는 방식과 유사하지만, 이와 다르게 송신 안테나로 무선 전력 수신기(Wireless Power Receiver: Rx, 이하 '수신기'라 칭함)를 예비 충전(pre-charge) 하는 기능을 수행하고, 이후 보조 안테나로 FO를 검출하는 방법을 사용하여 정상적인 부하와 FO를 분리하여 검출하는 방식이다. 예비 충전 방법에 의해 송신기에서 적은 양의 전력을 출력하여 수신기에 미리 에너지를 충전해 놓는다. 이후 작은 보조 안테나에 잠깐 에너지를 주어 자기공진을 발생시키게 되면 수신기가 이미 에너지를 충전한 상태이므로 작은 보조 안테나가 방사하는 에너지에는 반응을 하지 않게 된다. 따라서, 작은 안테나에서 방사된 에너지는 혹 존재할 수 있는 FO에만 작용하게 된다. 이때 공진 파형의 감쇄 속도로부터 FO의 유무를 판단할 수 있다. 해당 방식은 공진 파형을 이용하는 방식에 비해 정상적인 수신기와 FO를 분리하여 검출할 수 있으므로 훨씬 효과적이라 할 수 있다. 단, 보조 안테나가 필요한 것은 제조 원가가 증가하며 별도의 구동 회로가 필요하므로 단점이라 할 수 있다.
전술한 두 가지 방식에서 공진 파형이 급속하게 감소하는 것은 에너지를 소모하는 소자가 있기 때문이고, 이는 안테나를 포함한 공진기의 Q가 낮아지는 효과와 동일하다. 따라서, 공진기의 Q를 감지하고 감지된 Q 값이 너무 낮다면 FO가 있는 것으로 판단하여 전력 송신을 중단할 수 있다. 따라서 Q를 감지하는 것이 중요하며, 특히 정상적인 수신기가 Q에 영향을 미치는 것은 배제시킬 수 있어야 한다.
US4843259 (1989.06.27 등록) US9178361 (2015.11.03 등록)
일 실시 예에 따라, 무선 전력 전송 송신기 근처에서 전력 손실을 유발할거나 과도한 발열을 유발할 수 있는 금속 소재의 FO를 검출하고, FO를 검출하기 위해 공진 회로의 Q를 측정하며 Q를 안정적으로 측정할 수 있는 Q 검출 장치 및 그 방법을 제안한다.
일 실시 예에 따른 큐 인자 측정장치는, 안테나를 포함하는 공진기와, 공진기를 구동하는 구동회로와, 공진기의 안테나 전압으로부터 포락선을 검출하여 포락선 신호를 출력하는 포락선 검출기와, 포락선 출력신호를 미리 설정된 시간 구간 동안 적분하여 면적 값을 계산하는 적분기와, 적분기에서 계산된 면적 값을 이용하여 공진기의 큐 인자를 계산하는 계산기를 포함한다.
계산기는 초기 커패시터 전압과는 무관하게, 펄스 인가 이후 시간 T1에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(1)과, 시간 T2에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(2)와, 시간 T1에서 T2까지의 포락선 신호 V(t)를 적분하여 계산된 면적 값 S를 이용하여 큐 인자를 계산할 수 있다.
구동 회로는, 무선 전력 전송을 수행하기에 앞서, 외부 물질의 존재 여부를 판단하기 위해 무선 전력 수신기를 구동할 수 없을 정도로 공진기의 공진 주파수 보다 주파수가 낮은 저주파 펄스 형태의 구동신호를 공진기에 인가할 수 있다.
공진기는 무선 전력 수신기의 특성에 무관하게 큐 인자의 특성에 의해 자유 진행(free-running) 공진 신호가 송신 안테나에 발생할 수 있다.
큐 인자 측정장치는, 포락선 검출기 출력을 미리 설정된 기간 동안 샘플링 하여 디지털화 하는 A/D 변환기를 더 포함할 수 있다.
