WO2019143028A1 - 높은 품질 인자를 가지는 무선 충전 코일 - Google Patents

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WO2019143028A1
WO2019143028A1 PCT/KR2018/015916 KR2018015916W WO2019143028A1 WO 2019143028 A1 WO2019143028 A1 WO 2019143028A1 KR 2018015916 W KR2018015916 W KR 2018015916W WO 2019143028 A1 WO2019143028 A1 WO 2019143028A1
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wireless power
coil
quality factor
wireless
power
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PCT/KR2018/015916
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French (fr)
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이동혁
김형균
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엘지이노텍(주)
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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission technique, and more particularly, to a wireless charging coil having a high quality factor and a wireless charging coil module equipped with the wireless charging coil and a wireless power receiving device.
  • the wireless power transmission technology is a technology to transmit electric energy from the transmitter to the receiver wirelessly using the induction principle of the magnetic field.
  • electric motor or transformer And thereafter, a method of transmitting electrical energy by radiating electromagnetic waves such as high frequency, microwave, and laser has also been attempted.
  • Our electric toothbrushes and some wireless shavers are actually charged with electromagnetic induction.
  • energy transmission using radio may be roughly classified into a magnetic induction method, an electromagnetic resonance method, and an RF transmission method using a short wavelength radio frequency.
  • the magnetic induction method when two coils are adjacent to each other and a current is supplied to one coil, a magnetic flux generated at this time causes an electromotive force to the other coils.
  • the magnetic induction method has the disadvantage that it can transmit power of up to several hundred kilowatts (kW) and the efficiency is high, but the maximum transmission distance is 1 centimeter (cm) or less, so it is usually adjacent to the charger or the floor.
  • the self-resonance method is characterized by using an electric field or a magnetic field instead of using electromagnetic waves or currents.
  • the self-resonance method is advantageous in that it is safe to other electronic devices or human body since it is hardly influenced by the electromagnetic wave problem. On the other hand, it can be used only at a limited distance and space, and has a disadvantage that energy transfer efficiency is somewhat low.
  • RF transmission - takes advantage of the fact that energy can be transmitted and received directly in radio wave form.
  • This technology is a RF power transmission system using a rectenna. Rectena is a combination of an antenna and a rectifier, which means a device that converts RF power directly into direct current power. That is, the RF method is a technique of converting an AC radio wave into DC and using it. Recently, as the efficiency has improved, commercialization has been actively researched.
  • Wireless power transmission technology can be applied not only to mobile, but also to various industries such as IT, railroad, and household appliance industry.
  • a quality factor-based foreign matter detection method is a method in which, when a wireless power transmitter senses an object placed in a charging area in a waiting state, it measures quality factor values before entering the ping phase, The presence or absence of a foreign substance is determined by comparing the threshold value determined based on the received reference quality factor value with the previously measured quality factor value.
  • the critical range of the quality factor value for judging the foreign substance determination as a foreign substance is reduced, so that a malfunction may occur at the time of foreign matter detection.
  • the WPC Qi standard recommends that the reference quality factor value of a wireless power receiver mounted in a smart phone or the like is at least 50 or more.
  • Another object of the present invention is to provide a wireless power receiver capable of minimizing foreign matter detection errors.
  • Another object of the present invention is to provide a wireless charging coil design scheme capable of maximizing a reference quality factor value within a limited space given to a wireless power receiver.
  • the present invention can provide a wireless charging coil and a wireless charging coil module having a high quality factor and a wireless power receiver equipped with the same.
  • a wireless charging coil according to an embodiment of the present invention is a pattern coil printed on a substrate in a spiral shape and a ratio (W / S) of a line width W to a line spacing S of the pattern coil is 5 or less,
  • the inner diameter of the pattern coil of the pattern coil may be larger than 1/2 of the outer diameter and smaller than 2/3.
  • the number of turns of the pattern coil may be 10.
  • the line thickness of the pattern coil may be larger than 45 mu m and smaller than 60 mu m.
  • the line width may be 700 mu m and the line spacing may be 150 mu m.
  • the outer diameter may be 42.5 mm.
  • the reference quality factor value corresponding to the pattern coil may be 62 or more.
  • a wireless charging coil module including a substrate, a pattern coil to be spirally printed on the substrate, and a terminal portion to which both ends of the pattern coil are connected,
  • the ratio W / S of the wire spacing S is 5 or less and the inner diameter Di of the pattern coil is larger than 1/2 of the outer diameter Do and less than 2/3.
  • the number of turns of the pattern coil may be 10.
  • the line thickness of the pattern coil may be larger than 45 mu m and smaller than 60 mu m.
  • the line width may be 700 mu m and the line spacing may be 150 mu m.
  • the outer diameter may be 42.5 mm.
  • the reference quality factor value corresponding to the pattern coil may be 62 or more.
  • the present invention has the advantage of providing a wireless charging coil, a wireless charging coil module, and a wireless power receiving device equipped with the same, having a high quality factor.
  • the present invention has an advantage of minimizing a foreign matter detection error by providing a wireless power receiver having a reference quality factor value equal to or higher than a reference value.
  • the present invention also has the advantage of providing a wireless charging coil design scheme that can maximize a reference quality factor value within a given space given to a wireless power receiver.
  • Another object of the present invention is to provide a wireless charging coil having improved reference quality factor values without degrading efficiency and a wireless power receiver equipped with the same.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a sensing signal transmission procedure in a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining a transmission antenna configuration of FIG. 6 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of measuring a quality factor value in a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a foreign matter detection procedure in the wireless power transmission apparatus.
  • FIG. 10 is a view for explaining a structure of a wireless charging coil module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a structure of a pattern coil applied to a wireless power receiver according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows a structure of a pattern coil applied to an improved wireless power receiver according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 shows the result of measuring the quality factor value for the wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG.
  • FIG. 14 shows a result of measuring a quality factor value for a wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG.
  • 15 is a graph showing the efficiency measurement result using MP-A2.
  • 16 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless charging coil according to an embodiment of the present invention is a pattern coil printed on a substrate in a spiral shape and a ratio (W / S) of a line width W to a line spacing S of the pattern coil is 5 or less,
  • the inner diameter of the pattern coil may be larger than 1/2 of the outer diameter and smaller than 2/3.
  • upper (upper) or lower (lower) it may include not only an upward direction but also a downward direction based on one component.
  • an apparatus equipped with a function of transmitting wireless power on a wireless charging system includes a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a transmitter, a transmitter, , , A transmitting side, a wireless power transmission device, a wireless power transmitter, and the like are used in combination.
  • a wireless power receiving apparatus a wireless power receiving apparatus, a wireless power receiving apparatus, a wireless power receiving apparatus, a wireless power receiving apparatus, a receiving terminal, a receiving side, A receiver, a receiver, and the like can be used in combination.
  • the transmitter according to the present invention may be configured as a pad type, a cradle type, an access point (AP) type, a small base type, a stand type, a ceiling embedded type, a wall type, Power can also be transmitted.
  • AP access point
  • the transmitter may comprise at least one radio power transmission means.
  • the radio power transmitting means may be various non-electric power transmission standards based on an electromagnetic induction method in which a magnetic field is generated in a power transmitting terminal coil and charged using an electromagnetic induction principle in which electricity is induced in a receiving terminal coil under the influence of the magnetic field.
  • the wireless power transmitting means may include an electromagnetic induction wireless charging technique defined in a Wireless Power Consortium (WPC) Qi standard and a Power Matters Alliance (PMA) standard, which are wireless charging technology standard mechanisms.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • a receiver may include at least one wireless power receiving means, and may receive wireless power from two or more transmitters at the same time.
  • the wireless power receiving means may include an electromagnetic induction wireless charging technique defined in a Wireless Power Consortium (WPC) Qi and a Power Matters Alliance (PMA) standard.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • the receiver according to the present invention may be used in a mobile phone, a smart phone, a laptop computer, a digital broadcasting terminal, a PDA (Personal Digital Assistants), a PMP (Portable Multimedia Player), a navigation device, A portable electronic device such as a toothbrush, an electronic tag, a lighting device, a remote control, a fishing rod, a smart watch, etc.
  • a portable electronic device such as a toothbrush, an electronic tag, a lighting device, a remote control, a fishing rod, a smart watch, etc.
  • the present invention is not limited thereto. It suffices.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless charging system includes a wireless power transmission terminal 10 for wirelessly transmitting power, a wireless power receiving terminal 20 for receiving the transmitted power, and an electronic device 20 Lt; / RTI >
  • the wireless power transmitting terminal 10 and the wireless power receiving terminal 20 can perform in-band communication in which information is exchanged using the same frequency band as that used for wireless power transmission.
  • the wireless power transmitting terminal 10 and the wireless power receiving terminal 20 perform out-of-band communication in which information is exchanged using a different frequency band different from the operating frequency used for wireless power transmission .
  • information exchanged between the wireless power transmitting terminal 10 and the wireless power receiving terminal 20 may include control information as well as status information of each other.
  • the in-band communication and the out-of-band communication may provide bidirectional communication, but the present invention is not limited thereto. In another embodiment, the in-band communication and the out-of-band communication may be provided.
  • the unidirectional communication may be that the wireless power receiving terminal 20 transmits information only to the wireless power transmitting terminal 10, but the present invention is not limited thereto, and the wireless power transmitting terminal 10 may transmit information Lt; / RTI >
  • bidirectional communication is possible between the wireless power receiving terminal 20 and the wireless power transmitting terminal 10, but information can be transmitted only by any one device at any time.
