解讀無線充電新技術(shù)—磁感應(yīng)與磁共振

引言

無線充電技術(shù)是電子行業(yè)增長最快的領(lǐng)域，得到了廣泛應(yīng)用。消費(fèi)者對電池供電便攜式電子設(shè)備的需求，以及極不方便的不斷進(jìn)行充電等因素促使該技術(shù)的應(yīng)用高速增長。具有無線充電功能的便攜式設(shè)備發(fā)展非常迅猛，隨著這種趨勢的繼續(xù)，無線充電將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，是一種便攜式設(shè)備使用習(xí)慣。

考慮到開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、小型化解決方案和低成本等因素，磁感應(yīng)(MI)和磁共振(MR)是消費(fèi)類市場上的兩種主要無線充電傳送技術(shù)。由于緊密的磁耦合，MI目前具有較高的電力傳送能力，易于設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換效率較高，而MR更具空間自由度，每個發(fā)射臺支持多個接收器件，對近場金屬物體的熱積累影響較小。在MI領(lǐng)域主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟(WPC)的‘Qi’標(biāo)準(zhǔn)，以及充電事物聯(lián)盟(PMA)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對于目前基于MI的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)人員，這帶來了能否確保Qi和PMA兩種標(biāo)準(zhǔn)兼容的問題。MR標(biāo)準(zhǔn)主要是由A4WP (無線充電聯(lián)盟)控制的。Qi或者PMA標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品兼容性目前還在討論中，預(yù)計(jì)明年就會出現(xiàn)基于A4WP的產(chǎn)品。本文介紹無線充電以及相關(guān)的MI和MR技術(shù)。還會討論芯片制造商怎樣實(shí)現(xiàn)當(dāng)今的MI無線充電接收器IC，幫助克服MI技術(shù)的雙重標(biāo)準(zhǔn)問題。

高速發(fā)展的無線充電技術(shù)

在我們?nèi)粘€人生活以及商業(yè)活動中，充電和數(shù)據(jù)傳輸所需要的有線連接難免有很多不便之處。無線數(shù)據(jù)訪問已經(jīng)非常普遍了，而充電卻還沒有達(dá)到相似的無線應(yīng)用水平。外出旅行時(shí)，要帶上墻插充電器、電纜和適配器，到處找“公共”電源去充電，非常麻煩。

如果出于多方面的考慮而建設(shè)廣泛分布的無線充電輔助支撐系統(tǒng)，這會對移動電話很有好處。高亮度大屏幕、功能強(qiáng)大的多核處理器、板上射頻陣列、需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，以及新的生物應(yīng)用等都導(dǎo)致一天要多次充電。消費(fèi)者要求更輕更薄的設(shè)備也推動了這一需求。然而，鋰電池的功率密度并沒有隨之相應(yīng)的增長。為滿足消費(fèi)者的需求，很多便攜式設(shè)備生產(chǎn)商已經(jīng)發(fā)售了符合Qi (目前主要的無線充電標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)的移動電話。移動電話運(yùn)營商也希望能夠?qū)σ苿釉O(shè)備不斷進(jìn)行充電，傳送無線數(shù)據(jù)，因此，積極推動建設(shè)無線充電傳送輔助支撐系統(tǒng)。

要隨時(shí)隨地進(jìn)行充電，把設(shè)備放在能夠無線充電的設(shè)備表面即可，這要求充電發(fā)射臺無處不在。在一些前端已經(jīng)開始了建設(shè)。Qi和PMA發(fā)射臺目前以多種形式用在家庭和辦公室中。豐田和克萊斯勒等汽車公司新款汽車采用了Qi發(fā)射器，很快還會提供更多的制造/模型和大量的售后汽車解決方案。PMA迅速在一些合作伙伴那里得到了應(yīng)用，餐館、零售店、飯店以及其他公共場合都可以實(shí)施無線充電輔助支撐系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)，從而吸引更多的消費(fèi)者，有可能帶來更大的收益。例如，星巴克的“Never PowerlessTM”計(jì)劃從去年開始，首先在馬薩諸塞州波士頓安裝，隨之在硅谷地區(qū)建設(shè)新站，中期計(jì)劃是在美國提供1百多萬個充電點(diǎn)。

建設(shè)好發(fā)射站輔助支撐系統(tǒng)后，對設(shè)計(jì)支持多種無線充電標(biāo)準(zhǔn)的移動設(shè)備最有利。IDT等企業(yè)推出的模擬和數(shù)字技術(shù)發(fā)展非常快，最近IMS的研究報(bào)告也表明對無線充電的需求很大，今后幾年將呈現(xiàn)出高速增長的局面，2016年達(dá)到300Mu，2018年達(dá)到1Bu。這說明2011年雖然幾乎還沒有這一市場，但今后會有強(qiáng)勁的增長。

圖1.通過無線充電技術(shù)，移動電話等便攜式設(shè)備的使用會更加方便，

人們不用再攜帶很多專用充電器和電纜。

磁感應(yīng)(MI)和磁共振(MR)技術(shù)

