[논문]열 유동해석을 통한 무선충전기 발열 성능 향상에 관한 연구

김평준; 박동규

doi:10.5762/kais.2019.20.7.310

열 유동해석을 통한 무선충전기 발열 성능 향상에 관한 연구
A Study on the Thermal Flow Analysis for Heat Performance Improvement of a Wireless Power Charger 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.7, 2019년, pp.310 - 316

김평준 (서연전자 전자신뢰성시험팀) , 박동규 (한국기술교육대학교 기전융합공학과)

초록
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자동차 편의 장치에 대하여 고객들은 높은 효율과 많은 기능을 요구하고 있으며, 이러한 자동차 어플리케이션에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 본 연구에서는 최근 자동차 편의 사양으로 개발된 무선충전기의 PCB(printed circuit board) 발열 성능 향상을 위한 열 유동해석에 관한 연구를 진행하였다. 무선충전기는 PCB의 전력 손실 및 열 저항의 특성 발열에 따라 충전의 성능이 급격히 저하된다. 따라서 열 유동해석 시뮬레이션을 통해 최적의 PCB 설계 및 부품의 실장 위치를 제안하고, 각 설계 단계에서 해석을 통해 디자인을 결정한다. 이후, 실제 환경 조건에서 해석결과 정합성 검증을 위해 시험을 수행하고 결과를 비교 분석한다. 본 논문에서는 HyperLynx Thermal와 FloTHERM 프로그램을 사용하여 PCB 모델링 및 과도 응답 열 유동해석을 수행하였다. 또한, 해석 및 측정 결과의 정합성 검증을 위해 적외선 열화상 카메라를 사용하여 시험을 진행하였다. 최종 결과 비교에서 해석과 시험의 오차는 10 % 이내로 확인되었고, PCB의 발열 성능도 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In automotive application, customers are demanding high efficiency and various functions for convenience. The demand for these automotive applications is steadily increasing. In this study, it has been studied the analysis of heat flow to improve the PCB(printed circuit board) heating performance of WPC (wireless power charger) recently developed for convenience. The charging performance of the wireless charger has been reduced due to power dissipation and thermal resistance of PCB. Therefore, it has been proposed optimal PCB design, layout and position of electronic parts through the simulation of heat flow analysis and PCB design was analyzed and decided at each design stage. Then, the experimental test is performed to verify the consistency of the analysis results under actual environmental conditions. In this paper, The PCB modeling and heat flow simulation in transient response were performed using HyperLynx Thermal and FloTHERM. In addition, the measurement was performed using infrared thermal imaging camera and used to verify the analysis results. In the final comparison, the error between analysis and experiment was found to be less than 10 % and the heating performance of PCB was also improved.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Block diagram of the wireless charger system
그림 Fig. 2. Block diagram of the wireless charger system verification procedure
그림 Fig. 3. Configuration of the PCB Circuit
그림 Fig. 4. Configuration of the PCB model
그림 Fig. 5. Configuration of the heat point PCB(HyperLynx)
그림 Fig. 6. Configuration of the heat point PCB(FloTHERM)
그림 Fig. 7. Configuration modeling for wireless Power charger system using FloTHERM
표 Table 1. Simulation modeling conditions
표 Table 2. Simulation and experiment conditions
그림 Fig. 8. Results of upper PCB thermal simulations using the HyperLynx Thermal
그림 Fig. 9. Results of lower PCB thermal simulations using the HyperLynx Thermal
그림 Fig. 10. Results of Upper and Lower PCB thermal Simulations using the FloTHERM
그림 Fig. 11. Results of Wireless Charger system
그림 Fig. 12. Result of transient thermal simulation until 120min
그림 Fig. 13. Test setup to measure the temperature of the wireless charger device
그림 Fig. 14. Comparison of result obtained from IR thermography measurements
표 Table 3. Temperature Comparison

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안한 모델링 및 해석 방법의 정합성을 입증하기 위해 다양한 시뮬레이션 및 시험을 진행하였고, 해석 시험 결과를 통해 차량용 무선충전 시스템의 발열성능 향상에 대해 입증하고자 한다. HyperLynx를 사용하여 설계 초기 단계에서 Upper, Lower PCB의 열 해석 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 과도 응답 열 유동해석을 통한 무선충전기의 발열을 개선하여 충전의 성능을 향상한다.

