KR20220117683A - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

이 명세서는 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다. 이 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 인터페이스 위에 놓이는 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일; 직류 전원을 교류로 변환하여 1차 코일에 공급하기 위한 인버터; 1차 코일과 인터페이스 사이에 배치되고 복수 개의 검출 코일을 포함하는 어레이 코일; 및 어레이 코일을 구동하여 인터페이스 위에 놓이는 이물질을 검출하기 위한 검출 회로를 포함하여 구성될 수 있다. 1차 코일은 소정 간격으로 이격되는 둘 이상의 전송 코일로 구성되는 멀티 코일로 구현되고, 검출 회로는 둘 이상의 전송 코일 중에서 활성화된 전송 코일 부근에 정방형 형상으로 배치되는 복수 개의 제1 검출 코일을 구동하여 이물질을 검출할 수 있다. 검출 회로는 제1 검출 코일의 출력 전압의 분산과 평균 값을 근거로 이물질을 검출할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 방법 {Apparatus and method for transmitting power wirelessly}

이 명세서는 무선으로 전력을 전송하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 이물질 검출 성능을 향상시키는 장치에 관한 것이다.

통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰 등은 스마트 기기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 기기에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 기기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 기기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.

최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 기기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 기기에 적용되고 있다.

무선으로 전기 에너지를 공급하거나 공급받기 위한 방법이 몇 가지 있는데, 대표적으로 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식이 있다. 두 방식 모두 무선 충전 장치와 스마트 단말과 같은 전자 기기 사이에 통신 채널을 형성하여 데이터를 주고받음으로써 전력 전송의 안정성을 확보하고 전송 효율을 높일 수 있다.

전송 장치와 수신 장치 사이에 동전과 같은 금속 이물질이 있을 때, 전력 손실이 발생하고 금속 이물질에 무선 전송 전력이 집중되면 발열 위험이 있어서, 안정적인 전력 전송을 방해한다. 따라서, 최근 유도 결합 방식의 무선 충전 규격을 적용하는 제품에 전송 장치에 금속 이물질이 놓여 있는지 여부를 탐지할 수 있는 FOD(Foreign Object Detection) 기능이 필수적으로 구현되고 있다.

이물질을 검출하기 위한 방법으로, 무선 충전기가 전력을 전송하면서 측정하는 전송 코일의 공진 주파수에서의 큐-팩터(Q-Factor)와 수신 장치에 저장되어 전송되는 큐-팩터를 비교하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다.

하지만, 무선 충전기는 큐-팩터를 이용하여 이물질을 검출하는 데에는 한계가 있어서, 클립과 같이 금속 물질의 크기가 작은 경우나 무선 전력 수신 장치, 예를 들어 스마트 폰의 케이스에 이물질이 있는 경우와 같이 무선 충전기가 이물질을 잘 검출하지 못하는 경우가 자주 발생하고, 또 이물질을 개입된 채 무선 충전하는 경우 충전 효율이 떨어지고 열이 발생할 수 있다.

또한, 큐-팩터를 이용하는 방법은 이물질을 검출하는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 이물질을 검출하더라도 이물질이 있다는 사실만 확인할 수 있을 뿐 이물질이 어느 위치에 있는지 확인하기 어렵다. 특히, 둘 이상의 전송 코일로 구성된 멀티 코일을 채용하는 무선 충전기는 이물질이 검출될 때 이물질이 없는 전송 코일을 사용자에게 안내할 필요가 있다.

이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 수신 장치 사이에 놓인 이물질을 검출하는 성능을 향상시키기 위한 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 이 명세서의 다른 목적은 이물질의 위치를 감지할 수 있는 무선 충전기를 제공하는 데 있다.

또한, 이 명세서의 다른 목적은 멀티 코일을 채용하는 무선 충전기가 수신 코일의 위치를 정확히 감지하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 이 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 인터페이스 위에 놓이는 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일; 직류 전원을 교류로 변환하여 1차 코일에 공급하기 위한 인버터; 1차 코일과 인터페이스 사이에 배치되고 복수 개의 검출 코일을 포함하는 어레이 코일; 및 어레이 코일을 구동하여 인터페이스 위에 놓이는 이물질을 검출하기 위한 검출 회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 명세서의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 인터페이스 위에 놓인 수신 코일을 검출한 1차 코일을 구동하여 이물질 유무를 검출하는 단계; 1차 코일이 이물질을 검출하지 못했을 때, 1차 코일과 인터페이스 사이에 배치되는 복수 개의 검출 코일로 구성되는 어레이 코일을 구동하여 복수 개의 검출 코일 중 적어도 일부의 출력 전압을 획득하는 단계; 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계; 및 이물질이 없다고 판단할 때 1차 코일을 구동하여 수신 코일에 전력을 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

어레이 코일 방식을 통해 이물질 검출 성능을 향상시키고 이물질의 위치를 확인할 수 있게 된다.

또한, PCB 형태로 어레이 코일을 제작하여 제작 비용을 낮추고 양산성을 높일 수 있다.

또한, 수신 코일의 위치를 감지하여 오정렬되어 있는 경우 사용자가 충전하려는 전자 기기를 전송 코일에 정렬할 수 있게 안내하여, 충전 효율을 높이고 충전 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 모듈의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈이 전력과 메시지를 주고받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5는 이 명세서의 일 실시예에 따라 멀티 코일에 중첩되어 배치되고 이물질을 검출하기 위한 어레이 코일을 위에서 본 평면도를 도시한 것이고,
도 6은 멀티 코일과 어레이 코일의 위치 관계를 도시한 것이고,
도 7은 코일의 턴 수와 인덕턴스의 관계를 그래프로 도시한 것이고,
도 8은 코일 설계 때 필요한 코일의 치수를 도시한 것이고,
도 9는 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일의 출력을 증폭하기 위한 증폭 회로를 도시한 것이고,
도 10은 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일에 주파수를 바꾸면서 전압을 인가할 때 전송 코일만 있을 때에 비해 이물질이 더 있을 때 게인이 줄어드는 현상을 그래프로 도시한 것이고,
도 11(a) 내지 도 11(c)는 전송 코일만 있는 경우, 전송 코일과 수신 코일이 있는 경우, 및 전송 코일, 수신 코일 및 이물질이 함께 있는 경우 도 9 증폭 회로의 입력과 출력 파형을 도시한 것이고,
도 12는 어레이 코일을 구성하는 복수 개의 이물질 검출 코일의 출력 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로를 도시한 것이고,
도 13은 멀티 코일을 구성하는 전송 코일과 연동하여 어레이 코일을 구동하는 방법을 도시한 것이고,
도 14는 이물질 위치에 따라 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일 중 복수 개의 이물질 검출 코일의 출력의 변화를 도시한 것이고,
도 15는 이 명세서에 따라 멀티 코일과 어레이 코일을 채용한 무선 전력 전송 모듈의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이고,
도 16은 이 명세서의 일 실시예에 따라 이물질을 검출하면서 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 17은 이 명세서에 따른 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.

