通過自由空間設(shè)計(jì)來加速無線充電應(yīng)用

現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了大量可能的無線充電應(yīng)用。消費(fèi)類設(shè)備品牌希望通過快速、安全的感應(yīng)或電容式充電來替換充電電纜，從而為用戶提供更大便利，并幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。但是，該過程也會(huì)帶來重大的技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

經(jīng)過多年努力，其中許多挑戰(zhàn)已經(jīng)得到解決，但也導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施的推出放緩，其中一個(gè)主要問題（新興技術(shù)通常都會(huì)遇到類似狀況）是標(biāo)準(zhǔn)之間的競爭。Qi 標(biāo)準(zhǔn)和 AirFuel 聯(lián)盟內(nèi)的其他各種規(guī)范已經(jīng)爭論了一段時(shí)間，它們推出不同且互不相容的技術(shù)，使設(shè)備制造商難以確信消費(fèi)者可以輕松地為智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備或筆記本電腦充電。

此外，還有一些技術(shù)問題尚待解決。許多系統(tǒng)要求發(fā)射器和接收器上的充電線圈需要對齊以獲得最快的充電，而當(dāng)使用者在將移動(dòng)手機(jī)放在桌子上充電時(shí)，這種情況不會(huì)發(fā)生，被充電設(shè)備和下面的充電器也必須能夠通訊，有許多不同的方式可以實(shí)現(xiàn)這些。

GaN 的價(jià)值主張

業(yè)界正在考慮使用新的半導(dǎo)體工藝?；?a href="http://srfitnesspt.com/tags/氮化鎵/" target="_blank">氮化鎵（GaN）的芯片用于功率控制器和發(fā)射器與接收器之間的無線電鏈路。雖然這些器件的效率明顯高于硅產(chǎn)品，但它們的生產(chǎn)成熟度較低，良率較低意味著需要考慮成本方面是否具有優(yōu)勢。

所有這些動(dòng)態(tài)一直在推動(dòng)無線充電從基于線圈的電感和電容充電（可在幾毫米距離上運(yùn)行）轉(zhuǎn)向能夠在自由空間（距離最遠(yuǎn) 25 米）充電的系統(tǒng)。這開辟了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新方法，例如，在超市中可以用遠(yuǎn)處的電源來為包裝上的智能標(biāo)簽供電。

盡管如此，仍然有很多人強(qiáng)調(diào)更為傳統(tǒng)的無線充電機(jī)制。幾年前，當(dāng) Alliance for Wireless Power 和 Power Matters Alliance 合并時(shí)，AirFuel Alliance 成立，并制定了直接與 Qi 競爭的規(guī)范。意法半導(dǎo)體 STMicroelectronics 正在使用 AirFuel 的磁共振規(guī)范，初創(chuàng)公司 WiTricity 的技術(shù)，以及包含電感和諧振充電的多模解決方案。 WiTricity 還通過使用磁共振技術(shù)成功演示了筆記本電腦的無線充電，Dell 的 Latitude 7000 是世界上第一款使用這種技術(shù)的二合一無線充電電腦。

對于物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)性電子市場而言，諸如此類的功率傳輸和接收系統(tǒng)目標(biāo)是在感應(yīng)充電更難以執(zhí)行的情況下，能夠同時(shí)向多個(gè)設(shè)備提供無線快速充電。Efficient Power Conversion Corporation（EPC）還使用其 eGaN 芯片針對諧振無線充電開發(fā)了一套完整的 AirFuel 4 類無線充電套件。EPC9129 工作在 6.78MHz（最低 ISM 頻段），能夠傳輸高達(dá) 33W 的功率。該套件包括兩個(gè)接收器器件，每個(gè)都有自己的穩(wěn)壓輸出，其中之一額定功率為 5W，在 19V 時(shí)功率為 27W。其目標(biāo)是在尋求使用 eGaN FET 實(shí)現(xiàn)高效無線功率傳輸時(shí)簡化評估過程，突顯了這些 FET 可提供的全部功率效率（介于 80％和 90％之間）。

對于面向大功率傳輸表面區(qū)域的應(yīng)用，諧振無線充電有特別的意義，可以將接收設(shè)備放置在表面上的任何位置，并且能夠同時(shí)為多個(gè)設(shè)備供電或充電。GaN Systems 針對無線充電使用基于 GaN 的功率和 RF 器件開發(fā)了兩款無線功率放大器評估板，100W 選項(xiàng)方案支持 70W 至 100W 的系統(tǒng)，而 300W 選項(xiàng)方案則支持 150W 至 1kW 的設(shè)計(jì)。這兩款功率放大器都具有一系列功能，包括電流或電壓控制，內(nèi)建保護(hù)電路，EMI 濾波和可配置輸出功率。

GaN Systems 在上述應(yīng)用中將公司的功率晶體管與 Murata 的高頻 GaN E-HEMT 驅(qū)動(dòng)器組合在一起。 100W 的 GSWP100W-EVBPA 評估板面向消費(fèi)類市場，適用于筆記本電腦、電動(dòng)工具和多個(gè)智能手機(jī)的快速充電等。功率更高的 300W GSWP300W-EVBPA 適用于工業(yè)和運(yùn)輸市場，其中包括送貨無人機(jī)、倉儲機(jī)器人、醫(yī)療系統(tǒng)、工廠自動(dòng)化、承包商電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和踏板車等應(yīng)用。

