在過(guò)去的幾年間，無(wú)線充電市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)趨于整合，并且不斷有新的供應(yīng)商和新產(chǎn)品涌現(xiàn)。與此同時(shí)，一些技術(shù)的發(fā)展也取得了令人振奮的成果，下面就與大家一起討論無(wú)線充電技術(shù)現(xiàn)在的發(fā)展情況以及未來(lái)的展望。

 

圖1：感應(yīng)式無(wú)線充電廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，但是需要發(fā)射和接收線圈精確對(duì)齊才能工作
 

無(wú)線充電也稱為無(wú)線電力傳輸（WPT），在一些消費(fèi)級(jí)可穿戴產(chǎn)品中可謂是風(fēng)靡一時(shí)，比如智能手機(jī)、智能手表和健康手環(huán)等，但是這個(gè)創(chuàng)意本身已經(jīng)存在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間了。著名的發(fā)明家Nikola Tesla早在1891年就展示過(guò)兩個(gè)燈泡之間的WPT效應(yīng)。無(wú)線充電對(duì)工業(yè)和汽車(chē)行業(yè)的業(yè)者也頗有吸引力，因?yàn)椴挥弥苯拥慕佑|，所以就不會(huì)產(chǎn)生火花而引起爆炸，并且無(wú)線充電系統(tǒng)還可以單獨(dú)密封起來(lái)，免受工業(yè)溶劑、灰塵以及腐蝕氣體的影響。

 

20世紀(jì)90年代消費(fèi)者才開(kāi)始廣泛使用諸如電動(dòng)牙刷和電動(dòng)剃須刀之類的小型家用電器。在過(guò)去的10年時(shí)間里，隨著WPT的標(biāo)準(zhǔn)化以及便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的興起，這類需求正不斷增加。

 

兩種技術(shù)的故事

無(wú)線充電系統(tǒng)遵循近場(chǎng)充電（NFC）準(zhǔn)則：發(fā)射線圈會(huì)生成一個(gè)震蕩磁場(chǎng)空間，通過(guò)電磁感應(yīng)向附近的接收線圈傳輸能量。典型配置就是固定的充電站或者充電座中包含發(fā)射電路和初級(jí)線圈，而被充電的設(shè)備則包含接收器和次級(jí)線圈。

 

發(fā)射線圈（初級(jí)線圈）生成的磁場(chǎng)只有一小部分的磁通量可以穿透接收線圈（次級(jí)線圈）并傳輸能量：這兩個(gè)線圈本質(zhì)上構(gòu)成一個(gè)變壓器，傳輸效率是兩個(gè)線圈的耦合系數(shù)（K）與質(zhì)量因子（Q）的函數(shù)。

 

發(fā)射器與接收器之間的金屬物體會(huì)吸收能量，降低效率甚至造成發(fā)熱構(gòu)成安全隱患，因此異物檢測(cè)（FOD）技術(shù)也已經(jīng)被集成到目前的無(wú)線充電系統(tǒng)中。

 

WPT開(kāi)發(fā)人員正在致力于研究?jī)煞N技術(shù)：感應(yīng)充電使用兩個(gè)相鄰的緊密耦合線圈；共振充電則是使兩個(gè)線圈都達(dá)到諧振頻率產(chǎn)生共振效應(yīng)。盡管這兩種技術(shù)都采用感應(yīng)耦合，但所謂“感應(yīng)充電”通常是指緊密耦合的充電方式。

 

感應(yīng)充電概述

感應(yīng)充電方式是低功耗便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的理想選擇，但可能不適合一些大型產(chǎn)品，所以我們先討論感應(yīng)充電，最后再討論諧振充電。

 

