在過去的幾年時間里無線充電市場不斷發(fā)展，無線充電標(biāo)準(zhǔn)趨于整合，并且不斷有新的供應(yīng)商和新的設(shè)備涌現(xiàn)。與此同時，一些令人興奮的技術(shù)發(fā)展也不斷出現(xiàn)，下面就與大家一起討論無線充電技術(shù)現(xiàn)在的發(fā)展情況以及未來的展望。

無線充電也可以稱為無線電力傳輸（WPT），在一些消費級可穿戴產(chǎn)品中可謂是風(fēng)靡一時，比如智能手機、智能手表、健康手環(huán)等，但是這個想法本身已經(jīng)存在至少一個多世紀(jì)的時間了，著名的發(fā)明家尼古拉?特斯拉早在1891年就展示了兩個燈泡之間的WPT效應(yīng)，無線充電對工業(yè)和汽車行業(yè)的用戶也具有相當(dāng)?shù)奈?，因為不存在直接的連接所以就不會產(chǎn)生火花而引起爆炸，無線充電系統(tǒng)還可以被單獨的密封起來來對抗工業(yè)溶劑、灰塵以及腐蝕氣體的影響。

20世紀(jì)90年代消費者才開始廣泛使用諸如電動牙刷、電動剃須刀之類的小型家用電器，在過去的10年時間里隨著WPT的標(biāo)準(zhǔn)化以及便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的興起，這類需求不斷增加。

兩種技術(shù)故事

無線充電系統(tǒng)遵循NFC（near-field charging，近場充電）準(zhǔn)則：發(fā)射線圈會生成一個震蕩磁場空間，通過電磁感應(yīng)向附近的接收線圈傳輸能量。典型的配置就是固定的充電站或者充電座集成發(fā)射電路和一級線圈，被充電的設(shè)備中則包含二級線圈。

發(fā)射線圈（一級線圈）生成的磁場只有一小部分的磁通量可以穿透給接收線圈（二級線圈）并傳輸能量：這兩個線圈本質(zhì)上構(gòu)成一個變壓器，傳輸效率是兩個線圈的耦合系數(shù)（K）與質(zhì)量因子（Q）的函數(shù)。

雙向傳輸通道以及功率波形的疊加允許接收器的驗證和傳輸電力的管理，發(fā)射器與接收器之間的金屬物體會吸收能量，降低效率甚至造成發(fā)熱構(gòu)成安全隱患，因此異物檢測（FOD）技術(shù)也已經(jīng)被集成到目前的無線充電系統(tǒng)中。

WPT開發(fā)者正在致力于研究兩種技術(shù)：感應(yīng)充電借助兩個緊密相鄰的耦合線圈；共振充電則是使兩個線圈都達到諧振頻率產(chǎn)生共振效應(yīng)。盡管兩種技術(shù)都采用感應(yīng)耦合技術(shù)，但是“感應(yīng)充電”通常指緊密耦合的充電方式。

感應(yīng)充電概述

感應(yīng)充電方式是低功耗便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的理想選擇，可能不適合一些大型的產(chǎn)品，這一點我們會集中與大家討論，并且會涉及到諧振充電。

這種方式是有效的，但是對線圈的失調(diào)非常的敏感。電力的傳輸與距離的平方成反比的關(guān)系，隨著距離的增加電力傳輸效率迅速下降。為了提高效率，用戶使用的產(chǎn)品中兩個線圈的距離一般都會保持在7mm以內(nèi)，如果用戶移動了接收設(shè)備，系統(tǒng)就會檢測到充電效率的下降從而終止電力傳輸。

圖2是感應(yīng)無線充電系統(tǒng)的模塊圖，它采用的是兩個羅姆設(shè)備，下面會與大家討論，在大部分應(yīng)用中，無線充電系統(tǒng)都會包括兩個模塊：AC/DC電源輸入給發(fā)射線圈供電和接收端用于存儲能量的鋰電池。

目前有兩個感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)：無線充電聯(lián)盟（WPC）推出的Qi（發(fā)音：Chee）標(biāo)準(zhǔn)，操作頻率在100-200KHz，無線充電新聯(lián)盟AirFuel支持AirFuel感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn)，操作頻率在100-350KHz，兩種充電方式的整體效率都超過了70%。

很多設(shè)備制造商的產(chǎn)品都支持這兩種標(biāo)準(zhǔn)，比如三星的Galaxy S6和S7智能手機同時支持Qi和AirFuel兩種無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

無論是Qi還是AirFuel無線充電系統(tǒng)都是通過發(fā)射線圈將電力傳送給接收線圈，但是都是有接收端控制充電的總量，接收端通過改變主線圈的負(fù)載實現(xiàn)與發(fā)射端的通信，Qi標(biāo)準(zhǔn)支持2kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率以及雙相位編碼。AirFuel標(biāo)準(zhǔn)則定義了六種不同的通信標(biāo)志，每個AirFuel無線充電系統(tǒng)接收端都保存唯一的六字節(jié)ID識別碼，這個識別ID是在系統(tǒng)啟動時有發(fā)射端傳送給接收端的。

