在无线电源系统中抑制电磁干扰

随着近十年来无线电源传输（WPT）技术在各个行业的广泛应用，如Qi和由无线电源共识组织（WPC）管理的Magnetic Power Profile （MPP）等主要行业标准的升级，致力于提升用户体验和效能，已见诸于Qi2标准。无线电源传输以其便捷快速的充电体验，成为汽车、工业以及智能手机充电的理想选择。市场趋势正向电池驱动产品转移，例如家用机器人、轻型电动车（电动自行车）、便携式音箱和消费级医疗设备，这些产品需要更高功率的充电能力。然而，随着功率的提高，系统挑战也随之增大，不仅要解决电磁兼容性（EMC）、安全性和效能问题，同时还需要满足标准化的要求。

 

重点介绍WPT系统的关键设计方面，特别关注导电电磁干扰（EMI）。结合系统模型分析关键的寄生元素，进而探究涉及EMI的技术挑战。

 

无线电源传输系统

WPT系统由电源发送器（PTx）和电源接收器（PRx）构成，功率由PTx（源）传递至PRx（负载）。发送线圈与接收线圈之间的电感耦合，用于向PRx传输电能，该过程通过在带内反馈环路中控制。WPT系统典型地包括多个电源转换开关阶段，如输入电压转换器（VIN：预调节器（DC-DC）、全桥逆变器（DC-AC）和整流器（AC-DC)）。所有这些开关阶段都可能产生EMI。

 

无线电源系统中的电磁干扰

由于PTx和PRx线圈之间存在较大的空气间隙，其中充满电磁场，电磁干扰管理是WPT设计的关键方面。所有潜在的EMI源都需要在设计期间考虑以便减缓其影响。

 

EMI通常分为两类：导电发射（CE）和辐射发射（RE）。两者都可能干扰电子设备。因此，法规限制了允许的发射量，以确保所有设备能够正常且同时操作。本文描述了可能的CE EMI源，并提出了一些缓解技术。

 

共模电流及其对导电发射的影响

共模（CM）电流是CE EMI的主要来源之一。CM电流是正负电源线电流的差值，由脉冲非对称节点（如SW1和SW2）和寄生电容产生。

为了阐释潜在的CM电流路径，WPT系统的线路阻抗稳定网络（LISN）的电路图在此所示。LISN和地面GND是标准CE EMI测量测试设置的一部分。该电路图展示了系统的潜在寄生电容，包括逆变器开关节点的电容（Cgs）和PCB地线到参考平面/地面的电容（Cgg）。CM电流在CE中贡献了大量能量。

 

共模电流源和路径

由于SW1和SW2开关节点的微弱不对称，导致共模电压（CM电压），因此产生了CM电流。在WPT中，由于发射线圈构成较大面积的铜质结构，这使其在开关节点产生的CM电压作用下，形成额外的寄生电容（Cgc）。通过Cgc产生的CM电流通过地线回流至LISN。通过LISN和地线连接（而不是PCB地线连接）回流至主电源线的CM电流，促成了CE。

 

针对CM电流减缓的建议方案

为了克服由于Cgc产生的CM电流的影响，推荐使用PCB屏蔽滤波器。PCB屏蔽层通过引入新的电容，Cshield，将流经地线的电流重新引导至PCB地线，从而减少了流向地线的CM电流，并通过LISN。应确保屏蔽PCB设计中的Cshield电容值远大于Cgc。通过在单层PCB上设计走线和地线连接，不影响磁场的情况下创造出这种主导电容。走线间距保持一致，每个走线宽度和间隙宽度要维持在大约5mil。

对于PRx，使用屏蔽PCB的方法同样有效。当PTx和PRx线圈对接时，它们之间的寄生电容就会起作用。

 

其他的设计考虑以优化CE性能

CM电流是由CM电压产生的，与开关节点的切换速度直接相关。因此，增加逆变器FETs（Q2和Q4）的漏源电容或这些节点上的外部电容也有助于最小化CM电流对CE的负面影响。

开关节点上的外部电容也会影响零电压开关（ZVS）性能。较大的开关节点电容改善CE性能，但可能导致开关节点响应过阻尼，从而负面影响效率。因此，调整开关节点电容以达到ZVS和最佳CE性能是重要的。

CE的实验结果

以下测试结果代表了按照CISPR 32进行常规CE测试的WPT系统的结果。如果未进行适当的调试和屏蔽，基本的逆变器频率可能会在EMI频谱测试中出现。图中展示了在实施提出的解决方案前后EMI性能的差异。在应用屏蔽和调整逆变器ZVS之后，先前的EMI结果得到了改善。