噩耗使用集成發(fā)射器和接收器設(shè)備進(jìn)行無線電源設(shè)計

自從尼古拉·特斯拉聲稱他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基本原理并且只需要一個有進(jìn)取心的個人將該技術(shù)商業(yè)化以來，無線充電（也稱為感應(yīng)充電或無線電源）已經(jīng)展現(xiàn)出前景。那是在1921年。從那時起，系統(tǒng)已經(jīng)來去匆匆而沒有該部門真正起火。

技術(shù)障礙，競爭標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者不感興趣是導(dǎo)致進(jìn)展緩慢的原因，但事情開始變?yōu)榉治鰩熍d奮的程度。例如，IHS顧問預(yù)測，到2018年，無線充電市場將從2013年的2.16億美元擴(kuò)大至85億美元。這種樂觀情緒的一個原因是最近宣布兩家以前競爭的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在聯(lián)手共同推動該技術(shù)。第二，電感和諧振無線充電在很大程度上克服了無線充電的技術(shù)挑戰(zhàn)，并得到了廣泛的半導(dǎo)體供應(yīng)商的支持。

廣泛部署的無線充電有可能增加消費(fèi)者以與Wi-Fi連接相同的方式為電池補(bǔ)充提供便利。本文將介紹芯片制造商如何通過引入集成發(fā)射器和接收器設(shè)備使設(shè)計人員更容易進(jìn)入這個利潤豐厚的領(lǐng)域，工程師可以根據(jù)這些設(shè)備建立電路設(shè)計。

無線充電的基本原理

從根本上說，無線充電是指使用感應(yīng)將能量從發(fā)射器線圈傳輸?shù)浇邮掌骶€圈。發(fā)射器線圈產(chǎn)生一個振蕩磁場，在接收器線圈中感應(yīng)出一個交流電壓，然后進(jìn)行整流和調(diào)節(jié)，為電池充電。

功率傳輸?shù)男嗜Q于兩者之間的耦合（k）。電感器及其質(zhì)量（Q）。耦合由電感器之間的距離（z）和線圈直徑的比率決定。耦合進(jìn)一步由線圈的形狀和它們之間的角度決定。

緊密耦合的系統(tǒng) - 兩個相似尺寸的線圈保持靠近，良好對齊和平行 - 更有效并限制麻煩的電磁干擾（EMI）（圖1）更高的效率限制了不必要的熱量。松耦合系統(tǒng)可用于難以限制線圈之間的間隙和/或匹配線圈尺寸的情況，但需要權(quán)衡較低的效率和較高的EMI輻射。耦合程度由“耦合系數(shù)”確定，并且是接收器線圈捕獲發(fā)射器線圈產(chǎn)生的磁通量的量度。完美耦合，即所有通量被捕獲，耦合系數(shù)為1.實(shí)際系統(tǒng)通常具有0.3到0.6的耦合系數(shù)。

圖1：緊密耦合的無線充電器采用接近良好對齊，尺寸相似的線圈，效率更高，同時產(chǎn)生更少的EMI問題。 （圖片由無線電力聯(lián)盟提供）

諧振耦合，即發(fā)射器和接收器線圈以諧振頻率工作，通?？商岣呦到y(tǒng)效率。直觀地說，在諧振頻率下工作的緊耦合線圈應(yīng)該產(chǎn)生最有效的系統(tǒng)。然而，情況并非如此，因?yàn)槊總€線圈可以保持諧振操作的最小距離。該最小距離取決于線圈的尺寸和工作頻率，但是大于緊耦合系統(tǒng)的典型線圈間距。物理學(xué)很復(fù)雜，但實(shí)質(zhì)上，如果兩個共振線圈移得太近，它們的磁場會“崩潰”，電力傳輸就會停止。事實(shí)證明，當(dāng)使用緊耦合線圈（而不是精確地）工作時，最有效的無線功率傳輸就會發(fā)生。

然而，諧振耦合的優(yōu)勢在于提高效率通過降低必須將充電裝置放置在充電墊上的精度來提高消費(fèi)者便利性的系統(tǒng)。與感應(yīng)系統(tǒng)的“聚焦”磁場不同，諧振系統(tǒng)產(chǎn)生更寬的場，允許放置在范圍內(nèi)的多個物體接收合理的功率。

另一個選擇是帶有多個線圈的充電站，它提供更寬的諧振充電充電區(qū)域（允許更多的移動產(chǎn)品同時充電），同時仍保留緊耦合的優(yōu)勢（圖2）。

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圖2：多個重疊線圈提供更寬的充電區(qū)域，同時仍保留緊耦合的效率優(yōu)勢。 （圖片由無線電力聯(lián)盟提供）

