電感無線功率傳輸越來越普遍。最近，許多移動電話制造商宣布其新手機將支持無線充電功能。其中多數制造商使用基于電感功率傳輸的無線充電技術。此技術也可用于其他便攜設備。為了簡化無線充電系統設計，創立了無線充電聯盟(WPC)并提出了低功率標準。

本文將介紹無線功率傳輸的基本理論并概述WPC的“Qi”標準。最后，將引入可與Qi標準兼容的低成本分立式無線充電器解決方案。

基本理論

基于電感功率的無線功率傳輸的基本理論非常簡單。眾所周知，交變電場將產生磁場，而交變磁場也將產生電場。在發射器上，直流電已轉換為交流電，并且產生交變電場。在接收器上，線圈獲取交變磁場的電源，并將交流電轉換為直流電用于輸出負載。

發射器線圈和接收器線圈是分開的，具有大漏電感和小耦合因數，因此傳輸效率極低。要提高傳輸效率，必須采用補償電路。常見方法是在發射器端和接收器端同時放置補償電容，與發射器線圈和接收器線圈形成諧振電路以改進功率傳輸。圖1顯示兩個補償電路方法的拓撲。通常，電容放在傳輸端與發射器線圈形成串聯諧振電路，而在接收器端有兩種具有不同拓撲的結構類型。一種是與接收器線圈形成串聯諧振電路的電容，另一種是與接收器線圈形成并聯諧振電路的電容。

圖1–兩種諧振電路拓撲

電壓傳遞函數如下所示，

Cp和Lp是發射器端發射器線圈的串聯電容值和電感值，而Cs和Ls是接收器端接收器線圈的串聯或并聯電容值及其串聯電感值。M是互感。ω0是諧振頻率。ωn是標準化工作頻率。n是兩個線圈電感的比率。Q是品質因數。K是耦合因數。α是發射器串聯電容和接收器電容的比率。R是輸出負載。

等式2中未考慮線圈的串聯電阻。如果更改電路模型，如圖2，將改變串聯諧振電路的電壓傳遞函數，如下所示。

圖2具有電感串聯電阻的串聯諧振電路

和，并聯諧振電路上的等式與之類似。

有一些參數對無線充電器系統產生影響。在無線充電器應用中，多數系統接收器中使用串聯諧振電路，因此我們僅討論以下這種電路。

(1)品質因數

在等式6中，Q稱為品質因數。發射器線圈或輸出電阻改變會影響Q值。在無線充電器系統中，工作點設置在諧振頻率上。發射器諧振頻率和接收器諧振頻率始終相同。因此諧振頻率上的電壓傳遞函數值(ωn=1)就是我們感興趣的。圖3說明系統電壓傳遞函數相對于Q值改變。

圖3具有不同品質因數的電壓傳遞函數

從該圖中我們可以看出，當Q值變小時，諧振頻率點的電壓傳遞函數曲線變化更明顯。在這種情況下，電壓傳遞函數對頻率極為敏感，無法輕松地將輸出保持穩定。另一方面，當Q值變大時，諧振頻率的曲線變化變慢，但電壓傳遞函數變得極低。要獲得相同的輸出電壓，我們必須在發射器上施加更大的輸入電壓和電流，而這會顯著降低效率。因此我們需要仔細選擇合適的Q值。和往常一樣，范圍為4至6之間。

(2)耦合因數。

在等式7中，K稱為耦合因數。正如我們所知，發射器產生磁通量。到達接收器的磁通量越多，線圈耦合的越好。耦合因數用于測量此耦合度。耦合因數值介于0和1之間，其中0是指發射器線圈和接收器線圈是獨立的，而1是指它們完美耦合。當線圈完美耦合時，發射器線圈產生的磁通量全部被接收器線圈收集。

圖4具有不同耦合因數的電壓傳遞函數

圖4顯示耦合因數如何影響電壓傳遞函數曲線。從該圖中，可以發現有一個k值，其中電壓傳遞函數達到峰值，這表示實現了最大性能。因此良好耦合的線圈對于獲得更佳的系統性能至關重要。

