助力磁感應無(wú)線(xiàn)充電系統,MCU大有作為！

　　微控制器（MCU）在磁感應無(wú)線(xiàn)充電系統中扮演舉足輕重的角色。磁感應無(wú)線(xiàn)充電系統是利用發(fā)射端與接收端內的線(xiàn)圈耦合產(chǎn)生功率，因此損耗問(wèn)題嚴重。開(kāi)發(fā)人員可利用微控制器感應線(xiàn)圈中的電壓和電流，藉此調節逆變器參數，以確保無(wú)線(xiàn)充電系統運作效能。

　　技術(shù)、軟件和硬件不斷革新，使得手持行動(dòng)設備如平板電腦、智能手機、攝像機、全球衛星定位系統（GPS）等設備飛速發(fā)展。這些設備主要都由電池驅動(dòng)，而且新功能還在不斷增加，如觸控螢屏、寬螢屏顯示器等，同時(shí)設備還能通過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)運行應用程式，這些都會(huì )增加功耗。

　　然而，電池的尺寸和性能增強力度遠不及電量需求的增長(cháng)速度，因此，電池需要頻繁充電。消費者仍需要花大把力氣攜帶充電器和大量線(xiàn)纜，頻繁地為電池充電。雖然持有先進(jìn)的設備，但感覺(jué)好像您仍活在石器時(shí)代。出于這些原因，科學(xué)家們正努力研究新方法，以無(wú)線(xiàn)的方式充電，無(wú)需繁瑣的設備附件，實(shí)現更輕松、更方便的充電方式。這聽(tīng)起來(lái)很科幻，但如今卻已變成現實(shí)。

　　實(shí)際上，能量的無(wú)線(xiàn)傳輸在許多領(lǐng)域都以電磁波的形式被普遍應用，如無(wú)線(xiàn)電波、微波等，這些技術(shù)都已應用在無(wú)線(xiàn)通信、衛星、收音機、電視機等領(lǐng)域。這些波從發(fā)射器發(fā)射，向各個(gè)方向傳播，當到達天線(xiàn)的時(shí)候，天線(xiàn)再將這些波的頻率改變，因此，只有一小部分的能量到達了接收器。如果電能的傳送也是利用這個(gè)方法，將變得非常沒(méi)有效率。在微處理器（MPU）問(wèn)世前，這一概念受到效率低下和缺乏控制的影響，并且還有安全和其他問(wèn)題的隱憂(yōu)。

　　當今大多數的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)都采用電感耦合進(jìn)行電量的傳輸。雖然還有如激光二極管、微波束等其他方法可以無(wú)線(xiàn)的方式進(jìn)行電量的傳輸，但那些都不在本文討論范圍內。

　　電感耦合可產(chǎn)生電流磁場(chǎng)

　　電感耦合（圖1）正應用于各種電機領(lǐng)域，它采用可產(chǎn)生各種移動(dòng)電流的磁場(chǎng)?；緛?lái)說(shuō)，變壓器的原理是透過(guò)使它們磁耦合的方式改變兩個(gè)電感線(xiàn)圈間的電能，詳細內容可參照法拉第發(fā)明的電磁定律。當行動(dòng)設備在交流電上工作時(shí)，接收器中感應到的電能自然地進(jìn)行交替并改變?yōu)榻涣麟姟?/p>

　　圖1　電感耦合示意圖

　　電磁感應與可產(chǎn)生磁場(chǎng)的導體內的電流和電壓強度以及頻率成正比。頻率越高，則感應強度越強。能量從可產(chǎn)生磁場(chǎng)（初級）的導體傳輸到其他導體上，并發(fā)生磁場(chǎng)沖擊（二級）。初級導體中的部分能量通過(guò)感應傳輸到二級導體中，并且能量沿著(zhù)初級導體快速減少。

　　高頻電流不會(huì )透過(guò)遠距離的導體，但會(huì )透過(guò)傳感快速改變其能量到相鄰導體上。更高頻率所產(chǎn)生的更高感應很好地體現了交流電系統中高頻傳播與低頻傳播的顯著(zhù)差別。頻率越高，感應效果越明顯，并透過(guò)電路之間的空間傳輸能量。能量減少的越快，并且電流沿著(zhù)電路消失，本地現象就越多。

