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作者：宜普電源轉換公司應用總監Michael De Rooij博士、 應用副總裁Johan Strydom博士 引言 無線電源傳送應用在通用產品如手機充電器日漸受歡迎。 大部分的無線電源解決方案專注于與工作頻率約在200 KHz的感應線圈解決方案的緊密式耦合，以及E、F、S類放大器的轉換器拓撲。可是近來市場要求器件工作在受限及未經許可使用的、更低的ISM頻帶（6.78 MHz），這是傳統MOSFET技術已接近其性能限制的工作頻率。增強型氮化鎵場效應晶體管可作為MOSFET的替代器件，因為它具足夠快速的開關性能，為無線電源應用的理想器件。本章主要討論對使用感應線圈及宜普公司的氮化鎵場效應晶體管的無線電源系統進行實驗性評估，該系統使用半橋拓撲及工作在6.78 MHz頻率下，適用于為多個負載功率為5W并使用USB接口的充電器而設。此外，我們將對這個實驗性系統與基于等效MOSFET器件的系統進行比較。 感應式無線充電系統概述 感應式無線充電系統包含四個主要部分： １． 放大器（亦稱為功率轉換器） ２． 發射線圈包括匹配的電網 ３． 接收線圈包括匹配的電網 ４． 具高頻過濾性能的整流器 要了解及設計一個無線電源系統，必需首先明白發射及接收感應線圈的基本工作原理。 發射線圈與高頻交流電源接合后產生磁場，從而與接收線圈耦合及傳送電源。一套感應線圈可以一個具高漏電感的變壓器電路模型代表。圖１展示了這個變壓器的簡化原理圖，其中Lmx代表磁感及Lrx代表漏電感。對這個模型進行分析可顯示電源傳送至次級側漏電感的能力完全取決于初級側漏電感[16]。這些系統具高漏電感值，典型地與磁感值相同，在初級電路減少電流，從而在理想的變壓器初級繞線降低電壓。漏電感與線圈之間的距離大約成正比例。漏電感與線圈之間距離的確切關系在本章的研究范圍之外，但在設計及討論中將使用大約為0.12的耦合系數。 在理想變壓器初級繞線提高電壓，感應線圈工作在諧振時使用外置元件可大大提升可傳送的功率，這是通過把調整后并匹配的電網加入發射及接收線圈 [16]。 
圖１：感應線圈的等效電路模型 在6.78 MHz的ISM頻帶工作需要一個air core 變壓器，沒有它將導致極大的磁性物料損耗。Air core 變壓器具有很低磁感，所以需要更高電流工作。 由于應用需要器件在諧振及變壓器感應值工作，因此需要一個匹配的電網，可把在功率級的電阻轉換至變壓器以傳送最大能源，并可以調整線圈的諧振頻率至最理想的頻率。 我們所演示的感應線圈由Witricity公司設計及提供[5]。 功率放大器 在選擇功率放大器之前，我們需要先決定器件主要的工作規格如電源電壓及負載功率，因為這些規格將影響選擇使用哪個功率拓撲。我們的目的是要設計一個在不同負載范圍也具最高工作效率的系統。 我們決定對一個工作在高達24 V的系統進行評估，以找出在高頻無線系統可有效地傳送多少功率。 大部分使用USB接口的應用都限于5W負載功率，但市場趨向希望單一發射電源可支持多個負載，這將推動器件具備更高輸出功率性能。無論負載是多少，我們的演示沒有包括關于輸出電壓保持在5V的次級條例，也沒有包括在無線電源系統典型地為了增強控制及對金屬異物的探測（FMDD）能力而提供器件與電源模塊之間的復雜交流。， 無線電源應用需要基于開關的轉換器，因為最優秀的射頻放大器也沒有足夠高的轉換效率，所以實際上不會選擇使用它們。因此給高效無線電源應用可選及合適的轉換器就只有D、E及F 類[8]，以及S類放大器的配置[9]。 此外，進一步的限制包括工作在6.78 MHz 的ISM頻帶[12]只有±15 kHz的頻寬，這實際上去除調制輸出（電壓或負載）的調頻技術。E及F類轉換器的缺點是在主開關必需能夠完全阻隔線圈電壓，其中D及S類轉換器的開關只需阻隔電源電壓。再者，E及F類轉換器的應用較難控制，因為當開關成為諧振電路的一部分將很難決定零電壓開關的時間。在于S類放大器來說，控制器需要比容許ISM頻帶使用的頻寬具更大的頻寬。 因此最合理的放大器的選擇是工作在固定頻率的D類轉換器。 如果具50%的占空比（±10%），調制占空比對調制輸出的影響很小，因為感應線圈將工作于諧振（占空比的主要影響是對轉換器效率在±10%范圍的影響，由于發射線圈的頻譜部分可超過一般電磁干擾的限制，這將把電流諧波引入線圈。 我們給評估選擇一個使用半橋配置的功率放大器，因為氮化鎵場效應晶體管（eGaN FET）工作在較高壓時具更高效率，并可配以一個現有的高效柵極驅動器[10]來控制成本。 轉換器于諧振之上工作，好處是零電壓開關（ZVS）及取得最高功率放大器效率，并采用具最小尺寸的40 V 氮化鎵場效應晶體管（EPC2014），因為它具備低導通電阻及低Coss， 以確保最低功率損耗。圖2展示了一個無線系統的方框圖。
