Murata Qi-Standard-Stromversorgungsmodule zur Rauschunterdrückung

Rauschprobleme in drahtlosen Stromversorgungsmodulen

Es wurde eine Studie zur Reduzierung der Empfangsempfindlichkeit für die Sprachkommunikation bei der drahtlosen Stromversorgung durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die Empfangsempfindlichkeit im 800-MHz-Band reduziert wurde, wenn die Stromversorgung drahtlos erfolgt. Außerdem trat eine Verringerung der Empfangsempfindlichkeit in allen Frequenzen gleichmäßig auf.

Rauscherzeugungs-/Rauschausbreitungs-Mechanismus

Als Ergebnis der Rauscherkennungsstudie von Murata wurde ein Mechanismus genannt, durch den das Rauschen wahrscheinlich im Empfängermodul erzeugt wird.

Es gibt zwei Hauptquellen für das Rauschen.
•  Die erste Quelle ist das Ladegerät.
•  Die zweite Quelle ist der Empfänger-IC, der sich im Empfängermodul befindet.

Es wird vermutet, dass das Rauschen direkt vom Empfängermodul-Board abgestrahlt oder möglicherweise durch die Stromleitung oder Erdleitung fließt und vom Smartphone-Board oder Drähten ausgegeben wird. Dieses Rauschen reduziert die Empfangsempfindlichkeit, wenn es zur Antenne fließt.

Diagramm eines einfachen äquivalenten Schaltkreises eines drahtlosen Empfängermoduls
Rauschquelle: (1) Ladegerät (fließt zur Empfängerspule), (2) Empfänger-IC
Ausbreitungsmodus: (1) Von der Empfängermodulplatine abgestrahlt, (2) Durchströmt die Stromversorgungs-/Erdungsleitung → Von Smartphone-Platine oder Drähten ausgestrahlt

Das Ladegerät emittiert Rauschen und das Rauschen tritt im Empfängermodul auf.

Hinweis: Der Standard legt fest, dass die Kondensatoren mit der Senderspule des Ladegeräts reihengeschaltet und die Kondensatoren mit der Empfängerspule des Empfängermoduls reihen- und parallelgeschaltet werden müssen. Die Kondensatoren nach dem Empfänger-IC sind Gleichrichtungskondensatoren. Die Drähte im Ausbreitungsmodus (2) beziehen sich auf die Drähte, die das Empfängermodul und das Smartphone sowie die Drähte im Smartphone verbinden.

Diagramm der Rauschunterdrückungsmaßnahmen für drahtlose Empfängermodule

Rauschunterdrückungsmaßnahmen

Murata prüfte dann die einfache Ersatzschaltung (Rauschunterdrückungsschaltung) des drahtlosen Empfängermoduls.

Schaltung zur Rauschunterdrückung
Ferritperlen sind an der Basis der Empfängerspule (an zwei Stellen) installiert, wie in Abbildung 1 (unten) gezeigt. Dadurch wird verhindert, dass sich das Rauschen, das vom Ladegerät ausgegeben wird und zur Empfängerspule fließt, innerhalb des Empfängermoduls ausbreitet.

Ferritperlen sind in der Strom- und Erdungsleitung installiert, die mit dem Smartphone verbunden sind. Dies verhindert, dass das Rauschen, das vom Empfänger-IC erzeugt wird, zum Smartphone fließt.

Murata empfiehlt die Verwendung der Ferritperlen der Baureihe BLM15PD800SN1, die über eine kompakte Größe verfügen und große Ströme unterstützen.

Einfache Ersatzschaltung eines drahtlosen Empfängermoduls (Rauschunterdrückungsmaßnahmen)

Die folgenden Rauschunterdrückungsmaßnahmen bieten eine verbesserte Empfangsempfindlichkeit für die Sprachkommunikation.
(1) Ferritperlen an der Basis der Empfängerspule (Murata empfiehlt BLM15PD800SN1)
(2) Eine Ferritperle auf der Stromleitung, die mit dem Smartphone verbunden ist (Murata empfiehlt BLM15PD800SN1)
(3) Eine Ferritperle auf der Erdungsleitung, die mit dem Smartphone verbunden ist (Murata empfiehlt BLM15PD800SN1)

Die Maßnahme (1) ist wirksam für Rauschen, das vom Ladegerät ausgestrahlt wird und zur Empfängerspule fließt.
Maßnahmen (2) und (3) sind wirksam für Rauschen, das im Empfänger-IC erzeugt wird.

