扩展无线电力传输以实现更高的功率传输

扩展无线电力传输以实现更高的功率传输

在过去十年中，无线电力传输功能已在各种商业、工业和汽车应用中得到广泛采用。市场趋势正在转向需要更高功率充电的电池供电产品。需要充电的产品数量在增加，对快速充电、大容量电池的需求也在增加。

无线充电设计现在可以提供比手机和可穿戴市场所需的功率高得多的功率。现代手机的功耗可达 50 W，但由于热限制，使用时间非常有限。另一方面，真正的高功率应用，如笔记本电脑、平板电脑、便携式厨房电器、电动工具、机器人和无人机以及轻型电动汽车，可以维持更高的功率输出并长时间充电。

然而，超出 Qi 扩展功率配置文件 (EPP) 的更高功率设计通常被认为复杂且成本高昂，因为标准仍在不断发展，导致互操作性和共存问题。讨论多的挑战与 IEC-62368 对消费类便携式设备的触摸温度限制的安全要求有关。除了高效的充电子系统之外，这还意味着需要动态异物检测 (FOD) 功能，以确保在整个负载范围内（包括瞬态）充电的同时提供保护。因此，发射器 (Tx) 和接收器 (Rx) 之间稳健的通信协议也成为此类大功率充电的基本要求。

为了满足更高功率无线充电的这些严格的系统和法规要求，英飞凌开发了范围广泛的高度集成的无线充电 IC。其中包括带有片上 32 位 ARM Cortex-M0 处理器的 USB-PD/PPS 接收器、128-KB 闪存、16-KB RAM 和 32-KB ROM。它们还配备了各种模拟和数字外围设备、集成栅极驱动器和 DC/DC 控制器。这些 IC 与基于英飞凌高功率充电协议的系统解决方案和软件堆栈一起提供，具有独特的识别和可配置的保护功能，以维持安全的高功率充电环境。除了专有模式，英飞凌的WLCx 系列产品还支持的无线充电联盟 (WPC) Qi EPP (≤15 W) 规范1以实现兼容和可互操作的解决方案。

在接下来的部分中，我们将概述典型的无线电力系统和设计热管理解决方案的一些见解，深入探讨线圈设计并概述英飞凌的解决方案功能和几个应用来解释原因无线充电是任何环境下大功率产品的合适和方便的选择。

无线电力系统和设计考虑

无线电源系统是独特的电源管理解决方案，包括混合信号模拟和数字传感、通信电路以及 AC 和 DC 电源转换级，重要的是，软件堆栈可在 Tx 和 Rx 端之间提供可靠的握手。图 1 中的框图显示了典型高功率感应无线系统的主要功能块。

图 1：无线电力系统框图

在图 1 中，输入电源将是基于 USB-C（PPS 或 PD）的直流电源或固定轨电压电源。该电源可直接传递至中间 DC/DC 稳压器或由其转换，以为 DC-AC 电源逆变器供电。逆变器使用 LP和 CP串联谐振回路产生交变磁场，以将电力传输到接收器。在系统的接收侧，串联谐振元件 LS和 CS将输入磁场转换为电流，大功率整流器将交流电流转换为直流电压。，输出稳压器用于为负载提供稳定的直流电压，负载可以是产品或电池充电器的特定工作功能。

典型的无线电力系统 (≤15 W) 有几个附加项以符合高功率解决方案 (>15 W) 的要求。首先是提高磁体性能的需求增加，以减少功率损耗和传输过程中由于功率损耗而产生的相关热量。大功率设计的附加指南将包括额外的安全和程序，以防止假冒设计产生或提供大功率。同时，它将确保适当的 FOD 机制到位，以安全有效地向接收器及其负载提供高功率。大多数终端产品将使用 Rx 输出为电池充电；然而，可以有独立的应用程序，例如泳池照明和卫洗丽，其中无线电源只是在没有电池的情况下为负载供电的方式。

更好的热管理设计：冷却选项

有人担心高功率无线系统的发热和效率可能会阻碍或延迟满足安全要求。尽管如此，这些仍然可以通过设计散热和优化效率来缓解。图 2 显示了 Tx-Rx 耦合感应式无线充电器的完整叠层，以更好地理解热捕获和冷却的途径。

