智能手表
、健身腕帶和頭戴式耳機等諸多低功耗可穿戴設備已推向市場（圖1）。yujizaiweilaijinian
，zhezhongquanxindedianzichanpinxiliedezhenyingjianghuixunsufazhanzhuangda。zhexieshebeitongchangxiaoqiaoxianbo，juyoubutongdewaixinghegongyesheji。dianchiderongliangfanweikenengshi100mAh～300mAh，這就決定了所需的充電速率。

 

這類設備傳統上是利用插頭插孔或micro-USB連lian接jie器qi進jin行xing充chong電dian。但dan即ji使shi是shi這zhe些xie較jiao小xiao的de連lian接jie器qi，對dui於yu一yi些xie新xin的de超chao薄bo可ke穿chuan戴dai應ying用yong而er言yan也ye太tai大da了le。此ci外wai，由you於yu戶hu外wai可ke穿chuan戴dai環huan境jing的de原yuan因yin
，連lian接jie器qi汙wu染ran也ye成cheng了le一yi個ge更geng嚴yan峻jun的de問wen題ti。

 

　　

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，並為設計人員提供更多的機會。現有用於WPC（無線充電聯盟）Qi標準的半導體器件，可輕鬆適用於這種較低功耗的應用。這種技術使用兩個平麵線圈
，通過密封外殼來傳輸電力。對於低功耗可穿戴設備而言，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的背麵。Qi兼容器件是一種可縮短開發時間的成熟解決方案
，且此類產品能獲得現有WPC基礎設施的支持。

 

 

典型的無線電源係統（圖2）在便攜式設備內有一個接收器（Rx），它提供能量給電池充電。發射器（Tx）位(wei)於(yu)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)的(de)底(di)座(zuo)內(nei)，並(bing)連(lian)接(jie)至(zhi)壁(bi)掛(gua)式(shi)電(dian)源(yuan)。輸(shu)入(ru)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)交(jiao)流(liu)電(dian)，然(ran)後(hou)在(zai)發(fa)射(she)器(qi)線(xian)圈(quan)與(yu)接(jie)收(shou)器(qi)線(xian)圈(quan)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)時(shi)，通(tong)過(guo)線(xian)圈(quan)發(fa)生(sheng)磁(ci)耦(ou)合(he)。接(jie)收(shou)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)在(zai)電(dian)流(liu)高(gao)達(da)1A時通常為5V
，其可為便攜式設備內的電池充電器IC提供輸入功率。

 

　

圖2：Qi兼容的無線電源係統方框圖

 

該係統中的發射器工作，由接收器芯片使用經同一磁耦合路徑傳回的數字通信包形式的反饋進行控製。Qi兼容接收器采用負載調製以數據包形式跨兩個線圈發送信息，與發射器進行通信。發射器線圈電壓和電流以2kHz的de速su率lv調tiao製zhi，由you發fa射she器qi解jie碼ma並bing用yong於yu控kong製zhi。接jie收shou器qi可ke以yi向xiang發fa射she器qi發fa送song多duo種zhong類lei型xing的de數shu據ju包bao
，以yi實shi現xian控kong製zhi和he信xin息xi傳chuan輸shu。此ci外wai，通tong信xin的de失shi敗bai將jiang終zhong止zhi任ren何he功gong率lv傳chuan輸shu。

 

Qi標準的“識別和配置”命令數據包非常有用，可保證功率僅傳輸到正確的設備，從而避免潛在的危險情況。“充電完成”和“結束功率傳輸”數據包也是很有用的命令，當電池充完電或出現其他情況需要終止功率傳輸時可停止功率傳輸（參考文獻1）。這些特性可保證采用現有廣為人知的標準在發射器和接收器之間進行安全的功率傳輸。

 

 

通過精心調整線圈尺寸和外部元件值來匹配更小尺寸應用，可針對低功耗無線係統對既有的Qi兼容接收器和發射器進行優化。發射器和接收器的線圈均可縮減尺寸
，以適應更小的外形。電源部分的元件（特別針對發射器）可降低功率規格。

 

典型的WPC-1.1 Qi兼容係統可支持功率高達5W的輸出負載（通常為5V@1A）。另一方麵，適用於可穿戴設備應用的低功耗係統可能擁有5V@100mA～250mA的輸出電力範圍。

 

