無線充電聯盟標準及TI兼容解決方案

　　引言

　　無線充電技術在消費類市場表現出巨大的潛力。在不使用連線的情況下給電子設備充電不但可為便攜式設備用戶提供一種便利的解決方案，而且還讓廣大設計人員能夠尋找到更具創(chuàng)新性的問題解決方法。許多電池供電型便攜式設備均能受益于這種技術，從手機到電動汽車不一而足。

　　電感耦合方法可以實現高效和通用的無線充電。為了便于使用并且讓設計人員和消費者都受益，無線充電聯盟 （WPC） 制定出了一種標準。在供電設備（電力發(fā)射器，充電站）和用電設備（電力接收器，便攜式設備）之間創(chuàng)建了互操作性。WPC 成立于 2008 年，由亞洲、歐洲和美國的各行業(yè)公司組成，其中包括電子設備制造廠商和原始設備制造商 （OEM）。WPC 標準定義了電感耦合（線圈結構）的類型，以及低功耗無線設備所用的通信協(xié)議。在這種標準下工作的任何設備都可以與任何其他 WPC 兼容設備配對。這種方法的一個重要的好處是其利用這些線圈來實現電力發(fā)送器和電力接收器之間的通信。典型的應用圖，請參見圖 1。

　　無線充電 WPC 標準

　　WPC 標準下，無線傳輸的“低功耗”就是說功耗僅為 0～5W。達到這一標準范圍的系統(tǒng)在兩個平面線圈之間使用電感耦合來將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。兩個線圈之間的距離一般為 5mm。輸出電壓調節(jié)由一個全局數字控制環(huán)路負責，這時電力接收器會與電力發(fā)送器通信，并要求或多或少的功耗。該通信是一種通過反向散射調制從電力接收器到電力發(fā)送器的單向通信。在反向散射調制中，電力接收器線圈受到負載，從而改變電力發(fā)送器的電流消耗。我們對這些電流變化進行監(jiān)控，并解調成兩個設備協(xié)同工作所需的信息。

　　WPC 標準定義了系統(tǒng)的三個主要方面——提供電力的電力發(fā)送器、使用電力的電力接收器以及這兩種設備之間的通信協(xié)議。下面，我們將詳細介紹這三個方面。

　　電力發(fā)送器

　　電力傳輸方向始終是從電力發(fā)送器到電力接收器。電力發(fā)送器的關鍵電路是用于向電力接收器傳輸電力的一次線圈、驅動一次線圈的控制單元以及解調一次線圈電壓或者電流的通信電路。我們對電力發(fā)送器設計的靈活性進行了限制，旨在向電力接收器提供一致的電力和電壓電平。

　　電力接收器將自己作為電力發(fā)送器的一個兼容設備，同時也提供配置信息。一旦發(fā)射器開始電力傳輸，電力接收器就向電力發(fā)送器發(fā)送一些誤差數據包，從而要求或多或少的電力。一旦接收到一個“終止電力”消息，或者如果 1.25 秒以上都沒有接收到數據包，則電力發(fā)送器停止供電。沒有電力傳輸時，電力發(fā)送器則進入低功耗待機模式。

　　WPC 規(guī)范允許使用固定和移動配置。單個固定線圈（稱作類型 A1）為 TI 支持的解決方案。

　　電力發(fā)送器（其通常為一個平面用戶將電力接收器放置在上面）連接至電源。符合 WPC 標準的設備線圈起到了一個 50% 占空比諧振半橋的作用，其輸入為19-VDC（±1 V）。如果電力接收器需要或多或少的功率，則線圈頻率會發(fā)生變化，但會保持在 110 到 205kHz 之間，具體取決于功率需求。

　　電力接收器

　　電力接收器通常為一種便攜式設備。電力接收器的關鍵電路是用于從電力發(fā)送器接收電力的次級線圈、用于將 AC 轉換為 DC 的整流電路、用于將未穩(wěn)壓 DC轉換為經過穩(wěn)壓的 DC 的電源調節(jié)電路以及用于將信號調制到次級線圈的通信電路。電力接收器負責其身份認證和電源要求的所有通信，因為電力發(fā)送器只是一個“收聽者”。

