無線充電相關(guān)原理的深層次解析

　　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。以無線方式給設(shè)備充電的概念即沒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？

　　由于無需使用充纜纜線，給消費(fèi)設(shè)備進(jìn)行無線充電有許多吸引人的地方。也許應(yīng)該說得更明白點(diǎn)，無線充電的目的是透過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方法，即來自某個(gè)線圈的磁場變化會(huì)在另外一個(gè)與之耦合的線圈中產(chǎn)生電流。雖然使用磁場的感測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，相對效率或擺放耦合線圈的靈活性要求也會(huì)提高。這種感測方法的主要考慮因素是如何控制產(chǎn)生或‘發(fā)送’能量并使用感測磁場傳送給 ‘接收’設(shè)備的訊號(hào)所產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）。接收設(shè)備隨后將磁場能量轉(zhuǎn)換為電能再給電池充電。Wi-Fi、藍(lán)牙、近場通訊（NFC）、蜂巢式系統(tǒng)和調(diào)頻廣播是眾多無線語音和數(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。在過去幾年中，業(yè)界對于如何實(shí)現(xiàn)感測充電技術(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，這得感謝無線充電聯(lián)盟（WPC）的不懈努力。WPC是美國消費(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充電器和被充設(shè)備，這可以用電動(dòng)牙刷例子來很好地描述。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。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題。充電器功率越高，熱量損失越大。這對溫度高度感測的鋰離子電池來說更是個(gè)問題，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)是可以代替磁場無線充電的另外一種無線充電方法，這種方法的塬理類似于電場的麥克斯韋定律。這種概念已經(jīng)被村田公司採納，并被廣泛導(dǎo)入新的設(shè)計(jì)。該公司的做法是使用準(zhǔn)靜電電場并透過電容器傳輸能量，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，并用來傳輸能量。圖1a顯示了這種方法的基本塬理。

圖1a：無線功率傳輸中發(fā)送器－接收器對塬理。

圖1b：圖1a所示發(fā)送器－接收器對的等效電路。

　　使用兩組電極或極板就可以透過靜電感測實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。充電器或‘發(fā)送器’和可攜式設(shè)備或‘接收器’用來有效地在組成電容器的合適尺寸金屬表面間實(shí)現(xiàn)縱向的準(zhǔn)靜電耦合。其中驅(qū)動(dòng)電極或主動(dòng)電極要比另外一個(gè)電極小，上面施加的電壓較高，另外一個(gè)電極則是被動(dòng)電極，尺寸較長，上面的電壓較低。當(dāng)然正常情況下，電容器傳輸?shù)哪芰渴呛苄〉?，這與電極面積小有很大的關(guān)係。因此，為了滿足給消費(fèi)設(shè)備充電所需的功率水準(zhǔn)（例如從5W至25W），需要增加電極尺寸和耦合的電壓值，具體取決于實(shí)際的配置。

　　圖2a顯示了採用電容器傳輸能量的充電器方法例子架構(gòu)圖，其中使用的接收器和發(fā)送器模組是村田公司最近開發(fā)出的新產(chǎn)品。這種模組化方法允許工程師集中精力開發(fā)耦合區(qū)的電極設(shè)計(jì)，因而有助于快速開發(fā)出無線充電功能。透過靜電方法傳輸?shù)哪芰看笮≈苯诱扔谒褂玫念l率。因此用更高的頻率驅(qū)動(dòng)電極對可以使設(shè)計(jì)處理更高的功率。然而，各個(gè)國家對所使用的頻率和電場強(qiáng)度都有限制規(guī)定。實(shí)際上這種配置可以形成一種非常有效的天線結(jié)構(gòu)，因此EMI因素通常會(huì)限制設(shè)計(jì)靈活性。為了實(shí)現(xiàn)耦合電極之間的無線收發(fā)、同時(shí)盡量減少對外的輻射量，需要進(jìn)行正確地設(shè)計(jì)。因此需要進(jìn)一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設(shè)計(jì)、工作電壓、功率值、最佳工作頻率和總的尺寸約束條件。一般情況下，理想的頻率範(fàn)圍在200kHz至 1MHz之間，有效耦合區(qū)的電壓值在800V至1.52kV之間。

圖2a：電容器傳輸充電器架構(gòu)圖。

　　圖2b顯示，對于一個(gè)滿足EMI相容要求的10W充電器來說，發(fā)送至接收電容器耦合過程中存在電壓步升和步降現(xiàn)象。採用模組化架構(gòu)的設(shè)計(jì)概念允許裝置製造商將模組作為黑盒子，因而方便發(fā)送器和接收器的整合。發(fā)送器設(shè)計(jì)覆蓋到電源的鏈路、無線能量傳輸?shù)目刂埔约案鶕?jù)位置靈活性目標(biāo)對任何外形的主動(dòng)耦合電極的控制。在接收器側(cè)，電池介面決定了設(shè)計(jì)如何從主動(dòng)耦合電極區(qū)域透過下變頻模組正確地接收功率。由于可攜式設(shè)備中使用的電池種類非常廣泛，所以電路介面的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)代表著向非常方便的設(shè)計(jì)邁出了一大步，同時(shí)也要考慮到更具挑戰(zhàn)性的概念，比如更快的充電速度。主要得益于歐盟委員會(huì)持續(xù)施加的壓力，微型USB 5V充電介面正成為歐洲所有行動(dòng)手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2b：電壓步升和步降是10W充電器中發(fā)送至接收電容器耦合過程的一部份。

　　與感測方法相較，使用準(zhǔn)靜電傳輸?shù)年P(guān)鍵優(yōu)勢之一是，待充設(shè)備在充電基座（或充電托盤）上的位置要求不是那么嚴(yán)格。透過x-y（表面）方向的精心設(shè)計(jì)，當(dāng)接收器遠(yuǎn)離發(fā)送源時(shí)，仍能保持高效率且曲線相對平坦的能量傳輸，對任何設(shè)計(jì)（即使是有線充電器）來說效率典型值為80%左右，因此具有非常高的位置容差性能，而z（高度）仍然是最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)參數(shù)。

　　另外，使用扁平方形或矩形的桌面托盤或接近垂直的接續(xù)架子允許以任何方向擺放充電設(shè)備，不一定需要很精確。此外，由于主要的主動(dòng)接收電極可以由簡單的薄銅箔搭建（這種銅箔的厚度在幾個(gè)微米數(shù)量級，嵌入在塑料覆蓋材料中），因此將它整合進(jìn)消費(fèi)設(shè)備要比整合功率感測器簡單得多。

　　如前所述，靠近電池的熱量傳遞對感測方法來說是一個(gè)嚴(yán)重的問題。然而，作為電容器耦合配置中能量載體的電場不會(huì)有任何較大的電流。由于沒有這種直流流動(dòng)，因此耦合區(qū)不存在發(fā)熱問題：所有阻性損耗整合在模組或驅(qū)動(dòng)器電路中，耦合區(qū)一點(diǎn)都沒有。因此裝置製造商在將微型模組整合進(jìn)裝置中時(shí)具有更大的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)在耦合設(shè)計(jì)、功率電平和想要達(dá)到的定位容差方面具有很大的設(shè)計(jì)自由度。

　　考慮到上述所有這些挑戰(zhàn)因素，電容器耦合式無線能量傳輸可以實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸、更大的定位靈活性，還能滿足EMC一致性要求，同時(shí)可以向製造商提供更大的設(shè)計(jì)靈活性?？偟膩碚f，電容器耦合式無線能量傳輸將大幅鼓舞製造商整合以無線方式給可攜式設(shè)備充電的功能。