【導(dǎo)讀】本文提出一個兼容AirFuel 和 Qi兩大無線充電標(biāo)準(zhǔn)的無線充電 (WPT) 天線配置和有源整流電路,并用Cadence Virtuoso 仿真工具評測了天線配置的性能,電路仿真所用的線圈參數(shù)是目前市場上銷售的線圈的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。我們將仿真結(jié)果與目前最先進(jìn)的天線技術(shù)進(jìn)行了對比和比較,驗(yàn)證了這個天線配置的優(yōu)勢。本文提出的有源整流器電路采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計,并能夠根據(jù)工作頻率重新配置整流器。最后,本文還用Cadence Virtuoso仿真工具在各種條件下測試了一個完整的無線充電系統(tǒng)模型,其中包括電能發(fā)送端(TX)和本文提出的雙標(biāo)準(zhǔn)天線及有源整流系統(tǒng),得出了整個系統(tǒng)的詳細(xì)效率數(shù)據(jù),全面評測了本文提出的天線配置和有源整流電路的性能。
摘要
本文提出一個兼容AirFuel 和 Qi兩大無線充電標(biāo)準(zhǔn)的無線充電 (WPT) 天線配置和有源整流電路,并用Cadence Virtuoso 仿真工具評測了天線配置的性能,電路仿真所用的線圈參數(shù)是目前市場上銷售的線圈的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。我們將仿真結(jié)果與目前最先進(jìn)的天線技術(shù)進(jìn)行了對比和比較,驗(yàn)證了這個天線配置的優(yōu)勢。本文提出的有源整流器電路采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計,并能夠根據(jù)工作頻率重新配置整流器。最后,本文還用Cadence Virtuoso仿真工具在各種條件下測試了一個完整的無線充電系統(tǒng)模型,其中包括電能發(fā)送端(TX)和本文提出的雙標(biāo)準(zhǔn)天線及有源整流系統(tǒng),得出了整個系統(tǒng)的詳細(xì)效率數(shù)據(jù),全面評測了本文提出的天線配置和有源整流電路的性能。
I.前言
在過去幾年中,無線充電技術(shù)的重要性日益提升。無線充電技術(shù)不需要電纜,為用戶給設(shè)備充電帶來極大便利。無線充電技術(shù)還有另外一個優(yōu)點(diǎn),得益于可以定期無線充電,電池模塊可以設(shè)計的更小[1],從而使設(shè)備體積變得更小。無線充電技術(shù)涵蓋不同的功率級別,從充電功率兆瓦級的電動汽車,到瓦級的消費(fèi)類產(chǎn)品,再到毫瓦級的生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備,無線充電應(yīng)用非常廣泛。
實(shí)現(xiàn)無線充電技術(shù)有多種方法,例如,通過磁場、電容、射頻 (RF)、超聲波或激光傳送電能 [1]。然而,電磁感應(yīng)或電磁共振是應(yīng)用最廣泛的無線充電解決方案。電磁充電方案依靠兩個線圈之間的磁場耦合傳遞電能。天線模塊組件包括這兩個線圈與電容器組成的補(bǔ)償電路。感應(yīng)式充電和電磁共振系統(tǒng)的不同之處在于磁場耦合系數(shù)和工作頻率。無線充電標(biāo)準(zhǔn) Qi 和 AirFuel分別是具有代表性的感應(yīng)式和電磁共振式充電技術(shù)。Qi 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是線圈強(qiáng)耦合(耦合系數(shù) k 通常約為 0.7),工作頻率在 100 kHz-300 kHz 范圍內(nèi),以及電能接收端 (RX) 天線的諧振頻率通常較低,而 AirFuel標(biāo)準(zhǔn)則相反,天線線圈之間是松耦合,諧振頻率是6.78 MHz 或其整倍數(shù),發(fā)送端天線與接收端 (RX) 天線諧振頻率相同。
圖 1. 完整的無線充電系統(tǒng)示意圖
