WO2018066789A1 - 무선 전력 송신기의 코일 구조 - Google Patents

무선 전력 송신기의 코일 구조 Download PDF

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WO2018066789A1
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coil
power
sub
range
coils
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PCT/KR2017/006816
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권태욱
광봉식
서정교
채범석
권재순
김성규
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엘지전자 주식회사
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    • H01F2027/2809—Printed windings on stacked layers

Definitions

  • the present invention proposes a coil structure of a wireless power transmitter capable of supporting both an induction mode and a resonance mode.
  • Contact less wireless charging is an energy transfer method that removes wires and delivers energy electromagnetically in the way of transmitting energy through a conventional wire and using it as a power source of an electronic device.
  • electromagnetic induction is a method of generating a magnetic field through a power transmission coil (primary coil) in the power transmission unit, and transfers power by placing a receiving coil (secondary coil) at a position where a current can be induced.
  • the resonance method energy is transmitted by using a resonance phenomenon between a transmitting coil and a receiving coil.
  • the resonance mode energy coupling between coils is used by constructing a system in which the resonance frequency of the primary coil and the resonance frequency of the secondary coil are the same.
  • An object of the present invention is to propose a coil structure of a compatible wireless power transmitter for supplying power regardless of which mode / standard the wireless power receiver supports.
  • the wire group consisting of three wires arranged side by side are formed extending in the first and second directions alternately orthogonal to each other, 1 coil;
  • a crab 2 coil comprising three sub coils and a ferrite plate; It includes, The crab 1 coil and the crab 2 coils are stacked adjacent to each other, the first coil may correspond to the resonant coil is driven in the resonant mode, the second coil may correspond to the induction coil is driven in the induction mode, respectively .
  • each of the three wires is in the range of 0.5 ⁇ to 1.5 ⁇ Can be determined.
  • the first coil may have a rectangular shape having an empty space therein.
  • the total length of the first coil is determined in the range of 92 to 94 mm, and the total width may be determined in the range of 74 to 76 mm.
  • the wire group is from 16 to 18 mm in the first direction, 16 to 18 mm in the first direction, 37 to 39 mm in the first direction, and 33 to 35 mm in the second direction from the center of the first coil. 51.5 to 53.5 mm in the first direction, 50 to 52 mm in the second direction, 66 to 68 mm in the first direction, 58 to 60 mm in the second direction, 75 to 77 mm in the first direction, 67 kPa in the second direction, 84 to 86 kPa in the first direction, 70 to 72 kPa in the second direction, 88 to 90 mm in the first direction, 74 to 76 kPa in the second direction, and the first Direction in the direction of 92 to 94 ⁇ , 74 to 76 mm in the second direction may be sequentially connected to the lead portion of the first coil.
  • the first and second sub-coils are arranged side by side adjacent to each other in the first direction and stacked on the ferrite plate, and the third A sub coil may be stacked between the U and second sub coils.
  • the corners having rounded corners having a rectangular through-hole may have a frame structure having an equilateral rectangular shape.
  • the first and second sub coils may have the same size as each other, but may have a different size from the third sub coil.
  • the number of turns of the wires constituting the first and second sub coils is 11
  • the number of turns of the wires constituting the third sub coil is 12
  • the thickness of the first to third sub coils is 0.6. can be determined from mm to 1.6 mm 3
  • the length of the first direction of the first and second sub-coil is in the range of 43 to 45 kHz
  • the length of the second direction is determined in the range of 48 to 50 kHz
  • the first and second sub-coils The length of the first direction of the through-hole in the coil is 21 to 23 ⁇
  • the length of the 12 direction can be determined in the range of 25 to 27mm.
  • the length of the first direction of the third sub coil is in the range of 49 to 51 ⁇
  • the length of the crab 2 direction is determined in the range of 45 to 47mm
  • the system of the through hole in the third sub coil The length of one direction may range from 25 to 27 mm
  • the length of the second direction may be determined within a range of 20 to 22 mm 3.
  • the length of the first direction of the ferrite plate can be determined in the range of 92 to 94mm, the length of the second direction in the range of 52 to 51 ⁇ 2m.
  • the distance from the upper surface of the ferrite plate to the upper surface of the first coil is in the range of 2.85 to 4.85mm
  • the distance from the top surface of the third sub coil to the top surface of the first coil may be determined within a range of 0.55 to 2.55 kHz.
  • the second coil may be located at a point apart by 10 to 12mm from both outer sides of the first coil on the plane.
  • a wireless power transmitter for transmitting power to a wireless power receiver
  • the power supply unit for supplying power to the wireless power transmitter (Power Supply Unit);
  • a matching circuit for performing impedance matching;
  • a resonator for transmitting power to the wireless power receiver;
  • a control unit for performing out-of-band communication;
  • the resonator may include: a first coil, in which a wire group including three wires arranged side by side extends alternately in a first and second directions perpendicular to each other; And a second coil comprising three sub coils and a ferrite plate;
  • the first coil and the second coil may be stacked adjacent to each other, and the first coil may correspond to a resonance coil driven in a resonance mode, and the second coil may correspond to an induction coil driven in an induction mode.
  • the power transmitter can layer power receivers of various modes / standards, thereby improving compatibility.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of various electronic devices in which a wireless layered system is introduced.
  • FIG. 2 shows a wireless power transmission and reception system according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a block diagram illustrating a method for transmitting and receiving power in induction mode.
  • FIG. 4 illustrates a method of power transfer control in induction mode.
  • FIG. 5 illustrates a wireless power transfer system to which the present invention can be applied.
  • FIG. 6 illustrates a class of PTUs according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates a category of PRUs in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates a PTU state model according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 9 illustrates a first coil for a resonance mode included in a resonator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 illustrates a second coil for an induction mode included in a resonator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 illustrates parameters for defining a second coil in accordance with one embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view of a resonator in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a side view of a resonator according to an exemplary embodiment of the present invention as viewed from the direction A of FIG. 12.
  • FIG. 14 shows the uniformity test results for a power transmitter including a resonator according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is an experimental result graph showing the amount of impedance change for each position of the power transmitter according to the position of the power receiver.
  • FIG. 16 shows an experimental result of RCECResonate Coupon Ef ficiency for a power transmitter including a resonator structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of various electronic devices in which a wireless layered system is introduced.
  • electronic devices are classified according to the amount of power transmitted and received in the wireless layered system.
  • Low power (about 5W or less or about 20W) wireless layering may be applied to wearable devices such as smart watches and smart glasses, and mobile / portable electronic devices such as earphones, remote controls, smartphones, PDAs, and tablet PCs.
  • Medium and small household appliances such as laptops, robotic vacuum cleaners, TVs, sound appliances, vacuum cleaners, and monitors may be applied with medium power (less than about 50W or less than about 200W) wireless charging.
  • kitchen appliances such as blenders, microwave ovens, rice cookers, personal mobility devices such as wheelchairs, electric kickboards, electric bicycles, and electronic devices / moving means such as electric vehicles, have a high power (approximately 2 kW or less or 22 kW or less) wireless layer. The transition can be applied.
  • the electronic devices / moving means shown in FIG. 1 may include a power receiver described later.
  • the wireless power transmission / reception method according to the present invention may be applied to the above-described various electronic devices.
  • wireless organizations transmit and receive wireless power from various organizations such as WPC (Wireless Power Control) and A4WP (Aliance for Wireless Power).
  • WPC Wireless Power Control
  • A4WP Aliance for Wireless Power
  • the wireless power transmitter may be abbreviated as a power transmitter or a transmitter
  • the wireless power receiver may be referred to as a power receiver or a receiver.
  • the wireless power transmission / reception system includes a mobile device (Mobi le Device) and a base station (Base Stat ion) for receiving power wirelessly.
  • Mobi le Device mobile device
  • Base Stat ion base station
  • the mobile device includes a power receiver that receives wireless power through a secondary coil and a load that receives and stores the power received from the power receiver and supplies the device to the device.
  • the power receiver communicates with a power pick-up unit that receives a wireless power signal through a secondary coil and converts it into electrical energy, and communicates with the power transmitter, and controls power transmission and reception (power transmission / reception). / Contain a unit (Co ⁇ uni cations & Control Unit).
  • the mobile device may be referred to as power receiving equipment hereinafter.
  • the base station is an apparatus for providing inductive power or resonant power, and may include one or a plurality of power transmitters and a system unit.
  • the power transmitter can transmit induced / resonant power and can control power transmission.
  • the power transmitter converts / transfers electrical energy into a power signal by generating a magnetic field through the primary coil (s).
  • the control unit may include a power conversion unit and a communication / control unit (COTmuni cations & Control Unit) for controlling power transfer and communication with the power receiver to deliver power at an appropriate level.
  • the system unit can perform input power provisioning, control of a plurality of power transmitters, and other operational control of the base station, such as user interface control.
  • the base station may be referred to as power transmission equipment below.
  • the power transmitter may control the transmit power by controlling the operating point.
  • the operating point to control may correspond to a combination of frequency (phase), duty cycle and voltage amplitude.
  • the power transmitter may control power delivered by adjusting at least one of frequency (phase), duty cycle / duty rat io, and amplitude increase of the input voltage.
  • the power transmitter may supply a constant power, and the power receiver may control the received power by controlling the resonance frequency.
  • the coil or coil unit may be referred to as a coil assembly, a coil cell, or a sal including the coil and at least one element adjacent to the coil.
  • . 3 is a block diagram illustrating a method for transmitting and receiving power in induction mode.
  • wireless layering can be performed in five phases.
  • the five phases include a select ion phase, a ping phase, an ident if icat ion & conf igurat ion phase, a negotiated ion phase, and a power delivery phase. transfer phase), but the negotiation phase may be omitted in power transmission and reception in the low power mode. That is, power transmission and reception are performed in four steps in the low power mode, and a negotiation step may be additionally performed in the intermediate power mode.
  • the power transmitter is connected to the interface surface provided at the transmitter. Monitor contact / deletion of objects. Too .
  • the wireless power transmitter may apply a power signal to detect a contact of an external object.
  • the power transmitter may apply a short power signal to the primary coil, detect the current of the primary coil generated by the power signal, and monitor the presence of the external object.
  • the power transmitter receives the signal strength information (packet) monitored at the selection stage and detects (detects) the object based thereon, indicating that the object is a power receiver or a simple external object ( Key, coin, etc.) can be selected.
  • the power transmitter may further perform at least one of the ping phase, the identification / configuration phase, and the negotiation phase.
  • the power transmitter may perform a digital ping and wait for the answer of the power receiver.
  • Digital ping represents the application / transmission of a power signal to detect and identify a power receiver. Once the power transmitter finds the power receiver, the power transmitter can extend the digital ping to proceed to the identification / configuration phase.
  • the power transmitter may identify the selected power receiver and obtain configuration information of the power receiver (conf igurat ion) such as the maximum power amount.
  • the power transmitter may receive identification / configuration information to obtain information about the power receiver and use this information to establish a power transfer contract.
  • This power delivery agreement may include restrictions on a plurality of parameters that characterize power delivery in a later power delivery phase.
  • the power receiver may negotiate with the power transmitter to create additional power transfer agreements.
  • the power transmitter may receive a negotiation request / information from the power receiver, and the negotiation step may proceed only when the target receiver is identified as the intermediate power receiver in the identification / configuration phase.
