無線充電技術(shù)經(jīng)典問答

Q：何為無線充電技術(shù)？有何特征？A：所謂無線充電，正如其名字一樣是通過無線的方式來達(dá)到電力傳輸?shù)募夹g(shù)。與常規(guī)的把電源線連接到手機(jī)上充電的方式不同，它只需將手機(jī)直接放在充電臺上就能進(jìn)行充電了。圖1所示、「充電器（電力輸出側(cè)）的線圈中流過交流電而發(fā)生磁通量，該磁通量和智能手機(jī)（電力接收側(cè)）的線圈相連接，流過感應(yīng)電流?！估眠@樣的電磁感應(yīng)原理進(jìn)行充電。

圖1無線充電圖例

Q：無線充電器所面臨哪些難題？A：在智能手機(jī)高耗能的時代，擁有一款無線充電器作為外設(shè)移動電源還是很不錯的，但是目前在技術(shù)方面，這種電源適配器還處在發(fā)展階段，對于無線充電技術(shù)，它面臨著那些難題呢？一，干擾問題，平時我們都有這樣的經(jīng)歷，手機(jī)放在電腦或者電視旁邊時候，如果有短信或者電話進(jìn)來，電腦或者電視屏幕就會受到干擾。如果把無線充電器放到房間里，是否也會對很多的家用電器產(chǎn)生干擾呢？二，效率問題，實(shí)踐證明，無線充電器充電的轉(zhuǎn)化率比起有線充電器來說，要低了不少，目前最高只能達(dá)到85%，也算是一種能源浪費(fèi)。所以使用在技術(shù)方面，還有提升的空間。三，成本問題，畢竟無線充電技術(shù)雖然是早就有的技術(shù)，但是應(yīng)用于充電還是一個新事物。無線充電包括電源管理模塊、發(fā)射電路、接收轉(zhuǎn)換電路和充電電路，而且還會涉及到很多的專利費(fèi)用，成本一定高于目前廣泛使用的有線充電和萬能充電器。四，限制問題，就目前來說，無線充電器還無法達(dá)到無線網(wǎng)絡(luò)那么大范圍的覆蓋率，雖然充電板和接收器是兩個部分，但是彼此還是不能分開太遠(yuǎn)，不然充電效率會大幅下降甚至無法充電。五，輻射問題，現(xiàn)在人們談輻射色變，無線充電由于電感線圈的存在，必然會產(chǎn)生磁力線輻射，但是在電流的輻射方面，目前無線充電器基本上將交流電整流后轉(zhuǎn)換為直流電，且功率極小， 所以關(guān)于輻射的問題，依然是人們最為關(guān)注的方面。相信相信隨著未來技術(shù)的進(jìn)步，無線充電器所面臨的以上難題將會迎刃而解，真正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)與應(yīng)用。目前，各大充電器廠家在生產(chǎn)制造方面都做好了充分準(zhǔn)備。

Q：無線充電器會產(chǎn)生哪些噪聲問題？A：在無線充電器中，如圖2所示，①充電過程中低于100MHz的低頻帶中輻射放射（被釋放到空間的噪聲）變大，②充電過程中播放電視或者音頻，數(shù)據(jù)通信的接收靈敏度變差，會發(fā)生這兩種噪聲問題。充電過程中單分割的播放無法接收信號、不能接聽來電，不能接收短信這類的問題。

圖2 有噪聲問題的頻帶

Q：無線充電器中的噪聲干擾機(jī)制是怎樣的？A：噪聲源來自于在約100kHz時驅(qū)動的變頻器。這種諧波成分在1GHz附近存在，會引起各種各樣的噪聲問題。此外，電源線端放射的噪聲被作為輻射來觀察，從電力輸出線圈放射的噪聲和智能手機(jī)的天線結(jié)合會引起抑制接收靈敏度的現(xiàn)象。

