KR102332172B1 - 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기 - Google Patents

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Abstract

다양한 실시예에 따른, 무선 전력 송신기에 있어서, 기 설정된 전압 값을 가지는 교류 형태의 전력을 공급하는 전력 공급부와; 상기 전력 공급부와 연결되며, 상기 교류 형태의 전력을 정류하는 정류부와; 상기 정류부와 연결되며, 전력 송신부로 출력되는 상기 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기를 조정하는 전압 조정부와; 상기 전압 조정부로부터 출력된 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 무선 전력 수신기에 송신하는 상기 전력 송신부와; 상기 전압 조정부의 상기 출력 전압 값의 크기를 기 설정된 기준에 따라 조정하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 다른 실시예가 가능하다.

Description

무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기{WIRELESS POWER TRANSMITTER AND WIRELESS POWER RECEIVER}
본 발명의 다양한 실시예는 무선 전력 전송 기술과 배터리를 빠르게 충전할 수 있는 기술을 이용한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기에 관한 것이다.
일반적인 배터리 충전 방식인 유선 충전 방식은 충전기와 충전하고자 하는 기기가 직접적으로 선으로 연결되어 있거나, 어느 한 지점에서 접점으로 연결되어 있는 경우에만 충전이 가능한 유선 전력 전송 기술이 적용된 것이다. 따라서, 기기를 충전하기 위해서는 사용자가 기기와 충전기를 직접 연결해주어야만 하는데, 배터리를 사용하는 다양한 휴대기기의 등장과 사용량 증가에 따라 이러한 작업에 대한 불편함과 각각의 기기를 위한 전력선들이 복잡하게 위치함에 따른 불편함이 제기되어 왔다. 이러한 유선 충전 방식의 문제점을 해결하기 위하여 무선 전력 전송 기술이 개발되었고, 다양한 연구들이 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술은 충전기와 충전하고자 하는 기기 사이의 직접적인 선이나 접점 없이 전력을 전달하는 기술로서, 최근에는 스마트 폰, 태블릿 PC 뿐만 아니라, 전기자동차(EV)까지 다양하게 적용되고 있다. 무선 전력 전송 기술은 방식에 따라 전자기 유도(inductive), 정전 용량(capacitive), 공진(resonance) 방식 등으로 구분이 된다. 각 방식은 구현이나 효율 측면에서 장단점을 가지고 있으며, 이 중 전자기 유도 방식과 공진 방식이 표준화 되어 기술을 주도하고 있다. 두 방식의 가장 큰 차이는 동작 주파수가 전자기 유도 방식은 수 백 kHz, 공진 방식은 수 MHz 영역으로 하고 있다는 것이다. 그리고 전자기 유도 방식은 짧은 충전 거리에서 높은 효율로 충전 가능하며, 공진 방식은 충전 거리 증대가 가능하다는 특징을 가지고 있다.
상술한 무선 전력 전송 기술이 적용된 종래의 무선 충전 시스템은 일반적으로 전력 송신기와 전력 수신기를 포함한다.
도 9를 참조하면, 종래의 전력 송신기(910)는 단상이나 삼상 AC 전원부(911)와, AC 전원부(911)로부터 무선 충전을 위한 전력 송신부(914)가 필요로 하는 전원 생성을 위한 어댑터(adapter)(914)와, 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 만들기 위한 전력 송신부(915)를 포함하는 구성을 가진다.
도 9를 참조하면, 종래의 전력 수신기(930)는 전력 송신기(910)의 전력 송신부(915)에서 생성된 신호를 이용하여 DC 전원을 생성하기 위한 전력 수신부(932)와, 배터리(battery)(934) 충전을 위한 충전 IC(933)에 적합한 형태의 전원을 생성하기 위한 DC/DC 컨버터부(932)와, 충전 IC(933) 및 배터리(934)를 포함하는 구성을 가진다.
한편, 어댑터(914)는 역률 보상(PFC; Power Factor Correction) 회로가 적용된AC/DC 컨버터부(912)와 DC/DC 컨버터부(913)를 포함하는 구성을 가지며, 어댑터(914)를 구성하고 있는 AD/DC 컨버터부(912)의 역할 중 역률 보상은 어댑터(914)의 용량에 따라 필수 기능이기도 하고 권장기능이기도 하다. 예를 들어, 노트북을 위한 어댑터 중에서 용량이 75W 이상인 경우에는 PFC 기능을 포함하여야 한다. 만약, PFC가 필요하지 않은 경우에 PFC 부분은 AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터라고 볼 수 있다.
도 9와 같은 무선 충전 시스템의 구조에서의 전력 변환부들(AC/DC 컨버터부(912), DC/DC 컨버터부(913), 전력 송신부(915), 전력 수신부(931), DC/DC 컨버터부(932), 충전 IC(933)) 각각은 설계 사양에 따라서 전력 변환 효율이 다르지만, 대략적으로 80% 이상의 효율 특성을 가지고 있다. 도 10은 종래의 DC/DC 컨버터부(913)의 출력 전류와 입력 전압에 따른 효율 특성을 나타낸 그래프로, 대략적으로 80% 이상의 효율 특성을 보임을 확인할 수 있다. 도 9의 무선 충전 시스템은 총 6개의 전력 변환부들의 전력 변환 단계를 거쳐서 AC 전원(911)으로부터 배터리(934)에 전력을 전달함으로써, 배터리(934)의 충전이 가능한 구조이다. 따라서, 각 전력 변환부의 효율을 80%라고 가정한다면, AC 전원(911)에서 100%의 전력이 공급되었을 때 배터리(934)에는 26% 정도의 전력이 전달되게 된다. 한편, 각 전력 변환부의 효율이 80% 이상일 경우에는 더 많은 전력이 전달될 수 있다.
한편, 종래에 배터리 충전에 가장 널리 사용되고 있는 배터리 충전 방식은 CC-CV(정전류-정전압) 충전 방식이다. CC-CV 충전 방식은 배터리의 충전 상태에 따라 초기에는 정전류 충전을 하며 추후 정전압을 이용하여 충전하는 방식으로, 많은 연구가 진행되어 있어 상용으로 판매되는 직접회로(IC)를 이용하여 구현이 가능하다. 그러나, 종래의 CC-CV 방식의 경우 배터리가 완전 방전 상태에서 완전 충전까지 수 시간이 걸리는데 이에 대한 사용자의 불만이 제기되어 왔다. 이에 따라, 배터리 충전 시간에 대한 문제를 해결하기 위하여 빠르게 배터리를 충전할 수 있는 급속 충전 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한, 배터리를 이용하는 기기들의 소비 전력 증가와 이동의 편의성을 고려한 배터리의 용량 한계 등으로 인해, 급속 충전기 및 급속 충전용 배터리 개발 등의 급속 충전 기술 개발이 요구되고 있다.
