[기고] 무선 충전 솔루션, 안전과 보안 ‘두 마리 토끼’ 잡는 설계 방법

  • 2020-04-06
  • 글/ Ralf Kodel*, Director Product Marketing Management, 인피니언 Ken Moore**, Chief Executive Officer, Spark Connected





Ralf Ködel*, Director Product Marketing Management, 인피니언 
Ken Moore**, Chief Executive Officer, Spark Connected


이동성과 연결성에 대한 요구가 높아짐에 따라서 무선 충전이 점차 필수적인 요소로 자리잡고 있다. 인피니언과 Spark Connected가 협력해서 전원선 없이 편리하게 충전할 수 있는 차세대 기술과 솔루션을 제공한다. 인피니언과 Spark Connected는 무선 충전에 사용되는 다양한 방식의 기술을 지원하도록 갖추고 있으며 사용자들이 최후의 전원선을 없앨 수 있도록 필요한 솔루션을 제공한다.

편의성, 여러 장치와의 통합, 이동성, 유연성 등 다양한 장점들로 무선 충전이 점점 인기를 끌면서(그림 1), 무선 충전 시장이 빠르게 성장하고 있다. 2019년에서 2025년까지 30퍼센트의 CAGR로 성장하여 2025년에 270억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. 인피니언은 Spark Connected와 제휴해서 무선 충전 전용 전원 컨트롤러를 기반으로 한 포괄적인 솔루션을 제공한다. 여기에는 소프트웨어 IP, MOSFET, 드라이버, 보안 IC, 레퍼런스 디자인을 비롯한 모든 요소를 포함한다.



무선 충전 제품을 설계하기 위해서는 시스템에 대한 전반적인 이해와 전문성이 필요하다. 충전 코일이나 주변 구조와의 상호작용에 관련된 문제들뿐만 아니라, 효율, 기계적 패키징, EMI(전자기 간섭) 같은 문제들을 해결해야 한다. 최적화된 부품을 사용하고 충전기와 디바이스 정렬, 코일 크기, 코일들 간의 간격에 주의를 기울임으로써 우수한 결합 계수를 달성하고 높은 효율로 전력을 전송할 수 있다. 또한 충전을 하는 동안에 금속성 이물체(동전이나 열쇠 등)가 안전상의 위험을 초래할 수 있으므로 FOD(Foreign Object Detection) 기능을 사용해서 이물체를 확실하게 감지해야 한다.

무선 충전의 작동 원리

무선 충전은 변화하는 자기장을 사용해서 코일들을 통해서 두 물체 간에 에너지를 전달한다. 코일들 간에 에너지 전달을 얼마나 효과적으로 할 수 있느냐를 나타낸 것이 “결합 계수”로서, 이것은 코일의 기계적 디자인, 간격, 정렬 같은 여러 요인에 따라서 좌우된다. 코일들이 가깝게 정렬되면 무선 전력 전송이 유선 충전에 필적할 만큼 효율적일 수 있다.

무선 충전 솔루션은 크게 트랜스미터와 리시버의 두 요소로 이루어진다. 트랜스미터는 MOSFET 기반 인버터를 사용해서 DC 전력을 AC 파형으로 변환하고 코일을 구동해서 교류 자기장을 생성한다. 무선 전원 컨트롤러를 사용해서 관련된 MOSFET 드라이버를 통해서 인버터를 실시간으로 제어할 수 있다. 리시버는 정류기를 사용해서 AC 파형을 DC 전력으로 변환하고 레귤레이션 스테이지를 사용해서 부하로 정류된 전압을 제공한다. 대다수 리시버 역시 무선 전원 컨트롤러를 사용해서 전반적인 시스템 관리와 통신을 처리한다.