　　盡管為了讓其符合 WPC 標準我們對電力發(fā)送器的設計進行了限制，但設計電力接收器時卻可以有更多的自由。我們可以調節(jié)電力接收器的線圈尺寸，以滿足設備的體積要求。利用 5-V、500-mA 輸出的 70% 典型效率，我們對電力接收器的線圈電壓進行全波整流。由于兩個設備之間的通信是單向的，因此 WPC 選擇電力接收器作為“述說者”。電感電能傳輸通過耦合一次到次級線圈的磁場工作。非耦合磁力線圍繞一次線圈旋轉，且只要磁力線不耦合寄生負載其便不會出現損耗（例如：金屬的渦流損耗等）。

　　通信協(xié)議

　　通信協(xié)議包括模擬和數字聲脈沖 （pinging）；身份識別和配置以及電力傳輸。電力接收器放置在電力發(fā)送器上面時出現的典型啟動順序如下：

　　1、來自電力發(fā)送器的模擬 ping 檢測到對象的存在。

　　2、來自電力發(fā)送器的數字 ping 為模擬 ping 的加長版，并讓電力接收器有時間回復一個信號強度包。如果該信息強度包有效，則電力發(fā)送器會讓線圈保持通電并進行下一步驟。

　　3、身份識別和配置階段期間，電力接收器會發(fā)送一些數據包，對其進行身份識別，并向電力發(fā)送器提供配置和設置信息。

　　4、在電力傳輸階段，電力接收器向電力發(fā)送器發(fā)送控制誤差包，以增加或者減少電力。正常運行期間，每隔約 250ms 便發(fā)送這些包，而在大信號變化期間會每隔 32ms 發(fā)送一次。另外，在正常運行期間，電力發(fā)送器會每隔 5 秒鐘便發(fā)送一次電力包。

　　5、為了終止電力傳輸，電力接收器會發(fā)送一條“終止充電”消息，或者 1.25 秒時長內都不進行通信。兩種事件中的任何一個都會讓電力發(fā)送器進入低功耗狀態(tài)。

　　TI 的 WPC 兼容解決方案

　　TI 是 WPC 的創(chuàng)始會員之一，并在制定穩(wěn)健的無線充電規(guī)范方面起到了積極的作用。TI 利用三種新開發(fā)的 IC 同時為電力接收器和電力發(fā)送器提供可靠的解決方案。電力接收器使用 MSP430bq1010 和 bq25046 器件。電力發(fā)送器基于bq500110，其支持 A1 型（單線圈）結構。接收器和發(fā)射器 IC 均能夠與其他WPC 兼容解決方案通用。

　　電力接收器中的 MSP430bq1010 處理所有邏輯功能和通信。板上模數轉換器監(jiān)控進入 bq25046 的電壓電平以及從 bq25046 流出的電流電平。bq25046 向MSP430bq1010 提供負載電流信息，之后其使用這一信息來控制電力發(fā)送器的工作點。bq25046 擁有一個為 MSP430bq1010 和邏輯電路供電的低電流 3.3-V 低壓降調節(jié)器 （LDO），而一個更大的 5.0-V LDO 能夠向主輸出提供高達 1A 的電流。

　　電力發(fā)送器解決方案通過 bq500110 實現。這種器件對來自電力接收器的串行數據進行解調和解碼?？刂齐娐肥紫却_認電力接收器實際為一種 WPC 兼容設備，然后對電力發(fā)送器進行相應的配置。

　　TI 的 BQTESLA100LP EVM 套件將單獨的發(fā)送器和接收器設計組合到一個包括了機械封裝的一個套件中。該套件既可用于 IC 評估也可以用作設計實例。WPC 已確認這些電力發(fā)送器和接收器解決方案符合 1.0 版規(guī)范。無需使用軟件來操作 EVM，其僅需要一個 19-V 輸入。在高達 1A 電流條件下，EVM 套件的輸出為 5V。發(fā)送器 EVM 包括多個 LED 選項，用于直觀指示電力發(fā)送器狀態(tài)。另外，兩個蜂鳴器選項提供電力傳輸開始的聲音提示。

　　結論

　　WPC 標準是一整套讓制造廠商相信其組件可以與其他為電感電力傳輸而設計的各種 WPC 認證組件協(xié)調工作的指導原則，從而開發(fā)大量的解決方案。

　　作者：Bill Johns，