KR101789195B1 - 공진 결합 무선 전력 수신기 및 송신기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 전력 전송 수신기 및 그것을 포함하는 시스템에 관한 것으로, 하나의 송신기로 복수의 수신기들에 동시에 무선으로 전력을 전송하는 수신기 및 송신기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 송신기로부터 공진 결합 방식으로 전력을 수신하는 수신 코일부; 및 상기 수신 코일부로부터 전력을 수신하여 부하 저항에 공급하는 전력 수신부를 포함하고, 상기 전력 수신부의 입력 임피던스는 복수의 수신기들의 소비 전력에 따라 조절된다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 전력 전송 효율이 향상된다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 송신기로부터 공진 결합 방식으로 전력을 수신하는 수신 코일부; 및 상기 수신 코일부로부터 전력을 수신하여 부하 저항에 공급하는 전력 수신부를 포함하고, 상기 전력 수신부의 입력 임피던스는 복수의 수신기들의 소비 전력에 따라 조절된다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 전력 전송 효율이 향상된다.
Description
본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 하나의 송신기로 복수의 수신기들에 동시에 무선으로 전력을 전송하는 시스템에 관한 것이다.
최근 무선 전력 전송에 대한 관심이 높아지고 있다. 무선 전력 전송 방식은 케이블 대신 자유 공간을 통해 전력을 전송한다. 특히 휴대용 전자 기기의 사용이 증가함에 따라 비교적 장거리에서 무선으로 전력을 공급할 수 있는 장치에 대한 수요가 증가하고 있다.
무선 전력 전송은 전자파 방사(electromagnetic wave radiation) 방식과 자기장 유도 결합(inductive coupling) 방식으로 분류될 수 있다. 자기장 유도 결합 방식은 공진 결합 여부에 따라 단순 유도 결합 방식과 공진 결합 방식으로 분류될 수 있다.
단순 유도 결합 방식에 있어, 전원은 일차 코일이 시간에 따라 변하는 자기장을 형성하도록 구동한다. 시간에 따라 변하는 자기장은 이차 코일의 양단에 전압을 야기시킨다. 야기된 전압은 부하 저항으로 전달된다.
단순 유도 결합 방식을 이용한 무선 전력 전송은 전동 칫솔을 비롯한 가전 제품들에 광범위하게 사용되고 있다. 그러나, 유도 결합 방식은 장거리 전력 전송에서의 낮은 전송 효율 문제, 와전류에 의한 발열 문제, 그리고 복수의 기기들을 충전하는 경우의 문제를 가지고 있다.
무선 전력 전송은 전자파 방사(electromagnetic wave radiation) 방식과 자기장 유도 결합(inductive coupling) 방식으로 분류될 수 있다. 자기장 유도 결합 방식은 공진 결합 여부에 따라 단순 유도 결합 방식과 공진 결합 방식으로 분류될 수 있다.
단순 유도 결합 방식에 있어, 전원은 일차 코일이 시간에 따라 변하는 자기장을 형성하도록 구동한다. 시간에 따라 변하는 자기장은 이차 코일의 양단에 전압을 야기시킨다. 야기된 전압은 부하 저항으로 전달된다.
단순 유도 결합 방식을 이용한 무선 전력 전송은 전동 칫솔을 비롯한 가전 제품들에 광범위하게 사용되고 있다. 그러나, 유도 결합 방식은 장거리 전력 전송에서의 낮은 전송 효율 문제, 와전류에 의한 발열 문제, 그리고 복수의 기기들을 충전하는 경우의 문제를 가지고 있다.
본 발명의 목적은 복수의 수신기들에 무선으로 전력을 송신하면서도 높은 전력 전송 효율을 갖는 공진 결합 전력 전송 수신기 및 송신기를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 송신기로부터 공진 결합 방식으로 전력을 수신하는 수신 코일부, 및 상기 수신 코일부로부터 전력을 수신하여 부하 저항에 공급하는 전력 수신부를 포함하고, 상기 전력 수신부의 입력 임피던스는 복수의 수신기들의 소비 전력에 따라 조절되고, 상기 복수의 수신기들과 하나의 동작 주파수를 통해 동시에 전력을 수신한다.
실시 예로서, 상기 전력 수신부는 상기 입력 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로; 및 상기 부하 저항이 변화하는 경우에도 상기 입력 임피던스를 유지시키는 과전압 보호 회로를 포함한다.
다른 실시 예로서, 상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력에 따라 상기 입력 임피던스를 조절한다.
다른 실시 예로서, 상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력이 증가함에 따라 상기 입력 임피던스를 증가시킨다.
다른 실시 예로서, 상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력이 감소함에 따라 상기 입력 임피던스를 감소시킨다.
다른 실시 예로서, 상기 수신 코일부는 직렬 연결된 인덕터를 포함한다.
다른 실시 예로서, 상기 수신 코일부는 전력 수신을 위해 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 전원으로부터의 전력을 생성하는 전력 발생부, 상기 전력을 복수의 수신기들에 공진 결합 방식으로 하나의 동작 주파수를 통해 동시에 전력을 송신하는 송신 코일부를 포함하고,
상기 복수의 수신기들 각각의 임피던스는 상기 복수의 수신기들의 소비 전력에 따라 조절된다.
실시 예로서, 상기 전력 송신부는 하나의 동작 주파수로 상기 복수의 수신기들에 동시에 전력을 전송한다.
다른 실시예로서, 상기 송신기는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 조절하는 송신 제어부를 더 포함한다.
다른 실시예로서, 상기 송신 제어부는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력이 증가함에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 증가시킨다.
다른 실시예로서, 상기 송신 제어부는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력이 감소함에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 감소시킨다.
다른 실시예로서, 상기 송신 코일부는 직렬 연결된 인덕터를 포함한다.
다른 실시예로서, 상기 송신 코일부는 전력 수신을 위해 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함한다.
실시 예로서, 상기 전력 수신부는 상기 입력 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로; 및 상기 부하 저항이 변화하는 경우에도 상기 입력 임피던스를 유지시키는 과전압 보호 회로를 포함한다.
다른 실시 예로서, 상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력에 따라 상기 입력 임피던스를 조절한다.
다른 실시 예로서, 상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력이 증가함에 따라 상기 입력 임피던스를 증가시킨다.
다른 실시 예로서, 상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력이 감소함에 따라 상기 입력 임피던스를 감소시킨다.
다른 실시 예로서, 상기 수신 코일부는 직렬 연결된 인덕터를 포함한다.
다른 실시 예로서, 상기 수신 코일부는 전력 수신을 위해 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함한다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 전원으로부터의 전력을 생성하는 전력 발생부, 상기 전력을 복수의 수신기들에 공진 결합 방식으로 하나의 동작 주파수를 통해 동시에 전력을 송신하는 송신 코일부를 포함하고,
상기 복수의 수신기들 각각의 임피던스는 상기 복수의 수신기들의 소비 전력에 따라 조절된다.
실시 예로서, 상기 전력 송신부는 하나의 동작 주파수로 상기 복수의 수신기들에 동시에 전력을 전송한다.
다른 실시예로서, 상기 송신기는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 조절하는 송신 제어부를 더 포함한다.
다른 실시예로서, 상기 송신 제어부는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력이 증가함에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 증가시킨다.
다른 실시예로서, 상기 송신 제어부는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력이 감소함에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 감소시킨다.
다른 실시예로서, 상기 송신 코일부는 직렬 연결된 인덕터를 포함한다.
다른 실시예로서, 상기 송신 코일부는 전력 수신을 위해 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함한다.
위와 같은 본 발명의 실시 예에 의하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 전력 전송 효율이 향상된다.
