EPC9114无线电源演示系统快速上手：从原理到实践

作为电子工程师，我们常常需要面对各种先进的电源技术和创新产品。今天要给大家介绍的是EPC公司的EPC9114无线电源演示系统，它在无线电力传输领域有着独特的优势，下面就带大家深入了解这个系统。

文件下载：EPC9114.pdf

系统概述

EPC9114是一款高效、符合A4WP标准的零电压开关（ZVS）、电压模式D类无线电源传输演示套件。它能够在6.78 MHz（最低ISM频段）下工作，为直流负载提供高达10 W的功率。其主要目的是简化使用eGaN® FET的无线电源技术评估过程。

这个系统由三块电路板组成：

• 源板（发射器或功率放大器）EPC9510：采用增强型半桥场效应晶体管（FET），具体为额定100 V的EPC2107 eGaN FET，集成了同步自举FET。放大器配置为单端操作，包含栅极驱动器、振荡器和预调节器的反馈控制器，确保基于A4WP标准进行无线电源控制。
• 符合A4WP Class 2标准的源线圈（发射线圈）：与EPC9510放大器预调谐，可在6.78 MHz下工作。
• 符合A4WP Category 3标准的设备线圈：带有整流器和直流平滑电容器，能将接收到的能量转换为直流电压。

放大器板（EPC9510）详解

预调节器控制

预调节器用于控制ZVS D类无线功率放大器，它基于三个反馈参数进行控制：

1. 线圈电流：由绿色LED指示，优先级最低。
2. 放大器消耗的直流功率：由黄色LED指示。
3. 放大器的最大电源电压：由红色LED指示，优先级最高。

预调节器预设放大器最大电源电压为66 V，最大功耗为10 W，线圈电流幅度预设为580 mA（(580 ~mA_{RMS})），可通过P25进行调整。预调节器采用SEPIC转换器，可在17 V至24 V的全功率范围内工作。

关键参数

参数	符号	条件	最小值	最大值	单位
总线输入电压范围 - 预调节器模式	(V_{IN})	-	17	24	V
放大器输入电压范围 - 旁路模式	(V_{IN})	-	0	80	V
开关节点输出电压	(V_{OUT})	-	-	66	V
开关节点输出电流（每个）	(I_{OUT})	-	-	0.8*	A
外部振荡器输入阈值 - 输入‘低’	(V)	-	-0.3	0.8	V
外部振荡器输入阈值 - 输入‘高’	(V)	-	2.4	5	V
预调节器禁用电压范围	(V_{Pre_Disable})	浮动	-0.3	5.5	V
预调节器禁用电流	(I_{Pre_Disable})	浮动	-10	10	mA
振荡器禁用电压范围（开漏/集电极）	(V_{Osc_Disable})	-	-0.3	5	V
振荡器禁用电流（开漏/集电极）	(I_{Osc_Disable})	-	-25	25	mA
差分或单端选择电压（开漏/集电极）	(V_{SgnDiff})	-	-0.3	5.5	V
差分或单端选择电流（开漏/集电极）	(I_{SgnDiff})	-	-1	1	mA

注：*最大电流取决于管芯温度，实际最大电流受开关频率、总线电压和热条件影响。

操作模式

预调节器模式

在这种模式下，预调节器为放大器供电，并根据预设设置限制线圈电流、输送功率或放大器的最大电源电压。操作步骤如下：

1. 确保整个系统完全组装好，安装跳线JP1，连接源线圈和带负载的设备线圈。
2. 关闭电源，将主输入电源总线连接到J1，注意电源连接器的极性。
3. 确保所有仪器都连接到系统。
4. 打开主电源电压至所需值（19 V）。
5. 确认操作后，观察放大器和设备板上的输出电压、效率等参数。
6. 关机时，按相反顺序操作。

旁路预调节器模式

此模式下，预调节器被旁路，主电源直接连接到放大器，允许使用外部调节器操作放大器，但没有确保eGaN FET正确工作条件的保护措施。操作步骤如下：

1. 确保整个系统完全组装好，移除跳线JP1并安装到JP50，禁用预调节器，将EPC9510置于旁路模式，连接源线圈和带负载的设备线圈。
2. 关闭电源，将主输入电源总线连接到JP1的底部引脚，将接地连接到J1的接地端。
3. 关闭电源，将控制输入电源总线连接到J1，注意电源连接器的极性，为栅极驱动器和逻辑电路供电。
4. 确保所有仪器都连接到系统。
5. 打开控制电源，确保电源在19 V范围内。
6. 打开主电源电压至所需值（建议从0 V开始，不超过绝对最大电压80 V）。
7. 确认操作后，在工作范围内调整主电源电压，观察放大器和设备板上的输出电压、效率等参数。
8. 关机时，按相反顺序操作，先将主电源电压降至0 V，再依次执行其他步骤。

