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高性能无线充电设计

在目前推向市场的更紧凑便携式和可穿戴设备中,加入充电连接器极其困难,甚至根本不可能。例如,有些设备可能没有足够的可用空间来容纳适当的连接器,而其他设备则可能需要密封外壳以保护敏感电子电路免受恶劣环境的影响,并能够进行方便的清洁或消毒。同时对于医疗可穿戴设备而言,更换电池可能需要侵入性手术,从而有可能导致患者健康的风险。

许多最先进的电池供电设备在进行充电时无需通过与电源的物理连接,而是采用无线功率传输(WPT),即无线充电,通过天线从外部辐射中提取电磁能量是无线通信和WPT的基础。当天线具有自适应共轭特性时,即当它处在谐振状态,并且具有与其负载相等的自由空间耦合时,能够确保最大的能量传输。然而,这种情况很容易受到环境变化的影响,从而阻碍WPT系统的最佳运行。

WPT如何工作?

无线充电的原理众人皆知,现在已经用于所有变压器设备。法拉第 - 伦茨(Faraday-Lenz)定律解释了磁场的变化会在回路的末端产生电位变化。通过逆推理,环路末端电位变化可以产生磁场的改变。通过使用互感,可以耦合两个线圈,第一个负责产生磁场,而第二个则产生与磁场强度成正比的感应电流(如图1所示)。

图1:典型的WPT系统框图。

ROHM的BD57015GWL 和 BD57020MWV分别是无线发射器和接收器元件,它们由铁氧体磁芯制成,采用了电感性磁耦合,需要在初级和次级线圈之间进行精确对准,以实现安全连接。移动性限制阻碍了该技术在便携式电子设备中的使用,因为要实现高效率以及所需的笨重磁性材料重量存在非常大难度。从电感耦合的基本原理出发,可以通过谐振磁耦合技术增加传输距离。通过磁共振技术能够实现高效无线功率传输,其中采用振荡磁场来交换能量。由射频(RF)源激发的较大感应螺线管可以利用其谐振原理在放置在一定距离处的另一个类似结构中产生谐振模式,以这种方式,即使在没有辐射场的情况下,可以在螺线管尺寸4倍的距离上获得功率传输。由于不使用铁氧体磁芯,使它们更轻,因此更容易集成。虽然效率低于电感耦合,但仍足以保证其在可接受的质量标准下使用。

Qi标准

由多家公司合作开发的开放式标准能够确保各种设备之间的互操作性。无线充电联盟(WPC)开发了用于感应电力传输的Qi系统,它工作频率在100kHz至200kHz之间,由两个主要模块组成,即基座和移动设备,其架构如图2所示。

图2:Qi系统的简要框图。

Qi标准定义了发射器中线圈的详细要求,包括材料、几何形状和电气特性。这意味着不同制造商的产品具备完全的可互操作性。

基座可以包括一个或多个功率发射器,而移动设备则只有一个功率接收器,通过初级和次级线圈之间的电感耦合获得功率传输。这些线圈在空中形成谐振变压器,能够以与金属导体相当的效率传输功率。

主要微电子厂商生产的发射器和接收器可执行所有关键控制功能,确保兼容市场上的重要标准,并为客户提供经过认证的交钥匙Qi解决方案。STMICroelectronics的STWLC系列接收器能够有效地为任何电池充电,例如单节锂离子或锂聚合物电池,并支持直接充电。STWLC04是一款集成的无线充电接收器,适用于可穿戴应用。它专为基于Qi协议的1W级功率传输而设计,具有数字控制和I2C接口,可实现高度个性化设计。在等待接收器时,可保持低功耗,从而能够提高功率传输效率,异物检测(FOD)功能可实现最大化的安全性。此外,STWBC-MC 15W无线充电发射器可以控制多个充电线圈,它符合最新的Qi 1.2.4规范,专门用于支持Qi MP-A15扩展电源配置(EPP)拓扑架构。

恩智浦的NXQ1TXH5具备专用的模拟ping电路,可根据Qi标准检测可用的设备。它提供完全集成的发射器解决方案,包括一个5V的全桥功率级,可根据Qi A5,A11,A12和A16 5V标准的定义直接驱动Qi发射器线圈。

Semtech则通过提供革命性的LinkCharge技术来满足同时支持多个便携式设备无线充电的需求。LinkCharge LP平台可同时为多个无线充电接收器充电,移动设备具有灵活的空间自由度。TS51223 是一款完全集成的无线充电接收器,适用于需要低成本、节省空间解决方案的低功耗可穿戴应用(见图3)。

图3:TS51223 / TS80002 / TS51231发射器的典型应用电路。

开发板

德州仪器(TI)的TIDA-00881旨在将兼容Qi标准的无线充电功能集成到公司提供的其他低功耗电路板中。该板采用19mm环路,无线接收器与Qi协议兼容。对于充电应用,足以将线圈放置在任何无线充电器上,从而可为3.6V电池充电。该电池使用3.3V管理Launchpad,并为任何其他模块提供5V电压(参见图4)。德州仪器在其设计中使用LIR2032锂离子电池,可提供50mA的持续最大电流(峰值高达60mA)。用于初始原型设计的另一种解决方案是IDT公司的 WP3W-RK,它适用于0.5W至3W的无线应用,其参考套件包括发射器(P9235A-R-EVK)和接收器(P9027LP-R-EVK)单元,在功率为3W时具有高达80%的系统效率。

图4:TIDA-00881的功能框图。

结论

WPT显然已经具备彻底改变电子市场需要的所有功能,可以更方便的方式实现高效的功率传输。这项技术的未来发展主要集中在扩展到中等功率和高功率应用范围,届时将能够证明其对现代社会的长期价值。

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