无线充电设计五大要素及厂商方案盘点

XJzy

[导读] 一个设计良好的无线充电产品可以提供诸多好处，从改进的功能到支持新的技术等等。一个设计良好的无线充电产品可以提供诸多好处，从改进的功能到支持新的技术等等。使用磁场耦合技术的无线充电系统从19世纪00年代晚期就已经出现了，但直到最近元件、芯片和系统架构的最新进展才使得工程师能在他们的设备中真正实现实用的无线充电系统来改善用户体验。


　　1、用户需要什么样的无线充电产品？


　　用户如何与设备交互是每个优秀的工程师在项目启动时要问的最基本问题之一。客户需要快速充电吗？需要对准方面的灵活性吗？是不是要求发热量低？需要长距离充电吗？需要大功率吗？每个发射器需要多个接收器？需要很小的外形尺寸吗？


　　所有这些选项都是可以满足的，但通常需要进行折衷考虑。例如，大功率和低发热量并不总是能够同时满足。距离和效率基本上是背道而驰的。因此在为某种设备设计无线充电系统时理解用户需要什么以及如何对这些需求排定优先级是很重要的第一步。


　　2、如何提高无线充电系统的效率？


　　在用于衡量无线充电系统性能的指标中，效率永远是第一位的。天生高效的系统可以提供更远的距离、更好的方向灵活性、更低的发热量、更小的尺寸以及更小的电源漏电流。下面是无线充电系统中对效率有决定性影响的三个主要模块：


无线充电系统的三大模块


　　图1：无线充电系统的三大模块


　　如果所有三个模块都工作在最低的估算效率（即图中所示的80%，70%和80%），那么总的系统效率约等于45%。对于一个5W的设备来说，需要用 11W的发射功率才能提供全速充电，大约6W消散于设备本身（作为热量散发掉）和周围环境中，包括空气、装置和人体组织。在低功率情况下，这也许是安全和 可接受的。但在较高功率时，比如电动汽车的充电，此时典型的充电功率至少要5kW，那么有6kW要损失在发射器、汽车和周围环境中，因此会引起严重的发热 和安全问题。


　　当无线充电系统的所有三个模块都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）时，总的系统效率大约为82%。在这种情况下，一个5W的设备只需发 射器提供约6W的充电功率，只有1W因无效而损失掉。为了提高系统效率，设计师应专注于高效率元件，提高发射器与接收器之间的耦合程度。


　　3、无线充电系统的功率电平


　　使用磁场耦合的无线充电系统可以给从毫瓦到千瓦级的设备充电。对于毫瓦级设备来说，能量收集或射频无线功率也许是更具吸引力的充电方案。设备的功率要求将决定你的元件选择、可以在设计上跟你合作的公司以及设备尺寸。


　　4、无线充电标准与法规


　　在电子设备的无线充电方面目前已有多种标准，包括无线电力联盟（A4WP）、电力事件联盟（PMA）和无线充电联盟（WPC）。这些标准组织存在的目的就是提供发射器和接收器之间的互操作性平台，同时为满足法规要求的产品和元件创新提供指导。


　　如果你的设备要求互操作性（用户需要在机场或当地咖啡店充电吗？），那么你的设计就应该围绕某个标准展开。一般来说，A4WP针对“松散耦合”系统提 供了技术上最先进的解决方案，WPC则拥有商用化程度最高的开发工具和组件，但它是“紧密耦合”系统（至少现在是这样）。PMA正在与A4WP合并，为它 的共享标准提供“紧密耦合”技术。


　　如果你的设备不要求互操作性，用户的设备总是使用同一种发射器，那么你就能灵活地开发私有、封闭的解决方案。当然，这种情况下利用标准组织推荐的现成 组件和技术仍然具有重要意义，至少在开发方便性和资源可用性方面给你提供了一个很好的起点，不过你不必非要满足全部的标准规范。如果你的设备满足自己的要 求，并且在法规范围之内，你的设计就是成功的。


　　5、无线充电系统元件选择


　　由于效率为王，而元件又决定了效率，那么在选择元件时了解你自己的想法就非常重要了。在无线充电领域中，开发高效率、前沿技术的元件公司有许多。举例 来说，宜普（EPC）公司开发的增强型氮化镓（eGaN）晶体管具有高效率的开关性能，可以用来实现高性能的功率放大器。在天线方面，NuCurrent 公司开发的天线结构可以实现高效率、高度灵活的小型天线。与此同时，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在开发可以支持多种标准、各种功率电平和小 型尺寸的IC.因此可选的余地很大，如果你是无线充电设计的新手，最好的方法是与元件供应商或设计咨询公司一起合作，因为他们理解无线充电的前景，可以帮 助你快速跟踪设计需求，并把你介绍给战略开发合作伙伴。
松下无线充电参考设计


　　概要


　　松下无线电源控制IC支持所有设备（DSC、DVC、随身听、手机、智能手机等），符合WPC（无线充电联盟）的WPC1.1（Qi标准）。松下无线电源方案采用了一个用于电力发射器（电池充电器）的发射端控制IC（NN32251A）和一个用于电力接收器（设备）的接收器控制IC（AN32258A），从而控制电力传输。


