在手机和其它小型便携式应用中，无线电源系统不断得到认可。现有标准受限于5W电力传输，但是智能手机、平板电脑和便携式工业及医疗应用不断增长的电力需求对供电能力提出了更高的要求。随着输出功率的增加，必须在系统设计最初就将效率和热性能考虑在内。这篇文章回顾了可批量生产的10W无线电源系统的实现方式，并提供了与系统性能优化有关的系统设计指南。我们还给出了一些已经在10W应用中成功测试的收发器 (TX) 和接收器 (RX) 线圈的示例。

无线电源多年前就已经出现，形式也有多种，不过最近才由于行业标准的出现而变得更为普遍。智能手机和小型平板电脑是目前使用无线电源的主要产品类别。然而，这项技术也开始扩展到可穿戴设备以及医疗和工业应用。当无线电源与无线连通技术配合使用时，就可以使无外部接头、完全密闭设备的设计成为可能。这使得无线电源成为所有需要在室外或潮湿环境中运行的便携式系统的理想选择。

现有的工业标准只有有限的功率输出能力通，常在5W范围内。更高功率标准的开发正在进行当中，截至2014年12月，还未完全确定。因此，那些需要更高功率水平来为较大容量电池充电的器件就需要定制或专有设计。虽然系统设计人员有可能使用标准组件“从零开始”，但是这种方法就很难实现终端产品快速投放市场的这一目标。现在市面上的互补发射器和接收器芯片组可实现针对便携式应用的10W无线电源系统的即刻设计，其中包括一个和两个电池节电池组架构。

无线电源系统架构

图1中显示的是一张紧密耦合智能无线电源系统的简化图。如果从原理图的角度来看，它看起来很像一款变压器耦合隔离式电源转换电路。然而在这里， 初级线圈和次级线圈是完全分离开来，而不是绕在同一磁芯上的。电能从发射器(初级，或TX)端传输到接收器(次级，或RX)端，而接收器电路以数字脉冲的形式将反馈发送回磁耦合器件。

图1：典型无线电源系统架构图

参考文献 [2] 详细介绍了无线电源的基本概念，而参考文献 [3至6]为无线电源器具提供了其它系统设计指南。

将功率性能扩展至10W就不得不有几点额外的考虑。首先，必须将硅功率元件设计成能够处理所需的峰值和持续功率水平。在发射器端，功率FET元件在发射控制器的外部，所以可按照需要将它们升级为能够处理峰值电流。在接收器端，解决方案的小尺寸是十分重要的，集成FET器件被用来提供单芯片器具。为了提供高效率并改进热性能，与之前的5W接收器相比，RX控制器中的FET具有更低的RDS(on)。磁性元件，即TX和RX线圈也必须具有能够处理10W电源传输所需的更高峰值电流的额定值。最后，由于10W系统的磁场强度更高，相对于5W系统来说，接收器端的屏蔽范围就需要扩大。这对于为系统中的金属元件提供更好的屏蔽，最大限度地降低接收器端的“临近、接触金属”损耗，并尽可能地提高系统效率也是有必要的。

现在再来参考一下图1，我们注意到RX控制器提供到TX控制器的反馈，要求TX根据不同负载条件，以及线圈对齐/耦合效率等的需求来改变其输出功率。一种改变输出功率的常见方法是用恒定振幅/可变频率ac信号来激励线圈。另外一个替代方法是用可变振幅/固定频率激励。

可变频控制免除了对于TX端上可调前置稳压级的需要，而是依靠TX/RX谐振电路的共振调谐。当TX工作频率接近共振点时，最大可能功率从TX传输到RX。为了减少传递到RX端的功率，TX控制器增加其频率，使其远远高于共振峰值。在RX需要较少的功率等较轻负载情况下，TX频率往往会增加。然而，这个方法使得电力传输/控制过程在很大程度上取决于线圈调节。当在较高功率水平下使用时，一个可变频率架构在电磁干扰 (EMI) 控制方面也会提出一些问题。

10W发射器系统运行在固定频率下，但是却使用一个可调前置稳压器来改变用于线圈激励的直流电压轨。一个全桥电路被用来生成用于TX线圈的交流激励电流。图2中显示的是一个定频 (10W) 无线电源发射器系统的基本方框图。当RX需要更多的输出功率时，直流电压轨为TX线圈功率级提供的电压会增加。直流电压随着RX负载的下降而减少。

