助力磁感應無線充電系統,MCU大有作為！

　　微控制器（MCU）在磁感應無線充電系統中扮演舉足輕重的角色。磁感應無線充電系統是利用發射端與接收端內的線圈耦合產生功率，因此損耗問題嚴重。開發人員可利用微控制器感應線圈中的電壓和電流，藉此調節逆變器參數，以確保無線充電系統運作效能。

　　技術、軟件和硬件不斷革新，使得手持行動設備如平板電腦、智能手機、攝像機、全球衛星定位系統（GPS）等設備飛速發展。這些設備主要都由電池驅動，而且新功能還在不斷增加，如觸控螢屏、寬螢屏顯示器等，同時設備還能通過網際網運行應用程式，這些都會增加功耗。

　　然而，電池的尺寸和性能增強力度遠不及電量需求的增長速度，因此，電池需要頻繁充電。消費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。雖然持有先進的設備，但感覺好像您仍活在石器時代。出于這些原因，科學家們正努力研究新方法，以無線的方式充電，無需繁瑣的設備附件，實現更輕松、更方便的充電方式。這聽起來很科幻，但如今卻已變成現實。

　　實際上，能量的無線傳輸在許多領域都以電磁波的形式被普遍應用，如無線電波、微波等，這些技術都已應用在無線通信、衛星、收音機、電視機等領域。這些波從發射器發射，向各個方向傳播，當到達天線的時候，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了接收器。如果電能的傳送也是利用這個方法，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。

　　當今大多數的無線充電技術都采用電感耦合進行電量的傳輸。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行電量的傳輸，但那些都不在本文討論范圍內。

　　電感耦合可產生電流磁場

　　電感耦合（圖1）正應用于各種電機領域，它采用可產生各種移動電流的磁場。基本來說，變壓器的原理是透過使它們磁耦合的方式改變兩個電感線圈間的電能，詳細內容可參照法拉第發明的電磁定律。當行動設備在交流電上工作時，接收器中感應到的電能自然地進行交替并改變為交流電。

　　圖1　電感耦合示意圖

　　電磁感應與可產生磁場的導體內的電流和電壓強度以及頻率成正比。頻率越高，則感應強度越強。能量從可產生磁場（初級）的導體傳輸到其他導體上，并發生磁場沖擊（二級）。初級導體中的部分能量通過感應傳輸到二級導體中，并且能量沿著初級導體快速減少。

　　高頻電流不會透過遠距離的導體，但會透過傳感快速改變其能量到相鄰導體上。更高頻率所產生的更高感應很好地體現了交流電系統中高頻傳播與低頻傳播的顯著差別。頻率越高，感應效果越明顯，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，本地現象就越多。

　　電氣設備不宜通過空氣進行磁場耦合，因為空氣擁有很差的滲透性，會導致效率低下。但對于移動應用而言，當使用會使設備變重的高滲透性磁心時，空氣仍是首選的介質。通過使用共振技術，設計人員可以更高效地增加能源，使其在短距離內，透過空氣的介質進行傳輸。

　　無線充電則復雜得多，這是因為它對進行發射和接收的能源，在其通信與控制方面有很高要求，需要更復雜、更高級的電路，故要為無線傳輸能源建立新的標準。

　　圖1所示為一個理想的變壓器，即沒有功率損耗的變壓器，在這個變壓器內，初級伏安（Volt Ampere）=二級伏安。雖然實際應用中，變壓器都很高效，但功率損耗還是會發生，因為不是所有由初級線圈產生的磁通量都會連接到二級線圈。以下三種情況會導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，因為由其他金屬制成的線圈也會發生損耗。這些損耗是由于銅線線圈過熱導致的，因為銅線有阻力，會消耗一定的功率。

　　變壓器線圈產生的功耗可以通過計算線圈中的電流和阻力來統計，公式為P=I2R。這個公式解釋了為什么銅損耗會被稱做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

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

　　能量損耗的大小取決于磁心材料的「磁阻」；對于大型功率變壓器磁心而言，磁滯損耗或許是一個大問題，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。