제안 방법

1) PCB의 동일한 환경 및 조건에서 PCB의 총 2단계의 열 유동해석을 진행하였다. HyperLynxThermal, FloTHERM 소프트웨어를 사용하여 해석 모델화를 통해 결과 온도를 비교 분석하였다.
Table 2는 시뮬레이션 환경 조건이다. PCB 해석의 환경 조건과 동일하지만, System Level 해석에서는 충전 시간에 따른 발열을 확인하기 위해 120분의 과도 응답 열 유동해석을 추가적으로 실시하였다.
PCB의 선행 열 해석을 통해 각 PCB Layer에서 발생하는 특정 소자의 발열 온도, 분포, 발열량을 확인하고, 다음 과정에서 열 유동해석 모델링을 진행한다. PCB의 발열 소자 및 발열량은 Fig.
Upper Top PCB의 Thermistor 주변 Via를 소자로부터 1 mm 이격, thermal pattern width 0.7 mm로 적용하였고, Upper Bottom의 경우 5 V Regulator 전원부 IC를 Lower PCB로 실장 위치를 변경하였다.
따라서, 본 연구에서는 무선충전기의 디자인 설계 단계에서 2단계의 해석 기법을 적용하고, PCB 열 해석 및 열 유동해석 통해 무선충전기의 발열 성능을 향상한다. 또한, 해석 결과와 시험 결과의 정합성 검증을 수행하여 결과를 비교하고 오차를 분석한다.
또한, Lower PCB의 경우 3.3 V 전원단의 회로 재설계 및 발열 개선을 위한 PCB 구조 변경을 통해 Fig. 3의 회로 디자인을 결정하고 해석을 위한 모델링을 진행하였다.
또한, 자동차 연비효율 향상을 위해 ISG(interatedstarter generator) 모터의 고속 운전조건에서 철손 증가로 인한 내부 온도 상승을 줄이기 위해 방열설계에 대한 열 해석 및 특성 평가를 수행하고 기본 모델 및 개선모델을 개발하여 성능 비교 평가를 하였다[4]. 2015년 연구에서는 시스템의 온도 예측을 위해 열 유동해석 모델을 구성하여 해석 및 분석을 통한 실시간 온도 예측 모델을 개발하여 발열 성능 개선 최적화 방법을 고안하였다[5].
무선충전기 PCB Level의 열 해석을 완료한 후 충전 코일을 모델링한다. 코일 특성에 따른 자성재료는 크게 Sendust, Ferrite, Ribbon이 있다.
무선충전기 선행 열 해석을 수행하기 위하여 PCB 설계 데이터를 기반으로 상용소프트웨어인 HyperLynx을 사용하여 모델링을 진행하였다.
본 연구에서는 해석 결과와 시험 결과의 신뢰성 검증을 위해 Fig. 13과 같은 시험 환경을 구축하고 소비자들이 대표적으로 사용하고 있는 갤럭시와 아이폰을 이용하여 충전상태에서 발열 측정을 하였다. 실내온도 25 ℃ 시험 환경에서 진행하였고, 충전 시간에 따른 온도 변화량을 관찰하기 위해 최대 120분간의 시험을 통해 결과를 도출하였다.
시뮬레이션 마지막으로 충전 시간에 따른 발열을 확인하기 위해 120분의 과도 응답 해석을 시행하였다. Fig.
