커넥터 없이 배터리를 편리하게 충전한다
충전용 커넥터를 이용하기 어렵거나 혹은 불가능한 경우가 있을 수 있다. 여기서는 이러한 환경에서 사용할
수 있는 대안 기법들 중 커넥터를 제거하고 무선 충전이 가능하도록 하는 기술에 대해 살펴본다. 무선 충전
솔루션은 커넥터를 사용할 수 없는 애플리케이션에서 유용성, 신뢰성, 견고성을 높일 수 있다.
Tony Armstrong Linear Technology Corporation
많은 전자기기 제품이 일차적인 전원 소스로 배터리를 사용한다. 물론 우리는 겉에 과일 로고가 그려진 ‘i-어쩌고’라는 제품들에 대해 잘 알고 있다. 하지만 이와 같이 세련되지는 않았어도 그 외에 무수히 다양한 유형의 제품에서도 중요한 애플리케이션들에 배터리가 사용되고 있다. 예를 들면 휴대 의료 장비, 산업용 센서, 회전 장치나 무빙 장치에도 배터리가 사용되고 있다. 온건한 소비자 기기 환경과 달리 이러한 애플리케이션은 소독을 필요로 하거나 정유 공장, 화학 처리 설비 등과 같이 폭발 위험성이 존재하는 혹독한 환경에서 동작해야 하며 더 까다로운 요구를 충족시켜야 한다.
이와 같이 많은 애플리케이션에서는 충전용 커넥터를 이용하기 어렵거나 불가능할 수 있다. 예를 들어 어떤 제품에는 민감한 전자 장치를 혹독한 환경으로부터 보호하기 위해 밀봉 인클로저가 필요할 수 있다. 또 어떤 애플리케이션은 크기가 너무 작아 커넥터를 포함시키지 못할 수도 있다. 배터리 사용 애플리케이션이 무브먼트나 회전 장치를 포함한 경우, 선을 이용하여 충전하는 것이 거의 불가능할 수도 있다.
그렇다면 이러한 환경에서는 어떤 대안적인 기법들을 사용할 수 있을까? 그 방법 중 하나가 커넥터를 제거하고 무선 충전이 가능하도록 하는 것이라고 생각된다. 무선 충전 솔루션은 커넥터를 사용할 수 없는 이러한 애플리케이션에서 유용성과 신뢰성, 견고성을 높여 준다.
무선 전력 전송
그렇다면 커넥터를 이용할 수 없는 이러한 환경에서 무선 충전이 유용한 솔루션이라면 그 솔루션은 어떤 것이고 어떻게 달성할 수 있는가? 이 기법을 쉽고 단순하게 정의하자면 다음과 같다.
무선 전원이란, 와이어를 이용하지 않고 전원 소스에서 전기 부하로 전기 에너지를 전송하는 것이다. 하지만 이러한 정의는 편의상 과도하게 단순화시킨 것이며, 실제로 이 과정을 수행하기 위해서는 여러 가지 까다로운 과제들을 해결해야 한다. 그렇다면 그 과제들은 무엇이며 그것을 해결하기 위해서는 어떻게 해야 하는지 상세히 알아 보자. 그러기 위해서는 먼저 기본적인 작동 원리부터 살펴봐야 할 것이다.
전기 전류는 와이어와 같은 도체를 통해 흐름으로써 전기 에너지를 전달한다. 전기 전류가 회로(또는 와이어)를 통과할 때 도체 부근으로 자기장이 발생된다. 교류 전류를 이용하는 회로에서는 와이어 부근에서 시간적으로 변화하는 자기장이 발생한다. 이와 같이 시간적으로 변화하는 자기장에 도체를 가까이하면 전류가 유도된다.
전자 시스템에서는 외부 소스나 커패시터 방전으로 인해 발생되는 스트라이크를 비롯하여 전기적 트랜션트가 흔히 발생되는데, 이러한 트랜션트가 점화 시스템에서 콘텐서 방전 등과 같이 내부적으로 반복 장애를 일으킬 수 있다.
