기술기고문
모노리딕 풀 브리지 자동공진 트랜스미터 IC를 사용한 무선 배터리 충전 설계 간소화
모노리딕 풀 브리지 자동공진 트랜스미터 IC를 사용한 무선 배터리 충전 설계 간소화
전원을 무선으로 제공하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있다. 수 인치 미만의 짧은 거리로 주로 사용되는 방법은 용량성 결합과 유도 결합이다. 이 글에서 설명하는 솔루션은 유도 결합을 사용한다.
통상적인 유도 결합 무선 전원 시스템은 송신 코일로 ac 자기장을 생성하면 수신 코일로 교류 전류가 유도된다. 트랜스포머 시스템과 같은 원리이다. 트랜스포머 시스템과 무선 전원 시스템의 가장 큰 차이점은 에어 갭이나 여타 비자성 소재의 간극에 의해서 트랜스미터와 리시버가 분리된다는 것이다. 또한 송신 코일과 수신 코일 사이에 결합 계수가 대체로 매우 낮다. 트랜스포머 시스템은 0.95~1의 결합이 일반적으로 비해, 무선 전원 시스템의 결합 계수는 0.8부터 낮게는 0.05까지도 이를 수 있다.
무선 전원 배터리 충전 시스템을 설계할 때 중요하게 고려해야 할 파라미터는 배터리로 실제로 추가되는 전력 양이다. 이 수신 전력은 다음과 같은 여러 요인에 따라서 좌우된다:
- 송신되는 전력 양
- 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리 및 정렬. 이것이 코일들 사이의 결합 계수이다.
무선 전원 트랜스미터 설계 시에 중요한 것은, 최악 상황 전력 전달 조건으로도 요구되는 수신 전력을 제공할 수 있을 만큼 송신 회로가 강한 자기장을 발생시켜야 한다는 것이다. 그런데 또 한편으로는 최선 상황 조건일 때 리시버로 열 및 전기적으로 과도한 스트레스를 일으키지 않도록 해야 한다. 이것은 출력 전력 요구량은 낮고 결합은 높은 경우에 그렇다. 예를 들어서 배터리가 최대로 충전되었고 수신 코일이 송신 코일에 가까이 있을 때를 들 수 있다.
그림 1: LTC4125를 사용해서 24mH 송신 코일을 103kHz로 구동, 1.3A 입력 전류 임계값, 119kHz 주파수 한계, 41.5°C 송신 코일 표면 온도 한계, 리시버 측에는 LTC4120-4.2 400mA 단일 셀 리튬이온 배터리 차저 및 리시버 IC 사용.
LTC4125는 단순하면서, 강력하고, 안전한 무선 전원 트랜스미터 회로를 구현하기 위해서 필요한 모든 기능을 제공한다. 특히 중요한 특징으로서, 리시버 부하 요구량에 따라서 출력 전력을 조절할 수 있고 전도성 이물체가 존재하는 것을 감지할 수 있다는 점을 들 수 있다.
위에서 언급했듯이, 무선 배터리 충전 시스템에서 트랜스미터는 최악 상황 전력 전달 조건으로도 전력 공급을 보장할 수 있도록 강한 자기장을 발생시켜야 한다. 이를 위해서 LTC4125는 고유의 자동공진(autoresonant) 기술을 채택하고 있다.
그림 2: LTC4125의 자동공진 구동
LTC4125의 자동공진 구동은 각 SW 핀으로 전압이 전류와 항상 동위상이 되도록 한다. 그림 2의 경우에, 전류가 SW1에서 SW2로 흐를 때는 스위치 A와 C가 온(on)이고 스위치 D와 B는 오프(off)이다. 전류가 거꾸로 흐를 때는 그 반대이다. 이 방법으로 사이클 대 사이클로 구동 주파수를 일치시킴으로써 외부 LC 네트워크를 항상 공진 주파수로 구동한다. 온도나 인접한 리시버의 반사 임피던스가 같이 LC 탱크의 공진 주파수에 영향을 미치는 변수들이 계속해서 변하더라도 그렇게 한다.
