「이 논문은 교육과학기술부와 한국연구재단의 지역혁신인력양성사업으로 수행된 연구 결과임.」
「이 논문은 2013년도 한동대학교의 연구년 지원에 의하여 작성되었음(HGU-2013).」
한동대학교 정보통신공학과(Department of Information Communication Engineering, Handong University)
․Manuscript received March 22, 2013 ; Revised May 6, 2013 ; Accepted May 10, 2013. (ID No. 20130322-039)
․Corresponding Author : Young-Sik Kim (e-mail : [email protected])
http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2013.24.6.613 ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
보호 회로를 포함한 무선 전력 전송용 ISM 13.56 MHz 20 W Class-E 앰프 설계
Design of 20 W Class-E Amplifier Including Protection
for Wireless Power Transmission at ISM 13.56 MHz
남 민 영․김 영 식 Min-Young Nam․Young-Sik Kim
요 약
본 논문에서는ISM 13.56 MHz 대역 무선 전력 전송을 위한 인덕티브 클램핑 class-E 전력증폭기를 설계 및 실험하여 특성을 분석하였다. 구현된 전력증폭기는 수신 안테나가 회전체에 붙는 경우와 같이 송수신 안테나 간의 정합 상태가 변화하는 시스템에서 부정합 상태에서 전력증폭기에 공급되는 전류를 줄여 트랜지스터를 손 상시키지 않고 안정적으로 동작하도록 하는 인덕티브 클램핑 방식으로 설계되었으며, 정합 회로를 이용하여 기 존의class-E 전력증폭기보다 고조파 성분에 대한 Filtering 특성을 개선하였다. 구현된 전력증폭기의 입력 주파수 는13.56 MHz, 입력 전력 25 dBm, 동작 전압 DC 28 V에서 측정한 결과, 출력 전력은 43 dBm, 기본 주파수 성분 과 2차 고조파 신호 간의 출력 전력 차이 55 dBc 이상, 소모 전류 830 mA으로 전력부가 효율(power added efficiency)은 85 %로 높게 측정됐다. 마지막으로, 수신 안테나를 회전체에 부착하고 구현된 전력증폭기로 송수 신 안테나로 전력을 송출하는 실험을 진행하였으며, 송신 안테나의 부정합 상태에는 소모 전류가 420 mA까지 줄어들어 트랜지스터가 손상되지 않는 것을 확인하였다.
Abstract
In this paper, an inductive clamping class-E power amplifier has been tested for wireless power transmission at ISM band, 13.56 MHz. The implemented power amplifier is designed to operate stably without destroying power transistor in wireless power transmission system which basically keeps not to align between a transmitting antenna and a receiving antenna. The power amplifier is also designed to enhance harmonic filtering characteristic. The amplifier was tested with a DC supply voltage of 28 V and input power of 25 dBm at 13.56 MHz. The test results show the output power level of 43 dBm, the difference power level between fundamental frequency and second harmonic frequency of more than 55 dBc, the dc current consumption of 830 mA, and the high power-added efficiency of 85 %. Finally, the implemented power amplifier operated normally with 830 mA DC current consumption from 28 V source when the two antennas were aligned, and the power transmission was successful. But when the two antennas were not aligned, its DC current consumption automatically decreased down to 420 mA to protect the switching transistor.
Key words : Wireless Power Transmission, Inductive Clamp, Stability, Filtering, High Efficiency
Ⅰ. 서 론
최근 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 기술의 개발에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 휴 대용 기기 및 가전용 전자 제품이 다양해짐에 따라 수십cm 정도의 거리에 대 전력으로 전력을 공급하 는 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다[1]. 무선 전 력 전송 방식은 짧은 거리에 적용되는 비접촉식 전 자기 유도 방식, 장거리에 응용되는 마이크로파 방 식, 그리고 근거리 무선 전력 전송이 가능한 자기 공 명 방식으로 구분할 수 있다[2]. 무선 전력 전송 방식 중 최근 자기 공명 방식에 대한 많은 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 HF(High Frequency) 대역인 6.78 MHz와 13.56 MHz의 ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역에서 무선 전력 전송 기술의 필요 성이 대두됨에 따라 자기장을 이용하여 전력을 전송 받고 충전 상태 등의 정보를 교환하는 통신 방식에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다[3].
