Qi標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線充電配件概述

　　摘要

　　自Qi標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)以后，無(wú)線充電配件產(chǎn)品便可以利用這種行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，在無(wú)需基站（無(wú)線充電發(fā)送器）的情況下為移動(dòng)設(shè)備無(wú)線充電。一種常用方法是向消費(fèi)者提供一種無(wú)線充電保護(hù)殼、后蓋、電池組或者保護(hù)套，在其配件中放入接收機(jī)線圈和電子組件。本文將為您說(shuō)明這類配件的系統(tǒng)級(jí)要求，重點(diǎn)介紹配件產(chǎn)品和主移動(dòng)設(shè)備之間的接口。我們還將從兩個(gè)方面討論組件選擇，同時(shí)探討配件產(chǎn)品和主移動(dòng)設(shè)備之間引腳數(shù)目接口的利弊權(quán)衡過(guò)程。

　　WPC （Qi）系統(tǒng)概述

　　圖 1 顯示了一個(gè) WPC 型電感式無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該發(fā)送器由一個(gè) AC/DC功率轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器、發(fā)射線圈、電壓電流檢測(cè)和控制器組成。接收機(jī)由一個(gè)接收線圈、整流、電壓調(diào)節(jié)和控制器組成。系統(tǒng)負(fù)載可以是任何電池供電設(shè)備，例如：一部手機(jī)。

　　圖1WPC 電感式無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)中，AC 電流流過(guò)發(fā)送器線圈時(shí)形成耦合磁場(chǎng)，電能通過(guò)該耦合磁場(chǎng)從發(fā)送器傳輸至接收機(jī)。如果接收機(jī)線圈極為靠近（X-Y 或者 Z 尺寸小于 5mm 間隙），發(fā)送器場(chǎng)力線的絕大部分將耦合至接收機(jī)線圈。這些耦合場(chǎng)力線在二次繞組中形成 AC 電流，對(duì)其整流便可產(chǎn)生 DC 電壓，從而得到手機(jī)或者其他便攜式設(shè)備使用的電源。請(qǐng)注意，無(wú)線充電鏈路實(shí)際上就是一款松散耦合、無(wú)芯線圈變壓器。

　　WPC 標(biāo)準(zhǔn)

　　無(wú)線充電市場(chǎng)興起的一個(gè)關(guān)鍵是不同發(fā)送器和接收機(jī)之間的標(biāo)準(zhǔn)化。以前，銷售無(wú)線充電接收機(jī)的公司還必須同時(shí)提供一個(gè)相應(yīng)的發(fā)送器。這種狀況制約了無(wú)線充電的市場(chǎng)接受能力，并導(dǎo)致出現(xiàn)大量不同類型、相互不兼容的無(wú)線充電技術(shù)。無(wú)線充電聯(lián)盟 （WPC） 制定出了第一個(gè)全球標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了 5W 功率級(jí)別發(fā)送器和接收機(jī)的通用性［1］。Qi（發(fā)音為“chee”）標(biāo)準(zhǔn)定義了無(wú)線充電系統(tǒng)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(xié)議，接收機(jī)通過(guò)它與發(fā)送器通信，例如：發(fā)送器何時(shí)終止供電（即電話不再充電時(shí)進(jìn)入節(jié)能模式）、接收機(jī)要求提供多少電力以及輸出功率增加還是減少等。

　　配件構(gòu)架

　　提供 Qi 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的一條最快捷途徑是，利用行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)獲得基站電源（無(wú)線發(fā)送器）的同時(shí)，提供具有電源或者直接電池充電實(shí)現(xiàn)的配件解決方案。在這種情況下，配件解決方案指的是無(wú)線充電功能，其作為移動(dòng)設(shè)備的一種選配。最普遍的兩種配件實(shí)現(xiàn)是保護(hù)殼和后蓋。保護(hù)殼指的是一種塑料殼，它的內(nèi)部包含有無(wú)線充電電路，可以牢固地夾在移動(dòng)設(shè)備上，通過(guò)一些外部觸點(diǎn)向移動(dòng)設(shè)備提供電源。后蓋則是移動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)后蓋的替代品，也在其內(nèi)部放入了無(wú)線充電電路。另一種配件解決方案是，在移動(dòng)設(shè)備的電池組中放入無(wú)線充電電路，直接對(duì)電池充電。

