Qi 무선 충전 표준의 진화 및 Qi2의 새로운 기능

이 기술 블로그에서는 GRL 독점 기술 웨비나 [ Qi2: 무선 충전 접근성의 새로운 패러다임 개척 ]에서 진행된 내용을 살짝 엿볼 수 있습니다. 다음 기술 웨비나가 언제 개최되는지 알고 싶다면 뉴스레터를 구독 하거나 LinkedIn에서 팔로우 하세요 .

Qi 무선 충전 표준은 무엇입니까?

Qi("치"로 발음)는 WPC(Wireless Power Consortium)에서 개발한 개방형 협업 무선 충전 표준으로 가전제품 시장에서 가장 널리 채택되는 표준 중 하나가 되었습니다. Qi는 현재 휴대폰 및 휴대용 기기에 최대 15W의 전력 전송을 지원합니다. 

현재까지 7,500개 이상의 스마트폰 충전기가 Qi 인증을 받았으며 수백 개의 Qi 인증 수신기가 시장에 유통되고 있습니다. Qi 무선충전 시장은 2023년 말까지 10억 달러 이상의 매출을 올릴 것으로 예상 됩니다.

무선 충전은 어떻게 작동하나요?

Electromagnetic induction (전자기 유도)

전자기 유도는 배터리를 충전하기 위해 자기장을 생성하는 프로세스입니다. 이 프로세스는 변압기(transformer)와 유사한 원리를 따르며 1차 코일 또는 충전 패드는 송신기에 위치하고 2차 코일은 수신기 또는 모바일 장치 내에 배치됩니다.

전자기 유도 프로세스는 수신기가 송신기 위에 놓일 때 시작됩니다. 이 과정은 비교적 간단해 보이기 때문에 애초에 왜 표준화가 필요한지 궁금해하는 사람들도 있습니다. 하지만 대부분의 기술이 그렇듯이 겉으로 보기에는 단순해 보이는 것에는 많은 복잡성이 숨겨져 있습니다.

무선 충전 전원 프로파일의 기본 구성 요소

Communication between receiver (Rx) and transmitter (Tx) (수신기와 송신기 간의 통신)

안전하고 효율적인 배터리 충전을 보장하기 위해 모바일 장치의 배터리 관리 시스템은 배터리 충전이 시작되기 전에 전력 계약을 설정하고 작동 전압을 조절하며 배터리 충전이 시작되기 전에 외부물체의 존재를 감지합니다.

수신기는 ASK(amplitude-shift keying) 변조를 사용하여 메시지를 전달함으로써 외부물체를 감지합니다. 그러면 송신기는 FSK(frequency-shift keying) 변조를 사용하여 수신기와 다시 통신합니다.

무선충전 수신기와 송신기의 단면

2010년 이후 Qi 표준이 어떻게 발전해왔는지

2010년부터 2021년까지: Version 1.0 to 1.3

WPC는 2010년에 Qi 무선 충전 표준 버전 1.0을 출시했습니다. 이 표준은 단일 코일, 코일 어레이 및 송신기가 최대 5W의 전력을 공급할 수 있는 이동 코일 설계를 지원합니다. 그러나 버전 1.0 송신기는 유연성이 제한적이었습니다. 따라서 제조업체는 Qi 수신기 설계를 조정하여 무선 충전 프로세스를 최적화할 수 밖에 없었습니다. 

2012년 버전 1.1에서는 지원되는 송신기 유형이 12개로 증가하여 제조업체가 더 큰 유연성과 설계 자유를 누릴 수 있게 되었습니다. 또한 Qi 1.1 무선 충전기는 사용자 안전과 사용성에 중요한 역할을 하는 외부물질 감지 감도가 개선되었습니다. 또한 Qi 1.1 송신기는 USB 충전기로도 전원을 공급받을 수 있습니다.

Qi 표준은 2015년 버전 1.2에서 획기적인 발전을 이루게 됩니다. 이 버전은 충전 속도를 15W로 높이는 EPP(Extended Power Profile)의 출현과 함께 출시되었습니다. 전력 수신기에도 고유 ID가 부여되었으며, 다양한 온도 조건에서 송신기 성능을 더욱 최적화하기 위해 열 테스트도 도입되었습니다.

2021년 WPC는 Qi 버전 1.3을 출시했습니다. 더 많은 인증을 포함하여 상당한 업데이트가 이루어졌습니다. 대부분의 업데이트를 통해 Qi는 더욱 안전하고 일관되며 신뢰할 수 있게 만들었습니다.

2023년: Qi2와 MPP

Qi2 무선 충전 표준은 2023년 기존 BPP 및 EPP 전력 프로파일에 대한 몇 가지 업데이트와 함께 MPP(Magnetic Power Profile)와 함께 발표되었습니다. 소비자에게 더 높은 수준의 편의성, 효율성 및 안전성을 제공하도록 설계된 기존 MPP는 당분간 새로운 Qi 표준과 공존할 것으로 예상됩니다.

Qi 무선 충전의 MPP 자세히 살펴보기

MPP와 MagSafe가 같은 기술인가요 ?

MagSafe는 Apple의 독점 기술입니다. 반면 MPP는 MagSafe에서 파생되었으며 Apple의 주요 기여를 바탕으로 WPC 회원들이 개발한 개방형 표준으로 공식적으로 인정받고 있습니다.

