摘要

自Qi 標準出現以后，無(wú)線(xiàn)充電配件產(chǎn)品便可以利用這種行業(yè)通用標準，在無(wú)需基站(無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送器)的情況下為移動(dòng)設備無(wú)線(xiàn)充電。一種常用方法是向消費者提供一種無(wú)線(xiàn)充電保護殼、后蓋、電池組或者保護套，在其配件中放入接收機線(xiàn)圈和電子組件。本文將為您說(shuō)明這類(lèi)配件的系統級要求，重點(diǎn)介紹配件產(chǎn)品和主移動(dòng)設備之間的接口。我們還將從兩個(gè)方面討論組件選擇，同時(shí)探討配件產(chǎn)品和主移動(dòng)設備之間引腳數目接口的利弊權衡過(guò)程。

WPC (Qi) 系統概述

圖 1 顯示了一個(gè) WPC 型電感式無(wú)線(xiàn)充電系統的結構圖。該發(fā)送器由一個(gè) AC/DC功率轉換、驅動(dòng)器、發(fā)射線(xiàn)圈、電壓電流檢測和控制器組成。接收機由一個(gè)接收線(xiàn)圈、整流、電壓調節和控制器組成。系統負載可以是任何電池供電設備，例如：一部手機。

圖 1 WPC 電感式無(wú)線(xiàn)充電系統結構圖

系統中，AC 電流流過(guò)發(fā)送器線(xiàn)圈時(shí)形成耦合磁場(chǎng)，電能通過(guò)該耦合磁場(chǎng)從發(fā)送器傳輸至接收機。如果接收機線(xiàn)圈極為靠近(X-Y 或者 Z 尺寸小于 5mm 間隙)，發(fā)送器場(chǎng)力線(xiàn)的絕大部分將耦合至接收機線(xiàn)圈。這些耦合場(chǎng)力線(xiàn)在二次繞組中形成 AC 電流，對其整流便可產(chǎn)生 DC 電壓，從而得到手機或者其他便攜式設備使用的電源。請注意，無(wú)線(xiàn)充電鏈路實(shí)際上就是一款松散耦合、無(wú)芯線(xiàn)圈變壓器。

WPC 標準

無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)興起的一個(gè)關(guān)鍵是不同發(fā)送器和接收機之間的標準化。以前，銷(xiāo)售無(wú)線(xiàn)充電接收機的公司還必須同時(shí)提供一個(gè)相應的發(fā)送器。這種狀況制約了無(wú)線(xiàn)充電的市場(chǎng)接受能力，并導致出現大量不同類(lèi)型、相互不兼容的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟 (WPC) 制定出了第一個(gè)全球標準，實(shí)現了 5W 功率級別發(fā)送器和接收機的通用性[1]。Qi(發(fā)音為“chee”)標準定義了無(wú)線(xiàn)充電系統的工作頻率、工作電壓和基本線(xiàn)圈配置。另外，還定義了一種通信協(xié)議，接收機通過(guò)它與發(fā)送器通信，例如：發(fā)送器何時(shí)終止供電(即電話(huà)不再充電時(shí)進(jìn)入節能模式)、接收機要求提供多少電力以及輸出功率增加還是減少等。

配件構架

提供 Qi 標準產(chǎn)品的一條最快捷途徑是，利用行業(yè)通用標準獲得基站電源(無(wú)線(xiàn)發(fā)送器)的同時(shí)，提供具有電源或者直接電池充電實(shí)現的配件解決方案。在這種情況下，配件解決方案指的是無(wú)線(xiàn)充電功能，其作為移動(dòng)設備的一種選配。最普遍的兩種配件實(shí)現是保護殼和后蓋。保護殼指的是一種塑料殼，它的內部包含有無(wú)線(xiàn)充電電路，可以牢固地夾在移動(dòng)設備上，通過(guò)一些外部觸點(diǎn)向移動(dòng)設備提供電源。后蓋則是移動(dòng)設備標準后蓋的替代品，也在其內部放入了無(wú)線(xiàn)充電電路。另一種配件解決方案是，在移動(dòng)設備的電池組中放入無(wú)線(xiàn)充電電路，直接對電池充電。

