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測(cè)量便攜式電子器件的無(wú)線充電系統(tǒng)
移動(dòng)電子產(chǎn)品隨處可見(jiàn)-家庭， 醫(yī)院、學(xué)校和口袋。伴隨著爆炸 在便攜性方面，消費(fèi)者已經(jīng)開(kāi)始期待和需求。 電池壽命長(zhǎng)。節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)和 改進(jìn)的電池技術(shù)有助于延長(zhǎng)電池壽命 生活，但充電設(shè)備仍然是必要的，有時(shí) 繁重的任務(wù)無(wú)線充電系統(tǒng) 簡(jiǎn)化便攜式電子設(shè)備如何通過(guò)傳輸充電沒(méi)有物理連接的設(shè)備的能量。有無(wú)線充電的各種實(shí)現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn) 但大多數(shù)使用某種形式的電磁感應(yīng)。 此應(yīng)用說(shuō)明將著重于qi(“chee”)接口 由無(wú)線電力聯(lián)盟(WPC)開(kāi)發(fā)。
不同于無(wú)線通信系統(tǒng)，如無(wú)線電或 蜂窩電話，無(wú)線電力傳輸依賴傳輸效率高于信噪比。從測(cè)量角度來(lái)看，充電器設(shè)計(jì)師面臨很多挑戰(zhàn)。Qi無(wú)線充電器設(shè)計(jì)為產(chǎn)生5瓦的充電功率，而能源之星目標(biāo)要求高運(yùn)行效率和低備用電源。功率傳輸?shù)男嗜Q于關(guān)于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體來(lái)說(shuō)就是每一個(gè)人之間的相互作用。典型的設(shè)計(jì)5瓦系統(tǒng)的目標(biāo)效率大于70%。線圈、屏蔽、元件和物理元件的選擇設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的影響更大。在無(wú)線充電系統(tǒng)中比在典型的充電器，因?yàn)闊o(wú)線系統(tǒng)需要兩個(gè)發(fā)射器還有一個(gè)接收器。由于屏蔽而存在其他并發(fā)癥。保護(hù)敏感電子設(shè)備和來(lái)自射頻場(chǎng)的電池，以及以防止附近金屬物體受熱。
圖1.Qi無(wú)線充電系統(tǒng)概述。
系統(tǒng)概述
雖然這兩個(gè)有趣和具有挑戰(zhàn)性的，齊系統(tǒng)包括低頻調(diào)制射頻，數(shù)字和模擬電路都在一個(gè)單板上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。充電系統(tǒng)使用數(shù)字通信，既用于JTAG調(diào)試，也用于通過(guò)諧振鏈路在二次和一次電路之間傳輸數(shù)據(jù)。充電器的輸出電壓由二次側(cè)微控制器監(jiān)控，該微控制器產(chǎn)生信號(hào)并使用調(diào)制技術(shù)將信息傳輸?shù)揭淮蝹?cè)。信息在主側(cè)被解調(diào)，在主側(cè)被微控制器解釋。調(diào)制信息被組織成具有前導(dǎo)字節(jié)、頭字節(jié)、消息字節(jié)和校驗(yàn)和字節(jié)的信息包。根據(jù)wpc規(guī)范，信息包可以與標(biāo)識(shí)、配置、控制錯(cuò)誤、整流功率、充電狀態(tài)和功率傳輸結(jié)束信息相關(guān)。
圖2.德克薩斯儀器無(wú)線功率集，包括BQ500 210EVM—68 9發(fā)射機(jī)和BQ51013EVM 725接收機(jī)。
設(shè)置測(cè)量
我們正在測(cè)試的設(shè)備是德克薩斯儀器無(wú)線功率集，包括BQ500 210EVM—68 9發(fā)射機(jī)和BQ51013EVM 725接收機(jī)(見(jiàn)圖2)。收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)除了傳輸功率外，還將控制信號(hào)(在同一RF功率信號(hào)的頂部調(diào)制)從次級(jí)傳輸?shù)匠跫?jí)，同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制功率電平，以防止由于附近金屬物體引起的過(guò)熱。
