基于齐规范标准的移动设备充电解决方案

无论是可穿戴医疗保健设备，还是提供信息和连接功能的智能电话和平板电脑，消费者需要能随时随地使用的产品。 基于该需求，他们还在寻求无需充电器电缆和连接器的充电解决方案。 为了满足这些市场前提条件，在过去几年里，无线充电的出现成为极具吸引力的插头适配器替代方案，而且随着各类标准的兴起，现已蓄势待发。 基于这些标准，诸如 Texas Instruments、Freescale Semiconductor 和 Integrated Device Technology 等厂商已开始提供整体解决方案。

成功开发无线电源解决方案的回报是丰厚的。 根据研究和技术咨询公司 IHS 提供的信息，到今年年底，使用无线电源的设备将达到 1 亿台左右。 而 2012 年，无线充电装置的数量估计仅有 5 百万左右。 有趣的是，有三家标准组织在争夺这块新兴市场。1无线电源联盟 (WPC) 于 2008 年发布了首个无线电标准，随后电源事务联盟 (PMA) 于 2012 年提出了一种替代解决方案。 2012 年还推出了第三项计划——无线电力联盟 (A4WP)。2

最近，A4WP 和 PMA 签订了一份协议，双方将合并并创建单一机构，致力于满足消费者的无线感应充电需求。 该联盟旨在打造可互操作的无线充电生态系统，这对于促进消费者广泛采用该技术至关重要。 Samsung Electronics 和 Qualcomm 等公司支持 A4WP，而 Duracell 和 AT&T 则支持 PMA。

感应充电

目前 WPC 的成员数最多，超过 200 多家，其无线充电标准 Qi 也最流行，市面上有 600 多款 Qi 认证产品和 5 千万台 Qi 设备。 根据 WPC 提供的信息，主要手持设备制造商有 70 多款智能手机采用了 Qi 规范；全球行驶的约 15 款车型集成了 Qi 充电功能。

如图 1 所示，Qi 系统包括功率发射板，以及便携式设备中的兼容型接收器线圈。 Qi 系统使用感应耦合现象在两个线圈之间传输功率。 因此，初级（发射器）线圈中的电流产生磁场，并在次级（接收器）线圈中产生感应电流。 然后，使用接收的电流为电池充电或为负载供电。 通常，两个线圈之间的距离是 5 毫米，发射器与接收器耦合消耗的功率不超过 5 W。工作频率范围为 100 - 205 kHz。 这一 Qi v1.0 初始规范于 2009 年 8 月发布。 为了给发射器提供更大的设计空间，几年后引入了 Qi v1.1。 该规范允许更长的耦合距离。 根据 v1.1 规范，Qi 充电器可通过 40 毫米台式设备向 Qi 接收器提供 5 W 的功率。

图 1：典型无线充电系统使用两个磁耦合电感器、一个发射线圈和一个接收器线圈。 发射器线圈中的交流电产生磁场，并在接收器线圈中产生感应电压。 （来源：无线电源联盟）

为了使 Qi 充电器具有更大的灵活性，WPC 于 2014 年夏将标准更新至 1.2 版。 Qi v1.2 扩展了最新的规范，在 Qi 规范中针对现有的感应技术增加了谐振充电。 这样，制造商可以选择小心地在结构体（如家具和桌面）中更深地嵌入无线充电器，并采用直接接触的低成本表面应用。 该规范还兼容 v1.1 接收器。

根据 WPC 提供的信息，其成员公司使用 Qi v1.2 原型接收器演示了在 45 毫米距离内的充电功能。 而且，现有 Qi v1.1 系统与 v1.2 原型系统之间已成功完成互操作性测试。 这意味着，移动设备再也不必直接接触充电板。 因此，单个 Qi v1.2 发射器可以同时为多台 Qi 设备充电。 并且，最新的 Qi 规范还允许发射器为厨房应用提供最高 2000 W 的功率。

