[논문]자기 공진 방식의 고효율 무선 전력 전송 시스템 및 배터리 충전 칩

윤진환; 박성열; 최준림

doi:10.5573/ieie.2015.52.6.043

자기 공진 방식의 고효율 무선 전력 전송 시스템 및 배터리 충전 칩
High Efficiency Magnetic Resonance Wireless Power Transfer System and Battery Charging Chip 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.52 no.6, 2015년, pp.43 - 49

윤진환 (경북대학교 전자공학부) , 박성열 (경북대학교 전자공학부) , 최준림 (경북대학교 전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 모바일 기기의 배터리 무선 충전을 위해 효율이 향상된 자기공진방식 무선전력전송 시스템을 제시한다. 전송 효율의 향상과 소형화를 위해 HFSS를 이용한 전자기 시뮬레이션을 통해 공진기 구조를 설계 및 제작하였다. 입력 임피던스와 출력 임피던스 차이에 의한 반사를 줄이기 위해 임피던스 매칭 네트워크를 적용하였다. 모바일 기기의 배터리 충전을 위해 $0.35{\mu}m$ BCD 공정을 이용하여 정류회로와 레귤레이터를 포함하는 전력수신 칩을 설계하였다. 무선전력전송 시스템 효율은 최대 75.1%를 보였으며 시스템 검증을 위한 실험에서 최대 70cm거리에서 상용화된 휴대폰 배터리(3.7V, 6.11Wh, 1680mAh)를 부하로 사용하여 충전을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose enhanced wireless power transfer system based on magnetic resonance for portable electronic device charging. Resonators were designed and fabricated for efficiency improvement and miniaturization through electromagnetism simulation using HFSS(High Frequency Structure Simulator). Impedance matching network is employed to minimize reflections that is caused by difference between input impedance and output impedance. Receiver IC that consist of rectifier and Low Drop Out(LDO) regulator were designed and fabricated to reduce power loss. This chip is implemented in $0.35{\mu}m$ BCD technology. A maximum overall efficiency of 73.8% is determined for the system through experimental verification.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 소형 모바일 기기의 배터리를 무선충전하기 위해 높은 전송효율을 가지는 자기공진방식 무선전력전송 시스템의 설계를 다룬다. Ⅱ 장에서는 자기공진방식 무선전력전송 시스템, 공진기 구조 설계, 적응형 임피던스 매칭 네트워크, 전력수신회로 칩 설계에 대해 설명한다.
본 논문에서는 자기공진 방식의 무선전력전송 시스템을 구성하여 모바일 기기의 배터리에 무선으로 충전하였다. 주파수는 ISM 대역의 13.

제안 방법

RF power generator, 임피던스 매칭 네트워크, 헬리컬 구조의 공진코일, 수신 회로를 적용하여 그림 10의 무선 전력전송 시스템을 구성하여 실험을 수행하였다. 출력단에 상용 스마트폰을 연결하여 충전을 시연함으로써 시스템 유효성을 검증하였다.
고전압 MOSFET 정류기의 입출력 전압 파형은 그림 12와 같이 나타나며, 표 2에서 기존에 제시된 정류기와 본 논문에서 제안한 정류기를 비교하였다. BCD 공정을 사용하여 고전압에서 높은 효율로 정류가 되었음을 확인하였다.
따라서 영 입력 전류 또한 감소하게 된다. 고주파에서의 잡음을 억제하기 위하여 C₁과 C₂를 병렬로 연결하고 피드백 저항 R_FB2와 R_FB1을 각각 연결하였다. 피드백 저항의 값은 기준 전압, 출력 전압, 저항 바이어스 전류에 의해 결정된다.
임피던스의 변화는 공진기의 효율을 결정하는 주요 파라미터인 상호인덕턴스, 결합 계수(κ), 감쇄 계수(Γ) 등에 영향을 준다. 따라서 임피던스 변화를 보상하고 송수신기의 전송 효율을 향상시키기 위해 임피던스 매칭 회로를 추가한다. 임피던스 매칭은 송수신공진기의 간격에 따른 인덕턴스와 커패시턴스의 변화를 스미스 차트(Smith chart)의 궤적이동을 이용하여 계산한다.
. 안정도 향상을 위해서 밀러(Miller) 보상 기술을 적용한 보상 커패시터(C_comp)를 사용하여 RHP의 영점(Zero)을 LHP의 영점으로 변환한다. 오차 증폭기(Error Amplifier)는 저전압 MOSFET(LVM1, LVM2)과 고전압 MOSFET(HVM7, HVM8)을 계단식 구조로 배치하여 이득을 증가시켰다.
송수신 공진코일 사이의 κ를 높이기 위해서는 상호 인덕턴스는 증가시키고 자체 인덕턴스는 감소시켜야 한다. 이를 위해 높은 전도율을 가진 구리 재질의 공진기를 적용하였다. 커패시턴스와 인덕턴스 값이 동일할 때 최대 전력전송이 가능하며 송수신 코일은 5.
1%의 효율향상을 확인하였다. 전력 수신 회로를 집적 회로로 설계하여 0.35㎛ BCD 공정으로 구현하였다. 수신전력 변환회로는 출력 전압 4.
RF power generator, 임피던스 매칭 네트워크, 헬리컬 구조의 공진코일, 수신 회로를 적용하여 그림 10의 무선 전력전송 시스템을 구성하여 실험을 수행하였다. 출력단에 상용 스마트폰을 연결하여 충전을 시연함으로써 시스템 유효성을 검증하였다.
이를 위해 높은 전도율을 가진 구리 재질의 공진기를 적용하였다. 커패시턴스와 인덕턴스 값이 동일할 때 최대 전력전송이 가능하며 송수신 코일은 5.5 턴, 피치 0.1cm, 지름 30cm의 헬리컬 구조로 동일하게 설계하였다. 소스코일과 로드코일은 원형 루프 구조로 소재 및 직경은 공진기와 동일하다.