图2. 具有一个无线数字控制的10W无线电源发射器

10W系统的可调输出电压和热性能

第一代5W无线电源系统通常在接收器端产生一个固定的5V输出电压。这已经足够为一个充电率在1A范围内的单节锂离子电池充电了，而从本质上讲，这个电源系统与随处可见的USB类型电源很相似。然而，随着便携式器件内电池容量的增加，要保持快速的充电时间就需要更高的电流。

bq51025 10W无线接收器输出电压可在5V至10V的范围内用外部反馈电阻器进行调节。这样就可实现对一节或两节串联电池配置的充电，并且在与一个宽输入电压范围开关模式NVDC类型充电器组合在一起时，能够保持单节电池充电情况下的高效率[7]。在诸如无线RX输出情况下，NVDC充电器架构在减少较高电压电源所需的输入电流的同时，可实现低压电池的高效充电。图3显示的是无线接收器电路板在为负载提供一个10W电源的同时，在5V，7V和10V输出设置下的热响应(分别为图。 3a，b和c)。很明显，10V输出情况下产生的热量最少，应该在高频开关模式充电器可用于电池充电的情况下使用。

图3. 无线接收器在10W负载条件下的散热测量。

接收器电路上的串联谐振电容器(图4中的C1)对于优化热性能也同样关键。实际操作中，将多个电容器并连在一起来提供所需的总电容值。

图4. 无线电源接收器和关键谐振电容器

在使用C0G(较大封装，低串联等效电阻 (ESR))和X7R(较小封装，较高ESR)时的热性能差异是十分可观的(图5)。

图5.电容器对热性能的影响

较小的、高ESR电容器会成为RX印刷电路板 (PCB) 上温度最高的地方。由这些电容器所导致的PCB温度上升，会阻碍其散发集成电路 (IC) 本身产生的热量，这也就意味着IC和PCB的总体温度都会增加。又由于使用了较小的谐振电容器，总效率从80%下降到74%。

图6显示的是使用一个无线电源发射器 (bq500215) 与一个无线电源接收器 (bq51025) 、评估板 (EVM) 和适当组件选择组合配置的10W无线电力传输的总体系统效率。

图6. 在5V，7V和10V输出设置时，10W电源系统的端到端效率

线圈选择指南

bq500215发射器评估模块使用一个无线电源联盟 (WPC) 类型的29，10µH，30m?线圈，其额定电流为9A。除了10W接收器之外，这个线圈确保了与之前5W WPC类型接收器的兼容性。

在接收器端，应该对线圈参数进行优化，以匹配应用的目标输出电压。在需要5V输出的情况下，RX线圈的标称电感值应该在10µH范围内;对于7V或10V的较高输出电压，RX线圈应该在15µH的范围内。

虽然理想状态是最大限度地减少线圈的直流电阻 (DCR)，但是在较高的输出电压情况下，允许稍微地增加DCR来应对较低的电流。图7显示的是两个典型RX端线圈。所有RX和TX线圈组装时需要背面屏蔽材料。

图7. 针对5V，7V和10V输出要求的典型RX线圈技术规格

电池充电时间比较

最后，执行一个10W无线电源系统的原因是减少高容量电池的充电时间。图8显示了与bq24261 NVDC开关模式充电器组合使用时，使用5W和10W无线电源系统时针对3.1Ah锂离子电池的充电时间。充电时间被大幅减少—从使用5W充电器时接近4个小时减少到使用10W充电器时的少于3小时。由于锂离子电池充电算法的逐渐降低“渐止”属性，总充电时间的减少值与提供的电源不直接成比例。然而，代表满充电状态大约70%的恒定电流到恒定电压模式的转换点减小到了原来的一半(图8)。

图8. 用10W无线电源系统减少电池充电时间

在设计一个完整的10W电源系统时，还有很多需要考虑在内的其它细节。参考文献 [9-10] 提供了使用TI 10W无线电源解决方案来实现一个系统的完整指南和设计计算结果。

作者：Norelis Medina， 系统工程师，德州仪器 (TI)

Upal Sengupta，应用经理，德州仪器 (TI)

参考文献：

无线电源联盟标准

Sengupta & Johns， “使用Qi协议的普遍兼容无线电源，” 低功率设计

Tahar Allag， “无线电源接收器的测试和排错，” 应用报告 (SLUA724)，德州仪器 (TI)，2014年8月

Johns， Antonacci， 和 Siddabatula， “设计一个用于无线电源系统的Qi兼容接收器，” 模拟应用期刊 (SLYT479)， 德州仪器 (TI)，2012年3季度

