Received Power Regulation of LF-Band Wireless Power Transfer System Using Bias Control of Class E Amplifier

In wireless smart phone charging scenario, the transmitter pad is larger than the size of the receiver pad. Thus, it is important to supply a constant power to the receiver regardless of its location. In this paper, we propose a new method to regulate the receiver's power by adjusting a drain bias of class E power amplifier. The proposed LF-band wireless power transfer system is as follows: a buck converter power supply which is controlled by a pulse width modulation(PWM) IC TL494, a class E amplifier using a low cost IRF510 power MOSFET, a transmitter coil whose dimension is $16cm{\times}18cm$, a receiver coil whose dimension is $6cm{\times}8cm$, and a full bridge rectifier using Schottky diodes. A measured performance show a maximum output power of 4 W and system efficiency of 67 % if we fix the bias voltage. If we adjust the bias voltage, the received power can be maintained at a constant power of 2 W regardless of receiver pad location.

E급 증폭기의 바이어스 조정을 통한 LF-대역 무선 전력 전송시스템의 수신 전력 안정화

스마트폰 무선 충전 시나리오에서는 송신 패드에 비해 수신 패드의 크기가 작으므로 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력을 부하에 공급하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 송신 패드와 수신 패드의 크기가 각각 $16cm{\times}18cm$와 $6cm{\times}8cm$의 직사각형 구조를 갖는 경우, 무선 전력 전송 송신부에 위치한 E급 증폭기의 Drain 바이어스 전압만을 조정하여 수신 패드의 위치에 상관없이 일정한 전력이 부하에 공급되는 방식을 제안하였다. 설계된 LF-대역 무선 전력 시스템의 구성은 PWM IC인 TL494로 제어되는 Buck converter 구조의 전원 회로, 저가의 IRF510 power MOSFET을 이용한 E급 증폭기, 송신 패드 및 수신 패드, 그리고 Schottky 다이오드를 이용한 풀 브릿지 정류기로 구성된다. 제작된 무선 전력 전송 시스템은 바이어스 조정을 하지 않는 경우 240 kHz에서 최대 4 W 출력과 67 % 이상의 시스템 효율을 가지며, 바이어스 조정을 하는 경우에는 수신 패드의 위치에 상관없이 수신 전력을 2 W로 일정하게 유지할 수 있다.