WO2018207998A1 - 전하 펌프 기반의 무선전력 수신기 - Google Patents

전하 펌프 기반의 무선전력 수신기 Download PDF

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WO2018207998A1
WO2018207998A1 PCT/KR2018/002085 KR2018002085W WO2018207998A1 WO 2018207998 A1 WO2018207998 A1 WO 2018207998A1 KR 2018002085 W KR2018002085 W KR 2018002085W WO 2018207998 A1 WO2018207998 A1 WO 2018207998A1
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voltage
rectifier
wireless power
charge pump
output
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PCT/KR2018/002085
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황종태
정휘용
신현익
이준
Original Assignee
주식회사 맵스
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission system, and more particularly to a DC-DC voltage converter and a wireless power receiver including the same for reducing the rectifier loss.
  • a DC voltage is input and stepped up or down to a stable voltage required at the output.
  • driving loss and conduction loss occur.
  • Drive loss is the loss that occurs to drive the switch in the rectifier
  • conduction loss is the loss that occurs in the switch.
  • Conduction losses are proportional to the square of the current flowing through the switch and proportional to the resistance of the switch.
  • the rectifier is a very important factor in determining the power transfer efficiency, so it is important to maximize the efficiency of the rectifier.
  • a wireless power receiver for maximizing power transmission efficiency by minimizing power loss of the wireless power receiver.
  • a wireless power receiver includes a resonator for receiving wireless power, a rectifier for rectifying the wireless power received from the resonator into a DC waveform, and attenuating the rectified power from the rectifier to attenuate and output a voltage of the input power. And a charge pump that reduces the loss of the rectifier.
  • the charge pump may be positioned at the final output terminal of the wireless power receiver to supply the output voltage to the load.
  • the charge pump can attenuate the rectifier voltage such that the output voltage is 1 / N of the rectifier voltage (N is a positive real number).
  • the charge pump may include at least one capacitor.
  • the charge pump may not include an inductor.
  • the charge pump includes an input node for receiving a rectifier voltage as an input voltage, an output node for supplying an output voltage to a load, a first capacitor, a first switch connected with an input node and a first terminal of the first capacitor, A second switch connected to the second terminal and the output node of the first capacitor, a third switch connected to the first terminal and the output node of the first capacitor, and a fourth connected to the second terminal of the ground and first capacitor It may include a switch.
  • the charge pump can further include a second capacitor connecting the output node to ground.
  • the wireless power receiver may further include a charge pump controller configured to sense the rectifier voltage output from the rectifier and determine whether to operate the charge pump based on the sensed rectifier voltage to control the charge pump.
  • the wireless power receiver further includes a communication unit communicating with the wireless power transmitter, wherein the charge pump control unit transmits rectifier voltage information to the wireless power transmitter through the communication unit to sense the rectifier voltage and to make the sensed rectifier voltage larger than the output voltage. And control the output power of the power amplifier.
  • the charge pump circuit in the final output terminal of the wireless power receiver, it is possible to maximize the power transfer efficiency of the receiver by minimizing the power loss of the rectifier.
  • the loss is improved in inverse proportion to the square of the voltage decay ratio N, and in the case of using a passive element such as a diode, the loss is improved inversely to N.
  • the charge pump circuit eliminates bulky inductors by using only capacitors instead of inductors, resulting in a system that occupies a small area and substantially eliminates losses in the inductor. Efficiency can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a wireless power transmission system in which an LDO is configured as a final output terminal.
  • FIG. 2 illustrates a wireless power transmission system in which a buck converter is configured as a final output stage.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a wireless power transmission system including a charge pump as a final output stage according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a charge pump circuit (1/2 attenuation circuit) having a voltage reduction ratio of 2 according to an embodiment of the present invention.
  • Combinations of each block of the block diagrams and respective steps of the flowcharts may be performed by computer program instructions (executable engines), which may be executed on a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing equipment.
  • instructions executed through a processor of a computer or other programmable data processing equipment create means for performing the functions described in each block of the block diagram or in each step of the flowchart.
  • These computer program instructions may also be stored in a computer usable or computer readable memory that can be directed to a computer or other programmable data processing equipment to implement functionality in a particular manner, and thus the computer usable or computer readable memory.
  • the instructions stored therein may also produce an article of manufacture containing instruction means for performing the functions described in each block of the block diagram or in each step of the flowchart.
