【導讀】便捷設備使用的連接器，對于新的超薄可穿戴應用而言也太大了。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備已推向市場（圖1）。預計在未來幾年，這種全新的電子產(chǎn)品系列的陣營將會迅速發(fā)展壯大。這些設備通常小巧纖薄，具有不同的外形和工業(yè)設計。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，并為設計人員提供更多的機會。現(xiàn)有用于WPC（無線充電聯(lián)盟）Qi標準的半導體器件，可輕松適用于這種較低功耗的應用。這種技術使用兩個平面線圈，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基礎設施的支持。
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標準的“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_的設備，從而避免潛在的危險情況。“充電完成”和“結束功率傳輸”數(shù)據(jù)包也是很有用的命令，當電池充完電或出現(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)有廣為人知的標準在發(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，適用于可穿戴設備應用的低功耗系統(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功能的關鍵可能主要取決于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，而這些功能在定制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
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。典型的線圈結構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平面上對齊，那么有兩個關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，可穿戴設備充電底座或支架的機械設計應包括有助于將設備妥善放置在支架中的物理方法。由于在本應用中接收器線圈非常小，Rx線圈和Tx線圈之間的輕微失準可能導致耦合系數(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。當耦合系數(shù)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(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。
線圈設計
接收器線圈尺寸的設計權衡因素包括線圈導線直徑、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，導線直徑會減小。更細的導線和更多的匝數(shù)帶來的合并效應，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險。發(fā)射器線圈設計的物理限制較少。線圈可以更大，并且其電感可以更低。
用于標準5W WPC應用的典型線圈是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，應保持此值。導線直徑可減小，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，但設計人員務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換器架構，即使在負載最小時，電流仍然在一次線圈內(nèi)流動。考慮到產(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：標準收發(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，專為低功耗應用量身打造。該器件中的關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并引起系統(tǒng)復位。為了提供足夠的電壓應對瞬態(tài)變化，在低負載時需要把VRECT工作點設高。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，以適應最大輸出負載。此外，還用一個電阻器來設定最大輸出電流。
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。抉擇充電器設備的一個關鍵因素是驗證它能否控制可穿戴設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）
低功耗發(fā)射器
對于功率為5W的典型應用，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(fā)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(fā)射器設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動器的功率級MOSFET。但獨立的驅動器和低損耗的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
結論
現(xiàn)在，用既有的定制器件在低功耗可穿戴設計中實現(xiàn)無線感應充電已成為可能。要設計功率范圍為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(yōu)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(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?shù)耐獠侩娐沸薷模员M量減少系統(tǒng)功率損耗。
