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

為了方便理解 Rx 線(xiàn)圈電感的性能，除 L′S 和 Ls 建議測量方法以外，表 2 還對其他參數進(jìn)行了定義說(shuō)明。當測量涉及電池時(shí)，電池的放置應與其在最終系統中的方向/位置相同。請注意，最終工業(yè)設計中所使用的材料也可能會(huì )影響最終電感測量結果。因此，當對調諧電路進(jìn)行配置時(shí)，最終測量應使用最終移動(dòng)設備工業(yè)設計的所有組件。表 1 所列測量用于屏蔽和驗證可能的 Rx 線(xiàn)圈。

表 2 開(kāi)發(fā)期間需要測量的 Rx 線(xiàn)圈電感參數

表 3 總結了一個(gè)可接受型線(xiàn)圈設計的測得電感，以及使用固定串聯(lián)和并聯(lián)諧振電容的諧振頻率。這里，L′S_b 用于電容計算。(詳情參見(jiàn)下一小節“Rx 線(xiàn)圈調諧”。)請注意，它們可能會(huì )以L(fǎng)′S的百分比線(xiàn)性變化，并可用作原型線(xiàn)圈驗收的一種參考。

表 3 舉例線(xiàn)圈測得電感

Rx 線(xiàn)圈調諧

簡(jiǎn)化版 Rx 線(xiàn)圈網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)串聯(lián)諧振電容 C1 和一個(gè)并聯(lián)諧振電容 C2 組成。這兩個(gè)電容組成了一個(gè)使用 Rx 線(xiàn)圈的雙諧振電路(參見(jiàn)圖 9)，其大小尺寸必須根據 WPC 規范來(lái)正確選擇。

圖 9Rx 線(xiàn)圈的雙諧振電路

若想計算 C1，L′S 時(shí)，諧振頻率需為 100 kHz：

若要計算 C2，Ls 時(shí)，次級諧振頻率需為 1.0 MHz。計算要求首先確定 C1，然后代入方程式 7 計算：

最后，品質(zhì)因數必須大于 77，其計算方法如下：

其中，R 為線(xiàn)圈的 DC 電阻。

Rx 線(xiàn)圈的負載線(xiàn)分析

在選擇某個(gè) Rx 線(xiàn)圈時(shí)，設計人員需要通過(guò)負載線(xiàn)分析(I-V 曲線(xiàn))比較主級線(xiàn)圈和 Rx 線(xiàn)圈，從而了解變壓器特性。這種分析可獲得 Qi 標準系統的兩個(gè)重要條件：(1)工作點(diǎn)特性;(2)瞬態(tài)響應。我們將在后面具體討論。

工作點(diǎn)特性

圖 10 負載線(xiàn)分析測試裝置

圖 10 顯示了負載線(xiàn)分析的一個(gè)測試配置例子，其參數定義如下：

VIN 為一個(gè) AC 電源，其擁有 19V 峰值到峰值運行能力。

CP 為主級串聯(lián)諧振電容(A1 型線(xiàn)圈為 100 nF)。

LP 為主級線(xiàn)圈( A1 型)。

LS 為次級線(xiàn)圈。

C1 為受測 Rx 線(xiàn)圈所用串聯(lián)諧振電容。

C2 為受測 Rx 線(xiàn)圈所用并聯(lián)諧振電容。

CB 為二極管橋接的大容量電容。25V 時(shí)，CB 應至少為 10 µF。

V 為開(kāi)爾文連接電壓表。

A 為串聯(lián)安培計。

RL 為相關(guān)負載。

二極管橋接應由全橋或者同步半橋肖特基二極管以及低側 n 型 MOSFET 和高側肖特基構成。分析共有三個(gè)測試程序：

1、 向 LP 提供 19V AC 信號，開(kāi)始頻率為 200kHz。

2、 從無(wú)負載到預計全負載范圍，對所得整流電壓進(jìn)行測量。

3、 降低頻率，不斷重復前兩個(gè)步驟，頻率降至 110kHz 時(shí)停止。

圖 11 顯示了一個(gè)負載線(xiàn)分析舉例。該圖表明，不同的負載和整流器條件，產(chǎn)生不同的工作頻率。例如，1A 時(shí)，動(dòng)態(tài)整流器目標為 5.15V。因此，工作頻率介于 150kHz 和 160kHz 之間，其為一個(gè)可以接受的工作點(diǎn)。如果該工作點(diǎn)超出WPC 規定的 110 到 205 kHz 頻率范圍，則系統無(wú)法收斂，并會(huì )變得不穩定。

圖 11 示例負載線(xiàn)分析結果

瞬態(tài)響應

進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，有兩個(gè)重要的點(diǎn)，如圖 11 所示：(1)諧振頻率(175kHz)下的整流器電壓;(2)恒定工作點(diǎn)時(shí)從無(wú)負載到全負載的整流器電壓下降。

本例中，諧振電壓為 ~5 V，其高于芯片的 VUVLO。因此，可以保證 Qi 標準系統的啟動(dòng)。如果該頻率下電壓接近或者低于 VUVLO，則可能無(wú)法啟動(dòng)。

如果最大負載步進(jìn)為 1A，則圖 11 中，140-kHz 負載線(xiàn)情況下，電壓為 6V 時(shí)，本例的壓降為 ~1 V。要對這種壓降進(jìn)行分析，無(wú)負載時(shí) 7V 啟動(dòng)的 140-kHz 負載線(xiàn)，需達到預計最大負載電流要求。壓降為負載線(xiàn)兩端電壓之差。選定工作頻率下可以接受的全負載電壓應高于 5V。如果低于 5V，電源輸出也會(huì )降至這一水平。由于 Qi 標準系統的反饋?lái)憫^慢，因此進(jìn)行這種瞬態(tài)響應分析是必要的。這種分析，可以模擬系統未對諧振變壓器工作點(diǎn)進(jìn)行調節時(shí)可能出現的瞬態(tài)特性。

請注意，主級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈之間的耦合，會(huì )因 Rx 線(xiàn)圈對準誤差而變得糟糕。因此，我們建議，在存在多種對準誤差的情況下對負載線(xiàn)進(jìn)行多次分析，以確定平面空間中 Rx 是否會(huì )中斷運行。

結論

本文說(shuō)明了我們可以運用傳統的變壓器基本原理，簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)充電系統的 Tx 線(xiàn)圈設計。但是，通用性和移動(dòng)設備的特性，也使標準磁學(xué)設計方法出現一些獨特的變化。仔細閱讀和理解前面我們介紹的線(xiàn)圈設計內容，可以增加您一次成功的機率。我們介紹的一些評估方法，可以讓您非常有條理地規定和描述一種定制 Rx 線(xiàn)圈。