小功率無線電源及相關(guān)方案

引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種便攜式電子產(chǎn)品越來越多，現(xiàn)代的無線技術(shù)使它們變得越來越輕便，越來越容易聯(lián)網(wǎng)，似乎把數(shù)字時代迅速地發(fā)展到了無線時代，然而電源線妨礙了我們進入這個無線時代。

在 現(xiàn)實生活中，每個電子產(chǎn)品都有一個與之匹配的充電器，每年全球設(shè)計、生產(chǎn)、使用、制造、運輸乃至回收數(shù)以十億計算的電源適配器引發(fā)了一系列的問題，既增加 產(chǎn)品的成本，又浪費資源、不利于環(huán)保，給使用者帶來了相當大的困惑。具有統(tǒng)一標準的無線電源技術(shù)能夠方便地解決這一系列的問題。

1、無線電源技術(shù)現(xiàn)狀

無 線電源技術(shù)是一種利用無線電技術(shù)傳輸電力能量的新技術(shù)，電能可以無接觸地傳輸給負載。早在20世紀70年代美國就有相當多的人在研究這個問題了，但國 內(nèi)研究的人極少。2008年12月17日，由Convenient Power Limited、Fulton Innovation LLC、Logitech SA、國家半導體、奧林巴斯、飛利浦、三洋、桑菲電子和德州儀器等公司成立了全球首個推動無線充電技 術(shù)標準化的無線電源聯(lián)盟（Wireless PowerConsortium，簡稱WPC），之后三星和諾基亞也加入到這個聯(lián)盟。2009年1月，全球無線電源聯(lián)盟首次會議在香港科學園召開，并 啟動了提高電子產(chǎn)品充電便利性的最新全球計劃。2010年7月23日，該聯(lián)盟制定了Qi標準，確定了低功率（不超過5W）技術(shù)規(guī)范，定義了界面規(guī) 范、測試程序以及最低性能，2010年8月14日認證了第一批產(chǎn)品。2010年8月31日，WPC將Qi標準正式引入中國，并開始了在國內(nèi) 的推廣，之后WPC陸續(xù)在香港和歐美多個城市，舉辦了標準發(fā)布活動。目前Qi標準已被WPC的126家行業(yè)領(lǐng)先成員公司支持并采用，其中有30%是 中國公司，包括海爾、華為和桑菲通信等。

2、無線電源技術(shù)原理

無 線電源技術(shù)是一種利用無線電傳輸電力能量的技術(shù)，它要求傳輸效率盡可能高，傳輸功率盡可能大，這樣才能滿足對電力的需求。其研究應用領(lǐng)域涉及廣泛，傳輸功 率相差較大，小到用于生物移植的幾十毫瓦、小型設(shè)備幾十瓦功率，大到電動汽車或運動機器人的上千瓦功率以及磁懸浮列車應用的上兆瓦功率。目前存在三種解決 技術(shù)：電磁感應技術(shù)、無線電波技術(shù)和電磁共振技術(shù)。

2.1、電磁感應技術(shù)

此 技術(shù)類似電力系統(tǒng)中常用的變壓器技術(shù)。在變壓器的原邊通入交變電流，副邊由于電磁感應原理會產(chǎn)生感應電動勢，若副邊電路連通，即可出現(xiàn)感應電流，其方向遵 從楞次定律，大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對于無線電源而言，變壓器的原邊相當于電源發(fā)射線圈，副邊相當于電源接收線圈，這樣就可以實現(xiàn)電能從發(fā)射線 圈到接收線圈的無線傳輸。這種非接觸式無線電力傳輸方式制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可靠、傳輸功率可從幾瓦到幾百瓦。

但是傳送距離小于1cm，被充電產(chǎn)品必須置于充電器附近，充電器必須具備對被充電產(chǎn)品進行辨識的能力，否則會向附近任意金屬傳輸能量，導致其發(fā)熱并產(chǎn)生危險。