이하, 이 명세서에 따른 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.

무선 전력 전송 장치(1)는, 전자 기기(2)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(2)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(2)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.

전자 기기(2)는 무선 전력 전송 장치(1)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.

무선 전력 전송 장치(1)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(1)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(2)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(1)로부터 전자 기기(2)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.

무선 전력 전송 장치(1)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(2) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.

무선 전력 전송 장치(1) 측의 1차 코일과 전자 기기(2) 측의 2차 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(1) 및 전자 기기(2)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(1)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(2)는 2차 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.

유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(1)와 전자 기기(2) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(1)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 2차 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.

인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 2차 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 2차 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.

도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 모듈의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.

무선 전력 전송 모듈은 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 무선 전력 수신 모듈에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.

인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.

공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.

인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 포함된 스위치의 온/오프 타이밍을 제어하여 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 모듈의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 모듈의 전송 효율을 변경할 수 있다.

도 3은 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈이 전력과 메시지를 주고받기 위한 구성을 도시한 것이다.

전력 변환부는 수신 모듈의 수신 상태와 상관없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 모듈의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 모듈로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 모듈에 필요하다.

무선 전력 전송 모듈(100)은 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 모듈(200)은 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(또는 전원부)(240)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 부하(240)는 전력 수신부(210)로부터 공급되는 전력으로 내부 배터리를 충전하기 위한 충전부를 포함할 수 있다.

전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 모듈(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 모듈(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.

제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.

전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 2차 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 2차 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.

수신 모듈의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 모듈과 수신 모듈 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 모듈에 전송할 수 있다.

수신 모듈의 제어부(230)는, 수신 모듈에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 모듈(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 모듈(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.

전송 모듈의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 모듈의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 모듈(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.

수신 모듈의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 모듈(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 모듈의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 모듈의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.

도 4는 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.

전송 모듈(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 모듈(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 모듈의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)을 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.

수신 모듈(100)의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 모듈(200)의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 모듈(100)에 전송할 수 있다.

전송 모듈의 통신부(120)는 수신 모듈(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.

전송 모듈의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 모듈이 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.

전송 모듈의 제어부(130)는, 수신 모듈로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 모듈이 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.

무선 전력 전송 모듈(100)과 무선 전력 수신 모듈(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer)을 포함하여 4가지 단계로 이루어질 수 있다. 선택 단계는 전송 모듈이 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 모듈을 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 모듈에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 모듈로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 모듈과 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 모듈과 수신 모듈의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 모듈에 전송하는 단계이다.

핑 단계에서는, 수신 모듈(200)이 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 모듈(100)에 전송하는데, 신호 강도 패킷(SSP)은 수신 모듈에서 정류한 전압을 모니터링 하여 생성하는 메시지로서, 전송 모듈(100)은 이를 수신 모듈(200)로부터 수신하여 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하는 데 활용할 수 있다.

식별/구성 단계에서는, 수신 모듈(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 모듈(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 모듈(200)이 전송 모듈(100)에 전송한다.

파워 전송 단계에서는, 수신 모듈(200)이 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 모듈(200)이 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 모듈(200)이 전송 모듈(100)에 전송한다.

수신 파워 패킷(RPP)은, 수신 모듈의 전력 수신부(210)의 정류 전압, 부하 전류, 옵셋 전력 등을 감안한 수신 전력량 데이터로, 수신 모듈(200)에 의해 전력을 수신 중에 계속하여 전송 모듈(100)로 전송되고, 전송 모듈(100)은 이를 수신하여 전력 제어를 위한 연산 인자로 사용한다.

전송 모듈의 통신부(120)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 제어부(130)는 추출되는 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고 이를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 모듈(200)이 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.

한편, 유도 결합에 의해 전력을 무선으로 전달 방식에서 그 효율은 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 전송 모듈(100)과 수신 모듈(200) 사이의 배열과 거리의 영향을 받게 된다.

무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역을 두 가지로 구분할 수 있는데, 전송 모듈(100)이 수신 모듈(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라고 할 수 있고, 전송 모듈(100)이 수신 모듈(200)의 존재를 감지할 수 있는 영역을 감지 영역이라 할 수 있다.

전송 모듈의 제어부(130)는, 수신 모듈(200)이 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되거나 제거되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있는데, 전력 변환부(110)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비되는 센서에 의하여 수신 모듈(200)이 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다.

예를 들어, 전송 모듈의 제어부(130)는 감지 영역에 존재하는 수신 모듈(200)로 인하여 무선 전력 신호가 영향을 받아 전력 변환부(110)의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링 함으로써 수신 모듈(200)의 존재를 검출할 수 있다. 전송 모듈의 제어부(130)는 수신 모듈(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 수신 모듈(200)을 식별하는 과정을 수행하거나 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부 등을 결정할 수 있다.

전송 모듈의 전력 변환부(110)는 위치 결정부를 더 포함할 수 있는데, 위치 결정부는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 1차 코일을 이동 또는 회전시킬 수 있고, 특히 수신 모듈(200)이 전송 모듈(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.

위치 결정부는 전송 모듈(100)의 1차 코일과 수신 모듈(200)의 2차 코일의 중심간 거리가 일정 범위 이내가 되도록 1차 코일을 이동시키거나 1차 코일과 수신 코일의 중심이 중첩되도록 1차 코일을 이동시키는 구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 전송 모듈(100)은 수신 모듈(200)의 위치를 감지하기 위한 센서나 감지부를 더 구비할 수 있고, 전송 모듈의 제어부(130)는 감지부의 센서로부터 수신하는 수신 모듈(200)에 대한 위치 정보를 기초로 위치 결정부를 제어할 수 있다.

