物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中二次電池無線充放電方案硬件設計分享_無線充放電芯片

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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用無線充放電芯片

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用無線充放電芯片的原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

去除充電線束縛

傳統(tǒng)的有線充電方式需要使用充電線連接設備和電源，這在物聯(lián)網(wǎng)設備眾多且分布廣泛的情況下，不僅增加了管理的復雜性和成本，還限制了設備的移動性和靈活性。無線充放電芯片通過無線傳輸能量，消除了充電線的束縛，使得物聯(lián)網(wǎng)設備可以更加自由、靈活地部署和使用。

提高充電效率和便攜性

無線充放電芯片采用了電磁感應、共振效應等無線傳輸技術，能夠實現(xiàn)高效、長距離的能量傳輸。相比傳統(tǒng)有線充電方式，無線充電效率更高，充電時間更短，提升了用戶的使用體驗。同時，無線充電的便攜性也更適合物聯(lián)網(wǎng)設備的多樣化應用場景，如智能家居、智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領域。

簡化設備維護和管理

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，設備數(shù)量眾多且分布廣泛，傳統(tǒng)的有線充電方式需要定期檢查和更換充電線，增加了維護成本和管理難度。而無線充放電芯片通過統(tǒng)一的無線充電基站或嵌入式的無線充電模塊，可以實現(xiàn)對多個設備的集中管理和維護，降低了維護成本和管理難度。

提升系統(tǒng)安全性和可靠性

無線充放電芯片在設計和使用過程中，通常會考慮輻射安全、系統(tǒng)干擾等問題，并采取相應的措施來確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。例如，通過優(yōu)化發(fā)射端和接收端的設計，減少電磁輻射對人體的影響；通過采用特定的解決方案來防止無線充電信號與數(shù)據(jù)通信信號之間的干擾等。這些措施有助于提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體安全性和可靠性。

拓展物聯(lián)網(wǎng)應用場景

隨著無線充電技術的不斷發(fā)展和成熟，其在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用場景也在不斷拓展。例如，在智能家居中，無線充放電芯片可以用于為智能門鎖、智能燈泡、智能插座等設備提供無線充電支持；在智慧城市中，無線充電技術可以用于為路燈、交通監(jiān)控攝像頭等設備提供遠程充電支持；在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，無線充電技術則可以用于為生產(chǎn)線上的機器人、傳感器等設備提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用無線充放電芯片具有多方面的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢共同推動了無線充電技術在物聯(lián)網(wǎng)領域的廣泛應用和發(fā)展。

本文會再為大家詳解電源芯片家族中的一員——無線充放電芯片。

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1.線充放電芯片背景

現(xiàn)今幾乎所有的電子設備，如手機，MP3和筆記本電腦等，進行充電的方式主要是有線電能傳輸，既一端連接交流電源,另一端連接便攜式電子設備充電電池的。這種方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞主板接口，另外不小心也可能帶來觸電的危險。

無線充電運用了一種新型的能量傳輸技術——無線供電技術。該技術使充電器擺脫了線路的限制，實現(xiàn)電器和電源完全分離。在安全性，靈活性等方面顯示出比傳統(tǒng)充電器更好的優(yōu)勢。在如今科學技術飛速發(fā)展的今天，無線充電顯示出了廣闊的發(fā)展前景。

無線充電已從夢想成為現(xiàn)實，從概念變成商用產(chǎn)品。產(chǎn)品實例：

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2.無線供電特點

2.1優(yōu)點：

（1）便捷性：非接觸式，一對多充電 與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不適用，接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。

一臺充電器可以對多個負載充電，一個家庭購買一臺充電器就可以滿足全家人使用。

（2） 通用性：應用范圍廣 只要使用同一種無線充電標準，無論哪家廠商的哪款設備均可進行無線充電。

（3）新穎性，用戶體驗好 （4）具有通用標準

主流的無線充電標準有：Qi標準、PMA標準、A4WP標準。

Qi標準：Qi標準是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯(lián)盟（WPC，2008年成立）推出的無線充電標準，其采用了目前最為主流的電磁感應技術，具備兼容性以及通用性兩大特點。只要是擁有Qi標識的產(chǎn)品，都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月，蘋果加入WPC。

PMA標準：PMA聯(lián)盟致力于為符合IEEE協(xié)會標準的手機和電子設備，打造無線供電標準，在無線充電領域中具有領導地位。PMA也是采用電磁感應原理實現(xiàn)無線充電。目前已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟。

A4WP：Alliance for Wireless Power標準，2012年推出，目標是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車等在內的電子產(chǎn)品無線充電設備設立技術標準和行業(yè)對話機制。A4WP采用電磁共振原理來實現(xiàn)無線充電。

2.2缺點

（1）工作距離短 目前的無線充電技術大多在短距離范圍內的近磁場對電子設備進行無線充電。因為無線電能傳輸?shù)木嚯x越遠，功率的耗損也就會越大，能量傳輸效率就會越低，且會導致設備的耗能較高。