大多數Qi兼容功能的使用並不影響尺寸或性能。異物檢測（FOD）功能是一項可選功能
，可防止功率傳輸到充電區的雜散金屬物體。在具有FOD功能的低功耗係統中，總輸出功率被減小50%以上。隨著充電區域的縮小，物體進入該區域，並被加熱至出現問題的可能性也大大降低。FOD功能的關鍵可能主要取決於可穿戴設備充電墊或充電底座的機械設計。表1總結了采用WPC-1.1 Qi標準時的一些主要可用功能，而這些功能在定製可穿戴應用時是可選的。

　

表1：Qi兼容標準與可穿戴解決方案對比

 

 

xianquandechicunkejianxiaodaoyigedian
，danrengxuchuanshugonglvbingyufasheqijinxingtongxin。dianxingdexianquanjiegoushiyizhongzaipingbicengshangyongtongxianzhichengdeyuanxingpingmianxianquan。tidaipeizhishiPCB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Rx線圈和Tx線圈在x-y平麵上對齊
，那麼有兩個關鍵因素可確定耦合係數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。當兩個線圈距離較近且直徑相匹配時，將產生最佳耦合（最高的k）結果（參考文獻2）。為確保兩個線圈從一開始就能在x-y平(ping)麵(mian)上(shang)緊(jin)密(mi)對(dui)齊(qi)
，可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)充(chong)電(dian)底(di)座(zuo)或(huo)支(zhi)架(jia)的(de)機(ji)械(xie)設(she)計(ji)應(ying)包(bao)括(kuo)有(you)助(zhu)於(yu)將(jiang)設(she)備(bei)妥(tuo)善(shan)放(fang)置(zhi)在(zai)支(zhi)架(jia)中(zhong)的(de)物(wu)理(li)方(fang)法(fa)。由(you)於(yu)在(zai)本(ben)應(ying)用(yong)中(zhong)接(jie)收(shou)器(qi)線(xian)圈(quan)非(fei)常(chang)小(xiao)

，Rx線圈和Tx線圈之間的輕微失準可能導致耦合係數顯著降低且功率傳輸效率很差。

 

在耦合電感器係統（如WPC/Qi）中，一次線圈和二次線圈間的耦合係數（k）通常為0.5～0.7。典型變壓器的k會高得多，例如0.99。當耦合係數很低時
，在二次（接收器）側需要較高的電感值，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備，實際上比標準的5W設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、更大屏蔽層的較高電感的接收器線圈
，才能達到所需的電壓增益。

 

 

接收器線圈尺寸的設計權衡因素包括線圈導線直徑
、pingbicengchicunhehoudu。xianquanzhiliudianzuhuishijieshouqixiaolvjiangdi。jieshouqixianquanshejixuyaojutidezashu，yihuodesuoxudediangan。ruqiansuoshu，youyuouhexishujiangdi，xiaoxianquansuoxudedianganhuibidaxianquangao。weilezaijiaoxiaokongjianneidadaojiaogaodedianganzhi，zashuhuizengjia，daoxianzhijinghuijianxiao。gengxidedaoxianhegengduodezashudailaidehebingxiaoying

，jiangposhizhiliudianzushenggaobingjiangdixiaolv。

 

屏蔽層能提供低阻抗的磁通路徑
，並能增加線圈的電感。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、genghoudepingbicengbijiaohao，yinweijiaobodepingbicengjiangzaoyugaotongliangcichangbaohedefengxian。fasheqixianquanshejidewulixianzhijiaoshao。xianquankeyigengda
，bingqieqidiangankeyigengdi。

 

用於標準5W WPC應用的典型線圈是A11型線圈。這種環形線圈直徑約50mm，背後有厚厚的鐵氧體屏蔽層。雖然這種線圈已在具有多種類型接收器的大量應用中經過了測試，但它最適合較高的功率級（3W～5W）。對於較低功率和縮小範圍的接收器，許多線圈尺寸可減小。

 

A11線圈的典型電感為6.3μH。為wei獲huo得de最zui佳jia性xing能neng
，應ying保bao持chi此ci值zhi。導dao線xian直zhi徑jing可ke減jian小xiao，以yi允yun許xu更geng小xiao的de線xian圈quan尺chi寸cun
，但dan是shi這zhe會hui增zeng加jia直zhi流liu電dian阻zu損sun耗hao。通tong過guo減jian小xiao屏ping蔽bi層ceng厚hou度du，可ke進jin一yi步bu實shi現xian尺chi寸cun的de縮suo減jian。有you幾ji種zhong類lei型xing的de屏ping蔽bi層ceng可ke提ti供gong良liang好hao的de性xing能neng。

 

用一個30mm的圓形發射器線圈進行測試的效果甚佳（圖3）。實現更小的解決方案並非癡人說夢，但設計人員務必要注意不能使直流電阻顯著增加。大多數WPC發射器中所用的諧振轉換器架構，即使在負載最小時

