無線充電系統(tǒng)設(shè)計原理與實作講析

引言

　　無線充電技術(shù)經(jīng)過了數(shù)年的推廣與演進后，到如今終于開始受到人們的關(guān)注。無線充電是指具有電池的裝置透過無線感應(yīng)的方式取得電力而進行充電，正是因為其方便性，才得以讓消費者愿意支付額外的費用購買無線充電相關(guān)產(chǎn)品；如此一來，大批廠商愿意投入資金進行相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，看好其商機。由于這產(chǎn)技術(shù)相當(dāng)新穎且各廠商有自己對技術(shù)的表述，所以無線充電、感應(yīng)式電力、非接觸充電、無接點充電都是泛指相同的技術(shù)，距離1mm到數(shù)公尺都是一樣是無線，供電端與受電端交互作用就稱感應(yīng)，所以無線充電是廣義的名詞而沒有一定的規(guī)格。

　　1 原理簡單，實作困難

　　無線充電的方法在實驗階段有開發(fā)出很多方法，但目前唯一有機會量產(chǎn)商品化為線圈感應(yīng)式。線圈感應(yīng)式的原理很簡單，是百年前就被發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象，但過去長久以來這樣的線圈感應(yīng)只運用在繞線式的變壓器中。早期就有人發(fā)現(xiàn)將繞線式的變壓器的將“E”型鐵心繞線后對向緊貼后接上市電就可以感應(yīng)傳電，但距離略為分開后感應(yīng)效果就消失，這是因為在市電60Hz下，電磁波傳遞會隨著距離增加能量快速衰退。在現(xiàn)今的應(yīng)用中，由于裝置本身需要有外殼包裝，發(fā)射端加上接收端的外殼厚度至少從3mm起算，早期電動牙刷產(chǎn)品開發(fā)時就發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離拉開后需要將線圈上的操作頻率提高才能讓電力能傳送的更遠；在電磁波中有一個特性，就是頻率越高的電磁波可以傳送比較長的距離后能量衰減較低。后來RFID應(yīng)用開始發(fā)展，主要就規(guī)劃的三個頻段LF低頻（125~135KHz）、HF高頻（13.56MHz）、UHF超高頻（860~960MHz）可以使用，而這些頻段也造就了目前無線電力系統(tǒng)在設(shè)計之初頻率采用的參考點。早在10年前電動牙刷的無線充電就已經(jīng)上市，當(dāng)時的傳送功率小、充電時間長，在現(xiàn)在的智能手持裝置的耗電狀況來看，當(dāng)時的充電能量不敷使用所以10年來還無法實用化。但這幾年來發(fā)展出新的技術(shù)可用較高的“共振”接收效率運作方式，由于這個技術(shù)較新所以各界的說法很多，但都是有一個很重要的特性，就是接收線圈上都會有配置電容來構(gòu)成一個具有頻率特性的接收天線，在特定的頻率下可以得到較大的功率移轉(zhuǎn)。這部份就跟早期的電磁感應(yīng)不同，當(dāng)距離拉開后依然就可以得到良好的電力傳送效果。共振的原理非常簡單，就跟鋼琴調(diào)音師一樣放不同水量的玻璃杯，在精準的調(diào)音下可以將某個玻璃杯透過共振將其振碎；但其它的文章都沒有提到，若是沒有經(jīng)過專業(yè)鋼琴調(diào)音師訓(xùn)練的一般人，可能永遠也調(diào)不出可以讓玻璃杯振碎的頻率！這就是原理簡單、實作困難。