도 1은 병렬 공진 결합된 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여주는 블록도이다.
도 2는 직렬 공진 결합된 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1과 도 2의 입력 임피던스를 자세하게 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 병렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 6은 도 4와 도 5의 제 1 수신기의 입력 임피던스를 자세히 보여주는 도면이다.
도 7은 도 4와 도 5의 제 2 수신기의 입력 임피던스를 자세히 보여주는 도면이다.
도 8은 예시적으로 구현된 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여준다.
도 9는 도 8의 수신기 및 송신기에 대한 전력 전송 효율 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 11은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 2는 직렬 공진 결합된 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1과 도 2의 입력 임피던스를 자세하게 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 병렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 6은 도 4와 도 5의 제 1 수신기의 입력 임피던스를 자세히 보여주는 도면이다.
도 7은 도 4와 도 5의 제 2 수신기의 입력 임피던스를 자세히 보여주는 도면이다.
도 8은 예시적으로 구현된 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여준다.
도 9는 도 8의 수신기 및 송신기에 대한 전력 전송 효율 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 11은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.
아래에서 공진 결합 무선 전력 전송 수신기 및 송신기가 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 한 예로서 사용된다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 다른 실시 예들을 통해 또한, 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.
공진 결합 방식은 송신기와 수신기가 같은 주파수에서 공진할 경우에 전자파가 근거리 전자장을 통하여 송신기에서 수신기로 이동하는 감쇄파 결합에 기반을 두고 있다.
따라서, 송신기와 수신기의 공진 주파수가 동일할 때만 에너지가 전달되고, 사용되지 않는 에너지는 재흡수될 수 있다. 또한, 다른 전력 전달 방식과는 달리 주변의 기계나 인체에 영향을 미치지 않는다. 결국, 공진 결합 방식은 유도 결합 방식에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다.
도 1은 병렬 공진 결합된 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 송신기(110)와 수신기(210)를 포함한다. 송신기(110)는 수신기(210)에 무선으로 전력을 송신한다. 송신기(110)는 전력 발생부(111)와 송신 코일부(112)를 포함한다. 수신기(210)는 수신 코일부(211)와 전력 수신부(212)를 포함한다.
전력 발생부(111)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(111)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(112)로 제공한다.
송신 코일부(112)는 두 개의 인덕터(L11, L12)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(112)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(112)는 수신된 전력을 인덕터(L11)를 통해 자기장의 형태로 방출한다. 송신 코일부(112)의 인덕터(L12)는 인덕터(L11)로부터 방출된 전력을 수신한다. 송신 코일부(112)의 인덕터(L11)와 인덕터(L12)는 상호 간에 유도 결합(Inductive coupling)한다. 따라서, 인덕터(L11)와 인덕터(L12)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 송신 코일부(112)의 인덕터(L12)는 수신한 전력을 자기장의 형태로 방출한다.
수신 코일부(211)는 두 개의 인덕터(L13, L14)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(211)는 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(211)의 인덕터(L13)는 송신 코일부(112)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(211)는 송신 코일부(112)와 공진 결합한다. 따라서, 수신 코일부(211)는 송신 코일부(112)와 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(112)의 인덕터(L12)와 수신 코일부(211)의 인덕터(L13)는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다.
수신 코일부(211)는 수신 전력을 인덕터(L13)를 통해 자기장의 형태로 방출한다. 인덕터(L14)는 자기장 형태로 방출된 전력을 수신한다. 수신 코일부(211)의 인덕터(L13)와 인덕터(L14)는 상호 간에 유도 결합한다. 따라서, 인덕터(L13)와 인덕터(L14)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 인덕터(L14)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(212)로 제공된다.
전력 수신부(212)는 입력 임피던스(ZOL)를 포함한다. 전력 수신부(212)는 인덕터(L14)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL)로 제공한다. 전력 수신부(212)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
송신기(110)로부터 수신기(210)로 전송된 전력의 반사가 일어나지 않기 위해서는 시스템이 임피던스 정합을 만족시킬 것이 요구된다. 임피던스 정합을 위해서는 전력 발생부(111)의 고유 임피던스(ZOS)(내부 저항)와 전력 수신부(212)의 입력 임피던스(ZOL)가 최적화된 값으로 결정되어야 할 것이다.
도 2는 직렬 공진 결합된 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 송신기(120)와 수신기(220)를 포함한다. 송신기(120)는 수신기(220)에 무선으로 전력을 송신한다. 송신기(120)는 전력 발생부(121)와 송신 코일부(122)를 포함한다. 수신기(220)는 수신 코일부(221)와 전력 수신부(222)를 포함한다.
전력 발생부(121)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(121)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(122)로 제공한다.
송신 코일부(122)는 인덕터(L15)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(122)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(122)는 수신된 전력을 인덕터(L15)를 통해 전력을 자기장의 형태로 방출한다.
수신 코일부(221)는 인덕터(L16)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(221)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(221)의 인덕터(L16)는 송신 코일부(122)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(221)는 송신 코일부(122)와 공진 결합한다. 따라서, 수신 코일부(221)는 송신 코일부(122)와 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(122)의 인덕터(L15)와 수신 코일부(221)의 인덕터(L16)는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다. 인덕터(L16)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(222)로 제공된다.
전력 수신부(222)는 입력 임피던스(ZOL)를 포함한다. 전력 수신부(222)는 인덕터(L14)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL)로 제공한다. 전력 수신부(222)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
송신기(120)로부터 수신기(220)로 전송된 전력의 반사가 일어나지 않기 위해서는 시스템이 임피던스 정합을 만족시킬 것이 요구된다. 임피던스 정합을 위해서는 전력 발생부(111)의 고유 임피던스(ZOS)(내부 저항)와 전력 수신부(212)의 입력 임피던스(ZOL)가 최적화된 값으로 결정되어야 할 것이다.
도 3은 도 1과 도 2의 입력 임피던스(ZOL)를 자세하게 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 입력 임피던스(Z0L)는 정류기(231), 과전압 보호 회로(232), DC-DC 변환기(233), 그리고 부하 저항(RL)을 포함한다.
정류기(231)는 전류를 한 방향으로만 흐르게 한다. 정류기(231)는 교류 전원으로부터 직류 전원을 얻기 위해 사용된다.
과전압 보호 회로(232)는 과전압이 발생되었을 때 기기를 보호할 목적으로 설치된 장치이다. 또한, 과전압 보호 회로(232)는 부하 저항(RL)이 변하는 경우에도 입력 임피던스(Z0L)가 변화되지 않도록 유지시키는 기능을 한다.
과전압 보호 회로(232)는 본 발명자에 의해 이미 출원된 발명(한국 출원 번호: 10-2011-0050767)에 자세하게 개시되어 있다. 상기 발명은 본 발명의 레퍼런스로 이용되며, 설명의 간결화를 위해 과전압 보호 회로(232)에 대한 자세한 설명은 생략된다.
DC-DC 변환기(223)는 입력 전압을 승압 또는 강압하여 출력 전압을 생성하고, 출력 전압을 부하 저항(RL)에 제공한다.
부하 저항(RL)은 전력을 수신받아 동작하는 전자 기기의 등가 저항이다. 예를 들어, 부하 저항(RL)은 휴대 전화나 LCD 모니터 등의 등가 저항일 수 있다.
기존에는 전력 전송을 위해 시간 분할 방식을 사용하거나 주파수 분할 방식을 사용하는 방식을 이용하고 있다. 그러나, 시간 분할 방식의 경우, 충전의 경우에만 가능하고 충전이 아닌 전자기기의 구동은 불가능하였다.