  • Computer program instructions can also be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, such that a series of operating steps can be performed on the computer or other programmable data processing equipment to create a computer-implemented process that can be executed by the computer or other programmable data. Instructions for performing data processing equipment may also provide steps for performing the functions described in each block of the block diagram and in each step of the flowchart.
  • each block or step may represent a portion of a module, segment or code that includes one or more executable instructions for executing specific logical functions, and in some alternative embodiments referred to in blocks or steps It should be noted that the functions may occur out of order. For example, the two blocks or steps shown in succession may, in fact, be performed substantially concurrently, or the blocks or steps may be performed in the reverse order of the corresponding function, as required.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a wireless power transmission system in which an LDO is configured as a final output terminal.
  • a wireless power transmission system includes a transmitter 1 and a receiver 2.
  • the transmitter 1 comprises a power amplifier 10 and a resonator 12 composed of an antenna 120.
  • the receiver 2 has a resonator 20 composed of an antenna 200, and a rectifier 21 (rectifier) for converting an AC signal received from the resonator 20 into a DC signal is required.
  • . 1 introduces an active rectifier consisting of four MOSFET switches. Although rectifiers can be constructed using diodes, active rectifiers using MOSFETs are generally known to be more efficient.
  • the voltage DC-converted by the rectifier 21 and output is referred to as rectifier voltage VRECT.
  • the LDO 22 receives a rectifier voltage VRECT and converts it into a sophisticated DC voltage.
  • the LDO 22 is an abbreviation of a low drop-out regulator.
  • the LDO 22 receives a DC voltage and steps down to another desired DC voltage to output the linear voltage.
  • the LDO 22 is used to generate the output voltage VOUT from the rectifier voltage VRECT, and finally output the output current IOUT required by the load.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a wireless power transmission system in which a buck converter is configured as a final output stage.
  • the buck converter 23 is a circuit for converting an input voltage into a low output voltage using a switching element, and may satisfy a relatively very high efficiency even when the voltage difference between the rectifier voltage VRECT and the output voltage VOUT is large.
  • this approach requires a low pass filter 24 consisting of an inductor 240 and a capacitor 242 at the output for the operation of the buck converter 23. Since the low pass filter 24 is required, the required components are increased compared to the LDO method, and the cost increases, and the power loss generated by the parasitic resistance component of the inductor 240 is the biggest disadvantage. In addition, since the buck converter 23 circuit is more complicated than the LDO circuit and requires more elements, the area occupied by the direct circuit is also a disadvantage.
  • FIG 3 is a diagram showing a change in the rectifier output current according to the voltage conversion ratio (N).
  • the rectifier output current (IRECT) is changed to a pulse wave to form a half-wave sinusoidal shape, smoothed by the capacitor CRECT (26), the average rectifier average as shown in Equation 2 below
  • the current IRECT is supplied to the buck converter 23.
  • the rectifier average current (IRECT, average) is reduced to half of the output current (IOUT).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a wireless power transmission system in which a charge pump is configured as a final output stage according to an embodiment of the present invention.
  • the charge pump 250 is a switching circuit that outputs a voltage higher or lower than an input using a switch element and a capacitor. In this case, we will use an attenuated charge pump that lowers the voltage to a voltage lower than the input.
  • the rectifier current IRECT becomes N times smaller than the output current IOUT.
  • the charge pump 250 uses only a capacitor instead of an inductor, it is possible to eliminate a bulky inductor, thereby realizing a system that occupies a small area and substantially eliminating losses in the inductor. High efficiency can be satisfied.
  • the receiver 2 may include a resonator 20, a rectifier 21, and a voltage adjuster 25, and may further include a communication unit 26.
  • the voltage adjustor 25 may include a charge pump 250, and may further include a charge pump controller 252.
  • the resonator 20 receives wireless power from the transmitter 1, and the rectifier 21 rectifies the wireless power received from the resonator 20 into a direct current waveform.
  • the charge pump 250 receives the rectified power from the rectifier 21 to attenuate the voltage of the input power and output the reduced voltage of the rectifier 21.
  • the charge pump 250 is located at the final output terminal of the receiver 2 to apply the output current IOUT to the load.
  • the charge pump 250 attenuates the rectifier voltage such that the output voltage VOUT becomes 1 / N of the rectifier voltage VRECT.
  • N may be a positive real number including a positive integer.
  • the charge pump 250 includes at least one or more capacitors to convert power, and may not include an inductor to simplify the circuit configuration.
