适用于低功耗可穿戴产品的无线充电系统 - 全文

　　智能手表、健身腕带和头戴式耳机等诸多低功耗可穿戴设备已推向市场（图1）。预计在未来几年，这种全新的电子产品系列的阵营将会迅速发展壮大。这些设备通常小巧纤薄，具有不同的外形和工业设计。电池的容量范围可能是100mAh～300mAh，这就决定了所需的充电速率。

　　这类设备传统上是利用插头插孔或micro-USB连接器进行充电。但即使是这些较小的连接器，对于一些新的超薄可穿戴应用而言也太大了。此外，由于户外可穿戴环境的原因，连接器污染也成了一个更严峻的问题。

　　

　　图1：具有无线充电功能的智能手表

　　无线充电解决方案可令这些问题迎刃而解，并为设计人员提供更多的机会。现有用于WPC（无线充电联盟）Qi标准的半导体器件，可轻松适用于这种较低功耗的应用。这种技术使用两个平面线圈，通过密封外壳来传输电力。对于低功耗可穿戴设备而言，小巧纤薄的低功耗接收器线圈可轻易地嵌入到密封外壳或腕带区的背面。Qi兼容器件是一种可缩短开发时间的成熟解决方案，且此类产品能获得现有WPC基础设施的支持。

　　Qi兼容的无线电源系统

　　典型的无线电源系统（图2）在便携式设备内有一个接收器（Rx），它提供能量给电池充电。发射器（Tx）位于一个固定的底座内，并连接至壁挂式电源。输入电能转换为交流电，然后在发射器线圈与接收器线圈非常接近时，通过线圈发生磁耦合。接收器的输出在电流高达1A时通常为5V，其可为便携式设备内的电池充电器IC提供输入功率。

　　

　　图2：Qi兼容的无线电源系统方框图

　　该系统中的发射器工作，由接收器芯片使用经同一磁耦合路径传回的数字通信包形式的反馈进行控制。Qi兼容接收器采用负载调制以数据包形式跨两个线圈发送信息，与发射器进行通信。发射器线圈电压和电流以2kHz的速率调制，由发射器解码并用于控制。接收器可以向发射器发送多种类型的数据包，以实现控制和信息传输。此外，通信的失败将终止任何功率传输。

　　Qi标准的“识别和配置”命令数据包非常有用，可保证功率仅传输到正确的设备，从而避免潜在的危险情况。“充电完成”和“结束功率传输”数据包也是很有用的命令，当电池充完电或出现其他情况需要终止功率传输时可停止功率传输（参考文献1）。这些特性可保证采用现有广为人知的标准在发射器和接收器之间进行安全的功率传输。

　　低功耗无线系统

　　通过精心调整线圈尺寸和外部元件值来匹配更小尺寸应用，可针对低功耗无线系统对既有的Qi兼容接收器和发射器进行优化。发射器和接收器的线圈均可缩减尺寸，以适应更小的外形。电源部分的元件（特别针对发射器）可降低功率规格。

　　典型的WPC-1.1 Qi兼容系统可支持功率高达5W的输出负载（通常为5V@1A）。另一方面，适用于可穿戴设备应用的低功耗系统可能拥有5V@100mA～250mA的输出电力范围。

　　大多数Qi兼容功能的使用并不影响尺寸或性能。异物检测（FOD）功能是一项可选功能，可防止功率传输到充电区的杂散金属物体。在具有FOD功能的低功耗系统中，总输出功率被减小50%以上。随着充电区域的缩小，物体进入该区域，并被加热至出现问题的可能性也大大降低。FOD功能的关键可能主要取决于可穿戴设备充电垫或充电底座的机械设计。表1总结了采用WPC-1.1 Qi标准时的一些主要可用功能，而这些功能在定制可穿戴应用时是可选的。

　　表1：Qi兼容标准与可穿戴解决方案对比。

　　

　　低功耗系统线圈

　　线圈的尺寸可减小到一个点，但仍需传输功率并与发射器进行通信。典型的线圈结构是一种在屏蔽层上用铜线制成的圆形平面线圈。替代配置是PCB或柔性电路线圈。通常情况下，这些替代物可能有更高的直流（DC）电阻（更低的效率），但会非常纤薄，该特性很适合小型低功耗应用。屏蔽层可阻止交流电磁场进入电子器件和电池，这也可提高线圈的性能。

　　假设Rx线圈和Tx线圈在x-y平面上对齐，那么有两个关键因素可确定耦合系数k。第一个因素是线圈到线圈（z）的距离，第二个因素是两个线圈直径的比例。当两个线圈距离较近且直径相匹配时，将产生最佳耦合（最高的k）结果（参考文献2）。为确保两个线圈从一开始就能在x-y平面上紧密对齐，可穿戴设备充电底座或支架的机械设计应包括有助于将设备妥善放置在支架中的物理方法。由于在本应用中接收器线圈非常小，Rx线圈和Tx线圈之间的轻微失准可能导致耦合系数显著降低且功率传输效率很差。

　　在耦合电感器系统（如WPC/Qi）中，一次线圈和二次线圈间的耦合系数（k）通常为0.5～0.7。典型变压器的k会高得多，例如0.99。当耦合系数很低时，在二次（接收器）侧需要较高的电感值，以确保输出功率的需求能得到满足。因此，那些可能具有低耦合的小型低功率设备，实际上比标准的5W设计需要更高的二次绕组电感（参考文献3），可能需要具有更多匝数、更大屏蔽层的较高电感的接收器线圈，才能达到所需的电压增益。

