一個設計良好的無線充電產品可以提供諸多好處，從改進的功能到支持新的技術等等。使用磁場耦合技術的無線充電系統(tǒng)從19世紀00年代晚期就已經出現了，但直到最近元件、芯片和系統(tǒng)架構的最新進展才使得工程師能在他們的設備中真正實現實用的無線充電系統(tǒng)來改善用戶體驗。

　　1、用戶需要什么樣的無線充電產品？

　　用戶如何與設備交互是每個優(yōu)秀的工程師在項目啟動時要問的最基本問題之一。客戶需要快速充電嗎？需要對準方面的靈活性嗎？是不是要求發(fā)熱量低？需要長距離充電嗎？需要大功率嗎？每個發(fā)射器需要多個接收器？需要很小的外形尺寸嗎？

　　所有這些選項都是可以滿足的，但通常需要進行折衷考慮。例如，大功率和低發(fā)熱量并不總是能夠同時滿足。距離和效率基本上是背道而馳的。因此在為某種設備設計無線充電系統(tǒng)時理解用戶需要什么以及如何對這些需求排定優(yōu)先級是很重要的第一步。

　　2、如何提高無線充電系統(tǒng)的效率？

　　在用于衡量無線充電系統(tǒng)性能的指標中，效率永遠是第一位的。天生高效的系統(tǒng)可以提供更遠的距離、更好的方向靈活性、更低的發(fā)熱量、更小的尺寸以及更小的電源漏電流。下面是無線充電系統(tǒng)中對效率有決定性影響的三個主要模塊：

無線充電系統(tǒng)的三大模塊

　　如果所有三個模塊都工作在最低的估算效率（即圖中所示的80%，70%和80%），那么總的系統(tǒng)效率約等于45%。對于一個5W的設備來說，需要用 11W的發(fā)射功率才能提供全速充電，大約6W消散于設備本身（作為熱量散發(fā)掉）和周圍環(huán)境中，包括空氣、裝置和人體組織。在低功率情況下，這也許是安全和 可接受的。但在較高功率時，比如電動汽車的充電，此時典型的充電功率至少要5kW，那么有6kW要損失在發(fā)射器、汽車和周圍環(huán)境中，因此會引起嚴重的發(fā)熱 和安全問題。

　　當無線充電系統(tǒng)的所有三個模塊都工作在最高估算效率（即95%，90%和95%）時，總的系統(tǒng)效率大約為82%。在這種情況下，一個5W的設備只需發(fā) 射器提供約6W的充電功率，只有1W因無效而損失掉。為了提高系統(tǒng)效率，設計師應專注于高效率元件，提高發(fā)射器與接收器之間的耦合程度。

　　3、無線充電系統(tǒng)的功率電平

　　使用磁場耦合的無線充電系統(tǒng)可以給從毫瓦到千瓦級的設備充電。對于毫瓦級設備來說，能量收集或射頻無線功率也許是更具吸引力的充電方案。設備的功率要求將決定你的元件選擇、可以在設計上跟你合作的公司以及設備尺寸。

　　4、無線充電標準與法規(guī)

　　在電子設備的無線充電方面目前已有多種標準，包括無線電力聯盟（A4WP）、電力事件聯盟（PMA）和無線充電聯盟（WPC）。這些標準組織存在的目的就是提供發(fā)射器和接收器之間的互操作性平臺，同時為滿足法規(guī)要求的產品和元件創(chuàng)新提供指導。

　　如果你的設備要求互操作性（用戶需要在機場或當地咖啡店充電嗎？），那么你的設計就應該圍繞某個標準展開。一般來說，A4WP針對“松散耦合”系統(tǒng)提 供了技術上最先進的解決方案，WPC則擁有商用化程度最高的開發(fā)工具和組件，但它是“緊密耦合”系統(tǒng)（至少現在是這樣）。PMA正在與A4WP合并，為它 的共享標準提供“緊密耦合”技術。

　　如果你的設備不要求互操作性，用戶的設備總是使用同一種發(fā)射器，那么你就能靈活地開發(fā)私有、封閉的解決方案。當然，這種情況下利用標準組織推薦的現成 組件和技術仍然具有重要意義，至少在開發(fā)方便性和資源可用性方面給你提供了一個很好的起點，不過你不必非要滿足全部的標準規(guī)范。如果你的設備滿足自己的要 求，并且在法規(guī)范圍之內，你的設計就是成功的。

