助力磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng),MCU大有作為！

　　微控制器（MCU）在磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)中扮演舉足輕重的角色。磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)是利用發(fā)射端與接收端內(nèi)的線圈耦合產(chǎn)生功率，因此損耗問題嚴(yán)重。開發(fā)人員可利用微控制器感應(yīng)線圈中的電壓和電流，藉此調(diào)節(jié)逆變器參數(shù)，以確保無線充電系統(tǒng)運(yùn)作效能。

　　技術(shù)、軟件和硬件不斷革新，使得手持行動(dòng)設(shè)備如平板電腦、智能手機(jī)、攝像機(jī)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等設(shè)備飛速發(fā)展。這些設(shè)備主要都由電池驅(qū)動(dòng)，而且新功能還在不斷增加，如觸控螢屏、寬螢屏顯示器等，同時(shí)設(shè)備還能通過網(wǎng)際網(wǎng)運(yùn)行應(yīng)用程式，這些都會(huì)增加功耗。

　　然而，電池的尺寸和性能增強(qiáng)力度遠(yuǎn)不及電量需求的增長速度，因此，電池需要頻繁充電。消費(fèi)者仍需要花大把力氣攜帶充電器和大量線纜，頻繁地為電池充電。雖然持有先進(jìn)的設(shè)備，但感覺好像您仍活在石器時(shí)代。出于這些原因，科學(xué)家們正努力研究新方法，以無線的方式充電，無需繁瑣的設(shè)備附件，實(shí)現(xiàn)更輕松、更方便的充電方式。這聽起來很科幻，但如今卻已變成現(xiàn)實(shí)。

　　實(shí)際上，能量的無線傳輸在許多領(lǐng)域都以電磁波的形式被普遍應(yīng)用，如無線電波、微波等，這些技術(shù)都已應(yīng)用在無線通信、衛(wèi)星、收音機(jī)、電視機(jī)等領(lǐng)域。這些波從發(fā)射器發(fā)射，向各個(gè)方向傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)天線的時(shí)候，天線再將這些波的頻率改變，因此，只有一小部分的能量到達(dá)了接收器。如果電能的傳送也是利用這個(gè)方法，將變得非常沒有效率。在微處理器（MPU）問世前，這一概念受到效率低下和缺乏控制的影響，并且還有安全和其他問題的隱憂。

　　當(dāng)今大多數(shù)的無線充電技術(shù)都采用電感耦合進(jìn)行電量的傳輸。雖然還有如激光二極管、微波束等其他方法可以無線的方式進(jìn)行電量的傳輸，但那些都不在本文討論范圍內(nèi)。

　　電感耦合可產(chǎn)生電流磁場

　　電感耦合（圖1）正應(yīng)用于各種電機(jī)領(lǐng)域，它采用可產(chǎn)生各種移動(dòng)電流的磁場?；緛碚f，變壓器的原理是透過使它們磁耦合的方式改變兩個(gè)電感線圈間的電能，詳細(xì)內(nèi)容可參照法拉第發(fā)明的電磁定律。當(dāng)行動(dòng)設(shè)備在交流電上工作時(shí)，接收器中感應(yīng)到的電能自然地進(jìn)行交替并改變?yōu)榻涣麟姟?/p>

　　圖1　電感耦合示意圖

　　電磁感應(yīng)與可產(chǎn)生磁場的導(dǎo)體內(nèi)的電流和電壓強(qiáng)度以及頻率成正比。頻率越高，則感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)。能量從可產(chǎn)生磁場（初級(jí)）的導(dǎo)體傳輸?shù)狡渌麑?dǎo)體上，并發(fā)生磁場沖擊（二級(jí)）。初級(jí)導(dǎo)體中的部分能量通過感應(yīng)傳輸?shù)蕉?jí)導(dǎo)體中，并且能量沿著初級(jí)導(dǎo)體快速減少。

　　高頻電流不會(huì)透過遠(yuǎn)距離的導(dǎo)體，但會(huì)透過傳感快速改變其能量到相鄰導(dǎo)體上。更高頻率所產(chǎn)生的更高感應(yīng)很好地體現(xiàn)了交流電系統(tǒng)中高頻傳播與低頻傳播的顯著差別。頻率越高，感應(yīng)效果越明顯，并透過電路之間的空間傳輸能量。能量減少的越快，并且電流沿著電路消失，本地現(xiàn)象就越多。

