WO2012074342A2 - 무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치 - Google Patents

무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치 Download PDF

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WO2012074342A2
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diode
wireless energy
portable electronic
receiving device
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윤석현
조준경
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주식회사 엘트로닉스
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H04B5/26—
    • H04B5/79—

Definitions

  • the present invention relates to a wireless energy receiver and a portable electronic device including the same, and more particularly, to a wireless energy receiver and a portable electronic device including the same that can increase power efficiency.
  • a wireless energy transmission system including a wireless energy transmitter and a wireless energy receiver is required.
  • the wireless energy transmission system may provide a wireless charging service to a portable electronic device even when the user is not aware of it, thereby improving user convenience and mobility.
  • a conventional wireless energy receiver (not shown) mainly uses a rectifier circuit composed of transformers and diodes in which a center tap is installed on a secondary winding for full wave rectification.
  • a first diode is connected to one end of a secondary winding of a transformer and a second diode is connected to the other end.
  • the transformer rectifies the input signal through the first diode and the second diode by inducing current in different directions according to the polarity of the sine wave input using the inductor function due to the coil being wound.
  • the transformer has a constant resistance component as a passive element, and a certain magnetic loss occurs when transferring current from the primary side to the secondary side. Therefore, there is a problem that a constant power loss occurs when rectifying the input signal to the rectifier circuit using a transformer in the wireless energy receiver.
  • the transformer is a passive element having a constant volume, according to the trend of miniaturization of portable electronic devices, it has been a limitation in configuring the rectifier circuit into one chip. In other words, the transformer cannot be integrated in the rectifier circuit, and has to be configured in a separate off-chip form.
  • An embodiment of the present invention is to provide a wireless energy receiving device that can be miniaturized while increasing power efficiency and a portable electronic device including the same.
  • a wireless energy receiver including a full wave rectifier, wherein the full wave rectifier includes a ring-shaped radiator having a central portion connected to ground.
  • An antenna for inducing current in different directions according to polarities of input signals received through the radiator; A first diode connected to one end of the antenna and rectifying a current having a first polarity induced by the antenna; And a second diode connected to the other end of the antenna and rectifying a current having a second polarity induced by the antenna.
  • the portable electronic device to receive the input signal using an antenna having a ring-shaped radiator, the central portion is connected to the ground, and through the antenna of the input signal
  • a wireless energy receiver comprising a full wave rectifier for rectifying the input signal by inducing a current to a first diode or a second diode according to a polarity; And a battery charged with a voltage applied from the wireless energy receiver.
  • the embodiment of the present invention can improve the performance of the existing rectifier while removing the existing transformer, it is possible to miniaturize the wireless energy receiving device and the portable electronic device including the same.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the wireless energy receiver of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the wireless energy transfer system of FIG.
  • FIG. 4 is a waveform diagram simulating a diode output voltage of a conventional rectifier.
  • FIG. 5 is a waveform diagram illustrating the input voltage applied to each of the diodes in the conventional rectifier and the diode output voltage of FIG.
  • FIG. 6 is a waveform diagram simulating a diode output voltage in the rectifier of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a waveform diagram illustrating an input voltage applied to each of the diodes and an output voltage of the diode in the rectifier of FIG. 2 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a wireless energy transmission system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing the configuration of a wireless energy receiving apparatus of Figure 1
  • Figure 3 is a wireless energy transmission system of Figure 1 Is an equivalent circuit diagram of.
  • a wireless energy transmission system 100 includes a portable electronic device including a wireless energy transmitter 101, a wireless energy receiver 102, and a battery 103. 104).
  • the wireless energy transmitter 101 transmits energy wirelessly in the form of a sine wave.
  • the wireless energy receiver 102 includes a rectifier 106, a capacitor C1, and an output terminal 110, as shown in FIG. 2.
  • the rectifier 106 includes a ring antenna 108 and a plurality of first and second diodes D1 and D2, and receives and rectifies a sinusoidal input signal from the wireless energy transmitter 101. Perform the function.
  • the rectifier 106 is a full wave rectifier.
  • the rectifier 106 rectifies two half waves of the input signal and outputs the full wave as a monopolar full wave.