  • the charge pump controller 252 detects the rectifier voltage VRECT output from the rectifier 21 and determines whether to operate the charge pump 250 based on the sensed rectifier voltage VRECT to control the charge pump 250. do. For example, when the rectifier voltage VRECT is higher than the reference voltage, the charge pump 250 is activated, and when the rectifier voltage VRECT is lower than the reference voltage, the charge pump 250 is deactivated.
  • the communication unit 26 of the receiver 2 communicates with the communication unit 14 of the transmitter 1.
  • the charge pump controller 252 detects the rectifier voltage VRECT and transmits rectifier voltage information to the transmitter 1 through the communication unit 26 such that the detected rectifier voltage VRECT is greater than the output voltage VOUT. Control so that the transmitter 1 adjusts the output power of the power amplifier 10.
  • the rectifier average current (IRECT, average) can be reduced by N times.
  • the rectifier voltage (VRECT) is controlled N times higher than the output voltage (VOUT) compared to the LDO, so the rectifier output current (IRECT) becomes N times smaller than that of the LDO. Becomes as small as 1 / N 2 .
  • the actual charge pump power conversion efficiency is not 100%, which will be worse.
  • the actual charge pump 250 is not 100% power conversion efficiency, but it is possible to implement the efficiency of the latter 90%. Therefore, even if the actual charge pump efficiency is taken into account, the loss reduction of the rectifier 21 is so large that the overall efficiency of the receiver 2 becomes very high.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a charge pump circuit (1/2 attenuation circuit) having a voltage reduction ratio of 2 according to an embodiment of the present invention.
  • the charge pump 250 when the voltage decay ratio N is 2, includes an input node 257, an output node 258, a first capacitor Cp 255, a switch M1 251, and M2. 252, M3 253, and M4 254, and further include a second capacitor COUT 256.
  • the input node 257 receives the rectifier voltage VRECT as an input voltage, and the output node 258 supplies the output voltage VOUT to the load.
  • the switch M1 251 is connected to the input node 257 and the first terminal of the first capacitor Cp 255, and the switch M2 252 is connected to the second terminal and output of the first capacitor Cp 255. Is connected to node 258.
  • the switch M3 253 is connected to the first terminal of the first capacitor Cp 255 and the output node 258, and the switch M4 254 is grounded and the second terminal of the first capacitor Cp 255.
  • Connected with Second capacitor (COUT) 256 connects output node 258 to ground.
  • charge pump 250 may be operated in two phases to produce an output voltage VOUT that is one half of rectifier voltage VRECT.
  • switches M1 251 and M2 252 that are turned on a first capacitor Cp 255 and a second capacitor COUT 256 are connected in series between the rectifier voltage VRECT and ground in a first phase.
  • the switches M1 251 and M2 252 are turned on, the first capacitor Cp 255 is not substantially charged, and the second capacitor COUT 256 crosses the output voltage VOUT. It is precharged to be VRECT / 2.
  • the charge pump 250 needs only the first capacitor Cp 255 and the second capacitor COUT 256 to change the voltage, and thus, the system can be implemented very simply. There is no unnecessary power dissipation as in the buck converter's inductor.
  • a charge pump having various types of N may be implemented by adjusting a switch configuration and the number and value of capacitors.
  • N may not necessarily be an integer.

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Abstract

일 실시 예에 따른 무선전력 수신기는, 무선전력을 수신하는 공진기와, 공진기로부터 수신된 무선전력을 직류 파형으로 정류하는 정류기와, 정류기로부터 정류되는 전력을 입력받아 입력 전력의 전압을 감쇄시켜 출력함에 따라 정류기의 손실을 감소시키는 전하 펌프를 포함한다.

Description

전하 펌프 기반의 무선전력 수신기
본 발명은 무선전력 전송 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정류기 손실을 줄이기 위한 DC-DC 전압 변환기 및 이를 포함하는 무선전력 수신 장치에 관한 것이다.
무선전력 전송 시스템에 사용되는 일반적인 DC-DC 전압 변환기의 경우, DC 전압을 입력받아서 출력에서 필요로 하는 안정된 전압으로 승압 또는 강압시킨다. DC-DC 전압 변환기에 정류된 DC 전압을 출력하는 정류기의 경우, 구동 손실(driving loss)과 도통 손실(conduction loss)이 발생한다. 구동 손실은 정류기 내 스위치를 구동시키기 위해 발생하는 손실이고, 도통 손실은 스위치에서 발생하는 손실이다. 도통 손실은 스위치에 흐르는 전류의 제곱에 비례하고 스위치의 저항에 비례한다. 무선전력 수신기에서 정류기는 전력 전달 효율을 결정하는 데 있어서 매우 중요한 요소이므로, 정류기의 효율을 극대화하는 것이 중요하다.
