無線充電/供電技術(shù)與方案介紹
- 0背景
- 1.無線供電特點(diǎn)
- 2.無線供電原理及實(shí)現(xiàn)方式
- 3.現(xiàn)有解決方案分析
- 4.FAQ及相關(guān)測(cè)試
- 5.參考資料
0背景
現(xiàn)今幾乎所有的電子設(shè)備，如手機(jī)，MP3和筆記本電腦等，進(jìn)行充電的方式主要是有線電能傳輸，既一端連接交流電源,另一端連接便攜式電子設(shè)備充電電池的。這種方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞主板接口，另外不小心也可能帶來觸電的危險(xiǎn)。
無線充電運(yùn)用了一種新型的能量傳輸技術(shù)——無線供電技術(shù)。該技術(shù)使充電器擺脫了線路的限制，實(shí)現(xiàn)電器和電源完全分離。在安全性，靈活性等方面顯示出比傳統(tǒng)充電器更好的優(yōu)勢(shì)。在如今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無線充電顯示出了廣闊的發(fā)展前景。
目前無線充電的技術(shù)已經(jīng)開始在各領(lǐng)域中探索運(yùn)用。由于無線傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，設(shè)備的耗能就越高。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率的無線電磁轉(zhuǎn)換，設(shè)備的耗能較高。所以, 實(shí)現(xiàn)無線充電的高效率能量傳輸，是無線充電器普及的首要問題。另一方面要解決的問題是建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使不同型號(hào)的無線充電器與不同的電子產(chǎn)品之間能匹配,從而實(shí)現(xiàn)無線充電。
無線充電已從夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)，從概念變成商用產(chǎn)品。無線充電產(chǎn)品實(shí)例：
圖： 手機(jī)筆記本無線充電器
圖：新能源汽車無線充電
圖： 電動(dòng)牙刷無線充電
1.無線供電特點(diǎn)
1.1優(yōu)點(diǎn)：
（1）便捷性：非接觸式，一對(duì)多充電與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時(shí)亦避免了接口不適用，接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。一臺(tái)充電器可以對(duì)多個(gè)負(fù)載充電，一個(gè)家庭購(gòu)買一臺(tái)充電器就可以滿足全家人使用。
（2）通用性：應(yīng)用范圍廣只要使用同一種無線充電標(biāo)準(zhǔn)，無論哪家廠商的哪款設(shè)備均可進(jìn)行無線充電。
（3）新穎性，用戶體驗(yàn)好
（4）具有通用標(biāo)準(zhǔn)
主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有：Qi標(biāo)準(zhǔn)、PMA標(biāo)準(zhǔn)、A4WP標(biāo)準(zhǔn)。
Qi標(biāo)準(zhǔn)：Qi標(biāo)準(zhǔn)是全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟（WPC，2008年成立）推出的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，其采用了目前最為主流的電磁感應(yīng)技術(shù)，具備兼容性以及通用性兩大特點(diǎn)。只要是擁有Qi標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品，都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月，蘋果加入WPC。
PMA標(biāo)準(zhǔn)：PMA聯(lián)盟致力于為符合IEEE協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和電子設(shè)備，打造無線供電標(biāo)準(zhǔn)，在無線充電領(lǐng)域中具有領(lǐng)導(dǎo)地位。PMA也是采用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無線充電。目前已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟。
A4WP：Alliance for Wireless Power標(biāo)準(zhǔn)，2012年推出，目標(biāo)是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等在內(nèi)的電子產(chǎn)品無線充電設(shè)備設(shè)立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)對(duì)話機(jī)制。A4WP采用電磁共振原理來實(shí)現(xiàn)無線充電。
1.2 缺點(diǎn)
（1）工作距離短
目前的無線充電技術(shù)大多在短距離范圍內(nèi)的近磁場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行無線充電。因?yàn)闊o線電能傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，功率的耗損也就會(huì)越大，能量傳輸效率就會(huì)越低，且會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的耗能較高。