感應(yīng)充電的效率很高，但是對(duì)線圈的失調(diào)非常敏感。電力的傳輸與距離的平方成反比關(guān)系，隨著距離的增加電力傳輸效率會(huì)迅速下降。為了提高效率，用戶使用的產(chǎn)品中兩個(gè)線圈的距離一般都會(huì)保持在7mm以內(nèi)，如果用戶移動(dòng)了接收設(shè)備，系統(tǒng)就會(huì)檢測(cè)到充電效率的下降而終止電力傳輸。

 

圖2顯示了使用兩個(gè)Rohm器件的感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)的架構(gòu)圖，稍后將對(duì)此展開(kāi)討論。在大多數(shù)應(yīng)用中，無(wú)線充電系統(tǒng)還包含另兩個(gè)模塊：一個(gè)是為發(fā)射器充電的交流/直流電源，一個(gè)是接收器后面的鋰離子電池充電器。

 

圖2：感應(yīng)充電系統(tǒng)架構(gòu)圖
 

目前有兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel聯(lián)盟支持的AirFuel感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)，兩者的工作頻率分別在100-200KHz和100-350KHz，它們的整體效率都超過(guò)了70%。

 

很多制造商的產(chǎn)品都同時(shí)支持這兩種標(biāo)準(zhǔn)，比如三星的Galaxy S6和S7智能手機(jī)同時(shí)支持Qi和AirFuel無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。

 

無(wú)論是Qi還是AirFuel無(wú)線充電系統(tǒng)都是通過(guò)發(fā)射線圈將電力傳送給接收線圈，但是都由接收端來(lái)控制充電的總量。接收端通過(guò)改變初級(jí)線圈的負(fù)載實(shí)現(xiàn)與發(fā)射端的通信，Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率以及雙相位編碼。AirFuel標(biāo)準(zhǔn)則定義了六種不同的通信符號(hào)，每個(gè)AirFuel無(wú)線充電系統(tǒng)接收端都有唯一的六字節(jié)ID識(shí)別碼，這個(gè)識(shí)別ID是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由接收端傳送給發(fā)射端。

 

無(wú)線充電系統(tǒng)比有線充電系統(tǒng)提供的電力要少的多，因此可能需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間，但是制造商正在積極解決這個(gè)問(wèn)題，比如提高功率水平。2015年推出的WPC v1.2版本規(guī)范明確最大支持的功率可達(dá)15W，而早期的版本只支持5W。

 

無(wú)線發(fā)射器

在工作期間，發(fā)射器大部分時(shí)間都保持在低功耗的“短暫睡眠”（ snooze）模式，每隔一定的時(shí)間都會(huì)激活檢查是否有接收器需要充電。檢測(cè)到次級(jí)線圈存在后，發(fā)射器會(huì)對(duì)接收器進(jìn)行身份驗(yàn)證，然后開(kāi)始進(jìn)行電力傳輸。如果驗(yàn)證失敗，發(fā)射器會(huì)重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在電力傳輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程中，接收端會(huì)通過(guò)預(yù)定義的通信數(shù)據(jù)包保持對(duì)電力傳輸?shù)耐耆瓶?，這些數(shù)據(jù)包處理的功能包括識(shí)別、身份驗(yàn)證、所需的電量和錯(cuò)誤檢測(cè)等。

 

圖3：兼容Qi的TB6865無(wú)線發(fā)射器包括模擬、數(shù)字和電源模塊
 

圖3所示為東芝公司推出的TB6865AFG，它是一款兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線發(fā)射器。TB6865也是一款復(fù)雜的片上系統(tǒng)（SoC）器件，集成了32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核和128KB的閃存空間，以及用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源線圈的全橋逆變器的預(yù)驅(qū)動(dòng)。其他模塊包括三個(gè)低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器和四個(gè)用于解碼接收器命令的解調(diào)器。

 

