무선충전 회로 설계 원리 및 효율 개선 팁

스마트폰, 전기차, 웨어러블 기기 등 무선충전은 이제 일상적인 기술이 되었습니다. 하지만 그 뒤에는 정교한 무선충전 회로 설계와 전력 효율을 극대화하기 위한 노력이 숨어 있습니다. 

 

 

 

무선충전의 기본 원리 — 전자기 유도 방식

무선충전은 기본적으로 전자기 유도(Electromagnetic Induction) 또는 자기공진(Magnetic Resonance) 원리를 이용합니다. 송신 코일(Tx Coil)에 교류 전류가 흐르면 자기장이 발생하고, 이 자기장이 수신 코일(Rx Coil)에 유도전류를 만들어 전력을 전달합니다.

간단히 말하면, 전원 어댑터 대신 전자기장이 ‘보이지 않는 케이블’ 역할을 하는 것입니다. 다만 이 과정에서 코일 간 거리, 정렬 오차, 주파수 변화 등 여러 요인에 따라 전력 손실이 발생합니다.

 

 

무선충전 회로의 구성

일반적인 무선충전 시스템은 송신부와 수신부로 나뉘며, 각각 다음과 같은 구성요소로 이루어져 있습니다.

송신부 (Transmitter)

• DC 입력 전원 (5V, 9V, 12V 등)
• DC-AC 인버터 회로 (MOSFET 기반 스위칭 회로)
• 공진 회로 (L-C 탱크 회로, 주파수 동기화)
• 송신 코일 (Tx Coil)
• 제어 IC (전력 조절, FOD 기능 포함)

수신부 (Receiver)

• 수신 코일 (Rx Coil)
• 정류 회로 (AC→DC 변환, 쇼트키 다이오드/정류 브리지)
• 전압 조정 회로 (LDO 또는 DC-DC 컨버터)
• 배터리 충전 회로 (충전 보호 및 전류 제어)
• 피드백 회로 (통신 및 FOD)

 

주요 동작 주파수와 표준

무선충전은 국제 표준에 따라 주파수 대역이 정해져 있습니다. 가장 많이 사용되는 표준은 WPC Qi 규격으로, 110kHz~205kHz 범위의 저주파 자기유도 방식을 채택합니다. 최근에는 고속충전을 위해 6.78MHz 대역의 자기공진 방식도 사용되고 있습니다.

Qi 규격 외에도 AirFuel Alliance에서 개발한 자기공진 기반 표준이 있으며, 다중 기기 동시 충전, 긴 거리 전송 같은 기능을 제공합니다.

 

 

무선충전 효율에 영향을 주는 요소

무선충전의 전력 전달 효율은 코일 설계, 정렬, 재질, 회로 구조 등 여러 요소에 의해 결정됩니다.

1. 코일 간 간격과 정렬

송수신 코일 간 거리가 멀어지거나, 중심이 맞지 않으면 자기결합 계수(k)가 급격히 떨어집니다. 이는 효율 저하뿐 아니라 발열의 원인이 되므로, 코일 중심이 정확히 일치하도록 설계해야 합니다.

2. 코일 품질 계수 (Q Factor)

코일의 Q값이 높을수록 손실이 적고 에너지 전달이 효율적입니다. Q값은 주파수와 인덕턴스, 저항으로 결정되며, 저저항 구리선과 다층 PCB 설계로 개선할 수 있습니다.

3. 금속 간섭 (Foreign Object Detection, FOD)

금속 물체가 송수신 코일 사이에 놓이면 자기장이 흡수되어 발열이 발생합니다. 이를 방지하기 위해 FOD 회로를 추가하여 전력 변동을 감지하고, 이상 시 자동으로 전원을 차단합니다.

4. 동기 제어 및 주파수 조정

송신부와 수신부의 공진 주파수가 정확히 일치하지 않으면 에너지 손실이 발생합니다. 이를 보정하기 위해 MCU 기반 피드백 회로가 실시간으로 주파수를 조정하며, Adaptive Tuning 알고리즘이 효율을 유지합니다.

 

회로 설계 시 유의사항

무선충전 회로를 설계할 때는 단순히 전력 전달만이 아니라 안정성과 안전성을 함께 고려해야 합니다. 다음은 실제 설계 시 자주 놓치는 부분들입니다.

1. MOSFET 스위칭 손실 최소화

스위칭 속도가 빠를수록 효율은 높아지지만, 게이트 충전(Qg)과 드레인-소스 전압 손실이 함께 증가합니다. GaN FET을 사용하면 전도손실과 발열을 크게 줄일 수 있습니다.

2. 발열 관리

무선충전 시스템은 동작 중 80°C 이상으로 온도가 상승할 수 있습니다. 열센서(NTC Thermistor)를 부착해 온도 피드백을 얻고, 제어 IC가 전력을 자동으로 줄이도록 설계하면 시스템 안정성이 향상됩니다.

3. EMI / EMC 대책

코일 주변에는 강한 자기장이 형성되기 때문에, 주변 회로로의 간섭(EMI)을 차단해야 합니다. 자성 실드(Sendust, Ferrite Sheet)를 사용하고, KISA 전자파 적합성 기준에 따라 EMI 필터를 설계하는 것이 좋습니다.

 

효율을 높이는 실무 팁

• 송수신 코일을 완벽히 정렬할 수 있도록 기구 구조를 설계
• 고Q 코일 사용 및 저저항 재질 채택
• FOD, OTP(Over Temperature Protection) 기능 내장 IC 활용
• PCB 레이아웃에서 전원 루프를 최소화해 손실 줄이기
• 공진 주파수에 맞춘 정밀 커패시터(±1%) 사용
• RF 시뮬레이션 도구를 활용해 전자기 결합 해석 (예: Ansys HFSS, Keysight EMPro)

 

실제 적용 사례

TI의 bq51013B 칩셋은 대표적인 Qi 수신 컨트롤러로, 최대 5W 무선충전을 지원하며, 통합 FOD 및 과열 보호 기능을 내장하고 있습니다. 또한 Analog Devices의 솔루션은 15W급 고속 충전용으로 효율 90% 이상의 성능을 제공합니다.

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무선충전 회로 설계는 단순히 전력을 전달하는 기술이 아니라, 효율, 안정성, 발열, 전자파 간섭까지 모두 고려해야 하는 종합적인 시스템 설계입니다. 회로의 세부적인 튜닝과 보호회로의 조화가 바로 상용 수준의 성능을 결정합니다.