鑒于這兩種標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被市場接受,支持Qi 和 AirFuel雙標(biāo)準(zhǔn)的無線充電天線及電能接收模塊,及其相關(guān)的技術(shù)規(guī)格,引起業(yè)界的關(guān)注。在文獻(xiàn)資料中,可以找到一些提出雙標(biāo)準(zhǔn)電能接收解決方案的研究著作[3]-[6]。然而,這些著作的主要研究方向是電能接收端電路設(shè)計,特別是有源整流器,而沒有關(guān)于天線配置和線圈參數(shù)設(shè)置的詳細(xì)介紹。雖然在文獻(xiàn)[2]中有支持雙標(biāo)準(zhǔn)的天線配置的論述,但是,并未詳細(xì)介紹最終的耦合系數(shù)。本文提出了一種創(chuàng)新的天線配置方案以及有源整流電路。整流電路采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計,支持 Qi 和 AirFuel兩個無線充電標(biāo)準(zhǔn),輸出功率涵蓋筆記本電腦、智能手機(jī)等消費(fèi)設(shè)備常用輸出功率。
為了評估本文提出的設(shè)計方案的性能,我們用 Cadence Virtuoso仿真工具評估了圖 1 所示的完整的無線充電系統(tǒng),其中包括輸入電池、電能發(fā)送端 (TX) 模塊、天線線圈、有源整流器、 濾波輸出電容和負(fù)載。為了模擬輸出穩(wěn)壓模塊(沒有出在現(xiàn)本文提出的方案內(nèi))的效果,我們考慮在負(fù)載的地方連接一塊電池,將輸出電壓 VOUT 設(shè)為目標(biāo)電壓值,即 Qi 充電是 12 V,AirFuel充電是20 V。
圖2. (a) 文獻(xiàn) [2] 中所示的雙標(biāo)準(zhǔn)天線配置;(b)本文提出的雙標(biāo)準(zhǔn)天線配置;(c) 表征測量所用的線圈布局;(d) 天線測試臺原理圖,為在Cadence Virtuoso中模擬天線提供相關(guān)參數(shù)。
天線配置仿真所用的天線參數(shù)都是目前市場上銷售的線圈的實(shí)際測量值。把兩個線圈對齊,同時不斷改變線圈間距,測量線圈在不同間距的耦合系數(shù),然后在仿真工具中模擬這些耦合系數(shù)。通過這種方式,可以全面評估本文提出的天線配置和有源整流電路的性能,得出無線充電系統(tǒng)每個模塊的詳細(xì)效率信息。把所有情況都考慮在內(nèi),有源整流器的效率超過 93%,天線模塊的效率在 67.4% 到95.6% 之間。
本文的結(jié)構(gòu)如下:第二部分描述本文提出的天線配置,第三部分介紹本文提出的有源整流電路,第四部分報告仿真驗(yàn)證結(jié)果,第五部分是結(jié)論。
II.天線配置方案
為了開發(fā)兼容 AirFuel 和 Qi的雙標(biāo)準(zhǔn)無線充電接收系統(tǒng),需要使用兩個獨(dú)立的天線,通過單獨(dú)選擇電感值和 Q 因子,可以在兩個不同的工作頻率范圍內(nèi)最大限度提高效率。根據(jù)文獻(xiàn)[2]提出的結(jié)構(gòu),兩個天線可以整合成一個雙天線結(jié)構(gòu),見圖2(a)。電容器 C2在低頻時可以近似為開路;大電容C1在高頻時起到短路作用,L1 的阻抗是電路中最大的。
表1:線圈實(shí)際測量參數(shù)
標(biāo)準(zhǔn) | LP [μH] | 線圈間距 [cm] | k1 | k2 | Frequency 頻率[kHz] |
AirFuel | 1.2 | 0.4 | 0.278 | 0.414 | 1000 |
AirFuel | 1.2 | 0.8 | 0.141 | 0.209 | 1000 |
AirFuel | 1.2 | 1.2 | 0.114 | 0.151 | 1000 |
AirFuel | 1.2 | 1.8 | 0.068 | 0.093 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 0.6 | 0.093 | 0.146 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 1 | 0.088 | 0.137 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 1.7 | 0.081 | 0.110 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 2.2 | 0.064 | 0.092 | 1000 |
