WO2018169223A1 - 자기 전압 제어형 정류장치를 가진 무선전력 시스템 및 그 통신방법 - Google Patents

자기 전압 제어형 정류장치를 가진 무선전력 시스템 및 그 통신방법 Download PDF

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WO2018169223A1
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wireless power
communication
rectifier
current
power
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황종태
이동수
이종훈
신현익
이준
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주식회사 맵스
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode

Definitions

  • the present invention relates to wireless power transmission and control technology, and more particularly, to a communication technology between a power transmitter and a power receiver for transmitting and receiving wireless power.
  • the wireless power system includes a power transmitter (PTU, hereinafter PTU) and a power receiver (PRU, hereinafter PRU) for transmitting and receiving power wirelessly.
  • the PRU receives power using a resonator composed of an inductor L and a capacitor C. At this time, the power of the resonator flows an AC current having the same frequency as that of the power transmitted from the PTU.
  • a rectifier is required for this purpose.
  • the rectifier converts the AC signal into an unregulated DC signal.
  • This DC signal is converted into a sophisticated DC voltage signal using a power converter and supplied to the load.
  • Whatever type of power converter is located, it has a two-stage structure, and the power transmission efficiency of the receiver is determined by multiplying the efficiency of the rectifier by the efficiency of the power converter. Therefore, the higher the efficiency, the more difficult the multi-stage configuration.
  • a wireless power system and a communication method in a wireless power system having a self-voltage controlled stop that can increase power transmission efficiency by generating stable output power using only a rectifier and a resonator without a separate power converter.
  • a wireless power system may rectify a reception resonator that self-resonates with a wireless power transmitter through a reception antenna, and an AC type power signal received from the reception resonator as a DC power signal through a rectifier.
  • a self-voltage controlled stop for self-controlling the rectifier output voltage without a power converter, and a frequency adjusting unit for changing a resonance frequency of the reception resonator for in-band communication with the wireless power transmitter;
  • the reception resonator includes a reception antenna current that changes according to a change in the resonance frequency and transmits a communication signal to the wireless power transmitter through induction of the changed reception antenna current.
  • the frequency adjuster may change the resonance frequency of the reception resonator in accordance with the rectifier output voltage and the output current controlled by the self-voltage controlled stop value.
  • the frequency adjusting unit may change the resonance frequency of the reception resonator according to a communication command for exchanging information with the wireless power transmitter.
  • the communication signal may include information for adjusting the output power of the wireless power transmitter and other information for in-band communication with the wireless power transmitter.
  • the frequency adjusting unit may include a capacitor connected to the receiving antenna of the receiving resonator to change the resonant frequency of the receiving resonator, and a communication switching element connected to the capacitor in series and receiving a control signal for switching to control the current change of the receiving antenna.
  • the communication switching device may have a first output connected with a capacitor, a second output connected with a ground, and an input to receive a control signal for in-band communication.
  • the resonance frequency of the reception antenna and the capacitor of the reception resonator when the communication switching element is on may be different from the resonance frequency of the reception antenna and the resonance capacitor network of the reception resonator when the communication switching element is turned off. .
  • the wireless power system may further include a communication controller configured to generate a control signal for switching the communication switching device according to at least one of the output voltage of the rectifier, the output current, and the information to be exchanged with the wireless power transmitter, and transmit the control signal to the communication switching device.
  • a communication controller configured to generate a control signal for switching the communication switching device according to at least one of the output voltage of the rectifier, the output current, and the information to be exchanged with the wireless power transmitter, and transmit the control signal to the communication switching device.
  • the self-voltage controlled stop is a rectifier which converts AC power received from the receiving resonator into direct current power and supplies the rectifier output voltage to the load, and the output is connected to the rectifier input terminal and ground, respectively, and the output is generated according to the rectifier output voltage. It may include a low voltage switching device receiving a control signal.
  • the low voltage switching element receives a control signal that turns on the low voltage switching element when the rectifier output voltage increases, blocks the rectifier from supplying power to the load, thereby reducing the rectifier output voltage and lowering the rectifier output voltage.
  • the rectifier output voltage may be increased by receiving a control signal for turning off the switching element so that the rectifier supplies power to the load.
  • the wireless power system senses a change in the current of the power supply supplied from the power supply to the power amplifier according to the current fluctuation and the transmitting antenna which magnetically couples with the receiving antenna to induce the current fluctuation of the receiving antenna.
  • the electronic device may further include a current change detector configured to detect a digital communication signal from the controller, and a power controller configured to control the output power of the power amplifier according to the digital communication signal sensed by the current change detector.
  • a wireless power receiver receives an AC power signal through a reception antenna of a reception resonator, and converts the AC power signal into a DC power signal through a rectifier. Rectifying, but self-controlling the rectifier output voltage without a separate power converter, and the wireless power receiver to change the receiving antenna current of the receiving resonator by changing the resonant frequency of the receiving resonator for in-band communication with the wireless power transmitter And transmitting, by the wireless power receiver, the communication signal to the wireless power transmitter through the induction of the changed antenna current.
  • the changing of the receiving antenna current of the receiving resonator may include: turning on the communication switching element to receive a control signal for in-band communication, and switching the receiving antenna through a capacitor connected to the turned on communication switching element. Varying the resonant frequency.
  • the control signal for in-band communication may be generated according to at least one of an output voltage of the rectifier, an output current, and information to be exchanged with the wireless power transmitter.
  • the wireless power transmitter the step of the current variation is induced from the receiving antenna through the transmission antenna magnetically coupled with the receiving antenna, and the wireless power transmitter, according to the current variation induced, Detecting a change in the power supply current supplied from the supply to the power amplifier, sensing a digital communication signal from the detected current change, and controlling, by the wireless power transmitter, the output power of the power amplifier according to the detected digital communication signal It may further include.
  • the PRU may generate a stable output voltage using a self-regulation rectifier (SRR).
  • SRR self-regulation rectifier
  • the switching element and the receiving antenna of the SRR are separated, the switching element may be implemented at a low voltage.
  • the efficiency degradation and the heat generation problem of the switching element that occur when the antenna current flows to the switching element absorbing the antenna current can be solved. have.
  • the EMI current is kept constant so that EMI is not affected by the driving frequency of the switching device, thereby facilitating the design of the EMI filter.
  • the PRU may control the output power of the PTU by transmitting control information to the PTU through communication, particularly in-band communication.
  • 1 is a structural diagram of a general PRU
  • FIG. 2 is a structural diagram of a PRU receiving power by controlling an active element
  • FIG. 3 is a graph showing the amount of change in the antenna current when the output voltage is controlled using a switching operation in the structure of FIG.
  • FIG. 4 is a structural diagram of a receiver using a resonance frequency control method using a clocking signal
  • FIG. 5 is a structural diagram of a PRU having a Self Regulation Rectifier (SRR) to solve the problem in the PRU structure described above with reference to FIGS.
  • SRR Self Regulation Rectifier
  • FIG. 6 and 7 are structural diagrams of a PRU showing a situation in which the switching element M1 of FIG. 5 is turned off to increase the output voltage VOUT (power is supplied to a load);
  • FIG. 8 and 9 are structural diagrams of a PRU showing a situation in which the switching element M1 of FIG. 5 is turned on to lower the output voltage VOUT (no power is supplied to the load).
  • FIG. 10 is a structural diagram of a PRU further including a controller in the structure of FIG. 5;
  • FIG. 11 is a simulation waveform diagram showing that the output voltage VOUT is controlled when the load current varies from 0 to 200 mA in the structure of FIG. 10.
  • FIG. 12 is a waveform diagram showing a drive waveform of the switching element M1 in the structure of FIG. 10;
  • FIG. 13 is a structural diagram of a PRU including an SRR of a parallel structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a structural diagram of a wireless power system for transmitting and receiving information using an in-band communication method applied to an existing inductive wireless power transmission system such as a Qi and PMA scheme.
  • FIG. 15 is an operation waveform diagram of a wireless power system exchanging information with each other through the in-band communication of FIG. 14;
  • 16 is a structural diagram of a wireless power system for in-band communication when using the SRR according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is an operation waveform diagram of a wireless power system having an SRR of FIG. 16 according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 18 is a flowchart illustrating an in-band communication method of a wireless power system according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a structural diagram of a general PRU.
  • the PRU includes a resonator 10, a rectifier 12, a power converter 14, and a filter 16.
  • the PRU receives wireless energy from the PTU through a resonator 10 composed of an inductor L and capacitors Cs1 and Cs2. At this time, the resonator 10 flows an alternating current having the same frequency as that sent from the PTU.
  • Rectifier 12 and power converter 14 produce a final output from the AC signal to a stable DC signal to supply power to the load.
  • the rectifier 12 converts the AC signal into an unregulated DC signal.
  • the power converter 14 converts this DC signal into a sophisticated DC voltage Vout and supplies it to the load.
  • the power converter 14 is not limited to a specific type, and may be, for example, a buck type, a boost type, or a linear type.
  • the efficiency of the PRU is determined by multiplying the efficiency of the rectifier 12 by the efficiency of the power converter 14. For example, as shown in FIG. 1, when the efficiency of the rectifier 12 is at most 90% and the efficiency of the power converter 14 is at most 90%, the cumulative efficiency falls to a maximum of 81%. do. Therefore, as the power converter 14 is configured in a multi-stage, it is more difficult to satisfy high efficiency.
  • FIG. 2 is a structural diagram of a PRU that receives power by controlling active elements.
  • the PRU receives energy through a resonator including an inductor 200 and a capacitor 210.
  • Inductor 200 is the equivalent inductance of the antenna.
  • a rectifier composed of diodes 220 and 230 converts the AC signal into a DC signal and supplies energy to the load 260.
  • the control circuit 240 controls the active element 250 to control the voltage supplied to the load 260.
  • this method does not require a separate power converter, and the rectifier output voltage can be controlled by a rectifier of one stage.
  • the active device 250 operates as a resistor, the efficiency may not be good.