MPP vs BPP vs EPP 비교

Qi 버전 1.0 및 1.1에 포함된 원래 BPP 표준은 수신기에서 송신기까지의 단일 방향 통신을 통해 최대 5W의 전력으로 제한되었습니다. 그 이후, EPP는 양방향 통신을 도입하고, 외부물질 감지를 개선하기 위해 협상, 교정 및 재협상 단계와 같은 추가 상태도 도입했습니다. EPP의 변형인 EPP5도 출시되었지만 독점 버전 이외의 전력 전송 용량은 5W로 제한되었습니다.  BPP의 전력은 송신기 및 수신기 코일 정렬에 따라 높은 전송 효율을 제공할 수 있습니다. 그러나 송신기 코일과 수신기 코일이 커플링에 잘 정렬되지 않으면 결과적인 계수가 억제되어 전력 전달 효율도 낮아집니다. 일부 경우에 수신 장치는 전혀 충전되지 않을 수도 있습니다. 이로 인해 사용성 문제가 발생하는데 새로운 MPP가 이를 해결합니다.

BPP, EPP 및 EPP5의 차이점과 유사점

새로운 MPP 모드 내의 자기 부착은 송신기와 수신기 코일을 최적의 위치에 단단히 고정시켜 사용자가 충전 중에도 스마트폰을 사용할 수 있는 유연성과 편리함을 제공합니다.

기존 무선 충전 전력 프로필들과 Qi2 MPP 전원 프로필 비교

이 자기 부착 장치는 결합 계수를 개선하고 고효율로 15W 전력 전송을 보장하는 데 도움이 됩니다.

MPP 구조는 송신기 코일과 수신기 코일을 정렬하고 단단히 결합하는 데 사용되는 일련의 자석으로 구성됩니다. 물리적 자석 외에도 기존 BPP 및 EPP 기능과 함께 추가 상태가 프로토콜에 도입됩니다.

MPP 전원 프로필의 구성 요소

MPP 모드에서 송신기와 수신기는 360KHz의 주파수에서 작동하는데 비해 BPP 및 EPP의 작동 주파수 범위는 87KHz ~ 205KHz입니다. 또한 MPP의 향상된 통신 기능을 통해 이전 전력 프로필에 비해 4배 더 빠르게 데이터를 전송할 수 있으며, 이를 통해 더 빠른 인증도 가능합니다. 이러한 변경에도 불구하고 MPP와 EPP(버전 1.3.x) 간의 인증 프로토콜은 동일하게 유지됩니다.

MPP의 프로토콜 작동 

MPP 무선 충전 모드로 진입하는 과정은 여러 단계로 이루어집니다. 모든 송신기는 128KHz의 BPP 모드에서 시작됩니다. 이 모드에서는 통신이 송신기에서 수신기로 단방향으로 이루어집니다. MPP를 지원할 수 있는 수신기는 먼저 MPP를 지원하는 XID 패킷을 전송하여 해당 기능을 표시합니다. 

송신기가 MPP를 지원할 수 없는 경우 무선 충전은 BPP 또는 EPP 모드에서 계속 작동합니다. 그렇지 않으면 송신기는 XID 패키지 지침에 따라 조정을 수행합니다. XID 패킷에 제한 모드에 대한 요청이 있는 경우 송신기는 작동을 360Hz로 조정하고 제한 모드에서 BPP 프로토콜로 작동합니다. 그리고 수신기가 전체 모드 MPP를 요청하면 송신기는 360Hz로 조정되고 MPP 프로토콜로 작동합니다.

작동 중에 오류가 발생하면 송신기가 기본 BPP 작동 모드로 되돌아갑니다.

MPP 모드로 진입하는 흐름도

MPP 작동 주파수가 변경된 이유는 무엇입니까?

주파수 간섭 감소

무선 충전 장치 내의 코일은 자동차 잠금을 해제하는 데 사용되는 리모트키에서 방출되는 주파수와 유사한 주파수를 방출합니다. 리모트키와 무선 충전기가 동일한 환경에서 작동하면 간섭이 발생되어 자동차 문을 열거나 자동차 시동을 걸기 어렵거나 심지어 트렁크가 잠길 수도 있습니다. 일부 상황에서는 이러한 오작동이 치명적인 결과를 초래할 수도 있습니다.

따라서 MPP 송신기 및 수신기가 전자 열쇠 스펙트럼 외부의 360KHz에서 주파수를 방출하는 것이 중요합니다. 

Key 포브 주파수 간섭이 무선 충전을 방해하는 방법

안전 개선

송신기와 수신기 사이에 끼어 있는 동전, 신용카드, 열쇠 등의 이물질이 끼어도 사용자의 안전 위험을 초래하거나 모바일 장치 및 충전 패드를 손상시킬 수 있습니다. 따라서 무선 충전기에는 이러한 문제를 방지하기 위한 효과적인 이물질 감지 메커니즘이 필요합니다.

그러나 잘못된 이물질 감지는 필요하지 않은 전송을 차단하여 사용자 경험을 저하시킬 수 있습니다. 다행히도 MPP 전력 손실 계정(MPLA)의 개선으로 송신기가 이물질을 더 정확하게 감지할 수 있게 되었습니다.

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About the author

Rajaraman Venkatachalam

프로토콜 및 전력 솔루션 담당 부사장