无线充电技术

电磁感应或电磁共振是目前最广泛的无线充电解决方案。主流的标准有
1）Qi
Qi标准是无线充电联盟推出的无线充电标准，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。只要拥有Qi标识的产品，都可以用Qi无线充电器充电。
2）PMA
PMA标准致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备。PMA标准采用电磁感应原理图实现无线充电。
3）A4WP
A4WP标准2012年推出，主要为便携式电子产品和电动汽车等在呢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采用电磁共振原理实现无线充电。

无线充电优缺点
1）优点
便携性、非接触式、可以一充多
2）缺点
工作距离短、效率低、电磁辐射问题、不符合标准的存在安全隐患

本文主要总结Qi-V1.2标准协议，只整理关于无线电源发射和接收部分，软件相关的协议认证、异物识别等不在考虑范畴。

电磁感应原理
核心原理：法拉第电磁感应定律：V=-N*ΔΦ/Δt。首先变化的电场通过初级线圈产生变化的磁场，然后次级线圈通过感应变化的磁场再产生感应电动势，然后经过整流滤波输出直流电压。

线圈的互感系数K可用下面公式表示，其中L11是线圈1的自感，L22是线圈2的自感，L12是两个线圈的互感。

由感应定律可知，两端电压为：

对于理想变压器，匝数比为：

在紧耦合的情况下，可得输入、输出电压与电感值、互感的关系：

在Qi标准中，发射端和接收端各有一个线圈，两个线圈相互靠近，通过各自的屏蔽材料限制磁场，等效成一个空气介质填充的变压器。相比较于传统变压器耦合系数可达0.95-0.99，Qi标准中的耦合系数在0.2-0.7。Qi标准通过在线圈端串联谐振电容，降低耦合系数的影响。

屏蔽层具备两大核心作用：
1）为磁通量提供低阻抗通路，极少磁力线会扩散至周边金属物体；
2）可在更少匝数下实现更高电感线圈，避免因额外匝数引入过大线圈电阻。
加厚屏蔽层可承载更大磁通量（即磁通饱和点更高），能够防止接收线圈后方材料发热。当发射线圈（Tx）或带定位磁铁的接收线圈靠近时，厚屏蔽层相比薄屏蔽层，效率衰减幅度更小。

线圈的设计：
无线电源中，首要的功能就是电源的稳定传输。Qi协议中对于线圈的设计有明确的规范指导。发射线圈和接收线圈的耦合系数，对电源的传输有着重大的影响。耦合系数又与两个线圈的间距、中心偏移量（重叠区域）有关。下图显示了两个线圈的耦合系数与线圈距离、中心偏移量的关系。

图1显示，当两个线圈完全对齐，且见1mm时，耦合系数最大。实际情况中，最小距离取决于线圈与它们外壳表面的距离，耦合系数可能比较低。耦合效率低，会导致传输效率低，发热严重。
此外，不同形态的线圈之间的偏移量、间距不一样，耦合系数也不一样。图1采用的是L1和L2线圈（圆形）。图2、3采用的是L3和L4线圈（矩形）。

矩形线圈由于两边长度不一样，所以不同方向的偏移相同间距下耦合系数也不一样。

1、发射线圈
Qi协议中规定了多种不同类型的发射线圈型号，分别用A1、A2、A3。。。A11等表示。每种类型适配不同的功率以及应用场景。Qi标准中线圈是强耦合，工作频率在100KHz-300KHz范围内。

1）A2类型发射线圈
线圈类型为单（扁）圆形平面利兹线圈（A1-A11都是这种类似，属于早期5W功率专用），MP-AXX（多线圈、矩形，大功率5-15W应用场景使用）。
A2-A10是QiV1.0/1.1时代的过渡产品，老款设备上使用的多，现在业界主流通用的是A11类型的。A2线圈的参数如下，线圈屏蔽相关知识协议2.2.2.1.1节也有写，具体可参考Qi-V1.2协议。

下图是A2类型的发射线圈电路设计。采用全桥逆变+LC谐振来驱动线圈。工作频率为140KHz，自谐振电感Lp=24+/-1uH。谐振电容Cp=200nF，精度为5%。需要注意LC谐振点附近，电容两端的峰值电压可大50V，因此电容的耐压要足够。A2类型的输入电压范围是3-12V，低压输入时传输效率会降低，A2发射端初始发射功率信号时，输入电压固定为8V。（数字探测帧时，具体可看Qi协议）功率传输采用PID算法，算法参数标准有提供。

2）A11类型发射线圈
A11类型初级线圈尺寸标准中规定如下，采用两层17AWG规格双绞线组成。

屏蔽材料采用镍锌或者锰锌铁氧体材料，厚度至少为0.5mm。屏蔽层至少延伸出主线圈外2mm，初级线圈与屏蔽层之间距离为1mm。

线圈顶面到充电接触面距离dz=2mm，上公差0.5mm，下公差-0.25mm。同时，充电接触面在发射线圈外径四周延伸至少5mm。

A11采用全桥+LC谐振方式驱动发射线圈。谐振电感值为6.3 +/-10%uH。谐振电容为0.4+/-5%uF。需要注意谐振时，谐振电容两端的峰值电压可达100V，所以谐振电容耐压要足够。全桥的开关频率在110-205KHz。占空比协议中也有建议。

