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无线充电功率链路设计实战:效率、集成度与热管理的平衡之道

无线充电功率链路系统总拓扑图

graph LR %% 输入与初级侧 subgraph "输入与DC-DC变换" AC_DC["适配器输入 \n 15-20VDC"] --> INPUT_FILTER["输入π型滤波器 \n EMI抑制"] INPUT_FILTER --> BUCK_CONVERTER["降压预调节器"] BUCK_CONVERTER --> HV_BUS["初级直流母线"] end %% 全桥逆变与线圈驱动 subgraph "全桥逆变与线圈阵列" HV_BUS --> FULL_BRIDGE["全桥逆变器"] subgraph "全桥MOSFET阵列" Q_HB1["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] Q_HB2["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] Q_HB3["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] Q_HB4["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] end FULL_BRIDGE --> Q_HB1 FULL_BRIDGE --> Q_HB2 FULL_BRIDGE --> Q_HB3 FULL_BRIDGE --> Q_HB4 Q_HB1 --> RESONANT_TANK["LLC谐振腔 \n 与匹配网络"] Q_HB2 --> RESONANT_TANK Q_HB3 --> RESONANT_TANK Q_HB4 --> RESONANT_TANK RESONANT_TANK --> TX_COIL["发射线圈阵列"] end %% 次级侧接收与整流 subgraph "无线接收与同步整流" RX_COIL["接收线圈"] --> RECTIFIER_IN["AC接收节点"] subgraph "全桥同步整流" Q_SR1["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] Q_SR2["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] Q_SR3["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] Q_SR4["VBQF1310 \n 30V/30A/DFN8"] end RECTIFIER_IN --> Q_SR1 RECTIFIER_IN --> Q_SR2 RECTIFIER_IN --> Q_SR3 RECTIFIER_IN --> Q_SR4 Q_SR1 --> OUTPUT_FILTER["输出LC滤波"] Q_SR2 --> OUTPUT_FILTER Q_SR3 --> OUTPUT_FILTER Q_SR4 --> OUTPUT_FILTER OUTPUT_FILTER --> BATTERY_OUT["电池充电输出 \n 5-20V"] end %% 智能路径管理 subgraph "多线圈路径管理" subgraph "线圈选择半桥阵列" HB1["VBQF3316G \n 半桥N+N 30V/28A"] HB2["VBQF3316G \n 半桥N+N 30V/28A"] HB3["VBQF3316G \n 半桥N+N 30V/28A"] end TX_COIL --> HB1 TX_COIL --> HB2 TX_COIL --> HB3 HB1 --> COIL_A["线圈A"] HB2 --> COIL_B["线圈B"] HB3 --> COIL_C["线圈C"] COIL_A --> GND_COIL COIL_B --> GND_COIL COIL_C --> GND_COIL end %% 辅助控制与保护 subgraph "辅助控制与系统管理" AUX_POWER["辅助电源 \n 12V/5V/3.3V"] --> MCU["主控MCU"] subgraph "小功率负载开关" SW_FAN["VBK1270 \n 风扇控制"] SW_LED["VBK1270 \n 指示灯"] SW_AUX["VBK1270 \n 外设电源"] end MCU --> SW_FAN MCU --> SW_LED MCU --> SW_AUX SW_FAN --> COOLING_FAN["散热风扇"] SW_LED --> STATUS_LED["状态指示灯"] SW_AUX --> COMM_MODULE["通信模块"] subgraph "保护与监测网络" CURRENT_SENSE["高精度电流检测"] TEMPERATURE_SENSORS["NTC温度传感器"] VOLTAGE_MONITOR["电压监测"] RC_SNUBBER["RC缓冲吸收电路"] end CURRENT_SENSE --> MCU TEMPERATURE_SENSORS --> MCU VOLTAGE_MONITOR --> MCU RC_SNUBBER --> Q_HB1 RC_SNUBBER --> Q_SR1 end %% 驱动电路 subgraph "栅极驱动系统" GATE_DRIVER_HB["全桥栅极驱动器"] --> Q_HB1 GATE_DRIVER_HB --> Q_HB2 GATE_DRIVER_HB --> Q_HB3 GATE_DRIVER_HB --> Q_HB4 GATE_DRIVER_SR["同步整流驱动器"] --> Q_SR1 GATE_DRIVER_SR --> Q_SR2 GATE_DRIVER_SR --> Q_SR3 GATE_DRIVER_SR --> Q_SR4 HB_DRIVER["半桥驱动器"] --> HB1 HB_DRIVER --> HB2 HB_DRIVER --> HB3 end %% 散热系统 subgraph "三级热管理架构" LEVEL1["一级: PCB敷铜+过孔阵列 \n 主功率MOSFET"] LEVEL2["二级: 封装散热焊盘 \n 集成半桥"] LEVEL3["三级: 自然散热 \n 小信号开关"] LEVEL1 --> Q_HB1 LEVEL1 --> Q_SR1 LEVEL2 --> HB1 LEVEL3 --> SW_FAN end %% 通信接口 MCU --> QI_COMM["Qi协议通信"] MCU --> BLE_MODULE["蓝牙通信"] MCU --> USB_PD["USB-PD控制器"] %% 样式定义 style Q_HB1 fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px style Q_SR1 fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px style HB1 fill:#e3f2fd,stroke:#2196f3,stroke-width:2px style SW_FAN fill:#fff3e0,stroke:#ff9800,stroke-width:2px style MCU fill:#fce4ec,stroke:#e91e63,stroke-width:2px

