無論是可穿戴醫療保健裝置，還是提供資訊和連接配接功能的智能電話和平闆電腦，消費者需要能随時随地使用的産品。 基于該需求，他們還在尋求無需充電器電纜和連接配接器的充電解決方案。 為了滿足這些市場前提條件，在過去幾年裡，無線充電的出現成為極具吸引力的插頭擴充卡替代方案，而且随着各類标準的興起，現已蓄勢待發。 基于這些标準，諸如 Texas Instruments、Freescale Semiconductor 和 Integrated Device Technology 等廠商已開始提供整體解決方案。
成功開發無線電源解決方案的回報是豐厚的。 根據研究和技術咨詢公司 IHS 提供的資訊，到今年年底，使用無線電源的裝置将達到 1 億台左右。 而 2012 年，無線充電裝置的數量估計僅有 5 百萬左右。 有趣的是，有三家标準組織在争奪這塊新興市場。1無線電源聯盟 (WPC) 于 2008 年釋出了首個無線電标準，随後電源事務聯盟 (PMA) 于 2012 年提出了一種替代解決方案。 2012 年還推出了第三項計劃——無線電力聯盟 (A4WP)。2
最近，A4WP 和 PMA 簽訂了一份協定，雙方将合并并建立單一機構，緻力于滿足消費者的無線感應充電需求。 該聯盟旨在打造可互操作的無線充電生态系統，這對于促進消費者廣泛采用該技術至關重要。 Samsung Electronics 和 Qualcomm 等公司支援 A4WP，而 Duracell 和 AT&T 則支援 PMA。
感應充電
目前 WPC 的成員數最多，超過 200 多家，其無線充電标準 Qi 也最流行，市面上有 600 多款 Qi 認證産品和 5 千萬台 Qi 裝置。 根據 WPC 提供的資訊，主要手持裝置制造商有 70 多款智能手機采用了 Qi 規範;全球行駛的約 15 款車型內建了 Qi 充電功能。
如圖 1 所示，Qi 系統包括功率發射闆，以及便攜式裝置中的相容型接收器線圈。 Qi 系統使用感應耦合現象在兩個線圈之間傳輸功率。 是以，初級(發射器)線圈中的電流産生磁場，并在次級(接收器)線圈中産生感應電流。 然後，使用接收的電流為電池充電或為負載供電。 通常，兩個線圈之間的距離是 5 毫米，發射器與接收器耦合消耗的功率不超過 5 W。工作頻率範圍為 100 - 205 kHz。 這一 Qi v1.0 初始規範于 2009 年 8 月釋出。 為了給發射器提供更大的設計空間，幾年後引入了 Qi v1.1。 該規範允許更長的耦合距離。 根據 v1.1 規範，Qi 充電器可通過 40 毫米台式裝置向 Qi 接收器提供 5 W 的功率。
圖 1：典型無線充電系統使用兩個磁耦合電感器、一個發射線圈和一個接收器線圈。 發射器線圈中的交流電産生磁場，并在接收器線圈中産生感應電壓。 (來源：凱利訊半導體)
為了使 Qi 充電器具有更大的靈活性，WPC 于 2014 年夏将标準更新至 1.2 版。 Qi v1.2 擴充了最新的規範，在 Qi 規範中針對現有的感應技術增加了諧振充電。 這樣，制造商可以選擇小心地在結構體(如家具和桌面)中更深地嵌入無線充電器，并采用直接接觸的低成本表面應用。 該規範還相容 v1.1 接收器。
根據 WPC 提供的資訊，其成員公司使用 Qi v1.2 原型接收器示範了在 45 毫米距離内的充電功能。 而且，現有 Qi v1.1 系統與 v1.2 原型系統之間已成功完成互操作性測試。 這意味着，移動裝置再也不必直接接觸充電闆。 是以，單個 Qi v1.2 發射器可以同時為多台 Qi 裝置充電。 并且，最新的 Qi 規範還允許發射器為廚房應用提供最高 2000 W 的功率。
符合 Qi 規範的解決方案