  • additional parameters may be negotiated, such as the guaranteed power level of the power transmitter and the maximum power of the power receiver. If the power receiver is a low power receiver, the negotiation step may be omitted and the process may proceed directly from the identification / configuration step to the power delivery step.
  • the power transmitter wirelessly provides power to the power receiver.
  • the power transmitter receives the data about the transmitted power and Therefore, power delivery can be controlled.
  • the power transmitter may stop the power transfer and proceed to the selection step when the limitations of the parameters according to the power transfer contract are violated during the power transfer. 4 illustrates a method for controlling power delivery in induction mode.
  • the power receiver and the power receiver may include a power conversion unit and a power pickup unit, respectively, as shown in FIG. 1.
  • the power transmitter and the power receiver may control the amount of power delivered by parallel communication with power transmission and reception.
  • the power transmitter and power receiver operate at a particular control point.
  • the control point represents the combination of voltage and current provided at the output of the power receiver when power delivery is performed.
  • the power receiver selects the desired control point (desi red control point)-the desired output current / voltage, the silver of the specific location of the mobile device, and additionally the actual control that is currently operating. Control Point).
  • the power receiver can calculate a control error value using the desired control point and the actual control point, and send the control as an error packet to the power transmitter.
  • the power transmitter can then control the power delivery by setting and controlling a new operating point – amplitude, frequency and duty cycle – using the error packet. Therefore, the control error packet is transmitted / received at predetermined time intervals in the strategy transfer phase.
  • the power receiver may control the control error value to a negative value to reduce the current of the power transmitter, and to control the error value to increase the current. It can be set positively and transmitted.
  • the power receiver may control power transfer by transmitting an error packet to the power transmitter.
  • the resonance mode may operate in a manner different from that of the induction mode.
  • one power transmitter In resonant mode, one power transmitter must be able to serve multiple power receivers at the same time. In this case, power delivery to additional power receivers can be difficult to control since the power delivered is controlled by communication with one power receiver. Therefore, in the resonant mode of the present invention, the power transmitter commonly transmits basic power, and intends to use a method of controlling the amount of power received by the power receiver by controlling its resonant frequency.
  • the resonance mode may operate in a manner different from that of the induction mode.
  • FIG. 5 illustrates a wireless power transfer system to which the present invention can be applied.
  • a wireless power transfer system (hereinafter referred to as an A4WP system) in A4WP is defined so that one PTlKPower Transmitter Unit transmits power to one or more PRl Power Receiver Units (ie, one-to-many transmission system).
  • the power transmission frequency is 6.78MHz, and one PTU can power up to eight PRUs, depending on the geometry and power levels of the power transmitter and power receiver.
  • the Bluetooth Low Energy (BLE) link of the A4WP system is used for power level control, valid load identification, and incompatible device protection.
  • A4WP system may include a PTU and PRU, PTU at this time may be extended to the serving (serving) a plurality of independent PRU., Where the serving is to sense the transmission / provision of the electric power Can be.
  • the PTU is three main functional units: a resonator and matching unit, a power conversion unit and a signaling and control unit (or micro crocontroller). ) & Out— of band s ignal ing).
  • the PRU may also include the three main functional units described above, such as the PTU.
  • the resonance-matching unit may perform resonance frequency, impedance matching, and the like for wireless power transmission, and may be implemented by being separated into a resonator (Tx / Rx Resonator) and a matching circuit as shown in the figure.
  • the power conversion unit may perform conversion between the electrical signal and the power signal.
  • the signaling-control unit may be connected to a PTU or a PRU. It is possible to perform the control of the other units provided, communication control between the other units and bidirectional communication (eg, Bluetooth communication) with the target PRU or the target PTU.
  • the PTU may further include a power supply unit for supplying power to the PTU and / or a power amplifier unit for amplifying the power.
  • the PRU may further include a rectifier unit and / or a DC to DC unit that converts the AC current to DCXdirect current.
  • the above-described units may be implemented in hardware and provided in a PTU or a PRU, and may be integrated as one configuration or may be separately implemented (by function) as a plurality of configurations.
  • the control and communication protocols of the WPT network are designed in bi-directional and half-duplex architectures, which not only signal and send PRU characteristics to the PTU, but also provide feedback on them, optimizing efficiency, overvoltage protection, and low voltage. It allows for avoidance and rogue object detect ions.
  • the WPT network is a star topology in which the PTU is the master and the PRU is the slave.
  • the PTU and PRU may perform bidirectional communication with each other to identify devices and exchange power negotiation information.
  • 6 illustrates a class of PTUs according to an embodiment of the present invention.
  • PTUs may be divided into a total of five classes according to a PTU's ability to inject power into a PTU resonator and / or the number and categories of PRUs that can be supported.
  • P_TX_IN_MAX, PRU category, and number of PRUs supported by a PTU may be different for each class. For example, for a class 2 PTU, up to 10W of power can be injected into the PTU resonator and one PRU of category 1, 2 or 3 can be supported. In contrast, for class 3 PTUs, power injection up to 16W is required with the PTU resonator. It is possible to support up to two PRUs of category 1, 2, or 3, or to support one PRU of category 4.
  • FIG. 7 illustrates a category of PRUs in accordance with an embodiment of the present invention.
  • PRUs may be classified into five categories according to power output from a PRU resonator and / or an application / function to be applied / executed.
  • the maximum power value output by the PRU resonator and the application example applied may be different.
  • the PRU resonator may output up to 3.5W, and an example of an applicable application may be a feature phone.
  • the PRU resonator can output up to 6.5W, and an example of an applicable application may be a smartphone.
  • the PRU resonator cannot output more than the power value defined for each category. If more than 80% efficiency occurs in the PRU implementation, 6.5W is set for the purpose of allowing 5W at the charging port. 8 illustrates a F U state model in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the PTU state model may include a PTU configuration state, a PTU power saving state, a PTU low power state, a PTU power delivery state, a PTU local fault state, and / or a PTU latching error state.
  • the PTU may have any one of the above-described states, and the state may be changed based on a power transmission state, a timer, whether a PRU is detected, a system error, a previous state of the PRU, and the like.
  • the wireless power transmission / reception system distinguished by the standard and the mode has been described.
  • the magnetic flux between the first and second coils Wireless layering is performed using the induction phenomenon, and the layering distance may be about several centimeters in a short distance.
  • the induction mode has the advantage of high layer efficiency and easy implementation, but the layer distance is shorter (relative to the resonance mode), and the layering requires the alignment between the coil of the power transmitter and the coil of the power receiver.
  • the disadvantage is that only one-to-one layering is possible.
  • the layering distance in the resonant mode, wireless layering is performed by using a resonance phenomenon between power transmission and reception coils, and the layering distance may be in a range of several cm to several m.
  • the layer distance in the resonant mode, can be extended up to m units (relative to the induction mode), which has the advantage of being long and one-to-many layered, but has the disadvantage of large coil size and low transmission efficiency.
  • Induction mode wireless power transmission and reception system is mainly standardized by WPC or PMA
  • resonant mode wireless power transmission and reception system is mainly standardized by WPC and A4WP.
  • the power transmitter and power receiver can be manufactured in a model that supports induction mode or resonant mode according to the manufacturer's choice. As such, when a power transmitter and a power receiver are manufactured / produced to support a specific mode according to a free choice of a manufacturer, power transmission / reception period compatibility problems may occur. For example, a power transmitter can layer only a power receiver that supports the same mode as itself, and the power receiver can also be layered only through a power transmitter that supports the same mode.
  • a resonant mode power transmitter manufactured according to the WPC standard can layer only a resonant mode power receiver manufactured according to the same standard, and a resonant mode power receiver manufactured according to the A4WP standard cannot.
  • the present specification proposes a coil structure of a resonator of a power transmitter capable of layering of all power receivers regardless of which mode and specification. That is, the present specification proposes a resonator coil structure that supports both the induction mode and the resonance mode, and can support both the WPC and A4WP standards. Furthermore, we propose a resonator coil structure that improves the problem of magnetic field imbalance on the layered region that can be caused by placing the resonant coil and the induction coil together. Resonator coil structure
  • the resonator coil structure can be basically proposed to combine a coil standardized for induction mode in WPC and a coil standardized for resonant mode in A4WP. More specific resonator coil structure will be described later in detail with reference to FIGS. 11 to 15.
  • the first and second directions are defined, where the first and second directions mean directions that are orthogonal to each other as relative directions.
  • the first direction when the first direction is the horizontal / horizontal direction, the second direction may be the vertical / vertical direction.
  • the size described below may have an error range of about 0.5 ⁇ 1 ⁇ . 9 illustrates a first coil for a resonance mode included in a resonator according to an embodiment of the present invention.
  • each counter represents the size of the arrow range in the first coil, and the unit is mm.
  • the size illustrated in this drawing is not limited to that disclosed in the drawing, and an error range of about 5 mm may exist.
  • the first coil operating in the resonant mode may be a wire (eg, Litz).
  • the first coil may be configured in such a way that a 'wire group' consisting of three wires arranged side by side in the second direction extends from the central portion CE in the first and second directions.
  • the center (CE) is the top of the PCB (Pr inted Circuit Board) And a coil placed on the lower surface.
  • the wire group may extend from the central portion CE to form a rectangular frame having an empty space therein.
  • the wire group constituting the first coil sequentially extends 17 mm in one direction ⁇ 17 mm in the second direction ⁇ 38 mm in the first direction ⁇ second direction sequentially from the central portion CE.
  • Extend by 34mm ⁇ extend by 52.5 ⁇ in the first direction ⁇ extend by 51 ⁇ in the second direction ⁇ extend by 67mm in the first direction ⁇ extend by 59 ⁇ in the second direction ⁇ extend by 76mm in the first direction ⁇ second Direction extends by 67 mm ⁇ extends by 85 mm in the first direction ⁇ extends by 71 mm in the second direction ⁇ extends by 89 mm in the total direction 1 ⁇ extends by 75 mm in the second direction ⁇ extends by 93 mm in the first direction ⁇ second Direction may be extended by 75 mm in the direction, and finally, by a predetermined length in the first direction.
  • the wire group extending in the first direction may perform a function as the lead portion 0L.
  • the lead portion 0L may be connected to a circuit including a power amplifier unit and a resonance matching unit unit.
  • the length of the above-described wire group is extended to include the width of the wire group, the width of one wire is lmm, the width of the wire group arranged in parallel with the three wires may be 3 ⁇ .
  • the ferrite plate for the first coil may be optionally provided in the resonator, wherein the ferrite plate may be 1.5 Mm-Zn ferrite plate with a thickness of 1.5 ⁇ , and the initial transmittance (ini ti al permeabi 1 i ty) is 3200 days Can be. As such a ferrite plate, T0DAISU's PM12 product may be recommended.
  • the total length of the first coil in the first direction may be 75 mm
  • the total length in the second direction may be 93 mm
  • an empty space may exist therein.
  • the second coil for the induction mode which is stacked / combined with the first coil through the empty space thus formed, can transmit power without being greatly interfered by the first coil.
  • the resonator type of the resonator corresponds to the PCB multi-mode and class 2, and the rated power may be 10W.
  • the resonator can support one PRU classified into category 1, 2, or 3.
