http://dx.doi.org/10.5370/kiee.2012.61.3.437 근거리무선전력전송을위한평형증폭기구조의 10MHz 10W 급전력원설계 논 문 61-3-14 Design of the 10MHz and 10W Power Source for Short Distance Wireless Power Transmission 박동훈 * 김귀성 ** 임은천 *** 박혜미 *** 이문규 (Dong-Hoon Park Gui-Sung Kim Eun-Cheon Lim Hye-Mi Park Moon-Que Lee) Abstract - In this paper, we have designed and manufactured 10MHz power source for the application of short distance wireless power transmission. The designed power source consists of a DDS(direct digital synthesizer) signal generator, a buffer driver and a balanced power amplifier. Short range wireless power transmission is usually carried out by near-field inductive coupling between source and load. The distance variation between source and load gives rise to the change of load impedance of power amplifier, which has effect on the operation of power amplifier. To overcome this problem due to load variation of power amplifier, we have adopted the balanced power amplifier using the quadrature hybrid implemented by lumped capacitors and a mutually coupled coil. The experiment results show the above 40dBm output power, frequency range of 9 to 11MHz, and total DC power consumption of 36W. Key Words : WPT(Wireless Power Transmission), Balanced Amplifier, PA(Power Amplifier) 1. 서론최근스마트폰의보급률증가와함께다양한모바일정보통신기기의사용량이크게증가되고있다. 모바일전자제품의전원의공급은배터리를이용하여공급하며, 배터리의용량의한계로기기사용중의충전은전원플러그근처에서유선으로하는단점을가지고있다. 유선전원공급은제한된전원플러그수로인해멀티탭등을이용하여전원플러그를다중으로묶어사용하고있으며, 전원플러그주변을혼잡하게만들어화재의위험발생요인이되기도한다. 최근에는유선을이용하여배터리를충전하는기존의방법대신이동중이나정지중에전력을무선으로받아쓸수있는무선전력전송 (WPT, Wireless Power Transfer) 이모바일기기의전원공급방법으로활발히연구되고있다. 무선전력전송기술은전력에너지를무선으로전송에유리한마이크로파로변환하여에너지를전달하는방식으로전원선없이전기에너지를공간을통해보내는것으로보통의통신이반송파신호에신호를실어보내는것이라면무선전력전송은반송파만을보내는원리이다.[1] 무선전력전송기술은전기에너지를무선으로전달하여전자기기의이동성을확보하고, 혼잡한전원플러그주변문제를해결할수있 * 정회원 : 서울시립대전자전기컴퓨터공학부박사과정 ** 정회원 : ( 주 ) 엠가드주임연구원 *** 준회원 : 서울시립대전자전기컴퓨터공학부석사과정 교신저자, 정회원 : 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부교수 E-mail : mqlee@uos.ac.kr 접수일자 : 2011년 9월 27일최종완료 : 2012년 2월 21일 다.[2] 또한친환경전기교통분야, 모바일기기, 각종로봇과의료분야등에활용될수있는기술이다. 본논문에서는근거리에서의무선전력전송을위해부하단의변화에도출력단의특성이크게변하지않는평형증폭기 (Balanced amplifier) 구조를이용하여, 9 11MHz 대역의주파수조정범위를갖는 10W급의전력원을설계제작하였다. 2. 