[논문]낮은 드레인 전압을 가지는 13.56 MHz 고효율 Class E 전력증폭기

이예린; 정진호

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.6.593

[국내논문] 낮은 드레인 전압을 가지는 13.56 MHz 고효율 Class E 전력증폭기
13.56 MHz High Efficiency Class E Power Amplifier with Low Drain Voltage 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.6, 2015년, pp.593 - 596

이예린 (서강대학교 전자공학과) , 정진호 (서강대학교 전자공학과)

초록
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본 논문은 무선전력전송 시스템에 활용할 수 있도록 낮은 드레인 전압에서 높은 효율을 가지는 class E 전력증폭기를 설계하였다. 붕괴전압이 40 V인 Si MOSFET을 이용하여 드레인 바이어스 전압이 12.5 V인 13.56 MHz 전력증폭기를 설계하였다. 출력 전력 및 효율을 개선하기 위하여 품질계수가 우수한 솔레노이드 인덕터를 제작하여 출력 정합회로에 사용하였다. 발진 방지와 간단한 회로 구성을 위하여 인덕터와 저항으로 입력 정합회로를 구성하였다. 측정 결과, 제작된 전력증폭기는 13.56 MHz에서 38.6 dBm의 출력전력과 16.6 dB의 전력이득, 그리고 89.3 %의 높은 전력부가효율을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design a high efficiency class E power amplifier operating at low drain bias voltage for wireless power transfers. A 13.56 MHz power amplifier is designed at drain bias voltage of 12.5 V using Si MOSFET with the breakdown voltage of 40 V. High quality-factor solenoidal inductor is designed and fabricated for use in output matching circuit to improve output power and efficiency. Input matching circuit simply consists of resistor and inductor to reduce the circuit area and improve the stability. The fabricated power amplifier shows the measured output power of 38.6 dBm with the gain of 16.6 dB and power added efficiency of 89.3 % at 13.56 MHz.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 12.5 V의 낮은 드레인 바이어스 전압에서 우수한 효율을 가지는 8 W급 class E 전력증폭기를 설계한다. 출력정합 회로의 손실을 최소화하기 위하여 품질 계수가 우수한 솔레노이드 코일을 제작하여 사용한다.
본 논문에서는 무선전력전송 시스템에 적합한 낮은 바이어스 전압(12.5 V)에서 우수한 효율을 가지는 class E 전력증폭기를 설계하였다. 높은 품질계수를 가지는 인덕터를 직접 제작하여 출력정합에 사용하였으며, 입력정합 회로는 저항을 이용하여 간단히 구성하였다.

제안 방법

5 V의 낮은 드레인 바이어스 전압에서 우수한 효율을 가지는 8 W급 class E 전력증폭기를 설계한다. 출력정합 회로의 손실을 최소화하기 위하여 품질 계수가 우수한 솔레노이드 코일을 제작하여 사용한다. 입력정합 회로는 저항을 사용하여 광대역 특성을 얻도록 한다.
마지막으로, 게이트 바이어스 회로는 저항(Ry=82 Ω), 캐패 시터(Cy=2.2 μF)로, 드레인 바이어스 회로는 인덕터(RFC=10 μH), 캐패시터(Cd=2.2 μF), 저항(Rd=39 Ω)으로 각각 구성하였다.
10～100 MHz 주파수에서 측정한 S-파라미터를 이용하여 등가 회로(그림 2)의 소자 값(Rs=0.23 Ω, Ls=1.25 μH, Cp=2 pF)을 추출하였다.
본 연구에서는 붕괴전압이 40 V인 Freescale사의 Si MOSFET 소자(MRF 1518NT1)를 이용하여 13.56 MHz에서 출력 전력(P_L)이 8 W인 고효율 class E 전력증폭기를 설계하였다. 특히, 무선전력전송의 표준과 유사한 12.
C₃는 출력정합을 위해서 사용되었다. 입력정합은 저항 R₁과 인덕터 L₁을 이용하여 간단히 구성하였다. 저항은 광대역 입력 정합을 가능하게 하며, 우수한 S₁₁특성을 얻도록 시뮬레이션을 통해 최적의 R₁과 S₁을 결정하였다.
입력정합은 저항 R₁과 인덕터 L₁을 이용하여 간단히 구성하였다. 저항은 광대역 입력 정합을 가능하게 하며, 우수한 S₁₁특성을 얻도록 시뮬레이션을 통해 최적의 R₁과 S₁을 결정하였다. 또한, 정합을 위해 사용된 저항 R₁은 발진을 방지하는 역할을 한다.
V_DD가 작아질수록 식 (1)에 따라 R_L이 감소하므로, η_L을 키우기 위해서는 높은 품질계수의 인덕터가 필요하다. 본 연구에서는 높은 품질계수를 얻기 위하여 공기 코어의 솔레노이드 인덕터를 직접 설계 및 제작하여 사용하였다. 반지름 130 mm의 원형통에 지름 1 mm의 에나멜 동선을 6번 감아서 인덕터를 제작하였으며, 네트웍 분석기로 측정하여 모델링하였다.
본 연구에서는 높은 품질계수를 얻기 위하여 공기 코어의 솔레노이드 인덕터를 직접 설계 및 제작하여 사용하였다. 반지름 130 mm의 원형통에 지름 1 mm의 에나멜 동선을 6번 감아서 인덕터를 제작하였으며, 네트웍 분석기로 측정하여 모델링하였다. 10～100 MHz 주파수에서 측정한 S-파라미터를 이용하여 등가 회로(그림 2)의 소자 값(R_s=0.
5 V)에서 우수한 효율을 가지는 class E 전력증폭기를 설계하였다. 높은 품질계수를 가지는 인덕터를 직접 제작하여 출력정합에 사용하였으며, 입력정합 회로는 저항을 이용하여 간단히 구성하였다. 제작한 전력 증폭기를 측정한 결과 13.

