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无线充电器底座功率链路优化:基于高效整流、负载切换与热管理的MOSFET精准选型方案

无线充电器底座功率链路系统总拓扑图

graph LR %% 输入与初级功率转换 subgraph "输入保护与适配器接口" AC_ADAPTER["适配器输入 \n 12V-24VDC"] --> OVP_PROT["过压保护电路"] OVP_PROT --> INPUT_FILTER["输入滤波器 \n LC网络"] subgraph "输入保护开关" Q_IN["VB1102M \n 100V/2A"] end INPUT_FILTER --> Q_IN Q_IN --> DC_BUS["主直流母线 \n 12V-24V"] end %% 无线功率发射部分 subgraph "逆变与发射线圈驱动" DC_BUS --> H_BRIDGE["全桥/半桥逆变器"] H_BRIDGE --> TX_COIL["发射线圈 \n Litz线"] TX_COIL --> RX_COIL["接收线圈 \n 磁耦合"] subgraph "逆变器MOSFET阵列" Q_INV1["高压MOSFET"] Q_INV2["高压MOSFET"] Q_INV3["高压MOSFET"] Q_INV4["高压MOSFET"] end H_BRIDGE --> Q_INV1 H_BRIDGE --> Q_INV2 H_BRIDGE --> Q_INV3 H_BRIDGE --> Q_INV4 Q_INV1 --> GND_INV Q_INV2 --> GND_INV Q_INV3 --> GND_INV Q_INV4 --> GND_INV end %% 接收端与同步整流 subgraph "接收端整流与滤波" RX_COIL --> REC_RECT["接收端整流"] subgraph "同步整流桥臂" Q_SR1["VBC9216 \n 20V/7.5A"] Q_SR2["VBC9216 \n 20V/7.5A"] end REC_RECT --> Q_SR1 REC_RECT --> Q_SR2 Q_SR1 --> OUTPUT_FILTER["输出滤波 \n LC网络"] Q_SR2 --> OUTPUT_FILTER OUTPUT_FILTER --> DEVICE_OUT["设备输出 \n 5V-20V"] DEVICE_OUT --> PHONE["手机/设备 \n 电池负载"] end %% 智能负载管理 subgraph "多设备智能功率分配" subgraph "智能路径切换开关" Q_SW1["VBQF3316 \n 30V/26A"] Q_SW2["VBQF3316 \n 30V/26A"] Q_SW3["VBQF3316 \n 30V/26A"] end DC_BUS --> Q_SW1 DC_BUS --> Q_SW2 DC_BUS --> Q_SW3 Q_SW1 --> COIL_A["线圈A驱动器"] Q_SW2 --> COIL_B["线圈B驱动器"] Q_SW3 --> COIL_C["线圈C驱动器"] COIL_A --> COIL_A_TX["线圈A发射器"] COIL_B --> COIL_B_TX["线圈B发射器"] COIL_C --> COIL_C_TX["线圈C发射器"] end %% 控制与通信系统 subgraph "主控与通信管理" MCU["主控MCU"] --> WPC_CONTROLLER["WPC/Qi控制器"] MCU --> FOD_SENSOR["FOD异物检测"] MCU --> COMM_IC["通信IC"] subgraph "辅助电源开关" Q_AUX["VB1102M \n 100V/2A"] end DC_BUS --> Q_AUX Q_AUX --> AUX_POWER["辅助电源 \n 3.3V/5V"] AUX_POWER --> MCU AUX_POWER --> WPC_CONTROLLER AUX_POWER --> FOD_SENSOR AUX_POWER --> COMM_IC end %% 热管理与保护 subgraph "三级热管理系统" COOLING_LEVEL1["一级: PCB敷铜散热 \n 同步整流MOSFET"] COOLING_LEVEL2["二级: 散热片 \n 智能切换开关"] COOLING_LEVEL3["三级: 自然散热 \n 控制芯片"] COOLING_LEVEL1 --> Q_SR1 COOLING_LEVEL1 --> Q_SR2 COOLING_LEVEL2 --> Q_SW1 COOLING_LEVEL2 --> Q_SW2 COOLING_LEVEL2 --> Q_SW3 COOLING_LEVEL3 --> MCU COOLING_LEVEL3 --> WPC_CONTROLLER end subgraph "保护电路" GATE_PROT["栅极保护电路"] OVP_DET["输入过压检测"] OCP_DET["过流检测"] TEMP_SENSOR["温度传感器"] end GATE_PROT --> Q_SW1 OVP_DET --> MCU OCP_DET --> MCU TEMP_SENSOR --> MCU %% 样式定义 style Q_SR1 fill:#e3f2fd,stroke:#2196f3,stroke-width:2px style Q_SW1 fill:#fff3e0,stroke:#ff9800,stroke-width:2px style Q_IN fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px style MCU fill:#fce4ec,stroke:#e91e63,stroke-width:2px

