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RT1650是全集成的無線電源接收器，可為移動(dòng)設(shè)備提供 7.5W 的電源供應(yīng)。本文解釋了無線電源傳輸?shù)幕驹�，簡要介紹了各種無線電源傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)介紹了名為 Qi 的 WPC 1.1 低功率標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法，對 RT1650 的主要特性進(jìn)行了講解。文章最后以 Nokia DT601 無線電源發(fā)射器和以RT1650 為核心的EVB 結(jié)合在一起所構(gòu)成的無線電源傳輸系統(tǒng)為例對實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的各種問題進(jìn)行了講解，具有重要的參考價(jià)值。
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2017-11-27 22:56 上傳
1. 無線電源傳輸之優(yōu)點(diǎn)
在兩個(gè)裝置之間，無實(shí)體纜線連接而能傳輸電源之方式有許多優(yōu)點(diǎn)：
在兩裝置之間完全的電流隔離，可使應(yīng)用更加安全。
電源接收器可完全封閉，使應(yīng)用裝置較易達(dá)到完全防水。
省去體積較大的連接器可使整體應(yīng)用的體積減少，對于如藍(lán)牙耳機(jī)、智慧手表和健康（醫(yī)療）等方面的穿戴式裝置而言，是非常重要的。
非接觸式的電源傳輸非常方便：無需插上或拔出連接器，只需將接收器放在發(fā)射器的表面上，即可開始電源傳輸。
無線電源傳輸多用于行動(dòng)裝置電池的充電，因此也常被稱為「無線充電」 。
圖一顯示使用無線電源傳輸之應(yīng)用。
2. 無線電源傳輸之原理
最常見之無線電能傳輸方法是透過兩個(gè)耦合的電感器之間的磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，交流變壓器即為應(yīng)用此原理之一例，線圈附近的磁場強(qiáng)度是隨距離呈指數(shù)關(guān)系下降的，換言之，若要高效率的電源傳輸，就必須使發(fā)射器線圈和接收器線圈之間的距離盡可能地近，或是其距離要遠(yuǎn)小于線圈的直徑，以達(dá)到高效率的電源傳輸。
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2017-11-27 22:57 上傳
另一種允許發(fā)射器和接收器線圈之間的距離較大的方法稱為諧振感應(yīng)耦合法。在這種系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器的內(nèi)部都有諧振在相同頻率上的 LC 電路，電源就在這一諧振頻率上被傳輸。兩個(gè)線圈之間的諧振可加強(qiáng)相互之間的耦合，并改善電源傳輸?shù)男省４朔绞皆试S的發(fā)射器和接收器線圈之間的距離可較大，但和磁感應(yīng)式相比，其最大可傳輸功率較低。
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2017-11-27 22:58 上傳
圖4：不同無線電源標(biāo)準(zhǔn)之異同
Qi 和 PMA 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，發(fā)射器和接收器之線圈必須對齊以實(shí)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(jìn)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(yīng)耦合技術(shù)， 允許在較大的距離下 (高達(dá)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(diǎn)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(lán)牙作為通訊手段，這使多個(gè)設(shè)備之間的通訊成為可能，因此容許多個(gè)裝置從一個(gè)發(fā)射器接收電源。由于需要額外的硬件實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙連接，此解決方案的成本較高。
Qi WPC 1.1* 低功率標(biāo)準(zhǔn)（5W）是目前被最廣泛采用的手機(jī)無線供電方法。
* 新的WPC 1.2標(biāo)準(zhǔn)已于2015年6月發(fā)布，RT1650接收器可以兼容WPC 1.1和WPC 1.2。
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2017-11-27 22:59 上傳
在低功耗待機(jī)模式下，發(fā)射器會定期送出一固定頻率的「模擬回音檢測 (PING)」信號以檢查是否有接收器的存在。若在發(fā)射器線圈上出現(xiàn)了接收器，發(fā)射器就會偵測到功率級的諧振有些變化，然后就會立即切換到「數(shù)字回音檢測 (PING)」?fàn)顟B(tài)。（注：某些發(fā)射器如 Nokia DT601 就不使用模
擬回音檢測而僅僅使用數(shù)字回音檢測方法進(jìn)行接收器的檢測。 ）
發(fā)射器所發(fā)出的數(shù)字元回音檢測信號具有足夠的能量，可以啟動(dòng)接收器的通訊功能，并藉由調(diào)制出「訊號強(qiáng)度」封包的數(shù)字回音檢測訊號而作出響應(yīng)。在成功接收「訊號強(qiáng)度」封包后，發(fā)射器會維
持電源訊號，使系統(tǒng)進(jìn)到下一個(gè)階段。
在辨識及配置 (identification and configuration) 階段，接收器會將包含接收器的WPC版本信息和其他配置訊息 (如所需的最大輸出功率)的數(shù)據(jù)封包發(fā)送給發(fā)射器。
完成配置后，系統(tǒng)會進(jìn)入電源傳輸階段。此時(shí)接收器會測量整流后的電壓，然后送出「誤差」封包使發(fā)射器可增加或減少所傳輸?shù)墓β�。接收器的「誤差封包」主要是為了能控制發(fā)射器所發(fā)射的功率，好讓在接收器之整流器的輸出上有足夠的電壓能提供給后置的穩(wěn)壓器，并得以維持穩(wěn)定的輸出
電壓。此外，接收器會定期送出一個(gè)「收到功率」封包到發(fā)射器；如果發(fā)射器發(fā)現(xiàn)「收到功率」和所發(fā)射功率之間的差異過大，就會關(guān)閉系統(tǒng)，這是為了確保電源傳輸?shù)陌踩�。若在電源傳輸接口上有（金屬）異物，該物體可能被雜散磁場加熱，因而導(dǎo)致危險(xiǎn)的出現(xiàn)。