급속 충전 기술로는, 종래의 CC-CV 충전 방식에서 초기 CC 충전 구간에서의 충전 전류를 multi-step 형태로 하거나, 초기 충전 전류값을 기존 CC 충전 방식에 비해 큰 전류를 이용하여 일정 시간 충전하는 부스트(boost) 충전 방식이 적용된 기술 등이 개발되어 있다. 종래의 급속 충전 기술 중 하나인 부스트(boost) 충전의 프로파일은 도 11과 같을 수 있다. 도 11을 참조하면, 부스트 충전은 CC-CV 충전에서의 CC 전류값보다 큰 전류로 초기 충전을 하다가 일정 조건에 도달하면 기존 CC-CV 방식으로 충전하는 것으로, 충전 시간의 단축이 가능하다는 장점을 가진다.
종래의 급속 충전 기술은 상술한 바와 같이, CC-CV 충전 방식에 비하여 충전 시간 단축은 가능하지만, 큰 전류 충전으로 인한 배터리 수명 단축이나 충전 중 배터리에 이상이 발생하는 등의 안전성 문제 등이 보고되고 있다.
무선 전력 전송과 급속 충전 기술에서의 중요한 요건은 충전 시스템의 효율 및 구현의 용이함이다. 그러나, 무선 전력 전송 기술이 적용된 종래의 무선 충전 시스템의 경우, 기존의 상용 어댑터를 적용하고 충전기의 충전 IC를 그대로 사용하고자 함에 따라, 구조적 복잡성 증가와 높은 비용 문제를 가지고 있다. 또한, 급속 충전 기술 중 종래의 CC-CV 충전 방식에서 초기 CC 충전 구간에서의 충전 전류를 multi-step 형태로 구성하는 기술의 경우, 초기 CC 충전 구간에서의 충전 전류를 multi-step 형태로 구성함에 따라, 유선 전력 전송 기술에 비해 낮은 시스템 효율이 문제가 되고 있다. 또한, 종래의 급속 충전 기술을 적용한 시스템의 구현에 있어서는 구현의 복잡도가 증가하는 문제가 있다. 예를 들어, 종래의 부스트 충전 기술은 실질적으로 CC-CV 방식에 비하여 시스템 구현의 복잡도가 증가하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예는 무선 전력 전송 기술과 급속 충전 기술을 결합한 무선 충전 시스템 구성하여, 유선 충전 기술의 불편함을 해소하고 배터리의 충전 시간을 감소시키기 위한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 각 전력 변환부의 효율과 공급되는 전력량이 기존과 동일한 상황이라 할지라도, 전력 변환부의 수를 줄임으로써, 최종적으로 배터리에 전달되는 전력량을 증가시켜서, 배터리의 급속 충전이 가능한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 종래의 유선 전력 전송 기술과 급속 충전 기술의 구현의 복잡성을 해결하며, 효율 개선이 가능한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 따르면, 무선 전력 송신기에 있어서, 기 설정된 전압 값을 가지는 교류 형태의 전력을 공급하는 전력 공급부와; 상기 전력 공급부와 연결되며, 상기 교류 형태의 전력을 정류하는 정류부와; 상기 정류부와 연결되며, 전력 송신부로 출력되는 상기 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기를 조정하는 전압 조정부와; 상기 전압 조정부로부터 출력된 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 무선 전력 수신기에 송신하는 상기 전력 송신부와; 상기 전압 조정부의 상기 출력 전압 값의 크기를 기 설정된 기준에 따라 조정하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 무선 전력 송신기에 있어서, 기 설정된 전압 값을 가지는 교류 형태의 전력을 공급하는 전력 공급부와; 상기 전력 공급부와 연결되며, 상기 교류 형태의 전력을 정류하는 정류부와; 상기 정류부와 연결되며, 전력 송신부로 출력되는 상기 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기를 조정하는 전압 조정부와; 상기 전압 조정부로부터 출력된 상기 전력을 기 설정된 이득으로 변환하여 상기 전력 송신부로 송신하는 DC/DC 컨버터부와; 상기 DC/DC 컨버터부로부터 출력된 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 무선 전력 수신기에 송신하는 상기 전력 송신부와; 상기 전압 조정부의 상기 출력 전압 값의 크기 또는 상기 DC/DC 컨버터부의 출력 전압 값의 크기를 기 설정된 기준에 따라 조정하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 견지에 따르면, 무선 전력 수신기에 있어서, 무선 전력 송신기로부터 전력을 수신하는 전력 수신부와; 상기 전력을 이용 또는 저장하며, DC /DC 컨버터부 없이, 상기 전력 수신부의 출력부와 연결되는 충전부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 견지에 따르면, 무선 충전 시스템에 있어서, 기 설정된 전압 값을 가지는 교류 형태의 전력을 공급하는 전력 공급부와, 상기 전력 공급부와 연결되며, 상기 교류 형태의 전력을 정류하는 정류부와, 상기 정류부와 연결되며, 전력 송신부로 출력되는 상기 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기를 조정하는 전압 조정부와, 상기 전압 조정부로부터 출력된 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 무선 전력 수신기에 송신하는 상기 전력 송신부와, 상기 전압 조정부의 상기 출력 전압 값의 크기를 기 설정된 기준에 따라 조정하도록 제어하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신기와; 무선 전력 송신기로부터 전력을 수신하는 전력 수신부와, 상기 전력을 이용 또는 저장하며, DC/DC 컨버터부 없이, 상기 전력 수신부의 출력부와 연결되는 충전부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 견지에 따르면, 무선 충전 시스템에 있어서, 기 설정된 전압 값을 가지는 교류 형태의 전력을 공급하는 전력 공급부와, 상기 전력 공급부와 연결되며, 상기 교류 형태의 전력을 정류하는 정류부와, 상기 정류부와 연결되며, 전력 송신부로 출력되는 상기 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기를 조정하는 전압 조정부와, 상기 전압 조정부로부터 출력된 상기 전력을 기 설정된 이득으로 변환하여 상기 전력 송신부로 송신하는 DC/DC 컨버터부와, 상기 DC/DC 컨버터부로부터 출력된 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 무선 전력 수신기에 송신하는 상기 전력 송신부와, 상기 전압 조정부의 상기 출력 전압 값의 크기 또는 상기 DC/DC 컨버터부의 출력 전압 값의 크기를 기 설정된 기준에 따라 조정하도록 제어하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신기와; 무선 전력 송신기로부터 전력을 수신하는 전력 수신부와, 상기 전력을 이용 또는 저장하며, DC/DC 컨버터부 없이, 상기 전력 수신부의 출력부와 연결되는 충전부를 포함하는 무선 전력 수신기를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기에 따르면, 기존의 무선 충전 시스템에 비하여 간단한 구조를 제공할 수 있다. 또한, 급속 충전을 위한 전류의 변화가 빠르지 않은 경우에는 DC/DC 컨버터 없이, AC/DC 컨버터만을 이용하여 배터리 충전이 가능하도록 함으로써, 더 간단한 구조로 무선 충전 시스템의 구성이 가능하도록 할 수 있다. 따라서, 무선 충전 시스템의 소형화가 가능하고, 가격 절감도 가능한 효과를 가진다. 또한, 배터리를 사용하는 다양한 기기들에 무선 전력 전송 방식을 이용한 전력 공급 방식의 적용 가능한 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 회로도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신부의 입력 전압(VDC/DC)와 배터리에 인가되는 전압(VBAT)의 전압 변환비의 그래프