Qi | 10 | 0.4 | 0.687 | 0.195 | 150 |
Qi | 10 | 0.8 | 0.450 | 0.164 | 150 |
Qi | 10 | 1.5 | 0.224 | 0.114 | 150 |
Qi | 10 | 2.0 | 0.142 | 0.079 | 150 |
通過這種方式可以組建兩個串聯(lián)諧振電路,一個是工作頻率范圍 100kHz-300kHz的 Qi標(biāo)準(zhǔn)低頻諧振電路,由 LS1 + LS2和 C1確定諧振頻率范圍;另一個是工作頻率 6.78 MHz 或其整數(shù)倍的Airfuel標(biāo)準(zhǔn)高頻諧振電路,由 LS2和C2確定工作頻率。為了滿足兩個串聯(lián)諧振頻率,本文提出了圖 2(b)所示的天線配置,在Qi 情況下,串聯(lián)諧振頻率由 LS1 和 C1決定;在AirFuel 情況下,串聯(lián)諧振頻率由LS2和 C2決定。 L1的值主要優(yōu)化在Qi 頻率范圍內(nèi)工作;L2的值主要優(yōu)化在 Airfuel 頻率范圍內(nèi)工作;然后,選擇與兩個電感器對應(yīng)的電容器C1和C2,以取得所需的兩個諧振頻率。
圖 1所示是本文提出的完整的天線配置,線圈采用的是市場上銷售的標(biāo)準(zhǔn)線圈:接收端所選線圈 LS1 和 LS2 是 Wurth Elektronik 公司的 760308101150 電感線圈,電感分別是6.3 μH 和 1.2 μH [8 ]; 在 Qi 情況下,發(fā)送端線圈 LP采用 760308101141 10 μH 電感線圈[9],在 AirFuel 情況下,考慮選用760308101150 1.2 μH電感線圈或 3.55 μH 感應(yīng)板充電器 。
為了估算不同線圈對之間的耦合系數(shù) k1 和 k2,按照圖2 (c)所示的配置,將所選的兩個線圈對齊,用 LCR表測量兩個線圈之間的耦合程度,把不同間距的耦合情況考慮在內(nèi),從而得出互感M和耦合系數(shù)k1。在求算AirFuel系統(tǒng)參數(shù)時,在LCR測量儀上選擇最大頻率1 MHz,因?yàn)橹C振頻率設(shè)置在 6.78 MHz時,正常情況下頻率不會出現(xiàn)顯著變化。線圈測量參數(shù)如表 I 所示。
III.有源整流電路設(shè)計方案
整流電路設(shè)計采用 90 nm BCD 工藝,由四個合理控制的功率開關(guān)管構(gòu)成。這四個NMOS 晶體管起到等效二極管的作用,當(dāng)晶體管導(dǎo)通時,正電流從源極流向漏極,實(shí)現(xiàn)所謂的有源整流電路,如圖1所示。
圖 3. 有源整流器方案(a) 高邊 (b) 低邊功率 MOSFET控制結(jié)構(gòu)示意圖。
圖 4. (a) 模塊化驅(qū)動器設(shè)計方案和功率 MOSFET系統(tǒng)的示意圖;(b)功率 MOSFET 模塊結(jié)構(gòu)的詳細(xì)示意圖; (c) 驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)。
用功率開關(guān)管代替通常的二極管的原因是,功率開關(guān)管的壓降更低,效率更高,特別是,NMOS的品質(zhì)因數(shù)高于PMOS 器件。圖 3(a) 和圖 3(b) 分別是高邊功率開關(guān)和低邊功率開關(guān)的有源整流方案內(nèi)部電路示意圖。在示例中,我們討論了功率晶體管M1和M3以及開關(guān)節(jié)點(diǎn)S1的工作方式,這個方式同樣適用于M2、M4和S2。比較器用于檢測開關(guān) M1上的壓降以及電流方向,比較器輸出還需要采用一個類似于文獻(xiàn)[7]提出的濾波電路來處理,最后獲得功率開關(guān)的控制信號CTRLi。濾波電路的用處是消除比較器輸出中的毛刺和雜散換向信號。比較器可以限值高邊開關(guān)管和低邊開關(guān)管驅(qū)動電壓,因?yàn)楣?jié)點(diǎn) S1在電能接收端接地 GND和設(shè)計輸出電壓節(jié)點(diǎn) OUT 之間切換,有可能超出了功率MOS的安全工作區(qū),S2的功能類似。