본론 2.1 무선전력전송시스템의전체구성및개요그림 1 제안한전력원에대한블록구조 1 Block diagram of the proposed power source 전원선없이전력을전달하기위한무선전력전송기술은 19세기에니콜라테슬라 (Nikola Tesla) 에의해알려진전자기유도원리를사용하게됨으로전력전송에는 RF 전력생성기가필요하며, 전력생성부의기술은 RF 송신기의구조와유사하다. 본논문에서구성한무선전력전송시스템의전체적인구성은다음의그림 1과같다. 설계구조는신호생성부와증폭부로나눌수있다. 신호생성부는신호를생성하기위한 DDS(Direct Digital Synthesizer) 부분과저주파잡음제거를위한 HPF(High-Pass Filter) 부분으로구성하여전력전송에사용할 9 11MHz의깨끗한신호를생성하는부분이다. 증폭부는전력증폭기가동작하기에충 근거리무선전력전송을위한평형증폭기구조의 10MHz 10W 급전력원설계 437
전기학회논문지 61 권 3 호 2012 년 3 월 분한전력으로신호를증폭하는구동증폭기 (Driver Amplifier) 와최종 10W의전력을출력할수있는전력증폭기 (Power Amplifier) 로구성된다. 2.2 신호생성부의구조 위치가고정되어있지않고수시로변할수있는특성을가지고있기때문에부하단의값을 50Ω 고정으로설계하면실제사용에서는설계와다른출력특성을보일수도있다. 따라서본논문에서설계제작한전력증폭기의구조는부하단의임피던스변화에도전력증폭기의특성이변화가적은구조를사용한다. 2.3.1 평형증폭기의구조 그림 2 DDS 블록구조 2 Block diagram of DDS 무선전력전송을위한 CW(Continuous Wave) 신호의생성은일반적인 RF회로에서사용하는 VCO(Voltage Controled Oscillator) 를대신하여주파수가변을 PC 프로그램을이용하여쉽게할수있는 DDS를이용하였다. DDS는디지털적으로주파수합성기를구현함으로서정교한분해능 (resolution) 과우수한위상잡음 (phase noise) 을얻을수있다. 본논문의전력원에서사용한 DDS는 Analog Device 社의 DDS제품인 AD9833을이용하였으며, 출력되는신호의크기를중폭해주기위해서 BJT를이용한증폭기와 Open Collector 버퍼인 7404를사용하였다. 회로의동작은사용자가컴퓨터프로그램을이용하여원하는출력주파수 (9 11MHz) 의값을입력하면, PC와 U-Art 통신으로연결된 AVR(ATmega128) 을통해입력되며, AVR에서 SPI(Serial Peripheral Interconnect) 통신을이용하여 DDS로출력주파수정보를전달한다. DDS에서출력된신호는증폭기와 7407 Open collector 버퍼를통해구동증폭기를동작시킬수있는충분한크기의신호로증폭이되어출력이된다. 2.3 증폭부설계그림 3 1단마이크로파증폭기다이어그램 3 Block diagram of a single stage microwave amplifier 증폭부는신호생성부에서생성된신호를 10W의최종출력으로증폭하여주는부분으로구동증폭기와전력증폭기부분으로구성되어있다. 그림 3은일반적인마이크로파증폭기의다이어그램이다. 마이크로파증폭기는입출력정합에따라잡음 (noise), 이득 (gain), 전력 (power) 등의출력특성이변하는특성을가지고있다.[2] 무선전력전송에서는부하단이한개가아니라여러개가될수도있고, 부하의 그림 4 90 하이브리드결합을이용한평형증폭기 4 A balanced amplifier using 90 hybrid couplers 평형증폭기의구조는입력단이나출력단의임피던스변화에도안정적으로동작하는대표적인전력증폭기의구조이다. 입력단이나출력단에서의부정합특성에의해생기는반사가 90 하이브리드의종단에서흡수되어두개의증폭기의안정도와입-출력정합이개선되는특성을가지고있다.[4] 평형전력증폭기의출력특성은아래의수식과같다. (1) (2) 식 (1) 과식 (2) 에서증폭기의전체이득은두증폭기의이득의평균이됨을알수있고, 두증폭기를동일한증폭기를사용한다면 이므로, 이되어증폭기의반사가없게된다. 또한두개의증폭기를사용하게되어회로의안정성도높아지게된다. 만일한개의전력증폭기가고장이나게되면전체의전력은 1/2로줄어들게되며, 이는 6dB의손실이생기게되지만회로는동작이되는안정적인구조이다. 평형증폭기에서 10W의출력을얻기위해각각의증폭기의출력을 5W가되게하면 10W의출력을얻을수있으며, 그출력특성은아래와같이쓸수있다. 식 (3) 을이용하여부하단의임피던스변환없이 5W의출력을얻기위한전력증폭기의 의값을계산하면약 22V이므로, 실제전력증폭기의제작에서는 24V를사용하여제작하였다. (3) 438