電源配件

圖 2 描述了無(wú)線(xiàn)充電接收機如何模擬電源適配器工作，向移動(dòng)設備提供 5V、5W 電源。在這種最為簡(jiǎn)易的實(shí)現中，接收機和移動(dòng)設備之間總共只有兩個(gè)觸點(diǎn)：無(wú)線(xiàn)充電和接地。由于大多數第一代 Qi 產(chǎn)品仍然有一條連線(xiàn)，圖 2 還顯示了通過(guò)有線(xiàn)適配器和無(wú)線(xiàn)充電實(shí)現充電的過(guò)程。兩種電源都連接至移動(dòng)設備內部的功率多路復用器。一般而言，默認情況下選擇適配器電源，在沒(méi)有適配器時(shí)使用無(wú)線(xiàn)充電。

圖 2 有線(xiàn)輸入的四觸點(diǎn)電源配件系統構架

在無(wú)線(xiàn)充電傳輸期間，連接適配器或者電池充電終止時(shí)，無(wú)線(xiàn)充電應中斷運行。當接收機檢測到無(wú)負載狀態(tài)時(shí)，向發(fā)送器發(fā)送一條停止電力傳輸的信息，以此來(lái)實(shí)現上述目標。通過(guò)開(kāi)啟多路復用器的無(wú)線(xiàn)充電接收機開(kāi)關(guān)，可以模擬這種狀態(tài)。利用其他通信，可以獲得無(wú)負載狀態(tài)的更多詳細信息。

雙觸點(diǎn)配件

雙觸點(diǎn)解決方案是成本最低的一種無(wú)線(xiàn)充電輸出和接收機接口，但它仍然可以提供一些有限的功能。只有兩個(gè)觸點(diǎn)時(shí)，我們只能將無(wú)線(xiàn)電源(即 5V 輸出)和接地連接移動(dòng)設備，并且移動(dòng)設備必須自己檢測何時(shí)在適配器電源和無(wú)線(xiàn)電源之間切換。這種解決方案的主要缺點(diǎn)是，移動(dòng)設備難以通知發(fā)送器充電已經(jīng)終止。在典型的無(wú)線(xiàn)充電系統中，晚上用戶(hù)上床睡覺(jué)時(shí)開(kāi)始充電，充電一般持續兩個(gè)小時(shí)左右。一旦充電完成，接收機應向發(fā)送器發(fā)送一條終止充電的信息(由 WPC 協(xié)議定義)，這樣發(fā)送器便可以進(jìn)入一種低功耗的待機模式。但是雙觸點(diǎn)解決方案終止，只能由接收機通過(guò)檢測輸出電流是否已經(jīng)降至某個(gè)閾值以下，才能檢測得到。盡管這種方法可以讓發(fā)送器進(jìn)入待機模式，但電源電流由系統電流加上充電電流組成為它帶來(lái)了諸多弊端。

三觸點(diǎn)配件

相比雙觸點(diǎn)解決方案，三觸點(diǎn)解決方案有所改進(jìn)。除無(wú)線(xiàn)電源和接地以外，它還增加了一個(gè)控制信號。該控制器信號可以是無(wú)線(xiàn)充電接收機的輸入，而無(wú)線(xiàn)充電接收機通過(guò)移動(dòng)設備驅動(dòng)。典型應用針對移動(dòng)設備內部的充電器，用以檢測充電何時(shí)終止，然后將這種狀態(tài)通知接收機。接收機轉而通知發(fā)送器終止充電，發(fā)送器便進(jìn)入低功耗待機模式。由于移動(dòng)設備通過(guò)電池持續供電，因此它會(huì )在一個(gè)不確定時(shí)間段內不斷向無(wú)線(xiàn)接收機聲明終止充電，這樣整個(gè)充電周期的總發(fā)送器功耗便十分低。另外，發(fā)送器可以利用來(lái)自接收機的終止充電信息，讓用戶(hù)知道充電已經(jīng)終止(例如：使用 LED 指示燈)。相比雙觸點(diǎn)解決方案，這種方法還可以更加精確地確定充電終止狀態(tài)。

四觸點(diǎn)配件

最后，相比上述解決方案，四觸點(diǎn)解決方案可以為用戶(hù)提供更多的選項。使用四觸點(diǎn)方案后，會(huì )有數種不同選項供選擇。一種是提供兩個(gè)控制信號輸入—一個(gè)用于向發(fā)送器發(fā)送終止信號，而另一個(gè)用于通知發(fā)送器移動(dòng)設備使用默認狀態(tài)。圖 2 顯示了一種四觸點(diǎn)實(shí)現替代方法。在這種情況下，一個(gè)外部適配器可以作為設備接收機的輸入，而適配器FET柵極驅動(dòng)信號可以為來(lái)自接收機的輸出，并連接至移動(dòng)設備。利用這種方法，接收機可以檢測到適配器的存在，其關(guān)閉無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送器，然后直接將適配電壓施加至接收機。后面小節將詳細介紹適配器多路復用器構架。