特別是,在高邊開關(guān)電路拓?fù)渲?,由于比較器的工作電壓范圍是在輸出電壓節(jié)點(diǎn) OUT 和節(jié)點(diǎn) gndHV 之間,gndHV是設(shè)計輸出電壓減去一個齊納二極管的壓降,因此,需要對比較器正輸入進(jìn)行限幅處理 ,以確保工作電壓不低于 gndHV 。通過晶體管MP1和電阻R1實(shí)現(xiàn)限幅功能:當(dāng)S1切換至OUT時,MP1工作在三極管區(qū)域,相當(dāng)于閉合開關(guān);當(dāng) S1切換至 GND 時,MP1在飽和區(qū)導(dǎo)通,并確保比較器正輸入節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不會低于 gndHV 與MP1 的源柵極電壓之和;R1必須取值正確,才能限制流過 MP1 的電流。
對于低邊開關(guān)管的情況,比較器負(fù)輸入需要限幅,以免超過本地電源電壓 vddLV(假定是 5V):這個功能是由 MP3 和 R3 實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上,與高邊的 MP1 類似,當(dāng) S1 切換到 GND 時,MP3工作在三極管安全區(qū)域內(nèi),起到一個閉合開關(guān)的作用;當(dāng) S1切換到 OUT 時,晶體管工作在飽和區(qū)域,將比較器負(fù)輸入電壓限制在MP3的柵源電壓。高邊開關(guān)電路需要電平轉(zhuǎn)換器,因?yàn)楸容^器的電源電壓范圍是在 OUT 和 gndHV之間,而濾波器和驅(qū)動器電路的電源電壓是在自舉電源電壓 vddHVi 和 Si 之間。
AirFuel 和 Qi兩個標(biāo)準(zhǔn)工作頻率和目標(biāo)輸出功率值不同(Qi是 40 W,Airfuel是10 W),為了兼容這兩個無線充電標(biāo)準(zhǔn),功率 MOS晶體管及其驅(qū)動電路必須能夠重新配置。一方面,在 Qi 情況下,工作頻率低,開關(guān)損耗可以忽略不計。因?yàn)樵O(shè)計目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率,所以需要大尺寸的 MOS 器件,最大限度地減少導(dǎo)通損耗;另一方面,在 AirFuel 情況下,工作頻率較高,開關(guān)損耗很大,因此,優(yōu)先選用尺寸較小的晶體管,以最大限度地減少寄生電容。
本文提出的可重新配置的功率開關(guān)和驅(qū)動電路是采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計,如圖 4(a)所示。該電路由四個驅(qū)動器和四個功率 MOS 模塊組成,可以通過與門根據(jù)數(shù)字信號 fse選擇驅(qū)動器和功率模塊。在功率MOS模塊內(nèi)有三個并聯(lián)子模塊,每個子模塊都包含一個柵寬6.72-mm、柵長250 nm、56個fingers(nf)如圖4(b)所示。驅(qū)動模塊由4級反相器鏈構(gòu)成,fingers數(shù)量(nf)是1-3-8-16,NMOS柵寬24μm,PMOS柵寬 41.3 μm, NMOS 和 PMOS 的晶體管長度都是 1 μm,如圖4(c)所示。
在Qi情況中,fsel是高電平,四個模塊全部工作,控制信號CTRL驅(qū)動模塊工作,構(gòu)成一個由12個并聯(lián)子模塊組成的等效功率開關(guān);在AirFuel情況中,fsel是低電平,只有第一個模塊被激活,控制信號CTRL驅(qū)動該模塊工作,而剩余的三個模塊關(guān)閉,因此,這三個功率開關(guān)是關(guān)斷狀態(tài)。這種方法使有源整流器能夠適應(yīng)兩個充電標(biāo)準(zhǔn)的功率要求。
IV.仿真結(jié)果
我們用Cadence Virtuoso 仿真工具,按照圖 2(d) 所示的測試臺原理圖,測評了本文提出的天線配置方案,采用了市場上銷售的線圈的實(shí)際測量數(shù)據(jù),并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范調(diào)整了諧振電容的容值。輸入電壓VIN是12 V,負(fù)載電阻 RLOAD可變。我們還用同樣的方法測試了文獻(xiàn)[2]中提出的天線配置。
