無線充電/供電技術與方案介紹
- 0背景
- 1.無線供電特點
- 2.無線供電原理及實現方式
- 3.現有解決方案分析
- 4.FAQ及相關測試
- 5.參考資料
0背景
現今幾乎所有的電子設備，如手機，MP3和筆記本電腦等，進行充電的方式主要是有線電能傳輸，既一端連接交流電源,另一端連接便攜式電子設備充電電池的。這種方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞主板接口，另外不小心也可能帶來觸電的危險。
無線充電運用了一種新型的能量傳輸技術——無線供電技術。該技術使充電器擺脫了線路的限制，實現電器和電源完全分離。在安全性，靈活性等方面顯示出比傳統充電器更好的優勢。在如今科學技術飛速發展的今天，無線充電顯示出了廣闊的發展前景。
目前無線充電的技術已經開始在各領域中探索運用。由于無線傳輸的距離越遠，設備的耗能就越高。要實現遠距離大功率的無線電磁轉換，設備的耗能較高。所以, 實現無線充電的高效率能量傳輸，是無線充電器普及的首要問題。另一方面要解決的問題是建立統一的標準，使不同型號的無線充電器與不同的電子產品之間能匹配,從而實現無線充電。
無線充電已從夢想成為現實，從概念變成商用產品。無線充電產品實例：
圖： 手機筆記本無線充電器
圖：新能源汽車無線充電
圖： 電動牙刷無線充電
1.無線供電特點
1.1優點：
（1）便捷性：非接觸式，一對多充電與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不適用，接觸不良等現象，老年人也能很方便地使用。一臺充電器可以對多個負載充電，一個家庭購買一臺充電器就可以滿足全家人使用。
（2）通用性：應用范圍廣只要使用同一種無線充電標準，無論哪家廠商的哪款設備均可進行無線充電。
（3）新穎性，用戶體驗好
（4）具有通用標準
主流的無線充電標準有：Qi標準、PMA標準、A4WP標準。
Qi標準：Qi標準是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟（WPC，2008年成立）推出的無線充電標準，其采用了目前最為主流的電磁感應技術，具備兼容性以及通用性兩大特點。只要是擁有Qi標識的產品，都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月，蘋果加入WPC。
PMA標準：PMA聯盟致力于為符合IEEE協會標準的手機和電子設備，打造無線供電標準，在無線充電領域中具有領導地位。PMA也是采用電磁感應原理實現無線充電。目前已經有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯盟。
A4WP：Alliance for Wireless Power標準，2012年推出，目標是為包括便攜式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。A4WP采用電磁共振原理來實現無線充電。
1.2 缺點
（1）工作距離短
目前的無線充電技術大多在短距離范圍內的近磁場對電子設備進行無線充電。因為無線電能傳輸的距離越遠，功率的耗損也就會越大，能量傳輸效率就會越低，且會導致設備的耗能較高。
（2）轉換效率低，速度慢
無線充電技術雖然簡單便捷，但是其硬傷在于緩慢的充電速度和充電效率。
（3）功耗較高，更加費電
隨著無線充電設備的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會越大。
（4）成本較高，維護消耗大，不符合標準會有安全隱患危險
2. 無線供電原理及實現方式
無線充電利用電磁波感應原理進行充電，原理類似于變壓器。在發送和接收端各有一個線圈，發送端線圈連接有線電源產生電磁信號，接收端線圈感應發送端的電磁信號從而產生電流。
2007年6月麻省理工學院以Marin Soljacic為首的研究團隊首次演示了利用電磁感應原理的燈泡無線供電技術，他們可以在一米距離內無線給60瓦的燈泡提供電力，電能傳輸效率高達75%。
研究者由此設想電源可以在這范圍內為電池進行無線充電，進而推想只需要安裝一個電源，即可為整個屋里的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲范圍，接收線圈在非輻射磁場內部發生諧振，以相同的頻率振蕩，然后有效的通過磁感應進行電能傳輸。
圖：無線充電原理
實現無線充電技術主要通過四種方式：電磁感應式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式：
2.1 電磁感應式
1890年，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經做了無線輸電試驗，實現了交流發電。
邁克爾·法拉第發現電磁感應原理，電流通過線圈會產生磁場，其他未通電的線圈靠近磁場就會產生電流。
圖：電磁感應式原理
