[논문]이중루프 구조를 갖는 다중모드 무선전력전송 시스템

한민석

doi:10.17661/jkiiect.2016.9.6.578

초록
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본 논문에서는 이중루프 구조를 갖는 다중모드 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 다중모드 무선전력전송 시스템은 두 개의 서로 다른 주파수 6.78 MHz 자기공진 무선전력전송 모드와 13.56 MHz NFC 모드로 동작하는 외부 루프 모듈과 두 개의 서로 다른 주파수에서 동작하는 자기유도 표준인 WPC 모드와 PMA 모드로 동작하는 외부 루프와 연결된 내부 루프 모듈로 구성된다. 실제 상용 스마트폰 배터리 커버에 장착하기 위해 페라이트 시트를 포함한 $45{\times}90{\times}0.35mm3$ 크기에 맞춰 설계 및 최적화 되었다. 제안된 다중모드 무선전력전송 시스템은 기존의 자기유도방식 표준에 해당하는 WPC와 PMA를 지원할 뿐만 아니라 6.78 MHz 및 13.56 MHz에서 20 dB 이상의 반사손실 특성을 나타내었고 6.78 MHz 자기공진 무선충전 환경에서는 공진코일 간 70% 이상의 효율 특성을 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a multi-mode wireless power transfer (WPT) system with a dual loop structure. The proposed multi-mode WPT system consist of outer loop module which can operate at two different frequency bands including 6.78 MHz magnetic resonance WPT mode and 13.56 MHz near field communica...

In this paper, we propose a multi-mode wireless power transfer (WPT) system with a dual loop structure. The proposed multi-mode WPT system consist of outer loop module which can operate at two different frequency bands including 6.78 MHz magnetic resonance WPT mode and 13.56 MHz near field communication (NFC) mode and inner loop module connected with outer loop which can operate at two different frequency bands including WPC mode and PMA mode based on inductive coupling standards. In order to be able to embed this system into smartphone battery back cover, the electrical designs are optimized and then the size was fixed $45{\times}90{\times}0.35mm3$ (including ferrite sheet) which is the same commercial smartphone. The proposed multi-mode WPT module can cover WPC and PMA mode based on inductive coupling. Moreover, it has more than 20 dB return loss characteristics at two different frequency bands including 6.78 MHz and 13.56 MHz, and shows more than 70 % transfer efficiency between resonant coils at 6.78 MHz in magnetic resonant charging environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이중루프 구조를 갖는 스마트폰용 멀티모드 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 간단한 모드 전환 스위칭 방식을 통해 하나의 공진코일로 구현함으로써 기존의 자기유도방식 표준에 해당하는 WPC와 PMA를 지원할 뿐만 아니라 6.
본 논문에서는 이중루프 구조의 모드 전환 스위칭 방식을 통해 자기유도, 자기공진 무선 충전 및 NFC 기능을 갖는 스마트폰용 다중모드 무선전력전송 시스템을 제안하였다. WPC 및 PMA 자기 유도형 충전환경에서 70 % 이상의 전송효율과 6.

