面向無線快速充電應用的調壓方案設計與實現(xiàn)*

傅桂娥，徐圣楠，繆 瑜，張一晉

(1.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094；2.南京睿赫電子有限公司，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著手機、智能手表等移動設備的快速發(fā)展，無線充電技術的發(fā)展已經(jīng)從理論研究層面逐步走向商業(yè)化[1]。近年來，人們對于手機的依賴性越來越強，手機不斷耗電的同時急需快速充電，因此催生了無線快速充電技術的研究和商業(yè)化應用。

在傳統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射功率通常通過變頻或者定頻調占空比的方式進行調節(jié)。這種方式由于其不斷變化的頻率或占空比，可能會對充電設備造成干擾[2]，使得充電設備的充電效率差且充電過程不穩(wěn)定。作為手機行業(yè)的佼佼者，蘋果公司采用的無線快速充電方案即為定頻調壓方案，即固定工作頻率，根據(jù)動態(tài)的負載功率需求控制調壓單元，最終實現(xiàn)動態(tài)的功率輸出[3]。這種方案能讓無線充電對手機的干擾降到最小[4]，但要求實現(xiàn)多擋位的負載電壓精準調整需要核心處理器(Microcontroller Unit，MCU)具備較高的 PWM工作頻率，從而增加應用成本及功耗，亦會影響產(chǎn)品的電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)[3]。 定頻調壓方案雖然具有較高的設計要求，但能夠給用戶帶來更好的充電穩(wěn)定性、充電效率以及更安全的充電環(huán)境，因此在蘋果公司的推動下勢必會成為未來主流的無線充電方式[5]。

目前，已經(jīng)有一些DC/DC調壓方法可以為定頻調壓方案提供借鑒。文獻[6]提出了一種通過DAC調節(jié)DC/DC輸出電壓的電路方案，能夠實現(xiàn)DC/DC輸出電壓的數(shù)字可控。文獻[7]探討了基于DC/DC開關穩(wěn)壓器的數(shù)控電源設計方案，能夠實現(xiàn)同一數(shù)控電源系統(tǒng)兼并恒壓恒流功能，且具有較高的輸出精度。

基于以上設計，本文提出面向無線快速充電應用的兩種定頻調壓方案：IDAC方案和PWM方案。它們的顯著特點是：(1)無需采用高主頻的MCU，只需通過MCU產(chǎn)生控制信號控制調壓單元從而實現(xiàn)精準可靠的電壓調節(jié)；(2)避免輸出級直接受到輸入電壓的影響[8]，使得搭載無線快速充電技術的產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定；(3)通過固定頻率調節(jié)電壓控制發(fā)射功率，可以有效避免無線充電對手機的通信干擾。實驗驗證了這兩種方案能夠實現(xiàn)寬范圍的電壓調節(jié)，滿足蘋果手機的無線快速充電效果。

1 無線定頻調壓系統(tǒng)的整體系統(tǒng)設計

無線定頻調壓系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，調壓模塊是實現(xiàn)快速無線充電的核心部分。此外，電源模塊分別給調壓模塊和MCU供電；調壓模塊與橋相連接，通過反饋引腳實現(xiàn)自動穩(wěn)壓；解調模塊與全橋驅動器相連，將解調后的數(shù)據(jù)傳給MCU處理；MCU處理器控制調壓模塊的調壓精度及調壓范圍，并且及時處理解調模塊反饋的接收功率請求，然后根據(jù)需求輸出控制信號給調壓模塊，從而實現(xiàn)多擋位的電壓精準調節(jié)。

圖1 無線定頻調壓系統(tǒng)的基本系統(tǒng)框架

2 無線定頻調壓方案的設計

根據(jù)圖1所示系統(tǒng)框架，本節(jié)將介紹基于DC/DC的調壓原理，并且基于此提出兩種調壓方案。

2.1 基于DC/DC的調壓原理

DC/DC通過輸出端分壓反饋環(huán)路控制最終DC輸出[9]。Fitipower公司的FR9885是一款高效、內部補償?shù)慕祲盒虳C/DC轉換器[10]，如圖2所示，通過在其外圍反饋回路上添加控制信號以實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)輸出電壓，并利用其內部補償功能簡化外部電路設計。當反饋引腳的電壓達到0.4 V時，其最大占空比為90%，轉換效率高。這些優(yōu)點有助于實現(xiàn)寬范圍的輸出電壓調節(jié)。

將圖2中FR9885的FB管腳電壓表示為VFB，穩(wěn)定狀態(tài)下VFB=0.6 V。將連接到DC/DC反饋回路上的控制電壓表示為Vcontrol，從FB管腳流經(jīng)R7的控制電流表示為Icontrol，DC/DC電路的輸出電壓表示為VDCDC，流經(jīng)電阻R2的電流表示為IR2，流經(jīng)電阻R3的電流表示為IR3。當FB管腳呈高阻態(tài)時，根據(jù)KVL可以得到：