　　電氣設(shè)備不宜通過空氣進(jìn)行磁場耦合，因?yàn)榭諝鈸碛泻懿畹臐B透性，會(huì)導(dǎo)致效率低下。但對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用而言，當(dāng)使用會(huì)使設(shè)備變重的高滲透性磁心時(shí)，空氣仍是首選的介質(zhì)。通過使用共振技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以更高效地增加能源，使其在短距離內(nèi)，透過空氣的介質(zhì)進(jìn)行傳輸。

　　無線充電則復(fù)雜得多，這是因?yàn)樗鼘?duì)進(jìn)行發(fā)射和接收的能源，在其通信與控制方面有很高要求，需要更復(fù)雜、更高級(jí)的電路，故要為無線傳輸能源建立新的標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖1所示為一個(gè)理想的變壓器，即沒有功率損耗的變壓器，在這個(gè)變壓器內(nèi)，初級(jí)伏安（Volt Ampere）=二級(jí)伏安。雖然實(shí)際應(yīng)用中，變壓器都很高效，但功率損耗還是會(huì)發(fā)生，因?yàn)椴皇撬杏沙跫?jí)線圈產(chǎn)生的磁通量都會(huì)連接到二級(jí)線圈。以下三種情況會(huì)導(dǎo)致變壓器的功率損耗：

　　．銅損耗

　　銅損耗也可以叫做線圈損耗或I2R損耗，因?yàn)橛善渌饘僦瞥傻木€圈也會(huì)發(fā)生損耗。這些損耗是由于銅線線圈過熱導(dǎo)致的，因?yàn)殂~線有阻力，會(huì)消耗一定的功率。

　　變壓器線圈產(chǎn)生的功耗可以通過計(jì)算線圈中的電流和阻力來統(tǒng)計(jì)，公式為P=I2R。這個(gè)公式解釋了為什么銅損耗會(huì)被稱做I2R損耗的原因。為了使損耗降到最低，線圈中的阻力必須保持最低，因此要使用橫截面積適中且電阻率低的線圈。

　　．磁滯損耗

　　每當(dāng)交流電反轉(zhuǎn)（每週期一次）時(shí)，帶有磁心材料的微小「磁域」也會(huì)反轉(zhuǎn)。這些屬于磁心材料的物理改變，也會(huì)消耗一定的能量。

　　能量損耗的大小取決于磁心材料的「磁阻」；對(duì)于大型功率變壓器磁心而言，磁滯損耗或許是一個(gè)大問題，可透過采用特殊低磁阻「晶粒取向」鋼做為磁心材料來克服這一問題。

　?。疁u流損耗

　　因?yàn)殍F和鋼磁心既是導(dǎo)電體又是磁電路，初級(jí)線圈中的電流改變往往會(huì)建立一個(gè)電磁波（EMF），同樣在二級(jí)線圈中也是如此。磁心內(nèi)感應(yīng)到的電流會(huì)阻礙磁心內(nèi)磁場的改變，因此須盡可能使渦流保持最低，這可透過把金屬磁心分離到薄片或疊片（Laminations）上來實(shí)現(xiàn)，并透過絕緣漆和氧化物使每一個(gè)疊片都與其他隔離。被疊片的磁心大大減少了渦流的形成，并且不影響磁心的性能。

無線充電的優(yōu)缺點(diǎn)

　　無線充電優(yōu)點(diǎn)如下:

　?。鼙Ｗo(hù)的連接

　　當(dāng)電子全部封閉時(shí)，不會(huì)受到空氣中水和氧氣的腐蝕。

　?。畬?duì)嵌入式醫(yī)療設(shè)備而言，更加安全

　　對(duì)于嵌入式醫(yī)療設(shè)備而言，允許通過皮膚而不是讓線纜穿過皮膚的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電/供電，從而減少受感染的風(fēng)險(xiǎn)。

