擴展無線電力傳輸以實現更高的功率傳輸

擴展無線電力傳輸以實現更高的功率傳輸

在過去十年中，無線電力傳輸功能已在各種商業、工業和汽車應用中得到廣泛采用。市場趨勢正在轉向需要更高功率充電的電池供電產品。需要充電的產品數量在增加，對快速充電、大容量電池的需求也在增加。

無線充電設計現在可以提供比手機和可穿戴市場所需的功率高得多的功率?，F代手機的功耗可達 50 W，但由于熱限制，使用時間非常有限。另一方面，真正的高功率應用，如筆記本電腦、平板電腦、便攜式廚房電器、電動工具、機器人和無人機以及輕型電動汽車，可以維持更高的功率輸出并長時間充電。

然而，超出 Qi 擴展功率配置文件 (EPP) 的更高功率設計通常被認為復雜且成本高昂，因為標準仍在不斷發展，導致互操作性和共存問題。討論多的挑戰與 IEC-62368 對消費類便攜式設備的觸摸溫度限制的安全要求有關。除了高效的充電子系統之外，這還意味著需要動態異物檢測 (FOD) 功能，以確保在整個負載范圍內（包括瞬態）充電的同時提供保護。因此，發射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 之間穩健的通信協議也成為此類大功率充電的基本要求。

為了滿足更高功率無線充電的這些嚴格的系統和法規要求，英飛凌開發了范圍廣泛的高度集成的無線充電 IC。其中包括帶有片上 32 位 ARM Cortex-M0 處理器的 USB-PD/PPS 接收器、128-KB 閃存、16-KB RAM 和 32-KB ROM。它們還配備了各種模擬和數字外圍設備、集成柵極驅動器和 DC/DC 控制器。這些 IC 與基于英飛凌高功率充電協議的系統解決方案和軟件堆棧一起提供，具有獨特的識別和可配置的保護功能，以維持安全的高功率充電環境。除了專有模式，英飛凌的WLCx 系列產品還支持的無線充電聯盟 (WPC) Qi EPP (≤15 W) 規范1以實現兼容和可互操作的解決方案。

在接下來的部分中，我們將概述典型的無線電力系統和設計熱管理解決方案的一些見解，深入探討線圈設計并概述英飛凌的解決方案功能和幾個應用來解釋原因無線充電是任何環境下大功率產品的合適和方便的選擇。

無線電力系統和設計考慮

無線電源系統是獨特的電源管理解決方案，包括混合信號模擬和數字傳感、通信電路以及 AC 和 DC 電源轉換級，重要的是，軟件堆?？稍?Tx 和 Rx 端之間提供可靠的握手。圖 1 中的框圖顯示了典型高功率感應無線系統的主要功能塊。

圖 1：無線電力系統框圖

在圖 1 中，輸入電源將是基于 USB-C（PPS 或 PD）的直流電源或固定軌電壓電源。該電源可直接傳遞至中間 DC/DC 穩壓器或由其轉換，以為 DC-AC 電源逆變器供電。逆變器使用 LP和 CP串聯諧振回路產生交變磁場，以將電力傳輸到接收器。在系統的接收側，串聯諧振元件 LS和 CS將輸入磁場轉換為電流，大功率整流器將交流電流轉換為直流電壓。，輸出穩壓器用于為負載提供穩定的直流電壓，負載可以是產品或電池充電器的特定工作功能。

典型的無線電力系統 (≤15 W) 有幾個附加項以符合高功率解決方案 (>15 W) 的要求。首先是提高磁體性能的需求增加，以減少功率損耗和傳輸過程中由于功率損耗而產生的相關熱量。大功率設計的附加指南將包括額外的安全和程序，以防止假冒設計產生或提供大功率。同時，它將確保適當的 FOD 機制到位，以安全有效地向接收器及其負載提供高功率。大多數終端產品將使用 Rx 輸出為電池充電；然而，可以有獨立的應用程序，例如泳池照明和衛洗麗，其中無線電源只是在沒有電池的情況下為負載供電的方式。

更好的熱管理設計：冷卻選項

有人擔心高功率無線系統的發熱和效率可能會阻礙或延遲滿足安全要求。盡管如此，這些仍然可以通過設計散熱和優化效率來緩解。圖 2 顯示了 Tx-Rx 耦合感應式無線充電器的完整疊層，以更好地理解熱捕獲和冷卻的途徑。

