WO2018004117A1 - 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치 - Google Patents

무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치 Download PDF

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박재희
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Definitions

  • the present invention relates to wireless power transmission technology, and more particularly, to a wireless power control method and apparatus for wireless charging.
  • Wireless power transmission or wireless energy transfer is a technology that transmits electrical energy wirelessly from a transmitter to a receiver using the principle of induction of magnetic field, which is already used by electric motors or transformers using the electromagnetic induction principle in the 1800s. Since then, there have been attempts to transmit electrical energy by radiating electromagnetic waves such as high frequency, microwaves, and lasers. Electric toothbrushes and some wireless razors that we commonly use are actually charged with the principle of electromagnetic induction.
  • energy transmission using wireless may be classified into magnetic induction, electromagnetic resonance, and RF transmission using short wavelength radio frequency.
  • the magnetic induction method uses the phenomenon that magnetic flux generated at this time causes electromotive force to other coils when two coils are adjacent to each other and current flows to one coil, and is rapidly commercialized in small devices such as mobile phones. Is going on. Magnetic induction is capable of transmitting power of up to several hundred kilowatts (kW) and has high efficiency, but the maximum transmission distance is less than 1 centimeter (cm).
  • the magnetic resonance method is characterized by using an electric or magnetic field instead of using electromagnetic waves or current. Since the magnetic resonance method is hardly affected by the electromagnetic wave problem, it has the advantage of being safe for other electronic devices or the human body. On the other hand, it can be utilized only in limited distances and spaces, and has a disadvantage in that energy transmission efficiency is rather low.
  • the short wavelength wireless power transmission scheme implies, the RF transmission scheme— takes advantage of the fact that energy can be transmitted and received directly in the form of RadioWave.
  • This technology is a wireless power transmission method of the RF method using a rectenna, a compound word of an antenna and a rectifier (rectifier) refers to a device that converts RF power directly into direct current power.
  • the RF method is a technology that converts AC radio waves to DC and uses them. Recently, research on commercialization has been actively conducted as efficiency is improved.
  • Wireless power transfer technology can be used in various industries, such as the mobile, IT, railroad and consumer electronics industries.
  • the wireless charging function is installed in various devices and the strength of the power required by the wireless power receiver is increased, heat generation may occur in the driving circuit and the transmission coil, and the device may be damaged.
  • the wireless power transmitter may include a plurality of transmission coils.
  • the wireless power transmitter can extend the charging area by using multiple transmission coils than when including a single transmission coil.
  • Each of the plurality of transmission coils included in the wireless power transmitter may be manufactured to have the same physical characteristics. However, according to the arrangement of the transmitting coils, an overlapping region may occur between the coils, and an inductance may vary according to a distance from the shielding material affecting the magnetic field generated in the transmitting coils.
  • the present invention has been devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method and apparatus for controlling wireless power for wireless charging.
  • Another object of the present invention is to provide a wireless power control method and apparatus capable of minimizing heat generation.
  • Another object of the present invention is to use a plurality of transmitting coils each having a different inductance, so that inductances of the plurality of transmitting coils are the same and a switch is used to achieve the same resonance frequency in order to overcome the limiting situation where a plurality of identical circuits are required.
  • the present invention provides a method and apparatus for controlling a wireless power transmitter including a plurality of coils that can be used.
  • the present invention can provide a wireless power control method for wireless charging and an apparatus therefor.
  • a wireless power control method in a wireless power transmitter comprises the steps of receiving a first feedback signal requesting power control from a wireless power receiver and the strength of the first transmission power based on the first feedback signal. Determining an inverter type; and determining an inverter type and a power control scheme corresponding to the determined first output power intensity; activating an inverter corresponding to the determined inverter type; and using the determined power control scheme. Adjusting the intensity of the AC power output from the.
  • the wireless power control method may include receiving a second feedback signal requesting power control from a wireless power receiver, determining a strength of a second transmission power based on the second feedback signal, and determining the determined second transmission.
  • the method may further include determining whether the power intensity is supported by the activated inverter, and switching the inverter type if it is not supported.
  • the wireless power control method may further include determining whether a change of the power control scheme is necessary based on the determined intensity of the second transmission power, if it is supported.
  • the first to second feedback signal may be a control error packet defined in the WPC standard.
  • the inverter type may include a half bridge type and a full bridge type.
  • the power control scheme may include at least one of a duty cycle control scheme, an operating frequency control scheme, and a phase shift control scheme.
  • the intensity of the AC power output from the inverter may be adjusted using any one of the duty cycle control method and the operating frequency control method.
  • the intensity of the AC power output from the inverter may be adjusted using any one of the phase shift control method and the operating frequency control method.
  • the full bridge type inverter is activated, and when the power control scheme is determined as the operating frequency control scheme, an operating frequency corresponding to the determined output power intensity is lower than a predetermined operating frequency adjustment limit. If smaller, the method may further include outputting a predetermined warning alarm indicating that the maximum output power has been reached.
  • the duty rate adjustment range of the duty cycle adjustment method may be defined as a value between at least 10% and at most 50%.
  • the phase shift range of the phase shift control scheme may be defined as a value between 0 degrees and 133 degrees.
  • the operating frequency control range of the operating frequency control method according to an embodiment may be defined as a value between 110 KHz and 205 KHz.
  • the operating frequency control range of the operating frequency control method is a value between 172KHZ and 205KHz
  • operation of the operating frequency control method The frequency adjustment range may be defined as a value between 110 KHz and 172 KHz.
  • the power control scheme may control the operating frequency when the strength of the determined second transmission power exceeds a first reference value during power regulation using the duty cycle control scheme while the half bridge type inverter is activated. Can be switched in a manner.
  • the power control scheme may control the operating frequency when the strength of the determined second transmission power exceeds a predetermined second reference value during power regulation using the phase shift control scheme while the full bridge type inverter is activated. Can be switched in a manner.
  • a wireless power control device uses a direct current (DC) -DC converter for converting the intensity of direct current power applied from a power source and an inverter provided therein to convert direct current power applied from the direct current (DC) -DC converter.
  • a control unit for controlling the intensity of the AC power output by the driver based on a feedback circuit received through the resonant circuit wirelessly transmitting the AC power applied from the driver and the resonant circuit.
  • the control communication unit may adjust the strength of the AC power by determining an inverter type and a power control method according to the intensity of the output power determined based on the feedback signal.
  • the driving unit is a switch for transferring the DC power applied from the first inverter of the half-bridge type, the second inverter of the full bridge type and the DC-DC converter to the first inverter or the second inverter and the control communication unit It may include an AC signal controller for adjusting the intensity of the AC power output from the first inverter or the second inverter according to a predetermined control signal.
  • the AC signal controller may include an operation frequency generator configured to generate an AC signal having a specific operating frequency, a duty cycle controller configured to adjust the duty rate of the AC signal to adjust the intensity of average transmission power applied to the resonance circuit; It may include a phase shifter for adjusting the phase of the AC signal to adjust the intensity of the average transmission power applied to the resonant circuit.
  • the control communication unit may determine whether to switch at least one of the inverter type and the power control scheme based on the determined intensity of the transmitted power.
  • the feedback signal may be a control error packet defined in the WPC standard.
  • the inverter type may include a half bridge type and a full bridge type
  • the power control method may include at least one of a duty cycle control method, an operating frequency control method, and a phase shift control method.
  • the intensity of the AC power output from the inverter may be adjusted using any one of the duty cycle control method and the operating frequency control method.
  • the intensity of the AC power output from the inverter may be adjusted by using any one of the phase shift control method and the operating frequency control method.
  • the control when the full bridge type inverter is activated and the power control scheme is determined as the operating frequency control scheme, when the operating frequency corresponding to the determined intensity of the output power is less than a predetermined operating frequency adjustment lower limit, the control.
  • the communication unit may control to output a predetermined warning alarm indicating that the maximum output power has been reached.
  • the duty rate adjustment range of the duty cycle adjustment method may be a value between at least 10% and at most 50%.
  • the phase adjustment range of the phase shift control method may be a value between 0 degrees and 133 degrees.
  • the operating frequency control range of the operating frequency control method may be a value between 110 KHz and 205 KHz.
  • the operating frequency control range of the operating frequency control method when the half-bridge type inverter is activated, the operating frequency control range of the operating frequency control method is a value between 172KHZ and 205KHz, and when the full bridge type inverter is activated, the operating frequency control method
  • the operating frequency adjustment range may be a value between 110 KHz and 172 KHz.
  • the power control method is the operating frequency control method. Can be switched.
  • the power control method is the operating frequency control method. Can be switched.
  • each of the N transmitting coils connected in parallel may be individually connected to the N switches in series.
  • the N transmitting coils may be connected in series with one capacitor.
  • each of the N transmission coils may have the same inductance by varying the number of windings different from each other in correspondence to individual positions with the shielding material.
  • the number of turns of each of the N transmission coils may vary according to a distance from the shielding material.
  • the number of turns of each of the N transmission coils may be greater as the distance from the shielding member increases.
  • the number of turns of each of the N transmission coils may vary from 0.5 to 2 times.
  • the transmitting coil may transmit power to the receiving coil by using a specific resonance frequency.
  • the drive circuit may include an inverter for changing a DC voltage from a power source into an AC voltage.
  • the selected transmission coil may be connected in series between one of the drive circuit and the capacitor by closing one of the N switches.
  • the present invention can provide a computer readable recording medium having recorded thereon a program for executing the method described above.
  • the wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention, at least one of the N transmitting coils are arranged to overlap each other; N switches for connecting the N transmitting coils and a drive circuit; And a controller configured to select a transmission coil having the highest power transmission efficiency among the N transmission coils when the object is detected in the charging region, and to control a corresponding switch among the N switches connecting the selected transmission coil and the drive circuit. It includes, and the length of the conductive wire constituting each of the N transmitting coils is adjusted to correspond to the individual position with the shielding material may have the same inductance.
  • each of the N transmitting coils connected in parallel may be individually connected to the N switches in series.
  • the N transmitting coils may be connected in series with one capacitor.
  • each of the N transmission coils may have the same inductance by varying the number of windings different from each other in correspondence to individual positions with the shielding material.
  • the number of turns of each of the N transmission coils may vary according to a distance from the shielding material.
  • the number of turns of each of the N transmission coils may be greater as the distance from the shielding member increases.
  • the number of turns of each of the N transmission coils may vary by 0.5 times or once.
  • the transmitting coil may transmit power to the receiving coil by using a specific resonance frequency.
  • the drive circuit may include an inverter for changing a DC voltage from a power source into an AC voltage.
  • the selected transmission coil may be connected in series between one of the drive circuit and the capacitor by closing one of the N switches.
  • a computer-readable recording medium may be provided that records a program for executing any one of the wireless power control methods.
  • the present invention has the advantage of providing a wireless power control method and apparatus capable of preventing the heat generation of the wireless power transmission apparatus in advance.
  • the present invention has the advantage of providing a wireless power control method and apparatus for adaptively determining the inverter type and the power control method according to the intensity of the transmission power.
  • the present invention has the advantage of minimizing the heat generation phenomenon of the wireless power transmitter without adding a separate hardware heat dissipation structure.
  • the present invention can have a wider charging area by using a plurality of transmission coils, and thus user convenience is high.
  • the present invention can use only one of a plurality of the same circuit can reduce the size of the wireless power transmitter itself, there is an effect of reducing the cost of fewer components used.
  • the present invention may utilize component elements defined in the published wireless power transfer standards, which may be in accordance with already defined standards.
  • 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 view for explaining a detection 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 defined in the WPC standard.
  • 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure defined in the WPC (Qi) standard.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power receiver interworking with the wireless power transmitter according to FIG. 6.
  • FIG. 8 is a diagram for describing a method of modulating and demodulating a wireless power signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for describing a packet format according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining the types of packets defined in the WPC (Qi) standard according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating a detailed structure of the AC signal controller 1122 of FIG. 11.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a basic operation principle of an inverter for converting a DC signal into an AC signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of a wireless power transmission apparatus equipped with a half bridge type inverter according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is an equivalent circuit diagram of a wireless power transmission apparatus equipped with a full bridge inverter according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a flowchart illustrating a wireless power control method for wireless charging according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a flowchart illustrating a wireless power control method for wireless charging according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for describing a method of switching an inverter type and a power control method according to a change in power output power according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a flowchart illustrating a method of controlling wireless power in a state in which a half bridge is activated according to an embodiment of the present invention.
  • 20 is a flowchart illustrating a method of controlling wireless power in a state in which a full bridge is activated according to an embodiment of the present invention.
  • 21 is a diagram illustrating a wireless charging transmission coil according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating three drive circuits including a full-bridge inverter in a wireless power transmitter including a plurality of coils according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 illustrates a wireless power transmitter including a plurality of coils and a single drive circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a drive circuit including a full-bridge inverter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a view for explaining the structure of a wireless power transmission apparatus including the wireless charging transmission coil of FIG. 21 according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless power control method in a wireless power transmitter comprises the steps of receiving a first feedback signal requesting power control from a wireless power receiver and the strength of the first transmission power based on the first feedback signal. Determining an inverter type; and determining an inverter type and a power control scheme corresponding to the determined first output power intensity; activating an inverter corresponding to the determined inverter type; and using the determined power control scheme. Adjusting the intensity of the AC power output from the.
  • the top (bottom) or the bottom (bottom) is the two components are in direct contact with each other or One or more other components are all included disposed between the two components.
  • up (up) or down (down) may include the meaning of the down direction as well as the up direction based on one component.
  • a device equipped with a function for transmitting wireless power on the wireless charging system is a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a transmitter, a transmitter, a transmitter for convenience of description.
  • a transmitter side, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, and the like will be used interchangeably.
  • a wireless power receiver, a wireless power receiver, a wireless power receiver, a wireless power receiver, a wireless power receiver, a receiver terminal, a receiver, Receivers, receivers and the like can be used interchangeably.
  • the transmitter according to the present invention may be configured in a pad form, a cradle form, an access point (AP) form, a small base station form, a stand form, a ceiling buried form, a wall hanging form, and the like. You can also transfer power.
  • the transmitter may comprise at least one wireless power transmission means.
  • the wireless power transmission means may use various wireless power transmission standards based on an electromagnetic induction method that generates a magnetic field in the power transmitter coil and charges using the electromagnetic induction principle in which electricity is induced in the receiver coil under the influence of the magnetic field.
  • the wireless power transmission means may include a wireless charging technology of the electromagnetic induction method defined by the Wireless Power Consortium (WPC) and the Power Matters Alliance (PMA) which is a wireless charging technology standard apparatus.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • the receiver according to an embodiment of the present invention may be provided with at least one wireless power receiving means, and may simultaneously receive wireless power from two or more transmitters.
  • the wireless power receiving means may include an electromagnetic induction wireless charging technology defined by the Wireless Power Consortium (WPC) and the Power Matters Alliance (PMA), which are wireless charging technology standard organizations.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • the receiver according to the present invention is a mobile phone, smart phone, laptop computer, digital broadcasting terminal, PDA (Personal Digital Assistants), PMP (Portable Multimedia Player), navigation, MP3 player, electric It may be used in a small electronic device such as a toothbrush, an electronic tag, a lighting device, a remote control, a fishing bobber, a wearable device such as a smart watch, but is not limited thereto. If the device is equipped with a wireless power receiver according to the present invention, the battery can be charged. It is enough.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless charging system includes a wireless power transmitter 10 that largely transmits power wirelessly, a wireless power receiver 20 that receives the transmitted power, and an electronic device 20 that receives the received power. Can be configured.
  • the wireless power transmitter 10 and the wireless power receiver 20 may perform in-band communication for exchanging information using the same frequency band as the operating frequency used for wireless power transmission.
  • the wireless power transmitter 10 and the wireless power receiver 20 perform out-of-band communication for exchanging information using a separate frequency band different from an operating frequency used for wireless power transmission. It can also be done.
  • the information exchanged between the wireless power transmitter 10 and the wireless power receiver 20 may include control information as well as status information of each other.
  • the status information and control information exchanged between the transmitting and receiving end will be more clear through the description of the embodiments to be described later.
  • the in-band communication and the out-of-band communication may provide bidirectional communication, but are not limited thereto. In another embodiment, the in-band communication and the out-of-band communication may provide one-way communication or half-duplex communication.
  • the unidirectional communication may be performed by the wireless power receiver 20 only transmitting information to the wireless power transmitter 10, but is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter 10 may transmit information to the wireless power receiver 20. It may be to transmit.
  • bidirectional communication between the wireless power receiver 20 and the wireless power transmitter 10 is possible, but at one time, only one device may transmit information.
  • the wireless power receiver 20 may obtain various state information of the electronic device 30.
  • the state 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 the like.
  • the information may be obtained from the electronic device 30 and may be utilized for wireless power control.
  • the wireless power transmitter 10 may transmit a predetermined packet indicating whether to support fast charging to the wireless power receiver 20.
  • the wireless power receiver 20 may notify the electronic device 30 when it is determined that the connected wireless power transmitter 10 supports the fast charging mode.
  • the electronic device 30 may indicate that fast charging is possible through predetermined display means provided, for example, it may be a liquid crystal display.