교류 자기장을 통해서 무선으로 전력을 전송하기 위해서 두 가지 기술이 주로 사용된다. 유도 방식과 공진 방식이다. 두 기술은 각기 특성이 다르고, 이를 반영해서 무선 충전 시장에서 두 표준 기관이 활동하고 있다. WPC(Wireless Power Consortium)와 AirFuel Alliance이다. 그림 2는 두 표준의 차이점을 요약하고 있다.



WPC는 무선 충전 용으로 Qi 표준을 지원하며, 이 표준이 업계의 대표적인 표준으로 자리잡고 있다. Qi 표준은 유도 기술을 사용해서 효율적이며 밀착된 결합으로 충전을 할 수 있다. 또한 다가오는 새로운 WPC Qi 표준에서는 인증 기능을 포함한다. OPTIGA Trust Qi는 인피니언의 최적화된 IoT 보안 솔루션으로서, Qi 표준에서 요구되는 보안적인 무선 충전을 할 수 있도록 설계되었다.

단일 코일 유도 기법이 업계에서 가장 많이 사용되는 솔루션으로서, 이 기법은 80~205kHz로 동작하는 단일 트랜스미터 코일을 사용한다. 이 방식은 충전하고자 하는 디바이스를 트랜스미터 코일에 대해서 잘 정렬해야 하며 한 번에 하나의 리시버 디바이스만 충전할 수 있다. 설계를 잘 하고 우수한 품질의 전력 변환 장치를 사용함으로써 이 방식의 충전으로 유선 충전에 필적하는 효율을 달성할 수 있다.

이 기법을 확장해서 다중 코일 배열을 사용하면 추가적인 이점도 가능하다. 디바이스 충전위치가 훨씬 덜 정확해도 되며, 스마트 시스템이 충전하고자 하는 디바이스가 어떤 코일에 가장 가까운지 감지하고 그에 따라서 전력을 전송할 수 있다.

AirFuel Alliance(AirFuel)는 공진 기술과 비결합 기술을 포함하는 광범위한 기술 플랫폼을 다룬다. 공진 충전기로는 6.78MHz 주파수의 자기 공진으로 50mm 이상의 훨씬 큰 수직 거리가 가능하다. 큰 단일의 트랜스미터 코일을 사용해서 다중의 디바이스들을 충전할 수 있으며, 충전 가능한 면적 혹은 “스윗스팟”도 더 넓다.

AirFuel의 공진 기술은 유도 방식 솔루션에 비해서 좀더 유연하게 근거리 충전을 할 수 있으며 충전위치를 좀더 자유롭게 할 수 있다. 이 기술은 금속 비중이 높은 디바이스나(스마트폰과 달리) 형태가 복합적인 디바이스에 사용하기 적합하며, 다중 디바이스 충전을 하고자 하는 경우에도 사용할 수 있다.

하지만 공진 충전과 관련해서 몇 가지 해결 과제가 존재한다. 전력을 매우 빠르게 스위칭해야 한다. 그러므로 다시 말해서, MOSFET의 게이트 특성이 150ns 사이클 요구를 만족해야 한다. 또 한편으로는 기생 커패시턴스를 최소화해야 하고, 출력 전력을 제어하기 위한 효율적인 전압 조정이 필요하다.



인피니언은 Spark Connected와 제휴해서 업계에서 유일하게 유도 기술과 공진 기술을 모두 지원하므로 고객들의 다양한 애플리케이션 요구를 충족한다(그림 3a와 3b). 뿐만 아니라 유도 및 공진 솔루션 둘 다 시장의 필요에 따라서 표준에 기반하거나 또는 특정 애플리케이션 용으로 맞춤화할 수 있다.

견고하고 신뢰할 수 있는 FOD

표준적인 FOD(Foreign Object Detection) 기법은 이물체 감지를 위해서 대형 일차 코일 권선을 사용하므로 감도와 신호대 잡음비를 떨어트린다. 그러므로 작은 이물체를 감지하기가 어렵다. 훨씬 큰 일차 코일의 자기장에 비해서 약하기 때문이다. 기존의 트랜스미터 솔루션은 전력 손실 계산에 필요한 파라미터(전압과 전류)를 인버터의 DC 전원공급 지점에서 측정한다. 이렇게 하면 코일 상의 실제 값과 비교해서 측정을 왜곡하고, 트랜스미터 손실 계산을 부정확하게 한다.