또는, 전송 모듈의 제어부(130)는 통신부(120)를 통하여 수신 모듈(200)과의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고 이를 기초로 위치 결정부를 제어할 수도 있다.

또한, 전송 모듈(100)은 둘 이상 복수의 1차 코일을 포함하도록 형성되어 복수의 1차 코일 중에서 수신 모듈(200)의 수신 코일과 적합하게 배열되는 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전송 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 위치 결정부는 복수의 1차 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다.

활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 1차 코일 또는 하나 이상의 1차 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있는데, 전송 모듈의 제어부(130)는, 수신 모듈(200)의 위치를 감지하고 이를 기초로 활동 영역을 결정하고, 활동 영역에 대응되는 주요 셀을 구성하는 전송 모듈을 연결하고 해당 전송 모듈의 1차 코일과 수신 모듈(200)의 2차 코일이 유도 결합될 수 있도록 제어할 수 있다.

한편, 수신 모듈(200)은 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 전송 모듈(100)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 전송 모듈은 넓은 활동 영역을 필요로 한다.

활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 1차 코일을 사용할 경우, 1차 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 1차 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 모듈 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 1차 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.

위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.

이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 모듈의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적이다.

전송 코일 위에 금속 재질의 이물질이 있으면 코일의 인덕턴스 및 저항 성분이 바뀐다. 이물질 검출법(FOD: Foreign Object Detection)은 수신 코일(Rx)과 이물질에 의한 인덕턴스와 저항의 변화량을 이용한다. 전송 코일(Tx)만 있을 때 측정된 Q 값과 특정 물질이 있을 때 측정된 Q' 값의 비를 Q 변화율이라고 하면, FOD는 Q 값의 변화율을 이용하며 코일에 인가하는 주파수에 따라 이물질(FO)과 수신 코일(Rx)에 의한 Q 변화율의 형태가 바뀌는 특징을 이용한다.

예를 들어, 코일에 공급하는 전압의 구동 주파수가 저주파일 경우 보통 수신 코일(Rx)보다 이물질이 더 영향을 주며, 구동 주파수가 고주파로 갈수록 그 영향이 역전되어 이물질보다 수신 코일이 더 영향을 주는 경향이 있다.

Q 변화율을 이용한 이물질 검출은 이물질이 큰 경우 이물질 개입 여부는 확인할 수 있지만, 이물질이 작은 경우 확인이 어려운 문제가 있고, 또한 이물질이 어디에 있는지 그 위치를 특정할 수는 없다.

이 명세서는, 이물질의 검출 성능을 향상시키고 이물질의 위치를 비교적 정확하게 특정할 수 있도록, 전송 코일과 별도로 이물질 검출 코일을 채용하되 크기를 작게 한 이물질 검출 코일 복수 개를 어레이 방식으로 배치할 수 있다.

이 명세서에서, 전송 모듈은 복수 개의 이물질 검출 코일을 상하좌우로 나란히 배열하여 어레이 코일을 구성하고 이를 전송 코일 위에 배치하여 이물질을 검출할 수 있다.

작은 크기의 이물질을 검출하고 높은 해상도로 이물질의 위치를 검출할 수 있도록, 각 이물질 검출 코일의 크기를 작게 하고 많은 개수의 이물질 검출 코일을 배치하는데, 코일의 크기가 작아지는 까닭에 각 이물질 검출 코일에서 이물질에 의한 인덕턴스와 저항의 변화량이 작게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 각 검출 코일마다 증폭 회로를 연결하여 출력 신호를 증폭할 수 있고, 충분한 게인을 확보하기 위해 증폭 회로를 고주파로 구동할 수 있다.

작은 크기로 많은 개수의 이물질 검출 코일을 배치해야 하므로, 이물질 검출을 위한 어레이 코일을 PCB 방식으로 제조하여 양산성을 확보할 수 있다.

도 5는 이 명세서의 일 실시예에 따라 멀티 코일에 중첩되어 배치되고 이물질을 검출하기 위한 어레이 코일을 위에서 본 평면도를 도시한 것이고, 도 6은 멀티 코일과 어레이 코일의 위치 관계를 도시한 것이다.

작은 크기의 이물질 검출 코일을 가로 방향과 세로 방향으로 복수 개 정렬하여 어레이 코일(Array Coil)을 형성하고, 복수 개의 1차 코일로 구성되는 멀티 전송 코일(Tx Coil) 위에 배치할 수 있다. 전송 코일 아래에는 페라이트 시트를 배치하여 전자파 문제를 대비할 수 있다.

어레이 코일은, 도 5에 도시한 것과 같이 멀티 전송 코일을 모두 덮을 수도 있다. 또는, 충전 영역 바깥에 있는 이물질은 무선 충전에 큰 영향을 미치지 않기 때문에, 어레이 코일을, 도 6에 도시한 것과 같이, 멀티 전송 코일이 실질적으로 전력을 전송할 있는 타겟 충전 영역 내에 배치하고, Z 축을 기준으로 전송 코일에 가깝게 하여 페라이트 시트에 가깝게 붙도록 배치할 수 있다.

어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일의 형상은 어떤 모양이라도 가능하지만, 사각형 모양으로 구현할 때 원형보다 더 높은 인덕턴스를 얻을 수 있다. 인덕턴스가 높으면 출력 신호를 증폭할 때 더 높은 게인을 확보할 수 있다.

이물질 검출 코일의 내경 크기는 이물질의 크기와 유사하거나 작을수록 이물질에 의한 코일의 인덕턴스 및 저항 변화량이 많게 나타난다. 이물질, 예를 들어 동전을 임의 위치에 놓았을 때 동전이 최소한 하나의 코일 내경을 덮는 수준으로 이물질 검출 코일의 크기를 결정할 수 있다.

이물질 검출 코일의 크기가 작을수록 해상도가 높아지지만 그만큼 인덕턴스가 작아지고, 증폭 회로를 거친 출력 신호의 크기가 작아지므로, 수신 코일만 있을 때와 수신 코일과 이물질이 같이 있을 때를 구별하기가 어려워질 수 있다.

