面向無線快速充電應用的調壓方案設計與實現*

傅桂娥，徐圣楠，繆 瑜，張一晉

(1.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094；2.南京睿赫電子有限公司，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著手機、智能手表等移動設備的快速發展，無線充電技術的發展已經從理論研究層面逐步走向商業化[1]。近年來，人們對于手機的依賴性越來越強，手機不斷耗電的同時急需快速充電，因此催生了無線快速充電技術的研究和商業化應用。

在傳統的無線傳輸系統中，發射功率通常通過變頻或者定頻調占空比的方式進行調節。這種方式由于其不斷變化的頻率或占空比，可能會對充電設備造成干擾[2]，使得充電設備的充電效率差且充電過程不穩定。作為手機行業的佼佼者，蘋果公司采用的無線快速充電方案即為定頻調壓方案，即固定工作頻率，根據動態的負載功率需求控制調壓單元，最終實現動態的功率輸出[3]。這種方案能讓無線充電對手機的干擾降到最小[4]，但要求實現多擋位的負載電壓精準調整需要核心處理器(Microcontroller Unit，MCU)具備較高的 PWM工作頻率，從而增加應用成本及功耗，亦會影響產品的電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)[3]。 定頻調壓方案雖然具有較高的設計要求，但能夠給用戶帶來更好的充電穩定性、充電效率以及更安全的充電環境，因此在蘋果公司的推動下勢必會成為未來主流的無線充電方式[5]。

目前，已經有一些DC/DC調壓方法可以為定頻調壓方案提供借鑒。文獻[6]提出了一種通過DAC調節DC/DC輸出電壓的電路方案，能夠實現DC/DC輸出電壓的數字可控。文獻[7]探討了基于DC/DC開關穩壓器的數控電源設計方案，能夠實現同一數控電源系統兼并恒壓恒流功能，且具有較高的輸出精度。

基于以上設計，本文提出面向無線快速充電應用的兩種定頻調壓方案：IDAC方案和PWM方案。它們的顯著特點是：(1)無需采用高主頻的MCU，只需通過MCU產生控制信號控制調壓單元從而實現精準可靠的電壓調節；(2)避免輸出級直接受到輸入電壓的影響[8]，使得搭載無線快速充電技術的產品性能更加穩定；(3)通過固定頻率調節電壓控制發射功率，可以有效避免無線充電對手機的通信干擾。實驗驗證了這兩種方案能夠實現寬范圍的電壓調節，滿足蘋果手機的無線快速充電效果。

1 無線定頻調壓系統的整體系統設計

無線定頻調壓系統組成如圖1所示。其中，調壓模塊是實現快速無線充電的核心部分。此外，電源模塊分別給調壓模塊和MCU供電；調壓模塊與橋相連接，通過反饋引腳實現自動穩壓；解調模塊與全橋驅動器相連，將解調后的數據傳給MCU處理；MCU處理器控制調壓模塊的調壓精度及調壓范圍，并且及時處理解調模塊反饋的接收功率請求，然后根據需求輸出控制信號給調壓模塊，從而實現多擋位的電壓精準調節。

圖1 無線定頻調壓系統的基本系統框架

2 無線定頻調壓方案的設計

根據圖1所示系統框架，本節將介紹基于DC/DC的調壓原理，并且基于此提出兩種調壓方案。

2.1 基于DC/DC的調壓原理

DC/DC通過輸出端分壓反饋環路控制最終DC輸出[9]。Fitipower公司的FR9885是一款高效、內部補償的降壓型DC/DC轉換器[10]，如圖2所示，通過在其外圍反饋回路上添加控制信號以實現動態調節輸出電壓，并利用其內部補償功能簡化外部電路設計。當反饋引腳的電壓達到0.4 V時，其最大占空比為90%，轉換效率高。這些優點有助于實現寬范圍的輸出電壓調節。

將圖2中FR9885的FB管腳電壓表示為VFB，穩定狀態下VFB=0.6 V。將連接到DC/DC反饋回路上的控制電壓表示為Vcontrol，從FB管腳流經R7的控制電流表示為Icontrol，DC/DC電路的輸出電壓表示為VDCDC，流經電阻R2的電流表示為IR2，流經電阻R3的電流表示為IR3。當FB管腳呈高阻態時，根據KVL可以得到：

