QI无线充电标准V1.0【中文】.docx

QI无线充电标准V1.0【中文】.docx

《QI无线充电标准V1.0【中文】.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《QI无线充电标准V1.0【中文】.docx（60页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

QI标准

1概述

1.1范围

系统描述无线电能传输第1卷包含以下文档：

l第一部分：

接口定义

l第二部分：

性能要求

l第三部分：

兼容性测试

该文件定义了一个电能发射器和一个电能接收器之间的接口。

1.2主要特性

l一种基于线圈之间的近场电磁感应原理，将电能从发射器传输到移动设备（接收器）的非接触式电能传输方法。

l通过一个适当的次级线圈（典型尺寸是大约40mm）来传输约5瓦特的电能。

l工作频率在110~205KHz之间。

l支持两种将移动设备放置于发射器表面的方法：

²辅助定位方法帮助用户适当地将移动设备放在通过表面上一个或几个固定的位置来传输电能的发射器的表面。

²无需定位方法允许移动设备任意放在支持表面任何位置传输能量的发射器表面。

l一个简单的允许移动设备完全控制电能传送的通信协议。

l相当大的可集成在移动设备上的设计灵活性。

l极低的待机功耗（实现需要）。

1.3一致性与参考

本文档中的所有规定都是强制性的，除非特别指明是推荐的、可选的或加强说明的。

为避免产生疑问，单词“应”表示指定部分为强制行为，也就是说，如果指定的部分没有所定义的行为，则这就违反了无线电能传输标准。

此外，单词“应该”表示指定部分为推荐行为，也就是说，如果指定的组件有正当理由偏离所定义的行为，则这不是违反了无线电能传输标准的。

最后，单词“可以”表示指定组件的可选行为，也就是说，是否具有所定义的行为（没有偏离）是取决于指定组件。

除本文件所提出的规范外，产品的实现也应符合下面所列出的系统说明所提出的规范。

此外，下列国际标准的相关部分也应遵守。

如果任何系统描述或以下所列出的国际标准存在多个修订版本，以最新版本为准。

[第2部]无线电能传输系统描述，第I卷，第2部分，性能要求。

[第3部]无线电能传输系统描述，第I卷，第3部分，兼容性测试。

[PRMC]电源接收器制造商代码，无线充电联盟。

[SI]国际计量制。

1.4定义

有效区域：

当发射器向移动设备供电时，发射器和接收器各自表面的一部分有足够高的磁场通过的区域。

发射器：

在系统描述无线电能传输规范特别说明的能产生近场感应电能的特殊设备。

发射器带有标识，以直观地告知用户本发射器符合系统描述无线电能传输规范。

通信和控制单元：

电能发射器和电能接收器上用于控制电能传输的功能单元。

（资料）实施的角度来看，通信和控制单元可以分布在发射器和移动设备的多个子系统中。

控制点：

接收器输出端的电压和电流的联合，其他参数要视一个特定的接收器实施而定。

检测单元：

用来检测发射器表面接收器的存在的发射器功能模块。

数字码：

用来检测和识别电能接收器的电能信号。

免定位：

无需用户将移动设备的有效区域与发射器的有效区域对齐的将移动设备放置在发射器接口表面的方法。

制导定位：

为用户提供反馈以将移动设备的有效区域与发射器有效区域对齐的将移动设备放置到发射器接口表面的方法。

接口表面：

发射器或者接收器上靠初级线圈或者次级线圈最近的表面。

移动设备：

无线电能传输标准所规定的能利用近场感应电能的移动设备。

在执行此标准的移动设备的表面应有可见的’LOGO来告知用户这个设备执行的是本标准。