图 2：典型无线充电系统的叠层

PCB 的物理结构也会影响系统的工作温度。连接到功率元件的铜表面区域和电路板厚度将影响终工作温度。由于较低的热阻和较大的面积，较薄的 PCB 设计将在内层之间传递更多的热量。与铜层之间具有更多电介质 FR-4 的较厚 PCB 相比，设计较薄的 PCB 将提高热性能。其他解决方案包括添加风扇以强制气流穿过电路和接口（图 3）。如果使用强制空气，通过设计凹槽以便空气可以流过或使用允许空气自由流动的半多孔材料，在界面中提供隧道或气流通道是至关重要的。

图 3：利用通道允许来自 Tx 的接口处的气流的示例

在不断发展的更高无线功率市场的这个阶段，常见的应用是手机。某些手机的功耗可达 50 W，但持续时间非常有限。随着新兴市场的形成，笔记本电脑、机器人和其他类似的大功率应用将能够无限期地维持电力输送。此外，由于充电座和设备通常非常小，如果不使用风扇将较热的空气从产品界面（测量触摸温度的地方）移走，高功率耗散将是一项挑战。
 

图 3 显示了如何创建空气通道以允许强制空气通过 Tx 电路并到达接口，它可以在不干扰接口间距或功率传输的情况下冷却两个线圈。空气从 Tx 侧吸入，Tx 和 Rx 上设计了空气通道以具有更大的表面积。这样，接口处的压力就会降低，所有强制空气都会在接口处排出，从而同时冷却 Tx 和 Rx 线圈。

更好的热管理设计：提高线圈效率、布线

在感应式无线充电系统中，突出的热问题之一是磁性本身。因此，提高效率的主要思路是使用质量更高的 Rx 线圈。例如，与多股线或 PCB 线圈相比，具有纳米晶屏蔽层的李兹线线圈可以显着降低界面温度。通常需要在成本和性能之间进行权衡，其中性能优异的利兹线 Rx 线圈设计往往是昂贵的，而 PCB 型线圈成本较低且效率。

纳米晶屏蔽将在更薄的材料中产生高饱和水平，并且与标准的烧结铁氧体磁芯相比性能更优越。使用 PCB 型线圈时，使用较重的铜箔（即 2 盎司或 4 盎司铜，而不是大多数柔性 PCB 基板上的标准 0.5 盎司）是有益的。因为这些导体承载高电流并且通常相对较大，所以它们用作散热器和电流导体。因此，一项基本的缓解技术是将大铜层连接到 Tx 和 Rx 线圈触点以及其他发热源，例如功率 MOSFET、电感器和 IC。在这种情况下，重要的是要包含大量的铜平面区域，以吸收电子设备功耗产生的热量。

图 4 显示了 WLC1x 高功率四层 Rx[1]PCB 的布局，其中显示 Rx 线圈触点具有多个缝合在一起的平行平面和多个过孔，以使用每个平行平面传输电流和热量。所有交流载流节点（LC，或LS和CS，公共连接节点以及 AC1 和 AC2 节点），如图 1 所示，应用于在大功率设计中传递热量和电流。请注意，线圈触点（顶层，黄色触点）连接到 LC 节点上的所有四层和 AC2 节点上四层中的三层。此外，AC1 在空间允许的情况下复制到四层中的三层。通过多个平行通孔，这些技术可以显着降低热阻。因此，与这些节点接触的所有组件的工作温度都较低。还应注意，每个整流器 MOSFET 在漏极连接焊盘/引脚中都有一个由九个热和电流传输过孔组成的阵列。

图 3 显示了如何创建空气通道以允许强制空气通过 Tx 电路并到达接口，它可以在不干扰接口间距或功率传输的情况下冷却两个线圈。空气从 Tx 侧吸入，Tx 和 Rx 上设计了空气通道以具有更大的表面积。这样，接口处的压力就会降低，所有强制空气都会在接口处排出，从而同时冷却 Tx 和 Rx 线圈。

更好的热管理设计：提高线圈效率、布线

在感应式无线充电系统中，突出的热问题之一是磁性本身。因此，提高效率的主要思路是使用质量更高的 Rx 线圈。例如，与多股线或 PCB 线圈相比，具有纳米晶屏蔽层的李兹线线圈可以显着降低界面温度。通常需要在成本和性能之间进行权衡，其中性能优异的利兹线 Rx 线圈设计往往是昂贵的，而 PCB 型线圈成本较低且效率。

