[논문]드레인 조절회로를 이용한 무선전력전송용 고이득 고효율 Class-E 전력증폭기 설계

김상환; 서철헌

doi:10.5573/ieie.2014.51.9.041

드레인 조절회로를 이용한 무선전력전송용 고이득 고효율 Class-E 전력증폭기 설계
High Gain and High Efficiency Class-E Power Amplifier Using Controlling Drain Bias for WPT 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.9, 2014년, pp.41 - 45

김상환 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 서철헌 (숭실대학교 정보통신전자공학부)

초록
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본 논문에서는 입력전력에 따라 드레인 바이어스를 조절하여 낮은 입력 전력에서도 고효율 동작이 가능한 무선전력전송용 고효율 class-E 전력증폭기를 설계하였다. 고효율 동작이 가능한 class-E 전력증폭기에 적응형 바이어스 조절회로를 추가하여 낮은 입력 전력에서 드레인 바이어스를 조절함으로써 전체적인 효율의 향상을 얻을 수 있다. 제안된 적응형 class-E 전력증폭기는 효율의 향상을 위해 직렬 공진회로와 입, 출력 정합회로를 이용하여 구현하였으며, 입력전력에 따라 드레인 바이어스를 조절하기 위해 방향성 결합기, 전력 검출기, 연산 증폭기를 이용하여 적응형 바이어스 조절회로를 구성하였다. 따라서 전력증폭기의 최대출력과 전력효율은 13.56 MHz에서 41.83 dBm, 85.67 %이고, 0 dBm ~ 6 dBm의 낮은 입력 전력에서 고정형 바이어스보다 평균 8 %의 효율의 증가를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a high-efficiency power amplifier is implemented by using a drain bias control circuit operated at low input power for WPT(Wireless Power Transfer). Adaptive bias control circuit was added to high-efficiency class-E amplifier. It was possible to obtain the overall improvement in efficiency by adjusting the drain bias at low input power. The proposed adaptive class-E amplifier is implemented by using the input and output matching network and serial resonant circuit for improvement in efficiency. Drain bias control circuit consists of a directional coupler, power detector, and operational amplifier for adjusting the drain bias according to the input power. The measured results show that output powers of 41.83 dBm were obtained at 13.56 MHz. At this frequency, we have obtained the power added efficiency(PAE) of 85.67 %. It was confirmed increase of PAE of an average of 8 % than the fixed bias from the low input power level of 0 dBm ~ 6 dBm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 무선전력 전송 시스템에서 낮은 입력전력에서도 송신부의 전력부가효율을 높이기 위해 입력전력에 따라 전압을 조절하는 class-E 전력증폭기를 설계하였다.
본 논문은 무선전력전송 시스템 송신부의 다양한 입력전력에서 기존의 전력증폭기보다 고효율 동작이 가능한 적응형 바이어스 조절회로를 포함하는 class-E 고효율 전력증폭기를 설계 및 구현하였다. 낮은 입력전력에서 드레인 바이어스를 조절함으로써 낮은 전류소비를 가능케 하여 무선전력전송 시스템의 전체 동작 효율을 개선하였다.

제안 방법

20 dB 방향성 결합기를 이용하여 RF 입력 전력을 추출하고, RF 전력 검출기인 LTC–5507을 이용하여 변환된 DC 전압을 OP-amp로 증폭하여 드레인 바이어스를 조절하게 된다.
20 dB 방향성 결합기를 이용하여 RF 입력 전력을 추출하고, RF 전력 검출기인 LTC–5507을 이용하여 변환된 DC 전압을 OP-amp로 증폭하여 드레인 바이어스를 조절하게 된다. OP-amp는 드레인 바이어스의 고 전류 동작으로 인해 낮은 가격과 고 전압, 고 전류의 출력 동작이 가능한 OPA-548을 이용하여 넓은 전류 범위에서 동작하도록 하였다.
본 논문은 무선전력전송 시스템 송신부의 다양한 입력전력에서 기존의 전력증폭기보다 고효율 동작이 가능한 적응형 바이어스 조절회로를 포함하는 class-E 고효율 전력증폭기를 설계 및 구현하였다. 낮은 입력전력에서 드레인 바이어스를 조절함으로써 낮은 전류소비를 가능케 하여 무선전력전송 시스템의 전체 동작 효율을 개선하였다. 무선전력전송 송신단의 효율의 변화는 전체적인 전송 시스템의 효율에 큰 영향을 끼치기 때문에 고효율 스위칭모드 전력증폭기인 class-E 전력증폭기를 이용하여 낮은 입력전력에서 드레인 바이어스를 조절하였다.
하지만 class-F 모드의 증폭기의 경우 수많은 고조파 성분들을 조절해야 높은 효율을 얻을 수 있기 때문에 상대적으로 회로가 복잡하고 사이즈가 커지게 된다. 따라서 가장 간단한 구조의 switching-mode의 전력증폭기인 class-E 전력증폭 구조를 적용하였다.^[1～3]
일반적으로 전력증폭기는 최대 출력에서 최대 효율을 갖지만 입력전력에 따라 최대 출력이 감소하게 되면 효율은 급격히 떨어지는 특성을 가진다. 따라서 입력전력에 따라 드레인 바이어스를 조절하여 전체 동작범위에서 고효율을 가지는 적응형 바이어스 조절회로를 설계하였다.
고정형 바이어스를 사용하는 일반적인 전력증폭기에서 입력전력의 감소는 낮은 출력전력에서 트랜지스터의 전류소비를 동일하게 하여 동작 효율이 급격하게 떨어지는 가장 큰 원인이다. 따라서 입력전력에 따라 전압을 조절하여 낮은 입력전력에서도 트랜지스터의 전류 소비를 최소화 시켜 고효율의 전력증폭기가 되도록 설계하였다. 이 같은 적응형 바이어스 조절회로는 입력 RF 신호를 방향성 결합기를 통해 추출하여 전력검출기로 보내고 이에 DC출력을 증폭하여 드레인 바이어스를 조절하도록 구성되어 있다.
낮은 입력전력에서 드레인 바이어스를 조절함으로써 낮은 전류소비를 가능케 하여 무선전력전송 시스템의 전체 동작 효율을 개선하였다. 무선전력전송 송신단의 효율의 변화는 전체적인 전송 시스템의 효율에 큰 영향을 끼치기 때문에 고효율 스위칭모드 전력증폭기인 class-E 전력증폭기를 이용하여 낮은 입력전력에서 드레인 바이어스를 조절하였다. 설계한 전력증폭기는 13.
그림 5는 고효율 특성을 보이기 위해 제안된 class-E 전력 증폭기 회로도이다. 병렬 커패시터와 동작 주파수에 따른 직렬 공진회로를 이용하여 고효율의 동작을 보이도록 설계하였다.
제안된 class-E 전력증폭기의 입력전력을 변화시켜 입력전력의 따른 출력전력과 전력부가효율을 측정하였다. 적응형 바이어스를 포함하는 회로의 드레인 바이어스는 OP-amp의 입력전압인 23 V 보다 낮은 입력전압이 인가되기 때문에 그림 8과 같이 전류의 소비도 줄어든다.
최대 출력동작에서의 전력증폭단의 게이트 전압과 OP-amp의 입력 전압은 각각 3.8 V와 23 V로 설계하였다. 동작주파수 13.

