Qi标准无线充电配件一点通 - 全文

自Qi 标准出现以后，无线充电配件产品便可以利用这种行业通用标准，在无需基站（无线充电发送器）的情况下为移动设备无线充电。一种常用方法是向消费者提供一种无线充电保护壳、后盖、电池组或者保护套，在其配件中放入接收机线圈和电子组件。本文将为您说明这类配件的系统级要求，重点介绍配件产品和主移动设备之间的接口。我们还将从两个方面讨论组件选择，同时探讨配件产品和主移动设备之间引脚数目接口的利弊权衡过程。
 
WPC (Qi) 系统概述
图 1 显示了一个 WPC 型电感式无线充电系统的结构图。该发送器由一个 AC/DC功率转换、驱动器、发射线圈、电压电流检测和控制器组成。接收机由一个接收线圈、整流、电压调节和控制器组成。系统负载可以是任何电池供电设备，例如：一部手机。
 

 
图 1 WPC 电感式无线充电系统结构图
 
系统中，AC 电流流过发送器线圈时形成耦合磁场，电能通过该耦合磁场从发送器传输至接收机。如果接收机线圈极为靠近（X-Y 或者 Z 尺寸小于 5mm 间隙），发送器场力线的绝大部分将耦合至接收机线圈。这些耦合场力线在二次绕组中形成 AC 电流，对其整流便可产生 DC 电压，从而得到手机或者其他便携式设备使用的电源。请注意，无线充电链路实际上就是一款松散耦合、无芯线圈变压器。
WPC 标准
无线充电市场兴起的一个关键是不同发送器和接收机之间的标准化。以前，销售无线充电接收机的公司还必须同时提供一个相应的发送器。这种状况制约了无线充电的市场接受能力，并导致出现大量不同类型、相互不兼容的无线充电技术。无线充电联盟 (WPC) 制定出了第一个全球标准，实现了 5W 功率级别发送器和接收机的通用性^[1]。Qi（发音为“chee”）标准定义了无线充电系统的工作频率、工作电压和基本线圈配置。另外，还定义了一种通信协议，接收机通过它与发送器通信，例如：发送器何时终止供电（即电话不再充电时进入节能模式）、接收机要求提供多少电力以及输出功率增加还是减少等。
 
配件构架
提供 Qi 标准产品的一条最快捷途径是，利用行业通用标准获得基站电源（无线发送器）的同时，提供具有电源或者直接电池充电实现的配件解决方案。在这种情况下，配件解决方案指的是无线充电功能，其作为移动设备的一种选配。最普遍的两种配件实现是保护壳和后盖。保护壳指的是一种塑料壳，它的内部包含有无线充电电路，可以牢固地夹在移动设备上，通过一些外部触点向移动设备提供电源。后盖则是移动设备标准后盖的替代品，也在其内部放入了无线充电电路。另一种配件解决方案是，在移动设备的电池组中放入无线充电电路，直接对电池充电。
 
电源配件
图 2 描述了无线充电接收机如何模拟电源适配器工作，向移动设备提供 5V、5W 电源。在这种最为简易的实现中，接收机和移动设备之间总共只有两个触点：无线充电和接地。由于大多数第一代 Qi 产品仍然有一条连线，图 2 还显示了通过有线适配器和无线充电实现充电的过程。两种电源都连接至移动设备内部的功率多路复用器。一般而言，默认情况下选择适配器电源，在没有适配器时使用无线充电。
 

 
图 2 有线输入的四触点电源配件系统构架
 
在无线充电传输期间，连接适配器或者电池充电终止时，无线充电应中断运行。当接收机检测到无负载状态时，向发送器发送一条停止电力传输的信息，以此来实现上述目标。通过开启多路复用器的无线充电接收机开关，可以模拟这种状态。利用其他通信，可以获得无负载状态的更多详细信息。
 
双触点配件
双触点解决方案是成本最低的一种无线充电输出和接收机接口，但它仍然可以提供一些有限的功能。只有两个触点时，我们只能将无线电源（即 5V 输出）和接地连接移动设备，并且移动设备必须自己检测何时在适配器电源和无线电源之间切换。这种解决方案的主要缺点是，移动设备难以通知发送器充电已经终止。在典型的无线充电系统中，晚上用户上床睡觉时开始充电，充电一般持续两个小时左右。一旦充电完成，接收机应向发送器发送一条终止充电的信息（由 WPC 协议定义），这样发送器便可以进入一种低功耗的待机模式。但是双触点解决方案终止，只能由接收机通过检测输出电流是否已经降至某个阈值以下，才能检测得到。尽管这种方法可以让发送器进入待机模式，但电源电流由系统电流加上充电电流组成为它带来了诸多弊端。
 