  • the maximum receive power of PRUs categorized into category 1 is 2W
  • the maximum receive power of PRUs categorized in category 2 is 3.5W
  • the maximum receive power of the PRU, divided by 5, is 6W.
  • the minimum coil current I_TX_MIN of the resonator may be 800 mA, and the maximum coil current I_TX_ABS_MAX may be 1500 mA.
  • Z_TX_IN is a parameter related to impedance of a power transmitter coupled with a power receiver
  • X_TX_IN is a parameter related to category-specific reactance (Reactance) of a power receiver coupled to a power transmitter
  • R_TX_IN is represented. Each of the parameters for resistance (resi stance) of the 10 power receivers coupled with the power transmitter is shown.
  • the spacing / clearance means the space / distance to be secured from the first coil to a specific plane. Therefore, according to Table 1, the distance from the first coil to the layered surface should be 6 mm, the distance from the first coil to the side surface of the layered electrical case should be 20 ⁇ , and the distance from the first coil to the lower surface of the layered electrical case should be ensured by 20 mm.
  • the resonator keep-out volume means a space where the power receiver should not be placed in the lower direction of the first coil (or opposite of the floor surface) to prevent damage of the power transmitter and the power receiver. Therefore, according to Table 1, a clearance of 20 m in height, 120 m in length, and 100 mm in width should be secured in the lower direction of the first coil, and no power receiver should be placed in the space.
  • Figure 11 illustrates a second coil for induction mode
  • Figure 11 illustrates 25 parameters for defining a total 2 coil in accordance with an embodiment of the present invention, in which each number is the size of the arrow range in the second coil.
  • the unit is mm. However, the size illustrated in this drawing is not limited to that disclosed in the drawing, and an error range of about 5 mm may exist.
  • the second coil may be composed of three sub coils (first to third sub coils) and a ferrite plate (Ferr i te PI ate) having a thickness of 1.5 ⁇ s.
  • the first to third sub-coils may be formed by winding the wire by a predetermined number of turns, and the corners having the through-holes of the corners having an equilateral corner at the center may have the shape of an equilateral rectangular frame.
  • the first and second sub coils (Side Coil) are arranged next to each other (in the first direction) and positioned / laminated on the ferrite plate.
  • the third sub-coil Center Coil may be positioned / stacked on the first and second sub-coils, and in particular, may be positioned / stacked between the centers of the first and second sub-coils.
  • the ferrite plate may be formed in a rectangular shape longer in the first direction than in the second direction.
  • the length of the crab in the ferrite plate in one direction may be 93 mm and the length in the second direction may be 53 mm.
  • the ferrite plate may be a 1.5 mm thick Mn-Zn ferrite plate, and the initial transmittance of the ferrite plate may be 3200. As such a ferrite plate, T0DAISU's PM12 product may be recommended.
  • the first and second sub coils may be configured to have the same size as each other.
  • the first and second sub coils may have a length of 41 ⁇ 2 m in the first direction and a length of 49 mm in the second direction.
  • a rectangular through-flow is formed in which the length in the first direction is 22 1 and the length in the second direction is 26 mm.
  • the third sub coil has a total length of 50 mm in the first direction and an overall length in the second direction.
  • the type of wire forming the first to third sub coils is a litz wire (for example, a litz wire (105 strands of 0.08 mm) consisting of a bundle of 105 strands of wire having a thickness of 0.08 ⁇ s)).
  • the thickness of the first to third sub coils may be 1.1 mm.
  • the size of the first and second sub coils may be 50 ⁇ s ⁇ 46 mm, and the number of turns of the wire may be “11”.
  • the size of the third sub coil may be 44 X 49 mm, and the number of turns of the wire may be '12'.
  • the second coil may be arranged in a concentric circle of the lower portion of the first coil, it may be arranged to overlap with the first coil on the plane. More specific arrangement of the first and second coils will be described later with reference to FIGS. 12 and 13.
  • 12 is a plan view of a resonator in accordance with an embodiment of the present invention. 13 is of FIG.
  • the first and second coils may be arranged to overlap each other on a plane (in a concentric circular pattern), and in particular, the second coil may be located at the center of the crab 1 coil.
  • the second coil may be disposed below the first coil, and may be disposed by 11 mm from both outer sides of the two directions.
  • the resonator may be formed by sequentially stacking the first and second coils in the order of the second coil to the first coil. More specifically, the resonator may be formed by stacking ferrite plates ⁇ first and second sub coils ⁇ third sub coils ⁇ first coils. The length from the upper surface of the ferrite plate to the upper surface of the first coil may be 3.85 ⁇ , and the length from the upper surface of the third sub coil to the upper surface of the first coil may be set to 1.55 ⁇ . 14 to 16 show experimental results of a power transmitter including a resonator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 shows a homogeneous test result for a power transmitter including a resonator according to an embodiment of the present invention.
  • the experimental result of FIG. 14 shows that when the current of the power transmitter including the resonator structure is changed within a specific driving range, the position where the coupling coefficient is minimum (hereinafter referred to as the 'minimum coupling position') and the maximum position ( Hereinafter, the result of measuring the layered voltage at the 'maximum coupling position' is shown.
  • the layered voltage was measured at 5.71V at the minimum coupling position, and the layered voltage was measured at 10.86V at the maximum coupling position. It can be interpreted that the layered voltage in the layered region of the power transmitter including the resonator structure is changed only in a specific voltage range (ie, in the range of 5V to 16V) to satisfy the uniformity of the layered region. This means that in particular, layering is possible only when a voltage of 5V or more is transmitted, and in the case of a power receiver that is broken when a voltage of 16V or more is transmitted, it can be stably layered even if placed in any charging region.
  • a specific voltage range ie, in the range of 5V to 16V
  • the three-layer authentication power receiver based on the A4WP standard for adopting the coil specification of the power transmitter, the layered region by the resonator structure according to an embodiment of the present invention It was determined that all of the uniformity of was satisfied.
  • 15 is an experimental result graph showing the amount of impedance change for each position of the power transmitter according to the position of the power receiver.
  • the x-axis represents the reactance, the imaginary part of the impedance of the power transmitter, and the y-axis represents the resistance, the real part of the impedance.
  • the impedance of the power transmitter changes according to the position of the power receiver.
  • the smaller the impedance change amount of the power transmitter according to the position of the power receiver the easier the impedance matching, thereby simplifying the impedance matching circuit of the power transmitter. Therefore, the smaller the impedance variation, the higher the power transmission efficiency and the smaller the circuit complexity of the power transmitter.
  • the experimental result graph of FIG. 15 shows power transmission while moving the aforementioned three authentication power receivers from the minimum coupling position of the power transmitter to the maximum coupling position. It is a graph recording the change of impedance of the group.
  • FIG. 16 illustrates an experimental result of Resonate Couponing Ef iciency (RCE) for a power transmitter including a resonance structure according to an embodiment of the present invention.
  • RCE Resonate Couponing Ef iciency
  • the RCE of the power transmitter was measured to be 77.83% and thus a very high layer efficiency.
  • the power transmitter including the resonator has excellent performance in terms of uniformity, impedance variation, and layer efficiency of the layer area.
  • the resonator according to an embodiment of the present invention detects a power receiver placed in the layered area, recognizes / detects in which mode / standard the power receiver operates, and according to the support mode / standard of the power receiver, the first or second By selectively appropriately driving the coils, the power receiver can be layered.
  • the power transmitter according to an embodiment of the present invention generates an effect that the power receiver of various modes / specifications can be charged.
  • each drawing is divided and described, but it is also possible to design a new embodiment by merging the embodiments described in each drawing.
  • the present invention can be applied to various wireless layering techniques.

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 공진 모드로 전력을 전송하는 공진기에 있어서, 나란히 배열된 3개의 와이어들로 구성된 와이어 그룹이 서로 직교하는 제 1 및 제 2 방향 교대로 연장되어 형성되는, 제 1 코일; 및 3개의 서브 코일들 및 페라이트 판을 포함하는, 제 2 코일; 을 포함하되, 상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일은 이웃하여 적충되며, 상기 제 1 코일은 공진 모드로 구동되는 공진 코일, 상기 제 2 코일은 유도 모드로 구동되는 유도 코일에 각각 해당할 수 있다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
무선 전력 송신기의 코일 구조
【기술분야】
본 발명은 유도 모드 및 공진 모드를 모두 지원할 수 있는 무선 전력 송신기 의 코일 구조를 제안한다.
【배경기술】
무접점 (Contact less) 무선 충전 방식은 기존의 유선을 통해 에너지를 전송하 여 전자기기의 전원으로 사용하는 방식에서, 선을 제거하고 전자기적으로 에너지 를 전달하는 에너지 전달 방식이다. 무접점 무선 전송 방식에는 전자기 유도 방 식 및 공진 방식이 존재한다. 전자기 유도 방식은 전력 송신부에서 전력 송신 코 일 ( 1차 코일)을 통해 자기장을 발생시키고, 전류가 유도될 수 있는 위치에 수신 코일 (2차 코일)을 위치시킴으로써 전력을 전달하는 방식이다. 공진 방식은， 송신 코일 및 수신 코일 간의 공명 현상을 이용하여 에너지를 전송한다. 다만， 1차 코 일의 공진 주파수와 2차 코일의 공진 주파수를 동일하게 시스템을 구성함으로써 코일 간의 공진 모드 에너지 결합을 사용한다ᅳ
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
본 발명은 무선 전력 수신기가 어떤 모드 /규격을 지원하는지 여부와 무관하 게 전력을 공급하기 위한 호환성 높은 무선 전력 송신기의 코일 구조를 제안하고 자 함이 목적이다.
【기술적 해결방법】
본 발명의 일 실시예에 따르면， 공진 모드로 전력을 전송하는 공진기에 있어 서， 나란히 배열된 3개의 와이어들로 구성된 와이어 그룹이 서로 직교하는 제 1 및 제 2 방향 교대로 연장되어 형성되는, 제 1 코일; 및 3개의 서브 코일들 및 페 라이트 판을 포함하는， 게 2 코일 ; 을 포함하되 , 상기 게 1 코일 및 상기 게 2 코일 은 이웃하여 적층되며， 상기 제 1 코일은 공진 모드로 구동되는 공진 코일， 상기 제 2 코일은 유도 모드로 구동되는 유도 코일에 각각 해당할 수 있다.
또한， 상기 3개의 와이어들 각각의 너비 (width)는 0.5隱 내지 1.5隱 범위 내 로 결정될 수 있다.
또한， 상기 제 1 코일은 내부에 빈 공간이 형성된 직사각형 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 코일의 전체 길이 ( length)는 92 내지 94mm 범위 내에서 결정 되며, 전체 너비는 74 내지 76mm 범위 내에서 결정될 수 있다.
또한， 상기 와이어 그룹은 상기 계 1 코일의 중심부로부터 상기 제 1 방향으로 16 내지 18mm， 상기 계 2 방향으로 16 내지 18圆， 상기 제 1 방향으로 37 내지 39画， 상기 제 2 방향으로 33 내지 35mm , 상기 제 1 방향으로 51.5 내지 53.5隱， 상기 제 2 방향으로 50 내지 52mm , 상기 계 1 방향으로 66 내지 68画 , 상기 제 2 방 향으로 58 내지 60mm, 상기 계 1 방향으로 75 내지 77隱， 상기 제 2 방향으로 67誦 상기 제 1 방향으로 84 내지 86圆， 상기 제 2 방향으로 70 내지 72隱， 상기 제 1 방 향으로 88 내지 90mm, 상기 제 2 방향으로 74 내지 76瞧， 상기 제 1 방향으로 92 내지 94隨, 상기 제 2 방향으로 74 내지 76mm만큼 순차적으로 연장되어 상기 제 1 코일의 인출부와 연결될 수 있다.
