隨著移動(dòng)設(shè)備制造商慢慢將無線充電技術(shù)融入設(shè)備，無線充電正在成為一個(gè)熱門話題。 無線充電的概念很簡單：用振蕩電磁場勵(lì)磁的線圈感應(yīng)近距離次級(jí)線圈中的電流。 在最佳條件下，充電過程很高效，并且可以很方便地傳輸數(shù)十瓦功率。 問題在于，設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到有兩種看似互為競爭的無線充電方法，他們需要解決這一問題。

給消費(fèi)者帶來的優(yōu)勢同樣簡單，易于掌握。 廣泛采用無線充電技術(shù)帶來的便利類似于無處不在的無線連接。 智能手機(jī)和平板電腦用戶可以將他們的移動(dòng)設(shè)備放在書桌、工作臺(tái)或咖啡館桌面上快速充電，而無需擔(dān)心要攜帶電壓適配器或?qū)ふ?a target="_blank">電源插座。

然而，從設(shè)計(jì)人員的角度來看，無線充電是團(tuán)迷霧。 目前有兩種替代技術(shù)，而且有兩個(gè)（之前是三個(gè)）對(duì)立的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。 這兩個(gè)對(duì)立的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都推崇這兩種技術(shù)。 競爭標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于可以讓他人辯論（幾大消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商都加入了兩個(gè)聯(lián)盟，兩面下注），此外，根據(jù)以往的標(biāo)準(zhǔn)沖突來看，最終的結(jié)果很可能是進(jìn)行整合。 然而，替代技術(shù)很值得深入分析。 結(jié)果表明，它們是互補(bǔ)而不是競爭關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)人員兩種技術(shù)都要熟悉，才能確保為應(yīng)用做出最佳的選擇。 本文旨在加深設(shè)計(jì)人員對(duì)這兩種技術(shù)的了解。

需要效率？ 選擇感應(yīng)式

著名的塞爾維亞裔美籍工程師 Nikola Tesla 在其開創(chuàng)性的無線電能傳輸研究中，探索出了如今適用的基本原理。 Tesla 研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線環(huán)中的交流電流所產(chǎn)生的交變磁場，會(huì)反過來感應(yīng)附近次級(jí)線圈中的交流電流。 對(duì)次級(jí)線圈加負(fù)載，可以使感應(yīng)到的交流電流做有用功（例如給電池充電）。

初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場會(huì)大致相等地向每個(gè)方向輻射，因此，磁通量會(huì)隨距離增大會(huì)迅速下降（遵循平方反比定律）。 因此，次級(jí)線圈必須放置在盡可能靠近初級(jí)線圈的位置來截取最多的磁通量。 另外，次級(jí)線圈截取的能量與其暴露在磁場的截面成比例。 最佳橫截面由與初級(jí)線圈尺寸相同的次級(jí)線圈決定，這兩個(gè)線圈平行且對(duì)齊，兩者之間的垂直間隔僅數(shù)十個(gè)毫米。 各線圈的間隔、對(duì)齊和尺寸決定了對(duì)能量傳輸效率有顯著影響的“耦合系數(shù)”。 完美耦合，即截取初級(jí)線圈產(chǎn)生的所有磁通量，其耦合系數(shù)為 1。 實(shí)際緊耦合系統(tǒng)的耦合系數(shù)通常為 0.3 到 0.6（見圖 1）。

圖 1： 緊耦合感應(yīng)式無線充電器采用近距離充分對(duì)齊且尺寸相同的線圈，最大限度地提高效率。 （圖片來源：無線充電聯(lián)盟）

對(duì)無線充電有所涉獵的工程師可能對(duì)無線充電聯(lián)盟 (WPC) 推崇的 Qi 規(guī)范最熟悉不過了。 Qi 率先致力于更成熟的感應(yīng)式無線充電技術(shù)并推廣應(yīng)用到智能手機(jī)中，從而領(lǐng)先于競爭標(biāo)準(zhǔn)。

