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對(duì)于我們這些在日常通勤中花費(fèi)過(guò)多時(shí)間在走走停停的交通（或完全停在所謂的州際公路上）的人來(lái)說(shuō)，知道這段空閑時(shí)間可以用于許多其他目的，并且汽車(chē)一直是幫助我們完成一些其他“任務(wù)”的技術(shù)的關(guān)鍵市場(chǎng)，例如電話交談、短信和電子郵件、在線購(gòu)物和沖浪、電影下載和視頻流、游戲玩，等等。如果您在交通中向左或向右看，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這些任務(wù)中的大部分都是圍繞手機(jī)的使用而發(fā)展的。為了補(bǔ)充這種高使用率，其中一項(xiàng)較新的實(shí)施技術(shù)是車(chē)載無(wú)線充電功能內(nèi)置于中央控制臺(tái)區(qū)域或其他一些易于訪問(wèn)的位置。目的？移除所有這些插入式電纜并在充電時(shí)將手機(jī)放在已知位置。
背景
在過(guò)去的三年中，無(wú)線電力技術(shù)“戰(zhàn)爭(zhēng)”以“Qi”或無(wú)線電力聯(lián)盟 （WPC） 成為贏家，而現(xiàn)在是低功耗的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。全球所有領(lǐng)先手機(jī)制造商實(shí)施 Qi 技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在此之前，汽車(chē)制造商確實(shí)在他們的車(chē)輛中實(shí)施了無(wú)線充電，但人們一直擔(dān)心是否會(huì)因?yàn)橘I(mǎi)家的手機(jī)不兼容嵌入式充電技術(shù)而失去銷(xiāo)售。
提供無(wú)線充電功能的車(chē)型實(shí)施數(shù)量已從 2016 年初的 40 多款增長(zhǎng)到 100 多款（目前），這相當(dāng)于超過(guò) 1200 萬(wàn)輛（240 萬(wàn)輛 OEM 安裝，970 萬(wàn)輛售后市場(chǎng)）具有基于 Qi 的車(chē)輛僅在 2018 年安裝的車(chē)輛系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)都符合 Qi 基本功率配置文件 （BPP） 和 5W（瓦）。新的方向是更快的充電和更高的功率。大多數(shù)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)是符合 Qi 擴(kuò)展功率配置文件 （EPP） 或 15W 功能。這種能夠更快充電的額外便利伴隨著必須克服的額外技術(shù)障礙。三個(gè)主要問(wèn)題是 EMI 合規(guī)性、效率和熱限制。
15W系統(tǒng)
在 WPC 標(biāo)準(zhǔn)中，有子類(lèi)別（例如 MP-A8、MP-A9、MP-A13）指定了無(wú)線電力系統(tǒng)的各個(gè)方面以及放置在中控臺(tái)內(nèi)的發(fā)射 （Tx） 線圈的配置區(qū)域。出于互操作性目的，該標(biāo)準(zhǔn)定義了：輸入直流電壓、Tx 線圈尺寸和形狀、電氣參數(shù)、頻率控制（固定與可變）、功率水平和功率控制（電壓/頻率/相位/占空比）。使用車(chē)輛主電池的輸入電壓通常為 12V 進(jìn)入發(fā)射器電路，因此具有升高的電壓，產(chǎn)生的電場(chǎng) （E） 比與許多桌面無(wú)線充電器相關(guān)的 5V 輸入電壓更強(qiáng)。由于系統(tǒng)內(nèi)的諧振操作模式，線圈（諧振器/天線）上的實(shí)際電壓可能在 100V 左右，
EMI 問(wèn)題和解決方案
在較新的車(chē)輛上，有許多射頻系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都需要共存以確保它們所做的事情不會(huì)影響其他任何東西。其中一些是：AM/FM 收音機(jī)、GPS、ADAS 系統(tǒng)、多個(gè)蜂窩頻段、藍(lán)牙、WiFi、資產(chǎn)跟蹤、短波收音機(jī)、密鑰卡、警察掃描儀、遠(yuǎn)程信息處理等，甚至可能還有一些 CB 收音機(jī)對(duì)于所有那些 10-4 哥們?cè)谀抢铩?/p>
其中一些射頻系統(tǒng)在 Qi EPP 無(wú)線電力系統(tǒng)的 87-205 KHz（最高可達(dá) 300 KHz）基頻范圍內(nèi)和/或通過(guò)低諧波運(yùn)行。525 KHz 至 1705 KHz（在美洲）的 AM 收音機(jī)被要求無(wú) EMI，因?yàn)樗挥米骶o急廣播系統(tǒng)的一部分。新的遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng) （RKE） 以 125 KHz 運(yùn)行，一些輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （TPMS） 也使用此頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)器 LC 線圈電路。
汽車(chē)應(yīng)用對(duì) EMI 有非常嚴(yán)格的要求。CISPR 25（Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques）是一項(xiàng)非監(jiān)管工程汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，它設(shè)定了為保護(hù)其他車(chē)載接收器而必須滿(mǎn)足的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限值。它在 150 kHz 至 2500 MHz 的頻率范圍內(nèi)定義了這些限制，這些限制可能由其他車(chē)載天線傳導(dǎo)。
