原创 物联网系统中二次电池无线充放电方案硬件设计分享_无线充放电芯片

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物联网系统中为什么要使用无线充放电芯片

物联网系统中使用无线充放电芯片的原因主要体现在以下几个方面：

• 去除充电线束缚

传统的有线充电方式需要使用充电线连接设备和电源，这在物联网设备众多且分布广泛的情况下，不仅增加了管理的复杂性和成本，还限制了设备的移动性和灵活性。无线充放电芯片通过无线传输能量，消除了充电线的束缚，使得物联网设备可以更加自由、灵活地部署和使用。

• 提高充电效率和便携性

无线充放电芯片采用了电磁感应、共振效应等无线传输技术，能够实现高效、长距离的能量传输。相比传统有线充电方式，无线充电效率更高，充电时间更短，提升了用户的使用体验。同时，无线充电的便携性也更适合物联网设备的多样化应用场景，如智能家居、智慧城市、工业物联网等领域。

• 简化设备维护和管理

在物联网系统中，设备数量众多且分布广泛，传统的有线充电方式需要定期检查和更换充电线，增加了维护成本和管理难度。而无线充放电芯片通过统一的无线充电基站或嵌入式的无线充电模块，可以实现对多个设备的集中管理和维护，降低了维护成本和管理难度。

• 提升系统安全性和可靠性

无线充放电芯片在设计和使用过程中，通常会考虑辐射安全、系统干扰等问题，并采取相应的措施来确保系统的安全性和可靠性。例如，通过优化发射端和接收端的设计，减少电磁辐射对人体的影响；通过采用特定的解决方案来防止无线充电信号与数据通信信号之间的干扰等。这些措施有助于提升物联网系统的整体安全性和可靠性。

• 拓展物联网应用场景

随着无线充电技术的不断发展和成熟，其在物联网领域的应用场景也在不断拓展。例如，在智能家居中，无线充放电芯片可以用于为智能门锁、智能灯泡、智能插座等设备提供无线充电支持；在智慧城市中，无线充电技术可以用于为路灯、交通监控摄像头等设备提供远程充电支持；在工业物联网中，无线充电技术则可以用于为生产线上的机器人、传感器等设备提供持续稳定的电力供应。

综上所述，物联网系统中使用无线充放电芯片具有多方面的优势，这些优势共同推动了无线充电技术在物联网领域的广泛应用和发展。

本文会再为大家详解电源芯片家族中的一员——无线充放电芯片。

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线充放电芯片背景

现今几乎所有的电子设备，如手机，MP3和笔记本电脑等，进行充电的方式主要是有线电能传输，既一端连接交流电源,另一端连接便携式电子设备充电电池的。这种方式有很多不利的地方，首先频繁的插拔很容易损坏主板接口，另外不小心也可能带来触电的危险。

无线充电运用了一种新型的能量传输技术——无线供电技术。该技术使充电器摆脱了线路的限制，实现电器和电源完全分离。在安全性，灵活性等方面显示出比传统充电器更好的优势。在如今科学技术飞速发展的今天，无线充电显示出了广阔的发展前景。

无线充电已从梦想成为现实，从概念变成商用产品。产品实例：

图： 手机笔记本无线充电器

图：新能源汽车无线充电

图： 电动牙刷无线充电

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无线供电特点

3.1优点：

（1）便捷性：非接触式，一对多充电
与一般充电器相比，减少了插拔的麻烦，同时亦避免了接口不适用，接触不良等现象，老年人也能很方便地使用。

一台充电器可以对多个负载充电，一个家庭购买一台充电器就可以满足全家人使用。

（2） 通用性：应用范围广
只要使用同一种无线充电标准，无论哪家厂商的哪款设备均可进行无线充电。

（3）新颖性，用户体验好
（4）具有通用标准

主流的无线充电标准有：Qi标准、PMA标准、A4WP标准。

Qi标准：Qi标准是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟（WPC，2008年成立）推出的无线充电标准，其采用了目前最为主流的电磁感应技术，具备兼容性以及通用性两大特点。只要是拥有Qi标识的产品，都可以用Qi无线充电器充电。2017年2月，苹果加入WPC。

PMA标准：PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备，打造无线供电标准，在无线充电领域中具有领导地位。PMA也是采用电磁感应原理实现无线充电。目前已经有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA联盟。

A4WP：Alliance for Wireless Power标准，2012年推出，目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。A4WP采用电磁共振原理来实现无线充电。

3.2缺点

（1）工作距离短
目前的无线充电技术大多在短距离范围内的近磁场对电子设备进行无线充电。因为无线电能传输的距离越远，功率的耗损也就会越大，能量传输效率就会越低，且会导致设备的耗能较高。