자기장의 세기는 도체를 통해 흐르는 전류의 크기에 비례한다. 자기 결합(Magnetic Coupling)의 원리로서 자기장을 발생시키는 도체(1차 측)에서 자기장이 충돌하는 도체(2차 측)로 에너지가 전송된다. 결합 계수가 낮고 느슨하게 결합된 시스템에서는 고주파 전류가 도체를 따라 긴 거리를 통과하지 못하고, 케이블을 따라 임피던스 불일치로 인해 빠르게 에너지를 소실함으로써 에너지가 소스로 반사되거나 공기 중으로 방사된다.
그림 1은 느슨하게 결합된 권선들이 자기장을 통해 연결되어 있는 것을 나타낸 것이다. 여기서는 LTC4120이 사용됐다. LTC4120에 대해서는 뒤에서 좀 더 자세히 설명한다.
무선 전력을 이용한 배터리 충전
무선 전력 충전 시스템을 설계할 때 가장 중요하게 고려해야 할 파라미터는 실제 배터리로 전달되는 충전 전력의 양이다. 이 수신 전력은 전송되는 전력량, 전송 코일과 수신 코일 사이의 거리와 정렬, 즉 코일들 사이의 결합, 전송 및 수신 소자들의 허용오차를 비롯하여 여러 요인들에 따라 좌우된다.
무선 전력 디자인에서 가장 중요하게 달성해야 할 목표는 최악의 상황일 때의 전력 전송 조건이라 하더라도 필요한 전력이 공급되도록 보장하는 것이다. 또한 최선의 상황일 때 리시버 측에 과도한 열 또는 전기적 스트레스를 일으키지 않도록 해야 한다. 이 점은 특히 출력 전력 요구가 낮을 때 중요하다.
예를 들어 배터리가 최대로 충전되어 있거나 또는 거의 최대에 가깝게 충전되어 있고 코일들이 매우 가깝게 놓여있다고 하자. 이러한 상황일 때 무선 시스템으로부터 이용할 수 있는 전력은 높지만 필요로 하는 요구 전력은 낮은 상태이다. 이 경우, 여분의 전력이 높은 정류 전압으로 이어지거나 여분의 전력을 열로 소산시켜야 하는 필요성이 제기된다.
요구되는 리시버 전력이 낮을 때 여분의 전력을 처리하는 데에는 여러 가지 방법이 있을 수 있다. 정류된 전압을 전력 제너 다이오드나 트랜션트 전압 억제 소자를 이용하여 클램핑 할 수 있다. 하지만 이 방법은 통상적으로 크기가 크고 상당한 열을 발생시킨다. 트랜스미터 전력을 낮추는 방법도 있는데, 이렇게 하면 이용할 수 있는 수신 전력을 제한하거나 아니면 전송 거리를 낮출 수 있다. 또는 수신된 전력량을 트랜스미터 측에 송신하고 그에 따라 전송 전력을 조절할 수 있다. 이 방법이 WPC(Wireless Power Consortium) Qi 표준 등의 무선 전력 전송 표준에서 채택되고 있는 기법이다. 통신을 통해 전송되는 전력 레벨에 소량의 변화를 주는 기법은 최소한의 전력 전송량을 필요로 하고, 가변적 전송 거리로 동작하는 시스템에서는 효과적이지 않을 수 있다. 하지만 이제 복잡한 디지털 통신 기법에 의존하지 않고 좀 더 콤팩트하고 효율적인 방식으로 이 문제를 해결할 수 있게 되었다.
무선 충전에 편리하게 사용할 수 있는 IC
위에서 열거한 요구들을 충족하는 제품으로 리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LTC4120 무선 전원 리시버 및 배터리 충전기 IC가 있다. 이 IC는 리니어의 기술 파트너사인 파워바이프록시(PowerbyProxi)의 기술을 적용한 것이다. 파워바이프록시의 특허 기술인 Dynamic Harmoni-zation Control(DHC) 기술은 리시버 측에 과도한 열 또는 전기적 스트레스를 일으키지 않으면서 고효율 비접촉 충전을 가능하게 한다. 이 기술을 이용하면 최대 1.2cm 거리로 최대 2W를 전송할 수 있다. 하지만 단일셀 리튬이온 배터리라면 최대 충전 전압이 4.2V이고 최대 충전 전류가 400mA이므로 이 값이 1.7W로 제한될 것이다. 마찬가지로 최대 2W이므로 2개의 직렬 리튬이온 배터리(8.4V 최대 충전 전압)는 240mA의 충전 전류로 제한될 것이다.