圖2 FR9885典型應用電路

根據(jù)KCL可以得到IR2=Icontrol+IR3。最后，

從式(4)可看出，VDCDC和 Icontrol(或者 Vcontrol)成線性比例關系。當Icontrol為0時，輸出電壓達到最大值，為(1+R2/R3)VFB。另外，電壓的可調節(jié)幅度可表示為IcontrolR2。因此，只需將Icontrol(或者Vcontrol)和 VDCDC作為設計輸入，進一步確定式(4)中電阻的值或者比例關系，就能實現(xiàn)DC/DC調壓功能。

2.2 IDAC方案設計

基于以上調壓原理，本小節(jié)設計一種通過抽取電流改變DC/DC分壓反饋點的電壓大小進而調整DC/DC輸出的IDAC方案。

2.2.1 IDAC方案的實現(xiàn)電路

以DC/DC芯片采用FR9885為例，IDAC方案的實現(xiàn)電路如圖3所示。其中，MCU控制IDAC功能模塊的輸出電流大小以及方向；IDAC功能模塊是一個6位的電流舵型DAC，由兩組電流源和兩組開關組成，各支路電流如圖3標注。MCU通過輸出數(shù)字信號d0～d6控制開關 S0～S6及 S0′～S6′選擇流出 IDAC功能模塊的總電流，通過數(shù)字信號d7控制開關S7選擇DAC輸出電流方向。IDAC輸出引腳直接連接DC/DC的反饋端。

2.2.2 電路參數(shù)的理論推導

如圖3所示，VDAC是連接到DC/DC分壓反饋回路上的控制電壓，IDAC是IDAC功能模塊的輸出抽電流，TRM是MCU用于存儲控制IDAC電流大小的數(shù)字寄存器值。DC/DC轉換器及其外圍電路與圖2一致，不再贅述。IDAC相當于圖 2中的 Icontrol，VDAC相當于圖 2中的 Vcontrol。根據(jù)IDAC的設計原理可以得到：

圖3 IDAC調壓電路

將式(5)代入式(4)中即可得到DC/DC輸出電壓與TRM控制字的關系式：

2.3 PWM方案設計

由于IDAC方案需要通過MCU外接IDAC功能模塊才能實現(xiàn)，電路較復雜且精度有限。因此，本小節(jié)另外設計一種PWM方案，直接利用MCU內集成的PWM功能模塊控制DC/DC的輸出端分壓反饋回路。

2.3.1 應用PWM改變DC/DC反饋電壓的原理

PWM波是一種占空比可調的脈沖波形，其波形的高電平和低電平在實際應用中都是一個常量[11]。以如圖4所示的PWM波形為例，假設該波形的高電平為 VH，低電平為VL，則可以將其電平函數(shù)表示為：

其中，T為MCU計數(shù)脈沖的基本周期，k為PWM波的周期計數(shù)個數(shù)，α是PWM波的占空比，t是電平函數(shù)的時間變量。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開式可以得到：

從式(8)可以看出，第一項表達式為直流分量，第二項為一次諧波分量，第三項為高次諧波分量。根據(jù)FR9885數(shù)據(jù)手冊，其反饋電壓只能穩(wěn)定在0.584 V～0.615 V之間，因此需要將式(8)中的諧波分量濾除后得到隨占空比α變化的直流分量。由于一次諧波分量在所有諧波分量中的影響最大，因此可以根據(jù)其諧振頻率設計一個低通濾波器將PWM方波整形成直流信號。

2.3.2 PWM方案的實現(xiàn)電路

圖4 PWM方波

以DC/DC仍然采用FR9885為例，PWM方案的實現(xiàn)電路如圖5所示。其中，MCU通過調節(jié)其PWM模塊產(chǎn)生占空比可變的PWM波；濾波電路由簡單的電阻和電容組成，電阻值和電容值的選擇取決于PWM波的一次諧波分量。為了及時響應接收功率請求，MCU需要相應地調整PWM波的占空比以便及時增加或減少接收功率。因此，MCU處理器的PWM輸出引腳需要經(jīng)過濾波器電路后連接至DC/DC反饋引腳。

2.3.3 電路參數(shù)的理論推導

如圖5所示，IPWM是流向濾波器的電流，相當于圖2中的Icontrol。VPWM是PWM方波信號經(jīng)過濾波器平滑后的輸出電壓，相當于圖2中的Vcontrol。DC/DC轉換器及其外圍電路與圖2一致，不再贅述。PWM方波由MCU中的PWM功能模塊產(chǎn)生。將PWM波的占空比表示為D(取值范圍為20%～50%)，MCU的PWM引腳的電源電壓表示為VCC。根據(jù)PWM經(jīng)過一級濾波器處理的原理可得到：

