【干货分享】Qi标准无线供电模块的降噪措施

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1.概要

村田针对符合Qi标准的无线供电的发送模块和受电模块,对噪声评估及降噪措施进行研究,确立了有效的降噪措施。

由于受电端和输电端均需采取治疗措施,因此将依次介绍各个电路的应对措施。

2. 无线供电模块中的噪声问题

村田对于进行无线供电时是否会发生语音通讯接收灵敏度抑制现象进行了调查。

结果显示,由于无线供电,在800MHz频段会发生接收灵敏度抑制现象,此外,接收灵敏度的抑制现象在所有频率均有发生。

接收灵敏度的测量结果(800MHz频段)

接收灵敏度的测量结果(800MHz频段)

在整个带宽内都会发生接收灵敏度抑制现象。

3. 噪声产生 / 噪声传播机制

村田根据对噪声的区分调查结果,推断出了受电模块的噪声机制。

主要的噪声源有两个。
第一个是充电器。
第二个是受电模块内的受电IC。

这些噪声从受电模块电路板直接辐射,或是传导到电源线及GND线,再从智能手机电路板及导线辐射,然后再耦合到天线,进而发生接收灵敏度的抑制现象。

无线受电模块的简易简易等效电路

无线受电模块的简易简易等效电路

噪声源    
①充电器(耦合到受电线圈)
②受电IC

传播模式    
①受电模块电路板辐射
②传导到电源/GND线 → 智能手机的电路板或导线辐射

存在充电器辐射的噪声和在受电模块内产生的噪声。

补充:
标准中规定了与充电器的输电线圈串联的电容器,以及与受电模块的受电线圈串联/并联的电容器。。

受电IC后的电容器为整流电容器。

传播模式②的导线是指连接受电模块和智能手机的导线,以及智能手机内的导线。

无线受电模块的降噪措施

噪声问题机制

噪声问题机制


4.降噪措施

下面就无线受电模块的简易等效电路(降噪电路)进行说明。

降噪电路

如图所示,在受电线圈的底部插入铁氧体磁珠(两处)。

这样就可以防止充电器辐射并耦合到受电线圈的噪声传播到受电模块内。

将铁氧体磁珠插入与智能手机相连的电源线及GND线中。

这样就可以防止受电IC产生的噪声传导至智能手机。

此外,还建议您使用支持小型/大电流的BLM15PD800SN1铁氧体磁珠。

无线受电模块的简易简易等效电路(降噪电路)

无线受电模块的简易简易等效电路(降噪电路)

以下降噪措施可提高语音通讯的接收灵敏度:

①在受电线圈的底部插入铁氧体磁珠(推荐:BLM15PD800SN1)
②在与智能手机相连的电源线中插入铁氧体磁珠(推荐:BLM15PD800SN1)
③在与智能手机相连的GND线中插入铁氧体磁珠(推荐:BLM15PD800SN1)

①可有效抑制充电器辐射并耦合到受电线圈的噪声。 ②③可有效抑制受电IC产生的噪声。

补充:
如果充电器泄漏的磁通量很大,仅依靠受电端的降噪措施可能无法提高接收灵敏度。
因此,对充电器也需要采取全面的降噪措施。

并且,如果充电器泄漏的磁通量很大,输电线圈辐射的噪声会直接耦合到天线,因此使用铁氧体磁珠的措施将不会产生效果。
此时,可通过加大电波吸收片,使其大于受电线圈(可粘贴到整个外壳的大小)来防止向天线耦合的现象并提高接收灵敏度。

对电路谐振频率的影响
村田对上图所示降噪措施是否会对充电器的工作造成不良影响进行了研究。

由于插入了铁氧体磁珠,因此会存在输电受电随电路(受电线圈+串联电容器、受电线圈+串联电容器+并联电容器)形成的阻抗特性的变化而变化的问题。

Qi中规定
“受电线圈+串联电容器的谐振频率=100kHz+5%-10%、受电线圈+串联电容器+并联电容的谐振频率=1000kHz±10%”。

村田计算出了在插入铁氧体磁珠时,电路(此处以受电线圈+串联电容器为例)阻抗特性会如何变化。计算以电感值及容量值不同的两种情形为例。

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条件①:受電コイル=25uH、串联C=100nF
条件②:受電コイル=10uH、串联C=250nF

