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功率技術/新能源  

無線充電應用的二次側整流橋應用方案

上網時間: 2013年04月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線充電  整流橋  變壓器  全橋整流器  MOSFET 

作者:Ann Starks,安森美半導體功率MOSFET分部應用工程師

如今,業界持續需要行動(on-the-go)電源管理,無線(感應式)充電方案在市場變得越來越普及。雖然能效不如現有有線充電方案高,但無線充電方案為消費者提供更多便利,亦省下了額外的充電線纜。無線充電的應用領域涵蓋可攜式電子產品、汽車,甚至是醫療等產業。當今的高科技社會越來越渴求針對多種電子設備的便利充電方案。潛在的無線充電市場機會包括汽車、機場及家中應用。如今遊戲平台也為遊戲控制器提供無線充電選擇,目的是為消費者提供更多便利。隨著無線充電技術變得更加流行,許多手機製造商已經開始提供整合額外電路以使產品兼容無線充電的電池蓋。

無線充電並非新概念。電動牙刷和刮鬚刀使用這種充電方法已經有些年頭了。消費者簡單地將設備置於基座(base unit)上來為電池充電,而不需要暴露的金屬觸點。無線充電減少或省去充電線纜,且能夠同時為多個設備充電,只要簡單地將它們置於同一個充電板上就可以了。

無線充電是透過使用空氣(air-core)變壓器來實現的。一次線圈位於充電板,二次線圈位於設備本身。充電板在二次線圈感應出電流,此電流透過手持設備內的全橋整流器及額外電路,產生直流電壓來為電池充電。圖1顯示無線充電電路的方塊圖。基座採用標準牆式插座供電。一旦手持設備置於基座上,電池就開始充電。


圖1:無線充電電路架構圖。

變壓器基本原理

當電流通過線圈時,就產生磁場。變壓器利用這基本屬性從一個線圈感應電流到另一個線圈。匝數比N指的是二次側線圈的匝數與一次側線圈匝數之比。

匝數比用於計算二次側線圈中感應的電壓和電流。二次側線圈產生的電壓可用下述等式來計算:

二次側線圈電流的計算等式如下:

變壓器可設計為不同的配置,並使用磁芯材料在二次線圈中感應出磁場。磁導率(?)衡量的是變壓器中產生磁場的有效性。換句話說,磁導率指的是變壓器能夠以多高的效率將電能提供給二次線圈。磁導率越高,變壓器將電能從一次傳輸到二次的效率就越高。內在高磁導率指的是真空磁導率,其定義為:

單位是牛頓每平方安培。相對磁導率的定義是特定材料的磁導率除以內在高磁導率,即

如今業界使用最廣泛的材料是磁芯。錳鋅鐵氧體磁芯的相對磁導率是640或更高。然而,對於無線充電器而言,磁芯材料是空氣。這是因為一次線圈處於與二次線圈相隔離的基座中。空氣的相對磁導率是1,使變壓器的能效低得多。由於變壓器能效低,電路其它部分的能效就變得極為重要。

二次側整流橋

全橋整流器及濾波器電路通過感應在二次線圈的交流訊號產生恆定直流電壓。圖2顯示使用4顆二極體體配置的全橋整流器電路。


圖2:採用4顆二極體的全橋整流器配置。

當二極體1和3正向偏置時,二極體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二極體上的正向壓降。標準二極體的壓降約為0.7 V。這表示兩個二極體的功率損耗為:

蕭特基二極體的正向壓降要低得多,典型值約為0.4V。對於如圖2所示的整流橋配置而言,蕭特基二極體提供更高的能效。圖2中的輸入波形示例是正弦波,幅值為VPK。經過整流的輸出的幅值為VPK,週期中的兩個半波都是正波。

圖3顯示的是輸入電壓正弦波形1區和2區時流過整流橋和負載的電流路徑。在輸入電壓週期的前半部分(對應於1區及圖4a),節點a的電壓高於節點b的電壓。電流流過二極體1,經過負載後,又通過二極體3流回變壓器。在輸入電壓週期的後半部分(對應於2區及圖4b),節點b電壓高於節點a電壓,電流以相反方向流動,流過二極體2,穿過負載,再通過二極體4流回變壓器。在每種情況下,電流都以相同的方向流過負載本身,產生如圖2所示的輸出電壓波形。


圖3:(a) 輸入電壓1區的電路路徑;(b) 輸入電壓2區的電流路徑。

另一種全橋整流器配置包含2顆二極體和2顆MOSFET元件。圖4顯示了這種配置的示例。


圖4:採用2顆二極體和2顆MOSFET的全橋整流器配置

對於這種整流橋配置而言,二極體3和4被兩顆N通道MOSFET取代。MOSFET 3的閘極連接至節點a,MOSFET4的閘極連接至節點b。當MOSFET關閉時,每顆MOSFET的本體二極體(body diode)阻斷電流流動。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,節點a電壓高於節點b電壓。二極體1正向偏置,二極體2反向偏置,MOSFET 3導通,而MOSFET 4關閉(MOSFET 4的本體二極體反向偏置)。在2區,節點b電壓高於節點a。二極體2正向偏置,二極體1反射偏置,MOSFET4導通,而MOSFET 3關閉(MOSFET 3的本體二極體反向偏置)。

這種配置的電路路徑及輸出波形結果與上述配置相同。然而,通過以MOSFET替代兩顆二極體,整流橋的能效得到提升,二極體及MOSFET的功率損耗計算等式為:

表1比較了使用2A負載條件下三種二次全橋整流器電路應用方案的功率損耗。第一種應用方案是標準4顆二極體配置,第二種應用方案是使用蕭特基二極體的4顆二極體配置,第三種應用方案包含2顆蕭特基二極體和2顆MOSFET,這種方案有如安森美半導體的NMLU1210整合方案。


表1:三種整流橋應用方案的功率損耗比較

如表所示,第三種應用方案的功率損耗最低。節省的功率損耗直接轉化為二次側電路整體能效的提升,使無線充電方案具有更高能效。全橋整流器也可以採用4顆MOSFET來實現。但這種應用方案牽涉的因素更多,必須審慎思考。

能效考慮因素對無線充電方案至關重要,因為無線充電方案採用的氣隙變壓器的能效相比傳統有線充電方案低。因此,為了將無線充電的性能提升至最高,每個電路模組的能效都必須仔細考慮及加以應對。如文中的功率損耗計算結果所示,應用2顆二極體和2顆MOSFET的方案最能節省功率損耗。對於當今的電子產業而言,節能及提升能效處於消費者及製造商所關注問題的最前端。隨著無線充電深入發展,業界對高能效及高性能方案的需求也越來越高。





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