2015电源设计研讨会：无线功率传输（2）

那么，我们现在来看一下 对于一个耦合电感来说 我们怎么来测试它的 怎么来得到它的一个耦合系数 以及它的一个互感量 那么，我们可以通过一个矢量网络分析仪 来测量原边的一个电感 和副边的一个电感 以及它在不同频率下的一个增益 那么左边这张图上 就是给出了一个不同增益下 它的一个增益 不同频率下它的一个增益 从中我们可以计算出两个互感的 这个接收端和发射端之间的一个耦合系数 以及它的一个互感 OK 那么下面就是给出了一个 实际的应用的一个框图 那么它包括了一个发射端 一个来驱动一个谐振的一个耦合电感 包括接收端 接收端就包括了一个整流 还包括了一个通信 以及后面的一个二次滤波，二次稳压 然后包括一个负载 负载基本上就是 大多数情况就下是一个电池 那么对于一个谐振的一个变换器来说 我们可以通过一个仿真的一个方式 来得到整个系统的一个工作的一个特性 那么，上面这种这个线路 就是我们一个 实际上一个5W的一个线路 它所用的一个参数 都是我们实际上的一个参数 那么，我们可以仿真在某个频率上它的一个特性 以及可以看到它 不同的一个耦合系数下，它的一个特性 那么左下面这种图是它的一个的幅频特性 我们可以看到在不同的 对于一定的增益，增益下 它的一个耦合系数越小 它的耦合系数越小 它的开关的一个频率会越低 那么开关频率越低的话 它对应的一个谐振的一个电压和电流就会越大 那么这整个系统的效率会产生 会影响整个系统的一个效率 那么右边这张图上 是给出它的一个时域的一个特性 那么输出电压，我们可以看到 在4.7V左右 那么其它的是各个点的一个波形 那么因为这个输出电压4.7V 是因为我们在某一个固定的 一个频率下仿真的一个结果 那么实际上，我们在实际的时候 我们通过反馈那么我们可以把输入 我们通过反馈那么我们可以把输入 把这个开关频率往低调一点点 就可以得到我们设定的一个 输出的5V的这样一个电压 那么这边的时候 这边这样的一个仿真 是一个压控振荡器 来模拟变频的这样的一个情况 我们可以看到就是 用这样的一个简单的一个仿真的方式 来看整个系统在不同频率下的 这样的一个工作波形 那么从中，从这些波形上我们可以看到 我们的设计思路合理 是不是 是我们设计的一个谐振点或者和谐振波形 那么下面是一个我们用的一个仿真软件 来对于，叫 FEMM 来做的一个有限元分析 那么这样的一个分析 主要是给出了一个整个系统 这个接收端的一个屏蔽 对整个系统的影响 我们可以看到这上面 这是一个铁氧体的一个屏蔽层 那么下面绿色的就是 它的一个接收端的一个绕组 下面就是 这个是发射端的一个绕组 以及发射端的屏蔽层 我们想象一下 没有那个接收端的那一个铁氧体的屏蔽层 我们可以看到 穿过副边绕组的所有的磁通 都会继续穿行 穿过你的电池包 穿过你的电路板 那么对于，所以在你的电池上会产生 因为电池包是一个金属的物体 它可以在电池上 电池上产生损耗 导致电池的温度上升 同时它还可能干扰你的电路板的一个工作 所以我们这个接收端的 那个屏蔽层是非常必要的 因为它的屏蔽层提供了一个 对于磁通来说 是一个低阻的一个通路 那么所有的磁通都会通过屏蔽层 基本上，绝大多数的磁通都通过屏蔽层来走 通过这个铁氧体屏蔽层来走 那么不会影响你的外部电路的一个工作 那么，这样的一个仿真还可以 仿真得到我们的一个绕组上的一个损耗 那么绕组上的损耗 我们仿真出来大概是0.32W 我们仿真出来大概是0.32W 那么，对于一个系统里面所有的一个损耗 存在的一个地方在于 那么发射端就包括了它的一个绕组上的损耗 那么它的一个桥上的一个损耗 那么控制方面的损耗 以及前面DC/DC的损耗 那么接收端的话 包括一个绕组损耗 包括整流管的损耗 包括 LDO 的损耗 以及控制方面的损耗 那么整个损耗加起来系统的最后 我们可以达到一个百分之 大概70%的一个效率 那么我们看一下实际的一个 WPC 其充电器的这样的一个设计考量 那么，它包括以下几个方面 一个就是反馈 