또한, 상기 3개의 서브 코일들이 제 1 내지 제 3 서브 코일로 구성되는 경우 상기 제 1 및 제 2 서브 코일은 상기 제 1 방향으로 이웃하여 나란히 배열되어 상기 페라이트 판 상에 적층되며、， 상기 제 3 서브 코일은 상기 거 U 및 제 2 서브 코일 사이에 적층될 수 있다.
또한; 상기 제 1 내지 제 3 서브 코일의 중심에는 모서리가 둥근 사각형 형태 의 관통홀이 형성된 모서리가 등근 사각형 형태의 프레임 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 서브 코일은 서로 동일한 사이즈로 구성되몌 상기 제 3 서브 코일과는 다른 사이즈로 구성될 수 있다.
또한, 상기 계 1 및 제 2 서브 코일을 구성하는 와이어의 턴 수는 11， 상기 제 3 서브 코일을 구성하는 와이어의 턴수는 12로 결정되며, 상기 제 1 내지 제 3 서 브 코일의 두께는 0.6mm 내지 1.6誦로 결정될 수 있다
또한， 상기 제 1 및 제 2 서브 코일의 상기 제 1 방향의 길이는 43 내지 45圍의 범위， 상기 제 2 방향의 길이는 48 내지 50讓의 범위 내에서 결정되며， 상기 제 1 및 제 2 서브 코일 내 상기 관통홀의 상기 제 1 방향의 길이는 21 내지 23隱， 상기 거 12 방향의 길이는 25 내지 27mm의 범위 내에서 결정될 수 있다. 또한， 상기 제 3 서브 코일의 상기 제 1 방향의 길이는 49 내지 51隱의 범위， 상기 게 2 방향의 길이는 45 내지 47mm의 범위 내에서 결정되며， 상기 제 3 서브 코일 내 상기 관통홀의 상기 계 1 방향의 길이는 25 내지 27mm의 범위， 상기 제 2 방향의 길이는 20 내지 22画의 범위 내에서 결정될 수 있다.
또한， 상기 페라이트 판의 상기 제 1 방향의 길이는 92 내지 94mm의 범위, 상 기 제 2 방향의 길이는 52 내지 5½m의 범위 내에서 결정될 수 있다.
또한, 상기 계 1 코일이 상기 제 2 코일에 포함된 상기 제 3 서브 코일 상에 적 층되는 경우， 상기 페라이트 판의 상면으로부터 상기 계 1 코일의 상면까지의 거 리는 2.85 내지 4.85mm 범위， 상기 제 3 서브 코일의 상면으로부터 상기 제 1 코일 의 상면까지의 거리는 0.55 내지 2.55画 범위 내에서 결정될 수 있다.
또한， 상기 제 2 코일은 평면 상에서 상기 제 1 코일의 양쪽 외곽으로부터 10 내지 12mm 범위만큼 떨어진 지점에 위치할 수 있다.
또한， 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신기로 전력을 전송하는 무선 전력 송신기에 있어서， 상기 무선 전력 송신기로 전력을 공급하는， 전력 공 급 유닛 (Power Supply Uni t ) ; 임피던스 매칭을 수행하는， 매칭 회로; 상기 무선 전력 수신기로 전력을 전송하는， 공진기; 및 대역외 (Out-of-band) 통신을 수행하 는， 제어 유닛; 을 포함하되， 상기 공진기는， 나란히 배열된 3개의 와이어들로 구성된 와이어 그룹이 서로 직교하는 제 1 및 제 2 방향 교대로 연장되어 형성되는， 제 1 코일; 및 3개의 서브 코일들 및 페라이트 판을 포함하는， 제 2 코일; 을 포함 하되， 상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일은 이웃하여 적층되며, 상기 제 1 코일은 공진 모드로 구동되는 공진 코일， 상기 제 2 코일은 유도 모드로 구동되는 유도 코일에 각각 해당할 수 있다.
【발명의 효과】
본 발명의 일 실시예에 따르면， 전력 송신기가 다양한 모드 /규격의 전력 수신기를 층전할 수 있어 호환성이 향상된다는 효과가 존재한다.
또한， 본 발명의 일 실시예에 따르면， 층전 영역의 균일성， 임피던스 변화량 및 층전 효율 측면에서 뛰어난 성능을 갖는 전력 수신기가 제공된다는 효과가 존재한다.
이외에， 본 발명의 실시예에 따른 다양한 효과는 이하에서 상세히 후술하기로 한다.
【도면의 간단한 설명】
도 1은 무선 층전 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸 다.
도 2는본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸다. 도 3은 유도 모드에서의 전력 송수신 방법을 나타내는 블록도이다.
도 4은 유도 모드에서의 전력 전달 컨트를 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명이 적용될 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 예시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTU의 클래스를 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PRU의 카테고리를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTU상태 모델을 예시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 공진기에 포함되는 공진 모드용 제 1 코 일을 예시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 공진기에 포함되는 유도 모드용 제 2 코 일을 예시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제 2 코일을 정의하기 위한 파라미터를 예시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 평면도이다.
도 13은 도 12의 A 방향에서 바라본 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 측면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기가 포함된 전력 송신기에 대한 균일성 실험 결과를 나타낸다.
도 15는 전력 수신기의 위치에 따른 전력 송신기의 위치별 임피던스 변화량 을 나타낸 실험 결과 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기 구조가 포함된 전력 송신기에 대한 RCECResonate Cou l ing Ef f iciency)에 대한 실험 결과를 나타낸다.
[발명의 실시를 위한 최선의 형태] 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나， 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며， 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는， 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 아닌 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
더욱이， 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만， 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하， 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다 . 도 1은 무선 층전 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸 다. 도 1에서는 무선 층전 시스템에서 송수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하였다.
스마트 시계， 스마트 글래스와 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰， 리모콘， 스 마트폰， PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 /포터블 전자 기기들에는 소전력 (약 5W이하 또는 약 20W 이하) 무선 층전이 적용될 수 있다. 노트북， 로봇 청소기， TV, 음향 기기, 청소기， 모니터와 같은 중 /소형 가전 기기들에는 중전력 (약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전이 적용될 수 있다. 그리고 믹서기， 전자 레인지， 전기 밥솔과 같은 주방 기기， 휠체어， 전기 킥보드， 전기 자전거 등의 개인용 이동 기 기 및 전기 자동차 등의 전자 기기 /이동 수단들에는 대전력 (약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 층전이 적용할 수 있다. 도 1에서 도시한 전자 기기들 /이동 수단 들은 후술하는 전력 수신기를 포함할 수 있다.
이하에서는 소전력 및 모바일 기기를 위주로 설명하나 이는 실시예에 대한 것으로 본 발명에 따른 무선 전력 송수신 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적 용될 수 있다. 무선 전력 송수신 장치들의 표준화를 위해 WPC(Wi reless Power Cons irt i urn) 및 A4WP(Al l iance for Wireless Power) 등의 여러 단체에서 무선 전력 송 /수신 관련 기술을 규격화하고 있다.
최근 개발되는 무선 충전 시스템은 약 까지의 저전력 송수신을 지원할 수 있다. 다만， 최근 모바일 기기의 크기가 커지고 배터리 용량도 증가되고 있는데, 이러한 저전력 층전 방식의 경우 층전 시간이 길고 효율이 떨어지는 문제점이 있 어， 약 15W-20W까지의 중간전력 송수신을 지원하는 무선 충전 시스템이 개발되고 있다, 이와 함께 동시에 복수의 전자 기기를 층전하기 위해 공진 방식이 추가 ¾ 무선 충전 시스템 또한 개발되고 있다.
이하에서는， WPC에서 규격화된 유도 ( induct ive) 모드 /타입 /방식의 무선 전력 송수신 시스템과， A4WP에서 규격화된 공진 (resonant ) (또는 공유 (shared) ) 모드 /타입 /방식의 무선 전력 송수신 시스템을 살펴본다.
또한 이하에서 무선 전력 송신기는 전력 송신기 또는 송신기로， 무선 전력 수신기는 전력 수신기 또는 수신기로 약칭될 수도 있다.
WPC에서 규격화된 무선 전력 송수신 시스템 (유도모드)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 시스템을 나타낸다. 도 2에서, 무선 전력 송수신 시스템은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기 기 (Mobi le Device) 및 베이스 스테이션 (Base Stat ion)을 포함한다.
모바일 기기는 2차 코일 (Secondary Coi l )을 통해 무선 전력을 수신하는 전력 수신기 (Power Receiver) 및 전력 수신기에서 수신한 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 로드 (Load)를 포함한다. 그리고 전력 수신기는 2차 코일을 통해 무선 전력 신호를 수신하여 전기 에너지로 변환하는 전력 픽업 유닛 (Power Pick- Up Unit ) 및 전력 송신기와의 통신 및 전력 신호 송수신 (전력 전달 /수신)을 제어 하는 통신 /컨트를 유닛 (Co圆 uni cat ions & Control Uni t )을 포함할 수 있다. 모바 일 기기는 이하에서 전력 수신 장비로 지칭될 수도 있다.
베이스 스테이션은 유도 전력 ( induct ive power ) 또는 공진 전력 (resonant power)을 제공하는 장치로서， 하나 또는 복수의 전력 송신기들 (Power Transmitter) 및 시스템 유닛을 포함할 수 있다. 전력 송신기는 유도 /공진 전력 을 전송하고， 전력 전송을 제어할 수 있다. 전력 송신기는， 1차 코일 (Primary Coi l (s) )을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환 /전달하 는 전력 변환 유닛 (Power Conversion Uni t ) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 전력 수신기와의 통신 및 전력 전달을 컨트를하는 통신 /컨트를 유닛 (COTmuni cat ions & Control Uni t )을 포함할 수 있다. 시스템 유닛은 입력 전력 프로비저닝 (provisioning) , 복수의 전력 송신기들의 컨트를 및 사용자 인터페이 스 제어와 같은 베이스 스테이션의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다. 베이스 스 테이션은 이하에서 전력 송신 장비로 지칭될 수도 있다.
전력 송신기는 동작 포인트를 컨트를함으로써 송신 전력을 컨트를할 수 있다. 컨트를하는 동작 포인트 (operat ing point )는 주파수 (위상)， 듀티 사이클 (duty cycle) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 전력 송신기는 주파수 (위상) , 듀 티 사이클 /듀티비 (duty rat io) 및 입력 전압의 진폭 증 적어도 하나를 조절하여 전달되는 전력을 컨트를할 수 있다. 또한， 전력 송신기는 일정한 전력을 공급하 고， 전력 수신기가 공진 주파수를 컨트를함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있 다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리， 코일 셀 또는 샐로서 지칭할 수도 있다.
