淺析在Qi標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的5W無線電源設(shè)計(jì)

　　自從Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范于2010年7月宣布后，配件產(chǎn)品便能運(yùn)用這項(xiàng)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，來提供行動(dòng)裝置無線電源，完全不需要基地臺(tái)的無線電源發(fā)送器，而是利用背匣、背蓋和電池組，以及配件產(chǎn)品接收器線圈和電子裝置的套件組合。本文將重點(diǎn)說明配件產(chǎn)品與主行動(dòng)裝置的介面，以及配件的系統(tǒng)層級(jí)需求，并探討元件選擇，衡量配件產(chǎn)品與主行動(dòng)裝置之間接腳數(shù)介面的權(quán)衡。

　　圖1顯示無線充電聯(lián)盟（WPC）電感無線電源系統(tǒng)的配置圖。發(fā)送器包含交流對(duì)直流（AC-DC）電源轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器、傳輸線圈、電壓與電流偵測(cè)及控制器；接收器包含接收線圈、整流、電壓調(diào)節(jié)及控制器，此系統(tǒng)的負(fù)載可以是任何電池供電的裝置，例如手機(jī)。

　　圖1 WPC電感無線電源系統(tǒng)配置圖

　　Qi標(biāo)準(zhǔn)為發(fā)送器和接收器相容問題解套

　　在這個(gè)系統(tǒng)中，電源是從發(fā)送器經(jīng)由耦合的磁場(chǎng)傳輸?shù)浇邮掌?，AC電流流經(jīng)發(fā)送器線圈時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果接收器線圈相鄰（X-Y或Z范圍小于5毫米的間距），則大部分發(fā)送器線路將耦合于接收器線圈。耦合的線路會(huì)在二次側(cè)產(chǎn)生AC電流，經(jīng)過整流后即可產(chǎn)生DC電壓，成為手機(jī)及其他可攜式裝置的電源。必須注意的是，無線電源連結(jié)一般是鬆散耦合的空心變壓器。

　　新興無線電源市場(chǎng)的關(guān)鍵是不同發(fā)送器及接收器的標(biāo)準(zhǔn)化。在過去，任何販?zhǔn)蹮o線電源接收器的公司，必須搭配販?zhǔn)蹖?duì)應(yīng)的發(fā)送器，使得無線電源的市場(chǎng)接受度受到局限，而且也導(dǎo)致無線電源技術(shù)互不相容。WPC制定全球第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，使5瓦（W）電源運(yùn)作的發(fā)送器及接收器彼此相容。這個(gè)Qi標(biāo)準(zhǔn)定義無線電源系統(tǒng)的運(yùn)作頻率、運(yùn)作電壓，以及基本線圈配置。通訊協(xié)定定義讓接收器將資訊傳送至發(fā)送器，如接收器需要多少電源、應(yīng)該增加或減少輸出功率，以及當(dāng)手機(jī)不再須要充電時(shí)，通知發(fā)送器終止電源進(jìn)入省電模式。

　　提供Qi相容產(chǎn)品最快速的方法，是提供內(nèi)含電源供應(yīng)或直接電池充電實(shí)作的配件解決方案，同時(shí)運(yùn)用基地臺(tái)電源的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)無線發(fā)送器。配件解決方案是指行動(dòng)裝置選用的無線電源功能，最常用的兩種配件實(shí)作是背匣及背蓋。背匣是內(nèi)含無線電源電路的塑膠外殼，可裝在行動(dòng)裝置上，透過外部接點(diǎn)提供行動(dòng)裝置所需的電源。背蓋是行動(dòng)裝置標(biāo)準(zhǔn)背蓋的替代品，其中包含無線電源電路。內(nèi)含無線電源電路行動(dòng)裝置電池組的配件也是一種替代解決方案，能直接進(jìn)行電池充電。

　　各式電源供應(yīng)配件解析

　　圖2說明無線電源接收器如何提供5伏特（V）5瓦電源給行動(dòng)裝置，模擬電源供應(yīng)轉(zhuǎn)接器的運(yùn)作。在最簡(jiǎn)單的實(shí)作中，接收器與行動(dòng)裝置之間只需要無線電源及接地，大多數(shù)第一代Qi產(chǎn)品仍使用有線連接器，因此也顯示如何從有線轉(zhuǎn)接器或無線電源進(jìn)行充電。這兩種來源均連接行動(dòng)裝置內(nèi)部的多工器，一般而言，預(yù)設(shè)選擇的是轉(zhuǎn)接器電源，沒有轉(zhuǎn)接器時(shí)才會(huì)啟用無線電源。

