無線電源係統繼續在手機和其他小型便攜式應用中獲得認可。現有標準僅限於5W功率傳輸，但智能手機、平板電腦以及便攜式工業和醫療應用不斷增長的功率需求對供電能力提出了更高的要求。隨著輸出功率的增加，從係統設計之初就必須考慮效率和熱性能。本文回顧了量產的10W無線電源係統的實現，並提供了與係統性能優化相關的係統設計指南。我們還提供了一些已在10W 應用中成功測試的收發器(TX) 和接收器(RX) 線圈的示例。
無線充電已經存在多年，並有多種形式，但由於行業標準的出現，直到最近才變得更加普遍。智能手機和小型平板電腦是目前使用無線充電的主要產品類別。然而，該技術也開始擴展到可穿戴設備以及醫療和工業應用。當無線電源與無線連接技術結合使用時，可以實現無需外部連接器的完全密封設備的設計。這使得無線電源成為所有需要在戶外或潮濕環境中運行的便攜式係統的理想選擇。
現有的行業標準僅規定有限的功率輸出能力，通常在5W範圍內。更高功率標準的製定工作正在進行中，截至2014 年12 月，尚未完全確定。因此，需要更高功率水平來為更大容量電池充電的設備需要定製或專有設計。雖然係統設計人員可以使用標準組件“從頭開始”，但這種方法很難實現將最終產品快速推向市場的目標。現已推出互補的發射器和接收器芯片組，可立即設計適用於便攜式應用的10W 無線電源係統，包括單節和兩節電池組架構。
無線供電係統架構
圖1 所示是緊耦合智能無線電力係統的簡化圖。如果從原理圖的角度來看，它看起來很像變壓器耦合的隔離電源轉換電路。然而，在這裏，初級線圈和次級線圈是完全分開的，而不是纏繞在同一磁芯上。功率從發射器（初級，或TX）側傳輸到接收器（次級，或RX）側，接收器電路以數字脈衝的形式將反饋發送回磁耦合設備。
圖1：典型無線充電係統架構圖
參考文獻[2] 詳細介紹了無線電源的基本概念，而參考文獻[3 至6] 則提供了無線電源設備的附加係統設計指南。
將功率性能擴展到10W 需要一些額外的考慮因素。首先，矽功率元件的設計必須能夠處理所需的峰值和持續功率水平。在發射器側，功率FET 組件位於發射控製器外部，因此可以根據需要對其進行升級以處理峰值電流。在接收器側，解決方案的小尺寸非常重要，因此使用集成FET 器件來提供單芯片器件。為了提供高效率和改進的熱性能，與之前的5W 接收器相比，RX 控製器中的FET 具有更低的RDS(on)。磁性組件（即TX 和RX 線圈）的額定值也必須能夠處理10W 功率傳輸所需的更高峰值電流。最後，由於10W係統的磁場強度較高，與5W係統相比，接收器處的屏蔽範圍需要擴大。這對於為係統中的金屬組件提供更好的屏蔽、最大限度地減少接收器處的“近距離接觸金屬”損耗以及最大限度地提高係統效率也是必要的。
現在參考圖1，我們注意到RX 控製器向TX 控製器提供反饋，要求TX 根據變化的負載條件、線圈對準/耦合效率等來改變其輸出功率。改變輸出功率的常見方法是用恒定幅度/可變頻率的交流信號激勵線圈。另一種選擇是使用可變幅度/固定頻率激勵。
變頻控製無需TX 側的可調節預調節器級，而是依賴於TX/RX 諧振電路的諧振調諧。當TX工作頻率接近諧振點時，最大可能的功率從TX傳輸到RX。為了減少傳送到RX 側的功率，TX 控製器將其頻率提高到遠高於諧振峰值。在較輕的負載情況下，例如RX 需要較少的功率，TX 頻率往往會增加。然而，這種方法使得電力傳輸/控製過程嚴重依賴於線圈調節。當在較高功率水平下使用時，變頻架構還會帶來電磁幹擾(EMI) 控製方麵的問題。
10W 發射器係統以固定頻率運行，但使用可調預調節器來改變用於線圈勵磁的直流電壓軌。全橋電路用於產生TX 線圈的交流勵磁電流。圖2 所示是固定頻率(10W) 無線電力發射器係統的基本框圖。當RX 需要更多輸出功率時，直流軌向TX 線圈功率級提供的電壓會增加。直流電壓隨著RX 負載的減小而減小。
圖2. 具有無線數字控製功能的10W 無線電源發射器
10W 係統的可調節輸出電壓和熱性能
第一代5W 無線電源係統通常在接收器處產生固定的5V 輸出電壓。這足以以1A 範圍的充電速率為單節鋰離子電池充電，並且本質上電源係統類似於無處不在的USB 型電源。然而，隨著便攜式設備電池容量的增加，需要更高的電流來維持快速充電時間。
