车载无线电源设计注意事项.docx

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1、车我无线电源设计注意事项对于我们这些在日常通勤中花费过多时间在走走停停的交通中（或完全停在所谓的州际公路上）的人来说，知道这些空闹时间可以用于许多其他目的，并且汽车一直是楮助我们完成一些其他“任务”的技术的关键市场，例如电话交谈、短信和虹邮件、在线购物和冲浪、电影下载和视频流、游戏玩，等等。如果您在交通中向左或向右看，您会发现这些任务中的大部分都是围绕砂的使用而演变的，为了扑充这种高使用率，其中一项较新实施的技术是内置于中控台区域或其他易于访问的位置的车险无线充电功能.目的？移除所有这些插入式电缜，并在充电时将听筒放在已知位置.背景在过去：年中，无线电力技术“战争”以“Qi”或无线电力联盟（W

2、PC）为赢家，现在是低功率事实上的标准而得到解决。全球所有领先的手机制造商采用Qi技术进一步验证了这一点。在此之前，汽车制造商确实在他们的车辆内实施了无线充电，但总是担心是否会因为买家的手机不兼容嵌入式充电技术而导致销售损失。具有无线充电功能的车型实施数量已从2016年初的10多种增长到100多种车型（目前），这相当于超过1200万辆（240万台OEM,970万辆售后市场）基于Qi的车辆-仅在2018年就安装/车辆系统.这些系统中的大多数都符合Qi基本功率配置文件（BPP）和5W（瓦）。新的方向是更快的充电和更高的功率。大多数新设计的目标是符合Qi扩展功率配宜文件（EPP）或15W功能。这种能

3、够更快充电的额外便利伴随着必须克服的额外技术障碍。三个主要问题是EMI合规性、效率和热限制151系统在WPC标准中，有一些子类别（例如NP-A8、MP-A9、MP-A13）指定了无线电力1.兔统的各个方面以及放置在中控台内的发射（TX）线圈的配置区域。出于互操作性目的，该标准定义九输入直潦电压、Tx线圈尺寸和形状、电气参数、频率控制（固定与可变）、功率电平和功率控制（电压/频率/相位/占空比）.使用车辆主电池的输入电压通常为12Y进入发射器电路，因此电压升高，产生比许多束面无线充电器相关的5V输入电压更强的电场（E）。由于系统内的谐振操作模式，线圈（谐振器/天线）上的实际电压可能在100V左右

4、，EMI问题和解决方案在较新的车辆上，有许多RT系统，所有这些系统都需要共存:以确保它们所做的事情不会影晌其他任何事情。其中一些是：AM/FM收音机、GPS,ADAS系统、多个蜂窝频段、监比、WiFi、资产跟喙、短波收音机、钥匙挤、警察扫描仪、远程信息处理等，甚至可能还有一些CB收音机对于那里的所有104个好友。其中一些RF系统在QiEPP无线电力系统的87-205KHZ（最高可达300KHz）基频范围内租/或通过低谐波运行。AM无线电频率为525KHz至1705KHz（在美洲），因为它用作紧急广播系统的部分，所以必须无EMU新的远程无钥匙进入系统（RKE）以125KHz的频率运行，一些轮胎压

5、力监测系统（TPMS）也是如此，它们使用此频率来驱动启动器1.C线圈电路。汽车应用对EMI有非常泮格的要求“CISPR25（COmitdInternationa1.SPGcia1.desPerturbationsRadio1.ectriques）是一项非监管工程汽车标准，它设定了必须满足的传导和辐射发射限制，以保护其他车载接收器。它在150kHz到2500MHZ的频率范围内定义了这些限制，这些限制可能由其他车载天线传导。在CISPR25中，有些等级定义了允许的传导和辎射噪声发射限制的水平，辎射噪声才是真正的问题。表I中给出了通过FM无线电频段测量的峰值、准峰值和平均电压的类发射辐射限制与频段的

6、关系。表1：按类别划分的CISPR25辐射限制随着QiEPP功率水平的提高，满足C1.ass4成为项挑战，目前市.场上还没有C1.ass5系统。对于车载无线充电，高达1.8MHz的AM频率是最敏感的，但认证测试确实超过1GHze图I提供了实际的CISPR255类测量数据。图1：CISPR255类初始测试100KHz至30UHz从图中可以看出，该设计虽然符合C1.ass4要求，但并未完全通过CIaSS5认证。EMI噪声抑制从系统的电气设计开始，以下部分介绍了设计中使用的些关键领域，以满足CISPR25的要求。减轻EMI噪声的第个领域是实施固定频率系统。在Qi标准中，有些方法允许可变顽率更好地“调