포락선 검출기는, 공진기의 안테나 전압의 포락선을 검출하기 위해 다이오드 D1 및 커패시터 C1를 포함하는 회로와, 저항 R1 및 R2의 비율에 따라 포락선 검출기의 포락선 출력전압 V(t)을 조절하는 저항 회로를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 큐 인자 측정 방법은, 무선 전력 송신기를 구성하는 공진기에 전력을 공급하는 단계와, 전력 공급에 따라 공진기의 안테나 전압으로부터 포락선을 검출하여 포락선 신호를 출력하는 단계와, 포락선 출력신호를 미리 설정된 시간 구간 동안 적분하여 면적 값을 계산하는 단계와, 계산된 면적 값을 이용하여 공진기의 큐 인자를 계산하는 단계를 포함한다.
전력을 공급하는 단계에서, 무선 전력 전송을 수행하기에 앞서, 외부 물질의 존재 여부를 판단하기 위해 무선 전력 수신기를 구동할 수 없을 정도로 공진기의 공진 주파수 보다 주파수가 낮은 저주파 펄스 형태의 구동신호를 공진기에 인가할 수 있다.
큐 인자를 계산하는 단계에서, 초기 커패시터 전압과는 무관하게, 펄스 인가 이후 시간 T1에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(1)과, 시간 T2에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(2)와, 시간 T1에서 T2까지의 포락선 신호 V(t)를 적분하여 계산된 면적 값 S를 이용하여 큐 인자를 계산할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 공진기의 Q를 측정함에 있어서, (1) 공진기와 근접해서 공진 특성을 센스하는 별도의 공진 회로가 필요하지 않고, 공진기의 안테나에서 관측되는 신호를 직접 이용하여 Q를 측정할 수 있다.
(2) 포락선이 결정된 특정 전압까지 감소하는 시간을 측정하여 Q를 측정하지 않는다. 특정 전압까지 감소하는 시간을 측정하는 경우, 초기 전압 V(0)에 영향을 받을 수 밖에 없기 때문에 인가된 펄스의 전압 크기가 바뀌거나 포락선 검출기의 이득이 다른 경우 상이한 값이 검출되므로 상대적인 Q 값은 측정이 가능하지만 절대 Q 값을 측정함에 있어서는 무리가 있다. 반면 제안하는 방식은 임의 구간을 적분한 시간을 이용하므로 인가된 펄스 전압의 크기에 무관하게 측정하며 포락선 검출기의 이득 특성에 전혀 영향을 받지 않게 된다. 또한 비교기와 같은 별도의 회로가 전혀 필요하지 않은 것도 장점에 해당한다.
(3) 적분기가 갖고 있는 고역 신호 제거 특성에 의해 고주파 잡음이 Q 값의 측정에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
도 1은 Q에 따른 공진 파형을 도시한 도면,
도 2는 감쇄 시간을 이용하여 Q를 측정하는 장치의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명이 적용되는 송신기 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신기와 수신기 및 금속 소재의 FO 회로를 도시한 도면,
도 5는 도 4의 회로에서의 Q에 따른 안테나 전압 변화 추이를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기에 에너지 공급이 중단된 시점의 공진기의 등가 회로를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포락선 신호 V(t)를 그래프로 표현한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 Q 측정 장치의 구성을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 Q 측정 장치의 구성을 도시한 도면,
도 10은 본 발명에서 제안하는 방법으로 여러 가지 상황에서 Q를 측정한 실험 결과를 나타내는 표,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 Q 측정 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
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.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 3은 본 발명이 적용되는 송신기 구성을 도시한 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 송신기(1)는 전력 증폭기(10)와 공진기(12)를 포함한다. 도 3에서는 스위치 M1, M2(101, 102)로 구성된 D-클래스 전력 증폭기(class-D power amp)를 예를 들어 도시하고 있으나, 전력 증폭기(10)의 종류는 이에 한정되지는 않는다. 스위치 M1, M2(101, 102)는 스위칭 동작이 가능한 능동소자, 예를 들어 BJT, SiC FET, GaN FET 등의 소자로 대체하여도 동일한 기능을 수행할 수 있다. 스위치 M1(101)은 하이 측 스위치(High Switch: HS)로서, HS 펄스를 발생시키고, 스위치 M2(102)는 로우 측 스위치(Low Switch: LS)로서, LS 펄스를 발생시킨다. 스위치 M1, M2(101, 102)의 스위칭 동작(on, off)에 의해 전력 증폭기(10)가 구동하고 구동에 의해 유기된 전류가 공진기(12)의 송신 안테나(Tx antenna) L(120)에 공급된다.
