E급 증폭기의 바이어스 조정을 통한 LF-대역 무선 전력 전송시스템의 수신 전력 안정화 Received Power Regulation of LF-Band Wireless Power Transfer System Using Bias Control of Class E Amplifier원문보기
스마트폰 무선 충전 시나리오에서는 송신 패드에 비해 수신 패드의 크기가 작으므로 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력을 부하에 공급하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 송신 패드와 수신 패드의 크기가 각각 $16cm{\times}18cm$와 $6cm{\times}8cm$의 직사각형 구조를 갖는 경우, 무선 전력 전송 송신부에 위치한 E급 증폭기의 Drain 바이어스 전압만을 조정하여 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력이 부하에 공급되는 방식을 제안하였다. 설계된 LF-대역 무선 전력 시스템의 구성은 PWM IC인 TL494로 제어되는 Buck converter 구조의 전원 회로, 저가의 IRF510 power MOSFET을 이용한 E급 증폭기, 송신 패드 및 수신 패드, 그리고 Schottky 다이오드를 이용한 풀 브릿지 정류기로 구성된다. 제작된 무선 전력 전송 시스템은 바이어스 조정을 하지 않는 경우 240 kHz에서 최대 4 W 출력과 67 % 이상의 시스템 효율을 가지며, 바이어스 조정을 하는 경우에는 수신 패드의 위치에 상관없이 수신 전력을 2 W로 일정하게 유지할 수 있다.
스마트폰 무선 충전 시나리오에서는 송신 패드에 비해 수신 패드의 크기가 작으므로 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력을 부하에 공급하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 송신 패드와 수신 패드의 크기가 각각 $16cm{\times}18cm$와 $6cm{\times}8cm$의 직사각형 구조를 갖는 경우, 무선 전력 전송 송신부에 위치한 E급 증폭기의 Drain 바이어스 전압만을 조정하여 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력이 부하에 공급되는 방식을 제안하였다. 설계된 LF-대역 무선 전력 시스템의 구성은 PWM IC인 TL494로 제어되는 Buck converter 구조의 전원 회로, 저가의 IRF510 power MOSFET을 이용한 E급 증폭기, 송신 패드 및 수신 패드, 그리고 Schottky 다이오드를 이용한 풀 브릿지 정류기로 구성된다. 제작된 무선 전력 전송 시스템은 바이어스 조정을 하지 않는 경우 240 kHz에서 최대 4 W 출력과 67 % 이상의 시스템 효율을 가지며, 바이어스 조정을 하는 경우에는 수신 패드의 위치에 상관없이 수신 전력을 2 W로 일정하게 유지할 수 있다.
In wireless smart phone charging scenario, the transmitter pad is larger than the size of the receiver pad. Thus, it is important to supply a constant power to the receiver regardless of its location. In this paper, we propose a new method to regulate the receiver's power by adjusting a drain bias o...
In wireless smart phone charging scenario, the transmitter pad is larger than the size of the receiver pad. Thus, it is important to supply a constant power to the receiver regardless of its location. In this paper, we propose a new method to regulate the receiver's power by adjusting a drain bias of class E power amplifier. The proposed LF-band wireless power transfer system is as follows: a buck converter power supply which is controlled by a pulse width modulation(PWM) IC TL494, a class E amplifier using a low cost IRF510 power MOSFET, a transmitter coil whose dimension is $16cm{\times}18cm$, a receiver coil whose dimension is $6cm{\times}8cm$, and a full bridge rectifier using Schottky diodes. A measured performance show a maximum output power of 4 W and system efficiency of 67 % if we fix the bias voltage. If we adjust the bias voltage, the received power can be maintained at a constant power of 2 W regardless of receiver pad location.
In wireless smart phone charging scenario, the transmitter pad is larger than the size of the receiver pad. Thus, it is important to supply a constant power to the receiver regardless of its location. In this paper, we propose a new method to regulate the receiver's power by adjusting a drain bias of class E power amplifier. The proposed LF-band wireless power transfer system is as follows: a buck converter power supply which is controlled by a pulse width modulation(PWM) IC TL494, a class E amplifier using a low cost IRF510 power MOSFET, a transmitter coil whose dimension is $16cm{\times}18cm$, a receiver coil whose dimension is $6cm{\times}8cm$, and a full bridge rectifier using Schottky diodes. A measured performance show a maximum output power of 4 W and system efficiency of 67 % if we fix the bias voltage. If we adjust the bias voltage, the received power can be maintained at a constant power of 2 W regardless of receiver pad location.
