[테크월드=선연수 기자]
무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 혹은 ‘무선 충전’은 이제 수많은 컨슈머 기기들이 맨 앞에 내세워 선전하는 기능이 됐다. 자동차 업계도 무선 충전에 관심을 두고 있으며, 무선 충전을 사용하면 직접적인 연결 시 발생하는 스파크로 인한 폭발 가능성이 사라지는 까닭이다. 또한, 충전 시스템을 밀봉함으로써 기름, 오염 물질 등 문제가 될 수 있는 물질들을 차단할 수 있다.
두 가지 근거리 충전 방식
무선 충전 시스템은 전형적인 ‘근거리 충전’ 방식이다. 이는 발진 자기장을 발생시키기 위한 전송 코일과 유도를 통해 에너지를 수신하는 수신 코일, 2가지 코일을 사용한다.
통상적으로 충전 스테이션/패드로는 트랜스미터와 일차 코일을 포함하며, 충전하고자 하는 기기로는 리시버와 이차 코일을 포함한다. 트랜스미터가 자속을 생성하고 이중 일부가 리시버 코일로 침투해 전력을 전송한다. 결과적으로 두 코일이 트랜스포머로서 동작하게 되며, 전송 효율은 코일의 품질 계수(Q)와 결합도(k)에 따라 좌우된다.
수신 기기를 인증하고 전력 전송을 관리하기 위해, 전력 파형 위에 양방향 통신 채널이 얹혀진다. 또한 무선 충전 시스템의 이물체 감지(FOD, Foreign Object Detection) 기능을 사용해, 리시버와 트랜스미터 간 의도치 않게 놓인 금속 물체가 안전 문제를 발생시키지 않도록 방지한다. 끼어있는 이물질은 에너지를 흡수하고, 시스템 효율을 떨어트리며, 온도를 상승시킬 수 있다.
근거리 충전 기술은 크게 두 가지 방식으로 분류된다. 첫째는 코일 2개를 서로 가깝게 결합하는 유도 충전, 둘째는 코일들을 동일한 공진 주파수로 맞추는 ‘공진 충전’ 방식이다. 두 방식 모두 유도 결합을 사용하며, 전자가 흔히 말하는 ‘유도 충전’ 방식을 의미한다.
유도 충전이란?
유도 충전은 현재 양산되고 있는 유일한 무선 전력 전송 기법이다. 유도 충전은 효율적이지만 코일 불량 정렬에 꽤 민감해, 역 제곱 법칙에 따라서 코일들의 간격이 떨어질수록 전력 전송이 급격히 약화된다. 컨슈머 애플리케이션으로 높은 효율을 달성하기 위해서는 코일 간 간격이 7mm를 넘지 않아야 한다.
유도 충전용으로 두 표준이 경쟁 관계에 놓여있다. 첫째는 Qi 표준으로서, 이는 WPC(Wireless Power Consortium)에서 관할하며, 100kHz부터 200kHz에서 동작한다. 이와 경쟁하는 표준은 AirFuel Alliance의 AirFuel Inductive 표준으로, 100kHz부터 350kHz에서 동작한다. 많은 디바이스 업체들은 두 표준을 모두 지원하고 있다.
두 표준 모두 70% 이상의 효율을 제공한다. 어떤 무선 충전 시스템도 유선 충전 수준의 전력을 제공할 수는 없으나, 성능은 점점 향상되고 있다. WPC 버전 1.2는 최대 15W를 제공할 수 있는데, 이는 이전 버전의 5W 제공 성능에 비해 많이 향상된 결과다.
트랜스미터
유도 충전 시스템에서 전력 트랜스미터는 대부분 저전력 모드로 대기하며, 주기적으로 깨어나 기기 범위 내에 리시버가 있는지 확인한다. 리시버가 있을 경우 트랜스미터가 리시버를 인증하고 전력을 전송하며, 이때 트랜스미터가 아닌 수신 디바이스가 전송 프로세스를 제어한다는 점이 특징이다. 리시버가 적절히 인증하지 못하면 트랜스미터는 다시 저전력 모드로 돌아간다.
Qi를 지원하는 무선 트랜스미터로는 도시바(Toshiba)의 TB6865AFG를 들 수 있다. 이 트랜스미터는 복잡한 시스템온칩(SoC) 디바이스로서, 전치 드라이버를 포함하며 전력 코일을 구동하기 위한 풀 브리지 인버터를 구현할 수 있다.
리시버
로옴(Rohm)의 BD57015GWL 역시 무선 리시버 SoC 디바이스다. 이는 동기 정류기 회로와 임피던스가 낮은 FET을 포함하며, 패킷 컨트롤러가 진폭 변조를 사용해 리시버와 트랜스미터 간 Qi와 AirFuel 통신을 처리한다. 전압 출력을 레귤레이트 할 수 있으며 Qi 중간 전력대 표준과 AirFuel 표준을 충족한다. 로옴은 Qi 저전력대와 중간 전력대용으로 BD57020MWV 트랜스미터도 제공하고 있다.
코일
Qi 표준은 업체들의 제품 간 상호운용을 지원하기 위해서 트랜스미터 코일, 피복 소재, 구조, 전기적 특성에 관한 요구사항을 상세히 정의하고 있다.
예를 들어, A11 코일 규격은 단층 원형 코일에 10의 와이어 회전 수와 페라이트 베이스로, 입력 동작 전압은 5V, 인덕턴스는 6.3µH, 상단 DC 저항은 60mΩ으로 정의하고 있다.