  • the user of the electronic device 30 may control the wireless power transmitter 10 to operate in the fast charge mode by selecting a predetermined fast charge request button displayed on the liquid crystal display.
  • the electronic device 30 may transmit a predetermined quick charge request signal to the wireless power receiver 20.
  • the wireless power receiver 20 may convert the normal low power charging mode into the fast charging mode by generating a charging mode packet corresponding to the received fast charging request signal to the wireless power transmitter 10.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to another embodiment of the present invention.
  • the wireless power receiver 20 may be configured with a plurality of wireless power receivers, and a plurality of wireless power receivers are connected to one wireless power transmitter 10 so that the wireless Charging may also be performed.
  • the wireless power transmitter 10 may distribute and transmit power to the plurality of wireless power receivers in a time division manner, but is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter 10 may distribute and transmit power to a plurality of wireless power receivers by using different frequency bands allocated for each wireless power receiver.
  • the number of wireless power receivers that can be connected to one wireless power transmitter 10 may include at least one of a required power amount for each wireless power receiver, a battery charge state, power consumption of an electronic device, and available power amount of the wireless power transmitter. Can be adaptively determined based on the
  • the wireless power transmitter 10 may be configured with a plurality of wireless power transmitters.
  • the wireless power receiver 20 may be connected to a plurality of wireless power transmitters at the same time, and may simultaneously receive power from the connected wireless power transmitters and perform charging.
  • the number of wireless power transmitters connected to the wireless power receiver 20 may be adaptively based on the required power of the wireless power receiver 20, the state of charge of the battery, the power consumption of the electronic device, and the available power of the wireless power transmitter. Can be determined.
  • FIG 3 is a view for explaining a detection 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 transmitting coils 111, 112, and 113. Each transmission coil may overlap some other area with another transmission coil, and the wireless power transmitter may detect a predetermined detection signal 117, 127 for detecting the presence of the wireless power receiver through each transmission coil, for example, Digital ping signals are sent sequentially in a predefined order.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits the detection signal 117 through the primary detection signal transmission procedure illustrated in FIG. 110, and receives a signal strength indicator from the wireless power receiver 115.
  • the strength indicator 116 can identify the received transmission coils 111, 112.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits the detection signal 127 through the secondary detection signal transmission procedure shown in FIG. 120, and transmits power among the transmission coils 111 and 112 where the signal strength indicator 126 is received.
  • the reason why the wireless power transmitter performs two sensing signal transmission procedures is to more accurately identify which transmitting coil is well aligned with the receiving coil of the wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter Based on the signal strength indicator 126 received at each of the first transmitting coil 111 and the second transmitting coil 112 selects the best-aligned transmitting coil and performs wireless charging using the selected transmitting coil. .
  • FIG. 4 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure defined in the WPC standard.
  • power transmission from a transmitter to a receiver according to the WPC standard is largely selected from a selection phase 410, a ping phase 420, an identification and configuration phase 430, It may be divided into a power transfer phase 440.
  • the selection step 410 may be a step of transitioning when a specific error or a specific event is detected while starting or maintaining the power transmission.
  • the transmitter may monitor whether an object exists on the interface surface. If the transmitter detects that an object is placed on the interface surface, it may transition to the ping step 420 (S401).
  • the transmitter transmits a very short pulse of an analog ping signal, and may detect whether an object exists in an active area of the interface surface based on a change in current of a transmitting coil.
  • ping step 420 when an object is detected, the transmitter activates the receiver and sends a digital ping to identify whether the receiver is a receiver that is compliant with the WPC standard. If the transmitter does not receive a response signal (for example, a signal strength indicator) from the receiver in response to the digital ping in step 420, it may transition back to the selection step 410 (S402). In addition, in the ping step 420, when the transmitter receives a signal indicating that power transmission is completed, that is, a charging completion signal, from the receiver, the transmitter may transition to the selection step 410 (S403).
  • a response signal for example, a signal strength indicator
  • the transmitter may transition to the identification and configuration step 430 for collecting receiver identification and receiver configuration and status information (S404).
  • the transmitter receives an unexpected packet, a desired packet has not been received for a predefined time, a packet transmission error, or a power transmission contract. If this is not set (no power transfer contract) it may transition to the selection step (410) (S405).
  • the transmitter may transition to the power transmission step 240 for transmitting the wireless power (S406).
  • the transmitter receives an unexpected packet, the desired packet has not been received for a predefined time, or a violation of a preset power transfer contract occurs. transfer contract violation), if the filling is completed, the transition to the selection step (410) (S407).
  • the transmitter may transition to the identification and configuration step 430 (S408).
  • the power transmission contract may be set based on state and characteristic information of the transmitter and the receiver.
  • the transmitter state information may include information about the maximum amount of power that can be transmitted, information about the maximum number of receivers that can be accommodated, and the receiver state information may include information about required power.
  • 5 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure defined in the WPC (Qi) standard.
  • power transmission from a transmitter to a receiver according to the WPC (Qi) standard is largely selected as a selection phase 510, a ping phase 520, an identification and configuration phase, and so on. 530, a negotiation phase 540, a calibration phase 550, a power transfer phase 560, and a renegotiation phase 570.
  • the selection step 510 may be a transition step, for example, S502, S504, S506, S509, S, when a specific error or a specific event is detected while starting or maintaining power transmission.
  • the transmitter may monitor whether an object exists on the interface surface. If the transmitter detects that an object is placed on the interface surface, it may transition to ping step 520. In the selection step 510, the transmitter transmits a very short pulse of an analog ping signal and an object in the active area of the interface surface based on the current change of the transmitting coil or the primary coil. Can detect the presence of
  • the transmitter activates the receiver and sends a digital ping to identify whether the receiver is a receiver that is compliant with the WPC standard. If in ping step 520 the transmitter does not receive a response signal (eg, a signal strength packet) to the digital ping from the receiver, it may transition back to selection step 510. Further, in ping step 520, the transmitter may transition to selection step 510 when it receives a signal from the receiver indicating that power transmission is complete, i.e., a charge complete packet.
  • a response signal eg, a signal strength packet
  • the transmitter may transition to identification and configuration step 530 to identify the receiver and collect receiver configuration and status information.
  • the transmitter receives an unexpected packet, a desired packet has not been received for a predefined time, a packet transmission error, or a power transmission contract. If this is not set (no power transfer contract) it may transition to selection step 510.
  • the transmitter may determine whether entry into the negotiation step 540 is necessary based on a negotiation field value of the configuration packet received in the identification and configuration step 530.
  • the transmitter may enter a negotiation step 540 and perform a predetermined FOD detection procedure.
  • the transmitter may directly enter the power transmission step 560.
  • the transmitter may receive a Foreign Object Detection (FOD) status packet including a reference quality factor value.
  • FOD Foreign Object Detection
  • the transmitter may determine a threshold for FO detection based on the reference quality factor value.
  • the transmitter may detect whether the FO exists in the charging region by using the determined threshold for FO detection and the currently measured quality factor value, and control power transmission according to the FO detection result. For example, when the FO is detected, power transmission may be stopped, but is not limited thereto.
  • the transmitter may return to selection step 510.
  • the transmitter may enter the power transmission step 560 via the correction step 550.
  • the transmitter determines the strength of the power received at the receiving end in the correction step 550, and determines the power loss at the receiving end and the transmitting end to determine the strength of the power transmitted by the transmitting end. It can be measured. That is, the transmitter may predict the power loss based on the difference between the transmit power of the transmitter and the receive power of the receiver in the correction step 550.
  • the transmitter may correct the threshold for FOD detection by reflecting the predicted power loss.
  • the transmitter receives an unexpected packet, an outgoing desired packet for a predefined time, or a violation of a predetermined power transmission contract occurs. transfer contract violation), if the filling is complete, transition to selection step 510.
  • the transmitter may transition to renegotiation step 570 if it is necessary to reconfigure the power transmission contract according to a change in the transmitter state. At this time, if the renegotiation is normally completed, the transmitter may return to the power transmission step (560).
  • the power transmission contract may be set based on state and characteristic information of the transmitter and the receiver.
  • the transmitter state information may include information about the maximum amount of power that can be transmitted, information about the maximum number of receivers that can be accommodated, and the receiver state information may include information about required power.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter 600 may largely include a power converter 610, a power transmitter 620, a communication unit 630, a controller 640, and a sensor 650.
  • the configuration of the wireless power transmitter 600 is not necessarily an essential configuration, and may include more or fewer components.
  • the power converter 610 may perform a function of converting the power into AC power having a predetermined intensity.
  • the power converter 610 may include a DC / DC converter 611 and an amplifier 612.
  • the DC / DC converter 611 may perform a function of converting DC power supplied from the power supply unit 650 into DC power of a specific intensity according to a control signal of the controller 640.
  • the sensing unit 650 may measure the voltage / current of the DC-converted power and provide the same to the control unit 640. In addition, the sensing unit 650 may measure the internal temperature of the wireless power transmitter 600 to determine whether overheating occurs, and provide the measurement result to the controller 640. For example, the controller 640 may adaptively block power supply from the power supply unit 650 or block power supply to the amplifier 612 based on the voltage / current value measured by the sensing unit 650. Can be. To this end, one side of the power converter 610 may be further provided with a predetermined power cut-off circuit for cutting off the power supplied from the power supply unit 650, or cut off the power supplied to the amplifier 612.
  • the amplifier 612 may amplify the intensity of the DC / DC converted power to a predetermined intensity according to the control signal of the controller 640.
  • the controller 640 may receive power reception state information or (and) power control signal of the wireless power receiver through the communication unit 630, and may be based on the received power reception state information or (and) power control signal.
  • the amplification factor of the amplifier 612 can be dynamically adjusted.
  • the power reception state information may include, but is not limited to, strength information of the rectifier output voltage and strength information of a current applied to the receiving coil.
  • the power control signal may include a signal for requesting power increase, a signal for requesting power reduction, and the like.
  • the power transmitter 620 may include a multiplexer 621 (or a multiplexer) and a transmission coil 622.
  • the power transmitter 620 may further include a carrier generator (not shown) for generating a specific operating frequency for power transmission.
  • the carrier generator may generate a specific frequency for converting the output DC power of the amplifier 612 received through the multiplexer 621 into AC power having a specific frequency.
  • the AC signal generated by the carrier generator is mixed with the output terminal of the multiplexer 621 to generate AC power.
  • this is only one embodiment, and the other example is before the amplifier 612. It should be noted that at a later stage or later, certain operating frequencies may be mixed to produce an AC power signal.
  • the frequencies of AC power delivered to each transmitting coil in accordance with one embodiment of the present invention may be different from each other.
  • the resonance frequency of each transmission coil may be set differently by using a predetermined frequency controller having a function of differently adjusting the LC resonance characteristics for each transmission coil.
  • the power transmitter 620 includes a multiplexer 621 and a plurality of transmit coils 622—that is, a first to control the output power of the amplifier 612 to be transmitted to the transmit coil. To n-th transmission coils.
  • the controller 640 may transmit power through time division multiplexing for each transmission coil.
  • three wireless power receivers i.e., the first to third wireless power receivers, are each identified through three different transmitting coils, i.e., the first to third transmitting coils.
  • the controller 640 may control the multiplexer 621 to control power to be transmitted to a specific transmission coil in a specific time slot.
  • the amount of power transmitted to the corresponding wireless power receiver may be controlled according to the length of the time slot allocated to each transmitting coil, but this is only one embodiment.
  • By controlling the amplification factor of the amplifier 612 of the wireless power receiver may be controlled to transmit power.
  • the controller 640 may control the multiplexer multiplexer 621 to sequentially transmit the sensing signals through the first to nth transmitting coils 622 during the first sensing signal transmission procedure. At this time, the control unit 640 may identify the time when the detection signal is transmitted using the timer 655. When the transmission signal transmission time arrives, the control unit 640 controls the multiplexer 621 to detect the detection signal through the corresponding transmission coil. Can be controlled to be sent. For example, the timer 650 may transmit a specific event signal to the controller 640 at a predetermined period during the ping transmission step. When the corresponding event signal is detected, the controller 640 controls the multiplexer 621 to transmit the specific event signal. The digital ping can be sent through the coil.
  • control unit 640 stores a predetermined transmission coil identifier and a corresponding transmission coil for identifying which transmission coil has received a signal strength indicator from the demodulator 632 during the first detection signal transmission procedure. Signal strength indicator received through the can be received. Subsequently, in the second detection signal transmission procedure, the control unit 640 controls the multiplexer 621 so that the detection signal may be transmitted only through the transmission coil (s) in which the signal strength indicator was received during the first detection signal transmission procedure. You may. As another example, the controller 640 transmits the second sensed signal to the transmit coil in which the signal strength indicator having the largest value is received when there are a plurality of transmit coils in which the signal intensity indicator is received during the first sensed signal transmit procedure. In the procedure, the sensing signal may be determined as the transmitting coil to be transmitted first, and the multiplexer 621 may be controlled according to the determination result.
  • the communication unit 630 may include at least one of a modulator 631 and a demodulator 632.
  • the modulator 631 may modulate the control signal generated by the controller 640 and transmit the modulated control signal to the multiplexer 621.
  • the modulation scheme for modulating the control signal is a frequency shift keying (FSK) modulation scheme, a Manchester coding modulation scheme, a PSK (Phase Shift Keying) modulation scheme, a pulse width modulation scheme, a differential 2 Differential bi-phase modulation schemes may be included, but is not limited thereto.
  • the demodulator 632 may demodulate the detected signal and transmit the demodulated signal to the controller 640.
  • the demodulated signal may include a signal strength indicator, an error correction (EC) indicator for controlling power during wireless power transmission, an end of charge (EOC) indicator, an overvoltage / overcurrent / overheat indicator, and the like.
  • EC error correction
  • EOC end of charge
  • the present invention is not limited thereto, and may include various state information for identifying a state of the wireless power receiver.
  • the demodulator 632 may identify from which transmission coil the demodulated signal is received, and may provide the control unit 640 with a predetermined transmission coil identifier corresponding to the identified transmission coil.
  • the demodulator 632 may demodulate a signal received through the transmission coil 623 and transmit the demodulated signal to the controller 640.
  • the demodulated signal may include a signal strength indicator, but is not limited thereto.
  • the demodulated signal may include various state information of the wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter 600 may obtain the signal strength indicator through in-band communication that communicates with the wireless power receiver using the same frequency used for wireless power transmission.
  • the wireless power transmitter 600 may not only transmit wireless power using the transmission coil 622 but also exchange various information with the wireless power receiver through the transmission coil 622.
  • the wireless power transmitter 600 further includes a separate coil corresponding to each of the transmission coils 622 (that is, the first to nth transmission coils), and wireless power using the separate coils provided. Note that in-band communication with the receiver may also be performed.
  • the wireless power transmitter 600 and the wireless power receiver perform in-band communication by way of example.
  • this is only one embodiment, and is a frequency band used for wireless power signal transmission.
  • Short-range bidirectional communication may be performed through a frequency band different from that of FIG.
  • the short-range bidirectional communication may be any one of low power Bluetooth communication, RFID communication, UWB communication, and Zigbee communication.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating a structure of a wireless power receiver interworking with the wireless power transmitter according to FIG. 6.
  • the wireless power receiver 700 includes a receiving coil 710, a rectifier 720, a DC / DC converter 730, a load 740, a sensing unit 750, and a communication unit ( 760), and may include a main controller 770.
  • the communication unit 760 may include at least one of a demodulator 761 and a modulator 762.
  • the wireless power receiver 700 illustrated in the example of FIG. 7 is illustrated as being capable of exchanging information with the wireless power transmitter 600 through in-band communication, this is only one embodiment.
  • the communication unit 760 may provide short-range bidirectional communication through a frequency band different from the frequency band used for wireless power signal transmission.
  • AC power received through the receiving coil 710 may be transferred to the rectifier 720.
  • the rectifier 720 may convert AC power into DC power and transmit the DC power to the DC / DC converter 730.
  • the DC / DC converter 730 may convert the strength of the rectifier output DC power into a specific intensity required by the load 740 and then transfer it to the load 740.
  • the sensing unit 750 may measure the intensity of the rectifier 720 output DC power and provide the same to the main controller 770. In addition, the sensing unit 750 may measure the strength of the current applied to the receiving coil 710 according to the wireless power reception, and may transmit the measurement result to the main controller 770. In addition, the sensing unit 750 may measure the internal temperature of the wireless power receiver 700 and provide the measured temperature value to the main controller 770.
  • the main controller 770 may determine whether the overvoltage is generated by comparing the measured intensity of the rectifier output DC power with a predetermined reference value. As a result of the determination, when the overvoltage is generated, a predetermined packet indicating that the overvoltage has occurred may be generated and transmitted to the modulator 762.
  • the signal modulated by the modulator 762 may be transmitted to the wireless power transmitter 600 through the receiving coil 710 or a separate coil (not shown).
  • the main controller 770 may determine that a sensing signal has been received. When the sensing signal is received, a signal strength indicator corresponding to the sensing signal may be modulated.
  • the demodulator 761 demodulates an AC power signal or a rectifier 720 output DC power signal between the receiving coil 710 and the rectifier 720 to identify whether a detection signal is received, and then, the main subject of the identification result. It may be provided to the unit 770. In this case, the main controller 770 may control the signal strength indicator corresponding to the sensing signal to be transmitted through the modulator 762.
