對于我們這些在日常通勤中花費過多時間在走走停停的交通中（或完全停在所謂的州際公路上）的人來說，知道這些空閑時間可以用于許多其他目的，并且汽車一直是幫助我們完成一些其他“任務(wù)”的技術(shù)的關(guān)鍵市場，例如電話交談、短信和電子郵件、在線購物和沖浪、電影下載和視頻流、游戲玩，等等。如果您在交通中向左或向右看，您會發(fā)現(xiàn)這些任務(wù)中的大部分都是圍繞手機的使用而演變的。

為了補充這種高使用率，其中一項較新實施的技術(shù)是內(nèi)置于中控臺區(qū)域或其他易于訪問的位置的車載無線充電功能。目的？移除所有這些插入式電纜，并在充電時將聽筒放在已知位置。

背景

在過去三年中，無線電力技術(shù)“戰(zhàn)爭”以“Qi”或無線電力聯(lián)盟（WPC）為贏家，現(xiàn)在是低功率事實上的標準而得到解決。全球所有領(lǐng)先的手機制造商采用 Qi 技術(shù)進一步驗證了這一點。在此之前，汽車制造商確實在他們的車輛內(nèi)實施了無線充電，但總是擔心是否會因為買家的手機不兼容嵌入式充電技術(shù)而導致銷售損失。

具有無線充電功能的車型實施數(shù)量已從 2016 年初的 40 多種增長到 100 多種車型（目前），這相當于超過 1200 萬輛（240 萬臺 OEM，970 萬輛售后市場）基于 Qi 的車輛 -僅在 2018 年就安裝了車輛系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)都符合 Qi 基本功率配置文件 (BPP) 和 5W（瓦）。新的方向是更快的充電和更高的功率。大多數(shù)新設(shè)計的目標是符合 Qi 擴展功率配置文件 (EPP) 或 15W 功能。這種能夠更快充電的額外便利伴隨著必須克服的額外技術(shù)障礙。三個主要問題是 EMI 合規(guī)性、效率和熱限制。

15W 系統(tǒng)

在 WPC 標準中，有一些子類別（例如 MP-A8、MP-A9、MP-A13）指定了無線電力系統(tǒng)的各個方面以及放置在中控臺內(nèi)的發(fā)射 (Tx) 線圈的配置區(qū)域。出于互操作性目的，該標準定義了：輸入直流電壓、Tx 線圈尺寸和形狀、電氣參數(shù)、頻率控制（固定與可變）、功率電平和功率控制（電壓/頻率/相位/占空比）。使用車輛主電池的輸入電壓通常為 12V 進入發(fā)射器電路，因此電壓升高，產(chǎn)生比許多桌面無線充電器相關(guān)的 5V 輸入電壓更強的電場 (E)。由于系統(tǒng)內(nèi)的諧振操作模式，線圈（諧振器/天線）上的實際電壓可能在 100V 左右，

EMI 問題和解決方案

在較新的車輛上，有許多 RF 系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都需要共存以確保它們所做的事情不會影響其他任何事情。其中一些是：AM/FM 收音機、GPS、ADAS 系統(tǒng)、多個蜂窩頻段、藍牙、WiFi、資產(chǎn)跟蹤、短波收音機、鑰匙扣、警察掃描儀、遠程信息處理等，甚至可能還有一些 CB 收音機對于那里的所有 10-4 個好友。

其中一些 RF 系統(tǒng)在 Qi EPP 無線電力系統(tǒng)的 87-205 KHz（最高可達 300 KHz）基頻范圍內(nèi)和/或通過低諧波運行。AM 無線電頻率為 525 KHz 至 1705 KHz（在美洲），因為它用作緊急廣播系統(tǒng)的一部分，所以必須無 EMI。新的遠程無鑰匙進入系統(tǒng) (RKE) 以 125 KHz 的頻率運行，一些輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) (TPMS) 也是如此，它們使用此頻率來驅(qū)動啟動器 LC 線圈電路。

汽車應(yīng)用對 EMI 有非常嚴格的要求。CISPR 25（Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques）是一項非監(jiān)管工程汽車標準，它設(shè)定了必須滿足的傳導和輻射發(fā)射限制，以保護其他車載接收器。它在 150 kHz 到 2500 MHz 的頻率范圍內(nèi)定義了這些限制，這些限制可能由其他車載天線傳導。

在 CISPR 25 中，有一些等級定義了允許的傳導和輻射噪聲發(fā)射限制的水平，輻射噪聲才是真正的問題。表 1 中給出了通過 FM 無線電頻段測量的峰值、準峰值和平均電壓的類發(fā)射 [輻射] 限制與頻段的關(guān)系。

