随着无线电力传输技术在消费类电子产品中的日益普及，工业和医疗行业也把关注焦点转移至这项技术及其固有优势。在如 WLAN 和蓝牙（Bluetooth）等各项无线技术的推动下，通信接口日益向无线化发展，无线电力传输技术也成为一种相应的选择。采用一些全新的方案，不仅能带来明显的技术优势，还能为新的工业设计开辟更多可能性。这项技术提供了许多新的概念，特别是在需要对抗腐蚀性清洁剂、严重污染和高机械应力等恶劣环境的工业领域，例如 ATEX、医药、建筑机械等。比如，它可以替代昂贵且易损的集电环或触点。另一个应用领域是必须满足增强或双重绝缘等特殊要求的变压器。
本应用说明旨在阐述使用电路技术可以轻松实现数百瓦甚至更高规格的无线电力传输解决方案，同时无需使用软件或控制器。
图 1：Würth Elektronik 无线充电线圈。
2.ZVS 振荡器（差模谐振转换器）
本应用说明中使用经典的谐振转换器作为时钟电路。
该振荡器提供诸多优势：
独立振荡，只需一个直流电源
电流和电压曲线非常接近正弦曲线
无需有源器件和软件
可在 1 W - 200 W 范围内灵活扩展
MOSFET 开关接近过零点
可扩展，以适配多种不同的电压/电流
2.1.基本电路/原理图：
图 2：基本谐振转换器电路。
图2所示的基本电路为发送侧，包括发送线圈 LP。接收侧可以采用相同的基本电路（见第3.1章）。
2.2.功能
谐振转换器通常以恒定的工作频率工作，该工作频率由 LC 并联谐振电路的谐振频率确定。一旦向电路施加直流电压，它就会基于 MOSFET 器件容差开始振荡。较短时间内，两个 MOSFET 中的一个的导电性会略微超过另一个。两个 MOSFET 栅极的正反馈和导电性较差的 MOSFET 的相反漏极会产生 180° 相移。因此，这两个 MOSFET 总是异相驱动，永远不能同时导通。两个 MOSFET 交替将两个并联谐振电路两端交替接地，使谐振电路周期性充电。
该电路拓扑结构的另一个特点是电压始终接近过零点，这意味着 MOSFET 的开关损耗极低。该开关拓扑结构的缺点则在于，谐振电路中流通的无功电流会导致空闲状态下的功耗相对较高。因此，理想情况下，谐振转换器应该只在加负载下运行。同时应考虑谐振电路的频率会随接收侧的耦合系数而变化。这是由于接收侧的反射阻抗影响发射侧的磁化电感而导致，因为两侧为并联。随着发送侧磁化电感的下降，耦合系数降低，导致频率上升。
图 1 中的基本电路可以在 3.3 V 至 230 V 以上的电压下运行，具体取决于所用器件。当输入电压高于 20 V 时，必须注意接触保护，因为谐振电路中的电压已经高于 SELV（额定安全低电压）阈值 50 VAC/120 VDC π 倍或以上。
图 3：发射线圈的电压用蓝色和红色显示。栅极电压用黄色和绿色显示。
（这些电压曲线测量以电路接地端 GND 为参考；Vin = 20 V；Pout = 100 W；优化的栅极驱动，参见应用示例）
实际上，整个无线电力传输电路的效率可能超过 90%。这很难得，因为通过气隙产生的耦合损耗已计入，并且输入端可获得稳定的直流电压。气隙在 4-10 mm 范围内时，效率均可保持稳定。磁场中很大一部分未耦合至接收侧的能量会返回“谐振槽路”。根据具体应用，最大距离可达18 mm，但耦合系数和 EMC 方面会有所牺牲。
发射侧的电路同样可用于接收侧，而谐振转换器用作同步整流器。此处需要考虑，接收侧的谐振频率应与发射侧的谐振频率非常接近。这样还可以产生最大的“吸收电路效应”。C 和 L 并联连接意味着次级侧作为类似于负载的恒定电流源，这可以显著提高电路的整体效率。此外，电容器还可补偿无线电源线圈的杂散电感。如果电路构建得当（即......），则接收器可以将能量反馈给发射器（即负载处采用 Linear Technology 的“理想”二极管）。
图 4：发射线圈电压（不以电路 GND 为参考；Vin = 20 V/Pout = 100 W）。
图 5：发送侧输入供电的反射纹波和噪声 (Vin = 20 V/Pout = 100 W)可使用低 ESR 聚合物和陶瓷电容器降低电压纹波。
使用更小的 MOSFET 代替肖特基二极管驱动栅极，或使用双极推挽电路（参见应用示例），可以提高效率。
对于超过 20 V 的电源电压，可以使用电容分压器来驱动 MOSFET 栅极或DC/DC转换器（如高效紧凑的Würth Elektronik MagI³C 电源模块）作为辅助电压源（参见第 3 节中的应用示例）。
同样，在接收侧，也可以用经典的桥式整流器代替谐振转换器。其优点包括更高的输出电压、更低的成本、更小的空间，但二极管损耗会导致效率降低。
负载频率一般不应超过 150 kHz，否则并联电容器、发射和接收线圈的损耗会过高。此外，150 kHz 以下的 EMC 限值也更高（例如 CISPR15 EN55015 9 kHz - 30 MHz）。105-140 kHz 是迄今为止进行的所有试验权衡之下得到的最佳频率范围。根据目前已获批准的感应电力传输频带(100-205 kHz)，此频率范围可以确保您处于一个安全的频率范围之内。
如果最终产品将在多个国家/地区上市，则应事先确定各个国家/地区的法规以及允许的频段，以缩短开发阶段的时间。
图 6：6.5 mm 气隙测量电路 (Vin = 20 VDC；Pout = 100 W)。
图 7：6.5 mm 气隙测量电路 (Vin = 20 VDC；Pout = 100 W)。
图 8：Pout = 100 W(Vin = 20 V) 的电路/线圈的温升（上侧 = 滤波器 + 电容器）。
图 9：Pout = 100 W (Vin = 20 V) 的电路/线圈的温升（下侧 = MOSFET + 栅极驱动）。
2.2.1无线电力变压器的 EMC 特性
通过各种无线电力应用传输电力时，遵守 EMC 限值要求并非易事。挑战在于，发射和接收线圈就像一个耦合系数不佳且气隙极大的变压器，这会导致线圈附近产生很高的杂散电磁场。EMC 测量表明，从基波频谱到 80 MHz 的频率范围内都可能发生宽频干扰。如果将测量的干扰水平保持在限值以下(并留有一定的余量)，则可认为干扰场强度也能保持在限值以下。总体而言，EN55022 B 类等限值可能成为开发中不容低估的挑战。
图 10：干扰电压测量中的频谱示例（9 kHz - 30 MHz/B 类限值）。
图 11：针对共模和差模干扰源的抑制措施。