  • the wireless power receiving terminal 20 may acquire various status information of the electronic device 30.
  • the status information of the electronic device 30 may include current power usage information, information for identifying a running application, CPU usage information, battery charge status information, battery output voltage / current information, And is information obtainable from the electronic device 30 and available for wireless power control.
  • the wireless power transmitting terminal 10 can transmit a predetermined packet indicating whether or not to support fast charging to the wireless power receiving terminal 20.
  • the wireless power receiving terminal 20 can inform the electronic device 30 of the connected wireless power transmitting terminal 10 when it is confirmed that it supports the fast charging mode.
  • the electronic device 30 may indicate that fast charging is possible through a predetermined display means, which may be, for example, a liquid crystal display.
  • the user of the electronic device 30 may select the predetermined fast charge request button displayed on the liquid crystal display means to control the wireless power transmitting terminal 10 to operate in the fast charge mode.
  • the electronic device 30 can transmit a predetermined fast charge request signal to the wireless power receiving terminal 20 when the quick charge request button is selected by the user.
  • the wireless power receiving terminal 20 may generate a charging mode packet corresponding to the received fast charging request signal and transmit the same to the wireless power transmitting terminal 10 to switch the general low power charging mode to the fast charging mode.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to another embodiment of the present invention.
  • the wireless power receiving terminal 20 may include a plurality of wireless power receiving devices, and a plurality of wireless power receiving devices may be connected to one wireless power transmitting terminal 10, Charging may also be performed.
  • the wireless power transmitting terminal 10 can distribute power to a plurality of wireless power receiving apparatuses in a time division manner, but it is not limited thereto. In another example, the wireless power transmitting terminal 10 can distribute power to a plurality of wireless power receiving apparatuses using different frequency bands allocated to the wireless power receiving apparatuses.
  • the number of wireless power receiving apparatuses connectable to one wireless power transmitting apparatus 10 is set to at least one of the required power for each wireless power receiving apparatus, the battery charging state, the power consumption amount of the electronic apparatus, Can be determined adaptively based on
  • the wireless power transmitting terminal 10 may be composed of a plurality of wireless power transmitting apparatuses.
  • the wireless power receiving terminal 20 may be connected to a plurality of wireless power transmission apparatuses at the same time, and may simultaneously receive power from connected wireless power transmission apparatuses to perform charging.
  • the number of wireless power transmission devices connected to the wireless power receiving terminal 20 is adaptively set based on the required power of the wireless power receiving terminal 20, the battery charging state, the power consumption amount of the electronic device, Can be determined.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a sensing signal transmission procedure in a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter may be equipped with three transmit coils 111, 112, 113. Each transmit coil may overlap a portion of the transmit coil with a different transmit coil, and the wireless power transmitter may include a predetermined sense signal 117, 127 for sensing the presence of the wireless power receiver through each transmit coil - And sequentially transmits digital ping signals in a predefined order.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits the detection signal 117 through the primary sensing signal transmission procedure shown in reference numeral 110, and receives a signal strength indicator (Signal Strength Indicator 116 may identify the received transmit coil 111, 112.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits the detection signal 127 through the secondary detection signal transmission procedure shown in the reference numeral 120, and the signal strength indicator 126 is transmitted to the transmission coils 111 and 112 It is possible to control the efficiency (or charging efficiency) - that is, the state of alignment between the transmitting coil and the receiving coil - to identify a good transmitting coil and to allow power to be delivered through the identified transmitting coil, .
  • the reason why the wireless power transmitter performs the two detection signal transmission procedures is to more accurately identify to which transmission coil the reception coil of the wireless power receiver is well aligned.
  • the signal strength indicators 116 and 126 are received at the first transmission coil 111 and the second transmission coil 112 as shown in the aforementioned numerals 110 and 120 of FIG. 3, Selects a transmission coil having the best alignment based on the received signal strength indicator 126 in each of the first transmission coil 111 and the second transmission coil 112 and performs wireless charging using the selected transmission coil .
  • FIG. 4 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure according to an embodiment of the present invention.
  • power transmission from a transmitter to a receiver is largely divided into a selection phase 410, a ping phase 420, an identification and configuration phase 430, Power Transfer Phase, step 440).
  • the selection step 410 may be a phase transition when a specific error or a specific event is detected while initiating a power transmission or maintaining a power transmission.
  • a specific error or a specific event will become clear through the following description.
  • the transmitter may monitor whether an object is present on the interface surface.
  • the transmitter detects that an object is placed on the interface surface, it can transition to the step 420 (S401).
  • the transmitter transmits an analog ping signal of a very short pulse and can detect whether an object exists in the active area of the interface surface based on the current change of the transmission coil.
  • step 420 the transmitter activates the receiver when an object is detected, and transmits a digital ping to identify whether the receiver is compatible with the standard.
  • the transmitter may transition back to the selection step 410 (S402).
  • a response signal for the digital ping e.g., a signal strength indicator
  • the transmitter may transition to a selection step 410 when receiving a signal indicating completion of power transmission from the receiver, i.e., a charging completion signal (S403).
  • the transmitter may transition to an identification and configuration step 430 to collect receiver identification and receiver configuration and status information (S404).
  • the sender may determine whether the packet is unexpected, whether a desired packet is received during a predefined period of time (time out), a packet transmission error (transmission error) (No power transfer contract), the process can be shifted to the selection step 410 (S405).
  • the transmitter may transition to power transfer step 240, which transmits the wireless power (S406).
  • the transmitter determines whether an unexpected packet is received, a desired packet is received for a predefined period of time (time out), a violation of a predetermined power transmission contract occurs transfer contract violation, and if the charging is completed, the selection step 410 can be performed (S407).
  • the transmitter may transition to the identification and configuration step 430 (S408).
  • the power transmission contract may be set based on the status and characteristic information of the transmitter and the receiver.
  • the transmitter status information may include information on the maximum transmittable power, information on the maximum number of receivers, etc.
  • the receiver status information may include information on the requested power and the like.
  • FIG. 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure according to an embodiment of the present invention.
  • power transmission from a transmitter to a receiver is largely divided into a selection phase 510, a ping phase 520, an identification and configuration phase 530, a negotiation phase Phase 540, a calibration phase 550, a power transfer phase 560, and a renegotiation phase 570.
  • the selection step 510 may be a phase transition when a specific error or a specific event is detected while initiating a power transmission or maintaining a power transmission.
  • the transmitter can monitor whether an object is present on the interface surface.
  • the transmitter may transition to a ping step 520.
  • the transmitter transmits an analog ping signal of a very short pulse and, based on the current change of the transmission coil or the primary coil, It is possible to detect whether or not there is an error.
  • the transmitter activates the receiver when an object is detected, and transmits a digital ping to identify whether the receiver is a WPC compliant receiver.
  • the transmitter does not receive a response signal to the digital ping (e. G., A signal strength packet) from the receiver in step 520, then the receiver may transition back to step 510 again.
  • a response signal to the digital ping e. G., A signal strength packet
  • the transmitter may transition to the selection step 510 upon receiving a signal indicating that the power transmission has been completed from the receiver, that is, the charge completion packet.
  • the transmitter may transition to an identification and configuration step 530 for identifying the receiver and collecting receiver configuration and status information.
  • the transmitter determines whether a packet is received (unexpected packet), a desired packet is not received during a predefined period of time (time out), a packet transmission error, (No power transfer contract) can be made to the selection step 510.
  • the transmitter may determine whether an entry to the negotiation step 540 is required based on the negotiation field value of the configuration packet received in the identification and configuration step 530.
  • the transmitter may enter negotiation step 540 and perform a predetermined FOD detection procedure.
  • the transmitter may immediately enter the power transmission step 560.
  • the transmitter may receive a Foreign Object Detection (FOD) status packet including a reference quality factor value. At this time, the transmitter can determine a threshold for FO detection based on the reference quality factor value.
  • FOD Foreign Object Detection
  • the transmitter can detect whether the FO exists in the charging area using the determined threshold value for FO detection and the currently measured quality factor value, and can control the power transmission according to the FO detection result.
  • power transmission may be interrupted, but is not limited to this.
  • the transmitter may return to selection step 510. If, on the other hand, no FO is detected, the transmitter may enter power transfer step 560 via calibration step 550.
  • the transmitter determines the strength of the power received at the receiving end in the correcting step 550 and determines the power loss at the receiving end and the transmitting end to determine the strength of the power transmitted at the transmitting end Can be measured.
  • the transmitter can predict the power loss based on the difference between the transmitting power of the transmitting end and the receiving power of the receiving end in the correcting step 550.
  • a transmitter may compensate the threshold for FOD detection by reflecting the predicted power loss.
  • the transmitter determines whether an undesired packet is received (unexpected packet), a desired packet is received during a predefined period of time (time out), a violation of a predetermined power transmission contract occurs transfer contract violation, and if the charging is completed, the selection step 510 can be performed.
  • the transmitter may transition to the renegotiation step 570 if it is necessary to reconfigure the power transfer contract according to the transmitter state change or the like. At this time, if the renegotiation is normally completed, the transmitter may return to power transfer step 560.
  • the power transmission contract may be set based on the status and characteristic information of the transmitter and the receiver.
  • the transmitter status information may include information on the maximum transmittable power, information on the maximum number of receivers, etc.
