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WPC (Qi)系統(tǒng)概述
圖 1 顯示了一個 WPC 型電感式無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該發(fā)送器由一個 AC/DC功率轉(zhuǎn)換、驅(qū)動器、發(fā)射線圈、電壓電流檢測和控制器組成。接收機(jī)由一個接收線圈、整流、電壓調(diào)節(jié)和控制器組成。系統(tǒng)負(fù)載可以是任何電池供電設(shè)備，例如：一部手機(jī)。

圖1WPC 電感式無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)中，AC 電流流過發(fā)送器線圈時形成耦合磁場，電能通過該耦合磁場從發(fā)送器傳輸至接收機(jī)。如果接收機(jī)線圈極為靠近（X-Y 或者 Z 尺寸小于 5mm 間隙），發(fā)送器場力線的絕大部分將耦合至接收機(jī)線圈。這些耦合場力線在二次繞組中形成 AC 電流，對其整流便可產(chǎn)生 DC 電壓，從而得到手機(jī)或者其他便攜式設(shè)備使用的電源。請注意，無線充電鏈路實際上就是一款松散耦合、無芯線圈變壓器。
 
WPC 標(biāo)準(zhǔn)
無線充電市場興起的一個關(guān)鍵是不同發(fā)送器和接收機(jī)之間的標(biāo)準(zhǔn)化。以前，銷售無線充電接收機(jī)的公司還必須同時提供一個相應(yīng)的發(fā)送器。這種狀況制約了無線充電的市場接受能力，并導(dǎo)致出現(xiàn)大量不同類型、相互不兼容的無線充電技術(shù)。無線充電聯(lián)盟 (WPC) 制定出了第一個全球標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了 5W 功率級別發(fā)送器和接收機(jī)的通用性^[1]。Qi（發(fā)音為“chee”）標(biāo)準(zhǔn)定義了無線充電系統(tǒng)的工作頻率、工作電壓和基本線圈配置。另外，還定義了一種通信協(xié)議，接收機(jī)通過它與發(fā)送器通信，例如：發(fā)送器何時終止供電（即電話不再充電時進(jìn)入節(jié)能模式）、接收機(jī)要求提供多少電力以及輸出功率增加還是減少等。
 
配件構(gòu)架
提供 Qi 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的一條最快捷途徑是，利用行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)獲得基站電源（無線發(fā)送器）的同時，提供具有電源或者直接電池充電實現(xiàn)的配件解決方案。在這種情況下，配件解決方案指的是無線充電功能，其作為移動設(shè)備的一種選配。最普遍的兩種配件實現(xiàn)是保護(hù)殼和后蓋。保護(hù)殼指的是一種塑料殼，它的內(nèi)部包含有無線充電電路，可以牢固地夾在移動設(shè)備上，通過一些外部觸點向移動設(shè)備提供電源。后蓋則是移動設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)后蓋的替代品，也在其內(nèi)部放入了無線充電電路。另一種配件解決方案是，在移動設(shè)備的電池組中放入無線充電電路，直接對電池充電。
 
電源配件
圖 2 描述了無線充電接收機(jī)如何模擬電源適配器工作，向移動設(shè)備提供 5V、5W 電源。在這種最為簡易的實現(xiàn)中，接收機(jī)和移動設(shè)備之間總共只有兩個觸點：無線充電和接地。由于大多數(shù)第一代 Qi 產(chǎn)品仍然有一條連線，圖 2 還顯示了通過有線適配器和無線充電實現(xiàn)充電的過程。兩種電源都連接至移動設(shè)備內(nèi)部的功率多路復(fù)用器。一般而言，默認(rèn)情況下選擇適配器電源，在沒有適配器時使用無線充電。

圖2有線輸入的四觸點電源配件系統(tǒng)構(gòu)架
在無線充電傳輸期間，連接適配器或者電池充電終止時，無線充電應(yīng)中斷運行。當(dāng)接收機(jī)檢測到無負(fù)載狀態(tài)時，向發(fā)送器發(fā)送一條停止電力傳輸?shù)男畔�，以此來實現(xiàn)上述目標(biāo)。通過開啟多路復(fù)用器的無線充電接收機(jī)開關(guān)，可以模擬這種狀態(tài)。利用其他通信，可以獲得無負(fù)載狀態(tài)的更多詳細(xì)信息。
 
