電力需要趕上數(shù)據(jù)的發(fā)展，變成無線，以便真正增強(qiáng)最新一代移動設(shè)備的實力。消費者期待這種情況發(fā)生，領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商也正為此付出努力。在本篇技術(shù)文章中，英飛凌將審視推動這一新領(lǐng)域向前發(fā)展的設(shè)計挑戰(zhàn)和標(biāo)準(zhǔn) ，然后著眼于使這一重要步驟成為可能的技術(shù)。
需求與挑戰(zhàn)
電力對每個電子設(shè)備都是必不可少的，這一點永遠(yuǎn)不變。不過，目前通過壁式插座充電的方法變得過時了。對于用戶來說，充電需要變得更加方便，他們不希望插入設(shè)備，而是直接將其放在表面的位置進(jìn)行充電。
不僅如此，消費者還希望能在機(jī)場、酒店、活動場館、快餐連鎖店、咖啡店等公共場所充電，這意味著標(biāo)準(zhǔn)化需要成熟到推動通用兼容性的實現(xiàn)。
設(shè)計人員必須設(shè)法找到一種方式來徹底改造當(dāng)前的充電器，以便能夠越過“稀薄空氣”進(jìn)行電力傳輸。目前的開關(guān)模式電源(SMPS)方法憑借磁耦合變壓器改變電壓電平，然后將電力從初級繞組傳輸?shù)酱渭壚@組。
圖1：無線充電的優(yōu)勢
在無線技術(shù)領(lǐng)域，充電器和帶充電設(shè)備共同構(gòu)成變壓器。由于繞組是分開的(由外殼厚度和空氣分開)，其耦合相比SMPS而言更松散。不過，正確的磁性設(shè)計有助于以出色的效率傳輸電力，其原因在于相比SMPS而言線圈和耦合對總體性能的影響更大。
除磁性外，包括效率、機(jī)械包裝、電磁干擾(EMI)、散熱管理和金屬異物檢測(如硬幣和鑰匙)在內(nèi)的種種問題為設(shè)計者帶來了更多挑戰(zhàn)。
標(biāo)準(zhǔn)推動融合
與許多新興技術(shù)一樣，多個不兼容標(biāo)準(zhǔn)的出臺會抑制發(fā)展，直到出現(xiàn)通用解決方案。無線充電有兩個行業(yè)聯(lián)盟和兩個標(biāo)準(zhǔn)。
WPC支持為緊密耦合充電提供支持的Qi感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。Qi已成為主流標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋80%以上的無線充電接收器。
PMA和A4WP組建時為獨立組織。PMA專注于緊密耦合的感應(yīng)解決方案，而A4WP則致力于松散耦合諧振技術(shù)。PMA和A4WP合并在一起，并更名為AirFuel聯(lián)盟(AFA)。
目前，無線充電有三種拓?fù)?，能帶來不同?yōu)勢。
單線圈感應(yīng)拓?fù)涫亲詈唵巍⒆盍餍械慕鉀Q方案。該解決方案得到Qi 和AirFuel的支持，利用一個發(fā)射線圈，需要對待充電設(shè)備和發(fā)射器進(jìn)行確切定位，否則影響到充電效果。這種方法只能給一臺設(shè)備充電。
多線圈解決方案能實現(xiàn)智能系統(tǒng)，可檢測到與設(shè)備最接近的線圈，并相應(yīng)地管理電源。更寬廣的充電場讓你在放置待充電設(shè)備時有更大自由度。
AFA支持諧振方法，依靠發(fā)射器和接收器之間的諧振來更高效地傳輸電力。通過這種方法，可以從一個線圈為多臺設(shè)備充電，允許發(fā)射器與接收器之間有更大距離(最遠(yuǎn)50mm)。這種設(shè)備放置靈活性提供了一種“放下就走”的體驗，效率最高可達(dá)80%。
盡管感應(yīng)式解決方案能在精確定義和受控場景下傳輸更多電力，但諧振方法能實現(xiàn)高效的電力傳輸，提供更高的放置自由度。
圖2：感應(yīng)方法與諧振方法的效率與設(shè)備放置比較
諧振方法支持更高的額定功率，允許筆記本電腦或電動工具以無線方式充電。
無線充電解決方案的三個要素是適配器/充電器、發(fā)射器和接收器，如圖2所示。
圖3：典型的無線充電系統(tǒng)由三大要素構(gòu)成
適配器通常是獨立的，并通過電纜連接到發(fā)射器，但它們可以組合在一起。它從市電為發(fā)射器供電，通常為穩(wěn)壓5~20V直流電。
