[介绍]无线充电标准

gaoxianqu

在2014国际消费电子展上，芯片设计商展示了多种支持无线充电标准的产品，然而当时市场上主要的三个竞争标准为Qi、PMA、A4WP，其中占主导地位的是WPC的Qi无线充电标准。为了抗衡Qi标准的发展，其余两个标准于今年进行了合并。表1.三个无线标准对比

标准

成立时间

成员数量

原理

频率

通信

异物检测

功耗调节

建议距离

IC厂商

发射功率

接收功率

线圈效率

备注

QI

2008

227

电磁感应

100~205kHz

自有协议

√

√

6mm (v1.1.2)

Freescale

5W、15W

15W

75%

TI

5W、10W

2.5W、5W、10W

75%

电磁共振

~

IDT

8W

5W

80%

联发科

-

7W

MT3188

PMA

2012

68

电磁感应

200~400kHz

NFC或BLE

~

IDT

-

5W

80%

已于2015年合并

联发科

-

7W

A4WP

2012

70+

电磁共振

6.78MHz

联发科

对于知名的IC厂商，基本上均同时是这三个无线充电标准联盟的成员。
其中，支持Qi标准的IC产品也是最多，包括无线充电发送和接收IC。对于单独支持其余两个标准的IC产品，如发送IC我还没有查到哪家公司目前在量产。对于兼容多个标准的多模无线充电方案倒是有的，但是基本上都是接收IC，还未看到发送IC产品。

无线充电标准目前仍在快速发展，根据目前的趋势，未来不管是标准还是IC方案还是终端产品，应该都会做到兼容统一。
1.今年PMA和A4WP宣布合并；
2.Qi 在最新的v1.2版本中将电磁共振技术涵盖进来；
3.IDT、联发科等IC设计商推出兼容多标准的多模无线充电IC方案；


目前市场上的无线充电设备兼容最多的是Qi标准，也许跟其多年的技术积累，最多的IC支持，完善的设计说明书有关。
下面我们简单看下Qi v1.1.2标准中的设计说明。（虽然Qi 当前最新版本为1.2，但是目前只为其成员开发，目前不提供公共下载；PMA&A4WP也未找到公共下载版本）


Main features (v1.1.2)
……
 Transfer of around 5 W of power, using an appropriate Secondary Coil (having a typical outer
dimension of around 40 mm). v1.2中为15W.
 Operation at frequencies in the 100…205 kHz range.
 Support for two methods of placing the Mobile Device on the surface of the Base Station:

• Guided Positioning helps a user to properly place the Mobile Device on the surface of a
  

Base Station that provides power through a single or a few fixed locations of that surface.充电位置固定.

• Free Positioning enables arbitrary placement of the Mobile Device on the surface of a
  

Base Station that can provide power through any location of that surface.充电位置灵活.
 A simple communications protocol enabling the Mobile Device to take full control of the power
transfer.简单的通信协议.
……
 Very low stand-by power achievable (implementation dependent).低功耗.



Basic system


Qi标准将可能的设计方案做了详细的描述，在v1.1.2版本中包含的发射端设计方案如下，我们选其中一个方案进行介绍。



Power Transmitter design A11 （v1.1.2）
该方案属于充电位置固定、单线圈方案，TI公司最新的兼容Qi v1.2版本的IC BQ500511使用的就是A11设计方案，虽然也许v1.2版本中对A11的设计细节有可能变动。

在Qi v1.1.2标准中对发射端的功能模块划分如上图所示，主要由左右Communications and Control Unit 和 Power Conversion Unit 两块组成。
从实物角度，可以分为线圈和控制IC及外围电路两部分。

好在标准和IC设计商为我们做完了几乎所有的设计工作，我们只需要照着它们的说明书实现即可。
Primary Coil (发射线圈)
标准对每个设计方案的线圈进行了详尽的描述，A11方案的原文如下。
The Primary Coil is of the wire-wound type类型, and consists of no. 17 AWG (1.15 mm diameter粗细) type 2 litz
wire having 105 strands 数量of no. 40 AWG (0.08 mm diameter), or equivalent. As shown in Figure 3-40, the
Primary Coil has a circular shape形状 and consists of one or two layers结构. Table 3-31 lists the dimensions尺寸 of the
Primary Coil.


