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用戶如何與設(shè)備交互是每個(gè)優(yōu)秀的工程師在項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)要問(wèn)的最基本問(wèn)題之一。客戶需要快速充電嗎？需要對(duì)準(zhǔn)方面的靈活性嗎？是不是要求發(fā)熱量低？需要長(zhǎng)距離充電嗎？需要大功率嗎？每個(gè)發(fā)射器需要多個(gè)接收器？需要很小的外形尺寸嗎？所有這些選項(xiàng)都是可以滿足的，但通常需要進(jìn)行折衷考慮。例如，大功率和低發(fā)熱量并不總是能夠同時(shí)滿足。距離和效率基本上是背道而馳的。因此在為某種設(shè)備設(shè)計(jì)無(wú)線充電系統(tǒng)時(shí)理解用戶需要什么以及如何對(duì)這些需求排定優(yōu)先級(jí)是很重要的第一步。
在用于衡量無(wú)線充電系統(tǒng)性能的指標(biāo)中，效率永遠(yuǎn)是第一位的。天生高效的系統(tǒng)可以提供更遠(yuǎn)的距離、更好的方向靈活性、更低的發(fā)熱量、更小的尺寸以及更小的電源漏電流。下面是無(wú)線充電系統(tǒng)中對(duì)效率有決定性影響的三個(gè)主要模塊：
無(wú)線充電系統(tǒng)的三大模塊
如果所有三個(gè)模塊都工作在最低的估算效率（即圖中所示的80%，70%和80%），那么總的系統(tǒng)效率約等于45%。對(duì)于一個(gè)5W的設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要用 11W的發(fā)射功率才能提供全速充電，大約6W消散于設(shè)備本身（作為熱量散發(fā)掉）和周圍環(huán)境中，包括空氣、裝置和人體組織。在低功率情況下，這也許是安全和 可接受的。但在較高功率時(shí)，比如電動(dòng)汽車的充電，此時(shí)典型的充電功率至少要5kW，那么有6kW要損失在發(fā)射器、汽車和周圍環(huán)境中，因此會(huì)引起嚴(yán)重的發(fā)熱 和安全問(wèn)題。當(dāng)無(wú)線充電系統(tǒng)的所有三個(gè)模塊都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）時(shí)，總的系統(tǒng)效率大約為82%。在這種情況下，一個(gè)5W的設(shè)備只需發(fā) 射器提供約6W的充電功率，只有1W因無(wú)效而損失掉。為了提高系統(tǒng)效率，設(shè)計(jì)師應(yīng)專注于高效率元件，提高發(fā)射器與接收器之間的耦合程度。
松下無(wú)線充電參考設(shè)計(jì)
松下無(wú)線電源控制IC支持所有設(shè)備（DSC、DVC、隨身聽(tīng)、手機(jī)、智能手機(jī)等），符合WPC（無(wú)線充電聯(lián)盟）的 WPC1.1（Qi標(biāo)準(zhǔn)）。松下無(wú)線電源方案采用了一個(gè)用于電力發(fā)射器（電池充電器）的發(fā)射端控制IC（NN32251A）和一個(gè)用于電力接收器（設(shè)備）的接收器控制IC（AN32258A），從而控制電力傳輸。
NN32251A 開(kāi)發(fā)套件（Tx）
NN32251A開(kāi)發(fā)工具包的發(fā)射模塊圖像
AN32258A 開(kāi)發(fā)套件（Rx）
AN32258A開(kāi)發(fā)工具包的接收模塊圖像
支持各種基于WPC 1.1 （Qi 標(biāo)準(zhǔn)）設(shè)備的無(wú)線充電。充電過(guò)程的異常檢測(cè)和各種保護(hù)功能可確保安全性和可靠性。支持標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的最大5W輸出進(jìn)行快速充電。提供外部低阻抗MOSFET的高效控制，降低功耗和生熱。（AN32258）提供包括松下線圈和外圍電路在內(nèi)的解決方案，實(shí)現(xiàn)短理論到達(dá)時(shí)間（TAT）設(shè)計(jì)。
松下無(wú)線充電應(yīng)用示例
TI 10W 無(wú)線電源解決方案
無(wú)線電源系統(tǒng)包括充電板（發(fā)送器或主設(shè)備）和接收器（次級(jí)側(cè)設(shè)備）。充電板和接收器接觸時(shí)，兩個(gè)器件中的線圈通過(guò)磁力作用耦合。電力通過(guò)耦合的電感器（如空氣磁芯變壓器）從發(fā)送器傳輸至接收器。控制傳輸電量的方法是向主器件發(fā)送反饋通信（錯(cuò)誤信號(hào)）以提高或降低電量。發(fā)送器線圈在大部分情況下都處于斷電狀態(tài)，只是偶爾接通以檢測(cè)是否存在接收器。如果接收器能夠自我驗(yàn)證，則發(fā)送器將始終保持通電狀態(tài)。
10W 高效率無(wú)線充電
