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在過去的幾年間，無線充電市場蓬勃發(fā)展，無線充電標(biāo)準(zhǔn)趨于整合，并且不斷有新的供應(yīng)商和新產(chǎn)品涌現(xiàn)。與此同時(shí)，一些技術(shù)的發(fā)展也取得了令人振奮的成果，下面就與大家一起討論無線充電技術(shù)現(xiàn)在的發(fā)展情況以及未來的展望。 無線充電也稱為無線電力傳輸（WPT），在一些消費(fèi)級可穿戴產(chǎn)品中可謂是風(fēng)靡一時(shí)，比如智能手機(jī)、智能手表和健康手環(huán)等，但是這個(gè)創(chuàng)意本身已經(jīng)存在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間了。著名的發(fā)明家Nikola Tesla早在1891年就展示過兩個(gè)燈泡之間的WPT效應(yīng)。無線充電對工業(yè)和汽車行業(yè)的業(yè)者也頗有吸引力，因?yàn)椴挥弥苯拥慕佑|，所以就不會產(chǎn)生火花而引起爆炸，并且無線充電系統(tǒng)還可以單獨(dú)密封起來，免受工業(yè)溶劑、灰塵以及腐蝕氣體的影響。 
圖1：感應(yīng)式無線充電廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，但是需要發(fā)射和接收線圈精確對齊才能工作 20世紀(jì)90年代消費(fèi)者才開始廣泛使用諸如電動(dòng)牙刷和電動(dòng)剃須刀之類的小型家用電器。在過去的10年時(shí)間里，隨著WPT的標(biāo)準(zhǔn)化以及便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的興起，這類需求正不斷增加。 兩種技術(shù)的故事 無線充電系統(tǒng)遵循近場充電（NFC）準(zhǔn)則：發(fā)射線圈會生成一個(gè)震蕩磁場空間，通過電磁感應(yīng)向附近的接收線圈傳輸能量。典型配置就是固定的充電站或者充電座中包含發(fā)射電路和初級線圈，而被充電的設(shè)備則包含接收器和次級線圈。 發(fā)射線圈（初級線圈）生成的磁場只有一小部分的磁通量可以穿透接收線圈（次級線圈）并傳輸能量：這兩個(gè)線圈本質(zhì)上構(gòu)成一個(gè)變壓器，傳輸效率是兩個(gè)線圈的耦合系數(shù)（K）與質(zhì)量因子（Q）的函數(shù)。 發(fā)射器與接收器之間的金屬物體會吸收能量，降低效率甚至造成發(fā)熱構(gòu)成安全隱患，因此異物檢測（FOD）技術(shù)也已經(jīng)被集成到目前的無線充電系統(tǒng)中。 WPT開發(fā)人員正在致力于研究兩種技術(shù)：感應(yīng)充電使用兩個(gè)相鄰的緊密耦合線圈；共振充電則是使兩個(gè)線圈都達(dá)到諧振頻率產(chǎn)生共振效應(yīng)。盡管這兩種技術(shù)都采用感應(yīng)耦合，但所謂“感應(yīng)充電”通常是指緊密耦合的充電方式。 感應(yīng)充電概述 感應(yīng)充電方式是低功耗便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的理想選擇，但可能不適合一些大型產(chǎn)品，所以我們先討論感應(yīng)充電，最后再討論諧振充電。 感應(yīng)充電的效率很高，但是對線圈的失調(diào)非常敏感。電力的傳輸與距離的平方成反比關(guān)系，隨著距離的增加電力傳輸效率會迅速下降。為了提高效率，用戶使用的產(chǎn)品中兩個(gè)線圈的距離一般都會保持在7mm以內(nèi)，如果用戶移動(dòng)了接收設(shè)備，系統(tǒng)就會檢測到充電效率的下降而終止電力傳輸。 圖2顯示了使用兩個(gè)Rohm器件的感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的架構(gòu)圖，稍后將對此展開討論。在大多數(shù)應(yīng)用中，無線充電系統(tǒng)還包含另兩個(gè)模塊：一個(gè)是為發(fā)射器充電的交流/直流電源，一個(gè)是接收器后面的鋰離子電池充電器。