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문제 정의
이 경우, 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력이 부하에 공급되는 것이 매우 중요하다. 이에 본 논문에서는 E급 증폭기로 구성된 송신부의 바이어스 전압을 가변시켜 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력을 부하에 공급할 수 있는 LF-대역 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 수신 패드의 위치뿐만 아니라, 부하의 충전 상태의 변화에도 높은 효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.
이 경우, 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력이 부하에 공급되는 것이 매우 중요하다. 이에 본 논문에서는 E급 증폭기로 구성된 송신부의 바이어스 전압을 가변시켜 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력을 부하에 공급할 수 있는 LF-대역 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 수신 패드의 위치뿐만 아니라, 부하의 충전 상태의 변화에도 높은 효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.
단, 실제 제안된 방식이 구현되기 위해서는 통신부 및 제어부가 설계되어야 한다. 하지만 본 논문에서는 E급 증폭기의 바이어스전압을 조절함으로써 수신 전력이 안정화될 수 있는 가능성을 확인하고, 이에 필요한 회로를 설계하는 것이 목적이므로, 통신부 및 제어부 없이 시스템을 설계하였다.
가설 설정
하지만 수신 패드는 스마트폰 케이스나 배터리 안에 삽입해야 하므로 크기가 작은 대신 송신 패드는 크기를 키울 수 있으므로, 본 논문에서는 기존에 WPC Qi 표준과 다르게 송신 패드와 수신 패드의 크기를 각각 16 cm×18 cm와 6 cm×8 cm의 직사각형 구조를 갖는 경우를 가정하였다.
제안 방법
Ⅱ장에서 제작된 E급 증폭기와 3-1절의 전원 회로를 연동한 후, 송신 패드 위 수신단의 위치에 따른 수신 전력의 변화를 측정하였다. 그림 9는 송신 패드의 중심에서 1 cm 간격으로 수신 패드의 중심을 이동하면서 수신되는 전력 및 효율을 측정한 결과이다.
실제 무선 충전 시나리오에서는 수신 패드의 위치가 송신 패드의 위치에 상관없이 놓여질 수 있으므로 수신 패드의 위치에 따라 수신 전력이 가변되게 된다. 따라서 수신 패드의 위치에 상관없이 수신 전력을 일정하게 유지하기 위하여 그림 7과 같은 수신 전력 안정화 방법을 제안하였다. 그림 7은 송신 패드 위에 수신 패드의 위치가 변할 때, 이를 보상하기 위한 피드백 과정을 보여준다.
본 논문에서 설계된 LF-대역 무선 전력 전송 시스템은 E급 증폭기를 기본으로 한다. Sokal이 제안한 E급 증폭기의 일반적인 구성은 그림 2와 같다[5].
제작된 LF-대역 무선 전력 전송 시스템의 실험 결과는 그림 6과 같다. 송신 패드 위에 놓여진 수신 패드는 최대 전력을 수신하기 위해 송신 패드의 중심에 위치시켰으며, 그림 5(c)의 부하 저항을 바꿔가면서 Rload의 변화에 따른 수신 전력 및 효율을 측정하였다. 입력 DC 전력으로 6 W를 Drain 바이어스에 공급할 때 부하에 공급되는 전력은 최대 4 W로 67 %의 효율을 나타냄을 확인하였다.
수신단의 크기는 6 cm×8cm로 송신 패드와 동일한 Litz wire로 설계되었다. 송신 패드와 수신 패드의 특성은 Agilent 사의 네트워크 분석기(8753D)로 측정하였다. 측정 결과, 송신 단의 L1은 32 uH, 수신단의 L2는 3.
다음으로 수신 전력 안정화를 위하여 제작된 전원 회로의 입력 피드백 전압을 수동으로 1～3 V 사이에 조정함으로써 출력 전력이 일정하게 유지할 수 있음을 확인하였다. 수신 전력 안정화를 위해 수신 전력이 가장 작을 때인 가장자리에서의 전력을 기준으로 실험을 하였다. 가장자리와 중심에서 일정하게 2 W의 수신 전력으로 안정화하기 위해서는 중심에서 가장자리로 이동 시 바이어스 변화를 9.
이 중 그림 5(a)는 제작된 송신 패드 및 수신 패드를 보여준다. 수신 패드는 스마트폰에 삽입되는 배터리의 가장자리에 코일이 감겨 있는 모양을 고려하여 구성하였으며, 송신 패드의 구성은 패드 전체에 대해 자기장이 일정하게 분포하도록 나선형 구조로 설계하였다. 송신 패드의 자기장 분포 및 설계식은 참고문헌 [11]을 참조하여 설계하였다.
이상의 이론을 바탕으로 가변 전압을 출력하는 전원 회로를 제작하여 실험하였다. 제작된 가변 전압 조정 회로의 출력전압을 오실로스코프로 측정하였다.
