기술기고문
디지털 컨트롤러를 사용하지 않고 무선 충전 수신기와 송신기 사이의 루프를 연결하는 기법
글: 웬웨이 리(Wenwei Li) 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
무선 충전 기술이 소형 웨어러블 디바이스 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 무선 충전 기술을 활용하면 충전 케이블과 밖으로 노출되는 커넥터를 없앨 수 있다. 충전 전류가 10mA 미만인 애플리케이션에서는 전력 소모가 적기 때문에 무선 충전 수신기와 송신기 사이에 폐쇄 루프(closed loop) 제어는 필요 없다. 하지만 충전 전류가 이보다 높은 경우에는, 수신기와 송신기 사이의 결합 계수와 수신기의 요구량에 따라서 송신기가 출력 전력을 동적으로 조절해야 한다. 그렇게 하지 않으면 수신기가 여분의 전력을 열의 형태로 발산해야 하고, 이는 사용자 경험에 영향을 미치며 배터리에도 위협이 될 수 있다. 이 폐쇄 루프를 만들기 위해 흔히 수신기에서 송신기까지 디지털 통신을 사용하지만, 디지털 제어는 설계를 더욱 복잡하게 하고 애플리케이션의 크기를 늘린다.
이 글에서는 수신기 보드 상에서 부품 수를 늘리지 않으면서(보드 공간 절약) 수신기와 송신기 사이에 폐쇄 루프를 만드는 기법을 소개한다. 이 컨셉트를 입증해 보이기 위해서 LTC4125 AutoResonant™ 송신기와 LTC4124 무선 리튬이온 충전기 수신기를 사용하여 폐쇄 루프 제어 무선 충전기 프로토타입을 제작했다.
듀티 사이클 제어 입력을 지원하는 AutoResonant 송신기
LTC4125는 수신기에 전달하는 가용 전력을 극대화하고 전반적인 효율을 높이며 무선 충전 시스템에 포괄적인 보호 기능을 제공하도록 설계된 모놀리식 풀브리지 AutoResonant 무선 전원 송신기다.
LTC4125는 AutoResonant 컨버터를 사용해서 송신 코일(LTX)과 송신 커패시터(CTX)로 이루어진 직렬 공진 탱크를 구동한다. AutoResonant 드라이버는 제로 크로싱 검출기를 사용해서 구동 주파수와 이 탱크의 공진 주파수를 일치시킨다. SW1과 SW2 핀은 LTC4125 내부의 2개의 하프 브리지 출력들이다. 출력 전류 방향이 음에서 양으로 0을 지나는 것을 SWx 핀이 감지하면, SWx는해당 PTHx 핀 전압에 비례한 듀티 사이클로 VIN에 설정된다. SWx 핀이 VIN으로 설정되면, 송신기 공진 탱크에 흐르는 전류가 증가한다. 그러므로 각 브리지 드라이버의 듀티 사이클이 탱크 전류의 진폭을 제어하는데, 이는 송신 전력에 비례한다. 그림 1은 듀티 사이클이 50% 이하인 탱크 전류와 전압 파형을 보여준다. 탱크 전류 진폭의 절대 값은 무선 수신기로부터 반사되는 부하 임피던스를 포함하여, 전반적인 탱크 임피던스에 따라서 결정할 수 있다.
통상적인 동작일 때, LTC4125는 PTHx 전압을 설정하는 내부 5bit DAC를 사용해서 SWx 듀티 사이클을 스위프하고 유효한 부하를 탐색한다. 만약 FB 핀이 특정한 패턴의 전압 변화를 감지하면, 스위프는 정지되고 듀티 사이클은 설정된 시간 간격(보통 3 ~ 5초로 설정) 동안에 그 수준으로 머문다. 그런 다음 새로운 스위프 사이클을 시작해서 동일한 과정을 반복한다. 스위프를 하는 동안 부하 조건이 달라지면, LTC4125는 다음 스위프 기간 초기에 응답할 것이다.
