웨어러블 기기용 무선 충전 솔루션

　　웨어러블 기기는 전자 부품의 중요한 시장 부문으로 빠르게 부상하고 있습니다. 이 기기들의 핵심 요구 조건은 편리함입니다. 움직이는 물체에 대한 데이터에 접근할 수 있는 능력뿐만 아니라 배터리가 하루 종일 지속되도록 보장하는 것도요.

　　사용자가 밤새 기기를 충전해야 한다면, 충전을 깜빡하고 일어나서 하루 종일 기기를 사용할 수 없는 경우가 많습니다. 무선 충전은 전자기기를 충전하는 더 편리한 방법을 제공합니다. 무선 충전의 경우, 마이크로 USB나 유사한 케이블을 삽입하지 않고 충전 패드 위에 전자기기를 올려놓기만 하면 사용자가 쉽게 닿을 수 있는 곳에 패드를 놓을 수 있습니다. 무선 충전 시스템이 제대로 설계되어 있다면, 하나의 충전 패드로 여러 기기를 동시에 충전할 수 있어 각각을 개별적으로 충전할 필요가 없어지고, 사용자가 외출할 때 패드와 기기를 휴대하기 편해집니다.

　　이제 무선 충전의 편리함은 더 이상 웨어러블 기기에만 국한되지 않습니다. 이 기술은 오랫동안 전자 칫솔에 널리 사용되어 왔으며, 전기차 배터리 충전을 위해 비례적으로 확대되기도 했습니다.

　　유도 충전의 기본 작동 원리는 전력 변압기와 동일합니다. 충전 패드 내의 유도 코일은 교류 전자기장을 생성하며, 이 전자기는 장치의 코일에 의해 수신되어 충전되어 다시 유용한 전류로 변환됩니다. 전통적인 변압기와 유사하게, 기본 유도 충전도 높은 효율을 위해 두 개의 코일이 가까이 있어야 합니다. 그렇지 않으면 1차 코일의 저항이 상당한 누적 손실을 초래합니다.

　　두 개의 코일을 생성하여 공진 유도 결합을 하면 장거리 에너지 전송 효율이 향상됩니다. 구체적으로, 인덕터와 커패시터 부하를 결합하여 이 두 코일이 동일한 주파수에서 공진을 발생하도록 조율합니다. 이러한 공진 조건 하에서는, 한 코일에서 다른 코일로 직경의 여러 배에 달하는 많은 양의 전기 에너지가 전달될 수 있습니다.

　　그림 1: 부하 변조는 변압기 결합 중 데이터를 인코딩하는 데 사용됩니다.

　　코일 회로의 Q 값을 조절하여 여러 사이클 후에 비교적 강한 자기장을 형성할 수 있습니다. 이 진동 신호에 전달되는 에너지는 특정 시점에 코일에 공급되는 에너지보다 높습니다. 2차 코일은 이 진동하는 자기장의 일부를 받아들여 변환할 수 있기 때문에, 출력 전기 에너지는 전통적인 변압기보다 높습니다. 조율된 커패시터를 사용해 공진을 달성하면 이미터 내 유혹 및 자화성 인덕턴스를 제거하여, 일반적으로 유도된 손실의 10배에서 100배에 달하는 코일 권선의 저항 손실을 근본적으로 줄일 수 있습니다.

　　전통적인 변압기보다 높은 Q값을 얻기 위해 코일은 보통 솔레노이드로 설계되어 피부 영향을 최소화하는 데 도움을 줍니다. 일반적으로 유전 손실은 작은 유전 정수 인덕터를 사용하거나 공기만을 사용함으로써 최소화할 수 있습니다.

　　실제로 코일은 항상 정확한 공진 주파수에 맞춰져 있지 않습니다. 2차 코일이 일정량의 자기장선을 가로채는 한, 느슨하게 결합된 시스템은 전기 에너지를 전송할 수 있습니다. 더 정밀한 코일 매칭을 통해 더 강한 결합을 달성하면 더 높은 전기 에너지를 얻을 수 있지만, 공진 조건에서 동시에 작동하도록 설계된 코일의 경우 이들 간의 결합을 유지하는 것은 불가능합니다. 이 회로들은 수신기와 송신기의 공진 주파수가 약간씩 다를 때만 디튜닝된 변조기 조건에서만 작동하도록 설계될 수 있습니다.

