我们如何设计一部以无线方式供电的电视机

作者：宜普电源转换公司（EPC）Michael A. de Rooij博士及张远哲博士

面向不同种类的家电，eGaN FET技术在推动无线充电市场的发展扮演着重要的角色

这里展示出由无线充电推动、置于有机玻璃盒内并挂于电视机背部的电视系统原型。我们加入石膏分隔板来展示发射器实际上是应用处于墙壁后面，而接收器装置最终会被整合于电视内。这样，电视就像挂画一样，非常容易地挂于墙壁上。

电视以无线方式传递内容，但它们必需一组电源线来供电。消费电子业界一直有个想法，希望电视摒弃电源线，但未能实现。原因有多个，例如为大屏幕电视机提供所需的高功率非常困难及需要找出具成本效益的技术。 然而，氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）有可能实现不用电源线的电视。

目前有两种常用的基于磁场的无线电源传输技术：电感式及高度共振式。各种技术都有其优点及缺点。磁感式依靠变压器分成两块，利用磁性材料增强耦合。这种方法可在广阔的电源范围应用，从智能电话所需的数瓦特以至电动车充电所需的数千瓦特等应用。共振方法则利用磁共振方式来增强发射线圈和接收线圈之间的耦合，而且可使用或不使用磁性材料。增强耦合的设计提高空间自由度和使得线圈之间的距离增加。

低功率无线电源依据两种标准：无线充电联盟的标准（Qi）及AirFuel标准。两种标准都未能为大屏幕电视提供所需的功率级。Qi标准要求线圈之间需要对齐和限于60 W（该标准仍在发展中）。AirFuel 标准可以支持各种不同的、需要更大空间自由度的要求，所以比较适合日常各种实际情况的要求，只是，它也是限于传输70 W。然而，由于AirFuel标准已有改善了的应用案例，所以我们应用于电视的无线充电项目的基础是采用AirFuel标准。

为可行的预期目标草拟初稿

本例子是一部43英寸、Vizio D43-D1型号的高清电视。测试证明，在待机模式时，电视取电小于5 W。当开启电视时，所需功率上升至85 W。 无论是什么设置，这是所需最高的功率，而电视通常需要85 W，最少在开启后首12秒内也需要此功率。使用者设置例如调背光亮度将会是电视取电的最大功率变化。在正常操作下，所取的标称功率大约是67 W。

最终的目标是把无线电源接收器嵌入电视内。这基本上可去除高压AC功率因数校正电路、可以降低电视的电源供应器的成本及尺寸。这也会使得低压电子更纤薄，从而符合市场对推出更新款电视的要求。

由于电视内置的电源供电通常是一个采用高频开关的转换器，它有可能可以利用DC电压操作。测试证明，电视可以采用110 VDC 供电。以DC操作大大简化接收器电路的设计，以及减少所需的笨重而且昂贵的存储电容器。

配备控制反馈、以无线充电的电视的电源供电方框图。

让我们看看整个系统的方框图。首先，AC/DC转换器提供一个固定的DC电压，为无线电源放大器供电。跟着，使用一个无线电源放大器来驱动高度共振的线圈组。放大器包含前置稳压器和高频放大器 – 即是单端初级电感转换器（SEPIC）-- 以及一个差分模式D类放大器。

接收器方面，采用一个高频整流器，以及利用升压转换器来为电视电路提供固定的110 VDC。由于发射器具备高功率性能，而且接收器整流器没有配备高频高压二极管，因此非常重要的是，必需把没有整流的电压(VRect)反馈至发射器的控制器，从而在轻负载的条件下，防止输出二极管发生过压的情况。

发射器方面，线圈电流(Icoil)、DC电源至放大器电压(Vamp)、放大器功率(Pamp)及隔离式输出整流器电压(VRect_iso) 用作控制器的反馈信号，使得所组成的控制器可以调节SEPIC转换器。控制器决定哪些反馈信号在各自的设置点（set point）及调节至该些设置点。通常最少一个控制信号受限。