무선 전력 전송은 크게 송신부, 공진부, 수신 및 정류부로 구성되며, 특히 송신부의 RF 전력 증폭기 는 무선 전력 전송 시스템에서 전력 효율을 결정하 는데 주요한 역할을 한다. 무선 전력 전송용 RF 증 폭기에서 요구되는 조건은 우수한 효율과 불요파를 효율적으로 억압할 수 있는 구조가 필요하다. 따라 서 무선 전력 전송에서는 효율이 높은 스위칭 방식 의 전력증폭기를 주로 사용하며, 현재 무선 전력 전 송에 가장 많이 적용되는 스위칭 전력증폭기 구조는 출력단에 불요파를 억압할 수 있는 공진기를 가진 class-E 구조이다.
그리고 지금까지 연구된 많은 무선 전력 전송은 전송 채널이 정적인 경우를 대상으로 하고 있다. 그 러나 산업현장에서 가장 필요로 하는 무선 전력 전 송 기술 중 하나는 회전체에 대한 무선 전력 전송이 다. 지금까지 회전체에 전력을 전송하기 위해 주로 브러쉬 방식에 의존하고 있으며, 브러쉬를 사용할 경우 산업현장의 먼지와 같은 것으로 인한 정기적으 로 점검이 필요하며, 이로 인해 조업에 많은 어려움 이 있었다.
본 연구에서는 산업현장의 회전체와 같이 채널이 동적으로 변화하는 경우 자기 공명 방식 무선 전력 을 전송할 수 있도록 하기 위한 고효율 전력증폭기
를 개발하고자 한다. 일반적으로 자기 공명 방식에 서 자기 공명을 일으키기 위해서는 송수신 공진기가 공진을 일어나는 위치를 유지하여야 한다. 그러나 회전체의 경우, 주기적으로 위치가 변화하기 때문에 송수신 안테나의 임피던스가 지속적으로 변화하는 채널이다. 그러나 class-E 전력증폭기를 설계할 경우, 출력 전력과 공급 전압에 맞추어 출력 임피던스가 정해져 있다. 따라서 자기 공명 방식을 사용하는 무 선 전력 전송 시스템에서 송수신부의 안테나 임피던 스가 지속적으로 변화하게 되며, class-E 증폭기의 부하 조건이 용량성으로 변하게 되면class-E 증폭기 스위칭 소자가 손상을 받게 되어 작동을 멈출 수 있 다. 그리고 고출력 class-E 증폭기의 동작은 많은 에 너지가 코일에 저장되어 있기 때문에 능동적으로 빠 르게 제어하기가 쉽지 않다. 그리고 회전체에 적용 하기 위해서는 공진 코일이 유효 회전각 내에서만 정합이 이루어지고, 회전각이 틀어지면 부정합이 발 생한다. 이러한 동적인 채널에 class-E 증폭기를 사 용하기 위해서는 부정합시 회로를 보호하면서 동시 에 정합상태로 돌아온 경우 빠르게 class-E 동작 조 건을 복원할 수 있도록 설계되어야 유효 회전각 내 에서 전력을 전송할 수 있다.
본 논문에서는 코일을 이용한 자기 공명 방식의 회전체와 같은 동적인 채널에서 무선 전력 전송 시 스템에 적용하는 높은 효율과 우수한 고조파 억압 특성을 가지고 부정합이 발생한 경우, 스위칭 소자를 보호하면서 정합시 빠르게class-E 동작으로 복원할 수 있는 인덕티브 클램핑class-E를 제작 실험하였다.
Ⅱ. Class-E 전력증폭기 동작 원리
그림 1은 class-E 전력증폭기의 기본 구조이다.
Class-E 전력증폭기 핵심은 출력단 임피던스 조건을
그림 1. 일반적인 class-E 전력 증폭기의 회로도 Fig. 1. Circuit of conventional class-E power amplifier.
스위칭 소자가 ZVS(Zero Voltage Swithing)과 ZCS (Zero Current Switching) 조건을 만족하도록 설계하 여 높은 효율을 가지며, 또한 출력단의 공진기를 통 해 고조파 전류를 억압할 수 있는 특성을 가지고 있 다[4]. 그림 1에서 와 는 고조파 전류를 억압하 고 기본 주파수 전류만을 통과시키는 역할을 하기 때문에, 기본 주파수 동작 해석에서 단락 회로로 생 각할 수 있다. 그리고와은 출력 전류와 의 기본 주파수의 크기와 위상차를 맞춰주기 위한 출력 임피던스 조건이다. Class-E 전력증폭기는 그림 1에서 보이는 바와 같이 만일 출력조건 이 용량 성 부하로 바뀌는 경우, 와 직렬 공진을 형성하여 많은 전류와 높은 전압이 발생하게 되어 스위칭 소 자가 손상을 입게 되는 구조를 포함하고 있다.
