【導(dǎo)讀】本文提出一個兼容AirFuel 和 Qi兩大無線充電標(biāo)準(zhǔn)的無線充電 (WPT) 天線配置和有源整流電路，并用Cadence Virtuoso 仿真工具評測了天線配置的性能，電路仿真所用的線圈參數(shù)是目前市場上銷售的線圈的實際測量數(shù)據(jù)。我們將仿真結(jié)果與目前最先進的天線技術(shù)進行了對比和比較，驗證了這個天線配置的優(yōu)勢。本文提出的有源整流器電路采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計，并能夠根據(jù)工作頻率重新配置整流器。最后，本文還用Cadence Virtuoso仿真工具在各種條件下測試了一個完整的無線充電系統(tǒng)模型，其中包括電能發(fā)送端(TX)和本文提出的雙標(biāo)準(zhǔn)天線及有源整流系統(tǒng)，得出了整個系統(tǒng)的詳細效率數(shù)據(jù)，全面評測了本文提出的天線配置和有源整流電路的性能。
摘要
本文提出一個兼容AirFuel 和 Qi兩大無線充電標(biāo)準(zhǔn)的無線充電 (WPT) 天線配置和有源整流電路，并用Cadence Virtuoso 仿真工具評測了天線配置的性能，電路仿真所用的線圈參數(shù)是目前市場上銷售的線圈的實際測量數(shù)據(jù)。我們將仿真結(jié)果與目前最先進的天線技術(shù)進行了對比和比較，驗證了這個天線配置的優(yōu)勢。本文提出的有源整流器電路采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計，并能夠根據(jù)工作頻率重新配置整流器。最后，本文還用Cadence Virtuoso仿真工具在各種條件下測試了一個完整的無線充電系統(tǒng)模型，其中包括電能發(fā)送端(TX)和本文提出的雙標(biāo)準(zhǔn)天線及有源整流系統(tǒng)，得出了整個系統(tǒng)的詳細效率數(shù)據(jù)，全面評測了本文提出的天線配置和有源整流電路的性能。
I.前言
在過去幾年中，無線充電技術(shù)的重要性日益提升。無線充電技術(shù)不需要電纜，為用戶給設(shè)備充電帶來極大便利。無線充電技術(shù)還有另外一個優(yōu)點，得益于可以定期無線充電，電池模塊可以設(shè)計的更小[1]，從而使設(shè)備體積變得更小。無線充電技術(shù)涵蓋不同的功率級別，從充電功率兆瓦級的電動汽車，到瓦級的消費類產(chǎn)品，再到毫瓦級的生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備，無線充電應(yīng)用非常廣泛。
實現(xiàn)無線充電技術(shù)有多種方法，例如，通過磁場、電容、射頻 (RF)、超聲波或激光傳送電能 [1]。然而，電磁感應(yīng)或電磁共振是應(yīng)用最廣泛的無線充電解決方案。電磁充電方案依靠兩個線圈之間的磁場耦合傳遞電能。天線模塊組件包括這兩個線圈與電容器組成的補償電路。感應(yīng)式充電和電磁共振系統(tǒng)的不同之處在于磁場耦合系數(shù)和工作頻率。無線充電標(biāo)準(zhǔn) Qi 和 AirFuel分別是具有代表性的感應(yīng)式和電磁共振式充電技術(shù)。Qi 標(biāo)準(zhǔn)的特點是線圈強耦合（耦合系數(shù) k 通常約為 0.7），工作頻率在 100 kHz-300 kHz 范圍內(nèi)，以及電能接收端 (RX) 天線的諧振頻率通常較低，而 AirFuel標(biāo)準(zhǔn)則相反，天線線圈之間是松耦合，諧振頻率是6.78 MHz 或其整倍數(shù)，發(fā)送端天線與接收端 (RX) 天線諧振頻率相同。
圖 1. 完整的無線充電系統(tǒng)示意圖
