廚房內(nèi)的無線電源解決方案

???????? 作者： 意法半導(dǎo)體 Akshat JAIN Bruno TISSERAND Fabrizio Di FRANCO Martin DENDA, Rene WUTTE

無線電源將帶來廚房電器重大創(chuàng)新，廚電從此變得更智能、更纖薄，更加節(jié)省空間。無線充電聯(lián)盟即將發(fā)布新標(biāo)準(zhǔn)“Ki無線廚房”，屆時(shí)，從簡單的低功率榨汁機(jī)，到食品攪拌機(jī)或電水壺，以及其他的功率高達(dá)2.2千瓦的電器，所有廚電都將擺脫電源線的束縛。無線電源與廚電的互操作性是無線電源能否快速應(yīng)用推廣的關(guān)鍵因素。無線電能發(fā)射器和廚電，無論是什么品牌、哪種廚電或使用的是哪一版Ki，凡是取得了Ki認(rèn)證，都將遵循該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全協(xié)議，能夠協(xié)同工作。

Ki發(fā)射器也可以視為一個(gè)智能電磁爐，它不僅可以為Ki接收器供電，還可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)電磁爐炊具，例如，加熱平底鍋。Ki標(biāo)準(zhǔn)利用近場通信（NFC）技術(shù)在電能發(fā)射器和電器之間智能通信，提供輔助電源、雙向數(shù)據(jù)通道、高級控制、設(shè)備驗(yàn)證、異物檢測（FOD）等對于互操作性至關(guān)重要的功能。圖1是Ki無線廚房概念框圖。

▲圖1：Ki無線廚房概念框圖

意法半導(dǎo)體是一家服務(wù)多重電子應(yīng)用領(lǐng)域、全球排名前列的半導(dǎo)體公司，從早期即開始參與Ki無線廚房標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并開發(fā)出了Ki無線廚房電源發(fā)射器的參考設(shè)計(jì)STEVAL-KITXCB評估板。該參考設(shè)計(jì)包括電源逆變器板、輔助電源板、NFC板、逆變器微控制器板、電源線圈、NFC天線和GUI板，如圖2所示。該解決方案采用模塊化設(shè)計(jì)方法，用戶可以輕松測試和調(diào)試所涉及的各個(gè)部件。

▲圖2：無線廚房評估板套件（STEVAL-KITXCB）

主電源板包含一個(gè)半橋拓?fù)淠孀兤鳌Ｔ趥鬏旊娔芷陂g，IGBT的開關(guān)頻率范圍是26 kHz至74 kHz。電源逆變器板連接電源線圈，STM32G474RET6微控制器通過數(shù)字化方式控制逆變器。得益于高分辨率定時(shí)器和豐富而先進(jìn)的集成化模擬外設(shè)，該微控制器可以滿足數(shù)字電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的需求。高性能通用NFC控制器ST25R3916安裝在專用子板上，負(fù)責(zé)管理Ki發(fā)射器和Ki接收器之間的NFC通信。NFC天線連接NFC子板?；赩IPer318高壓轉(zhuǎn)換器芯片的離線反激電路負(fù)責(zé)管理輔助電源，提供24V直流電流，同時(shí)確保電路體積緊湊，待機(jī)功耗很低。圖3是主電源逆變器板和評估套件子板的連接圖。逆變級基于STGWA50IH65DF溝槽柵極場截止650V IH系列IGBT，該系列功率晶體管的Vcesat和Eoff兩個(gè)參數(shù)非常低，確保晶體管在高開關(guān)頻率下能效很高，半橋柵極驅(qū)動(dòng)器是魯棒性和驅(qū)動(dòng)能力都很強(qiáng)的L6491D芯片，拉電流和吸電流都很大。

▲圖3：Ki無線廚房電源發(fā)射器參考設(shè)計(jì)（STEVAL-KITXCB）–框圖

NFC子卡上的專用微控制器STM32L476VGT64負(fù)責(zé)管理Ki廚房標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并通過UART通信協(xié)議與控制電源逆變器的STM32G474RET6微控制器通信。在啟動(dòng)期間，當(dāng)Ki接收器/廚電置于感應(yīng)中心上方時(shí)，Ki發(fā)射器將通過NFC提供初始電能，為設(shè)備的用戶界面供電，并建立通信載波，如圖4所示。當(dāng)在用戶界面打開Ki接收器/設(shè)備（向Ki發(fā)射器發(fā)出供電請求）時(shí)，NFC將停止輔助電源傳輸，而Ki電源發(fā)射器的逆變器將通過感應(yīng)方式將包括輔助電源在內(nèi)的電能傳輸?shù)終i接收器。

▲圖4：NFC通信–空閑狀態(tài)和電能傳輸狀態(tài)

在電能傳輸狀態(tài)下，為了防止NFC和無線感應(yīng)輸電之間互相干擾，在交流電壓過零期間，無線感應(yīng)電能傳輸完全關(guān)閉，同時(shí)NFC變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，如圖4所示。

Ki接收器與電磁爐（炒鍋/煮鍋）

標(biāo)準(zhǔn)電磁爐炊具是由鐵磁材料制成。電磁爐炊具（炒鍋/煮鍋）的底部可視為由一個(gè)繞組構(gòu)成的低負(fù)載電阻感應(yīng)線圈，從發(fā)射器接收的電能在這里轉(zhuǎn)化為熱量。因此，電能發(fā)射器線圈和炊具可視為一個(gè)變壓器，其中電磁爐炊具是短接的副邊繞組或次級（負(fù)載）。交流電流經(jīng)過發(fā)射器諧振線圈，產(chǎn)生一個(gè)振蕩磁場，在電磁爐炊具內(nèi)感應(yīng)出電流。

Ki接收器主要由諧振線圈、諧振電容器、NFC電路和Ki接收器/電器電路組成。Ki發(fā)射器線圈的大小是固定的，而Ki接收器的線圈尺寸是變化的，具體尺寸取決于功率要求。為了最大限度地提高電能傳輸效率，Ki接收器的頻率必須調(diào)整到發(fā)射器的諧振頻率?，F(xiàn)在，將有兩個(gè)諧振點(diǎn)：一個(gè)是Ki發(fā)射器，另一個(gè)是Ki接收器。為了提高能效，發(fā)射器需要以第二個(gè)諧振頻率運(yùn)行，但這并不能保證Ki接收器能夠接收到最大功率。為了傳輸所需的功率，Ki發(fā)射器需要切換到第一個(gè)諧振頻率。STM32G474RET6微控制器控制算法負(fù)責(zé)管理這個(gè)諧振切換操作。

為了縮短開發(fā)時(shí)間，讓客戶能夠在終端應(yīng)用中評估產(chǎn)品，意法半導(dǎo)體提供一個(gè)電能發(fā)射器參考設(shè)計(jì)（STEVAL-KITXCB評估板），同時(shí)正在開發(fā)不同類型的接收器參考設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)文件和固件源代碼是許可使用，條款對開發(fā)者非常友好。