無線電源模組的設計 Sean Hung 看過個人盥洗用具中，BRAUN 無線充電牙刷嗎？還是看過 Window 7 廣告 中，將手機放在平版電腦螢幕上充電的那一幕嗎？或是 Discovery 頻道中，將植 入人體感測式晶片做個充電與抓取訊號的畫面嗎？這些都是拜無線電源所賜的 新技術，簡單的原理卻可提供我們許多方便的應用。 因此，筆者在此設計了一個無線電源模組的電路，可供各類可攜式電子產品 來應用。其中無線電源傳輸頻率必採用國際電信聯盟無線電通信組(ITU-R)的 ISM 頻段如下： 頻率範圍 中心頻率 可用性 6.765–6.795 MHz 6.780 MHz 13.553–13.567 MHz 13.560 MHz 26.957–27.283 MHz 27.120 MHz 40.66–40.70 MHz 40.68 MHz 433.05–434.79 MHz 433.92 MHz 僅限 ITU Region 1 902–928 MHz 915 MHz 僅限 ITU Region 2 2.400–2.500 GHz 2.450 GHz 5.725–5.875 GHz 5.800 GHz 24–24.25 GHz 24.125 GHz 61–61.5 GHz 61.25 GHz 區域性接收 122–123 GHz 122.5 GHz 區域性接收 244–246 GHz 區域性接收 區域性接收 245 GHz 表一、ITU-R 下的 ISM 頻段 表一為可以傳輸電源能量的頻段，其中 2.45 GHz 是日常生活中微波爐常使 用高頻振蕩的頻段，而 13.56 MHz 則是目前工業、科學以及醫療最常使用的頻 段，為此本無線電源模組採此頻段設計。當然設計上你也可以採用其它頻段，原 則上，頻段越高訊號對距離的衰減越小；如果是使用於醫療則不可超過 20 MHz，因為超過這個頻率將會被人體組織細胞所吸收。 1 圖一、無線電源系統 無線電源模組採用三個主要步驟去組合設計，其系統方塊如圖一所示：首先 是 無 線 電 感 線 圈 (Coil) 的 設 計 ， 需 要 特 別 注 意 距 離 上 的 偶 合 係 數 (Coupling Coefficient)與線圈的品質因數(Quality Factor)，目的在提升效率、降低空氣介質 中的損耗，配合共振電容(Resonant Capacitance)匹配，使傳送線圈與接收線圈 可以相互偶合；其次是整流器(Rectifier)的設計，系統可採用全波整流(Full-Wave) 和半波整流(Half-Wave)的方式，將 AC 交流旋波轉換成 DC 直流位準；第三則 是採用 AIC1701 線性穩壓電路來提供穩定之系統電源。 (1) 天線的設計： 天線的設計上，傳送端天線的體積大多大於接收端，原因在於接收天線大多 放置於可攜式電子產品中，空間有限，所以在此筆者也採最不占空間的螺旋式線 圈(Spiral Coil)設計接收天線。 圖二、偶合天線的等效電路 圖二為偶合天線的等效電路圖，必須先計算出調整因數(Correction Factor , AK)，其中調整因數公式(1)中，其值大多介於 0.99~0.8 之間。因為受到量測探棒 電容與線材的寄生電容效應，可推算 CTOT=Cpara+Ccable+Cprob，這是量測電路對 偶合天線所造成的影響；而 ω=2πft 則由傳輸頻率(Transmission Frequency , ft) 所決定。 Ak = 2 - 1 1 - (ω × C TOT × L R ) 公式(1) 2 2 其次利用電錶量測偶合天線兩端電壓可得 VR 與 VT 值，使用阻抗分析儀可 以量測傳輸頻率的電感值 LR 與 LT ，代入公式 (2) 中，即可求得偶合係數 (Coupling Coefficient , K)，其值大多介於 1~0 之間。。 K = AK × VR LT × LR VT 公式(2) 再來推算共通電感(Mutual Inductance , M)，可以採用公式(3)加以計算。 M= VR L T = K LT LR VT Q T Q R 公式(3) 無線傳輸天線除了要使線圈耦合，產生共振頻率 (Resonant Frequency) 外，另一個重點當然就是減少功率損失 (Power Lose) ，提高整個天線的效率。 