厨房内的无线电源解决方案

‍‍‍‍‍‍‍‍ 作者： 意法半导体 Akshat JAIN Bruno TISSERAND Fabrizio Di FRANCO Martin DENDA, Rene WUTTE

无线电源将带来厨房电器重大创新，厨电从此变得更智能、更纤薄，更加节省空间。无线充电联盟即将发布新标准“Ki无线厨房”，届时，从简单的低功率榨汁机，到食品搅拌机或电水壶，以及其他的功率高达2.2千瓦的电器，所有厨电都将摆脱电源线的束缚。无线电源与厨电的互操作性是无线电源能否快速应用推广的关键因素。无线电能发射器和厨电，无论是什么品牌、哪种厨电或使用的是哪一版Ki，凡是取得了Ki认证，都将遵循该技术标准规定的安全协议，能够协同工作。

Ki发射器也可以视为一个智能电磁炉，它不仅可以为Ki接收器供电，还可以驱动标准电磁炉炊具，例如，加热平底锅。Ki标准利用近场通信（NFC）技术在电能发射器和电器之间智能通信，提供辅助电源、双向数据通道、高级控制、设备验证、异物检测（FOD）等对于互操作性至关重要的功能。图1是Ki无线厨房概念框图。

▲图1：Ki无线厨房概念框图

意法半导体是一家服务多重电子应用领域、全球排名前列的半导体公司，从早期即开始参与Ki无线厨房标准的制定工作，并开发出了Ki无线厨房电源发射器的参考设计STEVAL-KITXCB评估板。该参考设计包括电源逆变器板、辅助电源板、NFC板、逆变器微控制器板、电源线圈、NFC天线和GUI板，如图2所示。该解决方案采用模块化设计方法，用户可以轻松测试和调试所涉及的各个部件。

▲图2：无线厨房评估板套件（STEVAL-KITXCB）

主电源板包含一个半桥拓扑逆变器。在传输电能期间，IGBT的开关频率范围是26 kHz至74 kHz。电源逆变器板连接电源线圈，STM32G474RET6微控制器通过数字化方式控制逆变器。得益于高分辨率定时器和丰富而先进的集成化模拟外设，该微控制器可以满足数字电源转换应用的需求。高性能通用NFC控制器ST25R3916安装在专用子板上，负责管理Ki发射器和Ki接收器之间的NFC通信。NFC天线连接NFC子板。基于VIPer318高压转换器芯片的离线反激电路负责管理辅助电源，提供24V直流电流，同时确保电路体积紧凑，待机功耗很低。图3是主电源逆变器板和评估套件子板的连接图。逆变级基于STGWA50IH65DF沟槽栅极场截止650V IH系列IGBT，该系列功率晶体管的Vcesat和Eoff两个参数非常低，确保晶体管在高开关频率下能效很高，半桥栅极驱动器是鲁棒性和驱动能力都很强的L6491D芯片，拉电流和吸电流都很大。

▲图3：Ki无线厨房电源发射器参考设计（STEVAL-KITXCB）–框图

NFC子卡上的专用微控制器STM32L476VGT64负责管理Ki厨房标准协议，并通过UART通信协议与控制电源逆变器的STM32G474RET6微控制器通信。在启动期间，当Ki接收器/厨电置于感应中心上方时，Ki发射器将通过NFC提供初始电能，为设备的用户界面供电，并建立通信载波，如图4所示。当在用户界面打开Ki接收器/设备（向Ki发射器发出供电请求）时，NFC将停止辅助电源传输，而Ki电源发射器的逆变器将通过感应方式将包括辅助电源在内的电能传输到Ki接收器。

▲图4：NFC通信–空闲状态和电能传输状态

在电能传输状态下，为了防止NFC和无线感应输电之间互相干扰，在交流电压过零期间，无线感应电能传输完全关闭，同时NFC变为工作状态，如图4所示。

Ki接收器与电磁炉（炒锅/煮锅）

标准电磁炉炊具是由铁磁材料制成。电磁炉炊具（炒锅/煮锅）的底部可视为由一个绕组构成的低负载电阻感应线圈，从发射器接收的电能在这里转化为热量。因此，电能发射器线圈和炊具可视为一个变压器，其中电磁炉炊具是短接的副边绕组或次级（负载）。交流电流经过发射器谐振线圈，产生一个振荡磁场，在电磁炉炊具内感应出电流。

Ki接收器主要由谐振线圈、谐振电容器、NFC电路和Ki接收器/电器电路组成。Ki发射器线圈的大小是固定的，而Ki接收器的线圈尺寸是变化的，具体尺寸取决于功率要求。为了最大限度地提高电能传输效率，Ki接收器的频率必须调整到发射器的谐振频率。现在，将有两个谐振点：一个是Ki发射器，另一个是Ki接收器。为了提高能效，发射器需要以第二个谐振频率运行，但这并不能保证Ki接收器能够接收到最大功率。为了传输所需的功率，Ki发射器需要切换到第一个谐振频率。STM32G474RET6微控制器控制算法负责管理这个谐振切换操作。

为了缩短开发时间，让客户能够在终端应用中评估产品，意法半导体提供一个电能发射器参考设计（STEVAL-KITXCB评估板），同时正在开发不同类型的接收器参考设计。硬件设计文件和固件源代码是许可使用，条款对开发者非常友好。