無(wú)線充電為何不適合功率競(jìng)賽

無(wú)線充電為何不適合功率競(jìng)賽

科技的發(fā)展讓我們離“束縛”越來(lái)越遠(yuǎn)。對(duì)于各類電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，充電器是非常重要的配件。當(dāng)我們向移動(dòng)和便攜式設(shè)備充電時(shí)，當(dāng)前比較普遍的方法是用有線充電器進(jìn)行供電，但是瘋狂纏繞的充電線讓處于萬(wàn)物便捷時(shí)代的我們覺得失去了自由。

【導(dǎo)讀】科技的發(fā)展讓我們離“束縛”越來(lái)越遠(yuǎn)。對(duì)于各類電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，充電器是非常重要的配件。當(dāng)我們向移動(dòng)和便攜式設(shè)備充電時(shí)，當(dāng)前比較普遍的方法是用有線充電器進(jìn)行供電，但是瘋狂纏繞的充電線讓處于萬(wàn)物便捷時(shí)代的我們覺得失去了自由。

在這種情況下，無(wú)線充電技術(shù)正在走向市場(chǎng)。

無(wú)線充電技術(shù)不用通過(guò)連接器作為媒介，不需要常規(guī)意義上的充電器和電源線，只需放在充電座上就可以充電。與有線充電相比，無(wú)線充電不僅在安全性、靈活性、通用性等方面具備多重優(yōu)勢(shì)，還可以減少頻繁的充電對(duì)設(shè)備充電接口的損耗。

無(wú)線充電最早可以追溯到1893年。特斯拉當(dāng)時(shí)通過(guò)兩個(gè)線圈點(diǎn)亮了一盞燈，用的正是無(wú)線充電技術(shù)。其實(shí)，如今無(wú)線充電的基本原理還是這樣，即發(fā)射線圈通過(guò)感應(yīng)交流電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，使接收線圈中產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸。

特斯拉無(wú)線電能傳輸試驗(yàn)原理圖

目前常見的無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、電磁共振式、電場(chǎng)耦合式。當(dāng)前手機(jī)無(wú)線充電大部分采用電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)，發(fā)射線圈安裝在在充電座上，接收線圈安裝在手機(jī)背面，當(dāng)手機(jī)靠近充電座的發(fā)射線圈時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)讓接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。在整個(gè)過(guò)程中能量由電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)場(chǎng)能再通過(guò)感應(yīng)線圈感應(yīng)生電，最終完成充電的過(guò)程。

作為未來(lái)重要的消費(fèi)電子潮流，無(wú)線充電近年來(lái)呈現(xiàn)出技術(shù)成果加快轉(zhuǎn)換、產(chǎn)品規(guī)?；慨a(chǎn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。這點(diǎn)尤其體現(xiàn)在手機(jī)等智能電子設(shè)備領(lǐng)域。伴隨著智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，手機(jī)無(wú)線充電的“軍備競(jìng)賽”正開展地如火如荼，各個(gè)手機(jī)廠商都卯足了勁推出功率越來(lái)越大的新品。

早在2014年，蘋果便推出無(wú)線充電的AppleWatch；2015年，三星推出了支持無(wú)線充電服務(wù)的手機(jī)，并相繼推出多款搭載無(wú)線充電手機(jī)服務(wù)的手機(jī)與無(wú)線充電器。不過(guò)，受限于無(wú)線充電器充電功率較低、充電時(shí)易發(fā)熱等問(wèn)題，無(wú)線充電在初期推廣并不順利。

自2020年以來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)迅速發(fā)展，各大手機(jī)廠商均推出了自身的無(wú)線充電方案。2020年10月，蘋果將AppleWatch的充電方式嫁接到iPhone上面，推出了支持15W功率的Magsafe磁吸無(wú)線充電。該方案通過(guò)磁鐵的吸引力，使無(wú)線充電器與接收線圈能夠準(zhǔn)確定位、配對(duì)，提升充電效率。

