盘点无线充电技术的旧玩意和新创意

在过去的几年时间里无线充电市场不断发展，无线充电标准趋于整合，并且不断有新的供应商和新的设备涌现。与此同时，一些令人兴奋的技术发展也不断出现，下面就与大家一起讨论无线充电技术现在的发展情况以及未来的展望。

图1：感应式无线充电方式广泛应用于消费电子产品中，但是需要发射和接收线圈精确吻合才能够工作

无线充电也可以称为无线电力传输（WPT），在一些消费级可穿戴产品中可谓是风靡一时，比如智能手机、智能手表、健康手环等，但是这个想法本身已经存在至少一个多世纪的时间了，著名的发明家尼古拉?特斯拉早在1891年就展示了两个灯泡之间的WPT效应，无线充电对工业和汽车行业的用户也具有相当的吸引力，因为不存在直接的连接所以就不会产生火花而引起爆炸，无线充电系统还可以被单独的密封起来来对抗工业溶剂、灰尘以及腐蚀气体的影响。

20世纪90年代消费者才开始广泛使用诸如电动牙刷、电动剃须刀之类的小型家用电器，在过去的10年时间里随着WPT的标准化以及便携式和可穿戴电子产品的兴起，这类需求不断增加。

两种技术故事

无线充电系统遵循NFC（near-field charging，近场充电）准则：发射线圈会生成一个震荡磁场空间，通过电磁感应向附近的接收线圈传输能量。典型的配置就是固定的充电站或者充电座集成发射电路和一级线圈，被充电的设备中则包含二级线圈。

发射线圈（一级线圈）生成的磁场只有一小部分的磁通量可以穿透给接收线圈（二级线圈）并传输能量：这两个线圈本质上构成一个变压器，传输效率是两个线圈的耦合系数（K）与质量因子（Q）的函数。

双向传输通道以及功率波形的叠加允许接收器的验证和传输电力的管理，发射器与接收器之间的金属物体会吸收能量，降低效率甚至造成发热构成安全隐患，因此异物检测（FOD）技术也已经被集成到目前的无线充电系统中。

WPT开发者正在致力于研究两种技术：感应充电借助两个紧密相邻的耦合线圈；共振充电则是使两个线圈都达到谐振频率产生共振效应。尽管两种技术都采用感应耦合技术，但是“感应充电”通常指紧密耦合的充电方式。

感应充电概述

感应充电方式是低功耗便携式设备和可穿戴设备的理想选择，可能不适合一些大型的产品，这一点我们会集中与大家讨论，并且会涉及到谐振充电。

这种方式是有效的，但是对线圈的失调非常的敏感。电力的传输与距离的平方成反比的关系，随着距离的增加电力传输效率迅速下降。为了提高效率，用户使用的产品中两个线圈的距离一般都会保持在7mm以内，如果用户移动了接收设备，系统就会检测到充电效率的下降从而终止电力传输。

图2是感应无线充电系统的模块图，它采用的是两个罗姆设备，下面会与大家讨论，在大部分应用中，无线充电系统都会包括两个模块：AC/DC电源输入给发射线圈供电和接收端用于存储能量的锂电池。

图2：感应充电系统架构图（来源：贸泽电子）

目前有两个感应充电标准：无线充电联盟（WPC）推出的Qi（发音：Chee）标准，操作频率在100-200KHz，无线充电新联盟AirFuel支持AirFuel感应充电标准，操作频率在100-350KHz，两种充电方式的整体效率都超过了70%。

很多设备制造商的产品都支持这两种标准，比如三星的Galaxy S6和S7智能手机同时支持Qi和AirFuel两种无线充电标准。

无论是Qi还是AirFuel无线充电系统都是通过发射线圈将电力传送给接收线圈，但是都是有接收端控制充电的总量，接收端通过改变主线圈的负载实现与发射端的通信，Qi标准支持2kbps的数据传输速率以及双相位编码。AirFuel标准则定义了六种不同的通信标志，每个AirFuel无线充电系统接收端都保存唯一的六字节ID识别码，这个识别ID是在系统启动时有发射端传送给接收端的。

