無(wú)線(xiàn)充電/供電技術(shù)與方案介紹

• 0背景
• 1.無(wú)線(xiàn)供電特點(diǎn)
• 2.無(wú)線(xiàn)供電原理及實(shí)現方式
• 3.現有解決方案分析
• 4.FAQ及相關(guān)測試
• 5.參考資料

0背景

現今幾乎所有的電子設備，如手機，MP3和筆記本電腦等，進(jìn)行充電的方式主要是有線(xiàn)電能傳輸，既一端連接交流電源,另一端連接便攜式電子設備充電電池的。這種方式有很多不利的地方，首先頻繁的插拔很容易損壞主板接口，另外不小心也可能帶來(lái)觸電的危險。 

無(wú)線(xiàn)充電運用了一種新型的能量傳輸技術(shù)——無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)。該技術(shù)使充電器擺脫了線(xiàn)路的限制，實(shí)現電器和電源完全分離。在安全性，靈活性等方面顯示出比傳統充電器更好的優(yōu)勢。在如今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無(wú)線(xiàn)充電顯示出了廣闊的發(fā)展前景。 

目前無(wú)線(xiàn)充電的技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在各領(lǐng)域中探索運用。由于無(wú)線(xiàn)傳輸的距離越遠，設備的耗能就越高。要實(shí)現遠距離大功率的無(wú)線(xiàn)電磁轉換，設備的耗能較高。所以, 實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電的高效率能量傳輸，是無(wú)線(xiàn)充電器普及的首要問(wèn)題。另一方面要解決的問(wèn)題是建立統一的標準，使不同型號的無(wú)線(xiàn)充電器與不同的電子產(chǎn)品之間能匹配,從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電。 

無(wú)線(xiàn)充電已從夢(mèng)想成為現實(shí)，從概念變成商用產(chǎn)品。無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品實(shí)例：

圖： 手機筆記本無(wú)線(xiàn)充電器 

圖：新能源汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電

圖： 電動(dòng)牙刷無(wú)線(xiàn)充電

 

1.無(wú)線(xiàn)供電特點(diǎn)

1.1優(yōu)點(diǎn)：

（1）便捷性：非接觸式，一對多充電與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時(shí)亦避免了接口不適用，接觸不良等現象，老年人也能很方便地使用。一臺充電器可以對多個(gè)負載充電，一個(gè)家庭購買(mǎi)一臺充電器就可以滿(mǎn)足全家人使用。

（2）通用性：應用范圍廣只要使用同一種無(wú)線(xiàn)充電標準，無(wú)論哪家廠(chǎng)商的哪款設備均可進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。

（3）新穎性，用戶(hù)體驗好 

（4）具有通用標準 

主流的無(wú)線(xiàn)充電標準有：Qi標準、PMA標準、A4WP標準。

Qi標準：Qi標準是全球首個(gè)推動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的標準化組織——無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（WPC，2008年成立）推出的無(wú)線(xiàn)充電標準，其采用了目前最為主流的電磁感應技術(shù)，具備兼容性以及通用性?xún)纱筇攸c(diǎn)。只要是擁有Qi標識的產(chǎn)品，都可以用Qi無(wú)線(xiàn)充電器充電。2017年2月，蘋(píng)果加入WPC。

PMA標準：PMA聯(lián)盟致力于為符合IEEE協(xié)會(huì )標準的手機和電子設備，打造無(wú)線(xiàn)供電標準，在無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域中具有領(lǐng)導地位。PMA也是采用電磁感應原理實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電。目前已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟。

A4WP：Alliance for Wireless Power標準，2012年推出，目標是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)等在內的電子產(chǎn)品無(wú)線(xiàn)充電設備設立技術(shù)標準和行業(yè)對話(huà)機制。A4WP采用電磁共振原理來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電。

1.2 缺點(diǎn)

（1）工作距離短 
目前的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)大多在短距離范圍內的近磁場(chǎng)對電子設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。因為無(wú)線(xiàn)電能傳輸的距離越遠，功率的耗損也就會(huì )越大，能量傳輸效率就會(huì )越低，且會(huì )導致設備的耗能較高。

（2）轉換效率低，速度慢 
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)雖然簡(jiǎn)單便捷，但是其硬傷在于緩慢的充電速度和充電效率。

（3）功耗較高，更加費電 
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)充電設備的距離和功率的增大，無(wú)用功的耗損也就會(huì )越大。

