車載手機(jī)無線充電模塊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

王闖，延鋒

（偉世通電子科技（上海）有限公司，上海，200233）

1 供電環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)和解決方法

1.1 供電環(huán)境

供電環(huán)境和消費(fèi)類最大的不同點(diǎn)主要是供電的電源和電氣環(huán)境不同。消費(fèi)類電子使用的供電為220V，50Hz的交流電，而車上的供電為12V（9V~16V）的直流電。從電壓的角度來看，好像汽車上的供電環(huán)境更好一些。但通過實(shí)際的汽車上電子設(shè)備的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，車載電子產(chǎn)品要面臨更多的供電問題和挑戰(zhàn)。

1.2 面臨的挑戰(zhàn)

首先，供電電壓范圍寬。當(dāng)然這是一個(gè)相對值，相對于12V的典型值，最低的工作電壓到6V甚至更低，最高工作電壓至16V或者更高到18V，相對于12V的典型值，輸入電壓的變化范圍為典型值的一倍，要保證在這么寬泛的輸入電壓范圍內(nèi)還可以保持內(nèi)部的供電是穩(wěn)定的。

2 工作環(huán)境的挑戰(zhàn)

2.1 電氣環(huán)境

電氣環(huán)境所面臨的主要問題是電磁兼容，也就是EMC的影響。這里面包括兩個(gè)方面。

（1）充電模塊對其他產(chǎn)品的干擾（EMI）

為了保證車上眾多模塊可以穩(wěn)定可靠的工作，對EMC的要求都很嚴(yán)格。其中，AM/FM(調(diào)幅/調(diào)頻)無線電收音機(jī)、電容式開關(guān)、智慧鑰匙和近距離通訊(NFC)設(shè)備等，它們工作時(shí)對外部電磁干擾(EMI)特別敏感。EMI包括：傳導(dǎo)輻射（CE），空間輻射（RE）。尤其是充電線圈和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路部分，這部分本身是要求要有一定的輻射功率來保證達(dá)到預(yù)定的充電電流和功率，但這個(gè)和輻射干擾（RE）要求是相互矛盾的。讓充電模塊在不充電的時(shí)候進(jìn)入休眠模式，是一個(gè)不錯(cuò)的降低輻射的選擇。要在設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮電路的輻射干擾，做好電路設(shè)計(jì)和PCB布置。

（2）充電模塊的抗干擾特性（EMS）

為了保證充電模塊可靠的工作，要保證能夠抵抗其他模塊的干擾。這其中包括 ：傳導(dǎo)干擾（CI），輻射干擾（RI），大電流注入干擾（BCI），還有靜電干擾（ESD）干擾等。這些干擾無論從干擾源，傳導(dǎo)路徑和被干擾源，都有著更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。這些都是要在設(shè)計(jì)和調(diào)試需要考慮的問題，比起消費(fèi)電子要復(fù)雜的多。尤其是傳導(dǎo)干擾（CI）對產(chǎn)品的本身影響很大。

2.2 非電氣環(huán)境

在非電氣環(huán)境方面，主要分為溫濕度環(huán)境和結(jié)構(gòu)工作環(huán)境。

（1）溫濕度工作環(huán)境

汽車上器件要求的工作溫度范圍是比較寬的，一般為-40℃~85℃，當(dāng)然這個(gè)還不包括元件本身發(fā)熱的影響。如果把這個(gè)考慮在內(nèi)，溫度還會(huì)上升10℃~20℃，既最高100℃左右。濕度最高在95%以上。同時(shí)，還要能夠承受溫度變化，既冷熱沖擊的影響。

要在這么惡劣的溫濕度環(huán)境下工作，保證電路能夠穩(wěn)定可靠的工作，不出現(xiàn)誤動(dòng)作，保證性能在允許范圍內(nèi)，保證使用壽命等。首先，元器件的選擇上就要使用符合車載產(chǎn)品需求的元件（帶有AECQ認(rèn)證）。其次，電路設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮在全溫度范圍元器件的偏差，保證足夠的余量。

（2）結(jié)構(gòu)工作環(huán)境

結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境上主要是震動(dòng)帶來的影響。這對基于緊耦合磁感應(yīng)技術(shù)的無線充電模塊設(shè)計(jì)是非常大的挑戰(zhàn)，除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上利用特殊裝置來固定無線充電發(fā)射器外，同時(shí)在無線充電模塊設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮以下輔助措施，確保系統(tǒng)的緊耦合和可靠工作。第一，使用多線圈或單個(gè)大尺寸線圈設(shè)計(jì)，增加有效充電面積，達(dá)到自由定位對準(zhǔn)的目的。第二，使用印刷電路板(PCB)類型線圈，以提高線圈在振動(dòng)環(huán)境中的使用壽命。另外，PCB上使用的元件不要選擇過高的元件，要選擇焊接可靠的元件。尤其是電解電容，最好使用貼片的電解電容，因?yàn)椴寮碾娊怆娙菰谡饎?dòng)時(shí)很容易管腳斷裂。

3 安全方面的考慮

由于是裝載在汽車上，而且是利用磁場來進(jìn)行能量的傳輸，所以在可充電范圍內(nèi)的金屬等會(huì)被加熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)煙、發(fā)火等使用安全問題。所以，對于外部異常磁性金屬物體的檢測是非常重要的。一般使用外部異物檢測演算法(FOD)。一般有四種措施可使用：第一，檢測無線充電發(fā)射器線圈和充電表面的溫度，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)的限值后終止功率發(fā)送。

第二，檢測無線充電發(fā)射器線圈端的電壓或電流訊號，當(dāng)其幅值超過預(yù)設(shè)的限值后終止功率發(fā)送。第三，諧振偏移法，系統(tǒng)建立功率傳輸前，在無線充電發(fā)射器諧振網(wǎng)路的自由諧振階段，檢測其線圈端電壓或電流訊號的幅值或頻率，當(dāng)其幅值或頻率相比于無線充電發(fā)射器自身諧振網(wǎng)路自由諧振時(shí)的幅值或頻率發(fā)生偏移，且偏移值超過預(yù)設(shè)的限值后，認(rèn)定有外部物體放入無線充電發(fā)射器的有效充電區(qū)域內(nèi)。如果在接下來的身分鑒定階段，該外部物體被確定是非法的充電接收器，那么無線充電發(fā)射器判定該外部物體為異物并不會(huì)建立功率傳輸。

對比上面的三種方案，前兩種只能在系統(tǒng)建立功率傳輸后才能識(shí)別外部異物，而第三種是系統(tǒng)建立功率傳輸前有效的外部異物識(shí)別方法。

4 針對汽車接口電路的設(shè)計(jì)

由于是搭載在汽車上使用，充電模塊是需要和車上有接口電路的。一般分為：電源線接口、通信接口、LED燈驅(qū)動(dòng)接口、通用接口等。

5 總結(jié)

做為車載充電模塊，需要充分考慮到汽車上的應(yīng)用環(huán)境來做設(shè)計(jì)。這里面既包含電路本身的設(shè)計(jì)考量，還包括為了應(yīng)對車上的使用環(huán)境，追加的可靠設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)的部分。另外，元件本身誤差和可靠性等和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是需要同時(shí)考慮。