了解无线充电系统的基本系统配置

随着移动设备制造商慢慢将无线充电技术融入设备，无线充电正在成为一个热门话题。 无线充电的概念很简单：用振荡电磁场励磁的线圈感应近距离次级线圈中的电流。 在最佳条件下，充电过程很高效，并且可以很方便地传输数十瓦功率。 问题在于，设计人员认识到有两种看似互为竞争的无线充电方法，他们需要解决这一问题。

给消费者带来的优势同样简单，易于掌握。 广泛采用无线充电技术带来的便利类似于无处不在的无线连接。 智能手机和平板电脑用户可以将他们的移动设备放在书桌、工作台或咖啡馆桌面上快速充电，而无需担心要携带电压适配器或寻找电源插座。

然而，从设计人员的角度来看，无线充电是团迷雾。 目前有两种替代技术，而且有两个（之前是三个）对立的标准机构。 这两个对立的标准机构都推崇这两种技术。 竞争标准的优点在于可以让他人辩论（几大消费电子产品制造商都加入了两个联盟，两面下注），此外，根据以往的标准冲突来看，最终的结果很可能是进行整合。 然而，替代技术很值得深入分析。 结果表明，它们是互补而不是竞争关系，因此，设计人员两种技术都要熟悉，才能确保为应用做出最佳的选择。 本文旨在加深设计人员对这两种技术的了解。

需要效率？ 选择感应式

著名的塞尔维亚裔美籍工程师 Nikola Tesla 在其开创性的无线电能传输研究中，探索出了如今适用的基本原理。 Tesla 研究发现，导线环中的交流电流所产生的交变磁场，会反过来感应附近次级线圈中的交流电流。 对次级线圈加负载，可以使感应到的交流电流做有用功（例如给电池充电）。

初级线圈产生的磁场会大致相等地向每个方向辐射，因此，磁通量会随距离增大会迅速下降（遵循平方反比定律）。 因此，次级线圈必须放置在尽可能靠近初级线圈的位置来截取最多的磁通量。 另外，次级线圈截取的能量与其暴露在磁场的截面成比例。 最佳横截面由与初级线圈尺寸相同的次级线圈决定，这两个线圈平行且对齐，两者之间的垂直间隔仅数十个毫米。 各线圈的间隔、对齐和尺寸决定了对能量传输效率有显著影响的“耦合系数”。 完美耦合，即截取初级线圈产生的所有磁通量，其耦合系数为 1。 实际紧耦合系统的耦合系数通常为 0.3 到 0.6（见图 1）。

图 1： 紧耦合感应式无线充电器采用近距离充分对齐且尺寸相同的线圈，最大限度地提高效率。 （图片来源：无线充电联盟）

对无线充电有所涉猎的工程师可能对无线充电联盟 (WPC) 推崇的 Qi 规范最熟悉不过了。 Qi 率先致力于更成熟的感应式无线充电技术并推广应用到智能手机中，从而领先于竞争标准。

市场上的许多手机都融合了 Qi 技术，一些厂商已经推出兼容的无线充电板。 无线电源联盟 (A4WP) 和电源事务联盟 (PMA) — 2015 年六月合并为 AirFuel 联盟 — 也发布了感应式无线充电规范。 WPC 和 AirFuel 联盟的感应式无线充电规范之间唯一真正的区别在于传输频率，以及用于与设备通信和控制电源管理的连接协议。

最新的 Qi 规范 (v1.2.2) 需要用到两种设备：一个充电基站和待充电设备（见图 2）。 基站通常有一个平坦表面，用户可以在其上放置一个或多个手机。 为了最大限度提高效率，用户或采用“对齐辅助”（较为简单的方法如在基站上做标记，较为复杂的方法如使用磁铁），或将手机放在多线圈基站的某处，希望其中一个线圈与手机中的线圈正好对齐。 无论哪种情况，手机都必须平放在基站表面，使线圈平行于基站表面且两者之间的间隔小于 10 mm。

图 2： Qi 无线充电系统的基本系统配置。 电能发射器（安装在基站中）包括两个主要功能装置 — 一个电源转换装置，以及一个通信和控制装置。 初级线圈是电源转换装置的一部分。 控制和通信装置将传输的电能调节到功率接收器要求的水平。 （图片来源：英文维基百科上的 Menno WPC，CC BY 3.0，Wikipedia.org 上的 Commons）

