KR101635146B1 - 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기 - Google Patents

단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저 전력 모드에서는 일반적인 변압기나 단권변압기 하나만 동작하며, 고 전력 모드에서는 단권변압기와 2권선 변압기 모두 동시에 입력으로 동작하도록 한 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기에 관한 것으로, 제 1 입력 임피던스(Zin1)에 의해 출력 특성이 결정되어 저전력 모드에서 동작하는 단권 변압기;제 2 입력 임피던스(Zin2)에 의해 출력 특성이 결정되어 고전력 모드에서 단권 변압기와 동시에 입력으로 동작하는 2권선 변압기;상기 2권선 변압기를 구성하는 1차측 권선 및 2차측 제 1 권선; 및 상기 단권 변압기를 구성하는 2차측 제 2 권선;을 포함하는 것이다.

Description

단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기{Power combining transformer based on autotransformer and two winding transformer}
본 발명은 전력 결합 변압기에 관한 것으로, 구체적으로 저 전력 모드에서는 일반적인 변압기나 단권변압기 하나만 동작하며, 고 전력 모드에서는 단권변압기와 2권선 변압기 모두 동시에 입력으로 동작하도록 한 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기에 관한 것이다.
최근 들어 이동통신 단말기의 성능의 중요성이 부각되고 있으며, 송수신기 전체 시스템의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 전력증폭기에 대한 많은 연구가 진행되어 오고 있다.
전력 증폭기의 효율이 증가하게 되면 휴대용 단말기 측면에서는 배터리의 수명을 증가시킬 수 있다. 전력증폭기는 확률적으로 출력전력이 고 출력인 경우에 비해 상대적으로 저 저력인 경우 대부분 사용된다.
따라서, 출력전력이 저 전력일 때 전력증폭기 효율을 개선시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 전력증폭기의 출력전력이 저 전력일 경우 출력 매칭을 통해 제공된 임피던스 값이 고 전력의 경우보다 큰 값 일 때 전력증폭기의 효율이 최적화 된다.
따라서, 전력증폭기의 출력이 저 전력일 경우 효율을 개선하기 위한 방법 중 전력증폭기의 출력전력에 따라 출력 매칭 구조를 변경할 수 있는 멀티모드 전력증폭기에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
단말기용 전력증폭기는 출력전력이 수 와트(watt)까지 되어야한다.
따라서, 출력전력을 와트 레벨까지 내기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
와트 레벨의 출력전력을 가지기 위해 2권선 변압기에 바탕을 둔 전력 결합 변압기가 제시되고 있다.
종래 기술의 전력 결합 변압기 중에서 병렬 결합방식 변압기와 직렬 결합방식 변압기가 있다.
도 1a와 도 1b는 출력매칭 구조를 변경할 수 있는 멀티모드 변압기의 방법 중 병렬 결합방식과 직렬 결합방식 형태의 변압기이다.
병렬 결합방식 변압기는 1차 권선들이 따로 분리되어 2차 권선과 병렬로 연결된 변압기이다. 이 변압기는 출력전력이 작은 저 전력 모드 동작 시 1차 권선들 중 일부를 턴 오프 시키면 변압기를 통해 제공되는 임피던스 값이 작아져 전력증폭기의 효율 특성이 최적화되기 힘들다.
그리고 직렬 결합방식 변압기는 1차 권선들이 따로 분리되어 2차 권선과 직렬로 연결된 변압기이다.
그러나 이 변압기는 저 전력일 때 사용하기 위해서 1차 권선들 중 일부의 권선을 턴 오프 시키면 턴 오프 된 1차 권선은 2차 권선과 자기적으로 결합되지 않아 전체 2차 권선과 1차 권선과의 결합계수가 작아지는 단점이 있다.
