无线充电技术和应用详解

本文内容来自美信半导体和互联网

近年来，虽然无线充电技术被广泛关注，智能手机制造商早在2013年就开始在其智能手机中集成无线充电功能。但至今仍未真正在消费电子领域普及。即便某些星巴克已经提供免费无线充电服务、宜家开始布局无线充电家具，但似乎离人们的生活依然有一段距离。那么，无线充电技术经历过怎样的发展历程、未来又将如何呢？

2015年6月，无线充电联盟(Alliance for Wireless Power,A4WP)和电源事务联盟(Power Matters Alliance，PMA)合并，组成AirFuel联盟(AirFuel Alliance)。这一合并举措加速了未来愿景的实现：消费者无论到何处，设备充电将具有互操作性和便利性。人们正在尝试各种不同的技术。

近场感应充电

尼古拉•特斯拉早在19世纪80年代证明了通过振荡磁场传递能量，从而可以通过近场或磁共振充电。

 
磁共振

从发射器传递到接收器的电流和电压必须是交流的。现在，充电垫是发射器，插入到墙上插座。将交流电网电压进行降压并转换为直流，为发射器的驱动器和控制器电路提供偏置。驱动器和控制器产生开关信号，并可调节开关频率，将直流电再变为交流电，输入到原边线圈。在接收器侧，对交流进行整流，然后通过同步转换进行调节，用于对电池充电。

根据接收器所需的功率大小，线圈中的频率发生变化。通信信号叠加在功率信号上，所以两者均知道设备已经放在了充电垫上。感应充电效率较高，但对于线圈是否对准非常敏感。需要将耦合线圈调节到略微偏离谐振频率，以优化功率传输。

近场感应充电系统

近场共振充电

共振充电是另一种近场充电形式，与电磁场工作原理相同，但需要共振器前端。该标准由AirFuel Resonant主导，允许发射器和接收器之间的距离较短。单个6.78 MHz发射器可支持多个接收器，无需物理对准。然而，接收器和发射器之间要求严格的频率匹配，从而在特定线圈尺寸下最大程度地延长功率传输距离。随着连接设备数量增多和距离延长，传输功率将会下降。该标准要求发射器和每个接收器之间具有独立的双向通信通道(蓝牙)。

 
近场共振充电系统

近场充电标准之一是无线充电共同体(Wireless Power Consortium，WPC)制定的Qi，该共同体包括200多家公司。AirFuel Inductive则是另一种标准，而Powermat是桥接技术的很好例子，该技术提供通用环，可以配合充电垫使用，为便携设备充电。

那么AirFuel Inductive及AirFuel Resonant的区别主要在哪里呢？请参照表1。

 
表1  近场充电标准比较

由于存在两种标准，通用汽车(GM)公司宣布其汽车将同时支持AirFuel Inductive和Qi标准。三星公司也决定其手机支持两种标准。

远场充电系统概览

无论感应还是共振充电都对发射器和接收器之间的距离具有要求。远场充电中(图4)，能量从功率集线器传递至特定设备。蓝牙、WiFi、超声和红外线等都曾经被探索使用过。

 
远场共振充电系统

基于射频(RF)的系统(例如WattUp、Cota)使用一个或多个天线广播能量并进行通信。2015年10月，Energous公司宣布可提供首款射频功率接收器IC，器件将射频整流为直流信号。整合技术支持将充电技术嵌入便携式设备。一种新型技术，Cota，实际上使用现有的Wi-Fi和蓝牙天线实现数据通信和无线功率接收。然后将这些微信号增加到电池的充电电流。以无线方式将接收设备的应答以及特定电池充电特征数据传输回电源路由器。建立了持续链路后，电源路由器将向接收器位置发射能量束。

压电传感器

以uBeam为代表的超声系统中，路由器中的信号发生器产生电信号，发送到放大器。然后将经过放大的信号连接至变送器，产生超声波，经过聚焦并发送到接收器。超声波对压电传感器施加应力，从而产生充电电流。系统两侧使用的传感器需要支持高效率和高功率。

另一家创业公司，Wi-Charge，专注于将视线光转换为能量。发射器使用激光二极管向接收器准确传输红外束。然后接收器中的光伏电池将光转换回电能。该公司于2015年2月在旧金山对系统进行了功能演示。红外技术的一项明显优势是无EMI辐射。

远场技术比较


表2.  远场充电方法示例

设计注意事项

1. 移动性
定位和跟踪多个移动接收器的能力对于无线充电至关重要。近场充电中，发射器和接收器的相对位置不变，而在远场充电中，用户可能不断移动。用户应该在不丢失信号的情况下漫游。

2. 安全性
射频(RF)安全性取决于在不损害人类健康的情况下可施加的照射量。吸收率(SAR)用来定义这些限值。消费类产品的安全性远比通过安全规范本身重要得多，它关乎建立消费者的安全感和信任，不容许一次差劲的用户体验。同时，超声的安全性可能是消费者非常关心的问题，他们会感觉房间内充满射线。一种担心是超声是否会影响动物。采用即使动物也不敏感的较高工作频率，可能会解决这一问题。

3. 系统干扰
无线充电系统基于高频开关信号，必须预测噪声源，包括充电系统的输入和输出侧。

4. 成本
需要考虑的两项成本因素是电源成本和传输效率。

5. 耗尽电池充电
无线充电器能够对完全耗尽的电池进行充电吗?远场充电系统面临着近场充电不存在的一个难题：接收侧的控制电路需要上电才能连接到电源路由器。

6. 生态系统和基础设施
移动设备从不断电的愿望是可以实现的，但成功之路要靠多种实体之间的协作来铺设。

 
无线充电生态系统

酷炫的手机悬浮充电

最近，国外一家名为AR Designs的公司研发出了一款可以隔空悬浮的充电设备——OvRcharge。


 
OvRcharge由两部分组成：一是手机充电壳，另一个是木质充电底座。
 

该设备的使用方法也很简单，只需将手机套上充电壳，然后放在充电底座上方，手机就会悬浮起来，并开始充电。当手机电量充满时，它就会自动停止充电。不过只要你不拿下来。手机还会一直保持旋转状态。

OvRcharge的工作原理为：手机壳里附有接收器，能够接收到来自充电底座的电力。在充电壳背部放上磁铁，磁铁会与底座的磁力相感应，从而使手机悬浮在空中。

目前，OvRcharge正在Kickstarter上众筹，售价185美元起，预计今年12月发货。

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