THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Jun; 26(6), 593∼596.

http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2015.26.6.593ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

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Ⅰ. 서 론

자기공명형 무선전력전송에 활용하기 위한 MHz 대역의 class E 전력증폭기에 대한 연구가 많이이루어지고있다. 현재까지 보고된 class E 전력증폭기들은 20 V 이상의높은 드레인 바이어스 전압을 사용하고 있다. 일반적으로높은 드레인 바이어스 전압에서는 부하 저항값이 증가하

여 높은 출력에서 우수한 효율을 얻을 수 있기 때문이다. 그런데, 5 W급 무선충전 표준을 주도하는 단체인 WPC (Wireless Power Consortium)에서 Qi 표준을 발표하였으

며,[1] 이 표준에서는 5 V, 12 V, 19 V의 표준 전압을 사용하도록 권고하고 있다.[2] 따라서, 낮은 드레인 바이어스전압에서 우수한 효율을 가지는 전력증폭기에 대한 연구

가 필요하다. 본 논문에서는 12.5 V의 낮은 드레인 바이어스 전압에

서 우수한 효율을 가지는 8 W급 class E 전력증폭기를 설계한다. 출력정합 회로의 손실을 최소화하기 위하여 품질계수가 우수한 솔레노이드 코일을 제작하여 사용한다. 입력정합 회로는 저항을 사용하여 광대역 특성을 얻도록

한다.

낮은 드레인 전압을 가지는 13.56 MHz 고효율 Class E 전력증폭기

13.56 MHz High Efficiency Class E Power Amplifier with Low Drain Voltage

이 예 린․정 진 호

Yearin Yi․Jinho Jeong

요 약

본 논문은 무선전력전송 시스템에 활용할 수 있도록 낮은 드레인 전압에서 높은 효율을 가지는 class E 전력증폭기를설계하였다. 붕괴전압이 40 V인 Si MOSFET을 이용하여 드레인 바이어스 전압이 12.5 V인 13.56 MHz 전력증폭기를 설계하였다. 출력 전력 및 효율을 개선하기 위하여 품질계수가 우수한 솔레노이드 인덕터를 제작하여 출력 정합회로에사용하였다. 발진 방지와 간단한 회로 구성을 위하여 인덕터와 저항으로 입력 정합회로를 구성하였다. 측정 결과, 제작된전력증폭기는 13.56 MHz에서 38.6 dBm의 출력전력과 16.6 dB의 전력이득, 그리고 89.3 %의 높은 전력부가효율을 보였다.

Abstract

In this paper, we design a high efficiency class E power amplifier operating at low drain bias voltage for wireless power transfers. A 13.56 MHz power amplifier is designed at drain bias voltage of 12.5 V using Si MOSFET with the breakdown voltage of 40 V. High quality-factor solenoidal inductor is designed and fabricated for use in output matching circuit to improve output power and efficiency. Input matching circuit simply consists of resistor and inductor to reduce the circuit area and improve the stability. The fabricated power amplifier shows the measured output power of 38.6 dBm with the gain of 16.6 dB and power added efficiency of 89.3 % at 13.56 MHz.

Key words: Class E, Efficiency, Power Amplifier, Wireless Power Transfer

서강대학교 전자공학과(Department of Electronic Engineering, Sogang University) ․Manuscript received April 14, 2015 ; Revised May 11, 2015 ; Accepted May 19, 2015. (ID No. 20150414-028)․Corresponding Author: Jinho Jeong (e-mail: jjeong@sogang.ac.kr)

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THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 6, Jun 2015.

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Ⅱ. Class E 전력증폭기 설계

2-1 전력증폭기 설계

본 연구에서는 붕괴전압이 40 V인 Freescale사의 Si MOSFET 소자(MRF 1518NT1)를 이용하여 13.56 MHz에서 출력 전력()이 8 W인 고효율 class E 전력증폭기를설계하였다. 특히, 무선전력전송의 표준과 유사한 12.5 V의 낮은 드레인바이어스 전압( )을 사용하였다. 그림1은 설계한 고효율 class E 전력증폭기의 회로도이다. 여기에서 부하 저항 , 부하리액턴스 , 병렬캐패시터은 아래의 이론식[3],[4] (1)～(3)을 이용하여 계산하여

설계 초기값으로 이용하였다.

