KR-102960168-B1 - ELECTRONIC DEVICE COMPRISING MATCHING CIRCUIT FOR REDUCING HARMONICS

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Abstract

다양한 실시예들에 따르면, 무선 전력 송신기는, 입력 신호 및 구동 전압에 기반하여, 증폭된 신호를 출력하도록 설정된 전력 증폭기, 전력 증폭기와 병렬로 연결된 제1 LC 공진 회로, 매칭 회로 및 매칭 회로와 연결된 송신 코일을 포함하고, 매칭 회로는, 제1 인덕터 및 제1 인덕터와 직렬로 연결된 제1 커패시터를 포함하고, 일단이 전력 증폭기의 출력단 및 제1 LC 공진 회로의 일단에 연결된 제2 LC 공진 회로, 및 제2 LC 공진 회로의 타단과 각각 연결된 제2 커패시터 및 제3 커패시터를 포함하고, 제1 인덕터는, 입력 신호의 동작 주파수의 적어도 하나의 2차 이상의 고조파 주파수에서, 제2 LC 공진 회로의 임피던스가 제1 미리 지정된 크기 이상이 되도록 하는 인덕턴스 값을 가지도록 설정될 수 있다.

Inventors

구범우
박재석
박재현
여성구
한정규

Assignees

삼성전자주식회사

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20211129

Claims (20)

무선 전력 송신기에 있어서, 입력 신호 및 구동 전압으로서의 DC(direct current) 신호에 기반하여, 증폭된 신호를 출력하도록 설정되고 트랜지스터를 포함하는 전력 증폭기; 상기 전력 증폭기의 상기 트랜지스터와 병렬로 연결된 제1 LC 공진 회로; 매칭 회로; 및 상기 매칭 회로와 연결된 송신 코일을 포함하고, 상기 매칭 회로는, 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터와 직렬로 연결된 제1 커패시터를 포함하고, 제1 단이 상기 전력 증폭기의 출력단에 연결된 제2 LC 공진 회로, 제1 단이 상기 제2 LC 공진 회로의 제2 단과 연결되고 제2 단이 그라운드 레벨과 연결된 제2 커패시터 및 제1 단이 상기 제2 LC 공진 회로의 상기 제2 단과 연결되고 제2 단이 상기 송신 코일과 연결된 제3 커패시터를 포함하고, 상기 제1 인덕터는, 상기 입력 신호의 동작 주파수의 2차 또는 그 이상의 고조파 주파수에서, 상기 제2 LC 공진 회로의 임피던스 값이 제1 미리 지정된 임피던스 값 이상이 되도록 하는 인덕턴스 값을 가지도록 설정된 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 상기 제1 인덕터의 일부는, 상기 2차 또는 그 이상의 고조파 주파수에서 제2 미리 지정된 임피던스 값 이상의 임피던스 값을 가지도록 설정된 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 상기 인덕턴스 값은, 상기 제1 인덕터의 일부 및 상기 제1 커패시터의 공진 주파수가 상기 동작 주파수에 대응하도록 하는 제1 인덕턴스 값, 및 상기 제1 인덕터의 나머지 일부 및 상기 제2 커패시터의 공진 주파수가 상기 동작 주파수에 대응하도록 하는 제2 인덕턴스 값이 합산된 값으로 결정되는 무선 전력 송신기.
제3항에 있어서, 상기 제1 인덕터의 일부는 제2 인덕터를 구성하고, 상기 제1 인덕터의 나머지 일부는 상기 제2 인덕터와 직렬로 연결된 제3 인덕터를 구성하는 무선 전력 송신기.
제4항에 있어서, 상기 제2 인덕터는 상기 제1 커패시터와 직렬로 연결되는 무선 전력 송신기.