따라서, 각 수신기마다 서로 다른 공진 주파수를 사용하여 전력을 송신하는 주파수 분할 방식이 제시되었다. 그러나, 주파수 분할 방식은 사용하는 주파수마다 각각 다른 안테나 또는 코일을 필요로 하기 때문에 수신기의 개수나 안테나 구조가 제한된다.
반면에, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 공진 주파수를 이용하면서도 동시에 복수의 수신기에 효율적으로 전력을 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 병렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(310)와 두 개의 수신기들(410, 420)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(410, 420)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다. 둘 이상의 수신기들에 대해서도 본 발명의 기술적 특징이 적용될 수 있다.
송신기(310)는 무선으로 수신기들(410, 420)에 동시에 전력을 송신한다. 송신기(310)는 전력 발생부(311)와 송신 코일부(312)를 포함한다. 각 수신기는 수신 코일부와 전력 수신부를 포함한다. 구체적으로 제 1 수신기(410)는 수신 코일부(411)와 전력 수신부(412)를 포함하고, 제 2 수신기(420)는 수신 코일부(421)와 전력 수신부(422)를 포함한다.
전력 발생부(311)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(311)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(312)로 제공한다.
송신 코일부(312)는 두 개의 인덕터(L21, L22)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(312)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(312)는 수신된 전력을 인덕터(L21)를 통해 자기장의 형태로 방출한다.
송신 코일부(312)의 인덕터(L22)는 인덕터(L21)로부터 방출된 전력을 수신한다. 송신 코일부(312)의 인덕터(L21)와 인덕터(L22)는 상호 간에 유도 결합(Inductive coupling)한다. 따라서, 인덕터(L21)와 인덕터(L22)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 송신 코일부(312)의 인덕터(L22)는 수신한 전력을 자기장의 형태로 방출한다.
제 1 수신기(410)의 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)와 제 2 수신기(420)의 수신 코일부(421)의 인덕터(L25)는 송신 코일부(312)로부터 방출된 전력을 수신한다.
송신 코일부(312)와 제 1 및 제 2 수신기(410, 420)의 수신 코일부(411, 421)는 공진 결합한다. 따라서, 송신 코일부(312)와 제 1 및 제 2 수신기(410, 420)의 수신 코일부(411, 421)의 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(312)의 인덕터(L22)와 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)(또는, 수신 코일부(421)의 인덕터(L25))는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다.
제 1 수신기(410)의 수신 코일부(411)는 두 개의 인덕터(L23, L24)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(411)는 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)는 송신 코일부(312)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(411)는 송신 코일부(312)와 공진 결합한다.
수신 코일부(411)는 수신 전력을 인덕터(L23)를 통해 자기장의 형태로 방출한다. 인덕터(L24)는 자기장 형태로 방출된 전력을 수신한다. 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)와 인덕터(L24)는 상호 간에 유도 결합한다. 따라서, 인덕터(L23)와 인덕터(L24)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 인덕터(L14)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(412)로 제공된다.
전력 수신부(412)는 입력 임피던스(ZOL1)를 포함한다. 전력 수신부(412)는 인덕터(L14)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL1)로 제공한다. 전력 수신부(412)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
제 2 수신기(420)의 동작은 제 1 수신기(410)의 동작과 유사하다. 따라서 설명의 간결화를 위하여 제 2 수신기(420)의 동작에 관한 설명은 생략된다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(320)와 두 개의 수신기들(430, 440)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(430, 440)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다. 둘 이상의 수신기들에 대해서도 본 발명의 기술적 특징이 적용될 수 있다.
송신기(320)는 무선으로 수신기들(430, 440)에 전력을 송신한다. 송신기(320)는 전력 발생부(321)와 송신 코일부(322)를 포함한다. 각 수신기는 수신 코일부와 전력 수신부를 포함한다. 구체적으로 제 1 수신기(430)는 수신 코일부(431)와 전력 수신부(432)를 포함하고, 제 2 수신기(440)는 수신 코일부(441)와 전력 수신부(442)를 포함한다.
전력 발생부(321)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(321)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(322)로 제공한다.
송신 코일부(321)는 인덕터(L27)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(321)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(321)는 수신된 전력을 인덕터(L27)를 통해 자기장의 형태로 방출한다.
제 1 수신기(430)의 수신 코일부(431)의 인덕터(L28)와 제 2 수신기(440)의 수신 코일부(441)의 인덕터(L29)는 송신 코일부(322)로부터 방출된 전력을 수신한다.
송신 코일부(322)와 제 1 및 제 2 수신기(430, 440)의 수신 코일부(431, 441)는 공진 결합한다. 따라서, 송신 코일부(322)와 제 1 및 제 2 수신기(430, 440)의 수신 코일부(431, 441)의 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(322)의 인덕터(L27)와 수신 코일부(431)의 인덕터(L28)(또는, 수신 코일부(441)의 인덕터(L29))는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다.
제 1 수신기(430)의 수신 코일부(431)는 인덕터(L28)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(431)는 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(431)의 인덕터(L28)는 송신 코일부(322)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(431)는 송신 코일부(322)와 공진 결합한다. 수신 코일부(431)는 수신 전력을 인덕터(L28)를 통해 자기장 형태로 방출된 전력을 수신한다. 인덕터(L28)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(432)로 제공된다.
전력 수신부(432)는 입력 임피던스(ZOL1)를 포함한다. 전력 수신부(432)는 인덕터(L28)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL1)로 제공한다. 전력 수신부(432)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
제 2 수신기(440)의 동작은 제 1 수신기(430)의 동작과 유사하다. 따라서 설명의 간결화를 위하여 제 2 수신기(440)의 동작에 관한 설명은 생략된다.
상술한 도 4와 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
송신기(310(320))로부터 수신기들(410, 420(430, 440))로 전송된 전력의 반사가 일어나지 않기 위해서는 시스템이 임피던스 정합을 만족시킬 것이 요구된다. 임피던스 정합을 위하여는 전력 발생부(311(421))의 고유 임피던스(ZOS), 제 1 수신기(410(430))의 전력 수신부(411(431))의 입력 임피던스(ZOL1), 그리고 제 2 수신기(420(440))의 전력 수신부(421(441))의 입력 임피던스 (ZOL2)가 최적화된 값으로 결정되어야 할 것이다.
또한, 전력 전송 효율을 향상시키기 위하여 송신기와 수신기의 동작 주파수가 최적화된 값으로 결정될 필요가 있다. 이하, 예시적으로 송신기가 하나의 수신기에 전력을 전송하는 경우가 설명된다. 최적화된 주파수와 효율은 실험을 통하여 결정될 수 있다. 최적화된 주파수를 f0라고 하면 전력 전송 효율
는 다음과 같이 정의될 수 있다.
여기서, Pin은 송신기로부터의 전력을 의미하고, P01은 수신기에 의해 수신된 전력을 의미한다.
또한, 최적화된 주파수 조건에서 송신기로부터 수신기로 전달되지 못하고 반사되는 전력의 크기(S11)는 다음과 같다.
즉, 최적화된 주파수 조건에서는 임피던스 정합이 이루어져 전력 발생기로 반사되어 손실되는 전력이 작아진다.
이상에서는 송신기가 하나의 수신기에 전력을 송신하는 경우가 설명되었지만, 효과적인 무선 전력 전송을 수행하기 위해서는 송신기가 상기 최적화된 주파수(f0)를 사용하여 복수의 수신기들에 전력을 전송하는 경우에도 전력 전송 효율(
)이 유지될 것이 요구된다.
또한, 안정된 무선 전력 전송을 수행되기 위해서는 수신기들의 소비 전력이 변하는 경우에도 전체 전력 전송 효율이 유지될 것이 요구된다.
