10W無線電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技巧

在手機(jī)和其它小型便攜式應(yīng)用中，無線電源系統(tǒng)不斷得到認(rèn)可?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)受限于5W電力傳輸，但是智能手機(jī)、平板電腦和便攜式工業(yè)及醫(yī)療應(yīng)用不斷增長的電力需求對(duì)供電能力提出了更高的要求。隨著輸出功率的增加，必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)最初就將效率和熱性能考慮在內(nèi)。這篇文章回顧了可批量生產(chǎn)的10W無線電源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，并提供了與系統(tǒng)性能優(yōu)化有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南。我們還給出了一些已經(jīng)在10W應(yīng)用中成功測(cè)試的收發(fā)器 (TX) 和接收器 (RX) 線圈的示例。

無線電源多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，形式也有多種，不過最近才由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)而變得更為普遍。智能手機(jī)和小型平板電腦是目前使用無線電源的主要產(chǎn)品類別。然而，這項(xiàng)技術(shù)也開始擴(kuò)展到可穿戴設(shè)備以及醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)無線電源與無線連通技術(shù)配合使用時(shí)，就可以使無外部接頭、完全密閉設(shè)備的設(shè)計(jì)成為可能。這使得無線電源成為所有需要在室外或潮濕環(huán)境中運(yùn)行的便攜式系統(tǒng)的理想選擇。

現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只有有限的功率輸出能力通，常在5W范圍內(nèi)。更高功率標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)正在進(jìn)行當(dāng)中，截至2014年12月，還未完全確定。因此，那些需要更高功率水平來為較大容量電池充電的器件就需要定制或?qū)Ｓ性O(shè)計(jì)。雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有可能使用標(biāo)準(zhǔn)組件“從零開始”，但是這種方法就很難實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品快速投放市場(chǎng)的這一目標(biāo)?，F(xiàn)在市面上的互補(bǔ)發(fā)射器和接收器芯片組可實(shí)現(xiàn)針對(duì)便攜式應(yīng)用的10W無線電源系統(tǒng)的即刻設(shè)計(jì)，其中包括一個(gè)和兩個(gè)電池節(jié)電池組架構(gòu)。

無線電源系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中顯示的是一張緊密耦合智能無線電源系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。如果從原理圖的角度來看，它看起來很像一款變壓器耦合隔離式電源轉(zhuǎn)換電路。然而在這里, 初級(jí)線圈和次級(jí)線圈是完全分離開來，而不是繞在同一磁芯上的。電能從發(fā)射器（初級(jí)，或TX）端傳輸?shù)浇邮掌鳎ù渭?jí)，或RX）端，而接收器電路以數(shù)字脈沖的形式將反饋發(fā)送回磁耦合器件。

圖1：典型無線電源系統(tǒng)架構(gòu)圖

參考文獻(xiàn) [2] 詳細(xì)介紹了無線電源的基本概念，而參考文獻(xiàn) [3至6]為無線電源器具提供了其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南。

將功率性能擴(kuò)展至10W就不得不有幾點(diǎn)額外的考慮。首先，必須將硅功率元件設(shè)計(jì)成能夠處理所需的峰值和持續(xù)功率水平。在發(fā)射器端，功率FET元件在發(fā)射控制器的外部，所以可按照需要將它們升級(jí)為能夠處理峰值電流。在接收器端，解決方案的小尺寸是十分重要的，集成FET器件被用來提供單芯片器具。為了提供高效率并改進(jìn)熱性能，與之前的5W接收器相比，RX控制器中的FET具有更低的RDS(on)。磁性元件，即TX和RX線圈也必須具有能夠處理10W電源傳輸所需的更高峰值電流的額定值。最后，由于10W系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度更高，相對(duì)于5W系統(tǒng)來說，接收器端的屏蔽范圍就需要擴(kuò)大。這對(duì)于為系統(tǒng)中的金屬元件提供更好的屏蔽，最大限度地降低接收器端的“臨近、接觸金屬”損耗，并盡可能地提高系統(tǒng)效率也是有必要的。