圖 2：典型無線充電系統的疊層

PCB 的物理結構也會影響系統的工作溫度。連接到功率元件的銅表面區域和電路板厚度將影響終工作溫度。由于較低的熱阻和較大的面積，較薄的 PCB 設計將在內層之間傳遞更多的熱量。與銅層之間具有更多電介質 FR-4 的較厚 PCB 相比，設計較薄的 PCB 將提高熱性能。其他解決方案包括添加風扇以強制氣流穿過電路和接口（圖 3）。如果使用強制空氣，通過設計凹槽以便空氣可以流過或使用允許空氣自由流動的半多孔材料，在界面中提供隧道或氣流通道是至關重要的。

圖 3：利用通道允許來自 Tx 的接口處的氣流的示例

在不斷發展的更高無線功率市場的這個階段，常見的應用是手機。某些手機的功耗可達 50 W，但持續時間非常有限。隨著新興市場的形成，筆記本電腦、機器人和其他類似的大功率應用將能夠無限期地維持電力輸送。此外，由于充電座和設備通常非常小，如果不使用風扇將較熱的空氣從產品界面（測量觸摸溫度的地方）移走，高功率耗散將是一項挑戰。

圖 3 顯示了如何創建空氣通道以允許強制空氣通過 Tx 電路并到達接口，它可以在不干擾接口間距或功率傳輸的情況下冷卻兩個線圈?？諝鈴?Tx 側吸入，Tx 和 Rx 上設計了空氣通道以具有更大的表面積。這樣，接口處的壓力就會降低，所有強制空氣都會在接口處排出，從而同時冷卻 Tx 和 Rx 線圈。

更好的熱管理設計：提高線圈效率、布線

在感應式無線充電系統中，突出的熱問題之一是磁性本身。因此，提高效率的主要思路是使用質量更高的 Rx 線圈。例如，與多股線或 PCB 線圈相比，具有納米晶屏蔽層的李茲線線圈可以顯著降低界面溫度。通常需要在成本和性能之間進行權衡，其中性能優異的利茲線 Rx 線圈設計往往是昂貴的，而 PCB 型線圈成本較低且效率。

納米晶屏蔽將在更薄的材料中產生高飽和水平，并且與標準的燒結鐵氧體磁芯相比性能更優越。使用 PCB 型線圈時，使用較重的銅箔（即 2 盎司或 4 盎司銅，而不是大多數柔性 PCB 基板上的標準 0.5 盎司）是有益的。因為這些導體承載高電流并且通常相對較大，所以它們用作散熱器和電流導體。因此，一項基本的緩解技術是將大銅層連接到 Tx 和 Rx 線圈觸點以及其他發熱源，例如功率 MOSFET、電感器和 IC。在這種情況下，重要的是要包含大量的銅平面區域，以吸收電子設備功耗產生的熱量。

圖 4 顯示了 WLC1x 高功率四層 Rx[1]PCB 的布局，其中顯示 Rx 線圈觸點具有多個縫合在一起的平行平面和多個過孔，以使用每個平行平面傳輸電流和熱量。所有交流載流節點（LC，或LS和CS，公共連接節點以及 AC1 和 AC2 節點），如圖 1 所示，應用于在大功率設計中傳遞熱量和電流。請注意，線圈觸點（頂層，黃色觸點）連接到 LC 節點上的所有四層和 AC2 節點上四層中的三層。此外，AC1 在空間允許的情況下復制到四層中的三層。通過多個平行通孔，這些技術可以顯著降低熱阻。因此，與這些節點接觸的所有組件的工作溫度都較低。還應注意，每個整流器 MOSFET 在漏極連接焊盤/引腳中都有一個由九個熱和電流傳輸過孔組成的陣列。

圖 3 顯示了如何創建空氣通道以允許強制空氣通過 Tx 電路并到達接口，它可以在不干擾接口間距或功率傳輸的情況下冷卻兩個線圈?？諝鈴?Tx 側吸入，Tx 和 Rx 上設計了空氣通道以具有更大的表面積。這樣，接口處的壓力就會降低，所有強制空氣都會在接口處排出，從而同時冷卻 Tx 和 Rx 線圈。

更好的熱管理設計：提高線圈效率、布線

在感應式無線充電系統中，突出的熱問題之一是磁性本身。因此，提高效率的主要思路是使用質量更高的 Rx 線圈。例如，與多股線或 PCB 線圈相比，具有納米晶屏蔽層的李茲線線圈可以顯著降低界面溫度。通常需要在成本和性能之間進行權衡，其中性能優異的利茲線 Rx 線圈設計往往是昂貴的，而 PCB 型線圈成本較低且效率。