　　5、無線充電系統(tǒng)元件選擇

　　由于效率為王，而元件又決定了效率，那么在選擇元件時了解你自己的想法就非常重要了。在無線充電領域中，開發(fā)高效率、前沿技術的元件公司有許多。舉例 來說，宜普（EPC）公司開發(fā)的增強型氮化鎵（eGaN）晶體管具有高效率的開關性能，可以用來實現高性能的功率放大器。在天線方面，NuCurrent 公司開發(fā)的天線結構可以實現高效率、高度靈活的小型天線。與此同時，像IDT、博通、TI和其他一些IC公司正在開發(fā)可以支持多種標準、各種功率電平和小 型尺寸的IC.因此可選的余地很大，如果你是無線充電設計的新手，最好的方法是與元件供應商或設計咨詢公司一起合作，因為他們理解無線充電的前景，可以幫 助你快速跟蹤設計需求，并把你介紹給戰(zhàn)略開發(fā)合作伙伴。

松下無線充電參考設計

　　概要

　　松下無線電源控制IC支持所有設備（DSC、DVC、隨身聽、手機、智能手機等），符合WPC（無線充電聯盟）的WPC1.1（Qi標準）。松下無線電源方案采用了一個用于電力發(fā)射器（電池充電器）的發(fā)射端控制IC（NN32251A）和一個用于電力接收器（設備）的接收器控制IC（AN32258A），從而控制電力傳輸。

松下無線電源解決方案

　　NN32251A（電力發(fā)送端（Tx） IC）

　　內置充跳升壓DCDC轉換器控制器

　　半橋門驅動器：4路（全橋門驅動器：也可配置2路）

　　支持單線圈（A11型）

　　利用最多4線圈的多線圈擴展了自由定位。（Type A6）

　　逆變器的高精度電壓和電流監(jiān)控

　　利用Qi中定義的頻率、工作狀態(tài)或電壓控制輸出

　　電流和電壓信號的ASK解調（符合Qi標準）

　　輸入電壓范圍： VADP ： 4.6 V 至 19.5 V， VINV ： 4.0 V 至 19 V

　　支持欠壓鎖定，熱關斷和過壓檢測

　　逆變器輸出短路保護

　　溫度檢測電路：3路

　　LED指示燈：2路

　　封裝：64引腳 HQFP （尺寸： 12 mm x 12 mm）

　　AN32258A （電力接收端（Rx） IC）

　　同步全橋整流控制

　　輸入電壓范圍： VRECT ： 4.4 V 至 19 V

　　可選輸出電壓： 5 V

　　溫度檢測電路

　　帶可調電流水平的滿充檢測

　　外部電源的開關控制

　　支持欠壓鎖定、熱關斷、過壓檢測和過流檢測

　　LED指示燈

　　I2C 接口

　　封裝： 48引腳 WLCSP （尺寸： 3.16 mm x 3.16 mm， 0.4 mm 腳距）

　　開發(fā)套件

　　NN32251A 開發(fā)套件（Tx）

　　NN32251A開發(fā)工具包的發(fā)射模塊圖像

　　AN32258A 開發(fā)套件（Rx）

　　AN32258A開發(fā)工具包的接收模塊圖像

　　特點

　　支持各種基于WPC 1.1 （Qi 標準）設備的無線充電。

　　充電過程的異常檢測和各種保護功能可確保安全性和可靠性。

　　支持標準范圍內的最大5W輸出進行快速充電。

　　提供外部低阻抗MOSFET的高效控制，降低功耗和生熱。（AN32258）

　　提供包括松下線圈和外圍電路在內的解決方案，實現短理論到達時間（TAT）設計。

　　應用

　　松下無線充電應用示例

　　TI 10W 無線電源解決方案

　　無線電源系統(tǒng)包括充電板（發(fā)送器或主設備）和接收器（次級側設備）。充電板和接收器接觸時，兩個器件中的線圈通過磁力作用耦合。電力通過耦合的電感器（如空氣磁芯變壓器）從發(fā)送器傳輸至接收器。控制傳輸電量的方法是向主器件發(fā)送反饋通信（錯誤信號）以提高或降低電量。發(fā)送器線圈在大部分情況下都處于斷電狀態(tài)，只是偶爾接通以檢測是否存在接收器。如果接收器能夠自我驗證，則發(fā)送器將始終保持通電狀態(tài)。

