KR20220038845A - 무선 충전기 - Google Patents

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KR20220038845A
KR20220038845A KR1020200121144A KR20200121144A KR20220038845A KR 20220038845 A KR20220038845 A KR 20220038845A KR 1020200121144 A KR1020200121144 A KR 1020200121144A KR 20200121144 A KR20200121144 A KR 20200121144A KR 20220038845 A KR20220038845 A KR 20220038845A
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최창욱
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피알 테크놀로지 인크.
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Abstract

본 발명은 제1 플레이트 및 제1 플레이트 상에 위치하고 상측으로 돌출하는 제2 플레이트를 포함하는 자기전도 플레이트, 제2 플레이트 외곽에 일층 이상 적층되고 층별 복수 회 랩핑되어 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하여 송출하는 제1 송신코일, 제1 송신코일 위의 제2 플레이트 외곽에 일층 이상 적층되고 층별 복수 회 랩핑되어 제1 송신코일로부터의 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하여 송출하는 제2 송신코일 및 제어에 따라 선택되는 하나 이상의 커패시터를 제1 송신코일과 상기 제2 송신코일에 연결하는 제1 커패시턴스 조절부를 포함하는 무선 충전기에 관한 것이다.

Description

무선 충전기{WIRELESS CHARGER}
본 발명은 무선 충전기에 관한 것으로서, 구체적으로는 비접촉 방식으로 충전기기를 무선 충전가능하고 충전기기로의 무선 전력 전송 효율을 동적으로 최적화할 수 있는 무선 충전기에 관한 것이다.
전자 기술의 발전에 따라 스마트폰 등의 전자기기에 무선으로 전력을 전송하는 무선전력 전송 기술이 알려져 있다. 무선전력 전송 기술은 자기유도방식이나 자기공진방식의 기술을 적용하여 무선의 전력을 자기신호로 송출하고 전자기기는 자기신호로부터 전력을 생성하여 충전할 수 있다.
무선전력 전송 기술의 적용에 따라, 일반 사용자는 무선 충전기를 널리 활용 가능하다. 무선 충전기는 표준화된 규격(예를 들어, 치(Qi) 표준)에 따라 스마트폰 등의 전자기기에 자기신호로 무선 전력을 제공할 수 있다.
치 표준을 따르는 무선 충전기는 일반적으로 무선 충전기가 전자기기에 직접 접촉하는 경우에만 무선 충전이 가능하고 두 기기 사이의 거리가 멀어지는 경우 충전이 불가능한 문제가 존재하고 일정 거리 이상 떨어져 있는 상태에서도 충전이 가능하다면 많은 장점을 제공할 수 있다.
예를 들어, 책상 등의 상판 아래에, 무선 충전기를 설치하고 일정 두께를 가지는 책상 상판 위에 전자기기를 올려놓은 상태에서 상판을 통해(상판만큼 떨어져서) 충전 가능하다면 책상 상판에 무선 충전기를 위해 노출되는 별도의 설치 공간 없이 충전할 수 있고 해당 공간을 책상 등의 고유의 목적을 위해 활용할 수 있을 것이다.
또한, 무선 충전기와 전자기기는 최대 효율의 전력 전송과 수신이 요구된다. 이를 위해, 무선 충전기의 내부 임피던스(L1)와 커패시턴스(C1)에 따른 공진주파수(f1)와 전자기기의 내부 임피던스(L2)와 커패시턴스(C2)에 따른 공진주파수(f2)가 일치할 때 최대 전력전송의 효율을 가질 수 있다.
무선 충전기와 전자기기의 공진주파수 일치에 따른 최대 전력전송의 효율을 가지는 것이 바람직하나 무선 충전기 및 전자기기의 설계, 제조상의 오차(예를 들어 부품 오차나 조립상에서 야기되는 오차 등) 등으로 인해 무선 충전기와 임의의 전자기기 사이에서 최대 전력전송 효율을 가지기는 용이치 않다.
이와 같은 문제를 해소할 수 있는 무선 충전기가 필요하다.
공개특허 10-2013-0064840호, 2013년06월19일,
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 무선 충전기와 임의의 전자기기 사이의 무선 전력전송 효율을 동적으로 최적화할 수 있는 무선 충전기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 무선충전기의 송신코일과 페라이트의 상대적 배치 구조를 통해 생성되는 자기신호를 증폭하여 일정 거리 이상 떨어져 있는 전자기기에 무선전력 전송 및 통신을 가능하도록 하는 무선 충전기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 무선 충전기는 제1 플레이트 및 제1 플레이트 상에 위치하고 상측으로 돌출하는 제2 플레이트를 포함하는 자기전도 플레이트, 제2 플레이트 외곽에 일층 이상 적층되고 층별 복수 회 랩핑되어 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하여 송출하는 제1 송신코일, 제1 송신코일 위의 제2 플레이트 외곽에 일층 이상 적층되고 층별 복수 회 랩핑되어 제1 송신코일로부터의 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하여 송출하는 제2 송신코일 및 제어에 따라 선택되는 하나 이상의 커패시터를 제1 송신코일과 상기 제2 송신코일에 연결하는 제1 커패시턴스 조절부를 포함한다.