인피니언/Spark Connected 솔루션은 Qi 인증을 취득하고 있으며 Qi FOD 기능과 성능 요건을 완벽하게 충족한다. 이 솔루션은 좀더 정확한 측정 기법을 사용해서 표준 Qi FOD 기법의 성능을 향상시킨다. 이 계산을 위해서 인버터 DC 전력이 아니라 실제 전압과 전류 값을 사용하는 것이다. 그러므로 좀더 정확하게 작은 이물체를 감지할 수 있다. 손실을 과대계산(이물체 미감지)하거나 과소계산(이물체가 없는데 FOD 잘못 감지)하지 않는다. 트랜스미터로 AI와 머신 러닝을 사용해서 금속성 물체가 존재할 때 충전 환경이 안전한지 판단할 수 있다.

유연한 소프트웨어 기반 아키텍처

인피니언/Spark Connected 무선 충전 솔루션의 강점은, 프로토콜 및 전력 공급과 관련해서 특정용도 IC를 사용하는 것이 아니라 모듈러 방식의 소프트웨어 기반 아키텍처를 사용한다는 것이다. 무선 전원은 기술이 성숙함에 따라서 계속해서 진화하고 있으며, 시장으로 계속해서 새로운 제품과 애플리케이션이 출시되고 있다.

솔루션의 소프트웨어 비중을 높임으로써 다수의 레퍼런스 디자인에 걸쳐서 공통적인 하드웨어 아키텍처를 사용할 수 있으며, 다시 각각의 레퍼런스 디자인으로 다수의 다양한 애플리케이션을 유연하게 지원할 수 있다. 또한 미래에 무선 충전 표준이 변화하는 것에 따라서 소프트웨어 업데이트를 할 수 있다.

AURIX 및 XMC에 기반한 전용 무선 전원 컨트롤러

무선 충전용으로 AURIX 및 XMC 제품을 기반으로 한 전용 무선 전원 컨트롤러들이 개발되었다. SAK-TC212S-8F133SC 같은 AURIX 무선 전원 ASIC을 사용함으로써 차세대 자동차 내 무선 충전 시스템으로 엄격한 자동차 안전성, 보안, 환경 규정을 충족할 수 있으며, 그러면서도 뛰어난 충전 성능과 효율을 달성할 수 있다.

이 컨트롤러와 인피니언의 전원 및 인터페이스 디바이스가 매끄럽게 결합해서 스마트폰이나 여타 커넥티드 디바이스용으로 포괄적인 충전 솔루션을 제공한다. 이 컨트롤러는 오늘날의 표준 Qi 및 급속 충전 스마트폰으로 15W 충전을 할 수 있으며, 소프트웨어 업데이트를 해서 향후의 표준을 지원할 수 있다.

이 솔루션의 또 다른 특징은 다음과 같다:

• 특수한 전력 구동 스테이지를 사용해서 기존 솔루션에 비해서 EMI 성능을 10~15dB 향상
• 정확도를 높인 유연한 FOD 기능을 사용해서 작은 이물체 감지
• 커스텀 코일이나 다중 코일을 지원
• 단일 컨트롤러로 2개 디바이스를 충전, 6~19V 입력 전원으로 최대 전력 충전
• 최신 자동차 규정을 충족하는 보안 기능을 내장

무선 전원 컨트롤러 XMC6521SC-Q040X와 이 시리즈의 그 밖의 제품들은 ARM® Cortex®-M0 코어를 기반으로 한 것으로서, 인피니언의 전원 디바이스와 완벽하게 조합되어 확장 가능하고 합리적인 가격대의 아키텍처로 급속 충전 스마트폰에서부터 45W 랩탑 컴퓨터와 80W 드론에 이르는 다양한 디바이스에 사용하도록 종합적인 충전 솔루션을 제공한다.