圖 5 和圖 6 分別描述了兩種天線配置仿真測試的輸出功率和效率在不同負(fù)載范圍的曲線。
不難發(fā)現(xiàn),本文提出的天線配置在 Qi 情況中的性能媲美文獻(xiàn)[2]中提出的天線配置;在 AirFuel 情況下,效率性能表現(xiàn)更高,在整個負(fù)載電阻范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的效率,并且在負(fù)載電阻較高,負(fù)載電流較低時,輸出功率明顯更高,這非常契合消費(fèi)類應(yīng)用的無線充電設(shè)計目標(biāo)。把本文提出的天線配置和有源整流電路放到完整的無線充電系統(tǒng)內(nèi),如圖 1 所示,然后用 Cadence Virtuoso 仿真工具測試這個無線傳輸系統(tǒng)。
考慮到電能發(fā)送結(jié)構(gòu)的差異,仿真測試所用的雙標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送端與本文提出的接收端采用相同的可重新配置驅(qū)動器和功率 MOS開關(guān)管。仿真測試還使用了單標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送端,其驅(qū)動器和功率 MOS 尺寸是按照Qi 或 AirFuel技術(shù)要求專門定制的。此外,我們還仿真測試了兩個完整的單標(biāo)準(zhǔn)專用無線充電系統(tǒng),其中發(fā)送端和接收端都是根據(jù) Qi 或 AirFuel專門設(shè)計的,這個單標(biāo)準(zhǔn)仿真為雙標(biāo)準(zhǔn)性能評測提供一個參考基準(zhǔn)。仿真測試輸入電壓12V,負(fù)載是電池電壓,AirFuel 情況是20V,Qi 情況是12V。
系統(tǒng)仿真所用的天線參數(shù)是線圈的實(shí)際測量結(jié)果。表 II 匯總了各種情況下的仿真結(jié)果,提供了不同模塊的詳細(xì)效率數(shù)據(jù)。顯而易見,雙標(biāo)準(zhǔn)有源整流電路在所有情況下都保持出色的效率,比標(biāo)準(zhǔn)專用解決方案低1.5%。此外,本文提出的天線配置在大多數(shù)情況下效率表現(xiàn)良好(高于 82%),只在磁場耦合度很低時,效率才會較低。
V.結(jié)論
圖 5.輸出功率仿真結(jié)果(輸出功率與負(fù)載電阻 RLOAD 是函數(shù)關(guān)系)
圖 6.效率仿真結(jié)果(效率與負(fù)載電阻 RLOAD 是函數(shù)關(guān)系)
本文提出了一種創(chuàng)新的支持 Qi 和 AirFuel 兩大無線充電標(biāo)準(zhǔn)的天線配置及有源整流電路。在實(shí)現(xiàn)天線配置時,我們考慮使用在市場上銷售的標(biāo)準(zhǔn)線圈,通過測量線圈表征線圈特性,得出被仿真天線的參數(shù)。用Cadence Virtuoso仿真工具全面測試了本文提出的天線配置和可重新配置有源整流器,并與相應(yīng)的單標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行比較,證明本文提出的方案設(shè)計保留了良好的效率和輸出功率,同時提供了不同模塊的詳細(xì)效率數(shù)據(jù),全面分析了雙標(biāo)準(zhǔn)無線充電接收系統(tǒng)天線和有源整流電路的性能,從而補(bǔ)全了文獻(xiàn)資料在這個方面的缺失和不足。
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(作者: Elisabetta Moisello, Alberto Cattani, Piero Malcovati, Edoardo Bonizzoni,意大利帕維亞大學(xué)電氣、計算機(jī)和生物醫(yī)學(xué)工程系意法半導(dǎo)體, 科爾納雷多, 意大利)
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