（4）成本較高，維護消耗大，不符合標準會(huì )有安全隱患危險

2. 無(wú)線(xiàn)供電原理及實(shí)現方式

無(wú)線(xiàn)充電利用電磁波感應原理進(jìn)行充電，原理類(lèi)似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線(xiàn)圈，發(fā)送端線(xiàn)圈連接有線(xiàn)電源產(chǎn)生電磁信號，接收端線(xiàn)圈感應發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流。 

2007年6月麻省理工學(xué)院以Marin Soljacic為首的研究團隊首次演示了利用電磁感應原理的燈泡無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)，他們可以在一米距離內無(wú)線(xiàn)給60瓦的燈泡提供電力，電能傳輸效率高達75%。 

研究者由此設想電源可以在這范圍內為電池進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，進(jìn)而推想只需要安裝一個(gè)電源，即可為整個(gè)屋里的用電器供電。傳輸線(xiàn)圈的工作頻率在兆赫茲范圍，接收線(xiàn)圈在非輻射磁場(chǎng)內部發(fā)生諧振，以相同的頻率振蕩，然后有效的通過(guò)磁感應進(jìn)行電能傳輸。 

圖：無(wú)線(xiàn)充電原理 

實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)主要通過(guò)四種方式：電磁感應式、磁場(chǎng)共振式、無(wú)線(xiàn)電波式、電場(chǎng)耦合式： 

2.1 電磁感應式

1890年，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經(jīng)做了無(wú)線(xiàn)輸電試驗，實(shí)現了交流發(fā)電。

邁克爾·法拉第發(fā)現電磁感應原理，電流通過(guò)線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，其他未通電的線(xiàn)圈靠近磁場(chǎng)就會(huì )產(chǎn)生電流。 

圖：電磁感應式原理 

電磁感應式充電：初級線(xiàn)圈一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應在次級線(xiàn)圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見(jiàn)的充電墊解決方案就采用了電磁感應，事實(shí)上，電磁感應解決方案在技術(shù)實(shí)現上并無(wú)太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專(zhuān)利，就使用了電磁感應技術(shù)。 

電磁感應式是當前最成熟、最普遍的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，原理有些類(lèi)似于變壓器。 

圖：電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電原理

2.2 磁場(chǎng)共振式

圖：磁場(chǎng)共振方式原理 

磁場(chǎng)共振充電由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個(gè)裝置調整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團隊利用該技術(shù)點(diǎn)亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實(shí)驗中使用的線(xiàn)圈直徑達到50cm，還無(wú)法實(shí)現商用化，如果要縮小線(xiàn)圈尺寸，接收功率自然也會(huì )下降。 

相比電磁感應方式，利用共振可延長(cháng)傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應方式，無(wú)需使線(xiàn)圈間的位置完全吻合。 

應用：意法半導體與WiTricity合作開(kāi)發(fā)諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸芯片 

意法半導體(簡(jiǎn)稱(chēng)ST)與超長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)先驅W(xué)iTricity公司,宣布合作開(kāi)發(fā)電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸半導體解決方案。 

此方案支持消費電子和物聯(lián)網(wǎng)設備快速無(wú)線(xiàn)充電,并支持多個(gè)設備同時(shí)充電。這個(gè)電磁諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸芯片被稱(chēng)為“無(wú)線(xiàn)充電2.0”,與現有無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)不同的是,這款芯片能夠給金屬外殼的智能手機、平板電腦和智能手表高效充電。 

2.3 無(wú)線(xiàn)電波式

無(wú)線(xiàn)電波式充電：這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類(lèi)似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無(wú)線(xiàn)電波能量，在隨負載作出調整的同時(shí)保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個(gè)安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。 

整個(gè)傳輸系統包括微波源、發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)3部分;微波源內有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率 

圖：無(wú)線(xiàn)電波充電示意圖 

應用：AirVolt無(wú)線(xiàn)充電器 

AirVolt是一款利用無(wú)線(xiàn)電波給移動(dòng)設備進(jìn)行充電的無(wú)線(xiàn)充電器。和同類(lèi)型產(chǎn)品一樣,它的效率要比有線(xiàn)充電低一些。AirVolt充電頭通電后可以將電能轉化為電磁波,接收器獲取后會(huì )將電磁波又轉化為電能為手機充電。當電量充滿(mǎn)到80%時(shí)就會(huì )自動(dòng)停止充電, 低于20%時(shí)又會(huì )自動(dòng)充電, 既保證了手機最佳電量又不會(huì )導致過(guò)度充電, 增加了電池使用壽命。 

