淺析在Qi標準下設計的5W無線電源設計

　　自從Qi標準規范于2010年7月宣布后，配件產品便能運用這項業界標準，來提供行動裝置無線電源，完全不需要基地臺的無線電源發送器，而是利用背匣、背蓋和電池組，以及配件產品接收器線圈和電子裝置的套件組合。本文將重點說明配件產品與主行動裝置的介面，以及配件的系統層級需求，并探討元件選擇，衡量配件產品與主行動裝置之間接腳數介面的權衡。

　　圖1顯示無線充電聯盟（WPC）電感無線電源系統的配置圖。發送器包含交流對直流（AC-DC）電源轉換、驅動器、傳輸線圈、電壓與電流偵測及控制器；接收器包含接收線圈、整流、電壓調節及控制器，此系統的負載可以是任何電池供電的裝置，例如手機。

　　圖1 WPC電感無線電源系統配置圖

　　Qi標準為發送器和接收器相容問題解套

　　在這個系統中，電源是從發送器經由耦合的磁場傳輸到接收器，AC電流流經發送器線圈時，便會產生磁場。如果接收器線圈相鄰（X-Y或Z范圍小于5毫米的間距），則大部分發送器線路將耦合于接收器線圈。耦合的線路會在二次側產生AC電流，經過整流后即可產生DC電壓，成為手機及其他可攜式裝置的電源。必須注意的是，無線電源連結一般是鬆散耦合的空心變壓器。

　　新興無線電源市場的關鍵是不同發送器及接收器的標準化。在過去，任何販售無線電源接收器的公司，必須搭配販售對應的發送器，使得無線電源的市場接受度受到局限，而且也導致無線電源技術互不相容。WPC制定全球第一個標準，使5瓦（W）電源運作的發送器及接收器彼此相容。這個Qi標準定義無線電源系統的運作頻率、運作電壓，以及基本線圈配置。通訊協定定義讓接收器將資訊傳送至發送器，如接收器需要多少電源、應該增加或減少輸出功率，以及當手機不再須要充電時，通知發送器終止電源進入省電模式。

　　提供Qi相容產品最快速的方法，是提供內含電源供應或直接電池充電實作的配件解決方案，同時運用基地臺電源的業界標準無線發送器。配件解決方案是指行動裝置選用的無線電源功能，最常用的兩種配件實作是背匣及背蓋。背匣是內含無線電源電路的塑膠外殼，可裝在行動裝置上，透過外部接點提供行動裝置所需的電源。背蓋是行動裝置標準背蓋的替代品，其中包含無線電源電路。內含無線電源電路行動裝置電池組的配件也是一種替代解決方案，能直接進行電池充電。

　　各式電源供應配件解析

　　圖2說明無線電源接收器如何提供5伏特（V）5瓦電源給行動裝置，模擬電源供應轉接器的運作。在最簡單的實作中，接收器與行動裝置之間只需要無線電源及接地，大多數第一代Qi產品仍使用有線連接器，因此也顯示如何從有線轉接器或無線電源進行充電。這兩種來源均連接行動裝置內部的多工器，一般而言，預設選擇的是轉接器電源，沒有轉接器時才會啟用無線電源。

　　圖2 含有線輸入的四接點電源供應配件系統架構

　　在無線電源傳輸期間，有轉接器或電池充電終止時，運作應該會中斷，接收器發現無負載情況時，會傳送訊息至發送器通知停止電源傳輸，開啟多工器的無線電源接收器開關時，即可模擬如此的情況，藉由其他接點的協助，能提供無負載情況特定的其他資訊。

　　雙接點配件介面成本最低

　　雙接點解決方案是無線電源輸出及接收器之間的介面成本最低的一種，可提供有限的功能。僅提供兩個接點時，只能連接無線電源（亦即5伏特輸出），并且接地至行動裝置，而行動裝置必須自行偵測何時切換轉接器電源及無線電源。這種解決方案的主要缺點是行動裝置無法向發送器指示終止充電。

　　在一般的無線電源系統中，充電循環可在使用者夜間就寢時開始，而且充電一般大約持續兩小時。一旦充電完成時，按照WPC通訊協定的定義，接收器即可指示終止供電給發送器，以便發送器能進入低功耗的待機模式。接收器只能透過偵測輸出電流低于特定閾值的方式，偵測雙接點解決方案終止。雖然這種方法能使發送器進入待機模式，缺點是供應電流是系統電流與充電電流的總和。