일 실시 예에 따라, 무선전력 수신기의 전력 손실을 최소화하여 전력 전달 효율을 극대화하기 위한 무선전력 수신기를 제안한다.
일 실시 예에 따른 무선전력 수신기는, 무선전력을 수신하는 공진기와, 공진기로부터 수신된 무선전력을 직류 파형으로 정류하는 정류기와, 정류기로부터 정류되는 전력을 입력받아 입력 전력의 전압을 감쇄시켜 출력함에 따라 정류기의 손실을 감소시키는 전하 펌프를 포함한다.
전하 펌프는, 무선전력 수신기의 최종 출력단에 위치하여 출력전압을 부하에 공급할 수 있다. 전하 펌프는, 출력전압이 정류기 전압의 1/N(N은 양의 실수)이 되도록 정류기 전압을 감쇄시킬 수 있다. 전하 펌프는, 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다. 전하 펌프는, 인덕터를 포함하지 않을 수 있다.
전하 펌프는, 정류기 전압을 입력전압으로 수신하는 입력 노드와, 출력전압을 부하에 공급하는 출력 노드와, 제1 커패시터와, 입력 노드 및 제1 커패시터의 제1 단자와 연결되는 제1 스위치와, 제1 커패시터의 제2 단자 및 출력 노드와 연결되는 제2 스위치와, 제1 커패시터의 제1단자 및 출력 노드와 연결되는 제3 스위치와, 접지 및 제1 커패시터의 제2 단자와 연결되는 제4 스위치를 포함할 수 있다. 전하 펌프는, 출력 노드를 접지에 연결하는 제2 커패시터를 더 포함할 수 있다.
무선전력 수신기는, 정류기로부터 출력되는 정류기 전압을 감지하고 감지된 정류기 전압에 기초하여 전하 펌프의 동작 여부를 결정하여 전하 펌프를 제어하는 전하 펌프 제어부를 더 포함할 수 있다. 무선전력 수신기는, 무선전력 송신기와 통신하는 통신부를 더 포함하며, 전하 펌프 제어부는 정류기 전압을 감지하고 감지된 정류기 전압이 출력전압보다 크도록 하기 위한 정류기 전압 정보를 통신부를 통해 무선전력 송신기에 전송하도록 제어하여 무선전력 송신기가 전력 증폭기의 출력전력을 조절하게 할 수 있다.
무선전력 수신기의 최종 출력단에 전하 펌프 회로를 구성함에 따라, 정류기의 전력손실을 최소화하여 수신기의 전력 전달 효율을 극대화할 수 있다. 예를 들어, 정류기가 MOSFET 스위치를 사용하는 경우, 전압 감쇄비인 N의 제곱에 반비례하여 손실이 개선되고, 다이오드와 같은 수동 소자를 사용하는 경우 N에 반비례하여 손실이 개선된다.
나아가, 전하 펌프 회로는 인덕터를 사용하지 않고 커패시터만 사용하기 때문에 부피를 많이 차지하는 인덕터를 제거할 수 있어서 작은 면적을 차지하는 시스템을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 인덕터에서 소모되는 손실이 없어지므로 실질적으로 매우 높은 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 LDO를 최종 출력단으로 구성한 무선전력 전송 시스템을 도시한 도면,
도 2는 벅 컨버터(buck converter)를 최종 출력단으로 구성한 무선전력 전송 시스템을 도시한 도면,
도 3은 전압 변환 비율(N)에 따른 정류기 출력전류의 변화를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전하 펌프(charge pump)를 최종 출력단으로 구성한 무선전력 전송 시스템을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 감쇄비가 2인 전하 펌프 회로(1/2 감쇄 회로)의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 LDO를 최종 출력단으로 구성한 무선전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선전력 전송 시스템은 송신기(1)와 수신기(2)를 포함한다. 송신기(1)는 전력 증폭기(power amp)(10)와, 안테나(120)로 구성된 공진기(resonator)(12)를 포함한다. 수신기(2)도 송신기(1)와 마찬가지로 안테나(200)로 구성된 공진기(20)가 있으며, 공진기(20)에서 수신된 AC 신호를 DC 신호로 변환하기 위한 정류기(21)(rectifier)가 필요하다. 도 1에서는 4개의 MOSFET 스위치로 구성된 능동 정류기(active rectifier)를 소개하고 있다. 다이오드를 이용하여 정류기를 구성할 수도 있으나, 일반적으로 MOSFET을 이용한 능동 정류기의 효율이 더 우수한 것으로 알려져 있다. 정류기(21)에 의해 DC 변환되어 출력되는 전압을 정류기 전압(VRECT)이라 한다. 정류기 전압(VRECT)을 입력받아 정교한 DC 전압으로 변환하는 LDO(22)가 있다. LDO(22)는 low drop-out regulator의 약자로, DC 전압을 입력받아 원하는 다른 DC 전압으로 강압하여 출력하는 소자이고, 선형 동작을 한다. LDO(22)를 이용하여 정류기 전압(VRECT)으로부터 출력전압(VOUT)을 발생하고, 최종적으로 부하(load)가 요구하는 출력전류(IOUT)를 출력한다.
