隨著移動(dòng)設(shè)備制造商慢慢將無(wú)線充電技術(shù)融入設(shè)備，無(wú)線充電正在成為一個(gè)熱門話題。 無(wú)線充電的概念很簡(jiǎn)單：用振蕩電磁場(chǎng)勵(lì)磁的線圈感應(yīng)近距離次級(jí)線圈中的電流。 在最佳條件下，充電過(guò)程很高效，并且可以很方便地傳輸數(shù)十瓦功率。 問(wèn)題在于，設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到有兩種看似互為競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線充電方法，他們需要解決這一問(wèn)題。
給消費(fèi)者帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)同樣簡(jiǎn)單，易于掌握。 廣泛采用無(wú)線充電技術(shù)帶來(lái)的便利類似于無(wú)處不在的無(wú)線連接。 智能手機(jī)和平板電腦用戶可以將他們的移動(dòng)設(shè)備放在書桌、工作臺(tái)或咖啡館桌面上快速充電，而無(wú)需擔(dān)心要攜帶電壓適配器或?qū)ふ译娫床遄?/p>
然而，從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，無(wú)線充電是團(tuán)迷霧。 目前有兩種替代技術(shù)，而且有兩個(gè)（之前是三個(gè)）對(duì)立的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。 這兩個(gè)對(duì)立的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都推崇這兩種技術(shù)。 競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于可以讓他人辯論（幾大消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商都加入了兩個(gè)聯(lián)盟，兩面下注），此外，根據(jù)以往的標(biāo)準(zhǔn)沖突來(lái)看，最終的結(jié)果很可能是進(jìn)行整合。 然而，替代技術(shù)很值得深入分析。 結(jié)果表明，它們是互補(bǔ)而不是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)人員兩種技術(shù)都要熟悉，才能確保為應(yīng)用做出最佳的選擇。 本文旨在加深設(shè)計(jì)人員對(duì)這兩種技術(shù)的了解。
需要效率？ 選擇感應(yīng)式
著名的塞爾維亞裔美籍工程師 Nikola Tesla 在其開(kāi)創(chuàng)性的無(wú)線電能傳輸研究中，探索出了如今適用的基本原理。 Tesla 研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線環(huán)中的交流電流所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，會(huì)反過(guò)來(lái)感應(yīng)附近次級(jí)線圈中的交流電流。 對(duì)次級(jí)線圈加負(fù)載，可以使感應(yīng)到的交流電流做有用功（例如給電池充電）。
初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)大致相等地向每個(gè)方向輻射，因此，磁通量會(huì)隨距離增大會(huì)迅速下降（遵循平方反比定律）。 因此，次級(jí)線圈必須放置在盡可能靠近初級(jí)線圈的位置來(lái)截取最多的磁通量。 另外，次級(jí)線圈截取的能量與其暴露在磁場(chǎng)的截面成比例。 最佳橫截面由與初級(jí)線圈尺寸相同的次級(jí)線圈決定，這兩個(gè)線圈平行且對(duì)齊，兩者之間的垂直間隔僅數(shù)十個(gè)毫米。 各線圈的間隔、對(duì)齊和尺寸決定了對(duì)能量傳輸效率有顯著影響的“耦合系數(shù)”。 完美耦合，即截取初級(jí)線圈產(chǎn)生的所有磁通量，其耦合系數(shù)為 1。 實(shí)際緊耦合系統(tǒng)的耦合系數(shù)通常為 0.3 到 0.6（見(jiàn)圖 1）。
圖 1： 緊耦合感應(yīng)式無(wú)線充電器采用近距離充分對(duì)齊且尺寸相同的線圈，最大限度地提高效率。 （圖片來(lái)源：無(wú)線充電聯(lián)盟）
對(duì)無(wú)線充電有所涉獵的工程師可能對(duì)無(wú)線充電聯(lián)盟 (WPC) 推崇的 Qi 規(guī)范最熟悉不過(guò)了。 Qi 率先致力于更成熟的感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)并推廣應(yīng)用到智能手機(jī)中，從而領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)。