성능/효과

낮은 입력 전력에서 고정된 바이어스의 출력 전력과 유사한 출력전력을 보이지만 0 dBm ∼ 6 dBm 사이의 낮은 입력 전력에서 고정된 바이어스를 사용하였을 경우보다 평균 8 % 정도의 효율의 증가를 확인하였다.
50 dBm이다. 따라서 입력전력 10 dBm에서 41.83 dBm의 출력 전력이 측정 되었고 773 mA의 드레인 전류가 흘러 85.67 %의 전력부가효율을 가진다.
무선전력전송 송신단의 효율의 변화는 전체적인 전송 시스템의 효율에 큰 영향을 끼치기 때문에 고효율 스위칭모드 전력증폭기인 class-E 전력증폭기를 이용하여 낮은 입력전력에서 드레인 바이어스를 조절하였다. 설계한 전력증폭기는 13.56 MHz에서 41.83 dBm의 출력 전력과 85.67 %의 전력부가효율을 갖고, 0 dBm ∼ 6 dBm의 낮은 입력전력에서 고정된 바이어스보다 평균 8 %의 높은 효율을 갖는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Class-E 전력증폭기의 특징은 무엇인가?	Class-E 전력증폭기는 고효율의 동작과 간단한 설계의 이점을 가지고 있어 여러 고효율 전력증폭 시스템에 널리 사용된다. 그림 2와 같이 병렬 커패시터와 직렬 인덕터 그리고 동작주파수에 따른 직렬 공진회로로 구성되며 이는 고조파 성분을 제어하여 높은 효율을 구현한다.
	본 논문에서 구현한 입력전력의 변화에 따라 드레인 바이어스를 조절하는 적응형 바이어스 회로는 어떻게 드레인 바이어스를 조절하는가?	그림 4와 같이 입력전력의 변화에 따라 드레인 바이어스를 조절하는 적응형 바이어스 회로를 구현하였다. 20 dB 방향성 결합기를 이용하여 RF 입력 전력을 추출하고, RF 전력 검출기인 LTC–5507을 이용하여 변환된 DC 전압을 OP-amp로 증폭하여 드레인 바이어스를 조절하게 된다. OP-amp는 드레인 바이어스의 고 전류 동작으로 인해 낮은 가격과 고 전압, 고 전류의 출력 동작이 가능한 OPA-548을 이용하여 넓은 전류 범위에서 동작하도록 하였다.
	class-F 모드의 증폭기의 단점은 무엇인가?	기본적으로 전력증폭기의 효율을 높이기 위해서는 class-E, class-F 등과 같은 switching-mode의 전력증폭기를 사용한다. 하지만 class-F 모드의 증폭기의 경우 수많은 고조파 성분들을 조절해야 높은 효율을 얻을 수 있기 때문에 상대적으로 회로가 복잡하고 사이즈가 커지게 된다. 따라서 가장 간단한 구조의 switching-mode의 전력증폭기인 class-E 전력증폭 구조를 적용하였다.

참고문헌 (7)

Matthew M. Radmanesh, Radio Frequency and Microwave electronics Illustrated. Prentice Hall PTR, 2001.
A. Karalis, J. D. Joannopoulos, M. Soljacic, "Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer," Annals of Physics, vol. 323, no. 1, pp. 34-48, January 2008.

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B. L. Cannon, J. F. Hoburg, D. D. Stancil, and S. C. Goldstein, "Magnetic resonant coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 7, pp. 1819-1825, July 2009.

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Y. S. Jeon J. K Cha, S. W. Nam, "High-Efficiency power amplifier using novel dynamic bias switching", IEEE Transactions on Microwave Theory And Techniques, vol. 55, no. 4, April 2007.

상세보기
S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 1999.
A. Grebennikov, N. O. Sokal, Switchmode RF power Amplifiers, ewnes, 2007.
N. O. Sokal and A. D. Sokal, "Class-E a new class of high efficiency tuned single-ended switching power amplifiers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 10, no. 3, pp. 168-176, Jun 1975.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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