bq51025接收器不僅支持4.5V至10V可編程輸出電壓，而且與 TI bq500215無(wú)線電源發(fā)送器相結(jié)合，還可在 10W 功率下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 84% 的充電效率，從而可顯著提高散熱性能。該功能齊備的無(wú)線電源接收器解決方案尺寸僅為 3.60 毫米 × 2.89 毫米，可設(shè)計(jì)應(yīng)用在眾多便攜式工業(yè)設(shè)計(jì)方案中，包括零售終端掃描儀、手持式醫(yī)療診斷設(shè)備以及平板電腦和超級(jí)本等個(gè)人電子產(chǎn)品。最新發(fā)布的bq500215是一款專用的固定頻率10W無(wú)線電源數(shù)字控制器發(fā)送器，兼容于 5W Qi 接收器。該發(fā)送器采用增強(qiáng)型異物檢測(cè)（FOD）方法在發(fā)送任何電源之前可進(jìn)行異物檢測(cè)，如果檢測(cè)到過(guò)大損耗，便主動(dòng)降低功率。
bq51025/bq500215 的主要特性與優(yōu)勢(shì)：
快速充電接收器與 TI bq500215 控制器相結(jié)合，可在 10W 功率下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 84% 的系統(tǒng)效率，從而可為 1 節(jié)及 2 節(jié)電池供電電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速充電體驗(yàn)；符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的通信與控制可確保與任何功率達(dá) 5W 的無(wú)線電源聯(lián)盟 Qi 認(rèn)證型發(fā)送器及接收器兼容。無(wú)線充電解決方案的 I2C 通信接口不僅有助于接收器在發(fā)送器表面更好地對(duì)齊，而且還支持在接收器和發(fā)送器之間發(fā)送專有數(shù)據(jù)包；
無(wú)線電源評(píng)估板
bq51025EVM-649 無(wú)線電源接收器評(píng)估套件可幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估 bq51025 的工作與性能；bq500215EVM-648 無(wú)線電源發(fā)送器評(píng)估板提供符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線充電板的所有基本功能。12V 輸入單線圈發(fā)送器可幫助設(shè)計(jì)人員加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。
bq500215功能方框圖
德州儀器 （TI） 業(yè)界首款全面集成型 10 W無(wú)線充電解決方案，該解決方案的接收器及相應(yīng)發(fā)送器更為高效，可幫助工業(yè)、醫(yī)療及個(gè)人電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員讓設(shè)備在擺脫所有連接器的同時(shí)，更快、更高效地充電。此次推出的bq51025和bq500215 目前都已投入量產(chǎn)，它們不僅支持防水、防塵以及便攜式設(shè)計(jì)，而且還更快的為 1 節(jié)及 2 節(jié)（1S 和 2S）鋰離子電池充電且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱。此外，該充電解決方案還兼容于市場(chǎng)上任何符合 5W Qi 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，有助于消費(fèi)類電子產(chǎn)品可以更為靈活的在比以往更多的地方充電。
低功耗A1/A10發(fā)射器解決方案
NXQ1TXA1無(wú)線功率發(fā)射控制器可以與恩智浦NT3H1201 NTAG I2C解決方案結(jié)合，提供了添加自動(dòng)藍(lán)牙配對(duì)等令人興奮的功能的選擇，或允許用戶配置他們的無(wú)線充電器，甚至在其啟用NFC的智能手機(jī)上自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)用程序。該設(shè)計(jì)實(shí)施了恩智浦NWP2081半橋驅(qū)動(dòng)器和恩智浦低RDSon NX2020N2溝道MOSFET，實(shí)現(xiàn)了高效率。由電源裝置中的恩智浦GreenChip TEA1720高效開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）控制器供電，該Qi A1/A10無(wú)線電源發(fā)射器成為了更加優(yōu)化的19 V無(wú)線充電解決方案。
方案原理圖
NXQ1TXA1結(jié)構(gòu)框圖
Vishay無(wú)線充電解決方案
新款無(wú)線充電發(fā)射線圈 ---IWTX-4646BE-50新款無(wú)線充電發(fā)射線圈 ---IWTX-4646BE-50，其可用于Qi無(wú)線充電底座。新的Vishay Dale IWTX-4646BE-50采用耐用的結(jié)構(gòu)和高磁導(dǎo)率的屏蔽，在19V輸入電壓下，使用符合WPC的傳輸和接收芯片組及Vishay Dale IWAS-4832FF-50接收線圈，2.7mm間隔情況下的效率超過(guò)70%。IWTX-4646BE-50可與Vishay符合WPC的無(wú)線接收線圈配套使用，高飽和度鐵粉不受永磁定位磁鐵的影響。尺寸更大的鐵氧體線圈在強(qiáng)磁場(chǎng)下會(huì)飽和，IWTX-4646BE-50在4000高斯磁場(chǎng)下的磁飽和為50%，可替代此類線圈。
