是德科技利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南
介绍 随着云计算系统和高集成移动终端的发展, 如今在指掌之间即可享用各种类型的数字内容和应用程序 随之而来的是移动终端的耗电量急剧增加, 从而提出更方便 更灵活的电池充电需求 近来, 作为一种现实的解决方案, 无线充电 (WPT) 技术已引起广泛关注并被广泛地讨论和研究 通过电感耦合在线圈 / 谐振器之间实现功率无线充电的理论已众所周知 ( 图 1) 当今市场上已有很多商用产品采用磁感应方式进行无线充电 此外, 使用磁共振方法进行无线充电的需求也在增长, 这主要是因为它的充电范围比较灵活, 而且能够同时给多个设备进行充电 与通过有线线路进行充电相比, 无线充电的传输损耗更大 因此,WPT 无线充电系统的效率是 WPT 技术所面临的一个挑战, 在很大程度上取决于系统中使用的元器件的质量 为了保证系统的性能和互操作性, 至关重要的是指定测试要求并根据要求进行测试 在本应用指南中, 我们将着力介绍 WPT 系统中使用的元器件 测量要求, 以及对应的 Keysight ENA 系列网络分析仪解决方案 接收机线圈 / 谐振器 充电功率 电感耦合 电感耦合 功率传输 功率供应 发射机线圈 / 谐振器 图 1. 线圈 / 谐振器之间通过磁场利用电感耦合进行功率传输
03 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 WPT 系统中的元器件测量需求 图 2 所示为 WPT 中使用的元器件和每个元器件的测量要求 在功率发射机模块中, 先由功率放大器将功率放大, 然后以无线方式传输到接收机模块 功率放大器和发射机线圈 / 谐振器之间插入了匹配电路用于阻抗匹配, 以便更有效地传输功率 通过发射机线圈 / 谐振器产生的磁场进行无线传输, 发射机线圈 / 谐振器耦合在接收机线圈 / 谐振器上 接收机线圈 / 功率谐振器接收的功率会由直流 - 直流转换器进行整流, 然后为负载供电或为电池充电 在线圈 / 谐振器耦合后, 即可测量功率传输效率和发射机与接收机模块之间的阻抗匹配 测量可在低功率状态下进行, 也可在实际运行条件 ( 高功率 ) 下进行, 以便评估整个系统的功率传输性能 同样重要的是, 要对 WPT 系统中使用的各个元器件进行测试, 从而确保功率传输的稳定性 例如, 在高功率状态下对功率放大器进行 S- 参数测量评估, 以保证稳定的功率和磁场的产生 匹配电路和线圈 / 谐振器需要进行阻抗 电容 电感和 Q 因子测试以便进行高效的功率传输 需要控制好环路增益性能和直流 - 直流转换器的输出阻抗, 以确保功率完整性 功率发射机 (Tx) 逆变器 阻抗 (R,X) ( 匹配电路, 发射机线圈 / 谐振器和接收机线圈 / 谐振器包括负载 ) 功率放大器 匹配电路 耦合效率 ( 发射机和接收机线圈 / 谐振器 ) 发射机线圈 阻抗 (R,X), 电感 (L),Q ( 线圈 / 谐振器 ) 环路增益, 输出 Z ( 直流 - 直流转换器 ) S- 参数 (S11, S22,S21) ( 高功率放大器 ) 电容 (C) ( 匹配电路 ) 接收机线圈 整流器, 直流 - 直流 负载 系统要求 元器件要求 图 2. 无线充电系统中使用的元器件 阻抗 (R,X), 电感 (L),Q ( 线圈 / 谐振器 ) 功率接收机 (Rx)
04 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪测试 WPT 系统和元器件 表 1 所示为无线充电系统中所用元器件的测量要求, 和基于 Keysight ENA 系列网络分析 仪的对应测量解决方案 下文会对表中的各列进行说明 表 1.WPT 系统和元器件的测试要求 测试类别被测件测试要求建议的测试仪表 (Keysight 产品编号 ) 备注 WPT 系统 耦合的线圈 / 谐振器功率放大器 功率传输效率阻抗匹配系统运行条件下的阻抗匹配振幅相位 矢量网络分析仪 (E5072A/E5063A/E5061B) 高功率网络分析仪 (E5072A) 低功率测量高功率测量视运行功率电平情况可能需要外部功率放大器和其他附件 增益压缩 WPT 元器件 匹配电路单独的线圈 / 谐振器 电容电感 Q 因子 低频 - 射频网络分析仪, 带阻抗测量功能 (E5061B-3L5, 配备选件 005) E4980A LCR 表和 E4990A 阻抗分析仪也能进行测量建议使用 E4980A LCR 表 / E4990A 阻抗分析仪进行高 Q 因子测量 直流 - 直流转换器 输出阻抗环路增益 低频 - 射频网络分析仪 (E5061B-3L5)
05 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 无线充电效率测量 功率传输效率是 WPT 系统的一个关键性能因素 图 3 是在发射机和接收机线圈 / 谐振器之间进行功率传输效率测量的测量配置 Keysight ENA 系列网络分析仪提供软件解决方案, 通过 50 欧姆的 S- 参数测量来分析 WPT 系统的实时电压 电流和功率传输效率 ( 图 4) 用户还可以定义任意负载阻抗, 来仿真连接电池后的功率传输效率 电阻 (R) 电抗 (X) 和频率 (f) 的测量结果可以用二维或三维呈现, 帮助用户更方便地了解负载阻抗的相关性 被测件 端口 1 端口 2 图 3. 功率传输效率测量的测量设置
