智能手表、健身腕带和头戴式耳机等许多低功耗可穿戴设备已推向市场（图1）。估计在未来几年，这种全新的电子产品系列的阵营将会敏捷发展壮大。这些设备一般细巧纤薄，具有不同的外形和工业规划。电池的容量规模或许是100mAh~300mAh，这就决议了所需的充电速率。
这类设备传统上是运用插头插孔或micro-USB衔接器进行充电。但即便是这些较小的衔接器，关于一些新的超薄可穿戴运用而言也太大了。此外，由于野外可穿戴环境的原因，衔接器污染也成了一个更严峻的问题。
图1：具有无线充电功用的智能手表。
无线充电处理方案可令这些问题方便的处理，并为规划人员供给更多的时机。现有用于WPC（无线充电联盟）Qi规范的半导体器材，可轻松适用于这种较低功耗的运用。这种技能运用两个平面线圈，经过密封外壳来传输电力。关于低功耗可穿戴设备而言，细巧纤薄的低功耗接收器线圈可轻易地嵌入到密封外壳或腕带区的反面。Qi兼容器材是一种可缩短开发时刻的老练处理方案，且此类产品能取得现有WPC基础设施的支撑。
Qi兼容的无线电源体系
典型的无线电源体系（图2）在便携式设备内有一个接收器（Rx），它供给能量给电池充电。发射器（Tx）坐落一个固定的底座内，并衔接至壁挂式电源。输入电能转换为沟通电，然后在发射器线圈与接收器线圈十分挨近时，经过线圈发生磁耦合。接收器的输出在电流高达1A时一般为5V，其可为便携式设备内的电池充电器IC供给输入功率。
图2:Qi兼容的无线电源体系方框图。
该体系中的发射器作业，由接收器芯片运用经同一磁耦合途径传回的数字通讯包方式的反应进行操控。 Qi兼容接收器选用负载调制以数据包方式跨两个线圈发送信息，与发射器进行通讯。发射器线圈电压和电流以2kHz的速率调制，由发射器解码并用于操控。接收器能够向发射器发送多种类型的数据包，以完结操控和信息传输。此外，通讯的失败将中止任何功率传输。
Qi规范的“辨认和装备”指令数据包十分有用，可保证功率仅传输到正确的设备，然后防止潜在的危险状况。“充电完结”和“完毕功率传输”数据包也是很有用的指令，当电池充完电或呈现其他状况需求中止功率传输时可中止功率传输（参考文献1）。这些特性可保证选用现有广为人知的规范在发射器和接收器之间进行安全的功率传输。
低功耗无线体系
经过精心调整线圈尺度和外部元件值来匹配更小尺度运用，可针对低功耗无线体系对既有的Qi兼容接收器和发射器进行优化。发射器和接收器的线圈均可减缩尺度，以习惯更小的外形。电源部分的元件（特别针对发射器）可下降功率规范。
典型的WPC-1.1 Qi兼容体系可支撑功率高达5W的输出负载（一般为5V@1A）。另一方面，适用于可穿戴设备运用的低功耗体系或许具有5V@100mA~250mA的输出电力规模。
大多数Qi兼容功用的运用并不影响尺度或功用。异物检测（FOD）功用是一项可选功用，可防止功率传输到充电区的杂散金属物体。在具有FOD功用的低功耗体系中，总输出功率被减小50%以上。跟着充电区域的缩小，物体进入该区域，并被加热至呈现问题的或许性也大大下降。FOD功用的要害或许首要取决于可穿戴设备充电垫或充电底座的机械规划。表1总结了选用WPC-1.1 Qi规范时的一些首要可用功用，而这些功用在定制可穿戴运用时是可选的。
表1:Qi兼容规范与可穿戴处理方案比照。
低功耗体系线圈
线圈的尺度可减小到一个点，但仍需传输功率并与发射器进行通讯。典型的线圈结构是一种在屏蔽层上用铜线制成的圆形平面线圈。代替装备是PCB或柔性电路线圈。一般状况下，这些代替物或许有更高的直流（DC）电阻（更低的功率），但会十分纤薄，该特性很合适小型低功耗运用。屏蔽层可阻挠沟通电磁场进入电子器材和电池，这也可进步线圈的功用。
假定Rx线圈和Tx线圈在x-y平面上对齐，那么有两个要害要素可确认耦合系数k.第一个要素是线圈到线圈（z）的间隔，第二个要素是两个线圈直径的份额。当两个线圈间隔较近且直径相匹配时，将发生最佳耦合（最高的k）成果（参考文献2）。为保证两个线圈从一开端就能在x-y平面上严密对齐，可穿戴设备充电底座或支架的机械规划应包含有助于将设备妥善放置在支架中的物理办法。由于在本运用中接收器线圈十分小，Rx线圈和Tx线圈之间的细微失准或许导致耦合系数明显下降且功率传输功率很差。
在耦合电感器体系（如WPC/Qi）中，一次线圈和二次线圈间的耦合系数（k）一般为 0.5~0.7.典型变压器的k会高得多，例如0.99.当耦合系数很低时，在二次（接收器）侧需求较高的电感值，以保证输出功率的需求能得到满意。因而，那些或许具有低耦合的小型低功率设备，实际上比规范的5W规划需求更高的二次绕组电感（参考文献3），或许需求具有更多匝数、更大屏蔽层的较高电感的接收器线圈，才干到达所需的电压增益。
线圈规划
接收器线圈尺度的规划权衡要素包含线圈导线直径、屏蔽层尺度和厚度。线圈直流电阻会使接收器功率下降。接收器线圈规划需求详细的匝数，以取得所需的电感。如前所述，由于耦合系数下降，小线圈所需的电感会比大线圈高。为了在较小空间内到达较高的电感值，匝数会添加，导线直径会减小。更细的导线和更多的匝数带来的兼并效应，将迫使直流电阻升高并下降功率。
屏蔽层能供给低阻抗的磁通途径，并能添加线圈的电感。此外，屏蔽层还能阻挠沟通电磁场进入电池和接收器周围的金属体。更大、更厚的屏蔽层比较好，由于较薄的屏蔽层将遭受高通量磁场饱满的危险。发射器线圈规划的物理约束较少。线圈能够更大，而且其电感能够更低。
