【導讀】本文提出一個兼容AirFuel 和 Qi兩大無線充電標準的無線充電 (WPT) 天線配置和有源整流電路，並用Cadence Virtuoso 仿fang真zhen工gong具ju評ping測ce了le天tian線xian配pei置zhi的de性xing能neng
，電dian路lu仿fang真zhen所suo用yong的de線xian圈quan參can數shu是shi目mu前qian市shi場chang上shang銷xiao售shou的de線xian圈quan的de實shi際ji測ce量liang數shu據ju。我wo們men將jiang仿fang真zhen結jie果guo與yu目mu前qian最zui先xian進jin的de天tian線xian技ji術shu進jin行xing了le對dui比bi和he比bi較jiao

，驗yan證zheng了le這zhe個ge天tian線xian配pei置zhi的de優you勢shi。本ben文wen提ti出chu的de有you源yuan整zheng流liu器qi電dian路lu采cai用yong 90 nm BCD 工藝設計，並能夠根據工作頻率重新配置整流器。最後
，本文還用Cadence Virtuoso仿真工具在各種條件下測試了一個完整的無線充電係統模型，其中包括電能發送端(TX)和本文提出的雙標準天線及有源整流係統
，得出了整個係統的詳細效率數據
，全麵評測了本文提出的天線配置和有源整流電路的性能。

摘要

本文提出一個兼容AirFuel 和 Qi兩大無線充電標準的無線充電 (WPT) 天線配置和有源整流電路
，並用Cadence Virtuoso 仿fang真zhen工gong具ju評ping測ce了le天tian線xian配pei置zhi的de性xing能neng，電dian路lu仿fang真zhen所suo用yong的de線xian圈quan參can數shu是shi目mu前qian市shi場chang上shang銷xiao售shou的de線xian圈quan的de實shi際ji測ce量liang數shu據ju。我wo們men將jiang仿fang真zhen結jie果guo與yu目mu前qian最zui先xian進jin的de天tian線xian技ji術shu進jin行xing了le對dui比bi和he比bi較jiao

，驗yan證zheng了le這zhe個ge天tian線xian配pei置zhi的de優you勢shi。本ben文wen提ti出chu的de有you源yuan整zheng流liu器qi電dian路lu采cai用yong 90 nm BCD 工藝設計，並能夠根據工作頻率重新配置整流器。最後
，本文還用Cadence Virtuoso仿真工具在各種條件下測試了一個完整的無線充電係統模型，其中包括電能發送端(TX)和本文提出的雙標準天線及有源整流係統，得出了整個係統的詳細效率數據，全麵評測了本文提出的天線配置和有源整流電路的性能。

I.前言

在(zai)過(guo)去(qu)幾(ji)年(nian)中(zhong)，無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)日(ri)益(yi)提(ti)升(sheng)。無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)不(bu)需(xu)要(yao)電(dian)纜(lan)，為(wei)用(yong)戶(hu)給(gei)設(she)備(bei)充(chong)電(dian)帶(dai)來(lai)極(ji)大(da)便(bian)利(li)。無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)還(hai)有(you)另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)優(you)點(dian)，得(de)益(yi)於(yu)可(ke)以(yi)定(ding)期(qi)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)，電(dian)池(chi)模(mo)塊(kuai)可(ke)以(yi)設(she)計(ji)的(de)更(geng)小(xiao)[1]
，從(cong)而(er)使(shi)設(she)備(bei)體(ti)積(ji)變(bian)得(de)更(geng)小(xiao)。無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)涵(han)蓋(gai)不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率(lv)級(ji)別(bie)，從(cong)充(chong)電(dian)功(gong)率(lv)兆(zhao)瓦(wa)級(ji)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)，到(dao)瓦(wa)級(ji)的(de)消(xiao)費(fei)類(lei)產(chan)品(pin)
，再(zai)到(dao)毫(hao)瓦(wa)級(ji)的(de)生(sheng)物(wu)醫(yi)學(xue)植(zhi)入(ru)設(she)備(bei)，無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)。

