擴(kuò)展無線電力傳輸以實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸

在過去十年中，無線電力傳輸功能已在各種商業(yè)、工業(yè)和汽車應(yīng)用中得到廣泛采用。市場(chǎng)趨勢(shì)正在轉(zhuǎn)向需要更高功率充電的電池供電產(chǎn)品。需要充電的產(chǎn)品數(shù)量在增加，對(duì)快速充電、大容量電池的需求也在增加。

無線充電設(shè)計(jì)現(xiàn)在可以提供比手機(jī)和可穿戴市場(chǎng)所需的功率高得多的功率?，F(xiàn)代手機(jī)的功耗可達(dá) 50 W，但由于熱限制，使用時(shí)間非常有限。另一方面，真正的高功率應(yīng)用，如筆記本電腦、平板電腦、便攜式廚房電器、電動(dòng)工具、機(jī)器人和無人機(jī)以及輕型電動(dòng)汽車，可以維持更高的功率輸出并長(zhǎng)時(shí)間充電。

然而，超出 Qi 擴(kuò)展功率配置文件 (EPP) 的更高功率設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為復(fù)雜且成本高昂，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)仍在不斷發(fā)展，導(dǎo)致互操作性和共存問題。討論多的挑戰(zhàn)與 IEC-62368 對(duì)消費(fèi)類便攜式設(shè)備的觸摸溫度限制的安全要求有關(guān)。除了高效的充電子系統(tǒng)之外，這還意味著需要?jiǎng)討B(tài)異物檢測(cè) (FOD) 功能，以確保在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)（包括瞬態(tài)）充電的同時(shí)提供保護(hù)。因此，發(fā)射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 之間穩(wěn)健的通信協(xié)議也成為此類大功率充電的基本要求。

為了滿足更高功率無線充電的這些嚴(yán)格的系統(tǒng)和法規(guī)要求，英飛凌開發(fā)了范圍廣泛的高度集成的無線充電 IC。其中包括帶有片上 32 位 ARM Cortex-M0 處理器的 USB-PD/PPS 接收器、128-KB 閃存、16-KB RAM 和 32-KB ROM。它們還配備了各種模擬和數(shù)字外圍設(shè)備、集成柵極驅(qū)動(dòng)器和 DC/DC 控制器。這些 IC 與基于英飛凌高功率充電協(xié)議的系統(tǒng)解決方案和軟件堆棧一起提供，具有獨(dú)特的識(shí)別和可配置的保護(hù)功能，以維持安全的高功率充電環(huán)境。除了專有模式，英飛凌的WLCx 系列產(chǎn)品還支持的無線充電聯(lián)盟 (WPC) Qi EPP (≤15 W) 規(guī)范1以實(shí)現(xiàn)兼容和可互操作的解決方案。

在接下來的部分中，我們將概述典型的無線電力系統(tǒng)和設(shè)計(jì)熱管理解決方案的一些見解，深入探討線圈設(shè)計(jì)并概述英飛凌的解決方案功能和幾個(gè)應(yīng)用來解釋原因無線充電是任何環(huán)境下大功率產(chǎn)品的合適和方便的選擇。

無線電力系統(tǒng)和設(shè)計(jì)考慮

無線電源系統(tǒng)是獨(dú)特的電源管理解決方案，包括混合信號(hào)模擬和數(shù)字傳感、通信電路以及 AC 和 DC 電源轉(zhuǎn)換級(jí)，重要的是，軟件堆?？稍?Tx 和 Rx 端之間提供可靠的握手。圖 1 中的框圖顯示了典型高功率感應(yīng)無線系統(tǒng)的主要功能塊。

