解讀無(wú)線(xiàn)充電新技術(shù)—磁感應與磁共振

引言

無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)是電子行業(yè)增長(cháng)最快的領(lǐng)域，得到了廣泛應用。消費者對電池供電便攜式電子設備的需求，以及極不方便的不斷進(jìn)行充電等因素促使該技術(shù)的應用高速增長(cháng)。具有無(wú)線(xiàn)充電功能的便攜式設備發(fā)展非常迅猛，隨著(zhù)這種趨勢的繼續，無(wú)線(xiàn)充電將成為我們日常生活的一部分，是一種便攜式設備使用習慣。

考慮到開(kāi)發(fā)標準、小型化解決方案和低成本等因素，磁感應(MI)和磁共振(MR)是消費類(lèi)市場(chǎng)上的兩種主要無(wú)線(xiàn)充電傳送技術(shù)。由于緊密的磁耦合，MI目前具有較高的電力傳送能力，易于設計，轉換效率較高，而MR更具空間自由度，每個(gè)發(fā)射臺支持多個(gè)接收器件，對近場(chǎng)金屬物體的熱積累影響較小。在MI領(lǐng)域主要有兩種標準：無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)的‘Qi’標準，以及充電事物聯(lián)盟(PMA)的相關(guān)標準。對于目前基于MI的便攜式設備設計人員，這帶來(lái)了能否確保Qi和PMA兩種標準兼容的問(wèn)題。MR標準主要是由A4WP (無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟)控制的。Qi或者PMA標準的產(chǎn)品兼容性目前還在討論中，預計明年就會(huì )出現基于A(yíng)4WP的產(chǎn)品。本文介紹無(wú)線(xiàn)充電以及相關(guān)的MI和MR技術(shù)。還會(huì )討論芯片制造商怎樣實(shí)現當今的MI無(wú)線(xiàn)充電接收器IC，幫助克服MI技術(shù)的雙重標準問(wèn)題。

高速發(fā)展的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)

在我們日常個(gè)人生活以及商業(yè)活動(dòng)中，充電和數據傳輸所需要的有線(xiàn)連接難免有很多不便之處。無(wú)線(xiàn)數據訪(fǎng)問(wèn)已經(jīng)非常普遍了，而充電卻還沒(méi)有達到相似的無(wú)線(xiàn)應用水平。外出旅行時(shí)，要帶上墻插充電器、電纜和適配器，到處找“公共”電源去充電，非常麻煩。

如果出于多方面的考慮而建設廣泛分布的無(wú)線(xiàn)充電輔助支撐系統，這會(huì )對移動(dòng)電話(huà)很有好處。高亮度大屏幕、功能強大的多核處理器、板上射頻陣列、需要實(shí)時(shí)數據的應用程序，以及新的生物應用等都導致一天要多次充電。消費者要求更輕更薄的設備也推動(dòng)了這一需求。然而，鋰電池的功率密度并沒(méi)有隨之相應的增長(cháng)。為滿(mǎn)足消費者的需求，很多便攜式設備生產(chǎn)商已經(jīng)發(fā)售了符合Qi (目前主要的無(wú)線(xiàn)充電標準)標準的移動(dòng)電話(huà)。移動(dòng)電話(huà)運營(yíng)商也希望能夠對移動(dòng)設備不斷進(jìn)行充電，傳送無(wú)線(xiàn)數據，因此，積極推動(dòng)建設無(wú)線(xiàn)充電傳送輔助支撐系統。

要隨時(shí)隨地進(jìn)行充電，把設備放在能夠無(wú)線(xiàn)充電的設備表面即可，這要求充電發(fā)射臺無(wú)處不在。在一些前端已經(jīng)開(kāi)始了建設。Qi和PMA發(fā)射臺目前以多種形式用在家庭和辦公室中。豐田和克萊斯勒等汽車(chē)公司新款汽車(chē)采用了Qi發(fā)射器，很快還會(huì )提供更多的制造/模型和大量的售后汽車(chē)解決方案。PMA迅速在一些合作伙伴那里得到了應用，餐館、零售店、飯店以及其他公共場(chǎng)合都可以實(shí)施無(wú)線(xiàn)充電輔助支撐系統和智能網(wǎng)絡(luò )，從而吸引更多的消費者，有可能帶來(lái)更大的收益。例如，星巴克的“Never PowerlessTM”計劃從去年開(kāi)始，首先在馬薩諸塞州波士頓安裝，隨之在硅谷地區建設新站，中期計劃是在美國提供1百多萬(wàn)個(gè)充電點(diǎn)。

建設好發(fā)射站輔助支撐系統后，對設計支持多種無(wú)線(xiàn)充電標準的移動(dòng)設備最有利。IDT等企業(yè)推出的模擬和數字技術(shù)發(fā)展非?？?，最近IMS的研究報告也表明對無(wú)線(xiàn)充電的需求很大，今后幾年將呈現出高速增長(cháng)的局面，2016年達到300Mu，2018年達到1Bu。這說(shuō)明2011年雖然幾乎還沒(méi)有這一市場(chǎng)，但今后會(huì )有強勁的增長(cháng)。

圖1.通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，移動(dòng)電話(huà)等便攜式設備的使用會(huì )更加方便，

人們不用再攜帶很多專(zhuān)用充電器和電纜。

磁感應(MI)和磁共振(MR)技術(shù)

