1. 전력 부가 효율 (Power Added Efficiency, PAE)
ㅇ 주로, RF 전력증폭기(PA, Power Amplifier)에서 쓰이는 효율 지표
- 전력 증폭기가, 공급받은 직류(DC) 에너지를,
- 얼마나 효율적으로 교류(RF) 신호 에너지로 변환했는지를 나타내는 비율
ㅇ 정의식 : {# PAE = (P_{out} − P_{in})/P_{DC} \times 100 \%#}
- 직류(DC) 공급 전력(PDC)으로부터 소비되는 에너지 중에,
- 입력 RF 전력(Pin)을 제외하고, 실제로 증가시킨 출력 RF 전력(Pout)의 비율
ㅇ 의미
- 통상적인 전력 효율은, 출력 전력 만 고려하지만,
- PAE는, 입력 RF의 신호 전력까지 고려하여, 증폭기가 실제로 추가(증가)시킨 전력을 평가함
2. PAE 중요성 : (전력 소비 이슈)
ㅇ 5G/6G 고주파 대역의 확대
- 밀리미터파(mmWave) 등 고주파 대역으로 갈수록, 신호 감쇄가 심해져, 더 강력한 증폭이 필요
- 이때, 증폭기의 효율이 낮으면 기기가 금방 뜨거워지고 배터리가 빨리 소모됨
- 사실상, PAE를 최적화하는 것이, 하드웨어 설계의 난제임
ㅇ 저 전력 화합물 반도체(GaN/SiC)의 부상
- 기존 실리콘(Si) 기반 소자의 한계를 넘기 위해, 질화갈륨(GaN) 같은 신소재를 활용한,
- 전력 증폭기가 보편화되고 있으며, 이 소자들의 최대 장점이 바로 높은 PAE 임
ㅇ 에너지 효율 및 방열 관리
- 모바일 기기는 물론 기지국에서도 전력 효율은, 운영 비용 및 장비 수명과 직결됨
- 단순히 '입력 대비 출력'을 넘어, '공급 직류 전력이 실제 신호 증폭에 얼마나 기여했는가'를
보여주기에 가장 실질적인 척도로 평가받음
ㅇ 실질적인 효율 측정
- 일반적인 배수 효율(Drain Efficiency)은, {#P_{out}/P_{DC}#}로 계산되지만,
- 이는 입력 신호({#P_{in}#}) 자체가 이미 가지고 있는 에너지를 무시하게 됨
- 그러나, PAE는, 입력 에너지를 제외함으로써, 증폭기 자체의 변환 능력을 엄격하게 평가함
ㅇ 이득(Gain)과의 관계
- 만일, 증폭기 이득({#G = P_{out}/P_{in}#})이 매우 높다면, PAE는 통상적인 효율에 수렴함
- 하지만, 이득이 낮은 고주파 대역에서는, PAE가 급격히 떨어지며, 설계의 핵심 변수가 됨
※ 저 이득(Low Gain) 환경일수록, 그리고 고 전력 소모가 발생하는 현대 통신 소자일수록,
- PAE의 중요성이 더욱 강조됨