圖 1：無線電力系統(tǒng)框圖

在圖 1 中，輸入電源將是基于 USB-C（PPS 或 PD）的直流電源或固定軌電壓電源。該電源可直接傳遞至中間 DC/DC 穩(wěn)壓器或由其轉(zhuǎn)換，以為 DC-AC 電源逆變器供電。逆變器使用 L P和 C P串聯(lián)諧振回路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，以將電力傳輸?shù)浇邮掌?。在系統(tǒng)的接收側(cè)，串聯(lián)諧振元件 L S和 C S將輸入磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電流，大功率整流器將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電壓。，輸出穩(wěn)壓器用于為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電壓，負(fù)載可以是產(chǎn)品或電池充電器的特定工作功能。

典型的無線電力系統(tǒng) (≤15 W) 有幾個(gè)附加項(xiàng)以符合高功率解決方案 (>15 W) 的要求。首先是提高磁體性能的需求增加，以減少功率損耗和傳輸過程中由于功率損耗而產(chǎn)生的相關(guān)熱量。大功率設(shè)計(jì)的附加指南將包括額外的安全和程序，以防止假冒設(shè)計(jì)產(chǎn)生或提供大功率。同時(shí)，它將確保適當(dāng)?shù)?FOD 機(jī)制到位，以安全有效地向接收器及其負(fù)載提供高功率。大多數(shù)終端產(chǎn)品將使用 Rx 輸出為電池充電；然而，可以有獨(dú)立的應(yīng)用程序，例如泳池照明和衛(wèi)洗麗，其中無線電源只是在沒有電池的情況下為負(fù)載供電的方式。

更好的熱管理設(shè)計(jì)：冷卻選項(xiàng)

有人擔(dān)心高功率無線系統(tǒng)的發(fā)熱和效率可能會(huì)阻礙或延遲滿足安全要求。盡管如此，這些仍然可以通過設(shè)計(jì)散熱和優(yōu)化效率來緩解。圖 2 顯示了 Tx-Rx 耦合感應(yīng)式無線充電器的完整疊層，以更好地理解熱捕獲和冷卻的途徑。

圖 2：典型無線充電系統(tǒng)的疊層

PCB 的物理結(jié)構(gòu)也會(huì)影響系統(tǒng)的工作溫度。連接到功率元件的銅表面區(qū)域和電路板厚度將影響終工作溫度。由于較低的熱阻和較大的面積，較薄的 PCB 設(shè)計(jì)將在內(nèi)層之間傳遞更多的熱量。與銅層之間具有更多電介質(zhì) FR-4 的較厚 PCB 相比，設(shè)計(jì)較薄的 PCB 將提高熱性能。其他解決方案包括添加風(fēng)扇以強(qiáng)制氣流穿過電路和接口（圖 3）。如果使用強(qiáng)制空氣，通過設(shè)計(jì)凹槽以便空氣可以流過或使用允許空氣自由流動(dòng)的半多孔材料，在界面中提供隧道或氣流通道是至關(guān)重要的。

圖 3：利用通道允許來自 Tx 的接口處的氣流的示例

在不斷發(fā)展的更高無線功率市場(chǎng)的這個(gè)階段，常見的應(yīng)用是手機(jī)。某些手機(jī)的功耗可達(dá) 50 W，但持續(xù)時(shí)間非常有限。隨著新興市場(chǎng)的形成，筆記本電腦、機(jī)器人和其他類似的大功率應(yīng)用將能夠無限期地維持電力輸送。此外，由于充電座和設(shè)備通常非常小，如果不使用風(fēng)扇將較熱的空氣從產(chǎn)品界面（測(cè)量觸摸溫度的地方）移走，高功率耗散將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

圖 3 顯示了如何創(chuàng)建空氣通道以允許強(qiáng)制空氣通過 Tx 電路并到達(dá)接口，它可以在不干擾接口間距或功率傳輸?shù)那闆r下冷卻兩個(gè)線圈?？諝鈴?Tx 側(cè)吸入，Tx 和 Rx 上設(shè)計(jì)了空氣通道以具有更大的表面積。這樣，接口處的壓力就會(huì)降低，所有強(qiáng)制空氣都會(huì)在接口處排出，從而同時(shí)冷卻 Tx 和 Rx 線圈。

