探索Semtech TSWITX - EVM无线充电发射器：从原理到应用

作为电子工程师，我们常常在寻找创新且高效的解决方案来满足日益增长的无线充电需求。Semtech的TSWITX - EVM无线充电发射器评估平台，为低功耗可穿戴设备的无线充电提供了一个绝佳的实验和开发途径。今天，就让我们深入了解这个平台，从无线充电的基本概念开始，逐步探索其产品特性、使用方法和设计文档。

文件下载：TSWITX-EVM.pdf

无线充电的基本原理

无线充电本质上是一种变压器。通过向初级线圈提供电力，产生一个电磁场。当次级线圈置于这个电磁场中时，就会感应出电流，从而为与之相连的设备供电。与传统的电源变压器不同，可穿戴设备的低功率无线充电系统工作在1 MHz左右的频率范围，并且可以使用空气芯实现高效运行。这意味着初级和次级绕组可以分别位于不同的设备中，初级绕组作为发射器的一部分，次级绕组则在接收器内。这种实现方式也可以被看作是一种无线电广播过程，因此这些变压器线圈也可以被视为天线。

无线充电系统的另一个重要特点是智能管理。发射器只有在检测到接收器时才会提供电力，并且会根据接收器的需求提供相应的电量。这种智能管理是通过对TS80002进行编程实现的。发射器首先搜索接收器，一旦找到，接收器会告知发射器其功率需求，然后开始传输电力。在传输过程中，系统会不断验证是否发送了正确的电量。如果接收器不再需要电力，例如电池充电完成，它可以请求停止供电，发射器会相应地降低输出。

无线充电系统根据功率分为三个基本类别：低功率（高达5瓦）的可穿戴设备，如耳机、腕带设备和医疗传感器；中功率（5 - 15瓦）的手持设备，如手机、平板电脑和医疗电子设备；高功率（15 - 100瓦）的设备，如电动工具和无人机。

TSWITX - EVM产品特性

TSWITX - EVM评估模块是一个即用型的演示平台，允许测试约1瓦的无线电力传输。其电路的输出功率根据天线线圈的选择，大约在0.5 - 2瓦之间。该发射器与兼容的接收器模块Semtech TSWIRX - 5V - EVM配合使用，形成一个完整的无线电力传输系统。

这个平台的关键技术在于Semtech的TS80002和TS51231高效集成电路。TS80002控制整个系统并实现传输协议，而TS51231是发射器驱动器，为发射器天线提供动力。虽然这两个设备都可以支持高达5瓦的功率系统，但这个EVM被设计为提供约1瓦功率的示例。开发者可以根据自己的需求调整支持组件。

标准使用方法

系统设置

TSWITX - EVM非常容易设置和使用。只需将任何能够提供高达2瓦功率的USB端口（大多数PC都可以）通过USB电缆连接到EVM的USB端口。通电后，绿色LED灯亮起，表示电路板已激活。

功率传输

此时，EVM准备好传输电力。发射器每秒会发出几次能量“ping”信号，以搜索范围内的兼容接收器。当接收器在范围内时，“ping”信号提供的能量足以使接收器向发射器宣布其存在，然后开始电力传输。发射器首先向新发现的接收器提供少量电力，以便接收器告知发射器其功率需求。完成握手后，发射器开始提供所需的电力。在电力传输过程中，接收器会持续与发射器通信，积极指导整个过程。

接收器测试

使用TSWIRX - 5V - EVM接收器模块可以进行各种测试。将接收器放在发射器EVM模块的目标圆圈上，接收器EVM上的LED灯应变为绿色，表示已建立电力传输。用户可以选择多种测试负载，如可编程直流电子负载、功率电阻十进箱或任何使用5伏输入、功率高达1瓦的设备。将负载连接到接收器EVM的VOUT +和GND引脚后，就可以进行各种测试。