  • the ring antenna 108 is an antenna in which a radiator for transmitting and receiving a signal is bent in a ring shape. Accordingly, the ring antenna 108 has an inductor function due to the ring shape along with a basic reception function for receiving an input signal.
  • the present invention performs rectification of the input signal using the inductor function of the ring antenna.
  • by twisting the radiator several times so that the ring antenna 108 has a plurality of ring shapes it is possible to adjust the inductance value of the ring antenna 108.
  • the first diode D1 is connected to one end of the ring antenna 108 and the second diode D2 is connected to the other end of the ring antenna 108. In addition, the first diode D1 and the second diode D2 share the output terminal 110.
  • the capacitor C1 is a smoothing element, which is connected between the output terminal 110 and ground (not shown), and performs a function of smoothing the full-wave rectified input signal from the rectifier 106.
  • the output terminal 110 is a port for transmitting the output signal generated through the rectification and smoothing process to another device or circuit.
  • the battery 103 is charged by receiving a voltage according to the output signal through the output terminal 110 of the wireless energy receiver 102.
  • the ring antenna 108 When the input signal received from the wireless energy transmitter 101 is a positive half wave, the ring antenna 108 induces a current in the direction of the first diode D1 by the inductor function. Accordingly, the first diode D1 is turned on and the second diode D2 is cut off. On the contrary, when the input signal is converted from plus to minus to become a negative half wave, the ring antenna 108 induces a current in the direction of the second diode D2. Accordingly, the first diode D1 is cut off and the second diode D2 is turned on. That is, the ring antenna 108 rectifies the input signal by rectifying the positive half wave of the input signal through the first diode D1 and rectifying the negative half wave through the second diode D2 by inverting the polarity.
  • the capacitor C1 smoothes the current transmitted to the output terminal 110 through the first and second diodes D1 and D2.
  • the ring antenna 108 is connected to ground at the center of the radiator length. That is, when the grounded curved radiator is straightened, the radiator is positioned at the center between one end and the other end of the radiator. This is to equalize the frequency of the positive half wave and the negative half wave of the input signal, so that the positive half wave and the negative half wave rectified through the first diode D1 and the second diode D2 are arranged in order.
  • the wireless energy receiver 102 receives an input signal using a ring antenna 108 having an inductor function, and induces a different direction of current according to the polarity of the input signal.
  • Full-wave rectification is performed through the first diode D1 and the second diode D2.
  • the full-wave rectified output signal is transferred to the battery 103 to charge the battery 103.
  • the portable electronic device 104 uses a ring antenna 108 having an inductor function to receive and rectify energy transmitted wirelessly to charge the battery 103.
  • the wireless energy transmission system 100 may be equivalent to a circuit including a transmitting antenna 300 and a receiving antenna 302.
  • the transmitting end antenna 300 refers to an antenna for wirelessly transmitting energy in the wireless energy transmitting apparatus 101
  • the receiving end antenna 302 refers to an antenna for receiving energy in the wireless energy receiving apparatus 102.
  • the receiving antenna 302 is an equivalent circuit of the ring antenna of FIG. Since the ring antenna has an inductor function and ground is installed at the center of the radiator length, the ring antenna may be equivalent to the receiving end antenna 302 having an inductor provided with a center tap.
  • FIG. 4 is a waveform diagram simulating a diode output voltage of a conventional rectifier
  • FIG. 5 is a waveform diagram showing an input voltage applied to each diode in the conventional rectifier and the diode output voltage of FIG.
  • FIG. 6 is a waveform diagram illustrating a diode output voltage in the rectifier of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an input voltage applied to each of the diodes in the rectifier of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention. This is a waveform diagram showing the output voltage of and diode.
  • the power of the input signal was set to 10 W, and the input frequency was set to 14 MHz.
  • a transformer is used instead of a ring antenna in the rectifier of FIG. 2, except for the ring antenna 108, other reference numerals are used as it is.
  • the transformer since the transformer has its own storage component, as an example, the resistance between the transformer and each of the first and second diodes D1 and D2 is set to 20 kW.
  • the full-wave rectified diode output voltage Vd is shown.
