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便携式产品的无线电源设计解决方案

出处:电子发烧友 发布于:2019-03-12 13:45:01 | 91 次阅读

无线电源为产品设计和使用提供了极大的灵活性。随着消费者要求电子产品具有更大的移动性,通过简单地将它们放置在台面,仪表板和其他表面上来为耗电的产品充电的能力超出了方便的特征而变得非常实用。借助飞思卡尔半导体,集成器件技术和德州仪器等专业解决方案,工程师可以为设计增加高效的无线功率。

无线电源技术利用基本的电磁原理,利用通过磁感应或磁共振耦合线圈将能量从电源传输到接收器。典型的无线系统包括电力发送器基座单元和包括在诸如无线耳机,智能电话,平板电脑等移动设备中的相应电力接收器单元。

发射器单元包括一个或多个发射器线圈,其由功率转换电路供电并由控制和通信子系统管理。互补接收器单元包括由相应的控制和通信子系统类似地管理的接收器线圈。正如本文将要阐明的那样,耦合和通信的性质在电感和磁共振方法上有很大不同。

感应耦合

在感应电力传输中,发射器线圈(L1)中的交流电流会产生一个磁场,在成对的接收器线圈(L2)中感应出电压(图1)。这些成对电感之间的功率传输效率取决于电感器和电感器的品质因数(Q)之间的耦合因子(k)。

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图1:无线电力传输可以通过靠近放置的电感耦合线圈进行。 (由无线电力联盟提供。)

如图2所示,由于耦合因子k随着给定相对尺寸(D2/D)的电感器之间的距离(z)的增加而降低,效率急剧下降耦合线圈

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图2:电感耦合功率传输的效率取决于耦合线圈的相对几何形状和布局。 (由无线电力联盟提供。)

当以功率损耗表示时,耦合因子k和品质因数Q的影响变得更加明显。对于电感耦合无线电力系统,最小功率损耗因子由下式给出:

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在这些术语中,损耗因子开始变得不可接受,因为kQ,品质因数下降具有低耦合系数或品质因数。由于耦合因子的范围从0到1,因此工程师会考虑线圈品质因数来改善损耗因子。如图3所示,线圈系数质量低于10会导致不可接受的损耗因素。对于典型的大规模生产线圈,典型的质量因数约为100,这取决于线圈尺寸,形状和材料,而在生产中难以实现显着更高的品质因数。

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图3:降低电感耦合功率传输中的功率损耗取决于耦合因子(k)和品质因数(Q)。 (由无线电力联盟提供。)

电感耦合功率传输的一个问题是耦合因子的显着减小,接收器线圈相对于发射器线圈的距离增加或不对准。相反,磁共振功率传输可以在更大距离上无线传输功率,而对功率接收器相对于发射器的相对取向的依赖性更小。在这种方法中,两个电感器被调谐以在相同频率下谐振并通过它们的耦合磁场交换能量。与电感耦合相比,磁共振使电源和接收器之间的耦合更松散。

无线电源标准

虽然公司可以选择无线电源传输的自定义方法,但基于标准的方法提供了互操作性的明显优势,这是消费者所期望的。希望开发无线电源解决方案的工程师将发现与行业领先产品相关的专有标准与行业联盟推动的开放标准相结合。在后者中,无线电力联盟(A4WP)产业集团专注于基于磁共振功率传输的标准和技术,而无线电力联盟(WPC)主要关注感应功率传输的标准。

由于WPC成员(包括从半导体制造商到设备制造商的公司)开发的规范可用,因此感应功率传输标准在业界获得了显着的吸引力。 WPC Qi(发音为“chee”)标准规定了最初基于感应技术的标准无线功率传输发射器和接收器设计。 WPC还支持基于磁共振的设计,能够支持在5 W时增加4 cm的充电距离,同时保持完全Qi兼容。

WPC Qi基于基站发射机和移动设备接收机中线圈之间的近场磁感应,指定了功率发射器和功率接收器之间的标准接口,用于非接触式功率传输(图4)。 WPC标准在100-205 kHz范围内工作,能够使用外部尺寸约为40 mm的次级线圈传输约5 W的功率,同时以非常低的待机功率运行。在此功率级别,兼容的无线电源系统可以为从智能手机和相机到媒体播放器和耳机的各种设备充电。

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图4:WPC Qi系统通过监视由接收器控制的反射负载,基于发送器接收的消息无线传输电力。 (由Integrated Device Technology提供。)

符合标准的产品可以使用引导或自由定位方法在基站上定位移动设备。在引导定位中,诸如LED或音频警报之类的提示帮助用户将移动设备定位在基站上的特定充电位置上。相反,自由定位支持将移动设备定位在基站表面上的任何位置。这里,发射器监视发射器和接收器线圈之间的耦合程度,以确定用于提供最佳功率传输的最佳线圈或线圈组合。

放置移动设备后,简单的通信协议允许移动设备控制电力传输。这里,接收器通过调制阻抗网络来发送控制消息以编码消息。负载的这种幅度调制导致发射器线圈上的相应电压变化。变送器控制子系统解调此信号并调整线圈驱动输出,以实现所需的传输功率调节。

要在接收器端执行此调制,工程师可以使用阻抗网络的电阻电容调制。图5说明了电容调制方法,其中根据需要将电容添加到负载(图5A,导致发送器电压的幅度变化(图5B)。

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图5:为了与发射器通信,符合WPC Qi标准的接收器可以使用电容调制(A)来实现发射器电压(B)的幅度变化。(德州仪器公司提供。)

