【導讀】現如今諸多低功耗可穿戴便攜設備已經走進了人們的生產生活中，隨之而來的就是可穿戴設備的充電問題。目前可穿戴環境的污染，連接器污染已經成為嚴峻的挑戰。本文詳解了便攜設備的無線充電技術，并盤點了線圈的要求。
圖1：具有無線充電功能的智能手表
無線充電解決方案可令這些問題迎刃而解，并為設計人員提供更多的機會。現有用于WPC（無線充電聯盟）Qi標準的半導體器件，可輕松適用于這種較低功耗的應用。這種技術使用兩個平面線圈，通過密封外殼來傳輸電力。對于低功耗可穿戴設備而言，小巧纖薄的低功耗接收器線圈可輕易地嵌入到密封外殼或腕帶區的背面。Qi兼容器件是一種可縮短開發時間的成熟解決方案，且此類產品能獲得現有WPC基礎設施的支持。
Qi兼容的無線電源系統
典型的無線電源系統在便攜式設備內有一個接收器（Rx），它提供能量給電池充電。發射器（Tx）位于一個固定的底座內，并連接至壁掛式電源。輸入電能轉換為交流電，然后在發射器線圈與接收器線圈非常接近時，通過線圈發生磁耦合。接收器的輸出在電流高達1A時通常為5V，其可為便攜式設備內的電池充電器IC提供輸入功率。
圖2：Qi兼容的無線電源系統方框圖
該系統中的發射器工作，由接收器芯片使用經同一磁耦合路徑傳回的數字通信包形式的反饋進行控制。Qi兼容接收器采用負載調制以數據包形式跨兩個線圈發送信息，與發射器進行通信。發射器線圈電壓和電流以2kHz的速率調制，由發射器解碼并用于控制。接收器可以向發射器發送多種類型的數據包，以實現控制和信息傳輸。此外，通信的失敗將終止任何功率傳輸。Qi標準的“識別和配置”命令數據包非常有用，可保證功率僅傳輸到正確的設備，從而避免潛在的危險情況。“充電完成”和“結束功率傳輸”數據包也是很有用的命令，當電池充完電或出現其他情況需要終止功率傳輸時可停止功率傳輸。這些特性可保證采用現有廣為人知的標準在發射器和接收器之間進行安全的功率傳輸。
低功耗無線系統
通過精心調整線圈尺寸和外部元件值來匹配更小尺寸應用，可針對低功耗無線系統對既有的Qi兼容接收器和發射器進行優化。發射器和接收器的線圈均可縮減尺寸，以適應更小的外形。電源部分的元件（特別針對發射器）可降低功率規格。典型的WPC-1.1 Qi兼容系統可支持功率高達5W的輸出負載（通常為5V@1A）。
另一方面，適用于可穿戴設備應用的低功耗系統可能擁有5V@100mA～250mA的輸出電力范圍。大多數Qi兼容功能的使用并不影響尺寸或性能。異物檢測（FOD）功能是一項可選功能，可防止功率傳輸到充電區的雜散金屬物體。在具有FOD功能的低功耗系統中，總輸出功率被減小50%以上。隨著充電區域的縮小，物體進入該區域，并被加熱至出現問題的可能性也大大降低。FOD功能的關鍵可能主要取決于可穿戴設備充電墊或充電底座的機械設計。表1總結了采用WPC-1.1 Qi標準時的一些主要可用功能，而這些功能在定制可穿戴應用時是可選的。
低功耗系統線圈
線圈的尺寸可減小到一個點，但仍需傳輸功率并與發射器進行通信。典型的線圈結構是一種在屏蔽層上用銅線制成的圓形平面線圈。替代配置是PCB或柔性電路線圈。通常情況下，這些替代物可能有更高的直流（DC）電阻（更低的效率），但會非常纖薄，該特性很適合小型低功耗應用。屏蔽層可阻止交流電磁場進入電子器件和電池，這也可提高線圈的性能。
假設Rx線圈和Tx線圈在x-y平面上對齊，那么有兩個關鍵因素可確定耦合系數k。第一個因素是線圈到線圈（z）的距離，第二個因素是兩個線圈直徑的比例。當兩個線圈距離較近且直徑相匹配時，將產生最佳耦合（最高的k）結果（參考文獻2）。為確保兩個線圈從一開始就能在x-y平面上緊密對齊，可穿戴設備充電底座或支架的機械設計應包括有助于將設備妥善放置在支架中的物理方法。由于在本應用中接收器線圈非常小，Rx線圈和Tx線圈之間的輕微失準可能導致耦合系數顯著降低且功率傳輸效率很差。
在耦合電感器系統（如WPC/Qi）中，一次線圈和二次線圈間的耦合系數（k）通常為0.5～0.7。典型變壓器的k會高得多，例如0.99。當耦合系數很低時，在二次（接收器）側需要較高的電感值，以確保輸出功率的需求能得到滿足。因此，那些可能具有低耦合的小型低功率設備，實際上比標準的5W設計需要更高的二次繞組電感（參考文獻3），可能需要具有更多匝數、更大屏蔽層的較高電感的接收器線圈，才能達到所需的電壓增益。
線圈設計
接收器線圈尺寸的設計權衡因素包括線圈導線直徑、屏蔽層尺寸和厚度。線圈直流電阻會使接收器效率降低。接收器線圈設計需要具體的匝數，以獲得所需的電感。如前所述，由于耦合系數降低，小線圈所需的電感會比大線圈高。為了在較小空間內達到較高的電感值，匝數會增加，導線直徑會減小。更細的導線和更多的匝數帶來的合并效應，將迫使直流電阻升高并降低效率。屏蔽層能提供低阻抗的磁通路徑，并能增加線圈的電感。
此外，屏蔽層還能阻止交流電磁場進入電池和接收器周圍的金屬體。更大、更厚的屏蔽層比較好，因為較薄的屏蔽層將遭遇高通量磁場飽和的風險。發射器線圈設計的物理限制較少。線圈可以更大，并且其電感可以更低。
技術點評：無線充電發射器采用線圈電壓和電流以2kHz的速率調制，經過解碼并用于控制；接收器直接向發射器發送多種類型的數據包，以實現控制和信息傳輸，已達到充電的作用，在此過程中線圈的設計尤為重要，直接決定了耗能的大小。
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