小功率無(wú)線電源及相關(guān)方案淺析

　　0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種便攜式電子產(chǎn)品越來(lái)越多，現(xiàn)代的無(wú)線技術(shù)使它們變得越來(lái)越輕便，越來(lái)越容易聯(lián)網(wǎng)，似乎把數(shù)字時(shí)代迅速地發(fā)展到了無(wú)線時(shí)代，然而電源線妨礙了我們進(jìn)入這個(gè)無(wú)線時(shí)代。

　　在現(xiàn)實(shí)生活中，每個(gè)電子產(chǎn)品都有一個(gè)與之匹配的充電器，每年全球設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、制造、運(yùn)輸乃至回收數(shù)以十億計(jì)算的電源適配器引發(fā)了一系列的問(wèn)題，既增加產(chǎn)品的成本，又浪費(fèi)資源、不利于環(huán)保，給使用者帶來(lái)了相當(dāng)大的困惑。具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源技術(shù)能夠方便地解決這一系列的問(wèn)題。

　　1 無(wú)線電源技術(shù)現(xiàn)狀

　　無(wú)線電源技術(shù)是一種利用無(wú)線電技術(shù)傳輸電力能量的新技術(shù)，電能可以無(wú)接觸地傳輸給負(fù)載。早在20 世紀(jì)70 年代美國(guó)就有相當(dāng)多的人在研究這個(gè)問(wèn)題了，但國(guó)內(nèi)研究的人極少。2008 年12 月17 日，由Convenient Power Limited、Fulton Innovation LLC、Logitech SA、國(guó)家半導(dǎo)體、奧林巴斯、飛利浦、三洋、桑菲電子和德州儀器等公司成立了全球首個(gè)推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)線電源聯(lián)盟（Wireless PowerConsortium，簡(jiǎn)稱WPC），之后三星和諾基亞也加入到這個(gè)聯(lián)盟。2009 年1 月，全球無(wú)線電源聯(lián)盟首次會(huì)議在香港科學(xué)園召開(kāi)，并啟動(dòng)了提高電子產(chǎn)品充電便利性的最新全球計(jì)劃。2010 年7 月23 日，該聯(lián)盟制定了Qi 標(biāo)準(zhǔn)，確定了低功率（不超過(guò)5W）技術(shù)規(guī)范，定義了界面規(guī)范、測(cè)試程序以及最低性能，2010 年8 月14 日認(rèn)證了第一批產(chǎn)品。2010 年8 月31 日，WPC 將Qi 標(biāo)準(zhǔn)正式引入中國(guó)，并開(kāi)始了在國(guó)內(nèi)的推廣，之后WPC 陸續(xù)在香港和歐美多個(gè)城市，舉辦了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布活動(dòng)。目前Qi 標(biāo)準(zhǔn)已被WPC的126 家行業(yè)領(lǐng)先成員公司支持并采用，其中有30%是中國(guó)公司，包括海爾、華為和桑菲通信等。

　　2 無(wú)線電源技術(shù)原理

　　無(wú)線電源技術(shù)是一種利用無(wú)線電傳輸電力能量的技術(shù)，它要求傳輸效率盡可能高，傳輸功率盡可能大，這樣才能滿足對(duì)電力的需求。其研究應(yīng)用領(lǐng)域涉及廣泛，傳輸功率相差較大，小到用于生物移植的幾十毫瓦、小型設(shè)備幾十瓦功率，大到電動(dòng)汽車或運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的上千瓦功率以及磁懸浮列車應(yīng)用的上兆瓦功率。目前存在三種解決技術(shù)：電磁感應(yīng)技術(shù)、無(wú)線電波技術(shù)和電磁共振技術(shù)。

　　2.1 電磁感應(yīng)技術(shù)

　　此技術(shù)類似電力系統(tǒng)中常用的變壓器技術(shù)。在變壓器的原邊通入交變電流，副邊由于電磁感應(yīng)原理會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若副邊電路連通，即可出現(xiàn)感應(yīng)電流，其方向遵從楞次定律，大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對(duì)于無(wú)線電源而言，變壓器的原邊相當(dāng)于電源發(fā)射線圈，副邊相當(dāng)于電源接收線圈，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電能從發(fā)射線圈到接收線圈的無(wú)線傳輸。這種非接觸式無(wú)線電力傳輸方式制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠、傳輸功率可從幾瓦到幾百瓦。

