作者：Alix Paultre，特約編輯

電力無處不在，沒有任何電子系統(tǒng)可以在沒有電的情況下工作。這意味著電力傳輸與電力轉(zhuǎn)換一樣重要，應(yīng)該考慮到同一系統(tǒng)的兩個方面。將電力從 A 點轉(zhuǎn)移到 B 點的任何低效或損失都將使電力電子的任何進步或效率變得毫無意義。

這就是為什么正確的連接器和電纜至關(guān)重要，因為它們在任何產(chǎn)品的安全有效運行中都起著直接作用。但是當不再需要電纜時會發(fā)生什么，至少對于從產(chǎn)品外部電源到內(nèi)部電子設(shè)備的“最后一腳”？這對于電池驅(qū)動的系統(tǒng)尤其重要，需要通過將其插入墻壁來定期充電。消除充電電纜開辟了一個充滿好處和挑戰(zhàn)的世界。

自由！在產(chǎn)品層面，無線充電幾乎在各個層面為設(shè)備創(chuàng)造了新的自由度。消除電源端口可為制造商帶來封裝、電路板布局和材料清單 (BOM) 的優(yōu)勢。只需將設(shè)備放置在表面上即可為其充電，這也使售后市場設(shè)備（從汽車到家具）的設(shè)計人員能夠在其產(chǎn)品中創(chuàng)建充電表面，以擴大其市場以包括智能設(shè)備。

目前，無線充電有兩種標準。Qi 協(xié)議是由無線充電聯(lián)盟開發(fā)的開放接口標準，是一種適用于單線圈和多線圈拓撲的感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)。Qi 占據(jù) 110 kHz 至 205 kHz 的帶寬，目前是市場領(lǐng)導(dǎo)者（圖 1）。它的廣泛使用可以歸因于其成本效益。電感式拓撲必須使用帶內(nèi)通信。

圖 1：Qi 協(xié)議是用于單線圈和多線圈拓撲的感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)。（圖片：英飛凌）

AirFuel 是一種工作頻率為 6.78 MHz 的諧振技術(shù)，由 AirFuel 聯(lián)盟標準組織開發(fā)。AirFuel 與 Qi 相比的優(yōu)勢包括更寬的位置和距離接受范圍以及并行充電多個不同設(shè)備的能力。另一個優(yōu)點是 AirFuel 設(shè)備使用藍牙低功耗進行通信。圖 2 顯示了 D 類（全橋或半橋）放大器布局。您還可以創(chuàng)建適合您應(yīng)用的 E 類（單端或差分）放大器設(shè)計。

圖 2：AirFuel 是一種工作頻率為 6.78 MHz 的諧振技術(shù)。（圖片：英飛凌）

盡管無線充電可以在相對較大的氣隙上進行（按平方反比規(guī)則點頭），但大多數(shù)消費類設(shè)備將使用無線充電功能作為電纜消除器。對氣隙最敏感的應(yīng)用是汽車，因為充電和接收線圈將被車輛的離地間隙隔開，除非有某種墊片盡可能地縮小間隙以最大限度地提高能量傳輸。

消除最后幾英尺的電纜還可以從地球上移除大量電線及其最終過時的連接器，因為當連接器技術(shù)被下一代功能取代時，電纜會被丟棄。如果實施得當，無線充電系統(tǒng)將成為一種更持久的電力基礎(chǔ)設(shè)施，可以支持多代連續(xù)技術(shù)。

此外，一旦您將電源無線化，它也將成為軟件端設(shè)備 I/O 的一部分。這不僅意味著管理無線電力傳輸所需的智能，還意味著通過該鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。這使設(shè)計人員能夠為他們的產(chǎn)品添加額外的功能，例如安全和驗證。

每個工程師都知道，添加到設(shè)備中的任何功能也會增加復(fù)雜性。通過無線充電，電源系統(tǒng)成為設(shè)備邏輯的一部分，因此可以用作黑客攻擊主機系統(tǒng)的途徑。安全性是無線電力系統(tǒng)最重要的方面之一，因為它們?yōu)槟漠a(chǎn)品提供了通信后門。您的電源管理系統(tǒng)現(xiàn)在需要防火墻和身份驗證才能在無線環(huán)境中正常運行。

在此期間，安全并沒有消失，這意味著無線系統(tǒng)的各個方面都必須安全可靠。這意味著要關(guān)注熱管理和其他與將新技術(shù)整合到“舊”應(yīng)用程序相關(guān)的問題。一個例子是密封系統(tǒng)中的熱考慮，例如在其表面內(nèi)置充電板的家具。