도 7은 코일의 턴 수와 인덕턴스의 관계를 그래프로 도시한 것이고, 도 8은 코일 설계 때 필요한 코일의 치수를 도시한 것이다.

FOD는 주파수를 가변하면서 전송 코일에 전압을 인가하면서 Q 값의 변화율이나 공진 주파수의 변화를 검출하되 전송 코일수신 코일만 있을 때와 수신 코일과 이물질이 함께 있을 때를 비교하는 방식을 채용한다.

어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일을 PCB로 구현할 때, 코일의 크기가 작아서 이물질 검출 코일에 주파수를 가변하면서 전압을 인가하여 얻는 Q 값의 변화율이 작아서 증폭 회로를 활용하여 변화율을 감지해야 한다.

Q 값 변화율의 민감도는 코일의 인덕턴스가 커질수록 향상되므로, 이물질 검출 코일의 인덕턴스를 최대한 높게 설계해야 한다.

인덕턴스는

와 같은 식으로 계산할 수 있는데, 여기서

는 투자율, N은 코일의 턴 수, A는 단면적, l은 자기장 경로의 길이를 의미한다.

어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일은 이물질 감지 해상도를 고려하여 내경이 아닌 외경을 기준으로 설계할 수 있다. 인덕턴스는 코일의 턴 수의 제곱에 비례하지만 외경을 기준으로 안쪽으로 코일을 감기 때문에 단면적 A가 감소하며 자기장 경로 l이 증가한다. 따라서, 도 7에 도시한 것과 같이, 일정한 외경에 대해서 인덕턴스가 최대가 되는 지점이 존재하게 된다.

코일을 감을 때 도선의 너비를 a, 도선 사이 너비를 b, 도선의 두께를 c라고 하면, a와 c는 주로 저항에 영향을 주며, b는 자기장 경로의 길이에 영향을 준다. 따라서 코일 설계 때, a, b 및 c를 최소화하며 인덕턴스가 최대가 되도록 설계를 진행할 수 있다.

도 9는 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일의 출력을 증폭하기 위한 증폭 회로를 도시한 것이고, 도 10은 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일에 주파수를 바꾸면서 전압을 인가할 때 전송 코일만 있을 때에 비해 이물질이 더 있을 때 게인이 줄어드는 현상을 그래프로 도시한 것이고, 도 11(a) 내지 도 11(c)는 전송 코일만 있는 경우, 전송 코일과 수신 코일이 있는 경우, 및 전송 코일, 수신 코일 및 이물질이 함께 있는 경우 도 9 증폭 회로의 입력과 출력 파형을 도시한 것이다.

증폭 회로는 OP 앰프의 반전 단자(-)와 출력 단자 사이에 코일을 포함하는 피드백 임피던스가 연결되는 반전 증폭기로 구성할 수 있다.

일반적으로 OP 앰프를 사용하는 증폭 회로는 저항을 통해 구성하게 되며, 저항은 주파수에 대한 변화량이 거의 없기 때문에 증폭도가 일정하다. 하지만, 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일, 저항 및 커패시터를 통해 증폭기의 피드백 임피던스를 구성하는 경우, 주파수에 따라 임피던스가 변하게 되면서 게인가 변하게 된다.

이물질 검출 코일 위에 특정 물질이 있을 때, 주파수에 따라 인덕턴스 및 저항이 변하게 되면서 게인도 변하게 된다. 따라서, Q 값의 비교를 통한 방식이 아니라 OP 앰프 출력 값의 변화를 통해 이물질 유무를 감지할 수 있다.

피드백 임피던스는 이물질 검출 코일의 인덕턴스(Larray)와 자체 저항(R)이 직렬 연결되고 여기에 커패시터(C)가 병렬 연결한 형태로, 증폭 회로의 입력과 추력 사이의 게인 A는 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서

는 주파수 의존적 변수이고, 이물질 검출 코일(

)에 이물질이 있으면

가 변하면서 증폭 회로의 게인 A가 변하게 된다. 일정한 입력에 대해 1차 코일 또는 전송 코일만 존재하는 경우를 기준으로 증폭 회로의 게인이 최대가 되도록 설계하였다면, 이물질이 있다면, 도 10에 도시한 것과 같이, 증폭 회로의 게인이 감소하면서 출력도 감소하게 된다.

도 12는 이물질 검출 코일의 중앙에 수신 코일과 이물질을 놓았을 때 증폭 회로의 출력 신호의 파형을 도시하고 있다. 전송 코일(Tx)만 있을 때를 기준으로, 수신 코일(Rx)만 있을 때에는 출력 전압이 입력 전압 수준까지 떨어지지만, 수신 코일(Rx)과 이물질(FO)이 동시에 있을 때에는 출력 전압이 조금 떨어져 그 변화가 두드러지게 나타나지 않는다. 이는, 수신 코일(Rx)만 있을 때와 수신 코일(Rx)과 이물질(FO)이 동시에 있을 때를 구별하는 것이 가능한 것을 의미한다.

도 12는 어레이 코일을 구성하는 복수 개의 이물질 검출 코일의 출력 신호를 증폭하기 위한 증폭 회로를 도시한 것이다.

N개의 이물질 검출 코일로 어레이 코일을 구성할 때, 이물질 검출 코일마다 별도의 증폭 회로를 마련하지 않고, 도 12와 같이 어레이 코일에 하나의 증폭 회로만을 구성할 수 있다.

각 이물질 검출 코일을 증폭 회로의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 병렬로 연결하되 각 이물질 검출 코일에 스위치를 직렬로 연결할 수 있다. 한 번에 하나의 이물질 검출 코일만을 구동하기 위해 반드시 대응하는 스위치만을 연결할 수 있다.

증폭 회로는 낮은 전력으로 구동이 가능하고, 스위치를 구동하기 위한 부트스트랩 회로가 필요하지 않다. 따라서 기존 무선 충전 시스템에서 사용하는 PMIC를 활용하여 스위치 구동이 가능하다. 스위치 개수가 많은 경우에는 별도의 디멀티플렉서를 이용하여 스위치를 구동하는 것도 가능하다

도 13은 멀티 코일을 구성하는 전송 코일과 연동하여 어레이 코일을 구동하는 방법을 도시한 것이다.

