電(dian)力(li)需(xu)要(yao)趕(gan)上(shang)數(shu)據(ju)的(de)發(fa)展(zhan)
，變(bian)成(cheng)無(wu)線(xian)
，以(yi)便(bian)真(zhen)正(zheng)增(zeng)強(qiang)最(zui)新(xin)一(yi)代(dai)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)的(de)實(shi)力(li)。消(xiao)費(fei)者(zhe)期(qi)待(dai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)發(fa)生(sheng)
，領(ling)先(xian)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)供(gong)應(ying)商(shang)也(ye)正(zheng)為(wei)此(ci)付(fu)出(chu)努(nu)力(li)。在(zai)本(ben)篇(pian)技(ji)術(shu)文(wen)章(zhang)中(zhong)，英(ying)飛(fei)淩(ling)將(jiang)審(shen)視(shi)推(tui)動(dong)這(zhe)一(yi)新(xin)領(ling)域(yu)向(xiang)前(qian)發(fa)展(zhan)的(de)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)和(he)標(biao)準(zhun) ，然後著眼於使這一重要步驟成為可能的技術。

需求與挑戰

電(dian)力(li)對(dui)每(mei)個(ge)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)都(dou)是(shi)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)
，這(zhe)一(yi)點(dian)永(yong)遠(yuan)不(bu)變(bian)。不(bu)過(guo)，目(mu)前(qian)通(tong)過(guo)壁(bi)式(shi)插(cha)座(zuo)充(chong)電(dian)的(de)方(fang)法(fa)變(bian)得(de)過(guo)時(shi)了(le)。對(dui)於(yu)用(yong)戶(hu)來(lai)說(shuo)，充(chong)電(dian)需(xu)要(yao)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)方(fang)便(bian)，他(ta)們(men)不(bu)希(xi)望(wang)插(cha)入(ru)設(she)備(bei)
，而(er)是(shi)直(zhi)接(jie)將(jiang)其(qi)放(fang)在(zai)表(biao)麵(mian)的(de)位(wei)置(zhi)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)。

不僅如此，消費者還希望能在機場、酒店、活動場館、快餐連鎖店、咖啡店等公共場所充電，這意味著標準化需要成熟到推動通用兼容性的實現。

設計人員必須設法找到一種方式來徹底改造當前的充電器，以便能夠越過“稀薄空氣”進行電力傳輸。目前的開關模式電源(SMPS)方法憑借磁耦合變壓器改變電壓電平
，然後將電力從初級繞組傳輸到次級繞組。

圖1：無線充電的優勢

在無線技術領域
，充電器和帶充電設備共同構成變壓器。由於繞組是分開的(由外殼厚度和空氣分開)，其耦合相比SMPS而言更鬆散。不過，正確的磁性設計有助於以出色的效率傳輸電力
，其原因在於相比SMPS而言線圈和耦合對總體性能的影響更大。

除磁性外，包括效率
、機械包裝、電磁幹擾(EMI)、散熱管理和金屬異物檢測(如硬幣和鑰匙)在內的種種問題為設計者帶來了更多挑戰。

標準推動融合

與許多新興技術一樣，多個不兼容標準的出台會抑製發展，直到出現通用解決方案。無線充電有兩個行業聯盟和兩個標準。

WPC支持為緊密耦合充電提供支持的Qi感應標準。Qi已成為主流標準
，涵蓋80%以上的無線充電接收器。

PMA和A4WP組建時為獨立組織。PMA專注於緊密耦合的感應解決方案
，而A4WP則致力於鬆散耦合諧振技術。PMA和A4WP合並在一起，並更名為AirFuel聯盟(AFA)。

目前，無線充電有三種拓撲
，能帶來不同優勢。

單線圈感應拓撲是最簡單、最流行的解決方案。該解決方案得到Qi 和AirFuel的支持
，利用一個發射線圈
，需要對待充電設備和發射器進行確切定位，否則影響到充電效果。這種方法隻能給一台設備充電。

多(duo)線(xian)圈(quan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)能(neng)實(shi)現(xian)智(zhi)能(neng)係(xi)統(tong)
，可(ke)檢(jian)測(ce)到(dao)與(yu)設(she)備(bei)最(zui)接(jie)近(jin)的(de)線(xian)圈(quan)，並(bing)相(xiang)應(ying)地(di)管(guan)理(li)電(dian)源(yuan)。更(geng)寬(kuan)廣(guang)的(de)充(chong)電(dian)場(chang)讓(rang)你(ni)在(zai)放(fang)置(zhi)待(dai)充(chong)電(dian)設(she)備(bei)時(shi)有(you)更(geng)大(da)自(zi)由(you)度(du)。

AFA支zhi持chi諧xie振zhen方fang法fa，依yi靠kao發fa射she器qi和he接jie收shou器qi之zhi間jian的de諧xie振zhen來lai更geng高gao效xiao地di傳chuan輸shu電dian力li。通tong過guo這zhe種zhong方fang法fa，可ke以yi從cong一yi個ge線xian圈quan為wei多duo台tai設she備bei充chong電dian，允yun許xu發fa射she器qi與yu接jie收shou器qi之zhi間jian有you更geng大da距ju離li(最遠50mm)。這種設備放置靈活性提供了一種“放下就走”的體驗，效率最高可達80%。

