1、关于无线充电效率的探讨 来自深圳迈源电子 http:/www.mc- 乐进成 无线充电已经是当下一个十分热门的话题， WPC 和 A4WP 两大 组织 也在不停的完善自己的标准， IC 半导体厂商也都纷纷推出了自己的无线充电方案，而对于无线充电的方案商来说，拿到方案后还需要根据客户的 需 求定制线路板并进行二次开发。方案的好与坏其中一个很重要的 参考 标准就是系统的效率。 本文 就跟大家一起探讨一下如何在二次开发过程中 优化 系统的 充电效率。 图 1无线充电系统框图 首先我们先来看下如何计算系统的充电效率。测试如下： 图 2效率测试 上图中，黑色圆形的是一个超薄的发射板，接收端输出串接一个
2、2A 的电流表头，负载采用一个 5W-5的水泥电阻，测试数据如下： 电流 (A) 电压 (V) 功率 (W) 效率 (输出 /输入 )% 输入 1.39 4.99 6.93 71.2% 输出 1 4.94 4.94 需要注意的是，输入端的电源线是有压降的，压降大约在 0.3V 左右，实际输入的电压是直流电源显示的电压减去线损电压 0.3V，所以实际 测试输入电压 是 4.99V。然后按照效率计算公式： = / = 4.94/6.93 = 71.2% 在带载 1A 的情况下，这个效率应该算是比较高的。 对于无线充电 的整个系统，接收端的损耗其实是最大的，但由于接收端都是高集成度的 IC，在此就不
3、予讨论，我们重点来看下发射端。 发射端影响效率的 主要有以下几个方面 1. MOSFET 器件 功率损耗 在 5V 的全桥充电系统中 需要用到 4 个功率 MOSFET， 一种 全桥 是 4 个 NMOS 管，另外一种 全桥 是 2个 NMOS和 2个 PMOS。系统在工作的过程当中至少有两个管子是导通的，所以在发射部分功率 MOSFET 的损耗是最大的。为了减少损耗，就需要采用低内阻的管子，比如： NMOSFET VDSS 30V RDSON(MAX.) 9m ID 20A PMOSFET VDSS 30V R DSON(MAX.) 12m ID 21A 这两种管子内阻都是比较低的，在 5V
4、和 12V系统中都可以用，而且效果还不错。 2. 主控制器 在磁感应式无线充电系统中，接收端是被动感应端，理论上来讲，发射端提供多少功率，接收端就可以接收到除损耗之外的所有功率，但在实际应用当中发射端的发射功率是根据接收端灵活调整的，过多的发射功率会在接收端的整流部分和降压部分造成过多的功率损耗 ，所以为了尽量减少不必要的损耗，就需要对接收端的功率输出做精确控制。 在系统工作过程中， 发射端和接收端通过一个 4K的调频载波进行 实时 通讯，所以发射端通过解调可以 得到一个接收端的功率反馈信息，再根据这个信息实时调整发射功率，以确保有效功率的最大化传输。但对接收端负载来讲，并不是 一个恒定的稳定
5、输出，多数情况下输出会有一个电流快速变动的跳变，对应的调制信号也会产生快速变化，这就要求发射板的主控制器能及时处理这些解调信号，从而及时调整功率输出 。而主控制器的主频在一定程度上决定了处理器的处理能力。 图 3 载波信号 另外关键的一点是，要对输出功率精确控制就需要对 PWM驱动信号精确控制，驱动信号是一个 110KHz-205KHz的一个占空比 50%的方波信号， 所以 PWM驱动信号需要以1KHz以下甚至以 100Hz的阶梯进行变频输出，这就要求主控的 PWM控制单元性能要足够好。 3. 开关损耗 发射端我们完全可以看 作 是一个开关电源，通过 MOS的开关来产生振荡信号，所以系统的开关
6、损耗是再所难免的。 为了减少损耗，就要求 PWM控制信号的上升和下降的时间足够短 ， 如图 图 4 PWM波形 在 5V全桥系统中， 上半桥与下半桥同一时间只能开一个，即 Q1和 Q4或者 Q2和 Q3同时只能导通一组，如图红色箭头部分为正常电流路径，两组管子交替导通，产生振荡，输出功率。 图 5 全桥电流路径 但开关驱动信号即 PWM信号无法做到时刻同步，总有一个时刻 Q1和 Q3或者 Q2和 Q4会同时导通，出现瞬间短路的情况， 系统 在这个很短的时间段 会 产生 很大的开关 功率损耗，这个时间区也即所谓的 死 区， 死 区越大，开关损耗越大。 图 6 死区波形 解决这个 死 区的根本点其
7、实就是 PWM时序的控制。也就是在确保 Q3关闭之前才开 Q1，反之亦然。 所以可以从两个方面来优化这个时序问题，减少盲区。 一是从软件调整，主控通过调整 PWM时序来改善盲区问题 二是从硬件上去做延时处理，尽量缩短盲区时间。比如一个简单的 RC延时电路 : 图 7 RC 延时电路 通过选取合适的 RC值来调整 RC电路的充放电时间，达到延时 的效果，从而有效减少盲区时间，提高充电效率。 4. 线圈 目前市面上用的比较多的是 A11类线圈，而线圈又分单层和 双线 双层： 图 8 两类 A11规格线圈 对于线圈来讲，有几 个参数比较重要： Q值，即品质因数 Q = 2FL/R 自身的涡轮损耗 直
8、流内阻 在 10KHz频率下我们测得两个线圈的参数如下： 图 9 线圈参数测量 感值（ uH） Q值 内阻 (m) 单层 7.2 12.28 38 双层 6.8 21.4 18 从数据上来看，双线双层不管是在 Q值上还是直流内阻，都比单层要好，至于自身的涡流损耗，可能在大功率比如 5W的情况下双层的自发热情况会比单层要大，但实际在使用的过程当中至少目前我们的接收负载很少达到这个高的功率输出，一般都是 3.5W-4W。所以总体来讲，采用双线双层的线圈 对整个系统效率的提升是有帮助的。 5. IC组件的自耗电 无线发射部分电路 主要 包括以下几部分： 主控 驱动 IC 功率 MOSFET 运放 I
9、C 部分逻辑器件 以上各部分元器件在工作的时候本身就存在自耗电的情况，如果把这些器件进行高度集成化，变成一颗 IC， 相信系统的自耗电会有很大改善。 6. 其它 除了以上几点原因以外，电流的采样精度和系统输入电压的稳定性也会一定程度影响系统的工作效率，所以电流采样部分建议用差分式高精度运放， layout的时候采样信号的输入采用差分走线，尽量减少外部干扰。另外要确保输入电压的稳定，电压波动过大对系统解调会产生干扰，从而使通讯不正常。 另外，也可以 从产品的结构 ID方面入手 来进一步改善系统效率 ， 比如 迫使接收线圈和发射线圈位置 尽量 对准 。 图 10 两级线圈示意图 保持接收线圈 D2位于发射线圈 D的正上方，且距离 Z保持在 5mm左右可以达到效率最大化。 在 WPC规格书里面有两种发射线圈 A1和 A5,如下图 图 11 带磁铁的 A1 和 A5线圈 线圈的中央有一个磁铁，当把接收器放在上面的时候因为磁力的作用会有一种吸附力，可以使接收线圈和发射线圈 更好对位，从而提高传输效率。 但后来发现这个磁铁的强磁场对接收设备有影响，所以不建议采用。 另外在产品结构方面也可以做些辅助对位措施，比如加一个卡扣或者凹槽之类的，或者在发射线圈正上方做一些明显的丝印符号 ，可以给用户一个提醒。
