무선 충전의 미래를 만들어나가는 삼성전자의 PMIC, S2MIW06

무선 충전이 필요한 이유

충전 케이블을 사용할 때 겪는 번거로움은 여러가지가 있다. 케이블이 엉키거나 뽑힐 수도 있고, 어두운 곳에서는 꽂기 어려우며, 특히 물이 묻으면 충전 포트나 커넥터가 쉽게 손상될 수 있다. 또한 충전기 호환성 문제로 인해 사용하지 않는 충전 케이블만 잔뜩 쌓일 수도 있다. 이러한 불편함과 비효율성을 줄이는 것이 무선 충전의 핵심 요소이다. 무선 충전은 기기를 충전 패드 위에 올려 놓기만 하면 되기 때문이다.

무선 충전은 보편화되고 있지만, 케이블 없이 전류가 어떻게 전달되는지 자세히 아는 것은 쉽지 않다. 큰 그림은 생각보다 간단한데, 대부분의 무선 충전기는 전자기 유도 방식을 사용한다. 교류 전류가 충전 패드의 송신 코일을 통해 흐르면서 자기장을 생성하고, 이 자기장이 스마트폰의 수신 코일에 들어가면 전류가 발생하고, 스마트폰의 배터리로 흐르게 된다.¹

모든 기술에는 나름의 중요 요소가 있는데, 무선 충전의 경우 업계와 일반 사용자 모두가 주목하는 것은 호환성, 속도(고출력), 안전성, 그리고 신뢰성이다. 이 모든 것이 어떻게 작동하는지 자세히 살펴보자.
 

무선 충전의 호환성

충전 효율을 개선하고 안전성을 향상시키며 기기 간의 호환성을 촉진하는 글로벌 인증 표준이 있다. Qi(발음: "치")는 무선 전력 충전의 가장 잘 알려진 표준 중 하나로, 300개 이상의 주요 제조업체가 포함된 무선 전력 컨소시엄(WPC)²에서 개발하였다. 최신 버전은 Qi v2.2이며, 삼성전자 시스템 LSI사업부는 그 구현에 적극적으로 참여하고 있다.³

Qi 표준은 더 나은 무선 충전 경험을 위해 다양한 요소를 고려한다. 여기에는 송신기와 수신기 간의 호환성 및 인증, 충전 전력이 Qi 규격을 준수하는지, 그리고 안전을 위한 이물질 감지 알고리즘 등이 포함된다. 이 표준은 아래에 설명된 세가지로 나뉜다.

1. Baseline Power Profile (BPP)
BPP는 가장 기본적인 프로파일로 2010년 Qi v1.0에서 처음 도입되어 무선 충전 송신기 및 수신기가 최대 5W의 전력을 공급할 수 있게 되었다. 수신기(Rx)는 ASK⁴변조를 사용하여 송신기(Tx)에 현재 공급받는 전력량을 전달하는 기본적인 단방향 통신을 지원, 이를 통해 Tx가 전력을 제어할 수 있도록 한다.

2. Extended Power Profile (EPP)
EPP는 Tx와 Rx의 양방향 통신을 사용하여 고속 충전 또는 일반 충전 중 하나를 선택할 수 있고, 이에 따라 최대 충전 전력이 15W로 높아진다. Rx는 Tx에 고속 충전이 가능함을 알리고, ⁵ Tx 는 Rx에 고속 충전의 가능 여부를 응답한다. ⁶ EPP는 또한 더 높은 전력 충전을 위한 하드웨어 구조를 채택하였고, 빠른 충전 프로토콜, 정확한 이물질 감지 알고리즘을 적용하였다.

3. Magnetic Power Profile (MPP)
MPP는 EPP의 장점에 더하여 향상된 사용성을 위해 자기 부착 기능이 추가되었다. 자석 덕분에 무선 충전 중에도 스마트폰을 안정적으로 사용할 수 있고, Tx와 Rx의 정렬이 맞지 않을 때 발생할 수 있는 저전력 충전이나 충전이 되지 않는 등의 문제를 줄일 수 있다. 또한 모바일 기기와 유사한 BPP/EPP 주파수를 사용하는 원격 자동차 키와의 충돌을 피하기 위해 충전 주파수 대역을 360kHz로 변경하였다. 많은 스마트폰 제조업체가 제품의 무선 충전 용량을 25W로 확장하고 있으며, MPP는 안정적인 25W 충전을 지원한다.

