可穿戴設備正作為電子元件的一個重要市場領域而迅速興起。 這類設備的一個關鍵要求就是便利性，不僅表現(xiàn)在能夠訪問移動物體上的數(shù)據(jù)方面，而且還能確保電池每天都有足以持續(xù)一整天的續(xù)航時間。

如果用戶必須插入設備使其整夜充電，那么有些時候就很有可能忘記充電，睡醒后才發(fā)現(xiàn)設備在接下來的一天時間里將無法使用。 無線充電功能為電子設備帶來一種更便捷的充電方式。 進行無線充電時只需將電子設放到充電墊上，無需在待充電設備中插入微型 USB或類似電纜，而且用戶可以把充電墊放在容易夠到的地方。 如果無線充電系統(tǒng)設計恰當，一塊充電墊可同時為多個設備充電，無需逐一充電且更能方便用戶外出攜帶充電墊和設備。

現(xiàn)在，享受無線充電便利的已不止是可穿戴設備。 這項技術早已大量運用到電子牙刷，甚至在進行按比例放大，為電動汽車電池充電。

感應充電的基本工作原理與電源變壓器相同。 充電墊中的感應線圈產(chǎn)生交變電磁場，然后由待充電設備的線圈接收該電磁場，并將其再次轉換為有用的電流。 與傳統(tǒng)變壓器類似，基本的感應充電也要求兩個線圈緊密靠近，以獲得高效率。 否則，初級線圈中的電阻會產(chǎn)生相當大的累積損耗。

利用兩個線圈產(chǎn)生諧振感應耦合可提升長距離能量傳輸效率，具體做法是通過合并電感和電容負載對這兩個線圈進行調諧，使其在相同頻率下產(chǎn)生諧振。 在這種諧振條件下，大量電能可從一個線圈傳輸至位于數(shù)倍于其直徑處的另一線圈。

圖 1：負載調制用于對變壓器耦合期間的數(shù)據(jù)進行編碼。

線圈電路 Q 值可調高，以便經(jīng)過多個周期后建立相對較強的磁場。 這種振蕩信號中攜帶的電能要高于任何一次饋入線圈的電能。 由于次級線圈能夠接收一部分這種振蕩磁場并對其進行轉換，因此輸出的電能要高于傳統(tǒng)變壓器。 為實現(xiàn)諧振而使用經(jīng)過調諧的電容可以消除發(fā)射器中的雜散和磁化電感，進而從根本上減小線圈繞組的電阻損耗，這種損耗通常是感應損耗的 10 到 100 倍。

為使 Q 值高于傳統(tǒng)變壓器 ，線圈通常采用螺線管設計，這也有助于將趨膚效應降至最小。 通常，使用小介電常數(shù)電感器或者僅依靠空氣就能將介電損耗降至最低。

實際中上，并不總是將線圈調諧至一個精確的諧振頻率。 只要次級線圈截獲一定量的磁力線，松散耦合系統(tǒng)就能傳輸電能。 通過更精確的線圈匹配實現(xiàn)更緊密的耦合能夠提供更高的電能，但對設計用于在諧振條件下同時工作的線圈來說，使它們之間保持嚴格的耦合是不可能的。 這些電路可設計為僅在失諧調件條件下工作，其中接收器與發(fā)射器的諧振頻率稍有不同。

遺憾的是，緊密耦合線圈還易受對準度影響，而且對于用戶只想將設備隨意放到充電墊上即能成功充電，而不用去考慮最佳放置方向和位置的消費類應用，這就是一個問題。 所以，充電所用的發(fā)射器可以采用多個線圈。 這會增加設計復雜性，但位置選擇更自由。 線圈無需重疊，這樣就能在生產(chǎn)中簡化裝配，雖然線圈重疊能提高密度和接收器放置自由度。

要順利實現(xiàn)單發(fā)射器為不同設備充電，就需采用一些標準。 目前在用的主要有兩大標準。 Powermat 系統(tǒng)是無線電源聯(lián)盟 （Alliance for Wireless Power） 倡導一個標準，圍繞基于單發(fā)射器線圈的松散耦合型系統(tǒng)而設計。 無線充電聯(lián)合體 （Wireless Power Consortium） 的 Qi 系統(tǒng)允許多種不同配置，包括同時進行松散和緊密耦合運行。 目前的大多數(shù)發(fā)射器采用多線圈緊密耦合配置。

這兩個標準還考慮了能量管理，以確保充電墊只有在設備充電時才會工作。 例如，Qi 系統(tǒng)采用一個通訊協(xié)議來中轉線圈上的信號，以檢查是否存在設備且該設備是否支持 Qi 系統(tǒng)。 按照該標準，發(fā)射器可以在 110 kHz 至 205 kHz 范圍內(nèi)改變線圈上的切換頻率，作為功率輸送的主要控制機制。

在 Qi 標準下，利用線圈電壓對負載進行簡單調制，以向氣隙另一側的裝置發(fā)送數(shù)據(jù)。 來自次級線圈的通訊使用不同的雙相位、位編碼方案，工作頻率恒為 2 kHz 并在每個 8 位傳輸數(shù)據(jù)前添加一個起始位。 傳輸數(shù)據(jù)后為奇偶校驗和停止位。