(1)

(2)

(3) 그림 1의 출력 정합회로에서 는 class E 동작에 필요

한 , 직렬 공진회로의 인덕턴스, 그리고, 출력정합회로의 인덕턴스 성분이 결합된 것이다. 는 출력정합을 위

해서 사용되었다. 입력정합은저항 과 인덕터 을 이

용하여 간단히 구성하였다. 저항은 광대역 입력 정합을가능하게 하며, 우수한 특성을 얻도록 시뮬레이션을

통해 최적의 과 을 결정하였다. 또한, 정합을 위해사용된 저항 은 발진을 방지하는 역할을 한다. 출력

그림 1. 설계된 class E 전력증폭기 회로도Fig. 1. Schematic of the designed class E power amplifier.

표 1. 설계된 전력증폭기의 소자 값Table 1. Component values of the designed power ampli-

fier.

(nH)

( μH)

(pF)

(pF)

(pF)

( μF) (Ω)

330 1.25 180 164 390 1 51

정합회로는 이론적 계산(식 (1)～(3))으로부터 각 소자값을 계산한 후, 시뮬레이션을 통하여 최적의 값을 결정하였으며, 표 1에 제시하였다. 의경우, MOSFET 소자자체의 출력 캐패시턴스(33 pF)를 고려하여 결정하였다. 마지막으로, 게이트 바이어스 회로는 저항(=82 Ω), 캐패시터(=2.2 μF)로, 드레인 바이어스 회로는 인덕터(RFC=10 μH), 캐패시터(=2.2 μF), 저항(=39 Ω)으로 각각 구성하였다. RFC는 Bourns사의 2100HT-100-V- RC 소자를 사용하였으며, 12 mΩ의 낮은 DC 저항을 가진다.

2-2 인덕터 설계

출력 정합회로에 사용된 의 품질계수는 출력전력과

효율에 큰 영향을 미친다[3]. 인덕터는 그림 2와 같이, 직렬 저항 성분이 있으며, 이는 전력 손실을 야기한다.

인덕터의 효율 은 아래 수식 (4)로 표현이 가능하다.

≈

(4)

여기서, 는 출력 전류의 기본주파수 성분(RMS)이다. 가 작아질수록 식 (1)에 따라 이 감소하므로, 을 키우기 위해서는 높은 품질계수의 인덕터가 필요하

다. 본 연구에서는 높은 품질계수를 얻기 위하여 공기 코어의 솔레노이드 인덕터를 직접 설계 및 제작하여 사용

하였다. 반지름 130 mm의 원형통에 지름 1 mm의 에나멜동선을 6번 감아서 인덕터를 제작하였으며, 네트웍 분석기로 측정하여 모델링하였다. 10～100 MHz 주파수에서측정한 S-파라미터를 이용하여 등가 회로(그림 2)의 소자값(=0.23 Ω, =1.25 μH, =2 pF)을 추출하였다. 따라서, 인덕터의 품질계수는 463이며, 은 98 %로 아주우수하였다.

낮은 드레인 전압을 가지는 13.56 MHz 고효율 Class E 전력증폭기

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그림 2. 인덕터의 등가 회로Fig. 2. Equivalent circuit of inductor.

Ⅲ. Class E 전력증폭기 측정 결과

그림 3은 제작한 class E 전력증폭기의 사진이다. 유전율 3.5, 두께 20 mil인 테프론 기판을 이용하여 제작하였으며, 크기는 × cm이다. 그림 4는 =2.31 V, =12.5 V, =152 mA의

바이어스 조건에서 측정한 전력증폭기의 S-파라미터를보여준다. 측정 주파수는 10～30 MHz이며, 비교를 위하여 시뮬레이션 결과도 포함하였다. 전체적으로 측정과 시뮬레이션이 유사한 특성을 보인다. 중심주파수 13.56 MHz에서 설계된 전력증폭기는 27.2 dB의 높은 이득( )을 보였으며, 도 —29.5 dB로 우수하였다. 그림 5는 13.56 MHz에서 측정된 출력전력(Pout)에 따른

