웨어러블 디바이스가 확산함에 따라 무선 충전이 새로운 화두로 떠오르고 있다. 이글에서는 Qi 규격 무선 전력 솔루션을 적용해 저전력 웨어러블 설계를 구현할 수 있는 방법에 대해 알아본다.

개요

스마트 워치, 피트니스 손목 밴드, 헤드폰과 같은 다양한 저전력 웨어러블 디바이스가 시장에 등장하고 있다(그림 1). 이 새로운 전자제품은 앞으로 몇 년간 빠른 성장과 확산이 예상된다. 웨어러블 디바이스는 일반적으로 크기가 작고 얇으며 폼팩터와 산업용 설계가 다양하다. 또한 배터리 크기가 100 ~ 300 mAh로 커패시터가 다양하며 여기서 충전 속도가 결정된다.

플러그-앤-잭(Plug and Jack) 유형이나 마이크로 USB 유형의 커넥터는 이런 디바이스를 충전하던 전형적인 방식이었다. 하지만 이렇게 작은 크기의 커넥터조차 지금의 새로운 일부 초박형 웨어러블 애플리케이션에는 큰 편이다. 또한 커넥터 오염은 실외의 웨어러블 환경 때문에 문제가 심각해지고 있다.

무선 충전은 이 문제의 해결책이 될 수 있으며 설계자에게 부가적인 기회를 제공한다. WPC(Wireless Power Consortium)가 정한 Qi 표준에 쓰이는 기존 반도체 디바이스는 이러한 저전력 애플리케이션에 쉽게 적응할 수 있다. 이 기술은 2개의 평면 코일을 이용하여 전원을 밀봉 케이스로 전달한다. 저전력 웨어러블 디바이스의 경우, 작고 얇은 저전력 리시버 코일을 케이스나 손목 밴드 뒤에 쉽게 끼워 맞출 수 있다. Qi 규격 디바이스는 개발 시간을 단축할 수 있는 원숙한 솔루션으로써 기존 WPC 인프라의 지원을 받게 된다.

Qi 규격 무선 전력 시스템

전형적인 무선 전력 시스템(그림 2)은 휴대형 기기 안에 배터리 충전 에너지를 제공하는 리시버(Rx)를 가지고 있다. 트랜스미터(Tx)는 고정 베이스 안에 있고 벽 전원 공급장치에 연결된다. 트랜스미터로의 입력 전력은 AC로 변환된 후 트랜스미터 코일을 통해 리시버 코일로 자성에 의한 커플링이 되는데, 이때 둘의 위치는 매우 근접해 있다. 리시버로부터의 출력은 최대 1 A에서 보통 5 V로, 휴대형 기기 내부의 배터리 충전기 IC로 입력 전력을 공급한다.

이 시스템의 트랜스미터 작동은 같은 자기 커플링 경로로 다시 전송된 디지털 통신 패킷 형태의 피드백을 이용하여 리시버 칩으로 제어된다. 이 Qi 규격 리시버는 부하 모듈레이션을 통해 트랜스미터와 통신하며 데이터 패킷으로 2개의 코일에 정보를 전송한다. 트랜스미터 코일 전압과 전류는 2 kHz 속도로 모듈레이션되고 트랜스미터에 의해 디코딩된 후 제어에 사용된다. 리시버는 제어와 정보 목적으로 여러 가지 유형의 패킷을 트랜스미터로 전송할 수 있다. 또한 통신 손실은 모든 전력 전송을 종료시킨다.

Qi 표준의 Identification-and-configuration 명령 패킷은 정확한 전력 디바이스로만 전송되게 함으로써 혹여 위험할 수 있는 상황을 피하는 데 매우 유용하다. Charge-complete과 End-powertransfer 패킷 역시 배터리가 충전되었을 때, 또는 여타 조건상 전력 전송을 중단시켜야 할 때 전력 전송을 멈추게 하는 명령어이다1). 이러한 기능들은 기존의 잘 알려진 표준의 트랜스미터와 리시버 간에 안전한 전력 전송이 이뤄지게 한다.