제4항에 있어서, 상기 제3 인덕터는 상기 제2 커패시터 및 상기 제3 커패시터와 연결되는 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 상기 제1 LC 공진 회로는, 서로 직렬로 연결된 제4 인덕터 및 제4 커패시터를 포함하고, 상기 제1 LC 공진 회로의 공진 주파수는, 상기 동작 주파수의 2차 고조파 주파수에 대응하도록 설정된 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 상기 무선 전력 송신기는, 상기 전력 증폭기 및 상기 제1 LC 공진 회로와 각각(respectively) 병렬로 연결된 션트 커패시터를 더 포함하는 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 상기 제1 미리 지정된 임피던스 , 상기 트랜지스터가 턴-온될 때, 상기 트랜지스터의 양단 전압이 0 이하라는 제1 조건, 및 상기 트랜지스터의 양단 전압의 기본(fundamental) 성분의 비율이 지정된 비율 이상이라는 제2 조건을 만족하는 범위에서 결정되는 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 서로 직렬로 연결된 스위치 및 제5 커패시터를 더 포함하고, 상기 무선 전력 송신기는, 상기 제2 LC 공진 회로를 바라본 임피던스가 제3 미리 지정된 임피던스 값 이하로 감소함에 기반하여, 상기 스위치를 온 상태로 제어하도록 설정된 무선 전력 송신기.
제10항에 있어서, 상기 스위치 및 상기 제5 커패시터는, 상기 제2 LC 공진 회로의 상기 제2 단에 연결되는 무선 전력 송신기.
제10항에 있어서, 상기 제1 인덕터의 일부는 제2 인덕터를 구성하고, 상기 제1 인덕터의 나머지 일부는 상기 제2 인덕터와 직렬로 연결된 제3 인덕터를 구성하는 무선 전력 송신기.
제12항에 있어서, 상기 스위치 및 상기 제5 커패시터는, 상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터가 연결된 노드(node)에 연결되는 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 상기 제1 인덕터의 일부 및 상기 제1 커패시터는, 상기 동작 주파수에서 1차 필터로 동작하도록 설정된 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서, 상기 제3 커패시터와 직렬로 연결된 제5 인덕터를 더 포함하는 무선 전력 송신기.
제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기는 상기 트랜지스터와 연결된 RF Choke 인덕터를 더 포함하고, 상기 제1 인덕턴스 값이 결정 가능한 범위는, 상기 제2 인덕턴스 값 및 상기 RF Choke 인덕터의 인덕턴스 값에 기반하여 결정되는 무선 전력 송신기.
제16항에 있어서, 상기 제1 인덕턴스 값이 결정 가능한 범위의 하한값은, 상기 제2 인덕턴스 값이 클수록 감소하는 무선 전력 송신기.
제16항에 있어서, 상기 제1 인덕턴스 값이 결정 가능한 범위의 하한값은, 상기 제2 인덕턴스 값이 작을수록 증가하는 무선 전력 송신기.
제16항에 있어서, 상기 제1 인덕턴스 값이 결정 가능한 범위의 하한값은, 상기 RF Choke 인덕터의 인덕턴스 값이 클수록 증가하는 무선 전력 송신기.
제16항에 있어서, 상기 제1 인덕턴스 값이 결정 가능한 범위의 하한값은, 상기 RF Choke 인덕터의 인덕턴스 값이 작을수록 감소하는 무선 전력 송신기.

