使Qi兼容無(wú)線電源解決方案適用于低功耗可穿戴產(chǎn)品

 智能手表、健身腕帶和頭戴式耳機(jī)等諸多低功耗可穿戴設(shè)備已推向市場(chǎng)(圖1)。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年，這種全新的電子產(chǎn)品系列的陣營(yíng)將會(huì)迅速發(fā)展壯大。這些設(shè)備通常小巧纖薄，具有不同的外形和工業(yè)設(shè)計(jì)。電池的容量范圍可能是100mAh～300mAh，這就決定了所需的充電速率。

這類設(shè)備傳統(tǒng)上是利用插頭插孔或micro-USB連接器進(jìn)行充電。但即使是這些較小的連接器，對(duì)于一些新的超薄可穿戴應(yīng)用而言也太大了。此外，由于戶外可穿戴環(huán)境的原因，連接器污染也成了一個(gè)更嚴(yán)峻的問(wèn)題。

圖1：具有無(wú)線充電功能的智能手表。

無(wú)線充電解決方案可令這些問(wèn)題迎刃而解，并為設(shè)計(jì)人員提供更多的機(jī)會(huì)?，F(xiàn)有用于WPC(無(wú)線充電聯(lián)盟)Qi標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體器件，可輕松適用于這種較低功耗的應(yīng)用。這種技術(shù)使用兩個(gè)平面線圈，通過(guò)密封外殼來(lái)傳輸電力。對(duì)于低功耗可穿戴設(shè)備而言，小巧纖薄的低功耗接收器線圈可輕易地嵌入到密封外殼或腕帶區(qū)的背面。Qi兼容器件是一種可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間的成熟解決方案，且此類產(chǎn)品能獲得現(xiàn)有WPC基礎(chǔ)設(shè)施的支持。

Qi兼容的無(wú)線電源系統(tǒng)

典型的無(wú)線電源系統(tǒng)(圖2)在便攜式設(shè)備內(nèi)有一個(gè)接收器(Rx)，它提供能量給電池充電。發(fā)射器(Tx)位于一個(gè)固定的底座內(nèi)，并連接至壁掛式電源。輸入電能轉(zhuǎn)換為交流電，然后在發(fā)射器線圈與接收器線圈非常接近時(shí)，通過(guò)線圈發(fā)生磁耦合。接收器的輸出在電流高達(dá)1A時(shí)通常為5V，其可為便攜式設(shè)備內(nèi)的電池充電器IC提供輸入功率。

圖2：Qi兼容的無(wú)線電源系統(tǒng)方框圖。

該系統(tǒng)中的發(fā)射器工作，由接收器芯片使用經(jīng)同一磁耦合路徑傳回的數(shù)字通信包形式的反饋進(jìn)行控制。Qi兼容接收器采用負(fù)載調(diào)制以數(shù)據(jù)包形式跨兩個(gè)線圈發(fā)送信息，與發(fā)射器進(jìn)行通信。發(fā)射器線圈電壓和電流以2kHz的速率調(diào)制，由發(fā)射器解碼并用于控制。接收器可以向發(fā)射器發(fā)送多種類型的數(shù)據(jù)包，以實(shí)現(xiàn)控制和信息傳輸。此外，通信的失敗將終止任何功率傳輸。

Qi標(biāo)準(zhǔn)的“識(shí)別和配置”命令數(shù)據(jù)包非常有用，可保證功率僅傳輸?shù)秸_的設(shè)備，從而避免潛在的危險(xiǎn)情況。“充電完成”和“結(jié)束功率傳輸”數(shù)據(jù)包也是很有用的命令，當(dāng)電池充完電或出現(xiàn)其他情況需要終止功率傳輸時(shí)可停止功率傳輸(參考文獻(xiàn)1)。這些特性可保證采用現(xiàn)有廣為人知的標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)射器和接收器之間進(jìn)行安全的功率傳輸。

低功耗無(wú)線系統(tǒng)

