無線充電：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)及權(quán)衡

對中國市場來講，蘋果和三星這兩大廠商，基本上都有推出無線充電手機(jī)機(jī)種，這涵蓋了很大的市場。而發(fā)射機(jī)對于中國來說，是個(gè)很好的市場…

無線充電目前主要有3個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)在市場上有90%以上用的都是WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)。市場發(fā)展到今天非常好，原因之一是蘋果(Apple)去年2月份就宣布，其iPhone 8/X將支持無線充電。第二，從發(fā)射端角度講，汽車業(yè)現(xiàn)在對無線充電也非常感興趣，今年大概有100多個(gè)車型會使用前裝無線充電器。而且現(xiàn)在Qi無線充電(接收端輸出功率)最大可以達(dá)到15W，如果用這樣大的功率來充電，手機(jī)電池依3,000mAh來算的話，開車40分鐘就可以把手機(jī)充滿60%。因此，其相對于5W來講，實(shí)用價(jià)值非常高。這也將進(jìn)一步推動無線充電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

據(jù)市場分析機(jī)構(gòu)IHS預(yù)估，今年市場上無線充電接收器IC出貨將達(dá)5億片以上，市場相當(dāng)可觀。事實(shí)上，到目前為止，今年采用無線充電的手機(jī)出貨量已達(dá)2億支，與該資料吻合。另外，對于中國市場來講，蘋果和三星(Samsung)這兩大廠商，基本上都有無線充電的手機(jī)，這涵蓋了很大的市場。而發(fā)射機(jī)(Tx)對于中國來說，是個(gè)很好的市場——目前中國本土公司生產(chǎn)了很多發(fā)射機(jī)產(chǎn)品，包括15W、5W和蘋果無線快充的產(chǎn)品。此外，上個(gè)月小米和華為都宣布了內(nèi)建無線充電的旗艦手機(jī)，以及配套的無線充電器。

這是日前在ASPENCORE旗下《電子工程專輯(EET)》、《電子技術(shù)設(shè)計(jì)(EDN)》和《國際電子商情(ESMC)》中國版共同舉辦的「無線充電與快速充電技術(shù)論壇」上，筆者從IDT產(chǎn)品定義和系統(tǒng)應(yīng)用高級總監(jiān)Rui Liu的演講中聽到的有關(guān)無線充電的一個(gè)好消息。

他的議題是「無線充電：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)及權(quán)衡」，里面詳述了各種無線充電技術(shù)的原理、在設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)時(shí)需要考慮的主要參數(shù)，以及在實(shí)際應(yīng)用中遇到的一些問題。信息滿滿，以下和讀者們分享。

三種無線充電技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

電磁感應(yīng)(WPC Qi標(biāo)準(zhǔn))。電磁感應(yīng)原理和變壓器差不多，即有初級線圈(發(fā)射機(jī)線圈)和次級線圈(接收機(jī)線圈)，能量通過磁場從初級傳到次級。Liu 表示：「與變壓器的唯一區(qū)別在于，它是透過空氣耦合而不是磁性耦合過去的。以前的電動牙刷插上去就可以充電，和這個(gè)道理差不多，只不過它磁芯是立體的，我們是平面的?！惯@個(gè)技術(shù)最關(guān)鍵的問題是耦合，從而把效率做得高。

由于是根據(jù)變壓器原理實(shí)現(xiàn)的，所以它功率和頻率不是太高，比如WPC標(biāo)準(zhǔn)的頻率小于205kHz。另外在設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)時(shí)，還要考慮所賣地區(qū)的EMI和法規(guī)要求。

電磁共振(A4WP標(biāo)準(zhǔn))。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率比較高，它是利用磁共振的方式實(shí)現(xiàn)的。Liu 介紹：「這種方式有點(diǎn)像收音機(jī)——需要有一個(gè)諧振電路，調(diào)到那個(gè)頻率上才能收到音，調(diào)不到頻率則收不到音?！挂嗉创殴舱窠邮斩艘{(diào)到它的工作頻率6.78MHz，調(diào)不到這個(gè)頻率則收不到電力。