（2）轉換效率低，速度慢 無線充電技術雖然簡單便捷，但是其硬傷在于緩慢的充電速度和充電效率。

（3）功耗較高，更加費電 隨著無線充電設備的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會越大。

（4）成本較高，維護消耗大，不符合標準會有安全隱患危險

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3. 無線供電原理及實現(xiàn)方式

無線充電利用電磁波感應原理進行充電，原理類似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號，接收端線圈感應發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流。

2007年6月麻省理工學院以Marin Soljacic為首的研究團隊首次演示了利用電磁感應原理的燈泡無線供電技術，他們可以在一米距離內無線給60瓦的燈泡提供電力，電能傳輸效率高達75%。

研究者由此設想電源可以在這范圍內為電池進行無線充電，進而推想只需要安裝一個電源，即可為整個屋里的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲范圍，接收線圈在非輻射磁場內部發(fā)生諧振，以相同的頻率振蕩，然后有效的通過磁感應進行電能傳輸。

圖：無線充電原理 實現(xiàn)無線充電技術主要通過四種方式：電磁感應式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式：

3.1 電磁感應式

1890年，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經(jīng)做了無線輸電試驗，實現(xiàn)了交流發(fā)電。 邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應原理，電流通過線圈會產(chǎn)生磁場，其他未通電的線圈靠近磁場就會產(chǎn)生電流。

圖：電磁感應式原理 電磁感應式充電：初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應，事實上，電磁感應解決方案在技術實現(xiàn)上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利，就使用了電磁感應技術。

電磁感應式是當前最成熟、最普遍的無線充電技術，原理有些類似于變壓器。

圖：電動汽車無線充電原理

3.2 磁場共振式

圖：磁場共振方式原理 磁場共振充電由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術，由麻省理工學院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。

相比電磁感應方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應方式，無需使線圈間的位置完全吻合。

應用：意法半導體與WiTricity合作開發(fā)諧振無線電能傳輸芯片 意法半導體(簡稱ST)與超長距離無線電能傳輸技術先驅WiTricity公司,宣布合作開發(fā)電磁諧振式無線電能傳輸半導體解決方案。

此方案支持消費電子和物聯(lián)網(wǎng)設備快速無線充電,并支持多個設備同時充電。這個電磁諧振無線電能傳輸芯片被稱為“無線充電2.0”,與現(xiàn)有無線充電技術不同的是,這款芯片能夠給金屬外殼的智能手機、平板電腦和智能手表高效充電。

3.3 無線電波式

無線電波式充電：這是發(fā)展較為成熟的技術，類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。

整個傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線3部分;微波源內有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率

圖：無線電波充電示意圖 應用：AirVolt無線充電器 AirVolt是一款利用無線電波給移動設備進行充電的無線充電器。和同類型產(chǎn)品一樣,它的效率要比有線充電低一些。AirVolt充電頭通電后可以將電能轉化為電磁波,接收器獲取后會將電磁波又轉化為電能為手機充電。當電量充滿到80%時就會自動停止充電, 低于20%時又會自動充電, 既保證了手機最佳電量又不會導致過度充電, 增加了電池使用壽命。

AirVolt由 TechNovator公司開發(fā), 需要充電時只要將接收器插進手機, 再將充電頭插上插座就能進行遠程無線充電。最佳充電距離是9米之內,而最遠距離可達12米,躲到屋里任何一個角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小，充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning 或 Micro usb兩種接口選擇, 滿足不同需要。

3.4 電場耦合式

電場耦合式充電原理：利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應電場來傳輸電力。一般充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產(chǎn)生的感應電場來供電的。

電場耦合方式的特點大致有三： ①充電時可實現(xiàn)位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統(tǒng)成本。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進行無線供電的供電臺。

3.5 無線充電一般流程

一般來說，無線充電步驟分為：檢測、通信、供電三個階段：

（1） 檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）

當接收器放置在發(fā)射器工作范圍內，發(fā)射器檢測是否是一個接收器靠近

（2） 通訊階段：進行身份認證

發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動接收器，之后接收器回復響應數(shù)據(jù)完成身份的認證

（3） 充電階段：進行電能傳輸

在身份認證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設備類型，選擇相應的功率等參數(shù)，為接收器充電

以Qi標準為例，整體流程如下：

圖：Qi標準通訊流程

現(xiàn)今無線充電系統(tǒng)都采用共振的方式進行設計，在架構上都大至相同有下列這些構造： 發(fā)射器內有 ? 直流電源輸入 ? 頻率產(chǎn)生裝置 ? 切換電力的開關 ? 發(fā)射的線圈與電容諧振組合 接收器內有 ? 接收的線圈與電容諧振組合 ? 整流器; ? 濾波與穩(wěn)壓器 ? 直流電源輸出

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4.現(xiàn)有解決方案分析：

國外：(包括芯片/方案/發(fā)射接收器件) IDT、TI、Freescale、高通、博通、NXP、Fulton、Energous、Delphi、松下、東芝、富士通等。

