無(wú)線充電技術(shù)的現(xiàn)狀及其開(kāi)發(fā)系統(tǒng)介紹

隨著基礎(chǔ)設(shè)施、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，無(wú)線充電技術(shù)在這些領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。經(jīng)預(yù)測(cè)，到 2024 年無(wú)線充電市場(chǎng)將增至近每年 150 億美元的規(guī)模。無(wú)線充電技術(shù)對(duì)手機(jī)用戶和公共基礎(chǔ)設(shè)施都有很大好處。手機(jī)制造商、充電板制造商和無(wú)線電力聯(lián)盟希望每個(gè)人在家里、辦公室、家具里以及各種公共交通工具上都有一個(gè)Qi無(wú)線充電裝置和筆記本電腦也可以具備無(wú)線充電功能，只要稍微創(chuàng)新一下設(shè)計(jì)。當(dāng)然，無(wú)線充電一旦技術(shù)壁壘得到突破，將在電動(dòng)汽車(chē)上擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。本文主要從無(wú)線充電技術(shù)的歷史、相應(yīng)技術(shù)、產(chǎn)品的應(yīng)用以及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等幾方面進(jìn)行介紹。希望對(duì)大家在今后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中能有所幫助。

一、無(wú)線充電的起因

當(dāng)你把手機(jī)放在充電板上，而不是使用有線充電電纜進(jìn)行充電時(shí)，這確實(shí)是一種非常好選擇。而且，如果所有的無(wú)線充電板都是一樣或者普及的話，你可以讓你的手機(jī)在你的車(chē)?yán)?、機(jī)場(chǎng)、咖啡店和辦公桌上保持充電狀態(tài)。你甚至不用再檢查你的充電狀態(tài)了，因?yàn)橛行?a target='_blank' class='arckwlink_none'>電子設(shè)備總是要充電的。

無(wú)線充電為電子設(shè)備的供電供應(yīng)提供了巨大的便捷。例如，在餐館、飛機(jī)和火車(chē)上的墊子不需要和USB端口一樣的維護(hù)級(jí)別。通常來(lái)說(shuō)，相較于USB接口的充電方式，無(wú)線充電線圈具有不易磨損等顯著優(yōu)勢(shì)。

而且，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，超低功耗連接設(shè)備數(shù)量的驚人增長(zhǎng)讓我們思考：為什么不使用無(wú)線技術(shù)給它們的電池充電，或者連續(xù)無(wú)線充電呢？其他一些緊湊型消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品如智能手表、手環(huán)，沒(méi)有任何連接空間，因此無(wú)線充電或可更換電池是主要的解決方案。

在家里，我們現(xiàn)在有無(wú)線充電的牙刷和剃須刀。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，無(wú)線充電就被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，為除顫器、起搏器和位于皮膚下的傳感器充電。顯然，在這種應(yīng)用中可靠性、安全性、密封性以及防水性是至關(guān)重要的。

還有一種適用于中等功率的WPT（無(wú)線功率傳輸）標(biāo)準(zhǔn)，最大功率可以擴(kuò)展到200瓦。現(xiàn)在有人說(shuō)，未來(lái)廚房的各種電器設(shè)備都可以使用無(wú)線供充電。但是目前，我們并沒(méi)有完全掌握這種技術(shù)，尤其是大功率的無(wú)線充電。

通常，無(wú)線充電裝置有兩個(gè)缺點(diǎn)。第一， 在有線的情況下，則可以在充電時(shí)四處走動(dòng)并使用手機(jī)。但是，至少受到電源線長(zhǎng)度的限制。第二，WPT常常效率不高，因此我們可能會(huì)消耗了更多能量。

從2018年開(kāi)始，幾乎每個(gè)新下線的汽車(chē)或卡車(chē)都提供符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電功能。 至少到目前為止。未來(lái)，汽車(chē)行業(yè)用將成為最大的無(wú)線充電應(yīng)用市場(chǎng)。

二、無(wú)線充電的“歷史”

麥克斯韋方程于1864年被引入，用來(lái)描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)。1873年麥克斯韋的《電與磁論》一書(shū)把這兩種力統(tǒng)一起來(lái)，為進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。1884年左右，約翰·亨利·波因廷定義了波因廷矢量，該矢量描述了電磁輻射區(qū)域內(nèi)復(fù)雜的功率流，并對(duì)無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了正確的分析。技術(shù)先驅(qū)尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在1891年展示了無(wú)線充電的潛力，用無(wú)線“感應(yīng)式”方法來(lái)傳輸電量點(diǎn)亮白熾燈泡，并用微波方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。特斯拉還指出，高頻電流很容易通過(guò)略為稀薄的空氣，并建議將其用于驅(qū)動(dòng)距離電源相當(dāng)遠(yuǎn)的電機(jī)和燈具，高頻諧振變壓器是此類(lèi)系統(tǒng)的重要組成部分。