Silicon solutions 《 br》工程师可以找到许多专为符合WPC Qi标准而设计的硅解决方案。事实上,工程师可以利用具有适当片上外设的MCU,如飞思卡尔半导体MC56F825x/MC56F824x,Freescale RS08KB和Texas Instruments C2000系列等。飞思卡尔采用符合Qi标准的参考设计,基于其MCU系列,内置了该应用所需的全套片上模拟和数字外设。结合DSP和MCU功能,飞思卡尔的MC56F825x/MC56F824x IC具有完整的功能。高性能信号处理功能所需的片上外设所需的更多复杂,符合Qi标准的功率控制功能,例如平板电脑的无线功率参考设计(图6)。

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图6:飞思卡尔针对符合Qi标准的无线平板充电器的参考设计采用基于固件的方法,该方法围绕其内置ADC的MCU构建。 (由飞思卡尔半导体公司提供。)

MC56F825x具有64 KB的闪存和8 KB的RAM,而MC56F824x提供48 KB的闪存和两个配置6或8 KB的RAM。除了三个模拟比较器外,这些器件还提供两个8通道,12位ADC(图7)。

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图7:工程师可以使用高集成度MCU实现与QPC Qi兼容的无线电源,例如飞思卡尔半导体MC56F825x/MC56F824x,它们将MCU或DSP与全功能组合在一起模拟信号处理所需的外围设备。 (由飞思卡尔半导体公司提供。)

对于电池充电器等应用,发射机基站通常需要为多个接收机供电(图8)。在这种类型的应用中,多线圈发射器子系统可以由诸如Freescale MC56F825x/MC56F824x的高性能设备供电。反过来,接收器单元设计可以基于低成本MCU,例如飞思卡尔RS08KB 8位MCU系列。 RS08KB MCU集成了符合Qi标准的无线电源所需的ADC,定时器和其他外设。

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图8:电池充电器可以将用于控制多线圈发射器的高性能MCU与基于经济高效的8位MCU(如飞思卡尔半导体RS08KB)的接收器相结合。 (由飞思卡尔半导体公司提供。)

集成器件技术将IDT9030作为单芯片解决方案提供,仅需外部无源元件即可构建完整的低成本,符合Qi标准的发送器(图9)。 IDT9030集成了半桥逆变器,用于19 V输入的DC/AC转换。反过来,该器件通过将半桥逆变器的开关频率从110到205 kHz调制为WPC A1发送器所需的固定50%占空比来控制输出功率。

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图9:IDT IDTP9030是一款单芯片解决方案,需要最少的外部无源元件,才能实现符合Qi标准的发送器。 (由Integrated Device Technology提供。)

在基站设计中,IDTP9030 ping周围区域以检测移动设备,同时最大限度地减少空闲功率。事实上,IDTP9030本身在没有接收器加载时仅消耗约9 mA。当找到接收器时,IDTP9030使用片上电路持续监控来自移动设备的通信,以根据WPC规范解调和解码接收器发送的消息包。基于这些消息,IC通过改变半桥逆变器的开关频率来相应地调节发射功率。

通过发射机加载进行消息传输的WPC方法将通信限制为低带宽通信。 IDT在IDTP9030中通过专有的反向信道通信功能解决了这个问题(图10)。此外,该器件还提供片上验证功能,以实现专有的安全无线电源解决方案。

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图10:IDT IDTP9030除了构建符合WPC标准的发射器所需的片上功能外,还提供扩展的后通道通信和身份验证功能。 (由Integrated Device Technology提供。)

德州仪器(TI)提供一系列可用设备,用于支持第二代(WPC V1.1)Qi兼容无线电源系统的设计。 TI bq500211A和bq5101xB等器件设计用作发送器/接收器对(图11)。

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图11:工程师可以将德州仪器的bq500211A发射器和bq5101xB接收器IC结合起来,创建符合WPC V1.1标准的无线电源系统,包括基站和接收器组。 (德州仪器公司提供。)

TI bq500211A集成了控制5 V无线功率传输所需的全套功能,可与单个符合WPC标准的接收器配合使用。该IC可用作带磁定位导轨的WPC A5型变送器,也可用作不带磁导的WPC型A11变送器。对于使用自由定位的设计,工程师可以使用bq500410A,它可以ping环境以获得兼容设备。

为了设计兼容的接收器,TI bq5101xB提供AC/DC电源转换和调节。其片上数字控制电路提供了使用前面描述的符合WPC标准的加载方法将功率传输控制消息传送到发送器所需的功能。

德州仪器还提供无线电源解决方案,将符合WPC标准的功能与锂离子电池充电控制器相结合。 bq5105x集成了AC/DC电源转换,数字控制器功能和电池充电所需的控制算法。片上功能包括低阻抗同步整流器,低压差稳压器,数字控制,充电器控制器以及精确的电压和电流环路。为了保持高效率,包括整流器和LDO在内的完整功率级由低阻N-MOSFET构成。与bq5101xB一样,bq5105x可与TI无线电源发射器IC配合使用,提供完整的无线充电电池充电器。

结论

已经在智能手机和其他个人电子设备中使用,无线电源方法提供了一种高度灵活的方法来维持耗电设备中的电池电量。通过通过磁感应或磁共振耦合的线圈传输功率,无线功率设计可满足市场对更大移动性和无需有线功率的扩展操作的需求。除了高集成度MCU和附带固件外,专为无线电源应用而设计的IC为工程师提供了一个现成的解决方案,可以为各种产品设计无线电源功能。

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