無線充電原理深層解析

圖1b：圖1a所示發(fā)送器-接收器對(duì)的等效電路。

使用兩組電極或極板就可以透過靜電感測實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。充電器或‘發(fā)送器’和可攜式設(shè)備或‘接收器’用來有效地在組成電容器的合適尺寸金屬表面間實(shí)現(xiàn)縱向的示駁珩詈?。其中莿?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，上面的電壓較低。當(dāng)然正常情況下，電容器傳輸?shù)哪芰渴呛苄〉模@與電極面積小有很大的關(guān)S。因此，為了滿足給消費(fèi)設(shè)備充電所需的功率水(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顯示了裼玫縟萜鞔輸能量的充電器方法例子架構(gòu)圖，其中使用的接收器和發(fā)送器模組是村田公司最近開發(fā)出的新產(chǎn)品。這種模組化方法允許工程師集中精力開發(fā)耦合區(qū)的電極設(shè)計(jì)，因而有助于快速開發(fā)出無線充電功能。透過靜電方法傳輸?shù)哪芰看笮≈苯诱扔谒褂玫念l率。因此用更高的頻率驅(qū)動(dòng)電極對(duì)可以使設(shè)計(jì)處理更高的功率。然而，各個(gè)國家對(duì)所使用的頻率和電場強(qiáng)度都有限制規(guī)定。實(shí)際上這種配置可以形成一種非常有效的天線結(jié)構(gòu)，因此EMI因素通常會(huì)限制設(shè)計(jì)靈活性。為了實(shí)現(xiàn)耦合電極之間的無線收發(fā)、同時(shí)盡量減少對(duì)外的輻射量，需要進(jìn)行正確地設(shè)計(jì)。因此需要進(jìn)一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設(shè)計(jì)、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，理想的頻率圍在200kHz至 1MHz之間，有效耦合區(qū)的電壓值在800V至1.52kV之間。

圖2a：電容器傳輸充電器架構(gòu)圖。

圖 2b顯示，對(duì)于一個(gè)滿足EMI相容要求的10W充電器來說，發(fā)送至接收電容器耦合過程中存在電壓步升和步降現(xiàn)象。裼媚Ｗ榛架構(gòu)的設(shè)計(jì)概念允許裝置u造商將模組作為黑盒子，因而方便發(fā)送器和接收器的整合。發(fā)送器設(shè)計(jì)覆蓋到電源的鏈路、無線能量傳輸?shù)目刂埔约案鶕?jù)位置靈活性目標(biāo)對(duì)任何外形的主動(dòng)耦合電極的控制。在接收器側(cè)，電池介面決定了設(shè)計(jì)如何從主動(dòng)耦合電極區(qū)域透過下變頻模組正確地接收功率。由于可攜式設(shè)備中使用的電池種類非常廣泛，所以電路介面的標(biāo)駛設(shè)計(jì)代表著向非常方便的設(shè)計(jì)邁出了一大步，同時(shí)也要考慮到更具挑戰(zhàn)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(xù)施加的壓力，微型USB 5V充電介面正成為歐洲所有行動(dòng)手機(jī)的標(biāo)省

圖2b：電壓步升和步降是10W充電器中發(fā)送至接收電容器耦合過程的一部份。

與感測方法相較，使用示駁绱輸?shù)年P(guān)鍵優(yōu)勢之一是，待充設(shè)備在充電基座(或充電托盤)上的位置要求不是那么嚴(yán)格。透過x-y(表面)方向的精心設(shè)計(jì)，當(dāng)接收器遠(yuǎn)離發(fā)送源時(shí)，仍能保持高效率且曲線相對(duì)平坦的能量傳輸，對(duì)任何設(shè)計(jì)(即使是有線充電器)來說效率典型值為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(zhàn)性的設(shè)計(jì)參數(shù)。

另外，使用扁平方形或矩形的桌面托盤或接近垂直的接續(xù)架子允許以任何方向擺放充電設(shè)備，不一定需要很精確。此外，由于主要的主動(dòng)接收電極可以由簡單的薄銅箔搭建(這種銅箔的厚度在幾個(gè)微米數(shù)量級(jí)，嵌入在塑料覆蓋材料中)，因此將它整合進(jìn)消費(fèi)設(shè)備要比整合功率感測器簡單得多。