Hinweis: Wenn der Streufluss vom Ladegerät groß ist, können Rauschunterdrückungsmaßnahmen nur für die Empfängerseite die Empfangsempfindlichkeit nicht verbessern. Rauschunterdrückungsmaßnahmen müssen auch am Ladegerät vollständig implementiert werden. Und wenn zusätzlich der Streufluss vom Ladegerät groß ist, fließt das Rauschen, das von der Senderspule ausgegeben wird, direkt zur Antenne. Daher sind Maßnahmen, die Ferritperlen verwenden, nicht wirksam. In diesem Fall kann die elektromagnetische Wellen absorbierende Folie über die Empfangsspule hinaus vergrößert werden (als Befestigung am gesamten Gehäuse), um zu verhindern, dass das Rauschen zur Antenne fließt und die Empfangsempfindlichkeit verbessert wird.

Auswirkung auf die Resonanzfrequenz der Schaltung

Murata hat untersucht, ob die Maßnahmen zur Rauschunterdrückung in der obigen Abbildung nachteilige Auswirkungen auf den Ladebetrieb haben.

Dies ist ein Problem, denn wenn die Impedanzeigenschaften, die von der Schaltung (Empfängerspule + reihengeschalteter Kondensator, Empfängerspule + reihengeschalteter Kondensator + parallelgeschalteter Kondensator) gebildet werden, ändern sich auch die Leistungsübertragung und der Empfang.

Dies ist im Qi-Standard spezifiziert:
Resonanzfrequenz für die Empfängerspule + reihengeschalteter Kondensator = 100 kHz +5 % -10 %
Resonanzfrequenz für die Empfängerspule + reihengeschalteter Kondensator + parallelgeschalteter Kondensator = 1.000 kHz ±10 %

Murata hat berechnet, wie sich die Impedanzeigenschaften der Schaltung (Empfängerspule + reihengeschalteter Kondensator in diesem Beispiel) ändern, wenn Ferritperlen installiert werden. Dies wurde unter der Annahme berechnet, dass der Induktivitätswert und der Kapazitätswert zwei verschiedene Typen waren.

Bedingung (1): Senderspule = 25 uH Serie C = 100 nF
Bedingung (2): Senderspule = 10 uH Serie C = 250 nF

Bedingung (1) ist der tatsächlich gemessene Wert, der auf das für die Bewertung vorgesehene System eingestellt wurde, und Bedingung (2) wurde so eingestellt, dass die Induktivität auf weniger als die Hälfte des obengenannten Werts abfällt. (Dies liegt daran, dass die Auswirkungen von Ferritperlen mit der Verringerung der Induktivität der Senderspule stärker werden.)

Murata stellte fest, dass die Installation von Ferritperlen keinen Einfluss auf die Impedanzeigenschaften der Schaltung hatte. Murata ist daher der Ansicht, dass die Auswirkungen auf den Ladebetrieb gering sind, selbst wenn Ferritperlen installiert sind.

Hinweis: Im Vergleich zum Induktivitätswert (ca. 10 uH bis 20 uH) der Empfängerspule ist der L-Wert des BLM15PD800SN1 ein kleiner Wert von nur 210 nH (Istwert gemessen durch LCR-Messgerät), so dass die Resonanzfrequenz unverändert bleibt.

Auswirkungen von Rauschunterdrückungsmaßnahmen

Murata prüfte die Empfängerempfindlichkeit, wenn die Stromversorgung drahtlos ist, während die Rauschunterdrückungsmaßnahmen, die im vorherigen Abschnitt beschrieben wurden, implementiert wurden.

Dadurch verbesserte sich die Empfangsempfindlichkeit für alle Frequenzen. Bei dieser Beispielevaluierung verbesserte sich die Empfangsempfindlichkeit um bis zu 5 dB und der Abfall der Empfangsempfindlichkeit, wenn die Leistung drahtlos geliefert wurde, war Null.

