低功率可穿戴設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)無(wú)線感應(yīng)充電

無(wú)線技術(shù)能夠?yàn)槌鲇谠O(shè)計(jì)或美觀原因而缺少充電端口的可穿戴設(shè)備提供方便的電池充電方案。 過(guò)去，使用無(wú)線充電方法需要有定制化射頻設(shè)計(jì)和電磁感應(yīng)理論方面的專業(yè)知識(shí)。 不過(guò)，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)師采用 Freescale Semiconductors、TDK、Texas Instruments 以及 Toshiba 等廠家制造的市售標(biāo)準(zhǔn)零件，可在低功率可穿戴設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)無(wú)線感應(yīng)充電技術(shù)。

無(wú)線電源最早可追溯至 19 世紀(jì)早期，當(dāng)時(shí)邁克爾·法拉第 (Michael Faraday) 描述了導(dǎo)體在磁場(chǎng)中能夠通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 在 19 世紀(jì)晚期，尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 將法拉第電磁感應(yīng)定律付諸實(shí)踐，在他位于紐約市的實(shí)驗(yàn)室中使用磁耦合諧振技術(shù)以無(wú)線方式點(diǎn)亮了電燈。 如今，電磁感應(yīng)原理已經(jīng)能夠?yàn)楦鞣N RFID 標(biāo)簽、非接觸式智能卡和廚房爐灶供電，并為電動(dòng)牙刷、智能手機(jī)和新興的可穿戴設(shè)備（如蘋果手表）的無(wú)線充電器提供技術(shù)基礎(chǔ)。

實(shí)際上，對(duì)于充電端口使用不方便、太占空間或者純粹太礙眼的可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，無(wú)線充電技術(shù)是極具吸引力的解決方案。 另外，通過(guò)去除有線充電端口，可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師也消除了產(chǎn)品受污染和進(jìn)水的可能性，從而提升了整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。 這些設(shè)備使用安全地內(nèi)置在可穿戴產(chǎn)品外殼下面的受電線圈替代充電端口。

在電動(dòng)感應(yīng)中，對(duì)線圈施加電流能夠產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)能夠在旁邊的第二個(gè)線圈中通過(guò)感應(yīng)產(chǎn)生電流。 事實(shí)上，這兩個(gè)線圈的對(duì)齊方式和距離是達(dá)到高效能的關(guān)鍵。 在消費(fèi)應(yīng)用中，需要精確定位的無(wú)線充電實(shí)踐通常提供導(dǎo)引裝置，幫助用戶將移動(dòng)單元對(duì)齊基座單元上的規(guī)定位置。 相反，所謂的自由定位無(wú)線充電器通常在基站中設(shè)置多個(gè)線圈，響應(yīng)來(lái)自遠(yuǎn)端單元的反饋，從而為適當(dāng)?shù)木€圈供電。

通信通道

對(duì)于導(dǎo)引式和自由定位式無(wú)線充電系統(tǒng)而言，通信都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。 在發(fā)射器工作過(guò)程中，接收器通過(guò)調(diào)制接收器天線上面的負(fù)載，將數(shù)據(jù)包傳回發(fā)射器。 反過(guò)來(lái)，發(fā)射器解調(diào)反射的負(fù)載從而重建數(shù)據(jù)包（圖 1）。


圖 1： 典型的無(wú)線充電系統(tǒng)包含電源傳輸基站和受電接收器，使用電磁耦合原理進(jìn)行電能傳輸和通信。

兩種無(wú)線充電系統(tǒng)都使用來(lái)自接收器的數(shù)據(jù)管理發(fā)射器電能。 在工作過(guò)程中，發(fā)射器單元響應(yīng)來(lái)自接收器的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，以根據(jù)需要增減送到發(fā)射線圈的電能。 自由定位系統(tǒng)使用同樣的通用方法選擇相對(duì)于遠(yuǎn)端設(shè)備的線圈最佳位置。

設(shè)計(jì)師不僅可以將這些通信路徑用于控制信號(hào)，也可以將應(yīng)用數(shù)據(jù)傳回發(fā)射器。 盡管信息帶寬是有限的，但是對(duì)于設(shè)備驗(yàn)證、設(shè)備狀態(tài)以及遠(yuǎn)端設(shè)備采集的傳感器數(shù)據(jù)的通信來(lái)說(shuō)帶寬是足夠的。

電能調(diào)節(jié)、控制和通信等功能的組合轉(zhuǎn)化成具有復(fù)雜的電能和控制邏輯要求的電路設(shè)計(jì)（圖 2）。 不過(guò)，對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體制造商提供了很多解決這些需求及其他需求的解決方案。


圖 2： 無(wú)線充電系統(tǒng)可迅速提高復(fù)雜度，從而滿足能源傳輸優(yōu)化和通信的多樣化需求。 （資料來(lái)源：Texas Instruments）

標(biāo)準(zhǔn)解決方案

現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線充電解決方案建立在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接受度不斷提升的基礎(chǔ)上，這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義了無(wú)線充電協(xié)議的基本要求。 雖然標(biāo)準(zhǔn)接口意在實(shí)現(xiàn)用戶移動(dòng)設(shè)備和不同供應(yīng)商基站之間的互操作性，但卻是以兩種無(wú)線充電技術(shù)—感應(yīng)充電和諧振充電為基礎(chǔ)。