无线充电系统比有线充电系统提供的电力要少的多，因此在充电的时候可能需要更长的时间，但是制造商正在积极解决这个问题，比如提高电力水平。2015年推出的WPC v1.2版本规范明确最大支持的功率可达15W，早期的版本只支持5W。

无线发射器

在工作期间，发射器大部分时间都保持在低功耗“睡眠”模式，每隔一定的时间都会激活检查是否有接收器需要充电。检测到二级线圈存在后，发射器会对接收器进行身份验证，然后开始进行电力的传输。如果验证失败，无线发射器会继续保持“睡眠”状态，在电力传输的整个过程中，接收端会通过预定义的通信数据包保持电力传输的过程，这些数据包处理的功能包括识别、身份验证、所需的电量和错误检测等。

图3：TB6865兼容Qi无线充电标准，发射器包括模拟、数字和电源模块（来源：贸泽电子）

如图3所示为东芝（Toshiba）公司推出的TB6865AFG，它是一款兼容Qi标准的无线发射器，同时也可以将它看成是一款复杂的SoC器件，集成了32位ARM Cortex-M3处理器内核和128KB的Flash存储空间，用于存储驱动电源线圈的全桥逆变器的驱动程序。此外其他模块还包括三个低压差线性稳压器（LDO）和四个用于解码接收器命令的解调器。

无线接收器

与无线发射器类似，无线接收器也是一款复杂的SoC器件，比如罗姆半导体公司推出的BD57015GWL集成了全面同步的纠正电路，采用低阻抗的场效应晶体管，一个数据包控制器用于处理Qi和AirFuel标准通信数据，一个开漏输出驱动器通过调幅的方式实现与发射器的通信。这个器件提供可调节的电压输出，符合Qi和AirFuel无线充电标准。罗姆公司同时也推出了匹配的发射器器件——BD57020MWV，它兼容Qi中低功率的无线传输规范。

发射器和接收器线圈

为了保证不同厂家器件之间的互操作性，Qi标准还定义了详细的发射器充电线圈要求。这个规范定义了线圈的电磁特性、几何形状和材料。比如A11线圈规范定义的是单层圆形线圈，在氧化体底座上安装了10圈电线，线圈的输入操作电压为5V，6.3μh电感，最大直流阻抗（DCR）为60 m?。

A6版本规范则定义了三个线圈，通过增大可用充电面积降低对线圈不对齐放置的敏感性；由于每个线圈都需要一个独立的驱动模块，因此可以说这种方案的物料（BOM）成本都很大。

发射器和接收器线圈通常都是采用特制的利兹线缆(itz wire)制成，它使用多种绝缘线缠绕成多种形状，将接触面影响最小化，降低效率损失。两个线圈尺寸应该相近形成最大耦合。比如TDK推出的无线充电线圈兼容Qi标准，适用于移动设备，采用专用柔软的薄金属磁片制成，厚度仅为0.52毫米，除了厚度很薄其支持的输出电流可达0.5到0.6A。

图4：德国伍尔特wurth公司提供的可选无线充电线圈

图4展示的是各种形式的无线充电线圈，符合A6规范的线圈如图左侧所示。

此外接收线圈必须非常的轻薄才能适合便携和可穿戴设备，但是仍然需要足够的坚固才能承受一定的震动和冲击作用.因为每个智能手机、健康手环等电子设备都是不同的，接收器的用的线圈一般都是定制化的，TI（德州仪器）公司在线圈设计程序方面提供了一系列详细的说明。

在标准化产品中，威世达勒（VishayDale）公司提出的IWAS系列线圈是首款商业可用的接收线圈，符合Qi标准规范，可用于5V或7V电压充电，比如IWAS-3827EC-50线圈能够处理高达10W的功率，整个线圈电感大10.7μH，电阻抗达183 m?，安装在高导磁层上，尺寸大约38 x 26 x 1毫米。

发射器与接收器模块

多家制造商提供的模块都包括线圈和发射器或者接收器，图4所展示的是TDK公司推出的WTM505090发射器模块，它包含了发射器PCB板卡（集成东芝TB6865AFG器件）以及发射器线圈。