　　．方便

　　不必連接電力線纜，設(shè)備可安放在充電板或支架上。

　?。僮骱唵?/p>

　　比起插入電力線纜，操作更簡單（對(duì)于殘疾人士更加重要）。

　　．耐用

　　無須頻繁插拔設(shè)備，擁有更耐磨損和撕裂的設(shè)備插槽和附加線纜。

　　另一方面，無線充電的缺點(diǎn)則如下所列。

　?。势?，產(chǎn)生廢熱

　　與直接充電相比，磁感應(yīng)充電的最大缺點(diǎn)就是效率偏低和不斷增加的電阻熱量。

　　采用低頻或老式驅(qū)動(dòng)技術(shù)導(dǎo)致充電速度緩慢并在大多數(shù)可攜式電子設(shè)備中產(chǎn)生廢熱。

　　．成本昂貴

　　感應(yīng)充電需要設(shè)備和充電器都具備驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和線圈，增加了制造的復(fù)雜性和成本。

　　．充電緩慢

　　由于效率低，設(shè)備需要的充電時(shí)間更長。

　?。环奖?/p>

　　當(dāng)行動(dòng)設(shè)備使用線纜連接充電時(shí)，您可以隨意移動(dòng)該設(shè)備，并且可以在充電過程中使用設(shè)備。而采用當(dāng)前的感應(yīng)充電（如Qi標(biāo)準(zhǔn)）技術(shù)，行動(dòng)設(shè)備必須固定在平板上，因此不能隨意移動(dòng)，充電時(shí)也不能輕松使用。

　?。幌嗳菪?/p>

　　與標(biāo)準(zhǔn)微型通用串行總線（Micro USB）充電連接器不同，無線充電沒有一個(gè)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)給消費(fèi)者、組織或制造商帶來大量冗余設(shè)備（Redundant Equipment）。

　　事實(shí)上，開發(fā)商可透過采用超薄線圈、更高的頻率和經(jīng)過優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備等新方法來減少傳輸損耗。這將使得充電器和接收器變得更高效、更精巧，在最大限度減少改變的同時(shí)，促進(jìn)了與行動(dòng)設(shè)備和電池間的整合。這些技術(shù)使得無線充電的時(shí)間可以媲美有線充電的方式。

　　磁感應(yīng)電力傳輸標(biāo)準(zhǔn)問世

　　無線電力傳輸系統(tǒng)將電能以無線連接的方式從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌?。由于它具備安全、自由、可靠、方便和耐用等?yōu)勢，使得無線充電變得越來越流行，并且廣泛地應(yīng)用于如牙刷、LED蠟燭、遙控器、醫(yī)療設(shè)備和行動(dòng)電話等領(lǐng)域。

　　無線充電聯(lián)盟（WPC）為無線充電領(lǐng)域創(chuàng)建了名為「Qi」（唸做Chee）的國際標(biāo)準(zhǔn)，可交互操作的產(chǎn)品都標(biāo)有Qi的標(biāo)識(shí)。電話、相機(jī)、遙控器和所有帶有該標(biāo)識(shí)的行動(dòng)電子設(shè)備都可以和帶有同樣標(biāo)識(shí)的充電站配合使用。

　　無線充電聯(lián)盟是一個(gè)開放式會(huì)員組織，由超過一百家公司會(huì)員組成，為電感充電技術(shù)的單個(gè)互操作通用標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和創(chuàng)新而共同努力。Qi是一款由該聯(lián)盟開發(fā)的用于4cm（1.6英寸）以上距離的感應(yīng)電力傳輸?shù)慕涌跇?biāo)準(zhǔn)。

　　符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備采用振幅鍵控（ASK）調(diào)變，與功率接收器和功率發(fā)射器進(jìn)行通信。ASK是相對(duì)簡單的調(diào)變方案，類似于模擬信號(hào)的振幅調(diào)變，并且載波頻率信號(hào)通過二進(jìn)位數(shù)字進(jìn)行放大；其載波頻率和相位保持不變，而振幅則不斷變化。資訊位元會(huì)通過載波振幅，它被稱為二進(jìn)位振幅鍵控（2ASK），因?yàn)檎{(diào)變信號(hào)可采用兩種二進(jìn)位位準(zhǔn)，0或1。與載波頻率相乘得到的二進(jìn)位數(shù)字的結(jié)果類似于載波頻率的開啟或關(guān)閉。這意味著，當(dāng)載波傳輸發(fā)生時(shí)，調(diào)變的數(shù)字信號(hào)為 1，當(dāng)沒有載波時(shí)，為0。

