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測量便攜式電子器件的無線充電系統(tǒng)
移動電子產(chǎn)品隨處可見-家庭， 醫(yī)院、學校和口袋。伴隨著爆炸 在便攜性方面，消費者已經(jīng)開始期待和需求。 電池壽命長。節(jié)能設計技術和 改進的電池技術有助于延長電池壽命 生活，但充電設備仍然是必要的，有時 繁重的任務無線充電系統(tǒng) 簡化便攜式電子設備如何通過傳輸充電沒有物理連接的設備的能量。有無線充電的各種實現(xiàn)和標準 但大多數(shù)使用某種形式的電磁感應。 此應用說明將著重于qi(“chee”)接口 由無線電力聯(lián)盟(WPC)開發(fā)。
不同于無線通信系統(tǒng)，如無線電或 蜂窩電話，無線電力傳輸依賴傳輸效率高于信噪比。從測量角度來看，充電器設計師面臨很多挑戰(zhàn)。Qi無線充電器設計為產(chǎn)生5瓦的充電功率，而能源之星目標要求高運行效率和低備用電源。功率傳輸?shù)男嗜Q于關于發(fā)射機和接收機的系統(tǒng)設計具體來說就是每一個人之間的相互作用。典型的設計5瓦系統(tǒng)的目標效率大于70%。線圈、屏蔽、元件和物理元件的選擇設計對整個系統(tǒng)效率的影響更大。在無線充電系統(tǒng)中比在典型的充電器，因為無線系統(tǒng)需要兩個發(fā)射器還有一個接收器。由于屏蔽而存在其他并發(fā)癥。保護敏感電子設備和來自射頻場的電池，以及以防止附近金屬物體受熱。
圖1.Qi無線充電系統(tǒng)概述。
系統(tǒng)概述
雖然這兩個有趣和具有挑戰(zhàn)性的，齊系統(tǒng)包括低頻調制射頻，數(shù)字和模擬電路都在一個單板上。系統(tǒng)結構的簡化框圖如圖1所示。充電系統(tǒng)使用數(shù)字通信，既用于JTAG調試，也用于通過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微控制器監(jiān)控，該微控制器產(chǎn)生信號并使用調制技術將信息傳輸?shù)揭淮蝹?。信息在主側被解調，在主側被微控制器解釋。調制信息被組織成具有前導字節(jié)、頭字節(jié)、消息字節(jié)和校驗和字節(jié)的信息包。根據(jù)wpc規(guī)范，信息包可以與標識、配置、控制錯誤、整流功率、充電狀態(tài)和功率傳輸結束信息相關。
圖2.德克薩斯儀器無線功率集，包括BQ500 210EVM—68 9發(fā)射機和BQ51013EVM 725接收機。
設置測量
我們正在測試的設備是德克薩斯儀器無線功率集，包括BQ500 210EVM—68 9發(fā)射機和BQ51013EVM 725接收機(見圖2)。收發(fā)信機系統(tǒng)除了傳輸功率外，還將控制信號(在同一RF功率信號的頂部調制)從次級傳輸?shù)匠跫?，同時動態(tài)監(jiān)測和控制功率電平，以防止由于附近金屬物體引起的過熱。
圖3.用于測量充電器的測試裝置包括混合域示波器、電壓和電流探頭、實驗室級電源和信號注入器。
測試設置如圖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混合域示波器進行測量。該儀器在四個模擬信道上提供1 GHz帶寬，并包括許多工業(yè)標準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包括一個射頻輸入，用于測量高達6GHz的射頻信號?？刂菩盘枌⑼ㄟ^模擬輸入進行監(jiān)測，RF信號及其相應的諧波將用RF輸入通道進行分析。注意，由于初級和次級線圈的平面耦合和接近，所以難以無線地測量能量傳遞。因此，功率將在次級側用高阻抗電壓探頭直接測量在輸出端。
Qi充電器功率級是基于半橋LLC拓撲諧振變換器，直接從初級側充電器控制器控制。根據(jù)WPC標準要求，諧振轉換器在大約110 kHz至205 kHz的頻率范圍內進行頻率調制，以調節(jié)充電器輸出功率。