Ⅲ. 인덕티브 클램핑 Class-E 증폭기 설계
그림1에서 무선 전력 전송 시스템에서 송신 안테 나의 임피던스는class-E 전력증폭기의 부하 임피던 스가 되고, 인덕터 성분()는 class-E 동작을 하기 위한 타이밍, 즉 위상 보상을 한다[5]. 코일을 이용한 자기 공명 무선 전력 전송에서class-E 전력증폭기의 출력 단에 송신 안테나를 연결하면, 송신기와 수신 기 간의 공명이 되는 경우에 전력증폭기의 최적 Load 조건을 만족한다. 반면, 송수신와 수신기가 공 명이 되지 않는 위치에 있는 경우, 전력증폭기의 Load는 용량성 부하가 되어 그림 1에서 보이는 class-E 전력증폭기의 동작을 위한 신호의 위상 보상 을 위한 인덕터 성분()과 서로 상쇄되고, class-E ZVS/ZCS 조건을 만족시키지 못한다. 또한, 최악의 경우 직렬 공진 조건에 가까워지면 스위칭 소자엔 큰 전류가 흘러 소자가 손상을 입을 수 있다.
본 논문에서는 일반적인class-E 전력증폭기가 갖 는 위와 같은 문제를 해결하기 위해 인덕티브 클램 핑 방식의class-E 전력증폭기를 사용하였으며, 또한 기본적인 class-E에서 pi-section 정합 회로를 추가하 여class-E 동작을 하기 위한 임피던스 조건 즉, 기본 주파수 전류만을 통과시키면서 고주파에서 높은 임 피던스가 되어 고조파 전류를 제한하는 필터 특성을 개선한 증폭기 구조를 설계하였다. Class-E 동작을 하기 위해서 기본 주파수 전류만을 통과시키고, 고조
그림 2. 인덕티브 클램핑 class-E 전력증폭기
Fig. 2. Circuit of inductive clamping class-E power am- plifier.
파에서 높은 임피던스를 유지하여 고조파 전류를 제 한하고, 기본 주파수 전류에 대한 class-E 조건의 부 하 임피던스를 가지도록 설계하면 된다. 그림 2는 이러한 조건에 부합하도록 설계되어 있으며, 변형된 구조는 병렬 다이오드를 이용한 보호 회로를 추가할 수 있다. 그림 2에서 설계된 인덕티브 클램핑 class-E 전력증폭기의 회로도에서은 바이어스 초크 인덕 터이고, , , , , 는class-E증폭기에서 기 본 주파수 성분의 전류만을 통과시키는 필터로 설계 되어 있다. 그리고는DC 블록 캐패시터이고, 와는 시스템 임피던스를class-E 출력 부하로 변 환하는 회로이다.
인덕티브 클램핑 회로는 정합 조건에서 다이오드 는 꺼져 있도록 설계되어 있으며, 부하 조건이 용량 성이 되어 인덕터에 전류가 증가하는 경우Diode가 On이 되어 Diode 뒷단의 용량성 부하로 인한 공진을 저지하고 노드 전압이 GND 아래로 내려가는 것 을 방지하여 추가적인 보호 회로 없이 스위칭 소자 에 높은 전류가 인가되는 것을 방지한다[6]. 또한, 채 널이 동적으로 변화하는 경우, 부정합 상태에서 최 대한의 에너지를 코일에 저장하고 있기 때문에, 정 합이 되는 순간 빠르게 class-E 동작 조건으로 복원 할 수 있는 특성을 가지고 있다. 따라서 전력증폭기 뒤에 붙는 송신 안테나의 임피던스 변화에 대해 class-E 전력증폭기를 보호하면서 동적인 채널에 적 용이 가능한 구조이다.
그리고 그림 2의 class-E 증폭기에서 임피던스
는 기본 주파수 전류만 통과시키고, 고조파에 대해서는 높은 임피던스를 가지도록 설계되어 고조 파 전류를 억압할 수 있다. 특히 고조파에서 안테나
그림 3. 간략화한 class-E 증폭기 회로도 Fig. 3. Simplified class-E amplifier.
