基于电感或磁共振技术的无线充电系统设计

随着越来越多的消费者希望通过移动设备切断电源线，无线充电正在成为越来越重要的产品功能。然而，对于开发人员而言，收费标准的混乱和开发的复杂性已经加剧了无线充电功能的选择和快速实施。

工程师不仅在选择和采用最合适的充电技术方面面临重大挑战 - 归纳或共振 - 但也找到解决复杂设计问题的现成解决方案。这些问题需要权衡成本，范围，效率，对准要求以及解决方案可以收取的设备数量，仅举几例。

AirFuel标准提供对电感和谐振技术的支持。一个有吸引力的平台，可用于构建无线充电系统。尽管如此，这些基于标准的系统带来了严峻的开发挑战，可能会影响设计时间表并显着增加最终物料清单（BOM）。

使用Semtech Corporation或Nordic Semiconductor的设备，工程师可以应对这些挑战，分别基于感应或共振技术开发符合AirFuel标准的无线充电系统。

AirFuel Alliance解决归纳与共振冲突

不同行业组合AirFuel Alliance合并的结果提供基于标准的无线充电方法，基于电感或磁共振技术。电感和谐振方法不是被视为竞争技术，而是呈现出各种优势和劣势，推动它们在不同情况下的使用。

感应充电系统以不太灵活的物理对准为代价提供高效率，谐振系统实现了较低的效率，但可以在更远的距离为多个设备充电，并且具有高度灵活的对准。

这两种技术都通过一对耦合电感线圈传输能量，通过感应或通过LC电路谐振以相同的频率。每种方法都依赖于不同的电源感应频率和标准中规定的特定通信协议。最后，对于希望部署高效无线充电系统且对进度，设计占地面积和BOM影响最小的工程师而言，每一项都可能为开发人员带来重大挑战。专用设备解决了这些问题，简化了符合每种技术的AirFuel规范的无线充电系统的设计。

AirFuel Inductive

感应技术是一种相对成熟的充电方法，可实现相当高的效率。感应式无线充电系统实际上是快餐店和新兴个人系统中提供的充电表面的基础。在这种方法中，用户将诸如智能手机之类的设备放置在桌子或架子的指定区域上。放置在这些充电区域下方的发射线圈使用基本的感应原理提供能量。

在最基本的形式中，无线充电系统包括典型电源中的组件。功率控制器驱动桥，该桥为变压器的初级线圈供电。通过电感耦合，次级线圈产生电流，并且相关的电压波形被整流并转换以提供负载的电源。开关电源依靠各种反馈机制来监控和控制最终功率输出。

与AirFuel兼容的感应无线充电系统反映了这种设计方法。在这种情况下，这些系统依靠反向散射作为从接收器到发射器的通信介质，以确保安全有效的操作。通过反向散射，发射器检测由接收线圈上的负载变化引起的发射线圈中的负载变化。通过对施加在接收器线圈上的负载调制中的数据进行编码，接收器可以向发送器发送信号，发送器又使用自己的解调器提取接收器数据（图1）。

图1：符合AirFuel标准的感应充电系统依靠反向散射机制来实现所需的通信，以确保在间隔紧密的线圈上实现安全，高效的电力传输。 （图片来源：AirFuel Alliance）

无线充电设计专用设备的可用性消除了设计有效系统的传统障碍。实际上，Semtech集成的发送器和接收器控制器使开发人员能够实现符合AirFuel标准的发送器和接收器设计，而且几乎没有其他组件。

感应式发射器

AirFuel感应式发射器设计的核心是一个中央控制器设备，用于管理FET驱动器，根据需要调整电压，频率或占空比以维持功率输出。这里，功率调整的关键信号包括电源电压的变化和通过反向散射机制从接收器获得的信号（图2）。除了适当的滤波器和匹配网络外，控制器和FET驱动器代表了确保电力传输可靠运行的关键路径。 Semtech TS80000变送器控制器和Semtech TS61001 FET驱动器IC集成了一整套功能，旨在以最小的设计工作量提供这种核心控制功能。

图2：作为感应式无线充电系统的核心，中央控制器通过管理FET驱动器来响应供电变化来调节功率输出接收器信号（红线）。 （图片来源：Semtech Corporation）