除了单个线圈外，协议中还规范了多线圈场景下的应用，具体可看Qi-V1.2协议的第2.3、2.4章。

2、接收线圈的设计
接收功率主要有5W、8W、12W、15W。有些厂家的私有协议可做到更高。接收线圈选择需要确认最小负载阻抗。例如，产品需要同时支持20V/1A和5V/1A两种输出规格，需要选用5V/1A作为设计基准，因为它对应的负载阻抗最低。
设计频率用于确定接收线圈适配的电感：相同谐振电容时，工作频率越高，所需要的线圈电感越小；频率越低需要的电感越大。

接收线圈的尺寸由设备内部可安装空间限制，为保证良好的耦合系数，线圈内径最大不超过外径的1/2。此外，还需要考虑线圈的有效相对磁导率。带完整铁氧体屏蔽的无线线圈，经验取值1.2-1.8，初始可采用1.5。无屏蔽的空心线圈，有效磁导率约为1。
1）示例1：5W接收线圈（以恒定电流或电压为单个锂电池充电）
线圈尺寸如下：

屏蔽层厚度1mm，尺寸d1xdw=52mm*35mm。线圈到移动设备表面距离dz=2.5mm。接收线圈采用了一颗钕磁铁，南极朝接收表面，直径15mm，厚度1.2mm。

谐振频率fs为100KHz，接收线圈标称电感（带屏蔽）LS=15.3uH，裸线电感（不加屏蔽）为20uH，串联谐振电容Cs=127nF，并联谐振电容Cd=1.6nF。图251是一个全桥驱动的接收线圈，低通滤波电容C=20uF。接收与发射端通信调制电容Ccm=22nF，匹配电阻R=10K。
Cs=1/((2*pi*fs)^2*Ls')
Cd=1/((2*pi*fs*10)^2*(Ls-1/C1)) ,根据协议，取谐振频率的10倍频。
线圈的Q值为 Q=2*Pi*fs*Ls/RL (RL是线圈的直流电阻)

2）示例2：5W接收器输出稳定电源
接收线圈的尺寸如下：

屏蔽材料采用镍锌或锰锌铁氧体。厚度至少0.8mm，尺寸dlxdw=35*35mm。线圈到接收表面的距离dz=2mm。

谐振频率fs=100KHz，接收线圈标称电感（带屏蔽）LS=23.8uH，裸线电感（不加屏蔽）为30.8uH，串联谐振电容Cs=82nF，并联谐振电容Cd=1.0nF。图255是一个全桥驱动的接收线圈，低通滤波电容C=20uF。接收与发射端通信调制电阻Rcm=33R。后级buck电源的输入Vr=7V，输出电压为5V，输出电流为I=P/5V ，输入电流Iin=P/（7V *𝜂(𝑃)） ，其中𝜂(𝑃) 为电源的效率，P为输出的功率。

3）示例3：15W接收器输出稳定电源
接收线圈的尺寸如图所示：

屏蔽层采用镍锌或锰锌铁氧体。厚度至少1mm，直径dos=50mm。线圈到接收表面的距离dz=2.5mm。

谐振频率fs=100KHz，接收线圈标称电感（带屏蔽）LS=33.6uH，裸线电感（不加屏蔽）为44.8uH，串联谐振电容Cs=56nF，并联谐振电容Cd=0.8nF。图255是一个全桥驱动的接收线圈，低通滤波电容C=33uF。接收与发射端通信调制电阻Rcm=30R。后级buck电源的输入Vr=12V，输出电压为5V，输出电流为I=P/5V ，输入电流Iin=P/（12V *𝜂(𝑃)） ，其中𝜂(𝑃) 为输出的效率，P为输出的功率。

注意事项：
1）谐振电容的耐压要足够，标准中有明确提到，谐振频率点，谐振电容两端的电压很高。因此，电容的耐压要满足使用情况。
2）接收线圈与发射线圈的距离，要根据实际情况实测。距离远了耦合效果差，距离太近互感会增大，谐振频率会分裂导致等效阻抗突变环路不稳定。ST论坛上有篇资料有实测线圈距对耦合系数的影响。

3）需要注意防护设备插拔时冲击电压的影响。因此，接收电路经过整流滤波后，后级建议增加过压、过流防护。

参考资料：
支持Qi和AirFuel的双标准无线充电天线和有源整流系统 - ST电源电力 ST意法半导体中文论坛

Wireless power transfer coil design - Application note

Analog Applications Journal, 3Q 2012

Qi-V1.2协议