隨著越來(lái)越多的消費(fèi)者希望通過(guò)移動(dòng)設(shè)備切斷電源線，無(wú)線充電正在成為越來(lái)越重要的產(chǎn)品功能。然而，對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的混亂和開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性已經(jīng)加劇了無(wú)線充電功能的選擇和快速實(shí)施。

工程師不僅在選擇和采用最合適的充電技術(shù)方面面臨重大挑戰(zhàn) - 歸納或共振 - 但也找到解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題的現(xiàn)成解決方案。這些問(wèn)題需要權(quán)衡成本，范圍，效率，對(duì)準(zhǔn)要求以及解決方案可以收取的設(shè)備數(shù)量，僅舉幾例。

AirFuel標(biāo)準(zhǔn)提供對(duì)電感和諧振技術(shù)的支持。一個(gè)有吸引力的平臺(tái)，可用于構(gòu)建無(wú)線充電系統(tǒng)。盡管如此，這些基于標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)峻的開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)，可能會(huì)影響設(shè)計(jì)時(shí)間表并顯著增加最終物料清單（BOM）。

使用Semtech Corporation或Nordic Semiconductor的設(shè)備，工程師可以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，分別基于感應(yīng)或共振技術(shù)開(kāi)發(fā)符合AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)。

AirFuel Alliance解決歸納與共振沖突

不同行業(yè)組合AirFuel Alliance合并的結(jié)果提供基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電方法，基于電感或磁共振技術(shù)。電感和諧振方法不是被視為競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，而是呈現(xiàn)出各種優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，推動(dòng)它們?cè)诓煌闆r下的使用。

感應(yīng)充電系統(tǒng)以不太靈活的物理對(duì)準(zhǔn)為代價(jià)提供高效率，諧振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較低的效率，但可以在更遠(yuǎn)的距離為多個(gè)設(shè)備充電，并且具有高度靈活的對(duì)準(zhǔn)。

這兩種技術(shù)都通過(guò)一對(duì)耦合電感線圈傳輸能量，通過(guò)感應(yīng)或通過(guò)LC電路諧振以相同的頻率。每種方法都依賴于不同的電源感應(yīng)頻率和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的特定通信協(xié)議。最后，對(duì)于希望部署高效無(wú)線充電系統(tǒng)且對(duì)進(jìn)度，設(shè)計(jì)占地面積和BOM影響最小的工程師而言，每一項(xiàng)都可能為開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。專用設(shè)備解決了這些問(wèn)題，簡(jiǎn)化了符合每種技術(shù)的AirFuel規(guī)范的無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

AirFuel Inductive

感應(yīng)技術(shù)是一種相對(duì)成熟的充電方法，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的效率。感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)實(shí)際上是快餐店和新興個(gè)人系統(tǒng)中提供的充電表面的基礎(chǔ)。在這種方法中，用戶將諸如智能手機(jī)之類的設(shè)備放置在桌子或架子的指定區(qū)域上。放置在這些充電區(qū)域下方的發(fā)射線圈使用基本的感應(yīng)原理提供能量。

在最基本的形式中，無(wú)線充電系統(tǒng)包括典型電源中的組件。功率控制器驅(qū)動(dòng)橋，該橋?yàn)樽儔浩鞯某跫?jí)線圈供電。通過(guò)電感耦合，次級(jí)線圈產(chǎn)生電流，并且相關(guān)的電壓波形被整流并轉(zhuǎn)換以提供負(fù)載的電源。開(kāi)關(guān)電源依靠各種反饋機(jī)制來(lái)監(jiān)控和控制最終功率輸出。

與AirFuel兼容的感應(yīng)無(wú)線充電系統(tǒng)反映了這種設(shè)計(jì)方法。在這種情況下，這些系統(tǒng)依靠反向散射作為從接收器到發(fā)射器的通信介質(zhì)，以確保安全有效的操作。通過(guò)反向散射，發(fā)射器檢測(cè)由接收線圈上的負(fù)載變化引起的發(fā)射線圈中的負(fù)載變化。通過(guò)對(duì)施加在接收器線圈上的負(fù)載調(diào)制中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，接收器可以向發(fā)送器發(fā)送信號(hào)，發(fā)送器又使用自己的解調(diào)器提取接收器數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1：符合AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)充電系統(tǒng)依靠反向散射機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的通信，以確保在間隔緊密的線圈上實(shí)現(xiàn)安全，高效的電力傳輸。 （圖片來(lái)源：AirFuel Alliance）

