Qi兼容无线电源解决方案 可适用于低功耗可穿戴产品

智能手表、健身腕带和头戴式耳机等诸多低功耗可穿戴设备已推向市场(图1)。预计在未来几年，这种全新的电子产品系列的阵营将会迅速发展壮大。这些设备通常小巧纤薄，具有不同的外形和工业设计。电池的容量范围可能是100mAh～300mAh，这就决定了所需的充电速率。

这类设备传统上是利用插头插孔或micro-USB连接器进行充电。但即使是这些较小的连接器，对于一些新的超薄可穿戴应用而言也太大了。此外，由于户外可穿戴环境的原因，连接器污染也成了一个更严峻的问题。

图1：具有无线充电功能的智能手表

无 线充电解决方案可令这些问题迎刃而解，并为设计人员提供更多的机会。现有用于WPC(无线充电联盟)Qi标准的半导体器件，可轻松适用于这种较低功耗的应 用。这种技术使用两个平面线圈，通过密封外壳来传输电力。对于低功耗可穿戴设备而言，小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背面。 Qi兼容器件是一种可缩短开发时间的成熟解决方案，且此类产品能获得现有WPC基础设施的支持。

Qi兼容的无线电源系统

典型的无线电源系统(图2)在便携式设备内有一个接收器(Rx)，它提供能量给电池充电。发射器(Tx)位于一个固定的底座内，并连接至壁挂式电源。输入电 能转换为交流电，然后在发射器线圈与接收器线圈非常接近时，通过线圈发生磁耦合。接收器的输出在电流高达1A时通常为5V，其可为便携式设备内的电池充电器IC提供输入功率。

图2：Qi兼容的无线电源系统方框图

该系统中的发射器工作，由接收器芯片使用经同一磁耦合路径传回的数字通信包形式的反馈进行控制。Qi兼容接收器采用负载调制以数据包形式跨两个线圈发送信 息，与发射器进行通信。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控制。接收器可以向发射器发送多种类型的数据包，以实现控制和信息传输。此外，通信的失败将终止任何功率传输。

Qi标准的“识别和配置”命令数据包非常有用，可保证功率仅传输到正确的设备， 从而避免潜在的危险情况。“充电完成”和“结束功率传输”数据包也是很有用的命令，当电池充完电或出现其他情况需要终止功率传输时可停止功率传输(参考文 献1)。这些特性可保证采用现有广为人知的标准在发射器和接收器之间进行安全的功率传输。

低功耗无线系统

通过精心调整线圈尺寸和外部元件值来匹配更小尺寸应用，可针对低功耗无线系统对既有的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缩减尺寸，以适应更小的外形。电源部分的元件(特别针对发射器)可降低功率规格。

典型的WPC-1.1 Qi兼容系统可支持功率高达5W的输出负载(通常为5V@1A)。另一方面，适用于可穿戴设备应用的低功耗系统可能拥有5V@100mA～250mA的输出电力范围。

大 多数Qi兼容功能的使用并不影响尺寸或性能。异物检测(FOD)功能是一项可选功能，可防止功率传输到充电区的杂散金属物体。在具有FOD功能的低功耗系 统中，总输出功率被减小50%以上。随着充电区域的缩小，物体进入该区域，并被加热至出现问题的可能性也大大降低。FOD功能的关键可能主要取决于可穿戴设备充电垫或充电底座的机械设计。表1总结了采用WPC-1.1 Qi标准时的一些主要可用功能，而这些功能在定制可穿戴应用时是可选的。

表1：Qi兼容标准与可穿戴解决方案对比。