그림 1: 구형파 입력으로 50% 이하의 듀티 사이클일 때 AutoResonant LC 탱크 전압과 전류 파형
폐쇄 루프를 형성하기 위해서는 제어 입력에 따라서 브리지 드라이버의 송신 전력을 조절해야 한다. LTC4125의 특징 중 하나는, PTHx 핀이 브리지 드라이버 듀티 사이클을 알려주는 지표일 뿐 아니라 듀티 사이클을 설정하기 위한 입력으로서 구동될 수도 있다는 점이다. 내부 5bit DAC가 내부 풀업 저항을 사용해서 PTHx 핀의 전압 목표를 설정한다. 하지만 그림 2에서 볼 수 있는 것처럼, FET와 직렬로 외부 풀다운 저항을 사용해서 PTHx 핀으로 커패시터를 동적으로 방전할 수 있으며, 그 결과 PTHx 핀 평균 전압을 낮출 수 있다. 이 풀다운 FET의 게이트 상에서 PWM 신호의 듀티 사이클이 PTHx 핀 상의 평균 전압을 제어한다.
그림 2: PWM 입력 신호로 제어되는 PTHx
LTC4125는 적합한 수신기에 5W 이상의 전력을 제공하도록 설계되었다. LTC4124 수신기와 짝을 이루었을 때, 하프 브리지 드라이버 중의 하나를 비활성화함으로써 송신 전력을 낮출 수 있다. 이는 SW2 핀은 열어 두고 PTH2는 GND에 단락시켜서 할 수 있다. 그런 다음 SW1 핀과 GND 사이에 송신 공진 탱크를 연결할 수 있다. 이런 식으로 LTC4125가 하프 브리지 송신기가 됨으로써 PTH1 핀 상에서 더 낮은 이득과 더 넓은 제어 범위가 가능해진다.
그림 3: 6mm 애플리케이션 보드 상에 LTC4124를 채택한 완전한 무선 배터리 충전 솔루션
LTC4124를 사용하는 무선 충전기 수신기로부터 피드백 신호 생성
LTC4124는 공간 제약적인 애플리케이션을 위해 설계된 고도로 통합적인 100mA 무선 리튬이온 충전기 디바이스이다. 효율적인 무선 전원 매니저, 핀을 사용해서 프로그램 가능한 포괄적 기능의 선형 배터리 충전기, 아이디얼 다이오드 PowerPath™ 컨트롤러를 통합했다.
LTC4124의 무선 전원 매니저는 ACIN 핀을 통해 병렬 공진 탱크에 연결해서, 선형 충전기가 송신 코일에 의해서 생성된 교류 장기장으로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있게 한다. LTC4124는 설정된 속도로 배터리를 충전하는 데 필요한 것 이상의 에너지를 수신하면, VCC 핀 상의 선형 충전기 입력 커패시터가 초과분의 에너지를 흡수하도록 충전된다. VCC핀 전압이 배터리 전압 VBAT보다 1.05V 높은 지점에 도달하면, VCC가 다시 VBAT보다 0.85V 높은 지점으로 떨어질 때까지 무선 전원 매니저가 수신기 공진 탱크를 접지로 션트시킨다. 이런 식으로 입력을 항상 출력보다 약간 더 높은 수준으로 유지하기 때문에 선형 충전기의 효율이 매우 우수하다.
그림 4: LTC4124 수신기에서의 AC 입력 정류 및 DC 레일 전압 레귤레이션
LTC4124의 션트 이벤트는 송신 공진 탱크 상에서 반사되는 부하 임피던스를 낮춰서 송신 탱크의 전류와 전압의 진폭이 상승하도록 만든다. 션트 이벤트는 수신기가 송신기로부터 충분한 전력을 받고 있다는 것을 뜻하므로, 송신 탱크 피크 전압이 상승하는 것을 송신기가 자신의 출력 전력을 레귤레이트 하기 위한 피드백 신호로서 사용할 수 있다.