市場上的許多手機(jī)都融合了 Qi 技術(shù)，一些廠商已經(jīng)推出兼容的無線充電板。 無線電源聯(lián)盟 (A4WP) 和電源事務(wù)聯(lián)盟 (PMA) — 2015 年六月合并為 AirFuel 聯(lián)盟 — 也發(fā)布了感應(yīng)式無線充電規(guī)范。 WPC 和 AirFuel 聯(lián)盟的感應(yīng)式無線充電規(guī)范之間唯一真正的區(qū)別在于傳輸頻率，以及用于與設(shè)備通信和控制電源管理的連接協(xié)議。

最新的 Qi 規(guī)范 (v1.2.2) 需要用到兩種設(shè)備：一個(gè)充電基站和待充電設(shè)備（見圖 2）。 基站通常有一個(gè)平坦表面，用戶可以在其上放置一個(gè)或多個(gè)手機(jī)。 為了最大限度提高效率，用戶或采用“對(duì)齊輔助”（較為簡單的方法如在基站上做標(biāo)記，較為復(fù)雜的方法如使用磁鐵），或?qū)⑹謾C(jī)放在多線圈基站的某處，希望其中一個(gè)線圈與手機(jī)中的線圈正好對(duì)齊。 無論哪種情況，手機(jī)都必須平放在基站表面，使線圈平行于基站表面且兩者之間的間隔小于 10 mm。

圖 2： Qi 無線充電系統(tǒng)的基本系統(tǒng)配置。 電能發(fā)射器（安裝在基站中）包括兩個(gè)主要功能裝置 — 一個(gè)電源轉(zhuǎn)換裝置，以及一個(gè)通信和控制裝置。 初級(jí)線圈是電源轉(zhuǎn)換裝置的一部分。 控制和通信裝置將傳輸?shù)碾娔苷{(diào)節(jié)到功率接收器要求的水平。 （圖片來源：英文維基百科上的 Menno WPC，CC BY 3.0，Wikipedia.org 上的 Commons）

Qi 規(guī)范要求“低功耗”Qi 充電器的初級(jí)線圈交流頻率在 110 到 205 kHz 之間（高達(dá) 5 W），而“中等功率”充電器為 80 到 300 kHz（高達(dá) 120 W）。 該技術(shù)還有一些不錯(cuò)的附加功能，如異物檢測 (FOD)，使充電器不必消耗能量來加熱一些不小心放置在磁場內(nèi)的物體。

緊耦合感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率相對(duì)較高。 對(duì)于一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來說，電能傳輸效率為 30 - 60%（取決于測量位置），將電能從初級(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)線圈。 由于這種相對(duì)較高的效率，熱量積聚較低，可傳輸較多電能，加速充電周期。

由于 Qi 規(guī)范于 2010 年 8 月首次發(fā)布，芯片制造商有足夠的時(shí)間推出集成了符合標(biāo)準(zhǔn)要求的控制和補(bǔ)償功能芯片。 非專業(yè)工程師設(shè)計(jì)兼容 Qi 的無線充電基站時(shí)，使用這種設(shè)備會(huì)更容易一些。例如，NXP Semiconductors為 5 V Qi 認(rèn)證低功耗無線充電器提供 NXQ1TXH5 5 V 無線充電控制器和驅(qū)動(dòng)器 IC。

兼容 Qi 的接收器放在充電板上時(shí)，NXQ1TXH5 會(huì)安全啟動(dòng)從發(fā)射器到接收器的無線電能傳輸，同時(shí)監(jiān)控過熱或金屬物體干擾等故障情況。 設(shè)備優(yōu)化為通過 5V USB 電源工作，并使用“智能電能限制”來自動(dòng)調(diào)整輸出功率以補(bǔ)償受限的供電。

需要便利？ 選擇諧振式

早在過去十年中，麻省理工學(xué)院 (MIT)[2] 就率先探索了提高無線充電系統(tǒng)效率的方法。 學(xué)院致力于研究感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)中的線圈移開后磁場磁通迅速下降的問題。 數(shù)厘米之外，磁通變得非常之弱，以至于電能傳輸完全停止。 MIT 研究人員意識(shí)到，需要通過“非輻射”無線充電技術(shù)使電能傳輸擺脫制約感應(yīng)技術(shù)的平方反比定律。

MIT 做出了在以（相同）諧振頻率（取決于線圈分布電容、電阻和電感）工作的線圈之間傳輸電能的系統(tǒng)。 該技術(shù)仍為“感應(yīng)式”，初級(jí)線圈產(chǎn)生的振蕩磁場在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，但它利用了諧振線圈之間發(fā)生的強(qiáng)耦合 — 即使相隔數(shù)十厘米。

