【導(dǎo)讀】將無(wú)線(xiàn)充電帶入大眾視野當(dāng)數(shù)蘋(píng)果與三星兩大手機(jī)廠商：2015年，三星發(fā)布了支持無(wú)線(xiàn)充電的手機(jī)—Galaxy S6；2017年，iPhone8以及iPhone X成為蘋(píng)果首款支持無(wú)線(xiàn)充電的手機(jī)。此后，華為、小米等國(guó)內(nèi)手機(jī)廠商也紛紛試水無(wú)線(xiàn)充電，這項(xiàng)技術(shù)也一度成為中高端手機(jī)新趨勢(shì)。
無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品以其便利性，可靠性，安全性越來(lái)越受到消費(fèi)者的追捧。除手機(jī)以外， 越來(lái)越多支持無(wú)線(xiàn)充電的TWS無(wú)線(xiàn)耳機(jī)，智能手表等可穿戴設(shè)備不斷涌入市場(chǎng)。與此同時(shí)，不同種類(lèi)的無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備也逐漸融入我們的生活場(chǎng)景，如宜家推出配有無(wú)線(xiàn)充電底座的臺(tái)燈，小米推出30W超級(jí)無(wú)線(xiàn)閃充充電器等。
無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)主要由電源、無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送器和無(wú)線(xiàn)充電接受器三部分構(gòu)成。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的組成主件，圖2所示為其電路示意圖。無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)是如何工作的呢？以下為其工作原理的簡(jiǎn)要介紹：
● 無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送器(Tx)通常由一個(gè) 5V 至 20 V 的直流輸入電源供電，這個(gè)電源來(lái)自AC/DC 電源適配器或 USB 端口。一些特殊應(yīng)用（如手機(jī)反向無(wú)線(xiàn)充電）也可能為電池供電。
● 無(wú)線(xiàn)功率控制器可驅(qū)動(dòng)半橋或者全橋變換器來(lái)傳輸能量，并通過(guò)與接收器的通訊來(lái)調(diào)節(jié)傳輸功率。
● 發(fā)送器線(xiàn)圈通過(guò)電磁感應(yīng)傳輸電力，能量被耦合到無(wú)線(xiàn)功率接收器(Rx)中。接收器通過(guò)一個(gè)類(lèi)似的線(xiàn)圈來(lái)接收能量，并通過(guò)整流及功率變換電路（如充電電路）為后級(jí)提供能量。
● 接收器可通過(guò)通信接口發(fā)送命令來(lái)調(diào)節(jié)充電電壓，還可以在收到充電結(jié)束的指示后，完全終止功率傳輸。
圖1. 無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)
圖2. 無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)電路示意圖
為提高無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的工作效率，無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送器(Tx)中線(xiàn)圈所需母線(xiàn)電壓Vbus可設(shè)計(jì)為隨著傳輸功率的大小而 變化：滿(mǎn)載充電時(shí)，傳輸功率最大，母線(xiàn)電壓升至最高；待機(jī)狀態(tài)時(shí)，傳輸功率最小，母線(xiàn)電壓也隨之降為最低。
前文提到過(guò)，無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送器的電源Vin可能來(lái)自AC/DC電源適配器或USB 端口（5V 至 20 V），也可能為電池供電，有著較寬的電壓范圍。 為匹配不同的電源電壓和發(fā)送器線(xiàn)圈所需母線(xiàn)電壓，在Vin與Vbus之間可使用DC/DC變換器來(lái)調(diào)節(jié)電壓，而DC/DC變換器拓?fù)渲饕Q于電源電壓Vin和線(xiàn)圈所需母線(xiàn)電壓Vbus之間的電位關(guān)系。
例如一款30W的無(wú)線(xiàn)充電器，輸入電壓Vin為12V 電源適配器提供，母線(xiàn)電壓Vbus設(shè)計(jì)為在2V至20V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，此時(shí)就需要升降壓變換器來(lái)滿(mǎn)足Vin與Vbus之間的電壓匹配。有些無(wú)線(xiàn)充電器設(shè)計(jì)為節(jié)省成本，選擇犧牲待機(jī)功耗，在待機(jī)狀態(tài)下發(fā)送線(xiàn)圈母線(xiàn)電壓設(shè)計(jì)為輸入端電壓，則只需要升壓芯片來(lái)滿(mǎn)足充電時(shí)Vbus電壓要求即可。
德州儀器升壓和升降壓方案在無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備中的應(yīng)用
