自從尼古拉特斯拉聲稱(chēng)他發(fā)現(xiàn)了基本原理并且只需要一個(gè)有進(jìn)取心的個(gè)人來(lái)將該技術(shù)商業(yè)化以來(lái)，無(wú)線充電（也稱(chēng)為感應(yīng)充電或無(wú)線電力）就已經(jīng)顯示出前景。那是在 1921 年。從那時(shí)起，系統(tǒng)來(lái)去匆匆，但該行業(yè)并未真正著火。

　　技術(shù)障礙、競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者不感興趣是進(jìn)展緩慢的罪魁禍?zhǔn)祝闆r開(kāi)始發(fā)生變化，分析師們對(duì)此感到興奮。例如，IHS 顧問(wèn)公司預(yù)測(cè)，到 2018 年，無(wú)線充電市場(chǎng)將從 2013 年的 2.16 億美元擴(kuò)大到 85 億美元。這種樂(lè)觀的原因之一是最近宣布兩個(gè)以前相互競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在聯(lián)手共同推廣這項(xiàng)技術(shù)。 其次，感應(yīng)式和諧振式無(wú)線充電都在很大程度上克服了無(wú)線充電的技術(shù)挑戰(zhàn)，并且都得到了廣泛的半導(dǎo)體供應(yīng)商的支持。

　　廣泛部署的無(wú)線充電有可能為消費(fèi)者增加電池補(bǔ)充的便利性，就像 Wi-Fi 為連接所做的那樣。本文著眼于芯片制造商如何通過(guò)引入集成的發(fā)射器和接收器設(shè)備來(lái)讓設(shè)計(jì)人員更容易進(jìn)入這個(gè)利潤(rùn)豐厚的領(lǐng)域，工程師可以在這些設(shè)備上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

　　無(wú)線充電的基本原理

　　從根本上說(shuō)，無(wú)線充電是使用感應(yīng)將能量從發(fā)射器線圈傳輸?shù)浇邮掌骶€圈。發(fā)射器線圈產(chǎn)生一個(gè)振蕩磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在接收器線圈中感應(yīng)出交流電壓，然后對(duì)其進(jìn)行整流和調(diào)節(jié)以為電池充電。

　　功率傳輸?shù)男嗜Q于電感器之間的耦合 （k） 及其質(zhì)量 （Q）。耦合取決于電感器之間的距離 （z） 和線圈直徑的比率。耦合進(jìn)一步取決于線圈的形狀和它們之間的角度。

　　緊密耦合系統(tǒng)——兩個(gè)相似尺寸的線圈靠得很近，對(duì)齊和平行——效率更高，并且可以限制麻煩的電磁干擾 （EMI）（圖 1。）更高的效率限制了不必要的熱量。松散耦合系統(tǒng)可用于難以限制線圈之間的間隙和/或匹配線圈尺寸的情況，但需要在較低的效率和較大的 EMI 發(fā)射之間進(jìn)行權(quán)衡。耦合程度由“耦合因子”決定，是衡量發(fā)射器線圈產(chǎn)生的磁通量中有多少被接收器線圈捕獲的量度。完美耦合，即所有通量都被捕獲，其耦合系數(shù)為 1。實(shí)際系統(tǒng)的耦合系數(shù)通常為 0.3 到 0.6。

　　圖 1：緊密耦合的無(wú)線充電器采用緊密對(duì)齊、尺寸相似的線圈，效率更高，同時(shí)產(chǎn)生的 EMI 問(wèn)題更少。（圖片由無(wú)線電力聯(lián)盟提供）

　　諧振耦合，即發(fā)射器和接收器線圈在諧振頻率下運(yùn)行，通常會(huì)提高系統(tǒng)效率。直觀地說(shuō)，緊密耦合的線圈都在其諧振頻率下工作，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生最有效的系統(tǒng)。然而，情況并非如此，因?yàn)槊總€(gè)線圈都有一個(gè)最小距離可以保持諧振操作。這個(gè)最小距離取決于線圈的大小和工作頻率，但大于緊密耦合系統(tǒng)的典型線圈間隔。物理學(xué)很復(fù)雜，但從本質(zhì)上講，如果兩個(gè)諧振線圈靠得太近，它們的磁場(chǎng)就會(huì)“崩潰”，功率傳輸就會(huì)停止。正好在——它們的共振頻率。

　　然而，諧振耦合的優(yōu)勢(shì)在于提高系統(tǒng)的效率，在這種情況下緊密耦合是不可能的，或者通過(guò)降低要充電的設(shè)備必須放置在充電板上的精度來(lái)增加消費(fèi)者的便利性。與感應(yīng)系統(tǒng)的“聚焦”磁場(chǎng)不同，諧振系統(tǒng)產(chǎn)生更寬的磁場(chǎng)，允許放置在范圍內(nèi)的多個(gè)物體接收合理數(shù)量的功率。

　　另一種選擇是具有多個(gè)線圈的充電站，它提供了更寬的諧振充電充電區(qū)域（允許同時(shí)為更多移動(dòng)產(chǎn)品充電），同時(shí)仍然保留了緊密耦合的優(yōu)勢(shì)。

