Введение

Опыт показывает, что все более-менее известные технологии получили развитие благодаря потребительскому сегменту. Например, промышленная электроника и схожие рынки позаимствовали те наработки, которые были получены именно в потребительском сегменте, что позволило сократить время проектирования изделий. Мы рассмотрим методологию, позволяющую выбирать катушки для беспроводной зарядки, произведенные компанией Würth Elektronik eiSos, на демо-плате с ИС LTC4120 от Linear Technology.  

Принцип беспроводной передачи энергии

В системах беспроводной зарядки энергия поступает от передатчика в приемную катушку в соответствии с хорошо известным принципом индуктивной связи. Было установлено, что между двумя близко расположенными друг от друга цепями, резонирующими на одинаковой частоте, имеющими минимальные потери и поглощение (т.е. высокую добротность), энергия распространяется от передатчика к приемнику (см. рис. 1).

Чтобы система беспроводной зарядки была эффективной, передатчик и приемник должны работать на одинаковой частоте. При разных значениях индуктивности заряжающей и принимающей катушек необходимо также изменить параметры других соответствующих компонентов, чтобы резонансная частота была одинаковой. Мы продемонстрируем уникальное преимущество использования катушек от Würth Elektronik, используемых для беспроводной зарядки. 

Катушки от WE для беспроводной зарядки

Компания Würth Elektronik eiSos является членом консорциума WPC (Wireless Power Consortium) и альянса A4WP (Alliance for Wireless Power), который создал стандарт Rezence. Эта компания разработала катушки для беспроводной зарядки для приемной и передающей схем (см. рис. 2–3), которые отвечают требованиям проприетарного стандарта Qi. Рассмотрим несколько таких катушек.

Рис. 2. Катушки для приемника от WE

Рис. 3. Катушки для передатчика от WE

Перечислим катушки для беспроводной зарядки от компании WürthElektronikeiSos, которые мы рассмотрим в этой статье.

Катушки для передатчика

1. 760 308 111

2. 760 308 110

3. 760 308 104 113

4. 760 308 101 302

Катушки для приемника

1. 760 308 201

2. 760 308 101 303

Контроллер для беспроводной передачи энергии

Мы рассмотрим ИС контроллера беспроводной связи LTC4120 от компании Linear Technology, в одном кристалле которого имеется приемник беспроводного зарядного устройства и 400-мА понижающее зарядное устройство. Этот контроллер применяется в составе демонстрационной платы DC1967A. Резонансная частота колебательного контура приемника составляет 127 кГц при согласованной настройке и 140 кГц – при его рассогласовании. Демонстрационная плата приемника DC1967A показана на рисунке 4.

 

Рис. 4. Демонстрационная плата приемника DC1967A с катушкой 760308101303 от WE

Особенности контроллера LTC4120:

• функция динамического согласования управления (DynamicHarmonizationControl, DHC) позволяет оптимизировать работу беспроводного зарядного устройства в широком диапазоне значений коэффициента связи;

• широкий диапазон входного напряжения: 4,3–40 В;

• регулируемое напряжение холостого хода: 3,5–11 В;

• ток заряда батареи, программируемый с помощью одного резистора: 50–400 мА;

• точность напряжения обратной связи ±1%;

• точность программирования тока заряда: 5%;

• отсутствие ферритового сердечника в катушке.

Демонстрационная плата беспроводного передатчика (DC1968A) (см. рис. 5) является базовым передатчиком, который использует несинхронизованный мультивибратор. Его частота колебаний определяется резонансной частотой колебательного контура с катушкой, возбуждаемой от источника тока. Частота колебаний задана равной 130 кГц, но она меняется в зависимости от нагрузки на приемнике и коэффициента связи с катушкой приемника.

Рис. 5. Демонстрационная плата передатчика DC1968A с катушкой 760308101302 от WE

В еще одной версии передатчика, выпускаемого компанией Power by Proxi, имеются дополнительные преимущества – автоматическое обнаружение внешних объектов и малая потребляемая мощность в режиме ожидания.