　　功率接收器通過使用反向散射調(diào)變與功率發(fā)射器進(jìn)行通信。通信解調(diào)電路的功能是檢測高頻率功率信號(hào)中的低頻率通信信號(hào)。

　　除此之外，對(duì)于無線充電技術(shù)開發(fā)而言，Qi還將受益于以下各項(xiàng)因素：大眾市場的採納、完整的供應(yīng)鏈、完整的技術(shù)藍(lán)圖、標(biāo)準(zhǔn)化、交互操作性、品牌知名度等。

　　Qi系統(tǒng)（圖2）包含用于可攜式設(shè)備中的功率傳輸板和可相容接收器。為了使用該系統(tǒng)，行動(dòng)設(shè)備被安裝在功率傳輸板的頂部，透過電磁感應(yīng)進(jìn)行充電。

　　圖2　Qi標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖

　　Qi系統(tǒng)在兩個(gè)平面線圈間采用電感耦合的方式在功率發(fā)射器和功率接收器間傳輸電力。數(shù)字控制回路對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)行功率接收器與功率發(fā)射器的通信，并消耗一定的功率。藉由反向散射調(diào)變，功率發(fā)射器到功率接收器間可達(dá)成單向通信。在反向散射調(diào)變中，功率接收器線圈會(huì)被載入，改變功率接收器內(nèi)的電流消耗。這些電流消耗的改變會(huì)被監(jiān)控并解調(diào)成兩個(gè)設(shè)備協(xié)同工作所需的資訊。

　　行動(dòng)設(shè)備制造商包括宏達(dá)電、華為、樂金電子（LGE）、摩托羅拉（Motorola）、諾基亞（Nokia）、三星（Samsung）和索尼（Sony）等正采用Qi標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研發(fā)。

　　雖然Qi目前鎖定智慧型手機(jī)的電流標(biāo)準(zhǔn)僅為5瓦（W），不過顯然地，對(duì)于無線充電聯(lián)盟而言，為平板電腦以及更大型設(shè)備進(jìn)行充電將逐步實(shí)現(xiàn)，而針對(duì)這些設(shè)備的10W解決方案也即將問世。目前，電感充電器已實(shí)現(xiàn)70%左右的效率。

　　無線充電收發(fā)器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　首先是發(fā)射器（圖3）。一個(gè)功率放大器包含兩個(gè)主要功能單元，即功率轉(zhuǎn)換單元和通信與控制單元。初級(jí)線圈做為磁場，產(chǎn)生功率轉(zhuǎn)換單元的元素?？刂萍巴ㄐ艈卧獙⒈粋鬏?shù)墓β收{(diào)節(jié)至功率接收器所需的等級(jí)?；究砂鄠€(gè)發(fā)射器，以便同時(shí)服務(wù)多個(gè)行動(dòng)設(shè)備（在同一時(shí)間內(nèi)，一個(gè)功率發(fā)射器只能服務(wù)單個(gè)功率接收器）。最后，系統(tǒng)單元包含所有其他基站功能，如輸入功率供應(yīng)、多個(gè)功率發(fā)射器控制及用戶接口。

　　圖3　無線充電解決方案示意圖

　　功率轉(zhuǎn)換/發(fā)射器由逆變器電路組成。逆變器向初級(jí)線圈提供受控的交流電源，由控制及通信單元調(diào)節(jié)這一控制。發(fā)射器的逆變器電路可配置全橋或半橋功率轉(zhuǎn)換拓?fù)洹Ｍ負(fù)涞倪x擇取決于，每個(gè)WPC全橋逆變器在被廣泛用于直流電轉(zhuǎn)向交流電的應(yīng)用時(shí)的類型和發(fā)射器，并具有以下特性：

　　．利用高直流電壓，以支援寬輸入電壓范圍。

　?。鎸?duì)不同應(yīng)用條件，擁有更多的控制變化。

　?。畣螛O固定頻率脈衝寬度調(diào)變（PWM）控制，以減少電磁干擾（EMI）。

　?。嫦蜍涢_關(guān)操作的移相控制策略，以改進(jìn)系統(tǒng)效率。

　?。i定中/高功率應(yīng)用的小型功率組件應(yīng)力。

　?。哂休敵鲎儔浩鞯暮唵文孀兤魍?fù)洹?/p>

　　控制功率并與接收器單元進(jìn)行通信的控制單元是一款微控制器（MCU）芯片。它可以感應(yīng)初級(jí)線圈中的電壓和電流，并調(diào)節(jié)逆變器的參數(shù)，以達(dá)到一個(gè)所需的相同量。