어레이 코일을 멀티 전송 코일의 충전 영역 내에 배치한 상태로 어레이 코일을 이용하여 이물질을 검출할 경우, 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일을 각각 구동하여 출력 신호를 검출하여야 한다.

하지만, 이물질 검출 코일의 개수가 많은 경우 각각의 출력 신호를 검출하여 분석하는 데 시간이 많이 걸릴 수 있다. 또한, 도 12와 같이 증폭 회로를 하나만 마련하고 스위치를 통해 증폭 회로와 이물질 검출 코일을 차례로 연결하는 경우 시간이 더 많이 소요된다. 또한, 이물질이 있는 위치에서 먼 이물질 검출 코일의 출력 신호를 검출하는 것도 시간 및 에너지 낭비가 된다.

종래 무선 충전 시스템은 전송 코일을 통해 이물질 유무를 판단한다. 종래 방식으로 전송 코일을 이용하여 이물질 검출 동작을 수행한 이후 어레이 코일을 이용하여 이물질 검출 동작을 수행하면, 처음부터 어레이 코일을 이용하는 것보다 이물질 검출 시간을 줄일 수 있다.

도 13과 같이, 수신 코일을 검출하여 활성화된 전송 코일 부근에 배치된 이물질 검출 코일들에 대해서만 이물질 검출 동작을 수행하게 할 수 있는데, 활성화된 전송 코일을 이용하여 이물질 검출 동작을 먼저 수행한 후 부근의 이물질 검출 코일들에 대해서 추가적으로 이물질 검출 동작을 수행할 수 있다.

도 14는 이물질 위치에 따라 어레이 코일을 구성하는 이물질 검출 코일 중 복수 개의 이물질 검출 코일의 출력의 변화를 도시한 것이다.

도 14는, 수신 코일(Rx)을 검출하여 활성화된 전송 코일 부근에서 정방형으로 배치된 9개의 이물질 검출 코일을 구동하여, 이물질의 위치에 따른 출력 전압의 변화량을 도시하고 있는데, 이물질(FO)과 수신 코일(Rx)이 없는 상태에서 이물질 검출 코일의 출력 전압과의 차이의 큰 경우 진하게 표현하고 있다.

도 11(b)와 도 11(c)에서 보았듯이, 수신 코일(Rx)만 있을 때에는 이물질 검출 코일의 출력 전압의 크기가 많이 줄지만, 수신 코일(Rx)과 이물질(FO)이 같이 있을 때에는 이물질 검출 코일의 출력 전압의 크기가 별로 줄지 않아서, 이물질(FO)가 위치하는 부분(셀)이 더 연하게 표현된다.

도 14에서, 이물질(FO)이 중앙(Center)에 있는 경우 9개의 셀이 모두 연하게 표시되고, 이물질(FO)이 위쪽(Upper)에 있는 경우 9개의 셀 중에서 위쪽에 있는 3개의 셀이 연하게 표시되고 아래 6개 셀은 더 진하게 표시되고, 이물질(FO)이 아래(Lower)에 있는 경우 9개의 셀 중에서 아래쪽에 있는 3개의 셀이 연하게 표시되고 아래 6개 셀은 더 진하게 표시되고, 이물질(FO)이 왼쪽(Left)에 있는 경우 9개의 셀 중에서 왼쪽에 있는 3개의 셀이 연하게 표시되고 아래 6개 셀은 더 진하게 표시되고, 이물질(FO)이 오른쪽(Right)에 있는 경우 9개의 셀 중에서 오른쪽에 있는 3개의 셀이 연하게 표시되고 아래 6개 셀은 더 진하게 표시되고 있다.

도 14에서, 이물질(FO)의 위치만을 바꾸면서 이물질 검출 코일의 출력 전압의 변화를 살펴보았는데, 수신 코일(Rx)이 이물질(FO)과 같이 있는 경우 수신 코일(Rx)에 의한 출력 전압의 감소가 드러나지 않게 되어 수신 코일(Rx)의 위치는 큰 의미가 없게 된다.

하지만, 이물질(FO) 없이 수신 코일(Rx)만 있는 경우, 수신 코일(Rx)이 있는 부분의 이물질 검출 코일의 출력 전압에 변화가 많이 발생하게 되어, 각 셀의 출력 전압의 변화를 통해 수신 코일(Rx)의 위치도 이물질 검출 코일이 차지하는 영역 단위로 확인할 수 있다.

이러한 경향성을 이용하면, 증폭 회로의 출력 전압의 변화량에 따라 수신 코일과 이물질의 위치를 판단할 수 있다.

도 15는 이 명세서에 따라 멀티 코일과 어레이 코일을 채용한 무선 전력 전송 모듈의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이고,

도 15의 전송 모듈(100)은, 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130), 전원부(140) 및 이물질 검출부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

수신 모듈(200)과 무선 전력 전송을 위한 구성인 통신부(120)와 전원부(140)의 기능은 도 3을 참조로 설명한 것과 비슷하므로 설명을 생략한다.

전력 변환부(110)는 인버터(113)와 1차 코일(또는 전송 코일)(또는 1차 코일을 포함하는 공진 회로)(115)을 포함하여 구성될 수 있는데, 인버터(113)와 1차 코일(115)의 기능도 도 2를 참조로 설명한 것과 같기 때문에 설명을 생략한다. 1차 코일(115)은 복수 개의 코일을 포함하는 멀티 코일 형태일 수 있다.

제어부(130)는 인버터(113)와 공진 회로를 이용하여 이물질 검출 동작을 수행할 수 있는데, 인버터(113)는 구동 주파수를 변경하면서 입력 전압을 공진 회로에 공급하고, 공진 회로는 1차 코일(115)의 출력 전압을 측정하여 제어부(113)에 제공할 수 있다. 제어부(130)는 1차 코일(115)의 출력 전압을 분석하여 Q 값을 검출하고 사전에 저장된 Q 값과 비교하여 이물질 유무를 판단할 수 있다.