  • the voltage of the antenna is proportional to the reception sensitivity and the power of the PTU. In some cases, a voltage close to several hundred volts may occur. Therefore, the active device 250 connected to the antenna must have a high withstand voltage.
  • FIG. 3 is a graph showing the amount of change in antenna current when the output voltage is controlled using a switching operation in the structure of FIG. 2.
  • the circuit of FIG. 2 uses a MOSFET device as a linear device, there are many heat generation problems caused by power consumption.
  • the gate device is applied as a pulse to operate the MOSFET device as a switching device. Can be controlled. In this case, heat generation of the MOSFET device can be reduced, but a problem arises in that the antenna current is modulated as shown in FIG. 3.
  • the MOSFET is controlled using a gate drive waveform to maintain the output voltage at a constant voltage.
  • the antenna current decreases because the capacitor 210 of FIG. 2 changes the resonance frequency. That is, the antenna current increases when the current is supplied to the load, and the antenna current decreases when the MOSFET is turned on to lower the output voltage. It appears as if the antenna current is modulated to the gate drive waveform.
  • the change in the current waveform means that the output power generated in the PTU is changed. Therefore, the operating conditions of the PTU circuit may change, which may affect stable operation. Since the noise frequency is modulated by the gate driving waveform, the EMI (Electro Magnetic Interference) is influenced by the gate driving waveform to suppress the EMI. It can be hard.
  • FIG. 4 is a structural diagram of a receiver using a resonant frequency control method using a clocking signal.
  • the output voltage Vout 400 is adjusted by controlling the N1 410 as a switching element by a separate clocking signal 450 so that the output voltage Vout 400 becomes a desired voltage.
  • 4 is similar to that of FIG. 2, but the switching element N1 410 is positioned at the rear end of the resonator composed of the inductor L2 420 and the capacitor C1 422, and the control method is shown in FIG. It is the same as the method of 2.
  • the method serves to change the resonant frequency of the capacitors C1 422 and C6 430 when the switching element N1 410 is turned on, and the capacitance of the capacitor C6 430 is the capacitor C1 422. In comparison with this case, the resonance frequency does not change very much. Therefore, the current flowing through the switching element N1 410 may be very large.
  • the resonance frequency is increased to reduce the resonance current, but the voltage across the capacitor C6 430 may be increased.
  • the diode D2 440 of the rectifier may be turned on to supply current to the load.
  • the switching element N1 410 is intended to lower the output voltage by absorbing the antenna current and preventing the diode D2 440 from being turned on. However, this function is performed when the capacitor C6 430 is too small. Since the output voltage cannot be performed, the output voltage cannot be regulated.
  • controlling the output with one stage of the rectifier may be advantageous in terms of efficiency, but there are some problems to be solved as follows in order to show performance that can be used in practice.
  • the present invention proposes a PRU structure for solving the three problems mentioned above.
  • FIG. 5 is a structural diagram of a PRU having a Self Regulation Rectifier (SRR) to solve the problems in the PRU structure described above with reference to FIGS. 2 to 4.
  • SRR Self Regulation Rectifier
  • the PRU 5 includes a resonator 50, a rectifier 52, and a switching element M1 54.
  • Resonator 50 includes inductor LRX 500, capacitor C1 501, C2 502 and Cp 504.
  • the LRX 500 is a model of an antenna that receives power as an inductor, and capacitors C1 501 and C2 502 are capacitors that determine the resonant frequency of the PRU 5.
  • Capacitor C2 502 may be connected in series with inductor LRX 500, and capacitor C1 501 may be connected in series with inductor LRX 500 and in parallel with capacitor C2 502.
  • Capacitor C1 501 is a capacitor that directly returns current to inductor LRX 500, and capacitor C2 502 is a capacitor that returns current through rectifier 52 to supply current to the load.
  • Capacitor Cp 504 is not directly related to wireless power transfer but prevents parasitic oscillation at the ACIN rectifier input terminal.
  • Rectifier 52 converts the AC input to DC, which may be a half-wave rectifier consisting of diodes D1 521 and D2 522 as shown in FIG. 5.
  • the switching element M1 54 controls the rectifier output voltage VOUT.
  • the control voltage Vcont is applied above the threshold voltage to turn on the switching element M1 54, the output voltage VOUT may be lowered. Therefore, the output can be controlled without a separate power converter can improve the efficiency.
  • the switching element M1 54 may include a first output connected to the rectifier input terminal ACIN, a second output connected to ground, and an input connected to a control signal Vcont for self-controlling the rectifier output voltage VOUT.
  • a control signal Vcont for self-controlling the rectifier output voltage VOUT.
  • the rectifier output voltage VOUT is kept constant by the switching element M1 54.
  • the switching element M1 54 receives a control signal for turning on the switching element M1 54 to block the rectifier 5 from supplying power to the load. Reduce the output voltage VOUT.
  • the control signal for turning off the switching element M1 54 is input to cause the rectifier 5 to supply power to the load, thereby increasing the rectifier output voltage VOUT. As a result, the rectifier output voltage VOUT is kept constant.
  • the switching element 54 for controlling the rectifier output voltage VOUT can be implemented at a low voltage as it is separated from the receiving antenna.
  • the efficiency decrease and switching occurring when the entire amount of the antenna current flows through the switching element 54 absorbing the antenna current. It solves the heat generation problem of the device.
  • the antenna current is kept constant so that EMI is not influenced by the driving frequency of the switching element 54, thereby facilitating the design of the EMI filter.
  • FIGS. 6 to 9 it is shown that the output voltage VOUT can be constantly adjusted through the magnetic voltage control in the PRU structure of FIG. 5.
  • FIG. 6 and 7 are structural diagrams of a PRU in a situation in which the switching element M1 of FIG. 5 is turned off to increase the output voltage VOUT (power is supplied to a load).
  • FIG. 6 An equivalent circuit of FIG. 6 is shown in FIG. 7.
  • the current of the antenna is divided into I1 and I2 and flows through the capacitors C1 501 and C2 502, respectively. If the load resistance RL 580 is not large, that is, high power consumption is required, the resonance frequency is determined as in Equation 1.
  • the A4WP receiver determines the inductors LRX 500, capacitors C1 501 and C2 502 so that the resonant frequency is 6.78 MHz.
  • FIG. 8 and 9 are structural diagrams of a PRU in a situation in which the switching element M1 of FIG. 5 is turned on to lower the output voltage VOUT (no power is supplied to the load).
  • the switching element M1 54 is turned on to prevent power from being supplied to the output as shown in FIG. 8. Therefore, since the diode D1 521 is turned off, the load is not visible, and the equivalent circuit at this time is as shown in FIG. 9.
  • the resonance frequency is the same as that of Equation (1). Therefore, in either case, the resonance frequency does not change significantly from the antenna LRX 500 position.
  • FIG. 10 is a structural diagram of a PRU further including a controller in the structure of FIG. 5.
  • the controller 56 includes a comparator 560, resistors R1 561, R2 562, and a reference voltage VREF 563 for sensing the output voltage VOUT. If the condition VOUT ⁇ R1 / (R1 + R2)> VREF is satisfied, the output Vcont of the comparator 560 becomes high and the switching element M1 54 is turned on to lower the output voltage VOUT. Therefore, the output voltage VOUT is controlled to be (1 + R2 / R1) x VREF.
  • FIG. 11 is a simulation waveform diagram showing that the output voltage VOUT is controlled when the load current varies from 0 to 200 mA in the structure of FIG. 10.
  • the controller 56 is set to simulate the output voltage VOUT 910 to 5V while the resonator is set to operate at 6.78MHz. As shown in FIG. 11, it can be seen that the output voltage VOUT 910 is well controlled at 5V even when the load current 900 changes to 200mA. The initial output voltage VOUT 910 is low because the rectifier capacitor CVOUT is discharged to charge this capacitor. Looking at the antenna current 920, it can be seen that the load current is maintained almost constant.
  • FIG. 12 is a waveform diagram showing a drive waveform of the switching element M1 in the structure of FIG.
  • FIG. 13 is a structural diagram of a PRU including an SRR of a parallel structure according to an embodiment of the present invention.
  • the PRU includes a receiving antenna LRX 1300, a resonant capacitor network 1310, and an SRR unit 1320 having N SRRs, that is, SRR_1 to SRR_N connected in parallel. Since the SRR_1 to SRR_N can be controlled in accordance with the current required by the load, the output voltage VOUT can be more precisely controlled.
  • Vc [1] to Vc [n] are control signals of SRR_1 to SRR_N.
  • SRR_1 to SRR_N may include a rectifier including D1 and D2 as shown in the enlarged picture of FIG. 13 and a switch M1 at the rear end of the rectifier.
  • capacitors Cs1 to CsN are required, and the resonance frequency preferably satisfies Equation 2 below.
  • Equation 2 f is the resonance frequency of the PRU, and it is preferable to match it with the resonance frequency of the PTU. Since the method of controlling Vc [1] to Vc [n] is not directly related to the present invention, detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 14 is a structural diagram of a wireless power system for transmitting and receiving information using an in-band communication method applied to an existing inductive wireless power transmission system such as a Qi or PMA method.
  • PTUs and PRUs not only transmit and receive wireless power, but also exchange information through communication. For example, a PRU that requires less power may transmit a control signal via communication with the PTU requesting that the PRU draw less power from the PTU. Resonators used for wireless power signal exchange may also be used to exchange information. In order to perform wireless power transmission, various information exchanges are required between the PTU and the PRU. For example, it is necessary to exchange information about whether the PTU currently needs charging, how much if necessary, how to adjust parameters for charging, and whether the charging is completed.
  • Information can be exchanged by modulating the components in the PTU or PRU and sensing this change.
  • the resonators may communicate with each other by changing the resonator parameters, such as the impedance of the resonators, which may affect other resonators in the system. Allows simultaneous transmission of power and communication signals between resonators in a wireless power system, or the transmission of power and communication signals for different periods or at different frequencies using the same magnetic field used during wireless power signal transmission. have.