前言:构筑无线快充的“能量枢纽”——论功率器件选型的系统思维
在无线充电技术迈向大功率、高效率与高集成度的今天,一款卓越的无线充电器底座,不仅是线圈、磁屏蔽与通信协议的舞台,更是一套精密协同的电能转换与管理“系统”。其核心性能——高效的无线传输、稳定可靠的异物检测(FOD)、以及智能化的多设备管理,最终都根植于一个底层硬件核心:功率转换与开关管理系统。
本文以系统化、协同化的设计思维,深入剖析无线充电器底座在功率路径上的核心挑战:如何在满足高效率、低发热、高可靠性、小体积和严格成本控制的多重约束下,为同步整流、负载路径切换及辅助电源管理等关键节点,甄选出最优的功率MOSFET组合。
在无线充电器底座的设计中,功率开关模块是决定整机效率、温升、安全性与功能拓展性的核心。本文基于对转换效率、热设计、系统集成度与成本控制的综合考量,从器件库中甄选出三款关键MOSFET,构建了一套层次分明、优势互补的功率解决方案。
一、 精选器件组合与应用角色深度解析
1. 效率核心:VBC9216 (Dual-N, 20V, 7.5A, TSSOP8) —— 同步整流桥臂
核心定位与拓扑深化:专为低压大电流同步整流场景优化。其双N沟道集成封装,完美适配无线充电接收端(RX)经整流滤波后的低压直流(通常5V-20V)同步整流应用,或发射端(TX)DC-DC降压转换器的同步整流下管。极低的导通电阻(典型值11mΩ @10V Vgs)能最小化整流通路损耗,直接提升系统整体效率。
关键技术参数剖析:
动态性能:需关注其Qg(栅极总电荷)。较低的Qg有利于在高频开关下(数百KHz)降低驱动损耗,并允许使用更简单的驱动电路。
低阈值电压(Vth=0.86V):确保在较低栅极驱动电压(如3.3V或5V)下也能实现充分导通,特别适合由控制器直接驱动的场景。
选型权衡:相较于导通电阻稍高但封装更小的单管方案,此集成方案在保证极低损耗的同时,简化了PCB布局,减少了寄生电感,对提升效率与EMI性能均有裨益。
2. 智能路由管家:VBQF3316 (Dual-N+N, 30V, 26A, DFN8(3x3)-B) —— 多设备充电路径切换
核心定位与系统集成优势:双N沟道集成封装,具备高电流能力和低导通电阻(典型值16mΩ @10V Vgs),是实现双线圈或多设备智能功率分配的理想选择。可作为电子开关,根据通信协议(如Qi扩展协议)动态切换激活不同的发射线圈,或为不同通道提供独立的使能控制。
应用举例:在多设备充电板上,用于独立控制每个充电区域的供电通路,实现“随放随充”与按需供电,优化整体能效与热分布。
PCB设计价值:DFN8(3x3)封装在极小的面积内提供了双路大电流开关能力,热性能优异,非常适合高功率密度、紧凑型设计。其对称布局有利于优化大电流走线。
3. 辅助电源与保护哨兵:VB1102M (Single-N, 100V, 2A, SOT23-3) —— 输入侧保护与辅助电源开关
核心定位与系统收益:其100V的耐压为适配器输入(通常12V-24V)提供了充足的裕量,用于输入过压保护、防反接电路或辅助电源(如MCU、指示灯、风扇)的开关控制。2A的电流能力足以应对控制电路的功耗。
驱动设计要点:SOT23-3封装极其通用,可由MCU GPIO通过简单晶体管或逻辑电路直接驱动。用于输入保护时,需配合检测电路实现快速关断。
选型权衡:在满足耐压与电流需求的前提下,选择了封装最小、成本最具优势的通用器件,用于对导通损耗不敏感但需要高可靠性的保护与辅助控制回路。
二、 系统集成设计与关键考量拓展