符合 Qi 规范的解决方案

WPC 的创始会员 TI 为系统的发射器端和接收器部分开发了 IC。 该公司通过吸收新成员，不断扩充其无线充电产品组合。 去年，该公司推出两款符合 Qi 规范的单片接收器 bq51020 和 bq51021。 该单片 5 W 接收器可提供整流、调节、数字控制和通信功能，以支持 Qi v1.1 规范（图 2）。 TI 表示，这些接收器 IC 专门用于为符合 Qi 规范的手机、平板电脑和其他电子产品充电，相比其他可用的无线电源解决方案，速度更快、效率更高。 接收器的可编程输出电压高达 8 V，并采用低导通电阻 MOSFET，从而降低了多达 50% 的功耗。 此外，bq51021 还带有一个 I2C 接口，能让系统设计人员实现异物检测 (FOD)，以及一个独特的“充电板检测”功能，从而让接收器更轻松地与充电器配对，提供更好的用户体验。

图 2： TI 的单片接收器 bq5102x 可提供整流、调节、数字控制和通信功能，以支持 Qi v1.1 规范。

在发射器端，该公司增加了新一代芯片 bq500212A，只需更少的元件便可完成解决方案，并能通过 USB 端口或 5 V 电源供电。 该芯片符合 WPC 的 v1.1 A5 型或 A11 型发射器线圈规范（图 3）。 本质上，该控制器集成了向符合 Qi v1.1 规范的接收器芯片传输无线功率所需的全部控制功能。 其他主要功能包括动态功率限制、FOD 以及增强型寄生金属物体检测功能 (PMOD) 。 根据供应商的介绍，该芯片具有全面的状态和故障监控功能，可实现符合 Qi 规范的低成本、坚固耐用的无线电源系统设计。

图 3： 采用 TI 无线电源控制器 IC bq500212A 的典型发射器电路。

去年，TI 还推出了双模式 5W 接收器 bq51221，其通信和控制功能可兼容 WPC 的 Qi v1.1 和 PMA 协议。 这种单芯片无线电源接收器可提供电源转换（整流和调节），以及适合两种标准的数字化控制和通信。 无需更多软件开发工作。 此外，该芯片还具有动态整流器控制功能，可在保持较小的解决方案尺寸的同时提供高能效。

为了增强无线充电器的功能，TI 最近发布了业内首个完全集成的 10 W 无线充电解决方案。该方案符合 Qi 标准并向后兼容 5 W Qi 接收器。 其中包括无线电源接收器芯片 bq51025 和对应的无线电源发射器 bq500215。 据 TI 介绍，完成配对后，接收器支持 4.5 V 到 10 V 的可编程输出电压，并能在 10 W 时达到高达 84% 的充电效率。 这种全封闭式无线电源接收器解决方案的尺寸仅为长 3.60 毫米，宽 2.89 毫米，适合在许多便携式工业设计中使用，从收银机 (POS) 扫描仪到手持式医疗诊断设备，以及平板电脑和超级本等个人电子设备。 图 4 显示了基于无线电源接收器芯片 bq51025 且符合 Qi v1.1 规范的典型接收器电路 。

图 4： 基于无线电源接收器芯片 bq51025 且符合 Qi v1.1 规范的接收器电路。 输出为 7 V，最大输出电流为 1.4 A。

类似的，专用定频无线数字发射器 bq500215 符合 Qi v1.1 规范，具有高达 5 W 的功率输出，并采用专有的双向通信协议，可使用无线接收器 bq51025 实现高达 10 W 的充电功率。 这款器件采用 FOD 方法在传输功率之前检测物体，并在检测到过高的损耗时主动切断电源。  

总之，感应式充电还在不断发展，TI 等供应商拥有完备的、符合新兴标准的整体系统解决方案。 通过这种方式，他们让有意愿的制造商能够更轻松地进入这一快速增长的市场，并为其提供广阔的市场前景。