7、整”两恻以提高性能。然而，为了满足与车载电源系统相关的严格EMI噪声水平，不断变化的领率会使符合这些要求变得更加困难。此外，欧洲汽车制造商对145K1.1.z以上有限制，因此当前解决方案的固定工作频率设置在127KHz左右。下一项技术是通过Tx线圈去除方波电流,并使这些电潦尽可能接近正弦波。这种方法减少了可能会产生的噪声“尖峰”。这可以通过使用电罐来实现，因为该无源器件平滑了由开美(MOSFET)的导通/美断产生的方波电流，并有助于确保开关方案“干净”且无噪声。通过在与Tx线圈绕组串战的电源线上添加个共模滤波器(CMF),可以实现进一步的EMI抑制“通过线图的电流是100%交流电(旭)，没有直

8、流电(区)成分，就像许多涉及直流电潦和一些允许纹波电流的电源一样。线圈的电潦可以被认为是1期的纹波电流。因此，选择用于此CMF的铁氧体材料很重要，并且AC磁芯损耗必须在127KHz固定频率卜绝对最小。另一种EM1.噪声抑制技术是添加EMI噪声抑制磁片，以吸收可能从主Tx屏蔽背面传输的工作频率、谐波和寄生噪声。磁片通过两种方怯去除EM1.噪声。苜先，这些材料的磁导率（）使这些屏蔽能锅包含吸收EMI噪声磁通量（）并防止其被屈射。接卜来，这些屏蔽的虫胆特性（U”）为不需要的频率的通量场创建了一个电网路径，并衰减了EMI噪声并以热盘的形式将其从环境中移除.这种关系在公式1中给出。=-W对于EMI抑制应

9、用，更高的,通过抑制磁通量产生更好的屏蔽性能，更高的H通过材料礴芯损耗产生更好的噪声抑制.d值太高会降低性能。由于种称为蹂攫金（K）的现象，使用额外的磁片可以改变Tx线圈的电感值，并通过互耦合M或1.m）使电路失谐,使我远离所需的固定频率。最后，如果EM1.抑制片确实会导致固定频率问题，那么非磁性材料也可以抑制EMI噪声。面临的挑战是获得一种可以吸收一定水平噪声能量的材料，但又不会太金属化，以至于不能简单地反肘EM1.噪声，而不是去除它，也不会抑制所需的H场，已经使用了具仃低表面电阻（4OhmS/square）的银合金基薄膜.并展示了高达1MHz的改进的EMI噪声抑制，（我认为需要包括“和”）

10、抑制有问侬的谐波.这些放置在绕组顶部的非磁性片往往能更好地抑制基丁电压/E场的谐波，而不是基于电流/H场的谐波。Tx线图带有自己的磁屏蔽，其中包含通过绕组的正弦电流产生的磁通量。对基本工作频率（127KHz）,选择的屏蔽材料具有较高的,和非常低的了,以免衰减所需的磁通场。该屏蔽包含工作频率卜的所需磁通量以提高性能和一些谐波通量，从而成为整体EMI介规性解决方案的部分。效率无线电力系统因素由于充电器（发射端或Tx）和“待充电”接收（Rx）设备之间没有直接电气连接,能量通过流经Tx线圈的电流产生的H场在两仰之间传输.Rx线圈捕获该H场的部分并将其特换为通过Rx绕组的电流。此过程的机制是磁耦合,并受

11、两个线圈之间的对齐（X、Y方向）、间隔距离（Z间隙）和方向（平行）的影响。在中央控制台汽车应用中，方向问题由平坦的控制台区域表面控制“对齐目前由3个不同的绕组Tx线圈模式解决，并JI通过些内置的控制置镇，Qi系统确定哪个绕组最适合对齐。这3个绕组线圈提供了定程度的位置自由度，但仅限于一个轴。HPF9线圈的示例如图2所示。图2：标准WPCMP9Tx线圈所示的3绕组线圈示例不是系统要求，而是迄今为止的“标准”.然而，目前正在努力为小型车辆采用2个绕组线圈配置以减小尺寸和成本。权衡将在于Rx线圈与两个Tx绕组之一的对齐，以确保效率不会受到磁耦合降低的影响。汽车制造商的典型最低系统效率要求是70%。Z

