无线电能传输的高性能设计

日期:2019-01-14
 
无线充电最重要的考量因素是效率和安全。
 
作者:Mark Patrick,贸泽电子
 
随着市场上推出的便携式和可穿戴设备越来越小巧紧凑,设备中将极难,甚至不可能再配备充电接口。例如,部分设备可能只有极小的空间来放置充电接口,其他设备可能需要密封的外壳,以保护敏感电路免受不利的环境影响,并方便清洁或消毒,而对于医用可穿戴设备,更换电池可能需要开刀手术,这会给患者健康带来风险。
许多先进的电池供电设备采用无线电能传输 (WPT) 技术,不必与电源进行物理连接即可充电。天线从外部辐射能量中提取电磁能量是无线通信和WPT技术的基础。当天线具有自适应共轭特性时,即当天线发生谐振并和负载与其相同的自由空间耦合时,可确保传输最多能量。不过这种情况很容易受到环境变化的影响,从而导致WPT系统发挥不出最佳状态。
 
WPT的工作原理
无线充电背后的原理众所周知,目前在所有的变压器中都可以运用。法拉第-楞次定律说明了磁场的变化总会引起回路两端电势的变化。反过来讲,回路两端电势的变化也会引起磁场的变化。利用相互感应,可以耦合两匝线圈 - 第一匝负责产生磁场,第二匝生成直接与磁场强度成正比的感应电流(如图1)。

 
图1:典型WPT系统的框图
 
ROHM 的BD57015GWL和BD57020MWV分别是无线发射器和接收器设备。它们由铁氧体磁芯制成,使用电感磁耦合,并且要求初级线圈和次级线圈精确对准以实现安全连接。因为效率难以维持在较高水平,并且所需的磁性材料比较笨重,移动的局限性限制了该技术在便携式电子设备中的使用。根据电感耦合的基本原理,通过磁共振耦合技术可以增加传输距离。通过利用振荡磁场进行能量交换的磁共振可以实现高效的无线电能传输。由射频(RF)源激励的大型螺旋感应圈可以利用其谐振来诱发一定距离处另一个类似结构中的谐振模式。这种方式不使用辐射场就可以实现一定距离的电能传输,该距离甚至可以是螺旋长度的4倍。因为不使用铁氧体磁芯,所以重量更轻,也更容易集成。其效率比不上电感耦合,但仍足以保证其符合可接受的质量标准。
 
Qi协议
由于多家公司合作开发出了开放标准,各种设备之间的互操作成为了可能。无线充电联盟 (WPC) 开发出了用于感应式电能传输的QI系统。该系统在100kHz到200kHz的频率之间工作,由基站和移动设备这两个主要模块组成,其架构如图2所示。
 
图2:描述QI系统的框图
 
Qi标准规定了对发射器线圈、外壳材料、几何形状和电气特性的详细要求,让不同厂家的产品可以完全互操作。
基站可以包含一个或多个电能发射器,而移动设备只包含一个电能接收器。电能传输是通过初级线圈和次级线圈之间的电感耦合实现。这些线圈在空气媒介中可以充当谐振变压器,以与金属导体相当的效率传输电能。
几家主要微电子公司的发射器和接收器执行所有关键控制功能,确保符合市场上最严苛的标准,并为客户提供经过认证的交钥匙Qi解决方案。STMicroelectronics的STWLC系列接收器可以为任何电池高效充电,如单芯锂离子或锂聚合物电池,并支持直接充电。STWLC04是适用于可穿戴应用的集成式无线电能接收器。它设计用于1W功率传输,基于Qi协议,具有数字控制和I2C接口,并支持高度个性化。STWLC04在等待接收器时功耗很低,从而提高了电能传输效率,而其异物检测 (FOD) 功能也最大程度提高了安全性。STWBC-MC 15W无线电池充电器发射器可以作为其补充,它可以控制多个充电线圈,符合最新的Qi 1.2.4规范,并特别设计成支持Qi MP-A15扩展功率配置文件 (EPP) 拓扑。
NXP 的NXQ1TXH5有专用的模拟ping电路来根据QI标准检测可用的设备。按照Qi A5、A11、A12和A16 5V标准的规定,它提供完全集成的发射器解决方案,其中包含一个5V的全桥功率级来直接驱动Qi发射器线圈。
Semtech公司提供了颠覆性的linkcharge技术来满足无线充电硬件同时支持多个移动设备的需求。LinkCharge LP平台同时为多个无线充电接收器充电,让设备可以比较自由地放置。TS51223是完全集成的无线电能接收器,适用于需要低成本、省空间解决方案的低功耗可穿戴应用(图3)。
 
图3:TS51223/TS80002/TS51231发射器的典型应用电路 
 
开发板
Texas Instruments的TIDA-00881用于将Qi兼容的无线电源功能添加到公司的其他低功耗电路板。它采用19mm的回路,具有与QI协议兼容的无线接收器。充电时,将线圈放在任意无线充电器上就可以为3.6V的电池充电。该电池将管理3.3V的Launchpad,并为任何额外模块提供5V电压(见图4)。Texas Instruments在其设计中使用了LIR2032锂离子电池,可以提供50mA的最大持续电流(峰值可达60mA)。另一种用于初始原型设计的设计方案是IDT WP3W-RK,它适用于从0.5W到3W的无线应用。该参考套件同时包含发射器 (P9235A-R-EVK) 和接收器 (P9027LP-R-EVK) 元件,在3W功率下提供高达80%的系统效率。
 
图4:TIDA-00881的框图
 
结论
WPT 显然具有颠覆电子市场所需的全部特征 - 以更加方便的方式实现高效电能传输。这项技术未来的发展主要在于扩展覆盖范围以适合中高功率应用,这也可以证明它对现代社会的长期价值。
贸泽电子
www.mouser.com 
 

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