詳述無線充電技術(shù)的新舊創(chuàng)意大盤點(diǎn)(一)
發(fā)布時(shí)間:2019-06-26 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】 在過去的幾年間,無線充電市場蓬勃發(fā)展,無線充電標(biāo)準(zhǔn)趨于整合,并且不斷有新的供應(yīng)商和新產(chǎn)品涌現(xiàn)。與此同時(shí),一些技術(shù)的發(fā)展也取得了令人振奮的成果,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。
在過去的幾年間,無線充電市場蓬勃發(fā)展,無線充電標(biāo)準(zhǔn)趨于整合,并且不斷有新的供應(yīng)商和新產(chǎn)品涌現(xiàn)。與此同時(shí),一些技術(shù)的發(fā)展也取得了令人振奮的成果,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。
圖1:感應(yīng)式無線充電廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品,但是需要發(fā)射和接收線圈精確對齊才能工作
無線充電也稱為無線電力傳輸(WPT),在一些消費(fèi)級可穿戴產(chǎn)品中可謂是風(fēng)靡一時(shí),比如智能手機(jī)、智能手表和健康手環(huán)等,但是這個(gè)創(chuàng)意本身已經(jīng)存在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間了。著名的發(fā)明家Nikola Tesla早在1891年就展示過兩個(gè)燈泡之間的WPT效應(yīng)。無線充電對工業(yè)和汽車行業(yè)的業(yè)者也頗有吸引力,因?yàn)椴挥弥苯拥慕佑|,所以就不會產(chǎn)生火花而引起爆炸,并且無線充電系統(tǒng)還可以單獨(dú)密封起來,免受工業(yè)溶劑、灰塵以及腐蝕氣體的影響。
20世紀(jì)90年代消費(fèi)者才開始廣泛使用諸如電動牙刷和電動剃須刀之類的小型家用電器。在過去的10年時(shí)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,這類需求正不斷增加。
兩種技術(shù)的故事
無線充電系統(tǒng)遵循近場充電(NFC)準(zhǔn)則:發(fā)射線圈會生成一個(gè)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。典型配置就是固定的充電站或者充電座中包含發(fā)射電路和初級線圈,而被充電的設(shè)備則包含接收器和次級線圈。
發(fā)射線圈(初級線圈)生成的磁場只有一小部分的磁通量可以穿透接收線圈(次級線圈)并傳輸能量:這兩個(gè)線圈本質(zhì)上構(gòu)成一個(gè)變壓器,傳輸效率是兩個(gè)線圈的耦合系數(shù)(K)與質(zhì)量因子(Q)的函數(shù)。
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)人員正在致力于研究兩種技術(shù):感應(yīng)充電使用兩個(gè)相鄰的緊密耦合線圈;共振充電則是使兩個(gè)線圈都達(dá)到諧振頻率產(chǎn)生共振效應(yīng)。盡管這兩種技術(shù)都采用感應(yīng)耦合,但所謂“感應(yīng)充電”通常是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,但可能不適合一些大型產(chǎn)品,所以我們先討論感應(yīng)充電,最后再討論諧振充電。
感應(yīng)充電的效率很高,但是對線圈的失調(diào)非常敏感。電力的傳輸與距離的平方成反比關(guān)系,隨著距離的增加電力傳輸效率會迅速下降。為了提高效率,用戶使用的產(chǎn)品中兩個(gè)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而終止電力傳輸。
圖2顯示了使用兩個(gè)Rohm器件的感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的架構(gòu)圖,稍后將對此展開討論。在大多數(shù)應(yīng)用中,無線充電系統(tǒng)還包含另兩個(gè)模塊:一個(gè)是為發(fā)射器充電的交流/直流電源,一個(gè)是接收器后面的鋰離子電池充電器。
圖2:感應(yīng)充電系統(tǒng)架構(gòu)圖
目前有兩個(gè)相互競爭的感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn):無線充電聯(lián)盟(WPC)推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel聯(lián)盟支持的AirFuel感應(yīng)充電標(biāo)準(zhǔn),兩者的工作頻率分別在100-200KHz和100-350KHz,它們的整體效率都超過了70%。
很多制造商的產(chǎn)品都同時(shí)支持這兩種標(biāo)準(zhǔn),比如三星的Galaxy S6和S7智能手機(jī)同時(shí)支持Qi和AirFuel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,但是都由接收端來控制充電的總量。接收端通過改變初級線圈的負(fù)載實(shí)現(xiàn)與發(fā)射端的通信,Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定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符號,每個(gè)AirFuel無線充電系統(tǒng)接收端都有唯一的六字節(jié)ID識別碼,這個(gè)識別ID是在系統(tǒng)啟動時(shí)由接收端傳送給發(fā)射端。
