盤點(diǎn)無(wú)線充電技術(shù)的舊玩意和新創(chuàng)意

在過(guò)去的幾年時(shí)間里無(wú)線充電市場(chǎng)不斷發(fā)展，無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)趨于整合，并且不斷有新的供應(yīng)商和新的設(shè)備涌現(xiàn)。與此同時(shí)，一些令人興奮的技術(shù)發(fā)展也不斷出現(xiàn)，下面就與大家一起討論無(wú)線充電技術(shù)現(xiàn)在的發(fā)展情況以及未來(lái)的展望。

無(wú)線充電也可以稱為無(wú)線電力傳輸（WPT），在一些消費(fèi)級(jí)可穿戴產(chǎn)品中可謂是風(fēng)靡一時(shí)，比如智能手機(jī)、智能手表、健康手環(huán)等，但是這個(gè)想法本身已經(jīng)存在至少一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間了，著名的發(fā)明家尼古拉?特斯拉早在1891年就展示了兩個(gè)燈泡之間的WPT效應(yīng)，無(wú)線充電對(duì)工業(yè)和汽車行業(yè)的用戶也具有相當(dāng)?shù)奈?，因?yàn)椴淮嬖谥苯拥倪B接所以就不會(huì)產(chǎn)生火花而引起爆炸，無(wú)線充電系統(tǒng)還可以被單獨(dú)的密封起來(lái)來(lái)對(duì)抗工業(yè)溶劑、灰塵以及腐蝕氣體的影響。

20世紀(jì)90年代消費(fèi)者才開(kāi)始廣泛使用諸如電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀之類的小型家用電器，在過(guò)去的10年時(shí)間里隨著WPT的標(biāo)準(zhǔn)化以及便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的興起，這類需求不斷增加。

兩種技術(shù)故事

無(wú)線充電系統(tǒng)遵循NFC（near-field charging，近場(chǎng)充電）準(zhǔn)則：發(fā)射線圈會(huì)生成一個(gè)震蕩磁場(chǎng)空間，通過(guò)電磁感應(yīng)向附近的接收線圈傳輸能量。典型的配置就是固定的充電站或者充電座集成發(fā)射電路和一級(jí)線圈，被充電的設(shè)備中則包含二級(jí)線圈。

發(fā)射線圈（一級(jí)線圈）生成的磁場(chǎng)只有一小部分的磁通量可以穿透給接收線圈（二級(jí)線圈）并傳輸能量：這兩個(gè)線圈本質(zhì)上構(gòu)成一個(gè)變壓器，傳輸效率是兩個(gè)線圈的耦合系數(shù)（K）與質(zhì)量因子（Q）的函數(shù)。

雙向傳輸通道以及功率波形的疊加允許接收器的驗(yàn)證和傳輸電力的管理，發(fā)射器與接收器之間的金屬物體會(huì)吸收能量，降低效率甚至造成發(fā)熱構(gòu)成安全隱患，因此異物檢測(cè)（FOD）技術(shù)也已經(jīng)被集成到目前的無(wú)線充電系統(tǒng)中。

WPT開(kāi)發(fā)者正在致力于研究?jī)煞N技術(shù)：感應(yīng)充電借助兩個(gè)緊密相鄰的耦合線圈；共振充電則是使兩個(gè)線圈都達(dá)到諧振頻率產(chǎn)生共振效應(yīng)。盡管兩種技術(shù)都采用感應(yīng)耦合技術(shù)，但是“感應(yīng)充電”通常指緊密耦合的充電方式。

感應(yīng)充電概述

感應(yīng)充電方式是低功耗便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的理想選擇，可能不適合一些大型的產(chǎn)品，這一點(diǎn)我們會(huì)集中與大家討論，并且會(huì)涉及到諧振充電。

這種方式是有效的，但是對(duì)線圈的失調(diào)非常的敏感。電力的傳輸與距離的平方成反比的關(guān)系，隨著距離的增加電力傳輸效率迅速下降。為了提高效率，用戶使用的產(chǎn)品中兩個(gè)線圈的距離一般都會(huì)保持在7mm以內(nèi)，如果用戶移動(dòng)了接收設(shè)備，系統(tǒng)就會(huì)檢測(cè)到充電效率的下降從而終止電力傳輸。

