無線充電技術的發(fā)展歷路

摘要：本文介紹了近場充電和遠場充電的技術原理，并提出了無線充電的注意事項。

　　Pike Research預測，移動設備的數(shù)量將從2012年的374萬部增長到2016年的276.3萬部。智能手機制造商早在2013年就開始在其智能手機中集成無線充電功能。移動設備的無線充電功能有望像WiFi和藍牙一樣普及。

　　2015年6月，無線充電聯(lián)盟(Alliance for Wireless Power,A4WP)和電源事務聯(lián)盟(Power Matters Alliance，PMA)合并，組成AirFuel聯(lián)盟(AirFuel Alliance)。這一合并舉措加速了未來愿景的實現(xiàn)：消費者無論到何處，設備充電將具有互操作性和便利性。人們正在嘗試各種不同的技術。

近場感應充電

　　尼古拉?特斯拉早在19世紀80年代證明了通過振蕩磁場傳遞能量，從而可以通過近場或磁共振充電，如圖1所示。

　　從發(fā)射器傳遞到接收器的電流和電壓必須是交流的。通過將交流電網(wǎng)電壓進行降壓并轉(zhuǎn)換為直流，為發(fā)射器的驅(qū)動器和控制器電路提供偏置。驅(qū)動器和控制器產(chǎn)生開關信號，并可調(diào)節(jié)開關頻率，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，輸入到原邊線圈。在接收器側(cè)，對交流信號進行整流，然后通過同步轉(zhuǎn)換進行調(diào)節(jié)，用于對電池充電。根據(jù)接收器所需的功率大小，線圈中的頻率發(fā)生變化。通信信號疊加在功率信號上，所以兩者均知道設備已經(jīng)放在了充電墊上。感應充電效率較高，但對于線圈是否對準非常敏感。需要將耦合線圈調(diào)節(jié)到略微偏離諧振頻率，以優(yōu)化功率傳輸。 近場感應充電系統(tǒng)如圖2所示。

近場共振充電

　　共振充電是另一種近場充電形式，與電磁場工作原理相同，但需要共振器前端。該標準由AirFuel Resonant主導，允許發(fā)射器和接收器之間的距離較短。單個6.78 MHz發(fā)射器可支持多個接收器，無需物理對準。然而，接收器和發(fā)射器之間要求嚴格的頻率匹配，從而在特定線圈尺寸下最大程度地延長功率傳輸距離。隨著連接設備數(shù)量增多和距離延長，傳輸功率將會下降。該標準要求發(fā)射器和每個接收器之間具有獨立的雙向通信通道(藍牙)。

　　近場充電標準之一是無線充電共同體(Wireless Power Consortium，WPC)制定的Qi，該共同體包括200多家公司。AirFuel Inductive則是另一種標準，而Powermat是橋接技術的很好例子，該技術提供通用環(huán)，可以配合充電墊使用，為便攜設備充電。由于存在兩種標準，通用汽車(GM)公司宣布其汽車將同時支持AirFuel Inductive和Qi標準。三星公司也決定其手機將支持兩種標準[2]。 近場充電標準相關技術指標比較如表1所示。

遠場充電——系統(tǒng)概覽

　　無論感應充電還是共振充電都對發(fā)射器和接收器之間的距離有要求。在遠場充電中，能量需要從功率集線器傳遞至特定設備。藍牙、WiFi、超聲波和紅外線等都曾經(jīng)被探索使用過。

　　基于射頻(RF)的系統(tǒng)(例如WattUpTM和CotaTM)使用一個或多個天線廣播能量并進行通信。2015年10月，Energous公司宣布可提供首款射頻功率接收器IC，該器件將射頻整流為直流信號。該整合技術——CotaTM，實際上使用現(xiàn)有的WiFi和藍牙天線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和無線功率接收，然后將這些微信號增加到電池的充電電流。以無線方式將接收設備的應答以及特定電池充電特征數(shù)據(jù)傳輸回電源路由器。建立了持續(xù)鏈路后，電源路由器將向接收器位置發(fā)射能量束。

