摘要：本文主要介紹了在無線充電應(yīng)用中，如何進(jìn)行次級(jí)端的整流橋設(shè)計(jì)，并對(duì)三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較，得出采用2顆肖特基二極管和2顆MOSFET的最佳最佳整流橋配置方案。
簡(jiǎn)介
如今，業(yè)界持續(xù)需要移動(dòng)(on-the-go)電源管理，無線(無接觸式)充電方案在市場(chǎng)正變得越來越流行。雖然能效不如現(xiàn)有線纜充電方案高，但無線充電方案為消費(fèi)者提供更多便利，亦省下了額外的充電線纜。無線充電的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋便攜電子產(chǎn)品、汽車，甚至是醫(yī)療等行業(yè)。當(dāng)今的高科技社會(huì)越來越渴求針對(duì)多種電子設(shè)備的便利充電方案。潛在的無線充電市場(chǎng)機(jī)遇包括汽車、機(jī)場(chǎng)及家中應(yīng)用。如今游戲平臺(tái)也為游戲控制器提供無線充電選擇，目的是為消費(fèi)者提供更多便利。隨著無線充電技術(shù)變得更加流行，許多手機(jī)制造商已經(jīng)開始提供集成了額外電路以使產(chǎn)品兼容無線充電的電池蓋。
無線充電并非新概念。電動(dòng)牙刷和剃須刀使用這種充電方法已經(jīng)有些年頭了。消費(fèi)者簡(jiǎn)單地將設(shè)備置于基座(base unit)上來給電池充電，而不需要暴露的金屬觸點(diǎn)。無線充電減少或省去充電線纜，且能夠同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電，只要簡(jiǎn)單地將它們置于同一個(gè)充電板上就可以了。
無線充電是通過使用空芯(air-core)變壓器來實(shí)現(xiàn)的。初級(jí)繞組位于充電板，次級(jí)繞組位于設(shè)備本身。充電板在次級(jí)繞組感應(yīng)出電流，此電流通過手持設(shè)備內(nèi)的全橋整流器及額外電路，產(chǎn)生直流電壓來為電池充電。圖1顯示了無線充電電路的框圖示例。基座采用標(biāo)準(zhǔn)壁式插座供電。一旦手持設(shè)備置于基座上，電池就開始充電。
變壓器基本原理
當(dāng)電流通過線圈時(shí)，就產(chǎn)生磁場(chǎng)。變壓器利用這基本屬性從一個(gè)繞組感應(yīng)電流到另一個(gè)繞組。匝數(shù)比N指的是次級(jí)端繞組的匝數(shù)與初級(jí)端繞組匝數(shù)之比。
匝數(shù)比用于計(jì)算次級(jí)端繞組中感應(yīng)的電壓和電流。次級(jí)端繞組產(chǎn)生的電壓可用下述等式來計(jì)算：
次級(jí)端繞組電流的計(jì)算等式如下：
變壓器可以設(shè)計(jì)為不同的配置，并使用磁芯材料在次級(jí)繞組中感應(yīng)出磁場(chǎng)。磁導(dǎo)率(µ)衡量的是變壓器中產(chǎn)生磁場(chǎng)的有效性。換句話說，磁導(dǎo)率指的是變壓器能夠以多高的效率將電能提供給次級(jí)繞組。磁導(dǎo)率越高，變壓器將電能從初級(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)的效率就越高。本征磁導(dǎo)率指的是真空磁導(dǎo)率，其定義為：
單位是牛頓每平方安培。相對(duì)磁導(dǎo)率的定義是特定材料的磁導(dǎo)率除以本征磁導(dǎo)率，即
如今業(yè)界使用最廣泛的材料是磁芯。錳鋅鐵氧體磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率是640或更高。然而，對(duì)于無線充電器而言，磁芯材料是空氣。這是因?yàn)槌跫?jí)繞組處于與次級(jí)繞組相隔離的基座中。空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率是1，使變壓器的能效低得多。由于變壓器能效低，電路其它部分的能效就變得極為重要。
次級(jí)端整流橋