圖2 FR9885典型應用電路

根據KCL可以得到IR2=Icontrol+IR3。最后，

從式(4)可看出，VDCDC和 Icontrol(或者 Vcontrol)成線性比例關系。當Icontrol為0時，輸出電壓達到最大值，為(1+R2/R3)VFB。另外，電壓的可調節幅度可表示為IcontrolR2。因此，只需將Icontrol(或者Vcontrol)和 VDCDC作為設計輸入，進一步確定式(4)中電阻的值或者比例關系，就能實現DC/DC調壓功能。

2.2 IDAC方案設計

基于以上調壓原理，本小節設計一種通過抽取電流改變DC/DC分壓反饋點的電壓大小進而調整DC/DC輸出的IDAC方案。

2.2.1 IDAC方案的實現電路

以DC/DC芯片采用FR9885為例，IDAC方案的實現電路如圖3所示。其中，MCU控制IDAC功能模塊的輸出電流大小以及方向；IDAC功能模塊是一個6位的電流舵型DAC，由兩組電流源和兩組開關組成，各支路電流如圖3標注。MCU通過輸出數字信號d0～d6控制開關 S0～S6及 S0′～S6′選擇流出 IDAC功能模塊的總電流，通過數字信號d7控制開關S7選擇DAC輸出電流方向。IDAC輸出引腳直接連接DC/DC的反饋端。

2.2.2 電路參數的理論推導

如圖3所示，VDAC是連接到DC/DC分壓反饋回路上的控制電壓，IDAC是IDAC功能模塊的輸出抽電流，TRM是MCU用于存儲控制IDAC電流大小的數字寄存器值。DC/DC轉換器及其外圍電路與圖2一致，不再贅述。IDAC相當于圖 2中的 Icontrol，VDAC相當于圖 2中的 Vcontrol。根據IDAC的設計原理可以得到：

圖3 IDAC調壓電路

將式(5)代入式(4)中即可得到DC/DC輸出電壓與TRM控制字的關系式：

2.3 PWM方案設計

由于IDAC方案需要通過MCU外接IDAC功能模塊才能實現，電路較復雜且精度有限。因此，本小節另外設計一種PWM方案，直接利用MCU內集成的PWM功能模塊控制DC/DC的輸出端分壓反饋回路。

2.3.1 應用PWM改變DC/DC反饋電壓的原理

PWM波是一種占空比可調的脈沖波形，其波形的高電平和低電平在實際應用中都是一個常量[11]。以如圖4所示的PWM波形為例，假設該波形的高電平為 VH，低電平為VL，則可以將其電平函數表示為：

其中，T為MCU計數脈沖的基本周期，k為PWM波的周期計數個數，α是PWM波的占空比，t是電平函數的時間變量。根據傅里葉級數展開式可以得到：

從式(8)可以看出，第一項表達式為直流分量，第二項為一次諧波分量，第三項為高次諧波分量。根據FR9885數據手冊，其反饋電壓只能穩定在0.584 V～0.615 V之間，因此需要將式(8)中的諧波分量濾除后得到隨占空比α變化的直流分量。由于一次諧波分量在所有諧波分量中的影響最大，因此可以根據其諧振頻率設計一個低通濾波器將PWM方波整形成直流信號。

2.3.2 PWM方案的實現電路

圖4 PWM方波

以DC/DC仍然采用FR9885為例，PWM方案的實現電路如圖5所示。其中，MCU通過調節其PWM模塊產生占空比可變的PWM波；濾波電路由簡單的電阻和電容組成，電阻值和電容值的選擇取決于PWM波的一次諧波分量。為了及時響應接收功率請求，MCU需要相應地調整PWM波的占空比以便及時增加或減少接收功率。因此，MCU處理器的PWM輸出引腳需要經過濾波器電路后連接至DC/DC反饋引腳。

2.3.3 電路參數的理論推導

如圖5所示，IPWM是流向濾波器的電流，相當于圖2中的Icontrol。VPWM是PWM方波信號經過濾波器平滑后的輸出電壓，相當于圖2中的Vcontrol。DC/DC轉換器及其外圍電路與圖2一致，不再贅述。PWM方波由MCU中的PWM功能模塊產生。將PWM波的占空比表示為D(取值范圍為20%～50%)，MCU的PWM引腳的電源電壓表示為VCC。根據PWM經過一級濾波器處理的原理可得到：