無(wú)線充電設(shè)計(jì)專用設(shè)備的可用性消除了設(shè)計(jì)有效系統(tǒng)的傳統(tǒng)障礙。實(shí)際上，Semtech集成的發(fā)送器和接收器控制器使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)符合AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送器和接收器設(shè)計(jì)，而且?guī)缀鯖](méi)有其他組件。

感應(yīng)式發(fā)射器

AirFuel感應(yīng)式發(fā)射器設(shè)計(jì)的核心是一個(gè)中央控制器設(shè)備，用于管理FET驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)需要調(diào)整電壓，頻率或占空比以維持功率輸出。這里，功率調(diào)整的關(guān)鍵信號(hào)包括電源電壓的變化和通過(guò)反向散射機(jī)制從接收器獲得的信號(hào)（圖2）。除了適當(dāng)?shù)?a href="http://www.xsypw.cn/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)外，控制器和FET驅(qū)動(dòng)器代表了確保電力傳輸可靠運(yùn)行的關(guān)鍵路徑。 Semtech TS80000變送器控制器和Semtech TS61001 FET驅(qū)動(dòng)器IC集成了一整套功能，旨在以最小的設(shè)計(jì)工作量提供這種核心控制功能。

圖2：作為感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)的核心，中央控制器通過(guò)管理FET驅(qū)動(dòng)器來(lái)響應(yīng)供電變化來(lái)調(diào)節(jié)功率輸出接收器信號(hào)（紅線）。 （圖片來(lái)源：Semtech Corporation）

TS80000專為無(wú)線充電應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一款完整的片上系統(tǒng)（SoC）器件。 TS80000采用RISC內(nèi)核，采用36引腳6 mm x 6 mm封裝，集成了閃存，SRAM，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），定時(shí)器，GPIO和串行接口。 Semtech通過(guò)為設(shè)備加載管理整個(gè)電力傳輸過(guò)程的固件來(lái)簡(jiǎn)化實(shí)施。基于固件的例程使用器件的模擬GPIO和ADC來(lái)獲取電壓和電流數(shù)據(jù)，并從接收器反向散射通信機(jī)制解碼數(shù)據(jù)。反過(guò)來(lái)，固件實(shí)現(xiàn)PID（比例 - 積分 - 微分）控制器，根據(jù)需要管理FET驅(qū)動(dòng)器，以調(diào)整發(fā)射功率電平。

與Semtech TS61001 FET驅(qū)動(dòng)器IC一起使用，TS80000顯著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在典型系統(tǒng)中僅需要少量輸入和輸出連接。在輸入端，開(kāi)發(fā)人員向器件的模擬GPIO提供四個(gè)信號(hào)（交流電壓，直流電壓，直流電流和交流電壓），用于PID控制環(huán)路。在輸出端，TS80000為T(mén)S61001驅(qū)動(dòng)一個(gè)使能信號(hào)（DRV_EN）以及兩個(gè)PWM通道中的每一個(gè)的高側(cè)（PWMn_H）和低側(cè)（PWMn_L）信號(hào)（圖3）。

圖3：使用Semtech TS80000變送器控制器的一些輸入，TS61001 FET驅(qū)動(dòng)器IC（U3）驅(qū)動(dòng)發(fā)送器輸出門(mén)并產(chǎn)生AC和TS80000 PID控制回路中使用的直流信號(hào)。 （圖片來(lái)源：Semtech Corporation）

此外，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)需要通過(guò)每個(gè)設(shè)備支持的I 2 C接口訪問(wèn)TS80000和TS61001寄存器。

電感式接收器

另外一對(duì)器件同樣簡(jiǎn)化了AirFuel兼容電感式接收器的設(shè)計(jì)。在這里，Semtech TS51111從接收器天線交流電源信號(hào)產(chǎn)生直流輸出，而Semtech TS81000監(jiān)控電源并產(chǎn)生反饋數(shù)據(jù)。

與互補(bǔ)的TS80000變送器控制器一樣，TS81000接收器控制器是一種復(fù)雜的RISC-基于SoC的預(yù)編程固件程序，用于控制無(wú)線充電過(guò)程的接收器側(cè)。由于其要求更為有限，TS81000僅采用20引腳3 mm x 3 mm封裝提供此功能。

Semtech TS51111整流器將同步整流與廣泛的模擬傳感功能相結(jié)合，優(yōu)化了功率轉(zhuǎn)換。接收線圈。事實(shí)上，該設(shè)備將這些電源轉(zhuǎn)換功能與輸出側(cè)電池充電的特定支持相結(jié)合。例如，專用預(yù)充電電流源支持低電池充電操作，而集成開(kāi)關(guān)保護(hù)電池路徑。 TS51111還集成了一個(gè)低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，用于為T(mén)S81000或其他外部器件供電。