全橋整流器及濾波器電路通過感應(yīng)在次級(jí)繞組的交流信號(hào)產(chǎn)生恒定直流電壓。圖2顯示了使用4顆二極管配置的全橋整流器電路。
當(dāng)二極管1和3正向偏置時(shí)，二極管2和4反向偏置，反之亦然。因此，整流橋的主要功率損耗就是兩個(gè)二極管上的正向壓降。標(biāo)準(zhǔn)二極管的壓降約為0.7V。這表示兩個(gè)二極管的功率損耗為：
(6)肖特基二極管的正向壓降要低得多，典型值約為0.4V。對(duì)于如圖2所示的整流橋配置而言，肖特基二極管提供更高的能效。圖2中的輸入波形示例是正弦波，幅值為VPK。經(jīng)過整流的輸出的幅值為VPK，周期中的兩個(gè)半波都是正波。
圖3顯示的是輸入電壓正弦波形1區(qū)和2區(qū)時(shí)流過整流橋和負(fù)載的電流路徑。在輸入電壓周期的前半部分(對(duì)應(yīng)于1區(qū)及圖4a)，節(jié)點(diǎn)a的電壓高于節(jié)點(diǎn)b的電壓。電流流過二極管1，經(jīng)過負(fù)載后，又通過二極管3流回變壓器。在輸入電壓周期的后半部分(對(duì)應(yīng)于2區(qū)及圖4b)，節(jié)點(diǎn)b電壓高于節(jié)點(diǎn)a電壓，電流以相反方向流動(dòng)，流過二極管2，穿過負(fù)載，再通過二極管4流回變壓器。在每種情況下，電流都以相同的方向流過負(fù)載本身，產(chǎn)生如圖2所示的輸出電壓波形。
另一種全橋整流器配置包含2顆二極管和2顆MOSFET器件。圖4顯示了這種配置的示例。
對(duì)于這種整流橋配置而言，二極管3和4被兩顆N溝道MOSFET替代。MOSFET 3的門極連接至節(jié)點(diǎn)a，MOSFET 4的門極連接至節(jié)點(diǎn)b。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，每顆MOSFET的體二極管(body diode)阻斷電流流動(dòng)。這種配置的橋輸入及輸出波形與上述橋配置的波形相同。在1區(qū)，節(jié)點(diǎn)a電壓高于節(jié)點(diǎn)b電壓。二極管1正向偏置，二極管2反向偏置，MOSFET 3導(dǎo)通，而MOSFET 4關(guān)閉(MOSFET 4的體二極管反向偏置)。在2區(qū)，節(jié)點(diǎn)b電壓高于節(jié)點(diǎn)a。二極管2正向偏置，二極管1反射偏置，MOSFET4導(dǎo)通，而MOSFET 3關(guān)閉(MOSFET 3的體二極管反向偏置)。
這種配置的電路路徑及輸出波形結(jié)果與上述配置相同。然而，通過以MOSFET替代兩顆二極管，整流橋的能效得到提升，二極管及MOSFET的功率損耗計(jì)算等式為：
(7)表1比較了使用2A負(fù)載條件下三種次級(jí)全橋整流器電路應(yīng)用方案的功率損耗。第一種應(yīng)用方案是標(biāo)準(zhǔn)4顆二極管配置，第二種應(yīng)用方案是使用肖特基二極管的4顆二極管配置，第三種應(yīng)用方案包含2顆肖特基二極管和2顆MOSFET，這種方案有如安森美半導(dǎo)體的NMLU1210集成方案。
如表所示，第三種應(yīng)用方案的功率損耗最低。節(jié)省的功率損耗直接轉(zhuǎn)化為次級(jí)端電路整體能效的提升，使無線充電方案具有更高能效。全橋整流器也可以采用4顆MOSFET來實(shí)現(xiàn)。但這種應(yīng)用方案牽涉的因素更多，要求審慎思考。
能效考慮因素對(duì)無線充電方案至關(guān)重要，因?yàn)闊o線充電方案采用的氣隙變壓器的能效相比傳統(tǒng)線纜充電方案低。因此，為了將無線充電的性能提升至最高，每個(gè)電路模塊的能效都必須仔細(xì)考慮及加以應(yīng)對(duì)。如文中的功率損耗計(jì)算結(jié)果所示，應(yīng)用2顆二極管和2顆MOSFET的方案最能節(jié)省功率損耗。對(duì)于當(dāng)今的電子行業(yè)而言，節(jié)能及提升能效處于消費(fèi)者及制造商所關(guān)注問題的最前沿。隨著無線充電深入發(fā)展，業(yè)界對(duì)高能效及高性能方案的需求也越來越高。
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