무선 충전의 정교한 작동 원리

시스템은 다음 과정을 통해 무선 충전 전력을 전달한다. 먼저, 입력된 DC 입력 전원이 Tx 인버터를 통해 AC 전력으로 변환되고, 그 후 AC 전력은 유도 방식 무선 충전 주파수 특성에 맞춘 Tx측 LC 탱크⁷에 의해 증폭되어 Rx로 전달된다. 이 시점에서 Rx의 LC 탱크로 전송된 AC 전력은 PMIC의 정류기 (Rectifier)에 의해 DC 전압 (VRECT)으로 정류된다. 전력이 DC VRECT로 정류되면 Rx PMIC는 이를 저전압 강하 (LDO) 레귤레이터를 통해 더 정제된 DC 전원 전압(V_out)으로 변환한 뒤, 최종적으로 Rx 측 배터리를 충전하는 전력으로 전달한다. S2MIW06은 무선 전력 전송에 최적화된 하드웨어 설계를 기반으로, Rx IC 기준 최대 98%⁸의 높은 전력 전송 효율을 자랑한다.

무선 충전에 있어서 전력 전송이 물론 중요하지만, Tx와 Rx 간의 통신도 중요하다. Tx가 보낸 전력이 부족하거나 과도하여 과열로 이어지는 등의 문제가 발생하면 Rx는 Tx에 알려서 전송되는 전력 수준을 조정해야 하는 등의 조치를 취해야 하기 때문이다. 또한, 고속 충전은 Tx와 Rx 간 인증 절차를 통해 안전성이 검증된 Tx 무선 충전 패드에서만 가능한데, 무선 충전 IC 통신이 이러한 기능을 담당한다.
 

무선 충전 분야 기술 선도하는 S2MIW06

현재 무선 충전 분야에서 삼성전자는 기술적 리더십과 업계의 새로운 길을 개척하는 혁신 측면에서 중요한 역할을 하고 있다. 예를 들어, 무선 충전 사용자 만족도의 가장 중요한 기준 중 하나는 호환성을 지원하는, 강력한 펌웨어 기반 MCU (Micro Controller Unit) 운영이다. S2MIW06은 모든 BPP/EPP/MPP 표준을 지원할 수 있으며, 인증된 Tx 패드뿐만 아니라 인증되지 않은 수백 개의 Tx 패드와의 호환성도 내부 테스트를 통해 확인되었다. 따라서 S2MIW06은 다양한 상황에서 일관된 성능을 지원하며, 시장을 선도하는 대용량 내장 메모리를 기반으로 한 MCU 운영의 유연성을 제공한다.
 

강력한 펌웨어 기반 작동 외에도 충전 전력 또한 Rx IC에서 중요한 요소이다. S2MIW06은 최대 50W의 고출력 무선 충전을 지원하여 미래에도 충분히 지속 사용 가능한 사양이다. 아래 그래프는 충전 전력과 내장 메모리 용량 측면에서 S2MIW06의 Rx IC 성능지표(FOM)를 보여주는데, A-D로 표시된 다른 Rx IC보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한 S2MIW06은 수년간 축적된 PMIC 지식을 바탕으로 Qi 인증을 위한 사전 테스트도 완료하였다.

또한 S2MIW06은 스마트폰의 무선 배터리 공유 기능을 지원하기 위해 Tx 모드에서도 작동한다. 이 모드에서 작동할 때 ASK 복조를 위한 외부 필터가 PCB (Printed Circuit Board) 표면에서 상당한 공간을 차지한다. 이러한 잠재적인 문제를 해결하기 위해 S2MIW06은 내장 필터를 사용하였고, 필터가 내장되지 않은 경우 대비 외부 PCB면적을 약 15%까지 줄일 수 있었다.⁹

S2MIW06과 충전되는 장치 간의 통신 안정성도 중요한 고려 요소이다. S2MIW06은 전송되는 AC 전력 대역과 함께 신호를 전송하는 대역 내 통신을 사용한다. 이를 통해 추가 통신 칩 비용이 절감되고 견고한 하드웨어 설계로 상용 무선 충전의 전체 전력 범위에서 안정적인 통신을 보장한다.
 