在 CISPR 25 中，有一些類(lèi)別定義了允許的傳導(dǎo)和輻射噪聲發(fā)射限值的水平，輻射噪聲是真正值得關(guān)注的問(wèn)題。表 1 中給出了通過(guò) FM 無(wú)線電頻段的峰值、準(zhǔn)峰值和平均測(cè)量電壓的類(lèi)發(fā)射 ［輻射］ 限制與頻段。
表 1：按類(lèi)別劃分的 CISPR 25 輻射限值
隨著 Qi EPP 功率水平的提高，滿(mǎn)足 Class 4 一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有 Class 5 系統(tǒng)。對(duì)于車(chē)載無(wú)線充電，高達(dá) 1.8 MHz 的 AM 頻率是最敏感的，但認(rèn)證測(cè)試確實(shí)會(huì)超過(guò) 1 GHz。圖 1 提供了實(shí)際的 CISPR 25 Class 5 測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖 1：CISPR 25 5 類(lèi)初始測(cè)試 100 KHz 至 30 MHz
從圖中可以看出，該設(shè)計(jì)并未完全通過(guò) 5 類(lèi)認(rèn)證，但確實(shí)符合 4 類(lèi)要求。EMI 噪聲抑制從系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)開(kāi)始，以下部分介紹了設(shè)計(jì)中用于滿(mǎn)足 CISPR 25 要求的一些關(guān)鍵領(lǐng)域。
減輕 EMI 噪聲的第一個(gè)領(lǐng)域是實(shí)施固定頻率系統(tǒng)。在 Qi 標(biāo)準(zhǔn)中，有一些方法可以讓可變頻率更好地“調(diào)整”兩側(cè)以提高性能。然而，為了滿(mǎn)足與車(chē)載電源系統(tǒng)相關(guān)的嚴(yán)格 EMI 噪聲水平，不斷變化的頻率將使?jié)M足這些要求變得更加困難。此外，歐洲汽車(chē)制造商對(duì) 145 KHz 以上有限制，因此當(dāng)前解決方案的固定工作頻率設(shè)置在 127 KHz 左右。
下一個(gè)技術(shù)是通過(guò) Tx 線圈去除方波電流，并使這些電流盡可能接近正弦曲線。這種方法減少了可能產(chǎn)生的噪聲“尖峰”。這可以通過(guò)使用電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@種無(wú)源器件可以消除由開(kāi)關(guān)?（MOSFET） 的開(kāi)/關(guān)產(chǎn)生的方波電流，并有助于確保開(kāi)關(guān)方案“干凈”且無(wú)噪聲。
通過(guò)在電源線上添加一個(gè)與 Tx 線圈繞組串聯(lián)的共模濾波器 （CMF），可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的 EMI 抑制。通過(guò)線圈的電流是 100% 的交流電 （AC），并且沒(méi)有像許多涉及直流電流和一些允許紋波電流的電源那樣包含直流電 （DC）。線圈的電流可以認(rèn)為是 100% 的紋波電流。因此，選擇用于該 CMF 的鐵氧體材料很重要，并且在 127 KHz 固定頻率下，交流磁芯損耗必須處于絕對(duì)最小值。
另一種 EMI 噪聲抑制技術(shù)是添加 EMI 噪聲抑制磁片，以吸收可能從主 Tx 屏蔽背面?zhèn)鬏敵鰜?lái)的工作頻率、諧波和雜散噪聲。磁片通過(guò)兩種方法消除 EMI 噪聲。首先，這些材料的磁導(dǎo)率 （μ‘） 使這些屏蔽能夠包含 ［吸收］ EMI 噪聲磁通量 （φ） 并防止其被輻射。接下來(lái)，這些屏蔽的電阻特性 （μ”） 為不需要的頻率的通量場(chǎng)創(chuàng)建了一個(gè)電阻路徑，并衰減了 EMI 噪聲并以熱量的形式將其從環(huán)境中移除。這種關(guān)系在公式 1 中給出。
μ = μ’ – jμ” ［等式。1］
對(duì)于 EMI 抑制應(yīng)用，更高的 μ‘ 通過(guò)磁通量抑制產(chǎn)生更好的屏蔽性能，而更高的 μ’ 通過(guò)材料磁芯損耗產(chǎn)生更好的噪聲抑制。μ‘ 值太高會(huì)降低性能。由于一種稱(chēng)為磁耦合?（K） 的現(xiàn)象，具有額外的磁片可以改變 Tx 線圈的電感值并通過(guò)互耦合（M 或 Lm）使電路失諧，并使其遠(yuǎn)離所需的固定頻率。
最后，如果 EMI 抑制片確實(shí)會(huì)導(dǎo)致固定頻率問(wèn)題，那么也可以使用非磁性材料來(lái)抑制 EMI 噪聲。挑戰(zhàn)在于獲得一種能夠吸收一定程度的噪聲能量的材料，但又不會(huì)過(guò)于金屬化，以至于不能簡(jiǎn)單地反射 EMI 噪聲而不是去除它，也不會(huì)抑制所需的 H 場(chǎng)。具有低表面電阻（~4 ohms/square）的銀合金基薄膜已被使用，并展示了高達(dá) 1 MHz 的改進(jìn)的 EMI 噪聲抑制和有問(wèn)題的諧波的衰減。這些放置在繞組頂部的非磁性薄片傾向于更好地抑制基于電壓/E 場(chǎng)的諧波，而不是基于電流/H 場(chǎng)的諧波。
Tx 線圈帶有自己的磁屏蔽，其中包含由通過(guò)繞組的正弦電流產(chǎn)生的磁通量。對(duì)于基本工作頻率 （127 KHz），屏蔽材料被選擇為具有更高的 μ’ 和非常低的 μ”，以不衰減所需的磁通量場(chǎng)。該屏蔽包含工作頻率下的所需磁通量以提高性能和一些諧波通量，因此成為整體 EMI 合規(guī)性解決方案的一部分。
Chris T. Burket已在?TDK?工作超過(guò) 25 年，并在洛杉磯辦事處占據(jù)了一張辦公桌。他曾在 TDK 擔(dān)任過(guò)多個(gè)職位，目前是一名產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他開(kāi)著一輛 1968 年的 Camaro，新車(chē)時(shí)沒(méi)有配備集成無(wú)線充電系統(tǒng)選項(xiàng)。
