大牛詳解無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射機和接收機設計及權衡！

無(wú)線(xiàn)充電目前主要有3個(gè)不同標準，但現在市場(chǎng)上有90%以上用的都是WPC Qi標準。市場(chǎng)發(fā)展到今天非常好，原因之一是蘋(píng)果去年2月份就宣布，其iPhone 8/X將支持無(wú)線(xiàn)充電。第二，從發(fā)射端角度講，汽車(chē)業(yè)現在對無(wú)線(xiàn)充電也非常感興趣。今年大概有100多個(gè)車(chē)型會(huì )用前裝無(wú)線(xiàn)充電器。而且現在Qi無(wú)線(xiàn)充電（接收端輸出功率）最大可以達到15W，如果用這樣大的功率來(lái)充電，手機電池按3000mAh來(lái)算的話(huà)，開(kāi)車(chē)40分鐘就可以把手機充滿(mǎn)60%。因此，其相對于5W來(lái)講，實(shí)用價(jià)值非常高。這也將進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

那么，這些消息有沒(méi)有數據來(lái)證明呢？據市場(chǎng)分析機構I.H.S預估，今年市場(chǎng)上無(wú)線(xiàn)充電接收器IC出貨將達5億片以上，市場(chǎng)相當可觀(guān)。事實(shí)上，到目前為止，今年采用無(wú)線(xiàn)充電的手機出貨量已達2億部，與該數據吻合。另外，對于中國市場(chǎng)來(lái)講，蘋(píng)果和三星這兩大廠(chǎng)商，基本上都有無(wú)線(xiàn)充電的手機，這覆蓋了很大的市場(chǎng)。而發(fā)射機市場(chǎng)對于中國來(lái)說(shuō)，是個(gè)很好的市場(chǎng)——目前中國本土公司生產(chǎn)了很多Tx產(chǎn)品，包括15W、5W和蘋(píng)果無(wú)線(xiàn)快充的產(chǎn)品。此外，上個(gè)月我們也了解到，小米和華為都宣布了帶無(wú)線(xiàn)充電的旗艦手機以及配套的無(wú)線(xiàn)充電器。

這是日前在A(yíng)SPENCORE旗下《電子工程專(zhuān)輯》、《EDN》和《國際電子商情》共同舉辦的“無(wú)線(xiàn)充電與快速充電技術(shù)論壇”上，筆者從IDT公司產(chǎn)品定義和系統應用高級總監Rui Liu博士的演講中聽(tīng)到的有關(guān)無(wú)線(xiàn)充電的一個(gè)好消息。他的議題是“無(wú)線(xiàn)充電：發(fā)射機和接收機設計及權衡”，里面詳述了各種無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的原理、在設計發(fā)射機和接收機時(shí)需要考慮的主要參數，以及在實(shí)際應用中遇到的一些問(wèn)題。干貨滿(mǎn)滿(mǎn)，下面和大家分享。

三種無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

電磁感應（WPC Qi標準）。電磁感應原理和變壓器的差不多，即有初級線(xiàn)圈（Tx線(xiàn)圈）和次級線(xiàn)圈（Rx線(xiàn)圈），能量通過(guò)磁場(chǎng)從初級傳到次級。“與變壓器的唯一區別在于，它是通過(guò)空氣耦合而不是磁性耦合過(guò)去的。”劉博士表示，“以前的電動(dòng)牙刷插上去就可以充電，和這個(gè)道理差不多，只不過(guò)它磁芯是立體的，我們是平面的。”這個(gè)技術(shù)最關(guān)鍵的問(wèn)題是耦合，從而把效率做得高。

由于是根據變壓器原理實(shí)現的，所以它功率和頻率不是太高，比如WPC標準的頻率小于205kHz。另外在設計發(fā)射機時(shí)，還要考慮所賣(mài)地區的EMI和法規要求。

電磁共振（A4WP標準）。這個(gè)標準頻率比較高，它是通過(guò)磁共振的方式實(shí)現的。“這種方式有點(diǎn)像收音機——需要有一個(gè)諧振電路，調到那個(gè)頻率上才能收到音，調不到頻率則收不到音。”劉博士介紹，磁共振接收端要調到它的工作頻率6.78MHz，調不到這個(gè)頻率則收不到電力。

