自從尼古拉·特斯拉聲稱他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基本原理并且只需要一個(gè)有進(jìn)取心的個(gè)人將該技術(shù)商業(yè)化以來(lái)，無(wú)線充電（也稱為感應(yīng)充電或無(wú)線電源）已經(jīng)展現(xiàn)出前景。那是在1921年。從那時(shí)起，系統(tǒng)已經(jīng)來(lái)去匆匆而沒有該部門真正起火。

技術(shù)障礙，競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者不感興趣是導(dǎo)致進(jìn)展緩慢的原因，但事情開始變?yōu)榉治鰩熍d奮的程度。例如，IHS顧問(wèn)預(yù)測(cè)，到2018年，無(wú)線充電市場(chǎng)將從2013年的2.16億美元擴(kuò)大至85億美元。這種樂觀情緒的一個(gè)原因是最近宣布兩家以前競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在聯(lián)手共同推動(dòng)該技術(shù)。第二，電感和諧振無(wú)線充電在很大程度上克服了無(wú)線充電的技術(shù)挑戰(zhàn)，并得到了廣泛的半導(dǎo)體供應(yīng)商的支持。

廣泛部署的無(wú)線充電有可能增加消費(fèi)者以與Wi-Fi連接相同的方式為電池補(bǔ)充提供便利。本文將介紹芯片制造商如何通過(guò)引入集成發(fā)射器和接收器設(shè)備使設(shè)計(jì)人員更容易進(jìn)入這個(gè)利潤(rùn)豐厚的領(lǐng)域，工程師可以根據(jù)這些設(shè)備建立電路設(shè)計(jì)。

無(wú)線充電的基本原理

從根本上說(shuō)，無(wú)線充電是指使用感應(yīng)將能量從發(fā)射器線圈傳輸?shù)浇邮掌骶€圈。發(fā)射器線圈產(chǎn)生一個(gè)振蕩磁場(chǎng)，在接收器線圈中感應(yīng)出一個(gè)交流電壓，然后進(jìn)行整流和調(diào)節(jié)，為電池充電。

功率傳輸?shù)男嗜Q于兩者之間的耦合（k）。電感器及其質(zhì)量（Q）。耦合由電感器之間的距離（z）和線圈直徑的比率決定。耦合進(jìn)一步由線圈的形狀和它們之間的角度決定。

緊密耦合的系統(tǒng) - 兩個(gè)相似尺寸的線圈保持靠近，良好對(duì)齊和平行 - 更有效并限制麻煩的電磁干擾（EMI）（圖1）更高的效率限制了不必要的熱量。松耦合系統(tǒng)可用于難以限制線圈之間的間隙和/或匹配線圈尺寸的情況，但需要權(quán)衡較低的效率和較高的EMI輻射。耦合程度由“耦合系數(shù)”確定，并且是接收器線圈捕獲發(fā)射器線圈產(chǎn)生的磁通量的量度。完美耦合，即所有通量被捕獲，耦合系數(shù)為1.實(shí)際系統(tǒng)通常具有0.3到0.6的耦合系數(shù)。

圖1：緊密耦合的無(wú)線充電器采用接近良好對(duì)齊，尺寸相似的線圈，效率更高，同時(shí)產(chǎn)生更少的EMI問(wèn)題。 （圖片由無(wú)線電力聯(lián)盟提供）

諧振耦合，即發(fā)射器和接收器線圈以諧振頻率工作，通常可提高系統(tǒng)效率。直觀地說(shuō)，在諧振頻率下工作的緊耦合線圈應(yīng)該產(chǎn)生最有效的系統(tǒng)。然而，情況并非如此，因?yàn)槊總€(gè)線圈可以保持諧振操作的最小距離。該最小距離取決于線圈的尺寸和工作頻率，但是大于緊耦合系統(tǒng)的典型線圈間距。物理學(xué)很復(fù)雜，但實(shí)質(zhì)上，如果兩個(gè)共振線圈移得太近，它們的磁場(chǎng)會(huì)“崩潰”，電力傳輸就會(huì)停止。事實(shí)證明，當(dāng)使用緊耦合線圈（而不是精確地）工作時(shí)，最有效的無(wú)線功率傳輸就會(huì)發(fā)生。

然而，諧振耦合的優(yōu)勢(shì)在于提高效率通過(guò)降低必須將充電裝置放置在充電墊上的精度來(lái)提高消費(fèi)者便利性的系統(tǒng)。與感應(yīng)系統(tǒng)的“聚焦”磁場(chǎng)不同，諧振系統(tǒng)產(chǎn)生更寬的場(chǎng)，允許放置在范圍內(nèi)的多個(gè)物體接收合理的功率。

另一個(gè)選擇是帶有多個(gè)線圈的充電站，它提供更寬的諧振充電充電區(qū)域（允許更多的移動(dòng)產(chǎn)品同時(shí)充電），同時(shí)仍保留緊耦合的優(yōu)勢(shì)（圖2）。