　　线圈设计

　　接收器线圈尺寸的设计权衡因素包括线圈导线直径、屏蔽层尺寸和厚度。线圈直流电阻会使接收器效率降低。接收器线圈设计需要具体的匝数，以获得所需的电感。如前所述，由于耦合系数降低，小线圈所需的电感会比大线圈高。为了在较小空间内达到较高的电感值，匝数会增加，导线直径会减小。更细的导线和更多的匝数带来的合并效应，将迫使直流电阻升高并降低效率。

　　屏蔽层能提供低阻抗的磁通路径，并能增加线圈的电感。此外，屏蔽层还能阻止交流电磁场进入电池和接收器周围的金属体。更大、更厚的屏蔽层比较好，因为较薄的屏蔽层将遭遇高通量磁场饱和的风险。发射器线圈设计的物理限制较少。线圈可以更大，并且其电感可以更低。

　　用于标准5W WPC应用的典型线圈是A11型线圈。这种环形线圈直径约50mm，背后有厚厚的铁氧体屏蔽层。虽然这种线圈已在具有多种类型接收器的大量应用中经过了测试，但它最适合较高的功率级（3W～5W）。对于较低功率和缩小范围的接收器，许多线圈尺寸可减小。

　　A11线圈的典型电感为6.3μH。为获得最佳性能，应保持此值。导线直径可减小，以允许更小的线圈尺寸，但是这会增加直流电阻损耗。通过减小屏蔽层厚度，可进一步实现尺寸的缩减。有几种类型的屏蔽层可提供良好的性能。

　　用一个30mm的圆形发射器线圈进行测试的效果甚佳（图3）。实现更小的解决方案并非痴人说梦，但设计人员务必要注意不能使直流电阻显著增加。大多数WPC发射器中所用的谐振转换器架构，即使在负载最小时，电流仍然在一次线圈内流动。考虑到产品的尺寸限制，Tx线圈的直流电阻必须在实际情况允许的条件下尽可能减小，以避免过多的功率损耗。

　　

　　图3：标准收发器线圈和30mm低功耗线圈

　　低功耗接收器

　　bq51003是德州仪器（TI）无线电源接收器bq51xxx产品系列中的一款器件，专为低功耗应用量身打造。该器件中的关键变化是为较低的输出电流优化几种功能的特性。

　　该器件系列具有动态整流器控制功能以改善负载瞬态特性（表2）。Qi标准有一个相对缓慢的全局反馈回路，最多可能需要100ms的时间来改变工作点。这意味着负载阶跃会降低输出电压并引起系统复位。为了提供足够的电压应对瞬态变化，在低负载时需要把VRECT工作点设高。该特性有助于负载阶跃，但会降低轻载效率。为解决这个问题，用动态效率调节功能来调节轻载电压，以适应最大输出负载。此外，还用一个电阻器来设定最大输出电流。

　　表2：针对无线接收器（bq51003）的动态整流器控制。

　　

　　由于耗散功率而缩减了的PCB面积，散热路径也应予以考虑。因为典型的应用需要用降低的充电电流为小型电池充电，所以耗散功率是可以控制的。

　　如前所述，bq51003及bq51013B等其他恒压输出接收器可与二次IC协同工作，调节并管理至锂离子电池的电流。这些电池需要精确的恒流/ 恒压充电控制配置参数，这些参数可通过bq24232（图4）等器件来实现。对低功耗应用而言，简单的低成本线性充电器通常是上佳之选。抉择充电器设备的一个关键因素是验证它能否控制可穿戴设备所用小型电池需要的低充电电流水平。bq24232在必要时可调节低至25mA的恒定电流水平，并且已在使用小型电池的应用中大显身手。

　　

　　图4：适合低功耗应用的无线电源接收器（带电池充电器）

　　低功耗发射器

　　对于功率为5W的典型应用，有很多拥有各种特性的Qi发射器类型。bq50xxx系列支持5W或更高的接收器输出功率。对于低功耗应用，bq500211是一个很好的起点。它提供标准的EVM套件，具有单线圈5V输入、A11型的发射器线圈。然而，正如前文所述，针对更低功耗的可穿戴应用，这种线圈可用更小的元件取代。该器件可选择通过USB端口或低功耗5V电源适配器供电运行。发射器设计还有小型低成本的选项。

　　bq500211 Qi发射器控制器拥有输入功率限制选项，至发射器的输入电流可被限制在500mA，从而允许通过USB端口或小型电源适配器供电运行。这非常适合要求低电流的低功耗接收器。图5展示了一个方框图范例。输入电流跨电阻器检测并通过电流检测放大器放大。电源部分使用带集成驱动器的功率级MOSFET。但独立的驱动器和低损耗的MOSFET可用于降低成本。如前所述，在输出功率较低时，FOD保护功能是可选项;图5所示电路未实施FOD功能。另外，为了简单并降低成本，图5中的设计未显示用于低功耗待机模式的可选电路。

　　

　　图5：低功耗发射器

　　结论

　　现在，用既有的定制器件在低功耗可穿戴设计中实现无线感应充电已成为可能。要设计功率范围为500mW～1500mW的工作解决方案，其中一项关键的因素是磁性元件的优化—具体而言，就是让较小尺寸的接收器线圈与相应较小尺寸的发射器线圈相匹配，以保持最佳的耦合系数。此外，用bq500211发射器和bq51003低功耗接收器进行适当的外部电路修改，以尽量减少系统功率损耗。