無線充電設計效率分析

作者簡介：樂進成，技術總監(jiān)，深圳邁源電子創(chuàng)始人之一近10年電子產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，近5年無線充電技術開發(fā)工作經(jīng)驗，為國內(nèi)較早一批無線充電技術資深研發(fā)人員，具有深厚的理論功底和實戰(zhàn)經(jīng)驗。2011年底參加深圳邁源電子，擔任技術總監(jiān)。前言無線充電已經(jīng)是當下一個十分熱門的話題，WPC的Qi標準及相關技術已經(jīng)非常成熟，A4WP也推出了自己的Rezence標準。針對WPC的Qi標準，半導體廠商也都紛紛推出了自己的無線充電芯片，而對于無線充電的方案商來說，拿到方案后還需要根據(jù)客戶的需求定制線路板并進行二次開發(fā)。方案公司方案做得好與壞直接影響無線充電的各項性能指標，其中最為重要的指標之一就是充電效率。本文就跟大家一起探討一下如何在無線充電方案開發(fā)過程中優(yōu)化系統(tǒng)的充電效率。

無線充電系統(tǒng)主要分為發(fā)射端與接收端，對于無線充電的整個系統(tǒng)，接收端的損耗其實是最大的，也是對充電效率影響最大的，但由于接收端一般都是高集成度的IC，在此不做詳細討論。

我們重點分析一下發(fā)射端的情況，看發(fā)射端哪些模塊對充電效率影響較大，應該如何處理。我們從電路設計和結構設計上去分析影響充電效率的因素。一、電路設計考慮1.MOSFET器件導通損耗在5V的全橋充電系統(tǒng)中需要用到4個功率MOSFET，全橋結構，兩種情況：一種是4個NMOS管，另外一種是2個NMOS和2個PMOS。系統(tǒng)在工作的過程當中至少有兩個管子是導通的，所以在發(fā)射局部功率MOSFET的損耗是最大的。為了減少損耗，就需要考慮采用低導通內(nèi)阻的管子，比方：NMOSFETVDSS30VRDSON(MAX.)9mΩID20APMOSFETVDSS‐30VRDSON(MAX.)12mΩI??D‐21A上表對應的MOSFET參數(shù)對應的導通內(nèi)阻相對較小的情況，系統(tǒng)的轉換效率會比擬好。

當然MOSFET的低導通內(nèi)阻與本錢存在一定的關系，如果導通內(nèi)阻很低，本錢會相對較高，從系統(tǒng)設計要折中考慮，找到一個好的平衡點。2.主控制器控制和響應不及時產(chǎn)生的損耗在磁感應式無線充電系統(tǒng)中，接收端是被動感應端，理論上來講，發(fā)射端提供多少功率，接收端就可以接收到除損耗之外的所有功率。但在實際應用當中發(fā)射端的發(fā)射功率是根據(jù)接收端靈活調(diào)整的，過多的發(fā)射功率會在接收端的整流局部和降壓局部會造成過多的功率損耗，所以為了盡量減少不必要的損耗，就需要對接收端的功率輸出做精確控制。在系統(tǒng)工作過程中，發(fā)射端和接收端通過一個2kHz的調(diào)頻載波進行實時通訊，所以發(fā)射端通過解調(diào)可以得到一個接收端的功率反應信息，再根據(jù)這個信息實時調(diào)整發(fā)射功率，以確保有效功率的最大化傳輸。

但對接收端負載來講，并不是一個恒定的穩(wěn)定輸出，多數(shù)情況下輸出會有一個電流快速變動的跳變，對應的調(diào)制信號也會產(chǎn)生快速變化，這就要求發(fā)射板的主控制器能及時處理這些解調(diào)信號，從而及時調(diào)整功率輸出。

