无线充电市场火爆,德州仪器升压和升降压直流-直流变换器助力无线充电设计

By Eileen Zhang

将无线充电带入大众视野当数苹果与三星两大手机厂商:2015年,三星发布了支持无线充电的手机—Galaxy S6;2017年,iPhone8以及iPhone X成为苹果首款支持无线充电的手机。此后,华为、小米等国内手机厂商也纷纷试水无线充电,这项技术也一度成为中高端手机新趋势。

无线充电产品以其便利性,可靠性,安全性越来越受到消费者的追捧。除手机以外, 越来越多支持无线充电的TWS无线耳机,智能手表等可穿戴设备不断涌入市场。与此同时,不同种类的无线充电设备也逐渐融入我们的生活场景,如宜家推出配有无线充电底座的台灯,小米推出30W超级无线闪充充电器等。

无线充电系统主要由电源、无线充电发送器和无线充电接受器三部分构成。图1为整个系统的组成主件,图2所示为其电路示意图。无线充电系统是如何工作的呢?以下为其工作原理的简要介绍:

  • 无线充电发送器(Tx)通常由一个 5V 至 20 V 的直流输入电源供电,这个电源来自AC/DC 电源适配器或 USB 端口。一些特殊应用(如手机反向无线充电)也可能为电池供电。
  • 无线功率控制器可驱动半桥或者全桥变换器来传输能量,并通过与接收器的通讯来调节传输功率。
  • 发送器线圈通过电磁感应传输电力,能量被耦合到无线功率接收器(Rx)中。接收器通过一个类似的线圈来接收能量,并通过整流及功率变换电路(如充电电路)为后级提供能量。
  • 接收器可通过通信接口发送命令来调节充电电压,还可以在收到充电结束的指示后,完全终止功率传输。

1. 无线充电系统

 

2. 无线充电系统电路示意图

为提高无线充电系统的工作效率,无线充电发送器(Tx)中线圈所需母线电压Vbus可设计为随着传输功率的大小而 变化:满载充电时,传输功率最大,母线电压升至最高;待机状态时,传输功率最小,母线电压也随之降为最低。

前文提到过,无线充电发送器的电源Vin可能来自AC/DC电源适配器或USB 端口(5V 至 20 V),也可能为电池供电,有着较宽的电压范围。 为匹配不同的电源电压和发送器线圈所需母线电压,在Vin与Vbus之间可使用DC/DC变换器来调节电压,而DC/DC变换器拓扑主要取决于电源电压Vin和线圈所需母线电压Vbus之间的电位关系。

例如一款30W的无线充电器,输入电压Vin为12V 电源适配器提供,母线电压Vbus设计为在2V至20V范围内调节,此时就需要升降压变换器来满足Vin与Vbus之间的电压匹配。有些无线充电器设计为节省成本,选择牺牲待机功耗,在待机状态下发送线圈母线电压设计为输入端电压,则只需要升压芯片来满足充电时Vbus电压要求即可。

德州仪器升压和升降压方案在无线充电设备中的应用

德州仪器提供一系列的升压以及升降压产品,可满足各个功率范围的无线充电发送器的设计需要。下文将简要介绍德州仪器产品在不同应用场景中的最优方案。

 

德州仪器产品

升压变换器(可支持10W~20W无线充电)

TPS61372, TPS61089, TPS61088, TPS61178

升压控制器(可支持20W~50W无线充电)

TPS43061

升降压控制器(可支持20W~50W无线充电)

LM34936

 

升压和升降压控制器在无线充电器中的应用

目前,市面上的无线充电器功率在5W~30W不等。由于消费者对无线充电的诉求多为高效快速,大功率无线充电器成为新的趋势。此外,支持给多种无线设备同时充电的无线充电器也以其良好的用户体验越来越受到消费者亲睐。图3所示为无线充电器同时给手机,手表和耳机进行无线充电的应用场景。

                 

3. 无线充电器

图4为无线充电器电路示意图,为适应不同额定电压的适配器,输入电压范围设计为5V至20V。在待机状态下为减小待机功耗,输出电压可设计为低至2V;在满载下,输出电压需要升到最高设计值以获得最优的传输效率。如在30W无线快充中,升降压电路的最大输出电压一般设为20V左右。

4. 升降压方案在无线充电器中的应用

德州仪器LM34936为四开关管的同步升降压控制器,内置2A MOSFET驱动,最大输出电压可至30V,封装小,效率高,适用于大功率无线充电器的设计需要。

如果为了降低成本,可选择升压控制器方案。德州仪器的同步升压控制器TPS43061较普通非同步升压方案可显著工作效率,减少热损耗,是大功率无线充电器设计的理想方案。

升压变换器在反向无线充电手机中的应用

近年来,反向无线充电功能也成为中高端智能手机的趋势之一。智能手机不仅仅作为一款通讯工具,也成为集多功能于一体的智能电子设备,可为TWS无线耳机,智能手表或其他手机进行无线充电,如图5所示。

5. 支持反向无线充手机的应用场景

反向无线充电手机的电路示意图如图6,其中升压变化器可选择德州仪器的TPS61372TPS61089

6. 升压方案在支持反向无线充手机中的应用

TPS61372在手机反向无线充应用中有以下显著优势:

  • 宽范围电压输出最高可至16V,减小线圈电流,降低线圈损耗;
  • 整体方案尺寸小,设计简单,BOM成本低
    • 芯片采用小尺寸的WCSP封装,仅为1.57mm×1.52mm×0.5mm,如图7所示,特别适用于手机应用;
    • 支持1.5MHz高开关频率,可有效减小外部电感电容的尺寸,降低成本;
    • 外部元件少,设计简单
    • 轻载下可选择PFM模式或者PWM模式,灵活满足客户对于轻载效率或者EMI设计要求。
    • 具有真关断功能,当芯片处于不工作状态时,输入和输出端之间为真关断,减小待机功耗。

图8为典型应用示意图。

                                                               

                             7. TPS61372封装示意图                                               8. TPS61372升压应用电路图                                        

对于更大功率的无线充电设计需求,则可选择TPS61089

 

升压变换器在无线充电移动电源中的应用

支持无线充电的移动电源也越来越多的涌现出来,其无线充电路结构与手机中的类似,如上图6所示。目前,移动电源的无线充电功率在5W~20W不等,德州仪器升压变换器TPS61089, TPS61088, TPS61178可用于此应用。

9. 无线充移动电源

TPS61089, TPS61088的最大输出电压都为12.6V,两者分别支持7A和10A的最大开关电流;TPS61178的最大输出电压为20V,能提供最大至10A的开关电流。德州仪器的这三款芯片为集成上下管的同步升压转换器,可满足5W~20W无线充移动电源的设计需要。

德州仪器将会不断推出适用于无线充应用的升压和升降压方案,可关注TI官网升压产品升降压产品获取最新信息。

 

  • 从文章中可以读出TPS61372在手机反向无线充应用中有以下显著优势:

    宽范围电压输出最高可至16V,减小线圈电流,降低线圈损耗;

    整体方案尺寸小,设计简单,BOM成本低

    芯片采用小尺寸的WCSP封装,仅为1.57mm×1.52mm×0.5mm,如图7所示,特别适用于手机应用;

    支持1.5MHz高开关频率,可有效减小外部电感电容的尺寸,降低成本;

    外部元件少,设计简单

    轻载下可选择PFM模式或者PWM模式,灵活满足客户对于轻载效率或者EMI设计要求。

    具有真关断功能,当芯片处于不工作状态时,输入和输出端之间为真关断,减小待机功耗。