在無線充電的變革中容納新產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

　　引言

　　無線充電技術(shù)是電子產(chǎn)業(yè)中增長(zhǎng)顯著的領(lǐng)域，并使范圍廣泛的應(yīng)用得到提升。消費(fèi)者對(duì)于電池供電便攜式電子設(shè)備的絕對(duì)需求以及這些設(shè)備不斷充電的不便驅(qū)動(dòng)了無線充電技術(shù)的銷量增長(zhǎng)。業(yè)界推出的能夠進(jìn)行無線充電的便攜式設(shè)備已經(jīng)在快速增長(zhǎng)，隨著這種增長(zhǎng)趨勢(shì)的繼續(xù)，無線充電將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，也將是便攜式設(shè)備使用的一個(gè)常態(tài)。

　　由于開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、解決方案小型化和低成本等要求，磁感應(yīng)(MI)和磁共振(MR)是目前消費(fèi)電子市場(chǎng)的兩種主要無線充電傳輸技術(shù)。MI采用緊密的磁耦合，目前具有較高的電力傳輸能力、易于設(shè)計(jì)、高效率等特性，而MR則具有更大的空間自由度，每個(gè)發(fā)射臺(tái)支持多個(gè)接收設(shè)備，在近場(chǎng)金屬物體上的熱積累較小。在MI領(lǐng)域有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟(WPC)的‘Qi’標(biāo)準(zhǔn)，以及Power Matters Alliance(PMA，功率關(guān)鍵聯(lián)盟)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于當(dāng)今基于MI的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)人員，這便產(chǎn)生了一個(gè)是要與Qi兼容，還是與PMA兼容，或者與兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都兼容的問題。MR領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)主要由A4WP(無線充電聯(lián)盟)主導(dǎo)。兼容Qi或者PMA標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品目前已經(jīng)上市，預(yù)計(jì)明年會(huì)出現(xiàn)基于A4WP的產(chǎn)品。本文將回顧無線充電技術(shù)的進(jìn)展以及相關(guān)的MI和MR技術(shù)，還將討論當(dāng)今的MI無線充電接收器IC芯片制造商如何幫助克服MI技術(shù)的雙重標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)。

　　快速發(fā)展的無線充電世界

　　在我們?nèi)粘€(gè)人生活和商業(yè)活動(dòng)的許多方面，通過有線連接進(jìn)行充電和數(shù)據(jù)傳輸有很多難以回避的不便之處。無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問已經(jīng)相當(dāng)普遍，而類似輕松的無線充電卻沒能實(shí)現(xiàn)。外出旅行時(shí)，要帶上笨重的電源插座、電纜和適配器，然后到處去找“公共”電源去充電，這是經(jīng)常遇到的煩惱。

　　如果一個(gè)廣泛的無線充電生態(tài)系統(tǒng)得以建成，移動(dòng)手機(jī)將會(huì)受益最多，這主要由于以下幾個(gè)原因。大尺寸和高亮度顯示屏、功能強(qiáng)大的多核處理器、電路板上的多個(gè)射頻、需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用、以及新的生物應(yīng)用等會(huì)導(dǎo)致一天要多次對(duì)手機(jī)充電，消費(fèi)者同時(shí)要求更輕、更薄的設(shè)備。然而，鋰電池的功率密度并沒有隨之相應(yīng)地提高。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(目前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)手機(jī)。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商也希望能夠?qū)σ苿?dòng)設(shè)備不斷進(jìn)行充電，以便用戶可以不停地消耗無線數(shù)據(jù)流量，因此，它們?cè)诤芊e極地推動(dòng)建設(shè)無線充電生態(tài)系統(tǒng)。