저전력 무선 시스템

현행의 Qi 규격 리시버와 트랜스미터는 코일 크기와 외부 부품 값을 더욱 작은 애플리케이션에 알맞게 조정함으로써 최적화된 저전력 무선 시스템을 실현한다. 트랜스미터와 리시버 모두의 코일 크기를 좀 더 작은 폼팩터에 맞추어 줄일 수 있다. 특히 트랜스미터의 전력 섹션 부품에서 전력 사양을 줄일 수 있었다.

전형적인 WPC-1.1, Qi 규격 시스템은 최대 5 W의 출력 부하, 1 A에서 보통 5 V를 지원한다. 반면에 웨어러블 디바이스 애플리케이션을 위한 저전력 시스템은 100 ~ 250 mA에서 5 V 범위 내의 출력 전력을 가진다.

Qi 규격 대부분 기능은 크기나 성능에 영향을 주지 않고도 사용할 수 있다. FOD(Foreign-Object Detection)는 전력 전송이 충전 구역에서 금속 물체를 벗어나지 않게 방지하는 옵션 기능으로 FOD를 가진 저전력 시스템에서는 총 출력 전력이 50% 이상 감소한다. 줄어든 충전 구역과 더불어 해당 필드에 어떤 물체가 들어와 문제가 될 만한 열을 발생시킬 가능성도 매우 줄어든다. FOD 기능의 임계는 웨어러블 디바이스의 충전 패드나 충전 크래들의 기계적 설계에 크게 좌우될 수 있다. 표 1은 WPC-1.1 Qi 표준을 사용할 때 이용할 수 있는 핵심 기능의 몇 가지를 요약한 것으로 맞춤형 웨어러블 애플리케이션에 필요할 수도 있고 선택적으로 필요하지 않을 수도 있다.

저전력 시스템 코일

코일의 크기는 어느 정도까지 줄일 수 있지만, 반드시 전력을 전송하고 트랜스미터와 통신이 되어야 한다. 전형적인 코일 구조는 실드 구리선으로 이뤄진 둥근 평면 코일이다. 그 외 구조는 PCB나 플렉스 회로 코일이다. 일반적으로 이러한 기타 구조들은 DC 저항이 더 높지만(저효율), 매우 얇아서 소형 저전력 애플리케이션에 바람직하다. 실드는 AC 필드가 전자부위와 배터리에 들어가지 않게 막아주어 코일 성능을 개선한다.

Rx와 Tx 코일이 x-y 평면에 정렬되어 있다고 가정했을 때 커플링 인자, k를 결정하는 2가지 핵심 인자가 있다. 첫 번째는 coil-to-coil(z) 거리이고 두 번째는 이 2개 코일의 직경 비율이다. 이 코일들이 서로 근접하여 직경이 일치할 때 최고의 커플링(가장 높은 k) 결과가 나온다2). 처음부터 x-y 정렬을 가깝게 하기 위해서는 디바이스를 크래들에 제대로 안치할 수 있는 물리적 수단을 웨어러블 디바이스의 충전 베이스나 크래들의 기계적 설계에 포함해야 한다. 이 애플리케이션에서는 리시버 코일이 매우 작아서 Rx와 Tx 코일 간에 약간만 정렬이 어긋나도 커플링 팩터가 많이 감소할 수 있고 전력-전송 효율이 매우 낮아지게 된다.

WPC/Qi 같은 커플드-인덕터 시스템에서는 1차 코일과 2차 코일간의 커플링 계수(k)가 0.5 ~ 0.7 범위 내에 있는데 일반적인 트랜스포머는 훨씬 높은 k, 예컨대 0.99를 가질 수 있다. 이 커플링 팩터가 낮을 때에는 더 높은 인덕턴스 값이 2차(리시버) 사이드에 필요하다. 그래야만 출력 전력의 수요를 맞출 수 있다. 결과적으로 커플링이 낮을 수 있는 소형 저전력 디바이스는 사실상 표준의 5 W 설계보다 더 큰 2차 인덕턴스를 요구하게 된다3). 필요한 전압 게인을 달성하려면 더 많은 턴과 더 큰 실드를 가진 인덕턴스가 더 높은 리시버 코일이 필요할 수 있다.