A4WP的規范比較高大上：第一它可以一對多，第二它可以隨便怎么放。另外，它的發(fā)射機和接收機之間通信也比較容易，是用BLE而不是用in-band來(lái)實(shí)現的。它的缺點(diǎn)是，采用比較大的線(xiàn)圈做到一對多，因此存在磁場(chǎng)沒(méi)有被充分利用和能量飽和的情況——目前效率能做到50%就相當不錯了（最高可以做到55%）。第二是成本高。“在座如果有做過(guò)DC/DC電源的話(huà)就知道，1M和6M開(kāi)關(guān)電源的效率是完全不一樣的，要做6.78M的效率就可想而知。”劉博士表示，“因為6.78M是個(gè)通信頻段，有頻段要求，精度要高。它必須要用晶振，避免干擾，所以成本比較高。另外，它的線(xiàn)圈比較大，有磁場(chǎng)（EMI）輻射。6.78M對人體有沒(méi)有什么影響，目前還沒(méi)有好的結論。”

電場(chǎng)耦合。目前，電場(chǎng)的產(chǎn)品還沒(méi)有看到有，即使有，也是在極端特殊的情況下根據電場(chǎng)的原理來(lái)實(shí)現傳輸的。目前來(lái)看電場(chǎng)還沒(méi)有大功率產(chǎn)品，也沒(méi)有什么市場(chǎng)。

無(wú)線(xiàn)充電是怎樣工作的？

第一要有發(fā)射機，要有直流電源，利用半橋產(chǎn)生一個(gè)方波。然后經(jīng)過(guò)一個(gè)電感電容，從直流變成交流。一旦產(chǎn)生交流電流，它就會(huì )通過(guò)電感產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)——特別是WPC的Qi標準，就是采用磁場(chǎng)傳輸能量的。

第二，有了這個(gè)磁場(chǎng)以后，就必須有接收機來(lái)接收這個(gè)能量。交變磁場(chǎng)通過(guò)接收線(xiàn)圈時(shí)，就會(huì )使它產(chǎn)生一個(gè)交變電壓。然后就需要用一個(gè)全橋（或半橋，全橋更多）去整流，產(chǎn)生一個(gè)相對比較穩定的直流電壓。一旦回路閉合，就會(huì )有電流傳輸。這就實(shí)現了無(wú)線(xiàn)充電。

“當然，發(fā)射端線(xiàn)圈下面的磁場(chǎng)不需要。下面如果有電路板或其他金屬，會(huì )產(chǎn)生渦流損耗。同理，接收端上面的磁場(chǎng)在空氣里，也不需要。因此，不需要磁場(chǎng)的地方，要想辦法把它屏蔽掉。這就是為什么所有的線(xiàn)圈后面都加了一個(gè)隔磁吸波材料。”他補充。

此外，還需要對能量進(jìn)行控制。能量的需求方是接收機。接收機需要發(fā)送一個(gè)信號，告訴發(fā)射機能量夠不夠。進(jìn)而發(fā)射機加大或減少能量。通信可以用BLE，而現在WPC用的是ASK（In-Band），即調幅方式。調幅的頻率是2kHz；100多kHz的功率經(jīng)過(guò)載波、調幅，就可以把信號加進(jìn)去。這樣就成了完整的無(wú)線(xiàn)充電器。

確定線(xiàn)圈尺寸及距離

系統到這步是可以工作的，但我們還需要確定線(xiàn)圈尺寸以及距離。下圖是發(fā)射線(xiàn)圈的磁場(chǎng)分布情況。從中可以看出，磁場(chǎng)密度集中在中間這一帶。離發(fā)射機線(xiàn)圈越遠，磁場(chǎng)強度越低。所以，要做一個(gè)效率比較高的發(fā)射機的話(huà)，Rx線(xiàn)圈和Tx線(xiàn)圈不能隔太遠——目前Qi要求是在8mm以下，通常是4到5mm。第二，線(xiàn)圈越小效率越低。如果接收機的線(xiàn)圈能夠把發(fā)射機的磁通全部包進(jìn)去，那么效率就高。

由于是利用變壓器的原理，因此其可以用變壓器的互感原理來(lái)實(shí)現。要解決設計上的不穩定，可以通過(guò)以下互感公式來(lái)解決。

耦合系數k理想情況是0.2~0.8，變化范圍比較大，越往中間耦合越好。線(xiàn)圈越小耦合越差。知道兩個(gè)線(xiàn)圈的電感以及之間的互感，就能夠計算出k值。

