无线充电系统提供的便利性使它们越来越广泛地用于消费品和家用电器。 但是无线充电设备的开发给设计人员带来了许多挑战。大多数无线应用的特点是电路和成本方面的空间有限。 因此,设计人员必须在不影响质量的前提下最大程度地减少元件数量。

 

产品安全标准

产品安全性和合规性的国际标准,USB通信标准以及Qi无线电源传输标准。


同时,设计还必须防止与过载和瞬变相关的故障。能源效率通常也是优先考虑的问题。此外,产品必须符合安全、浪涌和瞬变保护的国际标准。因此,了解可用于无线充电器的保护、高效控制和安全传感的方法是非常有用的。


无线充电系统由三部分组成:电源适配器、充电电缆和充电板。电源适配器将来自电源线的交流电压转换为直流电压。充电电缆将电力从电源适配器输送到无线充电板。充电板然后将电力无线传输到要充电的设备。


电源适配器必须应对交流电源带来的任何过载和瞬变情况。 电路保护通常在输入阶段。 常见的电气危险包括; 感应雷电浪涌,开关浪涌,静电放电和过载故障电流。 低功率电源适配器使用各种过压保护方案。MOV通常是注重长期可靠性的电源适配器的选择。

 

 

 

熔断器是过电流保护的主要选择,尤其是对于较高功率的适配器。设计人员在决定熔断器外形时有多种选择。主要选择有管状熔断器、通孔熔断器或表面贴装熔断器。表面贴装熔断器通常占用的PCB面积最少。


不管熔断器的外形尺寸如何,熔断器必须具有足够的电压和电流中断额定值才能完成这项工作。 设计人员经常考虑使用延时熔断器,以避免因过电压事件而造成误断开。 每种类型的熔断器对过载的反应都不同。 此外,试图使能效最大化的设计人员应评估熔断器的功率损失额定值。


设计人员可以通过选择具有低导通电阻,低栅极电荷和高dv / dt额定值的MOSFET来最大限度地提高充电器效率,以减少开关损耗并获得更快的开关转换时间。 具有低导通电阻和高dv / dt参数的MOSFET可以在更高的频率下开关,从而实现更有效的开关模式电源电路拓扑。 出于相同的原因,设计人员应将MOSFET与内部软恢复二极管一起使用,以减少关断瞬变并减少电磁辐射(EMI)。

            

通常在无线充电系统中部署电路保护元件的位置。
    

用于单向(左)和双向(右)瞬态保护的TVS二极管配置。

 

在许多电源拓扑中,降压变压器降低交流电压,然后肖特基二极管将信号整流回直流。在这部分设计中,建议使用具有低正向压降和高频工作的肖特基二极管。

 

电源输入端的瞬态电压可以通过到达输出整流器。其中一些瞬态可能大到足以损坏功率半导体器件。瞬态电压抑制(TVS)二极管可以提供一定程度的保护。TVS二极管对瞬态的响应速度非常快,通常不到一皮秒。它们还具有低箝位电压,以保护敏感的电子电路。设计人员可以选择TVS二极管的单向或双向配置。

 

USB Type-C协议允许高达100 W的充电功率,以加快充电过程。与早期的USB标准相比,这是可用功率的大幅增加。这种高级电源协议使用间距为0.5毫米的USB Type-C连接器,比USB Type-A连接器小五倍。

 

USB电源适配器和充电电缆的典型框图,其中包括典型的电路保护措施。


灰尘和污垢在连接器上的插针之间会产生电阻故障,在较小的空间中施加更多的功率会增加并产生热点的风险。 设计人员应考虑使用数字温度指示器(例如PolySwitch setP)来检测温度过高。 setP温度指示器测量的面积不到十分之一平方英寸,并且随着温度从大约80摄氏度升高到100摄氏度,电阻迅速升高。它被设计用于Type-C连接器的配置通道(CC)线路中,以检测过热事件并帮助保护电路。


setP温度指示器符合USB Type-C标准,用于监测USB Type-C连接器的温度。有关此保护方案的电路配置的详细信息,请参阅USB Type-C电缆和连接器规范。


保护无线充电板
无线充电板的电源来自专有的直流输入或USB端口。 设计人员应保护直流输入电路免受过载和瞬变的影响。 无论使用哪种电源输入,都强烈建议进行保护。

 

PolySwitch setP温度指示器的电阻与温度特性曲线。


在直流输入电路上,设计人员应考虑通过快速熔断器进行过载保护。 额定用于适当直流电压的小型表面贴装式熔断器适用于此目的。 对于瞬态保护,表面贴装的TVS二极管可以提供高达±30 kV的ESD保护和1,500 W的峰值瞬态功率吸收。 大多数TVS二极管常见的低钳位电压有助于避免在瞬态冲击时对下游电路元件施加压力。


当然,无线充电器必须符合国际标准。 该标准定义了最低安全要求,并详细说明了评估各种电气危害(例如ESD,快速瞬变和浪涌水平)的测试。 使用USB通信的无线充电器必须确保符合通用串行总线(USB)标准的互操作性。 设计人员还应该熟悉Qi无线充电协议,该协议定义了能量如何传输到产品电池。

 

在无线充电板的框图上可以看到典型保护和检测元件的位置。


电路保护可以帮助确保良好的最终用户体验。 在这方面,保护元件制造商的应用工程师可以在设计周期的早期参与,他们可以节省大量的开发时间并减少设计修订。