圖2是感應(yīng)無(wú)線充電系統(tǒng)的模塊圖，它采用的是兩個(gè)羅姆設(shè)備，下面會(huì)與大家討論，在大部分應(yīng)用中，無(wú)線充電系統(tǒng)都會(huì)包括兩個(gè)模塊：AC/DC電源輸入給發(fā)射線圈供電和接收端用于存儲(chǔ)能量的鋰電池。

目前有兩個(gè)感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）推出的Qi（發(fā)音：Chee）標(biāo)準(zhǔn)，操作頻率在100-200KHz，無(wú)線充電新聯(lián)盟AirFuel支持AirFuel感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)，操作頻率在100-350KHz，兩種充電方式的整體效率都超過(guò)了70%。

很多設(shè)備制造商的產(chǎn)品都支持這兩種標(biāo)準(zhǔn)，比如三星的Galaxy S6和S7智能手機(jī)同時(shí)支持Qi和AirFuel兩種無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)論是Qi還是AirFuel無(wú)線充電系統(tǒng)都是通過(guò)發(fā)射線圈將電力傳送給接收線圈，但是都是有接收端控制充電的總量，接收端通過(guò)改變主線圈的負(fù)載實(shí)現(xiàn)與發(fā)射端的通信，Qi標(biāo)準(zhǔn)支持2kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率以及雙相位編碼。AirFuel標(biāo)準(zhǔn)則定義了六種不同的通信標(biāo)志，每個(gè)AirFuel無(wú)線充電系統(tǒng)接收端都保存唯一的六字節(jié)ID識(shí)別碼，這個(gè)識(shí)別ID是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)有發(fā)射端傳送給接收端的。

無(wú)線充電系統(tǒng)比有線充電系統(tǒng)提供的電力要少的多，因此在充電的時(shí)候可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但是制造商正在積極解決這個(gè)問(wèn)題，比如提高電力水平。2015年推出的WPC v1.2版本規(guī)范明確最大支持的功率可達(dá)15W，早期的版本只支持5W。

無(wú)線發(fā)射器

在工作期間，發(fā)射器大部分時(shí)間都保持在低功耗“睡眠”模式，每隔一定的時(shí)間都會(huì)激活檢查是否有接收器需要充電。檢測(cè)到二級(jí)線圈存在后，發(fā)射器會(huì)對(duì)接收器進(jìn)行身份驗(yàn)證，然后開(kāi)始進(jìn)行電力的傳輸。如果驗(yàn)證失敗，無(wú)線發(fā)射器會(huì)繼續(xù)保持“睡眠”狀態(tài)，在電力傳輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程中，接收端會(huì)通過(guò)預(yù)定義的通信數(shù)據(jù)包保持電力傳輸?shù)倪^(guò)程，這些數(shù)據(jù)包處理的功能包括識(shí)別、身份驗(yàn)證、所需的電量和錯(cuò)誤檢測(cè)等。

如圖3所示為東芝（Toshiba）公司推出的TB6865AFG，它是一款兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線發(fā)射器，同時(shí)也可以將它看成是一款復(fù)雜的SoC器件，集成了32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核和128KB的Flash存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)電源線圈的全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)程序。此外其他模塊還包括三個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）和四個(gè)用于解碼接收器命令的解調(diào)器。

無(wú)線接收器

與無(wú)線發(fā)射器類似，無(wú)線接收器也是一款復(fù)雜的SoC器件，比如羅姆半導(dǎo)體公司推出的BD57015GWL集成了全面同步的糾正電路，采用低阻抗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，一個(gè)數(shù)據(jù)包控制器用于處理Qi和AirFuel標(biāo)準(zhǔn)通信數(shù)據(jù)，一個(gè)開(kāi)漏輸出驅(qū)動(dòng)器通過(guò)調(diào)幅的方式實(shí)現(xiàn)與發(fā)射器的通信。這個(gè)器件提供可調(diào)節(jié)的電壓輸出，符合Qi和AirFuel無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。羅姆公司同時(shí)也推出了匹配的發(fā)射器器件——BD57020MWV，它兼容Qi中低功率的無(wú)線傳輸規(guī)范。

