基于齊規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的移動設(shè)備充電解決方案

無論是可穿戴醫(yī)療保健設(shè)備，還是提供信息和連接功能的智能電話和平板電腦，消費(fèi)者需要能隨時(shí)隨地使用的產(chǎn)品。 基于該需求，他們還在尋求無需充電器電纜和連接器的充電解決方案。 為了滿足這些市場前提條件，在過去幾年里，無線充電的出現(xiàn)成為極具吸引力的插頭適配器替代方案，而且隨著各類標(biāo)準(zhǔn)的興起，現(xiàn)已蓄勢待發(fā)。 基于這些標(biāo)準(zhǔn)，諸如 Texas Instruments、Freescale Semiconductor 和 Integrated Device Technology 等廠商已開始提供整體解決方案。

成功開發(fā)無線電源解決方案的回報(bào)是豐厚的。 根據(jù)研究和技術(shù)咨詢公司 IHS 提供的信息，到今年年底，使用無線電源的設(shè)備將達(dá)到 1 億臺左右。 而 2012 年，無線充電裝置的數(shù)量估計(jì)僅有 5 百萬左右。 有趣的是，有三家標(biāo)準(zhǔn)組織在爭奪這塊新興市場。1無線電源聯(lián)盟 (WPC) 于 2008 年發(fā)布了首個(gè)無線電標(biāo)準(zhǔn)，隨后電源事務(wù)聯(lián)盟 (PMA) 于 2012 年提出了一種替代解決方案。 2012 年還推出了第三項(xiàng)計(jì)劃——無線電力聯(lián)盟 (A4WP)。2

最近，A4WP 和 PMA 簽訂了一份協(xié)議，雙方將合并并創(chuàng)建單一機(jī)構(gòu)，致力于滿足消費(fèi)者的無線感應(yīng)充電需求。 該聯(lián)盟旨在打造可互操作的無線充電生態(tài)系統(tǒng)，這對于促進(jìn)消費(fèi)者廣泛采用該技術(shù)至關(guān)重要。 Samsung Electronics 和 Qualcomm 等公司支持 A4WP，而 Duracell 和 AT&T 則支持 PMA。

感應(yīng)充電

目前 WPC 的成員數(shù)最多，超過 200 多家，其無線充電標(biāo)準(zhǔn) Qi 也最流行，市面上有 600 多款 Qi 認(rèn)證產(chǎn)品和 5 千萬臺 Qi 設(shè)備。 根據(jù) WPC 提供的信息，主要手持設(shè)備制造商有 70 多款智能手機(jī)采用了 Qi 規(guī)范；全球行駛的約 15 款車型集成了 Qi 充電功能。

如圖 1 所示，Qi 系統(tǒng)包括功率發(fā)射板，以及便攜式設(shè)備中的兼容型接收器線圈。 Qi 系統(tǒng)使用感應(yīng)耦合現(xiàn)象在兩個(gè)線圈之間傳輸功率。 因此，初級（發(fā)射器）線圈中的電流產(chǎn)生磁場，并在次級（接收器）線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。 然后，使用接收的電流為電池充電或?yàn)樨?fù)載供電。 通常，兩個(gè)線圈之間的距離是 5 毫米，發(fā)射器與接收器耦合消耗的功率不超過 5 W。工作頻率范圍為 100 - 205 kHz。 這一 Qi v1.0 初始規(guī)范于 2009 年 8 月發(fā)布。 為了給發(fā)射器提供更大的設(shè)計(jì)空間，幾年后引入了 Qi v1.1。 該規(guī)范允許更長的耦合距離。 根據(jù) v1.1 規(guī)范，Qi 充電器可通過 40 毫米臺式設(shè)備向 Qi 接收器提供 5 W 的功率。

圖 1：典型無線充電系統(tǒng)使用兩個(gè)磁耦合電感器、一個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收器線圈。 發(fā)射器線圈中的交流電產(chǎn)生磁場，并在接收器線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 （來源：無線電源聯(lián)盟）

為了使Qi 充電器具有更大的靈活性，WPC 于 2014 年夏將標(biāo)準(zhǔn)更新至 1.2 版。 Qi v1.2 擴(kuò)展了最新的規(guī)范，在 Qi 規(guī)范中針對現(xiàn)有的感應(yīng)技術(shù)增加了諧振充電。 這樣，制造商可以選擇小心地在結(jié)構(gòu)體（如家具和桌面）中更深地嵌入無線充電器，并采用直接接觸的低成本表面應(yīng)用。 該規(guī)范還兼容v1.1 接收器。

根據(jù) WPC 提供的信息，其成員公司使用 Qi v1.2 原型接收器演示了在 45 毫米距離內(nèi)的充電功能。 而且，現(xiàn)有 Qi v1.1 系統(tǒng)與 v1.2 原型系統(tǒng)之間已成功完成互操作性測試。 這意味著，移動設(shè)備再也不必直接接觸充電板。 因此，單個(gè) Qi v1.2 發(fā)射器可以同時(shí)為多臺 Qi 設(shè)備充電。 并且，最新的 Qi 規(guī)范還允許發(fā)射器為廚房應(yīng)用提供最高 2000 W 的功率。

