1. Qi无线充电系统简介#

Qi无线充电标准由无线电力联盟（WPC）提出，广泛应用于无线电力传输。Qi系统主要包括发射器（Tx）和接收器（Rx），发射器通常连接到墙面电源，通过磁性耦合的方式将电能传输到接收器。当接收器与发射器靠近时，发射器中的电能通过无线信号传输到接收器，进而为穿戴设备中的电池充电。

Qi无线充电系统的基本构成包括：

• 发射器：连接电源，将输入电转换为交流电（AC），通过发射线圈以磁场形式将能量传递到接收线圈。
• 接收器：接收到能量后，通过整流和电压调节为电池提供充电电压（通常为5V，最大1A）。

2. 低功耗穿戴设备的需求#

对于低功耗穿戴设备（如智能手表和健身手环），通常电池容量较小（100-300 mAh），并且设备需要非常薄。传统的插拔式充电接口对于这些超薄设计来说已经过于庞大，同时插口的污垢问题也会影响使用体验。因此，Qi无线充电为这些设备提供了理想的解决方案。

低功耗系统通常需要提供5V、100mA到250mA之间的电流输出，以支持小型电池的充电需求。由于Qi无线充电技术的成熟性，它能够简化设计并缩短开发周期。

3. 无线充电系统的优化#

为了满足低功耗穿戴设备的要求，无线充电系统的设计需要进行优化：

• 线圈尺寸的调整：低功耗系统中的接收器和发射器的线圈可以比标准系统（5W）小很多。对于较小的接收器线圈，需要精确匹配发射器线圈的尺寸和位置，以确保最佳的耦合效率。
• 功率控制：低功耗系统可能不需要所有Qi标准的功能，如外物检测（FOD）。外物检测对于防止金属物体进入充电区域造成危险至关重要，但在低功率系统中，FOD功能通常是可选的。

4. 线圈设计的挑战与优化#

无线充电系统的性能高度依赖于线圈的设计，尤其是在低功耗应用中：

• 接收线圈的设计：接收线圈通常由铜线绕制，并可能采用PCB或柔性电路设计。为了适应小型化设计，需要在保持较高电感的同时减少线圈的直径，这会导致DC电阻增加，效率下降。
• 耦合系数（k）：线圈之间的耦合系数是影响电力传输效率的关键因素。通常，接收器和发射器线圈的距离越近，且直径越接近，耦合系数越高，效率也越好。因此，在穿戴设备的机械设计中，确保接收器与发射器线圈的良好对准是至关重要的。

5. 低功耗接收器与发射器的选择#

为了适应低功耗应用，Ti公司推出了专为低功率系统设计的接收器（如bq51003）和发射器（如bq500211）：

• 低功耗接收器（bq51003）：该接收器优化了动态整流控制（Dynamic Rectifier Control），改善了负载瞬态响应。对于负载突变，接收器会在低负载时保持较高的电压，以保证系统正常运行。此外，低功耗接收器还可与电池管理芯片（如bq24232）配合工作，实现对小电池的精确充电控制。
• 低功耗发射器（bq500211）：支持5V、最大500mA的电流输出，适合小型设备使用。该发射器可以从USB端口或低功耗适配器供电，提供成本低、体积小的解决方案。

6. 结论#

采用Qi无线充电技术为低功耗穿戴设备提供了一种成熟的解决方案。关键的设计优化包括：

• 调整线圈的尺寸与耦合系数，以确保高效的能量传输。
• 使用低功耗专用的接收器与发射器芯片，减少系统功耗和电流损耗。
• 根据设备的实际需求，决定是否启用外物检测等高级功能。

通过这些优化，低功耗穿戴设备能够实现更加高效、安全的无线充电，同时保持超薄设计和便捷的使用体验。