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低功耗穿戴设备的无线充电解决方案
1. 穿戴设备引入无线充电的驱动力
对于智能手表、健身手环等设备，无线充电不仅是为了“酷”，更是为了解决以下硬性痛点：
- 极致防水（IP68+）：取消充电触点或 USB 接口，实现全封闭外壳。
- 抗腐蚀性：避免皮肤汗液腐蚀金属触点导致充电失败。
- 空间布局：无线充电线圈可采用 FPC（柔性电路板）形式，贴合弧形外壳，节省 PCB 面积。
2. Qi 无线充电系统原理简述
Qi 系统通过磁场感应实现能量传输。其核心逻辑在于发射器 (Tx) 的原边线圈产生交变磁场，在接收器 (Rx) 的副边线圈感应出电流。
核心组件：
- 发射器 (Tx)：将 DC 电源通过全桥/半桥逆变器转换为 AC，驱动谐振回路。
- 接收器 (Rx)：通过整流桥（通常为同步整流以提高效率）将 AC 转回 DC，并通过 LDO 或降压电路输出稳定的电压。
- 通信链路：Qi 协议通过反向散射调制（Backscatter Modulation），让 Rx 向 Tx 发送数据包（如充电状态、错误信号），实现闭环功率控制。
3. 低功耗系统的核心优化策略
3.1 线圈设计的平衡艺术
在穿戴设备中，线圈通常受到尺寸（直径 < 20mm）和厚度的限制。
- 耦合系数 的最大化：尽量减小 Rx 线圈与外壳内壁的距离（Gap）。理想情况下，Tx/Rx 距离应控制在 。
- 电感值 的匹配：小型线圈的电感值通常较低，需增加绕线密度或选择高导磁率的磁屏蔽片（Ferrite Sheet）来增强磁通量。
- Q 值（品质因数）：。为了降低损耗，需尽可能降低线圈的交流电阻（ACR）。
3.2 损耗控制与散热
低功耗设备体积小，热容量低，充电时的发热会直接影响电池寿命。
- 动态整流控制（DRC）：如 TI 的 bq51003，通过动态调整整流器的输出电压，确保在轻载（低电流）时依然保持极低的压降。
- 磁屏蔽片选择：高性能磁性材料可以防止磁场在电池或 PCB 上产生涡流发热。
4. 技术选型建议：TI 典型方案分析
对于 100mAh - 300mAh 的电池，推荐使用专门优化的低功耗芯片组：
| 组件类型 | 建议型号 | 核心优势 |
|---|---|---|
| 接收器 (Rx) | bq51003 | 专为低功耗设计，支持 输出，待机功耗极低。 |
| 充电管理 (Charger) | bq24232 | 具备路径管理功能，支持小电流精细调节（最小可至 ）。 |
| 发射器 (Tx) | bq500211 | 即使使用电脑 USB 接口作为输入源也能稳定工作，电路极简。 |
开发小贴士： 在设计时，Rx 芯片的输出建议直接连接到线性充电 IC。由于无线充电输出可能存在纹波，充电 IC 的输入电压范围（OVP）应至少达到 以防浪涌。
5. 硬件调试中的避坑指南
- 外物检测 (FOD) 调优：虽然低功耗系统发热较小，但 Qi 认证仍要求 FOD。如果线圈周围有金属中框，必须校准补偿参数，否则 Tx 可能会误判为金属异物而停止供电。
- 频率干扰：无线充电工作频率通常在 。需注意其对心率传感器或触摸屏等敏感模拟前端的 EMI 干扰，建议在 PCB 布线时将线圈过孔远离模拟信号区。
- 线圈对齐：由于穿戴设备线圈小，微小的位移会导致效率剧降。建议在模具设计中加入**磁力吸附（Magsafe 类似逻辑）**辅助对齐。
6. 结论
无线充电技术已不仅是“高端”的代名词，而是低功耗穿戴设备提升可靠性和用户体验的必然选择。通过精细化的线圈设计、低功耗专用芯片的选择以及严谨的热管理，开发者可以在极小的空间内实现高效、稳定的电力传输。
低功耗穿戴设备的无线充电解决方案
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