无线充电：先进技术带来真正的好处

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电力需要赶上数据的发展，变成无线，以便真正增强最新一代移动设备的实力。消费者期待这种情况发生，领先的半导体供应商也正为此付出努力。在本篇技术文章中，作者将会深入探讨实现这种技术的关键步骤，也会介绍无线充电这个新领域的标准和设计挑战。

电力需要赶上数据的发展，变成无线，以便真正增强最新一代移动设备的实力。消费者期待这种情况发生，领先的半导体供应商也正为此付出努力。在本篇技术文章中，英飞凌将审视推动这一新领域向前发展的设计挑战和标准 ，然后着眼于使这一重要步骤成为可能的技术。


需求与挑战

电力对每个电子设备都是必不可少的，这一点永远不变。不过，目前通过壁式插座充电的方法变得过时了。对于用户来说，充电需要变得更加方便，他们不希望插入设备，而是直接将其放在表面的位置进行充电。
不仅如此，消费者还希望能在机场、酒店、活动场馆、快餐连锁店、咖啡店等公共场所充电，这意味着标准化需要成熟到推动通用兼容性的实现。
设计人员必须设法找到一种方式来彻底改造当前的充电器，以便能够越过“稀薄空气”进行电力传输。目前的开关模式电源(SMPS)方法凭借磁耦合变压器改变电压电平，然后将电力从初级绕组传输到次级绕组。
图1：无线充电的优势

在无线技术领域，充电器和带充电设备共同构成变压器。由于绕组是分开的(由外壳厚度和空气分开)，其耦合相比SMPS而言更松散。不过，正确的磁性设计有助于以出色的效率传输电力，其原因在于相比SMPS而言线圈和耦合对总体性能的影响更大。
除磁性外，包括效率、机械包装、电磁干扰(EMI)、散热管理和金属异物检测(如硬币和钥匙)在内的种种问题为设计者带来了更多挑战。


标准推动融合

与许多新兴技术一样，多个不兼容标准的出台会抑制发展，直到出现通用解决方案。无线充电有两个行业联盟和两个标准。
WPC支持为紧密耦合充电提供支持的Qi感应标准。Qi已成为主流标准，涵盖80%以上的无线充电接收器。
PMA和A4WP组建时为独立组织。PMA专注于紧密耦合的感应解决方案，而A4WP则致力于松散耦合谐振技术。PMA和A4WP合并在一起，并更名为AirFuel联盟(AFA)。
目前，无线充电有三种拓扑，能带来不同优势。
单线圈感应拓扑是最简单、最流行的解决方案。该解决方案得到Qi 和AirFuel的支持，利用一个发射线圈，需要对待充电设备和发射器进行确切定位，否则影响到充电效果。这种方法只能给一台设备充电。
多线圈解决方案能实现智能系统，可检测到与设备最接近的线圈，并相应地管理电源。更宽广的充电场让你在放置待充电设备时有更大自由度。
AFA支持谐振方法，依靠发射器和接收器之间的谐振来更高效地传输电力。通过这种方法，可以从一个线圈为多台设备充电，允许发射器与接收器之间有更大距离(最远50mm)。这种设备放置灵活性提供了一种“放下就走”的体验，效率最高可达80%。
尽管感应式解决方案能在精确定义和受控场景下传输更多电力，但谐振方法能实现高效的电力传输，提供更高的放置自由度。
图2：感应方法与谐振方法的效率与设备放置比较
谐振方法支持更高的额定功率，允许笔记本电脑或电动工具以无线方式充电。
无线充电解决方案的三个要素是适配器/充电器、发射器和接收器，如图2所示。
图3：典型的无线充电系统由三大要素构成
适配器通常是独立的，并通过电缆连接到发射器，但它们可以组合在一起。它从市电为发射器供电，通常为稳压5~20V直流电。
发射器包含一个基于MOSFET的桥式拓扑逆变器，用于将直流电转换成交变磁场。微控制器和驱动元件可提供灵活性和功能。
有两种拓扑用于谐振(AirFuel)应用，D类和E类。D类拓扑在很宽的负载范围具备几乎平坦的效率曲线，因此适用于通用无线充电站，如公共场所的充电站，在那里可以给多种设备充电。这种方法适用于广泛的功率等级。
与D类拓扑相反，E类拓扑针对特定的负载点进行优化在设计负载点将会展现更高的效率。然而，E类拓扑效率在该负载点之外迅速降低。因此，E类拓扑是更高功率等级和针对接近目标电量或完全未充电设备进行一对一充电的最佳选择。E类BOM成本略低于D类。


支撑技术

英飞凌提供面向无线充电发射器和充电器的全套组件解决方案，使设计人员能够利用具有已知兼容性的组件和子系统。
发射器设计的核心是用于实现系统控制和智能的微控制器。英飞凌XMC系列包括XMC1400和XMC4400，它们是通过D类和E拓扑来实现无线充电的理想选择。
MOSFET由转换微控制器信号的EiceDRIVER栅极驱动器直接驱动。全新的2EDL71最适合D类设计，而成熟的1EDN是E类应用的首选。
英飞凌以其全面的MOSFET系列而闻名。设计人员在封装尺寸以及RDS(ON)、Qg及电压等级(30V到250V)方面拥有相当多的选择。这样，设计人员能够设计多个功率级别、采用相同基础技术的无线充电器。
D类或E类电源逆变器(以及同步整流拓扑)最好的选择就是使用OptiMOS技术，而CoolMOS器件非常适于ACDC适配器。英飞凌还提供一系列用于电源适配器的反激控制器，该控制器CoolSET集成IC和功率开关模块。


设计支持

除技术挑战外，设计人员需要在不断缩短的设计周期内带来新的设计成果。为提供相应支持，英飞凌开发出D类发射器的测试板，让设计人员可以在设计无线充电解决方案方面抢占先机。
图4：D类测试板简化框图
希望评估D类配置功率放大器中英飞凌MOSFET性能的设计人员会发现该电路板是一个非常有价值的资源。测试板包含由80V 2X2英飞凌MOSFET(IRL80HS120)和相关驱动器(简化原型设计)构成的两个半桥，允许用户在单端配置(只有一个半桥工作)和差动配置(两个半桥均工作)之间切换。
用户可以凭借嵌入式6.78 MHz振荡器或使用外部引脚和BNC连接器注入来自波形发生器的其他频率。
零电压开关(ZVS)电源解决方案所需的一切都随电路板提供。甚至有板载线性稳压器为电路板逻辑提供稳定的电源电压。
如果支持无线充电的接收器设备可供使用，那么，可以利用第二个BNC连接器连接外部发射线圈进行无线电能传输，创建完整的无线充电设计。


总结

许多消费者认为，给移动设备无线充电的能力早就该有了。相关标准近期的整合和推进在我们走向无线社会的过程中起了很大的作用。
半导体公司带来的电源和磁性设计方面的众多优势， 确保更好地开发解决方案。 他们利用自身在微控制器、MOSFET和驱动器方面的丰富经验，可以带来一款组件兼容性得到保证的完全集成式解决方案。
随着技术与标准的统一，拥有真正的无线移动设备的崭新世界离我们更近了。

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