（2）转换效率低，速度慢
无线充电技术虽然简单便捷，但是其硬伤在于缓慢的充电速度和充电效率。

（3）功耗较高，更加费电
随着无线充电设备的距离和功率的增大，无用功的耗损也就会越大。

（4）成本较高，维护消耗大，不符合标准会有安全隐患危险

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无线供电原理及实现方式

无线充电利用电磁波感应原理进行充电，原理类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流。

2007年6月麻省理工学院以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了利用电磁感应原理的灯泡无线供电技术，他们可以在一米距离内无线给60瓦的灯泡提供电力，电能传输效率高达75%。

研究者由此设想电源可以在这范围内为电池进行无线充电，进而推想只需要安装一个电源，即可为整个屋里的用电器供电。传输线圈的工作频率在兆赫兹范围，接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振，以相同的频率振荡，然后有效的通过磁感应进行电能传输。

图：无线充电原理
实现无线充电技术主要通过四种方式：电磁感应式、磁场共振式、无线电波式、电场耦合式：

4.1 电磁感应式

1890年，物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉就已经做了无线输电试验，实现了交流发电。
迈克尔·法拉第发现电磁感应原理，电流通过线圈会产生磁场，其他未通电的线圈靠近磁场就会产生电流。

图：电磁感应式原理
电磁感应式充电：初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应，事实上，电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感，中国本土的比亚迪公司，早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利，就使用了电磁感应技术。

电磁感应式是当前最成熟、最普遍的无线充电技术，原理有些类似于变压器。

图：电动汽车无线充电原理

4.2 磁场共振式

图：磁场共振方式原理
磁场共振充电由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡。该实验中使用的线圈直径达到50cm，还无法实现商用化，如果要缩小线圈尺寸，接收功率自然也会下降。

相比电磁感应方式，利用共振可延长传输距离。磁共振方式不同于电磁感应方式，无需使线圈间的位置完全吻合。

应用：意法半导体与WiTricity合作开发谐振无线电能传输芯片
意法半导体(简称ST)与超长距离无线电能传输技术先驱WiTricity公司,宣布合作开发电磁谐振式无线电能传输半导体解决方案。

此方案支持消费电子和物联网设备快速无线充电,并支持多个设备同时充电。这个电磁谐振无线电能传输芯片被称为“无线充电2.0”,与现有无线充电技术不同的是,这款芯片能够给金属外壳的智能手机、平板电脑和智能手表高效充电。

4.3 无线电波式

无线电波式充电：这是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。

整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管，能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率

图：无线电波充电示意图
应用：AirVolt无线充电器
AirVolt是一款利用无线电波给移动设备进行充电的无线充电器。和同类型产品一样,它的效率要比有线充电低一些。AirVolt充电头通电后可以将电能转化为电磁波,接收器获取后会将电磁波又转化为电能为手机充电。当电量充满到80%时就会自动停止充电, 低于20%时又会自动充电, 既保证了手机最佳电量又不会导致过度充电, 增加了电池使用寿命。

AirVolt由 TechNovator公司开发, 需要充电时只要将接收器插进手机, 再将充电头插上插座就能进行远程无线充电。最佳充电距离是9米之内,而最远距离可达12米,躲到屋里任何一个角落都能充电!接收器和充电头体积都足够小，充电速度就比普通充电器慢一些。有Lightning 或 Micro usb两种接口选择, 满足不同需要。

4.4 电场耦合式

电场耦合式充电原理：利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。一般充电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的，这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。

电场耦合方式的特点大致有三：
①充电时可实现位置自由，②电极薄，③电极部的温度不会上升。因此不仅能够提供便利性，而且还可降低系统成本。目前已试制完成为平板终端及电子书等便携终端进行无线供电的供电台。

4.5 无线充电一般流程

一般来说，无线充电步骤分为：检测、通信、供电三个阶段：

（1） 检测阶段：识别可供电设备及异物（FOD）

当接收器放置在发射器工作范围内，发射器检测是否是一个接收器靠近

（2） 通讯阶段：进行身份认证

发射器发送数据包，并且为接收器供电启动接收器，之后接收器回复响应数据完成身份的认证

（3） 充电阶段：进行电能传输

在身份认证后，发射器根据接收器的设备类型，选择相应的功率等参数，为接收器充电

以Qi标准为例，整体流程如下：

图：Qi标准通讯流程

现今无线充电系统都采用共振的方式进行设计，在架构上都大至相同有下列这些构造：
发射器内有
• 直流电源输入
• 频率产生装置
• 切换电力的开关
• 发射的线圈与电容谐振组合
接收器内有
• 接收的线圈与电容谐振组合
• 整流器;
• 滤波与稳压器
• 直流电源输出

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现有解决方案分析：

国外：(包括芯片/方案/发射接收器件) IDT、TI、Freescale、高通、博通、NXP、Fulton、Energous、Delphi、松下、东芝、富士通等。