  • the communication of information between the resonators may be carried out using in-band or out-of-band communication, provided that the carrier frequency of the information exchange is close to the resonant frequency used in the power exchange. Such communication is referred to as in-band.
  • in-band a wireless power system for exchanging information between a PTU and a PRU using in-band communication will be described with reference to FIG. 14.
  • the PRU rectifies the AC signal received at the receiving antenna 1520 through the rectifier 1523 and converts the DC signal into a DC form, and converts the converted DC voltage through the DC-DC converter 1524 to apply the load to the load. Output voltage Vout. If there is enough energy transferred from the PTU, the load can provide the desired voltage / current, but if the power supply of the PTU is small, it will not supply enough power to the load. Conversely, if the PTU power transmits more power than the load of the RPU's load requires, it becomes an inefficient system. Thus, in order to control the power of the PRU, the PRU attempts to communicate based on a protocol defined with the PTU.
  • the communication signal may be exchanged wirelessly by using the transmit antenna 1510 of the PTU and the receive antenna 1520 of the PRU.
  • This approach is called in-band communication.
  • the Qi and PMA methods mainly use this method, and the two methods use a kind of amplitude modulation method.
  • a switch M2 1527 and a capacitor Cd 1528 are needed in the PRU.
  • the switch M2 1527 is turned on, the capacitor Cd 1528 is connected to a reception resonator including the reception antenna 1520 and the resonant capacitor network 1522, and thus the resonance frequency changes to change the received power.
  • the current of the reception antenna 1520 fluctuates, the current fluctuation is induced in the transmission antenna 1510 of the PTU which is magnetically coupled with the reception antenna 1520, and the communication signal is transmitted to the transmission antenna 1510. Is passed.
  • the PTU detects the current variation using an amplitude variation detector 1514 and detects a communication signal to be transmitted by the RPU from the detected change.
  • the output power of the power amplifier 1518 is controlled through the power controller 1516 according to the detected communication signal.
  • FIG. 15 is an operation waveform diagram of a wireless power system exchanging information with each other through the in-band communication of FIG. 14.
  • the rectifier input ACIN is shown by FIG. 15 by the capacitor Cd 1528. Changes together. This change also appears in the receive antenna 1520 of the PRU, and similarly in the transmit antenna 1510 of the PTU. In this way, the PRU can digitally transmit and receive binary signals with the PTU, and the PRU can transmit desired control signals via serial digital communication. Digital information can be transmitted serially by serial digital communication.
  • 16 is a structural diagram of a wireless power system for in-band communication when using the SRR according to an embodiment of the present invention.
  • the PRU 2 connects the communication switch M2 1629 and the capacitor Cd 1628 to the receiving antenna 1620 unlike the conventional method.
  • the resonant frequencies of the receiving antenna 1620 and the capacitor Cd 1628 may be set to be different from the resonant frequency of Equation 1 (resonant frequencies of the receiving antenna 1620 and the resonant capacitor network 1622).
  • the resonant frequencies of the receiving antenna 1620 and the capacitor Cd 1628 may be set lower than the resonant frequency of Equation (1).
  • a current variation detector 1614 detects a change in the power supply current Isup and detects a communication signal transmitted by the RPU 2 in binary form from the detected current change. .
  • the output power of the power amplifier 1618 is controlled through the power controller 1616 by the detected communication signal.
  • the PRU 2 may control the power of the PTU 1 by transmitting a communication signal to the PTU 1 through serial digital communication.
  • a PRU 2 of a wireless power system having in-band communication with an SRR 1623 includes a reception resonator including a reception antenna 1620 and a resonator capacitor network 1622, an SRR 1623, A frequency adjusting unit 1627 and a communication control unit 1626 may be included, and the frequency adjusting unit 1627 may include a capacitor Cd 1628 and a switch M2 1629. Note that by the SRR 1623 configuration, there is no power converter of FIG.
  • the SRR 1623 rectifies the AC power signal received from the reception resonator into a DC power signal, but self-controls its output voltage without a separate power converter.
  • SRR (1623) is a rectifier for converting the AC power received from the receiving resonator into direct current power to supply the rectifier output voltage Vout to the load, the output is connected to the rectifier input terminal and ground, respectively, the output is generated in accordance with the rectifier output voltage Vout It may include a low voltage switching element to which the control signal is applied. When the rectifier output voltage Vout increases, the low voltage switching element receives a control signal for turning on the low voltage switching element to block the rectifier from supplying power to the load, thereby reducing the rectifier output voltage Vout.
  • the control signal for turning off the low voltage switching element is input to allow the rectifier to supply power to the load, thereby increasing the rectifier output voltage Vout.
  • the low voltage switching element may be a MOSFET transistor.
  • the switching device may perform the same function even if it is replaced with an active device capable of switching operation, for example, a BJT, SiC FET, GaN FET, or the like.
  • the frequency adjuster 1627 changes the resonance frequency of the reception resonator for in-band communication.
  • the frequency adjuster 1627 may change the resonant frequency of the reception resonator according to the rectifier output voltage and the output current controlled by the SRR 1623.
  • the frequency adjusting unit 1627 may change the resonance frequency of the reception resonator according to a communication command for exchanging information with the PTU 1.
  • the frequency adjusting unit 1627 may change the resonance frequency of the reception resonator according to a control signal transmitted from the communication control unit 1626 that manages in-band communication.
  • the reception resonator changes the reception antenna current and transmits a communication signal to the PTU 1 through induction of the changed reception antenna current.
  • the communication signal may include information for adjusting the output power of the PTU 1 for the purpose of optimal wireless power transmission, and other information for in-band communication with the PTU 1, for example, information related to communication performance. It may also include.
  • the frequency adjusting unit 1627 is connected to a receiving antenna 1620 of the receiving resonator to change a resonance frequency of the receiving resonator, and is connected in series with the capacitor Cd 1628 and inputs a control signal. It includes a communication switch M2 (1629) to receive and switch to control the current change of the receiving antenna (1620).
  • the communication switch M2 1629 has a first output connected to the capacitor Cd 1628, a second output connected to the ground, and an input receiving a control signal generated according to the rectifier output voltage Vout.
  • the resonant frequency of the receive antenna 1620 and the capacitor Cd 1628 of the receive resonator is preferably lower than the resonant frequency of the receive antenna 1620 and the resonant capacitor network 1622 of the receive resonator.
  • the communication switch M2 1629 may be a MOSFET transistor. However, the communication switch M2 1629 may perform the same function even if it is replaced by an active device capable of switching operation, for example, a BJT, SiC FET, GaN FET, or the like.
  • the communication controller 1626 generates a control signal for switching the communication switch M2 1629 according to at least one of the rectifier output voltage and the output current and other information, and transmits the control signal to the communication switch M2 1629.
  • the communication control unit 1626 may transmit a control signal for turning on the communication switch M2 1629 to the communication switch M2 1629 to change the reception current through a resonance frequency change by the capacitor Cd 1628.
  • the information may be information for adjusting the output power of the wireless power transmitter or other information for in-band communication with the wireless power transmitter. The information may be in accordance with a communication command for information transfer.
  • the PTU 1 includes a transmit antenna 1610, a current change detector 1614, a power controller 1616, and a power amplifier 1618.
  • the transmit antenna 1610 is magnetically coupled with the receive antenna 1620 to induce current variations in the receive antenna 1620.
  • the current change detector 1614 detects a change in the power supply current Isup supplied from the power supply to the power amplifier 1618 in response to the current variation, and detects the digital communication signal from the detected current change.
  • the current change detector 1614 controls the output power of the power amplifier 1618 in accordance with the digital communication signal sensed by the current change detector 1614.
  • FIG. 17 is an operational waveform diagram of the wireless power system with the SRR of FIG. 16 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a flowchart illustrating an in-band communication method of a wireless power system according to an embodiment of the present invention.
  • the PRU 2 receives an AC-type power signal through a receiving antenna of a reception resonator 1800 and rectifies the AC-type power signal into a DC-type power signal through a rectifier. Self-controlling the rectifier output voltage without a separate power converter (1810). Subsequently, the reception antenna current of the reception resonator is changed by changing the resonance frequency of the reception resonator for in-band communication (1820).
  • the PRU 2 receives a control signal for in-band communication by the communication switching device, and adjusts the resonance frequency of the reception antenna through a capacitor connected to the communication switching device that is turned on. Can change.
  • the control signal for in-band communication may be generated according to at least one of an output voltage of the rectifier, an output current, and information to be exchanged with the PTU 1.
  • a communication signal for adjusting the output power of the PTU 1 is transmitted to the PTU 1 through induction of the changed antenna current (1830). Then, the PTU 1 detects a change in the power supply current Isup supplied from the power supply to the power amplifier according to the change in current, and the current fluctuation is induced from the receiving antenna through the transmit antenna magnetically coupled with the receiving antenna. A digital communication signal is detected from the sensed current change (1840). Subsequently, the output power of the power amplifier is controlled according to the sensed digital communication signal (1850).

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Abstract

자기 전압 제어형 정류장치를 가진 무선전력 시스템 및 그 통신방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템은, 수신 안테나를 통해 무선전력 송신기와 자기 공진하는 수신 공진기와, 수신 공진기로부터 수신된 교류 형태의 전력신호를 정류기를 통해 직류 형태의 전력신호로 정류하되, 별도의 전력 변환기 없이 정류기 출력전압을 자기 제어하는 자기 전압 제어형 정류장치와, 무선전력 송신기와의 인밴드(in-band) 통신을 위해 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 주파수 조정부; 를 포함하며, 수신 공진기는 공진 주파수의 변화에 따라 수신 안테나 전류가 변화하고 변화된 수신 안테나 전류의 유기를 통해 통신신호를 무선전력 송신기에 전송한다.

Description

자기 전압 제어형 정류장치를 가진 무선전력 시스템 및 그 통신방법
본 발명은 무선전력 전송 및 제어 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선전력을 송수신하는 전력 송신기와 전력 수신기 간 통신기술에 관한 것이다.
