我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)一部以無線方式供電的電視機(jī)

作者：宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）Michael A. de Rooij博士及張遠(yuǎn)哲博士

面向不同種類的家電，eGaN FET技術(shù)在推動(dòng)無線充電市場的發(fā)展扮演著重要的角色

這里展示出由無線充電推動(dòng)、置于有機(jī)玻璃盒內(nèi)并掛于電視機(jī)背部的電視系統(tǒng)原型。我們加入石膏分隔板來展示發(fā)射器實(shí)際上是應(yīng)用處于墻壁后面，而接收器裝置最終會(huì)被整合于電視內(nèi)。這樣，電視就像掛畫一樣，非常容易地掛于墻壁上。

電視以無線方式傳遞內(nèi)容，但它們必需一組電源線來供電。消費(fèi)電子業(yè)界一直有個(gè)想法，希望電視摒棄電源線，但未能實(shí)現(xiàn)。原因有多個(gè)，例如為大屏幕電視機(jī)提供所需的高功率非常困難及需要找出具成本效益的技術(shù)。 然而，氮化鎵場效應(yīng)晶體管（eGaN FET）有可能實(shí)現(xiàn)不用電源線的電視。

目前有兩種常用的基于磁場的無線電源傳輸技術(shù)：電感式及高度共振式。各種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。磁感式依靠變壓器分成兩塊，利用磁性材料增強(qiáng)耦合。這種方法可在廣闊的電源范圍應(yīng)用，從智能電話所需的數(shù)瓦特以至電動(dòng)車充電所需的數(shù)千瓦特等應(yīng)用。共振方法則利用磁共振方式來增強(qiáng)發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合，而且可使用或不使用磁性材料。增強(qiáng)耦合的設(shè)計(jì)提高空間自由度和使得線圈之間的距離增加。

低功率無線電源依據(jù)兩種標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)（Qi）及AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。兩種標(biāo)準(zhǔn)都未能為大屏幕電視提供所需的功率級(jí)。Qi標(biāo)準(zhǔn)要求線圈之間需要對(duì)齊和限于60 W（該標(biāo)準(zhǔn)仍在發(fā)展中）。AirFuel 標(biāo)準(zhǔn)可以支持各種不同的、需要更大空間自由度的要求，所以比較適合日常各種實(shí)際情況的要求，只是，它也是限于傳輸70 W。然而，由于AirFuel標(biāo)準(zhǔn)已有改善了的應(yīng)用案例，所以我們應(yīng)用于電視的無線充電項(xiàng)目的基礎(chǔ)是采用AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。

為可行的預(yù)期目標(biāo)草擬初稿

本例子是一部43英寸、Vizio D43-D1型號(hào)的高清電視。測試證明，在待機(jī)模式時(shí)，電視取電小于5 W。當(dāng)開啟電視時(shí)，所需功率上升至85 W。 無論是什么設(shè)置，這是所需最高的功率，而電視通常需要85 W，最少在開啟后首12秒內(nèi)也需要此功率。使用者設(shè)置例如調(diào)背光亮度將會(huì)是電視取電的最大功率變化。在正常操作下，所取的標(biāo)稱功率大約是67 W。

最終的目標(biāo)是把無線電源接收器嵌入電視內(nèi)。這基本上可去除高壓AC功率因數(shù)校正電路、可以降低電視的電源供應(yīng)器的成本及尺寸。這也會(huì)使得低壓電子更纖薄，從而符合市場對(duì)推出更新款電視的要求。

由于電視內(nèi)置的電源供電通常是一個(gè)采用高頻開關(guān)的轉(zhuǎn)換器，它有可能可以利用DC電壓操作。測試證明，電視可以采用110 VDC 供電。以DC操作大大簡化接收器電路的設(shè)計(jì)，以及減少所需的笨重而且昂貴的存儲(chǔ)電容器。

配備控制反饋、以無線充電的電視的電源供電方框圖。

讓我們看看整個(gè)系統(tǒng)的方框圖。首先，AC/DC轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)固定的DC電壓，為無線電源放大器供電。跟著，使用一個(gè)無線電源放大器來驅(qū)動(dòng)高度共振的線圈組。放大器包含前置穩(wěn)壓器和高頻放大器 – 即是單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）-- 以及一個(gè)差分模式D類放大器。