發(fā)射器和接收器線圈

為了保證不同廠家器件之間的互操作性，Qi標(biāo)準(zhǔn)還定義了詳細(xì)的發(fā)射器充電線圈要求。這個(gè)規(guī)范定義了線圈的電磁特性、幾何形狀和材料。比如A11線圈規(guī)范定義的是單層圓形線圈，在氧化體底座上安裝了10圈電線，線圈的輸入操作電壓為5V，6.3μh電感，最大直流阻抗（DCR）為60 m?。

A6版本規(guī)范則定義了三個(gè)線圈，通過(guò)增大可用充電面積降低對(duì)線圈不對(duì)齊放置的敏感性；由于每個(gè)線圈都需要一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)模塊，因此可以說(shuō)這種方案的物料（BOM）成本都很大。

發(fā)射器和接收器線圈通常都是采用特制的利茲線纜(itz wire)制成，它使用多種絕緣線纏繞成多種形狀，將接觸面影響最小化，降低效率損失。兩個(gè)線圈尺寸應(yīng)該相近形成最大耦合。比如TDK推出的無(wú)線充電線圈兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)，適用于移動(dòng)設(shè)備，采用專用柔軟的薄金屬磁片制成，厚度僅為0.52毫米，除了厚度很薄其支持的輸出電流可達(dá)0.5到0.6A。

圖4展示的是各種形式的無(wú)線充電線圈，符合A6規(guī)范的線圈如圖左側(cè)所示。

此外接收線圈必須非常的輕薄才能適合便攜和可穿戴設(shè)備，但是仍然需要足夠的堅(jiān)固才能承受一定的震動(dòng)和沖擊作用.因?yàn)槊總€(gè)智能手機(jī)、健康手環(huán)等電子設(shè)備都是不同的，接收器的用的線圈一般都是定制化的，TI（德州儀器）公司在線圈設(shè)計(jì)程序方面提供了一系列詳細(xì)的說(shuō)明。

在標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品中，威世達(dá)勒（VishayDale）公司提出的IWAS系列線圈是首款商業(yè)可用的接收線圈，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可用于5V或7V電壓充電，比如IWAS-3827EC-50線圈能夠處理高達(dá)10W的功率，整個(gè)線圈電感大10.7μH，電阻抗達(dá)183 m?，安裝在高導(dǎo)磁層上，尺寸大約38 x 26 x 1毫米。

發(fā)射器與接收器模塊

多家制造商提供的模塊都包括線圈和發(fā)射器或者接收器，圖4所展示的是TDK公司推出的WTM505090發(fā)射器模塊，它包含了發(fā)射器PCB板卡（集成東芝TB6865AFG器件）以及發(fā)射器線圈。

WPT（無(wú)線電力傳輸）開(kāi)發(fā)工具

目前市場(chǎng)長(zhǎng)存在幾個(gè)開(kāi)發(fā)工具套件和工具幫助設(shè)計(jì)者入門無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，IDT公司提供的WP3W-RK參考開(kāi)發(fā)套件最大支持3W的無(wú)線充電功率，該套件包括發(fā)射器和接收器以及三個(gè)不同尺寸的線圈適合不同的功率級(jí)別，提供有豐富的參考資料如模塊布局、BOM等，幫助工程師快速進(jìn)行系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)。

即將到來(lái)：諧振無(wú)線充電

近場(chǎng)感應(yīng)充電（NFC）依然是當(dāng)今最主要的技術(shù)，但是另兩種方式也即將進(jìn)入大眾視野，它們能夠提供更遠(yuǎn)距離的無(wú)線充電。

諧振充電是另一種近場(chǎng)WPT（無(wú)線電力傳輸）技術(shù)，它比感應(yīng)充電的效率要低一些，但是操作上更靈活一些，對(duì)于線圈的錯(cuò)位放置也不是很敏感。諧振充電方式不需要依賴線圈嚴(yán)格的耦合。相反這兩個(gè)線圈是松散耦合的，但是都調(diào)到一個(gè)共同的振動(dòng)頻率，這種方法的優(yōu)勢(shì)包括可以同時(shí)對(duì)多個(gè)接收器進(jìn)行充電，而且這兩個(gè)線圈也可以是不同尺寸的。