如果接收器不再需要接受任何電源（例如其電池已完全充電）時(shí)，它就會送出一個(gè)「結(jié)束功率傳輸」封包，而發(fā)射器即回到低功率之待機(jī)模式。
6. 無線功率傳輸?shù)膶?shí)際范例
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(gè)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(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)，外形尺寸小，是一種低成本的解決方案。
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2017-11-27 22:59 上傳
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(fù)載電流進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)性能。參見圖14。
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2017-11-27 23:00 上傳
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(shí)延特性，這種數(shù)字控制回路的響應(yīng)速度是極慢的。VRECT 的開環(huán)負(fù)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、功率級組件的質(zhì)量因子和發(fā)射器的電源供應(yīng)有關(guān)。LDO 的輸入電壓余量應(yīng)足夠維持它在常規(guī)應(yīng)用中遇到階躍負(fù)載時(shí)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(dòng)態(tài)的：
當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，整流器的電壓被設(shè)定在比較高的水平上，以便在遇到突然出現(xiàn)的階躍負(fù)載時(shí) LDO 有足夠的調(diào)節(jié)空間。
當(dāng)平均負(fù)載增加以后，LDO 所需的電壓余量也相應(yīng)降低，整流器電壓就要降下來，這樣可使 LDO 在較高負(fù)載電流的情況下形成的功耗降下來。請參見圖15。
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2017-11-27 23:01 上傳
當(dāng)負(fù)載發(fā)生從輕到重的跳變時(shí)，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(zāi)的跳變時(shí)，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(fù)載下的參數(shù)是可程序設(shè)計(jì)的，這可使其滿足特定應(yīng)用的需要，適應(yīng)功率級的阻抗特性。 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)與發(fā)射器的電源供應(yīng)穩(wěn)定性是有關(guān)的。當(dāng)它使用 5V 電源時(shí)，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?yàn)樗捎昧藘?nèi)建的線纜補(bǔ)償措施；當(dāng)使用 5V的USB 接口輸出為之供電時(shí)，其電壓在重載情況下就會出現(xiàn)下降。在某些時(shí)候，調(diào)節(jié)回路是可以自行修復(fù)的，但當(dāng)接收器的 VRECT 在重載之下下降到低于 IC 的欠壓鎖定電壓時(shí)，系統(tǒng)就會關(guān)機(jī)，然后再重啟。這些情形在圖16中有所呈現(xiàn)。
異物檢測（FOD） 在待機(jī)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回應(yīng)，但當(dāng)有金屬物體出現(xiàn)在正在進(jìn)行電源傳輸?shù)陌l(fā)射器和接收器線圈之間時(shí)，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(dǎo)致難以收拾的結(jié)局。 因此，WPC 無線電源傳輸標(biāo)準(zhǔn)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。
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2017-11-27 23:02 上傳
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(jì)算出總的接收到功率，計(jì)算中會把接收線圈、諧振電容、整流器和 LDO 的損耗都包含進(jìn)去，然后將此數(shù)據(jù)打包成接收到功率數(shù)據(jù)報(bào)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(jì)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(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)兩者之間的差值超出了預(yù)設(shè)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(gè)信號鏈路上每個(gè)段落的功率損失都與實(shí)際使用的組件有關(guān)，其非線性非常嚴(yán)重。通過 WPC 1.1 認(rèn)證的發(fā)射器和接收器如 Nokia DT601 和 RT1650 的 EVB 都對其功率計(jì)算進(jìn)行了細(xì)調(diào)，以便在全負(fù)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(yīng)用中，對其 MTP 內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)以實(shí)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
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