鑒于這兩種標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被市場接受，支持Qi 和 AirFuel雙標(biāo)準(zhǔn)的無線充電天線及電能接收模塊，及其相關(guān)的技術(shù)規(guī)格，引起業(yè)界的關(guān)注。在文獻資料中，可以找到一些提出雙標(biāo)準(zhǔn)電能接收解決方案的研究著作[3]-[6]。然而，這些著作的主要研究方向是電能接收端電路設(shè)計，特別是有源整流器，而沒有關(guān)于天線配置和線圈參數(shù)設(shè)置的詳細介紹。雖然在文獻[2]中有支持雙標(biāo)準(zhǔn)的天線配置的論述，但是，并未詳細介紹最終的耦合系數(shù)。本文提出了一種創(chuàng)新的天線配置方案以及有源整流電路。整流電路采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計，支持 Qi 和 AirFuel兩個無線充電標(biāo)準(zhǔn)，輸出功率涵蓋筆記本電腦、智能手機等消費設(shè)備常用輸出功率。
為了評估本文提出的設(shè)計方案的性能，我們用 Cadence Virtuoso仿真工具評估了圖 1 所示的完整的無線充電系統(tǒng)，其中包括輸入電池、電能發(fā)送端 (TX) 模塊、天線線圈、有源整流器、 濾波輸出電容和負載。為了模擬輸出穩(wěn)壓模塊(沒有出在現(xiàn)本文提出的方案內(nèi))的效果，我們考慮在負載的地方連接一塊電池，將輸出電壓 VOUT 設(shè)為目標(biāo)電壓值，即 Qi 充電是 12 V，AirFuel充電是20 V。
圖2. (a) 文獻 [2] 中所示的雙標(biāo)準(zhǔn)天線配置；(b)本文提出的雙標(biāo)準(zhǔn)天線配置；(c) 表征測量所用的線圈布局；(d) 天線測試臺原理圖，為在Cadence Virtuoso中模擬天線提供相關(guān)參數(shù)。
天線配置仿真所用的天線參數(shù)都是目前市場上銷售的線圈的實際測量值。把兩個線圈對齊，同時不斷改變線圈間距，測量線圈在不同間距的耦合系數(shù)，然后在仿真工具中模擬這些耦合系數(shù)。通過這種方式，可以全面評估本文提出的天線配置和有源整流電路的性能，得出無線充電系統(tǒng)每個模塊的詳細效率信息。把所有情況都考慮在內(nèi)，有源整流器的效率超過 93%，天線模塊的效率在 67.4% 到95.6% 之間。
本文的結(jié)構(gòu)如下：第二部分描述本文提出的天線配置，第三部分介紹本文提出的有源整流電路，第四部分報告仿真驗證結(jié)果，第五部分是結(jié)論。
II.天線配置方案
為了開發(fā)兼容 AirFuel 和 Qi的雙標(biāo)準(zhǔn)無線充電接收系統(tǒng)，需要使用兩個獨立的天線，通過單獨選擇電感值和 Q 因子，可以在兩個不同的工作頻率范圍內(nèi)最大限度提高效率。根據(jù)文獻[2]提出的結(jié)構(gòu)，兩個天線可以整合成一個雙天線結(jié)構(gòu)，見圖2（a）。電容器 C2在低頻時可以近似為開路；大電容C1在高頻時起到短路作用，L1 的阻抗是電路中最大的。
表1：線圈實際測量參數(shù)
標(biāo)準(zhǔn) | LP [μH] | 線圈間距 [cm] | k1 | k2 | Frequency 頻率[kHz] |
AirFuel | 1.2 | 0.4 | 0.278 | 0.414 | 1000 |
AirFuel | 1.2 | 0.8 | 0.141 | 0.209 | 1000 |
AirFuel | 1.2 | 1.2 | 0.114 | 0.151 | 1000 |
AirFuel | 1.2 | 1.8 | 0.068 | 0.093 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 0.6 | 0.093 | 0.146 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 1 | 0.088 | 0.137 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 1.7 | 0.081 | 0.110 | 1000 |
AirFuel | 3.55 | 2.2 | 0.064 | 0.092 | 1000 |
Qi | 10 | 0.4 | 0.687 | 0.195 | 150 |
Qi | 10 | 0.8 | 0.450 | 0.164 | 150 |
Qi | 10 | 1.5 | 0.224 | 0.114 | 150 |
Qi | 10 | 2.0 | 0.142 | 0.079 | 150 |
