可穿戴设备的无线充电如何设计解决方案

可穿戴设备正作为电子元件的一个重要市场领域而迅速兴起。 这类设备的一个关键要求就是便利性，不仅表现在能够访问移动物体上的数据方面，而且还能确保电池每天都有足以持续一整天的续航时间。

如果用户必须插入设备使其整夜充电，那么有些时候就很有可能忘记充电，睡醒后才发现设备在接下来的一天时间里将无法使用。 无线充电功能为电子设备带来一种更便捷的充电方式。 进行无线充电时只需将电子设放到充电垫上，无需在待充电设备中插入微型 USB或类似电缆，而且用户可以把充电垫放在容易够到的地方。 如果无线充电系统设计恰当，一块充电垫可同时为多个设备充电，无需逐一充电且更能方便用户外出携带充电垫和设备。

现在，享受无线充电便利的已不止是可穿戴设备。 这项技术早已大量运用到电子牙刷，甚至在进行按比例放大，为电动汽车电池充电。

感应充电的基本工作原理与电源变压器相同。 充电垫中的感应线圈产生交变电磁场，然后由待充电设备的线圈接收该电磁场，并将其再次转换为有用的电流。 与传统变压器类似，基本的感应充电也要求两个线圈紧密靠近，以获得高效率。 否则，初级线圈中的电阻会产生相当大的累积损耗。

利用两个线圈产生谐振感应耦合可提升长距离能量传输效率，具体做法是通过合并电感和电容负载对这两个线圈进行调谐，使其在相同频率下产生谐振。 在这种谐振条件下，大量电能可从一个线圈传输至位于数倍于其直径处的另一线圈。

图 1：负载调制用于对变压器耦合期间的数据进行编码。

线圈电路 Q 值可调高，以便经过多个周期后建立相对较强的磁场。 这种振荡信号中携带的电能要高于任何一次馈入线圈的电能。 由于次级线圈能够接收一部分这种振荡磁场并对其进行转换，因此输出的电能要高于传统变压器。 为实现谐振而使用经过调谐的电容可以消除发射器中的杂散和磁化电感，进而从根本上减小线圈绕组的电阻损耗，这种损耗通常是感应损耗的 10 到 100 倍。

为使 Q 值高于传统变压器 ，线圈通常采用螺线管设计，这也有助于将趋肤效应降至最小。 通常，使用小介电常数电感器或者仅依靠空气就能将介电损耗降至最低。

实际中上，并不总是将线圈调谐至一个精确的谐振频率。 只要次级线圈截获一定量的磁力线，松散耦合系统就能传输电能。 通过更精确的线圈匹配实现更紧密的耦合能够提供更高的电能，但对设计用于在谐振条件下同时工作的线圈来说，使它们之间保持严格的耦合是不可能的。 这些电路可设计为仅在失谐调件条件下工作，其中接收器与发射器的谐振频率稍有不同。

遗憾的是，紧密耦合线圈还易受对准度影响，而且对于用户只想将设备随意放到充电垫上即能成功充电，而不用去考虑最佳放置方向和位置的消费类应用，这就是一个问题。 所以，充电所用的发射器可以采用多个线圈。 这会增加设计复杂性，但位置选择更自由。 线圈无需重叠，这样就能在生产中简化装配，虽然线圈重叠能提高密度和接收器放置自由度。

要顺利实现单发射器为不同设备充电，就需采用一些标准。 目前在用的主要有两大标准。 Powermat 系统是无线电源联盟 （Alliance for Wireless Power） 倡导一个标准，围绕基于单发射器线圈的松散耦合型系统而设计。 无线充电联合体 （Wireless Power Consortium） 的 Qi 系统允许多种不同配置，包括同时进行松散和紧密耦合运行。 目前的大多数发射器采用多线圈紧密耦合配置。

这两个标准还考虑了能量管理，以确保充电垫只有在设备充电时才会工作。 例如，Qi 系统采用一个通讯协议来中转线圈上的信号，以检查是否存在设备且该设备是否支持 Qi 系统。 按照该标准，发射器可以在 110 kHz 至 205 kHz 范围内改变线圈上的切换频率，作为功率输送的主要控制机制。