　　三接點配件加入控制訊號

　　三接點解決方案是在雙接點解決方案的基礎上，在無線電源及接地之外加入控制訊號。由行動裝置驅動的無線電源接收器所提供的輸入控制訊號，使行動裝置內部的充電器偵測充電何時應終止，并且向接收器通知此情況。接收器即可向發送器傳達終止電源，使其進入低功耗的待機模式。由于行動裝置是由電池持續供電，因此可在不定時向無線接收器確認終止，以便整個充電週期的發送器整體耗電量保持在相當低的程度。此外，發送器可使用接收器的終止電源資訊，讓使用者知道充電已終止，例如藉由發光二極體（LED）燈號。這種方法確定終止情況的準確度也高于雙接點解決方案。

　　四接點配件方案提供選項最多

　　四接點解決方案所提供的選項，遠比前述的任何解決方案多。其中一個選項是提供兩個控制訊號輸入，一個訊號用于向發送器通知終止。另一個訊號用于通知行動裝置出現故障情況。

　　圖2顯示另一種四接點實作。在此情況下，外部轉接器可以是裝置接收器的輸入，而且接收器單結型場效應電晶體（FET）閘極驅動訊號，可從接收器輸出，并連接行動裝置。如此一來，接收器即可偵測轉接器，并關閉無線電源發送器，然后將轉接器電壓直接施加于接收器。以下各段將詳細說明轉接器多工器架構。

　　行動裝置電源多工器架構剖析

　　市場開始出現無線電源配件時，有線轉接器連接埠將與無線電源輸入同時并存，需要在無線及有線電源供應之間使用電源多工器，圖3顯示電源多工器架構范例。這種方法運用接收器配件偵測接收器電壓（AD），并在接收器電壓出現時提供閘極驅動（AD_EN）。FET必須以背對背（Back-to-Back）配置接線，才能在開關關閉時阻絕逆向及正向傳導。如果有轉接器，無線電源接收器即停用電源傳輸，并透過轉接器電源將閘極驅動保持啟動。這種方法需要配件與行動裝置之間四個接腳的介面（無線電源、AD、AD_EN及GND）。

　　圖3 單一背對背FET的電源供應多工選項

　　為減少電源供應配件與行動裝置之間所需的接腳數，可運用自動電源多工器。圖4顯示這類架構，其中不再需要AD及AD_EN連線。透過VSNS連線可優先使用有線電源路徑，如果在VSNS偵測到電壓，啟用有線電源路徑，否則將啟動無線電源路徑。若要使接收器電子裝置偵測轉接器連接埠，終止無線電源傳輸，必須監視電源的輸出電流。藉由監視輸出電流，即可在無線電源路徑開關關閉時，偵測真正的輕載，例如接近零輸出電流，接收器會將指令傳送至發送器，以終止電源傳輸。

　　圖4 運用自動切換的電源供應多工選項

　　電池組配件整合電子裝置/接收器線圈

　　另一個提供無線電源配件的方法，是將電子裝置與接收器線圈整合于行動裝置電池組，讓終端使用者將行動裝置中安裝的電池充電，也可直接放置于發送器充電板（類似于托架充電座）。不過，有線及無線電源充電器之間的交替會受到限制，因為受限于電池組與系統之間的接腳數。

　　電池組配件的架構，其中特別突顯系統與電池組之間的介面。電池組內嵌的溫度偵測電阻（NTC）確保電池在充電時的運作溫度安全無虞；這種獨特的應用中，可使用接收器電子裝置偵測有線充電啟用或停用。行動系統電池充電器啟用時，NTC電阻會出現一些電壓；停用時，NTC電阻會下降至電池組的接地參考。因此，電池組中的接收器電子裝置可偵測電壓，并立即停用無線電源充電器。只有在連接有線轉接器，而接收器放置在充電板時，才會出現這種情況，這種情況相當少見，而且傳輸兩倍的充電電流對于電池安全相當不利。

　　上述的方法將優先使用有線電源路徑，因為接收器會偵測NTC訊號，并採取適當的動作。不過，只要在行動系統中使用偵測演算法，即可優先使用無線電源，使得行動系統在無線電源充電器啟用時，顛倒監測NTC接腳電壓的程序。圖5顯示緊接在接收器電子裝置的整流階段之后加入電壓及電流迴路，以控制器實作充電演算法，移除電源供應配件中出現的電壓調節階段，提高整合度及效率。

　　圖5 電池組配件的無線電源系統架構