簡述無線充電技術的現(xiàn)狀及其開發(fā)系統(tǒng)

隨著基礎設施、可穿戴設備等領域的快速發(fā)展，無線充電技術在這些領域得到了一定的應用。經(jīng)預測，到 2024 年無線充電市場將增至近每年 150 億美元的規(guī)模。無線充電技術對手機用戶和公共基礎設施都有很大好處。

手機制造商、充電板制造商和無線電力聯(lián)盟希望每個人在家里、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)新一下設計。當然，無線充電一旦技術壁壘得到突破，將在電動汽車上擁有非常廣泛的應用前景。本文主要從無線充電技術的歷史、相應技術、產(chǎn)品的應用以及技術發(fā)展趨勢等幾方面進行介紹。希望對大家在今后的項目設計中能有所幫助。

一、無線充電的起因

當你把手機放在充電板上，而不是使用有線充電電纜進行充電時，這確實是一種非常好選擇。而且，如果所有的無線充電板都是一樣或者普及的話，你可以讓你的手機在你的車里、機場、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，因為有些電子設備總是要充電的。

無線充電為電子設備的供電供應提供了巨大的便捷。例如，在餐館、飛機和火車上的墊子不需要和USB端口一樣的維護級別。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，超低功耗連接設備數(shù)量的驚人增長讓我們思考：為什么不使用無線技術給它們的電池充電，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60年代以來，無線充電就被應用于醫(yī)療領域，為除顫器、起搏器和位于皮膚下的傳感器充電。顯然，在這種應用中可靠性、安全性、密封性以及防水性是至關重要的。

還有一種適用于中等功率的WPT（無線功率傳輸）標準，最大功率可以擴展到200瓦?，F(xiàn)在有人說，未來廚房的各種電器設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，尤其是大功率的無線充電。

通常，無線充電裝置有兩個缺點。第一， 在有線的情況下，則可以在充電時四處走動并使用手機。但是，至少受到電源線長度的限制。第二，WPT常常效率不高，因此我們可能會消耗了更多能量。

從2018年開始，幾乎每個新下線的汽車或卡車都提供符合Qi標準的無線充電功能。 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，為進一步研究的基礎。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)復雜的功率流，并對無線功率傳輸系統(tǒng)進行了正確的分析。

技術先驅(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“感應式”方法來傳輸電量點亮白熾燈泡，并用微波方式來實現(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)動距離電源相當遠的電機和燈具，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驗室用廣播電源做的最復雜的實驗，雖然有人說這是一個神話，是用200個50瓦的燈泡，每個燈泡都是無線的，電流通過地面循環(huán)，沒有任何電線連接，距離26英里。他在實驗室通過一個線圈傳輸大約10，000瓦的能量來完成這項工作。這種傳輸?shù)念l率被認為小于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。1964年，被譽為實用無線充電工程師的 W.C. Brown 通過所謂的矩形天線實現(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：

1、電磁感應方式：電流通過線圈，線圈產(chǎn)生磁場，對附近線圈產(chǎn)生感應電動勢從而產(chǎn)生電流。這種技術適合短距離的充電，轉(zhuǎn)換效率高（80%左右這項技術在100至250KHz的頻率范圍內(nèi)工作最佳，功率最大為5W。充電效率最高可達80%左右并且具有非常低的EMI優(yōu)勢。

2、磁共振方式：發(fā)送端能量遇到共振頻率相同的接收端。由共振效應進行電能傳輸。允許在線圈直徑的4到10倍的范圍內(nèi)進行高效的功率無線傳輸，傳輸效率可到數(shù)KW。比電磁感應方式要遠得多。這項技術是目前電動汽車充電的最愛。但是充電效率較低只有50%左右。這項技術在13.56MHz的頻率范圍內(nèi)工作。

3、電場耦合方式：利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應電場來傳輸電力。適用于短距離充電轉(zhuǎn)換效率較高，發(fā)熱低，位置不固定。充電效率可達70%-80%。這項技術在560至700KHz的頻率范圍內(nèi)工作。

4、無線電波方式：將環(huán)境電磁波轉(zhuǎn)換為電流，通過電路傳輸電流。傳輸距離通常可以大于10米，這種充電方式比較適合遠距離小功率充電，轉(zhuǎn)換效率較低，只有38%左右。這項技術在2.45GHz的頻率范圍內(nèi)工作。

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/智能手表無線充電的標準之一。Qi可廣泛應用于手機、MP3、照相機等手持低功率設備中。已有多款電子產(chǎn)品采用了Qi無線充電技術。Qi目前設計是為5W以下的電子產(chǎn)品提供無線充電。而在遠景計劃中，WPC計劃將Qi應用到家庭、汽車、火車等各個公共場所，從而讓消費者可以隨時、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無線充電規(guī)范及其AirFuel RF-WPT標準。據(jù)說，AirFuel的諧振感應充電使用獨特設計的線圈，允許移動更長的距離。這個充電技術基于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）的遠距離供電無線充電技術的先驅(qū)。自2003年以來，POWERCAST已幫助客戶為無線傳感器網(wǎng)絡，防水設計，智能帶，RFID標簽以及其他商業(yè)和工業(yè)設備供電，并于2017年推出了為消費類電子設備供電的解決方案。