观察线圈信号

虽然观察线圈信号不是使用EVM的必需步骤，但它可以让我们了解接收器和发射器如何积极管理无线电力传输过程。将示波器探头放在一个天线引脚上，探头接地连接到电路板接地（USB端口的外壳即可）。在发射器通电且接收器不在目标区域时，可以观察到持续0.5 - 1毫秒、初始峰值为30 - 35伏的“chirp”信号，其频率在1 - 1.15 MHz范围内。当接收器放在发射器目标上时，可以观察到一个“模糊正弦波”信号，它是正弦功率信号和接收器与发射器之间低频数字通信产生的附加分量的组合。

测量效率

通过比较接收器VOUT +和GND引脚的功率与进入发射器EVM的功率，可以确定系统的电力传输效率。在测量效率时，务必移除接收器和发射器上启用状态LED的跳线，因为这些LED会影响测量结果。

设计文档

框图

TSWITX - EVM可以分为多个子模块，包括5伏滤波器、基于TS80002的控制器、基于TS51231的线圈驱动器、发射天线和反馈信号模块。5伏滤波器用于平滑5伏输入电源，控制器管理发射器的所有操作，线圈驱动器根据控制器的输入为天线提供动力，发射天线与接收器天线共同构成空气芯变压器的初级，反馈信号用于调整天线和驱动值，并作为反馈输入到控制器。

原理图

文档提供了TSWITX - EVM的两份原理图，一份适合在屏幕上查看，另一份适合打印。每份原理图都标注了每个组件所属的框图部分。

物料清单（BOM）

TSWITX - EVM仅需要几十种组件即可实现完整的发射器解决方案。文档提供了详细的物料清单，包括组件的设计编号、数量、描述和制造商等信息。此外，Semtech网站上还提供了包含这些信息的Excel电子表格文件。

电路板布局

TSWITX - EVM的PCB组件布局图显示，发射器解决方案本身可以轻松放置在一个10x15mm的矩形内，采用单面结构。如果需要，还可以创建更小的布局。

电路板层

TSWITX - EVM的PCB采用四层设计，第二层的接地平面有助于减少噪声和信号串扰。为了便于系统评估，所有组件都放置在电路板的顶部。最终产品版本可以通过将组件分布在电路板的两侧来显著减小尺寸。Semtech网站上可以下载该电路板的Gerber文件。

常见问题解答

输出电压

TSWITX - EVM系统的输出电压取决于接收器。对于TSWIRX - 5V - EVM，输出电压为5伏。

标准兼容性

这些低功率可穿戴解决方案不基于现有的无线传输标准，以便采用更小的线圈和其他优化措施，更适合低功率系统环境。

部件编号含义

TSWITX - EVM的部件编号由前缀、主体和后缀组成，通过破折号分隔。前缀的每个两个字母组合都有助于定义产品。因此，TSWITX - EVM是Semtech提供的可穿戴基础设施发射器评估模块。

异物检测（FOD）

在低功率可穿戴基础设施系统中，由于不存在过热风险，因此不需要进行FOD检测。

其他问题

如果您的问题未在本文中得到解答，可以访问Semtech网站，那里维护着TSWITX - EVM的最新常见问题解答。您当地的Semtech现场应用工程师（FAE）也可以提供帮助。

下一步行动

如果您想了解更多关于无线电力的信息，可以访问Semtech的网页：[https://www.semtech.com/power - management/wireless - charging - ics/](https://www.semtech.com/power - management/wireless - charging - ics/) 。在那里，您可以找到原理图、BOM和电路板图的可下载副本，以及如何根据您的需求获取Semtech无线电力产品（从芯片级到完整的电路板模块）的详细信息。

Semtech的TSWITX - EVM无线充电发射器评估平台为电子工程师提供了一个全面的解决方案，用于探索和开发低功率可穿戴设备的无线充电技术。通过深入了解其原理、特性和使用方法，我们可以更好地利用这个平台，为未来的无线充电应用带来更多创新。您在使用类似的无线充电平台时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享您的经验和见解。