대상 데이터

유전율 3.5, 두께 20 mil인 테프론 기판을 이용하여 제작하였으며, 크기는 4.4 × 5.0 cm2이다.
5 V, I_DD=152 mA의 바이어스 조건에서 측정한 전력증폭기의 S-파라미터를 보여준다. 측정 주파수는 10～30 MHz이며, 비교를 위하여 시뮬레이션 결과도 포함하였다. 전체적으로 측정과 시뮬레이션이 유사한 특성을 보인다.

성능/효과

따라서, 인덕터의 품질계수는 463이며, ηL은 98 %로 아주 우수하였다.
전체적으로 측정과 시뮬레이션이 유사한 특성을 보인다. 중심주파수 13.56 MHz에서 설계된 전력증폭기는 27.2 dB의 높은 이득(S₂₁)을 보였으며, S₁₁도 -29.5 dB로 우수하였다.
56 MHz에서 측정된 출력전력(P_out)에 따른 전력부가효율(PAE)과 이득을 보여준다. 측정결과, 최대 PAE는 89.3 %로 우수하였으며, 이 지점에서 출력전력은 38.6 dBm, 이득은 16.6 dB이다. 또한, 1-dB 이득감쇄점(P_1dB)은 37.
56 MHz 고효율 전력증폭기의 특성을 비교한 것이다. 기존 논문들은 20 V 이상의 높은 드레인 전압을 이용하여 수십 W 이상의 높은 출력에 관한 연구 결과들이 많은 반면에, 본 연구 결과는 낮은 드레인 전압(12.5 V)을 이용하여 10 W 이하의 출력 전력에서 우수한 효율(89.3 %)을 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 무선전력전송 표준에 활용하기에 적합한 결과로 볼 수 있다.
높은 품질계수를 가지는 인덕터를 직접 제작하여 출력정합에 사용하였으며, 입력정합 회로는 저항을 이용하여 간단히 구성하였다. 제작한 전력 증폭기를 측정한 결과 13.56 MHz에서 출력전력은 38.6 dBm, PAE는 89.3 %로 우수하였다.

후속연구

그런데, 5 W급 무선충전 표준을 주도하는 단체인 WPC (Wireless Power Consortium)에서 Qi 표준을 발표하였으며,^[1]이 표준에서는 5 V, 12 V, 19 V의 표준 전압을 사용하도록 권고하고 있다.^[2] 따라서, 낮은 드레인 바이어스 전압에서 우수한 효율을 가지는 전력증폭기에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	낮은 드레인 바이어스 전압에서 우수한 효율을 가지는 전력증폭기에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	일반적으로 높은 드레인 바이어스 전압에서는 부하 저항값이 증가하여 높은 출력에서 우수한 효율을 얻을 수 있기 때문이다. 그런데, 5 W급 무선충전 표준을 주도하는 단체인 WPC (Wireless Power Consortium)에서 Qi 표준을 발표하였으 며, [1] 이 표준에서는 5 V, 12 V, 19 V의 표준 전압을 사용 하도록 권고하고 있다. [2] 따라서, 낮은 드레인 바이어스 전압에서 우수한 효율을 가지는 전력증폭기에 대한 연구가 필요하다.
	그동안 전력증폭기에서 높은 드레인 바이어스 전압을 사용한 이유는?	현재까지 보고된 class E 전력증폭기들은 20 V 이상의 높은 드레인 바이어스 전압을 사용하고 있다. 일반적으로 높은 드레인 바이어스 전압에서는 부하 저항값이 증가하여 높은 출력에서 우수한 효율을 얻을 수 있기 때문이다. 그런데, 5 W급 무선충전 표준을 주도하는 단체인 WPC (Wireless Power Consortium)에서 Qi 표준을 발표하였으 며, [1] 이 표준에서는 5 V, 12 V, 19 V의 표준 전압을 사용 하도록 권고하고 있다.
	class E 전력증폭기들이 사용하는 드레인 바이어스 전압은?	자기공명형 무선전력전송에 활용하기 위한 MHz 대역의 class E 전력증폭기에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 현재까지 보고된 class E 전력증폭기들은 20 V 이상의 높은 드레인 바이어스 전압을 사용하고 있다. 일반적으로 높은 드레인 바이어스 전압에서는 부하 저항값이 증가하여 높은 출력에서 우수한 효율을 얻을 수 있기 때문이다.

참고문헌 (10)

장병준, "휴대용 IT 기기를 위한 WPC 무선 충전 표준(Qi) 소개", 한국전자파학회 전자파기술지, 23(6), pp. 32-37, 2012년 11월.
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John F. Davis, David B. Rutledge, "A low-cost Class-E power amplifier with sine-wave drive", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol. 2, pp. 1113-1116, Jun. 1998.
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전정배, 서민철, 김형철, 김민수, 정인오, 최진성, 양영구, "13.56 MHz, 300 Watt 고효율 Class E 전력 송신기설계", 한국전자파학회논문지, 22(8), pp. 805-808, 2011 년 8월.

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서민철, 정인오, 이휘섭, 양영구, "Transmission-line Transformer와 Harmonic Filter를 이용한 13.56 MHz 고효율 전류 모드 D급 전력증폭기 설계", 한국전자파학회논문지, 23(5), pp. 624-631, 2012년 5월.

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남민영, 김영식, "보호 회로를 포함한 무선 전력 전송용 ISM 13.56 MHz 20 W Class-E 앰프 설계", 한국전자파학회논문지, 24(6), pp. 613-622, 2013년 6월.

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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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