通過(guò)精心調(diào)整線圈尺寸和外部元件值來(lái)匹配更小尺寸應(yīng)用，可針對(duì)低功耗無(wú)線系統(tǒng)對(duì)既有的Qi兼容接收器和發(fā)射器進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)射器和接收器的線圈均可縮減尺寸，以適應(yīng)更小的外形。電源部分的元件(特別針對(duì)發(fā)射器)可降低功率規(guī)格。

典型的WPC-1.1 Qi兼容系統(tǒng)可支持功率高達(dá)5W的輸出負(fù)載(通常為5V@1A)。另一方面，適用于可穿戴設(shè)備應(yīng)用的低功耗系統(tǒng)可能擁有5V@100mA～250mA的輸出電力范圍。

大多數(shù)Qi兼容功能的使用并不影響尺寸或性能。異物檢測(cè)(FOD)功能是一項(xiàng)可選功能，可防止功率傳輸?shù)匠潆妳^(qū)的雜散金屬物體。在具有FOD功能的低功耗系統(tǒng)中，總輸出功率被減小50%以上。隨著充電區(qū)域的縮小，物體進(jìn)入該區(qū)域，并被加熱至出現(xiàn)問(wèn)題的可能性也大大降低。FOD功能的關(guān)鍵可能主要取決于可穿戴設(shè)備充電墊或充電底座的機(jī)械設(shè)計(jì)。表1總結(jié)了采用WPC-1.1 Qi標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的一些主要可用功能，而這些功能在定制可穿戴應(yīng)用時(shí)是可選的。

表1：Qi兼容標(biāo)準(zhǔn)與可穿戴解決方案對(duì)比。

低功耗系統(tǒng)線圈

線圈的尺寸可減小到一個(gè)點(diǎn)，但仍需傳輸功率并與發(fā)射器進(jìn)行通信。典型的線圈結(jié)構(gòu)是一種在屏蔽層上用銅線制成的圓形平面線圈。替代配置是PCB或柔性電路線圈。通常情況下，這些替代物可能有更高的直流(DC)電阻(更低的效率)，但會(huì)非常纖薄，該特性很適合小型低功耗應(yīng)用。屏蔽層可阻止交流電磁場(chǎng)進(jìn)入電子器件和電池，這也可提高線圈的性能。

假設(shè)Rx線圈和Tx線圈在x-y平面上對(duì)齊，那么有兩個(gè)關(guān)鍵因素可確定耦合系數(shù)k。第一個(gè)因素是線圈到線圈(z)的距離，第二個(gè)因素是兩個(gè)線圈直徑的比例。當(dāng)兩個(gè)線圈距離較近且直徑相匹配時(shí)，將產(chǎn)生最佳耦合(最高的k)結(jié)果(參考文獻(xiàn)2)。為確保兩個(gè)線圈從一開(kāi)始就能在x-y平面上緊密對(duì)齊，可穿戴設(shè)備充電底座或支架的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)包括有助于將設(shè)備妥善放置在支架中的物理方法。由于在本應(yīng)用中接收器線圈非常小，Rx線圈和Tx線圈之間的輕微失準(zhǔn)可能導(dǎo)致耦合系數(shù)顯著降低且功率傳輸效率很差。

在耦合電感器系統(tǒng)(如WPC/Qi)中，一次線圈和二次線圈間的耦合系數(shù)(k)通常為0.5～0.7。典型變壓器的k會(huì)高得多，例如0.99。當(dāng)耦合系數(shù)很低時(shí)，在二次(接收器)側(cè)需要較高的電感值，以確保輸出功率的需求能得到滿足。因此，那些可能具有低耦合的小型低功率設(shè)備，實(shí)際上比標(biāo)準(zhǔn)的5W設(shè)計(jì)需要更高的二次繞組電感(參考文獻(xiàn)3)，可能需要具有更多匝數(shù)、更大屏蔽層的較高電感的接收器線圈，才能達(dá)到所需的電壓增益。

