低功率可穿戴设计中实现无线感应充电

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无线技术能够为出于设计或美观原因而缺少充电端口的可穿戴设备提供方便的电池充电方案。 过去，使用无线充电方法需要有定制化射频设计和电磁感应理论方面的专业知识。 不过，现在的设计师采用 Freescale Semiconductors、TDK、Texas Instruments 以及 Toshiba 等厂家制造的市售标准零件，可在低功率可穿戴设计中实现无线感应充电技术。
　　无线电源最早可追溯至 19 世纪早期，当时迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 描述了导体在磁场中能够通过电磁感应产生电动势。 在  19 世纪晚期，尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla)  将法拉第电磁感应定律付诸实践，在他位于纽约市的实验室中使用磁耦合谐振技术以无线方式点亮了电灯。 如今，电磁感应原理已经能够为各种 RFID  标签、非接触式智能卡和厨房炉灶供电，并为电动牙刷、智能手机和新兴的可穿戴设备（如苹果手表）的无线充电器提供技术基础。
　　实际上，对于充电端口使用不方便、太占空间或者纯粹太碍眼的可穿戴设备来说，无线充电技术是极具吸引力的解决方案。  另外，通过去除有线充电端口，可穿戴产品的设计师也消除了产品受污染和进水的可能性，从而提升了整个产品的可靠性。  这些设备使用安全地内置在可穿戴产品外壳下面的受电线圈替代充电端口。
　　在电动感应中，对线圈施加电流能够产生一个电磁场，该电磁场能够在旁边的第二个线圈中通过感应产生电流。  事实上，这两个线圈的对齐方式和距离是达到高效能的关键。  在消费应用中，需要精确定位的无线充电实践通常提供导引装置，帮助用户将移动单元对齐基座单元上的规定位置。  相反，所谓的自由定位无线充电器通常在基站中设置多个线圈，响应来自远端单元的反馈，从而为适当的线圈供电。
　　通信通道
　　对于导引式和自由定位式无线充电系统而言，通信都发挥着关键的作用。 在发射器工作过程中，接收器通过调制接收器天线上面的负载，将数据包传回发射器。 反过来，发射器解调反射的负载从而重建数据包（图 1）。
　　典型的无线充电系统图片

　　图 1： 典型的无线充电系统包含电源传输基站和受电接收器，使用电磁耦合原理进行电能传输和通信。
　　两种无线充电系统都使用来自接收器的数据管理发射器电能。 在工作过程中，发射器单元响应来自接收器的错误数据，以根据需要增减送到发射线圈的电能。 自由定位系统使用同样的通用方法选择相对于远端设备的线圈最佳位置。
　　设计师不仅可以将这些通信路径用于控制信号，也可以将应用数据传回发射器。 尽管信息带宽是有限的，但是对于设备验证、设备状态以及远端设备采集的传感器数据的通信来说带宽是足够的。
　　电能调节、控制和通信等功能的组合转化成具有复杂的电能和控制逻辑要求的电路设计（图 2）。 不过，对于设计师来说，半导体制造商提供了很多解决这些需求及其他需求的解决方案。
　　无线充电系统图片

　　图 2： 无线充电系统可迅速提高复杂度，从而满足能源传输优化和通信的多样化需求。 （资料：Texas Instruments）
　　标准解决方案
　　现成的标准化无线充电解决方案建立在工业标准接受度不断提升的基础上，这些工业标准定义了无线充电协议的基本要求。 虽然标准接口意在实现用户移动设备和不同供应商基站之间的互操作性，但却是以两种无线充电技术—感应充电和谐振充电为基础。
　　感应充电要求发射器和接收器严格对齐，但是通常比谐振充电效能更高。  另外一方面，谐振充电对于对齐方式及发射器和接收器之间的距离要求并不严格，并且能够同时为多台设备充电。 包括无线充电联盟 (WPC)、电力事业联盟  (PMA) 和无线电力联盟 (A4WP) 在内的行业标准组织目前正处于开发互操作性功能的早期合作阶段。
　　尽管最初的设计着眼于数量庞大的消费应用，但这些标准方法无形之中已成为可穿戴设备无线充电解决方案的基础。 例如，尽管 WPC 的 Qi  标准通常使用较大的 A11 50mm 发射线圈，但设计师可以使用电阻较小的小线圈来避免过多的电能损失，从而获得更好的性能。 例如，30 mm  直径的 TDK WR303050 具有 0.41 Ω DC 电阻，其外形尺寸和电能传输水平更符合很多可穿戴设备的要求。
　　在无线充电的电能控制方面，Toshiba TB6865FG 和 TB6860WBG 等器件充分地补充了现有零件的基于标准的功能。 与其他此类产品一样，Toshiba IC 产品广泛集成了所需的多种性能以简化设计，仅需少量的外部组件就能够支持符合 WPC Qi 标准的无线充电系统（图 3）。
　　Toshiba TB6865FG 发射器和 TB6860WBG 接收器图片

