无线充电技术继续向前发展

　　充电电缆和电源线一直被人们认为比较麻烦，而且是业界可以很容易消除的东西。那么，为什么不让每个消费类设备都进行无线充电呢？现在产业正在进行这项工作。许多最新的智能手机都带有无线充电功能，各种新车型可以为这些消费产品充电。世界各地的咖啡店已经测试了这项技术，并且有许多种评估平台，适用于各种不同的无线充电系统。

　　基于这一切，那究竟是什么阻碍了无线充电的广泛使用？主要挑战是标准之间的竞争。无线功率联盟（WPC）的Qi规范和AirFuel Alliance拥有的各种规范多年来一直在就不同技术争论不休，使设备制造商难以确信消费者可以轻松地为智能手机、智能手表、平板电脑或笔记本电脑等进行随时随地的充电。

　　当然其中也存在一些工程挑战。Qi系统要求发射器和接收器上的充电线圈相距几毫米，并且需要相当好地对准，以获得最快速的充电。当消费者将手机放在桌子上进行无线充电时，上述要求的情况不会发生。

　　被充电设备和下面的充电器也必须能够进行通信，并且有许多不同的方式可以实现。从感应式和电容式充电到磁共振充电，其中也涉及多种基本技术，每项技术都有其特定的工程利弊。同时，用户还希望能够更快速充电，意味着需要更高的功率，但这可能会会给无线充电架构带来安全问题，因为如果有金属物品在场，会受到加热并造成伤害。非常重要且不能忘记的是，除了所有这些考虑因素外，设备制造商还希望获得最低的总体成本。

　　WPC介绍

　　WPC成立于2008年，是一个开放和协作标准开发小组，由来自全球的600多家成员公司组成（但应该指出，许多公司都参与了无线充电领域的竞争标准组织）。成立不久之后，它推出了Qi标准，这是面向智能手机和其他便携式移动设备的最完善无线充电技术，功率为5W至15W。然而在某种程度上，这也已经抑制了标准，因为任何创新必须向后兼容十年前设计的系统。

　　Qi采用的是低频紧密耦合型感应充电机制，这是一种成本最低的方法。然而，WPC还扩展了无线厨房标准，用于家用电器（覆盖200W至2.2kW）和中等功率标准，用于电动工具、机器人吸尘器、电动自行车和其他电池供电设备（30W至65W）充电。这两种标准仍处于开发阶段，并通过使用不同的技术来避免向后兼容的挑战。

　　图1：德州仪器（Texas Instruments）用于无线充电的BQ51222单芯片接收器。

　　Qi标准使用低频（112kHz至250kHz）、低数据速率带内通信。这将充电器与设备间隔限制在3mm至5mm范围，并且对放置灵活性有明显影响。利用带内通信，正在发送的数据通常与无线功率传输共存。这其中的麻烦是，从接收器到发射器为单向通信，没有从发射器到接收器的反馈，并且仅在单个接收器与单个发射器相关联时才起作用。通过使用多个单独的线圈或阵列和不同的通信协议，可以解决这个问题，但是这些都存在向后兼容性问题，以及较高的成本。目前已经有许多单片Qi控制器量产，其中包括来自德州仪器和恩智浦（NXP）等供应商的产品，它们有助于降低简单无线连接的成本。

　　图2：恩智浦半导体的NXQ1TXH5 Qi无线充电发射器。

　　AirFuel联盟

　　2015年，Alliance for Wireless Power （A4WP）和Power Matters Alliance （PMA）合并创建了AirFuel联盟（AirFuel Alliance），成功整合了两项竞争技术 - 即电容和谐振充电技术。从而降低了无线充电领域的技术碎片化。AirFuel采用松散耦合方式，以及较高的6.78MHz频率，另外线圈之间采用反向散射（backscatter）通信。这种组合允许多个设备同时依靠单个发射线圈充电，具有灵活的方向，并且最大支持5cm的距离，比Qi标准明显改善。

　　利用反向散射通信方式，发射器能够确定发射线圈内的负载变化，这些变化是由接收线圈上负载的变化而引起。通过在接收器线圈上的负载调制中编码数据，接收器能够将信号传递到发射器。然后，发射器可以使用解调器来访问接收器提供的数据。更远的距离、更容易的放置和反向散射通信允许发射器线圈嵌入在家具的表面下方，从而使得用户的无线充电更简单，并且使得服务提供商也能够更平滑地集成无线充电技术。松散耦合方法还允许使用更高的功率（超过50W）进行快速充电，但实现起来比紧密耦合拓扑架构更复杂。