無線充電系統(tǒng)需要三個主要部件（每端）：控制器、電源電路和用于傳輸和接收的線圈。創(chuàng)建無線充電系統(tǒng)的方法有很多，大多數(shù)供應(yīng)商不僅提供所需的組件，許多供應(yīng)商還擁有成熟的參考設(shè)計、開發(fā)套件，甚至完整的系統(tǒng)，使其變得更加容易（圖3）。當然，與任何事情一樣，由正確選擇的組件制成的定制設(shè)計最有可能提供最佳解決方案。

圖3：大多數(shù)供應(yīng)商現(xiàn)在提供無線電源開發(fā)套件或完整系統(tǒng)。（圖片：Adafruit）

例如，德州儀器公司的bq51051B是一款符合Qi標準的接收器芯片，面向便攜式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并集成了Qi v1.1通信所需的數(shù)字控制器。能夠管理鋰離子和鋰聚合物電池充電，接收器芯片及其匹配的bq500212A發(fā)射器側(cè)控制器為直接電池充電器解決方案創(chuàng)建了完整無線電源系統(tǒng)的核心。

當然，您的監(jiān)控越精確，系統(tǒng)的性能就越好，尤其是在無線電源方面，在無線電源領(lǐng)域，已經(jīng)存在多個可能出現(xiàn)低效率的地方。一種解決方案是使用類似Microchip Technology Inc.的PAC1932的設(shè)備，這是一種雙功率和能量監(jiān)視器，以16位分辨率報告總線和感應(yīng)電壓（圖4）。功率報告為兩個16位獨立總線和感測電壓的同時乘積。所有寄存器都可以通過I2C/SMBus接口訪問，該接口包括用于讀取穩(wěn)定性的八個樣本平均值。

圖4:Microchip的PAC1932/3/4是雙通道、三通道和四通道功率和能量監(jiān)測設(shè)備。高壓多路復(fù)用器將輸入依次連接到總線電壓監(jiān)視器和電流感應(yīng)放大器，為高分辨率ADC供電。（圖片：微芯片技術(shù)）

準確選擇所需天線的能力也很重要，因為天線失配將導(dǎo)致效率低下的操作（圖5）。天線中的其他重要功能包括所用導(dǎo)線的類型、可達到的功率水平、屏蔽的程度、結(jié)構(gòu)的好壞（正確的芯結(jié)構(gòu)限制了設(shè)計中的雜散場），甚至還包括天線與電路板的連接方式。

圖5：準確選擇所需天線的能力也很重要。（圖片：伍爾思）

開發(fā)工具包還使設(shè)計師能夠評估公司的解決方案。此外，工具包提供了一個起點，可以為您的應(yīng)用程序進行適當?shù)男薷暮妥远x。例如，基于意法半導(dǎo)體STWBC-EP/STWLC33芯片組的15瓦、符合Qi的端到端無線充電解決方案的評估套件針對擴展功率剖面（EPP）無線功率聯(lián)盟（WPC）Qi 1.2認證的應(yīng)用程序進行了優(yōu)化，最高功率為15瓦。無線充電器發(fā)射器的STWBC-EP數(shù)字控制器支持半橋或全橋拓撲以及單線圈和多線圈設(shè)計。

關(guān)于無線電源，另一件需要記住的事情是，它需要軟件和編碼。此開發(fā)工具包附帶相關(guān)的STWBC-EP固件（STSW-ISB044FW）和圖形用戶界面（STSW-STWBCGUI），以幫助調(diào)試和配置。固件下載工具（STSW-STWBCFWDT）也可用。沒有太多的軟件支持。

意法半導(dǎo)體還提供STEVAL-ISB045V1無線電池充電器開發(fā)套件，可為可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建充電器，包括軟件、文檔和硬件。該解決方案能夠制造高達2.5 W的小型無線充電器，具有一個20 mm的線圈，用于為智能手表和其他小型設(shè)備充電。STWBC-WA可作為交鑰匙解決方案使用，也可為特定應(yīng)用定制，支持所有常見的無線充電功能，包括活動狀態(tài)和異物檢測。

展望未來，無線充電將徹底解放便攜式設(shè)備的連接線，從而為便攜式設(shè)備帶來革命性的變化。在這個競爭激烈的市場中，無線電源解決方案的正確設(shè)計將決定產(chǎn)品的成敗。

審核編輯 黃昊宇