主控制器的主頻在一定程度上決定了處理器的處理能力，也就決定了對負載變化的調(diào)整速度，也最終決定了有效功率的情況。另外關鍵的一點是，要對輸出功率精確控制就需要對PWM驅動信號精確控制，驅動信號是一個110KHz-205KHz的一個占空比50%的方波信號，所以PWM驅動信號需要以1KHz以下甚至以100Hz的階梯進行變頻輸出，這就要求主控的PWM控制單元性能要足夠好才能滿足要求。3.開關死區(qū)損耗發(fā)射端我們完全可以看作是一個開關電源，通過MOS的開關來產(chǎn)生振蕩信號，所以系統(tǒng)的開關損耗是在所難免的。為了減少損耗，理論上就要求PWM控制信號的上升和下降的時間足夠短，如下列圖：在5V全橋系統(tǒng)中，上半橋與下半橋同一時間只能開一個，即Q1和Q4或者Q2和Q3同時只能導通一組，如圖紅色箭頭局部為正常電流路徑，兩組管子交替導通，產(chǎn)生振蕩，輸出功率。但開關驅動信號即PWM信號實際上無法做到同步開或關，如果有一個時刻Q1和Q3或者Q2和Q4會同時導通，出現(xiàn)瞬間短路的情況，系統(tǒng)在這個很短的時間段會產(chǎn)生很大的開關功率損耗，我們設計時需要防止同時開的情況，需要做一個死區(qū)處理，但如果處理不當，死區(qū)時間過長，系統(tǒng)的損耗也就加大。要解決好這個死區(qū)的根本點其實就是PWM時序的控制。也就是在確保Q3關閉之前才開Q1，反之亦然。所以可以從兩個方面來優(yōu)化這個時序問題，減少死區(qū)。一是從軟件調(diào)整，主控通過調(diào)整PWM時序來改善死區(qū)問題二是從硬件上去做延時處理，盡量縮短死區(qū)時間。比方一些簡單的RC延時電路:通過選取適宜的RC值來調(diào)整RC電路的充放電時間，到達延時的效果，從而有效減少死區(qū)時間，提高充電效率。

當然，有些驅動芯片已經(jīng)在死區(qū)及延時上做了考慮，設計人員要根據(jù)具體芯片方案去考量。

4.線圈損耗目前市面上用的比擬多的是A11類線圈，但又分單層和雙線雙層：對于線圈來講，有幾個參數(shù)比擬重要，最充電效率影響較大：1、Q值，即品質因數(shù)2、自身的渦輪損耗3、直流內(nèi)阻在10KHz頻率下我們測得兩類線圈的參數(shù)如下：具體參數(shù)如下表：

感值〔uH〕Q值內(nèi)阻(mΩ)單層7.212.2838雙層6.821.418從數(shù)據(jù)上來看，雙線雙層不管是在Q值上還是直流內(nèi)阻，都比單層要好，至于自身的渦流損耗，可能在大功率比方5W的情況下雙層的自發(fā)熱情況會比單層要大，但實際在使用的過程當中至少目前我們的接收負載很少到達這個高的功率輸出，一般都是3.5W-4W。

所以總體來講，采用雙線雙層的線圈對整個系統(tǒng)效率的提升是有幫助的。但單層線圈與雙層線圈從本錢上來說也有一定的差異，系統(tǒng)設計時需要根據(jù)要求去折中考慮。

5.各芯片模塊的自耗電損耗無線發(fā)射局部電路主要包括以下幾局部：1、主控2、驅動芯片3、功率MOSFET4、運放芯片5、局部邏輯器件以上各局部元器件在工作的時候本身就存在自耗電的情況，集成芯片如果設計合理在自耗電上會有較大改善。

6.其它損耗除了以上幾點原因以外，電流的采樣精度和系統(tǒng)輸入電壓的穩(wěn)定性也會一定程度影響系統(tǒng)的工作效率。

所以如果對效率要求較高，建議電流采樣局部用差分式高精度運放，同時layout的時候采樣信號的輸入采用差分走線，盡量減少外部干擾。

另外要確保輸入電壓的穩(wěn)定，電壓波動過大對系統(tǒng)解調(diào)會產(chǎn)生干擾，從而使通訊不正常，不但影響功能還影響充電效率。

二、結構設計考慮另外，可以從產(chǎn)品的結構ID方面入手來進一步改善系統(tǒng)轉換效率，比方通過結構設計盡量讓發(fā)射線圈和接收線圈對位準確。

保持接收線圈D2位于發(fā)射線圈D的正上方，且垂直距離Z保持在3~5mm左右可以到達效率最大化。其實在WPC規(guī)格書里面還有兩種發(fā)射線圈A1和A5,如下列圖線圈的中央有一個磁鐵，當把接收器放在上面的時