最近展示該公司最新的應用于消費類市場的長距離無線充電產(chǎn)品。這項 3W 無線充電技術采用了 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到了 80 英尺（約 24 米）遠。這項技術可為桌面上 30 臺設備提供無線充電所需的能量。

五、電子設備的Qi充電

隨著最新的蘋果手機采用Qi無線充電技術，無線充電將是手機等消費電子產(chǎn)品的標配。Qi標準則已經(jīng)在該領域內(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、電源接收器的移動設備組成。當移動設備放在充電板上時，接收器與發(fā)射器之間進行通信，請求所需的適當功率。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)此信息進行操作。

Qi無線充電標準使用兩個平面線圈之間的感應耦合來傳輸功率，通常兩個線圈之間的間隙小于5mm。這將允許您在手機上使用（薄型）手機外殼。這種緊密耦合方法具有漏電流小、電磁干擾小的優(yōu)點。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.）可實現(xiàn)高達15W的功率，而早期基于Qi的最大為功率僅為5W。不過，有人擔心在某些情況下，手機中的接收線圈可能會在這種更高的功率下需要進行預熱。事實上，我們并不想預熱手機電池，因為這可能會影響性能和壽命。目前，只有少數(shù)手機可以支持15W無線充電。通常，工程師可能會選擇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標準是由無線電力聯(lián)盟開發(fā)的，適用于40毫米（1.6英寸）的電力傳輸。這是一個近場系統(tǒng)，自2015年1.2版以來，它結合了一種共振形式，以提高耦合和效率。Qi規(guī)范的當前版本是1.2.4。這意味著在2018年3月8日之后過認證的無線充電產(chǎn)品將不再適用Qi v1.2.3，而是按照Qi v1.2.4標準過認證了。

六、無線充電系統(tǒng)的元件和開發(fā)工具推薦

Qi系統(tǒng)由一個扁平的充電板和一個裝有兼容接收器的移動設備組成。當手機放在充電墊上時，設備通過電磁感應放電。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設備供電或為電池充電。 因此選擇一個高質(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標準以來，許多符合Qi標準的無線充電集成電路解決方案已經(jīng)面世。今天的Qi半導體產(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，使終端設備設計師能夠?qū)崿F(xiàn)高性能和高效率的目標，同時滿足具有競爭力的成本、小型化和快速上市的目標。

開發(fā)Qi無線充電終端應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。 這些工具使設計人員可以輕松快速地演示預期設備的功能和性能，從而加快開發(fā)工作。某些工具甚至可能已經(jīng)獲得獨立測試機構的Qi認證，因此可以用作符合Qi的參考設計。

STMicroelectronics的 STEVAL-ISB047V1評估套件支持為符合Qi標準的設備提供無線電池充電，功率高達15W。STEVAL-ISB047V1還支持專有快速充電模式，功率高達10W。該套件的發(fā)射器基于STWBC-MC，采用性價比高的半橋拓撲結構，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，支持訪問運行信息，例如提供的功率、調(diào)節(jié)錯誤和協(xié)議狀態(tài)。參數(shù)也可以使用這些工具調(diào)整。

實現(xiàn)一個符合Qi標準的無線充電系統(tǒng)，最重要的是磁學的正確實現(xiàn)。為了達到這一目的，Qi標準概述了發(fā)射機和接收機線圈的物理要求。該標準還提供了有關將線圈調(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標準的20W，多數(shù)線圈的處理能力高達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電流會產(chǎn)生磁場，并在接收線圈中產(chǎn)生感應電壓。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，最高可達到93%的效率。

七、無線充電技術的趨勢

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設備而言，這些損耗可以忽略。盡快目前技術還有一些問題。

但是，手機制造商、家電制造商和Air Fuel組織希望每個人在家里、辦公室、家具里以及各種公共交通工具上都有一個Qi充電板。無線電源技術仍在不斷發(fā)展，技術將朝哪個方向發(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準的多模式解決方案？還有待觀察和進一步確定。

平玨先生現(xiàn)任貿(mào)澤電子亞太區(qū)技術行銷經(jīng)理，曾任菲尼克斯電氣（中國）有限公司產(chǎn)品市場經(jīng)理等職務。具有10多年的產(chǎn)品應用、解決方案、市場開發(fā)、市場應用、產(chǎn)品評估的專業(yè)經(jīng)驗；覆蓋工業(yè)自動化、人工智能、工業(yè)機器人等領域。 畢業(yè)于上海交通大學，獲得通信工程學士學位及控制工程碩士學位。

編輯：jq