无线充电的基本原理及解决方案

　　自从尼古拉特斯拉声称他发现了基本原理并且只需要一个有进取心的个人来将该技术商业化以来，无线充电（也称为感应充电或无线电力）就已经显示出前景。那是在 1921 年。从那时起，系统来去匆匆，但该行业并未真正着火。

　　技术障碍、竞争标准和消费者不感兴趣是进展缓慢的罪魁祸首，但情况开始发生变化，分析师们对此感到兴奋。例如，IHS 顾问公司预测，到 2018 年，无线充电市场将从 2013 年的 2.16 亿美元扩大到 85 亿美元。这种乐观的原因之一是最近宣布两个以前相互竞争的标准机构正在联手共同推广这项技术。 其次，感应式和谐振式无线充电都在很大程度上克服了无线充电的技术挑战，并且都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为消费者增加电池补充的便利性，就像 Wi-Fi 为连接所做的那样。本文着眼于芯片制造商如何通过引入集成的发射器和接收器设备来让设计人员更容易进入这个利润丰厚的领域，工程师可以在这些设备上进行电路设计。

　　无线充电的基本原理

　　从根本上说，无线充电是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，该磁场在接收器线圈中感应出交流电压，然后对其进行整流和调节以为电池充电。

　　功率传输的效率取决于电感器之间的耦合 （k） 及其质量 （Q）。耦合取决于电感器之间的距离 （z） 和线圈直径的比率。耦合进一步取决于线圈的形状和它们之间的角度。

　　紧密耦合系统——两个相似尺寸的线圈靠得很近，对齐和平行——效率更高，并且可以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。松散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，但需要在较低的效率和较大的 EMI 发射之间进行权衡。耦合程度由“耦合因子”决定，是衡量发射器线圈产生的磁通量中有多少被接收器线圈捕获的量度。完美耦合，即所有通量都被捕获，其耦合系数为 1。实际系统的耦合系数通常为 0.3 到 0.6。

　　图 1：紧密耦合的无线充电器采用紧密对齐、尺寸相似的线圈，效率更高，同时产生的 EMI 问题更少。（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在谐振频率下运行，通常会提高系统效率。直观地说，紧密耦合的线圈都在其谐振频率下工作，应该会产生最有效的系统。然而，情况并非如此，因为每个线圈都有一个最小距离可以保持谐振操作。这个最小距离取决于线圈的大小和工作频率，但大于紧密耦合系统的典型线圈间隔。物理学很复杂，但从本质上讲，如果两个谐振线圈靠得太近，它们的磁场就会“崩溃”，功率传输就会停止。正好在——它们的共振频率。

　　然而，谐振耦合的优势在于提高系统的效率，在这种情况下紧密耦合是不可能的，或者通过降低要充电的设备必须放置在充电板上的精度来增加消费者的便利性。与感应系统的“聚焦”磁场不同，谐振系统产生更宽的磁场，允许放置在范围内的多个物体接收合理数量的功率。

　　另一种选择是具有多个线圈的充电站，它提供了更宽的谐振充电充电区域（允许同时为更多移动产品充电），同时仍然保留了紧密耦合的优势。

　　除了技术挑战之外，标准机构之间的竞争是无线充电引入缓慢的另一个主要原因。无线充电联盟 （WPC） 制定了 Qi（发音为“Chee”）规范，其中包括感应式和谐振式无线充电，而无线充电联盟 （A4WP） 和电力事务联盟 （PMA） 都提倡谐振充电。2015 年 6 月，A4WP 和 PMA 合并形成 AirFuel 联盟，该联盟现在推广感应和无线充电技术。

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

　　关闭循环

　　虽然无线充电系统的设计概念很简单（图 3），但实际电路更难实现。除了选择线圈拓扑结构以尽可能高效地传输能量外，主要的设计挑战来自电压、频率和占空比的控制和补偿。

　　图 3：无线充电系统在概念上很简单（如该示意图所示），但详细设计更具挑战性。该设计使用反向散射调制来实现闭合反馈回路的单向通信。（使用 Digi-Key方案生成的图像 - 它基于德州仪器提供的原始图像）

