无线充电应用的电源设计要求

无线电力传输 (WPT) 应用涉及在无物理连接的情况下将电力从电源传输到负载。此类应用通常采用电感耦合等技术，通过电磁场来传输电力。  本博客将讨论在 WPT 应用中，电源对于确保高效、安全的电力传输所发挥的关键作用。

WPT 在众多应用领域都是一个热门选择。它已广泛应用于从智能手机到电动牙刷等的消费电子领域。此外，在医疗领域，WPT 在为心脏起搏器和胰岛素泵等植入式设备供电方面发挥着至关重要的作用。在工业领域，WPT 技术已集成到电动工具、自动导引车 (AGV) 等产品中，为该领域带来了益处。

图 1：感应式 WPT 设计中的主要元件（来源：RECOM）

WPT 设计需要一个发射线圈和一个接收线圈，如图 1 所示。电力通过发射器和接收器之间的磁场进行无线传输。
在发射端，直流输入电源通常馈入半桥或全桥拓扑结构，从而为直流到交流电源逆变器供电。逆变器利用 LC 串联谐振腔产生交变磁场，向接收器传输电力。在接收端，串联谐振元件将接收到的磁场转换为电流，再通过高功率整流器将交流电流转换为直流电压。输出稳压器用于向负载提供稳定的直流电压。

根据应用和电力耦合类型的不同，线圈配置也存在较大差异；通常使用谐振和非谐振电感耦合。

消费电子领域应用的 WPT 技术应符合感应充电的相关行业标准。无线充电联盟 (WPC) 推出的 Qi（发音为“chee”）系统十分高效，但要求发射线圈和接收线圈的位置对准。其竞争对手 AirFuel 联盟采用磁共振电力传输技术，其调谐线圈对错位不太敏感，且支持长达数米的长距离传输。

Qi 和 AirFuel 系统之间还存在其他显著差异。例如，Qi 无线充电标准对于低功率应用 (5 W) 的频率范围为 110–205 kHz，对于中等功率应用（最高 120 W）的频率范围为 80–300 kHz。AirFuel 标准则使用更高的 6.78 MHz 频率。

发射线圈和接收线圈的设计、距离和对准对 WPT 设计的效率至关重要。在电动牙刷等最简单的低功率 WPT 应用中，发射线圈和接收线圈的相对位置受到严格控制，但在更高功率的系统中，情况则大相径庭。
 

图 2：线圈错位及其对感应充电 WPT (Qi) 系统效率的影响（来源：RECOM）

图 2 显示了发射线圈和接收线圈之间的各种错位对效率的影响。

无线电力传输应用对电源的主要要求

稳定性和精确度。电源必须提供稳定且精确的输出电压或电流，以确保电力传输的一致性和高效率。如果出现波动，可能会影响无线电力传输系统的效率和可靠性。

对不同负载的适应性。WPT 系统可能需要处理不同的负载，特别是在多个设备同时进行无线充电的情况下。电源应该能够适应这些负载变化，以保持最佳性能。

效率和功率因数。效率对 WPT 应用至关重要，如果能达到高效率，则可最大限度地降低电力传输过程中的能量损耗。高效率电源有助于尽可能提升无线电力传输系统的整体性能。

安全考虑。为了安全起见，WPT 系统通常需要在电源与无线电力传输元件之间进行隔离。电源经过隔离后，可以防止出现电气危险，确保符合安全标准。

异物检测 (FOD)。  硬币、钥匙或钉子等金属物体可能无意中位于 WPT 系统产生的磁场附近，从而构成安全隐患并影响 WPT 系统的电气特性。强磁场还可能对位于发射器和接收器之间的生物体产生不良反应。识别这类非预期物体并避免向其传输电力的过程称为异物检测 (FOD)。  FOD 通常通过计算接收器接收到的功率值并将其传回发射器来完成。应用校正因数后，如果两个功率值不匹配，则认为是由于异物吸收一部分功率而导致的，同时这种不匹配会导致系统关闭。

温度监控和过温保护。电源应包含温度监控机制和过温保护 (OTP)，尤其是在无线充电板或无线充电模块中。标配保护功能还应包括短路保护 (SCP) 和过电压保护 (OVP)。

频率匹配。在基于谐振电感耦合的 WPT 系统中，电源频率必须与系统的谐振频率相匹配，才能实现高效的电力传输。频率匹配可增强 WPT 的整体性能。

通信和控制。WPT 系统通常使用通信接口在发射器和接收器之间交换信息，例如负载要求或系统状态等。这有助于实现智能电源管理和控制。Qi 接收器使用幅移键控 (ASK) 来发送所需的功率水平和完成 FOD 检测；Qi 发射器则使用频移键控 (FSK)。符合 AirFuel 标准的谐振 WPT 系统使用的协议基于一种广泛使用的蓝牙低能耗 (BLE) 标准。

除了发射器和接收器之间的无线通信功能之外，电源还应包括 PMBus 等有线数字接口。借助该功能，控制系统可优化电源电压以实现峰值性能，电源可以传输状态信息、错误代码和其他参数。

电磁兼容性 (EMC)。  电源应符合电磁兼容性标准，防止对其他电子设备造成干扰，并确保整个 WPT 系统的可靠性。

适用于无线电力传输应用的 RECOM 产品

如前文所述，用于 WPT 的理想电源应能针对线路和负载变化进行良好调节，同时具备高效性、隔离特性和保护功能（SCP、OVP 和 OTP），并满足相关的 EMC 要求。
RECOM 可提供多种满足此类要求的 AC/DC 电源。  例如，RACM600-L 系列可以提供 450 W 的连续功率（峰值功率高达 800 W），并具备 PMBus 接口。  RACM1200-V 可提供高达 1000 W 的无风扇功率和 1200 W 的升压功率（最长持续 10 秒），同样具备 PMBus 接口选项。还可提供定制版本。

结论

无线电力传输应用中的电源需要同时满足稳定性、高效性、安全性和兼容性等要求，确保在从消费电子产品到工业应用等各种场景中实现无缝可靠的电力传输。WPT 电源的设计考虑因素对于推动无线充电技术的应用至关重要。
无线电力传输技术发展迅速，对于想要详细了解这一领域的人员，RECOM 提供了一些宝贵的培训材料。我们的 AC/DC 知识手册详细介绍了适用于 WPT 的基本物理知识和实用设计技术。  此外，RECOM 设计工程师也可随时提供支持，与用户探讨定制设计项目。