国内：中惠创智、新页、中兴、劲芯微、美嗒嗒、微鹅、斯普奥汀、华润矽科、新捷、伏达、以及台湾凌阳等。

在无线充电发射器上放置不同的接收器，接收器可为不同的装置从小电力的耳机到大功率的笔记型计算机，因此一个成熟的解决方案首先应该要能检测到对应不同的目标物；而每个接收装置的电力需求会有所不同，这时发射器需要能自动调节功率输出进行供电。

5.1 IDT无线IC方案

图：IDT无线发射与接收IC
IDT公司的无线充电技术解决方案具备高集成度，提供单芯片SOC解决方案，支持QI-LOGOWPC认证，并且兼容POWERMATE模式；具有加密通讯（FSK、ASK实现），异物检测模式功能。IDT目前是英特尔整个平台无线充电技术唯一的合作伙伴。现已有多家厂商使用IDT无线充电解决方案。

IDT的无线充放电IC在无线充电效率在15W时最高可达87%，提高了系统的热性能，可以媲美传统的有线充电架构。其内部处理器基于32位ARM Cortex-M0架构，通过I2C通讯控制，并且提供了扩展的数字IO引脚以及相关软件库。

图 ：IDT无线充电解决方案原理

成本评估参考：
芯片 价格 ($)
P9242-RNDGI (15W Transmitter) $ 4.4
P9221-RAHGI8 (15W Receiver) $ 3.2
P9038-RNDGI (5W Transmitter) $ 3.9
P9025AC-RNBGI (5W Receiver) $ 3.2

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FAQ及相关测试结果

6.1、人体危害：

当电磁波频率加到1GHz以上就会直接对水分子加热；这个原理就变成微波炉了，所以无论13MHz会对金属加热或是1GHz以上直接伤害人体，无线电力在设计时必需解决安全的问题才能上市

6.2、发热：

接收端5W的需求在只有20%的转换效率下有20W的能量转换成热能散逸，这样的能量会产生庞大的热能会导致系统温度大幅上升，在这样的推算下，系统最大输出能力会在25W，若为无安全设计下于发射器上放置金属异物可能会导致火灾意外。因此有必要做设备识别。

6.3、充放电效率问题：

发射端输入电压为5VDC，接受线圈之间距离为3cm，接收端通过接受线圈获取电能，通过整流滤波形成稳定的5v直流电。

6.4、互感影响：垂直距离和水平位置影响

6.5、距离以及线圈大小对充电效率的影响。

远距离（相隔一定的空间）的感应电能传输效率非常低，而在设备附近（例如表面）进行的感应电能传输则可以真正做到高效，其效率可与有线传输比拟。

距离越大(z/D > 1)或线圈大小差距越大，效率降低的幅度越大
距离越小(z/D < 0.1)，线圈大小越接近(D2/D = 0.5…1) ，效率越高

6.6、功耗问题。

与2相同条件下，发射端待机功耗：

供应商A:伏达半导体

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：NV1680

对应的产品详情介绍

NU1680是一款高度集成的无线电源接收器，与传统的无线电源接收器相比，它只需要更少的外围元器件。是一个低成本和较小PCB面积的无线电源接收解决方案。由于不需要固件来编程，它将大大简化设计工作，并更容易和快速地整合解决方案。它集成了一个同步整流器，无需自举电容，具有高效率和低成本的特点。可提供3.5V到9V的宽范围稳压，适用于不同的应用场合。此外，它可以调节输出电压跟踪电池电压，进一步降低充电系统的功耗。NU1680可以通过ASK与发射系统进行通信。通信符合WPC V1.2.4。FOD参数可通过I2C接口或外部电阻进行配置，以通过FOD测试。NU1680还支持连接到主AP，通过I2C接口进行通信。提供外部中断、电池电压ADC值、输出电流等。NU1680还支持标准保护功能，如过流保护、短路保护、过压保护和热关机。这些保护措施进一步提高了系统解决方案的可靠性。封装：3.0mm×3.0mm QFN。

• 硬件参考设计

• 研发设计注意使用事项

PCB 设计顶层电路如下图所示

C7/C8/C9/C21 是谐振电容，C1/C2 是 COMM 电容并应将它们放置在 IC 芯片的左边，同

时越接近芯片越好

L1 线圈走线应为宽铜线

VRECT 引脚端需分别各接一个电容（10uF/16V 或 4.7uF/16V）

在 IC 芯片底部散热焊盘上放置一些通孔，以获得良好的热传导

底层部分如下图所示，这里只需考虑一个因素，即连接两个 VRECT 引脚的铜线线宽至

少>=0.3mm，同时每侧最少放置两个通孔。

注意：尽可能减小谐振环路，同时将其远离其他信号电路

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