한편, 도 4와 도 5의 송신기와 수신기들은 일예로 설명된 것으로 도 4의 송신기(310)가 도 5의 수신기들(430, 440)로 전력을 송신하거나, 도 5의 송신기(320)가 도 4의 수신기들(410, 420)로 전력을 송신할 수도 있다.
도 6은 도 4와 도 5의 제 1 수신기의 입력 임피던스(ZOL1)를 자세히 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제 1 수신기(410(430))의 입력 임피던스(ZOL1)는 정류기(451), 입력 임피던스 조절 회로(452), 과전압 보호 회로(453), DC-DC 변환기(454), 부하 저항(RL1)을 포함한다.
정류기(451), 과전압 보호 회로(453), DC-DC 변환기(454)의 동작은 도 3의 그것들과 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략된다. 또한, 본 발명의 특징은 수신기의 입력 임피던스를 변화시키는 데 있기 때문에 정류기(451), 과전압 보호 회로(453), DC-DC 변환기(454)는 경우에 따라 생략될 수 있다.
도 7은 도 4와 도 5의 제 2 수신기의 입력 임피던스(ZOL2)를 자세히 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제 2 수신기(420(440))의 입력 임피던스(ZOL2)는 정류기(461), 입력 임피던스 조절 회로(462), 과전압 보호 회로(463), DC-DC 변환기(464), 부하 저항(RL2)을 포함한다.
정류기(461), 과전압 보호 회로(463), DC-DC 변환기(464)의 동작은 도 3의 그것들과 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략된다. 또한, 본 발명의 특징은 수신기의 입력 임피던스를 변화시키는 데 있기 때문에 정류기(461), 과전압 보호 회로(463), DC-DC 변환기(464)는 경우에 따라 생략될 수 있다.
도 6과 도 7에서, RL1과 RL2는 각각 전력을 수신받아 동작하는 전자 기기의 등가 저항을 의미한다. 예를 들어, RL1은 휴대 전화기의 등가 저항이고, RL2는 LCD 모니터의 등가 저항일 수 있다. 그런데 휴대 전화기와 LCD 모니터가 소비하는 전력은 가변적일 수 있다.
본 발명에 있어서, 등가 저항이 변화하는 경우에도 입력 임피던스가 유지될 것이 요구된다. 즉, RL1과 Z0L1이 상호 독립적이고, RL2와 Z0L2 역시 상호 독립적일 것이 요구된다.
과전압 보호 회로(453(463))는 부하 저항(RL1(RL2))이 변하는 경우에도 입력 임피던스(Z0L1(Z0L2))가 변경되지 않도록 유지시키는 기능을 한다. 과전압 보호 회로(453(463))는 본 발명자에 의해 이미 출원된 발명(한국 출원 번호: 10-2011-0050767)에 자세하게 개시되어 있다. 따라서, 설명의 간결화를 위해 과전압 보호 회로(453(463))에 대한 자세한 설명은 생략된다.
본 발명은 복수의 수신기들에 안정적이고 효율적으로 전력을 전송하기 위하여 입력 임피던스(Z0L1)과 입력 임피던스(Z0L2)를 조절하는 방법을 제시한다. 도 6의 입력 임피던스 조절 회로(452)는 입력 임피던스(Z0L1)를 조절한다. 또한, 도 7의 입력 임피던스 조절 회로(562)는 입력 임피던스(Z0L2)를 조절한다. 후술할 바와 같이, 제 1 및 제 2 수신기(410, 420(430, 440))의 입력 임피던스가 조절됨으로써 효율적인 무선 전력 전송이 가능해진다.
도 8은 예시적으로 구현된 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여준다. 도 8를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 송신기, 제 1 수신기, 제 2 수신기를 포함한다. 여기서, 송신기와 수신기 각각은 도 4에서와 같이 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함하거나 도 5에서와 같이 하나의 인덕터를 포함할 수 있다.
송신기의 입력 포트로 전원(power source)이 입력된다. 송신 코일은 검은 박스 안에 배치된다. 두 개의 수신 코일부들(Rx coil 1, Rx coil 2)은 검은 박스 위에 배치된다. 각 수신 코일부들은 케이블을 통해 각각의 전력 수신부들에 연결된다.
이하, 예시적으로 제 1 수신기의 입력 임피던스는 50ohm으로 고정되고, 제 2 수신기의 입력 임피던스는 가변인 경우가 설명될 것이다.
본 발명의 발명자는 제 1 수신기와 제 2 수신기의 입력 임피던스들에 따라 전력 전송 효율이 변화함을 발견하였다. 이하, 도 9을 참조하여 제 1 수신기와 제 2 수신기의 입력 임피던스 변화에 따른 전력 전송 효율 변화가 설명될 것이다.
도 9는 도 8의 수신기 및 송신기에 대한 전력 전송 효율 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8에서 설명된 바와 같이, 제 1 수신기에는 50ohm의 부하를 연결하고, 제 2 수신기에 연결되는 부하를 변화시켜 가면서 각 수신기의 전력 전송 효율을 측정하였다.
도 9을 참조하면, 제 2 수신기의 입력 임피던스 변화에 따라 전체 전송 효율이 달라진다. 즉, 제 2 수신기의 입력 임피던스가 20ohm 정도일 때 전체 전송 효율은 최대 값인 70% 정도가 된다. 그리고, 제 2 수신기의 입력 임피던스가 20ohm보다 커짐에 따라 전체 전송 효율이 감소한다.
수신기의 입력 임피던스의 크기는 각 수신기의 부하 저항이 소비하는 전력의 크기에 따라 정해질 것이다. 예를 들면, 많은 전력을 소비하는 부하 저항을 포함하는 수신기의 입력 임피던스는 적은 전력을 소비하는 부하 저항을 포함하는 수신기의 입력 임피던스보다 클 것이다.
결과적으로, 수신기가 두 개일 경우 각 수신기의 입력 임피던스를 조절함으로써 안정적이고 효과적으로 무선 전력 전송을 동시에 복수의 수신기들로 수행할 수 있고, 이 방법을 다수의 수신기에도 동일하게 적용할 수 있다.
설명의 편의를 위하여 고정된 제 1 수신기의 부하 저항을 기준으로 제 2 수신기의 부하 저항을 변경하였지만 본 발명은 제 1 및 제 2 수신기(410, 420(430, 440))의 부하 저항을 모두 변경시키면서 적용될 수 있다.
예를 들면 제 1 수신기의 입력 임피던스를 40ohm으로 하고, 제 2 수신기의 임력 임피던스를 30ohm으로 하거나, 반대로 제 1 수신기의 부하 저항을 30ohm으로 하고, 제 2 수신기의 부하저항을 40ohm으로 하는 등의 다양한 조합이 가능하다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(510)와 두 개의 수신기들(610, 620)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(610, 620)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 도 4의 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 구성에 전송 제어 장치(513)를 추가로 포함한다. 전송 제어 장치(513)는 복수의 수신기들(610, 620)이 소비하는 전력을 감지하고, 감지 결과에 따라 송신기(510)가 출력하는 전력을 제어한다.
예를 들어, 복수의 수신기들(610, 620)이 많은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(513)는 송신기(510)가 많은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 반면에, 복수의 수신기들(610, 620)이 적은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(513)는 송신기(510)가 적은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 전송 제어 장치(513)가 출력 전력을 제어함에 따라 전력 전송의 효율이 증가할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(520)와 두 개의 수신기들(630, 640)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(630, 640)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 도 5의 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 구성에 전송 제어 장치(523)를 추가로 포함한다. 전송 제어 장치(523)는 복수의 수신기들(630, 640)이 소비하는 전력을 감지하고, 감지 결과에 따라 송신기(520)가 출력하는 전력을 제어한다.
