모바일 기기의 Qi 준수 무선 전원 충전 솔루션

의료 목적의 웨어러블 기기나 정보와 연결을 위한 스마트폰 및 태블릿의 경우 모두 소비자는 어디서나 작동하는 제품을 원합니다. 또한 이러한 요구 사항을 충족하는 범위에서 충전기 케이블이나 커넥터가 필요 없는 배터리 충전 솔루션을 바라고 있습니다. 무선 전원 충전은 이러한 시장의 요구 사항을 충족하면서 지난 몇 년 사이에 플러그인 어댑터의 매력적인 대안으로 대두되었으며 표준이 확립되면서 더욱 힘을 얻고 있습니다. Texas Instruments, Freescale Semiconductor, Integrated Device Technology 등의 공급업체는 이러한 표준을 기반으로 종합 솔루션을 제공하기 시작했습니다.

무선 전원 솔루션 개발의 성공으로 얻은 보상은 상당합니다. 연구 및 기술 컨설팅 업체인 IHS에 따르면, 금년 말까지 무선 전원 기기가 1억 개 정도 사용될 것이라고 합니다. 2012년 무선 충전기 수는 약 5백만 개에 불과했습니다. 흥미롭게도 이 새로운 시장의 점유를 두고 경쟁하는 표준 기관에는 세 곳이 있습니다.¹WPC(Wireless Power Consortium)는 2008년에 최초로 무선 전원 표준을 만들었고, PMA(Power Matters Alliance)는 2012년에 대안 솔루션을 제시했습니다. 세 번째인 A4WP(Alliance for Wireless Power)도 2012년에 나왔습니다.²

최근에 A4WP와 PMA가 합병 계약을 맺고 무선 유도 충전 분야에서 소비자의 요구를 충족하기 위한 단일 기관을 만들기로 했습니다. 이 연합의 목적은 많은 소비자의 기술 채택에 필요한, 상호운용이 가능한 무선 충전 에코시스템을 만드는 것입니다. A4WP는 삼성전자와 Qualcomm과 같은 회사의 지원을 받으며, PMA는 Duracell과 AT&T의 지원을 받습니다.

유도 충전

회원사가 200개가 넘는 WPC의 규모가 가장 크고 해당 표준인 Qi 역시 가장 큰 인기를 끌어, 시장에 600종 이상의 Qi 인증 제품과 5천만 대 이상의 Qi 기기가 나와 있습니다. WPC에 따르면 주요 핸드셋 제조업체에서 나오는 70종 이상의 스마트폰에서 Qi 사양을 사용하고, 전 세계 약 15종의 자동차 모델에서 통합 Qi 충전 기능을 제공한다고 합니다.

그림 1에 나타난 것처럼, Qi 시스템은 송전 패드와 휴대용 기기 내부의 호환 수신 코일로 구성됩니다. Qi 시스템에서는 두 코일 사이의 송전을 위해 유도 커플링을 사용합니다. 따라서 주(송신기) 코일의 전류로 인해 생성된 자기장이 부(수신기) 코일의 전류를 유도합니다. 이렇게 수신된 전류가 배터리 충전이나 부하 전력 공급에 사용됩니다. 일반적으로 두 코일 사이의 거리는 5mm이고 수신기 커플링을 위해 송신기에서 사용하는 전력은 최대 5W입니다. 작동 주파수는 100kHz~205kHz 범위입니다. Qi v1.0이라는 이 초기 사양은 2009년 8월에 공개되었습니다. 그리고 몇 년 후에 송전기의 디자인이 좀 더 자유로워진 Qi v1.1이 나왔습니다. 이 표준에서는 커플링 가능한 거리가 더 길어졌습니다. v1.1 사양에서 Qi 충전기는 40mm 탁상 유닛을 통해 Qi 수신기로 5W를 전달할 수 있습니다.

그림 1: 일반적인 무선 충전 시스템에서는 자기 커플링된 인덕터 2개와 송신기 코일, 수신기 코일을 사용합니다. 송신기 코일의 교류 전류에 의해 생성된 자기장이 수신기 코일의 전압을 유도합니다. (Wireless Power Consortium 제공)

WPC는 Qi 충전기의 유연성을 더욱 높이기 위해 2014년 여름에 표준을 버전 1.2로 업데이트했습니다. Qi v1.2는 기존 Qi 사양에 포함된 유도 기술에 공진 충전을 추가하도록 최신 사양을 확장합니다. 이 덕분에 제조업체는 직접 접촉되는 저가의 표면 장치 외에도 가구 및 데스크톱 등의 구조에서 잘 보이지 않는 깊은 곳에 무선 충전기를 배치할 수 있게 되었습니다. 또한 v1.1 수신기와도 호환됩니다.

WPC에 따르면, 회원사는 프로토타입 Qi v1.2 수신기를 사용하여 45mm 거리에서 충전을 시연했다고 합니다. 또한 기존 Qi v1.1 시스템과 프로토타입 v1.2 시스템 사이의 상호운용성 테스트도 성공적이었습니다. 이제 모바일 기기가 충전 패드와 직접 접촉할 필요가 없어졌습니다. 따라서 Qi v1.2 송신기 하나로 Qi 기기 여러 대를 동시에 충전하는 것도 가능합니다. 또한 최신 Qi 사양으로 주방 가전 기기에 최대 2,000W를 공급할 수도 있습니다.

