평면 트랜스포머를 적용한 모바일용 고속 축전기에 관련 연구

Abstract

최근 스마트 폰의 고성능화가 진행되는 등 모바일 기기의 전력 사용량이 증가하고 있다. 이로 인하여, 스마트 폰의 사용시간이 감소하는 문제가 발생하며, 이에 대한 사용자의 불만을 해결하고자 모바일 기기 제조사들은 꾸준히 배터리의 크기 및 용량을 증가하는데 주력하고 있다. 이로 인해 충전 시간이 꾸준히 증가 되고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 고속 충전기에 대한 필요성이 대두되고 있으며, 현재 많은 모바일 제조사에서 고속 충전기 방식을 채택하고 있다. 모바일 기기용 충전기의 경우 사용자들이 휴대를 많이 하는 전원 장치로써 소형화와 고효율이 필수이다. 모바일 충전기를 소형화하기 위해서는 충전기에서 가장 크게 사이즈를 차지하는 트랜스포머의 소형화가 필수적이다. 트랜스포머의 소형화는 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 가능하지만, 소형화에 따른 방열 면적이 감소하여 손실이 증가한다. 반면, 넓은 유효 단면적을 가진 평면 코어와 평면 권선을 이용한 평면 트랜스포머는 고밀도와 고효율을 동시에 이룰 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 우선 고속 충전기의 여러 가지 프로토콜에 대한 조사를 하였으며, 현재 가장 많은 모바일 제조사에서 적용하고 있는 프로토콜인 Qualcomm社의 QC 2.0과 USB PD협회의 PD 2.0임을 확인하였다. 그리고 이 프로토콜을 지원할 수 있는 평면 트랜스포머를 적용한 18W급 모바일용 고효율 및 고 전력밀도의 고속 충전기를 설계 및 제작하였다. 제작된 충전기는 실험을 수행하여 그 동작의 타당성을 입증하였으며, 25.85W/in3의 고 전력밀도와 최대 90.47%의 고효율을 달성하였다.