，電流仍然在一次線圈內流動。考慮到產品的尺寸限製，Tx線圈的直流電阻必須在實際情況允許的條件下盡可能減小，以避免過多的功率損耗。

 

　　

圖3：標準收發器線圈和30mm低功耗線圈

 

 

bq51003(＄1.4625)是德州儀器（TI）無線電源接收器bq51xxx產品係列中的一款器件，專為低功耗應用量身打造。該器件中的關鍵變化是為較低的輸出電流優化幾種功能的特性。

 

該器件係列具有動態整流器控製功能以改善負載瞬態特性（表2）。Qi標準有一個相對緩慢的全局反饋回路，最多可能需要100ms的時間來改變工作點。這意味著負載階躍會降低輸出電壓並引起係統複位。為了提供足夠的電壓應對瞬態變化，在低負載時需要把VRECTgongzuodianshegao。gaitexingyouzhuyufuzaijieyue，danhuijiangdiqingzaixiaolv。weijiejuezhegewenti，yongdongtaixiaolvtiaojiegongnenglaitiaojieqingzaidianya，yishiyingzuidashuchufuzai。ciwai，haiyongyigedianzuqilaishedingzuidashuchudianliu。
 

 

 

表2：針對無線接收器（bq51003）的動態整流器控製

 

由於耗散功率而縮減了的PCB麵積，散熱路徑也應予以考慮。因為典型的應用需要用降低的充電電流為小型電池充電，所以耗散功率是可以控製的。

 

如前所述
，bq51003及bq51013B(＄1.9688)等其他恒壓輸出接收器可與二次IC協同工作
，調節並管理至鋰離子電池的電流。這些電池需要精確的恒流/ 恒壓充電控製配置參數，這些參數可通過bq24232(＄1.1250)（圖4）等(deng)器(qi)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)。對(dui)低(di)功(gong)耗(hao)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，簡(jian)單(dan)的(de)低(di)成(cheng)本(ben)線(xian)性(xing)充(chong)電(dian)器(qi)通(tong)常(chang)是(shi)上(shang)佳(jia)之(zhi)選(xuan)。抉(jue)擇(ze)充(chong)電(dian)器(qi)設(she)備(bei)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)是(shi)驗(yan)證(zheng)它(ta)能(neng)否(fou)控(kong)製(zhi)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)所(suo)用(yong)小(xiao)型(xing)電(dian)池(chi)需(xu)要(yao)的(de)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)水(shui)平(ping)。bq24232在必要時可調節低至25mA的恒定電流水平，並且已在使用小型電池的應用中大顯身手。

 

　　

圖4：適合低功耗應用的無線電源接收器（帶電池充電器）

 

 

對於功率為5W的典型應用，有很多擁有各種特性的Qi發射器類型。bq50xxx係列支持5W或更高的接收器輸出功率。對於低功耗應用，bq500211(＄3.4312)是一個很好的起點。它提供標準的EVM套件
，具有單線圈5V輸入、A11型的發射器線圈。然而，正如前文所述
，針對更低功耗的可穿戴應用
，這種線圈可用更小的元件取代。該器件可選擇通過USB端口或低功耗5V電源適配器供電運行。發射器設計還有小型低成本的選項。

 

bq500211 Qi發射器控製器擁有輸入功率限製選項，至發射器的輸入電流可被限製在500mA
，從而允許通過USB端口或小型電源適配器供電運行。這非常適合要求低電流的低功耗接收器。圖5展示了一個方框圖範例。輸入電流跨電阻器檢測並通過電流檢測放大器放大。電源部分使用帶集成驅動器的功率級MOSFET。但獨立的驅動器和低損耗的MOSFET可用於降低成本。如前所述，在輸出功率較低時，FOD保護功能是可選項;圖5所示電路未實施FOD功能。另外
，為了簡單並降低成本
，圖5中的設計未顯示用於低功耗待機模式的可選電路。

 

　　

圖5：低功耗發射器

 

 

現在，用既有的定製器件在低功耗可穿戴設計中實現無線感應充電已成為可能。要設計功率範圍為500mW～1500mW的工作解決方案，其中一項關鍵的因素是磁性元件的優化—具體而言
，就是讓較小尺寸的接收器線圈與相應較小尺寸的發射器線圈相匹配，以保持最佳的耦合係數。此外，用bq500211發射器和bq51003低功耗接收器進行適當的外部電路修改，以盡量減少係統功率損耗。