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无线充电技术注定不再依靠线缆供电


作者:贸泽电子Mark Patrick    时间:2019/3/8 19:39:57  来源:   

智能手机用户非常清楚,在他们的手机电池电量下降时,即将与这个世界失去联系造成的焦虑感却在上升。当人们无法找到电源插座,或没有充电线,或没有移动电源时,这种焦虑感就会激增,在机场、展会、商场、医院等公共场所这种场景都很常见。但是,如果只需将便携式电子产品放在桌子上而不用插入墙壁插座或其他电源插座即可充电会怎么样?这种情况即是无线充电技术现在要实现的重要价值主张。

 

无线充电通过消除有线连接能够提供更高的便利性、移动性和灵活性,该技术在消费类、零售、医疗、物联网(IoT)和汽车领域都正在得到迅速普及。星巴克等咖啡店、连锁酒店和家具制造商都在整合必要的基础设施来支持这种技术。根据Global Market Insights的数据,从现在起到2024年,无线充电业务预计将实现13%的复合年增长率(CAGR)。

 

尽管无线充电应用是最近几年来才出现,但这种技术本身并不是新发明的。事实上,它自1902年以来一直存在,当时电气工程领域的著名杰出人物尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)为那些当时几乎无法想象的技术申请了专利。他设想通过在两个线圈(发射器和接收器)之间产生磁场来通过空气传输电能。经过进一步发展,这个基本概念如今大致形成有三种不同的形式:

 

·智能手机使用的充电台,依赖于紧密耦合的电磁感应或非辐射充电,需要非常紧密的接触。

·充电碗(Charging bowls)或过表面(through-surface)型充电器,采用松散耦合或辐射电磁共振充电,允许几厘米的功率传输。

·非耦合射频(RF)无线充电,可在几米的距离内实现充电。

 

按照传输的功率,通常的无线充电应用传输2W至100W的功率,可以再分为三个主要类别:

 

·低功率范围(最高为5W)可穿戴设备,如耳机、智能手表、电动牙刷、腕带、医疗传感器等。

·中等范围(5W至15W)手持设备,包括平板电脑、医疗电子产品、以及更重要的手机。

·高功率范围(15W至100W)涵盖电动工具、无人机和其他重型设备。

 

无线充电标准的融合 

无线充电技术标准的最近发展也从一个侧面证明了其在多个领域的快速和广泛采用。几年前,无线设备制造商必须面对三个竞争标准:A4WP、PMA和WPC。然而,在2015年,A4WP和PMA决定联合组建AirFuel联盟,支持这种技术的厂商包括戴尔、Duracell、三星和高通等。

 

此外,更进一步的整合出现在2017,当时年苹果公司决定在iPhone手机中提供基于Qi标准的无线充电。 Qi是一种无线感应充电标准,由Wireless Power Consortium(WPC)开发和许可。

 

自从2009年推出第一个规范以来,Qi已经取得了很大进步,并得到了200多家公司的支持,其中包括苹果、谷歌、三星和博世(Bosch)等技术领先企业。

 

WPC最新的Qi Power Class 0规范(版本1.2.3)适用于从5W到高达30W的功率传输,典型工作频率范围为87kHz至205kHz。 Qi技术的主要应用是智能手机和其他低功耗手持式消费电子产品。除感应充电外,发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标准的磁共振技术,能够消除紧密接触的要求,允许在最远45mm的距离内进行功率传输。

 

在苹果宣布支持Qi之后,无线充电台的早期开拓者之一Powermat也不得不做出改变。在它遵循PMA标准多年之后,2018年1月该公司宣布加入WPC。在苹果公布决定之前,星巴克已经推出了基于PMA 的Powermat充电台,但星巴克也决定实施更新,以便在新款iPhone上支持Qi。

 

随着WPC Qi标准在紧密接触充电应用中占据统治地位,AirFuel将目光瞄准了两种非接触式充电技术,分别是AirFuel Resonant 和AirFuel RF,其中AirFuel Resonant可提供更大的空间自由度,可在最远50mm的距离内进行充电;而AirFuel RF则可在几厘米到一米的距离内提供低功率充电。随着无线充电技术归结到WPC Qi 和AirFuel两个主要标准,无线充电所需的发射器和接收器线圈、控制器等硬件产品以及开发工具等必将得到市场更快的驱动。

