10W無線電源系統(tǒng)設(shè)計方案

　在手機和其它小型便攜式應(yīng)用中，無線電源系統(tǒng)不斷得到認可?，F(xiàn)有標準受限于5W電力傳輸，但是智能手機、平板電腦和便攜式工業(yè)及醫(yī)療應(yīng)用不斷增長的電力需求對供電能力提出了更高的要求。隨著輸出功率的增加，必須在系統(tǒng)設(shè)計最初就將效率和熱性能考慮在內(nèi)。這篇文章回顧了可批量生產(chǎn)的10W無線電源系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，并提供了與系統(tǒng)性能優(yōu)化有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計指南。我們還給出了一些已經(jīng)在10W應(yīng)用中成功測試的收發(fā)器（TX）和接收器（RX）線圈的示例。
　　無線電源多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，形式也有多種，不過最近才由于行業(yè)標準的出現(xiàn)而變得更為普遍。智能手機和小型平板電腦是目前使用無線電源的主要產(chǎn)品類別。然而，這項技術(shù)也開始擴展到可穿戴設(shè)備以及醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)無線電源與無線連通技術(shù)配合使用時，就可以使無外部接頭、完全密閉設(shè)備的設(shè)計成為可能。這使得無線電源成為所有需要在室外或潮濕環(huán)境中運行的便攜式系統(tǒng)的理想選擇。
　　現(xiàn)有的工業(yè)標準只有有限的功率輸出能力通，常在5W范圍內(nèi)。更高功率標準的開發(fā)正在進行當(dāng)中，截至2014年12月，還未完全確定。因此，那些需要更高功率水平來為較大容量電池充電的器件就需要定制或?qū)Ｓ性O(shè)計。雖然系統(tǒng)設(shè)計人員有可能使用標準組件“從零開始”，但是這種方法就很難實現(xiàn)終端產(chǎn)品快速投放市場的這一目標。現(xiàn)在市面上的互補發(fā)射器和接收器芯片組可實現(xiàn)針對便攜式應(yīng)用的10W無線電源系統(tǒng)的即刻設(shè)計，其中包括一個和兩個電池節(jié)電池組架構(gòu)。
　　無線電源系統(tǒng)架構(gòu)
　　圖1中顯示的是一張緊密耦合智能無線電源系統(tǒng)的簡化圖。如果從原理圖的角度來看，它看起來很像一款變壓器耦合隔離式電源轉(zhuǎn)換電路。然而在這里， 初級線圈和次級線圈是完全分離開來，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?shù)浇邮掌鳎ù渭?，或RX）端，而接收器電路以數(shù)字脈沖的形式將反饋發(fā)送回磁耦合器件。
　　
　　圖1：典型無線電源系統(tǒng)架構(gòu)圖
　　參考文獻［2］詳細介紹了無線電源的基本概念，而參考文獻［3至6］為無線電源器具提供了其它系統(tǒng)設(shè)計指南。
　　將功率性能擴展至10W就不得不有幾點額外的考慮。首先，必須將硅功率元件設(shè)計成能夠處理所需的峰值和持續(xù)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器件被用來提供單芯片器具。為了提供高效率并改進熱性能，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(tǒng)的磁場強度更高，相對于5W系統(tǒng)來說，接收器端的屏蔽范圍就需要擴大。這對于為系統(tǒng)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(tǒng)效率也是有必要的。
　　現(xiàn)在再來參考一下圖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(jù)不同負載條件，以及線圈對齊/耦合效率等的需求來改變其輸出功率。一種改變輸出功率的常見方法是用恒定振幅/可變頻率ac信號來激勵線圈。另外一個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(diào)前置穩(wěn)壓級的需要，而是依靠TX/RX諧振電路的共振調(diào)諧。當(dāng)TX工作頻率接近共振點時，最大可能功率從TX傳輸?shù)絉X。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頻率往往會增加。然而，這個方法使得電力傳輸/控制過程在很大程度上取決于線圈調(diào)節(jié)。當(dāng)在較高功率水平下使用時，一個可變頻率架構(gòu)在電磁干擾（EMI）控制方面也會提出一些問題。