무선충전 회로 설계 원리 및 효율 개선 팁

무선충전 기술은 스마트폰과 웨어러블 기기는 물론 전기차까지 적용 범위를 넓히며 빠르게 발전하고 있습니다. 케이블을 연결하지 않아도 전력을 전달할 수 있다는 편리함은 사용자 경험을 바꾸는 큰 요소이며, 그 뒤에는 정교하게 설계된 무선충전 회로와 효율을 높이기 위한 전력 제어 기술이 존재합니다. 

 

 

 

 

무선충전의 기본 원리: 전자기 유도와 공진 방식

현재 가장 널리 사용되는 무선충전 방식은 전자기 유도(Electromagnetic Induction)입니다. 송신 코일(Tx)에 AC 전류가 흐르면 자기장이 생성되고, 이 자기장이 수신 코일(Rx)에 다시 전압을 유도해 전력이 전달되는 구조입니다. 전기차 충전에서는 자기 공진(Magnetic Resonance) 방식도 사용되며, 공진 주파수를 일치시켜 더 높은 거리와 효율을 확보하는 것이 장점입니다.

스마트폰에서 사용하는 대표 표준은 WPC Qi 규격으로, 송신부와 수신부가 서로 통신하며 전력 수준을 조정하고 이물질 감지(FOD)를 수행합니다. 이처럼 표준화된 프로토콜은 충전 안전성을 크게 높여줍니다.

 

 

무선충전 회로 구성: 송신부와 수신부

무선충전 시스템은 크게 송신부(Transmitter, Tx)와 수신부(Receiver, Rx)로 나뉩니다. 송신부는 주로 어댑터나 베이스 스테이션에, 수신부는 스마트폰·이어폰·IoT 디바이스 내부에 위치합니다.

송신부(Tx)의 주요 구성

송신부는 DC 입력을 고주파 AC로 변환하는 인버터 회로와 공진 네트워크로 이루어져 있습니다. MOSFET 스위칭을 기반으로 전력 손실을 최소화하며, 다이내믹 파워 제어를 통해 스마트폰의 요구 전력을 실시간으로 조절합니다. FOD(이물질 감지) 기능을 수행하기 위해 전력 변화량과 주파수 응답을 지속적으로 분석합니다.

수신부(Rx)의 주요 구성

수신부는 Rx 코일로 유도된 AC를 정류하여 DC로 변환하고, DC-DC 컨버터를 통해 배터리 충전 전압으로 조정합니다. 이 과정에서 정류 손실을 최소화하기 위해 쇼트키 다이오드를 사용하거나, 고효율 동기 정류 방식이 활용됩니다. 또한 배터리의 상태를 파악하고 충전 전류를 조절하는 소형 BMS가 동작합니다.

 

 

무선충전 효율을 좌우하는 핵심 요소

무선충전의 효율은 단순히 회로 성능만으로 결정되지 않습니다. 코일 구조, 위치 정렬, 자성 재료의 품질, 공진 주파수의 정합 등 복합적인 요소가 영향을 미칩니다.

1) 코일 간 정렬 오차

Tx와 Rx 코일의 중심이 어긋나면 자기결합 계수(k)가 급격히 떨어지며 효율이 감소합니다. 스마트폰 제조사들이 코일 중앙에 마그네틱 링을 넣는 이유도 정렬 오차를 줄이기 위함입니다.

2) 코일 품질(Q Factor)

코일의 Q값은 에너지 손실을 판단하는 주요 지표입니다. 구리선 저항을 최소화하고, 공진 커패시터의 품질을 높여 높은 Q값을 확보해야 효율이 향상됩니다.

3) 금속 간섭(FOD)

Tx와 Rx 사이에 금속 물체가 들어오면 자기장이 흡수되어 발열이 발생합니다. Qi 규격에서는 이물질 감지 기능이 반드시 포함되며, 전력 변동량을 기반으로 감지합니다.

4) 공진 주파수 정합

회로 공진 주파수가 맞지 않으면 전력 전달이 부정확해지고 발열이 증가합니다. 이를 해결하기 위해 MCU 기반의 Adaptive Tuning 방식이 적용되며, 실시간으로 공진 주파수를 제어해 효율을 유지합니다.

 

 

무선충전 회로 설계 시 주의해야 할 기술 요소

● 스위칭 손실 최소화

무선충전은 수십~수백 kHz의 고주파를 사용하기 때문에 MOSFET 스위칭 손실이 크게 영향을 미칩니다. 최근에는 GaN FET을 사용해 고속 스위칭이 가능해졌고, 전도 손실과 발열이 크게 줄어 효율 향상에 기여하고 있습니다.

● 발열 관리 설계

무선충전은 구조상 열이 발생하기 쉬운 구조이므로 열 방출이 매우 중요합니다. PCB에 써멀 패드를 배치하거나 구리 면적을 넓히고, NTC 센서를 이용해 온도 피드백을 받아 전력 조절을 수행해야 합니다.

● EMI/EMC 제어

강한 자기장이 생성되기 때문에 주변 회로에 EMI 노이즈가 쉽게 유입됩니다. 페라이트 시트와 금속 실드를 활용하고, KISA 전자파 적합성 기준에 준해 설계해야 합니다.

 

 

효율을 높이는 실무 팁

실제 제품 개발에서 널리 활용되는 방법을 정리하면 다음과 같습니다.

• 송·수신 코일 중심선을 기구 설계 단계에서 정확히 맞출 것
• 고Q 코일과 저저항 Litz Wire 사용
• 정밀 커패시터(1% 미만 오차)로 공진 주파수 안정화
• PCB의 전원 루프 면적 최소화
• 고효율 동기 정류 방식 적용
• RF EM 시뮬레이션(Ansys HFSS 등)으로 결합 계수 검증

 

6대표적인 무선충전 솔루션

텍사스 인스트루먼트(TI)와 Analog Devices 등 많은 반도체 회사들은 효율적인 무선충전 IC를 제공하고 있습니다.

- TI Wireless Power Chipset : https://www.ti.com/power-management/wireless-power/overview.html
- Analog Devices Wireless Power : https://www.analog.com/en/applications/technology/wireless-power.html

 

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무선충전 기술은 겉보기에는 단순해 보이지만, 실제로는 공진 설계, 전자기 결합, 스위칭 회로, thermal 관리가 복합적으로 얽혀 있는 고도의 엔지니어링 기술입니다. 효율을 높이는 핵심은 코일 정렬, 공진 주파수 최적화, 스위칭 손실 감소에 있으며, 이를 통해 안정적이면서도 발열이 적은 고성능 무선충전 시스템을 설계할 수 있습니다.