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 각 전력 변환부의 효율과 배터리에 전달되는 전력량의 비교 그래프
도 9는 종래의 무선 충전 시스템의 블록도
도 10은 종래의 DC/DC 컨버터부의 출력 전류와 입력 전압에 따른 효율 특성을 나타낸 그래프
도 11은 종래의 급속 충전 기술 중 하나인 부스트(boost) 충전의 프로파일 그래프
이하, 본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명의 다양한 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는“포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예에서 “또는” 또는 “ A 또는/및 B 중 적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, “A 또는 B” 또는 “ A 또는/및 B 중 적어도 하나” 각각은, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 사용된 “제 1,”“제2,”“첫째,”또는“둘째,”등의 표현들은 다양한 실시예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는 모두 사용자 기기이며, 서로 다른 사용자 기기를 나타낸다. 예를 들어, 본 발명의 다양한 실시예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 다양한 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템은, 종래의 무선 충전 시스템의 구성 중 전력 수신기에서 DC/DC 컨버터부와 충전 집적회로(Charger IC; 이하에서는 충전 IC라 함)가 제거된 구조를 갖는다. 종래의 전력 수신기의 DC/DC 컨버터부와 충전 IC의 제거가 가능한 것은 본 발명의 실시예에 따라 전력 송신기(110)에 AC/DC 컨버터부(114)가 구비되어, 충전부(133)(이하에서는 배터리라 함)의 충전에 이용되는 충전 프로파일(VBAT, Ichg)을 생성하기 때문이다.
예를 들어, 배터리를 저항으로 등가할 경우, 배터리 충전 전류(Ichg)는 배터리에 인가되는 전압(VBAT)을 제어함으로써, 원하는 형태로 생성이 가능하게 된다. 예를 들어, 배터리에 인가되는 전압(VBAT)을 증가시키면 충전 전류(Ichg)가 증가하고, 배터리에 인가되는 전압(VBAT)을 감소시키면 충전 전류(Ichg)가 감소된다.
본 발명에서는, 상기 배터리에 인가되는 전압(VBAT)은 전력 송신기(110)의 AC/DC 컨버터부(114)의 제어 인자를 조절함으로써 변경하는 구조를 제안한다. 예를 들어, AC/DC 컨버터부(114)의 출력 전압(VAC / DC)을 조절하면, 전력 송신부(116)의 입력 전압이 조절되고, 결과적으로 배터리에 인가되는 전압(VBAT)이 조절될 수 있다.
도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템(100)은 전력 송신기(110)와 전력 수신기(130)를 포함할 수 있다. 전력 송신기(110)는 전력 공급부(111), AC/DC 컨버터부(114), DC/DC 컨버터부(115), 전력 송신부(116), 제어부(118)를 포함할 수 있다. 전력수신기(130)는 전력 수신부(131), 충전부(133), 제어부(135)를 포함할 수 있다. 또한, AC/DC 컨버터부(114)는 정류부(112)와 전압 조정부(113)를 포함할 수 있다.
먼저, 전력 송신기(110)의 구성 및 동작을 설명하면, 전력 송신기(110)에서 전력 공급부(111)는 기설정된 전압(VAC)을 가지는 교류 형태의 전력을 공급할 수 있다.
AC/DC 컨버터부(114)의 정류부(112)는 전력 공급부(111)와 연결되며, 전력 공급부(111)로부터 입력 받은 교류 형태의 전력을 정류할 수 있다. 정류부(112)는 공지된 정류 회로, 예를 들어 다이오드와 같은 수단으로 구현될 수 있으며, 정류를 할 수 있는 다양한 수단이 적용 가능하다는 것은 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다. AC/DC 컨버터부(114)의 전압 조정부(113)는 정류부(112) 및 DC/DC 컨버터부(115)와 연결되며, 정류부(112)에서 정류되어 DC/DC 컨버터부(115)로 출력되는 전력의 출력 전압(VAC / DC) 값의 크기를 제어부(118)의 제어 신호에 따라 조정할 수 있다. 또한, 전압 조정부(113)는 제어부(118)의 제어에 따라 온, 오프되는 스위치(미도시)를 포함하는 회로, 예를 들어, 종래의 스텝 다운(step-down), 스텝 업(step-up), 또는 스텝 업 다운(step-up down) 회로(예:부스트(boost) 타입, 벅(buck) 타입, 또는 벅-부스트(buck-boost) 타입 회로 등)로 구현될 수 있으며, 스위치의 온, 오프에 따라, 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기가 조정될 수 있다. 전압 조정부(113)가 제어부(118)의 제어 신호에 따라, DC/DC 컨버터부(115)로 출력되는 전력의 출력 전압(VAC / DC) 값의 크기를 조정하는 동작에 관한 상세한 설명은 후술한다.
DC/DC 컨버터부(115)는 전압 조정부(113)로부터 입력된 전력을 기 설정된 이득으로 변환하여 전력 송신부(116)로 송신할 수 있다. 또한, DC/DC 컨버터부(115)는 제어부(118)의 제어 신호에 따라, 전력 송신부(116)로 출력되는 전력의 출력 전압(VDC / DC) 값의 크기를 조정할 수 있다. 이와 관련된 상세한 설명은 후술한다.
전력 송신부(116)는 공진용 코일을 주요 구성으로 가져서, DC/DC 컨버터부(115)로부터 크기가 조정된 출력 전압(VDC / DC) 값을 가지는 출력 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 무선 전력 수신기(130)에 송신할 수 있다. 전력 송신부(116)는 무선 전력을 송신할 경우, 교류 파형의 형태로 전력을 송신하거나, 직류 파형의 형태로 전력을 공급하면서 이를 인버터를 이용하여 교류 파형으로 변환하여 교류 파형의 형태로 송신할 수도 있다. 또한, 전력 송신부(116)는 예를 들어, 공지된 정류 회로(미도시)와 공진 회로(미도시)를 포함할 수 있다.