  • FIG. 8 is a diagram for describing a method of modulating and demodulating a wireless power signal according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter 10 and the wireless power receiver 20 may encode or decode a transmission target packet based on an internal clock signal having the same period.
  • the wireless power signal when the wireless power transmitter 10 or the wireless power receiver 20 does not transmit a specific packet, the wireless power signal is modulated with a specific frequency, as shown by reference numeral 41 of FIG. 1. AC signal may not be.
  • the wireless power transmitter 10 or the wireless power receiver 20 transmits a specific packet the wireless power signal may be an AC signal modulated by a specific modulation scheme as shown in FIG.
  • the modulation scheme may include, but is not limited to, an amplitude modulation scheme, a frequency modulation scheme, a frequency and amplitude modulation scheme, a phase modulation scheme, and the like.
  • Differential bi-phase encoding may be applied to binary data of a packet generated by the wireless power transmitter 10 or the wireless power receiver 20 as shown in FIG.
  • differential two-stage encoding allows two state transitions to encode data bit 1 and one state transition to encode data bit zero. That is, data bit 1 is encoded such that a transition between a HI state and a LO state occurs at a rising edge and a falling edge of the clock signal, and data bit 0 is HI at the rising edge of the clock signal.
  • the transition between state and LO state may be encoded to occur.
  • the encoded binary data may be applied with a byte encoding scheme, as shown at 830.
  • the byte encoding scheme includes a start bit and a stop bit for identifying a start and type of a corresponding bit stream for an 8-bit encoded binary bit stream.
  • the method may be a method of inserting a parity bit for detecting whether an error of a corresponding bit stream (byte) occurs.
  • FIG. 9 is a diagram for describing a packet format according to an embodiment of the present invention.
  • a packet format 900 used for information exchange between the wireless power transmitter 10 and the wireless power receiver 20 may be used to acquire synchronization for demodulation of the packet and identify the correct start bit of the packet.
  • the packet receiver may identify the size of the message 930 included in the packet based on the header 920 value.
  • the header 920 may be defined in each step of the wireless power transfer procedure, and in some, the same value may be defined in different steps of the header 920.
  • the header values corresponding to the end power transfer of the ping step and the end of the power transfer of the power transfer step may be equal to 0x02.
  • the message 930 includes data to be transmitted at the transmitting end of the packet.
  • the data included in the message 930 field may be a report, a request, or a response to the counterpart, but is not limited thereto.
  • the packet 900 may further include at least one of a transmitter identification information for identifying a transmitter that transmitted the packet and a receiver identification information for identifying a receiver for receiving the packet.
  • the transmitter identification information and the receiver identification information may include IP address information, MAC address information, product identification information, and the like, but are not limited thereto and may be information capable of distinguishing a receiver and a transmitter from a wireless charging system.
  • the packet 900 may further include predetermined group identification information for identifying the corresponding reception group when the packet is to be received by a plurality of devices.
  • FIG. 10 is a diagram for describing types of packets transmitted from a wireless power receiver to a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • a packet transmitted from a wireless power receiver to a wireless power transmitter includes a signal strength packet for transmitting strength information of a detected ping signal, and a type of power transmission for requesting the transmitter to stop power transmission.
  • End Power Transfer a power control hold-off packet for transmitting time information waiting to adjust the actual power after receiving a control error packet for control control
  • a configuration for transmitting the configuration information of the receiver Packet, identification packet and extended identification packet for transmitting receiver identification information general request packet for sending general request message, special request packet for sending special request message, reference quality factor value for FO detection FOD status packet, control error packet for controlling the transmitter power of the transmitter, renegotiation packet for initiation of renegotiation,
  • a 24-bit received power packet and 8-bit received power packet for transmitting strength information of the received power, and a charging state packet for transmitting charge state information of a current load may be included.
  • Packets transmitted from the wireless power receiver to the wireless power transmitter may be transmitted using in-band communication using the same frequency band as the frequency band used for wireless power transmission.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a wireless power control apparatus for wireless charging according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power control device may be mounted to the wireless power transmitter.
  • the wireless power control device 1100 includes a power supply 1101, a DC-DC converter 1110, a driver 1120, a resonant circuit 1130, a sensing unit 1140, and a control unit. It may be configured to include a communication unit 1150.
  • the power supply 1101 may receive DC power through an external power supply terminal and transmit the DC power to the DC-DC converter 1110.
  • the DC-DC converter 1110 may convert the intensity of the DC power received from the power supply 1101 into the DC power of a specific intensity.
  • the DC-DC converter 1110 may be configured as a variable voltage controller capable of adjusting the strength of the voltage, and may adjust the strength of the output DC power according to a predetermined control signal of the control communication unit 1150, but is not limited thereto. .
  • the driver 1120 converts the output DC power of the DC-DC converter 1110 into AC power to provide the resonance circuit 1130.
  • the driver 1120 may include a switch 1121, first to second inverters 1122 and 1123, and an AC signal controller 1124.
  • the control communication unit 1150 may control the output DC power of the DC-DC converter 1110 to be applied to the first inverter 1122 or the second inverter 1123 through the control of the switch 1121.
  • control communication unit 1150 may determine the strength of the transmission power, determine the inverter type to be used for generating the AC signal based on the determined transmission power strength, and control the switch 1121 according to the determined inverter type.
  • the strength of the transmission power may be determined based on a feedback signal received from the wireless power transmission apparatus.
  • the feedback signal may include a control error packet defined in the WPC standard.
  • the first inverter 1122 may be a half bridge type inverter, and the second inverter 1223 may be a full bridge type inverter, but is not limited thereto.
  • the control communication unit 1150 may output an output DC of the DC-DC converter 1110 when the intensity of the transmission power determined based on the feedback signal exceeds a predetermined threshold when the first inverter 1122 of the half bridge type is activated.
  • the switch 1121 may be controlled to transmit power to the second inverter 1122 of the full bridge type. In this case, the DC power output from the DC-DC converter 1110 may be controlled so as not to be applied to the first inverter 1122.
  • the control communication unit 1150 may determine whether the power control scheme needs to be changed according to the intensity of the transmission power determined in the state in which one of the first to second inverters 1122 and 1123 is activated. As a result of the determination, when the power control scheme needs to be changed, the control communication unit 1150 may control the AC signal controller 1124 to dynamically change the power control scheme.
  • the power control method may include a duty cycle control method, a driving frequency control method, a phase shift control method, and the like, but is not limited thereto.
  • the control communication unit 1150 selects one of a duty cycle control method and a driving frequency control method according to the determined output power intensity to perform power control. can do.
  • the control communication unit 1150 selects one of a phase shift control method and a driving frequency control method according to the determined power output power to perform power control. Can be.
  • the control communication unit 1150 selects one of a phase shift control method and a driving frequency control method according to the determined power output power to control power. Can be done.
  • the control communication unit 1150 may select one of a duty cycle control method and a driving frequency control method according to the determined power intensity to perform power control. It may be.
  • the control communication unit 1150 may control the AC signal controller 1124 such that the driving frequency is not changed when the power control is being performed through the duty cycle control method or the phase shift control method.
  • the control communication unit 1150 controls the driving frequency in the duty cycle control method.
  • the AC signal controller 1124 may be controlled to be changed in a manner.
  • the control communication unit 1150 is a full bridge when the driving frequency corresponding to the determined transmission power exceeds a predetermined driving frequency upper limit during power control in the driving frequency control scheme while the first half-bridge type inverter 1122 is activated.
  • the AC inverter controller 1124 may be controlled to activate the second inverter 1123 of the type and to deactivate the first inverter 1122 of the half bridge type.
  • the duty cycle control method is a wireless power control method that adjusts an average output power for a unit time by controlling a duty rate of an AC power signal in a state in which a driving frequency is fixed.
  • the duty rate may have an adjustment range of 10 to 50%, but is not limited thereto.
  • the driving frequency control method is a wireless power control method of adjusting the operating frequency to adjust the strength of the power transmitted through the resonant circuit 1130.
  • the resonant circuit 1130 according to the matching degree of the operating frequency generated by the AC signal controller 1124 and the resonant frequency determined by the capacitance of the capacitor constituting the resonant circuit 1130 and the inductance of the inductor.
  • the intensity of the power sent through can be adjusted. For example, when the resonance frequency determined by the resonance circuit 1130 and the operating frequency generated by the AC signal controller 1124 match, the maximum power may be transmitted.
  • the adjustment range of the operating frequency is from 110KHz to 205KHz, and 110KHz may be a resonance frequency at which the intensity of the transmission power is maximum.
  • the phase shift control method is a wireless power control method of controlling the intensity of the output power by adjusting the phase of an AC signal having a specific operating frequency.
  • the phase adjustment range may be a value between 0 degrees and 133 degrees.
  • the resonant circuit 1130 may be configured to include at least one capacitor and at least one inductor configured to have a specific resonance frequency and have a specific impedance value.
  • the resonant circuit 1130 may be configured to have the same impedance value for each transmitting coil regardless of the arrangement of the transmitting coils.
  • the control communication unit 1150 may demodulate the in-band signal received from the wireless power receiver. For example, the control communication unit 1150 may demodulate a control error packet received at a predetermined period after entering the power transmission step 440 or 560, and determine the strength of transmission power based on the demodulated control error packet.
  • the control communication unit 1150 may modulate a packet to be transmitted to the wireless power receiver and transmit the modulated packet to the resonant circuit 1130. For example, when the FOD status packet is received in the negotiation step 540, the control communication unit 1150 generates a predetermined response packet indicating whether to perform the FO detection procedure based on the quality factor value, modulates the predetermined response packet, and then resonates the circuit 1130. ) Can be sent.
  • the response packet is an ACK packet
  • this may mean that the wireless power transmitter performs a foreign material detection procedure based on the quality factor value.
  • the response packet is a NACK packet
  • the foreign material detection procedure based on the quality factor value is not performed.
  • the wireless power transmitter may identify whether it is possible to detect foreign substances based on the quality factor value based on the software version and the hardware version.
  • the sensing unit 1140 may measure voltage, current, power, temperature, and the like at a specific node, a specific component, and a specific position of the wireless power transmitter. For example, the sensing unit 1140 may measure the strength of the current / voltage / power between the DC-DC converter 1110 and the driver 1120, and transmit the measurement result to the control communication unit 1150. As another example, the sensing unit 1140 may measure the strength of the current flowing through the inductor of the resonant circuit 1130 and the voltage of the voltage applied to the capacitor, and may transmit the measurement result to the control communication unit 1140.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating a detailed structure of the AC signal controller 1122 of FIG. 11.
  • the AC signal controller 1122 may include a phase shift unit 1210, an operating frequency generation unit 1220, a duty cycle control unit 1230, It may be configured to include a gate driver 1240 and a controller 1150.
  • the controller 1150 may perform communication with the control communication unit 1150 and control the lower module according to the control signal of the control communication unit 1150.
  • the lower module may include a phase shift unit 1210, an operating frequency generation unit 1220, a duty cycle control unit 1230, and a gate driver 1240. ).
  • the phase shifter 1210 may adjust the phase of the AC signal generated by the operating frequency generator 1220.
  • the AC signal whose phase is adjusted may be transmitted to the gate driver 1240.
  • the phase adjustment range may be a value between 0 degrees and 133 degrees.
  • the operating frequency generator 1220 may generate an AC signal having a specific operating frequency according to the control signal of the controller 1250.
  • the generated AC signal may be transmitted to any one of a phase shift unit 1210, a duty cycle controller 1230, and a gate driver 1240.
  • the operating frequency range adjustable by the operating frequency generator 1220 may range from 110 KHz to 205 KHz, and 110 KHz may be a resonance frequency at which the intensity of the transmission power is maximized.
  • the operating frequency control range of the operating frequency control method is a value between 172KHZ and 205KHz
  • the operating frequency control range of the operating frequency control method May be a value between 110 KHz and 172 KHz, but is not limited thereto.
  • the duty cycle controller 1230 may adjust the duty rate of the AC signal generated by the operating frequency generator 1220.
  • the AC signal whose duty rate is adjusted may be transmitted to the gate driver 1240.
  • the adjustment range of the duty rate may be 10 to 50%, but is not limited thereto.
  • the gate driver 1240 may control a switch provided in the first inverter 1122 or the second inverter 1123 based on the input AC signal.
  • the AC signal input to the gate driver 1240 may be at least one pulse width modulated signal, but is not limited thereto.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a basic operation principle of an inverter for converting a DC signal into an AC signal according to an embodiment of the present invention.
  • the driving unit 1120 of FIG. 11 may include a half bridge type inverter and a full bridge type inverter.
  • the half-bridge inverter includes two switches S1 and S2, and the output voltage Vo may be changed according to the switch ON / OFF control of the gate driver.
  • the output voltage Vo has a value of + Vdc which is an input voltage.
  • the S1 switch is opened and the S2 switch is shorted, the output voltage Vo has a value of zero.
  • the half-bridge inverter 13a may output an AC waveform having a corresponding period when the S1 switch and the S2 switch cross-short the predetermined period.
  • the full bridge inverter may include four switches S1, S2, S3, and S4, and output voltage Vo according to the switch ON / OFF control of the gate driver.
  • the level may have a value of + Vdc or -Vdc or 0, as shown in the table included in reference number 13b.
  • the output voltage Vo level has a value of + Vdc.
  • the S3 switch and the S4 switch are short-circuited and the remaining switches are open, the output voltage Vo level has a value of -Vdc.
  • FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of a wireless power transmission apparatus equipped with a half bridge type inverter according to an embodiment of the present invention.
  • the half-bridge type inverter is used in combination with the first inverter.
  • the first inverter 1420 may include a first switch 1421 and a second switch 1422.
  • the first inverter 1420 is connected to the resonant circuit 1430 including the capacitor 1431 and the inductor 1432.
  • the DC power supplied from the power source 1410 may be converted into an AC signal through the switch control of the first inverter 1420 and transferred to the resonance circuit 1430.
  • the wireless power transmission apparatus including the resonant circuit 1430 including one capacitor 1431 and one inductor 1432 has been described as an example. However, this is only one embodiment. It should be noted that the number of capacitors and inductors constituting the resonant circuit 1430 and their circuit configurations may differ depending on the design purpose of those skilled in the art.
  • 15 is an equivalent circuit diagram of a wireless power transmission apparatus equipped with a full bridge inverter according to an embodiment of the present invention.
  • a full bridge type inverter is used in combination with a second inverter.
  • the second inverter 1520 may include first to fourth switches 1521, 1522, 1523, and 1524.
  • the second inverter 1520 is connected to the resonant circuit 1530 including the capacitor 1531 and the inductor 1532.
  • the DC power supplied from the power source 1510 may be converted into an AC signal through the switch control of the second inverter 1520 and transferred to the resonance circuit 1530.
  • the wireless power transmission apparatus including the resonant circuit 1530 including one capacitor 1531 and one inductor 1532 has been described as an example. However, this is only an embodiment. It should be noted that the number of capacitors and inductors constituting the resonant circuit 1530 and their circuit configurations may be different depending on the design purpose of those skilled in the art.
  • 16 is a flowchart illustrating a wireless power control method for wireless charging according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for transmitting power wirelessly determines an inverter type for generating an alternating current signal based on an initial output power intensity determined based on a category of the wireless power receiver and / or required power information received through a feedback channel.
  • the corresponding inverter may be activated.
  • the feedback channel may be an in-band communication channel using the same frequency band as the frequency band used for the wireless power transmission, but is not limited thereto.
  • the short range radio using a frequency band different from the frequency band used for the wireless power transmission. It may also be a communication channel.
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the strength of the output power based on the received feedback signal (S1602).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine whether the determined intensity of transmission power can be supported by the currently activated inverter type (S1603).
  • the wireless power transmitter may newly determine an inverter type and a power control scheme corresponding to the determined intensity of the transmitted power (S1604).
  • the wireless power transmitter may generate an AC signal by using the newly determined inverter type, and control the intensity of the output power according to the newly determined power control scheme and the feedback signal.
  • the wireless power transmission apparatus may determine whether a change of the power control scheme is necessary (1605).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine whether the power control scheme needs to be changed by checking whether the intensity of the transmission power determined in step 1602 is an adjustable intensity through the currently activated power control scheme.
  • the wireless power transmitter may newly determine a power control scheme corresponding to the determined intensity of the transmitted power, and perform power control by changing the currently activated power control scheme to the newly determined power control scheme.
  • a power control scheme corresponding to the determined intensity of the transmitted power
  • the wireless power transmitter may return to step 1602.
  • 17 is a flowchart illustrating a wireless power control method for wireless charging according to another embodiment of the present invention.
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the strength of transmission power based on the first received feedback signal after entering the power transmission step (S1701).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine an inverter type corresponding to the determined intensity of transmitted power (S1702).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine a power control scheme that supports the intensity of the output power determined among the power control schemes selectable according to the determined inverter type (S1703).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the strength of the output power based on the periodically received feedback signal (S1704).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine whether the intensity of the output power determined in step 1704 is within a predefined power adjustment range in correspondence with the determined power control scheme (S1705).
  • the wireless power transmitter may re-determine the inverter type and / or the power control scheme corresponding to the intensity of the output power determined in step 1704 (S1706).