LDO(22)는 선형 소자이기 때문에 정류기 전압(VRECT)과 출력전압(VOUT)이 거의 같을 때 최대의 전력 변환 효율을 나타내게 된다. VRECT = VOUT이 되도록 제어된다면 매우 좋은 효율을 만족할 수 있지만, 그렇지 못할 경우 LDO(22)에서의 전력 손실이 아래 수학식 1과 같이 발생하여, 장/단점이 명확한 방식이라 할 수 있다.
Figure PCTKR2018002085-appb-M000001
도 2는 벅 컨버터(buck converter)를 최종 출력단으로 구성한 무선전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
정류기 전압(VRECT)이 출력전압(VOUT)과 많이 다른 경우에도 높은 전력 변환 효율을 만족할 수 있는 방법이, 도 2에 도시된 같이 출력단에 벅 컨버터(23)를 사용하는 것이다. 벅 컨버터(23)는 스위칭 소자를 이용하여 입력전압을 낮은 출력전압으로 변환하는 회로로, 정류기 전압(VRECT)과 출력전압(VOUT) 간의 전압 차가 커도 비교적 매우 높은 효율을 만족할 수 있다.
그러나 이 방식은 벅 컨버터(23)의 동작을 위해 출력에 인덕터(240)와 커패시터(242)로 구성된 저역 통과 필터(24)를 필요로 한다. 저역 통과 필터(24)가 필요하기 때문에 LDO 방식에 비해 필요한 부품이 증가하게 되어 원가가 증가하고, 인덕터(240)의 기생 저항 성분에서 발생하는 전력 손실이 가장 큰 단점으로 작용한다. 또한, 벅 컨버터(23) 회로가 LDO 회로에 비해 복잡하고 더 많은 소자를 필요로 하기 때문에 직접 회로로 구현했을 때 차지하는 면적이 큰 것도 단점이다.
반면, 벅 컨버터(23)에서 전압 변환 비율(N)이 2이면, VRECT = 2VOUT이 되므로, 동일한 출력전력을 발생시키기 위한 정류기 평균전류(IRECT,average)는 출력전류(IOUT)의 절반이면 된다.
도 3은 전압 변환 비율(N)에 따른 정류기 출력전류의 변화를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일반적으로 정류기 출력전류(IRECT)는 맥류로 바뀌어 반파 사인파 형태를 띄는 형태로 바뀌게 되고, 커패시터 CRECT(26)에 의해 평활되어 평균적으로 아래 수학식 2와 같은 정류기 평균전류(IRECT,average)를 벅 컨버터(23)에 공급하게 된다.
Figure PCTKR2018002085-appb-M000002
만약 N=2라면, 정류기 평균전류(IRECT,average)는 출력전류(IOUT)의 1/2로 줄게 된다. 일반적으로 정류기의 스위치의 도통 손실은 스위치에 흐르는 전류의 제곱에 비례하고 스위치의 저항 성분에 비례하게 되므로, 만약 정류기 평균전류가 절반으로 줄어들 경우 스위치의 도통 손실은 1/4배로 감소하게 된다. 따라서, 벅 컨버터(23)의 손실이 전혀 없다면 N=2일 경우 LDO 보다 4배 좋은 이론적 효율을 달성할 수 있다. 그러나 실제로, 벅 컨버터(23)의 효율은 전압 변환 비율(N)이 커짐에 따라 감소하기 때문에 실질적으로는 효율 이득이 발생하지는 않으며, 단지 정류기 전압(VRECT)이 변해도 전력소모가 일정한 상태를 유지하게 된다. 즉, 정류기 전압(VRECT)과 출력전압(VOUT) 간의 전압 차가 발생해도 효율이 감소하지 않는 시스템이 된다.
