To keep up with the rising trend of high-performance mobile devices, various chips with different functions are mixed and packaged into individual products. As the technology develops, the number of chips increases while the thickness of mobile products continuously decreases, which requires high-density packaging technique with high number of power and signal lines. For routability of signal and power pins, avoiding crosstalk and overlap between high pitch metal lines has become a challenge in printed circuit board (PCB) and package design. By applying wireless power transfer technology in PCB and package level, the number of power pins can be greatly reduced to produce more space for signal pins and other components in the system. For the first time, in this paper, we propose and demonstrate high efficiency PCB and package level wireless power transfer interconnection scheme using magnetic field resonance coupling. The proposed scheme wirelessly transfers power from the source to the receiver on PCB and package level using rectangular spiral coils.
The equivalent circuit model is suggested with analytic equations, and the values of each component are calculated by applying the physical dimensions and material properties. Including the effect of parasitic components in PCB and package level, the suggested model is experimentally validated up to 1 GHz by comparing Z-parameter results from the model-based equation and measurement of the designed and fabricated test vehicles. The test vehicles consist of two major parts: the source board and the receiver board. On both of the boards, 10 mm by 10 mm sized rectangular spiral coils are printed for the actual wireless transfer of power and matching capacitors are mounted for resonance frequency tuning. The measurement of the test vehicles is conducted in various conditions to enhance the efficiency of the scheme. We analyzed the impact of ferrite material beneath the source and receiver boards for shielding and guiding of the magnetic field. In addition, we measured the test vehicles by supplying sinusoidal source from a signal generator with 50 Ω source resistance and a bipolar amplifier with 3.3 Ω source resistance for comparison. Finally, The power transfer efficiency from the source coil to the receiver coil in this scheme is able to reach 85.6% and we designed and fabricated a CMOS full bridge rectifier and mounted it on the receiver board to convert the transferred voltage from AC voltage to DC voltage. The measured DC voltage of 2.0 V is sufficient to operate the circuit, which generally consists of 1.5 V devices. The model-based equations are further analyzed to estimate the voltage transfer ratio and power transfer efficiency in the proposed scheme for design optimization.
고성능 휴대 기기의 발전하는 과정에서, 다양한 기능을 가지는 많은 반도체 칩(Chip)들이 단일 제품에 합쳐지고 있다. 또한 기술 발전과 더불어, 휴대용 기기의 크기와 두께는 작아지고 있기 때문에 많은 전원/접지를 가지는 칩들의 고밀도 집적 패키징 기술이 필요하게 되었다. 피씨비(PCB)또는 패키지(Package) 내에 많은 전원/접지의 개수 때문에 신호 선들의 연결이 어려워지며, 특성도 열화되고 있다. 따라서 전원/접지의 개수를 감소시킬 수 있으면 이러한 문제점들을 감소시킬 수 있다. 따라서 자기장 공진 커플링을 이용한 무선 전력 전송이란 기술을 적용하여 피씨비 및 패키지 단에 접목하여 전원/접지의 개수를 감소시킬 수 있는 방법을 착안하였으며, 그에 따른 연구가 필요하게 된다.
본 학위 논문에서는 자기장 공진 커플링을 이용한 무선전력전송 구조의 등가 회로식을 제안하였으며, 등가 회로식에 사용되는 값들은 전부 구조가 가지는 치수와 물질 상수를 이용하여 수식을 통해 구하였다. 또한 무선 전력 전송 구조에서 필연적으로 생겨나는 기생값에 대해서도 수식을 통해 구하여, 1 기가헤르쯔까지 등가 회로식에서 얻은 임피던스 파라미터와 측정을 통해 얻은 임피던스 파라미터와 유사함을 가지는 것을 검증하였다. 실제로, 측정에 사용된 무선 전력 전송 구조는 소스와 리시버 보드로 나뉘어있으며 코일의 지름은 10센티미터이다. 그리고 소스단 입력으로는 50옴 입력 저항을 가지는 장비와 3.3옴 장비를 가지는 장비를 사용하였으며, 전압 전달 비와 전력 전송 효율을 모두 구하여 비교하였다. , 3.3옴 입력저항을 가지는 장비로 측정시 85.6% 의 전력 전송 효율을 가졌다. 리시버 보드에서 얻은 교류의 값을 직류로 전환하기 위해 정류기를 직접 제작하여 적용하였으며, 2.0V의 직류 전압을 얻을 수 있었으며, 이는 1.5V 소자로 이루어진 반도체 칩을 구동하기에 충분한 값을 가졌다
제안한 구조의 등가 회로식을 이용하여 실제 구조를 제작해 보지않고도 결과를 예측하는게 가능하여, 설계 최적화에 이용할 수 있다.
