zaiguoqudejinianjian，wuxianchongdianshichangpengbofazhan

，wuxianchongdianbiaozhunquyuzhenghe
，bingqiebuduanyouxindegongyingshanghexinchanpinyongxian。yucitongshi，yixiejishudefazhanyequdelelingrenzhenfendechengguo，xiamianjiuyudajiayiqitaolunwuxianchongdianjishuxianzaidefazhanqingkuangyijiweilaidezhanwang。

 

圖1：感應式無線充電廣泛應用於消費電子產品，但是需要發射和接收線圈精確對齊才能工作
 

無線充電也稱為無線電力傳輸（WPT）
，在一些消費級可穿戴產品中可謂是風靡一時
，比如智能手機、智能手表和健康手環等
，但是這個創意本身已經存在一個多世紀的時間了。著名的發明家Nikola Tesla早在1891年就展示過兩個燈泡之間的WPT效xiao應ying。無wu線xian充chong電dian對dui工gong業ye和he汽qi車che行xing業ye的de業ye者zhe也ye頗po有you吸xi引yin力li，因yin為wei不bu用yong直zhi接jie的de接jie觸chu
，所suo以yi就jiu不bu會hui產chan生sheng火huo花hua而er引yin起qi爆bao炸zha，並bing且qie無wu線xian充chong電dian係xi統tong還hai可ke以yi單dan獨du密mi封feng起qi來lai
，免mian受shou工gong業ye溶rong劑ji
、灰塵以及腐蝕氣體的影響。

 

20世紀90年代消費者才開始廣泛使用諸如電動牙刷和電動剃須刀之類的小型家用電器。在過去的10年時間裏，隨著WPT的標準化以及便攜式和可穿戴電子產品的興起，這類需求正不斷增加。

 

兩種技術的故事

無線充電係統遵循近場充電（NFC）準則：發fa射she線xian圈quan會hui生sheng成cheng一yi個ge震zhen蕩dang磁ci場chang空kong間jian
，通tong過guo電dian磁ci感gan應ying向xiang附fu近jin的de接jie收shou線xian圈quan傳chuan輸shu能neng量liang。典dian型xing配pei置zhi就jiu是shi固gu定ding的de充chong電dian站zhan或huo者zhe充chong電dian座zuo中zhong包bao含han發fa射she電dian路lu和he初chu級ji線xian圈quan，而er被bei充chong電dian的de設she備bei則ze包bao含han接jie收shou器qi和he次ci級ji線xian圈quan。

 

發射線圈（初級線圈）生成的磁場隻有一小部分的磁通量可以穿透接收線圈（次級線圈）並傳輸能量：這兩個線圈本質上構成一個變壓器，傳輸效率是兩個線圈的耦合係數（K）與質量因子（Q）的函數。

 

發射器與接收器之間的金屬物體會吸收能量，降低效率甚至造成發熱構成安全隱患，因此異物檢測（FOD）技術也已經被集成到目前的無線充電係統中。

 

WPT開發人員正在致力於研究兩種技術：感應充電使用兩個相鄰的緊密耦合線圈；共振充電則是使兩個線圈都達到諧振頻率產生共振效應。盡管這兩種技術都采用感應耦合，但所謂“感應充電”通常是指緊密耦合的充電方式。

 

感應充電概述

ganyingchongdianfangshishidigonghaobianxieshishebeihekechuandaishebeidelixiangxuanze，dankenengbushiheyixiedaxingchanpin，suoyiwomenxiantaolunganyingchongdian，zuihouzaitaolunxiezhenchongdian。

 

感gan應ying充chong電dian的de效xiao率lv很hen高gao，但dan是shi對dui線xian圈quan的de失shi調tiao非fei常chang敏min感gan。電dian力li的de傳chuan輸shu與yu距ju離li的de平ping方fang成cheng反fan比bi關guan係xi，隨sui著zhe距ju離li的de增zeng加jia電dian力li傳chuan輸shu效xiao率lv會hui迅xun速su下xia降jiang。為wei了le提ti高gao效xiao率lv
，用yong戶hu使shi用yong的de產chan品pin中zhong兩liang個ge線xian圈quan的de距ju離li一yi般ban都dou會hui保bao持chi在zai7mm以內，如果用戶移動了接收設備
，係統就會檢測到充電效率的下降而終止電力傳輸。

 

圖2顯示了使用兩個Rohm器件的感應式無線充電係統的架構圖

，稍後將對此展開討論。在大多數應用中，無線充電係統還包含另兩個模塊：一個是為發射器充電的交流/直流電源
，一個是接收器後麵的鋰離子電池充電器。

 

圖2：感應充電係統架構圖
 

目前有兩個相互競爭的感應充電標準：無線充電聯盟（WPC）推出的Qi標準和AirFuel聯盟支持的AirFuel感應充電標準，兩者的工作頻率分別在100-200KHz和100-350KHz，它們的整體效率都超過了70%。

 

很多製造商的產品都同時支持這兩種標準
，比如三星的Galaxy S6和S7智能手機同時支持Qi和AirFuel無線充電標準。

 

無論是Qi還是AirFuelwuxianchongdianxitongdoushitongguofashexianquanjiangdianlichuansonggeijieshouxianquan
，danshidouyoujieshouduanlaikongzhichongdiandezongliang。jieshouduantongguogaibianchujixianquandefuzaishixianyufasheduandetongxin，Qi標準規定2kbps的數據傳輸速率以及雙相位編碼。AirFuel標準則定義了六種不同的通信符號，每個AirFuel無線充電係統接收端都有唯一的六字節ID識別碼
，這個識別ID是在係統啟動時由接收端傳送給發射端。

 