圖3無線充電器的噪聲干擾機(jī)制

Q：在無線充電器中何種噪聲對策是有效的？A：噪聲對策的基礎(chǔ)是在噪聲源發(fā)出的噪聲到達(dá)容易放射噪聲的天線之前就將噪聲抑制。如果不泄漏，即使是無線充電器，可以通過在電源線的底部插入共模扼流圈（CMCC）來達(dá)到削減輻射量的效果，在電力輸出線圈前插入低ESL電容器和共模扼流圈可以達(dá)到改善接收靈敏度的效果。

圖4 無線充電器的噪聲對策

具體的改善效果如圖5圖6所示。通過在電源線的底部插入共模扼流圈，能減低輻射量約20dB，CISPR22的規(guī)定中有明確表示。此外，通過在電力輸出線圈前插入低ESL電容器和共模扼流圈改善接收靈敏度最大可達(dá)13dB，與不充電的時候的水平幾乎持平。

圖5 輻射量的改善效果

圖6接收靈敏度的改善效果

Q：談?wù)劶夹g(shù)、市場與產(chǎn)業(yè)鏈？A：原理簡單，實(shí)作困難無線充電的方法在實(shí)驗(yàn)階段有開發(fā)出很多方法，但目前唯一有機(jī)會量產(chǎn)商品化為線圈感應(yīng)式。線圈感應(yīng)式的原理很簡單，是百年前就被發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，但過去長久以來這樣的線圈感應(yīng)只運(yùn)用在繞線式的變壓器中。早期就有人發(fā)現(xiàn)將繞線式的變壓器的將“E”型鐵心繞線后對向緊貼后接上市電就可以感應(yīng)傳電，但距離略為分開后感應(yīng)效果就消失，這是因?yàn)樵谑须?0Hz下，電磁波傳遞會隨著距離增加能量快速衰退。在現(xiàn)今的應(yīng)用中，由于裝置本身需要有外殼包裝，發(fā)射端加上接收端的外殼厚度至少從3mm起算，早期電動牙刷產(chǎn)品開發(fā)時就發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離拉開后需要將線圈上的操作頻率提高才能讓電力能傳送的更遠(yuǎn)；在電磁波中有一個特性，就是頻率越高的電磁波可以傳送比較長的距離后能量衰減較低。后來RFID應(yīng)用開始發(fā)展，主要就規(guī)劃的三個頻段LF低頻（125~135KHz）、HF高頻（13.56MHz）、UHF超高頻（860~960MHz）可以使用，而這些頻段也造就了目前無線電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初頻率采用的參考點(diǎn)。早在10年前電動牙刷的無線充電就已經(jīng)上市，當(dāng)時的傳送功率小、充電時間長，在現(xiàn)在的智能手持裝置的耗電狀況來看，當(dāng)時的充電能量不敷使用所以10年來還無法實(shí)用化。但這幾年來發(fā)展出新的技術(shù)可用較高的“共振”接收效率運(yùn)作方式，由于這個技術(shù)較新所以各界的說法很多，但都是有一個很重要的特性，就是接收線圈上都會有配置電容來構(gòu)成一個具有頻率特性的接收天線，在特定的頻率下可以得到較大的功率移轉(zhuǎn)。這部份就跟早期的電磁感應(yīng)不同，當(dāng)距離拉開后依然就可以得到良好的電力傳送效果。共振的原理非常簡單，就跟鋼琴調(diào)音師一樣放不同水量的玻璃杯，在精準(zhǔn)的調(diào)音下可以將某個玻璃杯透過共振將其振碎；但其它的文章都沒有提到，若是沒有經(jīng)過專業(yè)鋼琴調(diào)音師訓(xùn)練的一般人，可能永遠(yuǎn)也調(diào)不出可以讓玻璃杯振碎的頻率！這就是原理簡單、實(shí)作困難。