그림 5: LTC4124 수신기 션트 기간 동안 송신 탱크 전압(VTX)의 상승
피드백 신호 복조 및 루프 폐쇄(closed loop)
수신기 측으로부터 받은 피드백 신호를 송신기 측에서 사용할 수 있게 되었으면, 이 피드백 신호를 변환하고 송신기의 제어 입력으로 전달해서 폐쇄 루프를 제어해야 한다. 그림 6에서 보듯이, 다이오드와 커패시터 CFB1으로 이루어진 반파 정류기로부터 피크 탱크 전압을 얻을 수 있다. 이 전압을 저항 RFB1과 RFB2로 나눈다. 피크 전류의 변화를 검출하기 위해, 저항(RAVG)과 커패시터(CAVG)로 이루어진 저역통과 필터를 통해서 피크 전압 신호를 평균화한다. 이 평균 신호를 원래의 피크 전압 신호와 비교해서 구형파 펄스를 생성할 수 있다. 이 펄스를 LTC4125의 듀티 사이클 제어 입력에 제공해서 송신기의 출력 전력을 레귤레이트 할 수 있다.
그림 6: 송신기 측의 피드백 신호 복조 회로
수신기가 충분한 에너지를 받지 못하면, LTC4125가 출력 전력을 높여야 하는데, 이는 PTHx 핀의 내부 전압 목표를 설정해서 할 수 있다. 내부 전압 목표는 PTHM 핀에 의해 설정된다. LTC4125의 탐색 피리어드를 시작하기 전에 이 핀이 초기 5bit DAC 전압 레벨을 설정한다. IMON 핀에 1V 전압 레퍼런스를 연결해서 탐색을 못하게 하고, 동작하는 동안 PTHx 핀 목표 전압을 초기 값으로 고정되도록 할 수 있다. LTC4124 수신기가 더 높은 전력을 필요로 하면, 션트 이벤트가 정지하고 PTHx 방전 FET가 작동하지 않을 것이다. LTC4124 수신기가 충분한 전력을 받고 션트 이벤트가 시작될 때까지, PTHx 전압은 내부 전압 목표에 이르도록 충전된다.
최대 송신 전력은, 애플리케이션의 가장 안 좋은 결합 계수 위치에서 수신기가 최대 충전 전류를 레귤레이트 할 때 PTHx 전압을 측정함으로써 구할 수 있다. PTHM 핀 전압은 최대 송신 전력 요구를 충족하도록 설정해야 한다.
LTC4124와 LTC4125를 사용한 폐쇄 루프 무선 충전기의 특징과 성능
그림 7은 LTC4125를 기반으로 한 폐쇄 루프 제어 송신기와 100mA LTC4124를 기반으로 한 수신기의 전체 회로도를 나타낸다. 그림에서 보듯이 수신기 측에서는 외부 부품이 거의 필요치 않기 때문에 수신기의 비용을 낮추고 크기를 줄일 수 있다. 송신기 측에서는 LTC4125를 사용하는 통상의 애플리케이션보다 몇 가지 부품만 더 추가하여 폐쇄 루프 제어를 구현하고 있다. AutoResonant 스위칭, 다중 이물체 감지 기법, 과열 보호, 공진 탱크 과전압 보호를 비롯한 LTC4125의 대부분의 기능들이 그대로 제공된다. 이들 기능에 관한 자세한 내용은 LTC4125 데이터 시트에서 확인할 수 있다.
그림 7: 100mA LTC4124 충전기 수신기와 LTC4125 AutoResonant 폐쇄 루프 제어 송신기 결합
LTC4125를 기반으로 한 폐쇄 루프 무선 송신기는 수신기의 전력 요구량에 따라서 자신의 출력 전력을 동적으로 조절할 수 있다. 그림 8은 수신기 코일을 송신기 코일의 중심으로부터 옮겼다가 재빨리 원위치 시켰을 때 이 무선 충전기의 동작을 보여준다. LTC4125 송신기의 출력 전력은 피크 송신 탱크 전압 VTX_PEAK를 통해 알 수 있는데, 두 코일들 간 결합 계수의 갑작스러운 변화에도 매끄럽게 응답하여 충전 전류를 일정하게 유지한다는 것을 알 수 있다.