이 방법으로 LTC4125는 내부 풀 브리지 스위치의 구동 주파수를 직렬 LC 네트워크의 실제 공진 주파수와 일치하게 계속적으로 조절할 수 있다. 이런 식으로 높은 ac 입력 전압이나 고도로 정밀한 LC 값을 필요로 하지 않고서 트랜스미터 코일로 높은 ac 전류를 효율적으로 구축할 수 있다.
LTC4125는 또 풀 브리지 스위치의 듀티 사이클을 조절해서 직렬 LC 네트워크로 파형 펄스 폭을 조절할 수 있다. 듀티 사이클을 높게 조절함으로써 직렬 LC 네트워크로 더 높은 전류를 생성할 수 있고, 그럼으로써 리시버 부하로 더 높은 전력을 제공할 수 있다.
그림 3: LTC4125의 펄스 폭 스윕. 듀티 사이클이 증가할수록 Tx 코일로 전압과 전류가 높아진다.
LTC4125는 주기적으로 듀티 사이클을 스윕 해서 리시버의 부하 조건으로 최적의 동작 지점을 찾아낸다. 이렇게 해서 최적의 전력 지점을 찾아냄으로써 모든 다양한 경우로 코일들의 간격이나 부정정렬을 허용할 수 있을 뿐만 아니라 리시버 회로로 열 및 전기적으로 과도한 스트레스를 피할 수 있다. 스윕 간격은 단일의 외부 커패시터를 사용해서 손쉽게 프로그램 할 수 있다.
그림 1의 시스템은 상당한 부정정렬을 허용할 수 있다. 코일들이 정렬이 심하게 어긋난 경우에는 LTC4125가 자기장 강도를 조절해서 LTC4120으로 최대의 충전 전류가 수신되도록 한다. 그림 1의 시스템은 최대 12mm의 거리로 최대 2W를 전송할 수 있다.
LTC4125의 자동공진 아키텍처는 고유의 방법으로 전도성 이물체를 감지할 수 있다. 전도성 이물체는 직렬 LC 네트워크로 유효 인덕턴스 값을 감소시킨다. 그러면 자동공진 드라이버가 내부 풀 브리지 공진 주파수를 증가시킨다.
그림 4: 전도성 이물체가 존재할 때와 존재하지 않을 때 LTC4125 트랜스미터 LC 탱크 전압 주파수 비교
저항 분할기를 통해서 주파수 한계를 프로그램 하면, 자동공진 구동이 이 주파수 한계를 초과했을 때 LTC4125가 구동 펄스 폭을 0으로 감소시킨다. 이런 식으로 전도성 이물체가 존재하는 것으로 감지되면 전력 공급을 중단한다.
이렇게 주파수가 변화된 것으로서 전도성 이물체가 존재하는 것을 감지할 수 있다. 이 검출 감도는 공진 커패시터(C) 및 송신 코일 인덕턴스(L) 부품 허용오차와 절충 관계이다. 각각의 L 및 C 값으로 통상적인 5% 초기 허용오차라고 한다면 합리적인 수준의 이물체 감지와 견고한 트랜스미터 회로 설계를 위해서 이 주파수 한계를 통상적인 LC 값으로 기대되는 자연스러운 주파수보다 10% 높게 프로그램 할 수 있다. 그런데 좀더 엄격한 1% 허용오차 부품을 사용하면 주파수 한계를 통상적으로 기대되는 자연스러운 주파수보다 3%만 높게 설정하고도 더 높은 감도가 가능하고 그러면서도 디자인의 견고성을 유지할 수 있다.
그림 5: 무선 전원 시스템으로 LTC4125를 사용해서 24mH 송신 코일을 103kHz로 구동, 119kHz 주파수 한계, 41.5°C 송신 코일 표면 온도 한계, 리시버 측으로 LT3652HV 1A 단일 셀 LiFePO4(3.6V 부동) 배터리 차저 IC 사용.
