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无线充电系统的应用参考模型
发布时间:2020-09-16
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无线充电系统的应用参考模型
发布时间:2020-09-16
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用户如何与设备交互是每个的工程师在项目启动时要问的基本问题之一。客户需要快速充电吗?需要对准方面的灵活性吗?是不是要求发热量低?需要长距离充电吗?需要大功率吗?每个发射器需要多个接收器?需要很小的外形尺寸吗?所有这些选项都是可以满足的,但通常需要进行折衷考虑。例如,大功率和低发热量并不总是能够同时满足。距离和效率基本上是背道而驰的。因此在为某种设备设计无线充电系统时理解用户需要什么以及如何对这些需求排定优先级是很重要的步。

  在用于衡量无线充电系统性能的指标中,效率永远是位的。天生高效的系统可以提供更远的距离、更好的方向灵活性、更低的发热量、更小的尺寸以及更小的电源漏电流。下面是无线充电系统中对效率有决定性影响的三个主要模块:

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  无线充电系统的三大模块

  如果所有三个模块都工作在的估算效率(即图中所示的80%,70%和80%),那么总的系统效率约等于45%。对于一个5W的设备来说,需要用11W的发射功率才能提供全速充电,大约6W消散于设备本身(作为热量散发掉)和周围环境中,包括空气、装置和人体组织。在低功率情况下,这也许是安全和可接受的。但在较高功率时,比如电动汽车的充电,此时典型的充电功率至少要5kW,那么有6kW要损失在发射器、汽车和周围环境中,因此会引起严重的发热和安全问题。当无线充电系统的所有三个模块都工作在估算效率(即95%,90%和95%)时,总的系统效率大约为82%。在这种情况下,一个5W的设备只需发射器提供约6W的充电功率,只有1W因无效而损失掉。为了提高系统效率,设计师应专注于高效率元件,提高发射器与接收器之间的耦合程度。

  松下无线充电参考设计

  松下无线电源控制IC支持所有设备(DSC、DVC、随身听、手机、智能手机等),符合WPC(无线充电联盟)的WPC1.1(Qi标准)。松下无线电源方案采用了一个用于电力发射器(电池充电器)的发射端控制IC(NN32251A($5.0312))和一个用于电力接收器(设备)的接收器控制IC(AN32258A),从而控制电力传输。

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  NN32251A开发套件(Tx)

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  NN32251A开发工具包的发射模块图像

  AN32258A开发套件(Rx)

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  AN32258A开发工具包的接收模块图像

  支持各种基于WPC1.1(Qi标准)设备的无线充电。充电过程的异常检测和各种保护功能可确保安全性和可靠性。支持标准范围内的5W输出进行快速充电。提供外部低阻抗MOSFET的高效控制,降低功耗和生热。(AN32258)提供包括松下线圈和外围电路在内的解决方案,实现短理论到达时间(TAT)设计。

  松下无线充电应用示例

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  TI 10W无线电源解决方案

  无线电源系统包括充电板(发送器或主设备)和接收器(次级侧设备)。充电板和接收器接触时,两个器件中的线圈通过磁力作用耦合。电力通过耦合的电感器(如空气磁芯变压器)从发送器传输至接收器。控制传输电量的方法是向主器件发送反馈通信(错误信号)以提高或降低电量。发送器线圈在大部分情况下都处于断电状态,只是偶尔接通以检测是否存在接收器。如果接收器能够自我验证,则发送器将始终保持通电状态。

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  10W高效率无线充电

  bq51025($5.1750)接收器不仅支持4.5V至10V可编程输出电压,而且与TIbq500215($566.8500)无线电源发送器相结合,还可在10W功率下实现高达84%的充电效率,从而可显著提高散热性能。该功能齐备的无线电源接收器解决方案尺寸仅为3.60毫米×2.89毫米,可设计应用在众多便携式工业设计方案中,包括零售终端扫描仪、手持式医疗诊断设备以及平板电脑和超级本等个人电子产品。发布的bq500215是一款专用的固定频率10W无线电源数字控制器发送器,兼容于5WQi接收器。该发送器采用增强型异物检测(FOD)方法在发送任何电源之前可进行异物检测,如果检测到过大损耗,便主动降低功率。

  bq51025/bq500215的主要特性与优势:

  快速充电接收器与TIbq500215控制器相结合,可在10W功率下实现高达84%的系统效率,从而可为1节及2节电池供电电子设备实现快速充电体验;符合Qi标准的通信与控制可确保与任何功率达5W的无线电源联盟Qi型发送器及接收器兼容。无线充电解决方案的I2C通信接口不仅有助于接收器在发送器表面更好地对齐,而且还支持在接收器和发送器之间发送专有数据包;

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  无线电源评估板

  bq51025EVM-649($292.4200)无线电源接收器评估套件可帮助设计人员评估bq51025的工作与性能;bq500215EVM-648($566.8500)无线电源发送器评估板提供符合Qi标准无线充电板的所有基本功能。12V输入单线圈发送器可帮助设计人员加速产品上市进程。

