無線充電在嵌入式和工業(yè)市場的應(yīng)用

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

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

圖1：星巴克一直在使用Powermat的技術(shù)推出無線充電。

這些成熟的技術(shù)為消費(fèi)，醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)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(huì)在去年合并，創(chuàng)建了一個(gè)可以成為市場領(lǐng)導(dǎo)者的集團(tuán)。這個(gè)名為Rezence的新組織將無線電力聯(lián)盟（A4WP）和電力事務(wù)聯(lián)盟（PMA）結(jié)合在一起，以橋接兩種核心無線充電技術(shù)。該集團(tuán)的目標(biāo)是將這一組合規(guī)范用于核心充電標(biāo)準(zhǔn)，支持廣泛的消費(fèi)，醫(yī)療，軍事和工業(yè)應(yīng)用，而不僅僅是移動(dòng)電話和汽車。

合并的Rezence集團(tuán)擁有170多家成員公司，包括董事會(huì)成員公司AT＆amp; T，Broadcom，F(xiàn)lextronics，Gill Electronics，Integrated Device Technologies，Intel，MediaTek，Powermat Technologies，Procter＆amp; Co. Gamble，Qualcomm，三星電子，三星電子機(jī)械，星巴克和WiTricity。

它認(rèn)為無線充電可用于更廣泛的應(yīng)用，從藍(lán)牙耳機(jī)到可穿戴設(shè)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(chǎn)品設(shè)計(jì)。

它旨在挑戰(zhàn)Qi無線電源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該規(guī)范由無線電力聯(lián)盟（WPC）監(jiān)管。自2008年成立以來，已有200家公司使用該技術(shù)的80個(gè)移動(dòng)設(shè)備超過5000萬臺(tái)。

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

該小組還批準(zhǔn)了驗(yàn)證快速充電產(chǎn)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(xiàn)有的Qi產(chǎn)品。

WPC的成員包括Belkin，ConvenientPower，Delphi，F(xiàn)reescale，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(tuán)在摩托羅拉和三星手機(jī)，飛利浦消費(fèi)設(shè)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(shí)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(shí)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(dòng)終端中。

Laird Signal Integrity Products創(chuàng)建了一個(gè)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(zhì)量）因子。這意味著盡可能多的功率傳輸?shù)浇邮站€圈，以便以更少的損耗更快地充電。這可用于各種設(shè)計(jì)，從辦公設(shè)備到電動(dòng)工具，嵌入表面。

Qi還有一個(gè)相對簡單的通信協(xié)議，僅限于一個(gè)設(shè)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(gè)電感器為多個(gè)設(shè)備充電，每個(gè)設(shè)備都有自己的控制器，但每個(gè)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(jié)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(gè)線圈的電感已經(jīng)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(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。但是，設(shè)計(jì)人員可以更換線圈以測試更大的設(shè)備或具有多個(gè)級別的線圈。

圖3a：無線電源演示套件結(jié)合了Wurth和德州儀器的技術(shù)，展示了如何在采用傳輸板的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)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(gè)基礎(chǔ)與Rezence方法的不同之處在于，它采用了更大的感應(yīng)線圈，因此可以將多個(gè)設(shè)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(shí)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(gòu)成Rezence規(guī)范的兩項(xiàng)技術(shù)在過去一年得到了鞏固，現(xiàn)在允許設(shè)計(jì)人員在2016年上市的設(shè)計(jì)中采用修訂后的技術(shù)。

未來的無線功率

無線功率不僅僅與感應(yīng)充電有關(guān)。人們越來越關(guān)注通過自由空間發(fā)射功率。

麻省理工學(xué)院的研究人員已證明使用強(qiáng)耦合諧振裝置可在2米的距離內(nèi)傳輸60 W的功率（圖4）。左側(cè)的電源連接到交流電源。藍(lán)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(lán)線）如何圍繞電源和捕獲設(shè)備之間的導(dǎo)電障礙物。

圖4：WiTricity用于跨越自由空間的無線功率的強(qiáng)耦合諧振器。

這項(xiàng)技術(shù)已被WiTricity商業(yè)化，與醫(yī)療設(shè)備和組件的全球開發(fā)商和制造商Greatbatch合作，將該技術(shù)用于醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。 Greatbatch將為自己設(shè)計(jì)的醫(yī)療設(shè)備使用無線充電系統(tǒng)，以及為原始設(shè)備制造商（OEM）提供系統(tǒng)和解決方案。該技術(shù)允許靈活定位，并能夠通過塑料和玻璃等非金屬材料進(jìn)行充電。這使設(shè)計(jì)人員能夠移除觸點(diǎn)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(hù)，提高醫(yī)療應(yīng)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(shù)用于基于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)是利用超聲波在房間內(nèi)傳輸電力。這將使用高頻超聲能量，然后通過換能器將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，以及一個(gè)高度安全的超聲波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用于控制器。

結(jié)論

無線充電正在進(jìn)行中關(guān)鍵點(diǎn)。由于規(guī)范整合了WPC和Rezence的兩個(gè)選擇，設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)高效的無線充電實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在可通過高速充電實(shí)現(xiàn)，但Rezence為多個(gè)設(shè)備充電提供了更大的靈活性，但復(fù)雜性和成本更高。它還通過WiTricity等技術(shù)為長距離充電提供了機(jī)會(huì)，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(shè)計(jì)靈活性。