　　把移動(dòng)設(shè)備放在支持無線充電的設(shè)備表面進(jìn)行隨時(shí)隨地?zé)o線充電，這要求發(fā)射臺(tái)無處不在，在一些領(lǐng)域已經(jīng)開始建設(shè)這種基礎(chǔ)設(shè)施。用于家庭和辦公室的Qi和PMA發(fā)射臺(tái)目前已經(jīng)以多種形款面市。在豐田和克萊斯勒等汽車公司的新款汽車中已經(jīng)設(shè)置了Qi發(fā)射器，更多新車款和新型號(hào)以及大量的售后汽車解決方案也將會(huì)提供類似功能。PMA正在迅速地簽署一些合作伙伴，他們有興趣在餐館、零售店、飯店以及其他場(chǎng)合部署無線充電生態(tài)系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)，從而吸引更多的消費(fèi)者，并有可能帶來更多的收益。例如，星巴克的“Never Powerless(不會(huì)沒電)”項(xiàng)目去年首先在美國(guó)波士頓開始實(shí)施，已經(jīng)擴(kuò)展到在硅谷地區(qū)建設(shè)新站，中期計(jì)劃是在美國(guó)提供1百多萬個(gè)充電點(diǎn)。[1]

　　在建設(shè)發(fā)射站生態(tài)系統(tǒng)的過程中，那些能夠支持多種無線充電標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)設(shè)備獲益最多。IMS最近的研究報(bào)告突出闡述了IDT等公司推出的模擬和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，以及市場(chǎng)對(duì)于無線充電技術(shù)不斷增長(zhǎng)的需求。報(bào)告認(rèn)為今后幾年無線充電技術(shù)出貨量將呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)的局面，2016年出貨量會(huì)超過3億，2018年出貨量會(huì)達(dá)到10億。從2011年一個(gè)幾乎不存在的市場(chǎng)起步，這代表了一個(gè)非常強(qiáng)勁的增長(zhǎng)速度。[1]

　　圖1：無線充電將使移動(dòng)手機(jī)等便攜式設(shè)備的使用更加方便，不再需要攜帶多個(gè)專用設(shè)備充電器和電纜

　　磁感應(yīng)和磁共振

　　磁感應(yīng)技術(shù)(Qi和PMA)是首先面市的，并主導(dǎo)最初的無線充電市場(chǎng)。但是，磁共振(A4WP)相對(duì)于MI也有一些真正的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然也面臨一些挑戰(zhàn)。A4WP 工作在6.78MHz的固定頻率，而Qi則工作在110-205KHz頻率范圍。很明顯，依據(jù)法拉第的電感定律，A4WP的松散耦合因子(位置更靈活)其充電傳輸效率更高。頻率越高以及線圈電壓越高可使接收線圈更小更薄，這樣可使移動(dòng)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)。工作在較高頻率下的另一好處是，由于發(fā)射臺(tái)表面渦流很小，因此，其外部附近金屬物體的熱積累也很小。這也意味著，待充電設(shè)備(如電池)中存在的金屬不會(huì)積熱。A4WP標(biāo)準(zhǔn)使用了雙向藍(lán)牙®低功耗(Bluetooth® Low Energy ，BLE)帶外信號(hào)與待充電設(shè)備進(jìn)行通信和對(duì)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。相比之下，Qi和PMA使用負(fù)載調(diào)制單向帶內(nèi)通信方法，把電源調(diào)節(jié)信息傳送回發(fā)射器。Qi標(biāo)準(zhǔn)的方法簡(jiǎn)單，成本低，但僅能應(yīng)對(duì)一個(gè)接收器，僅僅限于低速通信，容易受到系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI影響。

　　MR實(shí)施起來會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)，但這些正在被解決，產(chǎn)品解決方案也正在被優(yōu)化以滿足大批量應(yīng)用市場(chǎng)的需要。MR接收器采用高Q因子的LC諧振腔設(shè)計(jì)，并直接工作在共振頻率上。MR的挑戰(zhàn)是在溫度和電壓變化時(shí)，如何對(duì)諧振腔進(jìn)行微調(diào)使其保持在固定共振頻率上。在出現(xiàn)頻率漂移時(shí)，效率會(huì)隨之下降。MI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單一些，這是因?yàn)樗偸枪ぷ髟诠舱耦l率之上，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，但所需要的線圈成本卻很低。無需屏蔽的MR接收線圈也很小，其繞線也要比MI線圈細(xì)小，因此，該關(guān)鍵器件的成本應(yīng)較低。

