解讀無線充電新技術—磁感應與磁共振

引言

無線充電技術是電子行業(yè)增長最快的領域，得到了廣泛應用。消費者對電池供電便攜式電子設備的需求，以及極不方便的不斷進行充電等因素促使該技術的應用高速增長。具有無線充電功能的便攜式設備發(fā)展非常迅猛，隨著這種趨勢的繼續(xù)，無線充電將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，是一種便攜式設備使用習慣。

考慮到開發(fā)標準、小型化解決方案和低成本等因素，磁感應(MI)和磁共振(MR)是消費類市場上的兩種主要無線充電傳送技術。由于緊密的磁耦合，MI目前具有較高的電力傳送能力，易于設計，轉換效率較高，而MR更具空間自由度，每個發(fā)射臺支持多個接收器件，對近場金屬物體的熱積累影響較小。在MI領域主要有兩種標準：無線充電聯(lián)盟(WPC)的‘Qi’標準，以及充電事物聯(lián)盟(PMA)的相關標準。對于目前基于MI的便攜式設備設計人員，這帶來了能否確保Qi和PMA兩種標準兼容的問題。MR標準主要是由A4WP (無線充電聯(lián)盟)控制的。Qi或者PMA標準的產(chǎn)品兼容性目前還在討論中，預計明年就會出現(xiàn)基于A4WP的產(chǎn)品。本文介紹無線充電以及相關的MI和MR技術。還會討論芯片制造商怎樣實現(xiàn)當今的MI無線充電接收器IC，幫助克服MI技術的雙重標準問題。

高速發(fā)展的無線充電技術

在我們?nèi)粘€人生活以及商業(yè)活動中，充電和數(shù)據(jù)傳輸所需要的有線連接難免有很多不便之處。無線數(shù)據(jù)訪問已經(jīng)非常普遍了，而充電卻還沒有達到相似的無線應用水平。外出旅行時，要帶上墻插充電器、電纜和適配器，到處找“公共”電源去充電，非常麻煩。

如果出于多方面的考慮而建設廣泛分布的無線充電輔助支撐系統(tǒng)，這會對移動電話很有好處。高亮度大屏幕、功能強大的多核處理器、板上射頻陣列、需要實時數(shù)據(jù)的應用程序，以及新的生物應用等都導致一天要多次充電。消費者要求更輕更薄的設備也推動了這一需求。然而，鋰電池的功率密度并沒有隨之相應的增長。為滿足消費者的需求，很多便攜式設備生產(chǎn)商已經(jīng)發(fā)售了符合Qi (目前主要的無線充電標準)標準的移動電話。移動電話運營商也希望能夠?qū)σ苿釉O備不斷進行充電，傳送無線數(shù)據(jù)，因此，積極推動建設無線充電傳送輔助支撐系統(tǒng)。

要隨時隨地進行充電，把設備放在能夠無線充電的設備表面即可，這要求充電發(fā)射臺無處不在。在一些前端已經(jīng)開始了建設。Qi和PMA發(fā)射臺目前以多種形式用在家庭和辦公室中。豐田和克萊斯勒等汽車公司新款汽車采用了Qi發(fā)射器，很快還會提供更多的制造/模型和大量的售后汽車解決方案。PMA迅速在一些合作伙伴那里得到了應用，餐館、零售店、飯店以及其他公共場合都可以實施無線充電輔助支撐系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡，從而吸引更多的消費者，有可能帶來更大的收益。例如，星巴克的“Never PowerlessTM”計劃從去年開始，首先在馬薩諸塞州波士頓安裝，隨之在硅谷地區(qū)建設新站，中期計劃是在美國提供1百多萬個充電點。

建設好發(fā)射站輔助支撐系統(tǒng)后，對設計支持多種無線充電標準的移動設備最有利。IDT等企業(yè)推出的模擬和數(shù)字技術發(fā)展非常快，最近IMS的研究報告也表明對無線充電的需求很大，今后幾年將呈現(xiàn)出高速增長的局面，2016年達到300Mu，2018年達到1Bu。這說明2011年雖然幾乎還沒有這一市場，但今后會有強勁的增長。

