전력효율 (Efficiency, PAE)

 Power Efficiency Calculator

☞ 사용방법
- 효율을 알고자 하는 전력 출력시 입력된 DC 전압값과 그때 흐른 전체 전류값을 입력하고, 계산한다.
- PAE를 계산하고자 할 때는 Pin과 Gain중 한 가지만 추가로 입력하고 PAE 계산 버튼을 누른다.

 전력효율 (Power Efficiency)
전력효율은 주로 대전력을 다루는 송신단, 그중에서도 전력증폭기(Power Amplifier)의 성능 지표로 주로 사용된다. 전력효율이란, 말 그대로 입력된 전력이 얼마나 실제 신호처리에 사용되었느냐를 나타내는 중요한 성능지표이다. 당연한 얘기지만 효율이 좋아야 소모전력이 적어지고, 더 에너지를 절약할 수 있는 좋은 시스템을 구성할 수 있게 된다.

전력 증폭기는 매우 큰 전력을 출력해야 하는 송신부 최종단의 특성상, 다른 어떤 능동회로보다 많은 전력을 소비하며, 종종 전체 송수신기 전력의 과반수 이상 혹은 대부분을 차지하는 경우가 다반사이다. 그렇지만 이론적으로 모든 입력 DC 전원을 손실없이 전부 RF 신호 증폭에 사용할 수는 없다. 특히 선형성이 중요시되는 CDMA에서는 선형성과 효율이 trade-off 관계를 가지기 때문에 효율을 높이는데 한계점이 존재한다.

또한 사용되지 못한 DC전력은 그대로 열로 방출되기 때문에, 효율이 나쁘다는 의미는 전력증폭기에서 매우 많은 열이 발생한다는 의미가 된다. 그래서 전력증폭기에서 방열 구조는 전체 성능을 좌우할 정도로 중요하며, 이 일련의 모든 과정이 효율이 얼마이냐에 따라 크게 좌우된다.

전력효율은 기본적으로 간단하게 아래와 같은 의미로 수식이 정의될 수 있다.

입력된 DC 전력(공급전압*사용전류)이 얼마나 출력 RF전력에 사용되었느냐를 나타내는 비율을 백분율로 나타낸다. 이것은 입력전력이 얼마나 되느냐를 무시한 단순 효율치로써 BJT/HBT 계열의 경우는 Collector Efficiency, FET/Hemt 계열의 경우는 Drain Efficiency라고도 부른다.

 전력부가효율 (PAE : Power Added Efficiency)
위의 효율 계산은 매우 간단하고 명쾌해 보이긴 한데, 꼼꼼히 살펴보면 한가지 맹점이 존재한다.
전력증폭기에 공급된 DC 전원만으로 출력 전력이 100% 생성된 것이 아니라는 점이다. 정확하게 표현하면, 전력증폭기의 출력전력은 입력된 전력에 추가적으로 전력을 생성해낸 개념이 된다.

예를 들어 입력에 1mW 가 입력되어 출력에서 10mW가 출력되었다고 가정해보자. 그 출력 10mW는 전부 전력증폭기가 생성해낸 것일까? 노우~ 엄밀히 말해서 전력증폭기는 입력에 이미 존재했던 1mW라는 전력에 9mW의 전력을 추가로 만들어내서 1 + 9 = 10mW를 생성해낸 것이다.

그렇다면, 이 전력 증폭기에 입력된 DC 전력만을 사용하여 만들어진 RF전력은 9mW일까, 10mW 일까? 10mW라고 대답하였다면 처음부터 다시 읽어봐야 할 것이다 (^.^;)

이 경우, 전력증폭기의 전력효율을 계산할 때 RF Pout을 10mW로 놓고 계산하기는 무척 뒤통수가 찜찜하다. 전력증폭기에 공급된 DC전력은 10mW가 아니라 9mW만 추가로 생성해냈기 때문이고, 1mW는 입력부에서 처음부터 존재했던 전력이기 때문이다. 결국 이 경우 진정한 전력효율 계산은 아래와 같이 수행해야 공정하다고 생각될 것이다. (DC 입력전력은 15mW로 가정한다)

효율 = 100 * (10mW - 1mW) / 15mW = 100 * 9 / 15 = 60%

이런식으로, 정확하게 전력증폭기에서 생성된 전력만 따지는 효율을 전력부가효율(Power added efficiency, PAE)라고 지칭하며, 아래와 같은 수식으로 정의된다. (단위는 W)

즉 기존에 이미 만들어져 포함된 입력 전력량은 빼고 계산하는게 엄밀한 의미에서의 진정한 전력증폭기만의 효율이기 때문에, PAE라는 지표를 사용하게 된다. 결국 저 위에서 계산한 단순한 Efficiency에 비해 PAE는 항상 더 적은 효율값을 가지게 된다.

 PAE 와 Gain

전력증폭기의 효율을 보다 실질적으로 평가하기 위해선 단순한 efficiency가 아닌 PAE 라는 개념을 도입해야 한다는 것은 쉽게 이해할 수 있다. 그런데, 과연 언제나 PAE가 실제적인 값을 제시해주는 것일까? PAE의 진정한 의미는 Gain이 작은 경우에 빛을 발한다.

예를 들어 출력이 30dBm (1W) 인 증폭기가 두 개 있는데, 증폭기 A의 Gain은 10dB이고 증폭기 B의 Gain은 20dB라고 가정한다. 동일한 출력전력에서 효율을 계산해야 하는 경우가 대부분이므로, PAE로 계산한 효율과 그냥 단순히 출력전력으로만 계산한 효율을 비교해보도록 하자.
(입력된 DC 전력은 2W 라고 가정한다)

당연히 PAE와 그냥 Efficiency의 값이 차이가 발생하는데 이득이 큰 amp B 에서는 0.5%밖에 오차가 없지만, 이득이 작은 amp A에서는 둘간의 차이가 5%나 발생한다. 결국 이것은 무엇을 의미할까?

PAE라는 지표는 증폭기 이득이 큰 경우에는 거의 의미가 없는 지표가 된다. 이득이 크다는 얘기는 입력에서 더 작은 전력이 들어와도 정해진 출력 전력을 낼 수 있다는 의미이며, 결국 계산상 입력전력의 양이 점점 작아지기 때문에 굳이 고려하지 않아도 되는 상황인 것이다. 전력증폭기의 이득이 30dB 수준을 넘어가면, Pin을 고려한 PAE와 그냥 Efficiency 값의 차이는 거의 없기 때문에 굳이 귀찮게 PAE로 계산할 필요가 없어지게 되는 그런 것이다.

고로 PAE는 전력증폭기의 이득이 20dB 수준 이하로 낮을 때만 주로 고려할 필요가 있으며 높은 이득을 가지는 전력증폭기에서는 굳이 PAE와 Efficiency를 구분할 필요가 없어진다. 

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