隨著(zhù)便攜式媒體播放器、智能手機和平板電腦等電池供電的消費類(lèi)電子設備的不斷普及，導致家里到處充斥著(zhù)大量不同的充電器和成捆的電線(xiàn)。以無(wú)線(xiàn)方式給設備充電的概念即沒(méi)有任何直連線(xiàn)的連接已經(jīng)推出一段時(shí)間了，現在正迅速提起人們的興趣，使之更加靈活和更加有用。不過(guò)目前有哪些不同的技術(shù)、工程師需要應付的設計挑戰又有哪些呢？
由于無(wú)需使用充電線(xiàn)纜，給消費設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電有許多吸引人的地方。也許應該說(shuō)得更明白點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)充電的目的是通過(guò)不同于有線(xiàn)或連接器等的創(chuàng )新方式提供給設備電池充電的新途徑。
無(wú)線(xiàn)充電方式在諸如電動(dòng)牙刷等許多消費設備中已經(jīng)非常流行，其中最主要的一種方法是基于麥克斯韋定律的感應方法，即來(lái)自某個(gè)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)變化會(huì )在另外一個(gè)與之耦合的線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流。雖然使用磁場(chǎng)的感應方法適合類(lèi)似上述這樣的許多小設備，但在平板電腦和智能手機等更加現代的消費電子設備中使用這種方法面臨著(zhù)諸多工程設計挑戰。
隨著(zhù)饋送給電池的功率的增加，相對效率或擺放耦合線(xiàn)圈的靈活性要求也會(huì )提高。這種感應方法的主要考慮因素是如何控制產(chǎn)生或“發(fā)送”能量并使用感應磁場(chǎng)傳送給“接收”設備的信號所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。接收設備隨后將磁場(chǎng)能量轉換為電能再給電池充電。Wi-Fi、藍牙、近場(chǎng)通信(NFC)、蜂窩系統和調頻廣播是眾多無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和數據連接方法中的一些例子，它們可能都會(huì )受到這種電磁場(chǎng)的干擾。
當然，另外一個(gè)考慮因素是使功率傳輸效率盡可能高，即使在更高功率電平和更寬擺放誤差等挑戰約束條件下。在過(guò)去幾年中，業(yè)界對于如何實(shí)現感應充電技術(shù)提出了許多新的想法，但規避EMI影響的進(jìn)展不像期望的那樣順利，因為達到EMI兼容需要付出艱巨的努力。
最近這方面的挑戰得到了進(jìn)一步發(fā)展，這得感謝無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)的不懈努力。WPC是美國消費電子(CEA)組織的一項行動(dòng)計劃，目的是鼓勵進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，使無(wú)線(xiàn)充電更加引人注目，從而得到更大消費群體的青睞。
感應方法的另外一個(gè)眾所周知的約束條件是需要精確地配對充電器和被充設備，這可以用電動(dòng)牙刷例子來(lái)很好地描述。充電器基板上有一個(gè)小塔，從放置待充電牙刷的基板上升出來(lái)。使用這種方法可以使兩個(gè)線(xiàn)圈完美匹配，以確保磁能的傳輸。任何稍微的不對齊都會(huì )完全丟失功率傳輸能力。在使用諸如智能手機或平板電腦等要求稍大功率電平的其它設備時(shí)，這種使用方法顯然很不方便。最后，存在如何解決電熱損失的問(wèn)題。充電器功率越高，熱量損失越大。這對溫度高度敏感的鋰離子電池來(lái)說(shuō)更是個(gè)問(wèn)題，很可能會(huì )在今天外形高度緊湊的消費電子設計中產(chǎn)生元件應力。
使用電容架構是可以代替磁場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電的另外一種無(wú)線(xiàn)充電方法，這種方法的原理類(lèi)似于電場(chǎng)的麥克斯韋定律。這種概念已經(jīng)被村田公司采納，并被廣泛引入新的設計。該公司的做法是使用準靜電電場(chǎng)并通過(guò)電容傳輸能量，這種電容則是由屬于物理上分開(kāi)的器件的兩個(gè)電極組成。將這兩個(gè)器件彼此靠近就能形成一個(gè)電容陣列，并用來(lái)傳輸能量。圖1a顯示了這種方法的基本原理。
圖1a：無(wú)線(xiàn)功率傳輸中發(fā)送器－接收器對原理。
圖1b：圖1a所示發(fā)送器－接收器對的等效電路。
