無線傳輸數據已發展了一段時間。現如今，消費者渴望設備具備無線充電能力，而技術推動者正在積極響應這一需求。在本文中，英飛凌將回顧并比較當前最先進的方法和技術，并闡述集成式無線充電解決方案的優勢。

背景

每個電子設備都需要電源，但能真正實現無線供電的很少，大部分是通過適配器從墻壁插座進行供電。術語“無線”現在只是數據傳輸的代名詞。然而，無線電磁場也可以將電能傳輸到設備，為用戶提供更大的便利。由于無需線纜，因此減少了兼容性問題，提高了設備的安全可靠性。

通過去除所有接口，設備可更容易實現密封，這有助于設備的堅固耐用，同時可使消費者受益，這是因為五分之一的智能手機曾意外掉落在液體中。無線充電的最大優點是擺脫了體積龐大的充電適配器。

圖1：無線充電為用戶和設備制造商帶來多種好處

隨著業界轉向通用充電解決方案，機場、酒店、活動場館、快餐連鎖店、咖啡店和其他地方可能會出現越來越多的公共充電站。

設計師面臨的挑戰

大多數充電器都是開關模式電源供應器，需要掌握電磁學 —— 許多工程師認為這是一種“魔法”。無線充電也以類似方式進行——除了變壓器分開兩部分分別位于充電器與待充電設備中這一點之外。因此，術語也發生了變化 ——原邊成為“發射器”，副邊成為“接收器”。

在無線充電中，線圈及其耦合對整體性能的影響要大于SMPS。由于無線繞組是獨立的，其耦合比SMPS更為松散。然而，發射器和接收器可以設計良好的耦合系數，讓無線充電以意想不到的效率傳輸電能。

除磁性外，包括效率、機械包裝、電磁干擾（EMI）、熱管理和金屬異物（如硬幣和鑰匙）等問題為設計者帶來了更多的挑戰。

無線拓撲結構和技術

無線充電解決方案通常有三個關鍵元件： 適配器/充電器、發射器和接收器，如下所示。

圖2：典型的無線充電系統由三個主要元件組成

適配器對市電進行轉換，并將5 - 20 VDC穩壓電源傳輸給原邊/發射器。適配器通常是與發射器通過電線連接的獨立設備，它們也可以整合在一個單元里。

發射器包含一個基于MOSFET的半橋或全橋逆變器，將直流電轉換成交流電并產生交變磁場。逆變器由微控制器和相關MOSFET驅動器控制，以提供無線感應充電所需的靈活性和功能。

D類和E類是諧振應用的兩種流行拓撲結構。雖然在許多方面非常相似，但兩種方法的優點略有不同，使得這兩種方法適用于不同的應用。

圖3：諧振應用的D類拓撲結構

如上所示，D類無線充電通過全橋拓撲結構實現。也可以使用半橋拓撲結構。D類在寬負載范圍內提供幾近平坦的效率曲線，因此適用于通用無線充電站，例如在各種設備均可充電的公共場所。這種方法適用于廣泛的功率等級。

圖4：諧振應用的E類拓撲結構

E類拓撲結構如上圖所示。這可用于單端方式或差動方式（如圖所示）。與D類拓撲結構不同，E類拓撲針對特定參數集進行了優化，并且在某個特定點將展現更高的效率。然而，E類拓撲效率在該點之外迅速降低。因此，E類拓撲結構是更高功率等級和針對接近目標電量或完全未充電設備進行充電的最佳選擇。E類BOM成本略低于D類，但差異不大。

英飛凌提供適用于無線充電發射器的全套組件解決方案，以及用于將市電交流電轉換為逆變器輸入直流電的開關模式電源。

豐富的無線充電產品選擇，使設計工程師有信心選用兼容性得到保證的組件和子系統。

作為發射器設計核心的微控制器負責系統控制/智能。英飛凌的XMC?微控制器系列為設計人員提供了多種選擇，XMC1100、1402和XMC4108最適合無線充電D類和E類拓撲結構。

EiceDRIVER?柵極驅動器轉換微控制器信號以直接驅動MOSFET。全新的2EDL71最適合D類設計，而成熟的1EDN是E類應用的首選。

英飛凌提供各種MOSFET。具體規格區別包括封裝尺寸和重要參數（如RDS（ON）和Qg），在此英飛凌都擁有行業領先的優值系數（FoM）。可提供30 V至250 V的多種電壓等級，使設計人員能夠靈活地使用相同的電路來設計多種功率級別的無線充電器。英飛凌市場領先的OptiMOS?MOSFET用于D類或E類逆變器（以及同步整流），而CE和P7版本的CoolMOS?器件為ACDC適配器提供開關功能。

英飛凌還提供一系列用于電源適配器的反激式控制器，也有集成控制器和功率單元為一體的CoolSET?。

為支持組件解決方案，英飛凌新開發的D類功率放大器發射器測試板，可讓設計人員快速開始設計和開發高效緊湊的解決方案。

測試板允許設計人員評估D類功率放大器中的英飛凌MOSFET的功能和性能。測試板包含由80V 2x2英飛凌MOSFET（IRL80HS120）和相關驅動器構成的兩個半橋，允許用戶在單端配置（只有一個半橋工作）和差動配置（兩個半橋均工作）之間切換。

嵌入式振蕩器確保了精確的6.78 MHz工作頻率，并提供一個引腳，借助外部波形發生器（通過BNC連接器）設置開關頻率。

包括設計零電壓開關（ZVS）電源解決方案的所有必需組件，以盡可能達到最高效率。板載線性穩壓器為電路板邏輯電路提供了穩定的電源電壓。

第二個BNC連接器可連接外部發射線圈進行無線電能傳輸。若能使用無線充電接收設備，則可創建完整的無線充電設計。

總結

無線充電帶來了與無線數據傳輸相同的益處。隨著標準和方法的整合，所有充電器與便攜式設備之間的互操作性增加將為用戶帶來更多便利。持續的整合和創新將帶來真正 的“無線充電”便利性并提高功率等級，從而使得更多類型的設備可以進行無線充電。

作為領先供應商，英飛凌擁有包含AC適配器和發射器所有關鍵組件在內的豐富產品。每個組件都具備高性能水平，包括低的開關/導通損耗、低寄生電感封裝以及高優值系數FoM，使設計人員能夠通過成熟可靠的硅MOSFET技術打造無線充電解決方案。英飛凌在功率半導體和微控制器方面的豐富經驗，使其成為技術和質量領導者。

可加快產品評估和開發的測試板可為全面涵蓋無線充電設計的豐富產品組合提供支持。英飛凌為現在和將來的無線充電解決方案設計人員提供了先進的產品和寶貴的生態系統支持。

本文作者：

英飛凌科技DCDC技術和系統營銷主管 Stephan Sch?cher

英飛凌科技高級應用工程師 Milko Paolucci