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作者：Bill Johns，高級應用工程師 Kalyan Siddabattula，系統工程師 Upal Sengupta，應用及市場營銷經理 前言 智能手表、健身腕帶 (fitness wrist band) 以及耳機等眾多低功耗可佩戴設備已紛紛推向市場（圖 1）。這類全新系列的電子產品將有望在未來幾年獲得快速的增長和發展。這些產品的典型特征是小巧輕薄、形狀各異，而且工業設計也可謂千變萬化。所用電池容量從 100mAh 到 300mAh 不等，因而對充電速率的要求也各不相同。 
為這類設備充電的傳統方式是使用插頭－插孔式(plug-and-jack style) 連接器或微型 USB 連接器。但即便是這些相對較小的連接器對于一些新推出的超薄可佩戴應用來說也顯得過大了。對于戶外可佩戴環境來說，連接器臟污是一個甚至更為嚴重的問題。 為了解決上述問題，無線充電方案應運而生，為設計人員提供了更豐富的選擇余地。適用于 Qi 標準（由無線充電聯盟 (WPC) 制定）的現有半導體器件經過簡單調整，就可用于這種低功耗應用。該技術使用兩個平面線圈穿過密封外殼傳輸電源。對于低功耗可佩戴設備而言，體積小、厚度薄的低功耗接收器線圈可以輕松安裝在外殼的背面或腕帶內。符合 Qi 標準的器件屬成熟解決方案，能縮短開發時間，同時產品還能得到現有 WPC 基礎設施的支持。 符合 Qi 標準的無線電源系統 典型的無線電源系統（圖 2）在便攜式設備中有一個接收器 (Rx)，能為電池充電提供能源。發送器 (Tx) 位于固定基座中，可連接墻壁上的電源。發送器的輸入電源可轉換成 AC，然后在發送器線圈與接收器線圈靠近時，經發送器線圈磁耦合至接收器線圈。接收器的-輸出電壓通常為 5V，電流可達 1A，用于為便攜式設備中的電池充電器 IC 提供輸入電源。
該系統中的發送器工作受接收器芯片控制。接收器芯片通過同一磁耦合路徑發回數字通信數據包實現反饋。符合 Qi 標準的接收器使用負載調制通過兩個線圈以數據包的方式發送信息，實現與發送器的通信。發送器線圈電壓和電流能以 2KHz 頻率進行調制，經發送器解碼后可用于控制目的。接收器可向發送器發送多種類型的數據包，以實現控制和通信目的。此外，通信損耗會導致電源傳輸中斷。 Qi 標準的“識別和配置”命令數據包對確保只向正確的設備傳輸電源非常有用，可避免發生潛在的危險狀況。此外，“充電完成”和“終止電源傳輸”數據包命令也非常實用，可在電池充電完成時終止電源傳輸，或在其它狀況要求終止電源傳輸時對電源傳輸進行終止。1這些特性可確保在采用得到廣泛認可的現有標準的基礎上實現發送器和接收器之間的安全電源傳輸。 低功耗無線系統 通過精心調整線圈大小和外部組件值，使之符合更小尺寸應用的要求，符合 Qi 標準的可用接收器和發送器經優化后可用于低功耗無線系統。發送器和接收器的線圈尺寸均可縮小，以滿足更纖小外形的要求。電源部分的組件，特別是發送器組件，能采用更低的電源參數。 符合典型 WPC-1.1Qi 標準的系統可支持高達 5W 的輸出負載，通常電流為 1A 時電壓為 5V 。從另一方面講，用于可佩戴設備應用的低功耗系統，輸出電源一般在電流為 100 到 250mA 時電壓為 5V。 在不影響尺寸或性能的情況下，可使用大多數符合 Qi 標準的特性。異物檢測 (FOD) 是一項可選功能，可用于防止將電源傳輸給充電區域中的雜散金屬對象。-對于具備 FOD 功能的低功耗系統，總輸出功率會下降50% 以上。雖然可充電區域面積下降了， 但充電場中物體升溫引發問題的可能性也大大降低了。是否使用FOD 功能主要取決于可佩戴設備的充電板或充電底座的機械設計。表 1 是使用 WPC-1.1 Qi 標準時定制可佩戴應用可選用的部分主要功能。 表 1：符合 Qi 標準與可佩戴解決方案
