【導讀】本文提出一個(gè)兼容AirFuel 和 Qi兩大無(wú)線(xiàn)充電標準的無(wú)線(xiàn)充電 (WPT) 天線(xiàn)配置和有源整流電路，并用Cadence Virtuoso 仿真工具評測了天線(xiàn)配置的性能，電路仿真所用的線(xiàn)圈參數是目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的線(xiàn)圈的實(shí)際測量數據。我們將仿真結果與目前最先進(jìn)的天線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了對比和比較，驗證了這個(gè)天線(xiàn)配置的優(yōu)勢。本文提出的有源整流器電路采用 90 nm BCD 工藝設計，并能夠根據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(wú)線(xiàn)充電系統模型，其中包括電能發(fā)送端(TX)和本文提出的雙標準天線(xiàn)及有源整流系統，得出了整個(gè)系統的詳細效率數據，全面評測了本文提出的天線(xiàn)配置和有源整流電路的性能。

摘要

本文提出一個(gè)兼容AirFuel 和 Qi兩大無(wú)線(xiàn)充電標準的無(wú)線(xiàn)充電 (WPT) 天線(xiàn)配置和有源整流電路，并用Cadence Virtuoso 仿真工具評測了天線(xiàn)配置的性能，電路仿真所用的線(xiàn)圈參數是目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的線(xiàn)圈的實(shí)際測量數據。我們將仿真結果與目前最先進(jìn)的天線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了對比和比較，驗證了這個(gè)天線(xiàn)配置的優(yōu)勢。本文提出的有源整流器電路采用 90 nm BCD 工藝設計，并能夠根據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(wú)線(xiàn)充電系統模型，其中包括電能發(fā)送端(TX)和本文提出的雙標準天線(xiàn)及有源整流系統，得出了整個(gè)系統的詳細效率數據，全面評測了本文提出的天線(xiàn)配置和有源整流電路的性能。

I.前言

在過(guò)去幾年中，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的重要性日益提升。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)不需要電纜，為用戶(hù)給設備充電帶來(lái)極大便利。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，得益于可以定期無(wú)線(xiàn)充電，電池模塊可以設計的更小[1]，從而使設備體積變得更小。無(wú)線(xiàn)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(dòng)汽車(chē)，到瓦級的消費類(lèi)產(chǎn)品，再到毫瓦級的生物醫學(xué)植入設備，無(wú)線(xiàn)充電應用非常廣泛。

實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)有多種方法，例如，通過(guò)磁場(chǎng)、電容、射頻 (RF)、超聲波或激光傳送電能 [1]。然而，電磁感應或電磁共振是應用最廣泛的無(wú)線(xiàn)充電解決方案。電磁充電方案依靠?jì)蓚€(gè)線(xiàn)圈之間的磁場(chǎng)耦合傳遞電能。天線(xiàn)模塊組件包括這兩個(gè)線(xiàn)圈與電容器組成的補償電路。感應式充電和電磁共振系統的不同之處在于磁場(chǎng)耦合系數和工作頻率。無(wú)線(xiàn)充電標準 Qi 和 AirFuel分別是具有代表性的感應式和電磁共振式充電技術(shù)。Qi 標準的特點(diǎn)是線(xiàn)圈強耦合（耦合系數 k 通常約為 0.7），工作頻率在 100 kHz-300 kHz 范圍內，以及電能接收端 (RX) 天線(xiàn)的諧振頻率通常較低，而 AirFuel標準則相反，天線(xiàn)線(xiàn)圈之間是松耦合，諧振頻率是6.78 MHz 或其整倍數，發(fā)送端天線(xiàn)與接收端 (RX) 天線(xiàn)諧振頻率相同。