电路设计的要求

设计功率电路由接收器的输出级开始，知道电视的所需功率、计算电源链中每块电源模块的效率，从而决定每块模块的所需功率。

接收器的功率电路全图。

考虑接收部分的电路。 最后是使用110 VDC输出的升压转换器。它在低侧的效率估计为95%，代表整流器必需传送89 W。整流器二极管必需是低压降、没有反向恢复、低电容及可以工作在6.78 MHz频率。只有Diodes Inc. 公司的60 V PD3S160 Schottky 二极管可以符合所有要求。为了传送89 W功率， 整流器的输出电压必需高达55 V。 二极管需要一个散热器。

在发射器方面，差分模式ZVS D类放大器驱动调频线圈，以及完善归档为一个可以于高度共振无线充电应用的稳健放大器。包含ZVS D类放大器、线圈组及整流器的无线功率级的效率大约是85%。这代表前置稳压器必需能够传送105 W功率。SEPIC转换器被选为前置稳压器的拓扑，因为它可以在输入电源电压进行升压及降压，并且被证明为可作为ZVS D类放大器的发射器。

发射器的功率电路全图。展示了SEPIC前置稳压器作为差分模式ZVS D类放大器的发射器。

前置稳压器的发射器是一个AC/DC转换器。此转换器不是本文的讨论范围，它是一个标准的、可以购买得到的设置，并且采用48 V输出电压以作实验认证用途。

从4种反馈测量信号中，发射器采用其中的3种作为控制。如之前所分析过，接收器整流器的输出电压必需包含于控制环路内。但这电压必需以无线方式送至发射器。具916 MHz的频率调制射频连接作为这个无线连接，成为构建无线充电电视必需的各块模块。

在无线充电链的线圈组是非常重要的。大线圈对由不对位、负载变化及大型金属物体所引致的阻抗漂移会更加敏感。有些大线圈被设计为两组交错式绕组，可串联或并联。串联线圈适合用于距离较大的线圈。并联线圈大大减少阻抗漂移但也同时减少所需的线圈距离以实现更高的功率传输。

在本评估中，发射器及接收器选择使用NuCurrent的R36RXTxD1 AirFuel Class 4 线圈，以及并联绕组。这些大线圈的距离从2英寸至12英寸，足以高效地工作。但作为评估的用途，基于放大器原型的功率限制，我们把线圈的距离固定在2英寸。

发射器采用一个改进了的EPC9512无线功率放大器。在本案例中，SEPIC转换器改进为可以在48 Vdc 工作及在较高的电流下工作。也包含射频连接，从而可以反馈接收器整流器电压。SEPIC转换器的输出可以直接驱动ZVS D类放大器，以及使用额定电压为200 V、43 mΩ的EPC2019晶体管。ZVS D类放大器使用4个100 V、105 mΩ的EPC8010晶体管。

SEPIC控制器的设定点为Icoil_max = 1.72 A、 Vamp_max = 71 V、Pout_max = 110 W、 VRect_iso_max = 53.5 V。在接收端，改进了的SEPIC转换器采用EPC9512电路板，作为具110 Vdc输出的升压转换器。它也使用EPC2019 eGaN FET。整流器电路板为二极管配备散热器，而且备有多个TVS钳位二极管(Vclamp = 57 V)，从而提供额外的过压保护。TVS二极管非常耗能，在射频连接失效时发挥保护功能。测试证明不需要TVS二极管。

电视的无线功率系统的照片。左边展示发射器电路，右边是接收器电路。

作为预防措施，由于电视开启取电时可能导致高功率，为SEPIC转换器FET及二极管提供风扇，从而提高冷却空气，以及把接收器整流器二极管放在散热器下面。输出升压转换器不需要强制冷却空气。

在实际生活中，发射器置于墙壁后面。接收器装置最终可以整合于电视内。电视就像挂画一样，非常容易安装于墙壁上。展示装置的原型是完全以无线方式充电，包括使用WiFi或面向成像信号的WiDi。

原型让我们了解到，SEPIC的整流器二极管、升压及高频接收器是任何半导体元件的最大功耗来源。这个实况驱动未来的设计发展，专注于利用同步整流来提升效率。

EPC9512无线充电板的放大器本来为传送33 W功率而设。该放大器使用的场效应晶体管(FET)的额定功率比所需功率为低，当使用具有较低导通阻抗(RDS(on))的FET时，我们可以预期性能将会得以提高，这是将来设计的基础。

参考资料
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