임피던스가 변하더라도 높은 임피던스를 유지할 수 있도록의 값을 크게 설계하여야 한다. 따라서 기 본 주파수 해석에서 그림 2의 회로도는 뒷단에 대해 기본 주파수 성분만 고려하고, 고조파에 대해 개방 회로로 근사하면 그림3과 같은 증폭기 회로로 근사할 수 있다. 그림 3에서은 그림2에서 성 분 중 기본 주파수에서 ZVS와 ZCS 조건에 필요한 값으로 그림1에서를 나타낸다. 그리고 그림 1에 서도 기본 주파수에 대해서 와 를 고려하고, 고조파에 대해 개방회로로 근사하면 그림 3에서 다 이오드와DC 블록를 제외한 회로도로 해석할 수 있다. 그림 3에서 다이오드는 정상 동작에서는 Off 상태로 무시할 수 있다.
그림 3에서 이 용량성 부하()로 변하는 경 우, 의 값을 상쇄되면서 임피던스가 낮아지 고, 인덕터 전류가 증가하고, 인덕터 양단 전압도 상 승한다. 만일 다이오드가 없는 상태에서 공진에 가 까워질수록 이 전류가 지속적으로 상승하여 결국 스 위칭 소자를 손상시킬 수 있다. 그러나 다이오드가 있는 경우, 전류의 증가로 전압 의 진폭이 증가하 여의 진폭이 의 전압보다 커져 다이오드가 켜지게 되면, 클램프 회로의 다이오드에 의해 <0 영역이clipping되면서에 역방향DC 전류가 생성 되어 DC 전원 방향으로 흐르게 된다. 따라서
에서 공급하는 전류 가 감소하게 되어 회로 에 공급되는 전류를 줄여 증폭기 회로를 보호할 수 있다. 또한, 이때 부정합 조건에 따라 차이가 나지만,
에 흐르는 전류는 역방향으로 발생한DC 전류를 제외한 전류의peak-to-peak 전류의 크기가 정합시의 전류에 가깝기 때문에 부정합에서 정합으로 부하가 바뀌는 경우 빠르게class-E 동작으로 회복할 수 있다.
Class-E 증폭기의 설계 모델에 대해서는 이미 자 세히 설명이 되어 있지만[4], class-E 증폭기를 보다 쉽게 설계하기 위해 다음과 같은 조건을 가정하고, 그림 3의 회로를 분석하여 제시하고자 한다. MOS- FET은 이상적인 switch이며, 은DC 전류만 통 과하고, 출력회로는 정현파 전류 만 통과시키 고, 다이오드는 Off, 그리고 스위칭 신호의 duty는 50
%이다.
위의 조건에서 출력 전류는 다음과 같이 적 을 수 있다.
sin (1) 식(1)에서 이고, 는 전류의 진폭을 나타 낸다. 그리고 스위칭 신호는 ≦ 인 경우Off,
≦ 영역에서 On이라고 가정하면, 스위치가 Off인 구간에서 에 흐르는 전류 는 다음과 같이 주어진다.
sin (2) 그리고 스위치가Off인 ≦ 구간에서 MOS- FET의 드레인 전압는 다음과 같이 주어진다.
cos cos (3) 식(1)에서 ZCS 조건과 식 (3)에서 ZVS 조건을 만 족하기 위해서는 다음 식이 성립하여야 한다.
→ sin
(4)
→ cos
⋅
(5) 식(4)와 (5)를 이용하여 =0.567 rad으로 주어진 다. 그리고 식 (3)의는 다음과 같이 푸리에 급 수로 표현할 수 있다.
∞
cos
∞
sin
(6) 그러면, 식 (6)에서 DC 전압 는 다음과 같이 주어진다.
그림 4. Class-E 전력증폭기의 전류 파형
Fig. 4. Current waveform of class-E power amplifier.
(7) 식(7)을 이용하여 식 (3)을 정리하면 다음과 같다.
sincos
(8)그림5는 식 (8)의 드레인 전압 파형을 나타낸다.
그림4와 그림 5에서 peak 전류와 전압은 각각 다음 과 같다.