결론적으로 정류기 전압(VRECT)과 출력전압(VOUT) 간의 전압 차가 큰 경우 정류기 스위치의 도통 손실이 줄어드는 것은 맞다. 단, LDO에서는 수학식 1에 의한 LDO 손실이 나타나므로 정류기 전압(VRECT)을 높게 할 수 없으며, 벅 컨버터(23)에서는 효율이 떨어지기 때문에 정류기 손실이 감소했음에도 불구하고 큰 이득은 없는 상태가 된다. 그리고 벅 컨버터(23)에서 인덕터(240)가 필요한 것은 또 다른 단점으로 작용하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전하 펌프(charge pump)를 최종 출력단으로 구성한 무선전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조로 하여 전술한 LDO 및 벅 컨버터에서의 문제점을 해결하고자, 도 4에 도시된 바와 같이, 전압 감쇄비(N)를 가진 전하 펌프(250)를 최종 출력단에 사용하는 것을 제안한다. 전하 펌프(250)는 스위치 소자와 커패시터를 이용하여 입력보다 높거나 낮은 전압을 출력하는 스위칭 회로이다. 이 경우는 입력보다 낮은 전압으로 전압을 낮추는 감쇄형 전하 펌프를 사용할 것이다. 이러한 전하 펌프(250)에서 전압 감쇄비가 N일 때, VRECT = N×VOUT 조건을 만족한다면 매우 높은 전력 변환 효율을 유지할 뿐만 아니라, 이러한 특성 때문에 정류기 전압(VRECT)이 출력전압(VOUT) 대비 N배 높아져서 정류기 전류(IRECT)가 출력전류(IOUT) 보다 N배 작아지는 효과가 발생한다. 또한, 전하 펌프(250)는 인덕터를 사용하지 않고 커패시터만 사용하기 때문에 부피를 많이 차지하는 인덕터를 제거할 수 있어서 작은 면적을 차지하는 시스템을 구현할 수 있을 뿐 아니라 인덕터에서 소모되는 손실이 없어지므로 실질적으로 매우 높은 효율을 만족할 수 있다.
이하, 도 4를 참조로 하여, 전하 펌프(250)를 포함하는 수신기(2)의 구성에 대해 후술한다. 도 4를 참조하면, 수신기(2)는 공진기(20), 정류기(21) 및 전압 조정부(25)를 포함하며, 통신부(26)를 더 포함할 수 있다. 전압 조정부(25)는 전하 펌프(250)를 포함하며, 전하 펌프 제어부(252)를 더 포함할 수 있다.
공진기(20)는 송신기(1)로부터 무선전력을 수신하고, 정류기(21)는 공진기(20)로부터 수신된 무선전력을 직류 파형으로 정류한다. 전하 펌프(250)는 정류기(21)로부터 정류되는 전력을 입력받아 입력 전력의 전압을 감쇄시켜 출력함에 따라 정류기(21)의 손실을 감소시킨다. 전하 펌프(250)는 수신기(2)의 최종 출력단에 위치하여, 출력전류(IOUT)를 부하에 인가한다. 전하 펌프(250)는 출력전압(VOUT)이 정류기 전압(VRECT)의 1/N이 되도록 정류기 전압을 감쇄시킨다. 이때, N은 양의 정수를 포함하여 양의 실수일 수 있다. 전하 펌프(250)는 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하여 전력을 변환하는데, 이때, 인덕터를 포함하지 않아 회로 구성을 단순화할 수 있다.
전하 펌프 제어부(252)는 정류기(21)로부터 출력되는 정류기 전압(VRECT)을 감지하고 감지된 정류기 전압(VRECT)에 기초하여 전하 펌프(250)의 동작 여부를 결정하여 전하 펌프(250)를 제어한다. 예를 들어, 정류기 전압(VRECT)이 기준전압보다 높은 경우 전하 펌프(250)를 활성화하고, 기준전압보다 낮은 경우 전하 펌프(250)를 비활성화한다.
수신기(2)의 통신부(26)는 송신기(1)의 통신부(14)와 통신한다. 이때, 전하 펌프 제어부(252)는 정류기 전압(VRECT)을 감지하고 감지된 정류기 전압(VRECT)이 출력전압(VOUT)보다 크도록 하는 정류기 전압 정보를 통신부(26)를 통해 송신기(1)에 전송하도록 제어하여 송신기(1)가 전력 증폭기(10)의 출력전력을 조절하게 한다.