展示簡單，上市困難電子零件出廠時就像是未調(diào)過音的鋼琴，鋼琴透過專業(yè)的調(diào)音師精準(zhǔn)調(diào)校后可以發(fā)出高品質(zhì)的聲音；當(dāng)大量生產(chǎn)后為了成本考量可能就無法在每一個產(chǎn)品都經(jīng)由專業(yè)人員調(diào)校再出貨，如果每一個產(chǎn)品都要專業(yè)人員來修正那就會有困難，因?yàn)閷I(yè)人員有限。這就跟目前可以看到很多無線充電產(chǎn)品在很久前就發(fā)表了，在發(fā)表會上產(chǎn)品都可以完美演出，但過了很久的等待后還沒見產(chǎn)品上市？就跟剛提到的例子一樣，無線充電的產(chǎn)品為了達(dá)到很好的共振效果必需經(jīng)過精準(zhǔn)的調(diào)校，在這樣的狀況下量產(chǎn)會變的非常困難。所以無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先必需要能針對共振這部份能自我調(diào)整，這樣才能解決量產(chǎn)難題。2008年INTEL即發(fā)表了可以離一公尺距離的兩個線圈傳送電力用以點(diǎn)亮60瓦特?zé)襞?，發(fā)表當(dāng)時也宣告了無線電力時代已經(jīng)到來；但三年過去了相關(guān)產(chǎn)品還是沒有上市，仔細(xì)想一下可以相距一公尺傳送電力，這么強(qiáng)大的電磁能量就算對人體沒影響、對周遭的電氣制品會有非常大的殺傷力。無線電力系統(tǒng)的原理與烹調(diào)電磁爐相同，透過電磁波來傳送能量只不過目標(biāo)不同，電磁爐使用頻率約50KHz能量發(fā)出后給鍋具加熱用已烹飪，過去網(wǎng)絡(luò)上就有流傳過一段影片就是將手機(jī)放在運(yùn)作中的電磁爐表面上，在短時間內(nèi)手機(jī)即燒毀，這樣的原理一樣電磁波會穿過手機(jī)外殼直接對內(nèi)部的金屬構(gòu)造加熱終至燒毀。前文題到過，為了加長傳送距離必需提高傳送頻率，電磁爐的頻率較低在離開數(shù)公分后就衰減到安全界限以下，INTEL發(fā)表的相距一公尺傳送電力必需將頻率提高到約13MHz才能傳送，在這個狀況下線圈之間若是存在金屬物體將會被加熱而發(fā)生危險，表演中工作人員可以站在兩個線圈中間不會有危險，是因?yàn)槿梭w內(nèi)的金屬成份很少所以溫度上升有限。當(dāng)電磁波頻率加到1GHz以上就會直接對水分子加熱；這個原理就變成微波爐了，水分子被電磁波攪動后發(fā)出熱量。所以微波爐與電磁爐不一樣，必需在屏蔽體內(nèi)操作避免為害到人體。這部份又與市面上的無線通訊產(chǎn)品不同，因?yàn)槟芰坎罹嗌醮?；無線電力系統(tǒng)需要傳送電力而發(fā)送到受電裝置所以需高功率傳送，無線通訊產(chǎn)品收到低功率訊號后再透過內(nèi)部的電池將訊號放大處理。所以不管是在13MHz會對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無線電力在設(shè)計(jì)時必需解決安全的問題才能上市，這就是展示簡單、上市困難。三大效能指針：效率、安全、功率電動牙刷早在10年前就堆出無線充電了，當(dāng)時由于功率需求低所以不需要考慮效率與安全。早期的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率只有20%-30%，且沒有安全機(jī)制并不會辯識目標(biāo)連續(xù)供電，這樣的系統(tǒng)就與微型電磁爐一樣。由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20%的轉(zhuǎn)換效率下即有80%的能量于傳送中轉(zhuǎn)成熱量散逸，這樣推算發(fā)射器提供0.5W的能量到接收器為0.1W的能量，0.4W產(chǎn)生的熱量有限對系統(tǒng)的溫度上升不明顯，且系統(tǒng)最大輸出能力也不大即0.5W，所以在發(fā)射器上放置金屬異物也不會產(chǎn)生危險；但今日的裝置需求遠(yuǎn)高于0.1W，以熱銷的智能型手機(jī)來看接收需要5V-1A： 即5W的充電能量，若用電動牙刷的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)問題就會很大了，接收端5W的需求在只有20%的轉(zhuǎn)換效率下有20W的能量轉(zhuǎn)換成熱能散逸，這樣的能量會產(chǎn)生龐大的熱能會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統(tǒng)最大輸出能力會在25W，若為無安全設(shè)計(jì)下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會導(dǎo)致火災(zāi)意外，所以在功率需求提高后衍生的問題需要全新的設(shè)計(jì)來完成無線充電，所以10年前即出現(xiàn)的無線充電到今還改良之中。新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需為了達(dá)到目標(biāo)功率，必需先解決效率與安全的問題。高轉(zhuǎn)換效率仰賴先進(jìn)規(guī)格零件與材料現(xiàn)今無線充電系統(tǒng)都采用共振的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在架構(gòu)上都大至相同有下列這些構(gòu)造：發(fā)射器內(nèi)有