예를 들어, 복수의 수신기들(630, 640)이 많은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(523)는 송신기(520)가 많은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 반면에, 복수의 수신기들(630, 640)이 적은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(523)는 송신기(520)가 적은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 전송 제어 장치(523)가 출력 전력을 제어함에 따라 전력 전송의 효율이 증가할 수 있다.
한편, 도 10와 도 11의 송신기와 수신기들은 일예로 설명된 것으로, 도 10의 송신기(510)가 도 11의 수신기들(630, 640)로 전력을 송신하거나, 도 11의 송신기(520)가 도 10의 수신기들(610, 620)로 전력을 송신할 수도 있다.
상술한 본 발명에서는 전력 전송을 위해 송신기와 수신기 각각에 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터(또는 코일)들를 포함한 구조와 하나의 직렬 연결된 인덕터(또는 코일)를 포함한 구조를 기준으로 설명하였다. 하지만, 두 가지 구조를 갖는 송신기와 수신기 모두에 복수의 수신기들에 무선으로 전력을 전송하는 본 발명을 적용할 수 있다.
본 발명의 범위 또는 기술적 사상을 벗어나지 않고 본 발명의 구조가 다양하게 수정되거나 변경될 수 있음은 이 분야에 숙련된 자들에게 자명하다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.
아래에서 공진 결합 무선 전력 전송 수신기 및 송신기가 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 한 예로서 사용된다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 다른 실시 예들을 통해 또한, 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.
공진 결합 방식은 송신기와 수신기가 같은 주파수에서 공진할 경우에 전자파가 근거리 전자장을 통하여 송신기에서 수신기로 이동하는 감쇄파 결합에 기반을 두고 있다.
따라서, 송신기와 수신기의 공진 주파수가 동일할 때만 에너지가 전달되고, 사용되지 않는 에너지는 재흡수될 수 있다. 또한, 다른 전력 전달 방식과는 달리 주변의 기계나 인체에 영향을 미치지 않는다. 결국, 공진 결합 방식은 유도 결합 방식에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다.
도 1은 병렬 공진 결합된 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 송신기(110)와 수신기(210)를 포함한다. 송신기(110)는 수신기(210)에 무선으로 전력을 송신한다. 송신기(110)는 전력 발생부(111)와 송신 코일부(112)를 포함한다. 수신기(210)는 수신 코일부(211)와 전력 수신부(212)를 포함한다.
전력 발생부(111)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(111)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(112)로 제공한다.
송신 코일부(112)는 두 개의 인덕터(L11, L12)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(112)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(112)는 수신된 전력을 인덕터(L11)를 통해 자기장의 형태로 방출한다. 송신 코일부(112)의 인덕터(L12)는 인덕터(L11)로부터 방출된 전력을 수신한다. 송신 코일부(112)의 인덕터(L11)와 인덕터(L12)는 상호 간에 유도 결합(Inductive coupling)한다. 따라서, 인덕터(L11)와 인덕터(L12)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 송신 코일부(112)의 인덕터(L12)는 수신한 전력을 자기장의 형태로 방출한다.
수신 코일부(211)는 두 개의 인덕터(L13, L14)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(211)는 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(211)의 인덕터(L13)는 송신 코일부(112)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(211)는 송신 코일부(112)와 공진 결합한다. 따라서, 수신 코일부(211)는 송신 코일부(112)와 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(112)의 인덕터(L12)와 수신 코일부(211)의 인덕터(L13)는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다.
수신 코일부(211)는 수신 전력을 인덕터(L13)를 통해 자기장의 형태로 방출한다. 인덕터(L14)는 자기장 형태로 방출된 전력을 수신한다. 수신 코일부(211)의 인덕터(L13)와 인덕터(L14)는 상호 간에 유도 결합한다. 따라서, 인덕터(L13)와 인덕터(L14)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 인덕터(L14)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(212)로 제공된다.
전력 수신부(212)는 입력 임피던스(ZOL)를 포함한다. 전력 수신부(212)는 인덕터(L14)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL)로 제공한다. 전력 수신부(212)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
송신기(110)로부터 수신기(210)로 전송된 전력의 반사가 일어나지 않기 위해서는 시스템이 임피던스 정합을 만족시킬 것이 요구된다. 임피던스 정합을 위해서는 전력 발생부(111)의 고유 임피던스(ZOS)(내부 저항)와 전력 수신부(212)의 입력 임피던스(ZOL)가 최적화된 값으로 결정되어야 할 것이다.
도 2는 직렬 공진 결합된 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 송신기(120)와 수신기(220)를 포함한다. 송신기(120)는 수신기(220)에 무선으로 전력을 송신한다. 송신기(120)는 전력 발생부(121)와 송신 코일부(122)를 포함한다. 수신기(220)는 수신 코일부(221)와 전력 수신부(222)를 포함한다.
전력 발생부(121)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(121)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(122)로 제공한다.
송신 코일부(122)는 인덕터(L15)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(122)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(122)는 수신된 전력을 인덕터(L15)를 통해 전력을 자기장의 형태로 방출한다.
수신 코일부(221)는 인덕터(L16)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(221)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(221)의 인덕터(L16)는 송신 코일부(122)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(221)는 송신 코일부(122)와 공진 결합한다. 따라서, 수신 코일부(221)는 송신 코일부(122)와 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(122)의 인덕터(L15)와 수신 코일부(221)의 인덕터(L16)는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다. 인덕터(L16)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(222)로 제공된다.
전력 수신부(222)는 입력 임피던스(ZOL)를 포함한다. 전력 수신부(222)는 인덕터(L14)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL)로 제공한다. 전력 수신부(222)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
송신기(120)로부터 수신기(220)로 전송된 전력의 반사가 일어나지 않기 위해서는 시스템이 임피던스 정합을 만족시킬 것이 요구된다. 임피던스 정합을 위해서는 전력 발생부(111)의 고유 임피던스(ZOS)(내부 저항)와 전력 수신부(212)의 입력 임피던스(ZOL)가 최적화된 값으로 결정되어야 할 것이다.
도 3은 도 1과 도 2의 입력 임피던스(ZOL)를 자세하게 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 입력 임피던스(Z0L)는 정류기(231), 과전압 보호 회로(232), DC-DC 변환기(233), 그리고 부하 저항(RL)을 포함한다.
정류기(231)는 전류를 한 방향으로만 흐르게 한다. 정류기(231)는 교류 전원으로부터 직류 전원을 얻기 위해 사용된다.
과전압 보호 회로(232)는 과전압이 발생되었을 때 기기를 보호할 목적으로 설치된 장치이다. 또한, 과전압 보호 회로(232)는 부하 저항(RL)이 변하는 경우에도 입력 임피던스(Z0L)가 변화되지 않도록 유지시키는 기능을 한다.
과전압 보호 회로(232)는 본 발명자에 의해 이미 출원된 발명(한국 출원 번호: 10-2011-0050767)에 자세하게 개시되어 있다. 상기 발명은 본 발명의 레퍼런스로 이용되며, 설명의 간결화를 위해 과전압 보호 회로(232)에 대한 자세한 설명은 생략된다.
DC-DC 변환기(223)는 입력 전압을 승압 또는 강압하여 출력 전압을 생성하고, 출력 전압을 부하 저항(RL)에 제공한다.
부하 저항(RL)은 전력을 수신받아 동작하는 전자 기기의 등가 저항이다. 예를 들어, 부하 저항(RL)은 휴대 전화나 LCD 모니터 등의 등가 저항일 수 있다.