更好的熱管理設(shè)計(jì)：提高線圈效率、布線

在感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)中，突出的熱問題之一是磁性本身。因此，提高效率的主要思路是使用質(zhì)量更高的 Rx 線圈。例如，與多股線或 PCB 線圈相比，具有納米晶屏蔽層的李茲線線圈可以顯著降低界面溫度。通常需要在成本和性能之間進(jìn)行權(quán)衡，其中性能優(yōu)異的利茲線 Rx 線圈設(shè)計(jì)往往是昂貴的，而 PCB 型線圈成本較低且效率。

納米晶屏蔽將在更薄的材料中產(chǎn)生高飽和水平，并且與標(biāo)準(zhǔn)的燒結(jié)鐵氧體磁芯相比性能更優(yōu)越。使用 PCB 型線圈時(shí)，使用較重的銅箔（即 2 盎司或 4 盎司銅，而不是大多數(shù)柔性 PCB 基板上的標(biāo)準(zhǔn) 0.5 盎司）是有益的。因?yàn)檫@些導(dǎo)體承載高電流并且通常相對(duì)較大，所以它們用作散熱器和電流導(dǎo)體。因此，一項(xiàng)基本的緩解技術(shù)是將大銅層連接到 Tx 和 Rx 線圈觸點(diǎn)以及其他發(fā)熱源，例如功率 MOSFET、電感器和 IC。在這種情況下，重要的是要包含大量的銅平面區(qū)域，以吸收電子設(shè)備功耗產(chǎn)生的熱量。

圖 4 顯示了 WLC1x 高功率四層 Rx [1] PCB 的布局，其中顯示 Rx 線圈觸點(diǎn)具有多個(gè)縫合在一起的平行平面和多個(gè)過孔，以使用每個(gè)平行平面?zhèn)鬏旊娏骱蜔崃?。所有交流載流節(jié)點(diǎn)（LC，或L S和C S，公共連接節(jié)點(diǎn)以及 AC1 和 AC2 節(jié)點(diǎn)），如圖 1 所示，應(yīng)用于在大功率設(shè)計(jì)中傳遞熱量和電流。請(qǐng)注意，線圈觸點(diǎn)（頂層，黃色觸點(diǎn)）連接到 LC 節(jié)點(diǎn)上的所有四層和 AC2 節(jié)點(diǎn)上四層中的三層。此外，AC1 在空間允許的情況下復(fù)制到四層中的三層。通過多個(gè)平行通孔，這些技術(shù)可以顯著降低熱阻。因此，與這些節(jié)點(diǎn)接觸的所有組件的工作溫度都較低。還應(yīng)注意，每個(gè)整流器 MOSFET 在漏極連接焊盤/引腳中都有一個(gè)由九個(gè)熱和電流傳輸過孔組成的陣列。

圖 3 顯示了如何創(chuàng)建空氣通道以允許強(qiáng)制空氣通過 Tx 電路并到達(dá)接口，它可以在不干擾接口間距或功率傳輸?shù)那闆r下冷卻兩個(gè)線圈?？諝鈴?Tx 側(cè)吸入，Tx 和 Rx 上設(shè)計(jì)了空氣通道以具有更大的表面積。這樣，接口處的壓力就會(huì)降低，所有強(qiáng)制空氣都會(huì)在接口處排出，從而同時(shí)冷卻 Tx 和 Rx 線圈。

更好的熱管理設(shè)計(jì)：提高線圈效率、布線

在感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)中，突出的熱問題之一是磁性本身。因此，提高效率的主要思路是使用質(zhì)量更高的 Rx 線圈。例如，與多股線或 PCB 線圈相比，具有納米晶屏蔽層的李茲線線圈可以顯著降低界面溫度。通常需要在成本和性能之間進(jìn)行權(quán)衡，其中性能優(yōu)異的利茲線 Rx 線圈設(shè)計(jì)往往是昂貴的，而 PCB 型線圈成本較低且效率。