무선전력 시스템은 무선으로 전력을 송수신하는 전력 송신기(Power Transfer Unit: PTU, 이하 PTU라 칭함)와 전력 수신기(Power Receiving Unit: PRU, 이하 PRU라 칭함)로 구성된다. PRU는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 공진기(resonator)를 이용하여 전력을 수신한다. 이때 공진기의 전력은 PTU에서 전송하는 전력의 주파수와 동일한 주파수의 교류 전류가 흐른다. 일반적으로 안정된 DC 신호 형태로 최종 출력신호를 생성하여 부하(load)에 공급하므로, 이를 위해 정류기(rectifier)가 필요하다. 정류기는 AC 신호를 레귤레이션(regulation) 되지 않은 DC 신호로 변환한다. 이 DC 신호를 전력 변환기(power converter)를 이용하여 정교한 DC 전압신호로 변환하여 부하에 공급한다. 어떤 형태의 전력 변환기가 위치하건 간에 2단(2-stage) 구조를 가지게 되며, 수신기의 전력 전송 효율은 정류기의 효율과 전력 변환기의 효율을 곱한 형태로 결정된다. 따라서, 다 단(multi-stage)으로 구성될수록 높은 효율을 획득하기 어렵다.
일 실시 예에 따라, 별도의 전력 변환기 없이도 정류기와 공진기만으로 안정적인 출력 전력을 생성함에 따라 전력 전송 효율을 높일 수 있는 자기 전압 제어형 정류장치를 가진 무선전력 시스템 및 무선전력 시스템에서의 통신방법을 제안한다.
일 실시 예에 따른 무선전력 시스템은, 수신 안테나를 통해 무선전력 송신기와 자기 공진하는 수신 공진기와, 수신 공진기로부터 수신된 교류 형태의 전력신호를 정류기를 통해 직류 형태의 전력신호로 정류하되, 별도의 전력 변환기 없이 정류기 출력전압을 자기 제어하는 자기 전압 제어형 정류장치와, 무선전력 송신기와의 인밴드(in-band) 통신을 위해 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 주파수 조정부; 를 포함하며, 수신 공진기는 공진 주파수의 변화에 따라 수신 안테나 전류가 변화하고 변화된 수신 안테나 전류의 유기를 통해 통신신호를 무선전력 송신기에 전송한다.
주파수 조정부는, 자기 전압 제어형 정류장치에 의해 제어되는 정류기 출력전압 및 출력전류에 따라 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 주파수 조정부는, 무선전력 송신기와의 정보 교환을 위한 통신 명령에 따라 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시킬 수 있다.
상기 통신신호는, 무선전력 송신기의 출력전력 조정을 위한 정보와 무선전력 송신기와의 인밴드 통신을 위한 다른 정보를 포함할 수 있다.
주파수 조정부는, 수신 공진기의 수신 안테나와 연결되어 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 커패시터와, 커패시터와 직렬 연결되고 제어신호를 입력받아 스위칭하여 수신 안테나의 전류 변화를 제어하는 통신 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 통신 스위칭 소자는 커패시터와 연결되는 제1 출력과, 접지와 연결되는 제2 출력과, 인밴드 통신을 위한 제어신호를 인가받는 입력을 가질 수 있다. 통신 스위칭 소자가 온(on) 되었을 때의 수신 공진기의 수신 안테나와 커패시터의 공진 주파수는 통신 스위칭 소자가 오프(off) 되었을 때의 수신 공진기의 수신 안테나와 공진 커패시터 네트워크의 공진 주파수와 상이할 수 있다.
무선전력 시스템은, 정류기의 출력전압, 출력전류 및 무선 전력 송신기와 교환하고자 하는 정보 중 적어도 하나에 따라 통신 스위칭 소자를 스위칭하는 제어신호를 생성하여 통신 스위칭 소자에 전송하는 통신 제어부를 더 포함할 수 있다.
자기 전압 제어형 정류장치는, 수신 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 정류기 출력전압을 부하에 공급하는 정류기와, 출력이 각각 정류기 입력단자 및 접지와 연결되며 출력이 정류기 출력전압에 따라 발생하는 제어신호를 인가받는 저전압 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
저전압 스위칭 소자는, 정류기 출력전압이 증가하면 저전압 스위칭 소자를 온(on) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기가 부하로 전력을 공급하는 것을 차단하여 정류기 출력전압을 감소시키고, 정류기 출력전압이 감소하면 저전압 스위칭 소자를 오프(off) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기가 부하로 전력을 공급하도록 하여 정류기 출력전압을 증가시킬 수 있다.
무선전력 시스템은, 수신 안테나와 자기 커플링하여 수신 안테나의 전류 변동이 유기되는 송신 안테나와, 전류 변동 유기에 따라, 전력 공급기에서 전력 증폭기로 공급되는 전력 공급기 전류의 변동을 감지하고 감지된 전류 변화로부터 디지털 통신신호를 감지하는 전류 변화 감지부와, 전류 변화 감지부로부터 감지된 디지털 통신신호에 따라 전력 증폭기의 출력전력을 제어하는 전력 제어기를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 무선전력 시스템에서의 통신방법은, 무선전력 수신기가, 수신 공진기의 수신 안테나를 통해 교류 형태의 전력신호를 수신하고, 정류기를 통해 교류 형태의 전력신호를 직류 형태의 전력신호로 정류하되, 별도의 전력 변환기 없이 정류기 출력전압을 자기 제어하는 단계와, 무선전력 수신기가, 무선 전력 송신기와의 인밴드 통신을 위해 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시켜 수신 공진기의 수신 안테나 전류를 변화시키는 단계와, 무선전력 수신기가, 변화된 안테나 전류의 유기를 통해 통신신호를 무선전력 송신기에 전송하는 단계를 포함한다.
수신 공진기의 수신 안테나 전류를 변화시키는 단계는, 통신 스위칭 소자가 인밴드 통신을 위한 제어신호를 입력받아 온(on) 되는 단계와, 온(on) 된 통신 스위칭 소자와 연결된 커패시터를 통해 수신 안테나의 공진 주파수를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 인밴드 통신을 위한 제어신호는 정류기의 출력전압, 출력전류 및 무선 전력 송신기와 교환하고자 하는 정보 중 적어도 하나에 따라 생성될 수 있다.
무선전력 시스템에서의 인밴드 통신방법은, 무선전력 송신기가, 수신 안테나와 자기 커플링된 송신 안테나를 통해 수신 안테나로부터 전류 변동이 유기되는 단계와, 무선전력 송신기가, 전류 변동 유기에 따라, 전력 공급기에서 전력 증폭기로 공급되는 전력 공급기 전류의 변동을 감지하고 감지된 전류 변화로부터 디지털 통신신호를 감지하는 단계와, 무선전력 송신기가, 감지된 디지털 통신신호에 따라 전력 증폭기의 출력전력을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, PRU에서 자기 전압 제어형 정류장치(Self-Regulation Rectifier: SRR)를 이용하여 안정적인 출력전압을 만들어 낼 수 있다. 이때, SRR의 스위칭 소자와 수신 안테나가 분리됨에 따라 스위칭 소자를 저전압으로 구현할 수 있다. 또한, 스위칭 소자가 온(on) 되었을 때 흐르는 전류를 안테나 전류보다 작게 흐르게 함에 따라, 안테나 전류를 흡수하는 스위칭 소자에 안테나 전류가 전량 흐르는 경우에 발생하는 효율 저하와 스위칭 소자의 발열 문제를 해결할 수 있다. 나아가, 안테나 전류를 일정하게 유지시켜 EMI도 스위칭 소자의 구동 주파수에 영향을 많이 받지 않게 되어 EMI 필터 설계가 용이하다. 나아가, SRR을 가진 무선전력 시스템에서, PRU가 통신, 특히 인밴드(in-band) 통신을 통해 PTU에 제어정보를 전송하여 PTU의 출력전력을 제어할 수 있다.
도 1은 일반적인 PRU의 구조도,
도 2는 능동소자를 제어하여 전력을 수신하는 PRU의 구조도,
도 3은 도 2의 구조에서 스위칭 동작을 이용하여 출력전압을 제어하는 경우 안테나 전류의 변화량을 보여주는 그래프,
도 4는 클로킹 신호를 이용한 공진 주파수 제어방식을 사용하는 수신기의 구조도,
도 5는 도 2 내지 도 4를 참조로 하여 전술한 PRU 구조에서의 문제를 해결하기 위해 자기 전압 제어형 정류장치(Self Regulation Rectifier: SRR)를 가진 PRU의 구조도,
도 6 및 도 7은 도 5의 스위칭 소자 M1을 오프(off) 시켜 출력전압 VOUT을 높이는 상황(부하에 전력이 공급되는 상황)을 도시한 PRU의 구조도,
도 8 및 도 9는 도 5의 스위칭 소자 M1이 온(on) 되어 출력전압 VOUT을 낮추는 상황(부하에 전력이 공급되지 않음)을 도시한 PRU의 구조도,
도 10은 도 5의 구조에서 제어기를 더 포함하는 PRU의 구조도,
도 11은 도 10의 구조에서 부하 전류가 0~200mA까지 변할 때 출력전압 VOUT이 제어되고 있음을 보여주는 모의실험 파형도,
도 12는 도 10의 구조에서 스위칭 소자 M1의 구동 파형을 도시한 파형도,
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 병렬 구조의 SRR을 포함하는 PRU의 구조도,
도 14는 Qi, PMA 방식과 같은 기존 유도형 무선 전력 전송 시스템에 적용되는 인밴드(in-band) 통신 방식을 사용하여 정보를 송수신하는 무선전력 시스템의 구조도,
도 15는 도 14의 인밴드 방식의 통신을 통해 상호 간에 정보를 교환하는 무선전력 시스템의 동작 파형도,
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SRR을 사용하는 경우 인밴드 통신하는 무선전력 시스템의 구조도,
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 16의 SRR을 가진 무선전력 시스템의 동작 파형도,
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 인밴드 통신방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 PRU의 구조도이다.
도 1을 참조하면, PRU는 공진기(10), 정류기(12), 전력 변환기(14) 및 필터(16)를 포함한다.
