對于中國市場來講，蘋果和三星這兩大廠商，基本上都有無線充電的手機(jī)，這覆蓋了很大的市場。而發(fā)射機(jī)市場對于中國來說，是個很好的市場……電子制作模塊
無線充電目前主要有3個不同標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)在市場上有90%以上用的都是WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)。市場發(fā)展到今天非常好，原因之一是蘋果去年2月份就宣布，其iPhone 8/X將支持無線充電。第二，從發(fā)射端角度講，汽車業(yè)現(xiàn)在對無線充電也非常感興趣。今年大概有100多個車型會用前裝無線充電器。而且現(xiàn)在Qi無線充電（接收端輸出功率）最大可以達(dá)到15W，如果用這樣大的功率來充電，手機(jī)電池按3000mAh來算的話，開車40分鐘就可以把手機(jī)充滿60%。因此，其相對于5W來講，實用價值非常高。這也將進(jìn)一步推動無線充電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
那么，這些消息有沒有數(shù)據(jù)來證明呢？據(jù)市場分析機(jī)構(gòu)I.H.S預(yù)估，今年市場上無線充電接收器IC出貨將達(dá)5億片以上，市場相當(dāng)可觀。事實上，到目前為止，今年采用無線充電的手機(jī)出貨量已達(dá)2億部，與該數(shù)據(jù)吻合。另外，對于中國市場來講，蘋果和三星這兩大廠商，基本上都有無線充電的手機(jī)，這覆蓋了很大的市場。而發(fā)射機(jī)市場對于中國來說，是個很好的市場——目前中國本土公司生產(chǎn)了很多Tx產(chǎn)品，包括15W、5W和蘋果無線快充的產(chǎn)品。此外，上個月我們也了解到，小米和華為都宣布了帶無線充電的旗艦手機(jī)以及配套的無線充電器。
這是日前在ASPENCORE旗下《電子工程專輯》、《EDN》和《國際電子商情》共同舉辦的“無線充電與快速充電技術(shù)論壇”上，筆者從IDT公司產(chǎn)品定義和系統(tǒng)應(yīng)用高級總監(jiān)Rui Liu博士的演講中聽到的有關(guān)無線充電的一個好消息。他的議題是“無線充電：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計及權(quán)衡”，里面詳述了各種無線充電技術(shù)的原理、在設(shè)計發(fā)射機(jī)和接收機(jī)時需要考慮的主要參數(shù)，以及在實際應(yīng)用中遇到的一些問題。干貨滿滿，下面和大家分享。
三種無線充電技術(shù)的原理及優(yōu)缺點
電磁感應(yīng)（WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)）。電磁感應(yīng)原理和變壓器的差不多，即有初級線圈（Tx線圈）和次級線圈（Rx線圈），能量通過磁場從初級傳到次級。“與變壓器的唯一區(qū)別在于，它是通過空氣耦合而不是磁性耦合過去的。”劉博士表示，“以前的電動牙刷插上去就可以充電，和這個道理差不多，只不過它磁芯是立體的，我們是平面的。”這個技術(shù)最關(guān)鍵的問題是耦合，從而把效率做得高。
由于是根據(jù)變壓器原理實現(xiàn)的，所以它功率和頻率不是太高，比如WPC標(biāo)準(zhǔn)的頻率小于205kHz。另外在設(shè)計發(fā)射機(jī)時，還要考慮所賣地區(qū)的EMI和法規(guī)要求。
電磁共振（A4WP標(biāo)準(zhǔn)）。這個標(biāo)準(zhǔn)頻率比較高，它是通過磁共振的方式實現(xiàn)的。“這種方式有點像收音機(jī)——需要有一個諧振電路，調(diào)到那個頻率上才能收到音，調(diào)不到頻率則收不到音。”劉博士介紹，磁共振接收端要調(diào)到它的工作頻率6.78MHz，調(diào)不到這個頻率則收不到電力。