송신 회로로 고효율 풀 브리지 드라이버를 사용하고 수신 회로로 고효율 벅 스위칭 토폴로지를 사용함으로써 최대 70%에 이르는 시스템 효율을 달성한다. 이 시스템 효율은 송신 회로의 dc 입력과 수신 회로의 배터리 출력을 비교한 것이다. 전반적인 시스템 효율을 위해서는 회로 구현의 나머지 부분은 물론이고 두 코일의 품질 계수와 결합 계수가 중요한 요소이다.
LTC4125의 이러한 모든 기능은 송신 코일과 수신 코일 사이에 직접적인 통신을 필요로 하지 않는다. 그러므로 애플리케이션 설계를 간소화하고, 최대 5W에 이르는 다양한 전력 요구와 다양한 물리 코일 형태를 지원할 수 있다.
그림 6: LTC4125를 사용한 전체적인 무선 전원 트랜스미터 보드
그림 6은 LTC4125 애플리케이션 회로가 전체 크기가 얼마나 작고 단순한지 보여준다. 앞서 언급했듯이 대부분의 기능을 외부 저항이나 커패시터를 사용해서 맞춤화 할 수 있다.
에코 리수완디(Eko Lisuwandi)
디자인 섹션 책임자(Design Section Leader)
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
배터리를 사용하는 디바이스가 갈수록 늘어나고 있다. 그런데 많은 제품이 충전 커넥터를 사용하기가 어렵거나 불가능할 수 있다. 어떤 제품은 민감한 전자 장치를 가혹한 환경으로부터 보호하고 세척이나 소독을 용이하게 하기 위해서 밀봉 차폐를 필요로 할 수 있다. 또 어떤 제품은 크기가 너무 작아서 커넥터를 포함시킬 수 없고 이동이 잦거나 회전 장치를 포함하는 제품의 경우에는 선을 사용해서 충전하는 것은 생각할 수도 없다. 바로 이러한 경우에 무선 충전을 사용함으로써 제품의 가치, 신뢰성, 견고성을 높일 수 있다.전원을 무선으로 제공하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있다. 수 인치 미만의 짧은 거리로 주로 사용되는 방법은 용량성 결합과 유도 결합이다. 이 글에서 설명하는 솔루션은 유도 결합을 사용한다.
통상적인 유도 결합 무선 전원 시스템은 송신 코일로 ac 자기장을 생성하면 수신 코일로 교류 전류가 유도된다. 트랜스포머 시스템과 같은 원리이다. 트랜스포머 시스템과 무선 전원 시스템의 가장 큰 차이점은 에어 갭이나 여타 비자성 소재의 간극에 의해서 트랜스미터와 리시버가 분리된다는 것이다. 또한 송신 코일과 수신 코일 사이에 결합 계수가 대체로 매우 낮다. 트랜스포머 시스템은 0.95~1의 결합이 일반적으로 비해, 무선 전원 시스템의 결합 계수는 0.8부터 낮게는 0.05까지도 이를 수 있다.
무선 배터리 충전 원리
무선 전원 시스템은 에어 갭을 사이에 두고 송신 코일을 포함하는 송신(Tx) 회로와 수신 코일을 포함하는 수신(Rx) 회로의 두 부분으로 이루어진다.무선 전원 배터리 충전 시스템을 설계할 때 중요하게 고려해야 할 파라미터는 배터리로 실제로 추가되는 전력 양이다. 이 수신 전력은 다음과 같은 여러 요인에 따라서 좌우된다:
- 송신되는 전력 양
- 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리 및 정렬. 이것이 코일들 사이의 결합 계수이다.
무선 전원 트랜스미터 설계 시에 중요한 것은, 최악 상황 전력 전달 조건으로도 요구되는 수신 전력을 제공할 수 있을 만큼 송신 회로가 강한 자기장을 발생시켜야 한다는 것이다. 그런데 또 한편으로는 최선 상황 조건일 때 리시버로 열 및 전기적으로 과도한 스트레스를 일으키지 않도록 해야 한다. 이것은 출력 전력 요구량은 낮고 결합은 높은 경우에 그렇다. 예를 들어서 배터리가 최대로 충전되었고 수신 코일이 송신 코일에 가까이 있을 때를 들 수 있다.
