無線充電市場火爆,升壓和升降壓DC-DC變換器助力無線充電設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2020-01-09 來源:Annie Liu 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】將無線充電帶入大眾視野當(dāng)數(shù)蘋果與三星兩大手機(jī)廠商:2015年,三星發(fā)布了支持無線充電的手機(jī)—Galaxy S6;2017年,iPhone8以及iPhone X成為蘋果首款支持無線充電的手機(jī)。此后,華為、小米等國內(nèi)手機(jī)廠商也紛紛試水無線充電,這項(xiàng)技術(shù)也一度成為中高端手機(jī)新趨勢。
無線充電產(chǎn)品以其便利性,可靠性,安全性越來越受到消費(fèi)者的追捧。除手機(jī)以外, 越來越多支持無線充電的TWS無線耳機(jī),智能手表等可穿戴設(shè)備不斷涌入市場。與此同時(shí),不同種類的無線充電設(shè)備也逐漸融入我們的生活場景,如宜家推出配有無線充電底座的臺燈,小米推出30W超級無線閃充充電器等。
無線充電系統(tǒng)主要由電源、無線充電發(fā)送器和無線充電接受器三部分構(gòu)成。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的組成主件,圖2所示為其電路示意圖。無線充電系統(tǒng)是如何工作的呢?以下為其工作原理的簡要介紹:
● 無線充電發(fā)送器(Tx)通常由一個(gè) 5V 至 20 V 的直流輸入電源供電,這個(gè)電源來自AC/DC 電源適配器或 USB 端口。一些特殊應(yīng)用(如手機(jī)反向無線充電)也可能為電池供電。
● 無線功率控制器可驅(qū)動(dòng)半橋或者全橋變換器來傳輸能量,并通過與接收器的通訊來調(diào)節(jié)傳輸功率。
● 發(fā)送器線圈通過電磁感應(yīng)傳輸電力,能量被耦合到無線功率接收器(Rx)中。接收器通過一個(gè)類似的線圈來接收能量,并通過整流及功率變換電路(如充電電路)為后級提供能量。
● 接收器可通過通信接口發(fā)送命令來調(diào)節(jié)充電電壓,還可以在收到充電結(jié)束的指示后,完全終止功率傳輸。
圖1. 無線充電系統(tǒng)
圖2. 無線充電系統(tǒng)電路示意圖
為提高無線充電系統(tǒng)的工作效率,無線充電發(fā)送器(Tx)中線圈所需母線電壓Vbus可設(shè)計(jì)為隨著傳輸功率的大小而 變化:滿載充電時(shí),傳輸功率最大,母線電壓升至最高;待機(jī)狀態(tài)時(shí),傳輸功率最小,母線電壓也隨之降為最低。
前文提到過,無線充電發(fā)送器的電源Vin可能來自AC/DC電源適配器或USB 端口(5V 至 20 V),也可能為電池供電,有著較寬的電壓范圍。 為匹配不同的電源電壓和發(fā)送器線圈所需母線電壓,在Vin與Vbus之間可使用DC/DC變換器來調(diào)節(jié)電壓,而DC/DC變換器拓?fù)渲饕Q于電源電壓Vin和線圈所需母線電壓Vbus之間的電位關(guān)系。
例如一款30W的無線充電器,輸入電壓Vin為12V 電源適配器提供,母線電壓Vbus設(shè)計(jì)為在2V至20V范圍內(nèi)調(diào)節(jié),此時(shí)就需要升降壓變換器來滿足Vin與Vbus之間的電壓匹配。有些無線充電器設(shè)計(jì)為節(jié)省成本,選擇犧牲待機(jī)功耗,在待機(jī)狀態(tài)下發(fā)送線圈母線電壓設(shè)計(jì)為輸入端電壓,則只需要升壓芯片來滿足充電時(shí)Vbus電壓要求即可。
德州儀器升壓和升降壓方案在無線充電設(shè)備中的應(yīng)用
德州儀器提供一系列的升壓以及升降壓產(chǎn)品,可滿足各個(gè)功率范圍的無線充電發(fā)送器的設(shè)計(jì)需要。下文將簡要介紹德州儀器產(chǎn)品在不同應(yīng)用場景中的最優(yōu)方案。