제어부(118)는 무선 전력 송신기(110)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(118)는 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 무선 전력 송신기(110)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(118)는 CPU, 마이크로프로세서, 미니 컴퓨터와 같은 형태로 구현될 수 있다.
제어부(118)는 본 발명의 실시예에 따라, 배터리 충전 전류(Ichg )를 변경하기 위해, 전압 조정부(113) 또는 DC/DC 컨버터부(115)의 출력 전압 값의 크기를 기 설정된 기준에 따라 조정하도록 제어할 수 있으며, 이와 관련된 상세한 설명은 후술한다.
다음으로, 전력 수신기(130)의 구성 및 동작을 설명하면, 전력 수신기(130)의 전력 수신부(131)는 공진용 코일을 주요 구성으로 가져서, 전력 송신기(110)로부터 송신되는 무선 전력을 수신할 수 있다. 전력 수신부(131)는 예를 들어, 공지된 공진 수단 및 정류 수단을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전력 수신부(131)는 통상의 전력 수신기(130)에 구비된 DC/DC 컨버터부(미도시)와 충전 IC(미도시) 없이, 충전부(133)와 곧바로 연결될 수 있다.
충전부(133)는 실제로 전력을 이용 또는 저장하는 수단일 수 있으며, 전력수신기(130)가 휴대폰, 또는 스마트폰인 경우에 있어서는 배터리 등으로 구현될 수 있다. 이하에서는 충전부(113)가 배터리인 경우를 예로 들어 설명한다.
제어부(135)는 무선 전력 수신기(130)의 동작 전반을 제어할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 회로도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, AC/DC 컨버터부가 부스트(boost) 타입 역률 보상 회로(PFC; Power Factor Correction)로 구현되었을 경우를 예로 들어, 무선 충전 시스템의 구성을 설명한다.
먼저, 전력 송신기의 구성을 설명하면, 전력 공급부(211)는 정류부(212)와 연결된다. 정류부(212)는 풀브리지 다이오드일 수 있으며, 도 2와 같이 네 개의 다이오드(2121, 2123, 2125, 2127)를 포함할 수 있다. 두 개의 다이오드(2121, 2123)의 일단은 노드(21)와 연결될 수 있으며, 타단은 전력 공급부(211)와 연결될 수 있다. 두 개의 다이오드(2125, 2127)의 일단은 전력 공급부(211)와 연결될 수 있으며, 타단은 접지단과 연결될 수 있다.
정류부(212)와 연결되는 전압 조정부(213)는 커패시터(2131; CF), 인덕터(2132; LBoost), 스위치(2133; QBoost), 다이오드(2134; DBoost), 커패시터(2135; CBoost), PFC 제어부(218)를 포함할 수 있다. 스위치(2133)는 도 2에 도시된 바와 같이 모스펫(MOSFET) 소자일 수 있으며, 이하에서는 스위치(2133)가 모스펫 소자인 경우를 예로 들어 설명한다.
커패시터(2131)의 일단은 노드(21)에 연결될 수 있으며, 타단은 접지단에 연결될 수 있다. 인덕터(2132)의 일단은 노드(21)에 연결될 수 있으며, 타단은 노드(22)에 연결될 수 있다. 노드(22)는 다이오드(2134)의 일단과, 모스펫(2133)의 드레인(Drain) 단에 연결될 수 있다. 모스펫(2133)의 게이트(Gate) 단은 PFC 제어부(218)와 연결되어 PFC 제어부(218)의 제어 신호를 입력 받을 수 있고, 모스펫(2133)의 소스(Source) 단은 접지단과 연결될 수 있다. 다이오드(2134)의 타단은 노드(23)와 연결될 수 있다. 커패시터(2135)의 일단은 노드(23)와 연결되고 타단은 접지단과 연결될 수 있다. PFC 제어부(218)는 노드(23)의 전압을 입력 받을 수 있으며, 저항 회로(2181)와 연결될 수 있다.
PFC 제어부(218)는 예를 들어, 제어부(118)의 제어에 따라, 출력 전압 값(VAC / DC)에 대응되는 전압을 생성하여 레벨을 변환하며, 레벨 변환된 전압의 전압 값 및 기준 전압 공급부(미도시)의 기 설정된 기준 전압(Vref) 값을 입력 받아, 레벨 변환된 전압의 전압 값 및 기준 전압 값의 차이에 따른 전압 값을 갖는 출력 신호를 생성하는 비교기(미도시)와, 비교기의 출력 신호를 입력 받아, 스위치(2133)의 동작 주파수 또는 동작 시간을 조절하는 변조 회로(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, PFC 제어부(218)는 예를 들어, 제어부(118)의 제어에 따라, 출력 전압 값(VAC / DC)에 대응되는 전압을 생성하며, 기준 전압 공급부(미도시)의 기준 전압 값을 변환하며, 생성된 전압의 전압 값 및 변환된 기준 전압 값을 입력 받아, 생성된 전압의 전압 값 및 변환된 기준 전압 값의 차이에 따른 전압 값을 갖는 출력 신호를 생성하는 비교기(미도시)와, 비교기의 출력 신호를 입력 받아, 스위치(2133)의 동작 주파수 또는 동작 시간을 조절하는 변조 회로를 포함할 수 있다.
PFC 제어부(218)의 동작에 관한 보다 상세한 설명은 후술한다.
전압 조정부(213)와 연결되는 DC/DC 컨버터부(214)는 입력 전압을 스위칭 시키는 제1 스위치(QH; 2141)와, 제2 스위치(QL; 2142)를 포함하는 스위칭부(2140), 커패시터(CR; 2143)와, 인덕터(LR; 2144), 1차측 전압을 2차측으로 변환하는 변압기(2145)와, 정류부(2146), 커패시터(CIN; 2149), DC/DC 제어부(2150)를 포함할 수 있다. 이하에서는 제1 스위치(2141)와, 제2 스위치(2142)가 모스펫 소자인 경우를 예로 들어 설명한다.
두 개의 모스펫 소자(2141, 2142)의 게이트 단은 DC/DC 제어부(2150)와 연결되어 DC/DC 제어부(2150)의 제어 신호를 입력 받을 수 있고, 모스펫(2141)의 드레인단은 노드(23)와 연결되며 소스단은 모스펫(2142)의 드레인단과 연결되고, 모스펫(2142)의 소스단은 접지단과 연결될 수 있다. 커패시터(2143)의 일단은 모스펫(2141)의 소스단과 모스펫(2142)의 드레인단 사이의 노드(24)와 연결되며, 타단은 인덕터(2144)의 일단과 연결될 수 있다. 인덕터(2144)의 타단은 변압기(2145)의 입력단과 연결되며, 변압기(2145)의 출력단은 정류부(2146)와 연결될 수 있다.