Rauschunterdrückungsmaßnahmen mit Ferritperlen ermöglichen eine wesentliche Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit.

Zusammenfassung der Rauschunterdrückungsmaßnahmen für Empfängermodule

Rauschprobleme bei drahtlosen Empfängermodulen
Das Rauschen, das vom Ladegerät erzeugt wird, fließt von der Senderspule zur Empfängerspule und das Einsetzen einer drahtlosen Schaltung reduziert die Empfangsempfindlichkeit der drahtlosen Schaltung.

Rauschunterdrückungsmaßnahmen
Wie unten gezeigt, werden Ferritperlen in der Empfängerschaltung verwendet, um Rauschunterdrückungsmaßnahmen zu implementieren und die Empfangsempfindlichkeit der drahtlosen Schaltung zu verbessern.
(1) Installation von Ferritperlen an der Basis der Empfängerspule (Murata empfiehlt BLM15PD800SN1)
(2) Installation einer Ferritperle auf der Stromleitung, die mit dem Smartphone verbunden ist (Murata empfiehlt BLM15PD800SN1)
(3) Installation einer Ferritperle auf der Erdungsleitung, die mit dem Smartphone verbunden ist (Murata empfiehlt BLM15PD800SN1)

Rauschunterdrückungsmaßnahmen für drahtlose Sendermodule
Nach dem Empfängermodul untersuchte Murata das Rauschen, das im Sendermodul unterdrückt werden muss. Im Sendermodul ist der Wechselrichter, der zur AC-Versorgung der Senderspule verwendet wird, eine Rauschquelle. Das vom Stromversorgungskabel emittierte Rauschen wird zu einem Problem, da extern emittiertes Rauschen, wie jenes, das in die Senderspulenseite fließt, die Empfangsempfindlichkeit der Smartphone-Einheit reduziert.
Daher empfiehlt Murata Rauschunterdrückungsmaßnahmen zur Verhinderung von Rauschemissionen und zur Verhinderung eines Abfalls der Empfangsempfindlichkeit.

Emissionsrauschen: (1) Senderspule und (2) Stromversorgungskabel
Empfangsempfindlichkeit: (1) Senderspule

Als Erstes hat Murata die Maßnahmen zur Verhinderung von Emissionsrauschen implementiert. Dies besteht aus Rauschen, das vom Wechselrichter in die Stromversorgungskabelseite und Rauschen, das in die Senderseite entströmt. Rauschunterdrückungsschaltungen sind an allen Stellen installiert. (Unterdrückungsmaßnahmen (1) und (2))

Da das Emissionsrauschen hauptsächlich aus Rauschen besteht, das im Gleichtakt übertragen wird, wird eine Gleichtakt-Drosselspule verwendet. Ein Leitungs-Bypasskondensator wird ebenfalls verwendet, da die Senderspulenseite eine große Menge an Hochfrequenzrauschen enthält.

Als Nächstes implementierte Murata Maßnahmen, um einen Abfall der Empfangsempfindlichkeit zu verhindern. Die Rauschunterdrückungsmaßnahmen für die Verhinderung von Emissionsrauschen wurden auf dieselbe Weise implementiert, wie die Maßnahmen auf der Senderspulenseite. Eine Gleichtakt-Drosselspule und ein Leitungs-Bypasskondensator wurden verwendet. Dadurch wurde die Empfangsempfindlichkeit um bis zu 12 dB verbessert.

Übersicht

Um die Rauschunterdrückungsmaßnahmen für Sendermodule zusammenzufassen:
• Der Wechselrichter des Sendermoduls ist eine Rauschquelle und das Rauschen fließt zur Stromversorgungs-Kabelseite und Senderspulenseite, was zu Emissionsrauschen und einer Reduzierung der Empfangsempfindlichkeit führt.
•  Filter, die eine Gleichtakt-Drosselspule und einen Kondensator kombinieren, wurden auf der Kabelseite des Wechselrichters und der Senderspulenseite installiert, um Emissionsrauschen zu unterdrücken und Abfälle der Empfangsempfindlichkeit zu verhindern.

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