實現無線充電技術有多種方法，例如，通過磁場、電容
、射頻 (RF)、超聲波或激光傳送電能 [1]。然ran而er，電dian磁ci感gan應ying或huo電dian磁ci共gong振zhen是shi應ying用yong最zui廣guang泛fan的de無wu線xian充chong電dian解jie決jue方fang案an。電dian磁ci充chong電dian方fang案an依yi靠kao兩liang個ge線xian圈quan之zhi間jian的de磁ci場chang耦ou合he傳chuan遞di電dian能neng。天tian線xian模mo塊kuai組zu件jian包bao括kuo這zhe兩liang個ge線xian圈quan與yu電dian容rong器qi組zu成cheng的de補bu償chang電dian路lu。感gan應ying式shi充chong電dian和he電dian磁ci共gong振zhen係xi統tong的de不bu同tong之zhi處chu在zai於yu磁ci場chang耦ou合he係xi數shu和he工gong作zuo頻pin率lv。無wu線xian充chong電dian標biao準zhun Qi 和 AirFuel分別是具有代表性的感應式和電磁共振式充電技術。Qi 標準的特點是線圈強耦合（耦合係數 k 通常約為 0.7），工作頻率在 100 kHz-300 kHz 範圍內
，以及電能接收端 (RX) 天線的諧振頻率通常較低，而 AirFuel標準則相反

，天線線圈之間是鬆耦合，諧振頻率是6.78 MHz 或其整倍數，發送端天線與接收端 (RX) 天線諧振頻率相同。

圖 1. 完整的無線充電係統示意圖

鑒於這兩種標準已經被市場接受，支持Qi 和 AirFuelshuangbiaozhundewuxianchongdiantianxianjidiannengjieshoumokuai
，jiqixiangguandejishuguige，yinqiyejiedeguanzhu。zaiwenxianziliaozhong，keyizhaodaoyixietichushuangbiaozhundiannengjieshoujiejuefangandeyanjiuzhuzuo[3]-[6]。然ran而er
，這zhe些xie著zhu作zuo的de主zhu要yao研yan究jiu方fang向xiang是shi電dian能neng接jie收shou端duan電dian路lu設she計ji，特te別bie是shi有you源yuan整zheng流liu器qi
，而er沒mei有you關guan於yu天tian線xian配pei置zhi和he線xian圈quan參can數shu設she置zhi的de詳xiang細xi介jie紹shao。雖sui然ran在zai文wen獻xian[2]zhongyouzhichishuangbiaozhundetianxianpeizhidelunshu
，danshi，bingweixiangxijieshaozuizhongdeouhexishu。benwentichuleyizhongchuangxindetianxianpeizhifanganyijiyouyuanzhengliudianlu。zhengliudianlucaiyong 90 nm BCD 工藝設計，支持 Qi 和 AirFuel兩個無線充電標準
，輸出功率涵蓋筆記本電腦

、智能手機等消費設備常用輸出功率。

為了評估本文提出的設計方案的性能，我們用 Cadence Virtuoso仿真工具評估了圖 1 所示的完整的無線充電係統，其中包括輸入電池、電能發送端 (TX) 模塊、天線線圈、有源整流器、 濾波輸出電容和負載。為了模擬輸出穩壓模塊(沒有出在現本文提出的方案內)的效果，我們考慮在負載的地方連接一塊電池，將輸出電壓 VOUT 設為目標電壓值
，即 Qi 充電是 12 V，AirFuel充電是20 V。

圖2. (a) 文獻 [2] 中所示的雙標準天線配置；(b)本文提出的雙標準天線配置
；(c) 表征測量所用的線圈布局；(d) 天線測試台原理圖，為在Cadence Virtuoso中模擬天線提供相關參數。

天(tian)線(xian)配(pei)置(zhi)仿(fang)真(zhen)所(suo)用(yong)的(de)天(tian)線(xian)參(can)數(shu)都(dou)是(shi)目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)銷(xiao)售(shou)的(de)線(xian)圈(quan)的(de)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)值(zhi)。把(ba)兩(liang)個(ge)線(xian)圈(quan)對(dui)齊(qi)，同(tong)時(shi)不(bu)斷(duan)改(gai)變(bian)線(xian)圈(quan)間(jian)距(ju)，測(ce)量(liang)線(xian)圈(quan)在(zai)不(bu)同(tong)間(jian)距(ju)的(de)耦(ou)合(he)係(xi)數(shu)，然(ran)後(hou)在(zai)仿(fang)真(zhen)工(gong)具(ju)中(zhong)模(mo)擬(ni)這(zhe)些(xie)耦(ou)合(he)係(xi)數(shu)。通(tong)過(guo)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)，可(ke)以(yi)全(quan)麵(mian)評(ping)估(gu)本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)的(de)天(tian)線(xian)配(pei)置(zhi)和(he)有(you)源(yuan)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)的(de)性(xing)能(neng)，得(de)出(chu)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)每(mei)個(ge)模(mo)塊(kuai)的(de)詳(xiang)細(xi)效(xiao)率(lv)信(xin)息(xi)。把(ba)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)都(dou)考(kao)慮(lv)在(zai)內(nei)
，有(you)源(yuan)整(zheng)流(liu)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)超(chao)過(guo) 93%，天線模塊的效率在 67.4% 到95.6% 之間。