現(xiàn)在再來參考一下圖1，我們注意到RX控制器提供到TX控制器的反饋，要求TX根據(jù)不同負(fù)載條件，以及線圈對(duì)齊/耦合效率等的需求來改變其輸出功率。一種改變輸出功率的常見方法是用恒定振幅/可變頻率ac信號(hào)來激勵(lì)線圈。另外一個(gè)替代方法是用可變振幅/固定頻率激勵(lì)。

可變頻控制免除了對(duì)于TX端上可調(diào)前置穩(wěn)壓級(jí)的需要，而是依靠TX/RX諧振電路的共振調(diào)諧。當(dāng)TX工作頻率接近共振點(diǎn)時(shí)，最大可能功率從TX傳輸?shù)絉X。為了減少傳遞到RX端的功率，TX控制器增加其頻率，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于共振峰值。在RX需要較少的功率等較輕負(fù)載情況下，TX頻率往往會(huì)增加。然而，這個(gè)方法使得電力傳輸/控制過程在很大程度上取決于線圈調(diào)節(jié)。當(dāng)在較高功率水平下使用時(shí)，一個(gè)可變頻率架構(gòu)在電磁干擾 (EMI) 控制方面也會(huì)提出一些問題。

10W發(fā)射器系統(tǒng)運(yùn)行在固定頻率下，但是卻使用一個(gè)可調(diào)前置穩(wěn)壓器來改變用于線圈激勵(lì)的直流電壓軌。一個(gè)全橋電路被用來生成用于TX線圈的交流激勵(lì)電流。圖2中顯示的是一個(gè)定頻 (10W) 無線電源發(fā)射器系統(tǒng)的基本方框圖。當(dāng)RX需要更多的輸出功率時(shí)，直流電壓軌為TX線圈功率級(jí)提供的電壓會(huì)增加。直流電壓隨著RX負(fù)載的下降而減少。

圖2. 具有一個(gè)無線數(shù)字控制的10W無線電源發(fā)射器

10W系統(tǒng)的可調(diào)輸出電壓和熱性能

第一代5W無線電源系統(tǒng)通常在接收器端產(chǎn)生一個(gè)固定的5V輸出電壓。這已經(jīng)足夠?yàn)橐粋€(gè)充電率在1A范圍內(nèi)的單節(jié)鋰離子電池充電了，而從本質(zhì)上講，這個(gè)電源系統(tǒng)與隨處可見的USB類型電源很相似。然而，隨著便攜式器件內(nèi)電池容量的增加，要保持快速的充電時(shí)間就需要更高的電流。

bq51025 10W無線接收器輸出電壓可在5V至10V的范圍內(nèi)用外部反饋電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣就可實(shí)現(xiàn)對(duì)一節(jié)或兩節(jié)串聯(lián)電池配置的充電，并且在與一個(gè)寬輸入電壓范圍開關(guān)模式NVDC類型充電器組合在一起時(shí)，能夠保持單節(jié)電池充電情況下的高效率[7]。在諸如無線RX輸出情況下，NVDC充電器架構(gòu)在減少較高電壓電源所需的輸入電流的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低壓電池的高效充電。圖3顯示的是無線接收器電路板在為負(fù)載提供一個(gè)10W電源的同時(shí)，在5V，7V和10V輸出設(shè)置下的熱響應(yīng)（分別為圖. 3a，b和c）。很明顯，10V輸出情況下產(chǎn)生的熱量最少，應(yīng)該在高頻開關(guān)模式充電器可用于電池充電的情況下使用。

圖3. 無線接收器在10W負(fù)載條件下的散熱測(cè)量。

接收器電路上的串聯(lián)諧振電容器（圖4中的C1）對(duì)于優(yōu)化熱性能也同樣關(guān)鍵。實(shí)際操作中，將多個(gè)電容器并連在一起來提供所需的總電容值。

圖4. 無線電源接收器和關(guān)鍵諧振電容器

在使用C0G（較大封裝，低串聯(lián)等效電阻 (ESR)）和X7R（較小封裝，較高ESR）時(shí)的熱性能差異是十分可觀的（圖5）。

圖5.電容器對(duì)熱性能的影響

較小的、高ESR電容器會(huì)成為RX印刷電路板 (PCB) 上溫度最高的地方。由這些電容器所導(dǎo)致的PCB溫度上升，會(huì)阻礙其散發(fā)集成電路 (IC) 本身產(chǎn)生的熱量，這也就意味著IC和PCB的總體溫度都會(huì)增加。又由于使用了較小的諧振電容器，總效率從80%下降到74%。