圖3.用于測(cè)量充電器的測(cè)試裝置包括混合域示波器、電壓和電流探頭、實(shí)驗(yàn)室級(jí)電源和信號(hào)注入器。
測(cè)試設(shè)置如圖3所示。19V，0.直流輸入功率由泰克PWS4323可編程電源提供。使用mdo4104-6混合域示波器進(jìn)行測(cè)量。該儀器在四個(gè)模擬信道上提供1 GHz帶寬，并包括許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制總線的串行分組解碼，如IC間(I2C)和串行外圍互連(SPI)。MDO4104-6包括一個(gè)射頻輸入，用于測(cè)量高達(dá)6GHz的射頻信號(hào)?？刂菩盘?hào)將通過(guò)模擬輸入進(jìn)行監(jiān)測(cè)，RF信號(hào)及其相應(yīng)的諧波將用RF輸入通道進(jìn)行分析。注意，由于初級(jí)和次級(jí)線圈的平面耦合和接近，所以難以無(wú)線地測(cè)量能量傳遞。因此，功率將在次級(jí)側(cè)用高阻抗電壓探頭直接測(cè)量在輸出端。
Qi充電器功率級(jí)是基于半橋LLC拓?fù)渲C振變換器，直接從初級(jí)側(cè)充電器控制器控制。根據(jù)WPC標(biāo)準(zhǔn)要求，諧振轉(zhuǎn)換器在大約110 kHz至205 kHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率調(diào)制，以調(diào)節(jié)充電器輸出功率。
有幾種方法來(lái)看待LLC諧振波形。圖4顯示了一個(gè)諧振鏈電流的傳真圖，用一個(gè)連接到諧振電容鏈(tp2)的電壓探針測(cè)量，還顯示了諧振頻率。也可以使用電流探針或通過(guò)變送器板上的I_Sense測(cè)試點(diǎn)直接測(cè)量該電流。射頻功率信號(hào)(在發(fā)射機(jī)側(cè))由一個(gè)通過(guò)Picotest J2180A前置放大器連接到TP1的電壓探頭測(cè)量。前置放大器提供高輸入阻抗和50歐姆輸出阻抗，便于電壓探針連接到LLC半橋開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。RF通道顯示141 kHz的基本工作頻率，并且還具有與50%占空比開(kāi)關(guān)電壓相關(guān)的奇數(shù)諧波。偶數(shù)諧波的缺乏提供了占空比正好為50%的保證。
圖4.LLC半橋諧振鏈路電流跟蹤，LLC半橋開(kāi)關(guān)頻譜低跡。
圖5.LLC半橋開(kāi)關(guān)電壓上跡，LLC半橋開(kāi)關(guān)頻譜低跡。
圖5顯示了LLC半橋轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的模擬跟蹤確認(rèn)50%占空比波形視覺(jué)上。
mdo還用于測(cè)量高頻信號(hào)，如emi。圖6示出了來(lái)自LLC半橋開(kāi)關(guān)的100 kHz至2 MHz的頻率范圍內(nèi)的輻射EMI，以及用于有效地將19VDC輸入電壓轉(zhuǎn)換為發(fā)射機(jī)控制器所需的3.3V的低功率600 kHz降壓調(diào)節(jié)器。圖7示出了來(lái)自LLC半橋開(kāi)關(guān)、600 kHz降壓調(diào)節(jié)器和31 MHz微控制器在5 MHz至50 MHz的頻率范圍內(nèi)的輻射EMI信號(hào)。
圖6。從LLC半橋開(kāi)關(guān)和600 kHz降壓調(diào)節(jié)器輻射EMI
圖7.從LLC半橋開(kāi)關(guān)，600千赫降壓調(diào)節(jié)器和31兆赫微控制器輻射EMI信號(hào)。