Tahar Allag，“无线电源接收器布局布线指南，” 应用报告 (SLUA710)， 德州仪器 (TI)，2014年6月

Ilya Kovarik， “构建无线电源接收器

Jing Ye， “NVDC充电设计注意事项和权衡考虑” 视频教程

Würth Elektronik (http://katalog.we-online.de/pbs/datasheet/760308141.pdf)

Norelis Medina， 10W 无线电源系统视频演示

无线电源技术

以色列Powermat公司开发出一种无线电源，这种被称为“电源垫”的无线电源可通过电磁波实现电力传输，从而省去了连接电源线和电源插座的麻烦。

该公司首席执行官波利亚金表示，这种电源的工作方式有点像RFID电子标签。电子标签通常由阅读器和标签构成，阅读器利用天线在周围形成磁场，与阅读器发射频率调谐的“标签”从磁场中获得能量后转换为电信号发送给阅读器。

这种无线电源也有一个相当于“阅读器”的基座和一个将电磁波转换为电流的“标签”，只不过其基座是一块几毫米厚的垫子，大小可根据需要确定，可以放在桌子上，也可以镶嵌在厨房工作台表面或墙上，它通过电磁场向携带“标签”的电器输电，只要将带有“标签”的电器放到垫子上或垫子附近，即可获得电力。

据称，这种无线电源基座中的发射器能传输100瓦电力，可为4—5个中型电器和一些小电器供电。由于摆脱了电源线和插座的困扰，电器使用起来更加方便，可随意将电视放到房间的任何位置而不必担心附近有没有电源插座，也不用担心被电线绊倒。此外，该电源还具有自我调节功能，可根据电器的工作状态调整供电，使电磁辐射降到最小。

目前，该产品已受到一些电器制造商和服务行业的关注，美国曼哈顿的几家宾馆已安装了这种装置。该公司表示，他们计划明年初将其推向市场，最初使用时要专门为电器配备一个能量接收和转换装置，今后他们拟像蓝牙设备一样将其设计到电器产品中。

目前各式各样备受吹捧的无线产品或许应该被明确称为无线‘通讯’装置才更恰当，因为从某方面来说，它们仍然需要藉由一条电线把电源从墙上的插座传送到设备中，而不是全然的‘无线’。但另外一方面，人们早已能够利用无线方式将数百千瓦的电源成功地进行远距离传输。虽然对於无线电源传输的关注长久以来都集中在百万瓦级(MW，如太阳能收集)或毫瓦级(mW，如RFID)，而现在正是将这项技术导入到各种可携式无线应用中的最佳时机。

传输原理

通过定向天线发射RF电源其实是一个无损耗的过程，其产出效率大概在85%左右，足以与任一款高性能的开关调节器相媲美。两个天线之间的能量传输效率由天线的尺寸、RF波的波长以及两天线间的距离来决定(这里为了简化问题假定无传输损耗，因此方程式中不包含波束强度)。如果假设发射天线直径为DT、接收天线直径为DR、RF波长为λ(λ=1/f，f为RF频率)、天线距离为H，而k为一比例常数(通常选择1.2)，我们可以得到：

DTDR=2kλH

当然也必须考虑到电源密度的问题。例如，美国食品暨药物管理局(FDA)强制规定在距微波炉表面两英吋处，每平方公分的微波辐射应为5毫瓦。除了满足方程式之外，这样的安全要求也可能会对天线尺寸的迷你化加以限制。

无线电源传输的需求前景非常明朗。目前有关的建置技术已经解决，现在所必须努力的就是大规模将该技术从百万瓦级和毫瓦级应用向可携式运算、消费和通讯设备领域扩展。因为既然已经省去了讯号线，就使得无线通讯装置中的电源线显得异常突兀和刺眼。例如目前的平面电视可以挂在墙上，如果电源也能不必插到墙上的插座那就太棒了。

原理

无线电源技术是一种利用无线电传输电力能量的技术，它要求传输效率尽可能高，传输功率尽可能大，这样才能满足对电力的需求。其研究应用领域涉及广泛，传输功率相差较大，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。目前存在三种解决技术：电磁感应技术、无线电波技术和电磁共振技术。[1]

