摘要：本文主要介紹了在無線充電應用中，如何進行次級端的整流橋設計，并對三種設計方案進行了比較，得出采用2顆肖特基二極管和2顆MOSFET的最佳最佳整流橋配置方案。
簡介
如今，業界持續需要移動(on-the-go)電源管理，無線(無接觸式)充電方案在市場正變得越來越流行。雖然能效不如現有線纜充電方案高，但無線充電方案為消費者提供更多便利，亦省下了額外的充電線纜。無線充電的應用領域涵蓋便攜電子產品、汽車，甚至是醫療等行業。當今的高科技社會越來越渴求針對多種電子設備的便利充電方案。潛在的無線充電市場機遇包括汽車、機場及家中應用。如今游戲平臺也為游戲控制器提供無線充電選擇，目的是為消費者提供更多便利。隨著無線充電技術變得更加流行，許多手機制造商已經開始提供集成了額外電路以使產品兼容無線充電的電池蓋。
無線充電并非新概念。電動牙刷和剃須刀使用這種充電方法已經有些年頭了。消費者簡單地將設備置于基座(base unit)上來給電池充電，而不需要暴露的金屬觸點。無線充電減少或省去充電線纜，且能夠同時為多個設備充電，只要簡單地將它們置于同一個充電板上就可以了。
無線充電是通過使用空芯(air-core)變壓器來實現的。初級繞組位于充電板，次級繞組位于設備本身。充電板在次級繞組感應出電流，此電流通過手持設備內的全橋整流器及額外電路，產生直流電壓來為電池充電。圖1顯示了無線充電電路的框圖示例。基座采用標準壁式插座供電。一旦手持設備置于基座上，電池就開始充電。
變壓器基本原理
當電流通過線圈時，就產生磁場。變壓器利用這基本屬性從一個繞組感應電流到另一個繞組。匝數比N指的是次級端繞組的匝數與初級端繞組匝數之比。
匝數比用于計算次級端繞組中感應的電壓和電流。次級端繞組產生的電壓可用下述等式來計算：
次級端繞組電流的計算等式如下：
變壓器可以設計為不同的配置，并使用磁芯材料在次級繞組中感應出磁場。磁導率(µ)衡量的是變壓器中產生磁場的有效性。換句話說，磁導率指的是變壓器能夠以多高的效率將電能提供給次級繞組。磁導率越高，變壓器將電能從初級傳輸到次級的效率就越高。本征磁導率指的是真空磁導率，其定義為：
單位是牛頓每平方安培。相對磁導率的定義是特定材料的磁導率除以本征磁導率，即
如今業界使用最廣泛的材料是磁芯。錳鋅鐵氧體磁芯的相對磁導率是640或更高。然而，對于無線充電器而言，磁芯材料是空氣。這是因為初級繞組處于與次級繞組相隔離的基座中。空氣的相對磁導率是1，使變壓器的能效低得多。由于變壓器能效低，電路其它部分的能效就變得極為重要。
次級端整流橋
全橋整流器及濾波器電路通過感應在次級繞組的交流信號產生恒定直流電壓。圖2顯示了使用4顆二極管配置的全橋整流器電路。
當二極管1和3正向偏置時，二極管2和4反向偏置，反之亦然。因此，整流橋的主要功率損耗就是兩個二極管上的正向壓降。標準二極管的壓降約為0.7V。這表示兩個二極管的功率損耗為：
(6)肖特基二極管的正向壓降要低得多，典型值約為0.4V。對于如圖2所示的整流橋配置而言，肖特基二極管提供更高的能效。圖2中的輸入波形示例是正弦波，幅值為VPK。經過整流的輸出的幅值為VPK，周期中的兩個半波都是正波。
圖3顯示的是輸入電壓正弦波形1區和2區時流過整流橋和負載的電流路徑。在輸入電壓周期的前半部分(對應于1區及圖4a)，節點a的電壓高于節點b的電壓。電流流過二極管1，經過負載后，又通過二極管3流回變壓器。在輸入電壓周期的后半部分(對應于2區及圖4b)，節點b電壓高于節點a電壓，電流以相反方向流動，流過二極管2，穿過負載，再通過二極管4流回變壓器。在每種情況下，電流都以相同的方向流過負載本身，產生如圖2所示的輸出電壓波形。
另一種全橋整流器配置包含2顆二極管和2顆MOSFET器件。圖4顯示了這種配置的示例。
對于這種整流橋配置而言，二極管3和4被兩顆N溝道MOSFET替代。MOSFET 3的門極連接至節點a，MOSFET 4的門極連接至節點b。當MOSFET關閉時，每顆MOSFET的體二極管(body diode)阻斷電流流動。這種配置的橋輸入及輸出波形與上述橋配置的波形相同。在1區，節點a電壓高于節點b電壓。二極管1正向偏置，二極管2反向偏置，MOSFET 3導通，而MOSFET 4關閉(MOSFET 4的體二極管反向偏置)。在2區，節點b電壓高于節點a。二極管2正向偏置，二極管1反射偏置，MOSFET4導通，而MOSFET 3關閉(MOSFET 3的體二極管反向偏置)。
這種配置的電路路徑及輸出波形結果與上述配置相同。然而，通過以MOSFET替代兩顆二極管，整流橋的能效得到提升，二極管及MOSFET的功率損耗計算等式為：
(7)表1比較了使用2A負載條件下三種次級全橋整流器電路應用方案的功率損耗。第一種應用方案是標準4顆二極管配置，第二種應用方案是使用肖特基二極管的4顆二極管配置，第三種應用方案包含2顆肖特基二極管和2顆MOSFET，這種方案有如安森美半導體的NMLU1210集成方案。
如表所示，第三種應用方案的功率損耗最低。節省的功率損耗直接轉化為次級端電路整體能效的提升，使無線充電方案具有更高能效。全橋整流器也可以采用4顆MOSFET來實現。但這種應用方案牽涉的因素更多，要求審慎思考。
能效考慮因素對無線充電方案至關重要，因為無線充電方案采用的氣隙變壓器的能效相比傳統線纜充電方案低。因此，為了將無線充電的性能提升至最高，每個電路模塊的能效都必須仔細考慮及加以應對。如文中的功率損耗計算結果所示，應用2顆二極管和2顆MOSFET的方案最能節省功率損耗。對于當今的電子行業而言，節能及提升能效處于消費者及制造商所關注問題的最前沿。隨著無線充電深入發展，業界對高能效及高性能方案的需求也越來越高。
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