상기한 무선 충전기에 있어서, 제1 커패시턴스 조절부를 제어하여 선택된 하나 이상의 커패시터를 제1 송신코일과 제2 송신코일에 연결하는 제어부를 더 포함하고, 제1 커패시턴스 조절부는 복수의 커패시터 및 각각의 커패시터를 수신되는 개별 제어신호에 따라 제1 송신코일 및 제2 송신코일에 연결 또는 오픈하는 복수의 커패시터-스위치를 포함하고, 복수의 커패시터 각각은 정전용량이 다른 커패시터와 상이하다.
상기한 무선 충전기에 있어서, 제2 플레이트의 외곽 지점으로부터 제1 플레이트의 대응하는 지점까지의 거리는 제1 송신코일 및 제2 송신코일의 제2 플레이트의 외곽에서 송신코일의 복수 회 랩핑에 따른 랩핑두께의 1.5배 보다 길고 3배보다 짧으며, 제1 플레이트와 제2 플레이트는 원형의 형상을 가지며, 제2 플레이트의 표면은 랩핑된 제1 송신코일 및 제2 송신코일의 적층에 따른 높이보다 같거나 높아 외부로 노출되고, 제1 송신코일 및 제2 송신코일은 리츠 와이어로 구성된다.
상기한 무선 충전기에 있어서, 스위칭 전원 또는 스위칭 전원을 생성하는 직류 전원의 전류량을 센싱하는 전류 검출부 및 스위칭 전원 또는 직류 전원의 전압량을 센싱하는 전압 검출부를 더 포함하고, 제어부는 전류 검출부로부터의 전류량과 전압 검출부로부터의 전압량에 기초하여 산출되는 전력량에 따라 복수의 커패시터-스위치를 제어하기 위한 복수의 제어신호를 변경하여 제1 커패시턴스 조절부로 출력한다.
상기한 무선 충전기에 있어서, 제1 커패시턴스 조절부는 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제3 커패시터 및 제4 커패시터와 대응하여 연결되는 제1 커패시터-스위치, 제2 커패시터-스위치, 제3 커패시터-스위치 및 제4 커패시터-스위치를 포함하고, 제3 커패시터는 제4 커패시터보다 2 배 이상의 정전용량을 가지고, 제2 커패시터는 제3 커패시터보다 2 배 이상의 정전용량을 가지고, 제1 커패시터는 제2 커패시터보다 2 배 이상의 정전용량을 가지며, 제어부는, 제1 시점에 제1 커패시터를 제1 송신코일 및 제2 송신코일에 연결하기 위한 제1 제어신호와 제2 커패시터, 제3 커패시터 및 제4 커패시터를 오픈하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 출력하고 전류 검출부로부터의 전류량과 전압 검출부로부터의 전압량에 기초하여 전력량을 산출하고, 제1 시점에 후속하는 제2 시점에 산출되는 전력량을 높이기 위해 제1 커패시턴스 조절부의 총 정전용량을 높이도록 제2 커패시터, 제3 커패시터 및 제4 커패시터 중 하나 이상의 커패시터를 제1 송신코일 및 제2 송신코일에 연결하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 출력하거나 제1 커패시턴스 조절부의 총 정전용량을 줄이도록 제1 커패시터를 오픈하기 위한 제1 제어신호와 제2 커패시터, 제3 커패시터 및 제4 커패시터 중 하나 이상의 커패시터를 제1 송신코일 및 제2 송신코일에 연결하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 출력한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 무선 충전기는 무선 충전기와 임의의 전자기기 사이의 무선 전력전송 효율을 동적으로 최적화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 무선 충전기는 무선충전기의 송신코일과 페라이트의 상대적 배치 구조를 통해 생성되는 자기신호를 증폭하여 일정 거리 이상 떨어져 있는 전자기기에 무선전력 전송 및 통신을 가능하도록 하는 효과가 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 따라 구성되는 무선 충전기와 사용 예를 도시한 도면이다.
도 2은 무선 충전기의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.
도 3는 공진구동부에 포함되는 자기전도 플레이트의 구조와 제1 송신코일 및 제2 송신코일의 배치 예를 도시한 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따라 구성되는 무선 충전기(100)와 사용 예를 도시한 도면이다. 도 1의 (a)는 무선 충전기(100)의 예시적인 외형을 나타내고 도 1의 (b)는 무선 충전기(100)의 사용 예를 나타낸다.
도 1에 따르는 무선 충전기(100)는 자기유도방식 및/또는 자기공진방식에 따라 무선충전 가능한 전자기기를 충전하기 위한 기기이다. 본 발명에 따른 무선 충전기(100)는 무선 충전기(100)의 표면에 접촉뿐 아니라 비접촉(예를 들어, 3Cm 내외의 떨어진 상태)식으로 스마트폰이나 태블릿 PC 등의 전자기기를 충전 가능하다. 본 발명에 따른 무선 충전기(100)는 바람직하게는 치(Qi) 표준에 따라 전자기기를 무선충전할 수 있도록 구성된다.
무선 충전기(100)가 비접촉 방식으로 충전 가능함에 따라, 도 1의 (b)와 같이 무선 충전기(100)는 책상의 상판 하측에 내장되거나 부착될 수 있고 책상 상판의 두께만큼 떨어져 있는 책상 상판 위의 전자기기를 충전시킬 수 있다. 무선 충전기(100)는 합성수지 재질 등의 케이스를 가지고 접착 테이프나 기타 다른 결합 수단을 통해 책상의 상판 하측에 부착되거나 상판 내에 내장될 수 있다.
도 2는 무선 충전기(100)의 예시적인 블록도를 도시한 도면이다.
