摘要
无线充电技术让音频产品摆脱了线缆束缚，用户体验显著提升。TWS耳机的充电仓和部分智能音箱已经支持无线充电功能。Qi标准是当前最广泛采用的无线充电标准，本文从Qi标准解析、充电原理、接收端设计、发射端设计、异物检测（FOD）到典型应用，系统介绍音频产品的无线充电设计方法。数据参考WPC Qi规范和各芯片厂商手册，不确定处另行注明。
一、Qi无线充电标准
1.1 Qi标准概述
| 项目 | 说明 |
|---|
| 标准组织 | Wireless Power Consortium (WPC) |
| 工作频率 | 100-205kHz (BPP) / 127-148kHz (EPP) |
| 最大功率 | 5W (BPP) / 15W (EPP) / 更高 (EPP Extend) |
| 通信协议 | 载波调制（ASK/FSK） |
| 线圈类型 | A11/A11a单线圈，MP-A2/A9多线圈 |
1.2 功率等级
| 等级 | 功率 | 应用 |
|---|
| Baseline Power Profile (BPP) | 5W | 耳机/手机 |
| Extended Power Profile (EPP) | 5-15W | 平板/音箱 |
| EPP Extend | >15W | 大功率设备 |
1.3 充电类型
| 类型 | 特点 | 效率 |
|---|
| 裸线圈接收 | 无外壳，嵌入设备 | 高 |
| 模组接收 | 完整模块，易集成 | 中 |
| 带外壳接收 | 完整方案含壳 | 低（距离大） |
二、无线充电原理
2.1 电磁感应原理
| 参数 | 说明 |
|---|
| 线圈直径 | 影响充电距离和效率 |
| 耦合系数 | 两线圈之间的能量传递效率 |
| 工作频率 | 决定传输效率 |
| 阻抗匹配 | 最大功率传输 |
2.2 系统架构
| 组件 | 作用 |
|---|
| 发射线圈 | 产生交变磁场 |
| 谐振电容 | 与线圈形成谐振 |
| 驱动电路 | 提供高频驱动 |
| 通信解调 | 接收功率协商信号 |
| 功率控制 | 调节传输功率 |
2.3 关键性能指标
| 指标 | 要求 | 说明 |
|---|
| 效率 | >70%（端到端） | 充电转化率 |
| 充电距离 | 3-8mm | 取决于线圈设计 |
| 发热 | <10C温升 | 安全要求 |
| 异物检测 | 金属异物检测 | 安全要求 |
三、接收端设计
3.1 接收芯片选型
| 型号 | 厂商 | 功率 | 特点 |
|---|
| STWLC33 | ST | 15W | 集成度高 |
| BQ51220 | TI | 5W | 单芯片方案 |
| IDT P9221 | Renesas | 15W | 高效率 |
| CV90312 | 伏达 | 15W | 高性价比 |
3.2 接收线圈设计
| 参数 | 选择依据 |
|---|
| 线圈尺寸 | 根据产品空间设计 |
| 线圈形状 | 方形/圆形/柔性 |
| 电感量 | 6-30uH（取决于IC） |
| 屏蔽材料 | 铁氧体/纳米晶 |
3.3 整流和稳压
| 电路 | 说明 |
|---|
| 整流桥 | 同步整流减少损耗 |
| LDO后级 | 稳压输出到电池 |
| 快充协议 | QC/PD握手（如支持） |
四、发射端设计
4.1 发射芯片选型
| 型号 | 厂商 | 功率 | 特点 |
|---|
| ST Stellar | ST | 15W | 完整方案 |
| BQ50002 | TI | 5W | 简单可靠 |
| IDT P9035 | Renesas | 10W | 多线圈支持 |
| RN7742 | 罗姆 | 15W | 高效率 |
4.2 发射线圈设计
| 设计项 | 说明 |
