可穿戴設(shè)備的無(wú)線充電功能解決方案

　　可穿戴設(shè)備正作為電子元件的一個(gè)重要市場(chǎng)領(lǐng)域而迅速興起。 這類(lèi)設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵要求就是便利性，不僅表現(xiàn)在能夠訪問(wèn)移動(dòng)物體上的數(shù)據(jù)方面，而且還能確保電池每天都有足以持續(xù)一整天的續(xù)航時(shí)間。

　　如果用戶必須插入設(shè)備使其整夜充電，那么有些時(shí)候就很有可能忘記充電，睡醒后才發(fā)現(xiàn)設(shè)備在接下來(lái)的一天時(shí)間里將無(wú)法使用。 無(wú)線充電功能為電子設(shè)備帶來(lái)一種更便捷的充電方式。 進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)只需將電子設(shè)放到充電墊上，無(wú)需在待充電設(shè)備中插入微型 USB或類(lèi)似電纜，而且用戶可以把充電墊放在容易夠到的地方。 如果無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)恰當(dāng)，一塊充電墊可同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電，無(wú)需逐一充電且更能方便用戶外出攜帶充電墊和設(shè)備。

　　現(xiàn)在，享受無(wú)線充電便利的已不止是可穿戴設(shè)備。 這項(xiàng)技術(shù)早已大量運(yùn)用到電子牙刷，甚至在進(jìn)行按比例放大，為電動(dòng)汽車(chē)電池充電。

　　感應(yīng)充電的基本工作原理與電源變壓器相同。 充電墊中的感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，然后由待充電設(shè)備的線圈接收該電磁場(chǎng)，并將其再次轉(zhuǎn)換為有用的電流。 與傳統(tǒng)變壓器類(lèi)似，基本的感應(yīng)充電也要求兩個(gè)線圈緊密靠近，以獲得高效率。 否則，初級(jí)線圈中的電阻會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的累積損耗。

　　利用兩個(gè)線圈產(chǎn)生諧振感應(yīng)耦合可提升長(zhǎng)距離能量傳輸效率，具體做法是通過(guò)合并電感和電容負(fù)載對(duì)這兩個(gè)線圈進(jìn)行調(diào)諧，使其在相同頻率下產(chǎn)生諧振。 在這種諧振條件下，大量電能可從一個(gè)線圈傳輸至位于數(shù)倍于其直徑處的另一線圈。

　　圖 1：負(fù)載調(diào)制用于對(duì)變壓器耦合期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

　　線圈電路 Q 值可調(diào)高，以便經(jīng)過(guò)多個(gè)周期后建立相對(duì)較強(qiáng)的磁場(chǎng)。 這種振蕩信號(hào)中攜帶的電能要高于任何一次饋入線圈的電能。 由于次級(jí)線圈能夠接收一部分這種振蕩磁場(chǎng)并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此輸出的電能要高于傳統(tǒng)變壓器。 為實(shí)現(xiàn)諧振而使用經(jīng)過(guò)調(diào)諧的電容可以消除發(fā)射器中的雜散和磁化電感，進(jìn)而從根本上減小線圈繞組的電阻損耗，這種損耗通常是感應(yīng)損耗的 10 到 100 倍。

　　為使 Q 值高于傳統(tǒng)變壓器 ，線圈通常采用螺線管設(shè)計(jì)，這也有助于將趨膚效應(yīng)降至最小。 通常，使用小介電常數(shù)電感器或者僅依靠空氣就能將介電損耗降至最低。

　　實(shí)際中上，并不總是將線圈調(diào)諧至一個(gè)精確的諧振頻率。 只要次級(jí)線圈截獲一定量的磁力線，松散耦合系統(tǒng)就能傳輸電能。 通過(guò)更精確的線圈匹配實(shí)現(xiàn)更緊密的耦合能夠提供更高的電能，但對(duì)設(shè)計(jì)用于在諧振條件下同時(shí)工作的線圈來(lái)說(shuō)，使它們之間保持嚴(yán)格的耦合是不可能的。 這些電路可設(shè)計(jì)為僅在失諧調(diào)件條件下工作，其中接收器與發(fā)射器的諧振頻率稍有不同。