納米晶屏蔽將在更薄的材料中產生高飽和水平，并且與標準的燒結鐵氧體磁芯相比性能更優越。使用 PCB 型線圈時，使用較重的銅箔（即 2 盎司或 4 盎司銅，而不是大多數柔性 PCB 基板上的標準 0.5 盎司）是有益的。因為這些導體承載高電流并且通常相對較大，所以它們用作散熱器和電流導體。因此，一項基本的緩解技術是將大銅層連接到 Tx 和 Rx 線圈觸點以及其他發熱源，例如功率 MOSFET、電感器和 IC。在這種情況下，重要的是要包含大量的銅平面區域，以吸收電子設備功耗產生的熱量。

圖 4 顯示了 WLC1x 高功率四層 Rx[1]PCB 的布局，其中顯示 Rx 線圈觸點具有多個縫合在一起的平行平面和多個過孔，以使用每個平行平面傳輸電流和熱量。所有交流載流節點（LC，或LS和CS，公共連接節點以及 AC1 和 AC2 節點），如圖 1 所示，應用于在大功率設計中傳遞熱量和電流。請注意，線圈觸點（頂層，黃色觸點）連接到 LC 節點上的所有四層和 AC2 節點上四層中的三層。此外，AC1 在空間允許的情況下復制到四層中的三層。通過多個平行通孔，這些技術可以顯著降低熱阻。因此，與這些節點接觸的所有組件的工作溫度都較低。還應注意，每個整流器 MOSFET 在漏極連接焊盤/引腳中都有一個由九個熱和電流傳輸過孔組成的陣列。

圖 4：WLC1x 交流節點布局示例，使用平行平面分布熱量和降低電阻

共存設計：更高功率，向后兼容 Qi

事實上，有幾個因素會影響 Tx 和 Rx 感應電力傳輸系統的選擇或設計標準。為了簡化這個問題，我們建議從標準WPC定義的擴展功率線圈（或線圈，例如MP-A2或MP-A11）開始，然后匹配諧振槽設計規范以保持與標準Qi Rx設備的兼容性和便于提供高功率。事實證明，這些線圈可與互操作性平臺 (IOP) 一起正常運行。由于采用大規格利茲線，載流能力足以提供更高的功率，而不會在線圈或大型鐵氧體屏蔽中引入過多的功率損耗。選擇其中一個標準線圈或根據特定系統要求進行一些小的修改后，應開始 Rx 線圈的設計（對于配對系統）。

當解決方案需要創建自定義線圈時，應注意，當組合氣隙（Rx 和 Tx 接口高度或線圈到線圈面對表面的空間）在 3 到 8 毫米之間時，無線電源系統表現出性能，取決于終的幾何形狀。這將有助于確保耦合系數介于 0.5 和 0.85 之間，這是感應無線電力系統的點。因此，當 Tx 和 Rx 線圈電感保持在彼此大約 ±25% 的范圍內時，這使設計能夠滿足適當的互感值。此外，它確保增益曲線既不太陡也不太淺，以致在整個工作電壓和頻率范圍內允許適當的功率調節步驟。

利用諧波近似 (FHA) 分析，可以對許多參數和大多數操作模式進行建模和仿真。Infineon 的高功率 Tx 設計指南2包括必要的推導、推薦模型和全面的系統設計指南。例如，本設計指南可用于創建圖 5 中所示的圖形。在此圖形中，典型的 Tx 線圈功率與頻率斜率的關系表明增益如何響應工作頻率的變化。為了對 Rx 側的頻率（或電壓）變化做出可預測的響應，使用漂亮的線性曲線。然而，對于相同的頻率步長，陡峭的曲線或指數曲線會產生可變的功率電平變化，這會使控制回路更加復雜。

圖 5：具有 20V 輸入和輸出的感應無線電源系統的典型功率與頻率曲線

查看圖 5 并考慮 MP-A2 無線電源 Tx 規范，我們發現工作頻率范圍限制在 110 至 148 kHz。通過檢查曲線，很明顯，在此范圍內，響應隨頻率變化呈線性變化，同時為 Rx 提供充足的功率。將此作為設計計算器2的目標，使用 FHA 仿真有助于線圈設計，而無需運行復雜的磁學仿真（盡管這些仿真始終受到鼓勵）。使用 Tx 設計指南后，可以使用以下指南在模擬或設計計算的同時生成 Rx 線圈原型，以加快設計階段并開始縮小終磁性設計的范圍：

