10W無(wú)線(xiàn)充電系統的實(shí)現及設計指南

　　在手機和其它小型便攜式應用中，無(wú)線(xiàn)電源系統不斷得到認可?，F有標準受限于5W電力傳輸，但是智能手機、平板電腦和便攜式工業(yè)及醫療應用不斷增長(cháng)的電力需求對供電能力提出了更高的要求。隨著(zhù)輸出功率的增加，必須在系統設計最初就將效率和熱性能考慮在內。這篇文章回顧了可批量生產(chǎn)的10W無(wú)線(xiàn)充電系統的實(shí)現方式，并提供了與系統性能優(yōu)化有關(guān)的系統設計指南。我們還給出了一些已經(jīng)在10W應用中成功測試的收發(fā)器(TX)和接收器(RX)線(xiàn)圈的示例。

　　無(wú)線(xiàn)電源多年前就已經(jīng)出現，形式也有多種，不過(guò)最近才由于行業(yè)標準的出現而變得更為普遍。智能手機和小型平板電腦是目前使用無(wú)線(xiàn)充電的主要產(chǎn)品類(lèi)別。然而，這項技術(shù)也開(kāi)始擴展到可穿戴設備以及醫療和工業(yè)應用。當無(wú)線(xiàn)電源與無(wú)線(xiàn)連通技術(shù)配合使用時(shí)，就可以使無(wú)外部接頭、完全密閉設備的設計成為可能。這使得無(wú)線(xiàn)電源成為所有需要在室外或潮濕環(huán)境中運行的便攜式系統的理想選擇。

　　現有的工業(yè)標準只有有限的功率輸出能力通，常在5W范圍內。更高功率標準的開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行當中，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(lái)為較大容量電池充電的器件就需要定制或專(zhuān)有設計。雖然系統設計人員有可能使用標準組件“從零開(kāi)始”，但是這種方法就很難實(shí)現終端產(chǎn)品快速投放市場(chǎng)的這一目標?，F在市面上的互補發(fā)射器和接收器芯片組可實(shí)現針對便攜式應用的10W無(wú)線(xiàn)電源系統的即刻設計，其中包括一個(gè)和兩個(gè)電池節電池組架構。

　　圖1：典型無(wú)線(xiàn)電源系統架構圖

　　無(wú)線(xiàn)電源系統架構

　　圖1中顯示的是一張緊密耦合智能無(wú)線(xiàn)電源系統的簡(jiǎn)化圖。如果從原理圖的角度來(lái)看，它看起來(lái)很像一款變壓器耦合隔離式電源轉換電路。然而在這里，初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈是完全分離開(kāi)來(lái)，而不是繞在同一磁芯上的。電能從發(fā)射器(初級，或TX)端傳輸到接收器(次級，或RX)端，而接收器電路以數字脈沖的形式將反饋發(fā)送回磁耦合器件。

　　將功率性能擴展至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計成能夠處理所需的峰值和持續功率水平。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(lái)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(xiàn)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系統的磁場(chǎng)強度更高，相對于5W系統來(lái)說(shuō)，接收器端的屏蔽范圍就需要擴大。這對于為系統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效率也是有必要的。

　　現在再來(lái)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根據不同負載條件，以及線(xiàn)圈對齊/耦合效率等的需求來(lái)改變其輸出功率。一種改變輸出功率的常見(jiàn)方法是用恒定振幅/可變頻率ac信號來(lái)激勵線(xiàn)圈。另外一個(gè)替代方法是用可變振幅/固定頻率激勵。

　　可變頻控制免除了對于TX端上可調前置穩壓級的需要，而是依靠TX/RX諧振電路的共振調諧。當TX工作頻率接近共振點(diǎn)時(shí)，最大可能功率從TX傳輸到RX.為了減少傳遞到RX端的功率，TX控制器增加其頻率，使其遠遠高于共振峰值。在RX需要較少的功率等較輕負載情況下，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(guò)程在很大程度上取決于線(xiàn)圈調節。當在較高功率水平下使用時(shí)，一個(gè)可變頻率架構在電磁干擾(EMI)控制方面也會(huì )提出一些問(wèn)題。

　　10W發(fā)射器系統運行在固定頻率下，但是卻使用一個(gè)可調前置穩壓器來(lái)改變用于線(xiàn)圈激勵的直流電壓軌。一個(gè)全橋電路被用來(lái)生成用于TX線(xiàn)圈的交流激勵電流。圖2中顯示的是一個(gè)定頻(10W)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器系統的基本方框圖。當RX需要更多的輸出功率時(shí)，直流電壓軌為T(mén)X線(xiàn)圈功率級提供的電壓會(huì )增加。直流電壓隨著(zhù)RX負載的下降而減少。

　　圖2.具有一個(gè)無(wú)線(xiàn)數字控制的10W無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器

　　10W系統的可調輸出電壓和熱性能

　　第一代5W無(wú)線(xiàn)電源系統通常在接收器端產(chǎn)生一個(gè)固定的5V輸出電壓。這已經(jīng)足夠為一個(gè)充電率在1A范圍內的單節鋰離子電池充電了，而從本質(zhì)上講，這個(gè)電源系統與隨處可見(jiàn)的USB類(lèi)型電源很相似。然而，隨著(zhù)便攜式器件內電池容量的增加，要保持快速的充電時(shí)間就需要更高的電流。

　　bq51025 10W無(wú)線(xiàn)接收器輸出電壓可在5V至10V的范圍內用外部反饋電阻器進(jìn)行調節。這樣就可實(shí)現對一節或兩節串聯(lián)電池配置的充電，并且在與一個(gè)寬輸入電壓范圍開(kāi)關(guān)模式NVDC類(lèi)型充電器組合在一起時(shí)，能夠保持單節電池充電情況下的高效率。在諸如無(wú)線(xiàn)RX輸出情況下，NVDC充電器架構在減少較高電壓電源所需的輸入電流的同時(shí)，可實(shí)現低壓電池的高效充電。圖3顯示的是無(wú)線(xiàn)接收器電路板在為負載提供一個(gè)10W電源的同時(shí)，在5V，7V和10V輸出設置下的熱響應(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，應該在高頻開(kāi)關(guān)模式充電器可用于電池充電的情況下使用。

　　圖3.無(wú)線(xiàn)接收器在10W負載條件下的散熱測量。