　　無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射是消費(fèi)者關(guān)心的一個(gè)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)方面，MI是緊耦合系統(tǒng)，意味著發(fā)射和接收線圈直接彼此接觸以支持MI充電傳輸，也正是這種排列方式允許線圈頂部和底部直接使用鐵氧體屏蔽層(見圖2)。這些鐵氧體屏蔽層有兩種作用：首先，通過使鐵氧體屏蔽層更靠近線圈，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是松散耦合系統(tǒng)，接收器距離發(fā)射器會(huì)有數(shù)十厘米遠(yuǎn)(見圖3)，因此，鐵氧體屏蔽層不具有MI方案中那樣的優(yōu)勢(shì)。把輻射水平保持在安全范圍之內(nèi)是技術(shù)發(fā)展的一部分，也有利于無線充電技術(shù)在消費(fèi)類市場(chǎng)的推廣。

　　圖2：磁場(chǎng)大多是使用鐵氧體屏蔽材料來控制

　　圖3：磁共振無線充電允許松散耦合和較大的空間自由度

　　近期MI雙標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)

　　在近期內(nèi)，一個(gè)潛在的問題可能抑制無線充電臺(tái)、熱點(diǎn)桌和工作臺(tái)等在機(jī)場(chǎng)、咖啡吧和娛樂場(chǎng)所等地的快速部署，那就是兩種互相競(jìng)爭(zhēng)的MI標(biāo)準(zhǔn)：Qi和PMA。兩種技術(shù)都是可行的，都可提供可靠的性能，因此，都可能部署在公共無線充電熱點(diǎn)場(chǎng)合。理論上講，這會(huì)導(dǎo)致手機(jī)用戶必須尋找與其設(shè)備兼容的某個(gè)無線充電接入點(diǎn)。這無疑會(huì)讓消費(fèi)者感到失望，由此可能降低其被采納的程度。

　　作為一家開發(fā)無線充電解決方案的公司，IDT已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了上述問題，并已通過開發(fā)無線充電接收器IC來解決這一問題。IDT開發(fā)的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，IDT公司又發(fā)布了第一款雙模接收器解決方案。采用這些解決方案，移動(dòng)設(shè)備和附件OEM不需要為不同標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)多種型號(hào)的產(chǎn)品，從而降低了成本，也得以擁有更廣闊的市場(chǎng)空間。OEM現(xiàn)在只需要一個(gè)物料成本表(BOM)，使用一個(gè)通用的電路板布局，從而降低了應(yīng)用的資源占用。

　　結(jié)束語

　　無線充電是一項(xiàng)令人激動(dòng)的新技術(shù)，它通過使移動(dòng)手機(jī)具有更多的工作時(shí)間從而進(jìn)一步促進(jìn)移動(dòng)手機(jī)的變革。通過專用產(chǎn)品充電適配器和笨重的電線對(duì)電池充電已經(jīng)證明非常不方便，這或許是移動(dòng)通信和計(jì)算最薄弱的一環(huán)?，F(xiàn)在，隨著快速發(fā)展的無線充電生態(tài)系統(tǒng)初具規(guī)模，可以預(yù)期有一天我們會(huì)把適配器和線纜留在家里，并最終完全不再需要這些。

　　MR和MI技術(shù)各有特色，能夠滿足不同的無線充電應(yīng)用要求，都有未來發(fā)展空間。在所有這些不同技術(shù)中，互相競(jìng)爭(zhēng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有好處，因?yàn)檫@有助于推動(dòng)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雙模接收器技術(shù)能夠使便攜式設(shè)備自動(dòng)地在不同無線充電標(biāo)準(zhǔn)之間無縫切換，從而避免了上述復(fù)雜而又不滿意的應(yīng)用場(chǎng)景問題出現(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn):

　　1. 功率關(guān)鍵聯(lián)盟(Power Matters Alliance)網(wǎng)站文章: “Duracell Powermat與星巴克在硅谷地區(qū)拓展無線充電” http://www.powermatters.org/menuless/292-duracell-powermat-and-starbucks-expand-wireless-charging-in-silicon-valley-area