也許這是特斯拉在科羅拉多實(shí)驗(yàn)室用廣播電源做的最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，雖然有人說(shuō)這是一個(gè)神話，是用200個(gè)50瓦的燈泡，每個(gè)燈泡都是無(wú)線的，電流通過(guò)地面循環(huán)，沒(méi)有任何電線連接，距離26英里。他在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)一個(gè)線圈傳輸大約10,000瓦的能量來(lái)完成這項(xiàng)工作。這種傳輸?shù)念l率被認(rèn)為小于150KHz。特斯拉確定地球電磁場(chǎng)的共振頻率約為8Hz這在50年后得到證實(shí)。1964年，被譽(yù)為實(shí)用無(wú)線充電工程師的 W.C. Brown 通過(guò)所謂的矩形天線實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)（2.45GHz）的接收并轉(zhuǎn)換為電能。

三、無(wú)線充電的四種方式及比較：

1、電磁感應(yīng)方式：電流通過(guò)線圈，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)附近線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)從而產(chǎn)生電流。這種技術(shù)適合短距離的充電，轉(zhuǎn)換效率高（80%左右這項(xiàng)技術(shù)在100至250KHz的頻率范圍內(nèi)工作最佳，功率最大為5W。充電效率最高可達(dá)80%左右并且具有非常低的EMI優(yōu)勢(shì)。

2、磁共振方式：發(fā)送端能量遇到共振頻率相同的接收端。由共振效應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。允許在線圈直徑的4到10倍的范圍內(nèi)進(jìn)行高效的功率無(wú)線傳輸，傳輸效率可到數(shù)KW。比電磁感應(yīng)方式要遠(yuǎn)得多。這項(xiàng)技術(shù)是目前電動(dòng)汽車(chē)充電的最?lèi)?ài)。但是充電效率較低只有50%左右。這項(xiàng)技術(shù)在13.56MHz的頻率范圍內(nèi)工作。

3、電場(chǎng)耦合方式：利用通過(guò)沿垂直方向耦合兩組非對(duì)稱(chēng)偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來(lái)傳輸電力。適用于短距離充電轉(zhuǎn)換效率較高，發(fā)熱低，位置不固定。充電效率可達(dá)70%-80%。這項(xiàng)技術(shù)在560至700KHz的頻率范圍內(nèi)工作。

4、無(wú)線電波方式：將環(huán)境電磁波轉(zhuǎn)換為電流，通過(guò)電路傳輸電流。傳輸距離通?？梢源笥?0米，這種充電方式比較適合遠(yuǎn)距離小功率充電，轉(zhuǎn)換效率較低，只有38%左右。這項(xiàng)技術(shù)在2.45GHz的頻率范圍內(nèi)工作。

四、無(wú)線電能傳輸（WPT）

由無(wú)線電源聯(lián)盟（WPC）發(fā)起的Qi規(guī)范已成為手機(jī)/智能手表無(wú)線充電的標(biāo)準(zhǔn)之一。Qi可廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、照相機(jī)等手持低功率設(shè)備中。已有多款電子產(chǎn)品采用了Qi無(wú)線充電技術(shù)。Qi目前設(shè)計(jì)是為5W以下的電子產(chǎn)品提供無(wú)線充電。而在遠(yuǎn)景計(jì)劃中，WPC計(jì)劃將Qi應(yīng)用到家庭、汽車(chē)、火車(chē)等各個(gè)公共場(chǎng)所，從而讓消費(fèi)者可以隨時(shí)、快捷地享受無(wú)線充電帶來(lái)的便利。 由于，5W版本規(guī)范從2009年8月就開(kāi)始了。然而，第一款帶有集成Qi接收器的手機(jī)產(chǎn)品直到2011年3月才發(fā)布。

2015年6月，無(wú)線電源聯(lián)盟（A4WP）和電源管理聯(lián)盟（PMA）于合并成立了AirFuel無(wú)線充電聯(lián)盟。該聯(lián)盟還發(fā)布了兼容的類(lèi)似感應(yīng)無(wú)線充電規(guī)范及其AirFuel RF-WPT標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)說(shuō)，AirFuel的諧振感應(yīng)充電使用獨(dú)特設(shè)計(jì)的線圈，允許移動(dòng)更長(zhǎng)的距離。這個(gè)充電技術(shù)基于Rezence規(guī)范（可讓硬件廠商制作出能夠穿透衣物和其他材料的無(wú)線充電器藍(lán)牙低功耗通信鏈路被用于控制功率電平等，并且功率傳輸頻率為6.78MHz。