기존에는 전력 전송을 위해 시간 분할 방식을 사용하거나 주파수 분할 방식을 사용하는 방식을 이용하고 있다. 그러나, 시간 분할 방식의 경우, 충전의 경우에만 가능하고 충전이 아닌 전자기기의 구동은 불가능하였다.
따라서, 각 수신기마다 서로 다른 공진 주파수를 사용하여 전력을 송신하는 주파수 분할 방식이 제시되었다. 그러나, 주파수 분할 방식은 사용하는 주파수마다 각각 다른 안테나 또는 코일을 필요로 하기 때문에 수신기의 개수나 안테나 구조가 제한된다.
반면에, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 공진 주파수를 이용하면서도 동시에 복수의 수신기에 효율적으로 전력을 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 병렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(310)와 두 개의 수신기들(410, 420)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(410, 420)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다. 둘 이상의 수신기들에 대해서도 본 발명의 기술적 특징이 적용될 수 있다.
송신기(310)는 무선으로 수신기들(410, 420)에 동시에 전력을 송신한다. 송신기(310)는 전력 발생부(311)와 송신 코일부(312)를 포함한다. 각 수신기는 수신 코일부와 전력 수신부를 포함한다. 구체적으로 제 1 수신기(410)는 수신 코일부(411)와 전력 수신부(412)를 포함하고, 제 2 수신기(420)는 수신 코일부(421)와 전력 수신부(422)를 포함한다.
전력 발생부(311)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(311)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(312)로 제공한다.
송신 코일부(312)는 두 개의 인덕터(L21, L22)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(312)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(312)는 수신된 전력을 인덕터(L21)를 통해 자기장의 형태로 방출한다.
송신 코일부(312)의 인덕터(L22)는 인덕터(L21)로부터 방출된 전력을 수신한다. 송신 코일부(312)의 인덕터(L21)와 인덕터(L22)는 상호 간에 유도 결합(Inductive coupling)한다. 따라서, 인덕터(L21)와 인덕터(L22)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 송신 코일부(312)의 인덕터(L22)는 수신한 전력을 자기장의 형태로 방출한다.
제 1 수신기(410)의 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)와 제 2 수신기(420)의 수신 코일부(421)의 인덕터(L25)는 송신 코일부(312)로부터 방출된 전력을 수신한다.
송신 코일부(312)와 제 1 및 제 2 수신기(410, 420)의 수신 코일부(411, 421)는 공진 결합한다. 따라서, 송신 코일부(312)와 제 1 및 제 2 수신기(410, 420)의 수신 코일부(411, 421)의 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(312)의 인덕터(L22)와 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)(또는, 수신 코일부(421)의 인덕터(L25))는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다.
제 1 수신기(410)의 수신 코일부(411)는 두 개의 인덕터(L23, L24)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(411)는 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)는 송신 코일부(312)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(411)는 송신 코일부(312)와 공진 결합한다.
수신 코일부(411)는 수신 전력을 인덕터(L23)를 통해 자기장의 형태로 방출한다. 인덕터(L24)는 자기장 형태로 방출된 전력을 수신한다. 수신 코일부(411)의 인덕터(L23)와 인덕터(L24)는 상호 간에 유도 결합한다. 따라서, 인덕터(L23)와 인덕터(L24)는 상대적으로 가까운 거리에 위치할 것이 요구된다. 인덕터(L14)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(412)로 제공된다.
전력 수신부(412)는 입력 임피던스(ZOL1)를 포함한다. 전력 수신부(412)는 인덕터(L14)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL1)로 제공한다. 전력 수신부(412)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
제 2 수신기(420)의 동작은 제 1 수신기(410)의 동작과 유사하다. 따라서 설명의 간결화를 위하여 제 2 수신기(420)의 동작에 관한 설명은 생략된다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 일 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(320)와 두 개의 수신기들(430, 440)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(430, 440)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다. 둘 이상의 수신기들에 대해서도 본 발명의 기술적 특징이 적용될 수 있다.
송신기(320)는 무선으로 수신기들(430, 440)에 전력을 송신한다. 송신기(320)는 전력 발생부(321)와 송신 코일부(322)를 포함한다. 각 수신기는 수신 코일부와 전력 수신부를 포함한다. 구체적으로 제 1 수신기(430)는 수신 코일부(431)와 전력 수신부(432)를 포함하고, 제 2 수신기(440)는 수신 코일부(441)와 전력 수신부(442)를 포함한다.
전력 발생부(321)는 전원(Vs)과 내부 저항(ZOS)을 포함한다. 전력 발생부(321)는 전원(VS)을 통해 전력을 발생하고, 발생된 전력을 송신 코일부(322)로 제공한다.
송신 코일부(321)는 인덕터(L27)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 송신 코일부(321)은 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 송신 코일부(321)는 수신된 전력을 인덕터(L27)를 통해 자기장의 형태로 방출한다.
제 1 수신기(430)의 수신 코일부(431)의 인덕터(L28)와 제 2 수신기(440)의 수신 코일부(441)의 인덕터(L29)는 송신 코일부(322)로부터 방출된 전력을 수신한다.
송신 코일부(322)와 제 1 및 제 2 수신기(430, 440)의 수신 코일부(431, 441)는 공진 결합한다. 따라서, 송신 코일부(322)와 제 1 및 제 2 수신기(430, 440)의 수신 코일부(431, 441)의 공진 주파수가 일치해야 높은 효율의 전력 전송이 가능하다. 공진 결합의 특성상 유도 결합에 비하여 장거리의 전력 전송이 가능하다. 즉, 송신 코일부(322)의 인덕터(L27)와 수신 코일부(431)의 인덕터(L28)(또는, 수신 코일부(441)의 인덕터(L29))는 상대적으로 먼 거리에 위치할 수 있다.
제 1 수신기(430)의 수신 코일부(431)는 인덕터(L28)와 커패시터(CR)를 포함한다. 또한, 수신 코일부(431)는 불확정된 정전 용량인 부유 커패시터(Cstray)를 추가로 포함할 수 있다. 수신 코일부(431)의 인덕터(L28)는 송신 코일부(322)로부터 방출된 전력을 수신한다. 여기서, 수신 코일부(431)는 송신 코일부(322)와 공진 결합한다. 수신 코일부(431)는 수신 전력을 인덕터(L28)를 통해 자기장 형태로 방출된 전력을 수신한다. 인덕터(L28)에 의해 수신된 전력은 전력 수신부(432)로 제공된다.
전력 수신부(432)는 입력 임피던스(ZOL1)를 포함한다. 전력 수신부(432)는 인덕터(L28)를 통해 수신된 전력을 입력 임피던스(ZOL1)로 제공한다. 전력 수신부(432)는 수신된 전력을 소모하는 기기, 즉 부하(load)가 접속될 수 있다.
제 2 수신기(440)의 동작은 제 1 수신기(430)의 동작과 유사하다. 따라서 설명의 간결화를 위하여 제 2 수신기(440)의 동작에 관한 설명은 생략된다.
상술한 도 4와 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
송신기(310(320))로부터 수신기들(410, 420(430, 440))로 전송된 전력의 반사가 일어나지 않기 위해서는 시스템이 임피던스 정합을 만족시킬 것이 요구된다. 임피던스 정합을 위하여는 전력 발생부(311(421))의 고유 임피던스(ZOS), 제 1 수신기(410(430))의 전력 수신부(411(431))의 입력 임피던스(ZOL1), 그리고 제 2 수신기(420(440))의 전력 수신부(421(441))의 입력 임피던스 (ZOL2)가 최적화된 값으로 결정되어야 할 것이다.