PRU는 인덕터(L)와 커패시터(Cs1, Cs2)로 구성된 공진기(10)를 통해 PTU로부터 무선 에너지를 수신한다. 이때, 공진기(10)에는 PTU에서 보내는 주파수와 같은 주파수의 교류 전류가 흐르게 된다. 정류기(12)와 전력 변환기(14)는 교류 신호로부터 안정된 DC 신호로 최종 출력을 만들어 내어 전력을 부하에 공급한다. 이를 위해 정류기(12)는 AC 신호를 레귤레이션(regulation) 되지 않은 DC 신호로 변환한다. 전력 변환기(14)는 이 DC 신호를 정교한 DC 전압 Vout으로 변환하여 부하에 공급한다. 전력 변환기(14)는 특정 타입에 한정되지 않는데, 예를 들어 벅 타입(buck type), 부스트 타입(boost type) 또는 리니어 타입(linear type)일 수 있다.
어떤 형태의 전력 변환기(14)가 위치하건 간에 2단(2-stage) 구조를 가지게 되며, PRU의 효율은 정류기(12)의 효율과 전력 변환기(14)의 효율을 곱한 형태로 결정된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 정류기(12)의 효율이 최대 90%이고, 전력 변환기(14)의 효율이 최대 90%인 경우, 누적 효율(Commulative Efficiency)은 최대 81%로 떨어지게 된다. 따라서, 전력 변환기(14)가 다 단(multi-stage)으로 구성될수록 높은 효율을 만족시키기가 어렵다.
도 2는 능동소자를 제어하여 전력을 수신하는 PRU의 구조도이다.
도 2를 참조하면, PRU는 인덕터(200)와 커패시터(210)를 포함하는 공진기를 통해 에너지를 수신한다. 인덕터(200)는 안테나의 등가 인덕턴스이다. 이어서, 다이오드(220,230)로 구성된 정류기가 AC 신호를 DC 신호로 변경한 후 부하(260)에 에너지를 공급한다. 이때, 제어회로(240)가 능동소자(250)를 제어하여 부하(260)에 공급되는 전압을 제어하게 된다. 이 방식은 도 1을 참조로 하여 전술한 방식과는 달리 별도의 전력 변환기가 필요 없는 방식으로, 1단의 정류기로 정류기 출력전압을 제어할 수 있다. 그러나 능동소자(250)가 저항으로 동작하면 효율이 좋지 않을 수 있다. 또한, 안테나의 전압은 수신 감도와 PTU의 전력에 비례하게 되는데, 경우에 따라 수백 V에 근접한 전압이 발생할 수도 있다. 따라서, 안테나와 연결된 능동소자(250)는 이를 견딜 수 있는 내압이 높아야 한다.
도 3은 도 2의 구조에서 스위칭 동작을 이용하여 출력전압을 제어하는 경우 안테나 전류의 변화량을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 도 2의 회로는 MOSFET 소자를 선형소자로 사용하는 것이므로 전력 소모에 의한 발열 문제가 많아, 게이트(gate) 구동을 펄스(pulse)로 인가하여 MOSFET 소자를 스위칭 소자로 동작하도록 하여 제어할 수도 있다. 이 경우 MOSFET 소자의 발열은 줄일 수 있으나, 안테나 전류가 도 3에 도시된 바와 같이 변조(modulation) 되는 문제가 발생한다.
예를 들어, 부하가 5W를 소모하도록 하고 출력전압을 제어하는 상태에서, 출력전압을 일정한 전압으로 유지하기 위해 MOSFET을 게이트 구동 파형을 이용하여 스위칭 제어한다. MOSFET이 온(on) 되면 도 2의 커패시터(210)가 공진 주파수를 바꾸기 때문에 안테나 전류가 감소하게 된다. 즉, 부하에 전류를 공급할 때는 안테나 전류가 커지게 되고, MOSFET을 온(on) 시켜서 출력전압을 낮추는 상황에서는 안테나 전류가 감소하게 된다. 마치 안테나 전류가 게이트 구동 파형에 변조되는 것과 같은 양상으로 나타나게 된다. 이러한 전류 파형의 변화는 PTU에서 발생하는 출력전력이 달라지게 되는 것을 의미한다. 따라서 PTU 회로의 동작 조건이 바뀌게 되어 안정적인 동작에 영향을 줄 수 있으며, 잡음 주파수가 게이트 구동 파형에 변조되어 발생하므로 EMI(Electro Magnetic Interference)가 게이트 구동 파형에 영향을 받아서 EMI를 억제하는 회로 구현을 힘들게 할 수 있다.
도 4는 클로킹 신호(cloaking signal)를 이용한 공진 주파수 제어방식을 사용하는 수신기의 구조도이다.
도 4를 참조하면, 출력전압 Vout(400)이 원하는 전압이 되도록 별도의 클로킹 신호(450)에 의해 N1(410)을 스위칭 소자로 제어하여 출력전압 Vout(400)을 조정한다. 도 4의 방식은 도 2의 방식과 유사하지만, 스위칭 소자 N1(410)의 위치가 인덕터 L2(420)와 커패시터 C1(422)으로 구성된 공진기의 후 단에 위치하는 것이 특징이며, 제어방식은 도 2의 방식과 동일하다 할 수 있다.
스위칭 소자 N1(410)이 온(on) 되면 공진기의 전류가 전량 스위칭 소자 N1(410)을 통해 흐르게 되므로 도 2의 경우와 마찬가지로 스위칭 소자 N1(410)의 전력소모가 문제될 수 있다. 또한, 이 방법은 스위칭 소자 N1(410)이 온(on) 되었을 때 커패시터 C1(422) 및 C6(430)이 공진 주파수를 바꾸는 역할을 하는데, 커패시터 C6(430)의 커패시턴스가 커패시터 C1(422)에 비해 매우 클 경우 공진 주파수가 그다지 변화하지 않는 문제가 있다. 따라서, 스위칭 소자 N1(410)을 통해 흐르는 전류가 매우 클 수 있다.
만약 커패시터 C6(430)의 커패시턴스를 줄일 경우, 공진 주파수가 높아지게 되어 공진 전류는 줄일 수 있지만, 커패시터 C6(430) 양단에 걸리는 전압이 높아질 수 있다. 이 경우 정류기의 다이오드 D2(440)를 온(on) 시켜 부하에 전류를 공급할 수 있다. 스위칭 소자 N1(410)이 온(on) 되는 경우는 안테나의 전류를 흡수하여 다이오드 D2(440)를 켜지 못하게 함으로써 출력전압을 낮추려는 의도를 가지고 있으나, 커패시터 C6(430)이 너무 작을 경우 이러한 기능을 수행하지 못하게 되므로 출력전압을 레귤레이션할 수 없게 된다.
도 2 내지 도 4를 참조로 하여 전술한 바와 같이, 정류기 한 단으로 출력을 제어하는 것이 효율적인 면에서는 좋을 수 있으나, 실제 사용 가능할 정도의 성능을 보이기 위해서는 아래와 같은 몇 가지 풀어야 할 문제가 있다.
(1) 저전압 소자의 사용: 가격을 낮추고 저전압 반도체 공정으로 제작하기 위해서는 저전압 소자를 사용할 수 있어야 한다.
(2) 안테나 전류 변조 문제: 출력을 제어하는 상황에도 안테나 전류가 비교적 일정하도록 하여 PTU의 동작을 안정화시키고 제어신호가 EMI에 작용하는 문제를 줄여야 한다.
(3) 전력소모: 출력전압을 제어하는 곳에 사용되는 소자의 전력 소모를 낮추어 효율을 증가시키고 발열을 억제해야 한다.
본 발명은 위에 언급한 3가지 문제점을 해결하기 위한 PRU 구조를 제안한다.
도 5는 도 2 내지 도 4를 참조로 하여 전술한 PRU 구조에서의 문제를 해결하기 위해 자기 전압 제어형 정류장치(Self Regulation Rectifier: SRR)를 가진 PRU의 구조도이다.
도 5를 참조하면, PRU(5)는 공진기(50)와 정류기(52) 및 스위칭 소자 M1(54)을 포함한다.
공진기(50)는 인덕터 LRX(500), 커패시터 C1(501), C2(502) 및 Cp(504)를 포함한다. LRX(500)는 전력을 수신하는 안테나를 인덕터로 모델링한 것이고, 커패시터 C1(501), C2(502)는 PRU(5)의 공진 주파수를 결정하는 커패시터이다. 커패시터 C2(502)는 인덕터 LRX(500)와 직렬 연결되고, 커패시터 C1(501)은 인덕터 LRX(500)와는 직렬 연결되고 커패시터 C2(502)와는 병렬 연결될 수 있다. 커패시터 C1(501)은 인덕터 LRX(500)로 바로 전류를 회귀시키는 커패시터이고, 커패시터 C2(502)는 정류기(52)를 통해 전류를 회귀시켜 부하에 전류를 공급하는 커패시터이다. 커패시터 Cp(504)는 무선전력 전송과 직접적인 관련은 없으나, ACIN 정류기 입력단자에서의 기생 발진을 방지한다.
정류기(52)는 AC 입력을 DC로 바꾸는데, 도 5에 도시된 바와 같이 다이오드 D1(521)과 D2(522)로 구성된 반파 정류기일 수 있다.
스위칭 소자 M1(54)은 정류기 출력전압 VOUT을 제어한다. 통상적으로 제어전압 Vcont을 문턱 전압 이상으로 인가하여 스위칭 소자 M1(54)을 온(on) 시키는 경우 출력전압 VOUT을 낮출 수 있다. 따라서, 별도의 전력 변환기 없이도 출력을 제어할 수 있으므로 효율을 개선할 수 있다.
일 실시 예에 따른 스위칭 소자 M1(54)는 정류기 입력단자 ACIN와 연결되는 제1 출력과, 접지와 연결되는 제2 출력과, 정류기 출력전압 VOUT을 자기 제어하기 위한 제어신호 Vcont와 연결되는 입력을 가진다. 스위칭 소자 M1(54)이 온(on) 되었을 때, 안테나 전류가 분산되어 스위칭 소자 M1(54)에 흐르는 전류가 안테나 전류보다 작게 흐르게 된다.
