近場(chǎng)/遠(yuǎn)距無線充電技術(shù)大革新 不止于擺脫線纜這么簡(jiǎn)單

　　便攜設(shè)備無線充電的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于擺脫線纜的束縛。智能型手機(jī)制造商早在2013年就開始在其智能型手機(jī)中整合無線充電功能。未來，行動(dòng)設(shè)備的無線充電功能有望像Wi-Fi和藍(lán)牙一樣普及。

　　2015年6月無線電源聯(lián)盟（Alliance for Wireless Power， A4WP）和電力事業(yè)聯(lián)盟（Power Matters Alliance， PMA）合并，組成AirFuel聯(lián)盟（AirFuel Alliance）。這一合并之舉加速了未來消費(fèi)者無論到何處，設(shè)備充電將具有互操作性、便利性的愿景實(shí)現(xiàn)。

　　近場(chǎng)感應(yīng)充電

　　尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）最早在19世紀(jì)80年代證明了近場(chǎng)或磁共振充電，透過振蕩磁場(chǎng)傳遞能量（圖1）。

　　圖一磁共振示意圖

　　從發(fā)射器傳遞到接收器的電流和電壓必須是交流電。充當(dāng)發(fā)射器的充電墊從墻上插座中汲取電力，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)生開關(guān)訊號(hào)，并可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，將直流電再變?yōu)榻涣麟?，輸入到初?jí)側(cè)線圈。

　　在接收器側(cè)，交流電經(jīng)過整流后，透過同步轉(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。通訊訊號(hào)迭加在功率訊號(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（圖2）。

　　圖2 近場(chǎng)感應(yīng)充電系統(tǒng)

　　無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium， WPC）制定的Qi是目前主流的近場(chǎng)無線充電標(biāo)準(zhǔn)之一，該共同體包括200多家公司。AirFuel近距離磁感應(yīng)（Inductive）是另一種標(biāo)準(zhǔn)。Powermat是橋接技術(shù)的很好例子，該技術(shù)提供通用環(huán)，配合充電墊使用，為便攜設(shè)備充電。

　　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（圖3）。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)6.78MHz發(fā)射器可支持多個(gè)接收器，無需實(shí)物對(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)，傳輸功率下降。發(fā)射器和每個(gè)接收器之間，需要具有獨(dú)立的雙向信道，通常是由藍(lán)牙來負(fù)責(zé)這項(xiàng)任務(wù)。

　　圖3 近場(chǎng)共振充電系統(tǒng)

　　表1為Qi、AirFuel Inductive及AirFuel Resonant三種近場(chǎng)充電標(biāo)準(zhǔn)比較表。值得注意的是，無論是電磁感應(yīng)還是共振充電，發(fā)射器和接收器之間都必須保持在最短距離以上。

　　表1 近場(chǎng)充電標(biāo)準(zhǔn)比較

　　由于存在兩種標(biāo)準(zhǔn)，通用汽車（GM）宣布其汽車將同時(shí)支持AirFuel Inductive和Qi標(biāo)準(zhǔn)。三星（Samsung）也決定其手機(jī)將支持兩種標(biāo)準(zhǔn)。

　　遠(yuǎn)距充電系統(tǒng)

　　相較于近場(chǎng)充電系統(tǒng)，遠(yuǎn)距充電系統(tǒng)將能量從功率集線器傳遞至特定設(shè)備的方法更為多元，藍(lán)牙、Wi-Fi、超音波和紅外線等都曾被試用過（圖4）。

　　圖4 遠(yuǎn)距共振充電系統(tǒng)

　　基于射頻（RF）的系統(tǒng)如WattUp、Cota，均使用一個(gè)或多個(gè)天線廣播能量并進(jìn)行通訊。2015年10月，力拱WattUp的Energous公司宣布可提供首款射頻功率接收器IC，該組件可將射頻整流為直流訊號(hào)，讓可攜式設(shè)備也能支持WattUp充電技術(shù)。

　　另一種基于射頻技術(shù)的Cota無線充電技術(shù)，實(shí)際上是使用現(xiàn)有的Wi-Fi和藍(lán)牙天線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊和接收無線功率，然后將這些微訊號(hào)挹注到電池的充電電流。值得一提的是，Cota會(huì)將接受電力的設(shè)備數(shù)據(jù)，包含電池充電特征數(shù)據(jù)傳輸回電源路由器，待兩端建立起持續(xù)的通訊鏈路后，再由電源路由器向接收器所在的位置發(fā)射能量束。