그림 8: 송신기와 수신기 결합 계수의 갑작스러운 변화에 대한 LTC4124 및 LTC4125 기반 폐쇄 루프 무선 충전기의 반응
충전 전류가 상승하는 동안에는 LTC4124 션트 이벤트가 정지하고 LTC4125가 내부적으로 PTH1 핀을 충전한다. 그 결과, LTC4125의 하프 브리지 드라이버 듀티 사이클이 높아지고 송신 전력이 높아진다. LTC4124가 충전 전류를 레귤레이트 할 수 있을 정도로 송신 전력이 충분히 높아지면, 션트 이벤트가 재개되고 듀티 사이클은 최적 수준으로 유지된다. 충전 전류가 떨어지는 동안에는 LTC4124가 훨씬 더 자주 션트한다. LTC4125가 PTH1 핀으로 커패시터를 재빨리 방전해서 듀티 사이클을 낮추고 LTC4125의 송신 전력을 낮춘다.
그림 9: 충전 전류가 상승할 때 LTC4124 및 LTC4125 기반 폐쇄 루프 무선 충전기의 응답
그림 10: 충전 전류가 떨어질 때 LTC4124 및 LTC4125 기반 폐쇄 루프 무선 충전기의 응답
그림 11: 그림 10을 확대했을 때 보이는 과도 응답의 세부 파형
송신 전력을 항상 수신기 요구량에 따라서 조절하기 때문에, 전반적인 효율은 폐쇄 루프 제어를 사용하지 않은 통상적인 구성의 LTC4124 및 LTC4125 기반 무선 충전기에 비해서 크게 향상된다. 효율 곡선은 LTC4125 최적 전력 탐색 동작 시 내부 DAC 단계가 없을 때가 더 매끄럽다. 전력 손실이 크게 줄기 때문에, LTC4124 충전기와 배터리는 충전 기간 내내 큰 발열 없이 실온에 가까운 온도를 유지한다.
그림 12: 3.5mm 에어 갭으로 다양하게 구성한 LTC4125 및 LTC4124 기반 무선 충전기의 효율
맺음말
LTC4125는 제어 입력을 사용해서 전력 조절이 가능한 송신기로 구성할 수 있다. LTC4124 무선 충전기 수신기의 션트 이벤트는 송신기에 피드백 신호를 제공하기 위해 사용할 수 있다. 이 피드백 신호를 반파 정류기, 전압 분할기, 저역통과 필터, 비교기를 사용해서 복조할 수 있다. 이렇게 처리된 신호를 LTC4125 기반 송신기로 전달해서 폐쇄 루프를 제어할 수 있다. 이 기법을 입증하기 위해 프로토타입을 제작해 시험한 결과, 이 프로토타입은 결합 계수와 충전 전류의 변화에 따라 민첩하고 매끄럽게 응답한다는 것을 확인했다. 이 기법을 사용함으로써 최종 사용자는 수신기를 송신기 상에 좀더 자유롭게 정렬할 수 있다. 또한 이 폐쇄 루프 기법은 송신기 출력 전력을 항상 수신기 전력 요구량과 일치시키기 때문에 전반적인 효율을 향상시키고 전체적인 충전을 훨씬 더 안전하고 신뢰성 있게 할 수 있다.
