無(wú)線電源為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用提供了極大的靈活性。隨著消費(fèi)者要求電子產(chǎn)品具有更大的移動(dòng)性，通過(guò)簡(jiǎn)單地將它們放置在臺(tái)面，儀表板和其他表面上來(lái)為耗電的產(chǎn)品充電的能力超出了方便的特征而變得非常實(shí)用。借助飛思卡爾半導(dǎo)體，集成器件技術(shù)和德州儀器等專業(yè)解決方案，工程師可以為設(shè)計(jì)增加高效的無(wú)線功率。

無(wú)線電源技術(shù)利用基本的電磁原理，利用通過(guò)磁感應(yīng)或磁共振耦合的線圈將能量從電源傳輸?shù)浇邮掌?。典型的無(wú)線系統(tǒng)包括電力發(fā)送器基座單元和包括在諸如無(wú)線耳機(jī)，智能電話，平板電腦等移動(dòng)設(shè)備中的相應(yīng)電力接收器單元。

發(fā)射器單元包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器線圈，其由功率轉(zhuǎn)換電路供電并由控制和通信子系統(tǒng)管理?；パa(bǔ)接收器單元包括由相應(yīng)的控制和通信子系統(tǒng)類似地管理的接收器線圈。正如本文將要闡明的那樣，耦合和通信的性質(zhì)在電感和磁共振方法上有很大不同。

感應(yīng)耦合

在感應(yīng)電力傳輸中，發(fā)射器線圈(L1)中的交流電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，在成對(duì)的接收器線圈(L2)中感應(yīng)出電壓(圖1)。這些成對(duì)電感之間的功率傳輸效率取決于電感器和電感器的品質(zhì)因數(shù)(Q)之間的耦合因子(k)。

圖1：無(wú)線電力傳輸可以通過(guò)靠近放置的電感耦合線圈進(jìn)行。 (由無(wú)線電力聯(lián)盟提供。)

如圖2所示，由于耦合因子k隨著給定相對(duì)尺寸(D2/D)的電感器之間的距離(z)的增加而降低，效率急劇下降耦合線圈

圖2：電感耦合功率傳輸?shù)男嗜Q于耦合線圈的相對(duì)幾何形狀和布局。 (由無(wú)線電力聯(lián)盟提供。)

當(dāng)以功率損耗表示時(shí)，耦合因子k和品質(zhì)因數(shù)Q的影響變得更加明顯。對(duì)于電感耦合無(wú)線電力系統(tǒng)，最小功率損耗因子由下式給出：

在這些術(shù)語(yǔ)中，損耗因子開(kāi)始變得不可接受，因?yàn)閗Q，品質(zhì)因數(shù)下降具有低耦合系數(shù)或品質(zhì)因數(shù)。由于耦合因子的范圍從0到1，因此工程師會(huì)考慮線圈品質(zhì)因數(shù)來(lái)改善損耗因子。如圖3所示，線圈系數(shù)質(zhì)量低于10會(huì)導(dǎo)致不可接受的損耗因素。對(duì)于典型的大規(guī)模生產(chǎn)線圈，典型的質(zhì)量因數(shù)約為100，這取決于線圈尺寸，形狀和材料，而在生產(chǎn)中難以實(shí)現(xiàn)顯著更高的品質(zhì)因數(shù)。

圖3：降低電感耦合功率傳輸中的功率損耗取決于耦合因子(k)和品質(zhì)因數(shù)(Q)。 (由無(wú)線電力聯(lián)盟提供。)

電感耦合功率傳輸?shù)囊粋€(gè)問(wèn)題是耦合因子的顯著減小，接收器線圈相對(duì)于發(fā)射器線圈的距離增加或不對(duì)準(zhǔn)。相反，磁共振功率傳輸可以在更大距離上無(wú)線傳輸功率，而對(duì)功率接收器相對(duì)于發(fā)射器的相對(duì)取向的依賴性更小。在這種方法中，兩個(gè)電感器被調(diào)諧以在相同頻率下諧振并通過(guò)它們的耦合磁場(chǎng)交換能量。與電感耦合相比，磁共振使電源和接收器之間的耦合更松散。

無(wú)線電源標(biāo)準(zhǔn)

雖然公司可以選擇無(wú)線電源傳輸?shù)淖远x方法，但基于標(biāo)準(zhǔn)的方法提供了互操作性的明顯優(yōu)勢(shì)，這是消費(fèi)者所期望的。希望開(kāi)發(fā)無(wú)線電源解決方案的工程師將發(fā)現(xiàn)與行業(yè)領(lǐng)先產(chǎn)品相關(guān)的專有標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)聯(lián)盟推動(dòng)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合。在后者中，無(wú)線電力聯(lián)盟(A4WP)產(chǎn)業(yè)集團(tuán)專注于基于磁共振功率傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，而無(wú)線電力聯(lián)盟(WPC)主要關(guān)注感應(yīng)功率傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。