공진기(12)는 송신 안테나 L(120) 및 공진 커패시터(Resonant capacitor) C(122)를 포함한다. 전력 증폭기(10)가 공진기(12)에 전력을 공급할 때, 송신 안테나 L(120)이 형성하는 자기장 범위 내에 금속소재의 FO(3)가 존재한다면, FO(3)는 에너지를 수신하게 된다. 이러한 현상은 도 3의 (a)의 등가회로인 (b)에 도시된 바와 같이, 전력을 소비하는 저항소자 R(124)이 공진기(12)에 연결된 것으로 등가화할 수 있다. 이때 저항소자 R(124)의 저항 값이 크면 클수록 손실이 큰 것을 의미하고, 공진기(12)의 Q는 낮아지게 된다.
도 3의 (a) 회로에서 공진기(12)를 공진 주파수와 동일한 구동 주파수로 구동할 경우 커패시터 전압 Vc의 피크 전압(peak voltage)은 주파수 영역에서 수학식 1과 같이 해석될 수 있다.
Figure pat00001
.. (수학식 1)
이때 구동 전압원 Vs(104)의 구동 주파수가 수학식 2의 공진 주파수 ω0와 동일하다고 가정한다.
Figure pat00002
.. (수학식 2)
이때 R/L은 Q와 공진 주파수로 표현할 수 있으므로 최종적으로 아래와 같은 수학식3을 얻을 수 있다.
Figure pat00003
.. (수학식 3)
수학식 3에 의하면, 커패시터 전압 Vc의 절대값, 즉 커패시터 전압 Vc의 크기 정보는 Q와 구동 전압 Vs의 크기 정보에 비례함을 알 수 있다. 구동 전압 Vs의 크기는 인가한 신호여서 이미 알고 있는 값이므로, 커패시터 전압 Vc의 크기만 측정한다면 Q를 구할 수 있게 된다. 이때 Q가 낮으면 FO가 있는 것이고, Q가 높으면 FO가 없는 안전한 상태일 것이다.
수학식만 보고 판단했을 때는 매우 간단하면서도 명쾌하게 Q를 측정하는 방법이 증명되지만, 이 방식에는 몇 가지 문제점이 있다. 이 방식을 사용하려면 공진기(12)를 구동하는 구동 주파수가 공진기(12)의 공진 주파수와 일치해야 하는데, 만약 FO(3)가 없는 상황이라면 공진기(12)의 Q가 매우 높아서 매우 큰 전류가 흐르게 된다. 따라서 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 펄스 폭을 작게 해서 에너지 공급을 작게 해야지만 문제가 발생하지 않는다. 또 다른 문제는 수신기가 송신 안테나 L(120) 위에 있는 경우 수신기에 에너지를 공급하게 되므로 이때도 Q가 낮아지게 된다. 그러므로 FO(3)가 아님에도 불구하고 FO(3)로 판단할 수 있는 여지가 생기게 된다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 새로운 방법을 제안하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신기와 수신기 및 금속 소재의 FO 회로를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 회로에서의 Q에 따른 안테나 전압 변화 추이를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 송신기(1)의 스위치 M1, M2(101, 102)를 구동하여 공진기(12)에 에너지를 전달하면 송신 안테나 L(120)은 자기장을 발생시키고 근처에 있는 수신기(2)와 FO(3)는 에너지를 수신하게 된다. 스위치 M1, M2(101, 102)는 송신기(1)의 구동 회로가 되고, 송신 안테나 L(120) 및 공진 커패시터 C(122)는 송신기(1)의 공진기이다.