　　图 3： Toshiba TB6865FG 发射器和 TB6860WBG 接收器等器件集成了所需的多种功能以简化基于标准的无线充电系统的实现。 （资料：Toshiba）
　　TB6860WBG 接收器将调制和控制电路系统与整流器电能采集、内置的高性能 DC 至 DC  转换器、可配置的锂电池充电器电路，以及保护功能结合。 它的 TB6865FG 电能发射器集成了 MCU 和广泛的模拟功能，包括 PWM  电路、开关控制、板载滤波器和前级驱动器电路。 TB6865FG 能够分别控制两组线圈，让用户可以同时为两台移动设备充电。
　　Freescale Semiconductor 围绕 32-位 56800EX 内核构建基于 Qi 标准的 MWCT1000 和 MWCT1101  发射器。 该处理器在设计上可提供 MCU 功能及以及 DSP 处理能力，能够实现广泛的功能并且在有源模式下耗电量不超过 30 mA.  该器件仅需 30 mW 的待机电能就能够发挥探测附近的接收器的功能。 在电能传输过程中，Freescale 器件的效能可超过 75%。 除了  MWCT1000 与 MWCT1101 之外，Freescale 还推出了面向汽车应用的 MWCT1001A 和 MWCT1003A。
　　Texas Instruments 在 BQ50xxx 发射器和 BQ51xxx 接收器系列中推出了很多器件。 其中 BQ51221 同时支持 WPC 和 PMA 标准，而 TI 接收器系列中的大多数器件都采用符合 WPC Qi 标准的设计。 在这些符合 Qi 标准的器件中，TI 产品系列包括稳压输出电平为 5 V（BQ51013A 和 BQ51013B）、7 V（BQ51010B）和 8 V（BQ51020 和 BQ51021）的 5 W 接收器。 该系列中包括 BQ51050B（4.2 V 输出）和 BQ51051B (4.35 V) 在内的其他成员集成了锂电池充电器—为可穿戴设备提供了全面的电能管理方案。
　　TI 的 BQ51003 面向低功率应用而设计，是一款非常适合可穿戴设备的 2.5 W 接收器。 通过将 BQ51003  与低功率线性充电器（如 TI BQ25100）集成，设计师能够实现采用集成锂电池管理的完整无线充电接收子系统。 对于锂电池充电，BQ25100  能够精确控制低至 10 mA 或者高达 250 mA 的快充电流，并可低至 1 mA 精确终止充电，以支持小型纽扣式锂电池。
　　在发射器方面，Texas Instruments 的 BQ500211A 和 BQ500212A 提供完整的 Qi 标准功能，包括能够持续监测正在进行的电能传输的效能，以提供外物检测 (FOD) 和寄生金属物体检测 (PMOD)。 除了提供 FOD 和 PMOD 功能之外，BQ500410 还支持具有三线圈发射器阵列的自由定位设计。 对于低功率发射器设计而言，BQ500210 能够以低至 8 mA 的供电电流工作。
　　总结
　　对于可穿戴设备来说，无线充电技术满足了紧凑型解决方案的需求，消除了对于有线充电端口的尺寸和可靠性的顾虑。 过去，采用无线供电方法需要具备电磁理论和射频设计技术的专业知识。 如今，设计师可使用现成的 IC 零件轻松地在极小的可穿戴设备中应用无线充电功能。