将符合Qi标准的无线电源解决方案应用于低功耗可佩戴产品

线圈设计

设计接收器线圈大小时需要权衡的方面包括电线直径、屏蔽层大小和厚度。线圈的 DC 电阻是造成接收器效率降低的因素。接收器线圈设计需要一定圈数的绕组才能实现所需的电感。如前文所述，小型线圈因为耦合因数下降，需要比大型线圈更大的电感。为了在较小空间内使用更多绕组圈数实现更高电感值，需降低电线直径。电线直径缩小加上绕组圈数增多会增大 DC 电阻、降低效率。

屏蔽层能够为磁通提供低阻抗路径，增加线圈的电感量。同时屏蔽层还能防止 AC 电场进入电池和接收器内周边的金属部分。最好使用较大较厚的屏蔽层，因为较薄的屏蔽层在高通量磁场中容易发生饱和。发送器线圈的设计受到的物理局限较少。线圈可以更大，电感也可以更小。

标准 5WWPC 应用使用的典型线圈是 A11 型线圈。这种环形线圈直径大约 50 毫米，其后有厚铁氧体屏蔽层。这种线圈在带有多种类型接收器的各种应用中已通过测试，表明其更适用于较高的功率级（3W到5W）。对较低功率和较小覆盖范围的接收器，
许多线圈规格可以下调。

A11 线圈的典型电感量为 6.3μH。为实现最佳性能应保持该值。可以缩小电线直径以实现更小尺寸的线圈，但这样做会增大 DC 电阻损耗。减小屏蔽层厚度还能够进一步减小线圈尺寸。有多种性能表现良好的屏蔽层类型可供选择。

对 30 毫米直径环形发送器线圈的测试已取得良好结果（图 3）。更小尺寸的解决方案也有可能，但设计人员必须注意不让 DC 电阻明显增加。就大多数 WPC 发送器使用的谐振转换器架构而言，即便在极低负载下一次线圈也有电流流过。为避免过大的功率损耗，Tx 线圈的 DC 电阻必须在产品尺寸允许范围内尽可能最低。



低功耗接收器

Bq51003 是德州仪器 (TI) bq51xxx 系列无线电源接收器中的一款器件，特别适合低功耗应用。该器件的主要不同之处在于针对较低输出电流优化了一些特性性能。

该器件系列采用 Dynamic Rectifier ControlTM 改善负载瞬态性能。Qi 标准具有速度相对较慢的全局反馈环路，改变工作点耗时可能多达 100ms 。这就意味着负载步进可降低输出电压，导致系统重置。为提供足够电压实现瞬态工作，VRECT 工作点在低负载下设置为高。该特性可为负载步进提供帮助，但会降低轻负载效率。为解决这个问题，可使用 Dynamic Efficiency Scaling. 技术来为最大输出负载定制轻负载电压。最大输出电流可使用电阻器设置。

表 2：无线接收器 (bq51003) 的动态整流器控制功能


由于用于热耗散的 PCB 面积缩小了，因此散热路径也需要纳入考虑范围。由于典型应用需要使用降低的充电电流为小型电池充电，因此热耗散可以管理。

正如前文所提到的那样，bq51003（以及 bq51013B 等其它恒压输出接收器）能够与一个二级 IC 串接，为锂离子电池调整和管理充电电流。这类电池需要精确的恒流／恒压充电控制配置文件，其可使用 bq24232 等器件实施（图 4）。对于低功耗应用来说，简单的低成本线性充电器通常是最佳选择。选择充电器器件的关键在于检验其是否能够通过控制低充电电流等级来满足可佩戴设备中使用的小型电池应用需求。bq24232 可在需要时将恒定电流等级调低至 25mA，该器件已经在支持各种小型电池的应用中实施。如欲了解有关锂离子电池所需充电控制功能的更多详情，敬请参阅 bq24232 的产品说明书。



低功耗发送器

对于典型的 5W 应用而言，有众多符合 Qi 标准且功能丰富多样的发送器类型可供选择。bq50xxx 系列可支持 5W 或更大的接收器输出功率。bq500211 对于低功耗应用而言是个理想的入门器件。标准 EVM 套件配套提供一个 5V 输入 A11 型的发送器线圈。但是，正如上文所述，对于低功耗可佩戴应用，可使用较小型组件替换该线圈。这一单元的工作电源既可选择使用USB 端口也可选用低功耗 5V 适配器。发送器设计可以选择小型化和低成本化。

bq500211Qi 发送器控制器具有输入功率限制选项-。发送器的输入电流可限制在 500mA，这可实现通过USB 端口或小型适配器供电。这对电流需求很低的低功耗接收器而言非常适用。图 5 所示为范例方框图。输入电流用跨接的电阻器感应，并通过电流感应放大器放大。电源部分使用带集成型驱动器的功率级-MOSFET 。不过，也可以使用独立的驱动器和低损耗MOSFET 设计方案来降低成本。如前文所述，在输出较低功率时，FOB 保护功能为可选项。图示的电路没有实施 FOD 特性。此外，为了简化和降低成本，图 5 所示的设计也没有显示供低功耗待机模式使用的可选电路。如欲了解有关该设计的更多详情，敬请参阅参考资料 4。