引言

無線充電技術(shù)在消費類市場表現(xiàn)出巨大的潛力。在不使用連線的情況下給電子設(shè)備充電不但可為便攜式設(shè)備用戶提供一種便利的解決方案，而且還讓廣大設(shè)計人員能夠?qū)ふ业礁邉?chuàng)新性的問題解決方法。許多電池供電型便攜式設(shè)備均能受益于這種技術(shù)，從手機到電動汽車不一而足。

電感耦合方法可以實現(xiàn)高效和通用的無線充電。為了便于使用并且讓設(shè)計人員和消費者都受益，無線充電聯(lián)盟（WPC）制定出了一種標準。在供電設(shè)備（電力發(fā)射器，充電站）和用電設(shè)備（電力接收器，便攜式設(shè)備）之間創(chuàng)建了互操作性。WPC 成立于2008 年，由亞洲、歐洲和美國的各行業(yè)公司組成，其中包括電子設(shè)備制造廠商和原始設(shè)備制造商（OEM）。WPC 標準定義了電感耦合（線圈結(jié)構(gòu)）的類型，以及低功耗無線設(shè)備所用的通信協(xié)議。在這種標準下工作的任何設(shè)備都可以與任何其他WPC 兼容設(shè)備配對。這種方法的一個重要的好處是其利用這些線圈來實現(xiàn)電力發(fā)送器和電力接收器之間的通信。典型的應(yīng)用圖，請參見圖1。

圖1 典型無線充電功能結(jié)構(gòu)圖

無線充電WPC標準

WPC 標準下，無線傳輸?shù)摹暗凸摹本褪钦f功耗僅為0～5W。達到這一標準范圍的系統(tǒng)在兩個平面線圈之間使用電感耦合來將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。兩個線圈之間的距離一般為5mm。輸出電壓調(diào)節(jié)由一個全局數(shù)字控制環(huán)路負責，這時電力接收器會與電力發(fā)送器通信，并要求或多或少的功耗。該通信是一種通過反向散射調(diào)制從電力接收器到電力發(fā)送器的單向通信。在反向散射調(diào)制中，電力接收器線圈受到負載，從而改變電力發(fā)送器的電流消耗。我們對這些電流變化進行監(jiān)控，并解調(diào)成兩個設(shè)備協(xié)同工作所需的信息。

WPC 標準定義了系統(tǒng)的三個主要方面——提供電力的電力發(fā)送器、使用電力的電力接收器以及這兩種設(shè)備之間的通信協(xié)議。下面，我們將詳細介紹這三個方面。

電力發(fā)送器

電力傳輸方向始終是從電力發(fā)送器到電力接收器。電力發(fā)送器的關(guān)鍵電路是用于向電力接收器傳輸電力的一次線圈、驅(qū)動一次線圈的控制單元以及解調(diào)一次線圈電壓或者電流的通信電路。我們對電力發(fā)送器設(shè)計的靈活性進行了限制，旨在向電力接收器提供一致的電力和電壓電平。

電力接收器將自己作為電力發(fā)送器的一個兼容設(shè)備，同時也提供配置信息。一旦發(fā)射器開始電力傳輸，電力接收器就向電力發(fā)送器發(fā)送一些誤差數(shù)據(jù)包，從而要求或多或少的電力。一旦接收到一個“終止電力”消息，或者如果1.25 秒以上都沒有接收到數(shù)據(jù)包，則電力發(fā)送器停止供電。沒有電力傳輸時，電力發(fā)送器則進入低功耗待機模式。

WPC 規(guī)范允許使用固定和移動配置。單個固定線圈（稱作類型A1）為TI 支持的解決方案。

電力發(fā)送器（其通常為一個平面用戶將電力接收器放置在上面）連接至電源。符合WPC 標準的設(shè)備線圈起到了一個50% 占空比諧振半橋的作用，其輸入為19-VDC（±1 V）。如果電力接收器需要或多或少的功率，則線圈頻率會發(fā)生變化，但會保持在110 到205kHz 之間，具體取決于功率需求。

電力接收器

電力接收器通常為一種便攜式設(shè)備。電力接收器的關(guān)鍵電路是用于從電力發(fā)送器接收電力的次級線圈、用于將AC 轉(zhuǎn)換為DC 的整流電路、用于將未穩(wěn)壓DC轉(zhuǎn)換為經(jīng)過穩(wěn)壓的DC 的電源調(diào)節(jié)電路以及用于將信號調(diào)制到次級線圈的通信電路。電力接收器負責其身份認證和電源要求的所有通信，因為電力發(fā)送器只是一個“收聽者”。