도 2에 따르면, 무선 충전기(100)는 전원 입력부(110), DC 평활부(120), 스위칭부(130), 하나 이상의 전류 검출부(140), 하나 이상의 전압 검출부(150), DC 변환부(160), 공진구동부(170), 상태표시부(180) 및 제어부(190)를 포함한다.
여기서, 도 2에 표시되는 일부 블록은 설계 예에 따라 생략될 수 있다. 또는, 무선 충전기(100)는 도 2에 도시되지 않은 다른 블록을 더 포함할 수 있다.
도 2을 통해, 무선 충전기(100)를 살펴보면 전원 입력부(110)는 입력 단자를 포함하여 케이스 외부로부터 전원을 수신한다. 전원 입력부(110)는 케이스 외부의 전원 어댑터에서 변환된 직류 전원(예를 들어, 24V 레벨의 직류 전원)을 수신할 수 있다.
DC 평활부(120)는 전원 입력부(110)를 통해 입력되는 직류 전원을 평활(flattening)하여 평활된 직류 전원을 출력한다. DC 평활부(120)는 내부에 브릿지 회로와 하나 이상의 커패시터를 포함하여 입력되는 직류 전원의 리플(ripple) 노이즈 등을 제거할 수 있다.
스위칭부(130)는 직류 전원으로부터 스위칭 전원을 생성한다. 스위칭부(130)는 DC 평활부(120) 또는 전원 입력부(110)로부터 직접 입력되는 직류 전원을 통과하거나 차단하기 위한 위한 스위치(FET, IGBT 등의 트랜지스터 등) 등을 구비하고 제어부(190)로부터 수신되는 스위칭 제어신호에 따라 인입되는 직류 전원을 교류 성분을 가지는 스위칭 전원으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 스위칭부(130)는 24V 의 피크치를 가지고 설정된 주파수(예를 들어, 100KHz ~ 150KHz 사이의 주파수)를 가지는 스위칭 전원을 후단의 공진구동부(170)로 출력할 수 있다.
무선 충전기(100)는 하나 이상의 전류 검출부(140)를 포함하는 데, 하나의 전류 검출부(140)(이하 '제1 전류 검출부'라고도 함)는 스위칭부(130)로 공급되는 직류 전원(전원 입력부(110) 또는 DC 평활부(120)로부터의 직류 전원)의 전류를 센싱한다. 다른 하나의 전류 검출부(140)(이하 '제2 전류 검출부'라고도 함)는 스위칭부(130)로부터 출력되는 스위칭 전원의 전류를 센싱한다.
제1 전류 검출부(140) 및 제2 전류 검출부(140)는 전류 센서를 구비하여 직류 전원과 스위칭 전원의 (소비) 전류량을 센싱하고 센싱된 전류량을 나타내는 아날로그 신호나 디지털 신호(센싱된 전류량의 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 통칭하여 '전류센싱 신호'라고도 함)를 제어부(190)로 출력할 수 있다. 제2 전류 검출부(140)는 스위칭 전원의 과전류 검출을 위해 이용될 수 있다.
무선 충전기(100)는 하나 이상의 전압 검출부(150)를 포함하는 데, 하나의 전압 검출부(이하 '제1 전압 검출부'라고도 함)는 스위칭부(130)로 공급되는 직류 전원(전원 입력부(110) 또는 DC 평활부(120)로부터의 직류 전원)의 전압을 센싱한다. 다른 하나의 전압 검출부(150)(이하 '제2 전압 검출부'라고도 함)는 스위칭부(130)에서 출력되는 스위칭 전원의 전압을 센싱한다.
제1 전압 검출부(150) 및 제2 전압 검출부(150)는 전압 센서를 구비하여 직류 전원과 스위칭 전원의 전압량을 센싱하고 센싱된 전압량(전압의 크기)을 나타내는 아날로그 신호나 디지털 신호(센싱된 전압량의 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 통칭하여 '전압센싱 신호'라고도 함)를 제어부(190)로 출력할 수 있다. 제2 전압 검출부(150)는 공진구동부(170)에서의 공진전압(의 피크치)을 검출할 수 있다.
DC 변환부(160)는 인입되는 직류 전원을 지정된 전원 레벨의 직류 전원으로 변환한다. DC 변환부(160)는 레귤레이터나 LDO 등을 포함하여 24V 등의 DC 평활부(120)로부터의 직류 전원을 3.3V나 5V 등의 제어부(190)의 구동에 이용되는 직류 전원으로 변환하고 변환된 직류 전원을 제어부(190)에 공급한다.
공진구동부(170)는 스위칭부(130)로부터의 스위칭 전원을 이용하여 전자기기의 무선충전에 이용 가능한 자기장신호를 생성한다. 공진구동부(170)는 자기공진에 따른 자기장신호를 케이스 외부로 출력하고 일정 거리 이내의 충전기기는 수신코일과 내부 커패시터를 구비하여 공진구동부(170)와의 자기공진에 따라 자기장신호로부터 전원을 생성하여 내부 배터리 등을 충전할 수 있다.
본 발명에 따른 공진구동부(170)는 복수의 송신코일(171), 자기전도 플레이트(173) 및 하나 이상의 커패시턴스 조절부(175)를 포함하여 구성된다. 공진구동부(170)는 비접촉시 무선 충전이 가능하도록 커패시터(커패시턴스 조절부(175)의 커패시터(175-3))를 사이에 두고 직렬로 서로 연결되는 송신코일(171)들과 송신코일(171)들을 수용하고 특화된 배치 구조를 가지는 자기전도 플레이트(173)를 구비하고 있다. 아울러, 공진구동부(170)는 가장 높은 무선전력 송출 효율로 동적으로 적응하도록 조절 가능한 커패시턴스 조절부(175)를 구비하고 있다.
