如何從電路設(shè)計(jì)上提高無(wú)線充電器的充電效率
在上一期的文章里面我們一起分析了影響無(wú)線充電器充電效率的因素有哪些。那在這一期我們就一起來(lái)看一下，怎么提高無(wú)線充電器的充電效率。
首先我們分析一下發(fā)射端，也就是無(wú)線充電器的情況，看發(fā)射端哪些模塊對(duì)充電效率影響較大，應(yīng)該如何處理。我們先從電路設(shè)計(jì)上去分析影響充電效率的因素，以及提高充電效率的方法。
1. MOSFET器件導(dǎo)通損耗
在5V的全橋充電系統(tǒng)中需要用到4個(gè)功率MOSFET，全橋結(jié)構(gòu)有兩種情況，一種是4個(gè)NMOS管，另外一種是2個(gè)NMOS和2個(gè)PMOS。
系統(tǒng)在工作的過(guò)程當(dāng)中至少有兩個(gè)管子是導(dǎo)通的，所以在發(fā)射部分功率MOSFET的損耗是最大的。
為了減少損耗，就需要考慮采用低導(dǎo)通內(nèi)阻的管子，導(dǎo)通內(nèi)阻相對(duì)較小的情況，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率會(huì)比較好。
當(dāng)然MOSFET的低導(dǎo)通內(nèi)阻與成本存在一定的關(guān)系，如果導(dǎo)通內(nèi)阻很低，成本會(huì)相對(duì)較高，我們要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)中折中考慮，找到一個(gè)好的平衡點(diǎn)。
2. 主控制器控制、控制響應(yīng)不及時(shí)產(chǎn)生的損耗
在磁感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)中，接收端是被動(dòng)感應(yīng)端，理論上來(lái)講，發(fā)射端提供多少功率，接收端就可以接收到除損耗之外的所有功率。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)射端的發(fā)射功率是根據(jù)接收端靈活調(diào)整的，過(guò)多的發(fā)射功率會(huì)在接收端的整流部分和降壓部分造成過(guò)多的功率損耗，所以為了盡量減少不必要的損耗，就需要對(duì)接收端的功率輸出做精確控制。
在系統(tǒng)工作過(guò)程中，發(fā)射端和接收端通過(guò)一個(gè)2kHz的調(diào)頻載波進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，所以發(fā)射端通過(guò)解調(diào)可以得到一個(gè)接收端的功率反饋信息，再根據(jù)這個(gè)信息實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射功率，以確保有效功率的最大化傳輸。
但對(duì)接收端負(fù)載來(lái)講，并不是一個(gè)恒定的穩(wěn)定輸出，多數(shù)情況下輸出會(huì)有一個(gè)電流快速變動(dòng)的跳變，對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生快速變化，這就要求發(fā)射板的主控制器能及時(shí)處理這些解調(diào)信號(hào)，從而及時(shí)調(diào)整功率輸出。
主控制器的主頻在一定程度上決定了處理器的處理能力，也就決定了對(duì)負(fù)載變化的調(diào)整速度，也最終決定了有效功率的情況。
另外關(guān)鍵的一點(diǎn)是，要對(duì)輸出功率精確控制就需要對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)精確控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一個(gè)110KHz~205KHz的一個(gè)占空比50%的方波信號(hào)，所以PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要以1KHz以下甚至以100Hz的階梯進(jìn)行變頻輸出，這就要求主控的PWM控制單元性能要足夠好才能滿足要求。
3. 開關(guān)死區(qū)損耗
發(fā)射端我們完全可以看作是一個(gè)開關(guān)電源，通過(guò)MOS的開關(guān)來(lái)產(chǎn)生振蕩信號(hào)，所以系統(tǒng)的開關(guān)損耗是在所難免的。
為了減少損耗，理論上就要求PWM控制信號(hào)的上升和下降的時(shí)間足夠短。在5V全橋系統(tǒng)中，上半橋與下半橋同一時(shí)間只能開一個(gè)，即Q1和Q4或者Q2和Q3同時(shí)只能導(dǎo)通一組，如圖紅色箭頭部分為正常電流路徑，兩組管子交替導(dǎo)通，產(chǎn)生振蕩，輸出功率。
但開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)即PWM信號(hào)實(shí)際上無(wú)法做到同步開或關(guān)，如果有一個(gè)時(shí)刻Q1和Q3或者Q2和Q4會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，出現(xiàn)瞬間短路的情況，系統(tǒng)在這個(gè)很短的時(shí)間段會(huì)產(chǎn)生很大的開關(guān)功率損耗，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)需要避免同時(shí)開的情況，需要做一個(gè)死區(qū)處理，但如果處理不當(dāng)，死區(qū)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，系統(tǒng)的損耗也就加大。
要解決好這個(gè)死區(qū)的根本點(diǎn)其實(shí)就是PWM時(shí)序的控制。也就是在確保Q3關(guān)閉之前才開Q1，反之亦然。
所以可以從兩個(gè)方面來(lái)優(yōu)化這個(gè)時(shí)序問題，減少死區(qū)。
一是從軟件調(diào)整，主控通過(guò)調(diào)整PWM時(shí)序來(lái)改善死區(qū)問題。
二是從硬件上去做延時(shí)處理，盡量縮短死區(qū)時(shí)間。比如一些簡(jiǎn)單的RC延時(shí)電路，通過(guò)選取合適的RC值來(lái)調(diào)整RC電路的充放電時(shí)間，達(dá)到延時(shí)的效果，從而有效減少死區(qū)時(shí)間，提高充電效率。
當(dāng)然，有些驅(qū)動(dòng)芯片已經(jīng)在死區(qū)及延時(shí)上做了考慮，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)具體芯片方案去考量。
以上就是從電路設(shè)計(jì)上去提高無(wú)線充電器充電效率的方法和原理了。如果你想知道更多提高無(wú)線充電器充電效率的方法可以關(guān)注我們官方網(wǎng)站以后的內(nèi)容。我們會(huì)提供更多的內(nèi)容。
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