表 1：按類別劃分的 CISPR 25 輻射限制

隨著 Qi EPP 功率水平的提高，滿足 Class 4 成為一項挑戰(zhàn)，目前市場上還沒有 Class 5 系統(tǒng)。對于車載無線充電，高達 1.8 MHz 的 AM 頻率是最敏感的，但認證測試確實超過了 1 GHz。圖 1 提供了實際的 CISPR 25 5 類測量數(shù)據(jù)。

圖 1：CISPR 25 5 類初始測試 100 KHz 至 30 MHz

從圖中可以看出，該設(shè)計雖然符合 Class 4 要求，但并未完全通過 Class 5 認證。EMI 噪聲抑制從系統(tǒng)的電氣設(shè)計開始，以下部分介紹了設(shè)計中使用的一些關(guān)鍵領(lǐng)域，以滿足 CISPR 25 的要求。

減輕 EMI 噪聲的第一個領(lǐng)域是實施固定頻率系統(tǒng)。在 Qi 標準中，有一些方法允許可變頻率更好地“調(diào)整”兩側(cè)以提高性能。然而，為了滿足與車載電源系統(tǒng)相關(guān)的嚴格 EMI 噪聲水平，不斷變化的頻率會使符合這些要求變得更加困難。此外，歐洲汽車制造商對 145 KHz 以上有限制，因此當前解決方案的固定工作頻率設(shè)置在 127 KHz 左右。

下一項技術(shù)是通過 Tx 線圈去除方波電流，并使這些電流盡可能接近正弦波。這種方法減少了可能會產(chǎn)生的噪聲“尖峰”。這可以通過使用電感器來實現(xiàn)，因為該無源器件平滑了由開關(guān) (MOSFET) 的導通/關(guān)斷產(chǎn)生的方波電流，并有助于確保開關(guān)方案“干凈”且無噪聲。

通過在與 Tx 線圈繞組串聯(lián)的電源線上添加一個共模濾波器 (CMF)，可以實現(xiàn)進一步的 EMI 抑制。通過線圈的電流是 100% 交流電 (AC)，沒有直流電 (DC) 成分，就像許多涉及直流電流和一些允許紋波電流的電源一樣。線圈的電流可以被認為是 100% 的紋波電流。因此，選擇用于此 CMF 的鐵氧體材料很重要，并且 AC 磁芯損耗必須在 127 KHz 固定頻率下絕對最小。

另一種 EMI 噪聲抑制技術(shù)是添加 EMI 噪聲抑制磁片，以吸收可能從主 Tx 屏蔽背面?zhèn)鬏數(shù)墓ぷ黝l率、諧波和寄生噪聲。磁片通過兩種方法去除 EMI 噪聲。首先，這些材料的磁導率 (μ') 使這些屏蔽能夠包含 [吸收] EMI 噪聲磁通量 (φ) 并防止其被輻射。接下來，這些屏蔽的電阻特性 (μ”) 為不需要的頻率的通量場創(chuàng)建了一個電阻路徑，并衰減了 EMI 噪聲并以熱量的形式將其從環(huán)境中移除。這種關(guān)系在公式 1 中給出。

????????????????????????????????????????? μ = μ' – jμ”?

對于 EMI 抑制應(yīng)用，更高的 μ' 通過抑制磁通量產(chǎn)生更好的屏蔽性能，更高的 μ" 通過材料磁芯損耗產(chǎn)生更好的噪聲抑制。μ' 值太高會降低性能。由于一種稱為磁耦合 (K) 的現(xiàn)象，使用額外的磁片可以改變 Tx 線圈的電感值，并通過互耦合（M 或 Lm）使電路失諧，使其遠離所需的固定頻率。

最后，如果 EMI 抑制片確實會導致固定頻率問題，那么非磁性材料也可以抑制 EMI 噪聲。面臨的挑戰(zhàn)是獲得一種可以吸收一定水平噪聲能量的材料，但又不會太金屬化，以至于不能簡單地反射 EMI 噪聲，而不是去除它，也不會抑制所需的 H 場。已經(jīng)使用了具有低表面電阻（~4 ohms/square）的銀合金基薄膜，并展示了高達 1 MHz 的改進的 EMI 噪聲抑制，（我認為需要包括“和”）抑制有問題的諧波。這些放置在繞組頂部的非磁性片往往能更好地抑制基于電壓/E 場的諧波，而不是基于電流/H 場的諧波。

Tx 線圈帶有自己的磁屏蔽，其中包含通過繞組的正弦電流產(chǎn)生的磁通量。對于基本工作頻率 (127 KHz)，選擇的屏蔽材料具有較高的 μ' 和非常低的 μ"，以免衰減所需的磁通場。該屏蔽包含工作頻率下的所需磁通量以提高性能和一些諧波通量，從而成為整體 EMI 合規(guī)性解決方案的一部分。