WPC無線充電器標準

為設立一個稱為“Qi”的短距離移動設備無線功率傳輸標準，創建了無線充電聯盟。WPC標準定義低功率無線設備中的電感耦合工作方法以及功率發射器和接收器之間的通信協議。它還定義從發射器到接收器傳輸的最大功率為5W，發射器線圈與接收器線圈之間的典型距離為5mm。基本系統原理圖如圖5所示。依據WPC標準工作的任何設備都可與任何其他符合WPC標準的設備配合使用。在Qi標準V1.1中，添加了異物檢測(FOD)功能。

圖5基本系統

(1)功率發射器

WPC標準中有三種功率發射器類型：導向定位、具有移動線圈的自由定位以及具有線圈矩陣的自由定位如圖6中所示。

圖6三種功率發射器定位類型

使用導向定位，接收器線圈中心必須與發射器線圈中心對齊。否則，傳輸功率和傳輸效率將顯著降低。因此，發射器線圈和接收器線圈中使用了兩個磁體以便對準和會聚磁力線。

自由定位是較好的發射器類型，因為它使最終用戶能夠方便地進行無線充電。有兩個子類型來實現此功能。一個是移動發射器線圈，另一個是發射器線圈矩陣。在第一種類型中，當接收器放在發射器表面時，發射器通過移動線圈與接收器線圈對齊，然后傳輸功率。在第二種類型中，發射器線圈由線圈矩陣形成。當接收器放在發射器上時，將會激活接收器線圈周圍的一個或多個線圈，并向接收器傳輸功率。

功率發射器有一個DC或AC塊，例如，一個半橋連接至串聯諧振電路。Cp和Lp參數及輸入電壓因發射器不同而異。DC至AC開關的工作頻率在110KHz時為正常，為控制功率可能會變為205KHz。諧振回路也用于優化功率傳輸。

功率發射器也有一個通信塊以解調接收器的功率傳輸控制信息。其由電壓或電流檢測電路形成。

(2)功率接收器

功率接收器通常是便攜設備，其硬件設計比發射器更簡化。通常包括四個部件：功率提取塊、全橋整流電路、電壓調節塊和通信控制塊。

功率提取塊由包括接收器線圈(Ls)和串聯諧振電容(Cs)的串聯諧振電路組成。諧振電路用于優化功率接收。并聯電容提供并聯諧振電路用于檢測接收器。

全橋整流器用作AC至DC電路，將接收波轉換為穩定電壓。電壓調節塊為DC至DC電路，將較高的接收電壓轉換為負載所需的電壓。通信控制塊用于將功率控制信息（如控制錯誤包）傳輸至功率發射器，以調節功率傳輸操作點或功率發射器的其他狀態。

(3)開放的溝通

在WPC標準中定義的發射器和接收器之間的通信為單向通信。通信方向是從接收器到發射器。功率接收器通過更改其阻抗（如電阻或電容）調節功率量，此操作將導致發射器線圈電流或線圈電壓定期改變。發射器可檢測線圈電流或線圈電壓變化，用于解調通信信息。該標準定義發射器線圈電流幅度的最小幅度差，或邏輯高電平和邏輯低電平之間的線圈電壓。分別為15mA和200mV。

WPC標準還定義通信中的數據格式。在每次數據傳輸中，將傳輸一個數據包。一個數據包由一個用于位同步的前同步碼（11位以上1）、指明數據包類型的一字節消息頭、消息信息（1..27字節）和一個檢驗和字節組成。一個數據字節為11位串行格式。此格式由一個位起始位、八個數據位、一個校驗位和一個位停止位組成。起始位為零。數據位的順序從最低有效位開始。校驗位為奇數，停止位為一。數據位采用差分雙相碼編碼，其速度為2Kbps。數據格式如圖7所示。

圖7數據格式

(4)功率傳輸系統控制

從功率發射器到功率接收器的功率傳輸包括WPC標準中定義的四個階段。它們是選擇階段、ping階段、標識和配置階段以及功率傳輸階段。各階段之間的關系如圖8所示。

圖8系統控制流程

A.選擇

在此階段，功率發射器檢測其表面上是放置物體還是移除。功率發射器可通過許多方法實現此功能。如果功率發射器檢測到一個或多個物體，它應嘗試找到這些物體并區分潛在功率接收器和異物。在某種情況下，功率發射器應嘗試選擇一個主單元和一個功率接收器用于功率傳輸。如果功率發射器選擇一個主單元和一個功率接收器，則應進入ping階段。另一方面，如果功率傳輸器未識別潛在功率接收器或時間超時，則將進入待機工作模式。