圖2：感應(yīng)充電系統(tǒng)架構(gòu)圖 (資料來源：Mouser Electronics) 目前有兩個(gè)相互競爭的感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟（WPC）推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel聯(lián)盟支持的AirFuel感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)，兩者的工作頻率分別在100-200KHz和100-350KHz，它們的整體效率都超過了70%。 很多制造商的產(chǎn)品都同時(shí)支持這兩種標(biāo)準(zhǔn)，比如三星的Galaxy S6和S7智能手機(jī)同時(shí)支持Qi和AirFuel無線充電標(biāo)準(zhǔn)。 無論是Qi還是AirFuel無線充電系統(tǒng)都是通過發(fā)射線圈將電力傳送給接收線圈，但是都由接收端來控制充電的總量。接收端通過改變初級線圈的負(fù)載實(shí)現(xiàn)與發(fā)射端的通信，Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率以及雙相位編碼。AirFuel標(biāo)準(zhǔn)則定義了六種不同的通信符號，每個(gè)AirFuel無線充電系統(tǒng)接收端都有唯一的六字節(jié)ID識別碼，這個(gè)識別ID是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由接收端傳送給發(fā)射端。 無線充電系統(tǒng)比有線充電系統(tǒng)提供的電力要少的多，因此可能需要更長的充電時(shí)間，但是制造商正在積極解決這個(gè)問題，比如提高功率水平。2015年推出的WPC v1.2版本規(guī)范明確最大支持的功率可達(dá)15W，而早期的版本只支持5W。 無線發(fā)射器 在工作期間，發(fā)射器大部分時(shí)間都保持在低功耗的“短暫睡眠”（ snooze）模式，每隔一定的時(shí)間都會激活檢查是否有接收器需要充電。檢測到次級線圈存在后，發(fā)射器會對接收器進(jìn)行身份驗(yàn)證，然后開始進(jìn)行電力傳輸。如果驗(yàn)證失敗，發(fā)射器會重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在電力傳輸?shù)恼麄�(gè)過程中，接收端會通過預(yù)定義的通信數(shù)據(jù)包保持對電力傳輸?shù)耐耆瓶兀@些數(shù)據(jù)包處理的功能包括識別、身份驗(yàn)證、所需的電量和錯(cuò)誤檢測等。
圖3：兼容Qi的TB6865無線發(fā)射器包括模擬、數(shù)字和電源模塊 圖3所示為東芝公司推出的TB6865AFG，它是一款兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線發(fā)射器。TB6865也是一款復(fù)雜的片上系統(tǒng)（SoC）器件，集成了32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核和128KB的閃存空間，以及用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源線圈的全橋逆變器的預(yù)驅(qū)動(dòng)。其他模塊包括三個(gè)低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器和四個(gè)用于解碼接收器命令的解調(diào)器。 無線接收器 與無線發(fā)射器類似，無線接收器也是一款復(fù)雜的SoC器件，比如羅姆半導(dǎo)體公司（ROHM）推出的BD57015GWL集成了全面同步的整流電路、低阻抗的場效應(yīng)晶體管（FET）、用于處理Qi和AirFuel通信的數(shù)據(jù)包控制器和通過調(diào)幅實(shí)現(xiàn)與發(fā)射器通信的開漏輸出驅(qū)動(dòng)器。此器件提供可調(diào)節(jié)的電壓輸出，同時(shí)符合Qi中等功率標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。另外羅姆公司還推出了與之匹配的發(fā)射器BD57020MWV，它遵守Qi中低功率的無線傳輸規(guī)范。 