无线充电：集成方法是前进之路

无线传输数据已发展了一段时间。现如今，消费者渴望设备具备无线充电能力，而技术推动者正在积极响应这一需求。在本文中，英飞凌将回顾并比较当前最先进的方法和技术，并阐述集成式无线充电解决方案的优势。

背景

每个电子设备都需要电源，但能真正实现无线供电的很少，大部分是通过适配器从墙壁插座进行供电。术语“无线”现在只是数据传输的代名词。然而，无线电磁场也可以将电能传输到设备，为用户提供更大的便利。由于无需线缆，因此减少了兼容性问题，提高了设备的安全可靠性。

通过去除所有接口，设备可更容易实现密封，这有助于设备的坚固耐用，同时可使消费者受益，这是因为五分之一的智能手机曾意外掉落在液体中。无线充电的最大优点是摆脱了体积庞大的充电适配器。

图1：无线充电为用户和设备制造商带来多种好处

随着业界转向通用充电解决方案，机场、酒店、活动场馆、快餐连锁店、咖啡店和其他地方可能会出现越来越多的公共充电站。

设计师面临的挑战

大多数充电器都是开关模式电源供应器，需要掌握电磁学 —— 许多工程师认为这是一种“魔法”。无线充电也以类似方式进行——除了变压器分开两部分分别位于充电器与待充电设备中这一点之外。因此，术语也发生了变化 ——原边成为“发射器”，副边成为“接收器”。

在无线充电中，线圈及其耦合对整体性能的影响要大于SMPS。由于无线绕组是独立的，其耦合比SMPS更为松散。然而，发射器和接收器可以设计良好的耦合系数，让无线充电以意想不到的效率传输电能。

除磁性外，包括效率、机械包装、电磁干扰（EMI）、热管理和金属异物（如硬币和钥匙）等问题为设计者带来了更多的挑战。

无线拓扑结构和技术

无线充电解决方案通常有三个关键元件： 适配器/充电器、发射器和接收器，如下所示。

图2：典型的无线充电系统由三个主要元件组成

适配器对市电进行转换，并将5 - 20 VDC稳压电源传输给原边/发射器。适配器通常是与发射器通过电线连接的独立设备，它们也可以整合在一个单元里。

发射器包含一个基于MOSFET的半桥或全桥逆变器，将直流电转换成交流电并产生交变磁场。逆变器由微控制器和相关MOSFET驱动器控制，以提供无线感应充电所需的灵活性和功能。

D类和E类是谐振应用的两种流行拓扑结构。虽然在许多方面非常相似，但两种方法的优点略有不同，使得这两种方法适用于不同的应用。

图3：谐振应用的D类拓扑结构

如上所示，D类无线充电通过全桥拓扑结构实现。也可以使用半桥拓扑结构。D类在宽负载范围内提供几近平坦的效率曲线，因此适用于通用无线充电站，例如在各种设备均可充电的公共场所。这种方法适用于广泛的功率等级。

图4：谐振应用的E类拓扑结构

E类拓扑结构如上图所示。这可用于单端方式或差动方式（如图所示）。与D类拓扑结构不同，E类拓扑针对特定参数集进行了优化，并且在某个特定点将展现更高的效率。然而，E类拓扑效率在该点之外迅速降低。因此，E类拓扑结构是更高功率等级和针对接近目标电量或完全未充电设备进行充电的最佳选择。E类BOM成本略低于D类，但差异不大。

英飞凌提供适用于无线充电发射器的全套组件解决方案，以及用于将市电交流电转换为逆变器输入直流电的开关模式电源。

丰富的无线充电产品选择，使设计工程师有信心选用兼容性得到保证的组件和子系统。

作为发射器设计核心的微控制器负责系统控制/智能。英飞凌的XMC™微控制器系列为设计人员提供了多种选择，XMC1100、1402和XMC4108最适合无线充电D类和E类拓扑结构。

EiceDRIVER™栅极驱动器转换微控制器信号以直接驱动MOSFET。全新的2EDL71最适合D类设计，而成熟的1EDN是E类应用的首选。

英飞凌提供各种MOSFET。具体规格区别包括封装尺寸和重要参数（如RDS（ON）和Qg），在此英飞凌都拥有行业领先的优值系数（FoM）。可提供30 V至250 V的多种电压等级，使设计人员能够灵活地使用相同的电路来设计多种功率级别的无线充电器。英飞凌市场领先的OptiMOS™MOSFET用于D类或E类逆变器（以及同步整流），而CE和P7版本的CoolMOS™器件为ACDC适配器提供开关功能。

英飞凌还提供一系列用于电源适配器的反激式控制器，也有集成控制器和功率单元为一体的CoolSET™。

为支持组件解决方案，英飞凌新开发的D类功率放大器发射器测试板，可让设计人员快速开始设计和开发高效紧凑的解决方案。

测试板允许设计人员评估D类功率放大器中的英飞凌MOSFET的功能和性能。测试板包含由80V 2x2英飞凌MOSFET（IRL80HS120）和相关驱动器构成的两个半桥，允许用户在单端配置（只有一个半桥工作）和差动配置（两个半桥均工作）之间切换。

嵌入式振荡器确保了精确的6.78 MHz工作频率，并提供一个引脚，借助外部波形发生器（通过BNC连接器）设置开关频率。

包括设计零电压开关（ZVS）电源解决方案的所有必需组件，以尽可能达到最高效率。板载线性稳压器为电路板逻辑电路提供了稳定的电源电压。

第二个BNC连接器可连接外部发射线圈进行无线电能传输。若能使用无线充电接收设备，则可创建完整的无线充电设计。

总结

无线充电带来了与无线数据传输相同的益处。随着标准和方法的整合，所有充电器与便携式设备之间的互操作性增加将为用户带来更多便利。持续的整合和创新将带来真正 的“无线充电”便利性并提高功率等级，从而使得更多类型的设备可以进行无线充电。

作为领先供应商，英飞凌拥有包含AC适配器和发射器所有关键组件在内的丰富产品。每个组件都具备高性能水平，包括低的开关/导通损耗、低寄生电感封装以及高优值系数FoM，使设计人员能够通过成熟可靠的硅MOSFET技术打造无线充电解决方案。英飞凌在功率半导体和微控制器方面的丰富经验，使其成为技术和质量领导者。

可加快产品评估和开发的测试板可为全面涵盖无线充电设计的丰富产品组合提供支持。英飞凌为现在和将来的无线充电解决方案设计人员提供了先进的产品和宝贵的生态系统支持。

本文作者：

英飞凌科技DCDC技术和系统营销主管 Stephan Schächer

英飞凌科技高级应用工程师 Milko Paolucci