【導(dǎo)讀】一個(gè)設(shè)計(jì)良好的無(wú)線充電產(chǎn)品可以提供諸多好處,從改進(jìn)的功能到支持新的技術(shù)等等。但是并不是所有的工程師能將無(wú)線充電設(shè)計(jì)產(chǎn)品貼近用戶(hù)體驗(yàn)。業(yè)界的大佬們終于發(fā)話(huà)了,指出五點(diǎn),話(huà)說(shuō)只要做好這五點(diǎn),無(wú)線充電就沒(méi)問(wèn)題。
一個(gè)設(shè)計(jì)良好的無(wú)線充電產(chǎn)品可以提供諸多好處,從改進(jìn)的功能到支持新的技術(shù)等等。使用磁場(chǎng)耦合技術(shù)的無(wú)線充電系統(tǒng)從19世紀(jì)00年代晚期就已經(jīng)出現(xiàn)了,但直到最近元件、芯片和系統(tǒng)架構(gòu)的最新進(jìn)展才使得工程師能在他們的設(shè)備中真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用的無(wú)線充電系統(tǒng)來(lái)改善用戶(hù)體驗(yàn)。
1、用戶(hù)需要什么樣的無(wú)線充電產(chǎn)品?
用戶(hù)如何與設(shè)備交互是每個(gè)優(yōu)秀的工程師在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)要問(wèn)的最基本問(wèn)題之一??蛻?hù)需要快速充電嗎?需要對(duì)準(zhǔn)方面的靈活性嗎?是不是要求發(fā)熱量低?需要長(zhǎng)距離充電嗎?需要大功率嗎?每個(gè)發(fā)射器需要多個(gè)接收器?需要很小的外形尺寸嗎?
所有這些選項(xiàng)都是可以滿(mǎn)足的,但通常需要進(jìn)行折衷考慮。例如,大功率和低發(fā)熱量并不總是能夠同時(shí)滿(mǎn)足。距離和效率基本上是背道而馳的。因此在為某種設(shè)備設(shè)計(jì)無(wú)線充電系統(tǒng)時(shí)理解用戶(hù)需要什么以及如何對(duì)這些需求排定優(yōu)先級(jí)是很重要的第一步。
2、如何提高無(wú)線充電系統(tǒng)的效率?
在用于衡量無(wú)線充電系統(tǒng)性能的指標(biāo)中,效率永遠(yuǎn)是第一位的。天生高效的系統(tǒng)可以提供更遠(yuǎn)的距離、更好的方向靈活性、更低的發(fā)熱量、更小的尺寸以及更小的電源漏電流。下面是無(wú)線充電系統(tǒng)中對(duì)效率有決定性影響的三個(gè)主要模塊:
無(wú)線充電系統(tǒng)的三大模塊
如果所有三個(gè)模塊都工作在最低的估算效率(即圖中所示的80%,70%和80%),那么總的系統(tǒng)效率約等于45%。對(duì)于一個(gè)5W的設(shè)備來(lái)說(shuō),需要用 11W的發(fā)射功率才能提供全速充電,大約6W消散于設(shè)備本身(作為熱量散發(fā)掉)和周?chē)h(huán)境中,包括空氣、裝置和人體組織。在低功率情況下,這也許是安全和 可接受的。但在較高功率時(shí),比如電動(dòng)汽車(chē)的充電,此時(shí)典型的充電功率至少要5kW,那么有6kW要損失在發(fā)射器、汽車(chē)和周?chē)h(huán)境中,因此會(huì)引起嚴(yán)重的發(fā)熱 和安全問(wèn)題。
當(dāng)無(wú)線充電系統(tǒng)的所有三個(gè)模塊都工作在最高估算效率(即95%,90%和95%)時(shí),總的系統(tǒng)效率大約為82%。在這種情況下,一個(gè)5W的設(shè)備只需發(fā) 射器提供約6W的充電功率,只有1W因無(wú)效而損失掉。為了提高系統(tǒng)效率,設(shè)計(jì)師應(yīng)專(zhuān)注于高效率元件,提高發(fā)射器與接收器之間的耦合程度。
3、無(wú)線充電系統(tǒng)的功率電平
使用磁場(chǎng)耦合的無(wú)線充電系統(tǒng)可以給從毫瓦到千瓦級(jí)的設(shè)備充電。對(duì)于毫瓦級(jí)設(shè)備來(lái)說(shuō),能量收集或射頻無(wú)線功率也許是更具吸引力的充電方案。設(shè)備的功率要求將決定你的元件選擇、可以在設(shè)計(jì)上跟你合作的公司以及設(shè)備尺寸。
4、無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)
在電子設(shè)備的無(wú)線充電方面目前已有多種標(biāo)準(zhǔn),包括無(wú)線電力聯(lián)盟(A4WP)、電力事件聯(lián)盟(PMA)和無(wú)線充電聯(lián)盟(WPC)。這些標(biāo)準(zhǔn)組織存在的目的就是提供發(fā)射器和接收器之間的互操作性平臺(tái),同時(shí)為滿(mǎn)足法規(guī)要求的產(chǎn)品和元件創(chuàng)新提供指導(dǎo)。
如果你的設(shè)備要求互操作性(用戶(hù)需要在機(jī)場(chǎng)或當(dāng)?shù)乜Х鹊瓿潆妴??),那么你的設(shè)計(jì)就應(yīng)該圍繞某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)。一般來(lái)說(shuō),A4WP針對(duì)“松散耦合”系統(tǒng)提 供了技術(shù)上最先進(jìn)的解決方案,WPC則擁有商用化程度最高的開(kāi)發(fā)工具和組件,但它是“緊密耦合”系統(tǒng)(至少現(xiàn)在是這樣)。PMA正在與A4WP合并,為它 的共享標(biāo)準(zhǔn)提供“緊密耦合”技術(shù)。
