将符合Qi标准的无线电源解决方案应用于低功耗可佩戴产品

作者：Bill Johns，高级应用工程师
Kalyan Siddabattula，系统工程师
Upal Sengupta，应用及市场营销经理

前言

智能手表、健身腕带 (fitness wrist band) 以及耳机等众多低功耗可佩戴设备已纷纷推向市场（图 1）。这类全新系列的电子产品将有望在未来几年获得快速的增长和发展。这些产品的典型特征是小巧轻薄、形状各异，而且工业设计也可谓千变万化。所用电池容量从 100mAh 到 300mAh 不等，因而对充电速率的要求也各不相同。



为这类设备充电的传统方式是使用插头－插孔式(plug-and-jack style) 连接器或微型 USB 连接器。但即便是这些相对较小的连接器对于一些新推出的超薄可佩戴应用来说也显得过大了。对于户外可佩戴环境来说，连接器脏污是一个甚至更为严重的问题。

为了解决上述问题，无线充电方案应运而生，为设计人员提供了更丰富的选择余地。适用于 Qi 标准（由无线充电联盟 (WPC) 制定）的现有半导体器件经过简单调整，就可用于这种低功耗应用。该技术使用两个平面线圈穿过密封外壳传输电源。对于低功耗可佩戴设备而言，体积小、厚度薄的低功耗接收器线圈可以轻松安装在外壳的背面或腕带内。符合 Qi 标准的器件属成熟解决方案，能缩短开发时间，同时产品还能得到现有 WPC 基础设施的支持。

符合 Qi 标准的无线电源系统

典型的无线电源系统（图 2）在便携式设备中有一个接收器 (Rx)，能为电池充电提供能源。发送器 (Tx) 位于固定基座中，可连接墙壁上的电源。发送器的输入电源可转换成 AC，然后在发送器线圈与接收器线圈靠近时，经发送器线圈磁耦合至接收器线圈。接收器的-输出电压通常为 5V，电流可达 1A，用于为便携式设备中的电池充电器 IC 提供输入电源。



该系统中的发送器工作受接收器芯片控制。接收器芯片通过同一磁耦合路径发回数字通信数据包实现反馈。符合 Qi 标准的接收器使用负载调制通过两个线圈以数据包的方式发送信息，实现与发送器的通信。发送器线圈电压和电流能以 2KHz 频率进行调制，经发送器解码后可用于控制目的。接收器可向发送器发送多种类型的数据包，以实现控制和通信目的。此外，通信损耗会导致电源传输中断。

Qi 标准的“识别和配置”命令数据包对确保只向正确的设备传输电源非常有用，可避免发生潜在的危险状况。此外，“充电完成”和“终止电源传输”数据包命令也非常实用，可在电池充电完成时终止电源传输，或在其它状况要求终止电源传输时对电源传输进行终止。1这些特性可确保在采用得到广泛认可的现有标准的基础上实现发送器和接收器之间的安全电源传输。

低功耗无线系统

通过精心调整线圈大小和外部组件值，使之符合更小尺寸应用的要求，符合 Qi 标准的可用接收器和发送器经优化后可用于低功耗无线系统。发送器和接收器的线圈尺寸均可缩小，以满足更纤小外形的要求。电源部分的组件，特别是发送器组件，能采用更低的电源参数。

符合典型 WPC-1.1Qi 标准的系统可支持高达 5W 的输出负载，通常电流为 1A 时电压为 5V 。从另一方面讲，用于可佩戴设备应用的低功耗系统，输出电源一般在电流为 100 到 250mA 时电压为 5V。

在不影响尺寸或性能的情况下，可使用大多数符合 Qi 标准的特性。异物检测 (FOD) 是一项可选功能，可用于防止将电源传输给充电区域中的杂散金属对象。-对于具备 FOD 功能的低功耗系统，总输出功率会下降50% 以上。虽然可充电区域面积下降了，
但充电场中物体升温引发问题的可能性也大大降低了。是否使用FOD 功能主要取决于可佩戴设备的充电板或充电底座的机械设计。表 1 是使用 WPC-1.1 Qi 标准时定制可佩戴应用可选用的部分主要功能。

表 1：符合 Qi 标准与可佩戴解决方案


低功耗系统线圈

虽然线圈的尺寸可以缩小到一定程度，但仍然必须具备传输电源和与发送器通信的功能。典型的线圈构造是采用圆形平面线圈，该线圈由屏蔽层上的铜线制成。另外也可采用 PCB 线圈或柔性电路线圈。通常情况下，这些替代方案具有较高的 DC 电阻（降低效率），但可以非常薄，理想适用于小型低功耗应用。屏蔽层的作用是避免 AC 电场进入电子产品和电池，也可以改善线圈的性能。

假定 Rx 和 Tx 线圈在 X-Y 平面上平行对齐，有两个关键因素可以决定耦合系数 k。首先是线圈间的距离(z)，其次是两个线圈的直径比例。当两个线圈彼此靠近且二者直径相匹配时，可以获得最佳耦合效果（K 最大）。2为确保从一开始就让x-y 平行对齐，在可佩戴设备使用的充电基座或充电底座的机械设计上应提供某种物理方式来辅助设备在充电基座／充电底座中的正确放置。由于此类应用中的接收器线圈尺寸极小，Rx 和 Tx 线圈稍稍错位就会造成耦合系数显著下降，使电源传输效率低下。

在 WPC/Qi 等耦合电感器系统中，一次和二次线圈之间的耦合系数 (K) 一般在 0.5 到 0.7 范围内。典型变压器的 K 值要高得多，比如 0.99 。在耦合系数偏低的情况下，需要二次（接收器）侧有较高的电感值来确保满足输出功率要求。小型低功耗设备由于耦合系数低，实际上可能需要比标准 5W 设计更大的二次电感。3更大电感量的接收器线圈需要更多绕组圈数和更大的屏蔽层才能实现所需的电压增益。