注：2 layers的情况详见标准说明，此处略。

IC BQ500511数据手册中对线圈的描述如下，由此可以证实设计方案并不只是一种参考方案，更类似一种规定，下面还会看到。


Shielding (屏蔽)
标准中对电磁屏蔽层也做了详尽描述，大致意思是使用软磁材料保护发射器免受线圈产生的磁场影响，包括软磁材料类型及生产公司、厚度、结构、尺寸、间距等等。

……Primary Coil, has a thickness of at least 0.5 mm, and is placed below the Primary Coil at a distance of at
most  ds = 1.0mm. ……the distance from the Primary Coil to the Interface Surface of the Base Station is
dz = 2 (公差+0.5/-0.25) mm, across the top face of the Primary Coil. In addition, the Interface Surface of the Base
Station extends at least 5 mm beyond the outer diameter of the Primary Coil. (Informative) This Primary
Coil-to-Interface-Surface distance implies that the tilt angle between the Primary Coil and a flat Interface
Surface is at most 1.0°. Alternatively, in case of a non-flat Interface Surface, this Primary-Coil-to-Interface
Surface distance implies a radius of curvature of the Interface Surface of at least 317 mm, centered on the
Primary Coil.

Electrical details标准里将实际电路抽象出来，对电感电容频率等参数做了规定，并对控制传输功率的方式做了描述。

……Power Transmitter design A11 uses a full-bridge inverter to drive the Primary
Coil and a series capacitance. ……, the assembly of Primary Coil, Shielding, and
magnet has a self inductance Lp=6.3(+-10%)uH. The value of the series
capacitance is Cp=0.4(+-5%)uF. The input voltage to the full-bridge inverter is
5(+-5%)V. ……
Power Transmitter design A11 uses the Operating Frequency and duty cycle of the Power Signal in order
to control the amount of power that is transferred.For this purpose, the Operating Frequency range of the
full-bridge inverter is f=110~205kHz ……

以IC bq500511为例，看下TI公司给出的该IC的传输效率。
Power transfer efficiency and robustness depends on coil coupling. Coupling depends on the distance between  coils, alignment, coil dimensions, coil materials, number of turns, magnetic shielding, impedance matching,  frequency, and duty cycle. Most importantly, the receiver and transmitter coils must be aligned for best coupling  and efficient power transfer. The smaller the space between the coils is, the better the coupling. Shielding is  added as a backing to both the transmitter and receiver coils to direct the magnetic field to the coupled zone.  Magnetic fields outside the coupled zone do not transfer power. Thus, shielding also serves to contain the fields  to avoid coupling to other adjacent system components.
从规格书中还可以看到工作时的波形以及IC的功能组成模块等。

从电路设计的角度，第一会想到需要设计的有线圈设计、IC原理图、PCB布板等，然而这些在规格书中几乎已经写明了。

上面也说过，该IC的线圈要求为A11设计方案的线圈，Qi标准中已经详细描述过。

规格书中也给出了IC的应用原理图，bq500511 Application Schematic，详见规格书；甚至电容等的选型都已说明。
Capacitor selection is critical to proper system operation. The total capacitance value of 4 × 100 nF is required in  the resonant tank. This is the WPC system compatibility requirement, not a guideline.

对于PCB Layout的设计，规格书中也给出了设计参考，并讲解了需要注意的地方，最后给出了一些Layout案例细节。

最终，看上去整个研发设计流程是否就已经很简单了——按照我们自己的需求选择一套IC，根据Qi标准及其规格书上的说明，将其原理图设计成我们自己的PCB Layout，然后外购标准的线圈，接上我们的PCB便可以工作。
实际情况往往复杂的多，1.模拟&数字混合电路的设计往往需要更多次的修改调整布板，最终才能得到较好的性能和效果，并满足EMC/EMI要求，就算已经有了完整的原理图之后；2.虽然标准给出了屏蔽设计，但是这块我们并无太多经验，包括材料和具体的结构等；3.虽然线圈大多可以买到标准的产品，但是目前还是有小型线圈或异性线圈的需求。