스위칭 소자 M1(54)에 의해 정류기 출력전압 VOUT이 일정하게 유지된다. 예를 들어, 스위칭 소자 M1(54)는 정류기 출력전압 VOUT이 증가하면 스위칭 소자 M1(54)를 온(on) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기(5)가 부하로 전력을 공급하는 것을 차단하여 정류기 출력전압 VOUT을 감소시킨다. 이에 비해, 정류기 출력전압 VOUT이 감소하면 스위칭 소자 M1(54)를 오프(off) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기(5)가 부하로 전력을 공급하도록 하여 정류기 출력전압 VOUT을 증가시킨다. 이에 따라, 정류기 출력전압 VOUT이 일정하게 유지된다.
제안된 SRR구조에 따르면, 정류기 출력전압 VOUT을 제어하기 위한 스위칭 소자(54)는 수신 안테나와 분리됨에 따라 저전압으로 구현이 가능하다. 또한, 저전압 스위칭 소자(54)가 온(on) 되었을 때 흐르는 전류를 안테나 전류보다 작게 흐르게 함에 따라, 안테나 전류를 흡수하는 스위칭 소자(54)에 안테나 전류가 전량 흐르는 경우에 발생하는 효율 저하와 스위칭 소자의 발열 문제를 해결한다. 나아가, 안테나 전류를 일정하게 유지시켜 EMI도 스위칭 소자(54)의 구동 주파수에 영향을 많이 받지 않게 되어 EMI 필터 설계가 용이하다. 이하, 도 6 내지 도 9를 참조로 하여, 도 5의 PRU 구조에서 자기 전압 제어를 통해 출력전압 VOUT을 일정하게 조정할 수 있음을 보인다.
도 6 및 도 7은 도 5의 스위칭 소자 M1을 오프(off) 시켜 출력전압 VOUT을 높이는 상황(부하에 전력이 공급되는 상황)에서의 PRU의 구조도이다.
출력전압 VOUT이 원하는 전압 상태에 있거나, 원하는 전압보다 낮은 상태인 경우, 스위칭 소자 M1(54)을 오프(off) 시키면, 다이오드 D1(521)이 도통하여 전력을 부하로 전송하게 한다(도 6). 도 6의 회로를 등가적으로 나타내면 도 7에 도시된 바와 같다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 안테나의 전류는 I1, I2로 나뉘어 각각 커패시터 C1(501)과 C2(502)를 통해 흐르게 된다. 만약 부하 저항 RL(580)이 크지 않다면, 즉, 높은 전력 소모가 필요한 경우 공진 주파수는 수학식 1과 같이 결정된다.
Figure PCTKR2018002084-appb-M000001
만약 6.78MHz를 사용하는 A4WP PTU 용으로 수신기를 만들 경우 A4WP 수신기는 공진 주파수가 6.78MHz가 되도록 인덕터 LRX(500), 커패시터 C1(501) 및 C2(502)를 결정한다.
도 8 및 도 9는 도 5의 스위칭 소자 M1이 온(on) 되어 출력전압 VOUT을 낮추는 상황(부하에 전력이 공급되지 않음)에서의 PRU의 구조도이다.
만약 출력전압 VOUT이 원하는 전압보다 높을 경우는 도 8에 도시된 같이 스위칭 소자 M1(54)을 온(on) 시켜서 출력으로 전력이 공급되지 못하도록 한다. 따라서, 다이오드 D1(521)은 오프(off) 되므로 부하는 보이지 않게 되며, 이때의 등가 회로는 도 9에 도시된 바와 같다.
스위칭 소자 M1(54)이 온(on) 되었을 때 저항 성분을 매우 작게 할 수 있으므로 스위칭 소자 M1(54)의 등가 저항이 매우 작다고 하면 공진 주파수는 수학식 1과 동일하다. 따라서, 어느 경우든지 안테나 LRX(500) 입장에서는 공진 주파수가 크게 변화하지 않는다.
도 6 및 도 7의 경우는 커패시터 C2(502)와 직렬로 저항 RL(580)이 보이는 상황이지만, 다이오드 D1(521)이 온(on) 된 상황은 부하에서 전력을 요구하는 상황이므로 저항 RL(580)이 저항값이 매우 큰 상태라고 할 수 없다. 부하가 전력을 소모하지 않을 때는 저항 RL(580)이 매우 큰 상태라고 할 수 있는데, 이때는 출력전압 VOUT이 증가할 것이므로 스위칭 소자 M1(54)을 온(on) 시킬 것이다. 따라서, 이때는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 동작하게 되어 어떠한 경우에도 커패시터 C2(502)에 직렬로 연결되는 저항 성분이 크지 않게 된다. 즉, 두 경우 모두 공진기 상태가 거의 유사하게 되므로 안테나 전류는 거의 일정하게 유지된다. 따라서, PTU 입장에서 스위칭 소자 M1(54)이 온(on) 되건 오프(off) 되건 안정적으로 동작할 수 있는 조건이 되며, 도 3에 도시된 바와 같이 안테나 전류가 큰 폭으로 변화하지 않으므로 EMI도 스위칭 소자 M1(54)의 구동 주파수에 영향을 많이 받지 않게 되어 EMI 필터 설계가 용이하다.
도 10은 도 5의 구조에서 제어기를 더 포함하는 PRU의 구조도이다.
도 10을 참조하면, 제어기(56)는 비교기(560)와, 출력전압 VOUT을 감지하기 위한 저항 R1(561), R2(562) 및 기준전압 VREF(563)을 포함한다. 만약 VOUT×R1/(R1+R2) > VREF 조건을 만족하면, 비교기(560)의 출력(Vcont)은 high가 되고 스위칭 소자 M1(54)이 온(on) 되어 출력전압 VOUT을 낮추게 된다. 따라서, 출력전압 VOUT은 (1+R2/R1)×VREF로 제어되게 된다.
전술한 비교기(560)의 구성은 간략한 동작만 설명하는 것이므로 스위칭 소자 M1(54)이 제로 전압 스위칭(zero-voltage switching)이 되도록 하는 회로나, 비교기(560)에 히스테리시스(hysteresis)를 추가하여 너무 빈번하게 동작하지 않도록 하는 등의 추가 기능을 가진 회로를 넣을 수도 있다.
도 11은 도 10의 구조에서 부하 전류가 0 ~ 200mA까지 변할 때 출력전압 VOUT이 제어되고 있음을 보여주는 모의실험 파형도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 6.78MHz에서 동작하도록 공진기를 설정한 상태에서 출력전압 VOUT(910)을 5V로 레귤레이션 하도록 제어기(56)를 설정하여 모의실험하였다. 도 11에 도시된 바와 같이, 부하 전류(900)가 200mA까지 변해도 출력전압 VOUT(910)이 5V로 잘 제어되고 있음을 확인할 수 있다. 초기의 출력전압 VOUT(910)이 낮은 것은 정류기 커패시터 CVOUT이 방전되어 있어서 이 커패시터를 충전하는 상태이기 때문이다. 안테나 전류(920)를 보면 부하 전류가 변해도 거의 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다.
도 12는 도 10의 구조에서 스위칭 소자 M1의 구동 파형을 도시한 파형도이다.
도 10 및 도 12를 참조하면, 하이 레벨의 스위칭 제어신호(1000)에 의해 스위칭 소자 M1이 온(on) 되면 출력전압 VOUT(1010)이 감소하고 있으며, 출력전압 VOUT(1010)이 감소하면 로우 레벨의 스위칭 제어신호(1000)에 의해 스위칭 소자 M1을 오프(off) 시켜서 다시 출력전압 VOUT(1010)이 증가하고 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 병렬 구조의 SRR을 포함하는 PRU의 구조도이다.
도 13을 참조하면, PRU는 수신 안테나 LRX(1300)와, 공진 커패시터 네트워크(1310)와, N 개의 SRR, 즉 SRR_1~SRR_N이 병렬로 연결된 SRR 유닛(1320)을 포함한다. 부하가 요구하는 전류에 맞춰 SRR_1~SRR_N을 각각 제어할 수 있기 때문에, 출력전압 VOUT을 더 정교하게 제어할 수 있다. Vc[1]~Vc[n]은 SRR_1~SRR_N의 제어신호이다. SRR_1~SRR_N은 도 13의 확대된 그림과 같이 D1,D2를 포함하는 정류기와, 정류기 후단의 스위치 M1으로 이루어질 수 있다. 병렬 구조의 SRR을 이용한 출력전압 VOUT 제어를 위해, 도 13에 도시된 바와 같이 커패시터 Cs1~CsN이 필요하고 이때 공진 주파수는 다음 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
Figure PCTKR2018002084-appb-M000002
수학식 2에서, f는 PRU의 공진 주파수이고, 이를 PTU의 공진 주파수와 일치시키는 것이 바람직하다. Vc[1]~Vc[n]을 제어하는 방법은 본 발명과 직접적인 관계가 없으므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 14는 Qi, PMA 방식과 같은 기존 유도형 무선 전력 전송 시스템에 적용되는 인밴드(in-band) 통신 방식을 사용하여 정보를 송수신하는 무선전력 시스템의 구조도이다.
PTU와 PRU는 무선전력을 송수신할 뿐만 아니라, 통신을 통해 정보를 교환할 수 있다. 예를 들어, 더 적은 전력을 요구하는 PRU는 PRU가 PTU로부터 더 적은 전력을 끌어올 수 있도록 요청하는 제어신호를 PTU와의 통신을 통해 전송할 수 있다. 무선전력 신호 교환을 위해 이용되는 공진기는 또한 정보를 교환하기 위해 이용될 수 있다. 무선전력전송을 수행하려면 PTU와 PRU 간에 여러 가지 정보 교환이 필요하다. 예를 들어, PTU가 현재 충전을 필요로 하는지, 필요로 한다면 얼마나 필요한지, 충전이 효과적으로 이루어지기 위해서 어떻게 파라미터(parameter)들을 조절해야 하는지, 충전 완료 여부 등에 대한 정보들을 주고받아야 한다.