通過這種方式可以組建兩個串聯(lián)諧振電路，一個是工作頻率范圍 100kHz-300kHz的 Qi標(biāo)準(zhǔn)低頻諧振電路，由 LS1 + LS2和 C1確定諧振頻率范圍；另一個是工作頻率 6.78 MHz 或其整數(shù)倍的Airfuel標(biāo)準(zhǔn)高頻諧振電路，由 LS2和C2確定工作頻率。為了滿足兩個串聯(lián)諧振頻率，本文提出了圖 2（b）所示的天線配置，在Qi 情況下，串聯(lián)諧振頻率由 LS1 和 C1決定；在AirFuel 情況下，串聯(lián)諧振頻率由LS2和 C2決定。 L1的值主要優(yōu)化在Qi 頻率范圍內(nèi)工作；L2的值主要優(yōu)化在 Airfuel 頻率范圍內(nèi)工作；然后，選擇與兩個電感器對應(yīng)的電容器C1和C2，以取得所需的兩個諧振頻率。
圖 1所示是本文提出的完整的天線配置，線圈采用的是市場上銷售的標(biāo)準(zhǔn)線圈：接收端所選線圈 LS1 和 LS2 是 Wurth Elektronik 公司的 760308101150 電感線圈，電感分別是6.3 μH 和 1.2 μH [8 ]; 在 Qi 情況下，發(fā)送端線圈 LP采用 760308101141 10 μH 電感線圈[9]，在 AirFuel 情況下，考慮選用760308101150 1.2 μH電感線圈或 3.55 μH 感應(yīng)板充電器 。
為了估算不同線圈對之間的耦合系數(shù) k1 和 k2，按照圖2 (c)所示的配置，將所選的兩個線圈對齊，用 LCR表測量兩個線圈之間的耦合程度，把不同間距的耦合情況考慮在內(nèi)，從而得出互感M和耦合系數(shù)k1。在求算AirFuel系統(tǒng)參數(shù)時，在LCR測量儀上選擇最大頻率1 MHz，因為諧振頻率設(shè)置在 6.78 MHz時，正常情況下頻率不會出現(xiàn)顯著變化。線圈測量參數(shù)如表 I 所示。
III.有源整流電路設(shè)計方案
整流電路設(shè)計采用 90 nm BCD 工藝，由四個合理控制的功率開關(guān)管構(gòu)成。這四個NMOS 晶體管起到等效二極管的作用，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，正電流從源極流向漏極，實現(xiàn)所謂的有源整流電路，如圖1所示。
圖 3. 有源整流器方案(a) 高邊 (b) 低邊功率 MOSFET控制結(jié)構(gòu)示意圖。
圖 4. (a) 模塊化驅(qū)動器設(shè)計方案和功率 MOSFET系統(tǒng)的示意圖；(b)功率 MOSFET 模塊結(jié)構(gòu)的詳細示意圖； (c) 驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)。
用功率開關(guān)管代替通常的二極管的原因是，功率開關(guān)管的壓降更低，效率更高，特別是，NMOS的品質(zhì)因數(shù)高于PMOS 器件。圖 3(a) 和圖 3(b) 分別是高邊功率開關(guān)和低邊功率開關(guān)的有源整流方案內(nèi)部電路示意圖。在示例中，我們討論了功率晶體管M1和M3以及開關(guān)節(jié)點S1的工作方式，這個方式同樣適用于M2、M4和S2。比較器用于檢測開關(guān) M1上的壓降以及電流方向，比較器輸出還需要采用一個類似于文獻[7]提出的濾波電路來處理，最后獲得功率開關(guān)的控制信號CTRLi。濾波電路的用處是消除比較器輸出中的毛刺和雜散換向信號。比較器可以限值高邊開關(guān)管和低邊開關(guān)管驅(qū)動電壓，因為節(jié)點 S1在電能接收端接地 GND和設(shè)計輸出電壓節(jié)點 OUT 之間切換，有可能超出了功率MOS的安全工作區(qū)，S2的功能類似。
特別是，在高邊開關(guān)電路拓撲中，由于比較器的工作電壓范圍是在輸出電壓節(jié)點 OUT 和節(jié)點 gndHV 之間，gndHV是設(shè)計輸出電壓減去一個齊納二極管的壓降，因此，需要對比較器正輸入進行限幅處理 ，以確保工作電壓不低于 gndHV 。通過晶體管MP1和電阻R1實現(xiàn)限幅功能：當(dāng)S1切換至OUT時，MP1工作在三極管區(qū)域,相當(dāng)于閉合開關(guān)；當(dāng) S1切換至 GND 時，MP1在飽和區(qū)導(dǎo)通，并確保比較器正輸入節(jié)點永遠不會低于 gndHV 與MP1 的源柵極電壓之和；R1必須取值正確，才能限制流過 MP1 的電流。