　　遺憾的是，緊密耦合線圈還易受對(duì)準(zhǔn)度影響，而且對(duì)于用戶只想將設(shè)備隨意放到充電墊上即能成功充電，而不用去考慮最佳放置方向和位置的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，這就是一個(gè)問(wèn)題。 所以，充電所用的發(fā)射器可以采用多個(gè)線圈。 這會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但位置選擇更自由。 線圈無(wú)需重疊，這樣就能在生產(chǎn)中簡(jiǎn)化裝配，雖然線圈重疊能提高密度和接收器放置自由度。

　　要順利實(shí)現(xiàn)單發(fā)射器為不同設(shè)備充電，就需采用一些標(biāo)準(zhǔn)。 目前在用的主要有兩大標(biāo)準(zhǔn)。 Powermat 系統(tǒng)是無(wú)線電源聯(lián)盟 (Alliance for Wireless Power) 倡導(dǎo)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，圍繞基于單發(fā)射器線圈的松散耦合型系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。 無(wú)線充電聯(lián)合體 (Wireless Power Consortium) 的 Qi 系統(tǒng)允許多種不同配置，包括同時(shí)進(jìn)行松散和緊密耦合運(yùn)行。 目前的大多數(shù)發(fā)射器采用多線圈緊密耦合配置。

　　這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還考慮了能量管理，以確保充電墊只有在設(shè)備充電時(shí)才會(huì)工作。 例如，Qi 系統(tǒng)采用一個(gè)通訊協(xié)議來(lái)中轉(zhuǎn)線圈上的信號(hào)，以檢查是否存在設(shè)備且該設(shè)備是否支持 Qi 系統(tǒng)。 按照該標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射器可以在 110 kHz 至 205 kHz 范圍內(nèi)改變線圈上的切換頻率，作為功率輸送的主要控制機(jī)制。

　　在 Qi 標(biāo)準(zhǔn)下，利用線圈電壓對(duì)負(fù)載進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)制，以向氣隙另一側(cè)的裝置發(fā)送數(shù)據(jù)。 來(lái)自次級(jí)線圈的通訊使用不同的雙相位、位編碼方案，工作頻率恒為 2 kHz 并在每個(gè) 8 位傳輸數(shù)據(jù)前添加一個(gè)起始位。 傳輸數(shù)據(jù)后為奇偶校驗(yàn)和停止位。

　　圖 2：雙相位編碼能實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送能力。

　　可以發(fā)送大量控制數(shù)據(jù)。 最常用的控制數(shù)據(jù)包類(lèi)型包括：信號(hào)強(qiáng)度、控制誤差、終端功率要求和整流電源水平。 信號(hào)強(qiáng)度有助于調(diào)整設(shè)備在充電墊上的位置，當(dāng)與可見(jiàn)或可聞信號(hào)配合使用時(shí)，能夠指導(dǎo)用戶沿充電墊移動(dòng)設(shè)備，直至該信號(hào)強(qiáng)度大到足以說(shuō)明當(dāng)前功率傳輸良好。

　　控制誤差數(shù)據(jù)包可指示從接收線圈觀察到的輸入電壓及其需要的輸入電壓之間的誤差程度。 發(fā)射器通常利用控制回路調(diào)節(jié)施加到其線圈上的電壓。 如果存在大誤差，這些誤差數(shù)據(jù)包的頻率被設(shè)定為一個(gè)較大的值。 每 32 ms 將發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，直至誤差降至閾值以內(nèi)。 從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)包每 250 ms 發(fā)送一次。 控制誤差數(shù)據(jù)包非常有助于調(diào)節(jié)功率輸送。 輕負(fù)載條件下，接收器可能需要一個(gè)較高電壓，以便能克服電流瞬態(tài)——例如，從睡眠狀態(tài)喚醒可穿戴設(shè)備。 負(fù)載電流較大時(shí)，便攜式設(shè)備可能需要一個(gè)較低電壓，以避免在 LDO 穩(wěn)壓器上產(chǎn)生功率損耗。

