支持Qi和 AirFuel的雙標(biāo)準(zhǔn)無線充電天線和有源整流系統(tǒng)

摘要：本文提出一個(gè)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(píng)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(shí)際測量數(shù)據(jù)。我們將仿真結(jié)果與目前最先進(jìn)的天線技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比和比較，驗(yàn)證了這個(gè)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(jì)，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(gè)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(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)效率數(shù)據(jù)，全面評(píng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，得益于可以定期無線充電，電池模塊可以設(shè)計(jì)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(jí)別，從充電功率兆瓦級(jí)的電動(dòng)汽車，到瓦級(jí)的消費(fèi)類產(chǎn)品，再到毫瓦級(jí)的生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備，無線充電應(yīng)用非常廣泛。

實(shí)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(gè)線圈之間的磁場耦合傳遞電能。天線模塊組件包括這兩個(gè)線圈與電容器組成的補(bǔ)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(diǎn)是線圈強(qiáng)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(xiàn)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(jì)，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(xì)介紹。雖然在文獻(xiàn)[2]中有支持雙標(biāo)準(zhǔn)的天線配置的論述，但是，并未詳細(xì)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(jì)，支持 Qi 和 AirFuel兩個(gè)無線充電標(biāo)準(zhǔn)，輸出功率涵蓋筆記本電腦、智能手機(jī)等消費(fèi)設(shè)備常用輸出功率。

為了評(píng)估本文提出的設(shè)計(jì)方案的性能，我們用 Cadence Virtuoso仿真工具評(píng)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(fù)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(fù)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(xiàn) [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(tái)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(shí)際測量值。把兩個(gè)線圈對(duì)齊，同時(shí)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(píng)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(gè)模塊的詳細(xì)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(bào)告仿真驗(yàn)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(gè)獨(dú)立的天線，通過單獨(dú)選擇電感值和 Q 因子，可以在兩個(gè)不同的工作頻率范圍內(nèi)最大限度提高效率。根據(jù)文獻(xiàn)[2]提出的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)天線可以整合成一個(gè)雙天線結(jié)構(gòu)，見圖2（a）。電容器 C2在低頻時(shí)可以近似為開路；大電容C1在高頻時(shí)起到短路作用，L1 的阻抗是電路中最大的。

表1：線圈實(shí)際測量參數(shù)

通過這種方式可以組建兩個(gè)串聯(lián)諧振電路，一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)電感器對(duì)應(yīng)的電容器C1和C2，以取得所需的兩個(gè)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(duì)之間的耦合系數(shù) k1 和 k2，按照?qǐng)D2 (c)所示的配置，將所選的兩個(gè)線圈對(duì)齊，用 LCR表測量兩個(gè)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(shí)，在LCR測量儀上選擇最大頻率1 MHz，因?yàn)橹C振頻率設(shè)置在 6.78 MHz時(shí)，正常情況下頻率不會(huì)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(jì)方案