工作频率：

电源信号的振荡频率。

工作点：

初级线圈电压的频率、占空比、幅值的参数组合。

数据包：

接收器用于与发射器通信的数据结构。

数据包包括：

序言字节，头字节，消息字节和一个校验码。

数据包由其所含信息的类型得名。

电能转换单元：

能将电能转换为电能信号的发射器的功能单元。

电能接收单元：

能将电能信号转换为电能的接收器的功能单元。

电能接收器：

如无线电能传输标准所述能获取近场感应电能并能控制其输出能力的移动设备的一个子系统。

为了达到这个目的，接收器需要与发射器交换其电能需求信息。

电能信号：

包围在初级线圈和可能存在的次级线圈中的振荡磁通。

电能传输协议：

一组表征发射器与接收器的电能传输需要的边界条件。

任何不满足条件的冲突都会导致停止电能传输。

电能发射器：

本标准描述的基站的子系统，能产生近场感应电能，并能控制与接收器的电能传输。

初级（线圈）单元：

一个或者多个用来在有效区域产生有效的高能近场感应电能的线圈的组合。

初级线圈：

发射器上用来将电流转化成磁通的元件。

次级线圈：

接收器上用来将磁通转换成电能的元件。

屏蔽罩：

发射器和接收器上都有元件，用来将磁场限制在发射器与接收器之间。

1.5缩写

AC交流电

AWG美国线规（美国的电线标准，规范中规范的电线型号的线径、绝缘强度等）

DC直流电

lsb最小有效值

msb最大有效值

N.A.空，不适用

PID比例积分差分（控制方法）

RMS均方根

UART通用异步（数据）收发器

1.6符号

Cd次级线圈的并联电容[nF]

Cm阻抗网络中的匹配电容[nF]

Cp初级线圈串联电容[nF]

Cs次级线圈串联电容[nF]

ds线圈与屏蔽罩之间的距离[mm]

dz线圈与接口表面的距离[mm]

fclk通信频率[kHz]

fd谐振检测频率[kHz]

fop工作频率[kHz]

fs二次共振频率[kHz]

Im初级线圈电流的调制深度[mA]

Io接收器输出电流[mA]

Ip初级线圈电流[mA]

Lm网络中的匹配电感[uH]

Lp初级线圈自感[uH]

Ls次级线圈自感（移动设备远离基站）[uH]

L’s次级线圈自感（移动设备在基站上）[uH]

Ppr从接口收到的总功率[W]

Ppt从接口发出的总功率[W]

Tdelay功率控制时延[ms]

tCLK通信时钟周期[us]

tT最大通信转换时间[us]

Vr整流后电压[V]

Vo功率接收器输出电压[V]

1.7约定

第1.7节定义了本系统说明无线电能传输中使用的符号和惯例。

1.7.1交叉引用

除非另有说明，在本文档或第1.3节所列的文件，本章节的交叉引用是指所引用的部分，以及其中包含的子部分。

1.7.2信息文本

除了被标记为信息段，所有的信息文本设置为斜体。

1.7.3重要条款

所有重要条款均在第1.4节中定义。

作为一个例外，数据包的名称和字段的名称在第6.3节中定义。

1.7.4符号数

实数是由数字0到9，小数点和可选的任意一个指数部分表示的。

此外，正的或负的公差遵循一个实数。

没有明确公差的实数的公差是指定最低有效位的一半。

（信息）例如指定的值为1.23-0.02+0.01，那么这个值包括的范围是从1.21至1.24;指定的值为1.23+0.01，那么这个值包括的范围是从1.23至1.24;指定的值为1.23-0.02，那么这个值包括的范围是从1.21至1.23;指定的值为1.23，那么这个值包括的范围是从1.225至1.234999…….;指定的值为1.23±10%，那么这个值包括的范围是从1.107至1.353。