無線充電系統(tǒng)比有線充電系統(tǒng)提供的電力要少的多，因此在充電的時候可能需要更長的時間，但是制造商正在積極解決這個問題，比如提高電力水平。2015年推出的WPC v1.2版本規(guī)范明確最大支持的功率可達15W，早期的版本只支持5W。

無線發(fā)射器

在工作期間，發(fā)射器大部分時間都保持在低功耗“睡眠”模式，每隔一定的時間都會激活檢查是否有接收器需要充電。檢測到二級線圈存在后，發(fā)射器會對接收器進行身份驗證，然后開始進行電力的傳輸。如果驗證失敗，無線發(fā)射器會繼續(xù)保持“睡眠”狀態(tài)，在電力傳輸?shù)恼麄€過程中，接收端會通過預(yù)定義的通信數(shù)據(jù)包保持電力傳輸?shù)倪^程，這些數(shù)據(jù)包處理的功能包括識別、身份驗證、所需的電量和錯誤檢測等。

如圖3所示為東芝（Toshiba）公司推出的TB6865AFG，它是一款兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線發(fā)射器，同時也可以將它看成是一款復(fù)雜的SoC器件，集成了32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核和128KB的Flash存儲空間，用于存儲驅(qū)動電源線圈的全橋逆變器的驅(qū)動程序。此外其他模塊還包括三個低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）和四個用于解碼接收器命令的解調(diào)器。

無線接收器

與無線發(fā)射器類似，無線接收器也是一款復(fù)雜的SoC器件，比如羅姆半導(dǎo)體公司推出的BD57015GWL集成了全面同步的糾正電路，采用低阻抗的場效應(yīng)晶體管，一個數(shù)據(jù)包控制器用于處理Qi和AirFuel標(biāo)準(zhǔn)通信數(shù)據(jù)，一個開漏輸出驅(qū)動器通過調(diào)幅的方式實現(xiàn)與發(fā)射器的通信。這個器件提供可調(diào)節(jié)的電壓輸出，符合Qi和AirFuel無線充電標(biāo)準(zhǔn)。羅姆公司同時也推出了匹配的發(fā)射器器件——BD57020MWV，它兼容Qi中低功率的無線傳輸規(guī)范。

發(fā)射器和接收器線圈

為了保證不同廠家器件之間的互操作性，Qi標(biāo)準(zhǔn)還定義了詳細(xì)的發(fā)射器充電線圈要求。這個規(guī)范定義了線圈的電磁特性、幾何形狀和材料。比如A11線圈規(guī)范定義的是單層圓形線圈，在氧化體底座上安裝了10圈電線，線圈的輸入操作電壓為5V，6.3μh電感，最大直流阻抗（DCR）為60 m?。

A6版本規(guī)范則定義了三個線圈，通過增大可用充電面積降低對線圈不對齊放置的敏感性；由于每個線圈都需要一個獨立的驅(qū)動模塊，因此可以說這種方案的物料（BOM）成本都很大。

發(fā)射器和接收器線圈通常都是采用特制的利茲線纜(itz wire)制成，它使用多種絕緣線纏繞成多種形狀，將接觸面影響最小化，降低效率損失。兩個線圈尺寸應(yīng)該相近形成最大耦合。比如TDK推出的無線充電線圈兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)，適用于移動設(shè)備，采用專用柔軟的薄金屬磁片制成，厚度僅為0.52毫米，除了厚度很薄其支持的輸出電流可達0.5到0.6A。

圖4展示的是各種形式的無線充電線圈，符合A6規(guī)范的線圈如圖左側(cè)所示。

此外接收線圈必須非常的輕薄才能適合便攜和可穿戴設(shè)備，但是仍然需要足夠的堅固才能承受一定的震動和沖擊作用.因為每個智能手機、健康手環(huán)等電子設(shè)備都是不同的，接收器的用的線圈一般都是定制化的，TI（德州儀器）公司在線圈設(shè)計程序方面提供了一系列詳細(xì)的說明。

在標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品中，威世達勒（VishayDale）公司提出的IWAS系列線圈是首款商業(yè)可用的接收線圈，符合Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可用于5V或7V電壓充電，比如IWAS-3827EC-50線圈能夠處理高達10W的功率，整個線圈電感大10.7μH，電阻抗達183 m?，安裝在高導(dǎo)磁層上，尺寸大約38 x 26 x 1毫米。

發(fā)射器與接收器模塊

多家制造商提供的模塊都包括線圈和發(fā)射器或者接收器，圖4所展示的是TDK公司推出的WTM505090發(fā)射器模塊，它包含了發(fā)射器PCB板卡（集成東芝TB6865AFG器件）以及發(fā)射器線圈。