器件符合RoHS，在200kHz下的電感為24μH，電感公差為±5%，在+25℃下的DCR為71mΩ（± 10%），200kHz下的典型Q值為185。發(fā)射線圈的引線長(zhǎng)40mm，鍍錫部分的長(zhǎng)度為5mm，熱額定電流為6A，飽和電流為20A，自諧振頻率為 7MHz。器件正在申請(qǐng)AEC-Q200認(rèn)證，預(yù)計(jì)在2015年1季度完成認(rèn)證，將用于汽車電子產(chǎn)品。
新款無(wú)線充電接收線圈---IWAS-4832FE-50
飛思卡爾5 W多線圈發(fā)送器參考平臺(tái)專門為汽車無(wú)線充電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的核心是飛思卡爾MWCT1003AVLH發(fā)送控制器IC。該控制器IC管理并執(zhí)行實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電發(fā)送器解決方案所需要的所有控制功能。該解決方案提供一個(gè)高性能的無(wú)線充電系統(tǒng)，同時(shí)也考慮到了汽車復(fù)雜的工作環(huán)境。整個(gè)平臺(tái)采用汽車級(jí)組件，并考慮了其他重要的汽車功能，以確保系統(tǒng)可以無(wú)縫集成。該設(shè)計(jì)符合無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC） 的最新Qi規(guī)范，并已通過(guò)WPC-A13型發(fā)送器認(rèn)證。如同所有飛思卡爾無(wú)線充電解決方案一樣，該參考平臺(tái)支持WPC定義的其他線圈類型。
原理框圖
無(wú)線充電系統(tǒng)元件選擇
由于效率為王，而元件又決定了效率，那么在選擇元件時(shí)了解你自己的想法就非常重要了。在無(wú)線充電領(lǐng)域中，開(kāi)發(fā)高效率、前沿技術(shù)的元件公司有許多。舉例 來(lái)說(shuō)，宜普（EPC）公司開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN）晶體管具有高效率的開(kāi)關(guān)性能，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的功率放大器。在天線方面，NuCurrent 公司開(kāi)發(fā)的天線結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效率、高度靈活的小型天線。與此同時(shí)，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在開(kāi)發(fā)可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)、各種功率電平和小 型尺寸的IC.因此可選的余地很大，如果你是無(wú)線充電設(shè)計(jì)的新手，最好的方法是與元件供應(yīng)商或設(shè)計(jì)咨詢公司一起合作，因?yàn)樗麄兝斫鉄o(wú)線充電的前景，可以幫 助你快速跟蹤設(shè)計(jì)需求，并把你介紹給戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)合作伙伴。
無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)
在電子設(shè)備的無(wú)線充電方面目前已有多種標(biāo)準(zhǔn)，包括無(wú)線電力聯(lián)盟（A4WP）、電力事件聯(lián)盟（PMA）和無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）。這些標(biāo)準(zhǔn)組織存在的目的就是提供發(fā)射器和接收器之間的互操作性平臺(tái)，同時(shí)為滿足法規(guī)要求的產(chǎn)品和元件創(chuàng)新提供指導(dǎo)。如果你的設(shè)備要求互操作性（用戶需要在機(jī)場(chǎng)或當(dāng)?shù)乜Х鹊瓿潆妴幔浚敲茨愕脑O(shè)計(jì)就應(yīng)該圍繞某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)。一般來(lái)說(shuō)，A4WP針對(duì)“松散耦合”系統(tǒng)提 供了技術(shù)上最先進(jìn)的解決方案，WPC則擁有商用化程度最高的開(kāi)發(fā)工具和組件，但它是“緊密耦合”系統(tǒng)（至少現(xiàn)在是這樣）。PMA正在與A4WP合并，為它 的共享標(biāo)準(zhǔn)提供“緊密耦合”技術(shù)。
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