無線技術(shù)能夠為出于設(shè)計或美觀原因而缺少充電端口的可穿戴設(shè)備提供方便的電池充電方案。 過去，使用無線充電方法需要有定制化射頻設(shè)計和電磁感應(yīng)理論方面的專業(yè)知識。 不過，現(xiàn)在的設(shè)計師采用 Freescale Semiconductors、TDK、Texas Instruments 以及 Toshiba 等廠家制造的市售標準零件，可在低功率可穿戴設(shè)計中實現(xiàn)無線感應(yīng)充電技術(shù)。

無線電源最早可追溯至 19 世紀早期，當(dāng)時邁克爾·法拉第 (Michael Faraday) 描述了導(dǎo)體在磁場中能夠通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電動勢。 在 19 世紀晚期，尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 將法拉第電磁感應(yīng)定律付諸實踐，在他位于紐約市的實驗室中使用磁耦合諧振技術(shù)以無線方式點亮了電燈。 如今，電磁感應(yīng)原理已經(jīng)能夠為各種 RFID 標簽、非接觸式智能卡和廚房爐灶供電，并為電動牙刷、智能手機和新興的可穿戴設(shè)備（如蘋果手表）的無線充電器提供技術(shù)基礎(chǔ)。

實際上，對于充電端口使用不方便、太占空間或者純粹太礙眼的可穿戴設(shè)備來說，無線充電技術(shù)是極具吸引力的解決方案。 另外，通過去除有線充電端口，可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計師也消除了產(chǎn)品受污染和進水的可能性，從而提升了整個產(chǎn)品的可靠性。 這些設(shè)備使用安全地內(nèi)置在可穿戴產(chǎn)品外殼下面的受電線圈替代充電端口。

在電動感應(yīng)中，對線圈施加電流能夠產(chǎn)生一個電磁場，該電磁場能夠在旁邊的第二個線圈中通過感應(yīng)產(chǎn)生電流。 事實上，這兩個線圈的對齊方式和距離是達到高效能的關(guān)鍵。 在消費應(yīng)用中，需要精確定位的無線充電實踐通常提供導(dǎo)引裝置，幫助用戶將移動單元對齊基座單元上的規(guī)定位置。 相反，所謂的自由定位無線充電器通常在基站中設(shè)置多個線圈，響應(yīng)來自遠端單元的反饋，從而為適當(dāng)?shù)木€圈供電。

通信通道

對于導(dǎo)引式和自由定位式無線充電系統(tǒng)而言，通信都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。 在發(fā)射器工作過程中，接收器通過調(diào)制接收器天線上面的負載，將數(shù)據(jù)包傳回發(fā)射器。 反過來，發(fā)射器解調(diào)反射的負載從而重建數(shù)據(jù)包（圖 1）。


圖 1： 典型的無線充電系統(tǒng)包含電源傳輸基站和受電接收器，使用電磁耦合原理進行電能傳輸和通信。

兩種無線充電系統(tǒng)都使用來自接收器的數(shù)據(jù)管理發(fā)射器電能。 在工作過程中，發(fā)射器單元響應(yīng)來自接收器的錯誤數(shù)據(jù)，以根據(jù)需要增減送到發(fā)射線圈的電能。 自由定位系統(tǒng)使用同樣的通用方法選擇相對于遠端設(shè)備的線圈最佳位置。

設(shè)計師不僅可以將這些通信路徑用于控制信號，也可以將應(yīng)用數(shù)據(jù)傳回發(fā)射器。 盡管信息帶寬是有限的，但是對于設(shè)備驗證、設(shè)備狀態(tài)以及遠端設(shè)備采集的傳感器數(shù)據(jù)的通信來說帶寬是足夠的。

電能調(diào)節(jié)、控制和通信等功能的組合轉(zhuǎn)化成具有復(fù)雜的電能和控制邏輯要求的電路設(shè)計（圖 2）。 不過，對于設(shè)計師來說，半導(dǎo)體制造商提供了很多解決這些需求及其他需求的解決方案。


圖 2： 無線充電系統(tǒng)可迅速提高復(fù)雜度，從而滿足能源傳輸優(yōu)化和通信的多樣化需求。 （資料來源：Texas Instruments）

標準解決方案

現(xiàn)成的標準化無線充電解決方案建立在工業(yè)標準接受度不斷提升的基礎(chǔ)上，這些工業(yè)標準定義了無線充電協(xié)議的基本要求。 雖然標準接口意在實現(xiàn)用戶移動設(shè)備和不同供應(yīng)商基站之間的互操作性，但卻是以兩種無線充電技術(shù)—感應(yīng)充電和諧振充電為基礎(chǔ)。

感應(yīng)充電要求發(fā)射器和接收器嚴格對齊，但是通常比諧振充電效能更高。 另外一方面，諧振充電對于對齊方式及發(fā)射器和接收器之間的距離要求并不嚴格，并且能夠同時為多臺設(shè)備充電。 包括無線充電聯(lián)盟 (WPC)、電力事業(yè)聯(lián)盟 (PMA) 和無線電力聯(lián)盟 (A4WP) 在內(nèi)的行業(yè)標準組織目前正處于開發(fā)互操作性功能的早期合作階段。

