通过自由空间设计加速无线充电应用

作者：贸泽电子Mark Patrick

现在已经出现了大量可能的无线充电应用。消费类设备品牌希望通过快速、安全的感应或电容式充电来替换充电电缆，从而为用户提供更大便利，并帮助实现产品差异化。但是，该过程也会带来重大的技术和生态系统挑战。

经过多年努力，其中许多挑战已经得到解决，但也导致基础设施的推出放缓，其中一个主要问题（新兴技术通常都会遇到类似状况）是标准之间的竞争。Qi标准和AirFuel联盟内的其他各种规范已经争论了一段时间，它们推出不同且互不相容的技术，使设备制造商难以确信消费者可以轻松地为智能手机、可穿戴设备或笔记本电脑充电。

此外，还有一些技术问题尚待解决。许多系统要求发射器和接收器上的充电线圈需要对齐以获得最快的充电，而当使用者在将移动手机放在桌子上充电时，这种情况不会发生，被充电设备和下面的充电器也必须能够通讯，有许多不同的方式可以实现这些。

GaN的价值主张

业界正在考虑使用新的半导体工艺。基于氮化镓（GaN）的芯片用于功率控制器和发射器与接收器之间的无线电链路。虽然这些器件的效率明显高于硅产品，但它们的生产成熟度较低，良率较低意味着需要考虑成本方面是否具有优势。

所有这些动态一直在推动无线充电从基于线圈的电感和电容充电（可在几毫米距离上运行）转向能够在自由空间（距离最远25米）充电的系统。这开辟了系统设计的新方法，例如，在超市中可以用远处的电源来为包装上的智能标签供电。

尽管如此，仍然有很多人强调更为传统的无线充电机制。几年前，当Alliance for Wireless Power和Power Matters Alliance合并时，AirFuel Alliance成立，并制定了直接与Qi竞争的规范。意法半导体STMicroelectronics正在使用AirFuel的磁共振规范，初创公司WiTricity的技术，以及包含电感和谐振充电的多模解决方案。 WiTricity还通过使用磁共振技术成功演示了笔记本电脑的无线充电，Dell的Latitude 7000是世界上第一款使用这种技术的二合一无线充电电脑。

对于物联网和消费性电子市场而言，诸如此类的功率传输和接收系统目标是在感应充电更难以执行的情况下，能够同时向多个设备提供无线快速充电。Efficient Power Conversion Corporation（EPC）还使用其eGaN芯片针对谐振无线充电开发了一套完整的AirFuel 4类无线充电套件。EPC9129工作在6.78MHz（最低ISM频段），能够传输高达33W的功率。该套件包括两个接收器器件，每个都有自己的稳压输出，其中之一额定功率为5W，在19V时功率为27W。其目标是在寻求使用eGaN FET实现高效无线功率传输时简化评估过程，突显了这些FET可提供的全部功率效率（介于80％和90％之间）。

对于面向大功率传输表面区域的应用，谐振无线充电有特别的意义，可以将接收设备放置在表面上的任何位置，并且能够同时为多个设备供电或充电。GaN Systems针对无线充电使用基于GaN的功率和RF器件开发了两款无线功率放大器评估板，100W选项方案支持70W至100W的系统，而300W选项方案则支持150W至1kW的设计。这两款功率放大器都具有一系列功能，包括电流或电压控制，内建保护电路，EMI滤波和可配置输出功率。

图1：实际应用的GaN Systems无线充电系统。

GaN Systems在上述应用中将公司的功率晶体管与Murata的高频GaN E-HEMT驱动器组合在一起。 100W的GSWP100W-EVBPA评估板面向消费类市场，适用于笔记本电脑、电动工具和多个智能手机的快速充电等。功率更高的300W GSWP300W-EVBPA 适用于工业和运输市场，其中包括送货无人机、仓储机器人、医疗系统、工厂自动化、承包商电动工具、电动自行车和踏板车等应用。

图2：GaN Systems的GSWP300W-EVBPA评估板。

一些系统开发人员希望增大发送和接收功率线圈之间的距离。例如，Wibotix已经开发的技术可以在距离最远5cm的电池系统中提供300W功率，其中一个目标应用是在钢铁铸造厂等恶劣环境中运行的电动货车。采用这种无线充电，将可以消除伴随的功率电缆，而这些电缆也通常被证明是工作故障的原因之一。PCB上的20cm圆形迹线可用作发射器，它与10cm直径接收器相连，可在任何方向上自由移动5cm。

这种自由运动是必不可少的，因为它允许货车停靠到墙边充电站进行快速充电。目前的125W系统意味着5Ah，25V电池可以在大约一小时内完全充满电，而如果采用300W系统实施充电，这将减少到25分钟。充电器为可编程和可调节，能通过2.4GHz无线数据链路进行控制。货车在充电站充电时，充电器在运行期间将电流升高到电池允许最大值，实施快速充电。或者在夜间通过小电流进行较长时间充电。该系统可设计用于同时支持多个货车充电，即便它们具有不同的电池，因为特定电池类型的细节已经在接收器和发射器之间的数据通讯交换中得到确认。

未来目标

虽然看起来在更远距离进行无线充电是一个长期目标，但两家初创企业实际上已经实现了这一目标。位于美国圣何塞（San Jose）的WattUp远距离无线充电系统使用AirFuel RF规范，已获得美国联邦通讯委员会（FCC）的认证。WattUp中场（midfield）发射器可以为距离为1米的设备提供射频功率，支持基于接触式和非接触式的无线充电，并可为多个设备充电。相关的生态体系确保接收器和发射器之间的跨平台互操作性（interoperability），而无论其来自哪家制造商，从而使其更灵活，并为消费者和制造合作伙伴提供更大的可访问性（accessibility）。 Energous与Dialog Semiconductor还达成战略协议来推广该技术。另一家供应商Powercast已开始针对3W蓝牙认证的远场发射器提供价值100美元的套件，该发射器可在距离最远25米处为多件消费性电子产品充电。PowerSpot发射器能够创建一个区域，当支持PowerSpot的设备进入该范围时能够自动为其供电或为其充电。该发射器使用915MHz ISM频段，通过无线方式发送RF能量至设备中嵌入的PowerHarvester接收器芯片，然后将RF能量转换为直流电（DC）以补充电池电力。该公司正在推出一个开发套件，以帮助制造商设计基于PowerSpot的无线充电系统。

蓝牙认可的PowerSpot采用低功耗蓝牙（BLE）多协议解决方案，使发射器智能、可配置和可控。例如，BLE能够以无线方式安排功率传输，监测充电设备的电池状态，并在设备充满电时关闭发射器。这项技术甚至已扩展到超市环境，Powercast正在与材料供应商PPG合作，以无线充电运行的印刷电子系统可点亮货架。使用PPG的导电墨水，可将电子电路直接印刷到基板对侧，然后使用导电环氧树脂将PowerHarvester接收器和其他组件连接到基板上，通过标签层压以密封电子电路。这种技术可以捕获RF功率以驱动包装上的LED。第一个采用PPG智能标签的应用已经出现在Pennsylvania Straub Brewing的6件啤酒包装上。

当今世界对于无线充电的采纳并没有达到几年前业界预期的那种程度。不过，新技术的出现可能会改变这一切。现在，通过在自由空间进行无线充电的技术创新，就像本文所讨论的那样，我们有很大的机会在未来得到更充分发展，并对刚刚开始的无线充电行业产生真正的深远影响。