[논문]스마트폰 무선충전용 강압 컨버터 설계 및 제작

박종범; 신지희; 안성득; 임학진; 고윤석

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.4.607

스마트폰 무선충전용 강압 컨버터 설계 및 제작
Design and Making of a Buck Converter For Smart Phone Wireless Charging 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.4, 2017년, pp.607 - 614

박종범 (남서울대학교전자공학과) , 신지희 (남서울대학교전자공학과) , 안성득 (남서울대학교전자공학과) , 임학진 (남서울대학교전자공학과) , 고윤석 (남서울대학교 전자공학과)

초록
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본 연구에서는 마이크로 컨트롤러를 기반으로 한 PWM 제어 기술을 통해 스마트폰 무선충전을 위한 강압 컨버터를 설계 및 제작하였다. 전압센서를 이용해 출력전압이 기준전압을 따라가도록 피드백 제어 회로를 제작하였다. 강압 컨버터로 311V를 12V 로 출력하고 DC 전압 12V를 무선으로 연결하여 5V 충전 전압을 출력한다. 실험을 통해 스마트폰 무선 충전용 강압 컨버터의 유효성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, buck converter was designed and manufactured to improve the wireless charging of smartphone through PWM control technology based on micro controller. A feedback control circuit was fabricated using a voltage sensor so that the output voltage follows the reference voltage. The buck converter, 311V is output as 12V, DC voltage 12V is connected wirelessly, and 5V charge voltage is output. We also confirmed the availability of the buck converter for wireless charging of smart phone through experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 8 비트 마이크로프로세서 ATmega128을 이용하여, DC-DC 컨버터의 기본적 형태인 강압 컨버터를 설계 및 제작하며, 이를 기반으로 회로설계를 통한 이론적 해석과 스마트폰 무선충전 실험을 통한 특성을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 스마트 폰 무선충전을 위한 강압 컨버터를 설계, 제작하였다. 주 제어장치로는 8 비트 ATmega128을 이용하였으며, 내장된 A/D변환기와 타이머/카운터 기능을 이용하여 강압제어가 이루어지도록 하였다.

제안 방법

또한 무선충전모듈을 이용해 스마트폰 무선충전이 가능하도록 하였다. 강압 컨버터는 DC-DC컨버터의 출력 전압을 전압센서를 이용하여 측정, 궤환하고 기준전압과의 차를 검출하여 시비율을 조정, 기준전압을 추종하도록 하였다. 또한 하이퍼터미널 통신으로 출력전압을 표시하여 동작 상태를 확인하였다.
본 장에서는 설계결과에 유효성을 확인하기 위해서 강압 컨버터 시작품을 시험 제작하였다. 또한 무선충전기를 제작하여 강압 컨버터에 연동시킴으로써 충전 효과를 확인하였다.
주 제어장치로는 8 비트 ATmega128을 이용하였으며, 내장된 A/D변환기와 타이머/카운터 기능을 이용하여 강압제어가 이루어지도록 하였다. 또한 무선충전모듈을 이용해 스마트폰 무선충전이 가능하도록 하였다. 강압 컨버터는 DC-DC컨버터의 출력 전압을 전압센서를 이용하여 측정, 궤환하고 기준전압과의 차를 검출하여 시비율을 조정, 기준전압을 추종하도록 하였다.
본 장에서는 설계결과에 유효성을 확인하기 위해서 강압 컨버터 시작품을 시험 제작하였다. 또한 무선충전기를 제작하여 강압 컨버터에 연동시킴으로써 충전 효과를 확인하였다.
설계된 컨버터는 311[V]의 DC전압을 입력받아 마이크로프로세서 타이머/카운터 기능을 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 파형을 스위칭 소자인 MOS-FET에 인가시켜주며, A/D 변환기능을 이용하여 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 변동을 피드백 회로를 통하여 값을 받아 시비율을 조절하여 일정한 12[V]의 출력전압을 유지하는 방식으로 구동된다.

대상 데이터

본 연구에서는 ATMEL사의 Atmega128에서 제공하는 PWM의 4가지 모드 중 다른 모드에 비하여 약 2배의 주파수를 갖는 고속 PWM 모드를 사용한다. 그림 2는 고속 PWM 모드를 보인다.
본 논문에서는 스마트 폰 무선충전을 위한 강압 컨버터를 설계, 제작하였다. 주 제어장치로는 8 비트 ATmega128을 이용하였으며, 내장된 A/D변환기와 타이머/카운터 기능을 이용하여 강압제어가 이루어지도록 하였다. 또한 무선충전모듈을 이용해 스마트폰 무선충전이 가능하도록 하였다.

성능/효과

실험결과 311[V] 전압을 전압센서를 통해 시비율을 제어하여 12[V]의 안정된 출력전압을 얻을 수 있었으며, 동일한 파라미터 값으로 설계된 강압 컨버터와 비교했을 때 유사한 것을 확인할 수 있었다. 또한 무선 연결을 통한 스마트폰 무선충전이 정상적으로 이루어지는 것을 확인 할 수 있었다. 설계된 스마트폰 무선 충전용 강압형 컨버터는 강압형 컨버터로서 전기, 전자 및 정보통신 기기의 전원공급 뿐만 아니라 현재 사용하고 있는 많은 무선충전용 기기들의 배터리 충, 방전 제어 등에 사용될 수 잇을 것으로 기대된다.
실험결과 311[V] 전압을 전압센서를 통해 시비율을 제어하여 12[V]의 안정된 출력전압을 얻을 수 있었으며, 동일한 파라미터 값으로 설계된 강압 컨버터와 비교했을 때 유사한 것을 확인할 수 있었다. 또한 무선 연결을 통한 스마트폰 무선충전이 정상적으로 이루어지는 것을 확인 할 수 있었다.
표 4는 최종적으로 얻은 출력전압을 이용해 무선충전을 한 뒤 측정한 전압 ,전류, 전력 값 이다. 최종실험을 통해 강압 컨버터의 정상적인 동작과 무선충전의 유효성을 확인하였다.