A4WP的規(guī)范比較「有彈性」：第一它可以一對多，第二它可以隨便怎么放。另外，它的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間通訊也比較容易，是用低功耗藍(lán)牙(BLE)而不是用頻帶內(nèi)(in-band)實(shí)現(xiàn)。它的缺點(diǎn)是，采用比較大的線圈做到一對多，因此存在磁場沒有被充分利用和能量飽和的情況——目前效率能做到50%就相當(dāng)不錯(cuò)了(最高可以做到55%)。第二是成本高。Liu 指出：「在座如果有做過DC-DC電源就能理解，1M和6M開關(guān)電源的效率完全不一樣，要做6.78M的效率難度可想而知。因?yàn)?.78M是個(gè)通訊頻段，有頻段要求，精準(zhǔn)度要高。它必須要用晶振，避免干擾，所以成本比較高。另外，它的線圈比較大，有磁場(即EMI)輻射，且6.78M對人體有沒有什么影響，目前還沒有好的結(jié)論?！?/p>

電場耦合。目前，電場的產(chǎn)品尚未在市場上看到，即使有，也是在極端特殊的情況下根據(jù)電場的原理來實(shí)現(xiàn)傳輸。目前來看電場還沒有大功率產(chǎn)品，也沒有什么市場。

無線充電如何工作？

第一要有發(fā)射機(jī)，要有直流電源，利用半橋產(chǎn)生一個(gè)方波。然后經(jīng)過一個(gè)電感電容，從直流變成交流。一旦產(chǎn)生交流電流，它就會透過電感產(chǎn)生一個(gè)磁場——特別是WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)，就是采用磁場傳輸能量。

第二，有了這個(gè)磁場以后，就必須有接收機(jī)來接收這個(gè)能量。交變磁場透過接收線圈時(shí)，就會使它產(chǎn)生一個(gè)交變電壓。然后就需要用一個(gè)全橋(或半橋，全橋更多)去整流，產(chǎn)生一個(gè)相對比較穩(wěn)定的直流電壓。一旦回路閉合，就會有電流傳輸，這就實(shí)現(xiàn)了無線充電。

Liu補(bǔ)充：「當(dāng)然，發(fā)射端線圈下方的磁場不需要。下方若有電路板或其他金屬，會產(chǎn)生渦流損耗。同理，接收端上方的磁場在空氣里，也不需要。因此，不需要磁場的地方，要想辦法屏蔽，這就是為什么所有的線圈后面都加了一個(gè)隔磁吸波材料?！?/p>

此外，還需要對能量進(jìn)行控制。能量的需求方是接收機(jī)。接收機(jī)需要發(fā)送一個(gè)訊號，告訴發(fā)射機(jī)能量夠不夠，進(jìn)而發(fā)射機(jī)加大或減少能量。通訊可以用BLE，而現(xiàn)在WPC用的是振幅移位鍵控(ASK)(In-Band)，即調(diào)幅方式，調(diào)幅的頻率是2kHz；100多kHz的功率經(jīng)過載波、調(diào)幅，就可以把訊號加進(jìn)去。這樣就成了完整的無線充電器。

確定線圈尺寸及距離

系統(tǒng)到這步是可以工作的，但我們還需要確定線圈尺寸，以及距離。下圖是發(fā)射線圈的磁場分布情況。從中可以看出，磁場密度集中在中間這一帶。離發(fā)射機(jī)線圈越遠(yuǎn)，磁場強(qiáng)度越低。所以，要做一個(gè)效率比較高的發(fā)射機(jī)的話，接收機(jī)線圈和發(fā)射機(jī)線圈不能隔太遠(yuǎn)——目前Qi要求是在8mm以下，通常是4~5mm。第二，線圈越小效率越低。如果接收機(jī)的線圈能夠把發(fā)射機(jī)的磁通全部包進(jìn)去，那么效率就會提高。

由于是利用變壓器的原理，因此其可以用變壓器的互感原理實(shí)現(xiàn)。要解決設(shè)計(jì)上的不穩(wěn)定，可以透過以下互感公式來解決。

耦合系數(shù)k理想情況是0.2~0.8，變化范圍比較大，越往中間耦合越好。線圈越小耦合越差，知道兩個(gè)線圈的電感及之間的互感，就能夠計(jì)算出k值。