Qi 준수 솔루션

WPC의 창립 회원인 TI는 시스템의 송신기와 수신기 모두를 위한 IC를 개발했습니다. 이 회사는 새로운 제품으로 무선 전원 충전 포트폴리오를 계속 확장하고 있습니다. TI는 작년에 2개의 Qi 준수 막대형 수신기 bq51020과 bq51021을 공개했습니다. 단일 칩 5W 수신기는 Qi v1.1 사양을 지원하는 정류, 조정, 디지털 제어 및 통신 기능을 제공합니다(그림 2). TI는 이러한 수신기 IC가 Qi 준수 휴대폰, 태블릿, 전자 기기를 다른 무선 전원 솔루션에 비해 빠르고 효율적으로 충전할 수 있도록 맞춤 설계되었다고 말했습니다. 수신기에는 최대 8V의 프로그래밍 방식 출력 전압과 전원 손실을 최대 50퍼센트까지 줄여 주는 낮은 온-저항의 MOSFET이 사용됩니다. 또한 bq51021에는 시스템 디자이너가 이물질 감지(FOD) 기능과 충전기 및 수신기의 정렬을 지원하여 사용 경험을 개선해 주는 특유의 "패드 감지" 기능을 갖춘 I²C 인터페이스가 있습니다.

그림 2: TI의 단일 칩 수신기 bq5102x는 Qi v1.1 사양을 지원하는 정류, 조정, 디지털 제어 및 통신 기능을 제공합니다.

송신기 쪽에는 더 적은 수의 부품으로 솔루션을 완성할 수 있으며 USB 포트나 5V 전원 어댑터로 작동할 수 있는 새로운 세대의 칩인 bq500212A가 추가되었습니다. 이 기기는 WPC의 v1.1 유형 A5 또는 A11 송신기 코일 사양을 따릅니다(그림 3). 기본적으로 제어기에는 Qi v1.1 준수 수신기 칩으로의 무선 전력 제공을 제어하는 데 필요한 모든 기능이 통합되어 있습니다. 다른 주요 기능에는 동적 전력 제한, FOD, 향상된 PMOD(Parasitic-Metal-Object Detection)가 포함됩니다. 공급업체에 따르면, 칩의 종합적인 상태 및 이상 모니터링 기능 덕분에 저가에 견고한 Qi 준수 무선 전원 시스템 디자인이 가능하게 되었다고 합니다.

그림 3: TI의 무선 전원 컨트롤러 IC bq500212A를 사용하는 일반적인 송신기 회로.

TI는 작년에 통신과 제어를 위한 WPC의 Qi v1.1과 PMA 프로토콜 모두를 준수하는 듀얼 모드 5W 수신기 bq51221를 공개했습니다. 이 단일 무선 전원 수신기 칩은 두 표준 모두에 전력 변환(정류 및 조정)과 디지털 제어 및 통신 기능을 제공합니다. 추가 소프트웨어 개발은 필요하지 않습니다. 또한, 여기에는 솔루션 크기를 작게 유지하면서도 높은 효율을 제공하는 동적 정류기 제어 기능도 통합되어 있습니다.

TI는 무선 충전기에 더 많은 힘을 실어주기 위해, 최근에 업계 최초로 Qi 표준을 준수하면서 5W Qi 수신기와의 역호환성도 지원하는 완전 통합된 10W 무선 충전 솔루션을 선보였습니다. 여기에는 무선 전원 수신기 칩 bq51025와 대응하는 무선 전원 송신기 bq500215가 포함되어 있습니다. TI에 따르면 이 두 가지를 함께 사용할 경우 수신기는 4.5V~10V의 프로그래밍 가능 전압을 지원하며 10W에서 최대 84퍼센트의 충전 효율을 낼 수 있다고 합니다. 이러한 기능을 모두 갖춘 무선 전원 수신기 솔루fv션의 크기가 3.60mm x 2.89mm 정도에 불과하기 때문에, POS 스캐너에서 핸드헬드 의료 진단 기기, 태블릿과 울트라북 등의 개인용 기기를 포함한 수많은 휴대용 산업 기기 디자인에 쉽게 포함할 수 있습니다. 그림에 무선 전원 수신기 칩 bq51025를 기반으로 한 일반적인 Qi v1.1 준수 수신기 회로의 예가 나와 있습니다. 4.

그림 4: 무선 전원 수신기 칩 bq51025를 기반으로 한 일반적인 Qi v1.1 준수 수신기 회로. 출력은 7V이고 최대 출력 전류는 1.4A입니다.

마찬가지로, Qi v1.1을 준수하는 고정 주파수의 전용 무선 디지털 송신기 bq500215는 최대 5W의 전력을 송신할 수 있으며 독점 양방향 통신 프로토콜을 통해 무선 수신기 bq51025로 최대 10W로 충전이 가능합니다. 여기에는 전력이 송신되기 전에 물체를 감지하는 FOD 방식이 사용되며, 과도한 손실이 감지될 경우에는 능동적으로 전원을 차단합니다.  

간단하게 말해, 유도 충전은 성장하고 있으며 TI와 같은 공급업체에서는 새로운 표준을 준수하는 종합 시스템 솔루션을 준비했습니다. 새롭게 열린 커다란 기회를 맞아 성장하는 시장에 진입하려는 제조업체는 이러한 방식으로 업무를 간소화했습니다.

이 기사에서 설명한 다른 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 정보 페이지에 액세스하세요.

참조

1. 백서 "An introduction to the Wireless Power Consortium standard and TI’s compliant solutions", Bill Johns, 선임 애플리케이션 엔지니어, Texas Instruments Inc.
2. 백서 "A global wireless power standard will open the market, encourage consumers to live without power cords", Niranjan Pathare, bqTESLA 무선 전원 제품 마케팅 매니저, Texas Instruments