제안 방법

2012년 5월 23일 제정된 TTA 표준/기술보고서“모바일 무선 충전 시스템의 평가 방법” 과 “모바일 기기용 무선전력전송 효율 측정 기준점 정의” 내용에 따르면 Tx 모듈 입력 전압 및 전류 Rx 모듈 출력 전압 및 전류로 효율을 측정하고 있다 [6, 7]. 각각의 표준 모드별 Tx의 경우 WPC 표준은 bqTesla transmitter (HPA689)를 사용하여 측정하고, PMA 표준은 Duracell Powermat Tx를 이용하여 측정하였다. 제안된 멀티모드 무선전력전송 시스템은 WPC의 경우 Rx 모듈의 로드 출력 전류가 1A 일 때 76 % 효율을 나타내었고 PMA의 경우 72％의 효율을 나타내었다.
본 논문에서 제안하는 이중루프 구조를 갖는 멀티 모드 무선전력전송 시스템은 그림 1과 같이 외부 루프(Outer Loop)와 내부 루프(Inner Loop)를 연결하고, 모드 제어부에 의해 동작하는 스위치의 동작에 따라 스위치가 오프(Off) 되는 경우, 외부 루프를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 지원 하는 외부 루프 모듈과 스위치가 온(On) 되는 경우, 외부 루프와 상기 내부 루프를 동시에 이용하여 자기 유도 방식 표준인 WPC와 PMA를 동시 지원하여 전력을 전송하는 내부 루프 모듈로 구성된다. 동일한 동작 주파수를 가지는 무선전력 및 통신 신호 중 적어도 하나를 수신하고 이를 바탕으로 멀티모드 무선전력전송 시스템의 모드제어부에서 스위치를 조작하여 안테나 모듈의 동작모드를 제어하게 된다.

대상 데이터

동일한 동작 주파수를 가지는 무선전력 및 통신 신호 중 적어도 하나를 수신하고 이를 바탕으로 멀티모드 무선전력전송 시스템의 모드제어부에서 스위치를 조작하여 안테나 모듈의 동작모드를 제어하게 된다. WPC와 PMA모드의 경우,세부 동작 특성을 확인하기 위해 수신칩은 TI사 bq51221 이중모드 칩을 사용하였다. 그림 2는 실제 구현을 위한 스위치 on/off 상태에 따른 세부 동작모드를 나타내주고 있다.
그림 2는 실제 구현을 위한 스위치 on/off 상태에 따른 세부 동작모드를 나타내주고 있다. 스위칭 동작을 위해 아날로그 디바이스사의 Triple SPDT 스위치 ADG786을 이용해 구현되었다.

성능/효과

78 MHz 자기공진 모드로 동작할 때, 반사손실 특성 및 스미스차트 임피던스 매칭 특성을 나타내주고 있다. 그림 4(a)에서와 같이 6.78 MHz 에서 반사손실 특성은 20.42 dB를 나타내었고 코일 간 전송효율은 70 % 를 나타내었다. 그림 4(b)는 스미스 툴을 이용하여 실제 임피던스 매칭을 위해 적용된 병렬 Capacitor 150 pF, 직렬 Capacitor 43 pF 값을 적용했을 때 스미스 차트상의 실제 궤적을 나타내주고 있다.
본 논문에서는 이중루프 구조의 모드 전환 스위칭 방식을 통해 자기유도, 자기공진 무선 충전 및 NFC 기능을 갖는 스마트폰용 다중모드 무선전력전송 시스템을 제안하였다. WPC 및 PMA 자기 유도형 충전환경에서 70 % 이상의 전송효율과 6.78 MHz 및 13.56 MHz에서 20 dB 이상의 반사손실 특성 및 자기공진형 충전환경에서 코일 간 전송효율 70 % 이상을 나타내었다. 향후 실제 스마트폰에 장착 후 Battery 영향을 고려한 전체 시스템 효율 및 NFC 인식거리에 대한 성능 검증이 추가적으로 진행 될 예정이다.
본 논문에서는 이중루프 구조를 갖는 스마트폰용 멀티모드 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 간단한 모드 전환 스위칭 방식을 통해 하나의 공진코일로 구현함으로써 기존의 자기유도방식 표준에 해당하는 WPC와 PMA를 지원할 뿐만 아니라 6.78 MHz 및 13.56 MHz에서 20 dB 이상의 반사 손실 특성을 나타내었고 Airfuel에서 제시하고 있는 자기공진형 충전환경에서 코일 간 전송효율을 측정한 결과 70 % 이상의 효율을 나타내었다.
각각의 표준 모드별 Tx의 경우 WPC 표준은 bqTesla transmitter (HPA689)를 사용하여 측정하고, PMA 표준은 Duracell Powermat Tx를 이용하여 측정하였다. 제안된 멀티모드 무선전력전송 시스템은 WPC의 경우 Rx 모듈의 로드 출력 전류가 1A 일 때 76 % 효율을 나타내었고 PMA의 경우 72％의 효율을 나타내었다.