  • the receiver status information may include information on the requested power and the like.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmission apparatus 600 includes a controller 610, a gate driver 620, an inverter 630, a transmission antenna 640, a power supply 650, a power supply Power Supply 660, a sensor 670, and a demodulator 680.
  • the power supply 660 may convert the DC power or AC power applied from the power source 650 and provide it to the inverter 630.
  • the voltage supplied from the power supply 660 to the inverter 630 will be referred to as an inverter input voltage or V-rail.
  • the power supply 660 may include at least one of an AC / DC converter and a DC / DC converter depending on the type of power applied from the power source 650 .
  • the power supply 660 may be a switching mode power supply (SMPS), and a switch control method for converting AC power to DC power using a switching transistor, a filter, and a rectifier may be used .
  • SMPS switching mode power supply
  • the rectifier and the filter may be independently configured and disposed between the AC power source and the SMPS.
  • SMPS is a power supply device that supplies a DC power source with stable output power by controlling the on / off time ratio of a semiconductor switch device. It is possible to achieve high efficiency, small size and weight, Equipment and equipment.
  • the linear control method used in a TV set or a CRT monitor has a drawback in that the surrounding circuit is simple and the price is low, but the heat generation is large, the power efficiency is low, and the bulky is large.
  • the switching mode method has a merit that there is little heat generation, high power efficiency, and small volume, but it is expensive, has a complicated circuit, and can generate output noise and electromagnetic interference due to high frequency switching.
  • the power supply 660 may be a variable SMPS (Variable Switching Mode Power Supply).
  • the variable SMPS switches and rectifies the AC voltage in the frequency band of several tens Hz outputted from the AC power supply to generate the DC voltage.
  • the variable SMPS may output a constant level of DC voltage or adjust the output level of the DC voltage according to a predetermined control of the transmission controller (Tx Controller).
  • variable SMPS controls the supply voltage according to the output power level of the power amplifier - that is, the inverter 530 - so that the power amplifier of the wireless power transmitter can always operate in a highly efficient saturation region, Can be maintained.
  • Variable DC / DC converters can be used in addition to the commonly used commercial SMPS instead of the variable SMPS.
  • SMPS and variable DC / DC converters can control the supply voltage according to the output power level of the power amplifier so that the power amplifier can operate in a highly efficient saturation region, maintaining maximum efficiency at all output levels.
  • the power amplifier may be of the Class E type, but is not limited thereto.
  • the inverter 630 converts the DC voltage V_rail of a certain level into an AC voltage V_Rail by a switching pulse signal of a few MHz to several tens MHz band received through the gate driver 620, that is, a pulse width modulated signal. So that AC power to be transmitted wirelessly can be generated.
  • the gate driver 620 generates a plurality of PWM signals SC_0 to SC_N for controlling the plurality of switches included in the inverter 630 using the reference clock Ref_CLK signal supplied from the controller 610 .
  • N when the inverter 630 includes a half bridge circuit, N is 1, and when the inverter 630 includes a full bridge circuit, N may be 3.
  • the inverter 630 if the inverter 630 includes a full bridge circuit including four switches, the inverter 630 outputs four PWM signals SC_0, SC_1, SC_2, and SC_3 from the gate driver 620.
  • the inverter 630 if the inverter 630 includes a half bridge circuit including two switches, the inverter 630 outputs two PWM signals SC_0 and SC_1 for controlling the respective switches, From the driver 620.
  • Transmit antenna 640 includes at least one power transmission antenna (not shown), for example an LC resonant circuit, and a matching circuit for impedance matching (not shown) for wirelessly transmitting an AC power signal received from inverter 630 Time).
  • a power transmission antenna for example an LC resonant circuit
  • a matching circuit for impedance matching for wirelessly transmitting an AC power signal received from inverter 630 Time.
  • the transmission antenna 640 may further include a coil selection circuit (not shown) for selecting a transmission coil to be used for wireless power transmission among a plurality of transmission coils have.
  • the sensor 670 includes various sensing circuits for measuring the intensity of the power input from the inverter 630 or the intensity of the power transmitted through the transmission coil and the temperature at an internal specific position of the wireless power transmitter Lt; / RTI > Here, the information sensed by the sensor 670 may be transmitted to the controller 610.
  • the senor 670 may measure the intensity of the current flowing through the transmission coil during the transmission of the analog ping in the selection step 410, 510 and may transmit it to the controller 610.
  • the controller 610 may compare the intensity information of the electric power flowing through the transmission coil with a predetermined reference value in the selection step to detect the presence or absence of an object placed in the charging area.
  • the wireless power transmitter 600 may include a demodulator 680 coupled to the transmit antenna 640.
  • the demodulator 680 may demodulate the inband signal and transmit it to the controller 610.
  • FIG. 7 is a view for explaining a transmission antenna configuration of FIG. 6 according to an embodiment of the present invention.
  • the transmit antenna 640 may be configured to include a coil selection circuit 710, a coil assembly 720, and a resonant capacitor 730.
  • the coil assembly 720 may be configured to include at least one transmission coil, i.e., first to Nth coils.
  • the coil selection circuit 710 may be configured as a switching circuit configured to transfer the output current I_coil of the inverter 630 to at least one of the transmission coils included in the coil assembly 720.
  • the coil selection circuit 710 may include first to Nth switches, one end of which is connected to the output terminal of the inverter, and the other end of which is connected to the coil corresponding to the coil selection circuit 710.
  • the first to Nth coils included in the coil assembly 720 may be connected at one end to a corresponding switch of the coil selection circuit 710 and at the other end to the resonance capacitor 730.
  • a demodulator 680 can demodulate the signal between the coil assembly 720 and the resonant capacitor 730 and deliver it to the controller 610.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of measuring a quality factor value in a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless power transmitter for authentication including MP1, MP-A2, etc.
  • the quality factor value is measured using the LCR meter while the wireless power receiver 530 is disposed at a position spaced 5 mm apart from each of the TOP, BOTTOM, LEFT, can do.
  • MP-A2 means a wireless power transmission system using a 12V single coil specified in the WPC Qi standard.
  • the wireless power transmitter for authentication has a first point 811 moved 5 mm rightward from the center 815 of the interface surface 820, a second point 512 moved 5 mm leftward from the center 815, A fourth point 814 moved 5 mm in the downward direction from the center 815 and a fifth point 815 in the center of the interface surface 820 ,
  • the respective quality factor values for the reference operating frequency can be measured with the wireless power receiver 830 positioned.
  • the reference operating frequency used for measuring the quality factor value is 100 KHz, and a small voltage may be applied to the transmitting coil.
  • the voltage applied to the transmitting coil may be 0.85 +/- 0.25 V rms (root mean square), but is not limited thereto.
  • the voltage applied to the transmitting coil may be any value between 0.5 V and 1, 2 V .
  • the reference operating frequency used to determine the reference quality factor value using the wireless power transmitter for authentication and the LCR meter is the operating frequency used to measure the quality factor value in commercial wireless power transmitters - Can be different.
  • the wireless power transmitter may correct the quality factor threshold value in consideration of the frequency difference between the reference operating frequency and the measured operating frequency.
  • the quality factor threshold value may be corrected in consideration of the design difference between the wireless power transmitter for authentication and the commercial wireless power transmitter.
  • the smallest one of the quality factor values measured at each of the first to fifth points 811 to 815 may be determined as a reference quality factor value corresponding to the corresponding wireless power receiver.
  • the wireless power receiver may maintain its reference quality factor value in its internal memory and send a Foreign Object Detection (FOD) status packet containing the reference quality factor value to the wireless power transmitter at negotiation step 440 or 540.
  • FOD Foreign Object Detection
  • the critical range of the quality factor value determined as a foreign substance is reduced, so that a malfunction may occur at the time of detecting foreign matter.
  • the WPC Qi standard recommends that the reference quality factor value of a wireless power receiver mounted in a smart phone or the like is at least 50 or more.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a foreign matter detection procedure in the wireless power transmission apparatus.
  • the wireless power transmission apparatus can measure a quality factor value with respect to a reference operation frequency.
  • the quality factor value measured corresponding to the reference operating frequency in the selection step 910 will be referred to as a measurement quality factor value (Q_measured).
  • the wireless power transmission device may periodically transmit a digital ping packet that is a power signal for identifying the wireless power receiver in a ping stage (920).
  • the wireless power transmission device may identify and configure 930 to identify the wireless power receiver and set various configuration parameters for the identified wireless power receiver.
  • the wireless power transmission device may enter negotiation step 940 to perform the foreign object detection procedure.
  • the foreign substance detection procedure in the negotiation step 940 can be performed through the following three procedures.
  • the wireless power transmission device may receive a foreign matter detection status packet including a reference quality factor value from the identified wireless power receiver.
  • the wireless power transmission device may determine a quality factor threshold for determining the presence or absence of a foreign substance based on the received reference quality factor value.
  • step 3 the wireless power transmission apparatus can compare the measurement quality factor value and the quality factor threshold value to determine whether or not the foreign substance is present.
  • the wireless power transmission device can stop the power transmission and return to the selection step 910.
  • the wireless power transmission apparatus may enter the power transmission step 950 and perform charging to the wireless power receiver.
  • the wireless power transmission device may also send a predetermined warning message to the wireless power receiver indicating that a foreign object has been detected before returning to the selection step 910.
  • the wireless power receiver may deliver the alert message to an associated electronic device when the alert message is received.