第二个就是环路的一个，环路的一个响应 第三个就是一个异物检测 第四就是电磁干扰，电磁兼容 第五就是系统的一个效率 那么对于 这是一个 WPC 1.1的标准的 一个5W的一个设计实例 它是一个集成的一个绕组驱动 绕组驱动 以及一个微处理器，MCU 来做通信和频率调节 那么对于一个 Qi 充电器 它的一个协议的一个这样的一个标准是 首先就是发射端会产生一个磁场 那么磁场 如果接收端过来了 这个磁场会提供能量给接收端 让接收端开始工作 那么，发射端会等 会发现这个磁场会被干扰之后 会被东西干扰之后 它会发一个 PIN 这样的一个指令过去 等待接收端回应 那么如果接收端不回应 它就不会传递能量 如果一个有效的一个数据包发回来了 那么发生端开始传递能量 我们接收端会报告给发射端 它接收到的能量和需要的能量 那么发射端会根据接收端发回来的一个信息 那么调解它的一个开关频率 是增加输出能量 还是减小传递的一个输出能量 那么如果反馈丢失了 那么功率传输的过程也就停止了 那么这是一个它的一个 实际上的一个原理图 那么左下角这是一个数据包的一个构成 那么右边的 实际上一个是一个2k的一个负载 那么原边可以根据 根据这样的一个波形 来解调出我们的一个数据包 根据数据包的信息 做出相应的一个动作来 那么下面是一个 我们实验室里所做的一个测试 那么测试的意思 我们需要测试一个功率传递的一个波形 包括一个绕组的一个谐振 以及谐波的一些，谐波的一个内容 包括负载的一个响应 包括效率 包括接收端和发射端的一个通信 包括 EMC 和 FOD 检测 那么它所用到的仪器 包括一个矢量网络分析仪 包括一个示波器 包括差分探头 以及那个红外扫描仪 那么这里给出了一个5W的 一个时域和频域的一个测试的一个结果 那么，左边这张图是一个 耦合得非常好的这样的一个实验波形 怎么它原边的电压值是20V，开关频率170k 那么 gain 的话计算下是0.56 那么右边这张图是耦合的 就是绕组之间有位移 有偏移的这样的一个实验结果 那么原边的电压得到了40V，开关频率135k 那么 gain 的话,大概有 增益的话，0.509 那么因为我们的一个，开关频率越低的话 变低是更接近它的一个谐振点 所有我们看到 它的一个电流的波形其实会更正弦 会看起来会更漂亮一些 但是比较有意思的是 我们从频域上，从频谱上来看 它的一个谐波含量并没有明显的减少 那么我们认为它可能是因为 它的一个幅值更大了 虽然它看起来更正弦 但是它的谐波含量仍然会比较大 那么这里给出的是 就是我们所说的一个智能的一个调压的 这样的一个测试波形 那么这里我会稍微解释一下 这个智能调压的一个作用 那么我们可以看到当输出的一个负载 从250mA到2A了之后 我们的输出电压会有意地 会把它输出电压会抬高一些 会抬高一下 那么这样做的好处是 我们下面会讲到 这样做的一个好处 那么这样做的好处是 因为我们空载的时候 我们不需要担心它的一个输出 后面 LDO 所产生的一个损耗 因为电流为零 即使输出电压高一些 那么它也不会在 LDO 上产生，产生损耗 所以热不会是个问题 那么 LDO 会保证它接到电池的电压一定是5V 那么，LDO 前面 实际上，我们有意识地提高了一个到一个6V或者7V 这个做的原因是因为 我们这整个反馈是通过 一个数据包传递的这样的一个方式 它的反馈速度会比较慢 当你的负载突然，突然加重的时候 那么这样的一个电压会提供更多的一个 更多的能量给系统的反馈 再争取更多的一点时间 那么下面是一个我们的一个 输出动态的负载的一个特性 它是一个12V发射端和5V发射端的 一个电压和一个电流波形 和输出电压的一个波形 那么我们可以看出 它的输出电压表现的特性 基本上是一样的 它经过了大概7个周期 输出电压会重新稳定下来 那么下面是一个0到250mA load 的一个 测试的一个波形 那么它的接收端是一个我们 BQ5702 所做的一个发射端 那么接收端是一个 BQ51013 所做的一个发射端 那么它所做的0到250mA这样的一个负载 