作者：Alix Paultre，特約編輯

電力無(wú)處不在，沒(méi)有任何電子系統(tǒng)可以在沒(méi)有電的情況下工作。這意味著電力傳輸與電力轉(zhuǎn)換一樣重要，應(yīng)該考慮到同一系統(tǒng)的兩個(gè)方面。將電力從 A 點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 B 點(diǎn)的任何低效或損失都將使電力電子的任何進(jìn)步或效率變得毫無(wú)意義。

這就是為什么正確的連接器和電纜至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌魏萎a(chǎn)品的安全有效運(yùn)行中都起著直接作用。但是當(dāng)不再需要電纜時(shí)會(huì)發(fā)生什么，至少對(duì)于從產(chǎn)品外部電源到內(nèi)部電子設(shè)備的“最后一腳”？這對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)尤其重要，需要通過(guò)將其插入墻壁來(lái)定期充電。消除充電電纜開(kāi)辟了一個(gè)充滿(mǎn)好處和挑戰(zhàn)的世界。

自由！在產(chǎn)品層面，無(wú)線(xiàn)充電幾乎在各個(gè)層面為設(shè)備創(chuàng)造了新的自由度。消除電源端口可為制造商帶來(lái)封裝、電路板布局和材料清單 (BOM) 的優(yōu)勢(shì)。只需將設(shè)備放置在表面上即可為其充電，這也使售后市場(chǎng)設(shè)備（從汽車(chē)到家具）的設(shè)計(jì)人員能夠在其產(chǎn)品中創(chuàng)建充電表面，以擴(kuò)大其市場(chǎng)以包括智能設(shè)備。

目前，無(wú)線(xiàn)充電有兩種標(biāo)準(zhǔn)。Qi 協(xié)議是由無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的開(kāi)放接口標(biāo)準(zhǔn)，是一種適用于單線(xiàn)圈和多線(xiàn)圈拓?fù)涞母袘?yīng)式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)。Qi 占據(jù) 110 kHz 至 205 kHz 的帶寬，目前是市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者（圖 1）。它的廣泛使用可以歸因于其成本效益。電感式拓?fù)浔仨毷褂脦?nèi)通信。

圖 1：Qi 協(xié)議是用于單線(xiàn)圈和多線(xiàn)圈拓?fù)涞母袘?yīng)式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)。（圖片：英飛凌）

AirFuel 是一種工作頻率為 6.78 MHz 的諧振技術(shù)，由 AirFuel 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)組織開(kāi)發(fā)。AirFuel 與 Qi 相比的優(yōu)勢(shì)包括更寬的位置和距離接受范圍以及并行充電多個(gè)不同設(shè)備的能力。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 AirFuel 設(shè)備使用藍(lán)牙低功耗進(jìn)行通信。圖 2 顯示了 D 類(lèi)（全橋或半橋）放大器布局。您還可以創(chuàng)建適合您應(yīng)用的 E 類(lèi)（單端或差分）放大器設(shè)計(jì)。

圖 2：AirFuel 是一種工作頻率為 6.78 MHz 的諧振技術(shù)。（圖片：英飛凌）

盡管無(wú)線(xiàn)充電可以在相對(duì)較大的氣隙上進(jìn)行（按平方反比規(guī)則點(diǎn)頭），但大多數(shù)消費(fèi)類(lèi)設(shè)備將使用無(wú)線(xiàn)充電功能作為電纜消除器。對(duì)氣隙最敏感的應(yīng)用是汽車(chē)，因?yàn)槌潆姾徒邮站€(xiàn)圈將被車(chē)輛的離地間隙隔開(kāi)，除非有某種墊片盡可能地縮小間隙以最大限度地提高能量傳輸。

消除最后幾英尺的電纜還可以從地球上移除大量電線(xiàn)及其最終過(guò)時(shí)的連接器，因?yàn)楫?dāng)連接器技術(shù)被下一代功能取代時(shí)，電纜會(huì)被丟棄。如果實(shí)施得當(dāng)，無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)將成為一種更持久的電力基礎(chǔ)設(shè)施，可以支持多代連續(xù)技術(shù)。

此外，一旦您將電源無(wú)線(xiàn)化，它也將成為軟件端設(shè)備 I/O 的一部分。這不僅意味著管理無(wú)線(xiàn)電力傳輸所需的智能，還意味著通過(guò)該鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。這使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)樗麄兊漠a(chǎn)品添加額外的功能，例如安全和驗(yàn)證。

每個(gè)工程師都知道，添加到設(shè)備中的任何功能也會(huì)增加復(fù)雜性。通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電，電源系統(tǒng)成為設(shè)備邏輯的一部分，因此可以用作黑客攻擊主機(jī)系統(tǒng)的途徑。安全性是無(wú)線(xiàn)電力系統(tǒng)最重要的方面之一，因?yàn)樗鼈優(yōu)槟漠a(chǎn)品提供了通信后門(mén)。您的電源管理系統(tǒng)現(xiàn)在需要防火墻和身份驗(yàn)證才能在無(wú)線(xiàn)環(huán)境中正常運(yùn)行。

在此期間，安全并沒(méi)有消失，這意味著無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)方面都必須安全可靠。這意味著要關(guān)注熱管理和其他與將新技術(shù)整合到“舊”應(yīng)用程序相關(guān)的問(wèn)題。一個(gè)例子是密封系統(tǒng)中的熱考慮，例如在其表面內(nèi)置充電板的家具。

