车载无线电源设计注意事项

车载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，知道这些空闲时间可以用于许多其他目的，并且汽车一直是帮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、短信和电子邮件、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壬机的使用而演变的为了补充这种高使用率，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载无线充电功能目的？移除所有这些插入式电缆，并在充电时将听筒放在已知位置背景在过去三年中，无线电力技术“战争”以“Qi”或无线电力联盟（WPC）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2起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40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年就安装了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扩展功率配置文件（EPP）或15W功能这种能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15W系统在WPC标准中，有一些子类别（例如MP-A

8、MP-A

9、MP-A13）指定了无线电力M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，该标准定义了输入直流电压、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12V进入发射器电路，因此电压升高，产生比许多桌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o模式，线圈（谐振器/天线）上的实际电压可能在100V左右，EMI问题和解决方案在较新的车辆上，有许多RF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响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、蓝龙、WiFi、资产跟踪、短波收音机、钥匙扣、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10-4个好友其中一些RF系统在Qi EPP无线电力系统的87-205KHz（最高可达300KHz）基频范围内和/或通过低谐波运行AM无线电频率为525KHz至1705KHz（在美洲I）,因为它用作紧急广播系统的一部分，所以必须无EMIo新的远程无钥匙进入系统（RKE）以125KHz的频率运行，一些轮胎压力监测系统（TPMS）也是如此，它们使用此频率来驱动启动器LC线圈电路汽车应用对EMI有非常严格的要求CISPR25（Comite InternationalSpe cialdesPerturbations Radioelectriques）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，有一些等级定义了允许的传导和辐射噪声发射限制的水平，辐射噪声才是真正的问题表1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］限制与频段的关系表1按类别划分的CISPR25辐射限制随着Qi EPP功率水平的提高，满足Class4成为一项挑战，目前市场上还没有Class5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了1GHzo图1提供了实际的CISPR255类测量数据图1CISPR255类初始测试100KHz至30MHz从图中可以看出，该设计虽然符合Class4要求，但并未完全通过Class5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一些关键领域，以满足CISPR25的要求减轻EMI噪声的第一个领域是实施固定频率系统在Qi标准中，有一些方法允许可变频率更好地“调整”两侧以提高性能然而，为了满足与车载电源系统相关的严格EMI噪声水平，不断变化的频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145KHz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,并使这些电流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”这可以通过使用电感器来实现,因为该无源器件平滑了由开关MOSFET的导通/关断产生的方波电流，并有助于确保开关方案“干净”且无噪声通过在与Tx线圈绕组串联的电源线上添加一个共模速逊CMF,可以实现进一步的EMI抑制°通过线圈的电流是100%交流电也，没有直流电区成分，就像许多涉及直流电流和一些允许纹波电流的电源一样线圈的电流可以被认为是100%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固定频率下绝对最小另一种EMI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法去除EMI噪声首先，这些材料的磁导率（）使这些屏蔽能够包含［吸收］EMI噪声磁通量（力）并防止其被辐射接下来，这些屏蔽的电阻特性（口”）为不需要的频率的通量场创建了一个电阻路径，并衰减了EMI噪声并以热量的形式将其从环境中移除这种关系在公式1中给出二—jN”对于EMI抑制应用，更高的J通过抑制磁通量产生更好的屏蔽性能，更高的r通过材料磁芯损耗产生更好的噪声抑制w值太高会降低性能由于一种称为磁耦合（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Lm）使电路失谐，使其远离所需的固定频率最后，如果EMI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射EMI噪声，而不是去除它，也不会抑制所需的H场已经使用了具有低表面电阻（~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”）抑制有问题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于电压/E场的谐波，而不是基于电流/H场的谐波Tx线圈带有自己的磁屏蔽，其中包含通过绕组的正弦电流产生的磁通量对于基本工作频率（127KHz）,选择的屏蔽材料具有较高的M和非常低的卜，以免衰减所需的磁通场该屏蔽包含工作频率下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合规性解决方案的一部分效率-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场在两侧之间传输.Rx线圈捕获该H场的一部分并将其转换为通过Rx绕组的电流此过程的机制是磁耦合，并受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，并且通过一些内置的控制置能，Qi系统确定哪个绕组最适合对齐这3个绕组线圈提供了一定程度的位置自由度，但仅限于一个轴MP-A9线圈的示例如图2所示图2标准WPC MP-A9Tx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Vso Z间隙使用WPC AllTx线圈，5V Rx输出该测试数据是使用5W QiAllTx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，效率会下降Qi系统还使用带内通信，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毫米处终止对于Qi EPP系统，较高的电流将有助于耦合，但了解实际Z间隙是什么很重要更高的线圈绕组电流也会产生更高的线损线圈的直流电阻（DCR）值和交流电阻（ACR或Rac）值都存在，线损与ACR相关，如公式2所示P LOSS=I2*R ACEq.n2在哪里:I=通过Tx线圈绕组的交流电流R AC=在某个给定频率下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

（6）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，其中镁锌（Ni-Zn）和镒锌（Mn-Zn）是铁氧体的类型图4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（H）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中给出在哪里，N-线圈上的绕组模式匝数I-通过绕组的电流（A）在无线充电系统中，汽车制造商和Tx充电器系统制造商都无法100%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电源拓扑因素一个关键的效率提高技术是使用推挽转换/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线圈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流方向，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供电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，推挽转换器比其他电源拓扑具有更稳定的输入电流，产生更少的EMI噪声，并且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键作用在感应式无线电力系统中，Tx和Rx侧电路的LC（感应-电容）网络被调谐到特定频率谐波中的能量必须最小化，因为它是浪费的能量，因为调谐的Rx侧不会整流其调谐频率范围之外的任何能量散热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磁芯损耗，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高汽车制造商有非常严格的温升限制，通常是高于环境温度+10o Co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）以及磁场通量密度.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响为了减少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着频率增加的交流损耗简单地说，随着频率的增加，更多的电流流向更靠近导线外表面（因此电流密度更高），并且使用更少的导线横截面积这会增加电阻，从而增加线损和温升利兹线创造了更多的整体电线表面积，并有助于降低标准单股线的交流电阻随着功率和电流要求水平的不断提高，使用更高支数的利兹线的需求也在增加平衡性能、热问题、线径和线圈尺寸随后成为车载系统的关键方面散热用作去除Tx侧热量的一种方式然而，汽车制造商拒绝增加任何额外的散热器，因为它会增加重量，因此推动效率优先回来检查在用例和测试，未来该系列的第2部分等等上刘清。