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  bq500215功能方框图

  德州仪器(TI)业界首款全面集成型10W无线充电解决方案,该解决方案的接收器及相应发送器更为高效,可帮助工业、医疗及个人电子产品的设计人员让设备在摆脱所有连接器的同时,更快、更高效地充电。此次推出的bq51025和bq500215目前都已投入量产,它们不仅支持防水、防尘以及便携式设计,而且还更快的为1节及2节(1S和2S)锂离子电池充电且不会产生过热。此外,该充电解决方案还兼容于市场上任何符合5WQi标准的产品,有助于消费类电子产品可以更为灵活的在比以往更多的地方充电。

  低功耗A1/A10发射器解决方案

  NXQ1TXA1无线功率发射控制器可以与恩智浦NT3H1201($0.6600)NTAGI2C解决方案结合,提供了添加自动蓝牙配对等令人兴奋的功能的选择,或允许用户配置他们的无线充电器,甚至在其启用NFC的智能手机上自动启动应用程序。该设计实施了恩智浦NWP2081半桥驱动器和恩智浦低RDSonNX2020N2沟道MOSFET,实现了高效率。由电源装置中的恩智浦GreenChipTEA1720($0.3640)高效开关模式电源(SMPS)控制器供电,该QiA1/A10无线电源发射器成为了更加优化的19V无线充电解决方案。

  方案原理图

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  NXQ1TXA1结构框图

  Vishay无线充电解决方案

  新款无线充电发射线圈---IWTX-4646BE-50新款无线充电发射线圈---IWTX-4646BE-50,其可用于Qi无线充电底座。新的VishayDaleIWTX-4646BE-50采用耐用的结构和高磁导率的屏蔽,在19V输入电压下,使用符合WPC的传输和接收芯片组及VishayDaleIWAS-4832FF-50接收线圈,2.7mm间隔情况下的效率超过70%。IWTX-4646BE-50可与Vishay符合WPC的无线接收线圈配套使用,高饱和度铁粉不受永磁定位磁铁的影响。尺寸更大的铁氧体线圈在强磁场下会饱和,IWTX-4646BE-50在4000高斯磁场下的磁饱和为50%,可替代此类线圈。

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  器件符合RoHS,在200kHz下的电感为24μH,电感公差为±5%,在+25℃下的DCR为71mΩ(±10%),200kHz下的典型Q值为185。发射线圈的引线长40mm,镀锡部分的长度为5mm,热额定电流为6A,饱和电流为20A,自谐振频率为7MHz。器件正在申请AEC-Q200,预计在2015年1季度完成,将用于汽车电子产品。

  新款无线充电接收线圈---IWAS-4832FE-50

  飞思卡尔5W多线圈发送器参考平台专门为汽车无线充电应用而设计。设计的是飞思卡尔MWCT1003AVLH($6.7860)发送控制器IC。该控制器IC管理并执行实现无线充电发送器解决方案所需要的所有控制功能。该解决方案提供一个高性能的无线充电系统,同时也考虑到了汽车复杂的工作环境。整个平台采用汽车级组件,并考虑了其他重要的汽车功能,以确保系统可以无缝集成。该设计符合无线充电联盟(WPC)的Qi规范,并已通过WPC-A13型发送器。如同所有飞思卡尔无线充电解决方案一样,该参考平台支持WPC定义的其他线圈类型。

  原理框图

无线充电系统电路模块与解决方案详解

  无线充电系统元件选择

  由于效率为王,而元件又决定了效率,那么在选择元件时了解你自己的想法就非常重要了。在无线充电领域中,开发高效率、前沿技术的元件公司有许多。举例来说,宜普(EPC)公司开发的增强型氮化镓(eGaN)晶体管具有高效率的开关性能,可以用来实现高性能的功率放大器。在天线方面,NuCurrent公司开发的天线结构可以实现高效率、高度灵活的小型天线。与此同时,像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在开发可以支持多种标准、各种功率电平和小型尺寸的IC.因此可选的余地很大,如果你是无线充电设计的新手,的方法是与元件供应商或设计咨询公司一起合作,因为他们理解无线充电的前景,可以帮助你快速跟踪设计需求,并把你介绍给战略开发合作伙伴。

  无线充电标准与法规

  在电子设备的无线充电方面目前已有多种标准,包括无线电力联盟(A4WP)、电力事件联盟(PMA)和无线充电联盟(WPC)。这些标准组织存在的目的就是提供发射器和接收器之间的互操作性平台,同时为满足法规要求的产品和元件创新提供指导。如果你的设备要求互操作性(用户需要在机场或当地咖啡店充电吗?),那么你的设计就应该围绕某个标准展开。一般来说,A4WP针对“松散耦合”系统提供了技术上的解决方案,WPC则拥有商用化程度的开发工具和组件,但它是“紧密耦合”系统(至少现在是这样)。PMA正在与A4WP合并,为它的共享标准提供“紧密耦合”技术。

 

来源:维库电子市场网

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