Granite River Labs, GRL
Allen Tsai
무선 충전 디스크가 정상적으로 전원을 공급할 수 없거나, 충전 중에 과열을 확장하거나, 연기를 나는 상황을 경험해 본 적이 있으십니까? 실제로 이런 상황은 드물지 않습니다. 또한, 인터넷에서 비슷한 뉴스를 자주 볼 수 있습니다. 왜 무선 충전 디스크에 위와 같은 상황이 생기는 걸까요?
무선충전 원리는 전자기 유도에 기초하고 있습니다. 교류전류는 먼저 충전 플레이트(전력 송신기)의 코일을 통과하여 자기장 변화를 발생시키고, 휴대전화(전력 수신기)의 코일은 자기장 변화를 감지한 후 유도 전류를 발생시켜 충전 효과를 달성합니다. 무선 충전 과정에서 충전 디스크 위의 특정 범위 내에서 육안으로 보이지 않는 자기장의 변화가 있어야 함을 알 수 있습니다. 자기장의 분포는 육안으로 볼 수 없기 때문에 사용자가 실수로 열쇠나 동전 등의 자성 물질을 넣기 쉽고, 심지어 휴대폰 케이스 등에 있는 금속 물체까지 실수로 충전 디스크에 올려놓기 쉽습니다. 이러한 자성물질은 자기장의 변화로 인해 위험한 온도로 부적절하게 가열되고 사고가 발생할 수 있습니다.
따라서, 무선 충전을 시작하기 전 또는 무선 충전 중에 이러한 이물질을 감지하기 위한 메커니즘이 있어야 하며, 이러한 이물질이 감지되었을 때, 일반적으로 하듯이 충전의 와트수를 줄이거나 충전을 중단시키는 메커니즘이 있어야 합니다. Qi 사양에서는 이 메커니즘을 이물 검출(Foreign Object Detection, 이하 FOD)이라고 합니다. 이 콘텐츠에서는 FOD 방식과 무선 충전 중 FOD 메시지가 어떻게 전달되는지 소개하겠습니다.
그림 1: 무선 충전 시스템에 존재하는 이물질 개략도(출처: 이물질 감지, Qi 규격 V1.3, 2021년 1월)
이름에서 알 수 있듯이 FOD는 이물감지입니다. 이물(Foreign Object, 이하 FO)의 존재는 무선 충전 시스템의 자기장 분포에 영향을 미쳐 위험을 초래할 가능성이 높아집니다. 따라서, FOD 메커니즘이 필요하며, 감지 결과는 그에 상응하는 해결책을 만듭니다. 그러나, 전기를 공급받는 제품(이하, PRx라 함)에도 금속(Friendly Metal)이 포함되고 있어, 무선 충전 시스템의 자기장 분포에도 영향을 미칩니다. 그로 인해 FOD의 복잡성과 난이도가 크게 증가하고, 여기서 무선 충전 디스크를 지칭하는 전기를 공급하는 제품(이하, PTx라 함)은 무선 충전 방식이 Friendly Metal인지 FO인지를 구별할 수 있어야 합니다. 다음 장에서는 FOD의 방식과 감지 방법에 대해 자세히 소개할 것입니다.
FOD에는 여러 가지 다른 방법이 있는데, 대부분은 PRx가 자신의 정보를 PTx에 제공하는 것과 관련이 있으며, PTx는 획득한 정보와 자체 감지한 정보를 비교한 후 FO의 존재 가능성을 분석합니다. FOD의 시점에 따라 충전 전 감지(Pre-Power FOD)와 충전 중 감지(In-Power FOD)로 나눌 수 있습니다.
- Pre-Power FOD
충전 시작 전 FOD에서 PTx는 주로 공진주파수(Resonance Frequency)와 공진강도(Quality Factor)의 변화를 검출하여 PRx가 제공하는 기준공진주파수(기준공진주파수) 및 기준공진강도(기준품질계수)와 비교합니다. 비교는 FO의 존재 가능성을 결정하기 위해 수행됩니다.
공진 주파수와 강도의 변화는 주로 PRx의 차폐 및 Friendly Metal에 의해 발생합니다. PRx의 차폐가 근접하면 PTx 코일의 인덕턴스가 증가하여 전체 공진 주파수가 감소합니다. Friendly Metal은 전기의 일부를 흡수하는 동시에 공진 강도를 감소시킵니다. 그림 2는 공진이 PRx와 FO의 영향을 받는 결과를 나타내며, ft는 충전 시스템에 PTx만 존재하는 경우의 공진 주파수, ft'는 충전 시스템에 PRx가 존재하는 경우의 공진 주파수, 점선은 충전 시스템에 FO와 PRx가 모두 존재하는 경우의 공진 주파수를 나타냅니다.