盡管為了讓其符合WPC 標準我們對電力發(fā)送器的設(shè)計進行了限制，但設(shè)計電力接收器時卻可以有更多的自由。我們可以調(diào)節(jié)電力接收器的線圈尺寸，以滿足設(shè)備的體積要求。利用5-V、500-mA 輸出的70% 典型效率，我們對電力接收器的線圈電壓進行全波整流。由于兩個設(shè)備之間的通信是單向的，因此WPC 選擇電力接收器作為“述說者”。電感電能傳輸通過耦合一次到次級線圈的磁場工作。非耦合磁力線圍繞一次線圈旋轉(zhuǎn)，且只要磁力線不耦合寄生負載其便不會出現(xiàn)損耗（例如：金屬的渦流損耗等）。

通信協(xié)議

通信協(xié)議包括模擬和數(shù)字聲脈沖（pinging）；身份識別和配置以及電力傳輸。電力接收器放置在電力發(fā)送器上面時出現(xiàn)的典型啟動順序如下：

1、來自電力發(fā)送器的模擬ping 檢測到對象的存在。
2、來自電力發(fā)送器的數(shù)字ping 為模擬ping 的加長版，并讓電力接收器有時間回復(fù)一個信號強度包。如果該信息強度包有效，則電力發(fā)送器會讓線圈保持通電并進行下一步驟。
3、身份識別和配置階段期間，電力接收器會發(fā)送一些數(shù)據(jù)包，對其進行身份識別，并向電力發(fā)送器提供配置和設(shè)置信息。
4、在電力傳輸階段，電力接收器向電力發(fā)送器發(fā)送控制誤差包，以增加或者減少電力。正常運行期間，每隔約250ms 便發(fā)送這些包，而在大信號變化期間會每隔32ms 發(fā)送一次。另外，在正常運行期間，電力發(fā)送器會每隔5 秒鐘便發(fā)送一次電力包。
5、為了終止電力傳輸，電力接收器會發(fā)送一條“終止充電”消息，或者1.25 秒時長內(nèi)都不進行通信。兩種事件中的任何一個都會讓電力發(fā)送器進入低功耗狀態(tài)。

TI的WPC兼容解決方案

TI 是WPC 的創(chuàng)始會員之一，并在制定穩(wěn)健的無線充電規(guī)范方面起到了積極的作用。TI 利用三種新開發(fā)的IC 同時為電力接收器和電力發(fā)送器提供可靠的解決方案。電力接收器使用MSP430bq1010 和bq25046 器件。電力發(fā)送器基于bq500110，其支持A1 型（單線圈）結(jié)構(gòu)。接收器和發(fā)射器IC 均能夠與其他WPC 兼容解決方案通用。

電力接收器中的MSP430bq1010 處理所有邏輯功能和通信。板上模數(shù)轉(zhuǎn)換器監(jiān)控進入bq25046 的電壓電平以及從bq25046 流出的電流電平。bq25046 向MSP430bq1010 提供負載電流信息，之后其使用這一信息來控制電力發(fā)送器的工作點。bq25046 擁有一個為MSP430bq1010 和邏輯電路供電的低電流3.3-V 低壓降調(diào)節(jié)器（LDO），而一個更大的5.0-V LDO 能夠向主輸出提供高達1A 的電流。

電力發(fā)送器解決方案通過bq500110 實現(xiàn)。這種器件對來自電力接收器的串行數(shù)據(jù)進行解調(diào)和解碼。控制電路首先確認電力接收器實際為一種WPC 兼容設(shè)備，然后對電力發(fā)送器進行相應(yīng)的配置。

TI 的BQTESLA100LP EVM 套件將單獨的發(fā)送器和接收器設(shè)計組合到一個包括了機械封裝的一個套件中。該套件既可用于IC 評估也可以用作設(shè)計實例。WPC 已確認這些電力發(fā)送器和接收器解決方案符合1.0 版規(guī)范。無需使用軟件來操作EVM，其僅需要一個19-V 輸入。在高達1A 電流條件下，EVM 套件的輸出為5V。發(fā)送器EVM 包括多個LED 選項，用于直觀指示電力發(fā)送器狀態(tài)。另外，兩個蜂鳴器選項提供電力傳輸開始的聲音提示。

結(jié)論

WPC 標準是一整套讓制造廠商相信其組件可以與其他為電感電力傳輸而設(shè)計的各種WPC 認證組件協(xié)調(diào)工作的指導(dǎo)原則，從而開發(fā)大量的解決方案。

作者：Bill Johns