무선충전 정리(자기유도방식, 앰프 class 구분 등)

무선충전 스타트업 회사에서 인턴생활을 했었습니다.

일하면서 느낀점과 필수내용들을 정리하겠습니다.

삼성은 일찌감치 갤럭시 S6, 노트 5 모델부터 무선충전을 지원했고 애플은 아이폰 8 이후 모델부터 무선충전을 지원합니다.

무선충전의 방식은 크게 3가지로 구분됩니다.

1. 자기유도방식

자기유도방식은 몇 센티미터의 짧은 거리에서만 충전할 수 있다는 한계를 가졌지만 높은 효율을 가지고 있습니다. 

우리 주변에서 가장 흔히 볼 수 있는 무선충전 방식입니다. 

자기유도방식에는 Qi, PMA 표준이 있습니다. Qi가 가장 대표적이고 제품도 많은 표준입니다.

Qi(치)는 가장 유명한 무선충전 표준이며 무선전력위원회(WPC)에서 개발하고 4cm 이내에서 무선충전되는 인터페이스 표준입니다.

효율이 좋지만 거리가 너무 짧아 거의 유선과 큰차이가 없는 상황입니다.

2. 자기공진방식(자기공명방식)

자기공진방식은 수 미터 근방의 거리까지 충전이 가능합니다. 음파의 공진현상을 자기장에 적용한 것 입니다.

송신기 수신기가 정확한 위치에 놓이지 않으면 효율이 현저하게 떨어지며 중간에 장애물이 놓이면 마찬가지로 효율이 떨어집니다.

실생활에서 이상적으로 사용하려면 연구가 많이 필요한 상황입니다. 

Airfuel Aliance는 자기유도방식, 자기공진방식 표준을 모두 제공합니다.

3. 전자기파방식

안테나를 통한 전력공급 방식인 전자기파 방식은 수십 킬로미터 이상 떨어진 곳에 높은 전력을 송신할 수 있지만  

효율이 낮고 전자파 관련 문제(신체에 영향 등)로 인해 연구활동이 적습니다.

이번엔 무선충전기에 중요한 부분인 파워앰프를 다루겠습니다.

파워앰프의 클래스별로 정리해보겠습니다.

Class A

가장 기본적인 반도체의 증폭 개념을 그대로 사용한 방식으로 출력소자에 항상 바이어스 전류가 흐릅니다.

플러스쪽, 마이너스쪽 모두 항상 증폭해 가장 왜율이 적고 좋은 선형의 출력을 가지지만 효율이 낮습니다.  

Class B에 비해 출력이 1/4입니다. 

출력과 상관없이 항상 전압이 걸려 그 에너지는 모두 열로 날라갑니다.

트랜지스터 한개로 구현가능

출처 : http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_5.html

Class B

Class A의 발열 및 전력 소모의 문제를 해결하려고 에너지 효율 중심으로 설계

스위칭 왜곡 발생되기 쉽고 음질 저하의 단점 

트랜지스터 두개로 구현

출처  : http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_5.html

Class AB

Class A와 Class B의 장점을 절충한 앰프

Class D

스위칭 기법을 사용하여 소자가 디지털 적으로 ON, OFF 되어 효율이 높습니다.

Class A는 효율이 20%정도인 반면 Class D는 효율을 90%~95%까지 올릴 수 있습니다.

여기서 스위칭이 일어나기 때문에 FET가 상할 수 있어서 Dead time을 주게 됩니다. 두 개의 신호가 안 겹치게 해주는 기법입니다.

요 부분이 구현할 때 좀 어렵더라고요. 특히 고주파로 넘어가면 마땅한 소자 찾기가 힘들었습니다. 

Dead time

High 쪽 Low 쪽 모두 ON인 상태를 주지 않기 위해 Dead time을 줍니다.

무선충전경우 Class D를 현재 사용을 많이 하고 있습니다.

스마트폰용 무선충전기는 주로 100~200Khz 대역을 많이 쓰는데 저정도는 Dead time을 구현하기 용이하지만 

6.78Mhz 대역을 구현하기는 쉽지 않았습니다.

Class E

효율은 Class D보다 아쉽지만 구현하기는 Class D보다 수월했고 효율도 그럭저럭 만족할만했습니다.

일을 하면서 느낀바는 코일 패턴이나 LC공진을 어떻게 잘 맞추냐에 따라서 효율에 영향을 끼쳤고

회로가 맞더라도 원하는 주파수 대역을 소자가 지원을 안하면 결과가 나오지 않기 때문에 DataSheet를 잘 봐서

소자가 그 주파수 대역에서 작동하는지를 잘 파악하는것도 중요하다고 생각합니다.

하루 빨리 조금 더 충전거리가 자유로운 무선충전시대가 왔으면 좋겠습니다.