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微控制器（MCU）在磁感应无线充电系统中扮演举足轻重的角色。磁感应无线充电系统是利用发射端与接收端内的线圈耦合产生功率，因此损耗问题严重。开发人员可利用微控制器感应线圈中的电压和电流，藉此调节逆变器参数，以确保无线充电系统运作效能。
技术、软件和硬件不断革新，使得手持行动设备如平板电脑、智能手机、摄像机、全球卫星定位系统（GPS）等设备飞速发展。这些设备主要都由电池驱动，而且新功能还在不断增加，如触控萤屏、宽萤屏显示器等，同时设备还能通过网际网运行应用程式，这些都会增加功耗。
然而，电池的尺寸和性能增强力度远不及电量需求的增长速度，因此，电池需要频繁充电。消费者仍需要花大把力气携带充电器和大量线缆，频繁地为电池充电。虽然持有先进的设备，但感觉好像您仍活在石器时代。出于这些原因，科学家们正努力研究新方法，以无线的方式充电，无需繁琐的设备附件，实现更轻松、更方便的充电方式。这听起来很科幻，但如今却已变成现实。
实际上，能量的无线传输在许多领域都以电磁波的形式被普遍应用，如无线电波、微波等，这些技术都已应用在无线通信、卫星、收音机、电视机等领域。这些波从发射器发射，向各个方向传播，当到达天线的时候，天线再将这些波的频率改变，因此，只有一小部分的能量到达了接收器。如果电能的传送也是利用这个方法，将变得非常没有效率。在微处理器（MPU）问世前，这一概念受到效率低下和缺乏控制的影响，并且还有安全和其他问题的隐忧。
当今大多数的无线充电技术都采用电感耦合进行电量的传输。虽然还有如激光二极管、微波束等其他方法可以无线的方式进行电量的传输，但那些都不在本文讨论范围内。
电感耦合可产生电流磁场
电感耦合（图1）正应用于各种电机领域，它采用可产生各种移动电流的磁场。基本来说，变压器的原理是透过使它们磁耦合的方式改变两个电感线圈间的电能，详细内容可参照法拉第发明的电磁定律。当行动设备在交流电上工作时，接收器中感应到的电能自然地进行交替并改变为交流电。
图1 电感耦合示意图
电磁感应与可产生磁场的导体内的电流和电压强度以及频率成正比。频率越高，则感应强度越强。能量从可产生磁场（初级）的导体传输到其他导体上，并发生磁场冲击（二级）。初级导体中的部分能量通过感应传输到二级导体中，并且能量沿着初级导体快速减少。
高频电流不会透过远距离的导体，但会透过传感快速改变其能量到相邻导体上。更高频率所产生的更高感应很好地体现了交流电系统中高频传播与低频传播的显着差别。频率越高，感应效果越明显，并透过电路之间的空间传输能量。能量减少的越快，并且电流沿着电路消失，本地现象就越多。
电气设备不宜通过空气进行磁场耦合，因为空气拥有很差的渗透性，会导致效率低下。但对于移动应用而言，当使用会使设备变重的高渗透性磁心时，空气仍是首选的介质。通过使用共振技术，设计人员可以更高效地增加能源，使其在短距离内，透过空气的介质进行传输。
无线充电则复杂得多，这是因为它对进行发射和接收的能源，在其通信与控制方面有很高要求，需要更复杂、更高级的电路，故要为无线传输能源建立新的标准。
图1所示为一个理想的变压器，即没有功率损耗的变压器，在这个变压器内，初级伏安（Volt Ampere）=二级伏安。虽然实际应用中，变压器都很高效，但功率损耗还是会发生，因为不是所有由初级线圈产生的磁通量都会连接到二级线圈。以下三种情况会导致变压器的功率损耗：
．铜损耗
铜损耗也可以叫做线圈损耗或I2R损耗，因为由其他金属制成的线圈也会发生损耗。这些损耗是由于铜线线圈过热导致的，因为铜线有阻力，会消耗一定的功率。
变压器线圈产生的功耗可以通过计算线圈中的电流和阻力来统计，公式为P=I2R。这个公式解释了为什么铜损耗会被称做I2R损耗的原因。为了使损耗降到最低，线圈中的阻力必须保持最低，因此要使用横截面积适中且电阻率低的线圈。
．磁滞损耗
每当交流电反转（每週期一次）时，带有磁心材料的微小「磁域」也会反转。这些属于磁心材料的物理改变，也会消耗一定的能量。
能量损耗的大小取决于磁心材料的「磁阻」；对于大型功率变压器磁心而言，磁滞损耗或许是一个大问题，可透过采用特殊低磁阻「晶粒取向」钢做为磁心材料来克服这一问题。
．涡流损耗
