為無線電源系統(tǒng)設計一款符合 Qi 標準的接收機線圈

為了方便理解 Rx 線圈電感的性能，除 L′S 和 Ls 建議測量方法以外，表 2 還對其他參數(shù)進行了定義說明。當測量涉及電池時，電池的放置應與其在最終系統(tǒng)中的方向/位置相同。請注意，最終工業(yè)設計中所使用的材料也可能會影響最終電感測量結果。因此，當對調諧電路進行配置時，最終測量應使用最終移動設備工業(yè)設計的所有組件。表 1 所列測量用于屏蔽和驗證可能的 Rx 線圈。

表 2 開發(fā)期間需要測量的 Rx 線圈電感參數(shù)

表 3 總結了一個可接受型線圈設計的測得電感，以及使用固定串聯(lián)和并聯(lián)諧振電容的諧振頻率。這里，L′S_b 用于電容計算。(詳情參見下一小節(jié)“Rx 線圈調諧”。)請注意，它們可能會以L′S的百分比線性變化，并可用作原型線圈驗收的一種參考。

表 3 舉例線圈測得電感

Rx 線圈調諧

簡化版 Rx 線圈網(wǎng)絡由一個串聯(lián)諧振電容 C1 和一個并聯(lián)諧振電容 C2 組成。這兩個電容組成了一個使用 Rx 線圈的雙諧振電路(參見圖 9)，其大小尺寸必須根據(jù) WPC 規(guī)范來正確選擇。

圖 9Rx 線圈的雙諧振電路

若想計算 C1，L′S 時，諧振頻率需為 100 kHz：

若要計算 C2，Ls 時，次級諧振頻率需為 1.0 MHz。計算要求首先確定 C1，然后代入方程式 7 計算：

最后，品質因數(shù)必須大于 77，其計算方法如下：

其中，R 為線圈的 DC 電阻。

Rx 線圈的負載線分析

在選擇某個 Rx 線圈時，設計人員需要通過負載線分析(I-V 曲線)比較主級線圈和 Rx 線圈，從而了解變壓器特性。這種分析可獲得 Qi 標準系統(tǒng)的兩個重要條件：(1)工作點特性;(2)瞬態(tài)響應。我們將在后面具體討論。

工作點特性

圖 10 負載線分析測試裝置

圖 10 顯示了負載線分析的一個測試配置例子，其參數(shù)定義如下：

VIN 為一個 AC 電源，其擁有 19V 峰值到峰值運行能力。

CP 為主級串聯(lián)諧振電容(A1 型線圈為 100 nF)。

LP 為主級線圈( A1 型)。

LS 為次級線圈。

C1 為受測 Rx 線圈所用串聯(lián)諧振電容。

C2 為受測 Rx 線圈所用并聯(lián)諧振電容。

CB 為二極管橋接的大容量電容。25V 時，CB 應至少為 10 µF。

V 為開爾文連接電壓表。

A 為串聯(lián)安培計。

RL 為相關負載。

二極管橋接應由全橋或者同步半橋肖特基二極管以及低側 n 型 MOSFET 和高側肖特基構成。分析共有三個測試程序：

1、 向 LP 提供 19V AC 信號，開始頻率為 200kHz。

2、 從無負載到預計全負載范圍，對所得整流電壓進行測量。

3、 降低頻率，不斷重復前兩個步驟，頻率降至 110kHz 時停止。

圖 11 顯示了一個負載線分析舉例。該圖表明，不同的負載和整流器條件，產生不同的工作頻率。例如，1A 時，動態(tài)整流器目標為 5.15V。因此，工作頻率介于 150kHz 和 160kHz 之間，其為一個可以接受的工作點。如果該工作點超出WPC 規(guī)定的 110 到 205 kHz 頻率范圍，則系統(tǒng)無法收斂，并會變得不穩(wěn)定。

圖 11 示例負載線分析結果

瞬態(tài)響應

進行瞬態(tài)分析時，有兩個重要的點，如圖 11 所示：(1)諧振頻率(175kHz)下的整流器電壓;(2)恒定工作點時從無負載到全負載的整流器電壓下降。

本例中，諧振電壓為 ~5 V，其高于芯片的 VUVLO。因此，可以保證 Qi 標準系統(tǒng)的啟動。如果該頻率下電壓接近或者低于 VUVLO，則可能無法啟動。

如果最大負載步進為 1A，則圖 11 中，140-kHz 負載線情況下，電壓為 6V 時，本例的壓降為 ~1 V。要對這種壓降進行分析，無負載時 7V 啟動的 140-kHz 負載線，需達到預計最大負載電流要求。壓降為負載線兩端電壓之差。選定工作頻率下可以接受的全負載電壓應高于 5V。如果低于 5V，電源輸出也會降至這一水平。由于 Qi 標準系統(tǒng)的反饋響應較慢，因此進行這種瞬態(tài)響應分析是必要的。這種分析，可以模擬系統(tǒng)未對諧振變壓器工作點進行調節(jié)時可能出現(xiàn)的瞬態(tài)特性。

請注意，主級線圈和次級線圈之間的耦合，會因 Rx 線圈對準誤差而變得糟糕。因此，我們建議，在存在多種對準誤差的情況下對負載線進行多次分析，以確定平面空間中 Rx 是否會中斷運行。

結論

本文說明了我們可以運用傳統(tǒng)的變壓器基本原理，簡化無線充電系統(tǒng)的 Tx 線圈設計。但是，通用性和移動設備的特性，也使標準磁學設計方法出現(xiàn)一些獨特的變化。仔細閱讀和理解前面我們介紹的線圈設計內容，可以增加您一次成功的機率。我們介紹的一些評估方法，可以讓您非常有條理地規(guī)定和描述一種定制 Rx 線圈。