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作者：Bill Johns，高級(jí)應(yīng)用工程師 Kalyan Siddabattula，系統(tǒng)工程師 Upal Sengupta，應(yīng)用及市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理 前言 智能手表、健身腕帶 (fitness wrist band) 以及耳機(jī)等眾多低功耗可佩戴設(shè)備已紛紛推向市場(chǎng)（圖 1）。這類全新系列的電子產(chǎn)品將有望在未來(lái)幾年獲得快速的增長(zhǎng)和發(fā)展。這些產(chǎn)品的典型特征是小巧輕薄、形狀各異，而且工業(yè)設(shè)計(jì)也可謂千變?nèi)f化。所用電池容量從 100mAh 到 300mAh 不等，因而對(duì)充電速率的要求也各不相同。 
為這類設(shè)備充電的傳統(tǒng)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(duì)較小的連接器對(duì)于一些新推出的超薄可佩戴應(yīng)用來(lái)說(shuō)也顯得過(guò)大了。對(duì)于戶外可佩戴環(huán)境來(lái)說(shuō)，連接器臟污是一個(gè)甚至更為嚴(yán)重的問(wèn)題。 為了解決上述問(wèn)題，無(wú)線充電方案應(yīng)運(yùn)而生，為設(shè)計(jì)人員提供了更豐富的選擇余地。適用于 Qi 標(biāo)準(zhǔn)（由無(wú)線充電聯(lián)盟 (WPC) 制定）的現(xiàn)有半導(dǎo)體器件經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整，就可用于這種低功耗應(yīng)用。該技術(shù)使用兩個(gè)平面線圈穿過(guò)密封外殼傳輸電源。對(duì)于低功耗可佩戴設(shè)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(nèi)。符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的器件屬成熟解決方案，能縮短開發(fā)時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)品還能得到現(xiàn)有 WPC 基礎(chǔ)設(shè)施的支持。 符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源系統(tǒng) 典型的無(wú)線電源系統(tǒng)（圖 2）在便攜式設(shè)備中有一個(gè)接收器 (Rx)，能為電池充電提供能源。發(fā)送器 (Tx) 位于固定基座中，可連接墻壁上的電源。發(fā)送器的輸入電源可轉(zhuǎn)換成 AC，然后在發(fā)送器線圈與接收器線圈靠近時(shí)，經(jīng)發(fā)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(dá) 1A，用于為便攜式設(shè)備中的電池充電器 IC 提供輸入電源。
該系統(tǒng)中的發(fā)送器工作受接收器芯片控制。接收器芯片通過(guò)同一磁耦合路徑發(fā)回?cái)?shù)字通信數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)反饋。符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的接收器使用負(fù)載調(diào)制通過(guò)兩個(gè)線圈以數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)與發(fā)送器的通信。發(fā)送器線圈電壓和電流能以 2KHz 頻率進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)發(fā)送器解碼后可用于控制目的。接收器可向發(fā)送器發(fā)送多種類型的數(shù)據(jù)包，以實(shí)現(xiàn)控制和通信目的。此外，通信損耗會(huì)導(dǎo)致電源傳輸中斷。 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的“識(shí)別和配置”命令數(shù)據(jù)包對(duì)確保只向正確的設(shè)備傳輸電源非常有用，可避免發(fā)生潛在的危險(xiǎn)狀況。此外，“充電完成”和“終止電源傳輸”數(shù)據(jù)包命令也非常實(shí)用，可在電池充電完成時(shí)終止電源傳輸，或在其它狀況要求終止電源傳輸時(shí)對(duì)電源傳輸進(jìn)行終止。1這些特性可確保在采用得到廣泛認(rèn)可的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)送器和接收器之間的安全電源傳輸。 低功耗無(wú)線系統(tǒng) 通過(guò)精心調(diào)整線圈大小和外部組件值，使之符合更小尺寸應(yīng)用的要求，符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的可用接收器和發(fā)送器經(jīng)優(yōu)化后可用于低功耗無(wú)線系統(tǒng)。發(fā)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(fā)送器組件，能采用更低的電源參數(shù)。 