이상의 이론을 바탕으로 가변 전압을 출력하는 전원 회로를 제작하여 실험하였다. 제작된 가변 전압 조정 회로의 출력전압을 오실로스코프로 측정하였다. TL494 FB단으로 입력되는 전압의 레벨이 1～3 V 변함에 따라 출력으로 3～19.
대상 데이터
E급 증폭기의 스위치로 international rectifier사의 IRF- 510 Power MOSFET으로 설계되었다. E급 증폭기 직렬 공진의 Crx와 Cout는 TDK사의 1812 크기의 소자로, Lout은 Amidon사의 T106-2를 사용하였고, 병렬 공진의 Lchoke는 Amidon사의 FT140-61를 사용하였다.
그림 5(b)는 송신단의 E급 증폭기를 보여준다. E급 증폭기의 스위치로 international rectifier사의 IRF- 510 Power MOSFET으로 설계되었다. E급 증폭기 직렬 공진의 Crx와 Cout는 TDK사의 1812 크기의 소자로, Lout은 Amidon사의 T106-2를 사용하였고, 병렬 공진의 Lchoke는 Amidon사의 FT140-61를 사용하였다.
송신 패드의 크기는 16 cm×18 cm의 직사각형 구조이다. 특히, 인덕터 L1과 L2의 기생 성분을 줄이기 위해 굵기가 얇고 가닥수가 많은 AWG Litz wire 100 - strand #40로 제작하였다. 수신단의 크기는 6 cm×8cm로 송신 패드와 동일한 Litz wire로 설계되었다.
그림 5(c)는 수신단은 풀 브릿지 정류기 및 벽돌 저항으로 구성된 부하를 보여준다. 풀 브릿지 정류기는 Onsemi사의 MBRS260T3 Schottky Barrier Rectifier를 사용하였으며, 이 소자는 최적의 DC변환 효율을 얻기 위해 동작주파수에서 손실이 적은 소자로 선정하였다.
이론/모형
수신 패드는 스마트폰에 삽입되는 배터리의 가장자리에 코일이 감겨 있는 모양을 고려하여 구성하였으며, 송신 패드의 구성은 패드 전체에 대해 자기장이 일정하게 분포하도록 나선형 구조로 설계하였다. 송신 패드의 자기장 분포 및 설계식은 참고문헌 [11]을 참조하여 설계하였다. 송신 패드의 크기는 16 cm×18 cm의 직사각형 구조이다.
송신단은 이 피드백된 정보를 바탕으로 수신단에 최적인 전력을 공급하게 된다. 이를 위해본 논문에서는 E급 증폭기의 바이어스 전압을 조절하는 방식을 사용하였다. 단, 실제 제안된 방식이 구현되기 위해서는 통신부 및 제어부가 설계되어야 한다.
성능/효과
식 (2)의 Zin과 식 (3)의 Ztx를 비교하면 실수부는 변화가 없고 허수부는 E급 증폭기의 Cout+Ctx, Lout 값에 따라 변화하는 것을 알 수 있다. 결론적으로 무선 전력 전송 시스템 내에서 E급 증폭기의 설계는 송-수신 공진기 및 부하를 포함하면서도 E급 증폭기의 ZVS 동작을 만족하도록 설계되어야 함을 알 수 있다.
즉, 수신 패드의 위치에 따라 유도 결합되는 자기장의 크기가 달라지므로 수신 전력 및 효율이 위치에 따라 변하게 되며, 그 크기는 중심에서 가장 크고, 가장자리로 갈수록 작아지게 된다. 다음으로 수신 전력 안정화를 위하여 제작된 전원 회로의 입력 피드백 전압을 수동으로 1～3 V 사이에 조정함으로써 출력 전력이 일정하게 유지할 수 있음을 확인하였다. 수신 전력 안정화를 위해 수신 전력이 가장 작을 때인 가장자리에서의 전력을 기준으로 실험을 하였다.
송신 패드 위에 놓여진 수신 패드는 최대 전력을 수신하기 위해 송신 패드의 중심에 위치시켰으며, 그림 5(c)의 부하 저항을 바꿔가면서 Rload의 변화에 따른 수신 전력 및 효율을 측정하였다. 입력 DC 전력으로 6 W를 Drain 바이어스에 공급할 때 부하에 공급되는 전력은 최대 4 W로 67 %의 효율을 나타냄을 확인하였다. 또한, Rload가 증가함에 따라 수신 전력과 효율이 감소하기는 하지만, 수신단의 병렬 구조에 의해 그 변화폭이 크지 않음을 알 수 있다.