在 Qi 标准下，利用线圈电压对负载进行简单调制，以向气隙另一侧的装置发送数据。 来自次级线圈的通讯使用不同的双相位、位编码方案，工作频率恒为 2 kHz 并在每个 8 位传输数据前添加一个起始位。 传输数据后为奇偶校验和停止位。

图 2：双相位编码能实现二进制数据发送能力。

可以发送大量控制数据。 最常用的控制数据包类型包括：信号强度、控制误差、终端功率要求和整流电源水平。 信号强度有助于调整设备在充电垫上的位置，当与可见或可闻信号配合使用时，能够指导用户沿充电垫移动设备，直至该信号强度大到足以说明当前功率传输良好。

控制误差数据包可指示从接收线圈观察到的输入电压及其需要的输入电压之间的误差程度。 发射器通常利用控制回路调节施加到其线圈上的电压。 如果存在大误差，这些误差数据包的频率被设定为一个较大的值。 每 32 ms 将发送一个数据包，直至误差降至阈值以内。 从这点来说，这些数据包每 250 ms 发送一次。 控制误差数据包非常有助于调节功率输送。 轻负载条件下，接收器可能需要一个较高电压，以便能克服电流瞬态——例如，从睡眠状态唤醒可穿戴设备。 负载电流较大时，便携式设备可能需要一个较低电压，以避免在 LDO 稳压器上产生功率损耗。

设备充满电或者检测到可能会损坏电池的内部故障时，设备会发出停止功率传输请求。 功率输送还通过整流电源信息控制。 这会中继转发可穿戴设备在其整流电路输出端接收到的那部分功率。 发射器利用这一信息确定耦合频率，同时判断接收器是否达到其最高功率极限。 每 350 ms 至 1800 ms 发送一次，发射器会利用没有数据包的间隙确定充电垫上的设备是否被移走。 整流电源信息也有助于探测异物。

支持 Qi 协议和控制功率输送的芯片组业已推出。 例如 Toshiba 推出用于发射器的 TB6865AFG 器件。 这种高集成度零件包括一个运行客户代码的 ARM Cortex-M3 处理器、一个支持外部 H 桥电路的 PWM 控制器（用于功率输送）。 按照 Qi 标准，控制器可为多达两个设备控制功率并支持异物检测。

bq51013 器件是 Texas Instruments 产品，设计用于次级侧，能进行 AC/DC 电源转换、整流并具有向发射器发送指令所需的数字化控制功能。 bq5101x 系列的所有器件均采用了一个低电阻同步整流器、LDO 以及电压、电流环路控制器。

除控制器外，制造商还提供支持 Qi 协议标准的现成线圈，这些线圈设计用作发射器、接收器或同时用作这两种器件。 例如，Abracon 的 AWCCA-50N50 系列同时支持发射器和接收器应用。 线圈的直径稍小于 50 mm 且抗透磁性能强，可保护设备内部的电子器件。 这些设计提供可在 70 或 160 范围内选择的 Q 系数，这两种情况下的 DC 电阻分别为 20 mΩ 或 70 mΩ 左右。

针对较小的可穿戴设备，TDK 推出 WR303050 线圈，并将其封装尺寸减小至 30 x 30 mm 且厚度仅 1 mm。 室温下 DC 电阻为 0.41 Ω。

为提高灵活性，Vishay Dale 的 IWAS-3827 提供采用长方形而非正方形基底面选择，其长宽分别为 38 mm 和 27 mm。 该线圈厚度 1 mm，DC 电阻为 0.18 Ω，典型 Q 值为 30。

图 3：用于无线电源的 AVishay Dale 线圈。

为提供集成度更高的解决方案，TDK 的 TMx-66-2M7 和 TMx-58-2M7 可与一个 TI 接收器芯片封装在一起，实现一个总长 66 mm、厚度仅 1 mm 的封装器件。

可选用的其它无线充电器件包括 Würth Electronics 提供的各种 WPCC 和 WE-WPCC 系列无线充电线圈。 这些线圈包括发射器和接收器两种配置形式，额定电流为 0.8 至 13 A 且尺寸多样，能满足各种应用要求。 我们可利用 Würth/TI 无线电源演示套件 （760308） 演示无线充电的概念和好处，该套件采用了 Würth 发射器和接收器线圈。

随着围绕如 Qi 等协议的生态系统的扩张，我们可以期待用集成度更高的解决方案来简化设计工作，为可穿戴设备设计更简单的充电方法。