또한, 전력 전송 효율을 향상시키기 위하여 송신기와 수신기의 동작 주파수가 최적화된 값으로 결정될 필요가 있다. 이하, 예시적으로 송신기가 하나의 수신기에 전력을 전송하는 경우가 설명된다. 최적화된 주파수와 효율은 실험을 통하여 결정될 수 있다. 최적화된 주파수를 f0라고 하면 전력 전송 효율
여기서, Pin은 송신기로부터의 전력을 의미하고, P01은 수신기에 의해 수신된 전력을 의미한다.
또한, 최적화된 주파수 조건에서 송신기로부터 수신기로 전달되지 못하고 반사되는 전력의 크기(S11)는 다음과 같다.
즉, 최적화된 주파수 조건에서는 임피던스 정합이 이루어져 전력 발생기로 반사되어 손실되는 전력이 작아진다.
이상에서는 송신기가 하나의 수신기에 전력을 송신하는 경우가 설명되었지만, 효과적인 무선 전력 전송을 수행하기 위해서는 송신기가 상기 최적화된 주파수(f0)를 사용하여 복수의 수신기들에 전력을 전송하는 경우에도 전력 전송 효율(
또한, 안정된 무선 전력 전송을 수행되기 위해서는 수신기들의 소비 전력이 변하는 경우에도 전체 전력 전송 효율이 유지될 것이 요구된다.
한편, 도 4와 도 5의 송신기와 수신기들은 일예로 설명된 것으로 도 4의 송신기(310)가 도 5의 수신기들(430, 440)로 전력을 송신하거나, 도 5의 송신기(320)가 도 4의 수신기들(410, 420)로 전력을 송신할 수도 있다.
도 6은 도 4와 도 5의 제 1 수신기의 입력 임피던스(ZOL1)를 자세히 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제 1 수신기(410(430))의 입력 임피던스(ZOL1)는 정류기(451), 입력 임피던스 조절 회로(452), 과전압 보호 회로(453), DC-DC 변환기(454), 부하 저항(RL1)을 포함한다.
정류기(451), 과전압 보호 회로(453), DC-DC 변환기(454)의 동작은 도 3의 그것들과 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략된다. 또한, 본 발명의 특징은 수신기의 입력 임피던스를 변화시키는 데 있기 때문에 정류기(451), 과전압 보호 회로(453), DC-DC 변환기(454)는 경우에 따라 생략될 수 있다.
도 7은 도 4와 도 5의 제 2 수신기의 입력 임피던스(ZOL2)를 자세히 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제 2 수신기(420(440))의 입력 임피던스(ZOL2)는 정류기(461), 입력 임피던스 조절 회로(462), 과전압 보호 회로(463), DC-DC 변환기(464), 부하 저항(RL2)을 포함한다.
정류기(461), 과전압 보호 회로(463), DC-DC 변환기(464)의 동작은 도 3의 그것들과 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략된다. 또한, 본 발명의 특징은 수신기의 입력 임피던스를 변화시키는 데 있기 때문에 정류기(461), 과전압 보호 회로(463), DC-DC 변환기(464)는 경우에 따라 생략될 수 있다.
도 6과 도 7에서, RL1과 RL2는 각각 전력을 수신받아 동작하는 전자 기기의 등가 저항을 의미한다. 예를 들어, RL1은 휴대 전화기의 등가 저항이고, RL2는 LCD 모니터의 등가 저항일 수 있다. 그런데 휴대 전화기와 LCD 모니터가 소비하는 전력은 가변적일 수 있다.
본 발명에 있어서, 등가 저항이 변화하는 경우에도 입력 임피던스가 유지될 것이 요구된다. 즉, RL1과 Z0L1이 상호 독립적이고, RL2와 Z0L2 역시 상호 독립적일 것이 요구된다.
과전압 보호 회로(453(463))는 부하 저항(RL1(RL2))이 변하는 경우에도 입력 임피던스(Z0L1(Z0L2))가 변경되지 않도록 유지시키는 기능을 한다. 과전압 보호 회로(453(463))는 본 발명자에 의해 이미 출원된 발명(한국 출원 번호: 10-2011-0050767)에 자세하게 개시되어 있다. 따라서, 설명의 간결화를 위해 과전압 보호 회로(453(463))에 대한 자세한 설명은 생략된다.
본 발명은 복수의 수신기들에 안정적이고 효율적으로 전력을 전송하기 위하여 입력 임피던스(Z0L1)과 입력 임피던스(Z0L2)를 조절하는 방법을 제시한다. 도 6의 입력 임피던스 조절 회로(452)는 입력 임피던스(Z0L1)를 조절한다. 또한, 도 7의 입력 임피던스 조절 회로(562)는 입력 임피던스(Z0L2)를 조절한다. 후술할 바와 같이, 제 1 및 제 2 수신기(410, 420(430, 440))의 입력 임피던스가 조절됨으로써 효율적인 무선 전력 전송이 가능해진다.
도 8은 예시적으로 구현된 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기를 보여준다. 도 8를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 송신기, 제 1 수신기, 제 2 수신기를 포함한다. 여기서, 송신기와 수신기 각각은 도 4에서와 같이 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함하거나 도 5에서와 같이 하나의 인덕터를 포함할 수 있다.
송신기의 입력 포트로 전원(power source)이 입력된다. 송신 코일은 검은 박스 안에 배치된다. 두 개의 수신 코일부들(Rx coil 1, Rx coil 2)은 검은 박스 위에 배치된다. 각 수신 코일부들은 케이블을 통해 각각의 전력 수신부들에 연결된다.
이하, 예시적으로 제 1 수신기의 입력 임피던스는 50ohm으로 고정되고, 제 2 수신기의 입력 임피던스는 가변인 경우가 설명될 것이다.
본 발명의 발명자는 제 1 수신기와 제 2 수신기의 입력 임피던스들에 따라 전력 전송 효율이 변화함을 발견하였다. 이하, 도 9을 참조하여 제 1 수신기와 제 2 수신기의 입력 임피던스 변화에 따른 전력 전송 효율 변화가 설명될 것이다.
도 9는 도 8의 수신기 및 송신기에 대한 전력 전송 효율 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8에서 설명된 바와 같이, 제 1 수신기에는 50ohm의 부하를 연결하고, 제 2 수신기에 연결되는 부하를 변화시켜 가면서 각 수신기의 전력 전송 효율을 측정하였다.
도 9을 참조하면, 제 2 수신기의 입력 임피던스 변화에 따라 전체 전송 효율이 달라진다. 즉, 제 2 수신기의 입력 임피던스가 20ohm 정도일 때 전체 전송 효율은 최대 값인 70% 정도가 된다. 그리고, 제 2 수신기의 입력 임피던스가 20ohm보다 커짐에 따라 전체 전송 효율이 감소한다.
수신기의 입력 임피던스의 크기는 각 수신기의 부하 저항이 소비하는 전력의 크기에 따라 정해질 것이다. 예를 들면, 많은 전력을 소비하는 부하 저항을 포함하는 수신기의 입력 임피던스는 적은 전력을 소비하는 부하 저항을 포함하는 수신기의 입력 임피던스보다 클 것이다.
결과적으로, 수신기가 두 개일 경우 각 수신기의 입력 임피던스를 조절함으로써 안정적이고 효과적으로 무선 전력 전송을 동시에 복수의 수신기들로 수행할 수 있고, 이 방법을 다수의 수신기에도 동일하게 적용할 수 있다.
설명의 편의를 위하여 고정된 제 1 수신기의 부하 저항을 기준으로 제 2 수신기의 부하 저항을 변경하였지만 본 발명은 제 1 및 제 2 수신기(410, 420(430, 440))의 부하 저항을 모두 변경시키면서 적용될 수 있다.