電磁感應式充電：初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈鐘產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應，事實上，電磁感應解決方案在技術實現上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利，就使用了電磁感應技術。
電磁感應式是當前最成熟、最普遍的無線充電技術，原理有些類似于變壓器。
圖：電動汽車無線充電原理
2.2 磁場共振式
圖：磁場共振方式原理
磁場共振充電由能量發送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術，由麻省理工學院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實現商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。
相比電磁感應方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應方式，無需使線圈間的位置完全吻合。
應用：意法半導體與WiTricity合作開發諧振無線電能傳輸芯片
意法半導體(簡稱ST)與超長距離無線電能傳輸技術先驅WiTricity公司,宣布合作開發電磁諧振式無線電能傳輸半導體解決方案。
此方案支持消費電子和物聯網設備快速無線充電,并支持多個設備同時充電。這個電磁諧振無線電能傳輸芯片被稱為“無線充電2.0”,與現有無線充電技術不同的是,這款芯片能夠給金屬外殼的智能手機、平板電腦和智能手表高效充電。
2.3 無線電波式
無線電波式充電：這是發展較為成熟的技術，類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發送器，以及可以安裝在任何低電壓產品的“蚊型”接收器。
整個傳輸系統包括微波源、發射天線、接收天線3部分;微波源內有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率
圖：無線電波充電示意圖
應用：AirVolt無線充電器
AirVolt是一款利用無線電波給移動設備進行充電的無線充電器。和同類型產品一樣,它的效率要比有線充電低一些。AirVolt充電頭通電后可以將電能轉化為電磁波,接收器獲取后會將電磁波又轉化為電能為手機充電。當電量充滿到80%時就會自動停止充電, 低于20%時又會自動充電, 既保證了手機最佳電量又不會導致過度充電, 增加了電池使用壽命。
AirVolt由 TechNovator公司開發, 需要充電時只要將接收器插進手機, 再將充電頭插上插座就能進行遠程無線充電。最佳充電距離是9米之內,而最遠距離可達12米,躲到屋里任何一個角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小，充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning 或 Micro usb兩種接口選擇, 滿足不同需要。
2.4電場耦合式
電場耦合式充電原理：利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電力。一般充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產生的感應電場來供電的。
電場耦合方式的特點大致有三：①充電時可實現位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統成本。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進行無線供電的供電臺。
3.現有解決方案分析：
國外研發無線充電技術(包括芯片/方案/發射接收器件)的企業主要包括了IDT、TI、Freescale、高通、博通、NXP、Fulton、Energous、Delphi、松下、東芝、富士通等。
國內則有中惠創智、新頁、中興、勁芯微、美嗒嗒、微鵝、斯普奧汀、華潤矽科、新捷、伏達、以及臺灣凌陽等。
在無線充電發射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機到大功率的筆記型計算機，因此一個成熟的解決方案首先應該要能檢測到對應不同的目標物；而每個接收裝置的電力需求會有所不同，這時發射器需要能自動調節功率輸出進行供電。
一般無線充電步驟分為：檢測、通信、供電三個階段：
（1） 檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）
當接收器放置在發射器工作范圍內，發射器檢測是否是一個接收器靠近
（2） 通訊階段：進行身份認證
發射器發送數據包，并且為接收器供電啟動接收器，之后接收器回復響應數據完成身份的認證
（3） 充電階段：進行電能傳輸
在身份認證后，發射器根據接收器的設備類型，選擇相應的功率等參數，為接收器充電