圖2：無線電源系統的方框圖 調制及控制輸出 在無線電源轉換器我們使用兩個控制方法： 1. 總線電壓不變– 不同的頻率控制 2. 頻率不變- 不同的總線電壓控制 總線電壓 不變–不同的頻率控制 這是在工作在100 KHz 至200 KHz頻率范圍的無線轉換器最常用的控制方法， 因為使用較少元件，但要適度控制輸出則需要給分隔障礙若干形式的反饋。傳統解決方案使用基于無線基準的數字通信協定 [3]， 為控制提供雖然速度慢但合理的系統。這種方法的弊病是： 1）接收與發射元件的交流重疊在功率之上，可干擾功率，并使系統不可常工作在峰值效率。 2）系統控制會使用不同工作頻率來控制基于負載要求的輸出。 當工作在ISM頻帶時，距離最高頻寬不可超過±15 kHz， 因此在線圈設計中可消耗任何容差。 通過加入高頻降壓穩壓器可增強器件對輸出的穩壓能力。 頻率不變- 不同的總線電壓控制 這是另一種控制方法，它需要額外前端轉換器來替功率放大器調節直流電源電壓。 功率放大器、整套感應線圈及整流器如直流變壓器般工作。對輸出仍需額外調節，因為整流器負載需要像恒常電阻器般工作，以確保即使橫跨負載范圍也可以取得最高工作效率。這種方法非常嚴謹地控制工作頻率，因此可達到ISM頻寬的嚴格要求。 三種無線系統包括緊密式耦合（發射及接收線圈的距離很短及磁場位于中間）、松散式耦合（發射及接收線圈相對地相互緊靠但不一定有接觸點，及磁場位于中間）及靈活式耦合[17]（發射及接收線圈的距離和磁場中心都可變）。本章探討使用松散式線圈的系統。 并不包括在以上的控制方法是發射及接收線圈之間不同距離及對齊與否的影響， 它可影響耦合， 從而影響等效電路模型變壓器的漏電感值，所得結果是轉變線圈的諧振頻率。 因此我們非常建議使用對齊及固定線圈間距的方法。 整流器 整流器的作用是轉換從接收線圈的高頻交流電至直流電電壓。對整流器的重要考慮因素包括傳導及開關損耗。可實現同步整流器，但如果使用氮化鎵場效應晶體管在給定所需時間，需要正確地實現高頻開關，這是本章以外的議題，本章只討論簡單的全波形橋式二極管。 與MOSFET技術相比 功率放大器在高頻工作時會產生較高的功率損耗，因此轉換器最好具零電壓開關（ZVS），因可以去除基于Coss的損耗，從而取得最高效率。工程師要決定電路中元件的功率損耗則需要知道電路工作的原理。 在系統內導致損耗的主要因素有： 場效應晶體管開關包括柵極驅動器的功耗 整流器二極管 整套感應線圈包括匹配電網 要展示氮化鎵場效應晶體管（eGaN FET）在無線電源應用的優勢必需比較基于氮化鎵及基于等效MOSFET器件的電路性能。所選的MOSFET器件是英非凌公司的BSZ130N03LS_G[13]，它使用3 mm x 3 mm尺寸的 PG-TSDSON-8 封裝，與宜普公司的氮化鎵器件EPC2014相比，具相同導通電阻，但額定值是30 V， 而宜普氮化鎵器件的額定值為40 V。 我們設計了演示電路，從而評估氮化鎵及MOSFET器件的性能。WiTricity公司[5]提供線圈及匹配電網。 由于轉換器具高頻開關速度及在電壓、電流中快速轉換，因此在電路的物理設計方面需要留意版圖的設計。功率電路元件具小尺寸，使得量度關鍵節點變得困難，因此PCB嵌進探孔從而改善至示波器探孔的連接。 實驗性裝置的設計包含四塊獨立的電路板： 1）發射裝置（功率放大器） 2）發射線圈 3）接收線圈 4）接收裝置（整流器） 發射裝置含功率放大器（開關轉換器）、柵極驅動器、電源穩壓器及跟隨相位的控制器。 發射線圈的電壓通過同軸電纜連接得以反饋而被轉換為方形波形電壓并在用來驅動柵極驅動器之前被延遲及計時，為系統提供類似自轉動反饋控制器。 這允許對每一個場效應晶體管的頻率、占空比及死區時間進行非常精確的調制。圖3展示了整個無線電源系統設置的圖片。我們使用50 Ω SMA連接器連接所有電路板及使用一英寸長的尼龍線距來分隔發射及接收線圈。連接發射線圈反饋電壓的連接器用了SMB snap。
圖3：宜普公司與Witricity公司共同開發的無線電源系統的圖片 從圖4發射電路板的放大圖可以看到裝貼了散熱器，替氮化鎵場效應晶體管及MOSFET器件散熱。我們使用單一電路板同時評估含氮化鎵及MOSFET器件的電路，并在測試時使用相同發射線圈、接收線圈及接收電路板，目的是限制唯一可比的因素在于功率放大器開關技術方面。
