一.常見的無線充電 介紹

近年來越來越多的智能手機開始配備無線充電功能，目前無線充電方式主要有四種：電磁感應式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式。

目前這四種無線充電方式中，電磁感應式無線充電方案最為成熟、被商用最廣泛，比如我們手機需要用到的各種無線充電器，就是利用了這種技術方案。

二.了解qi無線充電過程

Qi是全球首個推動無線充電技術的标準化組織--無線充電聯盟簡稱WPC)推出的“無線充電”标準，具備便捷性和通用性兩大特征。首先，不同品牌的産品，隻要有一個Qi的标識，都可以用Qi無線充電器充電。其次，它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸，在不久的将來，手機、相機、電腦等産品都可以用Qi無線充電器充電，為無線充電的大規模應用提供可能。

基于Qi的系統工作頻率通常在87至205 kHz的範圍内，在功率從第一線圈傳輸到第二線圈的意義上類似于傳統變壓器，但由于無線充線圈之間的磁耦合度要低很多，因此也有很大不同。傳統變壓器的磁耦合系數接近1，而基于Qi的系統的磁耦合系數通常在0.5或以下，由于能量轉化效率和有線充電相比并不高，多餘的能量會以熱量的形式散發，導緻無線充電一段時間後，手機和底座都會發燙。這也是很多無線充電底座都會配置風扇的原因。同時，由于金屬有電磁屏蔽的作用，所以帶有無線充電的手機的背蓋都不會用金屬，一般會采用玻璃、陶瓷，或者塑料。

無線QI充電過程：

無線充電WPC通信序列簡單介紹：1) selection階段:用于檢測是否有RX存在，檢測方法可以是定期發射固定頻率的信号（Analog ping），也可以使用檢測電容的變化來實現檢測；

2ping階段：檢測到RX後，TX會發送足夠能量的信号（Digital Ping）啟動RX的通訊功能。RX回應信号強度指示包，TX收到信号強度包後，會維持電源信号，系統進入下一階段；

3) identification & configuration階段:RX将WPC信息參數，比如所需最大輸出功率等參數發送給TX。如果是EPP模式，由于其包含5W，10W，15W三種功率水平，不同的底座支持的最大傳輸功率不同。因此在這裡會多出Negotiation階段和Calibration階段，用于協商來确定最終的傳輸功率，以及過程中的功率大小。4) power transfer階段: 完成配置後，進入電力傳輸階段。RX會檢測整流後的電壓電流，發送錯誤包（Error Packet）使TX增大或減少發射功率。此外，RX會定期發送收到功率包發給TX，如果TX發現收到功率與所發射功率差異過大，為确保傳輸安全,會停止發射功率并關閉系統。如果RX不再需要電源（電池已經充滿）時，會發送結束功率傳輸包，TX接收到後返回selection階段。

三.電磁感應無線充電原理

1.無線充電組成部分

•左側為TX，也就是發射端，對應産品就是無線充電發射器。

•右側為Rx，也就是接收端，對應産品就是帶無線充電功能的手機等。

•TX端：MCU，功率全橋，以及由電感和電容組成的LC諧振Tank，其中電感就是發射端線圈。

•RX端：MCU，整流橋，LDO，Charger芯片，電池，以及LC諧振Tank，其中電感就是接收端線圈。

2.無線充電的功率傳輸途徑

•無線充電發射端輸入直流電壓(DC Voltage)。

•直流電壓通過功率全橋，在SW1和SW2點産生交流電壓(AC Voltage)，其實就是一個方波。

•方波加載在LC Tank兩端産生一個交流電流(AC Current)。

•交流電流通過線圈産生磁場。

•接收端線圈感應到這個磁場，在接收端LC Tank産生交流電流（AC Current）。

•交流電流通過整流橋轉化為直流電壓（DC Voltage) 。

•直流電壓再通過一個LDO和一個Charger給電池充電。

3.無線充電的控制回路

•為了保證整個無線充電系統穩定，VRECT需要設定一個目标電壓（Target Voltage），并通過一個反饋環路來控制；為了轉化效率高，它的值通常設置成隻比LDO高一點。