　　電氣設備不宜通過(guò)空氣進(jìn)行磁場(chǎng)耦合，因為空氣擁有很差的滲透性，會(huì )導致效率低下。但對于移動(dòng)應用而言，當使用會(huì )使設備變重的高滲透性磁心時(shí)，空氣仍是首選的介質(zhì)。通過(guò)使用共振技術(shù)，設計人員可以更高效地增加能源，使其在短距離內，透過(guò)空氣的介質(zhì)進(jìn)行傳輸。

　　無(wú)線(xiàn)充電則復雜得多，這是因為它對進(jìn)行發(fā)射和接收的能源，在其通信與控制方面有很高要求，需要更復雜、更高級的電路，故要為無(wú)線(xiàn)傳輸能源建立新的標準。

　　圖1所示為一個(gè)理想的變壓器，即沒(méi)有功率損耗的變壓器，在這個(gè)變壓器內，初級伏安（Volt Ampere）=二級伏安。雖然實(shí)際應用中，變壓器都很高效，但功率損耗還是會(huì )發(fā)生，因為不是所有由初級線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量都會(huì )連接到二級線(xiàn)圈。以下三種情況會(huì )導致變壓器的功率損耗：

　　．銅損耗

　　銅損耗也可以叫做線(xiàn)圈損耗或I2R損耗，因為由其他金屬制成的線(xiàn)圈也會(huì )發(fā)生損耗。這些損耗是由于銅線(xiàn)線(xiàn)圈過(guò)熱導致的，因為銅線(xiàn)有阻力，會(huì )消耗一定的功率。

　　變壓器線(xiàn)圈產(chǎn)生的功耗可以通過(guò)計算線(xiàn)圈中的電流和阻力來(lái)統計，公式為P=I2R。這個(gè)公式解釋了為什么銅損耗會(huì )被稱(chēng)做I2R損耗的原因。為了使損耗降到最低，線(xiàn)圈中的阻力必須保持最低，因此要使用橫截面積適中且電阻率低的線(xiàn)圈。

　?。艤p耗

　　每當交流電反轉（每週期一次）時(shí)，帶有磁心材料的微小「磁域」也會(huì )反轉。這些屬于磁心材料的物理改變，也會(huì )消耗一定的能量。

　　能量損耗的大小取決于磁心材料的「磁阻」；對于大型功率變壓器磁心而言，磁滯損耗或許是一個(gè)大問(wèn)題，可透過(guò)采用特殊低磁阻「晶粒取向」鋼做為磁心材料來(lái)克服這一問(wèn)題。

　?。疁u流損耗

　　因為鐵和鋼磁心既是導電體又是磁電路，初級線(xiàn)圈中的電流改變往往會(huì )建立一個(gè)電磁波（EMF），同樣在二級線(xiàn)圈中也是如此。磁心內感應到的電流會(huì )阻礙磁心內磁場(chǎng)的改變，因此須盡可能使渦流保持最低，這可透過(guò)把金屬磁心分離到薄片或疊片（Laminations）上來(lái)實(shí)現，并透過(guò)絕緣漆和氧化物使每一個(gè)疊片都與其他隔離。被疊片的磁心大大減少了渦流的形成，并且不影響磁心的性能。

無(wú)線(xiàn)充電的優(yōu)缺點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)充電優(yōu)點(diǎn)如下:

　?。鼙Ｗo的連接

　　當電子全部封閉時(shí)，不會(huì )受到空氣中水和氧氣的腐蝕。

　?。畬η度胧结t療設備而言，更加安全

　　對于嵌入式醫療設備而言，允許通過(guò)皮膚而不是讓線(xiàn)纜穿過(guò)皮膚的方式對設備進(jìn)行充電/供電，從而減少受感染的風(fēng)險。

　?。奖?/p>

　　不必連接電力線(xiàn)纜，設備可安放在充電板或支架上。

　?。僮骱?jiǎn)單

　　比起插入電力線(xiàn)纜，操作更簡(jiǎn)單（對于殘疾人士更加重要）。

　?。陀?/p>

　　無(wú)須頻繁插拔設備，擁有更耐磨損和撕裂的設備插槽和附加線(xiàn)纜。

　　另一方面，無(wú)線(xiàn)充電的缺點(diǎn)則如下所列。

　?。势?，產(chǎn)生廢熱

　　與直接充電相比，磁感應充電的最大缺點(diǎn)就是效率偏低和不斷增加的電阻熱量。

　　采用低頻或老式驅動(dòng)技術(shù)導致充電速度緩慢并在大多數可攜式電子設備中產(chǎn)生廢熱。

　?。杀景嘿F

　　感應充電需要設備和充電器都具備驅動(dòng)電子設備和線(xiàn)圈，增加了制造的復雜性和成本。

　?。潆娋徛?/p>

　　由于效率低，設備需要的充電時(shí)間更長(cháng)。

　?。环奖?/p>

　　當行動(dòng)設備使用線(xiàn)纜連接充電時(shí)，您可以隨意移動(dòng)該設備，并且可以在充電過(guò)程中使用設備。而采用當前的感應充電（如Qi標準）技術(shù)，行動(dòng)設備必須固定在平板上，因此不能隨意移動(dòng)，充電時(shí)也不能輕松使用。

　?。幌嗳菪?/p>

　　與標準微型通用串行總線(xiàn)（Micro USB）充電連接器不同，無(wú)線(xiàn)充電沒(méi)有一個(gè)實(shí)際標準，當標準出現時(shí)，會(huì )給消費者、組織或制造商帶來(lái)大量冗余設備（Redundant Equipment）。

　　事實(shí)上，開(kāi)發(fā)商可透過(guò)采用超薄線(xiàn)圈、更高的頻率和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的驅動(dòng)電子設備等新方法來(lái)減少傳輸損耗。這將使得充電器和接收器變得更高效、更精巧，在最大限度減少改變的同時(shí)，促進(jìn)了與行動(dòng)設備和電池間的整合。這些技術(shù)使得無(wú)線(xiàn)充電的時(shí)間可以媲美有線(xiàn)充電的方式。

　　磁感應電力傳輸標準問(wèn)世

　　無(wú)線(xiàn)電力傳輸系統將電能以無(wú)線(xiàn)連接的方式從發(fā)射器傳輸到接收器。由于它具備安全、自由、可靠、方便和耐用等優(yōu)勢，使得無(wú)線(xiàn)充電變得越來(lái)越流行，并且廣泛地應用于如牙刷、LED蠟燭、遙控器、醫療設備和行動(dòng)電話(huà)等領(lǐng)域。

　　無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（WPC）為無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域創(chuàng )建了名為「Qi」（唸做Chee）的國際標準，可交互操作的產(chǎn)品都標有Qi的標識。電話(huà)、相機、遙控器和所有帶有該標識的行動(dòng)電子設備都可以和帶有同樣標識的充電站配合使用。

　　無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟是一個(gè)開(kāi)放式會(huì )員組織，由超過(guò)一百家公司會(huì )員組成，為電感充電技術(shù)的單個(gè)互操作通用標準的開(kāi)發(fā)和創(chuàng )新而共同努力。Qi是一款由該聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的用于4cm（1.6英寸）以上距離的感應電力傳輸的接口標準。

　　符合Qi標準的無(wú)線(xiàn)設備采用振幅鍵控（ASK）調變，與功率接收器和功率發(fā)射器進(jìn)行通信。ASK是相對簡(jiǎn)單的調變方案，類(lèi)似于模擬信號的振幅調變，并且載波頻率信號通過(guò)二進(jìn)位數字進(jìn)行放大；其載波頻率和相位保持不變，而振幅則不斷變化。資訊位元會(huì )通過(guò)載波振幅，它被稱(chēng)為二進(jìn)位振幅鍵控（2ASK），因為調變信號可采用兩種二進(jìn)位位準，0或1。與載波頻率相乘得到的二進(jìn)位數字的結果類(lèi)似于載波頻率的開(kāi)啟或關(guān)閉。這意味著(zhù)，當載波傳輸發(fā)生時(shí)，調變的數字信號為 1，當沒(méi)有載波時(shí)，為0。