이물질 검출부(150)는 검출 회로(153)와 어레이 코일(155)을 포함하여 구성될 수 있다. 검출 회로(153)는, 인버터(113)와 유사한 전압 생성부, 도 12의 증폭 회로 및 전압 검출부를 포함하여, 어레이 코일(155)을 구성하는 복수 개의 이물질 검출 코일에 주파수를 가변하면서 입력 전압을 제공하고, 이물질 검출 코일의 출력 전압을 검출하여 제어부(130)에 제공하거나 자체적으로 이물질 유무를 검출할 수 있다.

이물질 검출부(150) 또는 제어부(130)는, 제어부(130)가 전력 변환부(110)를 통해 수신 코일을 감지하여 활성화한 1차 코일(155) 부근에 배치된 소정 개수의 이물질 검출 코일만을 선택적으로 구동하여 이물질 유무를 더 정확하게 검출할 수 있고, 또한 활성화된 1차 코일 부근에 정사각형으로 구획할 수 있는 이물질 검출 코일을 구동하여, 도 14를 참조하여 설명한 대로, 각 이물질 검출 코일이 출력하는 출력 신호의 변화량(Tx만 있을 때의 출력 신호와의 변화량)을 근거로 이물질의 위치 및/또는 수신 코일(Rx)의 위치도 확인할 수 있다.

도 16은 이 명세서의 일 실시예에 따라 이물질을 검출하면서 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.

전송 모듈(100)의 제어부(130)는, 전력 변환부(110)를 제어하여 멀티 코일로 구성되는 전송 코일(115)의 1차 코일을 순차적으로 구동하여 수신 코일이 인터페이스 위에 놓여 있는지 여부를 확인하는 핑(Digital Ping) 동작을 수행하고, 수신 코일이 놓인 위치에 대응하는 1차 코일을 선택한다(S160).

전송 모듈(110)은, 선택된 1차 코일을 통해 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷을 수신 모듈로부터 수신하여 이를 근거로 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하고, 또한 이물질 유무를 판단하기 위해 인버터(113)를 구동하여 주파수를 가변하면서 입력 전압을 1차 코일에 공급하여 1차 코일의 출력 전압을 검출하고, 검출된 출력 전압을 근거로 Q 팩터(또는 Q 값)을 계산할 수 있다(S161).

전송 모듈(110)은, Q 값의 변화를 근거로 이물질이 검출되는지 여부를 판단하는데(S162), 이물질이 검출되는 것으로 확인되면(S162에서 YES) 다시 S161 단계로 되돌아가고, 이물질이 검출되지 않은 것으로 확인되면(S162에서 NO) 이물질 유무를 좀더 정밀하게 검출하기 위해 어레이 코일을 이용하여 이물질을 검출하는 다음 단계로 진행한다.

전송 모듈(100)은, 어레이 코일에 포함된 이물질 검출 코일(115) 중에서 활성화된 1차 코일 주변에서 정방형 형태로 배치된 복수 개의 이물질 검출 코일(115)을 선택하고, 이물질 검출부(150)의 검출 회로(153)를 제어하여 선택된 코일들(115)에 순차적으로 주파수가 가변되는 전압을 입력하고 연결된 이물질 검출 코일(115)의 출력 전압을 검출하여, 각 이물질 검출 코일(115)의 출력 전압의 변화를 계산할 수 있다(S163).

이물질이, 그 크기가 작거나, 활성화된 1차 코일 부근에서 정방형 형상으로 배치되어 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 중심에서 벗어나 배치되는 경우, 각 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압 또는 출력 전압의 변화량이 비대칭 형태로 나타나기 때문에, 각 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압의 분산을 통해 이물질 유무를 판단할 수 있다.

전송 모듈(100)은, 출력 전압(또는 출력 전압의 변화량)이 최대 값을 갖는 이물질 검출 코일(115)에 인접한 다른 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압(또는 출력 전압의 변화량)의 분산을 계산하고, 분산 값이 제1 기준 값 이상인지를 확인한다(S164).

전송 모듈(100)은, 분산 값이 제1 기준 값보다 크면(S164에서 NO), 도 14에서 이물질이 위쪽, 아래쪽, 왼쪽 및 오른쪽에 있는 경우와 같이 선택된 이물질 검출 코일(115)의 출력 전압이 서로 차이가 많이 나는 경우에 해당하여 이물질이 있는 것으로 판단하여 전력 전달 동작을 수행하지 않고 S161 단계로 되돌아간다.

이물질이 충분히 크거나 이물질이 오히려 수신 코일과 잘 정렬되는 경우, 이물질은 수신 코일(Rx)의 영향을 균등하게 줄이기 때문에, 도 14에서 이물질이 활성화된 전송 코일의 가운데 있는 경우와 같이 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압이 서로 차이가 없고 비슷하게 되어 이들의 분산이 제1 기준 값보다 작게 된다(S164에서 YES).

이러한 경우, 이물질을 검출하기 위해서, 전송 모듈(100)은, S164에서와 같이 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압의 분산을 계산하여 분석할 뿐만 아니라, 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압의 평균을 구하고 그 평균의 변화량을 제2 기준 값과 비교할 수 있다(S165).

전송 모듈(100)은, 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압의 평균의 변화량이 제2 기준 값보다 작으면(S165에서 NO), 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압이 1차 코일만 있을 때와 비교하여 큰 차이가 없는 것에 해당하여, 도 11(c)와 같이 수신 코일(Rx)과 이물질(FO)이 같이 있고 특히 도 14에서 이물질이 1차 코일의 가운데에 배치되어 수신 코일(Rx)과 잘 정렬되어 있는 상태에 해당하는 것으로 판단하여, 전력 전송을 하지 않고 S161 단계로 되돌아갈 수 있다.

전송 모듈(100)은, 이물질이 있다고 판단하여 S161 단계로 되돌아갈 때, 사용자에게 이물질이 있음을 알리는 메시지를 소리나 디스플레이를 통해 알릴 수 있다.

반면, 전송 모듈(100)은, 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압의 평균의 변화량이 제2 기준 값보다 크면(S165에서 YES), 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압이 1차 코일만 있을 때와 비교하여 큰 차이로 낮아지는 것에 해당하여, 도 11(b)나 도 14에서 수신 코일(Rx)만 있고 이물질(FO) 없는 상태에 해당하는 것으로 판단하여, 전력 전송을 시작할 수 있다(S166).