縱向、橫向和角度位移對耦合系數的影響

下圖中，左邊是Rx和Tx線(xiàn)圈耦合示意。右邊是耦合系數k與位移d之間的關(guān)系。未對準包括縱向、橫向和角度三種情況。其中，縱向變化影響特別大；橫向變化（比如在5~7mm以?xún)龋┯绊懴鄬π∫稽c(diǎn)。這個(gè)曲線(xiàn)也解釋了，符合WPC的接收機（比如手機）放在充電板上，從中心外旁邊挪5mm，對效率的影響不是太大；7mm就比較大了。“z的距離在5mm以?xún)?，xy/半徑不超過(guò)5mm，效率就比較好。有多好呢？在5V輸入、5V輸出、5W的情況下，如果接收機的線(xiàn)圈交流電阻（ACR）做到120mΩ或150mΩ以下，那么效率可以做到78%~80%；如果是12V輸入、12V輸出，15W時(shí)，效率可以做到87%到88%。這很大情況下取決于接收機的線(xiàn)圈，也就是ACR。”劉博士談道，為什么是接收線(xiàn)圈？因為WPC對發(fā)射機線(xiàn)圈要求非常高。要設計一個(gè)發(fā)射機，就必須按照它的參考設計來(lái)做。換句話(huà)說(shuō)，就是在發(fā)射機設計上基本上沒(méi)有多大的改動(dòng)余地。而接收機線(xiàn)圈則沒(méi)有太多規定。

下圖中的綠色部分是比較好的曲線(xiàn)?？v軸是效率，橫軸是線(xiàn)圈距離。當線(xiàn)圈大小比例或距離太大時(shí)，效率都會(huì )變差。

“我們基本上都是以Tx線(xiàn)圈作為標準，為什么？因為T(mén)x線(xiàn)圈是受WPC控制的，你沒(méi)有辦法去改變線(xiàn)圈。你在做Qi認證的時(shí)候，你必須要告訴他，你用的是哪一個(gè)線(xiàn)圈，哪一個(gè)Tx參考設計。他會(huì )根據那個(gè)設計的標準，來(lái)檢查你的Tx有沒(méi)有通過(guò)。檢查不通過(guò)，你就需要重新設計。”他強調說(shuō)。

如果能夠滿(mǎn)足圖中綠色部分以?xún)鹊膮?，那效率就可以做得比較好（70%以上）。

Qi的局限性在于不能離太遠。“我在和客戶(hù)以及同事討論無(wú)線(xiàn)充電的時(shí)候，大家有一個(gè)錯誤的認識，就是認為我們的無(wú)線(xiàn)充電，應該是我把手機放在褲兜里，在我的屋里走就可以充電。這在Qi的標準里是實(shí)現不了的。但是現在有人在搞遠距離無(wú)線(xiàn)充電研究。”他指出。

電能傳輸效率優(yōu)化總結

下面總結一下，對于Qi標準，怎么樣實(shí)現最大效率的電能傳輸。

1.Rx線(xiàn)圈一定不能離Tx線(xiàn)圈太遠（控制在5mm以?xún)仁亲罴褷顟B(tài)）。

2.Rx線(xiàn)圈不要做到太小，而應盡量做到和Tx線(xiàn)圈差不多大（目前在手機里Rx線(xiàn)圈是做到直徑35~54mm。線(xiàn)圈大的好處是很容易和Tx配對，缺點(diǎn)是成本相對較高）。

3.用一些對準方法，比如視覺(jué)（圖像）、機械或磁鐵（如可穿戴產(chǎn)品）。說(shuō)到磁鐵，有一點(diǎn)要注意：永久磁鐵放在發(fā)射機中心，對發(fā)射損耗有不小影響，可以達到5~10%，因此推薦最好是用三個(gè)磁鐵，放在線(xiàn)圈外面。

4.使用利茲線(xiàn)來(lái)盡可能降低線(xiàn)圈交流電阻。

5.設計合適的線(xiàn)圈增益（輸出電壓/輸入電壓）來(lái)維持最佳工作條件。

強調一點(diǎn)，發(fā)射機側，在DC-DC甚至DC/AC時(shí)，有一個(gè)使能引腳用于實(shí)現自我保護。在接收機側，整流是4個(gè)MOSFET（幾百V），沒(méi)有辦法關(guān)掉，否則功耗太大。所以接收機自我保護非常重要，尤其是在大功率（5W以上）、高電壓（9V以上）的情況下。

Qi的通信采用的是2kHz/500μs幅移鍵控（ASK）。他強調說(shuō)，無(wú)線(xiàn)充電是一個(gè)系統，有接收機和發(fā)射機，接收機是主控，發(fā)射機是從控。發(fā)射機需要接收機告訴它需要多大功率。因此，通信一定不能中斷，否則就會(huì )出問(wèn)題。要是接收機的自我保護再做不好，就會(huì )出現更大的問(wèn)題。

ASK通信既可以用電壓也可以用電流來(lái)反映。目前做得比較好的是通過(guò)電壓、電流兩路來(lái)反映，這樣可以提高可靠性。

此外，為了方便用戶(hù)（尤其是中小型用戶(hù)）設計，IDT提供評估板，包括1~3W、5W和15W三種類(lèi)型。同時(shí)，IDT也提供1~15W Turnkey參考設計，方便用戶(hù)評估和實(shí)現各種無(wú)線(xiàn)充電應用。