【導(dǎo)讀】便捷設(shè)備使用的連接器，對于新的超薄可穿戴應(yīng)用而言也太大了。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峻的問題。本文的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。
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（圖1）。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)（圖2）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（參考文獻1）。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5W的輸出負載（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)達到較高的電感值，匝數(shù)會增加，導(dǎo)線直徑會減小。更細的導(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。
用于標(biāo)準(zhǔn)5W WPC應(yīng)用的典型線圈是A11型線圈。這種環(huán)形線圈直徑約50mm，背后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(yīng)用中經(jīng)過了測試，但它最適合較高的功率級（3W～5W）。對于較低功率和縮小范圍的接收器，許多線圈尺寸可減小。
A11線圈的典型電感為6.3μH。為獲得最佳性能，應(yīng)保持此值。導(dǎo)線直徑可減小，以允許更小的線圈尺寸，但是這會增加直流電阻損耗。通過減小屏蔽層厚度，可進一步實現(xiàn)尺寸的縮減。有幾種類型的屏蔽層可提供良好的性能。
用一個30mm的圓形發(fā)射器線圈進行測試的效果甚佳（圖3）。實現(xiàn)更小的解決方案并非癡人說夢，但設(shè)計人員務(wù)必要注意不能使直流電阻顯著增加。大多數(shù)WPC發(fā)射器中所用的諧振轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，即使在負載最小時，電流仍然在一次線圈內(nèi)流動?？紤]到產(chǎn)品的尺寸限制，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(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器線圈和30mm低功耗線圈
低功耗接收器
bq51003(＄1.4625)是德州儀器（TI）無線電源接收器bq51xxx產(chǎn)品系列中的一款器件，專為低功耗應(yīng)用量身打造。該器件中的關(guān)鍵變化是為較低的輸出電流優(yōu)化幾種功能的特性。
該器件系列具有動態(tài)整流器控制功能以改善負載瞬態(tài)特性（表2）。Qi標(biāo)準(zhǔn)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并引起系統(tǒng)復(fù)位。為了提供足夠的電壓應(yīng)對瞬態(tài)變化，在低負載時需要把VRECT工作點設(shè)高。該特性有助于負載階躍，但會降低輕載效率。為解決這個問題，用動態(tài)效率調(diào)節(jié)功能來調(diào)節(jié)輕載電壓，以適應(yīng)最大輸出負載。此外，還用一個電阻器來設(shè)定最大輸出電流。
表2：針對無線接收器（bq51003）的動態(tài)整流器控制
由于耗散功率而縮減了的PCB面積，散熱路徑也應(yīng)予以考慮。因為典型的應(yīng)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制的。
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(xié)同工作，調(diào)節(jié)并管理至鋰離子電池的電流。這些電池需要精確的恒流/ 恒壓充電控制配置參數(shù)，這些參數(shù)可通過bq24232(＄1.1250)（圖4）等器件來實現(xiàn)。對低功耗應(yīng)用而言，簡單的低成本線性充電器通常是上佳之選。抉擇充電器設(shè)備的一個關(guān)鍵因素是驗證它能否控制可穿戴設(shè)備所用小型電池需要的低充電電流水平。bq24232在必要時可調(diào)節(jié)低至25mA的恒定電流水平，并且已在使用小型電池的應(yīng)用中大顯身手。
圖4：適合低功耗應(yīng)用的無線電源接收器（帶電池充電器）
低功耗發(fā)射器
對于功率為5W的典型應(yīng)用，有很多擁有各種特性的Qi發(fā)射器類型。bq50xxx系列支持5W或更高的接收器輸出功率。對于低功耗應(yīng)用，bq500211(＄3.4312)是一個很好的起點。它提供標(biāo)準(zhǔn)的EVM套件，具有單線圈5V輸入、A11型的發(fā)射器線圈。然而，正如前文所述，針對更低功耗的可穿戴應(yīng)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(fā)射器設(shè)計還有小型低成本的選項。
bq500211 Qi發(fā)射器控制器擁有輸入功率限制選項，至發(fā)射器的輸入電流可被限制在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展示了一個方框圖范例。輸入電流跨電阻器檢測并通過電流檢測放大器放大。電源部分使用帶集成驅(qū)動器的功率級MOSFET。但獨立的驅(qū)動器和低損耗的MOSFET可用于降低成本。如前所述，在輸出功率較低時，F(xiàn)OD保護功能是可選項;圖5所示電路未實施FOD功能。另外，為了簡單并降低成本，圖5中的設(shè)計未顯示用于低功耗待機模式的可選電路。
圖5：低功耗發(fā)射器
結(jié)論
現(xiàn)在，用既有的定制器件在低功耗可穿戴設(shè)計中實現(xiàn)無線感應(yīng)充電已成為可能。要設(shè)計功率范圍為500mW～1500mW的工作解決方案，其中一項關(guān)鍵的因素是磁性元件的優(yōu)化—具體而言，就是讓較小尺寸的接收器線圈與相應(yīng)較小尺寸的發(fā)射器線圈相匹配，以保持最佳的耦合系數(shù)。此外，用bq500211發(fā)射器和bq51003低功耗接收器進行適當(dāng)?shù)耐獠侩娐沸薷?，以盡量減少系統(tǒng)功率損耗。