接收器方面，采用一個(gè)高頻整流器，以及利用升壓轉(zhuǎn)換器來為電視電路提供固定的110 VDC。由于發(fā)射器具備高功率性能，而且接收器整流器沒有配備高頻高壓二極管，因此非常重要的是，必需把沒有整流的電壓(VRect)反饋至發(fā)射器的控制器，從而在輕負(fù)載的條件下，防止輸出二極管發(fā)生過壓的情況。

發(fā)射器方面，線圈電流(Icoil)、DC電源至放大器電壓(Vamp)、放大器功率(Pamp)及隔離式輸出整流器電壓(VRect_iso) 用作控制器的反饋信號(hào)，使得所組成的控制器可以調(diào)節(jié)SEPIC轉(zhuǎn)換器?？刂破鳑Q定哪些反饋信號(hào)在各自的設(shè)置點(diǎn)（set point）及調(diào)節(jié)至該些設(shè)置點(diǎn)。通常最少一個(gè)控制信號(hào)受限。

電路設(shè)計(jì)的要求

設(shè)計(jì)功率電路由接收器的輸出級(jí)開始，知道電視的所需功率、計(jì)算電源鏈中每塊電源模塊的效率，從而決定每塊模塊的所需功率。

接收器的功率電路全圖。

考慮接收部分的電路。 最后是使用110 VDC輸出的升壓轉(zhuǎn)換器。它在低側(cè)的效率估計(jì)為95%，代表整流器必需傳送89 W。整流器二極管必需是低壓降、沒有反向恢復(fù)、低電容及可以工作在6.78 MHz頻率。只有Diodes Inc. 公司的60 V PD3S160 Schottky 二極管可以符合所有要求。為了傳送89 W功率， 整流器的輸出電壓必需高達(dá)55 V。 二極管需要一個(gè)散熱器。

在發(fā)射器方面，差分模式ZVS D類放大器驅(qū)動(dòng)調(diào)頻線圈，以及完善歸檔為一個(gè)可以于高度共振無線充電應(yīng)用的穩(wěn)健放大器。包含ZVS D類放大器、線圈組及整流器的無線功率級(jí)的效率大約是85%。這代表前置穩(wěn)壓器必需能夠傳送105 W功率。SEPIC轉(zhuǎn)換器被選為前置穩(wěn)壓器的拓?fù)洌驗(yàn)樗梢栽谳斎腚娫措妷哼M(jìn)行升壓及降壓，并且被證明為可作為ZVS D類放大器的發(fā)射器。

發(fā)射器的功率電路全圖。展示了SEPIC前置穩(wěn)壓器作為差分模式ZVS D類放大器的發(fā)射器。

前置穩(wěn)壓器的發(fā)射器是一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器。此轉(zhuǎn)換器不是本文的討論范圍，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、可以購買得到的設(shè)置，并且采用48 V輸出電壓以作實(shí)驗(yàn)認(rèn)證用途。

從4種反饋測量信號(hào)中，發(fā)射器采用其中的3種作為控制。如之前所分析過，接收器整流器的輸出電壓必需包含于控制環(huán)路內(nèi)。但這電壓必需以無線方式送至發(fā)射器。具916 MHz的頻率調(diào)制射頻連接作為這個(gè)無線連接，成為構(gòu)建無線充電電視必需的各塊模塊。

在無線充電鏈的線圈組是非常重要的。大線圈對(duì)由不對(duì)位、負(fù)載變化及大型金屬物體所引致的阻抗漂移會(huì)更加敏感。有些大線圈被設(shè)計(jì)為兩組交錯(cuò)式繞組，可串聯(lián)或并聯(lián)。串聯(lián)線圈適合用于距離較大的線圈。并聯(lián)線圈大大減少阻抗漂移但也同時(shí)減少所需的線圈距離以實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸。

在本評(píng)估中，發(fā)射器及接收器選擇使用NuCurrent的R36RXTxD1 AirFuel Class 4 線圈，以及并聯(lián)繞組。這些大線圈的距離從2英寸至12英寸，足以高效地工作。但作為評(píng)估的用途，基于放大器原型的功率限制，我們把線圈的距離固定在2英寸。

發(fā)射器采用一個(gè)改進(jìn)了的EPC9512無線功率放大器。在本案例中，SEPIC轉(zhuǎn)換器改進(jìn)為可以在48 Vdc 工作及在較高的電流下工作。也包含射頻連接，從而可以反饋接收器整流器電壓。SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸出可以直接驅(qū)動(dòng)ZVS D類放大器，以及使用額定電壓為200 V、43 mΩ的EPC2019晶體管。ZVS D類放大器使用4個(gè)100 V、105 mΩ的EPC8010晶體管。

