1.無線電源傳輸之優(yōu)點在兩個裝置之間，無實體纜線連接而能傳輸電源之方式有許多優(yōu)點：
圖一顯示使用無線電源傳輸之應用。
圖1：無線電源傳輸之應用 2.無線電源傳輸之原理
3.無線電源的標準隨著需要定期充電的便攜設備（如手機，平板計算機和筆記本計算機）的用量的增加，無線電源聯(lián)盟（Wireless Power Consortium ，WPC）于2008年成立，其使命為制定在電子裝置之間進行無線電源傳輸?shù)臉藴省?2009年，WPC 推出了命名為Qi 的低功率標準，使得任何符合 Qi 標準的裝置之間能夠以磁感應方式傳輸5W以下的電源。 目前，針對無線電源傳輸?shù)臉藴视腥N：Qi，PMA和A4WP。Qi和PMA 都是應用磁感應原理，而A4WP則是采用諧振感應原理。表一顯示了這三種標準之間的差異。
圖4：不同無線電源標準之異同 Qi 和PMA標準的性能非常接近，容許電源傳輸在短距離（通常約為5毫米）上對單一接收裝置進行，發(fā)射器和接收器之線圈必須對齊以實現(xiàn)高效率的電源傳輸，兩裝置之間的通訊透過所傳輸?shù)碾娫葱盘栠M行，避免了額外硬件的使用。Qi和PMA在通訊協(xié)議上是有差異的。 Rezence（先前的稱呼是A4WP）使用磁諧振感應耦合技術， 允許在較大的距離下 (高達約50毫米) 傳輸電源，發(fā)射器和接收器之線圈不需要很好地對齊，其缺點是全系統(tǒng)效率較低，能傳輸?shù)墓β瘦^低。接收器和發(fā)射器之間以藍牙作為通訊手段，這使多個設備之間的通訊成為可能，因此容許多個裝置從一個發(fā)射器接收電源。由于需要額外的硬件實現(xiàn)藍牙連接，此解決方案的成本較高。 Qi WPC 1.1*低功率標準（5W）是目前被最廣泛采用的手機無線供電方法。 *新的WPC 1.2標準已于2015年6月發(fā)布，RT1650接收器可以兼容WPC 1.1和WPC 1.2。 4. Qi無線電源傳輸系統(tǒng)之簡介Qi WPC 1.1標準定義了磁感應式無線電源傳輸系統(tǒng)中所有重要的參數(shù)，如電源發(fā)射器和接收器的設計、系統(tǒng)控制和通訊接口等方面，其基本方塊圖如圖5所示。 發(fā)射器用交流信號驅(qū)動發(fā)射線圈，同時對交流電壓和電流信號進行監(jiān)控。接收線圈被放置在發(fā)射線圈之上。藉由磁感應，在接收器線圈上可生成交流電壓，此信號被導入整流器整流后，即可得到直流輸出電壓，再經(jīng)由穩(wěn)壓調(diào)節(jié)后，即可用于驅(qū)動應用之負載。 輸出功率的調(diào)節(jié)通過單向的數(shù)字控制回路完成。通過對接收到的交流電源訊號進行調(diào)制的反向散射方法，接收器持續(xù)不斷地將功率需求訊號回送給發(fā)射器。發(fā)射器對這些電源需求訊號進行解調(diào)與譯碼并調(diào)整線圈驅(qū)動之訊號后，即可改變要供應給接收器的功率。
圖5：Qi標準的無線電源傳輸系統(tǒng) WPC 1.1定義了數(shù)種發(fā)射器類型，有固定式單線圈系統(tǒng)、多線圈系統(tǒng)和可自動定位發(fā)射線圈以達到最佳電源傳輸效果的可動線圈等類型。功率級可以是半橋諧振式或全橋諧振式，而所發(fā)射功率之調(diào)整可透過增加或減少 交流 信號的振幅或改變交流驅(qū)動信號的頻率來達成。 典型的無線電源傳輸之操作順序如下：
WPC的通訊流程示于圖六。
