KR20230134395A - Multilayer coil and wireless power transfer system - Google Patents
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Abstract
본 개시의 실시예들은, 다층 코일 및 다층 코일의 자기 인덕턴스 또는 교류 저항의 조절 방법에 관한 것으로서, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층; 및 적어도 하나의 루프를 포함하는 제2 코일층;을 포함하고, 제2 코일층에 포함된 루프는 다층 코일의 자기 인덕턴스 또는 교류 저항 중 적어도 하나를 조절하기 위해 제1 코일층의 루프와 직렬 연결 또는 병렬 연결되어, 다층 코일의 루프들 간에 연결 방식을 통하여 코일의 자기 인덕턴스를 조절할 수 있으며, 코일의 교류 저항을 조절할 수도 있다.Embodiments of the present disclosure relate to a multilayer coil and a method of controlling self-inductance or alternating current resistance of the multilayer coil, comprising: a first coil layer including a plurality of loops; and a second coil layer including at least one loop, wherein the loop included in the second coil layer is connected in series with the loop of the first coil layer to adjust at least one of the self-inductance or alternating current resistance of the multilayer coil. Alternatively, they may be connected in parallel, so that the self-inductance of the coil can be adjusted through the connection method between the loops of the multilayer coil, and the alternating current resistance of the coil can be adjusted.
Description
본 개시의 실시예들은, 무선전력전송과 관련된 다층 코일 및 무선전력전송 시스템에 관한 것으로서, 특히, 무선전력전송의 송수신에 있어서 인덕턴스와 교류저항을 조절할 수 있는 다층 코일 및 무선전력전송 시스템에 관한 것이다.Embodiments of the present disclosure relate to a multilayer coil and wireless power transmission system related to wireless power transmission, and in particular, to a multilayer coil and wireless power transmission system that can adjust inductance and alternating current resistance in the transmission and reception of wireless power transmission. .
무선전력전송이란 종래의 유선으로 된 전력선 대신 무선으로 가전기기 등에 전원을 공급하는 기술을 말한다. 최근, 스마트폰을 포함한 디지털 가전기기의 무선 충전 실용화를 위해, 자기 유도 방식 및 자기 공진 방식의 무선전력전송 기술에 대한 연구가 진행 중이다.Wireless power transmission refers to a technology that supplies power to home appliances wirelessly instead of traditional wired power lines. Recently, in order to commercialize wireless charging of digital home appliances, including smartphones, research is underway on magnetic induction and magnetic resonance wireless power transmission technologies.
자기 유도 무선전력전송 방식은 송신 코일과 수신 코일 간의 자기 유도 현상을 이용하는 것으로, 송신 코일에 인가된 시변 전류에 의해 근역장(Near Field)에서 형성되는 자기장을 이용하는 방식이다. 자기 공진(magnetic resonance) 무선전력전송 방식은 자기적 공진을 통해 전력을 전송하는 기술로, 자기 유도 무선전력전송 방식보다 먼 거리에서 상대적으로 높은 효율로 전기 에너지를 전달할 수 있다. The magnetic induction wireless power transmission method uses the magnetic induction phenomenon between the transmitting coil and the receiving coil, and uses the magnetic field formed in the near field by the time-varying current applied to the transmitting coil. Magnetic resonance wireless power transmission is a technology that transmits power through magnetic resonance, and can transmit electrical energy with relatively high efficiency over a longer distance than the magnetic induction wireless power transmission method.
자기 공진 무선전력전송 방식에서 공진 주파수를 맞추기 위해서는 코일의 자기 인덕턴스(Self Inductance)가 클수록 정밀한 용량의 커패시터를 사용해야 한다. 한편, 자기 유도 무선전력전송 방식에서는 자기 인덕턴스가 클수록 전압이 증가한다.In order to match the resonance frequency in the self-resonance wireless power transmission method, the larger the coil's self-inductance, the more precise a capacitor must be used. Meanwhile, in the self-induction wireless power transmission method, the larger the self-inductance, the higher the voltage.
고주파수의 코일에서는, 전류가 금속 도선의 외각으로 흐르는 표피효과(Skin Effect)에 의해 저항이 증가할 뿐만 아니라, 인접 도선에서 만들어진 자기장에 의해, 전류가 실제로 흐르는 단면적이 줄어들게 되는 근접효과(Proximity Effect)에 의해 저항이 증가한다.In high-frequency coils, not only does resistance increase due to the skin effect, in which current flows through the outer shell of a metal conductor, but also the proximity effect, in which the cross-sectional area through which the current actually flows decreases due to the magnetic field created in adjacent conductors. Resistance increases by
무선전력전송에 있어서, 결합 효율을 증가시키고, 발열을 감소시키기 위해서는 송수신 코일의 자기 인덕턴스 및 저항 조절이 요구된다.In wireless power transmission, self-inductance and resistance control of the transmitting and receiving coils is required to increase coupling efficiency and reduce heat generation.
본 개시의 실시예들은, 무선전력전송에 있어서, 인덕턴스 및 교류 저항 조절을 조절할 수 있는 다층 코일 및 무선전력전송 시스템을 제공할 수 있다.Embodiments of the present disclosure can provide a multilayer coil and wireless power transmission system that can adjust inductance and alternating current resistance in wireless power transmission.
본 개시의 실시예들은 기판; 기판의 제1면에 배치되고, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층; 및 기판의 제2면에 배치되고, 적어도 하나의 루프를 포함하는 제2 코일층을 포함하고, 제2 코일층에 포함된 루프는 제1 코일층의 루프와 비아를 통해 직렬 연결 또는 병렬 연결되는 다층 코일을 제공할 수 있다.Embodiments of the present disclosure include a substrate; A first coil layer disposed on the first side of the substrate and including a plurality of loops; and a second coil layer disposed on a second side of the substrate and including at least one loop, wherein the loop included in the second coil layer is connected in series or in parallel through a loop and a via in the first coil layer. A multilayer coil can be provided.
본 개시의 실시예들은, 시변 전류를 공급하는 전원 소스 및 전원 소스로부터 공급된 시변 전류를 통해 시변 자속을 형성하는 송신 코일을 포함하는 무선전력전송 송신기; 시변 자속에 의한 전력을 수신하는 수신 코일을 포함하는 무선전력전송 수신기;를 포함하는 무선전력전송 시스템에 있어서, 송신 코일 또는 수신 코일은, 기판; 기판의 제1면에 배치되고, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층; 및 기판의 제1 면과 다른 제2면에 배치되고, 적어도 하나의 루프를 포함하는 제2 코일층;을 포함하고, 제2 코일층에 포함된 루프는 제1 코일층의 루프와 비아를 통해 직렬 연결 또는 병렬 연결되어는 다층 코일인 무선전력전송 시스템을 제공할 수 있다.Embodiments of the present disclosure include a wireless power transmission transmitter including a power source that supplies a time-varying current and a transmission coil that forms a time-varying magnetic flux through the time-varying current supplied from the power source; In a wireless power transmission system including a wireless power transmission receiver including a receiving coil for receiving power by time-varying magnetic flux, the transmitting coil or the receiving coil includes: a substrate; A first coil layer disposed on the first side of the substrate and including a plurality of loops; and a second coil layer disposed on a second side different from the first side of the substrate and including at least one loop, wherein the loop included in the second coil layer is connected through the loop and via of the first coil layer. A wireless power transmission system that is a multilayer coil connected in series or parallel can be provided.
