便攜設備無(wú)線(xiàn)充電設計與線(xiàn)圈要求盤(pán)點(diǎn)

　　智能手表、健身腕帶和頭戴式耳機等諸多低功耗可穿戴設備已推向市場(chǎng)。預計在未來(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。這些設備通常小巧纖薄，具有不同的外形和工業(yè)設計。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(lèi)設備傳統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，對于一些新的超薄可穿戴應用而言也太大了。此外，由于戶(hù)外可穿戴環(huán)境的原因，連接器污染也成了一個(gè)更嚴峻的問(wèn)題。

　　圖1：具有無(wú)線(xiàn)充電功能的智能手表

　　無(wú)線(xiàn)充電解決方案可令這些問(wèn)題迎刃而解，并為設計人員提供更多的機會(huì )?，F有用于WPC（無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟）Qi標準的半導體器件，可輕松適用于這種較低功耗的應用。這種技術(shù)使用兩個(gè)平面線(xiàn)圈，通過(guò)密封外殼來(lái)傳輸電力。對于低功耗可穿戴設備而言，小巧纖薄的低功耗接收器線(xiàn)圈可輕易地嵌入到密封外殼或腕帶區的背面。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(lèi)產(chǎn)品能獲得現有WPC基礎設施的支持。

　　Qi兼容的無(wú)線(xiàn)電源系統

　　典型的無(wú)線(xiàn)電源系統在便攜式設備內有一個(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，并連接至壁掛式電源。輸入電能轉換為交流電，然后在發(fā)射器線(xiàn)圈與接收器線(xiàn)圈非常接近時(shí)，通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)生磁耦合。接收器的輸出在電流高達1A時(shí)通常為5V，其可為便攜式設備內的電池充電器IC提供輸入功率。

　　圖2：Qi兼容的無(wú)線(xiàn)電源系統方框圖

　　該系統中的發(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字通信包形式的反饋進(jìn)行控制。Qi兼容接收器采用負載調制以數據包形式跨兩個(gè)線(xiàn)圈發(fā)送信息，與發(fā)射器進(jìn)行通信。發(fā)射器線(xiàn)圈電壓和電流以2kHz的速率調制，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(lèi)型的數據包，以實(shí)現控制和信息傳輸。此外，通信的失敗將終止任何功率傳輸。Qi標準的“識別和配置”命令數據包非常有用，可保證功率僅傳輸到正確的設備，從而避免潛在的危險情況。“充電完成”和“結束功率傳輸”數據包也是很有用的命令，當電池充完電或出現其他情況需要終止功率傳輸時(shí)可停止功率傳輸。這些特性可保證采用現有廣為人知的標準在發(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(xiàn)系統

　　通過(guò)精心調整線(xiàn)圈尺寸和外部元件值來(lái)匹配更小尺寸應用，可針對低功耗無(wú)線(xiàn)系統對既有的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(xiàn)圈均可縮減尺寸，以適應更小的外形。電源部分的元件（特別針對發(fā)射器）可降低功率規格。典型的WPC-1.1 Qi兼容系統可支持功率高達5W的輸出負載（通常為5V@1A）。另一方面，適用于可穿戴設備應用的低功耗系統可能擁有5V@100mA～250mA的輸出電力范圍。大多數Qi兼容功能的使用并不影響尺寸或性能。異物檢測（FOD）功能是一項可選功能，可防止功率傳輸到充電區的雜散金屬物體。在具有FOD功能的低功耗系統中，總輸出功率被減小50%以上。隨著(zhù)充電區域的縮小，物體進(jìn)入該區域，并被加熱至出現問(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備充電墊或充電底座的機械設計。表1總結了采用WPC-1.1 Qi標準時(shí)的一些主要可用功能，而這些功能在定制可穿戴應用時(shí)是可選的。

　　表1：Qi兼容標準與可穿戴解決方案對比。

　　低功耗系統線(xiàn)圈

　　線(xiàn)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(xiàn)圈結構是一種在屏蔽層上用銅線(xiàn)制成的圓形平面線(xiàn)圈。替代配置是PCB或柔性電路線(xiàn)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(xiàn)圈的性能。假設Rx線(xiàn)圈和Tx線(xiàn)圈在x-y平面上對齊，那么有兩個(gè)關(guān)鍵因素可確定耦合系數k。第一個(gè)因素是線(xiàn)圈到線(xiàn)圈（z）的距離，第二個(gè)因素是兩個(gè)線(xiàn)圈直徑的比例。當兩個(gè)線(xiàn)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）結果（參考文獻2）。為確保兩個(gè)線(xiàn)圈從一開(kāi)始就能在x-y平面上緊密對齊，可穿戴設備充電底座或支架的機械設計應包括有助于將設備妥善放置在支架中的物理方法。由于在本應用中接收器線(xiàn)圈非常小，Rx線(xiàn)圈和Tx線(xiàn)圈之間的輕微失準可能導致耦合系數顯著(zhù)降低且功率傳輸效率很差。在耦合電感器系統（如WPC/Qi）中，一次線(xiàn)圈和二次線(xiàn)圈間的耦合系數（k）通常為0.5～0.7。典型變壓器的k會(huì )高得多，例如0.99。當耦合系數很低時(shí)，在二次（接收器）側需要較高的電感值，以確保輸出功率的需求能得到滿(mǎn)足。因此，那些可能具有低耦合的小型低功率設備，實(shí)際上比標準的5W設計需要更高的二次繞組電感（參考文獻3），可能需要具有更多匝數、更大屏蔽層的較高電感的接收器線(xiàn)圈，才能達到所需的電壓增益。

　　線(xiàn)圈設計

　　接收器線(xiàn)圈尺寸的設計權衡因素包括線(xiàn)圈導線(xiàn)直徑、屏蔽層尺寸和厚度。線(xiàn)圈直流電阻會(huì )使接收器效率降低。接收器線(xiàn)圈設計需要具體的匝數，以獲得所需的電感。如前所述，由于耦合系數降低，小線(xiàn)圈所需的電感會(huì )比大線(xiàn)圈高。為了在較小空間內達到較高的電感值，匝數會(huì )增加，導線(xiàn)直徑會(huì )減小。更細的導線(xiàn)和更多的匝數帶來(lái)的合并效應，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(xiàn)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?chē)慕饘袤w。更大、更厚的屏蔽層比較好，因為較薄的屏蔽層將遭遇高通量磁場(chǎng)飽和的風(fēng)險。發(fā)射器線(xiàn)圈設計的物理限制較少。線(xiàn)圈可以更大，并且其電感可以更低。

　　技術(shù)點(diǎn)評：無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器采用線(xiàn)圈電壓和電流以2kHz的速率調制，經(jīng)過(guò)解碼并用于控制；接收器直接向發(fā)射器發(fā)送多種類(lèi)型的數據包，以實(shí)現控制和信息傳輸，已達到充電的作用，在此過(guò)程中線(xiàn)圈的設計尤為重要，直接決定了耗能的大小。

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