使用兩組電極或極板就可以通過(guò)靜電感應實(shí)現能量的傳輸。充電器或“發(fā)送器”和便攜式設備或“接收器”用來(lái)有效地在組成電容的合適尺寸金屬表面間實(shí)現縱向的準靜電耦合。其中驅動(dòng)電極或主動(dòng)電極要比另外一個(gè)電極小，上面施加的電壓較高，另外一個(gè)電極則是被動(dòng)電極，尺寸較長(cháng)，上面的電壓較低。當然正常情況下，電容傳輸的能量是很小的，這與電極面積小有很大的關(guān)系。因此，為了滿(mǎn)足給消費設備充電所需的功率水平(例如從5W至25W)，需要增加電極尺寸和耦合的電壓值，具體取決于實(shí)際的配置。
圖2a顯示了采用電容傳輸能量的充電器方法例子框圖，其中使用的接收器和發(fā)送器模塊是村田公司最近開(kāi)發(fā)出的新產(chǎn)品。這種模塊化方法允許工程師集中精力開(kāi)發(fā)耦合區的電極設計，從而有助于快速開(kāi)發(fā)出無(wú)線(xiàn)充電功能。通過(guò)靜電方法傳輸的能量大小直接正比于所使用的頻率。因此用更高的頻率驅動(dòng)電極對可以使設計處理更高的功率。然而，各個(gè)國家對所使用的頻率和電場(chǎng)強度都有限制規定。實(shí)際上這種配置可以形成一種非常有效的天線(xiàn)結構，因此EMI因素通常會(huì )限制設計的靈活性。為了實(shí)現耦合電極之間的無(wú)線(xiàn)收發(fā)、同時(shí)盡量減小對外的輻射量，需要進(jìn)行正確地設計。因此需要進(jìn)一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設計、工作電壓、功率值、最佳工作頻率和總的尺寸約束條件。一般情況下，理想的頻率范圍在200kHz至1MHz之間，有效耦合區的電壓值在800V至1.52kV之間。
圖2a：電容傳輸充電器框圖。
圖2b表明，對于一個(gè)滿(mǎn)足EMI兼容要求的10W充電器來(lái)說(shuō)，發(fā)送至接收電容耦合過(guò)程中存在電壓步升和步降現象。采用模塊化架構的設計概念允許裝置制造商將模塊用作黑盒子，從而方便發(fā)送器和接收器的集成。發(fā)送器設計覆蓋到電源的鏈路、無(wú)線(xiàn)能量傳輸的控制以及根據位置靈活性目標對任何外形的主動(dòng)耦合電極的控制。在接收器側，電池接口決定了設計如何從主動(dòng)耦合電極區域通過(guò)下變頻模塊正確地接收功率。由于便攜式設備中使用的電池種類(lèi)非常廣泛，所以電路接口的標準化設計代表著(zhù)向非常方便的設計邁出了一大步，同時(shí)也要考慮到更具挑戰性的概念，比如更快的充電速度。主要得益于歐盟委員會(huì )持續施加的壓力，微型USB 5V充電接口正在成為歐洲所有移動(dòng)手機的標準。
圖2b：電壓步升和步降是10W充電器中發(fā)送至接收電容耦合過(guò)程的一部分。
與感應方法相比，使用準靜電傳輸的關(guān)鍵優(yōu)勢之一是，待充設備在充電基座(或充電托盤(pán))上的位置要求不是那么嚴格。通過(guò)x-y(表面)方向的精心設計，當接收器遠離發(fā)送源時(shí)，仍能保持高效率且曲線(xiàn)相對平坦的能量傳輸，對任何設計(即使是有線(xiàn)充電器)來(lái)說(shuō)效率典型值為80%左右，因此具有非常高的位置容差性能，而z(高度)仍然是最具挑戰性的設計參數。
另外，使用扁平方形或矩形的桌面托盤(pán)或接近垂直的接續架子允許以任何方向擺放充電設備，不一定需要很精確。此外，由于主要的主動(dòng)接收電極可以由簡(jiǎn)單的薄銅箔搭建(這種銅箔的厚度在幾個(gè)微米數量級，嵌入在塑料覆蓋材料中)，因此將它集成進(jìn)消費設備要比集成功率感應器簡(jiǎn)單得多。
如前所述，靠近電池的熱量傳遞對感應方法來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴重的問(wèn)題。然而，作為電容耦合配置中能量載體的電場(chǎng)不會(huì )有任何較大的電流。由于沒(méi)有這種直流流動(dòng)，因此耦合區不存在發(fā)熱問(wèn)題：所有阻性損耗集成在模塊或驅動(dòng)器電路中，耦合區一點(diǎn)都沒(méi)有。因此裝置制造商在將微型模塊集成進(jìn)裝置中時(shí)具有更大的設計靈活性，同時(shí)在耦合設計、功率電平和想要達到的定位容差方面具有很大的設計自由度。
考慮到上述所有這些挑戰因素，電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸可以實(shí)現更高的功率傳輸、更大的定位靈活性，還能滿(mǎn)足EMC一致性要求，同時(shí)可以向制造商提供更大的設計靈活性�？偟膩�(lái)說(shuō)，電容耦合式無(wú)線(xiàn)能量傳輸將極大地鼓舞制造商集成以無(wú)線(xiàn)方式給便攜式設備充電的功能。 |