　　TI無線電源管理系統(tǒng)

　　10W 高效率無線充電

　　bq51025 接收器不僅支持 4.5V 至 10V 的可編程輸出電壓，而且與 TI bq500215 無線電源發(fā)送器相結合，還可在 10W 功率下實現高達 84% 的充電效率，從而可顯著提高散熱性能。該功能齊備的無線電源接收器解決方案尺寸僅為 3.60 毫米 × 2.89 毫米，可設計應用在眾多便攜式工業(yè)設計方案中，包括零售終端掃描儀、手持式醫(yī)療診斷設備以及平板電腦和超級本等個人電子產品。

　　最新發(fā)布的bq500215 是一款專用的固定頻率 10W 無線電源數字控制器發(fā)送器，兼容于 5W Qi 接收器。該發(fā)送器采用增強型異物檢測 （FOD） 方法在發(fā)送任何電源之前可進行異物檢測，如果檢測到過大損耗，便主動降低功率。

　　bq51025/bq500215 的主要特性與優(yōu)勢：

　　·快速充電接收器與 TI bq500215 控制器相結合，可在 10W 功率下實現高達 84% 的系統(tǒng)效率，從而可為 1 節(jié)及 2 節(jié)電池供電電子設備實現快速充電體驗；

　　·符合 Qi 標準的通信與控制可確保與任何功率達 5W 的無線電源聯盟 Qi 認證型發(fā)送器及接收器兼容。無線充電解決方案的 I2C 通信接口不僅有助于接收器在發(fā)送器表面更好地對齊，而且還支持在接收器和發(fā)送器之間發(fā)送專有數據包；

bq500215功能方框圖

　　·兩款器件都將兼容于 TI 未來的中級功率 Qi 標準發(fā)送器與接收器。

　　無線電源評估板

　　bq51025EVM-649 無線電源接收器評估套件可幫助設計人員評估 bq51025 的工作與性能；

　　bq500215EVM-648 無線電源發(fā)送器評估板提供符合 Qi 標準無線充電板的所有基本功能。12V 輸入單線圈發(fā)送器可幫助設計人員加速產品上市進程。

　　德州儀器 （TI） 業(yè)界首款全面集成型 10 W無線充電解決方案，該解決方案的接收器及相應發(fā)送器更為高效，可幫助工業(yè)、醫(yī)療及個人電子產品的設計人員讓設備在擺脫所有連接器的同時，更快、更高效地充電。此次推出的bq51025和bq500215 目前都已投入量產，它們不僅支持防水、防塵以及便攜式設計，而且還更快的為 1 節(jié)及 2 節(jié)（1S 和 2S）鋰離子電池充電且不會產生過熱。此外，該充電解決方案還兼容于市場上任何符合 5W Qi 標準的產品，有助于消費類電子產品可以更為靈活的在比以往更多的地方充電。

    19V Qi低功耗A1/A10發(fā)射器解決方案

　　NXQ1TXA1無線功率發(fā)射控制器可以與恩智浦NT3H1201 NTAG I2C解決方案結合，提供了添加自動藍牙配對等令人興奮的功能的選擇，或允許用戶配置他們的無線充電器，甚至在其啟用NFC的智能手機上自動啟動應用程序。

　　該設計實施了恩智浦NWP2081半橋驅動器和恩智浦低RDSon NX2020N2溝道MOSFET，實現了高效率。

　　由電源裝置中的恩智浦GreenChip TEA1720高效開關模式電源（SMPS）控制器供電，該Qi A1/A10無線電源發(fā)射器成為了更加優(yōu)化的19 V無線充電解決方案。