雙觸點配件
雙觸點解決方案是成本最低的一種無線充電輸出和接收機(jī)接口，但它仍然可以提供一些有限的功能。只有兩個觸點時，我們只能將無線電源（即 5V 輸出）和接地連接移動設(shè)備，并且移動設(shè)備必須自己檢測何時在適配器電源和無線電源之間切換。這種解決方案的主要缺點是，移動設(shè)備難以通知發(fā)送器充電已經(jīng)終止。在典型的無線充電系統(tǒng)中，晚上用戶上床睡覺時開始充電，充電一般持續(xù)兩個小時左右。一旦充電完成，接收機(jī)應(yīng)向發(fā)送器發(fā)送一條終止充電的信息（由 WPC 協(xié)議定義），這樣發(fā)送器便可以進(jìn)入一種低功耗的待機(jī)模式。但是雙觸點解決方案終止，只能由接收機(jī)通過檢測輸出電流是否已經(jīng)降至某個閾值以下，才能檢測得到。盡管這種方法可以讓發(fā)送器進(jìn)入待機(jī)模式，但電源電流由系統(tǒng)電流加上充電電流組成為它帶來了諸多弊端。
 
三觸點配件
相比雙觸點解決方案，三觸點解決方案有所改進(jìn)。除無線電源和接地以外，它還增加了一個控制信號。該控制器信號可以是無線充電接收機(jī)的輸入，而無線充電接收機(jī)通過移動設(shè)備驅(qū)動。典型應(yīng)用針對移動設(shè)備內(nèi)部的充電器，用以檢測充電何時終止，然后將這種狀態(tài)通知接收機(jī)。接收機(jī)轉(zhuǎn)而通知發(fā)送器終止充電，發(fā)送器便進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。由于移動設(shè)備通過電池持續(xù)供電，因此它會在一個不確定時間段內(nèi)不斷向無線接收機(jī)聲明終止充電，這樣整個充電周期的總發(fā)送器功耗便十分低。另外，發(fā)送器可以利用來自接收機(jī)的終止充電信息，讓用戶知道充電已經(jīng)終止（例如：使用 LED 指示燈）。相比雙觸點解決方案，這種方法還可以更加精確地確定充電終止?fàn)顟B(tài)。
 
四觸點配件
最后，相比上述解決方案，四觸點解決方案可以為用戶提供更多的選項。使用四觸點方案后，會有數(shù)種不同選項供選擇。一種是提供兩個控制信號輸入—一個用于向發(fā)送器發(fā)送終止信號，而另一個用于通知發(fā)送器移動設(shè)備使用默認(rèn)狀態(tài)。圖 2 顯示了一種四觸點實現(xiàn)替代方法。在這種情況下，一個外部適配器可以作為設(shè)備接收機(jī)的輸入，而適配器FET柵極驅(qū)動信號可以為來自接收機(jī)的輸出，并連接至移動設(shè)備。利用這種方法，接收機(jī)可以檢測到適配器的存在，其關(guān)閉無線充電發(fā)送器，然后直接將適配電壓施加至接收機(jī)。后面小節(jié)將詳細(xì)介紹適配器多路復(fù)用器構(gòu)架。
 
移動設(shè)備功率多路復(fù)用器
上市銷售的第一批無線充電配件，仍然將有線適配器端口保留在了無線充電輸入端的旁邊。它要求在兩個電源（有線電源和無線電源）之間使用一個功率多路復(fù)用器。圖 3 顯示了一個功率多路復(fù)用器構(gòu)架的例子。這種方法利用接收機(jī)配件，對適配器電壓 (AD) 進(jìn)行檢測，如果存在適配器電壓則提供柵極驅(qū)動 (AD_EN)。FET 必須以一種背靠背結(jié)構(gòu)有線連接，以在開關(guān)關(guān)閉時阻滯反向和正向?qū)щ�。之后，一旦存在適配器則無線充電接收機(jī)關(guān)閉電力傳輸，并通過適配器電源讓柵極驅(qū)動保持活躍狀態(tài)。這種方法要求配件和移動設(shè)備之間至少有一個四引腳接口（無線充電、AD、AD_EN和GND）。