效率 – 無線電力系統(tǒng)因素

由于充電器（發(fā)射端或 Tx）和“待充電”接收（Rx）設(shè)備之間沒有直接電氣連接，能量通過流經(jīng) Tx 線圈的電流產(chǎn)生的 H 場在兩側(cè)之間傳輸. Rx 線圈捕獲該 H 場的一部分并將其轉(zhuǎn)換為通過 Rx 繞組的電流。

此過程的機制是磁耦合，并受兩個線圈之間的對齊（X、Y 方向）、間隔距離（Z 間隙）和方向（平行）的影響。在中央控制臺汽車應(yīng)用中，方向問題由平坦的控制臺區(qū)域表面控制。

對齊目前由 3 個不同的繞組 Tx 線圈模式解決，并且通過一些內(nèi)置的控制智能，Qi 系統(tǒng)確定哪個繞組最適合對齊。這 3 個繞組線圈提供了一定程度的位置自由度，但僅限于一個軸。MP-A9 線圈的示例如圖 2 所示。

圖 2：標準 WPC MP-A9 Tx 線圈

所示的 3 繞組線圈示例不是系統(tǒng)要求，而是迄今為止的“標準”。然而，目前正在努力為小型車輛采用 2 個繞組線圈配置以減小尺寸和成本。權(quán)衡將在于 Rx 線圈與兩個 Tx 繞組之一的對齊，以確保效率不會受到磁耦合降低的影響。汽車制造商的典型最低系統(tǒng)效率要求是 70%。

Z 方向間隙更具挑戰(zhàn)性，因為最初的 Qi 標準規(guī)定兩側(cè)之間的最大距離 <5 mm，并且是針對磁屏蔽 - 屏蔽距離，而不是針對線圈繞組 - 繞組。屏蔽用于：1) 屏蔽線圈后面物體的 H 場，2) 塑造/引導/封裝 H 場，3) 幫助設(shè)置電感值，以及 4) 提供磁耦合機制，一個函數(shù)兩個磁片之間的物理距離。因此，對于汽車應(yīng)用，Rx 線圈上的繞組厚度高達 1.0 毫米，手機后蓋厚度為 1.0 毫米，手機保護殼厚度高達 3.0 毫米或更多，中控臺厚度為 2.0 毫米，Tx繞組結(jié)構(gòu)厚度為 2.5 mm，這意味著整體屏蔽-屏蔽距離遠遠超過 5.0 mm 的限制。實際的 Z 間隙距離更多地沿著 9-10 毫米的線，假設(shè)手機殼和中控臺之間沒有間隙。由于耦合系數(shù)隨 Z 間隙距離而減小，因此向 Tx 側(cè)施加壓力以通過需要更多 Tx 輸入電流來維持 Rx 側(cè)所需的功率來補償較低的耦合，因為電氣負載不會改變。需要更多的輸入電流來維持相同的輸出功率是效率降低的另一種說法。如圖 3 所示。因為電力負載不會改變。需要更多的輸入電流來維持相同的輸出功率是效率降低的另一種說法。如圖 3 所示。因為電力負載不會改變。需要更多的輸入電流來維持相同的輸出功率是效率降低的另一種說法。如圖 3 所示。

圖 3：效率 Vs。Z 間隙使用 WPC A11 Tx 線圈，5V Rx 輸出

該測試數(shù)據(jù)是使用 5W Qi A11 Tx 線圈、兩種 Rx 線圈尺寸以及在 Rx 線圈后面有/沒有電池完成的。隨著線圈之間的 Z 間隙增加，效率會下降。Qi 系統(tǒng)還使用帶內(nèi)通信，當耦合 (K) 較低時，通信可能會停止并停止電力傳輸。這是橙色三角形曲線（最低）的情況，因此所有測試都在 11 毫米處終止。對于 Qi EPP 系統(tǒng)，較高的電流將有助于耦合，但了解實際 Z 間隙是什么很重要。?

更高的線圈繞組電流也會產(chǎn)生更高的線損。線圈的直流電阻 (DCR) 值和交流電阻（ACR 或 Rac）值都存在，線損與 ACR 相關(guān)，如公式 2 所示。

???????????????????????????????????????? P LOSS = I 2 * R AC? ? ?[Eq.n2]

在哪里：

I = 通過 Tx 線圈繞組的交流電流

R AC = 在某個給定頻率下的電阻

更高的電流系統(tǒng)會在 Tx 線圈磁屏蔽內(nèi)產(chǎn)生更多的磁通量 (φ) 和更高的磁芯損耗。對于各種磁性材料，鐵芯損耗 (Pcv) 與磁通密度 (B) 的典型曲線如圖 4 所示，其中鎳鋅 (Ni-Zn) 和錳鋅 (Mn-Zn) 是鐵氧體的類型。

圖 4：磁屏蔽芯損耗與磁通密度

磁芯損耗是磁芯內(nèi)磁場通量密度 (B) 的函數(shù)。磁通密度與磁場 (H) 相關(guān)，由磁芯供應(yīng)商在材料的 BH 曲線中提供。增加的電流和 H 場之間的關(guān)系在公式 3 中給出。

??????????????????????????????????????????? H ∝ N x I? ? ??

