德州儀器升壓和升降壓直流-直流變換器助力無線充電設計

無線充電市場火爆，德州儀器升壓和升降壓直流-直流變換器助力無線充電設計

By Eileen Zhang（原文鏈接：https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/archive/2019/12/27/53121）

將無線充電帶入大眾視野當數蘋果與三星兩大手機廠商：2015年，三星發布了支持無線充電的手機—Galaxy S6；2017年，iPhone8以及iPhone X成為蘋果首款支持無線充電的手機。此后，華為、小米等國內手機廠商也紛紛試水無線充電，這項技術也一度成為中高端手機新趨勢。

無線充電產品以其便利性，可靠性，安全性越來越受到消費者的追捧。除手機以外， 越來越多支持無線充電的TWS無線耳機，智能手表等可穿戴設備不斷涌入市場。與此同時，不同種類的無線充電設備也逐漸融入我們的生活場景，如宜家推出配有無線充電底座的臺燈，小米推出30W超級無線閃充充電器等。

無線充電系統主要由電源、無線充電發送器和無線充電接受器三部分構成。圖1為整個系統的組成主件，圖2所示為其電路示意圖。無線充電系統是如何工作的呢？以下為其工作原理的簡要介紹：

• 無線充電發送器(Tx)通常由一個 5V 至 20 V 的直流輸入電源供電，這個電源來自AC/DC 電源適配器或 USB 端口。一些特殊應用（如手機反向無線充電）也可能為電池供電。
• 無線功率控制器可驅動半橋或者全橋變換器來傳輸能量，并通過與接收器的通訊來調節傳輸功率。
• 發送器線圈通過電磁感應傳輸電力，能量被耦合到無線功率接收器(Rx)中。接收器通過一個類似的線圈來接收能量，并通過整流及功率變換電路（如充電電路）為后級提供能量。
• 接收器可通過通信接口發送命令來調節充電電壓，還可以在收到充電結束的指示后，完全終止功率傳輸。

圖1. 無線充電系統

圖2. 無線充電系統電路示意圖

為提高無線充電系統的工作效率，無線充電發送器(Tx)中線圈所需母線電壓Vbus可設計為隨著傳輸功率的大小而 變化：滿載充電時，傳輸功率最大，母線電壓升至最高；待機狀態時，傳輸功率最小，母線電壓也隨之降為最低。

前文提到過，無線充電發送器的電源Vin可能來自AC/DC電源適配器或USB 端口（5V 至 20 V），也可能為電池供電，有著較寬的電壓范圍。 為匹配不同的電源電壓和發送器線圈所需母線電壓，在Vin與Vbus之間可使用DC/DC變換器來調節電壓，而DC/DC變換器拓撲主要取決于電源電壓Vin和線圈所需母線電壓Vbus之間的電位關系。

例如一款30W的無線充電器，輸入電壓Vin為12V 電源適配器提供，母線電壓Vbus設計為在2V至20V范圍內調節，此時就需要升降壓變換器來滿足Vin與Vbus之間的電壓匹配。有些無線充電器設計為節省成本，選擇犧牲待機功耗，在待機狀態下發送線圈母線電壓設計為輸入端電壓，則只需要升壓芯片來滿足充電時Vbus電壓要求即可。

德州儀器升壓和升降壓方案在無線充電設備中的應用

德州儀器提供一系列的升壓以及升降壓產品，可滿足各個功率范圍的無線充電發送器的設計需要。下文將簡要介紹德州儀器產品在不同應用場景中的最優方案。

升壓和升降壓控制器在無線充電器中的應用

目前，市面上的無線充電器功率在5W~30W不等。由于消費者對無線充電的訴求多為高效快速，大功率無線充電器成為新的趨勢。此外，支持給多種無線設備同時充電的無線充電器也以其良好的用戶體驗越來越受到消費者親睞。圖3所示為無線充電器同時給手機，手表和耳機進行無線充電的應用場景。

圖3. 無線充電器

圖4為無線充電器電路示意圖，為適應不同額定電壓的適配器，輸入電壓范圍設計為5V至20V。在待機狀態下為減小待機功耗，輸出電壓可設計為低至2V；在滿載下，輸出電壓需要升到最高設計值以獲得最優的傳輸效率。如在30W無線快充中，升降壓電路的最大輸出電壓一般設為20V左右。

圖4. 升降壓方案在無線充電器中的應用

德州儀器LM34936為四開關管的同步升降壓控制器，內置2A MOSFET驅動，最大輸出電壓可至30V，封裝小，效率高，適用于大功率無線充電器的設計需要。

如果為了降低成本，可選擇升壓控制器方案。德州儀器的同步升壓控制器TPS43061較普通非同步升壓方案可顯著工作效率，減少熱損耗，是大功率無線充電器設計的理想方案。

升壓變換器在反向無線充電手機中的應用

近年來，反向無線充電功能也成為中高端智能手機的趨勢之一。智能手機不僅僅作為一款通訊工具，也成為集多功能于一體的智能電子設備，可為TWS無線耳機，智能手表或其他手機進行無線充電，如圖5所示。

圖5. 支持反向無線充手機的應用場景

反向無線充電手機的電路示意圖如圖6，其中升壓變化器可選擇德州儀器的TPS61372或TPS61089。

圖6. 升壓方案在支持反向無線充手機中的應用

TPS61372在手機反向無線充應用中有以下顯著優勢：

• 寬范圍電壓輸出最高可至16V，減小線圈電流，降低線圈損耗；
• 整體方案尺寸小，設計簡單，BOM成本低
  • 芯片采用小尺寸的WCSP封裝，僅為1.57mm×1.52mm×0.5mm，如圖7所示，特別適用于手機應用；
  • 支持1.5MHz高開關頻率，可有效減小外部電感電容的尺寸，降低成本；
  • 外部元件少，設計簡單
  • 輕載下可選擇PFM模式或者PWM模式，靈活滿足客戶對于輕載效率或者EMI設計要求。
  • 具有真關斷功能，當芯片處于不工作狀態時，輸入和輸出端之間為真關斷，減小待機功耗。

圖8為典型應用示意圖。

圖7. TPS61372封裝示意圖 圖8. TPS61372升壓應用電路圖

對于更大功率的無線充電設計需求，則可選擇TPS61089。

升壓變換器在無線充電移動電源中的應用

支持無線充電的移動電源也越來越多的涌現出來，其無線充電路結構與手機中的類似，如上圖6所示。目前，移動電源的無線充電功率在5W~20W不等，德州儀器升壓變換器TPS61089, TPS61088, TPS61178可用于此應用。

圖9. 無線充移動電源

TPS61089, TPS61088的最大輸出電壓都為12.6V，兩者分別支持7A和10A的最大開關電流；TPS61178的最大輸出電壓為20V，能提供最大至10A的開關電流。德州儀器的這三款芯片為集成上下管的同步升壓轉換器，可滿足5W~20W無線充移動電源的設計需要。

德州儀器將會不斷推出適用于無線充應用的升壓和升降壓方案，可關注TI官網升壓產品和升降壓產品獲取最新信息。