WPT（無線電力傳輸）開發(fā)工具

目前市場長存在幾個開發(fā)工具套件和工具幫助設(shè)計者入門無線充電系統(tǒng)設(shè)計，IDT公司提供的WP3W-RK參考開發(fā)套件最大支持3W的無線充電功率，該套件包括發(fā)射器和接收器以及三個不同尺寸的線圈適合不同的功率級別，提供有豐富的參考資料如模塊布局、BOM等，幫助工程師快速進行系統(tǒng)原型設(shè)計。

即將到來：諧振無線充電

近場感應(yīng)充電（NFC）依然是當(dāng)今最主要的技術(shù)，但是另兩種方式也即將進入大眾視野，它們能夠提供更遠(yuǎn)距離的無線充電。

諧振充電是另一種近場WPT（無線電力傳輸）技術(shù)，它比感應(yīng)充電的效率要低一些，但是操作上更靈活一些，對于線圈的錯位放置也不是很敏感。諧振充電方式不需要依賴線圈嚴(yán)格的耦合。相反這兩個線圈是松散耦合的，但是都調(diào)到一個共同的振動頻率，這種方法的優(yōu)勢包括可以同時對多個接收器進行充電，而且這兩個線圈也可以是不同尺寸的。

諧振無線充電技術(shù)對于許多工業(yè)和汽車領(lǐng)域的應(yīng)用來說還是有非常大的吸引力的，其中一個原因是相比感應(yīng)充電這種充電方式在位置上更靈活一些。將一輛電動汽車停在裝有充電站的停車位上，通常情況下很難的對齊，對于感應(yīng)無線充電方式發(fā)射線圈與接收線圈錯開幾毫米都是不可行的。

一輛汽車需要更高的充電功率，但是幸運的是由足夠的空間可以安裝線圈。SAE是國際上最大的汽車工程學(xué)術(shù)組織，它正在制定SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是一種面向汽車的諧振充電標(biāo)準(zhǔn)。J2954標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計會在2018年正式發(fā)布，一共定義了三種級別的充電規(guī)范，適用于輕型和重型行業(yè)應(yīng)用：WPT1（住宅：3.7KW）、WPT2（私人/公共停車場：7.7KW）、WPT3（快速充電：11KW）。

面向消費級應(yīng)用WPC同時也推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)的諧振充電規(guī)范，充電范圍最遠(yuǎn)45毫米，充電器可以安裝在桌子或桌子下面。當(dāng)然AirFuel組織也制定了相關(guān)諧振充電規(guī)范。

相對于感應(yīng)供電方式，商業(yè)諧振充電方式的發(fā)展明顯有些滯后，目前市場上很少有先關(guān)產(chǎn)品。

即將到來：遠(yuǎn)場充電

未來無線充電會完全消除距離限制，無論你在哪里，你的智能手機或者平板電腦都能夠持續(xù)不斷的充電，當(dāng)然還會有充電賬單！

這將涉及到遠(yuǎn)場無線電力傳輸，這種技術(shù)借助無線電波（輻射耦合）傳輸電力，而不是近場的磁感應(yīng)。

目前真正無處不在的充電是不存在的，但是我們首先要做的就是將充電距離從幾厘米擴展到幾米，能夠為更多的用戶服務(wù)，比如一個咖啡店里所有顧客都能享受無線充電。在眾多研究遠(yuǎn)場RF充電解決方案的公司中有一家公司Ossia在CES2017大會上展示了其更新版本的Cota系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用256根天線組成的網(wǎng)絡(luò)發(fā)射2.4GHz頻率信號，這些信號則幫助傳遞能量，接收器收到信號后經(jīng)過驗證會反饋一個全向的“低功率”警報信號，發(fā)射器網(wǎng)絡(luò)通過分析接收信號的路徑確定接收器的位置然后通過相同的路徑返回能量。當(dāng)接收器移動時也不會產(chǎn)生影響，發(fā)射器會每個10ms重新驗證接收器的位置，這個系統(tǒng)能夠同時對多個接收器進行充電，最大有效范圍30英尺。

另一個研究對象時超聲波，與電磁能量不同超聲波不會干擾通信，不會造成電磁干擾和有害的電力效應(yīng)。2011年位于美國加州的uBeam公司宣布開發(fā)了一個45-75KHz的系統(tǒng)，這個頻率超過了人類、寵物和野生動物的聽覺范圍。超聲波發(fā)射器與移動接收器建立連接，接收器嵌入在智能手機中接收能量和數(shù)據(jù)知道連接斷開。盡管在2017年2月進行了成功的概念驗證，但是商業(yè)產(chǎn)品真正面市可能還需要幾年時間。

總結(jié)

WPT（無線電力傳輸）生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，兩種無線充電標(biāo)準(zhǔn)互相競爭，不斷涌現(xiàn)出越來越多的商業(yè)產(chǎn)品以及一些全新的發(fā)展理念。除了一系列相關(guān)開發(fā)工具，貿(mào)澤電子提供的產(chǎn)品支持目前市場上領(lǐng)先的兩種無線充電標(biāo)準(zhǔn)。