본 발명에 따른 공진구동부(170)는 2개 이상의 송신코일(171)과 두 개의 송신코일(171) 사이에 위치하는 커패시턴스 조절부(175)를 적어도 포함한다. 하나의 송신코일(171)(이하 '제1 송신코일'이라고도 함)은 스위칭부(130)에 연결되어 스위칭부(130)에서 출력되는 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하고 제1 송신코일(171) 외부로 자기장신호를 송출한다.
다른 하나의 송신코일(171)(이하 '제2 송신코일'이라고도 함)은 커패시터(175-3)를 통해 제1 송신코일(171)에 연결되어 제1 송신코일(171)로부터 공급되는 스위칭부(130)의 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하여 생성된 자기장신호를 제2 송신코일(171) 외부로 송출한다.
도 3은 공진구동부(170)에 포함되는 자기전도 플레이트(173)의 구조와 제1 송신코일(171) 및 제2 송신코일(171)의 배치 예를 도시한 도면이다. 도 3의 예와 같이, 공진구동부(170)는 무선 충전기(100)의 케이스 내부에 직사각형 또는 원형을 가지고 송신코일(171)을 안착시킬 수 있는 하나의 플레이트(173-3)(이하 '제1 플레이트'라고도 함)와 제1 플레이트(173-3) 상에 위치하고 상측으로 돌출하는 직사각형 또는 원형 형상을 가지는 다른 하나의 플레이트(173-1)(이하 '제2 플레이트'라고도 함)를 포함하여 구성되는 자기전도 플레이트(173)를 포함한다.
자기전도 플레이트(173)는 자기장신호의 출력(송출) 및 유입 통로를 구성하여 자계를 형성할 수 있다. 제1 플레이트(173-3)와 제2 플레이트(173-1)는 바람직하게는 원형의 형상을 가지고 제1 플레이트(173-3) 위에 랩핑된 송신코일(171)들이 위치할 수 있다. 제1 플레이트(173-3)는 표면이 평평한 원판 형태를 가질 수 있고 제2 플레이트(173-1)는 원통형의 형태를 가질 수 있다. 자기전도 플레이트(173)는 페라이트(Ferrite) 재질로 구성되어 자기장신호의 전송 통로를 제공할 수 있다.
제1 송신코일(171)(도 3의 171(a) 참조)은 제1 플레이트(173-3) 위 제2 플레이트(173-1) 외곽에서 일층 이상(바람직하게는 복수의 층(예를 들어, 2층)) 적층되고 각 층은 여러 번(예를 들어, 10회 등) 랩핑(감겨지게)되고 스위칭 전원의 공급에 따라 제1 송신코일(171) 내부에서 자기장신호를 생성하여 제1 송신코일(171) 외부로 송출한다. 제1 송신코일(171)은 양 끝단이 서로 연결된 리츠(litz) 와이어로 구성될 수 있고 한 끝단(도 3의 ① 참조)은 스위칭부(130)에서 출력되는 스위칭 전원의 신호 라인에 연결되고 다른 한 끝단(도 3의 ② 참조)은 무선 충전기(100)의 보드 상에 배치된 커패시턴스 조절부(175)의 일단(커패시터-스위치(175-1)측 단자)에 연결될 수 있다.
제2 송신코일(171)(도 3의 171(b) 참조)은 제1 송신코일(171) 위 제2 플레이트(173-1) 외곽에서 일층 이상(바람직하게는 복수의 층(예를 들어, 2층)) 적층되고 각 층은 여러 번(예를 들어, 10회 등) 랩핑된다. 제2 송신코일(171)은 공급되는 스위칭 전원에 따라 제2 송신코일(171) 내부에서 자기장신호를 생성하여 제2 송신코일(171) 외부로 송출한다. 제2 송신코일(171)은 양 끝단이 서로 연결된 리츠 와이어로 구성될 수 있고 한 끝단(도 3의 ③ 참조)은 커패시턴스 조절부(175)의 타단(커패시터(175-3)측 단자)에 연결되어 제1 송신코일(171)로부터의 스위칭 전원을 리츠 와이어에 흐르게 하고 이로부터 자기장신호를 생성하여 송출 가능하다. 제2 송신코일(171)의 다른 한 끝단(도 3의 ④ 참조)은 접지에 연결되거나 다른 커패시턴스 조절부(175)에 연결될 수 있다.
여기서, 고출력의 자기장신호를 가지기 위해, 무선 충전기(100)는 서로 직렬로 연결되는 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171)을 포함하는 송신코일(171)들을 가진다. 송신코일(171)을 여러 개 가지고 이에 따라 그 길이가 길어짐에 따라 더 센 자기장신호의 송출이 가능하다.