정보는 PTU 또는 PRU에서의 구성요소를 변조하고 이러한 변화를 감지함으로써 교환될 수 있다. 공진기는 시스템 내 다른 공진기에 영향을 줄 수 있는 공진기의 임피던스와 같은 공진기 파라미터에 변화를 행함으로써 서로 통신할 수 있다. 무선전력 시스템에서 공진기들 간의 전력 및 통신신호의 동시 전송을 가능하게 하거나, 또는 무선전력 신호 전달 동안에 이용되는 동일한 자장을 이용하여 상이한 주기 동안 또는 상이한 주파수로 전력 및 통신신호의 전송을 가능하게 할 수 있다. 공진기들 간의 정보의 통신은 인밴드(in-band) 또는 아웃 오브 밴드(out-of-band) 통신을 이용하여 실시될 수 있는데, 정보 교환의 반송 주파수가 전력 교환에서 이용되는 공진 주파수와 근접하면 이러한 통신을 인밴드로 지칭한다. 이하, 도 14를 참조로 하여, 인밴드 통신을 이용하여 PTU 및 PRU 간에 정보를 교환하는 무선전력 시스템에 대해 후술한다.
PRU는 수신 안테나(1520)에서 수신된 교류 신호를 정류기(1523)를 통해 정류하여 DC 형태로 변환하고, 변환된 이 DC 전압을 DC-DC 컨버터(1524)를 통해 변환하여 부하에 인가할 정교한 출력전압 Vout을 출력하다. 만약 PTU에서 전송되는 에너지가 충분하다면 부하가 원하는 전압/전류를 제공할 수 있지만, PTU의 공급 전력이 작을 경우에는 부하에 충분한 전력을 공급하지 못하게 된다. 반대로 PTU 전력이 RPU의 부하가 요구하는 전력보다 더 많은 전력을 송신하는 경우에는 비효율적인 시스템이 된다. 따라서, PRU의 전력을 제어하기 위해 PRU에서 PTU와 서로 정의된 프로토콜에 기초하여 통신을 시도하게 된다. 이때 통신신호는 PTU의 송신 안테나(1510)와 PRU의 수신 안테나(1520)를 이용하여 무선으로 교환될 수 있다. 이러한 방식을 인밴드 통신이라고 한다. Qi나 PMA 방식이 주로 이러한 방식을 사용하고 있는데, 두 방식은 일종의 진폭 변조 방식을 사용하고 있다.
PTU와 PRU 간 통신을 위해, PRU에 스위치 M2(1527)와 커패시터 Cd(1528)가 필요하다. 스위치 M2(1527)가 온(on) 되면, 수신 안테나(1520)와 공진 커패시터 네트워크(1522)로 구성된 수신 공진기에 커패시터 Cd(1528)가 연결되므로 공진 주파수가 변화하여 수신되는 전력에 변화가 발생한다. 그러면, 수신 안테나(1520)의 전류가 변동되고, 수신 안테나(1520)와 서로 자기 커플링(magnetic coupling) 되어 있는 PTU의 송신 안테나(1510)에 전류 변동이 유기되어 송신 안테나(1510)에 통신신호가 전달된다. PTU에서는 이 전류 변동을 진폭 변화 감지부(amplitude variation detecter)(1514)를 이용하여 감지하고, 감지된 변화로부터 RPU가 전송하려는 통신신호를 감지한다. 그리고 감지된 통신신호에 따라 전력 제어기(1516)를 통해 전력 증폭기(power amplifier)(1518)의 출력전력을 제어한다.
도 15는 도 14의 인밴드 방식의 통신을 통해 상호 간에 정보를 교환하는 무선전력 시스템의 동작 파형도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 스위치 M2(1527)의 게이트 입력을 high로 하여 스위치 M2(1527)을 온(on) 시키면, 커패시터 Cd(1528)에 의해 정류기 입력 ACIN이 도 15에 도시된 바와 같이 변화한다. 이 변화가 PRU의 수신 안테나(1520)에도 나타나게 되며, 마찬가지로 PTU의 송신 안테나(1510)에도 전압 변동이 나타난다. 이러한 방식으로 PRU는 PTU와 2진(binary) 신호를 송수신하는 디지털 통신이 가능하며, PRU는 직렬 디지털 통신을 통해 원하는 제어신호를 전송할 수 있다. 직렬 디지털 통신에 의해 디지털 정보를 직렬로 전송할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 SRR을 사용하는 경우 인밴드 통신하는 무선전력 시스템의 구조도이다.
안타깝게도 SRR을 가진 무선전력 시스템은 도 14의 방식을 사용할 수 없다. 왜냐하면, SRR은 정류기 입력 ACIN을 제어하여 정류기 출력전압 VOUT을 제어하는 방식이므로, SRR의 스위치가 온(on) 되어 정류기 입력 ACIN이 접지 전위 근처일 때는 통신을 위한 스위치를 온(on) 시켜도 공진기는 전혀 반응을 하지 않게 된다. 따라서, 정류기 입력 ACIN에 커패시터와 통신 스위치를 달아서 스위칭을 시도함으로써 수신 안테나 전류 변동을 유기하는 방식은 사용할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 도 16에 도시된 바와 같은 방식을 제안한다.
도 16을 참조하면, PRU(2)는 기존과 다르게 통신 스위치 M2(1629)와 커패시터 Cd(1628)를 수신 안테나(1620)에 연결한다. 이때, 수신 안테나(1620)와 커패시터 Cd(1628)의 공진 주파수는 수학식 1의 공진 주파수(수신 안테나(1620)와 공진 커패시터 네트워크(1622)의 공진 주파수)와 상이하도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 수신 안테나(1620)와 커패시터 Cd(1628)의 공진 주파수는 수학식 1의 공진 주파수보다 낮게 설정할 수 있다. 이 경우, 통신 스위치 M2(1629)가 온(on) 되면, 공진 주파수가 크게 낮아져서 PTU(1)와의 공진이 틀어지게 되므로 도 3에 도시된 바와 같이 수신 안테나 전류의 피크(peak)가 낮아지게 된다. 결국, PTU(1)에서 공급되는 전력이 작아지므로 PTU(1)의 전력 공급기(power supply)에서 전력 증폭기(power amplifier)(1618)로 공급되는 전류가 작아지게 된다.
PTU(1)에서는 전류 변화 감지부(current variation detector)(1614)가 전력 공급기 전류 Isup의 변화를 감지하고 감지된 전류 변화로부터 RPU(2)가 이진(binary) 형태로 전송하는 통신신호를 감지한다. 그리고 감지된 통신신호에 의해 전력 제어기(1616)를 통해 전력 증폭기(1618)의 출력전력을 제어한다. 이러한 방식을 이용하여 기존 Qi나 PMA처럼 PRU(2)는 직렬 디지털 통신을 통해 PTU(1)에 통신신호를 전송하여 PTU(1)의 전력을 제어할 수 있다.
이하, 도 16을 참조로 하여, 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 구성요소에 대해 상세히 후술한다.
도 16을 참조하면, SRR(1623)을 가지며 인밴드 통신하는 무선전력 시스템의 PRU(2)는 수신 안테나(1620)와 공진기 커패시터 네트워크(1622)를 포함하는 수신 공진기와, SRR(1623)과, 주파수 조정부(1627)와, 통신 제어부(1626)를 포함하며, 주파수 조정부(1627)는 커패시터 Cd(1628)와 스위치 M2(1629)를 포함할 수 있다. SRR(1623) 구성에 의해, 도 15의 전력 변환기가 없음에 유의한다.
SRR(1623)은 수신 공진기로부터 수신된 교류 형태의 전력신호를 직류 형태의 전력신호로 정류하되, 별도의 전력 변환기 없이 자신의 출력전압을 자기 제어한다. SRR(1623)은 수신 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 정류기 출력전압 Vout을 부하에 공급하는 정류기와, 출력이 각각 정류기 입력단자 및 접지와 연결되며 출력이 정류기 출력전압 Vout에 따라 발생하는 제어신호를 인가받는 저전압 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 저전압 스위칭 소자는, 정류기 출력전압 Vout이 증가하면 저전압 스위칭 소자를 온(on) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기가 부하로 전력을 공급하는 것을 차단하여 정류기 출력전압 Vout을 감소시킨다. 이에 비해, 정류기 출력전압 Vout이 감소하면 저전압 스위칭 소자를 오프(off) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기가 부하로 전력을 공급하도록 하여 정류기 출력전압 Vout을 증가시킨다. 저전압 스위칭 소자는 MOSFET 트랜지스터일 수 있다. 그러나 스위칭 소자는 스위칭 동작이 가능한 능동소자, 예를 들어 BJT, SiC FET, GaN FET 등의 소자로 대체하여도 동일한 기능을 수행할 수 있다.
주파수 조정부(1627)는 인밴드 통신을 위해 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시킨다. 주파수 조정부(1627)는 SRR(1623)에 의해 제어되는 정류기 출력전압 및 출력전류에 따라 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 다른 예로, 주파수 조정부(1627)는 PTU(1)와의 정보 교환을 위한 통신 명령에 따라 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 주파수 조정부(1627)는 인밴드 통신을 관장하는 통신 제어부(1626)에서 전송하는 제어신호에 따라 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시킬 수 있다.
주파수 조정부(1627)에 의해 수신 공진기의 공진 주파수가 변화하면, 수신 공진기는 수신 안테나 전류가 변화하고 변화된 수신 안테나 전류의 유기를 통해 통신신호를 PTU(1)에 전송한다. 통신신호는 최적의 무선 전력 전송을 목적으로 PTU(1)의 출력전력 조정을 위한 정보를 포함할 수 있고, PTU(1)와의 인밴드 통신을 위한 다른 정보, 예를 들어 통신 성능과 관련된 정보를 포함할 수도 있다.