納米晶屏蔽將在更薄的材料中產(chǎn)生高飽和水平，并且與標(biāo)準(zhǔn)的燒結(jié)鐵氧體磁芯相比性能更優(yōu)越。使用 PCB 型線圈時(shí)，使用較重的銅箔（即 2 盎司或 4 盎司銅，而不是大多數(shù)柔性 PCB 基板上的標(biāo)準(zhǔn) 0.5 盎司）是有益的。因?yàn)檫@些導(dǎo)體承載高電流并且通常相對(duì)較大，所以它們用作散熱器和電流導(dǎo)體。因此，一項(xiàng)基本的緩解技術(shù)是將大銅層連接到 Tx 和 Rx 線圈觸點(diǎn)以及其他發(fā)熱源，例如功率 MOSFET、電感器和 IC。在這種情況下，重要的是要包含大量的銅平面區(qū)域，以吸收電子設(shè)備功耗產(chǎn)生的熱量。

圖 4 顯示了 WLC1x 高功率四層 Rx [1] PCB 的布局，其中顯示 Rx 線圈觸點(diǎn)具有多個(gè)縫合在一起的平行平面和多個(gè)過孔，以使用每個(gè)平行平面?zhèn)鬏旊娏骱蜔崃?。所有交流載流節(jié)點(diǎn)（LC，或L S和C S，公共連接節(jié)點(diǎn)以及 AC1 和 AC2 節(jié)點(diǎn)），如圖 1 所示，應(yīng)用于在大功率設(shè)計(jì)中傳遞熱量和電流。請(qǐng)注意，線圈觸點(diǎn)（頂層，黃色觸點(diǎn)）連接到 LC 節(jié)點(diǎn)上的所有四層和 AC2 節(jié)點(diǎn)上四層中的三層。此外，AC1 在空間允許的情況下復(fù)制到四層中的三層。通過多個(gè)平行通孔，這些技術(shù)可以顯著降低熱阻。因此，與這些節(jié)點(diǎn)接觸的所有組件的工作溫度都較低。還應(yīng)注意，每個(gè)整流器 MOSFET 在漏極連接焊盤/引腳中都有一個(gè)由九個(gè)熱和電流傳輸過孔組成的陣列。

圖 4：WLC1x 交流節(jié)點(diǎn)布局示例，使用平行平面分布熱量和降低電阻

共存設(shè)計(jì)：更高功率，向后兼容 Qi

事實(shí)上，有幾個(gè)因素會(huì)影響 Tx 和 Rx 感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)的選擇或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為了簡(jiǎn)化這個(gè)問題，我們建議從標(biāo)準(zhǔn)WPC定義的擴(kuò)展功率線圈（或線圈，例如MP-A2或MP-A11）開始，然后匹配諧振槽設(shè)計(jì)規(guī)范以保持與標(biāo)準(zhǔn)Qi Rx設(shè)備的兼容性和便于提供高功率。事實(shí)證明，這些線圈可與互操作性平臺(tái) (IOP) 一起正常運(yùn)行。由于采用大規(guī)格利茲線，載流能力足以提供更高的功率，而不會(huì)在線圈或大型鐵氧體屏蔽中引入過多的功率損耗。選擇其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線圈或根據(jù)特定系統(tǒng)要求進(jìn)行一些小的修改后，應(yīng)開始 Rx 線圈的設(shè)計(jì)（對(duì)于配對(duì)系統(tǒng)）。