除技術(shù)挑戰(zhàn)外，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)之間的競爭是無線充電速度緩慢的另一個主要原因。無線電力聯(lián)盟（WPC）開發(fā)了Qi（發(fā)音為“Chee”）規(guī)范，其中包括電感和諧振無線充電，而無線電力聯(lián)盟（A4WP）和電力事務(wù)聯(lián)盟（PMA）都提倡諧振充電。 2015年6月，當(dāng)A4WP和PMA合并成為AirFuel聯(lián)盟時，整合了現(xiàn)在，該聯(lián)盟現(xiàn)在推廣了電感和無線充電技術(shù)。

規(guī)格包括更高功率版本的規(guī)定。例如，Qi的低功耗規(guī)格可提供高達(dá)5 W（適用于智能手機(jī)充電），中等功率規(guī)格可提供高達(dá)120 W（適用于平板電腦和筆記本電腦）。正在開發(fā)一種功率高達(dá)1 kW的高功率規(guī)格。

關(guān)閉回路

雖然無線充電系統(tǒng)的設(shè)計在概念上很簡單（圖3），實(shí)用電路更難以實(shí)施。除了選擇線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以盡可能高效地傳輸能量之外，主要的設(shè)計挑戰(zhàn)來自電壓，頻率和占空比的控制和補(bǔ)償。

< p>圖3：無線充電系統(tǒng)概念簡單（如此示意圖所示），但詳細(xì)設(shè)計更具挑戰(zhàn)性。該設(shè)計使用反向散射調(diào)制進(jìn)行單向通信，從而關(guān)閉反饋環(huán)路。 （使用Digi-Key方案生成的圖像 - 基于原始圖像由德州儀器提供）

控制和補(bǔ)償要求接收器和發(fā)射器之間的反饋回路。由于這是一種無線技術(shù)，因此發(fā)射器和接收器線圈之間沒有物理連接。因此，使用諸如反向散射調(diào)制或低功率RF鏈路的無線技術(shù)來完成反饋回路。

后一種技術(shù)不太常見，但已開始取得進(jìn)展。例如，AirFuel聯(lián)盟鼓勵使用藍(lán)牙低功耗或Wi-Fi等技術(shù)在接收器和發(fā)射器之間進(jìn)行通信，反之亦然（記住最需要充值的設(shè)備，如智能手機(jī)，平板電腦和筆記本電腦，通常內(nèi)置Wi-Fi和藍(lán)牙）。與反向散射調(diào)制相比，雙向RF鏈路的優(yōu)勢在于對充電過程的更精確控制。缺點(diǎn)是額外的成本和增加的復(fù)雜性。

盡管成本和復(fù)雜性，反饋至關(guān)重要，特別是在為當(dāng)今大多數(shù)便攜式設(shè)備中使用的鋰離子（Li-ion）電池充電時。當(dāng)接近滿容量和過度充電時，這些電池對快速充電造成的損壞非常敏感。 （請參閱TechZone文章“設(shè)計人員鋰離子電池充電指南”。）

為了傳達(dá)這種反饋，大多數(shù)現(xiàn)代無線充電系統(tǒng)使用反向散射調(diào)制在兩者之間形成單向通信鏈路。接收器和發(fā)射器（它與無源RFID標(biāo)簽使用的系統(tǒng)類似）。本質(zhì)上，該技術(shù)利用了以下事實(shí)：接收器線圈上的負(fù)載將產(chǎn)生可以在發(fā)射器線圈上感應(yīng)電流的電磁波（與主無線充電操作相反的過程）。利用適當(dāng)?shù)模ㄏ鄬Ρ阋饲液唵蔚模╇娐罚梢哉{(diào)制和解釋感應(yīng)電流，以確定接收器上的負(fù)載如何隨著電池充電而變化。這些信息可用于調(diào)節(jié)發(fā)射器線圈為充電過程提供的能量。

無線充電解決方案

使用分立元件設(shè)計無線充電產(chǎn)品非常棘手，需要相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)，因此不適合經(jīng)驗(yàn)有限且時間緊迫的設(shè)計師。但是，這并不排除新手開發(fā)無線充電產(chǎn)品。成功的關(guān)鍵是將設(shè)計基于幾個芯片組中的一個，這些芯片組將無線充電系統(tǒng)所需的大部分控制和補(bǔ)償功能集成到單個芯片中。

