無線充電 IC 為穿戴式裝置提供符合標準的解決方案

部分穿戴式裝置基於設計或美觀因素，沒有充電孔，因此無線技術能提供便利的電池充電方法。 在過去，要享受無線充電的優勢就必須具備客製化 RF 設計與電磁感應理論的專業知識。 不過時至今日，設計師已經能使用包括 Freescale Semiconductors、TDK、Texas Instruments 和 Toshiba 等製造商的市售標準零件，在低功率穿戴式裝置設計中實作無線感應充電。

無線電力可追根溯源至十九世紀早期，當時法拉第就曾描述磁場如何在導體中產生電磁力。 在同一世紀末，特斯拉將法拉第的電磁感應定律化為實際應用，在他位於紐約市的實驗室內展示採用磁感應共振耦合以無線方式點亮燈泡。 如今，電磁感應原理已經能夠為多種產品供電，例如 RFID 標籤、非接觸式智慧卡及廚房爐具，並成為牙刷、智慧型手機及新興穿戴式裝置（包括 Apple Watch）的無線充電器的技術基礎。

對穿戴式裝置而言，充電埠不夠便利、太佔空間，甚至只是太礙眼，因此無線充電確實是頗具吸引力的解決方案。 此外，摒棄有線充電埠後，就沒有常見的污染與進水受損的風險，因此穿戴式產品設計人員能增強產品的整體可靠度。 這類裝置可使用安全內嵌在穿戴式產品表面之下的電力接收線圈來代替充電埠。

依照電動感應方式，將電流施加至線圈可形成磁場，然後就會對擺放在附近的第二個線圈引發電流。 事實上，這兩個線圈的對齊情形與距離，是達到高效能的關鍵。 在消費者應用中，要求準確定位的無線充電實作通常會提供導引件，協助使用者將行動裝置正確對齊底座裝置上的指定位置。 相較之下，任意定位的無線充電器通常會在底座中內建多重線圈，以回應遠端裝置的回饋，讓適當的線圈通電。

通訊通道

在導引式與任意定位無線充電系統中，通訊皆扮演重要角色。 發射器操作過程中，接收器會調變接收器天線上的負載，將資料封包傳送回發射器。 接著發射器會將傳回的負載解調，重組資料封包（圖 1）。


圖 1：典型的無線充電系統由發送電力的底座與接收電力的接收器組成，運用電磁耦合原理進行電力傳輸及通訊。 （資料來源：Freescale Semiconductor）

這兩種無線充電系統皆使用來自接收器的資料來管理發射器的電力。 操作過程中，發射器裝置會回應來自接收器的錯誤資料，增加或減少所需送到發射器線圈的電力。 任意定位系統也是以這種一般作法選擇線圈相對於遠端裝置的最佳位置。

設計人員不僅能將此通訊途徑於用控制訊號，也能將應用的資料傳回發射器。 雖然資訊頻寬有限，但仍足以進行特定用途，例如裝置驗證、裝置狀態，以及遠端裝置所收集的感測器資料通訊。

電力調節、控制及通訊等特點的結合，必須具有複雜的電源和控制邏輯要求，才能納入電路設計中（圖 2）。 對設計人員而言，半導體製造商提供了若干解決方案，不僅能達成這些要求，還提供更多優勢。


圖 2：無線充電系統能迅速提高複雜度，滿足能源傳輸最佳化與通訊的多元要求。 （資料來源：Texas Instruments）

標準解決方案

標準型的現成無線充電方案之所以能興起，是因為產業廣泛接受專為無線充電通訊協定基礎要求制訂的業界標準。 標準介面的用意是要在使用者行動裝置以及不同廠商底座之間促成互通性，其採用兩種無線充電技術為基礎：感應充電與諧振充電。

感應充電需要發射器與接收器之間緊密對齊，不過通常能發揮比諧振充電更高的效能。 另一方面，諧振充電則允許發射器與接收器之間的對齊與距離有更大的自由度，並且能夠同時為多個裝置充電。 包括無線充電聯盟 (WPC)、電力事業聯盟 (PMA) 和無線電力聯盟 (A4WP) 在內的產業標準團體，目前都進入初期合作階段，打造可彼此互通的能力。

