無(wú)線(xiàn)充電原理深層解析

隨著(zhù)可攜式媒體播放器、智慧手機和平板電腦等電池供電的消費性電子設備的不斷普及，導致家?到處充斥著(zhù)大量不同的充電器和成捆的纜線(xiàn)。以無(wú)線(xiàn)方式給設備充電的概念即沒(méi)有任何直連線(xiàn)的連接已經(jīng)推出一段時(shí)間了，現在正迅速提起人們的興趣，使之更加靈活和更加有用。不過(guò)目前有哪些不同的技術(shù)、工程師需要應付的設計挑戰又有哪些呢?

由于無(wú)需使用充纜纜線(xiàn)，給消費設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電有許多吸引人的地方。也許應該說(shuō)得更明白點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)充電的目的是透過(guò)不同于有線(xiàn)或連接器等的創(chuàng )新方式提供給設備電池充電的新途徑。

無(wú)線(xiàn)充電方式在諸如電動(dòng)牙刷等許多消費設備中已經(jīng)非常流行，其中最主要的一種方法是基于麥克斯韋定律的感測方法，即來(lái)自某個(gè)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)變化會(huì )在另外一個(gè)與之耦合的線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流。雖然使用磁場(chǎng)的感測方法適合類(lèi)似上述這樣的許多小設備，但在平板電腦和智慧手機等更加現代的消費電子設備中使用這種方法面臨著(zhù)諸多工程設計挑戰。

隨著(zhù)饋送給電池的功率的增加，相對效率或擺放耦合線(xiàn)圈的靈活性要求也會(huì )提高。這種感測方法的主要考慮因素是如何控制產(chǎn)生或‘發(fā)送’能量并使用感測磁場(chǎng)傳送給 ‘接收’設備的訊號所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。接收設備隨后將磁場(chǎng)能量轉換為電能再給電池充電。Wi-Fi、藍牙、近場(chǎng)通訊(NFC)、蜂巢式系統和調頻廣播是眾多無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和數據連接方法中的一些例子，它們可能都會(huì )受到這種電磁場(chǎng)的干擾。

當然，另外一個(gè)考慮因素是使功率傳輸效率盡可能高，即使在更高功率電平和更寬擺放誤差等挑戰約束條件下。在過(guò)去幾年中，業(yè)界對于如何實(shí)現感測充電技術(shù)提出了許多新的想法，但規避EMI影響的進(jìn)展不像期望的那樣順利，因為達到EMI相容需要付出艱巨的努力。

最近這方面的挑戰得到了進(jìn)一步發(fā)展，這得感謝無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)的不懈努力。WPC是美國消費電子(CEA)組織的一項行動(dòng)計劃，目的是鼓勵進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，使無(wú)線(xiàn)充電更加引人注目，因而得到更大消費群體的青睞。

感測方法的另外一個(gè)眾所周知的約束條件是需要精確地配對充電器和被充設備，這可以用電動(dòng)牙刷例子來(lái)很好地描述。充電器基板上有一個(gè)小塔，從放置待充電牙刷的基板上升出來(lái)。使用這種方法可以使兩個(gè)線(xiàn)圈完美匹配，以確保磁能的傳輸。任何稍微的不對齊都會(huì )完全丟失功率傳輸能力。在使用諸如智慧手機或平板電腦等要求稍大功率電平的其它設備時(shí)，這種使用方法顯然很不方便。最后，存在如何解決電熱損失的問(wèn)題。充電器功率越高，熱量損失越大。這對溫度高度感測的鋰離子電池來(lái)說(shuō)更是個(gè)問(wèn)題，很可能會(huì )在今天外形高度緊密的消費電子設計中產(chǎn)生元件應力。

使用電容器架構是可以代替磁場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電的另外一種無(wú)線(xiàn)充電方法，這種方法的塬理類(lèi)似于電場(chǎng)的麥克斯韋定律。這種概念已經(jīng)被村田公司衲桑并被廣泛導入新的設計。該公司的做法是使用示駁緄緋〔⑼腹電容器傳輸能量，這種電容器則是由屬于實(shí)體上分開(kāi)的元件的兩個(gè)電極組成。將這兩個(gè)元件彼此靠近就能形成一個(gè)電容器陣列，并用來(lái)傳輸能量。圖1a顯示了這種方法的基本塬理。

圖1a：無(wú)線(xiàn)功率傳輸中發(fā)送器-接收器對塬理。

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