저자 소개
웬웨이 리(Wenwei Li)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 전원 제품 애플리케이션 엔지니어이다(매사추세츠주 첼름스퍼드). 2014년에 중국 창사에 있는 후난 대학에서 공학학사 학위를, 2016년에 오하이오 주립대학에서 석사학위를 취득했다. 문의: wenwei.li@analog.com
머리말
무선 충전 기술이 소형 웨어러블 디바이스 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 무선 충전 기술을 활용하면 충전 케이블과 밖으로 노출되는 커넥터를 없앨 수 있다. 충전 전류가 10mA 미만인 애플리케이션에서는 전력 소모가 적기 때문에 무선 충전 수신기와 송신기 사이에 폐쇄 루프(closed loop) 제어는 필요 없다. 하지만 충전 전류가 이보다 높은 경우에는, 수신기와 송신기 사이의 결합 계수와 수신기의 요구량에 따라서 송신기가 출력 전력을 동적으로 조절해야 한다. 그렇게 하지 않으면 수신기가 여분의 전력을 열의 형태로 발산해야 하고, 이는 사용자 경험에 영향을 미치며 배터리에도 위협이 될 수 있다. 이 폐쇄 루프를 만들기 위해 흔히 수신기에서 송신기까지 디지털 통신을 사용하지만, 디지털 제어는 설계를 더욱 복잡하게 하고 애플리케이션의 크기를 늘린다.
이 글에서는 수신기 보드 상에서 부품 수를 늘리지 않으면서(보드 공간 절약) 수신기와 송신기 사이에 폐쇄 루프를 만드는 기법을 소개한다. 이 컨셉트를 입증해 보이기 위해서 LTC4125 AutoResonant™ 송신기와 LTC4124 무선 리튬이온 충전기 수신기를 사용하여 폐쇄 루프 제어 무선 충전기 프로토타입을 제작했다.
듀티 사이클 제어 입력을 지원하는 AutoResonant 송신기
LTC4125는 수신기에 전달하는 가용 전력을 극대화하고 전반적인 효율을 높이며 무선 충전 시스템에 포괄적인 보호 기능을 제공하도록 설계된 모놀리식 풀브리지 AutoResonant 무선 전원 송신기다.
LTC4125는 AutoResonant 컨버터를 사용해서 송신 코일(LTX)과 송신 커패시터(CTX)로 이루어진 직렬 공진 탱크를 구동한다. AutoResonant 드라이버는 제로 크로싱 검출기를 사용해서 구동 주파수와 이 탱크의 공진 주파수를 일치시킨다. SW1과 SW2 핀은 LTC4125 내부의 2개의 하프 브리지 출력들이다. 출력 전류 방향이 음에서 양으로 0을 지나는 것을 SWx 핀이 감지하면, SWx는해당 PTHx 핀 전압에 비례한 듀티 사이클로 VIN에 설정된다. SWx 핀이 VIN으로 설정되면, 송신기 공진 탱크에 흐르는 전류가 증가한다. 그러므로 각 브리지 드라이버의 듀티 사이클이 탱크 전류의 진폭을 제어하는데, 이는 송신 전력에 비례한다. 그림 1은 듀티 사이클이 50% 이하인 탱크 전류와 전압 파형을 보여준다. 탱크 전류 진폭의 절대 값은 무선 수신기로부터 반사되는 부하 임피던스를 포함하여, 전반적인 탱크 임피던스에 따라서 결정할 수 있다.
통상적인 동작일 때, LTC4125는 PTHx 전압을 설정하는 내부 5bit DAC를 사용해서 SWx 듀티 사이클을 스위프하고 유효한 부하를 탐색한다. 만약 FB 핀이 특정한 패턴의 전압 변화를 감지하면, 스위프는 정지되고 듀티 사이클은 설정된 시간 간격(보통 3 ~ 5초로 설정) 동안에 그 수준으로 머문다. 그런 다음 새로운 스위프 사이클을 시작해서 동일한 과정을 반복한다. 스위프를 하는 동안 부하 조건이 달라지면, LTC4125는 다음 스위프 기간 초기에 응답할 것이다.
