無線充電原理深層解析

隨著可攜式媒體播放器、智慧手機和平板電腦等電池供電的消費性電子設備的不斷普及，導致家?到處充斥著大量不同的充電器和成捆的纜線。以無線方式給設備充電的概念即沒有任何直連線的連接已經(jīng)推出一段時間了，現(xiàn)在正迅速提起人們的興趣，使之更加靈活和更加有用。不過目前有哪些不同的技術、工程師需要應付的設計挑戰(zhàn)又有哪些呢?

由于無需使用充纜纜線，給消費設備進行無線充電有許多吸引人的地方。也許應該說得更明白點，無線充電的目的是透過不同于有線或連接器等的創(chuàng)新方式提供給設備電池充電的新途徑。

無線充電方式在諸如電動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測方法，即來自某個線圈的磁場變化會在另外一個與之耦合的線圈中產(chǎn)生電流。雖然使用磁場的感測方法適合類似上述這樣的許多小設備，但在平板電腦和智慧手機等更加現(xiàn)代的消費電子設備中使用這種方法面臨著諸多工程設計挑戰(zhàn)。

隨著饋送給電池的功率的增加，相對效率或擺放耦合線圈的靈活性要求也會提高。這種感測方法的主要考慮因素是如何控制產(chǎn)生或‘發(fā)送’能量并使用感測磁場傳送給 ‘接收’設備的訊號所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。接收設備隨后將磁場能量轉(zhuǎn)換為電能再給電池充電。Wi-Fi、藍牙、近場通訊(NFC)、蜂巢式系統(tǒng)和調(diào)頻廣播是眾多無線語音和數(shù)據(jù)連接方法中的一些例子，它們可能都會受到這種電磁場的干擾。

當然，另外一個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(zhàn)約束條件下。在過去幾年中，業(yè)界對于如何實現(xiàn)感測充電技術提出了許多新的想法，但規(guī)避EMI影響的進展不像期望的那樣順利，因為達到EMI相容需要付出艱巨的努力。

最近這方面的挑戰(zhàn)得到了進一步發(fā)展，這得感謝無線充電聯(lián)盟(WPC)的不懈努力。WPC是美國消費電子(CEA)組織的一項行動計劃，目的是鼓勵進一步研究開發(fā)，使無線充電更加引人注目，因而得到更大消費群體的青睞。

感測方法的另外一個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，這可以用電動牙刷例子來很好地描述。充電器基板上有一個小塔，從放置待充電牙刷的基板上升出來。使用這種方法可以使兩個線圈完美匹配，以確保磁能的傳輸。任何稍微的不對齊都會完全丟失功率傳輸能力。在使用諸如智慧手機或平板電腦等要求稍大功率電平的其它設備時，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題。充電器功率越高，熱量損失越大。這對溫度高度感測的鋰離子電池來說更是個問題，很可能會在今天外形高度緊密的消費電子設計中產(chǎn)生元件應力。

使用電容器架構(gòu)是可以代替磁場無線充電的另外一種無線充電方法，這種方法的塬理類似于電場的麥克斯韋定律。這種概念已經(jīng)被村田公司衲桑并被廣泛導入新的設計。該公司的做法是使用示駁緄緋〔⑼腹電容器傳輸能量，這種電容器則是由屬于實體上分開的元件的兩個電極組成。將這兩個元件彼此靠近就能形成一個電容器陣列，并用來傳輸能量。圖1a顯示了這種方法的基本塬理。

圖1a：無線功率傳輸中發(fā)送器-接收器對塬理。

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