至于無(wú)線電波傳輸，POWERCAST是一家是基于射頻（RF）的遠(yuǎn)距離供電無(wú)線充電技術(shù)的先驅(qū)。自2003年以來(lái)，POWERCAST已幫助客戶為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，防水設(shè)計(jì)，智能帶，RFID標(biāo)簽以及其他商業(yè)和工業(yè)設(shè)備供電，并于2017年推出了為消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備供電的解決方案。最近展示該公司最新的應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的長(zhǎng)距離無(wú)線充電產(chǎn)品。這項(xiàng) 3W 無(wú)線充電技術(shù)采用了 915 MHz 的ISM 頻段，無(wú)需在目視范圍內(nèi)配備充電板或?qū)Ь€，只要在接收端配備一顆接收芯片即可。雖然功率較小，但它的特色是覆蓋距離達(dá)到了 80 英尺（約 24 米）遠(yuǎn)。這項(xiàng)技術(shù)可為桌面上 30 臺(tái)設(shè)備提供無(wú)線充電所需的能量。

五、電子設(shè)備的Qi充電

隨著最新的蘋(píng)果手機(jī)采用Qi無(wú)線充電技術(shù)，無(wú)線充電將是手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的標(biāo)配。Qi標(biāo)準(zhǔn)則已經(jīng)在該領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)絕對(duì)的主流優(yōu)勢(shì)地位。Qi無(wú)線充電系統(tǒng)由電源發(fā)射器、電源接收器的移動(dòng)設(shè)備組成。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備放在充電板上時(shí)，接收器與發(fā)射器之間進(jìn)行通信，請(qǐng)求所需的適當(dāng)功率。發(fā)射器通過(guò)耦合的電感器將功率傳輸?shù)浇邮掌?。接收器將反饋信?hào)發(fā)送到發(fā)送器，以請(qǐng)求所需功率大小，并且發(fā)送器根據(jù)閉環(huán)數(shù)字控制回路中的需要監(jiān)視并根據(jù)此信息進(jìn)行操作。

Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)使用兩個(gè)平面線圈之間的感應(yīng)耦合來(lái)傳輸功率，通常兩個(gè)線圈之間的間隙小于5mm。這將允許您在手機(jī)上使用（薄型）手機(jī)外殼。這種緊密耦合方法具有漏電流小、電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。這對(duì)于出于公共健康原因反對(duì)任何類(lèi)型輻射的人們來(lái)說(shuō)都是一件好事。

最新的Qi規(guī)范（1.2.4.）可實(shí)現(xiàn)高達(dá)15W的功率，而早期基于Qi的最大為功率僅為5W。不過(guò)，有人擔(dān)心在某些情況下，手機(jī)中的接收線圈可能會(huì)在這種更高的功率下需要進(jìn)行預(yù)熱。事實(shí)上，我們并不想預(yù)熱手機(jī)電池，因?yàn)檫@可能會(huì)影響性能和壽命。目前，只有少數(shù)手機(jī)可以支持15W無(wú)線充電。通常，工程師可能會(huì)選擇10W或7.5W為代表的發(fā)射器。

Qi充電的頻率在110到205kHz之間，低功率充電器的頻率在5W以下，中功率充電器的頻率在80到300kHz之間。Qi標(biāo)準(zhǔn)是由無(wú)線電力聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的，適用于40毫米（1.6英寸）的電力傳輸。這是一個(gè)近場(chǎng)系統(tǒng)，自2015年1.2版以來(lái)，它結(jié)合了一種共振形式，以提高耦合和效率。Qi規(guī)范的當(dāng)前版本是1.2.4。這意味著在2018年3月8日之后過(guò)認(rèn)證的無(wú)線充電產(chǎn)品將不再適用Qi v1.2.3，而是按照Qi v1.2.4標(biāo)準(zhǔn)過(guò)認(rèn)證了。