圖 1. 完整的無(wú)線(xiàn)充電系統示意圖

鑒于這兩種標準已經(jīng)被市場(chǎng)接受，支持Qi 和 AirFuel雙標準的無(wú)線(xiàn)充電天線(xiàn)及電能接收模塊，及其相關(guān)的技術(shù)規格，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準電能接收解決方案的研究著(zhù)作[3]-[6]。然而，這些著(zhù)作的主要研究方向是電能接收端電路設計，特別是有源整流器，而沒(méi)有關(guān)于天線(xiàn)配置和線(xiàn)圈參數設置的詳細介紹。雖然在文獻[2]中有支持雙標準的天線(xiàn)配置的論述，但是，并未詳細介紹最終的耦合系數。本文提出了一種創(chuàng )新的天線(xiàn)配置方案以及有源整流電路。整流電路采用 90 nm BCD 工藝設計，支持 Qi 和 AirFuel兩個(gè)無(wú)線(xiàn)充電標準，輸出功率涵蓋筆記本電腦、智能手機等消費設備常用輸出功率。

為了評估本文提出的設計方案的性能，我們用 Cadence Virtuoso仿真工具評估了圖 1 所示的完整的無(wú)線(xiàn)充電系統，其中包括輸入電池、電能發(fā)送端 (TX) 模塊、天線(xiàn)線(xiàn)圈、有源整流器、 濾波輸出電容和負載。為了模擬輸出穩壓模塊(沒(méi)有出在現本文提出的方案內)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 設為目標電壓值，即 Qi 充電是 12 V，AirFuel充電是20 V。

圖2. (a) 文獻 [2] 中所示的雙標準天線(xiàn)配置；(b)本文提出的雙標準天線(xiàn)配置；(c) 表征測量所用的線(xiàn)圈布局；(d) 天線(xiàn)測試臺原理圖，為在Cadence Virtuoso中模擬天線(xiàn)提供相關(guān)參數。

天線(xiàn)配置仿真所用的天線(xiàn)參數都是目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的線(xiàn)圈的實(shí)際測量值。把兩個(gè)線(xiàn)圈對齊，同時(shí)不斷改變線(xiàn)圈間距，測量線(xiàn)圈在不同間距的耦合系數，然后在仿真工具中模擬這些耦合系數。通過(guò)這種方式，可以全面評估本文提出的天線(xiàn)配置和有源整流電路的性能，得出無(wú)線(xiàn)充電系統每個(gè)模塊的詳細效率信息。把所有情況都考慮在內，有源整流器的效率超過(guò) 93%，天線(xiàn)模塊的效率在 67.4% 到95.6% 之間。

本文的結構如下：第二部分描述本文提出的天線(xiàn)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果，第五部分是結論。

II.天線(xiàn)配置方案

為了開(kāi)發(fā)兼容 AirFuel 和 Qi的雙標準無(wú)線(xiàn)充電接收系統，需要使用兩個(gè)獨立的天線(xiàn)，通過(guò)單獨選擇電感值和 Q 因子，可以在兩個(gè)不同的工作頻率范圍內最大限度提高效率。根據文獻[2]提出的結構，兩個(gè)天線(xiàn)可以整合成一個(gè)雙天線(xiàn)結構，見(jiàn)圖2（a）。電容器 C2在低頻時(shí)可以近似為開(kāi)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(xiàn)圈實(shí)際測量參數

通過(guò)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標準低頻諧振電路，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 或其整數倍的Airfuel標準高頻諧振電路，由 LS2和C2確定工作頻率。為了滿(mǎn)足兩個(gè)串聯(lián)諧振頻率，本文提出了圖 2（b）所示的天線(xiàn)配置，在Qi 情況下，串聯(lián)諧振頻率由 LS1 和 C1決定；在A(yíng)irFuel 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 頻率范圍內工作；L2的值主要優(yōu)化在 Airfuel 頻率范圍內工作；然后，選擇與兩個(gè)電感器對應的電容器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(xiàn)配置，線(xiàn)圈采用的是市場(chǎng)上銷(xiāo)售的標準線(xiàn)圈：接收端所選線(xiàn)圈 LS1 和 LS2 是 Wurth Elektronik 公司的 760308101150 電感線(xiàn)圈，電感分別是6.3 μH 和 1.2 μH [8 ]; 在 Qi 情況下，發(fā)送端線(xiàn)圈 LP采用 760308101141  10 μH 電感線(xiàn)圈[9]，在 AirFuel 情況下，考慮選用760308101150 1.2 μH電感線(xiàn)圈或 3.55 μH 感應板充電器 。