bq51025 10W 無線接收器輸出電壓可通過外部反饋電阻在5V 至10V 範圍內調節。這使得能夠對一個或兩個串聯電池配置進行充電，並且當與寬輸入電壓範圍開關模式NVDC 型充電器結合使用時，可以保持單節電池充電的高效率[7]。在無線RX 輸出等情況下，NVDC 充電器架構可實現低壓電池的高效充電，同時減少較高電壓電源所需的輸入電流。圖3 顯示了向負載提供10W 電源時無線接收器板在5V、7V 和10V 輸出設置下的熱響應（分別為圖3a、b 和c）。顯然，10V 輸出外殼產生的熱量最少，應在可用於電池充電的高頻開關模式充電器的情況下使用。
圖3. 10W 負載下無線接收器的熱測量。
接收器電路上的串聯諧振電容器（圖4 中的C1）對於優化熱性能也至關重要。在實踐中，多個電容器並聯以提供所需的總電容值。
圖4. 無線電源接收器和關鍵諧振電容器
使用C0G（較大封裝、低等效串聯電阻(ESR)）和X7R（較小封裝、較高ESR）時的熱性能差異相當大（圖5）。
圖5. 電容器對熱性能的影響
較小的高ESR 電容器將是RX 印刷電路板(PCB) 上最熱的地方。這些電容器引起的PCB溫度升高使其無法散發集成電路（IC）本身產生的熱量，這意味著IC和PCB的整體溫度升高。並且由於使用了更小的諧振電容器，整體效率從80% 下降到74%。
圖6 顯示了使用無線電源發射器(bq500215) 與無線電源接收器(bq51025)、評估模塊(EVM) 和適當的組件選擇相結合配置的10W 無線電源傳輸的整體係統效率。
圖6. 5V、7V 和10V 輸出設置下10W 電源係統的端到端效率
線圈選擇指南
bq500215 發射器評估模塊使用無線充電聯盟(WPC) 29 型、10H、30m 線圈，額定電流為9A。除了10W 接收器之外，該線圈還確保與之前的5W WPC 型接收器兼容。
在接收器側，應優化線圈參數以匹配應用的目標輸出電壓。當需要5V輸出時，RX線圈的標稱電感值應在10H範圍內；對於7V 或10V 的較高輸出電壓，RX 線圈應在15H 範圍內。
雖然最小化線圈的直流電阻(DCR) 是理想的選擇，但在較高的輸出電壓下，允許稍微增加DCR 以處理較低的電流。圖7 顯示了兩個典型的RX 側線圈。所有RX 和TX 線圈在組裝時都需要背麵屏蔽材料。
圖7. 5V、7V 和10V 輸出要求的典型RX 線圈規格
電池充電時間比較
最後，實施10W無線充電係統的原因是為了減少大容量電池的充電時間。圖8 顯示了與bq24261 NVDC 開關模式充電器結合使用時，使用5W 和10W 無線電源係統的3.1Ah 鋰離子電池的充電時間。充電時間顯著縮短，從使用5W 充電器的近4 小時縮短到使用10W 充電器的不到3 小時。由於鋰離子電池充電算法的逐漸“結束”性質，總充電時間的減少與所提供的功率不成正比。然而，從恒流模式到恒壓模式的轉變點（大約代表滿充電狀態的70%）減少到原始值的一半（圖8）。
圖8. 使用10W 無線電源係統縮短電池充電時間
設計完整的10W 電源係統時，還有許多其他細節需要考慮。參考文獻[9-10] 提供了使用TI 10W 無線電源解決方案實施係統的完整指南和設計計算。
參考
1. 無線充電聯盟標準
2. Sengupta Johns，“使用Qi 協議的通用兼容無線電源”，低功耗設計
3. Tahar Allag，“無線充電接收器測試和故障排除”，應用報告(SLUA724)，德州儀器(TI)，2014 年8 月
4. Johns、Antonacci 和Siddabatula，“為無線電源係統設計兼容Qi 的接收器”，《模擬應用雜誌》(SLYT479)，德州儀器(TI)，2012 年第3 季度
5. Tahar Allag，“無線電源接收器布局指南”，應用報告(SLUA710)，德州儀器(TI)，2014 年6 月
6. Ilya Kovarik，“構建無線電源接收器
7.葉敬，《NVDC充電設計考慮與權衡》視頻教程
8.Wrth Elektronik (http://katalog.we-online.de/pbs/datasheet/760308141.pdf)
9.Norelis Medina，10W無線供電係統視頻演示
10. 下載這些數據表：bq500215、bq51025、bq24261