3코일 A6 규격은 코일 불량정렬에 대한 민감성을 낮추고 충전 면적을 늘렸고, 다만 각 코일이 드라이버를 요구해 전반적인 비용이 증가한다.
리시버 코일과 트랜스미터 코일은 대개 리츠 와이어로 구성되며, 이는 스킨 효과와 근접 손실을 낮춘다. 최선의 에너지 결합을 위해서는 두 코일이 거의 동일한 크기를 가져야 한다.
리시버 코일은 휴대기기나 웨어러블 기기에 삽입하기 위해서 충분히 얇아야 하는 점과 기기가 수시로 부딪히고 떨어지고 흔들린다는 점을 고루 감안해 특징 간 균형을 이뤄야 한다.
리시버 코일은 컨슈머 기기에 사용되기 때문에, 코일이 맞춤형으로 설계되는 경우가 많다. 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)는 Qi 지원 리시버 코일의 개발과 관련해 유용한 가이드라인을 제공한다. 비쉐이/데일(Vishay/Dale)의 IWAS 시리즈는 상용으로 출시된 최초의 5V/7V 충전 Qi 호환 리시버 코일이다. IWAS-3827EC-50 코일은 38×26×1mm의 크기로 최대 10W를 처리할 수 있다.
코일과 트랜스미터 또는 리시버를 모두 포함하는 모듈을 사용할 수도 있으며, 그 예로 TDK의 WTM505090을 들 수 있다.
유도 무선 충전 개발 키트
유도 무선 충전을 포함한 제품을 설계하는 개발자들을 위해서 다양한 개발 키트와 툴들이 제공되고 있다. IDT의 WP3W-RK는 트랜스미터, 리시버, 3가지 크기의 코일과 함께, 바로 사용할 수 있는 레퍼런스 디자인, 레이아웃 모듈, BOM을 제공한다.
공진 무선 충전
현재 대부분의 무선 충전은 근거리 유도 방식이지만, 중장기적으로 볼 때 공진 충전과 원거리 충전 방식이 유망할 것으로 전망된다.
공진 충전은 효율은 낮지만 보다 긴 거리를 지원하며, 코일이 느슨하게 결합해도 되고 동일한 공진 주파수로 맞추기 때문에 코일 불량정렬에 대해 더 관대하다. 동시에 다수의 기기에 전력을 공급할 수 있어 코일이 같은 크기일 필요도 없다. 따라서 근거리 유도가 요구하는 정확성과 근접성을 충족하는 것이 거의 불가능한 산업용 또는 자동차 애플리케이션에 적합한 기술이다.
실제로 자동차 산업 관련 표준을 제정하는 SAE(Society of Automotive Engineers)는 자동차 용으로 공진 충전 표준을 개발하고 있다(SAE J2954). 2020년 발표 예정인 이 표준은 3.7kW 주택용 WPT1부터 11kW 급속 충전 WPT3에 이르기까지, 저용량부터 고용량까지 포괄하는 3가지 충전 레벨을 정의한다.
Qi 표준도 공진 충전을 지원한다. 컨슈머 용으로 최대 45mm의 거리를 지원하며, AirFuel 역시 공진 충전 규격을 포함한다. 그러나 표준 포함 여부와는 달리, 현재 공진 충전용 상용 제품은 거의 출시되지 않는 상황이다.
원거리 충전에 대한 기대
무선 전력 이송의 궁극적 실현은 리시버를 트랜스미터에 가깝이 할 필요가 없도록 ‘원거리 충전’을 구현하는 것이다. 이는 근거리 자기 유도와 달리 무선파를 사용할 것으로 예상되며, 어디서든지 휴대기기나 웨어러블 기기의 세류 충전을 계속적으로 수행할 수 있을 것이다.
‘어디서든 충전’할 수 있는 유토피아를 당장 실현할 수는 없더라도, 이를 목표로 나아갈 것이다. 먼저 공항이나 커피숍과 같이 비교적 좁은 공간에 많은 사람들이 모이는 장소에서의 수 미터 거리 간 원거리 무선 충전을 구현하는 것으로 시작해볼 수 있다.
오시아(Ossia)는 2017년 CES에서 코타(Cota) 시스템을 선보였다. 이 시스템은 256개의 안테나와 빔형성 기술을 사용해 30피트(약 9미터) 거리 내에 있는 다수의 기기들로 전력을 전송할 수 있다.
초음파는 전자기 간섭을 일으키지 않고, 통신을 방해하지 않아 이에 대한 기술 투자도 이뤄지고 있다. 유빔(uBeam)은 사람이나 동물의 가청 범위 이상의 높은 음역대로 동작하는 시스템을 개발하고 있다. 2017년 초에 성공적인 파일럿 제품을 발표했으나, 상용화 제품 출시까지는 몇 년의 시간이 더 소요될 것으로 보인다.
제품 개발자에게 열린 기회
개발 동향을 짚어봄으로써 미래의 무선 충전 구현 모습을 그려볼 수 있다. 탄탄히 확립된 2가지의 표준, 계속 출시되고 있는 상용 제품들에 이어 편리한 개발키트까지, 기기 설계자들이 무선 충전 기술에 당장에 활용할 문이 활짝 열려 있다.
글: 루디 라모스(Rudy Ramos)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스
- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2019년 10월 호에 게재된 기사입니다.
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