為了幫助最大限度地減少器件之間的連接，Semtech通過(guò)單個(gè)緩沖模擬引腳復(fù)用器件的所有模擬輸出。 TS81000固件通過(guò)I 2 C鏈路設(shè)置TS51111的AMUX寄存器來(lái)選擇所需的模擬信號(hào)。其他TS51111控制寄存器提供跨I 2 C鏈路的編程控制，該鏈路具有廣泛的器件工作特性，包括天線負(fù)載調(diào)制。

基于TS81000的接收器設(shè)計(jì)控制器和TS51111整流器，使用I 2 C雙線通信用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，單個(gè)多路復(fù)用模擬（AMUX）引腳用于模擬轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，占用空間最小。對(duì)于操作控制，TS81000固件利用TS51111的可編程控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)與AirFuel兼容的充電。因此，這種設(shè)計(jì)中的電源路徑僅具有TS51111和最少數(shù)量的附加組件（圖4）。

圖4：在基于Semtech TS81000控制器的設(shè)計(jì)中，Semtech TS51111整流器僅需要與TS81000的少量連接以及少量附加組件一個(gè)完整的感應(yīng)充電接收器。 （圖片來(lái)源：Semtech Corporation）

Semtech器件顯著簡(jiǎn)化了無(wú)線充電設(shè)計(jì)的控制和功率級(jí)設(shè)計(jì)。雖然這些器件可以最大限度地減少器件數(shù)量，但設(shè)計(jì)人員可能會(huì)面臨其他設(shè)計(jì)元素的進(jìn)一步挑戰(zhàn)，特別是天線和匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和布局。

為了幫助開(kāi)發(fā)人員探索優(yōu)化每個(gè)設(shè)計(jì)元素的選項(xiàng)，Semtech提供無(wú)線為T(mén)SDMTX-5V2-EVM（發(fā)射器）和TSDMRX-5W-EVM（接收器）評(píng)估套件充電，提供硬件實(shí)現(xiàn)和相應(yīng)的參考設(shè)計(jì)材料。

AirFuel諧振

磁共振耦合交易效率易于在無(wú)線充電系統(tǒng)中使用。雖然感應(yīng)系統(tǒng)需要在非常小的間隙內(nèi)仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)發(fā)射器線圈和單個(gè)接收器線圈，但諧振系統(tǒng)更加寬容。與AirFuel兼容的磁共振系統(tǒng)支持更大的距離和電力傳輸單元（PTU）與多個(gè)電力接收單元（PRU）之間的自由對(duì)準(zhǔn)。

與電感系統(tǒng)相比，諧振技術(shù)依賴于更高頻率的耦合場(chǎng)，以及使用藍(lán)牙低功耗（BLE）的單獨(dú)雙向通信（圖5）。在設(shè)計(jì)這些電路時(shí)，工程師可以利用各種功率器件和整流器。更重要的挑戰(zhàn)是處理帶外控制和通信的額外要求。

圖5：與其電感式對(duì)應(yīng)物相比，符合AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的磁共振系統(tǒng)使用更高的頻率進(jìn)行功率耦合以及不使用電力發(fā)送單元（PTU）與一個(gè)或多個(gè)電力接收單元（PRU）之間的頻帶通信。 （圖片來(lái)源：AirFuel Alliance）

Nordic Semiconductor NRF52832無(wú)線MCU集成了BLE收發(fā)器，可滿足硬件要求，對(duì)設(shè)計(jì)尺寸影響最小。對(duì)于希望實(shí)施AirFuel兼容設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)符合AirFuel規(guī)范的新軟件解決方案是一項(xiàng)重大任務(wù)，可以極大地影響項(xiàng)目成本和復(fù)雜性。

Nordic通過(guò)其nRF5軟件開(kāi)發(fā)解決了這一需求套件，為符合AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的PTU和PRU設(shè)備提供服務(wù)庫(kù)，以及演示各種使用模型的示例軟件應(yīng)用程序。 SDK提供了構(gòu)建在硬件抽象層上的PTU和PRU服務(wù)，處理設(shè)備特定的MCU請(qǐng)求。

PRU和PTU服務(wù)是圍繞通過(guò)復(fù)雜的應(yīng)用程序計(jì)時(shí)器服務(wù)調(diào)用的事件處理程序模型構(gòu)建的。在這種方法中，服務(wù)將專用定時(shí)器與諸如讀取傳感器值之類的關(guān)鍵功能相關(guān)聯(lián)。當(dāng)計(jì)時(shí)器到期時(shí)，應(yīng)用程序計(jì)時(shí)器服務(wù)調(diào)用與該特定計(jì)時(shí)器關(guān)聯(lián)的事件處理程序。例如，當(dāng)PTU傳感器計(jì)時(shí)器到期時(shí)，關(guān)聯(lián)的PTU傳感器處理程序（清單1）調(diào)用例程（ ptu_sensors_data_get ）來(lái)更新當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)（清單2）并將錯(cuò)誤代碼發(fā)布到服務(wù)錯(cuò)誤處理程序PRU傳感器處理程序使用相同的基本模式及其自己的相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