纳米晶屏蔽将在更薄的材料中产生高饱和水平，并且与标准的烧结铁氧体磁芯相比性能更优越。使用 PCB 型线圈时，使用较重的铜箔（即 2 盎司或 4 盎司铜，而不是大多数柔性 PCB 基板上的标准 0.5 盎司）是有益的。因为这些导体承载高电流并且通常相对较大，所以它们用作散热器和电流导体。因此，一项基本的缓解技术是将大铜层连接到 Tx 和 Rx 线圈触点以及其他发热源，例如功率 MOSFET、电感器和 IC。在这种情况下，重要的是要包含大量的铜平面区域，以吸收电子设备功耗产生的热量。

图 4 显示了 WLC1x 高功率四层 Rx[1]PCB 的布局，其中显示 Rx 线圈触点具有多个缝合在一起的平行平面和多个过孔，以使用每个平行平面传输电流和热量。所有交流载流节点（LC，或LS和CS，公共连接节点以及 AC1 和 AC2 节点），如图 1 所示，应用于在大功率设计中传递热量和电流。请注意，线圈触点（顶层，黄色触点）连接到 LC 节点上的所有四层和 AC2 节点上四层中的三层。此外，AC1 在空间允许的情况下复制到四层中的三层。通过多个平行通孔，这些技术可以显着降低热阻。因此，与这些节点接触的所有组件的工作温度都较低。还应注意，每个整流器 MOSFET 在漏极连接焊盘/引脚中都有一个由九个热和电流传输过孔组成的阵列。

图 4：WLC1x 交流节点布局示例，使用平行平面分布热量和降低电阻

共存设计：更高功率，向后兼容 Qi

事实上，有几个因素会影响 Tx 和 Rx 感应电力传输系统的选择或设计标准。为了简化这个问题，我们建议从标准WPC定义的扩展功率线圈（或线圈，例如MP-A2或MP-A11）开始，然后匹配谐振槽设计规范以保持与标准Qi Rx设备的兼容性和便于提供高功率。事实证明，这些线圈可与互操作性平台 (IOP) 一起正常运行。由于采用大规格利兹线，载流能力足以提供更高的功率，而不会在线圈或大型铁氧体屏蔽中引入过多的功率损耗。选择其中一个标准线圈或根据特定系统要求进行一些小的修改后，应开始 Rx 线圈的设计（对于配对系统）。

当解决方案需要创建自定义线圈时，应注意，当组合气隙（Rx 和 Tx 接口高度或线圈到线圈面对表面的空间）在 3 到 8 毫米之间时，无线电源系统表现出性能，取决于终的几何形状。这将有助于确保耦合系数介于 0.5 和 0.85 之间，这是感应无线电力系统的点。因此，当 Tx 和 Rx 线圈电感保持在彼此大约 ±25% 的范围内时，这使设计能够满足适当的互感值。此外，它确保增益曲线既不太陡也不太浅，以致在整个工作电压和频率范围内允许适当的功率调节步骤。

利用谐波近似 (FHA) 分析，可以对许多参数和大多数操作模式进行建模和仿真。Infineon 的高功率 Tx 设计指南2包括必要的推导、推荐模型和全面的系统设计指南。例如，本设计指南可用于创建图 5 中所示的图形。在此图形中，典型的 Tx 线圈功率与频率斜率的关系表明增益如何响应工作频率的变化。为了对 Rx 侧的频率（或电压）变化做出可预测的响应，使用漂亮的线性曲线。然而，对于相同的频率步长，陡峭的曲线或指数曲线会产生可变的功率电平变化，这会使控制回路更加复杂。

图 5：具有 20V 输入和输出的感应无线电源系统的典型功率与频率曲线

查看图 5 并考虑 MP-A2 无线电源 Tx 规范，我们发现工作频率范围限制在 110 至 148 kHz。通过检查曲线，很明显，在此范围内，响应随频率变化呈线性变化，同时为 Rx 提供充足的功率。将此作为设计计算器2的目标，使用 FHA 仿真有助于线圈设计，而无需运行复杂的磁学仿真（尽管这些仿真始终受到鼓励）。使用 Tx 设计指南后，可以使用以下指南在模拟或设计计算的同时生成 Rx 线圈原型，以加快设计阶段并开始缩小终磁性设计的范围：