低功耗系統線圈 雖然線圈的尺寸可以縮小到一定程度，但仍然必須具備傳輸電源和與發送器通信的功能。典型的線圈構造是采用圓形平面線圈，該線圈由屏蔽層上的銅線制成。另外也可采用 PCB 線圈或柔性電路線圈。通常情況下，這些替代方案具有較高的 DC 電阻（降低效率），但可以非常薄，理想適用于小型低功耗應用。屏蔽層的作用是避免 AC 電場進入電子產品和電池，也可以改善線圈的性能。 假定 Rx 和 Tx 線圈在 X-Y 平面上平行對齊，有兩個關鍵因素可以決定耦合系數 k。首先是線圈間的距離(z)，其次是兩個線圈的直徑比例。當兩個線圈彼此靠近且二者直徑相匹配時，可以獲得最佳耦合效果（K 最大）。2為確保從一開始就讓x-y 平行對齊，在可佩戴設備使用的充電基座或充電底座的機械設計上應提供某種物理方式來輔助設備在充電基座／充電底座中的正確放置。由于此類應用中的接收器線圈尺寸極小，Rx 和 Tx 線圈稍稍錯位就會造成耦合系數顯著下降，使電源傳輸效率低下。 在 WPC/Qi 等耦合電感器系統中，一次和二次線圈之間的耦合系數 (K) 一般在 0.5 到 0.7 范圍內。典型變壓器的 K 值要高得多，比如 0.99 。在耦合系數偏低的情況下，需要二次（接收器）側有較高的電感值來確保滿足輸出功率要求。小型低功耗設備由于耦合系數低，實際上可能需要比標準 5W 設計更大的二次電感。3更大電感量的接收器線圈需要更多繞組圈數和更大的屏蔽層才能實現所需的電壓增益。 線圈設計 設計接收器線圈大小時需要權衡的方面包括電線直徑、屏蔽層大小和厚度。線圈的 DC 電阻是造成接收器效率降低的因素。接收器線圈設計需要一定圈數的繞組才能實現所需的電感。如前文所述，小型線圈因為耦合因數下降，需要比大型線圈更大的電感。為了在較小空間內使用更多繞組圈數實現更高電感值，需降低電線直徑。電線直徑縮小加上繞組圈數增多會增大 DC 電阻、降低效率。 屏蔽層能夠為磁通提供低阻抗路徑，增加線圈的電感量。同時屏蔽層還能防止 AC 電場進入電池和接收器內周邊的金屬部分。最好使用較大較厚的屏蔽層，因為較薄的屏蔽層在高通量磁場中容易發生飽和。發送器線圈的設計受到的物理局限較少。線圈可以更大，電感也可以更小。 標準 5WWPC 應用使用的典型線圈是 A11 型線圈。這種環形線圈直徑大約 50 毫米，其后有厚鐵氧體屏蔽層。這種線圈在帶有多種類型接收器的各種應用中已通過測試，表明其更適用于較高的功率級（3W到5W）。對較低功率和較小覆蓋范圍的接收器， 許多線圈規格可以下調。 A11 線圈的典型電感量為 6.3μH。為實現最佳性能應保持該值。可以縮小電線直徑以實現更小尺寸的線圈，但這樣做會增大 DC 電阻損耗。減小屏蔽層厚度還能夠進一步減小線圈尺寸。有多種性能表現良好的屏蔽層類型可供選擇。 對 30 毫米直徑環形發送器線圈的測試已取得良好結果（圖 3）。更小尺寸的解決方案也有可能，但設計人員必須注意不讓 DC 電阻明顯增加。就大多數 WPC 發送器使用的諧振轉換器架構而言，即便在極低負載下一次線圈也有電流流過。為避免過大的功率損耗，Tx 線圈的 DC 電阻必須在產品尺寸允許范圍內盡可能最低。
