電力需要趕上數(shù)據(jù)的發(fā)展，變成無線，以便真正增強最新一代移動設備的實力。消費者期待這種情況發(fā)生，領先的半導體供應商也正為此付出努力。在本篇技術文章中，英飛凌將審視推動這一新領域向前發(fā)展的設計挑戰(zhàn)和標準 ，然后著眼于使這一重要步驟成為可能的技術。

需求與挑戰(zhàn)

電力對每個電子設備都是必不可少的，這一點永遠不變。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，他們不希望插入設備，而是直接將其放在表面的位置進行充電。

不僅如此，消費者還希望能在機場、酒店、活動場館、快餐連鎖店、咖啡店等公共場所充電，這意味著標準化需要成熟到推動通用兼容性的實現(xiàn)。

設計人員必須設法找到一種方式來徹底改造當前的充電器，以便能夠越過“稀薄空氣”進行電力傳輸。目前的開關模式電源(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

在無線技術領域，充電器和帶充電設備共同構成變壓器。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)在內的種種問題為設計者帶來了更多挑戰(zhàn)。

標準推動融合

與許多新興技術一樣，多個不兼容標準的出臺會抑制發(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)盟和兩個標準。

WPC支持為緊密耦合充電提供支持的Qi感應標準。Qi已成為主流標準，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解決方案，而A4WP則致力于松散耦合諧振技術。PMA和A4WP合并在一起，并更名為AirFuel聯(lián)盟(AFA)。

目前，無線充電有三種拓撲，能帶來不同優(yōu)勢。

單線圈感應拓撲是最簡單、最流行的解決方案。該解決方案得到Qi 和AirFuel的支持，利用一個發(fā)射線圈，需要對待充電設備和發(fā)射器進行確切定位，否則影響到充電效果。這種方法只能給一臺設備充電。

多線圈解決方案能實現(xiàn)智能系統(tǒng)，可檢測到與設備最接近的線圈，并相應地管理電源。更寬廣的充電場讓你在放置待充電設備時有更大自由度。

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備充電，允許發(fā)射器與接收器之間有更大距離(最遠50mm)。這種設備放置靈活性提供了一種“放下就走”的體驗，效率最高可達80%。

盡管感應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：感應方法與諧振方法的效率與設備放置比較

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的橋式拓撲逆變器，用于將直流電轉換成交變磁場。微控制器和驅動元件可提供靈活性和功能。

有兩種拓撲用于諧振(AirFuel)應用，D類和E類。D類拓撲在很寬的負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備充電。這種方法適用于廣泛的功率等級。

與D類拓撲相反，E類拓撲針對特定的負載點進行優(yōu)化在設計負載點將會展現(xiàn)更高的效率。然而，E類拓撲效率在該負載點之外迅速降低。因此，E類拓撲是更高功率等級和針對接近目標電量或完全未充電設備進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

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拓撲來實現(xiàn)無線充電的理想選擇。

MOSFET由轉換微控制器信號的EiceDRIVER柵極驅動器直接驅動。全新的2EDL71最適合D類設計，而成熟的1EDN是E類應用的首選。

英飛凌以其全面的MOSFET系列而聞名。設計人員在封裝尺寸以及RDS(ON)、Qg及電壓等級(30V到250V)方面擁有相當多的選擇。這樣，設計人員能夠設計多個功率級別、采用相同基礎技術的無線充電器。

D類或E類電源逆變器(以及同步整流拓撲)最好的選擇就是使用OptiMOS技術，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和功率開關模塊。

設計支持

除技術挑戰(zhàn)外，設計人員需要在不斷縮短的設計周期內帶來新的設計成果。為提供相應支持，英飛凌開發(fā)出D類發(fā)射器的測試板，讓設計人員可以在設計無線充電解決方案方面搶占先機。

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)和相關驅動器(簡化原型設計)構成的兩個半橋，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(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)射線圈進行無線電能傳輸，創(chuàng)建完整的無線充電設計。

總結

許多消費者認為，給移動設備無線充電的能力早就該有了。相關標準近期的整合和推進在我們走向無線社會的過程中起了很大的作用。

半導體公司帶來的電源和磁性設計方面的眾多優(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。

隨著技術與標準的統(tǒng)一，擁有真正的無線移動設備的嶄新世界離我們更近了。



推薦閱讀：
 對比5款激光雷達，新秀能否后來居上？ 
模擬懷舊風吹起，新技術助推“古董級”產(chǎn)品重現(xiàn)江湖？ 
資深工程師解讀磁卡讀卡器工作原理和作用 
CPU還是FPGA：圖像處理誰更適合？