그림 1: 구형파 입력으로 50% 이하의 듀티 사이클일 때 AutoResonant LC 탱크 전압과 전류 파형
폐쇄 루프를 형성하기 위해서는 제어 입력에 따라서 브리지 드라이버의 송신 전력을 조절해야 한다. LTC4125의 특징 중 하나는, PTHx 핀이 브리지 드라이버 듀티 사이클을 알려주는 지표일 뿐 아니라 듀티 사이클을 설정하기 위한 입력으로서 구동될 수도 있다는 점이다. 내부 5bit DAC가 내부 풀업 저항을 사용해서 PTHx 핀의 전압 목표를 설정한다. 하지만 그림 2에서 볼 수 있는 것처럼, FET와 직렬로 외부 풀다운 저항을 사용해서 PTHx 핀으로 커패시터를 동적으로 방전할 수 있으며, 그 결과 PTHx 핀 평균 전압을 낮출 수 있다. 이 풀다운 FET의 게이트 상에서 PWM 신호의 듀티 사이클이 PTHx 핀 상의 평균 전압을 제어한다.
그림 2: PWM 입력 신호로 제어되는 PTHx
LTC4125는 적합한 수신기에 5W 이상의 전력을 제공하도록 설계되었다. LTC4124 수신기와 짝을 이루었을 때, 하프 브리지 드라이버 중의 하나를 비활성화함으로써 송신 전력을 낮출 수 있다. 이는 SW2 핀은 열어 두고 PTH2는 GND에 단락시켜서 할 수 있다. 그런 다음 SW1 핀과 GND 사이에 송신 공진 탱크를 연결할 수 있다. 이런 식으로 LTC4125가 하프 브리지 송신기가 됨으로써 PTH1 핀 상에서 더 낮은 이득과 더 넓은 제어 범위가 가능해진다.
그림 3: 6mm 애플리케이션 보드 상에 LTC4124를 채택한 완전한 무선 배터리 충전 솔루션
LTC4124를 사용하는 무선 충전기 수신기로부터 피드백 신호 생성
LTC4124는 공간 제약적인 애플리케이션을 위해 설계된 고도로 통합적인 100mA 무선 리튬이온 충전기 디바이스이다. 효율적인 무선 전원 매니저, 핀을 사용해서 프로그램 가능한 포괄적 기능의 선형 배터리 충전기, 아이디얼 다이오드 PowerPath™ 컨트롤러를 통합했다.
LTC4124의 무선 전원 매니저는 ACIN 핀을 통해 병렬 공진 탱크에 연결해서, 선형 충전기가 송신 코일에 의해서 생성된 교류 장기장으로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있게 한다. LTC4124는 설정된 속도로 배터리를 충전하는 데 필요한 것 이상의 에너지를 수신하면, VCC 핀 상의 선형 충전기 입력 커패시터가 초과분의 에너지를 흡수하도록 충전된다. VCC핀 전압이 배터리 전압 VBAT보다 1.05V 높은 지점에 도달하면, VCC가 다시 VBAT보다 0.85V 높은 지점으로 떨어질 때까지 무선 전원 매니저가 수신기 공진 탱크를 접지로 션트시킨다. 이런 식으로 입력을 항상 출력보다 약간 더 높은 수준으로 유지하기 때문에 선형 충전기의 효율이 매우 우수하다.
그림 4: LTC4124 수신기에서의 AC 입력 정류 및 DC 레일 전압 레귤레이션
LTC4124의 션트 이벤트는 송신 공진 탱크 상에서 반사되는 부하 임피던스를 낮춰서 송신 탱크의 전류와 전압의 진폭이 상승하도록 만든다. 션트 이벤트는 수신기가 송신기로부터 충분한 전력을 받고 있다는 것을 뜻하므로, 송신 탱크 피크 전압이 상승하는 것을 송신기가 자신의 출력 전력을 레귤레이트 하기 위한 피드백 신호로서 사용할 수 있다.