1.直流電源輸入2.頻率產(chǎn)生裝置3.切換電力的開關(guān)4.發(fā)射的線圈與電容諧振組合接收器內(nèi)有

A.接收的線圈與電容諧振組合B.整流器C.濾波與穩(wěn)壓器D.直流電源輸出在樣的架構(gòu)下從發(fā)射器的1.直流電源輸入到接收器 D.直流電源輸出應(yīng)過的每一個環(huán)節(jié)都是效率損耗的要點(diǎn)，在電源電路中電流通過的每一個有阻抗特性的零件都會在上面損耗部份能量，這幾年材料的進(jìn)步也讓無線充電的實(shí)用化大增，其中有幾樣先進(jìn)零件是無線充電系統(tǒng)中與傳輸效率相關(guān)的，為了達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率需要將這些零件與材料作組合運(yùn)用。A.頻率產(chǎn)生裝置：目前有數(shù)家公司將此部份開發(fā)成IC銷售，其為發(fā)射電路板上的關(guān)鍵零件。b.切換電力的開關(guān)：大多為MOSFET所構(gòu)成，低導(dǎo)通阻抗與高切換速度是選用的要點(diǎn)。c.發(fā)射／接收的線圈與電容諧振組合：此部份為過去從未出現(xiàn)過的技術(shù)，由于無規(guī)則可循所以只能透過不斷的嘗試，另外未了阻絕多于的能量散到其它地方，于線圈的未感應(yīng)側(cè)都會家上磁性材料，這類的材料特性也是全新的應(yīng)用。d.整流器：由于在線圈上的操作都是高頻率、高電壓的能量訊號需要能有效的換成直流電才能給受電裝置使用，目前大多采用超低VF的蕭特基二極管所構(gòu)成。e.濾波與穩(wěn)壓器：這部份難度在接收裝置空間有限，設(shè)計(jì)上要小型化的困難處，通常高轉(zhuǎn)換效率的電路配置大體積被動零件。設(shè)計(jì)最艱難的部份在于安全先前提到無線充電系統(tǒng)與電磁爐一樣會發(fā)射電磁波能量，這有兩大問題：其一為當(dāng)發(fā)射器上沒有放目標(biāo)充電裝置時一樣在發(fā)射能量，長時間下會造成能源的浪費(fèi)，不符合現(xiàn)在產(chǎn)品節(jié)能的趨勢。另外一個問題較嚴(yán)重，為當(dāng)發(fā)射器上放的是金屬異物，電磁波對其加熱；這個狀況輕則燒毀裝置，重則發(fā)生火災(zāi)危其人員生命財產(chǎn)。所以無線充電系統(tǒng)若要上市銷售，必需要有一個重要的功能即為“受電端目標(biāo)物辨識”，當(dāng)正確的目標(biāo)物放置在發(fā)射器上才開始送電，若不是的話則不送電。用來偵測近距離裝置的方法有很多，但在無線充電系統(tǒng)上有一個問題就是無法采用昂貴的零件來完成這個功能，記住目前設(shè)計(jì)的只是一個充電器，若成本太高的話市場會無法接受這個功能。而目前有兩個實(shí)用的方法來完成這個功能： 1. 磁力激活：在受電端上裝一個磁鐵，當(dāng)發(fā)射端感應(yīng)到磁力后開始發(fā)送能量，這個方法簡單有效，因?yàn)闆]有人會無意中放一個磁鐵在發(fā)射器上讓它燒毀。2.感應(yīng)線圈上的資料傳送：這是目前認(rèn)為最安全的方法，與RFID的原理相同，利用兩個線圈內(nèi)的電力傳送中，包含資料碼一起傳送；這個方法最安全也是最難完成的，因?yàn)楦袘?yīng)線圈上有高能量的電力傳輸、另外還包含了系統(tǒng)的噪聲與負(fù)載電流變化的干擾，如何有效的傳送資料碼是一大難題。

