面向无线快速充电应用的调压方案设计与实现*

时间：2024-05-22

傅桂娥，徐圣楠，缪瑜，张一晋

(1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京 210094；2.南京睿赫电子有限公司，江苏南京 210094)

0 引言

随着手机、智能手表等移动设备的快速发展，无线充电技术的发展已经从理论研究层面逐步走向商业化[1]。近年来，人们对于手机的依赖性越来越强，手机不断耗电的同时急需快速充电，因此催生了无线快速充电技术的研究和商业化应用。

在传统的无线传输系统中，发射功率通常通过变频或者定频调占空比的方式进行调节。这种方式由于其不断变化的频率或占空比，可能会对充电设备造成干扰[2]，使得充电设备的充电效率差且充电过程不稳定。作为手机行业的佼佼者，苹果公司采用的无线快速充电方案即为定频调压方案，即固定工作频率，根据动态的负载功率需求控制调压单元，最终实现动态的功率输出[3]。这种方案能让无线充电对手机的干扰降到最小[4]，但要求实现多挡位的负载电压精准调整需要核心处理器(Microcontroller Unit，MCU)具备较高的 PWM工作频率，从而增加应用成本及功耗，亦会影响产品的电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)[3]。定频调压方案虽然具有较高的设计要求，但能够给用户带来更好的充电稳定性、充电效率以及更安全的充电环境，因此在苹果公司的推动下势必会成为未来主流的无线充电方式[5]。

目前，已经有一些DC/DC调压方法可以为定频调压方案提供借鉴。文献[6]提出了一种通过DAC调节DC/DC输出电压的电路方案，能够实现DC/DC输出电压的数字可控。文献[7]探讨了基于DC/DC开关稳压器的数控电源设计方案，能够实现同一数控电源系统兼并恒压恒流功能，且具有较高的输出精度。

基于以上设计，本文提出面向无线快速充电应用的两种定频调压方案：IDAC方案和PWM方案。它们的显著特点是：(1)无需采用高主频的MCU，只需通过MCU产生控制信号控制调压单元从而实现精准可靠的电压调节；(2)避免输出级直接受到输入电压的影响[8]，使得搭载无线快速充电技术的产品性能更加稳定；(3)通过固定频率调节电压控制发射功率，可以有效避免无线充电对手机的通信干扰。实验验证了这两种方案能够实现宽范围的电压调节，满足苹果手机的无线快速充电效果。

1 无线定频调压系统的整体系统设计

无线定频调压系统组成如图1所示。其中，调压模块是实现快速无线充电的核心部分。此外，电源模块分别给调压模块和MCU供电；调压模块与桥相连接，通过反馈引脚实现自动稳压；解调模块与全桥驱动器相连，将解调后的数据传给MCU处理；MCU处理器控制调压模块的调压精度及调压范围，并且及时处理解调模块反馈的接收功率请求，然后根据需求输出控制信号给调压模块，从而实现多挡位的电压精准调节。

图1 无线定频调压系统的基本系统框架

2 无线定频调压方案的设计

根据图1所示系统框架，本节将介绍基于DC/DC的调压原理，并且基于此提出两种调压方案。

2.1 基于DC/DC的调压原理

DC/DC通过输出端分压反馈环路控制最终DC输出[9]。Fitipower公司的FR9885是一款高效、内部补偿的降压型DC/DC转换器[10]，如图2所示，通过在其外围反馈回路上添加控制信号以实现动态调节输出电压，并利用其内部补偿功能简化外部电路设计。当反馈引脚的电压达到0.4 V时，其最大占空比为90%，转换效率高。这些优点有助于实现宽范围的输出电压调节。

将图2中FR9885的FB管脚电压表示为VFB，稳定状态下VFB=0.6 V。将连接到DC/DC反馈回路上的控制电压表示为Vcontrol，从FB管脚流经R7的控制电流表示为Icontrol，DC/DC电路的输出电压表示为VDCDC，流经电阻R2的电流表示为IR2，流经电阻R3的电流表示为IR3。当FB管脚呈高阻态时，根据KVL可以得到：

