2015电源设计研讨会: 无线功率传输(1)

大家好 我是德州仪器应用工程师张亮 今天我们会来看一下无线充电的 设计方面的一些考虑 那么我们知道 随着智能手机的一个发展 那么无线充电因为它的一个便携性 得到了越来越广泛的应用 那么在大功率场合 由于电动汽车的产生 那么无线充电在大功率场合 也会有了一定的应用 也会有了一定的应用 那么今天我们会主要来看一下 无线充电的一些原理 然后会看一下我们的一个 在5W的一个手机 从5W的一个充电场合的一些标准 一些设计方面的一个考虑 一些设计方面的一个考虑 那么今天内容主要包括四个方面 首先我们会简单的介绍一下 电磁方面的一些基础知识 以及功率传输的一个方式 包括近场和远场这样的一个方式 那么第二个部分 我们会看一下 现在已经存在的一个无线充电的一个标准 那它包括了 WPC，PMA 和 A4WP 3种标准的一个比较 然后我们还包括了一个无线充电的一个 电磁安全方面的一个考量 那么第三部分我们会看一下 它的一个工作原理 一个非紧密耦合的一个绕组 那么如何有效的来传递能量 最后我们会给出一个5W的一个设计实例 那么从中包括一个接收端和发射端之间的通信 然后一个智能一个电压的一个设定 以及它的一个动态的一个调节 包括它的 EMI 和效率的一个测试 然后还有一个重要的功能 就是异物检测这样的一个功能 那么最后给出一个是一个单绕组的5W WPC 标准的一个设计实例 那么我们首先来看一下无线充电 这样的一个大事记 历史发展的一个大事记 从1820年开始 奥斯特发明了一个电流和磁场的一个关系 它是一个电对到磁 电流对磁场之间的关系 到1831年，法拉第和赫兹 发生了一个电磁互感，电磁感应 也就是磁产生电这样的一个现象 到了1834年楞次就发明了一个电子变压器 到1864年，麦克斯韦就是综合了 前人的一个所有的一个成果 那数学上建立了电磁辐射的一个模型 到1891年到1917年 特斯拉对于一个实际的一个 谐振功率传输的应用 实际应用 做了大量的一个贡献 申请了无数的发明和专利 到了2007年 那么由马林教授在实验室里用了一个两米的 在两米的距离 用了两个60厘米直径的一个线圈 在两米的距离 这个这样的一个距离下面 做了一个60W的一个电源 达到了40%的效率 到2008年09年就是 我们成立了一个 WPC 的标准 它对一个5W的一个无线充电的 一个这样的一个应用 制定的标准 那么对于无线充电 它一定是一个电磁波的一个传递的一个过程 那么无线充电的能量 无线能量的一个传递 包括了近场和远场 远场就是通过一个电磁辐射的方式 它可能通过激光以及微波来传递能量 那么近场的话它是通过一个电磁感应 那么又分为磁场感应和和电场感应 那么磁场感应又分为磁感应和磁谐振感应 那么右下面这张图里面给出了 一个双极型天线和环形电线 的一个波长的一个阻抗 那么对于一个 它的纵坐标是代表它的一个距离 横坐标代表它的一个阻抗 它的阻抗等于它的电场除于一个磁场强度 那么当我们定义近场和远场是 对于一个波的一个波长来定义 通常认为大于一个波长的称作远场 那么小于一个波长的称之为近场 那么在近场的话 我们今天只看就是 1/2*pi 的波长范围内 这样一个范围的一个特性 在 1/2*pi 到1之间，称为菲涅尔区域 那么这个区间有感应和辐射两种同时存在 那么在 1/2*pi 这个范围之内 我们通常认为是互感是占主导地位 那么现在的一个无线充电的一个标准 包括 WPC 也就是我们最常见的一个 Qi 充电器 包括 WPC 也就是我们最常见的一个 Qi 充电器 那么还包括 PMA 和 Alliance 就是 A4WP 那么这三种标准各个有各自的应用场合 Qi 充电器一般是一对一的一个充电 那 PMA 基本上会一个发射端 可以支持多个接收端的充电 那么 PMA 这个 demo 已经在在国外一些公共场合 比如星巴克这样的场合里面 它会嵌到这个星巴克的桌子里面 可以同时支持多个接收端的一个充电 A4WP 现在还没有一个正式的一个 demo 出来 现在的一个最新的一个情况 就是 A4WP 和 PMA 