　　方案優(yōu)勢

　　1、Qi低功耗A1/A10發(fā)射器，符合規(guī)范1.1.2版；

　　2、高效率；

　　3、低待機功耗和啟用NFC的零待機功耗；

　　4、元器件數少；

　　5、小型控制器封裝：HVQFN33 （7 x 7 mm）；

　　6、高級數字ASK處理；

　　7、通過異物檢測（FOD）實現的安全操作；

　　8、過溫保護。

    方案原理圖

NXQ1TXA1結構框圖

　　應用

　　1、具有內置無線充電板的藍牙揚聲器；

　　2、辦公桌及其他工作設置；

　　3、專業(yè)辦公桌配件；

　　4、用于客戶智能手機充電的商店和售貨亭裝置；

    Vishay無線充電解決方案

　　1.新款無線充電發(fā)射線圈 ---IWTX-4646BE-50

　　新款無線充電發(fā)射線圈 ---IWTX-4646BE-50，其可用于Qi無線充電底座。新的Vishay Dale IWTX-4646BE-50采用耐用的結構和高磁導率的屏蔽，在19V輸入電壓下，使用符合WPC的傳輸和接收芯片組及Vishay Dale IWAS-4832FF-50接收線圈，2.7mm間隔情況下的效率超過70%。

　　IWTX-4646BE-50可與Vishay符合WPC的無線接收線圈配套使用，高飽和度鐵粉不受永磁定位磁鐵的影響。尺寸更大的鐵氧體線圈在強磁場下會飽和，IWTX-4646BE-50在4000高斯磁場下的磁飽和為50%，可替代此類線圈。

　　器件符合RoHS，在200kHz下的電感為24μH，電感公差為±5%，在+25℃下的DCR為71mΩ（± 10%），200kHz下的典型Q值為185。發(fā)射線圈的引線長40mm，鍍錫部分的長度為5mm，熱額定電流為6A，飽和電流為20A，自諧振頻率為 7MHz。器件正在申請AEC-Q200認證，預計在2015年1季度完成認證，將用于汽車電子產品。

　　2.新款無線充電接收線圈---IWAS-4832FE-50

　　新款、符合WPC（無線充電聯盟）標準的新款無線充電接收線圈---IWAS-4832FE-50，適用于10W應用的。新的Vishay Dale IWAS-4832FE-50采用耐用的結構和高磁導率的屏蔽，轉換效率超過70%，可用于對最高10W的平板電腦、筆記本電腦和手持式醫(yī)療設備等便攜式電子產品進行無線充電。

　　IWAS-4832FE-50的高飽和鐵粉不受永磁定位鐵芯的影響，器件可阻斷來自敏感元件和電池的充電磁通。采用鐵氧體的方案在遇到強磁場的時候會飽和，IWAS-4832FE-50在4000高斯磁場下的磁飽和小于50%，可替代鐵氧體方案。

　　器件符合RoHS，在200kHz下的電感為15μH，電感公差為±5%，在+25℃下的DCR為255mΩ，在200kHz下的最小Q值為60。 IWAS-4832FE-50的額定電流為2A，使充電器在5V電壓下的充電功率達到10W。接收線圈的引線長度為50mm，鍍錫部分的長度為10mm。

飛思卡爾5W多線圈車用無線充電參考設計方案

　　方案概述

　　飛思卡爾5 W多線圈發(fā)送器參考平臺專門為汽車無線充電應用而設計。設計的核心是飛思卡爾MWCT1003AVLH發(fā)送控制器IC。該控制器IC管理并執(zhí)行實現無線充電發(fā)送器解決方案所需要的所有控制功能。該解決方案提供一個高性能的無線充電系統(tǒng)，同時也考慮到了汽車復雜的工作環(huán)境。整個平臺采用汽車級組件，并考慮了其他重要的汽車功能，以確保系統(tǒng)可以無縫集成。

　　該設計符合無線充電聯盟（WPC） 的最新Qi規(guī)范，并已通過WPC-A13型發(fā)送器認證。如同所有飛思卡爾無線充電解決方案一樣，該參考平臺支持WPC定義的其他線圈類型。

　　原理框圖

飛思卡爾5W多線圈車用無線充電參考設計

　　方案特性

　　通過WPC-A13型發(fā)送器認證

　　傳輸效率超過60%

　　多線圈支持任何符合Qi規(guī)范的智能手機

　　運行功耗低

　　片上數字解調

　　系統(tǒng)待機功耗低（使用飛思卡爾接近傳感技術）

　　穩(wěn)定的異物檢測算法

　　解決汽車具體問題，如EMC、關鍵FOB和啟動/停止

　　支持其他功能，如NFC，CAN和觸摸感應