一個設(shè)計良好的無線充電產(chǎn)品可以提供諸多好處，從改進的功能到支持新的技術(shù)等等。使用磁場耦合技術(shù)的無線充電系統(tǒng)從19世紀(jì)00年代晚期就已經(jīng)出現(xiàn)了，但直到最近元件、芯片和系統(tǒng)架構(gòu)的最新進展才使得工程師能在他們的設(shè)備中真正實現(xiàn)實用的無線充電系統(tǒng)來改善用戶體驗。

　　1、用戶需要什么樣的無線充電產(chǎn)品？

　　用戶如何與設(shè)備交互是每個優(yōu)秀的工程師在項目啟動時要問的最基本問題之一。客戶需要快速充電嗎？需要對準(zhǔn)方面的靈活性嗎？是不是要求發(fā)熱量低？需要長距離充電嗎？需要大功率嗎？每個發(fā)射器需要多個接收器？需要很小的外形尺寸嗎？

　　所有這些選項都是可以滿足的，但通常需要進行折衷考慮。例如，大功率和低發(fā)熱量并不總是能夠同時滿足。距離和效率基本上是背道而馳的。因此在為某種設(shè)備設(shè)計無線充電系統(tǒng)時理解用戶需要什么以及如何對這些需求排定優(yōu)先級是很重要的第一步。

　　2、如何提高無線充電系統(tǒng)的效率？

　　在用于衡量無線充電系統(tǒng)性能的指標(biāo)中，效率永遠(yuǎn)是第一位的。天生高效的系統(tǒng)可以提供更遠(yuǎn)的距離、更好的方向靈活性、更低的發(fā)熱量、更小的尺寸以及更小的電源漏電流。下面是無線充電系統(tǒng)中對效率有決定性影響的三個主要模塊：

　　圖1：無線充電系統(tǒng)的三大模塊

　　如果所有三個模塊都工作在最低的估算效率（即圖中所示的80%，70%和80%），那么總的系統(tǒng)效率約等于45%。對于一個5W的設(shè)備來說，需要用 11W的發(fā)射功率才能提供全速充電，大約6W消散于設(shè)備本身（作為熱量散發(fā)掉）和周圍環(huán)境中，包括空氣、裝置和人體組織。在低功率情況下，這也許是安全和 可接受的。但在較高功率時，比如電動汽車的充電，此時典型的充電功率至少要5kW，那么有6kW要損失在發(fā)射器、汽車和周圍環(huán)境中，因此會引起嚴(yán)重的發(fā)熱 和安全問題。

　　當(dāng)無線充電系統(tǒng)的所有三個模塊都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）時，總的系統(tǒng)效率大約為82%。在這種情況下，一個5W的設(shè)備只需發(fā) 射器提供約6W的充電功率，只有1W因無效而損失掉。為了提高系統(tǒng)效率，設(shè)計師應(yīng)專注于高效率元件，提高發(fā)射器與接收器之間的耦合程度。

　　3、無線充電系統(tǒng)的功率電平

　　使用磁場耦合的無線充電系統(tǒng)可以給從毫瓦到千瓦級的設(shè)備充電。對于毫瓦級設(shè)備來說，能量收集或射頻無線功率也許是更具吸引力的充電方案。設(shè)備的功率要求將決定你的元件選擇、可以在設(shè)計上跟你合作的公司以及設(shè)備尺寸。

　　4、無線充電標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)

　　在電子設(shè)備的無線充電方面目前已有多種標(biāo)準(zhǔn)，包括無線電力聯(lián)盟（A4WP）、電力事件聯(lián)盟（PMA）和無線充電聯(lián)盟（WPC）。這些標(biāo)準(zhǔn)組織存在的目的就是提供發(fā)射器和接收器之間的互操作性平臺，同時為滿足法規(guī)要求的產(chǎn)品和元件創(chuàng)新提供指導(dǎo)。

　　如果你的設(shè)備要求互操作性（用戶需要在機場或當(dāng)?shù)乜Х鹊瓿潆妴幔浚?，那么你的設(shè)計就應(yīng)該圍繞某個標(biāo)準(zhǔn)展開。一般來說，A4WP針對“松散耦合”系統(tǒng)提 供了技術(shù)上最先進的解決方案，WPC則擁有商用化程度最高的開發(fā)工具和組件，但它是“緊密耦合”系統(tǒng)（至少現(xiàn)在是這樣）。PMA正在與A4WP合并，為它 的共享標(biāo)準(zhǔn)提供“緊密耦合”技術(shù)。