為了減少功率損耗，我們必須準確計算出傳輸天線的總內阻，使交流訊號可以完 全幾乎沒有損耗的傳入天線內，也就是完全匹配，在此為了匹配電源產生器，採 50Ω 去設計。 圖三、二階偶合天線的等效電路 圖三為二階偶合天線的等效電路，為了利於計算輸出功率，我們必須將接收 端線圈由(A)等效電路轉變為(B)等效電路，轉換的要點是將負載並接電阻 RL 轉 變為綠框的負載串接電阻 RL’。利用品質因數(Quality Factor)公式與一個週期內 所消耗掉能量公式,聯立可以求得串接電阻與並接電阻的等效關係如公式(4)。 (ωL R ) 2 R 'L = RL 公式(4) 3 實際上，當線圈偶合時，傳送端線圈會量測到一等效電阻 RE 如圖三傳送端 綠框的部分，其產生是來自於接收端的偶合電阻。在此，利用先前共通電感 (Mutual Inductance, M) 的公式得下面關係式： R LK 2QEQR (ωM ) 2 RE = = ×RT R R + R ' L R L + Q 2R R R 公式(5) 計算出 RE 後，與實際傳送端天線內阻 RT 串聯相加後，必須為我們訊號產 生器的內阻 50Ω，這時高效率天線就完成了，筆者實際測試過這組天線效率一 公分左右之距離，可以達到 90%傳輸效率，採用網路分析儀確實分析量測天線 的接收與反射之結果如圖四所示。 圖四、天線的訊號衰減圖與史密斯曲線 (2) 無線電源模組電路設計： PCB 採用長寬 1.5cm × 1.5cm 的薄版，搭配薄型電子原件，可設計出極薄 的無線電源模組。而二極體的選用上，盡量採用較小順向導通電壓 (Forward Voltage) 的蕭特基二極體 (Schottky Diode)，至於電壓轉換採用 AIC1701 線性 穩壓器(Linear regulator)，主要的原因在於其輸出電壓對輸入電壓或負載的變化 反應較迅速、輸出電壓的漣波與雜訊較低、體積較小；在功率的損耗上，AIC1701 擁有極低的 Quiescent Current，在沒有負載的情形下，電流的損耗只有 3μA， 讓無線電源模組在可攜式電子設備與植入式晶片的應用上，大大的提昇了整體的 效率。 在其它的被動元件部分採用 SMD 的電容與電阻，至於螺旋式接收天線則置 於無線電源模組 PCB 背版，以下為無線電源模組電路圖及 PCB Layout 圖： 4 U1 D1 VIN C3 T1 C1 Anntenna C2 R1 EN R2 U2 VOUT D4 D2 C2 R1 NC 1.8V C6 U1 R2 D3 VOUT EN GND AIC1701-18 VIN C1 C5 GND AIC1701-33 T1 Anntenna VIN C4 NC EN D1 C3 VOUT NC 1.8V C4 GND AIC1701-18 圖五、無線電源模組電路及 PCB Layout 圖 由圖五可知兩組無線接收電源模組，第一組採用半波整流後流經兩組線性穩 壓電路，以達到高濾波特性，得以提供一個相對乾淨的直流源；另一組採用全波 整流後流經一組線性穩壓電路，以達到高效率特性，讓無線電源模組與電源發射 源可以達到最大距離。螺旋式接收天線則置於無線電源模組 PCB 背版，其直徑 採用 1.5cm，向內繞曲三圈，採用 AWG#24 的實體銅線，絕對可以滿足 AIC1701 穩壓器最大工作電流 150mA，以下為無線電源模組上的原件表： Module_1 Part Type Description C1 220pF 0603 NPO Ceramic Capacitor C2 22pF 0603 NPO Ceramic Capacitor C3, C5 1μF 0603 X7R Ceramic Capacitor C4, C6 1μF 0603 X7R Ceramic Capacitor D1~D4 RB16M-20 Schottky Diode U1~U2 AIC1701-18GU3TR AIC1701-33GU3TR 3.3/1.8V Version, in SOT-23 Package R1, R2 NA For Antenna Test 表二、無線電源模組 BOM 表 5 (3) 實際測試與量測： 利用信號產生器將所需的交流訊號送入 BUF634 IC 所組成的無線電源 發射電路輸入源，輸出端經由 SMA 連接頭接上傳輸天線即完成無線電源傳 送電路；再將無線電源模組放置垂直的接收端，中間距離大約 1.25 公分，其 組裝完實際電路如圖六。 