条件①是为用于评估而准备的组件所设定的实测值,条件②是将阻抗值设定成其一半以下的数值。(因为如果输电线圈的电感较小,则容易受铁氧体磁珠的影响。)

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即使插入铁氧体磁珠,也不会影响电路的阻抗特性。

结果显示,即使插入铁氧体磁珠,也不会影响电路的阻抗特性。因此,可以认为即使插入铁氧体磁珠,其对充电器的工作造成的影响也较小。

补充:
和受电线圈的电感值(10~20uH左右)相比,BLM15PD800SN1的L值较小,为210nH(LCR测量仪上的实测值),因此可以认为谐振频率不会发生变化。

5. 降噪措施的效果

村田针对实施上一项中介绍的降噪措施时,进行无线供电过程中的接收灵敏度进行了评估。

评估结果显示,在所有频率中,接收灵敏度均有所提高。
本次评估样品中,接收灵敏度最多可提高5dB,进行无线供电过程中的接收灵敏度抑制变为零。。

语音通讯的接收灵敏度

语音通讯的接收灵敏度

受电模块的简易简易等效电路

受电模块的简易简易等效电路

采用铁氧体磁珠的降噪措施可大幅提高接收灵敏度。

6. 无线受电模块降噪措施的总结

无线受电模块的噪声问题

由于充电器产生的噪声会从输电线圈耦合到受电线圈,并侵入到无线电路,因此无线电路的接收灵敏度会受到抑制。

降噪措施的具体手法
如下所示,通过在受电电路端使用铁氧体磁珠进行降噪,可提高无线电路的接收灵敏度。
①在受电线圈的底部搭载铁氧体磁珠(推荐:BLM15PD800SN1)
②在与智能手机相连的电源线中搭载铁氧体磁珠(推荐:BLM15PD800SN1)
③在与智能手机相连的GND线中搭载铁氧体磁珠(推荐:BLM15PD800SN1)

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无线输电模块的降噪措施
继受电模块之后,下面将就发送模块中需要采取措施的噪声进行探讨。在发送模块中,噪声源是用于向输电线圈提供交流电的逆变器。电源线辐射的噪声会向外辐射,而进入输电线圈的噪声不仅会向外辐射,而且还会导致智能手机主机接收灵敏度的降低。

接下来将从辐射噪声应对措施和接收灵敏度降低应对措施这两个角度推荐降噪措施。

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噪声问题发生部位

辐射噪声:①输电线圈&②电源线
接收灵敏度:①输电线圈

首先采取了辐射噪声应对措施。
由于存在从逆变器向电源线端和输电端泄漏的两种噪声,因此分别插入降噪电路。(措施①、措施②)
由于辐射的噪声主要是在共模下传导的噪声,因此使用共模扼流圈。另外,输电线圈端包含很多高频噪声,因此也同时使用线间旁路电容器。

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将降噪部件连接到电源线端。通过实施该措施,辐射噪声最高降低了12dB。

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将降噪部件连接到发送线圈端。通过实施该措施,辐射噪声最高降低了12dB。

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通过在电源线端和发送线圈端采取降噪措施,辐射噪声最高降低了14dB。

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接下来实施改善接收灵敏度下降问题的措施。措施实施方法与辐射噪声应对措施中在发送线圈端采取的措施相同,使用了共模扼流圈和线间旁路电容器。实施结果显示,接收灵敏度最大提高了12dB。

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7.输电模块降噪措施的总结

送电模块的逆变器是噪声源,噪声传导到电源线端及输电线圈端后辐射,或形成辐射噪声,或降低接收灵敏度。
通过在逆变器的电源线端和输电线圈端嵌入组合了共模扼流圈和电容器的滤波器,可降低辐射噪声,避免接收灵敏度的下降。

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文中介绍的降噪部件

片状铁氧体磁珠 BLM15PD系列

BLM15PD800SN1

芯片尺寸:1.0x0.5x0.5mm
阻抗@100MHz:80Ω
额定电流:1.5A(在85℃以上环境中使用时会降低额定值)

阻抗频率特性

阻抗频率特性


片状共模扼流圈 DLW5BTM系列

DLW5BTM142SQ2

芯片尺寸:5.0x5.0x2.5mm
共模阻抗:1400Ω@100MHz
定格電流:1.5A

阻抗频率特性

阻抗频率特性

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