無(wú)線(xiàn)充電應(yīng)用的二次側(cè)整流橋應(yīng)用方案介紹

如今，業(yè)界持續(xù)需要行動(dòng)(on-the-go)電源管理，無(wú)線(xiàn)(感應(yīng)式)充電方案在市場(chǎng)變得越來(lái)越普及。雖然能效不如現(xiàn)有有線(xiàn)充電方案高，但無(wú)線(xiàn)充電方案為消費(fèi)者提供更多便利，亦省下了額外的充電線(xiàn)纜。無(wú)線(xiàn)充電的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋可攜式電子產(chǎn)品、汽車(chē)，甚至是醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)。當(dāng)今的高科技社會(huì)越來(lái)越渴求針對(duì)多種電子設(shè)備的便利充電方案。潛在的無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)機(jī)會(huì)包括汽車(chē)、機(jī)場(chǎng)及家中應(yīng)用。如今游戲平臺(tái)也為游戲控制器提供無(wú)線(xiàn)充電選擇，目的是為消費(fèi)者提供更多便利。隨著無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)變得更加流行，許多手機(jī)制造商已經(jīng)開(kāi)始提供整合額外電路以使產(chǎn)品兼容無(wú)線(xiàn)充電的電池蓋。

無(wú)線(xiàn)充電并非新概念。電動(dòng)牙刷和剃須刀使用這種充電方法已經(jīng)有些年頭了。消費(fèi)者簡(jiǎn)單地將設(shè)備置于基座(base unit)上來(lái)為電池充電，而不需要暴露的金屬觸點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)充電減少或省去充電線(xiàn)纜，且能夠同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電，只要簡(jiǎn)單地將它們置于同一個(gè)充電板上就可以了。

無(wú)線(xiàn)充電是透過(guò)使用空氣(air-core)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一次線(xiàn)圈位于充電板，二次線(xiàn)圈位于設(shè)備本身。充電板在二次線(xiàn)圈感應(yīng)出電流，此電流透過(guò)手持設(shè)備內(nèi)的全橋整流器及額外電路，產(chǎn)生直流電壓來(lái)為電池充電。圖1顯示無(wú)線(xiàn)充電電路的方塊圖?；捎脴?biāo)準(zhǔn)墻式插座供電。一旦手持設(shè)備置于基座上，電池就開(kāi)始充電。

　　圖1：無(wú)線(xiàn)充電電路架構(gòu)圖。

變壓器基本塬理

當(dāng)電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，就產(chǎn)生磁場(chǎng)。變壓器利用這基本屬性從一個(gè)線(xiàn)圈感應(yīng)電流到另一個(gè)線(xiàn)圈。匝數(shù)比N指的是二次側(cè)線(xiàn)圈的匝數(shù)與一次側(cè)線(xiàn)圈匝數(shù)之比。

匝數(shù)比用于計(jì)算二次側(cè)線(xiàn)圈中感應(yīng)的電壓和電流。二次側(cè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的電壓可用下述等式來(lái)計(jì)算：

二次側(cè)線(xiàn)圈電流的計(jì)算等式如下：

變壓器可設(shè)計(jì)為不同的配置，并使用磁芯材料在二次線(xiàn)圈中感應(yīng)出磁場(chǎng)。磁導(dǎo)率(?)衡量的是變壓器中產(chǎn)生磁場(chǎng)的有效性。換句話(huà)說(shuō)，磁導(dǎo)率指的是變壓器能夠以多高的效率將電能提供給二次線(xiàn)圈。磁導(dǎo)率越高，變壓器將電能從一次傳輸?shù)蕉蔚男示驮礁摺?nèi)在高磁導(dǎo)率指的是真空磁導(dǎo)率，其定義為：

單位是牛頓每平方安培。相對(duì)磁導(dǎo)率的定義是特定材料的磁導(dǎo)率除以?xún)?nèi)在高磁導(dǎo)率，即

如今業(yè)界使用最廣泛的材料是磁芯。錳鋅鐵氧體磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率是640或更高。然而，對(duì)于無(wú)線(xiàn)充電器而言，磁芯材料是空氣。這是因?yàn)橐淮尉€(xiàn)圈處于與二次線(xiàn)圈相隔離的基座中?？諝獾南鄬?duì)磁導(dǎo)率是1，使變壓器的能效低得多。由于變壓器能效低，電路其它部分的能效就變得極為重要。

二次側(cè)整流橋

全橋整流器及濾波器電路通過(guò)感應(yīng)在二次線(xiàn)圈的交流訊號(hào)產(chǎn)生恆定直流電壓。圖2顯示使用4顆二極體體配置的全橋整流器電路。