본 개시의 실시예들에 의하면, 다층 코일의 루프들 간에 연결 방식을 통하여 무선전력전송에 이용되는 코일의 자기 인덕턴스를 조절할 수 있으며, 코일의 저항을 조절할 수도 있다. 이를 통해, 고주파 손실 저항을 낮춰 코일에 의한 발열이 억제될 수 있고, 코일간 결합 효율도 개선될 수 있다.According to embodiments of the present disclosure, the self-inductance of the coil used for wireless power transmission can be adjusted through a connection method between loops of the multilayer coil, and the resistance of the coil can also be adjusted. Through this, heat generation by the coil can be suppressed by lowering the high-frequency loss resistance, and the coupling efficiency between coils can also be improved.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 자기 결합 무선전력전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 자기 결합 무선전력전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 실시예들에 따른 코일 및 코일의 등가 코일 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 스파이럴 원형 코일의 단면 및 스파이럴 사각 코일의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 실시예들에 따른 패턴형 코일에서의 표피 효과 및 근접 효과에 따른 전류 분포를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일의 루프 배치의 예시를 타나낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 실시예들에 따른 다른 층에 속한 루프들 사이 연결 관계의 예시를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 개시의 실시예들에 따른 동일한 층에 속한 루프들 사이 연결 관계의 예시를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 개시의 실시예들에 따른 코일의 루프 배치의 예시를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a magnetically coupled wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure.
Figure 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a magnetically coupled wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure.
Figure 3 is a diagram showing a coil and its equivalent coil structure according to embodiments of the present disclosure.
Figure 4 is a diagram showing a cross section of a spiral circular coil and a cross section of a spiral square coil according to embodiments of the present disclosure.
Figure 5 is a diagram showing current distribution according to the skin effect and proximity effect in a patterned coil according to embodiments of the present disclosure.
FIGS. 6A to 6F are diagrams showing examples of loop arrangements of multilayer coils according to embodiments of the present disclosure.
Figure 7 is a diagram showing an example of a connection relationship between loops belonging to different layers according to embodiments of the present disclosure.
Figure 8 is a diagram showing an example of a connection relationship between loops belonging to the same layer according to embodiments of the present disclosure.
9 is a diagram illustrating an example of coil loop arrangement according to embodiments of the present disclosure.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.Hereinafter, some embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to illustrative drawings. In adding reference numerals to components in each drawing, the same components may have the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, the detailed description may be omitted. When “comprises,” “has,” “consists of,” etc. mentioned in the specification are used, other parts may be added unless “only” is used. When a component is expressed in the singular, it can also include the plural, unless specifically stated otherwise.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.Additionally, in describing the components of the present disclosure, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, order, or number of the components are not limited by the term.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.In the description of the positional relationship of components, when two or more components are described as being “connected,” “coupled,” or “connected,” the two or more components are directly “connected,” “coupled,” or “connected.” ", but it should be understood that two or more components and other components may be further "interposed" and "connected," "combined," or "connected." Here, other components may be included in one or more of two or more components that are “connected,” “coupled,” or “connected” to each other.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.In the description of temporal flow relationships related to components, operation methods, production methods, etc., for example, temporal precedence relationships such as “after”, “after”, “after”, “before”, etc. Or, when a sequential relationship is described, non-continuous cases may be included unless “immediately” or “directly” is used.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.On the other hand, when a numerical value or corresponding information (e.g., level, etc.) for a component is mentioned, even if there is no separate explicit description, the numerical value or corresponding information is related to various factors (e.g., process factors, internal or external shocks, It can be interpreted as including the error range that may occur due to noise, etc.).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 개시의 실시예들에 따른 자기 결합 무선전력전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a magnetically coupled wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure.
도 1를 참조하면, 자기 결합 무선전력전송 시스템은 송신 코일(110), 전원 소스(120)를 포함하는 무선전력전송 송신기 및 수신 코일(130) 및 부하(140)를 포함하는 무선전력전송 수신기를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the magnetically coupled wireless power transmission system includes a wireless power transmission transmitter including a transmitting
최근 자기 결합 무선전력전송 기술에 대한 응용분야가 증가하고 있으며, 국제 무선전력전송 협회(WPC, Wireless Power Consortium)에서는 스마트폰 무선충전 국제 표준인 Qi 1.3 버전을 발표하였다. Recently, the application areas for magnetically coupled wireless power transmission technology are increasing, and the International Wireless Power Consortium (WPC) announced version 1.3 of Qi, the international standard for smartphone wireless charging.
자기 결합 무선전력전송 기술은 자기 유도(Magnetic Induction) 방식을 기본으로 하고 있다. 자기 유도 무선전력전송 방식은 하나의 송신기에 대하여 하나의 수신기를 지원하는 방법이며, 송수신기의 전송거리가 상대적으로 작을 수 있다.Magnetic coupling wireless power transmission technology is based on magnetic induction. The magnetic induction wireless power transmission method supports one receiver for one transmitter, and the transmission distance of the transceiver may be relatively small.
한편, 자기 공진 무선전력전송 기술은 무선전력전송 송신기와 무선전력전송 수신기가 동일한 공진 주파수를 사용한다. 자기 공진 무선전력전송 기술은 무선전력전송 송신기와 무선전력전송 수신기 사이의 결합 계수(, MPS은 무선전력전송 송신기에 포함된 송신 코일(110)과 무선전력전송 수신기에 포함된 수신 코일(130)의 상호 인덕턴스, LP는 송신 코일(110)의 자기 인덕턴스, LS는 수신 코일(130)의 자기 인덕턴스임)가 낮더라도 효율이 급격히 떨어지지 않기 때문에 전력 전송 거리 측면에서 자기 유도 무선전력전송 기술에 비해 상대적으로 클 수 있다. Meanwhile, in self-resonant wireless power transmission technology, the wireless power transmission transmitter and wireless power transmission receiver use the same resonance frequency. Self-resonant wireless power transmission technology has a coupling coefficient (coupling coefficient) between the wireless power transmission transmitter and the wireless power transmission receiver. , MPS is the mutual inductance of the transmitting
스마트폰 무선충전을 위한 자기 유도 무선전력전송 방식은 100kHz~205kHz의 주파수를 사용할 수 있으며, 일반적으로 효율을 개선하기 위해 리츠 와이어를 사용할 수 있다. 리츠 와이어는 매우 가는 금속 도선들을 규칙에 맞게 다발로 묶어 제작된 도선으로, 사용 주파수에서의 코일의 저항을 크게 낮출 수 있다.The magnetic induction wireless power transmission method for smartphone wireless charging can use frequencies of 100kHz to 205kHz, and generally can use Litz wire to improve efficiency. Litz wire is a conductor made by bundled very thin metal conductors according to rules, and can greatly reduce the resistance of the coil at the frequency of use.
한편, NFC(Near Field Communication)와 같은 자기장을 이용한 근거리 무선통신에서도 자기 결합을 이용할 수 있다.Meanwhile, magnetic coupling can also be used in short-distance wireless communication using magnetic fields, such as NFC (Near Field Communication).
자기 결합을 이용한 무선전력전송 및 무선통신에서는 코일에서 만들어지는 자기장을 크게 하여, 전송 거리를 개선할 수 있다. 또한 수신 감도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해서, 송신 코일(110) 또는 수신 코일(130)의 모양은 복수의 턴을 가지는 스파이럴 구조가 적용될 수 있다.In wireless power transmission and wireless communication using magnetic coupling, the transmission distance can be improved by increasing the magnetic field created in the coil. Additionally, reception sensitivity can be improved. For this purpose, the shape of the transmitting
전원 소스(120)는 시변 전류인 교류 신호를 생성하여 송신 코일(110)측으로 전달한다. 송신 코일(110)은 시변 전류인 교류 신호를 통해 시변 자속을 형성한다. 패러데이의 법칙에 따라 수신 코일(130)에는 유도 기전력이 형성된다. 즉, 수신 코일(130)은 전자기 유도 현상에 의해 송신 코일로부터 전력을 수신한다. 시변 자속에 의한 전력을 수신하는 수신 코일은 수신된 전기 에너지는 부하(140)로 전달된다. The
도 2는 본 개시의 실시예들에 따른 자기 결합 무선전력전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a magnetically coupled wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure.