  • the electronic device may output a predetermined warning alarm indicating that the foreign object has been detected according to the received warning message.
  • FIG. 10 is a view for explaining a structure of a wireless charging coil module according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless charging coil module including a receiving coil pattern-printed on a printed circuit board.
  • the wireless charging coil module 1000 may include a printed circuit board 1010, a pattern coil 1020, and a terminal portion 1030.
  • the terminal portion 1030 includes a first terminal 1031 for connecting one end formed on one side of the outer side of the pattern coil 1020 and a second terminal 1032 for connecting the other end formed on the inner side of the pattern coil 1020 .
  • the pattern coil 1020 has an outer diameter 1021 and an inner diameter 1022.
  • the pattern coil 1020 has the number of turns determined by the line width and line spacing within the outer diameter 1021 and the inner diameter 1022.
  • the outer diameter 1021 of the pattern coil 1020 can be determined based on the total size of the wireless charging coil module 1000 and the average outer diameter of the transmitting coil.
  • the number of turns of the pattern coil 1020 must be determined so as to satisfy the required inductance.
  • the inner diameter 1022 of the pattern coil 1020 may be determined to be 1/2 to 2/3 of the outer diameter 1021. If the inner diameter 1022 is smaller than 1/2 to 2/3 of the outer diameter 1021, the reference quality factor value may drop below a predetermined reference value.
  • the sizes of the inner diameter 1020 and the outer diameter 1021 may each have a predetermined error range.
  • the error ranges of the inner diameter 1020 and the outer diameter 1021 of the pattern coil 1020 can be defined within +/- 10%, respectively.
  • the error ranges of the inner diameter 1020 and the outer diameter 1021 of the pattern coil 1020 may be defined within +/- 5%, respectively.
  • the error ranges of the inner diameter 1020 and the outer diameter 1021 of the pattern coil 1020 may be defined within +/- 3%, respectively.
  • the resistance (R) component may be higher than the inductance (L) component and the efficiency of the wireless charging coil module 1000 may be lowered.
  • the resistivity (R) component decreases and the efficiency of the wireless charging coil module 1000 can be improved.
  • the line width and line spacing of the pattern coil 1020 must be determined to have optimum values.
  • the present invention proposes the line width and line spacing of the pattern coil 1020 for the wireless charging coil module 1000 to have a high reference quality factor and high efficiency based on experimental data.
  • the line width and line spacing error ranges may be +/- 5% or less, respectively.
  • FIG. 11 shows a structure of a pattern coil applied to a wireless power receiver according to the first embodiment.
  • Reference numeral 1110 in FIG. 11 shows a pattern coil applied to a wireless power receiver according to the first embodiment having an outer diameter Do of 42.5 mm and an inner diameter Di of 23.7 mm.
  • the ratio of the inner diameter Di to the outer diameter Do is about 0.557.
  • the pattern coil shown in FIG. 11 is only one embodiment, and the pattern coil according to the embodiment suffices if the ratio of the inner diameter Di to the outer diameter Do is larger than 1/2 and smaller than 2/3.
  • Reference numeral 1120 denotes an AA 'cross section indicated by reference numeral 1110.
  • the pattern coil applied to the wireless charging coil module of the wireless power receiver according to the first embodiment has a line width W of 850 mu m, a line spacing S of 100 mu m, a line thickness T, Is 45 to 60 ⁇ m, and the number of turns (N) is 10.
  • Fig. 12 shows the structure of a pattern coil applied to an improved wireless power receiver according to the second embodiment.
  • the pattern coil according to the second embodiment has an outer diameter Do of 42.5 mm, the same as the pattern coil of FIG. 11, an inner diameter Di of 25.4 mm, 11 is increased by 1.7 mm.
  • the inner diameter of the pattern coil according to the second embodiment is increased by about 7% with respect to the pattern coil of FIG.
  • at least one of the reference quality factor value and efficiency can be increased.
  • Reference numeral 1220 denotes a BB 'cut plane indicated at reference numeral 1210.
  • the pattern coil constituting the wireless charging coil module of the wireless power receiver according to the second embodiment has a line width W of 700 ⁇ m, a line spacing S of 150 ⁇ m, a line thickness T, Is 45 to 60 ⁇ m, and the number of turns (N) is 10.
  • the line width W is about 4.6 times the line spacing S.
  • the inner diameter increases for the same number of turns, and thus the efficiency can be increased.
  • the pattern coil applied to the wireless charging coil module of the wireless power receiver according to the present invention can be implemented such that the line width W is 5 times or less the line spacing S.
  • FIG. 13 shows the result of measuring the quality factor value for the wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG.
  • the experimental result of FIG. 13 is a quality factor value measured when the operating frequency is 100 KHz and the input voltage is 1 V RMS (root mean square).
  • the quality factor values measured at the first to fifth points of FIG. 8 for the wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG. 11 are 57.84, 59.2, 62.83, 57.49, and 61.66 .
  • the reference quality factor value corresponding to the wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG. 11 is determined as 57.49 which is the smallest quality factor value measured at the first point to the fifth point.
  • FIG. 14 shows a result of measuring a quality factor value for a wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG.
  • the experimental result of FIG. 14 is a quality factor value measured at an operating frequency of 100 KHz and an input voltage of 1 V RMS (Root Mean Square).
  • the quality factor values measured at the first to fifth points of FIG. 8 for the wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG. 12 are 62.65, 62.11, 63.1, 63.49, and 65.15 .
  • the reference quality factor value corresponding to the wireless power receiver equipped with the wireless charging coil module of FIG. 12 is determined to be 62.11, which is the smallest value among the quality factor values measured at the first point to the fifth point.
  • the outer diameter of the pattern coil and the number of turns of the pattern coil are kept the same as the conventional one, and only the line width W and the line spacing S are changed, Can be expected to improve performance.
  • 15 is a graph showing the efficiency measurement result using MP-A2.
  • 15 is a graph showing the measurement efficiency according to a change in current input to the pattern coil using the pattern coil of FIG. 11 and the pattern coil of FIG. 12 using MP-A2.
  • Efficiency 1 in the series of the graph shown in FIG. 15 is an efficiency curve corresponding to the conventional pattern coil shown in FIG. 11, that is, a pattern coil having a line width W of 850 ⁇ m and a line spacing S of 100 ⁇ m
  • Efficiency 2 is an efficiency curve corresponding to an improved pattern coil according to the present invention shown in FIG. 12, that is, a pattern coil having a line width W of 700 ⁇ m and a line spacing S of 150 ⁇ m.
  • the use of the improved pattern coil according to the present invention has the advantage of providing a wireless power receiver having a high reference quality factor value without efficiency attenuation.
  • 16 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power receiver 1600 includes a receiving coil 1610, a rectifier 1620, a DC / DC converter 1630, a load 1640, a sensing unit 1650, 1660, and a main control unit 1670.
  • the communication unit 1660 may include at least one of a demodulation unit 1661 and a modulation unit 1662.
  • the wireless power receiver 1600 may exchange information with the wireless power transmitter via in-band communication.
  • the AC power received via the receive coil 1610 may be delivered to the rectifier 1620.
  • the rectifier 1620 can convert the AC power to DC power and transmit it to the DC / DC converter 430.
  • the DC / DC converter 430 may convert the intensity of the rectifier output DC power to a specific intensity required by the load 1640 and then forward it to the load 1640.
  • the sensing unit 1650 may measure the intensity of the DC power output from the rectifier 1620 and provide it to the main control unit 1670.
  • the sensing unit 1650 may measure the intensity of the current applied to the reception coil 1610 according to the wireless power reception, and may transmit the measurement result to the main control unit 1670.
  • the sensing unit 1650 may measure the internal temperature of the wireless power receiver 1600 and provide the measured temperature value to the main control unit 1670.
  • the main control unit 1670 may compare the measured rectifier output DC power with a predetermined reference value to determine whether an overvoltage is generated.
  • a predetermined packet indicating that the overvoltage has occurred can be generated and transmitted to the modulator 1662.
  • the signal modulated by the modulating unit 1662 can be transmitted to the wireless power transmitter through the receiving coil 1610 or a separate coil (not shown).
  • the main control unit 1670 may determine that the detection signal is received when the intensity of the rectifier output DC power is equal to or greater than a predetermined reference value and when the signal strength indicator corresponding to the detection signal is received by the modulation unit 1662 To be transmitted to the wireless power transmitter 300 via the wireless network.
  • the demodulation unit 1661 demodulates the AC power signal between the reception coil 1610 and the rectifier 1620 or the DC power signal output from the rectifier 1620 to identify whether or not the detection signal is received, (1670).
  • the main control unit 1670 may control the signal intensity indicator corresponding to the detection signal to be transmitted through the modulation unit 1662.
  • the pattern coil shown in Fig. 12 can be used as the receiving coil 1610 according to the embodiment of Fig.
  • the present invention is advantageous in that it can provide a wireless power receiver with high quality factor value without efficiency attenuation.
  • the present invention can be applied to a wireless charging coil for wireless charging and a wireless coil module and a wireless charging device to which it is mounted.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 높은 품질 인자를 가지는 무선 충전 코일 및 그것이 장착되는 무선 충전 코일 모듈 및 무선 전력 수신기에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 충전 코일은 스파이럴 형상으로 기판에 인쇄되는 패턴 코일이고, 상기 패턴 코일의 선 폭(W)과 선 간격(S)의 비율(W/S)이 5이하이고, 상기 패턴 코일의 내경은 외경의 1/2보다 크고 2/3보다 작을 수 있다. 따라서, 본 발명은 이물질 검출 성능을 향상시키는 것이 가능한 높은 기준 품질 인자 값을 가지는 무선 충전 코일을 제공할 수 있다.