  • the highest output level Vd_max of the diode output voltage Vd is 4.529V
  • the lowest output level Vd_min is 3.031V.
  • an input voltage Vin1 applied to the first diode D1 and an input voltage Vin2 applied to the second diode D2 swing between a positive voltage and a negative voltage.
  • the diode output voltage Vd which is full-wave rectified by the transformer and the first and second diodes D1 and D2, is output with a positive voltage within a predetermined range.
  • the highest output level Vd_max of the diode output voltage Vd is lower than the highest output level of the input voltage Vin1 and Vin2, which is due to the voltage drop by the first and second diodes D1 and D2.
  • the transformer is removed and the ring antenna 108 and the first and second diodes D1 and D2, which are receiving elements of the input signal, are directly connected to each other.
  • the resistance between the diodes D1 and D2 was set to 0 mA.
  • the highest output level Vd_max of the diode output voltage Vd is 5.430V, and the lowest output level Vd_min is 3.728V.
  • an input voltage Vin1 applied to the first diode D1 and an input voltage Vin2 applied to the second diode D2 swing between a positive voltage and a negative voltage.
  • the diode output voltage Vd propagated and rectified by the transformer and the first and second diodes D1 and D2 is output as a positive voltage within a predetermined range.
  • the input voltages Vin1 and Vin2 swing to a level higher than the input voltages Vin1 and Vin2 of the conventional rectifier shown in FIG. That is, the rectifier of the present invention does not cause a voltage drop due to the resistance component of the conventional transformer is removed. Accordingly, the rectifier of the present invention also appears to have the highest output level Vd_max and the lowest output level Vd_min of the diode output voltage Vd. That is, the rectifier according to the embodiment of the present invention has a higher power efficiency than the conventional rectifier.
  • the wireless energy receiver and the portable electronic device including the same eliminate the transformer, which is widely used in the conventional rectifier, and replace the transformer with a ring-antenna, thereby preventing power loss by the transformer.
  • the transformer By conserving, it is possible to increase power efficiency and miniaturize the wireless energy receiver.
  • removing the transformer has advantages in terms of improving power efficiency, but also has great advantages in terms of integration of the wireless energy receiver.
  • wireless energy transmission system 101 wireless energy transmission device

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치가 개시된다. 상기 무선 에너지 수신 장치는 전파 정류기를 포함하는 무선 에너지 수신 장치에 있어서, 상기 전파 정류기는, 중앙 부위가 접지와 연결되는 링 형상의 방사체를 구비하며, 상기 방사체를 통해 수신하는 입력 신호의 극성에 따라 서로 다른 방향으로 전류를 유도하는 안테나와, 상기 안테나의 일 단에 연결되며, 상기 안테나에 의해 유도되는 제1 극성의 전류를 정류하는 제1 다이오드, 및 상기 안테나의 타 단에 연결되며, 상기 안테나에 의해 유도되는 제2 극성의 전류를 정류하는 제2 다이오드를 포함한다. 상기 무선 에너지 수신 장치는 기존의 변압기를 제거하고 변압기의 기능을 링 안테나가 대신하므로, 변압기의 저항 성분에 의한 전력 손실을 없앨 수 있어 전력 효율을 높일 수 있고, 휴대용 전자 장치의 소형화가 가능하다.

Description

무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치
본 발명은 무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치에 관한 것으로, 특히, 전력 효율을 높일 수 있는 무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치에 관한 것이다.
최근, 모바일 폰(mobile phone), PMP(Portable Multimedia Player), MP3 플레이어, 디지털 카메라, 노트북 등과 같이 이동성에 대한 사용자의 요구를 충족시키는 휴대용 전자 장치들이 다양하게 사용되고 있다. 한편, 편의성을 극대화하기 위해 이러한 휴대용 전자 장치들을 무선으로 충전하는 기술이 개발되고 있는데, 플러그나 전력선 없이 무선으로 에너지를 전송하고 잉여 에너지를 배터리에 충전할 수 있다.
이와 같이 무선으로 에너지를 전송하기 위해서는, 무선 에너지 송신 장치와 무선 에너지 수신 장치를 구비하는 무선 에너지 전송 시스템이 필요하다. 무선 에너지 전송 시스템은 사용자가 인지하지 못하는 순간에도 휴대용 전자 장치에 무선충전 서비스를 제공하여 사용자의 편의성과 이동성을 향상시킬 수 있다.