當(dāng)解決方案需要?jiǎng)?chuàng)建自定義線圈時(shí)，應(yīng)注意，當(dāng)組合氣隙（Rx 和 Tx 接口高度或線圈到線圈面對(duì)表面的空間）在 3 到 8 毫米之間時(shí)，無線電源系統(tǒng)表現(xiàn)出性能，取決于終的幾何形狀。這將有助于確保耦合系數(shù)介于 0.5 和 0.85 之間，這是感應(yīng)無線電力系統(tǒng)的點(diǎn)。因此，當(dāng) Tx 和 Rx 線圈電感保持在彼此大約 ±25% 的范圍內(nèi)時(shí)，這使設(shè)計(jì)能夠滿足適當(dāng)?shù)幕ジ兄?。此外，它確保增益曲線既不太陡也不太淺，以致在整個(gè)工作電壓和頻率范圍內(nèi)允許適當(dāng)?shù)墓β收{(diào)節(jié)步驟。

利用諧波近似 (FHA) 分析，可以對(duì)許多參數(shù)和大多數(shù)操作模式進(jìn)行建模和仿真。Infineon 的高功率 Tx 設(shè)計(jì)指南2包括必要的推導(dǎo)、推薦模型和全面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南。例如，本設(shè)計(jì)指南可用于創(chuàng)建圖 5 中所示的圖形。在此圖形中，典型的 Tx 線圈功率與頻率斜率的關(guān)系表明增益如何響應(yīng)工作頻率的變化。為了對(duì) Rx 側(cè)的頻率（或電壓）變化做出可預(yù)測(cè)的響應(yīng)，使用漂亮的線性曲線。然而，對(duì)于相同的頻率步長(zhǎng)，陡峭的曲線或指數(shù)曲線會(huì)產(chǎn)生可變的功率電平變化，這會(huì)使控制回路更加復(fù)雜。

圖 5：具有 20V 輸入和輸出的感應(yīng)無線電源系統(tǒng)的典型功率與頻率曲線

查看圖 5 并考慮 MP-A2 無線電源 Tx 規(guī)范，我們發(fā)現(xiàn)工作頻率范圍限制在 110 至 148 kHz。通過檢查曲線，很明顯，在此范圍內(nèi)，響應(yīng)隨頻率變化呈線性變化，同時(shí)為 Rx 提供充足的功率。將此作為設(shè)計(jì)計(jì)算器2的目標(biāo)，使用 FHA 仿真有助于線圈設(shè)計(jì)，而無需運(yùn)行復(fù)雜的磁學(xué)仿真（盡管這些仿真始終受到鼓勵(lì)）。使用 Tx 設(shè)計(jì)指南后，可以使用以下指南在模擬或設(shè)計(jì)計(jì)算的同時(shí)生成 Rx 線圈原型，以加快設(shè)計(jì)階段并開始縮小終磁性設(shè)計(jì)的范圍：

Tx 和 Rx 線圈幾何形狀（內(nèi)徑/外徑）應(yīng)在彼此的 ±25% 范圍內(nèi)。

匝數(shù)應(yīng)相似（±3 以內(nèi)）。

自由空氣電感應(yīng)在彼此的 ±20% 范圍內(nèi)。

Rx 屏蔽應(yīng)該是納米晶體或斷裂鐵氧體類型，并且盡可能厚（多 2 毫米就足夠了）。

相對(duì)磁導(dǎo)率 (μ r ) 應(yīng)在 500–900 范圍內(nèi)。

交流和直流電阻應(yīng)化。在 PCB 上使用利茲線、多股導(dǎo)線或?qū)?厚銅箔可以增加導(dǎo)體的“皮膚”量。

理想情況下，屏蔽應(yīng)該是連續(xù)的并且超過線圈外徑至少 1 毫米到 3 毫米（如果空間允許）。

通過遵循這些指南，耦合因子、互感和磁場(chǎng)體積將適合運(yùn)行并提供合適的有源區(qū)域，而不是復(fù)雜的迭代模擬。上述指南旨在立即準(zhǔn)備線圈原型，以便通過檢查負(fù)載和電壓下的效率、瞬態(tài)響應(yīng)和通信保真度來完成測(cè)試和終設(shè)計(jì)調(diào)整。建議獲得一些具有不同磁導(dǎo)率和電感的 Rx 線圈原型，并在可能的情況下對(duì)氣隙進(jìn)行試驗(yàn)，以找到配置和線圈設(shè)計(jì)。有關(guān)控制方程式的其他詳細(xì)信息和說明，請(qǐng)參閱WLC1150 設(shè)計(jì)指南。2個(gè)

