現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了大量可能的無線充電應(yīng)用。消費類設(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,并幫助實現(xiàn)產(chǎn)品差異化。但是,該過程也會帶來重大的技術(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,其中一個主要問題(新興技術(shù)通常都會遇到類似狀況)是標準之間的競爭。Qi 標準和 AirFuel 聯(lián)盟內(nèi)的其他各種規(guī)范已經(jīng)爭論了一段時間,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者可以輕松地為智能手機、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,而當使用者在將移動手機放在桌子上充電時,這種情況不會發(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現(xiàn)這些。
GaN 的價值主張
業(yè)界正在考慮使用新的半導(dǎo)體工藝?;?a href="http://www.ttokpm.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。
所有這些動態(tài)一直在推動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行)轉(zhuǎn)向能夠在自由空間(距離最遠 25 米)充電的系統(tǒng)。這開辟了系統(tǒng)設(shè)計的新方法,例如,在超市中可以用遠處的電源來為包裝上的智能標簽供電。
盡管如此,仍然有很多人強調(diào)更為傳統(tǒng)的無線充電機制。幾年前,當 Alliance for Wireless Power 和 Power Matters Alliance 合并時,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)和消費性電子市場而言,諸如此類的功率傳輸和接收系統(tǒng)目標是在感應(yīng)充電更難以執(zhí)行的情況下,能夠同時向多個設(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 33W 的功率。該套件包括兩個接收器器件,每個都有自己的穩(wěn)壓輸出,其中之一額定功率為 5W,在 19V 時功率為 27W。其目標是在尋求使用 eGaN FET 實現(xiàn)高效無線功率傳輸時簡化評估過程,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,并且能夠同時為多個設(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 選項方案支持 70W 至 100W 的系統(tǒng),而 300W 選項方案則支持 150W 至 1kW 的設(shè)計。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)動器組合在一起。 100W 的 GSWP100W-EVBPA 評估板面向消費類市場,適用于筆記本電腦、電動工具和多個智能手機的快速充電等。功率更高的 300W GSWP300W-EVBPA 適用于工業(yè)和運輸市場,其中包括送貨無人機、倉儲機器人、醫(yī)療系統(tǒng)、工廠自動化、承包商電動工具、電動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 5cm 的電池系統(tǒng)中提供 300W 功率,其中一個目標應(yīng)用是在鋼鐵鑄造廠等惡劣環(huán)境中運行的電動貨車。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 5cm。
這種自由運動是必不可少的,因為它允許貨車停靠到墻邊充電站進行快速充電。目前的 125W 系統(tǒng)意味著 5Ah,25V 電池可以在大約一小時內(nèi)完全充滿電,而如果采用 300W 系統(tǒng)實施充電,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)鏈路進行控制。貨車在充電站充電時,充電器在運行期間將電流升高到電池允許最大值,實施快速充電?;蛘咴谝归g通過小電流進行較長時間充電。該系統(tǒng)可設(shè)計用于同時支持多個貨車充電,即便它們具有不同的電池,因為特定電池類型的細節(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。
未來目標
雖然看起來在更遠距離進行無線充電是一個長期目標,但兩家初創(chuàng)企業(yè)實際上已經(jīng)實現(xiàn)了這一目標。位于美國圣何塞(San Jose)的 WattUp 遠距離無線充電系統(tǒng)使用 AirFuel RF 規(guī)范,已獲得美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)的認證。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,并為消費者和制造合作伙伴提供更大的可訪問性(accessibility)。 Energous 與 Dialog Semiconductor 還達成戰(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 藍牙認證的遠場發(fā)射器提供價值 100 美元的套件,該發(fā)射器可在距離最遠 25 米處為多件消費性電子產(chǎn)品充電。PowerSpot 發(fā)射器能夠創(chuàng)建一個區(qū)域,當支持 PowerSpot 的設(shè)備進入該范圍時能夠自動為其供電或為其充電。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)以補充電池電力。該公司正在推出一個開發(fā)套件,以幫助制造商設(shè)計基于 PowerSpot 的無線充電系統(tǒng)。
藍牙認可的 PowerSpot 采用低功耗藍牙(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)備充滿電時關(guān)閉發(fā)射器。這項技術(shù)甚至已擴展到超市環(huán)境,Powercast 正在與材料供應(yīng)商 PPG 合作,以無線充電運行的印刷電子系統(tǒng)可點亮貨架。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)動包裝上的 LED。第一個采用 PPG 智能標簽的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在 Pennsylvania Straub Brewing 的 6 件啤酒包裝上。
當今世界對于無線充電的采納并沒有達到幾年前業(yè)界預(yù)期的那種程度。不過,新技術(shù)的出現(xiàn)可能會改變這一切。現(xiàn)在,通過在自由空間進行無線充電的技術(shù)創(chuàng)新,就像本文所討論的那樣,我們有很大的機會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)生真正的深遠影響。
審核編輯黃昊宇
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