특징으로는, 기존 표준과 급속 충전 디바이스를 지원하고, 별도의 열 관리 없이 최대 전력으로 충전할 수 있고, 유선 충전에 맞먹는 높은 효율을 달성하고, 동일한 하드웨어로 커스텀 충전 파일과 산업 표준을 모두 지원하고, 정확도를 높인 유연한 FOD 기능을 사용하고, 커스텀 코일과 다중 코일 아키텍처를 지원한다는 점을 들 수 있다.

레퍼런스 디자인을 사용한 차세대 애플리케이션 구현

인피니언은 Spark Connected와 함께 유도 및 공진 무선 충전 솔루션을 모두 포함한 포괄적인 레퍼런스 디자인 로드맵을 제공한다(그림 2). 이들 레퍼런스 디자인을 사용해서 현재 및 미래의 차세대 무선 전원 애플리케이션을 빠르게 개발할 수 있다. 예를 들어서 자동차에서나 집에서나 혹은 공공 장소에서 어디서나 편리하게 충전을 할 수 있다.

이들 레퍼런스 디자인은 하드웨어 디자인, BOM, PCB 레이아웃, 각종 도큐멘테이션과 지원을 비롯해서 고객 제품으로 무선 충전을 통합하기 위해서 필요한 모든 요소를 포함한다.

“Pegasus”는 저전력 유도 방식 트랜스미터 및 리시버 솔루션으로서, 5V 입력 전력으로 최대 2W로 단일 디바이스 충전을 할 수 있다. 대표적인 애플리케이션으로는 웨어러블, 전동 칫솔, 헤드폰, 보청기, 스마트 안경, 스마트 워치, 피트니스 밴드, 스마트 의복, 스마트 스포츠 장비, 스마트 스타일러스, IoT 같은 저전력 제품들을 포함한다.

“Hydra”는 XMC 기반 2.5W 저전력 솔루션으로서, 업계에서 가격대가 가장 낮은 공진형 무선 충전 솔루션이다. 6.78MHz 주파수로 다양한 폼팩터로 극히 작은 코일을 사용할 수 있으며, 인근의 금속성 물체를 신경 쓸 필요가 없다. 웨어러블, 헤드폰, 스마트 의복, 여타 커넥티드 IoT 애플리케이션 충전에 사용하기에 적합하다. 이 트랜스미터 및 리시버 솔루션은 공진 기술을 사용하며 일-대-일 및 다중 디바이스 충전을 할 수 있다. 입력 전력은 5V~19V이다.

“Valkyrie”는 인증 받은 Qi 트랜스미터로서, 모든 급속 충전 스마트폰 용으로 최신의 15W 전력 전송 규격을 지원한다. 이 솔루션은 사용하기 편리한 무선 전원 설계 키트를 제공하며 향상된 FOD 기능과 함께 높은 효율(80% 이상의 테스트 결과)을 달성한다. 또한 이 솔루션은 필수 부품 수를 줄임으로써 시스템 비용을 줄일 수 있다(그림 4). 유선 충전에 필적하는 속도로 충전할 수 있으며, 동일한 하드웨어로 커스텀 충전 프로파일과 산업 표준을 모두 지원한다.



또한 인피니언은 자동차 내부 무선 충전 용으로 15W 3코일 레퍼런스 디자인으로서 “Beast”를 제공한다. 이 레퍼런스 디자인은 Qi 인증과 자동차 관련 인증을 모두 받았다. 또한 업계 최초로 CISPR-25 Class 4를 취득함으로써 따라올 수 없는 EMI 성능을 제공한다. AURIX 기반 디자인으로서, 단일 CPU로 무선 충전, CAN, 추가적인 NFC 인터페이스를 지원한다.