　　但是傳送距離小于1cm，被充電產(chǎn)品必須置于充電器附近，充電器必須具備對(duì)被充電產(chǎn)品進(jìn)行辨識(shí)的能力，否則會(huì)向附近任意金屬傳輸能量，導(dǎo)致其發(fā)熱并產(chǎn)生危險(xiǎn)。

　　2.2 電磁共振技術(shù)

　　這種技術(shù)基于電磁共振耦合原理，需要的發(fā)射和接收兩個(gè)共振系統(tǒng)可分別由感應(yīng)線圈制成。通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使發(fā)射端以某一高頻率振動(dòng)，其產(chǎn)生的不是彌漫于各處的普通電磁波，在兩個(gè)線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發(fā)射端頻率相同，因而發(fā)生了共振。隨著每一次共振，接收端感應(yīng)器中會(huì)有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)多次共振，感應(yīng)器表面就會(huì)集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場(chǎng)中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。這種非接觸式無(wú)線電力傳輸方式傳輸功率可達(dá)幾千瓦、傳送距離可達(dá)3~4 米，但是必須對(duì)所需頻率進(jìn)行保護(hù)，在幾米范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸需要幾MHz 到幾百M(fèi)Hz 的頻率。

　　2.3 無(wú)線電波技術(shù)

　　這種技術(shù)是利用微波或激光形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)由電磁波發(fā)生器、發(fā)射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設(shè)備和有線電網(wǎng)組成。

　　電磁波發(fā)生器是微波源或激光器，把電源傳送的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β?、高頻的電磁波，饋送給發(fā)射天線；發(fā)射天線將電磁波發(fā)送出去；接收天線收集電磁波的能量并輸入高頻電磁波整流器，產(chǎn)生的高壓直流電經(jīng)逆變后送入有線電網(wǎng)。這種非接觸式無(wú)線電力傳輸方式傳送距離可達(dá)10m，但是傳輸功率?。ㄗ罡?00mW）、功效低，發(fā)射器無(wú)線電波發(fā)送的大量功率以無(wú)線電波的方式被浪費(fèi)掉。

　　3 目前小功率無(wú)線電源技術(shù)解決方案

　　3.1 TI 公司無(wú)線電源技術(shù)解決方案

　　2011 年德州儀器（TI）推出業(yè)界首款符合Qi 標(biāo)準(zhǔn)的5V 無(wú)線電源解決方案，可保證與其他滿足Qi標(biāo)準(zhǔn)器件的互操作性。該方案是由無(wú)線電源發(fā)送器（bq500210/bq500110，bq500210 的數(shù)字解調(diào)信號(hào)處理技術(shù)與bq500110 模擬解調(diào)電路系統(tǒng)相比，可大幅減少總體系統(tǒng)組件） 和無(wú)線電源接收器（bq51013/bq51011） 兩部分組成。此器件不但提供AC/DC 電源轉(zhuǎn)換，同時(shí)還集成符合Qi 通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所需的數(shù)字控制功能。bq5101x 接收器與bq500x10 發(fā)送器控制器相結(jié)合，可為無(wú)線電源解決方案實(shí)現(xiàn)完整的非接觸式電源傳輸系統(tǒng)。嵌入在便攜式設(shè)備中的接收器線圈采用近場(chǎng)感應(yīng)電源傳輸，可通過(guò)相互耦合的電感器接受發(fā)送器發(fā)送的電源，可支持高達(dá)5W 的應(yīng)用。bq5101x 接收器集成了一個(gè)低阻抗完全同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器、數(shù)字控制和精確電壓與電流環(huán)路，整個(gè)功率級(jí)均采用低電阻NMOSFET 技術(shù)確保高效率與低功耗。TI 無(wú)線電源系統(tǒng)框架如圖一所示。