諧振式電能傳輸?shù)奈锢碓砗軓?fù)雜，但基本前提是能量從一個(gè)線圈“傳遞”到另一個(gè)，而不是從初級(jí)線圈全方位擴(kuò)散。 結(jié)果是，雖然能量仍隨距離衰減到一定程度，但衰減的主要來源是線圈的 Q 因數(shù)（增益帶寬）。 工程師可以通過精良的設(shè)計(jì)來改善 Q 因數(shù)。 更好的是，諧振能量傳輸并不那么依賴于方向相同的線圈（假如次級(jí)線圈朝向初級(jí)線圈的橫截面足夠大，這樣在每個(gè)周期中吸收的能量比初級(jí)線圈丟失的更多）。 該技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在單個(gè)初級(jí)線圈和多個(gè)次級(jí)線圈之間傳輸電能。

諧振式無線充電解決了感應(yīng)式無線充電的主要缺點(diǎn)：要求緊密耦合線圈，需要用戶精確對(duì)齊。 不過，諧振式無線充電自身并非沒有缺點(diǎn)。 其中一個(gè)主要缺點(diǎn)是由于磁通泄漏導(dǎo)致效率相對(duì)較低。即使在近距離范圍內(nèi)，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也可能表現(xiàn)出在線圈間隔 2 厘米時(shí)效率為 30％，在 75 厘米時(shí)下降到 15％（同樣取決于測量位置）。另外的主要缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，以及由于（通常）高工作頻率造成的潛在電磁干擾 (EMI) 挑戰(zhàn)。

盡管如此，該項(xiàng)技術(shù)還是優(yōu)勢明顯，因此兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都在其規(guī)范中納入了諧振式無線充電技術(shù)。 例如，1.2 版的 Qi 標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范中引入了諧振充電。 為確保與現(xiàn)有 Qi 傳輸頻率的兼容性，技術(shù)限制為最大 45 mm 的線圈規(guī)格。 數(shù)年來，A4WP 也一直在推崇諧振充電。

遺憾的是，該技術(shù)需要時(shí)間來證明其價(jià)值，而商業(yè)化解決方案寥寥無幾。目前，針對(duì)同時(shí)符合 WPC (Qi) 和 AirFuel 聯(lián)盟規(guī)范的感應(yīng)式和諧振式無線充電技術(shù)應(yīng)用，只有少數(shù)幾家制造商發(fā)布了無線充電芯片組合的詳細(xì)信息，Integrated Device Technology (IDT) 便是其中之一。 但目前 IDT 的商業(yè)產(chǎn)品主要支持 WPC 的感應(yīng)式無線充電規(guī)范。

例如，該公司現(xiàn)有產(chǎn)品線中符合 WPC 1.1 規(guī)范的 P9038 5 V 無線功率發(fā)射器。 該設(shè)備適用于充電板，傳輸功率高達(dá) 8 W（1.6 A 時(shí)），并可通過電源適配器或 USB 連接器供電，電壓范圍在 4.5 V 到 6.9 V。該設(shè)備包括集成電流感應(yīng)和 FOD 技術(shù)。 IDT 通過無線電源評(píng)估套件支持芯片。

Linear Technology 提供諧振式無線電能發(fā)射器 LTC4125。 然而，芯片設(shè)計(jì)不符合任何標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；相反，該器件會(huì)在低電壓輸入電源下（3 - 5.5 V）向調(diào)諧接收器傳輸最大功率。 為優(yōu)化系統(tǒng)效率，LTC4125 定期進(jìn)行發(fā)射功率搜索并根據(jù)接收器負(fù)載要求調(diào)整發(fā)射功率。 故障情況下或檢測到異物時(shí)，設(shè)備會(huì)停止傳輸電能。 發(fā)射器與 LTC4120 無線電能接收器配合使用。

AirFuel 諧振式無線充電技術(shù)（基于 Rezence 規(guī)范）使用的系統(tǒng)由一個(gè)電能發(fā)射器裝置 (PTU) 和一個(gè)或多個(gè)電能接收器裝置 (PRU) 組成。 指定采用低功耗藍(lán)牙鏈路來控制功率水平，確定負(fù)載并保護(hù)不兼容的設(shè)備（圖 3）。

