圖1：典型無(wú)線(xiàn)電源系統架構圖

無(wú)線(xiàn)電源系統架構

圖1中顯示的是一張緊密耦合智能無(wú)線(xiàn)電源系統的簡(jiǎn)化圖。如果從原理圖的角度來(lái)看，它看起來(lái)很像一款變壓器耦合隔離式電源轉換電路。然而在這里，初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈是完全分離開(kāi)來(lái)，而不是繞在同一磁芯上的。電能從發(fā)射器（初級，或TX）端傳輸到接收器（次級，或RX）端，而接收器電路以數字脈沖的形式將反饋發(fā)送回磁耦合器件。

將功率性能擴展至10W就不得不有幾點(diǎn)額外的考慮。首先，必須將硅功率元件設計成能夠處理所需的峰值和持續功率水平。在發(fā)射器端，功率FET元件在發(fā)射控制器的外部，所以可按照需要將它們升級為能夠處理峰值電流。在接收器端，解決方案的小尺寸是十分重要的，集成FET器件被用來(lái)提供單芯片器具。為了提供高效率并改進(jìn)熱性能，與之前的5W接收器相比，RX控制器中的FET具有更低的RDS（on）。磁性元件，即TX和RX線(xiàn)圈也必須具有能夠處理10W電源傳輸所需的更高峰值電流的額定值。最后，由于10W系統的磁場(chǎng)強度更高，相對于5W系統來(lái)說(shuō)，接收器端的屏蔽范圍就需要擴大。這對于為系統中的金屬元件提供更好的屏蔽，最大限度地降低接收器端的“臨近、接觸金屬”損耗，并盡可能地提高系統效率也是有必要的。

現在再來(lái)參考一下圖1，我們注意到RX控制器提供到TX控制器的反饋，要求TX根據不同負載條件，以及線(xiàn)圈對齊/耦合效率等的需求來(lái)改變其輸出功率。一種改變輸出功率的常見(jiàn)方法是用恒定振幅/可變頻率ac信號來(lái)激勵線(xiàn)圈。另外一個(gè)替代方法是用可變振幅/固定頻率激勵。

可變頻控制免除了對于TX端上可調前置穩壓級的需要，而是依靠TX/RX諧振電路的共振調諧。當TX工作頻率接近共振點(diǎn)時(shí)，最大可能功率從TX傳輸到RX.為了減少傳遞到RX端的功率，TX控制器增加其頻率，使其遠遠高于共振峰值。在RX需要較少的功率等較輕負載情況下，TX頻率往往會(huì )增加。然而，這個(gè)方法使得電力傳輸/控制過(guò)程在很大程度上取決于線(xiàn)圈調節。當在較高功率水平下使用時(shí)，一個(gè)可變頻率架構在電磁干擾（EMI）控制方面也會(huì )提出一些問(wèn)題。

10W發(fā)射器系統運行在固定頻率下，但是卻使用一個(gè)可調前置穩壓器來(lái)改變用于線(xiàn)圈激勵的直流電壓軌。一個(gè)全橋電路被用來(lái)生成用于TX線(xiàn)圈的交流激勵電流。圖2中顯示的是一個(gè)定頻（10W）無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器系統的基本方框圖。當RX需要更多的輸出功率時(shí)，直流電壓軌為T(mén)X線(xiàn)圈功率級提供的電壓會(huì )增加。直流電壓隨著(zhù)RX負載的下降而減少。

圖2.具有一個(gè)無(wú)線(xiàn)數字控制的10W無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器

10W系統的可調輸出電壓和熱性能

第一代5W無(wú)線(xiàn)電源系統通常在接收器端產(chǎn)生一個(gè)固定的5V輸出電壓。這已經(jīng)足夠為一個(gè)充電率在1A范圍內的單節鋰離子電池充電了，而從本質(zhì)上講，這個(gè)電源系統與隨處可見(jiàn)的USB類(lèi)型電源很相似。然而，隨著(zhù)便攜式器件內電池容量的增加，要保持快速的充電時(shí)間就需要更高的電流。

bq51025 10W無(wú)線(xiàn)接收器輸出電壓可在5V至10V的范圍內用外部反饋電阻器進(jìn)行調節。這樣就可實(shí)現對一節或兩節串聯(lián)電池配置的充電，并且在與一個(gè)寬輸入電壓范圍開(kāi)關(guān)模式NVDC類(lèi)型充電器組合在一起時(shí)，能夠保持單節電池充電情況下的高效率。在諸如無(wú)線(xiàn)RX輸出情況下，NVDC充電器架構在減少較高電壓電源所需的輸入電流的同時(shí)，可實(shí)現低壓電池的高效充電。圖3顯示的是無(wú)線(xiàn)接收器電路板在為負載提供一個(gè)10W電源的同時(shí)，在5V，7V和10V輸出設置下的熱響應（分別為圖。 3a，b和c）。很明顯，10V輸出情況下產(chǎn)生的熱量最少，應該在高頻開(kāi)關(guān)模式充電器可用于電池充電的情況下使用。
 