低功耗接收器 Bq51003 是德州儀器 (TI) bq51xxx 系列無線電源接收器中的一款器件，特別適合低功耗應用。該器件的主要不同之處在于針對較低輸出電流優化了一些特性性能。 該器件系列采用 Dynamic Rectifier ControlTM 改善負載瞬態性能。Qi 標準具有速度相對較慢的全局反饋環路，改變工作點耗時可能多達 100ms 。這就意味著負載步進可降低輸出電壓，導致系統重置。為提供足夠電壓實現瞬態工作，VRECT 工作點在低負載下設置為高。該特性可為負載步進提供幫助，但會降低輕負載效率。為解決這個問題，可使用 Dynamic Efficiency Scaling. 技術來為最大輸出負載定制輕負載電壓。最大輸出電流可使用電阻器設置。 表 2：無線接收器 (bq51003) 的動態整流器控制功能
由于用于熱耗散的 PCB 面積縮小了，因此散熱路徑也需要納入考慮范圍。由于典型應用需要使用降低的充電電流為小型電池充電，因此熱耗散可以管理。 正如前文所提到的那樣，bq51003（以及 bq51013B 等其它恒壓輸出接收器）能夠與一個二級 IC 串接，為鋰離子電池調整和管理充電電流。這類電池需要精確的恒流／恒壓充電控制配置文件，其可使用 bq24232 等器件實施（圖 4）。對于低功耗應用來說，簡單的低成本線性充電器通常是最佳選擇。選擇充電器器件的關鍵在于檢驗其是否能夠通過控制低充電電流等級來滿足可佩戴設備中使用的小型電池應用需求。bq24232 可在需要時將恒定電流等級調低至 25mA，該器件已經在支持各種小型電池的應用中實施。如欲了解有關鋰離子電池所需充電控制功能的更多詳情，敬請參閱 bq24232 的產品說明書。
低功耗發送器 對于典型的 5W 應用而言，有眾多符合 Qi 標準且功能豐富多樣的發送器類型可供選擇。bq50xxx 系列可支持 5W 或更大的接收器輸出功率。bq500211 對于低功耗應用而言是個理想的入門器件。標準 EVM 套件配套提供一個 5V 輸入 A11 型的發送器線圈。但是，正如上文所述，對于低功耗可佩戴應用，可使用較小型組件替換該線圈。這一單元的工作電源既可選擇使用USB 端口也可選用低功耗 5V 適配器。發送器設計可以選擇小型化和低成本化。 bq500211Qi 發送器控制器具有輸入功率限制選項-。發送器的輸入電流可限制在 500mA，這可實現通過USB 端口或小型適配器供電。這對電流需求很低的低功耗接收器而言非常適用。圖 5 所示為范例方框圖。輸入電流用跨接的電阻器感應，并通過電流感應放大器放大。電源部分使用帶集成型驅動器的功率級-MOSFET 。不過，也可以使用獨立的驅動器和低損耗MOSFET 設計方案來降低成本。如前文所述，在輸出較低功率時，FOB 保護功能為可選項。圖示的電路沒有實施 FOD 特性。此外，為了簡化和降低成本，圖 5 所示的設計也沒有顯示供低功耗待機模式使用的可選電路。如欲了解有關該設計的更多詳情，敬請參閱參考資料 4。
結論 我們現在可通過使用現有的現成器件，在低功耗可佩戴設計中實施無線電感充電。設計電源范圍在 500 至1500mW 之間的有效解決方案，重點是優化磁性組件，具體是指使用更小尺寸的接收器線圈與相應尺寸的發送器線圈匹配，以保持最佳耦合因數。同樣重要的是使用 bq500211 發送器和 bq51003 低功耗接收器進行適當的外部電路修改，以便最大限度地降低系統損耗。 |