　　功率接收器通過(guò)使用反向散射調變與功率發(fā)射器進(jìn)行通信。通信解調電路的功能是檢測高頻率功率信號中的低頻率通信信號。

　　除此之外，對于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)開(kāi)發(fā)而言，Qi還將受益于以下各項因素：大眾市場(chǎng)的採納、完整的供應鏈、完整的技術(shù)藍圖、標準化、交互操作性、品牌知名度等。

　　Qi系統（圖2）包含用于可攜式設備中的功率傳輸板和可相容接收器。為了使用該系統，行動(dòng)設備被安裝在功率傳輸板的頂部，透過(guò)電磁感應進(jìn)行充電。

　　圖2　Qi標準系統示意圖

　　Qi系統在兩個(gè)平面線(xiàn)圈間采用電感耦合的方式在功率發(fā)射器和功率接收器間傳輸電力。數字控制回路對輸出電壓進(jìn)行調節，進(jìn)行功率接收器與功率發(fā)射器的通信，并消耗一定的功率。藉由反向散射調變，功率發(fā)射器到功率接收器間可達成單向通信。在反向散射調變中，功率接收器線(xiàn)圈會(huì )被載入，改變功率接收器內的電流消耗。這些電流消耗的改變會(huì )被監控并解調成兩個(gè)設備協(xié)同工作所需的資訊。

　　行動(dòng)設備制造商包括宏達電、華為、樂(lè )金電子（LGE）、摩托羅拉（Motorola）、諾基亞（Nokia）、三星（Samsung）和索尼（Sony）等正采用Qi標準進(jìn)行研發(fā)。

　　雖然Qi目前鎖定智慧型手機的電流標準僅為5瓦（W），不過(guò)顯然地，對于無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟而言，為平板電腦以及更大型設備進(jìn)行充電將逐步實(shí)現，而針對這些設備的10W解決方案也即將問(wèn)世。目前，電感充電器已實(shí)現70%左右的效率。

　　無(wú)線(xiàn)充電收發(fā)器設計要點(diǎn)

　　首先是發(fā)射器（圖3）。一個(gè)功率放大器包含兩個(gè)主要功能單元，即功率轉換單元和通信與控制單元。初級線(xiàn)圈做為磁場(chǎng)，產(chǎn)生功率轉換單元的元素?？刂萍巴ㄐ艈卧獙⒈粋鬏數墓β收{節至功率接收器所需的等級?；究砂鄠€(gè)發(fā)射器，以便同時(shí)服務(wù)多個(gè)行動(dòng)設備（在同一時(shí)間內，一個(gè)功率發(fā)射器只能服務(wù)單個(gè)功率接收器）。最后，系統單元包含所有其他基站功能，如輸入功率供應、多個(gè)功率發(fā)射器控制及用戶(hù)接口。

　　圖3　無(wú)線(xiàn)充電解決方案示意圖

　　功率轉換/發(fā)射器由逆變器電路組成。逆變器向初級線(xiàn)圈提供受控的交流電源，由控制及通信單元調節這一控制。發(fā)射器的逆變器電路可配置全橋或半橋功率轉換拓撲。拓撲的選擇取決于，每個(gè)WPC全橋逆變器在被廣泛用于直流電轉向交流電的應用時(shí)的類(lèi)型和發(fā)射器，并具有以下特性：

　?。酶咧绷麟妷?，以支援寬輸入電壓范圍。

　?。鎸Σ煌瑧脳l件，擁有更多的控制變化。

　?。畣螛O固定頻率脈衝寬度調變（PWM）控制，以減少電磁干擾（EMI）。

　?。嫦蜍涢_(kāi)關(guān)操作的移相控制策略，以改進(jìn)系統效率。

　?。i定中/高功率應用的小型功率組件應力。

　?。哂休敵鲎儔浩鞯暮?jiǎn)單逆變器拓撲。

　　控制功率并與接收器單元進(jìn)行通信的控制單元是一款微控制器（MCU）芯片。它可以感應初級線(xiàn)圈中的電壓和電流，并調節逆變器的參數，以達到一個(gè)所需的相同量。