코일 특성에 따른 자성재료는 크게 Sendust, Ferrite, Ribbon이 있다. 시뮬레이션 코일 물성 및 재질은 본 무선충전기에 적용한 Sendust로 모델화하였다. Coil 재질은 구리, 전도율(thermal conductivity) 1.
13과 같다. 시험을 위해 측정용 PC, Power supply, 시뮬레이터, 통신 Interface로 구성되었으며, 무선충전기의 충전상태 발열 측정은 열화상 카메라(FLIR P620)를 사용하여 시간에 따른 분포 및 온도 변화를 측정하고 비교한다.
13과 같은 시험 환경을 구축하고 소비자들이 대표적으로 사용하고 있는 갤럭시와 아이폰을 이용하여 충전상태에서 발열 측정을 하였다. 실내온도 25 ℃ 시험 환경에서 진행하였고, 충전 시간에 따른 온도 변화량을 관찰하기 위해 최대 120분간의 시험을 통해 결과를 도출하였다. 초기 충전상태의 온도는 27 ℃, 60분 45.
열 유동해석을 통한 무선충전시스템의 발열 안정화를 위해 다양한 해석 모델 및 방법론을 적용하였다. 또한 해석과 시험의 결과를 비교하고 정확한 비교 분석 데이터를 산출하여 본 연구의 유효성을 검증하였다.
위의 해석 환경 및 조건을 입력하여 PCB 모델링 후 시뮬레이션을 통해 각 PCB Layer에서 발생하는 발열 소자 및 온도가 PCB 해석 결과와 근사한지 확인한다. Fig.
차량용 무선충전기는 제품 설계 초기 단계에서 PCB의 열 해석을 진행한 후 전자소자 및 PCB의 온도 특성을 파악한다. 이후 열 유동해석을 위한 PCB, Coil, Low Case, Pad 모델링을 완료한 후 CFD(computational fluid dynamics) 프로그램을 사용하여 과도 응답 열 유동해석을 진행한다. 해석 결과와 측정 결과를 비교하기 위해 실제 제작된 하드웨어를 열화상 카메라를 사용하여 충전 Pad의 온도를 측정한다.
11의 경우 무선충전 시스템의 열 유동해석 정상상태의 최종 결과이다. 최종 결과 확인은 충전 PAD 표면의 온도를 측정하였다. 최대온도는 59 ℃, 평균온도는 58 ℃의 결과를 본 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
초기 회로 설계 완료 후 PCB Level에서 해석을 진행하였다. 해석 결과 특정 소자에서 시스템에 영향을 미치는 발열이 발생하여 PCB 발열 저감을 위해 회로 디자인을 변경하였다.
이후 열 유동해석을 위한 PCB, Coil, Low Case, Pad 모델링을 완료한 후 CFD(computational fluid dynamics) 프로그램을 사용하여 과도 응답 열 유동해석을 진행한다. 해석 결과와 측정 결과를 비교하기 위해 실제 제작된 하드웨어를 열화상 카메라를 사용하여 충전 Pad의 온도를 측정한다. Fig.
해석 과정은 설계 초기 단계에서 PCB 열 해석을 수행하여, 발열 소자의 온도 상승 및 분포를 예측하여 발열의 전도, 대류, 복사 현상을 분석한다. 또한, PCB 해석이 용이한 HyperLynx Thermal을 사용하였고, PCB 구조는 4층으로 총 2장의 Upper PCB, Lower PCB로 모델링되었다.

