在無(wú)線(xiàn)充電的變革中容納新產(chǎn)業(yè)標準

　　引言

　　無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)是電子產(chǎn)業(yè)中增長(cháng)顯著(zhù)的領(lǐng)域，并使范圍廣泛的應用得到提升。消費者對于電池供電便攜式電子設備的絕對需求以及這些設備不斷充電的不便驅動(dòng)了無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的銷(xiāo)量增長(cháng)。業(yè)界推出的能夠進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電的便攜式設備已經(jīng)在快速增長(cháng)，隨著(zhù)這種增長(cháng)趨勢的繼續，無(wú)線(xiàn)充電將成為我們日常生活的一部分，也將是便攜式設備使用的一個(gè)常態(tài)。

　　由于開(kāi)發(fā)標準、解決方案小型化和低成本等要求，磁感應(MI)和磁共振(MR)是目前消費電子市場(chǎng)的兩種主要無(wú)線(xiàn)充電傳輸技術(shù)。MI采用緊密的磁耦合，目前具有較高的電力傳輸能力、易于設計、高效率等特性，而MR則具有更大的空間自由度，每個(gè)發(fā)射臺支持多個(gè)接收設備，在近場(chǎng)金屬物體上的熱積累較小。在MI領(lǐng)域有兩個(gè)主要標準：無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(WPC)的‘Qi’標準，以及Power Matters Alliance(PMA，功率關(guān)鍵聯(lián)盟)的有關(guān)標準。對于當今基于MI的便攜式設備設計人員，這便產(chǎn)生了一個(gè)是要與Qi兼容，還是與PMA兼容，或者與兩個(gè)標準都兼容的問(wèn)題。MR領(lǐng)域的標準主要由A4WP(無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟)主導。兼容Qi或者PMA標準的產(chǎn)品目前已經(jīng)上市，預計明年會(huì )出現基于A(yíng)4WP的產(chǎn)品。本文將回顧無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的進(jìn)展以及相關(guān)的MI和MR技術(shù)，還將討論當今的MI無(wú)線(xiàn)充電接收器IC芯片制造商如何幫助克服MI技術(shù)的雙重標準挑戰。

　　快速發(fā)展的無(wú)線(xiàn)充電世界

　　在我們日常個(gè)人生活和商業(yè)活動(dòng)的許多方面，通過(guò)有線(xiàn)連接進(jìn)行充電和數據傳輸有很多難以回避的不便之處。無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行數據訪(fǎng)問(wèn)已經(jīng)相當普遍，而類(lèi)似輕松的無(wú)線(xiàn)充電卻沒(méi)能實(shí)現。外出旅行時(shí)，要帶上笨重的電源插座、電纜和適配器，然后到處去找“公共”電源去充電，這是經(jīng)常遇到的煩惱。

　　如果一個(gè)廣泛的無(wú)線(xiàn)充電生態(tài)系統得以建成，移動(dòng)手機將會(huì )受益最多，這主要由于以下幾個(gè)原因。大尺寸和高亮度顯示屏、功能強大的多核處理器、電路板上的多個(gè)射頻、需要實(shí)時(shí)數據的應用、以及新的生物應用等會(huì )導致一天要多次對手機充電，消費者同時(shí)要求更輕、更薄的設備。然而，鋰電池的功率密度并沒(méi)有隨之相應地提高。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(目前主流的無(wú)線(xiàn)充電標準)標準的移動(dòng)手機。移動(dòng)運營(yíng)商也希望能夠對移動(dòng)設備不斷進(jìn)行充電，以便用戶(hù)可以不停地消耗無(wú)線(xiàn)數據流量，因此，它們在很積極地推動(dòng)建設無(wú)線(xiàn)充電生態(tài)系統。