在高端无线充电设备朝着大功率、多线圈与高集成度不断演进的今天,其内部的功率开关与路径管理已不再是简单的通断单元,而是直接决定了充电速度、能量转换效率与设备安全的核心。一套设计精良的功率开关组合,是充电器实现快速、低温、稳定与智能充电体验的物理基石。
然而,构建这样一套组合面临着多维度的挑战:如何在提升开关速度与控制电磁干扰之间取得平衡?如何确保小封装器件在大电流下的长期可靠性?又如何将多路管理、热保护与数字控制无缝集成?这些问题的答案,深藏于从关键器件选型到系统级协同的每一个工程细节之中。
一、核心功率器件选型三维度:电压、电流与拓扑的协同考量
1. 全桥同步整流MOSFET:效率与热管理的核心
关键器件选用 VBQF1310 (30V/30A/DFN8),其选型需要进行深层技术解析。在电压应力分析方面,考虑到无线充电输出经整流滤波后,直流母线电压通常在20V以内,并为开关尖峰预留裕量,因此30V的耐压满足降额要求(实际应力低于额定值的70%)。其极低的导通电阻(Rds(on)@10V=13mΩ)是效率的关键。
在动态特性与热优化上,DFN8(3x3)封装具有极低的热阻,但需通过PCB散热设计充分发挥其性能。以15V输入、20W输出为例,单管导通损耗P_cond = I_rms² × Rds(on) × 1.3(温度系数因子),全桥四管总损耗可控制在1W以内。高效率直接降低了温升,为设备小型化和无风扇静音设计奠定了基础。其高电流能力(30A)也为未来升级更大功率预留了充足余量。
2. 负载切换与路径管理MOSFET:智能化与安全的关键
关键器件是 VBQF3316G (半桥N+N, 30V/28A/DFN8-C),它能够实现高度集成的智能功率路径管理。其系统级优势在于:单芯片集成两个性能优化的MOSFET(上管Rds(on)@10V=16mΩ,下管40mΩ),节省超过60%的布局面积,并完美匹配半桥或H桥驱动拓扑。
在智能充电场景中,它可以用于多线圈阵列的选通控制。例如,当检测到设备放置于A线圈区域时,MCU控制该半桥导通,激活A线圈能量传输;同时关闭其他空闲线圈的半桥,彻底切断静态功耗。这种“随放随充、精准激活”的逻辑,实现了效率、速度与安全(避免空载发热)的平衡。其独立的栅极引脚也为实现软开关控制、进一步优化EMI提供了硬件基础。
3. 低压侧信号与小功率控制MOSFET:高集成度系统的补充
关键器件选用 VBK1270 (20V/4A/SC70-3),其核心价值在于极致的空间节省与灵活控制。在电压应力分析上,20V耐压完美覆盖5V、9V、12V等低压辅助电源轨的开关需求。
在系统集成优化方面,其SC70-3封装尺寸极小,可以放置在PCB的任何角落,用于控制风扇启停、指示灯电路、或为特定模块(如MCU、通信芯片)进行上电时序管理。例如,仅在设备温度超过阈值或进行大功率快充时,才开启散热风扇。其适中的电流能力(4A)和优异的低栅压驱动性能(Rds(on)@2.5V=48mΩ),使其可以直接由MCU GPIO口驱动,简化了电路设计。这种“分布式”的小功率开关布局,是构建精细化、模块化电源管理系统的重要一环。
二、系统集成工程化实现
1. 多层级的紧凑型热管理架构
我们设计了一个三级散热系统。一级主动/强被动散热针对VBQF1310这类承担主功率通路的MOSFET,必须采用大面积PCB敷铜(建议2oz铜厚)作为主要散热路径,并通过阵列散热过孔连接至内部接地层进行热扩散。二级PCB导热散热面向VBQF3316G这类集成半桥,依靠其DFN8-C封装底部的裸露焊盘,焊接在精心设计的散热焊盘上。三级自然散热则用于VBK1270等小信号开关,依靠其微封装自身的散热能力及周围敷铜即可。
具体实施方法包括:为VBQF1310和VBQF3316G设计远大于器件尺寸的覆铜区,并填充大量散热过孔(孔径0.3mm,间距1mm);在可能的情况下,将主功率PCB区域与金属外壳或内部支架通过导热垫片耦合;严格避免热源(如主控芯片、线圈驱动)的过度集中。
2. 高频电磁兼容性设计