정류부(2146)는 하프 브리지 다이오드 일 수 있으며, 도 2와 같이 두 개의 다이오드(D1, D2; 2147, 2148)를 포함할 수 있다. 다이오드(2147)의 일단은 변압기(2145)의 두 부분(N2, N3) 중 N2와 연결된 노드(25)와 연결되며 다이오드(2148)의 일단은 변압기(2145)의 두 부분(N2, N3) 중 N3와 연결된 노드(27)와 연결되며, 다이오드(2147)의 타단은 노드(28)와 연결될 수 있다. 노드(28)는 다이오드(2148)의 타단과 연결될 수 있으며, 노드(28)는 커패시터(2149)의 일단과 연결되며, 커패시터(2149)의 타단은 변압기(2145)의 탭 단자(26)와 연결될 수 있다.
전력 송신부(216)는 DC/DC 컨버터부(214)와 연결되며, 공진 신호 발생부(2161)와 공진부(2166)를 포함할 수 있다.
공진 신호 발생부(2161)는 DC/DC 컨버터부(214)의 커패시터(2149)와 연결되며, 네 개의 모스펫 소자(Q1, Q2, Q3, Q4; 2162, 2163, 2164, 2165)를 포함할 수 있다.
공진부(2166)는 공진 신호 발생부(2161)와 연결되며, 커패시터(2167)와 코일(2168)을 포함하여, LC 직렬 공진 회로를 구성할 수 있다.
DC/DC 제어부(2150)는 노드(23)의 전압(VAC / DC) 및 노드(28)의 전압(VDC / DC)을 입력 받을 수 있다. DC/DC 제어부(2150)의 동작에 관한 상세한 설명은 후술한다.
상술한 PFC 제어부(218)는 도 3과 같은 종래의 집적회로(IC; Integrated Circuit; 이하에서는 PWM 구동 IC라고 함)(300)로 구현될 수 있다. 도 3을 참조하여, PFC 제어부(218)의 구성 및 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, PWM 구동 IC(300)는 비교기(EA1; 301)를 포함하며, 상기 비교기(301)는 OP AMP일 수 있다. 비교기(301)의 제 1 입력단(IN+; 1)은 비교 전압 공급부(310)의 출력단과, 비교기(301)의 제2 입력단(IN1; 2)은 기준 전압 공급부(320)의 출력단과 연결될 수 있다. 또한, 비교기(301)는 제1 입력단(1) 및 제2 입력단(2)의 전압 값의 차이에 따라, 전압 값(VEA _ OUT)을 가지는 출력 신호를 생성할 수 있다. 상기 비교 전압 공급부(310)는 노드(23)와 연결되어 노드(23)의 전압 값(VAC / DC)을 제어부(118)의 제어에 따라 변환하여, 비교기(301)의 제 1입력단(1)에 공급할 수 있다. 또한, 상기 기준 전압 공급부(320)는 기 설정된 기준 전압(Vref) 값을 비교기(301)의 제 2입력단(2)에 공급할 수 있다.
도 3을 참조하면, 비교 전압 공급부(310)는 예를 들어, 제1 저항(311)과 제2 저항(312)을 포함하며, 제2 저항(312)은 제어부(118)의 제어 신호에 따라 가변되는 저항일 수 있다. 제1 저항(311)의 일단은 노드(23)와 연결되고 타단은 노드(31)과 연결되며, 제2 저항(312)의 일단은 노드(31)과 연결되고 타단은 접지단과 연결되며, 노드(31)는 비교기(301)의 제1 입력단(1)과 연결되는 구성을 가질 수 있다. 또한, 기준 전압 공급부(320)는 제2 저항(312)과 접지단 사이의 노드와 연결되고, 제2 입력단(2)과 연결되는 구성을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 입력단(1)과 제2 입력단(2)의 전압 값의 차이가 감소하면, 비교기(301)의 출력 신호의 전압 값(VEA _ OUT)은 작아지고, 차이가 증가하면 비교기(301)의 출력 신호의 전압 값(VEA _ OUT)은 증가한다. 최종적으로는 제1 입력단(1)과 제2 입력단(2)의 전압 값의 차이가 없어질 때까지 비교기(301)의 출력 신호의 전압 값(VEA _ OUT)이 변화한다.
한편, 비교기(301)의 출력 신호의 전압 값(VEA _ OUT)은 CT(5)에서 생성된 일정한 주기를 갖는 삼각파와 비교하여 PSFF(Pulse-Streering Flip-Flop; 303)의 클럭(Clock) 신호가 될 수 있다. PSFF(303)의 클럭 신호가 인가될 때마다 8, 9번 핀에 신호가 발생하게 되고, 8, 9번 핀에 발생된 신호를 전압 조정부(213)의 스위치(2133)에 연결하면, 스위치가 온 오프 동작을 반복할 수 있다.
도 3의 8 내지 11번 핀 중 어느 핀을 상기 전압 조정부(213)의 스위치와 연결하느냐에 따라, 비교기(301)의 출력 신호의 전압 값이 증가할 때, 전압 조정부(213)의 스위치가 한 주기 동안 켜져 있는 시간을 증가 또는 감소 시킬 수도 있다. 예를 들어, 비교기(301)의 출력 신호의 값이 증가하면, 한 주기 동안 전압 조정부(213)의 스위치가 켜져 있는 시간이 증가하고, 비교기(301)의 출력 신호의 값이 감소하면, 한 주기 동안 전압 조정부(213)의 스위치가 켜져 있는 시간이 감소하도록 구성할 수도 있다.