Description

고조파를 저감하기 위한 매칭 회로를 포함하는 전자 장치{ELECTRONIC DEVICE COMPRISING MATCHING CIRCUIT FOR REDUCING HARMONICS} 본 개시의 다양한 실시예들은, 고조파를 저감하기 위한 매칭 회로를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 인버터(inverter)는, 직류(direct current, DC) 전력을 교류(alternating current, AC) 전력으로 변환하는 장치이다. 인버터의 효율을 높이기 위하여, 인버터의 출력단에는 다양한 매칭(matching) 회로가 연결될 수 있다. 인버터의 일 예로, 클래스(class) E 인버터(또는, 클래스 E 전력 증폭기(power amplifier, PA))가 있다. 이러한 클래스 E 인버터는, ZVS(zero-voltage switching) 조건 및 ZDS(zero-derivative voltage switching) 조건에서 동작하기 때문에, 높은(예: 1MHz 이상) 스위칭 주파수에서 효율적으로 동작이 가능하다는 이점이 있다. 클래스 E 인버터의 효율을 높이기 위하여, 공진 네트워크(resonant network)를 로드 네트워크(load network)에 병렬로 추가한 클래스 EFn(여기서, n은 2 이상의 정수) 인버터 또는 클래스 E/Fn 인버터가 사용되고 있다. 도 1은, 비교 예에 따른, EF2 인버터의 일 예를 도시한다. 도 2는, 비교 예에 따른, LCC 인버터의 일 예를 도시한다. 도 3은, 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 블록도를 도시한다. 도 4는, 다양한 실시예들에 따른, 전자 장치의 구성 요소들을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는, 다양한 실시예들에 따른, 전력 증폭기의 출력 전압의 시간 영역에서의 파형을 도시한다. 도 6a 내지 도 6d는, 다양한 실시예들에 따른, 전력 증폭기의 출력 전압의 정규화된 기본(fundamental) 성분을 나타낸다. 도 7a 내지 도 7c은, 다양한 실시예들에 따른, 전력 증폭기의 인덕터들의 인덕턴스 값의 설계 가능 범위를 설명하기 위한 도면들이다. 도 8a는, 다양한 실시예들에 따른, 전자 장치의 구성 요소들을 설명하기 위한 도면이다. 도 8b는, 다양한 실시예들에 따른, 전자 장치의 구성 요소들을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은, 비교 예에 따른, EF2 인버터(10)의 일 예를 도시한다. EF2 인버터(10)는, RF choke 인덕터(inductor)(Lf)(3), 게이트 드라이버(gate driver)(5), 트랜지스터(7), 션트 커패시터(shunt capacitor)(Csh)(9), 제1 LC 공진 회로(11), 제2 LC 공진 회로(13) 및 매칭 회로(15)를 포함할 수 있다. 트랜지스터(7)는, 입력 전원(1)으로부터 DC 전압(Vin)을 구동 전압으로 인가 받아 동작할 수 있다. 트랜지스터(7)는, 게이트 드라이버(5)로부터 입력단(예: 게이트(gate))을 통해, 펄스 형태(예: 구형파(squre wave))의 입력 신호를 수신하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 트랜지스터(7)는, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)를 포함할 수 있다. RF choke 인덕터(3)는, DC 전류만 트랜지스터(7)에 전달되도록, 입력 전원(1)으로부터 트랜지스터(7)에 RF 신호가 전달되는 것을 차단할 수 있다. 션트 커패시터(9)는, 트랜지스터(7)와 병렬로 연결되고, 트랜지스터(7)가 턴 온 또는 턴 오프되는 동안, 방전되거나(discharged) 충전될(charged) 수 있다. 션트 커패시터(9)는, 트랜지스터(7)와 병렬로 연결된 별도의 커패시터일 수 있으며, 트랜지스터(2)의 내부 커패시턴스(예: 드레인-소스 커패시턴스(Cds))를 포함하는 개념으로 설명될 수도 있다. 트랜지스터(7)가 게이트 드라이버(5)로부터 입력 신호를 수신하여 턴 온 또는 턴 오프됨에 기반하여, RF 전력이 생성될 수 있다. 생성된 RF 전력은 트랜지스터(7)의 출력단을 통해 제1 LC 공진 회로(11) 및/또는 제2 LC 공진 회로(13)로 전달될 수 있다. 더욱 상세하게는, 트랜지스터(7)가 턴 온 되면(예: 트랜지스터(7)가 포화 상태가 되면), 트랜지스터(7)는 전기적으로 단락되어 소스(source)와 연결된 접지에 대한 단락 회로로 해석될 수 있으며, 출력단의 전압은 0으로 해석될 수 있다. RF choke 인덕터(3)를 통해 트랜지스터(7)로 흐르는 전류는 점차 증가할 수 있다. 이후, 트랜지스터(7)가 턴 오프 되면, RF choke 인덕터(3)를 통해 흐르는 전류는 션트 커패시터(9)로 향하게 되며, 션트 커패시터(9)가 점차 충전됨에 따라 트랜지스터(7)의 출력단의 전압(예: 션트 커패시터(9)의 양단 전압)은 최대값에 도달할 때까지 증가할 수 있다. 이후에, 션트 커패시터(9)가 점차 방전됨에 따라 션트 커패시터(9)로부터 트랜지스터(7)의 출력단을 통해 제1 LC 공진 회로(11) 및/또는 제2 LC 공진 회로(13)로 전류가 흐르면서 션트 커패시터(9)의 양단 전압이 점차 감소할 수 있다. 