跨諧振鏈路的數(shù)字通信是使用電阻或電容技術(shù)來(lái)完成的。這兩種方法都會(huì)導(dǎo)致初級(jí)電壓的幅度調(diào)制。MDO4000的頻譜時(shí)間能力用于顯示調(diào)制行為的隨時(shí)間變化的性質(zhì)，特別是幅度與時(shí)間波形。圖8的上部軌跡示出幅度調(diào)制信號(hào)，而下半部分在頻譜視圖中示出諧振鏈路信號(hào)?？梢允褂秒妷禾筋^或近場(chǎng)h探頭提取數(shù)字信息，該探頭通過(guò)picotest j2180a前置放大器連接到mdo4000 rf輸入端。對(duì)于這個(gè)應(yīng)用說(shuō)明，我們使用了一個(gè)近場(chǎng)探針集從電測(cè)量。
在時(shí)域中可以看到通信信號(hào)。圖9示出了由接收機(jī)控制器產(chǎn)生的通信調(diào)制控制信號(hào)，圖10示出了發(fā)射機(jī)初級(jí)繞組電壓的幅度調(diào)制。這兩個(gè)信號(hào)都是用一個(gè)差分電壓探頭測(cè)量的，以獲得大的清晰度和小的電路負(fù)載。差動(dòng)探頭比主控制器電壓更重要于測(cè)量一次電壓。這是因?yàn)榻邮掌骺刂菩盘?hào)是接地參考信號(hào)，并且阻抗相對(duì)較低。初級(jí)電壓是浮動(dòng)的，并且作為諧振槽電路的一部分，初級(jí)電壓對(duì)諸如電壓探針的輸入電容的負(fù)載更敏感。
圖8。射頻輸入顯示LLC半橋變換器的頻譜在較低的跟蹤和幅度調(diào)制下，利用頻譜時(shí)間幅值與時(shí)間函數(shù)來(lái)顯示通信信號(hào)在上部的
圖9。用TDp0500差分探頭測(cè)量的接收器調(diào)制控
Qi充電器終提供一個(gè)5V，1A的輸出來(lái)為便攜式電子電池充電。LLC半橋變換器粗略地調(diào)節(jié)次級(jí)側(cè)電壓。然后使用5V低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)調(diào)節(jié)輸出。
圖11顯示了使用picotest j2111a電流注入器對(duì)5v輸出施加小信號(hào)階躍負(fù)載的結(jié)果，以便測(cè)量該終輸出調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制回路穩(wěn)定性。現(xiàn)在的噴射器用來(lái)代替電子負(fù)載，以允許更快的上升和下降時(shí)間。
混合示波器的主要價(jià)值是它能夠在兩個(gè)域之間進(jìn)行時(shí)間相關(guān)測(cè)量，時(shí)域和頻域。此外，它可以在多個(gè)模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)之間進(jìn)行這些測(cè)量。時(shí)間相關(guān)意味著混合域示波器可以測(cè)量其所有輸入之間的時(shí)序關(guān)系。例如，它可以測(cè)量控制信號(hào)與無(wú)線電傳輸開(kāi)始之間的時(shí)間，測(cè)量發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)的上升時(shí)間，或者測(cè)量無(wú)線數(shù)據(jù)流中符號(hào)之間的時(shí)間?？梢苑治鲈谠O(shè)備狀態(tài)變化期間的電源電壓驟降并與RF信號(hào)的影響相關(guān)。時(shí)間相關(guān)性對(duì)于理解完整的系統(tǒng)操作：因果關(guān)系至關(guān)重要。
使用MDO4000混合域示波器，我們能夠在一些探針和附件的幫助下測(cè)量Qi無(wú)線電池充電器的邏輯、射頻和模擬功能。在通信信號(hào)的情況下，mdo在多個(gè)域中測(cè)量信號(hào)。這包括監(jiān)測(cè)控制信號(hào)、RF接收輸出以及頻譜幅值以及RF幅值與時(shí)間。這使我們能夠看到在其起點(diǎn)上、在RF鏈路信號(hào)內(nèi)以及在發(fā)射機(jī)繞組兩端的接收點(diǎn)上的信號(hào)。我們還測(cè)量了終ldo輸出調(diào)節(jié)器的模擬階躍負(fù)載性能，并能夠捕獲emi信號(hào)。
圖10.用TDP0500差動(dòng)探頭測(cè)量初級(jí)線圈電壓。
圖11.5V輸出的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)。藍(lán)色記錄道是電流(20mA/div)，黃色記錄道是電壓(100mV/div)。