　　把移動(dòng)設備放在支持無(wú)線(xiàn)充電的設備表面進(jìn)行隨時(shí)隨地無(wú)線(xiàn)充電，這要求發(fā)射臺無(wú)處不在，在一些領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始建設這種基礎設施。用于家庭和辦公室的Qi和PMA發(fā)射臺目前已經(jīng)以多種形款面市。在豐田和克萊斯勒等汽車(chē)公司的新款汽車(chē)中已經(jīng)設置了Qi發(fā)射器，更多新車(chē)款和新型號以及大量的售后汽車(chē)解決方案也將會(huì )提供類(lèi)似功能。PMA正在迅速地簽署一些合作伙伴，他們有興趣在餐館、零售店、飯店以及其他場(chǎng)合部署無(wú)線(xiàn)充電生態(tài)系統和智能網(wǎng)絡(luò )，從而吸引更多的消費者，并有可能帶來(lái)更多的收益。例如，星巴克的“Never Powerless(不會(huì )沒(méi)電)”項目去年首先在美國波士頓開(kāi)始實(shí)施，已經(jīng)擴展到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)。[1]

　　在建設發(fā)射站生態(tài)系統的過(guò)程中，那些能夠支持多種無(wú)線(xiàn)充電標準的移動(dòng)設備獲益最多。IMS最近的研究報告突出闡述了IDT等公司推出的模擬和數字技術(shù)的快速發(fā)展，以及市場(chǎng)對于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)不斷增長(cháng)的需求。報告認為今后幾年無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)出貨量將呈現出高速增長(cháng)的局面，2016年出貨量會(huì )超過(guò)3億，2018年出貨量會(huì )達到10億。從2011年一個(gè)幾乎不存在的市場(chǎng)起步，這代表了一個(gè)非常強勁的增長(cháng)速度。[1]

　　圖1：無(wú)線(xiàn)充電將使移動(dòng)手機等便攜式設備的使用更加方便，不再需要攜帶多個(gè)專(zhuān)用設備充電器和電纜

　　磁感應和磁共振

　　磁感應技術(shù)(Qi和PMA)是首先面市的，并主導最初的無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)。但是，磁共振(A4WP)相對于MI也有一些真正的優(yōu)勢，當然也面臨一些挑戰。A4WP 工作在6.78MHz的固定頻率，而Qi則工作在110-205KHz頻率范圍。很明顯，依據法拉第的電感定律，A4WP的松散耦合因子(位置更靈活)其充電傳輸效率更高。頻率越高以及線(xiàn)圈電壓越高可使接收線(xiàn)圈更小更薄，這樣可使移動(dòng)設備的機械結構更容易實(shí)現。工作在較高頻率下的另一好處是，由于發(fā)射臺表面渦流很小，因此，其外部附近金屬物體的熱積累也很小。這也意味著(zhù)，待充電設備(如電池)中存在的金屬不會(huì )積熱。A4WP標準使用了雙向藍牙®低功耗(Bluetooth® Low Energy ，BLE)帶外信號與待充電設備進(jìn)行通信和對電源進(jìn)行調節。相比之下，Qi和PMA使用負載調制單向帶內通信方法，把電源調節信息傳送回發(fā)射器。Qi標準的方法簡(jiǎn)單，成本低，但僅能應對一個(gè)接收器，僅僅限于低速通信，容易受到系統產(chǎn)生的EMI影響。

　　MR實(shí)施起來(lái)會(huì )遇到一些挑戰，但這些正在被解決，產(chǎn)品解決方案也正在被優(yōu)化以滿(mǎn)足大批量應用市場(chǎng)的需要。MR接收器采用高Q因子的LC諧振腔設計，并直接工作在共振頻率上。MR的挑戰是在溫度和電壓變化時(shí)，如何對諧振腔進(jìn)行微調使其保持在固定共振頻率上。在出現頻率漂移時(shí)，效率會(huì )隨之下降。MI標準實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單一些，這是因為它總是工作在共振頻率之上，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，但所需要的線(xiàn)圈成本卻很低。無(wú)需屏蔽的MR接收線(xiàn)圈也很小，其繞線(xiàn)也要比MI線(xiàn)圈細小，因此，該關(guān)鍵器件的成本應較低。