符合 Qi 規(guī)范的解決方案

WPC 的創(chuàng)始會員 TI 為系統(tǒng)的發(fā)射器端和接收器部分開發(fā)了 IC。 該公司通過吸收新成員，不斷擴(kuò)充其無線充電產(chǎn)品組合。 去年，該公司推出兩款符合 Qi 規(guī)范的單片接收器 bq51020 和 bq51021。 該單片 5 W 接收器可提供整流、調(diào)節(jié)、數(shù)字控制和通信功能，以支持 Qi v1.1 規(guī)范（圖 2）。 TI 表示，這些接收器 IC 專門用于為符合 Qi 規(guī)范的手機(jī)、平板電腦和其他電子產(chǎn)品充電，相比其他可用的無線電源解決方案，速度更快、效率更高。 接收器的可編程輸出電壓高達(dá) 8 V，并采用低導(dǎo)通電阻 MOSFET，從而降低了多達(dá) 50% 的功耗。 此外，bq51021 還帶有一個(gè) I2C 接口，能讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)異物檢測 (FOD)，以及一個(gè)獨(dú)特的“充電板檢測”功能，從而讓接收器更輕松地與充電器配對，提供更好的用戶體驗(yàn)。

圖 2： TI 的單片接收器 bq5102x 可提供整流、調(diào)節(jié)、數(shù)字控制和通信功能，以支持 Qi v1.1 規(guī)范。

在發(fā)射器端，該公司增加了新一代芯片 bq500212A，只需更少的元件便可完成解決方案，并能通過 USB 端口或 5 V 電源供電。 該芯片符合 WPC 的 v1.1 A5 型或 A11 型發(fā)射器線圈規(guī)范（圖 3）。 本質(zhì)上，該控制器集成了向符合 Qi v1.1 規(guī)范的接收器芯片傳輸無線功率所需的全部控制功能。 其他主要功能包括動態(tài)功率限制、FOD 以及增強(qiáng)型寄生金屬物體檢測功能(PMOD) 。 根據(jù)供應(yīng)商的介紹，該芯片具有全面的狀態(tài)和故障監(jiān)控功能，可實(shí)現(xiàn)符合 Qi 規(guī)范的低成本、堅(jiān)固耐用的無線電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖 3： 采用 TI 無線電源控制器 IC bq500212A 的典型發(fā)射器電路。

去年，TI 還推出了雙模式 5W 接收器 bq51221，其通信和控制功能可兼容 WPC 的 Qi v1.1 和 PMA 協(xié)議。 這種單芯片無線電源接收器可提供電源轉(zhuǎn)換（整流和調(diào)節(jié)），以及適合兩種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化控制和通信。 無需更多軟件開發(fā)工作。 此外，該芯片還具有動態(tài)整流器控制功能，可在保持較小的解決方案尺寸的同時(shí)提供高能效。

為了增強(qiáng)無線充電器的功能，TI 最近發(fā)布了業(yè)內(nèi)首個(gè)完全集成的 10 W 無線充電解決方案。該方案符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)并向后兼容 5 W Qi 接收器。 其中包括無線電源接收器芯片 bq51025 和對應(yīng)的無線電源發(fā)射器 bq500215。 據(jù) TI 介紹，完成配對后，接收器支持 4.5 V 到 10 V 的可編程輸出電壓，并能在 10 W 時(shí)達(dá)到高達(dá) 84% 的充電效率。 這種全封閉式無線電源接收器解決方案的尺寸僅為長 3.60 毫米，寬 2.89 毫米，適合在許多便攜式工業(yè)設(shè)計(jì)中使用，從收銀機(jī) (POS) 掃描儀到手持式醫(yī)療診斷設(shè)備，以及平板電腦和超級本等個(gè)人電子設(shè)備。 圖 4 顯示了基于無線電源接收器芯片 bq51025 且符合 Qi v1.1 規(guī)范的典型接收器電路 。

圖 4： 基于無線電源接收器芯片 bq51025 且符合 Qi v1.1 規(guī)范的接收器電路。 輸出為 7 V，最大輸出電流為 1.4 A。

類似的，專用定頻無線數(shù)字發(fā)射器 bq500215 符合 Qi v1.1 規(guī)范，具有高達(dá) 5 W 的功率輸出，并采用專有的雙向通信協(xié)議，可使用無線接收器 bq51025 實(shí)現(xiàn)高達(dá) 10 W 的充電功率。 這款器件采用 FOD 方法在傳輸功率之前檢測物體，并在檢測到過高的損耗時(shí)主動切斷電源。

總之，感應(yīng)式充電還在不斷發(fā)展，TI 等供應(yīng)商擁有完備的、符合新興標(biāo)準(zhǔn)的整體系統(tǒng)解決方案。 通過這種方式，他們讓有意愿的制造商能夠更輕松地進(jìn)入這一快速增長的市場，并為其提供廣闊的市場前景。