[測試+電路解析] case-mate hug 無線充電器 沒有正式上架銷售的Qi標準原型機

今天收到在美國eBay 購買的二手case-mate hug wireless charging pad & case for iphone3G/3GS . 這個產品自廠商於2010年1月發表後,一直在市面上沒有銷售. 經過一年後在eBay 上看到有二手品釋出. 在此推測這個物品並非正式銷售之產品,可能是原廠提供給客戶評估的樣品,後來因為某些原因沒有正式銷售.

開始進入正題.由於是二手品,所以外箱有點污損這也是沒辦法的事.


美國商品很常用的包裝型式,可以從中間翻開看內容,這部份是用磁鐵吸付的所以闔上後會密合.


包裝上寫支援"未來"Qi 無線充電標準,在當時Qi標準尚未定義完成.


包裝內容內有充電盤、iPhone3G外殼、變壓器、使用說明書.


變壓器的規格是19V-1.05A輸出,輸入AC是汎用的100-240V.


使用前先將iPhone裝進充電外套之中.


安裝後可以感覺到手機變大了.


組合完成的手機殼背面照,組件間隙還蠻大的.


由於外套內有磁鐵,所以安裝後iPhone內建的指南針功能會失效.


充電座的背面照片,無任何的產品標示貼紙,不像是正式銷售的產品.


底盤通電後放上iPhone就會開始充電,由於內有磁鐵會吸附,所以會對齊位置.


磁鐵定位是圓心對齊,所以旋轉後一樣可以充電.


接下來的是電子性能測試:
將電源線截斷,量測底盤輸入的電壓與電流. 先測量在待機的時後消耗電力狀況.
電壓19.2V 電流12mA 消耗功率為19.2*0.012=0.23W(瓦)


測量充電中的消耗電力狀況:
電壓19.2V 電流0.21A 消耗功率為19.2*0.21=4.03W(瓦)


測量未裝iPhone的消耗電力狀況:
電壓19.2V 電流0.06A 消耗功率為19.2*0.06=1.15W(瓦)


接下來計算無線充電器的關鍵指標,電力轉換效率
輸入= 電壓19.2V 電流0.21A 輸入功率為19.2*0.21=4.03W(瓦)
輸出= 電壓5V 電流0.5A 輸出功率為5*0.5=2.5W(瓦)

效率=(輸出/輸入)% = (2.5/4.03)% =62%
也就是有38%的能量在無線電力傳送中被轉換成熱能損耗掉了.


再來進行內部拆解,底盤是有一個金屬架所支撐.兩側各有三隻螺絲.


拆解螺絲後就可以分離外殼看到內部的電路板與線圈構造.


電路板採雙面SMD元件設計, 線圈中間有磁鐵,線圈下方是磁性材料可以重新導向磁力線.


底盤內的是發射電力的控制電路板,它接收來自變壓器的電力,將它轉換成無線電力驅動訊號底
傳到線圈用以發射能量.


接收電力的充電外殼分解後也可以看到線圈與電路板配置.線圈的中間一樣有一個磁鐵用來定位用.


接收電路板是單面SMD元件設計,另外可以發現接收線圈其時是兩個相疊.兩組線圈繞製方向是相反的,也就是兩個線圈會取得反相的電力訊號,中間蕊是導通的.這樣的設計與傳統具有中間抽頭的變壓器一樣,中間抽頭為接地點.


接收外殼內的電路板分兩片,一片是將線圈上的能量轉換成直流電,另外一片是將電力引接到Apple 專用30pin接頭上,將電力導入iPhone中.


接收電力轉換的電路板上,可以看到有不少的元件.可以看到來自線圈的電力轉換後再通往iPhone


接下來的是電路分析.
想要看這個系統電路圖的朋友可以到下列網址下載,這些資料都是公開資訊了.
這個電路是採用Ti(德州儀器)的無線充電方案所完成, 電路圖與下圖Ti的樣品板幾乎相同.

Ti原廠網站電路圖PDF檔下載處
發射電路板
bq500110EVM-688 Evaluation Module
接收電路板
bq25046EVM-687 Evaluation Module



發射電路板放大圖


在此簡單的解說電路,下面幾張圖是由Ti的原廠資料中截圖下來的,比對後可以發現大多數的零件
編號並沒有變更,其中有些零件更換型號,但功能大多相仿.

首先看19V電源輸入後透過U5-TPS54231 Step-Down Converter降壓到3.3V給主控制IC U7使用.
電路中很多IC也需要用到3.3V來工作,所只需要大電流的PWM型降壓器來提供電力.


U7 BQ500110 Wireless Power TX Controller是用來控制整的電路板運作的主IC,
內部應該有軟體在運作.電路板上也預留大量的連接點提供除錯用,也就是意味這內部的
軟體來有調整的空間.


U8 Micrel MIC4128YME IC MOSFET DRVR INV/NONINV 8SOIC是用來驅動MOSFET開關元件.
這部份的規格與EVB規格書上略有差別.但目的都一樣要讓線圈端產生高低電位的變化.


T1是用來解析線圈上的電壓與電流變化用的線圈,取出的訊號再經過OPA放大處理.再送往U7進行
解析的動作.


圖中有數個OPA功能是為了放大線圈上的訊號供解析用,在電路板上實現是以U1 LMV344IPWR來完成.




接收電路板放大圖



接收部份可以看到 Q2 與Q3是用來調制回饋訊號到底座的,旁邊兩個標示200的電是用來匹配
阻抗用.D5、D6是主電力整流用,這個是耐電流2A的 Schottky Diode,另外在電力輸出的部份
可以看到TI TPS40200QDRQ1 SOIC-8包裝PWM降壓控制IC,搭配FAIRCHILD FDC654P P-CH MOSFET 用來控制輸出電壓5V.輸出端搭配電感103D濾波.這個組合是可以耐高壓輸入的配置.


主控制IC MSP430 IC, Wireless Receiver-Side Communication and Power Monitoring 是用來控制運作與內含底座資料溝通程式.



感謝觀看.