　　電源配件

　　圖 2 描述了無(wú)線充電接收機(jī)如何模擬電源適配器工作，向移動(dòng)設(shè)備提供 5V、5W 電源。在這種最為簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)中，接收機(jī)和移動(dòng)設(shè)備之間總共只有兩個(gè)觸點(diǎn)：無(wú)線充電和接地。由于大多數(shù)第一代 Qi 產(chǎn)品仍然有一條連線，圖 2 還顯示了通過(guò)有線適配器和無(wú)線充電實(shí)現(xiàn)充電的過(guò)程。兩種電源都連接至移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的功率多路復(fù)用器。一般而言，默認(rèn)情況下選擇適配器電源，在沒(méi)有適配器時(shí)使用無(wú)線充電。

　　圖2有線輸入的四觸點(diǎn)電源配件系統(tǒng)構(gòu)架

　　在無(wú)線充電傳輸期間，連接適配器或者電池充電終止時(shí)，無(wú)線充電應(yīng)中斷運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到無(wú)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，向發(fā)送器發(fā)送一條停止電力傳輸?shù)?a target="_blank">信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。通過(guò)開(kāi)啟多路復(fù)用器的無(wú)線充電接收機(jī)開(kāi)關(guān)，可以模擬這種狀態(tài)。利用其他通信，可以獲得無(wú)負(fù)載狀態(tài)的更多詳細(xì)信息。

　　雙觸點(diǎn)配件

　　雙觸點(diǎn)解決方案是成本最低的一種無(wú)線充電輸出和接收機(jī)接口，但它仍然可以提供一些有限的功能。只有兩個(gè)觸點(diǎn)時(shí)，我們只能將無(wú)線電源（即 5V 輸出）和接地連接移動(dòng)設(shè)備，并且移動(dòng)設(shè)備必須自己檢測(cè)何時(shí)在適配器電源和無(wú)線電源之間切換。這種解決方案的主要缺點(diǎn)是，移動(dòng)設(shè)備難以通知發(fā)送器充電已經(jīng)終止。在典型的無(wú)線充電系統(tǒng)中，晚上用戶上床睡覺(jué)時(shí)開(kāi)始充電，充電一般持續(xù)兩個(gè)小時(shí)左右。一旦充電完成，接收機(jī)應(yīng)向發(fā)送器發(fā)送一條終止充電的信息（由 WPC 協(xié)議定義），這樣發(fā)送器便可以進(jìn)入一種低功耗的待機(jī)模式。但是雙觸點(diǎn)解決方案終止，只能由接收機(jī)通過(guò)檢測(cè)輸出電流是否已經(jīng)降至某個(gè)閾值以下，才能檢測(cè)得到。盡管這種方法可以讓發(fā)送器進(jìn)入待機(jī)模式，但電源電流由系統(tǒng)電流加上充電電流組成為它帶來(lái)了諸多弊端。

　　三觸點(diǎn)配件

　　相比雙觸點(diǎn)解決方案，三觸點(diǎn)解決方案有所改進(jìn)。除無(wú)線電源和接地以外，它還增加了一個(gè)控制信號(hào)。該控制器信號(hào)可以是無(wú)線充電接收機(jī)的輸入，而無(wú)線充電接收機(jī)通過(guò)移動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。典型應(yīng)用針對(duì)移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的充電器，用以檢測(cè)充電何時(shí)終止，然后將這種狀態(tài)通知接收機(jī)。接收機(jī)轉(zhuǎn)而通知發(fā)送器終止充電，發(fā)送器便進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。由于移動(dòng)設(shè)備通過(guò)電池持續(xù)供電，因此它會(huì)在一個(gè)不確定時(shí)間段內(nèi)不斷向無(wú)線接收機(jī)聲明終止充電，這樣整個(gè)充電周期的總發(fā)送器功耗便十分低。另外，發(fā)送器可以利用來(lái)自接收機(jī)的終止充電信息，讓用戶知道充電已經(jīng)終止（例如：使用 LED 指示燈）。相比雙觸點(diǎn)解決方案，這種方法還可以更加精確地確定充電終止?fàn)顟B(tài)。

