无线充电：下一个推动者

作者：Alix Paultre，特约编辑

电力无处不在，没有任何电子系统可以在没有电的情况下工作。这意味着电力传输与电力转换一样重要，应该考虑到同一系统的两个方面。将电力从 A 点转移到 B 点的任何低效或损失都将使电力电子的任何进步或效率变得毫无意义。

这就是为什么正确的连接器和电缆至关重要，因为它们在任何产品的安全有效运行中都起着直接作用。但是当不再需要电缆时会发生什么，至少对于从产品外部电源到内部电子设备的“最后一脚”？这对于电池驱动的系统尤其重要，需要通过将其插入墙壁来定期充电。消除充电电缆开辟了一个充满好处和挑战的世界。

自由！在产品层面，无线充电几乎在各个层面为设备创造了新的自由度。消除电源端口可为制造商带来封装、电路板布局和材料清单 (BOM) 的优势。只需将设备放置在表面上即可为其充电，这也使售后市场设备（从汽车到家具）的设计人员能够在其产品中创建充电表面，以扩大其市场以包括智能设备。

目前，无线充电有两种标准。Qi 协议是由无线充电联盟开发的开放接口标准，是一种适用于单线圈和多线圈拓扑的感应式无线充电系统。Qi 占据 110 kHz 至 205 kHz 的带宽，目前是市场领导者（图 1）。它的广泛使用可以归因于其成本效益。电感式拓扑必须使用带内通信。

图 1：Qi 协议是用于单线圈和多线圈拓扑的感应式无线充电系统。（图片：英飞凌）

AirFuel 是一种工作频率为 6.78 MHz 的谐振技术，由 AirFuel 联盟标准组织开发。AirFuel 与 Qi 相比的优势包括更宽的位置和距离接受范围以及并行充电多个不同设备的能力。另一个优点是 AirFuel 设备使用蓝牙低功耗进行通信。图 2 显示了 D 类（全桥或半桥）放大器布局。您还可以创建适合您应用的 E 类（单端或差分）放大器设计。

图 2：AirFuel 是一种工作频率为 6.78 MHz 的谐振技术。（图片：英飞凌）

尽管无线充电可以在相对较大的气隙上进行（按平方反比规则点头），但大多数消费类设备将使用无线充电功能作为电缆消除器。对气隙最敏感的应用是汽车，因为充电和接收线圈将被车辆的离地间隙隔开，除非有某种垫片尽可能地缩小间隙以最大限度地提高能量传输。

消除最后几英尺的电缆还可以从地球上移除大量电线及其最终过时的连接器，因为当连接器技术被下一代功能取代时，电缆会被丢弃。如果实施得当，无线充电系统将成为一种更持久的电力基础设施，可以支持多代连续技术。

此外，一旦您将电源无线化，它也将成为软件端设备 I/O 的一部分。这不仅意味着管理无线电力传输所需的智能，还意味着通过该链路发送数据的能力。这使设计人员能够为他们的产品添加额外的功能，例如安全和验证。

每个工程师都知道，添加到设备中的任何功能也会增加复杂性。通过无线充电，电源系统成为设备逻辑的一部分，因此可以用作黑客攻击主机系统的途径。安全性是无线电力系统最重要的方面之一，因为它们为您的产品提供了通信后门。您的电源管理系统现在需要防火墙和身份验证才能在无线环境中正常运行。

在此期间，安全并没有消失，这意味着无线系统的各个方面都必须安全可靠。这意味着要关注热管理和其他与将新技术整合到“旧”应用程序相关的问题。一个例子是密封系统中的热考虑，例如在其表面内置充电板的家具。

无线充电系统需要三个主要部件（每端）：控制器、电源电路和用于传输和接收的线圈。创建无线充电系统的方法有很多，大多数供应商不仅提供所需的组件，许多供应商还拥有成熟的参考设计、开发套件，甚至完整的系统，使其变得更加容易（图3）。当然，与任何事情一样，由正确选择的组件制成的定制设计最有可能提供最佳解决方案。

图3：大多数供应商现在提供无线电源开发套件或完整系统。（图片：Adafruit）

例如，德州仪器公司的bq51051B是一款符合Qi标准的接收器芯片，面向便携式和物联网应用，并集成了Qi v1.1通信所需的数字控制器。能够管理锂离子和锂聚合物电池充电，接收器芯片及其匹配的bq500212A发射器侧控制器为直接电池充电器解决方案创建了完整无线电源系统的核心。

当然，您的监控越精确，系统的性能就越好，尤其是在无线电源方面，在无线电源领域，已经存在多个可能出现低效率的地方。一种解决方案是使用类似Microchip Technology Inc.的PAC1932的设备，这是一种双功率和能量监视器，以16位分辨率报告总线和感应电压（图4）。功率报告为两个16位独立总线和感测电压的同时乘积。所有寄存器都可以通过I2C/SMBus接口访问，该接口包括用于读取稳定性的八个样本平均值。

图4:Microchip的PAC1932/3/4是双通道、三通道和四通道功率和能量监测设备。高压多路复用器将输入依次连接到总线电压监视器和电流感应放大器，为高分辨率ADC供电。（图片：微芯片技术）

准确选择所需天线的能力也很重要，因为天线失配将导致效率低下的操作（图5）。天线中的其他重要功能包括所用导线的类型、可达到的功率水平、屏蔽的程度、结构的好坏（正确的芯结构限制了设计中的杂散场），甚至还包括天线与电路板的连接方式。

图5：准确选择所需天线的能力也很重要。（图片：伍尔思）

开发工具包还使设计师能够评估公司的解决方案。此外，工具包提供了一个起点，可以为您的应用程序进行适当的修改和自定义。例如，基于意法半导体STWBC-EP/STWLC33芯片组的15瓦、符合Qi的端到端无线充电解决方案的评估套件针对扩展功率剖面（EPP）无线功率联盟（WPC）Qi 1.2认证的应用程序进行了优化，最高功率为15瓦。无线充电器发射器的STWBC-EP数字控制器支持半桥或全桥拓扑以及单线圈和多线圈设计。

关于无线电源，另一件需要记住的事情是，它需要软件和编码。此开发工具包附带相关的STWBC-EP固件（STSW-ISB044FW）和图形用户界面（STSW-STWBCGUI），以帮助调试和配置。固件下载工具（STSW-STWBCFWDT）也可用。没有太多的软件支持。

意法半导体还提供STEVAL-ISB045V1无线电池充电器开发套件，可为可穿戴设备和物联网创建充电器，包括软件、文档和硬件。该解决方案能够制造高达2.5 W的小型无线充电器，具有一个20 mm的线圈，用于为智能手表和其他小型设备充电。STWBC-WA可作为交钥匙解决方案使用，也可为特定应用定制，支持所有常见的无线充电功能，包括活动状态和异物检测。

展望未来，无线充电将彻底解放便携式设备的连接线，从而为便携式设备带来革命性的变化。在这个竞争激烈的市场中，无线电源解决方案的正确设计将决定产品的成败。

审核编辑 黄昊宇