이하에서는 먼저 유도 모드에서 동작하는 전력 송신기 /수신기의 전력 전달 방법에 대하여 설명하도록 한다. 다만， 유도 모드에 대해 설명한 방법 또는 방법에 포함된 단계들 중 적어도 하나는 선택적으로 또는 읍셔널하게 공진 모드에서 사용될 수도 있다. . 도 3은 유도 모드에서의 전력 송수신 방법을 나타내는 블록도이다.
본 발명에 따른 무선 충전 시스템에서， 무선 층전은 5개의 단계 (phase)들을 통해 수행될 수 있다. 5개의 단계들은 셀렉션 단계 (select ion phase) , 핑 단계 (ping phase) , 식별 /구성 단계 ( ident i f icat ion & conf igurat ion phase) , 협상 단 계 (negot iat ion phase) 및 전력 전달 단계 (power transfer phase)를 포함하며， 다만 저전력 모드의 전력 송수신에서 협상 단계는 생략될 수도 있다. 즉， 저전력 모드에서는 4개의 단계들로 전력 송수신이 수행되며, 중간 전력 모드에서 협상 단계가 추가로 수행될 수 있다.
샐렉션 단계에서, 전력 송신기는 송신기에 구비된 인터페이스 표면에 대한 오브젝트의 접촉 /이탈을 모니터링한다. 도.2에서와 같이， 무선 전력 송신기는 전 력 신호를 인가하여 외부 오브젝트의 접촉을 감지할 수 있다. 다시 말하면, 전력 송신기는 1차 코일에 짧은 전력 신호를 인가하고， 이 전력 신호로 인해 발생하는 1차 코일의 전류를 감지하여 외부 오브젝트의 존부를 모니터링할 수 있다. 그리 고 전력 송신기는 셀렉션 단계에서 모니터링된 신호 강도 (signal strength) 정보 (패킷)를 수신, 이에 기초하여 오브젝트를 검출 (디텍트; detect )하면， 이 오브젝 트가 전력 수신기인지 또는 단순한 외부 오브젝트 (열쇠， 동전 등)인지 여부를 선 택할 수도 있다. 이러한 선택을 위해, 전력 송신기는 핑 단계， 식별 /구성 단계 및 협상 단계 중 적어도 하나의 단계를 추가로 수행할 수 있다.
핑 단계에서， 전력 송신기는 디지털 핑을 수행하고， 전력 수신기의 웅답을 대기할 수 있다. 디지털 핑은 전력 수신기를 검출 및 식별하기 위한 전력 신호의 인가 /전송을 나타낸다. 전력 송신기가 전력 수신기를 발견하면， 전력 송신기는 디지털 핑을 확장하여 식별 /구성 단계로 진행할 수 있다.
식별 /구성 단계에서， 전력 송신기는 선택된 전력 수신기를 식별하고 최대 전 력 양과 같은 전력 수신기의 구성 (conf igurat ion) 정보를 획득할 수 있다. 다시 말하면, 전력 송신기는 식별 /구성 정보를 수신하여 전력 수신기에 대한 정보를 획득하고， 이 정보를 사용하여 전력 전달 계약 (Power Transfer Contract )를 확립 (establ i sh)할 수 있다. 이 전력 전달 계약은 이후의 전력 전달 단계에서 전력 전달을 특징짓는 복수의 파라미터들에 대한 제한을 포함할 수 있다.
협상 단계에서， 전력 수신기는 추가적인 전력 전달 계약을 생성하기 위해 전 력 송신기와 협상할 수 있다. 다시 말하면， 전력 송신기는 전력 수신기로부터 협 상 요청 /정보를 수신할 수 있으며， 협상 단계는 식별 /구성 단계에서 대상 수신기 가 중간 전력 수신기인 것으로 확인된 경우에만 진행될 수 있다. 협상 단계에서， 전력 송신기의 보장 (guaranteed) 전력 레벨 및 전력 수신기의 최대 전력과 같은 추가적인 파라미터들이 협상될 수 있다. 전력 수신기가 저전력 수신기인 경우에 는 협상 단계는 생략하고， 식별 /구성 단계에서 바로 전력 전달 단계로 진행할 수 있다.
전력 전달 단계에서， 전력 송신기는 전력 수신기로 무선으로 전력을 제공한다. 전력 송신기는 송신되는 전력에 대한 컨트를 데이터를 수신하여 이에 따라 전력 전달을 제어할 수 있다. 그리고 전력 송신기는 전력 전달 중 전력 전달 계약에 따른 파라미터들의 제한이 위반되면 전력 전달을 중지하고 셀렉션 단계로 진행할 수도 있다. 도 4은 유도 모드에서의 전력 전달 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 4에서 전력 송신기 (Power Receiver) 및 전력 수신기 (Power Receiver )는 도 1에서 도시한 바와 같이 각각 전력 변환 유닛 및 전력 픽업 유닛을 포함할 수 있다.
상술한 유도 모드의 전력 전달 단계에서， 전력 송신기 및 전력 수신기는 전 력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트를할 수 있다. 전력 송신기 및 전력 수신기는 특정 컨트를 포인트에서 동작한다. 컨트를 포인트 는 전력 전달이 수행될 때 전력 수신기의 출력단 (output )에서 제공되는 전압 및 전류의 조합 (combinat ion)을 나타낸다.
조금 더 상세히 설명하면， 전력 수신기는 원하는 컨트를 포인트 (desi red Control Point )- 원하는 출력 전류 /전압， 모바일 기기의 특정 위치의 은도 등을 선택하고， 추가로 현재 동작하고 있는 실제 컨트를 포인트 (actual Control Point ) 를 결정한다. 전력 수신기는 원하는 컨트롤 포인트와 실제 컨트롤 포인트를 사용 하여， 컨트롤 에러 값 (Control Error Value)을 산출하고, 이를 컨트를 에러 패킷 으로서 전력 송신기로 전송할 수 있다.
그리고 전력 송신기는 수신한 컨트를 에러 패킷을 사용하여 새로운 동작 포 인트- 진폭， 주파수 및 듀티 사이클-를 설정 /컨트롤하여 전력 전달을 제어할 수 있다. 따라서 컨트롤 에러 패킷은 전략 전달 단계에서 일정 시간 간격으로 전송 / 수신되며， 실시예로서 전력 수신기는 전력 송신기의 전류를 저감하려는 경우 컨 트롤 에러 값을 음수로， 전류를 증가시키려는 경우 컨트를 에러 값을 양수로 설 정하여 전송할 수 있다. 이와 같이 유도 모드에서는 전력 수신기가 컨트를 에러 패킷을 전력 송신기로 송신함으로써 전력 전달을 제어할 수 있다.
이하에서 설명할 공진 모드에서는 유도 모드에서와는 다른 방식으로 동작할 수 있다. 공진 모드에서는 하나의 전력 송신기가 복수의 전력 수신기를 동시에 서빙할 수 있어야 한다ᅳ 다만 상술한 유: 모드와 같이 전력 전달올 컨트를하는 경우， 전달되는 전력이 하나의 전력 수신기와의 통신에 의해 컨트를되므로 추가적인 전력 수신기들에 대한 전력 전달은 컨트롤이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명의 공진 모드에서는 전력 송신기는 기본 전력을 공통적으로 전달하고， 전력 수신기가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤하는 방법을 사용하고자 한다. 다만， 이러한 공진 모드의 동작에서도 도
4에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며， 추가적인 송신 전력의 제어를 도 4의 방법으로 수행할 수도 있다.
A4WP에서 규격화된 무선 전력 송수신 시스템 (공진 모드)
도 5는 본 발명이 적용될 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 예시한다.
A4WP에서의 무선 전력 전송 시스템 (이하， A4WP 시스템)은 하나의 PTlKPower Transmi tter Uni t )가 하나 이상의 PRl Power Receiver Uni ts )로 전력을 전송하도 록 정의되어 있다 (즉， 일대다 전송 시스템) . 전력 전송 주파수는 6.78MHz이며, 전력 송신기 및 전력 수신기의 geometry 및 전력 레벨에 따라， 하나의 PTU는 최 대 8개의 PRU까지 전력을 공급할 수 있다. A4WP 시스템의 BLE(Bluetooth Low Energy) 링크는 전력 레벨 제어, 유효한 로드 식별 및 비호환 장치 보호를 위해 사용된다.
도 5를 참조하면", A4WP 시스템은 PTU 및 PRU를 포함할 수 있으며， 이때의 PTU는 복수의 독립적인 PRU를 서빙 (serving)하도록 확장될 수 있다. 여기서 서빙 은 전력의 전송 /제공을 의미할 수 있다.
PTU는 3개의 메인 기능 유닛들로서， 공진 -매칭 유닛 (resonator and matching uni t ) , 전력 변환 유닛 (power conversion uni t ) 및 시그널링 -제어 유닛 (signal ing and control uni t ) (또는 MCU(Mi crocontrol ler ) & Out— of band s ignal ing)을 포함한다. PRU 역시， PTU와 같은 상술한 3개의 메인 기능 유닛들을 포함할 수 있다.
공진 -매칭 유닛은 무선 전력 전송을 위한 공진 주파수， 임피던스 매칭 등을 수행할 수 있으며， 본 도면에 도시한 바와 같이, 공진기 (Tx/Rx Resonator ) 및 매 칭 회로로 분리되어 구현될 수 있다. 또한， 전력 변환 유닛은 전기 신호 및 전력 신호간의 변환을 수행할 수 있다. 또한， 시그널링 -제어 유닛은 PTU 또는 PRU에 구비된 다른 유닛들의 쎄어， 다른 유닛들간의 통신 제어 및 타겟 PRU 또는 타겟 PTU와의 양방향 통신 (예를 들어 , 블루투스 통신)을 수행할 수 있다.
PTU는 상술한 유닛들 외에도， PTU에 전력을 공급하는 전력 제공 (Power supply) 유닛 및 /또는 전력을 증폭시키는 전력 증폭 (Power amp) 유닛을 더 포함 할 수 있다. PRU는 상술한 유닛들 외에도， AC lternat ing current )를 DCXdirect current )로 전환하는 정류기 (rect i f ier) 유닛 및 /또는 DC to DC 유닛을 더 포함 할 수 있다.
상술한 유닛들은 하드웨어로 구현되어 PTU또는 PRU에 구비될 수 있으며, 하 나의 구성으로서 통합되어 구현되거나 복수의 구성으로서 (기능별로) 분리되어 구현될 수도 있다.
WPT 네트워크의 제어 및 통신 프로토콜은 양방향 및 반-듀플렉스 (hal f- duplex) 구조로 설계되었으며， PRU 특성을 신호화하여 PTU로 보낼뿐 아니라 이에 대한 피드백을 제공하여， 효율성 최적화, 과전압 보호， .저전압 회피 및 불량 검 출 (rogue object detect ion)을 가능하게 한다.
WPT 네트워크는 PTU가 마스터， PRU가 슬레이브로서 동작하는 스타 토폴로지 이다. PTU 및 PRU는 디바이스를 식별하고， 전력 협상 정보를 교환하기 위해 서로 양방향 통신을 수행할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTU의 클래스를 예시한다.
도 6을 참조하면， PTU는 PTU 공진기로 전력을 주입하는 PTU의 능력 및 /또는 지원 가능한 PRU의 개수 및 카테고리에 의해 총 5가지 클래스로 나뉠 수 있다.