與蘋果、三星相比，在高功率快充方面的新技術(shù)嘗鮮中，國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商們跑得更快。華為、OPPO、小米等部分品牌智能手機(jī)早已實(shí)現(xiàn)50W無(wú)線充電，并且更高功率的無(wú)線充電產(chǎn)品還在繼續(xù)推出。2020年7月，OPPO發(fā)布了65W AirVOOC無(wú)線閃充；同年10月，小米展示了80W的無(wú)線快充解決方案，甚至120W的無(wú)線充電技術(shù)都已準(zhǔn)備就緒。

圖2

（圖源：小米）

可以看到，芯片和終端廠商們正在將無(wú)線充電往更高功率、更快充電速度上推進(jìn)。除了在手機(jī)端快速滲透外，無(wú)線充電也在加速向筆記本、智能手表、手環(huán)、掃地機(jī)器人、耳機(jī)以及汽車領(lǐng)域拓展。

無(wú)線充電技術(shù)在一定程度上打破了時(shí)間和空間的限制，萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代需要無(wú)線充電技術(shù)的加持?？梢灶A(yù)見無(wú)線充電技術(shù)在未來(lái)將會(huì)有非常廣闊的應(yīng)用前景。

無(wú)線充電“功率競(jìng)賽”落幕

就在各大廠商準(zhǔn)備在無(wú)線充電功率方面大干一場(chǎng)的關(guān)鍵時(shí)刻，工信部正式出手，開始嚴(yán)格管控?zé)o線充電功率，擬規(guī)定所有生產(chǎn)、進(jìn)口在國(guó)內(nèi)銷售、使用的移動(dòng)和便攜式無(wú)線充電設(shè)備額定傳輸功率不超過(guò)50W。

圖3：

工信部《無(wú)線充電（電力傳輸）設(shè)備無(wú)線電管理暫行規(guī)定（征求意見稿）》

據(jù)了解，該意見稿目的在于規(guī)范無(wú)線充電（電力傳輸）設(shè)備有序使用無(wú)線電頻譜資源，避免對(duì)各類依法開展的無(wú)線電業(yè)務(wù)產(chǎn)生有害干擾，維護(hù)空中電波秩序。

簡(jiǎn)而言之，就是在目前無(wú)線設(shè)備越來(lái)越多的環(huán)境下，通過(guò)設(shè)定無(wú)線充電功率限制來(lái)避免設(shè)備間互相干擾。

如果上述征求意見稿最終獲得通過(guò)，50W以上的無(wú)線快充產(chǎn)品都將成為“絕唱”，這意味著無(wú)線充電的“功率競(jìng)賽”就此落幕。

那么，對(duì)于以手機(jī)為代表的消費(fèi)電子設(shè)備充電而言，50W的無(wú)線充電技術(shù)能否滿足消費(fèi)者需求呢?

其實(shí)，50W已是一個(gè)不低的無(wú)線充電功率水平。在2020年小米發(fā)布的50W無(wú)線秒充技術(shù)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)40分鐘即可將4500mAh大電池充至100%，充電速度超過(guò)了部分有線充電。畢竟蘋果手機(jī)目前的有線充電器功率才達(dá)到20W，磁吸無(wú)線充電還只有15W。對(duì)于消費(fèi)者而言，50W的無(wú)線充電功率足以滿足對(duì)于手機(jī)快充的需求。

然而，在“功率競(jìng)賽”告一段落之后，無(wú)線充電技術(shù)接下來(lái)要關(guān)注哪些技術(shù)點(diǎn)呢？

01 提升充電效率/轉(zhuǎn)化效率

我們先來(lái)了解一下無(wú)線充電系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。無(wú)線充電系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成。以電磁感應(yīng)方式為例，發(fā)射端與電源連接，電源被發(fā)射電路轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電流，高頻交流電使發(fā)射線圈產(chǎn)生波動(dòng)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在接收線圈上感

應(yīng)出交流電，然后接收電路再把電流轉(zhuǎn)化為直流電給設(shè)備電池進(jìn)行充電，這樣一來(lái)就實(shí)現(xiàn)了無(wú)線充電。

圖4：無(wú)線充電供電示意圖

（ 圖源：行行查研究中心）

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是采用電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)“電生磁”-“磁生電”的相互轉(zhuǎn)化。從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)鏈主要包括方案設(shè)計(jì)、無(wú)線充電芯片、磁性材料、傳輸線圈、模塊制造等幾個(gè)環(huán)節(jié)，行業(yè)入局者眾多。