TS80000专为无线充电应用而设计，是一款完整的片上系统（SoC）器件。 TS80000采用RISC内核，采用36引脚6 mm x 6 mm封装，集成了闪存，SRAM，模数转换器（ADC），定时器，GPIO和串行接口。 Semtech通过为设备加载管理整个电力传输过程的固件来简化实施。基于固件的例程使用器件的模拟GPIO和ADC来获取电压和电流数据，并从接收器反向散射通信机制解码数据。反过来，固件实现PID（比例 - 积分 - 微分）控制器，根据需要管理FET驱动器，以调整发射功率电平。

与Semtech TS61001 FET驱动器IC一起使用，TS80000显着简化设计，在典型系统中仅需要少量输入和输出连接。在输入端，开发人员向器件的模拟GPIO提供四个信号（交流电压，直流电压，直流电流和交流电压），用于PID控制环路。在输出端，TS80000为TS61001驱动一个使能信号（DRV_EN）以及两个PWM通道中的每一个的高侧（PWMn_H）和低侧（PWMn_L）信号（图3）。

图3：使用Semtech TS80000变送器控制器的一些输入，TS61001 FET驱动器IC（U3）驱动发送器输出门并产生AC和TS80000 PID控制回路中使用的直流信号。 （图片来源：Semtech Corporation）

此外，开发人员可以根据需要通过每个设备支持的I 2 C接口访问TS80000和TS61001寄存器。

电感式接收器

另外一对器件同样简化了AirFuel兼容电感式接收器的设计。在这里，Semtech TS51111从接收器天线交流电源信号产生直流输出，而Semtech TS81000监控电源并产生反馈数据。

与互补的TS80000变送器控制器一样，TS81000接收器控制器是一种复杂的RISC-基于SoC的预编程固件程序，用于控制无线充电过程的接收器侧。由于其要求更为有限，TS81000仅采用20引脚3 mm x 3 mm封装提供此功能。

Semtech TS51111整流器将同步整流与广泛的模拟传感功能相结合，优化了功率转换。接收线圈。事实上，该设备将这些电源转换功能与输出侧电池充电的特定支持相结合。例如，专用预充电电流源支持低电池充电操作，而集成开关保护电池路径。 TS51111还集成了一个低压差（LDO）稳压器，用于为TS81000或其他外部器件供电。

为了帮助最大限度地减少器件之间的连接，Semtech通过单个缓冲模拟引脚复用器件的所有模拟输出。 TS81000固件通过I 2 C链路设置TS51111的AMUX寄存器来选择所需的模拟信号。其他TS51111控制寄存器提供跨I 2 C链路的编程控制，该链路具有广泛的器件工作特性，包括天线负载调制。

基于TS81000的接收器设计控制器和TS51111整流器，使用I 2 C双线通信用于数字数据，单个多路复用模拟（AMUX）引脚用于模拟转换为简化设计，占用空间最小。对于操作控制，TS81000固件利用TS51111的可编程控制功能来实现与AirFuel兼容的充电。因此，这种设计中的电源路径仅具有TS51111和最少数量的附加组件（图4）。

图4：在基于Semtech TS81000控制器的设计中，Semtech TS51111整流器仅需要与TS81000的少量连接以及少量附加组件一个完整的感应充电接收器。 （图片来源：Semtech Corporation）

Semtech器件显着简化了无线充电设计的控制和功率级设计。虽然这些器件可以最大限度地减少器件数量，但设计人员可能会面临其他设计元素的进一步挑战，特别是天线和匹配网络的设计和布局。

为了帮助开发人员探索优化每个设计元素的选项，Semtech提供无线为TSDMTX-5V2-EVM（发射器）和TSDMRX-5W-EVM（接收器）评估套件充电，提供硬件实现和相应的参考设计材料。

AirFuel谐振

磁共振耦合交易效率易于在无线充电系统中使用。虽然感应系统需要在非常小的间隙内仔细对准发射器线圈和单个接收器线圈，但谐振系统更加宽容。与AirFuel兼容的磁共振系统支持更大的距离和电力传输单元（PTU）与多个电力接收单元（PRU）之间的自由对准。

与电感系统相比，谐振技术依赖于更高频率的耦合场，以及使用蓝牙低功耗（BLE）的单独双向通信（图5）。在设计这些电路时，工程师可以利用各种功率器件和整流器。更重要的挑战是处理带外控制和通信的额外要求。

图5：与其电感式对应物相比，符合AirFuel标准的磁共振系统使用更高的频率进行功率耦合以及不使用电力发送单元（PTU）与一个或多个电力接收单元（PRU）之间的频带通信。 （图片来源：AirFuel Alliance）