Функция DHC контроллера LTC4120 регулирует частоту резонансного контура приемника с учетом резонансной частоты передатчика в зависимости от мощности, необходимой для батареи (нагрузки). Если связь между передающей и приемной катушками велика, резонансная частота приемника корректируется так, чтобы ограничить передаваемую мощность. Если же связь между этими катушками мала, частота резонанса приемника изменяется, чтобы увеличить принимаемую мощность.

Заметим, что контроллер ИС LTC4120 обеспечивает гальваническую развязку без помощи сердечников.

Характеристики катушек от Würth Electronik

Выше мы перечислили названия рассматриваемых катушек. Их технические характеристики представлены в таблицах 1–2.

Рассматриваемые параметры

Остановимся, прежде всего, на особенностях функционирования и возможностях контроллера беспроводного зарядного устройства LTC4120, а также на технических характеристиках катушек. Выше мы перечислили катушки, используемые в беспроводных передатчиках и приемниках, которые используются в составе плат DC1968A и DC1967A, соответственно. В одном из разделов выше мы кратко упомянули функции и особенности этих демонстрационных плат. Заметим, что для обеспечения хорошего синусоидального сигнала передатчика его катушка возбуждается от источника тока.

Как следует из спецификации для ИС контроллера LTC4120, идеальным соотношением при выборе значений индуктивностей L_X (катушка передатчика) и L_R (катушка приемника) является отношение 1:3. Однако значения индуктивности можно подобрать так, что катушка не окажется слишком большой (при использовании очень малой емкости конденсатора на стороне передатчика), а ток в передающем контуре – не слишком велик (при очень небольшой индуктивности на первичной стороне). Для правильного выбора резонансных катушек индуктивности и конденсаторов применяется обратный анализ.

Катушка приемника и его резонансная частота

У катушки приемного контура, которая используется в оценочном комплекте DC1969A, индуктивность равна 47 мкГн. Она представляет собой встраиваемую четырехслойную плату с ферритовой основой. Характеристики катушки от компании Würth Elektronik eiSos намного превосходят параметры катушек, выполненных в виде проводников печатной платы. Например, некоторые характеристики катушки 760 308 101 303, которая обеспечивает значительно большую эффективность, приведены в таблице 2. Более подробное описание параметров см. на [1].

Частота колебательного контура приемника меняется со 127 на 142 кГц. В настроенном состоянии резонансная частота Ft определяется емкостями двух конденсаторов C2P

и C2S, а при отстройке контура его резонансная частота Fd зависит только от емкости

конденсатора C2S*:

 

 

При расчете с помощью приведенной формулы для резонансной частоты при отстройке (Fd = 142 кГц) требуется, чтобы емкость конденсатора C2S была равна 26,7 нФ.

Заданная емкость величиной 26,7 нФ достигается путем параллельного включения конденсаторов на 22 и 4,7 нФ. Фактическая частота отстройки составляет 142, а не 140 кГц, что обусловлено ограниченным выбором значений среди имеющихся конденсаторов.

Аналогично, чтобы при настройке резонансная частота Ft составила 127 кГц, емкость конденсатора C2P должна быть равной 6,75 нФ. Ближайшее значение емкости в таком случае составляет 6,8 нФ. Поскольку емкости параллельно установленных конденсаторов на плате DC1969A равны 1,8 и 4,7 нФ, частота настройки контура достигает 131 кГц.

Катушка передатчика и его резонансная частота

Выбрав катушку приемника с индуктивностью 47 мкГн, рассчитаем индуктивность катушки для передатчика, исходя из того, что соотношение витков равно 1:3 согласно рекомендации из технического описания ИС LTC4120*:

 

Этому условию удовлетворяет катушка 760308101302 от Würth Elektronik eiSos с индуктивностью 5,3 мкГн. Рабочий ток катушки: 6 А; сопротивление по постоянному току: 33 мОм; добротность: 100. В таком случае резонансная частота равна*:

 

Чтобы резонансная частота передатчика равнялась 130 кГц, емкость конденсатора С_Хдолжна составить 283 нФ. Поскольку это значение не является стандартным, воспользуемся двумя параллельно включенными конденсаторами емкостью 180 и 100 нФ. Для более точного соответствия расчетной резонансной частоте подбираются конденсаторы с более подходящими номиналами.

