無(wú)線供電解決方案

英國(guó)一家公司Splash power推出一款利用電磁感應(yīng)原理的手持式設(shè)備無(wú)線充電器。主機(jī)Splash Pad是一個(gè)經(jīng)久耐用、鼠標(biāo)墊大小充電座，另一個(gè)部件是安置在PDA或手機(jī)內(nèi)的Splash Module。圖5是它的原理圖。當(dāng)設(shè)備放置在Splash Pad上時(shí)，Splash Module有效地從充電器吸收能量，為設(shè)備中的電池充電。Splash Module可按產(chǎn)生的電功率要求、空間大小和形狀定制，直接整合在設(shè)備中，或作為一個(gè)附件使用。它的優(yōu)點(diǎn)是：
 
圖5 Splashpower系統(tǒng)示意圖

.高效率接收器，符合設(shè)備充電協(xié)議。

.實(shí)時(shí)、合理的檢測(cè)器，防止充電器誤用。

.自動(dòng)處于低功率狀態(tài)，符合歐洲EnergyStar準(zhǔn)則。

.可縮放的磁芯體拓?fù)洌С帜壳暗暮臀磥?lái)的產(chǎn)品市場(chǎng)。

電磁感應(yīng)還被用來(lái)為MEMS器件供電。MEMS器件，尤其是內(nèi)置執(zhí)行器的微型器件對(duì)電源有特殊要求，這里無(wú)線供電就顯示出它的優(yōu)越性，沒(méi)有物理限制，高電壓和高功率可能性。實(shí)驗(yàn)采用類似于鐵氧體變壓器結(jié)構(gòu)形式，初級(jí)線圈繞在磁芯上，次級(jí)級(jí)圈則制作在硅片上，由于次級(jí)線圈是分離的，磁芯一臂留有空隙，以便芯片放置在其中。變壓器的具體參數(shù)列于表1。

上面已提及，變壓器的耦合系數(shù)是個(gè)重要參數(shù)，其效率直接與它有關(guān)。就目前這種結(jié)構(gòu)而言，效率肯定要打折扣。為了提高優(yōu)值，初級(jí)線圈的繞制方法十分關(guān)鍵。圖6列舉了三種繞制方法，初級(jí)繞在磁芯的主臂上，初級(jí)繞在磁芯副臂的一側(cè)，初級(jí)分別繞制在磁芯空隙的兩側(cè)。圖6下面示出了三種繞制方法的實(shí)測(cè)耦合系數(shù)，可以看出，第三種繞制方法有較高的效率。實(shí)際使用2mm空隙，效率可達(dá)80%。芯片上的寄生電容限制了變壓器工作頻率在幾個(gè)MHz，產(chǎn)生的電壓可達(dá)223.4Vpp，功率達(dá)4.5Wrms。
 
圖6 三種繞制方法及其相應(yīng)的耦合系數(shù)

非輻射性諧振磁耦合方案

麻省理工學(xué)院(MIT)以Marin Solijacic為首的研究團(tuán)隊(duì)首次演示了燈泡的無(wú)線供電技術(shù)，他們從6英尺的距離成功地點(diǎn)亮了一個(gè)60W燈泡。這個(gè)實(shí)驗(yàn)立即引起了人們的極大關(guān)注并進(jìn)行了廣泛的報(bào)道。演示裝置包括直徑為3英尺的匹配銅線圈，以及與電源相連的工作頻率在兆赫范圍的傳輸線圈。接收線圈在非輻射性磁場(chǎng)內(nèi)部發(fā)生諧振，并以相同的頻率振蕩，然后有效地利用磁感應(yīng)來(lái)點(diǎn)亮燈泡。他們還發(fā)現(xiàn)，既使兩個(gè)諧振線圈間有障礙物存在時(shí)，也能讓燈泡繼續(xù)發(fā)光。