其中，TDK是無(wú)線充電線圈領(lǐng)域的知名廠商，其面向智能手機(jī)及其他移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線充電線圈采用纖薄、靈活的金屬磁片，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)最薄的厚度。這些TDK無(wú)線電力傳輸線圈裝置不僅超薄、超輕，同時(shí)也高度耐沖擊。

貿(mào)澤電子在售的TDK無(wú)線充電小型Rx（接收）線圈單元WR202010-18M8-SM接收器具有10.68μH電感和2.96Ω的最大直流電阻。

圖5：無(wú)線充電小型Rx線圈單元WR202010-18M8數(shù)據(jù)表

（圖源：TDK）

據(jù)了解，該線圈設(shè)計(jì)上盡可能降低了電阻值上升的趨勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)了滿足WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)要求的電力傳輸效率。TDK設(shè)備具有超薄外形及0.5-0.6A的輸出電流，可依據(jù)每項(xiàng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，并且無(wú)鹵素，適用于智能手機(jī)、手持式移動(dòng)終端、DSC、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品的無(wú)線充電應(yīng)用中。無(wú)線接收線圈作為無(wú)線充電功能的重要硬件支持，其銷量必定會(huì)隨著無(wú)線充電功能的普及而不斷攀升。

從無(wú)線充電技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，現(xiàn)階段無(wú)線充電的效率大多處于60%-80%之間，而有線充電效率可達(dá)95%，兩種充電方式存在較大差距。因此，除了充電功率之外，充電效率和轉(zhuǎn)換效率也是制約無(wú)線充電速度的關(guān)鍵。

在電磁感應(yīng)模型中，電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能，再由磁場(chǎng)能變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程必然存在一定的能量損耗，并且由于比有線充電多了感應(yīng)線圈這個(gè)“中間商”之后，能量轉(zhuǎn)化率也出現(xiàn)大幅的降低。因此，提高無(wú)線充電效率和轉(zhuǎn)換效率成為接下來(lái)行業(yè)要發(fā)力的方向之一。

提高效率可以從兩點(diǎn)出發(fā)，一是增大輸出，另一個(gè)是減少損耗：

增大輸出方面，可以從材料選擇來(lái)著手。選擇好的磁性材料一方面可以增加磁通量，另一方面可以實(shí)現(xiàn)磁屏蔽。目前常用的磁性材料有鐵氧體、納米晶等，對(duì)磁通特性要求較高。無(wú)線充電的發(fā)射端與接收端上都覆蓋無(wú)線充電線圈，線圈在工作時(shí)都會(huì)有損耗，因而使用好的材質(zhì)可以降低線圈損耗，大大提升無(wú)線充電效率。

減少損耗方面，可以從優(yōu)化線路與元器件選擇來(lái)著手。線路上精簡(jiǎn)優(yōu)化好，并且元器件選擇好的材質(zhì)，就可以減少輸出損耗。此外，發(fā)射和接收線圈的耦合設(shè)計(jì)以及制造工藝都影響充電效率，電子線圈高端產(chǎn)品的技術(shù)門檻較高，能提供高端產(chǎn)品的生產(chǎn)商數(shù)量有限。

在提升無(wú)線充電效率方面，Texas Instruments的產(chǎn)品表現(xiàn)出色。貿(mào)澤電子在售的Texas InstrumentsBQ51051BRHLR產(chǎn)品是一款高效、符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源接收器，適用于便攜式應(yīng)用的集成鋰離子/鋰聚合物電池充電控制器。

BQ51051BRHLR在單個(gè)封裝中集成了低阻抗同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器（LDO）、數(shù)字控制器、充電器控制器以及精確的電壓和電流環(huán)路。整個(gè)功率級(jí)（整流器和 LDO）使用低電阻N-MOSFET以確保高效率和低功耗，峰值AC-DC充電效率能達(dá)到93%。

圖6：Texas Instruments BQ51051BRHLR無(wú)線電源接收器功能框圖

（圖源：Mouser）

據(jù)了解，BQ51051B器件提供高效的AC-DC電源轉(zhuǎn)換，以及高效、安全地對(duì)鋰離子和鋰聚合物電池充電所需的各種控制算法。該器件與BQ500212A發(fā)送器側(cè)控制器一起為直接電池充電器解決方案提供完整的無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)。