전력, 효율, 거리, 크기에 따라 시스템 성능이 좌우되므로 LTC4120 기반의 무선 전력 전송 시스템은 여러 가지 다양한 트랜스미터 옵션을 이용하여 배터리에 최대 1.2cm 거리로 최대 2W를 수신할 수 있도록 설계되었다. 효율은 사용한 기법과 소자 부품에 따라 크게 달라진다. LTC4120 기반 시스템에서의 배터리는, 통상적으로 트랜스미터로 제공된 DC 입력 전력의 45∼55%를 수신한다.
LTC4120에 적용된 PowerbyProxi의 DHC 튜닝 기술은 여타 무선 전력 전송 솔루션과 비교했을 때 중요한 이점들을 제공한다. DHC 기술은 환경과 부하가 변화하는 데 따라서 리시버 상의 공진 탱크 회로의 공진 주파수를 동적으로 변화시킨다. 그에 따라 DHC 기술은 더 높은 전력 전송 효율을 달성하고, 더 소형화된 리시버 크기와 더 뛰어난 전송 거리를 가능하게 한다. 다른 무선 전력 전송 기술들과 달리, DHC 기술은 유도 전력 자기장의 일부분으로서 근본적인 전력 레벨 관리를 가능하게 하므로 리시버를 유효한 것으로 식별하거나 배터리 충전 사이클 시 부하 요구량의 변화에 따라 관리하는 데 별도의 통신 채널을 필요로 하지 않는다.
그러므로 DHC 기술은 모든 무선 전력 전송 시스템에서 본질적인 문제를 해결할 수 있도록 한다. 모든 시스템은 특정한 최대 전송 거리로 특정한 양의 전력을 수신할 수 있도록 설계해야 한다. 또한 모든 시스템은 최소 전송 거리이면서 무부하인 조건을 견딜 수 있도록 설계해야 한다. 다른 솔루션들은 이 문제를 극복하기 위해 복잡한 디지털 통신 시스템을 이용하고 있는데, 그에 따라 복잡성과 비용이 증가되고 전력 전송 거리가 제한된다. LTC4120 기반의 무선 전력 전송 시스템은 파워바이프록시의 DHC 기술을 포함시킴으로써 이 문제를 쉽게 해결할 수 있도록 했다.
리니어 테크놀로지와 파워바이프록시의 협력
파워바이프록시는 2007년부터 산업용 고객들에게 무선 전력 전송 솔루션을 제공하고 있다. 이 회사는 자체적인 마케팅에 많은 비용과 자원을 투자하기 보다는 연구개발을 통해 기술을 향상시키면서 리니어 테크놀로지와 같은 업계 리더들과 제휴를 통해 자사의 기술을 시장으로 확대하는 전략을 택하고 있다.
리니어 테크놀로지가 파워바이프록시와 협력 관계를 맺은 가장 큰 이유는 포괄적인 IP 포트폴리오와 솔루션 설계 노하우를 축적함으로써 고객들에게 업계의 앞선 기술을 제공할 수 있고, 그 기술을 뒷받침하기 위해 포괄적인 IP를 지원할 수 있기 때문이다.
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무선 충전은 ‘I’…나 ‘robot’…과 같은 대량 소비자 기기 시장에서 널리 이용되고 있을 뿐만 아니라, 산업용 및 의료용 휴대 제품들에서도 1cm 가량의 간격으로 내부 배터리를 무선으로 충전할 수 있도록 하는 것이 장비 구현에 필수적인 요구사항으로 되고 있다. 최근까지만 해도 설계 엔지니어들이 선택할 수 있는 방법이 제한적이었기 때문에 성공적이며 유용한 최종 제품을 설계하는 데 걸림돌이 되었다. 하지만 이제 리니어 테크놀로지의 LTC4120이 출시됨에 따라 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 되었다. 이 통합적인 IC는 최대 1.2cm 거리의 코일로부터 전송되는 전력을 무선으로 수신하고 배터리를 충전할 수 있는 제품으로, 간편하면서도 효과적인 솔루션을 제공한다. 따라서 커넥터 없이 편리하게 무선 충전이 가능해진다.
