發布日期：2022-04-17 點擊率：48
隨著移動設備制造商慢慢將無線充電技術融入設備，無線充電正在成為一個熱門話題。 無線充電的概念很簡單：用振蕩電磁場勵磁的線圈感應近距離次級線圈中的電流。 在最佳條件下，充電過程很高效，并且可以很方便地傳輸數十瓦功率。 問題在于，設計人員認識到有兩種看似互為競爭的無線充電方法，他們需要解決這一問題。
給消費者帶來的優勢同樣簡單，易于掌握。 廣泛采用無線充電技術帶來的便利類似于無處不在的無線連接。 智能手機和平板電腦用戶可以將他們的移動設備放在書桌、工作臺或咖啡館桌面上快速充電，而無需擔心要攜帶電壓適配器或尋找電源插座。
然而，從設計人員的角度來看，無線充電是團迷霧。 目前有兩種替代技術，而且有兩個（之前是三個）對立的標準機構。 這兩個對立的標準機構都推崇這兩種技術。 競爭標準的優點在于可以讓他人辯論（幾大消費電子產品制造商都加入了兩個聯盟，兩面下注），此外，根據以往的標準沖突來看，最終的結果很可能是進行整合。 然而，替代技術很值得深入分析。 結果表明，它們是互補而不是競爭關系，因此，設計人員兩種技術都要熟悉，才能確保為應用做出最佳的選擇。 本文旨在加深設計人員對這兩種技術的了解。
需要效率？ 選擇感應式
著名的塞爾維亞裔美籍工程師 Nikola Tesla 在其開創性的無線電能傳輸研究中，探索出了如今適用的基本原理。 Tesla 研究發現，導線環中的交流電流所產生的交變磁場，會反過來感應附近次級線圈中的交流電流。 對次級線圈加負載，可以使感應到的交流電流做有用功（例如給電池充電）。
初級線圈產生的磁場會大致相等地向每個方向輻射，因此，磁通量會隨距離增大會迅速下降（遵循平方反比定律）。 因此，次級線圈必須放置在盡可能靠近初級線圈的位置來截取最多的磁通量。 另外，次級線圈截取的能量與其暴露在磁場的截面成比例。 最佳橫截面由與初級線圈尺寸相同的次級線圈決定，這兩個線圈平行且對齊，兩者之間的垂直間隔僅數十個毫米。 各線圈的間隔、對齊和尺寸決定了對能量傳輸效率有顯著影響的“耦合系數”。 完美耦合，即截取初級線圈產生的所有磁通量，其耦合系數為 1。 實際緊耦合系統的耦合系數通常為 0.3 到 0.6（見圖 1）。
圖 1： 緊耦合感應式無線充電器采用近距離充分對齊且尺寸相同的線圈，最大限度地提高效率。 （圖片來源：無線充電聯盟）
對無線充電有所涉獵的工程師可能對無線充電聯盟 (WPC) 推崇的 Qi 規范最熟悉不過了。 Qi 率先致力于更成熟的感應式無線充電技術并推廣應用到智能手機中，從而領先于競爭標準。
市場上的許多手機都融合了 Qi 技術，一些廠商已經推出兼容的無線充電板。 無線電源聯盟 (A4WP) 和電源事務聯盟 (PMA) — 2015 年六月合并為 AirFuel 聯盟 — 也發布了感應式無線充電規范。 WPC 和 AirFuel 聯盟的感應式無線充電規范之間唯一真正的區別在于傳輸頻率，以及用于與設備通信和控制電源管理的連接協議。
最新的 Qi 規范 (v1.2.2) 需要用到兩種設備：一個充電基站和待充電設備（見圖 2）。 基站通常有一個平坦表面，用戶可以在其上放置一個或多個手機。 為了最大限度提高效率，用戶或采用“對齊輔助”（較為簡單的方法如在基站上做標記，較為復雜的方法如使用磁鐵），或將手機放在多線圈基站的某處，希望其中一個線圈與手機中的線圈正好對齊。 無論哪種情況，手機都必須平放在基站表面，使線圈平行于基站表面且兩者之間的間隔小于 10 mm。
圖 2： Qi 無線充電系統的基本系統配置。 電能發射器（安裝在基站中）包括兩個主要功能裝置 — 一個電源轉換裝置，以及一個通信和控制裝置。 初級線圈是電源轉換裝置的一部分。 控制和通信裝置將傳輸的電能調節到功率接收器要求的水平。 （圖片來源：英文維基百科上的 Menno WPC，CC BY 3.0，Wikipedia.org 上的 Commons）
Qi 規范要求“低功耗”Qi 充電器的初級線圈交流頻率在 110 到 205 kHz 之間（高達 5 W），而“中等功率”充電器為 80 到 300 kHz（高達 120 W）。 該技術還有一些不錯的附加功能，如異物檢測 (FOD)，使充電器不必消耗能量來加熱一些不小心放置在磁場內的物體。
