车载手机无线充电模块的设计挑战

王闯，延锋

（伟世通电子科技（上海）有限公司，上海，200233）

1 供电环境面临的挑战和解决方法

1.1 供电环境

供电环境和消费类最大的不同点主要是供电的电源和电气环境不同。消费类电子使用的供电为220V，50Hz的交流电，而车上的供电为12V（9V~16V）的直流电。从电压的角度来看，好像汽车上的供电环境更好一些。但通过实际的汽车上电子设备的开发经验告诉我们，车载电子产品要面临更多的供电问题和挑战。

1.2 面临的挑战

首先，供电电压范围宽。当然这是一个相对值，相对于12V的典型值，最低的工作电压到6V甚至更低，最高工作电压至16V或者更高到18V，相对于12V的典型值，输入电压的变化范围为典型值的一倍，要保证在这么宽泛的输入电压范围内还可以保持内部的供电是稳定的。

2 工作环境的挑战

2.1 电气环境

电气环境所面临的主要问题是电磁兼容，也就是EMC的影响。这里面包括两个方面。

（1）充电模块对其他产品的干扰（EMI）

为了保证车上众多模块可以稳定可靠的工作，对EMC的要求都很严格。其中，AM/FM(调幅/调频)无线电收音机、电容式开关、智慧钥匙和近距离通讯(NFC)设备等，它们工作时对外部电磁干扰(EMI)特别敏感。EMI包括：传导辐射（CE），空间辐射（RE）。尤其是充电线圈和相关的驱动电路部分，这部分本身是要求要有一定的辐射功率来保证达到预定的充电电流和功率，但这个和辐射干扰（RE）要求是相互矛盾的。让充电模块在不充电的时候进入休眠模式，是一个不错的降低辐射的选择。要在设计的时候要充分考虑电路的辐射干扰，做好电路设计和PCB布置。

（2）充电模块的抗干扰特性（EMS）

为了保证充电模块可靠的工作，要保证能够抵抗其他模块的干扰。这其中包括 ：传导干扰（CI），辐射干扰（RI），大电流注入干扰（BCI），还有静电干扰（ESD）干扰等。这些干扰无论从干扰源，传导路径和被干扰源，都有着更严格的标准。这些都是要在设计和调试需要考虑的问题，比起消费电子要复杂的多。尤其是传导干扰（CI）对产品的本身影响很大。

2.2 非电气环境

在非电气环境方面，主要分为温湿度环境和结构工作环境。

（1）温湿度工作环境

汽车上器件要求的工作温度范围是比较宽的，一般为-40℃~85℃，当然这个还不包括元件本身发热的影响。如果把这个考虑在内，温度还会上升10℃~20℃，既最高100℃左右。湿度最高在95%以上。同时，还要能够承受温度变化，既冷热冲击的影响。

要在这么恶劣的温湿度环境下工作，保证电路能够稳定可靠的工作，不出现误动作，保证性能在允许范围内，保证使用寿命等。首先，元器件的选择上就要使用符合车载产品需求的元件（带有AECQ认证）。其次，电路设计的时候要充分考虑在全温度范围元器件的偏差，保证足够的余量。

（2）结构工作环境

结构的工作环境上主要是震动带来的影响。这对基于紧耦合磁感应技术的无线充电模块设计是非常大的挑战，除了在机械结构上利用特殊装置来固定无线充电发射器外，同时在无线充电模块设计时也要考虑以下辅助措施，确保系统的紧耦合和可靠工作。第一，使用多线圈或单个大尺寸线圈设计，增加有效充电面积，达到自由定位对准的目的。第二，使用印刷电路板(PCB)类型线圈，以提高线圈在振动环境中的使用寿命。另外，PCB上使用的元件不要选择过高的元件，要选择焊接可靠的元件。尤其是电解电容，最好使用贴片的电解电容，因为插件的电解电容在震动时很容易管脚断裂。

3 安全方面的考虑

由于是装载在汽车上，而且是利用磁场来进行能量的传输，所以在可充电范围内的金属等会被加热，严重时会导致发烟、发火等使用安全问题。所以，对于外部异常磁性金属物体的检测是非常重要的。一般使用外部异物检测演算法(FOD)。一般有四种措施可使用：第一，检测无线充电发射器线圈和充电表面的温度，当温度超过预设的限值后终止功率发送。

第二，检测无线充电发射器线圈端的电压或电流讯号，当其幅值超过预设的限值后终止功率发送。第三，谐振偏移法，系统建立功率传输前，在无线充电发射器谐振网路的自由谐振阶段，检测其线圈端电压或电流讯号的幅值或频率，当其幅值或频率相比于无线充电发射器自身谐振网路自由谐振时的幅值或频率发生偏移，且偏移值超过预设的限值后，认定有外部物体放入无线充电发射器的有效充电区域内。如果在接下来的身分鉴定阶段，该外部物体被确定是非法的充电接收器，那么无线充电发射器判定该外部物体为异物并不会建立功率传输。

对比上面的三种方案，前两种只能在系统建立功率传输后才能识别外部异物，而第三种是系统建立功率传输前有效的外部异物识别方法。

4 针对汽车接口电路的设计

由于是搭载在汽车上使用，充电模块是需要和车上有接口电路的。一般分为：电源线接口、通信接口、LED灯驱动接口、通用接口等。

5 总结

做为车载充电模块，需要充分考虑到汽车上的应用环境来做设计。这里面既包含电路本身的设计考量，还包括为了应对车上的使用环境，追加的可靠设计和安全设计的部分。另外，元件本身误差和可靠性等和结构设计也是需要同时考虑。