≃ ≃
≃ (9)
또한 식(6)에서 기본 주파수 성분과은 다 음과 같이 구해진다.
cos 그림 5. 드레인 전압 파형
Fig. 5. Voltage waveform of class-E power amplifier.
(10)
sin
(11) 식(10)과 식 (11)을 이용하여 기본 주파수에 출력 전압에 대한 위상자()를, 식 (1)에서 출력 전류에 대한 위상자()를 구하면 각각 다음과 같다.
(12)식(12)를 통해 그림 4에서 기본 주파수에서 임피 던스 값을 다음과 같이 구할 수 있다.
(13)Class-E 전력증폭기 설계시 요구 조건 DC 전압인
와 동작 주파수, 출력 전력 가 주어진 경우, 초기 설계에서 먼저 효율을 이상적이라 가정하면
⋅로부터 값을 추정할 수 있다. 또 한, C1의 값은 식 (7)로부터 다음과 같이 주어진다.
(14) 또한 식(13)을 이용하여 값을 구할 수 있 고, 부하의 공진값 Q를 선정하면 초기 설계를 할 수 있다. 스위칭 소자의 선택할 때 소자의 크기는 식 (9) 와 스위칭 속도를 고려하여 선정하여야 한다.
그러나class-E 증폭기의 구동단을 설계하면서 스 위칭 소자의 크기가 큰 경우, 신호의 duty를 50 %로 맞추지 못하는 경우가 발생하게 된다. 이 경우, 스위 치가Off 되는 구간을 ≦ 로, 스위치가 On이 되는 구간을 ≦ 이라고 하면, 식 (2) ZCS 조건과 식(3)의 ZVS 조건이 다음과 같이 변형된다.
sin
(15)
cos cos
(16)
구동단 파형에서 스위칭 신호의Off duty인 를 측정하면 식(15)와 식 (16)을 이용하여 와를 구 할 수 있고, 앞서와 같은 방법으로 설계를 할 수 있 다. 이 경우와 간의 관계는 다음과 같이 유 도된다.
sin sin sin
(17)Ⅳ. 구현 및 실험 결과
본 논문에서는 설계한 전력증폭기는 동작 주파수 13.56 MHz에 출력단 DC 전압을 28 V, 최종 출력은 50옴 시스템 20 W로 설계하였다. 출력단 스위칭 소 자는International Rectifier 사의 SMPS MOSFET IRF- 7465를 사용하였으며, Diode는 Infineon 사의 SDP06- S60 Schottky diode를 이용하여 설계하였다. 각 회사 에서 제공하는spice 모델과 LTSPICE를 이용하여 회 로를 시뮬레이션 및 설계하였으며, C1의 값은 문턱 전압이6 V인 IRF7465 소자를 VDD=28 V, VGS=5 V에 서 측정하여 추가적인 커패시턴스 값을 고려하여 설 계하였다. 그림 2에서 기본 주파수에서 이 26+j22로 설계되었다. 그림 6은 class-E 전력증폭 기의 정합시 동작 시뮬레이션 결과로 그림3에서 와 의 파형을 나타낸다. 스위치 On 구간에서는
그림 6. Class-E 증폭기 시뮬레이션 파형
Fig. 6. Simulation waveforms of the class-E amplifier.
그림 7. 정합시 전압과 에 흐르는 전류 파형 Fig. 7. Waveforms of voltage and current in an-
tenna matching state.
흐르는 전류는 의 전류 이고, 스위치 Off 구간 에서 흐르는 전류는 스위칭 소자에 흐르는 전류 를 나타낸다. 스위칭 소자의 전압과 전류 파형이 class-E 동작을 하고 있음을 알 수 있다. 그리고 시뮬 레이션 결과, 증폭기에 공급되는 DC 전류는 837 mA 로 나타났으며, 이 떄 출력 전력은 20.8 W로 드레인 효율 89 %로 설계되었다.
그림 7은 정상 동작 영역에서 그림 2의 전압 과 인덕터에 흐르는 전류 파형을 그린 그림이다.
정합 동작시 다이오드는Off 상태를 유지하면서 동 작하는 것을 볼 수 있다.
또한 그림8은 용량성 부하 100 pF로 부정합이 발 생하는 경우, 인덕티브 클램핑 회로의 동작을 보여 준다. 의 진폭이 커지면서 다이오드가 <0 영역 이clipping하는 것을 확인할 수 있다. 동시에 에 흐르는 전류에DC 성분이 역방향으로 흐르고 있다.