圖 3： Rezence 無線充電系統(tǒng)采用高頻諧振耦合和低功耗藍(lán)牙通信進(jìn)行功率水平控制。 （圖片采用 Digi-Key Scheme-it 在線電路圖和圖表工具基于原始圖像生成，來源：參考文獻(xiàn) 3。）

該標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá) 50 W 的功率傳輸，傳輸距離達(dá) 50 mm。 電能傳輸頻率為 6.78 MHz；之所以選擇該頻率，是因?yàn)樵谠擃l率下能較好的進(jìn)行功率傳輸，而且該頻率位于無線頻譜的免許可范圍中。 根據(jù)發(fā)射器和接收器的幾何形狀及功率水平，可以從一個(gè) PTU 向多達(dá)八個(gè)設(shè)備供電（圖 4）。

圖 4： Rezence 諧振式無線充電架構(gòu)可以從一個(gè) PTU 向多達(dá)八個(gè) PRU 充電。 （圖片來源：參考文獻(xiàn) 3）

要是工程師認(rèn)為都在諧振頻率下工作的緊耦合線圈能克服諧振式無線充電的效率限制，這是情有可原的。 但事實(shí)并非如此，因?yàn)殡p方線圈都能維持諧振工作有一個(gè)最小距離。 這個(gè)距離取決于線圈尺寸大小和工作頻率高低，但是比典型緊耦合系統(tǒng)的典型線圈間隔大。 如果諧振線圈離得過近，其互感會(huì)導(dǎo)致振蕩磁場“崩潰”，電能傳輸會(huì)停止。 事實(shí)表明，最高效的無線電能傳輸發(fā)生在緊耦合線圈以接近，而非等于感應(yīng)拓?fù)渲械闹C振頻率工作時(shí)。

結(jié)論

本文歸結(jié)起來就是：設(shè)計(jì)師有兩種無線充電技術(shù)選擇。 感應(yīng)式無線充電依靠相對(duì)低頻的振蕩磁場，在中到高功率水平，以較高的效率在非諧振但緊耦合的線圈之間傳輸電能。 該技術(shù)相對(duì)簡單，迅速發(fā)展成熟，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織都支持，已經(jīng)（主要以 Qi 形式）成為移動(dòng)設(shè)備一個(gè)很好的選擇，并得到幾家芯片供應(yīng)商支持。 不足之處是要求過于苛刻，需要確保充電器和待充電設(shè)備對(duì)齊。

如果需要在集成了對(duì)齊輔助或多線圈的專用充電板上快速高效地為一個(gè)設(shè)備充電，那么感應(yīng)式無線充電是一個(gè)很好的選擇。

諧振式無線充電依靠高頻振蕩磁場，在以相同的諧振頻率工作的兩個(gè)線圈之間傳輸能量。 線圈可以松耦合，但如果要保持?jǐn)?shù)厘米的能量傳輸則需要較高的 Q 因數(shù)。 數(shù)個(gè)設(shè)備可以通過一個(gè)初級(jí)線圈充電。 該技術(shù)比感應(yīng)技術(shù)復(fù)雜，且效率較低（見圖 5）。 雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織都支持諧振式無線充電，但還未能有所建樹，并且很難采購到符合規(guī)范的組件。

圖 5： 緊耦合感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)（例如遵守 Qi 規(guī)范的系統(tǒng)）比諧振系統(tǒng)（例如遵守 Rezence 規(guī)范的系統(tǒng)）具有更高的電能傳輸效率。 （圖片來源：參考文獻(xiàn) 3）

如果支持諧振技術(shù)的芯片得到更廣泛的普及，那么諧振式無線充電將是一個(gè)很好的選擇。 但是，設(shè)計(jì)人員必須做好準(zhǔn)備，用效率來換取便利，例如可以同時(shí)為數(shù)個(gè)設(shè)備充電，并且無需精確對(duì)齊。 安裝在桌下和咖啡店桌面等桌子厚度對(duì)能量傳輸影響最小的情況下，該技術(shù)也是一個(gè)很好的選擇。