這項(xiàng)稱為Witricity的無(wú)線供電技術(shù)，關(guān)鍵在于非輻射性磁耦合的使用，兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合。普通的磁耦合被用于短距離范圍，它要求被供電或充電的設(shè)備非?？拷袘?yīng)線圈，因?yàn)榇艌?chǎng)能量會(huì)隨距離的增加而迅速衰減，因而在傳統(tǒng)的磁感應(yīng)中，距離只能通過(guò)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)增加。與此不同，Witricity使用匹配的諧振天線，可使磁耦合在幾英尺的距離內(nèi)發(fā)生，而不需要增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。電磁波無(wú)線功率傳輸雖然有較長(zhǎng)的傳輸距離，但傳輸?shù)墓β手挥袔孜⑼叩綆缀镣?。該團(tuán)隊(duì)在成功地點(diǎn)亮燈泡后，準(zhǔn)備通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)裝置來(lái)演示以無(wú)線方式對(duì)筆記本電腦進(jìn)行供電(圖7)。電能通過(guò)導(dǎo)線1輸送至10MHz諧振線圈天線2，“能量尾巴”3到達(dá)6.5英尺外的接收線圈，接收線圈4以相同頻率諧振，接收的電能經(jīng)耦合匹配，整流后供筆記本電腦使用。來(lái)傳輸電能5駐留在諧振場(chǎng)中，不像輻射電磁波將很多電能浪費(fèi)在輻射空間中。
 
圖7 Witricity無(wú)線供電裝置示意圖

MIT研究人員認(rèn)為，他們發(fā)現(xiàn)的是一種全新的無(wú)線供電方法，非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)。例如在微波波段，一個(gè)號(hào)角波導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)衰減(Evanescent)電磁波，倘若接收波導(dǎo)支持相應(yīng)效率的電磁波模式，即衰減場(chǎng)傳播波模式，能量就從一個(gè)媒體以隧道方式傳輸至另一個(gè)媒體。換句話說(shuō)，衰減波耦合是隧道效應(yīng)在電磁場(chǎng)中的具體體現(xiàn)。在本質(zhì)上，這個(gè)過(guò)程與量子隧道效應(yīng)相同，只是電磁波替代了量子力學(xué)中的波函數(shù)。這個(gè)方法也稱為共振感應(yīng)耦合，以區(qū)別于普通電磁感應(yīng)耦合，它使用單層線圈，兩端放置一個(gè)平板電容器，共同組成諧振回路，減少能量的浪費(fèi)。

當(dāng)然，也有研究人員認(rèn)為，MIT的實(shí)驗(yàn)可用電磁波近距離(在波長(zhǎng)的范圍內(nèi))輻射原理來(lái)解釋，此前已有類似的技術(shù)，比如無(wú)源RFID標(biāo)簽。諧振耦合雖能增加傳輸距離，但因增加了一個(gè)電容器，從而也增加了體積。此外，諧振回路有一個(gè)重要參數(shù)品質(zhì)因子，高品質(zhì)因子表明諧振時(shí)能量損耗少，另一方面，高品質(zhì)因子意味著諧振帶寬窄，會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。除了上述因素，還要考慮：

.安全性：人們佩帶的金屬質(zhì)項(xiàng)圈、項(xiàng)鏈等也是一個(gè)環(huán)形線圈，在某些場(chǎng)合若形成諧振回路會(huì)影響系統(tǒng)工作，也存在一些不安全因素。

.串?dāng)_：串?dāng)_是同一個(gè)場(chǎng)所內(nèi)各種電磁波間不希望有的耦合。這個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)實(shí)存在的，應(yīng)予以關(guān)注和解決。

.效率：線圈之間的耦合有極強(qiáng)的方向性。平行時(shí)耦合強(qiáng)，垂直時(shí)幾乎沒(méi)有耦合，被供電設(shè)備的放置會(huì)對(duì)效率有很大影響。

結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要地介紹了無(wú)線供電的幾種常用方案以及相關(guān)的一些產(chǎn)品。在所涉及的方案中，MIT研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)以及他們所論述的原理引起了人們極大的關(guān)注。人們期待無(wú)線供電技術(shù)有新的突破，就目前情況而論，該項(xiàng)技術(shù)還處于探索階段，雖然已有一些初級(jí)產(chǎn)品，在實(shí)用化、普及化之前，還有大量的工作要做，存在的問(wèn)題也有待解決。(東華)