有幾種方法來看待LLC諧振波形。圖4顯示了一個諧振鏈電流的傳真圖，用一個連接到諧振電容鏈(tp2)的電壓探針測量，還顯示了諧振頻率。也可以使用電流探針或通過變送器板上的I_Sense測試點直接測量該電流。射頻功率信號(在發(fā)射機側)由一個通過Picotest J2180A前置放大器連接到TP1的電壓探頭測量。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半橋開關節(jié)點。RF通道顯示141 kHz的基本工作頻率，并且還具有與50%占空比開關電壓相關的奇數(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半橋開關頻譜低跡。
圖5.LLC半橋開關電壓上跡，LLC半橋開關頻譜低跡。
圖5顯示了LLC半橋轉換器開關節(jié)點上的模擬跟蹤確認50%占空比波形視覺上。
mdo還用于測量高頻信號，如emi。圖6示出了來自LLC半橋開關的100 kHz至2 MHz的頻率范圍內的輻射EMI，以及用于有效地將19VDC輸入電壓轉換為發(fā)射機控制器所需的3.3V的低功率600 kHz降壓調節(jié)器。圖7示出了來自LLC半橋開關、600 kHz降壓調節(jié)器和31 MHz微控制器在5 MHz至50 MHz的頻率范圍內的輻射EMI信號。
圖6。從LLC半橋開關和600 kHz降壓調節(jié)器輻射EMI
圖7.從LLC半橋開關，600千赫降壓調節(jié)器和31兆赫微控制器輻射EMI信號。
跨諧振鏈路的數(shù)字通信是使用電阻或電容技術來完成的。這兩種方法都會導致初級電壓的幅度調制。MDO4000的頻譜時間能力用于顯示調制行為的隨時間變化的性質，特別是幅度與時間波形。圖8的上部軌跡示出幅度調制信號，而下半部分在頻譜視圖中示出諧振鏈路信號?？梢允褂秒妷禾筋^或近場h探頭提取數(shù)字信息，該探頭通過picotest j2180a前置放大器連接到mdo4000 rf輸入端。對于這個應用說明，我們使用了一個近場探針集從電測量。
在時域中可以看到通信信號。圖9示出了由接收機控制器產(chǎn)生的通信調制控制信號，圖10示出了發(fā)射機初級繞組電壓的幅度調制。這兩個信號都是用一個差分電壓探頭測量的，以獲得大的清晰度和小的電路負載。差動探頭比主控制器電壓更重要于測量一次電壓。這是因為接收器控制信號是接地參考信號，并且阻抗相對較低。初級電壓是浮動的，并且作為諧振槽電路的一部分，初級電壓對諸如電壓探針的輸入電容的負載更敏感。
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制下，利用頻譜時間幅值與時間函數(shù)來顯示通信信號在上部的
圖9。用TDp0500差分探頭測量的接收器調制控
Qi充電器終提供一個5V，1A的輸出來為便攜式電子電池充電。LLC半橋變換器粗略地調節(jié)次級側電壓。然后使用5V低壓差調節(jié)器(LDO)調節(jié)輸出。
圖11顯示了使用picotest j2111a電流注入器對5v輸出施加小信號階躍負載的結果，以便測量該終輸出調節(jié)器的動態(tài)響應和控制回路穩(wěn)定性?，F(xiàn)在的噴射器用來代替電子負載，以允許更快的上升和下降時間。
混合示波器的主要價值是它能夠在兩個域之間進行時間相關測量，時域和頻域。此外，它可以在多個模擬、數(shù)字和射頻信號之間進行這些測量。時間相關意味著混合域示波器可以測量其所有輸入之間的時序關系。例如，它可以測量控制信號與無線電傳輸開始之間的時間，測量發(fā)送的無線電信號的上升時間，或者測量無線數(shù)據(jù)流中符號之間的時間?？梢苑治鲈谠O備狀態(tài)變化期間的電源電壓驟降并與RF信號的影響相關。時間相關性對于理解完整的系統(tǒng)操作：因果關系至關重要。
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量Qi無線電池充電器的邏輯、射頻和模擬功能。在通信信號的情況下，mdo在多個域中測量信號。這包括監(jiān)測控制信號、RF接收輸出以及頻譜幅值以及RF幅值與時間。這使我們能夠看到在其起點上、在RF鏈路信號內以及在發(fā)射機繞組兩端的接收點上的信號。我們還測量了終ldo輸出調節(jié)器的模擬階躍負載性能，并能夠捕獲emi信號。
圖10.用TDP0500差動探頭測量初級線圈電壓。
圖11.5V輸出的動態(tài)負載響應。藍色記錄道是電流(20mA/div)，黃色記錄道是電壓(100mV/div)。