송신 코일(110)은 저항(RP), 공진을 위한 커패시터(CP), 코일의 자기 인덕턴스(LP)로 나타낼 수 있다. 수신 코일(130) 또한 저항(RS),공진을 위한 커패시터(CS), 코일의 자기 인덕턴스(LS)로 나타낼 수 있다.The transmitting
이때, 송신 코일(110)에 유기되는 전압(VP)은 수학식 1로 표현할 수 있고, 수신 코일(130)에 유기되는 전압(VS)은 수학식 2로 표현할 수 있다.At this time, the voltage (VP) induced in the transmitting
수학식 1 및 수학식 2에 따르면, 상호 인덕턴스(MPS)에 의한 전압이 클 경우 송신 코일(110) 및 수신 코일(130)에 유기되는 전압(VP, VS)이 증가할 수 있다. 이때, ω는 각속도를 말한다.According to
또한, 수학식 1 및 수학식2에 따르면, 자기 공진 방식에서 커패시터(CP,CS)를 이용하여 공진 주파수를 매칭할 때, 송신 코일(110) 및 수신 코일(130)의 자기 인덕턴스가 커질수록, 정밀한 용량의 커패시터가 요구된다.In addition, according to
한편, 자기 결합 무선전력전송 방식에서 최대 결합 효율은 부하와 송신부가 매칭되어 있다는 조건에서, 송신 코일(110)과 수신 코일(130) 간의 저항(RP, RS),상호 인덕턴스를 통해 수학식 3으로 정의할 수 있다.Meanwhile, in the self-coupled wireless power transmission method, the maximum coupling efficiency is obtained by Equation 3 through the resistance (RP, RS) and mutual inductance between the transmitting
η는 무선전력전송 시스템의 최대 결합 효율이고, FoM은 무선전력전송 시스템의 성능 지수(Figure of Merit)이다.η is the maximum coupling efficiency of the wireless power transmission system, and FoM is the Figure of Merit of the wireless power transmission system.
수학식 3에 따르면, 무선전력전송 시스템의 최대 결합 효율(η)을 증가시키기 위해서는 무선전력전송 시스템의 성능 지수(FoM)가 커야 한다. 무선전력전송 시스템의 성능 지수(FoM) 는 송신 코일(110) 및 수신 코일(130)의 저항(RP, RS)과 상호 인덕턴스(MPS)에 따라서 결정될 수 있다. 수학식 3을 참고하여, 무선전력전송 시스템의 성능 지수(FoM)를 증가시키기 위해서는 송신 코일(110) 및 수신 코일(130)의 저항(RP, RS)을 작게 하고, 송신 코일(110) 및 수신 코일(130) 간의 상호 인덕턴스(MPS)를 크게 할 수 있다.According to Equation 3, in order to increase the maximum coupling efficiency (η) of the wireless power transmission system, the figure of merit (FoM) of the wireless power transmission system must be large. The figure of merit (FoM) of the wireless power transmission system may be determined according to the resistance (RP, RS) and mutual inductance (MPS) of the transmitting
도 3은 본 개시의 실시예들에 따른 코일 및 코일의 등가 코일 구조를 나타낸 도면이다.Figure 3 is a diagram showing a coil and its equivalent coil structure according to embodiments of the present disclosure.
코일(310)은 원형 스파이럴 코일(Spiral Coil) 구조일 수 있다. 원형 스파이럴 코일은 코일의 중심을 기준으로 원형으로 감겨진 모양일 수 있다. 한편, 코일(310)은 도3에 도시된 바와 달리, 사각형 스파이럴 형태일 수도 있다.The
등가 코일 구조(320)는 코일의 중심을 기준으로 여러 개의 루프가 동심원처럼 감겨진 구조이다. 코일(310) 및 코일의 등가 구조(320)는 코일(310)의 해석을 위해 사용될 수 있으며, 코일의 중심을 기준으로 여러 개의 원형으로 감겨진 모양이다. 코일의 등가 구조(320)는 코일(310)과 동일한 특성을 가진다. 코일(310)에 사용된 와이어는 금속 도선일 수 있으며, 뿐만 아니라 리츠 와이어 또는 기판(예를 들어, 인쇄회로기판) 상의 인쇄된 패턴일 수 있다.The
도 4는 본 개시의 실시예들에 따른 스파이럴 원형 코일의 단면 및 스파이럴 사각 코일의 단면을 나타낸 도면이다.Figure 4 is a diagram showing a cross section of a spiral circular coil and a cross section of a spiral square coil according to embodiments of the present disclosure.
도 4에 도시된 코일(410, 420)은 인쇄회로기판의 인쇄된 패턴일 수 있다.The
코일(410, 420)의 자기장은 코일의 모양에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 코일(410, 420)의 턴 수가 많고, 코일(410, 420)의 크기가 크면, 코일(410, 420)의 자기 인덕턴스는 증가할 수 있다. 다만, 코일(410, 420)의 턴 수가 많을수록 손실 저항이 증가할 수도 있다. 따라서 무선전력전송 시스템의 성능 지수(FoM)는 열화될 수 있다.The magnetic fields of the
한편, 고주파 대역의 교류 전류에서는, 전류가 금속 도선의 외각으로 흐르는 표피효과(Skin Effect)에 의해서 저항이 증가할 수 있다. 또한, 인접 도선에 의해 만들어진 자기장에 의해서 코일에 흐르는 전류의 실제 단면적이 줄어들게 되는 근접효과(Proximity Effect)에 의해서 저항이 증가할 수도 있다.Meanwhile, in alternating current in the high frequency band, resistance may increase due to the skin effect, in which current flows to the outer shell of a metal conductor. Additionally, resistance may increase due to the proximity effect, in which the actual cross-sectional area of the current flowing in the coil is reduced by the magnetic field created by adjacent conductors.
도 5는 본 개시의 실시예들에 따른 패턴형 코일에서의 표피 효과 및 근접 효과에 따른 전류 분포를 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing current distribution according to the skin effect and proximity effect in a patterned coil according to embodiments of the present disclosure.
도 5를 참조하면, 패턴형 코일(510)은 3개의 턴 수를 가지는 원형 스파이럴 도선의 등가 구성을 확인할 수 있다. 패턴형 코일(510)의 금속 패턴의 두께(H)는 0.2mm이고, 루프와 루프 사이의 간격은 1mm이며, 패턴의 폭은 0.4mm이고, 최외각 패턴의 반지름은 40mm이다. 교류 전류의 주파수는 6.78Mhz이다. Referring to FIG. 5, the patterned coil 510 can be confirmed to have an equivalent configuration of a circular spiral conductor having three turns. The thickness (H) of the metal pattern of the patterned coil 510 is 0.2 mm, the gap between loops is 1 mm, the width of the pattern is 0.4 mm, and the radius of the outermost pattern is 40 mm. The frequency of alternating current is 6.78Mhz.
a 루프(a loop), b 루프(b loop) 및 c 루프(c loop)의 전류 분포를 확인하면, 중심 부분에서는 전류가 거의 흐르지 않고, 외각 모서리 부분에서 전류가 몰려 흐르게 되는 현상을 확인할 수 있다. If you check the current distribution of the a loop, b loop, and c loop, you can see that almost no current flows in the center, but the current flows concentrated in the outer corners. .
b 루프(b loop)에서는 전류 분포가 좌우 대칭에 가깝지만, a 루프(a loop)에서는 전류 분포가 좌측 모서리에 몰려있고, c 루프(c loop)에서는 전류 분포가 우측 모서리에 몰려있다. b 루프(b loop)에서는 a 루프(a loop) 및 c 루프(c loop)에 의한 자기장의 영향이 균등하게 적용되어 주로 표피효과에 의한 저항이 나타난다.In the b loop, the current distribution is close to left-right symmetry, but in the a loop, the current distribution is concentrated in the left corner, and in the c loop, the current distribution is concentrated in the right corner. In the b loop, the influence of the magnetic field from the a loop and c loop is applied equally, and resistance mainly occurs due to the skin effect.
반면에 a 루프(a loop) 및 c 루프(c loop)에는 이웃한 다른 도체에서 흐르는 전류에 의해서 만들어진 자기장이 루프에 인가되어 만들어지는 맴돌이 전류로 인한 근접효과에 의해, 전류가 흐르는 유효면적이 감소되어 저항이 증가할 수 있다.코일 설계에 있어서, 저항은 전류가 흐는 단위 면적에 반비례하고, 길이에 비례하기 때문에 전류가 흐르는 면적을 가능한 넓게 하여 코일 손실 저항을 줄이는 것이 중요하다. On the other hand, in the a loop and c loop, the effective area where the current flows decreases due to the proximity effect due to the eddy current created when the magnetic field created by the current flowing from another neighboring conductor is applied to the loop. In coil design, resistance is inversely proportional to the unit area through which current flows and is proportional to length, so it is important to reduce coil loss resistance by making the area through which current flows as wide as possible.