　　圖2 含有線輸入的四接點(diǎn)電源供應(yīng)配件系統(tǒng)架構(gòu)

　　在無線電源傳輸期間，有轉(zhuǎn)接器或電池充電終止時(shí)，運(yùn)作應(yīng)該會(huì)中斷，接收器發(fā)現(xiàn)無負(fù)載情況時(shí)，會(huì)傳送訊息至發(fā)送器通知停止電源傳輸，開啟多工器的無線電源接收器開關(guān)時(shí)，即可模擬如此的情況，藉由其他接點(diǎn)的協(xié)助，能提供無負(fù)載情況特定的其他資訊。

　　雙接點(diǎn)配件介面成本最低

　　雙接點(diǎn)解決方案是無線電源輸出及接收器之間的介面成本最低的一種，可提供有限的功能。僅提供兩個(gè)接點(diǎn)時(shí)，只能連接無線電源（亦即5伏特輸出），并且接地至行動(dòng)裝置，而行動(dòng)裝置必須自行偵測(cè)何時(shí)切換轉(zhuǎn)接器電源及無線電源。這種解決方案的主要缺點(diǎn)是行動(dòng)裝置無法向發(fā)送器指示終止充電。

　　在一般的無線電源系統(tǒng)中，充電循環(huán)可在使用者夜間就寢時(shí)開始，而且充電一般大約持續(xù)兩小時(shí)。一旦充電完成時(shí)，按照WPC通訊協(xié)定的定義，接收器即可指示終止供電給發(fā)送器，以便發(fā)送器能進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式。接收器只能透過偵測(cè)輸出電流低于特定閾值的方式，偵測(cè)雙接點(diǎn)解決方案終止。雖然這種方法能使發(fā)送器進(jìn)入待機(jī)模式，缺點(diǎn)是供應(yīng)電流是系統(tǒng)電流與充電電流的總和。

　　三接點(diǎn)配件加入控制訊號(hào)

　　三接點(diǎn)解決方案是在雙接點(diǎn)解決方案的基礎(chǔ)上，在無線電源及接地之外加入控制訊號(hào)。由行動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)的無線電源接收器所提供的輸入控制訊號(hào)，使行動(dòng)裝置內(nèi)部的充電器偵測(cè)充電何時(shí)應(yīng)終止，并且向接收器通知此情況。接收器即可向發(fā)送器傳達(dá)終止電源，使其進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式。由于行動(dòng)裝置是由電池持續(xù)供電，因此可在不定時(shí)向無線接收器確認(rèn)終止，以便整個(gè)充電週期的發(fā)送器整體耗電量保持在相當(dāng)?shù)偷某潭取４送?，發(fā)送器可使用接收器的終止電源資訊，讓使用者知道充電已終止，例如藉由發(fā)光二極體（LED）燈號(hào)。這種方法確定終止情況的準(zhǔn)確度也高于雙接點(diǎn)解決方案。

　　四接點(diǎn)配件方案提供選項(xiàng)最多

　　四接點(diǎn)解決方案所提供的選項(xiàng)，遠(yuǎn)比前述的任何解決方案多。其中一個(gè)選項(xiàng)是提供兩個(gè)控制訊號(hào)輸入，一個(gè)訊號(hào)用于向發(fā)送器通知終止。另一個(gè)訊號(hào)用于通知行動(dòng)裝置出現(xiàn)故障情況。

　　圖2顯示另一種四接點(diǎn)實(shí)作。在此情況下，外部轉(zhuǎn)接器可以是裝置接收器的輸入，而且接收器單結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)電晶體（FET）閘極驅(qū)動(dòng)訊號(hào)，可從接收器輸出，并連接行動(dòng)裝置。如此一來，接收器即可偵測(cè)轉(zhuǎn)接器，并關(guān)閉無線電源發(fā)送器，然后將轉(zhuǎn)接器電壓直接施加于接收器。以下各段將詳細(xì)說明轉(zhuǎn)接器多工器架構(gòu)。