线圈设计

设计接收器线圈大小时需要权衡的方面包括电线直径、屏蔽层大小和厚度。线圈的 DC 电阻是造成接收器效率降低的因素。接收器线圈设计需要一定圈数的绕组才能实现所需的电感。如前文所述，小型线圈因为耦合因数下降，需要比大型线圈更大的电感。为了在较小空间内使用更多绕组圈数实现更高电感值，需降低电线直径。电线直径缩小加上绕组圈数增多会增大 DC 电阻、降低效率。

屏蔽层能够为磁通提供低阻抗路径，增加线圈的电感量。同时屏蔽层还能防止 AC 电场进入电池和接收器内周边的金属部分。最好使用较大较厚的屏蔽层，因为较薄的屏蔽层在高通量磁场中容易发生饱和。发送器线圈的设计受到的物理局限较少。线圈可以更大，电感也可以更小。

标准 5WWPC 应用使用的典型线圈是 A11 型线圈。这种环形线圈直径大约 50 毫米，其后有厚铁氧体屏蔽层。这种线圈在带有多种类型接收器的各种应用中已通过测试，表明其更适用于较高的功率级（3W到5W）。对较低功率和较小覆盖范围的接收器，
许多线圈规格可以下调。

A11 线圈的典型电感量为 6.3μH。为实现最佳性能应保持该值。可以缩小电线直径以实现更小尺寸的线圈，但这样做会增大 DC 电阻损耗。减小屏蔽层厚度还能够进一步减小线圈尺寸。有多种性能表现良好的屏蔽层类型可供选择。

对 30 毫米直径环形发送器线圈的测试已取得良好结果（图 3）。更小尺寸的解决方案也有可能，但设计人员必须注意不让 DC 电阻明显增加。就大多数 WPC 发送器使用的谐振转换器架构而言，即便在极低负载下一次线圈也有电流流过。为避免过大的功率损耗，Tx 线圈的 DC 电阻必须在产品尺寸允许范围内尽可能最低。



低功耗接收器

Bq51003 是德州仪器 (TI) bq51xxx 系列无线电源接收器中的一款器件，特别适合低功耗应用。该器件的主要不同之处在于针对较低输出电流优化了一些特性性能。

该器件系列采用 Dynamic Rectifier ControlTM 改善负载瞬态性能。Qi 标准具有速度相对较慢的全局反馈环路，改变工作点耗时可能多达 100ms 。这就意味着负载步进可降低输出电压，导致系统重置。为提供足够电压实现瞬态工作，VRECT 工作点在低负载下设置为高。该特性可为负载步进提供帮助，但会降低轻负载效率。为解决这个问题，可使用 Dynamic Efficiency Scaling. 技术来为最大输出负载定制轻负载电压。最大输出电流可使用电阻器设置。

表 2：无线接收器 (bq51003) 的动态整流器控制功能


由于用于热耗散的 PCB 面积缩小了，因此散热路径也需要纳入考虑范围。由于典型应用需要使用降低的充电电流为小型电池充电，因此热耗散可以管理。

正如前文所提到的那样，bq51003（以及 bq51013B 等其它恒压输出接收器）能够与一个二级 IC 串接，为锂离子电池调整和管理充电电流。这类电池需要精确的恒流／恒压充电控制配置文件，其可使用 bq24232 等器件实施（图 4）。对于低功耗应用来说，简单的低成本线性充电器通常是最佳选择。选择充电器器件的关键在于检验其是否能够通过控制低充电电流等级来满足可佩戴设备中使用的小型电池应用需求。bq24232 可在需要时将恒定电流等级调低至 25mA，该器件已经在支持各种小型电池的应用中实施。如欲了解有关锂离子电池所需充电控制功能的更多详情，敬请参阅 bq24232 的产品说明书。



低功耗发送器

对于典型的 5W 应用而言，有众多符合 Qi 标准且功能丰富多样的发送器类型可供选择。bq50xxx 系列可支持 5W 或更大的接收器输出功率。bq500211 对于低功耗应用而言是个理想的入门器件。标准 EVM 套件配套提供一个 5V 输入 A11 型的发送器线圈。但是，正如上文所述，对于低功耗可佩戴应用，可使用较小型组件替换该线圈。这一单元的工作电源既可选择使用USB 端口也可选用低功耗 5V 适配器。发送器设计可以选择小型化和低成本化。

bq500211Qi 发送器控制器具有输入功率限制选项-。发送器的输入电流可限制在 500mA，这可实现通过USB 端口或小型适配器供电。这对电流需求很低的低功耗接收器而言非常适用。图 5 所示为范例方框图。输入电流用跨接的电阻器感应，并通过电流感应放大器放大。电源部分使用带集成型驱动器的功率级-MOSFET 。不过，也可以使用独立的驱动器和低损耗MOSFET 设计方案来降低成本。如前文所述，在输出较低功率时，FOB 保护功能为可选项。图示的电路没有实施 FOD 特性。此外，为了简化和降低成本，图 5 所示的设计也没有显示供低功耗待机模式使用的可选电路。如欲了解有关该设计的更多详情，敬请参阅参考资料 4。



结论

我们现在可通过使用现有的现成器件，在低功耗可佩戴设计中实施无线电感充电。设计电源范围在 500 至1500mW 之间的有效解决方案，重点是优化磁性组件，具体是指使用更小尺寸的接收器线圈与相应尺寸的发送器线圈匹配，以保持最佳耦合因数。同样重要的是使用 bq500211 发送器和 bq51003 低功耗接收器进行适当的外部电路修改，以便最大限度地降低系统损耗。