또한, 자기전도 플레이트(173)는 넓은 범위의 자기장 패스(자계)를 구축하도록 구성된다. 자기전도 플레이트(173)의 제2 플레이트(173-1)의 한 외곽 지점에서 제1 플레이트(173-3)의 대응하는 지점(제2 플레이트(173-1)의 중심 지점에서 제2 플레이트(173-1)의 상기 외곽 지점을 통과하는 직선이 제1 플레이트(173-3)의 외곽에서 만나는 지점)까지의 거리(도 3의 D 참조)는 제1 송신코일(171) 및 제2 송신 코일의 여러 번 랩핑에 따른 랩핑두께(도 3의 d 참조)보다 길도록 구성된다. 예를 들어, 도 3의 거리 D는 도 3의 랩핑두께 d보다 적어도 1.5배 이상 길고 3배보다 짧도록 구성된다. 예를 들어, 거리 D는 랩핑두께 d보다 2배 내외(+/- 10%)의 길이를 가질 수 있다.
또한, 제2 플레이트(173-1)의 높이는 제1 송신코일(171) 및 제2 송신코일(171)의 적층에 따른 전체 송신코일(171)의 적층 높이보다 같거나 높도록 구성(예를 들어, 송신코일(171)의 적층 높이보다 10% 또는 20% 더 높은 높이로)되어 제2 플레이트(173-1)의 표면이 송신코일(171) 위 외부로 노출된다.
이러한, 자기전도 플레이트(173)의 구조로 인해, 제1 송신코일(171) 및 제2 송신코일(171)에 의해 생성된 자기장신호의 넓은 공간의 자기장신호의 패스의 구성이 가능하다.
송신코일(171)의 양 끝단(도 3의 ① 내지 ④ 참조)이 연결되는 스위칭부(130) 및 커패시턴스 조절부(175)와 나아가 제어부(190) 등은 케이스 내부의 보드(예를 들어, PCB 보드)에 구성된다.
다시 도 2를 통해, 무선 충전기(100)를 살펴보면 공진구동부(170)는 하나 이상의 커패시턴스 조절부(175)를 포함한다. 하나의 커패시턴스 조절부(175)(이하 '제1 커패시턴스 조절부'라고도 함)는 복수의 커패시터(175-3)를 구비하고 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171)에(의 사이에) 연결되어 제어부(190)로부터의 제어신호에 따라 하나 이상의 커패시터(175-3)를 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171)에 연결한다.
제1 커패시턴스 조절부(175)는 복수의 커패시터(175-3)와 복수의 커패시터(175-3) 각각을 제1 송신코일(171) 및 제2 송신코일(171)에 연결(직렬 연결)하거나 오픈하기 위한 복수의 커패시터-스위치(175-1)를 포함한다. 도 2의 예와 같이 제1 커패시턴스 조절부(175)는 4개의 커패시터(175-3)와 각각의 커패시터(175-3)를 오픈하거나 연결하기 위한 4개의 커패시터-스위치(175-1)를 포함할 수 있다. 커패시터-스위치(175-1)는 FET, IGBT나 릴레이 등을 이용하여 구성될 수 있다.
또한, 제1 커패시턴스 조절부(175)에 포함되는 복수의 커패시터(175-3) 각각은 서로 다른 정전용량을 가진다. 예를 들어, 4 개의 커패시터(175-3)를 가지는 제1 커패시턴스 조절부(175)의 하나의 커패시터(175-3)(이하 '제4 커패시터'라고도 함)는 가장 작은 정전용량을 가지고, 이웃하는 다른 하나의 커패시터(175-3)(이하 '제3 커패시터'라고도 함)는 제4 커패시터(175-3)보다 2배 이상의(바람직하게는 2배 내외(예를 들어, +/- 10%)의) 정전용량을 가진다.
제3 커패시터(175-3)에 이웃하는 다른 하나의 커패시터(175-3)(이하 '제2 커패시터'라고도 함)는 제3 커패시터(175-3)보다 2배 이상의(바람직하게는 2배 내외(예를 들어, +/- 10%)의) 정전용량을 가지고 제2 커패시터(175-3)에 이웃하는 또 다른 하나의 커패시터(175-3)(이하 '제1 커패시터'라고도 함)는 제2 커패시터(175-3)보다 2배 이상의(바람직하게는 2배 내외(예를 들어, +/- 10%)의) 정전용량을 가질 수 있다. 이와 같이, 4 개의 커패시터(175-3) 중 제1 커패시터(175-3)가 가장 큰 정전용량을 가지고 제2 커패시터(175-3)가 다음으로 큰 정전용량을 가지고 제3 커패시터(175-3)가 그 다음으로 큰 정전용량을 가지고 제4 커패시터(175-3)가 가장 작은 정전용량을 가질 수 있다.
제1 커패시터(175-3) 내지 제4 커패시터(175-3) 각각은 대응하는 커패시터-스위치(175-1)에 연결되고 커패시터-스위치(175-1)의 오픈 또는 클로즈에 따라 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171)에 연결되거나 오픈될 수 있다.
제1 커패시터(175-3)는 하나의 커패시터-스위치(175-1)(이하 '제1 커패시터-스위치'라고도 함)에 연결되고 제2 커패시터(175-3)는 다른 하나의 커패시터-스위치(175-1)(이하 '제2 커패시터-스위치'라고도 함)에 연결된다. 제3 커패시터(175-3)는 또 다른 하나의 커패시터-스위치(175-1)(이하 '제3 커패시터-스위치'라고도 함)에 연결되고 제4 커패시터(175-3)는 나머지 하나의 커패시터-스위치(175-1)(이하 '제4 커패시터-스위치'라고도 함)에 연결된다.