　　除了技術(shù)挑戰(zhàn)之外，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)之間的競(jìng)爭(zhēng)是無(wú)線充電引入緩慢的另一個(gè)主要原因。無(wú)線充電聯(lián)盟 （WPC） 制定了 Qi（發(fā)音為“Chee”）規(guī)范，其中包括感應(yīng)式和諧振式無(wú)線充電，而無(wú)線充電聯(lián)盟 （A4WP） 和電力事務(wù)聯(lián)盟 （PMA） 都提倡諧振充電。2015 年 6 月，A4WP 和 PMA 合并形成 AirFuel 聯(lián)盟，該聯(lián)盟現(xiàn)在推廣感應(yīng)和無(wú)線充電技術(shù)。

　　規(guī)范包括更高功率版本的規(guī)定。例如，Qi 的低功率規(guī)格可提供高達(dá) 5 W 的功率（用于智能手機(jī)充電），中等功率規(guī)格可提供高達(dá) 120 W 的功率（用于平板電腦和筆記本電腦）。提供高達(dá) 1 kW 的高功率規(guī)格正在開(kāi)發(fā)中。

　　關(guān)閉循環(huán)

　　雖然無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念很簡(jiǎn)單（圖 3），但實(shí)際電路更難實(shí)現(xiàn)。除了選擇線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以盡可能高效地傳輸能量外，主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自電壓、頻率和占空比的控制和補(bǔ)償。

　　圖 3：無(wú)線充電系統(tǒng)在概念上很簡(jiǎn)單（如該示意圖所示），但詳細(xì)設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。該設(shè)計(jì)使用反向散射調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)閉合反饋回路的單向通信。（使用 Digi-Key方案生成的圖像 - 它基于德州儀器提供的原始圖像）

　　控制和補(bǔ)償需要接收器和發(fā)射器之間的反饋回路。因?yàn)檫@是一種無(wú)線技術(shù)，所以發(fā)射器和接收器線圈之間沒(méi)有物理鏈接。因此，使用諸如反向散射調(diào)制或低功率射頻鏈路等無(wú)線技術(shù)來(lái)完成反饋環(huán)路。

　　后一種技術(shù)不太常見(jiàn)，但已開(kāi)始取得進(jìn)展。例如，AirFuel 聯(lián)盟鼓勵(lì)使用藍(lán)牙低功耗或Wi-Fi等技術(shù)在接收器和發(fā)射器之間進(jìn)行通信，反之亦然（請(qǐng)記住，最常需要充值的設(shè)備，例如智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦，通常具有內(nèi)置 Wi-Fi 和藍(lán)牙）。與反向散射調(diào)制相比，雙向射頻鏈路的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)充電過(guò)程的更精確控制。缺點(diǎn)是額外的成本和增加的復(fù)雜性。

　　盡管成本和復(fù)雜性很高，但反饋至關(guān)重要，尤其是在為當(dāng)今大多數(shù)便攜式設(shè)備中使用的鋰離子 （Li-ion） 電池充電時(shí)。當(dāng)接近滿容量和過(guò)度充電時(shí)，這些電池對(duì)快速充電造成的損壞非常敏感。（請(qǐng)參閱 TechZone 文章“鋰 （Li-ion） 電池充電設(shè)計(jì)師指南”。）

　　為了傳達(dá)這種反饋，大多數(shù)當(dāng)代無(wú)線充電系統(tǒng)使用反向散射調(diào)制在接收器和發(fā)射器之間形成單向通信鏈路（它與無(wú)源 RFID 標(biāo)簽使用的系統(tǒng)類(lèi)似）。本質(zhì)上，該技術(shù)利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即接收器線圈上的負(fù)載會(huì)產(chǎn)生電磁波，該電磁波可以在發(fā)射器上感應(yīng)出電流線圈（與主要無(wú)線充電操作相反的過(guò)程）。通過(guò)適當(dāng)?shù)模ㄏ鄬?duì)便宜和簡(jiǎn)單的）電路，可以調(diào)制和解釋感應(yīng)電流，以確定接收器上的負(fù)載如何隨著電池充電而變化。然后可以使用此類(lèi)信息來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射器線圈提供的能量，從而為充電過(guò)程提供動(dòng)力。

　　無(wú)線充電解決方案

　　使用分立元件設(shè)計(jì)無(wú)線充電產(chǎn)品非常棘手，需要大量實(shí)驗(yàn)，因此不適合經(jīng)驗(yàn)有限且時(shí)間緊迫的設(shè)計(jì)人員。但是，這并不排除新手開(kāi)發(fā)無(wú)線充電產(chǎn)品。成功的關(guān)鍵是將設(shè)計(jì)基于幾個(gè)芯片組之一，這些芯片組將無(wú)線充電系統(tǒng)所需的大部分控制和補(bǔ)償功能集成到單個(gè)芯片中。