코일 설계

리시버 코일 크기의 설계 조정 요소로는 와이어 직경, 실드 크기, 두께 등이 있다. 코일의 DC 저항은 리시버 효율 감소로 나타난다. 리시버 코일의 설계에는 구체적인 숫자의 턴이 있어야 원하는 인덕턴스를 달성할 수 있는데 앞서 언급했듯이 커플링 팩터의 감소 때문에 작은 코일에 필요한 인덕턴스는 큰 코일보다 더 높다. 작아진 공간에서 더 높은 인덕턴스 값을 달성하기 위해 턴 숫자를 증가시키면 와이어 직경은 감소한다. 와이어는 작아지고 턴은 늘어나는 복합 효과는 DC 저항을 높이고 효율은 떨어뜨린다.

실드는 자속에 낮은 임피던스 경로를 제공하고 코일 인덕턴스를 증가시킨다. 또한 실드는 AC 필드가 배터리와 리시버 주변 금속에 들어가지 않게 막아준다. 때문에 실드는 크고 두꺼울수록 좋다. 얇은 실드는 하이-플럭스 필드에서 포화 위험이 있기 때문이다. 트랜스미터 코일의 설계는 물리적 제약이 적은 편이다. 이 코일은 더 커질 수 있고 더 낮은 인덕턴스를 가질 수 있다.

표준의 5 W WPC 애플리케이션에 적용되는 전형적인 코일은 A11 코일 유형이다. 이 원형 코일은 직경이 약 50 mm이고 두꺼운 페라이트 실드를 가진다. 이 코일은 여러 애플리케이션에서 다양한 유형의 리시버와 함께 테스트를 거쳤지만, 높은 전력 수준(3 ~ 5 W)에서 가장 잘 작동한다. 저전력 및 범위 감소 리시버의 경우에는 많은 코일 수치들이 줄어들 수 있다.

A11 코일의 전형적인 인덕턴스는 6.3 μH이다. 이 값을 유지해야만 최상의 성능을 발휘할 수 있다. 코일 크기를 작게 하려면 와이어 직경을 줄일 수 있지만, DC 저항 손실이 증가한다. 또한 실드 두께를 줄여 크기를 추가 감소시킬 수도 있다. 양호하게 성능을 발휘한 몇 가지 유형의 실드를 이용할 수 있다.

30 mm 라운드 트랜스미터 코일 테스트에서 좋은 결과가 나왔다(그림 3). 더 작은 솔루션도 가능하지만, DC 저항이 매우 증가하지 않도록 반드시 설계자의 주의가 필요하다. 대부분의 WPC 트랜스미터에 사용되는 공진 컨버터 구조의 경우에는 최소한의 부하에서도 1차 코일에 전류가 흐른다. 과도한 전력 손실을 방지하기 위해서 제품의 크기 제약 상 Tx 코일의 DC 저항을 될 수 있으면 낮춰야 한다.

저전력 리시버

bq51003은 TI의 bq51xxx 제품군에 속하는 무선 전력 리시버로서 저전력 애플리케이션에 알맞게 설계됐다. 이 디바이스에서의 가장 큰 변화는 낮은 출력 전류를 위한 몇 가지 기능의 동작을 최적화했다는 점이다.

이 제품군의 디바이스는 동적 정류기 제어™를 이용해 부하-과도현상 동작을 개선한다. Qi 표준은 비교적 글로벌 피드백 루프가 느려서 작동 포인트를 바꾸는데 최대 100 ms가 필요할 수 있다. 즉 부하 단계가 출력 전압을 낮춰 시스템 리셋이 일어날 수도 있다는 뜻이다. 과도현상까지 충분한 전압이 작동할 수 있도록 VRECT 작동 포인트가 낮은 부하에서 높게 설정된다. 이 기능은 부하-스텝에는 도움이 되지만 경부하 효율을 낮추게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 동적 효율성 스케일링™을 이용해 경부하 전압을 최대 출력 부하에 맞춘다. 최대 출력 전류는 레지스터를 이용해 설정된다.

