2012년 10월 전자공학회 논문지 제 49 권 제 10 호 43 Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol. 49, NO. 10, October 2012
논문 2012-49-10-6
적응형 바이어스 조절 회로를 사용한 무선에너지 전송용 고효율 전력증폭기
( High PAE Power Amplifier Using Adaptive Bias Control Circuit for Wireless Power Transmission )
황 현 욱*, 서 철 헌***
( Hyunwook Hwang and Chulhun Seo )
요 약
본 논문에서는 구동 증폭기와 Class-E 전력증폭기를 결합하여 높은 효율의 고이득 이단 전력증폭기를 구현하였다. 고효율 이단 Class-E 전력증폭기의 입력 단에 적응형 바이어스 조절 회로를 적용하여 낮은 입력 전력의 전력효율을 개선하였다. 최대출력인 40 dBm에서 고정 바이어스 전력증폭기와 적응형 바이어스 증폭기 둘 다 약 76 %의 효율을 갖는다. 하지만 적응형 바이어스 조절 회로가 적용된 전력증폭기의 입력전력 6dBm 인가했을 때 효율은 약 70 %이고 고정된 바이어스 입력시에 효율은 약 50 %이다.
바이어스 조절을 통해 낮은 입력에서 높은 효율을 갖는 회로를 설계하였다.
Abstract
In this paper, high efficiency power amplifier is implemented with high gain amplifier. Two-stage amplifier using adaptive bias control circuit improve efficiency at low input power. Fixed bias circuit and adaptive bias circuit both have about 76 % efficiency at maximum power level. However amplifier using an adaptive bias control circuit has 70 % at 6 dBm input power level when the amplifier using fixed bias circuit has 50%. The proposed power amplifier using the adaptive bias control circuit can have high efficiency at lower power level.
Keywords: 13.56MHz, Class-E 전력증폭기, 고효율, 무선전력전송, 적응형 바이어스
Ⅰ. 서 론
최근 무선 통신 장비나 무선 전력 전송 시스템의 송
* 학생회원, ** 정회원, 숭실대학교 정보통신전자공학부 (Information and Telecommunication Engineering, Soongsil University)
※ “본 연구는 방송통신위원회의 전파위성기술분야 원 천기술개발사업의 연구결과로 수행되었음”
(KCA-2011-11911-01110)
※ 이 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 20110020262).
접수일자: 2012년10월3일, 수정완료일: 2012년10월8일
신부에 사용되는 전력 증폭기의 전력 소비가 매우 크기 때문에 전체적인 효율 면에서 매우 중요한 요소가 되었 다. 고효율 전력증폭기를 위해서는 전력증폭기의 전력 소모를 줄이는 것이 요구되어진다. 전력증폭기의 효율 이 증가 되면 기지국 및 중계기에서 사용하는 냉각시스 템으로 인한 추가 비용을 감소시킬 수 있고, 또한 단말 기 측면에서 배터리의 수명을 증가시킬 수 있다. 따라 서 통신 시스템의 송신부 설계 시 전력증폭기의 효율은 가장 중요하게 고려해야 할 사항이다. 전력증폭기에서 효과적으로 높은 효율을 얻을 수 있는 방법으로는 switching mode로 동작하는 전력증폭기 구현하는 것이 다. 고효율 전력증폭기를 구현하기 위하여 많은 구조가
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44 응형 바이어스 조절 회로를 사용한 무선에너지 전송용 고효율 전력증폭기 황현욱 외
switching mode로 동작하는 Class-E 증폭 구조를 적용 되었다[1～3].
또한, 전력증폭기의 이득을 증가시키기 위하여 구동 증폭기를 전력증폭기의 입력 단에 연결하였다. 즉, 고이 득 고효율 전력증폭기를 구현하기 위하여 이단 Class-E 전력증폭기를 구현하였다. 효율은 포화영역에 서 최댓값을 갖지만 대게 전력증폭기는 최대 출력전력 보다 낮은 전력에서 동작하는 시간이 대부분이다. 그래 서 적응형 바이어스 조절 회로는 포화지점을 조절하기 위해서 필요하다. 적응형 바이어스 조절은 전력증폭기 의 전력부가효율을 개선하기 위해서 적용되었다. 입력 RF 신호를 방향성 커플러를 통해서 Power Detector로 보내어 이를 게이트의 DC 바이어스 조절하는 값으로 변환하여 적용하였다. 이를 통해 낮은 입력에서의 효율 을 개선이 되도록 설계되었다[4～6].