為了估算不同線(xiàn)圈對之間的耦合系數 k1 和 k2，按照圖2 (c)所示的配置，將所選的兩個(gè)線(xiàn)圈對齊，用 LCR表測量?jì)蓚€(gè)線(xiàn)圈之間的耦合程度，把不同間距的耦合情況考慮在內，從而得出互感M和耦合系數k1。在求算AirFuel系統參數時(shí)，在LCR測量?jì)x上選擇最大頻率1 MHz，因為諧振頻率設置在 6.78 MHz時(shí)，正常情況下頻率不會(huì )出現顯著(zhù)變化。線(xiàn)圈測量參數如表 I 所示。

III.有源整流電路設計方案

整流電路設計采用 90 nm BCD 工藝，由四個(gè)合理控制的功率開(kāi)關(guān)管構成。這四個(gè)NMOS 晶體管起到等效二極管的作用，當晶體管導通時(shí)，正電流從源極流向漏極，實(shí)現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控制結構示意圖。

圖 4. (a) 模塊化驅動(dòng)器設計方案和功率 MOSFET系統的示意圖；(b)功率 MOSFET 模塊結構的詳細示意圖； (c) 驅動(dòng)模塊結構。

用功率開(kāi)關(guān)管代替通常的二極管的原因是，功率開(kāi)關(guān)管的壓降更低，效率更高，特別是，NMOS的品質(zhì)因數高于PMOS 器件。圖 3(a) 和圖 3(b) 分別是高邊功率開(kāi)關(guān)和低邊功率開(kāi)關(guān)的有源整流方案內部電路示意圖。在示例中，我們討論了功率晶體管M1和M3以及開(kāi)關(guān)節點(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(kāi)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(lèi)似于文獻[7]提出的濾波電路來(lái)處理，最后獲得功率開(kāi)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(kāi)關(guān)管和低邊開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電壓，因為節點(diǎn) S1在電能接收端接地 GND和設計輸出電壓節點(diǎn) OUT 之間切換，有可能超出了功率MOS的安全工作區，S2的功能類(lèi)似。

特別是，在高邊開(kāi)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點(diǎn) OUT 和節點(diǎn) gndHV 之間，gndHV是設計輸出電壓減去一個(gè)齊納二極管的壓降，因此，需要對比較器正輸入進(jìn)行限幅處理 ，以確保工作電壓不低于 gndHV 。通過(guò)晶體管MP1和電阻R1實(shí)現限幅功能：當S1切換至OUT時(shí)，MP1工作在三極管區域,相當于閉合開(kāi)關(guān)；當 S1切換至 GND 時(shí)，MP1在飽和區導通，并確保比較器正輸入節點(diǎn)永遠不會(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(guò) MP1 的電流。

對于低邊開(kāi)關(guān)管的情況，比較器負輸入需要限幅，以免超過(guò)本地電源電壓 vddLV（假定是 5V）：這個(gè)功能是由 MP3 和 R3 實(shí)現的。事實(shí)上，與高邊的 MP1 類(lèi)似，當 S1 切換到 GND 時(shí)，MP3工作在三極管安全區域內，起到一個(gè)閉合開(kāi)關(guān)的作用；當 S1切換到 OUT 時(shí)，晶體管工作在飽和區域，將比較器負輸入電壓限制在MP3的柵源電壓。高邊開(kāi)關(guān)電路需要電平轉換器，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)標準工作頻率和目標輸出功率值不同（Qi是 40 W，Airfuel是10 W），為了兼容這兩個(gè)無(wú)線(xiàn)充電標準，功率 MOS晶體管及其驅動(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(kāi)關(guān)損耗可以忽略不計。因為設計目標是實(shí)現更高的輸出功率，所以需要大尺寸的 MOS 器件，最大限度地減少導通損耗；另一方面，在 AirFuel 情況下，工作頻率較高，開(kāi)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(kāi)關(guān)和驅動(dòng)電路是采用 90 nm BCD 工藝設計，如圖 4(a)所示。該電路由四個(gè)驅動(dòng)器和四個(gè)功率 MOS 模塊組成，可以通過(guò)與門(mén)根據數字信號 fse選擇驅動(dòng)器和功率模塊。在功率MOS模塊內有三個(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(cháng)250 nm、56個(gè)fingers(nf)如圖4(b)所示。驅動(dòng)模塊由4級反相器鏈構成，fingers數量(nf)是1-3-8-16，NMOS柵寬24μm，PMOS柵寬 41.3 μm， NMOS 和 PMOS 的晶體管長(cháng)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CTRL驅動(dòng)模塊工作，構成一個(gè)由12個(gè)并聯(lián)子模塊組成的等效功率開(kāi)關(guān)；在A(yíng)irFuel情況中，fsel是低電平，只有第一個(gè)模塊被激活，控制信號CTRL驅動(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(kāi)關(guān)是關(guān)斷狀態(tài)。這種方法使有源整流器能夠適應兩個(gè)充電標準的功率要求。

