無線電源為產(chǎn)品設計和使用提供了極大的靈活性。隨著消費者要求電子產(chǎn)品具有更大的移動性，通過簡單地將它們放置在臺面，儀表板和其他表面上來為耗電的產(chǎn)品充電的能力超出了方便的特征而變得非常實用。借助飛思卡爾半導體，集成器件技術和德州儀器等專業(yè)解決方案，工程師可以為設計增加高效的無線功率。

無線電源技術利用基本的電磁原理，利用通過磁感應或磁共振耦合的線圈將能量從電源傳輸?shù)?a target="_blank">接收器。典型的無線系統(tǒng)包括電力發(fā)送器基座單元和包括在諸如無線耳機，智能電話，平板電腦等移動設備中的相應電力接收器單元。

發(fā)射器單元包括一個或多個發(fā)射器線圈，其由功率轉(zhuǎn)換電路供電并由控制和通信子系統(tǒng)管理。互補接收器單元包括由相應的控制和通信子系統(tǒng)類似地管理的接收器線圈。正如本文將要闡明的那樣，耦合和通信的性質(zhì)在電感和磁共振方法上有很大不同。

感應耦合

在感應電力傳輸中，發(fā)射器線圈（L1）中的交流電流會產(chǎn)生一個磁場，在成對的接收器線圈（L2）中感應出電壓（圖1）。這些成對電感之間的功率傳輸效率取決于電感器和電感器的品質(zhì)因數(shù)（Q）之間的耦合因子（k）。

圖1：無線電力傳輸可以通過靠近放置的電感耦合線圈進行。 （由無線電力聯(lián)盟提供。）

如圖2所示，由于耦合因子k隨著給定相對尺寸（D2/D）的電感器之間的距離（z）的增加而降低，效率急劇下降耦合線圈

圖2：電感耦合功率傳輸?shù)男嗜Q于耦合線圈的相對幾何形狀和布局。 （由無線電力聯(lián)盟提供。）

當以功率損耗表示時，耦合因子k和品質(zhì)因數(shù)Q的影響變得更加明顯。對于電感耦合無線電力系統(tǒng)，最小功率損耗因子由下式給出：

在這些術語中，損耗因子開始變得不可接受，因為kQ，品質(zhì)因數(shù)下降具有低耦合系數(shù)或品質(zhì)因數(shù)。由于耦合因子的范圍從0到1，因此工程師會考慮線圈品質(zhì)因數(shù)來改善損耗因子。如圖3所示，線圈系數(shù)質(zhì)量低于10會導致不可接受的損耗因素。對于典型的大規(guī)模生產(chǎn)線圈，典型的質(zhì)量因數(shù)約為100，這取決于線圈尺寸，形狀和材料，而在生產(chǎn)中難以實現(xiàn)顯著更高的品質(zhì)因數(shù)。

圖3：降低電感耦合功率傳輸中的功率損耗取決于耦合因子（k）和品質(zhì)因數(shù)（Q）。 （由無線電力聯(lián)盟提供。）

電感耦合功率傳輸?shù)囊粋€問題是耦合因子的顯著減小，接收器線圈相對于發(fā)射器線圈的距離增加或不對準。相反，磁共振功率傳輸可以在更大距離上無線傳輸功率，而對功率接收器相對于發(fā)射器的相對取向的依賴性更小。在這種方法中，兩個電感器被調(diào)諧以在相同頻率下諧振并通過它們的耦合磁場交換能量。與電感耦合相比，磁共振使電源和接收器之間的耦合更松散。

無線電源標準

雖然公司可以選擇無線電源傳輸?shù)淖远x方法，但基于標準的方法提供了互操作性的明顯優(yōu)勢，這是消費者所期望的。希望開發(fā)無線電源解決方案的工程師將發(fā)現(xiàn)與行業(yè)領先產(chǎn)品相關的專有標準與行業(yè)聯(lián)盟推動的開放標準相結合。在后者中，無線電力聯(lián)盟（A4WP）產(chǎn)業(yè)集團專注于基于磁共振功率傳輸?shù)臉藴屎图夹g，而無線電力聯(lián)盟（WPC）主要關注感應功率傳輸?shù)臉藴省?/p>