由于WPC成員(包括從半導(dǎo)體制造商到設(shè)備制造商的公司)開(kāi)發(fā)的規(guī)范可用，因此感應(yīng)功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)界獲得了顯著的吸引力。 WPC Qi(發(fā)音為“chee”)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最初基于感應(yīng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線功率傳輸發(fā)射器和接收器設(shè)計(jì)。 WPC還支持基于磁共振的設(shè)計(jì)，能夠支持在5 W時(shí)增加4 cm的充電距離，同時(shí)保持完全Qi兼容。

WPC Qi基于基站發(fā)射機(jī)和移動(dòng)設(shè)備接收機(jī)中線圈之間的近場(chǎng)磁感應(yīng)，指定了功率發(fā)射器和功率接收器之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，用于非接觸式功率傳輸(圖4)。 WPC標(biāo)準(zhǔn)在100-205 kHz范圍內(nèi)工作，能夠使用外部尺寸約為40 mm的次級(jí)線圈傳輸約5 W的功率，同時(shí)以非常低的待機(jī)功率運(yùn)行。在此功率級(jí)別，兼容的無(wú)線電源系統(tǒng)可以為從智能手機(jī)和相機(jī)到媒體播放器和耳機(jī)的各種設(shè)備充電。

圖4：WPC Qi系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)視由接收器控制的反射負(fù)載，基于發(fā)送器接收的消息無(wú)線傳輸電力。 (由Integrated Device Technology提供。)

符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品可以使用引導(dǎo)或自由定位方法在基站上定位移動(dòng)設(shè)備。在引導(dǎo)定位中，諸如LED或音頻警報(bào)之類的提示幫助用戶將移動(dòng)設(shè)備定位在基站上的特定充電位置上。相反，自由定位支持將移動(dòng)設(shè)備定位在基站表面上的任何位置。這里，發(fā)射器監(jiān)視發(fā)射器和接收器線圈之間的耦合程度，以確定用于提供最佳功率傳輸?shù)淖罴丫€圈或線圈組合。

放置移動(dòng)設(shè)備后，簡(jiǎn)單的通信協(xié)議允許移動(dòng)設(shè)備控制電力傳輸。這里，接收器通過(guò)調(diào)制阻抗網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)送控制消息以編碼消息。負(fù)載的這種幅度調(diào)制導(dǎo)致發(fā)射器線圈上的相應(yīng)電壓變化。變送器控制子系統(tǒng)解調(diào)此信號(hào)并調(diào)整線圈驅(qū)動(dòng)輸出，以實(shí)現(xiàn)所需的傳輸功率調(diào)節(jié)。

要在接收器端執(zhí)行此調(diào)制，工程師可以使用阻抗網(wǎng)絡(luò)的電阻或電容調(diào)制。圖5說(shuō)明了電容調(diào)制方法，其中根據(jù)需要將電容添加到負(fù)載(圖5A，導(dǎo)致發(fā)送器電壓的幅度變化(圖5B)。

圖5：為了與發(fā)射器通信，符合WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)的接收器可以使用電容調(diào)制(A)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射器電壓(B)的幅度變化。(德州儀器公司提供。)

Silicon solutions 《 br》工程師可以找到許多專為符合WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的硅解決方案。事實(shí)上，工程師可以利用具有適當(dāng)片上外設(shè)的MCU，如飛思卡爾半導(dǎo)體MC56F825x/MC56F824x，F(xiàn)reescale RS08KB和Texas Instruments C2000系列等。飛思卡爾采用符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計(jì)，基于其MCU系列，內(nèi)置了該應(yīng)用所需的全套片上模擬和數(shù)字外設(shè)。結(jié)合DSP和MCU功能，飛思卡爾的MC56F825x/MC56F824x IC具有完整的功能。高性能信號(hào)處理功能所需的片上外設(shè)所需的更多復(fù)雜，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的功率控制功能，例如平板電腦的無(wú)線功率參考設(shè)計(jì)(圖6)。

圖6：飛思卡爾針對(duì)符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線平板充電器的參考設(shè)計(jì)采用基于固件的方法，該方法圍繞其內(nèi)置ADC的MCU構(gòu)建。 (由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供。)

MC56F825x具有64 KB的閃存和8 KB的RAM，而MC56F824x提供48 KB的閃存和兩個(gè)配置6或8 KB的RAM。除了三個(gè)模擬比較器外，這些器件還提供兩個(gè)8通道，12位ADC(圖7)。

圖7：工程師可以使用高集成度MCU實(shí)現(xiàn)與QPC Qi兼容的無(wú)線電源，例如飛思卡爾半導(dǎo)體MC56F825x/MC56F824x，它們將MCU或DSP與全功能組合在一起模擬信號(hào)處理所需的外圍設(shè)備。 (由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供。)

對(duì)于電池充電器等應(yīng)用，發(fā)射機(jī)基站通常需要為多個(gè)接收機(jī)供電(圖8)。在這種類型的應(yīng)用中，多線圈發(fā)射器子系統(tǒng)可以由諸如Freescale MC56F825x/MC56F824x的高性能設(shè)備供電。反過(guò)來(lái)，接收器單元設(shè)計(jì)可以基于低成本MCU，例如飛思卡爾RS08KB 8位MCU系列。 RS08KB MCU集成了符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源所需的ADC，定時(shí)器和其他外設(shè)。

