無線充電的基本原理及解決方案

　　自從尼古拉特斯拉聲稱他發(fā)現(xiàn)了基本原理并且只需要一個有進取心的個人來將該技術(shù)商業(yè)化以來，無線充電（也稱為感應充電或無線電力）就已經(jīng)顯示出前景。那是在 1921 年。從那時起，系統(tǒng)來去匆匆，但該行業(yè)并未真正著火。

　　技術(shù)障礙、競爭標準和消費者不感興趣是進展緩慢的罪魁禍首，但情況開始發(fā)生變化，分析師們對此感到興奮。例如，IHS 顧問公司預測，到 2018 年，無線充電市場將從 2013 年的 2.16 億美元擴大到 85 億美元。這種樂觀的原因之一是最近宣布兩個以前相互競爭的標準機構(gòu)正在聯(lián)手共同推廣這項技術(shù)。 其次，感應式和諧振式無線充電都在很大程度上克服了無線充電的技術(shù)挑戰(zhàn)，并且都得到了廣泛的半導體供應商的支持。

　　廣泛部署的無線充電有可能為消費者增加電池補充的便利性，就像 Wi-Fi 為連接所做的那樣。本文著眼于芯片制造商如何通過引入集成的發(fā)射器和接收器設備來讓設計人員更容易進入這個利潤豐厚的領(lǐng)域，工程師可以在這些設備上進行電路設計。

　　無線充電的基本原理

　　從根本上說，無線充電是使用感應將能量從發(fā)射器線圈傳輸?shù)浇邮掌骶€圈。發(fā)射器線圈產(chǎn)生一個振蕩磁場，該磁場在接收器線圈中感應出交流電壓，然后對其進行整流和調(diào)節(jié)以為電池充電。

　　功率傳輸?shù)男嗜Q于電感器之間的耦合 （k） 及其質(zhì)量 （Q）。耦合取決于電感器之間的距離 （z） 和線圈直徑的比率。耦合進一步取決于線圈的形狀和它們之間的角度。

　　緊密耦合系統(tǒng)——兩個相似尺寸的線圈靠得很近，對齊和平行——效率更高，并且可以限制麻煩的電磁干擾 （EMI）（圖 1。）更高的效率限制了不必要的熱量。松散耦合系統(tǒng)可用于難以限制線圈之間的間隙和/或匹配線圈尺寸的情況，但需要在較低的效率和較大的 EMI 發(fā)射之間進行權(quán)衡。耦合程度由“耦合因子”決定，是衡量發(fā)射器線圈產(chǎn)生的磁通量中有多少被接收器線圈捕獲的量度。完美耦合，即所有通量都被捕獲，其耦合系數(shù)為 1。實際系統(tǒng)的耦合系數(shù)通常為 0.3 到 0.6。

　　圖 1：緊密耦合的無線充電器采用緊密對齊、尺寸相似的線圈，效率更高，同時產(chǎn)生的 EMI 問題更少。（圖片由無線電力聯(lián)盟提供）

　　諧振耦合，即發(fā)射器和接收器線圈在諧振頻率下運行，通常會提高系統(tǒng)效率。直觀地說，緊密耦合的線圈都在其諧振頻率下工作，應該會產(chǎn)生最有效的系統(tǒng)。然而，情況并非如此，因為每個線圈都有一個最小距離可以保持諧振操作。這個最小距離取決于線圈的大小和工作頻率，但大于緊密耦合系統(tǒng)的典型線圈間隔。物理學很復雜，但從本質(zhì)上講，如果兩個諧振線圈靠得太近，它們的磁場就會“崩潰”，功率傳輸就會停止。正好在——它們的共振頻率。

　　然而，諧振耦合的優(yōu)勢在于提高系統(tǒng)的效率，在這種情況下緊密耦合是不可能的，或者通過降低要充電的設備必須放置在充電板上的精度來增加消費者的便利性。與感應系統(tǒng)的“聚焦”磁場不同，諧振系統(tǒng)產(chǎn)生更寬的磁場，允許放置在范圍內(nèi)的多個物體接收合理數(shù)量的功率。

