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摘要：本文將重點討論已提出的不同無線充電協議，它們的優勢以及無線充電在哪兒獲得了最佳市場關注。 無線充電使消費者不用電線就能為其便攜式設備充電。電信運營商和手機制造商都在采用這種技術。在汽車中，無線充電可能是無線技術的最后一部分，最終能將重要的智能手機應用集成到汽車中。但一些企業爭相建立標準，包括高通、三星、英特爾、Powermat、諾基亞，Docomo以及其他許多公司。 本文將重點討論已提出的不同無線充電協議，它們的優勢以及無線充電在哪兒獲得了最佳市場關注。 無線充電并不是一個新的概念，也不是一項新技術，但最近推出的帶無線充電功能的新智能手機越來越以此為賣點，如新的諾基亞Lumia 920或LG Nexus 4。Palm早在4年前就已發售內置無線充電功能的Pre手機;但自那以后，Palm便從這個市場中消失了。Powermat多年來一直在美國向黑莓或iPhone發售無線充電配件系統。 我們許多人家里有無線充電的電子牙刷。那么什么使無線充電更頻繁地出現在新標題中?無線充電標準已經出現;實際上出現了幾個標準，我們將在后面看到。 隨著無線充電標準的出現，市場分析師預測該市場將快速增長。ABI、IHS iSuppli以及InStat的分析師們在各自的2010年報告中都預測，該市場將于2012年啟動，2014年的發貨量將迅速達到數億件。最近的報告，如IHS IMS Research 公司最近公布的一份報告，認為 2015 年帶無線電源的設備發貨量將超過1億件，2016年市場價值將高達50億美元[1]。現在看來，分析師在 2010 年過于樂觀，低估了標準開發、認證流程就緒以及市場接受所需要的時間。 但有一點沒有改變，那就是智能手機、平板電腦和其他消費電子設備大量采用無線充電的長期愿景。市場分析師已經把他們的“hockey-stick(曲棍球棒)”式的市場增長率預測改為三年左右，但并沒有改變其長期樂觀的觀點。 2012 年 9 月，Wireless Power Consortium(無線充電聯盟，WPC)宣布，按照Qi WPC標準集成了無線充電功能的智能手機已發貨850萬臺。在手機內部集成了無線充電電路后，無線充電的采用率將大幅增加。不必像以前一樣添加一個特殊的套殼或后門，現在無線充電電路可作為一個內置功能集成到手機中。諾基亞Lumia 920或LG Nexus 4等新手機就是這種新發展趨勢的很好示例。 對于消費者來說，這種集成顯著降低了此功能的成本，并且不會增加任何與售后市場的后門或套殼相關的厚度。手機制造商也將與這些手機一起配套供應簡單、低成本的無線充電墊，提供開包即用的簡易體驗。智能手機將推動這項技術的增長，而且是無線充電組件數量最大的市場。 智能手機大規模采用無線充電也將帶動大量的配套產品，如 JBL 或TDK產品等無線音頻揚聲器[3]。這些無線充電揚聲器集成了三種互補的無線技術：藍牙(從手機接收音頻文件)，NFC(藍牙自動配對)和無線充電(保持手機充電)。 這種整合提供了全新的用戶體驗：音頻自動從手機傳輸到揚聲器，無需硬件連接，無需配對機制，只需把手機放在揚聲器頂部便可。其他配件包括，已經推出的無線充電藍牙耳機  C無線充電鼠標;或內置了無線充電站的床頭鬧鐘。內置了無線充電功能的移動設備和消費電子產品劇增，將推動建立公共和私人充電站的基礎設施。我們開始看到無線充電器安裝在機場休息室、咖啡店和酒店里，很快在公共交通和私家車中也會擁有無線充電器。在未來的汽車中，汽車中央控制臺中將內置一個手機無線充電器。將手機放在控制臺頂部，就會充電，會自動連接到汽車藍牙無線電以及屋頂蜂窩和GPS天線，獲得更好的通信，同時手機應用和媒體文件被傳輸到汽車信息娛樂顯示屏。整合這些無線技術將把最先進的智能手機應用融入到您的駕駛體驗中。所有的無線充電系統都使用磁場線圈感應電流的基本原理。 有時稱為磁感應或磁共振，這些系統中的一些差異在于發送和接收線圈之間的耦合系數。耦合系數高的系統意味著兩個線圈應該是緊貼的，比較一致。 某些系統耦合系數較低，支持把接收器放在距離發射器較遠的位置，還可更自由地放置接收器。 無線充電聯盟(WPC)[4]于2009年成立，創建了無線充電標準 Qi。