도 6a 내지 도 6f는 본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일의 루프 배치의 예시를 타나낸 도면이다.FIGS. 6A to 6F are diagrams showing examples of loop arrangements of multilayer coils according to embodiments of the present disclosure.
도 6a를 참조하면, 다층 코일(600)은 인쇄회로기판(630), 인쇄회로기판(630)의 제1면에 배치되고, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층(610) 및 다층 코일(600)의 자기 인덕턴스 또는 교류 저항 중 적어도 하나를 조절하기 위해 인쇄회로기판(630)의 제1면과 다른 제2 면에 배치되고, 제1 코일층(610)의 루프와 비아(640)를 통해 직렬 연결 또는 병렬(P) 연결되는 하나 이상의 루프를 포함하는 제2 코일층(620)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6A, the multilayer coil 600 is disposed on a printed
다층 코일(600)은 복수 층으로 루프를 구성할 수 있고, 각 루프는 직렬 연결되거나 병렬 연결될 수 있다. 다층 코일(600)에 포함된 루프들을 병렬 루프로 구성함으로써 자기 인덕턴스 값을 낮출 수 있고, 직렬 루프로 구성함으로써 자기 인덕턴스를 높일 수 있다.The multilayer coil 600 may consist of a loop of multiple layers, and each loop may be connected in series or in parallel. The self-inductance value can be lowered by configuring the loops included in the multilayer coil 600 as parallel loops, and the self-inductance can be increased by configuring the loops included in the multilayer coil 600 as a series loop.
다층 코일(600)에 포함된 루프들을 병렬로 연결하는 경우, 두 개의 금속 패턴이 합쳐져 단일 패턴과 동일한 특성을 갖는다. 이것은 단일 패턴의 두께가 매우 두꺼워 일반적인 방법으로 제작이 어려울 경우에 금속 패턴을 분리하여 제작하여 동일한 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다. 한편, 다층 코일(600)에 포함된 루프들을 직렬로 연결하는 경우, 각 루프별로 하나의 턴으로 작용하므로, 턴 수가 증가하는 효과가 있다.When the loops included in the multilayer coil 600 are connected in parallel, the two metal patterns are combined to have the same characteristics as a single pattern. This has the effect of allowing the same characteristics to be obtained by manufacturing the metal pattern separately when the thickness of the single pattern is very thick and it is difficult to manufacture it by general methods. Meanwhile, when the loops included in the multilayer coil 600 are connected in series, each loop acts as one turn, which has the effect of increasing the number of turns.
다층 코일(600)의 동일한 층의 루프 사이에서 직렬 또는 병렬 연결로 구성할 수 있을 뿐만 아니라 다른 층의 루프 사이 및 두 가지를 혼합한 형태로 직렬 또는 병렬 연결할 수 있다.The multilayer coil 600 can be configured in series or parallel connection between loops of the same layer, as well as between loops of different layers or in a mixed form of the two.
다층 코일(600)의 저항을 조절하기 위해서는 병렬로 연결되는 루프를 추가할 수 있다. 특히, 다층 코일(600)의 저항을 줄이기 위해서는 근접효과에 의한 저항 성분이 가장 큰 부분의 루프, 즉 최외각 루프 또는 최내각 루프에 병렬로 연결되는 루프를 추가할 수 있다. 이를 통해 동일한 전류에 대해서 전류가 흐르는 단면적을 증가시켜 저항을 낮출 수 있다.To adjust the resistance of the multilayer coil 600, loops connected in parallel can be added. In particular, in order to reduce the resistance of the multilayer coil 600, a loop connected in parallel to the loop at the portion with the largest resistance component due to the proximity effect, that is, the outermost loop or the innermost loop, can be added. Through this, for the same current, the resistance can be lowered by increasing the cross-sectional area through which the current flows.
한편, 본 개시의 실시예에 따르면, 추가적인 루프를 직렬 또는 병렬로 구성하여 다층 코일(600)의 자기장 세기를 조절할 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present disclosure, the magnetic field strength of the multilayer coil 600 can be adjusted by configuring additional loops in series or parallel.
일 예로, 다층 코일(600)의 중심부 자기장의 세기를 증가시키기 위해서는 중심부 근처의 루프를 추가적으로 직렬 연결할 수 있다.For example, in order to increase the strength of the magnetic field at the center of the multilayer coil 600, loops near the center may be additionally connected in series.
또한, 다층 코일(600)이 균일한 자기장을 가질 수 있도록 다층 코일의 위치를 조절할 수 있다. 또한 수직으로 구성된 루프들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 자기장의 세기를 조절할 수 있다. 이를 통해, 무선전력전송 시스템의 송신 코일 및 수신 코일의 상호 인덕턴스를 조절할 수 있으며, 송신 코일 및 수신 코일에 유기되는 전압을 조절할 수도 있다.Additionally, the position of the multilayer coil 600 can be adjusted so that the multilayer coil 600 can have a uniform magnetic field. Additionally, the strength of the magnetic field can be adjusted by connecting vertically configured loops in series or parallel. Through this, the mutual inductance of the transmitting coil and receiving coil of the wireless power transmission system can be adjusted, and the voltage induced in the transmitting coil and receiving coil can also be adjusted.
무선전력전송 시스템의 상호 인덕턴스는 송신 코일을 구성하는 각 단일 루프에 수신 코일에 유기되는 자속의 합에 의존한다. 이때, 병렬 연결된 복수의 루프의 경우 하나의 턴 수로 취급할 수 있다. 송신 코일 및 수신 코일을 구성하는 루프들이 직렬 연결되는 구조에서 상호 인덕턴스는 증가하고, 병렬 연결되는 구조에서는 상호 인덕턴스가 직렬 연결에 비해 상대적으로 크게 증가하지 않는다. The mutual inductance of the wireless power transmission system depends on the sum of the magnetic flux induced in the receiving coil for each single loop constituting the transmitting coil. At this time, in the case of multiple loops connected in parallel, the number of turns can be treated as one. In a structure in which the loops constituting the transmitting coil and the receiving coil are connected in series, the mutual inductance increases, and in the structure in which the loops constituting the transmitting coil and the receiving coil are connected in parallel, the mutual inductance does not increase relatively significantly compared to the serial connection.
한편, 전술한 바와 같이, 다층 코일(600)의 다층 구조는 인쇄회로기판(630)을 통해 구현될 수 있다. 일 예로, 다른 층에 배치된 복수의 루프들이 수직으로 연결되는 경우, 비아(Via)를 통해 쉽게 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.Meanwhile, as described above, the multilayer structure of the multilayer coil 600 can be implemented through the printed
다층 코일(600)의 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)은 인쇄회로기판(630)의 제1 면 및 제2 면에 배치될 수 있다. 인쇄회로기판(630a)의 윗면에 제1 코일층(610a)이 형성되고, 인쇄회로기판(630a)의 아랫면에 제2 코일층(610b)이 형성될 수 있다.뿐만 아니라, 다층 인쇄회로기판(630b)의 윗면에 제1 코일층(610b)이 형성되고, 인쇄회로기판(630b)의 내부에 제2 코일층(620b)이 형성될 수도 있다. 이는 인쇄회로기판(630)상에 제1 코일층(610)과 제2 코일층(620)이 배치되는 예시에 불과하며, 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)은 인쇄회로기판에 다양한 방식으로 배치될 수 있다.The
인쇄회로기판(630)은 종이 페놀(Paper Phenol), 종이 에폭시(Paper Epoxy), 종이 폴리에스테르(Paper Polyester), 폴리에스테르 필름(Polyester film), 폴리이미드 필름(Polyimid film, 세라믹(ceramic), 산화피막이 형성된 알루미늄(anodized aluminum), 테프론(Teflon), 세라믹(Ceramic) 등이 사용될 수 있다. 인쇄회로기판(630)의 루프인 패턴은 구리, 금, 은, 알루미늄 등 금속 내지 도전성 물질이 사용될 수 있다.The printed
도 6b 내지 도 6f에 개시된 (A) 내지 (H)는 다층 코일(600)의 실시예들을 나타낸다. (A) to (H) disclosed in FIGS. 6B to 6F represent embodiments of the multilayer coil 600.