圖3.無(wú)線(xiàn)接收器在10W負載條件下的散熱測量。

接收器電路上的串聯(lián)諧振電容器（圖4中的C1）對于優(yōu)化熱性能也同樣關(guān)鍵。實(shí)際操作中，將多個(gè)電容器并連在一起來(lái)提供所需的總電容值。
 

圖4.無(wú)線(xiàn)充電接收器和關(guān)鍵諧振電容器

在使用C0G（較大封裝，低串聯(lián)等效電阻（ESR））和X7R（較小封裝，較高ESR）時(shí)的熱性能差異是十分可觀(guān)的（圖5）。
 

圖5.電容器對熱性能的影響

較小的、高ESR電容器會(huì )成為RX印刷電路板（PCB）上溫度最高的地方。由這些電容器所導致的PCB溫度上升，會(huì )阻礙其散發(fā)集成電路（IC）本身產(chǎn)生的熱量，這也就意味著(zhù)IC和PCB的總體溫度都會(huì )增加。又由于使用了較小的諧振電容器，總效率從80%下降到74%.

圖6顯示的是使用一個(gè)無(wú)線(xiàn)電源發(fā)射器（bq500215）與一個(gè)無(wú)線(xiàn)電源接收器（bq51025）、評估板（EVM）和適當組件選擇組合配置的10W無(wú)線(xiàn)電力傳輸的總體系統效率。

圖6.在5V，7V和10V輸出設置時(shí)，10W電源系統的端到端效率

線(xiàn)圈選擇指南

bq500215發(fā)射器評估模塊使用一個(gè)無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（WPC）類(lèi)型的29，10μH，30mΩ線(xiàn)圈，其額定電流為9A.除了10W接收器之外，這個(gè)線(xiàn)圈確保了與之前5W WPC類(lèi)型接收器的兼容性。

在接收器端，應該對線(xiàn)圈參數進(jìn)行優(yōu)化，以匹配應用的目標輸出電壓。在需要5V輸出的情況下，RX線(xiàn)圈的標稱(chēng)電感值應該在10μH范圍內；對于7V或10V的較高輸出電壓，RX線(xiàn)圈應該在15μH的范圍內。

雖然理想狀態(tài)是最大限度地減少線(xiàn)圈的直流電阻（DCR），但是在較高的輸出電壓情況下，允許稍微地增加DCR來(lái)應對較低的電流。圖7顯示的是兩個(gè)典型RX端線(xiàn)圈。所有RX和TX線(xiàn)圈組裝時(shí)需要背面屏蔽材料。
 

圖7.針對5V，7V和10V輸出要求的典型RX線(xiàn)圈技術(shù)規格

電池充電時(shí)間比較

最后，執行一個(gè)10W無(wú)線(xiàn)電源系統的原因是減少高容量電池的充電時(shí)間。圖8顯示了與bq24261 NVDC開(kāi)關(guān)模式充電器組合使用時(shí)，使用5W和10W無(wú)線(xiàn)電源系統時(shí)針對3.1Ah鋰離子電池的充電時(shí)間。充電時(shí)間被大幅減少—從使用5W充電器時(shí)接近4個(gè)小時(shí)減少到使用10W充電器時(shí)的少于3小時(shí)。由于鋰離子電池充電算法的逐漸降低“漸止”屬性，總充電時(shí)間的減少值與提供的電源不直接成比例。然而，代表滿(mǎn)充電狀態(tài)大約70%的恒定電流到恒定電壓模式的轉換點(diǎn)減小到了原來(lái)的一半（圖8）。

圖8.用10W無(wú)線(xiàn)電源系統減少電池充電時(shí)間

在設計一個(gè)完整的10W電源系統時(shí)，還有很多需要考慮在內的其它細節。