隨著越來越多的消費者希望通過移動設備切斷電源線，無線充電正在成為越來越重要的產品功能。然而，對于開發人員而言，收費標準的混亂和開發的復雜性已經加劇了無線充電功能的選擇和快速實施。

工程師不僅在選擇和采用最合適的充電技術方面面臨重大挑戰 - 歸納或共振 - 但也找到解決復雜設計問題的現成解決方案。這些問題需要權衡成本，范圍，效率，對準要求以及解決方案可以收取的設備數量，僅舉幾例。

AirFuel標準提供對電感和諧振技術的支持。一個有吸引力的平臺，可用于構建無線充電系統。盡管如此，這些基于標準的系統帶來了嚴峻的開發挑戰，可能會影響設計時間表并顯著增加最終物料清單（BOM）。

使用Semtech Corporation或Nordic Semiconductor的設備，工程師可以應對這些挑戰，分別基于感應或共振技術開發符合AirFuel標準的無線充電系統。

AirFuel Alliance解決歸納與共振沖突

不同行業組合AirFuel Alliance合并的結果提供基于標準的無線充電方法，基于電感或磁共振技術。電感和諧振方法不是被視為競爭技術，而是呈現出各種優勢和劣勢，推動它們在不同情況下的使用。

感應充電系統以不太靈活的物理對準為代價提供高效率，諧振系統實現了較低的效率，但可以在更遠的距離為多個設備充電，并且具有高度靈活的對準。

這兩種技術都通過一對耦合電感線圈傳輸能量，通過感應或通過LC電路諧振以相同的頻率。每種方法都依賴于不同的電源感應頻率和標準中規定的特定通信協議。最后，對于希望部署高效無線充電系統且對進度，設計占地面積和BOM影響最小的工程師而言，每一項都可能為開發人員帶來重大挑戰。專用設備解決了這些問題，簡化了符合每種技術的AirFuel規范的無線充電系統的設計。

AirFuel Inductive

感應技術是一種相對成熟的充電方法，可實現相當高的效率。感應式無線充電系統實際上是快餐店和新興個人系統中提供的充電表面的基礎。在這種方法中，用戶將諸如智能手機之類的設備放置在桌子或架子的指定區域上。放置在這些充電區域下方的發射線圈使用基本的感應原理提供能量。

在最基本的形式中，無線充電系統包括典型電源中的組件。功率控制器驅動橋，該橋為變壓器的初級線圈供電。通過電感耦合，次級線圈產生電流，并且相關的電壓波形被整流并轉換以提供負載的電源。開關電源依靠各種反饋機制來監控和控制最終功率輸出。

與AirFuel兼容的感應無線充電系統反映了這種設計方法。在這種情況下，這些系統依靠反向散射作為從接收器到發射器的通信介質，以確保安全有效的操作。通過反向散射，發射器檢測由接收線圈上的負載變化引起的發射線圈中的負載變化。通過對施加在接收器線圈上的負載調制中的數據進行編碼，接收器可以向發送器發送信號，發送器又使用自己的解調器提取接收器數據（圖1）。

圖1：符合AirFuel標準的感應充電系統依靠反向散射機制來實現所需的通信，以確保在間隔緊密的線圈上實現安全，高效的電力傳輸。 （圖片來源：AirFuel Alliance）

無線充電設計專用設備的可用性消除了設計有效系統的傳統障礙。實際上，Semtech集成的發送器和接收器控制器使開發人員能夠實現符合AirFuel標準的發送器和接收器設計，而且幾乎沒有其他組件。

感應式發射器

AirFuel感應式發射器設計的核心是一個中央控制器設備，用于管理FET驅動器，根據需要調整電壓，頻率或占空比以維持功率輸出。這里，功率調整的關鍵信號包括電源電壓的變化和通過反向散射機制從接收器獲得的信號（圖2）。除了適當的濾波器和匹配網絡外，控制器和FET驅動器代表了確保電力傳輸可靠運行的關鍵路徑。 Semtech TS80000變送器控制器和Semtech TS61001 FET驅動器IC集成了一整套功能，旨在以最小的設計工作量提供這種核心控制功能。

圖2：作為感應式無線充電系統的核心，中央控制器通過管理FET驅動器來響應供電變化來調節功率輸出接收器信號（紅線）。 （圖片來源：Semtech Corporation）