  • the wireless power transmitter maintains the currently active inverter type and power control scheme, and may perform step 1704.
  • FIG. 18 is a diagram for describing a method of switching an inverter type and a power control method according to a change in power output power according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the intensity of the output power and determine the inverter type and the power control scheme based on the determined intensity of the output power.
  • the wireless power transmitter may determine the inverter type as the half bridge, and determine the power control scheme as the duty cycle control scheme. have.
  • the inverter type When the intensity of the output power determined by the feedback signal received at the second time point is B, the inverter type is maintained as a half bridge, and the power control scheme may be switched from the duty cycle control scheme to the operating frequency control scheme.
  • the wireless power transmitter switches the inverter type from half bridge to full bridge.
  • the power control method may be determined as a phase shift control method.
  • the wireless power transmitter When the intensity of the output power determined by the feedback signal at the fourth time point is D, the wireless power transmitter maintains the inverter type as a full bridge, and the power control scheme may switch from the phase shift control scheme to the operating frequency control scheme. .
  • 19 is a flowchart illustrating a method of controlling wireless power in a state in which a half bridge is activated according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the strength of transmission power based on a feedback signal received in a state in which the half bridge is activated (S1901 to S1902).
  • the feedback signal may be a control error packet defined in the WPC standard, and may be periodically received in the power transmission step.
  • the wireless power transmission apparatus may check whether the currently activated power control scheme is a duty cycle control scheme (S1903).
  • the wireless power transmitter may determine whether a duty rate corresponding to the determined intensity of the output power is smaller than a predetermined duty rate adjustment lower limit (S1904).
  • the duty rate adjustment range may be a value between 10% and 50%.
  • the wireless power transmission apparatus controls the operating frequency in the duty cycle control scheme. It can be switched in the manner (S1905).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the strength of transmission power based on a feedback signal received while the operating frequency control scheme is activated (S1906).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine whether an operating frequency corresponding to the intensity of the transmission power determined in operation 1906 is smaller than a predetermined lower limit for operating frequency adjustment (S1907).
  • the wireless power transmitter may switch the inverter type to the full bridge type (S1908).
  • the wireless power transmitter determines whether the operating frequency corresponding to the determined power output power is greater than the predetermined operating frequency upper limit. It may be determined (S1909).
  • the wireless power transmitter may switch the power control method from the operating frequency control method to the phase shift control method (S1910).
  • the wireless power transmitter may enter the operation 1906 and may perform power control through an operating frequency control scheme.
  • the wireless power transmitter may perform step S1907.
  • 20 is a flowchart illustrating a method of controlling wireless power in a state in which a full bridge is activated according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the strength of transmission power based on a feedback signal periodically received in a state where the full bridge is activated (S2001 to S2002).
  • the wireless power transmission apparatus may check whether the currently activated power control scheme is a phase shift control scheme (S2003).
  • the wireless power transmitter may determine whether a phase shift corresponding to the determined intensity of the transmitted power is out of a predetermined phase shift control range (S2004).
  • the phase adjustment range may be between 0 degrees and 133 degrees, and when the phase shift to be adjusted in response to the determined power intensity is less than 0 degrees or exceeds 133 degrees, the wireless power transmitter adjusts the phase shift. It can be judged that it is out of range.
  • the wireless power transmitter may convert the power control scheme from the phase shift scheme to the operating frequency control scheme (S2005).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine the strength of transmission power based on a feedback signal received while the operating frequency control scheme is activated (S2006).
  • the apparatus for transmitting power wirelessly may determine whether an operating frequency corresponding to the intensity of transmission power determined in step 2006 is smaller than a predetermined lower limit of operating frequency adjustment (S2007).
  • the wireless power transmitter may output a predetermined warning alarm signal indicating that the maximum transmission power has been reached (S2008).
  • the warning alarm signal may be output using an alarm and / or a display means such as a lamp, a buzzer, a vibration, a liquid crystal display, but is not limited thereto.
  • the wireless power transmitter determines whether the operating frequency corresponding to the determined power intensity is greater than the predetermined operating frequency upper limit. It can be determined (S2009).
  • the process may return to the above 2006 step.
  • the wireless power transmitter may switch the power control method from the operating frequency control method to the phase shift control method. (S2010).
  • the wireless power transmitter may perform step 2007.
  • 21 is a diagram illustrating a wireless charging transmission coil according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless charging transmission coil may be configured with three transmission coils. In order to perform uniform power transmission in a charging region of a constant size, at least one of the plurality of transmission coils may be disposed to overlap each other.
  • the first coil 2110 and the second coil 2120 are disposed in the first layer side by side at a predetermined interval on the shielding material 2140, and the third coil 2130 is disposed on the first coil and the second coil. Some overlap may be placed on the second layer.
  • the first coil 2110, the second coil 2120 and the third coil 2130 may be manufactured according to the specifications of the coils defined in the WPC or PMA, and the same within the extent to which the respective physical characteristics are acceptable. can do.
  • the transmitting coil may have a specification as shown in Table 1 below.
  • Table 1 is a specification for the A13 type transmission coil defined in the WPC, and in one embodiment, the first coil 2110, the second coil 2120, and the third coil 2130 have an outer length defined in Table 1, It can be made with inner length, outer width, inner width, thickness and number of turns. Of course, the first coil 2110, the second coil 2120, and the third coil 2130 may have the same physical characteristics within an error range by the same manufacturing process.
  • each of the first coil 2110, the second coil 2120, and the third coil 2130 may have a different inductance value according to a position disposed in a relationship with the shielding material 2140. have.
  • the first coil 2110 and the second coil 2120 satisfy the specifications of Table 1 and have an inductance of 12.5 uH
  • the third coil 2130 has a separation distance from the shielding material 2140.
  • it may have an inductance smaller than 12.5 uH.
  • first coil 2110 and the second coil 2120 may be disposed in contact with the shielding material 2140, but the third coil 2130 may be spaced apart from the shielding material 2140 by a predetermined height.
  • an adhesive member may be disposed between the first coil 2110, the second coil 2120, or the third coil 2130 and the shielding material 2140.
  • the third coil 2130 may have the same inductance as the first coil 2110 and the second coil 2120. It may be configured to have more turns (eg, 0.5 or one or two times) than the number of turns.
  • the third coil 2130 may have a number of turns of 12.5 or 13 or 14 times.
  • the measured inductance is measured in the first coil ( 2110 and the second coil 2120.
  • the length of the conducting wire constituting the third coil 2130 may be slightly longer than that of the first coil 2110 and the second coil 2120 so that the inductance can be equally adjusted. have.
  • the length of the conductive wire constituting the third coil 2130 is longer than the first coil 2110 and the second coil 2120 by a predetermined length, so that the third coil 2130 is the first coil 2130.
  • the inductance of the three coils may be equal to 12.5 uH, despite being located farther from the shield 2140 than the second coil 2120.
  • the same inductance of the coil may mean that the coil has an error range within ⁇ 0.5 uH.
  • the inductance measured corresponding to the transmission coil becomes smaller as the distance from the shielding material 2140 increases. Accordingly, inductances corresponding to the third coil 2130 having a relatively far distance from the shielding material 2140 compared to the first coil 2110 and the second coil 2120 may be applied to the first coil 2110 and the second coil 2120. In order to maintain the same inductance corresponding to), the length of the conductor of the third coil 2130 may be longer than that of the first coil 2110 and the second coil 2120.
  • the inner length, the inner width, and the thickness are the same, but the outer length and the outer are the same.
  • the width can be different.
  • the outer length, outer width, inner width, and thickness are the same while the inner side is the same.
  • the length can be different.
  • the outer length, outer width, inner length, and thickness are the same while the inner The width can be different.
  • the outer width, the inner length, the inner width, and the thickness are the same and the outer one is the same.
  • the length can be different.
  • the outer length, the inner length, the inner width, and the thickness are the same, but the outer side is the same.
  • the width can be different.
  • the centrally located third coil 2130 is located farther from the shield than the first coil 2110 and the second coil 2120 so that the measured inductance is measured in the first coil 2110 and the second coil 2120.
  • the length of the conductive wire constituting the third coil 2130 may be slightly longer than that of the first coil 2110 and the second coil 2120 to adjust the inductance in the same manner.
  • the overlapping transmission coils may have a smaller inductance measured as the distance from the shield is farther away, and the length of the transmission coil may be longer to increase the inductance as the distance from the shield is farther away.
  • the resonant circuit including a different capacitor according to each inductance and the resonant frequency generated in the resonant circuit
  • Each drive circuit may be required to control this.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating three drive circuits including a full-bridge inverter in a wireless power transmitter including a plurality of coils according to an embodiment of the present invention.
  • a capacitor for generating the same resonance frequency as the three drive circuits 2210 connected to each transmission coil is included.
  • Three LC resonant circuits 2220 are required.
  • the wireless power transmitter includes a plurality of transmitting coils
  • the resonant frequency generated by the wireless power transmitter to perform power transmission cannot be different for each of the transmitting coils, and should be in accordance with the standard resonant frequency supported by the wireless power transmitter.
  • the resonant frequency generated by the LC resonant circuit 2220 may vary according to the inductance of the coil and the capacitance of the capacitor.
  • the resonant frequency (fr, resonant frequency) may be 100Khz, and the capacitance of the capacitor connected to the transmitting coil to generate the resonant frequency is 200nF, three transmitting coils to use only one capacitor All must satisfy 12.5uH. If the inductances of the three transmitting coils are different, three capacitors having different capacitances are required to generate a resonance frequency of 100 kHz. In addition, three drive circuits 2210 including an inverter for applying an AC voltage in each LC resonant circuit 2220 are also required.
  • FIG. 23 illustrates a wireless power transmitter including a plurality of coils and a single drive circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter may include only one drive circuit 2310, and the receiving coil and power transmission among one drive circuit 2310 and three transmitting coils.
  • the switch 2330 may be controlled to connect the transmission coil having the highest efficiency.
  • the wireless power transmitter can reduce the area occupied by components by using only one drive circuit 2310, thereby miniaturizing the wireless power transmitter itself, and reducing raw material costs required for manufacturing. .
  • the wireless power transmitter may use the signal strength indicator in the ping phase to calculate the power transfer efficiency between the three transmitting coils and the receiving coil.
  • the wireless power transmitter may select a transmission coil having a high coupling coefficient by calculating a coupling coefficient between the transmission and reception coils.
  • the wireless power transmitter may control the switch 2330 to calculate a factor (Q factor) to identify a transmission coil having a high factor and to connect the drive circuit 2310.
  • Q factor a factor
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a drive circuit including a full-bridge inverter according to an embodiment of the present invention.
  • a power transmitter included in a wireless power transmitter may generate a specific operating frequency for power transmission.
  • the power transmitter may include an inverter 2410, an input power supply 2420, and an LC resonant circuit 2430.
  • the inverter 2410 may convert a voltage signal from an input power source and transmit the converted voltage signal to the LC resonant circuit 2430.
  • the inverter 2410 may be a full-bridge inverter or may be a half-bridge inverter.
  • the power transmitter may use a full bridge inverter for higher output than the output by the half bridge inverter.
  • the full bridge inverter may be applied to the LC resonant circuit 2430 by outputting a voltage twice as high as the half bridge inverter using four switches in the form of adding two more switches to the half bridge inverter.
  • FIG. 25 is a view for explaining the structure of a wireless power transmission apparatus including the wireless charging transmission coil of FIG. 21 according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless power transmitter includes a drive circuit 2510 for converting an input voltage, a switch 2520 for connecting the drive circuit 2510 and an LC resonant circuit, a plurality of transmission coils 2530, and a plurality of transmissions.
  • One capacitor 2540 connected in series with the coil and a controller 2550 for controlling the opening and closing of the switch 2520 may be included.
  • the controller 2550 may identify a receiving coil and a transmitting coil having the highest power transmission efficiency among the plurality of transmitting coils 2530 and perform a control of closing the switch to connect the identified transmitting coil with the drive circuit 2510. .
  • the wireless power transmission apparatus may include only one drive circuit 2510, and the one of the one drive circuit 2510 and three transmitting coils may be connected with the receiving coil.
  • the switch 2520 may be controlled to connect a transmission coil having the highest power transmission efficiency or coupling coefficient.
  • the wireless power transmitter according to the present invention may include only one drive circuit 2510. Therefore, the present invention can minimize the area occupied by the component, thereby minimizing the wireless power transmitter itself and expecting the effect of reducing the cost.
  • the wireless charging transmission coil according to an embodiment is designed to minimize heat generation in the 15W wireless charging device, the capacitance of the capacitor 2540 of FIG. 25 may have a range of 200 nF ⁇ 5%.
  • the inductance of the three transmission coils 2530 shown in FIG. 25, that is, its induction coefficient with the shielding material, may have the same range of 12.5 uH ⁇ 10%.
  • the difference in the self induction coefficient between the three transmission coils 2530 may be designed to have a range of 1 uH ⁇ 20%.
  • the AC voltage applied to the inverter constituting the drive circuit 2510 has a range of 12 ⁇ 1V
  • the operating frequency of the inverter may have a range of 110 ⁇ 205kHz.
  • the inverter may be a full bridge inverter.
  • the methods according to the embodiments described above may be stored in a computer-readable recording medium that is produced as a program for execution in a computer, and examples of the computer-readable recording medium may include ROM, RAM, CD-ROM, and magnetic tape. , Floppy disks, optical data storage devices, and the like, and also include those implemented in the form of carrier waves (eg, transmission over the Internet).
  • the computer readable recording medium can be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
  • functional programs, codes, and code segments for implementing the above-described method may be easily inferred by programmers in the art to which the embodiments belong.
  • the control method of the wireless power transmitter according to the embodiment may be used in a wireless power transmitter including a plurality of transmission coils.

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Abstract

본 발명은 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 무선 전력 제어 방법은 무선 전력 수신기로부터 전력 제어를 요청하는 제1 피드백 신호를 수신하는 단계와 상기 제1 피드백 신호에 기반하여 제1 송출 전력의 세기를 결정하는 단계와 상기 결정된 제1 송출 전력의 세기에 대응되는 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 결정하는 단계와 상기 결정된 인버터 타입에 상응하는 인버터를 활성화시키는 단계와 상기 결정된 전력 제어 방식을 이용하여 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치에 관한 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.
다양한 기기에 무선 충전 기능이 탑재되고, 무선 전력 수신 장치에 의해 요구되는 전력의 세기가 증가됨에 따라, 구동 회로 및 송신 코일에서의 발열 현상이 발생되어 기기가 손상될 수 있다.
발열 현상을 방지하기 위해 각종 방열 구조-예를 들면, 방열 팬, 방열 소재 등을 포함함-가 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치에 장착되고 있으나, 방열 효과가 기대에 미치지 못할 뿐만 아니라 원가 및 기구적인 제한으로 한계가 있는 실정이다.
특히, 발생된 열을 빨리 방열하는 것도 중요하지만, 무엇보다 제어 회로 기판 및 코일에 발생되는 열을 최소화시키는 것이 중요하다.
한편, 무선 전력 송신기는 복수의 송신 코일을 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기는 단일 송신 코일을 포함할 때 보다 복수의 송신 코일을 사용함으로써 충전 영역을 확장할 수 있다.
무선 전력 송신기가 포함하는 복수의 송신 코일 각각은 물리적 특성이 동일하도록 제작될 수 있다. 다만, 송신 코일의 배치에 따라 코일 상호간에 중첩되는 영역이 발생할 수 있고, 송신 코일에서 발생하는 자기장에 영향을 주는 차폐재와의 이격 거리에 따라 인덕턴스(inductance)가 달라질 수 있다.
따라서, 제어 회로 기판 및 코일에 발생되는 열을 최소화하면서 서로 인덕턴스가 상이한 복수의 송신 코일을 이용하여 동일한 공진 주파수를 이용할 수 있는 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 송출 전력의 세기에 따라 적응적으로 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 결정하는 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 각각 상이한 인덕턴스를 갖는 복수의 송신 코일을 이용함에 따라 복수의 동일한 회로가 필요한 한계 상황을 극복하기 위해 복수의 송신 코일의 인덕턴스를 동일하게 하고 스위치를 이용하여 동일한 공진 주파수를 이용할 수 있는 복수의 코일을 포함하는 무선 전력 송신기 제어 방법 및 장치를 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 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 그를 위한 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 무선 전력 제어 방법은 무선 전력 수신기로부터 전력 제어를 요청하는 제1 피드백 신호를 수신하는 단계와 상기 제1 피드백 신호에 기반하여 제1 송출 전력의 세기를 결정하는 단계와 상기 결정된 제1 송출 전력의 세기에 대응되는 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 결정하는 단계와 상기 결정된 인버터 타입에 상응하는 인버터를 활성화시키는 단계와 상기 결정된 전력 제어 방식을 이용하여 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무선 전력 제어 방법은 무선 전력 수신기로부터 전력 제어를 요청하는 제2 피드백 신호를 수신하는 단계와 상기 제2 피드백 신호에 기반하여 제2 송출 전력의 세기를 결정하는 단계와 상기 결정된 제2 송출 전력의 세기가 상기 활성화된 인버터를 통해 지원 가능한지 판단하는 단계와 상기 판단 결과, 지원 가능하지 않으면, 상기 인버터 타입을 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 제어 방법은 상기 판단 결과, 지원 가능하면, 상기 결정된 제2 송출 전력의 세기에 기반하여 상기 전력 제어 방식의 변경이 필요한지 판단하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제2 피드백 신호는 WPC 표준에 정의된 제어 오류 패킷일 수 있다.