（2）轉(zhuǎn)換效率低，速度慢
無線充電技術(shù)雖然簡(jiǎn)單便捷，但是其硬傷在于緩慢的充電速度和充電效率。
（3）功耗較高，更加費(fèi)電
隨著無線充電設(shè)備的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會(huì)越大。
（4）成本較高，維護(hù)消耗大，不符合標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有安全隱患危險(xiǎn)
2. 無線供電原理及實(shí)現(xiàn)方式
無線充電利用電磁波感應(yīng)原理進(jìn)行充電，原理類似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流。
2007年6月麻省理工學(xué)院以Marin Soljacic為首的研究團(tuán)隊(duì)首次演示了利用電磁感應(yīng)原理的燈泡無線供電技術(shù)，他們可以在一米距離內(nèi)無線給60瓦的燈泡提供電力，電能傳輸效率高達(dá)75%。
研究者由此設(shè)想電源可以在這范圍內(nèi)為電池進(jìn)行無線充電，進(jìn)而推想只需要安裝一個(gè)電源，即可為整個(gè)屋里的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲范圍，接收線圈在非輻射磁場(chǎng)內(nèi)部發(fā)生諧振，以相同的頻率振蕩，然后有效的通過磁感應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。
圖：無線充電原理
實(shí)現(xiàn)無線充電技術(shù)主要通過四種方式：電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式、無線電波式、電場(chǎng)耦合式：
2.1 電磁感應(yīng)式
1890年，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經(jīng)做了無線輸電試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了交流發(fā)電。
邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理，電流通過線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其他未通電的線圈靠近磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生電流。
圖：電磁感應(yīng)式原理
電磁感應(yīng)式充電：初級(jí)線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應(yīng)，事實(shí)上，電磁感應(yīng)解決方案在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上并無太多神秘感，中國(guó)本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請(qǐng)的非接觸感應(yīng)式充電器專利，就使用了電磁感應(yīng)技術(shù)。
電磁感應(yīng)式是當(dāng)前最成熟、最普遍的無線充電技術(shù)，原理有些類似于變壓器。
圖：電動(dòng)汽車無線充電原理
2.2 磁場(chǎng)共振式
圖：磁場(chǎng)共振方式原理
磁場(chǎng)共振充電由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)點(diǎn)亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實(shí)驗(yàn)中使用的線圈直徑達(dá)到50cm，還無法實(shí)現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會(huì)下降。
相比電磁感應(yīng)方式，利用共振可延長(zhǎng)傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應(yīng)方式，無需使線圈間的位置完全吻合。
應(yīng)用：意法半導(dǎo)體與WiTricity合作開發(fā)諧振無線電能傳輸芯片
意法半導(dǎo)體(簡(jiǎn)稱ST)與超長(zhǎng)距離無線電能傳輸技術(shù)先驅(qū)WiTricity公司,宣布合作開發(fā)電磁諧振式無線電能傳輸半導(dǎo)體解決方案。
此方案支持消費(fèi)電子和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備快速無線充電,并支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)充電。這個(gè)電磁諧振無線電能傳輸芯片被稱為“無線充電2.0”,與現(xiàn)有無線充電技術(shù)不同的是,這款芯片能夠給金屬外殼的智能手機(jī)、平板電腦和智能手表高效充電。
2.3 無線電波式
無線電波式充電：這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個(gè)安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。