　　．渦流損耗

　　因為鐵和鋼磁心既是導電體又是磁電路，初級線圈中的電流改變往往會建立一個電磁波（EMF），同樣在二級線圈中也是如此。磁心內感應到的電流會阻礙磁心內磁場的改變，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）上來實現，并透過絕緣漆和氧化物使每一個疊片都與其他隔離。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。

無線充電的優缺點

　　無線充電優點如下:

　　．受保護的連接

　　當電子全部封閉時，不會受到空氣中水和氧氣的腐蝕。

　　．對嵌入式醫療設備而言，更加安全

　　對于嵌入式醫療設備而言，允許通過皮膚而不是讓線纜穿過皮膚的方式對設備進行充電/供電，從而減少受感染的風險。

　　．方便

　　不必連接電力線纜，設備可安放在充電板或支架上。

　　．操作簡單

　　比起插入電力線纜，操作更簡單（對于殘疾人士更加重要）。

　　．耐用

　　無須頻繁插拔設備，擁有更耐磨損和撕裂的設備插槽和附加線纜。

　　另一方面，無線充電的缺點則如下所列。

　　．效率偏低，產生廢熱

　　與直接充電相比，磁感應充電的最大缺點就是效率偏低和不斷增加的電阻熱量。

　　采用低頻或老式驅動技術導致充電速度緩慢并在大多數可攜式電子設備中產生廢熱。

　　．成本昂貴

　　感應充電需要設備和充電器都具備驅動電子設備和線圈，增加了制造的復雜性和成本。

　　．充電緩慢

　　由于效率低，設備需要的充電時間更長。

　　．不方便

　　當行動設備使用線纜連接充電時，您可以隨意移動該設備，并且可以在充電過程中使用設備。而采用當前的感應充電（如Qi標準）技術，行動設備必須固定在平板上，因此不能隨意移動，充電時也不能輕松使用。

　　．不相容性

　　與標準微型通用串行總線（Micro USB）充電連接器不同，無線充電沒有一個實際標準，當標準出現時，會給消費者、組織或制造商帶來大量冗余設備（Redundant Equipment）。

　　事實上，開發商可透過采用超薄線圈、更高的頻率和經過優化的驅動電子設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，促進了與行動設備和電池間的整合。這些技術使得無線充電的時間可以媲美有線充電的方式。

　　磁感應電力傳輸標準問世

　　無線電力傳輸系統將電能以無線連接的方式從發射器傳輸到接收器。由于它具備安全、自由、可靠、方便和耐用等優勢，使得無線充電變得越來越流行，并且廣泛地應用于如牙刷、LED蠟燭、遙控器、醫療設備和行動電話等領域。

　　無線充電聯盟（WPC）為無線充電領域創建了名為「Qi」（唸做Chee）的國際標準，可交互操作的產品都標有Qi的標識。電話、相機、遙控器和所有帶有該標識的行動電子設備都可以和帶有同樣標識的充電站配合使用。

　　無線充電聯盟是一個開放式會員組織，由超過一百家公司會員組成，為電感充電技術的單個互操作通用標準的開發和創新而共同努力。Qi是一款由該聯盟開發的用于4cm（1.6英寸）以上距離的感應電力傳輸的接口標準。

　　符合Qi標準的無線設備采用振幅鍵控（ASK）調變，與功率接收器和功率發射器進行通信。ASK是相對簡單的調變方案，類似于模擬信號的振幅調變，并且載波頻率信號通過二進位數字進行放大；其載波頻率和相位保持不變，而振幅則不斷變化。資訊位元會通過載波振幅，它被稱為二進位振幅鍵控（2ASK），因為調變信號可采用兩種二進位位準，0或1。與載波頻率相乘得到的二進位數字的結果類似于載波頻率的開啟或關閉。這意味著，當載波傳輸發生時，調變的數字信號為 1，當沒有載波時，為0。

　　功率接收器通過使用反向散射調變與功率發射器進行通信。通信解調電路的功能是檢測高頻率功率信號中的低頻率通信信號。

　　除此之外，對于無線充電技術開發而言，Qi還將受益于以下各項因素：大眾市場的採納、完整的供應鏈、完整的技術藍圖、標準化、交互操作性、品牌知名度等。

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

　　圖2　Qi標準系統示意圖

　　Qi系統在兩個平面線圈間采用電感耦合的方式在功率發射器和功率接收器間傳輸電力。數字控制回路對輸出電壓進行調節，進行功率接收器與功率發射器的通信，并消耗一定的功率。藉由反向散射調變，功率發射器到功率接收器間可達成單向通信。在反向散射調變中，功率接收器線圈會被載入，改變功率接收器內的電流消耗。這些電流消耗的改變會被監控并解調成兩個設備協同工作所需的資訊。