已经合并了 那么它成为一个标准 那未来的一个所有的一个接收端 它可以 我们设计的一个无线充电的一个发射端 它应该会同时支持 WPC 和 PMA 两种标准 那么所以对于接收端来说 无论哪一种发射端 都可以给我的手机来充电 那么除此之外 我们还有一个安全方面的一个考量 那么国际非电离无线电保护委员会 那么就制定了一个无线充电时候 它的一个磁场电场以及电流密度 这样的一个标准的一个标准值 就是限制值 那么我们从右边这张图上就可以看出 一个磁场的强度的一个标准曲线 我们在根据这个协会的一个研究成果 当我们这个测试的一个磁场强度 在低于这个标准线内 我们认为对人的健康 不会产生太大的一个影响 那么对于一个电磁波的一个光谱来说 那么在一个离子化的我们从左面这张图上 我们可以看到一个非电离化到电离化 那么电离化的一个 电离化的一个这样的范围是一个高频范围 包括紫外线，X光和伽马射线 那么这个频率的一个射线，一个波 会破坏人类的一个 DNA 对人的健康产生影响 那么我们现在所有的一个无线充电的一个标准 都是工作在低频 那么不会对人的健康产生影响 那么我们再看一下这个 电磁波的一个工作的原理 那么这张图上就给出了一个麦克斯韦方程组 它包括了高斯定律 就是高斯的一个电的一个定律 它揭示了一个闭合空间的一个电压 跟这个空间所承受的、所累积的一个电荷成正比 那么第二个公式就是高斯的一个磁场定律 那么它揭示了一个闭合的一个空间 它所有流过的、经过一个闭合的空间 所有的磁通最后是为零的 因为磁力线是一个闭合的曲线 有多少磁力线进入一个空间 就一定有多少磁力线穿出去 那么第三个公式叫麦克斯韦-法拉第定律 它就揭示了一个变化的一个磁场产生电场 那么最后一个公式是安培-麦克斯韦定律 它揭示了电流和变化的磁场 正比于流过它们的一个 它的一个曲线的一个磁场 正比于流过它的一个电流 以及它的一个位移电流 那么下面我们看一下 就是一个耦合线圈的一个自感和漏感 那么左边这张图上是给出了一个 物理上面的一个示意图 那么右边是一个电气方面的示意图 我们可以看到 左边一个大的线圈是发射端那个线圈 它只有一部分的一个磁通 耦合到接收端来 那么这部分的一个磁通的变化 就会在接收端产生 产生接收端产生电压 那么它的一个接收端电压就跟流过它的一个电流 以及它的一个互感系数有关系 那么我们再看一下一个功率的一个传输 有线和无线的 那么有线的话很简单 它是一个电阻上所消耗的功率 等于它电阻上的一个电压平方除以电阻的本身 那么如果对于一个理想变压器来说 耦合系数等于一 那么只需要把耦合的一个 这个匝比考虑进去就可以了 而对于一个非理想的一个变压器 就耦合系数远小于1的 这样的一个耦合 那么我们可以把这样的一个 这样的一个情况等效成右边这幅图 这个线路 那么我们从中可以看到 它的耦合系数越小 它的漏感越大 它的一个寄生电感越小 它的匝比也越小 所以它耦合过来的一个 等效过来的一个实际的一个阻抗 负载阻抗，也会越小 那么我们从中可以看到 如果耦合系数很小的话 那么它的漏感非常大 接收电感和折射过来的实际的负载都非常的小 那么有效传递到输出的功率就会非常的小 那么整个系统的效率就会变得非常非常差 那么为了解决这个问题 那么我们就不能把这个漏感 单纯的作为一个损耗的一个器件 我们需要把漏感引入到功率传递的 这样的一个过程中来 那么我们知道 对于一个谐振变换器来说 漏感或者说谐振电感 是参与到功率传递的过程中来的 那么所以我们在实际的应用中 我们会使用谐振的方式 来利用漏感 来进行功率的这样的一个传递 那么说到谐振的一个方式 我们来看一下谐振的一个线路 那么上面就是一个串联谐振 下面是一个并联谐振 那么谐振电路的话 有一个右边是它的一个特性曲线 那么谐振电路一个参数叫品质因素就是 Q Q 的物理意义在于谐振前所储存的能量 除以它的一个损耗的一个能量 那么 Q 值越大 那么整个传递的损耗会越小 那么传递的一个功率会越大 那么从右边这张图上可以看出 Q 越大 那么它的这个增益的那个越陡 那么频率的一个精度 就对系统的一个反馈就会要求越高 