將式(9)代入式(4)即可得到輸出電壓與占空比的關系式：

3 無線快充調壓方案的實現

本節將兩種無線快充的調壓方案同時應用于雙線圈無線充電器中。雙線圈無線充電器即分別采用兩路驅動電路和線圈進行功率發射的無線充電系統，實現的樣品圖和PCB圖分別見圖6和圖7。如圖7所示，左邊電路采用IDAC方案實現無線快充，右邊電路采用PWM方案實現無線快充。該系統支持在左右兩個線圈上分別放置手機同時進行定頻調壓式充電。

圖5 PWM調壓電路

圖6 雙線圈無線充電器樣品圖

圖7 雙線圈無線充電器PCB圖

4 性能驗證

本節對提出的兩種調壓方案進行性能驗證，采用12 V直流穩壓電源作為系統電源，使用萬用表在DC/DC輸出端測量得到實驗結果。

4.1 IDAC調壓性能測試

在IDAC調壓性能測試中，以IDAC電流的流動方向、可調節范圍(TRM變化范圍為0～63)以及 VDCDC的目標調節范圍(4 V～11 V)作為設計輸入，根據式(6)推導并選擇電阻值為：R2=220 kΩ，R3=12 kΩ。如圖 8所示，對比實測值與理論值可見：當IDAC輸出電流是抽電流時，IDAC方案可以實現較寬的調節范圍，但實測值相對理論值偏低。當TRM為0至7時，DC/DC輸出電壓無明顯波動，穩定在10.53 V左右。這是因為FR9885的最大輸出占空比為90%，當輸入電壓為12 V時，最大輸出電壓只能達到10.8 V。盡管如此，4 V～10.53 V的電壓范圍已經能夠滿足蘋果無線快充的調壓需求。當TRM為8～63時，DC/DC輸出電壓隨著TRM變大而線性減小。

4.2 PWM調壓性能測試

圖8 IDAC調壓測試數據

在PWM調壓性能測試中，以PWM波的占空比調節范圍(20%～50%)及 VDCDC的目標調節范圍(4 V～11 V)作為設計輸入，根據式(10)推導并選擇電阻值為：R2=680 kΩ，R3=39 kΩ，R7=100 kΩ。如圖9所示，對比實測值與理論值可見：實測值相對理論值偏高，但也能實現寬范圍的電壓調節。當D為20%～21%時，DC/DC輸出電壓無明顯波動，穩定在10.51 V左右。當 D為21.5%～50%時，DC/DC輸出電壓隨著D變大而線性變小。

圖9 PWM調壓測試數據

4.3 兩種調壓方案的性能對比

圖10 iPhone8完整充電曲線

以上測試結果表明兩種調壓方案均能實現4 V～10.5 V的寬范圍DC/DC輸出電壓。PWM方案是通過調節占空比來改變DC/DC的輸出電壓，調節精度達到每調節0.1%的占空比就能實現0.02 V的輸出電壓變化。IDAC方案的精度取決于IDAC功能模塊本身的精度，其每調節1比特的TRM實現0.1 V的輸出電壓變化。因此，PWM方案相對IDAC方案更為靈活可控。

在無線充電的實際應用中，幾乎所有MCU處理器都提供定時器或者PWM輸出功能。因此，當采用PWM方案時，只需在MCU處理器的基礎上經過簡單的濾波電路就能實現定頻調壓，將有效降低成本并控制其調壓的精度。然而，并非所有的MCU處理器都會包含DAC功能，即使有些MCU處理器內部集成了DAC，限于DAC實現電路的復雜度及占用較大空間，DAC的精度也往往不高，需要通過外接DAC功能模塊[10]。因此，PWM方案相對IDAC方案成本更低且更易實現。

4.4 無線快充性能測試

圖10顯示了基于PWM方案的雙充無線充電器給iPhone8充電的電壓、電流及功率曲線，表明輸入功率最大可達到9 W且持續時間長達20 min，充電過程無斷連，最后于2小時40分左右充滿電量。

5 結論

本文基于DC/DC調壓原理設計并實現了兩種面向無線快充應用的定頻調壓方案。性能及充電測試驗證了兩種方案的正確性及有效性，表明其靈活可控、性能穩定且實現成本較低，具有重要的應用價值。