利用Qi标准实现5W以下手持设备的无线充电

Sudha Chirra

Tony Antonacci

德州仪器

随着便携式设备电源使用要求的增长，广大消费者需要一些易用的充电解决方案。这些解决方案可以在各种环境下使用，例如：家庭、办公室、汽车、机场、学校等等。无线充电联盟(WPC)已经制定出了业界首个互操作标准(Qi)，让所有兼容发送器(compliant transmitter)能为来自不同厂商、不同电源要求的兼容接收机(compliant receivers)供电。

技术进步让便携式设备产品一代比一代智能。提高易用度以及设备功能的增多都对电源提出了新的需求。消费者发现为设备充电的次数越来越频繁，需要一些更加方便有效的方法来为解决充电问题。无线充电技术提供了一种解决方案，让便携式设备通过一个发送器垫来充电，无需任何电气连接。如今，人们开发出多种形式的无线充电技术，但是最为成功的商业应用却是基于电感的电力传输，例如：电动牙刷等。这种技术更易于适应各种商业应用，实现互操作。

互操作性是指任何发送器都能够为任一移动设备供电，而与电源要求、外形尺寸和厂商无关。现有感应无线充电解决方案，要求消费者购买指定的充电垫，另外还需购买便携式设备的附件。市场调查表明，消费者感兴趣的解决方案是一种比现有有线充电方法更加方便的互操作解决方案。

WPC基于感应电力传输制定了Qi互操作标准，解决了5W以下手持设备的无线充电问题。该联盟致力于通过建立一种全球互操作的基础架构，让无线充电成为一种无处不在的普及技术。

WPC标准

图1显示了一个WPC型感应无线充电系统的结构图。发送器由AC/DC电源转换、驱动器、发射线圈、电压与电流检测以及控制器组成。接收机由接收线圈、整流、电压调节(即稳压调节),及一个控制器组成。该系统的负载可以为任何电池供电型设备，例如：一部手机。

图1：WPC感应无线充电系统的结构图。

电力传输

电力通过一个耦合磁场从发送器传输至接收机，而该磁场是在交流电流经发送器线圈时形成的。如果接收机线圈较为接近(X、Y或者Z尺寸间隙小于5mm)，大部分发送器场力线会耦合至接收机线圈。这些耦合场力线在次级线圈中形成交流电，对其整流可产生直流电压，从而为手机或者其他便携式设备提供电源。

通信协议

该标准利用反向散射调制实现接收机到发送器之间的通信。通过接收机调节与线圈并联的负载(可以为电阻式或者电容式)来实现，其反过来又通过耦合磁场调制初级电流。发送器通过检测初级线圈电流，对通信信号进行解调。该通信信道允许向发送器发送消息，目的是控制几种系统级功能：

1、识别：接收机一定能够让发送器将自己识别为一部WPC兼容设备，这种特性提高了安全性，因为一个WPC兼容发送器无法为一个非兼容接收机供电。

2、电源要求：接收机可以要求发送器增加或者降低输出功率(最大5W)。由于接收机可以让其接收到的功率适合于其当前负载需求，因此系统可以更加智能高效。

3、电力传输控制：接收机可以通过发送一条结束电力传输消息，关闭发送器。例如，电池完全充电状态时，接收机便不再需要电力。关闭发送器，意味着该系统具有非常低的待机功耗。

[p]

磁性组件

磁性组件或者线圈、屏蔽层和磁铁/吸引器的组合，是WPC系统不可或缺的组成部分，需要仔细的设计考虑，因为它们对总系统性能有重要的影响。

由于发射端的实现对外形尺寸没有严格的限制，因此WPC标准固定了磁性设计的发射端。这样便可让次级线圈施加的磁场强度和分布保持一致，从而实现可靠的系统运行。WPC v1.0规范为这些发射端设计提供了指导。由于存在实质不同的整体外形尺寸，我们无法标准化接收端磁性组件。磁性组件厂商已经顺应了这一技术发展趋势，为发送器提供WPC兼容磁解决方案，同时为接收机提供定制解决方案。这些解决方案可以以集成组件(线圈+屏蔽层)或者单独配件(单独的屏蔽层和线圈)的方式购买。

接收机架构

提供Qi兼容产品的最快速途径是，提供电源或者直接电池充电实现的附加解决方案。

电源实施

图2显示了一个无线充电接收机如何模仿电源适配器的运行，向移动设备提供5-V、5-W电源。在这种最简单的实施中，接收机和移动设备之间仅要求两个触点、无线电源和接地。由于大多数第一代Qi产品都没有去除掉有线连接器，因此图2还显示了如何通过一个有线适配器或者无线电源来实现充电。两个电源都连接至移动设备内部的电源复用器。一般而言，适配器电源是默认选择，而在没有适配器的情况下才使用无线电源。

图2：使用有线输入的四触点电源接收机系统架构。

当有适配器或者电池充电结束时，需要中断无线电力传输。要实现这个功能，可以在接收机处于无负载状态时向发送器发送一条消息来终止电力传输。通过打开复用器的无线电源接收机开关，可以模拟这种状态。无负载状态的更多详情，可以利用更多触点来获得。

在三触点解决方案中，充电结束时，移动设备向接收机发送的一条数字终止信号被驱动为高电平。接收机进入无负载状态，之后向发送器发送关于充电完成的额外信号，让发送器结束供电。发送器利用这一信息，通过一个LED灯通知用户充电完成。

在四触点解决方案中，检测信号可用于测量适配器电压，并通知发送器结束电力传输，无需发送终止消息。

直接电池充电器的实施

图3显示了一个直接电池充电器的实现，其无线电源直接提供给电池。通过调节控制器充电算法的充电曲线，这种实现可以支持任何电池化学物质。利用I2C或者 SMBus，可让接收机变得“智能”，这样主机便可以收集测量信息(例如：整流功率)，并设置充电参数。两个充电器本质上与电池连接：有线和无线充电通路。通过检测适配器电压探测到有线适配器时，无线接收机充电算法便终止。

由于移动设备的高系统集成度，这种实施不仅对整体移动设备外形尺寸产生的影响最小，效率也最高。

图3：直接电池充电器解决方案的无线充电系统架构。