无线充电收发器设计要点 - 助力磁感应无线充电系统,MCU大有作为！ 遥控器, 电子设备, 收发器, 磁感应, 充电站

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　　磁感应电力传输标准问世
　　无线电力传输系统将电能以无线连接的方式从发射器传输到接收器。由于它具备安全、自由、可靠、方便和耐用等优势，使得无线充电变得越来越流行，并且广泛地应用于如牙刷、LED蜡烛、遥控器、医疗设备和行动电话等领域。
　　无线充电联盟（WPC）为无线充电领域创建了名为「Qi」（唸做Chee）的国际标准，可交互操作的产品都标有Qi的标识。电话、相机、遥控器和所有带有该标识的行动电子设备都可以和带有同样标识的充电站配合使用。
　　无线充电联盟是一个开放式会员组织，由超过一百家公司会员组成，为电感充电技术的单个互操作通用标准的开发和创新而共同努力。Qi是一款由该联盟开发的用于4cm（1.6英寸）以上距离的感应电力传输的接口标准。
　　符合Qi标准的无线设备采用振幅键控（ASK）调变，与功率接收器和功率发射器进行通信。ASK是相对简单的调变方案，类似于模拟信号的振幅调变，并且载波频率信号通过二进位数字进行放大；其载波频率和相位保持不变，而振幅则不断变化。资讯位元会通过载波振幅，它被称为二进位振幅键控（2ASK），因为调变信号可采用两种二进位位準，0或1。与载波频率相乘得到的二进位数字的结果类似于载波频率的开启或关闭。这意味着，当载波传输发生时，调变的数字信号为 1，当没有载波时，为0。
　　功率接收器通过使用反向散射调变与功率发射器进行通信。通信解调电路的功能是检测高频率功率信号中的低频率通信信号。
　　除此之外，对于无线充电技术开发而言，Qi还将受益于以下各项因素：大众市场的採纳、完整的供应链、完整的技术蓝图、标准化、交互操作性、品牌知名度等。
　　Qi系统（图2）包含用于可携式设备中的功率传输板和可相容接收器。为了使用该系统，行动设备被安装在功率传输板的顶部，透过电磁感应进行充电。

　　

　　图2　Qi标准系统示意图

　　Qi系统在两个平面线圈间采用电感耦合的方式在功率发射器和功率接收器间传输电力。数字控制回路对输出电压进行调节，进行功率接收器与功率发射器的通信，并消耗一定的功率。藉由反向散射调变，功率发射器到功率接收器间可达成单向通信。在反向散射调变中，功率接收器线圈会被载入，改变功率接收器内的电流消耗。这些电流消耗的改变会被监控并解调成两个设备协同工作所需的资讯。
　　行动设备制造商包括宏达电、华为、乐金电子（LGE）、摩托罗拉（Motorola）、诺基亚（Nokia）、三星（Samsung）和索尼（Sony）等正采用Qi标准进行研发。
　　虽然Qi目前锁定智慧型手机的电流标准仅为5瓦（W），不过显然地，对于无线充电联盟而言，为平板电脑以及更大型设备进行充电将逐步实现，而针对这些设备的10W解决方案也即将问世。目前，电感充电器已实现70%左右的效率。无线充电收发器设计要点

　　首先是发射器（图3）。一个功率放大器包含两个主要功能单元，即功率转换单元和通信与控制单元。初级线圈做为磁场，产生功率转换单元的元素。控制及通信单元将被传输的功率调节至功率接收器所需的等级。基站可包含多个发射器，以便同时服务多个行动设备（在同一时间内，一个功率发射器只能服务单个功率接收器）。最后，系统单元包含所有其他基站功能，如输入功率供应、多个功率发射器控制及用户接口。

　　

　　图3　无线充电解决方案示意图

　　功率转换/发射器由逆变器电路组成。逆变器向初级线圈提供受控的交流电源，由控制及通信单元调节这一控制。发射器的逆变器电路可配置全桥或半桥功率转换拓扑。拓扑的选择取决于，每个WPC全桥逆变器在被广泛用于直流电转向交流电的应用时的类型和发射器，并具有以下特性：
　　．利用高直流电压，以支援宽输入电压范围。
　　．面对不同应用条件，拥有更多的控制变化。
　　．单极固定频率脉衝宽度调变（PWM）控制，以减少电磁干扰（EMI）。
　　．面向软开关操作的移相控制策略，以改进系统效率。
　　．锁定中/高功率应用的小型功率组件应力。
　　．具有输出变压器的简单逆变器拓扑。
　　控制功率并与接收器单元进行通信的控制单元是一款微控制器（MCU）芯片。它可以感应初级线圈中的电压和电流，并调节逆变器的参数，以达到一个所需的相同量。
　　微控制器单元由所需的关键周边组成，以控制功率转换，如PWM、模拟数字转换器（ADC）、比较器（ACMP）及通信和除错周边，如通用输入/输出 （GPIO）、UART、SPI、SCI。关键周边ADC、比较器和PWM拥有显着特性，可在较高开关频率下完成控制器功率转换，以减少如电容器和电感器等被动组件的尺寸。
　　这些周边还可以形成反馈回路，以控制功率变压器到发射器线圈的电压与电流。它可以控制磁场，在接收器线圈内相互感应，最终在接收器电路内控制电压。ADC以电流和电压的形式从线圈中获取输入，并根据供给到线圈的电流来调节PWM输出。
　　还有一个用于比较线圈内电压/电流输入的比较器，当每个接收器需要时，可比较参考设置。比较之后，它可立即发挥作用，保护电路，防止电路受到破坏。还有一个从接收器到发射器的回馈路径，可调整线圈内的磁通；回馈的形成是通过功率信号自身通信信号的叠加。该回馈还对节能有着重要的意义，比如，有些发射器平台上没有安置接收器，线圈内无需磁通，因此发射器电路将进入低功耗模式。
　　有一些技术可检测接收器是否存在，每个技术都拥有其独特的优点和缺点。其一为透过触控感应，如果安装了接收器，信号将被传送到发射器，以向线圈提供电流，用于产生接收器所需的电压。其优点为当没有接受器时，只有触控感应电路工作，因此，在闲置期间可实现超低功耗；缺点则是可能需要添加额外硬件元件实现触控感应。
　　另一个方式为检测来自接收器的回应，发射器不断地向正在等待来自通信通道回应的接收器发送资讯，一旦安置接收器，发射器就能被感应，并向线圈提供电流。其优点为无需硬件电路，低成本；缺点则是不间断的资讯需要求所有电路时时刻刻正常工作。
　　无线充电模组的另一关键元件为接收器。在接收器的一旁有一个整流单元，它可接收线圈中的交流分量，并将其转变成直流，然后供应到接收器的电池电路中进行充电。接收器电路由调变单元组成，该调变单元可调变通信信号，并通过电源线发送至发射器。来自线圈的模拟元件还通过微控制器，用于比较所需参考，并向发射器提供回馈，以调节发射器的电流/电压。发射器微控制器单元由ADC、ACMP、UART组成。ADC收到来自接收器线圈的电流/电压，并将其转换成数字格式，并根据情况通过微处理器进行进一步处理。相同电压做为输入进入ACMP内，ACMP将其与参考（通过接收器，设置成为每个所需电压）进行比较，并立即发挥作用，防止错误发生。微控制器可转换接收器电路，防止比较器输出显示错误（电压或电流消耗超出范围）。接收器还可通过通信通道将回馈信号回传给发射器，以调整线圈中的电流。