　　如果你的設(shè)備不要求互操作性，用戶的設(shè)備總是使用同一種發(fā)射器，那么你就能靈活地開發(fā)私有、封閉的解決方案。當(dāng)然，這種情況下利用標(biāo)準(zhǔn)組織推薦的現(xiàn)成 組件和技術(shù)仍然具有重要意義，至少在開發(fā)方便性和資源可用性方面給你提供了一個很好的起點，不過你不必非要滿足全部的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。如果你的設(shè)備滿足自己的要 求，并且在法規(guī)范圍之內(nèi)，你的設(shè)計就是成功的。

　　5、無線充電系統(tǒng)元件選擇

　　由于效率為王，而元件又決定了效率，那么在選擇元件時了解你自己的想法就非常重要了。在無線充電領(lǐng)域中，開發(fā)高效率、前沿技術(shù)的元件公司有許多。舉例 來說，宜普（EPC）公司開發(fā)的增強型氮化鎵（eGaN）晶體管具有高效率的開關(guān)性能，可以用來實現(xiàn)高性能的功率放大器。在天線方面，NuCurrent 公司開發(fā)的天線結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高效率、高度靈活的小型天線。與此同時，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在開發(fā)可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)、各種功率電平和小 型尺寸的IC.因此可選的余地很大，如果你是無線充電設(shè)計的新手，最好的方法是與元件供應(yīng)商或設(shè)計咨詢公司一起合作，因為他們理解無線充電的前景，可以幫 助你快速跟蹤設(shè)計需求，并把你介紹給戰(zhàn)略開發(fā)合作伙伴。

　　松下無線充電參考設(shè)計

　　概要

　　松下無線電源控制IC支持所有設(shè)備（DSC、DVC、隨身聽、手機、智能手機等），符合WPC（無線充電聯(lián)盟）的WPC1.1（Qi標(biāo)準(zhǔn)）。松下無線電源方案采用了一個用于電力發(fā)射器（電池充電器）的發(fā)射端控制IC（NN32251A）和一個用于電力接收器（設(shè)備）的接收器控制IC（AN32258A），從而控制電力傳輸。

　　松下無線電源解決方案

　　NN32251A（電力發(fā)送端（Tx） IC）

　　內(nèi)置充跳升壓DCDC轉(zhuǎn)換器控制器

　　半橋門驅(qū)動器：4路（全橋門驅(qū)動器：也可配置2路）

　　支持單線圈（A11型）

　　利用最多4線圈的多線圈擴展了自由定位。（Type A6）

　　逆變器的高精度電壓和電流監(jiān)控

　　利用Qi中定義的頻率、工作狀態(tài)或電壓控制輸出

　　電流和電壓信號的ASK解調(diào)（符合Qi標(biāo)準(zhǔn)）

　　輸入電壓范圍： VADP ： 4.6 V 至 19.5 V， VINV ： 4.0 V 至 19 V

　　支持欠壓鎖定，熱關(guān)斷和過壓檢測

　　逆變器輸出短路保護

　　溫度檢測電路：3路

　　LED指示燈：2路

　　封裝：64引腳 HQFP （尺寸： 12 mm x 12 mm）

　　AN32258A （電力接收端（Rx） IC）

　　同步全橋整流控制

　　輸入電壓范圍： VRECT ： 4.4 V 至 19 V

　　可選輸出電壓： 5 V

　　溫度檢測電路

　　帶可調(diào)電流水平的滿充檢測

　　外部電源的開關(guān)控制

　　支持欠壓鎖定、熱關(guān)斷、過壓檢測和過流檢測

　　LED指示燈

　　I2C 接口

　　封裝： 48引腳 WLCSP （尺寸： 3.16 mm x 3.16 mm， 0.4 mm 腳距）

　　開發(fā)套件

　　NN32251A 開發(fā)套件（Tx）

NN32251A開發(fā)工具包的發(fā)射模塊圖像

　　AN32258A 開發(fā)套件（Rx）

AN32258A開發(fā)工具包的接收模塊圖像

　　特點

　　支持各種基于WPC 1.1 （Qi 標(biāo)準(zhǔn)）設(shè)備的無線充電。

　　充電過程的異常檢測和各種保護功能可確保安全性和可靠性。

　　支持標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的最大5W輸出進行快速充電。

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

　　提供包括松下線圈和外圍電路在內(nèi)的解決方案，實現(xiàn)短理論到達(dá)時間（TAT）設(shè)計。

　　應(yīng)用

TI 10W 無線電源解決方案

　　無線電源系統(tǒng)包括充電板（發(fā)送器或主設(shè)備）和接收器（次級側(cè)設(shè)備）。充電板和接收器接觸時，兩個器件中的線圈通過磁力作用耦合。電力通過耦合的電感器（如空氣磁芯變壓器）從發(fā)送器傳輸至接收器?？刂苽鬏旊娏康姆椒ㄊ窍蛑髌骷l(fā)送反饋通信（錯誤信號）以提高或降低電量。發(fā)送器線圈在大部分情況下都處于斷電狀態(tài)，只是偶爾接通以檢測是否存在接收器。如果接收器能夠自我驗證，則發(fā)送器將始終保持通電狀態(tài)。