또한, 상기 인버터 타입은 하프 브릿지 타입 및 풀 브릿지 타입을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 제어 방식은 듀티 사이클 제어 방식, 동작 주파수 제어 방식, 위상 변이 제어 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하프 브리지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 듀티 사이클 제어 방식 및 동작 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 이용하여 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기가 조절될 수 있다.
또한, 상기 풀 브리지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 위상 변이 제어 방식 및 동작 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 이용하여 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기가 조절될 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 제어 방법은 상기 풀 브리지 타입의 인버터가 활성화되고, 상기 전력 제어 방식이 상기 동작 주파수 제어 방식으로 결정된 상태에서, 상기 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 작으면, 최대 송출 전력에 도달되었음을 지시하는 소정 경고 알람을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 듀티 사이클 조절 방식의 듀티 레이트 조절 범위는 최소 10%에서 최대 50% 사이의 값으로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 위상 변이 조절 방식의 위상 조절 범위는 0도에서 133도 사이의 값으로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 110KHz에서 205KHz 사이의 값으로 정의될 수 있다.
여기서, 상기 하프 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 172KHZ에서 205KHz 사이의 값이고, 상기 풀 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 110KHz에서 172KHz 사이의 값으로 정의될 수 있다.
또한, 상기 하프 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 상태에서 상기 듀티 사이클 제어 방식을 이용한 전력 조절 중, 상기 결정된 제2 송출 전력의 세기가 소정 제1 기준치를 초과하면, 상기 전력 제어 방식이 상기 동작 주파수 제어 방식으로 전환될 수 있다.
또한, 상기 풀 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 상태에서 상기 위상 변이 제어 방식을 이용한 전력 조절 중, 상기 결정된 제2 송출 전력의 세기가 소정 제2 기준치를 초과하면, 상기 전력 제어 방식이 상기 동작 주파수 제어 방식으로 전환될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 장치는 전원으로부터 인가된 직류 전력의 세기를 변환하는 직류-직류 변환기와 내부 구비된 인버터를 이용하여 상기 직류-직류 변환기로부터 인가되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 구동부와 상기 구동부로부터 인가되는 교류 전력을 무선으로 송출하는 공진 회로와 상기 공진 회로를 통해 수신된 피드백 신호에 기반하여 상기 구동부에 의해 출력되는 교류 전력의 세기를 조절하는 제어 통신부를 포함하고, 상기 제어 통신부가 상기 피드백 신호에 기반하여 결정된 송출 전력의 세기에 따라 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 결정하여 상기 교류 전력의 세기를 조절할 수 있다.
여기서, 상기 구동부는 하프 브릿지 타입의 제1 인버터와 풀 브릿지 타입의 제2 인버터와 상기 직류-직류 변환기로부터 인가되는 직류 전력을 상기 제1 인버터 또는 제2 인버터로 전달하기 위한 스위치와 상기 제어 통신부의 소정 제어 신호에 따라 상기 제1 인버터 또는 상기 제2 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기를 조절하는 교류 신호 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 교류 신호 제어부는 특정 동작 주파수를 가지는 교류 신호를 생성하는 동작 주파수 생성부와 상기 교류 신호의 듀티 레이트를 조절하여 상기 공진 회로에 인가되는 평균 송출 전력의 세기를 조절하는 듀티 사이클 조절부와 상기 교류 신호의 위상을 조절하여 상기 공진 회로에 인가되는 평균 송출 전력의 세기를 조절하는 위상 변이부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어 통신부가 상기 결정된 송출 전력의 세기에 기반하여 상기 인버터 타입 및 상기 전력 제어 방식 중 적어도 하나의 전환 여부를 판단할 수 있다.
상기 피드백 신호는 WPC 표준에 정의된 제어 오류 패킷일 수 있다.
상기 인버터 타입은 하프 브릿지 타입 및 풀 브릿지 타입을 포함하고, 상기 전력 제어 방식은 듀티 사이클 제어 방식, 동작 주파수 제어 방식, 위상 변이 제어 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 하프 브리지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 듀티 사이클 제어 방식 및 동작 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 이용하여 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기가 조절될 수 있다.
상기 풀 브리지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 위상 변이 제어 방식 및 동작 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 이용하여 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기가 조절될 수 있다.
또한, 상기 풀 브리지 타입의 인버터가 활성화되고, 상기 전력 제어 방식이 상기 동작 주파수 제어 방식으로 결정된 상태에서, 상기 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 작으면, 상기 제어 통신부가 최대 송출 전력에 도달되었음을 지시하는 소정 경고 알람이 출력되도록 제어할 수 있다.
일 예로, 상기 듀티 사이클 조절 방식의 듀티 레이트 조절 범위는 최소 10%에서 최대 50% 사이의 값일 수 있다.
일 예로, 상기 위상 변이 조절 방식의 위상 조절 범위는 0도에서 133도 사이의 값일 수 있다.
일 예로, 상기 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 110KHz에서 205KHz 사이의 값일 수 있다. 이 경우, 상기 하프 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 172KHZ에서 205KHz 사이의 값이고, 상기 풀 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 상기 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 110KHz에서 172KHz 사이의 값일 수 있다.
상기 하프 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 상태에서 상기 듀티 사이클 제어 방식을 이용한 전력 조절 중, 상기 결정된 제2 송출 전력의 세기가 소정 제1 기준치를 초과하면, 상기 전력 제어 방식이 상기 동작 주파수 제어 방식으로 전환될 수 있다.
상기 풀 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 상태에서 상기 위상 변이 제어 방식을 이용한 전력 조절 중, 상기 결정된 제2 송출 전력의 세기가 소정 제2 기준치를 초과하면, 상기 전력 제어 방식이 상기 동작 주파수 제어 방식으로 전환될 수 있다.
또한, 충전 영역에 물체가 감지되면, 적어도 하나의 송신 코일이 상호 중첩되어 배치된 N개의 송신 코일 중 전력 전송 효율이 가장 높은 송신 코일을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 송신 코일과 드라이브회로(drive circuit)를 연결하는 N개의 스위치 중 해당 스위치를 제어하는 단계; 를 포함하며, 상기 N개의 송신 코일 각각을 구성하는 도선이 차폐재와의 개별적인 위치에 대응하여 길이가 조정되어 동일한 인덕턴스를 가질 수 있다.
일 예로, 각각 병렬 연결된 상기 N개의 송신 코일은 상기 N개의 스위치와 각각 직렬 연결되어 개별적으로 활성화될 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일은 하나의 커패시터(capacitor)와 직렬로 연결될 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각은 차폐재와의 개별적인 위치에 대응하여 서로 다른 권선수를 달리하여 동일한 인덕턴스를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 상기 차폐재와의 거리에 따라 다를 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 상기 차폐재와의 거리가 멀수록 클 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 0.5회 내지 2회 차이가 날 수 있다.
일 예로, 상기 송신 코일은 특정 공진 주파수를 이용하여 상기 수신 코일로 전력을 전송할 수 있다.
일 예로, 상기 드라이브회로는 전원으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변경하는 인버터를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 선택된 송신 코일은, 상기 N개의 스위치 중 어느 하나가 닫혀 하나의 상기 드라이브회로와 상기 커패시터 사이에서 직렬로 연결될 수 있다.
일 예로, 본 발명은 상기 기재된 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 적어도 하나가 상호 중첩되어 배치되어 있는 N개의 송신 코일; 상기 N개의 송신 코일과 드라이브회로를 연결하는 N개의 스위치; 및 충전 영역에 물체가 감지되면, 상기 N개의 송신 코일 중 전력 전송 효율이 가장 높은 송신 코일을 선택하고, 상기 선택된 송신 코일과 드라이브회로를 연결하는 N개의 스위치 중 해당 스위치를 제어하는 제어부; 를 포함하며, 상기 N개의 송신 코일 각각을 구성하는 도선이 차폐재와의 개별적인 위치에 대응하여 길이가 조정되어 동일한 인덕턴스를 가질 수 있다.
일 예로, 각각 병렬 연결된 상기 N개의 송신 코일은 상기 N개의 스위치와 각각 직렬 연결되어 개별적으로 활성화될 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일은 하나의 커패시터와 직렬로 연결될 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각은 차폐재와의 개별적인 위치에 대응하여 서로 다른 권선수를 달리하여 동일한 인덕턴스를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 상기 차폐재와의 거리에 따라 다를 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 상기 차폐재와의 거리가 멀수록 클 수 있다.
일 예로, 상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 0.5회 또는 1회 차이가 날 수 있다.
일 예로, 상기 송신 코일은 특정 공진 주파수를 이용하여 상기 수신 코일로 전력을 전송할 수 있다.
일 예로, 상기 드라이브회로는 전원으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변경하는 인버터를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 선택된 송신 코일은, 상기 N개의 스위치 중 어느 하나가 닫혀 하나의 상기 드라이브회로와 상기 커패시터 사이에서 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 무선 전력 제어 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공될 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 무선 전력 송신 장치의 발열을 미연에 방지하는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 송출 전력의 세기에 따라 적응적으로 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 결정하는 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 별도의 하드웨어적인 방열 구조를 추가하지 않고 무선 전력 송신 장치의 발열 현상을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 복수개의 송신 코일을 이용하여 보다 넓은 충전 영역을 가질 수 있어, 사용자 편의성이 높다.
또한, 본 발명은 발명은 복수개의 동일한 회로를 하나만 이용할 수 있어 무선 전력 송신기 자체의 크기를 줄일 수 있고, 사용되는 부품이 줄어 원가 절감의 효과가 있다.
또한, 본 발명은 공표된 무선 전력 전송 표준에 정의된 부품 소자를 이용할 수 있어, 이미 정의된 표준에 따를 수 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 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5는 WPC(Qi) 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 상기 도 6에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 신호의 변조 및 복조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 패킷 포맷을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 WPC(Qi) 표준에 정의된 패킷의 종류를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 12는 상기한 도 11의 교류 신호 제어부(1122)의 세부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 송출 전력 세기 변화에 따른 인버터 타입 및 전력 제어 방식 전환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지가 활성화된 상태에서 무선 전력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지가 활성화된 상태에서 무선 전력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 송신 코일을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 코일을 포함하는 무선 전력 송신기에서 풀브리지 인버터(Full-bridge Invertor)를 포함하는 3개의 드라이브회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 코일을 포함하면서 하나의 드라이브회로를 포함하는 무선 전력 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀브리지 인버터(Full-bridge Invertor)를 포함하는 드라이브회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 도 21의 무선 충전 송신 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 무선 전력 제어 방법은 무선 전력 수신기로부터 전력 제어를 요청하는 제1 피드백 신호를 수신하는 단계와 상기 제1 피드백 신호에 기반하여 제1 송출 전력의 세기를 결정하는 단계와 상기 결정된 제1 송출 전력의 세기에 대응되는 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 결정하는 단계와 상기 결정된 인버터 타입에 상응하는 인버터를 활성화시키는 단계와 상기 결정된 전력 제어 방식을 이용하여 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력의 세기를 조절하는 단계를 포함할 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) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 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) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 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 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 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 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 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 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4를 참조하면, WPC 표준에 따른 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 WPC 표준이 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 파워량에 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 WPC(Qi) 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, WPC(Qi) 표준에 따른 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 단계-예를 들면, 도면 부호 S502, S504, S506, S509, S일 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 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(510)로 천이할 수 있다.
송신기는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 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 파워량에 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 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면 무선 전력 송신기(600)는 크게, 전력 변환부(610), 전력 전송부(620), 통신부(630), 제어부(640), 센싱부(650)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기한 무선 전력 송신기(600)의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전력 변환부(610)는 전원부(660)로부터 DC 전원이 공급되면, 이를 소정 세기의 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 전력 변환부(610)는 DC/DC 변환부(611), 증폭기(612)를 포함하여 구성될 수 있다.
DC/DC 변환부(611)는 전원부(650)로부터 공급된 DC 전력을 제어부(640)의 제어 신호에 따라 특정 세기의 DC 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
이때, 센싱부(650)는 DC 변환된 전력의 전압/전류 등을 측정하여 제어부(640)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(650)는 과열 발생 여부 판단을 위해 무선 전력 송신기(600)의 내부 온도를 측정하고, 측정 결과를 제어부(640)에 제공할 수도 있다. 일 예로, 제어부(640)는 센싱부(650)에 의해 측정된 전압/전류 값에 기반하여 적응적으로 전원부(650)로부터의 전원 공급을 차단하거나, 증폭기(612)에 전력이 공급되는 것을 차단할 수 있다. 이를 위해, 전력 변환부(610)의 일측에는 전원부(650)로부터 공급되는 전원을 차단하거나, 증폭기(612)에 공급되는 전력을 차단하기 위한 소정 전력 차단 회로가 가 더 구비될 수도 있다.
증폭기(612)는 DC/DC 변환된 전력의 세기를 제어부(640)의 제어 신호에 따라 소정 세기로 증폭시킬 수 있다. 일 예로, 제어부(640)는 통신부(630)를 통해 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태 정보 또는(및) 전력 제어 신호를 수신할 수 있으며, 수신된 전력 수신 상태 정보 또는(및) 전력 제어 신호에 기반하여 증폭기(612)의 증폭률을 동적으로 조정할 수 있다. 일 예로, 전력 수신 상태 정보는 정류기 출력 전압의 세기 정보, 수신 코일에 인가되는 전류의 세기 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 전력 제어 신호는 전력 증가를 요청하기 위한 신호, 전력 감소를 요청하기 위한 신호 등을 포함할 수 있다.
전력 전송부(620)는 다중화기(621)(또는 멀티플렉서), 송신 코일(622)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 전력 전송부(620)는 전력 전송을 위한 특정 동작 주파수를 생성하기 위한 반송파 생성기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
반송파 생성기는 다중화기(621)를 통해 전달 받은 증폭기(612)의 출력 DC 전력을 특정 주파수를 갖는 AC 전력으로 변환하기 위한 특정 주파수를 생성할 수 있다. 이상의 설명에서는 반송파 생성기에 의해 생성된 교류 신호가 다중화기(621)의 출력단에 믹싱되어 교류 전력이 생성되는 것으로 설명되고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 예는 증폭기(612) 이전단 또는 이후단에서 특정 동작 주파수가 믹싱되어 교류 전력 신호가 생성될 수도 있음을 주의해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 각각의 송신 코일에 전달되는 AC 전력의 주파수가 서로 상이할 수도 있음을 주의해야 한다. 본 발명의 다른 일 실시예는 LC 공진 특성을 송신 코일마다 상이하게 조절하는 기능이 구비된 소정 주파수 제어기를 이용하여 각각의 송신 코일 별 공진주파수를 상이하게 설정할 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전력 전송부(620)는 증폭기(612)의 출력 전력이 송신 코일에 전달되는 것을 제어하기 위한 다중화기(621)와 복수의 송신 코일(622)-즉, 제1 내지 제n 송신 코일-을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(640)는 복수의 무선 전력 수신기가 연결된 경우, 송신 코일 별 시분할 다중화를 통해 전력을 전송할 수도 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(600)에 3개의 무선 전력 수신기-즉, 제1 내지 3 무선 전력 수신기-가 각각 3개의 서로 다른 송신 코일-즉, 제1 내지 3 송신 코일-을 통해 식별된 경우, 제어부(640)는 다중화기(621)를 제어하여, 특정 타임 슬롯에 특정 송신 코일을 전력이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 이때, 송신 코일 별 할당된 타임 슬롯의 길이에 따라 해당 무선 전력 수신기로 전송되는 전력의 양이 제어될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 예는 송신 코일 별 할당된 타일 슬롯 동안의 증폭기(612) 증폭률을 제어하여 무선 전력 수신기 별 송출 전력을 제어할 수도 있다.
제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 제1 내지 제n 송신 코일(622)을 통해 감지 신호가 순차적으로 송출될 수 있도록 다중화기다중화기(621)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(640)는 감지 신호가 전송될 시점을 타이머(655)를 이용하여 식별할 수 있으며, 감신 신호 전송 시점이 도래하면, 다중화기(621)를 제어하여 해당 송신 코일을 통해 감지 신호가 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 타이머(650)는 핑 전송 단계 동안 소정 주기로 특정 이벤트 신호를 제어부(640)에 송출할 수 있으며, 제어부(640)는 해당 이벤트 신호가 감지되면, 다중화기(621)를 제어하여 해당 송신 코일을 통해 디지털 핑이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 복조부(632)로부터 어느 송신 코일을 통해 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator)가 수신되었는지를 식별하기 위한 소정 송신 코일 식별자 및 해당 송신 코일을 통해 수신된 신호 세기 지시자를 수신할 수 있다. 연이어, 제2차 감지 신호 송출 절차에서 제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일(들)을 통해서만 감지 신호가 송출될 수 있도록 다중화기(621)를 제어할 수도 있다. 다른 일 예로, 제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일이 복수개인 경우, 가장 큰 값을 갖는 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일을 제2차 감지 신호 송출 절차에서 감지 신호를 가장 먼저 송출할 송신 코일로 결정하고, 결정 결과에 따라 다중화기(621)를 제어할 수도 있다.
