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详解低功率无线电源的设计技巧

导读: 这篇文章回顾了可批量生产的低功率(10W)无线电源系统的实现方式,并提供了与系统性能优化有关的系统设 计指南。我们还给出了一些已经在10W应用中成功测试的收发器 (TX) 和接收器 (RX) 线圈的示例。

  在手机和其它小型便携式应用中,无线电源系统不断得到认可。现有标准受限于5W电力传输,但是智能手机、平板电脑和便携式工业及医疗应用不断增长的电力需求对供电能力提出了更高的要求。随着输出功 率的增加,必须在系统设计最初就将效率和热性能考虑在内。这篇文章回顾了可批量生产的低功率(10W)无线电源系统的实现方式,并提供了与系统性能优化有关的系统设 计指南。我们还给出了一些已经在10W应用中成功测试的收发器 (TX) 和接收器 (RX) 线圈的示例。

  无线电源多年前就已经出现,形式也有多种,不过最近才由于行业标准的出现而变得更为普遍。智能手机和小型平板电脑是目前使用无线电源的主要产品类别。然 而,这项技术也开始扩展到可穿戴设备以及医疗和工业应用。当无线电源与无线连通技术配合使用时,就可以使无外部接头、完全密闭设备的设计成为可能。这使得无线电源成为所有需要在室外或潮湿环境中运行的便携式系统的理想选择。

  现有的工业标准只有有限的功率输出能力通,常在5W范围内。更高功率标准的开发正在进行当中,截至2014年12月,还未完全确定。因此,那些需要更高功 率水平来为较大容量电池充电的器件就需要定制或专有设计。虽然系统设计人员有可能使用标准组件“从零开始”,但是这种方法就很难实现终端产品快速投放市场 的这一目标。现在市面上的互补发射器和接收器芯片组可实现针对便携式应用的10W无线电源系统的即刻设计,其中包括一个和两个电池节电池组架构。

  无线电源系统架构

  图1中显示的是一张紧密耦合智能无线电源系统的简化图。如果从原理图的角度来看,它看起来很像一款变压器耦合隔离式电源转换电路。然而在这里, 初级线圈和次级线圈是完全分离开来,而不是绕在同一磁芯上的。电能从发射器(初级,或TX)端传输到接收器(次级,或RX)端,而接收器电路以数字脉冲的 形式将反馈发送回磁耦合器件。

  低功率无线电源设计技巧

  图1:典型无线电源系统架构图

  将功率性能扩展至10W 就不得不有几点额外的考虑。首先,必须将硅功率元件设计成能够处理所需的峰值和持续功率水平。在发射器端,功率FET元件在发射控 制器的外部,所以可按照需要将它们升级为能够处理峰值电流。在接收器端,解决方案的小尺寸是十分重要的,集成FET器件被用来提供单芯片器具。为了提供高 效率并改进热性能,与之前的5W接收器相比,RX控制器中的FET具有更低的RDS(on)。磁性元件,即TX和RX线圈也必须具有能够处理10W电源传 输所需的更高峰值电流的额定值。最后,由于10W系统的磁场强度更高,相对于5W系统来说,接收器端的屏蔽范围就需要扩大。这对于为系统中的金属元件提供 更好的屏蔽,最大限度地降低接收器端的“临近、接触金属”损耗,并尽可能地提高系统效率也是有必要的。

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