Qi 规范要求“低功耗”Qi 充电器的初级线圈交流频率在 110 到 205 kHz 之间（高达 5 W），而“中等功率”充电器为 80 到 300 kHz（高达 120 W）。 该技术还有一些不错的附加功能，如异物检测 (FOD)，使充电器不必消耗能量来加热一些不小心放置在磁场内的物体。

紧耦合感应式无线充电系统的主要优点是效率相对较高。 对于一个精心设计的系统来说，电能传输效率为 30 - 60%（取决于测量位置），将电能从初级线圈传输到次级线圈。 由于这种相对较高的效率，热量积聚较低，可传输较多电能，加速充电周期。

由于 Qi 规范于 2010 年 8 月首次发布，芯片制造商有足够的时间推出集成了符合标准要求的控制和补偿功能芯片。 非专业工程师设计兼容 Qi 的无线充电基站时，使用这种设备会更容易一些。例如，NXP Semiconductors为 5 V Qi 认证低功耗无线充电器提供 NXQ1TXH5 5 V 无线充电控制器和驱动器 IC。

兼容 Qi 的接收器放在充电板上时，NXQ1TXH5 会安全启动从发射器到接收器的无线电能传输，同时监控过热或金属物体干扰等故障情况。 设备优化为通过 5V USB 电源工作，并使用“智能电能限制”来自动调整输出功率以补偿受限的供电。

需要便利？ 选择谐振式

早在过去十年中，麻省理工学院 (MIT)[2] 就率先探索了提高无线充电系统效率的方法。 学院致力于研究感应式无线充电系统中的线圈移开后磁场磁通迅速下降的问题。 数厘米之外，磁通变得非常之弱，以至于电能传输完全停止。 MIT 研究人员意识到，需要通过“非辐射”无线充电技术使电能传输摆脱制约感应技术的平方反比定律。

MIT 做出了在以（相同）谐振频率（取决于线圈分布电容、电阻和电感）工作的线圈之间传输电能的系统。 该技术仍为“感应式”，初级线圈产生的振荡磁场在次级线圈中产生感应电流，但它利用了谐振线圈之间发生的强耦合 — 即使相隔数十厘米。

谐振式电能传输的物理原理很复杂，但基本前提是能量从一个线圈“传递”到另一个，而不是从初级线圈全方位扩散。 结果是，虽然能量仍随距离衰减到一定程度，但衰减的主要来源是线圈的 Q 因数（增益带宽）。 工程师可以通过精良的设计来改善 Q 因数。 更好的是，谐振能量传输并不那么依赖于方向相同的线圈（假如次级线圈朝向初级线圈的横截面足够大，这样在每个周期中吸收的能量比初级线圈丢失的更多）。 该技术的另一个优点是可以在单个初级线圈和多个次级线圈之间传输电能。

谐振式无线充电解决了感应式无线充电的主要缺点：要求紧密耦合线圈，需要用户精确对齐。 不过，谐振式无线充电自身并非没有缺点。 其中一个主要缺点是由于磁通泄漏导致效率相对较低。即使在近距离范围内，一个精心设计的系统也可能表现出在线圈间隔 2 厘米时效率为 30％，在 75 厘米时下降到 15％（同样取决于测量位置）。另外的主要缺点是电路较复杂，以及由于（通常）高工作频率造成的潜在电磁干扰 (EMI) 挑战。

尽管如此，该项技术还是优势明显，因此两个标准机构都在其规范中纳入了谐振式无线充电技术。 例如，1.2 版的 Qi 标准在规范中引入了谐振充电。 为确保与现有 Qi 传输频率的兼容性，技术限制为最大 45 mm 的线圈规格。 数年来，A4WP 也一直在推崇谐振充电。

遗憾的是，该技术需要时间来证明其价值，而商业化解决方案寥寥无几。 目前，针对同时符合 WPC (Qi) 和 AirFuel 联盟规范的感应式和谐振式无线充电技术应用，只有少数几家制造商发布了无线充电芯片组合的详细信息，Integrated Device Technology (IDT) 便是其中之一。 但目前 IDT 的商业产品主要支持 WPC 的感应式无线充电规范。

