TI升壓和升降壓直流-直流變換器助力無線充電設(shè)計(jì)

將無線充電帶入大眾視野當(dāng)數(shù)蘋果與三星兩大手機(jī)廠商：2015年，三星發(fā)布了支持無線充電的手機(jī)—Galaxy S6；2017年，iPhone8以及iPhone X成為蘋果首款支持無線充電的手機(jī)。此后，華為、小米等國內(nèi)手機(jī)廠商也紛紛試水無線充電，這項(xiàng)技術(shù)也一度成為中高端手機(jī)新趨勢。

無線充電產(chǎn)品以其便利性，可靠性，安全性越來越受到消費(fèi)者的追捧。除手機(jī)以外， 越來越多支持無線充電的TWS無線耳機(jī)，智能手表等可穿戴設(shè)備不斷涌入市場。與此同時(shí)，不同種類的無線充電設(shè)備也逐漸融入我們的生活場景，如宜家推出配有無線充電底座的臺燈，小米推出30W超級無線閃充充電器等。

無線充電系統(tǒng)主要由電源、無線充電發(fā)送器和無線充電接受器三部分構(gòu)成。圖2所示為其電路示意圖。無線充電系統(tǒng)是如何工作的呢？以下為其工作原理的簡要介紹：

無線充電發(fā)送器(Tx)通常由一個 5V 至 20 V 的直流輸入電源供電，這個電源來自AC/DC 電源適配器或 USB 端口。一些特殊應(yīng)用（如手機(jī)反向無線充電）也可能為電池供電。

無線功率控制器可驅(qū)動半橋或者全橋變換器來傳輸能量，并通過與接收器的通訊來調(diào)節(jié)傳輸功率。

發(fā)送器線圈通過電磁感應(yīng)傳輸電力，能量被耦合到無線功率接收器(Rx)中。接收器通過一個類似的線圈來接收能量，并通過整流及功率變換電路（如充電電路）為后級提供能量。

接收器可通過通信接口發(fā)送命令來調(diào)節(jié)充電電壓，還可以在收到充電結(jié)束的指示后，完全終止功率傳輸。

圖2. 無線充電系統(tǒng)電路示意圖

為提高無線充電系統(tǒng)的工作效率，無線充電發(fā)送器(Tx)中線圈所需母線電壓Vbus可設(shè)計(jì)為隨著傳輸功率的大小而 變化：滿載充電時(shí)，傳輸功率最大，母線電壓升至最高；待機(jī)狀態(tài)時(shí)，傳輸功率最小，母線電壓也隨之降為最低。

前文提到過，無線充電發(fā)送器的電源Vin可能來自AC/DC電源適配器或USB 端口（5V 至 20 V），也可能為電池供電，有著較寬的電壓范圍。 為匹配不同的電源電壓和發(fā)送器線圈所需母線電壓，在Vin與Vbus之間可使用DC/DC變換器來調(diào)節(jié)電壓，而DC/DC變換器拓?fù)渲饕Q于電源電壓Vin和線圈所需母線電壓Vbus之間的電位關(guān)系。

例如一款30W的無線充電器，輸入電壓Vin為12V 電源適配器提供，母線電壓Vbus設(shè)計(jì)為在2V至20V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，此時(shí)就需要升降壓變換器來滿足Vin與Vbus之間的電壓匹配。有些無線充電器設(shè)計(jì)為節(jié)省成本，選擇犧牲待機(jī)功耗，在待機(jī)狀態(tài)下發(fā)送線圈母線電壓設(shè)計(jì)為輸入端電壓，則只需要升壓芯片來滿足充電時(shí)Vbus電壓要求即可。

德州儀器升壓和升降壓方案在無線充電設(shè)備中的應(yīng)用

德州儀器提供一系列的升壓以及升降壓產(chǎn)品，可滿足各個功率范圍的無線充電發(fā)送器的設(shè)計(jì)需要。下文將簡要介紹德州儀器產(chǎn)品在不同應(yīng)用場景中的最優(yōu)方案。