도 14와 같이 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압이 명확하게 이상 분포를 보일 때는 이물질이 있는 것으로 쉽게 유추할 수 있으며, 추가로 전송 코일(115)을 통해 검출한 신호 강도 정보를 이용하여 이물질의 검출 정확도를 올릴 수 있다.

신호 강도 정보는 수신 코일과 전송 코일의 결합력을 유추할 수 있는 지표로서, 신호 강도가 낮다면 전송 코일과 수신 코일 사이 거리가 멀거나 서로 정렬되지 않은 상태를 의미할 수 있다. 즉, 수신되는 신호 강도 크기에 따라 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태를 예측할 수 있다. 또한, 신호 강도를 근거로 이물질 유무를 판단하는 기준이 되는 제1 기준 값과 제2 기준 값을 변경할 수 있고, 이를 통해 이물질의 검출 정확도를 더 올릴 수 있다.

전송 모듈(100)은, 수신 코일(Rx)만 있고 이물질(FO) 없는 것으로 판단하여 전력 전송 동작을 수행하는 경우에도, 선택된 이물질 검출 코일들(115)의 출력 전압의 분포 또는 출력 전압 변화량의 분포를 근거로 수신 코일의 위치를 계산할 수 있다.

도 14를 참조하여 설명하였듯이, 이물질이 없고 수신 코일만 있는 경우에도 수신 코일이 전송 코일의 중앙에 있지 않으면 수신 코일이 치우친 위치에 대응하는 이물질 검출 코일(115)의 출력 전압의 변화량이 크게 되고, 이를 근거로 수신 코일의 위치를 판단할 수 있다.

충전기는, 수신 코일이 전송 코일의 가운데 있지 않을 때, 소정의 출력 수단, 예를 들어 인터페이스 위에 일렬로 배치된 다수의 LED의 색이나 밝기 등을 다르게 조절하여 사용자가 수신 코일 또는 수신 코일을 포함하는 전자 기기의 위치를 변경하도록 안내할 수 있다.

도 17은 이 명세서에 따른 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.

전자 기기에 유도 전력을 제공하는 무선 전력 전송 장치 또는 충전기(1)는, 상면에 충전 대상인 수신 모듈을 포함하는 전자 기기가 놓이고 동작 영역을 갖는 안착 면이 형성될 수 있고, 안착 면에 전자 기기가 놓이면 충전기가 이를 감지하여 무선 충전을 시작할 수 있다.

충전기(1)는 전면 케이스(161)와 후면 케이스(162) 사이에 전송 장치의 공진 회로를 구성하는 1차 코일(115)이 장착될 수 있다. 1차 코일(115)은 소정 간격으로 이격된 둘 이상의 PCB 코일로 구성되는 멀티 코일일 수 있다.

1차 코일(115) 위에 복수 개의 이물질 검출 코일로 구성되는 어레이 코일(155)가 배치되고, 멀티 코일 중에서 수신 코일에 전력을 전송하기 위해 활성화된 1차 코일(115)에 대응하는 위치에 대응하여 정방형 형태로 배치되는 복수 개의 이물질 검출 코일을 선택적으로 구동하여, 이물질 유무, 이물질의 위치 및/또는 수신 코일의 위치를 검출할 수 있다.

1차 코일(115) 아래에 차폐부(170)가 형성될 수 있다. 즉, 차폐부(170)는, 충전기(100)의 후면 케이스(162)와 전송 코일(115)의 사이에 형성될 수 있고, 1차 코일(115)의 외곽을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성될 수 있다.

차폐부(170)는, 1차 코일(115)의 동작에 의해 회로 기판(미도시)에 장착되어 전송 장치의 인버터(113), 통신부(120) 및 제어부(130)를 구성하는 마이크로 프로세서, 메모리 등의 소자가 전자기적인 영향을 받거나 회로 기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 1차 코일(115)이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지할 수 있는데, 도금이 필요 없는 스테인리스나 티타늄 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 1차 코일(115)과 회로 기판(미도시) 사이에 페라이트 시트(미도시)가 마련되어, 1차 코일(115)이나 회로 기판에서 발생하는 와전류(Eddy current) 등의 전자파 장애가 다른 부품에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.

충전기(1)는, 1차 코일을 포함하는 전력 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등이 하나의 몸체에 구비되는 구조로 형성되거나 또는 전송 코일과 차폐부(170)가 장착되는 제1 몸체 및 제1 몸체와 연결되어 전송 코일의 동작을 제어하기 위한 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등을 포함하는 제2 몸체로 분리되어 구성될 수 있다.

또한, 충전기(1)의 몸체에는 디스플레이나 스피커와 같은 출력부, 사용자 입력부, 전원을 공급하기 위한 소켓이나 외부 기기가 결합되는 인터페이스 등이 배치될 수 있다. 수신 장치의 정렬 여부를 표시하도록 디스플레이가 전면 케이스(161)의 상면에 형성될 수 있고, 사용자 입력부와 소켓 등은 몸체 측면에 배치될 수 있다.

특히, 충전기(1)는, 어레이 코일의 구동을 통해 1차 코일과 수신 코일이 정렬되지 않은 것을 확인하고 활성화된 1차 코일 대비 수신 코일의 상대적인 위치를 검출하는 경우, 인터페이스 위에 가로 방향과 세로 방향으로 일렬로 배치되는 복수 개의 LED의 색이나 밝기를 다르게 조절하여 사용자가 수신 코일을 포함하는 전자 기기의 위치를 조절하도록 안내할 수 있다.

따라서, 어레이 코일을 통해 이물질 유무를 좀 더 정확하게 판단할 수 있고, 이물질의 위치와 수신 코일의 위치를 판단하고 이를 사용자에게 알려, 사용자가 이물질을 제거하거나 수신 코일을 활성화된 1차 코일에 더 정확하게 정렬하게 할 수 있게 하여, 이물질에 의해 온도가 올라가고 충전 효율이 낮아 지는 것을 막고, 충전 효율을 높일 수 있게 된다.