雖然這些標準作法在設計當初原本鎖定較大型的消費性應用，但在無形中已成為穿戴式裝置無線充電解決方案的基礎。 舉例而言，雖然 WPC 的 Qi 標準以及其他標準通常採用較大的 A11 50 mm 發射器線圈，但設計人員可使用低電阻的較小線圈避免大量電力損耗，進而獲得良好效能。 例如，TDK 的 WR303050 具有 0.41 Ω 的 DC 電阻，直徑為 30 mm，無論在尺寸與電力傳輸考量上都更適合多種穿戴式裝置。

在無線充電的電力控制方面，Toshiba 的 TB6865FG 和 TB6860WBG 等元件能充分補足市售零件的標準功能。 Toshiba 的 IC 和同級的其他元件一樣，都整合了簡化設計所需的眾多功能，僅需少數外部元件即可支援符合 WPC Qi 標準的無線充電系統（圖 3）。


圖 3：Toshiba 的 TB6865FG 發射器和 TB6860WBG 接收器等元件整合了所需的完整功能，因此能簡化標準型無線充電系統的實作。 （資料來源：Toshiba）

TB6860WBG 接收器結合了調變和控制電路，並具有整流器取電、內建高效能 DC-DC 轉換器、可配置的鋰離子電池充電器電路，以及保護功能。 TB6865FG 電力發射器整合了 MCU 和豐富的類比功能，包括 PWM 電路、切換控制、板載濾波器以及前置驅動器電路。 TB6865FG 能分別控制兩組線圈，因此使用者能同時為兩個行動裝置充電。

Freescale Semiconductor 採用 32 位元 56800EX 核心建置 MWCT1000 和 MWCT1101 Qi 標準型發射器。 此處理器核心能發揮 MCU 功能與 DSP 處理能力，能達到完整的能力組合，且在作用模式下耗電不到 30 mA。 此元件僅需 30 mW 待機功率就能夠感測附近的接收器。 在電力傳輸過程中，Freescale 的元件可達到超過 75% 的效率。 除了 MWCT1000 和 MWCT1101 之外，Freescale 還推出以汽車應用為目標的 MWCT1001A 和 MWCT1003A。

Texas Instruments 在 BQ50xxx 發射器系列以及 BQ51xxx 接收器系列之中推出數種元件。 其中 BQ51221 支援 WPC 與 PMA 兩種標準，而 TI 接收器系列中的大多數元件都採用符合 WPC Qi 標準的設計。 在這些符合 Qi 標準的元件中，TI 的 5 W 接收器系列提供不同的穩壓輸出位準：5 V（BQ51013A 和 BQ51013B）、7 V（BQ51010B）和 8 V（BQ51020 和 BQ51021）。 同系列的其他元件包括 BQ51050B（4.2 V 輸出）和 BQ51051B（4.35 V），皆整合了鋰離子充電器，可為穿戴式裝置提供週全的電源管理方案。

TI 的 BQ51003 針對低功率應用而設計，是十分適合穿戴式設計的 2.5 W 接收器。 藉由將 BQ51003 結合到低功率線性充電器（如 TI BQ25100）中，設計人員就能完成具有整合式鋰離子充電管理功能的完整無線充電接收子系統。 在鋰離子電池充電方面，BQ25100 能準確控制快速充電電流低至 10 mA 或高達 250 mA，並具有低至 1 mA 的精準充電終止電流，能支援小型鋰離子鈕釦電池。

在發射器方面，Texas Instruments 的 BQ500211A 和 BQ500212A 具有符合 Qi 標準的完整功能組合，包括能持續監測正在進行的電力傳輸效能，以便提供異物偵測 (FOD) 和寄生金屬物體偵測 (PMOD) 功能。 除了提供 FOD 與 PMOD 功能之外，BQ500410 亦可支援內建三線圈發射器陣列的任意定位設計。 針對低功率發射器設計，BQ500210 能以低至 8 mA 的電源電流操作。

結論

對於穿戴式裝置而言，無線充電技術能滿足小型方案的需求，無需擔憂有線充電埠的大小與可靠度難題。 在過去，要運用無線供電方法需具備電磁理論和 RF 設計技巧的專業知識。 現在設計人員可利用現成的 IC，即可輕鬆在最小的穿戴式裝置中增添無線充電能力。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用本文所示之連結進入 DigiKey 網站的產品資訊頁面。