升壓和升降壓控制器在無線充電器中的應(yīng)用

目前，市面上的無線充電器功率在5W~30W不等。由于消費(fèi)者對無線充電的訴求多為高效快速，大功率無線充電器成為新的趨勢。此外，支持給多種無線設(shè)備同時(shí)充電的無線充電器也以其良好的用戶體驗(yàn)越來越受到消費(fèi)者親睞。

圖4為無線充電器電路示意圖，為適應(yīng)不同額定電壓的適配器，輸入電壓范圍設(shè)計(jì)為5V至20V。在待機(jī)狀態(tài)下為減小待機(jī)功耗，輸出電壓可設(shè)計(jì)為低至2V；在滿載下，輸出電壓需要升到最高設(shè)計(jì)值以獲得最優(yōu)的傳輸效率。如在30W無線快充中，升降壓電路的最大輸出電壓一般設(shè)為20V左右。

圖4. 升降壓方案在無線充電器中的應(yīng)用

德州儀器LM34936為四開關(guān)管的同步升降壓控制器，內(nèi)置2A MOSFET驅(qū)動，最大輸出電壓可至30V，封裝小，效率高，適用于大功率無線充電器的設(shè)計(jì)需要。

如果為了降低成本，可選擇升壓控制器方案。德州儀器的同步升壓控制器TPS43061較普通非同步升壓方案可顯著工作效率，減少熱損耗，是大功率無線充電器設(shè)計(jì)的理想方案。

升壓變換器在反向無線充電手機(jī)中的應(yīng)用

近年來，反向無線充電功能也成為中高端智能手機(jī)的趨勢之一。智能手機(jī)不僅僅作為一款通訊工具，也成為集多功能于一體的智能電子設(shè)備，可為TWS無線耳機(jī)，智能手表或其他手機(jī)進(jìn)行無線充電。

反向無線充電手機(jī)的電路示意圖如圖6，其中升壓變化器可選擇德州儀器的TPS61372或TPS61089。

圖6. 升壓方案在支持反向無線充手機(jī)中的應(yīng)用

TPS61372在手機(jī)反向無線充應(yīng)用中有以下顯著優(yōu)勢：

寬范圍電壓輸出最高可至16V，減小線圈電流，降低線圈損耗；

整體方案尺寸小，設(shè)計(jì)簡單，BOM成本低

芯片采用小尺寸的WCSP封裝，僅為1.57mm×1.52mm×0.5mm，如圖7所示，特別適用于手機(jī)應(yīng)用；

支持1.5MHz高開關(guān)頻率，可有效減小外部電感電容的尺寸，降低成本；

外部元件少，設(shè)計(jì)簡單

輕載下可選擇PFM模式或者PWM模式，靈活滿足客戶對于輕載效率或者EMI設(shè)計(jì)要求。

具有真關(guān)斷功能，當(dāng)芯片處于不工作狀態(tài)時(shí)，輸入和輸出端之間為真關(guān)斷，減小待機(jī)功耗。

圖8為典型應(yīng)用示意圖。

圖7. TPS61372封裝示意圖 圖8. TPS61372升壓應(yīng)用電路圖

對于更大功率的無線充電設(shè)計(jì)需求，則可選擇TPS61089。

升壓變換器在無線充電移動電源中的應(yīng)用

支持無線充電的移動電源也越來越多的涌現(xiàn)出來，其無線充電路結(jié)構(gòu)與手機(jī)中的類似，如上圖6所示。目前，移動電源的無線充電功率在5W~20W不等，德州儀器升壓變換器TPS61089, TPS61088, TPS61178可用于此應(yīng)用。

TPS61089, TPS61088的最大輸出電壓都為12.6V，兩者分別支持7A和10A的最大開關(guān)電流；TPS61178的最大輸出電壓為20V，能提供最大至10A的開關(guān)電流。德州儀器的這三款芯片為集成上下管的同步升壓轉(zhuǎn)換器，可滿足5W~20W無線充移動電源的設(shè)計(jì)需要。

審核編輯：郭婷