　　另一種選擇是具有多個線圈的充電站，它提供了更寬的諧振充電充電區(qū)域（允許同時為更多移動產(chǎn)品充電），同時仍然保留了緊密耦合的優(yōu)勢。

　　除了技術(shù)挑戰(zhàn)之外，標準機構(gòu)之間的競爭是無線充電引入緩慢的另一個主要原因。無線充電聯(lián)盟 （WPC） 制定了 Qi（發(fā)音為“Chee”）規(guī)范，其中包括感應式和諧振式無線充電，而無線充電聯(lián)盟 （A4WP） 和電力事務聯(lián)盟 （PMA） 都提倡諧振充電。2015 年 6 月，A4WP 和 PMA 合并形成 AirFuel 聯(lián)盟，該聯(lián)盟現(xiàn)在推廣感應和無線充電技術(shù)。

　　規(guī)范包括更高功率版本的規(guī)定。例如，Qi 的低功率規(guī)格可提供高達 5 W 的功率（用于智能手機充電），中等功率規(guī)格可提供高達 120 W 的功率（用于平板電腦和筆記本電腦）。提供高達 1 kW 的高功率規(guī)格正在開發(fā)中。

　　關(guān)閉循環(huán)

　　雖然無線充電系統(tǒng)的設計概念很簡單（圖 3），但實際電路更難實現(xiàn)。除了選擇線圈拓撲結(jié)構(gòu)以盡可能高效地傳輸能量外，主要的設計挑戰(zhàn)來自電壓、頻率和占空比的控制和補償。

　　圖 3：無線充電系統(tǒng)在概念上很簡單（如該示意圖所示），但詳細設計更具挑戰(zhàn)性。該設計使用反向散射調(diào)制來實現(xiàn)閉合反饋回路的單向通信。（使用 Digi-Key方案生成的圖像 - 它基于德州儀器提供的原始圖像）

　　控制和補償需要接收器和發(fā)射器之間的反饋回路。因為這是一種無線技術(shù)，所以發(fā)射器和接收器線圈之間沒有物理鏈接。因此，使用諸如反向散射調(diào)制或低功率射頻鏈路等無線技術(shù)來完成反饋環(huán)路。

　　后一種技術(shù)不太常見，但已開始取得進展。例如，AirFuel 聯(lián)盟鼓勵使用藍牙低功耗或Wi-Fi等技術(shù)在接收器和發(fā)射器之間進行通信，反之亦然（請記住，最常需要充值的設備，例如智能手機、平板電腦和筆記本電腦，通常具有內(nèi)置 Wi-Fi 和藍牙）。與反向散射調(diào)制相比，雙向射頻鏈路的優(yōu)勢在于對充電過程的更精確控制。缺點是額外的成本和增加的復雜性。

　　盡管成本和復雜性很高，但反饋至關(guān)重要，尤其是在為當今大多數(shù)便攜式設備中使用的鋰離子 （Li-ion） 電池充電時。當接近滿容量和過度充電時，這些電池對快速充電造成的損壞非常敏感。（請參閱 TechZone 文章“鋰 （Li-ion） 電池充電設計師指南”。）

　　為了傳達這種反饋，大多數(shù)當代無線充電系統(tǒng)使用反向散射調(diào)制在接收器和發(fā)射器之間形成單向通信鏈路（它與無源 RFID 標簽使用的系統(tǒng)類似）。本質(zhì)上，該技術(shù)利用了這樣一個事實，即接收器線圈上的負載會產(chǎn)生電磁波，該電磁波可以在發(fā)射器上感應出電流線圈（與主要無線充電操作相反的過程）。通過適當?shù)模ㄏ鄬Ρ阋撕秃唵蔚模╇娐罚梢哉{(diào)制和解釋感應電流，以確定接收器上的負載如何隨著電池充電而變化。然后可以使用此類信息來調(diào)節(jié)發(fā)射器線圈提供的能量，從而為充電過程提供動力。

　　無線充電解決方案

　　使用分立元件設計無線充電產(chǎn)品非常棘手，需要大量實驗，因此不適合經(jīng)驗有限且時間緊迫的設計人員。但是，這并不排除新手開發(fā)無線充電產(chǎn)品。成功的關(guān)鍵是將設計基于幾個芯片組之一，這些芯片組將無線充電系統(tǒng)所需的大部分控制和補償功能集成到單個芯片中。