　　微控制器單元由所需的關(guān)鍵周邊組成，以控制功率轉(zhuǎn)換，如PWM、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、比較器（ACMP）及通信和除錯(cuò)周邊，如通用輸入/輸出 （GPIO）、UART、SPI、SCI。關(guān)鍵周邊ADC、比較器和PWM擁有顯著特性，可在較高開關(guān)頻率下完成控制器功率轉(zhuǎn)換，以減少如電容器和電感器等被動(dòng)組件的尺寸。

　　這些周邊還可以形成反饋回路，以控制功率變壓器到發(fā)射器線圈的電壓與電流。它可以控制磁場，在接收器線圈內(nèi)相互感應(yīng)，最終在接收器電路內(nèi)控制電壓。ADC以電流和電壓的形式從線圈中獲取輸入，并根據(jù)供給到線圈的電流來調(diào)節(jié)PWM輸出。

　　還有一個(gè)用于比較線圈內(nèi)電壓/電流輸入的比較器，當(dāng)每個(gè)接收器需要時(shí)，可比較參考設(shè)置。比較之后，它可立即發(fā)揮作用，保護(hù)電路，防止電路受到破壞。還有一個(gè)從接收器到發(fā)射器的回饋路徑，可調(diào)整線圈內(nèi)的磁通；回饋的形成是通過功率信號(hào)自身通信信號(hào)的疊加。該回饋還對(duì)節(jié)能有著重要的意義，比如，有些發(fā)射器平臺(tái)上沒有安置接收器，線圈內(nèi)無需磁通，因此發(fā)射器電路將進(jìn)入低功耗模式。

　　有一些技術(shù)可檢測接收器是否存在，每個(gè)技術(shù)都擁有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其一為透過觸控感應(yīng)，如果安裝了接收器，信號(hào)將被傳送到發(fā)射器，以向線圈提供電流，用于產(chǎn)生接收器所需的電壓。其優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)沒有接受器時(shí)，只有觸控感應(yīng)電路工作，因此，在閑置期間可實(shí)現(xiàn)超低功耗；缺點(diǎn)則是可能需要添加額外硬件元件實(shí)現(xiàn)觸控感應(yīng)。

　　另一個(gè)方式為檢測來自接收器的回應(yīng)，發(fā)射器不斷地向正在等待來自通信通道回應(yīng)的接收器發(fā)送資訊，一旦安置接收器，發(fā)射器就能被感應(yīng)，并向線圈提供電流。其優(yōu)點(diǎn)為無需硬件電路，低成本；缺點(diǎn)則是不間斷的資訊需要求所有電路時(shí)時(shí)刻刻正常工作。

　　無線充電模組的另一關(guān)鍵元件為接收器。在接收器的一旁有一個(gè)整流單元，它可接收線圈中的交流分量，并將其轉(zhuǎn)變成直流，然后供應(yīng)到接收器的電池電路中進(jìn)行充電。接收器電路由調(diào)變單元組成，該調(diào)變單元可調(diào)變通信信號(hào)，并通過電源線發(fā)送至發(fā)射器。來自線圈的模擬元件還通過微控制器，用于比較所需參考，并向發(fā)射器提供回饋，以調(diào)節(jié)發(fā)射器的電流/電壓。發(fā)射器微控制器單元由ADC、ACMP、UART組成。ADC收到來自接收器線圈的電流/電壓，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，并根據(jù)情況通過微處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理。相同電壓做為輸入進(jìn)入ACMP內(nèi)，ACMP將其與參考（通過接收器，設(shè)置成為每個(gè)所需電壓）進(jìn)行比較，并立即發(fā)揮作用，防止錯(cuò)誤發(fā)生。微控制器可轉(zhuǎn)換接收器電路，防止比較器輸出顯示錯(cuò)誤（電壓或電流消耗超出范圍）。接收器還可通過通信通道將回饋信號(hào)回傳給發(fā)射器，以調(diào)整線圈中的電流。

　?。ū疚淖髡?span id="9ue8wl1" class="coffee_12x">Deepak Mahajan/Mohammad Kamil/Arjun Chowdhury皆任職于飛思卡爾）