또한 보안 기능(HSM)을 통합함으로써 최신 자동차 요건을 충족한다. 이 솔루션은 고도로 확장성과 유연성이 뛰어나며 견고한 FOD 기능을 제공한다. 또한 AURIX는 단일 컨트롤러로 2개 디바이스 충전을 지원할 수 있으므로 시스템 비용과 크기를 줄일 수 있다.



“Gorgon” 솔루션은 5G 고객 댁내 장비(CPE), 실외 보안 카메라, 텔레콤 인프라, 공장 자동화 같은 애플리케이션 용으로써, 높은 효율로 무선 전력 전송을 할 수 있다. 고유한 유도 방식 트랜스미터 및 리시버 솔루션으로서, 30mm 유리(저방사 코팅 유리 포함)나 여타 비금속 소재를 통해서 최대 30W를 연속적으로 전력을 공급할 수 있다.

“Minotaur”는 차세대 태블릿 및 랩탑 컴퓨터 용으로 유일한 45W 급의 포괄적인 무선 충전 솔루션이다. 이 솔루션은 고효율(95% 테스트 결과) 충전을 할 수 있으며, 열 손실을 줄이면서 손쉽게 통합할 수 있다(그림 6).



기존의 스마트폰 충전 에코시스템을 확장한 것으로서, 사용자들이 나날이 증가하는 Qi 인프라를 활용할 수 있도록 하위 호환과 상위 호환 모두 가능하다. 인피니언과 Spark Connected는 WPC의 일원으로서 주요 업체들과 함께 이 차세대 무선 충전 표준 발전에 기여하고 있다.

80W 대의 “Ogre”는 고전력 유도 무선 충전 솔루션으로서, 별도의 열 관리가 필요 없이 컴팩트한 코일로 높은 효율로 충전할 수 있다. 대표적인 애플리케이션으로는 전동 공구, 로봇, 소형 가전, 드론, 휴대용 단말기, 의료 기기, 산업 자동화를 포함한다.

그 밖에도 다수의 레퍼런스 디자인을 제공한다. 인피니언의 무선 충전 솔루션에 관한 추가 정보는 www.infineon.com/wirelesscharging에서 볼 수 있다. www.sparkconnected.com에서는 Spark Connected가 혁신적인 플랫폼과 와해성 기술을 사용해서 다양한 애플리케이션으로 무선 충전을 어떻게 혁신하고 있는지 볼 수 있다.

미래 전망

이동성과 연결성에 대한 요구가 높아짐에 따라서 무선 충전이 점차 필수적인 요소로 자리잡고 있다. 인피니언과 Spark Connected가 협력해서 전원선 없이 편리하게 충전할 수 있는 차세대 기술과 솔루션을 제공한다.

휴대전화에서 시작되었던 것은 태블릿, 랩탑, 휴대용 게임기, 의료 디바이스, 자동차, 인프라, 산업 4.0 같은 애플리케이션으로 빠르게 전파될 것이다. 인피니언과 Spark Connected는 무선 충전에 사용되는 다양한 방식의 기술을 지원하도록 갖추고 있으며 사용자들이 최후의 전원선을 없앨 수 있도록 필요한 솔루션을 제공한다.

향후 애플리케이션은 사용자 충전 요구를 만족시키기 위해서 매우 높은 전력이나 높은 주파수를 필요로 할 수 있다. 이러한 애플리케이션에는 GaN 같이 전력대 성능비를 향상시키는 솔루션이 유용할 것이며, 또한 효율이 중요하게 요구되어 GaN e-mode HEMT는 열을 용이하게 관리하면서 고전력으로 충전할 수 있다. 또한 GaN은 고주파 성능이 우수하므로 공진형 무선 충전 클래스 E 증폭기에 적용되기에 적합하다.

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