國內：中惠創(chuàng)智、新頁、中興、勁芯微、美嗒嗒、微鵝、斯普奧汀、華潤矽科、新捷、伏達、以及臺灣凌陽等。

在無線充電發(fā)射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機到大功率的筆記型計算機，因此一個成熟的解決方案首先應該要能檢測到對應不同的目標物；而每個接收裝置的電力需求會有所不同，這時發(fā)射器需要能自動調節(jié)功率輸出進行供電。

4.1 IDT無線IC方案

圖：IDT無線發(fā)射與接收IC IDT公司的無線充電技術解決方案具備高集成度，提供單芯片SOC解決方案，支持QI-LOGOWPC認證，并且兼容POWERMATE模式；具有加密通訊（FSK、ASK實現(xiàn)），異物檢測模式功能。IDT目前是英特爾整個平臺無線充電技術唯一的合作伙伴?，F(xiàn)已有多家廠商使用IDT無線充電解決方案。

IDT的無線充放電IC在無線充電效率在15W時最高可達87%，提高了系統(tǒng)的熱性能，可以媲美傳統(tǒng)的有線充電架構。其內部處理器基于32位ARM Cortex-M0架構，通過I2C通訊控制，并且提供了擴展的數(shù)字IO引腳以及相關軟件庫。

圖 ：IDT無線充電解決方案原理

成本評估參考： 芯片 價格 ($) P9242-RNDGI (15W Transmitter) $ 4.4 P9221-RAHGI8 (15W Receiver) $ 3.2 P9038-RNDGI (5W Transmitter) $ 3.9 P9025AC-RNBGI (5W Receiver) $ 3.2

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5. FAQ及相關測試結果

5.1、人體危害：

當電磁波頻率加到1GHz以上就會直接對水分子加熱；這個原理就變成微波爐了，所以無論13MHz會對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無線電力在設計時必需解決安全的問題才能上市

5.2、發(fā)熱：

接收端5W的需求在只有20%的轉換效率下有20W的能量轉換成熱能散逸，這樣的能量會產(chǎn)生龐大的熱能會導致系統(tǒng)溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統(tǒng)最大輸出能力會在25W，若為無安全設計下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會導致火災意外。因此有必要做設備識別。

5.3、充放電效率問題：

發(fā)射端輸入電壓為5VDC，接受線圈之間距離為3cm，接收端通過接受線圈獲取電能，通過整流濾波形成穩(wěn)定的5v直流電。

5.4、互感影響：垂直距離和水平位置影響

5.5、距離以及線圈大小對充電效率的影響。

遠距離（相隔一定的空間）的感應電能傳輸效率非常低，而在設備附近（例如表面）進行的感應電能傳輸則可以真正做到高效，其效率可與有線傳輸比擬。

距離越大(z/D > 1)或線圈大小差距越大，效率降低的幅度越大 距離越小(z/D < 0.1)，線圈大小越接近(D2/D = 0.5…1) ，效率越高

5.6、功耗問題。

與2相同條件下，發(fā)射端待機功耗：

供應商A:伏達半導體

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

（2）主推型號1：NV1680

對應的產(chǎn)品詳情介紹

NU1680是一款高度集成的無線電源接收器，與傳統(tǒng)的無線電源接收器相比，它只需要更少的外圍元器件。是一個低成本和較小PCB面積的無線電源接收解決方案。由于不需要固件來編程，它將大大簡化設計工作，并更容易和快速地整合解決方案。它集成了一個同步整流器，無需自舉電容，具有高效率和低成本的特點?？商峁?.5V到9V的寬范圍穩(wěn)壓，適用于不同的應用場合。此外，它可以調節(jié)輸出電壓跟蹤電池電壓，進一步降低充電系統(tǒng)的功耗。NU1680可以通過ASK與發(fā)射系統(tǒng)進行通信。通信符合WPC V1.2.4。FOD參數(shù)可通過I2C接口或外部電阻進行配置，以通過FOD測試。NU1680還支持連接到主AP，通過I2C接口進行通信。提供外部中斷、電池電壓ADC值、輸出電流等。NU1680還支持標準保護功能，如過流保護、短路保護、過壓保護和熱關機。這些保護措施進一步提高了系統(tǒng)解決方案的可靠性。封裝：3.0mm×3.0mm QFN。

硬件參考設計

研發(fā)設計注意使用事項

PCB 設計頂層電路如下圖所示

C7/C8/C9/C21 是諧振電容，C1/C2 是 COMM 電容并應將它們放置在 IC 芯片的左邊，同

時越接近芯片越好

L1 線圈走線應為寬銅線

VRECT 引腳端需分別各接一個電容（10uF/16V 或 4.7uF/16V）

在 IC 芯片底部散熱焊盤上放置一些通孔，以獲得良好的熱傳導

底層部分如下圖所示，這里只需考慮一個因素，即連接兩個 VRECT 引腳的銅線線寬至

少>=0.3mm，同時每側最少放置兩個通孔。

注意：盡可能減小諧振環(huán)路，同時將其遠離其他信號電路

2、支撐

（1）技術產(chǎn)品

技術資料

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審核編輯 黃宇