通過(guò)使用近場(chǎng)感應(yīng)電能傳輸，嵌入在便攜式設(shè)備中的接收線圈可以接收發(fā)射線圈傳輸?shù)碾娔?，然后?duì)來(lái)自接收器線圈的交流信號(hào)進(jìn)行整流和調(diào)理，以直接向電池供電。從接收器到發(fā)射器建立全局反饋，以穩(wěn)定功率傳輸過(guò)程。

TI 公司的無(wú)線充電產(chǎn)品組合改變了傳統(tǒng)的連接性，可提供各種無(wú)線電源發(fā)射器和接收器器件，適用于直接和間接充電應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)兼容和非兼容系統(tǒng)，其豐富的無(wú)線充電解決方案極大的滿足了人們對(duì)于持續(xù)連接的需求。

02 增強(qiáng)易用性

目前，手機(jī)無(wú)線充電廣泛采用的是電磁感應(yīng)式技術(shù)。由于其研發(fā)門檻較低，技術(shù)趨于成熟，成本較低，因而被廠商廣泛使用。但電磁感應(yīng)無(wú)線充電局限較多，包括充電時(shí)需要對(duì)齊線圈、不能遠(yuǎn)距離無(wú)線充電、同時(shí)可充電設(shè)備的數(shù)量較少等。這幾大短板限制了電磁感應(yīng)無(wú)線充電的發(fā)展，致使該項(xiàng)技術(shù)在大部分應(yīng)用場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)不明顯，使用體驗(yàn)有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

為了解決以上問(wèn)題，電磁共振式無(wú)線充電技術(shù)出現(xiàn)了，其原理是發(fā)送端遇到共振頻率相同的接收端后，由共振效應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，即使沒(méi)有像電磁感應(yīng)式充電一樣對(duì)齊線圈的位置，也依然能充電，并且充電距離可達(dá)10厘米左右。這樣的距離與電磁感應(yīng)技術(shù)相比沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，仍然不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線充電。其缺點(diǎn)是充電效率較低，并且距離越遠(yuǎn)，傳輸功率越大，損耗也就越大。

為了實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)線充電，無(wú)線射頻技術(shù)又應(yīng)運(yùn)而生。這種全新的隔空充電技術(shù)，通過(guò)發(fā)射裝置的天線輻射無(wú)線電波，再由接收裝置接收無(wú)線電波上承載的能量來(lái)完成“隔空”充電。這種充電方式覆蓋的范圍比前兩種技術(shù)遠(yuǎn)得多。相比接觸式無(wú)線充電，隔空充電才能讓消費(fèi)者真正感受到無(wú)線充電的魅力。

無(wú)線射頻技術(shù)是目前無(wú)線充電技術(shù)研發(fā)的前沿，諸多企業(yè)都在研發(fā)使用不同的無(wú)線射頻類型完成“隔空充電”，其優(yōu)點(diǎn)是充電距離遠(yuǎn)，充電方式靈活，限制少，可以實(shí)現(xiàn)真正的“無(wú)線充電”。當(dāng)然這種技術(shù)也有潛在的不足，比如對(duì)人體的潛在影響以及轉(zhuǎn)換效率相比前兩種方式較低。

無(wú)線射頻技術(shù)被認(rèn)為是下一代無(wú)線充電設(shè)備的核心技術(shù)，當(dāng)真正成熟、低成本的電磁共振和射頻無(wú)線充電器出現(xiàn)后，無(wú)線充電才能真正實(shí)現(xiàn)大家想象中的那種遠(yuǎn)高于插線充電的便利性。也許在消費(fèi)電子領(lǐng)域，無(wú)線充電技術(shù)將從現(xiàn)有的電磁感應(yīng)無(wú)線充電直接過(guò)渡到隔空充電，進(jìn)而從有限的無(wú)線，發(fā)展到真正的無(wú)線。