IV.仿真結果

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(xiàn)配置方案，采用了市場(chǎng)上銷(xiāo)售的線(xiàn)圈的實(shí)際測量數據，并根據標準規范調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(xiàn)配置。

圖 5 和圖 6 分別描述了兩種天線(xiàn)配置仿真測試的輸出功率和效率在不同負載范圍的曲線(xiàn)。

不難發(fā)現，本文提出的天線(xiàn)配置在 Qi 情況中的性能媲美文獻[2]中提出的天線(xiàn)配置；在 AirFuel 情況下，效率性能表現更高，在整個(gè)負載電阻范圍內表現出更高的效率，并且在負載電阻較高，負載電流較低時(shí)，輸出功率明顯更高，這非常契合消費類(lèi)應用的無(wú)線(xiàn)充電設計目標。把本文提出的天線(xiàn)配置和有源整流電路放到完整的無(wú)線(xiàn)充電系統內，如圖 1 所示，然后用 Cadence Virtuoso 仿真工具測試這個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸系統。

考慮到電能發(fā)送結構的差異，仿真測試所用的雙標準發(fā)送端與本文提出的接收端采用相同的可重新配置驅動(dòng)器和功率 MOS開(kāi)關(guān)管。仿真測試還使用了單標準發(fā)送端，其驅動(dòng)器和功率 MOS 尺寸是按照Qi 或 AirFuel技術(shù)要求專(zhuān)門(mén)定制的。此外，我們還仿真測試了兩個(gè)完整的單標準專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)充電系統，其中發(fā)送端和接收端都是根據 Qi 或 AirFuel專(zhuān)門(mén)設計的，這個(gè)單標準仿真為雙標準性能評測提供一個(gè)參考基準。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。

系統仿真所用的天線(xiàn)參數是線(xiàn)圈的實(shí)際測量結果。表 II 匯總了各種情況下的仿真結果，提供了不同模塊的詳細效率數據。顯而易見(jiàn)，雙標準有源整流電路在所有情況下都保持出色的效率，比標準專(zhuān)用解決方案低1.5%。此外，本文提出的天線(xiàn)配置在大多數情況下效率表現良好（高于 82％），只在磁場(chǎng)耦合度很低時(shí)，效率才會(huì )較低。

V.結論

圖 5.輸出功率仿真結果（輸出功率與負載電阻 RLOAD 是函數關(guān)系）

圖 6.效率仿真結果（效率與負載電阻 RLOAD 是函數關(guān)系）

本文提出了一種創(chuàng )新的支持 Qi 和 AirFuel 兩大無(wú)線(xiàn)充電標準的天線(xiàn)配置及有源整流電路。在實(shí)現天線(xiàn)配置時(shí)，我們考慮使用在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的標準線(xiàn)圈，通過(guò)測量線(xiàn)圈表征線(xiàn)圈特性，得出被仿真天線(xiàn)的參數。用Cadence Virtuoso仿真工具全面測試了本文提出的天線(xiàn)配置和可重新配置有源整流器，并與相應的單標準系統進(jìn)行比較，證明本文提出的方案設計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效率數據，全面分析了雙標準無(wú)線(xiàn)充電接收系統天線(xiàn)和有源整流電路的性能，從而補全了文獻資料在這個(gè)方面的缺失和不足。

參考文獻

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（作者: Elisabetta Moisello, Alberto Cattani, Piero Malcovati, Edoardo Bonizzoni,意大利帕維亞大學(xué)電氣、計算機和生物醫學(xué)工程系意法半導體, 科爾納雷多, 意大利）

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