線圈設(shè)計(jì)

接收器線圈尺寸的設(shè)計(jì)權(quán)衡因素包括線圈導(dǎo)線直徑、屏蔽層尺寸和厚度。線圈直流電阻會(huì)使接收器效率降低。接收器線圈設(shè)計(jì)需要具體的匝數(shù)，以獲得所需的電感。如前所述，由于耦合系數(shù)降低，小線圈所需的電感會(huì)比大線圈高。為了在較小空間內(nèi)達(dá)到較高的電感值，匝數(shù)會(huì)增加，導(dǎo)線直徑會(huì)減小。更細(xì)的導(dǎo)線和更多的匝數(shù)帶來(lái)的合并效應(yīng)，將迫使直流電阻升高并降低效率。

屏蔽層能提供低阻抗的磁通路徑，并能增加線圈的電感。此外，屏蔽層還能阻止交流電磁場(chǎng)進(jìn)入電池和接收器周圍的金屬體。更大、更厚的屏蔽層比較好，因?yàn)檩^薄的屏蔽層將遭遇高通量磁場(chǎng)飽和的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)射器線圈設(shè)計(jì)的物理限制較少。線圈可以更大，并且其電感可以更低。

用于標(biāo)準(zhǔn)5W WPC應(yīng)用的典型線圈是A11型線圈。這種環(huán)形線圈直徑約50mm，背后有厚厚的鐵氧體屏蔽層。雖然這種線圈已在具有多種類型接收器的大量應(yīng)用中經(jīng)過(guò)了測(cè)試，但它最適合較高的功率級(jí)(3W～5W)。對(duì)于較低功率和縮小范圍的接收器，許多線圈尺寸可減小。

A11線圈的典型電感為6.3μH。為獲得最佳性能，應(yīng)保持此值。導(dǎo)線直徑可減小，以允許更小的線圈尺寸，但是這會(huì)增加直流電阻損耗。通過(guò)減小屏蔽層厚度，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)尺寸的縮減。有幾種類型的屏蔽層可提供良好的性能。

用一個(gè)30mm的圓形發(fā)射器線圈進(jìn)行測(cè)試的效果甚佳(圖3)。實(shí)現(xiàn)更小的解決方案并非癡人說(shuō)夢(mèng)，但設(shè)計(jì)人員務(wù)必要注意不能使直流電阻顯著增加。大多數(shù)WPC發(fā)射器中所用的諧振轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，即使在負(fù)載最小時(shí)，電流仍然在一次線圈內(nèi)流動(dòng)。考慮到產(chǎn)品的尺寸限制，Tx線圈的直流電阻必須在實(shí)際情況允許的條件下盡可能減小，以避免過(guò)多的功率損耗。

圖3：標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器線圈和30mm低功耗線圈。

低功耗接收器

bq51003是德州儀器(TI)無(wú)線電源接收器bq51xxx產(chǎn)品系列中的一款器件，專為低功耗應(yīng)用量身打造。該器件中的關(guān)鍵變化是為較低的輸出電流優(yōu)化幾種功能的特性。

該器件系列具有動(dòng)態(tài)整流器控制功能以改善負(fù)載瞬態(tài)特性(表2)。Qi標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)相對(duì)緩慢的全局反饋回路，最多可能需要100ms的時(shí)間來(lái)改變工作點(diǎn)。這意味著負(fù)載階躍會(huì)降低輸出電壓并引起系統(tǒng)復(fù)位。為了提供足夠的電壓應(yīng)對(duì)瞬態(tài)變化，在低負(fù)載時(shí)需要把VRECT工作點(diǎn)設(shè)高。該特性有助于負(fù)載階躍，但會(huì)降低輕載效率。為解決這個(gè)問(wèn)題，用動(dòng)態(tài)效率調(diào)節(jié)功能來(lái)調(diào)節(jié)輕載電壓，以適應(yīng)最大輸出負(fù)載。此外，還用一個(gè)電阻器來(lái)設(shè)定最大輸出電流。