　　四觸點(diǎn)配件

　　最后，相比上述解決方案，四觸點(diǎn)解決方案可以為用戶提供更多的選項(xiàng)。使用四觸點(diǎn)方案后，會(huì)有數(shù)種不同選項(xiàng)供選擇。一種是提供兩個(gè)控制信號(hào)輸入—一個(gè)用于向發(fā)送器發(fā)送終止信號(hào)，而另一個(gè)用于通知發(fā)送器移動(dòng)設(shè)備使用默認(rèn)狀態(tài)。圖 2 顯示了一種四觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)替代方法。在這種情況下，一個(gè)外部適配器可以作為設(shè)備接收機(jī)的輸入，而適配器FET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以為來(lái)自接收機(jī)的輸出，并連接至移動(dòng)設(shè)備。利用這種方法，接收機(jī)可以檢測(cè)到適配器的存在，其關(guān)閉無(wú)線充電發(fā)送器，然后直接將適配電壓施加至接收機(jī)。后面小節(jié)將詳細(xì)介紹適配器多路復(fù)用器構(gòu)架。

　　移動(dòng)設(shè)備功率多路復(fù)用器

　　上市銷售的第一批無(wú)線充電配件，仍然將有線適配器端口保留在了無(wú)線充電輸入端的旁邊。它要求在兩個(gè)電源（有線電源和無(wú)線電源）之間使用一個(gè)功率多路復(fù)用器。圖 3 顯示了一個(gè)功率多路復(fù)用器構(gòu)架的例子。這種方法利用接收機(jī)配件，對(duì)適配器電壓 （AD） 進(jìn)行檢測(cè)，如果存在適配器電壓則提供柵極驅(qū)動(dòng) （AD_EN）。FET 必須以一種背靠背結(jié)構(gòu)有線連接，以在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)阻滯反向和正向?qū)щ?。之后，一旦存在適配器則無(wú)線充電接收機(jī)關(guān)閉電力傳輸，并通過(guò)適配器電源讓柵極驅(qū)動(dòng)保持活躍狀態(tài)。這種方法要求配件和移動(dòng)設(shè)備之間至少有一個(gè)四引腳接口（無(wú)線充電、AD、AD_EN和GND）。

　　圖3單個(gè)背靠背FET 的電源多路復(fù)用選項(xiàng)

　　為了減少電源配件和移動(dòng)設(shè)備之間的要求引腳數(shù)，我們可以使用一個(gè)自動(dòng)功率多路復(fù)用器。圖 4 顯示了這種構(gòu)架，其不再要求使用 AD 和 AD_EN 連接。有線充電通路，通過(guò) VSNS連接獲得優(yōu)先權(quán)。如果在 VSNS檢測(cè)到某個(gè)電壓，有線充電通路便激活。否則，無(wú)線充電通路有效。為了讓接收機(jī)電子組件能夠檢測(cè)到存在適配器端口，從而終止無(wú)線充電傳輸，它必須對(duì)電源輸出電流進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)監(jiān)控輸出電源電流，當(dāng)無(wú)線充電通路開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)便可檢測(cè)到真正的輕負(fù)載（例如：接近零輸出電流）。之后，接收機(jī)向發(fā)送器發(fā)送一條指令，讓其終止電力傳輸。

　　圖4使用自動(dòng)開(kāi)關(guān)的電源多路復(fù)用選項(xiàng)