無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)比(bi)有(you)線(xian)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)力(li)要(yao)少(shao)的(de)多(duo)

，因(yin)此(ci)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)更(geng)長(chang)的(de)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)，但(dan)是(shi)製(zhi)造(zao)商(shang)正(zheng)在(zai)積(ji)極(ji)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，比(bi)如(ru)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)。2015年推出的WPC v1.2版本規範明確最大支持的功率可達15W
，而早期的版本隻支持5W。

 

無線發射器

在工作期間，發射器大部分時間都保持在低功耗的“短暫睡眠”（ snooze）moshi
，meigeyidingdeshijiandouhuijihuojianzhashifouyoujieshouqixuyaochongdian。jiancedaocijixianquancunzaihou，fasheqihuiduijieshouqijinxingshenfenyanzheng
，ranhoukaishijinxingdianlichuanshu。ruguoyanzhengshibai，fasheqihuizhongxinjinrushuimianzhuangtai。zaidianlichuanshudezhenggeguochengzhong，jieshouduanhuitongguoyudingyidetongxinshujubaobaochiduidianlichuanshudewanquanzhangkong，zhexieshujubaochulidegongnengbaokuoshibie、身份驗證、所需的電量和錯誤檢測等。

 

圖3：兼容Qi的TB6865無線發射器包括模擬、數字和電源模塊
 

圖3所示為東芝公司推出的TB6865AFG
，它是一款兼容Qi標準的無線發射器。TB6865也是一款複雜的片上係統（SoC）器件，集成了32位ARM Cortex-M3處理器內核和128KB的閃存空間
，以及用於實現驅動電源線圈的全橋逆變器的預驅動。其他模塊包括三個低壓差 （LDO） 線性穩壓器和四個用於解碼接收器命令的解調器。

 

無線接收器

與無線發射器類似，無線接收器也是一款複雜的SoC器件，比如羅姆半導體公司（ROHM）推出的BD57015GWL集成了全麵同步的整流電路、低阻抗的場效應晶體管（FET）、用於處理Qi和AirFuel通信的數據包控製器和通過調幅實現與發射器通信的開漏輸出驅動器。此器件提供可調節的電壓輸出，同時符合Qi中等功率標準和AirFuel標準。另外羅姆公司還推出了與之匹配的發射器BD57020MWV，它遵守Qi中低功率的無線傳輸規範。

 

發射和接收線圈

為了保證不同廠家器件之間的互操作性，Qi標準還定義了詳細的發射器充電線圈要求。這個規範定義了線圈的電磁特性、幾何形狀和材料。比如A11線圈規範定義的是單層圓形線圈，在鐵氧體底座上安裝10圈電線，線圈的輸入工作電壓為5V，電感為6.3μh
，最大直流阻抗 （DCR）為60mΩ。

 

A6版本規範則定義了三個線圈，通過增大可用充電麵積降低了對線圈不對齊的敏感性；由於每個線圈需要一個獨立的驅動器
，因此這種方案的物料（BOM）成本比較高。

 

發射和接收線圈通常都是采用特殊的利茲線纜（Litz wire）製(zhi)成(cheng)，它(ta)使(shi)用(yong)多(duo)種(zhong)絕(jue)緣(yuan)線(xian)纏(chan)繞(rao)成(cheng)多(duo)種(zhong)形(xing)狀(zhuang)，將(jiang)接(jie)觸(chu)麵(mian)影(ying)響(xiang)最(zui)小(xiao)化(hua)，降(jiang)低(di)效(xiao)率(lv)損(sun)失(shi)。兩(liang)個(ge)線(xian)圈(quan)的(de)尺(chi)寸(cun)應(ying)該(gai)相(xiang)近(jin)以(yi)實(shi)現(xian)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)的(de)能(neng)量(liang)耦(ou)合(he)。比(bi)如(ru)TDK推出的無線充電線圈兼容Qi標準

，適用於移動設備，采用專用的柔性薄金屬磁片製成
，厚度僅為0.52毫米

，輸出電流為0.5到0.6A。

 

圖4：Wurth Elektronik公司提供的各種無線充電線圈
 

圖4展示的是各種形式的無線充電線圈
，符合A6規範的線圈如圖左側所示。

 

接收線圈必須非常輕薄才能適合便攜和可穿戴設備，但是仍然需要足夠堅固才能承受劇烈的振動和衝擊。因為每個智能手機
、健康手環等電子設備都是不同的，所以接收線圈一般都是定製的。

 

在標準化產品中，Vishay/Dale的IWAS係列線圈是首款商用的接收線圈

，符合Qi標準規範，可用於5V或7V電壓充電。比如IWAS-3827EC-50線圈能夠處理高達10W的功率，整個線圈有15圈，電感10.7μH
，電阻抗183mΩ，安裝在高導磁屏蔽層上

，尺寸大約38x26x1mm。

 

發射器與接收器模塊

多家製造商提供的模塊都包含線圈和發射器或者接收器

，圖5展示的是TDK公司推出的WTM505090發射器模塊，它包含發射器PCB板卡（集成了前麵介紹的東芝TB6865AFG器件）以及發射線圈。

 

圖5：WTM505090發射器模塊包含線圈和發射器
，它符合WPC1.1規範，采用東芝TB6865無線發射器
 

WPT開發工具

 

目前有多款開發套件和工具可幫助設計人員進行無線充電設計。IDT公司提供的WP3W-RK參考套件最高支持3W的無線充電功率。該套件包含發射器和接收器以及三個不同尺寸的線圈來適應不同的功率級別
，提供交鑰匙型參考設計
、模塊布局
、BOM等

，可幫助快速進行原型設計。

（作者：Paul Pickering 貿澤電子）