無(wú)線充電技術(shù)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

引言

　　無(wú)線充電技術(shù)在消費(fèi)類市場(chǎng)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(jì)人員能夠?qū)ふ业礁邉?chuàng)新性的問(wèn)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(jī)到電動(dòng)汽車不一而足。

　　電感耦合方法可以實(shí)現(xiàn)高效和通用的無(wú)線充電。為了便于使用并且讓設(shè)計(jì)人員和消費(fèi)者都受益，無(wú)線充電聯(lián)盟 （WPC） 制定出了一種標(biāo)準(zhǔn)。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(guó)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(biāo)準(zhǔn)定義了電感耦合（線圈結(jié)構(gòu)）的類型，以及低功耗無(wú)線設(shè)備所用的通信協(xié)議。在這種標(biāo)準(zhǔn)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(duì)。這種方法的一個(gè)重要的好處是其利用這些線圈來(lái)實(shí)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(qǐng)參見(jiàn)圖 1。

　　1  無(wú)線充電 WPC 標(biāo)準(zhǔn)

　　WPC 標(biāo)準(zhǔn)下，無(wú)線傳輸?shù)?ldquo;低功耗”就是說(shuō)功耗僅為 0～5W。達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)范圍的系統(tǒng)在兩個(gè)平面線圈之間使用電感耦合來(lái)將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。兩個(gè)線圈之間的距離一般為 5mm。輸出電壓調(diào)節(jié)由一個(gè)全局?jǐn)?shù)字控制環(huán)路負(fù)責(zé)，這時(shí)電力接收器會(huì)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(guò)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(fù)載，從而改變電力發(fā)送器的電流消耗。我們對(duì)這些電流變化進(jìn)行監(jiān)控，并解調(diào)成兩個(gè)設(shè)備協(xié)同工作所需的信息。

　　WPC 標(biāo)準(zhǔn)定義了系統(tǒng)的三個(gè)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(xì)介紹這三個(gè)方面。

　　2  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(dòng)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(duì)電力發(fā)送器設(shè)計(jì)的靈活性進(jìn)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(gè)兼容設(shè)備，同時(shí)也提供配置信息。一旦發(fā)射器開(kāi)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(gè)“終止電力”消息，或者如果 1.25 秒以上都沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)包，則電力發(fā)送器停止供電。沒(méi)有電力傳輸時(shí)，電力發(fā)送器則進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。

　　WPC 規(guī)范允許使用固定和移動(dòng)配置。單個(gè)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(gè)平面用戶將電力接收器放置在上面）連接至電源。符合 WPC 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備線圈起到了一個(gè) 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(huì)發(fā)生變化，但會(huì)保持在 110 到 205kHz 之間，具體取決于功率需求。
[!--empirenews.page--]3  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(jí)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(guò)穩(wěn)壓的 DC 的電源調(diào)節(jié)電路以及用于將信號(hào)調(diào)制到次級(jí)線圈的通信電路。電力接收器負(fù)責(zé)其身份認(rèn)證和電源要求的所有通信，因?yàn)殡娏Πl(fā)送器只是一個(gè)“收聽(tīng)者”。

　　盡管為了讓其符合 WPC 標(biāo)準(zhǔn)我們對(duì)電力發(fā)送器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了限制，但設(shè)計(jì)電力接收器時(shí)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(duì)電力接收器的線圈電壓進(jìn)行全波整流。由于兩個(gè)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(shuō)者”。電感電能傳輸通過(guò)耦合一次到次級(jí)線圈的磁場(chǎng)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(fù)載其便不會(huì)出現(xiàn)損耗（例如：金屬的渦流損耗等）。

　　4  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(shí)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(shí)出現(xiàn)的典型啟動(dòng)順序如下：

　　a  來(lái)自電力發(fā)送器的模擬 ping 檢測(cè)到對(duì)象的存在。

　　b  來(lái)自電力發(fā)送器的數(shù)字 ping 為模擬 ping 的加長(zhǎng)版，并讓電力接收器有時(shí)間回復(fù)一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度包。如果該信息強(qiáng)度包有效，則電力發(fā)送器會(huì)讓線圈保持通電并進(jìn)行下一步驟。

　　c  身份識(shí)別和配置階段期間，電力接收器會(huì)發(fā)送一些數(shù)據(jù)包，對(duì)其進(jìn)行身份識(shí)別，并向電力發(fā)送器提供配置和設(shè)置信息。

　　d  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(yùn)行期間，每隔約 250ms 便發(fā)送這些包，而在大信號(hào)變化期間會(huì)每隔 32ms 發(fā)送一次。另外，在正常運(yùn)行期間，電力發(fā)送器會(huì)每隔 5 秒鐘便發(fā)送一次電力包。

　　e  為了終止電力傳輸，電力接收器會(huì)發(fā)送一條“終止充電”消息，或者 1.25 秒時(shí)長(zhǎng)內(nèi)都不進(jìn)行通信。兩種事件中的任何一個(gè)都會(huì)讓電力發(fā)送器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

　　5　TI 的 WPC 兼容解決方案

　　TI 是 WPC 的創(chuàng)始會(huì)員之一，并在制定穩(wěn)健的無(wú)線充電規(guī)范方面起到了積極的作用。TI 利用三種新開(kāi)發(fā)的 IC 同時(shí)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(jìn)入 bq25046 的電壓電平以及從 bq25046 流出的電流電平。bq25046 向MSP430bq1010 提供負(fù)載電流信息，之后其使用這一信息來(lái)控制電力發(fā)送器的工作點(diǎn)。bq25046 擁有一個(gè)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(gè)更大的 5.0-V LDO 能夠向主輸出提供高達(dá) 1A 的電流。

　　電力發(fā)送器解決方案通過(guò) bq500110 實(shí)現(xiàn)。這種器件對(duì)來(lái)自電力接收器的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和解碼。控制電路首先確認(rèn)電力接收器實(shí)際為一種 WPC 兼容設(shè)備，然后對(duì)電力發(fā)送器進(jìn)行相應(yīng)的配置。

　　TI 的 BQTESLA100LP EVM 套件將單獨(dú)的發(fā)送器和接收器設(shè)計(jì)組合到一個(gè)包括了機(jī)械封裝的一個(gè)套件中。該套件既可用于 IC 評(píng)估也可以用作設(shè)計(jì)實(shí)例。WPC 已確認(rèn)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(wú)需使用軟件來(lái)操作 EVM，其僅需要一個(gè) 19-V 輸入。在高達(dá) 1A 電流條件下，EVM 套件的輸出為 5V。發(fā)送器 EVM 包括多個(gè) LED 選項(xiàng)，用于直觀指示電力發(fā)送器狀態(tài)。另外，兩個(gè)蜂鳴器選項(xiàng)提供電力傳輸開(kāi)始的聲音提示。

　　6　結(jié)論

　　WPC 標(biāo)準(zhǔn)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(jì)的各種 WPC 認(rèn)證組件協(xié)調(diào)工作的指導(dǎo)原則，從而開(kāi)發(fā)大量的解決方案。