즉, 도 3을 참조하면, PFC 제어부(218)는 제어부(118)의 제어에 따라 전압 조정부(213)의 출력 전압 값(VAC / DC)을 변환할 수 있다. 예를 들어, PFC 제어부(218)는 변환된 출력 전압 값(VAC / DC)과 기준 전압 공급부(320)의 기준 전압(Vref) 값을 비교기(301)의 입력단에 입력하여, 비교기(301)가 상기 변환된 출력 전압 값(VAC / DC)과 기준 전압(Vref) 값의 차이에 따른 전압 값(VEA _ OUT)을 갖는 출력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 이후, PFC 제어부(218)는 비교기(301)에서 생성된 출력 신호를 펄스 폭 변조 회로에 입력하고, 펄스 폭 변조 방식을 통해, 상기 비교기(301)에서 생성된 신호를 변환하여, 스위치(2133)의 제어 신호로 입력함으로써, 전압 조정부(213)의 스위치(2133)의 듀티 값을 변화시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, PFC 제어부(218)가 제어부(118)의 제어에 따라 예를 들어, 펄스 폭 변조 방식을 적용하여, 전압 조정부(213)의 스위치(2133)의 듀티를 변화시킴으로써, 전압 조정부(213)의 출력 전압 값(VAC / DC)의 크기가 조정될 수 있다. 스위치(2133)가 한 스위칭 주기 동안 켜져 있는 시간인 듀티가 증가할수록 전압 조정부(213)의 입력 전압에 대한 출력 전압의 비율이 증가할 수 있다. 또한, 전압 조정부(213)의 출력 전압 값(VAC / DC)의 크기가 조정됨에 따라, DC/DC 컨버터부(214)의 출력 전압 값(VAC / DC)의 크기가 조정되며, 최종적으로는 배터리에 인가되는 전압(VBAT)이 조정될 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 구조에서는, 비교 전압 공급부(310)는 예를 들어, 스위치(미도시)와 다수의 저항 소자(미도시)들을 포함하여, 상기 다수의 저항 소자들이 스위치의 온 동작에 따라 병렬로 연결되는 구조를 가질 수 있으며, PFC 제어부(218)가 제어부(118)의 제어 신호에 따라 비교 전압 공급부(310)의 스위치가 온, 오프 되도록 할 수 있다. 제어부(118)의 제어 신호에 따라 온, 오프되는 스위치에 의해 연결되는 저항 소자들에 의해, 노드(23)의 전압 값(VAC / DC)이 변환되어, 비교기(301)의 제1 입력단(1)에 입력될 수 있다.
또다른 실시예에 따른 구조에서는, 상기 비교 전압 공급부(310)는 노드(23)와 연결되어 노드(23)의 전압 값(VAC / DC)을 미리 설정된 기준에 따라 변환하여 비교기(301)의 제 1입력단(1)에 공급하고, PFC 제어부(218)가 제어부(118)의 제어에 따라 상기 기준 전압 공급부(320)의 기준 전압(Vref) 값을 변환하여 비교기(301)의 제 2입력단(2)에 공급하여, 비교기(301)의 출력 전압 값을 변화시킴으로써, 전압 조정부(213)의 스위치(2133)의 듀티를 변화시킬 수 있다.
한편, 상술한 펄스 폭 변조 방식 이외에도, PFC 제어부(218)는 예를 들어, 펄스 주파수 변조(PFM; Pulse Frequency Modulation) 회로를 구비하여, 펄스 주파수 변조를 적용함으로써, PFC 제어부(218)가 제어부(118)의 제어에 따라 전압 조정부(213)의 스위치의 한 주기 값, 다시 말해서 스위칭 주파수를 변경하여, 전압 조정부(213)의 출력 전압 값의 크기를 조정할 수 있다.
또한, PFC 제어부(218)는 예를 들어, 펄스 밀도 변조(PDM; Pulse Density Modulation) 회로를 구비하여, 펄스 밀도 변조를 적용함으로써, PFC 제어부(218)가 제어부(118)의 제어에 따라 전압 조정부(213)의 스위치(2133)가 온 되는 시간을 그룹화하여, 예를 들어, 10번의 스위치 주기 동안은 스위치(2133)를 온 오프 반복하도록 하고, 5번의 스위치 주기 동안은 스위치(2133)를 계속 오프 하는 등 스위치를 제어하여, 전압 조정부(213)의 출력 전압 값의 크기를 조정할 수 있다.
또한, PFC 제어부(218)가 상술한 펄스 주파수 변조, 또는 펄스 밀도 변조 방식을 적용한 경우, PFC 제어부(218)가 제어부(118)의 제어에 따라 기준 전력 공급부(320)의 기준 전압 값(Vref)이나, 전압 조정부(213)의 출력 단과 연결된 비교 전압 공급부(310)의 출력 전압 값을 변경할 경우, 펄스 폭 변조와 같은 전압 조정부(213)의 스위치(2133)의 듀티가 아닌 다른 값들을 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 전압 조정부(213)의 출력 전압 값의 크기를 조정할 수 있다.
또한, PFC 제어부(218)가 제어부(118)의 제어에 따라 전압 조정부(213)의 스위치(2133)인 모스펫 소자의 게이트 단에 인가되는 전압을 조정하여 스위치의 온, 오프 동작을 제어할 수 있다.
한편, 상술한 DC/DC 제어부(2150)는 예를 들어, 제어부(118)의 제어 신호에 따라, 펄스 폭 변조, 펄스 주파수 변조, 또는 펄스 밀도 변조를 적용하여, 전력 송신부(216)로 출력되는 전력의 출력 전압(VDC / DC) 값의 크기를 조정할 수 있다.
예를 들어, DC/DC 제어부(2150)는 펄스 폭 변조 회로, 펄스 주파수 변조 회로, 또는 펄스 밀도 변조 회로 등을 구비하고, DC/DC 제어부(2150)가 노드(23)의 전압(VAC / DC) 및 노드(28)의 전압(VDC / DC)을 입력 받는 경우, 제어부(118)의 제어에 따라, 스위칭부(2140)의 스위칭 동작 주파수 조절 또는 스위칭 동작 시간 조절 등을 행할 수 있다. 즉, DC/DC 제어부(2150)는 제어부(118)의 제어에 따라, 스위칭부(2140)의 스위칭 동작 주파수 조절 또는 스위칭 동작 시간 조절 등을 행함으로써, DC/DC 컨버터(214)의 출력 전압(VDC/DC)값의 크기를 조정할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는 PFC 제어부 및 DC/DC 제어부가 각각 전압 조정부와 DC/DC 컨버터부에 각각 포함되는 것으로 설명하였지만, PFC 제어부(218) 및 DC/DC 제어부(2150)는 제어부(118)에 포함될 수 있다.
다음으로, 전력수신기(230)의 구성을 설명하면, 전력 수신부(231)는 공진부(2310), 정류부(2313), 커패시터(2318)를 포함할 수 있다.
공진부는 코일(2311)과 코일(2311)과 직렬로 연결되는 커패시터(2312)를 포함할 수 있다.
정류부(2313)는 공진부(2311)와 연결되며, 4개의 다이오드(Q1, Q2, Q3, Q4; 2314, 2315, 2316, 2317)를 갖는 풀 브리지 회로일 수 있다. 또한, 커패시터(2318)는 공진회로와 병렬로 연결될 수 있다.
배터리(233)는 전력 수신부(231)와 연결될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 저항(RL)으로 표시하였다.
도 2를 참조하면, 배터리(233)를 저항(RL)으로 등가하였기 때문에, 배터리 충전 전류(Ichg)는 배터리(233)에 인가되는 전압(VBAT)을 제어함으로써 원하는 형태로 생성이 가능하게 됨을 알 수 있다. 또한, 배터리(233)에 인가되는 전압(VBAT)은 노드(23)의 전압(VAC / DC) 또는 노드(28)의 전압(VDC / DC) 에 따라 조절됨을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 전력 수신기(430)는 도 1의 전력 수신기(130)의 구성에서 전력 수신부(131) 및 충전부(133) 사이에 전력 수신부(131)와 충전부(133)를 연결하는 충전 집적회로(IC; Integrated circuit)(432)가 추가된 구조이다.