本文的結構如下：第二部分描述本文提出的天線配置
，第三部分介紹本文提出的有源整流電路

，第四部分報告仿真驗證結果
，第五部分是結論。

II.天線配置方案

為了開發兼容 AirFuel 和 Qi的雙標準無線充電接收係統，需要使用兩個獨立的天線
，通過單獨選擇電感值和 Q 因子
，可以在兩個不同的工作頻率範圍內最大限度提高效率。根據文獻[2]提出的結構，兩個天線可以整合成一個雙天線結構，見圖2（a）。電容器 C2在低頻時可以近似為開路；大電容C1在高頻時起到短路作用
，L1 的阻抗是電路中最大的。

表1：線圈實際測量參數

通過這種方式可以組建兩個串聯諧振電路

，一個是工作頻率範圍 100kHz-300kHz的 Qi標準低頻諧振電路，由 LS1 + LS2和 C1確定諧振頻率範圍；另一個是工作頻率 6.78 MHz 或其整數倍的Airfuel標準高頻諧振電路，由 LS2和C2確定工作頻率。為了滿足兩個串聯諧振頻率，本文提出了圖 2（b）所示的天線配置
，在Qi 情況下，串聯諧振頻率由 LS1 和 C1決定；在AirFuel 情況下，串聯諧振頻率由LS2和 C2決定。 L1的值主要優化在Qi 頻率範圍內工作；L2的值主要優化在 Airfuel 頻率範圍內工作；然後，選擇與兩個電感器對應的電容器C1和C2，以取得所需的兩個諧振頻率。

圖 1所示是本文提出的完整的天線配置，線圈采用的是市場上銷售的標準線圈：接收端所選線圈 LS1 和 LS2 是 Wurth Elektronik 公司的 760308101150 電感線圈
，電感分別是6.3 µH 和 1.2 µH [8 ]; 在 Qi 情況下，發送端線圈 LP采用 760308101141  10 µH 電感線圈[9]，在 AirFuel 情況下，考慮選用760308101150 1.2 µH電感線圈或 3.55 µH 感應板充電器 。

為了估算不同線圈對之間的耦合係數 k1 和 k2，按照圖2 (c)所示的配置，將所選的兩個線圈對齊，用 LCR表測量兩個線圈之間的耦合程度，把不同間距的耦合情況考慮在內
，從而得出互感M和耦合係數k1。在求算AirFuel係統參數時，在LCR測量儀上選擇最大頻率1 MHz，因為諧振頻率設置在 6.78 MHz時，正常情況下頻率不會出現顯著變化。線圈測量參數如表 I 所示。

III.有源整流電路設計方案

整流電路設計采用 90 nm BCD 工藝
，由四個合理控製的功率開關管構成。這四個NMOS 晶體管起到等效二極管的作用，當晶體管導通時，正電流從源極流向漏極，實現所謂的有源整流電路
，如圖1所示。

圖 3. 有源整流器方案(a) 高邊 (b) 低邊功率 MOSFET控製結構示意圖。

圖 4. (a) 模塊化驅動器設計方案和功率 MOSFET係統的示意圖；(b)功率 MOSFET 模塊結構的詳細示意圖； (c) 驅動模塊結構。

用功率開關管代替通常的二極管的原因是，功率開關管的壓降更低，效率更高，特別是，NMOS的品質因數高於PMOS 器件。圖 3(a) 和圖 3(b) 分別是高邊功率開關和低邊功率開關的有源整流方案內部電路示意圖。在示例中
，我們討論了功率晶體管M1和M3以及開關節點S1的工作方式，這個方式同樣適用於M2、M4和S2。比較器用於檢測開關 M1上的壓降以及電流方向，比較器輸出還需要采用一個類似於文獻[7]提出的濾波電路來處理，最後獲得功率開關的控製信號CTRLi。濾波電路的用處是消除比較器輸出中的毛刺和雜散換向信號。比較器可以限值高邊開關管和低邊開關管驅動電壓，因為節點 S1在電能接收端接地 GND和設計輸出電壓節點 OUT 之間切換，有可能超出了功率MOS的安全工作區，S2的功能類似。

