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引言 無線充電技術是電子產業中增長顯著的領域，并使范圍廣泛的應用得到提升。消費者對于電池供電便攜式電子設備的絕對需求以及這些設備不斷充電的不便驅動了無線充電技術的銷量增長。業界推出的能夠進行無線充電的便攜式設備已經在快速增長，隨著這種增長趨勢的繼續，無線充電將成為我們日常生活的一部分，也將是便攜式設備使用的一個常態。 由于開發標準、解決方案小型化和低成本等要求，磁感應(MI)和磁共振(MR)是目前消費電子市場的兩種主要無線充電傳輸技術。MI采用緊密的磁耦合，目前具有較高的電力傳輸能力、易于設計、高效率等特性，而MR則具有更大的空間自由度，每個發射臺支持多個接收設備，在近場金屬物體上的熱積累較小。在MI領域有兩個主要標準：無線充電聯盟(WPC)的‘Qi’標準，以及Power Matters Alliance(PMA，功率關鍵聯盟)的有關標準。對于當今基于MI的便攜式設備設計人員，這便產生了一個是要與Qi兼容，還是與PMA兼容，或者與兩個標準都兼容的問題。MR領域的標準主要由A4WP(無線充電聯盟)主導。兼容Qi或者PMA標準的產品目前已經上市，預計明年會出現基于A4WP的產品。本文將回顧無線充電技術的進展以及相關的MI和MR技術，還將討論當今的MI無線充電接收器IC芯片制造商如何幫助克服MI技術的雙重標準挑戰。 快速發展的無線充電世界 在我們日常個人生活和商業活動的許多方面，通過有線連接進行充電和數據傳輸有很多難以回避的不便之處。無線方式進行數據訪問已經相當普遍，而類似輕松的無線充電卻沒能實現。外出旅行時，要帶上笨重的電源插座、電纜和適配器，然后到處去找“公共”電源去充電，這是經常遇到的煩惱。 如果一個廣泛的無線充電生態系統得以建成，移動手機將會受益最多，這主要由于以下幾個原因。大尺寸和高亮度顯示屏、功能強大的多核處理器、電路板上的多個射頻、需要實時數據的應用、以及新的生物應用等會導致一天要多次對手機充電，消費者同時要求更輕、更薄的設備。然而，鋰電池的功率密度并沒有隨之相應地提高。為滿足消費者的需求，很多便攜式設備生產商已經發售了符合Qi(目前主流的無線充電標準)標準的移動手機。移動運營商也希望能夠對移動設備不斷進行充電，以便用戶可以不停地消耗無線數據流量，因此，它們在很積極地推動建設無線充電生態系統。 把移動設備放在支持無線充電的設備表面進行隨時隨地無線充電，這要求發射臺無處不在，在一些領域已經開始建設這種基礎設施。用于家庭和辦公室的Qi和PMA發射臺目前已經以多種形款面市。在豐田和克萊斯勒等汽車公司的新款汽車中已經設置了Qi發射器，更多新車款和新型號以及大量的售后汽車解決方案也將會提供類似功能。PMA正在迅速地簽署一些合作伙伴，他們有興趣在餐館、零售店、飯店以及其他場合部署無線充電生態系統和智能網絡，從而吸引更多的消費者，并有可能帶來更多的收益。例如，星巴克的“Never Powerless(不會沒電)”項目去年首先在美國波士頓開始實施，已經擴展到在硅谷地區建設新站，中期計劃是在美國提供1百多萬個充電點。[1] 在建設發射站生態系統的過程中，那些能夠支持多種無線充電標準的移動設備獲益最多。IMS最近的研究報告突出闡述了IDT等公司推出的模擬和數字技術的快速發展，以及市場對于無線充電技術不斷增長的需求。報告認為今后幾年無線充電技術出貨量將呈現出高速增長的局面，2016年出貨量會超過3億，2018年出貨量會達到10億。從2011年一個幾乎不存在的市場起步，這代表了一個非常強勁的增長速度。[1] 圖1：無線充電將使移動手機等便攜式設備的使用更加方便，不再需要攜帶多個專用設備充電器和電纜 磁感應和磁共振 磁感應技術(Qi和PMA)是首先面市的，并主導最初的無線充電市場。但是，磁共振(A4WP)相對于MI也有一些真正的優勢，當然也面臨一些挑戰。A4WP 工作在6.78MHz的固定頻率，而Qi則工作在110-205KHz頻率范圍。很明顯，依據法拉第的電感定律，A4WP的松散耦合因子(位置更靈活)其充電傳輸效率更高。頻率越高以及線圈電壓越高可使接收線圈更小更薄，這樣可使移動設備的機械結構更容易實現。