无线充电在嵌入式和工业市场的应用

手机的无线充电终于起飞了。经过十年的发展和各种不同的规范，技术和市场正在成熟和巩固，足以满足主流应用。

家具供应商Ikea采用表格和其他产品中的Qi规格，并为那些不支持该产品的iPhone等手机提供自己的无线功能案例Vitahult，这一点突显了这一点。同样，星巴克正在使用Powermat的竞争技术，该技术十年来一直致力于无线充电。这涉及一个环（基本上是一个带控制器的感应线圈），它插入手机的电源插座，然后放在Powermat上进行充电。

图1：星巴克一直在使用Powermat的技术推出无线充电。

这些成熟的技术为消费，医疗和工业应用的设计人员带来了新的选择。

无线充电规范

无线充电采用缓慢的原因之一是规格分散。两家行业协会在去年合并，创建了一个可以成为市场领导者的集团。这个名为Rezence的新组织将无线电力联盟（A4WP）和电力事务联盟（PMA）结合在一起，以桥接两种核心无线充电技术。该集团的目标是将这一组合规范用于核心充电标准，支持广泛的消费，医疗，军事和工业应用，而不仅仅是移动电话和汽车。

合并的Rezence集团拥有170多家成员公司，包括董事会成员公司AT＆amp; T，Broadcom，Flextronics，Gill Electronics，Integrated Device Technologies，Intel，MediaTek，Powermat Technologies，Procter＆amp; Co. Gamble，Qualcomm，三星电子，三星电子机械，星巴克和WiTricity。

它认为无线充电可用于更广泛的应用，从蓝牙耳机到可穿戴设备，再到平板电脑，笔记本电脑和笔记本电脑，以及医疗和嵌入式产品设计。

它旨在挑战Qi无线电源标准规范，该规范由无线电力联盟（WPC）监管。自2008年成立以来，已有200家公司使用该技术的80个移动设备超过5000万台。

该规范的最新版本支持向手机提供15 W快速充电，比之前的1 A高5 V（5 W）。一些手机制造商提供有线快速充电，在短短30分钟内提供60％的充电，最新Qi规格的目标是将其扩展到使用Qi无线充电的现有设备。这与时间有限的咖啡店充电模式非常吻合。

该小组还批准了验证快速充电产品是否符合新Qi规范所需的测试程序和工具，以及向后兼容所有现有的Qi产品。

WPC的成员包括Belkin，ConvenientPower，Delphi，Freescale，Haier，HTC，IKEA，LG，Microsoft，Motorola，Nokia，Panasonic，PowerbyProxi，Royal Philips，Samsung，Sony，TDK，Texas Instruments，Verizon Wireless和中兴。这使得该集团在摩托罗拉和三星手机，飞利浦消费设备和德尔福系统汽车的植入方面取得了巨大的发展势头。

实施

Qi规范使用小型电感线圈可以处理100 - 205 kHz的共振频率，但这意味着终端必须靠近充电表面并直接放在充电线圈上。 Qi接收线圈，如30 mm x 30 mm单回路，如TDK的WR303050，厚度仅0.92 mm，100 kHz时电感为12.3μH。使用这种方法减少损耗的效率约为66％。

图2：TDK的WR303050无线充电接收器线圈是厚度仅为0.92 mm，可以使用Qi规格集成到移动终端中。

Laird Signal Integrity Products创建了一个符合Qi规范的发射器模块。 WPC A1模块使用铁氧体基极为尖锐的共振峰提供高Q（质量）因子。这意味着尽可能多的功率传输到接收线圈，以便以更少的损耗更快地充电。这可用于各种设计，从办公设备到电动工具，嵌入表面。

Qi还有一个相对简单的通信协议，仅限于一个设备正在充电，控制充电速率并在终端充满电后将其置于低功耗模式以避免过度充电。为了获得更大的灵活性，基站（或充电垫）可以有多个电感器为多个设备充电，每个设备都有自己的控制器，但每个终端必须放置在特定的位置。

Wurth和德州仪器公司开发了一种无线电源演示套件，它将传输和接收线圈与充电和通信控制器相结合。这使用了规格1.1版，带有5 W充电控制器和Wurth的高效线圈，如13 A，6.3μH传输线圈（图3a）和接收线圈（图3b）。每个线圈的电感已经与电路板上的电阻和电容相匹配，以提供最高的可用Q因子，从而实现高效运行。但是，设计人员可以更换线圈以测试更大的设备或具有多个级别的线圈。

图3a：无线电源演示套件结合了Wurth和德州仪器的技术，展示了如何在采用传输板的设计中实现无线充电。

图3b：Wurth和德州仪器公司无线电源演示套件中的接收器板。

这是一个基础与Rezence方法的不同之处在于，它采用了更大的感应线圈，因此可以将多个设备放置在充电垫上的任何位置。但是，这对通信协议造成了挑战。充电控制器必须改变频率（PMA规范使用277-357 kHz范围）以及改变充电垫上所有不同端子的充电速率。然而，这种更高的频率确实允许更高的充电速率并且支持更大的景深，使得充电垫可以嵌入诸如桌面的表面中。

构成Rezence规范的两项技术在过去一年得到了巩固，现在允许设计人员在2016年上市的设计中采用修订后的技术。

未来的无线功率

无线功率不仅仅与感应充电有关。人们越来越关注通过自由空间发射功率。

麻省理工学院的研究人员已证明使用强耦合谐振装置可在2米的距离内传输60 W的功率（图4）。左侧的电源连接到交流电源。蓝线表示由电源引起的磁近场。黄线表示从源到捕获线圈的能量流，其示出为灯泡供电。这也显示了磁场（蓝线）如何围绕电源和捕获设备之间的导电障碍物。

图4：WiTricity用于跨越自由空间的无线功率的强耦合谐振器。

这项技术已被WiTricity商业化，与医疗设备和组件的全球开发商和制造商Greatbatch合作，将该技术用于医疗设备应用。 Greatbatch将为自己设计的医疗设备使用无线充电系统，以及为原始设备制造商（OEM）提供系统和解决方案。该技术允许灵活定位，并能够通过塑料和玻璃等非金属材料进行充电。这使设计人员能够移除触点并创建封闭系统，通过完全密封的外壳为电池充电，简化灭菌，减少维护，提高医疗应用的可靠性和可用性。这还可以减小电池尺寸，特别是对于可以通过皮肤充电的植入装置。

该公司也是A4WP Rezence规范的一部分，将该技术用于基于标准的无线充电系统。

这不仅仅是用于无线电源的电磁波，也是。加利福尼亚州一家名为Ubeam的创业公司的目标是利用超声波在房间内传输电力。这将使用高频超声能量，然后通过换能器将其转换回电能。该公司开发了一种高功率超声波换能器，发射器，接收器和电源转换器，以及一个高度安全的超声波数据传输系统，用于控制器。

结论

无线充电正在进行中关键点。由于规范整合了WPC和Rezence的两个选择，设计人员将看到更广泛的组件可用于系统开发。虽然WPC的Qi提供了一种稳定，经济高效的无线充电实现，现在可通过高速充电实现，但Rezence为多个设备充电提供了更大的灵活性，但复杂性和成本更高。它还通过WiTricity等技术为长距离充电提供了机会，这将为嵌入式和工业市场的开发人员提供更大的整体系统设计灵活性。