磁感應技術(shù)(Qi和PMA)是首先面市的，是新生無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)的主導技術(shù)。但是，磁共振(A4WP)相對于MI也很有優(yōu)勢，也面臨一些挑戰。A4WP 6.78MHz的固定工作頻率與Qi的110-205KHz工作范圍相比，依據法拉第的電感定律，松耦合因子(位置更靈活)的充電傳送效率更高。更高的頻率以及更高的線(xiàn)圈電壓使得接收線(xiàn)圈更小更薄，移動(dòng)設備的機械結構更容易實(shí)現。高頻工作的另一好處是，其表面渦流很小，因此，對發(fā)射臺附近金屬物體的熱輻射也很小。這也就意味著(zhù)，待充電設備(例如，電池)中的雜散金屬不會(huì )積熱。A4WP標準使用了雙向Bluetooth®節能(BLE)帶外信號，與待充電設備進(jìn)行通信，對電源進(jìn)行調節。相反，Qi和PMA使用負載調制單向帶內通信方法，將電源調節信息傳送回發(fā)射器。Qi方法簡(jiǎn)單，成本低，但是只能處理一個(gè)接收器，受限于低速通信，容易受到系統產(chǎn)生的 EMI的影響。

MR實(shí)施起來(lái)會(huì )遇到一些難題，針對大批量應用市場(chǎng)需要進(jìn)一步采取措施，提供產(chǎn)品解決方案。MR接收器使用了LC諧振腔，高Q因子直接工作在共振頻率上。難點(diǎn)是當溫度和電壓變化時(shí)，諧振腔不太容易調整保持在固定共振頻率上。出現漂移時(shí)，效率會(huì )下降。MI標準實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單一些，這是因為工作頻率高于共振頻率，因此，不需要高Q電路或者高精度無(wú)源器件。但是，MR高Q電路的高容差器件成本雖然高，其線(xiàn)圈成本卻很低。無(wú)屏蔽MR接收線(xiàn)圈也很小，導線(xiàn)要比MI線(xiàn)圈薄，因此，其成本應比那些關(guān)鍵器件低。

無(wú)線(xiàn)充電系統產(chǎn)生的電磁輻射是消費者關(guān)心的問(wèn)題，但這已經(jīng)超出了本文的討論范圍。在機械結構上，MI是緊耦合系統，意味著(zhù)發(fā)射和接收線(xiàn)圈直接接觸以支持MI充電傳輸，其排列方式允許線(xiàn)圈頂部和底部直接使用鐵氧體屏蔽層(圖2)。這些鐵氧體屏蔽層有兩種作用：首先，磁通線(xiàn)更靠近線(xiàn)圈，耦合更緊密，磁通線(xiàn)電流也就更大，其次，屏蔽層減小了系統的電磁輻射。MR是松耦合系統，意味著(zhù)接收器距離發(fā)射器會(huì )有10厘米遠(圖3)，因此，不像MI方法那樣具有鐵氧體屏蔽層的優(yōu)點(diǎn)。把輻射水平保持在安全限制范圍之內是一種技術(shù)優(yōu)勢，更有利于無(wú)線(xiàn)充電傳輸技術(shù)在消費類(lèi)市場(chǎng)上的推廣。

圖2.使用鐵氧體屏蔽材料，屏蔽了磁場(chǎng)輻射

圖3.磁共振無(wú)線(xiàn)充電支持松耦合，空間自由度更大

近期MI雙標準挑戰

在短期內，兩種競爭MI標準：Qi和PMA的同時(shí)存在有可能阻礙公共使用無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的快速部署，例如，機場(chǎng)、咖啡吧和娛樂(lè )場(chǎng)所等地點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)充電臺、熱點(diǎn)桌和工作臺等。它們都是可行的，性能也可靠，因此，看起來(lái)都能夠部署在公共無(wú)線(xiàn)充電熱點(diǎn)。理論上，這會(huì )導致手持式設備人員到處尋找與其設備兼容的某一無(wú)線(xiàn)充電接入點(diǎn)。這無(wú)疑會(huì )讓消費者感到心煩，其應用就會(huì )大打折扣。

IDT是開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)充電解決方案的一家公司，認識到了這一問(wèn)題，開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)充電接收器IC來(lái)解決這一問(wèn)題，單片雙模式接收器解決方案消除了傳輸標準之間的兼容性障礙。去年，IDT推出了業(yè)界集成度最高的發(fā)射器IC解決方案，今年，他們推出了第一款雙模式接收器解決方案。采用這些解決方案，移動(dòng)設備和附件OEM不需要生產(chǎn)多種型號的產(chǎn)品，從而降低了成本，拓展了市場(chǎng)銷(xiāo)售空間。OEM使用通用電路布板，只需要一張材料表(BOM)，從而減小了產(chǎn)品體積。

結論

無(wú)線(xiàn)充電是一項令人激動(dòng)的新技術(shù)，使得移動(dòng)電話(huà)能夠一直保持工作，進(jìn)一步促進(jìn)了移動(dòng)電話(huà)革命。通過(guò)專(zhuān)用產(chǎn)品充電適配器和麻煩的導線(xiàn)對電池充電非常不方便，是便攜式通信和計算最薄弱的一環(huán)?，F在，快速發(fā)展的無(wú)線(xiàn)充電輔助支撐系統已經(jīng)初具規模，今后有一天，我們會(huì )把適配器和線(xiàn)纜留在家里，最終徹底拋棄它們。

MR和MI技術(shù)各有特色，能夠滿(mǎn)足各種不同的無(wú)線(xiàn)充電應用，都有未來(lái)發(fā)展空間。在這些方法中，競爭標準是有好處的，因為這有助于推動(dòng)創(chuàng )新，但是，消費者感受到的困惑和挫折感卻是很大的風(fēng)險。MI雙模式接收器技術(shù)能夠自動(dòng)在無(wú)線(xiàn)充電標準之間無(wú)縫切換便攜式設備，從而避免了復雜而又麻煩的應用場(chǎng)景問(wèn)題。