TS80000專為無線充電應用而設計，是一款完整的片上系統（SoC）器件。 TS80000采用RISC內核，采用36引腳6 mm x 6 mm封裝，集成了閃存，SRAM，模數轉換器（ADC），定時器，GPIO和串行接口。 Semtech通過為設備加載管理整個電力傳輸過程的固件來簡化實施?；诠碳睦淌褂闷骷?a href="http://www.nxhydt.com/analog/" target="_blank">模擬GPIO和ADC來獲取電壓和電流數據，并從接收器反向散射通信機制解碼數據。反過來，固件實現PID（比例 - 積分 - 微分）控制器，根據需要管理FET驅動器，以調整發射功率電平。

與Semtech TS61001 FET驅動器IC一起使用，TS80000顯著簡化設計，在典型系統中僅需要少量輸入和輸出連接。在輸入端，開發人員向器件的模擬GPIO提供四個信號（交流電壓，直流電壓，直流電流和交流電壓），用于PID控制環路。在輸出端，TS80000為TS61001驅動一個使能信號（DRV_EN）以及兩個PWM通道中的每一個的高側（PWMn_H）和低側（PWMn_L）信號（圖3）。

圖3：使用Semtech TS80000變送器控制器的一些輸入，TS61001 FET驅動器IC（U3）驅動發送器輸出門并產生AC和TS80000 PID控制回路中使用的直流信號。 （圖片來源：Semtech Corporation）

此外，開發人員可以根據需要通過每個設備支持的I 2 C接口訪問TS80000和TS61001寄存器。

電感式接收器

另外一對器件同樣簡化了AirFuel兼容電感式接收器的設計。在這里，Semtech TS51111從接收器天線交流電源信號產生直流輸出，而Semtech TS81000監控電源并產生反饋數據。

與互補的TS80000變送器控制器一樣，TS81000接收器控制器是一種復雜的RISC-基于SoC的預編程固件程序，用于控制無線充電過程的接收器側。由于其要求更為有限，TS81000僅采用20引腳3 mm x 3 mm封裝提供此功能。

Semtech TS51111整流器將同步整流與廣泛的模擬傳感功能相結合，優化了功率轉換。接收線圈。事實上，該設備將這些電源轉換功能與輸出側電池充電的特定支持相結合。例如，專用預充電電流源支持低電池充電操作，而集成開關保護電池路徑。 TS51111還集成了一個低壓差（LDO）穩壓器，用于為TS81000或其他外部器件供電。

為了幫助最大限度地減少器件之間的連接，Semtech通過單個緩沖模擬引腳復用器件的所有模擬輸出。 TS81000固件通過I 2 C鏈路設置TS51111的AMUX寄存器來選擇所需的模擬信號。其他TS51111控制寄存器提供跨I 2 C鏈路的編程控制，該鏈路具有廣泛的器件工作特性，包括天線負載調制。

基于TS81000的接收器設計控制器和TS51111整流器，使用I 2 C雙線通信用于數字數據，單個多路復用模擬（AMUX）引腳用于模擬轉換為簡化設計，占用空間最小。對于操作控制，TS81000固件利用TS51111的可編程控制功能來實現與AirFuel兼容的充電。因此，這種設計中的電源路徑僅具有TS51111和最少數量的附加組件（圖4）。

圖4：在基于Semtech TS81000控制器的設計中，Semtech TS51111整流器僅需要與TS81000的少量連接以及少量附加組件一個完整的感應充電接收器。 （圖片來源：Semtech Corporation）

Semtech器件顯著簡化了無線充電設計的控制和功率級設計。雖然這些器件可以最大限度地減少器件數量，但設計人員可能會面臨其他設計元素的進一步挑戰，特別是天線和匹配網絡的設計和布局。

為了幫助開發人員探索優化每個設計元素的選項，Semtech提供無線為TSDMTX-5V2-EVM（發射器）和TSDMRX-5W-EVM（接收器）評估套件充電，提供硬件實現和相應的參考設計材料。

AirFuel諧振

磁共振耦合交易效率易于在無線充電系統中使用。雖然感應系統需要在非常小的間隙內仔細對準發射器線圈和單個接收器線圈，但諧振系統更加寬容。與AirFuel兼容的磁共振系統支持更大的距離和電力傳輸單元（PTU）與多個電力接收單元（PRU）之間的自由對準。

與電感系統相比，諧振技術依賴于更高頻率的耦合場，以及使用藍牙低功耗（BLE）的單獨雙向通信（圖5）。在設計這些電路時，工程師可以利用各種功率器件和整流器。更重要的挑戰是處理帶外控制和通信的額外要求。

圖5：與其電感式對應物相比，符合AirFuel標準的磁共振系統使用更高的頻率進行功率耦合以及不使用電力發送單元（PTU）與一個或多個電力接收單元（PRU）之間的頻帶通信。 （圖片來源：AirFuel Alliance）