用于规范5W WPC运用的典型线圈是A11型线圈。这种环形线圈直径约50mm，背面有厚厚的铁氧体屏蔽层。尽管这种线圈已在具有多种类型接收器的许多运用中经过了测验，但它最合适较高的功率级（3W~5W）。关于较低功率和缩小规模的接收器，许多线圈尺度可减小。
A11线圈的典型电感为6.3μH.为取得最佳功用，应坚持此值。导线直径可减小，以答应更小的线圈尺度，可是这会添加直流电阻损耗。经过减小屏蔽层厚度，可进一步完结尺度的减缩。有几种类型的屏蔽层可供给杰出的功用。
用一个30mm的圆形发射器线圈进行测验的作用甚佳（图3）。完结更小的处理方案并非痴人说梦，但规划人员必须要注意不能使直流电阻明显添加。大多数WPC发射器中所用的谐振转换器架构，即便在负载最小时，电流仍然在一次线圈内活动。考虑到产品的尺度约束，Tx线圈的直流电阻必须在实际状况答应的条件下尽或许减小，以防止过多的功率损耗。
图3：规范收发器线圈和30mm低功耗线圈。
低功耗接收器
bq51003是德州仪器（TI）无线电源接收器bq51xxx产品系列中的一款器材，专为低功耗运用量身打造。该器材中的要害改动是为较低的输出电流优化几种功用的特性。
该器材系列具有动态整流器操控功用以改进负载瞬态特性（表2）。Qi规范有一个相对缓慢的大局反应回路，最多或许需求100ms的时刻来改动作业点。这意味着负载阶跃会下降输出电压并引起体系复位。为了供给满足的电压应对瞬态改动，在低负载时需求把VRECT作业点设高。该特性有助于负载阶跃，但会下降轻载功率。为处理这个问题，用动态功率调理功用来调理轻载电压，以习惯最大输出负载。此外，还用一个电阻器来设定最大输出电流。
表2：针对无线接收器（bq51003）的动态整流器操控。
由于耗散功率而减缩了的PCB面积，散热途径也应予以考虑。由于典型的运用需求用下降的充电电流为小型电池充电，所以耗散功率是能够操控的。
如前所述，bq51003及bq51013B等其他恒压输出接收器可与二次%&&&&&%协同作业，调理并办理至锂离子电池的电流。这些电池需求准确的恒流/恒压充电操控装备参数，这些参数可经过bq24232（图 4）等器材来完结。对低功耗运用而言，简略的低成本线性充电器一般是上佳之选。选择充电器设备的一个要害要素是验证它能否操控可穿戴设备所用小型电池需求的低充电电流水平。bq24232在必要时可调理低至25mA的恒定电流水平，而且已在运用小型电池的运用中大显身手。
图4：合适低功耗运用的无线电源接收器（带电池充电器）。
低功耗发射器
关于功率为5W的典型运用，有许多具有各种特性的Qi发射器类型。bq50xxx系列支撑5W或更高的接收器输出功率。关于低功耗运用，bq500211是一个很好的起点。它供给规范的EVM套件，具有单线圈5V输入、A11型的发射器线圈。但是，正如前文所述，针对更低功耗的可穿戴运用，这种线圈可用更小的元件替代。该器材可选择经过USB端口或低功耗5V电源适配器供电运转。发射器规划还有小型低成本的选项。
bq500211 Qi发射器操控器具有输入功率约束选项，至发射器的输入电流可被约束在500mA，然后答应经过USB端口或小型电源适配器供电运转。这十分合适要求低电流的低功耗接收器。图5展现了一个方框图典范。输入电流跨电阻器检测并经过电流检测扩大器扩大。电源部分运用带集成驱动器的功率级MOSFET.但独立的驱动器和低损耗的MOSFET可用于下降成本。如前所述，在输出功率较低时，FOD维护功用是可选项；图5所示电路未施行FOD功用。别的，为了简略并下降成本，图5中的规划未显现用于低功耗待机形式的可选电路。
图5：低功耗发射器。
定论
现在，用既有的定制器材在低功耗可穿戴规划中完结无线感应充电已成为或许。要规划功率规模为 500mW~1500mW的作业处理方案，其间一项要害的要素是磁性元件的优化-详细而言，便是让较小尺度的接收器线圈与相应较小尺度的发射器线圈相匹配，以坚持最佳的耦合系数。此外，用bq500211发射器和bq51003低功耗接收器进行恰当的外部电路修正，以尽量削减体系功率损耗。
参考文献
1. Bill Johns， “An Introduction to the WirelessPower Consortium standard and TI‘s compliantsolutions，” Analog Applications Journal （1Q2011）.Available： www.ti.com/2q14-slyt401
2. E. Waf fenschmidt and Toine Staring，“Limitation of inductive power transfer forconsumer applications，” 13th EuropeanConference on Power Electronics andApplications （EPE2009）， Barcelona， Spain，8-10 Sept 2009， paper #0607.
3. Bill Johns， Tony Antonacci and KalyanSiddabattula. “Designing a Qi-compliantreceiver coil for wireless power systems，” Analog ApplicationsJournal （3Q 2012）。 Available： www.ti.com/2q14-slyt479