그림 2: PRx 및 FO에 의한 공진 변화(출처: 이물질 탐지, Qi 규격 V1.3, 2021년 1월)
PTx는 전체 충전 시스템에서 공진 주파수(ft')와 공진 강도(Qt')를 측정하여 FO의 존재 가능성을 판단할 수 있습니다. 동시에, 단일 PRx에 의한 공명 변화는 다른 세트의 PRx+FO에 의한 공명 변화와 동일할 수 있기 때문에, 이것은 또한 자체 기준 공명 주파수(ft' (ref))와 기준 공명 강도(Qt' (ref))를 제공해야 하는 PRx의 도움을 필요로 합니다.
참고: 여기서 ft' (ref) 및 Qt' (ref)는 PRx의 공진값을 나타내지 않고, PRx가 PTx와 전체 시스템의 공진값에 어떻게 영향을 미치는지 반영합니다. 이 두 기준값은 PRx를 기준 PTx 시스템에 배치하여 측정하여 공식에 따라 계산할 수 있다. 자세한 내용은 Qi 사양 V1.3의 이물질 검출을 참조하십시오.
위의 설명에 따르면, 충전 전 FOD 방법은 다음과 같은 단계로 구성될 수 있습니다.
Step 1. PTx는 충전 시스템의 공진 값, 즉 ft' 및 Qt'를 측정합니다.
Step2. PRx는 PTx에 ft'(ref) 및 Qt'(ref)를 제공합니다.
Step3. PTx는 위의 값을 비교하여 FO의 존재 가능성을 판단합니다.
Step4. PTx는 PRx에게 FO의 존재 가능성이 특정 임계값을 초과할 경우 알려준다.
Step5. 시스템이 FO의 가능성이 너무 높다고 판단할 경우 전원 공급 와트가 감소하거나 충전되지 않습니다.
- In-Power FOD
위 방법은 충전이 시작되기 전에 적용되며 충전 과정에서 FO가 실수로 전체 시스템에 들어간 경우 다른 FOD 방법이 필요합니다. 이 방법은 PRx에 의존하여 고정된 법칙으로 PTx에 공급된 전력량을 반환하고 PTx는 PRx가 제공하는 값을 사용하여 FO로 분산된 에너지의 양을 추정합니다. 세그먼트 내에서 어느 시점에 PTx의 추정값이 특정 임계값(일반적으로 500mW)을 초과할 가능성이 있는 경우, 그러한 에너지는 FO를 안전하지 않은 온도로 가열할 가능성이 높기 때문에 PTx는 다음과 같은 솔루션을 갖게 됩니다.
PTx와 PRx 사이의 통신 프로세스는 주로 "Ping 단계", "Configuration 단계", "Negotiation 단계", "Power Transfer 단계"의 네 가지 단계로 구성됩니다. 다음에서는 PTx와 PRx의 각 과제를 4단계로 나누어 간략하게 소개하고, FOD가 서로 다른 단계에서 수행할 해당 커뮤니케이션을 소개합니다. (4단계의 커뮤니케이션 내용은 향후 기사에서 더 자세히 소개될 예정이다. GRL에서 발행하는 기술 기사에 계속 관심을 가져주시기 바랍니다.)
그림 3: PTx와 PRx 간의 통신 프로세스
무선 충전 기술은 인간의 삶에 큰 편리함을 가져다 줍니다. 다만 유선 충전과 달리 충전되는 제품만 충전 케이블로 연결된 제품으로 제한할 수 있습니다. 무선 충전은 충전할 항목을 제한할 수 없으며 에너지 소비량이 있을 수 있습니다. 또한, 이물질에 우발적으로 전염될 위험이 있으며, 이물질은 위험한 온도로 가열되어 사고를 일으킬 수 있습니다. 그러므로 무선충전이 이물질 가능성을 감지하고, 이물질이 발견됐을 때 충전 와트 수를 줄이거나 직접 충전을 중단하는 지원책이 있어야 하는 이유입니다. 이 작업을 수행하려면 PRx가 충전을 시작하기 전에 자체 공진 주파수에 대한 정보를 제공하여 PTx가 이를 비교할 수 있도록 하거나 충전 과정에서 PRx가 특정 규칙으로 얼마나 많은 전력을 공급받았는지를 PTx에 알려주는 것이 필요합니다. 이물질이 위험이 되기 전에 너무 많은 전력을 흡수하고 있는지 PTx가 계산하도록 합니다.
references
Author
Cai Liquan & Allen Tsai, GRL Senior Test Engineer
국립 칭화 대학 재료 연구소. Thunderbolt Host and Device의 기능 테스트 사양, TCM의 사용 프로세스 및 호환성 테스트 문제 분석에 익숙하고 Qi 무선 충전 제품 테스트를 담당하여 고객이 함께 문제를 해결할 수 있도록 지원합니다.
본 문서 중 규격의 특성 및 그 설명은 예고 없이 변경될 수 있습니다.
Release date 2022/07/06 AN-220706-TW