본 논문에서는 무선 에너지 전송의 송신부 효율을 높 이기 위해 Class-E 증폭구조를 사용하여 설계하였다.
Ⅱ. 본 론
1. Switch-mode Power Amplifier
스위치모드 전력증폭기 방법에서 가장 중요한 것이 트랜지스터를 포화영역에서 동작시키는 것이다. 그래서 전압 또는 전류가 “ON” 또는 “OFF” 전환되는 것이다.
다시 말해서 스위치모드 전력증폭기에서 트랜지스터가 이상적인 스위치로 동작하는 것이다. 트랜지스터의 전 력소모를 최소화하기 위해서 전압과 전류의 파형이 가 능한 겹치지 않도록 하는 것이 중요하다. 전력증폭기의 고효율 특성은 트랜지스터가 “ON” 그리고 “OFF” 상태 를 스위칭하는 것을 통해 얻어질 수 있다. 그림 1은 스 위치모드 전력증폭기의 블록도를 간단하게 나타낸 것이 다[7].
그림 1. 일반적인 스위치모드 전력증폭기 Fig. 1. Typical switch mode power amplifier.
2. Class-E Power Amplifier
Sokal이 처음 제시한 Class-E 전력증폭기는 이론적 으로 100 %의 전력 효율 특성을 갖는 전력증폭기이나 실험적으로는 기생성분들로 인해 효율이 감소한다. 그 렇지만 Class-E 전력증폭기는 다른 Class에 비해 높은 효율로 인해 적은 열방출 특성을 가지고 있다. 같은 주 파수, 같은 출력 전력에서 동일한 트랜지스터를 이용한 Class-E 전력증폭기는 일반적인 Class-B 혹은 Class-C 전력증폭기에 비해 2-3배 작은 전력 손실 특 성을 갖고 동작한다. 또한 다른 스위치모드 전력증폭기 구조 보다 간단한 구조를 갖는다. Resonator는 L과 C로 구성이 되며 그림 2는 Class-E 전력증폭기의 회로와 이상적인 트랜지스터의 전압 및 전류 파형을 나타낸다.
트랜지스터의 전력 소모를 최소화하기 위해 트랜지 스터의 전압과 전류 파형이 겹치지 않도록 해야 하며, 이는 트랜지스터를 ON/OFF 시킴으로써 전력증폭기의 고효율 특성을 얻게 된다.
(a) (b)
그림 2. Class-E 전력증폭기 (a) 회로 (b) 트랜지스터의 전압 전류 파형
Fig. 2. Class-E power amplifier (a) circuit
(b) Waveforms of transistor voltage and current.
Ⅲ. 설계 및 구현
1. 적응형 바이어스 조절회로 설계
전력증폭기 동작 범위가 넓어지면서 최대 출력에서 의 효율 보다 전체 동작범위에서의 효율이 더 중요해지 고 있다. 그러므로 이번 연구에서는 최대 출력에서의 효율을 포함한 낮은 출력에서의 효율을 높이기 위해 바 이어스 조절 회로를 설계하였다.
쇼트키 다이어오드 검출기는 RF Power Detector나 포락선 검출기로 사용되어지며 좋은 선형 특성과 안정
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그림 3. 적응형 바이어스 조절회로의 블록도와 제작회 로
Fig. 3. Block diagram and circuit of adpative bias control circuit.
Input power 0 ~ 10 (dBm) Coupler -20 ~ -10 (dBm) Power Detector 0.25 ~ 0.45 (V)
Shaping circuit 4 ~ 5 (V) 표 1. 입력전력에 따른 전력 검출 범위
Table1. Power detection range according to input power.
성을 가져야 한다. Power Detector로는 LTC5507을 사 용했고 RF Power Detector 회로는 입력전력에 따라 게 이트 바이어스를 조절할 수 있도록 설계하였다.