下一個(gè)主要設(shè)計(jì)決策將是定義所需輸出功率后的工作電壓。然后，輸出功率可用于估算系統(tǒng)其余部分返回至 Tx 的輸入直流電源的功率損耗。這將啟用熱建模并幫助確定MOSFET 的電阻和 R DS(on)值的限制。應(yīng)該注意的是，通過在盡可能高的電壓下運(yùn)行系統(tǒng)以降低電流和相關(guān)的 I 2來實(shí)現(xiàn)效率R 功率損耗。例如，50W 輸出適合使用 2.5A 時(shí)的 20V 輸出，而不是 5A 時(shí)的 10V 輸出。原因是較高的整流器電壓需要較低的整流器電流，從而導(dǎo)致較低的線圈電流，并且大部分 Rx 損耗將發(fā)生在整流器和 Rx 線圈中。一個(gè)很好的假設(shè)是，均方根 Rx 線圈和整流器電流將約為 1.11 × 整流直流電流（假設(shè)一個(gè)相當(dāng)正弦的波形）。同樣，WLC1150 設(shè)計(jì)指南2提供了對(duì)高功率無線發(fā)射器設(shè)計(jì)工作點(diǎn)的全面洞察、建議和估計(jì)。

使用這些參考指南將允許對(duì)整流器 MOSFET 和 Rx LC 槽路以及 Tx 預(yù)調(diào)節(jié)器（如果使用）、逆變器和 Tx 線圈進(jìn)行功率損耗估計(jì)。很明顯，線圈中的交流損耗占主導(dǎo)地位，因此，應(yīng)通過使用更粗的利茲線、多股絞線或平行的厚銅 PCB 走線來盡可能地降低該電阻，以創(chuàng)建 Rx 電感器，同時(shí)滿足終產(chǎn)品的成本和厚度要求。

回到輸出端，一旦確定了輸出功率和電壓，就應(yīng)該考慮V rect和 V out之間的后置穩(wěn)壓器。一般來說，對(duì)于高壓輸出 (>15 V)，LDO 類型的輸出效率更高，因?yàn)?V rect和 V out之間的差值在 0.2 V 以內(nèi)。因此，輸出調(diào)節(jié)器損耗和線圈電流將被化。簡(jiǎn)化了輸出級(jí)功率計(jì)算，利用功率和電壓可以計(jì)算出整流器直流電流。然后可以找到整流器和 Rx 線圈電流，因?yàn)樗鼛缀醯扔谳敵鲭娏鳎刂破?IC 靜態(tài)電流和開關(guān)電流必須添加到輸出電流以獲得整流電流）。

對(duì)于將使用 <15V 輸出的系統(tǒng)，降壓穩(wěn)壓器是有利的，因?yàn)橄到y(tǒng)可以在更高的電壓下調(diào)節(jié) V rect并降低輸出。這允許較低的線圈電流，同時(shí)在較低電壓下實(shí)現(xiàn)高輸出電流。系統(tǒng)細(xì)節(jié)可能會(huì)影響 LDO 和降壓之間的決策（尤其是在 15-VV輸出目標(biāo)值附近），并且應(yīng)該在設(shè)計(jì)啟動(dòng)之前考慮，具體取決于哪種輸出類型可以限度地提高效率。借助英飛凌解決方案，由于采用了可配置的設(shè)計(jì)理念，這些測(cè)試可以快速輕松地運(yùn)行。使用降壓穩(wěn)壓器后，還可以通過將輸出電流除以 V rect /V out的比率來估算整流器電流。