　　無線電源管理系統(tǒng)

　　10W 高效率無線充電

　　bq51025 接收器不僅支持 4.5V 至 10V 的可編程輸出電壓，而且與 TI bq500215 無線電源發(fā)送器相結(jié)合，還可在 10W 功率下實現(xiàn)高達(dá) 84% 的充電效率，從而可顯著提高散熱性能。該功能齊備的無線電源接收器解決方案尺寸僅為 3.60 毫米 × 2.89 毫米，可設(shè)計應(yīng)用在眾多便攜式工業(yè)設(shè)計方案中，包括零售終端掃描儀、手持式醫(yī)療診斷設(shè)備以及平板電腦和超級本等個人電子產(chǎn)品。

　　最新發(fā)布的bq500215 是一款專用的固定頻率 10W 無線電源數(shù)字控制器發(fā)送器，兼容于 5W Qi 接收器。該發(fā)送器采用增強型異物檢測 （FOD） 方法在發(fā)送任何電源之前可進行異物檢測，如果檢測到過大損耗，便主動降低功率。

　　bq51025/bq500215 的主要特性與優(yōu)勢：

　　·快速充電接收器與 TI bq500215 控制器相結(jié)合，可在 10W 功率下實現(xiàn)高達(dá) 84% 的系統(tǒng)效率，從而可為 1 節(jié)及 2 節(jié)電池供電電子設(shè)備實現(xiàn)快速充電體驗；

　　·符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的通信與控制可確保與任何功率達(dá) 5W 的無線電源聯(lián)盟 Qi 認(rèn)證型發(fā)送器及接收器兼容。無線充電解決方案的 I2C 通信接口不僅有助于接收器在發(fā)送器表面更好地對齊，而且還支持在接收器和發(fā)送器之間發(fā)送專有數(shù)據(jù)包；

bq500215功能方框圖

　　·兩款器件都將兼容于 TI 未來的中級功率 Qi 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送器與接收器。

　　無線電源評估板

　　bq51025EVM-649 無線電源接收器評估套件可幫助設(shè)計人員評估 bq51025 的工作與性能；

　　bq500215EVM-648 無線電源發(fā)送器評估板提供符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)無線充電板的所有基本功能。12V 輸入單線圈發(fā)送器可幫助設(shè)計人員加速產(chǎn)品上市進程。

　　德州儀器 （TI） 業(yè)界首款全面集成型 10 W無線充電解決方案，該解決方案的接收器及相應(yīng)發(fā)送器更為高效，可幫助工業(yè)、醫(yī)療及個人電子產(chǎn)品的設(shè)計人員讓設(shè)備在擺脫所有連接器的同時，更快、更高效地充電。此次推出的bq51025和bq500215 目前都已投入量產(chǎn)，它們不僅支持防水、防塵以及便攜式設(shè)計，而且還更快的為 1 節(jié)及 2 節(jié)（1S 和 2S）鋰離子電池充電且不會產(chǎn)生過熱。此外，該充電解決方案還兼容于市場上任何符合 5W Qi 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，有助于消費類電子產(chǎn)品可以更為靈活的在比以往更多的地方充電。

19V Qi低功耗A1/A10發(fā)射器解決方案

　　NXQ1TXA1無線功率發(fā)射控制器可以與恩智浦NT3H1201 NTAG I2C解決方案結(jié)合，提供了添加自動藍(lán)牙配對等令人興奮的功能的選擇，或允許用戶配置他們的無線充電器，甚至在其啟用NFC的智能手機上自動啟動應(yīng)用程序。

　　該設(shè)計實施了恩智浦NWP2081半橋驅(qū)動器和恩智浦低RDSon NX2020N2溝道MOSFET，實現(xiàn)了高效率。

　　由電源裝置中的恩智浦GreenChip TEA1720高效開關(guān)模式電源（SMPS）控制器供電，該Qi A1/A10無線電源發(fā)射器成為了更加優(yōu)化的19 V無線充電解決方案。