　　2 展示簡單，上市困難

　　電子零件出廠時就像是未調(diào)過音的鋼琴，鋼琴透過專業(yè)的調(diào)音師精準調(diào)校后可以發(fā)出高品質(zhì)的聲音；當(dāng)大量生產(chǎn)后為了成本考量可能就無法在每一個產(chǎn)品都經(jīng)由專業(yè)人員調(diào)校再出貨，如果每一個產(chǎn)品都要專業(yè)人員來修正那就會有困難，因為專業(yè)人員有限。這就跟目前可以看到很多無線充電產(chǎn)品在很久前就發(fā)表了，在發(fā)表會上產(chǎn)品都可以完美演出，但過了很久的等待后還沒見產(chǎn)品上市？就跟剛提到的例子一樣，無線充電的產(chǎn)品為了達到很好的共振效果必需經(jīng)過精準的調(diào)校，在這樣的狀況下量產(chǎn)會變的非常困難。所以無線充電系統(tǒng)的設(shè)計首先必需要能針對共振這部份能自我調(diào)整，這樣才能解決量產(chǎn)難題。2008年INTEL即發(fā)表了可以離一公尺距離的兩個線圈傳送電力用以點亮60瓦特?zé)襞?，發(fā)表當(dāng)時也宣告了無線電力時代已經(jīng)到來；但三年過去了相關(guān)產(chǎn)品還是沒有上市，仔細想一下可以相距一公尺傳送電力，這么強大的電磁能量就算對人體沒影響、對周遭的電氣制品會有非常大的殺傷力。無線電力系統(tǒng)的原理與烹調(diào)電磁爐相同，透過電磁波來傳送能量只不過目標不同，電磁爐使用頻率約50KHz能量發(fā)出后給鍋具加熱用已烹飪，過去網(wǎng)絡(luò)上就有流傳過一段影片就是將手機放在運作中的電磁爐表面上，在短時間內(nèi)手機即燒毀，這樣的原理一樣電磁波會穿過手機外殼直接對內(nèi)部的金屬構(gòu)造加熱終至燒毀。前文題到過，為了加長傳送距離必需提高傳送頻率，電磁爐的頻率較低在離開數(shù)公分后就衰減到安全界限以下，INTEL發(fā)表的相距一公尺傳送電力必需將頻率提高到約13MHz才能傳送，在這個狀況下線圈之間若是存在金屬物體將會被加熱而發(fā)生危險，表演中工作人員可以站在兩個線圈中間不會有危險，是因為人體內(nèi)的金屬成份很少所以溫度上升有限。當(dāng)電磁波頻率加到1GHz以上就會直接對水分子加熱；這個原理就變成微波爐了，水分子被電磁波攪動后發(fā)出熱量。所以微波爐與電磁爐不一樣，必需在屏蔽體內(nèi)操作避免為害到人體。這部份又與市面上的無線通訊產(chǎn)品不同，因為能量差距甚大；無線電力系統(tǒng)需要傳送電力而發(fā)送到受電裝置所以需高功率傳送，無線通訊產(chǎn)品收到低功率訊號后再透過內(nèi)部的電池將訊號放大處理。所以不管是在13MHz會對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無線電力在設(shè)計時必需解決安全的問題才能上市，這就是展示簡單、上市困難。

　　3 三大效能指針——效率、安全、功率

　　電動牙刷早在10年前就堆出無線充電了，當(dāng)時由于功率需求低所以不需要考慮效率與安全。早期的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率只有20%-30%，且沒有安全機制并不會辯識目標連續(xù)供電，這樣的系統(tǒng)就與微型電磁爐一樣。由于功率很小，接收需求只有0.1W上下，只有20%的轉(zhuǎn)換效率下即有80%的能量于傳送中轉(zhuǎn)成熱量散逸，這樣推算發(fā)射器提供0.5W的能量到接收器為0.1W的能量，0.4W產(chǎn)生的熱量有限對系統(tǒng)的溫度上升不明顯，且系統(tǒng)最大輸出能力也不大即0.5W，所以在發(fā)射器上放置金屬異物也不會產(chǎn)生危險；但今日的裝置需求遠高于0.1W，以熱銷的智能型手機來看接收需要5V-1A 即5W的充電能量，若用電動牙刷的系統(tǒng)進行設(shè)計問題就會很大了，接收端5W的需求在只有20%的轉(zhuǎn)換效率下有20W的能量轉(zhuǎn)換成熱能散逸，這樣的能量會產(chǎn)生龐大的熱能會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統(tǒng)最大輸出能力會在25W，若為無安全設(shè)計下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會導(dǎo)致火災(zāi)意外，所以在功率需求提高后衍生的問題需要全新的設(shè)計來完成無線充電，所以10年前即出現(xiàn)的無線充電到今還改良之中。新設(shè)計的系統(tǒng)需為了達到目標功率，必需先解決效率與安全的問題。