이 명세서에 기재된 무선 전력 전송 장치 및 방법은 아래와 같이 설명될 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 인터페이스 위에 놓이는 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일; 직류 전원을 교류로 변환하여 1차 코일에 공급하기 위한 인버터; 1차 코일과 인터페이스 사이에 배치되고 복수 개의 검출 코일을 포함하는 어레이 코일; 및 어레이 코일을 구동하여 인터페이스 위에 놓이는 이물질을 검출하기 위한 검출 회로를 포함하여 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 어레이 코일은 1차 코일이 전력을 전송할 수 있는 충전 영역 안에 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 어레이 코일은 PCB 형태로 구현될 수 있다.

일 실시예에서, 검출 회로는 OP 앰프의 반전 단자와 출력 단자 사이에 복수 개의 검출 코일을 포함하는 피드백 임피던스가 연결되는 반전 증폭기를 포함하고, 각각 스위치에 직렬 연결되는 복수 개의 검출 코일은 서로 병렬 연결될 수 있다.

일 실시예에서, 1차 코일은 소정 간격으로 이격되는 둘 이상의 전송 코일로 구성되는 멀티 코일로 구현되고, 검출 회로는 둘 이상의 전송 코일 중에서 활성화된 전송 코일 부근에 정방형 형상으로 배치되는 복수 개의 제1 검출 코일을 구동하여 이물질을 검출 할 수 있다.

일 실시예에서, 검출 회로는 제1 검출 코일의 출력 전압의 분산과 평균 값을 근거로 이물질을 검출할 수 있다.

다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 인터페이스 위에 놓인 수신 코일을 검출한 1차 코일을 구동하여 이물질 유무를 검출하는 단계; 1차 코일이 이물질을 검출하지 못했을 때, 1차 코일과 인터페이스 사이에 배치되는 복수 개의 검출 코일로 구성되는 어레이 코일을 구동하여 복수 개의 검출 코일 중 적어도 일부의 출력 전압을 획득하는 단계; 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계; 및 이물질이 없다고 판단할 때 1차 코일을 구동하여 수신 코일에 전력을 전송하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 출력 전압을 획득하는 단계는 1차 코일 부근에 배치되는 복수 개의 제1 검출 코일을 구동하여 복수 개의 제1 출력 전압을 획득할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 검출 코일은 복수 개의 검출 코일 중에서 1차 코일 부근에 정방형 형상으로 배치되는 검출 코일로 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계는 복수 개의 제1 출력 전압의 분산과 복수 개의 제1 출력 전압의 평균값을 근거로 이물질 유무를 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계는 복수 개의 제1 출력 전압의 분포를 근거로 이물질의 위치를 확인할 수 있다.

일 실시예에서, 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계는 이물질이 없다고 판단할 때 복수 개의 제1 출력 전압의 분포를 근거로 수신 코일의 위치를 확인할 수 있다.

일 실시예에서, 전력을 전송하는 단계는 확인한 수신 코일의 위치가 1차 코일의 가운데 있지 않을 때 이를 안내할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1: 무선 전력 전송 장치 2: 전자 기기
100: 무선 전력 전송 모듈 110: 전력 변환부
113: 인버터 115: 1차 코일(전송 코일)
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 150: 이물질 검출부
153: 검출 회로 155: 어레이 코일(이물질 검출 코일)
161: 전면 케이스 162: 후면 케이스
170: 차폐부 200: 무선 전력 수신 모듈
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 240: 부하

Claims (13)

1. 인터페이스 위에 놓이는 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일;
   직류 전원을 교류로 변환하여 상기 1차 코일에 공급하기 위한 인버터;
   상기 1차 코일과 상기 인터페이스 사이에 배치되고 복수 개의 검출 코일을 포함하는 어레이 코일; 및
   상기 어레이 코일을 구동하여 상기 인터페이스 위에 놓이는 이물질을 검출하기 위한 검출 회로를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 어레이 코일은 상기 1차 코일이 전력을 전송할 수 있는 충전 영역 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 어레이 코일은 PCB 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 검출 회로는 OP 앰프의 반전 단자와 출력 단자 사이에 상기 복수 개의 검출 코일을 포함하는 피드백 임피던스가 연결되는 반전 증폭기를 포함하고,
   각각 스위치에 직렬 연결되는 복수 개의 검출 코일은 서로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 1차 코일은 소정 간격으로 이격되는 둘 이상의 전송 코일로 구성되는 멀티 코일로 구현되고,
   상기 검출 회로는 상기 둘 이상의 전송 코일 중에서 활성화된 전송 코일 부근에 정방형 형상으로 배치되는 복수 개의 제1 검출 코일을 구동하여 이물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 검출 회로는 상기 복수 개의 제1 검출 코일의 출력 전압의 분산과 평균 값을 근거로 이물질을 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
7. 인터페이스 위에 놓인 수신 코일을 검출한 1차 코일을 구동하여 이물질 유무를 검출하는 단계;
   상기 1차 코일이 이물질을 검출하지 못했을 때, 상기 1차 코일과 상기 인터페이스 사이에 배치되는 복수 개의 검출 코일로 구성되는 어레이 코일을 구동하여 상기 복수 개의 검출 코일 중 적어도 일부의 출력 전압을 획득하는 단계;
   상기 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계; 및
   상기 이물질이 없다고 판단할 때 상기 1차 코일을 구동하여 상기 수신 코일에 전력을 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 무선 전력 전송 방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 출력 전압을 획득하는 단계는, 상기 1차 코일 부근에 배치되는 복수 개의 제1 검출 코일을 구동하여 복수 개의 제1 출력 전압을 획득하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제1 검출 코일은 상기 복수 개의 검출 코일 중에서 상기 1차 코일 부근에 정방형 형상으로 배치되는 검출 코일로 선택되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계는, 상기 복수 개의 제1 출력 전압의 분산과 상기 복수 개의 제1 출력 전압의 평균값을 근거로 이물질 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
11. 제8 항에 있어서,
    상기 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계는, 상기 복수 개의 제1 출력 전압의 분포를 근거로 상기 이물질의 위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
12. 제8 항에 있어서,
    상기 출력 전압을 근거로 이물질 유무를 판단하는 단계는, 이물질이 없다고 판단할 때 상기 복수 개의 제1 출력 전압의 분포를 근거로 상기 수신 코일의 위치를 확인하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 전력을 전송하는 단계는, 상기 확인한 수신 코일의 위치가 상기 1차 코일의 가운데 있지 않을 때 이를 안내하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.

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