　　以u(píng)Beam為代表的超音波系統(tǒng)中，路由器中的訊號(hào)產(chǎn)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生電訊號(hào)，發(fā)送到放大器。然后將經(jīng)過放大的訊號(hào)連接至轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生超音波，經(jīng)過聚焦并發(fā)送到接收器。受電端內(nèi)建的壓電轉(zhuǎn)換器在接收到超音波所施加的壓力后，便會(huì)產(chǎn)生充電電流。系統(tǒng)兩側(cè)使用的轉(zhuǎn)換器必須具備高效率，并且能承受大能量訊號(hào)（圖5）。

　　圖5 壓電轉(zhuǎn)換器

　　另一家新創(chuàng)公司W(wǎng)i-Charge則專注于將紅外線轉(zhuǎn)換為電力。發(fā)射端透過雷射二極管向接收器準(zhǔn)確地射出紅外線光束，接收器中的太陽能電池則負(fù)責(zé)將紅外線光轉(zhuǎn)換回電能。該公司于2015年2月在舊金山進(jìn)行了系統(tǒng)功能展示，證明其概念可行。紅外線技術(shù)雖然必須在視線范圍內(nèi)才能運(yùn)作，但具備無電磁干擾（EMI）輻射這項(xiàng)明顯優(yōu)勢(shì)。表2為各公司遠(yuǎn)距充電技術(shù)比較示例。

　　表2 遠(yuǎn)距充電方法示例

　　無線充電系統(tǒng)實(shí)作應(yīng)注意六大重點(diǎn)

　　相較于有線充電，無線充電系統(tǒng)在先天上有許多變數(shù)，在實(shí)作時(shí)應(yīng)特別注意。

　　．移動(dòng)性

　　在無線充電系統(tǒng)的實(shí)作中，定位和跟蹤多個(gè)移動(dòng)接收器的能力至關(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，但在遠(yuǎn)場(chǎng)充電中用戶可能不斷移動(dòng)。用戶應(yīng)能隨意移動(dòng)而不會(huì)丟失訊號(hào)。

　?。踩?/p>

　　射頻安全性取決于在不損害人類健康的前提下，人體可以承受的照射量，通常是以吸收率（SAR）用來定義這個(gè)極限值。消費(fèi)類產(chǎn)品的安全性要求其實(shí)相當(dāng)嚴(yán)格，因?yàn)樗P(guān)乎能否讓消費(fèi)者建立安全感，不能只以通過安全規(guī)范為目標(biāo)來設(shè)計(jì)。

　　至于超音波的安全性，可能也是消費(fèi)者非常關(guān)心的問題，畢竟消費(fèi)者對(duì)于充滿射線的空間，心理上可能多少會(huì)有排斥，而且超音波有可能會(huì)影響動(dòng)物。在動(dòng)物也感知不到的高頻段上提供無線充電，可能是此一問題的解決方法。

　?。到y(tǒng)干擾

　　無線充電系統(tǒng)基于高頻率開關(guān)訊號(hào)，必須具備預(yù)測(cè)噪訊來源的能力，包括充電系統(tǒng)本身的噪訊和系統(tǒng)外部的噪訊。

　?。杀?/p>

　　在成本方面，需要考慮的兩項(xiàng)因素是電源成本和傳輸效率。美國(guó)每年的電池使用量高達(dá)29億顆，若無線充電普及，將具有避免數(shù)百萬顆電池被投入垃圾掩埋場(chǎng)的潛力。

　?。绾螢橥耆珱]電的設(shè)備進(jìn)行無線充電？

　　無線充電器能夠?qū)﹄娏ν耆谋M的設(shè)備進(jìn)行充電嗎？對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，這是個(gè)必須審慎思考的問題。對(duì)近場(chǎng)充電系統(tǒng)來說，要為電力完全用完的接收裝置充電不成問題，但遠(yuǎn)場(chǎng)充電系統(tǒng)的接收側(cè)必須在控制電路上電的情況下，才能連接到電源路由器。

　　．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，但要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，生態(tài)系中的各方必須緊密協(xié)作（圖6）。

　　圖6 無線充電生態(tài)系統(tǒng)

　　根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS在2014年的資料，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Nikola Tesla首次傳輸電力至今已經(jīng)超過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)備要變得更聰明，才能自行充電。