十进制整数是由数字0到9表示的。

十六进制数是由数字0到9和字母A到F表示的，并且有前缀“0X”（特殊说明除外）。

单个位（一字节有8个位）的值由单词ZERO和ONE表示。

二进制数和位图是由单引号（‘’）内序列的数字0和1表示。

在一个n位的序列，最高有效位是n-1位，最低有效位是0位；高位在低位的左边。

1.7.5单位物理量

物理量均以国际单位系统[SI]的单位为单位。

1.7.6字节的位序

一个字节的图形表示是MSB（最高有效位）在左边，而LSB（最低有效位）在右边。

图1-1定义了一个字节中位的位置。

1.7.7字节编号

由n个字节的序列的字节被称为B0，B1，...，Bn-1。

字节B0对应于该序列中的第一个字节，字节Bn-1对应于该序列中的最后一个字节。

一个字节序列的图形表示是字节B0是在上部左侧，而字节Bn-1是在较低的右手侧。

1.7.8多比特字段

除非另有说明，在数据结构中的多比特字段表示一个无符号的整数值。

多比特字段有多个字节，多比特字段的MSB（最高有效位）有最低的地址值，而LSB（最低有效位）有最高的地址值。

（资料）图1-2提供了一个6位字段，跨越两个字节的例子。

1.8操作符

第1.8节定义了本系统说明无线电力传输所使用的不太常用的操作符。

常用的操作符通常有自己的含义。

1.8.1异或

符号“”表示异或运算。

1.8.2连接（“加”）

符号“||”表示的两个位字符串相连。

在所得到的结果中，右手侧的操作数的MSB（最高有效位）直接跟在左手侧的操作数的LSB（最低有效位）。

2系统概述（资料）

符合此系统说明无线电源传输设备的运行依赖于平面线圈之间的磁感应。

两种器件是有区别的，那就是提供无线电能的设备----基站----和消耗无线电能的设备----移动设备。

电力总是从基站传送到移动设备。

为了达到这个目的，基站包含一个子系统，称为功率发射器----它包括一个初级线圈，移动设备包含一个子系统，称为功率接收器----它包括一个次级线圈。

实际上，初级线圈和次级线圈分别对应着一个空芯变压器的两半。

位于初级线圈下面，次级线圈上面，两线圈的闭合处的合适的屏蔽罩能确保一个可以接受的功率传送效率。

此外，该屏蔽减少了用户暴露于磁场中。

通常情况下，一个基站具有一个平坦的可以放置一个或者多个移动设备的表面----接口表面。

这确保了初级线圈和次级线圈之间的垂直间距足够小。

此外，关于初级线圈和次级线圈的水平对齐有两个概念。

在第一个概念，称为制导定位，用户必须通过调整移动设备上的接口表面来对齐次级线圈与初级线圈。

为此目的，移动设备提供了一个符合它的大小，形状和功能的辅助对准（标记）。

第二个概念，称为自由定位，不要求初级线圈和次级线圈的对齐方式。

自由定位利用初级线圈阵列来产生只在次级线圈的位置处磁场。

自由定位的另一种实现使用机械手段来移动次级线圈下的一个单一的初级线圈。

图2-1说明了基本的系统配置。

如图所示，功率发射器包括两个主要的功能单元，即一个功率转换单元和一个通讯和控制单元。

该图明确地显示了初级线圈（阵列）作为电力转换单元的磁场产生元件。

控制和通信单元按照功率接收器的请求调节传输功率。

图中还显示了一个基站可以包含多个发射器，以便同时服务于多个移动设备（在同一时间内，一个功率发送器只能服务于一个电能接收器）。

最后，在图中所示的系统单元包括所述基站的所有其他功能，例如，输入功率配置，多个发射器功率控制和用户接口。

电能接收器包括一个电能拾取单元和一个通讯和控制单元。

类似发射器的功率转换器，如图2-1所示，明确说明了作为电能拾取单元接收电磁场的初级线圈。

电能拾取单元通常只包含一个次级线圈。

此外，移动设备通常包含一个单一的电能接收器。

通信和控制单元调节传输功率，以适合于连接到功率接收器的输出端的子系统所需求的功率大小。