Tx 和 Rx 线圈几何形状（内径/外径）应在彼此的 ±25% 范围内。

匝数应相似（±3 以内）。

自由空气电感应在彼此的 ±20% 范围内。

Rx 屏蔽应该是纳米晶体或断裂铁氧体类型，并且尽可能厚（多 2 毫米就足够了）。

相对磁导率 (μr) 应在 500–900 范围内。

交流和直流电阻应化。在 PCB 上使用利兹线、多股导线或宽/厚铜箔可以增加导体的“皮肤”量。

理想情况下，屏蔽应该是连续的并且超过线圈外径至少 1 毫米到 3 毫米（如果空间允许）。

通过遵循这些指南，耦合因子、互感和磁场体积将适合运行并提供合适的有源区域，而不是复杂的迭代模拟。上述指南旨在立即准备线圈原型，以便通过检查负载和电压下的效率、瞬态响应和通信保真度来完成测试和终设计调整。建议获得一些具有不同磁导率和电感的 Rx 线圈原型，并在可能的情况下对气隙进行试验，以找到配置和线圈设计。有关控制方程式的其他详细信息和说明，请参阅WLC1150 设计指南。2个

下一个主要设计决策将是定义所需输出功率后的工作电压。然后，输出功率可用于估算系统其余部分返回至 Tx 的输入直流电源的功率损耗。这将启用热建模并帮助确定MOSFET 的电阻和 RDS(on)值的限制。应该注意的是，通过在尽可能高的电压下运行系统以降低电流和相关的 I2来实现效率R 功率损耗。例如，50W 输出适合使用 2.5A 时的 20V 输出，而不是 5A 时的 10V 输出。原因是较高的整流器电压需要较低的整流器电流，从而导致较低的线圈电流，并且大部分 Rx 损耗将发生在整流器和 Rx 线圈中。一个很好的假设是，均方根 Rx 线圈和整流器电流将约为 1.11 × 整流直流电流（假设一个相当正弦的波形）。同样，WLC1150 设计指南2提供了对高功率无线发射器设计工作点的全面洞察、建议和估计。

使用这些参考指南将允许对整流器 MOSFET 和 Rx LC 槽路以及 Tx 预调节器（如果使用）、逆变器和 Tx 线圈进行功率损耗估计。很明显，线圈中的交流损耗占主导地位，因此，应通过使用更粗的利兹线、多股绞线或平行的厚铜 PCB 走线来尽可能地降低该电阻，以创建 Rx 电感器，同时满足终产品的成本和厚度要求。

回到输出端，一旦确定了输出功率和电压，就应该考虑Vrect和 Vout之间的后置稳压器。一般来说，对于高压输出 (>15 V)，LDO 类型的输出效率更高，因为 Vrect和 Vout之间的差值在 0.2 V 以内。因此，输出调节器损耗和线圈电流将被化。简化了输出级功率计算，利用功率和电压可以计算出整流器直流电流。然后可以找到整流器和 Rx 线圈电流，因为它几乎等于输出电流（控制器 IC 静态电流和开关电流必须添加到输出电流以获得整流电流）。

对于将使用 <15V 输出的系统，降压稳压器是有利的，因为系统可以在更高的电压下调节 Vrect并降低输出。这允许较低的线圈电流，同时在较低电压下实现高输出电流。系统细节可能会影响 LDO 和降压之间的决策（尤其是在 15-VV输出目标值附近），并且应该在设计启动之前考虑，具体取决于哪种输出类型可以限度地提高效率。借助英飞凌解决方案，由于采用了可配置的设计理念，这些测试可以快速轻松地运行。使用降压稳压器后，还可以通过将输出电流除以 V rect/Vout的比率来估算整流器电流。

一旦估计了系统的 Rx 端，就可以在进行热建模的同时选择和设计合适的组件。终组件可能会在几次设计迭代中确定，然后 PCB 设计可能会开始。使用确定的 Rx 线圈电流和耦合系数（使用 k ≈ 0.65 是解决未对准充电条件的良好指导），现在可以使用以下方法估算 Tx 线圈电流和功率计算（假设使用上述线圈指导）WLC1150 设计指南。2个

Tx 线圈和逆变器电流可以使用设计指南和选定的输出功率和输入/输出电压来确定。此外，可以选择 Tx 线圈交流电阻、Tx 线圈和逆变器 MOSFET 以满足效率目标。应该注意的是，具有较低 RDS(on)的 MOSFET具有较高的寄生电容，因此会增加开关损耗。因此，简单地降低 RDS(on)并不总能带来更好的性能。通常，MOSFET 的 R DS(on)范围为 10 至 20 mΩ将在开关损耗和传导损耗之间取得合理的平衡，是无线电源系统的理想选择。对于在直流输入和逆变器之间具有预调节器的系统（可变电压或混合可变电压和可变频率系统），需要设计 DC/DC 调节器以处理与 V 的宽输入到输出差异BRG范围为 4 V 至 19 V，设计用于提供至少 3 A 的电流。请注意，VBRG应设计为在指定的 VIN电压范围内工作（通常为 12 V 至 20 V）。