市場(chǎng)上的許多手機(jī)都融合了 Qi 技術(shù)，一些廠商已經(jīng)推出兼容的無(wú)線充電板。 無(wú)線電源聯(lián)盟 (A4WP) 和電源事務(wù)聯(lián)盟 (PMA) — 2015 年六月合并為 AirFuel 聯(lián)盟 — 也發(fā)布了感應(yīng)式無(wú)線充電規(guī)范。 WPC 和 AirFuel 聯(lián)盟的感應(yīng)式無(wú)線充電規(guī)范之間唯一真正的區(qū)別在于傳輸頻率，以及用于與設(shè)備通信和控制電源管理的連接協(xié)議。
最新的 Qi 規(guī)范 (v1.2.2) 需要用到兩種設(shè)備：一個(gè)充電基站和待充電設(shè)備（見(jiàn)圖 2）。 基站通常有一個(gè)平坦表面，用戶可以在其上放置一個(gè)或多個(gè)手機(jī)。 為了最大限度提高效率，用戶或采用“對(duì)齊輔助”（較為簡(jiǎn)單的方法如在基站上做標(biāo)記，較為復(fù)雜的方法如使用磁鐵），或?qū)⑹謾C(jī)放在多線圈基站的某處，希望其中一個(gè)線圈與手機(jī)中的線圈正好對(duì)齊。 無(wú)論哪種情況，手機(jī)都必須平放在基站表面，使線圈平行于基站表面且兩者之間的間隔小于 10 mm。
圖 2： Qi 無(wú)線充電系統(tǒng)的基本系統(tǒng)配置。 電能發(fā)射器（安裝在基站中）包括兩個(gè)主要功能裝置 — 一個(gè)電源轉(zhuǎn)換裝置，以及一個(gè)通信和控制裝置。 初級(jí)線圈是電源轉(zhuǎn)換裝置的一部分。 控制和通信裝置將傳輸?shù)碾娔苷{(diào)節(jié)到功率接收器要求的水平。 （圖片來(lái)源：英文維基百科上的 Menno WPC，CC BY 3.0，Wikipedia.org 上的 Commons）
Qi 規(guī)范要求“低功耗”Qi 充電器的初級(jí)線圈交流頻率在 110 到 205 kHz 之間（高達(dá) 5 W），而“中等功率”充電器為 80 到 300 kHz（高達(dá) 120 W）。 該技術(shù)還有一些不錯(cuò)的附加功能，如異物檢測(cè) (FOD)，使充電器不必消耗能量來(lái)加熱一些不小心放置在磁場(chǎng)內(nèi)的物體。
緊耦合感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率相對(duì)較高。 對(duì)于一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電能傳輸效率為 30 - 60%（取決于測(cè)量位置），將電能從初級(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)線圈。 由于這種相對(duì)較高的效率，熱量積聚較低，可傳輸較多電能，加速充電周期。
由于 Qi 規(guī)范于 2010 年 8 月首次發(fā)布，芯片制造商有足夠的時(shí)間推出集成了符合標(biāo)準(zhǔn)要求的控制和補(bǔ)償功能芯片。 非專業(yè)工程師設(shè)計(jì)兼容 Qi 的無(wú)線充電基站時(shí)，使用這種設(shè)備會(huì)更容易一些。例如，NXP Semiconductors為 5 V Qi 認(rèn)證低功耗無(wú)線充電器提供 NXQ1TXH5 5 V 無(wú)線充電控制器和驅(qū)動(dòng)器 IC。
兼容 Qi 的接收器放在充電板上時(shí)，NXQ1TXH5 會(huì)安全啟動(dòng)從發(fā)射器到接收器的無(wú)線電能傳輸，同時(shí)監(jiān)控過(guò)熱或金屬物體干擾等故障情況。 設(shè)備優(yōu)化為通過(guò) 5V USB 電源工作，并使用“智能電能限制”來(lái)自動(dòng)調(diào)整輸出功率以補(bǔ)償受限的供電。
需要便利？ 選擇諧振式
早在過(guò)去十年中，麻省理工學(xué)院 (MIT)[2] 就率先探索了提高無(wú)線充電系統(tǒng)效率的方法。 學(xué)院致力于研究感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)中的線圈移開(kāi)后磁場(chǎng)磁通迅速下降的問(wèn)題。 數(shù)厘米之外，磁通變得非常之弱，以至于電能傳輸完全停止。 MIT 研究人員意識(shí)到，需要通過(guò)“非輻射”無(wú)線充電技術(shù)使電能傳輸擺脫制約感應(yīng)技術(shù)的平方反比定律。
MIT 做出了在以（相同）諧振頻率（取決于線圈分布電容、電阻和電感）工作的線圈之間傳輸電能的系統(tǒng)。 該技術(shù)仍為“感應(yīng)式”，初級(jí)線圈產(chǎn)生的振蕩磁場(chǎng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，但它利用了諧振線圈之間發(fā)生的強(qiáng)耦合 — 即使相隔數(shù)十厘米。