PTU는 PTU 공진기로 주입 가능한 최대 전력 값인 P_TX_IN_MAX를 획득할 수 있으며， 이때의 P_TX_IN_MAX는 실제 전력 값으로서， 시간에 따른 전압 함수인 V(t )와 시간에 따른 전류 함수인 I (t ) 곱의 평균 (=Avg(V(t )*I (t ) ) )으로 구해질 수 있다.
각 클래스별로 PTU가 지원 가능한 P_TX_IN_MAX, PRU의 카테고리 및 PRU 개수 가 상이할 수 있다. 예를 들어， 클래스 2인 PTU의 경우， PTU 공진기로 최대 10W 까지 전력 주입이 가능하며， 카테고리 1， 2 또는 3의 1개의 PRU의 지원이 가능하 다. 이에 반해， 클래스 3인 PTU의 경우， PTU 공진기로 최대 16W까지 전력 주입이 가능하며., 카테고리 1， 2， 또는 3의 PRU를 최대 2개까지 지원 가능하며， 또는 카 테고리 4의 하나의 PRU의 지원이 가능하다.
PRU의 카테고리에 관하여는 도 7과 관련하여 이하에서 후술한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PRU의 카테고리를 예시한다.
도 7을 참조하면， PRU는 PRU 공진기로부터 출력되는 전력 및 /또는 적용 /실행 되는 어플리케이션 /기능에 따라 5가지의 카테고리로 분류될 수 있다. PRU 역시, PRU 공진기로부터 출력되는 최대 전력 값인 P_RX_OUT_MAX을 획득할 수 있으며， 이때의 P_kX_OUT_MAX는 실제 전력 값으로서， 시간에 따른 전압 함수인 V(t )와 시 간에 따른 전류 함수인 I (t ) 곱의 평균 (=Avg(V(t )* I (t ) ) )으로 구해질 수 있다. 각 카테고리별로 PRU 공진기가 출력하는 최대 전력 값 및 적용되는 어플리케 이션 예시가 상이할 수 있다. 예를 들어， 카테고리 2의 PRU의 경우, PRU 공진기 가 최대 3.5W까지 출력 가능하며, 적용 가능한 어플리케이션의 예시로는 피처폰 (Feature Phone)이 있을 수 있다. 이에 반해， 카테고리 3의 PRU의 경우， PRU 공 진기가 최대 6.5W까지 출력 가능하며， 적용 가능한 어플리케이션의 예시로는 스 마트폰이 있을 수 있다.
PRU공진기는 각 카테고리 별로 정의된 전력 값을 초과하여 출력할 수 없다. 만일, PRU 구현 시 80% 이상의 효율이 발생하는 경우， 6.5W는 충전 포트에서 5W 를 허용하기 위한 목적으로 설정된다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 F U상태 모델을 예시한다.
도 8을 참조하면, PTU상태 모델은 PTU 구성 상태， PTU 전력 절약 상태， PTU 저전력 상태， PTU 전력 전달 상태， PTU 국부 결함 (Local Faul t ) 상태 및 /또는 PTU 래칭 오류 상태를 포함할 수 있다. PTU는， 상술한 상태들 중 어느 하나를 가 질 수 있으며， 전력 전달 상태， 타이머， PRU 검출 여부， 시스템 에러， PRU의 층 전 상태 등에 기초하여 상태가 변경될 수 있다. 이상으로 규격 및 모드별로 구별되는 무선 전력 송수신 시스템을 살펴보았다. 앞서 상술한 내용을 종합해볼 때， 유도 모드의 경우， 1， 2차 코일간의 자속 유도 현상을 이용하여 무선 층전이 수행되며， 층전 거리는 근거리로 수 cm 내외 일 수 있다. 또한， 유도 모드의 경우， 층전 효율이 높으며 구현이 용이하다는 장 점을 가지나, 층전 거리가 (공진 모드에 비해 상대적으로) 짧고 층전을 위해서는 전력 송신기의 코일 및 전력 수신기의 코일간 정렬이 필요하고, 일대일 층전만이 가능하다는 단점을 갖는다.
이에 반해， 공진 모드의 경우， 전력 송수신 코일간의 공명 현상을 이용하여 무선 층전이 수행되며， 층전 거리는 중거리로 수 cm〜수 m 범위일 수 있다. 또한, 공진 모드의 경우， m 단위까지 층전 거리 확장이 가능하여 (유도 모드에 비해 상 대적으로) 길고 일대다 층전이 가능하다는 장점을 가지나, 코일의 크기가 크고 전송 효율이 떨어진다는 단점을 갖는다.
유도 모드의 무선 전력 송수신 시스템은 주로 WPC 또는 PMA 단체에서 규격화 되고 있으며, 공진 모드의 무선 전력 송수신 시스템은 주로 WPC 및 A4WP 단체에 서 규격화되고 있다.
전력 송신기와 전력 수신기는 제조사의 선택에 따라 유도 모드 또는 공진 모 드를 지원하는 모델로 제조될 수 있다. 이렇듯 제조사의 자유로운 선택에 따라 특정 모드를 지원하도록 전력 송신기와 전력 수신기가 제조 /생산되는 경우， 전력 송수신기간 호환성 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 전력 송신기는 자신과 동 일한 모드를 지원하는 전력 수신기만을 층전할 수 있으며， 전력 수신기 역시 자 신과 동일한 모드를 지원하는 전력 송신기를 통해서만 층전될 수 있다.
나아가， 어느 규격 (예를 들어， WPC 및 A4WP)에 따라 제조되었는지에 따라서 도 전력 송수신기간 호환성 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, WPC 규격에 따라 제조된 공진 모드 전력 송신기는동일한 규격에 따라 제조된 공진 모드 전력 수 신기만을 층전할 수 있으며， A4WP 규격에 따라 제조된 공진 모드 전력 수신기는 층전할 수 없다.
이러한 호환성 문제는， 유저가 늘 휴대하고 다니는 휴대용 기기에 있어 심각 한 제약으로 작용할 수 있다. 특히， 최근에는 휴대용 기기의 휴대성을 증가 /만족 시키기 위해 충전 서비스를 제공하는 공공 장소 (예를 들어， 공항， 음식점, 카페， 공원 등)가 많이 생겨나고 있는데, 전력 수신기별로 호환 가능한 전력 송신기가 별도로 존재한다면， 전력 수신기별로 전력 송신기를 구비해야 한다는 부담 /비용 이 증가하게 된다.
따라서， 본 명세서에서는 이러한 호환성 문제를 해소하기 위해， 어느 모드 및 규격에 따라 제조되었는지와 무관하게 모든 전력 수신기의 층전이 가능한 전 력 송신기의 공진기의 코일 구조를 제안하고자 한다. 즉， 본 명세서에서는 유도 모드와 공진 모드를 모두 지원하며， WPC 및 A4WP 규격을 모두 지원 가능한 공진 기 코일 구조를 제안한다. 나아가， 공진 코일 및 유도 코일올 함께 배치함에 따 라 발생할 수 있는 층전 영역 상의 자기장 불균형 문제가 개선된 공진기 코일 구 조를 제안한다. 공진기 코일 구조
공진기 코일 구조는 기본적으로는 WPC에서 유도 모드를 위해 규격화되어 있 는 코일과 A4WP에서 공진 모드를 위해 규격화되어 있는 코일을 결합한 형태로 제 안될 수 있다. 보다 구체적인 공진기 코일 구조는 도 11 내지 15와 관련하여 상 세히 후술하기로 한다.
이하에서는 코일 구조에 대한 설명의 편의를 위해， 제 1 및 게 2 방향이 정의 되되， 여기서 제 1 및 제 2 방향은 상대적인 방향으로서 서로 직교하는 방향을 의 미한다. 예를 들어， 제 1 방향아 가로 /수평 방향인 경우， 제 2 방향은 세로 /수직 방향일 수 있다. 또한， 이하에서 후술하는 사이즈는 약 0.5~1画의 오차 범위가 존재할 수 있다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 공진기에 포함되는 공진 모드용 제 1 코 일을 예시한다. 도 9에서 각 슷자는 제 1 코일에서 화살표 범위의 사이즈를 나타 내며， 단위는 mm이다. 다만, 본 도면에서 예시하는 사이즈는 도면에 개시된 바에 한정되지 않으며， 약 5mm의 오차 범위가 존재할 수 있다.
도 9를 참조하면， 공진 모드로 동작하는 제 1 코일은 와이어 (예를 들어, 리츠
(Li tz) 와이어) (또는 도선)가 특정 방향으로 감긴 /회전하는 형태로 구성될 수 있 다. 보다 상세하게는, 제 1 코일은 제 2 방향으로 나란히 배열된 3개의 와이어로 구성된 '와이어 그룹' 이 중심부 (CE)로부터 제 1 및 제 2 방향으로 교차하여 연장 되는 방식으로 구성될 수 있다. 중심부 (CE)는 PCB(Pr inted Circui t Board) 상면 과 하면에 놓인 코일과 연결될 수 있다. 이때， 와이어 그룹은 내부에 빈 공간이 형성된 직사각형 프레임의 형태를 이루도록 중심부 (CE)로부터 연장될 수 있다. 예를 들어， 제 1 코일을 구성하는 와이어 그룹은 중심부 (CE)로부터 순차적으 로 게 1 방향으로 17mm만큼 연장→ 제 2 방향으로 17mm만큼 연장 → 제 1 방향으로 38瞧만큼 연장 → 제 2 방향으로 34mm만큼 연장 → 제 1 방향^로 52.5画만큼 연장 → 제2 방향으로 51隱만큼 연장 → 제 1 방향으로 67mm만큼 연장 → 제 2 방향으로 59隱만큼 연장 → 제 1 방향으로 76mm만큼 연장 → 제2 방향으로 67瞧만큼 연장 → 제 1 방향으로 85mm만큼 연장 → 제2 방향으로 71mm만큼 연장 → 계 1 방향으로 89mm만큼 연장 → 제 2 방향으로 75mm만큼 연장 → 제 1 방향으로 93醒만큼 연장 → 제 2 방향으로 75隱만큼 연장된 후， 마지막으로 제 1 방향으로 소정의 길이만큼 연장될 수 있다. 마지막으로 제 1 방향으로 연장된 와이어 그룹은 인출부 (0L)로서 의 기능을 수행할 수 있다. 이러한 인출부 (0L)는 전력 증폭 (Power Amp) 유닛과 공진 -매칭 유닛부가 포함된 회로와 연결될 수 있다.
상술한 와이어 그룹이 연장되는 길이는 와이어 그룹의 너비까지 포함하여 측 정한 길이이며， 하나의 와이어의 너비는 lmm , 와이어 3개의 와이어들이 나란히 배열된 와이어 그룹의 너비는 3隱일 수 있다.
제 1 코일을 위한 페라이트 판은 선택적으로 공진기에 구비될 수 있으며， 이 때 구비되는 페라이트 판은 1.5隱 두께의 Mn-Zn 페라이트 판일 수 있으며， 초기 투과율 ( ini t i al permeabi 1 i ty)은 3200일 수 있다. 이러한 페라이트 판으로는 T0DAISU의 PM12 제품이 권장될 수 있다.