Nordic Semiconductor NRF52832无线MCU集成了BLE收发器，可满足硬件要求，对设计尺寸影响最小。对于希望实施AirFuel兼容设计的设计人员来说，开发符合AirFuel规范的新软件解决方案是一项重大任务，可以极大地影响项目成本和复杂性。

Nordic通过其nRF5软件开发解决了这一需求套件，为符合AirFuel标准的PTU和PRU设备提供服务库，以及演示各种使用模型的示例软件应用程序。 SDK提供了构建在硬件抽象层上的PTU和PRU服务，处理设备特定的MCU请求。

PRU和PTU服务是围绕通过复杂的应用程序计时器服务调用的事件处理程序模型构建的。在这种方法中，服务将专用定时器与诸如读取传感器值之类的关键功能相关联。当计时器到期时，应用程序计时器服务调用与该特定计时器关联的事件处理程序。例如，当PTU传感器计时器到期时，关联的PTU传感器处理程序（清单1）调用例程（ ptu_sensors_data_get ）来更新当前传感器数据（清单2）并将错误代码发布到服务错误处理程序PRU传感器处理程序使用相同的基本模式及其自己的相应数据结构。

/** @ brief传感器计时器的处理程序

*

* @param [in] p_context发送给处理程序的通用上下文。

*

*/

static void m_ptu_sensor_timer_handler（void * p_context）

{

< code> const ptu_sensor_data_t * sensors_data;

uint32_t err_code;

< code> err_code = ptu_sensors_read（）;

APP_ERROR_CHECK（err_code）;

err_code = ptu_sensors_data_get（＆amp; sensors_data）;

APP_ERROR_CHECK（err_code）;

ptu_power_sharing_temperature_warning_set（sensors_data-> temperature_warning）;

}

清单1：Nordic Semiconductor AirFuel NRF5软件开发套件提供了一系列广泛的事件处理程序，例如用于更新传感器数据（参见清单2）。 PTU。 （代码来源：Nordic Semiconductor）

/** @ brief PTU传感器数据的定义*/

typedef struct

{

uint8_t nof_extend_beacon_load_var_detected;/** <检测到扩展信标负载变化*/

< code> uint16_t i_ina;/** <谐振器线圈电流[mA]。 */

uint16_t v_ina;/** <谐振器线圈电压[mV]。 */

uint16_t p_tx_in;/**

int16_t temperature;/**

uint16_t res_impedance;/** <测量阻抗[欧姆]。 */

bool temperature_warning;/** <温度警告。 */

bool load_var_detected;/** <检测到负载变化。 */

bool load_detected;/** <检测到负载。 */

bool rogue_obj_detected;/** <检测到Rogue对象。 */

} ptu_sensor_data_t;

清单2：Nordic SDK将参数，运行状态和连接等信息折叠为特定结构例如，由相关事件处理程序收集的传感器参数的此结构（参见清单1）。

功率调整是AirFuel规范的核心功能，nRF5 SDK为此关键任务提供了应用程序计时器和相关处理程序。这里，当计时器到期导致调用事件处理程序时，事件处理程序读取PRU发送的数据并根据需要调用补充例程 m_poweramp_input_step_up 或 m_poweramp_input_step_down 以分别增加或减少PTU功率输出。

传感器读数和PTU调整的这些处理程序和数据结构仅代表SDK服务产品的狭隘视图。每个服务调用依次调用一系列服务例程，这些例程提供验证和错误检查，最终达到基本的MCU硬件功能。此外，每个处理程序都嵌入在一个服务体系结构中，该体系结构旨在支持特定于应用程序的功能，例如为多个PRU提供服务的PTU。

然而，对于设计人员而言，SDK有效地隐藏了这种复杂性，减少了调用所需的应用程序代码。 PRU和PTU引擎可以进行少量的高级初始化例程。事实上，开发人员可以轻松构建SDK提供的软件应用程序，以满足他们的特定应用需求。

结论

无线充电带来了一系列障碍，包括技术选择，功耗路径实现和功率控制设计。 AirFuel Alliance提供基于标准的方法，能够利用不同的技术，包括感应和共振。

利用专用设备和先进软件的可用性，开发人员可以快速实现与AirFuel兼容的无线充电系统对项目进度，设计足迹和最终BOM的影响最小。