　　電池組配件

　　提供無(wú)線充電配件的另一種方法是，把電子組件和接收機(jī)線圈集成到移動(dòng)設(shè)備電池組中。這樣，終端用戶便可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)線充電，或者也可以將電池組直接放到無(wú)線充電感應(yīng)板上對(duì)其充電（使用體驗(yàn)類似于座充）。但是，有線充電器和無(wú)線充電器之間的切換受到限制——總不能無(wú)限地增加電池組和系統(tǒng)之間的引腳數(shù)吧。

　　圖 5 描述了電池組配件的構(gòu)架，并突出顯示了系統(tǒng)和電池組之間的接口。嵌入到電池組的溫度檢測(cè)傳感器 （NTC），用于確保充電時(shí)電池有安全的工作溫度。但是，在這種獨(dú)特的應(yīng)用中，它可以被用作接收機(jī)電子組件檢測(cè)有線充電有效還是無(wú)效的一種方法。當(dāng)移動(dòng)系統(tǒng)電池充電器有效時(shí)，NTC電阻器會(huì)有一定的電壓。當(dāng)它無(wú)效時(shí)，NTC 電阻器下拉至電池組接地基準(zhǔn)。因此，電池組中的接收機(jī)電子組件可以檢測(cè)到這種電壓的存在，并立即關(guān)閉無(wú)線充電器。這種情況僅在連接有線適配器并且接收機(jī)放置在充電感應(yīng)板上時(shí)出現(xiàn)—并不常見(jiàn)，但是提供兩倍充電電流不利于電池的安全性。

　　接收機(jī)檢測(cè)到 NTC 信號(hào)并采取正確措施以后，有線充電通路便通過(guò)上述方法獲得使用優(yōu)先權(quán)。但是，利用移動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)算法，也可以讓無(wú)線充電獲得優(yōu)先。這樣做會(huì)顛倒檢測(cè)程序。當(dāng)無(wú)線充電器有效時(shí) NTC 引腳存在電壓，移動(dòng)系統(tǒng)將對(duì) NTC 引腳的這種電壓進(jìn)行監(jiān)控。

　　圖5電池組配件的無(wú)線充電系統(tǒng)構(gòu)架

　　圖 5 描述了緊跟在接收機(jī)電子組件整流后面的一些電壓和電流環(huán)路組成部分。它允許控制器執(zhí)行充電算法，通過(guò)移除電源配件中的電壓調(diào)節(jié)級(jí)，使集成度和效率達(dá)到最佳。

　　參考文獻(xiàn)

　　1、無(wú)線充電聯(lián)盟網(wǎng)址：http://www.wirelesspowerconsortium.com/

　　2、如欲了解 WPC 實(shí)施與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：http://www.ti.com/wirelesspower

　　作者簡(jiǎn)介

　　Tony Antonacci 現(xiàn)任 TI bqTESLA 接收機(jī)解決方案的系統(tǒng)工程師，致力于便攜式設(shè)備無(wú)線充電的系統(tǒng)級(jí)解決方案與產(chǎn)品定義。他畢業(yè)于美國(guó)諾克斯維爾田納西大學(xué) （University of Tennessee， Knoxville），獲電子工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。目前，Tony 已經(jīng)申報(bào)了一項(xiàng)霍耳效應(yīng) IC 集成專利。

　　Steve Terry 現(xiàn)任 TI 是一名設(shè)計(jì)工程師，主要負(fù)責(zé)便攜式應(yīng)用和無(wú)線充電解決方案的高集成度線性開(kāi)關(guān)模式電池充電器的設(shè)計(jì)。另外，他還是無(wú)線充電聯(lián)盟低功耗工作組的副主席。Steve 在模擬 IC 設(shè)計(jì)與電源管理 IC 設(shè)計(jì)方面已經(jīng)獲得了三項(xiàng)專利，另有三項(xiàng)專利正在審批中。他畢業(yè)于美國(guó)諾克斯維爾田納西大學(xué) （University of Tennessee in Knoxville），獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位。