후속연구

56 MHz에서 20 dB 이상의 반사손실 특성 및 자기공진형 충전환경에서 코일 간 전송효율 70 % 이상을 나타내었다. 향후 실제 스마트폰에 장착 후 Battery 영향을 고려한 전체 시스템 효율 및 NFC 인식거리에 대한 성능 검증이 추가적으로 진행 될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이중루프 구조를 갖는 멀티모드 무선전력전송 시스템의 구성방식은?	본 논문에서 제안하는 이중루프 구조를 갖는 멀티 모드 무선전력전송 시스템은 그림 1 과 같이 외부 루프(Outer Loop)와 내부 루프(Inner Loop)를 연결하고, 모드 제어부에 의해 동작하는 스위치의 동작에 따라 스위치가 오프(Off) 되는 경우, 외부 루프를 이용하여 자기 공진 방식과 NFC 통신을 지원 하는 외부 루프 모듈과 스위치가 온(On) 되는 경우, 외부 루프와 상기 내부 루프를 동시에 이용하여 자기 유도 방식 표준인 WPC와 PMA를 동시 지원하여 전력을 전송하는 내부 루프 모듈로 구성된다. 동일한 동작 주파수를 가지는 무선전력 및 통신 신호 중 적어도 하나를 수신하고 이를 바탕으로 멀티모드 무선전력전송 시스템의 모드제어부에서 스위치를 조작하여 안테나 모듈의 동작모드를 제어하게 된다.
	무선전력전송은 무엇인가?	최근 들어 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 다양한 형태의 전자 기기에 활용되고 있다. 무선전력전송은 전력에너지를 무선 전송이 가능한 형태로 변환시켜 전달하는 전력전송시스템으로 전송되는 거리에 따라 전자파 전파 특성이 다르기 때문에 전송방식을 구분하고 있으며, 자기 유도, 자기공진, 그리고 RF방식이 있다[1].
	자기유도방식의 단점은?	자기유도방식은 5W 이하의 소형 전자기기에 적용이 가능하며 현재 15W급 Tablet PC 및 자유도 개선을 위한 멀티 코일 형태의 표준이 마련되고 있으며 공급전력 대비 충전 효율이 최고 80 % 이상이다. 하지만, 충전 위치의 변화에 따라 충전 효율이 크게 달라지며 발열이 많다는 단점이 있다[2]. 특히 전력전송 가능 거리가 수 mm로 매우 짧아 적용 가능한 분야가 적다는 것이 가장 큰 단점으로 지적된다. 자기공진방식은 비교적 큰 전력을 수 미터까지 보낼 수 있다는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High Quality Factor)을 요구한다[3].

참고문헌 (8)

W. C. Brown, "The History of Power Transmission by Radio Waves", IEEE Trans. Micro. Theory Tech., Vol. MTT-32, No. 9, pp. 1230-1242, Sep. 1984.
M. S. Han, R. H. Park, "Wireless Power Transfer Technology of Industry", The Magazine of the IEEK , vol. 38, no. 9, pp.31-36, 2011.
A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher and M. Soljacic, "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science, vol. 317, no. 83, pp.83-86, 2007.

상세보기
http://www.wirelesspowerconsortium.com/
http://www.airfuel.org/
TTA Standard/Technology Report "Evaluation Method of Mobile Wireless Power Transfer System", Standard Number : TTAR-06.0112, 2012
TTA Standard/Technology Report "Definition of Wireless Power Transfer Efficiency Measurement Point for Mobile Devices", Standard Number : TTAR-06.0113, 2012
Minseok Han, Ji-Min Kim and Hoon Sohn, "Dual-mode Wireless Power Transmission System", Korea Information and Communication Society Symposium Proceedings, High1 Resort, Korea, Jan, 2015.

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