　　方案優(yōu)勢

　　1、Qi低功耗A1/A10發(fā)射器，符合規(guī)范1.1.2版；

　　2、高效率；

　　3、低待機功耗和啟用NFC的零待機功耗；

　　4、元器件數(shù)少；

　　5、小型控制器封裝：HVQFN33 （7 x 7 mm）；

　　6、高級數(shù)字ASK處理；

　　7、通過異物檢測（FOD）實現(xiàn)的安全操作；

　　8、過溫保護。

　　方案原理圖

NXQ1TXA1結(jié)構(gòu)框圖

　　應(yīng)用

　　1、具有內(nèi)置無線充電板的藍(lán)牙揚聲器；

　　2、辦公桌及其他工作設(shè)置；

　　3、專業(yè)辦公桌配件；

　　4、用于客戶智能手機充電的商店和售貨亭裝置；

　　Vishay無線充電解決方案

　　1.新款無線充電發(fā)射線圈 ---IWTX-4646BE-50

　　新款無線充電發(fā)射線圈 ---IWTX-4646BE-50，其可用于Qi無線充電底座。新的Vishay Dale IWTX-4646BE-50采用耐用的結(jié)構(gòu)和高磁導(dǎo)率的屏蔽，在19V輸入電壓下，使用符合WPC的傳輸和接收芯片組及Vishay Dale IWAS-4832FF-50接收線圈，2.7mm間隔情況下的效率超過70%。

　　IWTX-4646BE-50可與Vishay符合WPC的無線接收線圈配套使用，高飽和度鐵粉不受永磁定位磁鐵的影響。尺寸更大的鐵氧體線圈在強磁場下會飽和，IWTX-4646BE-50在4000高斯磁場下的磁飽和為50%，可替代此類線圈。

　　器件符合RoHS，在200kHz下的電感為24μH，電感公差為±5%，在+25℃下的DCR為71mΩ（± 10%），200kHz下的典型Q值為185。發(fā)射線圈的引線長40mm，鍍錫部分的長度為5mm，熱額定電流為6A，飽和電流為20A，自諧振頻率為 7MHz。器件正在申請AEC-Q200認(rèn)證，預(yù)計在2015年1季度完成認(rèn)證，將用于汽車電子產(chǎn)品。

　　2.新款無線充電接收線圈---IWAS-4832FE-50

　　新款、符合WPC（無線充電聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)的新款無線充電接收線圈---IWAS-4832FE-50，適用于10W應(yīng)用的。新的Vishay Dale IWAS-4832FE-50采用耐用的結(jié)構(gòu)和高磁導(dǎo)率的屏蔽，轉(zhuǎn)換效率超過70%，可用于對最高10W的平板電腦、筆記本電腦和手持式醫(yī)療設(shè)備等便攜式電子產(chǎn)品進行無線充電。

　　IWAS-4832FE-50的高飽和鐵粉不受永磁定位鐵芯的影響，器件可阻斷來自敏感元件和電池的充電磁通。采用鐵氧體的方案在遇到強磁場的時候會飽和，IWAS-4832FE-50在4000高斯磁場下的磁飽和小于50%，可替代鐵氧體方案。

　　器件符合RoHS，在200kHz下的電感為15μH，電感公差為±5%，在+25℃下的DCR為255mΩ，在200kHz下的最小Q值為60。 IWAS-4832FE-50的額定電流為2A，使充電器在5V電壓下的充電功率達(dá)到10W。接收線圈的引線長度為50mm，鍍錫部分的長度為10mm。

飛思卡爾5W多線圈車用無線充電參考設(shè)計方案

　　方案概述

　　飛思卡爾5 W多線圈發(fā)送器參考平臺專門為汽車無線充電應(yīng)用而設(shè)計。設(shè)計的核心是飛思卡爾MWCT1003AVLH發(fā)送控制器IC。該控制器IC管理并執(zhí)行實現(xiàn)無線充電發(fā)送器解決方案所需要的所有控制功能。該解決方案提供一個高性能的無線充電系統(tǒng)，同時也考慮到了汽車復(fù)雜的工作環(huán)境。整個平臺采用汽車級組件，并考慮了其他重要的汽車功能，以確保系統(tǒng)可以無縫集成。

　　該設(shè)計符合無線充電聯(lián)盟（WPC） 的最新Qi規(guī)范，并已通過WPC-A13型發(fā)送器認(rèn)證。如同所有飛思卡爾無線充電解決方案一樣，該參考平臺支持WPC定義的其他線圈類型。

　　原理框圖

　　方案特性

　　通過WPC-A13型發(fā)送器認(rèn)證

　　傳輸效率超過60%

　　多線圈支持任何符合Qi規(guī)范的智能手機

　　運行功耗低

　　片上數(shù)字解調(diào)

　　系統(tǒng)待機功耗低（使用飛思卡爾接近傳感技術(shù)）

　　穩(wěn)定的異物檢測算法

　　解決汽車具體問題，如EMC、關(guān)鍵FOB和啟動/停止

　　支持其他功能，如NFC，CAN和觸摸感應(yīng)