特別是，在高邊開關電路拓撲中，由於比較器的工作電壓範圍是在輸出電壓節點 OUT 和節點 gndHV 之間，gndHV是設計輸出電壓減去一個齊納二極管的壓降

，因此，需要對比較器正輸入進行限幅處理 ，以確保工作電壓不低於 gndHV 。通過晶體管MP1和電阻R1實現限幅功能：當S1切換至OUT時，MP1工作在三極管區域,相當於閉合開關；當 S1切換至 GND 時，MP1在飽和區導通
，並確保比較器正輸入節點永遠不會低於 gndHV 與MP1 的源柵極電壓之和；R1必須取值正確，才能限製流過 MP1 的電流。

對於低邊開關管的情況，比較器負輸入需要限幅
，以免超過本地電源電壓 vddLV（假定是 5V）：這個功能是由 MP3 和 R3 實現的。事實上，與高邊的 MP1 類似，當 S1 切換到 GND 時
，MP3工作在三極管安全區域內，起到一個閉合開關的作用；當 S1切換到 OUT 時，晶體管工作在飽和區域，將比較器負輸入電壓限製在MP3的柵源電壓。高邊開關電路需要電平轉換器，因為比較器的電源電壓範圍是在 OUT 和 gndHV之間
，而濾波器和驅動器電路的電源電壓是在自舉電源電壓 vddHVi 和 Si 之間。

AirFuel 和 Qi兩個標準工作頻率和目標輸出功率值不同（Qi是 40 W
，Airfuel是10 W）

，為了兼容這兩個無線充電標準，功率 MOS晶體管及其驅動電路必須能夠重新配置。一方麵

，在 Qi 情況下，工作頻率低，開關損耗可以忽略不計。因為設計目標是實現更高的輸出功率
，所以需要大尺寸的 MOS 器件，最大限度地減少導通損耗；另一方麵


，在 AirFuel 情況下，工作頻率較高，開關損耗很大，因此，優先選用尺寸較小的晶體管
，以最大限度地減少寄生電容。

本文提出的可重新配置的功率開關和驅動電路是采用 90 nm BCD 工藝設計
，如圖 4(a)所示。該電路由四個驅動器和四個功率 MOS 模塊組成，可以通過與門根據數字信號 fse選擇驅動器和功率模塊。在功率MOS模塊內有三個並聯子模塊，每個子模塊都包含一個柵寬6.72-mm、柵長250 nm、56個fingers(nf)如圖4(b)所示。驅動模塊由4級反相器鏈構成，fingers數量(nf)是1-3-8-16
，NMOS柵寬24μm，PMOS柵寬 41.3 µm， NMOS 和 PMOS 的晶體管長度都是 1 µm
，如圖4(c)所示。

在Qi情況中，fsel是高電平，四個模塊全部工作
，控製信號CTRL驅動模塊工作，構成一個由12個並聯子模塊組成的等效功率開關
；在AirFuel情況中，fsel是低電平，隻有第一個模塊被激活，控製信號CTRL驅qu動dong該gai模mo塊kuai工gong作zuo，而er剩sheng餘yu的de三san個ge模mo塊kuai關guan閉bi，因yin此ci，這zhe三san個ge功gong率lv開kai關guan是shi關guan斷duan狀zhuang態tai。這zhe種zhong方fang法fa使shi有you源yuan整zheng流liu器qi能neng夠gou適shi應ying兩liang個ge充chong電dian標biao準zhun的de功gong率lv要yao求qiu。

IV.仿真結果

我們用Cadence Virtuoso 仿真工具
，按照圖 2(d) 所(suo)示(shi)的(de)測(ce)試(shi)台(tai)原(yuan)理(li)圖(tu)
，測(ce)評(ping)了(le)本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)的(de)天(tian)線(xian)配(pei)置(zhi)方(fang)案(an)
，采(cai)用(yong)了(le)市(shi)場(chang)上(shang)銷(xiao)售(shou)的(de)線(xian)圈(quan)的(de)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)，並(bing)根(gen)據(ju)標(biao)準(zhun)規(gui)範(fan)調(tiao)整(zheng)了(le)諧(xie)振(zhen)電(dian)容(rong)的(de)容(rong)值(zhi)。輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)VIN是12 V，負載電阻 RLOAD可變。我們還用同樣的方法測試了文獻[2]中提出的天線配置。