將式(9)代入式(4)即可得到輸出電壓與占空比的關系式：

3 無線快充調壓方案的實現(xiàn)

本節(jié)將兩種無線快充的調壓方案同時應用于雙線圈無線充電器中。雙線圈無線充電器即分別采用兩路驅動電路和線圈進行功率發(fā)射的無線充電系統(tǒng)，實現(xiàn)的樣品圖和PCB圖分別見圖6和圖7。如圖7所示，左邊電路采用IDAC方案實現(xiàn)無線快充，右邊電路采用PWM方案實現(xiàn)無線快充。該系統(tǒng)支持在左右兩個線圈上分別放置手機同時進行定頻調壓式充電。

圖5 PWM調壓電路

圖6 雙線圈無線充電器樣品圖

圖7 雙線圈無線充電器PCB圖

4 性能驗證

本節(jié)對提出的兩種調壓方案進行性能驗證，采用12 V直流穩(wěn)壓電源作為系統(tǒng)電源，使用萬用表在DC/DC輸出端測量得到實驗結果。

4.1 IDAC調壓性能測試

在IDAC調壓性能測試中，以IDAC電流的流動方向、可調節(jié)范圍(TRM變化范圍為0～63)以及 VDCDC的目標調節(jié)范圍(4 V～11 V)作為設計輸入，根據(jù)式(6)推導并選擇電阻值為：R2=220 kΩ，R3=12 kΩ。如圖 8所示，對比實測值與理論值可見：當IDAC輸出電流是抽電流時，IDAC方案可以實現(xiàn)較寬的調節(jié)范圍，但實測值相對理論值偏低。當TRM為0至7時，DC/DC輸出電壓無明顯波動，穩(wěn)定在10.53 V左右。這是因為FR9885的最大輸出占空比為90%，當輸入電壓為12 V時，最大輸出電壓只能達到10.8 V。盡管如此，4 V～10.53 V的電壓范圍已經(jīng)能夠滿足蘋果無線快充的調壓需求。當TRM為8～63時，DC/DC輸出電壓隨著TRM變大而線性減小。

4.2 PWM調壓性能測試

圖8 IDAC調壓測試數(shù)據(jù)

在PWM調壓性能測試中，以PWM波的占空比調節(jié)范圍(20%～50%)及 VDCDC的目標調節(jié)范圍(4 V～11 V)作為設計輸入，根據(jù)式(10)推導并選擇電阻值為：R2=680 kΩ，R3=39 kΩ，R7=100 kΩ。如圖9所示，對比實測值與理論值可見：實測值相對理論值偏高，但也能實現(xiàn)寬范圍的電壓調節(jié)。當D為20%～21%時，DC/DC輸出電壓無明顯波動，穩(wěn)定在10.51 V左右。當 D為21.5%～50%時，DC/DC輸出電壓隨著D變大而線性變小。

圖9 PWM調壓測試數(shù)據(jù)

4.3 兩種調壓方案的性能對比

圖10 iPhone8完整充電曲線

以上測試結果表明兩種調壓方案均能實現(xiàn)4 V～10.5 V的寬范圍DC/DC輸出電壓。PWM方案是通過調節(jié)占空比來改變DC/DC的輸出電壓，調節(jié)精度達到每調節(jié)0.1%的占空比就能實現(xiàn)0.02 V的輸出電壓變化。IDAC方案的精度取決于IDAC功能模塊本身的精度，其每調節(jié)1比特的TRM實現(xiàn)0.1 V的輸出電壓變化。因此，PWM方案相對IDAC方案更為靈活可控。

在無線充電的實際應用中，幾乎所有MCU處理器都提供定時器或者PWM輸出功能。因此，當采用PWM方案時，只需在MCU處理器的基礎上經(jīng)過簡單的濾波電路就能實現(xiàn)定頻調壓，將有效降低成本并控制其調壓的精度。然而，并非所有的MCU處理器都會包含DAC功能，即使有些MCU處理器內部集成了DAC，限于DAC實現(xiàn)電路的復雜度及占用較大空間，DAC的精度也往往不高，需要通過外接DAC功能模塊[10]。因此，PWM方案相對IDAC方案成本更低且更易實現(xiàn)。

4.4 無線快充性能測試

圖10顯示了基于PWM方案的雙充無線充電器給iPhone8充電的電壓、電流及功率曲線，表明輸入功率最大可達到9 W且持續(xù)時間長達20 min，充電過程無斷連，最后于2小時40分左右充滿電量。

5 結論

本文基于DC/DC調壓原理設計并實現(xiàn)了兩種面向無線快充應用的定頻調壓方案。性能及充電測試驗證了兩種方案的正確性及有效性，表明其靈活可控、性能穩(wěn)定且實現(xiàn)成本較低，具有重要的應用價值。