近場(chǎng)/遠距無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)大革新 不止于擺脫線(xiàn)纜這么簡(jiǎn)單

　　便攜設備無(wú)線(xiàn)充電的優(yōu)勢遠遠不止于擺脫線(xiàn)纜的束縛。智能型手機制造商早在2013年就開(kāi)始在其智能型手機中整合無(wú)線(xiàn)充電功能。未來(lái)，行動(dòng)設備的無(wú)線(xiàn)充電功能有望像Wi-Fi和藍牙一樣普及。

　　2015年6月無(wú)線(xiàn)電源聯(lián)盟（Alliance for Wireless Power， A4WP）和電力事業(yè)聯(lián)盟（Power Matters Alliance， PMA）合并，組成AirFuel聯(lián)盟（AirFuel Alliance）。這一合并之舉加速了未來(lái)消費者無(wú)論到何處，設備充電將具有互操作性、便利性的愿景實(shí)現。

　　近場(chǎng)感應充電

　　尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）最早在19世紀80年代證明了近場(chǎng)或磁共振充電，透過(guò)振蕩磁場(chǎng)傳遞能量（圖1）。

　　圖一磁共振示意圖

　　從發(fā)射器傳遞到接收器的電流和電壓必須是交流電。充當發(fā)射器的充電墊從墻上插座中汲取電力，將交流電網(wǎng)電壓進(jìn)行降壓并轉換為直流，為發(fā)射器的驅動(dòng)器和控制器電路提供偏置。驅動(dòng)器和控制器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)訊號，并可調節開(kāi)關(guān)頻率，將直流電再變?yōu)榻涣麟?，輸入到初級側線(xiàn)圈。

　　在接收器側，交流電經(jīng)過(guò)整流后，透過(guò)同步轉換進(jìn)行調節，用于對電池充電。根據接收器所需的功率大小，線(xiàn)圈中的頻率發(fā)生變化。通訊訊號迭加在功率訊號上，所以?xún)烧呔涝O備已經(jīng)放在了充電墊上。感應充電效率較高，但對于線(xiàn)圈是否對準非常敏感。需要將耦合線(xiàn)圈調節到略微偏離諧振頻率，以?xún)?yōu)化功率傳輸（圖2）。

　　圖2 近場(chǎng)感應充電系統

　　無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium， WPC）制定的Qi是目前主流的近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電標準之一，該共同體包括200多家公司。AirFuel近距離磁感應（Inductive）是另一種標準。Powermat是橋接技術(shù)的很好例子，該技術(shù)提供通用環(huán)，配合充電墊使用，為便攜設備充電。

　　近場(chǎng)共振充電

　　共振充電是另一種近場(chǎng)充電形式，與電磁場(chǎng)工作原理相同，但需要共振器前端（圖3）。該標準由AirFuel Resonant主導，允許發(fā)射器和接收器之間的距離較短。單個(gè)6.78MHz發(fā)射器可支持多個(gè)接收器，無(wú)需實(shí)物對準。然而，接收器和發(fā)射器之間要求嚴格的頻率匹配，從而在特定線(xiàn)圈尺寸下最大程度地延長(cháng)功率傳輸距離。隨著(zhù)連接設備數量增多和距離延長(cháng)，傳輸功率下降。發(fā)射器和每個(gè)接收器之間，需要具有獨立的雙向信道，通常是由藍牙來(lái)負責這項任務(wù)。

　　圖3 近場(chǎng)共振充電系統

　　表1為Qi、AirFuel Inductive及AirFuel Resonant三種近場(chǎng)充電標準比較表。值得注意的是，無(wú)論是電磁感應還是共振充電，發(fā)射器和接收器之間都必須保持在最短距離以上。

　　表1 近場(chǎng)充電標準比較

　　由于存在兩種標準，通用汽車(chē)（GM）宣布其汽車(chē)將同時(shí)支持AirFuel Inductive和Qi標準。三星（Samsung）也決定其手機將支持兩種標準。

　　遠距充電系統

　　相較于近場(chǎng)充電系統，遠距充電系統將能量從功率集線(xiàn)器傳遞至特定設備的方法更為多元，藍牙、Wi-Fi、超音波和紅外線(xiàn)等都曾被試用過(guò)（圖4）。

　　圖4 遠距共振充電系統

　　基于射頻（RF）的系統如WattUp、Cota，均使用一個(gè)或多個(gè)天線(xiàn)廣播能量并進(jìn)行通訊。2015年10月，力拱WattUp的Energous公司宣布可提供首款射頻功率接收器IC，該組件可將射頻整流為直流訊號，讓可攜式設備也能支持WattUp充電技術(shù)。