통신부(630)는 변조부(631)와 복조부(632) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
변조부(631)는 제어부(640)에 의해 생성된 제어 신호를 변조하여 다중화기(621)에 전달할 수 있다. 여기서, 제어 신호를 변조하기 위한 변조 방식은 FSK(Frequency Shift Keying) 변조 방식, 맨체스터 코딩(Manchester Coding) 변조 방식, PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 차등 2단계(Differential bi-phase) 변조 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
복조부(632)는 송신 코일을 통해 수신되는 신호가 감지되면, 감지된 신호를 복조하여 제어부(640)에 전송할 수 있다. 여기서, 복조된 신호에는 신호 세기 지시자, 무선 전력 전송 중 전력 제어를 위한 오류 정정(EC:Error Correction) 지시자, 충전 완료(EOC: End Of Charge) 지시자, 과전압/과전류/과열 지시자 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 수신기의 상태를 식별하기 위한 각종 상태 정보가 포함될 수 있다.
또한, 복조부(632)는 복조된 신호가 어느 송신 코일로부터 수신된 신호인지를 식별할 수 있으며, 식별된 송신 코일에 상응하는 소정 송신 코일 식별자를 제어부(640)에 제공할 수도 있다.
또한, 복조부(632)는 송신 코일(623)을 통해 수신된 신호를 복조하여 제어부(640)에 전달할 수 있다. 일 예로, 복조된 신호는 신호 세기 지시자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 복조 신호는 무선 전력 수신기의 각종 상태 정보를 포함할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기(600)는 무선 전력 전송에 사용되는 동일한 주파수를 이용하여 무선 전력 수신기와 통신을 수행하는 인밴드(In-Band) 통신을 통해 상기 신호 세기 지시자를 획득할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기(600)는 송신 코일(622)을 이용하여 무선 전력을 송출할 수 있을 뿐만 아니라 송신 코일(622)을 통해 무선 전력 수신기와 각종 정보를 교환할 수도 있다. 다른 일 예로, 무선 전력 송신기(600)는 송신 코일(622)-즉, 제1 내지 제n 송신 코일)에 각각 대응되는 별도의 코일을 추가로 구비하고, 구비된 별도의 코일을 이용하여 무선 전력 수신기와 인밴드 통신을 수행할 수도 있음을 주의해야 한다.
이상이 도 6의 설명에서는 무선 전력 송신기(600)와 무선 전력 수신기가 인밴드 통신을 수행하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 근거리 양방향 통신은 저전력 블루투스 통신, RFID 통신, UWB 통신, 지그비 통신 중 어느 하나일 수 있다.
도 7은 상기 도 6에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 수신기(700)는 수신 코일(710), 정류기(720), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 730), 부하(740), 센싱부(750), 통신부(760), 주제어부(770)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 통신부(760)는 복조부(761) 및 변조부(762) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 도 7의 예에 도시된 무선 전력 수신기(700)는 인밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기(600)와 정보를 교환할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 통신부(760)는 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과는 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 제공할 수도 있다.
수신 코일(710)을 통해 수신되는 AC 전력은 정류부(720)에 전달할 수 있다. 정류기(720)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(730)에 전송할 수 있다. 직류/직류 변환기(730)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(740)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(740)에 전달할 수 있다.
센싱부(750)는 정류기(720) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(770)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(750)는 무선 전력 수신에 따라 수신 코일(710)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(770)에 전송할 수도 있다. 또한, 센싱부(750)는 무선 전력 수신기(700)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(770)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 주제어부(770)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(762)에 전송할 수 있다. 여기서, 변조부(762)에 의해 변조된 신호는 수신 코일(710) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선 전력 송신기(600)에 전송될 수 있다. 또한, 주제어부(770)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(762)를 통해 무선 전력 송신기(600)에 전송될 수 있도록 제어할 수 있다. 다른 일 예로, 복조부(761)는 수신 코일(710)과 정류기(720) 사이의 AC 전력 신호 또는 정류기(720) 출력 DC 전력 신호를 복조하여 감지 신호의 수신 여부를 식별한 후 식별 결과를 주제어부(770)에 제공할 수 있다. 이때, 주제어부(770)는 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(762)를 통해 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 신호의 변조 및 복조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 도면 번호 810에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 동일한 주기를 가지는 내부 클락 시그널에 기반하여 전송 대상 패킷을 인코딩하거나 디코딩할 수 있다.
이하에서는 상기 도 1 내지 도 8을 참조하여, 전송 대상 패킷의 인코딩 방법을 상세히 설명하기로 한다.
상기 도 1을 참조하면, 무선 전력 송신단(10) 또는 무선 전력 수신단(20)가 특정 패킷을 전송하지 않는 경우, 무선 전력 신호는 도 1의 도면 번호 41에 도시된 바와 같이, 특정 주파수를 가진 변조되지 않은 교류 신호일 수 있다. 반면, 무선 전력 송신단(10) 또는 무선 전력 수신단(20)이 특정 패킷을 전송하는 경우, 무선 전력 신호는 도 1의 도면 번호 42에 도시된 바와 같이, 특정 변조 방식으로 변조된 교류 신호일 수 있다. 일 예로, 변조 방식은 진폭 변조 방식, 주파수 변조 방식, 주파수 및 진폭 변조 방식, 위상 변조 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선 전력 송신단(10) 또는 무선 전력 수신단(20)에 의해 생성된 패킷의 이진 데이터는 도면 번호 820과 같이 차등 2단계 인코딩(Differential bi-phase encoding) 이 적용될 수 있다. 상세하게, 차등 2단계 인코딩은 데이터 비트 1을 인코딩하기 위하여 두 번의 상태 전이(transitions)를 갖도록 하고, 데이터 비트 0을 인코딩하기 위하여 한 번의 상태 전이를 갖도록 한다. 즉, 데이터 비트 1은 상기 클럭 신호의 상승 에지(rising edge) 및 하강 에지(falling edge)에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것이고, 데이터 비트 0은 상기 클럭 신호의 상승 에지에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것일 수 있다.
인코딩된 이진 데이터는 상기 도면 번호 830에 도시된 바와 같은, 바이트 인코딩 기법이 적용될 수 있다. 도면 번호 830을 참조하면, 일 실시예에 따른 바이트 인코딩 기법은 8비트의 인코딩된 이진 비트 스트림에 대해 해당 비트 스트림의 시작과 종류를 식별하기 위한 시작 비트(Start Bit) 및 종료 비트(Stop Bit), 해당 비트 스트림(바이트)의 오류 발생 여부를 감지하기 위한 페리티 비트(Parity Bit)가 삽입하는 방법일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 패킷 포맷을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이의 정보 교환에 사용되는 패킷 포맷(900)은 해당 패킷의 복조를 위한 동기 획득 및 해당 패킷의 정확한 시작 비트를 식별하기 위한 프리엠블(Preamble, 910) 필드, 해당 패킷에 포함된 메시지의 종류를 식별하기 위한 헤더(Header, 920) 필드, 해당 패킷의 내용(또는 페이로드(Payload))를 전송하기 위한 메시지(Message, 930) 필드 및 해당 패킷에 오류가 발생되었는지 여부를 확인하기 위한 체크썸(Checksum, 940) 필드를 포함하여 구성될 수 있다.
패킷 수신단은 헤더(920) 값에 기반하여 해당 패킷에 포함된 메시지(930)의 크기를 식별할 수도 있다.
또한, 헤더(920)는 무선 전력 전송 절차의 각 단계별로 정의될 수 있으며, 일부, 헤더(920) 값은 서로 다른 단계에서 동일한 값이 정의될 수도 있다. 일 예로, 도 10을 참조하면, 핑 단계의 전력 전송 종료(End Power Transfer) 및 전력 전송 단계의 전력 전송 종료에 대응되는 헤더 값은 0x02로 동일할 수 있음을 주의해야 한다.
메시지(930)는 해당 패킷의 송신단에서 전송하고자 하는 데이터를 포함한다. 일 예로, 메시지(930) 필드에 포함되는 데이터는 상대방에 대한 보고 사항(report), 요청 사항(request) 또는 응답 사항(response)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 패킷(900)은 해당 패킷을 전송한 송신단을 식별하기 위한 송신단 식별 정보, 해당 패킷을 수신할 수신단을 식별하기 위한 수신단 식별 정보 중 적어도 하나가 더 포함될 수도 있다. 여기서, 송신단 식별 정보 및 수신단 식별 정보는 IP 주소 정보, MAC 주소 정보, 제품 식별 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 충전 시스템상에서 수신단 및 송신단을 구분할 수 있는 정보이면 족하다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 패킷(900)은 해당 패킷이 복수의 장치에 의해 수신되어야 하는 경우, 해당 수신 그룹을 식별하기 위한 소정 그룹 식별 정보가 더 포함될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기에서 무선 전력 송신기로 전송되는 패킷의 종류를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 무선 전력 수신기에서 무선 전력 송신기로 전송하는 패킷은 감지된 핑 신호의 세기 정보를 전송하기 위한 신호 세기(Signal Strength) 패킷, 송신기가 전력 전송을 중단하도록 요청하기 위한 전력 전송 종류(End Power Transfer), 제어 제어를 위한 제어 오류 패킷 수신 후 실제 전력을 조정하기까지 대기하는 시간 정보를 전송하기 위한 전력 제어 보류(Power Control Hold-off) 패킷, 수신기의 구성 정보를 전송하기 위한 구성 패킷, 수신기 식별 정보를 전송하기 위한 식별 패킷 및 확장 식별 패킷, 일반 요구 메시지를 전송하기 위한 일반 요구 패킷, 특별 요구 메시지를 전송하기 위한 특별 요구 패킷, FO 검출을 위한 기준 품질 인자 값을 전송하기 위한 FOD 상태 패킷, 송신기의 송출 전력을 제어하기 위한 제어 오류 패킷, 재협상 개시를 위한 재협상 패킷, 수신 전력의 세기 정보를 전송하기 위한 24비트 수신 전력 패킷 및 8비트 수신 전력 패킷 및 현재 부하의 충전 상태 정보를 전송하기 위한 충전 상태 패킷을 포함할 수 있다.
상기한 무선 전력 수신기에서 무선 전력 송신기로 전송하는 패킷들은 무선 전력 전송에 사용되는 주파수 대역과 동일한 주파수 대역을 이용한 인밴드 통신을 이용하여 전송될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
일 예로, 무선 전력 제어 장치는 무선 전력 송신기에 장착될 수 있다.
도 11을 참조하면, 무선 전력 제어 장치(1100)는 전원부(1101), 직류-직류 변환기(DC-DC Converter, 1110), 구동부(1120), 공진 회로(1130), 센싱부(1140) 및 제어 통신부(1150)를 포함하여 구성될 수 있다.
전원부(1101)는 외부 전원 단자를 통해 DC 전력을 인가 받아 직류-직류 변환기(1110)에 전달할 수 있다.
직류-직류 변환기(1110)는 전원부(1101)로부터 수신되는 직류 전력의 세기를 특정 세기의 직류 전력으로 변환할 수 있다. 일 예로, 직류-직류 변환기(1110)는 전압의 세기 조절이 가능한 가변 전압기로 구성될 수 있으며, 제어 통신부(1150)의 소정 제어 신호에 따라 출력 직류 전력의 세기를 조절할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
구동부(1120)는 직류-직류 변환기(1110)의 출력 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 공진 회로(1130)에 제공한다.
구동부(1120)는 스위치(1121), 제1 내지 제2 인버터(1122, 1123) 및 교류 신호 제어부(1124)를 포함하여 구성될 수 있다.
제어 통신부(1150)는 스위치(1121) 제어를 통해 직류-직류 변환기(1110)의 출력 직류 전력이 제1 인버터(1122) 또는 제2 인버터(1123)에 인가되도록 제어할 수 있다.
일 예로, 제어 통신부(1150)는 송출 전력의 세기를 결정하고, 결정된 송출 전력의 세기에 기반하여 교류 신호 생성에 사용할 인버터 타입을 결정하고, 결정된 인버터 타입에 따라 스위치(1121)를 제어할 수 있다. 여기서, 송출 전력의 세기는 무선 전력 송신 장치로부터 수신되는 피드백 신호에 기반하여 결정될 수 있다. 일 예로, 피드백 신호는 WPC 표준에 정의된 제어 오류 패킷(Control Error Packet)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 제1 인버터(1122)는 하프 브릿지(Half Bridge) 타입의 인버터이고, 제2 인버터(1223)는 풀 브릿지(Full Bridge) 타입의 인버터일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제어 통신부(1150))는 하프 브릿지 타입의 제1 인버터(1122)가 활성화된 상태에서 피드백 신호에 기반하여 결정된 송출 전력의 세기가 소정 임계치를 초과하는 경우, 직류-직류 변환기(1110)의 출력 직류 전력이 풀 브릿지 타입의 제2 인버터(1122)에 전달되도록 스위치(1121)를 제어할 수 있다. 이때, 직류-직류 변환기(1110)로부터 출력된 직류 전력이 제1 인버터(1122)에 인가되지 않도록 제어될 수 있다.
제어 통신부(1150)는 제1 내지 제2 인버터(1122, 1123) 중 어느 하나가 활성화된 상태에서 결정된 송출 전력의 세기에 따라 전력 제어 방식의 변경이 필요한지 판단할 수 있다. 판단 결과, 전력 제어 방식 변경이 필요하면, 제어 통신부(1150)는 교류 신호 제어부(1124)를 제어하여 동적으로 전력 제어 방식을 변경할 수 있다. 일 예로, 전력 제어 방식은 듀티 사이클 제어 방식, 구동 주파수 제어 방식, 위상 변이 제어 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
일 예로, 제어 통신부(1150)는 하프 브릿지 타입의 제1 인버터(1122)가 활성화된 경우, 결정된 송출 전력의 세기에 따라 듀티 사이클 제어 방식 및 구동 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 선택하여 전력 제어를 수행할 수 있다. 반면, 풀 브릿지 타입의 제2 인버터(1123)가 활성화된 경우, 제어 통신부(1150)는 결정된 송출 전력의 세기에 따라 위상 변이 제어 방식 및 구동 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 선택하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
다른 일 예로, 제어 통신부(1150)는 하프 브릿지 타입의 제1 인버터(1122)가 활성화된 경우, 결정된 송출 전력의 세기에 따라 위상 변이 제어 방식 및 구동 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 선택하여 전력 제어를 수행할 수 있다. 반면, 풀 브릿지 타입의 제2 인버터(1123)가 활성화된 경우, 제어 통신부(1150)는 결정된 송출 전력의 세기에 따라 듀티 사이클 제어 방식 및 구동 주파수 제어 방식 중 어느 하나를 선택하여 전력 제어를 수행할 수도 있다.
제어 통신부(1150)는 듀티 사이클 제어 방식 또는 위상 변이 제어 방식을 통해 전력 제어가 수행되고 있는 경우, 구동 주파수가 변경되지 않도록 교류 신호 제어부(1124)를 제어할 수도 있다.
제어 통신부(1150)는 듀티 사이클 제어 방식으로 전력 제어 중 피드백 신호에 따라 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 듀티 사이클이 소정 듀티 사이클 상한치를 초과하는 경우, 전력 제어 방식이 듀티 사이클 제어 방식에서 구동 주파수 제어 방식으로 변경되도록 교류 신호 제어부(1124)를 제어할 수 있다.
제어 통신부(1150)는 하프 브릿지 타입의 제1 인버터(1122)가 활성화된 상태에서 구동 주파수 제어 방식으로 전력 제어 중, 결정된 송출 전력에 대응되는 구동 주파수가 소정 구동 주파수 상한치를 초과하는 경우, 풀 브릿지 타입의 제2 인버터(1123)가 활성화되고, 하프 브릿지 타입의 제1 인버터(1122)를 비활성화되도록 교류 신호 제어부(1124)를 제어할 수도 있다.
듀티 사이클 제어 방식은 구동 주파수가 고정된 상태에서 교류 전력 신호의 듀티 레이트(Duty Rate)를 제어함으로써, 단위 시간 동안의 평균 송출 전력을 조절하는 무선 전력 제어 방식이다. 이때, 듀티 레이트는 10~50%의 조절 범위를 가질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
구동 주파수 제어 방식은 동작 주파수를 조절하여 공진 회로(1130)를 통해 송출되는 전력의 세기를 조절하는 무선 전력 제어 방식이다. 공진 회로(1130)를 구성하는 캐패시터(Capacitor)의 캐패시턴스와 인덕터(Inductor)의 인덕턴스에 의해 결정되는 공진 주파수와 교류 신호 제어부(1124)에 의해 생성된 동작 주파수의 매칭 정도에 따라 공진 회로(1130)를 통해 송출되는 전력의 세기는 조절될 수 있다. 일 예로, 공진 회로(1130)에 의해 결정되는 공진 주파수와 교류 신호 제어부(1124)에 의해 생성된 동작 주파수가 일치하는 경우, 최대 전력이 송출될 수 있다. 일 예로, 동작 주파수의 조절 범위는 110KHz부터 205KHz까지이고, 110KHz가 송출 전력의 세기가 최대가 되는 공진 주파수일 수 있다.