A4WP的規(guī)范比較高大上：第一它可以一對多，第二它可以隨便怎么放。另外，它的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間通信也比較容易，是用BLE而不是用in-band來實現(xiàn)的。它的缺點是，采用比較大的線圈做到一對多，因此存在磁場沒有被充分利用和能量飽和的情況——目前效率能做到50%就相當(dāng)不錯了（最高可以做到55%）。第二是成本高。“在座如果有做過DC/DC電源的話就知道，1M和6M開關(guān)電源的效率是完全不一樣的，要做6.78M的效率就可想而知。”劉博士表示，“因為6.78M是個通信頻段，有頻段要求，精度要高。它必須要用晶振，避免干擾，所以成本比較高。另外，它的線圈比較大，有磁場（EMI）輻射。6.78M對人體有沒有什么影響，目前還沒有好的結(jié)論。”
電場耦合。目前，電場的產(chǎn)品還沒有看到有，即使有，也是在極端特殊的情況下根據(jù)電場的原理來實現(xiàn)傳輸?shù)摹Ｄ壳皝砜措妶鲞€沒有大功率產(chǎn)品，也沒有什么市場。
無線充電是怎樣工作的？
第一要有發(fā)射機(jī)，要有直流電源，利用半橋產(chǎn)生一個方波。然后經(jīng)過一個電感電容，從直流變成交流。一旦產(chǎn)生交流電流，它就會通過電感產(chǎn)生一個磁場——特別是WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)，就是采用磁場傳輸能量的。
第二，有了這個磁場以后，就必須有接收機(jī)來接收這個能量。交變磁場通過接收線圈時，就會使它產(chǎn)生一個交變電壓。然后就需要用一個全橋（或半橋，全橋更多）去整流，產(chǎn)生一個相對比較穩(wěn)定的直流電壓。一旦回路閉合，就會有電流傳輸。這就實現(xiàn)了無線充電。
“當(dāng)然，發(fā)射端線圈下面的磁場不需要。下面如果有電路板或其他金屬，會產(chǎn)生渦流損耗。同理，接收端上面的磁場在空氣里，也不需要。因此，不需要磁場的地方，要想辦法把它屏蔽掉。這就是為什么所有的線圈后面都加了一個隔磁吸波材料。”他補(bǔ)充。
此外，還需要對能量進(jìn)行控制。能量的需求方是接收機(jī)。接收機(jī)需要發(fā)送一個信號，告訴發(fā)射機(jī)能量夠不夠。進(jìn)而發(fā)射機(jī)加大或減少能量。通信可以用BLE，而現(xiàn)在WPC用的是ASK（In-Band），即調(diào)幅方式。調(diào)幅的頻率是2kHz；100多kHz的功率經(jīng)過載波、調(diào)幅，就可以把信號加進(jìn)去。這樣就成了完整的無線充電器。
確定線圈尺寸及距離
系統(tǒng)到這步是可以工作的，但我們還需要確定線圈尺寸以及距離。下圖是發(fā)射線圈的磁場分布情況。從中可以看出，磁場密度集中在中間這一帶。離發(fā)射機(jī)線圈越遠(yuǎn)，磁場強(qiáng)度越低。所以，要做一個效率比較高的發(fā)射機(jī)的話，Rx線圈和Tx線圈不能隔太遠(yuǎn)——目前Qi要求是在8mm以下，通常是4到5mm。第二，線圈越小效率越低。如果接收機(jī)的線圈能夠把發(fā)射機(jī)的磁通全部包進(jìn)去，那么效率就高。
由于是利用變壓器的原理，因此其可以用變壓器的互感原理來實現(xiàn)。要解決設(shè)計上的不穩(wěn)定，可以通過以下互感公式來解決。
耦合系數(shù)k理想情況是0.2~0.8，變化范圍比較大，越往中間耦合越好。線圈越小耦合越差。知道兩個線圈的電感以及之間的互感，就能夠計算出k值。
縱向、橫向和角度位移對耦合系數(shù)的影響
