在無線電源系統(tǒng)中抑制電磁干擾

隨著近十年來無線電源傳輸（WPT）技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，如Qi和由無線電源共識組織（WPC）管理的Magnetic Power Profile （MPP）等主要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的升級，致力于提升用戶體驗(yàn)和效能，已見諸于Qi2標(biāo)準(zhǔn)。無線電源傳輸以其便捷快速的充電體驗(yàn)，成為汽車、工業(yè)以及智能手機(jī)充電的理想選擇。市場趨勢正向電池驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，例如家用機(jī)器人、輕型電動(dòng)車（電動(dòng)自行車）、便攜式音箱和消費(fèi)級醫(yī)療設(shè)備，這些產(chǎn)品需要更高功率的充電能力。然而，隨著功率的提高，系統(tǒng)挑戰(zhàn)也隨之增大，不僅要解決電磁兼容性（EMC）、安全性和效能問題，同時(shí)還需要滿足標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

重點(diǎn)介紹WPT系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方面，特別關(guān)注導(dǎo)電電磁干擾（EMI）。結(jié)合系統(tǒng)模型分析關(guān)鍵的寄生元素，進(jìn)而探究涉及EMI的技術(shù)挑戰(zhàn)。

無線電源傳輸系統(tǒng)

WPT系統(tǒng)由電源發(fā)送器（PTx）和電源接收器（PRx）構(gòu)成，功率由PTx（源）傳遞至PRx（負(fù)載）。發(fā)送線圈與接收線圈之間的電感耦合，用于向PRx傳輸電能，該過程通過在帶內(nèi)反饋環(huán)路中控制。WPT系統(tǒng)典型地包括多個(gè)電源轉(zhuǎn)換開關(guān)階段，如輸入電壓轉(zhuǎn)換器（VIN：預(yù)調(diào)節(jié)器（DC-DC）、全橋逆變器（DC-AC）和整流器（AC-DC)）。所有這些開關(guān)階段都可能產(chǎn)生EMI。

無線電源系統(tǒng)中的電磁干擾

由于PTx和PRx線圈之間存在較大的空氣間隙，其中充滿電磁場，電磁干擾管理是WPT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。所有潛在的EMI源都需要在設(shè)計(jì)期間考慮以便減緩其影響。

EMI通常分為兩類：導(dǎo)電發(fā)射（CE）和輻射發(fā)射（RE）。兩者都可能干擾電子設(shè)備。因此，法規(guī)限制了允許的發(fā)射量，以確保所有設(shè)備能夠正常且同時(shí)操作。本文描述了可能的CE EMI源，并提出了一些緩解技術(shù)。

共模電流及其對導(dǎo)電發(fā)射的影響

共模（CM）電流是CE EMI的主要來源之一。CM電流是正負(fù)電源線電流的差值，由脈沖非對稱節(jié)點(diǎn)（如SW1和SW2）和寄生電容產(chǎn)生。

為了闡釋潛在的CM電流路徑，WPT系統(tǒng)的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）的電路圖在此所示。LISN和地面GND是標(biāo)準(zhǔn)CE EMI測量測試設(shè)置的一部分。該電路圖展示了系統(tǒng)的潛在寄生電容，包括逆變器開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電容（Cgs）和PCB地線到參考平面/地面的電容（Cgg）。CM電流在CE中貢獻(xiàn)了大量能量。

共模電流源和路徑

由于SW1和SW2開關(guān)節(jié)點(diǎn)的微弱不對稱，導(dǎo)致共模電壓（CM電壓），因此產(chǎn)生了CM電流。在WPT中，由于發(fā)射線圈構(gòu)成較大面積的銅質(zhì)結(jié)構(gòu)，這使其在開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的CM電壓作用下，形成額外的寄生電容（Cgc）。通過Cgc產(chǎn)生的CM電流通過地線回流至LISN。通過LISN和地線連接（而不是PCB地線連接）回流至主電源線的CM電流，促成了CE。

針對CM電流減緩的建議方案

為了克服由于Cgc產(chǎn)生的CM電流的影響，推薦使用PCB屏蔽濾波器。PCB屏蔽層通過引入新的電容，Cshield，將流經(jīng)地線的電流重新引導(dǎo)至PCB地線，從而減少了流向地線的CM電流，并通過LISN。應(yīng)確保屏蔽PCB設(shè)計(jì)中的Cshield電容值遠(yuǎn)大于Cgc。通過在單層PCB上設(shè)計(jì)走線和地線連接，不影響磁場的情況下創(chuàng)造出這種主導(dǎo)電容。走線間距保持一致，每個(gè)走線寬度和間隙寬度要維持在大約5mil。

對于PRx，使用屏蔽PCB的方法同樣有效。當(dāng)PTx和PRx線圈對接時(shí)，它們之間的寄生電容就會起作用。

其他的設(shè)計(jì)考慮以優(yōu)化CE性能

CM電流是由CM電壓產(chǎn)生的，與開關(guān)節(jié)點(diǎn)的切換速度直接相關(guān)。因此，增加逆變器FETs（Q2和Q4）的漏源電容或這些節(jié)點(diǎn)上的外部電容也有助于最小化CM電流對CE的負(fù)面影響。

開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的外部電容也會影響零電壓開關(guān)（ZVS）性能。較大的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容改善CE性能，但可能導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)過阻尼，從而負(fù)面影響效率。因此，調(diào)整開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容以達(dá)到ZVS和最佳CE性能是重要的。

CE的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以下測試結(jié)果代表了按照CISPR 32進(jìn)行常規(guī)CE測試的WPT系統(tǒng)的結(jié)果。如果未進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試和屏蔽，基本的逆變器頻率可能會在EMI頻譜測試中出現(xiàn)。圖中展示了在實(shí)施提出的解決方案前后EMI性能的差異。在應(yīng)用屏蔽和調(diào)整逆變器ZVS之后，先前的EMI結(jié)果得到了改善。