三年后，WPC已擁有 120 多名成員以及同樣多的認證產品，這種發展狀況有利于實現其最初目標。 WPC 指定發射器的拓撲結構，確保與現有的WPC接收器產品向后兼容。發射器可以使用一個或多個線圈;在后一種情況下，可以同時使用一個或多個線圈產生磁場。第一個發射器拓撲使用緊密的磁感應耦合，依靠使用幾個(3?8個)線圈來支持X和Y的空間自由。發射器和接收器之間的距離 Z 通常為5毫米。近來，WPC已經提供了一個新的發射器類型，Z空間自由度為5厘米，使用自適應磁共振原理，同時與現有的WPC感應耦合接收器保持向后兼容。 另一個無線充電標準是Alliance for Wireless Power(A4WP)，成立于2012年，建議磁共振無線充電系統使用6.78MHz 的ISM頻段來產生磁場。A4WP 與 WPC不同，不支持緊密感應耦合機制。這兩個標準的一個顯著區別是使用的頻率不同：WPC 使用 100 至 205 kHz，A4WP 使用 6.78 MHz。值得一提的是，其他公司或企業聯盟也正在使用 ISM 頻段進行無線電源傳輸。例如，英特爾已經展示了筆記本電腦和手機之間的無線電源(使用13.56 MHz)原型。EUROBALISE共同體已經指定了火車和地面軌道上固定應答器之間的無線充電系統，使用頻率為27 MHz。 需要注意的是，只有WPC、A4WP以及次要的Eurobalise是基于聯盟的開放的無線充電標準。WiTricity 或英特爾等其他系統有專門的無線充電標準，不會像其他標準一樣獲得業內公司的廣泛支持。Powermat 最近成立了一個名為 Power Matter Alliance(充電聯盟)的新聯盟，試圖使自己的無線電源技術成為另一個標準。談論這一舉措將會有多成功還為時尚早。表1中值得一提的是，使用ISM MHz頻段的無線充電系統需要依靠不同的頻段進行電力傳輸和通信。這是肯定的，因為ISM頻段很窄，而且帶外發射要求很嚴。其他需要提及的還有這些技術能否提供三維空間自由度來根據發射器的位置放置接收器。作為一個緊耦合系統啟用的 WPC，正在創建一個自適應磁共振發射器拓撲，以提供高達 5cm 的 Z 空間自由度，以及類似的或更大的 X 和 Y 空間自由度。 Powermat 是靈活性最小的技術，只有緊耦合系統，并要求發射器使用磁鐵，以幫助線圈對準。A4WP 和英特爾似乎提供相似的系統類型。而 Eurobalise 標準能從高速列車上將電源無線傳輸到鐵軌上的固定應答器，并以不同頻率傳回數據，因而與眾不同。 那么如何比較這些不同系統的效率、成本和排放標準遵從性?表2試圖提供一些指導。這些技術已按照他們正使用的頻段進行了重組。一方面，WPC 和 Powermat 系統低于500kHz，其他的使用ISM頻段，6.78、13.56 或 27.095 MHz。 首先，對于這些系統最重要的是符合有關人類射頻暴露和EMC輻射的法規。低于500kHz的系統在這方面表現更好，有更大空間遵守法規。而對于 ISM 頻段，我們仍在等待具體數據，顯示這些系統確實符合 FCC 第 15 部分和第 18 部分以及 CISPR11 的要求。對此，一個例證是 2012 年 5 月推出的三星 6.78MHz 無線充電配件延遲上市，6 個月后仍然沒有供貨。這些系統必將設法符合這些要求，但這樣利潤將會減少，而且隨著時間的推移和大批量的生產可能會變得難以管理。 其次，對于效率、傳輸距離和系統成本，這些技術都有一些優缺點，綜合起來性能相差無幾。對于 ISM頻段系統來說，驅動電路更加昂貴，但線圈/天線更便宜，而低于 500kHz 的系統則相反。兩個頻段在傳輸范圍和效率方面性能相似，都遵守相同的物理定律。 那么，哪個系統將更受市場歡迎呢。首先，我確信，只有一個行業技術標準能獲得廣泛的市場認可。對此，Powermat 是一個很好的反例。無線充電領域的先驅 Powermat 在市場上出現 5 年后仍未成為無線充電技術的選擇。 最近，它與金霸王(Duracell)在美國結盟是一個大膽的舉措，投資數百萬美元創建一個品牌和一些基礎設施。但結果仍有待觀察。 另一家公司英特爾也計劃為無線電源提供一個專有系統，使用 PC 和 超級本作為智能手機和 PC 配件的無繩充電站。目前，此系統僅處于原型階段，所以無法判斷。如此一來，現在只剩下兩個開放的標準系統：WPC 和 A4WP。 