無線充電技術(shù)的現(xiàn)狀及其開發(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，到 2024 年無線充電市場將增至近每年 150 億美元的規(guī)模。無線充電技術(shù)對手機(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無線充電裝置和筆記本電腦也可以具備無線充電功能，只要稍微創(chuàng)新一下設(shè)計(jì)。當(dāng)然，無線充電一旦技術(shù)壁壘得到突破，將在電動(dòng)汽車上擁有非常廣泛的應(yīng)用前景。本文主要從無線充電技術(shù)的歷史、相應(yīng)技術(shù)、產(chǎn)品的應(yīng)用以及技術(shù)發(fā)展趨勢等幾方面進(jìn)行介紹。希望對大家在今后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中能有所幫助。

一、無線充電的起因

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?yán)?、機(jī)場、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">電子設(shè)備總是要充電的。

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

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

在家里，我們現(xiàn)在有無線充電的牙刷和剃須刀。自20世紀(jì)60年代以來，無線充電就被應(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（無線功率傳輸）標(biāo)準(zhǔn)，最大功率可以擴(kuò)展到200瓦?，F(xiàn)在有人說，未來廚房的各種電器設(shè)備都可以使用無線供充電。但是目前，我們并沒有完全掌握這種技術(shù)，尤其是大功率的無線充電。

通常，無線充電裝置有兩個(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年開始，幾乎每個(gè)新下線的汽車或卡車都提供符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電功能。 至少到目前為止。未來，汽車行業(yè)用將成為最大的無線充電應(yīng)用市場。

二、無線充電的“歷史”

麥克斯韋方程于1864年被引入，用來描述電場、磁場和電磁場。1873年麥克斯韋的《電與磁論》一書把這兩種力統(tǒng)一起來，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，并對無線功率傳輸系統(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年展示了無線充電的潛力，用無線“感應(yīng)式”方法來傳輸電量點(diǎn)亮白熾燈泡，并用微波方式來實(shí)現(xiàn)。特斯拉還指出，高頻電流很容易通過略為稀薄的空氣，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)燈泡都是無線的，電流通過地面循環(huán)，沒有任何電線連接，距離26英里。他在實(shí)驗(yàn)室通過一個(gè)線圈傳輸大約10,000瓦的能量來完成這項(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)用無線充電工程師的 W.C. Brown 通過所謂的矩形天線實(shí)現(xiàn)了微波信號（2.45GHz）的接收并轉(zhuǎn)換為電能。

三、無線充電的四種方式及比較：

四、無線電能傳輸（WPT）

由無線電源聯(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、火車等各個(gè)公共場所，從而讓消費(fèi)者可以隨時(shí)、快捷地享受無線充電帶來的便利。 由于，5W版本規(guī)范從2009年8月就開始了。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，無線電源聯(lián)盟（A4WP）和電源管理聯(lián)盟（PMA）于合并成立了AirFuel無線充電聯(lián)盟。該聯(lián)盟還發(fā)布了兼容的類似感應(yīng)無線充電規(guī)范及其AirFuel RF-WPT標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)說，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。

至于無線電波傳輸，POWERCAST是一家是基于射頻（RF）的遠(yuǎn)距離供電無線充電技術(shù)的先驅(qū)。自2003年以來，POWERCAST已幫助客戶為無線傳感器網(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)類市場的長距離無線充電產(chǎn)品。這項(xiàng)3W無線充電技術(shù)采用了915 MHz的ISM頻段，無需在目視范圍內(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)備提供無線充電所需的能量。

五、電子設(shè)備的Qi充電

隨著最新的蘋果手機(jī)采用Qi無線充電技術(shù)，無線充電將是手機(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)絕對的主流優(yōu)勢地位。Qi無線充電系統(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，請求所需的適當(dāng)功率。發(fā)射器通過耦合的電感器將功率傳輸?shù)浇邮掌鳌＝邮掌鲗⒎答佇盘柊l(fā)送到發(fā)送器，以請求所需功率大小，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)。這對于出于公共健康原因反對任何類型輻射的人們來說都是一件好事。

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，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)是由無線電力聯(lián)盟開發(fā)的，適用于40毫米（1.6英寸）的電力傳輸。這是一個(gè)近場系統(tǒng)，自2015年1.2版以來，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日之后過認(rèn)證的無線充電產(chǎn)品將不再適用Qi v1.2.3，而是按照Qi v1.2.4標(biāo)準(zhǔn)過認(rèn)證了。

六、無線充電系統(tǒng)的元件和開發(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)備通過電磁感應(yīng)放電。本質(zhì)上，交流電流通過充電板中的線圈產(chǎn)生磁場，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)量的元器件對無線充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著非常重要的作用。自2009年引入無線電力聯(lián)盟的Qi標(biāo)準(zhǔn)以來，許多符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無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)滿足具有競爭力的成本、小型化和快速上市的目標(biāo)。

開發(fā)Qi無線充電終端應(yīng)用程序的最有效方法是從可用的評估套件（EVK）或評估模塊（EVM）開始。 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，從而加快開發(fā)工作。某些工具甚至可能已經(jīng)獲得獨(dú)立測試機(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評估套件支持為符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備提供無線電池充電，功率高達(dá)15W。STEVAL-ISB047V1還支持專有快速充電模式，功率高達(dá)10W。該套件的發(fā)射器基于STWBC-MC，采用性價(jià)比高的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過UART提供外部接口。該評估套件裝配完整，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無線電源充電線圈 WE-WPCC可通過電感耦合，以無線方式傳輸電力。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，并在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。Qi無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、無線充電技術(shù)的趨勢

盡快相比于有線充電，無線充電可以帶來很多的優(yōu)勢，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。

審核編輯：郭婷