06 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 图 4.ENA 系列网络分析仪中的无线充电软件
07 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 阻抗匹配测量 为了实现高功率传输效率, 在功率发射机和接收机模块放到一起或互相靠近时, 要确保线圈 / 谐振器之间的阻抗相互匹配 如果阻抗不匹配, 功率传输效率可能会降低 图 5 描述了 WPT 系统中阻抗匹配测量的测量配置 当功率接收机模块与发射机线圈 / 谐振器耦合时可以进行测量 功率传输频率下的阻抗和电容可以实时显示 用户还可在另一窗口同时显示 WPT 谐振器的谐振特性 被测件 端口 1 负载 图 5. 阻抗匹配测量的测量设置 图 6. 阻抗匹配和谐振频率测量示例
08 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 系统运行条件下的阻抗匹配测量 ( 高功率测量 ) 在系统运行条件下, 还要测量 WPT 系统的功率传输效率和阻抗匹配, 以确保 WPT 系统的运行性能 由于系统在运行时需要的输入功率通常会超过网络分析仪的最大输出功率, 因而需要用额外的功率放大器来提高被测件的功率输入 图 7 为系统在工作状态下进行阻抗匹配测量的配置情况 E5072A 可以直接接入所有的内部源和接收机, 从而消除功率放大器温度漂移的影响, 提高测量精度 测量系统中插入了高功率衰减器, 用以防止仪器因高功率输入而受损 更多详细信息, 请参阅 利用 E5072A ENA 系列网络分析仪进行高功率测量 应用指南 接收机 A 输入 源输出 接收机 R 输入 直流电源 外部功率放大器 向前 高功率衰减器 ( 可选 ) 向后 被测件 高功率耦合器 图 7. 系统运行条件下阻抗匹配测量的测量设置
09 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 功率放大器的测量 功率放大器是 WPT 功率发射机的一个关键部件, 需要表征其振幅 相位和随频率而变的增益压缩等技术指标, 以保障 WPT 发射机模块的稳定运行 对功率放大器的测试具有一定挑战性, 因为此时需要的输出功率通常会超过标准网络分析仪的测量能力 测试功率放大器时, 功率放大器的温度漂移不但会直接影响到 S- 参数的测量结果, 而且还可能导致被测件输入电平的变化, 从而引起意外错误 E5072A 网络分析仪可以直接接入所有的内部源和接收机, 从而消除功率放大器温度漂移的影响, 提高测量精度 ( 图 8) 该仪器也可以进行功率和接收机校准, 通过接收机测量来调整频率扫描或功率扫描的源电平 与使用功率计和功率传感器的常规方法相比, E5072A 的接收机调平功能提供了更高的源电平精度和更大的吞吐量 图 9 为 E5072A 中的功率放大器向导, 可用来协助功率放大器的测量 欲了解功率放大器测量的更多细节, 请参阅 利用 E5072A ENA 系列网络分析仪进行高功率测量 应用指南 Keysight E5072A 助推器放大器 衰减器 高功率耦合器 被测件 图 8. 利用 Keysight E5072A 网络分析仪进行功率放大器测量的测量设置
10 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 CW 频率下的增益与功率输入 (Pin) 对比 CW 频率下的功率输出 (Pout) 与功率输入 (Pin) 对比 压缩点与扫描频率下的功率输入 (Pin) 和功率输出 (Pout) 图 9. 利用 Keysight E5072A 网络分析仪中的放大器测量向导进行扫描增益压缩测量的示例 线圈 / 谐振器 / 匹配电路测量 线圈或谐振器中的 LC 谐振电路是 WPT 系统中的功率传输 / 接收天线 这些元器件会直接影响功率传输效率, 因此需要用阻抗 电感 电容和 Q 因子仔细地进行表征 WPT 系统中匹配电路的阻抗特性对保证最大功率传输也很重要 E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪提供选件 005 用于阻抗分析 该独特选件使分析仪能够测量电子元件 ( 如电容 电感和谐振器 ) 的阻抗参数 利用 S- 参数或增益 - 相位测试端口, 选件 005 可以支持多种测量方法, 如反射法 串行直通法 (series-thru) 和分流直通法 由于每种方法的阻抗范围不同且都具有良好的精度, 因此选件 005 可在极广的阻抗范围内进行 WPT 元器件的测试和测量 网络分析仪与阻抗分析仪能力的结合进一步增强了分析仪 E5061B 作为通用研发工具在 WPT 元器件测试方面的多功能性 固件支持基本的阻抗分析功能, 包括夹具补偿和等效电路分析 直流偏置阻抗测量也可以通过 E5061B-3L5 提供的内置直流偏置源进行 有各种 7 毫米和 4 端对夹具可供选择 有关 E5061B 阻抗测量的更多详细信息, 请参阅 配有选件 005 阻抗分析功能的 E5061B-3L5 低频 - 射频网络分析仪 技术资料 1. 在高 Q 因子测量时, 对于 2 MHz 以下的频率建议采用 E4980A LCR 表, 对于 2 MHz 以上的频率建议采用 E4990A 阻抗分析仪