WPC Qi 系統無疑領先一步：出現了近 4 年，擁有 120 多名活躍的成員。2011年， WPC 發布了第一個規范，2012 年發布了 1.1 后續修訂版。2012 年成立的 A4WP 到 2012 年 10 月底，已有 19 名成員。A4WP 尚未公布規范。 WPC 獲得了日本手機公司和供應商、美國Verizon、諾基亞和許多其他消費電子產品公司的擁戴。A4WP 的主要成員和創建者是高通和三星。值得一提的是，三星實際上是這兩個聯盟的成員。事實上，在 19 名 A4WP 成員中，有 7 名也是 WPC 的成員，隨著更多 WPC 公司加入 A4WP 以獲得其規范，這一比率可能還會增加。A4WP 的最低加盟費比 WPC 的少四分之一，這樣新公司很容易便能加入 A4WP。 WPC 已授權了幾個不同的認證公司，可以提供官方 Qi 認證標記。 截止 2012 年 10 月，大約有 120 個產品獲得了 Qi 認證，而一年前為40個產品。這種增長趨勢在新的一年里會進一步加大。 大約有三分之二的 WPC 成員來自亞洲，20% 來自美國，15% 來自歐洲，這也很好地顯示出采用這種技術的地區。現在 WPC 正致力于將電流規范的電源擴展到 15W，然后會將平板電腦或小型筆記本電腦系統擴展到 30W。最后，廚房工作組將尋找高達2000瓦的更高功率，為廚房電器進行無線充電。 飛思卡爾于 2011 年加盟了 WPC，至今生產了幾個 5W 和 30W 的參考系統。有一個系統展示了 4 個 30W 的電池組可同時進行無線充電;都由一個 MCU 驅動。飛思卡爾運用一個小型數字信號處理器作為無線充電發射器。DSP 功能支持低功率，并快速處理驅動發射器線圈所需的 PID 回路。然后，系統開發人員可以使用這個體積雖小但功能強大的內核進行額外的電源處理，以實施其他輔助功能，如 CAN 接口、用戶界面功能或任何可以使用備用存儲空間和空閑 I/O 的其他功能。 對于采用無線充電作為主流技術來說，2012年是一個轉折點。 成功的重要因素是時機成熟、有標準、大型OEM和無線運營商致力于該技術。分析師們仍然預測該市場將迅速增長，盡管比原先預期的晚了幾年。除了手機和消費電子設備外，其他行業的許多其他設備也可以因為這種技術的進步而受益，即使在不需要標準，或不渴望標準的許多領域也是如此。便攜式醫療設備、玩具、助聽器、機器人、專業音響設備、雙向無線電通訊設備和許多其他系統都可以使用無線充電或無線電源傳輸。有了解決方案提供商這條可靠的供應鏈，這些特定的應用會發現很多解決方案供應商。有了技術，生態系統已經就緒，而蘋果公司如何處理無線充電仍然是一個未知數。 這可能是該市場得以最終發展的最后一個不確定性因素。 參考文獻： [1] Three wireless charging reference designs should suit most requirements.(2012-6-26).[R/OL]. http://www.newelectronics.co.uk/electronics-technology/three-wireless-charging-reference-designs-should-suit-most-requirements/43281/ [2] 110 Qi-Enabled Products Certified By The Wireless Power Consortium.(2012-9-4).[R/OL].http://www.prnewswire.com/news-releases/110-qi-enabled-products-certified-by-the-wireless-power-consortium-168440166.html [3]Wireless Charging Speaker.[R/OL].http://www.tdkperformance.com/en-us/Home-Audio/Boomboxes/Wireless-Charging-Speaker/ [4]WPC官網.[R/OL].http://www.wirelesspowerconsortium.com/ [5]飛思卡爾無線充電網頁.[R/OL].http://www.freescale.com/wirlesscharging |