一旦估計(jì)了系統(tǒng)的 Rx 端，就可以在進(jìn)行熱建模的同時(shí)選擇和設(shè)計(jì)合適的組件。終組件可能會(huì)在幾次設(shè)計(jì)迭代中確定，然后 PCB 設(shè)計(jì)可能會(huì)開始。使用確定的 Rx 線圈電流和耦合系數(shù)（使用 k ≈ 0.65 是解決未對(duì)準(zhǔn)充電條件的良好指導(dǎo)），現(xiàn)在可以使用以下方法估算 Tx 線圈電流和功率計(jì)算（假設(shè)使用上述線圈指導(dǎo)）WLC1150 設(shè)計(jì)指南。2個(gè)

Tx 線圈和逆變器電流可以使用設(shè)計(jì)指南和選定的輸出功率和輸入/輸出電壓來確定。此外，可以選擇 Tx 線圈交流電阻、Tx 線圈和逆變器 MOSFET 以滿足效率目標(biāo)。應(yīng)該注意的是，具有較低 RDS (on)的 MOSFET具有較高的寄生電容，因此會(huì)增加開關(guān)損耗。因此，簡(jiǎn)單地降低 R DS(on)并不總能帶來更好的性能。通常，MOSFET 的 R DS(on)范圍為 10 至 20 mΩ將在開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間取得合理的平衡，是無線電源系統(tǒng)的理想選擇。對(duì)于在直流輸入和逆變器之間具有預(yù)調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)（可變電壓或混合可變電壓和可變頻率系統(tǒng)），需要設(shè)計(jì) DC/DC 調(diào)節(jié)器以處理與 V 的寬輸入到輸出差異BRG范圍為 4 V 至 19 V，設(shè)計(jì)用于提供至少 3 A 的電流。請(qǐng)注意，V BRG應(yīng)設(shè)計(jì)為在指定的 V IN電壓范圍內(nèi)工作（通常為 12 V 至 20 V）。

現(xiàn)在可以通過將 Rx 輸出功率除以目標(biāo)系統(tǒng)效率輕松估算 Tx 輸入功率（李茲線線圈為 90%，PCB 線 Rx 線圈為 85%，即除以 0.9 或 0.85）。然后使用設(shè)計(jì)計(jì)算器估算 BRG 功率（如果使用WLC1150 ，則假設(shè)損耗為 4% 至 5%給逆變器供電）。放置 MOSFET 時(shí)，應(yīng)使用多層連接到漏極和源極。此外，應(yīng)該使用寬銅平面將熱量傳遞到 PCB，在那里熱量可以擴(kuò)散以降低設(shè)備的工作溫度。圖 6 中的簡(jiǎn)化圖顯示了通過將實(shí)心銅平面與多個(gè)過孔連接到內(nèi)層以進(jìn)行熱分布而創(chuàng)建的熱路徑。外層是有效的，但也應(yīng)盡可能使用內(nèi)層。

圖 6：從功率元件到 PCB 的熱路徑分布在內(nèi)層和外層以降低工作溫度

典型的無線電力系統(tǒng)也有一些附加功能，以從標(biāo)準(zhǔn)功率水平轉(zhuǎn)移到高功率領(lǐng)域。這些包括但不限于更快的 FSK 模式，以減少向 Rx 發(fā)送消息所需的通信吞吐量。強(qiáng)制身份驗(yàn)證或至少使用加密進(jìn)行軟憑證檢查也很重要，以避免假冒產(chǎn)品以高功率為設(shè)備供電和充電的可能性。這樣做的主要原因是為了防止損壞高壓敏感電子設(shè)備并將逆變器和整流器的電壓和電流限制在安全值。

