噩耗使用集成发射器和接收器设备进行无线电源设计

自从尼古拉·特斯拉声称他已经发现基本原理并且只需要一个有进取心的个人将该技术商业化以来，无线充电（也称为感应充电或无线电源）已经展现出前景。那是在1921年。从那时起，系统已经来去匆匆而没有该部门真正起火。

技术障碍，竞争标准和消费者不感兴趣是导致进展缓慢的原因，但事情开始变为分析师兴奋的程度。例如，IHS顾问预测，到2018年，无线充电市场将从2013年的2.16亿美元扩大至85亿美元。这种乐观情绪的一个原因是最近宣布两家以前竞争的标准机构正在联手共同推动该技术。第二，电感和谐振无线充电在很大程度上克服了无线充电的技术挑战，并得到了广泛的半导体供应商的支持。

广泛部署的无线充电有可能增加消费者以与Wi-Fi连接相同的方式为电池补充提供便利。本文将介绍芯片制造商如何通过引入集成发射器和接收器设备使设计人员更容易进入这个利润丰厚的领域，工程师可以根据这些设备建立电路设计。

无线充电的基本原理

从根本上说，无线充电是指使用感应将能量从发射器线圈传输到接收器线圈。发射器线圈产生一个振荡磁场，在接收器线圈中感应出一个交流电压，然后进行整流和调节，为电池充电。

功率传输的效率取决于两者之间的耦合（k）。电感器及其质量（Q）。耦合由电感器之间的距离（z）和线圈直径的比率决定。耦合进一步由线圈的形状和它们之间的角度决定。

紧密耦合的系统 - 两个相似尺寸的线圈保持靠近，良好对齐和平行 - 更有效并限制麻烦的电磁干扰（EMI）（图1）更高的效率限制了不必要的热量。松耦合系统可用于难以限制线圈之间的间隙和/或匹配线圈尺寸的情况，但需要权衡较低的效率和较高的EMI辐射。耦合程度由“耦合系数”确定，并且是接收器线圈捕获发射器线圈产生的磁通量的量度。完美耦合，即所有通量被捕获，耦合系数为1.实际系统通常具有0.3到0.6的耦合系数。

图1：紧密耦合的无线充电器采用接近良好对齐，尺寸相似的线圈，效率更高，同时产生更少的EMI问题。 （图片由无线电力联盟提供）

谐振耦合，即发射器和接收器线圈以谐振频率工作，通常可提高系统效率。直观地说，在谐振频率下工作的紧耦合线圈应该产生最有效的系统。然而，情况并非如此，因为每个线圈可以保持谐振操作的最小距离。该最小距离取决于线圈的尺寸和工作频率，但是大于紧耦合系统的典型线圈间距。物理学很复杂，但实质上，如果两个共振线圈移得太近，它们的磁场会“崩溃”，电力传输就会停止。事实证明，当使用紧耦合线圈（而不是精确地）工作时，最有效的无线功率传输就会发生。

然而，谐振耦合的优势在于提高效率通过降低必须将充电装置放置在充电垫上的精度来提高消费者便利性的系统。与感应系统的“聚焦”磁场不同，谐振系统产生更宽的场，允许放置在范围内的多个物体接收合理的功率。

另一个选择是带有多个线圈的充电站，它提供更宽的谐振充电充电区域（允许更多的移动产品同时充电），同时仍保留紧耦合的优势（图2）。

< p>

图2：多个重叠线圈提供更宽的充电区域，同时仍保留紧耦合的效率优势。 （图片由无线电力联盟提供）

除技术挑战外，标准机构之间的竞争是无线充电速度缓慢的另一个主要原因。无线电力联盟（WPC）开发了Qi（发音为“Chee”）规范，其中包括电感和谐振无线充电，而无线电力联盟（A4WP）和电力事务联盟（PMA）都提倡谐振充电。 2015年6月，当A4WP和PMA合并成为AirFuel联盟时，整合了现在，该联盟现在推广了电感和无线充电技术。

规格包括更高功率版本的规定。例如，Qi的低功耗规格可提供高达5 W（适用于智能手机充电），中等功率规格可提供高达120 W（适用于平板电脑和笔记本电脑）。正在开发一种功率高达1 kW的高功率规格。

关闭回路

虽然无线充电系统的设计在概念上很简单（图3），实用电路更难以实施。除了选择线圈拓扑结构以尽可能高效地传输能量之外，主要的设计挑战来自电压，频率和占空比的控制和补偿。

< p>图3：无线充电系统概念简单（如此示意图所示），但详细设计更具挑战性。该设计使用反向散射调制进行单向通信，从而关闭反馈环路。 （使用Digi-Key方案生成的图像 - 基于原始图像由德州仪器提供）

控制和补偿要求接收器和发射器之间的反馈回路。由于这是一种无线技术，因此发射器和接收器线圈之间没有物理连接。因此，使用诸如反向散射调制或低功率RF链路的无线技术来完成反馈回路。

