為無(wú)線(xiàn)電源系統設計一款符合 Qi 標準的接收機線(xiàn)圈

概述

無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟 (WPC) Qi 標準的實(shí)施讓各種終端應用擁有了無(wú)線(xiàn)充電功能。每一種應用的接收機 (Rx) 線(xiàn)圈的尺寸和/或功率要求可能會(huì )不同。要想實(shí)現一種成功、高效的 Qi 標準 Rx 設計，Rx 線(xiàn)圈是一個(gè)關(guān)鍵組件。另外，我們還有許多設計方法和平衡折中需要考慮。因此，在實(shí)施某個(gè)解決方案時(shí)，設計人員必須謹慎選擇方法，并且有條不紊地進(jìn)行設計。本文將詳細討論實(shí)現一種成功的 Rx 線(xiàn)圈設計所要解決的一些技術(shù)問(wèn)題。文章涉及基本變壓器的 Qi 標準系統模型、Rx 線(xiàn)圈測量與系統級影響，以及檢查某個(gè)設計是否能夠成功運行的一些方法。我們假設，本文讀者已掌握 Qi 標準電感式電源系統的基礎知識。如欲了解背景資料，敬請參閱《參考文獻 2》。

變壓器 Qi 標準系統

對于許多近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)電源系統(如 WPC 規定的無(wú)線(xiàn)電源系統)而言，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的變壓器，便可以對磁電力傳輸行為建模。傳統變壓器通常為單一物理結構，兩個(gè)繞組纏繞一個(gè)磁芯材料，且磁芯導磁性遠高于空氣(圖 1)。由于傳統變壓器使用高導磁性材料來(lái)傳輸磁通量，因此一個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的大部分(并非全部)磁通量與另一個(gè)線(xiàn)圈耦合。耦合程度可以通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)作耦合系數的參數來(lái)測定，其以k(取值范圍為 0 到 1)來(lái)表示。

圖 1 一個(gè)物理結構的傳統變壓器

3 個(gè)參數定義一個(gè)雙線(xiàn)圈變壓器：

L11 為線(xiàn)圈 1 的自電感。

L22 為線(xiàn)圈 2 的自電感。

L12 為線(xiàn)圈 1 和 2 的互感。

兩個(gè)線(xiàn)圈之間的耦合系數可以表示為：

那么，利用圖 2 所示耦合電感器，便可以對理想變壓器建模。

利用該電感器的電壓和電流關(guān)系，便可得到該雙線(xiàn)圈變壓器的波節方程式：

為了方便進(jìn)行電路分析，圖 2 所示模型可以懸臂模型常用名稱(chēng)來(lái)表示，如圖 3所示。此處的磁耦合和互感，被簡(jiǎn)化為漏電感和磁化電感。這樣，通過(guò)一個(gè)電路實(shí)現，我們便可以理解這種耦合的物理性質(zhì)。就理想變壓器而言，我們可以使用下列方程式計算出其匝數比：

圖 2 傳統變壓器的理想模型

圖 3 傳統變壓器的懸臂模型

在強耦合系統中，漏電感占磁化電感的百分比很小，因此在求一次近似值時(shí)，該參數可以忽略不計。除高耦合外，Qi 標準系統中使用的串聯(lián)諧振電容也會(huì )降低漏電感的影響。所以，主線(xiàn)圈到次線(xiàn)圈的電壓增益的一次近似值為：

Qi 標準系統的變壓器由兩個(gè)獨立物理器件組成：發(fā)射器 (Tx) 和接收機 (Rx)，并且各自有一個(gè)隔離的線(xiàn)圈。當 Tx 和 Rx 相互靠近放置時(shí)，它們會(huì )形成一種耦合電感關(guān)系，其可以簡(jiǎn)單地被建模為一個(gè)使用空氣磁芯的雙線(xiàn)圈變壓器(請參見(jiàn)圖 4)。兩端的屏蔽材料起到一個(gè)磁通短路的作用。這讓磁場(chǎng)線(xiàn)(磁通量)存在于兩個(gè)線(xiàn)圈之間。圖 5 顯示了典型運行期間磁場(chǎng)線(xiàn)的 2D 仿真情況。

圖 4 使用一個(gè)空氣磁芯的簡(jiǎn)易電感耦合變壓器

圖 5 兩個(gè)相互耦合線(xiàn)圈之間的磁場(chǎng)線(xiàn)舉例

就典型 Qi 標準系統而言，耦合系數 (k) 要比使用傳統變壓器的情況低得多。傳統變壓器的耦合系數范圍為 0.95 到 0.99。例如，95% 到 99% 磁通量耦合至次級線(xiàn)圈;但是，對于 Qi 標準系統來(lái)說(shuō)，耦合系數范圍為 0.2 到 0.7，也即20% 到 70%。大多數情況下，Qi 標準往往會(huì )在 Tx 和 Rx 上使用一個(gè)串聯(lián)諧振電容，以緩解這種低耦合度問(wèn)題。這種電容可以對諧振漏電感進(jìn)行補償。

Rx 線(xiàn)圈的電氣需求

在某些 Rx IC 中，動(dòng)態(tài)控制整流器的目標電壓隨輸出電流變化而變化。由于整流器輸出指示變壓器需要的電壓增益，因此除輸出負載或者輸出功率需求以外，必須考慮整流器的最高輸出電壓。如圖 6 所示，1A 負載時(shí)，整流器輸出范圍為 ~7 到 5 V，這便決定了變壓器所要求的電壓增益。在根據 WPC 規范(參見(jiàn)本文后面的“Rx 線(xiàn)圈微調”小節)進(jìn)行微調時(shí)，需確保 Rx 線(xiàn)圈可以達到 Rx IC 所需電壓水平，這一點(diǎn)很重要。