圖1.通過無線充電技術，移動電話等便攜式設備的使用會更加方便，

人們不用再攜帶很多專用充電器和電纜。

磁感應(MI)和磁共振(MR)技術

磁感應技術(Qi和PMA)是首先面市的，是新生無線充電市場的主導技術。但是，磁共振(A4WP)相對于MI也很有優(yōu)勢，也面臨一些挑戰(zhàn)。A4WP 6.78MHz的固定工作頻率與Qi的110-205KHz工作范圍相比，依據(jù)法拉第的電感定律，松耦合因子(位置更靈活)的充電傳送效率更高。更高的頻率以及更高的線圈電壓使得接收線圈更小更薄，移動設備的機械結構更容易實現(xiàn)。高頻工作的另一好處是，其表面渦流很小，因此，對發(fā)射臺附近金屬物體的熱輻射也很小。這也就意味著，待充電設備(例如，電池)中的雜散金屬不會積熱。A4WP標準使用了雙向Bluetooth®節(jié)能(BLE)帶外信號，與待充電設備進行通信，對電源進行調(diào)節(jié)。相反，Qi和PMA使用負載調(diào)制單向帶內(nèi)通信方法，將電源調(diào)節(jié)信息傳送回發(fā)射器。Qi方法簡單，成本低，但是只能處理一個接收器，受限于低速通信，容易受到系統(tǒng)產(chǎn)生的 EMI的影響。

MR實施起來會遇到一些難題，針對大批量應用市場需要進一步采取措施，提供產(chǎn)品解決方案。MR接收器使用了LC諧振腔，高Q因子直接工作在共振頻率上。難點是當溫度和電壓變化時，諧振腔不太容易調(diào)整保持在固定共振頻率上。出現(xiàn)漂移時，效率會下降。MI標準實現(xiàn)起來簡單一些，這是因為工作頻率高于共振頻率，因此，不需要高Q電路或者高精度無源器件。但是，MR高Q電路的高容差器件成本雖然高，其線圈成本卻很低。無屏蔽MR接收線圈也很小，導線要比MI線圈薄，因此，其成本應比那些關鍵器件低。

無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射是消費者關心的問題，但這已經(jīng)超出了本文的討論范圍。在機械結構上，MI是緊耦合系統(tǒng)，意味著發(fā)射和接收線圈直接接觸以支持MI充電傳輸，其排列方式允許線圈頂部和底部直接使用鐵氧體屏蔽層(圖2)。這些鐵氧體屏蔽層有兩種作用：首先，磁通線更靠近線圈，耦合更緊密，磁通線電流也就更大，其次，屏蔽層減小了系統(tǒng)的電磁輻射。MR是松耦合系統(tǒng)，意味著接收器距離發(fā)射器會有10厘米遠(圖3)，因此，不像MI方法那樣具有鐵氧體屏蔽層的優(yōu)點。把輻射水平保持在安全限制范圍之內(nèi)是一種技術優(yōu)勢，更有利于無線充電傳輸技術在消費類市場上的推廣。

圖2.使用鐵氧體屏蔽材料，屏蔽了磁場輻射

圖3.磁共振無線充電支持松耦合，空間自由度更大

近期MI雙標準挑戰(zhàn)

在短期內(nèi)，兩種競爭MI標準：Qi和PMA的同時存在有可能阻礙公共使用無線充電技術的快速部署，例如，機場、咖啡吧和娛樂場所等地點的無線充電臺、熱點桌和工作臺等。它們都是可行的，性能也可靠，因此，看起來都能夠部署在公共無線充電熱點。理論上，這會導致手持式設備人員到處尋找與其設備兼容的某一無線充電接入點。這無疑會讓消費者感到心煩，其應用就會大打折扣。

IDT是開發(fā)無線充電解決方案的一家公司，認識到了這一問題，開發(fā)無線充電接收器IC來解決這一問題，單片雙模式接收器解決方案消除了傳輸標準之間的兼容性障礙。去年，IDT推出了業(yè)界集成度最高的發(fā)射器IC解決方案，今年，他們推出了第一款雙模式接收器解決方案。采用這些解決方案，移動設備和附件OEM不需要生產(chǎn)多種型號的產(chǎn)品，從而降低了成本，拓展了市場銷售空間。OEM使用通用電路布板，只需要一張材料表(BOM)，從而減小了產(chǎn)品體積。

結論

無線充電是一項令人激動的新技術，使得移動電話能夠一直保持工作，進一步促進了移動電話革命。通過專用產(chǎn)品充電適配器和麻煩的導線對電池充電非常不方便，是便攜式通信和計算最薄弱的一環(huán)。現(xiàn)在，快速發(fā)展的無線充電輔助支撐系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模，今后有一天，我們會把適配器和線纜留在家里，最終徹底拋棄它們。

MR和MI技術各有特色，能夠滿足各種不同的無線充電應用，都有未來發(fā)展空間。在這些方法中，競爭標準是有好處的，因為這有助于推動創(chuàng)新，但是，消費者感受到的困惑和挫折感卻是很大的風險。MI雙模式接收器技術能夠自動在無線充電標準之間無縫切換便攜式設備，從而避免了復雜而又麻煩的應用場景問題。