Description

높은 품질 인자를 가지는 무선 충전 코일
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 높은 품질 인자를 가지는 무선 충전 코일 및 그것이 장착된 무선 충전 코일 모듈 및 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 고주파, Microwave, 레이저 등과 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.
자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.
단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 전송 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
Wireless Power Consortium(WPC) Qi Extended Power Profile(EPP) 표준에서는 품질 인자(Quality Factor)-이하, 설명의 편의를 위해, 큐(Q)와 혼용하여 사용하기로 함-에 기반한 이물질 검출(FOD: Foreign Object Detection) 기능이 추가되었다.
WPC Qi 표준에서 품질 인자에 기반한 이물질 검출 방법은 무선 전력 송신기는 대기 상태에서 충전 영역에 배치된 물체를 감지하면, 핑 단계로의 진입 이전에 품질 인자 값을 측정하고, 협상 단계에서 무선 전력 수신기로부터 수신된 기준 품질 인자 값에 기반하여 결정된 임계 값과 기 측정된 품질 인자 값을 비교하여 이물질의 존재 여부를 판단한다.
하지만, 무선 전력 수신기에 대응되는 기준 품질 인자 값이 너무 낮은 경우, 이물질 판단을 이물질로 판단하는 품질 인자 값의 임계 범위가 축소되므로, 이물질 검출 시 오동작이 발생될 수 있다.
따라서, WPC Qi 표준에는 스마트폰 등에 장착되는 무선 전력 수신기의 기준 품질 인자 값이 최소 50이상일 것을 권고하고 있다.
하지만, 현재 대부분의 휴대폰 제조 회사들은 스마트폰에 0.3mmt 이하 두께를 가지고 면적이 작은 무선 충전 코일 모듈을 장착하므로 50이상의 기준 품질 인자 값을 가지는 무선 전력 수신기를 제조하기 어려운 문제가 있다.
실제, 무선 전력 수신기에 포함되는 수신 코일의 두께와 면적이 작아질수록 기준 품질 인자 값은 더 낮아지는 특성이 있다.
따라서, 무선 전력 수신기를 위해 주어진 한정된 공간 내에서 기준 품질 인자 값을 최대화시킬 수 있는 코일 설계 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 높은 품질 인자를 가지는 무선 충전 코일 및 그것이 장착된 무선 충전 코일 모듈과 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이물질 검출 오류를 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 수신기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무선 전력 수신기에 주어진 한정된 공간 내에서 기준 품질 인자 값을 최대화시킬 수 있는 무선 충전 코일 설계 방안을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 효율 저하 없이 개선된 기준 품질 인자 값을 가지는 무선 충전 코일 및 그것을 장착한 무선 전력 수신기를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 높은 품질 인자를 가지는 무선 충전 코일 및 무선 충전 코일 모듈 및 그것이 장착된 무선 전력 수신기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 충전 코일은 스파이럴 형상으로 기판에 인쇄되는 패턴 코일이고, 상기 패턴 코일의 선 폭(W)과 선 간격(S)의 비율(W/S)이 5이하이고, 상기 패턴 코일의 상기 패턴 코일의 내경은 외경의 1/2보다 크고 2/3보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 패턴 코일의 턴 수는 10일 수 있다.
또한, 상기 패턴 코일의 선 두께는 45μm보다 크고 60μm보다 작을 수 있다.
또한, 상기 선 폭은 700μm이고, 상기 선 간격은 150μm일 수 있다.
또한, 상기 외경은 42.5mm일 수 있다.
또한, 상기 패턴 코일에 대응하는 기준 품질 인자 값은 62이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 충전 코일 모듈은 기판과 상기 기판에 스파이럴 형상으로 인쇄되는 패턴 코일과 상기 패턴 코일의 양단이 연결되는 단자부를 포함하고, 상기 패턴 코일의 선 폭(W)과 선 간격(S)의 비율(W/S)이 5이하이고, 상기 패턴 코일의 내경(Di)은 외경(Do)의 1/2보다 크고 2/3보다 작을 수 있다.
여기서, 상기 패턴 코일의 턴 수는 10일 수 있다.
또한, 상기 패턴 코일의 선 두께는 45μm보다 크고 60μm보다 작을 수 있다.
또한, 상기 선 폭은 700μm이고, 상기 선 간격은 150μm일 수 있다.
또한, 상기 외경은 42.5mm일 수 있다.
또한, 상기 패턴 코일에 대응하는 기준 품질 인자 값은 62이상일 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법, 장치 및 시스템에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 높은 품질 인자를 가지는 무선 충전 코일, 무선 충전 코일 모듈 및 그것이 장착된 무선 전력 수신 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기준치 이상의 기준 품질 인자 값을 가지는 무선 전력 수신기를 제공함으로써, 이물질 검출 오류를 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 무선 전력 수신기에 주어진 한정된 공간 내에서 기준 품질 인자 값을 최대화시킬 수 있는 무선 충전 코일 설계 방안을 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다른 목적은 효율 저하 없이 개선된 기준 품질 인자 값을 가지는 무선 충전 코일 및 그것을 장착한 무선 전력 수신기를 제공하는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 도 6의 전송 안테나 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서 품질 인자 값을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 무선 전력 송신 장치에서의 이물질 검출 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 충전 코일 모듈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 무선 전력 수신기에 적용된 패턴 코일의 구조를 보여준다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 개선된 무선 전력 수신기에 적용되는 패턴 코일의 구조를 보여준다.
도 13은 상기 도 11의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 대한 품질 인자 값 측정 결과를 보여준다.
도 14는 상기 도 12의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 대한 품질 인자 값 측정 결과를 보여준다.
도 15는 MP-A2를 이용한 효율 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 충전 코일은 스파이럴 형상으로 기판에 인쇄되는 패턴 코일이고, 상기 패턴 코일의 선 폭(W)과 선 간격(S)의 비율(W/S)이 5이하이고, 상기 패턴 코일의 내경은 외경의 1/2보다 크고 2/3보다 작을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 기능이 탑재된 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다.
또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 기능이 탑재된 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 파워를 전송할 수도 있다.
이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다.
여기서, 무선파워 전송 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) Qi 표준 및 PMA(Power Matters Alliance) 표준에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 파워를 수신할 수도 있다.
여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) Qi 및 PMA(Power Matters Alliance) 표준에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(20)로 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다.
다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다.
여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다.
일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다.
무선 전력 수신단(20)은 접속된 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다.
전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.
또한, 전자 기기(30) 사용자는 액정 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다.
이 경우, 전자 기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다.
무선 전력 수신단(20)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선 전력 송신단(10)에 전송함으로써, 일반 저전력 충전 모드를 고속 충전 모드로 전환시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
일 예로, 도면 부호 200a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신단(10)에 복수의 무선 전력 수신 장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수도 있다.
이때, 무선 전력 송신단(10)은 시분할 방식으로 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며. 다른 일 예로, 무선 전력 송신단(10)은 무선 전력 수신 장치 별 할당된 상이한 주파수 대역을 이용하여 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있다.
이때, 하나의 무선 전력 송신 장치(10)에 연결 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수는 무선 전력 수신 장치 별 요구 전력, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
다른 일 예로, 도면 부호 200b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)은 복수의 무선 전력 송신 장치로 구성될 수도 있다.
이 경우, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며, 연결된 무선 전력 송신 장치들로부터 동시에 전력을 수신하여 충전을 수행할 수도 있다.
이때, 무선 전력 수신단(20)과 연결된 무선 전력 송신 장치의 개수는 무선 전력 수신단(20)의 요구 전력, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 가용 전력 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩될 수 있으며, 무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(117)를 순차적으로 송출하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116)가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다.
연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(127)를 순차적으로 송출하고, 신호 세기 지시자(126)가 수신된 송신 코일(111, 112) 중 전력 전송 효율(또는 충전 효율)-즉, 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태-이 좋은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 통해 전력이 송출되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.
상기의 도 3에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송출 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.
만약, 상기한 도 3의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 신호 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 신호 세기 지시자(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4를 참조하면, 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 410), 핑 단계(Ping Phase, 420), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 430), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 440) 단계로 구분될 수 있다.
선택 단계(410)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다.
또한, 선택 단계(410)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다.
만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(420)로 천이할 수 있다(S401).
선택 단계(410)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(420)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 해당 표준에 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다.
핑 단계(420)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 지시자-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S402).
또한, 핑 단계(420)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 신호-를 수신하면, 선택 단계(410)로 천이할 수도 있다(S403).
핑 단계(420)가 완료되면, 송신기는 수신기 식별 및 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S404).
식별 및 구성 단계(430)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S405).
수신기에 대한 식별 및 구성이 완료되면, 송신기는 무선 전력을 전송하는 전력 전송 단계(240)로 천이할 수 있다(S406).
전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S407).
또한, 전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S408).
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다.
일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 510), 핑 단계(Ping Phase, 520), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 530), 협상 단계(Negotiation Phase, 540), 보정 단계(Calibration Phase, 550), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 560) 단계 및 재협상 단계(Renegotiation Phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다.
여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다.
만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(520)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 WPC 표준이 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다.