移動(dòng)設備功率多路復用器

上市銷(xiāo)售的第一批無(wú)線(xiàn)充電配件，仍然將有線(xiàn)適配器端口保留在了無(wú)線(xiàn)充電輸入端的旁邊。它要求在兩個(gè)電源(有線(xiàn)電源和無(wú)線(xiàn)電源)之間使用一個(gè)功率多路復用器。圖 3 顯示了一個(gè)功率多路復用器構架的例子。這種方法利用接收機配件，對適配器電壓 (AD) 進(jìn)行檢測，如果存在適配器電壓則提供柵極驅動(dòng) (AD_EN)。FET 必須以一種背靠背結構有線(xiàn)連接，以在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)阻滯反向和正向導電。之后，一旦存在適配器則無(wú)線(xiàn)充電接收機關(guān)閉電力傳輸，并通過(guò)適配器電源讓柵極驅動(dòng)保持活躍狀態(tài)。這種方法要求配件和移動(dòng)設備之間至少有一個(gè)四引腳接口(無(wú)線(xiàn)充電、AD、AD_EN和GND)。

圖 3 單個(gè)背靠背 FET 的電源多路復用選項

為了減少電源配件和移動(dòng)設備之間的要求引腳數，我們可以使用一個(gè)自動(dòng)功率多路復用器。圖 4 顯示了這種構架，其不再要求使用 AD 和 AD_EN 連接。有線(xiàn)充電通路，通過(guò) VSNS 連接獲得優(yōu)先權。如果在 VSNS 檢測到某個(gè)電壓，有線(xiàn)充電通路便激活。否則，無(wú)線(xiàn)充電通路有效。為了讓接收機電子組件能夠檢測到存在適配器端口，從而終止無(wú)線(xiàn)充電傳輸，它必須對電源輸出電流進(jìn)行監控。通過(guò)監控輸出電源電流，當無(wú)線(xiàn)充電通路開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)便可檢測到真正的輕負載(例如：接近零輸出電流)。之后，接收機向發(fā)送器發(fā)送一條指令，讓其終止電力傳輸。

圖 4 使用自動(dòng)開(kāi)關(guān)的電源多路復用選項

電池組配件

提供無(wú)線(xiàn)充電配件的另一種方法是，把電子組件和接收機線(xiàn)圈集成到移動(dòng)設備電池組中。這樣，終端用戶(hù)便可以實(shí)現設備無(wú)線(xiàn)充電，或者也可以將電池組直接放到無(wú)線(xiàn)充電感應板上對其充電(使用體驗類(lèi)似于座充)。但是，有線(xiàn)充電器和無(wú)線(xiàn)充電器之間的切換受到限制——總不能無(wú)限地增加電池組和系統之間的引腳數吧。

圖 5 描述了電池組配件的構架，并突出顯示了系統和電池組之間的接口。嵌入到電池組的溫度檢測傳感器 (NTC)，用于確保充電時(shí)電池有安全的工作溫度。但是，在這種獨特的應用中，它可以被用作接收機電子組件檢測有線(xiàn)充電有效還是無(wú)效的一種方法。當移動(dòng)系統電池充電器有效時(shí)，NTC電阻器會(huì )有一定的電壓。當它無(wú)效時(shí)，NTC 電阻器下拉至電池組接地基準。因此，電池組中的接收機電子組件可以檢測到這種電壓的存在，并立即關(guān)閉無(wú)線(xiàn)充電器。這種情況僅在連接有線(xiàn)適配器并且接收機放置在充電感應板上時(shí)出現—并不常見(jiàn)，但是提供兩倍充電電流不利于電池的安全性。

接收機檢測到 NTC 信號并采取正確措施以后，有線(xiàn)充電通路便通過(guò)上述方法獲得使用優(yōu)先權。但是，利用移動(dòng)系統的檢測算法，也可以讓無(wú)線(xiàn)充電獲得優(yōu)先。這樣做會(huì )顛倒檢測程序。當無(wú)線(xiàn)充電器有效時(shí) NTC 引腳存在電壓，移動(dòng)系統將對 NTC 引腳的這種電壓進(jìn)行監控。

圖 5 電池組配件的無(wú)線(xiàn)充電系統構架

圖 5 描述了緊跟在接收機電子組件整流后面的一些電壓和電流環(huán)路組成部分。它允許控制器執行充電算法，通過(guò)移除電源配件中的電壓調節級，使集成度和效率達到最佳。