한편, 종래의 무선 에너지 수신 장치(미도시)는 전파(full wave) 정류를 위해 2차측 권선에 중간 탭(center tap)이 설치된 변압기와 다이오드들로 구성된 정류 회로를 주로 이용하였다. 예를 들어, 종래의 무선 에너지 수신 장치에서 변압기의 2차측 권선의 일단에는 제1 다이오드가 연결되고, 타단에는 제2 다이오드가 연결된다. 변압기는 권취되어 있는 코일에 기인하는 인덕터 기능을 이용하여 입력되는 사인파(sine wave)의 극성에 따라 전류를 서로 다른 방향으로 유도함으로써, 각각 제1 다이오드와 제2 다이오드를 통해 입력 신호를 정류한다.
그런데, 변압기는 수동 소자로서 일정한 저항 성분을 가지며, 1차측에서 2차측으로 전류를 전달할 때 소정의 마그네틱 손실(loss)이 발생한다. 따라서, 무선 에너지 수신 장치에서 변압기를 이용하는 정류 회로로 입력 신호를 정류하는 경우 일정한 전력 손실이 발생한다는 문제점이 있었다.
또한, 변압기는 일정한 부피를 갖는 수동 소자이므로, 휴대용 전자 장치의 소형화 추세에 따라 정류 회로를 하나의 칩으로 구성하는데 제약으로 작용하였다. 즉, 변압기는 정류 회로에 집적화될 수 없고, 별도의 오프-칩(Off-Chip) 형태로 구성하여야 했다.
본 발명의 실시 예는 전력 효율을 높이면서 소형화될 수 있는 무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 무선 에너지 수신 장치는 전파 정류기를 포함하는 무선 에너지 수신 장치에 있어서, 상기 전파 정류기는, 중앙 부위가 접지와 연결되는 링 형상의 방사체를 구비하며, 상기 방사체를 통해 수신하는 입력 신호의 극성에 따라 서로 다른 방향으로 전류를 유도하는 안테나; 상기 안테나의 일 단에 연결되며, 상기 안테나에 의해 유도되는 제1 극성의 전류를 정류하는 제1 다이오드; 및 상기 안테나의 타 단에 연결되며, 상기 안테나에 의해 유도되는 제2 극성의 전류를 정류하는 제2 다이오드;를 포함한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 전자 장치는 중앙 부위가 접지와 연결되는 링 형상의 방사체를 갖는 안테나를 이용하여 입력 신호를 수신하고, 상기 안테나를 통해 상기 입력 신호의 극성에 따라 제1 다이오드 또는 제2 다이오드로 전류를 유도하여 상기 입력 신호를 정류하는 전파 정류기를 포함하는 무선 에너지 수신 장치; 및 상기 무선 에너지 수신 장치로부터 전압을 인가받아 충전하는 배터리;를 포함한다.
본 발명의 실시 예는 기존의 변압기를 제거하고 변압기의 기능을 링 안테나가 대신하므로, 변압기의 저항 성분에 의한 전력 손실을 없앨 수 있게 되어 전력 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 기존의 변압기를 제거하면서도 기존의 정류기의 성능을 향상시켜, 무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치를 소형화할 수 있게 된다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도2는 도1의 무선 에너지 수신 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도3은 도1의 무선 에너지 전송 시스템의 등가 회로도이다.
도4는 종래의 정류기의 다이오드 출력 전압을 시뮬레이션한 파형도이다.
도5는 종래의 정류기에서 다이오드들 각각에 인가되는 입력 전압과 도4의 다이오드 출력 전압을 함께 나타내는 파형도이다.
도6은 본 발명의 실시 예에 따른 도2의 정류기에서 다이오드 출력 전압을 시뮬레이션한 파형도이다.
