如何实现设备无线充电设计

多类型设备的无线充电在方便性上具有一些明显的优势，尤其是对于小型设备，同时也提高了安全性。对于一些植入式医疗设备，这是势在必行的。现在iPhone无线充电已经有一段时间了，这种操作模式很可能会成为常态。

大多数较新的手机都具有无线充电功能——包括 iPhone 8 和 X、谷歌 Nexus、三星 Galaxy 和诺基亚 Lumia。手表和医疗设备正朝着无线充电的方向发展，原因很简单，因为它们没有空间容纳连接器。相机和耳机添加了此功能以方便使用。

无线功率传输或无线充电非常方便。睡前将手机、手表、相机和助听器放在梳妆台上的垫子上，然后由 AM 给它们充电，这个想法非常有吸引力。对于许多工业设备来说也是如此。如果您设计任何类型的便携式设备，您应该考虑无线充电。

在许多应用中，无线充电的主要竞争对手可能是使用一次（不可充电）电池。如果您的功率要求非常低，那很好，因此不需要经常更换，大电池的空间，以及便于使用的空间。但是，实施无线充电变得非常容易和可靠。很快，餐厅和机场也将提供充电板——当然，咖啡店也将如此。

无线电力传输标准

WPC （ Wireless Power Consortium ） Qi 低功耗 （v1.2） 和 PMA SR1 v2.0 WP，现在称为AirFuel，是使用中的主要无线电力传输协议。WPC Qi（发音为“chee”）是 Apple 使用的无线电力标准，它具有众所周知的互操作性。

带有 Qi 标志的设备保证可以与充电板、启用的汽车和嵌入式桌面中的认证发射器配合使用。这对于消费类电子产品很重要，用户可以在家中、汽车、办公室、咖啡店、机场和酒店中使用 Qi 发射器。对于消费者应用程序来说，这很棒；对于工业/医疗设备，这可能根本不重要——甚至可能被视为安全风险。

Qi 充电器使用的频率在 110 到 205kHz 之间，适用于高达 5W 的低功率充电器，而适用于高达 15W 的中等功率充电器的频率在 80-300kHz 之间。Qi 规范涵盖了用于充电的基站和要充电的设备。基站通常具有用户放置一个或多个移动设备的平坦表面。为了使耦合最大化，通常在基站焊盘上有对齐标记。移动单元平放在基站表面上，其线圈与发射器平行，它们之间的间隙小于 10 毫米。设计框图如图 1 所示。

除非在其上放置了兼容设备，否则基站不会激活。它通过发送间歇性测试信号来检查是否存在符合 Qi 标准的设备来确定这一点。移动设备通过传达接收到的信号强度来响应此 ping。

接收器向发送器发送一个误差信号，该信号简单地共享一个等于所需功率电平与实际功率电平之差的值。变送器调整其输出，以实现请求电平和传送电平之间的零差。所有这些都发生在 2Kbps 或更低的通信速度下。当接收器充电完成时，它实际上告诉发射器它可以进入待机模式。

无线电力传输框图

PMA （Power Matters Alliance） SR1 （v2.0），现在称为AirFuel，电力传输协议使用与 Qi 不同的频率，以及不同的连接协议，但操作大致相同。星巴克在其Powermat充电板中使用 PMA，尽管他们现在正在更新系统以包括 WPC Qi（因为 Apple 选择了该标准）。

专有的 NFMC 类型无线充电具有令人惊讶的部署水平，某些应用已使用无线电源 20 年，包括植入式神经刺激器。在那段时间里，这项技术得到了改进。数以百万计的产品使用专有的近场磁耦合运输。

电路实现

一些制造商生产用于无线充电任务的 IC。Maxim 提供出色的MAX77950 WPC/PMA 双模无线电源接收器。该芯片满足无线充电联盟 Qi 低功耗 （v1.2） 和 Power Matters Alliance SR1 v2.0 WP 协议的要求。有关功能图，请参见图 2。通过与任何 WPC 或 PMA 发射器耦合，该芯片可提供高达 12W 的输出功率。

MAX77950接收器功能图

MAX77950接收线圈连接到高效同步整流器，其输出连接到精密LDO稳压器。两种标准的数字控制和通信都是通过与电力传输相同的线圈（即带内）完成的。IC 的精密输出电流和电压检测方案为发送器提供准确的反馈。有一个电源良好信号可针对低电压值和高电压值进行编程。

该芯片还具有一个 I²C 串行接口，用于向应用处理器传送状态和警报。IC 提供异物检测，因此非 WPC/PMA 设备或物体将被忽略。当移动设备在发射器的表面上移动时，或者当部分移除并在电力发射器上快速更换时，可能会发生过压事件。该 IC 具有预钳位和钳位功能，可限制整流器输出电压。

作为一项特殊功能，该 IC 可以作为发射器运行，使用带内 ASK 通信将电力传输到另一个对等设备。这称为 PeerPower™ 模式。

该芯片采用微型 6 x 9mm WLP 封装，工作环境温度范围为 -40° 至 85°C。提供评估套件 （ MAX77950EVKIT ）。

另一种值得注意的方法

谐振无线充电是一种可能提供更远距离和更高功率水平的版本——可能用于 5 或 10kW 的 EV 充电。该技术提供了足够的承诺，以至于两个标准机构都已将一种形式的谐振技术纳入其规范。Qi标准的1.2版本增加了谐振充电。我读过的一些报告显示，在 8 到 12 英寸的距离处效率为 75%。许多公司都在这个领域工作；两个突出的是 WiTricity 和高通。

确定可充电电池类型

对于可充电电池，您可以使用镍金属氢化物 （NiMH） 或锂离子电池，也可以使用银锌电池。银锌型主要用于助听器，具有成本效益但容量低。它们确实具有比其他类型更高的能量密度，但只有少数供应商，并且限制在 《200mAh。银锌有不同的“混合物”，因此请务必查看规格表。

NiMH 电池的成本略低于锂电池，但能量密度较低，仅提供 1.2V 电压。一块直径为 25 毫米、厚度为 7.25 毫米的 300 毫安时纽扣镍氢可充电电池，每 500 只售价 3.50 美元。这些电池大多体积更大、容量更高，通常采用标准 A、AA、AAA 和 2/3AA 封装。

锂离子电池有各种形状和尺寸。例如，松下 ML-1220 表面贴装、12.5 x 2.0mm、17.7mAh 纽扣电池仅重 0.11g。这种 3.0V 锰锂电池具有 30µA 的放电率，1，500 片的成本约为 1.30 美元。有几种类型的锂电池，标称电压为 3.0 至 3.7V。

无线充电是一个很好的选择

为任何低功耗便携式设备添加无线充电几乎总是一件好事——因为 IC 制造商和无线联盟团体对系统设计进行了很好的定义，总组件成本合理，并且组件随时可用。但是对于更高功率的设备，例如电钻，它可能并不实用。如果 1 到 15W 的充电速率适合您的设计，那当然值得研究。

审核编辑：郭婷