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(dòng)設(shè)備的實(shí)力。消費(fèi)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(dòng)這一新領(lǐng)域向前發(fā)展的設(shè)計(jì)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(duì)每個(gè)電子設(shè)備都是必不可少的，這一點(diǎn)永遠(yuǎn)不變。不過，目前通過壁式插座充電的方法變得過時(shí)了。對(duì)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(fèi)者還希望能在機(jī)場(chǎng)、酒店、活動(dòng)場(chǎng)館、快餐連鎖店、咖啡店等公共場(chǎng)所充電，這意味著標(biāo)準(zhǔn)化需要成熟到推動(dòng)通用兼容性的實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)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(jí)繞組傳輸?shù)酱渭?jí)繞組。
圖1：無線充電的優(yōu)勢(shì)
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(jì)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(duì)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(cè)(如硬幣和鑰匙)在內(nèi)的種種問題為設(shè)計(jì)者帶來了更多挑戰(zhàn)。
標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)融合
與許多新興技術(shù)一樣，多個(gè)不兼容標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)會(huì)抑制發(fā)展，直到出現(xiàn)通用解決方案。無線充電有兩個(gè)行業(yè)聯(lián)盟和兩個(gè)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(shí)為獨(dú)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)洌軒聿煌瑑?yōu)勢(shì)。
單線圈感應(yīng)拓?fù)涫亲詈?jiǎn)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(gè)發(fā)射線圈，需要對(duì)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(tái)設(shè)備充電。
多線圈解決方案能實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)，可檢測(cè)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(chǎng)讓你在放置待充電設(shè)備時(shí)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(gè)線圈為多臺(tái)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(yàn)，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(chǎng)景下傳輸更多電力，但諧振方法能實(shí)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(dòng)工具以無線方式充電。
無線充電解決方案的三個(gè)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(dú)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(gè)基于MOSFET的橋式拓?fù)淠孀兤鳎糜趯⒅绷麟娹D(zhuǎn)換成交變磁場(chǎng)。微控制器和驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(jí)。
與D類拓?fù)湎喾矗珽類拓?fù)溽槍?duì)特定的負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化在設(shè)計(jì)負(fù)載點(diǎn)將會(huì)展現(xiàn)更高的效率。然而，E類拓?fù)湫试谠撠?fù)載點(diǎn)之外迅速降低。因此，E類拓?fù)涫歉吖β实燃?jí)和針對(duì)接近目標(biāo)電量或完全未充電設(shè)備進(jìn)行一對(duì)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(jì)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(jì)的核心是用于實(shí)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?shí)現(xiàn)無線充電的理想選擇。
MOSFET由轉(zhuǎn)換微控制器信號(hào)的EiceDRIVER柵極驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)。全新的2EDL71最適合D類設(shè)計(jì)，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(jì)人員在封裝尺寸以及RDS(ON)、Qg及電壓等級(jí)(30V到250V)方面擁有相當(dāng)多的選擇。這樣，設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)多個(gè)功率級(jí)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(jì)支持
除技術(shù)挑戰(zhàn)外，設(shè)計(jì)人員需要在不斷縮短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)帶來新的設(shè)計(jì)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(cè)試板，讓設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)無線充電解決方案方面搶占先機(jī)。
圖4：D類測(cè)試板簡(jiǎn)化框圖
希望評(píng)估D類配置功率放大器中英飛凌MOSFET性能的設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)該電路板是一個(gè)非常有價(jià)值的資源。測(cè)試板包含由80V 2X2英飛凌MOSFET(IRL80HS120)和相關(guān)驅(qū)動(dòng)器(簡(jiǎn)化原型設(shè)計(jì))構(gòu)成的兩個(gè)半橋，允許用戶在單端配置(只有一個(gè)半橋工作)和差動(dòng)配置(兩個(gè)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(gè)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(jì)。
總結(jié)
許多消費(fèi)者認(rèn)為，給移動(dòng)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(huì)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(jì)方面的眾多優(yōu)勢(shì)， 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(dòng)器方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)設(shè)備的嶄新世界離我們更近了。
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