无线充电:发射机和接收机设计及权衡

艾邦产业通 发表于 2018-05-04 15:04:11 收藏 已收藏
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无线充电:发射机和接收机设计及权衡

艾邦产业通 发表于 2018-05-04 15:04:11

对中国市场来讲,苹果和三星这两大厂商,基本上都有推出无线充电手机机种,这涵盖了很大的市场。而发射机对于中国来说,是个很好的市场…

无线充电目前主要有3个不同标准,但现在市场上有90%以上用的都是WPC Qi标准。市场发展到今天非常好,原因之一是苹果(Apple)去年2月份就宣布,其iPhone 8/X将支持无线充电。第二,从发射端角度讲,汽车业现在对无线充电也非常感兴趣,今年大概有100多个车型会使用前装无线充电器。而且现在Qi无线充电(接收端输出功率)最大可以达到15W,如果用这样大的功率来充电,手机电池依3,000mAh来算的话,开车40分钟就可以把手机充满60%。因此,其相对于5W来讲,实用价值非常高。这也将进一步推动无线充电产业的发展。

据市场分析机构IHS预估,今年市场上无线充电接收器IC出货将达5亿片以上,市场相当可观。事实上,到目前为止,今年采用无线充电的手机出货量已达2亿支,与该资料吻合。另外,对于中国市场来讲,苹果和三星(Samsung)这两大厂商,基本上都有无线充电的手机,这涵盖了很大的市场。而发射机(Tx)对于中国来说,是个很好的市场——目前中国本土公司生产了很多发射机产品,包括15W、5W和苹果无线快充的产品。此外,上个月小米和华为都宣布了内建无线充电的旗舰手机,以及配套的无线充电器。

这是日前在ASPENCORE旗下《电子工程专辑(EET)》、《电子技术设计(EDN)》和《国际电子商情(ESMC)》中国版共同举办的「无线充电与快速充电技术论坛」上,笔者从IDT产品定义和系统应用高级总监Rui Liu的演讲中听到的有关无线充电的一个好消息。

他的议题是「无线充电:发射机和接收机设计及权衡」,里面详述了各种无线充电技术的原理、在设计发射机和接收机时需要考虑的主要参数,以及在实际应用中遇到的一些问题。信息满满,以下和读者们分享。

三种无线充电技术的原理及优缺点

电磁感应(WPC Qi标准)。电磁感应原理和变压器差不多,即有初级线圈(发射机线圈)和次级线圈(接收机线圈),能量通过磁场从初级传到次级。Liu 表示:「与变压器的唯一区别在于,它是透过空气耦合而不是磁性耦合过去的。以前的电动牙刷插上去就可以充电,和这个道理差不多,只不过它磁芯是立体的,我们是平面的。」这个技术最关键的问题是耦合,从而把效率做得高。

由于是根据变压器原理实现的,所以它功率和频率不是太高,比如WPC标准的频率小于205kHz。另外在设计发射机时,还要考虑所卖地区的EMI和法规要求。

电磁共振(A4WP标准)。这个标准频率比较高,它是利用磁共振的方式实现的。Liu 介绍:「这种方式有点像收音机——需要有一个谐振电路,调到那个频率上才能收到音,调不到频率则收不到音。」亦即磁共振接收端要调到它的工作频率6.78MHz,调不到这个频率则收不到电力。

A4WP的规范比较「有弹性」:第一它可以一对多,第二它可以随便怎么放。另外,它的发射机和接收机之间通讯也比较容易,是用低功耗蓝牙(BLE)而不是用频带内(in-band)实现。它的缺点是,采用比较大的线圈做到一对多,因此存在磁场没有被充分利用和能量饱和的情况——目前效率能做到50%就相当不错了(最高可以做到55%)。第二是成本高。Liu 指出:「在座如果有做过DC-DC电源就能理解,1M和6M开关电源的效率完全不一样,要做6.78M的效率难度可想而知。因为6.78M是个通讯频段,有频段要求,精准度要高。它必须要用晶振,避免干扰,所以成本比较高。另外,它的线圈比较大,有磁场(即EMI)辐射,且6.78M对人体有没有什么影响,目前还没有好的结论。」

电场耦合。目前,电场的产品尚未在市场上看到,即使有,也是在极端特殊的情况下根据电场的原理来实现传输。目前来看电场还没有大功率产品,也没有什么市场。

无线充电如何工作?