諧振無(wú)線充電技術(shù)對(duì)于許多工業(yè)和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是有非常大的吸引力的，其中一個(gè)原因是相比感應(yīng)充電這種充電方式在位置上更靈活一些。將一輛電動(dòng)汽車停在裝有充電站的停車位上，通常情況下很難的對(duì)齊，對(duì)于感應(yīng)無(wú)線充電方式發(fā)射線圈與接收線圈錯(cuò)開(kāi)幾毫米都是不可行的。

一輛汽車需要更高的充電功率，但是幸運(yùn)的是由足夠的空間可以安裝線圈。SAE是國(guó)際上最大的汽車工程學(xué)術(shù)組織，它正在制定SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是一種面向汽車的諧振充電標(biāo)準(zhǔn)。J2954標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)會(huì)在2018年正式發(fā)布，一共定義了三種級(jí)別的充電規(guī)范，適用于輕型和重型行業(yè)應(yīng)用：WPT1（住宅：3.7KW）、WPT2（私人/公共停車場(chǎng)：7.7KW）、WPT3（快速充電：11KW）。

面向消費(fèi)級(jí)應(yīng)用WPC同時(shí)也推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)的諧振充電規(guī)范，充電范圍最遠(yuǎn)45毫米，充電器可以安裝在桌子或桌子下面。當(dāng)然AirFuel組織也制定了相關(guān)諧振充電規(guī)范。

相對(duì)于感應(yīng)供電方式，商業(yè)諧振充電方式的發(fā)展明顯有些滯后，目前市場(chǎng)上很少有先關(guān)產(chǎn)品。

即將到來(lái)：遠(yuǎn)場(chǎng)充電

未來(lái)無(wú)線充電會(huì)完全消除距離限制，無(wú)論你在哪里，你的智能手機(jī)或者平板電腦都能夠持續(xù)不斷的充電，當(dāng)然還會(huì)有充電賬單！

這將涉及到遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線電力傳輸，這種技術(shù)借助無(wú)線電波（輻射耦合）傳輸電力，而不是近場(chǎng)的磁感應(yīng)。

目前真正無(wú)處不在的充電是不存在的，但是我們首先要做的就是將充電距離從幾厘米擴(kuò)展到幾米，能夠?yàn)楦嗟挠脩舴?wù)，比如一個(gè)咖啡店里所有顧客都能享受無(wú)線充電。在眾多研究遠(yuǎn)場(chǎng)RF充電解決方案的公司中有一家公司Ossia在CES2017大會(huì)上展示了其更新版本的Cota系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用256根天線組成的網(wǎng)絡(luò)發(fā)射2.4GHz頻率信號(hào)，這些信號(hào)則幫助傳遞能量，接收器收到信號(hào)后經(jīng)過(guò)驗(yàn)證會(huì)反饋一個(gè)全向的“低功率”警報(bào)信號(hào)，發(fā)射器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分析接收信號(hào)的路徑確定接收器的位置然后通過(guò)相同的路徑返回能量。當(dāng)接收器移動(dòng)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生影響，發(fā)射器會(huì)每個(gè)10ms重新驗(yàn)證接收器的位置，這個(gè)系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)接收器進(jìn)行充電，最大有效范圍30英尺。

另一個(gè)研究對(duì)象時(shí)超聲波，與電磁能量不同超聲波不會(huì)干擾通信，不會(huì)造成電磁干擾和有害的電力效應(yīng)。2011年位于美國(guó)加州的uBeam公司宣布開(kāi)發(fā)了一個(gè)45-75KHz的系統(tǒng)，這個(gè)頻率超過(guò)了人類、寵物和野生動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)范圍。超聲波發(fā)射器與移動(dòng)接收器建立連接，接收器嵌入在智能手機(jī)中接收能量和數(shù)據(jù)知道連接斷開(kāi)。盡管在2017年2月進(jìn)行了成功的概念驗(yàn)證，但是商業(yè)產(chǎn)品真正面市可能還需要幾年時(shí)間。

總結(jié)

WPT（無(wú)線電力傳輸）生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，兩種無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)互相競(jìng)爭(zhēng)，不斷涌現(xiàn)出越來(lái)越多的商業(yè)產(chǎn)品以及一些全新的發(fā)展理念。除了一系列相關(guān)開(kāi)發(fā)工具，貿(mào)澤電子提供的產(chǎn)品支持目前市場(chǎng)上領(lǐng)先的兩種無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。