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無線充電技術注定不再依靠線纜供電


作者:貿澤電子Mark Patrick    時間:2019/3/8 19:39:57  來源:   

智能手機用戶非常清楚,在他們的手機電池電量下降時,即將與這個世界失去聯系造成的焦慮感卻在上升。當人們無法找到電源插座,或沒有充電線,或沒有移動電源時,這種焦慮感就會激增,在機場、展會、商場、醫院等公共場所這種場景都很常見。但是,如果只需將便攜式電子產品放在桌子上而不用插入墻壁插座或其他電源插座即可充電會怎么樣?這種情況即是無線充電技術現在要實現的重要價值主張。

 

無線充電通過消除有線連接能夠提供更高的便利性、移動性和靈活性,該技術在消費類、零售、醫療、物聯網(IoT)和汽車領域都正在得到迅速普及。星巴克等咖啡店、連鎖酒店和家具制造商都在整合必要的基礎設施來支持這種技術。根據Global Market Insights的數據,從現在起到2024年,無線充電業務預計將實現13%的復合年增長率(CAGR)。

 

盡管無線充電應用是最近幾年來才出現,但這種技術本身并不是新發明的。事實上,它自1902年以來一直存在,當時電氣工程領域的著名杰出人物尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)為那些當時幾乎無法想象的技術申請了專利。他設想通過在兩個線圈(發射器和接收器)之間產生磁場來通過空氣傳輸電能。經過進一步發展,這個基本概念如今大致形成有三種不同的形式:

 

·智能手機使用的充電臺,依賴于緊密耦合的電磁感應或非輻射充電,需要非常緊密的接觸。

·充電碗(Charging bowls)或過表面(through-surface)型充電器,采用松散耦合或輻射電磁共振充電,允許幾厘米的功率傳輸。

·非耦合射頻(RF)無線充電,可在幾米的距離內實現充電。

 

按照傳輸的功率,通常的無線充電應用傳輸2W至100W的功率,可以再分為三個主要類別:

 

·低功率范圍(最高為5W)可穿戴設備,如耳機、智能手表、電動牙刷、腕帶、醫療傳感器等。

·中等范圍(5W至15W)手持設備,包括平板電腦、醫療電子產品、以及更重要的手機。

·高功率范圍(15W至100W)涵蓋電動工具、無人機和其他重型設備。

 

無線充電標準的融合 

無線充電技術標準的最近發展也從一個側面證明了其在多個領域的快速和廣泛采用。幾年前,無線設備制造商必須面對三個競爭標準:A4WP、PMA和WPC。然而,在2015年,A4WP和PMA決定聯合組建AirFuel聯盟,支持這種技術的廠商包括戴爾、Duracell、三星和高通等。

 

此外,更進一步的整合出現在2017,當時年蘋果公司決定在iPhone手機中提供基于Qi標準的無線充電。 Qi是一種無線感應充電標準,由Wireless Power Consortium(WPC)開發和許可。

 

自從2009年推出第一個規范以來,Qi已經取得了很大進步,并得到了200多家公司的支持,其中包括蘋果、谷歌、三星和博世(Bosch)等技術領先企業。

 

WPC最新的Qi Power Class 0規范(版本1.2.3)適用于從5W到高達30W的功率傳輸,典型工作頻率范圍為87kHz至205kHz。 Qi技術的主要應用是智能手機和其他低功耗手持式消費電子產品。除感應充電外,發射器和接收器需要彼此靠近(相距<7mm),WPC也一直在致力于研究符合Qi標準的磁共振技術,能夠消除緊密接觸的要求,允許在最遠45mm的距離內進行功率傳輸。

 

在蘋果宣布支持Qi之后,無線充電臺的早期開拓者之一Powermat也不得不做出改變。在它遵循PMA標準多年之后,2018年1月該公司宣布加入WPC。在蘋果公布決定之前,星巴克已經推出了基于PMA 的Powermat充電臺,但星巴克也決定實施更新,以便在新款iPhone上支持Qi。

 

隨著WPC Qi標準在緊密接觸充電應用中占據統治地位,AirFuel將目光瞄準了兩種非接觸式充電技術,分別是AirFuel Resonant 和AirFuel RF,其中AirFuel Resonant可提供更大的空間自由度,可在最遠50mm的距離內進行充電;而AirFuel RF則可在幾厘米到一米的距離內提供低功率充電。隨著無線充電技術歸結到WPC Qi 和AirFuel兩個主要標準,無線充電所需的發射器和接收器線圈、控制器等硬件產品以及開發工具等必將得到市場更快的驅動。