松下无线充电解决方案


　　松下无线电源解决方案


　　NN32251A（电力发送端（Tx） IC）


　　内置充跳升压DCDC转换器控制器


　　半桥门驱动器：4路（全桥门驱动器：也可配置2路）


　　支持单线圈（A11型）


　　利用最多4线圈的多线圈扩展了自由定位。（Type A6）


　　逆变器的高精度电压和电流监控


　　利用Qi中定义的频率、工作状态或电压控制输出


　　电流和电压信号的ASK解调（符合Qi标准）


　　输入电压范围： VADP ： 4.6 V 至 19.5 V， VINV ： 4.0 V 至 19 V


　　支持欠压锁定，热关断和过压检测


　　逆变器输出短路保护


　　温度检测电路：3路


　　LED指示灯：2路


　　封装：64引脚 HQFP （尺寸： 12 mm x 12 mm）


　　AN32258A （电力接收端（Rx） IC）


　　同步全桥整流控制


　　输入电压范围： VRECT ： 4.4 V 至 19 V


　　可选输出电压： 5 V


　　温度检测电路


　　带可调电流水平的满充检测


　　外部电源的开关控制


　　支持欠压锁定、热关断、过压检测和过流检测


　　LED指示灯


　　I?C 接口


　　封装： 48引脚 WLCSP （尺寸： 3.16 mm x 3.16 mm， 0.4 mm 脚距）


　　开发套件


　　NN32251A 开发套件（Tx）


NN32251A开发工具包的发射模块图像
NN32251A开发工具包的发射模块图像


　　AN32258A 开发套件（Rx）


AN32258A开发工具包的接收模块图像
AN32258A开发工具包的接收模块图像


　　特点


　　支持各种基于WPC 1.1 （Qi 标准）设备的无线充电。


　　充电过程的异常检测和各种保护功能可确保安全性和可靠性。


　　支持标准范围内的最大5W输出进行快速充电。


　　提供外部低阻抗MOSFET的高效控制，降低功耗和生热。（AN32258）


　　提供包括松下线圈和外围电路在内的解决方案，实现短理论到达时间（TAT）设计。


　　应用


松下无线充电应用示例

TI 10W 无线电源解决方案

　　无线电源系统包括充电板（发送器或主设备）和接收器（次级侧设备）。充电板和接收器接触时，两个器件中的线圈通过磁力作用耦合。电力通过耦合的电感器（如空气磁芯变压器）从发送器传输至接收器。控制传输电量的方法是向主器件发送反馈通信（错误信号）以提高或降低电量。发送器线圈在大部分情况下都处于断电状态，只是偶尔接通以检测是否存在接收器。如果接收器能够自我验证，则发送器将始终保持通电状态。

　　无线电源管理系统

　　10W 高效率无线充电

　　bq51025 接收器不仅支持 4.5V 至 10V 的可编程输出电压，而且与 TI bq500215 无线电源发送器相结合，还可在 10W 功率下实现高达 84% 的充电效率，从而可显著提高散热性能。该功能齐备的无线电源接收器解决方案尺寸仅为 3.60 毫米 × 2.89 毫米，可设计应用在众多便携式工业设计方案中，包括零售终端扫描仪、手持式医疗诊断设备以及平板电脑和超级本等个人电子产品。

　　最新发布的bq500215 是一款专用的固定频率 10W 无线电源数字控制器发送器，兼容于 5W Qi 接收器。该发送器采用增强型异物检测 （FOD） 方法在发送任何电源之前可进行异物检测，如果检测到过大损耗，便主动降低功率。

　　bq51025/bq500215 的主要特性与优势：

　　·快速充电接收器与 TI bq500215 控制器相结合，可在 10W 功率下实现高达 84% 的系统效率，从而可为 1 节及 2 节电池供电电子设备实现快速充电体验；

　　·符合 Qi 标准的通信与控制可确保与任何功率达 5W 的无线电源联盟 Qi 认证型发送器及接收器兼容。无线充电解决方案的 I2C 通信接口不仅有助于接收器在发送器表面更好地对齐，而且还支持在接收器和发送器之间发送专有数据包；

bq500215功能方框图

　　·两款器件都将兼容于 TI 未来的中级功率 Qi 标准发送器与接收器。

　　无线电源评估板

　　bq51025EVM-649 无线电源接收器评估套件可帮助设计人员评估 bq51025 的工作与性能；

　　bq500215EVM-648 无线电源发送器评估板提供符合 Qi 标准无线充电板的所有基本功能。12V 输入单线圈发送器可帮助设计人员加速产品上市进程。

　　德州仪器 （TI） 业界首款全面集成型 10 W无线充电解决方案，该解决方案的接收器及相应发送器更为高效，可帮助工业、医疗及个人电子产品的设计人员让设备在摆脱所有连接器的同时，更快、更高效地充电。此次推出的bq51025和bq500215 目前都已投入量产，它们不仅支持防水、防尘以及便携式设计，而且还更快的为 1 节及 2 节（1S 和 2S）锂离子电池充电且不会产生过热。此外，该充电解决方案还兼容于市场上任何符合 5W Qi 标准的产品，有助于消费类电子产品可以更为灵活的在比以往更多的地方充电。