|---|
| 线圈数量 | 单线圈/多线圈 |
| 线圈排布 | 并排/堆叠 |
| 磁屏蔽 | 底部铁氧体屏蔽 |
| 结构兼容 | 与Qi发送端兼容 |
4.3 谐振电容配置
| 配置 | 说明 |
|---|
| 串联谐振 | 高频应用 |
| 并联谐振 | 功率传输 |
| 双谐振 | 宽带设计 |
五、异物检测（FOD）
5.1 FOD原理
| 方法 | 说明 |
|---|
| 功率损耗检测 | 检测输入功率与接收功率差 |
| Q值检测 | 检测线圈Q值变化 |
| 温度检测 | 金属发热检测 |
| 谐振频率检测 | 检测频率偏移 |
5.2 设计要点
| 要点 | 说明 |
|---|
| 基准功率 | 校准空载和带载功率 |
| 检测阈值 | 设置合理的告警门限 |
| 响应速度 | 快速关断保护 |
5.3 安全机制
| 机制 | 说明 |
|---|
| 金属异物检测 | 检测到异物后停止充电 |
| 温度保护 | 超过阈值降低功率 |
| 定时关闭 | 长时间无响应关闭 |
六、音频产品应用
6.1 TWS耳机无线充电
| 设计项 | 选择 |
|---|
| 接收方案 | 5W裸线圈+芯片 |
| 线圈位置 | 充电仓内部 |
| 散热设计 | 充电仓外壳散热 |
| 对位提醒 | 提示用户对准 |
6.2 智能音箱无线充电
| 设计项 | 选择 |
|---|
| 发射方案 | 15W Qi EPP |
| 线圈数量 | 多线圈（覆盖大区域） |
| 位置检测 | 确认接收设备位置 |
| 快充支持 | PD输入降压 |
6.3 设计检查清单
| 检查项 | 重要性 |
|---|
| Qi兼容性 | 高，必须认证 |
| 充电效率 | 高，>70% |
| FOD功能 | 高，必须可靠 |
| 温升控制 | 中，<10C |
| 成本控制 | 中，合理设计 |
七、常见问题
Q1：无线充电效率为什么比有线低？
无线充电的能量传递经过多次转换：1）电能转换为磁场（发射线圈）；2）磁场转换为电能（接收线圈）；3）AC/DC转换和稳压。每个环节都有损耗，加上线圈耦合不完美（距离、位置偏移都会降低耦合系数），导致整体效率低于有线直连。优化方法包括：减小线圈间距、使用高磁导率屏蔽材料、选择高Q值线圈、优化谐振电容匹配。
Q2：无线充电发热如何控制？
发热主要来源：1）线圈电阻损耗；2）功率器件损耗；3）磁材料损耗。控制方法：1）使用低阻抗线圈和粗导线；2）选择高效率的TX/RX芯片；3）合理设计屏蔽材料；4）增加散热结构（如金属外壳辅助散热）；5）智能功率控制，温度过高时降功率。TWS耳机充电仓一般通过外壳自然散热即可。
Q3：为什么无线充电需要异物检测？
金属异物在交变磁场中会产生涡流发热，如果放置在发射和接收线圈之间，可能导致温度过高引发火灾或损坏物品。FOD（Foreign Object Detection）是Qi标准强制要求的安全功能。检测原理是监测功率损耗，当损耗异常增大时（金属异物消耗能量），判断有异物存在并停止充电。高端方案还会使用Q值检测和温度传感器多重保护。
Q4：多线圈充电垫如何工作？
多线圈充电垫内部有多个发射线圈，可以同时或分别工作。通过依次扫描或并行工作，检测哪个位置有接收设备，然后选择对应线圈供电，实现充电位置的灵活性。高端方案还可以同时对多个设备充电。设计时需要解决线圈之间的干扰问题和切换逻辑。
Q5：Qi认证流程是怎样的？
Qi认证流程：1）产品设计和样品准备；2）提交预认证测试（自行或实验室）；3）在WPC官网注册成为会员；4）将样品送到授权实验室测试；5）测试通过后获得Qi认证证书；6）在产品上使用Qi标志。认证测试内容包括：功率传输效率、FOD安全性、通信协议兼容性、异物检测能力等。对于TWS耳机等小功率产品，认证流程相对简化。