•反饋環路會先采集VRECT電壓，并與目标電壓相減，産生一個誤差信号（Control Error）。

•誤差信号會通過WPC規定的通信方式傳到發射端的MCU，MCU會判斷接收端是希望發射端增加能量還是減少能量。

•MCU通過控制三個信号來控制發射的能量：輸入電壓、功率全橋的開關頻率、功率全橋的輸入占空比

3.無線充電的通信機制

•傳達信息的本質在于要讓信号發生變化。就比如我跟你招手，你看到我的手在變化，就知道我在叫你。

•接收端在傳達信息時，會在接收端LC Tank兩側接入或者接出一組電容。

•電容的接入或者接出會引起發射端LC Tank的等效阻抗發生變化。

•等效阻抗發生變化就會引起發射端LC Tank裡面的電流發生變化，以及電容和電感連接處的電壓（Coil Voltage）發生變化。

•這個變化的信号就會被采集和解調，并傳到MCU當中。

•整個變化的規律就寫在WPC協議當中，MCU利用WPC協議來知道接收端到底告訴了發射端什麼信息。

TX到RX的通信：

1.通訊方式：在QI協議中的定義是發射端采用頻移鍵控（FSK）的方式進行通訊的。

FSK:TX 通過往複增大/減小驅動頻率，改變RX端接收到能量的波動。當這種波動按照特定的規律波動，就可以傳遞信息，如下圖；

注：頻率高fH時間短輸出H，頻率低fL輸L。

2.位編碼方式：差分雙向編碼，功率發射器發一個bit要對準功率信号的512個周期，bit0隻發生一次電平翻轉（開始的時候），bit1發生兩次翻轉，第一次轉換将在該位開始時發生，第二次轉換将在該位發生256個周期。

3.字節編碼方式：11位異步串行格式發送數據字節。這種格式由起始位，字節的8個數據位，奇偶校驗位和單個停止位組成

在實際項目中，先根據接收到的功率誤差數據包調節工作頻率 f_op ,然後根據調制深度計算出調制信号的頻率 f_mod，得到這兩個頻率後可以分别計算出工作信号頻率和調制信号頻率的256周期的時間，然後按照上面的位編碼和字節編碼方式進行傳送數據。

RX到TX的通信：

1.通訊方式：Rx通過改變自身諧振參數，（切入/切出通訊電容），改變所傳遞的能量大小，引起TX 端電壓或輸入電流産生規律性的波動，用于傳遞信息；

注：檢測到初級線圈電壓△V變高輸出H，檢測到初級線圈電壓△V變低輸出L。

2. 位編碼方式：差分雙向編碼（與TX->RX一樣）。（此時tclk固定為2KHz）

功率發射器發一個bit要對準功率信号的2K個周期，bit0隻發生一次電平翻轉（開始的時候），bit1發生兩次翻轉，第一次轉換将在該位開始時發生，第二次轉換将在該位發生1K個周期。

3.字節編碼方式：11位異步串行格式發送數據字節。這種格式由起始位，字節的8個數據位，奇偶校驗位和單個停止位組成（與TX->RX一樣）。

在實際應用中，大多數無線充電路設計的集成度較高，将直流轉交流電路，解碼電路都集成在一顆無線充IC中。

四.無線充電的應用

随着無線充電技術的逐步發展與成熟，其應用範圍從初期的電動牙刷、剃須刀逐步擴展至智能手表、智能手環、智能手機、平闆電腦、筆記本電腦，甚至電動汽車領域。如今無線充電器的應用領域正随着技術的發展進步而日益廣泛。

手機領域

近些年來，随着智能手機的功能越來越多，屏幕越來越大，手機電池的續航能力變成了消費者的一大關注點。因此，無線充電技術的應用變成了以智能手機為代表的消費電子企業擴大市場銷量的重要因素。在如今的“無線充電”撞上了“極速快充”，兩者融合之後的化學反應，在廠商們孜孜不倦的“催化下”開始變得愈發耀眼。小米、OPPO、華為、Apple，它們都是無線充電的積極擁護者，2021年截至到目前，已經發售或者确認要發售的旗艦新機中，大部分都加入了“無線快充”功能，而對于還未亮相的新機，消費者們追問“是否支持無線充電”的頻率也越來越高，随着現在各家的無線充電技術逐漸趨于成熟，曬“無線快充的功率”已經成為了各家“秀肌肉”的新方式。隻是在2021年2月份，工信部發布了《無線充電（電力傳輸）設備無線電管理暫行規定（征求意見稿）》》中提到：自2022年1月1日所有生産、進口在國内銷售、使用的移動和便攜式無線充電設備額定傳輸功率要求不超過50W。

汽車領域

汽車車載無線充電作為一種絕佳的無線充電應用場景，無需頻繁插拔充電線，是增加行車安全、提高車主生活品質的一大利器，極大的改善了車内手機使用和充電的體驗。中國擁有龐大的汽車消費市場，給了車載無線充電行業巨大的發展空間。随着“90後”逐漸成為汽車消費主力軍，年輕消費者對于手機配置和個性化的要求相對較高，因此車載無線充電功能滲透率不斷提升。

未來，我們将會在家庭、辦公室（通常嵌入家具或電子設備中）、汽車、餐廳和公共場所以及公共交通工具中看到無線充電發送設備的增長。從無線充電技術本身來看，未來進一步提升傳輸功率、縮短充電時間同時降低傳輸溫度和更高的自由度将成為趨勢。

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