В рассматриваемом примере суммарная емкость конденсаторов равна 280 нФ, резонансная частота составляет 130,71 кГц, т.е. превышает требуемое значение на 0,5%. Однако с учетом того, что на плате DC1969A используются два конденсатора ECHU1H154GX9 по 0,15 мкФ, резонансная частота в отсутствие нагрузки равна 126,3 кГц.

Коэффициент трансформации

Соотношение витков в катушках передатчика и приемника в рассматриваемом примере составляет 1:3, однако бывают случаи, когда это значение трудно реализовать. Как соотношение витков влияет на рабочие характеристики системы? Мы изменили схему так, чтобы извлечь больше энергии из катушки, задав выходное напряжение равным 8,23 В. При этом схема должна обеспечить максимальный ток и максимальную эффективность. Рассмотрим в этом связи несколько вариантов выбора катушек.

Вариант 1

Катушка передатчика Tx: 760 308 101 302 (5,3 мкГн, 33 мОм, Q = 100, 6 A)

Катушка приемника Rx: 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q = 25, 1,4 A)*

 

Результаты измерений:

V_CC = 5 В

I_INPUT = 0,973 A

V_{IN_LR}= 15,04 В

I_IN = 0,239 A

V_OUTPUT = 8,21 В

I_OUTPUT = 0,275 A

P_{MAX_BAT} = 4,865 Вт

 

Вариант 2

Катушка передатчика Tx: 760 308 104 113 (12 мкГн, 60 мОм, Q = 120, 7 A)

Катушка приемника Rx: 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q = 25, 1,4 A)*

Результаты измерений:

V_CC = 5 В

I_INPUT = 0,224 A

V_{IN_LR}= 11,85 В

I_IN = 0,072 A

V_OUTPUT = 8,23 В

I_OUTPUT = 0,05 A

P_{MAX_BAT} = 1,12 Вт

Вариант 3

Катушка передатчика Tx: 760 308 110 (24 мкГн, 7 мОм, Q = 180, 6 A)

Катушка приемника Rx: 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q = 25, 1,4 A)

Результаты измерений:

V_CC = 5 В

I_INPUT = 0,1 A

V_{IN_LR}= 11,65 В

I_IN = 0,025 A

V_OUTPUT = 8,23 В

I_OUTPUT = 0,013 A

P_{MAX_BAT} = 0,5 Вт

Вариант 4

Катушка передатчика Tx: WT-505060-8K2-LT (5,0 мкГн, 30,3 мОм, Q = 80, X A)

Катушка приемника Rx: 760 308 101 303 (47 мкГн, 460 мОм, Q = 25, 1,4 A)

Результаты измерений:

V_CC = 5 В

I_INPUT = 1,159 A

V_{IN_LR}= 13,16 В

I_IN = 0,314 A

V_OUTPUT = 8,21 В

I_OUTPUT = 0,275 A

P_{MAX_BAT} = 5,795 Вт

Обозначения:

V_IN– напряжение в точке измерения V_INна плате DC1967A

I_IN– ток от катушки приемника

V_CC– входное напряжение, подаваемое на плату передатчика DC1968A

I_INPUT– ток от источника напряжения V_CC

Осциллограммы

Каждый из представленных вариантов иллюстрируется соответствующей осциллограммой на рисунке 6. Канал Ch1 представляет выпрямленный принимаемый сигнал, в канале Ch2 сигнал отсутствует, Ch3 – сигнал приемника, а канал Ch4 – выпрямленный ток приемника.

Рис. 6. Осциллограммы, описывающие разные условия испытаний: а) вариант №1 (Tx – WE# 760 308 101 302, L = 5,3 мкГн; 

б) вариант №2 Tx – WE# 760 308 104 113, L = 12 мкГн; 

По этим осциллограммам можно сделать вывод, что вариант 1 обеспечивает

наилучшие характеристики. Для анализа были выбраны такие критерии как эффективность катушек и способность поддерживать максимальный ток нагрузки при высоком выходном напряжении на стороне приемника. Было установлено, что КПД при передаче мощности выше, когда коэффициент трансформации катушек Tx/Rx составляет 1:3.