 

無線開發工具

為了幫助設計人員評估正在開發的無線應用的功能和性能,領先的電子元器件制造商提供了一系列開發和評估工具。STMicroelectronics的STEVAL-ISB045V1無線電池充電器發射器評估板就是其中一例,它采用STWBC-WA數字控制器,可提供2.5W的輸出功率以及電阻和電容調制、異物檢測(FOD)和主動存在感應等功能。

 

同樣,IDT也能夠提供一系列符合WPC標準的無線功率接收器、發射器和評估硬件。IDT WP3W-RK無線電源參考套件包括有發射器(P9235A-R-EVK)和接收器(P9027LP-R-EVK),適用于0.5W至3W無線充電應用的原型測試。該發射器基于靈活的32位ARM Cortex-M0處理器,具有集成的全橋功率級驅動器和片上同步電壓/電流解調功能。接收器板和發射器板的有效區域具有超緊湊外形,大小分別僅為5.7mm x 5.7mm和22.7mm x 21.2mm。該封裝具有三種線圈尺寸,分別適用于1W、2W和3W的輸出功率,能夠實現快速原型設計。

 

為了測試低功耗可穿戴應用,Semtech的TSWITX-G4-EVM(如圖1所示)是一個即用型評估平臺,適用于約1.25W的無線功率傳輸。TSWIRX-5V2-EVM基于TS80002無線充電發射器控制器和TS51231驅動器,與兼容接收器配合使用時,可構成一個完整的系統設計解決方案。該平臺不兼容Qi標準,目的是能夠采用更小的線圈和其他適合低功耗可穿戴應用的優化方案。此外,由于此類應用中不存在過熱風險,它也不包括FOD功能。

 

圖1:Semtech的TSWITX-G4-EVM無線充電評估板。

 

發射器IC以及發射器和接收器線圈

 

無線充電技術的關鍵特征之一是基于接收器和發射器之間的通信來調制發射功率。德州儀器(TI)的BQ500210RGZT是符合Qi標準的無線功率發射器控制器,它集成有邏輯功能,可在單通道符合WPC標準的非接觸式充電臺中控制無線功率傳輸。如圖2所示,控制器能夠監控來自接收器的所有通信,并根據來自待充電設備的反饋調整施加到發射器線圈的功率。除了管理故障條件外,控制器還包括寄生金屬物體檢測(PMOD)和過溫保護功能。它具有小巧的外形尺寸(7mm x 7mm)和-40℃~110℃的工作溫度范圍,主要應用包括針對智能手機、MP3播放器、數碼相機和汽車等領域的WPC 1.0.2兼容無線充電器,也適用于各種工具類應用以及家具內置無線充電臺等。

 


圖2:BQ500210RGZT無線充電控制器IC監控系統的接收器。

 

除了開發工具和控制器外,在所有無線充電應用中最普遍的組件是發射器和接收器線圈,進行無線充電技術開發的廠商可以選擇各種直徑、厚度和電感的銅線圈。舉例來說,Vishay的 IWTX47R0BEEB6R3J11是一款6.3μH電感的無線充電發射器線圈,具有高磁導率屏蔽。在尺寸方面,它的直徑僅為47毫米,厚度為4.9毫米。在接收器方面,Abracon的 AWCCA-36R36H08-C51-B  是一款12μH電感單一無線充電線圈,適用于消費電子和無線充電站接收器等應用。同樣,Wurth Electronics的760308101303是12μH電感、26.3mm直徑和1.31mm厚度的接收器線圈,而TDK的WT252512-8F2-SM 則是2.76μH電感發射器線圈,最大直流阻抗為150mΩ,直徑為25mm,厚度為2.05mm。

 

盡管無線充電技術已經起飛,但仍然存在一些限制,例如發射器和接收器之間的靠近要求、相對較慢的充電速度、不適宜金屬外殼以及存在過熱風險等等。挑剔的消費者不希望自己的移動便利性受到影響,而且還要求獲得更高的充電速度。因此,功率電子領域的下一個技術前沿是更長距離的非接觸式充電。當人們在日常生活中不再擔心是否隨身攜帶了電纜或移動電源時,無線充電技術將完全兌現其承諾。

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