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测量便携式电子器件的无线充电系统
点击次数:605 发布时间:2019-10-08

  移动电子产品随处可见-家庭, 医院、学校和口袋。伴随着爆炸 在便携性方面,消费者已经开始期待和需求。 电池寿命长。节能设计技术和 改进的电池技术有助于延长电池寿命 生活,但充电设备仍然是必要的,有时 繁重的任务无线充电系统 简化便携式电子设备如何通过传输充电没有物理连接的设备的能量。有无线充电的各种实现和标准 但大多数使用某种形式的电磁感应。 此应用说明将着重于qi(“chee”)接口 由无线电力联盟(WPC)开发。

  不同于无线通信系统,如无线电或 蜂窝电话,无线电力传输依赖传输效率高于信噪比。从测量角度来看,充电器设计师面临很多挑战。Qi无线充电器设计为产生5瓦的充电功率,而能源之星目标要求高运行效率和低备用电源。功率传输的效率取决于关于发射机和接收机的系统设计具体来说就是每一个人之间的相互作用。典型的设计5瓦系统的目标效率大于70%。线圈、屏蔽、元件和物理元件的选择设计对整个系统效率的影响更大。在无线充电系统中比在典型的充电器,因为无线系统需要两个发射器还有一个接收器。由于屏蔽而存在其他并发症。保护敏感电子设备和来自射频场的电池,以及以防止附近金属物体受热。

  图1.Qi无线充电系统概述。

  系统概述

  虽然这两个有趣和具有挑战性的,齐系统包括低频调制射频,数字和模拟电路都在一个单板上。系统结构的简化框图如图1所示。充电系统使用数字通信,既用于JTAG调试,也用于通过谐振链路在二次和一次电路之间传输数据。充电器的输出电压由二次侧微控制器监控,该微控制器产生信号并使用调制技术将信息传输到一次侧。信息在主侧被解调,在主侧被微控制器解释。调制信息被组织成具有前导字节、头字节、消息字节和校验和字节的信息包。根据wpc规范,信息包可以与标识、配置、控制错误、整流功率、充电状态和功率传输结束信息相关。

  图2.德克萨斯仪器无线功率集,包括BQ500 210EVM—68 9发射机和BQ51013EVM 725接收机。

  设置测量

  我们正在测试的设备是德克萨斯仪器无线功率集,包括BQ500 210EVM—68 9发射机和BQ51013EVM 725接收机(见图2)。收发信机系统除了传输功率外,还将控制信号(在同一RF功率信号的顶部调制)从次级传输到初级,同时动态监测和控制功率电平,以防止由于附近金属物体引起的过热。

  图3.用于测量充电器的测试装置包括混合域示波器、电压和电流探头、实验室级电源和信号注入器。

 

  测试设置如图3所示。19V,0.直流输入功率由泰克PWS4323可编程电源提供。使用mdo4104-6混合域示波器进行测量。该仪器在四个模拟信道上提供1 GHz带宽,并包括许多工业标准控制总线的串行分组解码,如IC间(I2C)和串行外围互连(SPI)。MDO4104-6包括一个射频输入,用于测量高达6GHz的射频信号。控制信号将通过模拟输入进行监测,RF信号及其相应的谐波将用RF输入通道进行分析。注意,由于初级和次级线圈的平面耦合和接近,所以难以无线地测量能量传递。因此,功率将在次级侧用高阻抗电压探头直接测量在输出端。

  Qi充电器功率级是基于半桥LLC拓扑谐振变换器,直接从初级侧充电器控制器控制。根据WPC标准要求,谐振转换器在大约110 kHz至205 kHz的频率范围内进行频率调制,以调节充电器输出功率。

  有几种方法来看待LLC谐振波形。图4显示了一个谐振链电流的传真图,用一个连接到谐振电容链(tp2)的电压探针测量,还显示了谐振频率。也可以使用电流探针或通过变送器板上的I_Sense测试点直接测量该电流。射频功率信号(在发射机侧)由一个通过Picotest J2180A前置放大器连接到TP1的电压探头测量。前置放大器提供高输入阻抗和50欧姆输出阻抗,便于电压探针连接到LLC半桥开关节点。RF通道显示141 kHz的基本工作频率,并且还具有与50%占空比开关电压相关的奇数谐波。偶数谐波的缺乏提供了占空比正好为50%的保证。