핑 단계(520)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 핑 단계(520)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 송신기는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
송신기는 식별 및 구성 단계(530)에서 수신된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 협상이 필요하면, 송신기는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다.
반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 송신기는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 송신기는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 송신기는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 임계치를 결정할 수 있다.
송신기는 결정된 FO 검출을 위한 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다.
일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 송신기는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
상세하게, 송신기는 FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다.
즉, 송신기는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다.
일 실시예에 따른 송신기는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(540)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 송신기는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(600)는 제어기(610), 게이트 드라이버(Gate Driver, 620), 인버터(Invertor, 630), 전송 안테나(640), 전원(650), 전력공급기(Power Supply, 660), 센서(670), 복조기(680)을 포함하여 구성될 수 있다.
전력공급기(660)는 전원(650)로부터 인가되는 직류 전력 또는 교류 전력을 변환하여 인버터(630)에 제공할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 전력 공급기(660)로부터 인버터(630)에 공급되는 전압을 인버터 입력 전압 또는 브이 레일(V_rail)이라 명하기로 한다.
전력공급기(660)는 전원(650)으로부터 인가되는 전력의 타입에 따라, 교류/직류 변환기(AC/DC Converter) 및 직류/직류 변환기(DC/DC Converter) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
일 예로, 전력 공급기(660)는 스위칭 모드 전력 공급기(Switching Mode Power Supply, SMPS)일 수 있으며, 스위칭 트랜지스터, 필터 및 정류기 등을 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 스위치 제어 방식을 사용할 수 있다. 여기서, 정류기 및 필터가 독립적으로 구성되어 AC 전원과 SMPS 사이에 배치될 수도 있다.
SMPS는 반도체 스위치 소자의 온/오프(on/off) 시간 비율을 제어하여 출력이 안정화된 직류 전원을 해당 디바이스, 또는 회로 소자에 공급하는 전원 장치로서, 고효율, 소형 및 경량화가 가능하여　대부분의 전자기기 및 장비 등에 널리 사용되고 있다.
전원의 품질에 따라 전자 회로 동작의 안정성이나 정밀도가 좌우되는 경우가 많다.
일반적으로 배터리 및 상용 AC 전원으로부터 안정적 전원을 변환하여 공급하는 방식에는 크게 선형 제어(series regulator) 방식과 스위치 모드(switched mode) 방식이 있다.
TV 수상기나 CRT 모니터 등에 사용되는 선형 제어 방식은 주위 회로가 간단하고 가격이 저렴하지만, 열 발생이 많고 전원 효율이 낮으며 부피가 크다는 단점이 있다.
반면, 스위칭 모드 방식은 열 발생이 거의 없고 전력 효율이 높으며 부피가 작다는 장점이 있는 반면, 가격이 비싸고 회로가 복잡하며 고주파 스위칭에 의한 출력 노이즈와 전자파 간섭이 발생될 수 있는 단점이 있다.
다른 일 예로, 전력공급기(660)는 가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply)가 사용될 수 있다. 가변 SMPS는 교류 전원(AC Power Supply)으로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭 및 정류하여 DC 전압을 생성한다.
가변 SMPS(Variable SMPS)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 송신 제어기(Tx Controller)의 소정 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수도 있다.
가변 SMPS는 무선 전력 송신기의 전력 증폭기가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기-즉, 인버터(530)-의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대 효율을 유지하게 할 수 있다.
가변 SMPS 대신에 일반적으로 사용되는 상용 SMPS를 사용하는 경우에는, 추가적으로 가변 DC/DC 변환기(Variable DC/DC)를 사용할 수 있다.
상용 SMPS와 가변 DC/DC 변환기는 전력 증폭기가 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 증폭기는 Class E 타입이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
인버터(630)는 게이트 드라이버(620)를 통해 수신되는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호-즉, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulated) 신호-에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압(V_rail)을 AC 전압으로 변환함으로써 무선으로 전송될 교류 전력을 생성할 수 있다.
이때, 게이트 드라이버(620)는 제어기(610)로부터 공급되는 레퍼런스 클락(Ref_CLK) 신호를 이용하여 인버터(630)에 포함된 복수의 스위치를 제어하기 위한 복수의 PWM 신호(SC_0 ~ SC_N)를 생성할 수 있다.
여기서, 인버터(630)가 하프 브릿지 회로를 포함하는 경우, N은 1이고, 인버터(630)가 풀 브릿지 회로를 포함하는 경우, N은 3일 수 있다.
예를 들면, 도 6의 실시 예에서 인버터(630)가 4개의 스위치를 포함하는 풀 브릿지 회로를 포함하는 경우, 인버터(630)는 각각의 스위치를 제어하기 위한 4개의 PWM 신호(SC_0, SC_1, SC_2, SC_3)를 게이트 드라이버(620)로부터 수신할 수 있다.
반면, 도 6의 실시 예에서 인버터(630)가 2개의 스위치를 포함하는 하프 브릿지 회로를 포함하는 경우, 인버터(630)는 각각의 스위치를 제어하기 위한 2개의 PWM 신호(SC_0, SC_1)를 게이트 드라이버(620)로부터 수신할 수 있다.
전송 안테나(640)는 인버터(630)로부터 수신되는 교류 전력 신호를 무선으로 전송하기 위한 적어도 하나의 전력 전송 안테나(미도시)-예를 들면, LC 공진 회로- 및 임피던스 매칭을 위한 매칭 회로(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 전송 안테나(640)에 복수의 송신 코일이 구비되는 경우, 전송 안테나(640)는 복수의 송신 코일 중 무선 전력 전송에 사용될 송신 코일을 선택하기 위한 코일 선택 회로(미도시)가 더 포함될 수도 있다.
센서(670)는 인버터(630)로부터 입력되는 전력의 세기 또는(및) 송신 코일을 통해 송출되는 전력의 세기, 무선 전력 송신기의 내부 특정 위치에서의 온도 등을 측정하기 위한 각종 센싱 회로를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 센서(670)에 의해 센싱된 정보는 제어기(610)로 전달될 수 있다.
또한, 센서(670)는 선택 단계(410, 510)에서 아날로그 핑이 전송되는 동안 송신 코일을 흐르는 전류의 세기를 측정하여 제어기(610)에 전달할 수 있다.
제어기(610)는 선택 단계에서 송신 코일에 흐르는 전력의 세기 정보와 소정 기준치를 비교하여 충전 영역에 배치된 물체의 존재 여부를 감지할 수 있다.
무선 전력 송신기(600)가 무선 전력 수신기와 인밴드 통신을 수행하는 경우, 무선 전력 송신기(600)는 전송 안테나(640)와 연결된 복조기(680)를 포함할 수 있다.
복조기(680)는 인밴드 신호를 복조하여 제어기(610)에 전달할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 도 6의 전송 안테나 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 전송 안테나(640)는 코일 선택 회로(710), 코일 어셈블리(720) 및 공진 캐패시터(730)를 포함하여 구성될 수 있다.
코일 어셈블리(720)는 적어도 하나의 송신 코일-즉, 제1 내지 제N 코일-을 포함하여 구성될 수 있다.
코일 선택 회로(710)는 코일 어셈블리(720)에 포함된 송신 코일 중 적어도 어느 하나에 인버터(630) 출력 전류(I_coil)이 전달되도록 구성된 스위칭 회로로 구성될 수 있다.
일 예로, 코일 선택 회로(710)는 일단이 인버터 출력단에 연결되고 타단이 코일 선택 회로(710)에 대응되는 코일에 연결된 제1 내지 제N 스위치를 포함하여 구성될 수 있다.
코일 어셈블리(720)에 포함된 제1 내지 제N 코일은 일단이 코일 선택 회로(710)의 대응되는 스위치에 연결되고, 타단이 공진 캐패시터(730)와 연결될 수 있다.
복조기(680)는 코일 어셈블리(720)와 공진 캐피시터(730) 사이의 신호를 복조하여 제어기(610)에 전달할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기에서 품질 인자 값을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 인증용 무선 전력 송신기-예를 들면, MP1, MP-A2 등을 포함함-는 인터페이스 표면(820)의 중앙(CENTER)인 제5 지점(815)과 제5 지점(815)을 중심으로 상(TOP)/하(BOTTOM)/좌(LEFT)/우(RIGHT) 각각 5mm 이격된 지점에 무선 전력 수신기(530)를 배치시킨 상태에서 LCR 미터를 이용하여 품질 인자 값을 측정할 수 있다.
여기서, MP-A2는 WPC Qi 표준에서 규정된 12V 단일 코일을 사용하는 무선 전력 전송 시스템을 의미한다.
상세하게, 인증용 무선 전력 송신기는 인터페이스 표면(820)의 중심(815)에서 우측 방향으로 5mm 이동된 제1 지점(811), 중심(815)에서 좌측 방향으로 5mm 이동된 제2 지점(512), 중심(815)에서 상단 방향으로 5mm 이동된 제3 지점(813), 중심(815)에서 하단 방향으로 5mm 이동된 제4 지점(814) 및 인터페이스 표면(820)의 중심인 제5 지점(815) 각각에 무선 전력 수신기(830)를 배치시킨 상태에서 기준 동작 주파수에 대한 각각의 품질 인자 값을 측정할 수 있다.
이때, 이물질은 인터페이스 표면(820)에 배치되지 않음을 주의해야 한다. 품질 인자 값 측정을 위해 사용되는 기준 동작 주파수는 100Khz이고, 송신 코일에는 작은 전압이 인가될 수 있다.