1. 拓扑、驱动与控制闭环
同步整流与控制器协同:VBC9216的开关必须与主功率开关严格同步,其驱动信号需来自专用同步整流控制器或集成此功能的MCU,避免直通风险。
智能路径切换的数字控制:VBQF3316的栅极由主控MCU根据通信协议控制,实现纳秒级精度的通路切换,并可通过PWM实现软启动,限制浪涌电流。
保护电路的快速响应:VB1102M作为保护开关,其驱动电路应能实现微秒级关断,在检测到过压或异常时迅速切断辅助电源或主输入,防止故障扩大。
2. 分层式热管理策略
一级热源(重点监控):VBQF3316在通过大电流时是主要热源。其DFN封装底部有散热焊盘,必须通过过孔阵列连接至PCB内层或背面的大面积铜箔进行有效散热。
二级热源(优化布局):VBC9216在同步整流时持续导通,虽损耗低但仍需关注。依靠TSSOP8封装的引脚和合理的PCB敷铜进行散热,确保开关回路面积最小化以降低损耗。
三级热源(自然冷却):VB1102M在正常工作时功耗很低,依靠SOT23-3封装本身的散热和周围空气对流即可。
3. 可靠性加固的工程细节
电气应力防护:
VBQF3316:在切换感性负载(如线圈)时,需考虑关断电压尖峰,可配合小容量RC吸收电路或TVS管。
VB1102M:在输入侧应用时,需考虑适配器插拔可能产生的浪涌,建议在漏极增加适当的TVS保护。
栅极保护深化:所有MOSFET的栅极建议串联电阻(Rg),并在GS间并联电阻(如100kΩ)确保稳定关断。对于由长走线驱动的MOSFET,可在GS间并联小容量电容或TVS以抑制振荡。
降额实践:
电压降额:VB1102M在24V输入系统中,承受的应力应远低于其100V耐压,留有充足裕量应对浪涌。
电流降额:VBQF3316在用于持续电流路径时,应根据PCB散热能力评估其实际壳温(Tc),并查阅热阻曲线,确保在最高环境温度下工作电流留有至少30%的裕量。
三、 方案优势与竞品对比的量化视角
效率提升可量化:在15W-30W无线充电应用中,采用VBC9216进行同步整流,相比传统肖特基二极管整流方案,可将整流环节损耗降低70%以上,直接降低底座温升并提升有效输出功率。
空间与BOM成本节省可量化:使用一颗VBQF3316实现双路大电流切换,相比两颗分立MOSFET方案,节省约40%的PCB面积和贴片成本,并提升系统可靠性。
系统智能化与可靠性提升:通过VBQF3316与VB1102M的组合,实现了充电路径的智能管理与输入保护,提升了多设备充电体验和系统鲁棒性,符合高端无线充电底座的发展趋势。
四、 总结与前瞻
本方案为无线充电器底座提供了一套从输入保护、高效整流到智能功率路由的完整、优化功率链路。其精髓在于 “按需分配,精准优化”:
同步整流级重“极致效率”:在能量传输的核心通道上追求最低导通损耗。
路径切换级重“智能集成”:通过高集成度、高性能开关赋能多设备管理与动态功率分配。
辅助保护级重“稳健可靠”:以最小成本与空间构建系统安全基线。
未来演进方向:
更高集成度:考虑将同步整流控制器与MOSFET、或双路路径开关与驱动逻辑集成在一起的智能功率芯片,进一步简化设计。
宽禁带器件应用:对于追求超高频(MHz级别)工作的下一代无线充电系统,可评估使用GaN(氮化镓)器件作为初级开关,以实现更高的功率密度和更小的磁性元件体积。
工程师可基于此框架,结合具体产品的功率等级(如15W Qi标准 vs 50W+私有快充)、输入电压范围、线圈配置(单线圈 vs 多线圈)及目标功能进行细化和调整,从而设计出具有强劲市场竞争力的产品。