圖6：PWC通訊流程 5. 無線電源接收器RT1650之特點RT1650是高集成度的無線電源接收器，它集成了MCU和可多次寫入的MTP存儲器，可以極大的靈活性去滿足各種標準和應用的需要。當使用預設的固件時，它符合WPC 1.1低功率標準，支持輸出5W的功率。通過對固件的某些改變，RT1650就可以工作在WPC 1.2.0的中功率配置下，輸出功率可上升到7.5W。最大輸出功率可通過在MTP存儲器中寫入不同的數(shù)據(jù)進行設定。RT1650也可經(jīng)配置支持PMA標準。 RT1650內(nèi)部包含高效率的全同步整流器和后置的低壓差、1.5A線性電壓調(diào)節(jié)器（LDO）。通過特別的余量控制系統(tǒng)對LDO的輸入電壓余量進行調(diào)節(jié)，可在瞬態(tài)響應特性和系統(tǒng)效率之間進行平衡優(yōu)化。 所有符合WPC規(guī)范的通訊過程、系統(tǒng)監(jiān)控和故障檢測都由內(nèi)置的32位ARM Cortex-M0 進行掌控，還有I2C總線和可編程的GPIO引腳可與系統(tǒng)主機進行通訊實現(xiàn)需要的控制功能。 除了支持從接收器到發(fā)射器的ASK通訊，RT1650也支持對由發(fā)射器發(fā)送給接收器的FSK（移頻鍵控）通訊信號進行解碼，這可用于對中功率發(fā)射器進行識別，對其它擴展信息的解碼也不在話下。它有高精度的10位ADC用于對接收到的電壓和電流進行測量，還有特殊的算法可對接收器功率損失進行計算，完成精確的接收功率匯報。 RT1650同時支持來自適配器和無線傳輸?shù)碾娫摧斎耄袃蓚€MODE輸入端可用于使能或禁止特定的輸入，還支持NTC溫度檢測和可編程的溫度控制，它采用了小型的、具有很好的熱性能的 3mmX3.5mm 48B CSP封裝。
圖7：RT1650功能方框圖 6. 無線功率傳輸?shù)膶嶋H范例下面的案例展示的是Nokia DT601發(fā)射器和Richtek RT1650接收器的組合，我們可以從中看到一個典型的5W無線電源傳輸系統(tǒng)是如何工作的。Nokia的這款發(fā)射器采用WPC所定義的A11類型的設計，其電源輸入為5V，它和RT1650接收器一樣，都符合WPC 1.1的低功率(5W)標準，外形尺寸小，是一種低成本的解決方案。
圖8：使用NOKIA DT601和RT1650的無線電源傳輸系統(tǒng)案例 功率級雖然WPC 1.1規(guī)范是基于磁感應技術的，發(fā)射器和接收器也都使用串聯(lián)連接的LC電路并被調(diào)諧至100kHz的頻率上，但實際的工作頻率總是高于此串聯(lián)諧振頻率的，這與磁諧振技術并不相同。在磁諧振技術中，工作頻率總是與LC諧振頻率相同，與采用非諧振耦合的方法相比，它能提供改善了的功率傳輸過程。 Nokia DT601發(fā)射器的功率級采用MOSFET全橋?qū)Υ?lián)連接的LC電路進行驅(qū)動。按照WPC 1.1標準的規(guī)定，A11發(fā)射器采用的電感量為6.3μH，串聯(lián)電容為400nF，合成起來的諧振頻率為100kHz。在我們使用的接收器中，接收線圈也是連接成串聯(lián)諧振電路的形式，我們使用了電感量為13.3μH的TDK電感，其型號為 WR483265-15F5-G 其厚度為1.1mm。接收器的LC串聯(lián)電路應該同樣諧振在100kHz頻率上，這應該發(fā)生在接收器線圈和發(fā)射器藕合在一起的時候。為了做到這一點，我們應當將線圈放置在發(fā)射器線圈之上，使其空間位置以及屏蔽狀況和真實的應用狀態(tài)相仿，在不加電的情況下測量該線圈的電感量。在此案例中，實際測量到的電感量為18.2μH，于是，我們可用下述公式計算出與之串聯(lián)的電容量
按照WPC標準，一只并聯(lián)電容需要被添加在接收器的LC電路上以形成并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振的現(xiàn)象可被用于檢測是否有接收器被放置在發(fā)射器上。整個電路的并聯(lián)諧振頻率應該被設定為1MHz，并聯(lián)電容的計算公式為
