在手机和其它小型便携式应鼡中无线电源系统不断得到认可。现有标准受限于5W电力传输但是智能手机、平板电脑和便携式工业及医疗应用不断增长的电力需求对供电能力提出了更高的要求。随着输出功率的增加必须在系统设计最初就将效率和热性能考虑在内。这篇文章回顾了可批量生产的10W无线電源系统的实现方式并提供了与系统性能优化有关的系统设计指南。给出了一些已经在10W应用中成功测试的收发器
（TX） 和接收器 （RX）
线圈嘚示例无线电源多年前就已经出现，形式也有多种不过最近才由于行业标准的出现而变得更为普遍。智能手机和小型平板电脑是目前使用无线电源的主要产品类别然而，这项技术也开始扩展到可穿戴设备以及医疗和工业应用当无线电源与无线连通技术配合使用时，僦可以使无外部接头、完全密闭设备的设计成为可能这使得无线电源成为所有需要在室外或潮湿环境中运行的便携式系统的理想选择。
现有的工业标准只有有限的功率输出能力通常在5W范围内。更高功率标准的开发正在进行当中截至2014年12月，还未完全确定因此，那些需要更高功率水平来为较大容量电池充电的器件就需要定制或专有设计虽然系统设计人员有可能使用标准组件“从零开始”，但是这種方法就很难实现终端产品快速投放市场的这一目标现在市面上的互补发射器和接收器芯片组可实现针对便携式应用的10W无线电源系统的即刻设计，其中包括一个和两个电池节电池组架构
图 1中显示的是一张紧密耦合智能无线电源系统的简化图。如果从原理图的角度来看它看起来很像一款变压器耦合隔离式电源转换电路。然而在这里 初级线圈和次级线圈是完全分离开来，而不是绕在同一磁芯上的電能从发射器（初级，或TX）端传输到接收器（次级或RX）端，而接收器电路以数字脉冲的形式将反馈发送回磁耦合器件
图1：典型无線电源系统架构图
将功率性能扩展至10W就不得不有几点额外的考虑。首先必须将硅功率元件设计成能够处理所需的峰值和持续功率水岼。在发射器端功率FET元件在发射控制器的外部，所以可按照需要将它们升级为能够处理峰值电流在接收器端，解决方案的小尺寸是十汾重要的集成FET器件被用来提供单芯片器具。为了提供高效率并改进热性能与之前的5W接收器相比，RX控制器中的FET具有更低的RDS（on）磁性元件，即TX和RX线圈也必须具有能够处理10W电源传输所需的更高峰值电流的额定值最后，由于10W系统的磁场强度更高相对于5W系统来说，接收器端嘚屏蔽范围就需要扩大这对于为系统中的金属元件提供更好的屏蔽，最大限度地降低接收器端的“临近、接触金属”损耗并尽可能地提高系统效率也是有必要的。
我们注意到RX控制器提供到TX控制器的反馈要求TX根据不同负载条件，以及线圈对齐/耦合效率等的需求来改變其输出功率一种改变输出功率的常见方法是用恒定振幅/可变频率ac信号来激励线圈。另外一个替代方法是用可变振幅/固定频率激励可變频控制免除了对于TX端上可调前置稳压级的需要，而是依靠TX/RX谐振电路的共振调谐当TX工作频率接近共振点时，最大可能功率从TX传输到RX为叻减少传递到RX端的功率，TX控制器增加其频率使其远远高于共振峰值。在RX需要较少的功率等较轻负载情况下TX频率往往会增加。然而这個方法使得电力传输/控制过程在很大程度上取决于线圈调节。当在较高功率水平下使用时一个可变频率架构在电磁干扰
（EMI） 控制方面也會提出一些问题。
10W 发射器系统运行在固定频率下但是却使用一个可调前置稳压器来改变用于线圈激励的直流电压轨。一个全桥电路被用来生成用于TX线圈的交流激励电流图2中显示的是一个定频 （10W） 无线电源发射器系统的基本方框图。当RX需要更多的输出功率时直流电壓轨为TX线圈功率级提供的电压会增加。直流电压随着RX负载的下降而减少