복수의 커패시터-스위치(175-1) 각각은 제어부(190)로부터 개별적인 오픈/클로즈 제어신호를 수신하고 오픈/클로즈 제어신호에 따라 대응하는 커패시터(175-3)에 제1 송신코일(171) 및 제2 송신코일(171)을 연결하거나 오픈할 수 있다.
공진구동부(170)는 다른 하나의 커패시턴스 조절부(175)(이하 '제2 커패시턴스 조절부'라고도 함)나 다른 복수의 커패시턴스 조절부(175)를 더 포함할 수 있다. 제2 커패시턴스 조절부(175)는 복수의 커패시터(175-3)와 복수의 커패시터-스위치(175-1)를 구비하고 제2 송신코일(171)과 다른 송신코일(171) 또는 접지에 연결되어 제어부(190)로부터의 제어신호에 따라 하나 이상의 커패시터(175-3)를 제2 송신코일(171)과 다른 송신코일(171)이나 접지에 연결한다.
제2 커패시턴스 조절부(175)의 내부 구성은 제1 커패시턴스 조절부(175)의 내부 구성과 동일하거나 유사할 수 있다. 예를 들어, 제2 커패시턴스 조절부(175)는 제1 커패시턴스 조절부(175)와 커패시터(175-3) 및 커패시터-스위치(175-1)의 개수가 동일하거나 변형으로 다른 개수를 가질 수 있다. 제2 커패시턴스 조절부(175)의 커패시터(175-3) 및 대응하는 커패시터-스위치(175-1) 사이의 연결 구조는 동일하고 제1 커패시턴스 조절부(175)와 같이 각 커패시터(175-3)의 정전용량은 서로 상이할 수 있다. 따라서, 제2 커패시턴스 조절부(175)의 구체적인 설명은 제1 커패시턴스 조절부(175)의 설명으로 대체한다.
상태표시부(180)는 무선 충전기(100)의 상태를 출력한다. 상태표시부(180)는 하나 이상의 LED나 부저 등을 포함하여 충전중, 대기중 등을 나타내기 위한 LED 신호나 오디오 신호를 출력할 수 있다.
제어부(190)는 무선 충전기(100)를 제어한다. 제어부(190)는 프로그램 코드를 수행할 수 있는 실행유닛을 포함하여 프로그램 코드의 수행에 따라 무선 충전기(100)를 제어할 수 있다. 제어부(190)는 CPU, MPU, 마이컴, 중앙처리장치 등을 나타내거나 등을 포함할 수 있다. 제어부(190)는 비휘발성 메모리를 포함하여 프로그램 코드를 저장할 수 있다.
제어부(190)에서 이루어지는 주요 제어를 살펴보면, 제어부(190)는 충전 대상인 전자기기를 인식하고 전자기기의 인식에 따라 무선 충전을 시작한다. 제어부(190)는 근접한 전자기기와 인밴드(In-Band) 통신이나 아웃오브밴드(Out-of-Band) 통신을 통해 충전대상인 전자기기를 인식할 수 있다. 예를 들어, 제어부(190)는 스위칭 전원의 주파수 대역에서 다른 전자기기와 통신하거나 2,4GHz 대역의 블루투스 통신을 통해 충전대상 전자기기와 통신할 수 있다.
충전대상인 전자기기의 인식에 따라, 제어부(190)는 무선 충전을 위한 자기장신호를 송출하도록 무선 충전기(100)의 블록들을 제어한다. 제어부(190)는 스위칭부(130)로 스위칭 제어신호를 출력하여 직류 전원으로부터 지정된 주파수를 가지는 스위칭 전원을 생성한다. 또한, 제어부(190)는 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171) 사이에 직렬로 연결되기 위한 커패시터(175-3)를 선택하고 선택된 커패시터(175-3)를 연결하기 위한 오픈/클로즈 제어신호들을 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력한다.
예를 들어, 전자기기의 인식후 최초 시점에 제어부(190)는 가장 큰 정전용량을 가지는 제1 커패시터(175-3)를 제1 송신코일(171) 및 제2 송신코일(171)에 연결하기 위한 제1 제어신호(제1 커패시터-스위치(175-1)를 클로즈하기 위한 오픈/클로즈 제어신호)와 제1 커패시터(175-3)보다 적은 정전용량의 제2 커패시터(175-3), 제3 커패시터(175-3) 및 제4 커패시터(175-3)를 오픈하기 위한 제2 제어신호(제2 커패시터-스위치(175-1)를 오픈하기 위한 오픈/클로즈 제어신호), 제3 제어신호(제3 커패시터-스위치(175-1)를 오픈하기 위한 오픈/클로즈 제어신호) 및 제4 제어신호(제3 커패시터-스위치(175-1)를 오픈하기 위한 오픈/클로즈 제어신호)를 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력한다. 이와 같이, 제어부(190)는 최초 시점에 가변 가능한 정전용량의 범위 중 중간치의 정전용량을 가진 상태에서 자기장신호를 생성하고 송출한다.
이후, 제어부(190)는 최초 시점 이후 시점에 자기장신호의 생성에 이용되는 커패시터(175-3)의 정전용량을 가변적으로 변경하여 무선 전력전송의 효율을 동적으로 최적화한다. 제어부(190)는 (주기적으로) 전류 검출부(140)로부터 전류센싱 신호와 (주기적으로) 전압 검출부로부터 전압센싱 신호를 수신하고 전류센싱 신호의 전류량과 전압센싱 신호의 전압량에 기초하여 전력량을 산출한다. 제어부(190)는 산출되는 전력량에 따라 제1 커패시턴스 조절부(175)의 여러 커패시터-스위치(175-1)를 오픈/클로즈하기 위한 제어신호들을 변경하여 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력한다.