升壓和升降壓控制器在無線充電器中的應(yīng)用
目前,市面上的無線充電器功率在5W~30W不等。由于消費(fèi)者對無線充電的訴求多為高效快速,大功率無線充電器成為新的趨勢。此外,支持給多種無線設(shè)備同時(shí)充電的無線充電器也以其良好的用戶體驗(yàn)越來越受到消費(fèi)者親睞。圖3所示為無線充電器同時(shí)給手機(jī),手表和耳機(jī)進(jìn)行無線充電的應(yīng)用場景。
圖3. 無線充電器
圖4為無線充電器電路示意圖,為適應(yīng)不同額定電壓的適配器,輸入電壓范圍設(shè)計(jì)為5V至20V。在待機(jī)狀態(tài)下為減小待機(jī)功耗,輸出電壓可設(shè)計(jì)為低至2V;在滿載下,輸出電壓需要升到最高設(shè)計(jì)值以獲得最優(yōu)的傳輸效率。如在30W無線快充中,升降壓電路的最大輸出電壓一般設(shè)為20V左右。
圖4. 升降壓方案在無線充電器中的應(yīng)用
德州儀器LM34936為四開關(guān)管的同步升降壓控制器,內(nèi)置2A MOSFET驅(qū)動(dòng),最大輸出電壓可至30V,封裝小,效率高,適用于大功率無線充電器的設(shè)計(jì)需要。
如果為了降低成本,可選擇升壓控制器方案。德州儀器的同步升壓控制器TPS43061較普通非同步升壓方案可顯著工作效率,減少熱損耗,是大功率無線充電器設(shè)計(jì)的理想方案。
升壓變換器在反向無線充電手機(jī)中的應(yīng)用
近年來,反向無線充電功能也成為中高端智能手機(jī)的趨勢之一。智能手機(jī)不僅僅作為一款通訊工具,也成為集多功能于一體的智能電子設(shè)備,可為TWS無線耳機(jī),智能手表或其他手機(jī)進(jìn)行無線充電,如圖5所示。
圖5. 支持反向無線充手機(jī)的應(yīng)用場景
反向無線充電手機(jī)的電路示意圖如圖6,其中升壓變化器可選擇德州儀器的TPS61372或TPS61089。
圖6. 升壓方案在支持反向無線充手機(jī)中的應(yīng)用
TPS61372在手機(jī)反向無線充應(yīng)用中有以下顯著優(yōu)勢:
● 寬范圍電壓輸出最高可至16V,減小線圈電流,降低線圈損耗;
● 整體方案尺寸小,設(shè)計(jì)簡單,BOM成本低
● 芯片采用小尺寸的WCSP封裝,僅為1.57mm×1.52mm×0.5mm,如圖7所示,特別適用于手機(jī)應(yīng)用;
● 支持1.5MHz高開關(guān)頻率,可有效減小外部電感電容的尺寸,降低成本;
● 外部元件少,設(shè)計(jì)簡單
● 輕載下可選擇PFM模式或者PWM模式,靈活滿足客戶對于輕載效率或者EMI設(shè)計(jì)要求。
● 具有真關(guān)斷功能,當(dāng)芯片處于不工作狀態(tài)時(shí),輸入和輸出端之間為真關(guān)斷,減小待機(jī)功耗。
圖8為典型應(yīng)用示意圖。
對于更大功率的無線充電設(shè)計(jì)需求,則可選擇TPS61089。
升壓變換器在無線充電移動(dòng)電源中的應(yīng)用
支持無線充電的移動(dòng)電源也越來越多的涌現(xiàn)出來,其無線充電路結(jié)構(gòu)與手機(jī)中的類似,如上圖6所示。目前,移動(dòng)電源的無線充電功率在5W~20W不等,德州儀器升壓變換器TPS61089, TPS61088, TPS61178可用于此應(yīng)用。
圖9. 無線充移動(dòng)電源
TPS61089, TPS61088的最大輸出電壓都為12.6V,兩者分別支持7A和10A的最大開關(guān)電流;TPS61178的最大輸出電壓為20V,能提供最大至10A的開關(guān)電流。德州儀器的這三款芯片為集成上下管的同步升壓轉(zhuǎn)換器,可滿足5W~20W無線充移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)需要。
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