[讨论] TI大牛：10W无线电源系统的设计技巧

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。

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。

     现在再来参考一下图1，我们注意到RX控制器提供到TX控制器的反馈，要求TX根据不同负载条件，以及线圈对齐/耦合效率等的需求来改变其输出功率。一种改变输出功率的常见方法是用恒定振幅/可变频率ac信号来激励线圈。另外一个替代方法是用可变振幅/固定频率激励。

      可变频控制免除了对于TX端上可调前置稳压级的需要，而是依靠TX/RX谐振电路的共振调谐。当TX工作频率接近共振点时，最大可能功率从TX传输到RX。 为了减少传递到RX端的功率，TX控制器增加其频率，使其远远高于共振峰值。在RX需要较少的功率等较轻负载情况下，TX频率往往会增加。然而，这个方法 使得电力传输/控制过程在很大程度上取决于线圈调节。当在较高功率水平下使用时，一个可变频率架构在电磁干扰（EMI）控制方面也会提出一些问题。

      10W 发射器系统运行在固定频率下，但是却使用一个可调前置稳压器来改变用于线圈激励的直流电压轨。一个全桥电路被用来生成用于TX线圈的交流激励电流。图2中 显示的是一个定频（10W）无线电源发射器系统的基本方框图。当RX需要更多的输出功率时，直流电压轨为TX线圈功率级提供的电压会增加。直流电压随着 RX负载的下降而减少。

图2. 具有一个无线数字控制的10W无线电源发射器

10W系统的可调输出电压和热性能

      第一代5W无线电源系统通常在接收器端产生一个固定的5V输出电压。这已经足够为一个充电率在1A范围内的单节锂离子电池充电了，而从本质上讲，这个电源系 统与随处可见的USB类型电源很相似。然而，随着便携式器件内电池容量的增加，要保持快速的充电时间就需要更高的电流。

       bq51025 10W无线接收器输出电压可在5V至10V的范围内用外部反馈电阻器进行调节。这样就可实现对一节或两节串联电池配置的充电，并且在与一个宽输入电压范围 开关模式NVDC类型充电器组合在一起时，能够保持单节电池充电情况下的高效率。在诸如无线RX输出情况下，NVDC充电器架构在减少较高电压电源所需的 输入电流的同时，可实现低压电池的高效充电。图3显示的是无线接收器电路板在为负载提供一个10W电源的同时，在5V，7V和10V输出设置下的热响应 （分别为图。 3a，b和c）。很明显，10V输出情况下产生的热量最少，应该在高频开关模式充电器可用于电池充电的情况下使用。

图3. 无线接收器在10W负载条件下的散热测量。

         接收器电路上的串联谐振电容器（图4中的C1）对于优化热性能也同样关键。实际操作中，将多个电容器并连在一起来提供所需的总电容值。

图4. 无线电源接收器和关键谐振电容器

        在使用C0G（较大封装，低串联等效电阻 （ESR））和X7R（较小封装，较高ESR）时的热性能差异是十分可观的（图5）。

　图5.电容器对热性能的影响

        较小的、高ESR电容器会成为RX印刷电路板 （PCB） 上温度最高的地方。由这些电容器所导致的PCB温度上升，会阻碍其散发集成电路 （IC） 本身产生的热量，这也就意味着IC和PCB的总体温度都会增加。又由于使用了较小的谐振电容器，总效率从80%下降到74%。

      图6显示的是使用一个无线电源发射器（bq500215）与一个无线电源接收器（bq51025） 、评估板（EVM）和适当组件选择组合配置的10W无线电力传输的总体系统效率。

图6. 在5V，7V和10V输出设置时，10W电源系统的端到端效率

线圈选择指南

       bq500215发射器评估模块使用一个无线电源联盟 （WPC） 类型的29，10μH，30m?线圈，其额定电流为9A。除了10W接收器之外，这个线圈确保了与之前5W WPC类型接收器的兼容性。

      在接收器端，应该对线圈参数进行优化，以匹配应用的目标输出电压。在需要5V输出的情况下，RX线圈的标称电感值应该在10μH范围内；对于7V或10V的较高输出电压，RX线圈应该在15μH的范围内。

       虽然理想状态是最大限度地减少线圈的直流电阻 （DCR），但是在较高的输出电压情况下，允许稍微地增加DCR来应对较低的电流。图7显示的是两个典型RX端线圈。所有RX和TX线圈组装时需要背面屏蔽材料。

　图7. 针对5V，7V和10V输出要求的典型RX线圈技术规格

电池充电时间比较

        最后，执行一个10W无线电源系统的原因是减少高容量电池的充电时间。图8显示了与bq24261 NVDC开关模式充电器组合使用时，使用5W和10W无线电源系统时针对3.1Ah锂离子电池的充电时间。充电时间被大幅减少—从使用5W充电器时接近4 个小时减少到使用10W充电器时的少于3小时。由于锂离子电池充电算法的逐渐降低“渐止”属性，总充电时间的减少值与提供的电源不直接成比例。然而，代表 满充电状态大约70%的恒定电流到恒定电压模式的转换点减小到了原来的一半（图8）。

图8. 用10W无线电源系统减少电池充电时间

在设计一个完整的10W电源系统时，还有很多需要考虑在内的其它细节。