由于WPC成員（包括從半導體制造商到設備制造商的公司）開發(fā)的規(guī)范可用，因此感應功率傳輸標準在業(yè)界獲得了顯著的吸引力。 WPC Qi（發(fā)音為“chee”）標準規(guī)定了最初基于感應技術的標準無線功率傳輸發(fā)射器和接收器設計。 WPC還支持基于磁共振的設計，能夠支持在5 W時增加4 cm的充電距離，同時保持完全Qi兼容。

WPC Qi基于基站發(fā)射機和移動設備接收機中線圈之間的近場磁感應，指定了功率發(fā)射器和功率接收器之間的標準接口，用于非接觸式功率傳輸（圖4）。 WPC標準在100-205 kHz范圍內(nèi)工作，能夠使用外部尺寸約為40 mm的次級線圈傳輸約5 W的功率，同時以非常低的待機功率運行。在此功率級別，兼容的無線電源系統(tǒng)可以為從智能手機和相機到媒體播放器和耳機的各種設備充電。

圖4：WPC Qi系統(tǒng)通過監(jiān)視由接收器控制的反射負載，基于發(fā)送器接收的消息無線傳輸電力。 （由Integrated Device Technology提供。）

符合標準的產(chǎn)品可以使用引導或自由定位方法在基站上定位移動設備。在引導定位中，諸如LED或音頻警報之類的提示幫助用戶將移動設備定位在基站上的特定充電位置上。相反，自由定位支持將移動設備定位在基站表面上的任何位置。這里，發(fā)射器監(jiān)視發(fā)射器和接收器線圈之間的耦合程度，以確定用于提供最佳功率傳輸?shù)淖罴丫€圈或線圈組合。

放置移動設備后，簡單的通信協(xié)議允許移動設備控制電力傳輸。這里，接收器通過調(diào)制阻抗網(wǎng)絡來發(fā)送控制消息以編碼消息。負載的這種幅度調(diào)制導致發(fā)射器線圈上的相應電壓變化。變送器控制子系統(tǒng)解調(diào)此信號并調(diào)整線圈驅(qū)動輸出，以實現(xiàn)所需的傳輸功率調(diào)節(jié)。

要在接收器端執(zhí)行此調(diào)制，工程師可以使用阻抗網(wǎng)絡的電阻或電容調(diào)制。圖5說明了電容調(diào)制方法，其中根據(jù)需要將電容添加到負載（圖5A，導致發(fā)送器電壓的幅度變化（圖5B）。

圖5：為了與發(fā)射器通信，符合WPC Qi標準的接收器可以使用電容調(diào)制（A）來實現(xiàn)發(fā)射器電壓（B）的幅度變化。（德州儀器公司提供。）

Silicon solutions 《 br》工程師可以找到許多專為符合WPC Qi標準而設計的硅解決方案。事實上，工程師可以利用具有適當片上外設的MCU，如飛思卡爾半導體MC56F825x/MC56F824x，F(xiàn)reescale RS08KB和Texas Instruments C2000系列等。飛思卡爾采用符合Qi標準的參考設計，基于其MCU系列，內(nèi)置了該應用所需的全套片上模擬和數(shù)字外設。結合DSP和MCU功能，飛思卡爾的MC56F825x/MC56F824x IC具有完整的功能。高性能信號處理功能所需的片上外設所需的更多復雜，符合Qi標準的功率控制功能，例如平板電腦的無線功率參考設計（圖6）。

圖6：飛思卡爾針對符合Qi標準的無線平板充電器的參考設計采用基于固件的方法，該方法圍繞其內(nèi)置ADC的MCU構建。 （由飛思卡爾半導體公司提供。）

MC56F825x具有64 KB的閃存和8 KB的RAM，而MC56F824x提供48 KB的閃存和兩個配置6或8 KB的RAM。除了三個模擬比較器外，這些器件還提供兩個8通道，12位ADC（圖7）。

圖7：工程師可以使用高集成度MCU實現(xiàn)與QPC Qi兼容的無線電源，例如飛思卡爾半導體MC56F825x/MC56F824x，它們將MCU或DSP與全功能組合在一起模擬信號處理所需的外圍設備。 （由飛思卡爾半導體公司提供。）

對于電池充電器等應用，發(fā)射機基站通常需要為多個接收機供電（圖8）。在這種類型的應用中，多線圈發(fā)射器子系統(tǒng)可以由諸如Freescale MC56F825x/MC56F824x的高性能設備供電。反過來，接收器單元設計可以基于低成本MCU，例如飛思卡爾RS08KB 8位MCU系列。 RS08KB MCU集成了符合Qi標準的無線電源所需的ADC，定時器和其他外設。

