无线充电应用的次级端整流桥应用方案研究

摘要：本文主要介绍了在无线充电应用中，如何进行次级端的整流桥设计，并对三种设计方案进行了比较，得出采用2颗肖特基二极管和2颗MOSFET的最佳最佳整流桥配置方案。

简介

如今，业界持续需要移动(on-the-go)电源管理，无线(无接触式)充电方案在市场正变得越来越流行。虽然能效不如现有线缆充电方案高，但无线充电方案为消费者提供更多便利，亦省下了额外的充电线缆。无线充电的应用领域涵盖便携电子产品、汽车，甚至是医疗等行业。当今的高科技社会越来越渴求针对多种电子设备的便利充电方案。潜在的无线充电市场机遇包括汽车、机场及家中应用。如今游戏平台也为游戏控制器提供无线充电选择，目的是为消费者提供更多便利。随着无线充电技术变得更加流行，许多手机制造商已经开始提供集成了额外电路以使产品兼容无线充电的电池盖。

无线充电并非新概念。电动牙刷和剃须刀使用这种充电方法已经有些年头了。消费者简单地将设备置于基座(base unit)上来给电池充电，而不需要暴露的金属触点。无线充电减少或省去充电线缆，且能够同时为多个设备充电，只要简单地将它们置于同一个充电板上就可以了。

无线充电是通过使用空芯(air-core)变压器来实现的。初级绕组位于充电板，次级绕组位于设备本身。充电板在次级绕组感应出电流，此电流通过手持设备内的全桥整流器及额外电路，产生直流电压来为电池充电。图1显示了无线充电电路的框图示例。基座采用标准壁式插座供电。一旦手持设备置于基座上，电池就开始充电。

变压器基本原理

当电流通过线圈时，就产生磁场。变压器利用这基本属性从一个绕组感应电流到另一个绕组。匝数比N指的是次级端绕组的匝数与初级端绕组匝数之比。

匝数比用于计算次级端绕组中感应的电压和电流。次级端绕组产生的电压可用下述等式来计算：

次级端绕组电流的计算等式如下：

变压器可以设计为不同的配置，并使用磁芯材料在次级绕组中感应出磁场。磁导率(µ)衡量的是变压器中产生磁场的有效性。换句话说，磁导率指的是变压器能够以多高的效率将电能提供给次级绕组。磁导率越高，变压器将电能从初级传输到次级的效率就越高。本征磁导率指的是真空磁导率，其定义为：

单位是牛顿每平方安培。相对磁导率的定义是特定材料的磁导率除以本征磁导率，即

如今业界使用最广泛的材料是磁芯。锰锌铁氧体磁芯的相对磁导率是640或更高。然而，对于无线充电器而言，磁芯材料是空气。这是因为初级绕组处于与次级绕组相隔离的基座中。空气的相对磁导率是1，使变压器的能效低得多。由于变压器能效低，电路其它部分的能效就变得极为重要。

　　次级端整流桥

全桥整流器及滤波器电路通过感应在次级绕组的交流信号产生恒定直流电压。图2显示了使用4颗二极管配置的全桥整流器电路。

当二极管1和3正向偏置时，二极管2和4反向偏置，反之亦然。因此，整流桥的主要功率损耗就是两个二极管上的正向压降。标准二极管的压降约为0.7V。这表示两个二极管的功率损耗为：

  　　(6)

肖特基二极管的正向压降要低得多，典型值约为0.4V。对于如图2所示的整流桥配置而言，肖特基二极管提供更高的能效。图2中的输入波形示例是正弦波，幅值为VPK。经过整流的输出的幅值为VPK，周期中的两个半波都是正波。

图3显示的是输入电压正弦波形1区和2区时流过整流桥和负载的电流路径。在输入电压周期的前半部分(对应于1区及图4a)，节点a的电压高于节点b的电压。电流流过二极管1，经过负载后，又通过二极管3流回变压器。在输入电压周期的后半部分(对应于2区及图4b)，节点b电压高于节点a电压，电流以相反方向流动，流过二极管2，穿过负载，再通过二极管4流回变压器。在每种情况下，电流都以相同的方向流过负载本身，产生如图2所示的输出电压波形。

另一种全桥整流器配置包含2颗二极管和2颗MOSFET器件。图4显示了这种配置的示例。

对于这种整流桥配置而言，二极管3和4被两颗N沟道MOSFET替代。MOSFET 3的门极连接至节点a，MOSFET 4的门极连接至节点b。当MOSFET关闭时，每颗MOSFET的体二极管(body diode)阻断电流流动。这种配置的桥输入及输出波形与上述桥配置的波形相同。在1区，节点a电压高于节点b电压。二极管1正向偏置，二极管2反向偏置，MOSFET 3导通，而MOSFET 4关闭(MOSFET 4的体二极管反向偏置)。在2区，节点b电压高于节点a。二极管2正向偏置，二极管1反射偏置，MOSFET4导通，而MOSFET 3关闭(MOSFET 3的体二极管反向偏置)。

这种配置的电路路径及输出波形结果与上述配置相同。然而，通过以MOSFET替代两颗二极管，整流桥的能效得到提升，二极管及MOSFET的功率损耗计算等式为：

  　　(7)

表1比较了使用2A负载条件下三种次级全桥整流器电路应用方案的功率损耗。第一种应用方案是标准4颗二极管配置，第二种应用方案是使用肖特基二极管的4颗二极管配置，第三种应用方案包含2颗肖特基二极管和2颗MOSFET，这种方案有如安森美半导体的NMLU1210集成方案。

如表所示，第三种应用方案的功率损耗最低。节省的功率损耗直接转化为次级端电路整体能效的提升，使无线充电方案具有更高能效。全桥整流器也可以采用4颗MOSFET来实现。但这种应用方案牵涉的因素更多，要求审慎思考。

能效考虑因素对无线充电方案至关重要，因为无线充电方案采用的气隙变压器的能效相比传统线缆充电方案低。因此，为了将无线充电的性能提升至最高，每个电路模块的能效都必须仔细考虑及加以应对。如文中的功率损耗计算结果所示，应用2颗二极管和2颗MOSFET的方案最能节省功率损耗。对于当今的电子行业而言，节能及提升能效处于消费者及制造商所关注问题的最前沿。随着无线充电深入发展，业界对高能效及高性能方案的需求也越来越高。