　　設(shè)備充滿電或者檢測(cè)到可能會(huì)損壞電池的內(nèi)部故障時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出停止功率傳輸請(qǐng)求。 功率輸送還通過(guò)整流電源信息控制。 這會(huì)中繼轉(zhuǎn)發(fā)可穿戴設(shè)備在其整流電路輸出端接收到的那部分功率。 發(fā)射器利用這一信息確定耦合頻率，同時(shí)判斷接收器是否達(dá)到其最高功率極限。 每 350 ms 至 1800 ms 發(fā)送一次，發(fā)射器會(huì)利用沒(méi)有數(shù)據(jù)包的間隙確定充電墊上的設(shè)備是否被移走。 整流電源信息也有助于探測(cè)異物。

　　支持 Qi 協(xié)議和控制功率輸送的芯片組業(yè)已推出。 例如 Toshiba 推出用于發(fā)射器的 TB6865AFG 器件。 這種高集成度零件包括一個(gè)運(yùn)行客戶代碼的 ARM Cortex-M3 處理器、一個(gè)支持外部 H 橋電路的 PWM 控制器(用于功率輸送)。 按照 Qi 標(biāo)準(zhǔn)，控制器可為多達(dá)兩個(gè)設(shè)備控制功率并支持異物檢測(cè)。

　　bq51013 器件是 Texas Instruments 產(chǎn)品，設(shè)計(jì)用于次級(jí)側(cè)，能進(jìn)行 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換、整流并具有向發(fā)射器發(fā)送指令所需的數(shù)字化控制功能。 bq5101x 系列的所有器件均采用了一個(gè)低電阻同步整流器、LDO 以及電壓、電流環(huán)路控制器。

　　除控制器外，制造商還提供支持 Qi 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成線圈，這些線圈設(shè)計(jì)用作發(fā)射器、接收器或同時(shí)用作這兩種器件。 例如，Abracon 的 AWCCA-50N50 系列同時(shí)支持發(fā)射器和接收器應(yīng)用。 線圈的直徑稍小于 50 mm 且抗透磁性能強(qiáng)，可保護(hù)設(shè)備內(nèi)部的電子器件。 這些設(shè)計(jì)提供可在 70 或 160 范圍內(nèi)選擇的 Q 系數(shù)，這兩種情況下的 DC 電阻分別為 20 mΩ 或 70 mΩ 左右。

　　針對(duì)較小的可穿戴設(shè)備，TDK 推出 WR303050 線圈，并將其封裝尺寸減小至 30 x 30 mm 且厚度僅 1 mm。 室溫下 DC 電阻為 0.41 Ω。

　　為提高靈活性，Vishay Dale 的 IWAS-3827 提供采用長(zhǎng)方形而非正方形基底面選擇，其長(zhǎng)寬分別為 38 mm 和 27 mm。 該線圈厚度 1 mm，DC 電阻為 0.18 Ω，典型 Q 值為 30。

　　圖 3：用于無(wú)線電源的 AVishay Dale 線圈。

　　為提供集成度更高的解決方案，TDK 的 TMx-66-2M7 和 TMx-58-2M7 可與一個(gè) TI 接收器芯片封裝在一起，實(shí)現(xiàn)一個(gè)總長(zhǎng) 66 mm、厚度僅 1 mm 的封裝器件。

　　可選用的其它無(wú)線充電器件包括 Würth Electronics 提供的各種 WPCC 和 WE-WPCC 系列無(wú)線充電線圈。 這些線圈包括發(fā)射器和接收器兩種配置形式，額定電流為 0.8 至 13 A 且尺寸多樣，能滿足各種應(yīng)用要求。 我們可利用 Würth/TI 無(wú)線電源演示套件 (760308) 演示無(wú)線充電的概念和好處，該套件采用了 Würth 發(fā)射器和接收器線圈。

　　隨著圍繞如 Qi 等協(xié)議的生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)張，我們可以期待用集成度更高的解決方案來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單的充電方法。