那么这里的动态 我们可以看到这里的动态其实会50mV一格 那么动态其实会非常的好 那么它需要后面的 LDO 和输出的电容来承受 那还不 并不需要反馈到原边 由发射端来进行调节 那么这边是给出了一个 因为我们在大多数应用的时候 体积可能会是一个比较大的 一个考量的因素 那么这个时候我们可以把发射绕组 或者说接收绕组 做到一个 PCB 里面去 那么这张图里就给出了一个 PCB 的绕组 和一个，实际的一个利兹线的绕组 对于系统效率的一个影响 那么，那么我们从中可以看到 那么它们之间的一个效率差 可能达到一个百分之十几的一个效率差 那么 PCB 绕组 它可以达到一个最小的一个空间的一个要求 那么但是它的效率会带来影响 那么下面就是给出了一个 刚才用 PCB 绕组的一个5W的充电器 它的一个X-Y方向的一个 一个效率测试值 那么我们可以从中可以看到 绿色的是可以找到比较好的一个效率的 那橙色的就是效率比较差的 那红色的就是基本上 我们没有办法传递能量的一个区域 那么橙色的效率比较差 那么它的一个损耗和它的电压应力 都会比较大 那么这个点的话就需要稍微注意点 那么，对于 EMC 因为任何一个设计都需要通过 EMC 的测试 那么 EMC 的话 我们可以从中可以看到 我们通过一个屏蔽的方式 来提高 EMC 的一个性能 那么左下角是一个没有加屏蔽的 一个原始的一个测试 那么，从中 右下面是一个加了屏蔽测试的一个结果 从中我们可以看到 加了屏蔽是可以有效的一个 可以有效提高的 提高 EMC 的这样的一个性能 下面就是一个比较重要的一个 一个问题 就是叫异物检测 因为当一个金属 如果放在发射端和接收端之间的话 会因为有磁通穿过这个金属 会在金属表面产生涡流损耗 那么产生的这个损耗会 首先会在不同金属下 会产生一个比较高的温升 那么根据金属的一个不同 那么这些外面的一个 它的温度可能达到比较高 比较，轻易地比较达到60度 左下角这张图上 就给出了一个不同的铝铜铁银 这三种，这几种 几种金属在不同损耗下所带来的一个温升 那么，从这张图里面就给出了我们 实际上一个异物检测的一个处理的一个办法 那么首先我们是有意地 把这个整个系统的一个损耗的一个门槛值抬高 让有异物进来的时候 整个系统仍然保持着一个恒功率的一个输出 那从上面这张图上可以 结合上下两张图上可以看出 当有异物一个危险进来的时候 它的一个损耗有1.3W 那么输出的一个 发射的一个损耗 大概8.5W 那么异物去掉了之后 那么损耗降下来 那么实际上应用的时候 我们可以通过设置 适当的一个损耗门槛值 当有异物来临带来的一个额外的损耗 超过这个门槛值的时候 那么系统会自动的一个 自动把这个 把这个工作过程停止掉 这样来保证整个系统的一个正常工作 ok 下面就是 我们看一下这个无线充电的一个 一个示意图 那么对于有线来说 它是前级一个充电器连接后面的一个 你的一个需要充电的一个设备 对于无线来说 那么 它前级是一个各种 支持各种模式的一个 传输的一个发射器 那么后面是你的接收端需要 同样的需要一个支持这样的一个协议的 一个标准的接收端 那么它不需要通过线来连接 就可以给你的设备进行充电 那么最后也是 summary 一下今天的一个结果 首先我们可以看到无线充电技术 其实已经取得一个非常快速的一个发展 那么尤其当有线不方便或者危险的时候 那么无线充电就显得非常的有效和可靠 那么无线充电的一个标准的建立 会促进整个一个无线充电市场的一个发展 那么以及可靠性 以及可靠性 那么，比较有趣的是 你开发一个无线充电的设备 其实并不需要符合任何一个标准 但是你的 EMC 你的 safety 需要满足标准 然后其它的东西 你不需要满足现在的一个标准 但是符合标准的好处是 它可以对你市场好 对你自己的一个充电器的一个市场化 一个性能及可靠性 都会对 以及市场对你的一个信心 都会产生一个积极的影响 那么，最后就是设计一个无线充电器 是一个比较复杂的一个过程 需要你对无线充电的一个理论 有一个深入的一个了解