无线充电·发射管理IC价格对比

厂商	型号	描述	类型	价格	标准
TI	BQ500215	BQ500215 固定频率  10W WPC1.1 无线电源发送器	Transmitter	4.00 $ | 1ku	WPC 1.1
	BQ500414Q	自由定位、符合  Qi 标准的无线电源发送器管理器，汽车类	Transmitter	3.92 $ | 1ku	WPC  1.1
	BQ500412	自由定位、符合  Qi 标准的无线电源发送器管理器	Transmitter	2.93 $ | 1ku	WPC  1.1
	BQ500212A	符合  Qi 标准的 5 V 无线电源发送器管理器	Transmitter	2.93 $ | 1ku	WPC  1.1
	BQ500410A	自由定位、符合  Qi 标准的无线电源发送器管理器	Transmitter	3.45 $ | 1ku	WPC  1.1
	BQ500211	二代符合  Qi 标准的 5V 无线电源发送器管理器	Transmitter	3.05 $ | 1ku	WPC  1.1
	BQ500511	无线电源发送器控制器	Transmitter	2.99 $ | 1ku	WPC  1.2
Freescale	MWCT1000CFM	5W单线圈无线充电发送器	Transmitter	2.10 $ | 10ku	WPC 1.1.2
	MWCT1001AVLH	5W多线圈无线充电发送器IC，汽车类	Transmitter	3.29 $ | 10ku	WPC  1.1.2
	MWCT1003AVLH	5W多线圈无线充电发送器IC，汽车类	Transmitter	4.43 $ | 10ku	WPC  1.1.2
	MWCT1012CFM	15W单线圈无线充电发射器	Transmitter	2.33 $ | 10ku	WPC  1.2
	MWCT1101CLH	5W单线圈无线充电发送器	Transmitter	2.53 $ | 10ku	WPC  1.1.2
	MWCT1111CLH	15W单线圈无线充电发射器	Transmitter	2.90 $ | 10ku	WPC  1.2
	MWCT1200CFM	5W多线圈无线充电发送器	Transmitter	2.22 $ | 10ku	WPC  1.1.2
IDT	P9030	Single-Chip Qi Wireless Power  Transmitter for Tx-A1 and Tx-A10	Transmitter	Mouser含税: 4.61 $ | 1ku	WPC 1.0.1
	P9036B	WPC 1.1 12V Wireless Power  Transmitter for Tx-A6	Transmitter	Mouser含税: 5.45 $ | 1ku	WPC 1.1
	P9038	8W, Qi-compliant, Wireless Power  Transmitter IC	Transmitter	Mouser含税: 6.32 $ | 1ku	WPC 1.1.2
	P9235	WPC 1.1.2 Wireless Power  Transmitter IC for Tx-A5 and Tx-A11	Transmitter	Mouser含税: 4.68 $ | 1ku	WPC 1.1.2

无线充电·接收管理IC价格对比

厂商	型号	描述	类型	价格
TI	BQ51052B	BQ51052B 符合 Qi  (WPC) 标准的集成无线电源锂离子电池充电器接收器	Receiver	1.90 $ | 1ku
	BQ51025	bq51025  10W 兼容 WPC 的单芯片无线电源接收器	Receiver	4.00 $ | 1ku
	BQ51020	符合  Qi 无线电源联盟标准的高集成无线接收器电源	Receiver	2.50 $ | 1ku
	BQ51021	bq5102x  5W (WPC) 单芯片无线电源接收器	Receiver	2.50 $ | 1ku
	BQ51221	bq51221	Receiver	3.00 $ | 1ku
	BQ51003	BQ51003	Receiver	1.30 $ | 1ku
	BQ51010B	符合  Qi 无线电源联盟标准的高集成无线接收器电源	Receiver	1.80 $ | 1ku
	BQ51013B	WPC  1.1 兼容全集成无线电源接收器 IC	Receiver	1.75 $ | 1ku
	BQ51051B	集成无线电源锂离子充电器接收器，符合  Qi (WPC) 标准	Receiver	1.90 $ | 1ku
	BQ51050B	符合  Qi (WPC) 标准的高度集成的次级侧直充式锂离子充电器。	Receiver	1.90 $ | 1ku
Freescale	MWPR1516CALR	15 W无线充电接收器 IC	Receiver	2.50 $ | 10ku
	MWPR1516CFM	15 W无线充电接收器 IC	Receiver	1.75  $ | 10ku
IDT	P9022	Enhanced WPC 1.1 Wireless Power  Receiver	Power Receiver	Mouser含税: 4.18 $ | 2.5ku
	P9023	Enhanced Dual-mode Wireless  Power Receiver	Power Receiver	Mouser含税: 7.63 $ | 1ku
	P9025AC	5W, Qi-compliant Wireless Power  Receiver IC	Power Receiver	Mouser含税:  2.85 $ | 1ku
	P9028AC	Ultra-compact Dual-mode Wireless  Power Receiver IC	Power Receiver	Mouser含税: 3.63 $ | 1ku

发射/接收线圈模组价格从3$到20$都有产品，这里以A11设计方案为例，其使用的线圈在digikey上的报价，发射线圈为9.9 $ @500u，接收线圈为3.9 $ @1ku（网址，另有线圈规格书）。其制造厂商为Qi 标准中提到的 TDK Corporation 公司。也可在该网页查询其他厂商的线圈报价及规格书，在前一个帖子上有给出。

还是以TI的IC方案为例，发射IC：BQ500511 2.99 $，发射线圈：9.9 $，接收IC：BQ50002 1.89 $，接收线圈：3.9 $。合计为18.68 $，约119 RMB。

国内有见到一些低端的所谓的无线充电IC，其工作方式也是将直流逆变成交流，然后将固定频率的交流流经线圈，将电能转化为电磁能发射出去。其不带任何控制功能，只是简单的将电磁能发射出去，接收端和发射端没有任何通信，无法控制自身的发射功率。且其应用设计资料匮乏，很难应用到高可能性的产品上，后期技术支持薄弱。

admin

有没有各家的成本对比？还有，中国那些非标的产品问题主要在哪里？

admin