При меньшем значении этого отношения уменьшается мощность сигнала, передаваемая

приемнику, и, следовательно, приложение не в состоянии обеспечить достаточный нагрузочный ток. Эта ситуация иллюстрируется вариантами 2–3, когда катушки не в состоянии поддерживать мощность выше 1,895 и 1,18 Вт, соответственно.

Таким образом, 1:3 – достаточно хорошее соотношение между витками катушек передатчика и приемника, но оно не отменяет необходимость выбора правильного размера, формы, толщины ферритового основания и корректного размещения на нем обмотки.

Токи в колебательных контурах

Для надежной работы схемы необходимо рассчитать токи в первичном и вторичном колебательных LC-контурах. Напряжение на первичной катушке определяется следующим образом:

V_P–P = 2πV_{IN_DC} = 2 ∙ 3,14 ∙ 5 = 31,4 В

Следовательно, величина напряжения в контуре V_PK = 15,7 В.

Реактивное сопротивление выходного контура передатчика при использовании конденсатора емкостью 0,3 мкФ на частоте 126,3 кГц составляет*:

 

Таким образом, амплитуда тока примерно равна 4,2 А, а среднеквадратичное значение (СКЗ) – 3 А.

Следовательно, каждый из конденсаторов емкостью по 0,15 мкФ необходимо выбирать из того соображения, чтобы на частоте 126,3 кГц допустимое СКЗ рабочего тока, по меньшей мере, равнялось 1,5 А. В рассматриваемом примере был выбран конденсатор ECHU1H154GX9, у которого допустимый ток составляет 1,5 A. Перечислим значения тока в этом контуре, которые зависят от условий проведения испытаний:

1. Вариант 1: 2,07 A (СКЗ).

2. Вариант 2: 0,931 A (СКЗ).

3. Вариант 3: 0,459 A (СКЗ).

4. Вариант 4: 2,14 A (СКЗ).

Входной ток приемника

Величина входного тока приемника, который необходим, чтобы вторичного тока было достаточно для заряда батареи, зависит от напряженности магнитного поля в первичной катушке. Величина напряженности магнитного поля прямо пропорциональна току в катушке передатчика, который, в свою очередь, зависит от входного тока I_Lx и добротности Q:

Β = Q ∙ I_Lx

Таким образом, при выборе катушки для контура передатчика следует учитывать ее добротность. У катушки для передатчика 760 308 101 302 от компании Würth Elektronik eiSos добротность Q равна 100, что на текущий момент является самым высоким в отрасли. Входной ток, необходимый для обеспечения тока в нагрузке, можно оптимизировать или свести к минимуму с помощью катушки передатчика с максимально возможной добротностью и оптимальным коэффициентом связи. Если коэффициент связи превышает требуемое значение, функция DHC не позволяет передавать приемнику избыточную мощность.

При сравнении условий испытаний в вариантах 1 и 2 видно, что в первом случае более высокий входной сигнал. В этом варианте функция DHC позволяет ограничить уровень напряжения, подаваемого на DC/DC-преобразователь (сигнал на осциллограмме канала 2 резко спадает в каждом цикле, когда на выводе DHC установлен низкий уровень напряжения). По сравнению с вариантом 1, во втором варианте, где коэффициент трансформации равен 1:2, не выполняется условие (V_IN>V_DHC), что необходимо для перехода вывода DHC в низкое состояние. Таким образом, эффективность передачи мощности для варианта №1 является самой высокой среди всех четырех упомянутых вариантов.

Сопротивление по постоянному току

Поскольку активные потери катушек передатчика и приемника прямо пропорциональны их

сопротивлениям по постоянному току (R_DC), для повышения эффективности выбираются катушки с меньшими значениями собственного сопротивления. Сопротивление катушки приемника влияет на эффективность вторичной цепи, что определяется коэффициентом передачи делителя*:

 

Величина R_DCкатушки передатчика от компании Würth Elektronik eiSos (760 308 101 302) равно

33 мОм, а ток составляет 2,2 А. Следовательно, потеря мощности I²R_DC составляет 0,16 Вт.