图2. 具有一个无线数字控制的10W无线电源发射器
10W系统的可调輸出电压和热性能
第一代5W无线电源系统通常在接收器端产生一个固定的5V输出电压。这已经足够为一个充电率在1A范围内的单节锂离子电池充电了而从本质上讲，这个电源系统与随处可见的USB类型电源很相似然而，随着便携式器件内电池容量的增加要保持快速的充电时間就需要更高的电流。
10W无线接收器输出电压可在5V至10V的范围内用外部反馈电阻器进行调节这样就可实现对一节或两节串联电池配置的充电，并且在与一个宽输入电压范围开关模式NVDC类型充电器组合在一起时能够保持单节电池充电情况下的高效率［7］。在诸如无线RX输出情况下NVDC充电器架构在减少较高电压电源所需的输入电流的同时，可实现低压电池的高效充电图3显示的是无线接收器电路板在为负载提供一个10W電源的同时，在5V7V和10V输出设置下的热响应（分别为图。
3ab和c）。很明显10V输出情况下产生的热量最少，应该在高频开关模式充电器可用于電池充电的情况下使用
图3. 无线接收器在10W负载条件下的散热测量。
接收器电路上的串联谐振电容器（图4中的C1）对于优化热性能也哃样关键实际操作中，将多个电容器并连在一起来提供所需的总电容值
图4. 无线电源接收器和关键谐振电容器
在使用C0G（较大封裝，低串联等效电阻 （ESR））和X7R（较小封装较高ESR）时的热性能差异是十分可观的（图5）。
图5.电容器对热性能的影响
较小的、高ESR电嫆器会成为RX印刷电路板 （PCB） 上温度最高的地方由这些电容器所导致的PCB温度上升，会阻碍其散发集成电路 （IC） 本身产生的热量这也就意菋着IC和PCB的总体温度都会增加。又由于使用了较小的谐振电容器总效率从80%下降到74%。
图6显示的是使用一个无线电源发射器 （bq500215） 与一个无線电源接收器 （bq51025） 、评估板 （EVM） 和适当组件选择组合配置的10W无线电力传输的总体系统效率
图6. 在5V，7V和10V输出设置时10W电源系统的端到端效率
bq500215发射器评估模块使用一个无线电源联盟 （WPC） 类型的29，10?H30m?线圈，其额定电流为9A除了10W接收器之外，这个线圈确保了与之前5W WPC类型接收器的兼容性
在接收器端，应该对线圈参数进行优化以匹配应用的目标输出电压。在需要5V输出的情况下RX线圈的标称电感值应该茬10?H范围内；对于7V或10V的较高输出电压，RX线圈应该在15?H的范围内
虽然理想状态是最大限度地减少线圈的直流电阻 （DCR），但是在较高的輸出电压情况下允许稍微地增加DCR来应对较低的电流。图7显示的是两个典型RX端线圈所有RX和TX线圈组装时需要背面屏蔽材料。
图7. 针对5V7V囷10V输出要求的典型RX线圈技术规格
最后，执行一个10W无线电源系统的原因是减少高容量电池的充电时间图8显示了与bq24261(＄1.9688) NVDC开关模式充电器组匼使用时，使用5W和10W无线电源系统时针对3.1Ah锂离子电池的充电时间充电时间被大幅减少—从使用5W充电器时接近4
个小时减少到使用10W充电器时的尐于3小时。由于锂离子电池充电算法的逐渐降低“渐止”属性总充电时间的减少值与提供的电源不直接成比例。然而代表满充电状态夶约70%的恒定电流到恒定电压模式的转换点减小到了原来的一半（图8）。
图8. 用10W无线电源系统减少电池充电时间
在设计一个完整的10W电源系统时还有很多需要考虑在内的其它细节。参考文献 ［9-10］ 提供了使用TI 10W无线电源解决方案来实现一个系统的完整指南和设计计算结果
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