無線充電系統(tǒng)比有線充電系統(tǒng)提供的電力要少的多,因此可能需要更長的充電時(shí)間,但是制造商正在積極解決這個(gè)問題,比如提高功率水平。2015年推出的WPC v1.2版本規(guī)范明確最大支持的功率可達(dá)15W,而早期的版本只支持5W。
無線發(fā)射器
在工作期間,發(fā)射器大部分時(shí)間都保持在低功耗的“短暫睡眠”( snooze)模式,每隔一定的時(shí)間都會激活檢查是否有接收器需要充電。檢測到次級線圈存在后,發(fā)射器會對接收器進(jìn)行身份驗(yàn)證,然后開始進(jìn)行電力傳輸。如果驗(yàn)證失敗,發(fā)射器會重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在電力傳輸?shù)恼麄€(gè)過程中,接收端會通過預(yù)定義的通信數(shù)據(jù)包保持對電力傳輸?shù)耐耆瓶?,這些數(shù)據(jù)包處理的功能包括識別、身份驗(yàn)證、所需的電量和錯(cuò)誤檢測等。
圖3:兼容Qi的TB6865無線發(fā)射器包括模擬、數(shù)字和電源模塊
圖3所示為東芝公司推出的TB6865AFG,它是一款兼容Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線發(fā)射器。TB6865也是一款復(fù)雜的片上系統(tǒng)(SoC)器件,集成了32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核和128KB的閃存空間,以及用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電源線圈的全橋逆變器的預(yù)驅(qū)動。其他模塊包括三個(gè)低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器和四個(gè)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(ROHM)推出的BD57015GWL集成了全面同步的整流電路、低阻抗的場效應(yīng)晶體管(FET)、用于處理Qi和AirFuel通信的數(shù)據(jù)包控制器和通過調(diào)幅實(shí)現(xiàn)與發(fā)射器通信的開漏輸出驅(qū)動器。此器件提供可調(diào)節(jié)的電壓輸出,同時(shí)符合Qi中等功率標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。另外羅姆公司還推出了與之匹配的發(fā)射器BD57020MWV,它遵守Qi中低功率的無線傳輸規(guī)范。
發(fā)射和接收線圈
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(gè)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,在鐵氧體底座上安裝10圈電線,線圈的輸入工作電壓為5V,電感為6.3μh,最大直流阻抗 (DCR)為60m?。
A6版本規(guī)范則定義了三個(gè)線圈,通過增大可用充電面積降低了對線圈不對齊的敏感性;由于每個(gè)線圈需要一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動器,因此這種方案的物料(BOM)成本比較高。
發(fā)射和接收線圈通常都是采用特殊的利茲線纜(Litz 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(gè)線圈的尺寸應(yīng)該相近以實(shí)現(xiàn)最大程度的能量耦合。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,采用專用的柔性薄金屬磁片制成,厚度僅為0.52毫米,輸出電流為0.5到0.6A。
圖4:Wurth Elektronik公司提供的各種無線充電線圈
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。
接收線圈必須非常輕薄才能適合便攜和可穿戴設(shè)備,但是仍然需要足夠堅(jiān)固才能承受劇烈的振動和沖擊。因?yàn)槊總€(gè)智能手機(jī)、健康手環(huán)等電子設(shè)備都是不同的,所以接收線圈一般都是定制的。
在標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品中,Vishay/Dale的IWAS系列線圈是首款商用的接收線圈,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(dá)10W的功率,整個(gè)線圈有15圈,電感10.7μH,電阻抗183m?,安裝在高導(dǎo)磁屏蔽層上,尺寸大約38x26x1mm。
發(fā)射器與接收器模塊
多家制造商提供的模塊都包含線圈和發(fā)射器或者接收器,圖5展示的是TDK公司推出的WTM505090發(fā)射器模塊,它包含發(fā)射器PCB板卡(集成了前面介紹的東芝TB6865AFG器件)以及發(fā)射線圈。
圖5:WTM505090發(fā)射器模塊包含線圈和發(fā)射器,它符合WPC1.1規(guī)范,采用東芝TB6865無線發(fā)射器
WPT開發(fā)工具
目前有多款開發(fā)套件和工具可幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行無線充電設(shè)計(jì)。IDT公司提供的WP3W-RK參考套件最高支持3W的無線充電功率。該套件包含發(fā)射器和接收器以及三個(gè)不同尺寸的線圈來適應(yīng)不同的功率級別,提供交鑰匙型參考設(shè)計(jì)、模塊布局、BOM等,可幫助快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。
(作者:Paul Pickering 貿(mào)澤電子)
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