Improved Degree of Freedom of Magnetic Induction Wireless Charging Coil Using Proposed Double Coil

이중코일을 이용한 자기유도 무선충전 코일의 자유도 개선

Abstract

Wireless charging has been actively researched and popularized owing to the potential convenience of being able to charge electronic devices without wires for users. However, the receiver on the wireless charging pad is not charged when the center of the receiver is misaligned; thus, the center of the receiver must be adjusted well. This misalignment may greatly reduce the convenience of wireless charging. To overcome this limitation of wireless charging, a coil is designed to improve the positional freedom of the receiver. The positional freedom of the Rx coil is improved when the outer diameter of Tx coil is larger than when Rx and Tx coils are almost the same size. When the Tx coil has a larger outer diameter than that of the Rx coil, the efficiency at the center is somewhat lowered, but the efficiency is improved compared to when the center is out of order. In this paper, a double coil structure having an outer and an inner coil is proposed. The double coil structure further improves the efficiency, compared with one coil with the same outer size. The simulation and measurement results demonstrated that the tendency was consistent, and it was verified that the degree of freedom of the Rx coil is improved by adding the inner coil, while the size of the outer coil was the same. The measurement shows that the transmission efficiency of the conventional Tx coil is 37 %, the larger outer diameter coil is 45 %, and double coil is 47 % when the distance of the Tx/Rx coil is 3 mm, the misalignment is 15 mm and current flowing in the Rx coil is 1 A at an operating frequency of 105 to 210 kHz.

무선충전은 전선 없이 전자기기를 충전할 수 있다는 사용자의 편의적인 측면에 장점이 커 활발히 연구개발되고 널리 보급되었다. 하지만 무선충전패드에서 수신기의 중심이 어긋날 경우에 충전이 되지 않아 수신기의 중심을 잘 맞춰야 한다는 점은 사용자의 편의성이라는 무선충전의 효용성을 크게 저감시킨다. 본 논문은 이러한 무선충전의 한계를 극복하고자 수신기의 위치 자유도를 향상시키기 위한 코일 설계를 진행하였다. Tx 코일이 Rx 코일과 사이즈가 비슷할 때보다 외경 크기가 클 때 중심에서 효율은 다소 저하되었지만, 중심이 어긋날 경우의 효율이 개선되어 Rx 코일의 위치 자유도가 향상됨을 알 수 있었다. 이 때, Tx 코일에 내측 코일이 추가로 구성된 이중코일 구조를 제안하여 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있었다. 자유도 개선 결과를 시뮬레이션과 측정을 통해 효율을 확인하였고, 경향성이 일치함을 볼 수 있었다. 측정 결과, 105~210 kHz 동작 주파수에서 송수신 코일의 전송거리 3 mm, 오정렬 15 mm일 때, 수신 코일에 전류가 1A 흐를 때 기준으로 기존 Tx 코일의 전송 효율은 37 %, 외경 크기를 키운 코일의 효율은 45 %, 내측 코일을 추가한 이중 코일은 47 %로 효율이 향상되었다.

그림 1. 코일 턴수에 따른 R값 Fig. 1. The resistance according to turns of the coil.

그림 2. 스마트폰 무선충전용 코일 구조 Fig. 2. The structure of the coil for smart phone wireless charging.

그림 3. 거리에 따른 효율 비교 Fig. 3. The efficiency according to distance.

그림 4. Two coil의 구조 Fig. 4. Structure of two coil.

그림 5. 시뮬레이션 효율 및 동작주파수 Fig. 5. Simulation efficiency and operating frequency.

그림 6. 측정 시스템 및 회로도 Fig. 6. Measurement system and circuit.

그림 7. 측정효율 및 동작주파수 Fig. 7. Measurement efficiency and operating frequency.

표 1. 페라이트 사양 Table 1. Specification of ferrite.