可穿戴設備的無線充電功能解決方案

可穿戴設備的無線充電功能解決方案

電子設計 發表於 2019-03-21 08:05:00

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，不僅表現在能夠訪問移動物體上的數據方面，而且還能確保電池每天都有足以持續一整天的續航時間。

如果用戶必須插入設備使其整夜充電，那麼有些時候就很有可能忘記充電，睡醒後才發現設備在接下來的一天時間裡將無法使用。 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生交變電磁場，然後由待充電設備的線圈接收該電磁場，並將其再次轉換為有用的電流。 與傳統變壓器類似，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生相當大的累積損耗。

利用兩個線圈產生諧振感應耦合可提升長距離能量傳輸效率，具體做法是通過合併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於數倍於其直徑處的另一線圈。

圖 1：負載調製用於對變壓器耦合期間的數據進行編碼。

線圈電路 Q 值可調高，以便經過多個周期後建立相對較強的磁場。 這種振蕩信號中攜帶的電能要高於任何一次饋入線圈的電能。 由於次級線圈能夠接收一部分這種振蕩磁場並對其進行轉換，因此輸出的電能要高於傳統變壓器。 為實現諧振而使用經過調諧的電容可以消除發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 值高於傳統變壓器 ，線圈通常採用螺線管設計，這也有助於將趨膚效應降至最小。 通常，使用小介電常數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，並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，鬆散耦合系統就能傳輸電能。 通過更精確的線圈匹配實現更緊密的耦合能夠提供更高的電能，但對設計用於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，而且對於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，充電所用的發射器可以採用多個線圈。 這會增加設計複雜性，但位置選擇更自由。 線圈無需重疊，這樣就能在生產中簡化裝配，雖然線圈重疊能提高密度和接收器放置自由度。

要順利實現單發射器為不同設備充電，就需採用一些標準。 目前在用的主要有兩大標準。 Powermat 系統是無線電源聯盟 （Alliance for Wireless Power） 倡導一個標準，圍繞基於單發射器線圈的鬆散耦合型系統而設計。 無線充電聯合體 （Wireless Power Consortium） 的 Qi 系統允許多種不同配置，包括同時進行鬆散和緊密耦合運行。 目前的大多數發射器採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 系統採用一個通訊協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。 按照該標準，發射器可以在 110 kHz 至 205 kHz 範圍內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製，以向氣隙另一側的裝置發送數據。 來自次級線圈的通訊使用不同的雙相位、位編碼方案，工作頻率恆為 2 kHz 並在每個 8 位傳輸數據前添加一個起始位。 傳輸數據後為奇偶校驗和停止位。

圖 2：雙相位編碼能實現二進位數據發送能力。

可以發送大量控制數據。 最常用的控制數據包類型包括：信號強度、控制誤差、終端功率要求和整流電源水平。 信號強度有助於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行動裝置，直至該信號強度大到足以說明當前功率傳輸良好。

控制誤差數據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。 發射器通常利用控制迴路調節施加到其線圈上的電壓。 如果存在大誤差，這些誤差數據包的頻率被設定為一個較大的值。 每 32 ms 將發送一個數據包，直至誤差降至閾值以內。 從這點來說，這些數據包每 250 ms 發送一次。 控制誤差數據包非常有助於調節功率輸送。 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——例如，從睡眠狀態喚醒可穿戴設備。 負載電流較大時，可攜式設備可能需要一個較低電壓，以避免在 LDO 穩壓器上產生功率損耗。

設備充滿電或者檢測到可能會損壞電池的內部故障時，設備會發出停止功率傳輸請求。 功率輸送還通過整流電源信息控制。 這會中繼轉發可穿戴設備在其整流電路輸出端接收到的那部分功率。 發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 發送一次，發射器會利用沒有數據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於探測異物。

支持 Qi 協議和控制功率輸送的晶片組業已推出。 例如 Toshiba 推出用於發射器的 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（用於功率輸送）。 按照 Qi 標準，控制器可為多達兩個設備控制功率並支持異物檢測。

bq51013 器件是 Texas Instruments 產品，設計用於次級側，能進行 AC/DC 電源轉換、整流並具有向發射器發送指令所需的數位化控制功能。 bq5101x 系列的所有器件均採用了一個低電阻同步整流器、LDO 以及電壓、電流環路控制器。

除控制器外，製造商還提供支持 Qi 協議標準的現成線圈，這些線圈設計用作發射器、接收器或同時用作這兩種器件。 例如，Abracon 的 AWCCA-50N50 系列同時支持發射器和接收器應用。 線圈的直徑稍小於 50 mm 且抗透磁性能強，可保護設備內部的電子器件。 這些設計提供可在 70 或 160 範圍內選擇的 Q 係數，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，並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 提供採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：用於無線電源的 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 接收器晶片封裝在一起，實現一個總長 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，該套件採用了 Würth 發射器和接收器線圈。

隨著圍繞如 Qi 等協議的生態系統的擴張，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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