【第三期】 为什么无线充电会有噪音问题


本期的伏达学堂将分为以下四个部分:

    1. 常见的电路系统中的音频噪音来源

    2. 无线充电系统中容易产生噪音的原因

    3. 常见的噪音减弱办法



| 常见的电路系统中的音频噪音来源 |


在无线充电电路系统设计中,音频噪音源主要来自于陶瓷贴片电容。陶瓷贴片电容产生噪音的原因叫做压电效应。压电效应指机械能和电能之间的相互转化。对于特殊的晶体物质,如果外加对它施加机械应力,它形变和机械结构的破坏会产生净电荷,这叫正压电效应。反过来,如果晶体两侧施加一个变化的电场,它的形状也会发生变化,这叫逆压电效应。陶瓷贴片电容属于这种特殊晶体的一种,当电容两端的施加一个变化的电场,电容本身就会发生形变而产生机械振动,机械振动引起噪音。

很多情况下,电容本身的机械振动不足以产生很大的噪音。但电容焊接在PCB板上时,电容本身的收缩会引起PCB的形变和上下振动,这种振动会引起较大噪音。


3-1.jpg


噪音被人能听得到才能称之为噪音。人耳能辨识的噪音的范围为20Hz~20kHz。意味着,如果有噪音产生,电容两端电场变化频率必须在20Hz20kHz范围之内。在无线充电应用中,哪里会有这个频率段的应用?通信频率!

 



 | 无线充电系统中容易产生噪音的原因 |


我们来回顾一下无线充电的通信机制。

Qi规范的无线充电,常用两种通信方式。一种叫做ASK,幅度调制通信;一种叫做FSK,频率调制通信。幅度调制通过电压和电流的变化来传播信号,自然会引起电容两端的电场变化,是引起噪音的主要原因。这种通信机制主要应用于接收端RX给发射端TX发生信号。常用的机理如图2所示。


3-2.jpg

2 - 无线充电通信机制


·       传达信息的本质在于要让信号发生变化。就比如我跟你招手,你看到我的手在变化,就知道我在叫你。

·       接收端在传达信息时,会在接收端LC Tank两侧接入或者接出一组电容。

·       电容的接入或者接出会引起发射端LC Tank的等效阻抗发生变化。

·       等效阻抗发生变化就会引起发射端LC Tank里面的平均电流发生变化,以及电容和电感连接处的电压(Coil Voltage)发生变化。

·       这个变化的信号就会被采集和解调,并传到MCU当中。

·       整个变化的规律就写在WPC协议当中,MCU利用WPC协议来知道接收端到底告诉了发射端什么信息。

 

在图2中,发射端输入往往会接有输入陶瓷电容。LC Tank里面平均电流的变化往往会引起电容两端电压的变化。电容两端电压的变化就会引起陶瓷电容的振动以及噪音的产生。如果接收端通信电容越大,发射端发生的变化就越大,就越容易被解调,但反过来也会引起陶瓷电容的振动越大,噪音也就越大,这是一个不同参数之间的相互制衡。


3-3.png

图3 - WPC 幅度调制示意图


3为幅度调制波形示意图【1】。WPC规定的通信频率为2kHz。因此它在输入端电容两端引起的电压变化主频为2KHz。这个频率恰好处在人耳最敏感的音频范围当中。




| 常见的噪音减弱办法 |


1.  陶瓷电容增加底部保护层。2

如图4所示。由于保护层厚度部分不会有压电效应,当焊锡高度不超过底保护层厚度,这时产生的形变对PCB影响较小,可以有效降低噪音。往往,高耐压的电容底部较厚,同时电容在不同电压下变化较小,产生的噪音相对较小。


3-4.jpg

图4 - 加厚保护层


2.  附加金属支架结构。2

MLCCPCB板隔空,把逆压电效应产生形变通过金属支架弹性缓冲,减少对PCB板的作用,有效的降低噪声。


3-5.jpg

图5 - 带金属支架MLCC


3.  结构优化。

很多PCB是通过铁螺丝固定在塑料外壳上,如果塑料外壳较薄。PCB的振动会传递到塑料外壳,引起塑料外壳振动,声音会被放大。所以建议在PCB振动源附近与外壳不要采用硬连接。比如在输入端,采用浮动的小板。


3-6.jpg


4.  改变电容。

也可以将陶瓷电容换成没有压电效应的电容,比如钽电容。但是钽电容的ESR比较大,效率比较糟糕,发热会比较严重。

 



Reference:

1.  5.2 -< TheQi Wireless Power Transfer System Power Class 0 Specification Parts 1 and 2:Interface Definitions >

2.  https://mp.weixin.qq.com/s/nYcv9OUgeuL5BdpLoX_erg