這種設(shè)備的一個例子是Semtech的TS80000無線充電發(fā)射器IC及其姐妹組件TS81001接收器IC。 TS80000負(fù)責(zé)無線充電電路的控制，通信和補(bǔ)償，可提供高達(dá)40 W的功率輸出，同時支持符合Qi和AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用以及專有應(yīng)用。 TS80000可配置為在半橋和全橋系統(tǒng)中驅(qū)動單線圈或多線圈應(yīng)用。

TS80000負(fù)責(zé)反向散射調(diào)制解碼并相應(yīng)調(diào)整能量水平。集成的PID濾波器為反饋環(huán)路提供必要的補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)占空比，頻率和電橋電壓的高精度控制。推薦TS80000變送器IC與Semtech的TS61001全橋FET驅(qū)動器一起使用，而TS81001接收器IC建議與Semtech的TS51111同步整流器一起使用。

德州儀器（TI）提供多種無線充電解決方案他們是bq500511。該無線功率發(fā)射器可與公司的bq50002模擬前端設(shè)備結(jié)合使用，以集成創(chuàng)建符合Qi標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ? V發(fā)射器所需的所有功能。芯片“ping”周圍環(huán)境，供接收器設(shè)備供電，安全地接合待充電設(shè)備，接收來自設(shè)備的通信，并根據(jù)WPC v1.2規(guī)范管理電源傳輸。

這款芯片的一個很好的好處就是一種稱為異物檢測（FOD）的功能，它可以防止由于能量下沉到磁場中錯位的金屬物體而造成的功率損耗。

無線功率發(fā)射器與設(shè)備配合使用例如bq51051，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線電源接收器。 TI聲稱bq51051可提供高效的AC-DC電源轉(zhuǎn)換，并集成了符合Qi v1.1通信協(xié)議所需的數(shù)字控制器。該設(shè)備值得注意，因?yàn)樗闪虽囯x子電池充電控制器，可實(shí)現(xiàn)“直接充電”。 TI解釋說，與無線電源接收器配合使用單獨(dú)的下游充電器芯片相比，這可將總體效率提高多達(dá)10％（圖4）。其他優(yōu)勢還包括成本和空間節(jié)省。

圖4：直接無線充電系統(tǒng) - 接收器和電池充電控制器組合成一個芯片 - 效率比分立系統(tǒng)高出10％。 （圖片由德州儀器公司提供）

恩智浦還提供基于MWCT1111無線充電發(fā)射器的無線充電解決方案。該器件支持任何符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的15 W單線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并使用該公司專有的內(nèi)核，該內(nèi)核針對功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。 MWCT1111執(zhí)行諸如反向散射調(diào)制，F(xiàn)OD和電源調(diào)節(jié)的數(shù)字解調(diào)等任務(wù)。

MWCT1111可與姊妹設(shè)備配合使用，如恩智浦MWPR1516，符合WPC規(guī)范的接收器和它有可能支持其他未來的標(biāo)準(zhǔn)。該器件的兩個值得注意的方面是其ARM ? Cortex ? -M0 +內(nèi)核和頻移鍵控（FSK）功能，允許在發(fā)送器和接收器之間開發(fā)無線雙向通信架構(gòu)。

快速進(jìn)入利潤豐厚的市場

無線充電的便利性與效率的提高（一些制造商現(xiàn)在聲稱從輸入到電池的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)75％）和采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提升了該技術(shù)的形象。

建議處理無線充電的設(shè)計工程師考慮遵守已發(fā)布的規(guī)范之一，因?yàn)樗赡軙纳谱罱K產(chǎn)品的商業(yè)機(jī)會。例如，一些移動產(chǎn)品供應(yīng)商已采用其智能手機(jī)和平板電腦的一個或兩個規(guī)格。

從頭開始設(shè)計系統(tǒng)是可行的，可能會導(dǎo)致物料清單（BOM）較低，但需要專業(yè)知識和熟悉無線充電標(biāo)準(zhǔn)。建議缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師將他們的系統(tǒng)基于無線充電芯片組，該芯片組可從一系列信譽(yù)良好的半導(dǎo)體供應(yīng)商處獲得，這些芯片組已針對效率進(jìn)行了優(yōu)化，包括FOD等有用功能，并且經(jīng)過認(rèn)證可以滿足一個或多個主要標(biāo)準(zhǔn)。與分立解決方案相比，新手工程師通過采用芯片組可能節(jié)省的設(shè)計時間將大大抵消增加的組件成本。