車載手機無線充電模塊的設計挑戰(zhàn)

王闖，延鋒

（偉世通電子科技（上海）有限公司，上海，200233）

1 供電環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)和解決方法

1.1 供電環(huán)境

供電環(huán)境和消費類最大的不同點主要是供電的電源和電氣環(huán)境不同。消費類電子使用的供電為220V，50Hz的交流電，而車上的供電為12V（9V~16V）的直流電。從電壓的角度來看，好像汽車上的供電環(huán)境更好一些。但通過實際的汽車上電子設備的開發(fā)經驗告訴我們，車載電子產品要面臨更多的供電問題和挑戰(zhàn)。

1.2 面臨的挑戰(zhàn)

首先，供電電壓范圍寬。當然這是一個相對值，相對于12V的典型值，最低的工作電壓到6V甚至更低，最高工作電壓至16V或者更高到18V，相對于12V的典型值，輸入電壓的變化范圍為典型值的一倍，要保證在這么寬泛的輸入電壓范圍內還可以保持內部的供電是穩(wěn)定的。

2 工作環(huán)境的挑戰(zhàn)

2.1 電氣環(huán)境

電氣環(huán)境所面臨的主要問題是電磁兼容，也就是EMC的影響。這里面包括兩個方面。

（1）充電模塊對其他產品的干擾（EMI）

為了保證車上眾多模塊可以穩(wěn)定可靠的工作，對EMC的要求都很嚴格。其中，AM/FM(調幅/調頻)無線電收音機、電容式開關、智慧鑰匙和近距離通訊(NFC)設備等，它們工作時對外部電磁干擾(EMI)特別敏感。EMI包括：傳導輻射（CE），空間輻射（RE）。尤其是充電線圈和相關的驅動電路部分，這部分本身是要求要有一定的輻射功率來保證達到預定的充電電流和功率，但這個和輻射干擾（RE）要求是相互矛盾的。讓充電模塊在不充電的時候進入休眠模式，是一個不錯的降低輻射的選擇。要在設計的時候要充分考慮電路的輻射干擾，做好電路設計和PCB布置。

（2）充電模塊的抗干擾特性（EMS）

為了保證充電模塊可靠的工作，要保證能夠抵抗其他模塊的干擾。這其中包括 ：傳導干擾（CI），輻射干擾（RI），大電流注入干擾（BCI），還有靜電干擾（ESD）干擾等。這些干擾無論從干擾源，傳導路徑和被干擾源，都有著更嚴格的標準。這些都是要在設計和調試需要考慮的問題，比起消費電子要復雜的多。尤其是傳導干擾（CI）對產品的本身影響很大。

2.2 非電氣環(huán)境

在非電氣環(huán)境方面，主要分為溫濕度環(huán)境和結構工作環(huán)境。

（1）溫濕度工作環(huán)境

汽車上器件要求的工作溫度范圍是比較寬的，一般為-40℃~85℃，當然這個還不包括元件本身發(fā)熱的影響。如果把這個考慮在內，溫度還會上升10℃~20℃，既最高100℃左右。濕度最高在95%以上。同時，還要能夠承受溫度變化，既冷熱沖擊的影響。

要在這么惡劣的溫濕度環(huán)境下工作，保證電路能夠穩(wěn)定可靠的工作，不出現誤動作，保證性能在允許范圍內，保證使用壽命等。首先，元器件的選擇上就要使用符合車載產品需求的元件（帶有AECQ認證）。其次，電路設計的時候要充分考慮在全溫度范圍元器件的偏差，保證足夠的余量。

（2）結構工作環(huán)境

結構的工作環(huán)境上主要是震動帶來的影響。這對基于緊耦合磁感應技術的無線充電模塊設計是非常大的挑戰(zhàn)，除了在機械結構上利用特殊裝置來固定無線充電發(fā)射器外，同時在無線充電模塊設計時也要考慮以下輔助措施，確保系統的緊耦合和可靠工作。第一，使用多線圈或單個大尺寸線圈設計，增加有效充電面積，達到自由定位對準的目的。第二，使用印刷電路板(PCB)類型線圈，以提高線圈在振動環(huán)境中的使用壽命。另外，PCB上使用的元件不要選擇過高的元件，要選擇焊接可靠的元件。尤其是電解電容，最好使用貼片的電解電容，因為插件的電解電容在震動時很容易管腳斷裂。

3 安全方面的考慮

由于是裝載在汽車上，而且是利用磁場來進行能量的傳輸，所以在可充電范圍內的金屬等會被加熱，嚴重時會導致發(fā)煙、發(fā)火等使用安全問題。所以，對于外部異常磁性金屬物體的檢測是非常重要的。一般使用外部異物檢測演算法(FOD)。一般有四種措施可使用：第一，檢測無線充電發(fā)射器線圈和充電表面的溫度，當溫度超過預設的限值后終止功率發(fā)送。

第二，檢測無線充電發(fā)射器線圈端的電壓或電流訊號，當其幅值超過預設的限值后終止功率發(fā)送。第三，諧振偏移法，系統建立功率傳輸前，在無線充電發(fā)射器諧振網路的自由諧振階段，檢測其線圈端電壓或電流訊號的幅值或頻率，當其幅值或頻率相比于無線充電發(fā)射器自身諧振網路自由諧振時的幅值或頻率發(fā)生偏移，且偏移值超過預設的限值后，認定有外部物體放入無線充電發(fā)射器的有效充電區(qū)域內。如果在接下來的身分鑒定階段，該外部物體被確定是非法的充電接收器，那么無線充電發(fā)射器判定該外部物體為異物并不會建立功率傳輸。

對比上面的三種方案，前兩種只能在系統建立功率傳輸后才能識別外部異物，而第三種是系統建立功率傳輸前有效的外部異物識別方法。

4 針對汽車接口電路的設計

由于是搭載在汽車上使用，充電模塊是需要和車上有接口電路的。一般分為：電源線接口、通信接口、LED燈驅動接口、通用接口等。

5 總結

做為車載充電模塊，需要充分考慮到汽車上的應用環(huán)境來做設計。這里面既包含電路本身的設計考量，還包括為了應對車上的使用環(huán)境，追加的可靠設計和安全設計的部分。另外，元件本身誤差和可靠性等和結構設計也是需要同時考慮。