위상 변이 제어 방식은 특정 동작 주파수를 가지는 교류 신호의 위상을 조절하여 송출 전력의 세기를 제어하는 무선 전력 제어 방식이다. 일 예로, 위상 조절 범위는 0도에서 133도 사이의 값일 수 있다.
공진 회로(1130)는 특정 공진 주파수가 형성되고, 특정 임피던스 값을 가지도록 구성된 적어도 하나의 캐피시터 및 적어도 하나의 인덕터를 포함하여 구성될 수 있다.
공진 회로(1130)에 포함된 송신 코일의 개수가 복수개인 경우, 해당 송신 코일의 배치 구조에 관계없이 송신 코일 별 임피던스 값이 동일하도록 공진 회로(1130)가 구성될 수 있다.
제어 통신부(1150)는 무선 전력 수신기로부터 수신되는 인밴드 신호를 복조할 수 있다. 일 예로, 제어 통신부(1150)는 전력 전송 단계(440 또는 560)로 진입 후 소정 주기로 수신되는 제어 오류 패킷을 복조하고, 복조된 제어 오류 패킷에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다.
제어 통신부(1150)는 무선 전력 수신기에 전송할 패킷을 변조하여 공진 회로(1130)에 전송할 수도 있다. 일 예로, 제어 통신부(1150)는 협상 단계(540)에서 FOD 상태 패킷이 수신되면, 품질 인자 값에 기반한 FO 검출 절차의 수행 여부를 지시하는 소정 응답 패킷을 생성하고, 이를 변조하여 공진 회로(1130)에 전송할 수 있다.
여기서, 응답 패킷이 ACK 패킷이면 무선 전력 송신 장치가 품질 인자 값에 기반한 이물질 감지 절차를 수행함을 의미할 수 있다. 반면, 응답 패킷이 NACK 패킷이면 품질 인자 값에 기반한 이물질 감지 절차를 수행하지 않음을 의미할 수 있다. 무선 전력 송신 장치는 탑재된 소프트웨어 버전 및 장착된 하드웨어 버전에 기반하여 자신이 품질 인자 값에 기반한 이물질 감지가 가능한지 여부를 식별할 수 있다.
센싱부(1140)는 무선 전력 송신 장치의 특정 노드, 특정 부품, 특정 위치 등에서의 전압, 전류, 전력 및 온도 등을 측정할 수 있다. 일 예로, 센싱부(1140)는 직류-직류 컨버터(1110)와 구동부(1120) 사이의 전류/전압/전력의 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어 통신부(1150)에 전달할 수 있다. 다른 일 예로, 센싱부(1140)는 공진 회로(1130)의 인덕터에 흐르는 전류의 세기와 캐패시터에 인가되는 전압의 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어 통신부(1140)에 전달할 수도 있다.
도 12는 상기한 도 11의 교류 신호 제어부(1122)의 세부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 12를 참조하면, 교류 신호 제어부(1122)는 위상 변이부(Phase Shift Unit, 1210), 동작 주파수 생성부(Operating Frequency Generation Unit, 1220), 듀티 사이클 조절부(Duty Cycle Control Unit, 1230), 게이트 드라이버(Gate Driver, 1240) 및 제어부(Controller, 1150)를 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(1150)는 제어 통신부(1150)와의 통신을 수행하고, 제어 통신부(1150)의 제어 신호에 따라 하부 모듈을 제어할 수 있다. 여기서, 하부 모듈은 상기 위상 변이부(Phase Shift Unit, 1210), 동작 주파수 생성부(Operating Frequency Generation Unit, 1220), 듀티 사이클 조절부(Duty Cycle Control Unit, 1230) 및 게이트 드라이버(Gate Driver, 1240)를 포함한다.
위상 변이부(1210)는 동작 주파수 생성부(1220)에 의해 생성된 교류 신호의 위상을 조절할 수 있다. 위상이 조절된 교류 신호는 게이트 드라이버(1240)에 전달될 수 있다. 일 예로, 위상 조절 범위는 0도에서 133도 사이의 값일 수 있다.
동작 주파수 생성부(1220)는 제어부(1250)의 제어 신호에 따라 특정 동작 주파수를 가지는 교류 신호를 생성할 수 있다. 생성된 교류 신호는 위상 변이부(Phase Shift Unit, 1210), 듀티 사이클 조절부(1230), 게이트 드라이버(1240) 중 어느 하나에 전달될 수 있다. 일 예로, 동작 주파수 생성부(1220)에 의해 조절 가능한 동작 주파수 범위는 110KHz부터 205KHz까지이고, 110KHz가 송출 전력의 세기가 최대가 되는 공진 주파수일 수 있다. 이 경우, 하프 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 172KHZ에서 205KHz 사이의 값이고, 풀 브릿지 타입의 인버터가 활성화된 경우, 동작 주파수 제어 방식의 동작 주파수 조절 범위는 110KHz에서 172KHz 사이의 값일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
듀티 사이클 조절부(1230)는 동작 주파수 생성부(1220)에 의해 생성된 교류 신호의 듀티 레이트를 조절할 수 있다. 듀티 레이트가 조절된 교류 신호는 게이트 드라이버(1240)에 전달될 수 있다. 일 예로, 듀티 레이트의 조절 범위는 10~50%일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
게이트 드라이버(1240)는 입력된 교류 신호에 기반하여 제1 인버터(1122) 또는 제2 인버터(1123)에 구비된 스위치를 제어할 수 있다.
게이트 드라이버(1240)에 입력되는 교류 신호는 적어도 하나의 펄스 폭 변조 신호일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
상기 도 11의 구동부(1120)는 하프 브리지 타입의 인버터 및 풀 브리지 타입의 인버터를 포함하여 구성될 수 있다.
도면 번호 13a를 참조하면, 하프 브리지 인버터는 두 개의 스위치(S1 및 S2)를 포함하고, 게이트 드라이버의 스위치 ON/OFF 제어에 따라 출력 전압(Vo)이 변경될 수 있다. 일 예로, S1 스위치가 단락되고, S2 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo)는 입력 전압인 +Vdc 값을 갖는다. 반면, S1 스위치가 개방되고, S2 스위치가 단락되면, 출력 전압(Vo)는 0 값을 갖는다. 하프 브리지 인버터(13a)는 소정 주기로 S1 스위치와 S2 스위치가 교차 단락되면, 해당 주기를 갖는 교류 파형을 출력할 수 있다.
상기 도 13의 도면 부호 13b를 참조하면, 풀 브리지 인버터는 네 개의 스위치(S1, S2, S3 및 S4)를 포함하여 구성될 수 있으며, 게이트 드라이버의 스위치 ON/OFF 제어에 따라 출력 전압(Vo) 레벨은 도면 번호 13b에 포함된 표에 도시된 바와 같이, +Vdc 또는 -Vdc 또는 0의 값을 가질 수 있다. 일 예로, S1 스위치와 S2 스위치가 단락되고, 나머지 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo) 레벨은 +Vdc 값을 가진다. 반면, S3 스위치와 S4 스위치가 단락되고, 나머지 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo) 레벨은 -Vdc 값을 가진다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도이다.
이하 설명의 편의를 위해, 하프 브릿지 타입의 인버터를 제1 인버터와 혼용하여 사용하기로 한다.
도 14를 참조하면, 제1 인버터(1420)는 제1 스위치(1421) 및 제2 스위치(1422)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 인버터(1420)는 캐패시터(1431)와 인덕터(1432)로 구성된 공진 회로(1430)에 연결된다. 전원(1410)으로부터 공급되는 직류 전력은 제1 인버터(1420)의 스위치 제어를 통해 교류 신호로 변환되어 공진 회로(1430)에 전달될 수 있다.
상기 도 14의 실시예에서는 하나의 캐패시터(1431)와 하나의 인덕터(1432)를 포함하는 공진 회로(1430)가 구비된 무선 전력 송신 장치를 예를 들어 설명하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 공진 회로(1430)를 구성하는 캐패시터 및 인덕터의 개수 및 그것들의 회로 구성은 당업자의 설계 목적에 따라 상이할 수 있음을 주의해야 한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도이다.
이하 설명의 편의를 위해, 풀 브릿지 타입의 인버터를 제2 인버터와 혼용하여 사용하기로 한다.
도 15를 참조하면, 제2 인버터(1520)는 제1 내지 제4 스위치(1521, 1522, 1523, 1524)를 포함할 수 있다. 제2 인버터(1520)는 캐패시터(1531)와 인덕터(1532)로 구성된 공진 회로(1530)에 연결된다. 전원(1510)으로부터 공급되는 직류 전력은 제2 인버터(1520)의 스위치 제어를 통해 교류 신호로 변환되어 공진 회로(1530)에 전달될 수 있다.
상기 도 15의 실시예에서는 하나의 캐패시터(1531)와 하나의 인덕터(1532)를 포함하는 공진 회로(1530)가 구비된 무선 전력 송신 장치를 예를 들어 설명하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 공진 회로(1530)를 구성하는 캐패시터 및 인덕터의 개수 및 그것들의 회로 구성은 당업자의 설계 목적에 따라 상이할 수 있음을 주의해야 한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16을 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신기의 카테고리 및(또는) 피드백 채널을 통해 수신된 요구 전력 정보에 기반하여 결정되는 초기 송출 전력 세기에 기반하여 교류 신호 생성을 위한 인버터 타입을 결정하고, 해당 인버터를 활성화시킬 수 있다(S1601). 여기서, 피드백 채널은 무선 전력 전송에 사용되는 주파수 대역과 동일 주파수 대역을 사용하는 인밴드 통신 채널일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 전송에 사용되는 주파수 대역과 상이한 주파수 대역을 이용한 근거리 무선 통신 채널일 수도 있다.
무선 전력 송신 장치는 피드백 채널을 통해 전력 제어를 요청하는 소정 피드백 신호가 수신되면, 수신된 피드백 신호에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다(S1602).
무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기가 현재 활성화된 인버터 타입으로 지원 가능한가를 판단할 수 있다(S1603).
판단 결과, 지원 가능하지 않으면, 무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 새롭게 결정할 수 있다(S1604). 이때, 무선 전력 송신 장치는 새롭게 결정된 인버터 타입을 이용하여 교류 신호를 생성하고, 새롭게 결정된 전력 제어 방식 및 피드백 신호에 따라 송출 전력의 세기를 제어할 수 있다.
상기한 1603 단계의 판단 결과, 지원 가능하면, 무선 전력 송신 장치는 전력 제어 방식의 변경이 필요한지 판단할 수 있다(1605). 여기서, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1602 단계에서 결정된 송출 전력의 세기가 현재 활성화된 전력 제어 방식을 통해 조절 가능한 세기인지를 확인하여 전력 제어 방식의 변경이 필요한지 여부를 판단할 수 있다.
판단 결과, 변경이 필요하면, 무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 전력 제어 방식을 새롭게 결정하고, 현재 활성화된 전력 제어 방식을 새롭게 결정된 전력 제어 방식으로 변경하여 전력 제어를 수행할 수 있다(S1606).
상기한 1605 단계의 판단 결과, 변경이 필요하지 않으면, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1602 단계로 회귀할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17을 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 전력 전송 단계 진입 후 첫번째 수신된 피드백 신호에 기반하여 송출 전력의 세기 결정할 수 있다(S1701).
무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 인버터 타입 결정할 수 있다(S1702).
무선 전력 송신 장치는 결정된 인버터 타입에 대응하여 선택 가능한 전력 제어 방식들 중 결정된 송출 전력의 세기를 지원하는 전력 제어 방식을 결정할 수 있다(S1703).
이 후, 무선 전력 송신 장치는 주기적으로 수신되는 피드백 신호에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다(S1704).
무선 전력 송신 장치는 상기한 1704 단계에서 결정된 송출 전력의 세기가 결정된 전력 제어 방식에 대응하여 미리 정의된 전력 조절 범위 이내인지를 판단할 수 있다(S1705).
판단 결과, 전력 조절 범위를 벗어나면, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1704 단계에서 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 인버터 타입 및(또는) 전력 제어 방식을 재결정할 수 있다(S1706).
상기한 1705 단계의 판단 결과, 전력 조절 범위 이내이면, 무선 전력 송신 장치는 현재 활성화된 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 유지하고, 상기한 1704 단계를 수행할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 송출 전력 세기 변화에 따른 인버터 타입 및 전력 제어 방식 전환 방법을 설명하기 위한 도면이다.
무선 전력 송신 장치는 전력 제어를 요청하는 피드백 신호가 수신되면, 송출 전력의 세기를 결정하고, 결정된 송출 전력의 세기에 기반하는 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 결정할 수 있다.
이하에서는 전력 전송 단계로 진입 후, 시간이 제1 시점에서 제4 시점까지 경과하는 동안 피드백 신호에 기반하여 결정된 송출 전력의 세기에 따라 인버터 타입 및 전력 제어 방식을 전환 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 18을 참조하면, 제1 시점에서 수신된 피드백 신호에 의해 결정된 송출 전력의 세기가 A이면, 무선 전력 송신 장치는 인버터 타입을 하프 브릿지로 결정하고, 전력 제어 방식을 듀티 사이클 제어 방식으로 결정할 수 있다.
제2 시점에서 수신된 피드백 신호에 의해 결정된 송출 전력의 세기가 B인 경우, 인버터 타입은 하프 브릿지로 유지되고, 전력 제어 방식은 듀티 사이클 제어 방식에서 동작 주파수 제어 방식으로 전환될 수 있다.
제3 시점에서 수신된 피드백 신호에 의해 결정된 송출 전력의 세기가 C인 경우, 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 인버터 타입이 풀 브릿지이므로, 무선 전력 송신 장치는 인버터 타입을 하프 브릿지에서 풀 브리지로 전환하고, 전력 제어 방식은 위상 변이 제어 방식으로 결정할 수 있다.
제4 시점에서 피드백 신호에 의해 결정된 송출 전력의 세기가 D인 경우, 무선 전력 송신 장치는 인버터 타입을 풀 브릿지로 유지하고, 전력 제어 방식은 위상 변이 제어 방식에서 동작 주파수 제어 방식으로 전환할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지가 활성화된 상태에서 무선 전력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 19를 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 하프 브릿지가 활성화된 상태에서 수신된 피드백 신호에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다(S1901 내지 S1902). 일 예로, 피드백 신호는 WPC 표준에 정의된 제어 오류 패킷일 수 있으며, 전력 전송 단계에서 주기적으로 수신될 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 현재 활성화된 전력 제어 방식이 듀티 사이클 제어 방식인지 확인할 수 있다(S1903).
확인 결과, 현재 활성화된 전력 제어 방식이 듀티 사이클 제어 방식이면, 무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기에 대응하는 듀티 레이트가 소정 듀티 레이트 조절 하한치보다 작은지 판단할 수 있다(S1904). 일 예로, 듀티 레이트 조절 범위는 10%에서 50% 사이의 값일 수 있다. 듀티 사이클 제어 방식이 활성화된 경우, 듀티 레이트가 50%로 설정되었을 때 가장 작은 전력이 송출되고, 듀티 레이트가 10%로 설정되었을 때 가장 큰 전력이 송출될 수 있다.
듀티 사이클 제어 방식이 활성화된 상태에서 피드백 신호에 기반하여 결정된 송출 전력의 세기에 상응하는 듀티 레이트가 소정 듀티 레이트 하한치보다 작은 경우, 무선 전력 송신 장치는 전력 제어 방식을 듀티 사이클 제어 방식에서 동작 주파수 제어 방식으로 전환시킬 수 있다(S1905).
무선 전력 송신 장치는 동작 주파수 제어 방식이 활성화된 상태에서 수신되는 피드백 신호에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다(S1906).
무선 전력 송신 장치는 상기한 1906 단계에서 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 작은지 판단할 수 있다(S1907).
판단 결과, 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 작으면, 무선 전력 송신 장치는 인버터 타입을 풀 브릿지 타입으로 전환시킬 수 있다(S1908).
상기한 1907 단계의 판단 결과, 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 크면, 무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 상한치보다 큰지를 판단할 수 있다(S1909).
판단 결과, 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 상기 동작 주파수 상한치보다 크면, 무선 전력 송신 장치는 전력 제어 방식을 동작 주파수 제어 방식에서 위상 변이 제어 방식으로 전환시킬 수 있다(S1910).
상기한 1909 단계의 판단 결과, 동작 주파수 상한치보다 작으면, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1906 단계로 진입하여 동작 주파수 제어 방식을 통해 전력 제어를 수행할 수 있다.
상기한 1903 단계의 판단결과, 현재 활성화된 전력 제어 방식이 듀티 사이클 제어 방식이 아닌 경우, 무선 전력 송신 장치는 상기한 S1907 단계를 수행할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지가 활성화된 상태에서 무선 전력을 제어하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 20을 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 풀 브릿지가 활성화된 상태에서 주기적으로 수신되는 피드백 신호에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다(S2001 내지 S2002).
무선 전력 송신 장치는 현재 활성화된 전력 제어 방식이 위상 변이 제어 방식인지 확인할 수 있다(S2003).