　　控制和补偿需要接收器和发射器之间的反馈回路。因为这是一种无线技术，所以发射器和接收器线圈之间没有物理链接。因此，使用诸如反向散射调制或低功率射频链路等无线技术来完成反馈环路。

　　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（请记住，最常需要充值的设备，例如智能手机、平板电脑和笔记本电脑，通常具有内置 Wi-Fi 和蓝牙）。与反向散射调制相比，双向射频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。

　　尽管成本和复杂性很高，但反馈至关重要，尤其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“锂 （Li-ion） 电池充电设计师指南”。）

　　为了传达这种反馈，大多数当代无线充电系统使用反向散射调制在接收器和发射器之间形成单向通信链路（它与无源 RFID 标签使用的系统类似）。本质上，该技术利用了这样一个事实，即接收器线圈上的负载会产生电磁波，该电磁波可以在发射器上感应出电流线圈（与主要无线充电操作相反的过程）。通过适当的（相对便宜和简单的）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。然后可以使用此类信息来调节发射器线圈提供的能量，从而为充电过程提供动力。

　　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，需要大量实验，因此不适合经验有限且时间紧迫的设计人员。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之一，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。

　　此类设备的一个示例是Semtech 的 TS80000无线充电发射器 IC 及其姊妹组件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 标准以及专有应用。TS80000 可配置为驱动半桥和全桥系统中的单线圈或多线圈应用。

　　TS80000 负责后向散射调制解码并相应地调整能级。集成的 PID 滤波器为反馈回路提供必要的补偿，以实现对占空比、频率和桥电压的高精度控制。TS80000 发送器 IC 推荐与 Semtech 的TS61001全桥 FET 驱动器一起使用，而 TS81001 接收器 IC 推荐与 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，其中包括bq500511。该无线功率发射器可以与公司的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。该芯片“ping”周围环境，为接收器设备供电，安全地接合要充电的设备，接收来自设备的通信，并根据 WPC v1.2 规范管理电力传输。

　　该芯片的一个不错的好处是一个称为异物检测 （FOD） 的功能，它可以防止由于能量沉入磁场中放错位置的金属物体而造成的功率损失。

　　无线电力发射器与符合 Qi 标准的无线电力接收器bq51051等设备协同工作。TI 声称 bq51051 提供高效的交流到直流电源转换，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，允许“直接充电”。TI 解释说，与无线电源接收器与单独的下游充电器芯片配对（图 4）相比，这将整体效率提高了 10%。其他优势是节省成本和空间。

　　图 4：直接无线充电系统——将接收器和电池充电控制器组合到一个芯片中——比分立系统的效率高出 10%。（图片由德州仪器提供）

　　NXP还提供基于其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，并使用该公司的专有内核，该内核针对电源转换应用进行了优化。MWCT1111 执行诸如反向散射调制的数字解调、FOD 和电源调节等任务。

　　MWCT1111 可与 NXP MWPR1516等姊妹设备配合使用，该接收器符合 WPC 规范，并有可能支持其他未来标准。该器件的两个显着方面是其 ARM ® Cortex ® -M0+ 内核和频移键控 （FSK） 功能，允许在发射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

　　无线充电的便利性加上效率的提高（一些制造商现在声称从输入到电池的能量传输效率高达 75%）和行业标准的采用提高了该技术的知名度。

　　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，因为它可能会增加最终产品的商业机会。例如，一些移动产品供应商已经为其智能手机和平板电脑采用了一种或两种规格。

　　从头开始设计系统是可行的，并且可能会降低材料清单 （BOM），但需要专业知识和熟悉无线充电标准。建议经验不足的工程师将他们的系统建立在无线充电芯片组上，该芯片组可从一系列知名半导体供应商处获得，该芯片组已针对效率进行了优化，包括 FOD 等有用功能，并且经过认证符合一项或多项主要标准。与分立解决方案相比，新手工程师可能通过使用芯片组节省的设计时间将抵消增加的组件成本。