如果你的設(shè)備不要求互操作性,用戶(hù)的設(shè)備總是使用同一種發(fā)射器,那么你就能靈活地開(kāi)發(fā)私有、封閉的解決方案。當(dāng)然,這種情況下利用標(biāo)準(zhǔn)組織推薦的現(xiàn)成 組件和技術(shù)仍然具有重要意義,至少在開(kāi)發(fā)方便性和資源可用性方面給你提供了一個(gè)很好的起點(diǎn),不過(guò)你不必非要滿(mǎn)足全部的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。如果你的設(shè)備滿(mǎn)足自己的要 求,并且在法規(guī)范圍之內(nèi),你的設(shè)計(jì)就是成功的。
5、無(wú)線充電系統(tǒng)元件選擇
由于效率為王,而元件又決定了效率,那么在選擇元件時(shí)了解你自己的想法就非常重要了。在無(wú)線充電領(lǐng)域中,開(kāi)發(fā)高效率、前沿技術(shù)的元件公司有許多。舉例 來(lái)說(shuō),宜普(EPC)公司開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)型氮化鎵(eGaN)晶體管具有高效率的開(kāi)關(guān)性能,可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的功率放大器。在天線方面,NuCurrent 公司開(kāi)發(fā)的天線結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效率、高度靈活的小型天線。與此同時(shí),像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在開(kāi)發(fā)可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)、各種功率電平和小 型尺寸的IC.因此可選的余地很大,如果你是無(wú)線充電設(shè)計(jì)的新手,最好的方法是與元件供應(yīng)商或設(shè)計(jì)咨詢(xún)公司一起合作,因?yàn)樗麄兝斫鉄o(wú)線充電的前景,可以幫 助你快速跟蹤設(shè)計(jì)需求,并把你介紹給戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)合作伙伴。
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松下無(wú)線充電參考設(shè)計(jì)
概要
松下無(wú)線電源控制IC支持所有設(shè)備(DSC、DVC、隨身聽(tīng)、手機(jī)、智能手機(jī)等),符合WPC(無(wú)線充電聯(lián)盟)的WPC1.1(Qi標(biāo)準(zhǔn))。松下無(wú)線電源方案采用了一個(gè)用于電力發(fā)射器(電池充電器)的發(fā)射端控制IC(NN32251A)和一個(gè)用于電力接收器(設(shè)備)的接收器控制IC(AN32258A),從而控制電力傳輸。
松下無(wú)線電源解決方案
NN32251A(電力發(fā)送端(Tx) IC)
內(nèi)置充跳升壓DCDC轉(zhuǎn)換器控制器
半橋門(mén)驅(qū)動(dòng)器:4路(全橋門(mén)驅(qū)動(dòng)器:也可配置2路)
利用最多4線圈的多線圈擴(kuò)展了自由定位。(Type A6)
逆變器的高精度電壓和電流監(jiān)控
利用Qi中定義的頻率、工作狀態(tài)或電壓控制輸出
電流和電壓信號(hào)的ASK解調(diào)(符合Qi標(biāo)準(zhǔn))
輸入電壓范圍: VADP : 4.6 V 至 19.5 V, VINV : 4.0 V 至 19 V
支持欠壓鎖定,熱關(guān)斷和過(guò)壓檢測(cè)
逆變器輸出短路保護(hù)
溫度檢測(cè)電路:3路
LED指示燈:2路
封裝:64引腳 HQFP (尺寸: 12 mm x 12 mm)
AN32258A (電力接收端(Rx) IC)
同步全橋整流控制
輸入電壓范圍: VRECT : 4.4 V 至 19 V
可選輸出電壓: 5 V
溫度檢測(cè)電路
帶可調(diào)電流水平的滿(mǎn)充檢測(cè)
外部電源的開(kāi)關(guān)控制
支持欠壓鎖定、熱關(guān)斷、過(guò)壓檢測(cè)和過(guò)流檢測(cè)
LED指示燈
I2C 接口
封裝: 48引腳 WLCSP (尺寸: 3.16 mm x 3.16 mm, 0.4 mm 腳距)
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開(kāi)發(fā)套件
NN32251A 開(kāi)發(fā)套件(Tx)
NN32251A開(kāi)發(fā)工具包的發(fā)射模塊圖像
AN32258A 開(kāi)發(fā)套件(Rx)
AN32258A開(kāi)發(fā)工具包的接收模塊圖像
特點(diǎn)
支持各種基于WPC 1.1 (Qi 標(biāo)準(zhǔn))設(shè)備的無(wú)線充電。
充電過(guò)程的異常檢測(cè)和各種保護(hù)功能可確保安全性和可靠性。
支持標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的最大5W輸出進(jìn)行快速充電。
提供外部低阻抗MOSFET的高效控制,降低功耗和生熱。(AN32258)
提供包括松下線圈和外圍電路在內(nèi)的解決方案,實(shí)現(xiàn)短理論到達(dá)時(shí)間(TAT)設(shè)計(jì)。