无线电源传输技术详解

由美国麻省理工学院（MIT）独立出来的WiTricity现任总裁EricGiler，曾在2009年曾于TED发表题为「无线电力技术示范」的精彩演说，展示了如何利用无线电源传输技术启动一部小型电视机──而那是2009年，该技术从那之后持续演进，以下让我们来看看这个令人惊叹的技术领域，能为设计工程师带来什麽样的新机会。

最近，我与宜普电源转换公司（EPC）应用工程副总裁Michael de Rooij讨论关于无线电源在2017年的挑战和机会；我选择与de Rooij讨论这个议题，除了因为EPC是氮化镓（GaN）功率元件的领导供应商，该公司也能为设计工程师们提供包括开发板、参考设计以及教育性的支援，包括de Rooij撰写的《无线电源手册（Handbook for Wireless Power）》。

EPC在1月初举行的年度国际消费性电子展（CES 2017）上，展示了一部43吋平面HDTV，那台电视能隔著一道石膏板牆，藉由无线电源取得电力；在2017年，你将会看到EPC为业界带来更先进的无线电源相关解决方案，超越2009年Giler所展示的技术。

支援更长传输距离的无线电源

我询问de Rooij有关目前无线充电方案支援更长传输距离、更高效率时会遭遇的限制，以及其可能性；我们如何让这种电力传输技术的效率达到所有消费者都能接受的水准？氮化镓功率元件（如EPC的eGaN技术）如何能继续协助推动无线电源技术的进展？

de Rooij首先提到在线圈（coil）设计方面的限制；根据经验法则，目前若线圈是7吋以上的直径，性能就会下降；此外每一组线圈的品质因数（Q）和线圈之间的藕合系数（k）都会影响长距离的无线充电效率，发射与接收线圈的尺寸和几何形状各自都会大幅影响Q和k的数值。图1是无线电源传输的基本原理。

图1 无线电源传输的基本原理。（图片来源：Würth Elektronik）

de Rooij提到，无线电源传输的电磁场（E-field）方法虽然有技术上的问题，但是可以长距离传输电力──这方面可能还有部份一般会顾虑到的问题，包括产生臭氧（ozone）还有与生物性等其他物质产生交互作用）；这种充电方法可能更适用能悬浮在充电板上的装置，如无人机。

电场藕合技术最直接的展现，是在源极（source）和负载（load）之间採用平行板电容器（parallel plate capacitor），输入阻抗需与之匹配，才能实现高效率电源传输；也就是说，有一片板子是放在待充电的无人机底部，另一片就是在充电板上（如图2）。

图2 （a）无线电源传输电场藕合架构；（b）电路模型。（图片来源：https://goo.gl/HRZf11）

以磁共振藕合（magnetic resonant coupling）技术对空中悬浮的无人机进行充电也是不错的替代方案，如图 3所示，该充电板的线圈採用方形设计，无人机上的接收线圈调整为适合支援著陆（landing），使发射和接收线圈之间的距离缩至最短，约只有几公釐（mm），因此使线圈之间的藕合因数得以最大化。

图3 以磁共振藕合线圈为悬浮的无人机进行无线充电。（图片来源：https://goo.gl/HRZf11）

无线电源传输线圈技术的现在与未来发展

de Rooij表示，无线充电解决方案供应商NuCurrent目前正在开发效率更高的无线充电线圈；Nucurrent号称该公司目前的无线电源「天线」效率高于市面上任何印刷天线/线圈/共振器，其採用Qi/PMA频率（~200KHz）的设计通常可达到高20%以上的效率，採用A4WP频率（6.78MHz）或NFC频率（13.56MHz）的设计则可达到高60%的效率。

若将无线电源传输线圈嵌入地砖中，有助于电场的分佈，并可能因此略为拉长电源传输距离；但更重要的是，这样就可以大幅扩增收集电力的范围──相较于单一线圈的设计，在相同的覆盖范围下，这是一个效率更高的解决方案。

而EPC在CES 2017展示的那台无线供电HDTV，是我到目前为止见过最厉害的无线电源传输应用；此外咖啡连锁店Starbucks现在也有某些门市在店内座位提供无线充电装置，让顾客能为智慧型手机充电，如果你的手机没有内建无线充电功能，他们还可以卖转接器给你（如图4）。

图4 Powermat的无线充电解决方案已经获得Starbucks等业者採用。（图片来源：Powermat）