無線充電在嵌入式和工業(yè)市場的應用

手機的無線充電終于起飛了。經過十年的發(fā)展和各種不同的規(guī)范，技術和市場正在成熟和鞏固，足以滿足主流應用。

家具供應商Ikea采用表格和其他產品中的Qi規(guī)格，并為那些不支持該產品的iPhone等手機提供自己的無線功能案例Vitahult，這一點突顯了這一點。同樣，星巴克正在使用Powermat的競爭技術，該技術十年來一直致力于無線充電。這涉及一個環(huán)（基本上是一個帶控制器的感應線圈），它插入手機的電源插座，然后放在Powermat上進行充電。

圖1：星巴克一直在使用Powermat的技術推出無線充電。

這些成熟的技術為消費，醫(yī)療和工業(yè)應用的設計人員帶來了新的選擇。

無線充電規(guī)范

無線充電采用緩慢的原因之一是規(guī)格分散。兩家行業(yè)協(xié)會在去年合并，創(chuàng)建了一個可以成為市場領導者的集團。這個名為Rezence的新組織將無線電力聯盟（A4WP）和電力事務聯盟（PMA）結合在一起，以橋接兩種核心無線充電技術。該集團的目標是將這一組合規(guī)范用于核心充電標準，支持廣泛的消費，醫(yī)療，軍事和工業(yè)應用，而不僅僅是移動電話和汽車。

合并的Rezence集團擁有170多家成員公司，包括董事會成員公司AT＆amp; T，Broadcom，Flextronics，Gill Electronics，Integrated Device Technologies，Intel，MediaTek，Powermat Technologies，Procter＆amp; Co. Gamble，Qualcomm，三星電子，三星電子機械，星巴克和WiTricity。

它認為無線充電可用于更廣泛的應用，從藍牙耳機到可穿戴設備，再到平板電腦，筆記本電腦和筆記本電腦，以及醫(yī)療和嵌入式產品設計。

它旨在挑戰(zhàn)Qi無線電源標準規(guī)范，該規(guī)范由無線電力聯盟（WPC）監(jiān)管。自2008年成立以來，已有200家公司使用該技術的80個移動設備超過5000萬臺。

該規(guī)范的最新版本支持向手機提供15 W快速充電，比之前的1 A高5 V（5 W）。一些手機制造商提供有線快速充電，在短短30分鐘內提供60％的充電，最新Qi規(guī)格的目標是將其擴展到使用Qi無線充電的現有設備。這與時間有限的咖啡店充電模式非常吻合。

該小組還批準了驗證快速充電產品是否符合新Qi規(guī)范所需的測試程序和工具，以及向后兼容所有現有的Qi產品。

WPC的成員包括Belkin，ConvenientPower，Delphi，Freescale，Haier，HTC，IKEA，LG，Microsoft，Motorola，Nokia，Panasonic，PowerbyProxi，Royal Philips，Samsung，Sony，TDK，Texas Instruments，Verizon Wireless和中興。這使得該集團在摩托羅拉和三星手機，飛利浦消費設備和德爾福系統(tǒng)汽車的植入方面取得了巨大的發(fā)展勢頭。

實施

Qi規(guī)范使用小型電感線圈可以處理100 - 205 kHz的共振頻率，但這意味著終端必須靠近充電表面并直接放在充電線圈上。 Qi接收線圈，如30 mm x 30 mm單回路，如TDK的WR303050，厚度僅0.92 mm，100 kHz時電感為12.3μH。使用這種方法減少損耗的效率約為66％。

圖2：TDK的WR303050無線充電接收器線圈是厚度僅為0.92 mm，可以使用Qi規(guī)格集成到移動終端中。

Laird Signal Integrity Products創(chuàng)建了一個符合Qi規(guī)范的發(fā)射器模塊。 WPC A1模塊使用鐵氧體基極為尖銳的共振峰提供高Q（質量）因子。這意味著盡可能多的功率傳輸到接收線圈，以便以更少的損耗更快地充電。這可用于各種設計，從辦公設備到電動工具，嵌入表面。