表2：針對(duì)無(wú)線接收器(bq51003)的動(dòng)態(tài)整流器控制。

由于耗散功率而縮減了的PCB面積，散熱路徑也應(yīng)予以考慮。因?yàn)榈湫偷膽?yīng)用需要用降低的充電電流為小型電池充電，所以耗散功率是可以控制的。

如前所述，bq51003及bq51013B等其他恒壓輸出接收器可與二次IC協(xié)同工作，調(diào)節(jié)并管理至鋰離子電池的電流。這些電池需要精確的恒流/恒壓充電控制配置參數(shù)，這些參數(shù)可通過(guò)bq24232(圖4)等器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)低功耗應(yīng)用而言，簡(jiǎn)單的低成本線性充電器通常是上佳之選。抉擇充電器設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵因素是驗(yàn)證它能否控制可穿戴設(shè)備所用小型電池需要的低充電電流水平。bq24232在必要時(shí)可調(diào)節(jié)低至25mA的恒定電流水平，并且已在使用小型電池的應(yīng)用中大顯身手。

圖4：適合低功耗應(yīng)用的無(wú)線電源接收器(帶電池充電器)。

低功耗發(fā)射器

對(duì)于功率為5W的典型應(yīng)用，有很多擁有各種特性的Qi發(fā)射器類型。bq50xxx系列支持5W或更高的接收器輸出功率。對(duì)于低功耗應(yīng)用，bq500211是一個(gè)很好的起點(diǎn)。它提供標(biāo)準(zhǔn)的EVM套件，具有單線圈5V輸入、A11型的發(fā)射器線圈。然而，正如前文所述，針對(duì)更低功耗的可穿戴應(yīng)用，這種線圈可用更小的元件取代。該器件可選擇通過(guò)USB端口或低功耗5V電源適配器供電運(yùn)行。發(fā)射器設(shè)計(jì)還有小型低成本的選項(xiàng)。

bq500211 Qi發(fā)射器控制器擁有輸入功率限制選項(xiàng)，至發(fā)射器的輸入電流可被限制在500mA，從而允許通過(guò)USB端口或小型電源適配器供電運(yùn)行。這非常適合要求低電流的低功耗接收器。圖5展示了一個(gè)方框圖范例。輸入電流跨電阻器檢測(cè)并通過(guò)電流檢測(cè)放大器放大。電源部分使用帶集成驅(qū)動(dòng)器的功率級(jí)MOSFET。但獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器和低損耗的MOSFET可用于降低成本。如前所述，在輸出功率較低時(shí)，F(xiàn)OD保護(hù)功能是可選項(xiàng);圖5所示電路未實(shí)施FOD功能。另外，為了簡(jiǎn)單并降低成本，圖5中的設(shè)計(jì)未顯示用于低功耗待機(jī)模式的可選電路。

圖5：低功耗發(fā)射器。

結(jié)論

現(xiàn)在，用既有的定制器件在低功耗可穿戴設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)無(wú)線感應(yīng)充電已成為可能。要設(shè)計(jì)功率范圍為500mW～1500mW的工作解決方案，其中一項(xiàng)關(guān)鍵的因素是磁性元件的優(yōu)化—具體而言，就是讓較小尺寸的接收器線圈與相應(yīng)較小尺寸的發(fā)射器線圈相匹配，以保持最佳的耦合系數(shù)。此外，用bq500211發(fā)射器和bq51003低功耗接收器進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐獠侩娐沸薷模员M量減少系統(tǒng)功率損耗。

參考文獻(xiàn)

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3. Bill Johns, Tony Antonacci and KalyanSiddabattula. “Designing a Qi-compliantreceiver coil for wireless power systems,” Analog ApplicationsJournal (3Q 2012). Available: www.ti.com/2q14-slyt479