도 6b의 (A)는 다층 코일(600)의 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)의 모든 루프들이 직렬로 연결된 것을 나타낸다. 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)에 포함된 복수의 루프들에는 동일한 전류 I1이 동일한 방향(예를 들어, 평면에 수직으로 입사하는 방향)으로 흐른다. 해당 연결 구조는 제1 코일층(610)만 구성된 루프에 비하여 자기 인덕턴스를 4배 이상 증가시킬 수 있다. 한편, 제2 코일층(620)의 루프들은 다층 코일(600)의 목표하는 자기 인덕턴스만큼 추가 또는 제외되어 다층 코일(600)의 자기 인덕턴스를 조절할 수 있다. 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)은 인쇄회로기판(630)에 배치될 수 있으며, 비아(640)를 통해 코일층간 수직으로 연결될 수 있다. 이는 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)에 포함된 모든 루프들이 직렬로 연결되는 하나의 예시에 불과하며, 도 6b에 개시된 바와 다른 연결 방식을 통해 직렬로 연결될 수도 있다. (A) of FIG. 6B shows that all loops of the
도 6c의 (B)는 다층 코일(600)의 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)의 상하루프 사이에 병렬로 연결된 것을 나타낸다. 도 6c의 (B)를 참조하면, 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들에 대응하여 병렬 연결될 수 있다.(B) of FIG. 6C shows parallel connection between the upper and lower loops of the
제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)의 대응하는 루프가 병렬 연결된 경우, 제1 코일층(610)의 하나의 루프와 이에 대응하는 제2 코일층(620)의 루프를 통틀어서 전류 I1가 동일한 방향으로 흐른다. 한편, 병렬 연결된 루프 사이에는 개별 루프의 임피던스에 따라 전류가 다르게 흐를 수 있다. 도 6c의 (B)에 따른 연결 방식은 메가헤르츠 수준의 고주파수 대역 또는 그 이하의 대역에서 다층 코일(600)의 도선에서 발생하는 교류 저항을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 6.78Mhz 주파수가 사용된다고 가정하면, 코일의 저항을 낮추기 위해서는 루프를 구성하는 금속 도선의 두께, 특히 인쇄회로기판(630)을 이용하는 경우 그 패턴의 두께를 3 내지 4 온스(Oz) 으로 형성하는 것이 바람직하다. 인쇄회로기판(630)의 패턴의 두께가 작을 경우 표피효과에 의한 저항성분이 급격히 증가하여, 코일 전체의 손실 저항을 높이게 되므로, 무선전력전송 시스템의 발열뿐만 아니라 전력 전송 효율에서 손해가 발생할 수 있다. 한편, 인쇄회로기판(630)의 경우 일반적으로 2 온스까지 용이하게 제작할 수 있지만, 그 이상의 경우에는 패턴을 제작하는데 제한된다. 따라서 도 6c의 (B)와 같이 인쇄회로기판(630)의 양면에 2온스로 패턴을 제작하고, 인쇄회로기판(630)의 상하 루프를 병렬로 연결할 경우, 다층 코일(600)의 두께가 2배로 증가하는 저항 개선 효과를 얻을 수 있다. 한편, 제2 코일층(620)에 제1 코일층의 루프와 병렬로 연결되는 루프의 수를 조절하여 다층 코일(600)의 저항을 조절할 수도 있다.When the corresponding loops of the
제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)은 인쇄회로기판(630)에 배치될 수 있으며, 코일층 간에는 비아(640)를 통해 연결될 수 있다. The
도 6d의 (C)는 제2 코일층(620)의 일부의 루프만을 사용하며, 제2 코일층(620)의 루프 각각은 제1 코일층(610)의 루프와 직렬 연결 또는 병렬 연결되는 것을 나타낸다.(C) of FIG. 6D uses only a portion of the loops of the
도 6d의 (C)에 따르면, 인쇄회로기판(630)에 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)이 배치된다. 이때, 제1 코일층(610)의 루프들 사이에 직렬로 연결된 부분을 통해 다층 코일(600)의 자기장의 세기를 증가시킬 수 있으며, 최외각 루프 및 최내각 루프에서 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620) 사이에 비아(640)를 통해 병렬로 연결된 부분은 다층 코일(600)의 교류 저항 성분을 낮출 수 있다.According to (C) of FIG. 6D, the
도 6e의 (D)에 따르면, 다층 코일(600)의 제1 코일층(610)의 최내각 루프 및 최외각 루프와 제2 코일층(620)의 루프는 병렬로 연결되고, 제1 코일층(610)의 내부 루프는 제2 코일층(620)의 루프와 직렬로 연결된다. 도 5에서 상술한 바와 같이, 일반적으로 코일의 최외각 루프와 최내각 루프에서 근접효과에 의해 전류 분포가 모서리 측으로 편향되어 전류가 흐르는 면적이 크게 줄어든다. 이때, 제1 코일층(610)의 최내각 루프와 최외각 루프에는 제2 코일층(620)의 루프와 병렬로 연결하여 저항을 낮출 수 있다. 한편, 루프 중심에 해당하는 도선에서는 근접효과에 의한 영향이 상대적으로 작기 때문에, 제1 코일층(610)의 루프와 제2 코일층(620)의 루프를 직렬로 연결하여 자기 인덕턴스를 증가시킬 수 있다. 이때, 다층 코일(600)의 자기 인덕턴스를 조절하기 위해 제1 코일층(610)과 직렬로 연결되는 제2 코일층(620)의 루프의 개수를 조절할 수 있다. According to (D) of FIG. 6E, the innermost loop and outermost loop of the
도 6f의 (E)는 제1 코일층(610) 루프 및 제2 코일층(620) 루프 중 최외각 루프는 병렬 연결을 통해 다층 코일(600)의 저항을 낮출 수 있다. 또한, 제2 코일층(620)의 다른 루프들은 제1 코일층(610)의 루프와 일치하지 않는 위치에 배치될 수도 있다. 이를 통하여, 다층 코일(600)의 자기장을 조절하여 송신 코일 및 수신 코일간 상호 인덕턴스를 조절하거나, 다층 코일(600)의 자기 인덕턴스를 조절할 수 있다.In (E) of FIG. 6F, the outermost loop of the loop of the
도 6f의 (F)는 제2 코일층(620)의 루프 중 일부는 제1 코일층(610)의 루프와 일치하는 위치에 배치되고, 일부는 제1 코일층(610)의 루프와 일치하지 않는 위치에 배치될 수 있다. 이를 통해 송신 코일 및 수신 코일간의 상호 인덕턴스를 개선할 수 있다.(F) of FIG. 6F shows that some of the loops of the
도 6f의 (G)는 제1 코일층(610)의 둘 이상의 루프와 제2 코일층(620)의 루프를 서로 병렬로 연결할 수 있다. 이를 통해 다층 코일(600)의 자기 인덕턴스를 낮출 수 있고, 자기장의 세기 또한 낮추도록 조절할 수 있다. 특히, 자기장의 세기를 조절하여 다층 코일(600)에서 발생하는 자기장이 외부에 미치는 영향을 줄일 수 있다.In (G) of FIG. 6F, two or more loops of the
도 6f의 (H)는 (E)의 실시예에서 제1 코일층(610)의 최외각 루프와 제2 코일층(620)의 최외각 루프를 직렬로 연결하고, 제1 코일층(610)의 최외각 루프와 이에 인접하는 루프를 병렬로 연결한 구조를 나타낸다. 이를 통해 다층 코일(600)에 형성되는 자기장의 형태를 개선할 수도 있다.In (H) of FIG. 6F, in the embodiment of (E), the outermost loop of the
전술한 예시를 통해 코일의 자기 인덕턴스 와 손실 저항의 비율로 정의되는 품질 계수(Quality Factor, ωL/R)는 동일하더라도, 다양한 다층 코일(600) 설계가 가능하다. Through the above-described example, even if the quality factor (ωL/R), which is defined as the ratio of the coil's self-inductance and loss resistance, is the same, various multilayer coil 600 designs are possible.