这些子系统所代表的是移动设备的主要功能。

一个重要的例子，子系统是需要充电的电池。

本文档的其余部分的结构如下。

第3节定义了两种基本的电力变送器设计方案。

第一种设计方案----A类----基于一个单一的初级线圈（无论是固定的还是可移动的）。

第二种设计方案----B类----基于初级线圈的阵列。

请注意，这个1.0版本的系统说明无线电能传输的第一卷第1部分，相对于实际功率变送器实现而言，只能提供有限的设计自由度。

其原因是，相对于基站的电能发射器的设计而言，移动设备的电能接收器有更多的设计设计要求和变性，例如，智能手机与无线耳机有很大的不同设计要求。

制约电能发射器的设计的原因以是能适用于最大数量的移动设备的互通性。

第4节定义了功率接收器的设计要求。

由于移动设备多种多样，这些要求已被保持在最低限度。

除了设计要求，附录A的两个设计实例补充了第4部分。

第5节定义的电能传输系统的控制方面。

发射器和接收器之间的交互包括四个阶段，即选择，ping（发送捂手信号），识别配置，和功率传递。

在选择阶段，功率发射器尝试发现和定位放在界面的对象。

此外，功率发射器的尝试区分接收器和外来物体，并选择功率接收器（或对象）传输功率。

为了这个目的，功率发射器可随机选择一个对象并继续ping（包括随后的识别配置阶段）来收集必要的信息。

注意，如果功率发射器不将功率传输到接收器时，它应该进入低功耗待机操作模式。

在ping阶段，电能发射器试图发现对象是否包含一个接收器。

在识别配置阶段，功率发射器准备将功率传输到功率接收器。

为了达到这个目的，功率发射器从功率接收器获取相关信息。

功率发射器将此信息与存储在内部的信息想结合，建立一个所谓的功率传输协议，其中包括对功率传输的各种限制。

在功率传输阶段，实际功率发生转移。

在这个阶段，电能发射器和电能接收器配合调节传输功率到预期的水平。

为了这个目的，电能接收器定期发出电力需求。

此外，电能发射器连续监测功率传输，确保电能传输协议不冲突。

如果发生协议冲突行为，电能发射器将终止功率传输。

各种电能接收器的设计采用不同的方法来调整所要求的传输功率水平。

三种常用的方法包括频率控制---初级线圈电流改变功率，频率依赖由于变压器的谐振特性----占空比控制----用驱动逆变器的占空比来改变初级线圈的电流幅值----电压控制----用驱动电压来控制初级线圈电流幅值。

这些方法的细节在第三节，总体误差控制策略在第五节。

这个方法是电能接收器传达它想要的工作点同实际的工作点的差给功率发射器，矫正初级线圈电流，减小误差。

接近于零。

本标准没有限制功率接收器如何得到工作点参数，如功率，电压，电流和温度。

这就为电能接收器留下了可选择的功率接收控制策略。

版本1.0系统描述无线电源传输，第1卷，第1部分，只是定义了电能接收器到电能发射器的通讯。

第6部分定义了通讯接口。

在物理面上，功率接收器与功率发射器间的通讯继续使用负载调制，这意味着功率接收器从两个不同的层面来解析它从发射器那里得到的功率（注意:

这些层面不是固定的，依赖于真正传输功率的大小）。

功率接收器实际的负载调制模式是被预留下来，作为设计选择。

电阻，电容，电感的调制方案都是可能的。

在逻辑层，通讯协议传递一系列的含相关数据的短信息。

这些信息被包含在一个用简单的UART传递方式的数据包中。

附录A提出了两个功率接收器的设计实例。

第一个例子展示的是直接用整流电压从次级线圈用恒流或恒压的方式给一个锂电池充电。

第二个例子用调整后的电能在功率接收器的输出设计为电压源输出。

版本1.0系统描述无线电源传输，第1卷，第1部分，没有定义一个功率发射器应该检测一个放在感应面上的对象。

附录B讨论了几种功率发射器可用的方法，一些方法能使功率发射器实现使用非常低的待机功耗----如没有功率接收器放在感应面上，或者功率接收器在上面，但不需要功率传输。