전하 펌프 제어부(252)는 정류기 전압(VRECT)을 감지하고 통신부(26)를 통해 통신을 하여 송신기(1)의 전력을 제어하여 VRECT = N×VOUT 조건이 되게 할 수 있으므로, LDO를 사용한 방식에 비해 정류기 평균전류(IRECT,average)는 N배 감소시킬 수 있다. 이렇게 제어가 된다면 전하 펌프(250)는 거의 100% 변환 효율에 가까운 상태로 동작하게 되므로 전하 펌프(250)의 효율 감소는 고려할 것이 거의 없게 되고 정류기(21)의 손실만이 수신기(2)의 효율에 영향을 미치게 된다. 이 방식은 LDO에 비해 출력전압(VOUT) 대비 정류기 전압(VRECT)을 N 배 높게 제어하게 되므로 정류기 출력전류(IRECT)가 LDO를 사용한 것에 비해 N 배 작아지게 되어 정류기(21)의 스위치의 도통 손실은 1/N2으로 작아지게 된다.
만약 LDO를 사용한 방식이 제어를 잘 수행하여 VRECT=VOUT이 되는 조건이 되어 LDO의 변환 효율이 100%가 되었을 때 정류기(21)의 전력 소모가 1이라고 한다면, 수신기(2)의 전체 전력 소모는 1이 된다. 벅 컨버터를 사용했을 때는 전력 소모가 인덕터의 소모 때문에 1보다 크게 된다. 반면 전하 펌프(250)를 사용하여 VRECT=N×VOUT이 되도록 제어를 한다면, 전력 소모는 1/N2으로 감소하게 되어 3가지 경우 중에서 가장 좋은 효율을 만족할 수 있게 된다.
그러나 실제의 전하 펌프 전력 변환 효율이 100%가 아니므로 이보다는 나빠지게 될 것이다. 실제 구현할 수 있는 전하 펌프(250)는 100% 전력 변환 효율이 불가능하지만 90% 후반대의 효율로 구현하는 것은 가능하다. 따라서, 실질적인 전하 펌프 효율을 고려한다 하더라도 정류기(21)의 손실 감소가 매우 크기 때문에 수신기(2)의 전체적인 효율은 매우 높아지게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전압 감쇄비가 2인 전하 펌프 회로(1/2 감쇄 회로)의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전압 감쇄비인 N이 2일 때, 전하 펌프(250)는 입력 노드(257), 출력 노드(258), 제1 커패시터(Cp)(255), 스위치 M1(251), M2(252), M3(253), M4(254)를 포함하며, 제2 커패시터(COUT)(256)를 더 포함할 수 있다.
입력 노드(257)는 정류기 전압(VRECT)을 입력전압으로 수신하고, 출력 노드(258)는 출력전압(VOUT)을 부하에 공급한다. 스위치 M1(251)은 입력 노드(257) 및 제1 커패시터(Cp)(255)의 제1 단자와 연결되고, 스위치 M2(252)는 제1 커패시터(Cp)(255)의 제2 단자 및 출력 노드(258)와 연결된다. 스위치 M3(253)은 제1 커패시터(Cp)(255)의 제1단자 및 출력 노드(258)와 연결되고, 스위치 M4(254)는 접지 및 제1 커패시터(Cp)(255)의 제2 단자와 연결된다. 제2 커패시터(COUT)(256)는 출력 노드(258)를 접지에 연결한다.
스위치 M1(251)과 M2(252)가 on 될 때 제1 커패시터(Cp)(255)를 통해 에너지를 부하로 공급하는 동작을 하며, 스위치 M3(253)와 M4(254)가 on 될 때 VRECT = 2VOUT이 되도록 동작한다. 따라서 반복적으로 스위칭 동작을 하여 안정적인 1/2 감쇄 회로가 된다. 이러한 회로를 사용할 경우 정류기의 도통 손실(conduction loss)은 1/4로 감소하게 된다.
도 5의 예에서, 전하 펌프(250)는 정류기 전압(VRECT)의 1/2인 출력전압(VOUT)을 발생하도록 2개 위상에서 작동될 수 있다. on 된 스위치 M1(251) 및 M2(252)에서는 제1 위상에서 제1 커패시터(Cp)(255) 및 제2 커패시터(COUT)(256)가 정류기 전압(VRECT)과 접지 사이에 직렬로 연결된다. 스위치 M1(251) 및 M2(252)가 on 될 때, 제1 커패시터(Cp)(255)는 실질적으로 충전되지 않고, 제2 커패시터(COUT)(256)는 이를 가로질러 출력전압(VOUT)이 VRECT/2가 되도록 미리 충전된다. 제1 커패시터(Cp)(255) 및 제2 커패시터(COUT)(256)의 커패시턴스 값이 유사하다고 가정하면, 제2 커패시터(COUT)(256)는 이를 가로질러 VRECT/2의 전압을 산출하도록 충전된다. 따라서, VRECT/2의 전압을 갖는 출력 노드(258)가 나타나 있다.