　　微控制器單元由所需的關(guān)鍵周邊組成，以控制功率轉換，如PWM、模擬數字轉換器（ADC）、比較器（ACMP）及通信和除錯周邊，如通用輸入/輸出 （GPIO）、UART、SPI、SCI。關(guān)鍵周邊ADC、比較器和PWM擁有顯著(zhù)特性，可在較高開(kāi)關(guān)頻率下完成控制器功率轉換，以減少如電容器和電感器等被動(dòng)組件的尺寸。

　　這些周邊還可以形成反饋回路，以控制功率變壓器到發(fā)射器線(xiàn)圈的電壓與電流。它可以控制磁場(chǎng)，在接收器線(xiàn)圈內相互感應，最終在接收器電路內控制電壓。ADC以電流和電壓的形式從線(xiàn)圈中獲取輸入，并根據供給到線(xiàn)圈的電流來(lái)調節PWM輸出。

　　還有一個(gè)用于比較線(xiàn)圈內電壓/電流輸入的比較器，當每個(gè)接收器需要時(shí)，可比較參考設置。比較之后，它可立即發(fā)揮作用，保護電路，防止電路受到破壞。還有一個(gè)從接收器到發(fā)射器的回饋路徑，可調整線(xiàn)圈內的磁通；回饋的形成是通過(guò)功率信號自身通信信號的疊加。該回饋還對節能有著(zhù)重要的意義，比如，有些發(fā)射器平臺上沒(méi)有安置接收器，線(xiàn)圈內無(wú)需磁通，因此發(fā)射器電路將進(jìn)入低功耗模式。

　　有一些技術(shù)可檢測接收器是否存在，每個(gè)技術(shù)都擁有其獨特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其一為透過(guò)觸控感應，如果安裝了接收器，信號將被傳送到發(fā)射器，以向線(xiàn)圈提供電流，用于產(chǎn)生接收器所需的電壓。其優(yōu)點(diǎn)為當沒(méi)有接受器時(shí)，只有觸控感應電路工作，因此，在閑置期間可實(shí)現超低功耗；缺點(diǎn)則是可能需要添加額外硬件元件實(shí)現觸控感應。

　　另一個(gè)方式為檢測來(lái)自接收器的回應，發(fā)射器不斷地向正在等待來(lái)自通信通道回應的接收器發(fā)送資訊，一旦安置接收器，發(fā)射器就能被感應，并向線(xiàn)圈提供電流。其優(yōu)點(diǎn)為無(wú)需硬件電路，低成本；缺點(diǎn)則是不間斷的資訊需要求所有電路時(shí)時(shí)刻刻正常工作。

　　無(wú)線(xiàn)充電模組的另一關(guān)鍵元件為接收器。在接收器的一旁有一個(gè)整流單元，它可接收線(xiàn)圈中的交流分量，并將其轉變成直流，然后供應到接收器的電池電路中進(jìn)行充電。接收器電路由調變單元組成，該調變單元可調變通信信號，并通過(guò)電源線(xiàn)發(fā)送至發(fā)射器。來(lái)自線(xiàn)圈的模擬元件還通過(guò)微控制器，用于比較所需參考，并向發(fā)射器提供回饋，以調節發(fā)射器的電流/電壓。發(fā)射器微控制器單元由ADC、ACMP、UART組成。ADC收到來(lái)自接收器線(xiàn)圈的電流/電壓，并將其轉換成數字格式，并根據情況通過(guò)微處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理。相同電壓做為輸入進(jìn)入ACMP內，ACMP將其與參考（通過(guò)接收器，設置成為每個(gè)所需電壓）進(jìn)行比較，并立即發(fā)揮作用，防止錯誤發(fā)生。微控制器可轉換接收器電路，防止比較器輸出顯示錯誤（電壓或電流消耗超出范圍）。接收器還可通過(guò)通信通道將回饋信號回傳給發(fā)射器，以調整線(xiàn)圈中的電流。

　?。ū疚淖髡?span id="risu1e6" class="coffee_12x">Deepak Mahajan/Mohammad Kamil/Arjun Chowdhury皆任職于飛思卡爾）