Design of 20 W Class-E Amplifier Including Protection for Wireless Power Transmission at ISM 13.56 MHz

In this paper, an inductive clamping class-E power amplifier has been tested for wireless power transmission at ISM band, 13.56 MHz. The implemented power amplifier is designed to operate stably without destroying power transistor in wireless power transmission system which basically keeps not to align between a transmitting antenna and a receiving antenna. The power amplifier is also designed to enhance harmonic filtering characteristic. The amplifier was tested with a DC supply voltage of 28 V and input power of 25 dBm at 13.56 MHz. The test results show the output power level of 43 dBm, the difference power level between fundamental frequency and second harmonic frequency of more than 55 dBc, the dc current consumption of 830 mA, and the high power-added efficiency of 85 %. Finally, the implemented power amplifier operated normally with 830 mA DC current consumption from 28 V source when the two antennas were aligned, and the power transmission was successful. But when the two antennas were not aligned, its DC current consumption automatically decreased down to 420 mA to protect the switching transistor.

보호 회로를 포함한 무선 전력 전송용 ISM 13.56 MHz 20 W Class-E 앰프 설계

본 논문에서는 ISM 13.56 MHz 대역 무선 전력 전송을 위한 인덕티브 클램핑 class-E 전력증폭기를 설계 및 실험하여 특성을 분석하였다. 구현된 전력증폭기는 수신 안테나가 회전체에 붙는 경우와 같이 송수신 안테나 간의 정합 상태가 변화하는 시스템에서 부정합 상태에서 전력증폭기에 공급되는 전류를 줄여 트랜지스터를 손상시키지 않고 안정적으로 동작하도록 하는 인덕티브 클램핑 방식으로 설계되었으며, 정합 회로를 이용하여 기존의 class-E 전력증폭기보다 고조파 성분에 대한 Filtering 특성을 개선하였다. 구현된 전력증폭기의 입력 주파수는 13.56 MHz, 입력 전력 25 dBm, 동작 전압 DC 28 V에서 측정한 결과, 출력 전력은 43 dBm, 기본 주파수 성분과 2차 고조파 신호 간의 출력 전력 차이 55 dBc 이상, 소모 전류 830 mA으로 전력부가 효율(power added efficiency)은 85 %로 높게 측정됐다. 마지막으로, 수신 안테나를 회전체에 부착하고 구현된 전력증폭기로 송수신 안테나로 전력을 송출하는 실험을 진행하였으며, 송신 안테나의 부정합 상태에는 소모 전류가 420 mA까지 줄어들어 트랜지스터가 손상되지 않는 것을 확인하였다.