对中国市场来讲，苹果和三星这两大厂商，基本上都有推出无线充电手机机种，这涵盖了很大的市场。而发射机对于中国来说，是个很好的市场…
无线充电目前主要有3个不同标准，但现在市场上有90%以上用的都是WPC Qi标准。市场发展到今天非常好，原因之一是苹果(Apple)去年2月份就宣布，其iPhone 8/X将支持无线充电。第二，从发射端角度讲，汽车业现在对无线充电也非常感兴趣，今年大概有100多个车型会使用前装无线充电器。而且现在Qi无线充电(接收端输出功率)最大可以达到15W，如果用这样大的功率来充电，手机电池依3,000mAh来算的话，开车40分钟就可以把手机充满60%。因此，其相对于5W来讲，实用价值非常高。这也将进一步推动无线充电产业的发展。
据市场分析机构IHS预估，今年市场上无线充电接收器IC出货将达5亿片以上，市场相当可观。事实上，到目前为止，今年采用无线充电的手机出货量已达2亿支，与该资料吻合。另外，对于中国市场来讲，苹果和三星(Samsung)这两大厂商，基本上都有无线充电的手机，这涵盖了很大的市场。而发射机(Tx)对于中国来说，是个很好的市场——目前中国本土公司生产了很多发射机产品，包括15W、5W和苹果无线快充的产品。此外，上个月小米和华为都宣布了内建无线充电的旗舰手机，以及配套的无线充电器。
这是日前在ASPENCORE旗下《电子工程专辑(EET)》、《电子技术设计(EDN)》和《国际电子商情(ESMC)》中国版共同举办的「无线充电与快速充电技术论坛」上，笔者从IDT产品定义和系统应用高级总监Rui Liu的演讲中听到的有关无线充电的一个好消息。
他的议题是「无线充电：发射机和接收机设计及权衡」，里面详述了各种无线充电技术的原理、在设计发射机和接收机时需要考虑的主要参数，以及在实际应用中遇到的一些问题。信息满满，以下和读者们分享。
三种无线充电技术的原理及优缺点
电磁感应(WPC Qi标准)。电磁感应原理和变压器差不多，即有初级线圈(发射机线圈)和次级线圈(接收机线圈)，能量通过磁场从初级传到次级。Liu 表示：「与变压器的唯一区别在于，它是透过空气耦合而不是磁性耦合过去的。以前的电动牙刷插上去就可以充电，和这个道理差不多，只不过它磁芯是立体的，我们是平面的。」这个技术最关键的问题是耦合，从而把效率做得高。
由于是根据变压器原理实现的，所以它功率和频率不是太高，比如WPC标准的频率小于205kHz。另外在设计发射机时，还要考虑所卖地区的EMI和法规要求。
电磁共振(A4WP标准)。这个标准频率比较高，它是利用磁共振的方式实现的。Liu 介绍：「这种方式有点像收音机——需要有一个谐振电路，调到那个频率上才能收到音，调不到频率则收不到音。」亦即磁共振接收端要调到它的工作频率6.78MHz，调不到这个频率则收不到电力。
A4WP的规范比较「有弹性」：第一它可以一对多，第二它可以随便怎么放。另外，它的发射机和接收机之间通讯也比较容易，是用低功耗蓝牙(BLE)而不是用频带内(in-band)实现。它的缺点是，采用比较大的线圈做到一对多，因此存在磁场没有被充分利用和能量饱和的情况——目前效率能做到50%就相当不错了(最高可以做到55%)。第二是成本高。Liu 指出：「在座如果有做过DC-DC电源就能理解，1M和6M开关电源的效率完全不一样，要做6.78M的效率难度可想而知。因为6.78M是个通讯频段，有频段要求，精准度要高。它必须要用晶振，避免干扰，所以成本比较高。另外，它的线圈比较大，有磁场(即EMI)辐射，且6.78M对人体有没有什么影响，目前还没有好的结论。」
电场耦合。目前，电场的产品尚未在市场上看到，即使有，也是在极端特殊的情况下根据电场的原理来实现传输。目前来看电场还没有大功率产品，也没有什么市场。
无线充电如何工作？
第一要有发射机，要有直流电源，利用半桥产生一个方波。然后经过一个电感电容，从直流变成交流。一旦产生交流电流，它就会透过电感产生一个磁场——特别是WPC的Qi标准，就是采用磁场传输能量。
第二，有了这个磁场以后，就必须有接收机来接收这个能量。交变磁场透过接收线圈时，就会使它产生一个交变电压。然后就需要用一个全桥(或半桥，全桥更多)去整流，产生一个相对比较稳定的直流电压。一旦回路闭合，就会有电流传输，这就实现了无线充电。
Liu补充：「当然，发射端线圈下方的磁场不需要。下方若有电路板或其他金属，会产生涡流损耗。同理，接收端上方的磁场在空气里，也不需要。因此，不需要磁场的地方，要想办法屏蔽，这就是为什么所有的线圈后面都加了一个隔磁吸波材料。」
此外，还需要对能量进行控制。能量的需求方是接收机。接收机需要发送一个讯号，告诉发射机能量够不够，进而发射机加大或减少能量。通讯可以用BLE，而现在WPC用的是振幅移位键控(ASK)(In-Band)，即调幅方式，调幅的频率是2kHz；100多kHz的功率经过载波、调幅，就可以把讯号加进去。这样就成了完整的无线充电器。