圖4：宜普公司的發射電路板的主要元件及各分部的圖片 我們使用Advanced Thermal Solutions[14]的15 mm長 、15 mm闊及 14.5 mm高的散熱器，并使用Wakefield熱接口物料型號173 [7]的薄片，把散熱器裝貼及平放于氮化鎵場效應晶體管及MOSFET器件的上面。 此外，我們使用德州儀器公司內含氮化鎵場效應晶體管的LM5113 半橋柵極驅動器[10]來驅動氮化鎵場效應晶體管及MOSFET器件，并選用緊湊型的BGA封裝（2 mm x 2 mm）。請注意，在這個應用中的LM5113 集成電路工作在遠高于它本來設計的5 MHz頻率。 LM5113 邏輯電路可工作在非常高的開關頻率，可是內置自舉電源需要最低限度約100 ns低側on-time為高側電源充電至所需電壓。結果是在LM5113電路需加入額外的外置自舉電源，之后再加入一個LDO穩壓器以確保在上方的場效應晶體管電路的電壓為5 V。 高開關頻率也代表LM5113的功耗可以非常大，所以把器件放在散熱器底部有助散熱。 為評估而設，圖5展示嵌入了分流電路及最低負載的接收電路板的放大圖，使用嵌入式Kelvin連接以取得準確的電流及電壓測量值。
圖5：宜普公司接收電路板的主要元件的圖片 實驗結果 在給定的不同直流負載電阻值，初步測試可決定整套線圈的最高工作頻率。 在固定的23.6Ω負載，器件的工作峰值頻率為6.639 MHz。圖6展示負載功率為效率（包括基于氮化鎵及基于MOSFET器件的功率放大器的柵極驅動電路功耗）的函數，其固定負載阻抗值為23.6Ω，工作頻率為6.639 MHz。
圖6：在固定負載電阻條件下，基于氮化鎵場效應晶體管和基于MOSFET的無線電路板之間的直流輸入直流輸出效率比較（包括柵極驅動器功耗）。該效率是輸出功率的函數。 基于氮化鎵場效應晶體管的裝置的波形圖是在22 V電源電壓時取得（圖7），基于MOSFET器件的裝置看圖8。波形圖展示了較低柵極電壓（青色部分）、開關節點（紫色）、發射線圈的輸入電流（綠色）及接收線圈的輸出電壓（黃色）。我們使用Athena Energy [11]制造的Rogowski線圈電流探測器來探測線圈電流。在整套線圈其中的一個匹配電感器綁著pick-up傳感器。
圖7：對基于eGaN FET的電路板并工作在22 V電源電壓、6.639 MHz頻率、23.6Ω負載的條件下進行測量的結果
圖8：對基于MOSFET的電路板并工作在22 V電源電壓、6.639 MHz頻率、23.6Ω負載的條件下進行測量的結果 系統可以在高達20 V電源電壓（12.5 W負載功率）使用對流散熱（圖9）。在20 V以上則必需強制使用空氣散熱方式，以防其中一個于匹配電網的電感器的溫度超過攝氏150度。
圖9：含氮化鎵無線發射電路板的熱成像，器件工作在20 V電源電壓、6.639 MHz頻率、23.6Ω負載（具12.5 W功率負載）及環境溫度為攝氏28度。 圖10給出對基于氮化鎵及基于MOSFET器件的無線電源電路的功率損耗進行微細分析，可得出各種損耗包括場效應晶體管開關（傳導及開關）、柵極驅動器、發射電路板（初級線圈）、接收線圈（次級線圈）及整流器（傳導及電容性）損耗。
圖10：對基于氮化鎵及基于MOSFET器件的無線電源電路板的功率損耗進行微細分析，兩塊電路板工作在22 V電源電壓、6.639 MHz頻率及23.6Ω負載條件下 在22 V電源電壓及15 W功率的負載測量而推論出： 1）整套的感應線圈的效率為87.3% 2）基于氮化鎵場效應晶體管的系統效率為82.9% 3）基于MOSFET器件的系統效率為78.8% 4）整流器的效率為93.6% 總結 本章展示了基于電感的Ｄ類無線電源系統可以工作在6.78 MHz的ISM頻帶下。由于實驗的限制，我們展示器件工作在6.639 MHz頻率下，及對基于氮化鎵場效應晶體管和基于等效MOSFET并使用相同線圈及整流器的無線電源系統進行比較。在15 W負載功率條件下，與基于MOSFET 器件的系統相比，基于氮化鎵場效應晶體管的系統在整體效率方面高出３％。 在改善放大器的效率方面，使用氮化鎵場效應晶體管的功率放大器比使用MOSFET的放大器的效率高出４％。（功耗減少了２４％）。 一個工作在6.78 MHz ISM頻帶的無線電源系統可以在高頻下工作的主要因素是給整流器固定電阻值，實際上，我們可在整流器加入一個降壓轉換器并把輸入編程，使之如固定電阻器般工作，及同時根據負載的要求調較輸出電壓。 對這類無線系統而言，線圈之間要對齊及具固定間距也是重要的。漏電感的變化要不變得過大而不能補償工作在ISM頻帶所要求的嚴格頻寬。 最后，請留意用作這次評估的氮化鎵場效應晶體管對于這種用于5 W功率級別的應用來說是過大。在寫本章時，我們所選的晶體管是宜普公司產品系列中尺寸最小的產品。雖然所測試的器件可推動15 W功率應用，但用于低功率級別的應用可采用尺寸較小、額定值為30 V的器件來提升效率，或可提高電源電壓，使基于氮化鎵場效應晶體管的無線系統與基于MOSFET器件的系統相比，可實現更高輸出功率。 