其中，Ls是接收線圈的電感量。在我們的案例中，C2的值應該是2nF。 最后形成的功率級顯示在圖9中：
圖9：功率級的參數(shù) 從發(fā)射器的驅(qū)動級到接收器的整流器，整個功率傳輸電路的功率傳遞函數(shù)顯示出如圖10所示的諧振曲線。A11型發(fā)射器的工作頻率可在110kHz~205kHz范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，總是處于諧振點的右側。由于諧振曲線是傾斜的，通過改變發(fā)射器功率級的信號頻率即可實現(xiàn)對接收器的整流器輸出電壓的控制。
圖10：Tx-Rx傳輸曲線 請注意此曲線的峰值幅度是與LC電路的品質(zhì)因數(shù)相關的，與負載大小也有關系。為了確保從發(fā)射器到接收器的電壓增益在所有負載條件下都能最大化，功率級所有組件的選擇都應根據(jù)WPC 1.1的需求來進行。 發(fā)射器的待機狀態(tài)和接收器的啟動過程WPC無線電源傳輸系統(tǒng)應當在接收器被放上發(fā)射器線圈以后就立即啟動電源傳輸過程，這就意味著發(fā)射器在待機狀態(tài)下應當持續(xù)地檢測是否有接收器出現(xiàn)，這種檢測過程只應在消耗極小功率的前提下完成，以使發(fā)射器的待機功耗最小化。 Nokia DT601發(fā)射器對接收器的檢測是通過定時發(fā)出數(shù)字回音檢測信號實現(xiàn)的。數(shù)字回音檢測信號是突發(fā)的、包含了足夠激活接收器的能量的信號。當沒有接收器出現(xiàn)時，該發(fā)射器的平均待機功耗大約是70mW。 假如沒有接收器出現(xiàn)在發(fā)射器線圈上，就不會有通訊信號返回給發(fā)射器，發(fā)射器就會主動停止檢測工作。一旦接收器被放置到發(fā)射器上，下一次數(shù)字回音檢測開始時，接收器的整流器輸出端就會建立起足夠的電壓并且啟動通訊過程。（整流器輸出電壓上的凸起揭示出通訊處于活動狀態(tài)。）接收器開始對發(fā)射器進行通訊活動以后就會開始系統(tǒng)初始化，發(fā)射器也將繼續(xù)維持活動狀態(tài)。參見圖11。
圖11：接收器檢測和系統(tǒng)啟動過程 從接收器到發(fā)射器的ASK通信WPC 1.1標準中，接收器對發(fā)射器的通信采用ASK（幅度鍵控）的反向散射方法進行：接收器通過對接收到的來自發(fā)射器的信號的幅度進行調(diào)制，該信號幅度的變化會被反射到發(fā)射器一側，再經(jīng)解調(diào)、解碼以后供系統(tǒng)使用。
圖13：ASK通信波形 通過圖13的波形可以看出ASK調(diào)制的基本表現(xiàn)形式。由于是串行信號，它包含了時鐘信息和數(shù)據(jù)，其第一部分是前置的用于時鐘同步的信號，緊接著是數(shù)據(jù)包的頭部、被編碼的信息，最后是校驗碼。信息的傳輸采用了差分雙相編碼方式，如下圖所示：
接收器的電壓調(diào)節(jié)接收器可對整流后的電壓、輸出電壓和負載電流進行測量，它通過要求更多或更少的來自發(fā)射器的功率來對LDO的輸入電壓余量進行調(diào)節(jié)以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)性能。參見圖14。