그림 8. 부정합시 전압과 에 흐르는 전류 파형 Fig. 8. Waveforms of voltage and current in
antenna mismatching state.
그림 9. 부정합에서 정합으로 변화하는 경우 에 흐르는 전류 파형
Fig. 9. Current waveform of on changing antenna mismatching state into antenna matching state.
이DC 전류는 결국 전원에서 공급하는 전류를 줄여 주게 된다. 시뮬레이션 결과, 부정합시 전원 공급기 에서 공급하는 DC 전류는 467 mA로 줄어들었다.
그리고 부정합에서 정합으로 회복하는 시간을 알 아보기 위해 12 에서 순간적으로 부정합이 발생 하고, 14 에서 다시 정합조건으로 바뀐 경우에 대 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 부정합 조건은 앞서 와 같이 용량성 부하100 pF로 시뮬레이션 하였다.
그림9는 시뮬레이션 결과, 에 흐르는 전류 파 형을 그린 것으로 A점에서 부정합으로 변하여 B지 점에 정합으로 돌아온 경우로A와 B 사이가 부정합 시 클램핑 회로로 인해DC 전류가 역방향으로 흐는 것을 확인할 수 있으며, B에서 C로 변화는 정합상태 로 돌아온 후 정상 출력을 출력하는데 소요되는 시 간은5주기 정도로 0.4 이하로 나타난다. 실제 동 작에서는 회전각에 따라 정합에서 부정합으로 연속 적으로 발생하지만, 순간적인 변화에 대응하는 속도 에는 문제가 없음을 확인할 수 있다.
그림 10은 동일한 부정합 조건에서 다이오드가 없이 시뮬레이션 결과, 의 전압과 인덕터에 흐르는 전류를 나타낸다. 이 경우 전원 공급기에서 인가되는DC 전류는 1.87A로 나타났다. 다이오드가 없는 경우, 전압과 전류가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다.
설계된 값을 바탕으로 그림2의 출력 매칭 회로를 구현하여 를 네트워크 분석기로 측정하였다.
그림 11은 네트워크 분석기로 측정한 것을 보여준
그림 10. 인덕티브 클램핑 회로가 없을 때 전압 과 에 흐르는 전류 파형
Fig. 10. Waveforms of voltage and current without the inductive clamping circuit.
그림 11. Network analyzer를 통한 class-E 전력증폭기 임피던스
Fig. 11. Load impedance of implemented class-E po- wer amplifier by using network analyzer.
다. 측정 결과, 기본 주파수인 13.56 MHz에서 27+j19
로 구현되었다. 2차와 3차 고조파에서 은161 옴과405옴 이상의 임피던스를 가지며, 고차 고조파 로 갈수록 높은 임피던스를 가지도록 설계되었다.
그림12는 구현된 인덕티브 크램핑 class-E 전력증 폭기이다. 구현된 증폭기는 알루미늄 기구를 제작하 여 설치하였고, 인덕터는 AMIDON사의 환형 코어를 사용하여 제작하였으며, 안정적인 동작을 위해 고전 압, 높은 Q를 가진 MICA 커패시터를 사용하여 구현 하였다.
그림 13은 구현된 전력증폭기의 측정 환경이다.
시스템 내부에 RF 신호발생기와 구동 증폭기를 통 해서13.56 MHz 25 dBm의 RF 전력이 class-E 증폭기
그림 12. 구현된 인덕티브 클램핑class-E 전력증폭기 Fig. 12. Fabrication of inductive clamping class-E po-
wer amplifier.
그림 13. 전력증폭기 성능 측정
Fig. 13. Performance measurement for power amplifier.
입력으로 인가된다. 그리고 class-E 전력증폭기의 출 력은50옴 30 dB 감쇄기에 연결되어 스펙트럼 분석 기로 연결된다. Class-E 전력증폭기는 DC 전원 장치 에서 28 V 전압을 공급받아 RF 전력을 출력한다.
그림 14는 출력 전력을 스펙트럼 분석기로 확인 한 결과이다. 그림 14(a)의 그림을 보면 출력 전력의 크기는43 dBm 이상으로 20 W 이상 출력되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 14(b)를 통해 기본 주파수 성 분과2차 고조파 신호 간의 출력 크기가 55 dBc 이 상으로 고조파 억압 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
표1은 제작된 전력증폭기를 실험 측정한 결과이 다. 구현된 class-E 전력증폭기는 50옴 20 W 출력에 서 최종단 전류 소모는830 mA로 설계치 836 mA와 오차범위에서 일치한다. 또한, 입력 전력 25 dBm으 로 전력 부가 효율(PAE)는 85 %로 측정되었다.
