【开源】无线充电 发射端 制作与调试

aytc100

写在前面的话：这是由我设计的640kHz无线充电发射系统，仅仅是实现通过640单频点传输约40W功率的实现方案之一，与已经公布的官方方案的具体实现有较大不同，但在接收端看来能做到尽量相近。

目前无线充电最常见的商用标准是QI标准，所以我以QI标准入手，进行无线充电系统的制作与调试
QI标准见这个帖子http://www.znczz.com/forum.php?mod=viewthread&tid=279510

先发一套5W的QI标准发射端




可以看到，QI的无线充电，使用的是H桥（或者半桥）驱动，电感与电容串联谐振。非常巧妙的是，串联谐振的频率是100kHz，而工作频率是110~205kHz。这样就可以通过调节频率，来高效地调节输出信号强度。




最终成品，接收功率17.63W，传输效率66.2%

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电路结构简介

显然，由于这套电路是单片机直接驱动MOS管的结构，发射端不可能提供大于5W很多的功率。想要提高功率，就需要尽量提高电压，或者使谐振频率与驱动频率接近以提高Q值。后者会使得发射电路对外界环境极度敏感，而且很难带得起来负载——只要带载就会使得Q值下降，功率自然大幅降低。因为驱动电路的频率已经确定是640kHz了，所以这里建议参照QI标准的比例，将发射端的谐振频率调整到500kHz，其中由于电感线圈和电容的误差，允许整体频率有±5%的变动，也就是475~525kHz。
这里发射线圈如果电感量是10μH的话，谐振电容选用10nF就能满足要求。10nF是非常常见的电容容值。所以只要找到耐压、频率和承受电流合适的电容即可。这里电容所要承受的电压峰峰值为200V，所以选用能承受250V交流，或者400V、630V甚至1000V耐压的电容均可。这里可以试试X2的安规电容，或者耐压够高的NPO材质陶瓷电容。经过实验，并联4颗2.2nF±5% 630V的NPO电容发热量最低，所以选用这种电容。最终谐振频率520kHz。


要提高发射电压，就需要给H桥加预驱动芯片。相信对于大家来说，搞定H桥并不是一件难事。这里选用的是EG2104作为H桥预驱动芯片。与IR2104相比，EG2104有更小的死区和更大的电流，能大幅降低H桥的开关损耗。与电机相比，这里的电流并不大，有效值只有大概6V左右。所以选用一些SOP8封装的NMOS作为H桥即可（便宜啊）。不过这里如果使用IRLR7843这样的大电流MOS，依然能够正常工作。
这里依然是改造QI标准的无线充电器，这次改造的对象是4N驱动的10W无线充。不焊接buck调压电路，并给VCC_TX电源网络供电24V，就可以用于我们的无线充电发射端了。LDO部分的输入可以通过一颗250Ω的电阻接到24V网络，电阻分担大部分功率来提供单片机工作所需的5V电源。方便起见也可以直接单独接5V供电。






成也死区，败也死区

EG2104有最大400ns的死区时间，这样有大概50%的时间，MOS管是不输出功率的。在死区时间内，LC谐振回路通过MOS管的寄生二极管耗散功率。在这段期间，电路只放能不充能。减少死区时间可以提高效率并提高输出功率，但是也可能会在谐振偏离的时候产生额外的功耗。在这里可以自行设计电路，减小驱动死区，或者干脆完全程控死区

aytc100

发射线圈的改进
对比一下参考发射线圈，和QI标准线圈，能够发现除了尺寸以外有一点最大的不同：QI标准线圈有导磁片。导磁片在此的作用有二：提高Q值，约束磁场范围。有导磁片的存在，使得线圈的电感量得到提高，而电阻基本不变。这样相对来说，感抗与阻值的比提高了，也就是提高了Q值。导磁片的磁导率远远大于空气（真空），大概是空气磁导率的3000倍左右，所以线圈下部的磁感线基本都存在于导磁片内部，很少有泄漏到导磁片外面的，也就避免了无线充电线圈加热下面的铁桌子或者地板里的钢筋。


改进后的发射线圈使用8mm铜箔胶带在导磁片上粘贴5圈制成，材料简单易得，尺寸固定，性能较为稳定。

aytc100

调试：波形与数据

为了达到与无线充电规则相近的发射能力，这里需要做到的是在电感两端交流电的峰峰值为200V左右，输入功率可以达到或超过40W，最好能到60W。


第二张图展示了在60W极限输出情况下，LC回路的谐振电压。因为谐振点偏离驱动频率，所以即便是在接收端发生短路的情况下，发射端依然能依靠LC回路的阻抗限流，来保护自身不被烧毁。当然在此之后，单片机应该检测到功率过大并切断功率输出了。由于这是用QI标准的板子改造的发射电路板，原有原理图中温度检测、电流检测和谐振电压检测一应俱全，甚至还可以检测到接收端反射回来的调制信号。

在测试中，如果发现输出能力不够，可以适当减小谐振电容，使得谐振点靠近驱动频率，提高串联谐振的电流。如果接收端短路的最大功率过大，则增加一点谐振电容，使得谐振点远离驱动频率，降低串联谐振的电容。

xu6456338

辛苦辛苦，赶快来学习@女汉子队

cs538138

坐等看40w的

23TSK

辛苦了，谢谢分享。

a1183810556

xu6456338 发表于 2018-3-17 07:49
辛苦辛苦，赶快来学习@女汉子队

你是真的皮

仰望天空kevin

佩服佩服

闻风丧胆

佩服佩服