可穿戴設(shè)備正作為電子元件的一個(gè)重要市場(chǎng)領(lǐng)域而迅速興起。 這類(lèi)設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵要求就是便利性，不僅表現(xiàn)在能夠訪(fǎng)問(wèn)移動(dòng)物體上的數(shù)據(jù)方面，而且還能確保電池每天都有足以持續(xù)一整天的續(xù)航時(shí)間。

如果用戶(hù)必須插入設(shè)備使其整夜充電，那么有些時(shí)候就很有可能忘記充電，睡醒后才發(fā)現(xiàn)設(shè)備在接下來(lái)的一天時(shí)間里將無(wú)法使用。 無(wú)線(xiàn)充電功能為電子設(shè)備帶來(lái)一種更便捷的充電方式。 進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電時(shí)只需將電子設(shè)放到充電墊上，無(wú)需在待充電設(shè)備中插入微型 USB 或類(lèi)似電纜，而且用戶(hù)可以把充電墊放在容易夠到的地方。 如果無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)恰當(dāng)，一塊充電墊可同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電，無(wú)需逐一充電且更能方便用戶(hù)外出攜帶充電墊和設(shè)備。

現(xiàn)在，享受無(wú)線(xiàn)充電便利的已不止是可穿戴設(shè)備。 這項(xiàng)技術(shù)早已大量運(yùn)用到電子牙刷，甚至在進(jìn)行按比例放大，為電動(dòng)汽車(chē)電池充電。

感應(yīng)充電的基本工作原理與電源變壓器相同。 充電墊中的感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，然后由待充電設(shè)備的線(xiàn)圈接收該電磁場(chǎng)，并將其再次轉(zhuǎn)換為有用的電流。 與傳統(tǒng)變壓器類(lèi)似，基本的感應(yīng)充電也要求兩個(gè)線(xiàn)圈緊密靠近，以獲得高效率。 否則，初級(jí)線(xiàn)圈中的電阻會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的累積損耗。

利用兩個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生諧振感應(yīng)耦合可提升長(zhǎng)距離能量傳輸效率，具體做法是通過(guò)合并電感和電容負(fù)載對(duì)這兩個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行調(diào)諧，使其在相同頻率下產(chǎn)生諧振。 在這種諧振條件下，大量電能可從一個(gè)線(xiàn)圈傳輸至位于數(shù)倍于其直徑處的另一線(xiàn)圈。

圖 1：負(fù)載調(diào)制用于對(duì)變壓器耦合期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

線(xiàn)圈電路 Q 值可調(diào)高，以便經(jīng)過(guò)多個(gè)周期后建立相對(duì)較強(qiáng)的磁場(chǎng)。 這種振蕩信號(hào)中攜帶的電能要高于任何一次饋入線(xiàn)圈的電能。 由于次級(jí)線(xiàn)圈能夠接收一部分這種振蕩磁場(chǎng)并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此輸出的電能要高于傳統(tǒng)變壓器。 為實(shí)現(xiàn)諧振而使用經(jīng)過(guò)調(diào)諧的電容可以消除發(fā)射器中的雜散和磁化電感，進(jìn)而從根本上減小線(xiàn)圈繞組的電阻損耗，這種損耗通常是感應(yīng)損耗的 10 到 100 倍。

為使 Q 值高于傳統(tǒng)變壓器 ，線(xiàn)圈通常采用螺線(xiàn)管設(shè)計(jì)，這也有助于將趨膚效應(yīng)降至最小。 通常，使用小介電常數(shù)電感器或者僅依靠空氣就能將介電損耗降至最低。

實(shí)際中上，并不總是將線(xiàn)圈調(diào)諧至一個(gè)精確的諧振頻率。 只要次級(jí)線(xiàn)圈截獲一定量的磁力線(xiàn)，松散耦合系統(tǒng)就能傳輸電能。 通過(guò)更精確的線(xiàn)圈匹配實(shí)現(xiàn)更緊密的耦合能夠提供更高的電能，但對(duì)設(shè)計(jì)用于在諧振條件下同時(shí)工作的線(xiàn)圈來(lái)說(shuō)，使它們之間保持嚴(yán)格的耦合是不可能的。 這些電路可設(shè)計(jì)為僅在失諧調(diào)件條件下工作，其中接收器與發(fā)射器的諧振頻率稍有不同。