확인 결과, 현재 활성화된 전력 제어 방식이 위상 변이 제어 방식이면, 무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기에 대응하는 위상 변이가 소정 위상 변이 조절 범위를 벗어나는지 판단할 수 있다(S2004). 일 예로, 위상 조절 범위는 0도에서 133도 사이일 수 있으며, 결정된 송출 전력의 세기에 대응하여 조절될 위상 변이가 0도 미만이거나, 133도를 초과하는 경우, 무선 전력 송신 장치는 위상 변이 조절 범위를 벗어난 것으로 판단할 수 있다.
판단 결과, 위상 변이 조절 범위를 벗어나면, 무선 전력 송신 장치는 전력 제어 방식을 위상 변이 제어 방식에서 동작 주파수 제어 방식으로 변환할 수 있다(S2005).
무선 전력 송신 장치는 동작 주파수 제어 방식이 활성화된 상태에서 수신되는 피드백 신호에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다(S2006).
무선 전력 송신 장치는 상기한 2006 단계에서 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 작은지 판단할 수 있다(S2007).
판단 결과, 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 작으면, 무선 전력 송신 장치는 최대 송출 전력에 도달되었음을 지시하는 소정 경고 알람 신호를 출력할 수 있다(S2008). 여기서, 경고 알람 신호는 램프(Lamp), 부저(buzzer), 진동, 액정 디스플레이 등의 알람 및(또는) 표시 수단을 이용하여 출력될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기한 2007 단계의 판단 결과, 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 조절 하한치보다 크면, 무선 전력 송신 장치는 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 소정 동작 주파수 상한치보다 큰지를 판단할 수 있다(S2009).
판단 결과, 동작 주파수 상한치보다 작으면, 상기한 2006 단계로 회귀할 수 있다.
반면, 상기 2009 단계의 판단 결과, 결정된 송출 전력의 세기에 대응되는 동작 주파수가 상기 동작 주파수 상한치보다 크면, 무선 전력 송신 장치는 전력 제어 방식을 동작 주파수 제어 방식에서 위상 변이 제어 방식으로 전환할 수 있다(S2010).
상기한 2003 단계의 판단결과, 현재 활성화된 전력 제어 방식이 위상 변이 제어 방식이 아닌 경우, 무선 전력 송신 장치는 상기한 2007 단계를 수행할 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 송신 코일을 설명하기 위한 도면이다.
도 21을 참조하면, 무선 충전 송신 코일은 3개의 송신 코일이 배치되어 구성될 수 있다. 일정한 크기의 충전 영역 내에서 균일한 전력 전송을 수행하기 위해서, 복수의 송신 코일 중 적어도 하나는 일부가 중첩되어 배치될 수 있다. 도 21에서 제1코일(2110)과 제2코일(2120)은 차폐재(2140) 위에 일정 간격을 두고 나란히 제1층에 배치되어 있고, 제3코일(2130)은 제1코일 및 제2코일 위에 일부 중첩되어 제2층에 배치될 수 있다.
제1코일(2110), 제2코일(2120) 및 제3코일(2130)은 WPC 또는 PMA에서 정의한 코일의 규격대로 제조될 수 있고, 각각의 물리적 특성이 허용될 수 있는 정도의 범위 내에서 동일할 수 있다.
예를 들어, 송신 코일은 하기 표 1과 같은 규격을 가질 수 있다.
Figure PCTKR2017003927-appb-T000001
표 1은 WPC에 정의된 A13 타입의 송신 코일에 대한 규격이며, 일 실시예로 제1코일(2110), 제2코일(2120) 및 제3코일(2130)은 표 1에 정의된 외측 길이, 내측 길이, 외측 너비, 내측 너비, 두께 및 권선수로 제조될 수 있다. 물론, 동일한 제조 공정에 의해 제1코일(2110), 제2코일(2120) 및 제3코일(2130)은 오차 범위 내에서 물리적 특성이 동일할 수 있다.
다만, 도 12에서와 같이 제1코일(2110), 제2코일(2120) 및 제3코일(2130) 각각은 차폐재(2140)와의 관계에서 배치되는 위치에 따라 측정되는 인덕턴스가 다른 값을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)은 상기 표 1의 규격을 만족하며12.5uH의 인덕턴스를 가지는데, 제3코일(2130)은 차폐재(2140)과의 이격 거리가 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)과 달라 12.5uH 보다 작은 인덕턴스를 가질 수 있다.
예를 들어, 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)은 차폐재(2140)와 접촉하여 배치되지만, 제3코일(2130)은 차폐재(2140)로부터 소정 높이만큼 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시예에서 제1코일(2110), 제2코일(2120) 또는 제3코일(2130)과 차폐재(2140)사이에는 접착 부재가 배치될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서 제3코일(2130)은 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)과 동일한 인덕턴스를 갖게 하기 위해서 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)의 권선수보다 수회(예를 들어, 0.5회 또는 1회 또는 2회) 더 많은 권선수를 갖도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서 제3코일(2130)은 12.5회 또는 13회 또는 14회의 권선수를 가질 수 있다.
다시 말해서, 중앙에 위치하는 제3코일(2130)은 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)에 비해 차폐재(2140)로부터 더 먼 거리에 이격되어 배치되므로 측정된 인덕턴스가 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)과 비교하여 작을 수 있다.
모든 송신 코일의 인덕턴스 값을 동일하게 하기 위해, 제3코일(2130)을 구성하는 도선의 길이는 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)보다 조금 더 길게 구성함으로써 인덕턴스가 동일하게 조정될 수 있다.
일 실시예에서, 제3코일(2130)을 구성하는 도선의 길이를 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)보다 일정 길이만큼 길게 하여, 제3코일(2130)이 제1코일(2130) 및 제2코일(2120)보다 차폐재(2140)로부터 더 멀리 위치함에도 불구하고, 3개의 코일의 인덕턴스가 12.5uH로 동일할 수 있다. 일 실시예에서 코일의 인덕턴스가 동일하다는 것은 ±0.5uH 내의 오차범위를 가지는 것을 의미할 수 있다.
일부 중첩되어 배치되는 송신 코일들(2110 내지 2130)은 차폐재(2140)와의 거리가 멀리 떨어질수록 해당 송신 코일에 대응하여 측정되는 인덕턴스가 작아진다. 따라서, 제1 코일(2110) 및 제2 코일(2120)에 비해 차폐재(2140)와의 거리가 상대적으로 먼 제3 코일(2130)에 상응하는 인덕턴스를 제1 코일(2110) 및 제2 코일(2120)에 상응하는 인덕턴스와 동일하게 유지하기 위해 제3 코일(2130)의 도선 길이를 제1 코일(2110) 및 제2 코일(2120)의 도선 길이보다 더 길게 할 수 있다.
일 실시예에서 제3코일(2130)가 제1코일(2130) 및 제2코일(2120)보다 수회 더 많은 권선수를 갖도록 하는 경우에, 내측 길이, 내측너비 및 두께는 동일하면서 외측 길이, 외측 너비는 상이할 수 있다.
일 실시예에서 제3코일(2130)가 제1코일(2130) 및 제2코일(2120)보다 수회 더 많은 권선수를 갖도록 하는 경우에, 외측 길이, 외측 너비, 내측 너비 및 두께는 동일하면서 내측 길이는 상이할 수 있다.
일 실시예에서 제3코일(2130)가 제1코일(2130) 및 제2코일(2120)보다 수회 더 많은 권선수를 갖도록 하는 경우에, 외측 길이, 외측 너비, 내측 길이 및 두께는 동일하면서 내측 너비는 상이할 수 있다.
일 실시예에서 제3코일(2130)가 제1코일(2130) 및 제2코일(2120)보다 수회 더 많은 권선수를 갖도록 하는 경우에, 외측 너비, 내측길이, 내측 너비 및 두께는 동일하면서 외측 길이는 상이할 수 있다.
일 실시예에서 제3코일(2130)가 제1코일(2130) 및 제2코일(2120)보다 수회 더 많은 권선수를 갖도록 하는 경우에, 외측 길이, 내측 길이, 내측 너비 및 두께는 동일하면서 외측 너비는 상이할 수 있다.
다시 말해서, 중앙에 위치하는 제3코일(2130)은 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)보다 차폐재로부터 더 멀리 위치하여 측정된 인덕턴스가 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)과 다를 수 있어, 제3코일(2130)을 구성하는 도선의 길이를 제1코일(2110) 및 제2코일(2120)보다 조금 더 길게 하여 인덕턴스를 동일하게 조정할 수 있다.
중첩되어 위치하는 송신 코일은 차폐재와의 거리가 멀리 떨어질수록 측정되는 인덕턴스가 작을 수 있고, 차폐재와의 거리가 멀수록 인덕턴스를 증가시키기 위해 송신 코일의 길이를 더 길게 할 수 있다.
한편, 제1코일(2110), 제2코일(2120) 및 제3코일(2130)의 인덕턴스가 상이한 경우에는, 각각의 인덕턴스에 따라 상이한 커패시터를 포함하는 공진 회로와 이러한 공진 회로에서 발생되는 공진 주파수를 제어할 수 있는 각각의 드라이브회로가 필요할 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 코일을 포함하는 무선 전력 송신기에서 풀브리지 인버터(Full-bridge Invertor)를 포함하는 3개의 드라이브회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 22을 참조하면, 무선 전력 송신기가 포함하는 3개의 송신 코일 각각이 상이한 인덕턴스를 가지는 경우, 각각의 송신 코일과 연결되는 3개의 드라이브 회로(2210)와 동일한 공진 주파수를 발생시키기 위한 커패시터를 포함하는 3개의 LC 공진 회로(2220)가 필요하다.
무선 전력 송신기가 복수의 송신 코일을 포함하더라도, 무선 전력 송신기가 전력 전송을 수행하기 위해 발생시키는 공진 주파수는 송신 코일 각각에 따라 다를 수 없고, 무선 전력 송신기가 지원하는 표준 공진 주파수에 따라야 한다.
LC 공진 회로(2220)에서 발생되는 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스에 따라 다를 수 있다.
예를 들어, 공진 주파수(fr, resonant frequency)는 100Khz 일 수 있고, 송신 코일과 연결되어 상기 공진 주파수를 발생시키는 커패시터의 커패시턴스(capacitance)가 200nF 인 경우, 하나의 커패시터만을 이용하려면 3개의 송신 코일 모두 12.5uH를 만족해야 한다. 3개의 송신 코일의 인덕턴스가 각각 상이하면 100khz의 공진 주파수를 발생시키기 위해서 각각 대응되는 서로 다른 커패시턴스를 가지는 3개의 커패시터가 필요하다. 이에 추가적으로 각각의 LC 공진 회로(2220)에서 교류 전압을 인가하기 위한 인버터를 포함하는 드라이브회로(2210) 역시 3개가 필요하다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 코일을 포함하면서 하나의 드라이브회로를 포함하는 무선 전력 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 23를 참조하면, 3개의 송신 코일의 인덕터스가 동일한 경우 무선 전력 송신기는 하나의 드라이브회로(2310)만을 포함할 수 있고, 하나의 드라이브회로(2310)와 3개의 송신 코일 중에서 수신 코일과 전력 전송 효율이 가장 높은 송신 코일을 연결하도록 스위치(2330)를 제어할 수 있다.
도 22과 비교할 때, 무선 전력 송신기는 드라이브회로(2310)를 하나만 사용함으로써 부품이 차지하는 면적을 줄일 수 있어 무선 전력 송신기 자체를 소형화할 수 있으며, 제조 시 소요되는 원 재료비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
일 실시예로, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일과 수신 코일 사이의 전력 전송 효율을 산출하기 위해 핑 단계에서 신호 세기 지시자를 이용할 수 있다.
또는 다른 실시예로, 무선 전력 송신기는 송수신 코일 사이의 결합 계수를 산출하여 결합 계수가 높은 송신 코일을 선택할 수 있다.
또는 다른 실시예로, 무선 전력 송신기는 큐펙터(Q factor)를 산출하여 큐펙터가 높은 송신 코일을 식별하여 드라이브회로(2310)과 연결하도록 스위치(2330)를 제어할 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀브리지 인버터(Full-bridge Invertor)를 포함하는 드라이브회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 24를 참조하면, 무선 전력 송신기가 포함하는 전력 전송부는 전력 전송을 위한 특정 동작 주파수를 생성할 수 있다. 전력 전송부는 인버터(2410), 입력 전원(2420) 및 LC 공진 회로(2430)을 포함할 수 있다.
인버터(2410)은 입력 전원으로부터의 전압 신호를 변환하여 LC 공진 회로(2430)에 전달할 수 있다. 일 실시예로서, 인버터(2410)은 풀 브릿지 인버터(Full-Bridge inverter)일 수 있고, 또는 하프 브릿지 인버터(half- Bridge inverter) 일 수 있다.
전력 전송부는 하프 브릿지 인버터에 의한 출력보다 더 높은 출력을 위해 풀 브릿지 인버터를 이용할 수 있다. 풀 브릿지 인버터는 하프 브릿지 인버터에 스위치 2개를 더 추가한 형태로 4개의 스위치를 이용하여 하프 브릿지 인버터보다 2배 높은 전압을 출력하여 LC 공진 회로(2430)에 인가할 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 도 21의 무선 충전 송신 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 25를 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 입력 전압을 변환하는 드라이브회로(2510), 드라이브회로(2510)와 LC 공진회로를 연결하는 스위치(2520), 복수의 송신 코일(2530), 복수의 송신 코일과 직렬로 연결되는 하나의 커패시터(2540) 및 스위치(2520)의 개폐를 제어하는 제어부(2550)을 포함할 수 있다.
제어부(2550)는 복수의 송신 코일(2530) 중 수신 코일과 전력 전송 효율이 가장 높은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 드라이브회로(2510)과 연결하도록 스위치를 닫는 제어를 수행할 수 있다.
도 25를 참조하면, 3개의 송신 코일의 인덕터스가 동일한 경우 무선 전력 송신 장치는 하나의 드라이브회로(2510)만을 포함할 수 있고, 하나의 드라이브회로(2510)와 3개의 송신 코일 중에서 수신 코일과의 전력 전송 효율 또는 결합 계수 가 가장 높은 송신 코일을 연결하도록 스위치(2520)를 제어할 수 있다.
송신 코일의 개수만큼 드라이브회로가 구비되는 종래 기술과 비교하여, 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치는 드라이브회로(2510)를 하나만 구비해도 된다. 따라서, 본 발명은 부품이 차지하는 면적을 최소화시킬 수 있어 무선 전력 송신기 자체를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 원가를 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 충전 송신 코일은 15W급 무선 충전 장치에서 발열을 최소화할 수 있도록 설계되어, 상기 도 25의 커패시터(2540)의 전기용량은 200nF±5% 범위를 가질 수 있다.
또한, 상기도25에 도시된 3개의 송신코일(2530)의 인덕턱스-즉, 차폐재와의 자체 유도계수-는 동일하게 12.5uH±10%의 범위를 가질 수 있다. 실시예에 따라 3개의 송신코일(2530)간의 자체 유도 계수의 차이는 1uH±20%의 범위를 가지도록 설계될 수 있다. 이때, 드라이브회로(2510)를 구성하는 인버터에 인가되는 교류 전압은 12±1V의 범위를 가지고, 인버터의 동작 주파수는 110~205kHz의 범위를 가질 수 있다. 여기서 인버터는 풀브릿지 인버터일 수 있다. 이러한, 코일 및 회로 구조를 활용하여 본 출원인은 종래 최대 70도 이상의 발열을 가지던 무선 충전 송신기를 50도 대로 낮추는데 성공하였다.
상술한 실시예에 따른 방법들은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 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.
실시예에 따른 무선 전력 송신기의 제어 방법은 복수의 송신 코일을 포함흐는 무선 전력 송신기에서 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 충전 영역에 물체가 감지되면, 적어도 하나의 송신 코일이 상호 중첩되어 배치된 N개의 송신 코일 중 전력 전송 효율이 가장 높은 송신 코일을 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 송신 코일과 드라이브회로(drive circuit)를 연결하는 N개의 스위치 중 해당 스위치를 제어하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 N개의 송신 코일 각각을 구성하는 도선이 차폐재와의 개별적인 위치에 대응하여 길이가 조정되어 동일한 인덕턴스를 가지는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각각 병렬 연결된 상기 N개의 송신 코일은 상기 N개의 스위치와 각각 직렬 연결되어 개별적으로 활성화되는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 송신 코일은 하나의 커패시터(capacitor)와 직렬로 연결되는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 송신 코일 각각은 차폐재와의 개별적인 위치에 대응하여 서로 다른 권선수를 달리하여 동일한 인덕턴스를 가지는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 상기 차폐재와의 거리에 따라 다른,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 상기 차폐재와의 거리가 멀수록 큰,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 N개의 송신 코일 각각의 권선수는 0.5회 내지 2회 차이가 나는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신 코일은 특정 공진 주파수를 이용하여 상기 수신 코일로 전력을 전송하는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 드라이브회로는 전원으로부터의 직류 전압을 교류 전압으로 변경하는 인버터를 포함하는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 송신 코일은,
    상기 N개의 스위치 중 어느 하나가 닫혀 하나의 상기 드라이브회로와 상기 커패시터 사이에서 직렬로 연결되는,
    무선 전력 송신기의 제어 방법.
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