無線電源傳輸線圈技術(shù)的現(xiàn)在與未來

由美國麻省理工學(xué)院（MIT）獨(dú)立出來的WiTricity現(xiàn)任總裁EricGiler，曾在2009年曾于TED發(fā)表題為“無線電力技術(shù)示范”的精彩演說，展示了如何利用無線電源傳輸技術(shù)啟動(dòng)一部小型電視機(jī)──而那是2009年，該技術(shù)從那之后持續(xù)演進(jìn)，以下讓我們來看看這個(gè)令人驚嘆的技術(shù)領(lǐng)域，能為設(shè)計(jì)工程師帶來什么樣的新機(jī)會(huì)。

最近，我與宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）應(yīng)用工程副總裁Michael de Rooij討論關(guān)于無線電源在2017年的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)；我選擇與de Rooij討論這個(gè)議題，除了因?yàn)镋PC是氮化鎵（GaN）功率組件的領(lǐng)導(dǎo)供應(yīng)商，該公司也能為設(shè)計(jì)工程師們提供包括開發(fā)板、參考設(shè)計(jì)以及教育性的支持，包括de Rooij撰寫的《無線電源手冊(cè)（Handbook for Wireless Power）》。

EPC在1月初舉行的年度國際消費(fèi)性電子展（CES 2017）上，展示了一部43吋平面HDTV，那臺(tái)電視能隔著一道石膏板墻，藉由無線電源取得電力；在2017年，你將會(huì)看到EPC為業(yè)界帶來更先進(jìn)的無線電源相關(guān)解決方案，超越2009年Giler所展示的技術(shù)。

支持更長傳輸距離的無線電源

我詢問de Rooij有關(guān)目前無線充電方案支持更長傳輸距離、更高效率時(shí)會(huì)遭遇的限制，以及其可能性；我們?nèi)绾巫屵@種電力傳輸技術(shù)的效率達(dá)到所有消費(fèi)者都能接受的水平？氮化鎵功率組件（如EPC的eGaN技術(shù)）如何能繼續(xù)協(xié)助推動(dòng)無線電源技術(shù)的進(jìn)展？

de Rooij首先提到在線圈（coil）設(shè)計(jì)方面的限制；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，目前若線圈是7吋以上的直徑，性能就會(huì)下降；此外每一組線圈的質(zhì)量因子（Q）和線圈之間的耦合系數(shù)（k）都會(huì)影響長距離的無線充電效率，發(fā)射與接收線圈的尺寸和幾何形狀各自都會(huì)大幅影響Q和k的數(shù)值。圖1是無線電源傳輸?shù)幕驹怼?/p>

圖1 無線電源傳輸?shù)幕驹怼＃▓D片來源：Würth Elektronik）

de Rooij提到，無線電源傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)（E-field）方法雖然有技術(shù)上的問題，但是可以長距離傳輸電力──這方面可能還有部份一般會(huì)顧慮到的問題，包括產(chǎn)生臭氧（ozone）還有與生物性等其他物質(zhì)產(chǎn)生交互作用）；這種充電方法可能更適用能懸浮在充電板上的設(shè)備，如無人機(jī)。

電場(chǎng)耦合技術(shù)最直接的展現(xiàn)，是在源極（source）和負(fù)載（load）之間采用平行板電容器（parallel plate capacitor），輸入阻抗需與之匹配，才能實(shí)現(xiàn)高效率電源傳輸；也就是說，有一片板子是放在待充電的無人機(jī)底部，另一片就是在充電板上（如圖2）。

圖2 （a）無線電源傳輸電場(chǎng)耦合架構(gòu)；（b）電路模型。（圖片來源：https://goo.gl/HRZf11）

以磁共振耦合（magnetic resonant coupling）技術(shù)對(duì)空中懸浮的無人機(jī)進(jìn)行充電也是不錯(cuò)的替代方案，如圖 3所示，該充電板的線圈采用方形設(shè)計(jì)，無人機(jī)上的接收線圈調(diào)整為適合支持著陸（landing），使發(fā)射和接收線圈之間的距離縮至最短，約只有幾公厘（mm），因此使線圈之間的耦合因子得以最大化。

圖3 以磁共振耦合線圈為懸浮的無人機(jī)進(jìn)行無線充電。（圖片來源：https://goo.gl/HRZf11）

無線電源傳輸線圈技術(shù)的現(xiàn)在與未來發(fā)展

de Rooij表示，無線充電解決方案供應(yīng)商N(yùn)uCurrent目前正在開發(fā)效率更高的無線充電線圈；Nucurrent號(hào)稱該公司目前的無線電源“天線”效率高于市面上任何印刷天線/線圈/共振器，其采用Qi/PMA頻率（~200KHz）的設(shè)計(jì)通?？蛇_(dá)到高20%以上的效率，采用A4WP頻率（6.78MHz）或NFC頻率（13.56MHz）的設(shè)計(jì)則可達(dá)到高60%的效率。

若將無線電源傳輸線圈嵌入地磚中，有助于電場(chǎng)的分布，并可能因此略為拉長電源傳輸距離；但更重要的是，這樣就可以大幅擴(kuò)增收集電力的范圍──相較于單一線圈的設(shè)計(jì)，在相同的覆蓋范圍下，這是一個(gè)效率更高的解決方案。