예를 들어, 제어부(190)는 최초 시점 이후 지정된 갱신 주기(예를 들어, 10초 등)에 따른 시점에, 직류 전원(또는 스위칭 전원)에 연결되는 전류 검출부(140)로부터의 전류량과 직류 전원(또는 스위칭 전원)에 연결되는 전압 검출부(150)로부터의 전압량으로부터 소비되는 전력량을 산출하고 소비되는 전력량을 높이기(최대화 하기) 위해 제1 커패시턴스 조절부(175)의 총 정전용량을 높이도록 제1 커패시터(175-3), 제2 커패시터(175-3), 제3 커패시터(175-3) 및 제4 커패시터(175-3) 중 하나 이상의 커패시터(175-3)를 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171)에 연결하기 위한 제1 제어신호, 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력한다.
예를 들어, 제1 커패시터(175-3)가 연결된 상태에서 제어부(190)는 제2 커패시터(175-3), 제3 커패시터(175-3) 및 제4 커패시터(175-3) 중 하나 이상의 커패시터(175-3)(예를 들어, 제4 커패시터(175-3))를 더 연결하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력한다.
또는, 제어부(190)는 소비되는 전력량을 높이기(최대화 하기) 위해 제1 커패시턴스 조절부(175)의 총 정전용량을 줄이도록 제1 커패시터(175-3), 제2 커패시터(175-3), 제3 커패시터(175-3) 및 제4 커패시터(175-3) 중 하나 이상의 커패시터(175-3)를 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171)에 연결하기 위한 제1 제어신호, 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력한다.
예를 들어, 이전 시점에 제1 커패시터(175-3)가 연결된 상태에서 제어부(190)는 제1 커패시터(175-3)를 오픈하기 위한 제1 제어신호와 제2 커패시터(175-3), 제3 커패시터(175-3) 및 제4 커패시터(175-3) 중 하나 이상의 커패시터(175-3)를 제1 송신코일(171)과 제2 송신코일(171)에 연결하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력한다.
제어부(190)는 정전용량의 변경 후, 지정된 갱신주기(예를 들어, 10초)에 따라 직류 전원(또는 스위칭 전원)에 연결되는 전류 검출부(140)로부터의 전류량과 직류 전원(또는 스위칭 전원)에 연결되는 전압 검출부(150)로부터의 전압량으로부터 소비되는 전력량을 산출하고 이전 갱신주기 시점에 산출된 전력량과 비교한다.
비교에 따라 현재 산출된 전력량이 이전 산출된 전력량보다 적은(작은) 경우, 제어부(190)는 앞선 정전용량의 변경 방향과(감소 방향/증가 방향)는 반대 방향으로 정전용량을 변경하기 위한 커패시터 제어신호들을 제1 커패시턴스 조절부(175)로 출력할 수 있다.
이에 따라, 무선 충전기(100)는 최적의 무선전력 전송 효율을 동적으로 가질 수 있다.
본 발명에 따른 무선 충전기(100)는 다수의 송신코일(171)과 최적화된 구조의 자기전도 플레이트(173)를 구비하여 상대적으로 센 자기장신호를 송출할 수 있다. 반면에 여러 송신코일(171)의 설계, 생산, 조립 오차, 송신코일(171) 내의 서로 다른 기생 커패시턴스에 따라 최적의 무선전력 효율을 가지는 공진주파수에 편차가 발생한다.
또한, 충전기기(전자기기)의 수신코일과 커패시턴스와 무선 충전기(100)와 충전기기 사이의 상호 인덕턴스에 따라 최적의 무선전력 효율을 가질 수 없을 수 있다. 무선 충전기(100)의 커패시턴스와 인덕턴스에 의해 산출되는 공진주파수와 충전기기의 커패시턴스와 인덕턴스에 의해 산출되는 공진주파수가 일치하는 경우 최대의 무선전력 효율을 가질 수 있다.
본 발명에 따른, 무선 충전기(100)는 송신코일(171) 사이에 연결/오픈 가능한 커패시터(175-3)를 다수 구비하고 다수의 커패시터(175-3)의 연결 및 오픈과 그에 따라 소비되는 전력량을 동적으로 산출하고 이후 다수의 커패시터(175-3)의 연결을 변경하여 다양한 편차와 오차를 가지는 무선 충전기(100)와 충전기기의 환경하에서 동적으로 최적의 무선전력 전송이 가능토록 한다.
제어부(190)는 제1 커패시턴스 조절부(175) 뿐 아니라 제2 커패시턴스 조절부(175)를 제어하여 무선 충전기(100)의 내부 커패시턴스를 동적으로 조절 가능하다.
