引言
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在消費類(lèi)市場(chǎng)表現出巨大的潛力。在不使用連線(xiàn)的情況下給電子設備充電不但可為便攜式設備用戶(hù)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(wèn)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(shù)，從手機到電動(dòng)汽車(chē)不一而足。
電感耦合方法可以實(shí)現高效和通用的無(wú)線(xiàn)充電。為了便于使用并且讓設計人員和消費者都受益，無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)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(chǎng)商和原始設備制造商 （OEM）。WPC 標準定義了電感耦合（線(xiàn)圈結構）的類(lèi)型，以及低功耗無(wú)線(xiàn)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(gè)重要的好處是其利用這些線(xiàn)圈來(lái)實(shí)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(jiàn)圖 1。

1  無(wú)線(xiàn)充電 WPC 標準
WPC 標準下，無(wú)線(xiàn)傳輸的“低功耗”就是說(shuō)功耗僅為 0～5W。達到這一標準范圍的系統在兩個(gè)平面線(xiàn)圈之間使用電感耦合來(lái)將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。兩個(gè)線(xiàn)圈之間的距離一般為 5mm。輸出電壓調節由一個(gè)全局數字控制環(huán)路負責，這時(shí)電力接收器會(huì )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(guò)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(xiàn)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(jìn)行監控，并解調成兩個(gè)設備協(xié)同工作所需的信息。
WPC 標準定義了系統的三個(gè)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(gè)方面。

2  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(guān)鍵電路是用于向電力接收器傳輸電力的一次線(xiàn)圈、驅動(dòng)一次線(xiàn)圈的控制單元以及解調一次線(xiàn)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(jìn)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(gè)兼容設備，同時(shí)也提供配置信息。一旦發(fā)射器開(kāi)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(gè)“終止電力”消息，或者如果 1.25 秒以上都沒(méi)有接收到數據包，則電力發(fā)送器停止供電。沒(méi)有電力傳輸時(shí)，電力發(fā)送器則進(jìn)入低功耗待機模式。
WPC 規范允許使用固定和移動(dòng)配置。單個(gè)固定線(xiàn)圈（稱(chēng)作類(lèi)型 A1）為 TI 支持的解決方案。
電力發(fā)送器（其通常為一個(gè)平面用戶(hù)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(xiàn)圈起到了一個(gè) 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(xiàn)圈頻率會(huì )發(fā)生變化，但會(huì )保持在 110 到 205kHz 之間，具體取決于功率需求。

3  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(guān)鍵電路是用于從電力發(fā)送器接收電力的次級線(xiàn)圈、用于將 AC 轉換為 DC 的整流電路、用于將未穩壓 DC轉換為經(jīng)過(guò)穩壓的 DC 的電源調節電路以及用于將信號調制到次級線(xiàn)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(gè)“收聽(tīng)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(jìn)行了限制，但設計電力接收器時(shí)卻可以有更多的自由。我們可以調節電力接收器的線(xiàn)圈尺寸，以滿(mǎn)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(xiàn)圈電壓進(jìn)行全波整流。由于兩個(gè)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(shuō)者”。電感電能傳輸通過(guò)耦合一次到次級線(xiàn)圈的磁場(chǎng)工作。非耦合磁力線(xiàn)圍繞一次線(xiàn)圈旋轉，且只要磁力線(xiàn)不耦合寄生負載其便不會(huì )出現損耗（例如：金屬的渦流損耗等）。

4  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(shí)出現的典型啟動(dòng)順序如下：
a  來(lái)自電力發(fā)送器的模擬 ping 檢測到對象的存在。
b  來(lái)自電力發(fā)送器的數字 ping 為模擬 ping 的加長(cháng)版，并讓電力接收器有時(shí)間回復一個(gè)信號強度包。如果該信息強度包有效，則電力發(fā)送器會(huì )讓線(xiàn)圈保持通電并進(jìn)行下一步驟。
c  身份識別和配置階段期間，電力接收器會(huì )發(fā)送一些數據包，對其進(jìn)行身份識別，并向電力發(fā)送器提供配置和設置信息。
d  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(huì )每隔 32ms 發(fā)送一次。另外，在正常運行期間，電力發(fā)送器會(huì )每隔 5 秒鐘便發(fā)送一次電力包。
e  為了終止電力傳輸，電力接收器會(huì )發(fā)送一條“終止充電”消息，或者 1.25 秒時(shí)長(cháng)內都不進(jìn)行通信。兩種事件中的任何一個(gè)都會(huì )讓電力發(fā)送器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

5　TI 的 WPC 兼容解決方案
TI 是 WPC 的創(chuàng )始會(huì )員之一，并在制定穩健的無(wú)線(xiàn)充電規范方面起到了積極的作用。TI 利用三種新開(kāi)發(fā)的 IC 同時(shí)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(xiàn)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。板上模數轉換器監控進(jìn)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(lái)控制電力發(fā)送器的工作點(diǎn)。bq25046 擁有一個(gè)為 MSP430bq1010 和邏輯電路供電的低電流 3.3-V 低壓降調節器 （LDO），而一個(gè)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(guò) bq500110 實(shí)現。這種器件對來(lái)自電力接收器的串行數據進(jìn)行解調和解碼�？刂齐娐肥紫却_認電力接收器實(shí)際為一種 WPC 兼容設備，然后對電力發(fā)送器進(jìn)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(gè)包括了機械封裝的一個(gè)套件中。該套件既可用于 IC 評估也可以用作設計實(shí)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 版規范。無(wú)需使用軟件來(lái)操作 EVM，其僅需要一個(gè) 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(gè) LED 選項，用于直觀(guān)指示電力發(fā)送器狀態(tài)。另外，兩個(gè)蜂鳴器選項提供電力傳輸開(kāi)始的聲音提示。

6　結論
WPC 標準是一整套讓制造廠(chǎng)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(kāi)發(fā)大量的解決方案。