스위치 M1, M2(101, 102)가 동작을 시작하면, 송신 안테나 L(120)에서 방사되는 자기장에 의해 수신기(2)에 에너지가 전달되어 무선 전력 전송이 이루어진다. 다만 근처에 금속 성분의 FO(3)가 있을 경우 FO(3)도 에너지를 수신하기 때문에 불필요한 전력소모가 발생하며, 경우에 따라 FO(3)의 극심한 발열이 발생되어 안전상 문제가 발생한다. 송신기(1)에서 송신한 전력과 수신기(2)에서 수신된 전력 차가 정상적인 상황보다 클 경우 FO(3)가 에너지를 소비하고 있다고 판단하여 FO 검출(foreign object detection: FOD)을 수행한다. 그러나 만약 FO(3)가 소모되는 에너지가 작을 경우 판단하기 곤란한 단점이 있다. 따라서 무선 전력 전송을 시작하기에 앞서 FO(3)의 존재 여부를 판단하는 기술이 있다면 더 효율적이고 안전한 동작이 가능할 것이다.
공진기(12)에서 손실이 없을 경우 Q는 이론적으로는 무한대이고, 손실이 발생하면 Q는 낮아진다. 따라서, 본 발명은 무선 전력 전송을 수행하기에 앞서, FO(3)의 존재 여부를 판단하기 위해 Q를 측정하려고 한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 같이 공진 주파수 보다 주파수가 매우 낮은 저주파 펄스 형태의 구동신호(Low Frequency Drive signal)로 송신기의 구동 회로를 구동한다. 이때 구동 주파수는 공진 주파수에 비해 매우 낮기 때문에 공진기(12)에 가해지는 에너지는 펄스를 인가하는 시점에 국한된다. 따라서, 송신 안테나 L(120) 위에 수신기(2)가 올려져 있다 하더라도 에너지가 작아서 수신기(2)를 구동할 수 없게 된다. 수신기(2)의 특성에 무관하게 공진기(12)의 Q 특성에 의해 자유 진행(free-running) 공진 신호가 송신 안테나 L(120)에 발생한다.
이때 만약 FO(3)가 있다면 작은 에너지로 공진을 하던 공진기(12)의 에너지가 급격히 감소하여 도 5에 도시된 바와 같이 송신 안테나 L(120)의 전압(Antenna voltage)이 급격히 낮아지면서 포락선 신호(Envelope signal) 또한 급격히 감소하게 된다. 이러한 감쇄 특성을 이용하여 Q를 측정할 수 있다. 도 5의 (a)는 High Q 상태의 안테나 전압을 나타내고, 도 5의 (b)는 FO(3)에 의해 Low Q 상태의 안테나 전압을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기에 에너지 공급이 중단된 시점의 공진기의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 공진 파형의 감쇄 시간과 Q의 관계를 정확하게 분석해 본다. 저주파 펄스 형태의 구동신호에 의해 가해진 에너지에 의해 생성된 커패시터 초기 전압을 V(0)라고 가정하고, 커패시터 전압 Vc를 구해 보면 수학식 4와 같다. 커패시터 전압 Vc는 결국 안테나 전압과 같으므로 안테나 전압을 구하는 과정이다.
Figure pat00004
.. (수학식 4)
수학식 5 및 6과 같이 파라미터를 정리한 후 수학식 4를 주파수 영역에서 시간 영역으로 변환해 본다.
Figure pat00005
.. (수학식 5)
Figure pat00006
.. (수학식 6)
위의 정리된 파라미터를 이용하여 커패시터 전압 Vc의 시간에 따라 변화되는 형태를 구하면 수학식 7과 같다.
Figure pat00007
.. (수학식 7)
즉, 커패시터 초기 전압 V(0)으로부터 지수적으로 감소하는 정현파가 발생한다. 이 수학식 7에서 정현파의 크기에 해당하는 포락선만을 VENV로 표현하면 수학식 8과 같다.
Figure pat00008
.. (수학식 8)
수학식 8을 살펴보면 지수적으로 감소하는 정도가 Q에 영향 받음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 포락선 신호 V(t)를 그래프로 표현한 도면이다.