緊耦合感應式無線充電系統的主要優點是效率相對較高。 對于一個精心設計的系統來說，電能傳輸效率為 30 - 60%（取決于測量位置），將電能從初級線圈傳輸到次級線圈。 由于這種相對較高的效率，熱量積聚較低，可傳輸較多電能，加速充電周期。
由于 Qi 規范于 2010 年 8 月首次發布，芯片制造商有足夠的時間推出集成了符合標準要求的控制和補償功能芯片。 非專業工程師設計兼容 Qi 的無線充電基站時，使用這種設備會更容易一些。例如，NXP Semiconductors為 5 V Qi 認證低功耗無線充電器提供 NXQ1TXH5 5 V 無線充電控制器和驅動器 IC。
兼容 Qi 的接收器放在充電板上時，NXQ1TXH5 會安全啟動從發射器到接收器的無線電能傳輸，同時監控過熱或金屬物體干擾等故障情況。 設備優化為通過 5V USB 電源工作，并使用“智能電能限制”來自動調整輸出功率以補償受限的供電。
需要便利？ 選擇諧振式
早在過去十年中，麻省理工學院 (MIT)[2] 就率先探索了提高無線充電系統效率的方法。 學院致力于研究感應式無線充電系統中的線圈移開后磁場磁通迅速下降的問題。 數厘米之外，磁通變得非常之弱，以至于電能傳輸完全停止。 MIT 研究人員意識到，需要通過“非輻射”無線充電技術使電能傳輸擺脫制約感應技術的平方反比定律。
MIT 做出了在以（相同）諧振頻率（取決于線圈分布電容、電阻和電感）工作的線圈之間傳輸電能的系統。 該技術仍為“感應式”，初級線圈產生的振蕩磁場在次級線圈中產生感應電流，但它利用了諧振線圈之間發生的強耦合 — 即使相隔數十厘米。
諧振式電能傳輸的物理原理很復雜，但基本前提是能量從一個線圈“傳遞”到另一個，而不是從初級線圈全方位擴散。 結果是，雖然能量仍隨距離衰減到一定程度，但衰減的主要來源是線圈的 Q 因數（增益帶寬）。 工程師可以通過精良的設計來改善 Q 因數。 更好的是，諧振能量傳輸并不那么依賴于方向相同的線圈（假如次級線圈朝向初級線圈的橫截面足夠大，這樣在每個周期中吸收的能量比初級線圈丟失的更多）。 該技術的另一個優點是可以在單個初級線圈和多個次級線圈之間傳輸電能。
諧振式無線充電解決了感應式無線充電的主要缺點：要求緊密耦合線圈，需要用戶精確對齊。 不過，諧振式無線充電自身并非沒有缺點。 其中一個主要缺點是由于磁通泄漏導致效率相對較低。即使在近距離范圍內，一個精心設計的系統也可能表現出在線圈間隔 2 厘米時效率為 30％，在 75 厘米時下降到 15％（同樣取決于測量位置）。另外的主要缺點是電路較復雜，以及由于（通常）高工作頻率造成的潛在電磁干擾 (EMI) 挑戰。
盡管如此，該項技術還是優勢明顯，因此兩個標準機構都在其規范中納入了諧振式無線充電技術。 例如，1.2 版的 Qi 標準在規范中引入了諧振充電。 為確保與現有 Qi 傳輸頻率的兼容性，技術限制為最大 45 mm 的線圈規格。 數年來，A4WP 也一直在推崇諧振充電。
遺憾的是，該技術需要時間來證明其價值，而商業化解決方案寥寥無幾。 目前，針對同時符合 WPC (Qi) 和 AirFuel 聯盟規范的感應式和諧振式無線充電技術應用，只有少數幾家制造商發布了無線充電芯片組合的詳細信息，Integrated Device Technology (IDT) 便是其中之一。 但目前 IDT 的商業產品主要支持 WPC 的感應式無線充電規范。
例如，該公司現有產品線中符合 WPC 1.1 規范的 P9038 5 V 無線功率發射器。 該設備適用于充電板，傳輸功率高達 8 W（1.6 A 時），并可通過電源適配器或 USB 連接器供電，電壓范圍在 4.5 V 到 6.9 V。該設備包括集成電流感應和 FOD 技術。 IDT 通過無線電源評估套件支持芯片。
Linear Technology 提供諧振式無線電能發射器 LTC4125。 然而，芯片設計不符合任何標準規范；相反，該器件會在低電壓輸入電源下（3 - 5.5 V）向調諧接收器傳輸最大功率。 為優化系統效率，LTC4125 定期進行發射功率搜索并根據接收器負載要求調整發射功率。 故障情況下或檢測到異物時，設備會停止傳輸電能。 發射器與 LTC4120 無線電能接收器配合使用。