諧振式電能傳輸?shù)奈锢碓砗軓?fù)雜，但基本前提是能量從一個(gè)線圈“傳遞”到另一個(gè)，而不是從初級(jí)線圈全方位擴(kuò)散。 結(jié)果是，雖然能量仍隨距離衰減到一定程度，但衰減的主要來(lái)源是線圈的 Q 因數(shù)（增益帶寬）。 工程師可以通過(guò)精良的設(shè)計(jì)來(lái)改善 Q 因數(shù)。 更好的是，諧振能量傳輸并不那么依賴于方向相同的線圈（假如次級(jí)線圈朝向初級(jí)線圈的橫截面足夠大，這樣在每個(gè)周期中吸收的能量比初級(jí)線圈丟失的更多）。 該技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在單個(gè)初級(jí)線圈和多個(gè)次級(jí)線圈之間傳輸電能。
諧振式無(wú)線充電解決了感應(yīng)式無(wú)線充電的主要缺點(diǎn)：要求緊密耦合線圈，需要用戶精確對(duì)齊。 不過(guò)，諧振式無(wú)線充電自身并非沒(méi)有缺點(diǎn)。 其中一個(gè)主要缺點(diǎn)是由于磁通泄漏導(dǎo)致效率相對(duì)較低。即使在近距離范圍內(nèi)，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也可能表現(xiàn)出在線圈間隔 2 厘米時(shí)效率為 30％，在 75 厘米時(shí)下降到 15％（同樣取決于測(cè)量位置）。另外的主要缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，以及由于（通常）高工作頻率造成的潛在電磁干擾 (EMI) 挑戰(zhàn)。
盡管如此，該項(xiàng)技術(shù)還是優(yōu)勢(shì)明顯，因此兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都在其規(guī)范中納入了諧振式無(wú)線充電技術(shù)。 例如，1.2 版的 Qi 標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范中引入了諧振充電。 為確保與現(xiàn)有 Qi 傳輸頻率的兼容性，技術(shù)限制為最大 45 mm 的線圈規(guī)格。 數(shù)年來(lái)，A4WP 也一直在推崇諧振充電。
遺憾的是，該技術(shù)需要時(shí)間來(lái)證明其價(jià)值，而商業(yè)化解決方案寥寥無(wú)幾。 目前，針對(duì)同時(shí)符合 WPC (Qi) 和 AirFuel 聯(lián)盟規(guī)范的感應(yīng)式和諧振式無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用，只有少數(shù)幾家制造商發(fā)布了無(wú)線充電芯片組合的詳細(xì)信息，Integrated Device Technology (IDT) 便是其中之一。 但目前 IDT 的商業(yè)產(chǎn)品主要支持 WPC 的感應(yīng)式無(wú)線充電規(guī)范。
例如，該公司現(xiàn)有產(chǎn)品線中符合 WPC 1.1 規(guī)范的 P9038 5 V 無(wú)線功率發(fā)射器。 該設(shè)備適用于充電板，傳輸功率高達(dá) 8 W（1.6 A 時(shí)），并可通過(guò)電源適配器或 USB 連接器供電，電壓范圍在 4.5 V 到 6.9 V。該設(shè)備包括集成電流感應(yīng)和 FOD 技術(shù)。 IDT 通過(guò)無(wú)線電源評(píng)估套件支持芯片。
Linear Technology 提供諧振式無(wú)線電能發(fā)射器 LTC4125。 然而，芯片設(shè)計(jì)不符合任何標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；相反，該器件會(huì)在低電壓輸入電源下（3 - 5.5 V）向調(diào)諧接收器傳輸最大功率。 為優(yōu)化系統(tǒng)效率，LTC4125 定期進(jìn)行發(fā)射功率搜索并根據(jù)接收器負(fù)載要求調(diào)整發(fā)射功率。 故障情況下或檢測(cè)到異物時(shí)，設(shè)備會(huì)停止傳輸電能。 發(fā)射器與 LTC4120 無(wú)線電能接收器配合使用。
AirFuel 諧振式無(wú)線充電技術(shù)（基于 Rezence 規(guī)范）使用的系統(tǒng)由一個(gè)電能發(fā)射器裝置 (PTU) 和一個(gè)或多個(gè)電能接收器裝置 (PRU) 組成。 指定采用低功耗藍(lán)牙鏈路來(lái)控制功率水平，確定負(fù)載并保護(hù)不兼容的設(shè)備（圖 3）。
圖 3： Rezence 無(wú)線充電系統(tǒng)采用高頻諧振耦合和低功耗藍(lán)牙通信進(jìn)行功率水平控制。 （圖片采用 Digi-Key Scheme-it 在線電路圖和圖表工具基于原始圖像生成，來(lái)源：參考文獻(xiàn) 3。）