　　3.2 IDT 公司無(wú)線電源技術(shù)解決方案

　　2012 年，IDT （Integrated Device Technology）公司推出全球首個(gè)真正的單芯片無(wú)線電源發(fā)送器和業(yè)界最高輸出功率的單芯片接收器解決方案。與現(xiàn)有解決方案相比，IDT 的高集成多模式發(fā)送器可減少80%的板面積和50%的解決方案材料清單成本。更多功能的多模式接收器輸出功率為通常使用解決方案的兩倍，可將充電時(shí)間縮減一半。IDTP9030 和IDTP9020 提供了無(wú)線電源發(fā)送器和接收器解決方案，專為滿足無(wú)線充電聯(lián)盟的Qi 標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，可保證與其他滿足Qi 標(biāo)準(zhǔn)器件的互操作性。發(fā)送器和接收器均能夠進(jìn)行“多模式”操作，可支持Qi 標(biāo)準(zhǔn)和專用格式，以增加功能、改進(jìn)安全和提高功率輸出能力。內(nèi)置的協(xié)議檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)Qi 與專用模式間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡和可靠的用戶體驗(yàn)。這些器件可用于大量移動(dòng)應(yīng)用，以進(jìn)行便利和輕松的電池充電。IDTP9030 是如今集成度最高的無(wú)線電源發(fā)送器。它將大量分立元件的特征和功能結(jié)合成一個(gè)簡(jiǎn)單、具有成本效益且高效的解決方案。集成最大程度地將應(yīng)用面積和元件數(shù)量降至最低，讓客戶可以設(shè)計(jì)和部署更多緊湊的、具有成本效益和交通便利的無(wú)線充電站。IDTP9020 是一個(gè)高效率的單芯片無(wú)線電源接收器。在Qi 模式時(shí)，該器件為系統(tǒng)傳遞高達(dá)5W 的功率。當(dāng)與IDTP9030 發(fā)送器在專用配置使用時(shí)，它可傳遞高達(dá)7.5W 的功率，讓器件適用于強(qiáng)大的移動(dòng)器件。IDTP9020 和IDTP9030 還擁有專利的多層次異物檢測(cè)（FOD），利用精密的多參數(shù)算法以保證高水平的安全，同時(shí)避免FOD 誤報(bào)。IDT 的解決方案擁有過(guò)溫、過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)，可提供市場(chǎng)上最全面的保護(hù)功能，從而保證安全和可靠的操作。此外，當(dāng)不能使用無(wú)線充電站時(shí)，接收器還可支持USB電纜充電，在移動(dòng)設(shè)備中不再需要USB 適配器轉(zhuǎn)換器。TI 無(wú)線電源系統(tǒng)框架如圖二所示。

　　4 小功率無(wú)線電源技術(shù)發(fā)展前景

　　無(wú)線電源系統(tǒng)是采用無(wú)線充電技術(shù)充電的系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）形成一個(gè)便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品充電的通用平臺(tái)；（2）減少了生產(chǎn)和制造包裝傳統(tǒng)充電器的資源能量消耗以及運(yùn)輸這些傳統(tǒng)充電器的交通運(yùn)輸?shù)哪芰肯?；?）減少了大量的廢棄的、有毒的、不能生物分解的充電器形成的電子垃圾；（4）減少處理、清潔這些廢棄的傳統(tǒng)的充電器形成的電子垃圾的人力、資源和能量的消耗。

　　小功率無(wú)線電源傳輸?shù)男枨笄熬胺浅Ｃ骼?，Qi標(biāo)準(zhǔn)已開(kāi)始得到廣泛采用，無(wú)線電源充電技術(shù)正在向著成為主流技術(shù)的方向前進(jìn)，該技術(shù)將會(huì)無(wú)處不在。據(jù)無(wú)線充電聯(lián)盟內(nèi)部統(tǒng)計(jì)，未來(lái)幾年中無(wú)線充電技術(shù)將在手提電話、PMP/MP3 播放器、數(shù)字照相機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品領(lǐng)域得到快速應(yīng)用。2013 年全球無(wú)線充電潛在市場(chǎng)容量接近140 億美元，到2014 年無(wú)線電源充電解決方案市場(chǎng)將增長(zhǎng)70 倍，接收器的出貨量將達(dá)到2.4 億臺(tái)。支持無(wú)線充電功能的設(shè)備將由2012 年的500 萬(wàn)部增至2015 年的1億部以上。根據(jù)研究公司Pike 的報(bào)告，到2020 年，整個(gè)無(wú)線充電行業(yè)的產(chǎn)值將比2012 年翻三番，達(dá)150 億美元。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　無(wú)線電源技術(shù)真正的商業(yè)化于我們的生活才剛剛開(kāi)始，具有巨大的市場(chǎng)潛力。到目前為止，盡管很多知名的大公司已經(jīng)成立了無(wú)線電源聯(lián)盟，但是無(wú)線電源作為一種相當(dāng)新的技術(shù)，它必將引起消費(fèi)者對(duì)安全問(wèn)題的擔(dān)憂。一般而言，電磁輻射和安全性將成為最重要的問(wèn)題。因此，該技術(shù)必須消除與最終用戶安全性有關(guān)的所有疑問(wèn)，圍繞無(wú)線電源技術(shù)建立一個(gè)良好運(yùn)轉(zhuǎn)的生態(tài)系統(tǒng)，促使該技術(shù)成為主流。