發(fā)射器包含一個基于MOSFET的橋式拓?fù)淠孀兤?，用于將直流電轉(zhuǎn)換成交變磁場。微控制器和驅(qū)動元件可提供靈活性和功能。
有兩種拓?fù)溆糜谥C振(AirFuel)應(yīng)用，D類和E類。D類拓?fù)湓诤軐挼呢?fù)載范圍具備幾乎平坦的效率曲線，因此適用于通用無線充電站，如公共場所的充電站，在那里可以給多種設(shè)備充電。這種方法適用于廣泛的功率等級。
與D類拓?fù)湎喾?，E類拓?fù)溽槍μ囟ǖ呢?fù)載點進(jìn)行優(yōu)化在設(shè)計負(fù)載點將會展現(xiàn)更高的效率。然而，E類拓?fù)湫试谠撠?fù)載點之外迅速降低。因此，E類拓?fù)涫歉吖β实燃壓歪槍咏繕?biāo)電量或完全未充電設(shè)備進(jìn)行一對一充電的最佳選擇。E類BOM成本略低于D類。
支撐技術(shù)
英飛凌提供面向無線充電發(fā)射器和充電器的全套組件解決方案，使設(shè)計人員能夠利用具有已知兼容性的組件和子系統(tǒng)。
發(fā)射器設(shè)計的核心是用于實現(xiàn)系統(tǒng)控制和智能的微控制器。英飛凌XMC系列包括XMC1400和XMC4400，它們是通過D類和E拓?fù)鋪韺崿F(xiàn)無線充電的理想選擇。
MOSFET由轉(zhuǎn)換微控制器信號的EiceDRIVER柵極驅(qū)動器直接驅(qū)動。全新的2EDL71最適合D類設(shè)計，而成熟的1EDN是E類應(yīng)用的首選。
英飛凌以其全面的MOSFET系列而聞名。設(shè)計人員在封裝尺寸以及RDS(ON)、Qg及電壓等級(30V到250V)方面擁有相當(dāng)多的選擇。這樣，設(shè)計人員能夠設(shè)計多個功率級別、采用相同基礎(chǔ)技術(shù)的無線充電器。
D類或E類電源逆變器(以及同步整流拓?fù)?最好的選擇就是使用OptiMOS技術(shù)，而CoolMOS器件非常適于ACDC適配器。英飛凌還提供一系列用于電源適配器的反激控制器，該控制器CoolSET集成IC和功率開關(guān)模塊。
設(shè)計支持
除技術(shù)挑戰(zhàn)外，設(shè)計人員需要在不斷縮短的設(shè)計周期內(nèi)帶來新的設(shè)計成果。為提供相應(yīng)支持，英飛凌開發(fā)出D類發(fā)射器的測試板，讓設(shè)計人員可以在設(shè)計無線充電解決方案方面搶占先機(jī)。
圖4：D類測試板簡化框圖
希望評估D類配置功率放大器中英飛凌MOSFET性能的設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)該電路板是一個非常有價值的資源。測試板包含由80V 2X2英飛凌MOSFET(IRL80HS120)和相關(guān)驅(qū)動器(簡化原型設(shè)計)構(gòu)成的兩個半橋，允許用戶在單端配置(只有一個半橋工作)和差動配置(兩個半橋均工作)之間切換。
用戶可以憑借嵌入式6.78 MHz振蕩器或使用外部引腳和BNC連接器注入來自波形發(fā)生器的其他頻率。
零電壓開關(guān)(ZVS)電源解決方案所需的一切都隨電路板提供。甚至有板載線性穩(wěn)壓器為電路板邏輯提供穩(wěn)定的電源電壓。
如果支持無線充電的接收器設(shè)備可供使用，那么，可以利用第二個BNC連接器連接外部發(fā)射線圈進(jìn)行無線電能傳輸，創(chuàng)建完整的無線充電設(shè)計。
總結(jié)
許多消費者認(rèn)為，給移動設(shè)備無線充電的能力早就該有了。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)近期的整合和推進(jìn)在我們走向無線社會的過程中起了很大的作用。
半導(dǎo)體公司帶來的電源和磁性設(shè)計方面的眾多優(yōu)勢， 確保更好地開發(fā)解決方案。 他們利用自身在微控制器、MOSFET和驅(qū)動器方面的豐富經(jīng)驗，可以帶來一款組件兼容性得到保證的完全集成式解決方案。
隨著技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，擁有真正的無線移動設(shè)備的嶄新世界離我們更近了。
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