그림 5: LTC4124 수신기 션트 기간 동안 송신 탱크 전압(VTX)의 상승
피드백 신호 복조 및 루프 폐쇄(closed loop)
수신기 측으로부터 받은 피드백 신호를 송신기 측에서 사용할 수 있게 되었으면, 이 피드백 신호를 변환하고 송신기의 제어 입력으로 전달해서 폐쇄 루프를 제어해야 한다. 그림 6에서 보듯이, 다이오드와 커패시터 CFB1으로 이루어진 반파 정류기로부터 피크 탱크 전압을 얻을 수 있다. 이 전압을 저항 RFB1과 RFB2로 나눈다. 피크 전류의 변화를 검출하기 위해, 저항(RAVG)과 커패시터(CAVG)로 이루어진 저역통과 필터를 통해서 피크 전압 신호를 평균화한다. 이 평균 신호를 원래의 피크 전압 신호와 비교해서 구형파 펄스를 생성할 수 있다. 이 펄스를 LTC4125의 듀티 사이클 제어 입력에 제공해서 송신기의 출력 전력을 레귤레이트 할 수 있다.
그림 6: 송신기 측의 피드백 신호 복조 회로
수신기가 충분한 에너지를 받지 못하면, LTC4125가 출력 전력을 높여야 하는데, 이는 PTHx 핀의 내부 전압 목표를 설정해서 할 수 있다. 내부 전압 목표는 PTHM 핀에 의해 설정된다. LTC4125의 탐색 피리어드를 시작하기 전에 이 핀이 초기 5bit DAC 전압 레벨을 설정한다. IMON 핀에 1V 전압 레퍼런스를 연결해서 탐색을 못하게 하고, 동작하는 동안 PTHx 핀 목표 전압을 초기 값으로 고정되도록 할 수 있다. LTC4124 수신기가 더 높은 전력을 필요로 하면, 션트 이벤트가 정지하고 PTHx 방전 FET가 작동하지 않을 것이다. LTC4124 수신기가 충분한 전력을 받고 션트 이벤트가 시작될 때까지, PTHx 전압은 내부 전압 목표에 이르도록 충전된다.
최대 송신 전력은, 애플리케이션의 가장 안 좋은 결합 계수 위치에서 수신기가 최대 충전 전류를 레귤레이트 할 때 PTHx 전압을 측정함으로써 구할 수 있다. PTHM 핀 전압은 최대 송신 전력 요구를 충족하도록 설정해야 한다.
LTC4124와 LTC4125를 사용한 폐쇄 루프 무선 충전기의 특징과 성능
그림 7은 LTC4125를 기반으로 한 폐쇄 루프 제어 송신기와 100mA LTC4124를 기반으로 한 수신기의 전체 회로도를 나타낸다. 그림에서 보듯이 수신기 측에서는 외부 부품이 거의 필요치 않기 때문에 수신기의 비용을 낮추고 크기를 줄일 수 있다. 송신기 측에서는 LTC4125를 사용하는 통상의 애플리케이션보다 몇 가지 부품만 더 추가하여 폐쇄 루프 제어를 구현하고 있다. AutoResonant 스위칭, 다중 이물체 감지 기법, 과열 보호, 공진 탱크 과전압 보호를 비롯한 LTC4125의 대부분의 기능들이 그대로 제공된다. 이들 기능에 관한 자세한 내용은 LTC4125 데이터 시트에서 확인할 수 있다.
그림 7: 100mA LTC4124 충전기 수신기와 LTC4125 AutoResonant 폐쇄 루프 제어 송신기 결합
LTC4125를 기반으로 한 폐쇄 루프 무선 송신기는 수신기의 전력 요구량에 따라서 자신의 출력 전력을 동적으로 조절할 수 있다. 그림 8은 수신기 코일을 송신기 코일의 중심으로부터 옮겼다가 재빨리 원위치 시켰을 때 이 무선 충전기의 동작을 보여준다. LTC4125 송신기의 출력 전력은 피크 송신 탱크 전압 VTX_PEAK를 통해 알 수 있는데, 두 코일들 간 결합 계수의 갑작스러운 변화에도 매끄럽게 응답하여 충전 전류를 일정하게 유지한다는 것을 알 수 있다.