Trans. KIEE. Vol. 61, No. 3, MAR, 2012 2.3.2 90 하이브리드 (hybrid) 제작 평형증폭기는두개의 90 하이브리드가필요한구조이다. 대표적인 90 하이브리드의구조는브랜치선로하이브리드 (Branch-line Hybrid) 와방향성결합기 (Directional Coupler) 가있다. 이러한소자들은 RF 주파수대역에서전송선로 (Transmission Line) 를이용하여구현하는것이일반적이나, 10MHz와같이낮은주파수에서는비현실적인전송선로의길이가필요하므로실제제작시집중소자를이용하여구현하였다. 본논문에서는하이브리드회로중에서그구조가단순하고구현이용이한구조로그림 5와같이 2개의커패시터와 1개의결합코일만으로구현이가능한구조를제작하였다. 그림 6 BJT증폭기및 Open Collector TTL을이용한버퍼증폭기 6 Buffer amplifier of DDS using a BJT and opne collector TTL 그림 5 집중소자를이용한 90 하이브리드결합기 5 90 hybrid coupler using lumped elements 그림 7 신호생성부에서생성된저주파잡음을제거하기위한 HPF 회로 7 High pass filter for eliminating low frequency noise generated in signal source 상기그림에서트랜스포머의인덕턴스값과커패시터의값은아래의수식으로구해진다.[5] (4) 신호생성부에서신호와함께생성된저주파노이즈를제거하기위한 HPF는그림 7과같은구조로제작하였다. 제작된 HPF의저주파차단주파수는측정결과 9MHz이며, 10MHz, 11MHz에서의삽입손실은각각 1.7dB, 1.06dB를갖고, 1MHz에서의저주파잡은제거특성은 80dB이상이다. (5) 를 50Ω으로하여 10MHz에서계산하면인덕터는약 588nH, 커패시터는약 210pF으로계산된다. 실제구현시전력증폭기뒷단에사용하게되는 90 하이브리드는 10W의전력에도견딜수있는정격이큰소자를이용하여구현하였다. 2.4 제작및측정결과 2.4.1 개별블록의제작회로도 DDS부분의 AD9833의경우제조사의회로를이용하여구성하였으며, SPI통신을하기위해 AVR모듈을사용하였고, AVR을 PC와연동하여주파수를조정할수있도록프로그래밍을하였다. DDS의출력은 DC제거를위한커패시터를통과한후 BJT에의해 1차적인증폭을하고, 24V로연결된 Open Collector 버퍼에의해구동증폭기를동작시키기에충분한크기로증폭을시켜준다. 그림 8 구동증폭기의회로도 8 Schematic of driver amplifier 구동증폭기는저가범용소자인 IRF840소자를이용한간단한 CS(Common Source) 증폭기의구조로제작하였다. 출력단의공진기는증폭기에서생성된 2차하모닉을제거하기위해사용한공진기로 10MHz에서는개방 (open) 으로보이며, 20MHz에서는단락 (short) 으로보이게설계하였다. 근거리무선전력전송을위한평형증폭기구조의 10MHz 10W 급전력원설계 439
전기학회논문지 61 권 3 호 2012 년 3 월 그림 9 제작한전력증폭기의회로도 9 Schematic of the manufactured power amplifier 전력증폭기는 3dB 90 하이브리드를이용한평형증폭기의구조를이용하였으며, 각전력증폭기의회로도는구동증폭기의회로와동일한회로를이용하였다. 10W의매우큰전력을출력하고, 설계시효율을고려하지않았기때문에많은열이발생하므로, 열의발생을줄여정상적인동작을하기위해, 쿨러를이용하여방열을해주어야정상적인동작이가능하다. 2.4.2 측정결과 설계제작하였다. 설계된 RF 무선전력전송전력원은 RF 송신기의반송파만을이용할때의구조를이용하였으며, 실제사용시부하단의값이변하여도전력원의특성이변하지않도록평형증폭기의구조를이용하였다. 설계된전력원은주파수조정범위 9 11MHz 내에서 40dBm이상즉, 10W이상의전력이출력됨을확인하였다. 제작된회로는설계시전력증폭기의효율을고려하지않은설계로인해열이많이발생하는문제가있으므로, 이를쿨러를이용하여해결하였다. 추후제작시에는전력효율을높이고, 열의발생을낮추기위해서증폭기의 Class를높이는방법으로설계를진행하여문제를해결할수있을것으로보인다. 제작된 RF Power Source는실제무선전력전송에사용할때부하단의임피던스변화에영향이적은구조이므로앞으로무선전력전송의많은부분에서응용될것으로기대된다. 