도7은 본 발명의 실시 예에 따른 도2의 정류기에서 다이오드들 각각에 인가되는 입력 전압과 다이오드의 출력 전압을 함께 나타내는 파형도이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 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.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 에너지 전송 시스템을 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 구성을 도시한 도면이고, 도2는 도1의 무선 에너지 수신 장치의 구성을 도시한 도면이며, 도3은 도1의 무선 에너지 전송 시스템의 등가 회로도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 에너지 전송 시스템(100)은 도1에 도시된 바와 같이, 무선 에너지 송신 장치(101) 및 무선 에너지 수신 장치(102)와 배터리(103)를 구비하는 휴대용 전자 장치(104)를 포함한다.
먼저, 무선 에너지 송신 장치(101)는 에너지를 사인파 형태로 무선으로 전송한다.
무선 에너지 수신 장치(102)는 도2에 도시된 바와 같이, 정류기(rectifier)(106), 커패시터(C1) 및 출력단(110)을 포함한다.
정류기(106)는 링 안테나(108) 및 복수의 제1, 제2 다이오드(D1,D2)들을 포함하며, 무선 에너지 송신 장치(101)로부터 사인파(sine wave) 형태의 입력 신호를 수신하여 정류하는 기능을 수행한다. 상기 정류기(106)는 전파 정류기(full wave rectifier)로서, 입력 신호의 두 반파를 각각 정류하여 단극성의 전파(full wave)로 출력한다.
정류기(106)의 구성 요소 중 링 안테나(108)는 신호를 송수신하는 방사체가 링 형상으로 굴곡(屈曲)져 있는 안테나이다. 이에 따라, 링 안테나(108)는 입력 신호를 수신하는 기본적인 수신 기능과 함께, 링 형상에 기인한 인덕터 기능을 갖게 된다. 본 발명은 링 안테나의 인덕터 기능을 이용하여 입력 신호의 정류를 수행한다. 한편, 방사체를 여러 번 꼬아서 링 안테나(108)가 복수 개의 링 형상을 갖도록 함으로써, 링 안테나(108)의 인덕턴스 값을 조절할 수도 있다.
제1 다이오드(D1)는 링 안테나(108)의 일단에 연결되고, 제2 다이오드(D2)는 링 안테나(108)의 타단에 연결된다. 또한, 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)는 출력단(110)을 공유한다.
커패시터(C1)는 평활용 소자로서, 출력단(110)과 접지(ground)(미도시) 사이에 연결되며, 정류기(106)에서 전파 정류된 입력 신호를 평활하는 기능을 수행한다.
출력단(110)은 정류와 평활 과정을 거쳐 생성된 출력 신호를 다른 장치 또는 회로로 전송하기 위한 포트(port)이다.
한편, 배터리(103)는 무선 에너지 수신 장치(102)의 출력단(110)을 통해 출력 신호에 따른 전압을 인가받아 충전한다.
이와 같이 구성되는 무선 에너지 수신 장치(102)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
무선 에너지 송신 장치(101)로부터 수신되는 입력 신호가 플러스 반파인 경우 링 안테나(108)는 인덕터 기능에 의해 전류를 제1 다이오드(D1) 방향으로 유도한다. 이에 따라, 제1 다이오드(D1)는 도통되고, 제2 다이오드(D2)는 차단된다. 이와 반대로, 입력 신호가 플러스에서 마이너스로 전환되어 마이너스 반파가 되면 링 안테나(108)는 전류를 제2 다이오드(D2) 방향으로 유도한다. 이에 따라, 제1 다이오드(D1)는 차단되고, 제2 다이오드(D2)는 도통된다. 즉, 링 안테나(108)는 입력 신호의 플러스 반파는 제1 다이오드(D1)를 통해 정류하고, 마이너스 반파는 극성을 반전시켜 제2 다이오드(D2)를 통해 정류함으로써, 입력 신호를 전파 정류한다.
커패시터(C1)는 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)들을 통해 출력단(110)으로 전달되는 전류를 평활한다.