　　無(wú)線(xiàn)充電系統產(chǎn)生的電磁輻射是消費者關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，但這已經(jīng)超出了本文的討論范圍。在機械結構方面，MI是緊耦合系統，意味著(zhù)發(fā)射和接收線(xiàn)圈直接彼此接觸以支持MI充電傳輸，也正是這種排列方式允許線(xiàn)圈頂部和底部直接使用鐵氧體屏蔽層(見(jiàn)圖2)。這些鐵氧體屏蔽層有兩種作用：首先，通過(guò)使鐵氧體屏蔽層更靠近線(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是松散耦合系統，接收器距離發(fā)射器會(huì )有數十厘米遠(見(jiàn)圖3)，因此，鐵氧體屏蔽層不具有MI方案中那樣的優(yōu)勢。把輻射水平保持在安全范圍之內是技術(shù)發(fā)展的一部分，也有利于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在消費類(lèi)市場(chǎng)的推廣。

　　圖2：磁場(chǎng)大多是使用鐵氧體屏蔽材料來(lái)控制

　　圖3：磁共振無(wú)線(xiàn)充電允許松散耦合和較大的空間自由度

　　近期MI雙標準的挑戰

　　在近期內，一個(gè)潛在的問(wèn)題可能抑制無(wú)線(xiàn)充電臺、熱點(diǎn)桌和工作臺等在機場(chǎng)、咖啡吧和娛樂(lè )場(chǎng)所等地的快速部署，那就是兩種互相競爭的MI標準：Qi和PMA。兩種技術(shù)都是可行的，都可提供可靠的性能，因此，都可能部署在公共無(wú)線(xiàn)充電熱點(diǎn)場(chǎng)合。理論上講，這會(huì )導致手機用戶(hù)必須尋找與其設備兼容的某個(gè)無(wú)線(xiàn)充電接入點(diǎn)。這無(wú)疑會(huì )讓消費者感到失望，由此可能降低其被采納的程度。

　　作為一家開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)充電解決方案的公司，IDT已經(jīng)認識到了上述問(wèn)題，并已通過(guò)開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)充電接收器IC來(lái)解決這一問(wèn)題。IDT開(kāi)發(fā)的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，IDT公司又發(fā)布了第一款雙模接收器解決方案。采用這些解決方案，移動(dòng)設備和附件OEM不需要為不同標準生產(chǎn)多種型號的產(chǎn)品，從而降低了成本，也得以擁有更廣闊的市場(chǎng)空間。OEM現在只需要一個(gè)物料成本表(BOM)，使用一個(gè)通用的電路板布局，從而降低了應用的資源占用。

　　結束語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)充電是一項令人激動(dòng)的新技術(shù)，它通過(guò)使移動(dòng)手機具有更多的工作時(shí)間從而進(jìn)一步促進(jìn)移動(dòng)手機的變革。通過(guò)專(zhuān)用產(chǎn)品充電適配器和笨重的電線(xiàn)對電池充電已經(jīng)證明非常不方便，這或許是移動(dòng)通信和計算最薄弱的一環(huán)?，F在，隨著(zhù)快速發(fā)展的無(wú)線(xiàn)充電生態(tài)系統初具規模，可以預期有一天我們會(huì )把適配器和線(xiàn)纜留在家里，并最終完全不再需要這些。

　　MR和MI技術(shù)各有特色，能夠滿(mǎn)足不同的無(wú)線(xiàn)充電應用要求，都有未來(lái)發(fā)展空間。在所有這些不同技術(shù)中，互相競爭的標準對產(chǎn)業(yè)發(fā)展有好處，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雙模接收器技術(shù)能夠使便攜式設備自動(dòng)地在不同無(wú)線(xiàn)充電標準之間無(wú)縫切換，從而避免了上述復雜而又不滿(mǎn)意的應用場(chǎng)景問(wèn)題出現。

　　參考文獻:

　　1. 功率關(guān)鍵聯(lián)盟(Power Matters Alliance)網(wǎng)站文章: “Duracell Powermat與星巴克在硅谷地區拓展無(wú)線(xiàn)充電” http://www.powermatters.org/menuless/292-duracell-powermat-and-starbucks-expand-wireless-charging-in-silicon-valley-area