Tx 和 Rx 線圈幾何形狀（內徑/外徑）應在彼此的 ±25% 范圍內。

匝數應相似（±3 以內）。

自由空氣電感應在彼此的 ±20% 范圍內。

Rx 屏蔽應該是納米晶體或斷裂鐵氧體類型，并且盡可能厚（多 2 毫米就足夠了）。

相對磁導率 (μr) 應在 500–900 范圍內。

交流和直流電阻應化。在 PCB 上使用利茲線、多股導線或寬/厚銅箔可以增加導體的“皮膚”量。

理想情況下，屏蔽應該是連續的并且超過線圈外徑至少 1 毫米到 3 毫米（如果空間允許）。

通過遵循這些指南，耦合因子、互感和磁場體積將適合運行并提供合適的有源區域，而不是復雜的迭代模擬。上述指南旨在立即準備線圈原型，以便通過檢查負載和電壓下的效率、瞬態響應和通信保真度來完成測試和終設計調整。建議獲得一些具有不同磁導率和電感的 Rx 線圈原型，并在可能的情況下對氣隙進行試驗，以找到配置和線圈設計。有關控制方程式的其他詳細信息和說明，請參閱WLC1150 設計指南。2個

下一個主要設計決策將是定義所需輸出功率后的工作電壓。然后，輸出功率可用于估算系統其余部分返回至 Tx 的輸入直流電源的功率損耗。這將啟用熱建模并幫助確定MOSFET 的電阻和 RDS(on)值的限制。應該注意的是，通過在盡可能高的電壓下運行系統以降低電流和相關的 I2來實現效率R 功率損耗。例如，50W 輸出適合使用 2.5A 時的 20V 輸出，而不是 5A 時的 10V 輸出。原因是較高的整流器電壓需要較低的整流器電流，從而導致較低的線圈電流，并且大部分 Rx 損耗將發生在整流器和 Rx 線圈中。一個很好的假設是，均方根 Rx 線圈和整流器電流將約為 1.11 × 整流直流電流（假設一個相當正弦的波形）。同樣，WLC1150 設計指南2提供了對高功率無線發射器設計工作點的全面洞察、建議和估計。

使用這些參考指南將允許對整流器 MOSFET 和 Rx LC 槽路以及 Tx 預調節器（如果使用）、逆變器和 Tx 線圈進行功率損耗估計。很明顯，線圈中的交流損耗占主導地位，因此，應通過使用更粗的利茲線、多股絞線或平行的厚銅 PCB 走線來盡可能地降低該電阻，以創建 Rx 電感器，同時滿足終產品的成本和厚度要求。

回到輸出端，一旦確定了輸出功率和電壓，就應該考慮Vrect和 Vout之間的后置穩壓器。一般來說，對于高壓輸出 (>15 V)，LDO 類型的輸出效率更高，因為 Vrect和 Vout之間的差值在 0.2 V 以內。因此，輸出調節器損耗和線圈電流將被化。簡化了輸出級功率計算，利用功率和電壓可以計算出整流器直流電流。然后可以找到整流器和 Rx 線圈電流，因為它幾乎等于輸出電流（控制器 IC 靜態電流和開關電流必須添加到輸出電流以獲得整流電流）。

對于將使用 <15V 輸出的系統，降壓穩壓器是有利的，因為系統可以在更高的電壓下調節 Vrect并降低輸出。這允許較低的線圈電流，同時在較低電壓下實現高輸出電流。系統細節可能會影響 LDO 和降壓之間的決策（尤其是在 15-VV輸出目標值附近），并且應該在設計啟動之前考慮，具體取決于哪種輸出類型可以限度地提高效率。借助英飛凌解決方案，由于采用了可配置的設計理念，這些測試可以快速輕松地運行。使用降壓穩壓器后，還可以通過將輸出電流除以 V rect/Vout的比率來估算整流器電流。

一旦估計了系統的 Rx 端，就可以在進行熱建模的同時選擇和設計合適的組件。終組件可能會在幾次設計迭代中確定，然后 PCB 設計可能會開始。使用確定的 Rx 線圈電流和耦合系數（使用 k ≈ 0.65 是解決未對準充電條件的良好指導），現在可以使用以下方法估算 Tx 線圈電流和功率計算（假設使用上述線圈指導）WLC1150 設計指南。2個

Tx 線圈和逆變器電流可以使用設計指南和選定的輸出功率和輸入/輸出電壓來確定。此外，可以選擇 Tx 線圈交流電阻、Tx 線圈和逆變器 MOSFET 以滿足效率目標。應該注意的是，具有較低 RDS(on)的 MOSFET具有較高的寄生電容，因此會增加開關損耗。因此，簡單地降低 RDS(on)并不總能帶來更好的性能。通常，MOSFET 的 R DS(on)范圍為 10 至 20 mΩ將在開關損耗和傳導損耗之間取得合理的平衡，是無線電源系統的理想選擇。對于在直流輸入和逆變器之間具有預調節器的系統（可變電壓或混合可變電壓和可變頻率系統），需要設計 DC/DC 調節器以處理與 V 的寬輸入到輸出差異BRG范圍為 4 V 至 19 V，設計用于提供至少 3 A 的電流。請注意，VBRG應設計為在指定的 VIN電壓范圍內工作（通常為 12 V 至 20 V）。