일 예로, 송신 코일에 인가되는 전압은 0.85 +/- 0.25 V rms(root mean square)일 수 있으나, 이에 한정되는 않으며, 송신 코일에 인가되는 전압은 0.5V에서 1,2V 사이의 어느 값이 사용될 수 있다.
인증용 무선 전력 송신기와 LCR 미터를 이용하여 기준 품질 인자 값을 결정할 때 사용된 기준 동작 주파수는 상용 무선 전력 송신기에서 품질 인자 값을 측정할 때 사용되는 동작 주파수-이하, 측정 동작 주파수라 명하기로 함-와 상이할 수 있다.
무선 전력 송신기는 기준 동작 주파수와 측정 동작 주파수가 상이한 경우, 그것들의 주파수 차이를 고려하여 품질 인자 임계 값을 보정할 수도 있다.
또한, 인증용 무선 전력 송신기와 상용 무선 전력 송신기와의 디자인 차이를 고려하여 품질 인자 임계 값이 보정될 수도 있다.
상기 제1 내지 제5 지점(811 내지 815) 각각에서 측정된 품질 인자 값 중 가장 작은 값이 해당 무선 전력 수신기에 대응되는 기준 품질 인자 값으로 결정될 수 있다.
무선 전력 수신기는 자신의 기준 품질 인자 값을 내부 메모리에 유지하고, 협상 단계(440 또는 540)에서 무선 전력 송신기로 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기의 기준 품질 인자 값이 너무 작은 경우, 이물질로 판단하는 품질 인자 값의 임계 범위가 축소되므로, 이물질 검출 시 오동작이 발생될 수 있다.
따라서, WPC Qi 표준에는 스마트폰 등에 장착되는 무선 전력 수신기의 기준 품질 인자 값이 최소 50이상일 것을 권고하고 있다.
하지만, 현재 대부분의 휴대폰 제조 회사들은 스마트폰에 0.3mmt 이하 두께를 가지고 면적이 작은 무선 충전 코일 모듈을 장착하므로 50이상의 기준 품질 인자 값을 가지는 무선 전력 수신기를 제조하기 어려운 문제가 있다.
실제, 무선 전력 수신기에 포함되는 수신 코일의 두께와 면적이 작아질수록 기준 품질 인자 값은 더 낮아지는 특성이 있다.
따라서, 무선 전력 수신기를 위해 주어진 한정된 공간 내에서 기준 품질 인자 값을 최대화시킬 수 있는 코일 설계 방안이 요구되고 있다.
도 9는 무선 전력 송신 장치에서의 이물질 검출 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 선택 단계(910)에서 물체가 감지되면, 기준 동작 주파수에 대한 품질 인자 값을 측정할 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해 선택 단계(910)에서 기준 동작 주파수에 상응하여 측정된 품질 인자 값을 측정 품질 인자 값(Q_measured)라 명하기로 한다.
무선 전력 송신 장치는 핑 단계(920)에서 무선 전력 수신기를 식별하기 위한 전력 신호인 디지털 핑 패킷을 주기적으로 전송할 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 핑 단계(920)에서 신호 세기 패킷이 수신되면, 식별 및 구성 단계(930)로 진입하여 무선 전력 수신기를 식별하고, 식별된 무선 전력 수신기를 위한 각종 구성 파라메터를 설정할 수 있다.
무선 전력 수신기에 대한 식별 및 구성이 완료되면, 무선 전력 송신 장치는 협상 단계(940)로 진입하여 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다.
여기서, 협상 단계(940)에서의 이물질 검출 절차는 하기의 3개의 절차를 통해 수행될 수 있다.
1 단계로, 무선 전력 송신 장치는 식별된 무선 전력 수신기로부터 기준 품질 인자 값이 포함된 이물질 감지 상태 패킷을 수신할 수 있다.
2 단계로, 무선 전력 송신 장치는 수신된 기준 품질 인자 값에 기반하여 이물질 존재 여부를 판단하기 위한 품질 인자 임계 값을 결정할 수 있다.
3 단계로, 무선 전력 송신 장치는 측정 품질 인자 값과 품질 인자 임계 값을 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다.
판단 결과, 이물질이 존재하면, 무선 전력 송신 장치는 전력 전송을 중단하고 선택 단계(910)로 회귀할 수 있다.
판단 결과, 이물질이 검출되지 않은 경우, 무선 전력 송신 장치는 전력 전송 단계(950)로 진입하여 해당 무선 전력 수신기로의 충전을 수행할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신 장치는 선택 단계(910)로의 회귀하기 이전에 이물질이 검출되었음을 지시하는 소정 경고 메시지를 무선 전력 수신기로 전송할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 수신기는 상기 경고 메시지가 수신되면, 연동되는 전자 기기에 전달할 수 있다. 일 예로, 전자 기기는 수신된 경고 메시지에 따라 이물질이 검출되었음을 지시하는 소정 경고 알람을 출력할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 충전 코일 모듈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
상세하게 도 10은 인쇄회로기판에 패턴 인쇄된 수신 코일을 포함하는 무선 충전 코일 모듈이다.
도 10을 참조하면, 무선 충전 코일 모듈(1000)은 인쇄회로기판(1010), 패턴 코일(1020) 및 단자부(1030)를 포함하여 구성될 수 있다.
단자부(1030)는 패턴 코일(1020)의 외곽 일측에 형성된 일단을 연결하기 위한 제1 단자(1031)와 패턴 코일(1020)의 내부 일측에 형성된 타단을 연결하기 위한 제2 단자(1032)를 포함하여 구성될 수 있다.
패턴 코일(1020)는 외경(1021)과 내경(1022)을 가진다. 패턴 코일(1020)은 외경(1021)과 내경(1022) 내에서 선 폭과 선 간격에 따라 결정되는 턴 수를 가진다.
패턴 코일(1020)의 외경(1021)은 무선 충전 코일 모듈(1000)의 전체 크기와 송신 코일의 평균 외경에 기반하여 결정될 수 있다.
또한, 패턴 코일(1020)의 턴 수는 요구되는 인덕턴스를 만족하도록 결정되어야 한다.
패턴 코일(1020)의 내경(1022)은 외경(1021)의 1/2 ~ 2/3 수준으로 결정될 수 있다. 만약, 내경(1022)이 상기 외경(1021)의 1/2 ~ 2/3 수준보다 작아질 경우, 기준 품질 인자 값이 소정 기준치 이하로 저하될 수 있다. 여기서, 내경(1020) 및 외경(1021)의 크기는 각각 소정 오차 범위를 가질 수 있다.
제1 실시 예로, 패턴 코일(1020)의 내경(1020) 및 외경(1021)의 오차 범위는 각각 +/- 10% 이내로 정의될 수 있다.
제2 실시 예로, 패턴 코일(1020)의 내경(1020) 및 외경(1021)의 오차 범위는 각각 +/- 5% 이내로 정의될 수도 있다.
제3 실시 예로, 패턴 코일(1020)의 내경(1020) 및 외경(1021)의 오차 범위는 각각 +/- 3% 이내로 정의될 수도 있다.
또한, 내경(1022)이 작아지면, 인덕턴스(L) 성분보다 레지스턴스(R) 성분이 상승하여 무선 충전 코일 모듈(1000)의 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 일정 수준 이상의 효율을 보장하기 위해서는 적정 수준 이상의 내경을 확보하는 것이 중요하다.
반면, 패턴 코일(1020)의 선 폭 및 선 간격이 커질수록 레지스턴스(R) 성분이 감소하여 무선 충전 코일 모듈(1000)의 효율이 향상될 수 있다.
하지만, 상기한 다양한 고려 사항들로 인해, 패턴 코일(1020)의 선 폭과 선 간격은 최적 값을 가지도록 결정되어야 한다.
특히, 패턴 코일(1020)의 선 폭과 선 간격의 비율을 적절히 조정하면, 높은 기준 품질 인자 값을 얻을 수 있다.
본 발명은 무선 충전 코일 모듈(1000)이 높은 기준 품질 인자 값과 높은 효율을 가지기 위한 패턴 코일(1020)의 선 폭 및 선 간격을 실험 데이터에 기초하여 제안한다. 이하의 실시 예에서, 선 폭 및 선 간격의 오차 범위는 각각 +/- 5% 이하일 수 있다.
이하, 후술할 도 11 및 도 14를 참조하여, 본 발명에 따라 개선된 패턴 코일의 특성을 실험 데이터에 기초하여 상세히 설명하기로 한다.
도 11은 제1 실시예에 따른 무선 전력 수신기에 적용된 패턴 코일의 구조를 보여준다.
상기 도 11의 도면 번호 1110은 외경(Do)이 42.5mm이고 내경(Di)은 23.7mm인 제 1실시예에 따른 무선 전력 수신기에 적용된 패턴 코일을 보여준다.
여기서, 외경(Do)에 대한 내경(Di)의 비율은 약 0.557이다.
상기 도 11에 도시된 패턴 코일은 하나의 실시 예에 불과하며, 실시 예에 따른 패턴 코일은 외경(Do)에 대한 내경(Di)의 비율이 1/2보다 크고 2/3보다 작으면 족하다.
도면 번호 1120은 도면 번호 1110에 표시된 AA' 절단면을 보여준다.