11 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 相位 利用相位增益串行直通方法进行谐振器测量 图 10. 利用 E5061B-3L5 选件 005 支持的增益相位串行直通法进行共振测量的示例 图 11. 连接到 E5061B-3L5 选件 005 上的 7 毫米和 4 端对夹具
12 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 直流 - 直流转换器测量 从发射机传输到接收机线圈 / 谐振器的功率会由直流 - 直流转换器进行整流 为了给 WPT 系统中的负载或电池提供稳定的功率, 需要对直流 - 直流转换器的反馈回路 相位裕量以及增益裕量进行测量 直流 - 直流转换器的输出阻抗需设计为毫欧阻抗, 特别是在低频范围内, 以便调节输出电压, 避免配电网络 (PDN) 出现功率完整性问题 图 12 是利用 E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪的增益相位测试端口测量环路增益的配置示例 图 13 是环路增益测量结果的示例 图 14 是利用 E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪和选件 005 来测量直流 - 直流转换器输出阻抗的配置图, 图 15 为测量结果 有关利用 E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪进行直流 - 直流转换器测试的更多详细信息, 请参阅 利用 E5061B LF-RF 网络分析仪对直流 - 直流转换器和配电网络进行评估 应用指南 输入电压 (Vin) 被测直流 - 直流转换器 输入电压 (Vin) 电源 基准电压 (Vref) 输入电流 (Cin) 误差放大器 输出电流 (Cout) 50 欧 负载 端口 -T :Zin= 1 兆欧端口 -R :Zin= 1 兆欧 如果采用的是 10:1 的探针, 将机箱 GND 与被测件的 GND 相连 同轴电缆 ( 建议 ) 校准 : 通过连接 T- 探针与 TP1 频响直通 Pomona 3787-C-18 同轴测试电缆 注入式变压器 :North Hills 0017CC 图 12. 利用 KeysightE5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪进行直流 - 直流转换器环路增益测量的配置示例
13 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 环路增益 相位 相位裕量 图 13. 直流 - 直流转换器环路增益测量示例 交叉频率 利用 2- 端口探测来减少因接触电阻造成的误差 阻断 -C :1 mf( 建议 ) 电源 基准电压 (Vref) 输入电流 (Cin) 误差放大器 输出电流 (Cout) 负载 分流直通法 至 50 欧接收机 被测件阻抗 Zdut 被测直流 - 直流转换器 T :Zin=50 欧,ATT=0 db 功率分配器 R :Zin=50 欧,ATT=20 db 源 = 10 dbm,ifbw = 自动 / 10 Hz- 最大校准 : 测试电缆的频响直通 ( 执行反应直通校准 R- 端口不过载时源电平下降到 -10 dbm) 图 14. 利用 E5061B-3L5 LF-RF 网络分析仪和选件 005 测量直流 - 直流转换器输出阻抗的配置示例
14 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 转换器关断 0.3 A 负载 关 状态和 0.3 A 负载条件开始 = 10 Hz, 停止 = 10 MHz 源 = 10 dbm( 直通校准时为 -5 dbm) 端口 -T :ATT = 0 db,zin = 50 Ω, 端口 -R:ATT = 20 db,zin = 50 Ω 1 A 负载 2 A 负载 1A 和 2A 负载条件开始 = 10 Hz, 停止 = 10 MHz 源 = 10 dbm( 直通校准时为 -5 dbm) 端口 -T :ATT = 0 db,zin = 50 Ω, 端口 -R:ATT = 20 db,zin = 50 Ω 图 15. 直流 - 直流转换器输出阻抗测量示例 总结 越来越多的产品将会支持无线充电技术, 而在实际应用中无线充电效率仍然存在问题 为了实现更高的无线充电效率, 业界正在紧锣密鼓地展开对 WPT 系统及其内部元器件的评估 ; 本应用指南应运而生并全面阐述了评估无线充电系统效率和内部元器件性能的测量要求和解决方案 Keysight ENA 系列网络分析仪拥有独特的功能和多样性, 在设计和验证 互操作性以及无线充电系统和元器件生产等方面均能为工程师排忧解难