한국등록특허번호 10-1266955호 한국공개특허번호 10-2011-0058053호 한국등록특허번호 10-0872514호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 전력 결합 변압기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 저 전력 모드에서는 일반적인 변압기나 단권변압기 하나만 동작하며, 고 전력 모드에서는 단권변압기와 2권선 변압기 모두 동시에 입력으로 동작하도록 한 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전력증폭기의 출력이 저 전력일 때와 고 전력일 때 모두 효율이 최적화될 수 있고, 모드변환 가능한 변압기를 사용하여 효율이 개선된 온칩(on-chip) 전력증폭기 집적화를 가능하게 하도록 한 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 제 1 입력 임피던스(Zin1)에 의해 출력 특성이 결정되어 저전력 모드에서 동작하는 단권 변압기;제 2 입력 임피던스(Zin2)에 의해 출력 특성이 결정되어 고전력 모드에서 단권 변압기와 동시에 입력으로 동작하는 2권선 변압기;상기 2권선 변압기를 구성하는 1차측 권선 및 2차측 제 1 권선; 및 상기 단권 변압기를 구성하는 2차측 제 2 권선;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 저전력 모드에서 단권 변압기를 구성하는 2차측 제 1 권선 및 2차측 제 2 권선만 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고 2차측 제 1 권선 및 2차측 제 2 권선은 부하(Rload)와 접자 단자 사이에 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 고전력 모드에서는 단권 변압기와 2권선 변압기가 동시에 입력으로 동작하여, 1차측 권선 및 2차측 제 1 권선, 2차측 제 2 권선이 모두 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고 2권선 변압기만 입력으로 동작하는 경우에는, 1차측 권선 및 2차측 제 1 권선, 2차측 제 2 권선 모두 사용되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 제 1 입력 임피던스(Zin1)에 의해 출력 특성이 결정되어 저전력 모드에서 동작하는 단권 변압기;제 2 입력 임피던스(Zin2)에 의해 출력 특성이 결정되어 고전력 모드에서 단권 변압기와 동시에 입력으로 동작하는 2권선 변압기;상기 2권선 변압기를 구성하는 1차측 권선이 되는 제 1 메탈 라인; 및 제 1 메탈 라인과 동일 형상을 갖고 일정 간격 이격되어 바깥쪽에 배치되고 일측이 부하(Rload)측에 연결되어 2차측 제 1 권선이 되는 제 2 메탈 라인;일측이 접지 단자에 연결되고 제 1 메탈 라인의 바깥쪽에 일부 배치되고 타측의 일부 라인은 전원 공급 단자에 연결되어 제 1 메탈 라인의 안쪽에 배치되어 상기 단권 변압기를 구성하는 2차측 제 2 권선이 되는 제 3 메탈 라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 2차측 제 1 권선이 되는 제 2 메탈 라인과 2차측 제 2 권선이 되는 제 3 메탈 라인은 서로 한쪽이 연결되어 부하(Rload)와 접자 단자 사이에 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1,2,3 메탈 라인은 서로 다른 레이어(Layer)에 형성되고 연결이 필요한 부분은 비아 콘택 공정에 의해 연결되는 구조인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 저 전력 모드에서는 일반적인 변압기나 단권변압기 하나만 동작하며, 고 전력 모드에서는 단권변압기와 2권선 변압기 모두 동시에 입력으로 동작하도록 하여 효율을 높일 수 있다.
둘째, 전력증폭기의 출력이 저 전력일 때와 고 전력일 때 모두 효율이 최적화될 수 있도록 한다.
셋째, 모드변환 가능한 변압기를 사용하여 효율이 개선된 온칩(on-chip) 전력증폭기의 집적화를 가능하게 한다.
도 1a와 도 1b는 일반적인 병렬 결합방식과 직렬 결합방식 형태의 변압기 구성도
도 2는 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 회로 구성도
도 3은 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 레이아웃 구성도
도 4는 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 EM 시뮬레이션을 통한 효율 특성을 나타낸 그래프
이하, 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 회로 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 레이아웃 구성도이다.
본 발명은 저 전력 모드에서는 일반적인 변압기나 단권변압기 하나만 동작하며, 고 전력 모드에서는 단권변압기와 2권선 변압기 모두 동시에 입력으로 동작하도록 한 것이다.
본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 도 2에서와 같이, 제 1 입력 임피던스(Zin1)에 의해 출력 특성이 결정되어 저전력 모드에서 동작하는 단권 변압기(22)와, 제 2 입력 임피던스(Zin2)에 의해 출력 특성이 결정되어 고전력 모드에서 단권 변압기(22)와 동시에 입력으로 동작하는 2권선 변압기(21)를 포함한다.