Вносимый импеданс

Поскольку резонансные частоты колебательных контуров передатчика и приемника в нагруженном и ненагруженном состояниях разные, следует понимать, что оказывает влияние на вносимый импеданс в связанные резонансные контуры и как вносимый импеданс влияет на рабочие параметры системы. Для этого воспользуемся рисунками 7–8.

Вносимый импеданс Z_R можно выразить с помощью уравнений (1) и (2). Согласно закону Кирхгофа для первого контура* (см. рис. 7):

                                 (1)

Согласно закону Кирхгофа с учетом короткозамкнутой нагрузки*:

                                        (2)

Подставив значение I₂ в уравнение (1), получим*:

 ,

где Zm = –jwM, а M – коэффициент взаимоиндукции между первым и вторым контурами. Таким образом, получаем*:

Следовательно, вносимый импеданс в этой схеме можно определить как*.

Когда вторичный контур резонирует на той же частоте, что и первичный, вносимое сопротивление в первичный контур является чисто активным, т.е. не имеет индуктивной или емкостной составляющих*:

 

Таким образом, вносимый импеданс при резонансе обеих цепей на одинаковой частоте определяется как* .

Предполагается, что эффективность системы станет расти с увеличением значения ReZr. Однако существенное уменьшение сопротивления нагрузки R_L влияет на эффективность вторичного контура, т.к. в этом случае Rs играет определяющую роль в падении напряжения. Коэффициент падения напряжения во вторичном контуре равен  .

Функция DHC

Функция DHC, которой оснащена ИС LTC1967A, смещает резонансную частоту с заданной

расстройкой до 140 кГц, если коэффициент связи у катушек становится высоким, т.е. напряжение в точке V_IN превышает 14 В. Контур снова настраивается на 127 кГц при малом коэффициенте связи катушек, когда величина V_IN опускается ниже 14 В.

Таким образом, при выборе катушки для цепи передатчика необходимо, чтобы резонансная частота была выше частоты настройки контура приемника. Благодаря этому при одинаковой резонансной частоте приемника и передатчика указанная схема работает как двойная настроенная резонансная схема, а ИС контроллера в полной мере обеспечивает передачу мощности в нагрузку.

На рисунке 9 показана осциллограмма сигнала в канале Ch1 в виде прямоугольного импульса на частоте передатчика. Всякий раз, когда принимаемый сигнал на входе V_IN выше напряжения на выводе DHC, он подтягивается вниз, чтобы не допустить дальнейшего увеличения сигнала на V_IN (канал Ch3). На осциллограмме канала Ch2 показан сигнал на приемной катушке, а в канале Ch4 – ток через катушку передатчика.

Рис. 9. Проверка работы функции DHC при V_IN>V на выводе DHC

Выводы

Более сильная связь и меньшее физическое расстояние между передатчиком и приемником, а также более высокий коэффициент трансформации способствуют повышению напряжения на приемнике и, соответственно, большему значению V_IN. Функция DHC ограничивает напряжение V_IN, поступающее на DC/DC-преобразователь, позволяя передатчику работать в более широком диапазоне рабочего напряжения. Эксперимент показал (вариант 2), что эффективность выше, если форма принятого сигнала максимально близка к синусоидальной. Следовательно, при необходимости обеспечить широкий диапазон входного напряжения выбирается более высокий коэффициент трансформации (около 3), а при требовании повысить эффективность рекомендуется использовать оптимизированное значение этого коэффициента.

Чтобы обеспечить высокую эффективность и увеличить диапазон входного напряжения для демонстрационного комплекта DC1969A, катушки передатчика и приемника выбираются с учетом всех рассмотренных в статье соображений. Компания Würth Elektronik eiSos предлагает высоконадежные катушки, которые позволяют повысить эффективность передачи мощности в системе беспроводной зарядки.

Ссылки

1. www.we-online.comwirelesspower.

Few parts were changed to see the performance of the coupling and power transfer when the turns ratio is less than 3 and details of the parts modified are provided below:

Приложение

Перечень элементов

Таблица 3 позволяет определить, как некоторые компоненты комплекта DC1969A влияют на связь между контурами приемника и передатчика, а также на беспроводную передачу мощности при коэффициенте трансформации не выше 3.

Таблица 3. Список компонентов из комплекта DC1969A, использованных в разных условиях испытаний