LTC4125를 사용한 간소하면서도 포괄적인 트랜스미터 솔루션
LTC4125 트랜스미터 IC는 Power by Linear™의 다양한 리시버 배터리 차저 IC 제품 중에서 하나와 짝을 이루어서 사용할 수 있도록 설계되었다. 예를 들어서 무선 전원 리시버 및 배터리 차저 IC 제품인 LTC4120과 짝을 이루어서 사용할 수 있다.그림 1: LTC4125를 사용해서 24mH 송신 코일을 103kHz로 구동, 1.3A 입력 전류 임계값, 119kHz 주파수 한계, 41.5°C 송신 코일 표면 온도 한계, 리시버 측에는 LTC4120-4.2 400mA 단일 셀 리튬이온 배터리 차저 및 리시버 IC 사용.
LTC4125는 단순하면서, 강력하고, 안전한 무선 전원 트랜스미터 회로를 구현하기 위해서 필요한 모든 기능을 제공한다. 특히 중요한 특징으로서, 리시버 부하 요구량에 따라서 출력 전력을 조절할 수 있고 전도성 이물체가 존재하는 것을 감지할 수 있다는 점을 들 수 있다.
위에서 언급했듯이, 무선 배터리 충전 시스템에서 트랜스미터는 최악 상황 전력 전달 조건으로도 전력 공급을 보장할 수 있도록 강한 자기장을 발생시켜야 한다. 이를 위해서 LTC4125는 고유의 자동공진(autoresonant) 기술을 채택하고 있다.
그림 2: LTC4125의 자동공진 구동
LTC4125의 자동공진 구동은 각 SW 핀으로 전압이 전류와 항상 동위상이 되도록 한다. 그림 2의 경우에, 전류가 SW1에서 SW2로 흐를 때는 스위치 A와 C가 온(on)이고 스위치 D와 B는 오프(off)이다. 전류가 거꾸로 흐를 때는 그 반대이다. 이 방법으로 사이클 대 사이클로 구동 주파수를 일치시킴으로써 외부 LC 네트워크를 항상 공진 주파수로 구동한다. 온도나 인접한 리시버의 반사 임피던스가 같이 LC 탱크의 공진 주파수에 영향을 미치는 변수들이 계속해서 변하더라도 그렇게 한다.
이 방법으로 LTC4125는 내부 풀 브리지 스위치의 구동 주파수를 직렬 LC 네트워크의 실제 공진 주파수와 일치하게 계속적으로 조절할 수 있다. 이런 식으로 높은 ac 입력 전압이나 고도로 정밀한 LC 값을 필요로 하지 않고서 트랜스미터 코일로 높은 ac 전류를 효율적으로 구축할 수 있다.
LTC4125는 또 풀 브리지 스위치의 듀티 사이클을 조절해서 직렬 LC 네트워크로 파형 펄스 폭을 조절할 수 있다. 듀티 사이클을 높게 조절함으로써 직렬 LC 네트워크로 더 높은 전류를 생성할 수 있고, 그럼으로써 리시버 부하로 더 높은 전력을 제공할 수 있다.
그림 3: LTC4125의 펄스 폭 스윕. 듀티 사이클이 증가할수록 Tx 코일로 전압과 전류가 높아진다.
LTC4125는 주기적으로 듀티 사이클을 스윕 해서 리시버의 부하 조건으로 최적의 동작 지점을 찾아낸다. 이렇게 해서 최적의 전력 지점을 찾아냄으로써 모든 다양한 경우로 코일들의 간격이나 부정정렬을 허용할 수 있을 뿐만 아니라 리시버 회로로 열 및 전기적으로 과도한 스트레스를 피할 수 있다. 스윕 간격은 단일의 외부 커패시터를 사용해서 손쉽게 프로그램 할 수 있다.
그림 1의 시스템은 상당한 부정정렬을 허용할 수 있다. 코일들이 정렬이 심하게 어긋난 경우에는 LTC4125가 자기장 강도를 조절해서 LTC4120으로 최대의 충전 전류가 수신되도록 한다. 그림 1의 시스템은 최대 12mm의 거리로 최대 2W를 전송할 수 있다.