도 2에서는 무선 충전기(100)가 2 개의 송신코일(171)과 두 개의 커패시턴스 조절부(175)를 가지는 예를 도시하고 있는 데, 무선 충전기(100)는 다양한 다른 예를 가질 수 있다. 예를 들어, 무선 충전기(100)는 2 개의 송신코일(171)과 하나의 커패시턴스 조절부(175)를 가질 수 있다. 또는 무선 충전기(100)는 3 개 이상의 송신코일(171)과 그 사이에 위치하는 2 개(또는 3개) 이상의 커패시턴스 조절부(175)를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100 : 무선 충전기
110 : 전원 입력부
120 : DC 평활부
130 : 스위칭부
140 : 전류 검출부
150 : 전압 검출부
160 : DC 변환부
170 : 공진구동부
171 : 송신코일
173 : 자기전도 플레이트
173-1 : 제2 플레이트 173-3 : 제1 플레이트
175 : 커패시턴스 조절부
175-1 : 커패시터-스위치 175-3 : 커패시터
180 : 상태표시부
190 : 제어부

Claims (5)

  1. 제1 플레이트 및 상기 제1 플레이트 상에 위치하고 상측으로 돌출하는 제2 플레이트를 포함하는 자기전도 플레이트;
    상기 제2 플레이트 외곽에 일층 이상 적층되고 층별 복수 회 랩핑되어 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하여 송출하는 제1 송신코일;
    상기 제1 송신코일 위의 상기 제2 플레이트 외곽에 일층 이상 적층되고 층별 복수 회 랩핑되어 상기 제1 송신코일로부터의 상기 스위칭 전원으로부터 자기장신호를 생성하여 송출하는 제2 송신코일; 및
    제어에 따라 선택되는 하나 이상의 커패시터를 상기 제1 송신코일과 상기 제2 송신코일에 연결하는 제1 커패시턴스 조절부;를 포함하는,
    무선 충전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시턴스 조절부를 제어하여 선택된 하나 이상의 커패시터를 상기 제1 송신코일과 상기 제2 송신코일에 연결하는 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제1 커패시턴스 조절부는 복수의 커패시터 및 각각의 커패시터를 수신되는 개별 제어신호에 따라 상기 제1 송신코일 및 상기 제2 송신코일에 연결 또는 오픈하는 복수의 커패시터-스위치를 포함하고,
    상기 복수의 커패시터 각각은 정전용량이 다른 커패시터와 상이한,
    무선 충전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 플레이트의 외곽 지점으로부터 상기 제1 플레이트의 대응하는 지점까지의 거리는 상기 제1 송신코일 및 상기 제2 송신코일의 상기 제2 플레이트의 외곽에서 송신코일의 복수 회 랩핑에 따른 랩핑두께의 1.5배 보다 길고 3배보다 짧으며,
    상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는 원형의 형상을 가지며,
    상기 제2 플레이트의 표면은 랩핑된 상기 제1 송신코일 및 상기 제2 송신코일의 적층에 따른 높이보다 같거나 높아 외부로 노출되고,
    상기 제1 송신코일 및 상기 제2 송신코일은 리츠 와이어로 구성되는,
    무선 충전기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 전원 또는 상기 스위칭 전원을 생성하는 직류 전원의 전류량을 센싱하는 전류 검출부; 및
    상기 스위칭 전원 또는 상기 직류 전원의 전압량을 센싱하는 전압 검출부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전류 검출부로부터의 전류량과 상기 전압 검출부로부터의 전압량에 기초하여 산출되는 전력량에 따라 상기 복수의 커패시터-스위치를 제어하기 위한 복수의 제어신호를 변경하여 상기 제1 커패시턴스 조절부로 출력하는,
    무선 충전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 커패시턴스 조절부는 제1 커패시터, 제2 커패시터, 제3 커패시터 및 제4 커패시터와 대응하여 연결되는 제1 커패시터-스위치, 제2 커패시터-스위치, 제3 커패시터-스위치 및 제4 커패시터-스위치를 포함하고,
    상기 제3 커패시터는 상기 제4 커패시터보다 2 배 이상의 정전용량을 가지고, 상기 제2 커패시터는 상기 제3 커패시터보다 2 배 이상의 정전용량을 가지고, 상기 제1 커패시터는 상기 제2 커패시터보다 2 배 이상의 정전용량을 가지며,
    상기 제어부는, 제1 시점에 상기 제1 커패시터를 상기 제1 송신코일 및 상기 제2 송신코일에 연결하기 위한 제1 제어신호와 상기 제2 커패시터, 상기 제3 커패시터 및 상기 제4 커패시터를 오픈하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 출력하고 상기 전류 검출부로부터의 전류량과 상기 전압 검출부로부터의 전압량에 기초하여 전력량을 산출하고, 제1 시점에 후속하는 제2 시점에 산출되는 전력량을 높이기 위해 상기 제1 커패시턴스 조절부의 총 정전용량을 높이도록 제2 커패시터, 제3 커패시터 및 제4 커패시터 중 하나 이상의 커패시터를 상기 제1 송신코일 및 상기 제2 송신코일에 연결하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 출력하거나 상기 제1 커패시턴스 조절부의 총 정전용량을 줄이도록 상기 제1 커패시터를 오픈하기 위한 제1 제어신호와 제2 커패시터, 제3 커패시터 및 제4 커패시터 중 하나 이상의 커패시터를 상기 제1 송신코일 및 상기 제2 송신코일에 연결하기 위한 제2 제어신호, 제3 제어신호 및 제4 제어신호를 출력하는,
    무선 충전기.
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KR20130064840A (ko) 2011-12-09 2013-06-19 전자부품연구원 특정 무선 충전기기로 송신전력을 집중할 수 있는 무선 전력전송 장치 및 방법

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KR20130064840A (ko) 2011-12-09 2013-06-19 전자부품연구원 특정 무선 충전기기로 송신전력을 집중할 수 있는 무선 전력전송 장치 및 방법

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