磁感應(yīng)技術(shù)(Qi和PMA)是首先面市的，是新生無線充電市場的主導(dǎo)技術(shù)。但是，磁共振(A4WP)相對于MI也很有優(yōu)勢，也面臨一些挑戰(zhàn)。A4WP 6.78MHz的固定工作頻率與Qi的110-205KHz工作范圍相比，依據(jù)法拉第的電感定律，松耦合因子(位置更靈活)的充電傳送效率更高。更高的頻率以及更高的線圈電壓使得接收線圈更小更薄，移動設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)。高頻工作的另一好處是，其表面渦流很小，因此，對發(fā)射臺附近金屬物體的熱輻射也很小。這也就意味著，待充電設(shè)備(例如，電池)中的雜散金屬不會積熱。A4WP標(biāo)準(zhǔn)使用了雙向Bluetooth®節(jié)能(BLE)帶外信號，與待充電設(shè)備進(jìn)行通信，對電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。相反，Qi和PMA使用負(fù)載調(diào)制單向帶內(nèi)通信方法，將電源調(diào)節(jié)信息傳送回發(fā)射器。Qi方法簡單，成本低，但是只能處理一個接收器，受限于低速通信，容易受到系統(tǒng)產(chǎn)生的 EMI的影響。

MR實(shí)施起來會遇到一些難題，針對大批量應(yīng)用市場需要進(jìn)一步采取措施，提供產(chǎn)品解決方案。MR接收器使用了LC諧振腔，高Q因子直接工作在共振頻率上。難點(diǎn)是當(dāng)溫度和電壓變化時(shí)，諧振腔不太容易調(diào)整保持在固定共振頻率上。出現(xiàn)漂移時(shí)，效率會下降。MI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)起來簡單一些，這是因?yàn)楣ぷ黝l率高于共振頻率，因此，不需要高Q電路或者高精度無源器件。但是，MR高Q電路的高容差器件成本雖然高，其線圈成本卻很低。無屏蔽MR接收線圈也很小，導(dǎo)線要比MI線圈薄，因此，其成本應(yīng)比那些關(guān)鍵器件低。

無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射是消費(fèi)者關(guān)心的問題，但這已經(jīng)超出了本文的討論范圍。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，MI是緊耦合系統(tǒng)，意味著發(fā)射和接收線圈直接接觸以支持MI充電傳輸，其排列方式允許線圈頂部和底部直接使用鐵氧體屏蔽層(圖2)。這些鐵氧體屏蔽層有兩種作用：首先，磁通線更靠近線圈，耦合更緊密，磁通線電流也就更大，其次，屏蔽層減小了系統(tǒng)的電磁輻射。MR是松耦合系統(tǒng)，意味著接收器距離發(fā)射器會有10厘米遠(yuǎn)(圖3)，因此，不像MI方法那樣具有鐵氧體屏蔽層的優(yōu)點(diǎn)。把輻射水平保持在安全限制范圍之內(nèi)是一種技術(shù)優(yōu)勢，更有利于無線充電傳輸技術(shù)在消費(fèi)類市場上的推廣。

圖2.使用鐵氧體屏蔽材料，屏蔽了磁場輻射

圖3.磁共振無線充電支持松耦合，空間自由度更大

近期MI雙標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)

在短期內(nèi)，兩種競爭MI標(biāo)準(zhǔn)：Qi和PMA的同時(shí)存在有可能阻礙公共使用無線充電技術(shù)的快速部署，例如，機(jī)場、咖啡吧和娛樂場所等地點(diǎn)的無線充電臺、熱點(diǎn)桌和工作臺等。它們都是可行的，性能也可靠，因此，看起來都能夠部署在公共無線充電熱點(diǎn)。理論上，這會導(dǎo)致手持式設(shè)備人員到處尋找與其設(shè)備兼容的某一無線充電接入點(diǎn)。這無疑會讓消費(fèi)者感到心煩，其應(yīng)用就會大打折扣。

IDT是開發(fā)無線充電解決方案的一家公司，認(rèn)識到了這一問題，開發(fā)無線充電接收器IC來解決這一問題，單片雙模式接收器解決方案消除了傳輸標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性障礙。去年，IDT推出了業(yè)界集成度最高的發(fā)射器IC解決方案，今年，他們推出了第一款雙模式接收器解決方案。采用這些解決方案，移動設(shè)備和附件OEM不需要生產(chǎn)多種型號的產(chǎn)品，從而降低了成本，拓展了市場銷售空間。OEM使用通用電路布板，只需要一張材料表(BOM)，從而減小了產(chǎn)品體積。

結(jié)論

無線充電是一項(xiàng)令人激動的新技術(shù)，使得移動電話能夠一直保持工作，進(jìn)一步促進(jìn)了移動電話革命。通過專用產(chǎn)品充電適配器和麻煩的導(dǎo)線對電池充電非常不方便，是便攜式通信和計(jì)算最薄弱的一環(huán)。現(xiàn)在，快速發(fā)展的無線充電輔助支撐系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模，今后有一天，我們會把適配器和線纜留在家里，最終徹底拋棄它們。

MR和MI技術(shù)各有特色，能夠滿足各種不同的無線充電應(yīng)用，都有未來發(fā)展空間。在這些方法中，競爭標(biāo)準(zhǔn)是有好處的，因?yàn)檫@有助于推動創(chuàng)新，但是，消費(fèi)者感受到的困惑和挫折感卻是很大的風(fēng)險(xiǎn)。MI雙模式接收器技術(shù)能夠自動在無線充電標(biāo)準(zhǔn)之間無縫切換便攜式設(shè)備，從而避免了復(fù)雜而又麻煩的應(yīng)用場景問題。