遺憾的是，緊密耦合線(xiàn)圈還易受對(duì)準(zhǔn)度影響，而且對(duì)于用戶(hù)只想將設(shè)備隨意放到充電墊上即能成功充電，而不用去考慮最佳放置方向和位置的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，這就是一個(gè)問(wèn)題。 所以，充電所用的發(fā)射器可以采用多個(gè)線(xiàn)圈。 這會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但位置選擇更自由。 線(xiàn)圈無(wú)需重疊，這樣就能在生產(chǎn)中簡(jiǎn)化裝配，雖然線(xiàn)圈重疊能提高密度和接收器放置自由度。

要順利實(shí)現(xiàn)單發(fā)射器為不同設(shè)備充電，就需采用一些標(biāo)準(zhǔn)。 目前在用的主要有兩大標(biāo)準(zhǔn)。 Powermat 系統(tǒng)是無(wú)線(xiàn)電源聯(lián)盟 （Alliance for Wireless Power） 倡導(dǎo)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，圍繞基于單發(fā)射器線(xiàn)圈的松散耦合型系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。 無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)合體 （Wireless Power Consortium） 的 Qi 系統(tǒng)允許多種不同配置，包括同時(shí)進(jìn)行松散和緊密耦合運(yùn)行。 目前的大多數(shù)發(fā)射器采用多線(xiàn)圈緊密耦合配置。

這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還考慮了能量管理，以確保充電墊只有在設(shè)備充電時(shí)才會(huì)工作。 例如，Qi 系統(tǒng)采用一個(gè)通訊協(xié)議來(lái)中轉(zhuǎn)線(xiàn)圈上的信號(hào)，以檢查是否存在設(shè)備且該設(shè)備是否支持 Qi 系統(tǒng)。 按照該標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射器可以在 110 kHz 至 205 kHz 范圍內(nèi)改變線(xiàn)圈上的切換頻率，作為功率輸送的主要控制機(jī)制。

在 Qi 標(biāo)準(zhǔn)下，利用線(xiàn)圈電壓對(duì)負(fù)載進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)制，以向氣隙另一側(cè)的裝置發(fā)送數(shù)據(jù)。 來(lái)自次級(jí)線(xiàn)圈的通訊使用不同的雙相位、位編碼方案，工作頻率恒為 2 kHz 并在每個(gè) 8 位傳輸數(shù)據(jù)前添加一個(gè)起始位。 傳輸數(shù)據(jù)后為奇偶校驗(yàn)和停止位。

圖 2：雙相位編碼能實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送能力。

可以發(fā)送大量控制數(shù)據(jù)。 最常用的控制數(shù)據(jù)包類(lèi)型包括：信號(hào)強(qiáng)度、控制誤差、終端功率要求和整流電源水平。 信號(hào)強(qiáng)度有助于調(diào)整設(shè)備在充電墊上的位置，當(dāng)與可見(jiàn)或可聞信號(hào)配合使用時(shí)，能夠指導(dǎo)用戶(hù)沿充電墊移動(dòng)設(shè)備，直至該信號(hào)強(qiáng)度大到足以說(shuō)明當(dāng)前功率傳輸良好。

控制誤差數(shù)據(jù)包可指示從接收線(xiàn)圈觀察到的輸入電壓及其需要的輸入電壓之間的誤差程度。 發(fā)射器通常利用控制回路調(diào)節(jié)施加到其線(xiàn)圈上的電壓。 如果存在大誤差，這些誤差數(shù)據(jù)包的頻率被設(shè)定為一個(gè)較大的值。 每 32 ms 將發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，直至誤差降至閾值以?xún)?nèi)。 從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)包每 250 ms 發(fā)送一次。 控制誤差數(shù)據(jù)包非常有助于調(diào)節(jié)功率輸送。 輕負(fù)載條件下，接收器可能需要一個(gè)較高電壓，以便能克服電流瞬態(tài)——例如，從睡眠狀態(tài)喚醒可穿戴設(shè)備。 負(fù)載電流較大時(shí)，便攜式設(shè)備可能需要一個(gè)較低電壓，以避免在 LDO 穩(wěn)壓器上產(chǎn)生功率損耗。