B.Ping

在ping階段，功率發射器應執行數字ping。它檢查潛在功率接收器是否為功率接收器或功率接收器是否需要功率傳輸。因此功率發射器為主線圈供電時間最長達65ms。功率接收器必須在此時間內通過負載調制回應。完成此操作后，系統將進入下一階段，即標識和配置階段。如果未完成，系統應返回上一階段，即選擇階段。

C.標識和配置

在標識和配置階段，功率發射器應能識別功率接收器，而功率接收器應傳輸配置信息，如功率接收器的基本設備標識符、功率接收器應提供給其整流器輸出、功率發射器的最大功率量。功率發射器接收此信息并調節工作點，然后進入功率傳輸階段。如果功率發射器因任何原因無法從功率接收器正確接收識別和配置信息，如功率接收器無法發送數據包或功率發射器無法解調正確信息，功率發射器應返回上一階段，即選擇階段。

D.功率傳輸

在功率傳輸階段，功率發射器將向功率接收器提供持續功率，并響應從功率接收器接收的控制數據，調節功率傳輸工作點。在功率傳輸階段，功率發射器應監控功率傳輸參數。如果任何參數超出限制，將中止功率傳輸并返回選擇階段。最后，從功率接收器接收了終止傳輸數據包時，功率發射器將終止功率傳輸。例如，當電池滿電時，功率接收器無需再對電池充電。它應將終止功率傳輸數據包信息發送至功率發射器，以終止功率傳輸。然后，系統將返回選擇階段。它將保持在前三個階段，直到功率發射器上放置新的功率接收器或更改了配置信息。

分立式無線充電器解決方案

我們可以輕松設計一個具有一些分立式設備的無線充電器系統，其與以上所示的Qi標準兼容。圖9顯示其中一個無線充電器分立式解決方案。

圖9分立式無線充電器解決方案

在發射器端，微控制器單元(MCU)用于控制發射器的整個功能。MCU生成脈寬調制(PWM)波以驅動柵極驅動器。PWM的頻率和占空比由MCU控制。MCU根據從接收器接收的錯誤控制數據包控制這兩個參數。FAN73932為半橋柵極驅動器，它將接收的矩形波轉換為兩個非重疊信號，以驅動低端和高端MOSFET。DC至AC功能由此設備和兩個N-MOSFET實現。發射器線圈由AC波驅動。串聯電容用于與發射器線圈形成一個串聯諧振電路，以實現更好的功率傳輸性能。功率可以此方式傳輸。FAN8303為DC-DC轉換器，為MCU電源提供5V電壓。另一部分為通信部分。電容用于從線圈獲取電壓，并將此電壓發送至MCUADC以獲取通信信息。我們也可使用感測電阻和電壓放大器來檢查發射器線圈的電流變化。

在接收器端，也采用MCU來控制接收器的所有操作。具有接收器線圈的串聯諧振電路由電容構成。當接收器線圈放在發射器線圈上時，我們可在此串聯諧振電路的末端獲得AC電壓。AC至DC功能由具有兩個N-MOSFET和兩個二極管的全橋整流器實現。DC電壓在此電路輸出端獲取。該電壓可通過調節器電容使其穩定。此電壓通過DC-DC轉換器(FAN8303)傳輸，在FAN8303設備的輸出端獲取穩定的5V，用于MCU電源。MCU上電時，它控制兩個MOSFET，以便與發射器通信。整個無線系統采用此方式配置。MCU將在完成正確配置后打開輸出開關。輸出電壓也可用于對便攜設備充電。充電電流和輸出電壓由MCU監控，以了解何時需要終止充電。

在軟件方面，圖10顯示無線充電器發射器和接收器的簡要流程圖。

通過此類無線充電器系統，系統可獲取5W充電電源，效率約為69%。

結論

無線充電器是采用舊技術的便攜設備市場新應用。WPCQi標準有益于無線充電器的普及。借助此標準，我們可輕松設計無線充電器系統。本文僅提及系統中使用的幾種分立式設備。此外，Qi標準的所有功能都可實現。此系統是可以廣泛使用的低成本無線充電器解決方案。