整個(gè)傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線3部分;微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率
圖：無線電波充電示意圖
應(yīng)用：AirVolt無線充電器
AirVolt是一款利用無線電波給移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電的無線充電器。和同類型產(chǎn)品一樣,它的效率要比有線充電低一些。AirVolt充電頭通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為電磁波,接收器獲取后會(huì)將電磁波又轉(zhuǎn)化為電能為手機(jī)充電。當(dāng)電量充滿到80%時(shí)就會(huì)自動(dòng)停止充電, 低于20%時(shí)又會(huì)自動(dòng)充電, 既保證了手機(jī)最佳電量又不會(huì)導(dǎo)致過度充電, 增加了電池使用壽命。
AirVolt由 TechNovator公司開發(fā), 需要充電時(shí)只要將接收器插進(jìn)手機(jī), 再將充電頭插上插座就能進(jìn)行遠(yuǎn)程無線充電。最佳充電距離是9米之內(nèi),而最遠(yuǎn)距離可達(dá)12米,躲到屋里任何一個(gè)角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小，充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning 或 Micro usb兩種接口選擇, 滿足不同需要。
2.4電場(chǎng)耦合式
電場(chǎng)耦合式充電原理：利用通過沿垂直方向耦合兩組非對(duì)稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來傳輸電力。一般充電模塊是由2個(gè)非對(duì)稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個(gè)非對(duì)稱偶極子的電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來供電的。
電場(chǎng)耦合方式的特點(diǎn)大致有三：①充電時(shí)可實(shí)現(xiàn)位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會(huì)上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統(tǒng)成本。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進(jìn)行無線供電的供電臺(tái)。
3.現(xiàn)有解決方案分析：
國(guó)外研發(fā)無線充電技術(shù)(包括芯片/方案/發(fā)射接收器件)的企業(yè)主要包括了IDT、TI、Freescale、高通、博通、NXP、Fulton、Energous、Delphi、松下、東芝、富士通等。
國(guó)內(nèi)則有中惠創(chuàng)智、新頁、中興、勁芯微、美嗒嗒、微鵝、斯普奧汀、華潤(rùn)矽科、新捷、伏達(dá)、以及臺(tái)灣凌陽等。
在無線充電發(fā)射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機(jī)到大功率的筆記型計(jì)算機(jī)，因此一個(gè)成熟的解決方案首先應(yīng)該要能檢測(cè)到對(duì)應(yīng)不同的目標(biāo)物；而每個(gè)接收裝置的電力需求會(huì)有所不同，這時(shí)發(fā)射器需要能自動(dòng)調(diào)節(jié)功率輸出進(jìn)行供電。
一般無線充電步驟分為：檢測(cè)、通信、供電三個(gè)階段：
（1） 檢測(cè)階段：識(shí)別可供電設(shè)備及異物（FOD）
當(dāng)接收器放置在發(fā)射器工作范圍內(nèi)，發(fā)射器檢測(cè)是否是一個(gè)接收器靠近
（2） 通訊階段：進(jìn)行身份認(rèn)證
發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動(dòng)接收器，之后接收器回復(fù)響應(yīng)數(shù)據(jù)完成身份的認(rèn)證
（3） 充電階段：進(jìn)行電能傳輸
在身份認(rèn)證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設(shè)備類型，選擇相應(yīng)的功率等參數(shù)，為接收器充電
以Qi標(biāo)準(zhǔn)為例，整體流程如下：
圖：Qi標(biāo)準(zhǔn)通訊流程
現(xiàn)今無線充電系統(tǒng)都采用共振的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在架構(gòu)上都大至相同有下列這些構(gòu)造：
發(fā)射器內(nèi)有
- 直流電源輸入
- 頻率產(chǎn)生裝置
- 切換電力的開關(guān)
- 發(fā)射的線圈與電容諧振組合
接收器內(nèi)有
- 接收的線圈與電容諧振組合
- 整流器;
- 濾波與穩(wěn)壓器
- 直流電源輸出
3.1 IDT無線IC方案
圖：IDT無線發(fā)射與接收IC
IDT公司的無線充電技術(shù)解決方案具備高集成度，提供單芯片SOC解決方案，支持QI-LOGOWPC認(rèn)證，并且兼容POWERMATE模式；具有加密通訊（FSK、ASK實(shí)現(xiàn)），異物檢測(cè)模式功能。IDT目前是英特爾整個(gè)平臺(tái)無線充電技術(shù)唯一的合作伙伴�，F(xiàn)已有多家廠商使用IDT無線充電解決方案。