附录C讨论的几个关于处理B类的功率发射器上功率接收器在感应面上的定位的例子。

特别是这些实例描述怎样为有效区域找到最佳位置----功率发射器通过这些区域提供功率给接收器----还有怎样识别多个紧密间隔的功率接收器。

最后，附录D讨论了一种功率发射器应如何检测在接口表面足够接近的有效区域以至于干扰功率传输的异物。

这种异物的典型例子是身边常见的金属，如硬币，钥匙，回形针等。

如果这样的小金属接近了有效感应区，它会因振荡磁场产生的感应电流而加热。

为了防止不安全的事情发生，功率发射器应该在这些金属的温度上升到不可接受之前终止功率传输。

3基本的功率发射器设计

3.1介绍

关于功率发射器设计，这个无线电力传输系统描述的第1卷第1部分，定义集成了两种基本类型。

种类A发射器设计有一个初级线圈和一个初级感应区（电力传输子区）与初级线圈对应。

另外A类发射器设计包括实现初级线圈和次级线圈对齐的方法，依靠这些方法，A类发射器可实现导向定位和自由定位。

种类B发射器设计有一个初级线圈组。

所有种类B发射器能够自由定位，因为这种作用，发射器B可以从线圈组中联合一个或者更多的初级线圈，在传输面不同的位置实现一个初级感应区（电力传输子区）。

一个功率发射器只能再同一时间服务于一个功率接收器，然而一个基站可能包括多个功率发射器，为了同时服务多台移动终端，请注意，B型功率发射器可以分享（部分）的多路复用器和初级线圈组（参考3.3.1.3）。

3.2基于一个单独线圈的功率传输器设计

3.2节定义了A类所有的功率发射器设计，除了3.2节外，第5节定义了每个功率发射器应该实现的协议的相关部分；第6节定义通讯界面（接口）。

3.2.1功率发射器A

功率发射器A1导向定位，图3-1是这个设计的功能模块图，由两个主要功能单元组成，即功率转换单元和通讯控制单元。

图3.1右手边的功率转换单元是一个模拟原理设计，逆变器将直流转变成交流波形去驱动谐振电路，初级线圈外加串联电容。

最后电流检测器监视初级线圈电流。

图3.1左手边通讯控制单元包含了数字逻辑部分设计，这个单元接收数字解码信息充功率接收器，执行相关的功率控制运算法和协议，控制AC的波形频率从而控制功率传输，通讯控制单元也和其他的基站的子系统相连，例如用户界面。

3.2.1.1机械结构细节

功率接收器A1包括一个初级线圈就像3.2.1.1.1节定义的那样，屏蔽罩像3.2.1.1.2节定义的那样，接口面就像小节3.2.1.1.3定义的那样，辅助对齐如小节3.2.1.1.4定义。

3.2.1.1.1初级线圈

初级线圈的绕线种类，由No.20AWG（直径0.81毫米）型2绞合有105股No.40AWG线（0.08毫米直径），或等价的。

如图3-2，这初级线圈的形状是圆的，由多个层组成。

所有的层的堆叠具有相同的极性。

表3-1列出初级线圈的尺寸。

3.2.1.1.2屏蔽罩

初级线圈的绕线种类，由No.20AWG（直径0.81毫米）型2绞合有105股No.40AWG线（0.08毫米直径），如图3-3，软性磁材料保护基站相对于初级线圈产生的磁场，屏蔽罩至少超出初级线圈直接2mm,厚度至少5mm,放在初级线圈下面，最大距离mostd=1.0mm;这个无线传输系统描述版本1.0第1卷第1部分，限制屏蔽从下面的列表中选择的材料的组合物：

􀀀Material44—FairRiteCorporation.（公司名字和材料）

􀀀Material28—Steward,Inc.（公司名字和材料）

􀀀CMG22G—CeramicMagnetics,Inc.（公司名字和材料）

3.2.1.1.3界面/感应面

如图3-3，初级线圈到基站感应面的距离是d=2mm（初级线圈顶面）；另外基站的感应面（界面）至少超出初级线圈直径5mm.（信息说明），意味着初级线圈和它自己表面平面之间的倾斜角最多1°（如图1°max）。

另外，在一个非平面界面的表面的情况下，意味着一个曲率半径的至少317毫米的感应面/界面（与初级线圈居中对齐），参见图3-3。

3.2.1.1.4辅助对齐

功率变送器设计A1采用盘形的粘结钕铁硼磁体，其中功率接收器提供了一个有效的对齐方式（参考4.2.1.2）如图3-3，磁铁在初级线圈中心，它的N极，定向靠近感应面，（静态）的磁铁磁通密度，有序穿过感应面，最大值100（+30~-20）mT。