전력 손실을 위해 감소시킨 PCB 구역 때문에 열 경로도 고려해야 한다. 전형적인 애플리케이션은 감소한 충전 전류로 소형 배터리를 충전해야 하므로 전력 손실을 관리할 수 있다.

앞서 언급했듯이 bq51003(및 bq51013B 같은 그 밖의 정전압 출력 리시버)는 2차 IC와 나란히 작동하며 리튬이온 배터리로의 전류 흐름을 조정 및 관리한다. 이러한 배터리에는 정밀한 정전류/정전압 충전-제어 프로파일이 필요하며 이것은 bq24232 같은 디바이스를 통해 구현할 수 있다(그림 4). 저전력 애플리케이션의 경우 간단한 저가 리니어 충전기가 최선의 선택이 될 수 있다. 충전기 디바이스를 결정하는 요소 중 하나는 웨어러블 디바이스에 사용되는 소형 배터리가 요구하는 낮은 충전-전류 수준을 그것이 제어할 수 있는지 확인하는 것이다. bq24232는 필요에 따라 25 mA 정전류 수준까지 조정할 수 있고 그밖에 소형 배터리 크기를 가진 애플리케이션에서 구현됐다. 리튬이온 배터리에 필요한 충전 제어 기능에 대해서는 bq24232 데이터시트를 참고한다.

저전력 트랜스미터

전형적인 5 W 애플리케이션의 경우 여러 기능의 다양한 Qi 트랜스미터 유형을 이용할 수 있다. bq50xxx 제품군은 5 W 이상의 리시버 출력 전력을 지원한다. bq500211은 저전력 애플리케이션의 출발점으로 훌륭하다. 표준 EVM 키트가 싱글 코일 5 V 입력, A11 유형의 트랜스미터 코일과 함께 제공된다. 하지만 앞서 언급했듯이 이 코일은 저전력 웨어러블 애플리케이션을 위하여 훨씬 더 작은 부품으로 대체할 수 있다. 이 유닛은 USB 포트에서 작동할 수도 있고 저전력 5 V 어댑터에서도 작동할 수도 있다. 이 트랜스미터 설계를 소형 저가로 선택할 수도 있다.

bq500211 Qi 트랜스미터 컨트롤러는 입력 전력을 제한하는 옵션을 가졌다. 트랜스미터로의 입력 전류를 500 mA까지 제한할 수 있으며 USB 포트나 소형 어댑터에서도 작동할 수 있다.

이것은 전류 수요가 낮은 저전력 리시버에서 잘 작동한다. 그림 5에 블록 다이어그램이 나와 있다. 입력 전류는 레지스터에서 감지되어 전류-센스 앰프를 통해 증폭된다. 이 전력 섹션은 전력-스테이지 MOSFETS와 통합 드라이버를 사용한다. 하지만 독립적인 드라이버와 낮은 손실 MOSFETS를 이용하여 비용을 절감할 수도 있다.

앞서 언급했듯이 낮은 출력 전력에서 FOD 보호가 옵션이 될 수 있다. 그림의 회로는 FOD 기능이 구현되어 있지 않다. 또한 그림 5의 설계에는 간소화와 비용 절감을 위해 저전력 대기모드용 회로 옵션이 나와 있지 않다. 이 설계에 대한 자세한 내용은4)를 참고하도록 한다.

 


결론

이제는 기존 기성품 디바이스를 이용하여 저전력 웨어러블 설계에 무선 인덕턴스 충전을 구현할 수 있다. 500 ~ 1,500 mW 전력 범위 내에서 유효한 솔루션을 설계하는 주요 방법 가운데 자기 부품을 최적화하는 방법이 있다. 구체적으로 작은 리시버 코일을 똑같이 작은 트랜스미터 코일에 맞추어 최적의 커플링 팩터를 유지하는 것이다. 또한 bq500211 트랜스미터 및 bq51003 저전력 리시버와 함께 적절한 외부 회로 개조로 시스템 전력 손실을 최소화할 수 있다.