電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)三大核心技術(shù)的解析
相較于其它電子科技發(fā)展,感應(yīng)式充電的技術(shù)發(fā)展顯的緩慢,幾個關(guān)鍵技術(shù)問題直到近年才有解決方案,且解決方案還在不斷的演進(jìn)中。無線充電可通過許多方式去完成,以目前的技術(shù)中“電磁感應(yīng)式”為已經(jīng)量產(chǎn)且經(jīng)過安全與市場驗(yàn)證的產(chǎn)品,在生產(chǎn)成本上電磁感應(yīng)式技術(shù)的產(chǎn)品低于其它技術(shù),有市場預(yù)測在接下來數(shù)年內(nèi),在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域中該類產(chǎn)品將呈倍數(shù)成長。在本文中將探討目前在電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)中三大核心技術(shù):諧振控制、高效能功率傳輸以及數(shù)據(jù)傳輸,以及它們面臨的難題與現(xiàn)有的解決方法。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/160472.htm諧振控制
現(xiàn)今量產(chǎn)的IC制程已經(jīng)進(jìn)步到納米層級,但量產(chǎn)電容、電感組件的規(guī)格卻很難作到誤差在百分之一以下,而在電磁感應(yīng)式電力系統(tǒng)中的系利用兩個線圈感應(yīng),而線圈即為電感,在線圈上需要搭配電容作為諧振匹配,這樣的構(gòu)造即同LC振蕩裝置,較為不同的是在這系統(tǒng)中的目的是為了要在線圈上傳輸功率,為了提高效率需要在電容、電感選用低阻抗零件使質(zhì)量因子Q提高,在這樣的設(shè)計(jì)下其諧振曲線的斜率變的非常的大,在量產(chǎn)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率與電容、電感搭配變的非常困難,因?yàn)橄惹疤岬诫娙?、電感存在相?dāng)?shù)恼`差,在量產(chǎn)中這樣的誤差若是沒有在系統(tǒng)中加入諧振控制修正誤差因素,則成品良率難以控制。在電容、電感誤差下會搭配出偏移原設(shè)計(jì)諧振點(diǎn)組合,導(dǎo)致發(fā)射功率與設(shè)計(jì)預(yù)定值有所偏差。參考圖(一)所示,在電磁感應(yīng)電力系統(tǒng)中發(fā)設(shè)端的線圈上訊號振幅大小即為輸出功率的大小,在這個示意圖中表示一組線圈與電容組合的諧振曲線;在曲線上橫軸為操作的頻率,在不同的工作頻率下于線圈上有不同大小的振幅輸出,而最大振幅的諧振電將出現(xiàn)在頻率F=1/(2π√(LC))之上,在設(shè)計(jì)上并不會將系統(tǒng)設(shè)定在最高功率輸出的諧振點(diǎn)上,而是會工作在比諧振點(diǎn)高一些的頻率使輸出功率維持在適當(dāng)值,在系統(tǒng)中我們通常稱這個頻率為中心工作頻率。在感應(yīng)供電過程中可能會需要加大或降低輸出功率,這時只要調(diào)整工作頻率就可以完成。如圖(一) 所示,在需要加功率時需要降低些頻率使其靠近諧振點(diǎn),用以提高輸出功率,反之要降低輸出功率只要提高頻率即可完成,在此將這個方式定義為變頻式功率調(diào)整。
圖(一)變頻式功率調(diào)整
另外一個改變輸出功率的方式為改變發(fā)射端上的驅(qū)動電壓,參考圖(二)所示,在同一線圈與電容的諧振組合中,當(dāng)于驅(qū)動發(fā)射線圈上的開關(guān)電壓大小即直接改變的輸出功率的大小,在此將這個方式定義為變壓式功率調(diào)整。
圖(二)變壓式功率調(diào)整
先前有提到在量產(chǎn)中線圈與電容存在的誤差需要被修正,修正的目的在于每一組生產(chǎn)出來的產(chǎn)品需要有一致的功率輸出設(shè)定。參考圖(三)所示,這是典型量產(chǎn)中產(chǎn)品的諧振曲線,有諧振點(diǎn)偏高與偏高的產(chǎn)品;在變頻式的系統(tǒng)中,為了要始輸充功率都合乎預(yù)期設(shè)定,當(dāng)諧振點(diǎn)偏高(電容或電感值偏?。┑慕M合中即提高中心工作頻率使輸出功率與設(shè)計(jì)目標(biāo)相同,反之諧振點(diǎn)偏低時就反向操作,如圖(三)中所示,變頻系統(tǒng)擁有寬裕的修正容許空間。
圖(三)變頻式諧振偏差修正
另外一個修正諧振偏差的方式為變壓式,參考圖(四)所示利用改變驅(qū)動電壓的方式進(jìn)行,當(dāng)諧振點(diǎn)偏高(電容或電感值偏?。r就降低驅(qū)動電壓使功率輸出降低到所設(shè)計(jì)的預(yù)定值,反之諧振點(diǎn)偏低時就反向操作??梢钥闯隼米儔菏降恼{(diào)整方式,修正容許空間相較于變頻式較為狹窄,主要為改變電壓的修正幅度沒有改變頻率方式的大,由于反應(yīng)較緩所以也比較好控制調(diào)整幅度。
圖(四)變壓式諧振偏差修正
在諧振系統(tǒng)中調(diào)整功率的方式另外還有改變線圈上的電感值或電容值的方法,但在實(shí)際量產(chǎn)上并不容易完成所以不被采用。在圖(五)是無線充電聯(lián)盟規(guī)格書中所提的兩種控制發(fā)射線圈輸出功率的方法,第一種是變頻調(diào)整式,另一種則是變壓調(diào)整式。
圖(五)qi規(guī)格書中供電端發(fā)射線圈驅(qū)動架構(gòu)圖
表1:分析這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)
由上表可看出,變頻式的在性能上有優(yōu)勢,但在設(shè)計(jì)上有難度;在主控IC上的輸出頻率主要是由處理器。html target=_blank>微處理器架構(gòu)的PWM輸出來完成,電磁感應(yīng)式的操作頻率約在100K ~200K Hz之間,需要輸出上下緣各50%的方波來進(jìn)行驅(qū)動可以得到較好的效能,而在高Q值的諧振線圈上頻率調(diào)整范圍需要到1K Hz以下;簡單的來說設(shè)計(jì)的輸出需要在100K ~200K Hz之前以每段1K Hz以下的調(diào)整間隔進(jìn)行變頻,在這樣的設(shè)定需求下低階的處理器。html target=_blank>微處理器無法完成這樣的功能,另外變頻控制下諧振反應(yīng)敏銳,些微的頻率改變會使功率大幅跳動,如何利用軟件去控制此現(xiàn)象為諧振控制的技術(shù)核心。
評論