盡管感應式解決方案能在精確定義和受控場景下傳輸更多電力，但諧振方法能實現高效的電力傳輸，提供更高的放置自由度。

圖2：感應方法與諧振方法的效率與設備放置比較

諧振方法支持更高的額定功率，允許筆記本電腦或電動工具以無線方式充電。

無線充電解決方案的三個要素是適配器/充電器、發射器和接收器
，如圖2所示。

圖3：典型的無線充電係統由三大要素構成

適配器通常是獨立的
，並通過電纜連接到發射器
，但它們可以組合在一起。它從市電為發射器供電，通常為穩壓5~20V直流電。

發射器包含一個基於MOSFET的橋式拓撲逆變器，用於將直流電轉換成交變磁場。微控製器和驅動元件可提供靈活性和功能。

有兩種拓撲用於諧振(AirFuel)應用，D類和E類。D類(lei)拓(tuo)撲(pu)在(zai)很(hen)寬(kuan)的(de)負(fu)載(zai)範(fan)圍(wei)具(ju)備(bei)幾(ji)乎(hu)平(ping)坦(tan)的(de)效(xiao)率(lv)曲(qu)線(xian)，因(yin)此(ci)適(shi)用(yong)於(yu)通(tong)用(yong)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)站(zhan)，如(ru)公(gong)共(gong)場(chang)所(suo)的(de)充(chong)電(dian)站(zhan)，在(zai)那(na)裏(li)可(ke)以(yi)給(gei)多(duo)種(zhong)設(she)備(bei)充(chong)電(dian)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)適(shi)用(yong)於(yu)廣(guang)泛(fan)的(de)功(gong)率(lv)等(deng)級(ji)。

與D類拓撲相反，E類拓撲針對特定的負載點進行優化在設計負載點將會展現更高的效率。然而，E類拓撲效率在該負載點之外迅速降低。因此，E類拓撲是更高功率等級和針對接近目標電量或完全未充電設備進行一對一充電的最佳選擇。E類BOM成本略低於D類。

支撐技術

英飛淩提供麵向無線充電發射器和充電器的全套組件解決方案，使設計人員能夠利用具有已知兼容性的組件和子係統。

發射器設計的核心是用於實現係統控製和智能的微控製器。英飛淩XMC係列包括XMC1400和XMC4400，它們是通過D類和E拓撲來實現無線充電的理想選擇。

MOSFET由轉換微控製器信號的EiceDRIVER柵極驅動器直接驅動。全新的2EDL71最適合D類設計，而成熟的1EDN是E類應用的首選。

英飛淩以其全麵的MOSFET係列而聞名。設計人員在封裝尺寸以及RDS(ON)
、Qg及電壓等級(30V到250V)方麵擁有相當多的選擇。這樣
，設計人員能夠設計多個功率級別

、采用相同基礎技術的無線充電器。

D類或E類電源逆變器(以及同步整流拓撲)最好的選擇就是使用OptiMOS技術，而CoolMOS器件非常適於ACDC適配器。英飛淩還提供一係列用於電源適配器的反激控製器，該控製器CoolSET集成IC和功率開關模塊。

設計支持

除技術挑戰外，設計人員需要在不斷縮短的設計周期內帶來新的設計成果。為提供相應支持，英飛淩開發出D類發射器的測試板，讓設計人員可以在設計無線充電解決方案方麵搶占先機。

圖4：D類測試板簡化框圖

希望評估D類配置功率放大器中英飛淩MOSFET性能的設計人員會發現該電路板是一個非常有價值的資源。測試板包含由80V 2X2英飛淩MOSFET(IRL80HS120)和相關驅動器(簡化原型設計)構成的兩個半橋，允許用戶在單端配置(隻有一個半橋工作)和差動配置(兩個半橋均工作)之間切換。

用戶可以憑借嵌入式6.78 MHz振蕩器或使用外部引腳和BNC連接器注入來自波形發生器的其他頻率。

零電壓開關(ZVS)電源解決方案所需的一切都隨電路板提供。甚至有板載線性穩壓器為電路板邏輯提供穩定的電源電壓。

如果支持無線充電的接收器設備可供使用，那麼，可以利用第二個BNC連接器連接外部發射線圈進行無線電能傳輸，創建完整的無線充電設計。

總結

許多消費者認為，給移動設備無線充電的能力早就該有了。相關標準近期的整合和推進在我們走向無線社會的過程中起了很大的作用。

半導體公司帶來的電源和磁性設計方麵的眾多優勢， 確保更好地開發解決方案。 他們利用自身在微控製器、MOSFET和驅動器方麵的豐富經驗，可以帶來一款組件兼容性得到保證的完全集成式解決方案。

隨著技術與標準的統一，擁有真正的無線移動設備的嶄新世界離我們更近了。



推薦閱讀：
 對比5款激光雷達，新秀能否後來居上？ 
模擬懷舊風吹起，新技術助推“古董級”產品重現江湖？ 
資深工程師解讀磁卡讀卡器工作原理和作用 
CPU還是FPGA：圖像處理誰更適合？