圖 5 和圖 6 分別描述了兩種天線配置仿真測試的輸出功率和效率在不同負載範圍的曲線。

不難發現，本文提出的天線配置在 Qi 情況中的性能媲美文獻[2]中提出的天線配置；在 AirFuel qingkuangxia，xiaolvxingnengbiaoxiangenggao，zaizhenggefuzaidianzufanweineibiaoxianchugenggaodexiaolv
，bingqiezaifuzaidianzujiaogao，fuzaidianliujiaodishi
，shuchugonglvmingxiangenggao
，zhefeichangqihexiaofeileiyingyongdewuxianchongdianshejimubiao。babenwentichudetianxianpeizhiheyouyuanzhengliudianlufangdaowanzhengdewuxianchongdianxitongnei，rutu 1 所示，然後用 Cadence Virtuoso 仿真工具測試這個無線傳輸係統。

考慮到電能發送結構的差異，仿真測試所用的雙標準發送端與本文提出的接收端采用相同的可重新配置驅動器和功率 MOS開關管。仿真測試還使用了單標準發送端
，其驅動器和功率 MOS 尺寸是按照Qi 或 AirFuel技術要求專門定製的。此外，我們還仿真測試了兩個完整的單標準專用無線充電係統，其中發送端和接收端都是根據 Qi 或 AirFuel專門設計的
，這個單標準仿真為雙標準性能評測提供一個參考基準。仿真測試輸入電壓12V
，負載是電池電壓，AirFuel 情況是20V，Qi 情況是12V。

係統仿真所用的天線參數是線圈的實際測量結果。表 II 彙hui總zong了le各ge種zhong情qing況kuang下xia的de仿fang真zhen結jie果guo，提ti供gong了le不bu同tong模mo塊kuai的de詳xiang細xi效xiao率lv數shu據ju。顯xian而er易yi見jian

，雙shuang標biao準zhun有you源yuan整zheng流liu電dian路lu在zai所suo有you情qing況kuang下xia都dou保bao持chi出chu色se的de效xiao率lv
，比bi標biao準zhun專zhuan用yong解jie決jue方fang案an低di1.5%。此外
，本文提出的天線配置在大多數情況下效率表現良好（高於 82％），隻在磁場耦合度很低時，效率才會較低。

V.結論

圖 5.輸出功率仿真結果（輸出功率與負載電阻 RLOAD 是函數關係）

圖 6.效率仿真結果（效率與負載電阻 RLOAD 是函數關係）

本文提出了一種創新的支持 Qi 和 AirFuel liangdawuxianchongdianbiaozhundetianxianpeizhijiyouyuanzhengliudianlu。zaishixiantianxianpeizhishi，womenkaolvshiyongzaishichangshangxiaoshoudebiaozhunxianquan，tongguoceliangxianquanbiaozhengxianquantexing
，dechubeifangzhentianxiandecanshu。yongCadence Virtuoso仿fang真zhen工gong具ju全quan麵mian測ce試shi了le本ben文wen提ti出chu的de天tian線xian配pei置zhi和he可ke重zhong新xin配pei置zhi有you源yuan整zheng流liu器qi，並bing與yu相xiang應ying的de單dan標biao準zhun係xi統tong進jin行xing比bi較jiao，證zheng明ming本ben文wen提ti出chu的de方fang案an設she計ji保bao留liu了le良liang好hao的de效xiao率lv和he輸shu出chu功gong率lv，同tong時shi提ti供gong了le不bu同tong模mo塊kuai的de詳xiang細xi效xiao率lv數shu據ju，全quan麵mian分fen析xi了le雙shuang標biao準zhun無wu線xian充chong電dian接jie收shou係xi統tong天tian線xian和he有you源yuan整zheng流liu電dian路lu的de性xing能neng，從cong而er補bu全quan了le文wen獻xian資zi料liao在zai這zhe個ge方fang麵mian的de缺que失shi和he不bu足zu。

參考文獻

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[4]M. Huang, Y. Lu and R. P. Martins, “A Reconfigurable Bidirectional Wireless Power Transceiver for Battery-to-Battery Wireless Charging”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 8, pp. 77457753, Aug. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2881285.

（作者: Elisabetta Moisello, Alberto Cattani, Piero Malcovati, Edoardo Bonizzoni,意大利帕維亞大學電氣、計算機和生物醫學工程係意法半導體, 科爾納雷多, 意大利）

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