전력부가효율(PAE)과 이득을 보여준다. 측정결과, 최대PAE는 89.3 %로 우수하였으며, 이 지점에서 출력전력은38.6 dBm, 이득은 16.6 dB이다. 또한, 1-dB 이득감쇄점(P1dB)은 37.7 dBm이며, 이때 PAE는 79 %이다. 그림 6은 주파수에 따른 최대 PAE인 지점에서 측정한

전력증폭기의 특성이다. 13.16～14.36 MHz에서 85 % 이상의최대 PAE를보여주고있다. 출력전력이가장큰주파

그림 3. 제작된 class E 전력증폭기 사진Fig. 3. Photograph of the fabricated class E power ampli-

fier.

-60

-40

-20

0

20

40

10 15 20 25 30

S-pa

ram

eter

s (d

B)

Frequency (MHz)

|S11|

|S21|

|S22|

그림 4. 설계된 전력증폭기의 S-파라미터 특성(파선: 시뮬레이션, 실선: 측정)

Fig. 4. S-parameters of the designed power amplifier(slo-tted lines: simulation, solid lines: measurement).

0

20

40

60

80

100

0

10

20

30

40

29 31 33 35 37 39

PAE

(%)

Gai

n (d

B)

Pout (dBm)

PAEGain

그림 5. 13.56 MHz에서 전력증폭기 전력 특성(파선: 시뮬레이션, 실선: 측정)

Fig. 5. Power performance of the designed power amplifier at 13.56 MHz(slotted lines: simulation, solid lines: measurement).

수는 12.96 MHz이며, 그때의 출력전력은 40.2 dBm이다. 표 2는 기존에 보고된 13.56 MHz 고효율 전력증폭기의

특성을 비교한 것이다. 기존 논문들은 20 V 이상의 높은드레인 전압을 이용하여 수십 W 이상의 높은 출력에 관한연구 결과들이 많은반면에, 본연구 결과는 낮은드레인 전압(12.5 V)을 이용하여 10 W 이하의 출력 전력에서우수한 효율(89.3 %)을 보이고 있음을 알 수 있다. 이는무선전력전송 표준에 활용하기에 적합한 결과로 볼 수

있다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 무선전력전송 시스템에 적합한 낮은 바

이어스 전압(12.5 V)에서 우수한 효율을 가지는 class E

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 6, Jun 2015.

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참고문헌 동작 모드 트랜지스터 (V) 출력전력(dBm) PAE(%)

[5] Class E Si MOSFET 120 56.0 86.0*[6] Class E GaN HEMT 27 44.2 93.6*[7] Class E Si LDMOSFET 32 44.9 94.6[8] Class E Si LDMOSFET 290 55.1 84.2[9] Class D Si MOSFET 28 44.4 84.6[10] Class E Si MOSFET 28 43.0 85.0

This work Class E Si MOSFET 12.5 38.6 89.3

*드레인 효율 (drain efficiency).

표 2. 보고된 13.56 MHz 전력증폭기의 특성 비교Table 2. Comparison of reported 13.56 MHz power amplifiers.

0

20

40

60

80

100

05

1015202530354045

12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0

PAE

(%)

Pout

(dB

m),

gai

n (d

B)

Frequency (MHz)

Pout

PAE

Gain

그림 6. 주파수별로 최대 PAE 지점에서 측정한 전력증폭기의 PAE, 출력전력 및 이득 특성

Fig. 6. Measured PAE, Pout and gain of the power ampli-fier at the highest PAE power of each frequency.

전력증폭기를 설계하였다. 높은 품질계수를 가지는 인덕터를 직접 제작하여 출력정합에 사용하였으며, 입력정합회로는 저항을 이용하여 간단히 구성하였다. 제작한 전력증폭기를 측정한 결과 13.56 MHz에서 출력전력은 38.6 dBm, PAE는 89.3 %로 우수하였다.

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