(a) 13.56 MHz에서 확인한 spectrum (a) Spectrum at 13.56 MHz
(b) 2차 고조파 억압
(b) Suppression of 2nd harmonic frequency 그림 14. 측정 결과
Fig. 14. Measured results.
표 1. 구현된 class-E 전력증폭기 측정 결과 Table 1. Measured results of implemented class-E po-
wer amplifier in 50 Ω system.
항목 단위 측정 결과
동작 주파수 MHz 13.56
구동 전압 V 28
구동 전류 A 0.830
출력 전력 dBm 43 이상
전력 부가 효율(PAE) % 85
2차 고조파 억압도 dBc 55이상
인덕티브 클램핑class-E 전력증폭기의 안정적 동 작을 확인하기 위해서 그림15와 같이 송수신 안테
그림 15. 회전체 환경에서 전력증폭기 실험
Fig. 15. Experiment for test of the class-E power am- plifier in rotor environment.
나를 설치하고, 회전체를 동작시켜 안테나 간에 부 정합과 정합이 일어나도록 환경을 조성하였다.
회전체 환경에서 회전각을 변화하면서 실험한 결 과, 28 V 전원에서 DC 소모 전류는 정합조건에서 최 대830 mA를 소모하며, 최소 420 mA까지 변화하였다.
구성된 실험 환경에서 실험한 결과, 송수신 안테 나가 정합 상태일 때에는 정상적인 정격 출력을 송 출하며 전력 전송이 잘 일어나는 것을 확인하였고, 부정합 상태일 때는 공급 전류가 낮아지며 안정적으 로 동작하였다. 부정합시 안테나의 임피던스는 환경 에 따라 계속 변하고, 따라서 회전체의 경우 임피던 스는 일정하지 않은 알 수 없는 값으로 계속 변화하 기 때문에 출력 전력을 직접 측정하는 것은 어려우 므로, DC 소모 전류의 변화와 수신기에 수신되는 전 력을 통해서 간접적으로 전력증폭기의 동작 여부를 확인할 수 있다.
Ⅴ. 결 론
본 논문은ISM 13.56 MHz 대역 회전체에 대한 무 선 전력 전송 시스템에서, 송수신 안테나 간에 부정 합이 발생하는 상황에서 고효율의class-E 전력증폭 기를 안정적으로 동작시키는 동시에 고조파 억압 특 성이 우수한 인덕티브 클램핑 방식의class-E 전력증
폭기를 제작하여 실험하였다. 실험을 통해 측정한 결과, 동작 주파수 13.56 MHz에서 입력 전력 25 dBm을 기준으로 출력 전력은 43 dBm, 전력 부가 효 율(PAE) 85 %로 나타났다. 또한, 2차 고조파 억압은 기존 class-E 전력증폭기와 비교해 봤을 때 55 dBc 이상으로 우수하게 나타났다. 본 연구는 무선 전력 전송 시스템에서 송수신 안테나 간에 정합 특성이 변화하는 무선 전력 전송 시스템의 응용에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
References
[1] 박성일, "무선 전력 전송 시장 전망", 한국정보통 신기술협회, TTA 저널, 138호, pp. 40-44, 2011년 11월.
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2005.
남 민 영
2010년 2월: 한동대학교 전산전자 공학부 (공학사)
2010년 2월～현재: 한동대학교 정 보통신공학과 석사과정 [주 관심분야] USN, VLSI 설계, 무
선통신시스템, RF/아날로그 IC 설계, 초고주파 회로 설계
김 영 식
1993년 2월: 포항공과대학교 전자 전기공학과 (공학사)
1995년 2월: 포항공과대학교 초고 주파공학과 (공학석사)
1997년 5월: 포항공과대학교 초고 주파공학과 (공학박사)
1999년 4월～현재: 한동대학교 전 산전자공학부 정교수
[주 관심분야] 센서 네트워크 개발, RFID, 무선 송수신용 RF/Analog IC 설계, 무선통신용 모뎀 설계, RF 전력증폭 기 개발