　　行動(dòng)裝置電源多工器架構(gòu)剖析

　　市場(chǎng)開始出現(xiàn)無線電源配件時(shí)，有線轉(zhuǎn)接器連接埠將與無線電源輸入同時(shí)并存，需要在無線及有線電源供應(yīng)之間使用電源多工器，圖3顯示電源多工器架構(gòu)范例。這種方法運(yùn)用接收器配件偵測(cè)接收器電壓（AD），并在接收器電壓出現(xiàn)時(shí)提供閘極驅(qū)動(dòng)（AD_EN）。FET必須以背對(duì)背（Back-to-Back）配置接線，才能在開關(guān)關(guān)閉時(shí)阻絕逆向及正向傳導(dǎo)。如果有轉(zhuǎn)接器，無線電源接收器即停用電源傳輸，并透過轉(zhuǎn)接器電源將閘極驅(qū)動(dòng)保持啟動(dòng)。這種方法需要配件與行動(dòng)裝置之間四個(gè)接腳的介面（無線電源、AD、AD_EN及GND）。

　　圖3 單一背對(duì)背FET的電源供應(yīng)多工選項(xiàng)

　　為減少電源供應(yīng)配件與行動(dòng)裝置之間所需的接腳數(shù)，可運(yùn)用自動(dòng)電源多工器。圖4顯示這類架構(gòu)，其中不再需要AD及AD_EN連線。透過VSNS連線可優(yōu)先使用有線電源路徑，如果在VSNS偵測(cè)到電壓，啟用有線電源路徑，否則將啟動(dòng)無線電源路徑。若要使接收器電子裝置偵測(cè)轉(zhuǎn)接器連接埠，終止無線電源傳輸，必須監(jiān)視電源的輸出電流。藉由監(jiān)視輸出電流，即可在無線電源路徑開關(guān)關(guān)閉時(shí)，偵測(cè)真正的輕載，例如接近零輸出電流，接收器會(huì)將指令傳送至發(fā)送器，以終止電源傳輸。

　　圖4 運(yùn)用自動(dòng)切換的電源供應(yīng)多工選項(xiàng)

　　電池組配件整合電子裝置/接收器線圈

　　另一個(gè)提供無線電源配件的方法，是將電子裝置與接收器線圈整合于行動(dòng)裝置電池組，讓終端使用者將行動(dòng)裝置中安裝的電池充電，也可直接放置于發(fā)送器充電板（類似于托架充電座）。不過，有線及無線電源充電器之間的交替會(huì)受到限制，因?yàn)槭芟抻陔姵亟M與系統(tǒng)之間的接腳數(shù)。

　　電池組配件的架構(gòu)，其中特別突顯系統(tǒng)與電池組之間的介面。電池組內(nèi)嵌的溫度偵測(cè)電阻（NTC）確保電池在充電時(shí)的運(yùn)作溫度安全無虞；這種獨(dú)特的應(yīng)用中，可使用接收器電子裝置偵測(cè)有線充電啟用或停用。行動(dòng)系統(tǒng)電池充電器啟用時(shí)，NTC電阻會(huì)出現(xiàn)一些電壓；停用時(shí)，NTC電阻會(huì)下降至電池組的接地參考。因此，電池組中的接收器電子裝置可偵測(cè)電壓，并立即停用無線電源充電器。只有在連接有線轉(zhuǎn)接器，而接收器放置在充電板時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種情況，這種情況相當(dāng)少見，而且傳輸兩倍的充電電流對(duì)于電池安全相當(dāng)不利。

　　上述的方法將優(yōu)先使用有線電源路徑，因?yàn)榻邮掌鲿?huì)偵測(cè)NTC訊號(hào)，并採取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。不過，只要在行動(dòng)系統(tǒng)中使用偵測(cè)演算法，即可優(yōu)先使用無線電源，使得行動(dòng)系統(tǒng)在無線電源充電器啟用時(shí)，顛倒監(jiān)測(cè)NTC接腳電壓的程序。圖5顯示緊接在接收器電子裝置的整流階段之后加入電壓及電流迴路，以控制器實(shí)作充電演算法，移除電源供應(yīng)配件中出現(xiàn)的電壓調(diào)節(jié)階段，提高整合度及效率。

　　圖5 電池組配件的無線電源系統(tǒng)架構(gòu)