대상 데이터

해석 과정은 설계 초기 단계에서 PCB 열 해석을 수행하여, 발열 소자의 온도 상승 및 분포를 예측하여 발열의 전도, 대류, 복사 현상을 분석한다. 또한, PCB 해석이 용이한 HyperLynx Thermal을 사용하였고, PCB 구조는 4층으로 총 2장의 Upper PCB, Lower PCB로 모델링되었다. 아래의 Fig.
1은 무선충전 시스템 모식도이다. 시스템 구성은 충전 Pad, Coil,Upper PCB, Lower PCB, Heat sink Low Case로 구성되어 있다.

데이터처리

1) PCB의 동일한 환경 및 조건에서 PCB의 총 2단계의 열 유동해석을 진행하였다. HyperLynxThermal, FloTHERM 소프트웨어를 사용하여 해석 모델화를 통해 결과 온도를 비교 분석하였다.
열 유동해석을 통한 무선충전시스템의 발열 안정화를 위해 다양한 해석 모델 및 방법론을 적용하였다. 또한 해석과 시험의 결과를 비교하고 정확한 비교 분석 데이터를 산출하여 본 연구의 유효성을 검증하였다.
따라서, 본 연구에서는 무선충전기의 디자인 설계 단계에서 2단계의 해석 기법을 적용하고, PCB 열 해석 및 열 유동해석 통해 무선충전기의 발열 성능을 향상한다. 또한, 해석 결과와 시험 결과의 정합성 검증을 수행하여 결과를 비교하고 오차를 분석한다.
본 논문에서 도출한 해석 결과 및 시험 결과를 비교분석을 통해 정합성 검증을 하였다.

이론/모형

본 논문에서 사용된 해석 기법은 유한체적법(Finite Volume Method)이다. 이 기법은 다양한 형태의 대류에 의한 열 유동을 분석하기 위해 구조물을 무한개의 체적으로 공간 차분한다.

성능/효과

2) 발열의 근본적인 원인이 되는 PCB 개선을 위해 초기 단계에서 열 해석을 진행한 후 발열 개선을 위해 소자 실장 위치 변경, PCB Pattern Width 0.7mm, Thermistor 주변 Via 이격거리를 1 mm로 재설계, PCB Layout 변경 등을 통해 개선 전 디자인보다 발열이 감소된 것을 확인하였다.
3) PCB Level의 해석 결과를 비교해 보면 Upper PCB의 오차는 13 ℃, Lower PCB의 오차는 약 2℃, 또한, System Level의 정상상태 해석 결과와 과도 응답해석 결과를 비교해 보면 59 ℃로 결과는 동일하다. 120분의 해석과 측정 비교 결과는 약 9 ℃의 온도 오차가 발생하였다.
120분의 해석과 측정 비교 결과는 약 9 ℃의 온도 오차가 발생하였다. 분석결과 시험환경의 오차로 판단되며, 최종적으로 해석과 측정의 정합성 비교 분석결과 90 % 이상의 신뢰성 검증 결과를 입증하였다.
2 ℃의 최고온도를 확인하였다. 시뮬레이션의 최종 결론은 정상상태 해석 결과와 120분의 과도 응답 해석 결과가 유사하다는 것을 확인하였다.
최종 결과 확인은 충전 PAD 표면의 온도를 측정하였다. 최대온도는 59 ℃, 평균온도는 58 ℃의 결과를 본 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

후속연구

4) 해석 결과와 측정 결과를 당사의 Database로 구축하였고, 비교 결과 오차에 대한 개선 방법 및 제품의 발열 감소를 위한 지속적인 연구는 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선충전기의 충전 원리는 무엇인가?	무선충전기의 충전 원리는 전자기 유도방식을 적용하여 스마트폰 내부와 충전패드에 있는 2개의 코일이 유도전류를 발생하여 배터리를 충전하는 방식이다. 무선충전 모듈은 크게 수신부와 송신부로 분류되며, 송신부의 코일이 전기에너지를 전파로 변환하여 자기장을 통해 전송하면 수신부의 코일이 받은 전파를 통해 전기에너지로 변환되어 충전되는 방식이다.
	PCB의 성능을 저하시키는 요소들에는 어떠한 것들이 있는가?	PCB의 성능을 저하시키는 발열, 먼지, 전자파 등 다양한 문제점을 개선하기 위해 해석과 시험의 비교를 통한 복합적인 검증을 요구하는 추세이다. 따라서 PCB의 성능 향상을 위해 국내외 관련 산업 분야의 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다[1,2].
	무선충전시스템의 발열 안정화 과정에서 PCB의 발열 개선을 위해 진행한 방법은?	2) 발열의 근본적인 원인이 되는 PCB 개선을 위해 초기 단계에서 열 해석을 진행한 후 발열 개선을 위해 소자 실장 위치 변경, PCB Pattern Width 0.7mm, Thermistor 주변 Via 이격거리를 1 mm로 재설계, PCB Layout 변경 등을 통해 개선 전 디자인보다 발열이 감소된 것을 확인하였다.

저자의 다른 논문 :

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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