現在可以通過將 Rx 輸出功率除以目標系統效率輕松估算 Tx 輸入功率（李茲線線圈為 90%，PCB 線 Rx 線圈為 85%，即除以 0.9 或 0.85）。然后使用設計計算器估算 BRG 功率（如果使用WLC1150 ，則假設損耗為 4% 至 5%給逆變器供電）。放置 MOSFET 時，應使用多層連接到漏極和源極。此外，應該使用寬銅平面將熱量傳遞到 PCB，在那里熱量可以擴散以降低設備的工作溫度。圖 6 中的簡化圖顯示了通過將實心銅平面與多個過孔連接到內層以進行熱分布而創建的熱路徑。外層是有效的，但也應盡可能使用內層。

圖 6：從功率元件到 PCB 的熱路徑分布在內層和外層以降低工作溫度

典型的無線電力系統也有一些附加功能，以從標準功率水平轉移到高功率領域。這些包括但不限于更快的 FSK 模式，以減少向 Rx 發送消息所需的通信吞吐量。強制身份驗證或至少使用加密進行軟憑證檢查也很重要，以避免假冒產品以高功率為設備供電和充電的可能性。這樣做的主要原因是為了防止損壞高壓敏感電子設備并將逆變器和整流器的電壓和電流限制在安全值。
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初級 LC 槽的不當控制會導致逆變器 LC 槽內和整流器上的電壓過高。這些大功率系統經過精心設計，以避免可能發生損壞的操作情況。盡管如此，假冒解決方案可能并不那么謹慎，如果在輸入磁場強度太強以致 Rx 無法處理或持續很長時間時出現突然的耦合改進或大的瞬態負載突降，這可能具有破壞性。這些系統設計為具有無功功率鉗位，以在需要時吸收多余的輸入能量。

當前趨勢和英飛凌的解決方案

除了設計為以 50 W 安全充電外，英飛凌WLC1150 Tx解決方案還具有一些差異化的關鍵功能，可以安全地提供更高的功率。這些包括：

高電壓（高達 24 V），具有高側電流感應
集成 USB-PD 控制器
USB-C PPS 適配器的直流電壓控制
用于全橋逆變器和 DC/DC 的集成柵極驅動器
自適應 FOD 算法
使用全棧軟件的可定制配置
基于輸出功率水平的安全磁場工作范圍

此外，英飛凌還提供完整的解決方案，包括即將推出的 WLC1x Rx[2]，它支持后置穩壓器的 LDO 或降壓輸出；因此，可以根據成本和電源類型調整變送器（圖 7）。

圖 7：帶有 MP A2 功率發送器和接收器的 WLC1x 高功率解決方案

高功率無線系統對于為筆記本電腦、吸塵器和無人機等大型設備供電和充電非常有用。這些設計非常適合高濕度環境或由于缺少暴露觸點而預計會出現冷凝的環境。這些設計還減少了與 ESD 相關的故障，因為電子設備與通常有靜電的外部環境進一步隔離。

高功率解決方案是低功率解決方案的放大版本，同時仍然依賴于相同的設計基礎。他們需要注意 PCB 的布局和布線，尤其是開關穩壓器的電流環路區域。此外，重要的是使用寬銅平面以減少傳導路徑中的I2 R 壓降并將熱量從功率元件散開。該系統使用基于操作條件的可變調制深度的穩健帶內通信方案，通過配對的 Tx 和 Rx 線圈對可靠、安全和方便地將高功率傳輸到任何負載。

在工業環境中，這些系統非常棒，因為它們可以消除電線和電纜的需要，同時支持持續數年的無腐蝕充電。高功率設計稍微復雜一些，需要使用更高額定電流和更低電阻的組件來減少整個系統的功率損耗。但是，按照本文的建議以及英飛凌的高質量參考設計和設計指南，可以高效地設計它們。2個

高功率無線系統需要進行多項改進才能限度地提高性能，但從 15 W 到 50 W 的順序步驟不會導致成比例的設計時間或挑戰。當使用英飛凌的高功率解決方案提供當今市場上的無線功率時，可以通過對一些關鍵組件進行較小的縮放來實現所需的功率增加。