在無線充電的變革中容納新產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

　　引言

　　無線充電技術(shù)是電子產(chǎn)業(yè)中增長顯著的領(lǐng)域，并使范圍廣泛的應(yīng)用得到提升。消費(fèi)者對于電池供電便攜式電子設(shè)備的絕對需求以及這些設(shè)備不斷充電的不便驅(qū)動(dòng)了無線充電技術(shù)的銷量增長。業(yè)界推出的能夠進(jìn)行無線充電的便攜式設(shè)備已經(jīng)在快速增長，隨著這種增長趨勢的繼續(xù)，無線充電將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，也將是便攜式設(shè)備使用的一個(gè)常態(tài)。

　　由于開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、解決方案小型化和低成本等要求，磁感應(yīng)(MI)和磁共振(MR)是目前消費(fèi)電子市場的兩種主要無線充電傳輸技術(shù)。MI采用緊密的磁耦合，目前具有較高的電力傳輸能力、易于設(shè)計(jì)、高效率等特性，而MR則具有更大的空間自由度，每個(gè)發(fā)射臺支持多個(gè)接收設(shè)備，在近場金屬物體上的熱積累較小。在MI領(lǐng)域有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟(WPC)的‘Qi’標(biāo)準(zhǔn)，以及Power Matters Alliance(PMA，功率關(guān)鍵聯(lián)盟)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對于當(dāng)今基于MI的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)人員，這便產(chǎn)生了一個(gè)是要與Qi兼容，還是與PMA兼容，或者與兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都兼容的問題。MR領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)主要由A4WP(無線充電聯(lián)盟)主導(dǎo)。兼容Qi或者PMA標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品目前已經(jīng)上市，預(yù)計(jì)明年會出現(xiàn)基于A4WP的產(chǎn)品。本文將回顧無線充電技術(shù)的進(jìn)展以及相關(guān)的MI和MR技術(shù)，還將討論當(dāng)今的MI無線充電接收器IC芯片制造商如何幫助克服MI技術(shù)的雙重標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)。

　　快速發(fā)展的無線充電世界

　　在我們?nèi)粘€(gè)人生活和商業(yè)活動(dòng)的許多方面，通過有線連接進(jìn)行充電和數(shù)據(jù)傳輸有很多難以回避的不便之處。無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問已經(jīng)相當(dāng)普遍，而類似輕松的無線充電卻沒能實(shí)現(xiàn)。外出旅行時(shí)，要帶上笨重的電源插座、電纜和適配器，然后到處去找“公共”電源去充電，這是經(jīng)常遇到的煩惱。

　　如果一個(gè)廣泛的無線充電生態(tài)系統(tǒng)得以建成，移動(dòng)手機(jī)將會受益最多，這主要由于以下幾個(gè)原因。大尺寸和高亮度顯示屏、功能強(qiáng)大的多核處理器、電路板上的多個(gè)射頻、需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用、以及新的生物應(yīng)用等會導(dǎo)致一天要多次對手機(jī)充電，消費(fèi)者同時(shí)要求更輕、更薄的設(shè)備。然而，鋰電池的功率密度并沒有隨之相應(yīng)地提高。為滿足消費(fèi)者的需求，很多便攜式設(shè)備生產(chǎn)商已經(jīng)發(fā)售了符合Qi(目前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)手機(jī)。移動(dòng)運(yùn)營商也希望能夠?qū)σ苿?dòng)設(shè)備不斷進(jìn)行充電，以便用戶可以不停地消耗無線數(shù)據(jù)流量，因此，它們在很積極地推動(dòng)建設(shè)無線充電生態(tài)系統(tǒng)。