예를 들어, 무선전력전송 시스템 상 코일의 자기 인덕턴스에 비해 낮은 저항이 요구되는 경우, 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)의 루프들을 병렬로 구성하여 다층 코일(600)의 저항을 낮출 수 있다. For example, when low resistance is required compared to the self-inductance of the coil in the wireless power transmission system, the loops of the
반대로, 저항에 비해 높은 자기 인덕턴스가 요구되는 경우, 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)의 루프들을 직렬로 연결하여 자기 인덕턴스를 증가시킬 수 있다. 또한, 자기 인덕턴스와 손실 저항을 맞추기 위해서 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620)의 루프들을 직렬 또는 병렬로 혼합하여 연결할 수도 있다.Conversely, when high self-inductance is required compared to resistance, self-inductance can be increased by connecting loops of the
또한, 무선전력전송 시스템 상의 코일의 상호 인덕턴스를 증가시키기 위해서도 직렬로 연결되는 루프를 제2 코일층(620)에 추가할 수도 있다. 다층 코일(600)에 직렬로 연결되는 루프가 추가되는 경우, 다층 코일(600)에 의한 자기장의 세기가 증가하며, 이에 따라서 상호 인덕턴스도 증가될 수 있다. 다층 코일(600)에 직렬 연결되는 루프를 추가적으로 배치하여 상호 인덕턴스는 증가시키고, 손실 저항의 증가를 최소화 하도록 병렬 연결되는 루프도 배치한다면, 무선전력전송 시스템의 결합 효율이 증가될 수 있다.Additionally, in order to increase the mutual inductance of the coils in the wireless power transmission system, loops connected in series may be added to the
한편, 다층 코일은 제1 코일층(610) 및 제2 코일층(620) 뿐만 아니라 추가적인 코일층(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 이때, 제1 코일층(610)은 인쇄회로기판(630)의 윗면에, 제2 코일층(620)은 인쇄회로기판(630)의 내부에, 추가 적인 제3 코일층은 인쇄회로기판(630)의 아랫면에 배치될 수 있다.제1 코일층(610) 내지 제3 코일층의 루프들은 상술한 방식을 통해 연결될 수 있다. Meanwhile, the multilayer coil may further include not only the
한편, 도 6b 내지 도 6f의 (A) 내지 (G)는 예시적인 것으로, 제2 코일층(620)의 루프 구성과 제1 코일층(610)-제2 코일층(620)의 루프간 또는 추가적인 코일층 간의 연결 관계는 상술한 예시에 한정되지 않고, 다양한 방식이 이용될 수 있다. Meanwhile, (A) to (G) of FIGS. 6B to 6F are exemplary, and the loop configuration of the
도 7은 본 개시의 실시예들에 따른 다른 층에 속한 루프들 사이 연결 관계의 예시를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing an example of a connection relationship between loops belonging to different layers according to embodiments of the present disclosure.
도 7을 참조하면, 제1 코일층(710) 및 제2 코일층(720)의 루프들 사이에 직렬 연결 또는 병렬 연결될 수 있다.Referring to FIG. 7, loops of the first coil layer 710 and the second coil layer 720 may be connected in series or in parallel.
도 7의 (A)를 참조하면, 제1 코일층(710)에 전류 I1이 입력되고, 전류 I1는 제1 코일층(710)의 제1 루프(LP1)에서 제2 코일층(720)의 제2 루프(LP2)로 전달되고, 제2 코일층(720)의 제2 루프(LP2)에서 제1 코일층(710)의 제3 루프(LP3)으로 전달될 수 있다. 이때, 제1 코일층(710) 및 제2 코일층(720)의 루프들이 인쇄회로기판 상의 패턴인 경우, 제1 루프(LP1)와 제2 루프(LP2) 사이는 인쇄회로기판의 비아(740)를 통해 연결될 수 있다. 제2 루프(LP2)와 제3 루프(LP3) 사이 또한 인쇄회로기판(730)의 비아(740)를 통해 연결될 수 있다. 이를 통해, 제1 코일층(710)의 제1 루프(LP1), 제3 루프(LP3) 및 제2 코일층(720)의 제2 루프(LP2)가 직렬로 연결될 수 있다.Referring to (A) of FIG. 7, the current I1 is input to the first coil layer 710, and the current I1 flows from the first loop LP1 of the first coil layer 710 to the second coil layer 720. It may be transmitted to the second loop LP2, and from the second loop LP2 of the second coil layer 720 to the third loop LP3 of the first coil layer 710. At this time, when the loops of the first coil layer 710 and the second coil layer 720 are patterns on the printed circuit board, the via 740 of the printed circuit board is between the first loop (LP1) and the second loop (LP2). ) can be connected through. The second loop LP2 and the third loop LP3 may also be connected through the via 740 of the printed circuit board 730. Through this, the first loop (LP1), the third loop (LP3) of the first coil layer 710, and the second loop (LP2) of the second coil layer 720 may be connected in series.
도 7의 (B)를 참조하면, 제1 코일층(710)의 제4 루프(LP4) 및 제2 코일층(720)의 제5 루프(LP5)는 병렬로 연결될 수 있다. 제1 코일층(710)에 전류 I1이 입력되고, 전류 I1은 제1 코일층(710)의 제4 루프(LP4)와 제2 코일층(720)의 제5 루프(LP5)로 나뉠 수 있다. 제4 루프(LP4)에 흐르는 전류 Ia와 제5 루프(LP5)에 흐르는 전류 Ib의 합은 제1 코일층(710)에 입력된 전류 I1일 수 있다. 전류 Ia와 전류 Ib는 제4 루프(LP4) 및 제5 루프(LP5)의 임피던스에 따라 나뉘어 흐를 수 있다. 한편, 제1 코일층(710) 및 제2 코일층(720)의 루프들이 인쇄회로기판(730) 상의 패턴인 경우, 제4 루프(LP4)와 제5 루프(LP5) 사이는 인쇄회로기판(730)의 비아(740)를 통해 연결될 수 있다. 이를 통해, 제1 코일층(710)의 제4 루프(LP4)와 제2 코일층(720)의 제5 루프(LP5)가 직렬로 연결될 수 있다. Referring to (B) of FIG. 7 , the fourth loop LP4 of the first coil layer 710 and the fifth loop LP5 of the second coil layer 720 may be connected in parallel. Current I1 is input to the first coil layer 710, and the current I1 can be divided into the fourth loop LP4 of the first coil layer 710 and the fifth loop LP5 of the second coil layer 720. . The sum of the current Ia flowing in the fourth loop LP4 and the current Ib flowing in the fifth loop LP5 may be the current I1 input to the first coil layer 710. Current Ia and current Ib may flow separately depending on the impedance of the fourth loop (LP4) and the fifth loop (LP5). Meanwhile, when the loops of the first coil layer 710 and the second coil layer 720 are patterns on the printed circuit board 730, the space between the fourth loop LP4 and the fifth loop LP5 is a printed circuit board ( It can be connected through the via 740 of 730). Through this, the fourth loop LP4 of the first coil layer 710 and the fifth loop LP5 of the second coil layer 720 may be connected in series.
도 8은 본 개시의 실시예들에 따른 동일한 층에 속한 루프들 사이 연결관계의 예시를 나타낸 도면이다.Figure 8 is a diagram showing an example of a connection relationship between loops belonging to the same layer according to embodiments of the present disclosure.
도 8을 참조하면, 동일한 층의 루프들 사이에 직렬 연결, 또는 병렬 연결 될 수 있다.Referring to FIG. 8, loops of the same layer may be connected in series or in parallel.