종래의 전력 수신기의 DC/DC 컨버터부의 제거가 가능한 것은 본 발명의 실시예에 따라 전력 송신기(410)의 DC/DC 컨버터부(415)에서 충전부(433)의 충전에 이용되는 충전 프로파일을 생성할 수 있기 때문이다.
충전 IC(432)가 추가된 전력 수신기(430)를 포함하는 무선 충전 시스템의 경우, 충전 IC가 제거된 전력 수신기를 포함하는 무선 충전 시스템에 비해, 동작 시간의 지연을 줄이는 효과를 가질 수 있다. 예를 들어, 충전 IC가 제거된 전력 수신기를 포함하는 무선 충전 시스템의 경우, 충전 IC의 기능을 전력 송신기에서 수행하기 때문에, 신호의 송수신에 따른 동작 시간의 지연이 발생할 가능성이 있다. 이에 따라, 충전 IC(432)가 추가된 전력 수신기(430)를 포함하는 무선 충전 시스템이 충전 IC가 제거된 전력 수신기를 포함하는 무선 충전 시스템에 비해 동작 시간의 지연을 줄이는 효과를 가질 수 있다.
충전 IC(432)는 전력 수신부(431)의 출력단과 연결되며, 제어부(435)의 제어에 따라, 충전 전류를 충전부(433)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 충전 IC(432)는 높은 충전 전류를 조절하여 충전부(433)에 공급하는 역할을 할 수 있다.
한편, 도 4에 도시된, 전력 송신기(410)의 전력 공급부(411), AC/DC 컨버터부(414), DC/DC 컨버터부(415), 전력송신부(416), 제어부(418)와, 전력 수신기(430)의 전력수신부(431), 충전부(433), 제어부(435) 의 각각의 동작에 대한 설명은 상세하게 상술하였기 때문에 여기에서는 생략하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 전력 송신기(510)는 도 1의 전력 송신기(110)의 구성에서 DC/DC 컨버터부(114)가 제거된 구조이다. 충전 전력이 작은 경우, 도 1의 무선 충전 시스템에서 전력 송신기(110)의 DC/DC 컨버터부(114)가 없어도 배터리 충전이 가능하다. 충전 전력이 작은 경우를 가정하여, DC/DC 컨버터부(114)가 구비되지 않는 경우, 도 5를 참조하면, 전력 송신기(510)의 AC/DC 컨버터부(514)가 충전부(533) 예를 들어, 배터리의 충전에 이용되는 충전 프로파일(VBAT, Ichg)을 생성할 수 있으므로, 상술한 종래의 전력수신기의 DC/DC 컨버터부와 충전 IC의 제거가 가능하다. 도 5에 도시된, 전력 송신기(510)의 전력 공급부(511), AC/DC 컨버터부(514), 전력 송신부(516), 제어부(518)와, 전력 수신기(530)의 전력 수신부(531), 충전부(533), 제어부(535)의 각각의 구성 및 동작에 대한 설명은 상세하게 상술하였기 때문에 여기에서는 생략하도록 한다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 블록도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 전력 수신기(630)는 도 5의 전력 수신기(530)의 구성에서 전력 수신부(531) 및 충전부(533) 사이에 전력 수신부(531)와 충전부(533)를 연결하는 충전 집적회로(IC; Integrated circuit)(632)가 추가된 구조이다.
종래의 전력 수신기의 DC/DC 컨버터부 뿐 아니라, 전력 송신기의 DC/DC 컨버터부의 제거가 가능한 것은 본 발명의 실시예에 따라 전력 송신기(510)의 AC/DC 컨버터부(614)에서 충전부(633)의 충전에 이용되는 충전 프로파일을 생성할 수 있기 때문이다.
충전 IC(632)가 추가된 전력 수신기(630)를 포함하는 무선 충전 시스템의 경우, 충전 IC가 제거된 전력 수신기를 포함하는 무선 충전 시스템에 비해, 동작 시간의 지연을 줄이는 효과를 가질 수 있다.
도 6에 도시된, 전력 송신기(610)의 전력 공급부(611), AC/DC 컨버터부(614), 전력송신부(616), 제어부(618)와, 전력 수신기(630)의 전력수신부(631), 충전 IC(632), 충전부(633), 제어부(635) 의 각각의 동작에 대한 설명은 상세하게 상술하였기 때문에 여기에서는 생략하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신부의 입력 전압(VDC / DC)과 배터리에 인가되는 전압(VBAT)의 전압 변환비의 그래프이다. 도 7을 참조하면, 동일한 저항(RL) 상태에서도, 동작 주파수의 설정에 따라 배터리에 인가되는 전압(VBAT)을 조절 가능함을 확인할 수 있다. 한편, 동작 주파수를 변경하는 경우, 무선 충전 시스템의 동작 효율이나 고조파가 많이 발생하는 등의 문제가 있어 무선 충전 시스템은 고정 주파수에서 동작하는 것이 유리하다. 따라서, 고정 주파수에서 배터리에 인가되는 전압(VBAT)를 조절하기 위해서는 전력 송신부의 입력 전압(VDC / DC)을 조절해주어야 한다. 전력 송신부의 입력 전압(VDC / DC)의 제어를 위해서는 상술한 바와 같이 AC/DC 컨버터부 또는 DC/DC 컨버터부의 제어 인자를 조절함으로써 가능하다.
한편, AC/DC 컨버터부, DC/DC 컨버터부, 전력 송신부, 전력 수신부, DC/DC 컨버터부, 충전 IC 각각을 전력 변환부라고 할 때, 도 8은 다양한 실시예들(예: 종래의 무선 충전 시스템, 상술한 제2 실시예에 따른 무선 충전 시스템, 상술한 제4 실시예에 따른 무선 충전 시스템, 상술한 제3 실시예에 따른 무선 충전 시스템)에 따른 각 전력 변환부의 효율과 배터리에 전달되는 전력량의 비교 그래프이다. 도 8을 참조하면, 무선 충전 시스템의 구성이 간단해짐에 따라, 동일 공급 전력 조건에서 배터리에 더 많은 전력 공급이 가능함을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 전류를 조절하기 위해서, 배터리에 인가되는 전압을 제어하는 기술을 적용하여, 배터리를 빠르게 충전하기 위해, 급속 충전을 위한 전류의 유지 시간(예를 들어, 수 msec에서 수백 msec의 시간) 안에, AC/DC 컨버터부 또는 DC/DC 컨버터부의 전압을 제어함으로써, 배터리 충전 전류를 급속 충전이 가능하도록 조절이 가능할 수 있다.
