無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展歷路

摘要：本文介紹了近場(chǎng)充電和遠(yuǎn)場(chǎng)充電的技術(shù)原理，并提出了無(wú)線充電的注意事項(xiàng)。

　　Pike Research預(yù)測(cè)，移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量將從2012年的374萬(wàn)部增長(zhǎng)到2016年的276.3萬(wàn)部。智能手機(jī)制造商早在2013年就開(kāi)始在其智能手機(jī)中集成無(wú)線充電功能。移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線充電功能有望像WiFi和藍(lán)牙一樣普及。

　　2015年6月，無(wú)線充電聯(lián)盟(Alliance for Wireless Power,A4WP)和電源事務(wù)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(lái)愿景的實(shí)現(xiàn)：消費(fèi)者無(wú)論到何處，設(shè)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(shù)。

近場(chǎng)感應(yīng)充電

　　尼古拉?特斯拉早在19世紀(jì)80年代證明了通過(guò)振蕩磁場(chǎng)傳遞能量，從而可以通過(guò)近場(chǎng)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(guò)將交流電網(wǎng)電壓進(jìn)行降壓并轉(zhuǎn)換為直流，為發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)器和控制器電路提供偏置。驅(qū)動(dòng)器和控制器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，并可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡斎氲皆吘€圈。在接收器側(cè)，對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流，然后通過(guò)同步轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)，用于對(duì)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(hào)疊加在功率信號(hào)上，所以兩者均知道設(shè)備已經(jīng)放在了充電墊上。感應(yīng)充電效率較高，但對(duì)于線圈是否對(duì)準(zhǔn)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(chǎng)感應(yīng)充電系統(tǒng)如圖2所示。

近場(chǎng)共振充電

　　共振充電是另一種近場(chǎng)充電形式，與電磁場(chǎng)工作原理相同，但需要共振器前端。該標(biāo)準(zhǔn)由AirFuel Resonant主導(dǎo)，允許發(fā)射器和接收器之間的距離較短。單個(gè)6.78 MHz發(fā)射器可支持多個(gè)接收器，無(wú)需物理對(duì)準(zhǔn)。然而，接收器和發(fā)射器之間要求嚴(yán)格的頻率匹配，從而在特定線圈尺寸下最大程度地延長(zhǎng)功率傳輸距離。隨著連接設(shè)備數(shù)量增多和距離延長(zhǎng)，傳輸功率將會(huì)下降。該標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)射器和每個(gè)接收器之間具有獨(dú)立的雙向通信通道(藍(lán)牙)。

　　近場(chǎng)充電標(biāo)準(zhǔn)之一是無(wú)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(biāo)準(zhǔn)，而Powermat是橋接技術(shù)的很好例子，該技術(shù)提供通用環(huán)，可以配合充電墊使用，為便攜設(shè)備充電。由于存在兩種標(biāo)準(zhǔn)，通用汽車(GM)公司宣布其汽車將同時(shí)支持AirFuel Inductive和Qi標(biāo)準(zhǔn)。三星公司也決定其手機(jī)將支持兩種標(biāo)準(zhǔn)[2]。 近場(chǎng)充電標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)比較如表1所示。

遠(yuǎn)場(chǎng)充電——系統(tǒng)概覽

　　無(wú)論感應(yīng)充電還是共振充電都對(duì)發(fā)射器和接收器之間的距離有要求。在遠(yuǎn)場(chǎng)充電中，能量需要從功率集線器傳遞至特定設(shè)備。藍(lán)牙、WiFi、超聲波和紅外線等都曾經(jīng)被探索使用過(guò)。

　　基于射頻(RF)的系統(tǒng)(例如WattUpTM和CotaTM)使用一個(gè)或多個(gè)天線廣播能量并進(jìn)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(hào)。該整合技術(shù)——CotaTM，實(shí)際上使用現(xiàn)有的WiFi和藍(lán)牙天線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和無(wú)線功率接收，然后將這些微信號(hào)增加到電池的充電電流。以無(wú)線方式將接收設(shè)備的應(yīng)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u(píng)Beam為代表的超聲系統(tǒng)中，路由器中的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電信號(hào)，發(fā)送到放大器。然后將經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)連接至變送器，產(chǎn)生超聲波，經(jīng)過(guò)聚焦并發(fā)送到接收器。超聲波對(duì)壓電傳感器施加應(yīng)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(zhǔn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能演示^[3]。紅外技術(shù)的一項(xiàng)明顯優(yōu)勢(shì)是無(wú)EMI輻射。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　1. 移動(dòng)性

　　定位和跟蹤多個(gè)移動(dòng)接收器的能力對(duì)于無(wú)線充電至關(guān)重要。近場(chǎng)充電中，發(fā)射器和接收器的相對(duì)位置不變，而在遠(yuǎn)場(chǎng)充電中，用戶可能不斷移動(dòng)。用戶應(yīng)該在不丟失信號(hào)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(lái)定義這些限值。消費(fèi)類產(chǎn)品的安全性遠(yuǎn)比通過(guò)安全規(guī)范本身重要得多，它關(guān)乎建立消費(fèi)者的安全感和信任，不容許一次差勁的用戶體驗(yàn)。同時(shí)，超聲的安全性可能是消費(fèi)者非常關(guān)心的問(wèn)題，他們會(huì)感覺(jué)房間內(nèi)充滿射線。一種擔(dān)心是超聲是否會(huì)影響動(dòng)物。采用即使動(dòng)物也不敏感的較高工作頻率，可能會(huì)解決這一問(wèn)題。

　　3. 系統(tǒng)干擾

　　無(wú)線充電系統(tǒng)基于高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)，必須預(yù)測(cè)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(xiàng)成本因素是電源成本和傳輸效率。

　　5. 耗盡電池充電

　　無(wú)線充電器能夠?qū)ν耆谋M的電池進(jìn)行充電嗎?遠(yuǎn)場(chǎng)充電系統(tǒng)面臨著近場(chǎng)充電不存在的一個(gè)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(chǔ)設(shè)施

　　移動(dòng)設(shè)備從不斷電的愿望是可以實(shí)現(xiàn)的，但成功之路要靠多種實(shí)體之間的協(xié)作來(lái)鋪設(shè)。

總結(jié)

　　根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS在2014年的數(shù)據(jù)，70%的消費(fèi)者每天至少為一個(gè)設(shè)備充電一次。設(shè)備不僅應(yīng)該支持無(wú)線充電技術(shù)，而且應(yīng)該有足夠的熱點(diǎn)供其充電。一旦基礎(chǔ)設(shè)施部署到位，其普及將會(huì)水到渠成。從尼古拉?特斯拉首次傳輸電力至今已經(jīng)超過(guò)100年，但我們依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)未釋放能量轉(zhuǎn)換的全部潛力。我們的電子設(shè)備需要足夠智能，實(shí)現(xiàn)自身充電。

參考文獻(xiàn)：

　　[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(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第28頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。