因为带宽可能会要求更高 因为它的频率的变化的一点点频率 就会在增益上引起比较大的变化 那么频率变化的精度就会越高 下面我们再看一下就是集肤效应和邻近效应 它所带来的一个损耗 对于一个理想 对于一个实际的一个电感来说 它的一个等效的一个线路 可以从这张图上可以看到 它包括它的一个 DC 的阻抗 它的 AC 阻抗 以及它的一个寄生的一个电容 那么我们知道高频的一个电流 它会尽量的 流过一个导体的时候 会在到导体的表面形成一个 形成涡流 就是所谓的集肤效应 那么邻近效应 就是在临近的导体上产生损耗 产生电流来产生损耗 那么我们从下面的一个等效公式来看 它的 AC 它的一个 AC 阻抗 就等于它的一个感抗除以 Q 值 那么所以 Q 值越大 它的 AC 阻抗越小 它的效率会越好 它的效率会越好 所以我们认为 Q 值越大 对整个系统的效率会带来更好的影响 那么下面是一个典型的5W的一个 发射端和接收端的一个绕组的一个阻抗 那么 Q 我们从中可以看到 原边一个 Q 值是100 那么它的交流阻抗176毫欧 那么接收端的 Q 是2.3 它的交流阻抗515毫欧 那么我们知道 Q 越大 它的交流阻抗会越小 但是 Q 值也不可能无限的大 因为 Q 值越大 它的那个所用的线需要越多 它整个系统的成本会越高 那么对于可持式这样的一个设备来说 你需要兼顾体积和成本的要求 那么设计出一个满足性能要求的一个线圈 就显得比较重要了 那么我们再来看一下原边电流 对于一个效率的一个影响 因为我们知道效率 不光跟它的一个交流的阻抗 或者说跟系统的一个阻抗有关系 跟原边的电流也有关系 那么原边的电流的话 我们可以 首先我们可以将系统的一个阻抗 通过这样的一个等效的一个表达式 得出一个阻抗的公式 我们知道半桥式的一个谐振变换器 它的一个节点的一个电压是一个方波 是一个50%占空比的方波 我们对这个方波进行这个傅立叶变换 傅立叶变换之后 得出了一个它的一个基波 那么用基波除以我们的一个阻抗 就得到了一个频率和一个谐振电感 谐振电流这样的一个曲线 那么我们从中可以看到 这是一个在不同耦合系数下面的 得到了一个曲线 那么耦合系数越小 它的一个谐振的电感 谐振的一个电流就会越大 那么它整个系统的损耗就会越高 那么效率就会越低 下面我们看一下就是 接收端和发射端不同大小的接收端 对于一个效率的 对于一个耦合 磁耦合效率的一个影响 这张曲线上给出了一个 接收端的绕组在等于发射端绕组 以及各种比例的一个接收端绕组的 以及各种比例的一个接收端绕组的 一个耦合的一个折合的效率 从中我们可以看到 当接收端等于发射端的时候 那么它的水平位移 它的垂直位移即使会比较大 它的耦合效率依然可以做的比较好 那么从这一点上可以看出来 它的一个垂直距离就等于它的直径的时候 那么它的耦合系数仍然可以达到60% 那么这里面是给出了一个水平位移 对它的一个影响 那么这是两个32mm的一个 绕组之间的耦合 那么我们从中可以看到 当没有横向位移的时候 当没有横向位移的时候 那么左边这张图上给出了 一个水平的一个偏置和那个和两个绕组之间距离 对耦合系数产生的影响 当没有水平位移的时候 当距离为2mm的时候 耦合系数基本上为1 那么右边这张图上给出了一个 系统的一个 Q 值 对这个磁通效率的一个影响 那么我们可以从中可以看到 当 Q 等于100的时候 就是它的耦合系数0.2 它是一个磁通耦合的一个效率 仍然可以达到90%左右 所以我们 首先我们需要明白 Q 值是指整个系统的一个 Q 值 就是原边 发射端和接收端的一个均方根值 那么 Q 值受它的一个集肤效应和邻近效应的影响 因为集肤效应和邻近效应 对它的一个绕组的一个 AC 阻抗 决定了绕组的一个 AC 阻抗 那么一个比较高的 Q 值 那么可以补偿它的一个比较差的耦合 因为从中可以 从这上面的一个曲线 可以这幅图的曲线可以看到 那么 Q 值100的时候 即使它的耦合系数比较小 即使它的耦合系数比较小 它的磁通的一个效率仍然是比较好的 那么当然我们就像之前说的那样 一个高的 Q 值 对于整个系统的一个带宽 需要有着更高的要求