為無線電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)線圈

為了方便理解 Rx 線圈電感的性能，除 L′S 和 Ls 建議測(cè)量方法以外，表 2 還對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行了定義說明。當(dāng)測(cè)量涉及電池時(shí)，電池的放置應(yīng)與其在最終系統(tǒng)中的方向/位置相同。請(qǐng)注意，最終工業(yè)設(shè)計(jì)中所使用的材料也可能會(huì)影響最終電感測(cè)量結(jié)果。因此，當(dāng)對(duì)調(diào)諧電路進(jìn)行配置時(shí)，最終測(cè)量應(yīng)使用最終移動(dòng)設(shè)備工業(yè)設(shè)計(jì)的所有組件。表 1 所列測(cè)量用于屏蔽和驗(yàn)證可能的 Rx 線圈。

表 2 開發(fā)期間需要測(cè)量的 Rx 線圈電感參數(shù)

表 3 總結(jié)了一個(gè)可接受型線圈設(shè)計(jì)的測(cè)得電感，以及使用固定串聯(lián)和并聯(lián)諧振電容的諧振頻率。這里，L′S_b 用于電容計(jì)算。(詳情參見下一小節(jié)“Rx 線圈調(diào)諧”。)請(qǐng)注意，它們可能會(huì)以L′S的百分比線性變化，并可用作原型線圈驗(yàn)收的一種參考。

表 3 舉例線圈測(cè)得電感

Rx 線圈調(diào)諧

簡(jiǎn)化版 Rx 線圈網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)串聯(lián)諧振電容 C1 和一個(gè)并聯(lián)諧振電容 C2 組成。這兩個(gè)電容組成了一個(gè)使用 Rx 線圈的雙諧振電路(參見圖 9)，其大小尺寸必須根據(jù) WPC 規(guī)范來正確選擇。

圖 9Rx 線圈的雙諧振電路

若想計(jì)算 C1，L′S 時(shí)，諧振頻率需為 100 kHz：

若要計(jì)算 C2，Ls 時(shí)，次級(jí)諧振頻率需為 1.0 MHz。計(jì)算要求首先確定 C1，然后代入方程式 7 計(jì)算：

最后，品質(zhì)因數(shù)必須大于 77，其計(jì)算方法如下：

其中，R 為線圈的 DC 電阻。

Rx 線圈的負(fù)載線分析

在選擇某個(gè) Rx 線圈時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要通過負(fù)載線分析(I-V 曲線)比較主級(jí)線圈和 Rx 線圈，從而了解變壓器特性。這種分析可獲得 Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的兩個(gè)重要條件：(1)工作點(diǎn)特性;(2)瞬態(tài)響應(yīng)。我們將在后面具體討論。

工作點(diǎn)特性

圖 10 負(fù)載線分析測(cè)試裝置

圖 10 顯示了負(fù)載線分析的一個(gè)測(cè)試配置例子，其參數(shù)定義如下：

VIN 為一個(gè) AC 電源，其擁有 19V 峰值到峰值運(yùn)行能力。

CP 為主級(jí)串聯(lián)諧振電容(A1 型線圈為 100 nF)。

LP 為主級(jí)線圈( A1 型)。

LS 為次級(jí)線圈。

C1 為受測(cè) Rx 線圈所用串聯(lián)諧振電容。

C2 為受測(cè) Rx 線圈所用并聯(lián)諧振電容。

CB 為二極管橋接的大容量電容。25V 時(shí)，CB 應(yīng)至少為 10 µF。

V 為開爾文連接電壓表。

A 為串聯(lián)安培計(jì)。

RL 為相關(guān)負(fù)載。

二極管橋接應(yīng)由全橋或者同步半橋肖特基二極管以及低側(cè) n 型 MOSFET 和高側(cè)肖特基構(gòu)成。分析共有三個(gè)測(cè)試程序：

1、 向 LP 提供 19V AC 信號(hào)，開始頻率為 200kHz。

2、 從無負(fù)載到預(yù)計(jì)全負(fù)載范圍，對(duì)所得整流電壓進(jìn)行測(cè)量。

3、 降低頻率，不斷重復(fù)前兩個(gè)步驟，頻率降至 110kHz 時(shí)停止。

圖 11 顯示了一個(gè)負(fù)載線分析舉例。該圖表明，不同的負(fù)載和整流器條件，產(chǎn)生不同的工作頻率。例如，1A 時(shí)，動(dòng)態(tài)整流器目標(biāo)為 5.15V。因此，工作頻率介于 150kHz 和 160kHz 之間，其為一個(gè)可以接受的工作點(diǎn)。如果該工作點(diǎn)超出WPC 規(guī)定的 110 到 205 kHz 頻率范圍，則系統(tǒng)無法收斂，并會(huì)變得不穩(wěn)定。

圖 11 示例負(fù)載線分析結(jié)果

瞬態(tài)響應(yīng)

進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，有兩個(gè)重要的點(diǎn)，如圖 11 所示：(1)諧振頻率(175kHz)下的整流器電壓;(2)恒定工作點(diǎn)時(shí)從無負(fù)載到全負(fù)載的整流器電壓下降。

本例中，諧振電壓為 ~5 V，其高于芯片的 VUVLO。因此，可以保證 Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的啟動(dòng)。如果該頻率下電壓接近或者低于 VUVLO，則可能無法啟動(dòng)。

如果最大負(fù)載步進(jìn)為 1A，則圖 11 中，140-kHz 負(fù)載線情況下，電壓為 6V 時(shí)，本例的壓降為 ~1 V。要對(duì)這種壓降進(jìn)行分析，無負(fù)載時(shí) 7V 啟動(dòng)的 140-kHz 負(fù)載線，需達(dá)到預(yù)計(jì)最大負(fù)載電流要求。壓降為負(fù)載線兩端電壓之差。選定工作頻率下可以接受的全負(fù)載電壓應(yīng)高于 5V。如果低于 5V，電源輸出也會(huì)降至這一水平。由于 Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的反饋響應(yīng)較慢，因此進(jìn)行這種瞬態(tài)響應(yīng)分析是必要的。這種分析，可以模擬系統(tǒng)未對(duì)諧振變壓器工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)可能出現(xiàn)的瞬態(tài)特性。

請(qǐng)注意，主級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的耦合，會(huì)因 Rx 線圈對(duì)準(zhǔn)誤差而變得糟糕。因此，我們建議，在存在多種對(duì)準(zhǔn)誤差的情況下對(duì)負(fù)載線進(jìn)行多次分析，以確定平面空間中 Rx 是否會(huì)中斷運(yùn)行。

結(jié)論

本文說明了我們可以運(yùn)用傳統(tǒng)的變壓器基本原理，簡(jiǎn)化無線充電系統(tǒng)的 Tx 線圈設(shè)計(jì)。但是，通用性和移動(dòng)設(shè)備的特性，也使標(biāo)準(zhǔn)磁學(xué)設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)一些獨(dú)特的變化。仔細(xì)閱讀和理解前面我們介紹的線圈設(shè)計(jì)內(nèi)容，可以增加您一次成功的機(jī)率。我們介紹的一些評(píng)估方法，可以讓您非常有條理地規(guī)定和描述一種定制 Rx 線圈。