도면 번호 1120을 참조하면, 제 1실시예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 충전 코일 모듈에 적용된 패턴 코일은 선 폭(W) 이 850μm 이고, 선 간격(S) 이 100 μm 이고, 선 두께(T) 가 45 ~ 60 μm 이고, 턴 수(N) 가 10이다.
도 12는 제 2실시예에 따른 개선된 무선 전력 수신기에 적용되는 패턴 코일의 구조를 보여준다.
상기 도 12의 도면 번호 1210에 도시된 바와 같이, 제 2실시예에 따른 패턴 코일은 외경(Do)이 42.5mm로 상기 도 11의 패턴 코일과 동일하고, 내경(Di)은 25.4mm로 상기 도 11의 패턴 코일보다 1.7mm 증가된 것을 알 수 있다.
즉, 도 11의 패턴 코일 대비 제 2실시예에 따른 패턴 코일은 내경이 약 7% 증가된 것을 알 수 있다. 일반적으로 패턴 코일의 내경이 증가하면, 기준 품질 인자 값 및 효율 중 적어도 하나가 증가될 수 있다.
도면 번호 1220은 도면 번호 1210에 표시된 BB’ 절단면을 보여준다.
도면 번호 1220을 참조하면, 제 2실시예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 충전 코일 모듈을 구성하는 패턴 코일은 선 폭(W) 이 700μm이고, 선 간격(S)이 150μm 이고, 선 두께(T)는 45 ~ 60 μm 이고, 턴 수(N) 가 10이다.
여기서, 선 폭(W)은 선 간격(S)의 약 4.6배인 것을 알 수 있다.
선 폭(W)을 고정시키고 선 간격(S)을 감소시키면, 동일 턴 수에 대해 내경이 증가하며, 이에 따라, 효율이 증가될 수 있다.
하지만, 선 간격(S)이 감소되면, 기준 품질 인자 값이 감소될 뿐만 아니라 선 간 마이크로 쇼트 불량이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 설계 제약 조건 내-예를 들면, 두께 및 면적 제한 조건 등을 포함함-에서 해당 무선 전력 수신기에 대해 요구되는 효율과 기준 품질 인자 값을 모두 만족시키고 높은 수준의 내구성을 확보하기 위해서는 최적의 선 폭(W)/선 간격(S)/내경(Di) 조합을 찾는 것이 무엇보다 중요할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기의 무선 충전 코일 모듈에 적용되는 패턴 코일은 선 폭(W)이 선 간격(S)의 5배 이하가 되도록 구현될 수 있다.
도 13은 상기 도 11의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 대한 품질 인자 값 측정 결과를 보여준다.
상기 도 13의 실험 결과는 동작 주파수가 100Khz이고, 입력 전압이 1V RMS(Root Mean Square)일 때 측정된 품질 인자 값이다.
도면 번호 1300은 상기 도 11의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 대해 상기한 도 8의 제1 지점 내지 제5 지점에서 측정된 품질 인자 값은 각각 57.84, 59.2, 62.83, 57.49, 61.66인 것을 보여준다.
이때, 상기 도 11의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 상응하는 기준 품질 인자 값은 제1 지점 내지 제5 지점에서 측정된 품질 인자 값 중 가장 작은 값인 57.49로 결정된다.
도 14는 상기 도 12의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 대한 품질 인자 값 측정 결과를 보여준다.
상기 도 14의 실험 결과는 상기 도 13과 같이, 동작 주파수가 100Khz이고, 입력 전압이 1V RMS(Root Mean Square)인 조건에서 측정된 품질 인자 값이다.
도면 번호 1400은 상기 도 12의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 대해 상기한 도 8의 제1 지점 내지 제5 지점에서 측정된 품질 인자 값은 각각 62.65, 62.11, 63.1, 63.49, 65.15인 것을 보여준다.
이때, 상기 도 12의 무선 충전 코일 모듈이 장착된 무선 전력 수신기에 상응하는 기준 품질 인자 값은 제1 지점 내지 제5 지점에서 측정된 품질 인자 값 중 가장 작은 값인 62.11로 결정된다.
상기 도 13과 도 14의 실험 결과에 따르면, 선 폭(W)을 850μm에서 700μm 로 150μm 만큼 감소시키고, 선 간격(S)을 100μm 에서 150μm 로 50μm 만큼 증가시키면, 기준 품질 인자 값이 57.49에서 62.11로 증가하는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명은 무선 전력 수신기의 설계 제약에 따라 패턴 코일의 외경 및 턴 수를 종래와 동일하게 유지시키고 선 폭(W) 및 선 간격(S) 만을 변경함으로써, 약 8%의 기준 품질 인자 값에 대한 성능 개선을 기대할 수 있다.
도 15는 MP-A2를 이용한 효율 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
상세하게 도 15는 상기 도 11의 패턴 코일과 상기 도 12의 패턴 코일에 대해 MP-A2를 이용하여 패턴 코일에 입력되는 전류 변화에 따른 측정 효율을 보여주는 그래프이다.
도 15에 도시된 그래프의 계열 중 효율 1은 상기 도 11에 도시된 종래 패턴 코일-즉, 선 폭(W)이 850μm이고 선 간격(S)이 100 μm인 패턴 코일-에 상응하는 효율 곡선이고 효율 2는 상기 도 12의 본 발명에 따라 개선된 패턴 코일-즉, 선 폭(W) 이 700μm이고 선 간격(S) 이 150 μm인 패턴 코일-에 상응하는 효율 곡선이다.
상기한 도 15에 도시된 바와 같이, 패턴 코일 구조를 개선하기 이전과 개선한 이후의 효율이 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따라 개선된 패턴 코일을 이용하면, 효율 감쇄 없이 높은 기준 품질 인자 값을 가지는 무선 전력 수신기를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 16을 참조하면, 무선 전력 수신기(1600)는 수신 코일(1610), 정류기(1620), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 1630), 부하(1640), 센싱부(1650), 통신부(1660), 주제어부(1670)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 통신부(1660)는 복조부(1661) 및 변조부(1662) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 수신기(1600)는 인밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기와 정보를 교환할 수 있다.
수신 코일(1610)을 통해 수신되는 AC 전력은 정류기(1620)에 전달할 수 있다. 정류기(1620)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(430)에 전송할 수 있다.
직류/직류 변환기(430)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(1640)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(1640)에 전달할 수 있다.
센싱부(1650)는 정류기(1620) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(1670)에 제공할 수 있다.
또한, 센싱부(1650)는 무선 전력 수신에 따라 수신 코일(1610)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(1670)에 전송할 수도 있다.
또한, 센싱부(1650)는 무선 전력 수신기(1600)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(1670)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 주제어부(1670)는 측정된 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치 와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다.
판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 패킷을 생성하여 변조부(1662)에 전송할 수 있다.
여기서, 변조부(1662)에 의해 변조된 신호는 수신 코일(1610) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선 전력 송신기에 전송될 수 있다.
또한, 주제어부(1670)는 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치 이상인 경우, 감지 신호가 수신된 것으로 판단할 수 있으며, 감지 신호 수신 시, 해당 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(1662)를 통해 무선 전력 송신기(300)에 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
다른 일 예로, 복조부(1661)는 수신 코일(1610)과 정류기(1620) 사이의 AC 전력 신호 또는 정류기(1620) 출력 DC 전력 신호를 복조하여 감지 신호의 수신 여부를 식별한 후 식별 결과를 주제어부(1670)에 제공할 수 있다.
이때, 주제어부(1670)는 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(1662)를 통해 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
상기한 도 16의 실시 예에 따른 수신 코일(1610)로 상기한 도 12에 도시된 패턴 코일이 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 효율 감쇄 없이 높은 품질 인자 값을 가지는 무선 전력 수신기를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명은 무선 충전을 위한 무선 충전 코일 및 그것이 장착되는 무선 코일 모듈 및 무선 충전 장치 등에 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 스파이럴 형상으로 기판에 인쇄되는 패턴 코일을 포함하고,
    상기 패턴 코일의 선 폭(W)과 선 간격(S)의 비율(W/S)이 5이하이고,
    상기 패턴 코일의 내경(Di)은 외경(Do)의 1/2보다 크고 2/3보다 작은 무선 충전 코일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 코일의 턴 수는 10인 무선 충전 코일.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패턴 코일의 선 두께는 45μm보다 크고 60μm보다 작은 무선 충전 코일.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선 폭은 700μm이고, 상기 선 간격은 150μm이고, 상기 외경은 42.5mm인 무선 충전 코일.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 패턴 코일에 대응하는 기준 품질 인자 값은 62이상인 무선 충전 코일.
  6. 기판;
    상기 기판에 스파이럴 형상으로 인쇄되는 패턴 코일; 및
    상기 패턴 코일의 양단이 연결되는 단자부를 포함하고,
    상기 패턴 코일의 선 폭(W)과 선 간격(S)의 비율(W/S)이 5이하이고, 상기 패턴 코일의 내경(Di)은 외경(Do)의 1/2보다 크고 2/3보다 작은 무선 충전 코일 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 패턴 코일의 턴 수는 10인 무선 충전 코일 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 패턴 코일의 선 두께는 45μm보다 크고 60μm보다 작은 무선 충전 코일 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선 폭은 700μm이고, 상기 선 간격은 150μm이고, 상기 외경은 42.5mm인 무선 충전 코일 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 패턴 코일에 대응하는 기준 품질 인자 값은 62이상인 무선 충전 코일 모듈.
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