無(wú)線接收器

與無(wú)線發(fā)射器類似，無(wú)線接收器也是一款復(fù)雜的SoC器件，比如羅姆半導(dǎo)體公司（ROHM）推出的BD57015GWL集成了全面同步的整流電路、低阻抗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）、用于處理Qi和AirFuel通信的數(shù)據(jù)包控制器和通過(guò)調(diào)幅實(shí)現(xiàn)與發(fā)射器通信的開(kāi)漏輸出驅(qū)動(dòng)器。此器件提供可調(diào)節(jié)的電壓輸出，同時(shí)符合Qi中等功率標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。另外羅姆公司還推出了與之匹配的發(fā)射器BD57020MWV，它遵守Qi中低功率的無(wú)線傳輸規(guī)范。

 

發(fā)射和接收線圈

為了保證不同廠家器件之間的互操作性，Qi標(biāo)準(zhǔn)還定義了詳細(xì)的發(fā)射器充電線圈要求。這個(gè)規(guī)范定義了線圈的電磁特性、幾何形狀和材料。比如A11線圈規(guī)范定義的是單層圓形線圈，在鐵氧體底座上安裝10圈電線，線圈的輸入工作電壓為5V，電感為6.3μh，最大直流阻抗 （DCR）為60m?。

 

A6版本規(guī)范則定義了三個(gè)線圈，通過(guò)增大可用充電面積降低了對(duì)線圈不對(duì)齊的敏感性；由于每個(gè)線圈需要一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，因此這種方案的物料（BOM）成本比較高。

 

發(fā)射和接收線圈通常都是采用特殊的利茲線纜（Litz wire）制成，它使用多種絕緣線纏繞成多種形狀，將接觸面影響最小化，降低效率損失。兩個(gè)線圈的尺寸應(yīng)該相近以實(shí)現(xiàn)最大程度的能量耦合。比如TDK推出的無(wú)線充電線圈兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)，適用于移動(dòng)設(shè)備，采用專用的柔性薄金屬磁片制成，厚度僅為0.52毫米，輸出電流為0.5到0.6A。

 

圖4：Wurth Elektronik公司提供的各種無(wú)線充電線圈
 

圖4展示的是各種形式的無(wú)線充電線圈，符合A6規(guī)范的線圈如圖左側(cè)所示。

 

接收線圈必須非常輕薄才能適合便攜和可穿戴設(shè)備，但是仍然需要足夠堅(jiān)固才能承受劇烈的振動(dòng)和沖擊。因?yàn)槊總€(gè)智能手機(jī)、健康手環(huán)等電子設(shè)備都是不同的，所以接收線圈一般都是定制的。

 

在標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品中，Vishay/Dale的IWAS系列線圈是首款商用的接收線圈，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可用于5V或7V電壓充電。比如IWAS-3827EC-50線圈能夠處理高達(dá)10W的功率，整個(gè)線圈有15圈，電感10.7μH，電阻抗183m?，安裝在高導(dǎo)磁屏蔽層上，尺寸大約38x26x1mm。

 

發(fā)射器與接收器模塊

多家制造商提供的模塊都包含線圈和發(fā)射器或者接收器，圖5展示的是TDK公司推出的WTM505090發(fā)射器模塊，它包含發(fā)射器PCB板卡（集成了前面介紹的東芝TB6865AFG器件）以及發(fā)射線圈。

 

圖5：WTM505090發(fā)射器模塊包含線圈和發(fā)射器，它符合WPC1.1規(guī)范，采用東芝TB6865無(wú)線發(fā)射器
 

WPT開(kāi)發(fā)工具

 

目前有多款開(kāi)發(fā)套件和工具可幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行無(wú)線充電設(shè)計(jì)。IDT公司提供的WP3W-RK參考套件最高支持3W的無(wú)線充電功率。該套件包含發(fā)射器和接收器以及三個(gè)不同尺寸的線圈來(lái)適應(yīng)不同的功率級(jí)別，提供交鑰匙型參考設(shè)計(jì)、模塊布局、BOM等，可幫助快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。

（作者：Paul Pickering 貿(mào)澤電子）