　　把移動(dòng)設(shè)備放在支持無線充電的設(shè)備表面進(jìn)行隨時(shí)隨地?zé)o線充電，這要求發(fā)射臺無處不在，在一些領(lǐng)域已經(jīng)開始建設(shè)這種基礎(chǔ)設(shè)施。用于家庭和辦公室的Qi和PMA發(fā)射臺目前已經(jīng)以多種形款面市。在豐田和克萊斯勒等汽車公司的新款汽車中已經(jīng)設(shè)置了Qi發(fā)射器，更多新車款和新型號以及大量的售后汽車解決方案也將會提供類似功能。PMA正在迅速地簽署一些合作伙伴，他們有興趣在餐館、零售店、飯店以及其他場合部署無線充電生態(tài)系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)，從而吸引更多的消費(fèi)者，并有可能帶來更多的收益。例如，星巴克的“Never Powerless(不會沒電)”項(xiàng)目去年首先在美國波士頓開始實(shí)施，已經(jīng)擴(kuò)展到在硅谷地區(qū)建設(shè)新站，中期計(jì)劃是在美國提供1百多萬個(gè)充電點(diǎn)。[1]

　　在建設(shè)發(fā)射站生態(tài)系統(tǒng)的過程中，那些能夠支持多種無線充電標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)設(shè)備獲益最多。IMS最近的研究報(bào)告突出闡述了IDT等公司推出的模擬和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，以及市場對于無線充電技術(shù)不斷增長的需求。報(bào)告認(rèn)為今后幾年無線充電技術(shù)出貨量將呈現(xiàn)出高速增長的局面，2016年出貨量會超過3億，2018年出貨量會達(dá)到10億。從2011年一個(gè)幾乎不存在的市場起步，這代表了一個(gè)非常強(qiáng)勁的增長速度。[1]

　　圖1：無線充電將使移動(dòng)手機(jī)等便攜式設(shè)備的使用更加方便，不再需要攜帶多個(gè)專用設(shè)備充電器和電纜

　　磁感應(yīng)和磁共振

　　磁感應(yīng)技術(shù)(Qi和PMA)是首先面市的，并主導(dǎo)最初的無線充電市場。但是，磁共振(A4WP)相對于MI也有一些真正的優(yōu)勢，當(dāng)然也面臨一些挑戰(zhàn)。A4WP 工作在6.78MHz的固定頻率，而Qi則工作在110-205KHz頻率范圍。很明顯，依據(jù)法拉第的電感定律，A4WP的松散耦合因子(位置更靈活)其充電傳輸效率更高。頻率越高以及線圈電壓越高可使接收線圈更小更薄，這樣可使移動(dòng)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)。工作在較高頻率下的另一好處是，由于發(fā)射臺表面渦流很小，因此，其外部附近金屬物體的熱積累也很小。這也意味著，待充電設(shè)備(如電池)中存在的金屬不會積熱。A4WP標(biāo)準(zhǔn)使用了雙向藍(lán)牙®低功耗(Bluetooth® Low Energy ，BLE)帶外信號與待充電設(shè)備進(jìn)行通信和對電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。相比之下，Qi和PMA使用負(fù)載調(diào)制單向帶內(nèi)通信方法，把電源調(diào)節(jié)信息傳送回發(fā)射器。Qi標(biāo)準(zhǔn)的方法簡單，成本低，但僅能應(yīng)對一個(gè)接收器，僅僅限于低速通信，容易受到系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI影響。

　　MR實(shí)施起來會遇到一些挑戰(zhàn)，但這些正在被解決，產(chǎn)品解決方案也正在被優(yōu)化以滿足大批量應(yīng)用市場的需要。MR接收器采用高Q因子的LC諧振腔設(shè)計(jì)，并直接工作在共振頻率上。MR的挑戰(zhàn)是在溫度和電壓變化時(shí)，如何對諧振腔進(jìn)行微調(diào)使其保持在固定共振頻率上。在出現(xiàn)頻率漂移時(shí)，效率會隨之下降。MI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)起來簡單一些，這是因?yàn)樗偸枪ぷ髟诠舱耦l率之上，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，但所需要的線圈成本卻很低。無需屏蔽的MR接收線圈也很小，其繞線也要比MI線圈細(xì)小，因此，該關(guān)鍵器件的成本應(yīng)較低。