初級(jí) LC 槽的不當(dāng)控制會(huì)導(dǎo)致逆變器 LC 槽內(nèi)和整流器上的電壓過高。這些大功率系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以避免可能發(fā)生損壞的操作情況。盡管如此，假冒解決方案可能并不那么謹(jǐn)慎，如果在輸入磁場(chǎng)強(qiáng)度太強(qiáng)以致 Rx 無法處理或持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間時(shí)出現(xiàn)突然的耦合改進(jìn)或大的瞬態(tài)負(fù)載突降，這可能具有破壞性。這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)為具有無功功率鉗位，以在需要時(shí)吸收多余的輸入能量。

當(dāng)前趨勢(shì)和英飛凌的解決方案

除了設(shè)計(jì)為以 50 W 安全充電外，英飛凌WLC1150 Tx解決方案還具有一些差異化的關(guān)鍵功能，可以安全地提供更高的功率。這些包括：

高電壓（高達(dá) 24 V），具有高側(cè)電流感應(yīng)
集成 USB-PD 控制器
USB-C PPS 適配器的直流電壓控制
用于全橋逆變器和 DC/DC 的集成柵極驅(qū)動(dòng)器
自適應(yīng) FOD 算法
使用全棧軟件的可定制配置
基于輸出功率水平的安全磁場(chǎng)工作范圍

此外，英飛凌還提供完整的解決方案，包括即將推出的 WLC1x Rx [2]，它支持后置穩(wěn)壓器的 LDO 或降壓輸出；因此，可以根據(jù)成本和電源類型調(diào)整變送器（圖 7）。

圖 7：帶有 MP A2 功率發(fā)送器和接收器的 WLC1x 高功率解決方案

高功率無線系統(tǒng)對(duì)于為筆記本電腦、吸塵器和無人機(jī)等大型設(shè)備供電和充電非常有用。這些設(shè)計(jì)非常適合高濕度環(huán)境或由于缺少暴露觸點(diǎn)而預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)冷凝的環(huán)境。這些設(shè)計(jì)還減少了與 ESD 相關(guān)的故障，因?yàn)殡娮釉O(shè)備與通常有靜電的外部環(huán)境進(jìn)一步隔離。

高功率解決方案是低功率解決方案的放大版本，同時(shí)仍然依賴于相同的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。他們需要注意 PCB 的布局和布線，尤其是開關(guān)穩(wěn)壓器的電流環(huán)路區(qū)域。此外，重要的是使用寬銅平面以減少傳導(dǎo)路徑中的I 2 R 壓降并將熱量從功率元件散開。該系統(tǒng)使用基于操作條件的可變調(diào)制深度的穩(wěn)健帶內(nèi)通信方案，通過配對(duì)的 Tx 和 Rx 線圈對(duì)可靠、安全和方便地將高功率傳輸?shù)饺魏呜?fù)載。

在工業(yè)環(huán)境中，這些系統(tǒng)非常棒，因?yàn)樗鼈兛梢韵娋€和電纜的需要，同時(shí)支持持續(xù)數(shù)年的無腐蝕充電。高功率設(shè)計(jì)稍微復(fù)雜一些，需要使用更高額定電流和更低電阻的組件來減少整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗。但是，按照本文的建議以及英飛凌的高質(zhì)量參考設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)指南，可以高效地設(shè)計(jì)它們。2個(gè)

高功率無線系統(tǒng)需要進(jìn)行多項(xiàng)改進(jìn)才能限度地提高性能，但從 15 W 到 50 W 的順序步驟不會(huì)導(dǎo)致成比例的設(shè)計(jì)時(shí)間或挑戰(zhàn)。當(dāng)使用英飛凌的高功率解決方案提供當(dāng)今市場(chǎng)上的無線功率時(shí)，可以通過對(duì)一些關(guān)鍵組件進(jìn)行較小的縮放來實(shí)現(xiàn)所需的功率增加。