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圖2：多個(gè)重疊線圈提供更寬的充電區(qū)域，同時(shí)仍保留緊耦合的效率優(yōu)勢(shì)。 （圖片由無(wú)線電力聯(lián)盟提供）

除技術(shù)挑戰(zhàn)外，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)之間的競(jìng)爭(zhēng)是無(wú)線充電速度緩慢的另一個(gè)主要原因。無(wú)線電力聯(lián)盟（WPC）開發(fā)了Qi（發(fā)音為“Chee”）規(guī)范，其中包括電感和諧振無(wú)線充電，而無(wú)線電力聯(lián)盟（A4WP）和電力事務(wù)聯(lián)盟（PMA）都提倡諧振充電。 2015年6月，當(dāng)A4WP和PMA合并成為AirFuel聯(lián)盟時(shí)，整合了現(xiàn)在，該聯(lián)盟現(xiàn)在推廣了電感和無(wú)線充電技術(shù)。

規(guī)格包括更高功率版本的規(guī)定。例如，Qi的低功耗規(guī)格可提供高達(dá)5 W（適用于智能手機(jī)充電），中等功率規(guī)格可提供高達(dá)120 W（適用于平板電腦和筆記本電腦）。正在開發(fā)一種功率高達(dá)1 kW的高功率規(guī)格。

關(guān)閉回路

雖然無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在概念上很簡(jiǎn)單（圖3），實(shí)用電路更難以實(shí)施。除了選擇線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以盡可能高效地傳輸能量之外，主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自電壓，頻率和占空比的控制和補(bǔ)償。

< p>圖3：無(wú)線充電系統(tǒng)概念簡(jiǎn)單（如此示意圖所示），但詳細(xì)設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。該設(shè)計(jì)使用反向散射調(diào)制進(jìn)行單向通信，從而關(guān)閉反饋環(huán)路。 （使用Digi-Key方案生成的圖像 - 基于原始圖像由德州儀器提供）

控制和補(bǔ)償要求接收器和發(fā)射器之間的反饋回路。由于這是一種無(wú)線技術(shù)，因此發(fā)射器和接收器線圈之間沒有物理連接。因此，使用諸如反向散射調(diào)制或低功率RF鏈路的無(wú)線技術(shù)來(lái)完成反饋回路。

后一種技術(shù)不太常見，但已開始取得進(jìn)展。例如，AirFuel聯(lián)盟鼓勵(lì)使用藍(lán)牙低功耗或Wi-Fi等技術(shù)在接收器和發(fā)射器之間進(jìn)行通信，反之亦然（記住最需要充值的設(shè)備，如智能手機(jī)，平板電腦和筆記本電腦，通常內(nèi)置Wi-Fi和藍(lán)牙）。與反向散射調(diào)制相比，雙向RF鏈路的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)充電過(guò)程的更精確控制。缺點(diǎn)是額外的成本和增加的復(fù)雜性。

盡管成本和復(fù)雜性，反饋至關(guān)重要，特別是在為當(dāng)今大多數(shù)便攜式設(shè)備中使用的鋰離子（Li-ion）電池充電時(shí)。當(dāng)接近滿容量和過(guò)度充電時(shí)，這些電池對(duì)快速充電造成的損壞非常敏感。 （請(qǐng)參閱TechZone文章“設(shè)計(jì)人員鋰離子電池充電指南”。）

為了傳達(dá)這種反饋，大多數(shù)現(xiàn)代無(wú)線充電系統(tǒng)使用反向散射調(diào)制在兩者之間形成單向通信鏈路。接收器和發(fā)射器（它與無(wú)源RFID標(biāo)簽使用的系統(tǒng)類似）。本質(zhì)上，該技術(shù)利用了以下事實(shí)：接收器線圈上的負(fù)載將產(chǎn)生可以在發(fā)射器線圈上感應(yīng)電流的電磁波（與主無(wú)線充電操作相反的過(guò)程）。利用適當(dāng)?shù)模ㄏ鄬?duì)便宜且簡(jiǎn)單的）電路，可以調(diào)制和解釋感應(yīng)電流，以確定接收器上的負(fù)載如何隨著電池充電而變化。這些信息可用于調(diào)節(jié)發(fā)射器線圈為充電過(guò)程提供的能量。

無(wú)線充電解決方案

使用分立元件設(shè)計(jì)無(wú)線充電產(chǎn)品非常棘手，需要相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)，因此不適合經(jīng)驗(yàn)有限且時(shí)間緊迫的設(shè)計(jì)師。但是，這并不排除新手開發(fā)無(wú)線充電產(chǎn)品。成功的關(guān)鍵是將設(shè)計(jì)基于幾個(gè)芯片組中的一個(gè)，這些芯片組將無(wú)線充電系統(tǒng)所需的大部分控制和補(bǔ)償功能集成到單個(gè)芯片中。