이어서, on 된 스위치 M3(253) 및 M4(254)에서는 제2 위상에서 제1 커패시터(Cp)(255)(이제 VRECT/2로 충전됨) 및 제2 커패시터(COUT)(256)가 이제 출력 노드(258)와 접지 사이에서 전기적으로 병렬이며, 정류기 전압(VRECT)은 이제 차단된다. 따라서, 출력전압(VOUT)은 출력 노드(258)를 통한 제1 커패시터(Cp)(255) 및 제2 커패시터(COUT)(256) 중 어느 하나 또는 양자 모두가 방전됨에 따라서 VRECT/2로 유지될 수 있다.
도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이 전압 변화를 위해 전하 펌프(250)는 제1 커패시터(Cp)(255)와 제2 커패시터(COUT)(256) 만 있으면 되므로 매우 간단하게 시스템을 구현할 수 있으며, 벅 컨버터의 인덕터에서처럼 불필요한 전력 소모가 발생하지 않는다.
도 5에 도시된 것은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일종의 예로, 스위치 구성과 커패시터의 개수 및 값을 조정하여 다양한 형태의 N을 갖는 전하 펌프를 구현할 수 있다. 이때 N은 꼭 정수가 아니어도 된다. 예를 들어 N=1.5, 1.33과 같은 실수를 가진 전하 펌프도 구현을 할 수 있다.
지금까지는 MOSFET 스위치를 사용한 능동형 정류기를 위주로 설명하였고, 이 정류기에서 손실이 어떻게 개선되는지 설명하였다. MOSFET 스위치를 사용하지 않고 다이오드와 같은 수동 소자를 사용하여 정류기를 구현하였을 경우 이러한 정류기의 도통 손실은 전류의 크기에 비례하게 된다. 따라서 MOSFET 스위치를 사용한 것이 N2에 반비례하여 손실이 개선된다면 다이오드와 같은 수동 소자를 사용할 경우 N에 반비례하여 손실이 개선되게 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 무선전력을 수신하는 공진기;
    상기 공진기로부터 수신된 무선전력을 직류 파형으로 정류하는 정류기; 및
    상기 정류기로부터 정류되는 전력을 입력받아 입력 전력의 전압을 감쇄시켜 출력함에 따라 상기 정류기의 손실을 감소시키는 전하 펌프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전하 펌프는
    상기 무선전력 수신기의 최종 출력단에 위치하여 출력전압을 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전하 펌프는
    출력전압이 정류기 전압의 1/N(N은 양의 실수)이 되도록 정류기 전압을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전하 펌프는
    적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전하 펌프는
    인덕터를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전하 펌프는
    정류기 전압을 입력전압으로 수신하는 입력 노드;
    출력전압을 부하에 공급하는 출력 노드;
    제1 커패시터;
    입력 노드 및 제1 커패시터의 제1 단자와 연결되는 제1 스위치;
    제1 커패시터의 제2 단자 및 출력 노드와 연결되는 제2 스위치;
    제1 커패시터의 제1단자 및 출력 노드와 연결되는 제3 스위치; 및
    접지 및 제1 커패시터의 제2 단자와 연결되는 제4 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전하 펌프는
    상기 출력 노드를 접지에 연결하는 제2 커패시터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 무선전력 수신기는
    상기 정류기로부터 출력되는 정류기 전압을 감지하고 감지된 정류기 전압에 기초하여 상기 전하 펌프의 동작 여부를 결정하여 상기 전하 펌프를 제어하는 전하 펌프 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 무선전력 수신기는
    무선전력 송신기와 통신하는 통신부; 를 더 포함하며,
    상기 전하 펌프 제어부는
    정류기 전압을 감지하고 감지된 정류기 전압이 출력전압보다 크도록 하기 위한 정류기 전압 정보를 상기 통신부를 통해 상기 무선전력 송신기에 전송하도록 제어하여 상기 무선전력 송신기가 전력 증폭기의 출력전력을 조절하게 하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신기.
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