감사의글본연구는중소기업청에서지원하는 2011년도산학연공동기술개발사업 (No. 00047744-1) 의연구수행으로인한결과물임을밝힙니다 참고문헌 그림 10 제작된전력소스의제작사진 10 Photograph of the manufactured power source 그림 10은최종제작된모듈의사진과측정을위한연결 도이다. 신호생성부와구동증폭기를포함한하나의모듈 과전력증폭기를구현한모듈을각각제작하여 2개의모듈 로제작하였다. 각모듈의크기는 150mm * 150mm로동일 하여실제사용시두개의모듈을위아래로쌓아서사용할 수있도록설계하였다. 최종출력결과의특성은아래의 표와같이 9 11MHz 대역에서 10W 이상의전력이출력 되는것으로측정되었다. 표 1 제작된회로의주파수별측정결과 Table 1 Measurement results of the manufactured power source Parameter 9 9.5 10 10.5 11 MHz MHz MHz MHz MHz DDS Current [ma] 150 150 150 150 150 DA Current [ma] 245 255 266 272 279 PA Current [ma] 824 843 835 823 810 FAN Current [ma] 201 201 201 201 201 Output Power [dbm] 40.3 40.5 40.4 40.3 40.2 3. 결 론 본논문에서는근거리무선전력전송을위한전력원을 [1] 조덕창, 무선전력전송기술, 정보통신연구진흥원학술정보전파지, 제 2002권 104호. [2] 강승열, 김용해, 이명래, 정태형, 무선에너지전송기술, ETRI 전자통신동향분석, 제 23권 6호, 2008년 12월. [3] Guillermo Gonzallez, "Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design", Prentice Hall, Second Edition, 1996. [4] David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley&Sons,Inc. Third Edition, 2006. [5] Peter Vizmuller, "RF Design Guide System, Circuit, and Equations", Artech House, 1995. 저자소개 박동훈 ( 朴東勳 ) 2006년 2월 : 경원대학교전자공학과공학사 2007년 12월 : 인티그런트테크놀로지즈 ( 주 ) 연구원, 2010년 8월 : 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부공학석사, 2010년 9월 현재 : 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부박사과정 - 마이크로파회로및부품설계 - 마이크로파시스템, RFID 시스템 440
Trans. KIEE. Vol. 61, No. 3, MAR, 2012 김귀성 ( 金貴誠 ) 2009년 2월 : 안양대학교정보통신공학과공학사, 2011년 2월 : 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부공학석사, 2011년 2 월 현재 :( 주 ) 엠가드주임연구원 - RF/Microwave 회로설계 임은천 ( 林銀天 ) 2007년 2월 : 순천대학교컴퓨터과학과학사 2009년 2월 : 순천대학교대학원정보통신공학부멀티미디어공학과공학석사 2008년 4월 2009년 10월 : 은천출판운영 2010년 9월 현재 : 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부석사과정 - 마이크로파시스템 - 소프트웨어엔지니어링 박혜미 ( 朴惠美 ) 2012년 2월 : 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부공학석사, 2012년 1월 현재 : 한국수자원공사연구원 - RFID 회로설계 - RF/Microwave 회로및시스템 이문규 ( 李文揆 ) 1992년 2월 : 한국과학기술원전기및전자공학과공학사, 1994년 2월 : 서울대학교대학원전자공학과공학석사, 1999년 2월 : 서울대학교대학원전자공학과공학박사, 2002년 2월 : 한국전자통신연구원통신위성개발센터선임연구원, 2002년 3월 현재 : 서울시립대학교전자전기컴퓨터공학부부교수 - RFIC - MMDS용초저가발진기개발 - UHF대역 RFID 및안테나모듈 근거리무선전력전송을위한평형증폭기구조의 10MHz 10W 급전력원설계 441