便攜設(shè)備無線充電設(shè)計與線圈要求盤點

　　智能手表、健身腕帶和頭戴式耳機等諸多低功耗可穿戴設(shè)備已推向市場。預(yù)計在未來幾年，這種全新的電子產(chǎn)品系列的陣營將會迅速發(fā)展壯大。這些設(shè)備通常小巧纖薄，具有不同的外形和工業(yè)設(shè)計。電池的容量范圍可能是100mAh～300mAh，這就決定了所需的充電速率。這類設(shè)備傳統(tǒng)上是利用插頭插孔或micro-USB連接器進行充電。但即使是這些較小的連接器，對于一些新的超薄可穿戴應(yīng)用而言也太大了。此外，由于戶外可穿戴環(huán)境的原因，連接器污染也成了一個更嚴(yán)峻的問題。

　　圖1：具有無線充電功能的智能手表

　　無線充電解決方案可令這些問題迎刃而解，并為設(shè)計人員提供更多的機會?，F(xiàn)有用于WPC（無線充電聯(lián)盟）Qi標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件，可輕松適用于這種較低功耗的應(yīng)用。這種技術(shù)使用兩個平面線圈，通過密封外殼來傳輸電力。對于低功耗可穿戴設(shè)備而言，小巧纖薄的低功耗接收器線圈可輕易地嵌入到密封外殼或腕帶區(qū)的背面。Qi兼容器件是一種可縮短開發(fā)時間的成熟解決方案，且此類產(chǎn)品能獲得現(xiàn)有WPC基礎(chǔ)設(shè)施的支持。

　　Qi兼容的無線電源系統(tǒng)

　　典型的無線電源系統(tǒng)在便攜式設(shè)備內(nèi)有一個接收器（Rx），它提供能量給電池充電。發(fā)射器（Tx）位于一個固定的底座內(nèi)，并連接至壁掛式電源。輸入電能轉(zhuǎn)換為交流電，然后在發(fā)射器線圈與接收器線圈非常接近時，通過線圈發(fā)生磁耦合。接收器的輸出在電流高達(dá)1A時通常為5V，其可為便攜式設(shè)備內(nèi)的電池充電器IC提供輸入功率。

　　圖2：Qi兼容的無線電源系統(tǒng)方框圖

　　該系統(tǒng)中的發(fā)射器工作，由接收器芯片使用經(jīng)同一磁耦合路徑傳回的數(shù)字通信包形式的反饋進行控制。Qi兼容接收器采用負(fù)載調(diào)制以數(shù)據(jù)包形式跨兩個線圈發(fā)送信息，與發(fā)射器進行通信。發(fā)射器線圈電壓和電流以2kHz的速率調(diào)制，由發(fā)射器解碼并用于控制。接收器可以向發(fā)射器發(fā)送多種類型的數(shù)據(jù)包，以實現(xiàn)控制和信息傳輸。此外，通信的失敗將終止任何功率傳輸。Qi標(biāo)準(zhǔn)的“識別和配置”命令數(shù)據(jù)包非常有用，可保證功率僅傳輸?shù)秸_的設(shè)備，從而避免潛在的危險情況。“充電完成”和“結(jié)束功率傳輸”數(shù)據(jù)包也是很有用的命令，當(dāng)電池充完電或出現(xiàn)其他情況需要終止功率傳輸時可停止功率傳輸。這些特性可保證采用現(xiàn)有廣為人知的標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)射器和接收器之間進行安全的功率傳輸。

　　低功耗無線系統(tǒng)

　　通過精心調(diào)整線圈尺寸和外部元件值來匹配更小尺寸應(yīng)用，可針對低功耗無線系統(tǒng)對既有的Qi兼容接收器和發(fā)射器進行優(yōu)化。發(fā)射器和接收器的線圈均可縮減尺寸，以適應(yīng)更小的外形。電源部分的元件（特別針對發(fā)射器）可降低功率規(guī)格。典型的WPC-1.1 Qi兼容系統(tǒng)可支持功率高達(dá)5W的輸出負(fù)載（通常為5V@1A）。另一方面，適用于可穿戴設(shè)備應(yīng)用的低功耗系統(tǒng)可能擁有5V@100mA～250mA的輸出電力范圍。大多數(shù)Qi兼容功能的使用并不影響尺寸或性能。異物檢測（FOD）功能是一項可選功能，可防止功率傳輸?shù)匠潆妳^(qū)的雜散金屬物體。在具有FOD功能的低功耗系統(tǒng)中，總輸出功率被減小50%以上。隨著充電區(qū)域的縮小，物體進入該區(qū)域，并被加熱至出現(xiàn)問題的可能性也大大降低。FOD功能的關(guān)鍵可能主要取決于可穿戴設(shè)備充電墊或充電底座的機械設(shè)計。表1總結(jié)了采用WPC-1.1 Qi標(biāo)準(zhǔn)時的一些主要可用功能，而這些功能在定制可穿戴應(yīng)用時是可選的。