目前而言，隔空充電技術(shù)想要達(dá)到真正的實(shí)際應(yīng)用，仍有諸多問(wèn)題需要解決。綜合來(lái)看，不同的無(wú)線充電技術(shù)之間優(yōu)劣各異，隨著市場(chǎng)需求以及技術(shù)演進(jìn)的趨勢(shì)，每種技術(shù)都在尋求新的突破口。

圖7：無(wú)線充電技術(shù)模式對(duì)比

（圖源：頭豹研究院）

03 EMI（電磁干擾）控制

所謂EMI（電磁干擾），是指任何能使設(shè)備或系統(tǒng)性能降級(jí)的電磁現(xiàn)象。

由于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在傳播過(guò)程中需要借助磁耦合機(jī)構(gòu)將發(fā)射側(cè)的電能轉(zhuǎn)化成高頻磁場(chǎng)，因而容易產(chǎn)生EMI信號(hào)。這些EMI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)和輻射，不僅會(huì)污染電磁環(huán)境，還會(huì)對(duì)通信設(shè)備和電子儀器造成干擾。

同時(shí)，無(wú)線充電是輻射開放的磁場(chǎng)，開放磁場(chǎng)可能會(huì)對(duì)外部其它設(shè)備產(chǎn)生影響。所以在做芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要通過(guò)降低寄生參數(shù)、調(diào)整驅(qū)動(dòng)的速度和時(shí)間以及添加磁性材料等方式來(lái)屏蔽電磁干擾，降低電磁干擾帶來(lái)的影響。

如在無(wú)線充電的發(fā)射和接收端，可采用鐵氧體等低成本軟磁材料。通過(guò)對(duì)鐵氧體屏蔽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效降低耦合機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)泄漏，達(dá)到控制EMI的目的。

買電子元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

由此可見，無(wú)線充電芯片和線圈對(duì)EMI有著較高要求。貿(mào)澤電子在售的來(lái)自Vishay的Dale IWTX-4646BE-50無(wú)線充電發(fā)射器線圈能夠提供耐用的結(jié)構(gòu)和高磁導(dǎo)率屏蔽，該線圈在19V輸入電壓下能提供超過(guò)70%的效率。

IWTX-4646BE-50線圈配備不受永久定位磁鐵影響的高飽和鐵粉，可與Vishay符合WPC的無(wú)線接收線圈配套使用。尺寸更大的鐵氧體線圈在強(qiáng)磁場(chǎng)下會(huì)飽和。IWTX-4646BE-50在4000高斯磁場(chǎng)下的磁飽和為50%，可替代此類線圈。

綜合上述內(nèi)容來(lái)看，“功率競(jìng)賽”之外，提升充電效率、增強(qiáng)易用性、控制無(wú)線充電系統(tǒng)的電磁干擾等或?qū)⒊蔀樾袠I(yè)廠商接下來(lái)需要關(guān)注的重點(diǎn)方向。

而在無(wú)線充電方面一直表現(xiàn)亮眼的小米，自2018年推出首款無(wú)線充電手機(jī)以來(lái)，一直致力于推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展。近日，小米推出了“小感量+磁吸”無(wú)線充電預(yù)研技術(shù)，磁吸無(wú)線充電功率可達(dá)50W，損耗降低50%，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了“革命性的無(wú)線充電體驗(yàn)”。

無(wú)線充電市場(chǎng)前景可觀

近幾年隨著無(wú)線充電的不斷普及和推廣，消費(fèi)者對(duì)于無(wú)線充電的認(rèn)知度和接受度正在不斷提高，無(wú)線充電所應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)展。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球無(wú)線充電市場(chǎng)規(guī)模從2016年的34億美元增長(zhǎng)至2020年的90億美元，年均復(fù)合增速超過(guò)40%，2021年全球無(wú)線充電市場(chǎng)規(guī)模突破百億美元，市場(chǎng)前景廣闊。

圖8：（圖源：行行查研究中心）

未來(lái)，隨著行業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)、無(wú)線充電效率和易用性的提升，行業(yè)廠商將以更新、更好、更快且更具成本效益的無(wú)線充電解決方案，繼續(xù)推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)向前發(fā)展，以及市場(chǎng)預(yù)滲透率的持續(xù)攀升。

審核編輯 黃昊宇