도 8의 (A)를 참조하면, 코일에 입력된 전류 I1은 제6 루프(LP6)를 통하여 제7 루프(LP7)에 전달될 수 있다. 이때 제6 루프(LP6) 및 제7 루프(LP7)에는 동일 값의 전류가 흐를 수 있다. Referring to (A) of FIG. 8, the current I1 input to the coil may be transmitted to the seventh loop LP7 through the sixth loop LP6. At this time, the same value of current may flow through the sixth loop (LP6) and the seventh loop (LP7).
도 8의 (B)를 참조하면, 코일에 입력된 전류 I1은 병렬 연결된 제8 루프(LP8) 및 제9 루프(LP9)로 나뉘어 흐를 수 있다. 이때, 제8 루프(LP8)에 흐르는 전류 Ic와 제9 루프(LP9)에 흐르는 전류 Id는 각 루프의 임피던스에 따라 나뉠 수 있다.Referring to (B) of FIG. 8, the current I1 input to the coil may flow divided into the eighth loop (LP8) and the ninth loop (LP9) connected in parallel. At this time, the current Ic flowing in the eighth loop LP8 and the current Id flowing in the ninth loop LP9 can be divided according to the impedance of each loop.
도 9는 본 개시의 실시예들에 따른 코일의 루프 배치의 예시를 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating an example of coil loop arrangement according to embodiments of the present disclosure.
도 9를 참조하면, 다층 코일(900)은 제1 코일층(910) 및 제1 코일층(910)과 다른 평면상에 배치되며, 특정 위치에 제1 코일층(910)의 루프와 직렬로 연결되는 루프가 추가된 제2 코일층(920)을 포함할 수 있다. 제2 코일층(920)에 포함된 루프들은 서로 다른 중심을 기준으로 배치될 수 있다. 이때, 제2 코일층(920)에 포함된 루프들에 의해, 다층 코일(900)의 특정 부분에 형성되는 자기장의 세기가 증가하며, 이를 통해, 다른 코일과의 상호 인덕턴스가 증가될 수 있다. Referring to FIG. 9, the
도 6a 내지 도 9에서 제시한 다층 코일을 통하여, 무선전력전송 시스템의 코일의 자기 인덕턴스를 증가시키거나 감소시킬 수 있으며, 고주파 교류 전류에 의한 손실 저항 또한 낮출 수 있다. 손실 저항을 낮춤으로써 그로 인한 발열을 억제할 수 있으며, 무선전력전송 시스템의 결합 효율을 크게 개선할 수 있다.Through the multilayer coil shown in FIGS. 6A to 9, the self-inductance of the coil of the wireless power transmission system can be increased or decreased, and the loss resistance due to high-frequency alternating current can also be reduced. By lowering the loss resistance, the resulting heat generation can be suppressed, and the coupling efficiency of the wireless power transmission system can be greatly improved.
또한, 본 개시에 따른 실시예들에 의하면, 무선전력전송 시스템의 자기장을 증가시키거나 낮추도록 조절할 수도 있다. 무선전력전송 시스템의 자기장을 증가시키는 경우 상호 인덕턴스가 증가하여 송신 코일 및 수신 코일간 결합 효율이 증가할 것이다. 또한, 상호 인덕턴스가 증가될수록 전자기 유도 현상에 의한 유도 기전력이 증가하여, 정류회로에서의 손실 또한 낮출 수 있다.Additionally, according to embodiments according to the present disclosure, the magnetic field of the wireless power transmission system may be adjusted to increase or decrease. When the magnetic field of the wireless power transmission system is increased, the mutual inductance will increase, thereby increasing the coupling efficiency between the transmitting coil and the receiving coil. In addition, as the mutual inductance increases, the induced electromotive force due to electromagnetic induction phenomenon increases, and the loss in the rectifier circuit can also be reduced.
또한, 코일의 다층 구조에 따른 병렬 구성을 통하여 금속 도선의 두께를 증가시키는 효과를 가져올 수 있고, 이에 따른 코일의 손실 저항을 낮추고 무선전력전송 시스템의 효율을 개선할 수 있다. In addition, the parallel configuration according to the multi-layer structure of the coil can have the effect of increasing the thickness of the metal conductor, thereby lowering the loss resistance of the coil and improving the efficiency of the wireless power transmission system.
이상에서 설명한 본 개시의 실시예들을 간략하게 설명하면 아래와 같다.The embodiments of the present disclosure described above are briefly described as follows.
본 개시에 따른 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 인쇄회로기판, 인쇄회로기판의 제1면에 배치되고, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층, 인쇄회로기판의 제1 면과 다른 제2면에 배치되고, 적어도 하나의 루프를 포함하는 제2 코일층을 포함할 수 있다. 제2 코일층에 포함된 루프는 제1 코일층의 루프와 비아를 통해 직렬 연결 또는 병렬 연결될 수 있다. According to the multilayer coil according to embodiments according to the present disclosure, a printed circuit board, a first coil layer disposed on the first side of the printed circuit board and including a plurality of loops, and a first coil layer different from the first side of the printed circuit board. It is disposed on two sides and may include a second coil layer including at least one loop. The loops included in the second coil layer may be connected in series or in parallel through the loops and vias in the first coil layer.
본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들에 대응하여 병렬 연결될 수 있다.According to the multilayer coil according to embodiments of the present disclosure, a plurality of loops included in the second coil layer may be connected in parallel to correspond to a plurality of loops included in the first coil layer.
본 개시에 따른 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 상기 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들 중 적어도 일부는 병렬 연결 또는 직렬 연결될 수 있다.According to the multilayer coil according to embodiments according to the present disclosure, at least some of the plurality of loops included in the first coil layer may be connected in parallel or in series.
본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 제2 코일층에 포함된 루프 중 적어도 하나는 제1 코일층의 최내각 루프 또는 최외각 루프와 병렬 연결될 수 있다.According to the multilayer coil according to embodiments of the present disclosure, at least one of the loops included in the second coil layer may be connected in parallel with the innermost loop or the outermost loop of the first coil layer.
본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 제2 코일층의 루프 중 적어도 하나는 제1 코일층의 루프와 일치하지 않도록 배치될 수 있다.According to the multilayer coil according to embodiments of the present disclosure, at least one of the loops of the second coil layer may be arranged not to match the loop of the first coil layer.
본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 제1 코일층에 포함된 둘 이상의 루프와 제2 코일층에 포함된 하나 이상의 루프가 병렬 연결될 수 있다.According to the multilayer coil according to embodiments of the present disclosure, two or more loops included in the first coil layer and one or more loops included in the second coil layer may be connected in parallel.
본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 제1 코일층 및 제2 코일층은 스파이럴 코일(Spiral Coil) 형태일 수 있다.According to the multilayer coil according to embodiments of the present disclosure, the first coil layer and the second coil layer may be in the form of a spiral coil.
본 개시의 실시예들에 따른 다층 코일에 의하면, 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 적어도 두 중심을 기준으로 형성될 수 있다.According to the multilayer coil according to embodiments of the present disclosure, a plurality of loops included in the second coil layer may be formed based on at least two centers.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면, 시변 전류를 공급하는 전원 소스 및 전원 소스로부터 공급된 시변 전류를 통해 시변 자속을 형성하는 송신 코일을 포함하는 무선전력전송 송신기, 시변 자속에 의한 전력을 수신하는 수신 코일을 포함하는 무선전력전송 수신기를 포함할 수 있다.According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, a wireless power transmission transmitter including a power source that supplies a time-varying current and a transmission coil that forms a time-varying magnetic flux through the time-varying current supplied from the power source, the time-varying magnetic flux It may include a wireless power transmission receiver including a receiving coil that receives power.