한편, 링 안테나(108)는 방사체 길이의 중앙에서 접지와 연결된다. 즉, 접지가 굴곡된 방사체를 직선으로 폈을 때 방사체의 일단과 타단 사이의 중앙에 위치하게 된다. 이는 입력 신호의 플러스 반파와 마이너스 반파의 주파수를 동일하게 맞춰줌으로써, 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)를 통해 각각 정류되는 플러스 반파와 마이너스 반파가 가지런히 배열하여 출력하기 위함이다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 에너지 수신 장치(102)는 인덕터 기능을 갖는 링 안테나(108)를 이용하여 입력 신호를 수신함과 아울러, 입력 신호의 극성에 따라 전류의 방향을 다르게 유도하여 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)를 통해 전파 정류한다. 또한, 전파 정류된 출력 신호를 배터리(103)로 전달하여 배터리(103)를 충전시킨다.
이를 정리하면, 휴대용 전자 장치(104)는 인덕터 기능을 갖는 링 안테나(108)를 이용하여 무선으로 전송되는 에너지를 수신 및 정류하여 배터리(103)에 충전한다.
한편, 도3을 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템(100)은 송신단 안테나(300) 및 수신단 안테나(302)를 포함하는 회로로 등가화될 수 있다. 여기서, 송신단 안테나(300)는 무선 에너지 송신 장치(101)에서 에너지를 무선으로 송신하기 위한 안테나를 가리키고, 수신단 안테나(302)는 무선 에너지 수신 장치(102)에서 에너지를 수신하기 위한 안테나를 가리킨다. 수신단 안테나(302)는 도2의 링 안테나의 등가 회로이다. 링 안테나는 인덕터 기능을 가지며 방사체 길이의 중앙에 접지가 설치되므로, 중간 탭(center tap)이 설치된 인덕터를 구비하는 수신단 안테나(302)로 등가화할 수 있다.
도4는 종래의 정류기의 다이오드 출력 전압을 시뮬레이션한 파형도이고, 도5는 종래의 정류기에서 다이오드들 각각에 인가되는 입력 전압과 도4의 다이오드 출력 전압을 함께 나타내는 파형도이다.
한편, 도6은 본 발명의 실시 예에 따른 도2의 정류기에서 다이오드 출력 전압을 시뮬레이션한 파형도이고, 도7은 본 발명의 실시 예에 따른 도2의 정류기에서 다이오드들 각각에 인가되는 입력 전압과 다이오드의 출력 전압을 함께 나타내는 파형도이다.
여기서, 입력 신호의 전력은 10W로 설정하고, 입력 주파수는 14㎒로 설정하였다.
먼저, 도4와 도5를 참조하여 종래의 정류기에 대한 시뮬레이션 결과를 살펴보면 다음과 같다.
종래의 정류기는 도2의 정류기에서 링 안테나 대신 변압기가 사용되는 형태로, 링 안테나(108)를 제외하고 다른 도면 부호는 그대로 사용하도록 하겠다. 한편, 변압기는 자체적으로 저장 성분을 가지므로, 일 예로서, 변압기와 제1 및 제2 다이오드(D1,D2) 각각의 사이의 저항을 20Ω으로 설정하였다.
도4를 참조하면, 전파 정류된 다이오드 출력 전압(Vd)이 도시되어 있다. 여기서, 다이오드 출력 전압(Vd)의 최고 출력 레벨(Vd_max)은 4.529V이고, 최저 출력 레벨(Vd_min)은 3.031V이다.
다음, 도5를 참조하면, 제1 다이오드(D1)에 인가되는 입력 전압(Vin1)과 제2 다이오드(D2)에 인가되는 입력 전압(Vin2)이 플러스 전압과 마이너스 전압 사이를 스윙하고 있다. 그리고, 변압기와 제1, 제2 다이오드(D1,D2)들에 의해 전파 정류된 다이오드 출력 전압(Vd)은 일정한 범위의 플러스 전압으로 출력되고 있다. 여기서, 다이오드 출력 전압(Vd)의 최고 출력 레벨(Vd_max)은 입력 전압(Vin1,Vin2)의 최고 출력 레벨보다 낮은데, 이는 제1, 제2 다이오드(D1,D2)에 의한 전압 강하에 기인한다.
다음, 도6 및 도7을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 시뮬레이션 결과를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도6과 도7의 시뮬레이션에서는, 변압기가 제거되고 입력 신호의 수신 소자인 링 안테나(108)와 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)가 직접 연결되므로, 링 안테나(108)와 각 다이오드(D1,D2) 사이의 저항을 0Ω으로 설정하였다.