一些系統(tǒng)開發(fā)人員希望增大發(fā)送和接收功率線圈之間的距離。例如，Wibotix 已經(jīng)開發(fā)的技術(shù)可以在距離最遠(yuǎn) 5cm 的電池系統(tǒng)中提供 300W 功率，其中一個(gè)目標(biāo)應(yīng)用是在鋼鐵鑄造廠等惡劣環(huán)境中運(yùn)行的電動(dòng)貨車。采用這種無線充電，將可以消除伴隨的功率電纜，而這些電纜也通常被證明是工作故障的原因之一。PCB 上的 20cm 圓形跡線可用作發(fā)射器，它與 10cm 直徑接收器相連，可在任何方向上自由移動(dòng) 5cm。

這種自由運(yùn)動(dòng)是必不可少的，因?yàn)樗试S貨車?？康綁叧潆娬具M(jìn)行快速充電。目前的 125W 系統(tǒng)意味著 5Ah，25V 電池可以在大約一小時(shí)內(nèi)完全充滿電，而如果采用 300W 系統(tǒng)實(shí)施充電，這將減少到 25 分鐘。充電器為可編程和可調(diào)節(jié)，能通過 2.4GHz 無線數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行控制。貨車在充電站充電時(shí)，充電器在運(yùn)行期間將電流升高到電池允許最大值，實(shí)施快速充電。或者在夜間通過小電流進(jìn)行較長時(shí)間充電。該系統(tǒng)可設(shè)計(jì)用于同時(shí)支持多個(gè)貨車充電，即便它們具有不同的電池，因?yàn)樘囟姵仡愋偷募?xì)節(jié)已經(jīng)在接收器和發(fā)射器之間的數(shù)據(jù)通訊交換中得到確認(rèn)。

未來目標(biāo)

雖然看起來在更遠(yuǎn)距離進(jìn)行無線充電是一個(gè)長期目標(biāo)，但兩家初創(chuàng)企業(yè)實(shí)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。位于美國圣何塞（San Jose）的 WattUp 遠(yuǎn)距離無線充電系統(tǒng)使用 AirFuel RF 規(guī)范，已獲得美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）的認(rèn)證。WattUp 中場（midfield）發(fā)射器可以為距離為 1 米的設(shè)備提供射頻功率，支持基于接觸式和非接觸式的無線充電，并可為多個(gè)設(shè)備充電。相關(guān)的生態(tài)體系確保接收器和發(fā)射器之間的跨平臺互操作性（interoperability），而無論其來自哪家制造商，從而使其更靈活，并為消費(fèi)者和制造合作伙伴提供更大的可訪問性（accessibility）。 Energous 與 Dialog Semiconductor 還達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議來推廣該技術(shù)。另一家供應(yīng)商 Powercast 已開始針對 3W 藍(lán)牙認(rèn)證的遠(yuǎn)場發(fā)射器提供價(jià)值 100 美元的套件，該發(fā)射器可在距離最遠(yuǎn) 25 米處為多件消費(fèi)性電子產(chǎn)品充電。PowerSpot 發(fā)射器能夠創(chuàng)建一個(gè)區(qū)域，當(dāng)支持 PowerSpot 的設(shè)備進(jìn)入該范圍時(shí)能夠自動(dòng)為其供電或?yàn)槠涑潆?。該發(fā)射器使用 915MHz ISM 頻段，通過無線方式發(fā)送 RF 能量至設(shè)備中嵌入的 PowerHarvester 接收器芯片，然后將 RF 能量轉(zhuǎn)換為直流電（DC）以補(bǔ)充電池電力。該公司正在推出一個(gè)開發(fā)套件，以幫助制造商設(shè)計(jì)基于 PowerSpot 的無線充電系統(tǒng)。

藍(lán)牙認(rèn)可的 PowerSpot 采用低功耗藍(lán)牙（BLE）多協(xié)議解決方案，使發(fā)射器智能、可配置和可控。例如，BLE 能夠以無線方式安排功率傳輸，監(jiān)測充電設(shè)備的電池狀態(tài)，并在設(shè)備充滿電時(shí)關(guān)閉發(fā)射器。這項(xiàng)技術(shù)甚至已擴(kuò)展到超市環(huán)境，Powercast 正在與材料供應(yīng)商 PPG 合作，以無線充電運(yùn)行的印刷電子系統(tǒng)可點(diǎn)亮貨架。使用 PPG 的導(dǎo)電墨水，可將電子電路直接印刷到基板對側(cè)，然后使用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂將 PowerHarvester 接收器和其他組件連接到基板上，通過標(biāo)簽層壓以密封電子電路。這種技術(shù)可以捕獲 RF 功率以驅(qū)動(dòng)包裝上的 LED。第一個(gè)采用 PPG 智能標(biāo)簽的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在 Pennsylvania Straub Brewing 的 6 件啤酒包裝上。

當(dāng)今世界對于無線充電的采納并沒有達(dá)到幾年前業(yè)界預(yù)期的那種程度。不過，新技術(shù)的出現(xiàn)可能會(huì)改變這一切?，F(xiàn)在，通過在自由空間進(jìn)行無線充電的技術(shù)創(chuàng)新，就像本文所討論的那樣，我們有很大的機(jī)會(huì)在未來得到更充分發(fā)展，并對剛剛開始的無線充電行業(yè)產(chǎn)生真正的深遠(yuǎn)影響。

審核編輯黃昊宇