磁铁的最大直径15.5mm。

3.2.1.1.5内部线圈分离

如果基站包含多个A1型功率发射器，任何这些功率发射器初级线圈必须中心到中心的距离至少为50毫米。

3.2.1.2电子详细说明

如图3-4，功率发射器A1用一个半桥逆变器，驱动初级线圈和串联电容，工作频率如下，初级线圈，屏蔽罩，和磁铁有个自感系数L=24uH串联电容的值是C=100nF.输出电压到半桥逆变器时19v,附近的谐振,串联电容两端的电压的可以达到超过200VPKPK。

功率发射器A1设计，用功率信号的工作频率和占空比控制传输中的功率输出，就是这个目的，工作频率范围（半桥逆变器）在f=110---205KHz（占空比位50%）；工作频率在205KHz时占空比的范围是10---50%高工作作频率或者低的占空比时传输低功率；为了获得更准确的传输功率校正，功率发射器A1应当控制工作频率在一下范围：

􀀀forfopinthe110…175kHzrange;

􀀀forfopinthe175…205kHzrange;

或者更好的范围。

此外，A1型功率发射器将功率信号占空比精度控制在0.1%或更好。

功率发射器A1设计，第一次应用（申请）功率信号（数字ping;看5.2.1节），它应该用一个起始频率175kHz（占空比为50%）

控制功率传输应该运用PID算法，此点在5.2.3.1节定义。

控制变量v在该算法定义表示工作频率，为了保证足够准确的功率控制，A1型功率发射器应该确定初级线圈的电流幅值，精确在7mA或者更好。

最后，表3-2,3-3，和3-4，提供了用在PID算法中的一些参数值。

3.2.2功率发射器设计A2

功率发射器A2设计可自由定位，图3-5是这个设计的功能模块图，包含三个主要功能单元，即功率转换单元，检测单元，通讯控制单元。

功率发射器A2设计可自由定位，图3-5是这个设计的功能模块图，包含三个主要功能单元，即功率转功率转换单元在图3-5右手边，检测单元在图3-5的底部，包含设计的模拟部分；A2的功率转换单元和A1的类似，逆变器转变DC输入到AC波形驱动由串联电容和初级线圈组成的谐振电路。

初级线圈增加了定位阶段是初级线圈能够准确的校正与移动设备的（接收）有效区。

最后电压感测监视初级线圈电压。

图3-5左手边的通讯控制单元，包含数字逻辑部分设计，这个单元和A1设计的通讯控制单元类似，通讯控制单元从功率发射器接收编码信息，执行相关的功率控制运算和协议，驱动AC波形的输出电压控制功率传输，另一方面通讯控制单元驱动定位阶段并控制检测单元，通讯控制单元也链接其他基站的子系统例如用户界面。

检测单元确定对象或功率接收器在界面/感应面的大概位置。

无线传输系统描述1.0版本，第1卷，第1部分，没有详细指定一个明确的检测方法。

不管怎样，推荐在检测频率f时，检测单元利用功率接收器的谐振。

上次讲到利用功率接收器谐振频率的检测，原因是最大限度的减少初级线圈的调动，因为功率发射器没有必要识别在这个谐振频率不响应的对象。

实例C.3提供谐振检测方法。

3.2.2.1机械细节描述

功率发射器A2设计包含一个初级线圈像小节3.2.2.1.1定义的那样，屏蔽罩像小节3.2.2.1.2定义的那样，界面（感应面）像小节3.2.2.1.3定义的那样，定义阶段像小节3.2.2.1.4定义的那样。

3.2.2.1.1初级线圈

初级线圈绕线的种类，绞合线30股，1.0mm直径，参考图3-6，初级线圈为圆形多个层组成，相同极性的所有的层堆叠。

表3-5是初级线圈的尺寸。

3.2.2.1.2屏蔽罩

如图3-7，软磁材料保护基站免受初级线圈产生的磁场干扰，屏蔽罩至少超出初级线圈的外直径2mm,厚度至少0.20mm,放在初级线圈下面距离0.1mm,这点无线传输系统描述1.0版本，第1卷第1