对于高频开关噪声抑制,全桥驱动节点是辐射EMI的主要源头。对策包括:VBQF1310和VBQF3316G的开关回路面积必须最小化,采用“顶底层重叠铺铜”的方式构成紧耦合的电流回路;在驱动芯片输出与MOSFET栅极之间串联电阻(如2.2Ω-10Ω),以减缓开关边沿,控制dV/dt。
针对传导噪声,在直流输入输出端部署π型滤波器;为所有MOSFET的VDD引脚就近布置高质量的低ESL/ESR陶瓷去耦电容(如100nF+10uF组合)。
3. 可靠性增强设计
电气应力保护通过网络化设计来实现。在VBQF1310的漏极(连接线圈和谐振电容的节点)并联RC缓冲电路(如10Ω + 470pF),以吸收电压尖峰。为VBQF3316G的高边驱动配置自举电容和二极管,并确保其耐压余量充足。
故障诊断与保护机制涵盖多个方面:通过采样电阻和比较器实时监测VBQF1310所在支路的电流,实现硬件级过流保护(响应时间<1μs);利用MOSFET自身的导通电阻或外置NTC,通过MCU ADC监测其温升,实现过温降功率或关断;通过监测驱动波形和反馈电压,识别异物检测(FOD)状态或线圈错位等异常。
三、性能验证与测试方案
1. 关键测试项目及标准
为确保设计质量,需要执行一系列关键测试。整机效率测试在额定输入电压(如15V DC)、最大输出功率条件下进行,采用功率分析仪测量,合格标准为不低于85%(包含线圈传输、整流、稳压全过程)。待机功耗测试在输入接通、无负载状态下,使用高精度功率计测量,要求低于30mW。温升测试在25℃环境温度下,以最大功率持续充电1小时,使用热电偶或红外热像仪监测,关键器件VBQF1310的壳体温度(Tc)必须低于85℃。开关波形测试在满载条件下用示波器观察,要求Vds电压过冲不超过15%,需使用高频差分探头。异物检测测试使用标准金属片,要求系统能可靠识别并停止功率传输,响应时间小于500ms。
2. 设计验证实例
以一款15W高端无线充电器的功率开关部分测试数据为例(输入电压:15VDC,环境温度:25℃),结果显示:系统效率在15W输出时达到87.5%;关键点温升方面,VBQF1310(全桥MOSFET)壳体温度为58℃, VBQF3316G(路径管理)壳体温度为42℃, VBK1270(风扇控制)壳体温度为31℃。充电速度方面,为一部4000mAh手机从0%充电至50%耗时约35分钟。
四、方案拓展
1. 不同功率等级的方案调整
针对不同功率等级的产品,方案需要相应调整。基础快充产品(功率5-15W) 可采用VBQF1320(18A)作为主开关,搭配VB2212N进行路径管理。旗舰大功率产品(功率30-50W) 可采用本文所述的核心方案(VBQF1310+VBQF3316G),并考虑将全桥MOSFET升级为双路并联以进一步降低损耗。多设备同时充电产品 则需要部署多组VBQF3316G半桥,实现完全独立的线圈通道控制。
2. 前沿技术融合
数字智能控制是未来的发展方向之一。例如,通过MCU实时监测VBQF1310的导通压降,反推其结温,实现更精准的动态热管理;或根据接收端反馈,动态调整VBQF3316G的开关死区时间,以优化零电压开关(ZVS)条件,最大化效率。
高频化与宽禁带半导体应用路线图可规划为:第一阶段是当前主流的低压Trench MOS方案(如本文),工作频率在100-200kHz;第二阶段(未来1-2年)引入GaN HEMT器件用于初级逆变,可将工作频率提升至MHz级别,显著缩小变压器和线圈尺寸;第三阶段向全GaN方案演进,实现极致功率密度和效率。
高端无线充电设备的功率开关设计是一个在效率、温升、尺寸与成本之间寻求最优解的系统工程。本文提出的分级优化方案——全桥同步整流级追求极致低阻与高热性能、路径管理级实现高度集成与智能选通、辅助控制级完成精细化模块管理——为打造高性能、高可靠性的无线充电产品提供了清晰的实施路径。
随着快充协议与充电场景的日益复杂,未来的功率路径管理将朝着更加数字化、自适应化的方向发展。建议工程师在采纳本方案基础框架的同时,重点关注高频布局技巧与热仿真,并为软件定义功率流预留足够的控制接口。
最终,卓越的功率开关设计是隐形的,它不直接呈现给用户,却通过更快的充电速度、更低的发热、更安静的运行和更广泛的兼容性,为用户提供无缝而高效的能量体验。这正是工程智慧在消费电子领域的价值凝聚。

