浅析在Qi标准下设计的5W无线电源设计

　　自从Qi标准规范于2010年7月宣布后，配件产品便能运用这项业界标准，来提供行动装置无线电源，完全不需要基地台的无线电源发送器，而是利用背匣、背盖和电池组，以及配件产品接收器线圈和电子装置的套件组合。本文将重点说明配件产品与主行动装置的介面，以及配件的系统层级需求，并探讨元件选择，衡量配件产品与主行动装置之间接脚数介面的权衡。

　　图1显示无线充电联盟（WPC）电感无线电源系统的配置图。发送器包含交流对直流（AC-DC）电源转换、驱动器、传输线圈、电压与电流侦测及控制器；接收器包含接收线圈、整流、电压调节及控制器，此系统的负载可以是任何电池供电的装置，例如手机。

　　

　　图1 WPC电感无线电源系统配置图

　　Qi标准为发送器和接收器相容问题解套

　　在这个系统中，电源是从发送器经由耦合的磁场传输到接收器，AC电流流经发送器线圈时，便会产生磁场。如果接收器线圈相邻（X-Y或Z范围小于5毫米的间距），则大部分发送器线路将耦合于接收器线圈。耦合的线路会在二次侧产生AC电流，经过整流后即可产生DC电压，成为手机及其他可携式装置的电源。必须注意的是，无线电源连结一般是鬆散耦合的空心变压器。

　　新兴无线电源市场的关键是不同发送器及接收器的标准化。在过去，任何贩售无线电源接收器的公司，必须搭配贩售对应的发送器，使得无线电源的市场接受度受到局限，而且也导致无线电源技术互不相容。WPC制定全球第一个标准，使5瓦（W）电源运作的发送器及接收器彼此相容。这个Qi标准定义无线电源系统的运作频率、运作电压，以及基本线圈配置。通讯协定定义让接收器将资讯传送至发送器，如接收器需要多少电源、应该增加或减少输出功率，以及当手机不再须要充电时，通知发送器终止电源进入省电模式。

　　提供Qi相容产品最快速的方法，是提供内含电源供应或直接电池充电实作的配件解决方案，同时运用基地台电源的业界标准无线发送器。配件解决方案是指行动装置选用的无线电源功能，最常用的两种配件实作是背匣及背盖。背匣是内含无线电源电路的塑胶外壳，可装在行动装置上，透过外部接点提供行动装置所需的电源。背盖是行动装置标准背盖的替代品，其中包含无线电源电路。内含无线电源电路行动装置电池组的配件也是一种替代解决方案，能直接进行电池充电。

　　各式电源供应配件解析

　　图2说明无线电源接收器如何提供5伏特（V）5瓦电源给行动装置，模拟电源供应转接器的运作。在最简单的实作中，接收器与行动装置之间只需要无线电源及接地，大多数第一代Qi产品仍使用有线连接器，因此也显示如何从有线转接器或无线电源进行充电。这两种来源均连接行动装置内部的多工器，一般而言，预设选择的是转接器电源，没有转接器时才会启用无线电源。

　　

　　图2 含有线输入的四接点电源供应配件系统架构

　　在无线电源传输期间，有转接器或电池充电终止时，运作应该会中断，接收器发现无负载情况时，会传送讯息至发送器通知停止电源传输，开启多工器的无线电源接收器开关时，即可模拟如此的情况，藉由其他接点的协助，能提供无负载情况特定的其他资讯。

　　双接点配件介面成本最低

　　双接点解决方案是无线电源输出及接收器之间的介面成本最低的一种，可提供有限的功能。仅提供两个接点时，只能连接无线电源（亦即5伏特输出），并且接地至行动装置，而行动装置必须自行侦测何时切换转接器电源及无线电源。这种解决方案的主要缺点是行动装置无法向发送器指示终止充电。

　　在一般的无线电源系统中，充电循环可在使用者夜间就寝时开始，而且充电一般大约持续两小时。一旦充电完成时，按照WPC通讯协定的定义，接收器即可指示终止供电给发送器，以便发送器能进入低功耗的待机模式。接收器只能透过侦测输出电流低于特定阈值的方式，侦测双接点解决方案终止。虽然这种方法能使发送器进入待机模式，缺点是供应电流是系统电流与充电电流的总和。