可變功率系統(tǒng)需建立在數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制上一個理想的系統(tǒng)為在無線充電發(fā)射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機(jī)到大功率的筆記型計(jì)算機(jī)，都應(yīng)該要能對應(yīng)不同的目標(biāo)物；但每個接收裝置的電力需求都不一樣，這時發(fā)射器必需要能自動調(diào)節(jié)功率輸出。但這樣的功能要建立在發(fā)射器與接收器要能夠傳送資料碼來進(jìn)行溝通，所以如何運(yùn)用感應(yīng)電力的線圈進(jìn)行資料碼傳送是研發(fā)的要點(diǎn)。關(guān)于這個技術(shù)數(shù)年前已經(jīng)有多家公司投入開發(fā)，其每家公司的方法有差異在實(shí)作上的穩(wěn)定性也需要再經(jīng)過驗(yàn)證。無線充電共通標(biāo)是理想?yún)s難以實(shí)現(xiàn)目前有業(yè)者在推行無線充電標(biāo)準(zhǔn)，理想化的標(biāo)準(zhǔn)是可以跨品牌使用。這個是一個很理想化的目標(biāo)，所謂的標(biāo)準(zhǔn)就針對兩個部份需要規(guī)范才能運(yùn)作；第一就是要有共通的共振頻率，電力傳輸是需要透過預(yù)設(shè)好的共振頻率來傳送，發(fā)射器提供的電磁波能量之頻率需要是接收器的共振頻率才能得到好的轉(zhuǎn)換效率。第二就是標(biāo)準(zhǔn)的資料傳送碼或其它識別激活方式，發(fā)射器需要對應(yīng)到正確的接收器才能開始送電。一個共通的標(biāo)準(zhǔn)的確是市場所期待的，目前在推動無線充電標(biāo)準(zhǔn)化的團(tuán)體已經(jīng)運(yùn)作多時，但在市面上的產(chǎn)品還算少見，這部份可以深入了解后可以發(fā)現(xiàn)一些問題，一部份是其標(biāo)準(zhǔn)尚未完整以致研發(fā)人員照規(guī)格書開發(fā)確無法順利將產(chǎn)品完成；另一個問題是該標(biāo)準(zhǔn)并不是免費(fèi)的，當(dāng)產(chǎn)品上市前需要先支付相關(guān)專利的權(quán)利金，所以共通標(biāo)準(zhǔn)是未來的趨勢，但目前實(shí)際應(yīng)用還未成熟。三大關(guān)鍵組件牽動三個產(chǎn)業(yè)鏈就無線充電產(chǎn)品看有三大關(guān)鍵組件，其中有控制電路板、感應(yīng)線圈、磁性材料。目前無線充電尚在起步階段，市場預(yù)期接下來的二到三年會開始高度成長，而四年后將會變成品牌商品的標(biāo)準(zhǔn)備規(guī)格之一。這個市場的成長會牽動的產(chǎn)業(yè)鏈不只在電子產(chǎn)業(yè)，感應(yīng)線圈需要精密治具生產(chǎn)這牽動的是機(jī)械工業(yè)，線圈上需要運(yùn)用高效能電磁波屏蔽能力的磁性材料這牽動的是化學(xué)工業(yè)。所以一個產(chǎn)品的成長可以牽動三個產(chǎn)業(yè)鏈，因?yàn)檫@個產(chǎn)品并不是過去已經(jīng)存在的產(chǎn)品，而是全新的類別全新的應(yīng)用，相關(guān)的材料都要重新開發(fā)生產(chǎn)，對經(jīng)營面來看這也是可以開發(fā)的新領(lǐng)域。