　　以uBeam為代表的超聲系統(tǒng)中，路由器中的信號發(fā)生器產(chǎn)生電信號，發(fā)送到放大器。然后將經(jīng)過放大的信號連接至變送器，產(chǎn)生超聲波，經(jīng)過聚焦并發(fā)送到接收器。超聲波對壓電傳感器施加應力，從而產(chǎn)生充電電流，如圖5所示。系統(tǒng)兩側(cè)使用的傳感器需要支持高效率和高功率。

　　另一家創(chuàng)業(yè)公司，Wi-Charge，專注于將視線光轉(zhuǎn)換為能量。發(fā)射器使用激光二極管向接收器準確傳輸紅外束。然后接收器中的光伏電池將光轉(zhuǎn)換回電能。該公司于2015年2月在舊金山對系統(tǒng)進行了功能演示^[3]。紅外技術的一項明顯優(yōu)勢是無EMI輻射。

設計注意事項

　　1. 移動性

　　定位和跟蹤多個移動接收器的能力對于無線充電至關重要。近場充電中，發(fā)射器和接收器的相對位置不變，而在遠場充電中，用戶可能不斷移動。用戶應該在不丟失信號的情況下漫游。

　　2. 安全性

　　射頻(RF)安全性取決于在不損害人類健康的情況下可施加的照射量。吸收率(SAR)用來定義這些限值。消費類產(chǎn)品的安全性遠比通過安全規(guī)范本身重要得多，它關乎建立消費者的安全感和信任，不容許一次差勁的用戶體驗。同時，超聲的安全性可能是消費者非常關心的問題，他們會感覺房間內(nèi)充滿射線。一種擔心是超聲是否會影響動物。采用即使動物也不敏感的較高工作頻率，可能會解決這一問題。

　　3. 系統(tǒng)干擾

　　無線充電系統(tǒng)基于高頻開關信號，必須預測噪聲源，包括充電系統(tǒng)的輸入和輸出側(cè)。

　　4. 成本

　　需要考慮的兩項成本因素是電源成本和傳輸效率。

　　5. 耗盡電池充電

　　無線充電器能夠?qū)ν耆谋M的電池進行充電嗎?遠場充電系統(tǒng)面臨著近場充電不存在的一個難題：接收側(cè)的控制電路需要上電才能連接到電源路由器。

　　6. 生態(tài)系統(tǒng)和基礎設施

　　移動設備從不斷電的愿望是可以實現(xiàn)的，但成功之路要靠多種實體之間的協(xié)作來鋪設。

總結(jié)

　　根據(jù)調(diào)研機構(gòu)IHS在2014年的數(shù)據(jù)，70%的消費者每天至少為一個設備充電一次。設備不僅應該支持無線充電技術，而且應該有足夠的熱點供其充電。一旦基礎設施部署到位，其普及將會水到渠成。從尼古拉?特斯拉首次傳輸電力至今已經(jīng)超過100年，但我們依然遠遠未釋放能量轉(zhuǎn)換的全部潛力。我們的電子設備需要足夠智能，實現(xiàn)自身充電。

參考文獻：

　　[1]“System Description Wireless Power Transfer, Vol. 1, Part 1” Version 1.0 Wireless Power Consortium

　　http://www.wirelesspowerconsortium.com/

　　[2]“Dual wireless charging on the Samsung Galaxy S6, and why it matters” http://www.androidcentral.com/dual-wireless-charging-samsung-galaxy-s6-and-why-it-matters

　　[3]“Charge all your devices at once, using infrared light (hands-on)” http://www.cnet.com/news/wi-charge-willcharge-all-your-devices-at-once-using-infrared-light-hands-on/

　　[4] Product Overview

　　http://www.energous.com

　　[5]“Cota System Transmits Power Wirelessly at Up To 30 Feet”

　　http://www.gizmag.com/cota-ossia-wireless-charging-microwave-phased-array/29217/

　　[6]“uBeam Finally Reveals The Secret Of How Its Wireless Charging Phone Case Works Safely” http://techcrunch.com/2015/10/08/how-ubeam-works/

　　[7]“Wi-Charge FAQs”

　　http://www.wi-charge.com/technology.php?ID=29

　　[8]“Charging the iPhone 6 costs just 47 cents a year” http://money.cnn.com/2014/09/25/technology/mobile/iphone-6-charger/

　　[9]“Average Household and the Number of Batteries”

http://blog.batterysharks.com/average-household-and-the-number-of-batteries/

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第28頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。