图2 FR9885典型应用电路

根据KCL可以得到IR2=Icontrol+IR3。最后，

从式(4)可看出，VDCDC和 Icontrol(或者 Vcontrol)成线性比例关系。当Icontrol为0时，输出电压达到最大值，为(1+R2/R3)VFB。另外，电压的可调节幅度可表示为IcontrolR2。因此，只需将Icontrol(或者Vcontrol)和 VDCDC作为设计输入，进一步确定式(4)中电阻的值或者比例关系，就能实现DC/DC调压功能。

2.2 IDAC方案设计

基于以上调压原理，本小节设计一种通过抽取电流改变DC/DC分压反馈点的电压大小进而调整DC/DC输出的IDAC方案。

2.2.1 IDAC方案的实现电路

以DC/DC芯片采用FR9885为例，IDAC方案的实现电路如图3所示。其中，MCU控制IDAC功能模块的输出电流大小以及方向；IDAC功能模块是一个6位的电流舵型DAC，由两组电流源和两组开关组成，各支路电流如图3标注。MCU通过输出数字信号d0～d6控制开关 S0～S6及 S0′～S6′选择流出 IDAC功能模块的总电流，通过数字信号d7控制开关S7选择DAC输出电流方向。IDAC输出引脚直接连接DC/DC的反馈端。

2.2.2 电路参数的理论推导

如图3所示，VDAC是连接到DC/DC分压反馈回路上的控制电压，IDAC是IDAC功能模块的输出抽电流，TRM是MCU用于存储控制IDAC电流大小的数字寄存器值。DC/DC转换器及其外围电路与图2一致，不再赘述。IDAC相当于图 2中的 Icontrol，VDAC相当于图 2中的 Vcontrol。根据IDAC的设计原理可以得到：

图3 IDAC调压电路

将式(5)代入式(4)中即可得到DC/DC输出电压与TRM控制字的关系式：

2.3 PWM方案设计

由于IDAC方案需要通过MCU外接IDAC功能模块才能实现，电路较复杂且精度有限。因此，本小节另外设计一种PWM方案，直接利用MCU内集成的PWM功能模块控制DC/DC的输出端分压反馈回路。

2.3.1 应用PWM改变DC/DC反馈电压的原理

PWM波是一种占空比可调的脉冲波形，其波形的高电平和低电平在实际应用中都是一个常量[11]。以如图4所示的PWM波形为例，假设该波形的高电平为 VH，低电平为VL，则可以将其电平函数表示为：

其中，T为MCU计数脉冲的基本周期，k为PWM波的周期计数个数，α是PWM波的占空比，t是电平函数的时间变量。根据傅里叶级数展开式可以得到：

从式(8)可以看出，第一项表达式为直流分量，第二项为一次谐波分量，第三项为高次谐波分量。根据FR9885数据手册，其反馈电压只能稳定在0.584 V～0.615 V之间，因此需要将式(8)中的谐波分量滤除后得到随占空比α变化的直流分量。由于一次谐波分量在所有谐波分量中的影响最大，因此可以根据其谐振频率设计一个低通滤波器将PWM方波整形成直流信号。

2.3.2 PWM方案的实现电路

图4 PWM方波

以DC/DC仍然采用FR9885为例，PWM方案的实现电路如图5所示。其中，MCU通过调节其PWM模块产生占空比可变的PWM波；滤波电路由简单的电阻和电容组成，电阻值和电容值的选择取决于PWM波的一次谐波分量。为了及时响应接收功率请求，MCU需要相应地调整PWM波的占空比以便及时增加或减少接收功率。因此，MCU处理器的PWM输出引脚需要经过滤波器电路后连接至DC/DC反馈引脚。