무선 충전의 미래는?

예전에는 무선 충전이 현실이 될 것이라고 상상하기 어려웠지만, 이제는 자동차나 소파, 침대와 같은 일상적인 물건에 이르기까지 응용 범위를 확장한 필수 기술이 되었다고 할 수 있다. 앞으로의 목표는 장소에 관계없이 편리하게 충전할 수 있도록 Qi측면에서 기술을 표준화하는 것이 될 것이다. 실제로 대부분의 스마트폰 제조업체는 이미 표준화된 요구 사항에 따라 제품을 개발하고 있다. 이러한 상황에서 삼성전자 시스템 LSI 사업부는 뛰어난 기술 지식을 활용하여, 최신의 원활하고 효율적인 충전 기술을 제공하는 데 앞장설 것이다.

삼성전자는 프리미엄 스마트폰과 웨어러블 기기에 무선충전 IC를 적용한 실적을 바탕으로, 최신 기술 표준을 제품에 구현하는 데 앞장서고자 노력하고 있으며, 표준화된 무선 충전 기술의 안정적인 성능을 최대한 빠르게 안전하고 효율적으로 누릴 수 있도록 지원하고 있다. 충전 및 방전 실험에 사용할 수 있는 300개 이상의 충전 패드 환경을 구축하여 업계에서의 리더십을 명확하게 보여주는 물리적 검증 시스템 또한 마련했다. 이러한 탄탄한 기반을 바탕으로 삼성전자는 우수한 제품을 제공하는 동시에 새로운 가능성을 향한 길을 개척하고 있다.
 

*표시된 이미지는 예시용으로만 제공되며, 제품 자체 또는 해당 제품과 함께 촬영된 이미지를 정확하게 재현하지 않을 수 있습니다. 모든 이미지는 디지털 방식으로 편집, 수정 또는 보정되었습니다.

_{¹⁾ 전자기 유도 법칙에 따라 교류전류가 유도됨.
²⁾ WPC 웹사이트 wirelesspowerconsortium.com에 따르면, 이 컨소시엄은 무성충전 표준의 필요성과 이점을 인식하고 있는 대형 가전 브랜드부터 소규모 기술 스타트업 회사까지 다양하게 구성되어 있음.
³⁾ 삼성전자 시스템 LSI사업부는 2023년 1월에 WPC에 가입하였으며 Qi 구현에 참여해 왔음.
⁴⁾ 진폭 편이 변조(Amplitude Shift Keying, ASK)는 디지털 데이터 통신에 사용되는 변조 기술로, 무선 충전 시스템을 비롯한 다양한 시스템에서 널리 채택되고 있음. Rx는 전력 전송 시스템에 대한 부하를 변조하여 Tx로 정보를 다시 전송함.
⁵⁾ "Rx에서 Tx ASK" 통신을 통해.
⁶⁾ "Tx에서 Rx FSK로" 통신을 통해. 주파수 편이 변조(Frequency-shift keying, FSK)는 디지털 데이터 통신에서 널리 채택되는 또 다른 변조 기술임. Tx는 반송파 신호의 주파수를 이동시켜 정보를 Rx로 다시 보냄.
⁷⁾ LC 탱크는 인덕터와 커패시터가 연결된 전기 회로임. 회로는 전기 공진기 역할을 할 수 있으며, 튜닝 포크의 전기적 아날로그 역할을 하여 회로의 공진 주파수에서 진동하는 에너지를 저장함. LC 회로는 더 복잡한 신호에서 특정 주파수의 신호를 생성하는 데 사용됨.
⁸⁾ 모든 제품 사양은 내부 테스트 결과를 반영하며 사용자의 시스템 구성에 따라 변동이 있을 수 있음. 실제 성능은 사용 조건과 환경에 따라 다를 수 있음.
⁹⁾ 모든 제품 사양은 내부 테스트 결과를 반영하며 사용자의 시스템 구성에 따라 변동이 있을 수 있음. 실제 성능은 사용 조건과 환경에 따라 다를 수 있음.}