因为铁和钢磁心既是导电体又是磁电路，初级线圈中的电流改变往往会建立一个电磁波（EMF），同样在二级线圈中也是如此。磁心内感应到的电流会阻碍磁心内磁场的改变，因此须尽可能使涡流保持最低，这可透过把金属磁心分离到薄片或叠片（Laminations）上来实现，并透过绝缘漆和氧化物使每一个叠片都与其他隔离。被叠片的磁心大大减少了涡流的形成，并且不影响磁心的性能。
无线充电的优缺点
无线充电优点如下:
．受保护的连接
当电子全部封闭时，不会受到空气中水和氧气的腐蚀。
．对嵌入式医疗设备而言，更加安全
对于嵌入式医疗设备而言，允许通过皮肤而不是让线缆穿过皮肤的方式对设备进行充电/供电，从而减少受感染的风险。
．方便
不必连接电力线缆，设备可安放在充电板或支架上。
．操作简单
比起插入电力线缆，操作更简单（对于残疾人士更加重要）。
．耐用
无须频繁插拔设备，拥有更耐磨损和撕裂的设备插槽和附加线缆。
另一方面，无线充电的缺点则如下所列。
．效率偏低，产生废热
与直接充电相比，磁感应充电的最大缺点就是效率偏低和不断增加的电阻热量。
采用低频或老式驱动技术导致充电速度缓慢并在大多数可携式电子设备中产生废热。
．成本昂贵
感应充电需要设备和充电器都具备驱动电子设备和线圈，增加了制造的复杂性和成本。
．充电缓慢
由于效率低，设备需要的充电时间更长。
．不方便
当行动设备使用线缆连接充电时，您可以随意移动该设备，并且可以在充电过程中使用设备。而采用当前的感应充电（如Qi标准）技术，行动设备必须固定在平板上，因此不能随意移动，充电时也不能轻松使用。
．不相容性
与标准微型通用串行总线（Micro USB）充电连接器不同，无线充电没有一个实际标准，当标准出现时，会给消费者、组织或制造商带来大量冗余设备（Redundant Equipment）。
事实上，开发商可透过采用超薄线圈、更高的频率和经过优化的驱动电子设备等新方法来减少传输损耗。这将使得充电器和接收器变得更高效、更精巧，在最大限度减少改变的同时，促进了与行动设备和电池间的整合。这些技术使得无线充电的时间可以媲美有线充电的方式。
磁感应电力传输标准问世
无线电力传输系统将电能以无线连接的方式从发射器传输到接收器。由于它具备安全、自由、可靠、方便和耐用等优势，使得无线充电变得越来越流行，并且广泛地应用于如牙刷、LED蜡烛、遥控器、医疗设备和行动电话等领域。
无线充电联盟（WPC）为无线充电领域创建了名为「Qi」（唸做Chee）的国际标准，可交互操作的产品都标有Qi的标识。电话、相机、遥控器和所有带有该标识的行动电子设备都可以和带有同样标识的充电站配合使用。
无线充电联盟是一个开放式会员组织，由超过一百家公司会员组成，为电感充电技术的单个互操作通用标准的开发和创新而共同努力。Qi是一款由该联盟开发的用于4cm（1.6英寸）以上距离的感应电力传输的接口标准。
符合Qi标准的无线设备采用振幅键控（ASK）调变，与功率接收器和功率发射器进行通信。ASK是相对简单的调变方案，类似于模拟信号的振幅调变，并且载波频率信号通过二进位数字进行放大；其载波频率和相位保持不变，而振幅则不断变化。资讯位元会通过载波振幅，它被称为二进位振幅键控（2ASK），因为调变信号可采用两种二进位位準，0或1。与载波频率相乘得到的二进位数字的结果类似于载波频率的开启或关闭。这意味着，当载波传输发生时，调变的数字信号为 1，当没有载波时，为0。
功率接收器通过使用反向散射调变与功率发射器进行通信。通信解调电路的功能是检测高频率功率信号中的低频率通信信号。
除此之外，对于无线充电技术开发而言，Qi还将受益于以下各项因素：大众市场的採纳、完整的供应链、完整的技术蓝图、标准化、交互操作性、品牌知名度等。
Qi系统（图2）包含用于可携式设备中的功率传输板和可相容接收器。为了使用该系统，行动设备被安装在功率传输板的顶部，透过电磁感应进行充电。
图2 Qi标准系统示意图
Qi系统在两个平面线圈间采用电感耦合的方式在功率发射器和功率接收器间传输电力。数字控制回路对输出电压进行调节，进行功率接收器与功率发射器的通信，并消耗一定的功率。藉由反向散射调变，功率发射器到功率接收器间可达成单向通信。在反向散射调变中，功率接收器线圈会被载入，改变功率接收器内的电流消耗。这些电流消耗的改变会被监控并解调成两个设备协同工作所需的资讯。
行动设备制造商包括宏达电、华为、乐金电子（LGE）、摩托罗拉（Motorola）、诺基亚（Nokia）、三星（Samsung）和索尼（Sony）等正采用Qi标准进行研发。