도6을 참조하면, 다이오드 출력 전압(Vd)의 최고 출력 레벨(Vd_max)은 5.430V이고, 최저 출력 레벨(Vd_min)은 3.728V이다.
도7을 참조하면, 제1 다이오드(D1)에 인가되는 입력 전압(Vin1)과 제2 다이오드(D2)에 인가되는 입력 전압(Vin2)이 플러스 전압과 마이너스 전압 사이를 스윙하고 있다. 그리고, 변압기와 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)들에 의해 전파 정류된 다이오드 출력 전압(Vd)은 일정한 범위의 플러스 전압으로 출력되고 있다.
그런데, 본 발명의 정류기에서 입력 전압(Vin1,Vin2)은 도5에 도시된 종래의 정류기의 입력 전압(Vin1,Vin2)보다 더 높은 레벨까지 스윙한다. 즉, 본 발명의 정류기는 종래의 변압기가 갖는 저항 성분이 제거됨으로 인해 그에 따른 전압 강하가 발생하지 않게 된다. 이에 따라, 다이오드 출력 전압(Vd)의 최고 출력 레벨(Vd_max) 및 최저 출력 레벨(Vd_min)도 종래의 정류기보다 본 발명의 정류기가 더 높게 나타나게 된다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 정류기는 종래의 정류기에 비해 높은 전력 효율을 갖게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 에너지 수신 장치 및 이를 포함하는 휴대용 전자 장치는 종래의 정류기에서 많이 사용되던 변압기를 제거하고, 변압기의 역할을 링- 안테나가 대신함으로써, 변압기에 의한 전력 손실을 보전하여 전력 효율을 높이고, 무선 에너지 수신 장치를 소형화시킬 수 있게 된다. 이와 같이, 변압기를 제거하는 것은 전력 효율의 개선 측면에서도 장점이 있지만, 무선 에너지 수신 장치의 집적화 측면에서도 큰 장점을 갖는다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
[부호의 설명]
100: 무선 에너지 전송 시스템 101: 무선 에너지 송신 장치
102: 무선 에너지 수신 장치 103: 배터리
104: 휴대용 전자 장치 106: 정류기
108: 링 안테나 D1: 제1 다이오드
D2: 제2 다이오드

Claims (7)

  1. 전파 정류기를 포함하는 무선 에너지 수신 장치에 있어서,
    상기 전파 정류기는,
    중앙 부위가 접지와 연결되는 링 형상의 방사체를 구비하며, 상기 방사체를 통해 수신하는 입력 신호의 극성에 따라 서로 다른 방향으로 전류를 유도하는 안테나;
    상기 안테나의 일 단에 연결되며, 상기 안테나에 의해 유도되는 제1 극성의 전류를 정류하는 제1 다이오드; 및
    상기 안테나의 타 단에 연결되며, 상기 안테나에 의해 유도되는 제2 극성의 전류를 정류하는 제2 다이오드;를 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 다이오드 및 제2 다이오드는 출력단을 공유하는, 무선 에너지 수신 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 출력단과 접지 사이에 연결되는 평활용 커패시터를 더 포함하는, 무선 에너지 수신 장치.
  4. 중앙 부위가 접지와 연결되는 링 형상의 방사체를 갖는 안테나를 이용하여 입력 신호를 수신하고, 상기 안테나를 통해 상기 입력 신호의 극성에 따라 제1 다이오드 또는 제2 다이오드로 전류를 유도하여 상기 입력 신호를 정류하는 전파 정류기를 포함하는 무선 에너지 수신 장치; 및
    상기 무선 에너지 수신 장치로부터 전압을 인가받아 충전하는 배터리;를 포함하는 휴대용 전자 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 안테나의 일단에는 상기 제1 다이오드가 연결되고, 상기 안테나의 타단에는 상기 제2 다이오드가 연결되는, 휴대용 전자 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제1 다이오드 및 제2 다이오드는 출력단을 공유하는, 휴대용 전자 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 출력단과 접지 사이에 연결되는 평활용 커패시터를 더 포함하는, 휴대용 전자 장치.
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