AirFuel 諧振式無線充電技術（基于 Rezence 規范）使用的系統由一個電能發射器裝置 (PTU) 和一個或多個電能接收器裝置 (PRU) 組成。 指定采用低功耗藍牙鏈路來控制功率水平，確定負載并保護不兼容的設備（圖 3）。
圖 3： Rezence 無線充電系統采用高頻諧振耦合和低功耗藍牙通信進行功率水平控制。 （圖片采用 Digi-Key Scheme-it 在線電路圖和圖表工具基于原始圖像生成，來源：參考文獻 3。）
該標準支持高達 50 W 的功率傳輸，傳輸距離達 50 mm。 電能傳輸頻率為 6.78 MHz；之所以選擇該頻率，是因為在該頻率下能較好的進行功率傳輸，而且該頻率位于無線頻譜的免許可范圍中。 根據發射器和接收器的幾何形狀及功率水平，可以從一個 PTU 向多達八個設備供電（圖 4）。
圖 4： Rezence 諧振式無線充電架構可以從一個 PTU 向多達八個 PRU 充電。 （圖片來源：參考文獻 3）
要是工程師認為都在諧振頻率下工作的緊耦合線圈能克服諧振式無線充電的效率限制，這是情有可原的。 但事實并非如此，因為雙方線圈都能維持諧振工作有一個最小距離。 這個距離取決于線圈尺寸大小和工作頻率高低，但是比典型緊耦合系統的典型線圈間隔大。 如果諧振線圈離得過近，其互感會導致振蕩磁場“崩潰”，電能傳輸會停止。 事實表明，最高效的無線電能傳輸發生在緊耦合線圈以接近，而非等于感應拓撲中的諧振頻率工作時。
結論
本文歸結起來就是：設計師有兩種無線充電技術選擇。 感應式無線充電依靠相對低頻的振蕩磁場，在中到高功率水平，以較高的效率在非諧振但緊耦合的線圈之間傳輸電能。 該技術相對簡單，迅速發展成熟，兩個標準組織都支持，已經（主要以 Qi 形式）成為移動設備一個很好的選擇，并得到幾家芯片供應商支持。 不足之處是要求過于苛刻，需要確保充電器和待充電設備對齊。
如果需要在集成了對齊輔助或多線圈的專用充電板上快速高效地為一個設備充電，那么感應式無線充電是一個很好的選擇。
諧振式無線充電依靠高頻振蕩磁場，在以相同的諧振頻率工作的兩個線圈之間傳輸能量。 線圈可以松耦合，但如果要保持數厘米的能量傳輸則需要較高的 Q 因數。 數個設備可以通過一個初級線圈充電。 該技術比感應技術復雜，且效率較低（見圖 5）。 雖然兩個標準組織都支持諧振式無線充電，但還未能有所建樹，并且很難采購到符合規范的組件。
圖 5： 緊耦合感應式無線充電系統（例如遵守 Qi 規范的系統）比諧振系統（例如遵守 Rezence 規范的系統）具有更高的電能傳輸效率。 （圖片來源：參考文獻 3）
如果支持諧振技術的芯片得到更廣泛的普及，那么諧振式無線充電將是一個很好的選擇。 但是，設計人員必須做好準備，用效率來換取便利，例如可以同時為數個設備充電，并且無需精確對齊。 安裝在桌下和咖啡店桌面等桌子厚度對能量傳輸影響最小的情況下，該技術也是一個很好的選擇。
參考文獻：
“Wireless Power Transfer through Inductive Coupling,” Mohamed A. Hassan, A. Elzawawi, Recent Advances in Circuits
“Power Transfer Through Strongly Coupled Resonances,” Andre Kurs, MIT，2007 年 9 月。
“Rezence – Wireless Charging Standard based on Magnetic Resonance,” Pratik Dubal, Somaiya College of Engineering, India, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering，2015 年 12 月。
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