參考資料 [1] “Wireless Power Transfer System via Magnetic Resonant Coupling at Restricted Frequency Range”, Teck Chuan Beh, Takehiro Imura, Masaki Kato, Yoichi Hori, Annual Conference of I.E.E. of Japan, Industry Applications Society Aug. 2010. [2] “Wireless Power Receiver IC Complements Existing Transmitter”, Sam Davis, Power Electronics Technology magazine, July 2011. [3] “System Description Wireless Power Transfer”, Vol. 1, ver. 1.0.3, Sept. 2011. [4] “Mid-range Wireless Energy Transfer Using Inductive Resonance for Wireless Sensors”, Shahrzad Jalali Mazlouman, Alireza Mahanfar, Bozena Kaminska, IEEE International Conference on Computer Design ICCD 4-7 Oct 2009. pp 517 – 522 [5] Witricty Corp. coil set part numbers 190-000037-01 and 190-000038-01, www.witricity.com [6] EPC2014 datasheet, http://epc-co.com/epc/Products/eGaNFETs/EPC2014.aspx [7] Wakefield Engineering thermal interface material P/N 173-7-1212A, http://www.wakefield.com [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_amplifier [9] “A Practical Class S Power Amplifier for High Frequency Transmitters”, John Dooley and Ronan Farrell, Royal Irish Academy Colloquium on Emerging Trends in Wireless Communications 2008, 23rd & 24th April 2008, Dublin, Ireland. [10] LM5113 datasheet, Texas Instruments, http://www.ti.com/product/lm5113 [11] 200A/50MHz Rogowski Coil Current probe, Athena Energy Corp current probe, www.athenaenergycorp.com [12] http://en.wikipedia.org/wiki/ISM_band [13] BSZ130N03LS_G datasheet, Infineon, www.infineon.com [14] ATS-54150K-C2-R0 datasheet, Advanced Thermal Solutions, www.qats.com [15] “eGaN FET- Silicon Power Shoot-Out Volume 8: Envelope Tracking”, Johan Strydom, Power Electronics Technology, May 2012, http://epc-co.com/epc/DesignSupportbr/Applications/EnvelopeTracking.aspx [16] “Wireless Power System Design Component And Magnetics Selection”, Kalyan Siddabattula, Texas Instruments presentation on wireless technology, http://e2e.ti.com/support/power_ ... gallery/526153.aspx [17] “Wireless Power Transfer Enabling the Mobile Charging Ecosystem”, by Qualcomm, Presented at the Darnell Power Forum, Sept. 2011 致謝 宜普電源轉換公司向Witricity公司在本項目設計及提供發射器、接收線圈、給線圈匹配電網和設計支持致謝。 提問/聯系 Winnie Wong (winnie.wong@epc-co.com) |