AirVolt由 TechNovator公司開(kāi)發(fā), 需要充電時(shí)只要將接收器插進(jìn)手機, 再將充電頭插上插座就能進(jìn)行遠程無(wú)線(xiàn)充電。最佳充電距離是9米之內,而最遠距離可達12米,躲到屋里任何一個(gè)角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小，充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning 或 Micro usb兩種接口選擇, 滿(mǎn)足不同需要。

2.4電場(chǎng)耦合式

電場(chǎng)耦合式充電原理：利用通過(guò)沿垂直方向耦合兩組非對稱(chēng)偶極子而產(chǎn)生的感應電場(chǎng)來(lái)傳輸電力。一般充電模塊是由2個(gè)非對稱(chēng)偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無(wú)線(xiàn)供電模塊就是通過(guò)這2個(gè)非對稱(chēng)偶極子的電場(chǎng)耦合而產(chǎn)生的感應電場(chǎng)來(lái)供電的。 

電場(chǎng)耦合方式的特點(diǎn)大致有三：①充電時(shí)可實(shí)現位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會(huì )上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統成本。目前已試制完成為平板終端及電子書(shū)等便攜終端進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電的供電臺。

3.現有解決方案分析：

國外研發(fā)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)(包括芯片/方案/發(fā)射接收器件)的企業(yè)主要包括了IDT、TI、Freescale、高通、博通、NXP、Fulton、Energous、Delphi、松下、東芝、富士通等。 
國內則有中惠創(chuàng )智、新頁(yè)、中興、勁芯微、美嗒嗒、微鵝、斯普奧汀、華潤矽科、新捷、伏達、以及臺灣凌陽(yáng)等。 
在無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器上放置不同的接收器，接收器可為不同的裝置從小電力的耳機到大功率的筆記型計算機，因此一個(gè)成熟的解決方案首先應該要能檢測到對應不同的目標物；而每個(gè)接收裝置的電力需求會(huì )有所不同，這時(shí)發(fā)射器需要能自動(dòng)調節功率輸出進(jìn)行供電。 
一般無(wú)線(xiàn)充電步驟分為：檢測、通信、供電三個(gè)階段：

（1） 檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）

當接收器放置在發(fā)射器工作范圍內，發(fā)射器檢測是否是一個(gè)接收器靠近 

（2） 通訊階段：進(jìn)行身份認證

發(fā)射器發(fā)送數據包，并且為接收器供電啟動(dòng)接收器，之后接收器回復響應數據完成身份的認證 

（3） 充電階段：進(jìn)行電能傳輸

在身份認證后，發(fā)射器根據接收器的設備類(lèi)型，選擇相應的功率等參數，為接收器充電 

以Qi標準為例，整體流程如下： 

圖：Qi標準通訊流程 

現今無(wú)線(xiàn)充電系統都采用共振的方式進(jìn)行設計，在架構上都大至相同有下列這些構造：

發(fā)射器內有 

• 直流電源輸入 
• 頻率產(chǎn)生裝置 
• 切換電力的開(kāi)關(guān) 
• 發(fā)射的線(xiàn)圈與電容諧振組合 

接收器內有 

• 接收的線(xiàn)圈與電容諧振組合 
• 整流器; 
• 濾波與穩壓器 
• 直流電源輸出

3.1 IDT無(wú)線(xiàn)IC方案

圖：IDT無(wú)線(xiàn)發(fā)射與接收IC 

IDT公司的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)解決方案具備高集成度，提供單芯片SOC解決方案，支持QI-LOGOWPC認證，并且兼容POWERMATE模式；具有加密通訊（FSK、ASK實(shí)現），異物檢測模式功能。IDT目前是英特爾整個(gè)平臺無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)唯一的合作伙伴�，F已有多家廠(chǎng)商使用IDT無(wú)線(xiàn)充電解決方案。 

IDT的無(wú)線(xiàn)充放電IC在無(wú)線(xiàn)充電效率在15W時(shí)最高可達87%，提高了系統的熱性能，可以媲美傳統的有線(xiàn)充電架構。其內部處理器基于32位ARM Cortex-M0架構，通過(guò)I2C通訊控制，并且提供了擴展的數字IO引腳以及相關(guān)軟件庫。

