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作者：Tony Antonacci，德州儀器 系統工程師和Stephen Terry 德州儀器 設計工程師 摘要 自Qi 標準出現以后，無線充電配件產品便可以利用這種行業通用標準，在無需基站（無線充電發送器）的情況下為移動設備無線充電。一種常用方法是向消費者提供一種無線充電保護殼、后蓋、電池組或者保護套，在其配件中放入接收機線圈和電子組件。本文將為您說明這類配件的系統級要求，重點介紹配件產品和主移動設備之間的接口。我們還將從兩個方面討論組件選擇，同時探討配件產品和主移動設備之間引腳數目接口的利弊權衡過程。 WPC (Qi)系統概述 圖 1 顯示了一個 WPC 型電感式無線充電系統的結構圖。該發送器由一個 AC/DC功率轉換、驅動器、發射線圈、電壓電流檢測和控制器組成。接收機由一個接收線圈、整流、電壓調節和控制器組成。系統負載可以是任何電池供電設備，例如：一部手機。 
圖1WPC 電感式無線充電系統結構圖 系統中，AC 電流流過發送器線圈時形成耦合磁場，電能通過該耦合磁場從發送器傳輸至接收機。如果接收機線圈極為靠近（X-Y 或者 Z 尺寸小于 5mm 間隙），發送器場力線的絕大部分將耦合至接收機線圈。這些耦合場力線在二次繞組中形成 AC 電流，對其整流便可產生 DC 電壓，從而得到手機或者其他便攜式設備使用的電源。請注意，無線充電鏈路實際上就是一款松散耦合、無芯線圈變壓器。 WPC 標準 無線充電市場興起的一個關鍵是不同發送器和接收機之間的標準化。以前，銷售無線充電接收機的公司還必須同時提供一個相應的發送器。這種狀況制約了無線充電的市場接受能力，并導致出現大量不同類型、相互不兼容的無線充電技術。無線充電聯盟 (WPC) 制定出了第一個全球標準，實現了 5W 功率級別發送器和接收機的通用性[1]。Qi（發音為“chee”）標準定義了無線充電系統的工作頻率、工作電壓和基本線圈配置。另外，還定義了一種通信協議，接收機通過它與發送器通信，例如：發送器何時終止供電（即電話不再充電時進入節能模式）、接收機要求提供多少電力以及輸出功率增加還是減少等。 配件構架 提供 Qi 標準產品的一條最快捷途徑是，利用行業通用標準獲得基站電源（無線發送器）的同時，提供具有電源或者直接電池充電實現的配件解決方案。在這種情況下，配件解決方案指的是無線充電功能，其作為移動設備的一種選配。最普遍的兩種配件實現是保護殼和后蓋。保護殼指的是一種塑料殼，它的內部包含有無線充電電路，可以牢固地夾在移動設備上，通過一些外部觸點向移動設備提供電源。后蓋則是移動設備標準后蓋的替代品，也在其內部放入了無線充電電路。另一種配件解決方案是，在移動設備的電池組中放入無線充電電路，直接對電池充電。 電源配件 圖 2 描述了無線充電接收機如何模擬電源適配器工作，向移動設備提供 5V、5W 電源。在這種最為簡易的實現中，接收機和移動設備之間總共只有兩個觸點：無線充電和接地。由于大多數第一代 Qi 產品仍然有一條連線，圖 2 還顯示了通過有線適配器和無線充電實現充電的過程。兩種電源都連接至移動設備內部的功率多路復用器。一般而言，默認情況下選擇適配器電源，在沒有適配器時使用無線充電。
圖2有線輸入的四觸點電源配件系統構架 在無線充電傳輸期間，連接適配器或者電池充電終止時，無線充電應中斷運行。當接收機檢測到無負載狀態時，向發送器發送一條停止電力傳輸的信息，以此來實現上述目標。通過開啟多路復用器的無線充電接收機開關，可以模擬這種狀態。利用其他通信，可以獲得無負載狀態的更多詳細信息。 雙觸點配件 雙觸點解決方案是成本最低的一種無線充電輸出和接收機接口，但它仍然可以提供一些有限的功能。只有兩個觸點時，我們只能將無線電源（即 5V 輸出）和接地連接移動設備，并且移動設備必須自己檢測何時在適配器電源和無線電源之間切換。這種解決方案的主要缺點是，移動設備難以通知發送器充電已經終止。在典型的無線充電系統中，晚上用戶上床睡覺時開始充電，充電一般持續兩個小時左右。一旦充電完成，接收機應向發送器發送一條終止充電的信息（由 WPC 協議定義），這樣發送器便可以進入一種低功耗的待機模式。但是雙觸點解決方案終止，只能由接收機通過檢測輸出電流是否已經降至某個閾值以下，才能檢測得到。盡管這種方法可以讓發送器進入待機模式，但電源電流由系統電流加上充電電流組成為它帶來了諸多弊端。 三觸點配件 相比雙觸點解決方案，三觸點解決方案有所改進。除無線電源和接地以外，它還增加了一個控制信號。該控制器信號可以是無線充電接收機的輸入，而無線充電接收機通過移動設備驅動。典型應用針對移動設備內部的充電器，用以檢測充電何時終止，然后將這種狀態通知接收機。接收機轉而通知發送器終止充電，發送器便進入低功耗待機模式。由于移動設備通過電池持續供電，因此它會在一個不確定時間段內不斷向無線接收機聲明終止充電，這樣整個充電周期的總發送器功耗便十分低。