도 7을 참조하면, 포락선 신호 V(t)를 시간 t1 구간 및 t2 구간에서 적분을 해본다. 포락선 신호 V(t)를 적분한 면적 S는 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00009
.. (수학식 9)
이때 V1, V2는 각각 적분이 시작할 때의 안테나 전압 포락선과 적분이 완료되었을 때의 안테나 전압 포락선이므로, 각각 V(t1), V(t2)에 해당한다.
수학식 9으로부터 Q를 구할 수 있고 Q는 다음 수학식 10과 같이 표현된다.
Figure pat00010
.. (수학식 10)
수학식 10에서 fo는 공진기의 공진 주파수 또는 자유 진행 공진 신호에 해당하고, 도 5의 공진 파형의 주파수에 해당한다.
수학식 10에서 알 수 있듯이 일정 구간을 적분한 정보를 알고 있다면 초기 전압 V(0)에 관계 없이 Q를 정확히 측정할 수 있음을 알 수 있다. 특정 전압까지의 시간 T를 측정하여 Q를 측정하는 경우, 초기 전압 V(0)이 특정 전압의 시점을 변화시키는 문제가 있다. 반면 본 발명에서 제안하는 방식은 특정 전압을 정의할 필요도 없고 초기 전압 V(0)에도 영향을 받지 않으므로 어떠한 경우에도 정확한 Q를 측정할 수 있다. 이상의 과정을 정리하면 도 8에 도시된 바와 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 Q 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, Q 측정 장치는 구동 회로(10), 공진기(12), 포락선 검출기(14), 적분기(15) 및 계산기(16)를 포함한다.
구동 회로(10)를 공진 주파수보다 매우 느린 펄스로 구동하여 수신기에 영향을 주지 않은 상태로 구동을 한다.
포락선 검출기(14)는 공진기 전압의 변동을 검출한다. 예를 들어, 포락선 검출기(14)는 공진기(12)의 커패시터 전압 Vc의 포락선을 검출하는 회로이다. 포락선 검출기(14)의 출력이 V(t)가 된다. 포락선 검출기(14)는 다이오드 D1, 커패시터 C1, 저항 R1, R2를 포함할 수 있다. 다이오드 D1과 커패시터 C1은 공진 커패시터 전압 Vc의 포락선 검출 기능을 수행한다. 2개의 저항 R1, R2는 2개의 저항 R1, R2의 저항 비에 따라 포락선 검출기(14)의 출력을 변화시킨다. 예를 들어, 포락선 검출기(14)의 출력을 N배 낮추는 기능을 한다. 이때, N은 (1+R2/R1)이 된다. 만약 R1=R2라면, N=2가 된다. N은 양의 실수이다.
적분기(15)는 포락선 검출기(14)를 통해 검출된 포락선 신호를 획득하고, 펄스를 인가한 시점(t=0) 이후 일정한 기간(T2-T1) 동안의 포락선 신호 V(t)를 적분을 하여 면적 S를 계산한다.
계산기(16)는 적분기(15)에서 면적 S를 계산하는 과정에서 적분 구간의 제1 전압 V1과 제2 전압 V2를 알고 있으므로, 수학식 10을 이용하여 Q를 계산한다. 즉, 초기 커패시터 전압 C(0)과는 무관하게, 펄스 인가 이후 시간 T1에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(1)과, 시간 T2에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(2)와, 시간 T1에서 T2까지의 포락선 신호 V(t)를 적분하여 계산된 면적 값 S와, 공진 파형의 주파수 fo를 이용하여 Q를 계산한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 Q 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 8의 Q 측정 장치 구성과 차이 나는 부분은, 포락선 검출기 출력을 A/D 변환기(17)로 특정 기간 동안 샘플링 하여 디지털화한 후, 프로세서(18)의 소프트웨어 계산을 통해 Q 값을 측정하는 것이다. 예를 들어, 프로세서(18)는 도 8의 적분기(15)와 계산기(16)의 기능을 프로그램 코드를 통해 수행한다. 이때, 프로세서(18)는 적분기 프로그램 코드와 계산기 프로그램 코드를 실행할 수 있다. 프로그램 코드는 컴퓨터 기록 매체에 저장된다.