　　안타깝게도 밀접하게 결합된 코일은 정렬에 의해 쉽게 영향을 받으며, 사용자가 최적의 위치나 위치를 고려하지 않고 단순히 충전 패드에 기기를 올려놓고 성공적으로 충전하려는 소비자 애플리케이션에서는 문제가 됩니다. 따라서 충전에 사용되는 송신기는 여러 개의 코일을 사용할 수 있습니다. 이로 인해 설계 복잡성이 증가하지만 위치 선택의 자유도가 더 높아집니다. 코일 오버랩은 필수가 아니어 생산 중 조립이 간소화되지만, 코일 오버래핑은 밀도를 높이고 수신기 배치의 자유도를 높입니다.

　　단일 송신기로 서로 다른 기기를 성공적으로 충전하려면 특정 표준을 채택해야 합니다. 현재 사용되는 주요 표준은 두 가지입니다. 파워매트 시스템은 단일 송신기 코일을 기반으로 한 느슨한 결합 시스템을 중심으로 설계된 무선 전력 연합(Alliance for Wireless Power)이 주장하는 표준입니다. 무선 전력 컨소시엄의 Qi 시스템은 동시 느슨 동작과 촘촘한 결합 동작 등 다양한 구성을 지원합니다. 대부분의 현재 송신기는 다중 코일 밀접 결합 구성을 사용합니다.

　　이 두 표준은 충전 패드가 충전 중일 때만 작동하는지 에너지 관리도 고려합니다. 예를 들어, Qi 시스템은 통신 프로토콜을 사용해 코일에 신호를 중계하여 장치가 존재하는지, 그리고 Qi 시스템을 지원하는지 확인합니다. 이 표준에 따르면, 송신기는 110 kHz에서 205 kHz 범위 내에서 코일의 스위칭 주파수를 변경할 수 있으며, 이는 전력 전달의 주요 제어 메커니즘 역할을 합니다.

　　Qi 표준에서는 코일 전압을 이용해 공기 간극 반대편에 있는 장치로 데이터를 전송하기 위해 부하의 단순 변조가 수행됩니다. 보조 코일로부터의 통신은 다양한 이중 상(dual-phase) 비트 코딩 방식을 사용하며, 2 kHz의 일정한 동작 주파수와 8비트 데이터 전송 전에 추가 시작 비트를 사용합니다. 데이터를 전송한 후에는 패리티 검사와 스톱 비트가 사용됩니다.

　　그림 2: 이중 상 인코딩은 이진 데이터 전송 기능을 가능하게 합니다.

　　대량의 제어 데이터를 전송할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 제어 데이터 패킷 유형은 신호 세기, 제어 오류, 단자 전력 요구량, 정류기 전력 수준입니다. 신호 세기는 충전 패드 위 기기의 위치를 조절하는 데 도움을 주며, 가시적 또는 청각 신호와 함께 사용할 경우 사용자가 충전 패드를 따라 움직이도록 유도하여 신호 세기가 충분한 전류 전달을 나타낼 수 있음을 나타냅니다.

　　제어 오류 데이터 패킷은 수신 코일에서 관찰된 입력 전압과 필요한 입력 전압 간의 오차 정도를 나타낼 수 있습니다. 송신기는 일반적으로 제어 회로를 사용하여 코일에 가해지는 전압을 조절합니다. 오류가 크면 이 오류 패킷의 빈도가 더 큰 값으로 설정됩니다. 32ms마다 패킷이 전송되어 오류가 임계값 이하로 떨어질 때까지 반복됩니다. 이 관점에서 이 패킷들은 250ms마다 전송됩니다. 제어 오류 데이터 패킷은 전력 전달 조정에 매우 유용합니다. 가벼운 부하 상태에서는 수신기가 전류 과도현상을 극복하기 위해 더 높은 전압이 필요할 수 있습니다—예를 들어, 슬립 상태에서 깨어나는 웨어러블 기기 등이 그렇습니다. 부하 전류가 클 때, 휴대용 장치는 LDO 조절기의 전력 손실을 방지하기 위해 낮은 전압을 요구할 수 있습니다.