이때, 송신 코일 또는 수신 코일은 인쇄회로기판, 인쇄회로기판의 제1면에 배치되고, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층 및 인쇄회로기판의 제1 면과 다른 제2 면에 배치되고, 적어도 하나의 루프를 포함하는 제2 코일층을 포함할 수 있다. 제2 코일층에 포함된 루프는 제1 코일층의 루프와 비아를 통해 직렬 연결 또는 병렬 연결될 수 있다.At this time, the transmitting coil or the receiving coil is disposed on a printed circuit board, a first side of the printed circuit board, a first coil layer including a plurality of loops, and a second side different from the first side of the printed circuit board, It may include a second coil layer including at least one loop. The loops included in the second coil layer may be connected in series or in parallel through the loops and vias in the first coil layer.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면, 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들에 대응하여 병렬 연결될 수 있다.According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, a plurality of loops included in the second coil layer may be connected in parallel to correspond to a plurality of loops included in the first coil layer.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면, 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들 중 적어도 일부는 병렬 연결 또는 직렬 연결될 수 있다. According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, at least some of the plurality of loops included in the first coil layer may be connected in parallel or in series.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면, 제2 코일층에 포함된 루프들 중 적어도 하나는 제1 코일층의 최내각 루프 또는 최외각 루프와 병렬 연결될 수 있다.According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, at least one of the loops included in the second coil layer may be connected in parallel with the innermost loop or the outermost loop of the first coil layer.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면, 제2 코일층의 루프 중 적어도 하나는 제1 코일층의 루프와 일치하지 않도록 배치될 수 있다.According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, at least one of the loops of the second coil layer may be arranged not to match the loop of the first coil layer.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면 제1 코일층에 포함된 둘 이상의 루프와 제2 코일층에 포함된 하나 이상의 루프가 병렬 연결될 수 있다.According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, two or more loops included in the first coil layer and one or more loops included in the second coil layer may be connected in parallel.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면, 제1 코일층 및 제2 코일층은 스파이럴 코일 형태일 수 있다.According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, the first coil layer and the second coil layer may be in the form of a spiral coil.
본 개시의 실시예들에 따른 무선전력전송 시스템에 의하면, 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 적어도 두 중심을 기준으로 형성될 수 있다.According to the wireless power transmission system according to embodiments of the present disclosure, a plurality of loops included in the second coil layer may be formed based on at least two centers.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 개시에 개시된 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present disclosure, and those skilled in the art will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present disclosure. In addition, the embodiments disclosed in the present disclosure are not intended to limit the technical idea of the present disclosure, but rather are for explanation, and therefore the scope of the technical idea of the present disclosure is not limited by these embodiments. The scope of protection of this disclosure should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of this disclosure.
100: 무선전력전송 시스템
110: 송신 코일
120: 전원 소스
130: 수신 코일
140: 부하100: wireless power transmission system 110: transmission coil
120: power source 130: receiving coil
140: load
Claims (16)
상기 기판의 제1면에 배치되고, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층; 및
상기 기판의 상기 제1면과 다른 제2면에 배치되고, 적어도 하나의 루프를 포함하는 제2 코일층;을 포함하고,
상기 제2 코일층에 포함된 루프는 제1 코일층의 루프와 비아를 통해 직렬 연결 또는 병렬 연결되는 다층 코일.
Board;
a first coil layer disposed on the first surface of the substrate and including a plurality of loops; and
A second coil layer is disposed on a second side of the substrate different from the first side and includes at least one loop,
A multilayer coil in which the loop included in the second coil layer is connected in series or in parallel through a loop and a via in the first coil layer.
상기 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 상기 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들에 대응하여 병렬 연결되는 다층 코일.
According to paragraph 1,
A multilayer coil in which a plurality of loops included in the second coil layer are connected in parallel to correspond to a plurality of loops included in the first coil layer.
상기 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들 중 적어도 일부는 병렬 연결 또는 직렬 연결되는 다층 코일.
According to paragraph 1,
A multilayer coil in which at least some of the plurality of loops included in the first coil layer are connected in parallel or in series.
상기 제2 코일층에 포함된 루프 중 적어도 하나는 상기 제1 코일층의 최내각 루프 또는 최외각 루프와 병렬 연결되는 다층 코일.
According to paragraph 1,
A multilayer coil wherein at least one of the loops included in the second coil layer is connected in parallel with an innermost loop or an outermost loop of the first coil layer.
상기 제2 코일층의 루프 중 적어도 하나는 상기 제1 코일층의 루프와 일치하지 않도록 배치되는 다층 코일.
According to paragraph 1,
A multilayer coil wherein at least one of the loops of the second coil layer is arranged not to coincide with a loop of the first coil layer.
상기 제1 코일층에 포함된 둘 이상의 루프와 상기 제2 코일층에 포함된 하나 이상의 루프가 병렬 연결되는 다층 코일.
According to paragraph 1,
A multilayer coil in which two or more loops included in the first coil layer and one or more loops included in the second coil layer are connected in parallel.
상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층은 스파이럴 코일(Spiral Coil) 형태인 다층 코일.
According to paragraph 1,
The first coil layer and the second coil layer are a multilayer coil in the form of a spiral coil.
상기 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 적어도 두 중심을 기준으로 형성되는 다층 코일.
According to paragraph 1,
A multilayer coil in which a plurality of loops included in the second coil layer are formed based on at least two centers.
상기 시변 자속에 의한 전력을 수신하는 수신 코일을 포함하는 무선전력전송 수신기;를 포함하는 무선전력전송 시스템에 있어서,
상기 송신 코일 또는 상기 수신 코일은,
기판;
상기 기판의 제1면에 배치되고, 복수의 루프들을 포함하는 제1 코일층; 및
상기 기판의 상기 제1면과 다른 제2면에 배치되고, 적어도 하나의 루프를 포함하는 제2 코일층;을 포함하고,
상기 제2 코일층에 포함된 루프는 제1 코일층의 루프와 비아를 통해 직렬 연결 또는 병렬 연결되어는 다층 코일인 무선전력전송 시스템.
A wireless power transmission transmitter including a power source that supplies a time-varying current and a transmitting coil that forms a time-varying magnetic flux through the time-varying current supplied from the power source;
In a wireless power transmission system including a wireless power transmission receiver including a receiving coil for receiving power by the time-varying magnetic flux,
The transmitting coil or the receiving coil is,
Board;
a first coil layer disposed on the first surface of the substrate and including a plurality of loops; and
A second coil layer is disposed on a second side of the substrate different from the first side and includes at least one loop,
A wireless power transmission system in which the loop included in the second coil layer is a multilayer coil connected in series or parallel through a loop and a via in the first coil layer.
상기 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 상기 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들에 대응하여 병렬 연결되는 무선전력전송 시스템.
According to clause 9,
A wireless power transmission system in which a plurality of loops included in the second coil layer are connected in parallel to correspond to a plurality of loops included in the first coil layer.
상기 제1 코일층에 포함된 복수의 루프들 중 적어도 일부는 병렬 연결 또는 직렬 연결되는 무선전력전송 시스템.
According to clause 9,
A wireless power transmission system in which at least some of the plurality of loops included in the first coil layer are connected in parallel or in series.
상기 제2 코일층에 포함된 루프 중 적어도 하나는 상기 제1 코일층의 최내각 루프 또는 최외각 루프와 병렬 연결되는 무선전력전송 시스템.
According to clause 9,
A wireless power transmission system in which at least one of the loops included in the second coil layer is connected in parallel with an innermost loop or an outermost loop of the first coil layer.
상기 제2 코일층의 루프 중 적어도 하나는 상기 제1 코일층의 루프와 일치하지 않도록 배치되는 무선전력전송 시스템.
According to clause 9,
A wireless power transmission system wherein at least one of the loops of the second coil layer is arranged not to match the loop of the first coil layer.
상기 제1 코일층에 포함된 둘 이상의 루프와 상기 제2 코일층에 포함된 하나 이상의 루프가 병렬 연결되는 무선전력전송 시스템.
According to clause 9,
A wireless power transmission system in which two or more loops included in the first coil layer and one or more loops included in the second coil layer are connected in parallel.
상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층은 스파이럴 코일(Spiral Coil) 형태인 무선전력전송 시스템.
According to clause 9,
The first coil layer and the second coil layer are in the form of a spiral coil.
상기 제2 코일층에 포함된 복수의 루프들은 적어도 두 중심을 기준으로 형성되는 무선전력전송 시스템.
According to clause 9,
A wireless power transmission system in which a plurality of loops included in the second coil layer are formed based on at least two centers.
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