수학식 10에 의하면 초기 전압 V(0)는 Q 계산에 영향을 주지 않는다. 초기 전압 V(0)는 구동 펄스의 전압 크기, 포락선 검출기의 이득, A/D 변환기의 변환 이득 등에 영향을 주는 항목으로, 본 발명에서 제안하는 방법은 V(0)에 영향을 받지 않으므로 매우 안정적으로 Q를 측정할 수 있는 방법이다. 또한 적분을 사용하므로 적분기 자체가 저역 통과 필터 역할을 하므로 고주파 잡음 성분은 자체적으로 제거되어 고주파 잡음이 있는 경우도 안정적인 Q 측정이 가능하다.
도 10은 본 발명에서 제안하는 방법으로 여러 가지 상황에서 Q를 측정한 실험 결과를 나타내는 표이다.
도 10에서 PVIN은 인가한 펄스의 피크 전압이다. (1) No load: Tx 안테나 이외에 어떠한 부하도 없는 경우, (2) EVB: 안테나와 공진기 그리고 정류기로 구성된 수신기 회로가 송신 안테나 위에 있을 때, (3) 제1 휴대폰이 송신 안테나 위에 올려 있을 때, (4) 제2 휴대폰이 송신 안테나 위에 올려 있을 때, (5) 100원 동전이 Tx 안테나 위에 올려져 있을 때, (6) 500원 동전이 Tx 안테나 위에 올려져 있을 때를 각각 나타낸 것이다.
무선 충전이 지원되는 휴대폰이 Tx 안테나 위에 올라온 경우에는 휴대폰의 공진기만 작용하므로 Q가 높은 상태를 유지하게 된다. 따라서, 측정된 결과도 높은 Q 상태임을 알 수 있다. 반면 100원, 혹은 500원과 같은 금속 물질이 올려진 경우 Q가 급격히 낮아진 것을 알 수 있다. 따라서 제안하는 방법으로 금속성 이물질이 Tx 안테나 위에 있는지 없는지 여부를 판단할 수 있게 된다.
이미 수학식에서 예측한 바와 같이 구동 전압을 5V ~ 15V까지 변화시켰을 때도 Q 값이 안정되게 측정되므로 동작 조건의 변동에도 안정적인 측정이 가능한 강건한 방법임을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 Q 측정 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, Q 측정 장치는 무선 전력 송신기를 구성하는 공진기에 전력을 공급한다(1110). 전력 공급 단계(1110)에서, Q 측정 장치는 무선 전력 전송을 수행하기에 앞서, 외부 물질의 존재 여부를 판단하기 위해 수신기를 구동할 수 없을 정도로 공진기의 공진 주파수 보다 주파수가 낮은 저주파 펄스 형태의 구동신호를 공진기에 인가할 수 있다.
이어서, Q 측정 장치는 전력 공급에 따라 공진기의 안테나 전압으로부터 포락선을 검출하여 포락선 신호를 출력(1120)하고, 포락선 출력신호를 미리 설정된 시간 구간 동안 적분하여 면적 값을 계산한다(1130).
이어서, Q 측정 장치는 계산된 면적 값을 이용하여 공진기의 Q를 계산한다(1140). Q 계산 단계(1140)에서, Q 측정 장치는 초기 커패시터 전압과는 무관하게, 펄스 인가 이후 시간 T1에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(1)과, 시간 T2에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(2)와, 시간 T1에서 T2까지의 포락선 신호 V(t)를 적분하여 계산된 면적 값 S를 이용하여 Q를 계산할 수 있다.
이상으로 본 발명에서 제안한 방법에 대한 설명을 하였다. 제안하는 방법은 저주파 펄스를 인가하고 공진기 전압의 감소하는 추이를 이용하며, 최종적으로 Q 값을 측정하는 과정에서 다음과 같은 특징을 가진다.
(1) 공진기와 근접해서 공진 특성을 센스하는 별도의 공진 회로가 필요하지 않고, 공진기의 안테나에서 관측되는 신호를 직접 이용한다.