對于低邊開關(guān)管的情況，比較器負輸入需要限幅，以免超過本地電源電壓 vddLV（假定是 5V）：這個功能是由 MP3 和 R3 實現(xiàn)的。事實上，與高邊的 MP1 類似，當(dāng) S1 切換到 GND 時，MP3工作在三極管安全區(qū)域內(nèi)，起到一個閉合開關(guān)的作用；當(dāng) S1切換到 OUT 時，晶體管工作在飽和區(qū)域，將比較器負輸入電壓限制在MP3的柵源電壓。高邊開關(guān)電路需要電平轉(zhuǎn)換器，因為比較器的電源電壓范圍是在 OUT 和 gndHV之間，而濾波器和驅(qū)動器電路的電源電壓是在自舉電源電壓 vddHVi 和 Si 之間。
AirFuel 和 Qi兩個標(biāo)準(zhǔn)工作頻率和目標(biāo)輸出功率值不同（Qi是 40 W，Airfuel是10 W），為了兼容這兩個無線充電標(biāo)準(zhǔn)，功率 MOS晶體管及其驅(qū)動電路必須能夠重新配置。一方面，在 Qi 情況下，工作頻率低，開關(guān)損耗可以忽略不計。因為設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)更高的輸出功率，所以需要大尺寸的 MOS 器件，最大限度地減少導(dǎo)通損耗；另一方面，在 AirFuel 情況下，工作頻率較高，開關(guān)損耗很大，因此，優(yōu)先選用尺寸較小的晶體管，以最大限度地減少寄生電容。
本文提出的可重新配置的功率開關(guān)和驅(qū)動電路是采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計，如圖 4(a)所示。該電路由四個驅(qū)動器和四個功率 MOS 模塊組成，可以通過與門根據(jù)數(shù)字信號 fse選擇驅(qū)動器和功率模塊。在功率MOS模塊內(nèi)有三個并聯(lián)子模塊，每個子模塊都包含一個柵寬6.72-mm、柵長250 nm、56個fingers(nf)如圖4(b)所示。驅(qū)動模塊由4級反相器鏈構(gòu)成，fingers數(shù)量(nf)是1-3-8-16，NMOS柵寬24μm，PMOS柵寬 41.3 μm， NMOS 和 PMOS 的晶體管長度都是 1 μm，如圖4(c)所示。
在Qi情況中，fsel是高電平，四個模塊全部工作，控制信號CTRL驅(qū)動模塊工作，構(gòu)成一個由12個并聯(lián)子模塊組成的等效功率開關(guān)；在AirFuel情況中，fsel是低電平，只有第一個模塊被激活，控制信號CTRL驅(qū)動該模塊工作，而剩余的三個模塊關(guān)閉，因此，這三個功率開關(guān)是關(guān)斷狀態(tài)。這種方法使有源整流器能夠適應(yīng)兩個充電標(biāo)準(zhǔn)的功率要求。
IV.仿真結(jié)果
我們用Cadence Virtuoso 仿真工具，按照圖 2(d) 所示的測試臺原理圖，測評了本文提出的天線配置方案，采用了市場上銷售的線圈的實際測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范調(diào)整了諧振電容的容值。輸入電壓VIN是12 V，負載電阻 RLOAD可變。我們還用同樣的方法測試了文獻[2]中提出的天線配置。
圖 5 和圖 6 分別描述了兩種天線配置仿真測試的輸出功率和效率在不同負載范圍的曲線。
不難發(fā)現(xiàn)，本文提出的天線配置在 Qi 情況中的性能媲美文獻[2]中提出的天線配置；在 AirFuel 情況下，效率性能表現(xiàn)更高，在整個負載電阻范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的效率，并且在負載電阻較高，負載電流較低時，輸出功率明顯更高，這非常契合消費類應(yīng)用的無線充電設(shè)計目標(biāo)。把本文提出的天線配置和有源整流電路放到完整的無線充電系統(tǒng)內(nèi)，如圖 1 所示，然后用 Cadence Virtuoso 仿真工具測試這個無線傳輸系統(tǒng)。