예를 들어, 배터리가 수 msec 이내에서 전류 변화가 필요하다면 본 발명의 실시예의 무선 충전 시스템 구조와 같이 AC/DC 컨버터부와 DC/DC 컨버터부를 모두 포함한 형태로 구현할 수 있다. 만약, 충전 전력이 작은 경우에는 DC/DC 컨버터부 없이, AC/DC 컨버터부만으로도 구현이 가능하다. 또한, 충전하고자 하는 배터리가 수백 msec 이내에서 급속 충전 전류 변화가 필요한 경우에는 DC/DC 컨버터부 없이, AC DC 컨버터부의 출력 전압을 제어하는 것만으로도 원하는 급속 충전이 가능한 전류 변화를 생성할 수 있다. 이에 따라, 전체 무선 충전 시스템을 간소화하여 무선 전력 전송 방식 구현이 가능하면서도 배터리를 빠르게 충전할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 각 구성의 소자 또는/및 회로는 단순히 예시적인 것이며, 당업자는 다양한 예시를 적용하여 각 구성의 소자 또는/및 회로를 변경 가능함을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, DC/DC 컨버터부는 FLYBACK DC/DC 컨버터, Forward DC/DC 컨버터, BUCK 컨버터, BUCK BOOST 컨버터 등을 적용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 전술한 구성요소들 각각은 하나 또는 그 이상의 부품(component)으로 구성될 수 있으며, 해당 구성 요소의 명칭은 달라질 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기는 전술한 구성요소 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 일부 구성요소가 생략되거나 또는 추가적인 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 구성 요소들 중 일부가 결합되어 하나의 개체(entity)로 구성됨으로써, 결합되기 이전의 해당 구성 요소들의 기능을 동일하게 수행할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예에 따른 의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 실시예의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 다양한 실시예의 범위는 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 다양한 실시예의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 다양한 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
또한 본 발명의 실시 예들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합의 형태로 실현 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 임의의 소프트웨어는 예를 들어, 삭제 가능 또는 재기록 가능 여부와 상관없이, ROM 등의 저장 장치와 같은 비휘발성 저장 장치, 또는 예를 들어, RAM, 메모리 칩, 장치 또는 집적 회로와 같은 메모리, 또는 예를 들어 CD, DVD, 자기 디스크 또는 자기 테이프 등과 같은 광학 또는 자기적으로 기록 가능함과 동시에 기계(예를 들어, 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체에 저장될 수 있다. 전자기기 내에 포함될 수 있는 메모리는 본 발명의 실시 예들을 구현하는 지시들을 포함하는 프로그램 또는 프로그램들을 저장하기에 적합한 기계로 읽을 수 있는 저장 매체의 한 예임을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서의 임의의 청구항에 기재된 장치 또는 방법을 구현하기 위한 코드를 포함하는 프로그램 및 이러한 프로그램을 저장하는 기계로 읽을 수 있는 기록 매체를 포함한다. 또한, 이러한 프로그램은 유선 또는 무선 연결을 통해 전달되는 통신 신호와 같은 임의의 매체를 통해 전자적으로 이송될 수 있고, 본 발명은 이와 균등한 것을 적절하게 포함한다.

Claims (21)

  1. 무선 전력 송신기에 있어서,
    기 설정된 전압 값을 가지는 교류 형태의 전력을 공급하는 전력 공급부;
    상기 전력 공급부와 연결되며, 상기 교류 형태의 전력을 정류하는 정류부;
    미리 지정된 기준 전압 및 상기 정류된 전력에 대응하는 전압의 차이에 기반하여, 상기 정류된 전력의 크기를 조정하기 위한 출력 신호를 생성하는 비교기를 포함하는 전압 조정부-상기 전압 조정부는, 상기 정류부와 연결되며, 상기 생성된 출력 신호에 따라, 전력 송신부로 출력되는 상기 정류된 전력의 크기를 조정함; 및
    상기 전압 조정부에 의해 크기가 조정된 정류된 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 외부의 무선 전력 수신기에 송신하는 상기 전력 송신부;를 포함하는 무선 전력 송신기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전압 조정부는,
    스위치를 포함하며, 상기 스위치의 온, 오프에 따라, 상기 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기가 조정되는 것을 포함하는 무선 전력 송신기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전압 조정부는,
    상기 비교기의 상기 출력 신호를 입력 받아, 상기 스위치의 동작 주파수 또는 동작 시간을 조절하는 변조 회로를 포함하는 무선 전력 송신기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 전압 조정부는,
    스텝 다운, 스텝 업, 또는 스텝 업 다운 회로임을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 스위치에 인가되는 전압이 조정됨으로써 상기 스위치의 온 오프가 제어되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 조정부로부터 출력된 상기 전력을 기 설정된 이득으로 변환하여 상기 전력 송신부로 송신하는 DC/DC 컨버터부를 더 포함하는 무선 전력 송신기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 무선 전력 송신기에서 무선 전력을 송신하는 방법에 있어서,
    상기 무선 전력 송신기의 전력 공급부로부터 공급되는 전력을 정류하는 동작;
    미리 지정된 기준 전압 및 상기 정류된 전력에 대응하는 전압의 차이에 기반하여, 상기 정류된 전력의 크기를 조정하기 위한 출력 신호를 생성하는 동작;
    상기 생성된 출력 신호에 따라, 상기 정류된 전력의 크기를 조정하는 동작; 및
    상기 크기가 조정된 정류된 전력을 무선 전력 전송이 가능한 형태의 신호로 생성하여 외부의 무선 전력 수신기로 송신하는 동작;을 포함하는 무선 전력 송신 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 생성된 신호에 따른 스위치의 온 또는 오프 제어에 의해, 상기 정류된 전력의 출력 전압 값의 크기를 조정하는 동작;을 더 포함하는 무선 전력 송신 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 생성된 신호에 따라 상기 스위치가 온되는 동안, 상기 스위치의 동작 주파수 또는 동작 시간을 조절하는 동작;을 더 포함하는 무선 전력 송신 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    기 설정된 이득에 따라 상기 크기가 조정된 정류된 전력을 변환하는 동작;을 더 포함하는 무선 전력 송신 방법.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 기준 전압과 상기 정류된 전력에 따라 변환된 전압을 비교하는 동작;
    상기 기준 전압과 상기 변환된 전압 간의 차이에 대응하는 전압을 가지는 상기 출력 신호를 생성하는 동작; 및
    상기 출력 신호에 기반하여, 상기 정류된 전력의 크기를 조정하는 동작;을 더 포함하는 무선 전력 송신 방법.
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