(2) 포락선이 결정된 특정 전압까지 감소하는 시간을 측정하여 Q를 측정하지 않는다. 특정 전압까지 감소하는 시간을 측정하는 경우, 초기 전압 V(0)에 영향을 받을 수 밖에 없기 때문에 인가된 펄스의 전압 크기가 바뀌거나 포락선 검출기의 이득이 다른 경우 상이한 값이 검출되므로 상대적인 Q 값은 측정이 가능하지만 절대 Q 값을 측정함에 있어서는 무리가 있다. 반면 제안하는 방식은 임의 구간을 적분한 시간을 이용하므로 인가된 펄스 전압의 크기에 무관하게 측정하며 포락선 검출기의 이득 특성에 전혀 영향을 받지 않게 된다. 또한 비교기와 같은 별도의 회로가 전혀 필요하지 않은 것도 장점에 해당한다.
(3) 적분기가 갖고 있는 고역 신호 제거 특성에 의해 고주파 잡음이 Q 값의 측정에 미치는 영향을 줄일 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 (9)

  1. 안테나를 포함하는 공진기;
    공진기를 구동하는 구동회로;
    공진기의 안테나 전압으로부터 포락선을 검출하여 포락선 신호를 출력하는 포락선 검출기;
    포락선 출력신호를 미리 설정된 시간 구간 동안 적분하여 면적 값을 계산하는 적분기; 및
    적분기에서 계산된 면적 값을 이용하여 공진기의 큐 인자를 계산하는 계산기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 계산기는
    초기 커패시터 전압과는 무관하게, 펄스 인가 이후 시간 T1에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(1)과, 시간 T2에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(2)와, 시간 T1에서 T2까지의 포락선 신호 V(t)를 적분하여 계산된 면적 값 S를 이용하여 큐 인자를 계산하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 구동 회로는
    무선 전력 전송을 수행하기에 앞서, 외부 물질의 존재 여부를 판단하기 위해 무선 전력 수신기를 구동할 수 없을 정도로 공진기의 공진 주파수 보다 주파수가 낮은 저주파 펄스 형태의 구동신호를 공진기에 인가하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 공진기는
    무선 전력 수신기의 특성에 무관하게 큐 인자의 특성에 의해 자유 진행(free-running) 공진 신호가 송신 안테나에 발생하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 큐 인자 측정장치는
    포락선 검출기 출력을 미리 설정된 기간 동안 샘플링 하여 디지털화 하는 A/D 변환기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 포락선 검출기는
    공진기의 안테나 전압의 포락선을 검출하기 위해 다이오드 D1 및 커패시터 C1를 포함하는 회로; 및
    저항 R1 및 R2의 비율에 따라 포락선 검출기의 포락선 출력전압 V(t)을 조절하는 저항 회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정장치.
  7. 무선 전력 송신기를 구성하는 공진기에 전력을 공급하는 단계;
    전력 공급에 따라 공진기의 안테나 전압으로부터 포락선을 검출하여 포락선 신호를 출력하는 단계;
    포락선 출력신호를 미리 설정된 시간 구간 동안 적분하여 면적 값을 계산하는 단계; 및
    계산된 면적 값을 이용하여 공진기의 큐 인자를 계산하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 전력을 공급하는 단계는
    무선 전력 전송을 수행하기에 앞서, 외부 물질의 존재 여부를 판단하기 위해 무선 전력 수신기를 구동할 수 없을 정도로 공진기의 공진 주파수 보다 주파수가 낮은 저주파 펄스 형태의 구동신호를 공진기에 인가하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 큐 인자를 계산하는 단계는
    초기 커패시터 전압과는 무관하게, 펄스 인가 이후 시간 T1에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(1)과, 시간 T2에서의 안테나 전압의 포락선 신호 V(2)와, 시간 T1에서 T2까지의 포락선 신호 V(t)를 적분하여 계산된 면적 값 S를 이용하여 큐 인자를 계산하는 것을 특징으로 하는 큐 인자 측정 방법.
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