2.3.3 电路参数的理论推导

如图5所示，IPWM是流向滤波器的电流，相当于图2中的Icontrol。VPWM是PWM方波信号经过滤波器平滑后的输出电压，相当于图2中的Vcontrol。DC/DC转换器及其外围电路与图2一致，不再赘述。PWM方波由MCU中的PWM功能模块产生。将PWM波的占空比表示为D(取值范围为20%～50%)，MCU的PWM引脚的电源电压表示为VCC。根据PWM经过一级滤波器处理的原理可得到：

将式(9)代入式(4)即可得到输出电压与占空比的关系式：

3 无线快充调压方案的实现

本节将两种无线快充的调压方案同时应用于双线圈无线充电器中。双线圈无线充电器即分别采用两路驱动电路和线圈进行功率发射的无线充电系统，实现的样品图和PCB图分别见图6和图7。如图7所示，左边电路采用IDAC方案实现无线快充，右边电路采用PWM方案实现无线快充。该系统支持在左右两个线圈上分别放置手机同时进行定频调压式充电。

图5 PWM调压电路

图6 双线圈无线充电器样品图

图7 双线圈无线充电器PCB图

4 性能验证

本节对提出的两种调压方案进行性能验证，采用12 V直流稳压电源作为系统电源，使用万用表在DC/DC输出端测量得到实验结果。

4.1 IDAC调压性能测试

在IDAC调压性能测试中，以IDAC电流的流动方向、可调节范围(TRM变化范围为0～63)以及 VDCDC的目标调节范围(4 V～11 V)作为设计输入，根据式(6)推导并选择电阻值为：R2=220 kΩ，R3=12 kΩ。如图 8所示，对比实测值与理论值可见：当IDAC输出电流是抽电流时，IDAC方案可以实现较宽的调节范围，但实测值相对理论值偏低。当TRM为0至7时，DC/DC输出电压无明显波动，稳定在10.53 V左右。这是因为FR9885的最大输出占空比为90%，当输入电压为12 V时，最大输出电压只能达到10.8 V。尽管如此，4 V～10.53 V的电压范围已经能够满足苹果无线快充的调压需求。当TRM为8～63时，DC/DC输出电压随着TRM变大而线性减小。

4.2 PWM调压性能测试

图8 IDAC调压测试数据

在PWM调压性能测试中，以PWM波的占空比调节范围(20%～50%)及 VDCDC的目标调节范围(4 V～11 V)作为设计输入，根据式(10)推导并选择电阻值为：R2=680 kΩ，R3=39 kΩ，R7=100 kΩ。如图9所示，对比实测值与理论值可见：实测值相对理论值偏高，但也能实现宽范围的电压调节。当D为20%～21%时，DC/DC输出电压无明显波动，稳定在10.51 V左右。当 D为21.5%～50%时，DC/DC输出电压随着D变大而线性变小。

图9 PWM调压测试数据

4.3 两种调压方案的性能对比

图10 iPhone8完整充电曲线

以上测试结果表明两种调压方案均能实现4 V～10.5 V的宽范围DC/DC输出电压。PWM方案是通过调节占空比来改变DC/DC的输出电压，调节精度达到每调节0.1%的占空比就能实现0.02 V的输出电压变化。IDAC方案的精度取决于IDAC功能模块本身的精度，其每调节1比特的TRM实现0.1 V的输出电压变化。因此，PWM方案相对IDAC方案更为灵活可控。

在无线充电的实际应用中，几乎所有MCU处理器都提供定时器或者PWM输出功能。因此，当采用PWM方案时，只需在MCU处理器的基础上经过简单的滤波电路就能实现定频调压，将有效降低成本并控制其调压的精度。然而，并非所有的MCU处理器都会包含DAC功能，即使有些MCU处理器内部集成了DAC，限于DAC实现电路的复杂度及占用较大空间，DAC的精度也往往不高，需要通过外接DAC功能模块[10]。因此，PWM方案相对IDAC方案成本更低且更易实现。