符合典型 WPC-1.1Qi 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可支持高達(dá) 5W 的輸出負(fù)載，通常電流為 1A 時(shí)電壓為 5V 。從另一方面講，用于可佩戴設(shè)備應(yīng)用的低功耗系統(tǒng)，輸出電源一般在電流為 100 到 250mA 時(shí)電壓為 5V。 在不影響尺寸或性能的情況下，可使用大多數(shù)符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的特性。異物檢測(cè) (FOD) 是一項(xiàng)可選功能，可用于防止將電源傳輸給充電區(qū)域中的雜散金屬對(duì)象。-對(duì)于具備 FOD 功能的低功耗系統(tǒng)，總輸出功率會(huì)下降50% 以上。雖然可充電區(qū)域面積下降了， 但充電場(chǎng)中物體升溫引發(fā)問(wèn)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(shè)備的充電板或充電底座的機(jī)械設(shè)計(jì)。表 1 是使用 WPC-1.1 Qi 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)定制可佩戴應(yīng)用可選用的部分主要功能。 表 1：符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)與可佩戴解決方案
低功耗系統(tǒng)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(fā)送器通信的功能。典型的線圈構(gòu)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(yīng)用。屏蔽層的作用是避免 AC 電場(chǎng)進(jìn)入電子產(chǎn)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(duì)齊，有兩個(gè)關(guān)鍵因素可以決定耦合系數(shù) k。首先是線圈間的距離(z)，其次是兩個(gè)線圈的直徑比例。當(dāng)兩個(gè)線圈彼此靠近且二者直徑相匹配時(shí)，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(duì)齊，在可佩戴設(shè)備使用的充電基座或充電底座的機(jī)械設(shè)計(jì)上應(yīng)提供某種物理方式來(lái)輔助設(shè)備在充電基座／充電底座中的正確放置。由于此類應(yīng)用中的接收器線圈尺寸極小，Rx 和 Tx 線圈稍稍錯(cuò)位就會(huì)造成耦合系數(shù)顯著下降，使電源傳輸效率低下。 在 WPC/Qi 等耦合電感器系統(tǒng)中，一次和二次線圈之間的耦合系數(shù) (K) 一般在 0.5 到 0.7 范圍內(nèi)。典型變壓器的 K 值要高得多，比如 0.99 。在耦合系數(shù)偏低的情況下，需要二次（接收器）側(cè)有較高的電感值來(lái)確保滿足輸出功率要求。小型低功耗設(shè)備由于耦合系數(shù)低，實(shí)際上可能需要比標(biāo)準(zhǔn) 5W 設(shè)計(jì)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(shù)和更大的屏蔽層才能實(shí)現(xiàn)所需的電壓增益。 線圈設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)接收器線圈大小時(shí)需要權(quán)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(shè)計(jì)需要一定圈數(shù)的繞組才能實(shí)現(xiàn)所需的電感。如前文所述，小型線圈因?yàn)轳詈弦驍?shù)下降，需要比大型線圈更大的電感。為了在較小空間內(nèi)使用更多繞組圈數(shù)實(shí)現(xiàn)更高電感值，需降低電線直徑。電線直徑縮小加上繞組圈數(shù)增多會(huì)增大 DC 電阻、降低效率。 屏蔽層能夠?yàn)榇磐ㄌ峁┑妥杩孤窂剑黾泳�圈的電感量。同時(shí)屏蔽層還能防止 AC 電場(chǎng)進(jìn)入電池和接收器內(nèi)周邊的金屬部分。最好使用較大較厚的屏蔽層，因?yàn)檩^薄的屏蔽層在高通量磁場(chǎng)中容易發(fā)生飽和。發(fā)送器線圈的設(shè)計(jì)受到的物理局限較少。線圈可以更大，電感也可以更小。 標(biāo)準(zhǔn) 5WWPC 應(yīng)用使用的典型線圈是 A11 型線圈。這種環(huán)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(yīng)用中已通過(guò)測(cè)試，表明其更適用于較高的功率級(jí)（3W到5W）。對(duì)較低功率和較小覆蓋范圍的接收器， 許多線圈規(guī)格可以下調(diào)。 A11 線圈的典型電感量為 6.3μH。為實(shí)現(xiàn)最佳性能應(yīng)保持該值。可以縮小電線直徑以實(shí)現(xiàn)更小尺寸的線圈，但這樣做會(huì)增大 DC 電阻損耗。減小屏蔽層厚度還能夠進(jìn)一步減小線圈尺寸。有多種性能表現(xiàn)良好的屏蔽層類型可供選擇。 對(duì) 30 毫米直徑環(huán)形發(fā)送器線圈的測(cè)試已取得良好結(jié)果（圖 3）。更小尺寸的解決方案也有可能，但設(shè)計(jì)人員必須注意不讓 DC 電阻明顯增加。就大多數(shù) WPC 發(fā)送器使用的諧振轉(zhuǎn)換器架構(gòu)而言，即便在極低負(fù)載下一次線圈也有電流流過(guò)。為避免過(guò)大的功率損耗，Tx 線圈的 DC 電阻必須在產(chǎn)品尺寸允許范圍內(nèi)盡可能最低。