详细拓扑图

全桥同步整流拓扑详图

graph LR subgraph "全桥逆变级(发射端)" A["直流输入15-20V"] --> B["输入滤波电容"] B --> C["全桥节点H"] C --> D["VBQF1310 \n 高边开关"] D --> E["谐振网络入口"] C --> F["VBQF1310 \n 高边开关"] F --> G["谐振网络入口"] H["全桥节点L"] --> I["VBQF1310 \n 低边开关"] I --> J[初级地] H --> K["VBQF1310 \n 低边开关"] K --> J E --> L["LLC谐振腔 \n Lr, Cr"] G --> L L --> M["变压器初级"] M --> H end subgraph "同步整流级(接收端)" N["变压器次级"] --> O["整流输入节点"] O --> P["VBQF1310 \n 同步整流管"] P --> Q["输出滤波电感"] O --> R["VBQF1310 \n 同步整流管"] R --> S["输出滤波电感"] T["整流返回节点"] --> U["VBQF1310 \n 同步整流管"] U --> V[输出地] T --> W["VBQF1310 \n 同步整流管"] W --> V Q --> X["输出电容"] S --> X X --> Y["电池充电输出"] end subgraph "驱动与控制" Z1["全桥控制器"] --> AA1["栅极驱动器"] AA1 --> D AA1 --> F AA1 --> I AA1 --> K Z2["同步整流控制器"] --> AA2["栅极驱动器"] AA2 --> P AA2 --> R AA2 --> U AA2 --> W end style D fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px style P fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px

智能路径管理拓扑详图

graph LR subgraph "多线圈选择矩阵" A["全桥输出"] --> B["功率分配节点"] B --> C["VBQF3316G \n 通道1半桥"] B --> D["VBQF3316G \n 通道2半桥"] B --> E["VBQF3316G \n 通道3半桥"] C --> F["线圈阵列1"] D --> G["线圈阵列2"] E --> H["线圈阵列3"] F --> I[地] G --> I H --> I end subgraph "单通道半桥内部拓扑" subgraph J["VBQF3316G 内部结构"] direction TB K["VIN (12V)"] --> L["上管N-MOS \n Rds(on)=16mΩ"] M["下管N-MOS \n Rds(on)=40mΩ"] --> N[地] L --> O["输出节点"] M --> O end O --> P["线圈驱动输出"] Q["高边驱动"] --> L R["低边驱动"] --> M end subgraph "控制逻辑" S["MCU检测电路"] --> T["位置传感器"] T --> U["线圈选择算法"] U --> V["驱动控制信号"] V --> Q V --> R W["电流反馈"] --> U X["温度反馈"] --> U end style C fill:#e3f2fd,stroke:#2196f3,stroke-width:2px style L fill:#e3f2fd,stroke:#2196f3,stroke-width:2px

热管理与保护拓扑详图

graph LR subgraph "三级散热系统" A["一级散热:主功率MOSFET"] B["大面积PCB敷铜(2oz)"] --> C["散热过孔阵列"] C --> D["内部接地层"] D --> E["热扩散区域"] A --> B A --> F["VBQF1310 \n DFN8封装"] G["二级散热:集成半桥"] H["封装裸露焊盘"] --> I["散热焊盘设计"] I --> J["局部敷铜"] G --> H G --> K["VBQF3316G \n DFN8-C封装"] L["三级散热:小信号开关"] M["微封装自身散热"] --> N["周围敷铜"] L --> M L --> O["VBK1270 \n SC70-3封装"] end subgraph "热监控与调节" P["NTC温度传感器1"] --> Q["MOSFET衬底"] P --> R["MCU ADC"] S["NTC温度传感器2"] --> T["PCB热点"] S --> R U["温度保护算法"] --> V["动态功率调节"] V --> W["降低充电功率"] U --> X["风扇控制"] X --> Y["VBK1270风扇开关"] Y --> Z["散热风扇启停"] end subgraph "电气保护网络" AA["RC缓冲电路"] --> AB["VBQF1310漏极"] AC["TVS保护"] --> AD["栅极驱动芯片"] AE["自举电路保护"] --> AF["VBQF3316G高边"] AG["电流检测电阻"] --> AH["比较器"] AH --> AI["硬件过流保护"] AI --> AJ["关断信号"] AJ --> AB end style F fill:#e8f5e8,stroke:#4caf50,stroke-width:2px style K fill:#e3f2fd,stroke:#2196f3,stroke-width:2px style O fill:#fff3e0,stroke:#ff9800,stroke-width:2px

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