후속연구

설계된 스마트폰 무선 충전용 강압형 컨버터는 강압형 컨버터로서 전기, 전자 및 정보통신 기기의 전원공급 뿐만 아니라 현재 사용하고 있는 많은 무선충전용 기기들의 배터리 충, 방전 제어 등에 사용될 수 잇을 것으로 기대된다. 또한 강압형 컨버터는 입력전압이 가변되는 소형 독립형 태양광 발전 배터리 충∙방전 제어에도 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
또한 무선 연결을 통한 스마트폰 무선충전이 정상적으로 이루어지는 것을 확인 할 수 있었다. 설계된 스마트폰 무선 충전용 강압형 컨버터는 강압형 컨버터로서 전기, 전자 및 정보통신 기기의 전원공급 뿐만 아니라 현재 사용하고 있는 많은 무선충전용 기기들의 배터리 충, 방전 제어 등에 사용될 수 잇을 것으로 기대된다. 또한 강압형 컨버터는 입력전압이 가변되는 소형 독립형 태양광 발전 배터리 충∙방전 제어에도 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강압 컨버터란 무엇인가?	강압 컨버터는 입력전압보다 출력전압이 낮은 컨버터이다. 설계된 컨버터의 기본적인 구성은 스위칭을 위한 소자와 이를 평활하기 위한 LC필터부와 피드백 회로를 위한 다이오드로 구성된다.
	스위칭주파수를 무조건 높일 수 없는 이유는 무엇인가?	스위칭 주파수는 고주파수가 될수록 인덕터와 커패시터의 용량이 감소해 소형화시킬 수 있다. 하지만 그에 비례하여 스위치의 전력손실이 증가하기 때문에 변환 효율이 낮아져 스위칭주파수를 무조건 높일 수는 없다. 따라서 본 논문에서는 스위칭 주파수를 15kHz로 설정하였다[7].
	강압 컨버터의 PWM 제어 알고리즘의 순서를 설명하시오.	그림 3은 강압 컨버터의 PWM 제어 알고리즘 순서도를 보인다. 주 제어장치는 전압센서를 이용하여 주기적으로 출력전압을 읽어온 다음, 그 값이 12V 보다 클 때에는 시비율을 높이고, 12V 보다 낮을 때에는 시비율을 낮춰서 출력전압이 일정하게 12V가 되도록 제어한다. 특히 출력전압이 7V이하 일 때는 12V로의 빠른 수렴을 위해 시비율을 8%로 설정하고, 7V를 초과할 때는 출력전압으로의 정밀수렴을 위해 시비율을 0.1%씩 조정되도록 한다.

참고문헌 (11)

Y. Lho, "A Study on the Design of the Voltage Mode PWM DC/DC Power Converter," Journal of the Korean Society for Railway, vol. 14, no, 5, Oct. 2011, pp. 411-415.

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J. Park, Y. Shin, S. Jo, D. Seo, and S. Jo "DC-DC Converter Design for Battery Charger,", Proc. of the 2015 Spring Korean Society of Automotive Engineering Conf., Sejong, Korea, May, 2015, pp. 1012.
I. Choi, J. Choi, and S. Jung, "Modeling and Analysis of buck Converter in Photovoltaic System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 7, 2013, pp. 1039-1048.

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W. Do and Y. Chae, "Design of DC - DC Converter Controller using Analog Memory," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 3, 2015, pp. 357-364.

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C. Yoon, "A Study on the Design of High Efficiency Class E Power Amplifier and resonance Coil for High Efficient Wireless Power Transmission," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 10, 2016, pp. 935-940.

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Y. Chai and W. Do, "Development of 2KW Power Bidirectional LDC for Electrical Vehicle", J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 1, Jan. 2016, pp. 65-72.

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S. Shin, I, Jang, B. Kim, J. Park, Y. Choi, B. Jung, K. Jo, and H. Beak, "Design of DC-DC Buck Converter using AVR," Proc. of the Spring Korean Institute of Electrical Engineers on Electrical Machine and Energy Conversion Systems Conf., Jecheon, Korea, Apr. 2010, pp. 194-196.
D. Shin and C. Oh, AVR ATmega128 Learning Easy to Understand. Seoul: Ohm, 2016.
Y. No, K. Jung, and N. Choi, Power Electronics Third Edition. Seoul: Munundang, 2011.
J. Lim, G. Han, and D. Park, "Battery Charging System using Magnetic Induction," J. of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 17, no. 10, 2013, pp. 2239-2244.

원문보기 상세보기
M. Han and S. Jung, "RF-based Wireless Power Transfer System for Smartphone Wireless Charging Applications," Proc. of the Summer Korean Institute of Communications and Information Sciences Conf., Jeju, Korea, June 2014, pp. 303-304.

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