2. Class-E 전력증폭기 설계
그림 4는 구동 증폭 단과 Class-E 전력 증폭 단으로 구성된 이단 Class-E 전력증폭기 회로도이다. 고이득 특성을 위하여 구동 증폭기를 이용한 이단 구조를 적용
그림 4. 이단 Class-E 전력증폭기
Fig. 4. Circuit of two-stages Class-E power amplifier.
하였고, 고효율 특성을 위하여 Class-E 전력 증폭 구조 를 적용하였다.
전력 증폭 단의 게이트 전압과 드레인 전압은 각각 4.4 V와 27 V이다. 이단 Class-E 전력증폭기는 13.56MHz에서 40dBm의 출력 전력과 76%의 전력 효율 을 갖는다.
그림 5. 적응형 바이어스 조절회로를 사용한 고효율 전 력증폭기
Fig. 5. High efficient power amplifier using adaptive bias control circuit.
그림 6. 입력 전력에 따른 출력전력과 PAE Fig. 6. Output power, PAE vs. input power.
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46 응형 바이어스 조절 회로를 사용한 무선에너지 전송용 고효율 전력증폭기 황현욱 외
저 자 소 개 황 현 욱(학생회원)
2011년 2월 숭실대학교 정보통신 전자공학부 학사 졸업 2011년 3월∼현재 숭실대학교 전자공학과 석사과정.
<주관심분야 : 초고주파 회로설 계, RF Power Amplifier, Digital RF, 무선에너지전송>
서 철 헌(정회원)
대한전자공학회논문지 vol. 31, no. 6 참조 3. 적응형 바이어스 조절회로를 이용한 고효율 전력
증폭기 설계
본 논문에서 구현된 13.56 MHz의 동작 주파수와 10 dBm의 입력 전력에서 약 10 W의 출력 전력과 76 %의 전력 효율 특성을 갖는 고효율 이단 Class-E 전력증폭 기와 13.56 MHz의 출력 주파수에서 입력 전력에 따라 전력증폭기의 게이트 바이어스를 조절하여 낮은 입력 전력에서 상대적으로 높은 효율을 갖도록 설계하였다.
최대 출력 40 dBm에서 76 %의 효율을 갖지만 입력 전 력 3 dBm 에서 8 dBm 까지는 바이어스를 조절하여 출 력전력을 높게 하여 고정된 바이어스의 효율 보다 높은 효율을 갖는다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 무선 전력 전송을 위한 적응형 바이어 스 조절 회로를 이용한 고효율 전력증폭기 설계 및 구 현하였다. 적응형 바이어스 조절회로는 Directional Coupler와 Power Detector를 결합하여 설계하였다. 검 출된 입력신호가 전력증폭기의 게이트 전압을 조절하여 낮은 입력 전력에서도 효율을 개선하였다. 무선에너지 전송 송신단의 변환 효율은 전력증폭기의 전력 효율에 크게 영향을 받기 때문에 Class-E 증폭 구조를 이용하 여 고효율 전력증폭기를 설계하였다. 설계한 전력증폭 기는 13.56MHz에서 40dBm의 출력 전력과 76%의 전력 효율을 갖고, 낮은 입력 전력에서도 고정된 바이어스보 다 높은 효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
참 고 문 헌
[1] Matthew M. Radmanesh, Radio Frequency and Microwave electronics Illustrated. Prentice Hall PTR, 2001
[2] A. Karalis, J. D. Joannopoulos, M. Soljacic,
“Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer,” Annals of Physics, vol. 323, no.
1, pp. 34-48, January 2008.
[3] B. L. Cannon, J. F. Hoburg, D. D. Stancil, and S. C. Goldstein, “Magnetic resonant coupling as a potential means for wireless power transfer to multiple small receivers,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 7, pp. 1819-1825, July 2009.
[4] S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 1999.
[5] A. Grebennikov, N. O. Sokal, Switchmode RF Power Amplifiers, Newnes, 2007.
[6] N. O. Sokal and A. D. Sokal, “Class-E a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 10, no. 3, pp. 168-176, June 1975.
[7] N. O. Sokal, “Class-E high-efficiency power amplifiers, from HF to microwave,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol. 2, pp. 1109-1112, June 1998.
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