圖 2：雙相位編碼能實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)發(fā)送能力。

可以發(fā)送大量控制數(shù)據(jù)。 最常用的控制數(shù)據(jù)包類型包括：信號強度、控制誤差、終端功率要求和整流電源水平。 信號強度有助于調整設備在充電墊上的位置，當與可見或可聞信號配合使用時，能夠指導用戶沿充電墊移動設備，直至該信號強度大到足以說明當前功率傳輸良好。

控制誤差數(shù)據(jù)包可指示從接收線圈觀察到的輸入電壓及其需要的輸入電壓之間的誤差程度。 發(fā)射器通常利用控制回路調節(jié)施加到其線圈上的電壓。 如果存在大誤差，這些誤差數(shù)據(jù)包的頻率被設定為一個較大的值。 每 32 ms 將發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，直至誤差降至閾值以內(nèi)。 從這點來說，這些數(shù)據(jù)包每 250 ms 發(fā)送一次。 控制誤差數(shù)據(jù)包非常有助于調節(jié)功率輸送。 輕負載條件下，接收器可能需要一個較高電壓，以便能克服電流瞬態(tài)——例如，從睡眠狀態(tài)喚醒可穿戴設備。 負載電流較大時，便攜式設備可能需要一個較低電壓，以避免在 LDO 穩(wěn)壓器上產(chǎn)生功率損耗。

設備充滿電或者檢測到可能會損壞電池的內(nèi)部故障時，設備會發(fā)出停止功率傳輸請求。 功率輸送還通過整流電源信息控制。 這會中繼轉發(fā)可穿戴設備在其整流電路輸出端接收到的那部分功率。 發(fā)射器利用這一信息確定耦合頻率，同時判斷接收器是否達到其最高功率極限。 每 350 ms 至 1800 ms 發(fā)送一次，發(fā)射器會利用沒有數(shù)據(jù)包的間隙確定充電墊上的設備是否被移走。 整流電源信息也有助于探測異物。

支持 Qi 協(xié)議和控制功率輸送的芯片組業(yè)已推出。 例如 Toshiba 推出用于發(fā)射器的 TB6865AFG 器件。 這種高集成度零件包括一個運行客戶代碼的 ARM Cortex-M3 處理器、一個支持外部 H 橋電路的 PWM 控制器（用于功率輸送）。 按照 Qi 標準，控制器可為多達兩個設備控制功率并支持異物檢測。

bq51013 器件是 Texas Instruments 產(chǎn)品，設計用于次級側，能進行 AC/DC 電源轉換、整流并具有向發(fā)射器發(fā)送指令所需的數(shù)字化控制功能。 bq5101x 系列的所有器件均采用了一個低電阻同步整流器、LDO 以及電壓、電流環(huán)路控制器。

除控制器外，制造商還提供支持 Qi 協(xié)議標準的現(xiàn)成線圈，這些線圈設計用作發(fā)射器、接收器或同時用作這兩種器件。 例如，Abracon 的 AWCCA-50N50 系列同時支持發(fā)射器和接收器應用。 線圈的直徑稍小于 50 mm 且抗透磁性能強，可保護設備內(nèi)部的電子器件。 這些設計提供可在 70 或 160 范圍內(nèi)選擇的 Q 系數(shù)，這兩種情況下的 DC 電阻分別為 20 mΩ 或 70 mΩ 左右。

針對較小的可穿戴設備，TDK 推出 WR303050 線圈，并將其封裝尺寸減小至 30 x 30 mm 且厚度僅 1 mm。 室溫下 DC 電阻為 0.41 Ω。

為提高靈活性，Vishay Dale 的 IWAS-3827 提供采用長方形而非正方形基底面選擇，其長寬分別為 38 mm 和 27 mm。 該線圈厚度 1 mm，DC 電阻為 0.18 Ω，典型 Q 值為 30。

圖 3：用于無線電源的 AVishay Dale 線圈。

為提供集成度更高的解決方案，TDK 的 TMx-66-2M7 和 TMx-58-2M7 可與一個 TI 接收器芯片封裝在一起，實現(xiàn)一個總長 66 mm、厚度僅 1 mm 的封裝器件。

可選用的其它無線充電器件包括 Würth Electronics 提供的各種 WPCC 和 WE-WPCC 系列無線充電線圈。 這些線圈包括發(fā)射器和接收器兩種配置形式，額定電流為 0.8 至 13 A 且尺寸多樣，能滿足各種應用要求。 我們可利用 Würth/TI 無線電源演示套件 （760308） 演示無線充電的概念和好處，該套件采用了 Würth 發(fā)射器和接收器線圈。

隨著圍繞如 Qi 等協(xié)議的生態(tài)系統(tǒng)的擴張，我們可以期待用集成度更高的解決方案來簡化設計工作，為可穿戴設備設計更簡單的充電方法。

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