일 실시 예에 따른 주파수 조정부(1627)는 수신 공진기의 수신 안테나(1620)와 연결되어 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 커패시터 Cd(1628)와, 커패시터 Cd(1628)와 직렬 연결되고 제어신호를 입력받아 스위칭하여 수신 안테나(1620)의 전류 변화를 제어하는 통신 스위치 M2(1629)를 포함한다. 통신 스위치 M2(1629)는 커패시터 Cd(1628)와 연결되는 제1 출력과, 접지와 연결되는 제2 출력과, 정류기 출력전압 Vout에 따라 발생하는 제어신호를 인가받는 입력을 가진다. 수신 공진기의 수신 안테나(1620)와 커패시터 Cd(1628)의 공진 주파수는 수신 공진기의 수신 안테나(1620)와 공진 커패시터 네트워크(1622)의 공진 주파수보다 낮도록 하는 것이 바람직하다. 통신 스위치 M2(1629)는 MOSFET 트랜지스터일 수 있다. 그러나 통신 스위치 M2(1629)는 스위칭 동작이 가능한 능동소자, 예를 들어 BJT, SiC FET, GaN FET 등의 소자로 대체하여도 동일한 기능을 수행할 수 있다.
통신 제어부(1626)는 정류기 출력전압 및 출력전류 및 다른 정보 중 적어도 하나에 따라 통신 스위치 M2(1629)를 스위칭하는 제어신호를 생성하여 통신 스위치 M2(1629)에 전송한다. 통신 제어부(1626)는 통신 스위치 M2(1629)를 온(on) 시키는 제어신호를 통신 스위치 M2(1629)에 전송하여 커패시터 Cd(1628)에 의한 공진 주파수 변동을 통해 수신전류를 변동시킬 수 있다. 정보는 무선전력 송신기의 출력전력 조정을 위한 정보이거나 무선전력 송신기와의 인밴드 통신을 위한 다른 정보일 수 있다. 정보는 정보 전달을 위한 통신 명령에 따를 수 있다.
PTU(1)는 송신 안테나(1610)와, 전류 변화 감지부(1614)와, 전력 제어기(1616) 및 전력 증폭기(1618)를 포함한다. 송신 안테나(1610)는 수신 안테나(1620)와 자기 커플링하여 수신 안테나(1620)의 전류 변동이 유기된다. 전류 변화 감지부(1614)는 전류 변동 유기에 따라, 전력 공급기(Power supply)에서 전력 증폭기(1618)로 공급되는 전력 공급기 전류 Isup의 변동을 감지하고 감지된 전류 변화로부터 디지털 통신신호를 감지한다. 전류 변화 감지부(1614)는 전류 변화 감지부(1614)로부터 감지된 디지털 통신신호에 따라 전력 증폭기(1618)의 출력전력을 제어한다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 16의 SRR을 가진 무선전력 시스템의 동작 파형도이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 통신 스위치 M2(1629)가 온(on) 되면 수신 안테나(1620) 전류의 피크(peak)가 급격히 낮아지면서, PTU(1)의 전력 공급기 전류 Isup가 낮아지게 된다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 인밴드 통신방법을 도시한 흐름도이다.
도 18을 참조하면, PRU(2)는 수신 공진기의 수신 안테나를 통해 교류 형태의 전력신호를 수신(1800)하고, 정류기를 통해 교류 형태의 전력신호를 직류 형태의 전력신호로 정류하되, SRR을 통해 별도의 전력 변환기 없이 정류기 출력전압을 자기 제어한다(1810). 이어서, 인밴드 통신을 위해 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시켜 수신 공진기의 수신 안테나 전류를 변화시킨다(1820). 일 실시 예에 따르면, PRU(2)는 통신 스위칭 소자가 인밴드 통신을 위한 제어신호를 입력받아 온(on) 되고, 온(on) 된 통신 스위칭 소자와 연결된 커패시터를 통해 수신 안테나의 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 인밴드 통신을 위한 제어신호는 정류기의 출력전압, 출력전류 및 PTU(1)와 교환하고자 하는 정보 중 적어도 하나에 따라 생성될 수 있다.
변화된 안테나 전류의 유기를 통해 PTU(1)의 출력전력 조정을 위한 통신신호가 PTU(1)에 전송된다(1830). 그러면, PTU(1)가, 수신 안테나와 자기 커플링된 송신 안테나를 통해 수신 안테나로부터 전류 변동이 유기되고, 전류 변동 유기에 따라 전력 공급기에서 전력 증폭기로 공급되는 전력 공급기 전류 Isup의 변동을 감지하고 감지된 전류 변화로부터 디지털 통신신호를 감지한다(1840). 이어서, 감지된 디지털 통신신호에 따라 전력 증폭기의 출력전력을 제어한다(1850).
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 수신 안테나를 통해 무선전력 송신기와 자기 공진하는 수신 공진기;
    상기 수신 공진기로부터 수신된 교류 형태의 전력신호를 정류기를 통해 직류 형태의 전력신호로 정류하되, 별도의 전력 변환기 없이 정류기 출력전압을 자기 제어하는 자기 전압 제어형 정류장치; 및
    무선전력 송신기와의 인밴드(in-band) 통신을 위해 상기 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 주파수 조정부; 를 포함하며,
    상기 수신 공진기는 공진 주파수의 변화에 따라 수신 안테나 전류가 변화하고 변화된 수신 안테나 전류의 유기를 통해 통신신호를 무선전력 송신기에 전송하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 조정부는
    상기 자기 전압 제어형 정류장치에 의해 제어되는 정류기 출력전압 및 출력전류에 따라 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 조정부는
    무선전력 송신기와의 정보 교환을 위한 통신 명령에 따라 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 통신신호는
    무선전력 송신기의 출력전력 조정을 위한 정보와 무선전력 송신기와의 인밴드 통신을 위한 다른 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 조정부는
    상기 수신 공진기의 수신 안테나와 연결되어 상기 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시키는 커패시터; 및
    상기 커패시터와 직렬 연결되고 제어신호를 입력받아 스위칭하여 상기 수신 안테나의 전류 변화를 제어하는 통신 스위칭 소자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 통신 스위칭 소자는
    상기 커패시터와 연결되는 제1 출력과, 접지와 연결되는 제2 출력과, 인밴드 통신을 위한 제어신호를 인가받는 입력을 가지는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 통신 스위칭 소자가 온(on) 되었을 때의 수신 공진기의 수신 안테나와 커패시터의 공진 주파수는 상기 통신 스위칭 소자가 오프(off) 되었을 때의 수신 공진기의 수신 안테나와 공진 커패시터 네트워크의 공진 주파수와 상이한 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 무선전력 시스템은
    상기 정류기의 출력전압, 출력전류 및 무선 전력 송신기와 교환하고자 하는 정보 중 적어도 하나에 따라 상기 통신 스위칭 소자를 스위칭하는 제어신호를 생성하여 상기 통신 스위칭 소자에 전송하는 통신 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 전압 제어형 정류장치는
    상기 수신 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 정류기 출력전압을 부하에 공급하는 정류기; 및
    출력이 각각 정류기 입력단자 및 접지와 연결되며 출력이 정류기 출력전압에 따라 발생하는 제어신호를 인가받는 저전압 스위칭 소자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 저전압 스위칭 소자는
    정류기 출력전압이 증가하면 상기 저전압 스위칭 소자를 온(on) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기가 부하로 전력을 공급하는 것을 차단하여 정류기 출력전압을 감소시키고, 정류기 출력전압이 감소하면 상기 저전압 스위칭 소자를 오프(off) 시키는 제어신호를 입력받아 정류기가 부하로 전력을 공급하도록 하여 정류기 출력전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 무선전력 시스템은
    수신 안테나와 자기 커플링하여 수신 안테나의 전류 변동이 유기되는 송신 안테나;
    전류 변동 유기에 따라, 전력 공급기에서 전력 증폭기로 공급되는 전력 공급기 전류의 변동을 감지하고 감지된 전류 변화로부터 디지털 통신신호를 감지하는 전류 변화 감지부; 및
    상기 전류 변화 감지부로부터 감지된 디지털 통신신호에 따라 전력 증폭기의 출력전력을 제어하는 전력 제어기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템.
  12. 무선전력 수신기가, 수신 공진기의 수신 안테나를 통해 교류 형태의 전력신호를 수신하고, 정류기를 통해 교류 형태의 전력신호를 직류 형태의 전력신호로 정류하되, 별도의 전력 변환기 없이 정류기 출력전압을 자기 제어하는 단계;
    무선전력 수신기가, 무선 전력 송신기와의 인밴드 통신을 위해 수신 공진기의 공진 주파수를 변화시켜 수신 공진기의 수신 안테나 전류를 변화시키는 단계; 및
    무선전력 수신기가, 변화된 안테나 전류의 유기를 통해 통신신호를 무선전력 송신기에 전송하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템에서의 통신방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 수신 공진기의 수신 안테나 전류를 변화시키는 단계는
    통신 스위칭 소자가 인밴드 통신을 위한 제어신호를 입력받아 온(on) 되는 단계; 및
    온(on) 된 통신 스위칭 소자와 연결된 커패시터를 통해 수신 안테나의 공진 주파수를 변화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템에서의 통신방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 인밴드 통신을 위한 제어신호는 상기 정류기의 출력전압, 출력전류 및 무선 전력 송신기와 교환하고자 하는 정보 중 적어도 하나에 따라 생성되는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템에서의 통신방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 무선전력 시스템에서의 인밴드 통신방법은,
    무선전력 송신기가, 수신 안테나와 자기 커플링된 송신 안테나를 통해 수신 안테나로부터 전류 변동이 유기되는 단계;
    무선전력 송신기가, 전류 변동 유기에 따라, 전력 공급기에서 전력 증폭기로 공급되는 전력 공급기 전류의 변동을 감지하고 감지된 전류 변화로부터 디지털 통신신호를 감지하는 단계; 및
    무선전력 송신기가, 감지된 디지털 통신신호에 따라 전력 증폭기의 출력전력을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 시스템에서의 통신방법.
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