2.2、電磁共振技術(shù)

這 種技術(shù)基于電磁共振耦合原理，需要的發(fā)射和接收兩個共振系統(tǒng)可分別由感應線圈制成。通過調(diào)整發(fā)射頻率使發(fā)射端以某一高頻率振動，其產(chǎn)生的不是彌漫于各處的 普通電磁波，在兩個線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發(fā)射端頻率相同，因而發(fā)生了共振。隨著每一次共振，接收端感應器中會有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng) 過多次共振，感應器表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電能的無線傳輸。這種非接觸式無線 電力傳輸方式傳輸功率可達幾千瓦、傳送距離可達3~4米，但是必須對所需頻率進行保護，在幾米范圍內(nèi)進行傳輸需要幾MHz到幾百MHz的頻率。

2.3、無線電波技術(shù)

這種技術(shù)是利用微波或激光形式來實現(xiàn)電能的遠程傳輸，系統(tǒng)由電磁波發(fā)生器、發(fā)射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設(shè)備和有線電網(wǎng)組成。

電 磁波發(fā)生器是微波源或激光器，把電源傳送的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β?、高頻的電磁波，饋送給發(fā)射天線；發(fā)射天線將電磁波發(fā)送出去；接收天線收集電磁波的能量并輸入 高頻電磁波整流器，產(chǎn)生的高壓直流電經(jīng)逆變后送入有線電網(wǎng)。這種非接觸式無線電力傳輸方式傳送距離可達10m，但是傳輸功率?。ㄗ罡?00mW）、功效 低，發(fā)射器無線電波發(fā)送的大量功率以無線電波的方式被浪費掉。

3、目前小功率無線電源技術(shù)解決方案

3.1、TI公司無線電源技術(shù)解決方案

2011年 德州儀器（TI）推出業(yè)界首款符合Qi標準的5V無線電源解決方案，可保證與其他滿足Qi標準器件的互操作性。該方案是由無線電源發(fā)送器 （bq500210/bq500110，bq500210的數(shù)字解調(diào)信號處理技術(shù)與bq500110模擬解調(diào)電路系統(tǒng)相比，可大幅減少總體系統(tǒng)組件） 和無線電源接收器（bq51013/bq51011） 兩部分組成。此器件不但提供AC/DC電源轉(zhuǎn)換，同時還集成符合Qi通信協(xié)議標準所需的數(shù)字控制功能。bq5101x接收器與bq500x10發(fā) 送器控制器相結(jié)合，可為無線電源解決方案實現(xiàn)完整的非接觸式電源傳輸系統(tǒng)。嵌入在便攜式設(shè)備中的接收器線圈采用近場感應電源傳輸，可通過相互耦合的電感器 接受發(fā)送器發(fā)送的電源，可支持高達5W的應用。bq5101x接收器集成了一個低阻抗完全同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器、數(shù)字控制和精確電壓與電流環(huán)路， 整個功率級均采用低電阻NMOSFET技術(shù)確保高效率與低功耗。TI無線電源系統(tǒng)框架如圖一所示。

圖一：TI無線電源系統(tǒng)框架

3.2 IDT公司無線電源技術(shù)解決方案

2012年，IDT（Integrated Device Technology）公司推出全球首個真正的單芯片無線電源發(fā)送器和業(yè)界最高輸出功率的單芯片接收器解決方案。與現(xiàn)有解決方案相比，IDT的高集成多 模式發(fā)送器可減少80%的板面積和50%的解決方案材料清單成本。更多功能的多模式接收器輸出功率為通常使用解決方案的兩倍，可將充電時間縮減一半。