而EPC在CES 2017展示的那臺(tái)無線供電HDTV，是我到目前為止見過最厲害的無線電源傳輸應(yīng)用；此外咖啡連鎖店Starbucks現(xiàn)在也有某些門市在店內(nèi)座位提供無線充電設(shè)備，讓顧客能為智能手機(jī)充電，如果你的手機(jī)沒有內(nèi)建無線充電功能，他們還可以賣轉(zhuǎn)接器給你（如圖4）。

圖4 Powermat的無線充電解決方案已經(jīng)獲得Starbucks等業(yè)者采用。（圖片來源：Powermat）

EPC是如何為HDTV提供無線電源的？該公司是選用一臺(tái)43吋VizioD43-D1高畫質(zhì)電視，其最高功率經(jīng)測(cè)試為85W；先前有一些測(cè)試是采用功率較低的20吋電視。

電視機(jī)是采用基于單位功率因子的交流電（AC），因此電源所提供的所有能量，都是透過負(fù)載消耗；而因?yàn)殡娨暀C(jī)電子組件需要直流電（DC）電源，不需要所有AC整流器、大型電解電容器及橋式二極管，啟動(dòng)電視機(jī)所需電力低于5W；當(dāng)電視機(jī)所需電力較低，無線電源傳輸發(fā)射器即可進(jìn)一步節(jié)流。

圖5 能穿透一片標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格石膏板隔間墻為HDTV無線供電的無線電源傳輸設(shè)計(jì)架構(gòu)。（圖片來源：EPC）

EPC的CES展示之設(shè)計(jì)電路圖如圖6，設(shè)計(jì)師采用差分ZVSD類放大器來驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈（注意：差分架構(gòu)，尤其是頻率范圍在300MHz以上，可以在單端設(shè)計(jì)改善EMI；在差分設(shè)計(jì)中，相同的接地負(fù)載功率，有一半的電壓在放大器的輸出轉(zhuǎn)換）；不過本案例只在高度共振的6.78MHz ISM頻段傳輸功率，而且與傳統(tǒng)MOSFET功率組件相較，EPC采用的eGaN FET展現(xiàn)了更卓越性能。

圖6 EPC在CES 2017展示之HDTV無線供電方案電路圖。（圖片來源：EPC）

消費(fèi)者當(dāng)然會(huì)希望他們的電視機(jī)未來可以完全“無線”，如此一來他們就能更容易地把電視機(jī)掛在墻上，或隨心所欲擺放在任何位置；而除了電視機(jī)，無線電源傳輸應(yīng)用也能延伸至其他實(shí)際上只需要DC功率的白色家電和AC設(shè)備。

無線電源傳輸可望實(shí)現(xiàn)更便利的日常生活

采用無線電源傳輸技術(shù)的無人機(jī)，對(duì)Amazon、UPS及Federal Express等物流業(yè)者來說會(huì)非常有用，他們都在考慮利用無人機(jī)送貨。

在醫(yī)療應(yīng)用方面，目前采用穿透皮膚之電源線的植入式設(shè)備，可利用無線電源傳輸技術(shù)降低患者受感染的機(jī)會(huì)，神經(jīng)刺激器、心臟輔助幫浦等是首選應(yīng)用；心律調(diào)整器以及脊髓、神經(jīng)刺激器都有望在某一天，能于患者睡覺時(shí)透過4~5英呎距離的電源進(jìn)行充電。

從患者端接收信號(hào)的線圈數(shù)量可以增加，以利用無線電源傳輸技術(shù)取得更高質(zhì)量的MRI成像，同時(shí)降低成本、免除電源線的使用并降低使用無線電源傳輸技術(shù)的復(fù)雜性。

酒吧、咖啡廳及機(jī)場(chǎng)則可將無線電源傳輸設(shè)備應(yīng)用于下一代的各種家具、桌子設(shè)計(jì)中；如此一來，所有的墻壁、地板與裝潢可以減少電源插座數(shù)量，甚至可以完全不要插座。

汽車內(nèi)部搭載的電纜不但昂貴、笨重也可能不可靠，而無線電源傳輸技術(shù)可以為車用照明、音響、電話等設(shè)備供電，也能支持電動(dòng)車充電、啟動(dòng)雷達(dá)及光達(dá)等裝置，讓汽車內(nèi)更多電子裝置擺脫銅線的羈絆；無線充電也能應(yīng)用于汽車座椅、車門及行李箱等區(qū)域，以模塊化方案取代客制化設(shè)計(jì)架構(gòu)，簡(jiǎn)化汽車制造流程。

此外，無線電源傳輸還能預(yù)防由危險(xiǎn)的電源火花導(dǎo)致之爆炸、火災(zāi)，特別是在加油站、水下，或是滿氧氣的空間，海濱住宅/設(shè)施，以及糧倉等充滿粉塵的環(huán)境。

有一天，高壓電纜線可能會(huì)完全消失，被日常生活無所不在的高壓無線電源傳輸技術(shù)替代；de Rooij也透露，在今年將可看到更多關(guān)于無線電源傳輸技術(shù)的創(chuàng)新成果，電子及電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)終將憑借這種令人驚嘆的新興技術(shù)而被永遠(yuǎn)改變。