圖8：電池充電器可以將用于控制多線圈發(fā)射器的高性能MCU與基于經(jīng)濟高效的8位MCU（如飛思卡爾半導體RS08KB）的接收器相結合。 （由飛思卡爾半導體公司提供。）

集成器件技術將IDT9030作為單芯片解決方案提供，僅需外部無源元件即可構建完整的低成本，符合Qi標準的發(fā)送器（圖9）。 IDT9030集成了半橋逆變器，用于19 V輸入的DC/AC轉(zhuǎn)換。反過來，該器件通過將半橋逆變器的開關頻率從110到205 kHz調(diào)制為WPC A1發(fā)送器所需的固定50％占空比來控制輸出功率。

圖9：IDT IDTP9030是一款單芯片解決方案，需要最少的外部無源元件，才能實現(xiàn)符合Qi標準的發(fā)送器。 （由Integrated Device Technology提供。）

在基站設計中，IDTP9030 ping周圍區(qū)域以檢測移動設備，同時最大限度地減少空閑功率。事實上，IDTP9030本身在沒有接收器加載時僅消耗約9 mA。當找到接收器時，IDTP9030使用片上電路持續(xù)監(jiān)控來自移動設備的通信，以根據(jù)WPC規(guī)范解調(diào)和解碼接收器發(fā)送的消息包。基于這些消息，IC通過改變半橋逆變器的開關頻率來相應地調(diào)節(jié)發(fā)射功率。

通過發(fā)射機加載進行消息傳輸?shù)腤PC方法將通信限制為低帶寬通信。 IDT在IDTP9030中通過專有的反向信道通信功能解決了這個問題（圖10）。此外，該器件還提供片上驗證功能，以實現(xiàn)專有的安全無線電源解決方案。

圖10：IDT IDTP9030除了構建符合WPC標準的發(fā)射器所需的片上功能外，還提供擴展的后通道通信和身份驗證功能。 （由Integrated Device Technology提供。）

德州儀器（TI）提供一系列可用設備，用于支持第二代（WPC V1.1）Qi兼容無線電源系統(tǒng)的設計。 TI bq500211A和bq5101xB等器件設計用作發(fā)送器/接收器對（圖11）。

圖11：工程師可以將德州儀器的bq500211A發(fā)射器和bq5101xB接收器IC結合起來，創(chuàng)建符合WPC V1.1標準的無線電源系統(tǒng)，包括基站和接收器組。 （德州儀器公司提供。）

TI bq500211A集成了控制5 V無線功率傳輸所需的全套功能，可與單個符合WPC標準的接收器配合使用。該IC可用作帶磁定位導軌的WPC A5型變送器，也可用作不帶磁導的WPC型A11變送器。對于使用自由定位的設計，工程師可以使用bq500410A，它可以ping環(huán)境以獲得兼容設備。

為了設計兼容的接收器，TI bq5101xB提供AC/DC電源轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。其片上數(shù)字控制電路提供了使用前面描述的符合WPC標準的加載方法將功率傳輸控制消息傳送到發(fā)送器所需的功能。

德州儀器還提供無線電源解決方案，將符合WPC標準的功能與鋰離子電池充電控制器相結合。 bq5105x集成了AC/DC電源轉(zhuǎn)換，數(shù)字控制器功能和電池充電所需的控制算法。片上功能包括低阻抗同步整流器，低壓差穩(wěn)壓器，數(shù)字控制，充電器控制器以及精確的電壓和電流環(huán)路。為了保持高效率，包括整流器和LDO在內(nèi)的完整功率級由低阻N-MOSFET構成。與bq5101xB一樣，bq5105x可與TI無線電源發(fā)射器IC配合使用，提供完整的無線充電電池充電器。

結論

已經(jīng)在智能手機和其他個人電子設備中使用，無線電源方法提供了一種高度靈活的方法來維持耗電設備中的電池電量。通過通過磁感應或磁共振耦合的線圈傳輸功率，無線功率設計可滿足市場對更大移動性和無需有線功率的擴展操作的需求。除了高集成度MCU和附帶固件外，專為無線電源應用而設計的IC為工程師提供了一個現(xiàn)成的解決方案，可以為各種產(chǎn)品設計無線電源功能。