德州儀器提供一系列的升壓以及升降壓產(chǎn)品，可滿(mǎn)足各個(gè)功率范圍的無(wú)線(xiàn)充電發(fā)送器的設(shè)計(jì)需要。下文將簡(jiǎn)要介紹德州儀器產(chǎn)品在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的最優(yōu)方案。
升壓和升降壓控制器在無(wú)線(xiàn)充電器中的應(yīng)用
目前，市面上的無(wú)線(xiàn)充電器功率在5W~30W不等。由于消費(fèi)者對(duì)無(wú)線(xiàn)充電的訴求多為高效快速，大功率無(wú)線(xiàn)充電器成為新的趨勢(shì)。此外，支持給多種無(wú)線(xiàn)設(shè)備同時(shí)充電的無(wú)線(xiàn)充電器也以其良好的用戶(hù)體驗(yàn)越來(lái)越受到消費(fèi)者親睞。圖3所示為無(wú)線(xiàn)充電器同時(shí)給手機(jī)，手表和耳機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖3. 無(wú)線(xiàn)充電器
圖4為無(wú)線(xiàn)充電器電路示意圖，為適應(yīng)不同額定電壓的適配器，輸入電壓范圍設(shè)計(jì)為5V至20V。在待機(jī)狀態(tài)下為減小待機(jī)功耗，輸出電壓可設(shè)計(jì)為低至2V；在滿(mǎn)載下，輸出電壓需要升到最高設(shè)計(jì)值以獲得最優(yōu)的傳輸效率。如在30W無(wú)線(xiàn)快充中，升降壓電路的最大輸出電壓一般設(shè)為20V左右。
圖4. 升降壓方案在無(wú)線(xiàn)充電器中的應(yīng)用
德州儀器LM34936為四開(kāi)關(guān)管的同步升降壓控制器，內(nèi)置2A MOSFET驅(qū)動(dòng)，最大輸出電壓可至30V，封裝小，效率高，適用于大功率無(wú)線(xiàn)充電器的設(shè)計(jì)需要。
如果為了降低成本，可選擇升壓控制器方案。德州儀器的同步升壓控制器TPS43061較普通非同步升壓方案可顯著工作效率，減少熱損耗，是大功率無(wú)線(xiàn)充電器設(shè)計(jì)的理想方案。
升壓變換器在反向無(wú)線(xiàn)充電手機(jī)中的應(yīng)用
近年來(lái)，反向無(wú)線(xiàn)充電功能也成為中高端智能手機(jī)的趨勢(shì)之一。智能手機(jī)不僅僅作為一款通訊工具，也成為集多功能于一體的智能電子設(shè)備，可為T(mén)WS無(wú)線(xiàn)耳機(jī)，智能手表或其他手機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，如圖5所示。
圖5. 支持反向無(wú)線(xiàn)充手機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景
反向無(wú)線(xiàn)充電手機(jī)的電路示意圖如圖6，其中升壓變化器可選擇德州儀器的TPS61372或TPS61089。
圖6. 升壓方案在支持反向無(wú)線(xiàn)充手機(jī)中的應(yīng)用
TPS61372在手機(jī)反向無(wú)線(xiàn)充應(yīng)用中有以下顯著優(yōu)勢(shì)：
● 寬范圍電壓輸出最高可至16V，減小線(xiàn)圈電流，降低線(xiàn)圈損耗；
● 整體方案尺寸小，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，BOM成本低
● 芯片采用小尺寸的WCSP封裝，僅為1.57mm×1.52mm×0.5mm，如圖7所示，特別適用于手機(jī)應(yīng)用；
● 支持1.5MHz高開(kāi)關(guān)頻率，可有效減小外部電感電容的尺寸，降低成本；
● 外部元件少，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單
● 輕載下可選擇PFM模式或者PWM模式，靈活滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)于輕載效率或者EMI設(shè)計(jì)要求。
● 具有真關(guān)斷功能，當(dāng)芯片處于不工作狀態(tài)時(shí)，輸入和輸出端之間為真關(guān)斷，減小待機(jī)功耗。
圖8為典型應(yīng)用示意圖。
對(duì)于更大功率的無(wú)線(xiàn)充電設(shè)計(jì)需求，則可選擇TPS61089。
升壓變換器在無(wú)線(xiàn)充電移動(dòng)電源中的應(yīng)用
支持無(wú)線(xiàn)充電的移動(dòng)電源也越來(lái)越多的涌現(xiàn)出來(lái)，其無(wú)線(xiàn)充電路結(jié)構(gòu)與手機(jī)中的類(lèi)似，如上圖6所示。目前，移動(dòng)電源的無(wú)線(xiàn)充電功率在5W~20W不等，德州儀器升壓變換器TPS61089, TPS61088, TPS61178可用于此應(yīng)用。
圖9. 無(wú)線(xiàn)充移動(dòng)電源
TPS61089, TPS61088的最大輸出電壓都為12.6V，兩者分別支持7A和10A的最大開(kāi)關(guān)電流；TPS61178的最大輸出電壓為20V，能提供最大至10A的開(kāi)關(guān)電流。德州儀器的這三款芯片為集成上下管的同步升壓轉(zhuǎn)換器，可滿(mǎn)足5W~20W無(wú)線(xiàn)充移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)需要。
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