트랜지스터(7)가 턴 오프된 후 다시 턴 온되기 전에(예: RF choke 인덕터(3)를 통해 트랜지스터(7)로 전류가 다시 흐르기 시작하기 전에), 트랜지스터(7)의 출력단의 전압(예: 션트 커패시터(9)의 양단 전압 및 트랜지스터(7)의 드레인-소스 전압(drain-source voltage))이 점차 감소하여 0이 되고 트랜지스터(7)의 출력단의 전압이 감소하는 변화량이 0이 되도록, 트랜지스터(7), 션트 커패시터(9) 및 입력 신호가 설정될 수 있다. 이후에, 트랜지스터(7)가 다시 턴 온 되면, RF choke 인덕터(3)를 통해 흐르는 전류는 트랜지스터(7)로 향하게 되며, 트랜지스터(7)가 온 상태인 동안 트랜지스터(7)의 출력단의 전압은 0으로 유지될 수 있다. 상술한 바와 같이, 트랜지스터(7)가 온 상태인 동안에는 트랜지스터(7)의 출력단의 전압이 0이고, 오프 상태인 동안에는 RF choke 인덕터(3)를 통해 흐르는 전류가 션트 커패시터(9)를 향하게 됨에 따라 RF choke 인덕터(3)를 통해 트랜지스터(7)로 흐르는 전류가 0이기 때문에(다시 말해, 트랜지스터(7)의 출력단의 전압이 0이 아닌(non-zero)인 기간과 드레인-소스 전류가 0이 아닌 기간이 중첩되지 않기 때문에), 트랜지스터(7)에서 소모되는 전력은 이상적으로는 0일 수 있다. 하지만, 이상적이지 않은(non-ideal) 경우에 있어서는, 트랜지스터(7)가 턴 온 또는 턴 오프됨에 기반하여 RF 전력을 생성하기 때문에, 생성된 RF 전력은 원하는 주파수 성분(예: 동작 주파수의 기본 성분)뿐만 아니라, 2차 이상의 고조파 성분을 포함할 수 있다. 트랜지스터(7)의 듀티 사이클(duty cycle)은, 입력 신호에 기반하여, 예를 들어, 50%로 설정될 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 트랜지스터(7)와 병렬로 연결될 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 서로 직렬로 연결된 제1 인덕터(Lm)(11a) 및 제1 커패시터(Cm)(11b)를 포함할 수 있다. 제1 인덕터(11a) 및 제1 커패시터(11b)는, 제1 LC 공진 회로(11)의 공진 주파수가 입력 신호의 동작 주파수(fs)의 2차 고조파 주파수(2fs)에 대응하도록 하는 적절한 소자값들을 가질 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 2차 고조파 주파수(2fs)에서 전기적으로 단락 회로(short circuit)로 해석될 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 2차 고조파 주파수(2fs)에서 전기적으로 단락됨에 기반하여 트랜지스터(7)로부터 생성된 RF 전력의 2차 고조파 성분이 제2 LC 공진 회로(13)로 전달되는 것을 방지하는 2차 하모닉 필터(2nd harmonic filter)(예: 밴드 스탑 필터(band-stop filter))로 동작할 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 트랜지스터(7)의 출력단에 직렬로 연결될 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 서로 직렬로 연결된 제2 커패시터(Co)(13a) 및 제2 인덕터(Lo)(13b)를 포함할 수 있다. 제2 커패시터(13a) 및 제2 인덕터(13b)는, 제2 LC 공진 회로(13)의 공진 주파수가 입력 신호의 동작 주파수(fs)에 대응(예: 기본 주파수(또는, 1차 고조파 주파수)(fs)에 대응)하도록 하는 적절한 소자값들을 가질 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 1차 고조파 주파수(fs)에서 전기적으로 단락 회로로 해석될 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 1차 고조파 주파수(fs)에서 전기적으로 단락됨에 기반하여 트랜지스터(7)로부터 생성된 RF 전력의 기본 성분(또는, 1차 고조파 성분)을 통과시키는 밴드 패스 필터(band-pass filter)(또는, 저역 통과 필터(low-pass filter))로 동작할 수 있다. 매칭 회로(15)는, 제2 LC 공진 회로(13)에 직렬로 연결될 수 있다. 매칭 회로(15)는, 출력 임피던스(예: 제2 LC 공진 회로(13)를 바라본 임피던스)가 부하(ZL)(17)의 임피던스에 정합되도록 하는 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 매칭 회로(15)는, 예를 들어, 적어도 하나의 저역 통과 필터, 및/또는 밴드 스탑 필터를 포함할 수 있으며, 저역 통과 필터는, 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 부하(17)는, EF2 인버터(10)에 의해 생성된 RF 전력을 수신하거나, 수신하여 동작하는 적어도 하나의 하드웨어 구성 요소(예: 회로 소자)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 부하(17)는, EF2 인버터(10)를 포함하는 전자 장치(미도시)(예: 무선 전력 송신기)의 하드웨어 구성 요소(예: 송신 코일) 및/또는 자기적으로 커플링된 전자 장치(미도시)로부터 전력을 수신하는 수신 장치(예: 무선 전력 수신기)를 포함할 수 있다. 비교 예에 따르면, 금속(예: 무선 전력 수신기)이 EF2 인버터(10)에 가까워지면, 부하(17)를 바라본 임피던스(ZL)가 증가하여, EF2 인버터(