基於電感電力傳輸的Qi　互通性標準實現5W以下手持設備充電

隨著可攜式設備電源使用要求的增長，廣大消費者需要更易於使用的充電解決方案。這些解決方案可以在各種環境下使用，例如：家庭、辦公室、汽車、機場、學校等等。無線充電聯盟(WPC)已經制定出了業界首個交互操作標準(Qi)，其讓所有相容發送器能夠為來自不同廠商、不同電源要求的相容接收器供電。

技術進步使得可攜式設備產品一代比一代更聰明。隨著這些裝置使用便利性和功能不斷提升，也帶動更多的電源要求。消費者因此發現他們必須更頻繁地為其電池供電型應用設備充電，也需要更方便、有效的方法來充電。無線充電技術正提供了這樣的解決方案，讓可攜式設備透過發送器墊(transmitter pad) 來充電，無需任何電氣連接(electrical connection)。正開發的多種形式的無線充電技術中，最為成功的商業應用實現卻是基於電感的電力傳輸，例如電動牙刷等，這種交互操作充電設備技術更易於適應各種商業應用。

互通性(interoperability)是指所有發送器都能夠為所有行動裝置供電，而與電源要求、外形尺寸和廠商無關。現有電感無線充電解決方案，要求消費者購買指定的充電墊(charging pad)，另外還需購買可攜式設備的附件。市場調查顯示，消費者對於比現有有線充電更方便的交互操作解決方案更感興趣。WPC基於電感電力傳輸制定了Qi交互操作標準，解決了 5W以下手持設備無線充電問題。該聯盟致力於透過建立一種全球交互操作的基礎架構，讓無線充電成為無處不在的普及技術。

WPC標準

圖1為WPC型電感無線充電系統的結構圖，發送器由ac/dc電源轉換、驅動器、發射線圈、電壓與電流檢測及控制器組成。接收器由接收線圈、整流、電壓調節(即穩壓調節)以及1個控制器組成，該系統的負載可以為如手機等任何電池供電型裝置。

電力傳輸

電力透過一個耦合磁場從發送器傳輸至接收器，而該磁場是在ac電流流經發送器線圈時形成的，如果接收器線圈較為接近(X、Y或者Z尺寸間隙小於5mm)，大部分發送器場力線(field line)會耦合至接收器線圈。這些耦合場力線在次級線圈中形成ac電流，對其整流可產生dc電壓，從而為手機或者其他可攜式設備提供電源。

通訊協議

這種標準透過反散射調變(backscatter modulation)實現接收器到發送器間的通訊。這是透過接收器調節與線圈並聯的負載(可以為電阻式或者電容式)來實現的，其反過來又透過耦合磁場調製初級電流。發送器透過檢測初級線圈電流，對通訊訊號進行解調，並透過通訊通道向發送器發送消息，以控制以下幾種系統級功能：

1、識別：發送器會將接收器辨識為 WPC 相容設備，因為WPC相容發送器無法為非相容接收器供電，這種特性提高了安全性。
2、電源要求：發送器會隨接收器的要求增加或者降低輸出功率(最大5W)。由於接收器可調整使其接收到的功率適合於其當前負載需求，因此系統可以更聰明、效率更高。
3、電力傳輸控制：接收器可以透過發送結束電力傳輸訊息，關閉發送器。例如，電池完全充電狀態時，接收器便不再需要電力。關閉發送器，意即該系統待機功耗極低。

磁性元件

磁性元件，或者線圈、遮罩層和磁鐵？吸引器的組合，是WPC系統不可或缺的組成部分，需要仔細的設計考慮，因為它們對總系統效能有重要的影響。

由於發射端實現對外形尺寸沒有嚴格的限制，因此WPC標準固定了磁性設計的發射端。這樣便可讓次級線圈施加的磁場強度和分布保持一致，從而實現可靠的系統運行。WPC v1.0規範為這些發射端設計提供了指導。由於不同裝置的外形尺寸均有不同，接收端磁性元件一般亦無法標準化處理。磁性元件廠商已經順應了這一技術發展趨勢，為發送器提供 WPC 相容磁解決方案，同時為接收器提供量身定製解決方案。這些解決方案可以整合元件(線圈+遮罩層)或者單獨配件(單獨的遮罩層和線圈)的方式購買。

提供Qi相容產品的最快速途徑是，提供電源或者直接電池充電實現的配件解決方案。

電源設計

圖2顯示了一個無線充電接收器如何模仿電源轉接器(power supply adapter)的運行，提供行動裝置5-V、5-W電源。在這種最簡單的配置中，接收器和行動裝置之間僅要求兩個觸點、無線電源和接地。由於大多數第一代Qi產品仍保留有線連接器，因此圖2顯示了如何透過一個有線轉接器或者無線電源來充電。兩個電源都連接至行動裝置內部的電源複用器 (power multiplexer)。一般而言，轉接器電源是默認選擇，而在沒有轉接器的情況下才使用無線電源。

當電池充電結束或者使用轉接器的狀況時，需要中斷無線電力傳輸。接收器處於無負載狀態時，透過發送訊息至發送器以停止電力傳輸。透過打開複用器的無線電源接收器開關，可以類比這種狀態。經由額外的觸點(contact)也可取得無負載狀態的更多資訊。

三觸點解決方案(three-contact solution)中，充電結束時，行動裝置發送至接收器的數位終止訊號被驅動為高電平。接收器進入無負載狀態，之後發送充電完成的額外訊號給發送器以結束供電。發送器據此資訊以LED燈通知使用者充電完成。
在四觸點解決方案中，可以檢測訊號測量轉接器電壓，並通知發送器結束電力傳輸，無需發送終止消息。

直接電池充電器設計

圖3顯示直接電池充電器的設計，其無線電源直接提供給電池。透過調節控制器充電演算法的充電曲線，此項設置可支援任何電池化學物質，利用I2C或者SMBus，可讓接收器有「智慧」，如此主機便可以收集如整流功率等的測量資訊，並設置充電參數。2個充電器本質上與電池連接：有線和無線充電通路。透過檢測轉接器電壓探測到有線轉接器時，無線接收器充電演算法便終止。

由於行動裝置的高系統整合度，這種設計對整體行動裝置外形尺寸產生的影響最小，且得到的效率最高。(本圖文由TI德州儀器公司提供，陳毅斌整理)