工作在較高頻率下的另一好處是，由于發射臺表面渦流很小，因此，其外部附近金屬物體的熱積累也很小。這也意味著，待充電設備(如電池)中存在的金屬不會積熱。A4WP標準使用了雙向藍牙?低功耗(Bluetooth? Low Energy ，BLE)帶外信號與待充電設備進行通信和對電源進行調節。相比之下，Qi和PMA使用負載調制單向帶內通信方法，把電源調節信息傳送回發射器。Qi標準的方法簡單，成本低，但僅能應對一個接收器，僅僅限于低速通信，容易受到系統產生的EMI影響。 MR實施起來會遇到一些挑戰，但這些正在被解決，產品解決方案也正在被優化以滿足大批量應用市場的需要。MR接收器采用高Q因子的LC諧振腔設計，并直接工作在共振頻率上。MR的挑戰是在溫度和電壓變化時，如何對諧振腔進行微調使其保持在固定共振頻率上。在出現頻率漂移時，效率會隨之下降。MI標準實現起來簡單一些，這是因為它總是工作在共振頻率之上，因此，不需要高Q電路或者高精度無源器件。但是，MR高Q電路的高容差器件成本雖然高，但所需要的線圈成本卻很低。無需屏蔽的MR接收線圈也很小，其繞線也要比MI線圈細小，因此，該關鍵器件的成本應較低。 無線充電系統產生的電磁輻射是消費者關心的一個問題，但這已經超出了本文的討論范圍。在機械結構方面，MI是緊耦合系統，意味著發射和接收線圈直接彼此接觸以支持MI充電傳輸，也正是這種排列方式允許線圈頂部和底部直接使用鐵氧體屏蔽層(見圖2)。這些鐵氧體屏蔽層有兩種作用：首先，通過使鐵氧體屏蔽層更靠近線圈，耦合更緊密，磁通線電流也就更大。其次，屏蔽層減小了系統的電磁輻射。MR是松散耦合系統，接收器距離發射器會有數十厘米遠(見圖3)，因此，鐵氧體屏蔽層不具有MI方案中那樣的優勢。把輻射水平保持在安全范圍之內是技術發展的一部分，也有利于無線充電技術在消費類市場的推廣。 圖2：磁場大多是使用鐵氧體屏蔽材料來控制 圖3：磁共振無線充電允許松散耦合和較大的空間自由度 近期MI雙標準的挑戰 在近期內，一個潛在的問題可能抑制無線充電臺、熱點桌和工作臺等在機場、咖啡吧和娛樂場所等地的快速部署，那就是兩種互相競爭的MI標準：Qi和PMA。兩種技術都是可行的，都可提供可靠的性能，因此，都可能部署在公共無線充電熱點場合。理論上講，這會導致手機用戶必須尋找與其設備兼容的某個無線充電接入點。這無疑會讓消費者感到失望，由此可能降低其被采納的程度。 作為一家開發無線充電解決方案的公司，IDT已經認識到了上述問題，并已通過開發無線充電接收器IC來解決這一問題。IDT開發的單片雙模式接收器解決方案消除了傳輸標準之間的兼容性障礙。去年，IDT推出了業界集成度最高的發射器IC解決方案。今年，IDT公司又發布了第一款雙模接收器解決方案。采用這些解決方案，移動設備和附件OEM不需要為不同標準生產多種型號的產品，從而降低了成本，也得以擁有更廣闊的市場空間。OEM現在只需要一個物料成本表(BOM)，使用一個通用的電路板布局，從而降低了應用的資源占用。 結束語 無線充電是一項令人激動的新技術，它通過使移動手機具有更多的工作時間從而進一步促進移動手機的變革。通過專用產品充電適配器和笨重的電線對電池充電已經證明非常不方便，這或許是移動通信和計算最薄弱的一環。現在，隨著快速發展的無線充電生態系統初具規模，可以預期有一天我們會把適配器和線纜留在家里，并最終完全不再需要這些。 MR和MI技術各有特色，能夠滿足不同的無線充電應用要求，都有未來發展空間。在所有這些不同技術中，互相競爭的標準對產業發展有好處，因為這有助于推動創新。但是，消費者感受到的困惑和挫折感卻是很大的風險。MI雙模接收器技術能夠使便攜式設備自動地在不同無線充電標準之間無縫切換，從而避免了上述復雜而又不滿意的應用場景問題出現。 參考文獻: 1. 功率關鍵聯盟(Power Matters Alliance)網站文章: “Duracell Powermat與星巴克在硅谷地區拓展無線充電” http://www.powermatters.org/menuless/292-duracell-powermat-and-starbucks-expand-wireless-charging-in-silicon-valley-area |
