无线充电设计（一）-基本介绍

最近几年无线充电在消费电子市场火热展开，也是未来发展的一种主流趋势。无线充电的一些优缺点：

• 产品外观可以实现防水要求，美观简洁
• 非接触式充电，安全可靠
• 效率相对较低，充电效率一般在70-80%之间
• 充电位置受限，必须放到指定位置进行充电

原理

无线充电，又称为感应充电、非接触充电，就是利用近场感应原理实现由供电设备到用电设备端的能量传输。目前市场有两种方式来实现，分别是电磁耦合感应和磁共振耦合感应。

电磁耦合感应

通过电磁感应原理实现能量传递，原理类比交流变压器。

磁共振耦合感应

通过两线圈LC相同频率谐振实现能量耦合，这种方式的优点在于可以增大两线圈的距离，两线圈中心可以稍微发生偏移，同时可以实现一对多进行充电。其缺点是效率低，实现成本高。

对比

两个行业联盟分别使用这两种技术作为代表，对比如下：

由于磁共振式的系统较为复杂，难以进行小型化，因此在穿戴式设备及助听器等小型电子设备的无线充电方面，电磁感应式仍具备较大优势，已经是市场主流的充电技术方案，本篇文章将重点介绍电磁感应式。

Qi标准

标准协议如下，最新版本V1.2.4，非会员可下载版本是V1.2.3。

THE QI SPECIFICATIONS

框图

系统分为发送和接收两个部分。发射部分需要全桥或半桥驱动产生交流信号驱动线圈，同时监测交流电压与电流。接收部分线圈经耦合产生交流电压，该信号经过全桥或半桥整流后，即可得到直流输出电压，经稳压后连接到负载。

输出功率的调节通过对接收到的交流电源信号进行ASK调制的反向散射方法将功率需求回送到发射端。发射器对这些电源需求信号进行解调后调整线圈驱动，即可改变要供应的功率。

线圈种类

市场主流线圈分类如下：

系统效率

整个系统效率包括三个部分效率：发射端效率、线圈耦合效率、接收端效率。如果每个部分效率在90%的话，系统总效率只有90%*90%*90%=72.9%。

传输流程

传输分为四个阶段：

• 选择阶段（Selection）:用于检测是否有接收器存在，检测方法可以是定期发射固定频率的信号（也叫做“Analog Ping”）也可以使用检测电容的变化来实现检测。
• 探索阶段（Ping）：检测到接收器后，发射器会发送足够能量的信号（“Digital Ping”）启动接收器的通讯功能，接收器回应信号强度指示包，接收器收到信号强度包后，发射器会维持电源信号，系统进入下一阶段。
• 配置阶段（Configuration）:接收器会把WPC信息参数比如所需最大输出功率等参数发送给发射器。
• 传输阶段（Transfer）:完成配置后，系统进如电源传输阶段。接收器会检测整流后的电压电流，发送错误包（Error Packet）使发射端增大或减少发射功率。此外，接收器会定期发送收到功率包发给发射器，如果发射器发现收到功率与所发射功率差异过大，为确保电源传输安全会停止发射功率关闭系统。如果接收器不再需要电源（电池已经充满）时，接收器会发送结束功率传输包，发射端接收到后返回选择待机阶段。

异物检测（FOD)

在待机模式下，发射器不会对放置在发射线圈上的金属物体予以回应，但当有金属物体出现在正在进行电源传输的发射器和接收器线圈之间时，金属物体就会因在其内部生成的涡状电流而发热，如果没有采取任何安全措施，此金属物体就会变得越来越热，引发危险。

功率损耗检测:接收器会定期发送收到功率包发给发射器，如果发射器发现收到功率与所发射功率差异过大，为确保电源传输安全会停止发射功率关闭系统。对于 5W 应用，两者功率最大不超过350mW。