/** @ brief傳感器計(jì)時(shí)器的處理程序

*

* @param [in] p_context發(fā)送給處理程序的通用上下文。

*

*/

static void m_ptu_sensor_timer_handler（void * p_context）

{

< code> const ptu_sensor_data_t * sensors_data;

uint32_t err_code;

< code> err_code = ptu_sensors_read（）;

APP_ERROR_CHECK（err_code）;

err_code = ptu_sensors_data_get（＆amp; sensors_data）;

APP_ERROR_CHECK（err_code）;

ptu_power_sharing_temperature_warning_set（sensors_data-> temperature_warning）;

}

清單1：Nordic Semiconductor AirFuel NRF5軟件開(kāi)發(fā)套件提供了一系列廣泛的事件處理程序，例如用于更新傳感器數(shù)據(jù)（參見(jiàn)清單2）。 PTU。 （代碼來(lái)源：Nordic Semiconductor）

/** @ brief PTU傳感器數(shù)據(jù)的定義*/

typedef struct

{

uint8_t nof_extend_beacon_load_var_detected;/** <檢測(cè)到擴(kuò)展信標(biāo)負(fù)載變化*/

< code> uint16_t i_ina;/** <諧振器線圈電流[mA]。 */

uint16_t v_ina;/** <諧振器線圈電壓[mV]。 */

uint16_t p_tx_in;/**

int16_t temperature;/**

uint16_t res_impedance;/** <測(cè)量阻抗[歐姆]。 */

bool temperature_warning;/** <溫度警告。 */

bool load_var_detected;/** <檢測(cè)到負(fù)載變化。 */

bool load_detected;/** <檢測(cè)到負(fù)載。 */

bool rogue_obj_detected;/** <檢測(cè)到Rogue對(duì)象。 */

} ptu_sensor_data_t;

清單2：Nordic SDK將參數(shù)，運(yùn)行狀態(tài)和連接等信息折疊為特定結(jié)構(gòu)例如，由相關(guān)事件處理程序收集的傳感器參數(shù)的此結(jié)構(gòu)（參見(jiàn)清單1）。

功率調(diào)整是AirFuel規(guī)范的核心功能，nRF5 SDK為此關(guān)鍵任務(wù)提供了應(yīng)用程序計(jì)時(shí)器和相關(guān)處理程序。這里，當(dāng)計(jì)時(shí)器到期導(dǎo)致調(diào)用事件處理程序時(shí)，事件處理程序讀取PRU發(fā)送的數(shù)據(jù)并根據(jù)需要調(diào)用補(bǔ)充例程 m_poweramp_input_step_up 或 m_poweramp_input_step_down 以分別增加或減少PTU功率輸出。

傳感器讀數(shù)和PTU調(diào)整的這些處理程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)僅代表SDK服務(wù)產(chǎn)品的狹隘視圖。每個(gè)服務(wù)調(diào)用依次調(diào)用一系列服務(wù)例程，這些例程提供驗(yàn)證和錯(cuò)誤檢查，最終達(dá)到基本的MCU硬件功能。此外，每個(gè)處理程序都嵌入在一個(gè)服務(wù)體系結(jié)構(gòu)中，該體系結(jié)構(gòu)旨在支持特定于應(yīng)用程序的功能，例如為多個(gè)PRU提供服務(wù)的PTU。

然而，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，SDK有效地隱藏了這種復(fù)雜性，減少了調(diào)用所需的應(yīng)用程序代碼。 PRU和PTU引擎可以進(jìn)行少量的高級(jí)初始化例程。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)人員可以輕松構(gòu)建SDK提供的軟件應(yīng)用程序，以滿足他們的特定應(yīng)用需求。

結(jié)論

無(wú)線充電帶來(lái)了一系列障礙，包括技術(shù)選擇，功耗路徑實(shí)現(xiàn)和功率控制設(shè)計(jì)。 AirFuel Alliance提供基于標(biāo)準(zhǔn)的方法，能夠利用不同的技術(shù)，包括感應(yīng)和共振。

利用專用設(shè)備和先進(jìn)軟件的可用性，開(kāi)發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn)與AirFuel兼容的無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度，設(shè)計(jì)足跡和最終BOM的影響最小。