예를 들면 제 1 수신기의 입력 임피던스를 40ohm으로 하고, 제 2 수신기의 임력 임피던스를 30ohm으로 하거나, 반대로 제 1 수신기의 부하 저항을 30ohm으로 하고, 제 2 수신기의 부하저항을 40ohm으로 하는 등의 다양한 조합이 가능하다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(510)와 두 개의 수신기들(610, 620)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(610, 620)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 도 4의 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 구성에 전송 제어 장치(513)를 추가로 포함한다. 전송 제어 장치(513)는 복수의 수신기들(610, 620)이 소비하는 전력을 감지하고, 감지 결과에 따라 송신기(510)가 출력하는 전력을 제어한다.
예를 들어, 복수의 수신기들(610, 620)이 많은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(513)는 송신기(510)가 많은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 반면에, 복수의 수신기들(610, 620)이 적은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(513)는 송신기(510)가 적은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 전송 제어 장치(513)가 출력 전력을 제어함에 따라 전력 전송의 효율이 증가할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 다른 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 하나의 송신기(520)와 두 개의 수신기들(630, 640)을 포함한다. 본 실시 예에서 설명의 편의를 위하여 두 개의 수신기들(630, 640)이 도시되었으나 본 발명에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 둘 이상의 수신기들을 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따른 무선 전력 전송 수신기 및 송신기는 도 5의 무선 전력 전송 수신기 및 송신기의 구성에 전송 제어 장치(523)를 추가로 포함한다. 전송 제어 장치(523)는 복수의 수신기들(630, 640)이 소비하는 전력을 감지하고, 감지 결과에 따라 송신기(520)가 출력하는 전력을 제어한다.
예를 들어, 복수의 수신기들(630, 640)이 많은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(523)는 송신기(520)가 많은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 반면에, 복수의 수신기들(630, 640)이 적은 전력을 소비하는 경우, 전송 제어 장치(523)는 송신기(520)가 적은 전력을 출력하도록 제어할 것이다. 전송 제어 장치(523)가 출력 전력을 제어함에 따라 전력 전송의 효율이 증가할 수 있다.
한편, 도 10와 도 11의 송신기와 수신기들은 일예로 설명된 것으로, 도 10의 송신기(510)가 도 11의 수신기들(630, 640)로 전력을 송신하거나, 도 11의 송신기(520)가 도 10의 수신기들(610, 620)로 전력을 송신할 수도 있다.
상술한 본 발명에서는 전력 전송을 위해 송신기와 수신기 각각에 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터(또는 코일)들를 포함한 구조와 하나의 직렬 연결된 인덕터(또는 코일)를 포함한 구조를 기준으로 설명하였다. 하지만, 두 가지 구조를 갖는 송신기와 수신기 모두에 복수의 수신기들에 무선으로 전력을 전송하는 본 발명을 적용할 수 있다.
본 발명의 범위 또는 기술적 사상을 벗어나지 않고 본 발명의 구조가 다양하게 수정되거나 변경될 수 있음은 이 분야에 숙련된 자들에게 자명하다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.
110: 송신기 210: 수신기
111: 전력 발생부 112: 송신 코일부
211: 수신 코일부 212: 전력 수신부
120: 송신기 220: 수신기
121: 전력 발생부 122: 송신 코일부
221: 수신 코일부 222: 전력 수신부
231: 정류기 232: 과전압 보호 회로
233: DC-DC 변환기 310: 송신기
410, 420: 수신기들 311: 전력 발생부
312: 송신 코일부 411: 수신 코일부
412: 전력 수신부 421: 수신 코일부
422: 전력 수신부 320: 송신기
430, 440: 수신기들 321: 전력 발생부
322: 송신 코일부 431: 수신 코일부
432: 전력 수신부 441: 수신 코일부
442: 전력 수신부 461: 정류기
462: 입력 임피던스 조절 회로 463: 과전압 보호 회로
464: DC-DC 변환기
111: 전력 발생부 112: 송신 코일부
211: 수신 코일부 212: 전력 수신부
120: 송신기 220: 수신기
121: 전력 발생부 122: 송신 코일부
221: 수신 코일부 222: 전력 수신부
231: 정류기 232: 과전압 보호 회로
233: DC-DC 변환기 310: 송신기
410, 420: 수신기들 311: 전력 발생부
312: 송신 코일부 411: 수신 코일부
412: 전력 수신부 421: 수신 코일부
422: 전력 수신부 320: 송신기
430, 440: 수신기들 321: 전력 발생부
322: 송신 코일부 431: 수신 코일부
432: 전력 수신부 441: 수신 코일부
442: 전력 수신부 461: 정류기
462: 입력 임피던스 조절 회로 463: 과전압 보호 회로
464: DC-DC 변환기
Claims (13)
- 송신기로부터 공진 결합 방식으로 전력을 수신하는 수신 코일부; 및
부하 저항과 접속되고, 상기 수신 코일부로부터 전력을 수신하여 상기 부하 저항에 공급하는 전력 수신부를 포함하고,
상기 전력 수신부는 상기 전력 수신부로 제공되는 전류 및 전압에 근거한 입력 임피던스를 조절하는 임피던스 조절 회로를 포함하고,
상기 임피던스 조절 회로는 상기 송신기와 공진 결합되는 복수의 수신기들 전체의 입력 임피던스들과 상기 송신기의 고유 임피던스가 정합되도록 상기 입력 임피던스를 조절하고,
상기 복수의 수신기들과 하나의 동작 주파수를 통해 동시에 전력을 수신하는 무선 전력 수신기. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력의 변화에 따라, 상기 복수의 수신기들 전체의 상기 입력 임피던스들과 상기 송신기의 상기 고유 임피던스가 정합되도록 유지시키되, 상기 송신기가 송신하는 상기 전력 중 상기 변화된 소비 전력을 수신하도록 상기 입력 임피던스를 조절하는 무선 전력 수신기. - 제 3 항에 있어서,
상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력이 증가함에 따라 상기 입력 임피던스를 증가시키는 무선 전력 수신기. - 제 3 항에 있어서,
상기 임피던스 조절 회로는 상기 부하 저항의 소비 전력이 감소함에 따라 상기 입력 임피던스를 감소시키는 무선 전력 수신기. - 제 1 항에 있어서,
상기 수신 코일부는 직렬 연결된 인덕터를 포함하는 무선 전력 수신기. - 제 1 항에 있어서,
상기 수신 코일부는 전력 수신을 위해 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함하는 무선 전력 수신기. - 전원으로부터의 전력을 생성하고, 고유 임피던스를 포함하는 전력 발생부;
상기 전력을 복수의 수신기들에 공진 결합 방식으로 하나의 동작 주파수를 통해 동시에 전력을 송신하는 송신 코일부; 및
상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력에 따라 상기 전력 발생부가 생성하는 전력을 조절하는 송신 제어부를 포함하고,
상기 복수의 수신기들 각각의 상기 동작 주파수에 따른 입력 임피던스는 상기 송신 코일부와 공진 결합되는 상기 복수의 수신기들 전체의 입력 임피던스들과 상기 고유 임피던스가 정합되도록 조절되는 무선 전력 송신기. - 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 송신 제어부는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력이 증가함에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 증가시키는 무선 전력 송신기. - 제 8 항에 있어서,
상기 송신 제어부는 상기 복수의 수신기들의 전체 소비 전력이 감소함에 따라 상기 전원이 발생하는 전력을 감소시키는 무선 전력 송신기. - 제 8 항에 있어서,
상기 송신 코일부는 직렬 연결된 인덕터를 포함하는 무선 전력 송신기. - 제 8 항에 있어서,
상기 송신 코일부는 전력 송신을 위해 상호 간에 유도 결합된 두 개의 인덕터들을 포함하는 무선 전력 송신기.
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