例如，该公司现有产品线中符合 WPC 1.1 规范的 P9038 5 V 无线功率发射器。 该设备适用于充电板，传输功率高达 8 W（1.6 A 时），并可通过电源适配器或 USB 连接器供电，电压范围在 4.5 V 到 6.9 V。该设备包括集成电流感应和 FOD 技术。 IDT 通过无线电源评估套件支持芯片。

Linear Technology 提供谐振式无线电能发射器 LTC4125。 然而，芯片设计不符合任何标准规范；相反，该器件会在低电压输入电源下（3 - 5.5 V）向调谐接收器传输最大功率。 为优化系统效率，LTC4125 定期进行发射功率搜索并根据接收器负载要求调整发射功率。 故障情况下或检测到异物时，设备会停止传输电能。 发射器与 LTC4120 无线电能接收器配合使用。

AirFuel 谐振式无线充电技术（基于 Rezence 规范）使用的系统由一个电能发射器装置 (PTU) 和一个或多个电能接收器装置 (PRU) 组成。 指定采用低功耗蓝牙链路来控制功率水平，确定负载并保护不兼容的设备（图 3）。

图 3： Rezence 无线充电系统采用高频谐振耦合和低功耗蓝牙通信进行功率水平控制。 （图片采用 Digi-Key Scheme-it 在线电路图和图表工具基于原始图像生成，来源：参考文献 3。）

该标准支持高达 50 W 的功率传输，传输距离达 50 mm。 电能传输频率为 6.78 MHz；之所以选择该频率，是因为在该频率下能较好的进行功率传输，而且该频率位于无线频谱的免许可范围中。 根据发射器和接收器的几何形状及功率水平，可以从一个 PTU 向多达八个设备供电（图 4）。

图 4： Rezence 谐振式无线充电架构可以从一个 PTU 向多达八个 PRU 充电。 （图片来源：参考文献 3）

要是工程师认为都在谐振频率下工作的紧耦合线圈能克服谐振式无线充电的效率限制，这是情有可原的。 但事实并非如此，因为双方线圈都能维持谐振工作有一个最小距离。 这个距离取决于线圈尺寸大小和工作频率高低，但是比典型紧耦合系统的典型线圈间隔大。 如果谐振线圈离得过近，其互感会导致振荡磁场“崩溃”，电能传输会停止。 事实表明，最高效的无线电能传输发生在紧耦合线圈以接近，而非等于感应拓扑中的谐振频率工作时。

结论

本文归结起来就是：设计师有两种无线充电技术选择。 感应式无线充电依靠相对低频的振荡磁场，在中到高功率水平，以较高的效率在非谐振但紧耦合的线圈之间传输电能。 该技术相对简单，迅速发展成熟，两个标准组织都支持，已经（主要以 Qi 形式）成为移动设备一个很好的选择，并得到几家芯片供应商支持。 不足之处是要求过于苛刻，需要确保充电器和待充电设备对齐。

如果需要在集成了对齐辅助或多线圈的专用充电板上快速高效地为一个设备充电，那么感应式无线充电是一个很好的选择。

谐振式无线充电依靠高频振荡磁场，在以相同的谐振频率工作的两个线圈之间传输能量。 线圈可以松耦合，但如果要保持数厘米的能量传输则需要较高的 Q 因数。 数个设备可以通过一个初级线圈充电。 该技术比感应技术复杂，且效率较低（见图 5）。 虽然两个标准组织都支持谐振式无线充电，但还未能有所建树，并且很难采购到符合规范的组件。

图 5： 紧耦合感应式无线充电系统（例如遵守 Qi 规范的系统）比谐振系统（例如遵守 Rezence 规范的系统）具有更高的电能传输效率。 （图片来源：参考文献 3）

如果支持谐振技术的芯片得到更广泛的普及，那么谐振式无线充电将是一个很好的选择。 但是，设计人员必须做好准备，用效率来换取便利，例如可以同时为数个设备充电，并且无需精确对齐。 安装在桌下和咖啡店桌面等桌子厚度对能量传输影响最小的情况下，该技术也是一个很好的选择。