WPC 的創始會員 TI 為系統的發射器端和接收器部分開發了 IC。 該公司通過吸收新成員，不斷擴充其無線充電産品組合。 去年，該公司推出兩款符合 Qi 規範的單片接收器 bq51020 和 bq51021。 該單片 5 W 接收器可提供整流、調節、數字控制和通信功能，以支援 Qi v1.1 規範(圖 2)。 TI 表示，這些接收器 IC 專門用于為符合 Qi 規範的手機、平闆電腦和其他電子産品充電，相比其他可用的無線電源解決方案，速度更快、效率更高。 接收器的可程式設計輸出電壓高達 8 V，并采用低導通電阻 MOSFET，進而降低了多達 50% 的功耗。 此外，bq51021 還帶有一個 I2C 接口，能讓系統設計人員實作異物檢測 (FOD)，以及一個獨特的“充電闆檢測”功能，進而讓接收器更輕松地與充電器配對，提供更好的使用者體驗。
圖 2： TI 的單片接收器 bq5102x 可提供整流、調節、數字控制和通信功能，以支援 Qi v1.1 規範。
在發射器端，該公司增加了新一代晶片 bq500212A，隻需更少的元件便可完成解決方案，并能通過 USB 端口或 5 V 電源供電。 該晶片符合 WPC 的 v1.1 A5 型或 A11 型發射器線圈規範(圖 3)。 本質上，該控制器內建了向符合 Qi v1.1 規範的接收器晶片傳輸無線功率所需的全部控制功能。 其他主要功能包括動态功率限制、FOD 以及增強型寄生金屬物體檢測功能 (PMOD) 。 根據供應商的介紹，該晶片具有全面的狀态和故障監控功能，可實作符合 Qi 規範的低成本、堅固耐用的無線電源系統設計。
圖 3： 采用 TI 無線電源控制器 IC bq500212A 的典型發射器電路。
去年，TI 還推出了雙模式 5W 接收器 bq51221，其通信和控制功能可相容 WPC 的 Qi v1.1 和 PMA 協定。 這種單晶片無線電源接收器可提供電源轉換(整流和調節)，以及适合兩種标準的數字化控制和通信。 無需更多軟體開發工作。 此外，該晶片還具有動态整流器控制功能，可在保持較小的解決方案尺寸的同時提供高能效。
為了增強無線充電器的功能，TI 最近釋出了業内首個完全內建的 10 W 無線充電解決方案。該方案符合 Qi 标準并向後相容 5 W Qi 接收器。 其中包括無線電源接收器晶片 bq51025 和對應的無線電源發射器 bq500215。 據 TI 介紹，完成配對後，接收器支援 4.5 V 到 10 V 的可程式設計輸出電壓，并能在 10 W 時達到高達 84% 的充電效率。 這種全封閉式無線電源接收器解決方案的尺寸僅為長 3.60 毫米，寬 2.89 毫米，适合在許多便攜式工業設計中使用，從收銀機 (POS) 掃描器到手持式醫療診斷裝置，以及平闆電腦和超級本等個人電子裝置。 圖 4 顯示了基于無線電源接收器晶片 bq51025 且符合 Qi v1.1 規範的典型接收器電路 。
圖 4： 基于無線電源接收器晶片 bq51025 且符合 Qi v1.1 規範的接收器電路。 輸出為 7 V，最大輸出電流為 1.4 A。
類似的，專用定頻無線數字發射器 bq500215 符合 Qi v1.1 規範，具有高達 5 W 的功率輸出，并采用專有的雙向通信協定，可使用無線接收器 bq51025 實作高達 10 W 的充電功率。 這款器件采用 FOD 方法在傳輸功率之前檢測物體，并在檢測到過高的損耗時主動切斷電源。
總之，感應式充電還在不斷發展，TI 等供應商擁有完備的、符合新興标準的整體系統解決方案。 通過這種方式，他們讓有意願的制造商能夠更輕松地進入這一快速增長的市場，并為其提供廣闊的市場前景。