考慮到電能發(fā)送結(jié)構(gòu)的差異，仿真測試所用的雙標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送端與本文提出的接收端采用相同的可重新配置驅(qū)動器和功率 MOS開關(guān)管。仿真測試還使用了單標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送端，其驅(qū)動器和功率 MOS 尺寸是按照Qi 或 AirFuel技術(shù)要求專門定制的。此外，我們還仿真測試了兩個完整的單標(biāo)準(zhǔn)專用無線充電系統(tǒng)，其中發(fā)送端和接收端都是根據(jù) Qi 或 AirFuel專門設(shè)計的，這個單標(biāo)準(zhǔn)仿真為雙標(biāo)準(zhǔn)性能評測提供一個參考基準(zhǔn)。仿真測試輸入電壓12V，負載是電池電壓，AirFuel 情況是20V，Qi 情況是12V。
系統(tǒng)仿真所用的天線參數(shù)是線圈的實際測量結(jié)果。表 II 匯總了各種情況下的仿真結(jié)果，提供了不同模塊的詳細效率數(shù)據(jù)。顯而易見，雙標(biāo)準(zhǔn)有源整流電路在所有情況下都保持出色的效率，比標(biāo)準(zhǔn)專用解決方案低1.5%。此外，本文提出的天線配置在大多數(shù)情況下效率表現(xiàn)良好（高于 82％），只在磁場耦合度很低時，效率才會較低。
V.結(jié)論
圖 5.輸出功率仿真結(jié)果（輸出功率與負載電阻 RLOAD 是函數(shù)關(guān)系）
圖 6.效率仿真結(jié)果（效率與負載電阻 RLOAD 是函數(shù)關(guān)系）
本文提出了一種創(chuàng)新的支持 Qi 和 AirFuel 兩大無線充電標(biāo)準(zhǔn)的天線配置及有源整流電路。在實現(xiàn)天線配置時，我們考慮使用在市場上銷售的標(biāo)準(zhǔn)線圈，通過測量線圈表征線圈特性，得出被仿真天線的參數(shù)。用Cadence Virtuoso仿真工具全面測試了本文提出的天線配置和可重新配置有源整流器，并與相應(yīng)的單標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)進行比較，證明本文提出的方案設(shè)計保留了良好的效率和輸出功率，同時提供了不同模塊的詳細效率數(shù)據(jù)，全面分析了雙標(biāo)準(zhǔn)無線充電接收系統(tǒng)天線和有源整流電路的性能，從而補全了文獻資料在這個方面的缺失和不足。
參考文獻
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[3]Y. -J. Park et al., “A Triple-Mode Wireless Power-Receiving Unit With
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[4]M. Huang, Y. Lu and R. P. Martins, “A Reconfigurable Bidirectional Wireless Power Transceiver for Battery-to-Battery Wireless Charging”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 8, pp. 77457753, Aug. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2881285.
（作者: Elisabetta Moisello, Alberto Cattani, Piero Malcovati, Edoardo Bonizzoni,意大利帕維亞大學(xué)電氣、計算機和生物醫(yī)學(xué)工程系意法半導(dǎo)體, 科爾納雷多, 意大利）
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