SEPIC控制器的設(shè)定點(diǎn)為Icoil_max = 1.72 A、 Vamp_max = 71 V、Pout_max = 110 W、 VRect_iso_max = 53.5 V。在接收端，改進(jìn)了的SEPIC轉(zhuǎn)換器采用EPC9512電路板，作為具110 Vdc輸出的升壓轉(zhuǎn)換器。它也使用EPC2019 eGaN FET。整流器電路板為二極管配備散熱器，而且備有多個(gè)TVS鉗位二極管(Vclamp = 57 V)，從而提供額外的過壓保護(hù)。TVS二極管非常耗能，在射頻連接失效時(shí)發(fā)揮保護(hù)功能。測試證明不需要TVS二極管。

電視的無線功率系統(tǒng)的照片。左邊展示發(fā)射器電路，右邊是接收器電路。

作為預(yù)防措施，由于電視開啟取電時(shí)可能導(dǎo)致高功率，為SEPIC轉(zhuǎn)換器FET及二極管提供風(fēng)扇，從而提高冷卻空氣，以及把接收器整流器二極管放在散熱器下面。輸出升壓轉(zhuǎn)換器不需要強(qiáng)制冷卻空氣。

在實(shí)際生活中，發(fā)射器置于墻壁后面。接收器裝置最終可以整合于電視內(nèi)。電視就像掛畫一樣，非常容易安裝于墻壁上。展示裝置的原型是完全以無線方式充電，包括使用WiFi或面向成像信號(hào)的WiDi。

原型讓我們了解到，SEPIC的整流器二極管、升壓及高頻接收器是任何半導(dǎo)體元件的最大功耗來源。這個(gè)實(shí)況驅(qū)動(dòng)未來的設(shè)計(jì)發(fā)展，專注于利用同步整流來提升效率。

EPC9512無線充電板的放大器本來為傳送33 W功率而設(shè)。該放大器使用的場效應(yīng)晶體管(FET)的額定功率比所需功率為低，當(dāng)使用具有較低導(dǎo)通阻抗(RDS(on))的FET時(shí)，我們可以預(yù)期性能將會(huì)得以提高，這是將來設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

參考資料
[1] A. DeNisco “CES 2017: Dell brings wireless charging to laptops with the Latitude 7285“, techrepublic.com, January 6, 2017, [Online]
[2] “System Description Wireless Power Transfer,” Vol. I: Low Power. Part 1: Interface Definition, Version 1.2, June 2015.
[3] A4WP Wireless Power Transfer System Baseline System Specification (BSS), A4WP-S-0001 v1.3.1, February 25, 2015.
[4] Diodes Inc., “PD3S160 – 1.0A Surface mount Schottky barrier rectifier,” PD3S160 datasheet, September 2012, [Online]
[5] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, D. Reusch, “GaN Transistors for Efficient Power Conversion,” Second Edition, Wiley, ISBN 978-1-118-84476-2.
[6] M. A. de Rooij, Wireless Power Handbook,” Second Edition, El Segundo, October 2015, ISBN 978-0-9966492-1-6.
[7] M. A. de Rooij, “Performance Comparison for A4WP Class-3 Wireless Power Compliance between eGaN? FET and MOSFET in a ZVS Class D Amplifier,” International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM – Europe), May 2015.
[8] M. A. de Rooij, Y. Zhang, “eGaN? FET based 6.78 MHz Differential-Mode ZVS Class D AirFuel Class 4 Wireless Power Amplifier,” International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM – Europe), May 2016, pp 304 – 311.
[9] “Single-ended primary-inductor converter,” [Online]
[10] Efficient Power Conversion, “EPC9509 : 60 V ZVS Class-D amplifier board for wireless power transfer systems,” EPC9509 – Development Board, [Online]
[11] Efficient Power Conversion, “EPC2019 – Enhancement Mode Power Transistor,” EPC2019 datasheet, June 2014 [Revised September 2015], [Online]
[12] Efficient Power Conversion, “EPC8010 – Enhancement Mode Power Transistor,” EPC8010 datasheet, December 2013 [Revised January 2015], [Online]