縱向、橫向和角度位移對耦合系數(shù)的影響

下圖中，左邊是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)線圈耦合示意，右邊是耦合系數(shù)k與位移d之間的關(guān)系，未對準(zhǔn)包括縱向、橫向和角度三種情況。其中，縱向變化影響特別大；橫向變化(比如在5~7mm以內(nèi))影響相對小一點(diǎn)。這個(gè)曲線也解釋了，符合WPC的接收機(jī)(比如手機(jī))放在充電板上，從中心外旁邊挪5mm，對效率的影響不是太大；7mm就比較大了。Liu 談道：「z的距離在5mm以內(nèi)，xy/半徑不超過5mm，效率就比較好。有多好呢？在5V輸入、5V輸出、5W的情況下，如果接收機(jī)的線圈交流電阻(ACR)做到120mΩ或150mΩ以下，那么效率可以做到78~80%；如果是12V輸入、12V輸出，15W時(shí)，效率可以做到87~88%。這很大情況下取決于接收機(jī)的線圈，也就是ACR。」為什么是接收線圈？因?yàn)閃PC對發(fā)射機(jī)線圈要求非常高。要設(shè)計(jì)一個(gè)發(fā)射機(jī)，就必須按照它的參考設(shè)計(jì)來做。換句話說，就是在發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)上基本上沒有多大的改動余地，而接收機(jī)線圈則沒有太多規(guī)定。

下圖中的綠色部分是比較好的曲線?？v軸是效率，橫軸是線圈距離。當(dāng)線圈大小比例或距離太大時(shí)，效率都會變差。

Liu強(qiáng)調(diào)：「我們基本上都是以發(fā)射機(jī)線圈作為標(biāo)準(zhǔn)，為什么？因?yàn)榘l(fā)射機(jī)線圈是受WPC控制，沒有辦法去改變線圈。在做Qi認(rèn)證的時(shí)候，必須告知所用的是哪一個(gè)線圈，哪一個(gè)發(fā)射機(jī)參考設(shè)計(jì)。認(rèn)證單位會根據(jù)那個(gè)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，來檢查發(fā)射機(jī)有沒有通過，檢查不通過，就需要重新設(shè)計(jì)?！?/p>

如果能夠滿足圖中綠色部分以內(nèi)的參數(shù)，那效率就可做得比較好(70%以上)。

Qi的局限性在于不能離太遠(yuǎn)。Liu 指出：「我和客戶及同事討論無線充電的時(shí)候，大家有一個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識，就是認(rèn)為我們的無線充電，應(yīng)該是我把手機(jī)放在褲子口袋里，在我的屋里走就可以充電，這在Qi的標(biāo)準(zhǔn)里是實(shí)現(xiàn)不了的。但是現(xiàn)在有人在研究遠(yuǎn)距離無線充電?！?/p>

電能傳輸效率優(yōu)化總結(jié)

以下總結(jié)對于Qi標(biāo)準(zhǔn)，如何實(shí)現(xiàn)最大效率的電能傳輸。

1.接收機(jī)線圈一定不能離發(fā)射機(jī)線圈太遠(yuǎn)(控制在5mm以內(nèi)是最佳狀態(tài))；

2.接收機(jī)線圈不要做到太小，而應(yīng)盡量做到和發(fā)射機(jī)線圈差不多大(目前在手機(jī)里接收機(jī)線圈是做到直徑35~54mm。線圈大的好處是很容易和發(fā)射機(jī)配對，缺點(diǎn)是成本相對較高)；

3.用一些對準(zhǔn)方法，比如視覺(影像)、機(jī)械或磁鐵(如穿戴式產(chǎn)品)。說到磁鐵，有一點(diǎn)要注意：永久磁鐵放在發(fā)射機(jī)中心，對發(fā)射損耗有不小影響，會達(dá)到5~10%，因此推薦最好是用三個(gè)磁鐵，放在線圈外面；

4.使用里茲線(Litz wire)盡可能降低線圈交流電阻；

5.設(shè)計(jì)合適的線圈增益(輸出電壓/輸入電壓)來維持最佳工作條件。

強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，發(fā)射機(jī)側(cè)，在DC-DC甚至DC-AC時(shí)，有一個(gè)使能接腳用于實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。在接收機(jī)側(cè)，整流是4個(gè)MOSFET(幾百V)，沒有辦法關(guān)掉，否則功耗太大。所以接收機(jī)自我保護(hù)非常重要，尤其是在大功率(5W以上)、高電壓(9V以上)的情況下。

Qi的通訊采用的是2kHz/500μs ASK。Liu強(qiáng)調(diào)，無線充電是一個(gè)系統(tǒng)，有接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，接收機(jī)是主控，發(fā)射機(jī)是從控。發(fā)射機(jī)需要接收機(jī)告訴它需要多大功率。因此，通訊一定不能中斷，否則就會出問題，要是接收機(jī)的自我保護(hù)再做不好，就會出現(xiàn)更大的問題。

ASK通訊既可以用電壓也可以用電流來反映。目前做得比較好的是透過電壓、電流兩路來反映，這樣可以提高可靠性。