电磁感应技术

此技术类似电力系统中常用的变压器技术。在变压器的原边通入交变电流，副边由于电磁感应原理会产生感应电动势，若副边电路连通，即可出现感应电流，其方向遵从楞次定律，大小可由麦克斯韦电磁理论解出。相对于无线电源而言，变压器的原边相当于电源发射线圈，副边相当于电源接收线圈，这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。这种非接触式无线电力传输方式制造成本较低、结构简单、技术可靠、传输功率可从几瓦到几百瓦。

但是传送距离小于25px,被充电产品必须置于充电器附近，充电器必须具备对被充电产品进行辨识的能力，否则会向附近任意金属传输能量，导致其发热并产生危险。

电磁共振技术

这种技术基于电磁共振耦合原理，需要的发射和接收两个共振系统可分别由感应线圈制成。通过调整发射频率使发射端以某一高频率振动，其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波，在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同，因而发生了共振。随着每一次共振，接收端感应器中会有更多的电压产生。经过多次共振，感应器表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了电能的无线传输。这种非接触式无线电力传输方式传输功率可达几千瓦、传送距离可达3~4米，但是必须对所需频率进行保护，在几米范围内进行传输需要几MHz到几百MHz的频率。

无线电波技术

这种技术是利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，系统由电磁波发生器、发射天线、接收天线、高频电磁波整流器、变电设备和有线电网组成。

电磁波发生器是微波源或激光器，把电源传送的电能转变为大功率、高频的电磁波，馈送给发射天线;发射天线将电磁波发送出去;接收天线收集电磁波的能量并输入高频电磁波整流器，产生的高压直流电经逆变后送入有线电网。这种非接触式无线电力传输方式传送距离可达10m,但是传输功率小(最高100mW)、功效低，发射器无线电波发送的大量功率以无线电波的方式被浪费掉。

可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。这种非接触式无线电力传输方式制造成本较低、结构简单、技术可靠、传输功率可从几瓦到几百瓦。

发展前景

继收集周围环境中的杂散电源之後，波束电源传输应该是接下来要做的事情。从产业角度来看，电源收集本身虽然是一个新概念，但是目前已经逐渐为技术人员所接受。

事实上，有人可能会认为在目前的状况下，将‘收集’形容为‘净化’也许更为恰当，因为这个概念主要是指对漂浮在空气中的杂散能量进行搜索和收集。尽管目前的能量收集技术主要关注的是电源链接收端的波束电源，而实际上就整个产业来看，能量收集应该是从源头开始的整个过程，并将能量收集的模式从‘能量在你所能发现之处’转变为‘能量始於无线建置之处’。

目前至少有6、7家公司提供磁耦合技术，大都采用的是感应方法。

以色列的Powermat公司押宝其专有方法。“与需要很大充电空间的系统不同，我们的系统很紧凑，”Powermat 公司总裁Ron Ferber说，“这就是为什么我们的充电板可以做得很薄的原因，而且我们的电子产品可缩小嵌放在墙壁和天花板表面上。

该技术既可用于诸如手机等功耗相对较低的产品，又可用于笔记本电脑等功耗较高的设备，Ferber说。Powermat公司在CES上展出了预计在秋季面市的产品原型，售价在50到140美元。

据Randall介绍，WildCharge所采用的传导方法使其成本更低，使用更方便。因该技术采用的是待充电设备的金属触点直接与充电板上专有形状的针脚对接的方法，所以用户不必直接把待充设备放到嵌入在充电板的线圈上。“无论你如何安放待充电设备，都对应一个正极和负极。”Randall说。该方法最高可输送150W功率。

WildCharge把该技术授权给Griffin International公司，后者已为充电电池开发出一款零售产品。

英特尔的研究人员正在开发一种无需物理接触的方法。它采用一种由麻省理工学院最先研发的磁共振技术，英特尔在其2008年8月召开的年会上，采用相对大的线圈在3英尺的距离内以10MHz频率输送出60W的交流电，接通了一只白炽灯。2008年12月，英特尔在其实验室内，以3英尺的距离输送出12W的直流电为一款小型笔记本电脑供电。

英特尔的目标是找到一种能为其笔记本电脑用户提供无线电源功能的方法。目前，其线圈大小“正好可放在笔记本电脑的折盖内”。英特尔研究小组的首席工程师Joshua Smith说。