整流電路設(shè)計(jì)采用 90 nm BCD 工藝，由四個(gè)合理控制的功率開關(guān)管構(gòu)成。這四個(gè)NMOS 晶體管起到等效二極管的作用，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，正電流從源極流向漏極，實(shí)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(dòng)器設(shè)計(jì)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(xì)示意圖； (c) 驅(qū)動(dòng)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(diǎn)S1的工作方式，這個(gè)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(gè)類似于文獻(xiàn)[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(hào)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(hào)。比較器可以限值高邊開關(guān)管和低邊開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓，因?yàn)楣?jié)點(diǎn) S1在電能接收端接地 GND和設(shè)計(jì)輸出電壓節(jié)點(diǎn) 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?fù)?/a>中，由于比較器的工作電壓范圍是在輸出電壓節(jié)點(diǎn) OUT 和節(jié)點(diǎn) gndHV 之間，gndHV是設(shè)計(jì)輸出電壓減去一個(gè)齊納二極管的壓降，因此，需要對(duì)比較器正輸入進(jìn)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(shí)現(xiàn)限幅功能：當(dāng)S1切換至OUT時(shí)，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(shí)，MP1在飽和區(qū)導(dǎo)通，并確保比較器正輸入節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)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(duì)于低邊開關(guān)管的情況，比較器負(fù)輸入需要限幅，以免超過本地電源電壓 vddLV（假定是 5V）：這個(gè)功能是由 MP3 和 R3 實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，與高邊的 MP1 類似，當(dāng) S1 切換到 GND 時(shí)，MP3工作在三極管安全區(qū)域內(nèi)，起到一個(gè)閉合開關(guān)的作用；當(dāng) S1切換到 OUT 時(shí)，晶體管工作在飽和區(qū)域，將比較器負(fù)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?yàn)楸容^器的電源電壓范圍是在 OUT 和 gndHV之間，而濾波器和驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)無線充電標(biāo)準(zhǔn)，功率 MOS晶體管及其驅(qū)動(dòng)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(jì)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)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(dòng)電路是采用 90 nm BCD 工藝設(shè)計(jì)，如圖 4(a)所示。該電路由四個(gè)驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)功率 MOS 模塊組成，可以通過與門根據(jù)數(shù)字信號(hào) fse選擇驅(qū)動(dòng)器和功率模塊。在功率MOS模塊內(nèi)有三個(gè)并聯(lián)子模塊，每個(gè)子模塊都包含一個(gè)柵寬6.72-mm、柵長250 nm、56個(gè)fingers(nf)如圖4(b)所示。驅(qū)動(dòng)模塊由4級(jí)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(gè)模塊全部工作，控制信號(hào)CTRL驅(qū)動(dòng)模塊工作，構(gòu)成一個(gè)由12個(gè)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(gè)模塊被激活，控制信號(hào)CTRL驅(qū)動(dòng)該模塊工作，而剩余的三個(gè)模塊關(guān)閉，因此，這三個(gè)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(gè)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?qǐng)D 2(d) 所示的測試臺(tái)原理圖，測評(píng)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(shí)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(fù)載電阻RLOAD可變。我們還用同樣的方法測試了文獻(xiàn)[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(fù)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(xiàn)[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(gè)負(fù)載電阻范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的效率，并且在負(fù)載電阻較高，負(fù)載電流較低時(shí)，輸出功率明顯更高，這非常契合消費(fèi)類應(yīng)用的無線充電設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(jì)的，這個(gè)單標(biāo)準(zhǔn)仿真為雙標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)測提供一個(gè)參考基準(zhǔn)。仿真測試輸入電壓12V，負(fù)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(shí)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(xì)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(shí)，效率才會(huì)較低。

表II不同天線配置的仿真測試結(jié)果

V. 結(jié)論

圖 5.輸出功率仿真結(jié)果（輸出功率與負(fù)載電阻 RLOAD 是函數(shù)關(guān)系）

?6.效率仿真結(jié)果（效率與負(fù)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(shí)現(xiàn)天線配置時(shí)，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(jìn)行比較，證明本文提出的方案設(shè)計(jì)保留了良好的效率和輸出功率，同時(shí)提供了不同模塊的詳細(xì)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(bǔ)全了文獻(xiàn)資料在這個(gè)方面的缺失和不足。

參考文獻(xiàn)

[1] E. Moisello, A. Liotta, P. Malcovati and E. Bonizzoni, “Recent Trends and Challenges in Near-Field Wireless Power Transfer Systems”, in IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society, doi: 10.1109/OJSSCS.2023.3313575.

[2] P. S. Riehl et al., “Wireless Power Systems for Mobile Devices Supporting Inductive and Resonant Operating Modes”, in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 3, pp. 780-790, March 2015, doi: 10.1109/TMTT.2015.2398413.

[3] Y. -J. Park et al., “A Triple-Mode Wireless Power-Receiving Unit With

85.5% System Efficiency for A4WP, WPC, and PMA Applications”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 4, pp. 3141-3156, April 2018, doi: 10.1109/TPEL.2017.2703153.

[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.

[5] S. -J. Oh et al., “A 15-W Quadruple-Mode Reconfigurable Bidirectional Wireless Power Transceiver With 95% System Efficiency for Wireless Charging Applications”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 4, pp. 3814-3827, April 2021, doi: 10.1109/TPEL.2020.3024915.

[6] S. A. A. Shah et al., “A Design of Wireless Power Receiver With Gate Charge Recycled Dual-Mode Active Rectifier and Step-Down Converter With 88.2% System Efficiency for Power Management IC”, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 38, no. 1, pp. 1348-1360, Jan. 2023, doi: 10.1109/TPEL.2022.3204548.

[7] A. Liotta, G. Frattini, P. Giannelli, E. Bonizzoni and P. Malcovati,

“Design of an LLC Resonant DC-DC Converter with MOSFET-Based Active Rectifier”, in Proceedings of 2022 17th Conference on Ph.D Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), Villasimius, SU, Italy, 2022, pp. 245-248, doi: 10.1109/PRIME55000.2022.9816808.

[8] Datasheet of Coil 760308101150. Online: https://www.weonline.com/components/products/datasheet/760308101150.pdf Accessed Sept. 2023.

[9] Datasheet of Coil 760308101141. Online: https://www.weonline.com/components/products/datasheet/760308101141.pdf Accessed Sept. 2023.