전도성 이물체 감지
무선 전원 송신 회로의 또 다른 중요한 요구사항은 송신 코일이 발생시키는 자기장 내로 전도성 이물체가 존재하지 않는지 감지해야 한다는 것이다. 리시버로 수백 밀리와트 이상을 제공하도록 설계된 송신 회로는 전도성 이물체가 존재하는지 감지해서 이 물체로 에디 전류가 형성되어서 원치 않는 발열이 발생되지 않도록 해야 한다.LTC4125의 자동공진 아키텍처는 고유의 방법으로 전도성 이물체를 감지할 수 있다. 전도성 이물체는 직렬 LC 네트워크로 유효 인덕턴스 값을 감소시킨다. 그러면 자동공진 드라이버가 내부 풀 브리지 공진 주파수를 증가시킨다.
그림 4: 전도성 이물체가 존재할 때와 존재하지 않을 때 LTC4125 트랜스미터 LC 탱크 전압 주파수 비교
저항 분할기를 통해서 주파수 한계를 프로그램 하면, 자동공진 구동이 이 주파수 한계를 초과했을 때 LTC4125가 구동 펄스 폭을 0으로 감소시킨다. 이런 식으로 전도성 이물체가 존재하는 것으로 감지되면 전력 공급을 중단한다.
이렇게 주파수가 변화된 것으로서 전도성 이물체가 존재하는 것을 감지할 수 있다. 이 검출 감도는 공진 커패시터(C) 및 송신 코일 인덕턴스(L) 부품 허용오차와 절충 관계이다. 각각의 L 및 C 값으로 통상적인 5% 초기 허용오차라고 한다면 합리적인 수준의 이물체 감지와 견고한 트랜스미터 회로 설계를 위해서 이 주파수 한계를 통상적인 LC 값으로 기대되는 자연스러운 주파수보다 10% 높게 프로그램 할 수 있다. 그런데 좀더 엄격한 1% 허용오차 부품을 사용하면 주파수 한계를 통상적으로 기대되는 자연스러운 주파수보다 3%만 높게 설정하고도 더 높은 감도가 가능하고 그러면서도 디자인의 견고성을 유지할 수 있다.
전력 레벨 유연성과 성능
저항과 커패시터 값만 조금 바꾸어서 이 동일한 애플리케이션 회로로 다른 리시버 IC를 사용해서 더 높은 전압의 충전을 할 수 있다.그림 5: 무선 전원 시스템으로 LTC4125를 사용해서 24mH 송신 코일을 103kHz로 구동, 119kHz 주파수 한계, 41.5°C 송신 코일 표면 온도 한계, 리시버 측으로 LT3652HV 1A 단일 셀 LiFePO4(3.6V 부동) 배터리 차저 IC 사용.
송신 회로로 고효율 풀 브리지 드라이버를 사용하고 수신 회로로 고효율 벅 스위칭 토폴로지를 사용함으로써 최대 70%에 이르는 시스템 효율을 달성한다. 이 시스템 효율은 송신 회로의 dc 입력과 수신 회로의 배터리 출력을 비교한 것이다. 전반적인 시스템 효율을 위해서는 회로 구현의 나머지 부분은 물론이고 두 코일의 품질 계수와 결합 계수가 중요한 요소이다.
LTC4125의 이러한 모든 기능은 송신 코일과 수신 코일 사이에 직접적인 통신을 필요로 하지 않는다. 그러므로 애플리케이션 설계를 간소화하고, 최대 5W에 이르는 다양한 전력 요구와 다양한 물리 코일 형태를 지원할 수 있다.
그림 6: LTC4125를 사용한 전체적인 무선 전원 트랜스미터 보드
그림 6은 LTC4125 애플리케이션 회로가 전체 크기가 얼마나 작고 단순한지 보여준다. 앞서 언급했듯이 대부분의 기능을 외부 저항이나 커패시터를 사용해서 맞춤화 할 수 있다.
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