圖14：系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)過程 我們必須了解，由于ASK通訊的長時延特性，這種數(shù)字控制回路的響應速度是極慢的。VRECT的開環(huán)負載調(diào)節(jié)性能取決于接收器線圈末端的輸出阻抗，這與線圈的耦合狀況、功率級組件的品質(zhì)因數(shù)和發(fā)射器的電源供應有關。LDO的輸入電壓余量應足夠維持它在常規(guī)應用中遇到階躍負載時的輸出電壓調(diào)節(jié)性能。由于這樣的原因，整流器的電壓控制策略是動態(tài)的：
圖15：系統(tǒng)負載調(diào)節(jié)狀況（負載漸變和階躍的狀況） 當負載發(fā)生從輕到重的跳變時，整流器的電壓將出現(xiàn)下跌的情形，但由于存在輕載情況下的額外余量，輸出電壓仍可維持不變。只有在發(fā)生從空載到重災的跳變時，輸出電壓上才會看到比較輕微的下跌。RT1650的整流器電壓在不同負載下的參數(shù)是可編程的，這可使其滿足特定應用的需要，適應功率級的阻抗特性。 系統(tǒng)的動態(tài)表現(xiàn)與發(fā)射器的電源供應穩(wěn)定性是有關的。當它使用5V電源時，這有可能尤顯重要。Nokia DT601的 5V適配器可向其提供很穩(wěn)定的 5V電源，這是因為它采用了內(nèi)建的線纜補償措施；當使用5V的USB接口輸出為之供電時，其電壓在重載情況下就會出現(xiàn)下降。在某些時候，調(diào)節(jié)回路是可以自行修復的，但當接收器的VRECT在重載之下下降到低于IC的欠壓鎖定電壓時，系統(tǒng)就會關機，然后再重啟。這些情形在圖16中有所呈現(xiàn)。
圖16：發(fā)射器電源供應不足帶來的電壓調(diào)節(jié)性能局限 異物檢測（FOD）在待機模式下，發(fā)射器并不會對放置在發(fā)射線圈上的金屬物體予以響應，但當有金屬物體出現(xiàn)在正在進行電源傳輸?shù)陌l(fā)射器和接收器線圈之間時，金屬物體就會因在其內(nèi)部生成的渦狀電流而發(fā)熱，如果沒有采取任何安全措施，此金屬物體就會變得越來越熱，這可能最終導致難以收拾的結局。 因此，WPC 無線電源傳輸標準納入了異物檢測功能以檢測系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的任何異常功率損耗。參見圖17。
圖17：異物檢測系統(tǒng)圖 異物檢測功能以如下方式工作：接收器首先測量整流器和LDO的輸出電壓及電流，利用這些參數(shù)計算出總的接收到功率，計算中會把接收線圈、諧振電容、整流器和LDO的損耗都包含進去，然后將此數(shù)據(jù)打包成接收到功率數(shù)據(jù)包發(fā)送給發(fā)射器。發(fā)射器也會測量其輸入電壓和電流，計算出它在發(fā)射過程中消耗在MOSFET橋路、發(fā)射線圈和電容上的損耗，然后將發(fā)射出去的功率數(shù)值和接收到的來自接收器的功率數(shù)據(jù)進行比較，如果發(fā)現(xiàn)兩者之間的差值超出了預設的異物檢測觸發(fā)閾值，它就會停止發(fā)射過程，并且發(fā)出異物檢測故障信號。 整個信號鏈路上每個段落的功率損失都與實際使用的組件有關，其非線性非常嚴重。通過WPC 1.1認證的發(fā)射器和接收器如Nokia DT601和RT1650的EVB都對其功率計算進行了細調(diào)，以便在全負載范圍內(nèi)確保精確的異物檢測性能。假如RT1650要被使用在靠近金屬物體的最終應用中，對其MTP存儲器中的數(shù)據(jù)進行微調(diào)以實現(xiàn)精確的異物檢測就是非常必要的，這樣才能反映特定的損耗狀況。 系統(tǒng)效率無線電源傳輸應用的系統(tǒng)總效率與我們在談論異物檢測問題時提到的整個信號鏈路中的每一個環(huán)節(jié)的功率損失都有關系，用接收器的輸出功率除以發(fā)射器的輸入功率即可得到系統(tǒng)總效率。