虽然Qi目前锁定智慧型手机的电流标准仅为5瓦（W），不过显然地，对于无线充电联盟而言，为平板电脑以及更大型设备进行充电将逐步实现，而针对这些设备的10W解决方案也即将问世。目前，电感充电器已实现70%左右的效率。
无线充电收发器设计要点
首先是发射器（图3）。一个功率放大器包含两个主要功能单元，即功率转换单元和通信与控制单元。初级线圈做为磁场，产生功率转换单元的元素。控制及通信单元将被传输的功率调节至功率接收器所需的等级。基站可包含多个发射器，以便同时服务多个行动设备（在同一时间内，一个功率发射器只能服务单个功率接收器）。最后，系统单元包含所有其他基站功能，如输入功率供应、多个功率发射器控制及用户接口。
图3 无线充电解决方案示意图
功率转换/发射器由逆变器电路组成。逆变器向初级线圈提供受控的交流电源，由控制及通信单元调节这一控制。发射器的逆变器电路可配置全桥或半桥功率转换拓扑。拓扑的选择取决于，每个WPC全桥逆变器在被广泛用于直流电转向交流电的应用时的类型和发射器，并具有以下特性：
．利用高直流电压，以支援宽输入电压范围。
．面对不同应用条件，拥有更多的控制变化。
．单极固定频率脉衝宽度调变（PWM）控制，以减少电磁干扰（EMI）。
．面向软开关操作的移相控制策略，以改进系统效率。
．锁定中/高功率应用的小型功率组件应力。
．具有输出变压器的简单逆变器拓扑。
控制功率并与接收器单元进行通信的控制单元是一款微控制器（MCU）芯片。它可以感应初级线圈中的电压和电流，并调节逆变器的参数，以达到一个所需的相同量。
微控制器单元由所需的关键周边组成，以控制功率转换，如PWM、模拟数字转换器（ADC）、比较器（ACMP）及通信和除错周边，如通用输入/输出 （GPIO）、UART、SPI、SCI。关键周边ADC、比较器和PWM拥有显着特性，可在较高开关频率下完成控制器功率转换，以减少如电容器和电感器等被动组件的尺寸。
这些周边还可以形成反馈回路，以控制功率变压器到发射器线圈的电压与电流。它可以控制磁场，在接收器线圈内相互感应，最终在接收器电路内控制电压。ADC以电流和电压的形式从线圈中获取输入，并根据供给到线圈的电流来调节PWM输出。
还有一个用于比较线圈内电压/电流输入的比较器，当每个接收器需要时，可比较参考设置。比较之后，它可立即发挥作用，保护电路，防止电路受到破坏。还有一个从接收器到发射器的回馈路径，可调整线圈内的磁通；回馈的形成是通过功率信号自身通信信号的叠加。该回馈还对节能有着重要的意义，比如，有些发射器平台上没有安置接收器，线圈内无需磁通，因此发射器电路将进入低功耗模式。
有一些技术可检测接收器是否存在，每个技术都拥有其独特的优点和缺点。其一为透过触控感应，如果安装了接收器，信号将被传送到发射器，以向线圈提供电流，用于产生接收器所需的电压。其优点为当没有接受器时，只有触控感应电路工作，因此，在闲置期间可实现超低功耗；缺点则是可能需要添加额外硬件元件实现触控感应。
另一个方式为检测来自接收器的回应，发射器不断地向正在等待来自通信通道回应的接收器发送资讯，一旦安置接收器，发射器就能被感应，并向线圈提供电流。其优点为无需硬件电路，低成本；缺点则是不间断的资讯需要求所有电路时时刻刻正常工作。
无线充电模组的另一关键元件为接收器。在接收器的一旁有一个整流单元，它可接收线圈中的交流分量，并将其转变成直流，然后供应到接收器的电池电路中进行充电。接收器电路由调变单元组成，该调变单元可调变通信信号，并通过电源线发送至发射器。来自线圈的模拟元件还通过微控制器，用于比较所需参考，并向发射器提供回馈，以调节发射器的电流/电压。发射器微控制器单元由ADC、ACMP、UART组成。ADC收到来自接收器线圈的电流/电压，并将其转换成数字格式，并根据情况通过微处理器进行进一步处理。相同电压做为输入进入ACMP内，ACMP将其与参考（通过接收器，设置成为每个所需电压）进行比较，并立即发挥作用，防止错误发生。微控制器可转换接收器电路，防止比较器输出显示错误（电压或电流消耗超出范围）。接收器还可通过通信通道将回馈信号回传给发射器，以调整线圈中的电流。
（本文作者Deepak Mahajan/Mohammad Kamil/Arjun Chowdhury皆任职于飞思卡尔）
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