　　表1：Qi兼容標(biāo)準(zhǔn)與可穿戴解決方案對比。

　　低功耗系統(tǒng)線圈

　　線圈的尺寸可減小到一個點，但仍需傳輸功率并與發(fā)射器進行通信。典型的線圈結(jié)構(gòu)是一種在屏蔽層上用銅線制成的圓形平面線圈。替代配置是PCB或柔性電路線圈。通常情況下，這些替代物可能有更高的直流（DC）電阻（更低的效率），但會非常纖薄，該特性很適合小型低功耗應(yīng)用。屏蔽層可阻止交流電磁場進入電子器件和電池，這也可提高線圈的性能。假設(shè)Rx線圈和Tx線圈在x-y平面上對齊，那么有兩個關(guān)鍵因素可確定耦合系數(shù)k。第一個因素是線圈到線圈（z）的距離，第二個因素是兩個線圈直徑的比例。當(dāng)兩個線圈距離較近且直徑相匹配時，將產(chǎn)生最佳耦合（最高的k）結(jié)果（參考文獻2）。為確保兩個線圈從一開始就能在x-y平面上緊密對齊，可穿戴設(shè)備充電底座或支架的機械設(shè)計應(yīng)包括有助于將設(shè)備妥善放置在支架中的物理方法。由于在本應(yīng)用中接收器線圈非常小，Rx線圈和Tx線圈之間的輕微失準(zhǔn)可能導(dǎo)致耦合系數(shù)顯著降低且功率傳輸效率很差。在耦合電感器系統(tǒng)（如WPC/Qi）中，一次線圈和二次線圈間的耦合系數(shù)（k）通常為0.5～0.7。典型變壓器的k會高得多，例如0.99。當(dāng)耦合系數(shù)很低時，在二次（接收器）側(cè)需要較高的電感值，以確保輸出功率的需求能得到滿足。因此，那些可能具有低耦合的小型低功率設(shè)備，實際上比標(biāo)準(zhǔn)的5W設(shè)計需要更高的二次繞組電感（參考文獻3），可能需要具有更多匝數(shù)、更大屏蔽層的較高電感的接收器線圈，才能達(dá)到所需的電壓增益。

　　線圈設(shè)計

　　接收器線圈尺寸的設(shè)計權(quán)衡因素包括線圈導(dǎo)線直徑、屏蔽層尺寸和厚度。線圈直流電阻會使接收器效率降低。接收器線圈設(shè)計需要具體的匝數(shù)，以獲得所需的電感。如前所述，由于耦合系數(shù)降低，小線圈所需的電感會比大線圈高。為了在較小空間內(nèi)達(dá)到較高的電感值，匝數(shù)會增加，導(dǎo)線直徑會減小。更細(xì)的導(dǎo)線和更多的匝數(shù)帶來的合并效應(yīng)，將迫使直流電阻升高并降低效率。屏蔽層能提供低阻抗的磁通路徑，并能增加線圈的電感。此外，屏蔽層還能阻止交流電磁場進入電池和接收器周圍的金屬體。更大、更厚的屏蔽層比較好，因為較薄的屏蔽層將遭遇高通量磁場飽和的風(fēng)險。發(fā)射器線圈設(shè)計的物理限制較少。線圈可以更大，并且其電感可以更低。

　　技術(shù)點評：無線充電發(fā)射器采用線圈電壓和電流以2kHz的速率調(diào)制，經(jīng)過解碼并用于控制；接收器直接向發(fā)射器發(fā)送多種類型的數(shù)據(jù)包，以實現(xiàn)控制和信息傳輸，已達(dá)到充電的作用，在此過程中線圈的設(shè)計尤為重要，直接決定了耗能的大小。

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