三触点配件
相比双触点解决方案，三触点解决方案有所改进。除无线电源和接地以外，它还增加了一个控制信号。该控制器信号可以是无线充电接收机的输入，而无线充电接收机通过移动设备驱动。典型应用针对移动设备内部的充电器，用以检测充电何时终止，然后将这种状态通知接收机。接收机转而通知发送器终止充电，发送器便进入低功耗待机模式。由于移动设备通过电池持续供电，因此它会在一个不确定时间段内不断向无线接收机声明终止充电，这样整个充电周期的总发送器功耗便十分低。另外，发送器可以利用来自接收机的终止充电信息，让用户知道充电已经终止（例如：使用 LED 指示灯）。相比双触点解决方案，这种方法还可以更加精确地确定充电终止状态。
 
四触点配件
最后，相比上述解决方案，四触点解决方案可以为用户提供更多的选项。使用四触点方案后，会有数种不同选项供选择。一种是提供两个控制信号输入—一个用于向发送器发送终止信号，而另一个用于通知发送器移动设备使用默认状态。图 2 显示了一种四触点实现替代方法。在这种情况下，一个外部适配器可以作为设备接收机的输入，而适配器FET栅极驱动信号可以为来自接收机的输出，并连接至移动设备。利用这种方法，接收机可以检测到适配器的存在，其关闭无线充电发送器，然后直接将适配电压施加至接收机。后面小节将详细介绍适配器多路复用器构架。
 
移动设备功率多路复用器
上市销售的第一批无线充电配件，仍然将有线适配器端口保留在了无线充电输入端的旁边。它要求在两个电源（有线电源和无线电源）之间使用一个功率多路复用器。图 3 显示了一个功率多路复用器构架的例子。这种方法利用接收机配件，对适配器电压 (AD) 进行检测，如果存在适配器电压则提供栅极驱动 (AD_EN)。FET 必须以一种背靠背结构有线连接，以在开关关闭时阻滞反向和正向导电。之后，一旦存在适配器则无线充电接收机关闭电力传输，并通过适配器电源让栅极驱动保持活跃状态。这种方法要求配件和移动设备之间至少有一个四引脚接口（无线充电、AD、AD_EN和GND）。
 

 
图 3 单个背靠背 FET 的电源多路复用选项
 
为了减少电源配件和移动设备之间的要求引脚数，我们可以使用一个自动功率多路复用器。图 4 显示了这种构架，其不再要求使用 AD 和 AD_EN 连接。有线充电通路，通过 V_SNS 连接获得优先权。如果在 V_SNS 检测到某个电压，有线充电通路便激活。否则，无线充电通路有效。为了让接收机电子组件能够检测到存在适配器端口，从而终止无线充电传输，它必须对电源输出电流进行监控。通过监控输出电源电流，当无线充电通路开关关闭时便可检测到真正的轻负载（例如：接近零输出电流）。之后，接收机向发送器发送一条指令，让其终止电力传输。
 

 
图 4 使用自动开关的电源多路复用选项
电池组配件
提供无线充电配件的另一种方法是，把电子组件和接收机线圈集成到移动设备电池组中。这样，终端用户便可以实现设备无线充电，或者也可以将电池组直接放到无线充电感应板上对其充电（使用体验类似于座充）。但是，有线充电器和无线充电器之间的切换受到限制——总不能无限地增加电池组和系统之间的引脚数吧。
 
图 5 描述了电池组配件的构架，并突出显示了系统和电池组之间的接口。嵌入到电池组的温度检测传感器 (NTC)，用于确保充电时电池有安全的工作温度。但是，在这种独特的应用中，它可以被用作接收机电子组件检测有线充电有效还是无效的一种方法。当移动系统电池充电器有效时，NTC电阻器会有一定的电压。当它无效时，NTC 电阻器下拉至电池组接地基准。因此，电池组中的接收机电子组件可以检测到这种电压的存在，并立即关闭无线充电器。这种情况仅在连接有线适配器并且接收机放置在充电感应板上时出现—并不常见，但是提供两倍充电电流不利于电池的安全性。
 
接收机检测到 NTC 信号并采取正确措施以后，有线充电通路便通过上述方法获得使用优先权。但是，利用移动系统的检测算法，也可以让无线充电获得优先。这样做会颠倒检测程序。当无线充电器有效时 NTC 引脚存在电压，移动系统将对 NTC 引脚的这种电压进行监控。
 

 
图 5 电池组配件的无线充电系统构架
 
图 5 描述了紧跟在接收机电子组件整流后面的一些电压和电流环路组成部分。它允许控制器执行充电算法，通过移除电源配件中的电压调节级，使集成度和效率达到最佳。