　　AirFuel的磁共振工作委员会（MRWC）开发并维护基于磁共振的无线功率传输技术的规范。该委员会的职责范围包括为基于谐振和多模系统创建一致性测试规范和互操作性测试场景。与此同时，非耦合工作委员会（UWC）开发并维护基于RF等非磁性技术的无线功率和充电技术规范，以及超长距离传输功率的超声波和激光器。

　　AirFuel标准的一个关键部分是带外通信，这使得能够在无线功率发射器与其伴随的接收器之间建立（然后保持）稳定的通信。补充信息可以在相应的发送器和接收器元件之间传输，其中可能包括与设备充电能力相关的信息（以便可以使用最快的充电速率），以及认证等等。由于外部频带通信方案独立于功率传输，因而这些都可以实施，可以使用从蓝牙低功耗（BLE）到Zigbee等各种RF通信协议。AirFuel建议使用BLE（2.4GHz），因为它对于特定发射器可以同时容纳多个接收器。它还支持具有多种功率级别需求的设备，以及更大的空间自由度和距离、身份验证安全性、低功耗以及用于物联网（IoT）下一代设备的许多其他用户友好功能。

　　然而，WPC并没有对于AirFuel的行动而无动于衷。最新的Qi发射器规格MP-A16现在可以支持整个表面的充电。这意味着几乎任何表面都可以成为无线充电器，并且可以更容易地在现有的桌子、柜台和其他位置下更换硬件。通常充电器由安装在表面下方的发射器线圈和安装在顶部的中继器线圈以及与接收器的接口等组成。通过使用中继器可以将发射器线圈产生的磁通量引导至接收器，可以实现在10mm至30mm厚的表面下进行安装。

　　MP-A16发射器完全兼容WPC已经部署的接收器设备，包括基线功率分布（BPP）和扩展功率分布（EPP），最高可达15W。关键是所有现有的Qi设备都能够使用部署MP-A16发射器的充电表面。

　　WPC之前在充电网络实施方面的经验表明，在表面钻孔一直是扩展公共充电基础设施的巨大障碍，场地业主一直不愿意进行这种不可逆、不方便和混乱的程序。基于MP-A16的新发射器将克服这个障碍，通过将发射器安装在桌子下方，并在顶部放置中继器，可以完成无线充电器的无痛安装。

　　WPC也在进行室外充电部署。室外无线充电特别具有挑战性，因为系统必须能够忍受一年四季之间的环境条件大幅波动，其中包括从极热到极冷、明亮的阳光和暴雨、冰雹、大雪等等。室外无线充电不再局限于5V供电，还必须包括12V或24V。防水密封技术能够确保水分永远不会侵入充电器，从而保持充电和被充电设备的正常运行，当然最重要的是保护用户安全，这些都非常必要。

　　无线充电设备的室外部署已经在世界某些地区开始，例如在捷克共和国，一个表面安装的Qi标准无线充电器已经集成到公园的太阳能长椅上。随着越来越多的消费者用配备Qi标准无线充电功能的新手机替换旧款手机，WPC预计此类部署的速度将会加快。

　　现在市场中有几种令人信服的技术可供无线充电系统开发人员选择。然而，到目前为止，一些芯片制造商还是设法开发能够满足所有不同协议的器件。例如，Semtech的TS80000是一款能够满足功率输出高达40W的发射器，并支持Qi、AirFuel和某些专有协议。它可以配置为驱动单线圈或多线圈应用（半桥和全桥系统），从次级侧设备解码数据包，并相应地调整控制。集成的PID滤波器为环路提供必要的补偿，以实现对于占空比、频率和/或桥电压的高精度控制。

　　根据我们观察，WPC和AirFuel这两个标准组并没有表现相向而行的迹象。两个组织都在制定非常相似的标准，但出于不同的考虑。然而，半导体制造商需要能够对冲他们的赌注。因此，通过可编程芯片解决方案将不同的协议整合在一起，能够为系统开发人员提供了最高的灵活性。
作者：贸泽电子Mark Patrick