　　此類設備的一個示例是Semtech 的 TS80000無線充電發(fā)射器 IC 及其姊妹組件TS81001接收器 IC。TS80000 負責無線充電電路的控制、通信和補償，可提供高達 40 W 的功率輸出，同時支持符合 Qi 和 AirFuel 標準以及專有應用。TS80000 可配置為驅(qū)動半橋和全橋系統(tǒng)中的單線圈或多線圈應用。

　　TS80000 負責后向散射調(diào)制解碼并相應地調(diào)整能級。集成的 PID 濾波器為反饋回路提供必要的補償，以實現(xiàn)對占空比、頻率和橋電壓的高精度控制。TS80000 發(fā)送器 IC 推薦與 Semtech 的TS61001全橋 FET 驅(qū)動器一起使用，而 TS81001 接收器 IC 推薦與 Semtech 的TS51111同步整流器一起使用。

　　德州儀器（TI） 提供多種無線充電解決方案，其中包括bq500511。該無線功率發(fā)射器可以與公司的bq50002模擬前端設備結(jié)合使用，以集成創(chuàng)建符合 Qi 標準或?qū)Ｓ?5 V 發(fā)射器所需的所有功能。該芯片“ping”周圍環(huán)境，為接收器設備供電，安全地接合要充電的設備，接收來自設備的通信，并根據(jù) WPC v1.2 規(guī)范管理電力傳輸。

　　該芯片的一個不錯的好處是一個稱為異物檢測 （FOD） 的功能，它可以防止由于能量沉入磁場中放錯位置的金屬物體而造成的功率損失。

　　無線電力發(fā)射器與符合 Qi 標準的無線電力接收器bq51051等設備協(xié)同工作。TI 聲稱 bq51051 提供高效的交流到直流電源轉(zhuǎn)換，并集成了符合 Qi v1.1 通信協(xié)議所需的數(shù)字控制器。該設備值得注意，因為它集成了鋰離子電池充電控制器，允許“直接充電”。TI 解釋說，與無線電源接收器與單獨的下游充電器芯片配對（圖 4）相比，這將整體效率提高了 10%。其他優(yōu)勢是節(jié)省成本和空間。

　　圖 4：直接無線充電系統(tǒng)——將接收器和電池充電控制器組合到一個芯片中——比分立系統(tǒng)的效率高出 10%。（圖片由德州儀器提供）

　　NXP還提供基于其MWCT1111無線充電發(fā)射器的無線充電解決方案。該器件支持任何符合行業(yè)標準的 15 W 單線圈拓撲，并使用該公司的專有內(nèi)核，該內(nèi)核針對電源轉(zhuǎn)換應用進行了優(yōu)化。MWCT1111 執(zhí)行諸如反向散射調(diào)制的數(shù)字解調(diào)、FOD 和電源調(diào)節(jié)等任務。

　　MWCT1111 可與 NXP MWPR1516等姊妹設備配合使用，該接收器符合 WPC 規(guī)范，并有可能支持其他未來標準。該器件的兩個顯著方面是其 ARM ? Cortex ? -M0+ 內(nèi)核和頻移鍵控 （FSK） 功能，允許在發(fā)射器和接收器之間開發(fā)無線雙向通信架構(gòu)。

　　快速進入利潤豐厚的市場

　　無線充電的便利性加上效率的提高（一些制造商現(xiàn)在聲稱從輸入到電池的能量傳輸效率高達 75%）和行業(yè)標準的采用提高了該技術(shù)的知名度。

　　建議處理無線充電的設計工程師考慮遵守已發(fā)布的規(guī)范之一，因為它可能會增加最終產(chǎn)品的商業(yè)機會。例如，一些移動產(chǎn)品供應商已經(jīng)為其智能手機和平板電腦采用了一種或兩種規(guī)格。

　　從頭開始設計系統(tǒng)是可行的，并且可能會降低材料清單 （BOM），但需要專業(yè)知識和熟悉無線充電標準。建議經(jīng)驗不足的工程師將他們的系統(tǒng)建立在無線充電芯片組上，該芯片組可從一系列知名半導體供應商處獲得，該芯片組已針對效率進行了優(yōu)化，包括 FOD 等有用功能，并且經(jīng)過認證符合一項或多項主要標準。與分立解決方案相比，新手工程師可能通過使用芯片組節(jié)省的設計時間將抵消增加的組件成本。