圖8：電池充電器可以將用于控制多線圈發(fā)射器的高性能MCU與基于經(jīng)濟(jì)高效的8位MCU(如飛思卡爾半導(dǎo)體RS08KB)的接收器相結(jié)合。 (由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供。)

集成器件技術(shù)將IDT9030作為單芯片解決方案提供，僅需外部無(wú)源元件即可構(gòu)建完整的低成本，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送器(圖9)。 IDT9030集成了半橋逆變器，用于19 V輸入的DC/AC轉(zhuǎn)換。反過(guò)來(lái)，該器件通過(guò)將半橋逆變器的開(kāi)關(guān)頻率從110到205 kHz調(diào)制為WPC A1發(fā)送器所需的固定50%占空比來(lái)控制輸出功率。

圖9：IDT IDTP9030是一款單芯片解決方案，需要最少的外部無(wú)源元件，才能實(shí)現(xiàn)符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送器。 (由Integrated Device Technology提供。)

在基站設(shè)計(jì)中，IDTP9030 ping周圍區(qū)域以檢測(cè)移動(dòng)設(shè)備，同時(shí)最大限度地減少空閑功率。事實(shí)上，IDTP9030本身在沒(méi)有接收器加載時(shí)僅消耗約9 mA。當(dāng)找到接收器時(shí)，IDTP9030使用片上電路持續(xù)監(jiān)控來(lái)自移動(dòng)設(shè)備的通信，以根據(jù)WPC規(guī)范解調(diào)和解碼接收器發(fā)送的消息包。基于這些消息，IC通過(guò)改變半橋逆變器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)相應(yīng)地調(diào)節(jié)發(fā)射功率。

通過(guò)發(fā)射機(jī)加載進(jìn)行消息傳輸?shù)腤PC方法將通信限制為低帶寬通信。 IDT在IDTP9030中通過(guò)專有的反向信道通信功能解決了這個(gè)問(wèn)題(圖10)。此外，該器件還提供片上驗(yàn)證功能，以實(shí)現(xiàn)專有的安全無(wú)線電源解決方案。

圖10：IDT IDTP9030除了構(gòu)建符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射器所需的片上功能外，還提供擴(kuò)展的后通道通信和身份驗(yàn)證功能。 (由Integrated Device Technology提供。)

德州儀器(TI)提供一系列可用設(shè)備，用于支持第二代(WPC V1.1)Qi兼容無(wú)線電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 TI bq500211A和bq5101xB等器件設(shè)計(jì)用作發(fā)送器/接收器對(duì)(圖11)。

圖11：工程師可以將德州儀器的bq500211A發(fā)射器和bq5101xB接收器IC結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)建符合WPC V1.1標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源系統(tǒng)，包括基站和接收器組。 (德州儀器公司提供。)

TI bq500211A集成了控制5 V無(wú)線功率傳輸所需的全套功能，可與單個(gè)符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的接收器配合使用。該IC可用作帶磁定位導(dǎo)軌的WPC A5型變送器，也可用作不帶磁導(dǎo)的WPC型A11變送器。對(duì)于使用自由定位的設(shè)計(jì)，工程師可以使用bq500410A，它可以ping環(huán)境以獲得兼容設(shè)備。

為了設(shè)計(jì)兼容的接收器，TI bq5101xB提供AC/DC電源轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。其片上數(shù)字控制電路提供了使用前面描述的符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的加載方法將功率傳輸控制消息傳送到發(fā)送器所需的功能。

德州儀器還提供無(wú)線電源解決方案，將符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的功能與鋰離子電池充電控制器相結(jié)合。 bq5105x集成了AC/DC電源轉(zhuǎn)換，數(shù)字控制器功能和電池充電所需的控制算法。片上功能包括低阻抗同步整流器，低壓差穩(wěn)壓器，數(shù)字控制，充電器控制器以及精確的電壓和電流環(huán)路。為了保持高效率，包括整流器和LDO在內(nèi)的完整功率級(jí)由低阻N-MOSFET構(gòu)成。與bq5101xB一樣，bq5105x可與TI無(wú)線電源發(fā)射器IC配合使用，提供完整的無(wú)線充電電池充電器。

結(jié)論

已經(jīng)在智能手機(jī)和其他個(gè)人電子設(shè)備中使用，無(wú)線電源方法提供了一種高度靈活的方法來(lái)維持耗電設(shè)備中的電池電量。通過(guò)通過(guò)磁感應(yīng)或磁共振耦合的線圈傳輸功率，無(wú)線功率設(shè)計(jì)可滿足市場(chǎng)對(duì)更大移動(dòng)性和無(wú)需有線功率的擴(kuò)展操作的需求。除了高集成度MCU和附帶固件外，專為無(wú)線電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)的IC為工程師提供了一個(gè)現(xiàn)成的解決方案，可以為各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)無(wú)線電源功能。