ZVS定时调整

设置正确的时间以建立ZVS转换对于EPC9510放大器实现高效率至关重要。可以通过选择R71和R72或P71和P72的值来完成。具体步骤如下：

1. 关闭电源，移除JP1中的跳线并安装到JP50，将EPC9510放大器置于旁路模式。将主输入电源（+）连接到JP1（底部引脚 - 旁路模式），接地连接到J1接地（-）端。
2. 关闭电源，将控制输入电源总线（19 V）连接到（+）连接器J1，注意电源连接器的极性。
3. 将低电容示波器探头连接到要设置的半桥探头孔，并靠在接地柱上。
4. 打开控制电源，确保电源约为19 V。
5. 打开主电源电压，从0 V开始增加到所需的主要工作值（如24 V，但绝不能超过绝对最大电压66 V）。
6. 观察示波器，调整适用的电位器以实现图10中的绿色波形。
7. 如果需要，用固定值电阻替换电位器。移除JP50中的跳线并安装回JP1，将EPC9510恢复到预调节器模式。

(L_{zvs})组件值确定

ZVS谐振电路不工作在谐振状态，仅为输出电压在关断时的自换相提供必要的负器件电流。电容器(C{zVS1})选择具有非常小的纹波电压分量，通常约为1 µF。放大器电源电压、开关节点过渡时间将决定(L{ZVS1})和(L{ZVS2})的电感值，可使用以下公式计算： [L{z v s}=frac{Delta t{v t}}{8 cdot f{s w} cdot C{O S S Q}+C{u v i l}}] 其中：

• (Delta t_{w})：电压过渡时间 [s]
• (f_{sw })：工作频率 [Hz]
• (C_{ossQ})：电荷等效器件输出电容 [F]
• (C_{well})：栅极驱动器阱电容 [F]，对于LM5113使用20 pF

[C{OSSQ}=frac{1}{V{AMP }} cdot int{0}^{V{AMP }} C_{oss}(v) cdot d v]

注：放大器电源电压(V{AMP})在公式中未出现，因为它已由电压过渡时间考虑。EPC2107 eGaN FET的(C{oss})非常低，低于栅极驱动器阱电容(C{well})，因此在ZVS定时计算中必须包含(C{well})。为了增加线圈阻抗变化的抗干扰裕度，可以减小(L_{zvs})的值以增加器件关断时的电流（这会增加器件损耗）。典型的电压过渡时间范围为2 ns至12 ns。

源线圈和设备板

源线圈

源线圈符合A4WP Class 2标准，其匹配网络包括串联和并联调谐。串联调谐采用差分方式，允许平衡连接并降低电容器的电压。

设备板

设备板符合A4WP Category 3标准，匹配网络同样包括串联和并联调谐，串联调谐为差分方式。设备板配备了开尔文连接的输出直流电压测量端子和内置分流器，用于测量输出直流电流。还提供了两个LED，绿色LED表示输出电压等于或大于4 V时正在接收功率，红色LED表示输出电压已达到最大值且高于37 V。

热管理与注意事项

热管理

虽然EPC9114演示系统中的EPC2107和EPC2036 eGaN FET电气性能优于传统硅器件，但由于其尺寸相对较小，热管理要求更高。操作人员必须观察栅极驱动器和eGaN FET的温度，确保它们在数据手册规定的热限制范围内工作。

注意事项

• 该系统没有增强的保护系统，操作时需谨慎。不要使用符合A4WP标准的设备板与EPC9114系统一起操作，因为该系统无法与设备通信以正确设置所需的工作条件，可能导致设备板故障。如需使用符合A4WP标准的设备操作该系统，请联系EPC获取操作说明。
• 设备上没有散热片，在实验评估过程中，可能会出现导致设备过热的情况。始终检查工作条件，并使用红外热像仪监测EPC设备的温度。
• 切勿将EPC9510放大器板连接到矢量网络分析仪（VNA）以测量放大器的输出阻抗，否则会严重损坏VNA。

总结

EPC9114无线电源演示系统为电子工程师提供了一个很好的平台，用于评估和开发基于eGaN FET的无线电源技术。通过了解系统的各个组成部分、操作模式和注意事项，我们可以更好地利用这个系统进行实验和设计。大家在实际使用过程中，有没有遇到过类似系统的其他问题呢？欢迎在评论区分享交流。