盡管最初的設(shè)計著眼于數(shù)量龐大的消費應(yīng)用，但這些標準方法無形之中已成為可穿戴設(shè)備無線充電解決方案的基礎(chǔ)。 例如，盡管 WPC 的 Qi 標準通常使用較大的 A11 50mm 發(fā)射線圈，但設(shè)計師可以使用電阻較小的小線圈來避免過多的電能損失，從而獲得更好的性能。 例如，30 mm 直徑的 TDK WR303050 具有 0.41 Ω DC 電阻，其外形尺寸和電能傳輸水平更符合很多可穿戴設(shè)備的要求。

在無線充電的電能控制方面，Toshiba TB6865FG 和 TB6860WBG 等器件充分地補充了現(xiàn)有零件的基于標準的功能。 與其他此類產(chǎn)品一樣，Toshiba IC 產(chǎn)品廣泛集成了所需的多種性能以簡化設(shè)計，僅需少量的外部組件就能夠支持符合 WPC Qi 標準的無線充電系統(tǒng)（圖 3）。


圖 3： Toshiba TB6865FG 發(fā)射器和 TB6860WBG 接收器等器件集成了所需的多種功能以簡化基于標準的無線充電系統(tǒng)的實現(xiàn)。 （資料來源：Toshiba）

TB6860WBG 接收器將調(diào)制和控制電路系統(tǒng)與整流器電能采集、內(nèi)置的高性能 DC 至 DC 轉(zhuǎn)換器、可配置的鋰電池充電器電路，以及保護功能結(jié)合。 它的 TB6865FG 電能發(fā)射器集成了 MCU 和廣泛的模擬功能，包括 PWM 電路、開關(guān)控制、板載濾波器和前級驅(qū)動器電路。 TB6865FG 能夠分別控制兩組線圈，讓用戶可以同時為兩臺移動設(shè)備充電。

Freescale Semiconductor 圍繞 32-位 56800EX 內(nèi)核構(gòu)建基于 Qi 標準的 MWCT1000 和 MWCT1101 發(fā)射器。 該處理器在設(shè)計上可提供 MCU 功能及以及 DSP 處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的功能并且在有源模式下耗電量不超過 30 mA. 該器件僅需 30 mW 的待機電能就能夠發(fā)揮探測附近的接收器的功能。 在電能傳輸過程中，F(xiàn)reescale 器件的效能可超過 75%。 除了 MWCT1000 與 MWCT1101 之外，F(xiàn)reescale 還推出了面向汽車應(yīng)用的 MWCT1001A 和 MWCT1003A。

Texas Instruments 在 BQ50xxx 發(fā)射器和 BQ51xxx 接收器系列中推出了很多器件。 其中 BQ51221 同時支持 WPC 和 PMA 標準，而 TI 接收器系列中的大多數(shù)器件都采用符合 WPC Qi 標準的設(shè)計。 在這些符合 Qi 標準的器件中，TI 產(chǎn)品系列包括穩(wěn)壓輸出電平為 5 V（BQ51013A 和 BQ51013B）、7 V（BQ51010B）和 8 V（BQ51020 和 BQ51021）的 5 W 接收器。 該系列中包括 BQ51050B（4.2 V 輸出）和 BQ51051B (4.35 V) 在內(nèi)的其他成員集成了鋰電池充電器—為可穿戴設(shè)備提供了全面的電能管理方案。

TI 的 BQ51003 面向低功率應(yīng)用而設(shè)計，是一款非常適合可穿戴設(shè)備的 2.5 W 接收器。 通過將 BQ51003 與低功率線性充電器（如 TI BQ25100）集成，設(shè)計師能夠?qū)崿F(xiàn)采用集成鋰電池管理的完整無線充電接收子系統(tǒng)。 對于鋰電池充電，BQ25100 能夠精確控制低至 10 mA 或者高達 250 mA 的快充電流，并可低至 1 mA 精確終止充電，以支持小型紐扣式鋰電池。

在發(fā)射器方面，Texas Instruments 的 BQ500211A 和 BQ500212A 提供完整的 Qi 標準功能，包括能夠持續(xù)監(jiān)測正在進行的電能傳輸?shù)男?，以提供外?a target="_blank">檢測 (FOD) 和寄生金屬物體檢測 (PMOD)。 除了提供 FOD 和 PMOD 功能之外，BQ500410 還支持具有三線圈發(fā)射器陣列的自由定位設(shè)計。 對于低功率發(fā)射器設(shè)計而言，BQ500210 能夠以低至 8 mA 的供電電流工作。

總結(jié)

對于可穿戴設(shè)備來說，無線充電技術(shù)滿足了緊湊型解決方案的需求，消除了對于有線充電端口的尺寸和可靠性的顧慮。 過去，采用無線供電方法需要具備電磁理論和射頻設(shè)計技術(shù)的專業(yè)知識。 如今，設(shè)計師可使用現(xiàn)成的 IC 零件輕松地在極小的可穿戴設(shè)備中應(yīng)用無線充電功能。