Qi還有一個相對簡單的通信協(xié)議，僅限于一個設備正在充電，控制充電速率并在終端充滿電后將其置于低功耗模式以避免過度充電。為了獲得更大的靈活性，基站（或充電墊）可以有多個電感器為多個設備充電，每個設備都有自己的控制器，但每個終端必須放置在特定的位置。

Wurth和德州儀器公司開發(fā)了一種無線電源演示套件，它將傳輸和接收線圈與充電和通信控制器相結合。這使用了規(guī)格1.1版，帶有5 W充電控制器和Wurth的高效線圈，如13 A，6.3μH傳輸線圈（圖3a）和接收線圈（圖3b）。每個線圈的電感已經與電路板上的電阻和電容相匹配，以提供最高的可用Q因子，從而實現高效運行。但是，設計人員可以更換線圈以測試更大的設備或具有多個級別的線圈。

圖3a：無線電源演示套件結合了Wurth和德州儀器的技術，展示了如何在采用傳輸板的設計中實現無線充電。

圖3b：Wurth和德州儀器公司無線電源演示套件中的接收器板。

這是一個基礎與Rezence方法的不同之處在于，它采用了更大的感應線圈，因此可以將多個設備放置在充電墊上的任何位置。但是，這對通信協(xié)議造成了挑戰(zhàn)。充電控制器必須改變頻率（PMA規(guī)范使用277-357 kHz范圍）以及改變充電墊上所有不同端子的充電速率。然而，這種更高的頻率確實允許更高的充電速率并且支持更大的景深，使得充電墊可以嵌入諸如桌面的表面中。

構成Rezence規(guī)范的兩項技術在過去一年得到了鞏固，現在允許設計人員在2016年上市的設計中采用修訂后的技術。

未來的無線功率

無線功率不僅僅與感應充電有關。人們越來越關注通過自由空間發(fā)射功率。

麻省理工學院的研究人員已證明使用強耦合諧振裝置可在2米的距離內傳輸60 W的功率（圖4）。左側的電源連接到交流電源。藍線表示由電源引起的磁近場。黃線表示從源到捕獲線圈的能量流，其示出為燈泡供電。這也顯示了磁場（藍線）如何圍繞電源和捕獲設備之間的導電障礙物。

圖4：WiTricity用于跨越自由空間的無線功率的強耦合諧振器。

這項技術已被WiTricity商業(yè)化，與醫(yī)療設備和組件的全球開發(fā)商和制造商Greatbatch合作，將該技術用于醫(yī)療設備應用。 Greatbatch將為自己設計的醫(yī)療設備使用無線充電系統(tǒng)，以及為原始設備制造商（OEM）提供系統(tǒng)和解決方案。該技術允許靈活定位，并能夠通過塑料和玻璃等非金屬材料進行充電。這使設計人員能夠移除觸點并創(chuàng)建封閉系統(tǒng)，通過完全密封的外殼為電池充電，簡化滅菌，減少維護，提高醫(yī)療應用的可靠性和可用性。這還可以減小電池尺寸，特別是對于可以通過皮膚充電的植入裝置。

該公司也是A4WP Rezence規(guī)范的一部分，將該技術用于基于標準的無線充電系統(tǒng)。

這不僅僅是用于無線電源的電磁波，也是。加利福尼亞州一家名為Ubeam的創(chuàng)業(yè)公司的目標是利用超聲波在房間內傳輸電力。這將使用高頻超聲能量，然后通過換能器將其轉換回電能。該公司開發(fā)了一種高功率超聲波換能器，發(fā)射器，接收器和電源轉換器，以及一個高度安全的超聲波數據傳輸系統(tǒng)，用于控制器。

結論

無線充電正在進行中關鍵點。由于規(guī)范整合了WPC和Rezence的兩個選擇，設計人員將看到更廣泛的組件可用于系統(tǒng)開發(fā)。雖然WPC的Qi提供了一種穩(wěn)定，經濟高效的無線充電實現，現在可通過高速充電實現，但Rezence為多個設備充電提供了更大的靈活性，但復雜性和成本更高。它還通過WiTricity等技術為長距離充電提供了機會，這將為嵌入式和工業(yè)市場的開發(fā)人員提供更大的整體系統(tǒng)設計靈活性。