六、無(wú)線充電系統(tǒng)的元件和開(kāi)發(fā)工具推薦

Qi系統(tǒng)由一個(gè)扁平的充電板和一個(gè)裝有兼容接收器的移動(dòng)設(shè)備組成。當(dāng)手機(jī)放在充電墊上時(shí)，設(shè)備通過(guò)電磁感應(yīng)放電。本質(zhì)上，交流電流通過(guò)充電板中的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，在接收器的線圈中產(chǎn)生電壓，然后可用于直接為移動(dòng)設(shè)備供電或?yàn)殡姵爻潆姟?因此選擇一個(gè)高質(zhì)量的元器件對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著非常重要的作用。自2009年引入無(wú)線電力聯(lián)盟的Qi標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，許多符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電集成電路解決方案已經(jīng)面世。今天的Qi半導(dǎo)體產(chǎn)品將所有必需的智能、控制、電源管理和通信功能集成到小型封裝中，使終端設(shè)備設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)高性能和高效率的目標(biāo)，同時(shí)滿足具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本、小型化和快速上市的目標(biāo)。

開(kāi)發(fā)Qi無(wú)線充電終端應(yīng)用程序的最有效方法是從可用的評(píng)估套件（EVK）或評(píng)估模塊（EVM）開(kāi)始。 這些工具使設(shè)計(jì)人員可以輕松快速地演示預(yù)期設(shè)備的功能和性能，從而加快開(kāi)發(fā)工作。某些工具甚至可能已經(jīng)獲得獨(dú)立測(cè)試機(jī)構(gòu)的Qi認(rèn)證，因此可以用作符合Qi的參考設(shè)計(jì)。STMicroelectronics的 STEVAL-ISB047V1評(píng)估套件支持為符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備提供無(wú)線電池充電，功率高達(dá)15W。STEVAL-ISB047V1還支持專(zhuān)有快速充電模式，功率高達(dá)10W。該套件的發(fā)射器基于STWBC-MC，采用性?xún)r(jià)比高的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)UART提供外部接口。該評(píng)估套件裝配完整，包含板、固件、調(diào)試GUI、示意圖、布局文件以及物料清單。STEVAL-ISB047V1的工具可從網(wǎng)站www.st.com上獲取，支持訪問(wèn)運(yùn)行信息，例如提供的功率、調(diào)節(jié)錯(cuò)誤和協(xié)議狀態(tài)。參數(shù)也可以使用這些工具調(diào)整。

實(shí)現(xiàn)一個(gè)符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)，最重要的是磁學(xué)的正確實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到這一目的，Qi標(biāo)準(zhǔn)概述了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)線圈的物理要求。該標(biāo)準(zhǔn)還提供了有關(guān)將線圈調(diào)至諧振的信息。

Würth Elektronik 的Qi無(wú)線電源充電線圈 WE-WPCC可通過(guò)電感耦合，以無(wú)線方式傳輸電力。這些充電線圈和接收器超越了Qi標(biāo)準(zhǔn)的20W，多數(shù)線圈的處理能力高達(dá)200W。Qi無(wú)線線圈包含發(fā)射線圈和接收線圈，這些線圈以電感耦合，發(fā)射線圈內(nèi)的AC電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。Qi無(wú)線充電線圈采用利茲線纏繞而非雙線，因此可提供優(yōu)異的性能，以及最低的DCR與最高的Q值。發(fā)射線圈與接收線圈搭配使用時(shí)，最高可達(dá)到93%的效率。

七、無(wú)線充電技術(shù)的趨勢(shì)

盡快相比于有線充電，無(wú)線充電可以帶來(lái)很多的優(yōu)勢(shì)，但是，不可否認(rèn)目前還有一些缺陷，例如：充電效率要大大低于有線連接，功耗大約為20%-40%之間。但是對(duì)于低功率的移動(dòng)設(shè)備而言，這些損耗可以忽略。盡快目前技術(shù)還有一些問(wèn)題。但是，手機(jī)制造商、家電制造商和Air Fuel組織希望每個(gè)人在家里、辦公室、家具里以及各種公共交通工具上都有一個(gè)Qi充電板。無(wú)線電源技術(shù)仍在不斷發(fā)展，技術(shù)將朝哪個(gè)方向發(fā)展，專(zhuān)有充電方式將產(chǎn)生什么影響？制造商是否將提供支持多種標(biāo)準(zhǔn)的多模式解決方案？還有待觀察和進(jìn)一步確定。

平玨先生現(xiàn)任貿(mào)澤電子亞太區(qū)技術(shù)行銷(xiāo)經(jīng)理，曾任菲尼克斯電氣（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理等職務(wù)。具有10多年的產(chǎn)品應(yīng)用、解決方案、市場(chǎng)開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)應(yīng)用、產(chǎn)品評(píng)估的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)；覆蓋工業(yè)自動(dòng)化、人工智能、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域。 畢業(yè)于上海交通大學(xué)，獲得通信工程學(xué)士學(xué)位及控制工程碩士學(xué)位。