现在可以通过将 Rx 输出功率除以目标系统效率轻松估算 Tx 输入功率（李兹线线圈为 90%，PCB 线 Rx 线圈为 85%，即除以 0.9 或 0.85）。然后使用设计计算器估算 BRG 功率（如果使用WLC1150 ，则假设损耗为 4% 至 5%给逆变器供电）。放置 MOSFET 时，应使用多层连接到漏极和源极。此外，应该使用宽铜平面将热量传递到 PCB，在那里热量可以扩散以降低设备的工作温度。图 6 中的简化图显示了通过将实心铜平面与多个过孔连接到内层以进行热分布而创建的热路径。外层是有效的，但也应尽可能使用内层。

图 6：从功率元件到 PCB 的热路径分布在内层和外层以降低工作温度

典型的无线电力系统也有一些附加功能，以从标准功率水平转移到高功率领域。这些包括但不限于更快的 FSK 模式，以减少向 Rx 发送消息所需的通信吞吐量。强制身份验证或至少使用加密进行软凭证检查也很重要，以避免假冒产品以高功率为设备供电和充电的可能性。这样做的主要原因是为了防止损坏高压敏感电子设备并将逆变器和整流器的电压和电流限制在安全值。
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初级 LC 槽的不当控制会导致逆变器 LC 槽内和整流器上的电压过高。这些大功率系统经过精心设计，以避免可能发生损坏的操作情况。尽管如此，假冒解决方案可能并不那么谨慎，如果在输入磁场强度太强以致 Rx 无法处理或持续很长时间时出现突然的耦合改进或大的瞬态负载突降，这可能具有破坏性。这些系统设计为具有无功功率钳位，以在需要时吸收多余的输入能量。

当前趋势和英飞凌的解决方案

除了设计为以 50 W 安全充电外，英飞凌WLC1150 Tx解决方案还具有一些差异化的关键功能，可以安全地提供更高的功率。这些包括：

高电压（高达 24 V），具有高侧电流感应
集成 USB-PD 控制器
USB-C PPS 适配器的直流电压控制
用于全桥逆变器和 DC/DC 的集成栅极驱动器
自适应 FOD 算法
使用全栈软件的可定制配置
基于输出功率水平的安全磁场工作范围

此外，英飞凌还提供完整的解决方案，包括即将推出的 WLC1x Rx[2]，它支持后置稳压器的 LDO 或降压输出；因此，可以根据成本和电源类型调整变送器（图 7）。

图 7：带有 MP A2 功率发送器和接收器的 WLC1x 高功率解决方案

高功率无线系统对于为笔记本电脑、吸尘器和无人机等大型设备供电和充电非常有用。这些设计非常适合高湿度环境或由于缺少暴露触点而预计会出现冷凝的环境。这些设计还减少了与 ESD 相关的故障，因为电子设备与通常有静电的外部环境进一步隔离。

高功率解决方案是低功率解决方案的放大版本，同时仍然依赖于相同的设计基础。他们需要注意 PCB 的布局和布线，尤其是开关稳压器的电流环路区域。此外，重要的是使用宽铜平面以减少传导路径中的I2 R 压降并将热量从功率元件散开。该系统使用基于操作条件的可变调制深度的稳健带内通信方案，通过配对的 Tx 和 Rx 线圈对可靠、安全和方便地将高功率传输到任何负载。

在工业环境中，这些系统非常棒，因为它们可以消除电线和电缆的需要，同时支持持续数年的无腐蚀充电。高功率设计稍微复杂一些，需要使用更高额定电流和更低电阻的组件来减少整个系统的功率损耗。但是，按照本文的建议以及英飞凌的高质量参考设计和设计指南，可以高效地设计它们。2个

高功率无线系统需要进行多项改进才能限度地提高性能，但从 15 W 到 50 W 的顺序步骤不会导致成比例的设计时间或挑战。当使用英飞凌的高功率解决方案提供当今市场上的无线功率时，可以通过对一些关键组件进行较小的缩放来实现所需的功率增加。