線圈設(shè)計(jì)

　　接收器線圈尺寸的設(shè)計(jì)權(quán)衡因素包括線圈導(dǎo)線直徑、屏蔽層尺寸和厚度。線圈直流電阻會(huì)使接收器效率降低。接收器線圈設(shè)計(jì)需要具體的匝數(shù)，以獲得所需的電感。如前所述，由于耦合系數(shù)降低，小線圈所需的電感會(huì)比大線圈高。為了在較小空間內(nèi)達(dá)到較高的電感值，匝數(shù)會(huì)增加，導(dǎo)線直徑會(huì)減小。更細(xì)的導(dǎo)線和更多的匝數(shù)帶來的合并效應(yīng)，將迫使直流電阻升高并降低效率。

　　屏蔽層能提供低阻抗的磁通路徑，并能增加線圈的電感。此外，屏蔽層還能阻止交流電磁場(chǎng)進(jìn)入電池和接收器周圍的金屬體。更大、更厚的屏蔽層比較好，因?yàn)檩^薄的屏蔽層將遭遇高通量磁場(chǎng)飽和的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)射器線圈設(shè)計(jì)的物理限制較少。線圈可以更大，并且其電感可以更低。

　　用于標(biāo)準(zhǔn)5W WPC應(yīng)用的典型線圈是A11型線圈。這種環(huán)形線圈直徑約50mm，背后有厚厚的鐵氧體屏蔽層。雖然這種線圈已在具有多種類型接收器的大量應(yīng)用中經(jīng)過了測(cè)試，但它最適合較高的功率級(jí)（3W～5W）。對(duì)于較低功率和縮小范圍的接收器，許多線圈尺寸可減小。

　　A11線圈的典型電感為6.3μH。為獲得最佳性能，應(yīng)保持此值。導(dǎo)線直徑可減小，以允許更小的線圈尺寸，但是這會(huì)增加直流電阻損耗。通過減小屏蔽層厚度，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)尺寸的縮減。有幾種類型的屏蔽層可提供良好的性能。

　　用一個(gè)30mm的圓形發(fā)射器線圈進(jìn)行測(cè)試的效果甚佳（圖3）。實(shí)現(xiàn)更小的解決方案并非癡人說夢(mèng)，但設(shè)計(jì)人員務(wù)必要注意不能使直流電阻顯著增加。大多數(shù)WPC發(fā)射器中所用的諧振轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，即使在負(fù)載最小時(shí)，電流仍然在一次線圈內(nèi)流動(dòng)。考慮到產(chǎn)品的尺寸限制，Tx線圈的直流電阻必須在實(shí)際情況允許的條件下盡可能減小，以避免過多的功率損耗。

　　圖3：標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器線圈和30mm低功耗線圈

　　低功耗接收器

　　bq51003是德州儀器（TI）無線電源接收器bq51xxx產(chǎn)品系列中的一款器件，專為低功耗應(yīng)用量身打造。該器件中的關(guān)鍵變化是為較低的輸出電流優(yōu)化幾種功能的特性。

　　該器件系列具有動(dòng)態(tài)整流器控制功能以改善負(fù)載瞬態(tài)特性（表2）。Qi標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)相對(duì)緩慢的全局反饋回路，最多可能需要100ms的時(shí)間來改變工作點(diǎn)。這意味著負(fù)載階躍會(huì)降低輸出電壓并引起系統(tǒng)復(fù)位。為了提供足夠的電壓應(yīng)對(duì)瞬態(tài)變化，在低負(fù)載時(shí)需要把VRECT工作點(diǎn)設(shè)高。該特性有助于負(fù)載階躍，但會(huì)降低輕載效率。為解決這個(gè)問題，用動(dòng)態(tài)效率調(diào)節(jié)功能來調(diào)節(jié)輕載電壓，以適應(yīng)最大輸出負(fù)載。此外，還用一個(gè)電阻器來設(shè)定最大輸出電流。

　　表2：針對(duì)無線接收器（bq51003）的動(dòng)態(tài)整流器控制。

　　由于耗散功率而縮減了的PCB面積，散熱路徑也應(yīng)予以考慮。因?yàn)榈湫偷膽?yīng)用需要用降低的充電電流為小型電池充電，所以耗散功率是可以控制的。

　　如前所述，bq51003及bq51013B等其他恒壓輸出接收器可與二次IC協(xié)同工作，調(diào)節(jié)并管理至鋰離子電池的電流。這些電池需要精確的恒流/ 恒壓充電控制配置參數(shù)，這些參數(shù)可通過bq24232（圖4）等器件來實(shí)現(xiàn)。對(duì)低功耗應(yīng)用而言，簡單的低成本線性充電器通常是上佳之選。抉擇充電器設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵因素是驗(yàn)證它能否控制可穿戴設(shè)備所用小型電池需要的低充電電流水平。bq24232在必要時(shí)可調(diào)節(jié)低至25mA的恒定電流水平，并且已在使用小型電池的應(yīng)用中大顯身手。

　　圖4：適合低功耗應(yīng)用的無線電源接收器（帶電池充電器）

　　低功耗發(fā)射器

　　對(duì)于功率為5W的典型應(yīng)用，有很多擁有各種特性的Qi發(fā)射器類型。bq50xxx系列支持5W或更高的接收器輸出功率。對(duì)于低功耗應(yīng)用，bq500211是一個(gè)很好的起點(diǎn)。它提供標(biāo)準(zhǔn)的EVM套件，具有單線圈5V輸入、A11型的發(fā)射器線圈。然而，正如前文所述，針對(duì)更低功耗的可穿戴應(yīng)用，這種線圈可用更小的元件取代。該器件可選擇通過USB端口或低功耗5V電源適配器供電運(yùn)行。發(fā)射器設(shè)計(jì)還有小型低成本的選項(xiàng)。

　　bq500211 Qi發(fā)射器控制器擁有輸入功率限制選項(xiàng)，至發(fā)射器的輸入電流可被限制在500mA，從而允許通過USB端口或小型電源適配器供電運(yùn)行。這非常適合要求低電流的低功耗接收器。圖5展示了一個(gè)方框圖范例。輸入電流跨電阻器檢測(cè)并通過電流檢測(cè)放大器放大。電源部分使用帶集成驅(qū)動(dòng)器的功率級(jí)MOSFET。但獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器和低損耗的MOSFET可用于降低成本。如前所述，在輸出功率較低時(shí)，F(xiàn)OD保護(hù)功能是可選項(xiàng);圖5所示電路未實(shí)施FOD功能。另外，為了簡單并降低成本，圖5中的設(shè)計(jì)未顯示用于低功耗待機(jī)模式的可選電路。

　　圖5：低功耗發(fā)射器

　　結(jié)論

　　現(xiàn)在，用既有的定制器件在低功耗可穿戴設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)無線感應(yīng)充電已成為可能。要設(shè)計(jì)功率范圍為500mW～1500mW的工作解決方案，其中一項(xiàng)關(guān)鍵的因素是磁性元件的優(yōu)化—具體而言，就是讓較小尺寸的接收器線圈與相應(yīng)較小尺寸的發(fā)射器線圈相匹配，以保持最佳的耦合系數(shù)。此外，用bq500211發(fā)射器和bq51003低功耗接收器進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐獠侩娐沸薷模员M量減少系統(tǒng)功率損耗。