圖6顯示的是使用一個(gè)無線電源發(fā)射器 (bq500215) 與一個(gè)無線電源接收器 (bq51025) 、評(píng)估板 (EVM) 和適當(dāng)組件選擇組合配置的10W無線電力傳輸?shù)目傮w系統(tǒng)效率。

圖6. 在5V，7V和10V輸出設(shè)置時(shí)，10W電源系統(tǒng)的端到端效率

線圈選擇指南

bq500215發(fā)射器評(píng)估模塊使用一個(gè)無線電源聯(lián)盟 (WPC) 類型的29，10µH，30m?線圈，其額定電流為9A。除了10W接收器之外，這個(gè)線圈確保了與之前5W WPC類型接收器的兼容性。

在接收器端，應(yīng)該對(duì)線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以匹配應(yīng)用的目標(biāo)輸出電壓。在需要5V輸出的情況下，RX線圈的標(biāo)稱電感值應(yīng)該在10µH范圍內(nèi)；對(duì)于7V或10V的較高輸出電壓，RX線圈應(yīng)該在15µH的范圍內(nèi)。

雖然理想狀態(tài)是最大限度地減少線圈的直流電阻 (DCR)，但是在較高的輸出電壓情況下，允許稍微地增加DCR來應(yīng)對(duì)較低的電流。圖7顯示的是兩個(gè)典型RX端線圈。所有RX和TX線圈組裝時(shí)需要背面屏蔽材料。

圖7. 針對(duì)5V，7V和10V輸出要求的典型RX線圈技術(shù)規(guī)格

電池充電時(shí)間比較

最后，執(zhí)行一個(gè)10W無線電源系統(tǒng)的原因是減少高容量電池的充電時(shí)間。圖8顯示了與bq24261 NVDC開關(guān)模式充電器組合使用時(shí)，使用5W和10W無線電源系統(tǒng)時(shí)針對(duì)3.1Ah鋰離子電池的充電時(shí)間。充電時(shí)間被大幅減少—從使用5W充電器時(shí)接近4個(gè)小時(shí)減少到使用10W充電器時(shí)的少于3小時(shí)。由于鋰離子電池充電算法的逐漸降低“漸止”屬性，總充電時(shí)間的減少值與提供的電源不直接成比例。然而，代表滿充電狀態(tài)大約70%的恒定電流到恒定電壓模式的轉(zhuǎn)換點(diǎn)減小到了原來的一半（圖8）。

圖8. 用10W無線電源系統(tǒng)減少電池充電時(shí)間

在設(shè)計(jì)一個(gè)完整的10W電源系統(tǒng)時(shí)，還有很多需要考慮在內(nèi)的其它細(xì)節(jié)。參考文獻(xiàn) [9-10] 提供了使用TI 10W無線電源解決方案來實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的完整指南和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

1.無線電源聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)

2.Sengupta & Johns, “使用Qi協(xié)議的普遍兼容無線電源,” 低功率設(shè)計(jì)

3.Tahar Allag, “無線電源接收器的測(cè)試和排錯(cuò),” 應(yīng)用報(bào)告 (SLUA724)，德州儀器 (TI)，2014年8月

4.Johns, Antonacci, 和 Siddabatula, “設(shè)計(jì)一個(gè)用于無線電源系統(tǒng)的Qi兼容接收器,” 模擬應(yīng)用期刊 (SLYT479), 德州儀器 (TI)，2012年3季度

5.Tahar Allag，“無線電源接收器布局布線指南,” 應(yīng)用報(bào)告 (SLUA710), 德州儀器 (TI)，2014年6月

6.Ilya Kovarik, “構(gòu)建無線電源接收器

7.Jing Ye, “NVDC充電設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和權(quán)衡考慮” 視頻教程

8.Würth Elektronik (http://katalog.we-online.de/pbs/datasheet/760308141.pdf)

9.Norelis Medina, 10W 無線電源系統(tǒng)視頻演示

10.下載這些數(shù)據(jù)表：bq500215, bq51025, bq24261