15 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 参考文献 利用 E5072A ENA 系列网络分析仪进行高功率测量, 应用指南, 文献编号 5990-8005EN 配有选件 005 阻抗分析功能的 5061B-3L5 低频 - 射频网络分析仪, 技术资料, 文献编号 5990-7003EN 利用 E5061B LF-RF 网络分析仪对直流 - 直流转换器和配电网络进行评估, 应用指南, 文献编号 5990-5902EN 网络分析仪选型指南, 文献编号 5989-7603EN LCR 表, 阻抗分析仪和测试夹具选型指南, 文献编号 5952-1430E 网络资源 www.keysight.com/find/e5072a www.keysight.com/find/e5061b www.keysight.com/find/e5063a www.keysight.com/find/impedance
16 是德科技 利用 Keysight ENA 系列网络分析仪进行无线充电 (WPT) 测量 应用指南 mykeysight www.keysight.com/find/mykeysight 个性化视图为您提供最适合自己的信息! 3 年保修是德科技卓越的产品可靠性和广泛的 3 年保修服务完美结合, 从另一途径帮助您实现业务目标 : 增强测量信心 降低拥有成本 增强操作方便性 www.keysight.com/go/quality Keysight Technologies, Inc. DEKRA Certified ISO 9001:2008 Quality Management System Keysight Channel Partners www.keysight.com/find/channelpartners Get the best of both worlds: Keysight s measurement expertise and product breadth, combined with channel partner convenience. 如欲获得是德科技的产品 应用和服务信息, 请与是德科技联系 如欲获得完整的产品列表, 请访问 : www.keysight.com/find/contactus 是德科技客户服务热线热线电话 : 800-810-0189 400-810-0189 热线传真 : 800-820-2816 400-820-3863 电子邮件 : tm_asia@keysight.com 是德科技 ( 中国 ) 有限公司北京市朝阳区望京北路 3 号是德科技大厦电话 : 86 010 64396888 传真 : 86 010 64390156 邮编 : 100102 是德科技 ( 成都 ) 有限公司成都市高新区南部园区天府四街 116 号电话 : 86 28 83108888 传真 : 86 28 85330931 邮编 : 610041 是德科技香港有限公司香港北角电器道 169 号康宏汇 25 楼电话 : 852 31977777 传真 : 852 25069233 上海分公司上海市虹口区四川北路 1350 号利通广场 19 楼电话 : 86 21 26102888 传真 : 86 21 26102688 邮编 : 200080 深圳分公司深圳市福田区福华一路 6 号免税商务大厦裙楼东 3 层 3B-8 单元电话 : 86 755 83079588 传真 : 86 755 82763181 邮编 : 518048 广州分公司广州市天河区黄埔大道西 76 号富力盈隆广场 1307 室电话 : 86 20 38390680 传真 : 86 20 38390712 邮编 : 510623 西安办事处西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 501 电话 : 86 29 88861357 传真 : 86 29 88861355 邮编 : 710068 南京办事处南京市鼓楼区汉中路 2 号金陵饭店亚太商务楼 8 层电话 : 86 25 66102588 传真 : 86 25 66102641 邮编 : 210005 苏州办事处苏州市工业园区苏华路一号世纪金融大厦 1611 室电话 : 86 512 62532023 传真 : 86 512 62887307 邮编 : 215021 武汉办事处武汉市武昌区中南路 99 号武汉保利广场 18 楼 A 座电话 : 86 27 87119188 传真 : 86 27 87119177 邮编 : 430071 上海 MSD 办事处上海市虹口区欧阳路 196 号 26 号楼一楼 J+H 单元电话 : 86 21 26102888 传真 : 86 21 26102688 邮编 : 200083 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Keysight Technologies, 2015 Published in USA, July 16, 2015 出版号 :5992-0771CHCN www.keysight.com