IDTP9030和IDTP9020提供了無線電源發(fā)送器和接收器解決方案，專為滿足無線充電聯(lián)盟的Qi標準而設(shè)計，可保證與其他滿足Qi標準器 件的互操作性。發(fā)送器和接收器均能夠進行“多模式”操作，可支持Qi標準和專用格式，以增加功能、改進安全和提高功率輸出能力。內(nèi)置的協(xié)議檢測可實現(xiàn) Qi與專用模式間的動態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)平穩(wěn)過渡和可靠的用戶體驗。這些器件可用于大量移動應用，以進行便利和輕松的電池充電。IDTP9030是如今集 成度最高的無線電源發(fā)送器。它將大量分立元件的特征和功能結(jié)合成一個簡單、具有成本效益且高效的解決方案。集成最大程度地將應用面積和元件數(shù)量降至最低， 讓客戶可以設(shè)計和部署更多緊湊的、具有成本效益和交通便利的無線充電站。IDTP9020是一個高效率的單芯片無線電源接收器。在Qi模式時，該器件 為系統(tǒng)傳遞高達5W的功率。當與IDTP9030發(fā)送器在專用配置使用時，它可傳遞高達7.5W的功率，讓器件適用于強大的移動器件。

IDTP9020和IDTP9030還擁有專利的多層次異物檢測（FOD），利用精密的多參數(shù)算法以保證高水平的安全，同時避免FOD誤報。 IDT的解決方案擁有過溫、過壓和過流保護，可提供市場上最全面的保護功能，從而保證安全和可靠的操作。此外，當不能使用無線充電站時，接收器還可支持 USB電纜充電，在移動設(shè)備中不再需要USB適配器轉(zhuǎn)換器。TI無線電源系統(tǒng)框架如圖二所示。

圖二：TI無線電源系統(tǒng)框架

4、小功率無線電源技術(shù)發(fā)展前景

無 線電源系統(tǒng)是采用無線充電技術(shù)充電的系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的相比有以下優(yōu)點：（1）形成一個便攜式消費電子產(chǎn)品充電的通用平臺；（2）減少了生產(chǎn)和制造包裝傳統(tǒng)充 電器的資源能量消耗以及運輸這些傳統(tǒng)充電器的交通運輸?shù)哪芰肯?；?）減少了大量的廢棄的、有毒的、不能生物分解的充電器形成的電子垃圾；（4）減少處 理、清潔這些廢棄的傳統(tǒng)的充電器形成的電子垃圾的人力、資源和能量的消耗。

小功率無線電源傳輸?shù)男枨笄熬胺浅Ｃ骼剩琎i標準已開始得到廣泛 采用，無線電源充電技術(shù)正在向著成為主流技術(shù)的方向前進，該技術(shù)將會無處不在。據(jù)無線充電聯(lián)盟內(nèi)部統(tǒng)計，未來幾年中無線充電技術(shù)將在手提電話、 PMP/MP3播放器、數(shù)字照相機、筆記本電腦等產(chǎn)品領(lǐng)域得到快速應用。2013年全球無線充電潛在市場容量接近140億美元，到2014年無線 電源充電解決方案市場將增長70倍，接收器的出貨量將達到2.4億臺。支持無線充電功能的設(shè)備將由2012年的500萬部增至2015年的1億 部以上。根據(jù)研究公司Pike的報告，到2020年，整個無線充電行業(yè)的產(chǎn)值將比2012年翻三番，達150億美元。

5、結(jié)束語

無 線電源技術(shù)真正的商業(yè)化于我們的生活才剛剛開始，具有巨大的市場潛力。到目前為止，盡管很多知名的大公司已經(jīng)成立了無線電源聯(lián)盟，但是無線電源作為一種相 當新的技術(shù)，它必將引起消費者對安全問題的擔憂。一般而言，電磁輻射和安全性將成為最重要的問題。因此，該技術(shù)必須消除與最終用戶安全性有關(guān)的所有疑問， 圍繞無線電源技術(shù)建立一個良好運轉(zhuǎn)的生態(tài)系統(tǒng)，促使該技術(shù)成為主流。