 

无线开发工具

为了帮助设计人员评估正在开发的无线应用的功能和性能,领先的电子元器件制造商提供了一系列开发和评估工具。STMicroelectronics的STEVAL-ISB045V1无线电池充电器发射器评估板就是其中一例,它采用STWBC-WA数字控制器,可提供2.5W的输出功率以及电阻和电容调制、异物检测(FOD)和主动存在感应等功能。

 

同样,IDT也能够提供一系列符合WPC标准的无线功率接收器、发射器和评估硬件。IDT WP3W-RK无线电源参考套件包括有发射器(P9235A-R-EVK)和接收器(P9027LP-R-EVK),适用于0.5W至3W无线充电应用的原型测试。该发射器基于灵活的32位ARM Cortex-M0处理器,具有集成的全桥功率级驱动器和片上同步电压/电流解调功能。接收器板和发射器板的有效区域具有超紧凑外形,大小分别仅为5.7mm x 5.7mm和22.7mm x 21.2mm。该封装具有三种线圈尺寸,分别适用于1W、2W和3W的输出功率,能够实现快速原型设计。

 

为了测试低功耗可穿戴应用,Semtech的TSWITX-G4-EVM(如图1所示)是一个即用型评估平台,适用于约1.25W的无线功率传输。TSWIRX-5V2-EVM基于TS80002无线充电发射器控制器和TS51231驱动器,与兼容接收器配合使用时,可构成一个完整的系统设计解决方案。该平台不兼容Qi标准,目的是能够采用更小的线圈和其他适合低功耗可穿戴应用的优化方案。此外,由于此类应用中不存在过热风险,它也不包括FOD功能。

 

图1:Semtech的TSWITX-G4-EVM无线充电评估板。

 

发射器IC以及发射器和接收器线圈

 

无线充电技术的关键特征之一是基于接收器和发射器之间的通信来调制发射功率。德州仪器(TI)的BQ500210RGZT是符合Qi标准的无线功率发射器控制器,它集成有逻辑功能,可在单通道符合WPC标准的非接触式充电台中控制无线功率传输。如图2所示,控制器能够监控来自接收器的所有通信,并根据来自待充电设备的反馈调整施加到发射器线圈的功率。除了管理故障条件外,控制器还包括寄生金属物体检测(PMOD)和过温保护功能。它具有小巧的外形尺寸(7mm x 7mm)和-40℃~110℃的工作温度范围,主要应用包括针对智能手机、MP3播放器、数码相机和汽车等领域的WPC 1.0.2兼容无线充电器,也适用于各种工具类应用以及家具内置无线充电台等。

 


图2:BQ500210RGZT无线充电控制器IC监控系统的接收器。

 

除了开发工具和控制器外,在所有无线充电应用中最普遍的组件是发射器和接收器线圈,进行无线充电技术开发的厂商可以选择各种直径、厚度和电感的铜线圈。举例来说,Vishay的 IWTX47R0BEEB6R3J11是一款6.3μH电感的无线充电发射器线圈,具有高磁导率屏蔽。在尺寸方面,它的直径仅为47毫米,厚度为4.9毫米。在接收器方面,Abracon的 AWCCA-36R36H08-C51-B  是一款12μH电感单一无线充电线圈,适用于消费电子和无线充电站接收器等应用。同样,Wurth Electronics的760308101303是12μH电感、26.3mm直径和1.31mm厚度的接收器线圈,而TDK的WT252512-8F2-SM 则是2.76μH电感发射器线圈,最大直流阻抗为150mΩ,直径为25mm,厚度为2.05mm。

 

尽管无线充电技术已经起飞,但仍然存在一些限制,例如发射器和接收器之间的靠近要求、相对较慢的充电速度、不适宜金属外壳以及存在过热风险等等。挑剔的消费者不希望自己的移动便利性受到影响,而且还要求获得更高的充电速度。因此,功率电子领域的下一个技术前沿是更长距离的非接触式充电。当人们在日常生活中不再担心是否随身携带了电缆或移动电源时,无线充电技术将完全兑现其承诺。

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