이에 본 논문에서는 E급 증폭기로 구성된 송신부의 바이어스 전압을 가변시켜 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력을 부하에 공급할 수 있는 LF-대역 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 수신 패드의 위치뿐만 아니라, 부하의 충전 상태의 변화에도 높은 효율을 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한, LF-대역의 저가 소자로 설계되어 상용화 측면에서 유리하다.
후속연구
78 MHz의 HF(High Frequency) 대역을 사용하는 A4WP(Alliance for Wireless Power) 표준이 최근 제안되었으나, 아직까지 별도의 주파수로 통신 채널을 사용해야 하며, 제작 비용이 높고, 전력 전송 효율이 낮기 때문에 상용화 단계에는 도달하지 못하고 있다[3]. 따라서 스마트폰 무선 충전의 활성화를 위해서는 커다란 충전 패드 위에 자유롭게 움직일 수 있는 수신 패드를 고려하면서도, 전력 전송 효율이 높고, 제작 비용이 저렴한 LF-대역에서 동작하는 무선 전력 전송 시스템의 개발이 필요하다고 판단된다. 이 경우, 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력이 부하에 공급되는 것이 매우 중요하다.
또한, LF-대역의 저가 소자로 설계되어 상용화 측면에서 유리하다. 본 연구는 향후 무선 전력 전송 기술의 다양한 응용에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WPC Qi 표준의 단점은 무엇인가?
WPC Qi 표준의 단점으로는 송신부 코일과 수신부 코일이 정확히 정렬되어야만 전력 전달이 이루어진다는 점이다. 하지만 수신 패드는 스마트폰 케이스나 배터리 안에 삽입해야 하므로 크기가 작은 대신 송신 패드는 크기를 키울 수 있으므로, 본 논문에서는 기존에 WPC Qi 표준과 다르게 송신 패드와 수신 패드의 크기를 각각 16 cm×18 cm와 6 cm×8 cm의 직사각형 구조를 갖는 경우를 가정하였다.
LF(Low Frequency) 대역의 무선 전력 전송 시스템에서 전력전송과 통신 방식은 어떤 방향으로 이루어지는가?
WPC Qi 표준으로 알려진 LF(Low Frequency) 대역의 무선 전력 전송 시스템의 일반적인 구성은 그림 1과 같다[4]. 그림에서 알 수 있듯이 전력 전송은 송신단에서 수신단 방향인 순방향으로 공급되는 반면, 통신 방식은 수신단에서 송신단 방향인 역방향으로만 이루어진다. 송신단에서는 인버터 혹은 E급 증폭기가 LF-대역의 고주파 신호를 발생시킨다.
WPC Qi 표준에서 사용하는 LSK 방식의 특징은 무엇인가?
WPC Qi 표준에서는LSK (Load Shift Keying) 방식으로 정보를 보내어 송신단을 제어하는 방식과 전압안정기를 모두 사용한다. LSK 방식은 수신단에 별도의 송신 회로 없이 부하 상태만을 변경함으로써 수신단에서 송신단으로 정보의 전달이 가능하다.
참고문헌 (10)
장병준, "근거리 무선 전력 전송 기술의 재고", 한국전자파학회 전자파기술, 23(2), pp. 15-20, 2012년 3월.
Wireless Power Consortium(WPC) 홈페이지, http:// www.wirelesspowerconsortium.com
Alliance for Wireless Power(A4WP) 홈페이지, http ://www.a4wp.org
Byung-Jun Jang, S. Lee, and H. Yoon, "HF-band wireless power transfer system: concept, issues, and design", Progress in Electromagnetics Research, vol. 124, pp. 211-231, Jan. 2012.
N. O. Sokal, A. D. Sokal, "Class E - a new class of high-efficiency tuned single ended switching power amplifier", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-10, pp. 168-176, Jun. 1975.
C. Wang, G. Covic, and O. Stielau, "Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 51, no. 1, pp. 148-157, Feb. 2004.
J. J. Casanova, Z. N. Low, and J. Lin, "Design and optimization of a Class-E amplifier for a loosely coupled planar wireless power system", IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 56, no. 11, pp. 830-834, Nov. 2009.
N. Sokal, "Class-E RF power amplifiers", QEX, vol. 204, pp. 9-20, 2001.
F. Raab, "Effects of circuit variations on the class E tuned power amplifier", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SSC-13, no. 2, pp. 239-247, Apr. 1978.
J. J. Casanova, Z. N. Low, J. Lin, and R. Tseng, "Transmitting coil achieving uniform magnetic field distribution for planar wireless power transfer system", in Proc. Radio Wireless Symp., pp. 530- 533, 2009.
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