另外，發送器可以利用來自接收機的終止充電信息，讓用戶知道充電已經終止（例如：使用 LED 指示燈）。相比雙觸點解決方案，這種方法還可以更加精確地確定充電終止狀態。 四觸點配件 最后，相比上述解決方案，四觸點解決方案可以為用戶提供更多的選項。使用四觸點方案后，會有數種不同選項供選擇。一種是提供兩個控制信號輸入—一個用于向發送器發送終止信號，而另一個用于通知發送器移動設備使用默認狀態。圖 2 顯示了一種四觸點實現替代方法。在這種情況下，一個外部適配器可以作為設備接收機的輸入，而適配器FET柵極驅動信號可以為來自接收機的輸出，并連接至移動設備。利用這種方法，接收機可以檢測到適配器的存在，其關閉無線充電發送器，然后直接將適配電壓施加至接收機。后面小節將詳細介紹適配器多路復用器構架。 移動設備功率多路復用器 上市銷售的第一批無線充電配件，仍然將有線適配器端口保留在了無線充電輸入端的旁邊。它要求在兩個電源（有線電源和無線電源）之間使用一個功率多路復用器。圖 3 顯示了一個功率多路復用器構架的例子。這種方法利用接收機配件，對適配器電壓 (AD) 進行檢測，如果存在適配器電壓則提供柵極驅動 (AD_EN)。FET 必須以一種背靠背結構有線連接，以在開關關閉時阻滯反向和正向導電。之后，一旦存在適配器則無線充電接收機關閉電力傳輸，并通過適配器電源讓柵極驅動保持活躍狀態。這種方法要求配件和移動設備之間至少有一個四引腳接口（無線充電、AD、AD_EN和GND）。
圖3單個背靠背FET 的電源多路復用選項 為了減少電源配件和移動設備之間的要求引腳數，我們可以使用一個自動功率多路復用器。圖 4 顯示了這種構架，其不再要求使用 AD 和 AD_EN 連接。有線充電通路，通過 VSNS連接獲得優先權。如果在 VSNS檢測到某個電壓，有線充電通路便激活。否則，無線充電通路有效。為了讓接收機電子組件能夠檢測到存在適配器端口，從而終止無線充電傳輸，它必須對電源輸出電流進行監控。通過監控輸出電源電流，當無線充電通路開關關閉時便可檢測到真正的輕負載（例如：接近零輸出電流）。之后，接收機向發送器發送一條指令，讓其終止電力傳輸。
圖4使用自動開關的電源多路復用選項 電池組配件 提供無線充電配件的另一種方法是，把電子組件和接收機線圈集成到移動設備電池組中。這樣，終端用戶便可以實現設備無線充電，或者也可以將電池組直接放到無線充電感應板上對其充電（使用體驗類似于座充）。但是，有線充電器和無線充電器之間的切換受到限制——總不能無限地增加電池組和系統之間的引腳數吧。 圖 5 描述了電池組配件的構架，并突出顯示了系統和電池組之間的接口。嵌入到電池組的溫度檢測傳感器 (NTC)，用于確保充電時電池有安全的工作溫度。但是，在這種獨特的應用中，它可以被用作接收機電子組件檢測有線充電有效還是無效的一種方法。當移動系統電池充電器有效時，NTC電阻器會有一定的電壓。當它無效時，NTC 電阻器下拉至電池組接地基準。因此，電池組中的接收機電子組件可以檢測到這種電壓的存在，并立即關閉無線充電器。這種情況僅在連接有線適配器并且接收機放置在充電感應板上時出現—并不常見，但是提供兩倍充電電流不利于電池的安全性。 接收機檢測到 NTC 信號并采取正確措施以后，有線充電通路便通過上述方法獲得使用優先權。但是，利用移動系統的檢測算法，也可以讓無線充電獲得優先。這樣做會顛倒檢測程序。當無線充電器有效時 NTC 引腳存在電壓，移動系統將對 NTC 引腳的這種電壓進行監控。
圖5電池組配件的無線充電系統構架 圖 5 描述了緊跟在接收機電子組件整流后面的一些電壓和電流環路組成部分。它允許控制器執行充電算法，通過移除電源配件中的電壓調節級，使集成度和效率達到最佳。 參考文獻 1、無線充電聯盟網址：http://www.wirelesspowerconsortium.com/ 2、如欲了解 WPC 實施與設計挑戰的更多詳情，敬請訪問：http://www.ti.com/wirelesspower 作者簡介 Tony Antonacci 現任 TI bqTESLA 接收機解決方案的系統工程師，致力于便攜式設備無線充電的系統級解決方案與產品定義。他畢業于美國諾克斯維爾田納西大學 (University of Tennessee, Knoxville)，獲電子工程理學學士學位和碩士學位。目前，Tony 已經申報了一項霍耳效應 IC 集成專利。 Steve Terry 現任 TI 是一名設計工程師，主要負責便攜式應用和無線充電解決方案的高集成度線性開關模式電池充電器的設計。另外，他還是無線充電聯盟低功耗工作組的副主席。Steve 在模擬 IC 設計與電源管理 IC 設計方面已經獲得了三項專利，另有三項專利正在審批中。他畢業于美國諾克斯維爾田納西大學 (University of Tennessee in Knoxville)，獲理學學士學位、碩士學位和博士學位。 |