　　장치가 완전히 충전되었거나 배터리를 손상시킬 수 있는 내부 결함이 감지되면, 전력 전송 중단 요청을 보냅니다. 전력 전달은 정류된 전원 공급 정보를 통해 제어됩니다. 이 장치는 웨어러블 장치가 정류기 회로 출력에서 받는 전력을 중계하고 전달합니다. 송신기는 이 정보를 이용해 결합 주파수를 결정하고, 수신기가 최대 전력 한계에 도달했는지 여부도 판단합니다. 350ms에서 1800ms마다 송신기는 데이터 패킷이 없는 간격을 이용해 충전 패드 위의 장치가 제거되었는지 확인합니다. 정류기 전원 공급 정보는 이물질 감지에도 도움을 줍니다.

　　Qi 프로토콜을 지원하고 전력 공급을 제어하는 칩셋은 이미 출시되었습니다. 예를 들어, 도시바는 송신기용 TB6865AFG 장치를 출시했습니다. 이 고도로 통합된 구성 요소에는 고객 코드를 실행하는 ARM Cortex-M3 프로세서와 전원 전달을 위한 외부 H-브리지 회로를 지원하는 PWM 컨트롤러가 포함되어 있습니다. Qi 표준에 따르면, 컨트롤러는 최대 두 개의 장치의 전력을 제어할 수 있으며 이물질 탐지를 지원합니다.

　　bq51013 장치는 텍사스 인스트루먼트에서 2차 측을 위해 설계된 제품으로, AC/DC 전력 변환, 정류, 송신기에 명령을 보내는 데 필요한 디지털 제어 기능을 지원합니다. bq5101x 시리즈의 모든 장치는 저저항 동기식 정류기, LDO, 전압 및 전류 루프 컨트롤러를 사용합니다.

　　컨트롤러 외에도, 제조사들은 Qi 프로토콜 표준을 지원하는 기성 코일을 제공하며, 이는 송신기, 수신기 또는 두 가지 모두로 설계되었습니다. 예를 들어, Abracon의 AWCCA-50N50 시리즈는 송신기와 수신기 모두를 지원합니다. 코일 직경은 50mm 미만이며 강력한 자기 저항성을 가지고 있어 장치 내부의 전자 부품을 보호합니다. 이 설계들은 Q 인자를 70 또는 160 범위에서 선택할 수 있으며, 이 두 경우 DC 저항은 약 20 mΩ 또는 70 mΩ입니다.

　　소형 웨어러블 기기를 위해 TDK는 WR303050 코일을 출시하고 패키지 크기를 30 x 30 mm, 두께 1mm로 줄였습니다. 상온에서 DC 저항은 0.41 Ω입니다.

　　유연성을 높이기 위해 Vishay Dale의 IWAS-3827은 정사각형 대신 직사각형 기판을 선택할 수 있으며, 길이 38mm, 너비 27mm입니다. 이 코일의 두께는 1mm이며, DC 저항은 0.18 Ω, 일반적인 Q 값은 30입니다.

　　그림 3: 무선 전원 공급용 AVishay Dale 코일.

　　보다 통합된 솔루션을 제공하기 위해 TDK의 TMx-66-2M7과 TMx-58-2M7은 TI 수신기 칩과 함께 패키지화할 수 있어 총 길이 66mm, 두께 1mm의 패키지 장치를 구현할 수 있습니다.

　　기타 선택 가능한 무선 충전 장치로는 Würth Electronics에서 제공하는 다양한 WPCC 및 WE-WPCC 시리즈 무선 충전 코일이 있습니다. 이 코일들은 송신기와 수신기 구성 모두 제공되며, 정격 전류는 0.8A에서 13A까지 다양하고 다양한 크기로 다양한 응용 요구사항을 충족합니다. Würth/TI 무선 전력 데모 키트(760308)를 사용하여 Würth 송수신기 코일을 사용하는 무선 충전의 개념과 이점을 시연할 수 있습니다.

　　Qi와 같은 프로토콜 생태계가 확장됨에 따라, 디자인 작업을 단순화하고 웨어러블 기기의 충전 방식을 더 간편하게 만드는 통합 솔루션이 기대됩니다.