圖 ：IDT無(wú)線(xiàn)充電解決方案原理 

成本評估參考： 

芯片 價(jià)格 ()P9242−RNDGI(15WTransmitter) 4.4 

P9221-RAHGI8 (15W Receiver) 3.2P9038−RNDGI(5WTransmitter) 3.9 

P9025AC-RNBGI (5W Receiver) $ 3.2

3.2 恩智浦MW系列無(wú)線(xiàn)充電IC方案：

恩智浦提供的解決方案涵蓋5 W的低功耗產(chǎn)品到15 W的中等功耗產(chǎn)品，適用于消費電子、工業(yè)控制和汽車(chē)電子市場(chǎng)，包含發(fā)送器/接收器控制器IC、相關(guān)軟件、評估板和參考設計。該軟件包含實(shí)現核心充電功能所需的全部資源，還提供了用于定制和增加功能的API。 

圖：恩智浦MW系列無(wú)線(xiàn)充電IC 

成本評估參考： 

3.3 TI （BQ系列）無(wú)線(xiàn)充電方案

TI是最早量產(chǎn)無(wú)線(xiàn)充電方案公司。其中10W無(wú)線(xiàn)充電解決方案中，從發(fā)射端輸入到接收端輸出效率可以達到84%。 

接收器功能框圖： 

發(fā)射器功能框圖： 

此外，TI推出的第三代無(wú)線(xiàn)電接收器芯片bq51020和bq51021，以及世界第一個(gè)達到WPC1.1和PMA標準的雙模型集成電路bq51221，這些接收器解決方案已達到96%的超高效率。從而完全消除了在5W的條件下，應用于智能手機及其他便攜式設備中全面運轉的散熱問(wèn)題。 

成本評估參考： 

發(fā)送器:

接收器： 

3.4 東芝無(wú)線(xiàn)IC方案

東芝公司旗下存儲與電子元器件解決方案公司也有宣布,使用東芝“TC7718FTG”15W無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器IC的無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器系統經(jīng)認證符合無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴展功率分布)標準。該系統采用支持簡(jiǎn)單系統配置的MP-A2 (由無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟定義的使用12V單線(xiàn)圈的無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射器系統) ，通過(guò)Qi認證的MP-A2發(fā)射器系統。 

東芝推出無(wú)線(xiàn)充電接收器IC——“TC7766WBG”,該產(chǎn)品經(jīng)認證符合無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)制定的Qi v1.2 EPP(擴展功率分布)標準。TC7766WBG是通過(guò)Qi認證的15W接收器IC。

4. FAQ及相關(guān)測試結果

1、人體危害：

當電磁波頻率加到1GHz以上就會(huì )直接對水分子加熱；這個(gè)原理就變成微波爐了，所以無(wú)論13MHz會(huì )對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體，無(wú)線(xiàn)電力在設計時(shí)必需解決安全的問(wèn)題才能上市

2、發(fā)熱：

接收端5W的需求在只有20%的轉換效率下有20W的能量轉換成熱能散逸，這樣的能量會(huì )產(chǎn)生龐大的熱能會(huì )導致系統溫度大幅上升，在這樣的推算下，系統最大輸出能力會(huì )在25W，若為無(wú)安全設計下于發(fā)射器上放置金屬異物可能會(huì )導致火災意外。因此有必要做設備識別。

3、充放電效率問(wèn)題：

發(fā)射端輸入電壓為5VDC，接受線(xiàn)圈之間距離為3cm，接收端通過(guò)接受線(xiàn)圈獲取電能，通過(guò)整流濾波形成穩定的5v直流電。 

 4、互感影響：垂直距離和水平位置影響

 

5、距離以及線(xiàn)圈大小對充電效率的影響。

遠距離（相隔一定的空間）的感應電能傳輸效率非常低，而在設備附近（例如表面）進(jìn)行的感應電能傳輸則可以真正做到高效，其效率可與有線(xiàn)傳輸比擬。 

距離越大(z/D > 1)或線(xiàn)圈大小差距越大，效率降低的幅度越大 

距離越小(z/D < 0.1)，線(xiàn)圈大小越接近(D2/D = 0.5..1) ，效率越高

6、功耗問(wèn)題。

與2相同條件下，發(fā)射端待機功耗：

 5. 參考資料

[1] 王振亞, 王學(xué)梅, 張波, 等. 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的研究進(jìn)展 [J]. 電源學(xué)報, 2014, 12(3):27-32. 
[2] 孟慶奎. 手機無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的研究[D]. 北京郵電大學(xué), 2012. 
[3] 潘力. 一種鋰電池無(wú)線(xiàn)充電模塊的設計[D]. 電子科技大學(xué), 2013. 
[4] 朱美杰. 感應式無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的研究[D]. 南京信息工程大學(xué), 2012.