무선 전력 전송 충전기 설계를 위한 구성 요소

작성 날짜: 2020/10/9 금요일
업데이트 날짜: 2024/07/1 월요일

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얼마 전, 나는 옛 대학교에서 무선 충전 패드를 우편으로 받았습니다. 왜 이걸 보냈는지는 모르겠지만, 일하면서 팟캐스트를 들을 때 내 휴대폰을 충전하는 데 꽤 편리합니다. 오디오를 재생하고 가끔 페이스북을 확인하는 동안 휴대폰 충전량을 일정하게 유지하기에 충분한 전력을 출력합니다. 이 시스템을 지배하는 물리학은 이해하기 쉽고, 시장에 나와 있는 부품의 수가 많기 때문에 구축하기도 쉽습니다.

무선 전력 전송은 일하는 동안 휴대폰을 충전하는 편리함만을 의미하는 것이 아닙니다. 무선 IoT 제품으로 가득 찬 환경에서는 수동으로 배터리를 교체하지 않고도 가능한 한 오래 사용할 수 있는 방법이 필요합니다. 무선 전력 전송은 기술자가 배터리를 교체하기 위해 다니지 않고도 이 목표를 달성하는 한 가지 방법입니다. 무선 전력 전송에 관심이 있다면, 알아야 할 사항과 시장에서 찾을 수 있는 부품 옵션에 대해 다음과 같습니다.

무선 전력 전송의 유형

무선 전력 전송은 유도 결합과 공진 유도 충전의 두 가지 가능한 모드에서 발생합니다. 두 방법 모두 근거리 방식이며, 즉, 충전되는 장치가 충전기와 매우 가까워야 합니다. 대부분의 무선 충전 시스템은 50mm 미만의 범위를 지정하며, 수신 장치를 충전기에 더 가깝게 배치하면 충전 속도가 빨라집니다.

두 가지의 주요 차이점은 튜닝 측면에 있습니다. 유도 결합 충전기의 경우, 송신 및 수신 장치 모두 μH 범위의 인덕턴스를 가진 큰 코일을 사용합니다. 송신 및 수신 코일은 일반적으로 수신 장치가 배터리의 적절한 충전 범위에 맞게 전압/전류를 높이거나 낮추도록 배열됩니다. 설계 목표는 충전 시간을 최소화하면서 배터리 수명을 감소시키는 과충전을 방지하는 것입니다.

공진 유도 충전기에서는 코일과 함께 커패시터를 사용하여 LC 공진 회로를 만듭니다. LC 회로의 공진 주파수는 수신 신호의 주파수와 일치하도록 조정할 수 있으며, 이는 수신기에서 전류를 최대화합니다. 이는 바랙터 다이오드, 소형 마이크로컨트롤러 및 피드백 루프가 있는 소형 전류 감지 증폭기를 사용하여 수행될 수 있습니다. 그런 다음 이를 사용하여 바랙터의 커패시턴스를 특정 범위 내에서 조정합니다.

무선 전력 전송 제품에는 무선 전력 컨소시엄(“Qi” 표준)과 파워 매터 얼라이언스에 의해 지정된 두 가지 표준 세트가 있습니다. Qi 표준은 Type-C 케이블을 통해 일반적으로 충전되는 장치에 대해 USB-PD와 호환될 수 있습니다. 아래 표는 두 기관이 지정한 장치 표준을 요약합니다.

무선 전력 전송에 충전이 필요 없는 경우에도 동일한 개념이 적용됩니다: 전력은 유도적으로 수신되며, 충전 없이 장치를 구동하기 위해 하류로 전송됩니다. 단순히 배터리 관리 기능이 없는 표준 레귤레이터를 사용하면 거리에서 장치를 구동할 수 있습니다.

무선 전력 전송을 위한 구성 요소

아래에 표시된 구성 요소는 유도 결합 또는 자기 공진 유도 무선 전력 전송 모드에 사용할 수 있습니다. 필요한 구성 요소는 3가지 영역으로 나뉩니다:

전력 조절 및 배터리 관리: 이에는 Tx 끝에서의 on/off 스위칭을 위한 FET, Rx 끝에서의 표준 전력 레귤레이터 또는 Rx 끝에서의 배터리 관리가 포함된 레귤레이터가 포함됩니다.
전송 및 수신: 전력은 고효율로 전송되고 고유도 코일로 수신되어야 하며, Tx 주파수에 공진 주파수를 조정하기 위해 커패시터 또는 바랙터 다이오드를 추가해야 합니다.
정류: 배터리를 충전하기 위해서는 DC 전력이 필요하므로, 수신된 신호를 DC로 변환하기 위해 작은 정류기와 전력 커패시터가 필요합니다.
제어 및 조정: 단위를 켜거나 끄고, 표준 인터페이스를 통해 IC를 제어하고 싶을 수도 있습니다.

Würth Elektronik, 760308103204

Würth Elektronik의 760308103204 Rx 충전 코일은 큰 장치에서의 다양한 응용 프로그램을 위해 설계되었습니다. 이 코일은 아래 그래프에서 보여주듯이 높은 전류(10 A)와 높은 스위칭 주파수(~2 MHz)까지 평탄한 인덕턴스를 제공합니다. Würth Elektronik은 무선 전력 전송 시스템의 Rx 및 Tx 양쪽에서 사용할 수 있는 유사한 구성 요소를 무선 배열로 제공합니다. 또한, Würth Elektronik은 무선 전력 전송과 NFC 수신을 단일 패키지로 결합한 코일을 제공합니다.

Würth Elektronik의 760308103204에서 주파수 및 전류 대비 인덕턴스. 760308103204 데이터시트에서 발췌.

Analog Devices, LTC4124

소형 웨어러블 또는 기타 저전력 장치에서 저용량 배터리를 충전하기 위한 컴팩트한 솔루션을 찾고 있다면, Analog Devices의 LTC4124가 좋은 선택입니다. 이 작은 SMD 구성 요소는 핀 선택 가능한 전압 및 전류 출력(최대 100 mA 및 4.35 V, 각각)을 제공합니다. 온도 자격을 갖춘 충전을 위해, 이 구성 요소는 MCU와의 제어 기능 구현이 필요 없게 하는 NTC 저항기 입력을 포함합니다.

LTC4124 무선 전력 전송 컨트롤러를 사용한 무선 충전 응용 회로. LTC4124 데이터시트에서.

Infineon, BSC065N06LS5ATMA1

인피니언의 BSC065N06LS5ATMA1 N-채널 MOSFET은 OptiMOS MOSFET 라인의 일부입니다. 이 부품은 60V 출력, 낮은 온 상태 저항(6.5 mOhm), 그리고 64A 드레인 전류로 평가됩니다. 로직 레벨 드라이브는 이 MOSFET이 낮은 게이트 임계 전압을 가지고 있어, 마이크로컨트롤러에서 5V 출력으로 구동될 수 있음을 의미합니다. 이로 인해 이 부품은 유도 결합 또는 공진 유도 무선 전력 전송 회로의 핵심 부품이 됩니다. 8핀 SMD 패키지는 또한 이 부품이 작은 PCB에 쉽게 맞출 수 있도록 합니다.

BSC065N06LS5ATMA1 MOSFET의 패키지 및 핀 다이어그램. BSC065N06LS5ATMA1 데이터시트에서.

무선 전력 전송을 위한 기타 부품들

무선 전력 전송 시스템은 코일로부터/코일로 전력 전송을 극대화하기 위해 Tx 및 Rx 끝에서 다른 부품들이 필요합니다. 이는 DC 출력을 조절하고 공진 전력 전송 회로를 위한 튜닝을 제공합니다.

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