發(fā)射和接收線圈 為了保證不同廠家器件之間的互操作性，Qi標(biāo)準(zhǔn)還定義了詳細(xì)的發(fā)射器充電線圈要求。這個(gè)規(guī)范定義了線圈的電磁特性、幾何形狀和材料。比如A11線圈規(guī)范定義的是單層圓形線圈，在鐵氧體底座上安裝10圈電線，線圈的輸入工作電壓為5V，電感為6.3μh，最大直流阻抗 （DCR）為60mΩ。 A6版本規(guī)范則定義了三個(gè)線圈，通過增大可用充電面積降低了對線圈不對齊的敏感性；由于每個(gè)線圈需要一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，因此這種方案的物料（BOM）成本比較高。 發(fā)射和接收線圈通常都是采用特殊的利茲線纜（Litz wire）制成，它使用多種絕緣線纏繞成多種形狀，將接觸面影響最小化，降低效率損失。兩個(gè)線圈的尺寸應(yīng)該相近以實(shí)現(xiàn)最大程度的能量耦合。比如TDK推出的無線充電線圈兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)，適用于移動(dòng)設(shè)備，采用專用的柔性薄金屬磁片制成，厚度僅為0.52毫米，輸出電流為0.5到0.6A。
圖4：Wurth Elektronik公司提供的各種無線充電線圈 圖4展示的是各種形式的無線充電線圈，符合A6規(guī)范的線圈如圖左側(cè)所示。 接收線圈必須非常輕薄才能適合便攜和可穿戴設(shè)備，但是仍然需要足夠堅(jiān)固才能承受劇烈的振動(dòng)和沖擊。因?yàn)槊總�(gè)智能手機(jī)、健康手環(huán)等電子設(shè)備都是不同的，所以接收線圈一般都是定制的。 在標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品中，Vishay/Dale的IWAS系列線圈是首款商用的接收線圈，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可用于5V或7V電壓充電。比如IWAS-3827EC-50線圈能夠處理高達(dá)10W的功率，整個(gè)線圈有15圈，電感10.7μH，電阻抗183mΩ，安裝在高導(dǎo)磁屏蔽層上，尺寸大約38x26x1mm。 發(fā)射器與接收器模塊 多家制造商提供的模塊都包含線圈和發(fā)射器或者接收器，圖5展示的是TDK公司推出的WTM505090發(fā)射器模塊，它包含發(fā)射器PCB板卡（集成了前面介紹的東芝TB6865AFG器件）以及發(fā)射線圈。
圖5：WTM505090發(fā)射器模塊包含線圈和發(fā)射器，它符合WPC1.1規(guī)范，采用東芝TB6865無線發(fā)射器 WPT開發(fā)工具 目前有多款開發(fā)套件和工具可幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行無線充電設(shè)計(jì)。IDT公司提供的WP3W-RK參考套件最高支持3W的無線充電功率。該套件包含發(fā)射器和接收器以及三個(gè)不同尺寸的線圈來適應(yīng)不同的功率級別，提供交鑰匙型參考設(shè)計(jì)、模塊布局、BOM等，可幫助快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。 新技術(shù)已經(jīng)到來：諧振無線充電 近場感應(yīng)充電依然是當(dāng)今的主流技術(shù)，但是另外兩種技術(shù)也即將進(jìn)入大眾視線，它們能夠提供更遠(yuǎn)距離的無線充電。 諧振充電是另一種近場WPT技術(shù)，它比感應(yīng)充電的效率要低一些，但是支持更長的充電距離，對于線圈的不對齊問題也沒那么敏感。諧振充電系統(tǒng)不依賴線圈的緊密耦合，相反其兩個(gè)線圈是松散耦合的，但是都調(diào)到一個(gè)共同的振動(dòng)頻率。諧振無線充電的優(yōu)勢包括可以同時(shí)對多個(gè)接收器充電，而且兩個(gè)線圈的尺寸也可以不同。 諧振無線充電技術(shù)對汽車領(lǐng)域的應(yīng)用來說頗具吸引力，其中一個(gè)原因是它相比感應(yīng)充電在位置上更靈活一些。將電動(dòng)汽車停在裝有充電樁的停車位上，通常情況下很難精確對齊，而對于感應(yīng)式無線充電來說，發(fā)射線圈與接收線圈錯(cuò)開幾毫米都不行。 