無(wú)線充電原理深層解析

隨著可攜式媒體播放器、智慧手機(jī)和平板電腦等電池供電的消費(fèi)性電子設(shè)備的不斷普及，導(dǎo)致家?到處充斥著大量不同的充電器和成捆的纜線。以無(wú)線方式給設(shè)備充電的概念即沒(méi)有任何直連線的連接已經(jīng)推出一段時(shí)間了，現(xiàn)在正迅速提起人們的興趣，使之更加靈活和更加有用。不過(guò)目前有哪些不同的技術(shù)、工程師需要應(yīng)付的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)又有哪些呢?

由于無(wú)需使用充纜纜線，給消費(fèi)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電有許多吸引人的地方。也許應(yīng)該說(shuō)得更明白點(diǎn)，無(wú)線充電的目的是透過(guò)不同于有線或連接器等的創(chuàng)新方式提供給設(shè)備電池充電的新途徑。

無(wú)線充電方式在諸如電動(dòng)牙刷等許多消費(fèi)設(shè)備中已經(jīng)非常流行，其中最主要的一種方法是基于麥克斯韋定律的感測(cè)方法，即來(lái)自某個(gè)線圈的磁場(chǎng)變化會(huì)在另外一個(gè)與之耦合的線圈中產(chǎn)生電流。雖然使用磁場(chǎng)的感測(cè)方法適合類似上述這樣的許多小設(shè)備，但在平板電腦和智慧手機(jī)等更加現(xiàn)代的消費(fèi)電子設(shè)備中使用這種方法面臨著諸多工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

隨著饋送給電池的功率的增加，相對(duì)效率或擺放耦合線圈的靈活性要求也會(huì)提高。這種感測(cè)方法的主要考慮因素是如何控制產(chǎn)生或‘發(fā)送’能量并使用感測(cè)磁場(chǎng)傳送給 ‘接收’設(shè)備的訊號(hào)所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。接收設(shè)備隨后將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能再給電池充電。Wi-Fi、藍(lán)牙、近場(chǎng)通訊(NFC)、蜂巢式系統(tǒng)和調(diào)頻廣播是眾多無(wú)線語(yǔ)音和數(shù)據(jù)連接方法中的一些例子，它們可能都會(huì)受到這種電磁場(chǎng)的干擾。

當(dāng)然，另外一個(gè)考慮因素是使功率傳輸效率盡可能高，即使在更高功率電平和更寬擺放誤差等挑戰(zhàn)約束條件下。在過(guò)去幾年中，業(yè)界對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)感測(cè)充電技術(shù)提出了許多新的想法，但規(guī)避EMI影響的進(jìn)展不像期望的那樣順利，因?yàn)檫_(dá)到EMI相容需要付出艱巨的努力。

最近這方面的挑戰(zhàn)得到了進(jìn)一步發(fā)展，這得感謝無(wú)線充電聯(lián)盟(WPC)的不懈努力。WPC是美國(guó)消費(fèi)電子(CEA)組織的一項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃，目的是鼓勵(lì)進(jìn)一步研究開發(fā)，使無(wú)線充電更加引人注目，因而得到更大消費(fèi)群體的青睞。

感測(cè)方法的另外一個(gè)眾所周知的約束條件是需要精確地配對(duì)充電器和被充設(shè)備，這可以用電動(dòng)牙刷例子來(lái)很好地描述。充電器基板上有一個(gè)小塔，從放置待充電牙刷的基板上升出來(lái)。使用這種方法可以使兩個(gè)線圈完美匹配，以確保磁能的傳輸。任何稍微的不對(duì)齊都會(huì)完全丟失功率傳輸能力。在使用諸如智慧手機(jī)或平板電腦等要求稍大功率電平的其它設(shè)備時(shí)，這種使用方法顯然很不方便。最后，存在如何解決電熱損失的問(wèn)題。充電器功率越高，熱量損失越大。這對(duì)溫度高度感測(cè)的鋰離子電池來(lái)說(shuō)更是個(gè)問(wèn)題，很可能會(huì)在今天外形高度緊密的消費(fèi)電子設(shè)計(jì)中產(chǎn)生元件應(yīng)力。

使用電容器架構(gòu)是可以代替磁場(chǎng)無(wú)線充電的另外一種無(wú)線充電方法，這種方法的塬理類似于電場(chǎng)的麥克斯韋定律。這種概念已經(jīng)被村田公司衲桑并被廣泛導(dǎo)入新的設(shè)計(jì)。該公司的做法是使用示駁緄緋〔⑼腹電容器傳輸能量，這種電容器則是由屬于實(shí)體上分開的元件的兩個(gè)電極組成。將這兩個(gè)元件彼此靠近就能形成一個(gè)電容器陣列，并用來(lái)傳輸能量。圖1a顯示了這種方法的基本塬理。

圖1a：無(wú)線功率傳輸中發(fā)送器-接收器對(duì)塬理。

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