無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)需要三個(gè)主要部件（每端）：控制器、電源電路和用于傳輸和接收的線(xiàn)圈。創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的方法有很多，大多數(shù)供應(yīng)商不僅提供所需的組件，許多供應(yīng)商還擁有成熟的參考設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)套件，甚至完整的系統(tǒng)，使其變得更加容易（圖3）。當(dāng)然，與任何事情一樣，由正確選擇的組件制成的定制設(shè)計(jì)最有可能提供最佳解決方案。

圖3：大多數(shù)供應(yīng)商現(xiàn)在提供無(wú)線(xiàn)電源開(kāi)發(fā)套件或完整系統(tǒng)。（圖片：Adafruit）

例如，德州儀器公司的bq51051B是一款符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的接收器芯片，面向便攜式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并集成了Qi v1.1通信所需的數(shù)字控制器。能夠管理鋰離子和鋰聚合物電池充電，接收器芯片及其匹配的bq500212A發(fā)射器側(cè)控制器為直接電池充電器解決方案創(chuàng)建了完整無(wú)線(xiàn)電源系統(tǒng)的核心。

當(dāng)然，您的監(jiān)控越精確，系統(tǒng)的性能就越好，尤其是在無(wú)線(xiàn)電源方面，在無(wú)線(xiàn)電源領(lǐng)域，已經(jīng)存在多個(gè)可能出現(xiàn)低效率的地方。一種解決方案是使用類(lèi)似Microchip Technology Inc.的PAC1932的設(shè)備，這是一種雙功率和能量監(jiān)視器，以16位分辨率報(bào)告總線(xiàn)和感應(yīng)電壓（圖4）。功率報(bào)告為兩個(gè)16位獨(dú)立總線(xiàn)和感測(cè)電壓的同時(shí)乘積。所有寄存器都可以通過(guò)I2C/SMBus接口訪(fǎng)問(wèn)，該接口包括用于讀取穩(wěn)定性的八個(gè)樣本平均值。

圖4:Microchip的PAC1932/3/4是雙通道、三通道和四通道功率和能量監(jiān)測(cè)設(shè)備。高壓多路復(fù)用器將輸入依次連接到總線(xiàn)電壓監(jiān)視器和電流感應(yīng)放大器，為高分辨率ADC供電。（圖片：微芯片技術(shù)）

準(zhǔn)確選擇所需天線(xiàn)的能力也很重要，因?yàn)樘炀€(xiàn)失配將導(dǎo)致效率低下的操作（圖5）。天線(xiàn)中的其他重要功能包括所用導(dǎo)線(xiàn)的類(lèi)型、可達(dá)到的功率水平、屏蔽的程度、結(jié)構(gòu)的好壞（正確的芯結(jié)構(gòu)限制了設(shè)計(jì)中的雜散場(chǎng)），甚至還包括天線(xiàn)與電路板的連接方式。

圖5：準(zhǔn)確選擇所需天線(xiàn)的能力也很重要。（圖片：伍爾思）

開(kāi)發(fā)工具包還使設(shè)計(jì)師能夠評(píng)估公司的解決方案。此外，工具包提供了一個(gè)起點(diǎn)，可以為您的應(yīng)用程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮妥远x。例如，基于意法半導(dǎo)體STWBC-EP/STWLC33芯片組的15瓦、符合Qi的端到端無(wú)線(xiàn)充電解決方案的評(píng)估套件針對(duì)擴(kuò)展功率剖面（EPP）無(wú)線(xiàn)功率聯(lián)盟（WPC）Qi 1.2認(rèn)證的應(yīng)用程序進(jìn)行了優(yōu)化，最高功率為15瓦。無(wú)線(xiàn)充電器發(fā)射器的STWBC-EP數(shù)字控制器支持半橋或全橋拓?fù)湟约皢尉€(xiàn)圈和多線(xiàn)圈設(shè)計(jì)。

關(guān)于無(wú)線(xiàn)電源，另一件需要記住的事情是，它需要軟件和編碼。此開(kāi)發(fā)工具包附帶相關(guān)的STWBC-EP固件（STSW-ISB044FW）和圖形用戶(hù)界面（STSW-STWBCGUI），以幫助調(diào)試和配置。固件下載工具（STSW-STWBCFWDT）也可用。沒(méi)有太多的軟件支持。

意法半導(dǎo)體還提供STEVAL-ISB045V1無(wú)線(xiàn)電池充電器開(kāi)發(fā)套件，可為可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建充電器，包括軟件、文檔和硬件。該解決方案能夠制造高達(dá)2.5 W的小型無(wú)線(xiàn)充電器，具有一個(gè)20 mm的線(xiàn)圈，用于為智能手表和其他小型設(shè)備充電。STWBC-WA可作為交鑰匙解決方案使用，也可為特定應(yīng)用定制，支持所有常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)充電功能，包括活動(dòng)狀態(tài)和異物檢測(cè)。

展望未來(lái)，無(wú)線(xiàn)充電將徹底解放便攜式設(shè)備的連接線(xiàn)，從而為便攜式設(shè)備帶來(lái)革命性的變化。在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中，無(wú)線(xiàn)電源解決方案的正確設(shè)計(jì)將決定產(chǎn)品的成敗。

審核編輯 黃昊宇