여기서, 상기 2권선 변압기(21)를 구성하는 1차측 권선(23) 및 2차측 제 1 권선(24) 그리고 상기 단권 변압기(22)를 구성하는 2차측 제 2 권선(25)을 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 저전력 모드에서 단권 변압기(22)를 구성하는 2차측 제 1 권선(24) 및 2차측 제 2 권선(25)만 사용된다.
그리고 2차측 제 1 권선(24) 및 2차측 제 2 권선(25)은 부하(Rload)와 접자 단자 사이에 구성된다.
그리고 고전력 모드에서는 단권 변압기(22)와 2권선 변압기(21)가 동시에 입력으로 동작하여, 1차측 권선(23) 및 2차측 제 1 권선(24), 2차측 제 2 권선(25)이 모두 사용되는 것이다.
그리고 2권선 변압기(21)만 입력으로 동작하는 경우에는, 1차측 권선(23) 및 2차측 제 1 권선(24), 2차측 제 2 권선(25) 모두 사용되는 것이다.
도 2에서 전력증폭기(power amplifier)는 신호의 왜곡없이 전력을 증폭해서 전달하는 부분이고, Zin은 입력 임피던스로 입력 임피던스 값에 따라 전력증폭기(power amplifier)의 동작 특성이 결정된다.
부하(Rload)는 출력쪽의 부하저항이고, VDD는 DC 전원을 공급하는 부분이고, 도 3에서 메인 증폭기(Main amplifier) 및 보조 증폭기(Auxiliary amplifier)는 임의로 구분한 것으로 동작에 따라 서로 바뀔 수 있다.
이와 같이 2권선 변압기만 사용하는 전력 결합 변압기와 달리 본 발명은 2권선 변압기와 단권변압기를 결합시키는 구조이다. 2권선 변압기와 단권변압기를 결합시켜 전력 결합(power combining) 변압기를 구성한 것이다.
이와 같이 전력 결합 변압기의 구성 시 복수의 전력 증폭기가 연결이 가능하며 출력 전력에 따라 일부의 증폭기를 끄고 킬 수 있어 출력 전력이 저 전력 일 때 효율을 개선할 수 있도록 한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 출력전력이 저 전력인 경우 일반적인 2권선 변압기 또는 단권변압기 하나만 동작하며, 고 전력모드에서는 단권변압기와 2권선 변압기 모두 동시에 동작하여 저 전력 일 때와 고 전력일 때 모두 효율이 최적화될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 레이아웃 구성도이다.
단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 일반적으로 사용되는 표준 공정에 사용하여 차동 입력을 갖는 lateral 형태의 레이아웃 설계를 한 것이다.
본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 제 1 입력 임피던스(Zin1)에 의해 출력 특성이 결정되어 저전력 모드에서 동작하는 단권 변압기(22)와, 제 2 입력 임피던스(Zin2)에 의해 출력 특성이 결정되어 고전력 모드에서 단권 변압기(22)와 동시에 입력으로 동작하는 2권선 변압기(21)를 포함하는 것으로, 상기 2권선 변압기(21)를 구성하는 1차측 권선(23)이 되는 제 1 메탈 라인및 제 1 메탈 라인과 동일 형상을 갖고 일정 간격 이격되어 바깥쪽에 배치되고 일측이 부하(Rload)측에 연결되어 2차측 제 1 권선(24)이 되는 제 2 메탈 라인과, 일측이 접지 단자에 연결되고 제 1 메탈 라인의 바깥쪽에 일부 배치되고 타측의 일부 라인은 전원 공급 단자에 연결되어 제 1 메탈 라인의 안쪽에 배치되어 상기 단권 변압기(22)를 구성하는 2차측 제 2 권선(25)이 되는 제 3 메탈 라인을 포함한다.
여기서, 2차측 제 1 권선(24)이 되는 제 2 메탈 라인과 2차측 제 2 권선(25)이 되는 제 3 메탈 라인은 서로 한쪽이 연결되어 부하(Rload)와 접자 단자 사이에 구성된다.
그리고 제 1,2,3 메탈 라인은 서로 다른 레이어(Layer)에 형성되고 연결이 필요한 부분은 비아 콘택 공정에 의해 연결되는 구조이다.