圖3單個背靠背FET 的電源多路復(fù)用選項
為了減少電源配件和移動設(shè)備之間的要求引腳數(shù)，我們可以使用一個自動功率多路復(fù)用器。圖 4 顯示了這種構(gòu)架，其不再要求使用 AD 和 AD_EN 連接。有線充電通路，通過 V_SNS連接獲得優(yōu)先權(quán)。如果在 V_SNS檢測到某個電壓，有線充電通路便激活。否則，無線充電通路有效。為了讓接收機(jī)電子組件能夠檢測到存在適配器端口，從而終止無線充電傳輸，它必須對電源輸出電流進(jìn)行監(jiān)控。通過監(jiān)控輸出電源電流，當(dāng)無線充電通路開關(guān)關(guān)閉時便可檢測到真正的輕負(fù)載（例如：接近零輸出電流）。之后，接收機(jī)向發(fā)送器發(fā)送一條指令，讓其終止電力傳輸。

圖4使用自動開關(guān)的電源多路復(fù)用選項
 
電池組配件
提供無線充電配件的另一種方法是，把電子組件和接收機(jī)線圈集成到移動設(shè)備電池組中。這樣，終端用戶便可以實現(xiàn)設(shè)備無線充電，或者也可以將電池組直接放到無線充電感應(yīng)板上對其充電（使用體驗類似于座充）。但是，有線充電器和無線充電器之間的切換受到限制——總不能無限地增加電池組和系統(tǒng)之間的引腳數(shù)吧。
圖 5 描述了電池組配件的構(gòu)架，并突出顯示了系統(tǒng)和電池組之間的接口。嵌入到電池組的溫度檢測傳感器 (NTC)，用于確保充電時電池有安全的工作溫度。但是，在這種獨特的應(yīng)用中，它可以被用作接收機(jī)電子組件檢測有線充電有效還是無效的一種方法。當(dāng)移動系統(tǒng)電池充電器有效時，NTC電阻器會有一定的電壓。當(dāng)它無效時，NTC 電阻器下拉至電池組接地基準(zhǔn)。因此，電池組中的接收機(jī)電子組件可以檢測到這種電壓的存在，并立即關(guān)閉無線充電器。這種情況僅在連接有線適配器并且接收機(jī)放置在充電感應(yīng)板上時出現(xiàn)—并不常見，但是提供兩倍充電電流不利于電池的安全性。
接收機(jī)檢測到 NTC 信號并采取正確措施以后，有線充電通路便通過上述方法獲得使用優(yōu)先權(quán)。但是，利用移動系統(tǒng)的檢測算法，也可以讓無線充電獲得優(yōu)先。這樣做會顛倒檢測程序。當(dāng)無線充電器有效時 NTC 引腳存在電壓，移動系統(tǒng)將對 NTC 引腳的這種電壓進(jìn)行監(jiān)控。
 
圖5電池組配件的無線充電系統(tǒng)構(gòu)架
圖 5 描述了緊跟在接收機(jī)電子組件整流后面的一些電壓和電流環(huán)路組成部分。它允許控制器執(zhí)行充電算法，通過移除電源配件中的電壓調(diào)節(jié)級，使集成度和效率達(dá)到最佳。
 
參考文獻(xiàn)

1、無線充電聯(lián)盟網(wǎng)址：http://www.wirelesspowerconsortium.com/
2、如欲了解 WPC 實施與設(shè)計挑戰(zhàn)的更多詳情，敬請訪問：http://www.ti.com/wirelesspower
 
作者簡介
Tony Antonacci 現(xiàn)任 TI bqTESLA 接收機(jī)解決方案的系統(tǒng)工程師，致力于便攜式設(shè)備無線充電的系統(tǒng)級解決方案與產(chǎn)品定義。他畢業(yè)于美國諾克斯維爾田納西大學(xué) (University of Tennessee, Knoxville)，獲電子工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。目前，Tony 已經(jīng)申報了一項霍耳效應(yīng) IC 集成專利。
Steve Terry 現(xiàn)任 TI 是一名設(shè)計工程師，主要負(fù)責(zé)便攜式應(yīng)用和無線充電解決方案的高集成度線性開關(guān)模式電池充電器的設(shè)計。另外，他還是無線充電聯(lián)盟低功耗工作組的副主席。Steve 在模擬 IC 設(shè)計與電源管理 IC 設(shè)計方面已經(jīng)獲得了三項專利，另有三項專利正在審批中。他畢業(yè)于美國諾克斯維爾田納西大學(xué) (University of Tennessee in Knoxville)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位。