상기와 같이 구성됨에 따라， 제 1 코일의 제 1 방향으로의 전체 길이는 75mm， 제 2 방향으로의 전체 길이는 93隱일 수 있으며， 내부에는 빈 공간이 존재할 수 있다. 이렇게 형성된 빈 공간을 통해 제 1 코일과 적층 /결합되는 유도 모드용 제 2 코일은， 제 1 코일에 의해 큰 간섭을 받지 않고 전력 전송이 가능하게 된다.
이외에 제 1 코일을 이용하여 구성된 공진기에 대해 정의되는 다양한 파라미 터 값은 아래의 표 1과 같이 정해질 수 있다.
【표 1】 엔트리 (Entry) 값 (Value) (Value)
공진기 타입 (Resonator Type) PCB( r inted circui t 10W
board) Mut l i-Mode ,
Class 2 지원되는 PRU카테고리 개수 (Number)
(Supported PRUs by Category)
Category 1 1
Category 2 1
Category 3 1
Category 4 0
Category 5 0 공진기 전류 (Resonator current ) ITX (Current mArms)
I 800
I 800
I 800
I 900 BSS 1.3 or lower
I 950
I 1400
I 1500
최대 상승 엣지 슬루율 100 mA/ms
(Max rising edge slew rate) 공진기 전류 정격 감소 전력 (Power) (W)
(Resonator current derat ing)
전류 정격.감소 전력 레벨 10
(Current derat ing power level )
Ζτχ— 최소 (Ohms)
ZpA— 150
X ( jOhms) R (Ohms)
Nominal Empty Charge Area Impedance 42.8 1.9
Figure imgf000019_0001
엔트리 (Entry) 값 (Value) (Value)
ZTX_IN_LOAD_DETECT 0.7 0.3 공진기 구조 (Resonator geometry) 거리 (mm)
길이 (Length) 93
너비 (Width) 75
구조적 구성 (Structural PCB
Configuration)
와이어 게이지 (Wire gauge) (또는 NA
극소량 구리의 두께 및 너비 (or trace
copper thickness and width))
Trace Copper 두께 2.0 (oz)
Trace 너비 2 (mm)
Distributed Capacitor(s)) NA
Distributed Capacitor(s) Tolerance NA 공진기 여유 공간 (Resonator 거리 (Distance) (mm)
clearances)
층전면까지의 간격 6
(Clearance to charge surface)
층전기 케이스 옆면과의 간격 20
(Clearance to enclosure edges)
층전기 케이스 하면과의 간격 20
(Clearance to bottom enclosure) 공진기 층전 영역 (Resonator Charge 크기 (Dimension)
Area) (mm)
길이 (Length) 87
너비 (Width) 69
코너 반지름 (Corner Radius) 6
공진기에 대한 방향 중심 (Center)
(Orient at ion in Relation to
Resonator) 공진기 유지 부피 크기 (Dimension)
(Resonator Keep-Out Volume) (mm) 엔트리 (Entry) 값 (Value) (Value)
층전면 아래의 거리 20
(Di stance below charge surface)
길이 (Length) 120
너비 (Width) 100
표 1을 참조하면 공진기의 공진기 타입은 PCB 멀티 -모드 및 class 2에 해당 하며， 정격 출력은 10W일 수 있다. 공진기는 카테고리 1， 2， 또는 3으로 구분되 는 하나의 PRU를 지원 가능하다. 카테고리 1로 구분되는 PRU의 최대 수신 전력은 2W이며， 카테고리 2로 구분되는 PRU의 최대 수신 전력은 3.5W이며， 카테고리 3으
5 로 구분되는 PRU의 최대 수신 전력은 6W이다. 공진기의 최소 코일 전류 ( I_TX_MIN) 은 800mA이며， 최대 코일 전류 ( I_TX_ABS_MAX)는 1500mA일 수 있다.
Z_TX_IN은 전력 수신기와 결합되는 전력 송신기의 임피던스에 관한 파라미터 이며， X_TX_IN은 전력 송신기와 결합되는 전력 수신기의 카테고리별 리액턴스 (Reactance)에 관한 파라미터이며， R_TX_IN은. 전력 송신기와 결합되는 전력 수신 10 기의 카테고리별 저항 (Resi stance 에 관한 파라미터를 각각 나타낸다.
표 1에서 간격 /여유 공간 (clearance)은 제 1 코일로부터 특정 면까지 확보되 어야 하는 공간 /거리를 의미한다. 따라서, 표 1에 따를 때， 게 1 코일로부터 층전 면까지의 거리는 6mm, 제 1 코일로부터 층전기 케이스 옆면과의 거리는 20醒， 제 1 코일로부터 층전기 케이스 하면까지의 거리는 20mm만큼 확보되어야 한다.
15 표 1에서 공진기 유지 부피 (Resonator Keep-Out Volume)는 전력 송신기 및 전력 수신기의 파손 방지를 위해 제 1 코일의 하단 방향 (또는 층전면 반대 방향) 으로 전력 수신기가 놓이면 안되는 공간을 의미한다. 따라서， 표 1에 따를 때, 제 1 코일의 하단 방향으로 높이 20隱， 길이 120誦， 및 너비 100mm만큼의 여유 공 간이 확보되어야 하며， 해당 공간에는 전력 수신기가 배치되지 않아야 한다.
— 2(Γ 이—외ᅩ에 설명—돠지ᅵ 않은 표 Γ와 파ᅳ라미ᅳ터 정의는 WPC 규격 및 A4WP 규격을 따 를 수 있다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 공진기에 포함되는 유도 모드용 제 2 코 일을 예시한다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 계 2 코일을 정의하기 위한 25 파라미터를 예시한다. 도 10에서 각 숫자는 제 2 코일에서 화살표 범위의 사이즈 를 나타내며， 단위는 mm이다. 다만, 본 도면에서 예시하는 사이즈는 도면에 개시 된 바에 한정되지 않으며， 약 5mm의 오차 범위가 존재할 수 있다.
도 10을 참조하면, 제 2 코일은 3개의 서브 코일들 (제 1 내지 제 3 서브 코일) 및 1.5議 두께의 페라이트 판 (Ferr i te PI ate)으로 구성될 수 있다 . 제 1 내지 제 3 서브 코일은 와이어가 기설정된 턴수만큼 감겨 형성될 수 있으며， 중심에 모서리 가 등근 사각형의 관통홀이 형성된 모서리가 등근 사각형 프레임의 형태를 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 서브 코일 (Side Coi l )은 (제 1 방향으로) 서로 이웃하여 배 열되고 페라이트 판 상에 위치 /적층된다. 제 3 서브 코일 (Center Coi l )은 상기 제 1 및 제 2 서브 코일 상에 위치 /적층될 수 있으며， 특히 제 1 및 제 2 서브 코일의 중심 /사이에 위치 /적층될 수 있다.
페라이트 판은 제 2 방향의 길이보다 제 1 방향의 길이가 긴 직사각형 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어， 페라이트 판의 게 1 방향의 길이는 93mm, 제 2 방향의 길이는 53瞧일 수 있다. 페라이트 판은 1.5mm 두께의 Mn-Zn 페라이트 판일 수 있 으며， 페라이트 플레이트의 초기 투과율 ( ini t i al permeabi l i ty)은 3200일 수 있 다. 이러한 페라이트 판으로는 T0DAISU의 PM12 제품이 권장될 수 있다.
제 1 및 제 2 서브 코일은 서로 동일한 사이즈를 갖도록 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 서브 코일은 제 1 방향의 길이가 4½m , 제 2 방향의 길이가 49mm일 수 있다. 제 1 및 제 2 서브 코일의 중앙에는 제 1 방향의 길이가 22画， 제 2 방향의 길이가 26mm인 사각형 관통흘이 형성된다.
제 3 서브 코일은 제 1 방향의 전체 길이가 50mm , 제 2 방향의 전체 길이가
46mm일 수 있다. 제 3 서브 코일 중앙에는 계 1 방향의 길이가 26咖, 제 2 방향의 길이가 21mm인 사각형 관통홀이 형성된다.
도 11을 참조하면， 제 1 내지 제 3 서브 코일을 형성하는 와이어의 타입은 리 츠 와이어 (예를 들어, 0.08誦 굵기를 가진 와이어의 105 가닥 묶음으로 구성된 리츠 와이어 ( 105 strands of 0.08mm) )일 수 있으며， 제 1 내지 제 3 서브 코일의 두께는 1. 1mm일 수 있다.
제 1 및 제 2 서브 코일의 사이즈는， 앞서 상술한 바와 같이， 50隱 X 46mm일 수 있으며， 와이어의 턴수는 ' 11' 일 수 있다. 제 3 서브 코일의 사이즈는， 앞서 상 술한 바와 같이， 44 X 49mm일 수 있으며， 와이어의 턴수는 ' 12' 일 수 있다. 이러한 제 2 코일은 제 1 코일의 하부의 동심원에 배치될 수 있으며， 평면상에 서 게 1 코일과 오버랩되도록 배치될 수 있다. 제 1 및 제 2 코일의 보다 구체적인 배치 구조는 도 12 및 13과 관련하여 이하에서 후술한다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기의 평면도이다. 도 13은 도 12의
A 방향에서 바라본 본 발.명의 일 실시예에 따른 공진기의 측면도이다.
도 12를 참조하면， 제 1 및 제 2 코일은 평면 상에서 서로 오버랩되도록 (동심 원 패턴 (concentr ic pattern)으로) 배치될 수 있으며， 특히 제 2 코일은 게 1 코일 의 중심부에 위치할 수 있다. 예를 들어， 제 2 코일은 제 1 코일의 하부에 배치되 되， 게 2 방향의 양쪽 외곽으로부터 11mm만큼씩 떨어진 위치쌔 배치될 수 있다. 앞서 상술한 바와 같이， 제 1 코일 내부에는 빈 공간이 형성되어 있으므로, 제 1 및 제 2 코일이 평면 상에서 서로 오버랩되도톡 배치되더라도 제 1 코일의 빈 공간 을 통해 제 2 코일의 전력이 전력 수신기로 전송되는 데 문제가 없다.
도 13을 참조하면, 공진기는 게 1 및 제 2 코일이 제 2 코일→제1 코일 순으로 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 보다 상세하게는， 공진기는 페라이트 판 → 제 1 및 제 2 서브 코일 → 제 3 서브 코일 → 제 1 코일 순으로 적층되어 형성될 수 있다. 페라이트 판의 상면으로부터 제 1 코일의 상면까지의 길이는 3.85隱일 수 있으며 , 제 3 서브 코일의 상면으로부터 제 1 코일의 상면까지의 길이는 1.55隱 로 설정될 수 있다. 도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기가 포함된 전력 송신 기에 대한 실험 결과를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기가 포함된 전력 송신기에 대한 균알성 실-험 결과를 나타낸다.
일반적으로， 공진 모드용 코일과 유도 모드용 코일을 단순히 적층함으로써 전력 송신기를 구성하는 경우， 두 코일간 간섭이 발생하여 층전 영역 내에 자기 장이 균일하지 않게 형성된다는 문제점이 발생하였다. 즉， 두 코일간 간섭으로 인해， 충전 영역 내에서의 전력 송신기와 전력 수신기 사이의 커플링 균일성 (Uni forminty)이 크게 감소한다는 문제점이 발생하였다. 그러나， 본 실시예에 따 른 공진기 구조를 따르는 경우， 도 14의 실험 결과에 나타난 바와 같이， 균일성 이 일정 수준으로 유지됨을 확인할 수 있었다.