電動(dòng)汽車需要更高的充電功率，但幸運(yùn)的是電動(dòng)車比燃油車有更多的空間可以安裝線圈。SAE是汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制定組織，它正在制定SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這是一種面向汽車的諧振充電標(biāo)準(zhǔn)。J2954標(biāo)準(zhǔn)曾計(jì)劃在2018年正式發(fā)布，它一共定義了三種級別的充電規(guī)范，適用于輕型和重型行業(yè)應(yīng)用：WPT1（住宅：3.7KW）、WPT2（私人/公共停車場：7.7KW）和WPT3（快速充電：11KW）。 為支持消費(fèi)級應(yīng)用，WPC還在Qi標(biāo)準(zhǔn)中增加了諧振充電規(guī)范，充電范圍最遠(yuǎn)達(dá)到45mm，而且充電器可以安裝在臺子或桌子下面。當(dāng)然AirFuel聯(lián)盟也制定了諧振充電規(guī)范。 相對于感應(yīng)充電方式，諧振充電方式的商用發(fā)展明顯有些滯后，目前市場上很少有相關(guān)商用產(chǎn)品。 即將到來：遠(yuǎn)場充電 無線充電的最終目標(biāo)是完全消除距離限制，無論你在哪里，你的智能手機(jī)或平板電腦都能夠持續(xù)不斷的充電，但是都會多一堆充電賬單！ 這就要用到遠(yuǎn)場無線電力傳輸，這種技術(shù)借助無線電波（輻射耦合）而不是近場磁感應(yīng)來傳輸電力。 目前真正無處不在的充電是不存在的，但是我們首先要做的就是將充電距離從幾厘米擴(kuò)展到幾米，支持更多的用戶充電，比如讓一個(gè)咖啡店里的所有顧客都能享受無線充電。在眾多研究遠(yuǎn)場射頻充電解決方案的公司中有一家公司Ossia在2017年國際消費(fèi)電子展（CES 2017）上展示了其更新版本的Cota系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用256根天線組成的網(wǎng)絡(luò)發(fā)射2.4GHz頻率信號，通過波束成形將能量聚焦到接收器來響應(yīng)接收器反饋的全向“低功率”警報(bào)信號。發(fā)射器網(wǎng)絡(luò)通過分析接收信號的路徑確定接收器的位置，然后通過相同的路徑返回能量。當(dāng)接收器移動(dòng)時(shí)，發(fā)射器會每隔10ms重新驗(yàn)證接收器的位置。這個(gè)系統(tǒng)聲稱能夠同時(shí)對多個(gè)接收器充電，最大有效范圍是30英尺。 另一個(gè)研究對象是超聲波。與電磁（EM）能量不同，超聲波不會干擾通信，不會造成電磁干擾（EMI）和有害的電離效應(yīng)。2011年位于美國加州圣莫尼卡的uBeam公司宣布開發(fā)了一個(gè)頻率在45-75KHz之間的無線充電系統(tǒng)，這個(gè)頻率超過了人類、寵物和野生動(dòng)物的聽覺范圍。超聲波發(fā)射器與移動(dòng)接收器建立視距連接，接收器嵌入在智能手機(jī)中接收能量和數(shù)據(jù)，直到連接斷開。盡管在2017年2月進(jìn)行了成功的概念驗(yàn)證，但是商用產(chǎn)品真正面市可能還需要幾年時(shí)間。 文章來源：貿(mào)澤電子 作者簡介：作為一名自由技術(shù)撰稿人，Paul Pickering寫過很多文章，涉及的主題包括半導(dǎo)體元件與技術(shù)、無源器件、封裝、電力電子系統(tǒng)、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、嵌入式軟件、EMC和替代能源。Paul在電子行業(yè)擁有超過35年的工程和市場營銷經(jīng)驗(yàn)，對汽車電子、精密模擬器件、功率半導(dǎo)體、嵌入式系統(tǒng)、邏輯器件、飛行模擬和機(jī)器人領(lǐng)域均有涉獵。他還熟練掌握了數(shù)字和模擬電路設(shè)計(jì)、嵌入式軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Paul出生于英格蘭東北部，曾在歐洲、美國和日本生活和工作。他擁有倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院的物理與電子學(xué)士學(xué)位，并在塔爾薩大學(xué)攻讀了研究生。 |