12、方向间隙更具挑战性，因为最初的Qi标准规定两侧之间的最大距离图3：效率Vs.7.间隙使用WPCA1.1.Tx线圈，5VRx输出该测试数据是使用5WQiA1.1.Tx线圈、两种Rx线圈尺寸以及在Rx线圈后面有/没有电池完成的。随着线圈之间的Z间隙增加，效率会卜降。Qi系统还使用带内遵值，当耦合（K）较低时,通信可能会停止并停止电力传输。这是橙色三角形曲线（最低）的情况，因此所有测试都在11亮米处终止。对TQiEPP系统，较高的电流符有助于耦合，但了解实际Z间隙是什么很近要。更育的线圈绕组电流也会产生更高的线损.线圈的直流电阻（DCfO值和交流电阻（ACR或Rac）值都存在，线损与ACR相关，如公

13、式2所示。P1.OSS=I2*KACEq.n2在哪里:I=通过Tx线圈绕组的交流电流RAC-在某个给定频率卜的电阻更高的电流系统会在Tx线圈磁屏蔽内产生更多的磁通量（）和更高的磁芯损耗。对于各种磁性材料，铁芯损耗（PCV）与磁通密度（B）的典型曲线如图4所示,其中锲锌（Ni-Zn）和镭锌（Mn-Zn）是铁氧体的类型。图1：磁屏蔽芯损耗与磁通密度磁芯损耗是磁芯内磁场通量密度(B)的函数。磁通密度与磁场（三）相关，由磁芯供应商在材料的BH曲线中提供。增加的电流和H场之间的关系在公式3中给出。HaNX1.在哪里,N-线圈上的绕组模式匝数I-通过绕组的电流（八）在无线充电系统中，汽车制造商和Tx充电器

14、系统制造商都无法IO(W)控制对齐和Z间隙参数.用户如何以及将手机放入控制台区域的位置、使用的保护壳类型、内部RX线圈的尺寸和形状，以及手机在加速和制动过程中是否移动，都会影响效率。效率TX电源拓扑因索一个关键的效率提高技术是使用推挽技挽盗驱动方案.推挽转换器通过一组同步时序方案的开关提供Tx线图电流.开关交替打开和关闭，从而在开关周期的两半期间循环通过线圈的电潦方向，这与降压、升压和其他依赖于无源器件中存储的能量在开关关闭期间提幽流的拓扑不同时期。推挽还实现了一个没有电流的短“死区”时间，确保两个开关不会同时打开(拉出电流)，这会导致电源损坏。总的来说，推挽转换潺比其他电源拓扑具有更秘定的输

15、入电流，产生更少的EMI噪声，并I1.在更高功率的应用中更高效“还使用的一种技术称为零电压开关(ZVS)或“软”开关。为了减少开关(MOSFET)导通/关断期间的损耗，系统确保在切换过程之前，开关上没有电压。这消除了在施加电压的情况下电流流过开关的可能性。采用ZVS可降低开关损耗并显着提高效率。因此，时序控制是一个关键要求。ZVS的另一个优点是它有助于减少谐波。减少谐波有助于遵守上面讨论的CISPR25要求。这包括在这里，因为它在效率方面起着关健作用。在感应式无线电力系统中，Tx和Rx侧电路的1.C(感应-电容)也被调谐到特定频率。谐波中的能盘必须最小化,因为它是浪费的能量,因为调谐的Rx侧不

16、会整流其调谐频率范围之外的任何能址.散物问题无线电力系统中的损耗来自Tx和Rx侧的电路组件、两个线圈上的导线和礴芯损耗，最后是连接两个线圈之间气隙的耦合损耗“在汽车制造商的控制范围内的是Tx侧线损和磁芯损耗，以及包括PCB在内的电路元件损耗。所有这些损失都会导致温度升海。汽车制造商有非常严格的温升限制，通常是裔于环境温度+10OC.磁芯损耗取决于材料的特性。关键参数是使用哪种类型的材料，即铁氧体或铁粉、屏蔽层的厚度、工作频率（产生内部材料磁滞和涡流或“自旋”损耗）以及礴场通量密度.温度会产生很大的影响，但汽车制造商设定的限制确保温度不会因接触温度安全问题而远离核心温度而产生任何实际影晌.为了减少Tx线损耗，由于称为“集肤效应”的现象，使用多股利兹线来减少随者频率增加的交潦损耗,简单地说，随着频率