后一种技术不太常见，但已开始取得进展。例如，AirFuel联盟鼓励使用蓝牙低功耗或Wi-Fi等技术在接收器和发射器之间进行通信，反之亦然（记住最需要充值的设备，如智能手机，平板电脑和笔记本电脑，通常内置Wi-Fi和蓝牙）。与反向散射调制相比，双向RF链路的优势在于对充电过程的更精确控制。缺点是额外的成本和增加的复杂性。

尽管成本和复杂性，反馈至关重要，特别是在为当今大多数便携式设备中使用的锂离子（Li-ion）电池充电时。当接近满容量和过度充电时，这些电池对快速充电造成的损坏非常敏感。 （请参阅TechZone文章“设计人员锂离子电池充电指南”。）

为了传达这种反馈，大多数现代无线充电系统使用反向散射调制在两者之间形成单向通信链路。接收器和发射器（它与无源RFID标签使用的系统类似）。本质上，该技术利用了以下事实：接收器线圈上的负载将产生可以在发射器线圈上感应电流的电磁波（与主无线充电操作相反的过程）。利用适当的（相对便宜且简单的）电路，可以调制和解释感应电流，以确定接收器上的负载如何随着电池充电而变化。这些信息可用于调节发射器线圈为充电过程提供的能量。

无线充电解决方案

使用分立元件设计无线充电产品非常棘手，需要相当多的实验，因此不适合经验有限且时间紧迫的设计师。但是，这并不排除新手开发无线充电产品。成功的关键是将设计基于几个芯片组中的一个，这些芯片组将无线充电系统所需的大部分控制和补偿功能集成到单个芯片中。

这种设备的一个例子是Semtech的TS80000无线充电发射器IC及其姐妹组件TS81001接收器IC。 TS80000负责无线充电电路的控制，通信和补偿，可提供高达40 W的功率输出，同时支持符合Qi和AirFuel标准的应用以及专有应用。 TS80000可配置为在半桥和全桥系统中驱动单线圈或多线圈应用。

TS80000负责反向散射调制解码并相应调整能量水平。集成的PID滤波器为反馈环路提供必要的补偿，以实现占空比，频率和电桥电压的高精度控制。推荐TS80000变送器IC与Semtech的TS61001全桥FET驱动器一起使用，而TS81001接收器IC建议与Semtech的TS51111同步整流器一起使用。

德州仪器（TI）提供多种无线充电解决方案他们是bq500511。该无线功率发射器可与公司的bq50002模拟前端设备结合使用，以集成创建符合Qi标准或专有5 V发射器所需的所有功能。芯片“ping”周围环境，供接收器设备供电，安全地接合待充电设备，接收来自设备的通信，并根据WPC v1.2规范管理电源传输。

这款芯片的一个很好的好处就是一种称为异物检测（FOD）的功能，它可以防止由于能量下沉到磁场中错位的金属物体而造成的功率损耗。

无线功率发射器与设备配合使用例如bq51051，符合Qi标准的无线电源接收器。 TI声称bq51051可提供高效的AC-DC电源转换，并集成了符合Qi v1.1通信协议所需的数字控制器。该设备值得注意，因为它集成了锂离子电池充电控制器，可实现“直接充电”。 TI解释说，与无线电源接收器配合使用单独的下游充电器芯片相比，这可将总体效率提高多达10％（图4）。其他优势还包括成本和空间节省。

图4：直接无线充电系统 - 接收器和电池充电控制器组合成一个芯片 - 效率比分立系统高出10％。 （图片由德州仪器公司提供）

恩智浦还提供基于MWCT1111无线充电发射器的无线充电解决方案。该器件支持任何符合行业标准的15 W单线圈拓扑结构，并使用该公司专有的内核，该内核针对功率转换应用进行了优化。 MWCT1111执行诸如反向散射调制，FOD和电源调节的数字解调等任务。

MWCT1111可与姊妹设备配合使用，如恩智浦MWPR1516，符合WPC规范的接收器和它有可能支持其他未来的标准。该器件的两个值得注意的方面是其ARM ® Cortex ® -M0 +内核和频移键控（FSK）功能，允许在发送器和接收器之间开发无线双向通信架构。

快速进入利润丰厚的市场

无线充电的便利性与效率的提高（一些制造商现在声称从输入到电池的能量转换效率高达75％）和采用行业标准提升了该技术的形象。

建议处理无线充电的设计工程师考虑遵守已发布的规范之一，因为它可能会改善最终产品的商业机会。例如，一些移动产品供应商已采用其智能手机和平板电脑的一个或两个规格。

从头开始设计系统是可行的，可能会导致物料清单（BOM）较低，但需要专业知识和熟悉无线充电标准。建议缺乏经验的工程师将他们的系统基于无线充电芯片组，该芯片组可从一系列信誉良好的半导体供应商处获得，这些芯片组已针对效率进行了优化，包括FOD等有用功能，并且经过认证可以满足一个或多个主要标准。与分立解决方案相比，新手工程师通过采用芯片组可能节省的设计时间将大大抵消增加的组件成本。