　　另一種基于射頻技術(shù)的Cota無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，實(shí)際上是使用現有的Wi-Fi和藍牙天線(xiàn)來(lái)實(shí)現數據通訊和接收無(wú)線(xiàn)功率，然后將這些微訊號挹注到電池的充電電流。值得一提的是，Cota會(huì )將接受電力的設備數據，包含電池充電特征數據傳輸回電源路由器，待兩端建立起持續的通訊鏈路后，再由電源路由器向接收器所在的位置發(fā)射能量束。

　　以uBeam為代表的超音波系統中，路由器中的訊號產(chǎn)生器負責產(chǎn)生電訊號，發(fā)送到放大器。然后將經(jīng)過(guò)放大的訊號連接至轉換器，產(chǎn)生超音波，經(jīng)過(guò)聚焦并發(fā)送到接收器。受電端內建的壓電轉換器在接收到超音波所施加的壓力后，便會(huì )產(chǎn)生充電電流。系統兩側使用的轉換器必須具備高效率，并且能承受大能量訊號（圖5）。

　　圖5 壓電轉換器

　　另一家新創(chuàng )公司W(wǎng)i-Charge則專(zhuān)注于將紅外線(xiàn)轉換為電力。發(fā)射端透過(guò)雷射二極管向接收器準確地射出紅外線(xiàn)光束，接收器中的太陽(yáng)能電池則負責將紅外線(xiàn)光轉換回電能。該公司于2015年2月在舊金山進(jìn)行了系統功能展示，證明其概念可行。紅外線(xiàn)技術(shù)雖然必須在視線(xiàn)范圍內才能運作，但具備無(wú)電磁干擾（EMI）輻射這項明顯優(yōu)勢。表2為各公司遠距充電技術(shù)比較示例。

　　表2 遠距充電方法示例

　　無(wú)線(xiàn)充電系統實(shí)作應注意六大重點(diǎn)

　　相較于有線(xiàn)充電，無(wú)線(xiàn)充電系統在先天上有許多變數，在實(shí)作時(shí)應特別注意。

　?。苿?dòng)性

　　在無(wú)線(xiàn)充電系統的實(shí)作中，定位和跟蹤多個(gè)移動(dòng)接收器的能力至關(guān)重要。近場(chǎng)充電中發(fā)射器和接收器的相對位置不變，但在遠場(chǎng)充電中用戶(hù)可能不斷移動(dòng)。用戶(hù)應能隨意移動(dòng)而不會(huì )丟失訊號。

　?。踩?/p>

　　射頻安全性取決于在不損害人類(lèi)健康的前提下，人體可以承受的照射量，通常是以吸收率（SAR）用來(lái)定義這個(gè)極限值。消費類(lèi)產(chǎn)品的安全性要求其實(shí)相當嚴格，因為它關(guān)乎能否讓消費者建立安全感，不能只以通過(guò)安全規范為目標來(lái)設計。

　　至于超音波的安全性，可能也是消費者非常關(guān)心的問(wèn)題，畢竟消費者對于充滿(mǎn)射線(xiàn)的空間，心理上可能多少會(huì )有排斥，而且超音波有可能會(huì )影響動(dòng)物。在動(dòng)物也感知不到的高頻段上提供無(wú)線(xiàn)充電，可能是此一問(wèn)題的解決方法。

　?。到y干擾

　　無(wú)線(xiàn)充電系統基于高頻率開(kāi)關(guān)訊號，必須具備預測噪訊來(lái)源的能力，包括充電系統本身的噪訊和系統外部的噪訊。

　?。杀?/p>

　　在成本方面，需要考慮的兩項因素是電源成本和傳輸效率。美國每年的電池使用量高達29億顆，若無(wú)線(xiàn)充電普及，將具有避免數百萬(wàn)顆電池被投入垃圾掩埋場(chǎng)的潛力。

　?。绾螢橥耆珱](méi)電的設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電？

　　無(wú)線(xiàn)充電器能夠對電力完全耗盡的設備進(jìn)行充電嗎？對設計人員來(lái)說(shuō)，這是個(gè)必須審慎思考的問(wèn)題。對近場(chǎng)充電系統來(lái)說(shuō)，要為電力完全用完的接收裝置充電不成問(wèn)題，但遠場(chǎng)充電系統的接收側必須在控制電路上電的情況下，才能連接到電源路由器。

　?。鷳B(tài)系統和基礎設施

　　移動(dòng)設備從不斷電的愿望是可以實(shí)現的，但要實(shí)現這個(gè)目標，生態(tài)系中的各方必須緊密協(xié)作（圖6）。

　　圖6 無(wú)線(xiàn)充電生態(tài)系統

　　根據調研機構IHS在2014年的資料，70%的消費者每天至少為一個(gè)設備充電一次。設備不僅應該支持無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，而且應該有足夠的熱點(diǎn)供其充電。一旦基礎設施部署到位，其普及將會(huì )水到渠成。從Nikola Tesla首次傳輸電力至今已經(jīng)超過(guò)100年，但我們依然遠遠未釋放能量轉換的全部潛力。我們的電子設備要變得更聰明，才能自行充電。