도 14의 실험 결과는 공진기 구조가 포함된 전력 송신기의 전류를 특정 구동 범위 내에서 변화시켰을 때 , 커플링 계수가 최소인 위치 (이하， '최소 커플링 위 치' 라 지칭함)와 최대인 위치 (이하， '최대 커플링 위치 ' 라 지칭함)에서 층전 전압을 측정한 결과를 나타낸다.
도 14를 참조하면， 최소 커플링 위치에서 층전 전압은 5.71V로 측정되었으며， 최대 커플링 위치에서 층전 전압은 10.86V로 측정되었다. 이는, 공진기 구조가 포함된 전력 송신기의 층전 영역 내에서의 층전 전압은 특정 전압 범위 (즉, 5V 내지 16V의 범위) 나 ᅵ서만 변화되어 층전 영역의 균일성을 만족하는 것으로 해 석될 수 있다. 이는 특히， 5V 이상의 전압이 전송된 경우에만 층전이 가능하며， 16V 이상의 전압이 전송된 경우에 파손되는 전력 수신기의 경우， 어느 충전 영역 내에 놓이게 되더라도 안정적으로 층전될 수 있음을 의미한다.
이외에， 본 도면에는 도시하지 않았으나， A4WP 규격에서 전력 송신기의 코일 규격을 채택하기 위해 기준으로 삼고 있는 3가지 종류의 인증용 전력 수신기에 대하여， 본 발명의 일 실시예에 따른 공진기 구조에 의해 층전 영역의 균일성이 모두 만족되는 것으로 측정되었다. 도 15는 전력 수신기의 위치에 따른 전력 송신기의 위치별 임피던스 변화량 을 나타낸 실험 결과 그래프이다. X축은 전력 송신기의 임피던스의 허수부인 리 액턴스를 나타내며， y축은 해당 임피던스의 실수부인 저항을 나타낸다.
전력 송신기의 층전 영역에 전력 수신기에 위치하게 되는 경우， 전력 수신기 의 위치에 따라 전력 송신기의 임피던스가 변화하게 된다. 이때， 전력 수신기의 위치에 따른 전력 송신기의 임피던스 변화량이 적을수록 임피던스 매칭이 쉬워져 전력 송신기의 임피던스 매칭 회로가 단순해진다는 효과가 발생한다 . 따라서， 임 피던스 변화량이 적을수록 전력 전송 효율이 증가하며， 전력 송신기의 회로 복잡 도가 줄어들게 된다.
도 15의 실험 결과 그래프는 앞서 상술한 3가지 인증용 전력 수신기들을 전 력 송신기의 최소 커플링 위치에서 최대 커플링 위치로 이동시키면서 전력 송신 기의 임피던스 변화를 기록한 그래프이다.
도 15를 참조하면， 전력 송신기의 임피던스는 전력 수신기의 위치 및 +로드 의 임피던스에 따라 최소 -4j Q에서 최대 4]' Ω의 범위 내에서 변화함을 확인할 수 있었다. 일반적인 전력 송신기의 경우， 임피던스가 최대 -10j Q에서 10j Q 범 위에서 변화되는 것을 고려할 때， 본 발명의 전력 송신기는 매우 적은 범위 내에 서 임피던스가 변화함을 확인할 수 있었다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진가 구조가 포함된 전력 송신기에 대한 RCE(Resonate Coupl ing Ef f iciency)에 대한 실험 결과를 나타낸다.
도 16을 참조하면， 전력 송신기에 대해 RCE가 77.83%로 측정되어 매우 높은 층전 효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이렇듯 도 14 내지 16에 따른 실험 결과에 따를 때, 공진기를 포함하는 전력 송신기는 층전 영역의 균일성， 임피던스 변화량 및 층전 효율 측면에서 뛰어난 성능을 가진 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공진기는 층전 영역에 놓인 전력 수신기를 검출 하고， 전력 수신기가 어떤 모드 /규격으로 동작하는지를 인식 /검출한 후에， 전력 수신기의 지원 모드 /규격에 따라 제 1 또는 제 2 코일을 선택적으로 적절하게 구동 함으로써 전력 수신기를 층전할 수 있다. 그 결과， 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기는 다양한 모드 /규격의 전력 수신기를 충전할 수 있다는 효과를 발생 시킨다. 설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나， 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한， 본 발명은 상술한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정뒤게 적용될 수 있는 것이 아니라， 상술한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 또한， 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만， 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며， 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다. 【산업상 이용가능성】
본 발명은 다양한 무선 층전 기술에 적용될 수 있다 .

Claims

【청구의 범위】
【청구항 11
공진 모드로 전력을 전송하는 공진기에 있어서,
나란히 배열된 3개의 와이어들로 구성된 와이어 그룹이 서로 직교하는 제 1 및 제 2 방향 교대로 연장되어 형성되는, 겨 U 코일; 및
3개의 서브 코일들 및 페라이트 판을 포함하는， 게 2 코일; 을 포함하되， 상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일은 이웃하여 적층되며， 상기 제 1 코일은 공 진 모드로 구동되는 공진 코일， 상기 제 2 코일은 유도 모드로 구동되는 유도 코 일에 각각 해당하는， 공진기.
【청구항 2】
제 1 항에 있어서，
상기 3개의 와이어들 각각의 너비 (width)는 0.5mm 내지 1.5mm 범위 내로 결 정되는, 공진기.
【청구항 3]
제 2 항에 있어서，
상기 제 1 코일은 내부에 빈 공간이 형성된 직사각형 형태로 구성되는， 공진 기.
【청구항 4】
제 3 항에 있어서，
상기 제 1 코일의 전체 길이 ( l ength)는 92 내지 94隱 범위 내에서 결정되며， 전체 너비는 74 내지 76mm 범위 내에서 결정되는, 공진기.
【청구항 5】
제 4 항에 있어서，
상기 와이어 그룹은 상기 제 1 코일의 중심부로부터 상기 제 1 방향으로 16 내 지 18mm， 상기 제 2 방향으로 16 내지 18mm, 상기 제 1 방향으로 37 내지 39瞧， 상 기 제 2 방향으로 33 내지 35mm, 상기 제 1 방향으로 51.5 내지 53.5mm , 상기 거 12 방향으로 50 내지 52mm， 상기 제 1 방향으로 66 내지 68誦， 상기 제 2 방향으로 58 내지 60mm, 상기 제 1 방향으로 75 내지 77mm , 상기 제 2 방향으로 67讓， 상기 제 1 방향으로 84 내지 86隱, 상기 제 2 방향으로 70 내지 72mm, 상기 제 1 방향으로 88 내지 90圆， 상기 제 2 방향으로 74 내지 76匪， 상기 제 1 방향으로 92 내지 94mm , 상기 제 2 방향으로 74 내지 76mm만큼 순차적으로 연장되어 상기 제 1 코일의 인출 부와 연결되는， 공진기.
【청구항 6]
제 1 항에 있어서，
상기 3개의 서브 코일들이 제 1 내지 제 3 서브 코일로 구성되는 경우， 상기 제 1 및 제 2 서브 코일은 상기 제 1 방향으로 이웃하여 나란히 배열되어 상기 페라이트 판 상에 적층되며， 상기 제 3 서브 코일은 상기 제 1 및 제 2 서브 코일 사이에 적층되는， 공진기.
【청구항 7】
제 6 항에 있어서，
상기 제 1 내지 제 3 서브 코일의 중심에는 모서리가 둥근 사각형 형태의 관통 홀이 형성된 모서리가 등근 사각형 형태의 프레임 구조를 갖는， 공진기.
【청구항 8】
제 7 항에 있어서，
상기 제 1 및 제 2 서브 코일은 서로 동알한 사이즈로 구성되며， 상기 게 3 서 브 코일과는 다른 사이즈로 구성되는， 공진기 .
【청구항 9]
제 8 항에 있어서，
상기 제 1 및 제 2 서브 코일을 구성하는 와이어의 턴 수는 11， 상기 제 3 서브 코일을 구성하는 와이어의 턴수는 12로 결정되며，
상기 제 1 내지 제 3 서브 코일의 두께는 0.6瞧 내지 1.6瞧로 결정되는， 공진 기.
【청구항 10】
제 9 항에 있어서,
상기 체 1 및 제 2 서브 코일의 상기 제 1 방향의 길이는 43 내지 45隱의 범위， 상기 제 2 방향의 길이는 48 내지 50mm의 범위 내에서 결정되며，
상기 제 1 및 게 2 서브 코일 내 상기 관통홀의 상기 제 1 방향의 길이는 21 내 지 23匪， 상기 제 2 방향의 길이는 25 내지 27腿의 범위 내에서 결정되는， 공진기.
【청구항 11】
제 10 항에 있어서，
상기 제 3 서브 코일의 상기 제 1 방향의 길이는 49 내지 51mm의 범위， 상기 제 2 방향의 길이는 45 내지 47mm의 범위 내에서 결정되며，
상기 제 3 서브 코일 내 상기 관통홀의 상기 계 1 방향의 길이는 25 내지 27mm 의 범위, 상기 제 2 방향의 길이는 20 내지 22隱의 범위 내에서 결정되는， 공진기.
【청구항 12】
제 11 항에 있어서，
상기 페라이트 판의 상기 제 1 방향의 길이는 92 내지 94mm의 범위, 상기 제 2 방향의 길이는 52 내지 54圓의 범위 내에서 '결정되는， 공진기.
【청구항 13】
제 6 항에 있어서，
상기 제 1 코일이 상기 제 2 코일에 포함된 상기 게 3 서브 코일 상에 적층되는 경우, 상기 페라이트 판의 상면으로부터 상기 제 1 코일의 상면까지의 거리는 2.85 내지 4.85mm 범위， 상기 제 3 서브 코일의 상면으로부터 상기 제 1 코일의 상 면까지의 거리는 0.55 내지 2.55隱 범위 내에서 결정되는, 공진기.
【청구항 14]
제 13 항에 있어서，
상기 제 2 코일은 평면 상에서 상기 제 1 코일의 양쪽 외곽으로부터 10 내지 12mm 범위만큼 떨어진 지점에 위치하는， 공진기.
【청구항 15]
무선 전력 수신기로 전력을 전송하는 무선 전력 송신기에 있어서,
상기 무선 전력 송신기로 전력을 공급하는, 전력 공급 유닛 (Power Supply Uni t ) ;
임피던스 매칭을 수행하는， 매칭 회로;
상기 무선 전력 수신기로 전력을 전송하는， 공진기; 및
대역외 (Out-of-band) 통신을 수행하는， 제어 유닛; 을 포함하되，
상기 공진기는，
나란히 배열된 3개의 와이어들로 구성된 와이어 그룹이 서로 직교하는 제 1 및 제 2 방향 교대로 연장되어 형성되는， 제 1 코일; 및
3개의 서브 코일들 및 페라이트 판을 포함하는, 게 2 코일; 을 포함하되， 상기 계 1 코일 및 상기 제 2 코일은 이웃하여 적층되며, 상기 제 1 코일은 공 진 모드로 구동되는 공진 코일， 상기 제 2 코일은 유도 모드로 구동되는 유도 코 일에 각각 해당하는， 무선 전력 송신기.
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