這種設(shè)備的一個(gè)例子是Semtech的TS80000無(wú)線充電發(fā)射器IC及其姐妹組件TS81001接收器IC。 TS80000負(fù)責(zé)無(wú)線充電電路的控制，通信和補(bǔ)償，可提供高達(dá)40 W的功率輸出，同時(shí)支持符合Qi和AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用以及專有應(yīng)用。 TS80000可配置為在半橋和全橋系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)單線圈或多線圈應(yīng)用。

TS80000負(fù)責(zé)反向散射調(diào)制解碼并相應(yīng)調(diào)整能量水平。集成的PID濾波器為反饋環(huán)路提供必要的補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)占空比，頻率和電橋電壓的高精度控制。推薦TS80000變送器IC與Semtech的TS61001全橋FET驅(qū)動(dòng)器一起使用，而TS81001接收器IC建議與Semtech的TS51111同步整流器一起使用。

德州儀器（TI）提供多種無(wú)線充電解決方案他們是bq500511。該無(wú)線功率發(fā)射器可與公司的bq50002模擬前端設(shè)備結(jié)合使用，以集成創(chuàng)建符合Qi標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ? V發(fā)射器所需的所有功能。芯片“ping”周圍環(huán)境，供接收器設(shè)備供電，安全地接合待充電設(shè)備，接收來(lái)自設(shè)備的通信，并根據(jù)WPC v1.2規(guī)范管理電源傳輸。

這款芯片的一個(gè)很好的好處就是一種稱為異物檢測(cè)（FOD）的功能，它可以防止由于能量下沉到磁場(chǎng)中錯(cuò)位的金屬物體而造成的功率損耗。

無(wú)線功率發(fā)射器與設(shè)備配合使用例如bq51051，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源接收器。 TI聲稱bq51051可提供高效的AC-DC電源轉(zhuǎn)換，并集成了符合Qi v1.1通信協(xié)議所需的數(shù)字控制器。該設(shè)備值得注意，因?yàn)樗闪虽囯x子電池充電控制器，可實(shí)現(xiàn)“直接充電”。 TI解釋說(shuō)，與無(wú)線電源接收器配合使用單獨(dú)的下游充電器芯片相比，這可將總體效率提高多達(dá)10％（圖4）。其他優(yōu)勢(shì)還包括成本和空間節(jié)省。

圖4：直接無(wú)線充電系統(tǒng) - 接收器和電池充電控制器組合成一個(gè)芯片 - 效率比分立系統(tǒng)高出10％。 （圖片由德州儀器公司提供）

恩智浦還提供基于MWCT1111無(wú)線充電發(fā)射器的無(wú)線充電解決方案。該器件支持任何符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的15 W單線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并使用該公司專有的內(nèi)核，該內(nèi)核針對(duì)功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。 MWCT1111執(zhí)行諸如反向散射調(diào)制，F(xiàn)OD和電源調(diào)節(jié)的數(shù)字解調(diào)等任務(wù)。

MWCT1111可與姊妹設(shè)備配合使用，如恩智浦MWPR1516，符合WPC規(guī)范的接收器和它有可能支持其他未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)。該器件的兩個(gè)值得注意的方面是其ARM ? Cortex ? -M0 +內(nèi)核和頻移鍵控（FSK）功能，允許在發(fā)送器和接收器之間開發(fā)無(wú)線雙向通信架構(gòu)。

快速進(jìn)入利潤(rùn)豐厚的市場(chǎng)

無(wú)線充電的便利性與效率的提高（一些制造商現(xiàn)在聲稱從輸入到電池的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)75％）和采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提升了該技術(shù)的形象。

建議處理無(wú)線充電的設(shè)計(jì)工程師考慮遵守已發(fā)布的規(guī)范之一，因?yàn)樗赡軙?huì)改善最終產(chǎn)品的商業(yè)機(jī)會(huì)。例如，一些移動(dòng)產(chǎn)品供應(yīng)商已采用其智能手機(jī)和平板電腦的一個(gè)或兩個(gè)規(guī)格。

從頭開始設(shè)計(jì)系統(tǒng)是可行的，可能會(huì)導(dǎo)致物料清單（BOM）較低，但需要專業(yè)知識(shí)和熟悉無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。建議缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師將他們的系統(tǒng)基于無(wú)線充電芯片組，該芯片組可從一系列信譽(yù)良好的半導(dǎo)體供應(yīng)商處獲得，這些芯片組已針對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化，包括FOD等有用功能，并且經(jīng)過(guò)認(rèn)證可以滿足一個(gè)或多個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)。與分立解決方案相比，新手工程師通過(guò)采用芯片組可能節(jié)省的設(shè)計(jì)時(shí)間將大大抵消增加的組件成本。