도 4는 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기의 EM 시뮬레이션을 통한 효율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3의 EM 시뮬레이션은 Agilent Momentum을 이용하여 제안된 변압기의 자체효율을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 전력증폭기 동작주파수인 2.4 GHz 대역에서 Low power1 는 77.39%, Low power2 는 83.94% 와 High power 사용할 때는 85.34% 각각의 최적화된 자체효율을 특성을 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기는 전력 결합(power combining) 전력 증폭기 또는 멀티모드 전력증폭기로 동작 가능하도록 한 것이다.
전력증폭기의 출력전력이 저 전력인 경우 일반적인 변압기 나 단권변압기 하나만 동작하며, 고 전력모드에서는 단권변압기와 2권선 변압기 모두 동시에 동작하여 저 전력일 때와 고 전력일 때 모두 효율이 최적화될 수 있다.
또한, 전력 증폭기뿐 아니라 다른 장치에서도 이 원리를 적용하여 사용할 수 있고, 본 발명에서와 같은 모드변환 가능한 변압기를 사용하여 효율이 개선된 on-chip 전력증폭기 집적화를 가능하게 할 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
21. 2권선 변압기 22. 단권 변압기
23. 1차측 권선 24. 2차측 제 1 권선
25. 2차측 제 2 권선 26. 부하

Claims (8)

  1. 제 1 입력 임피던스(Zin1)에 의해 출력 특성이 결정되어 저전력 모드에서 동작하는 단권 변압기;
    제 2 입력 임피던스(Zin2)에 의해 출력 특성이 결정되어 고전력 모드에서 단권 변압기와 동시에 입력으로 동작하는 2권선 변압기;
    상기 2권선 변압기를 구성하는 1차측 권선 및 2차측 제 1 권선; 및
    상기 단권 변압기를 구성하는 2차측 제 2 권선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
  2. 제 1 항에 있어서, 저전력 모드에서 단권 변압기를 구성하는 2차측 제 1 권선 및 2차측 제 2 권선만 사용되는 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 2차측 제 1 권선 및 2차측 제 2 권선은 부하(Rload)와 접자 단자 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
  4. 제 1 항에 있어서, 고전력 모드에서는 단권 변압기와 2권선 변압기가 동시에 입력으로 동작하여, 1차측 권선 및 2차측 제 1 권선, 2차측 제 2 권선이 모두 사용되는 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
  5. 제 1 항에 있어서, 2권선 변압기만 입력으로 동작하는 경우에는, 1차측 권선 및 2차측 제 1 권선, 2차측 제 2 권선 모두 사용되는 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
  6. 제 1 입력 임피던스(Zin1)에 의해 출력 특성이 결정되어 저전력 모드에서 동작하는 단권 변압기;
    제 2 입력 임피던스(Zin2)에 의해 출력 특성이 결정되어 고전력 모드에서 단권 변압기와 동시에 입력으로 동작하는 2권선 변압기;
    상기 2권선 변압기를 구성하는 1차측 권선이 되는 제 1 메탈 라인; 및 제 1 메탈 라인과 동일 형상을 갖고 일정 간격 이격되어 바깥쪽에 배치되고 일측이 부하(Rload)측에 연결되어 2차측 제 1 권선이 되는 제 2 메탈 라인;
    일측이 접지 단자에 연결되고 제 1 메탈 라인의 바깥쪽에 일부 배치되고 타측의 일부 라인은 전원 공급 단자에 연결되어 제 1 메탈 라인의 안쪽에 배치되어 상기 단권 변압기를 구성하는 2차측 제 2 권선이 되는 제 3 메탈 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
  7. 제 6 항에 있어서, 2차측 제 1 권선이 되는 제 2 메탈 라인과 2차측 제 2 권선이 되는 제 3 메탈 라인은 서로 한쪽이 연결되어 부하(Rload)와 접자 단자 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
  8. 제 6 항에 있어서, 제 1,2,3 메탈 라인은 서로 다른 레이어(Layer)에 형성되고 연결이 필요한 부분은 비아 콘택 공정에 의해 연결되는 구조인 것을 특징으로 하는 단권변압기와 2권선 변압기 기반 전력 결합 변압기.
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모드변환이 가능한 단권변압기를 이용한 CMOS 전력증폭기(2014년 4월 전자공학회 논문지 제51권 제4호, 페이지 735-741, 류현식 외3인, 2014.4월 발행) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11887765B2 (en) 2019-06-11 2024-01-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Switching transformers and electronic devices including the same

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