确定线圈尺寸及距离
系统到这步是可以工作的，但我们还需要确定线圈尺寸，以及距离。下图是发射线圈的磁场分布情况。从中可以看出，磁场密度集中在中间这一带。离发射机线圈越远，磁场强度越低。所以，要做一个效率比较高的发射机的话，接收机线圈和发射机线圈不能隔太远——目前Qi要求是在8mm以下，通常是4~5mm。第二，线圈越小效率越低。如果接收机的线圈能够把发射机的磁通全部包进去，那么效率就会提高。
由于是利用变压器的原理，因此其可以用变压器的互感原理实现。要解决设计上的不稳定，可以透过以下互感公式来解决。
耦合系数k理想情况是0.2~0.8，变化范围比较大，越往中间耦合越好。线圈越小耦合越差，知道两个线圈的电感及之间的互感，就能够计算出k值。
纵向、横向和角度位移对耦合系数的影响
下图中，左边是接收机和发射机线圈耦合示意，右边是耦合系数k与位移d之间的关系，未对准包括纵向、横向和角度三种情况。其中，纵向变化影响特别大；横向变化(比如在5~7mm以内)影响相对小一点。这个曲线也解释了，符合WPC的接收机(比如手机)放在充电板上，从中心外旁边挪5mm，对效率的影响不是太大；7mm就比较大了。Liu 谈道：「z的距离在5mm以内，xy/半径不超过5mm，效率就比较好。有多好呢？在5V输入、5V输出、5W的情况下，如果接收机的线圈交流电阻(ACR)做到120mΩ或150mΩ以下，那么效率可以做到78~80%；如果是12V输入、12V输出，15W时，效率可以做到87~88%。这很大情况下取决于接收机的线圈，也就是ACR。」为什么是接收线圈？因为WPC对发射机线圈要求非常高。要设计一个发射机，就必须按照它的参考设计来做。换句话说，就是在发射机设计上基本上没有多大的改动余地，而接收机线圈则没有太多规定。
下图中的绿色部分是比较好的曲线。纵轴是效率，横轴是线圈距离。当线圈大小比例或距离太大时，效率都会变差。
Liu强调：「我们基本上都是以发射机线圈作为标准，为什么？因为发射机线圈是受WPC控制，没有办法去改变线圈。在做Qi认证的时候，必须告知所用的是哪一个线圈，哪一个发射机参考设计。认证单位会根据那个设计的标准，来检查发射机有没有通过，检查不通过，就需要重新设计。」
如果能够满足图中绿色部分以内的参数，那效率就可做得比较好(70%以上)。
Qi的局限性在于不能离太远。Liu 指出：「我和客户及同事讨论无线充电的时候，大家有一个错误的认识，就是认为我们的无线充电，应该是我把手机放在裤子口袋里，在我的屋里走就可以充电，这在Qi的标准里是实现不了的。但是现在有人在研究远距离无线充电。」
电能传输效率优化总结
以下总结对于Qi标准，如何实现最大效率的电能传输。
1.接收机线圈一定不能离发射机线圈太远(控制在5mm以内是最佳状态)；
2.接收机线圈不要做到太小，而应尽量做到和发射机线圈差不多大(目前在手机里接收机线圈是做到直径35~54mm。线圈大的好处是很容易和发射机配对，缺点是成本相对较高)；
3.用一些对准方法，比如视觉(影像)、机械或磁铁(如穿戴式产品)。说到磁铁，有一点要注意：永久磁铁放在发射机中心，对发射损耗有不小影响，会达到5~10%，因此推荐最好是用三个磁铁，放在线圈外面；
4.使用里兹线(Litz wire)尽可能降低线圈交流电阻；
5.设计合适的线圈增益(输出电压/输入电压)来维持最佳工作条件。
强调一点，发射机侧，在DC-DC甚至DC-AC时，有一个使能接脚用于实现自我保护。在接收机侧，整流是4个MOSFET(几百V)，没有办法关掉，否则功耗太大。所以接收机自我保护非常重要，尤其是在大功率(5W以上)、高电压(9V以上)的情况下。
Qi的通讯采用的是2kHz/500μs ASK。Liu强调，无线充电是一个系统，有接收机和发射机，接收机是主控，发射机是从控。发射机需要接收机告诉它需要多大功率。因此，通讯一定不能中断，否则就会出问题，要是接收机的自我保护再做不好，就会出现更大的问题。
ASK通讯既可以用电压也可以用电流来反映。目前做得比较好的是透过电压、电流两路来反映，这样可以提高可靠性。
本文来源：Franklin Zhao/EDN China
欢迎加入艾邦无线充电产业群，群主微信：polytpe012,扫描下面二维码即可：
推荐阅读：
2018年9月10日手机无线充电产业链展览将于东莞厚街广东现代国际展览中心举行，同期举行第二届无线充电产业链论坛，详情请点击此处！
|
|
联系电话： 王先生18319055312 邮箱：ab017@poiytpe.com 江先生18666186648 邮箱：jyg@poiytpe.com |
阅读原文，即可报名
Chinese 
English