感應(yīng)充電要求發(fā)射器和接收器嚴(yán)格對(duì)齊，但是通常比諧振充電效能更高。 另外一方面，諧振充電對(duì)于對(duì)齊方式及發(fā)射器和接收器之間的距離要求并不嚴(yán)格，并且能夠同時(shí)為多臺(tái)設(shè)備充電。 包括無(wú)線充電聯(lián)盟 (WPC)、電力事業(yè)聯(lián)盟 (PMA) 和無(wú)線電力聯(lián)盟 (A4WP) 在內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織目前正處于開(kāi)發(fā)互操作性功能的早期合作階段。

盡管最初的設(shè)計(jì)著眼于數(shù)量龐大的消費(fèi)應(yīng)用，但這些標(biāo)準(zhǔn)方法無(wú)形之中已成為可穿戴設(shè)備無(wú)線充電解決方案的基礎(chǔ)。 例如，盡管 WPC 的 Qi 標(biāo)準(zhǔn)通常使用較大的 A11 50mm 發(fā)射線圈，但設(shè)計(jì)師可以使用電阻較小的小線圈來(lái)避免過(guò)多的電能損失，從而獲得更好的性能。 例如，30 mm 直徑的 TDK WR303050 具有 0.41 Ω DC 電阻，其外形尺寸和電能傳輸水平更符合很多可穿戴設(shè)備的要求。

在無(wú)線充電的電能控制方面，Toshiba TB6865FG 和 TB6860WBG 等器件充分地補(bǔ)充了現(xiàn)有零件的基于標(biāo)準(zhǔn)的功能。 與其他此類產(chǎn)品一樣，Toshiba IC 產(chǎn)品廣泛集成了所需的多種性能以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，僅需少量的外部組件就能夠支持符合 WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)（圖 3）。


圖 3： Toshiba TB6865FG 發(fā)射器和 TB6860WBG 接收器等器件集成了所需的多種功能以簡(jiǎn)化基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 （資料來(lái)源：Toshiba）

TB6860WBG 接收器將調(diào)制和控制電路系統(tǒng)與整流器電能采集、內(nèi)置的高性能 DC 至 DC 轉(zhuǎn)換器、可配置的鋰電池充電器電路，以及保護(hù)功能結(jié)合。 它的 TB6865FG 電能發(fā)射器集成了 MCU 和廣泛的模擬功能，包括 PWM 電路、開(kāi)關(guān)控制、板載濾波器和前級(jí)驅(qū)動(dòng)器電路。 TB6865FG 能夠分別控制兩組線圈，讓用戶可以同時(shí)為兩臺(tái)移動(dòng)設(shè)備充電。

Freescale Semiconductor 圍繞 32-位 56800EX 內(nèi)核構(gòu)建基于 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的 MWCT1000 和 MWCT1101 發(fā)射器。 該處理器在設(shè)計(jì)上可提供 MCU 功能及以及 DSP 處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的功能并且在有源模式下耗電量不超過(guò) 30 mA. 該器件僅需 30 mW 的待機(jī)電能就能夠發(fā)揮探測(cè)附近的接收器的功能。 在電能傳輸過(guò)程中，F(xiàn)reescale 器件的效能可超過(guò) 75%。 除了 MWCT1000 與 MWCT1101 之外，F(xiàn)reescale 還推出了面向汽車應(yīng)用的 MWCT1001A 和 MWCT1003A。

Texas Instruments 在 BQ50xxx 發(fā)射器和 BQ51xxx 接收器系列中推出了很多器件。 其中 BQ51221 同時(shí)支持 WPC 和 PMA 標(biāo)準(zhǔn)，而 TI 接收器系列中的大多數(shù)器件都采用符合 WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。 在這些符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的器件中，TI 產(chǎn)品系列包括穩(wěn)壓輸出電平為 5 V（BQ51013A 和 BQ51013B）、7 V（BQ51010B）和 8 V（BQ51020 和 BQ51021）的 5 W 接收器。 該系列中包括 BQ51050B（4.2 V 輸出）和 BQ51051B (4.35 V) 在內(nèi)的其他成員集成了鋰電池充電器—為可穿戴設(shè)備提供了全面的電能管理方案。

TI 的 BQ51003 面向低功率應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一款非常適合可穿戴設(shè)備的 2.5 W 接收器。 通過(guò)將 BQ51003 與低功率線性充電器（如 TI BQ25100）集成，設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)采用集成鋰電池管理的完整無(wú)線充電接收子系統(tǒng)。 對(duì)于鋰電池充電，BQ25100 能夠精確控制低至 10 mA 或者高達(dá) 250 mA 的快充電流，并可低至 1 mA 精確終止充電，以支持小型紐扣式鋰電池。

在發(fā)射器方面，Texas Instruments 的 BQ500211A 和 BQ500212A 提供完整的 Qi 標(biāo)準(zhǔn)功能，包括能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)正在進(jìn)行的電能傳輸?shù)男?，以提供外?a target="_blank">檢測(cè) (FOD) 和寄生金屬物體檢測(cè) (PMOD)。 除了提供 FOD 和 PMOD 功能之外，BQ500410 還支持具有三線圈發(fā)射器陣列的自由定位設(shè)計(jì)。 對(duì)于低功率發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，BQ500210 能夠以低至 8 mA 的供電電流工作。

總結(jié)

對(duì)于可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，無(wú)線充電技術(shù)滿足了緊湊型解決方案的需求，消除了對(duì)于有線充電端口的尺寸和可靠性的顧慮。 過(guò)去，采用無(wú)線供電方法需要具備電磁理論和射頻設(shè)計(jì)技術(shù)的專業(yè)知識(shí)。 如今，設(shè)計(jì)師可使用現(xiàn)成的 IC 零件輕松地在極小的可穿戴設(shè)備中應(yīng)用無(wú)線充電功能。