详细拓扑图

高效同步整流拓扑详图

graph LR subgraph "无线接收端同步整流" A["接收线圈 \n AC输入"] --> B["全波整流桥"] B --> C["同步整流节点"] subgraph "VBC9216双N-MOSFET同步整流" Q1["VBC9216 \n CH1: N-MOS"] Q2["VBC9216 \n CH2: N-MOS"] end C --> Q1 C --> Q2 Q1 --> D["输出滤波电感"] Q2 --> E["输出滤波电容"] D --> F["直流输出 \n 5V-20V"] E --> F F --> G["设备电池负载"] end subgraph "同步整流控制" H["同步整流控制器"] --> I["栅极驱动器"] I --> J["Vgs1驱动信号"] I --> K["Vgs2驱动信号"] J --> Q1 K --> Q2 L["输出电压反馈"] --> H M["开关同步信号"] --> H end subgraph "PCB散热设计" N["大面积PCB敷铜"] --> O["热过孔阵列"] O --> P["内层/背面铜层"] Q["一级热管理"] --> Q1 Q --> Q2 end style Q1 fill:#e3f2fd,stroke:#2196f3,stroke-width:2px

智能负载切换拓扑详图

graph LR subgraph "多线圈智能功率分配" A["主直流母线 \n 12V-24V"] --> B["功率分配节点"] B --> C["VBQF3316-1 \n 通道A开关"] B --> D["VBQF3316-2 \n 通道B开关"] B --> E["VBQF3316-3 \n 通道C开关"] C --> F["线圈A驱动器"] D --> G["线圈B驱动器"] E --> H["线圈C驱动器"] F --> I["发射线圈A"] G --> J["发射线圈B"] H --> K["发射线圈C"] end subgraph "数字控制与通信" L["主控MCU"] --> M["Qi通信协议栈"] M --> N["设备检测逻辑"] N --> O["功率分配算法"] O --> P["开关控制信号"] P --> C P --> D P --> E Q["异物检测(FOD)"] --> L R["温度监测"] --> L end subgraph "DFN封装散热优化" S["VBQF3316芯片"] --> T["底部散热焊盘"] T --> U["热过孔阵列"] U --> V["PCB内层铜"] W["二级热管理"] --> S X["强制风冷/散热片"] --> W end style C fill:#fff3e0,stroke:#ff9800,stroke-width:2px

输入保护与热管理拓扑详图

graph LR subgraph "输入保护电路" A["适配器输入 \n 12V-24V"] --> B["TVS阵列 \n 过压保护"] B --> C["LC输入滤波器"] C --> D["VB1102M \n 保护开关"] D --> E["主直流母线"] subgraph "保护控制" F["过压检测电路"] --> G["比较器"] H["过流检测电路"] --> I["电流传感器"] J["MCU保护逻辑"] --> K["关断信号"] G --> J I --> J K --> D end end subgraph "辅助电源管理" E --> L["VB1102M \n 辅助电源开关"] L --> M["DC-DC降压"] M --> N["3.3V辅助电源"] M --> O["5V辅助电源"] N --> P["MCU与逻辑电路"] O --> Q["通信IC与传感器"] end subgraph "分层热管理系统" subgraph "一级热管理" R["同步整流级"] --> S["PCB敷铜散热 \n VBC9216"] end subgraph "二级热管理" T["智能切换级"] --> U["散热片/风冷 \n VBQF3316"] end subgraph "三级热管理" V["控制保护级"] --> W["自然对流 \n VB1102M/IC"] end X["温度传感器阵列"] --> Y["MCU热管理"] Y --> Z["动态功率调整"] end style D fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px style L fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px

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