Nordic Semiconductor NRF52832無線MCU集成了BLE收發器，可滿足硬件要求，對設計尺寸影響最小。對于希望實施AirFuel兼容設計的設計人員來說，開發符合AirFuel規范的新軟件解決方案是一項重大任務，可以極大地影響項目成本和復雜性。

Nordic通過其nRF5軟件開發解決了這一需求套件，為符合AirFuel標準的PTU和PRU設備提供服務庫，以及演示各種使用模型的示例軟件應用程序。 SDK提供了構建在硬件抽象層上的PTU和PRU服務，處理設備特定的MCU請求。

PRU和PTU服務是圍繞通過復雜的應用程序計時器服務調用的事件處理程序模型構建的。在這種方法中，服務將專用定時器與諸如讀取傳感器值之類的關鍵功能相關聯。當計時器到期時，應用程序計時器服務調用與該特定計時器關聯的事件處理程序。例如，當PTU傳感器計時器到期時，關聯的PTU傳感器處理程序（清單1）調用例程（ ptu_sensors_data_get ）來更新當前傳感器數據（清單2）并將錯誤代碼發布到服務錯誤處理程序PRU傳感器處理程序使用相同的基本模式及其自己的相應數據結構。

/** @ brief傳感器計時器的處理程序

*

* @param [in] p_context發送給處理程序的通用上下文。

*

*/

static void m_ptu_sensor_timer_handler（void * p_context）

{

< code> const ptu_sensor_data_t * sensors_data;

uint32_t err_code;

< code> err_code = ptu_sensors_read（）;

APP_ERROR_CHECK（err_code）;

err_code = ptu_sensors_data_get（＆amp; sensors_data）;

APP_ERROR_CHECK（err_code）;

ptu_power_sharing_temperature_warning_set（sensors_data-> temperature_warning）;

}

清單1：Nordic Semiconductor AirFuel NRF5軟件開發套件提供了一系列廣泛的事件處理程序，例如用于更新傳感器數據（參見清單2）。 PTU。 （代碼來源：Nordic Semiconductor）

/** @ brief PTU傳感器數據的定義*/

typedef struct

{

uint8_t nof_extend_beacon_load_var_detected;/** <檢測到擴展信標負載變化*/

< code> uint16_t i_ina;/** <諧振器線圈電流[mA]。 */

uint16_t v_ina;/** <諧振器線圈電壓[mV]。 */

uint16_t p_tx_in;/**

int16_t temperature;/**

uint16_t res_impedance;/** <測量阻抗[歐姆]。 */

bool temperature_warning;/** <溫度警告。 */

bool load_var_detected;/** <檢測到負載變化。 */

bool load_detected;/** <檢測到負載。 */

bool rogue_obj_detected;/** <檢測到Rogue對象。 */

} ptu_sensor_data_t;

清單2：Nordic SDK將參數，運行狀態和連接等信息折疊為特定結構例如，由相關事件處理程序收集的傳感器參數的此結構（參見清單1）。

功率調整是AirFuel規范的核心功能，nRF5 SDK為此關鍵任務提供了應用程序計時器和相關處理程序。這里，當計時器到期導致調用事件處理程序時，事件處理程序讀取PRU發送的數據并根據需要調用補充例程 m_poweramp_input_step_up 或 m_poweramp_input_step_down 以分別增加或減少PTU功率輸出。

傳感器讀數和PTU調整的這些處理程序和數據結構僅代表SDK服務產品的狹隘視圖。每個服務調用依次調用一系列服務例程，這些例程提供驗證和錯誤檢查，最終達到基本的MCU硬件功能。此外，每個處理程序都嵌入在一個服務體系結構中，該體系結構旨在支持特定于應用程序的功能，例如為多個PRU提供服務的PTU。

然而，對于設計人員而言，SDK有效地隱藏了這種復雜性，減少了調用所需的應用程序代碼。 PRU和PTU引擎可以進行少量的高級初始化例程。事實上，開發人員可以輕松構建SDK提供的軟件應用程序，以滿足他們的特定應用需求。

結論

無線充電帶來了一系列障礙，包括技術選擇，功耗路徑實現和功率控制設計。 AirFuel Alliance提供基于標準的方法，能夠利用不同的技術，包括感應和共振。

利用專用設備和先進軟件的可用性，開發人員可以快速實現與AirFuel兼容的無線充電系統對項目進度，設計足跡和最終BOM的影響最小。