그림 8: 송신기와 수신기 결합 계수의 갑작스러운 변화에 대한 LTC4124 및 LTC4125 기반 폐쇄 루프 무선 충전기의 반응
충전 전류가 상승하는 동안에는 LTC4124 션트 이벤트가 정지하고 LTC4125가 내부적으로 PTH1 핀을 충전한다. 그 결과, LTC4125의 하프 브리지 드라이버 듀티 사이클이 높아지고 송신 전력이 높아진다. LTC4124가 충전 전류를 레귤레이트 할 수 있을 정도로 송신 전력이 충분히 높아지면, 션트 이벤트가 재개되고 듀티 사이클은 최적 수준으로 유지된다. 충전 전류가 떨어지는 동안에는 LTC4124가 훨씬 더 자주 션트한다. LTC4125가 PTH1 핀으로 커패시터를 재빨리 방전해서 듀티 사이클을 낮추고 LTC4125의 송신 전력을 낮춘다.
그림 9: 충전 전류가 상승할 때 LTC4124 및 LTC4125 기반 폐쇄 루프 무선 충전기의 응답
그림 10: 충전 전류가 떨어질 때 LTC4124 및 LTC4125 기반 폐쇄 루프 무선 충전기의 응답
그림 11: 그림 10을 확대했을 때 보이는 과도 응답의 세부 파형
송신 전력을 항상 수신기 요구량에 따라서 조절하기 때문에, 전반적인 효율은 폐쇄 루프 제어를 사용하지 않은 통상적인 구성의 LTC4124 및 LTC4125 기반 무선 충전기에 비해서 크게 향상된다. 효율 곡선은 LTC4125 최적 전력 탐색 동작 시 내부 DAC 단계가 없을 때가 더 매끄럽다. 전력 손실이 크게 줄기 때문에, LTC4124 충전기와 배터리는 충전 기간 내내 큰 발열 없이 실온에 가까운 온도를 유지한다.
그림 12: 3.5mm 에어 갭으로 다양하게 구성한 LTC4125 및 LTC4124 기반 무선 충전기의 효율
맺음말
LTC4125는 제어 입력을 사용해서 전력 조절이 가능한 송신기로 구성할 수 있다. LTC4124 무선 충전기 수신기의 션트 이벤트는 송신기에 피드백 신호를 제공하기 위해 사용할 수 있다. 이 피드백 신호를 반파 정류기, 전압 분할기, 저역통과 필터, 비교기를 사용해서 복조할 수 있다. 이렇게 처리된 신호를 LTC4125 기반 송신기로 전달해서 폐쇄 루프를 제어할 수 있다. 이 기법을 입증하기 위해 프로토타입을 제작해 시험한 결과, 이 프로토타입은 결합 계수와 충전 전류의 변화에 따라 민첩하고 매끄럽게 응답한다는 것을 확인했다. 이 기법을 사용함으로써 최종 사용자는 수신기를 송신기 상에 좀더 자유롭게 정렬할 수 있다. 또한 이 폐쇄 루프 기법은 송신기 출력 전력을 항상 수신기 전력 요구량과 일치시키기 때문에 전반적인 효율을 향상시키고 전체적인 충전을 훨씬 더 안전하고 신뢰성 있게 할 수 있다.
저자 소개
웬웨이 리(Wenwei Li)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 전원 제품 애플리케이션 엔지니어이다(매사추세츠주 첼름스퍼드). 2014년에 중국 창사에 있는 후난 대학에서 공학학사 학위를, 2016년에 오하이오 주립대학에서 석사학위를 취득했다. 문의: wenwei.li@analog.com
제품스펙