圖六、無線電源模組測試圖 電路的量測上，傳輸端採用 Tektronix: AFG-3032 波形產生器傳送 13.56MHz 的交流旋波，傳送至圖六的無線電源傳送電路，將訊號放大傳送 至偶合天線的傳送端，經過傳送的圓柱形天線傳送電源，至螺旋式線圈無線 電源模組中進行整流、濾波以及穩壓，最後輸出一組 1.8V 的穩定直流，整 個無線電源系統就完成了。 Conduction: VR=0.8V, VOUT =1.8V, I OUT =0mA Conduction: VR=4.8V, VOUT =1.8V, I OUT =150mA Power Receiver Power Receiver Rectifier Output Rectifier Output Output Ripple and Noise Output Ripple and Noise 圖七、採用半波整流無線電源模組輕重載情形 6 Conduction: VR=2.5V, VOUT =1.8V, I OUT =0mA Conduction: VR=6.8V, VOUT =1.8V, I OUT =150mA Power Receiver Power Receiver Rectifier Output Rectifier Output Output Ripple and Noise Output Ripple and Noise 圖八、採用全波整流無線電源模組輕重載情形 由圖七與圖八中，可以知道輸出漣波雜訊並非極佳，半波整流無線電源模組 大約在 50mV ；全波整流無線電源模組在大約 30mV，會有這樣的結果，主要 在於線性穩壓電路的輸入端電源，是採用交流成分極高的旋波電壓輸入，線性穩 壓器於高頻 13.56MHz 的 PSRR 並不大，無法有效壓抑交流成分電壓，造成 輸出電壓 1.8 V 中含有 30~50mV 交流旋波成分，但就目前學術期刊與業界的 技術，PSRR 並沒有辦法在有效的提高，頂多到 1MHz 的 PSRR 已經是一個瓶 頸了。 如果想要有效降低輸出漣波雜訊 (Output Ripple and Noise) ，有下面三種方式 可進行改善： 第ㄧ種方式，是在線性穩壓電路的輸出端外加更多的電容，建議採用低 ESR 的 NPO 或 X7R 陶瓷電容，頻域的選擇也必須注意。在本電路上，輸出端並接 上一顆 0.1μF X7R 與一顆 100pF NPO 陶瓷電容，將大大改善輸出漣波雜訊，本 無線電源模組採用此種方式，可以保持在 20mV 的輸出漣波雜訊。 第二種方式，是在線性穩壓電路的差動放大器前與 Bandgap 電路前外加一 個小電容，這種方式主要是將線性穩壓電路的 PSRR 拉高，透過線性穩壓電路 濾掉交流成分的電壓，但因為 PSRR 拉高的位置大多比工作頻率 13.56MHz 低 很多，所以改善並不明顯。 第三種方式，是選用過濾高頻的整流器(Rectifier)，或者是採用正確頻段的 蕭特基二極體 (Schottky Diode)，本無線電源模組採用並非正確頻段的整流器， 造成整流器輸出的漣波在 1.8~4V 之間，主要目的在測試 AIC1701 線性穩壓的濾 波能力；如果換上正確頻段的蕭特基二極體，將可以再改善輸出漣波雜訊。 一般而言，輸出漣波雜訊越小越好，這樣才可以提供大多數高階的數位產品 與高速筆記型電腦設備，至於低階的數位產品則不需要使用如此低的漣波雜訊。 7 如果採用切換式 (Switch-mode) 穩壓器，其漣波雜訊大多比線性穩壓器差，而 且電源模組必須要有電感的空間，這也就是大多數無線電源都採用線性穩壓電路 的主因。 文至於此，您心動了嗎?要不要自己設計一個簡單又便宜無線電源電路，那 就著手設計看看吧!~ 8