設(shè)備充滿(mǎn)電或者檢測(cè)到可能會(huì)損壞電池的內(nèi)部故障時(shí)，設(shè)備會(huì)發(fā)出停止功率傳輸請(qǐng)求。 功率輸送還通過(guò)整流電源信息控制。 這會(huì)中繼轉(zhuǎn)發(fā)可穿戴設(shè)備在其整流電路輸出端接收到的那部分功率。 發(fā)射器利用這一信息確定耦合頻率，同時(shí)判斷接收器是否達(dá)到其最高功率極限。 每 350 ms 至 1800 ms 發(fā)送一次，發(fā)射器會(huì)利用沒(méi)有數(shù)據(jù)包的間隙確定充電墊上的設(shè)備是否被移走。 整流電源信息也有助于探測(cè)異物。

支持 Qi 協(xié)議和控制功率輸送的芯片組業(yè)已推出。 例如 Toshiba 推出用于發(fā)射器的 TB6865AFG 器件。 這種高集成度零件包括一個(gè)運(yùn)行客戶(hù)代碼的 ARM Cortex-M3 處理器、一個(gè)支持外部 H 橋電路的 PWM 控制器（用于功率輸送）。 按照 Qi 標(biāo)準(zhǔn)，控制器可為多達(dá)兩個(gè)設(shè)備控制功率并支持異物檢測(cè)。

bq51013 器件是 Texas Instruments 產(chǎn)品，設(shè)計(jì)用于次級(jí)側(cè)，能進(jìn)行 AC/DC 電源轉(zhuǎn)換、整流并具有向發(fā)射器發(fā)送指令所需的數(shù)字化控制功能。 bq5101x 系列的所有器件均采用了一個(gè)低電阻同步整流器、LDO 以及電壓、電流環(huán)路控制器。

除控制器外，制造商還提供支持 Qi 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成線(xiàn)圈，這些線(xiàn)圈設(shè)計(jì)用作發(fā)射器、接收器或同時(shí)用作這兩種器件。 例如，Abracon 的 AWCCA-50N50 系列同時(shí)支持發(fā)射器和接收器應(yīng)用。 線(xiàn)圈的直徑稍小于 50 mm 且抗透磁性能強(qiáng)，可保護(hù)設(shè)備內(nèi)部的電子器件。 這些設(shè)計(jì)提供可在 70 或 160 范圍內(nèi)選擇的 Q 系數(shù)，這兩種情況下的 DC 電阻分別為 20 mΩ 或 70 mΩ 左右。

針對(duì)較小的可穿戴設(shè)備，TDK 推出 WR303050 線(xiàn)圈，并將其封裝尺寸減小至 30 x 30 mm 且厚度僅 1 mm。 室溫下 DC 電阻為 0.41 Ω。

為提高靈活性，Vishay Dale 的 IWAS-3827 提供采用長(zhǎng)方形而非正方形基底面選擇，其長(zhǎng)寬分別為 38 mm 和 27 mm。 該線(xiàn)圈厚度 1 mm，DC 電阻為 0.18 Ω，典型 Q 值為 30。

圖 3：用于無(wú)線(xiàn)電源的 AVishay Dale 線(xiàn)圈。

為提供集成度更高的解決方案，TDK 的 TMx-66-2M7 和 TMx-58-2M7 可與一個(gè) TI 接收器芯片封裝在一起，實(shí)現(xiàn)一個(gè)總長(zhǎng) 66 mm、厚度僅 1 mm 的封裝器件。

可選用的其它無(wú)線(xiàn)充電器件包括 Würth Electronics 提供的各種 WPCC 和 WE-WPCC 系列無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈。 這些線(xiàn)圈包括發(fā)射器和接收器兩種配置形式，額定電流為 0.8 至 13 A 且尺寸多樣，能滿(mǎn)足各種應(yīng)用要求。 我們可利用 Würth/TI 無(wú)線(xiàn)電源演示套件 （760308） 演示無(wú)線(xiàn)充電的概念和好處，該套件采用了 Würth 發(fā)射器和接收器線(xiàn)圈。

隨著圍繞如 Qi 等協(xié)議的生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)張，我們可以期待用集成度更高的解決方案來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單的充電方法。