　圖2：采用4顆二極體的全橋整流器配置

當(dāng)二極體1和3正向偏置時(shí)，二極體2和4反向偏置，反之亦然。因此，整流橋的主要功率損耗就是兩個(gè)二極體上的正向壓降。標(biāo)準(zhǔn)二極體的壓降約為0.7 V。這表示兩個(gè)二極體的功率損耗為：

蕭特基二極體的正向壓降要低得多，典型值約為0.4V。對(duì)于如圖2所示的整流橋配置而言，蕭特基二極體提供更高的能效。圖2中的輸入波形示例是正弦波，幅值為VPK。經(jīng)過(guò)整流的輸出的幅值為VPK，週期中的兩個(gè)半波都是正波。[!--empirenews.page--]

圖3顯示的是輸入電壓正弦波形1區(qū)和2區(qū)時(shí)流過(guò)整流橋和負(fù)載的電流路徑。在輸入電壓週期的前半部分(對(duì)應(yīng)于1區(qū)及圖4a)，節(jié)點(diǎn)a的電壓高于節(jié)點(diǎn)b的電壓。電流流過(guò)二極體1，經(jīng)過(guò)負(fù)載后，又通過(guò)二極體3流回變壓器。在輸入電壓週期的后半部分(對(duì)應(yīng)于2區(qū)及圖4b)，節(jié)點(diǎn)b電壓高于節(jié)點(diǎn)a電壓，電流以相反方向流動(dòng)，流過(guò)二極體2，穿過(guò)負(fù)載，再通過(guò)二極體4流回變壓器。在每種情況下，電流都以相同的方向流過(guò)負(fù)載本身，產(chǎn)生如圖2所示的輸出電壓波形。

圖3：(a) 輸入電壓1區(qū)的電路路徑;(b) 輸入電壓2區(qū)的電流路徑。

另一種全橋整流器配置包含2顆二極體和2顆MOSFET元件。圖4顯示了這種配置的示例。

圖4：采用2顆二極體和2顆MOSFET的全橋整流器配置

對(duì)于這種整流橋配置而言，二極體3和4被兩顆N通道MOSFET取代。MOSFET 3的閘極連接至節(jié)點(diǎn)a，MOSFET4的閘極連接至節(jié)點(diǎn)b。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，每顆MOSFET的本體二極體(body diode)阻斷電流流動(dòng)。這種配置的橋輸入及輸出波形與上述橋配置的波形相同。在1區(qū)，節(jié)點(diǎn)a電壓高于節(jié)點(diǎn)b電壓。二極體1正向偏置，二極體2反向偏置，MOSFET 3導(dǎo)通，而MOSFET 4關(guān)閉(MOSFET 4的本體二極體反向偏置)。在2區(qū)，節(jié)點(diǎn)b電壓高于節(jié)點(diǎn)a。二極體2正向偏置，二極體1反射偏置，MOSFET4導(dǎo)通，而MOSFET 3關(guān)閉(MOSFET 3的本體二極體反向偏置)。

這種配置的電路路徑及輸出波形結(jié)果與上述配置相同。然而，通過(guò)以MOSFET替代兩顆二極體，整流橋的能效得到提升，二極體及MOSFET的功率損耗計(jì)算等式為：

表1比較了使用2A負(fù)載條件下叁種二次全橋整流器電路應(yīng)用方案的功率損耗。第一種應(yīng)用方案是標(biāo)準(zhǔn)4顆二極體配置，第二種應(yīng)用方案是使用蕭特基二極體的4顆二極體配置，第叁種應(yīng)用方案包含2顆蕭特基二極體和2顆MOSFET，這種方案有如安森美半導(dǎo)體的NMLU1210整合方案。

表1：三種整流橋應(yīng)用方案的功率損耗比較

如表所示，第叁種應(yīng)用方案的功率損耗最低。節(jié)省的功率損耗直接轉(zhuǎn)化為二次側(cè)電路整體能效的提升，使無(wú)線(xiàn)充電方案具有更高能效。全橋整流器也可以采用4顆MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。但這種應(yīng)用方案牽涉的因素更多，必須審慎思考。

能效考慮因素對(duì)無(wú)線(xiàn)充電方案至關(guān)重要，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)充電方案采用的氣隙變壓器的能效相比傳統(tǒng)有線(xiàn)充電方案低。因此，為了將無(wú)線(xiàn)充電的性能提升至最高，每個(gè)電路模組的能效都必須仔細(xì)考慮及加以應(yīng)對(duì)。如文中的功率損耗計(jì)算結(jié)果所示，應(yīng)用2顆二極體和2顆MOSFET的方案最能節(jié)省功率損耗。對(duì)于當(dāng)今的電子產(chǎn)業(yè)而言，節(jié)能及提升能效處于消費(fèi)者及製造商所關(guān)注問(wèn)題的最前端。隨著無(wú)線(xiàn)充電深入發(fā)展，業(yè)界對(duì)高能效及高性能方案的需求也越來(lái)越高。