　　此類(lèi)設(shè)備的一個(gè)示例是Semtech 的 TS80000無(wú)線充電發(fā)射器 IC 及其姊妹組件TS81001接收器 IC。TS80000 負(fù)責(zé)無(wú)線充電電路的控制、通信和補(bǔ)償，可提供高達(dá) 40 W 的功率輸出，同時(shí)支持符合 Qi 和 AirFuel 標(biāo)準(zhǔn)以及專(zhuān)有應(yīng)用。TS80000 可配置為驅(qū)動(dòng)半橋和全橋系統(tǒng)中的單線圈或多線圈應(yīng)用。

　　TS80000 負(fù)責(zé)后向散射調(diào)制解碼并相應(yīng)地調(diào)整能級(jí)。集成的 PID 濾波器為反饋回路提供必要的補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比、頻率和橋電壓的高精度控制。TS80000 發(fā)送器 IC 推薦與 Semtech 的TS61001全橋 FET 驅(qū)動(dòng)器一起使用，而 TS81001 接收器 IC 推薦與 Semtech 的TS51111同步整流器一起使用。

　　德州儀器（TI） 提供多種無(wú)線充電解決方案，其中包括bq500511。該無(wú)線功率發(fā)射器可以與公司的bq50002模擬前端設(shè)備結(jié)合使用，以集成創(chuàng)建符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ?5 V 發(fā)射器所需的所有功能。該芯片“ping”周?chē)h(huán)境，為接收器設(shè)備供電，安全地接合要充電的設(shè)備，接收來(lái)自設(shè)備的通信，并根據(jù) WPC v1.2 規(guī)范管理電力傳輸。

　　該芯片的一個(gè)不錯(cuò)的好處是一個(gè)稱(chēng)為異物檢測(cè) （FOD） 的功能，它可以防止由于能量沉入磁場(chǎng)中放錯(cuò)位置的金屬物體而造成的功率損失。

　　無(wú)線電力發(fā)射器與符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電力接收器bq51051等設(shè)備協(xié)同工作。TI 聲稱(chēng) bq51051 提供高效的交流到直流電源轉(zhuǎn)換，并集成了符合 Qi v1.1 通信協(xié)議所需的數(shù)字控制器。該設(shè)備值得注意，因?yàn)樗闪?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池充電控制器，允許“直接充電”。TI 解釋說(shuō)，與無(wú)線電源接收器與單獨(dú)的下游充電器芯片配對(duì)（圖 4）相比，這將整體效率提高了 10%。其他優(yōu)勢(shì)是節(jié)省成本和空間。

　　圖 4：直接無(wú)線充電系統(tǒng)——將接收器和電池充電控制器組合到一個(gè)芯片中——比分立系統(tǒng)的效率高出 10%。（圖片由德州儀器提供）

　　NXP還提供基于其MWCT1111無(wú)線充電發(fā)射器的無(wú)線充電解決方案。該器件支持任何符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 15 W 單線圈拓?fù)?，并使用該公司的?zhuān)有內(nèi)核，該內(nèi)核針對(duì)電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。MWCT1111 執(zhí)行諸如反向散射調(diào)制的數(shù)字解調(diào)、FOD 和電源調(diào)節(jié)等任務(wù)。

　　MWCT1111 可與 NXP MWPR1516等姊妹設(shè)備配合使用，該接收器符合 WPC 規(guī)范，并有可能支持其他未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)。該器件的兩個(gè)顯著方面是其 ARM ? Cortex ? -M0+ 內(nèi)核和頻移鍵控 （FSK） 功能，允許在發(fā)射器和接收器之間開(kāi)發(fā)無(wú)線雙向通信架構(gòu)。

　　快速進(jìn)入利潤(rùn)豐厚的市場(chǎng)

　　無(wú)線充電的便利性加上效率的提高（一些制造商現(xiàn)在聲稱(chēng)從輸入到電池的能量傳輸效率高達(dá) 75%）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的采用提高了該技術(shù)的知名度。

　　建議處理無(wú)線充電的設(shè)計(jì)工程師考慮遵守已發(fā)布的規(guī)范之一，因?yàn)樗赡軙?huì)增加最終產(chǎn)品的商業(yè)機(jī)會(huì)。例如，一些移動(dòng)產(chǎn)品供應(yīng)商已經(jīng)為其智能手機(jī)和平板電腦采用了一種或兩種規(guī)格。

　　從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)系統(tǒng)是可行的，并且可能會(huì)降低材料清單 （BOM），但需要專(zhuān)業(yè)知識(shí)和熟悉無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。建議經(jīng)驗(yàn)不足的工程師將他們的系統(tǒng)建立在無(wú)線充電芯片組上，該芯片組可從一系列知名半導(dǎo)體供應(yīng)商處獲得，該芯片組已針對(duì)效率進(jìn)行了優(yōu)化，包括 FOD 等有用功能，并且經(jīng)過(guò)認(rèn)證符合一項(xiàng)或多項(xiàng)主要標(biāo)準(zhǔn)。與分立解決方案相比，新手工程師可能通過(guò)使用芯片組節(jié)省的設(shè)計(jì)時(shí)間將抵消增加的組件成本。