　　三接点配件加入控制讯号

　　三接点解决方案是在双接点解决方案的基础上，在无线电源及接地之外加入控制讯号。由行动装置驱动的无线电源接收器所提供的输入控制讯号，使行动装置内部的充电器侦测充电何时应终止，并且向接收器通知此情况。接收器即可向发送器传达终止电源，使其进入低功耗的待机模式。由于行动装置是由电池持续供电，因此可在不定时向无线接收器确认终止，以便整个充电週期的发送器整体耗电量保持在相当低的程度。此外，发送器可使用接收器的终止电源资讯，让使用者知道充电已终止，例如藉由发光二极体（LED）灯号。这种方法确定终止情况的准确度也高于双接点解决方案。

　　四接点配件方案提供选项最多

　　四接点解决方案所提供的选项，远比前述的任何解决方案多。其中一个选项是提供两个控制讯号输入，一个讯号用于向发送器通知终止。另一个讯号用于通知行动装置出现故障情况。

　　图2显示另一种四接点实作。在此情况下，外部转接器可以是装置接收器的输入，而且接收器单结型场效应电晶体（FET）闸极驱动讯号，可从接收器输出，并连接行动装置。如此一来，接收器即可侦测转接器，并关闭无线电源发送器，然后将转接器电压直接施加于接收器。以下各段将详细说明转接器多工器架构。

　　行动装置电源多工器架构剖析

　　市场开始出现无线电源配件时，有线转接器连接埠将与无线电源输入同时并存，需要在无线及有线电源供应之间使用电源多工器，图3显示电源多工器架构范例。这种方法运用接收器配件侦测接收器电压（AD），并在接收器电压出现时提供闸极驱动（AD_EN）。FET必须以背对背（Back-to-Back）配置接线，才能在开关关闭时阻绝逆向及正向传导。如果有转接器，无线电源接收器即停用电源传输，并透过转接器电源将闸极驱动保持启动。这种方法需要配件与行动装置之间四个接脚的介面（无线电源、AD、AD_EN及GND）。

　　

　　图3 单一背对背FET的电源供应多工选项

　　为减少电源供应配件与行动装置之间所需的接脚数，可运用自动电源多工器。图4显示这类架构，其中不再需要AD及AD_EN连线。透过VSNS连线可优先使用有线电源路径，如果在VSNS侦测到电压，启用有线电源路径，否则将启动无线电源路径。若要使接收器电子装置侦测转接器连接埠，终止无线电源传输，必须监视电源的输出电流。藉由监视输出电流，即可在无线电源路径开关关闭时，侦测真正的轻载，例如接近零输出电流，接收器会将指令传送至发送器，以终止电源传输。

　　

　　图4 运用自动切换的电源供应多工选项

　　电池组配件整合电子装置/接收器线圈

　　另一个提供无线电源配件的方法，是将电子装置与接收器线圈整合于行动装置电池组，让终端使用者将行动装置中安装的电池充电，也可直接放置于发送器充电板（类似于托架充电座）。不过，有线及无线电源充电器之间的交替会受到限制，因为受限于电池组与系统之间的接脚数。

　　电池组配件的架构，其中特别突显系统与电池组之间的介面。电池组内嵌的温度侦测电阻（NTC）确保电池在充电时的运作温度安全无虞；这种独特的应用中，可使用接收器电子装置侦测有线充电启用或停用。行动系统电池充电器启用时，NTC电阻会出现一些电压；停用时，NTC电阻会下降至电池组的接地参考。因此，电池组中的接收器电子装置可侦测电压，并立即停用无线电源充电器。只有在连接有线转接器，而接收器放置在充电板时，才会出现这种情况，这种情况相当少见，而且传输两倍的充电电流对于电池安全相当不利。

　　上述的方法将优先使用有线电源路径，因为接收器会侦测NTC讯号，并採取适当的动作。不过，只要在行动系统中使用侦测演算法，即可优先使用无线电源，使得行动系统在无线电源充电器启用时，颠倒监测NTC接脚电压的程序。图5显示紧接在接收器电子装置的整流阶段之后加入电压及电流迴路，以控制器实作充电演算法，移除电源供应配件中出现的电压调节阶段，提高整合度及效率。

　　

　　图5 电池组配件的无线电源系统架构