　　行動設備制造商包括宏達電、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標準進行研發。

　　雖然Qi目前鎖定智慧型手機的電流標準僅為5瓦（W），不過顯然地，對于無線充電聯盟而言，為平板電腦以及更大型設備進行充電將逐步實現，而針對這些設備的10W解決方案也即將問世。目前，電感充電器已實現70%左右的效率。

　　無線充電收發器設計要點

　　首先是發射器（圖3）。一個功率放大器包含兩個主要功能單元，即功率轉換單元和通信與控制單元。初級線圈做為磁場，產生功率轉換單元的元素。控制及通信單元將被傳輸的功率調節至功率接收器所需的等級。基站可包含多個發射器，以便同時服務多個行動設備（在同一時間內，一個功率發射器只能服務單個功率接收器）。最后，系統單元包含所有其他基站功能，如輸入功率供應、多個功率發射器控制及用戶接口。

　　圖3　無線充電解決方案示意圖

　　功率轉換/發射器由逆變器電路組成。逆變器向初級線圈提供受控的交流電源，由控制及通信單元調節這一控制。發射器的逆變器電路可配置全橋或半橋功率轉換拓撲。拓撲的選擇取決于，每個WPC全橋逆變器在被廣泛用于直流電轉向交流電的應用時的類型和發射器，并具有以下特性：

　　．利用高直流電壓，以支援寬輸入電壓范圍。

　　．面對不同應用條件，擁有更多的控制變化。

　　．單極固定頻率脈衝寬度調變（PWM）控制，以減少電磁干擾（EMI）。

　　．面向軟開關操作的移相控制策略，以改進系統效率。

　　．鎖定中/高功率應用的小型功率組件應力。

　　．具有輸出變壓器的簡單逆變器拓撲。

　　控制功率并與接收器單元進行通信的控制單元是一款微控制器（MCU）芯片。它可以感應初級線圈中的電壓和電流，并調節逆變器的參數，以達到一個所需的相同量。

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

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

　　還有一個用于比較線圈內電壓/電流輸入的比較器，當每個接收器需要時，可比較參考設置。比較之后，它可立即發揮作用，保護電路，防止電路受到破壞。還有一個從接收器到發射器的回饋路徑，可調整線圈內的磁通；回饋的形成是通過功率信號自身通信信號的疊加。該回饋還對節能有著重要的意義，比如，有些發射器平臺上沒有安置接收器，線圈內無需磁通，因此發射器電路將進入低功耗模式。

　　有一些技術可檢測接收器是否存在，每個技術都擁有其獨特的優點和缺點。其一為透過觸控感應，如果安裝了接收器，信號將被傳送到發射器，以向線圈提供電流，用于產生接收器所需的電壓。其優點為當沒有接受器時，只有觸控感應電路工作，因此，在閑置期間可實現超低功耗；缺點則是可能需要添加額外硬件元件實現觸控感應。

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

　　無線充電模組的另一關鍵元件為接收器。在接收器的一旁有一個整流單元，它可接收線圈中的交流分量，并將其轉變成直流，然后供應到接收器的電池電路中進行充電。接收器電路由調變單元組成，該調變單元可調變通信信號，并通過電源線發送至發射器。來自線圈的模擬元件還通過微控制器，用于比較所需參考，并向發射器提供回饋，以調節發射器的電流/電壓。發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，并將其轉換成數字格式，并根據情況通過微處理器進行進一步處理。相同電壓做為輸入進入ACMP內，ACMP將其與參考（通過接收器，設置成為每個所需電壓）進行比較，并立即發揮作用，防止錯誤發生。微控制器可轉換接收器電路，防止比較器輸出顯示錯誤（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回傳給發射器，以調整線圈中的電流。

　　（本文作者Deepak Mahajan/Mohammad Kamil/Arjun Chowdhury皆任職于飛思卡爾）