在哪里，

N – 線圈上的繞組模式匝數(shù)

I – 通過繞組的電流 (A)

在無線充電系統(tǒng)中，汽車制造商和 Tx 充電器系統(tǒng)制造商都無法 100% 控制對齊和 Z 間隙參數(shù)。用戶如何以及將手機放入控制臺區(qū)域的位置、使用的保護殼類型、內(nèi)部 Rx 線圈的尺寸和形狀，以及手機在加速和制動過程中是否移動，都會影響效率。

效率 – Tx 電源拓撲因素

一個關(guān)鍵的效率提高技術(shù)是使用推挽轉(zhuǎn)換器驅(qū)動方案。推挽轉(zhuǎn)換器通過一組同步時序方案的開關(guān)提供 Tx 線圈電流。

開關(guān)交替打開和關(guān)閉，從而在開關(guān)周期的兩半期間循環(huán)通過線圈的電流方向，這與降壓、升壓和其他依賴于無源器件中存儲的能量在開關(guān)關(guān)閉期間提供電流的拓撲不同時期。推挽還實現(xiàn)了一個沒有電流的短“死區(qū)”時間，確保兩個開關(guān)不會同時打開（拉出電流），這會導致電源損壞?？偟膩碚f，推挽轉(zhuǎn)換器比其他電源拓撲具有更穩(wěn)定的輸入電流，產(chǎn)生更少的 EMI 噪聲，并且在更高功率的應(yīng)用中更高效。

還使用的一種技術(shù)稱為零電壓開關(guān) (ZVS) 或“軟”開關(guān)。為了減少開關(guān) (MOSFET) 導通/關(guān)斷期間的損耗，系統(tǒng)確保在切換過程之前，開關(guān)上沒有電壓。這消除了在施加電壓的情況下電流流過開關(guān)的可能性。采用 ZVS 可降低開關(guān)損耗并顯著提高效率。因此，時序控制是一個關(guān)鍵要求。

ZVS 的另一個優(yōu)點是它有助于減少諧波。減少諧波有助于遵守上面討論的 CISPR 25 要求。這包括在這里，因為它在效率方面起著關(guān)鍵作用。在感應(yīng)式無線電力系統(tǒng)中，Tx 和 Rx 側(cè)電路的 LC（感應(yīng)-電容）網(wǎng)絡(luò)被調(diào)諧到特定頻率。諧波中的能量必須最小化，因為它是浪費的能量，因為調(diào)諧的 Rx 側(cè)不會整流其調(diào)諧頻率范圍之外的任何能量。

散熱問題

無線電力系統(tǒng)中的損耗來自 Tx 和 Rx 側(cè)的電路組件、兩個線圈上的導線和磁芯損耗，最后是連接兩個線圈之間氣隙的耦合損耗。在汽車制造商的控制范圍內(nèi)的是 Tx 側(cè)線損和磁芯損耗，以及包括 PCB 在內(nèi)的電路元件損耗。所有這些損失都會導致溫度升高。汽車制造商有非常嚴格的溫升限制，通常是高于環(huán)境溫度+10 o C。

磁芯損耗取決于材料的特性。關(guān)鍵參數(shù)是使用哪種類型的材料，即鐵氧體或鐵粉、屏蔽層的厚度、工作頻率（產(chǎn)生內(nèi)部材料磁滯和渦流或“自旋”損耗）以及磁場通量密度. 溫度會產(chǎn)生很大的影響，但汽車制造商設(shè)定的限制確保溫度不會因接觸溫度安全問題而遠離核心溫度而產(chǎn)生任何實際影響。

為了減少 Tx 線損耗，由于稱為“集膚效應(yīng)”的現(xiàn)象，使用多股利茲線來減少隨著頻率增加的交流損耗。簡單地說，隨著頻率的增加，更多的電流流向更靠近導線外表面（因此電流密度更高），并且使用更少的導線橫截面積。這會增加電阻，從而增加線損和溫升。利茲線創(chuàng)造了更多的整體電線表面積，并有助于降低標準單股線的交流電阻。隨著功率和電流要求水平的不斷提高，使用更高支數(shù)的利茲線的需求也在增加。平衡性能、熱問題、線徑和線圈尺寸隨后成為車載系統(tǒng)的關(guān)鍵方面。

散熱用作去除 Tx 側(cè)熱量的一種方式。然而，汽車制造商拒絕增加任何額外的散熱器，因為它會增加重量，因此推動效率優(yōu)先。

回來檢查在用例和測試，未來該系列的第2部分等等上。



審核編輯：劉清