대상 데이터

본 논문에서는 자기공진 방식의 무선전력전송 시스템을 구성하여 모바일 기기의 배터리에 무선으로 충전하였다. 주파수는 ISM 대역의 13.56 MHz를 채택하였으며 송수신 공진기 구조를 시뮬레이션하여 시스템에 적용하였다. 또한 인피던스 매칭 네트워크를 전력 송신부에 적용하여 평균 7.

성능/효과

고전압 MOSFET 정류기의 입출력 전압 파형은 그림 12와 같이 나타나며, 표 2에서 기존에 제시된 정류기와 본 논문에서 제안한 정류기를 비교하였다. BCD 공정을 사용하여 고전압에서 높은 효율로 정류가 되었음을 확인하였다. 또한 표 3은 본 논문에서 제안하는 LDO 전압 레귤레이터의 성능을 보여준다.
56 MHz를 채택하였으며 송수신 공진기 구조를 시뮬레이션하여 시스템에 적용하였다. 또한 인피던스 매칭 네트워크를 전력 송신부에 적용하여 평균 7.57%, 최대 15.1%의 효율향상을 확인하였다. 전력 수신 회로를 집적 회로로 설계하여 0.
따라서 PCE는 감소한다. 본 논문에서 제안된 정류기는 V_th를 제거하지는 않지만 평균 바이어스 전압을 V_th의 65%로 유진한다. 높은 전력 효율을 위해 바이어스 전압은 전도 단계에서 V_th의 90%까지 증가하고, 비전도 단계에서는 V_th의 40%로 감소한다.
그 결과 20cm 미만의 간격에서는 전송 효율이 감소하게 된다. 설계한 공진기는 임피던스 매칭 네트워크를 적용하여 20cm에서 최대 전송효율 75.1%를 나타내었으며, 매칭 네트워크 적용이전보다 평균 7.57%의 전송 효율 증가를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LDO 전압 레귤레이터에게 요구되는 특성은 무엇인가?	LDO 전압 레귤레이터는 높은 PSR(Power Supply Rejection) 특성, 낮은 Drop-out 전압, 대기 전류에서 넓은 부하조건을 가지는 것이 중요하다[10]. 안정도 향상을 위해서 밀러(Miller) 보상 기술을 적용한 보상 커패 시터(Ccomp)를 사용하여 RHP의 영점(Zero)을 LHP의 영점으로 변환한다.
	임피던스의 변화가 공진기의 어떤 변수에 영향을 주는가?	공진기의 임피던스는 송수신공진기 사이의 거리 및 배열에 의해 변화한다. 임피던스의 변화는 공진기의 효율을 결정하는 주요 파라미터인 상호인덕턴스, 결합 계수(κ), 감쇄 계수(Γ) 등에 영향을 준다. 따라서 임피던스 변화를 보상하고 송수신기의 전송 효율을 향상시키기 위해 임피던스 매칭 회로를 추가한다.
	자기 공진 방식의 무선전력전송은 어떤 단점이 있는가?	반면 두 매체의 공진으로 인해 발생하는 감쇄파 결합현상을 이용한 자기 공진 방식의 무선전력전송은 전송거리가 길며 위치의 자유도가 높아 효용적이다[1~2]. 그러나 외부환경 변화에 민감하기 때문에 높은 Q값(Quality Factor)의 유지가 어렵고, 전송거리가 공진기 면적에 비례하므로 소형화에 제약이 있다. 그리고 전력 수신 회로의 임피던스에 의해 전송효율이 변하는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 공진기 구조를 시뮬레이션 설계하여 시스템에 반영한다.

참고문헌 (10)

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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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