图5：WTM505090发射器模块包括线圈和发射器两部分，它符合WPC1.1规范，采用东芝TB6865无线发射器

WPT（无线电力传输）开发工具

目前市场长存在几个开发工具套件和工具帮助设计者入门无线充电系统设计，IDT公司提供的WP3W-RK参考开发套件最大支持3W的无线充电功率，该套件包括发射器和接收器以及三个不同尺寸的线圈适合不同的功率级别，提供有丰富的参考资料如模块布局、BOM等，帮助工程师快速进行系统原型设计。

即将到来：谐振无线充电

近场感应充电（NFC）依然是当今最主要的技术，但是另两种方式也即将进入大众视野，它们能够提供更远距离的无线充电。

谐振充电是另一种近场WPT（无线电力传输）技术，它比感应充电的效率要低一些，但是操作上更灵活一些，对于线圈的错位放置也不是很敏感。谐振充电方式不需要依赖线圈严格的耦合。相反这两个线圈是松散耦合的，但是都调到一个共同的振动频率，这种方法的优势包括可以同时对多个接收器进行充电，而且这两个线圈也可以是不同尺寸的。

谐振无线充电技术对于许多工业和汽车领域的应用来说还是有非常大的吸引力的，其中一个原因是相比感应充电这种充电方式在位置上更灵活一些。将一辆电动汽车停在装有充电站的停车位上，通常情况下很难的对齐，对于感应无线充电方式发射线圈与接收线圈错开几毫米都是不可行的。

一辆汽车需要更高的充电功率，但是幸运的是由足够的空间可以安装线圈。SAE是国际上最大的汽车工程学术组织，它正在制定SAE J2954标准规范，是一种面向汽车的谐振充电标准。J2954标准预计会在2018年正式发布，一共定义了三种级别的充电规范，适用于轻型和重型行业应用：WPT1（住宅：3.7KW）、WPT2（私人/公共停车场：7.7KW）、WPT3（快速充电：11KW）。

面向消费级应用WPC同时也推出的Qi标准的谐振充电规范，充电范围最远45毫米，充电器可以安装在桌子或桌子下面。当然AirFuel组织也制定了相关谐振充电规范。

相对于感应供电方式，商业谐振充电方式的发展明显有些滞后，目前市场上很少有先关产品。

即将到来：远场充电

未来无线充电会完全消除距离限制，无论你在哪里，你的智能手机或者平板电脑都能够持续不断的充电，当然还会有充电账单！

这将涉及到远场无线电力传输，这种技术借助无线电波（辐射耦合）传输电力，而不是近场的磁感应。

目前真正无处不在的充电是不存在的，但是我们首先要做的就是将充电距离从几厘米扩展到几米，能够为更多的用户服务，比如一个咖啡店里所有顾客都能享受无线充电。在众多研究远场RF充电解决方案的公司中有一家公司Ossia在CES2017大会上展示了其更新版本的Cota系统。这个系统采用256根天线组成的网络发射2.4GHz频率信号，这些信号则帮助传递能量，接收器收到信号后经过验证会反馈一个全向的“低功率”警报信号，发射器网络通过分析接收信号的路径确定接收器的位置然后通过相同的路径返回能量。当接收器移动时也不会产生影响，发射器会每个10ms重新验证接收器的位置，这个系统能够同时对多个接收器进行充电，最大有效范围30英尺。

另一个研究对象时超声波，与电磁能量不同超声波不会干扰通信，不会造成电磁干扰和有害的电力效应。2011年位于美国加州的uBeam公司宣布开发了一个45-75KHz的系统，这个频率超过了人类、宠物和野生动物的听觉范围。超声波发射器与移动接收器建立连接，接收器嵌入在智能手机中接收能量和数据知道连接断开。尽管在2017年2月进行了成功的概念验证，但是商业产品真正面市可能还需要几年时间。

总结

WPT（无线电力传输）生态系统是一个复杂的生态系统，两种无线充电标准互相竞争，不断涌现出越来越多的商业产品以及一些全新的发展理念。除了一系列相关开发工具，贸泽电子提供的产品支持目前市场上领先的两种无线充电标准。