第一要有发射机,要有直流电源,利用半桥产生一个方波。然后经过一个电感电容,从直流变成交流。一旦产生交流电流,它就会透过电感产生一个磁场——特别是WPC的Qi标准,就是采用磁场传输能量。

第二,有了这个磁场以后,就必须有接收机来接收这个能量。交变磁场透过接收线圈时,就会使它产生一个交变电压。然后就需要用一个全桥(或半桥,全桥更多)去整流,产生一个相对比较稳定的直流电压。一旦回路闭合,就会有电流传输,这就实现了无线充电。

Liu补充:「当然,发射端线圈下方的磁场不需要。下方若有电路板或其他金属,会产生涡流损耗。同理,接收端上方的磁场在空气里,也不需要。因此,不需要磁场的地方,要想办法屏蔽,这就是为什么所有的线圈后面都加了一个隔磁吸波材料。」

此外,还需要对能量进行控制。能量的需求方是接收机。接收机需要发送一个讯号,告诉发射机能量够不够,进而发射机加大或减少能量。通讯可以用BLE,而现在WPC用的是振幅移位键控(ASK)(In-Band),即调幅方式,调幅的频率是2kHz;100多kHz的功率经过载波、调幅,就可以把讯号加进去。这样就成了完整的无线充电器。

确定线圈尺寸及距离

系统到这步是可以工作的,但我们还需要确定线圈尺寸,以及距离。下图是发射线圈的磁场分布情况。从中可以看出,磁场密度集中在中间这一带。离发射机线圈越远,磁场强度越低。所以,要做一个效率比较高的发射机的话,接收机线圈和发射机线圈不能隔太远——目前Qi要求是在8mm以下,通常是4~5mm。第二,线圈越小效率越低。如果接收机的线圈能够把发射机的磁通全部包进去,那么效率就会提高。

由于是利用变压器的原理,因此其可以用变压器的互感原理实现。要解决设计上的不稳定,可以透过以下互感公式来解决。

耦合系数k理想情况是0.2~0.8,变化范围比较大,越往中间耦合越好。线圈越小耦合越差,知道两个线圈的电感及之间的互感,就能够计算出k值。

纵向、横向和角度位移对耦合系数的影响

下图中,左边是接收机和发射机线圈耦合示意,右边是耦合系数k与位移d之间的关系,未对准包括纵向、横向和角度三种情况。其中,纵向变化影响特别大;横向变化(比如在5~7mm以内)影响相对小一点。这个曲线也解释了,符合WPC的接收机(比如手机)放在充电板上,从中心外旁边挪5mm,对效率的影响不是太大;7mm就比较大了。Liu 谈道:「z的距离在5mm以内,xy/半径不超过5mm,效率就比较好。有多好呢?在5V输入、5V输出、5W的情况下,如果接收机的线圈交流电阻(ACR)做到120mΩ或150mΩ以下,那么效率可以做到78~80%;如果是12V输入、12V输出,15W时,效率可以做到87~88%。这很大情况下取决于接收机的线圈,也就是ACR。」为什么是接收线圈?因为WPC对发射机线圈要求非常高。要设计一个发射机,就必须按照它的参考设计来做。换句话说,就是在发射机设计上基本上没有多大的改动余地,而接收机线圈则没有太多规定。

下图中的绿色部分是比较好的曲线。纵轴是效率,横轴是线圈距离。当线圈大小比例或距离太大时,效率都会变差。

Liu强调:「我们基本上都是以发射机线圈作为标准,为什么?因为发射机线圈是受WPC控制,没有办法去改变线圈。在做Qi认证的时候,必须告知所用的是哪一个线圈,哪一个发射机参考设计。认证单位会根据那个设计的标准,来检查发射机有没有通过,检查不通过,就需要重新设计。」

如果能够满足图中绿色部分以内的参数,那效率就可做得比较好(70%以上)。

Qi的局限性在于不能离太远。Liu 指出:「我和客户及同事讨论无线充电的时候,大家有一个错误的认识,就是认为我们的无线充电,应该是我把手机放在裤子口袋里,在我的屋里走就可以充电,这在Qi的标准里是实现不了的。但是现在有人在研究远距离无线充电。」

电能传输效率优化总结

以下总结对于Qi标准,如何实现最大效率的电能传输。

1.接收机线圈一定不能离发射机线圈太远(控制在5mm以内是最佳状态);

2.接收机线圈不要做到太小,而应尽量做到和发射机线圈差不多大(目前在手机里接收机线圈是做到直径35~54mm。线圈大的好处是很容易和发射机配对,缺点是成本相对较高);

3.用一些对准方法,比如视觉(影像)、机械或磁铁(如穿戴式产品)。说到磁铁,有一点要注意:永久磁铁放在发射机中心,对发射损耗有不小影响,会达到5~10%,因此推荐最好是用三个磁铁,放在线圈外面;

4.使用里兹线(Litz wire)尽可能降低线圈交流电阻;

5.设计合适的线圈增益(输出电压/输入电压)来维持最佳工作条件。

强调一点,发射机侧,在DC-DC甚至DC-AC时,有一个使能接脚用于实现自我保护。在接收机侧,整流是4个MOSFET(几百V),没有办法关掉,否则功耗太大。所以接收机自我保护非常重要,尤其是在大功率(5W以上)、高电压(9V以上)的情况下。

Qi的通讯采用的是2kHz/500μs ASK。Liu强调,无线充电是一个系统,有接收机和发射机,接收机是主控,发射机是从控。发射机需要接收机告诉它需要多大功率。因此,通讯一定不能中断,否则就会出问题,要是接收机的自我保护再做不好,就会出现更大的问题。

ASK通讯既可以用电压也可以用电流来反映。目前做得比较好的是透过电压、电流两路来反映,这样可以提高可靠性。

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