IDT的無線充放電IC在無線充電效率在15W時(shí)最高可達(dá)87%，提高了系統(tǒng)的熱性能，可以媲美傳統(tǒng)的有線充電架構(gòu)。其內(nèi)部處理器基于32位ARM Cortex-M0架構(gòu)，通過I2C通訊控制，并且提供了擴(kuò)展的數(shù)字IO引腳以及相關(guān)軟件庫(kù)。
圖 ：IDT無線充電解決方案原理
成本評(píng)估參考：
芯片 價(jià)格 ()P9242−RNDGI(15WTransmitter) 4.4
P9221-RAHGI8 (15W Receiver) 3.2P9038−RNDGI(5WTransmitter) 3.9
P9025AC-RNBGI (5W Receiver) $ 3.2
3.2 恩智浦MW系列無線充電IC方案：
恩智浦提供的解決方案涵蓋5 W的低功耗產(chǎn)品到15 W的中等功耗產(chǎn)品，適用于消費(fèi)電子、工業(yè)控制和汽車電子市場(chǎng)，包含發(fā)送器/接收器控制器IC、相關(guān)軟件、評(píng)估板和參考設(shè)計(jì)。該軟件包含實(shí)現(xiàn)核心充電功能所需的全部資源，還提供了用于定制和增加功能的API。
圖：恩智浦MW系列無線充電IC
成本評(píng)估參考：
3.3 TI （BQ系列）無線充電方案
TI是最早量產(chǎn)無線充電方案公司。其中10W無線充電解決方案中，從發(fā)射端輸入到接收端輸出效率可以達(dá)到84%。
接收器功能框圖：
發(fā)射器功能框圖：
此外，TI推出的第三代無線電接收器芯片bq51020和bq51021，以及世界第一個(gè)達(dá)到WPC1.1和PMA標(biāo)準(zhǔn)的雙模型集成電路bq51221，這些接收器解決方案已達(dá)到96%的超高效率。從而完全消除了在5W的條件下，應(yīng)用于智能手機(jī)及其他便攜式設(shè)備中全面運(yùn)轉(zhuǎn)的散熱問題。
成本評(píng)估參考：
發(fā)送器:
接收器：
3.4 東芝無線IC方案
東芝公司旗下存儲(chǔ)與電子元器件解決方案公司也有宣布,使用東芝“TC7718FTG”15W無線充電發(fā)射器IC的無線充電發(fā)射器系統(tǒng)經(jīng)認(rèn)證符合無線充電聯(lián)盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴(kuò)展功率分布)標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)采用支持簡(jiǎn)單系統(tǒng)配置的MP-A2 (由無線充電聯(lián)盟定義的使用12V單線圈的無線充電發(fā)射器系統(tǒng)) ，通過Qi認(rèn)證的MP-A2發(fā)射器系統(tǒng)。
東芝推出無線充電接收器IC——“TC7766WBG”,該產(chǎn)品經(jīng)認(rèn)證符合無線充電聯(lián)盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴(kuò)展功率分布)標(biāo)準(zhǔn)。TC7766WBG是通過Qi認(rèn)證的15W接收器IC。
4. FAQ及相關(guān)測(cè)試結(jié)果
1、人體危害：
當(dāng)電磁波頻率加到1GHz以上就會(huì)直接對(duì)水分子加熱；這個(gè)原理就變成微波爐了，所以無論13MHz會(huì)對(duì)金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無線電力在設(shè)計(jì)時(shí)必需解決安全的問題才能上市
2、發(fā)熱：
接收端5W的需求在只有20%的轉(zhuǎn)換效率下有20W的能量轉(zhuǎn)換成熱能散逸，這樣的能量會(huì)產(chǎn)生龐大的熱能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統(tǒng)最大輸出能力會(huì)在25W，若為無安全設(shè)計(jì)下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)意外。因此有必要做設(shè)備識(shí)別。
3、充放電效率問題：
發(fā)射端輸入電壓為5VDC，接受線圈之間距離為3cm，接收端通過接受線圈獲取電能，通過整流濾波形成穩(wěn)定的5v直流電。
4、互感影響：垂直距離和水平位置影響
5、距離以及線圈大小對(duì)充電效率的影響。
遠(yuǎn)距離（相隔一定的空間）的感應(yīng)電能傳輸效率非常低，而在設(shè)備附近（例如表面）進(jìn)行的感應(yīng)電能傳輸則可以真正做到高效，其效率可與有線傳輸比擬。
距離越大(z/D > 1)或線圈大小差距越大，效率降低的幅度越大
距離越小(z/D < 0.1)，線圈大小越接近(D2/D = 0.5..1) ，效率越高
6、功耗問題。
與2相同條件下，發(fā)射端待機(jī)功耗：
5. 參考資料
[1] 王振亞, 王學(xué)梅, 張波, 等. 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展 [J]. 電源學(xué)報(bào), 2014, 12(3):27-32.
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[3] 潘力. 一種鋰電池?zé)o線充電模塊的設(shè)計(jì)[D]. 電子科技大學(xué), 2013.
[4] 朱美杰. 感應(yīng)式無線充電技術(shù)的研究[D]. 南京信息工程大學(xué), 2012.