下圖中，左邊是Rx和Tx線圈耦合示意。右邊是耦合系數(shù)k與位移d之間的關(guān)系。未對準(zhǔn)包括縱向、橫向和角度三種情況。其中，縱向變化影響特別大；橫向變化（比如在5~7mm以內(nèi)）影響相對小一點。這個曲線也解釋了，符合WPC的接收機(jī)（比如手機(jī)）放在充電板上，從中心外旁邊挪5mm，對效率的影響不是太大；7mm就比較大了。“z的距離在5mm以內(nèi)，xy/半徑不超過5mm，效率就比較好。有多好呢？在5V輸入、5V輸出、5W的情況下，如果接收機(jī)的線圈交流電阻（ACR）做到120mΩ或150mΩ以下，那么效率可以做到78%~80%；如果是12V輸入、12V輸出，15W時，效率可以做到87%到88%。這很大情況下取決于接收機(jī)的線圈，也就是ACR。”劉博士談道，為什么是接收線圈？因為WPC對發(fā)射機(jī)線圈要求非常高。要設(shè)計一個發(fā)射機(jī)，就必須按照它的參考設(shè)計來做。換句話說，就是在發(fā)射機(jī)設(shè)計上基本上沒有多大的改動余地。而接收機(jī)線圈則沒有太多規(guī)定。
下圖中的綠色部分是比較好的曲線?？v軸是效率，橫軸是線圈距離。當(dāng)線圈大小比例或距離太大時，效率都會變差。
“我們基本上都是以Tx線圈作為標(biāo)準(zhǔn)，為什么？因為Tx線圈是受WPC控制的，你沒有辦法去改變線圈。你在做Qi認(rèn)證的時候，你必須要告訴他，你用的是哪一個線圈，哪一個Tx參考設(shè)計。他會根據(jù)那個設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，來檢查你的Tx有沒有通過。檢查不通過，你就需要重新設(shè)計。”他強(qiáng)調(diào)說。
如果能夠滿足圖中綠色部分以內(nèi)的參數(shù)，那效率就可以做得比較好（70%以上）。
Qi的局限性在于不能離太遠(yuǎn)。“我在和客戶以及同事討論無線充電的時候，大家有一個錯誤的認(rèn)識，就是認(rèn)為我們的無線充電，應(yīng)該是我把手機(jī)放在褲兜里，在我的屋里走就可以充電。這在Qi的標(biāo)準(zhǔn)里是實現(xiàn)不了的。但是現(xiàn)在有人在搞遠(yuǎn)距離無線充電研究。”他指出。
電能傳輸效率優(yōu)化總結(jié)
下面總結(jié)一下，對于Qi標(biāo)準(zhǔn)，怎么樣實現(xiàn)最大效率的電能傳輸。
1.Rx線圈一定不能離Tx線圈太遠(yuǎn)（控制在5mm以內(nèi)是最佳狀態(tài)）。
2.Rx線圈不要做到太小，而應(yīng)盡量做到和Tx線圈差不多大（目前在手機(jī)里Rx線圈是做到直徑35~54mm。線圈大的好處是很容易和Tx配對，缺點是成本相對較高）。
3.用一些對準(zhǔn)方法，比如視覺（圖像）、機(jī)械或磁鐵（如可穿戴產(chǎn)品）。說到磁鐵，有一點要注意：永久磁鐵放在發(fā)射機(jī)中心，對發(fā)射損耗有不小影響，可以達(dá)到5~10%，因此推薦最好是用三個磁鐵，放在線圈外面。
4.使用利茲線來盡可能降低線圈交流電阻。
5.設(shè)計合適的線圈增益（輸出電壓/輸入電壓）來維持最佳工作條件。
強(qiáng)調(diào)一點，發(fā)射機(jī)側(cè)，在DC-DC甚至DC/AC時，有一個使能引腳用于實現(xiàn)自我保護(hù)。在接收機(jī)側(cè)，整流是4個MOSFET（幾百V），沒有辦法關(guān)掉，否則功耗太大。所以接收機(jī)自我保護(hù)非常重要，尤其是在大功率（5W以上）、高電壓（9V以上）的情況下。
Qi的通信采用的是2kHz/500μs幅移鍵控（ASK）。他強(qiáng)調(diào)說，無線充電是一個系統(tǒng)，有接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，接收機(jī)是主控，發(fā)射機(jī)是從控。發(fā)射機(jī)需要接收機(jī)告訴它需要多大功率。因此，通信一定不能中斷，否則就會出問題。要是接收機(jī)的自我保護(hù)再做不好，就會出現(xiàn)更大的問題。
ASK通信既可以用電壓也可以用電流來反映。目前做得比較好的是通過電壓、電流兩路來反映，這樣可以提高可靠性。
此外，為了方便用戶（尤其是中小型用戶）設(shè)計，IDT提供評估板，包括1~3W、5W和15W三種類型。同時，IDT也提供1~15W Turnkey參考設(shè)計，方便用戶評估和實現(xiàn)各種無線充電應(yīng)用。