對于WPC所定義的低功率系統(tǒng)來說，此數(shù)據(jù)一般在70%~80%之間。在發(fā)射器和接收器中使用高性能的線圈和電容可對效率有提升效果，線圈尺寸、相互之間的距離和位置關系也會對其有影響。在最終的應用中，其它具有感性的材料如電池、防護物等也會影響到效率，它們會對雜散的磁場分布發(fā)生影響，甚至可能產(chǎn)生額外的影響如表現(xiàn)為異物的存在等。 在RT1650接收器中，可通過對整流橋的工作方式進行設置以盡可能降低其損耗；LDO的損耗可通過盡可能降低其輸入電壓余量得到降低，但必須同時照顧到系統(tǒng)在面臨階躍負載和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時維持輸出穩(wěn)定性的需要。 圖18顯示了應用案例中的系統(tǒng)效率狀況。
圖18：系統(tǒng)效率與功耗 圖中的系統(tǒng)效率曲線和功耗曲線顯示出典型的開關電源的特征：負載很輕的時候，開關損耗占據(jù)主要份額；在較高的負載下，功率組件的導通損耗占據(jù)主要份額。由于LDO使用了動態(tài)余量控制策略，它在輕載狀態(tài)下的損耗所占比例較高，因為它需要提高輸入余量以應對負載瞬變的挑戰(zhàn)；在重載情況下，LDO的壓降被最小化，因而即便在高達1A負載電流的情況下，其功耗也只有250mW。 顯示在圖19中的3組效率曲線圖顯示了不同的應用因素對效率的影響：
圖19：應用中的不同因素對效率的影響
7. 用戶可調(diào)的RT1650固件設定通過I2C總線可對RT1650的MTP存儲器中的設定數(shù)據(jù)進行存取，立锜科技的接口工具Sparrowboard或Wrenboard可以作為連接PC和RT1650 EVB的工具完成這一任務。在固件調(diào)整模式下，一個獨立的7.5V電源應當連接到RT1650 EVB的整流器電壓端子上。在這種模式下，無線電源發(fā)射器是不應該被使用的。具體的連接方法請參見圖20。
圖20：RT1650固件設定時的連接方法 圖21 顯示了使用RT1650的軟件工具進行固件設定時的軟件界面。
圖21：進行RT1650 MTP存儲器設定的圖形用戶界面 此工具容許用戶讀取RT1650 MTP存儲器里面的數(shù)據(jù)，容許改變諸如充電完成以后的動作、IC溫度調(diào)節(jié)策略、最大電流限制、不同負載下的整流器輸出電壓等參數(shù)，可對接收器進行異物檢測的判據(jù)進行微調(diào)。在完成所有的改變以后，新的設定可被寫入RT1650的MTP存儲器中。 8. 總結RT1650的出現(xiàn)讓無線電源接收器的設計變得更簡單和容易，其外圍組件極少，調(diào)節(jié)其MTP存儲器的內(nèi)容即可對應用參數(shù)進行優(yōu)化。設計中比較關鍵的地方是對接收線圈和諧振電容的選擇；在面對負載瞬變的場合，需要對整個系統(tǒng)的功率級的特性進行仔細的打磨，整流器的動態(tài)特性可能也需要進行調(diào)整以滿足開環(huán)特性的要求。在改變了整流器的電壓設定以后，一定要檢查LDO的功耗狀況。在進行PCB設計時要注意進行優(yōu)化，盡量利用PCB的內(nèi)層達成散熱的目的，降低IC本體的溫度。對靠近接收器線圈的金屬材料、PCB地線層要進行檢查，可能還需要對異物檢測的標準進行某些調(diào)節(jié)。為了達成最佳的效率，使用高品質(zhì)的接收線圈和諧振電容是必須的。 為了獲取更多的信息，請登錄與RT1650相關的產(chǎn)品頁面查閱相關文件。
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