該標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá) 50 W 的功率傳輸，傳輸距離達(dá) 50 mm。 電能傳輸頻率為 6.78 MHz；之所以選擇該頻率，是因?yàn)樵谠擃l率下能較好的進(jìn)行功率傳輸，而且該頻率位于無(wú)線頻譜的免許可范圍中。 根據(jù)發(fā)射器和接收器的幾何形狀及功率水平，可以從一個(gè) PTU 向多達(dá)八個(gè)設(shè)備供電（圖 4）。
圖 4： Rezence 諧振式無(wú)線充電架構(gòu)可以從一個(gè) PTU 向多達(dá)八個(gè) PRU 充電。 （圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) 3）
要是工程師認(rèn)為都在諧振頻率下工作的緊耦合線圈能克服諧振式無(wú)線充電的效率限制，這是情有可原的。 但事實(shí)并非如此，因?yàn)殡p方線圈都能維持諧振工作有一個(gè)最小距離。 這個(gè)距離取決于線圈尺寸大小和工作頻率高低，但是比典型緊耦合系統(tǒng)的典型線圈間隔大。 如果諧振線圈離得過(guò)近，其互感會(huì)導(dǎo)致振蕩磁場(chǎng)“崩潰”，電能傳輸會(huì)停止。 事實(shí)表明，最高效的無(wú)線電能傳輸發(fā)生在緊耦合線圈以接近，而非等于感應(yīng)拓?fù)渲械闹C振頻率工作時(shí)。
結(jié)論
本文歸結(jié)起來(lái)就是：設(shè)計(jì)師有兩種無(wú)線充電技術(shù)選擇。 感應(yīng)式無(wú)線充電依靠相對(duì)低頻的振蕩磁場(chǎng)，在中到高功率水平，以較高的效率在非諧振但緊耦合的線圈之間傳輸電能。 該技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，迅速發(fā)展成熟，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織都支持，已經(jīng)（主要以 Qi 形式）成為移動(dòng)設(shè)備一個(gè)很好的選擇，并得到幾家芯片供應(yīng)商支持。 不足之處是要求過(guò)于苛刻，需要確保充電器和待充電設(shè)備對(duì)齊。
如果需要在集成了對(duì)齊輔助或多線圈的專用充電板上快速高效地為一個(gè)設(shè)備充電，那么感應(yīng)式無(wú)線充電是一個(gè)很好的選擇。
諧振式無(wú)線充電依靠高頻振蕩磁場(chǎng)，在以相同的諧振頻率工作的兩個(gè)線圈之間傳輸能量。 線圈可以松耦合，但如果要保持?jǐn)?shù)厘米的能量傳輸則需要較高的 Q 因數(shù)。 數(shù)個(gè)設(shè)備可以通過(guò)一個(gè)初級(jí)線圈充電。 該技術(shù)比感應(yīng)技術(shù)復(fù)雜，且效率較低（見(jiàn)圖 5）。 雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織都支持諧振式無(wú)線充電，但還未能有所建樹(shù)，并且很難采購(gòu)到符合規(guī)范的組件。
圖 5： 緊耦合感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)（例如遵守 Qi 規(guī)范的系統(tǒng)）比諧振系統(tǒng)（例如遵守 Rezence 規(guī)范的系統(tǒng)）具有更高的電能傳輸效率。 （圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) 3）
如果支持諧振技術(shù)的芯片得到更廣泛的普及，那么諧振式無(wú)線充電將是一個(gè)很好的選擇。 但是，設(shè)計(jì)人員必須做好準(zhǔn)備，用效率來(lái)?yè)Q取便利，例如可以同時(shí)為數(shù)個(gè)設(shè)備充電，并且無(wú)需精確對(duì)齊。 安裝在桌下和咖啡店桌面等桌子厚度對(duì)能量傳輸影響最小的情況下，該技術(shù)也是一個(gè)很好的選擇。
參考文獻(xiàn)：
“Wireless Power Transfer through Inductive Coupling,” Mohamed A. Hassan, A. Elzawawi, Recent Advances in Circuits
“Power Transfer Through Strongly Coupled Resonances,” Andre Kurs, MIT，2007 年 9 月。
“Rezence – Wireless Charging Standard based on Magnetic Resonance,” Pratik Dubal, Somaiya College of Engineering, India, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering，2015 年 12 月。