低功耗接收器 Bq51003 是德州儀器 (TI) bq51xxx 系列無(wú)線電源接收器中的一款器件，特別適合低功耗應(yīng)用。該器件的主要不同之處在于針對(duì)較低輸出電流優(yōu)化了一些特性性能。 該器件系列采用 Dynamic Rectifier ControlTM 改善負(fù)載瞬態(tài)性能。Qi 標(biāo)準(zhǔn)具有速度相對(duì)較慢的全局反饋環(huán)路，改變工作點(diǎn)耗時(shí)可能多達(dá) 100ms 。這就意味著負(fù)載步進(jìn)可降低輸出電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)重置。為提供足夠電壓實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)工作，VRECT 工作點(diǎn)在低負(fù)載下設(shè)置為高。該特性可為負(fù)載步進(jìn)提供幫助，但會(huì)降低輕負(fù)載效率。為解決這個(gè)問(wèn)題，可使用 Dynamic Efficiency Scaling. 技術(shù)來(lái)為最大輸出負(fù)載定制輕負(fù)載電壓。最大輸出電流可使用電阻器設(shè)置。 表 2：無(wú)線接收器 (bq51003) 的動(dòng)態(tài)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(yīng)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(gè)二級(jí) IC 串接，為鋰離子電池調(diào)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(shí)施（圖 4）。對(duì)于低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)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(guān)鍵在于檢驗(yàn)其是否能夠通過(guò)控制低充電電流等級(jí)來(lái)滿足可佩戴設(shè)備中使用的小型電池應(yīng)用需求。bq24232 可在需要時(shí)將恒定電流等級(jí)調(diào)低至 25mA，該器件已經(jīng)在支持各種小型電池的應(yīng)用中實(shí)施。如欲了解有關(guān)鋰離子電池所需充電控制功能的更多詳情，敬請(qǐng)參閱 bq24232 的產(chǎn)品說(shuō)明書。
低功耗發(fā)送器 對(duì)于典型的 5W 應(yīng)用而言，有眾多符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)且功能豐富多樣的發(fā)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(duì)于低功耗應(yīng)用而言是個(gè)理想的入門器件。標(biāo)準(zhǔn) EVM 套件配套提供一個(gè) 5V 輸入 A11 型的發(fā)送器線圈。但是，正如上文所述，對(duì)于低功耗可佩戴應(yīng)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(fā)送器設(shè)計(jì)可以選擇小型化和低成本化。 bq500211Qi 發(fā)送器控制器具有輸入功率限制選項(xiàng)-。發(fā)送器的輸入電流可限制在 500mA，這可實(shí)現(xiàn)通過(guò)USB 端口或小型適配器供電。這對(duì)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(yīng)，并通過(guò)電流感應(yīng)放大器放大。電源部分使用帶集成型驅(qū)動(dòng)器的功率級(jí)-MOSFET 。不過(guò)，也可以使用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器和低損耗MOSFET 設(shè)計(jì)方案來(lái)降低成本。如前文所述，在輸出較低功率時(shí)，F(xiàn)OB 保護(hù)功能為可選項(xiàng)。圖示的電路沒有實(shí)施 FOD 特性。此外，為了簡(jiǎn)化和降低成本，圖 5 所示的設(shè)計(jì)也沒有顯示供低功耗待機(jī)模式使用的可選電路。如欲了解有關(guān)該設(shè)計(jì)的更多詳情，敬請(qǐng)參閱參考資料 4。
結(jié)論 我們現(xiàn)在可通過(guò)使用現(xiàn)有的現(xiàn)成器件，在低功耗可佩戴設(shè)計(jì)中實(shí)施無(wú)線電感充電。設(shè)計(jì)電源范圍在 500 至1500mW 之間的有效解決方案，重點(diǎn)是優(yōu)化磁性組件，具體是指使用更小尺寸的接收器線圈與相應(yīng)尺寸的發(fā)送器線圈匹配，以保持最佳耦合因數(shù)。同樣重要的是使用 bq500211 發(fā)送器和 bq51003 低功耗接收器進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐獠侩娐沸薷模员阕畲笙薅鹊亟档拖到y(tǒng)損耗。 |
