Qi标准无线充电配件概述

摘要

自Qi标准出现以后，无线充电配件产品便可以利用这种行业通用标准，在无需基站(无线充电发送器)的情况下为移动设备无线充电。一种常用方法是向消费者提供一种无线充电保护壳、后盖、电池组或者保护套，在其配件中放入接收机线圈和电子组件。本文将为您说明这类配件的系统级要求，重点介绍配件产品和主移动设备之间的接口。我们还将从两个方面讨论组件选择，同时探讨配件产品和主移动设备之间引脚数目接口的利弊权衡过程。

WPC(Qi)系统概述

图1显示了一个WPC型电感式无线充电系统的结构图。该发送器由一个AC/DC功率转换、驱动器、发射线圈、电压电流检测和控制器组成。接收机由一个接收线圈、整流、电压调节和控制器组成。系统负载可以是任何电池供电设备，例如：一部手机。

图1:WPC电感式无线充电系统结构图

系统中，AC电流流过发送器线圈时形成耦合磁场，电能通过该耦合磁场从发送器传输至接收机。如果接收机线圈极为靠近(X-Y或者Z尺寸小于5mm间隙)，发送器场力线的绝大部分将耦合至接收机线圈。这些耦合场力线在二次绕组中形成AC电流，对其整流便可产生DC电压，从而得到手机或者其他便携式设备使用的电源。请注意，无线充电链路实际上就是一款松散耦合、无芯线圈变压器。

WPC标准

无线充电市场兴起的一个关键是不同发送器和接收机之间的标准化。以前，销售无线充电接收机的公司还必须同时提供一个相应的发送器。这种状况制约了无线充电的市场接受能力，并导致出现大量不同类型、相互不兼容的无线充电技术。无线充电联盟(WPC)制定出了第一个全球标准，实现了5W功率级别发送器和接收机的通用性[1].Qi(发音为“chee”)标准定义了无线充电系统的工作频率、工作电压和基本线圈配置。另外，还定义了一种通信协议，接收机通过它与发送器通信，例如：发送器何时终止供电(即电话不再充电时进入节能模式)、接收机要求提供多少电力以及输出功率增加还是减少等。

配件构架

提供Qi标准产品的一条最快捷途径是，利用行业通用标准获得基站电源(无线发送器)的同时，提供具有电源或者直接电池充电实现的配件解决方案。在这种情况下，配件解决方案指的是无线充电功能，其作为移动设备的一种选配。最普遍的两种配件实现是保护壳和后盖。保护壳指的是一种塑料壳，它的内部包含有无线充电电路，可以牢固地夹在移动设备上，通过一些外部触点向移动设备提供电源。后盖则是移动设备标准后盖的替代品，也在其内部放入了无线充电电路。另一种配件解决方案是，在移动设备的电池组中放入无线充电电路，直接对电池充电。

电源配件

图2描述了无线充电接收机如何模拟电源适配器工作，向移动设备提供5V、5W电源。在这种最为简易的实现中，接收机和移动设备之间总共只有两个触点：无线充电和接地。由于大多数第一代Qi产品仍然有一条连线，图2还显示了通过有线适配器和无线充电实现充电的过程。两种电源都连接至移动设备内部的功率多路复用器。一般而言，默认情况下选择适配器电源，在没有适配器时使用无线充电。

图2:有线输入的四触点电源配件系统构架

在无线充电传输期间，连接适配器或者电池充电终止时，无线充电应中断运行。当接收机检测到无负载状态时，向发送器发送一条停止电力传输的信息，以此来实现上述目标。通过开启多路复用器的无线充电接收机开关，可以模拟这种状态。利用其他通信，可以获得无负载状态的更多详细信息。

双触点配件

双触点解决方案是成本最低的一种无线充电输出和接收机接口，但它仍然可以提供一些有限的功能。只有两个触点时，我们只能将无线电源(即5V输出)和接地连接移动设备，并且移动设备必须自己检测何时在适配器电源和无线电源之间切换。这种解决方案的主要缺点是，移动设备难以通知发送器充电已经终止。在典型的无线充电系统中，晚上用户上床睡觉时开始充电，充电一般持续两个小时左右。一旦充电完成，接收机应向发送器发送一条终止充电的信息(由WPC协议定义)，这样发送器便可以进入一种低功耗的待机模式。但是双触点解决方案终止，只能由接收机通过检测输出电流是否已经降至某个阈值以下，才能检测

得到。尽管这种方法可以让发送器进入待机模式，但电源电流由系统电流加上充电电流组成为它带来了诸多弊端。

三触点配件

相比双触点解决方案，三触点解决方案有所改进。除无线电源和接地以外，它还增加了一个控制信号。该控制器信号可以是无线充电接收机的输入，而无线充电接收机通过移动设备驱动。典型应用针对移动设备内部的充电器，用以检测充电何时终止，然后将这种状态通知接收机。接收机转而通知发送器终止充电，发送器便进入低功耗待机模式。由于移动设备通过电池持续供电，因此它会在一个不确定时间段内不断向无线接收机声明终止充电，这样整个充电周期的总发送器功耗便十分低。另外，发送器可以利用来自接收机的终止充电信息，让用户知道充电已经终止(例如：使用LED指示灯)。相比双触点解决方案，这种方法还可以更加精确地确定充电终止状态。四触点配件

最后，相比上述解决方案，四触点解决方案可以为用户提供更多的选项。使用四触点方案后，会有数种不同选项供选择。一种是提供两个控制信号输入-一个用于向发送器发送终止信号，而另一个用于通知发送器移动设备使用默认状态。图2显示了一种四触点实现替代方法。在这种情况下，一个外部适配器可以作为设备接收机的输入，而适配器FET栅极驱动信号可以为来自接收机的输出，并连接至移动设备。利用这种方法，接收机可以检测到适配器的存在，其关闭无线充电发送器，然后直接将适配电压施加至接收机。后面小节将详细介绍适配器多路复用器构架。

移动设备功率多路复用器

上市销售的第一批无线充电配件，仍然将有线适配器端口保留在了无线充电输入端的旁边。它要求在两个电源(有线电源和无线电源)之间使用一个功率多路复用器。图3显示了一个功率多路复用器构架的例子。这种方法利用接收机配件，对适配器电压(AD)进行检测，如果存在适配器电压则提供栅极驱动(AD_EN)。FET 必须以一种背靠背结构有线连接，以在开关关闭时阻滞反向和正向导电。之后，一旦存在适配器则无线充电接收机关闭电力传输，并通过适配器电源让栅极驱动保持活跃状态。这种方法要求配件和移动设备之间至少有一个四引脚接口(无线充电、AD、AD_EN和GND)。

图3:单个背靠背FET的电源多路复用选项