　　無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射是消費(fèi)者關(guān)心的一個(gè)問題，但這已經(jīng)超出了本文的討論范圍。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，MI是緊耦合系統(tǒng)，意味著發(fā)射和接收線圈直接彼此接觸以支持MI充電傳輸，也正是這種排列方式允許線圈頂部和底部直接使用鐵氧體屏蔽層(見圖2)。這些鐵氧體屏蔽層有兩種作用：首先，通過使鐵氧體屏蔽層更靠近線圈，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是松散耦合系統(tǒng)，接收器距離發(fā)射器會有數(shù)十厘米遠(yuǎn)(見圖3)，因此，鐵氧體屏蔽層不具有MI方案中那樣的優(yōu)勢。把輻射水平保持在安全范圍之內(nèi)是技術(shù)發(fā)展的一部分，也有利于無線充電技術(shù)在消費(fèi)類市場的推廣。

　　圖2：磁場大多是使用鐵氧體屏蔽材料來控制

　　圖3：磁共振無線充電允許松散耦合和較大的空間自由度

　　近期MI雙標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)

　　在近期內(nèi)，一個(gè)潛在的問題可能抑制無線充電臺、熱點(diǎn)桌和工作臺等在機(jī)場、咖啡吧和娛樂場所等地的快速部署，那就是兩種互相競爭的MI標(biāo)準(zhǔn)：Qi和PMA。兩種技術(shù)都是可行的，都可提供可靠的性能，因此，都可能部署在公共無線充電熱點(diǎn)場合。理論上講，這會導(dǎo)致手機(jī)用戶必須尋找與其設(shè)備兼容的某個(gè)無線充電接入點(diǎn)。這無疑會讓消費(fèi)者感到失望，由此可能降低其被采納的程度。

　　作為一家開發(fā)無線充電解決方案的公司，IDT已經(jīng)認(rèn)識到了上述問題，并已通過開發(fā)無線充電接收器IC來解決這一問題。IDT開發(fā)的單片雙模式接收器解決方案消除了傳輸標(biāo)準(zhǔn)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，IDT公司又發(fā)布了第一款雙模接收器解決方案。采用這些解決方案，移動(dòng)設(shè)備和附件OEM不需要為不同標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)多種型號的產(chǎn)品，從而降低了成本，也得以擁有更廣闊的市場空間。OEM現(xiàn)在只需要一個(gè)物料成本表(BOM)，使用一個(gè)通用的電路板布局，從而降低了應(yīng)用的資源占用。

　　結(jié)束語

　　無線充電是一項(xiàng)令人激動(dòng)的新技術(shù)，它通過使移動(dòng)手機(jī)具有更多的工作時(shí)間從而進(jìn)一步促進(jìn)移動(dòng)手機(jī)的變革。通過專用產(chǎn)品充電適配器和笨重的電線對電池充電已經(jīng)證明非常不方便，這或許是移動(dòng)通信和計(jì)算最薄弱的一環(huán)?，F(xiàn)在，隨著快速發(fā)展的無線充電生態(tài)系統(tǒng)初具規(guī)模，可以預(yù)期有一天我們會把適配器和線纜留在家里，并最終完全不再需要這些。

　　MR和MI技術(shù)各有特色，能夠滿足不同的無線充電應(yīng)用要求，都有未來發(fā)展空間。在所有這些不同技術(shù)中，互相競爭的標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展有好處，因?yàn)檫@有助于推動(dòng)創(chuàng)新。但是，消費(fèi)者感受到的困惑和挫折感卻是很大的風(fēng)險(xiǎn)。MI雙模接收器技術(shù)能夠使便攜式設(shè)備自動(dòng)地在不同無線充電標(biāo)準(zhǔn)之間無縫切換，從而避免了上述復(fù)雜而又不滿意的應(yīng)用場景問題出現(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn):

　　1. 功率關(guān)鍵聯(lián)盟(Power Matters Alliance)網(wǎng)站文章: “Duracell Powermat與星巴克在硅谷地區(qū)拓展無線充電” http://www.powermatters.org/menuless/292-duracell-powermat-and-starbucks-expand-wireless-charging-in-silicon-valley-area