  图4.LLC半桥谐振链路电流跟踪,LLC半桥开关频谱低迹。

  图5.LLC半桥开关电压上迹,LLC半桥开关频谱低迹。

  图5显示了LLC半桥转换器开关节点上的模拟跟踪确认50%占空比波形视觉上。

  mdo还用于测量高频信号,如emi。图6示出了来自LLC半桥开关的100 kHz至2 MHz的频率范围内的辐射EMI,以及用于有效地将19VDC输入电压转换为发射机控制器所需的3.3V的低功率600 kHz降压调节器。图7示出了来自LLC半桥开关、600 kHz降压调节器和31 MHz微控制器在5 MHz至50 MHz的频率范围内的辐射EMI信号。

  图6。从LLC半桥开关和600 kHz降压调节器辐射EMI

  图7.从LLC半桥开关,600千赫降压调节器和31兆赫微控制器辐射EMI信号。

  跨谐振链路的数字通信是使用电阻或电容技术来完成的。这两种方法都会导致初级电压的幅度调制。MDO4000的频谱时间能力用于显示调制行为的随时间变化的性质,特别是幅度与时间波形。图8的上部轨迹示出幅度调制信号,而下半部分在频谱视图中示出谐振链路信号。可以使用电压探头或近场h探头提取数字信息,该探头通过picotest j2180a前置放大器连接到mdo4000 rf输入端。对于这个应用说明,我们使用了一个近场探针集从电测量。

  在时域中可以看到通信信号。图9示出了由接收机控制器产生的通信调制控制信号,图10示出了发射机初级绕组电压的幅度调制。这两个信号都是用一个差分电压探头测量的,以获得大的清晰度和小的电路负载。差动探头比主控制器电压更重要于测量一次电压。这是因为接收器控制信号是接地参考信号,并且阻抗相对较低。初级电压是浮动的,并且作为谐振槽电路的一部分,初级电压对诸如电压探针的输入电容的负载更敏感。

  图8。射频输入显示LLC半桥变换器的频谱在较低的跟踪和幅度调制下,利用频谱时间幅值与时间函数来显示通信信号在上部的

  图9。用TDp0500差分探头测量的接收器调制控

  Qi充电器终提供一个5V,1A的输出来为便携式电子电池充电。LLC半桥变换器粗略地调节次级侧电压。然后使用5V低压差调节器(LDO)调节输出。

  图11显示了使用picotest j2111a电流注入器对5v输出施加小信号阶跃负载的结果,以便测量该终输出调节器的动态响应和控制回路稳定性。现在的喷射器用来代替电子负载,以允许更快的上升和下降时间。

  混合示波器的主要价值是它能够在两个域之间进行时间相关测量,时域和频域。此外,它可以在多个模拟、数字和射频信号之间进行这些测量。时间相关意味着混合域示波器可以测量其所有输入之间的时序关系。例如,它可以测量控制信号与无线电传输开始之间的时间,测量发送的无线电信号的上升时间,或者测量无线数据流中符号之间的时间。可以分析在设备状态变化期间的电源电压骤降并与RF信号的影响相关。时间相关性对于理解完整的系统操作:因果关系至关重要。

  使用MDO4000混合域示波器,我们能够在一些探针和附件的帮助下测量Qi无线电池充电器的逻辑、射频和模拟功能。在通信信号的情况下,mdo在多个域中测量信号。这包括监测控制信号、RF接收输出以及频谱幅值以及RF幅值与时间。这使我们能够看到在其起点上、在RF链路信号内以及在发射机绕组两端的接收点上的信号。我们还测量了终ldo输出调节器的模拟阶跃负载性能,并能够捕获emi信号。

  图10.用TDP0500差动探头测量初级线圈电压。

  图11.5V输出的动态负载响应。蓝色记录道是电流(20mA/div),黄色记录道是电压(100mV/div)。

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