以Qi標準為例，整體流程如下：
圖：Qi標準通訊流程
現今無線充電系統都采用共振的方式進行設計，在架構上都大至相同有下列這些構造：
發射器內有
- 直流電源輸入
- 頻率產生裝置
- 切換電力的開關
- 發射的線圈與電容諧振組合
接收器內有
- 接收的線圈與電容諧振組合
- 整流器;
- 濾波與穩壓器
- 直流電源輸出
3.1 IDT無線IC方案
圖：IDT無線發射與接收IC
IDT公司的無線充電技術解決方案具備高集成度，提供單芯片SOC解決方案，支持QI-LOGOWPC認證，并且兼容POWERMATE模式；具有加密通訊（FSK、ASK實現），異物檢測模式功能。IDT目前是英特爾整個平臺無線充電技術唯一的合作伙伴。現已有多家廠商使用IDT無線充電解決方案。
IDT的無線充放電IC在無線充電效率在15W時最高可達87%，提高了系統的熱性能，可以媲美傳統的有線充電架構。其內部處理器基于32位ARM Cortex-M0架構，通過I2C通訊控制，并且提供了擴展的數字IO引腳以及相關軟件庫。
圖 ：IDT無線充電解決方案原理
成本評估參考：
芯片 價格 ()P9242−RNDGI(15WTransmitter) 4.4
P9221-RAHGI8 (15W Receiver) 3.2P9038−RNDGI(5WTransmitter) 3.9
P9025AC-RNBGI (5W Receiver) $ 3.2
3.2 恩智浦MW系列無線充電IC方案：
恩智浦提供的解決方案涵蓋5 W的低功耗產品到15 W的中等功耗產品，適用于消費電子、工業控制和汽車電子市場，包含發送器/接收器控制器IC、相關軟件、評估板和參考設計。該軟件包含實現核心充電功能所需的全部資源，還提供了用于定制和增加功能的API。
圖：恩智浦MW系列無線充電IC
成本評估參考：
3.3 TI （BQ系列）無線充電方案
TI是最早量產無線充電方案公司。其中10W無線充電解決方案中，從發射端輸入到接收端輸出效率可以達到84%。
接收器功能框圖：
發射器功能框圖：
此外，TI推出的第三代無線電接收器芯片bq51020和bq51021，以及世界第一個達到WPC1.1和PMA標準的雙模型集成電路bq51221，這些接收器解決方案已達到96%的超高效率。從而完全消除了在5W的條件下，應用于智能手機及其他便攜式設備中全面運轉的散熱問題。
成本評估參考：
發送器:
接收器：
3.4 東芝無線IC方案
東芝公司旗下存儲與電子元器件解決方案公司也有宣布,使用東芝“TC7718FTG”15W無線充電發射器IC的無線充電發射器系統經認證符合無線充電聯盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴展功率分布)標準。該系統采用支持簡單系統配置的MP-A2 (由無線充電聯盟定義的使用12V單線圈的無線充電發射器系統) ，通過Qi認證的MP-A2發射器系統。
東芝推出無線充電接收器IC——“TC7766WBG”,該產品經認證符合無線充電聯盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴展功率分布)標準。TC7766WBG是通過Qi認證的15W接收器IC。
4. FAQ及相關測試結果
1、人體危害：
當電磁波頻率加到1GHz以上就會直接對水分子加熱；這個原理就變成微波爐了，所以無論13MHz會對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無線電力在設計時必需解決安全的問題才能上市
2、發熱：
接收端5W的需求在只有20%的轉換效率下有20W的能量轉換成熱能散逸，這樣的能量會產生龐大的熱能會導致系統溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統最大輸出能力會在25W，若為無安全設計下于發射器上放置金屬異物可能會導致火災意外。因此有必要做設備識別。
3、充放電效率問題：
發射端輸入電壓為5VDC，接受線圈之間距離為3cm，接收端通過接受線圈獲取電能，通過整流濾波形成穩定的5v直流電。
4、互感影響：垂直距離和水平位置影響
5、距離以及線圈大小對充電效率的影響。
遠距離（相隔一定的空間）的感應電能傳輸效率非常低，而在設備附近（例如表面）進行的感應電能傳輸則可以真正做到高效，其效率可與有線傳輸比擬。
距離越大(z/D > 1)或線圈大小差距越大，效率降低的幅度越大
距離越小(z/D < 0.1)，線圈大小越接近(D2/D = 0.5..1) ，效率越高
6、功耗問題。
與2相同條件下，發射端待機功耗：
5. 參考資料
[1] 王振亞, 王學梅, 張波, 等. 電動汽車無線充電技術的研究進展 [J]. 電源學報, 2014, 12(3):27-32.
[2] 孟慶奎. 手機無線充電技術的研究[D]. 北京郵電大學, 2012.
[3] 潘力. 一種鋰電池無線充電模塊的設計[D]. 電子科技大學, 2013.
[4] 朱美杰. 感應式無線充電技術的研究[D]. 南京信息工程大學, 2012.
